JP2010019079A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は排ガス浄化装置に係り、特に、排ガス中の窒素酸化物を選択的に還元する排ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification device, and more particularly to an exhaust gas purification device that selectively reduces nitrogen oxides in exhaust gas.
ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)を低減するために、尿素SCR(Selective Catalytic Reduction)システムが開発されている。このシステムは、尿素に水を反応させてアンモニアを生成し、アンモニアとNOxとを反応させて窒素と水にすることにより、排ガス中のNOxを低減するものである。通常、尿素は、尿素水として液体の形態で使用されるため、水の分だけ体積が大きくなって搭載性が悪くなり、また、尿素水の凍結開始温度がマイナス11℃であることから寒冷地での使用には凍結防止対策が必要であるといった問題点があった。 A urea SCR (Selective Catalytic Reduction) system has been developed to reduce nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas from diesel engines. This system reduces NOx in exhaust gas by reacting urea with water to produce ammonia and reacting ammonia with NOx to form nitrogen and water. Usually, urea is used in the form of liquid as urea water, so the volume is increased by the amount of water and the mountability is deteriorated, and the freezing start temperature of urea water is minus 11 ° C. There is a problem that anti-freezing measures are necessary for use in Japan.
これらの問題点を解決するためには、尿素を固体として使用する必要がある。固体の尿素を使用した尿素SCRシステムが特許文献1〜3に記載されている。特許文献1では、空気供給下において電気ヒータで固体尿素を加熱して、アンモニア、一酸化炭素等の還元ガスに分解し、この還元ガスをNOxの還元に使用するものである。特許文献2では、固体尿素が収納される溶解槽に水を供給すると共にマイクロ波を照射して内部加熱することにより、尿素が水に溶解した還元剤組成物を生成し、この還元剤組成物をNOxの還元に使用するものである。特許文献3では、固体尿素及び軽油からなる固体尿素混合液を排気管に噴射後、金網やディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)等によって固体尿素を捕集し、捕集された固体尿素が排ガスの熱によって昇華し、さらに排ガス中の水によって尿素がアンモニアと二酸化炭素に分解し、このアンモニアをNOxの還元に使用するものである。
In order to solve these problems, it is necessary to use urea as a solid. Urea SCR systems using solid urea are described in
しかしながら、特許文献1では、電気ヒータで固体尿素を加熱しているため、エネルギー効率が悪いといった問題点があった。また、特許文献2では、固体尿素を使用しているものの水を加えて溶液にしている点で、尿素水を使用する尿素SCRシステムと同様の問題点が生じる。さらに、特許文献3では、排気管内に固体尿素を供給するだけではNOx量に見合った量のアンモニアを生成できないといった問題点があった。
However, in
この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、固体尿素を使用し、効率よくNOx量に見合った量のアンモニアを生成する排ガス浄化装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide an exhaust gas purifying apparatus that uses solid urea and efficiently generates ammonia in an amount corresponding to the amount of NOx.
この発明に係る排ガス浄化装置は、内燃機関から排出された排ガスが流通する排気管に設けられたSCR触媒と、固体尿素を収容する固体尿素収容部であって、前記排ガスの少なくとも一部が前記固体尿素収容部を通って前記SCR触媒に流入する固体尿素収容部と、該固体尿素収容部の内部に照射されるマイクロ波を発生させるためのマイクロ波発生装置と、前記固体尿素収容部の内部に設けられると共に前記マイクロ波を吸収するマイクロ波吸収体とを備える。マイクロ波発生装置によって固体尿素収容部の内部に照射されたマイクロ波をマイクロ波吸収体が吸収して発熱することにより、固体尿素は加熱されて昇華し、昇華された尿素が排ガス中の水と反応してアンモニアを生成する。
前記マイクロ波吸収体は、前記マイクロ波を吸収可能な長さの金属製のアンテナであってもよい。
前記マイクロ波吸収体は、前記マイクロ波を吸収可能な材質から形成されてもよい。
前記マイクロ波吸収体は保護膜で被覆されていてもよい。前記保護膜はシリカ膜でもよい。
前記マイクロ波発生装置を動作させる制御装置を備え、該制御装置は、前記排ガスの温度に基づいて、前記マイクロ波発生装置の動作を制御してもよい。
前記マイクロ波発生装置を動作させる制御装置を備え、該制御装置は、前記排ガス中のNOx濃度に基づいて、前記マイクロ波発生装置の動作を制御してもよい。
An exhaust gas purification apparatus according to the present invention is an SCR catalyst provided in an exhaust pipe through which exhaust gas discharged from an internal combustion engine flows, and a solid urea storage unit that stores solid urea, wherein at least a part of the exhaust gas is the above-mentioned A solid urea container that flows into the SCR catalyst through the solid urea container, a microwave generator for generating a microwave irradiated to the inside of the solid urea container, and an interior of the solid urea container And a microwave absorber that absorbs the microwave. The microwave absorber absorbs the microwave irradiated into the solid urea container by the microwave generator and generates heat, so that the solid urea is heated and sublimated, and the sublimated urea and water in the exhaust gas are sublimated. Reacts to produce ammonia.
The microwave absorber may be a metal antenna having a length capable of absorbing the microwave.
The microwave absorber may be formed of a material capable of absorbing the microwave.
The microwave absorber may be covered with a protective film. The protective film may be a silica film.
A control device for operating the microwave generator may be provided, and the controller may control the operation of the microwave generator based on the temperature of the exhaust gas.
A control device for operating the microwave generation device may be provided, and the control device may control the operation of the microwave generation device based on the NOx concentration in the exhaust gas.
この発明によれば、マイクロ波発生装置によって固体尿素収容部の内部に照射されたマイクロ波をマイクロ波吸収体が吸収して発熱することにより、固体尿素は加熱されて昇華し、昇華された尿素が排ガス中の水と反応してアンモニアを生成するので、効率よくNOx量に見合った量のアンモニアを生成することができる。 According to the present invention, the microwave absorber absorbs the microwave irradiated to the inside of the solid urea container and generates heat, so that the solid urea is heated and sublimated, and the sublimated urea is heated. Reacts with the water in the exhaust gas to produce ammonia, so that an amount of ammonia corresponding to the amount of NOx can be efficiently produced.
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態1.
図1に示されるように、内燃機関であるディーゼルエンジン1から排出された排ガスが流通する排気管2に、酸化触媒3と、SCR触媒4と、酸化触媒5とが設けられている。排気管2には、酸化触媒3の上流側で一端が接続された枝管6と、酸化触媒3とSCR触媒4との間で一端が接続された枝管7とが設けられている。枝管6及び7の他端はそれぞれ、固体尿素収容部8に接続されている。また、排気管2には、酸化触媒3の上流側に、排ガス温度を検出するための温度センサ11が設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
As shown in FIG. 1, an
固体尿素収容部8の内部には、固体尿素9と、マイクロ波吸収体である金属製の複数のアンテナ10とが互いに接触するように収容されている。固体尿素収容部8には、固体尿素収容部8の側壁に部分的に設けられた孔12を介して、マイクロ波発生装置であるマグネトロン13が接続されている。枝管6及び7のそれぞれと固体尿素収容部8との接続部分にはそれぞれ、金属メッシュ14及び15が設けられている。また、固体尿素収容部8には、固体尿素9の投入及び取出用の開口が設けられ、開口は、金属メッシュ18を介して蓋19によって閉じられている。温度センサ11及びマグネトロン13はそれぞれ、制御装置であるECU16に電気的に接続されている。
The
図2に示されるように、各アンテナ10は、ポリシラザンを塗布後に硬化させて形成したシリカ(SiO2)からなる保護膜17を金属棒10aに被覆して構成されている。各アンテナ10の長さは、マイクロ波を吸収可能な長さである。すなわち、マイクロ波の波長の1/2の長さまたは1/4の長さであれば、アンテナ10はマイクロ波を吸収可能となる。ただし、アンテナ10は、正確にマイクロ波の波長の1/2の長さまたは1/4の長さを有さなければならないわけではなく、多少の長短は許容される。また、各アンテナ10は、マイクロ波の波長の1/4の長さの間隔をあけて、互いに平行となるように設けられている。
As shown in FIG. 2, each
次に、この実施の形態1に係る排ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン1から排出された排ガスは、排気管2を流通し、酸化触媒3の直前で、一部が枝管6を流通し、残りの排ガスが酸化触媒3に流入する。酸化触媒3において、排ガス中の一酸化窒素(NO)の大部分が酸化されて二酸化窒素(NO2)となる。一方、枝管6を介して固体尿素収容部8内に流入した排ガスは、その熱によって固体尿素9を昇華し、昇華された尿素は、排ガス中に含まれる水と反応してアンモニアが生成する。生成したアンモニアは、排ガスと共に固体尿素収容部8から流出して枝管7を介して排気管2に戻り、酸化触媒3から流出した排ガスと混合してSCR触媒4に流入する。
Next, the operation of the exhaust gas purifying apparatus according to the first embodiment will be described.
Exhaust gas discharged from the
ここで、ディーゼルエンジン1の起動直後等のように、排ガス温度が低い場合には、固体尿素収容部8内において固体尿素9を十分に昇華することができず、SCR触媒4に供給されるアンモニアの量が不十分となってしまう。そこで、温度センサ11の検出値が、ECU16に予め設定された温度(以下、下限設定値と称する)よりも低い場合には、ECU16はマグネトロン13を起動させる。マグネトロン13が起動するとマイクロ波が発生し、発生したマイクロ波は、孔12を介して固体尿素収容部8内に広がる。すると、固体尿素収容部8内のアンテナ10はマイクロ波を吸収可能であるため、マイクロ波を吸収して発熱する。アンテナ10が発熱すると、アンテナ10に接触する固体尿素9が加熱されて昇華し、排ガス中の水と反応してアンモニアを生成する。これにより、排ガス温度が低い場合に、アンモニアの不足分が補われる。尚、アンテナ10は、シリカからなる保護膜17で被覆されているので、排ガスによる損傷を防止できる。また、シリカは、マイクロ波を透過するので、アンテナ10によるマイクロ波の吸収を阻害することはない。
Here, when the exhaust gas temperature is low, such as immediately after the start of the
ディーゼルエンジン1が十分に暖機されると、排ガス温度も上昇するので、そのままマグネトロン13を稼働させていると、固体尿素収容部8内の温度が高くなり過ぎ、SCR触媒4において必要とされる以上の量のアンモニアが発生してしまう。そこで、温度センサ11の検出値が、ECU16に予め設定された温度(以下、上限設定値と称する)よりも高くなった場合には、ECU16はマグネトロン13の稼働を停止する。これ以後、ディーゼルエンジン1の運転状態に応じて排ガス温度が変動するが、排ガス温度が下限設定値よりも低くなった場合には、ECU16はマグネトロン13を起動し、排ガス温度が上限設定値を上回ったら、ECU16はマグネトロン13の稼働を停止する。尚、下限設定値及び上限設定値はそれぞれ、排ガス温度に対するアンモニアの発生量と、SCR触媒4において必要とされるアンモニアの量との相対関係により決定される。
When the
アンモニアは、排ガスと共にSCR触媒4に流入すると、排ガス中のNO及びNO2と反応して窒素及び水になり、排ガス中のNOxが還元除去される。SCR触媒4から流出した排ガス中には、SCR触媒4において消費されずに残ったアンモニアが含まれている。これは、固体尿素収容部8において、排ガス温度に応じてアンモニアの発生量を制御しているが、SCR触媒4において必要とされる量に完全には制御することは困難なためである。逆に、アンモニアを残留させないようにするためにアンモニアの量を少なくしてしまうと、NOxの低減量も低下してしまうため、若干アンモニアが残る程度が好ましい。そこで、SCR触媒4から流出した排ガスが酸化触媒5に流入すると、酸化触媒5によってアンモニアが酸化される。これにより、アンモニアを含まない排ガスが大気中へ放出される。
When ammonia flows into the SCR catalyst 4 together with the exhaust gas, it reacts with NO and NO 2 in the exhaust gas to become nitrogen and water, and NOx in the exhaust gas is reduced and removed. The exhaust gas flowing out from the SCR catalyst 4 contains ammonia that remains without being consumed in the SCR catalyst 4. This is because the amount of ammonia generated in the
このように、マグネトロン13によって固体尿素収容部8の内部に照射されたマイクロ波をアンテナ10が吸収して発熱することにより、固体尿素9は加熱されて昇華し、昇華された尿素が排ガス中の水と反応してアンモニアを生成するので、効率よくNOx量に見合った量のアンモニアを生成することができる。
As described above, the
実施の形態1では、温度センサ11を酸化触媒3の上流側の排気管2に配置して、温度センサ11の検出値に基づいてマグネトロン13の起動及び停止を制御していたが、この形態に限定するものではない。温度センサ11は枝管6及び7や、固体尿素収容部8に設けてもよい。また、排ガス温度を温度センサ11によって直接検出することに限定するものではなく、ECU16において予め、ディーゼルエンジン1の回転数やトルク等の運転状態と排ガス温度との関係を表すマップを組み込んでおき、このマップに基づいて排ガス温度を推定し、マグネトロン13の起動及び停止を制御するようにしてもよい。
In the first embodiment, the
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2に係る排ガス浄化装置について説明する。尚、以下の実施の形態において、図1及び2の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態2に係る排ガス浄化装置は、実施の形態1に対して、マイクロ波吸収体を変更したものである。
Next, an exhaust gas purification apparatus according to
The exhaust gas purifying apparatus according to
図3に示されるように、固体尿素収容部8の内部には、固体尿素9と、マイクロ波吸収体である複数の炭素シート20とが互いに接触するように収容されている。図4に示されるように、炭素シート20は、ポリシラザンを塗布後に硬化させて形成したシリカ(SiO2)からなる保護膜17を炭素製の板20aに被覆して構成されている。その他の構成については、実施の形態1と同じである。
As shown in FIG. 3,
実施の形態1と同様にして、固体尿素収容部8の内部にマイクロ波が広がると、炭素シート20がマイクロ波を吸収して発熱する。炭素シート20が発熱すると、炭素シート20に接触する固体尿素9が加熱されて昇華し、排ガス中の水と反応してアンモニアを生成する。これにより、排ガス温度が低い場合に、アンモニアの不足分が補われる。マグネトロン13(図1参照)の起動及び停止の制御については、実施の形態1と同じである。
In the same manner as in the first embodiment, when the microwave spreads inside the
このように、マイクロ波吸収体として、マイクロ波を吸収可能な材質である炭素からなる炭素シート20を用いた場合でも、マイクロ波を吸収して発熱することにより、固体尿素9を昇華させて、昇華させた尿素を排ガス中の水と反応させてアンモニアを生成させることができるので、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、炭素シート20は、シリカからなる保護膜17で被覆されているので、実施の形態1と同様に、炭素シート20によるマイクロ波の吸収を阻害することなく、排ガスによる炭素シート20の酸化を防止することができる。
Thus, even when the
実施の形態2では、マイクロ波吸収体の材質として炭素を用いたが、炭素に限定するものではない。マイクロ波を吸収できる材質ならどのような材質であってもよく、炭素繊維やグラファイト、SiC等でもよい。また、マイクロ波吸収体としてシート状の炭素シート20を用いたが、この形態に限定するものでもない。マイクロ波を吸収可能な材質からなる粒子を、固体尿素9と混合させて固体尿素収容部8内に収容させたり、マイクロ波を吸収可能な材質からなる格子状の部材を固体尿素収容部8の底部に配置し、格子内に固体尿素9を配置させたりする形態でもよい。すなわち、マイクロ波吸収体から発熱した熱が固体尿素9に伝わるような形態であれば、どのような形態であってもよい。
In
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3に係る排ガス浄化装置について説明する。
この発明の実施の形態3に係る排ガス浄化装置は、実施の形態1に対して、マグネトロン13の起動及び停止の制御方法を変更したものである。
図5に示されるように、排気管2には、酸化触媒3の上流側に、排ガス中のNOx濃度を検出するためのNOxセンサ21が設けられている。NOxセンサ21は、ECU16に電気的に接続されている。その他の構成については、実施の形態1と同じである。
Next, an exhaust gas purification apparatus according to
The exhaust gas purifying apparatus according to
As shown in FIG. 5, the
実施の形態3において、固体尿素収容部8内にマイクロ波を発生させて、固体尿素9からアンモニアを生成させる動作については、実施の形態1と同じである。ECU16によるマグネトロン13の起動及び停止の制御については、NOxセンサ21によって検出された排ガス中のNOx濃度に基づいて行う。すなわち、排ガス中のNOx濃度が高い場合には、SCR触媒4において必要とされるアンモニアの量が多くなるので、マグネトロン13を起動させ、逆に、排ガス中のNOx濃度が小さい場合には、SCR触媒4において必要とされるアンモニアの量が少ないので、マグネトロン13を起動させないようにする制御を行う。これにより、実施の形態1と同様、効率よくNOx量に見合った量のアンモニアを生成することができる。
In the third embodiment, the operation of generating a microwave in the
実施の形態3では、排ガス中のNOx濃度を、NOxセンサ21によって直接検出しているが、この形態に限定するものではない。ECU16において予め、ディーゼルエンジン1の回転数やトルク等の運転状態とNOx濃度との関係を表すマップを組み込んでおき、このマップに基づいてNOx濃度を推定し、マグネトロン13の起動及び停止を制御するようにしてもよい。
In the third embodiment, the NOx concentration in the exhaust gas is directly detected by the
実施の形態4.
次に、この発明の実施の形態4に係る排ガス浄化装置について説明する。
この発明の実施の形態4に係る排ガス浄化装置は、実施の形態1に対して、固体尿素収容部8の配置位置を変更したものである。
図6に示されるように、固体尿素収容部8は、酸化触媒3とSCR触媒4との間で、排気管2に直接設けられている。すなわち、酸化触媒3から流出した排ガスが全て固体尿素収容部8を通ってSCR触媒4に流入するようになっている。その他の構成と、固体尿素収容部8内にマイクロ波を発生させて固体尿素9からアンモニアを生成させる動作とは、実施の形態1と同じである。
Embodiment 4 FIG.
Next, an exhaust gas purification apparatus according to Embodiment 4 of the present invention will be described.
The exhaust gas purifying apparatus according to Embodiment 4 of the present invention is obtained by changing the arrangement position of the solid
As shown in FIG. 6, the
このように、排気管2を流通する排ガスが全て固体尿素収容部8を通ってSCR触媒4に流入するようになっていても、マグネトロン13によって固体尿素収容部8の内部に照射されたマイクロ波をアンテナ10が吸収して発熱することにより、固体尿素9は加熱されて昇華し、昇華された尿素が排ガス中の水と反応してアンモニアを生成するので、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
As described above, even when all the exhaust gas flowing through the
実施の形態1〜4では、保護膜17の材質としてポリシラザン由来のシリカを使用したが、これに限定するものではない。マイクロ波を透過すると共に排ガスからマイクロ波吸収体を保護できる材質であればどのようなものでもよく、例えば、アルミナ等、セラミック系の材質であればよい。
In the first to fourth embodiments, silica derived from polysilazane is used as the material of the
1 ディーゼルエンジン(内燃機関)、2 排気管、4 SCR触媒、8 固体尿素収容部、9 固体尿素、10 アンテナ(マイクロ波吸収体)、13 マグネトロン(マイクロ波発生装置)、16 ECU(制御装置)、17 保護膜、20 炭素シート(マイクロ波吸収体)。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
固体尿素を収容する固体尿素収容部であって、前記排ガスの少なくとも一部が前記固体尿素収容部を通って前記SCR触媒に流入する固体尿素収容部と、
該固体尿素収容部の内部に照射されるマイクロ波を発生させるためのマイクロ波発生装置と、
前記固体尿素収容部の内部に設けられると共に前記マイクロ波を吸収するマイクロ波吸収体と
を備える排ガス浄化装置。 An SCR catalyst provided in an exhaust pipe through which exhaust gas discharged from the internal combustion engine flows;
A solid urea containing part for containing solid urea, wherein at least a part of the exhaust gas flows into the SCR catalyst through the solid urea containing part;
A microwave generator for generating a microwave irradiated inside the solid urea container;
An exhaust gas purification apparatus comprising a microwave absorber that is provided inside the solid urea container and absorbs the microwave.
該制御装置は、前記排ガスの温度に基づいて、前記マイクロ波発生装置の動作を制御する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。 A control device for operating the microwave generator;
The exhaust gas purification device according to any one of claims 1 to 5, wherein the control device controls an operation of the microwave generator based on a temperature of the exhaust gas.
該制御装置は、前記排ガス中のNOx濃度に基づいて、前記マイクロ波発生装置の動作を制御する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。 A control device for operating the microwave generator;
The exhaust gas purification device according to any one of claims 1 to 5, wherein the control device controls an operation of the microwave generator based on a NOx concentration in the exhaust gas.
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JP2008177616A JP2010019079A (en) | 2008-07-08 | 2008-07-08 | Exhaust emission control device |
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2008
- 2008-07-08 JP JP2008177616A patent/JP2010019079A/en active Pending
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