DE112019006084T5 - Reduktionsmittel-einspritzvorrichtung, abgasverarbeitungsvorrichtung und abgasverarbeitungsverfahren - Google Patents

Reduktionsmittel-einspritzvorrichtung, abgasverarbeitungsvorrichtung und abgasverarbeitungsverfahren Download PDF

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Katsumi SAIKI
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Abstract

Eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung enthält: eine Wabenstruktur 1, die umfasst: einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt 11 mit einer Trennwand 15, die mehrere Zellen 14 definiert, die sich jeweils von einer Fluideinströmstirnfläche 13a zu einer Fluidausströmstirnfläche 13b erstrecken; und wenigstens ein Paar von Elektrodenabschnitten 12, die konfiguriert sind, den Wabenstrukturabschnitt 11 durch das Leiten eines Stroms zu erwärmen, wobei das Paar von Elektrodenabschnitten 12 auf einer Seitenfläche des Wabenstrukturabschnitts 11 angeordnet ist, wobei die Wabenstruktur 1 so konfiguriert ist, dass sie den Harnstoff in einer wässrigen Harnstofflösung in dem durch Leiten des Stroms erwärmten Wabenstrukturabschnitt 11 zersetzen kann, um Ammoniak zu erzeugen; einen Außenzylinder 2, der konfiguriert ist, die Wabenstruktur 1 aufzunehmen, wobei der Außenzylinder 2 eine Trägergaseinleitungsöffnung 22, die konfiguriert ist, ein Trägergas einzuleiten, auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche 13a aufweist; eine Harnstoffsprühvorrichtung 3, die konfiguriert ist, die wässrige Harnstofflösung auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts zu versprühen, wobei die Harnstoffsprühvorrichtung 3 an einem Ende des Außenzylinders 2 angeordnet ist; einen Trägergaseinleitungszylinder 4, der an der Trägergaseinleitungsöffnung 22 des Außenzylinders 2 vorgesehen ist; und einen Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5, der konfiguriert ist, eine Durchflussmenge des Trägergases zu verstärken, wobei der Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 in dem Trägergaseinleitungszylinder 4 vorgesehen ist.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, eine Abgasverarbeitungsvorrichtung und ein Abgasverarbeitungsverfahren.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Eine Abgasverarbeitungsvorrichtung unter Verwendung eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion von NOx (SCR-Katalysators) ist zum Reinigen von Stickstoffoxiden (NOx) in Abgasen, die von verschiedenen Kraftmaschinen ausgestoßen werden, bekannt (Patentliteratur 1).
  • Die in der Patentliteratur 1 beschriebene Abgasverarbeitungsvorrichtung enthält einen Katalysator (SCR-Katalysator), der an einer Abgasleitung einer Kraftmaschine angebracht ist, und Mittel zum Einspritzen von Harnstoffwasser in die Abgasleitung zwischen der Kraftmaschine und dem Katalysator und enthält außerdem mehrere Harnstoffwasser-Einspritzmittel zum Mischen von Harnstoffwasser mit einem Abgas, zum Reagieren mit spezifischen Komponenten im Abgas durch den Katalysator und zum Mischen des Harnstoffwassers mit dem Abgas.
  • In der in der Patentliteratur 1 beschriebenen Abgasverarbeitungsvorrichtung muss jedoch eine Temperatur des Abgases 200 °C oder höher sein, um den Harnstoff im Harnstoffwasser durch die Wärme des Abgases in Ammoniak zu zersetzen. Wenn die Temperatur des Abgases tiefer ist, gibt es deshalb ein Problem, dass es schwierig ist, dass die Zersetzungsreaktion des Harnstoffs stattfindet und eine für die NOx-Behandlung erforderliche Ammoniakmenge unzureichend ist.
  • Deshalb ist eine Abgasverarbeitungsvorrichtung unter Verwendung einer Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung vorgeschlagen worden, wobei die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung enthält: eine Wabenstruktur (eine Wabenheizvorrichtung) mit einem zylindrischen Wabenstrukturabschnitt und einem Paar von Elektrodenabschnitten, die an einer Seitenfläche des Wabenstrukturabschnitts angeordnet sind; und eine Harnstoffsprühvorrichtung, die konfiguriert ist, eine wässrige Harnstofflösung auf den Wabenstrukturabschnitt zu sprühen (Patentliteratur 2). Die in der Abgasverarbeitungsvorrichtung verwendete Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung kann die wässrige Harnstofflösung auf den Wabenstrukturabschnitt sprühen, der durch Anlegen einer Spannung an die Elektrodenabschnitte elektrisch erwärmt worden ist, und den Harnstoff in der wässrigen Harnstofflösung in der Wabenstruktur zersetzen, um effizient Ammoniak zu erzeugen.
  • Durch das Sprühen der wässrigen Harnstofflösung auf den elektrisch erwärmten Wabenstrukturabschnitt nimmt jedoch eine Temperatur eines Bereichs ab, wo die wässrige Harnstofflösung gesprüht wird, wodurch eine Temperaturunregelmäßigkeit in dem Wabenstrukturabschnitt erzeugt wird. Im Ergebnis besteht die Tendenz, dass Harnstoffablagerungen (durch den Harnstoff verursachte Kristalle) in einem Bereich mit tieferer Temperatur des Wabenstrukturabschnitts erzeugt werden. Die Erzeugung der Harnstoffablagerungen blockiert einen Strömungsweg im Wabenstrukturabschnitt, was die Zersetzung des Harnstoffs in Ammoniak verhindert.
  • Deshalb sind Abgasverarbeitungsvorrichtungen vorgeschlagen worden, die eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung verwenden, die mit einer Trägergaseinleitungsöffnung zwischen der Harnstoffeinspritzdüse und der Wabenstruktur versehen ist, (Patentliteratur 3 und 4). Gemäß der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, die in jeder Abgasverarbeitungsvorrichtung verwendet wird, kann ein Trägergas, das von der Trägergaseinleitungsöffnung eingeleitet wird, die Strömung des Gases in dem Wabenstrukturabschnitt fördern. Selbst wenn die wässrige Harnstofflösung auf den Wabenstrukturabschnitt gesprüht wird, kann deshalb ein Temperaturunterschied im Wabenstrukturabschnitt verringert werden, wodurch die Bildung von Harnstoffablagerungen unterdrückt wird.
  • LISTE DER ENTGEGENHALTUNGEN
  • Patentliteratur
    • [Patentliteratur 1] Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2007-327377 A
    • [Patentliteratur 2] WO 2014/148506
    • [Patentliteratur 3] Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2017-180298 A
    • [Patentliteratur 4] Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2017-180299 A
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Das durch die Erfindung zu lösende Problem
  • Für die in der Patentliteratur 3 beschriebenen Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen kann es jedoch abhängig von den Typen der verwendeten Trägergase und den anzuordnenden Positionen schwierig sein, das Trägergas in die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung einzuleiten. Wenn z. B. ein Gas (Abgas) aus einem Kraftmaschinenabgassystem als das Trägergas verwendet wird, wird ein Druck des Abgases in Abhängigkeit von der Position, an der die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung angeordnet ist, verringert, so dass es schwierig sein kann, das Abgas aus einer Abgasleitung in die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung einzuleiten. Falls insbesondere der Druckverlust der Wabenstruktur größer ist, kann das Abgas überhaupt nicht aus der Abgasleitung in die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung strömen. Eine verringerte Menge des in die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung eingeleiteten Trägergases kann die Strömung des Gases in der Wabenstruktur nicht ausreichend fördern, so dass leicht Harnstoffablagerungen erzeugt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die obigen Probleme zu lösen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung zu schaffen, die Harnstoffablagerungen stabil unterdrücken kann.
  • Es ist außerdem eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasverarbeitungsvorrichtung und ein Abgasverarbeitungsverfahren zu schaffen, die eine erforderliche Menge an Ammoniak von der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung stabil einspritzen können, um NOx zu reinigen.
  • Mittel zum Lösen des Problems
  • Im Ergebnis intensiver Studien, die sich auf ein Verfahren zum Einleiten eines Trägergases in eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung konzentrierten, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass unter Verwendung eines Trägergas-Durchflussmengenverstärkers das Trägergas ungeachtet der verwendeten Typen von Trägergasen stabil in die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung eingeleitet werden kann, wobei sie die vorliegende Erfindung fertiggestellt haben.
  • Folglich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, die umfasst:
    • eine Wabenstruktur, die umfasst:
      • einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt mit einer Trennwand, die mehrere Zellen definiert, die sich jeweils von einer Fluideinströmstirnfläche zu einer Fluidausströmstirnfläche erstrecken; und
      • wenigstens ein Paar von Elektrodenabschnitten, die konfiguriert sind, den Wabenstrukturabschnitt durch das Leiten eines Stroms zu erwärmen, wobei das Paar von Elektrodenabschnitten an einer Seitenfläche des Wabenstrukturabschnitts angeordnet ist, wobei die Wabenstruktur so konfiguriert ist, dass sie Harnstoff in einer wässrigen Harnstofflösung in dem durch das Leiten des Stroms erwärmten Wabenstrukturabschnitt zersetzen kann, um Ammoniak zu erzeugen;
      • einen Außenzylinder, der konfiguriert ist, die Wabenstruktur aufzunehmen, wobei der Außenzylinder eine Trägergaseinleitungsöffnung, die konfiguriert ist, ein Trägergas einzuleiten, auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche aufweist;
      • eine Harnstoffsprühvorrichtung, die konfiguriert ist, die wässrige Harnstofflösung auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche des Wabenstrukturabschnitts zu versprühen, wobei die Harnstoffsprühvorrichtung an einem Ende des Außenzylinders angeordnet ist;
      • einen Trägergaseinleitungszylinder, der an der Trägergaseinleitungsöffnung des Außenzylinders vorgesehen ist; und
      • einen Trägergas-Durchflussmengenverstärker, der konfiguriert ist, eine Durchflussmenge des Trägergases zu verstärken, wobei der Trägergas-Durchflussmengenverstärker in dem Trägergaseinleitungszylinder vorgesehen ist.
  • Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Abgasverarbeitungsvorrichtung, die umfasst:
    • eine Abgasleitung, durch die ein Abgas strömt;
    • die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, die konfiguriert ist, Ammoniak in die Abgasleitung einzuspritzen; und
    • einen SCR-Katalysator, der an dem Abgaszylinder auf einer stromabwärts gelegenen Seite einer Position angeordnet ist, an der das Ammoniak eingespritzt wird.
  • Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Verarbeiten eines Abgases, wobei das Verfahren das Einspritzen von erzeugtem Ammoniak in das Abgas durch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung und das Reduzieren des mit dem Ammoniak vermischten Abgases durch einen SCR-Katalysator umfasst.
  • Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung zu schaffen, die Harnstoffablagerungen stabil unterdrücken kann.
  • Außerdem ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Abgasverarbeitungsvorrichtung und ein Abgasverarbeitungsverfahren zu schaffen, die eine erforderliche Menge Ammoniak von der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung stabil einspritzen können, um das NOx zu reinigen.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 2 ist eine schematische Draufsicht, die eine Fluideinströmstirnfläche einer Wabenstruktur zeigt, die eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung bildet;
    • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht zum Erklären eines Zustands, in dem eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung in einer Abgasleitung vorgesehen ist;
    • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht zum Erklären eines weiteren Zustands, in dem eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung in einer Abgasleitung vorgesehen ist;
    • 5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
    • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Abgasverarbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt; und
    • 7 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Abgasverarbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen einer Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, einer Abgasverarbeitungsvorrichtung und eines Verfahrens zum Verarbeiten eines Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung bezüglich der Zeichnungen spezifisch beschrieben. Es soll erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungsformen eingeschränkt ist, wobei jene mit zu den folgenden Ausführungsformen basierend auf dem Wissen eines Fachmanns auf dem Gebiet geeignet hinzugefügten Änderungen, Verbesserungen und dergleichen, ohne vom Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen. Einige Komponenten können z. B. aus allen in den Ausführungsformen dargelegten Komponenten gelöscht werden, oder es können Komponenten verschiedener Ausführungsformen gegebenenfalls kombiniert werden.
  • <Ausführungsform 1>
  • (1) Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt (eine schematische Querschnittsansicht parallel zu einer Erstreckungsrichtung von Zellen eines Wabenstrukturabschnitts).
  • Wie in 1 gezeigt ist, enthält eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform: eine Wabenstruktur 1; einen Außenzylinder 2; eine Harnstoffsprühvorrichtung 3; einen Trägergaseinleitungszylinder 4; und einen Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5.
  • Die Wabenstruktur 1 enthält: einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt 11 mit einer Trennwand 15, die mehrere Zellen 14 definiert, die sich von einer Fluideinströmstirnfläche 13a zu einer Fluidausströmstirnfläche 13b erstrecken; und wenigstens ein Paar von Elektrodenabschnitten 12, die konfiguriert sind, den Wabenstrukturabschnitt 11 durch das Leiten eines Stroms zu erwärmen, wobei die Elektrodenabschnitte 12 auf einer Seitenfläche des Wabenstrukturabschnitts 11 angeordnet sind. Die Zellen 14 des Wabenstrukturabschnitts 11 bilden einen Strömungsweg.
  • Die „Fluideinströmstirnfläche 13a“, wie sie hier verwendet wird, bedeutet eine Stirnfläche mit einer Fluideinströmöffnung, während die „Fluidausströmstirnfläche 13b“ eine Stirnfläche mit einer Fluidausströmöffnung bedeutet. Ferner bedeutet das „Paar von Elektrodenabschnitten 12“, wie es hier verwendet wird, dass ein Elektrodenabschnitt 12 auf einer gegenüberliegenden Seite des anderen Elektrodenabschnitts 12 über der Mitte des Wabenstrukturabschnitts 11 in einem Querschnitt orthogonal zur Erstreckungsrichtung der Zellen 14 des Wabenstrukturabschnitts 11 angeordnet ist.
  • Der Elektrodenabschnitt 12 ist entlang der Erstreckungsrichtung der Zellen 14 in einer Bandform ausgebildet. Ein Paar von Elektrodenabschnitten 12 ist bevorzugt, wobei aber Paare von Elektrodenabschnitten 12 hinsichtlich der Erhöhung eines Wärmeerzeugungswirkungsgrades des Wabenstrukturabschnitts 11 möglich sind.
  • Der Außenzylinder 2 weist einen einlassseitigen Endabschnitt und einen auslassseitigen Endabschnitt auf und bringt die Wabenstruktur 1 darin unter. Der einlassseitige Endabschnitt, der ein Ende ist, ist mit der Harnstoffsprühvorrichtung 3 versehen, während das auslassseitige Ende, das das andere Ende ist, mit einer Einspritzöffnung 21 zum Einspritzen von Ammoniak versehen ist. Ferner weist der Außenzylinder 2 eine Trägergaseinleitungsöffnung 22 auf, die konfiguriert ist, ein Trägergas auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11, d. h., zwischen der Wabenstruktur 1 und der Harnstoffsprühvorrichtung 3, einzuleiten.
  • Die im Außenzylinder 2 untergebrachte Wabenstruktur 1 ist über einen Isolationshalteabschnitt 23 im Außenzylinder 2 befestigt (gehalten). Dies kann es ermöglichen, dass eine Isolierung zwischen der Wabenstruktur 1 und dem Außenzylinder 2 sichergestellt ist. Es kann einen Abschnitt (Raum) geben, in dem der Isolationshalteabschnitt 23 nicht zwischen der Wabenstruktur 1 und dem Außenzylinder 2 angeordnet ist, wobei aber der gesamte äußere Umfang der Wabenstruktur 1 mit dem Isolationshalteabschnitt 2 bedeckt sein kann. Ein Material des Isolationshalteabschnitts 23 ist nicht besonders eingeschränkt, solange wie es hervorragende Isolationseigenschaften aufweist. Es kann z. B. Aluminiumoxid verwendet werden.
  • Die Harnstoffsprühvorrichtung 3 ist an einem Ende (einlassseitigen Endabschnitt) des Außenzylinders 2 angeordnet und versprüht eine wässrige Harnstofflösung auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11. Die wässrige Harnstofflösung ist ein Ausgangsstoff für Ammoniak, das durch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wird.
  • Der Trägergaseinleitungszylinder 4 ist an der Trägergaseinleitungsöffnung 22 des Außenzylinders 2 vorgesehen. Das andere Ende des Trägergaseinleitungszylinders 4 ist mit einer Zufuhrquelle eines Trägergases verbunden, das in den Trägergaseinleitungszylinder 4 eingeleitet wird.
  • Nicht einschränkende Beispiele des Trägergases, das verwendet werden kann, enthalten Abgase, Einlassgase und Luft von anderen Luftzufuhrvorrichtungen (Kompressoren und dergleichen, die an großen Fahrzeugen und dergleichen angebracht sind). Das Abgas ist bevorzugt. Wenn zusätzlich das Einlassgas (ein Gas aus dem Einlasssystem einer Kraftmaschine) als das Trägergas verwendet wird, ist es bevorzugt, das Einlassgas unter Verwendung von Heizmitteln oder dergleichen vorzuwärmen, da die Temperatur des Einlassgases tiefer ist.
  • Der Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 weist eine Funktion des Verstärkens einer Durchflussmenge des Trägergases auf und ist in dem Trägergaseinleitungszylinder 4 vorgesehen.
  • In der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die die obige Struktur aufweist, wird der Harnstoff in der wässrigen Harnstofflösung, die von der Harnstoffsprühvorrichtung 3 versprüht wird, in dem Wabenstrukturabschnitt 11, der durch das Leiten des Stroms erwärmt wird, zersetzt, um Ammoniak (ein Reduktionsmittel) zu erzeugen, wobei das Ammoniak über die Einspritzöffnung 21 nach außen eingespritzt wird. In diesem Fall kann die Einleitung des Trägergases in die Seite der Fluideinströmstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 die Strömung des Gases von der Fluideinströmstirnfläche 13a zur Seite der Fluidausströmstirnfläche 13b im Wabenstrukturabschnitt 11 erzeugen. Ferner kann es abhängig von den Typen der verwendeten Trägergase schwierig sein, das Trägergas in die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 einzuleiten. Weil jedoch der Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 im Trägergaseinleitungszylinder 4 vorgesehen ist, kann das Trägergas stabil in die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 eingeleitet werden. Deshalb ist es schwierig, dass die Wärme und die wässrige Harnstofflösung in dem Wabenstrukturabschnitt 11 stocken, wodurch Harnstoffablagerungen stabil unterdrückt werden können.
  • Im Folgenden wird die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform für jede Komponente ausführlich beschrieben.
  • (1-1) Wabenstruktur 1
  • Die Wabenstruktur 1 enthält den Wabenstrukturabschnitt 11 und die Elektrodenabschnitte 12.
  • Die Trennwand 15, die den Wabenstrukturabschnitt 11 bildet, kann vorzugsweise aus Keramik hergestellt sein, wobei sie nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Insbesondere enthält die Trennwand 15 vorzugsweise ein Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial oder Siliciumcarbid als eine Hauptkomponente und bevorzugter ein Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial als eine Hauptkomponente. Die Verwendung eines derartigen Materials kann es ermöglichen, dass der spezifische elektrische Widerstand des Wabenstrukturabschnitts 11 durch das Ändern eines Verhältnisses von Siliciumcarbid und Silicium einfach auf irgendeinen Wert eingestellt wird.
  • Das „Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial“ als die Hauptkomponente, wie es hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das Siliciumcarbidteilchen als ein Aggregat und metallisches Silicium als ein Bindematerial zum Binden der Siliciumcarbidteilchen enthält. In dem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial ist es bevorzugt, dass mehrere Siliciumcarbidteilchen durch metallisches Silicium gebunden sind. Ferner bedeutet das „Siliciumcarbid“ als die Hauptkomponente ein Material, das durch Sintern von Siliciumcarbidteilchen gebildet wird. Weiterhin bedeutet die „Hauptkomponente“, wie sie hier verwendet wird, eine Komponente, die in einer Menge von 90 Massen-% oder mehr enthalten ist.
  • Der Wabenstrukturabschnitt 11 weist vorzugsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,01 bis 500 Ωcm und bevorzugter von 0,1 bis 200 Ωc auf, obwohl er nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Die Steuerung des spezifischen elektrischen Widerstandes auf ein derartiges Niveau kann den Wabenstrukturabschnitt 11 durch das Anlegen einer Spannung an wenigstens ein Paar von Elektrodenabschnitten 12 effektiv erwärmen. Um insbesondere den Wabenstrukturabschnitt 11 auf 160 bis 600 °C unter Verwendung einer Leistungsquelle mit einer Spannung von 12 bis 200 V zu erwärmen, befindet sich der spezifische elektrische Widerstand vorzugsweise in dem obigen Bereich.
  • Der spezifische elektrische Widerstand des Wabenstrukturabschnitts 11 ist ein Wert bei 25 °C. Der spezifische elektrische Widerstand des Wabenstrukturabschnitts 11 ist ein Wert, der durch ein Vier-Anschluss-Verfahren gemessen wird.
  • Der Wabenstrukturabschnitt 11 weist vorzugsweise einen Flächeninhalt pro Einheitsvolumen von 5 cm2/cm3 oder größer und bevorzugter von 8 bis 45 cm2/cm3 und besonders bevorzugt von 20 bis 40 cm2/cm3 auf. Der Flächeninhalt von 5 cm2/cm3 oder größer kann ermöglichen, dass eine ausreichende Kontaktfläche mit der wässrigen Harnstofflösung sichergestellt ist, wodurch eine Behandlungsrate der wässrigen Harnstofflösung, d. h., eine erzeugte Ammoniakmenge (eine Erzeugungsrate), geeignet gesteuert wird.
  • Der Flächeninhalt des Wabenstrukturabschnitts 11 ist eine Fläche der Oberflächen der Trennwand 15 des Wabenstrukturabschnitts 11.
  • Die Trennwand 15 des Wabenstrukturabschnitts 11 weist vorzugsweise eine Dicke von 0,06 bis 1,5 mm und bevorzugter von 0,10 bis 0,80 mm auf. Die Dicke der Trennwand 15 von 1,5 mm oder kleiner kann einen Druckverlust verringern, wodurch die Behandlungsrate der wässrigen Harnstofflösung, d. h., die Menge des erzeugten Ammoniaks (Erzeugungsrate), geeignet gesteuert wird. Die Dicke der Trennwand 15 von 0,06 mm oder größer kann verhindern, dass der Wabenstrukturabschnitt 11 durch einen Wärmeschock zerstört wird, der durch Erwärmung durch elektrische Leitung verursacht wird.
  • Wenn die Form jeder Zelle 14 (die Form des Querschnitts orthogonal zur Erstreckungsrichtung der Zelle 14) kreisförmig ist, wie in 2 gezeigt ist, bedeutet die Dicke der Trennwand 15 eine Dicke eines Abschnitts, in dem „ein Abstand zwischen den Zellen 14 der kürzeste ist (ein Abschnitt, in dem die Dicke der Trennwand 15 geringer ist)“.
  • Die Zellen 14 weisen vorzugsweise eine Dichte von 7 bis 140 Zellen/cm2 und bevorzugter von 15 bis 120 Zellen/cm2 auf. Die Dichte der Zellen 14 von 7 Zellen/cm2 oder mehr kann ermöglichen, dass eine ausreichende Kontaktfläche mit der wässrigen Harnstofflösung sichergestellt ist, wodurch die Behandlungsrate der wässrigen Harnstofflösung, d. h., die Menge des erzeugten Ammoniaks (Erzeugungsrate), geeignet gesteuert wird. Die Dichte der Zellen 14 von 140 Zellen/cm2 oder weniger kann den Druckverlust verringern, wodurch die Behandlungsrate der wässrigen Harnstofflösung, d. h., die Menge des erzeugten Ammoniaks (Erzeugungsrate), geeignet gesteuert wird.
  • Der Wabenstrukturabschnitt 11 kann einige Zellen 14 aufweisen, die mit Abdichtabschnitten an dem Endabschnitt auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche 13a versehen sind. Das Material der Abdichtabschnitte ist vorzugsweise das gleiche wie das der Trennwand 15, wobei aber andere Materialien verwendet werden können.
  • Eine Form der Fluideinströmstirnfläche 13a kann zusätzlich zu der in 2 gezeigten quadratischen Form verschiedene Formen aufweisen, wie z. B. ein Rechteck oder andere Polygone, einen Kreis und eine Ellipse. Ferner ist die Form der Fluideinströmstirnfläche 13a die gleiche wie die der Fluidausströmstirnfläche 13b und vorzugsweise wie die Form des Querschnitts orthogonal zur Erstreckungsrichtung der Zellen 14.
  • Die Größe des Wabenstrukturabschnitts 11 ist so, dass die Flächen der Fluideinströmstirnfläche 13a und der Fluidausströmstirnfläche 13b jeweils von 50 bis 10000 mm2 und bevorzugter von 100 bis 8000 mm2 betragen.
  • Die Form jeder Zelle 14 im Querschnitt orthogonal zur Erstreckungsrichtung der Zelle 14 ist zusätzlich zu der in 2 gezeigten Kreisform vorzugsweise eine Ellipse, ein Viereck, ein Sechseck, ein Achteck oder eine Kombination daraus. Eine derartige Form kann den Druckverlust verringern, wenn das Abgas durch den Wabenstrukturabschnitt 11 geleitet wird, wodurch der Harnstoff in der wässrigen Harnstofflösung effizient zersetzt wird.
  • Jeder Elektrodenabschnitt 12 ist in einer Bandform entlang der Erstreckungsrichtung der Zellen 14 ausgebildet, kann aber in einer breiteren Breite ausgebildet sein, die sich in der Umfangsrichtung des Wabenstrukturabschnitts 11 erstreckt. Ferner ist im Querschnitt orthogonal zur Erstreckungsrichtung der Zellen 14 ein Elektrodenabschnitt 12 auf der gegenüberliegenden Seite des anderen Elektrodenabschnitts 12 angeordnet, wobei die Mitte des Wabenstrukturabschnitts 11 dazwischen angeordnet ist. Eine derartige Konfiguration kann es ermöglichen, dass irgendeine Vorspannung des in dem Wabenstrukturabschnitt 11 fließenden Stroms unterdrückt wird, wenn die Spannung zwischen dem Paar von Elektrodenabschnitten 12 angelegt ist, so dass die Vorspannung der Wärmeerzeugung in dem Wabenstrukturabschnitt 11 unterdrückt werden kann.
  • Ferner erwärmt das Anlegen der Spannung an die Elektrodenabschnitte 12 vorzugsweise den Wabenstrukturabschnitt 11, so dass die Temperatur der Fluideinströmstirnfläche 13a 900 °C oder kleiner ist. Die Temperatur des Wabenstrukturabschnitts 11 kann durch das direkte Vorsehen von Temperaturmessmitteln am Wabenstrukturabschnitt 11 direkt gesteuert sein. Alternativ ist es außerdem möglich, die Temperatur des Wabenstrukturabschnitts 11 aus einer Temperatur des Trägergases, einer Durchflussmenge des Trägergases und der Menge der versprühten wässrigen Harnstofflösung zu schätzen und zu steuern. Ferner kann, falls die Betriebsbedingungen des Motors abgebildet werden, die Abbildung durch die Messung der Temperatur des Trägergases und der Durchflussmenge des Trägergases ersetzt werden.
  • Das Material der Elektrodenabschnitte 12 ist vorzugsweise das gleiche wie die Hauptkomponente der Trennwand 15 des Wabenstrukturabschnitts 11, obwohl es nicht besonders darauf eingeschränkt ist.
  • Die Elektrodenabschnitte 12 weisen vorzugsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,0001 bis 100 Ωcm und bevorzugter von 0,001 bis 50 Ωcm auf. Der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenabschnitte 12 in einem derartigen Bereich kann es ermöglichen, dass das Paar von Elektrodenabschnitten 12 effektiv die Rolle von Elektroden in einer Abgasleitung spielt, durch die ein Abgas mit erhöhter Temperatur strömt. Der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenabschnitte 12 ist vorzugsweise geringer als der des Wabenstrukturabschnitts 11.
  • Der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenabschnitte 12 ist ein Wert bei 400 °C. Der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenabschnitte 12 ist ein Wert, der durch das Vier-Anschluss-Verfahren gemessen wird.
  • Das Paar von Elektrodenabschnitten 12 kann mit Elektrodenanschluss-Vorsprungabschnitten 16 zum Anschließen von elektrischen Verdrahtungen 18 von außen versehen sein. Das Material der Elektrodenanschluss-Vorsprungabschnitte 16 kann eine leitfähige Keramik oder ein Metall sein. Ferner ist das Material der Elektrodenanschluss-Vorsprungabschnitte 16 vorzugsweise das gleiche wie das der Elektrodenabschnitte 12. Ferner ist es bevorzugt, dass jeder Elektrodenanschluss-Vorsprungabschnitt 16 und ein Verbinder 17 des Außenzylinders 2 durch die elektrische Verdrahtung 18 verbunden sind.
  • Der Wabenstrukturabschnitt 11 kann mit einem Harnstoffhydrolysekatalysator versehen sein. Unter Verwendung des Harnstoffhydrolysekatalysators kann Ammoniak effizient aus Harnstoff hergestellt werden. Beispiele des Harnstoffhydrolysekatalysators enthalten Titanoxid und dergleichen.
  • (1-2) Außenzylinder 2
  • Der Außenzylinder 2 ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl oder dergleichen hergestellt, obwohl er nicht besonders darauf eingeschränkt ist.
  • Um den Außenzylinder 2 an die Wabenstruktur 1 anzupassen, weist der Außenzylinder 2 im Querschnitt orthogonal zur Erstreckungsrichtung der Zellen 14 vorzugsweise den gleiche Typ der Form wie die des Wabenstrukturabschnitts 11 auf. Wie „der gleiche Typ der Form“ hier verwendet wird, bedeutet, dass, wenn die Form des Außenzylinders 2 quadratisch ist, die Form des Wabenstrukturabschnitts 11 außerdem quadratisch ist, während, wenn die Form des Außenzylinders 2 rechteckig ist, die Form des Wabenstrukturabschnitts 11 außerdem rechteckig ist. Wenn z. B. die Formen des Außenzylinders 2 und des Wabenstrukturabschnitts 11 vom gleichen Typ sind und ihre Formen rechteckig sind, ist es nicht notwendig, dass beide das gleiche Verhältnis der Länge zur Breite aufweisen.
  • (1-3) Harnstoffsprühvorrichtung 3
  • Der Typ der Harnstoffsprühvorrichtung 3 ist nicht besonders eingeschränkt, solange wie sie die wässrige Harnstofflösung versprühen kann. Er ist bevorzugt ein Solenoid-Typ, ein Ultraschalltyp, ein Typ eines piezoelektrischen Aktuators oder ein Zerstäubertyp. Unter Verwendung dieser kann die wässrige Harnstofflösung leicht in Form von Nebeln versprüht werden. Ferner kann unter diesen die Verwendung des Solenoid-Typs, des Ultraschalltyps oder des Typs eines piezoelektrischen Aktuators ermöglichen, dass die wässrige Harnstofflösung in der Form von Nebeln versprüht werden, ohne Luft zu verwenden. Dies kann die Notwendigkeit eliminieren, die zum Versprühen der wässrigen Harnstofflösung verwendete Luft zu erwärmen, wodurch eine Menge der zu erwärmenden Energie verringert werden kann. Weil das Einspritzvolumen verringert wird, indem die zum Sprühen verwendete Luft nicht verwendet wird, kann ferner die Geschwindigkeit, mit der die wässrige Harnstofflösung in Form von Nebeln durch den Wabenstrukturabschnitt 11 hindurchgeht, verringert werden, was zu einer verlängerten Reaktionszeit führt, die für die Zersetzung erforderlich ist. Die Größe (der Durchmesser) jedes Tröpfchens der von der Harnstoffsprühvorrichtung 3 versprühten wässrigen Harnstofflösung ist vorzugsweise 0,3 mm oder kleiner. Falls die Größe des Tröpfchens größer als 0,3 mm ist, kann es schwierig sein, es zu verdampfen, wenn es im Wabenstrukturabschnitt 11 erwärmt wird.
  • Hier ist die Harnstoffsprühvorrichtung 3 vom Solenoid-Typ eine Vorrichtung, die die wässrige Harnstofflösung durch das Schwingen des Solenoids oder durch das Hin- und Herbewegen eines Kolbens durch ein elektrisches Feld unter Verwendung des Solenoids versprüht. Ferner ist die Harnstoffsprühvorrichtung 3 vom Ultraschalltyp eine Vorrichtung, die die wässrige Harnstofflösung in Form von Nebeln durch eine Ultraschallschwingung versprüht. Weiterhin ist die Harnstoffsprühvorrichtung 3 des Typs eines piezoelektrischen Aktuators eine Vorrichtung, die die wässrige Harnstofflösung in Form von Nebeln durch eine Schwingung eines piezoelektrischen Elements versprüht. Überdies ist die Harnstoffsprühvorrichtung 3 vom Zerstäubertyp z. B. eine Vorrichtung, die die Lösung durch das Ansaugen der Lösung mit einem Rohr und das Abblasen der angesaugten Lösung bis zu einer Spitze des Rohrs in der Form von Nebeln unter Verwendung von Luft versprüht. Die Harnstoffsprühvorrichtung 3 vom Zerstäubertyp kann eine Vorrichtung sein, in der mehrere kleine Öffnungen an der Spitze der Düse ausgebildet sind und die Lösung in Form von Nebeln aus den Öffnungen versprüht wird.
  • Bei der Harnstoffsprühvorrichtung 3 ist die Sprührichtung (die Richtung, in der die Tröpfchen ausgestoßen werden) der wässrigen Harnstofflösung vorzugsweise zu der Seite der Fluideinströmstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 gerichtet, um das Versprühen der wässrigen Harnstofflösung auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 zu fördern.
  • (1-4) Trägergaseinleitungszylinder 4
  • Der Trägergaseinleitungszylinder 4 kann aus irgendeinem Material hergestellt sein, das rostfreien Stahl und dergleichen enthält, aber nicht besonders darauf eingeschränkt ist.
  • Eine Form des Trägergaseinleitungszylinders 4 ist nicht besonders eingeschränkt. Es ist bevorzugt, dass die Querschnittsform vom gleichen Typ wie der des im Außenzylinder 2 ausgebildeten Trägergaseinleitungszylinders 2 ist. Eine derartige Form kann die Verbindung des Trägergaseinleitungszylinders 4 mit der Trägergaseinleitungsöffnung 22 fördern.
  • Wenn das Abgas als das Trägergas verwendet wird, wie in 3 gezeigt ist, ist es bevorzugt, dass der Trägergaseinleitungszylinder 4 von einer Abgasleitung 61 abzweigt, durch die das Abgas strömt. Bei einer derartigen Konfiguration kann ein Teil des Abgases, das durch die Abgasleitung 61 strömt, leicht in den Trägergaseinleitungszylinder 4 geführt werden.
  • Ferner zweigt der Trägergaseinleitungszylinder 4 vorzugsweise von der Abgasleitung 61 auf der stromabwärts gelegenen Seite der Position ab, an der das in der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 erzeugte Ammoniak eingespritzt wird, wie in 4 gezeigt ist. Bei einer derartigen Konfiguration kann das in der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 erwärmte Trägergas abermals in die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 aufgenommen werden, so dass die Wirkung der Unterdrückung der Harnstoffablagerungen verbessert wird. Wenn das Trägergas von der stromabwärts gelegenen Seite der Position, an der das in der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 erzeugte Ammoniak eingespritzt wird, aufgenommen wird, kann das Trägergas das Ammoniak enthalten, wobei aber das Ammoniak im Trägergas direkt durch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 geht, so dass die Funktion der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 nicht beeinflusst ist.
  • (1-5) Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5
  • Der Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 ist nicht besonders eingeschränkt, wobei verschiedene Durchflussmengenverstärker, wie z. B. ein Coanda-Durchflussmengenverstärker, der einen Coanda-Effekt und einen Ejektor benutzt, verwendet werden können. Derartige Durchflussmengenverstärker sind kommerziell verfügbar, wobei z. B. Air Saver von TOHIN Co., Ltd, AIR-X von TOEI KAISHA, LTD., ein Transvektor und ein Schwimmer-Transvektor von KOGI CORPORATION verwendet werden können. Der Coanda-Durchflussmengenverstärker kann z. B. durch das Einleiten der Außenluft von einer Außenlufteinleitungsöffnung 51 eine Durchflussmenge des Trägergases um das 20-fache oder mehr einer Außenluft verstärken.
  • Wenn das Abgas als das Trägergas verwendet wird, verstärkt der Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 vorzugsweise das aus der Abgasleitung in den Trägergaseinleitungszylinder 4 strömende Abgas auf eine Durchflussmenge des 1,1-fachen oder mehr. Die Obergrenze des Verstärkungsfaktors der Durchflussmenge ist nicht besonders eingeschränkt, wobei sie aber vorzugsweise das 1,8-fache und bevorzugter das 1,6-fache sein kann. Die Verstärkung auf eine derartige Durchflussmenge kann es ermöglichen, dass das Trägergas ausreichend in die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 eingeleitet wird.
  • Als Nächstes wird das Verfahren zum Herstellen der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausführlich beschrieben.
  • (2) Verfahren zum Herstellen der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100
  • (2-1) Herstellung der Wabenstruktur 1
  • Wenn die Wabenstruktur 1 aus Keramik hergestellt ist, ist das Verfahren zum Herstellen der Wabenstruktur 1 vorzugsweise wie folgt:
    • Das Verfahren zum Herstellen der Wabenstruktur 1 enthält: einen Herstellungsschritt eines Wabenformlings; einen Herstellungsschritt eines getrockneten Wabenkörpers; einen Herstellungsschritt eines Wabenkörpers mit ungebrannten Elektroden und einen Herstellungsschritt einer Wabenstruktur.
  • (Herstellungsschritt eines Wabenformlings)
  • Der Schritt eines Wabenformlings enthält vorzugsweise das Extrudieren eines Formungsausgangsstoffs, um einen Wabenformling herzustellen. Der Formungsausgangsstoff enthält vorzugsweise einen Keramikausgangsstoff und ein organisches Bindemittel. Zusätzlich zu dem Keramikausgangsstoff und dem organischen Bindemittel kann der Formungsausgangsstoff ferner einen oberflächenaktiven Stoff, ein Sinterhilfsmittel, einen Porenbildner, Wasser und dergleichen enthalten. Der Formungsausgangsstoff kann durch Mischen dieser Ausgangsstoffe erhalten werden.
  • Der Keramikausgangsstoff im Formungsausgangsstoff ist eine „Keramik“ oder „ein Ausgangsstoff, der durch Brennen eine Keramik bildet“. In jedem Fall bildet der Keramikausgangsstoff nach dem Brennen eine Keramik. Der Keramikausgangsstoff im Formungsausgangsstoff enthält vorzugsweise metallisches Silicium und Siliciumcarbidteilchen (Siliciumcarbidpulver) als die Hauptkomponenten oder Siliciumcarbidteilchen (Siliciumcarbidpulver) als eine Hauptkomponente. Dies kann die resultierende Wabenstruktur 1 mit Leitfähigkeit versehen. Das metallische Silicium besteht außerdem vorzugsweise aus metallischen Siliciumteilchen (metallischem Siliciumpulver). Die Formulierung „enthält metallisches Silicium und Siliciumcarbidteilchen als die Hauptkomponenten“ bedeutet, dass die Gesamtmasse des metallischen Siliciums und der Siliciumcarbidteilchen 90 Massen-% oder mehr des Ganzen (Keramikausgangsstoffs) beträgt. Beispiele anderer Komponenten als die Hauptkomponenten, die im Keramikausgangsstoff enthalten sind, enthalten SiO2, SrCO3, Al2O3, MgCO3 und Cordierit.
  • Wenn das Siliciumcarbid als die Hauptkomponente des Keramikausgangsstoffs verwendet wird, wird das Siliciumcarbid durch Brennen gesintert. Wenn das metallische Silicium und die Siliciumcarbidteilchen als die Hauptkomponenten des Keramikausgangsstoffs verwendet werden, werden die Siliciumcarbidteilchen als ein Aggregat mit dem metallischen Silicium als ein Bindemittel durch Brennen aneinandergebunden.
  • Wenn die Siliciumcarbidteilchen (das Siliciumcarbidpulver) und die Metallsiliciumteilchen (das Metallsiliciumpulver) als die Keramikausgangsstoffe verwendet werden, beträgt die Masse der Metallsiliciumteilchen basierend auf der Gesamtmasse der Siliciumcarbidteilchen und der Metallsiliciumteilchen vorzugsweise 10 bis 40 Massen-%. Die Siliciumcarbidteilchen weisen vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße von 10 bis 50 µm und bevorzugter von 15 bis 35 µm auf. Die metallischen Siliciumteilchen weisen vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,1 bis 20 µm und bevorzugter von 1 bis 10 µm auf. Die durchschnittliche Teilchengröße jedes der Siliciumcarbidteilchen und der Metallsiliciumteilchen ist ein durch ein Laserbeugungsverfahren gemessener Wert.
  • Die Beispiele des organischen Bindemittels enthalten Methylcellulose, Glycerin und Hydroxypropylmethylcellulose. Als das organische Bindemittel kann ein Typ von organischem Bindemittel verwendet werden oder können mehrere Typen von organischen Bindemitteln verwendet werden. Eine Menge des beigemischten organischen Bindemittels beträgt vorzugsweise 5 bis 10 Massenanteile, wenn die Gesamtmasse der Keramikausgangsstoffe 100 Massenanteile beträgt.
  • Als der oberflächenaktive Stoff können Ethylenglykol, Dextrin und dergleichen verwendet werden. Als der oberflächenaktive Stoff kann ein Typ eines oberflächenaktiven Stoffs verwendet werden oder es können mehrere Typen von oberflächenaktiven Stoffen verwendet werden. Eine Menge des beigemischten oberflächenaktiven Stoffs beträgt vorzugsweise 0,1 bis 2,0 Massenanteile, wenn die Gesamtmasse der Keramikausgangsstoffe 100 Massenanteile beträgt.
  • Das Sinterhilfsmittel, das verwendet werden kann, enthält SiO2, SrCO3, Al2O3, MgCO3, Cordierit und dergleichen. Als das Sinterhilfsmittel kann ein Typ von Sinterhilfsmittel verwendet werden oder es können mehrere Typen von Sinterhilfsmitteln verwendet werden. Die Menge des beigemischten Sinterhilfsmittels beträgt vorzugsweise 0,1 bis 3 Massenanteile, wenn die Gesamtmasse der Keramikausgangsstoffe 100 Massenanteile beträgt.
  • Der Porenbildner ist nicht besonders eingeschränkt, solange wie er nach dem Brennen Poren bildet. Die Beispiele enthalten Graphit, Stärke, geschäumte Harze, wasserabsorbierende Harze und Kieselgel. Als der Porenbildner kann ein Typ von Porenbildner verwendet werden oder es können mehrere Typen von Porenbildnern verwendet werden. Die Menge des beigemischten Porenbildners beträgt vorzugsweise 0,5 bis 10 Massenanteile, wenn die Gesamtmasse der Keramikausgangsstoffe 100 Massenanteile beträgt.
  • Eine Menge des beigemischten Wassers beträgt vorzugsweise 20 bis 60 Massenanteile, wenn die Gesamtmasse der Keramikausgangsstoffe 100 Massenanteile beträgt.
  • Wenn der Formungsausgangsstoff extrudiert wird, wird der Formungsausgangsstoff zuerst geknetet, um einen Grünling zu bilden. Der Grünling wird dann extrudiert, um ein Wabenformprodukt zu erhalten. Der Wabenformling weist eine poröse Trennwand 15 auf, die die Zellen 14 definiert, die sich jeweils von der Fluideinströmstirnfläche 13a zur Fluidausströmungsstirnfläche 13b erstrecken. Die Trennwand 15 des Wabenformlings ist eine nicht getrocknete und nicht gebrannte Trennwand 15.
  • (Herstellungsschritt eines getrockneten Wabenkörpers)
  • Im Schritt eines getrockneten Wabenkörpers wird zuerst der resultierende Wabenformling getrocknet, um einen getrockneten Wabenkörper herzustellen. Die Trocknungsbedingungen sind nicht besonders eingeschränkt, wobei bekannte Bedingungen verwendet werden können. Es ist z. B. bevorzugt, den Wabenformling während 0,5 bis 5 Stunden bei einer Temperatur von 80 bis 120 °C zu trocknen.
  • (Herstellungsschritt eines Wabenkörpers mit ungebrannten Elektroden)
  • Bei dem Herstellungsschritt eines Wabenkörpers mit ungebrannten Elektroden wird zuerst ein Elektrodenformungsbrei, der den Keramikausgangsstoff und Wasser enthält, auf die Seitenfläche des getrockneten Wabenkörpers aufgetragen. Der Elektrodenformungsbrei wird dann getrocknet, um ungebrannte Elektroden zu bilden und einen Wabenkörper mit ungebrannten Elektroden herzustellen.
  • Für den Wabenkörper mit ungebrannten Elektroden wird der getrocknete Wabenkörper vorzugsweise mit breiten rechteckigen ungebrannten Elektroden versehen, die sich jeweils in einer Bandform in der Erstreckungsrichtung der Zellen 14 erstrecken und sich außerdem in einer Umfangsrichtung ausbreiten. Die Umfangsrichtung bezieht sich auf eine Richtung entlang der Seitenfläche des getrockneten Wabenkörpers im Querschnitt orthogonal zur Erstreckungsrichtung der Zellen 14.
  • Der im Herstellungsschritt des Wabenkörpers mit ungebrannten Elektroden verwendete Elektrodenbildungsbrei enthält einen Keramikausgangsstoff und Wasser. Der Elektrodenbildungsbrei kann einen oberflächenaktiven Stoff, einen Porenbildner, Wasser und dergleichen enthalten.
  • Es ist bevorzugt, als den Keramikausgangsstoff den Keramikausgangsstoff zu verwenden, der beim Herstellen des Wabenformlings verwendet wird. Wenn z. B. die Hauptkomponenten des Keramikausgangsstoffs, der beim Herstellen des Wabenformlings verwendet wird, die Siliciumcarbidteilchen und das metallische Silicium sind, können die Siliciumcarbidteilchen und das metallische Silicium außerdem als die Keramikausgangsstoffe des Elektrodenbildungsbreis verwendet werden.
  • Ein Verfahren zum Auftragen des Elektrodenbildungsbreis auf die Seitenfläche des getrockneten Wabenkörpers ist nicht besonders eingeschränkt. Der Elektrodenbildungsbrei kann z. B. unter Verwendung einer Bürste oder unter Verwendung einer Drucktechnik aufgetragen werden.
  • Der Elektrodenbildungsbrei weist vorzugsweise eine Viskosität von 500 Pa·s oder kleiner und bevorzugter von 10 bis 200 Pa·s bei 20 °C auf. Die Viskosität des Elektrodenbildungsbreis von 500 Pa·s oder kleiner kann zu einem einfachen Auftragen des Elektrodenbildungsbreis auf die Seitenfläche des getrockneten Wabenkörpers führen.
  • Nach dem Auftragen des Elektrodenbildungsbreis auf den getrockneten Wabenkörper kann der Elektrodenbildungsbrei getrocknet werden, um ungebrannte Elektroden (den Wabenkörper mit ungebrannten Elektroden) zu erhalten. Die Trocknungstemperatur reicht vorzugsweise von 80 bis 120 °C. Die Trocknungszeit reicht vorzugsweise von 0,1 bis 5 Stunden.
  • (Herstellungsschritt der Wabenstruktur)
  • Bei dem Herstellungsschritt einer Wabenstruktur wird der Wabenkörper mit den ungebrannten Elektroden gebrannt, um die Wabenstruktur 1 herzustellen.
  • Die Brennbedingungen können gemäß den Typen des Keramikausgangsstoffs, der bei der Herstellung des Wabenformlings verwendet wird, und des Keramikausgangsstoffs, der in dem Elektrodenbildungsbrei verwendet wird, geeignet bestimmt werden.
  • Ferner wird vorzugsweise eine Kalzinierung nach dem Trocknen des Wabenformlings mit den ungebrannten Elektroden und vor dem Brennen ausgeführt, um das Bindemittel und dergleichen zu entfernen. Die Kalzinierung wird vorzugsweise in einer Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 400 bis 500 °C während 0,5 bis 20 Stunden ausgeführt.
  • Wenn der Harnstoffhydrolysekatalysator 40 auf der Wabenstruktur 1 getragen ist, kann die Wabenstruktur 1 z. B. in einen Behälter eingetaucht werden, in dem ein Brei des Harnstoffhydrolysekatalysators 40 gelagert ist. Durch Einstellen einer Viskosität des Breis des Harnstoffhydrolysekatalysators 40, einer Teilchengröße des enthaltenen Harnstoffhydrolysekatalysators 40 und dergleichen kann sowohl der Katalysator nicht nur auf den Oberflächen der Trennwand 15, sondern außerdem in den Poren der Trennwand 15 getragen werden als auch außerdem eine Menge des zu tragenden Katalysators eingestellt werden. Ferner kann die Menge des zu tragenden Katalysators außerdem durch mehrmaliges Ansaugen des Breis eingestellt werden.
  • (2-2) Herstellung der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100
  • Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 kann hergestellt werden, indem die Wabenstruktur 1 in den Außenzylinder 2 eingesetzt wird, die Wabenstruktur 1 über den Isolationshalteabschnitt 23 in dem Außenzylinder 2 befestigt wird und die Harnstoffsprühvorrichtung 3 an einem Ende (einlassseitigen Endabschnitt) des Außenzylinders 2 angeordnet wird und dann jeder der Verbinder 17 des Außenzylinders 2 mit jedem der Elektrodenanschluss-Vorsprungabschnitte 16, die an dem Paar von Elektrodenabschnitten 12 angeordnet sind, über die elektrische Verdrahtung 18 verbunden wird und dann der Trägergaseinleitungszylinder 4 mit der Trägergaseinleitungsöffnung 22 des Außenzylinders 2 verbunden wird und der Trägergaseinleitungszylinder 4 mit dem Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 versehen wird.
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zur Verwendung der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform ausführlich beschrieben.
  • (3) Verfahren zur Verwendung der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100
  • Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform führt die wässrige Harnstofflösung als einen Ausgangsstoff zu, wodurch der Harnstoff in der wässrigen Harnstofflösung zersetzt wird, um Ammoniak zu erzeugen, und das erzeugte Ammoniak nach außen eingespritzt wird. Spezifischer wird der Strom durch den Wabenstrukturabschnitt 11 geleitet, um die Temperatur zu erhöhen (Erwärmung), wird die wässrige Harnstofflösung der Harnstoffsprühvorrichtung 3 zugeführt und wird die wässrige Harnstofflösung aus der Harnstoffsprühvorrichtung 3 in Richtung der Seite der Fluideinströmstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 gesprüht. In diesem Fall wird durch das Einleiten des Trägergases mit einer verstärkten Durchflussmenge durch den Trägergas Durchflussmengenverstärker 5 über die Trägergaseinleitungsöffnung 22 zur Seite der Fluideinströmstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 die Strömung der wässrigen Harnstofflösung gefördert, um zu verhindern, dass die wässrige Harnstofflösung in dem Wabenstrukturabschnitt 11 stockt. Die aus der Harnstoffsprühvorrichtung 3 versprühte wässrige Harnstofflösung wird durch den Wabenstrukturabschnitt 11 erwärmt und verdampft. Aufgrund des erhöhten Drucks im Bereich zwischen dem Wabenstrukturabschnitt 11 und der Harnstoffsprühvorrichtung 3, der durch die Verdampfung der wässrigen Harnstofflösung verursacht wird, und aufgrund der Strömung des Trägergases tritt die von der Harnstoffsprühvorrichtung 3 versprühte wässrige Harnstofflösung von der Fluideinströmstirnfläche 13a in die Zellen 14 des Wabenstrukturabschnitts 11 ein. Der Harnstoff in der in die Zellen 14 zugeführten wässrigen Harnstofflösung wird durch die Temperatur des erwärmten Wabenstrukturabschnitts 11 zersetzt, um das Ammoniak zu erzeugen.
  • Die Durchflussmenge des Trägergases nach der Verstärkung durch den Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 kann vorzugsweise von 1 bis 200 l/min und bevorzugter von 2 bis 50 l/min betragen, obwohl sie nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Eine derartige Durchflussmenge kann zu einer effizienten Einleitung des Trägergases in den Wabenstrukturabschnitt 11 führen.
  • Die Menge der zugeführten wässrigen Harnstofflösung ist nicht besonders eingeschränkt, wobei sie vorzugsweise von 1,0 bis 2,0 in einem Äquivalenzverhältnis zur Menge der im Abgas enthaltenen Stickstoffoxide (NOx) betragen kann. Falls das Äquivalenzverhältnis kleiner als 1,0 ist, kann die Menge der ohne Reinigung ausgestoßenen Stickstoffoxide zunehmen. Falls jedoch der SCR-Katalysator mit einer NOx-Speicherfunktion versehen ist, kann es einen Zeitraum geben, während dessen das Äquivalenzverhältnis kleiner als 1,0 ist. Falls das Äquivalenzverhältnis größer als 2,0 ist, gibt es ein Risiko, dass das Abgas wahrscheinlich mit dem in das Abgas gemischten Ammoniak ausgestoßen wird.
  • Die wässrige Harnstofflösung ist vorzugsweise eine wässrige Lösung, die von 10 bis 40 Massen-% Harnstoff enthält, obwohl sie nicht besonders darauf eingeschränkt ist. Falls der Harnstoffgehalt kleiner als 10 Massen-% ist, ist es notwendig, eine große Menge der wässrigen Harnstofflösung zu versprühen, um NOx zu verringern, wobei die Menge elektrischer Leistung, die zum Leiten des Stroms erforderlich ist, um den Wabenstrukturabschnitt 11 zu erwärmen, zunehmen kann. Falls der Harnstoffgehalt größer als 40 Massen-% ist, gibt es Bedenken, dass sich der Harnstoff in kalten Bereichen verfestigt. Bevorzugte Beispiele der wässrigen Harnstofflösung enthalten AdBlue (eine wässrige Lösung die 32,5 Massen-% Harnstoff enthält; ein eingetragenes Warenzeichen des Verbandes der Automobilindustrie (VDA)), das auf dem Markt weit verbreitet ist.
  • Die Erwärmungstemperatur des Wabenstrukturabschnitts 11 beträgt vorzugsweise 160 °C oder höher und bevorzugter von 160 bis 600 °C und noch bevorzugter von 250 bis 400 °C. Die Erwärmungstemperatur von 160 ° C oder höher kann zu einer leichten und effizienten Zersetzung des Harnstoffs führen. Die Erwärmungstemperatur von 600 °C oder tiefer kann ermöglichen, dass das Ammoniak ausgebrannt wird, und verhindern, dass das Ammoniak nicht in die Abgasleitung eingespeist wird. Ferner ist es bevorzugt, dass die Erwärmungstemperatur des Wabenstrukturabschnitts 11 360 °C oder höher ist, weil Schwefelverbindungen, wie z. B. Ammoniumhydrogensulfat und Ammoniumsulfat, die auf der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 ausgefällt werden, entfernt werden können.
  • Die maximale Spannung, die an den Wabenstrukturabschnitt 11 angelegt ist, reicht vorzugsweise von 12 bis 200 V und bevorzugter von 12 bis 100 V und noch bevorzugter von 12 bis 48 V. Die maximale Spannung von 12 V oder größer kann es ermöglichen, dass die Temperatur des Wabenstrukturabschnitts 11 einfach erhöht wird. Die maximale Spannung von 200 V oder kleiner kann verhindern, dass eine Vorrichtung zum Erhöhen der Spannung teuer wird.
  • <Ausführungsform 2>
  • 5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt (eine schematische Querschnittsansicht parallel zu einer Erstreckungsrichtung der Zellen eines Wabenstrukturabschnitts).
  • Wie in 5 gezeigt ist, weist eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform insofern eine andere Konfiguration als die der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform 1 auf, als die erstere ferner einen Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 31 auf der Seite der Fluidausströmstirnfläche 13b des Wabenstrukturabschnitts 11 enthält, der von der Fluidausströmstirnfläche 13b beabstandet ist. Die anderen Konfigurationen der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die gleichen wie jene der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 gemäß der Ausführungsform 1. Deshalb werden die Beschreibungen der anderen Konfigurationen weggelassen, wobei nur die Unterschiede ausführlich beschrieben werden.
  • In der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 31, der von der Fluidausströmstirnfläche 13b beabstandet ist, auf der Seite der Fluidausströmstirnfläche 13b des Wabenstrukturabschnitts 11 vorgesehen. Bei einer derartigen Konfiguration kann nicht zur Reaktion gebrachter Harnstoff in dem Wabenstrukturabschnitt 11 durch den Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 31 in Ammoniak zersetzt werden, so dass der Wirkungsgrad der Ammoniakproduktion erhöht wird.
  • Der Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 31 ist vorzugsweise eine Wabenstruktur, auf der ein Harnstoffhydrolysekatalysator getragen ist. Ein für den Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 31 verwendeter Träger (Wabenstruktur) kann die gleiche Struktur und das gleiche Material wie jene der stromaufwärts vorgesehenen Wabenstruktur 1 aufweisen. Die für den Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 31 verwendete Wabenstruktur kann kein Paar von Elektrodenabschnitten 12 aufweisen, wobei sie aber konfiguriert sein kann, durch eine Stromleitung wie in der stromaufwärts vorgesehenen Wabenstruktur 1 erwärmt zu werden.
  • Der Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper 31 kann nach dem Herstellen der Wabenstruktur (des Trägers) wie in der stromaufwärts vorgesehenen Wabenstruktur 1 den Harnstoffhydrolysekatalysator auf der Wabenstruktur tragen. Das Verfahren zum Tragen des Harnstoffhydrolysekatalysators auf der Wabenstruktur ist so, wie oben beschrieben worden ist.
  • <Ausführungsform 3>
  • Die 6 und 7 sind schematische Querschnittsansichten, die Abgasverarbeitungsvorrichtungen gemäß der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • Wie in den 6 und 7 gezeigt ist, enthält jede der Abgasverarbeitungsvorrichtungen 300, 400 gemäß der vorliegenden Ausführungsform: eine Abgasleitung 61, durch die das Abgas strömt; die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 zum Einspritzen des Ammoniaks in die Abgasleitung 61; und einen SCR-Katalysator 62, der an der Abgasleitung 61 auf einer stromabwärts gelegenen Seite einer Position angeordnet ist, an der das Ammoniak eingespritzt wird.
  • Die Abgasleitung 61 ist ein Rohr, durch das ein Abgas (ein NOx enthaltendes Abgas), das von verschiedenen Kraftmaschinen und dergleichen ausgestoßen wird, geleitet wird und in dem das Abgas und Ammoniak gemischt werden. Die Größe der Abgasleitung 61 ist nicht besonders eingeschränkt und kann abhängig von Abgassystemen, wie z. B. den Kraftmaschinen, an denen die Abgasverarbeitungsvorrichtungen 300, 400 gemäß der vorliegenden Ausführungsform angebracht sind, geeignet bestimmt werden. Die Abgasleitung 61 weist eine nicht einschränkende Länge in der Gasströmungsrichtung auf, wobei sie aber vorzugsweise eine Länge aufweist, bei der ein Abstand zwischen der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 und dem SCR-Katalysator 62 auf einen geeigneten Abstand festgelegt werden kann.
  • Ein Material der Abgasleitung 61 ist nicht besonders eingeschränkt, wobei aber ein Material, das schwierig durch das Abgas zu korrodieren ist, bevorzugt ist. Beispiele des Materials der Abgasleitung 61 enthalten rostfreien Stahl und dergleichen.
  • Wenn das Abgas als das in die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 einzuleitende Trägergas verwendet wird, ist der Trägergaseinleitungszylinder 4 so angeschlossen, dass er von der Abgasleitung 61 abzweigt, wie in den 6 und 7 gezeigt ist. Eine Position des von der Abgasleitung 61 abzweigenden Trägergaseinleitungszylinders 4 kann sich stromaufwärts der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 oder stromabwärts der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 befinden. Durch das Anordnen des Trägergaseinleitungszylinders 4 stromabwärts der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 kann das in der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 erwärmte Trägergas abermals in die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 aufgenommen werden, so dass die Wirkung des Unterdrückens der Harnstoffablagerungen verbessert werden kann.
  • Wenn das andere Trägergas als das Abgas (z. B. das Einlassgas) verwendet wird, ist der Trägergaseinleitungszylinder 4 ferner mit einer Zufuhrquelle für das Trägergas verbunden.
  • In der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 ist eine Einspritzöffnung 21 in der Abgasleitung 61 angebracht, wobei sie das Ammoniak in die Abgasleitung 61 einspritzt. Durch das Einspritzen des Ammoniaks in die Abgasleitung 61 von der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 wird in der Abgasleitung 61 ein gemischtes Gas aus dem Ammoniak und dem Abgas erzeugt.
  • Wie in 6 gezeigt ist, kann eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 an der Abgasleitung 61 angebracht sein. Wie in 7 gezeigt ist, können ferner zwei Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen an der Abgasleitung 61 angebracht sein. In diesem Fall kann die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung auf der stromabwärts gelegenen Seite die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 oder eine herkömmliche Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 500 (z. B. die Harnstoffsprühvorrichtung 3) sein, die das Reduktionsmittel (Harnstoffwasser) ohne Erwärmung versprüht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung auf der stromabwärts gelegenen Seite die herkömmliche Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 500, die das Reduktionsmittel (Harnstoffwasser) ohne Erwärmung versprüht. Dies ist so, weil, wenn die NOx-Menge im Abgas geringer ist (wenn die Temperatur des Abgases tiefer ist), das meiste des NOx durch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 und den SCR-Katalysator 62 auf der stromaufwärts gelegenen Seite gereinigt wird, während, wenn die NOx-Menge im Abgas höher ist (wenn die Temperatur des Abgases höher ist), das von der herkömmlichen Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 500 versprühte Harnstoffwasser durch die Temperatur des Abgases in Ammoniak zersetzt wird. Ferner können, obwohl dies nicht gezeigt ist, nach Bedarf drei oder mehr Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen 100 an der Abgasleitung 61 angebracht sein.
  • Der SCR-Katalysator 62 in der Form eines Katalysatorkörpers (die Wabenstruktur, auf der der SCR-Katalysator 62 getragen ist) ist an der Abgasleitung 61 stromabwärts der Position angeordnet, an der das Ammoniak eingespritzt wird. Deshalb ist, wie in 6 gezeigt ist, der SCR-Katalysator 62 an der Abgasleitung 61 auf der stromabwärts gelegenen Seite der Position angeordnet, an der die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 angebracht ist, wenn eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 an der Abgasleitung 61 angebracht ist. Wenn zwei Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen 100 an der Abgasleitung 61 angebracht sind, sind die SCR-Katalysatoren 62 an der Abgasleitung 61 auf der stromabwärts gelegenen Seite der Positionen angeordnet, an denen die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 bzw. die herkömmliche Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 500 angebracht sind, wie in 7 gezeigt ist.
  • Die Beispiele des SCR-Katalysators 62 enthalten Katalysatoren auf Vanadiumbasis und Katalysatoren auf Zeolithbasis.
  • Wenn der SCR-Katalysator 62 als ein Katalysatorkörper verwendet wird, der auf der Wabenstruktur getragen ist, ist es bevorzugt, dass der Katalysatorkörper in einem Behälter enthalten ist und der Behälter an der Abgasleitung 61 auf der stromabwärts gelegenen Seite befestigt ist.
  • Die Wabenstruktur, die den SCR-Katalysator 62 trägt, ist nicht besonders eingeschränkt, wobei in der Technik bekannte Wabenstrukturen verwendet werden können.
  • Es ist bevorzugt, dass auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Abgasleitung 61 ein Filter zum Auffangen von Schwebstoffen im Abgas angeordnet ist. Die Beispiele der Filter zum Auffangen von Schwebstoffen enthalten z. B. einen keramischen DPF (Dieselpartikelfilter) 63, der eine Wabenform aufweist. Ferner ist es bevorzugt, dass ein Oxidationskatalysator 64 zum Entfernen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Abgasleitung 61 angeordnet ist. Der Oxidationskatalysator 64 befindet sich vorzugsweise in einem Zustand, in dem er auf einer Wabenstruktur aus Keramik (Oxidationskatalysator) getragen ist. Die bevorzugten Beispiele des Oxidationskatalysators 64, die verwendet werden können, enthalten Edelmetalle, wie z. B. Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh).
  • Wenn eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 an der Abgasleitung 61 angebracht ist, sind der DPF 63 und der Oxidationskatalysator 64 an der Abgasleitung 61 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Position angeordnet, an der das Ammoniak durch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 eingespritzt wird, wie in 6 gezeigt ist. Ferner sind, wenn zwei Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtungen 100 an der Abgasleitung 61 angebracht sind, der DPF 63 und der Oxidationskatalysator 64 an der Abgasleitung 61 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Position, an der das Ammoniak durch die herkömmliche Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 500 eingespritzt wird, und auf der stromabwärts gelegenen Seite des SCR-Katalysators 62 auf der stromabwärts gelegenen Seite der Position, an der die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 angebracht ist, angeordnet, wie in 7 gezeigt ist.
  • Es ist bevorzugt, auf der stromabwärts gelegenen Seite des SCR-Katalysators 62 einen Katalysator zum Entfernen von Ammoniak (Oxidationskatalysator) zum Entfernen des Ammoniaks anzuordnen. Eine derartige Anordnung kann verhindern, dass Ammoniak nach außen ausgestoßen wird, wenn überschüssiges Ammoniak, das nicht zum Entfernen von NOx im Abgas verwendet worden ist, zur stromabwärts gelegenen Seite strömt. Die bevorzugten Beispiele des Oxidationskatalysators, der auf der stromabwärts gelegenen Seite des SCR-Katalysators 62 angeordnet ist, enthalten Edelmetalle, wie z. B. Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh).
  • In der obigen Beschreibung ist die Verwendung der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 der Ausführungsform 1 beschrieben worden. Es kann jedoch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 200 der Ausführungsform 2 verwendet werden.
  • <Ausführungsform 4>
  • Bei einem Verfahren zur Verarbeiten eines Abgases gemäß der Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung wird das in der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100, 200 gemäß der Ausführungsform 1 oder 2 erzeugte Ammoniak in das Abgas eingespritzt und wird das mit dem Ammoniak vermischte Abgas mit dem SCR-Katalysator reduziert. Folglich kann das NOx im Abgas entfernt werden. Das Verfahren zum Verarbeiten des Abgases kann unter Verwendung der Abgasverarbeitungsvorrichtung 300, 400 gemäß Ausführungsform 3 einfach ausgeführt werden.
  • Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100, 200 kann das Trägergas mit einer Durchflussmenge, die durch den Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 verstärkt wird, zusammen mit der von der Harnstoffsprühvorrichtung 3 versprühten wässrigen Harnstofflösung stabil der Seite der Fluideinströmstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11 zuführen. Dies kann eine ausreichende Strömung des Gases im Wabenstrukturabschnitt 11 fördern, wodurch verhindert wird, dass der Harnstoff im Wabenstrukturabschnitt 11 verbleibt, so dass die Erzeugungsgrenze der Harnstoffablagerungen erhöht werden kann. Ferner kann das durch Erwärmen zersetzte Ammoniak durch das Trägergas nach außen ausgestoßen werden, so dass die Reaktivität verbessert wird.
  • Eine Temperatur und eine Durchflussmenge des Trägergases und eine der Wabenstruktur 1 zugeführte Leistung sind vorzugsweise so eingestellt, dass eine Temperatur der Fluideinströmstirnfläche 13a des Wabenstrukturabschnitts 11150 °C oder höher und bevorzugt 250 °C oder höher ist. Um eine derartige Temperatursteuerung auszuführen, ist z. B. die Temperatur des Trägergases vorzugsweise 180 °C oder höher und ist die Durchflussmenge vorzugsweise 10 l/min oder größer. Die der Wabenstruktur 1 zugeführte Leistung reicht vorzugsweise von 150 bis 500 W.
  • Eine Menge des von der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100, 200 eingespritzten Ammoniaks reicht in einem Äquivalenzverhältnis zur Menge des im Abgas enthaltenen Stickstoffoxids vorzugsweise von 1,0 bis 2,0. Falls das Äquivalenzverhältnis kleiner als 1,0 ist, kann die Menge der ohne Reinigung ausgestoßenen Stickstoffoxide zunehmen. Falls das Äquivalenzverhältnis größer als 2,0 ist, gibt es ein Risiko, dass das Abgas wahrscheinlich mit dem in das Abgas gemischten Ammoniak ausgestoßen wird.
  • Es ist bevorzugt, dass die versprühte Menge der wässrigen Harnstofflösung und die Temperatur (Leistungszufuhr) des Wabenstrukturabschnitts 11 durch eine elektronische Steuereinheit gesteuert sind. Ferner kann die Temperatur aus einem Widerstandswert des Wabenstrukturabschnitts 11 berechnet werden, wobei die Temperatur des Wabenstrukturabschnitts 11 gesteuert werden kann, so dass die berechnete Temperatur eine Solltemperatur ist.
  • BEISPIELE
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung bezüglich Beispielen ausführlicher beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele eingeschränkt.
  • (Beispiel 1)
  • Die in 1 gezeigte Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 wurde gemäß der folgenden Prozedur hergestellt:
    • Zuerst wurden Siliciumcarbid- (SiC-) Pulver und Pulver metallischen Siliciums (Si) in einem Massenverhältnis von 70:30 gemischt, um einen Keramikausgangsstoff herzustellen. Zu dem Keramikausgangsstoff wurden Hydroxypropylmethylcellulose als ein Bindemittel und ein wasserabsorbierendes Harz als ein Porenbildner hinzugefügt, wobei ferner weiter Wasser hinzugefügt wurde, um einen Formungsausgangsstoff herzustellen. Der Formungsausgangsstoff wurde mit einem Vakuum-Grünling-Kneter geknetet, um einen Grünling herzustellen. Die Menge des hinzugefügten Bindemittels betrug 7 Massenanteile bezüglich 100 Massenanteilen des Keramikausgangsstoffs. Die Menge des hinzugefügten Porenbildners betrug 3 Massenanteile bezüglich 100 Massenanteilen des Keramikausgangsstoffs. Die Menge des hinzugefügten Wassers betrug 42 Massenanteile bezüglich 100 Massenanteilen des Keramikausgangsstoffs. Die durchschnittliche Teilchengröße des Siliciumcarbidpulvers betrug 20 µm, während die durchschnittliche Teilchengröße des Pulvers metallischen Siliciums 6 µm betrug. Die durchschnittliche Teilchengröße des Porenbildners betrug 20 µm. Die durchschnittliche Teilchengröße jedes des Siliciumcarbids, des metallischen Siliciums und des Porenbildners ist ein durch ein Laserbeugungsverfahren gemessener Wert.
  • Der resultierende Grünling wurde unter Verwendung einer Extrudiermaschine geformt, um einen Wabenformling mit einer quadratischen Säulenform (einer Säulenform mit einem quadratischen Querschnitt orthogonal zur Erstreckungsrichtung der Zellen) zu erhalten. Der erhaltene Wabenformling wurde durch dielektrische Hochfrequenz-Erwärmung getrocknet und dann während 2 Stunden bei 120 °C unter Verwendung eines Heißlufttrockners getrocknet, wobei beide Stirnflächen um einen vorgegebenen Betrag geschnitten wurden.
  • Anschließend wurden Siliciumcarbid- (SiC-) Pulver und Pulver metallischen Siliciums (Si) in einem Massenverhältnis von 60:40 gemischt, um einen Elektrodenbildungs-Keramikausgangsstoff herzustellen. Zu dem Elektrodenbildungs-Keramikausgangsstoff wurden Hydroxypropylmethylcellulose als ein Bindemittel, Glycerin als ein feuchtigkeitsspendendes Mittel und ein oberflächenaktiver Stoff als ein Dispergiermittel hinzugefügt, wobei ferner Wasser hinzugefügt und gemischt wird. Die Mischung wurde dann geknetet, um einen Elektrodenbildungsbrei zu erhalten.
  • Anschließend wurde der Elektrodenbildungsbrei in einer Streifenform auf zwei parallele Oberflächen auf der Seitenfläche des getrockneten Wabenformlings (getrockneten Wabenkörpers) aufgetragen. Der Elektrodenbildungsbrei wurde in einer Streifenform auf eine Seitenfläche der „Seitenflächen mit vier flachen Oberflächen (vier Seitenflächen)“ des getrockneten Wabenkörpers und auf eine Seitenfläche parallel zu der „aufgetragenen Seitenfläche“ aufgetragen. Die Form (äußere Umfangsform) des auf die Seitenfläche des getrockneten Wabenkörpers aufgetragenen Elektrodenbildungsbreis war rechteckig.
  • Der auf den getrockneten Wabenkörper aufgetragene Elektrodenbildungsbrei wurde dann getrocknet, um einen Wabenkörper mit ungebrannten Elektroden zu erhalten. Die Trocknungsbedingung war 70 °C.
  • Zwei Elektrodenanschluss-Vorsprungabschnitte 16 wurden unter Verwendung der gleichen Materialien wie jenen des Elektrodenbildungsbreis separat hergestellt.
  • Die beiden Elektrodenanschluss-Vorsprungabschnitte 16 wurden jeweils an zwei Elektrodenabschnitten des Wabenkörpers mit den ungebrannten Elektroden angebracht. Der Wabenkörper mit den ungebrannten Elektroden wurde entfettet, gebrannt und weiter oxidiert, um die Wabenstruktur 1 zu erhalten. Die Entfettungsbedingungen waren 550 °C während 3 Stunden. Die Brennbedingungen waren 1450 °C während 2 Stunden in einer ArgonAtmosphäre. Die Oxidationsbedingungen waren 1300 °C während 1 Stunde.
  • Die Dicke der Trennwand 15 der Wabenstruktur 1, die erhalten wurde, wie oben beschrieben worden ist, betrug 0,152 mm, während der Zellabstand 1,11 mm betrug. Der Flächeninhalt des Wabenstrukturabschnitts 11 pro Einheitsvolumen betrug 31,1 cm2/cm3. Die Wabenstruktur 1 wies eine Säulenform mit quadratischen Stirnflächen auf, wobei eine Seite der Stirnfläche 30 mm war. Ferner betrug die Länge der Zellen 14 der Wabenstruktur 1 in der Erstreckungsrichtung 25 mm. Der spezifische elektrische Widerstand der Elektrodenabschnitte betrug 0,1 Ωcm, während der spezifische elektrische Widerstand des Wabenstrukturabschnitts 111,4 Ωcm betrug. Auf der Wabenstruktur 1 war kein Abdichtabschnitt ausgebildet.
  • Der Außenzylinder 2 wurde dann aus rostfreiem Stahl hergestellt. Ein Verbinder 17 für die elektrische Verdrahtung wurde am äußeren Umfang des Außenzylinders 2 angebracht. Die Wabenstruktur 1 wurde in den Außenzylinder 2 eingesetzt und durch den Isolationshalteabschnitt 23 befestigt. Einer der Elektrodenanschluss-Vorsprungabschnitte 16 der Wabenstruktur 1 wurde über die elektrische Verdrahtung 18 mit dem Verbinder 17 des Außenzylinders 2 verbunden. Ferner wurde der andere Elektrodenanschluss-Vorsprungabschnitt 16 mit dem Außenzylinder 2 in Kontakt gebracht. Ferner wurde die Harnstoffsprühvorrichtung 3 vom Solenoid-Typ in dem einlassseitigen Endabschnitt des Außenzylinders 2 angeordnet, wobei der Trägergaseinleitungszylinder 4 aus rostfreiem Stahl mit der Trägergaseinleitungsöffnung 22 des Außenzylinders 2 verbunden wurde, wobei der Trägergaseinleitungszylinder 4 mit dem Luftsparer von TOHIN als dem Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 versehen wurde, um die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung 100 zu erhalten.
  • (Vergleichsbeispiel 1)
  • Eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung wurde in der gleichen Prozedur wie der des Beispiels 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass der Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 nicht vorgesehen war.
  • Die im obigen Beispiel erhaltene Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung wurde an einer vorgegebenen Position in der Abgasleitung vorgesehen, wie in 3 gezeigt ist, wobei ein Test durch das Ändern des Verstärkungsfaktors der Durchflussmenge des Abgases durch den Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 und das kontinuierliche Sprühen einer konstanten Menge einer wässrigen Harnstofflösung (AdBlue) während 30 Minuten ausgeführt wurde, um eine maximale Sprührate (g/min) der wässrigen Harnstofflösung zu bestimmen, wenn keine Harnstoffablagerung auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche der Wabenstruktur erzeugt wurde. Außerdem wurde für die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, die im obigen Vergleichsbeispiel erhalten wurde, die maximale Sprühmenge (g/min) der wässrigen Harnstofflösung, wenn keine Harnstoffablagerung auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche des Wabenstrukturabschnitts erzeugt wurde, in der gleichen Prozedur, wie sie oben beschrieben worden ist, bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Das Vorhandensein oder Fehlen von Harnstoffablagerungen wurde visuell bewertet. [Tabelle 1]
    Verstärkungsfaktor der Abgasdurchflussmenge (Male) Verstärkte Durchflussmenge des Abgases (l/min) Maximale Sprühmenge der wässrigen Harnstofflösung (g/min)
    Vergleichsbeispiel 1 1,00 0 1,0
    Beispiel 1 1,05 1 1,5
    1,10 10 4,2
    1,20 30 4,8
    1,30 50 3,7
    1,60 80 3,0
    1,80 100 2,0
  • Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wurde festgestellt, dass die mit dem Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 gemäß dem Beispiel versehene Reduktionsmittel-Sprühvorrichtung eine höhere maximale Sprühmenge der wässrigen Harnstofflösung, wenn keine Harnstoffablagerung auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche des Wabenstrukturabschnitts erzeugt wurde, als diejenige der Reduktionsmittel-Sprühvorrichtung, die nicht mit dem Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 versehen war, gemäß dem Vergleichsbeispiel aufwies, wobei die erstere die Harnstoffablagerungen stabil unterdrücken konnte. Wenn insbesondere der Verstärkungsfaktor der Abgasdurchflussmenge durch den Trägergas-Durchflussmengenverstärker 5 auf das 1,10-fache oder mehr gesetzt war, war die maximale Sprühmenge der wässrigen Harnstofflösung, wenn keine Harnstoffablagerung auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche der Wabenstruktur erzeugt wurde, höher.
  • Wie aus den obigen Ergebnissen ersichtlich ist, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung zu schaffen, die Harnstoffablagerungen stabil unterdrücken kann. Ferner ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Abgasverarbeitungsvorrichtung und ein Abgasverarbeitungsverfahren zu schaffen, die eine erforderliche Menge Ammoniak aus der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung stabil einspritzen können, um NOx zu reinigen.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, die Abgasverarbeitungsvorrichtung und das Verfahren zum Verarbeiten des Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung können geeignet verwendet werden, um das NOx in den Abgasen, die von verschiedenen Kraftmaschinen und dergleichen ausgestoßen werden, zu reinigen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wabenstruktur
    2
    Außenzylinder
    3
    Harnstoffsprühvorrichtung
    4
    Trägergaseinleitungszylinder
    5
    Trägergas-Durchflussmengenverstärker
    11
    Wabenstrukturabschnitt
    12
    Elektrodenabschnitt
    13a
    Fluideinströmstirnfläche
    13b
    Fluidausströmstirnfläche
    14
    Zelle
    15
    Trennwand
    16
    Elektrodenanschluss-Vorsprungabschnitt
    17
    Verbinder
    18
    elektrische Verdrahtung
    21
    Einspritzöffnung
    22
    Trägergaseinleitungsöffnung
    23
    Isolationshalteabschnitt
    31
    Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper
    51
    Außenlufteinleitungsöffnung
    61
    Abgasleitung
    62
    SCR-Katalysator
    63
    DPF
    64
    Oxidationskatalysator
    100, 200
    Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung
    300, 400
    Abgasverarbeitungsvorrichtung
    500
    herkömmliche Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • WO 2014/148506 [0007]
    • JP 2017180298 A [0007]
    • JP 2017180299 A [0007]

Claims (10)

  1. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, die umfasst: eine Wabenstruktur, die umfasst: einen säulenförmigen Wabenstrukturabschnitt mit einer Trennwand, die mehrere Zellen definiert, die sich jeweils von einer Fluideinströmstirnfläche zu einer Fluidausströmstirnfläche erstrecken; und wenigstens ein Paar von Elektrodenabschnitten, die konfiguriert sind, den Wabenstrukturabschnitt durch das Leiten eines Stroms zu erwärmen, wobei das Paar von Elektrodenabschnitten an einer Seitenfläche des Wabenstrukturabschnitts angeordnet ist, wobei die Wabenstruktur so konfiguriert ist, dass sie Harnstoff in einer wässrigen Harnstofflösung in dem durch das Leiten des Stroms erwärmten Wabenstrukturabschnitt zersetzen kann, um Ammoniak zu erzeugen; einen Außenzylinder, der konfiguriert ist, die Wabenstruktur aufzunehmen, wobei der Außenzylinder eine Trägergaseinleitungsöffnung, die konfiguriert ist, ein Trägergas einzuleiten, auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche aufweist; eine Harnstoffsprühvorrichtung, die konfiguriert ist, die wässrige Harnstofflösung auf der Seite der Fluideinströmstirnfläche des Wabenstrukturabschnitts zu versprühen, wobei die Harnstoffsprühvorrichtung an einem Ende des Außenzylinders angeordnet ist; einen Trägergaseinleitungszylinder, der an der Trägergaseinleitungsöffnung des Außenzylinders vorgesehen ist; und einen Trägergas-Durchflussmengenverstärker, der konfiguriert ist, eine Durchflussmenge des Trägergases zu verstärken, wobei der Trägergas-Durchflussmengenverstärker in dem Trägergaseinleitungszylinder vorgesehen ist.
  2. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Trägergas ein Abgas ist und der Trägergaseinleitungszylinder von einer Abgasleitung abzweigt, durch die das Abgas strömt.
  3. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Trägergaseinleitungszylinder von der Abgasleitung auf einer stromabwärts gelegenen Seite einer Position abzweigt, an der Ammoniak versprüht wird.
  4. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Trägergas-Durchflussmengenverstärker das aus der Abgasleitung in den Trägergaseinleitungszylinder strömende Abgas auf eine Durchflussmenge des 1,1-fachen oder mehr verstärkt.
  5. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner einen Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper umfasst, der auf der Seite der Fluidausströmstirnfläche des Wabenstrukturabschnitts angeordnet ist, wobei der Harnstoffhydrolysekatalysatorkörper von der Fluidausströmstirnfläche beabstandet ist.
  6. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Wabenstrukturabschnitt einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,01 bis 500 Ωcm aufweist.
  7. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Wabenstrukturabschnitt ein Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial oder Siliciumcarbid als eine Hauptkomponente enthält.
  8. Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Wabenstrukturabschnitt einen Flächeninhalt pro Einheitsvolumen von 5 cm2/cm3 oder mehr aufweist.
  9. Abgasverarbeitungsvorrichtung, die umfasst: eine Abgasleitung, durch die ein Abgas strömt; die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die konfiguriert ist, Ammoniak in die Abgasleitung einzuspritzen; und einen SCR-Katalysator, der an dem Abgaszylinder auf einer stromabwärts gelegenen Seite einer Position angeordnet ist, an der das Ammoniak eingespritzt wird.
  10. Verfahren zum Verarbeiten eines Abgases, wobei das Verfahren das Einspritzen von erzeugtem Ammoniak in das Abgas durch die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und das Reduzieren des mit dem Ammoniak vermischten Abgases durch einen SCR-Katalysator umfasst.
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