JP2018009561A

JP2018009561A - 選択触媒還元装置

Info

Publication number: JP2018009561A
Application number: JP2016221099A
Authority: JP
Inventors: 孝哉吉川; Takaya Yoshikawa; 敏博松野; Toshihiro Matsuno; 智克鹿島; Tomokatsu Kashima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2018-01-18

Abstract

【課題】選択触媒還元装置におけるＮＯｘの浄化効率を向上させること。
【解決手段】内燃機関の排気ガス管路上に配置される選択触媒還元装置１４は筐体１４１を備える。筐体１４１は、内部に選択還元触媒３１、３２と、発熱部材４１を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は内燃機関の排気管路に配置される、選択触媒還元装置に関する。

近年における内燃機関の排出ガス（排気ガス）成分に関する規制に対応するために、内燃機関の排気管経路には種々の排気ガス浄化装置が配置されている。排気ガス浄化装置として、吸着したアンモニアを還元剤として用いて排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）をＮ_２とＨ_２Ｏに還元する選択触媒還元装置（ＳＣＲ）が知られている。

選択触媒還元装置は還元剤が還元浄化性能を発揮するための温度域を有する。一方、排気ガス温度は、内燃機関の運転状態に応じて変動する。そこで、選択触媒還元装置のケースの外周面に電気ヒータを配置して選択触媒還元装置の温度を最適な温度に維持する技術が提案されている（例えば、引用文献１）。

特開２０１３−１９４７０２号公報

しかしながら、選択触媒還元装置は、一般的に熱伝導性の低い多孔体を還元剤の担持部材として備えており、ケース外周面に配置されている電気ヒータによっては多孔体の内部の温度を十分に上昇させることができないことがある。また、選択触媒還元装置は排気ガスの熱によって加熱されるが、下流に向かって低下する選択触媒還元装置内部の温度分布については検討されてない。この結果、選択触媒還元装置内部に蓄えられている還元剤が有効に利用されずＮＯｘの浄化効率が低いという問題がある。

したがって、選択触媒還元装置におけるＮＯｘの浄化効率を向上させることが望まれている。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の態様として実現することが可能である。

第１の態様は、内燃機関の排気ガス管路上に配置される選択触媒還元装置を提供する。第１の態様に係る選択触媒還元装置は、筐体と、前記筐体の内部に配置されている選択還元触媒と、前記筐体の内部に配置されている発熱部材と、を備える。

第１の態様に係る選択触媒還元装置によれば、筐体の内部に選択還元触媒と発熱部材とを備えているので、選択触媒還元装置におけるＮＯｘの浄化効率を向上させることができる。

第１の態様に係る選択触媒還元装置において、前記選択還元触媒は、前記選択触媒還元装置における排気ガスの流れ方向に沿って前号に配置されている第１の副選択還元触媒と第２の副選択還元触媒とを有し、前記発熱部材は前記第１の副選択還元触媒と前記第２の副選択還元触媒との間に配置されていても良い。この場合には、発熱部材によって第２の副選択還元触媒を加熱することが可能となり、第１および第２の副選択還元触媒を利用してＮＯｘを浄化することができるので、選択触媒還元装置におけるＮＯｘの浄化効率をさらに向上させることができる。

第１の態様に係る選択触媒還元装置において、前記排気ガスの流れ方向に垂直な前記発熱部材の断面積は、前記排気ガスの流れ方向に垂直な前記第１の副選択還元触媒および前記第２の副選択還元触媒の断面積と同等であっても良い。この場合には、発熱部材によって第２の副選択還元触媒の断面全体を加熱することができる。

第１の態様に係る選択触媒還元装置はさらに、前記排気ガスの流れ方向において前記第１の副選択還元触媒よりも上流側に第２の発熱部材を備えても良い。この場合には、選択触媒還元装置のみによって、第１の副選択還元触媒を加熱することができる。

第１の態様に係る選択触媒還元装置において、前記排気ガスの流れ方向に垂直な前記第２の発熱部材の断面積は、前記第１の副選択還元触媒および前記第２の副選択還元触媒の前記断面積と同等であっても良い。この場合には、第２の発熱部材によって第１の副選択還元触媒の断面全体を加熱することができる。

第１の態様に係る選択触媒還元装置において、前記発熱部材は、前記選択触媒還元装置における排気ガスの流れ方向に沿って前記選択還元触媒の内部に配置されている、１以上の副発熱部材を含んでも良い。この場合には、選択還元触媒を内部から加熱することができる。

第１の態様に係る選択触媒還元装置において、前記選択還元触媒は、前記排気ガスの流れ方向に平行に配置されている２以上の副選択還元触媒を有し、前記発熱部材は前記２以上の副選択還元触媒の間に配置されていても良い。この場合には、発熱部材の配置が容易になり、また、選択触媒還元装置のＮＯｘ浄化性能を容易に調整することができる。

第１の態様に係る選択触媒還元装置において、前記発熱部材は、前記選択触媒還元装置の中間位置よりも少なくとも前記排気ガスの流れ方向の下流側に配置されていても良い。この場合には、少なくとも排気ガスの流れ方向の下流側における選択還元触媒を加熱することができる。

第１の態様に係る選択触媒還元装置において、前記発熱部材は、前記筐体の内周面と前記選択還元触媒の外周面との間に配置されていても良い。この場合には、筐体の内部に選択還元触媒と発熱部材とを備えているので、選択触媒還元装置におけるＮＯｘの浄化効率を向上させることができる。

第１の実施形態に係る選択触媒還元装置を備える車両を概略的に示す説明図である。第１の実施形態に係る選択触媒還元装置の外観構成を示す説明図である。第１の実施形態に係る選択触媒還元装置の内部構成を模式的に示す説明図である。第１の実施形態に係る選択触媒還元装置における内部温度分布を示す説明図である。従来例に係る選択触媒還元装置における内部温度分布を示す説明図である。第１の実施形態および従来例に係る選択触媒還元装置における選択還元触媒に対して導入側から排出側にかけて設定された各測定点におけるピーク温度の挙動を模式的に示す説明図である。第１の実施形態に係る選択触媒還元装置におけるアンモニア保持量分布を示す説明図である。従来例に係る選択触媒還元装置におけるアンモニア保持量分布を示す説明図である。第２の実施形態に係る選択触媒還元装置の内部構成を模式的に示す説明図である。第３の実施形態に係る選択触媒還元装置を備える排気ガス加温装置の内部構成を模式的に示す説明図である。第４の実施形態に係る選択触媒還元装置の横断面を模式的に示す説明図である。第５の実施形態に係る選択触媒還元装置の横断面を模式的に示す説明図である。第６の実施形態に係る選択触媒還元装置の横断面を模式的に示す説明図である。

本発明に係る選択触媒還元装置を適用可能な一態様として、ディーゼルエンジン（内燃機関）を備える車両を例にとって以下説明する。図１は第１の実施形態に係る選択触媒還元装置を備える車両を概略的に示す説明図である。

第１の実施形態：
車両５００は、ディーゼルエンジン（以下、「エンジン」と呼ぶ。）５１０、４つの車輪５２０および排気ガス浄化システム１０を備えている。エンジン５１０は、軽油を燃料とし、燃料の爆発燃焼によって駆動力を出力し、また、爆発燃焼に伴いＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭ（粒子状物質）を含む排気ガスを排気ガス管路上に備えられた排気ガス浄化システム１０を介して大気に排出する。なお、第１の実施形態において用いられる図１に示す車両構成は、他の実施形態においても同様に用いられ得る。

排気ガス浄化システム１０は、排気管１１（排気管路）上に種々の排気ガス浄化装置を備えている。排気管１１は、エンジン５１０側（排気ガス流れの上流側）においてマニフォールド１１ａを介してエンジン５１０と接続され、排気ガス流れの最下流側にはマフラエンドパイプ１１ｂを備えている。排気ガス浄化システムは、排気ガス流れの上流側から、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）１２、ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）１３、排気ガス加温装置２０、選択触媒還元装置（ＳＣＲ）１４およびアンモニアスリップ・ディーゼル酸化触媒（ＮＨ_３ＤＯＣ）１５を排気管１１上に備えている。なお、排気ガス加温装置２０は備えられていなくても良い。排気管１１上におけるＤＯＣ１２の前段には燃料噴射装置１７が配置されても良く、ＳＣＲ装置１４の前段には尿素水噴射装置１８が配置されている。なお、本実施例における排気管上という用語は、排気管の内側、および排気管の途中（排気管の一部を構成）のいずれをも意味する。

ディーゼル酸化触媒１２は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を触媒として担持し、排気ガス中に含まれる未燃焼ガス成分である一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）を酸化して、二酸化炭素（ＣＯ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）へと変換すると共に、排気ガス中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して、二酸化窒素（ＮＯ_２）に変換する。

ディーゼル微粒子フィルタ１３は、排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を多孔質セラミックスまたは金属の微細な間隙で捕集するフィルタである。多孔質の表面には白金等の金属触媒が塗布されており、ディーゼル微粒子フィルタ１３は、ディーゼル酸化触媒１２により生成されるＮＯｘの存在下において、粒子状物質が、２５０〜３００℃の雰囲気中で触媒と化学反応を起こし、二酸化炭素（ＣＯ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）に変換されることによって自然再生される。ディーゼル微粒子フィルタ１３は、ディーゼル酸化触媒１２に対して燃料噴射装置１７を介して直接または排気行程を経てエンジン５１０から間接的に燃料を供給し、燃料由来の炭化水素を触媒燃焼させて排気温度を４５０℃以上として捕集された粒子状物質を酸化させる強制再生によっても再生され得る。

なお、ＤＰＦ１３としては、粒子状物質を物理的に捕集して炭化水素の触媒燃焼により粒子状物質を酸化させるタイプの他、プラズマ生成装置において低温プラズマを発生させてＯ_３を中心とする活性種を生成し、生成された活性種をＤＰＦに供給し、ＨＣ、Ｃといった粒子状物質成分を、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２に変換（酸化）するプラズマＤＰＦが用いられても良い。プラズマＤＰＦにおいては、燃料を用いることなく粒子状物質を酸化することができる一方で、物理的形状にて粒子状物質を捕集しないため、予め処理すべき粒子状物質量に応じた活性種量を生成できるようプラズマ生成装置を設計することが求められている。

選択触媒還元装置（ＳＣＲ）１４は、選択還元触媒によってＮＯｘを選択的に還元する装置である。選択触媒還元装置１４においては、一般的に、選択触媒還元装置１４の入口前段において尿素水噴射装置１８により尿素水を排気ガスに吹きかけ、尿素水の熱分解、加水分解反応を経て、アンモニア（ＮＨ_３）を生成し、排気ガス中のＮＯｘ成分を窒素（Ｎ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）に変換する。したがって、選択触媒還元装置１４の入口前段においては、排気ガス温度は、尿素水からアンモニアを得るために、適切な温度、たとえば、２００℃以上の温度であることが求められている。

アンモニアスリップ・ディーゼル酸化触媒１５は、ディーゼル酸化触媒１２と同様の触媒を担持し、選択触媒還元装置１４において反応に供しなかったアンモニアを酸化分解して、窒素またはＮＯｘを生成する。

排気ガス加温装置２０は、排気ガスの流動を許容する内部流路を備えるセラミック材、金属粉末の焼結体、メタルハニカム、エキスパンドメタル、金属板の積層体等からなる加温部材を内部に備える。加温部材は、流入する排気ガスの温度が加温部材の温度よりも高い場合には排気ガスから熱エネルギーを奪い蓄熱し、流入する排気ガス温度が加温部材の温度よりも低い場合には蓄えた熱エネルギーを排気ガスに与えて排気ガスを加温する蓄熱体として機能する。さらに、加温部材は、導電性部材によって形成される場合、通電により発熱する加熱部材として機能しても良い。この場合には、排気ガスの熱エネルギーに依存することなく、排気ガスの温度を上昇させることができる。

第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４の詳細な構成について説明する。図２は第１の実施形態に係る選択触媒還元装置の外観構成を示す説明図である。図３は第１の実施形態に係る選択触媒還元装置の内部構成を模式的に示す説明図である。選択触媒還元装置１４は、円筒状で筐体を成す本体部１４０、本体部１４０よりも径が小さい円筒状の排気ガス導入部１４１ａおよび排気ガス排出部１４１ｂ、排気ガス導入部１４１ａおよび排気ガス排出部１４１ｂと本体部１４０とを接続する導入側接続部１４２ａおよび排出側接続部１４２ｂを備えている。導入側接続部１４２ａおよび排出側接続部１４２ｂは、ぞれぞれ本体部１４０に向かって拡径する円筒形状を有している。本体部１４０、排気ガス導入部１４１ａ、排気ガス排出部１４１ｂ、導入側接続部１４２ａおよび排出側接続部１４２ｂは、例えば、ステンレス鋼により形成されている。また、本体部１４０と、排気ガス導入部１４１ａおよび排気ガス排出部１４１ｂとは、導入側接続部１４２ａおよび排出側接続部１４２ｂを介することなく直接接続されていても良い。なお、本体部１４０に、排気ガス導入部１４１ａおよび排気ガス排出部１４１ｂを加えた構成を筐体と呼んでも良い。

本体部１４０は、内部に、第１の選択還元触媒３１および第２の選択還元触媒３２、並びに、第１の選択還元触媒３１と第２の選択還元触媒３２との間に配置されている発熱部材としての第１のヒータ４１を備えている。より具体的には、排気ガスが導入される導入側（上流側）から排気ガスが排出される排出側（下流側）に向かう排気ガスの流れ方向に沿って、第１の選択還元触媒３１、第１のヒータ４１、第２の選択還元触媒３２の順に直列配置されている。第１の選択還元触媒３１および第２の選択還元触媒３２は、単一の選択還元触媒を分割した選択還元触媒であるといえるので、本体部１４０内に配置されている単一の選択還元触媒に対して副選択還元触媒と呼ぶこともできる。排気ガスの流れ方向に垂直な第１および第２の選択還元触媒３１、３２の断面の断面積、および排気ガスの流れ方向に垂直な第１のヒータ４１の断面の断面積は同等である。すなわち、排気ガス流れ方向から見て、第１および第２の選択還元触媒３１、３２、および第１のヒータ４１の外形は重なり合っている。また、第１および第２の選択還元触媒３１、３２、および第１のヒータ４１は、その外周が本体部１４０の内壁に近接するように配置されており、第１および第２の選択還元触媒３１、３２、第１のヒータ４１の外径は、本体部１４０の内径にほぼ等しい。第１および第２の選択還元触媒３１、３２、および第１のヒータ４１は、互いに接触または密接していても良く、あるいは、空間を隔てて配置されていても良い。なお、第１および第２の選択還元触媒３１、３２、および第１のヒータ４１の断面積は、各部材が対向する端面の断面積を意味し、さらには、断面積に代えて端面の面積が用いられても良い。

第１の選択還元触媒３１、第１のヒータ４１および第２の選択還元触媒３２は、いずれも円柱形状を有している。第１の選択還元触媒３１および第２の選択還元触媒３２は、例えば、コーディライト、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素といったセラミックスからなる多孔質状の担体に、ゼオライト系触媒またはバナジウム系触媒を担持する構成を備えている。尿素水から生成され導入された排気ガス中に含まれるアンモニアは、担体に吸着され保持される。

第１のヒータ４１は、外部からの通電により発熱する発熱体であり、例えば、セラミック材、メタルハニカム、エキスパンドメタルといった多孔質材に対して通電により発熱する発熱抵抗体（加熱部材）を組み込むことによって、あるいは、円形渦巻き形状の金属板、互いに離間された金属板の積層体に対して直接通電し、金属板自体を加熱部材として用いることによって実現され得る。

排気ガス導入部１４１ａの内部には、外部ヒータ４４が配置されている。外部ヒータ４４は、その断面積が第１のヒータ４１よりも小さい点を除き、第１のヒータ４１と同様の構成を備えている。外部ヒータ４４は、選択触媒還元装置１４に導入される排気ガスの温度を所定の温度、例えば、尿素水からアンモニアを生成するための温度、選択還元触媒の作動温度、まで昇温させるために備えられている。したがって、外部ヒータ４４は、排気ガス浄化システム１０に、排気ガス加温装置２０が備えられている場合には省略されて良く、排気ガス加温装置２０が備えられていない場合には、備えられる。

なお、選択触媒還元装置１４は、矩形形状を有していても良く、この場合には、第１の選択還元触媒３１、第１のヒータ４１および第２の選択還元触媒３２もまた矩形形状を有していても良い。さらに、円筒状の選択触媒還元装置１４に対して矩形形状の第１の選択還元触媒３１、第１のヒータ４１および第２の選択還元触媒３２が備えられても良く、矩形形状の選択触媒還元装置１４に対して円柱状の第１の選択還元触媒３１、第１のヒータ４１および第２の選択還元触媒３２が備えられても良い。

第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４と従来例に係る選択触媒還元装置とにおける内部温度分布並びにアンモニア保持量分布について説明する。図４は第１の実施形態に係る選択触媒還元装置における内部温度分布を示す説明図である。図５は従来例に係る選択触媒還元装置における内部温度分布を示す説明図である。図６は第１の実施形態および従来例に係る選択触媒還元装置における選択還元触媒に対して導入側から排出側にかけて設定された各測定点におけるピーク温度の挙動を模式的に示す説明図である。

図４および図５において濃色部分は相対的に温度が高い領域を示し、矢印と共に記載されているように、淡色部分に向かって温度は低下する。なお、従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐは、排気ガス導入部に外部ヒータを備えているが、本体部内には選択還元触媒３５のみが配置されヒータは備えられていない構成を有する。第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４では、外部ヒータ４４により昇温され排気ガス導入部１４１ａから導入された排気ガスは、第１の選択還元触媒３１を通過する際に、その熱が徐々に奪われながら第１のヒータ４１に到達し、第１のヒータ４１によって再度加熱され、第２の選択還元触媒３２を通過する際、その熱が徐々に奪われて、排気ガス排出部１４１ｂから排出される。この結果、図４に示すように、排気ガスの熱を受ける第１の選択還元触媒３１の温度は、排気ガス導入部１４１ａ側において高く、第１のヒータ４１に向かって徐々に低下する。第１のヒータ４１によって再度加熱された排気ガスの熱を受ける第２の選択還元触媒３２の温度は、第１のヒータ４１側において、第１の選択還元触媒３１における排気ガス導入部１４１ａ側の温度と同程度まで高くなり、排気ガス排出部１４１ｂ側に向かって徐々に低下する。なお、第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４が備える外部ヒータ４４の出力は従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐが備える外部ヒータよりも出力が小さい。

従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐでは、排気ガス導入部から導入された排気ガスは、選択還元触媒３５を通過する際に、その熱が徐々に奪われながら排気ガス排出部から排出される。この結果、図５に示すように、排気ガスの熱を受ける選択還元触媒３５の温度は、排気ガス導入部側において高く、排気ガス排出部側に向かって低下する。

第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４と従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐとの温度変化について図６を参照して比較検討する。図６において縦軸は温度還元触媒の温度を示し、横軸は選択還元触媒における排気ガス導入部側の端部から排気ガス排出部側の端部に至る位置（距離：ｍｍ）を示す。温度Ｔ１は選択触媒還元装置が浄化機能を発揮し得る活性温度、例えば、１５０℃であり、位置Ｐ１は選択還元触媒の中間位置、すなわち、第１の実施形態において第１のヒータ４１が配置されている位置を示す。第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４の温度特性は特性線Ｌ１で示され、従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐの温度特性は特性線Ｌ２、Ｌ３で示されている。なお、特性線Ｌ３は導入側からＰ１までは特性線Ｌ１に一致し、Ｐ１から排出側までは破線で示されている。特性線Ｌ２は、従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐが外部ヒータとして第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４に用いられている外部ヒータ４４よりも出力の大きな外部ヒータを備える場合の温度特性を示し、特性線Ｌ３は、従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐが外部ヒータとして第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４と同じ出力の外部ヒータを備える場合の温度特性を示す。

図６に示すように、第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４では、選択還元触媒における排気ガス導入部側の端部から排気ガス排出部側に至る全ての位置において、温度Ｔ１以上の温度特性を有している。したがって、選択触媒還元装置１４の中間位置Ｐ１よりも下流側、すなわち、第２の選択還元触媒３２並びにその排気ガス排出部１４１ｂ側においても、活性温度が維持され、ＮＯｘを浄化することができる。これに対して、従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐでは、特性線Ｌ２で示す出力の大きな外部ヒータを用いた場合であっても、選択触媒還元装置１４ｐの下流端側における選択還元触媒の温度は活性温度である温度Ｔ１未満となり、ＮＯｘは浄化されない。従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐにおいて、特性線Ｌ３で示す第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４と同一出力の外部ヒータを用いた場合には、選択触媒還元装置１４ｐの中間位置Ｐ１より下流側における選択還元触媒の温度が活性温度である温度Ｔ１未満となり、ＮＯｘは浄化されない。

以上の通り、従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐでは、大きな出力の外部ヒータを用いたとしても、選択触媒還元装置１４ｐの中間位置Ｐ１よりも下流側における選択還元触媒は浄化機能を発揮できず、選択触媒還元装置１４ｐが備える選択還元触媒を有効活用できていない。これに対して、第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４では、出力の小さな外部ヒータ４４を用いても、第１のヒータ４１を備えることによって、選択触媒還元装置１４の中間位置Ｐ１よりも下流側における第２の選択還元触媒は浄化機能を発揮することができる。したがって、選択触媒還元装置１４が備える第１および第２の選択還元触媒３１、３２を活性温度以上に維持し、第１および第２の選択還元触媒３１、３２を有効に利用することが可能となる。

ＮＯｘの浄化に際して用いられるアンモニアの保持量の分布について説明する。図７は第１の実施形態に係る選択触媒還元装置におけるアンモニア保持量分布を示す説明図である。図８は従来例に係る選択触媒還元装置におけるアンモニア保持量分布を示す説明図である。図７および図８において淡色部分は相対的にアンモニア保持量が少ない領域を示し、矢印と共に記載されているように、濃色部分に向かってアンモニア保持量は増加する。すなわち、排気ガス中に含まれるアンモニアは選択還元触媒の上流側から順次、排気ガスの浄化に使用されて保持量が低下し、下流側に向かうに連れて選択還元触媒におけるアンモニアの保持量は徐々に増加する。

第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４では、尿素水を含む排気ガスは外部ヒータ４４によって加熱され、尿素水に加えてアンモニアを含む排気ガスとなって排気ガス導入部１４１ａから導入される。通常は、排気ガス温度が高い時に尿素水を吹きつけ、また、外部ヒータ４４による加熱もあり、排気ガスに含まれているアンモニアは、第１の選択還元触媒３１の上流側から第２の選択還元触媒３２の下流側にわたり保持される。ここで、例えば、エンジンが十分に暖機されていない時（コールドスタート時）や、エンジン低負荷時には、外部ヒータ４４により加熱された排気ガスの熱は第１の選択還元触媒３１の上流側部分に奪われる。すると、第１の選択還元触媒３１の下流側部分を通過する排気ガスの温度は上流側部分を通過する際の温度よりも低下し、第１のヒータ４１による加熱がないと第１の選択還元触媒３１の下流側部分と第２の選択還元触媒３２の温度は第１の選択還元触媒３１の上流側部分よりも低くなる。これに対して、第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４においては、第１のヒータ４１にって排気ガスが加熱されるため、第２の選択還元触媒３２の上流側部分の温度も高くなる。このような状態で、保持されているアンモニアを使用して排気ガスを浄化する場合、第１の選択還元触媒３１の上流側に加え、第２の選択還元触媒３２の上流側部分の温度も高くなるので、排気ガスの浄化が第１の選択還元触媒３１の上流側部分および第２の選択還元触媒３２の上流側部分において効率的に行われ、保持されているアンモニアを効率的に使用することができる。この結果、図７に示す、第１および第２の選択還元触媒３１、３２において、下流側から上流側に向かうに連れて保持量が減少するアンモニアの保持量分布が形成される。

従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐでは、例えば、コールドスタート時やエンジンの低負荷時には、選択還元触媒３５の下流側部分の温度は低く、アンモニアを使用した排気ガスの浄化は行われにくくなり、選択還元触媒３５の下流側部分に保持したアンモニアを効率的に使用することができない。この結果、図８に示す、選択還元触媒３５におけるアンモニアの保持量の分布が形成される。

第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４と従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐとにおけるアンモニア保持量の分布を対比すると、従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐでは、選択触媒還元装置１４ｐの排気ガス導入部側、すなわち、選択還元触媒３５の上流側においては、ＮＯｘの浄化が行われアンモニア量が減少するが、選択触媒還元装置１４ｐの中間位置よりも下流側においては、アンモニアは保持されたままで、ＮＯｘの浄化が行われていないか、ほとんど行われていない。これに対して、第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４では、中間位置Ｐ１に第１のヒータ４１が配置されており、第１のヒータ４１および第１のヒータ４１により加熱された排気ガスによって選択触媒還元装置１４の中間位置において温度が上昇する。したがって、選択触媒還元装置１４の排気ガス導入部側、中間位置Ｐ１の２箇所において、より具体的には、第１の選択還元触媒３１および第２の選択還元触媒３２の少なくとも上流側において、ＮＯｘの浄化に足りるアンモニア量が減少し、選択触媒還元装置１４が備える第１および第２の選択還元触媒３１、３２を有効に利用することができる。この結果、選択触媒還元装置１４の全容量（大きさ）に対するＮＯｘの浄化性能、すなわち、浄化効率を向上させることができる。

以上説明した第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４によれば、排気ガス導入部１４１ａと排気ガス排出部１４１ｂとの中間位置に第１のヒータ４１を備えているので、選択触媒還元装置１４内の温度分布を改善し、第１および第２の選択還元触媒３１、３２の全域あるいは実質的に全域を活性温度以上に維持することができる。したがって、第１および第２の選択還元触媒３１、３２を有効に利用することが可能となり、選択触媒還元装置１４の全容量に対するＮＯｘの浄化性能、すなわち、浄化効率を向上させることができる。

また、尿素水からのアンモニア生成には、例えば、２００℃程度の温度が求められるが、ＮＯｘを浄化するための選択還元触媒の活性温度は、例えば、１５０℃程度である。したがって、従来例に係る選択触媒還元装置１４ｐでは、選択還元触媒３５上にアンモニアは生成されないがＮＯｘの浄化が可能な領域が存在し、保持されているアンモニアの不足に起因するＮＯｘの浄化効率の低下が生じ得た。これに対して、第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４では、中間位置に第１のヒータ４１を備えているので、これまでアンモニアを生成・保持できなかった中間位置においてもアンモニアを保持することが可能となる。この結果、第１の選択還元触媒３１および第２の選択還元触媒３２の少なくとも上流側において、ＮＯｘの浄化に足りるアンモニア量を保持することが可能となり、選択触媒還元装置１４におけるＮＯｘの浄化効率を向上させることができる。

第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４によれば、第１および第２の選択還元触媒３１、３２と、第１のヒータ４１は、排気ガスの流れ方向に積層して、すなわち、直列に配置されている。したがって、第１の選択還元触媒３１を通過してきた排気ガスを直接加熱することが可能となり排気ガスを効率よく昇温させることができると共に、第２の選択還元触媒３２の中心部を加熱することが可能となり第２の選択還元触媒３２において昇温される領域を拡張することができる。また、第１および第２の選択還元触媒３１、３２と、第１のヒータ４１は、同一の直径を有し、互いに対向する対向面の面積も等しい。したがって、第１のヒータ４１によって第２の選択還元触媒３２の対向面の全域を加熱することが可能となり、温度分布の均一化を図ることができる。この結果、選択触媒還元装置１４の中間位置から下流側においても第２の選択還元触媒３１の径方向の全体を利用してＮＯｘの浄化処理を行うことが可能となり、浄化効率を向上させることができる。さらに、第１および第２の選択還元触媒３１、３２と、第１のヒータ４１の外径は、本体部１４０の内径とほぼ等しいので、第１のヒータ４１は、その端面の全域にわたって本体部１４０内に導入された排気ガスと接触することが可能となり、第２の選択還元触媒３２の端面の全域に対して加熱された排気ガスを供給することができる。したがって、第２の選択還元触媒３２を効率よく昇温させることが可能となり、電力消費を抑制しつつ所望のＮＯｘの浄化性能を実現することができる。

第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４によれば、第１および第２の選択還元触媒３１、３２は、多孔体から形成されているので、良好な蓄熱性能を有しており、選択触媒還元装置１４の温度低下を抑制することができる。したがって、第１および第２の選択還元触媒３１、３２の間に配置されている第１のヒータ４１と相まって、ＮＯｘの浄化に要する電力消費を低減することができる。

ヒータが第１の選択還元触媒３１よりも上流側に配置されている場合には、排気管１１、すなわち排気ガスに吹き付けられた尿素水がそのままヒータにあたることでヒータ４１が劣化するおそれがあるが、第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４においては、第１の選択還元触媒３１は第１のヒータ４１よりも上流側に配置されているので、第１のヒータ４１の劣化を防止または抑制することができる。なお、第１の選択還元触媒３１の容量は、第１の選択還元触媒３１を介して第１のヒータ４１に尿素水が到達する時間を短くするために、尿素水による第１のヒータ４１の劣化が問題ならない程度に小さいことが望ましい。この場合、第１の選択還元触媒３１を小さくしても第２の選択還元触媒３２を大きくすることにより浄化性能を維持することができる。

第２の実施形態：
図９を参照して第２の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ａについて説明する。図９は第２の実施形態に係る選択触媒還元装置の内部構成を模式的に示す説明図である。第２の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ａは、内部に第２のヒータ４２を備え、排気ガス導入部１４１ａに外部ヒータ４４を備えない点において第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４と異なる。第２のヒータ４２は、第１のヒータ４１と同様の構成を備えている。なお、他の構成は、第１の実施形態に係る選択触媒還元装置１４と同様であるから、同一の符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ａによれば、第２のヒータ４２が本体部１４０内であって、第１の選択還元触媒３１に接触または近接して配置されているので、第２のヒータ４２によって加熱された排気ガスは直ちに第１の選択還元触媒３１に供給される。したがって、外部ヒータ４４を備える場合と比較して、排気ガス導入部１４１ａおよび導入側接続部１４２ａから選択触媒還元装置１４ａの外部への放熱を排除または低減することが可能となる。また、第２のヒータ４２は外部ヒータ４４よりも大きな端面、すなわち、放熱面を有しているので、既述の第１のヒータ４１が第２の選択還元触媒３２を効率よく加熱できる理由と同様にして、第１の選択還元触媒３１を効率よく加熱することができる。この結果、選択触媒還元装置１４ａ、すなわち、第１の選択還元触媒３１への熱伝達効率が向上し、昇温時間を短縮することが可能となり、また、消費電力量を低減することができる。さらに、本体部１４０内に第１および第２のヒータ４１、４２が配置されているので、各ヒータ４１、４２に対する配線の取り扱い性、選択触媒還元装置１４ａの取り扱い性が向上する。

なお、第２のヒータ４２に加えて、第３、第４のヒータを備え、第３、第４の選択還元触媒を備えても良い。この場合には、選択触媒還元装置１４ａ内における温度分布をさらに均一化することが可能となり、ＮＯｘ浄化効率の向上、アンモニア保持量の増大を図ることが可能となり、選択触媒還元装置１４ａが備える各選択還元触媒の作動割合を上昇させることができる。これにより、小型の選択触媒還元装置１４ａによっても所望のＮＯｘの浄化性能を得ることができる。

なお、第１および第２の実施形態に係る選択触媒還元装置１４、１４ａは、少なくとも、外部ヒータ４４が備えられている場合には、第１および第２の選択還元触媒３１、３２の間に更なるヒータ、すなわち、第１のヒータ４１が備えられており、外部ヒータ４４が備えられていない場合には、第１のヒータ４１に加えて、第１の選択還元触媒３１の上流側に更なるヒータ、すなわち、第２のヒータ４２が備えられていれば、上記の効果を得ることができる。

第３の実施形態：
図１０を参照して第３の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｂについて説明する。図１０は第３の実施形態に係る選択触媒還元装置を備える排気ガス加温装置の内部構成を模式的に示す説明図である。第３の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｂは、排気ガス加温装置２０内部に内包されている。排気ガス加温装置２０は、排気ガス導入部２０ａ、排気ガス排出部２０ｂ、第１の排気ガス流路部２１、第２の排気ガス流路部２２、排気ガス流路部を切り替える切替弁２５を備えている。第３の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｂは、第１の排気ガス流路部２１に配置されている。選択触媒還元装置１４ｂは、第２のヒータ４２、第１の選択還元触媒３１、第１のヒータ４１、第２の選択還元触媒３２、第３のヒータ４３および第３の選択還元触媒３３を備えている。各ヒータ４１、４２、４３および各選択還元触媒３１、３２、３３は、第１および第２の実施形態に係る選択触媒還元装置１４、１４ａと同様の構成を備えている。

排気ガス加温装置２０は、従来の選択触媒還元装置または第１および第２の実施形態に係る選択触媒還元装置１４、１４ａの前段に配置される。したがって、第３の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｂもまた、従来の選択触媒還元装置または第１および第２の実施形態に係る選択触媒還元装置１４、１４ａの前段に配置されているということができる。第３の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｂによれば、従来の選択触媒還元装置と比較して容積（大きさ）が小さいので、第１〜第３の選択還元触媒３１〜３３を速やかに活性温度まで昇温させることが可能になる。加えて、第１および第２の実施形態に係る選択触媒還元装置１４、１４ａと同様に、第１〜第３の選択還元触媒３１〜３３のそれぞれにアンモニアを保持させることができる。したがって、第３の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｂは、エンジンの冷間始動時、例えば、エンジン冷却液温度が２０℃未満の状態での始動時であっても、排気ガス中のＮＯｘを浄化することができる。具体的には、排気ガスが第１の排気ガス流路部２１を流れるように切替弁２５を切り替え、第１〜第３のヒータ４１〜４３に通電することによって実現される。

第４の実施形態：
図１１は、第４の実施形態に係る選択触媒還元装置の横断面を模式的に示す説明図である。第１〜第３の実施形態においては、選択還元触媒とヒータは、排気ガスの流動方向に積層される構成を備えていた。これに対して第４の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｃは、円筒状の本体部１４０ｃ、本体部１４０ｃの上流から下流にわたり配置されている円柱状の選択還元触媒３４、選択還元触媒３４の外周を囲む内部ヒータ４６を備えている。なお、選択還元触媒３４および内部ヒータ４６は、上記の各実施形態において用いられた選択還元触媒およびヒータと同様の構成を備えている。第４の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｃにおいては、内部ヒータ４６は、選択還元触媒３４の外周面と筐体を構成する本体部１４０ｃの内周面との間に配置されている。なお、内部ヒータ４６の外周面と本体部１４０ｃの内周面との間には空間部または断熱材が配置されている。第４の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｃによれば、内部ヒータ４６が本体部１４０ｃの内部に配置されているので、ヒータが筐体の外部に配置されている場合と比較して、選択還元触媒３４に対する熱伝導性を向上させることができる。すなわち、ヒータが筐体の外部に配置されている場合には、ヒータの熱は筐体表面に伝達され筐体表面から放熱され、さらに、筐体並びに筐体と選択還元触媒との間の空間部を介することによって熱伝導性が低下する。これに対して、内部ヒータ４６が本体部１４０ｃの内部に配置されている選択触媒還元装置１４ｃにおいてはこれらの熱伝導性を低下させる要素を排除することができる。また、選択触媒還元装置１４ｃにおいては、内部ヒータ４６は、選択還元触媒３４の全長にわたって配置されているので、選択還元触媒３４の全体を加熱することができる。

第５の実施形態：
図１２は、第５の実施形態に係る選択触媒還元装置の横断面を模式的に示す説明図である。第４の実施形態においては、内部ヒータ４６は選択還元触媒３４の外周に配置されていた。第５の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｄにおいては、排気ガスの流れ方向に平行な複数の選択還元触媒３４、すなわち、副選択還元触媒と、複数の棒状の内部ヒータ４７、すなわち、副発熱部材が用いられ、複数の内部ヒータ４７は選択還元触媒３４の内部に配置されている。なお、第４の実施形態と同様の構成については同一の符号を付すことによって説明を省略する。より具体的には、複数の内部ヒータ４７は、選択還元触媒３４の全長にわたって内部に形成された管状の複数のヒータ配置孔内に配置されている。あるいは、選択還元触媒３４が有する多孔部が選択還元触媒３４の全長にわたって連通している場合には、複数の内部ヒータ４７は多孔部に配置されても良い。第５の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｄによれば、選択還元触媒３４の内部、すなわち、中心部付近に内部ヒータ４７が配置されているので、選択還元触媒３４の径方向における温度分布の均一化を図ることができる。選択還元触媒３４は多孔質体であり、熱伝導性が低い性質を備えている。したがって、選択還元触媒３４の外周から加熱する場合と比較して、選択還元触媒３４の中心部付近における温度を迅速に、また、容易に上昇させることができる。さらに、複数の内部ヒータ４７は、選択還元触媒３４の全長にわたって配置されているので、選択還元触媒３４の長手方向における温度分布を均一化することも可能となり、選択還元触媒３４の全体の温度分布を均一化することができる。また、選択還元触媒３４が分割されているので、内部ヒータ４７の配置が容易になると共に、副選択還元触媒の形状、数を調整することによって、選択触媒還元装置１４ｄのＮＯｘの浄化性能を容易に調整することが可能になり、また、選択触媒還元装置１４ｄの径方向あるいは、短寸法方向の外形寸法を容易に変更することができる。したがって、配置場所のスペースに応じた選択触媒還元装置１４ｄを得ることができる。

第６の実施形態：
図１３は、第６の実施形態に係る選択触媒還元装置の横断面を模式的に示す説明図である。第４の実施形態においては、内部ヒータ４６は選択還元触媒３４の外周に配置されていた。第６の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｅにおいては、蛇腹状の内部ヒータ４８、すなわち、副発熱部材が用いられ、内部ヒータ４８は選択還元触媒３４の内部に配置されている。なお、第４の実施形態と同様の構成については同一の符号を付すことによって説明を省略する。より具体的には、内部ヒータ４８は、排気ガスの流れ方向、すなわち、本体部１４０ｃの上流と下流とを結ぶ方向に垂直な横断面においてつづら折り状をなす板状のヒータであり、選択還元触媒３４の全長にわたって配置されている。なお、内部ヒータ４８は一体であっても良く、あるいは、排気ガスの流れ方向において複数個に分割されていても良い。第６の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ｅによれば、選択還元触媒３４の内部、すなわち、中心部付近に内部ヒータ４８が配置され、また、内部ヒータ４８が蛇腹状を成しているので、選択還元触媒３４との接触面積を増大させることが可能となり、選択還元触媒３４の径方向における更なる温度分布の均一化を図ることができる。選択還元触媒３４は多孔質体であり、熱伝導性が低い性質を備えている。したがって、選択還元触媒３４の外周から加熱する場合と比較して、選択還元触媒３４の中心部付近における温度を迅速に、また、容易に上昇させることができる。さらに、内部ヒータ４８は、選択還元触媒３４の全長にわたって配置されているので、選択還元触媒３４の長手方向における温度分布を均一化することも可能となり、選択還元触媒３４の全体の温度分布を均一化することができる。なお、選択還元触媒３４は、第５の実施形態と同様にして分割されていても良く、この場合には、第５の実施形態において述べた利点を有することができる。

変形例：
（１）第１の変形例：
第１の実施形態においては、第１および第２の選択還元触媒３１、３２および第１のヒータ４１は、同一の断面積および外径を有していたが、第１および第２の選択還元触媒３１、３２および第１のヒータ４１は、同一の外径を備え異なる断面積を有していても良く、あるいは、異なる外径と異なる断面積を有していても良い。第１のヒータ４１の断面積が第１および第２の選択還元触媒３１、３２の断面積よりも小さい場合であっても、第１のヒータ４１によって第１および第２の選択還元触媒３１、３２の外部からの加熱によっては昇温し難かった中心部分を加熱することが可能となり、選択触媒還元装置１４の浄化性能を有効に利用することができる。また、第１のヒータ４１の断面積が第１および第２の選択還元触媒３１、３２の断面積よりも大きい場合には、第１および第２の選択還元触媒３１、３２の断面全体を加熱することができる。また、第１の実施形態においては、第１および第２の選択還元触媒３１、３２および第１のヒータ４１が流路に沿って前後に直列に配置されているが、流路に沿う方向に前後に配置されていれば流路方向に垂直な方向に互いにずれた状態で配置されていても良く、互いが一部重なるように配置されていても良い。なお、第２および第３の実施形態に係る選択触媒還元装置１４ａ、１４ｂにおいても同様である。

（２）第２の変形例：
第５の実施形態においては、複数の副選択還元触媒３４が用いられているが、単一の選択還元触媒３４が用いられても良い。この場合には、選択還元触媒３４内に内部ヒータ４７が挿通されて備えられるので、選択還元触媒３４および内部ヒータ４７の取り扱いが容易になる。

（３）第３の変形例：
第４〜第６の実施形態においては、選択還元触媒３４の全長にわたって配置されている内部ヒータ４６、４８および複数の内部ヒータ４７が用いられているが、外部ヒータ４４が備えられている場合には、これらの内部ヒータ４６、４７、４８は、少なくとも選択触媒還元装置１４ｃ、１４ｄ、１４ｅの中間位置よりも下流側に配置されていればよい。選択触媒還元装置１４ｃ、１４ｄ、１４ｅの中間位置よりも下流側における選択還元触媒３４の少なくとも一部を活性温度およびアンモニアが生成される温度にすることによって、第４〜第６の実施形態により得られる効果を得ることができる。

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。たとえば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…排気ガス浄化システム
１１…排気管
１１ａ…マニフォールド
１１ｂ…マフラエンドパイプ
１２…ディーゼル酸化触媒
１３…ディーゼル微粒子フィルタ
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｐ…選択触媒還元装置
１５…アンモニアスリップ・ディーゼル酸化触媒
１７…燃料噴射装置
１８…尿素水噴射装置
２０…排気ガス加温装置
２０ａ…排気ガス導入部
２０ｂ…排気ガス排出部
２１…第１の排気ガス流路部
２２…第２の排気ガス流路部
２５…切替弁
３１…第１の選択還元触媒
３２…第２の選択還元触媒
３３…第３の選択還元触媒
３４、３５…選択還元触媒
４１…第１のヒータ
４２…第２のヒータ
４３…第３のヒータ
４４…外部ヒータ
４６、４７、４８…内部ヒータ
１４０、１４０ｃ…本体部
１４１ａ…排気ガス導入部
１４１ｂ…排気ガス排出部
１４２ａ…導入側接続部
１４２ｂ…排出側接続部
５００…車両
５１０…エンジン
５２０…車輪

Claims

内燃機関の排気ガス管路上に配置される選択触媒還元装置であって、
筐体と、
前記筐体の内部に配置されている選択還元触媒と、
前記筐体の内部に配置されている発熱部材と、
を備える選択触媒還元装置。
請求項１に記載の選択触媒還元装置において、
前記選択還元触媒は、前記選択触媒還元装置における排気ガスの流れ方向に沿って前後に配置されている第１の副選択還元触媒と第２の副選択還元触媒とを有し、
前記発熱部材は前記第１の副選択還元触媒と前記第２の副選択還元触媒との間に配置されている、選択触媒還元装置。
請求項２に記載の選択触媒還元装置において、
前記排気ガスの流れ方向に垂直な前記発熱部材の断面積は、前記排気ガスの流れ方向に垂直な前記第１の副選択還元触媒および前記第２の副選択還元触媒の断面積と同等である、選択触媒還元装置。
請求項２または請求項３に記載の選択触媒還元装置はさらに、
前記排気ガスの流れ方向において前記第１の副選択還元触媒よりも上流側に第２の発熱部材を備える、選択触媒還元装置。
請求項４に記載の選択触媒還元装置において、
前記排気ガスの流れ方向に垂直な前記第２の発熱部材の断面積は、前記第１の副選択還元触媒および前記第２の副選択還元触媒の前記断面積と同等である、選択触媒還元装置。
請求項１に記載の選択触媒還元装置において、
前記発熱部材は、前記選択触媒還元装置における排気ガスの流れ方向に沿って前記選択還元触媒の内部に配置されている、１以上の副発熱部材を含む、選択触媒還元装置。
請求項６に記載の選択触媒還元装置において、
前記選択還元触媒は、前記排気ガスの流れ方向と平行に配置されている２以上の副選択還元触媒を有し、
前記発熱部材は前記２以上の副選択還元触媒の間に配置されている、選択触媒還元装置。
請求項６または７に記載の選択触媒還元装置において、
前記発熱部材は、前記選択触媒還元装置の中間位置よりも少なくとも前記排気ガスの流れ方向の下流側に配置されている、選択触媒還元装置。
請求項１に記載の選択触媒還元装置において、
前記発熱部材は、前記筐体の内周面と前記選択還元触媒の外周面との間に配置されている、選択触媒還元装置。