JP2005105915A

JP2005105915A - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP2005105915A
Application number: JP2003339247A
Authority: JP
Inventors: Goji Masuda; 剛司増田
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP4166656B2

Abstract

【課題】還元剤を貯蔵する貯蔵タンクの開閉時に発生する悪臭を低減する。
【解決手段】エンジン１０の排気管２０にＮＯｘ還元触媒１６を配設すると共に、還元剤供給装置２４により、貯蔵タンク２２に貯蔵された尿素水溶液などの還元剤を噴射ノズル２６からＮＯｘ還元触媒１６の排気上流に噴射供給する。また、貯蔵タンク２２に、その上部空間内の気体を強制的に排出する電動ファンなどの強制排出装置３０、強制的に排出された気体を一時的に吸着する吸着装置３２、及び、吸着装置３２から離脱した気体を酸化させる酸化触媒３４をこの順番で配設する。そして、貯蔵タンク２２の上部空間内の気体を強制的に排出させると共に、これを一時的に吸着して徐々に離脱させつつ酸化させることで、貯蔵タンク２２の上部空間内の気体濃度を大幅に低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、還元剤を用いて排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去するエンジンの排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）に関し、特に、還元剤を貯蔵する貯蔵タンクの開閉時に発生する悪臭を低減する技術に関する。

エンジンの排気に含まれるＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、特開２０００−２７６２７号公報（特許文献１）に開示された排気浄化装置が提案されている。
かかる排気浄化装置は、エンジンの排気系に還元触媒を配設し、還元触媒の排気上流に還元剤を噴射供給することにより、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。還元剤は、常温において液体状態で貯蔵タンクに貯蔵され、エンジン運転状態に対応した必要量が噴射ノズルから噴射供給される。また、還元反応は、ＮＯｘと反応性が良好なアンモニアを用いるもので、還元剤としては、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液が用いられる。
特開２０００−２７６２７号公報

ところで、上記従来の排気浄化装置によると、周囲温度の変化などに伴って貯蔵タンクが高温になると、その内部に貯蔵される尿素水溶液が化学反応を起こしてアンモニア系ガスとなり、貯蔵タンクの上部空間に充満してしまう。そして、尿素水溶液を補充するときなど、作業者が貯蔵タンクの注入キャップを取り外すと、充満したアンモニア系ガスが外部に漏れ出し、悪臭が発生してしまうおそれがあった。なお、かかる悪臭は、還元剤として尿素水溶液を用いたときに限らず、アンモニア水溶液，炭化水素を主成分とした軽油などを用いたときにも同様に発生してしまう。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、貯蔵タンクの上部空間内の気体を酸化触媒で酸化させつつ適宜放出することで、貯蔵タンク開閉時に発生する悪臭を抑制したエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明では、エンジン排気系に配設され、窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、前記還元剤を貯蔵する貯蔵タンクと、該貯蔵タンクに貯蔵された還元剤を前記還元触媒に供給する還元剤供給装置と、前記貯蔵タンクの上部空間内の気体を強制的に排出する強制排出装置と、該強制排出装置により排出された気体を一時的に吸着する吸着装置と、該吸着装置から離脱した気体を酸化させる酸化触媒と、を含んでエンジンの排気浄化装置を構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、前記貯蔵タンク内の還元剤温度を検出する還元剤温度検出手段と、該還元剤温度検出手段により検出された還元剤温度が第１の所定値以上であるときに、前記強制排出装置を作動させる作動制御手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項３記載の発明では、前記酸化触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、該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、前記酸化触媒を活性化させる触媒活性化手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項４記載の発明では、前記酸化触媒を加熱する加熱装置を備え、前記触媒活性化手段は、前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度が前記酸化触媒の活性温度以上になるように、前記加熱装置を制御することを特徴とする。
請求項５記載の発明では、前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度が第２の所定値以上であるときに、前記加熱装置の作動を停止させる加熱停止手段を備えたことを特徴とする。

請求項６記載の発明では、前記吸着装置は、モルデナイト、コバルト担持モルデナイト又は活性炭であることを特徴とする。
請求項７記載の発明では、前記酸化触媒は、電熱ハニカム触媒であることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、エンジンの排気中に含まれる窒素酸化物は、還元剤供給装置により貯蔵タンクから供給された還元剤を用いて、還元触媒において還元浄化され無害物質となった後、大気中に排出される。一方、周囲温度の変化などに伴って貯蔵タンク内の温度が上昇すると、還元剤の一部が化学反応又は気化して気体となり、貯蔵タンクの上部空間に充満する。貯蔵タンクの上部空間内の気体は、強制排出装置により貯蔵タンクから強制的に排出され、吸着装置に一時的に吸着される。そして、吸着装置に吸着された気体は、所定条件が満たされると徐々に離脱し、酸化触媒において酸化されて無害物質に転化された後、大気中に放出される。

従って、貯蔵タンク内の還元剤から気体が発生する状況下であっても、その上部空間内の気体が強制的に排出されるので、そこに残留する気体濃度が大幅に低下する。このため、貯蔵タンクに還元剤を補充しようとして注入キャップを取り外しても、作業者が還元剤の臭いを感じ難くなり、貯蔵タンクの開閉時に発生する悪臭を低減することができる。また、貯蔵タンクの上部空間から強制的に排出された気体は、吸着装置により一時的に吸着された後徐々に離脱し、酸化触媒において酸化されるので、貯蔵タンク周囲で気体臭が漂うことも防止される。

請求項２記載の発明によれば、貯蔵タンク内の還元剤温度が第１の所定温度以上であるとき、即ち、還元剤から気体が発生する可能性があるときのみ、強制排出装置が作動されるので、不必要な強制排出装置の作動が防止される。このため、強制排出装置の作動音及びその作動に要するエネルギを必要最小限に抑制することができる。
請求項３記載の発明によれば、酸化触媒の触媒温度に基づいてその活性化が行われるので、還元剤から発生した気体の酸化が不十分となることを防止することができる。

請求項４記載の発明によれば、酸化触媒の触媒温度がその活性温度以上となるように、酸化触媒を加熱する加熱装置が制御されるので、酸化触媒を確実に活性状態に保持することができる。
請求項５記載の発明によれば、酸化触媒の触媒温度が第２の所定値以上、即ち、酸化触媒が十分活性化されている温度以上であるときには、加熱装置の作動が停止されるので、加熱装置で消費されるエネルギを抑制しつつ、酸化触媒が必要以上に昇温することによる熱害を防止することができる。

請求項６記載の発明によれば、吸着装置をモルデナイト，コバルト担持モルデナイト又は活性体とすることで、貯蔵タンクの上部空間から強制的に排出された気体を効率良く吸着することができる。
請求項７記載の発明によれば、酸化触媒を電熱ハニカム触媒とすることで、還元剤から発生した気体の流通抵抗の増大を抑制しつつ、加熱装置を容易に構成することができる。

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、本発明を具現化した排気浄化装置の構成を示す。
エンジン１０の排気は、排気マニフォールド１２からその下流に向けて、酸化触媒１４，ＮＯｘ還元触媒１６及びスリップ式アンモニア酸化触媒１８が夫々配設された排気管２０を通過して大気中に排出される。また、ＮＯｘ還元触媒１６の排気上流には、貯蔵タンク２２に貯蔵される液体還元剤が、還元剤供給装置２４及び噴射ノズル２６を経由して、空気と共に噴射供給される。ここで、液体還元剤としては、本実施形態では、加水分解によりアンモニアを容易に発生する尿素水溶液を用いるが、ＮＯｘ還元触媒１６の還元反応に対応して、炭化水素を主成分とする軽油などを用いるようにしてもよい。

また、貯蔵タンク２２の天壁には、尿素水溶液を補充するための注入キャップ２８が着脱可能に取り付けられると共に、上部空間内の気体（アンモニア系ガス）を強制的に排出する電動ファンなどの強制排出装置３０が取り付けられる。そして、強制排出装置３０の吐出側には、強制排出された気体を一時的に吸着するモルデナイト，コバルト担持モルデナイト又は活性炭などの吸着装置３２、及び、吸着装置３２から離脱した気体を酸化させる酸化触媒３４が、この順番で配設される。ここで、酸化触媒３４としては、流通抵抗が小さいハニカム担体に触媒金属などをウォッシュコートすると共に、その活性化を促進する電熱ヒータなどの加熱装置が内蔵された電熱ハニカム触媒を用いることが望ましい。なお、加熱装置は、酸化触媒３４に内蔵される構成に限らず、これに併設される構成としてもよい。

一方、排気浄化装置の制御系として、貯蔵タンク２２内の尿素水溶液温度を検出する還元剤温度センサ３６（還元剤温度検出手段）と、酸化触媒３４の触媒温度を検出する触媒温度センサ３８（触媒温度検出手段）と、コンピュータを内蔵した制御装置４０と、が備えられる。そして、制御装置４０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された制御プログラムにより、エンジン回転速度及び燃料噴射量などのエンジン運転状態に応じて還元剤供給装置２４を制御すると共に、還元剤温度センサ３６及び触媒温度センサ３８からの温度信号に基づいて、強制排出装置３０及び酸化触媒３４を活性化する加熱装置を制御する。なお、制御装置４０により、作動制御手段，触媒活性化手段及び加熱停止手段が夫々実現される。

図２は、エンジン始動後、制御装置４０において所定時間間隔で繰り返し実行される制御内容を示すフローチャートである。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、還元剤温度センサ３６から尿素水溶液温度が読み込まれる。
ステップ２では、尿素水溶液温度が所定値Ｔ₁以上であるか否か、即ち、尿素水溶液からアンモニア系ガスが発生する温度（例えば８０℃）より若干低い第１の所定温度に達しているか否かが判定される。そして、尿素水溶液温度が所定値Ｔ₁以上であればステップ３へと進む一方（Ｙｅｓ）、尿素水溶液温度が所定値Ｔ₁未満であれば処理を終了する（Ｎｏ）。

ステップ３では、貯蔵タンク２２内の尿素水溶液温度が所定値Ｔ₁以上、即ち、アンモニア系ガスが発生する温度より若干低い温度に達しているため、強制排出装置３０を所定時間作動させ、貯蔵タンク２２の上部空間内のアンモニア系ガスを強制的に排出させる。
なお、ステップ１〜ステップ３における一連の処理が作動制御手段に該当する。
ステップ４では、触媒温度センサ３８から酸化触媒３４の触媒温度が読み込まれる。

ステップ５では、酸化触媒３４の触媒温度が所定値Ｔ₂以下であるか否か、即ち、触媒温度が酸化触媒３４の活性化温度（例えば２００℃）に達しているか否かが判定される。そして、触媒温度が所定値Ｔ₂以下であれば酸化触媒３４が未活性であるので、ステップ６に進み（Ｙｅｓ）、加熱装置に対して通電が開始される。一方、触媒温度が所定値Ｔ₂より高ければステップ７へと進む（Ｎｏ）。

ステップ７では、酸化触媒３４の触媒温度が所定値Ｔ₃以上であるか否か、即ち、酸化触媒３４が十分活性化されている第２の所定値（例えば４００℃）以上であるか否かが判定される。そして、触媒温度が所定値Ｔ₃以上であれば酸化触媒３４が十分活性化されているので、ステップ８へと進み（Ｙｅｓ）、不必要な電力消費を抑制すべく加熱装置への通電を停止させる。一方、触媒温度が所定値Ｔ₃未満であれば、触媒温度を所定値Ｔ₂〜Ｔ₃に維持すべく、そのときの触媒温度に応じて加熱装置への電流が増減される。

なお、ステップ４〜ステップ９における一連の処理が触媒活性化手段に、ステップ４，ステップ７及びステップ８における一連の処理が加熱停止手段に夫々該当する。
次に、かかる構成からなる排気浄化装置の作用について説明する。
エンジン１０からの排気は、排気マニフォールド１２及び排気管２０を通って酸化触媒１４へと導かれる。酸化触媒１４では、その下流に位置するＮＯｘ還元触媒１６でのＮＯｘ浄化効率を向上させるべく、排気中の一部の一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して、二酸化窒素（ＮＯ₂）に転化させる。酸化触媒１４にてＮＯとＮＯ₂との構成比率が改善された排気は、排気管２０を通ってＮＯｘ還元触媒１６へと導かれる。一方、ＮＯｘ還元触媒１６の排気上流に位置する噴射ノズル２６から、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液が空気と共に噴射供給され、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解してアンモニアとなりつつ、排気と共にＮＯｘ還元触媒１６へと供給される。そして、ＮＯｘ還元触媒１６では、アンモニアを用いた還元反応により、排気中のＮＯｘを水及び無害なガスに転化して、ＮＯｘ浄化が行われる。また、還元反応に寄与せず、ＮＯｘ還元触媒１６を通過した余剰のアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒１６の排気下流に位置するスリップ式アンモニア酸化触媒１８により、大気中に放出しても無害な物質に転化される。

一方、周囲温度の変化などに伴って貯蔵タンク２２内の温度が上昇すると、尿素水溶液が化学変化を起こしてアンモニア系ガスとなり、これが貯蔵タンク２２の上部空間に充満する。このとき、尿素水溶液温度が所定値Ｔ₁以上となるので、制御装置４０により強制排出装置３０が所定時間作動される。このため、貯蔵タンク２２の上部空間内のアンモニア系ガスは、強制排出装置３０により強制的に排出され、吸着装置３２に一時的に吸着される。そして、吸着装置３２に吸着されたアンモニア系ガスは、所定条件が満たされると徐々に離脱し、酸化触媒３４において酸化されて無害物質に転化された後、大気中に放出される。

従って、貯蔵タンク２２内の尿素水溶液からアンモニア系ガスが発生する状況下では、その上部空間内のアンモニア系ガスが強制的に排出されるので、そこに残留するアンモニア濃度が大幅に低下する。このため、尿素水溶液を補充しようとして注入キャップ２８を取り外しても、アンモニア濃度が低いことから、作業者がアンモニア臭を感じ難くなり、貯蔵タンク２２の開閉時に発生する悪臭を低減することができる。また、貯蔵タンク２２の上部空間から強制的に排出されたアンモニア系ガスは、吸着装置３２により一時的に吸着された後徐々に離脱し、酸化触媒３４において酸化されるので、貯蔵タンク２２周囲でアンモニア臭が漂うことを防止できる。

また、酸化触媒３４の触媒温度が、活性温度以上の所定温度範囲に維持されるように、加熱装置が制御されるので、不必要な電力消費を抑制しつつ、酸化触媒３４を活性状態に保持することができる。特に、酸化触媒３４の触媒温度が所定温度Ｔ₃以上、即ち、酸化触媒３４が十分活性化されているときには、加熱装置の作動が停止されるので、酸化触媒３４が必要以上に昇温することがなく、熱害を防止することができる。

本発明を具現化した排気浄化装置の構成図制御装置で実行される制御内容を示すフローチャート

符号の説明

１０エンジン
１６ＮＯｘ還元触媒
２０排気管
２２貯蔵タンク
２４還元剤供給装置
３０強制排出装置
３２吸着装置
３４酸化触媒
３６還元剤温度センサ
３８触媒温度センサ
４０制御装置

Claims

エンジン排気系に配設され、窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、
前記還元剤を貯蔵する貯蔵タンクと、
該貯蔵タンクに貯蔵された還元剤を前記還元触媒に供給する還元剤供給装置と、
前記貯蔵タンクの上部空間内の気体を強制的に排出する強制排出装置と、
該強制排出装置により排出された気体を一時的に吸着する吸着装置と、
該吸着装置から離脱した気体を酸化させる酸化触媒と、
を含んで構成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
前記貯蔵タンク内の還元剤温度を検出する還元剤温度検出手段と、
該還元剤温度検出手段により検出された還元剤温度が第１の所定値以上であるときに、前記強制排出装置を作動させる作動制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
前記酸化触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、
該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、前記酸化触媒を活性化させる触媒活性化手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
前記酸化触媒を加熱する加熱装置を備え、
前記触媒活性化手段は、前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度が前記酸化触媒の活性温度以上になるように、前記加熱装置を制御することを特徴とする請求項３記載のエンジンの排気浄化装置。
前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度が第２の所定値以上であるときに、前記加熱装置の作動を停止させる加熱停止手段を備えたことを特徴とする請求項４記載のエンジンの排気浄化装置。
前記吸着装置は、モルデナイト、コバルト担持モルデナイト又は活性炭であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
前記酸化触媒は、電熱ハニカム触媒であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。