JP2004108185A

JP2004108185A - Exhaust emission control device for diesel engine

Info

Publication number: JP2004108185A
Application number: JP2002269499A
Authority: JP
Inventors: Yuji Yajima; 矢島　裕司
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: JP3839764B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve nitrogen oxide purification efficiency by a nitrogen oxide reduction catalyst by improving the diffusion performance of a reducer, and preventing the deterioration of the activity of a nitrogen oxide reduction catalyst. <P>SOLUTION: This exhaust emission control device for a diesel engine is composed of a urea solution tank 6 to store a urea solution, an ammonia generating device 5 including a urea hydrolysis catalyst to generate ammonia gas from the urea solution using the exhaust heat of the diesel engine 1, a pump 7 to supply the urea solution stored in the urea solution tank 6 to the ammonia generating device 5, and an ammonia gas tank 10 to store ammonia gas generated in the ammonia generating device 5, the nitrogen oxide reduction catalyst 4 provided in an exhaust passage 2 of the diesel engine 1 to reduce and eliminate a nitrogen oxide in exhaust, and an ammonia gas adding means 11 to add ammonia gas stored in the ammonia gas tank 10 to the upstream of the nitrogen oxide reduction catalyst 4. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置において、特に、窒素酸化物の浄化効率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンから排出される排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する排気浄化装置として、例えば、特開２００２−４８４０号公報に開示されるような排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置は、酸素過剰雰囲気で窒素酸化物を無害な窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）等に転化すべく、ディーゼルエンジンの排気通路に窒素酸化物還元触媒が介装されている。また、窒素酸化物還元触媒における窒素酸化物浄化効率を高めるべく、固体状の尿素（（ＮＨ_２）_２ＣＯ）等の還元剤を車両上に搭載し、加熱液化して、液体状となった還元剤を窒素酸化物還元触媒の上流側の排気通路に添加する構成が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように、液体状の還元剤を排気通路に添加すると、還元剤が液滴状態で添加されるため、窒素酸化物還元触媒に対する還元剤の供給にむらが生じ、還元剤の拡散が不十分になり易いおそれがあった。また、還元剤が液滴状態で排気と混合するため、気化熱により排気温度が低下し、窒素酸化物還元触媒の活性が低下してしまうという問題点があった。このため、従来技術においては、液体状の還元剤を添加しても、窒素酸化物還元触媒による窒素酸化物浄化効率が期待したほど向上しなかった。
【０００４】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、還元剤の拡散性を高めると共に、窒素酸化物還元触媒の活性の低下を防止することで、窒素酸化物還元触媒による窒素酸化物浄化効率を向上させたディーゼルエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明では、尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液貯蔵手段と、ディーゼルエンジンの排気熱を利用して、尿素水溶液からアンモニアガスを生成する尿素加水分解触媒と、前記尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液を前記尿素加水分解触媒に供給する尿素水溶液供給手段と、前記尿素加水分解触媒により生成されたアンモニアガスを貯蔵するアンモニアガス貯蔵手段と、前記ディーゼルエンジンの排気通路に介装され、前記ディーゼルエンジンの排気中の窒素酸化物を還元除去する窒素酸化物還元触媒と、前記アンモニアガス貯蔵手段に貯蔵されたアンモニアガスを前記窒素酸化物還元触媒の上流側に添加するアンモニアガス添加手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
【０００６】
かかる構成によれば、尿素加水分解触媒により、ディーゼルエンジンの排気熱を利用して、尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液からアンモニアガスが生成され、アンモニアガス貯蔵手段に貯蔵される。そして、このアンモニアガス貯蔵手段に貯蔵されたアンモニアガスが、還元剤として窒素酸化物還元触媒の上流側に添加されるので、排気中に十分に拡散され、かつ排気温度を低下させることなく、窒素酸化物還元触媒の活性を高められ、窒素酸化物浄化効率を向上させたディーゼルエンジンの排気浄化装置が得られる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、前記ディーゼルエンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づいて、前記アンモニアガス添加手段によるアンモニアガスの添加流量を制御する添加制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
かかる構成によれば、添加制御手段により、ディーゼルエンジンの運転状態に基づいて窒素酸化物還元触媒の上流側へのアンモニアガスの添加流量が最適な流量に制御され、アンモニアガスの消費量が最小限に抑制される。
【０００８】
請求項３記載の発明は、前記尿素加水分解触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、前記アンモニアガス貯蔵手段内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、前記触媒温度検出手段及び圧力検出手段により夫々検出された触媒温度及びガス圧力に基づいて、前記尿素水溶液供給手段による尿素水溶液の供給流量を制御する供給制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、供給制御手段は、アンモニアガス貯蔵手段内のガス圧力及び尿素加水分解触媒の触媒温度に基づいて、尿素水溶液供給手段による尿素水溶液の供給流量を制御することによって、尿素加水分解触媒におけるアンモニアガスの発生量を制御するので、アンモニアガス貯蔵手段内のアンモニアガスが常に十分な圧力に保持されるようになる。その際に、供給制御手段は、尿素加水分解触媒の触媒温度が活性温度未満の場合に、尿素水溶液を尿素加水分解触媒に供給しないように尿素水溶液供給手段を制御すれば、尿素水溶液の消費量を抑制できる。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記尿素加水分解触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、前記尿素加水分解触媒を加熱する加熱手段と、前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度に基づいて、前記加熱手段の作動を制御する加熱制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
かかる構成によれば、尿素加水分解触媒は、触媒温度が低いときには、加熱手段により加熱されるので、単位時間当たりのアンモニアガスの生成量を増加することができる。
【００１１】
請求項５記載の発明は、前記尿素加水分解触媒は、前記排気通路から受熱可能に、略鉛直方向に沿って延びるように配置され、鉛直方向下部に尿素水溶液が流入する流入口が設けられるとともに、鉛直方向上部に前記アンモニアガス貯蔵手段が一体的に設けられたことを特徴とする。
かかる構成によれば、尿素加水分解触媒の鉛直方向下部に尿素水溶液の流入口が設けられると共に、鉛直方向上部にアンモニアガス貯蔵手段を設けたので、尿素加水分解触媒において尿素水溶液からアンモニアガスを生成する際に残った尿素水溶液が、アンモニアガス貯蔵手段に流入することはない。更に、アンモニア貯蔵手段と尿素加水分解触媒を一体化してコンパクトにすることができる。
【００１２】
請求項６記載の発明は、前記アンモニアガス貯蔵手段は、前記アンモニア貯蔵手段内で冷却して液化したアンモニアを、鉛直方向下方に位置する前記尿素加水分解触媒に戻すように、傾斜した底板を有することを特徴とする。
かかる構成によれば、アンモニア貯蔵手段内のアンモニアガスは、冷却して液化しても、傾斜した底板に沿って鉛直下方に流れ落ちて、尿素加水分解触媒に戻り、再度加熱され、気化するので、アンモニアガス貯蔵手段に液化したアンモニアが溜まることなく、添加制御手段により排気中に液体のアンモニアが添加されることを防止する。
【００１３】
請求項７記載の発明は、前記加熱手段から外気への放熱を抑制する断熱手段が設けられたことを特徴とする。
かかる構成によれば、加熱手段により発生した熱量が外気へ極力漏れることなく、加熱手段により効率よく尿素加水分解触媒を加熱できるので、加熱手段の消費エネルギーが極力抑制される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置の構成を示すブロック図である。
車両のディーゼルエンジン１の排気通路２には、排気流通方向に沿って、粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）３と窒素酸化物を還元浄化する窒素酸化物還元触媒４とが、介装されている。
【００１５】
ＤＰＦ３は、セラミック等の多孔性部材からなる隔壁により排気流と略平行なセルが多数形成され、各セルの入口と出口とが目封材により互い違いに千鳥格子状に目封じされた構成をなす。そして、出口が塞がれたセル内の排気が、隔壁を介して入口が塞がれている隣接するセルに流入するとき、排気中のＰＭが隔壁を形成する多孔性部材により捕集除去される。
【００１６】
一方、窒素酸化物還元触媒４は、セラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼からなるハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、例えば、ゼオライト系の活性成分が担持された構成をなす。そして、触媒担体に担持された活性成分は、還元剤としてのアンモニア（ＮＨ_３）の供給を受けて活性化し、窒素酸化物を効果的に無害物質に転化させる。
【００１７】
ディーゼルエンジン１とＤＰＦ３の間の排気通路２には、尿素水溶液からアンモニアと二酸化炭素（ＣＯ_２）の混合気であるアンモニアガスを発生させるアンモニア発生装置５が設けられている。アンモニア発生装置５は、図２に示すように、排気通路２の周囲を囲むように鉛直方向に立設し、両端を閉塞した略円筒状の本体３０の内部に尿素加水分解触媒３１が充填されており、鉛直方向下端に尿素水溶液が流入される流入口３２が設けられ、鉛直方向上端にはアンモニアガスを排出する排出口３３が設けられている。また、本体３０の周囲には、電気ヒータ３４（加熱手段）が設けられていて、この電気ヒータ３４は、発熱することにより、尿素加水分解触媒３１の触媒温度を上昇させる。本体３０には、触媒温度センサ３５（触媒温度検出手段）が設けられていて、尿素加水分解触媒３１の触媒温度を検出する。
【００１８】
なお、尿素加水分解触媒３１は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）等を混合して生成したペレットから構成される。このような構成により、アンモニア発生装置５は、下記の化学式のように、外部から供給された尿素水溶液から、アンモニアと二酸化炭素とを生成する。
（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→２ＮＨ_３＋ＣＯ_２
更に、車両には、尿素水溶液が貯蔵される尿素水溶液タンク６（尿素水溶液貯蔵手段）が設けられている。そして、この尿素水溶液タンク６に貯蔵された尿素水溶液は、ポンプ７（尿素水溶液供給手段）により第１のチェックバルブ８を通って、アンモニア発生装置５に供給され、ここで発生したアンモニアガスは、第２のチェックバルブ９を通って、車両に設けられたアンモニアガスタンク１０（アンモニアガス貯蔵手段）に貯蔵される。
【００１９】
このアンモニアガスタンク１０と、窒素酸化物還元触媒４の上流側の排気通路２と、の間には、排気中にアンモニアガスを添加するアンモニアガス添加手段１１が設けられる。このアンモニアガス添加手段１１は、アンモニアガス導入路１１Ａと、制御弁１１Ｂと、を含んで構成される。アンモニアガス導入路１１Ａは、アンモニアガスタンク１０と、窒素酸化物還元触媒４の上流側の排気通路２と、を連通した配管であり、制御弁１１Ｂは、このアンモニアガス導入路１１Ａに介装されており、アンモニアガス導入路１１Ａを流れるアンモニアガスの流量を調節する。
【００２０】
そして、窒素酸化物還元触媒４はこのアンモニアガスを還元剤として、ディーゼルエンジン１から排出された排気から、窒素酸化物を還元除去する。
更に、窒素酸化物還元触媒４の下流側の排気通路２には余剰還元剤酸化触媒１２が設けられ、窒素酸化物還元触媒４にて余ったアンモニアガスを酸化して排気中から除去する。
【００２１】
ところで、ディーゼルエンジン１には、運転状態を検出する運転状態検出手段として、吸気流量を検出する吸気流量センサ１３、回転速度を検出する回転速度センサ１４、負荷を検出する負荷センサ１５が設けられ、更に、排気通路２には、排気温度を検出する排気温度センサ１６、排気中の窒素酸化物の濃度を検出する窒素酸化物センサ１７及び排気圧力を検出する排気圧力センサ１８が設けられている。そして、車両には、マイクロコンピュータを内蔵したアンモニアガス供給コントロールユニット１９（添加制御手段）が設けられ、このアンモニアガス供給コントロールユニット１９は、上述の吸気流量センサ１３、回転速度センサ１４、負荷センサ１５、排気温度センサ１６、窒素酸化物センサ１７、排気圧力センサ１８により夫々検出された、吸気流量、回転速度、負荷、排気温度、窒素酸化物濃度及び排気圧力から、排気中の窒素酸化物を還元するために必要なアンモニアガスの添加流量を演算し、制御弁１１Ａを制御することにより、アンモニアガスタンク１０に貯蔵されたアンモニアガスの窒素酸化物還元触媒４の上流側の排気通路２への添加流量を調節する。これにより、アンモニアガスタンク１０からディーゼルエンジン１の運転状況に見合った最適な量のアンモニアガスが窒素酸化物還元触媒４の上流側に添加される。
【００２２】
更に、車両には、尿素加水分解コントロールユニット２０（供給制御手段、加熱制御手段）が設けられている。この尿素加水分解コントロールユニット２０は、アンモニアガスタンク１０に設けられた圧力センサ２１（圧力検出手段）により検出されたアンモニアガスタンク１０内の圧力と、アンモニア発生装置５に設けられた触媒温度センサ３５により検出された尿素加水分解触媒３１の触媒温度に応じて、ポンプ７及びアンモニア発生装置５に設けられた電気ヒータ３４の作動を制御する。
【００２３】
ここで、図３を用いて、尿素加水分解コントロールユニット２０における制御方法を詳述する。まず、尿素加水分解コントロールユニット２０は、車両のキースイッチＯＮにて電源が供給され、制御を開始する。始めにステップ１（図ではＳ１と表記する、以下同様）では、電気ヒータ３４の作動を停止させる。次にステップ２では、ポンプ７の作動を停止させる。そして、ステップ３では、回転速度センサ１４からの信号により、ディーゼルエンジン１が稼動中であるかを判定し、稼動中でない（停止した）場合は制御が終了する。ディーゼルエンジン１が稼動中である場合はステップ４へ進む。
【００２４】
ステップ４では、圧力センサ２１からの信号によりアンモニアガスタンク１０内の圧力が設定圧未満であるか判定し、設定圧未満でない場合は、ステップ１に戻る。設定圧未満の場合は、ステップ５に進み、ステップ５では、触媒温度センサ３５からの信号により、尿素加水分解触媒３１の触媒温度が活性温度以上であるか判定する。活性温度以上でない場合は、ステップ６に進み、ステップ６では、ポンプ７の作動を停止させ、次に、ステップ７では、電気ヒータ３４を作動させ、尿素加水分解触媒３１を加熱し、再びステップ５に戻る。
【００２５】
一方、尿素加水分解触媒３１の触媒温度が活性温度以上である場合は、ステップ８に進む。ステップ８では、電気ヒータ３４の作動を停止させ、次にステップ９では、ポンプ７を作動させる。そして、ステップ３に戻る。なお、ステップ４，ステップ５、ステップ６及びステップ９が供給制御手段に、ステップ５、ステップ７及びステップ８が加熱制御手段に相当する。
【００２６】
以上のようにして、アンモニアガスタンク１０内の圧力が設定圧未満の場合は、ポンプ７を作動して、尿素水溶液をアンモニア発生装置５に供給する。また、尿素加水分解触媒３１の触媒温度が活性温度未満の場合は、ポンプ７の作動は行わず、電気ヒータ３４を作動して尿素加水分解触媒３１を活性温度になるまで加熱する。そして、尿素加水分解触媒３１の触媒温度が活性温度以上となったら、電気ヒータ３４の作動を停止させ、ポンプ７を作動して、尿素水溶液をアンモニア発生装置５に供給する。
【００２７】
以上により、尿素加水分解触媒３１によって、ディーゼルエンジン１の排気熱を利用して、尿素水溶液タンク６に貯蔵された尿素水溶液からアンモニアガスが生成され、アンモニアガスタンク１０に貯蔵される。そして、このアンモニアガスは窒素酸化物還元触媒４の上流側に必要量添加され、ディーゼルエンジン１の排気中の窒素酸化物が還元除去される。
【００２８】
なお、アンモニア発生装置５は、排気通路のいずれの位置に配置しても実施はできるが、ディーゼルエンジン１の排気マニフォールド近傍の排気通路２に設けることが好ましい。これは、ディーゼルエンジン１の排気マニフォールド近傍に配置することによって、排気熱を有効に利用できるためである。
第２の実施例として、図４に示すように、アンモニア発生装置５の鉛直方向上部に、本体３０と一体となるように、アンモニアガスタンク１０を設けても良い。これにより、本発明のディーゼルエンジンの排気浄化装置をコンパクトに構成できる。更に、排気通路２の排気熱により、アンモニアガスタンク１０内のアンモニアガスが加熱されるので、アンモニアガスが冷却して液化するのを抑制できる。また、アンモニアガスタンク１０の底板３６を、アンモニア発生装置５に向かって鉛直方向下方に傾斜することにより、例えアンモニアガスタンク１０内のアンモニアガスが冷却してアンモニアが液化しても、傾斜した底板に沿って鉛直下方のアンモニア発生装置５に流れ落ちるので、液化したアンモニアは排気熱によって加熱され気化される。これにより、アンモニアガスタンク１０に液化したアンモニアが溜まらずに、排気通路２に液体のアンモニアが添加されることを防止できる。
【００２９】
第３の実施例として、図５に示すように、排気通路２に配管３７を巻きつけるような構成としても良い。この配管３７の中には尿素加水分解触媒３０が充填されており、この配管３７に尿素水溶液を通すことにより、排気通路２の排気熱によりアンモニアガスが得られる。
更に、以上述べたいずれの実施例においても、アンモニア発生装置５の周囲を断熱材（断熱手段）で包むことが好ましい。これにより、排気通路２の熱及び電気ヒータ３４の熱が外気へ放熱することなく、効率よく尿素加水分解触媒３０の加熱に利用され、電気ヒータの消費電力を低減することができる。
【００３０】
また、以上の実施例では、アンモニアガス供給コントロールユニット１９及び尿素加水分解コントロールユニット２０は、独立して設けられているが、一体にして設けても良い。一体にすることにより、部品点数が削減できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、アンモニアガス貯蔵手段に貯蔵されたアンモニアガスが、還元剤として窒素酸化物還元触媒の上流側に添加されるので、排気中に十分に拡散され、かつ排気温度を低下させることなく、窒素酸化物還元触媒の活性を高められ、窒素酸化物浄化効率を向上させたディーゼルエンジンの排気浄化装置が得られる。
【００３２】
請求項２記載の発明によれば、添加制御手段により、ディーゼルエンジンの運転状態に基づいて窒素酸化物還元触媒の上流側へのアンモニアガスの添加流量が最適な流量に制御され、アンモニアガスの消費量が最小限に抑制される。
請求項３記載の発明によれば、供給制御手段は、アンモニアガス貯蔵手段内のガス圧力及び尿素加水分解触媒の触媒温度に基づいて、尿素水溶液供給手段による尿素水溶液の供給流量を制御することによって、尿素加水分解触媒におけるアンモニアガスの発生量を制御するので、アンモニアガス貯蔵手段内のアンモニアガスが常に十分な圧力に保持されるようになる。その際に、供給制御手段は、尿素加水分解触媒の触媒温度が活性温度未満の場合に、尿素水溶液を尿素加水分解触媒に供給しないように尿素水溶液供給手段を制御すれば、尿素水溶液の消費量を抑制できる。
【００３３】
請求項４記載の発明によれば、尿素加水分解触媒は、触媒温度が低いときには、加熱手段により加熱されるので、単位時間当たりのアンモニアガスの生成量を増加することができ、ディーゼルエンジンの始動直後など、触媒温度が低いときでも、アンモニアガスの不足による窒素酸化物の除去性能の低下を抑制できる。請求項５記載の発明によれば、尿素加水分解触媒の鉛直方向下部に尿素水溶液の流入口が設けられると共に、鉛直方向上部にアンモニアガス貯蔵手段が設けられたので、尿素加水分解触媒において、尿素水溶液からアンモニアガスを生成する際に残った尿素水溶液が、アンモニアガス貯蔵手段に流入することはない。更に、アンモニア貯蔵手段と尿素加水分解触媒を一体化してコンパクトにすることができる。
請求項６記載の発明によれば、アンモニア貯蔵手段内のアンモニアガスは、冷却して液化しても、傾斜した底板に沿って鉛直下方に流れ落ちて、尿素加水分解触媒に戻り、再度加熱され、気化するので、アンモニアガス貯蔵手段に液化したアンモニアが溜まることなく、添加制御手段により排気中に液体のアンモニアが添加されることを防止する。
【００３４】
請求項７記載の発明によれば、加熱手段により発生した熱量が外気へ極力漏れることなく、加熱手段により効率よく尿素加水分解触媒を加熱できるので、加熱手段の消費エネルギーが極力抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のディーゼルエンジンの排気浄化装置の構成を示すブロック図
【図２】同上の第１実施例におけるアンモニア発生装置の構造図
【図３】同上の尿素加水分解コントロールユニットにおける制御内容を示すフローチャート
【図４】本発明の第２実施例におけるアンモニア発生装置の構造図
【図５】本発明の第３実施例におけるアンモニア発生装置の構造図
【符号の説明】
１　ディーゼルエンジン
２　排気通路
４　窒素酸化物還元触媒
５　アンモニア発生装置
６　尿素水溶液タンク
７　ポンプ
１０　アンモニアガスタンク
１１　アンモニアガス添加手段
１１Ａ　アンモニアガス導入路
１１Ｂ　制御弁
１３　吸気流量センサ
１４　回転速度センサ
１５　負荷センサ
１６　排気温度センサ
１７　窒素酸化物センサ
１８　排気圧力センサ
１９　アンモニアガス供給コントロールユニット
２０　尿素加水分解コントロールユニット
２１　タンク内圧力センサ
３５　触媒温度センサ
３１　尿素加水分解触媒
３４　電気ヒータ
３６　底板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for improving the purification efficiency of nitrogen oxides, particularly in an exhaust gas purification device for a diesel engine.
[0002]
[Prior art]
As an exhaust gas purifying apparatus for purifying nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas discharged from a diesel engine, for example, an exhaust gas purifying apparatus disclosed in JP-A-2002-4840 has been proposed. In such an exhaust gas purification apparatus, a nitrogen oxide reduction catalyst is interposed in an exhaust passage of a diesel engine in order to convert nitrogen oxides into harmless nitrogen (N ₂ ), oxygen (O ₂ ) and the like in an oxygen-excess atmosphere. . Further, in order to increase the nitrogen oxide purification efficiency of the nitrogen oxide reduction catalyst, a reducing agent such as solid urea ((NH ₂ ) ₂ CO) is mounted on a vehicle, and is heated and liquefied to become a liquid. A configuration is employed in which a reducing agent is added to an exhaust passage on the upstream side of the nitrogen oxide reduction catalyst.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the liquid reducing agent is added to the exhaust passage as described above, since the reducing agent is added in a droplet state, the supply of the reducing agent to the nitrogen oxide reduction catalyst becomes uneven, and the diffusion of the reducing agent is reduced. There was a possibility that it would be insufficient. Further, since the reducing agent is mixed with the exhaust gas in a droplet state, there is a problem that the exhaust gas temperature is reduced due to heat of vaporization and the activity of the nitrogen oxide reduction catalyst is reduced. For this reason, in the prior art, even if the liquid reducing agent was added, the nitrogen oxide purification efficiency by the nitrogen oxide reduction catalyst did not improve as expected.
[0004]
In view of the above problems, the present invention improves the diffusivity of the reducing agent and prevents a decrease in the activity of the nitrogen oxide reduction catalyst, thereby purifying the nitrogen oxides by the nitrogen oxide reduction catalyst. An object of the present invention is to provide a diesel engine exhaust purification device with improved efficiency.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, according to the first aspect of the present invention, a urea aqueous solution storing means for storing the urea aqueous solution, a urea hydrolysis catalyst for generating ammonia gas from the urea aqueous solution by using exhaust heat of the diesel engine, and the urea aqueous solution storage A urea aqueous solution supply means for supplying the urea aqueous solution stored in the means to the urea hydrolysis catalyst, an ammonia gas storage means for storing the ammonia gas generated by the urea hydrolysis catalyst, and an exhaust gas passage of the diesel engine. A nitrogen oxide reduction catalyst for reducing and removing nitrogen oxides in exhaust gas of the diesel engine, and an ammonia gas for adding ammonia gas stored in the ammonia gas storage means to an upstream side of the nitrogen oxide reduction catalyst. And an adding means.
[0006]
According to this configuration, the ammonia gas is generated from the urea aqueous solution stored in the urea aqueous solution storage unit using the exhaust heat of the diesel engine by the urea hydrolysis catalyst, and stored in the ammonia gas storage unit. Since the ammonia gas stored in the ammonia gas storage means is added as a reducing agent to the upstream side of the nitrogen oxide reduction catalyst, the ammonia gas is sufficiently diffused in the exhaust gas, and the nitrogen gas is reduced without lowering the exhaust gas temperature. It is possible to obtain a diesel engine exhaust purification device in which the activity of the oxide reduction catalyst is enhanced and the nitrogen oxide purification efficiency is improved.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, an operation state detection unit that detects an operation state of the diesel engine, and an addition flow rate of the ammonia gas by the ammonia gas addition unit based on the operation state detected by the operation state detection unit. And control means for controlling addition.
According to this configuration, the addition control means controls the addition flow rate of the ammonia gas to the upstream side of the nitrogen oxide reduction catalyst to an optimum flow rate based on the operation state of the diesel engine, and minimizes the consumption amount of the ammonia gas. Is suppressed.
[0008]
The invention according to claim 3 is a catalyst temperature detecting means for detecting a catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst, a pressure detecting means for detecting a gas pressure in the ammonia gas storage means, the catalyst temperature detecting means and the pressure detecting means. And a supply control means for controlling a supply flow rate of the urea aqueous solution by the urea aqueous solution supply means based on the catalyst temperature and the gas pressure detected by the means, respectively.
[0009]
According to this configuration, the supply control unit controls the supply flow rate of the urea aqueous solution by the urea aqueous solution supply unit based on the gas pressure in the ammonia gas storage unit and the catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst, thereby providing urea hydrolysis. Since the amount of generated ammonia gas in the catalyst is controlled, the ammonia gas in the ammonia gas storage means is always maintained at a sufficient pressure. At this time, if the supply control means controls the urea aqueous solution supply means so that the urea aqueous solution is not supplied to the urea hydrolysis catalyst when the catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst is lower than the activation temperature, the consumption of the urea aqueous solution can be reduced. Can be suppressed.
[0010]
The invention according to claim 4 is based on a catalyst temperature detecting means for detecting a catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst, a heating means for heating the urea hydrolysis catalyst, and a catalyst temperature detected by the catalyst temperature detecting means. And heating control means for controlling the operation of the heating means.
According to such a configuration, when the catalyst temperature is low, the urea hydrolysis catalyst is heated by the heating means, so that the amount of ammonia gas generated per unit time can be increased.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, the urea hydrolysis catalyst is arranged so as to be able to receive heat from the exhaust passage so as to extend substantially along a vertical direction, and an inlet through which a urea aqueous solution flows is provided in a vertically lower portion. The ammonia gas storage means is integrally provided at the upper part in the vertical direction.
According to this configuration, the inlet for the aqueous urea solution is provided vertically below the urea hydrolysis catalyst, and the ammonia gas storage means is provided above the vertical direction, so that the ammonia gas is generated from the aqueous urea solution in the urea hydrolysis catalyst. The urea aqueous solution remaining during the process does not flow into the ammonia gas storage means. Further, the ammonia storage means and the urea hydrolysis catalyst can be integrated to be compact.
[0012]
The invention according to claim 6 is characterized in that the ammonia gas storage means has an inclined bottom plate so as to return the ammonia cooled and liquefied in the ammonia storage means to the urea hydrolysis catalyst located vertically below. It is characterized by the following.
According to this configuration, even if the ammonia gas in the ammonia storage unit is cooled and liquefied, it flows down vertically along the inclined bottom plate, returns to the urea hydrolysis catalyst, is heated again, and is vaporized. Liquid ammonia is prevented from being added to the exhaust gas by the addition control means without liquefied ammonia remaining in the ammonia gas storage means.
[0013]
The invention according to claim 7 is characterized in that heat insulating means for suppressing heat radiation from the heating means to the outside air is provided.
According to such a configuration, the urea hydrolysis catalyst can be efficiently heated by the heating unit without the amount of heat generated by the heating unit leaking to the outside air as much as possible, so that the energy consumption of the heating unit is suppressed as much as possible.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an exhaust gas purification device for a diesel engine according to the present invention.
A diesel particulate filter (DPF) 3 for collecting and removing particulate matter (PM) and a nitrogen oxide reduction for reducing and purifying nitrogen oxides are provided in an exhaust passage 2 of a diesel engine 1 of the vehicle along an exhaust gas flow direction. The catalyst 4 is interposed.
[0015]
The DPF 3 has a configuration in which a large number of cells substantially parallel to the exhaust flow are formed by partition walls made of a porous member such as a ceramic, and the inlet and the outlet of each cell are alternately plugged in a staggered grid pattern with a plugging material. Eggplant Then, when the exhaust gas in the cell whose outlet is closed is flown into the adjacent cell whose inlet is closed via the partition, PM in the exhaust is collected and removed by the porous member forming the partition. You.
[0016]
On the other hand, the nitrogen oxide reduction catalyst 4 has, for example, a zeolite-based active component supported on a monolith-type catalyst carrier having a honeycomb-shaped cross section made of ceramic cordierite or Fe—Cr—Al-based heat-resistant steel. Configuration. Then, the active component supported on the catalyst carrier is activated by receiving the supply of ammonia (NH ₃ ) as a reducing agent, and effectively converts nitrogen oxides into harmless substances.
[0017]
An exhaust passage 2 between the diesel engine 1 and the DPF 3 is provided with an ammonia generator 5 for generating ammonia gas, which is a mixture of ammonia and carbon dioxide (CO ₂ ), from an aqueous urea solution. As shown in FIG. 2, the ammonia generator 5 stands upright so as to surround the exhaust passage 2, and a urea hydrolysis catalyst 31 is filled in a substantially cylindrical main body 30 having both ends closed. An inlet 32 through which the aqueous urea solution flows is provided at the lower end in the vertical direction, and an outlet 33 through which the ammonia gas is discharged is provided at the upper end in the vertical direction. An electric heater 34 (heating means) is provided around the main body 30, and the electric heater 34 generates heat to increase the catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst 31. The main body 30 is provided with a catalyst temperature sensor 35 (catalyst temperature detecting means) for detecting the catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst 31.
[0018]
The urea hydrolysis catalyst 31 is composed of pellets formed by mixing titanium oxide (TiO ₂ ), alumina (Al ₂ O ₃ ), silica (SiO ₂ ), and the like. With such a configuration, the ammonia generator 5 generates ammonia and carbon dioxide from an aqueous urea solution supplied from the outside as represented by the following chemical formula.
(NH ₂ ) ₂ CO + H ₂ O → 2NH ₃ + CO ₂
Further, the vehicle is provided with a urea aqueous solution tank 6 (urea aqueous solution storage means) for storing the urea aqueous solution. The urea aqueous solution stored in the urea aqueous solution tank 6 is supplied to the ammonia generator 5 through the first check valve 8 by the pump 7 (urea aqueous solution supply means). The fuel gas is stored in an ammonia gas tank 10 (ammonia gas storage means) provided in the vehicle through the second check valve 9.
[0019]
Between the ammonia gas tank 10 and the exhaust passage 2 on the upstream side of the nitrogen oxide reduction catalyst 4, an ammonia gas adding means 11 for adding ammonia gas into exhaust gas is provided. The ammonia gas adding means 11 is configured to include an ammonia gas introduction path 11A and a control valve 11B. The ammonia gas introduction passage 11A is a pipe connecting the ammonia gas tank 10 and the exhaust passage 2 on the upstream side of the nitrogen oxide reduction catalyst 4, and the control valve 11B is interposed in the ammonia gas introduction passage 11A. Thus, the flow rate of the ammonia gas flowing through the ammonia gas introduction passage 11A is adjusted.
[0020]
The nitrogen oxide reduction catalyst 4 uses the ammonia gas as a reducing agent to reduce and remove nitrogen oxides from the exhaust gas discharged from the diesel engine 1.
Further, an excess reducing agent oxidizing catalyst 12 is provided in the exhaust passage 2 on the downstream side of the nitrogen oxide reducing catalyst 4, and the excess ammonia gas is oxidized and removed from the exhaust gas by the nitrogen oxide reducing catalyst 4.
[0021]
By the way, the diesel engine 1 is provided with an intake flow rate sensor 13 for detecting an intake flow rate, a rotational speed sensor 14 for detecting a rotational speed, and a load sensor 15 for detecting a load as operating state detecting means for detecting an operating state. Further, the exhaust passage 2 is provided with an exhaust temperature sensor 16 for detecting the exhaust temperature, a nitrogen oxide sensor 17 for detecting the concentration of nitrogen oxide in the exhaust, and an exhaust pressure sensor 18 for detecting the exhaust pressure. The vehicle is provided with an ammonia gas supply control unit 19 (addition control means) incorporating a microcomputer. The ammonia gas supply control unit 19 includes the above-described intake flow rate sensor 13, rotation speed sensor 14, and load sensor 15. The nitrogen oxides in the exhaust gas from the intake air flow rate, rotation speed, load, exhaust temperature, nitrogen oxide concentration and exhaust pressure detected by the exhaust gas temperature sensor 16, the nitrogen oxide sensor 17, and the exhaust pressure sensor 18, respectively. The addition flow rate of the ammonia gas required to perform this operation is calculated, and the control valve 11A is controlled to thereby control the addition flow rate of the ammonia gas stored in the ammonia gas tank 10 to the exhaust passage 2 on the upstream side of the nitrogen oxide reduction catalyst 4. Adjust As a result, an optimal amount of ammonia gas suitable for the operation state of the diesel engine 1 is added to the upstream side of the nitrogen oxide reduction catalyst 4 from the ammonia gas tank 10.
[0022]
Further, the vehicle is provided with a urea hydrolysis control unit 20 (supply control means, heating control means). The urea hydrolysis control unit 20 detects the pressure in the ammonia gas tank 10 detected by the pressure sensor 21 (pressure detecting means) provided in the ammonia gas tank 10 and the catalyst temperature sensor 35 provided in the ammonia generator 5. The operation of the electric heater 34 provided in the pump 7 and the ammonia generator 5 is controlled in accordance with the catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst 31 thus obtained.
[0023]
Here, the control method in the urea hydrolysis control unit 20 will be described in detail with reference to FIG. First, power is supplied to the urea hydrolysis control unit 20 by turning on the key switch of the vehicle, and control is started. First, in step 1 (illustrated as S1 in the figure, the same applies hereinafter), the operation of the electric heater 34 is stopped. Next, in step 2, the operation of the pump 7 is stopped. Then, in step 3, it is determined whether or not the diesel engine 1 is operating based on a signal from the rotation speed sensor 14, and if not operating (stopped), the control is ended. When the diesel engine 1 is operating, the process proceeds to step 4.
[0024]
In step 4, it is determined whether the pressure in the ammonia gas tank 10 is lower than the set pressure based on a signal from the pressure sensor 21. If not, the process returns to step 1. If the pressure is lower than the set pressure, the process proceeds to step 5, where it is determined from the signal from the catalyst temperature sensor 35 whether the catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst 31 is equal to or higher than the activation temperature. If the temperature is not equal to or higher than the activation temperature, the process proceeds to step 6, in which the operation of the pump 7 is stopped. In step 7, the electric heater 34 is operated to heat the urea hydrolysis catalyst 31. Return to
[0025]
On the other hand, if the catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst 31 is equal to or higher than the activation temperature, the process proceeds to step 8. In step 8, the operation of the electric heater 34 is stopped, and then in step 9, the pump 7 is operated. Then, the process returns to step 3. Steps 4, 5, 6, and 9 correspond to the supply control means, and steps 5, 7, and 8 correspond to the heating control means.
[0026]
As described above, when the pressure in the ammonia gas tank 10 is lower than the set pressure, the pump 7 is operated to supply the aqueous urea solution to the ammonia generator 5. When the catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst 31 is lower than the activation temperature, the operation of the pump 7 is not performed, and the electric heater 34 is activated to heat the urea hydrolysis catalyst 31 to the activation temperature. When the catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst 31 becomes equal to or higher than the activation temperature, the operation of the electric heater 34 is stopped, and the pump 7 is operated to supply the aqueous urea solution to the ammonia generator 5.
[0027]
As described above, the ammonia gas is generated by the urea hydrolysis catalyst 31 from the urea aqueous solution stored in the urea aqueous solution tank 6 using the exhaust heat of the diesel engine 1 and stored in the ammonia gas tank 10. Then, a necessary amount of this ammonia gas is added to the upstream side of the nitrogen oxide reduction catalyst 4, and nitrogen oxide in the exhaust gas of the diesel engine 1 is reduced and removed.
[0028]
The ammonia generator 5 can be implemented at any position in the exhaust passage, but is preferably provided in the exhaust passage 2 near the exhaust manifold of the diesel engine 1. This is because the exhaust heat can be effectively used by disposing the exhaust heat near the exhaust manifold of the diesel engine 1.
As a second embodiment, as shown in FIG. 4, an ammonia gas tank 10 may be provided on the vertically upper portion of the ammonia generator 5 so as to be integrated with the main body 30. Thereby, the exhaust gas purifying apparatus for a diesel engine according to the present invention can be made compact. Further, the ammonia gas in the ammonia gas tank 10 is heated by the exhaust heat of the exhaust passage 2, so that the ammonia gas can be suppressed from being cooled and liquefied. Further, by inclining the bottom plate 36 of the ammonia gas tank 10 vertically downward toward the ammonia generator 5, even if the ammonia gas in the ammonia gas tank 10 is cooled and ammonia is liquefied, the bottom plate 36 follows the inclined bottom plate. Liquefied ammonia is heated by the exhaust heat and vaporized. Thus, it is possible to prevent liquid ammonia from being added to the exhaust passage 2 without liquefied ammonia accumulating in the ammonia gas tank 10.
[0029]
As a third embodiment, as shown in FIG. 5, a configuration in which a pipe 37 is wound around the exhaust passage 2 may be adopted. The pipe 37 is filled with the urea hydrolysis catalyst 30, and by passing an aqueous urea solution through the pipe 37, ammonia gas is obtained by the exhaust heat of the exhaust passage 2.
Further, in any of the embodiments described above, it is preferable that the periphery of the ammonia generator 5 be wrapped with a heat insulating material (heat insulating means). Thereby, the heat of the exhaust passage 2 and the heat of the electric heater 34 are efficiently used for heating the urea hydrolysis catalyst 30 without radiating the heat to the outside air, and the power consumption of the electric heater can be reduced.
[0030]
Further, in the above embodiment, the ammonia gas supply control unit 19 and the urea hydrolysis control unit 20 are provided independently, but may be provided integrally. By integrating them, the number of parts can be reduced.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, since the ammonia gas stored in the ammonia gas storage means is added to the upstream side of the nitrogen oxide reduction catalyst as a reducing agent, the ammonia gas is not sufficiently contained in the exhaust gas. It is possible to obtain a diesel engine exhaust purification device in which the activity of the nitrogen oxide reduction catalyst is increased without lowering the exhaust temperature without being diffused, and the nitrogen oxide purification efficiency is improved.
[0032]
According to the second aspect of the present invention, the addition control means controls the addition flow rate of the ammonia gas to the upstream side of the nitrogen oxide reduction catalyst to an optimum flow rate based on the operation state of the diesel engine, thereby consuming the ammonia gas. The amount is kept to a minimum.
According to the invention of claim 3, the supply control means controls the supply flow rate of the urea aqueous solution by the urea aqueous solution supply means based on the gas pressure in the ammonia gas storage means and the catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst. Since the amount of generated ammonia gas in the urea hydrolysis catalyst is controlled, the ammonia gas in the ammonia gas storage means is always maintained at a sufficient pressure. At this time, if the supply control means controls the urea aqueous solution supply means so that the urea aqueous solution is not supplied to the urea hydrolysis catalyst when the catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst is lower than the activation temperature, the consumption of the urea aqueous solution can be reduced. Can be suppressed.
[0033]
According to the fourth aspect of the present invention, when the catalyst temperature is low, the urea hydrolysis catalyst is heated by the heating means, so that the amount of ammonia gas generated per unit time can be increased, and the starting of the diesel engine can be started. Even when the catalyst temperature is low, for example, immediately after, it is possible to suppress a decrease in the performance of removing nitrogen oxides due to a shortage of ammonia gas. According to the fifth aspect of the present invention, the urea hydrolysis catalyst is provided with an inlet for the aqueous urea solution in the lower part in the vertical direction and the ammonia gas storage means is provided in the upper part in the vertical direction. The urea aqueous solution remaining when the ammonia gas is generated from the aqueous solution does not flow into the ammonia gas storage means. Further, the ammonia storage means and the urea hydrolysis catalyst can be integrated to be compact.
According to the invention as set forth in claim 6, even if the ammonia gas in the ammonia storage means is cooled and liquefied, it flows down vertically along the inclined bottom plate, returns to the urea hydrolysis catalyst, and is heated again. Since the liquefied ammonia is vaporized, the liquefied ammonia does not accumulate in the ammonia gas storage means, and the addition control means prevents liquid ammonia from being added to the exhaust gas.
[0034]
According to the seventh aspect of the invention, the urea hydrolysis catalyst can be efficiently heated by the heating unit without the heat generated by the heating unit leaking to the outside air as much as possible, so that the energy consumption of the heating unit is suppressed as much as possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an exhaust gas purifying apparatus for a diesel engine according to the present invention; FIG. 2 is a structural view of an ammonia generating apparatus in the first embodiment; FIG. FIG. 4 is a structural diagram of an ammonia generator according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is a structural diagram of an ammonia generator according to a third embodiment of the present invention.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Diesel engine 2 Exhaust passage 4 Nitrogen oxide reduction catalyst 5 Ammonia generator 6 Urea aqueous solution tank 7 Pump 10 Ammonia gas tank 11 Ammonia gas addition means 11A Ammonia gas introduction path 11B Control valve 13 Intake flow rate sensor 14 Rotation speed sensor 15 Load sensor 16 Exhaust temperature sensor 17 Nitrogen oxide sensor 18 Exhaust pressure sensor 19 Ammonia gas supply control unit 20 Urea hydrolysis control unit 21 In-tank pressure sensor 35 Catalyst temperature sensor 31 Urea hydrolysis catalyst 34 Electric heater 36 Bottom plate

Claims

Urea aqueous solution storage means for storing an urea aqueous solution,
A urea hydrolysis catalyst that generates ammonia gas from an aqueous urea solution using exhaust heat of a diesel engine;
Urea aqueous solution supply means for supplying the urea aqueous solution stored in the urea aqueous solution storage means to the urea hydrolysis catalyst,
Ammonia gas storage means for storing ammonia gas generated by the urea hydrolysis catalyst,
A nitrogen oxide reduction catalyst that is interposed in an exhaust passage of the diesel engine and reduces and removes nitrogen oxide in exhaust gas of the diesel engine;
Ammonia gas addition means for adding ammonia gas stored in the ammonia gas storage means to the upstream side of the nitrogen oxide reduction catalyst,
An exhaust gas purification device for a diesel engine, comprising:

Operating state detecting means for detecting an operating state of the diesel engine,
Addition control means for controlling the addition flow rate of ammonia gas by the ammonia gas addition means, based on the operation state detected by the operation state detection means,
The exhaust gas purifying apparatus for a diesel engine according to claim 1, comprising:

Catalyst temperature detecting means for detecting a catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst,
Pressure detection means for detecting the gas pressure in the ammonia gas storage means,
Supply control means for controlling a supply flow rate of the urea aqueous solution by the urea aqueous solution supply means based on the catalyst temperature and the gas pressure detected by the catalyst temperature detection means and the pressure detection means, respectively;
The exhaust gas purifying apparatus for a diesel engine according to claim 1 or 2, comprising:

Catalyst temperature detecting means for detecting a catalyst temperature of the urea hydrolysis catalyst,
Heating means for heating the urea hydrolysis catalyst,
Heating control means for controlling the operation of the heating means based on the catalyst temperature detected by the catalyst temperature detection means,
The exhaust gas purifying apparatus for a diesel engine according to any one of claims 1 to 3, characterized by comprising:

The urea hydrolysis catalyst is disposed so as to be able to receive heat from the exhaust passage so as to extend substantially in the vertical direction, and an inlet into which an aqueous urea solution flows is provided in a vertically lower portion, and the ammonia gas is provided in an upper portion in a vertical direction. The exhaust gas purifying apparatus for a diesel engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the storage means is provided integrally.

The said ammonia gas storage means has an inclined bottom plate so that the ammonia cooled and liquefied in the said ammonia storage means may be returned to the urea hydrolysis catalyst located in the lower part in the vertical direction. An exhaust purification device for a diesel engine as described in the above.

The exhaust gas purifying apparatus for a diesel engine according to any one of claims 4 to 6, further comprising a heat insulating means for suppressing heat radiation from the heating means to the outside air.