JP4214073B2

JP4214073B2 - 尿素水添加装置

Info

Publication number: JP4214073B2
Application number: JP2004091726A
Authority: JP
Inventors: 博舟橋
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005273614A

Description

本発明は、選択還元型触媒の上流側に還元剤として尿素水を添加するための尿素水添加装置に関するものである。

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。

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、アンモニアをそのまま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）。
特開２００２−１６１７３２号公報

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、該排気ガス中で尿素水がアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、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。

ただし、このような尿素水を還元剤として使用する場合、その還元反応時における十分な触媒活性を得るのに約２００℃以上の排気温度が必要となるので、排気温度が２００℃を下まわるような低い運転状態（一般的に低負荷運転領域に排気温度が低い領域が拡がっている）が続くと、ＮＯx低減率がなかなか高まらないという不具合も起こり得る。

例えば、都市部の路線バス等のように渋滞路ばかりを走行するような運行形態の車両では、必要な所定温度以上での運転が長く継続しないため、ＮＯx低減率が低いまま推移してしまって良好なＮＯx低減効果を得ることができない虞れがある。

そこで、図５に示す如き排気温度が低い時の対策を施した尿素水添加装置が検討されており、ここに図示している例では、エンジンからの排気ガス１が流通する排気管の途中に、酸化触媒を一体的に担持したパティキュレートフィルタ２と選択還元型触媒３とを連続配置し、これらパティキュレートフィルタ２と選択還元型触媒３との間を接続するベンチュリ形の連絡管４の中央に尿素水添加装置５を設けている。

この尿素水添加装置５は、排気ガス１の一部を尿素水分解触媒６を経由させて流すバイパス流路７を設け、該バイパス流路７における前記尿素水分解触媒６の入口付近に噴射ノズル８を装着し、該噴射ノズル８と尿素水分解触媒６との間に、筒形のキャッチ板９と該キャッチ板９をコイル状に取り巻くヒータ１０とを設けた構造となっており、排気温度の低い運転状況下でも、噴射ノズル８から噴射した尿素水１１をヒータ１０で昇温した上で尿素水分解触媒６に導入し、該尿素水分解触媒６にて次式
［化１］
（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂
により効率良くアンモニアと炭酸ガスに分解させるようになっている。

ここで、還元剤に尿素水を用いる場合に適した選択還元型触媒３としては、バナジウム，チタン，タングステンの酸化物を組み合わせた触媒や、銅，ゼオライトを組み合わせた触媒や、白金，ゼオライトを組み合わせた触媒等が好ましく、また、尿素水分解触媒６には、酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）等の比較的酸化作用の弱いものを用いれば良い。

尚、図中１２はバイパス流路を経由した排気ガスの流れを排気流路の広範囲に拡散し得るように配設された複数枚の導風板、１３は噴射ノズル８の連絡管４側に対峙する部分に設けられた冷却用尿素水チャンバを示す。

しかしながら、図５に示す如き従来の尿素水添加装置５においては、構造上の制約からコンパクトなものとなる尿素水分解触媒６に対し尿素水１１が常に全量添加されてしまうことになり、高いＮＯx濃度に対応して多量の尿素水１１を添加しなければならない場合に、尿素水分解触媒６が多量の尿素水１１を含んだびしょ濡れの状態となり、ここで尿素水１１の分解が停滞して選択還元型触媒３へのアンモニアの供給が遅れ、ＮＯx濃度の変化に尿素水１１の添加量をいくら追従させても実際の選択還元型触媒３における還元反応が良好に追従しないという不具合があった。

更に付言すれば、縦軸に負荷をとり且つ横軸に回転数をとった場合の排気ガス１の等流量線及び等温度線は図６にグラフで示す如きものとなり、しかも、ＮＯx濃度が概ね等流量線と近似することが既に知見として得られているので、高いＮＯx濃度に対し多量の尿素水１１が要求される時とは、負荷及び回転数が共に高くなっていて排気流量が多くなっている状況を指すことになるが、このように排気流量が多い状況下では、排気ガス１がメインの排気流路にばかり流れてバイパス流路７へ流れ難くなってしまうので、単に尿素水分解触媒６に多量の尿素水１１が全て添加されるというだけでなく、びしょ濡れの状態の尿素水分解触媒６に対し十分な排気流量が与えられないことでも尿素水１１の分解が著しく停滞してしまうのである。

尚、この際には、排気ガス１の温度も大幅に上昇しているので、特に尿素水分解触媒６を経由させなくても、触媒活性が高まっている選択還元型触媒３に対し尿素水１１を添加できれば、ここで尿素水１１を分解して良好にＮＯxの還元浄化を図ることができるわけであるが、図５の従来構造では、尿素水１１の全量が尿素水分解触媒６を経由するようになっているので、尿素水１１を選択還元型触媒３に直接添加することができなかった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、低い排気温度でも良好なＮＯx低減効果が得られ且つ多量の尿素水が要求された時でも該尿素水の添加量の増加に遅滞なく還元反応を追従させて高いＮＯx低減率を維持し得るようにした尿素水添加装置を提供することを目的としている。

本発明は、ＮＯxを還元浄化する選択還元型触媒の上流側に還元剤として尿素水を添加し得るようにした尿素水添加装置であって、選択還元型触媒の入側の排気流路内に該排気流路の外周部から中心部付近まで延在する筒体を設け、該筒体の内部の先端側に尿素水をアンモニアと炭酸ガスに分解する尿素水分解触媒を収容せしめると共に、前記筒体の基端側に上流側からの排気ガスの流れをそのまま直進させるべく導入口と排出口を開口せしめ、この導入口から排出口へ向かう排気ガスの流れを横断して前記尿素水分解触媒へ尿素水を噴射し得るよう排気流路外に噴射ノズルを設け、該噴射ノズルの噴射方向における前記尿素水分解触媒の入口付近にヒータを配置したことを特徴とするものである。

而して、負荷や回転数が共に低くて排気ガスの温度が低くなっている時に噴射ノズルから尿素水を噴射すると、このように排気ガスの温度が低い時の排気流量は少なくなっているので、噴射ノズルからの尿素水はそのままヒータ及び尿素水分解触媒に到達し、該尿素水がヒータにより昇温されてから尿素水分解触媒に導入され、該尿素水分解触媒にて効率良くアンモニアと炭酸ガスに分解されるので、後段の選択還元型触媒にて反応性の高いアンモニアによりＮＯxが効率良く窒素に還元処理されることになる。

他方、負荷や回転数が徐々に増加して排気ガスの温度上昇してくると、排気流量も徐々に増加してきて、筒体の基端側における導入口から排出口へ向かう流れが強くなるので、この流れを横切って噴射ノズルから噴射される尿素水が排出口へ流され易くなり、排気流量が増加するにつれ（排気温度が上昇するにつれ）尿素水分解触媒を経由せずに選択還元型触媒へ直接流れ込む分量が多くなる。

この時、排気ガスの温度上昇に伴い後段の選択還元型触媒における触媒活性も高まってくるので、尿素水が選択還元型触媒へ直接流れ込んでも、該選択還元型触媒上で尿素水が直ちにアンモニアと炭酸ガスに分解され、反応性の高いアンモニアによりＮＯxが効率良く窒素に還元処理されることになる。

即ち、負荷や回転数が徐々に増加して排気流量が増加すれば、ＮＯx濃度も高まって尿素水の添加量も多くなってくるわけであるが、これに伴い尿素水分解触媒を経由せずに選択還元型触媒へ直接流れ込む尿素水の分量が多くなるので、高いＮＯx濃度に対応して多量の尿素水を添加しなければならない場合であっても、尿素水分解触媒が多量の尿素水を含んだびしょ濡れの状態となるような事態が未然に回避されることになる。

また、本発明をより具体的に実施するに際しては、筒体の排出口の直後に該排出口からの排気ガスの流れを排気流路の広範囲に拡散し得るよう導風板を配設したり、筒体の導入口に排気ガスを整流して取り込むベルマウスを設けたりすることが可能である。

上記した本発明の尿素水添加装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）低い排気温度であっても、噴射ノズルからの尿素水をヒータにより昇温した上で尿素水分解触媒に導入して効率良くアンモニアと炭酸ガスに分解することができるので、その反応性の高いアンモニアによりＮＯxを効率良く還元処理して良好なＮＯx低減効果を得ることができ、しかも、高いＮＯx濃度に対応して多量の尿素水が要求された時でも、該尿素水を尿素水分解触媒を経由させずに選択還元型触媒へ直接導いて該選択還元型触媒上で尿素水を直ちにアンモニアと炭酸ガスに分解し、その反応性の高いアンモニアによりＮＯxを効率良く窒素に還元処理することができるので、尿素水の添加量の増加に遅滞なく還元反応を追従させて高いＮＯx低減率を維持することができる。

（ＩＩ）尿素水分解触媒に対しＮＯx濃度があまり高くない比較的低い排気温度の時にしか尿素水が導かれないので、比較的少ない添加量の尿素水を昇温できる程度の容量のヒータで済み、従来の如き尿素水の全量がヒータに導かれる場合と比較して、ヒータの大幅な小型化と省電力化を図ることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

図１に示す如く、本形態例においては、パティキュレートフィルタ２と選択還元型触媒３との間が特にベンチュリ形状を付していない連絡管１４により接続されており、この連絡管１４により画成される排気流路１５内に、該排気流路１５の外周部から中心部付近まで延在する筒体１６が設けられている。

そして、この筒体１６の内部の先端側には、尿素水１１をアンモニアと炭酸ガスに分解する尿素水分解触媒６が収容されており、前記筒体１６の基端側には、上流側からの排気ガス１の流れをそのまま直進させるべく導入口１７と排出口１８が開口されている。

ここで、筒体１６の排出口１８の直後には、該排出口１８からの排気ガス１の流れを排気流路１５の広範囲に拡散し得るよう導風板１９が配設されており、また、筒体１６の導入口１７には、排気ガス１を整流して取り込むベルマウス２０が設けられている。

尚、このベルマウス２０の上流側端は、前段のパティキュレートフィルタ２を抜けた排気ガス１を前記筒体１６の先端側に集めるガイドコーン２１の一部に接続して開口するようにしてあり、更に、このガイドコーン２１の下流側端にも、ここに集めた排気ガス１の主流を再び排気流路１５の広範囲に拡散し得るよう適宜な枚数の導風板２２が配設されている。

また、この導入口１７から排出口１８へ向かう排気ガス１の流れを横断して前記尿素水分解触媒６へ尿素水１１を噴射し得るよう連絡管１４の外周部分の適宜箇所に噴射ノズル８が設けられており、図示する例では、この噴射ノズル８が上流側に向け噴射方向を若干傾けた状態で配置されている。

ここで、前記噴射ノズル８の連絡管１４側に対峙する部分には、冷却用尿素水チャンバ１３が設けられており、ここを経由させてから尿素水１１を噴射するようにして前記噴射ノズル８が焼損しないようにしてある。

更に、前記噴射ノズル８の噴射方向における前記尿素水分解触媒６の入口付近に、筒形のキャッチ板９をコイル状に取り巻くようにしたヒータ１０が配置されており、このヒータ１０は、前述した導入口１７から排出口１８へ向かう排気ガス１の流れを極力干渉しないような配置となっている。

而して、以上の如く構成した尿素水添加装置２３において、図２に示す如く、負荷や回転数が共に低くて排気ガス１の温度が低くなっている時に噴射ノズル８から尿素水１１を噴射すると、このように排気ガス１の温度が低い時の排気流量は少なくなっているので、噴射ノズル８からの尿素水１１はそのままヒータ１０及び尿素水分解触媒６に到達し、該尿素水がヒータ１０により昇温されてから尿素水分解触媒６に導入され、該尿素水分解触媒６にて効率良くアンモニアと炭酸ガスに分解されるので、後段の選択還元型触媒３にて反応性の高いアンモニアによりＮＯxが効率良く窒素に還元処理されることになる。

他方、図３に示す如く、負荷や回転数が徐々に増加して排気ガス１の温度が上昇してくると、排気流量も徐々に増加してきて、筒体１６の基端側における導入口１７から排出口１８へ向かう流れが強くなるので、この流れを横切って噴射ノズル８から噴射される尿素水１１が排出口１８へ流され易くなり、排気流量が増加するにつれ（排気温度が上昇するにつれ）尿素水分解触媒６を経由せずに選択還元型触媒３へ直接流れ込む分量が多くなる。

この時、排気ガス１の温度上昇に伴い後段の選択還元型触媒３における触媒活性も高まってくるので、尿素水１１が選択還元型触媒３へ直接流れ込んでも、該選択還元型触媒３上で尿素水１１が直ちにアンモニアと炭酸ガスに分解され、反応性の高いアンモニアによりＮＯxが効率良く窒素に還元処理されることになる。

即ち、負荷や回転数が徐々に増加して排気流量が増加すれば、ＮＯx濃度も高まって尿素水１１の添加量も多くなってくるわけであるが、これに伴い尿素水分解触媒６を経由せずに選択還元型触媒３へ直接流れ込む尿素水１１の分量が多くなるので、高いＮＯx濃度に対応して多量の尿素水１１を添加しなければならない場合であっても、尿素水分解触媒６が多量の尿素水１１を含んだびしょ濡れの状態となるような事態が未然に回避されることになる。

尚、図４に示す如く、高負荷、高回転で排気流量が所定以上になると、噴射ノズル８から噴射された尿素水１１が全て排出口１８へと流され、該尿素水分解触媒６の全量が選択還元型触媒３へ添加されることになり、尿素水分解触媒６へは尿素水１１が殆ど導かれなくなる。

従って、上記形態例によれば、低い排気温度であっても、噴射ノズル８からの尿素水１１をヒータ１０により昇温した上で尿素水分解触媒６に導入して効率良くアンモニアと炭酸ガスに分解することができるので、その反応性の高いアンモニアによりＮＯxを効率良く還元処理して良好なＮＯx低減効果を得ることができる。

しかも、高いＮＯx濃度に対応して多量の尿素水１１が要求された時でも、該尿素水１１を尿素水分解触媒６を経由させずに選択還元型触媒３へ直接導いて該選択還元型触媒３上で尿素水１１を直ちにアンモニアと炭酸ガスに分解し、その反応性の高いアンモニアによりＮＯxを効率良く窒素に還元処理することができるので、尿素水１１の添加量の増加に遅滞なく還元反応を追従させて高いＮＯx低減率を維持することができる。

また、尿素水分解触媒６に対しＮＯx濃度があまり高くない比較的低い排気温度の時にしか尿素水１１が導かれないので、比較的少ない添加量の尿素水１１を昇温できる程度の容量のヒータ１０で済み、従来の如き尿素水１１の全量がヒータ１０に導かれる場合と比較して、ヒータ１０の大幅な小型化と省電力化を図ることができる。

尚、本発明の尿素水添加装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、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。

本発明を実施する形態の一例を示す断面図である。排気温度が低い時の尿素水の噴射状況を示す断面図である。排気温度が図２より高い時の尿素水の噴射状況を示す断面図である。排気温度が図３より高い時の尿素水の噴射状況を示す断面図である。従来例を示す断面図である。排気ガスの等流量線及び等温度線のグラフである。

符号の説明

１排気ガス
３選択還元型触媒
６尿素水分解触媒
８噴射ノズル
１０ヒータ
１１尿素水
１５排気流路
１６筒体
１７導入口
１８排出口
１９導風板
２０ベルマウス
２３尿素水添加装置

Claims

ＮＯxを還元浄化する選択還元型触媒の上流側に還元剤として尿素水を添加し得るようにした尿素水添加装置であって、選択還元型触媒の入側の排気流路内に該排気流路の外周部から中心部付近まで延在する筒体を設け、該筒体の内部の先端側に尿素水をアンモニアと炭酸ガスに分解する尿素水分解触媒を収容せしめると共に、前記筒体の基端側に上流側からの排気ガスの流れをそのまま直進させるべく導入口と排出口を開口せしめ、この導入口から排出口へ向かう排気ガスの流れを横断して前記尿素水分解触媒へ尿素水を噴射し得るよう排気流路外に噴射ノズルを設け、該噴射ノズルの噴射方向における前記尿素水分解触媒の入口付近にヒータを配置したことを特徴とする尿素水添加装置。
筒体の排出口の直後に該排出口からの排気ガスの流れを排気流路の広範囲に拡散し得るよう導風板を配設したことを特徴とする請求項１に記載の尿素水添加装置。
筒体の導入口に排気ガスを整流して取り込むベルマウスを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の尿素水添加装置。