JP3883974B2

JP3883974B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP3883974B2
Application number: JP2003064679A
Authority: JP
Inventors: 公信平田
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: JP2004270609A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン等の排気浄化装置において、窒素酸化物還元触媒の上流に噴射添加される尿素水溶液の加水分解効率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、特開２０００−２７６２７号公報（特許文献１）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（Ｎ₂）、酸素（Ｏ₂）等に転化すべく、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、尿素（（ＮＨ₂）₂ＣＯ）水溶液を搭載し、窒素酸化物還元触媒の上流の排気管内に噴射添加する構成が採用されている。このような排気浄化装置では、尿素水溶液は、エンジンの排気により加熱され、加水分解し、アンモニアを発生する。そして、窒素酸化物還元触媒において、このアンモニアが還元剤となって、排気中の窒素酸化物が還元、除去される。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２７６２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の排気浄化装置において、排気管内に噴射添加された尿素水溶液の一部は、排気管に付着し液滴になってしまう。ところが、エンジンの排気管は、その外壁が外気と接触しており、排気と比較して低温になっているため、液滴になった尿素水溶液は充分に加熱されず、アンモニアに加水分解しにくくなる恐れがある。こうなると、窒素酸化物還元触媒において、アンモニアが不足し、排気中の窒素酸化物の浄化効率が低下する恐れがある。また、アンモニアを増加させるために、尿素水溶液の添加量を増加させると、尿素水溶液の使用量が増加し、経済性が低下するとともに、アンモニアに加水分解されなかった尿素水溶液が、排気管中に析出したり、大気中に排出したりしてしまう恐れがあるという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、内壁に付着して液滴となった尿素水溶液の温度低下を抑制することで、尿素水溶液からアンモニアを発生させる加水分解効率を向上させる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明は、排気管に介装され、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、前記窒素酸化物還元触媒の上流に、排気の流れに沿って、前記排気管の内壁との間に間隙を有するように設けられた、両端が開口した内筒と、尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液貯蔵手段と、前記尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液を、排気の流れに沿って、前記内筒の内部に噴射添加する噴射手段と、を含んで構成される排気浄化装置において、前記内筒は、前記排気管の横断面上に板面が位置し、該板面に多数の穴が開いた２つの支持板によって支持されることを特徴とする。
【０００７】
かかる構成によれば、尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液が、噴射手段により内筒の内部に噴射添加される。内筒は、両端が開口し、排気の流れに沿って外壁と前記排気管の内壁との間に間隙を有するように設けられているので、内部に排気通路を形成するとともに、外壁と排気管の内壁との間に排気通路を形成する。したがって、内筒は、排気管を流通する排気により外側及び内側から加熱され、すぐに排気と略同じ温度になる。これにより、内筒の内部に噴射添加された尿素水溶液は、内筒の内壁に付着して液滴になっても、温度低下することが抑制される。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液を加熱する加熱手段を有することを特徴とする。
かかる構成によれば、尿素水溶液は、あらかじめ加熱されてから内筒の内部に噴射添加されるので、低温の尿素水溶液が噴射添加されることによる排気の温度低下が抑制される。
【０００９】
請求項３記載の発明は、前記加熱手段は、前記尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液を加熱することを特徴とする。
かかる構成によれば、尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液が加熱されるので、内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液の温度が安定する。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記加熱手段は、前記尿素水溶液貯蔵手段と噴射手段との間の配管内を流通する尿素水溶液を加熱することを特徴とする。
かかる構成によれば、尿素水溶液貯蔵手段と噴射手段との間の配管内を流通する尿素水溶液が加熱されるので、内筒の内部に噴射添加される必要最小限の尿素水溶液のみ加熱される。
【００１１】
請求項５記載の発明は、前記加熱手段は、電気ヒータであることを特徴とする。
かかる構成によれば、加熱手段が電気ヒータであるので、簡単な構造で容易に、内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液を加熱できる。
【００１２】
請求項６記載の発明は、前記排気管を流通する排気は、エンジンの排気であり、前記加熱手段は、前記エンジンを冷却する冷却液により尿素水溶液を加熱することを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、エンジンを冷却する冷却液により、内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液が加熱されるので、廃熱を利用して尿素水溶液が加熱される。
【００１４】
請求項７記載の発明は、前記加熱手段は、前記窒素酸化物還元触媒を通過した排気により尿素水溶液を加熱することを特徴とする。
かかる構成によれば、窒素酸化物還元触媒を通過した排気により、内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液が加熱されるので、廃熱を利用して尿素水溶液が加熱される。また、窒素酸化物還元触媒へ供給される排気の温度を低下させることがない。
【００１５】
請求項８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尿素水溶液を加熱し、加熱された尿素水溶液が保温される。
【００１６】
請求項９記載の発明は、前記排気管を流通する排気は、エンジンの排気であり、前記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、前記噴射手段により噴射添加される尿素水溶液の添加流量を制御する添加制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１７】
かかる構成によれば、エンジンの運転状態に基づいて、尿素水溶液の添加流量が制御されるので、窒素酸化物還元触媒においてエンジンの排気中の窒素酸化物を還元除去する際に必要な量の尿素水溶液が過不足なく噴射添加される。
【００１８】
【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、本発明をエンジンに適用した排気浄化装置の第１実施例の構成図である。
【００１９】
エンジン１の排気通路である排気管２には、窒素酸化物を還元浄化する窒素酸化物還元触媒３が介装されている。
窒素酸化物還元触媒３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（ＮＨ₃）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。
【００２０】
排気浄化装置には、尿素水溶液が貯蔵される尿素水溶液タンク４（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４は、配管５を介して、尿素水溶液添加装置６と接続されている。
【００２１】
一方、尿素水溶液添加装置６は、配管７を介してポンプ８と接続されている。ポンプ８は、尿素水溶液添加装置６に空気を加圧供給する。また、尿素水溶液添加装置６は、配管９を介して、窒素酸化物還元触媒３の上流側の排気管２内に設けられた噴射ノズル１０（噴射手段）に接続されており、加圧供給された空気に尿素水溶液を混合して噴射ノズル１０に供給する。
【００２２】
配管９の周囲には、電気ヒータ１１（加熱手段）が設けられ、更にその周囲には、断熱材１２（断熱手段）が設けられている。
また、マイクロコンピュータを内蔵した尿素水溶液添加コントローラ１３（添加制御手段）が設けられている。尿素水溶液添加コントローラ１３は、エンジン１の作動を制御するエンジンコントローラ１４（運転状態検出手段）からＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）通信によりエンジン１の運転情報の受信が可能になっているとともに、ポンプ８、尿素水溶液添加装置６及び電気ヒータ１１を作動制御する。
【００２３】
ここで、図２を合わせて用いて、噴射ノズル１０近辺の詳細構造について説明する。
窒素酸化物還元触媒３の上流側の排気管２内には、排気の流れに沿って、両端が開放された円筒状の内筒２０が設けられている。内筒２０は、排気管２内に設けられた２枚の円環板状の支持板２１により、排気管２と略同心に支持されており、排気管２の内壁との間に間隙を有するように設けられている。
【００２４】
支持板２１は、多数の穴が開いている。これにより、排気管２内を流通する排気は、内筒２０の内側及び外側を流通できるようになっている。
そして、配管９の先端に接続された噴射ノズル１０は、内筒２０内に、配管９を通して供給された尿素水溶液を、排気の流れに沿って噴射添加できるように設けられている。
【００２５】
次に、このようなエンジンの排気浄化装置の動作について説明する。
エンジン１が作動することにより、その排気は排気管２に排出される。このとき、尿素水溶液添加コントローラ１３は、エンジンコントローラ１４からエンジン１の回転速度、吸気流量、負荷等の運転状態を受信する。そして、排気中の窒素酸化物を還元するために必要な尿素水溶液の添加流量を演算し、ポンプ８、尿素水溶液添加装置６及び電気ヒータ１１を作動制御する。これにより、尿素水溶液は、ポンプ８により取り込まれた空気と混合するとともに、配管９を通過することによって電気ヒータ１１により加熱されて、噴射ノズル１０から内筒２０内に噴射添加される。
【００２６】
噴射ノズル１０から噴射添加された尿素水溶液は、排気と混合し加熱され、加水分解し、アンモニアを発生させる。そして、このアンモニアとともにエンジン１からの排気が窒素酸化物還元触媒３に供給される。そして、窒素酸化物還元触媒３において、このアンモニアを還元剤として、排気中の窒素酸化物が還元除去される。
【００２７】
なお、尿素水溶液は、排気中に噴射添加される前に、あらかじめ電気ヒータ１１により加熱されるので、昇温した状態で排気中に噴射添加される。これにより、低温の尿素水溶液の噴射添加による排気の温度低下が抑えられるので、窒素酸化物還元触媒３における触媒反応の活性が維持され、排気中の窒素酸化物の還元除去が効率よく行われる。また、排気中に噴射添加される尿素水溶液のみ加熱されるので、尿素水溶液を加熱するための消費エネルギーが抑制される。
【００２８】
更に、内筒２０は、その外側も排気が流通するので、すぐに排気と略同じ温度になる。したがって、噴射ノズル１０から噴射した尿素水溶液は、内筒２０の内壁に付着しても、すぐに加熱される。これにより、尿素水溶液は、内筒２０の内壁に付着して液滴になっても、温度低下することなく、加水分解が効率よく行われるので、窒素酸化物還元触媒３において、アンモニアが不足することなく、排気中の窒素酸化物の還元除去が効率よく行われる。
【００２９】
次に、図３を用いて、本発明をエンジンに適用した排気浄化装置の第２実施例を説明する。
本実施例では、第１実施例において、尿素水溶液添加装置６と噴射ノズル１０との間の配管９の周囲に設けられた電気ヒータ１１及び断熱材１２が、尿素水溶液タンク４の周囲に設けられている。これにより、尿素水溶液タンク４内に貯蔵されている尿素水溶液が加熱される。したがって、本実施例は、第１実施例と同様に、尿素水溶液が昇温した状態で排気中に噴射添加される。これにより、排気の温度低下が抑えられ、排気中の窒素酸化物の還元除去が効率よく行われる。なお、尿素水溶液タンク４内に貯蔵されている尿素水溶液が加熱されるので、尿素水溶液の添加流量が変動しても、略一定の温度の尿素水溶液が排気中に添加されるので、尿素水溶液の加水分解効率が安定する。
【００３０】
次に、図４を用いて、本発明をエンジンに適用した排気浄化装置の第３実施例を説明する。
本実施例では、エンジン１の冷却液の配管２２を尿素水溶液タンク４内に通過させることによって、エンジン１の冷却液により尿素水溶液を加熱する。これにより、電気ヒータ１１を必要とせずに、尿素水溶液タンク４内に貯蔵されている尿素水溶液が昇温するので、電気ヒータ１１による電力消費が抑制される。なお、本実施例の場合、配管２２が加熱手段に該当する。
【００３１】
次に、図５を用いて、本発明をエンジンに適用した排気浄化装置の第４実施例を説明する。
本実施例では、尿素水溶液タンク４と尿素水溶液添加装置６との間の配管５の中間部を、窒素酸化物還元触媒３の下流の排気管２に巻き回すことで、排気管２内を流通する排気から受熱し、配管５内の尿素水溶液を加熱する。これにより、電気ヒータ１１を必要とせずに、尿素水溶液タンク４から尿素水溶液添加装置６に供給される尿素水溶液が昇温するので、電気ヒータ１１による電力消費が抑制される。なお、配管５の中間部を窒素酸化物還元触媒３の下流の排気管２に巻き回すので、窒素酸化物還元触媒３に供給される排気の温度を低下させることがなく、窒素酸化物還元触媒３における排気中の窒素酸化物の還元除去の効率を低下させることがない。なお、本実施例の場合、窒素酸化物還元触媒３の下流の排気管２が加熱手段に該当する。
【００３２】
なお、第１〜第４の実施例は、単独で実施しても、いずれを複数組み合わせて実施してもよい。
また、第１〜第４の実施例のいずれにおいても、尿素水溶液は、尿素水溶液添加装置６にてポンプ８により供給された空気に混合されてから、排気管２内に噴射添加されるようにしたが、噴射ノズル１０から尿素水溶液を直接排気管２内に噴射添加するようにしてもよい。このとき、尿素水溶液添加装置６の代わりに尿素水溶液を加圧するポンプを設ければ、空気を加圧するポンプ８は不要となる。そして、このポンプを尿素水溶液添加コントローラ１３により作動制御することによって、尿素水溶液の添加流量を制御すればよい。
【００３３】
【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、内筒の内部に噴射添加された尿素水溶液は、内筒の内壁に付着して液滴になっても、温度低下することがなく、尿素水溶液の加水分解効率が向上する。これにより、窒素酸化物還元触媒においてアンモニアが不足することがなくなり、排気中から窒素酸化物を還元除去する効率が向上する。また、アンモニアの不足を補うために尿素水溶液の添加流量を増加させる必要がなく、アンモニアに加水分解されなかった尿素水溶液が、排気管中に析出したり、大気中に排出したりすることがない。
【００３４】
請求項２記載の発明によれば、低温の尿素水溶液が噴射添加されることによる排気の温度低下が抑制されるので、尿素水溶液の加水分解効率が向上するとともに、窒素酸化物還元触媒における触媒反応の活性が維持され、排気中から窒素酸化物を還元除去する効率が向上する。
【００３５】
請求項３記載の発明によれば、内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液の温度が安定するので、尿素水溶液の加水分解効率が安定する。
請求項４記載の発明によれば、内筒の内部に噴射添加される必要最小限の尿素水溶液のみ加熱されるので、尿素水溶液を加熱するための消費エネルギーが抑制される。
【００３６】
請求項５記載の発明によれば、簡単な構造で容易に、内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液を加熱できるので、効率のよい排気浄化装置を簡単な構造で容易に実施することができる。
【００３７】
請求項６記載の発明によれば、エンジンを冷却する冷却液により、廃熱を利用して尿素水溶液が加熱されるので、尿素水溶液を加熱するための消費エネルギーが抑制される。
【００３８】
請求項７記載の発明によれば、窒素酸化物還元触媒を通過した排気により、廃熱を利用して尿素水溶液が加熱されるので、尿素水溶液を加熱するための消費エネルギーが抑制される。また、窒素酸化物還元触媒へ供給される排気の温度を低下させることがなく、窒素酸化物の還元除去の効率低下を防止する。
【００３９】
請求項８記載の発明によれば、加熱手段により効率よく尿素水溶液を加熱できるので、加熱手段の消費エネルギーが極力抑制される。
請求項９記載の発明によれば、窒素酸化物還元触媒においてエンジンの排気中の窒素酸化物を還元除去する際に必要な量の尿素水溶液が過不足なく噴射添加されるので、尿素水溶液の不足による窒素酸化物の還元除去の効率低下を防止するとともに、尿素水溶液の消費量が極力抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例における排気浄化装置の構成図
【図２】本発明の排気浄化装置の噴射ノズル近辺の詳細構造図
【図３】本発明の第２実施例における排気浄化装置の構成図
【図４】本発明の第３実施例における排気浄化装置の構成図
【図５】本発明の第４実施例における排気浄化装置の構成図
【符号の説明】
１エンジン
２排気管
３窒素酸化物還元触媒
４尿素水溶液タンク
１０噴射ノズル
１１電気ヒータ
１２断熱材
１３尿素水溶液添加コントローラ
１４エンジンコントローラ
２０内筒
２１支持板
２２配管

Claims

排気管に介装され、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、
前記窒素酸化物還元触媒の上流に、排気の流れに沿って、前記排気管の内壁との間に間隙を有するように設けられた、両端が開口した内筒と、
尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液貯蔵手段と、
前記尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液を、排気の流れに沿って、前記内筒の内部に噴射添加する噴射手段と、
を含んで構成され、
前記内筒は、前記排気管の横断面上に板面が位置し、該板面に多数の穴が開いた２つの支持板によって支持されることを特徴とする排気浄化装置。
前記内筒の内部に噴射添加される尿素水溶液を加熱する加熱手段を有することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
前記加熱手段は、前記尿素水溶液貯蔵手段に貯蔵された尿素水溶液を加熱することを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
前記加熱手段は、前記尿素水溶液貯蔵手段と噴射手段との間の配管内を流通する尿素水溶液を加熱することを特徴とする請求項２又は３に記載の排気浄化装置。
前記加熱手段は、電気ヒータであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
前記排気管を流通する排気は、エンジンの排気であり、
前記加熱手段は、前記エンジンを冷却する冷却液により尿素水溶液を加熱することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
前記加熱手段は、前記窒素酸化物還元触媒を通過した排気により尿素水溶液を加熱することを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
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請求項２乃至７のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
前記排気管を流通する排気は、エンジンの排気であり、
前記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、前記噴射手段により噴射添加される尿素水溶液の添加流量を制御する添加制御手段と、
を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の排気浄化装置。