JP2009264148A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気浄化装置に関するものである。 The present invention relates to an exhaust emission control device.
従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にNOxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のNOx(窒素酸化物)と還元反応させ、これによりNOxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。 Conventionally, a diesel engine is equipped with a selective reduction catalyst having a property of selectively reacting NOx with a reducing agent even in the presence of oxygen in the middle of an exhaust pipe through which exhaust gas flows, and the selective reduction catalyst A required amount of a reducing agent is added to the upstream side of the catalyst so that the reducing agent undergoes a reduction reaction with NOx (nitrogen oxide) in the exhaust gas on the selective catalytic reduction catalyst, thereby reducing the NOx emission concentration. There is what I did.
他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア(NH3)を用いてNOxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている(例えば、特許文献1参照)。 On the other hand, in the field of industrial flue gas denitration treatment in plants and the like, the effectiveness of a method for reducing and purifying NOx using ammonia (NH 3 ) as a reducing agent is already widely known. Since it is difficult to ensure safety with respect to traveling with ammonia itself, in recent years, the use of non-toxic urea water as a reducing agent has been studied (see, for example, Patent Document 1). .
即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガスの熱によって尿素水が次式によりアンモニアと炭酸ガスに加水分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のNOxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。
[化1]
(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2
[Chemical 1]
(NH 2 ) 2 CO + H 2 O → 2NH 3 + CO 2
このような排気浄化装置にあっては、選択還元型触媒にアンモニアを添加することで約100℃以上の排気温度からNOx低減効果が得られることが実験により確認されているが、尿素水がアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに少なくとも約150〜160℃の排気温度が必要であるため、これより低い排気温度が想定されるエンジンスタート時や低速走行時等に、いくら尿素水を添加してもアンモニアが十分に生成されないためにNOx低減性能がなかなか高まらないという問題があった。 In such an exhaust purification device, it has been confirmed by experiments that an NOx reduction effect can be obtained from an exhaust temperature of about 100 ° C. or more by adding ammonia to the selective catalytic reduction catalyst. Since an exhaust temperature of at least about 150 to 160 ° C. is required to hydrolyze it into carbon dioxide, urea water can be added to some extent when starting an engine at a lower exhaust temperature or when driving at a low speed. However, there is a problem that the NOx reduction performance is not easily improved because ammonia is not sufficiently generated.
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階から直ちに高いNOx低減性能を発揮し得るようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and even when the engine temperature is low or when the engine is running at low speed, the NOx reduction performance is high immediately after the exhaust temperature reaches the active temperature range of the selective catalytic reduction catalyst. An object of the present invention is to provide an exhaust emission control device that can exhibit the above.
本発明は、エンジンからの排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にNOxをアンモニアと反応させる性質を備えた選択還元型触媒と、該選択還元型触媒の上流側に尿素水を還元剤として添加する尿素水添加手段とを備えた排気浄化装置において、尿素の固形物を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管内に導入する尿素放電分解リアクタを前記選択還元型触媒の上流側に追加装備したことを特徴とするものである。 The present invention provides a selective reduction catalyst having a property of selectively reacting NOx with ammonia even in the presence of oxygen in the middle of an exhaust pipe through which exhaust gas from an engine flows, and an upstream side of the selective reduction catalyst. In the exhaust gas purification apparatus equipped with urea water addition means for adding urea water as a reducing agent, the urea discharge decomposition reactor that forcibly decomposes urea solids into ammonia by discharge plasma and introduces it into the exhaust pipe is selectively reduced. It is characterized by additional equipment upstream of the type catalyst.
而して、このようにすれば、排気温度が尿素水を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度に達していなくても、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階で尿素放電分解リアクタを作動させ、該尿素放電分解リアクタにて尿素の固形物を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管内に導入すると、このアンモニアを還元剤として排気ガス中のNOxが選択還元型触媒上で良好に還元浄化されることになる。 Thus, in this way, even if the exhaust temperature does not reach a temperature sufficient to efficiently hydrolyze urea water into ammonia and carbon dioxide, the exhaust temperature is within the active temperature range of the selective catalytic reduction catalyst. When the urea discharge decomposition reactor is activated, the urea discharge decomposition reactor forcibly decomposes urea solids into ammonia by the discharge plasma and introduces it into the exhaust pipe, and this ammonia is used as a reducing agent in the exhaust gas. NOx can be reduced and purified well on the selective catalytic reduction catalyst.
尚、このように尿素の固形物を放電プラズマによりアンモニアに分解する方式であれば、同じ量のアンモニアを添加するのに必要な尿素の重量・容積が尿素水(通常は32.5重量%程度の水溶液)と比較して1/3程度で済み、しかも、少ない尿素の固形物から濃いアンモニアを生成できるので、極めてコンパクトな装置としてまとめることが可能である。 If the urea solid is decomposed into ammonia by discharge plasma in this way, the weight and volume of urea required to add the same amount of ammonia is urea water (usually about 32.5% by weight). 1) compared to the aqueous solution of (2), and it is possible to produce concentrated ammonia from a small amount of urea solids.
また、排気温度が尿素水を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度を超える運転状態に移行した段階では、尿素水添加手段に切り換えて尿素水の添加を開始し、現在の運転状態から推定されるNOx発生量に見合う過不足のない添加量に制御して尿素水の添加を行えば良い。 In addition, when the exhaust gas temperature has shifted to an operating state where the urea water exceeds the temperature sufficient to efficiently hydrolyze the urea water into ammonia and carbon dioxide, the urea water addition means is switched to start the urea water addition. The urea water may be added by controlling the addition amount so that there is no excess or deficiency corresponding to the NOx generation amount estimated from the operating state.
更に、本発明をより具体的に実施するにあたっては、前記尿素放電分解リアクタが、互いに所要間隔を隔てて対向配置され且つ一方の他方に対する対向面に誘電体が配設されて相互間に高電圧が印加されるようにした電極と、該電極の相互間に形成される放電空間に充填された誘電体ペレットと、前記放電空間に尿素の固形物を切削して微細化してから投入する尿素切削投入手段と、前記放電空間で生じたアンモニアを排気管内へ送り出すための搬送ガスを導く搬送ガスラインとを備えていることが好ましい。 Furthermore, in more concrete implementation of the present invention, the urea discharge cracking reactors are arranged to face each other at a required interval, and a dielectric is arranged on the opposite surface with respect to the other, so that a high voltage is generated between them. Electrodes, dielectric pellets filled in the discharge space formed between the electrodes, and urea cutting in which the solid matter of urea is cut into the discharge space and then refined It is preferable that a charging means and a carrier gas line for guiding a carrier gas for sending ammonia generated in the discharge space into the exhaust pipe are provided.
而して、このように尿素放電分解リアクタを構成した場合に、電極の相互間に高電圧を印加して放電空間内に放電プラズマを発生させる一方、尿素切削投入手段により尿素の固形物を切削して微細化してから放電空間に投入すると、該放電空間内で尿素の固形物が放電プラズマによりアンモニアに分解され、搬送ガスラインにより導かれた搬送ガスにより前記アンモニアが排気管内へと送り出される。 Thus, when a urea discharge decomposition reactor is configured in this way, a high voltage is applied between the electrodes to generate discharge plasma in the discharge space, while urea solids are cut by the urea cutting input means. Then, when it is made finer and then introduced into the discharge space, the solid matter of urea is decomposed into ammonia by the discharge plasma in the discharge space, and the ammonia is sent out into the exhaust pipe by the carrier gas guided by the carrier gas line.
この際、放電空間に誘電体ペレットが充填されていると、該各誘電体ペレット同士の接触点に電界が集中して強い放電プラズマが発生し易くなり、しかも、誘電体ペレットのような固体表面での方が尿素からアンモニアへの分解が進み易くなるため、放電空間内で尿素の固形物が強い放電プラズマにより効率良くアンモニアに分解されることになる。 At this time, if the discharge space is filled with dielectric pellets, the electric field is concentrated at the contact points between the dielectric pellets, and a strong discharge plasma is likely to be generated. In this case, the decomposition of urea into ammonia is easier to proceed, so that the solid substance of urea is efficiently decomposed into ammonia by the strong discharge plasma in the discharge space.
更に、前記誘電体ペレットの表面には、尿素からアンモニアへの分解を促進する尿素分解触媒が担持されていることが好ましく、このようにすれば、尿素からアンモニアへの分解をより一層促進することが可能となる。 Furthermore, it is preferable that a urea decomposition catalyst that promotes the decomposition of urea into ammonia is supported on the surface of the dielectric pellet. In this way, the decomposition of urea into ammonia is further promoted. Is possible.
上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。 According to the exhaust emission control device of the present invention described above, various excellent effects as described below can be obtained.
(I)本発明の請求項1に記載の発明によれば、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、尿素放電分解リアクタを作動させて尿素の固形物を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解し、このアンモニアを選択還元型触媒の還元剤として排気管内に導入することができるので、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階から直ちに高いNOx低減性能を発揮させることができる。 (I) According to the invention described in claim 1 of the present invention, the urea discharge decomposition reactor is operated to forcibly discharge the urea solid matter by the discharge plasma even when the engine having a low exhaust temperature is started or at low speed. It can be decomposed into ammonia, and this ammonia can be introduced into the exhaust pipe as a reducing agent for the selective catalytic reduction catalyst, so that it exhibits high NOx reduction performance immediately after the exhaust temperature reaches the active temperature range of the selective catalytic reduction catalyst. Can be made.
(II)本発明の請求項2に記載の発明によれば、尿素の固形物を尿素切削投入手段により切削して微細化することでアンモニアへの分解を促し、誘電体ペレットの充填により強い放電プラズマを発生させ、誘電体ペレットのような固体表面で分解を行わせることで尿素からアンモニアへの分解を進み易くすることができ、尿素からアンモニアへの分解を効率良く実現することができる。
(II) According to the invention described in
(III)本発明の請求項3に記載の発明によれば、尿素からアンモニアへの分解を促進する尿素分解触媒を誘電体ペレットの表面に担持させたことにより、尿素からアンモニアへの分解をより一層促進することができる。 (III) According to the invention described in claim 3 of the present invention, the urea decomposition catalyst for promoting the decomposition of urea into ammonia is supported on the surface of the dielectric pellet, so that the decomposition of urea into ammonia is further improved. It can be further promoted.
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1〜図3は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図1中における符号1はディーゼル機関であるエンジンを示し、ここに図示しているエンジン1では、ターボチャージャ2が備えられており、図示しないエアクリーナから導いた吸気3が吸気管4を介し前記ターボチャージャ2のコンプレッサ2aへと送られ、該コンプレッサ2aで加圧された吸気3が更にインタークーラ5へと送られて冷却され、該インタークーラ5からインテークマニホールド6へと吸気3が導かれてエンジン1の各シリンダ7に導入されるようにしてある。
1 to 3 show an example of an embodiment of the present invention. Reference numeral 1 in FIG. 1 denotes an engine that is a diesel engine. In the engine 1 shown here, a
また、このエンジン1の各シリンダ7から排出された排気ガス8がエキゾーストマニホールド9を介し前記ターボチャージャ2のタービン2bへと送られ、該タービン2bを駆動した排気ガス8が排気管10を介し車外へ排出されるようにしてあるが、該排気管10の途中には、酸素共存下でも選択的にNOxをアンモニアと反応させる性質を備えた選択還元型触媒11がケーシング12を介し装備されている。
Further,
更に、前記ケーシング12の入口付近には、排気ガス8中に尿素水13を添加する尿素水添加手段として尿素水添加弁14が装備されており、この尿素水添加弁14には、所要場所に配置された尿素水タンク15から導いた尿素水供給ライン16が接続されており、該尿素水供給ライン16の途中に装備したポンプ17の駆動により尿素水タンク15内の尿素水13が抜き出されて前記尿素水添加弁14に向けて供給され、該尿素水添加弁14のノズル先端から排気管10内に噴射されるようになっている。
Further, a urea
そして、本形態例においては、以上に述べた如き従来周知の排気浄化装置の構成に対し、尿素の固形物を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管10内に導入する尿素放電分解リアクタ18を前記ケーシング12の入口付近(選択還元型触媒11の上流側)に追加装備したことを特徴としている。
In this embodiment, the urea discharge decomposition in which the solid substance of urea is forcibly decomposed into ammonia by discharge plasma and introduced into the
図2に詳細を示している通り、前記尿素放電分解リアクタ18は、排気管10の上側に直立するように配置されており、その内部下段にロッド状の高電圧電極19が起立状態で配置され、これを取り巻くように円筒状の接地電極20が同心状に配置されており、該接地電極20の内周面(高電圧電極19に対する対向面)に誘電体21が内嵌装着されて前記高電圧電極19と接地電極20の相互間に高電圧が印加されるようになっている。
As shown in detail in FIG. 2, the urea
しかも、前記高電圧電極19と接地電極20の相互間に形成される放電空間22には、尿素からアンモニアへの分解を促進する性質を備えた酸化チタン等の尿素分解触媒が担持された多数の誘電体ペレット23が充填されており、該誘電体ペレット23がセラミックス製のパンチングプレート24の底板により抜け落ちないように支持されている。
Moreover, in the
更に、前記尿素放電分解リアクタ18の内部上段には、放電空間22に尿素の固形物25を切削して微細化してから投入する尿素切削投入装置26(尿素切削投入手段)が設けられており、この尿素切削投入装置26は、尿素の固形物25を切削する円盤状の切削刃27と、該切削刃27を回転駆動する駆動装置28と、前記切削刃27の上面に尿素の固形物25を押圧する供給装置29とにより構成されている。
Furthermore, a urea cutting charging device 26 (urea cutting charging means) for cutting and solidifying
前記円盤状の切削刃27は、鉛直方向の軸を中心に水平回転し得るよう図示しない軸支手段により回転自在に保持されており、図3に示す如く、その平面部分の周方向複数箇所(図示では4箇所)に鉋の歯の如き刃先27aが斜めに立ち上がり、この刃先27aに沿って開口する隙間(図3で刃先27aに隠れた部分)から切削粉が下の放電空間22に落下するようにしてあり、前記切削刃27の外周部に刻設されたギヤ歯27bと噛合するピニオン30を介して前記駆動装置28により前記切削刃27が回転駆動されるようになっている。
The disk-
また、前記供給装置29は、円柱状に成形された複数の尿素の固形物25を前記切削刃27の上面側で刃先27aと対峙するよう多段に保持するガイド筒31と、該ガイド筒31の上部開口に挿入され且つ圧縮バネ32により下方向きに付勢されたピストン33とにより構成されており、該ピストン33により尿素の固形物25が、回転する切削刃27の上面に押し付けられて切削されるようにしてある。
The
また、前記切削刃27の上面側でガイド筒31と干渉しない位置には、車両に搭載されたエアタンク34(図1参照)から開閉弁35を介して圧縮空気36を導く搬送ガスライン37が引き込まれており、該搬送ガスライン37からの圧縮空気36を搬送ガスとして、前記放電空間22で生じたアンモニアが排気管10内へ送り出されるようになっている。
Further, a
尚、この種のエアタンク34は、トラック等の大型車両でブレーキ系やサスペンション系にに利用される圧縮空気36を蓄えておくためのものとして周知のものであるが、このようなエアタンク34が搭載されていない車両にあっては、ターボチャージャ2のコンプレッサ2aの出口から吸気3を抽気して導いても良い。
This type of
而して、このようにすれば、排気温度が尿素水13を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度(約200℃程度:尿素水13がアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに少なくとも約150〜160℃が必要であるため)に達していなくても、排気温度が選択還元型触媒11の活性温度域(約100℃程度)に到達した段階で尿素放電分解リアクタ18を作動させ、該尿素放電分解リアクタ18にて尿素の固形物25を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管10内に導入すると、このアンモニアを還元剤として排気ガス8中のNOxが選択還元型触媒11上で良好に還元浄化されることになる。
Thus, in this way, the exhaust temperature is a temperature sufficient to efficiently hydrolyze the
即ち、尿素放電分解リアクタ18における電極の相互間に高電圧を印加して放電空間22内に放電プラズマを発生させる一方、尿素切削投入装置26の駆動装置28で切削刃27を回転駆動して尿素の固形物25を切削し、前記切削刃27の刃先27aの隙間から微細化した切削粉を落として放電空間22に投入すると、該放電空間22内で尿素の固形物25が放電プラズマによりアンモニアに分解され、搬送ガスライン37により導かれた圧縮空気36により前記アンモニアが排気管10内へと送り出される。
That is, a high voltage is applied between the electrodes in the urea discharge
この際、本形態例に示す如く、放電空間22に誘電体ペレット23が充填されていると、該各誘電体ペレット23同士の接触点に電界が集中して強い放電プラズマが発生し易くなり、しかも、誘電体ペレット23のような固体表面での方が尿素からアンモニアへの分解が進み易くなるため、放電空間22内で尿素の固形物25が強い放電プラズマにより効率良くアンモニアに分解されることになる。
At this time, as shown in the present embodiment, when the
特に本形態例の場合は、前記誘電体ペレット23の表面に尿素からアンモニアへの分解を促進する性質を備えた酸化チタン等の尿素分解触媒を担持させているので、尿素からアンモニアへの分解をより一層促進することが可能となる。
Particularly in the case of this embodiment, since a urea decomposition catalyst such as titanium oxide having the property of promoting the decomposition of urea into ammonia is supported on the surface of the
尚、このように尿素の固形物25を放電プラズマによりアンモニアに分解する方式であれば、同じ量のアンモニアを添加するのに必要な尿素の重量・容積が尿素水13(通常は32.5重量%程度の水溶液)と比較して1/3程度で済み、しかも、少ない尿素の固形物25から濃いアンモニアを生成できるので、極めてコンパクトな装置としてまとめることが可能である。
If the urea
また、排気温度が尿素水13を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度(約200℃程度)を超える運転状態に移行した段階では、尿素水添加弁14に切り換えて尿素水13の添加を開始し、現在の運転状態から推定されるNOx発生量に見合う過不足のない添加量に制御して尿素水13の添加を行えば良い。
In addition, when the exhaust gas temperature shifts to an operation state in which the
従って、上記形態例によれば、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、尿素放電分解リアクタ18を作動させて尿素の固形物25を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解し、このアンモニアを選択還元型触媒11の還元剤として排気管10内に導入することができるので、排気温度が選択還元型触媒11の活性温度域に到達した段階から直ちに高いNOx低減性能を発揮させることができる。
Therefore, according to the above embodiment, the urea discharge
また、尿素の固形物25を尿素切削投入装置26により切削して微細化することでアンモニアへの分解を促し、誘電体ペレット23の充填により強い放電プラズマを発生させ、誘電体ペレット23のような固体表面で分解を行わせることで尿素からアンモニアへの分解を進み易くすることができ、しかも、尿素からアンモニアへの分解を促進する尿素分解触媒を誘電体ペレット23の表面に担持させたことにより、尿素からアンモニアへの分解をより一層促進することもできる。
Further, the urea
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、尿素放電分解リアクタの具体的な構成は必ずしも図示例に限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The exhaust emission control device of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the specific configuration of the urea discharge decomposition reactor is not necessarily limited to the illustrated example, and does not depart from the gist of the present invention. Of course, various changes can be made within the range.
1 エンジン
8 排気ガス
10 排気管
11 選択還元型触媒
13 尿素水
14 尿素水添加弁
18 尿素放電分解リアクタ
19 高電圧電極
20 接地電極
21 誘電体
22 放電空間
23 誘電体ペレット
25 尿素の固形物
26 尿素切削投入装置
36 圧縮空気(搬送ガス)
37 搬送ガスライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
37 Carrier gas line
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