JP4681284B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ディーゼルエンジン等のエンジンに適用される排気浄化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、排出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出ガス中の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）。
即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排出ガス中に添加すれば、該排出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熱分解され、選択還元型触媒上で排出ガス中の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
特開２００２−１６１７３２号公報
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１４０℃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、尿素水をアンモニアと炭酸ガスに熱分解するのに少なくとも約１７０〜１８０℃の排気温度が必要であるため、排気温度が約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では排気温度が低い領域となる）が続くと、尿素水からアンモニアへの分解が進まないためにＮＯx低減率がなかなか高まらないという問題があり、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、必要な排気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かった。
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気温度の低い運転状態が続くような運行形態の車両であっても、従来より低い排気温度から良好なＮＯx低減効果が得られ、更に、尿素水からアンモニアを効率良く生成できると共に、排出ガスに対するアンモニア添加の制御性が向上できる排気浄化装置を提供することを目的としている。
本発明は、排気管の途中に選択還元型触媒を装備し且つ該選択還元型触媒の上流側にアンモニアを添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、尿素水を収容する容器と、誘電体ペレットを収容して前記容器の尿素水内に設置した金網と、前記容器の尿素水にプラズマを作用してアンモニアを生成させる電極とを備えたアンモニア生成装置を設け、該アンモニア生成装置で生成したアンモニアを前記選択還元型触媒の上流側に供給するようにしたことを特徴とする排気浄化装置にかかるものである。
上記手段によれば、アンモニア生成装置において尿素水にプラズマを作用させて生成したアンモニアを選択還元型触媒の上流側に供給するので、排気温度が低い運転状態においても、必要量のアンモニアを確実に排出ガスに添加して選択還元型触媒上で排出ガス中のＮＯxと効果的に反応させることができ、よって排出ガス中のＮＯxは従来より低い排気温度から良好に還元浄化されることになる。更に、尿素水にプラズマを作用させてアンモニアを生成するので、アンモニアの生成を容易且つ迅速に調整することができ、生成したアンモニアを排出ガスに添加するようにしたので、アンモニア供給の応答性を高めることができる。
前記排気浄化装置においては、前記容器内の尿素水中に、誘電体ペレットを収容した金網を装入しているため、誘電体ペレットの表面からプラズマが生じるので、尿素水からアンモニアが生成する作用を更に効果的に行うことができる。
又、前記排気浄化装置においては、前記アンモニア生成装置からアンモニアガスを取り出すようにしたので、このアンモニアガスを排出ガスに添加すると排気温度を下げる問題が生じないため、排気温度が低い運転状態での選択還元型触媒のＮＯx低減効果を更に高め得る。
又、前記排気浄化装置においては、前記アンモニア生成装置からアンモニア水を取り出すようにしたので、このアンモニア水を排出ガスに添加しても水分が蒸発する際に僅かな熱を奪うのみで排気温度を下げる問題は殆ど生じないため、排気温度が低い運転状態での選択還元型触媒のＮＯx低減効果を高く保持できる。
又、前記排気浄化装置においては、前記容器から取り出すアンモニアの濃度を検出するｐＨ指示計を設け、該ｐＨ指示計からの検出値に基づき選択還元型触媒の上流側に供給するアンモニアの供給量を指令する制御装置を備えることができ、これにより排出ガスに供給するアンモニアの実供給量を応答性良く制御することができる。
上記した本発明の排気浄化装置によれば、アンモニア生成装置において尿素水にプラズマを作用させてアンモニアを効果的に生成し、このアンモニアを選択還元型触媒の上流側に供給しているので、従来の尿素水を供給する場合のように排出ガスの温度を低下させることなしに必要量のアンモニアを確実に排出ガスに添加することができ、よって排気温度が低い運転状態においても選択還元型触媒によってＮＯxを効果的に低減できる効果がある。更に、尿素水にプラズマを作用させてアンモニアを生成するので、アンモニアの生成を容易且つ迅速に調整することができ、生成したアンモニアを排出ガスに添加するようにしたので、排出ガスに対するアンモニア供給の応答性を高められる効果がある。
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、エアクリーナ３から導いた空気４が吸気管５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で加圧された空気４が更にインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から図示しないインテークマニホールドへと空気４が導かれてエンジン１の各シリンダに導入されるようにしてある。
又、このエンジン１の各シリンダから排出された排出ガス７がエキゾーストマニホールド８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を駆動した排出ガス７が排気管９を介し車外へ排出されるようにしてある。
そして、排出ガス７が流通する排気管９の途中には、選択還元型触媒１０がケーシング１１により抱持されて装備されており、この選択還元型触媒１０はフロースルー方式のハニカム構造物として形成され、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得るような性質を有している。
上記構成におけるケーシング１１より上流側の排気管９には、アンモニア生成装置１２で生成したアンモニア１３を噴射して排出ガス７に添加する噴射ノズル１４が設けられている。
図２は前記アンモニア生成装置１２の一例を示したもので、このアンモニア生成装置１２では、アンモニア１３としてアンモニアガス１３ａを生成して排出ガス７に供給する場合を示している。
図２中、１５はポリフッ化エチレン（例えばテフロン（商標名））等の耐熱性と絶縁性を有する材料で形成した容器であり、該容器１５の内部中心位置には、下端が容器１５の底部近傍まで延び上端が容器１５から突出して固定された電極１６が設けられている。一方、前記容器１５の外部には、鉄等の導電性材料にて構成したケーシング１７が設けてあり、該ケーシング１７はアース１８に接続されている。
又、図２の例では、前記容器１５内部にＳＵＳの金網１９を設けて該金網１９内に誘電体ペレット１９ａを装入している。前記金網１９は前記アース１８に接続されている。前記誘電体ペレット１９ａにはチタニア、チタン酸バリウム、アルミナ等の誘電率が高い材料を用いることができる。
前記容器１５の内部には、下端が容器１５の底部に近い位置に開口した尿素水供給管２０が設けてあり、該尿素水供給管２０は、容器１５の上部に設けた尿素水タンク２３の尿素水２３ａを尿素水供給弁２１を介して容器１５内部に供給するようにしている。
一方、前記電極１６には、例えばバッテリによる電源２４に接続された電源線２５が接続されており、該電源線２５には、電圧、駆動パルス等を調節できるようにしたコントローラ２６が備えられている。従って、電源２４により電極１６に給電すると、該電極１６と前記ケーシング１７との間にプラズマが生じ、このプラズマの作用によって前記尿素水２３ａがアンモニアと炭酸ガスに分解されるようになっている。
更に、前記容器１５内部における尿素水２３ａの液面より上部の空間２７にはアンモニア供給管２８が開口しており、該アンモニア供給管２８はポンプ２９及びアンモニア供給弁３０を介して前記噴射ノズル１４に接続されている。従ってこの例では、容器１５内の空間２７に生成したアンモニアガス１３ａがアンモニア供給管２８により取り出されて噴射ノズル１４に供給されるようになっている。この時、前記空間２７の容量が小さいとアンモニアガス１３ａの安定供給が難しくなる可能性があるので、図１に示す如くアンモニア供給管２８にアンモニアガス貯留タンク３１を備えて、空間２７で生成するアンモニアガス１３ａをアンモニアガス貯留タンク３１で一旦貯蔵することは好ましい。
図１、図２中、３２は制御装置であり、該制御装置３２には容器１５内部に設けて液面高さを検出する液面計３３からの液面高さ信号３４が入力されており、従って制御装置３２は、前記液面計３３からの液面高さ信号３４に応じて、尿素水供給指令３５により尿素水供給弁２１の開度を制御して容器１５内部の尿素水２３ａの量を一定に保つようにしている。
又、制御装置３２は、電極１６に供給する電力が、設定した電圧、駆動パルスになるように、電力制御指令３６によりコントローラ２６を制御するようにしている。
更に、前記制御装置３２には、前記容器１５内の尿素水２３ａのｐＨ（尿素水２３ａの液面に近いｐＨ）を検出するｐＨ指示計３７からのｐＨ検出値３８が入力されており、従って制御装置３２は、ｐＨ指示計３７からのｐＨ検出値３８に応じて、アンモニア供給指令３９によりアンモニア供給弁３０の開度を制御して噴射ノズル１４に供給するアンモニアガス１３ａの流量を制御するようにしている。即ち、前記制御装置３２は、図示しないエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）との間で、エンジン１の回転数及び負荷、選択還元型触媒１０の入口温度センサ４２ａ及び出口温度センサ４２ｂの検出温度、吸入空気量が遣り取りされるようになっており、これらから判断される現在の運転状態に基づきＮＯxの発生量が推定され、その推定されたＮＯxの発生量に見合うアンモニアガス１３ａの添加量が算出されて必要量のアンモニアガス１３ａを添加するようになっている。
図３は、前記アンモニア生成装置１２を複数備える場合の例を示したもので、導電性材料にて内部空間を格子状に複数に仕切るようにした構成のケーシング１７を設け、該ケーシング１７の各空間に、前記容器１５により構成したモジュール構造のアンモニア生成装置１２を装入設置する。図３のように複数のアンモニア生成装置１２を備えた場合には、尿素水供給管２０を複数の分岐管２０ａで分岐し、各分岐管２０ａに設けた尿素水供給弁２１を介して各容器１５に尿素水２３ａを供給する。又、各容器１５の電極１６には電源線２５により同一の条件で給電を行うようにする。又、前記各容器１５で生成したアンモニアガス１３ａは、一本のアンモニア供給管２８によりまとめて取り出すようにする。
以下に上記形態の作用を説明する。
図２に示すように、前記アンモニア生成装置１２の容器１５に所定量の尿素水２３ａが供給された状態で、電源２４（バッテリ）から電力を供給してコントローラ２６により電圧或いは駆動パルス等を設定された状態に制御すると、電極１６とケーシング１７との間にプラズマが発生し、このプラズマの作用によって尿素水２３ａは
［化２］
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2
のようにアンモニアと炭酸ガスに分解され、これにより容器１５内の尿素水２３ａがアンモニア水に変換されると共に、容器１５の上部空間２７にはアンモニアガス１３ａが生成する。尚、このアンモニアガス１３ａには炭酸ガス及び蒸発した水分が含まれる。
上記したように、前記アンモニア生成装置１２において、尿素水２３ａにプラズマを作用して分解によりアンモニアガス１３ａを生成するようにしたので、アンモニアガス１３ａの生成を容易且つ迅速に行うことができる。
更に、この時、容器１５内の尿素水２３ａ中にチタニア、チタン酸バリウム、アルミナ等の誘電率が高い材料からなる誘電体ペレット１９ａを装入しておくと、誘電体ペレット１９ａの夫々の表面からプラズマが生じるため、尿素水２３ａの分解作用が大幅に高まり、よってアンモニアガス１３ａが効果的に生成されるようになる。更に、図３に示すようにアンモニア生成装置１２を複数備えるようにすると、多量のアンモニアガス１３ａを同時に供給することができる。
上記において、ポンプ２９を駆動すると、前記容器１５内に生成したアンモニアガス１３ａはアンモニア供給管２８により取り出され、前記噴射ノズル１４によって選択還元型触媒１０の上流側に噴射されて、排出ガス７に添加される。
この時、制御装置３２は図示しないエンジン制御コンピュータとの間でエンジン１の回転数及び負荷、選択還元型触媒１０の入口温度センサ４２ａ及び出口温度センサ４２ｂの検出温度、吸入空気量を遣り取りして、現在の運転状態に基づくＮＯxの発生量を推定し、その推定したＮＯxの発生量に見合うアンモニアガス１３ａの添加量を算出して必要量のアンモニアガス１３ａが供給されるように、アンモニア供給指令３９によりアンモニア供給弁３０を制御する。更に、前記容器１５に設けたｐＨ指示計３７からのｐＨ検出値３８が制御装置３２に入力されているので、制御装置３２はｐＨ指示計３７のｐＨ検出値３８に応じたアンモニア濃度を算出し、このアンモニア濃度に基づいて前記アンモニア供給弁３０の開度を制御するアンモニア供給指令３９を補正することができる。
前記したように、尿素水２３ａから分解したアンモニアガス１３ａが取り出されることと、水分の蒸発とによって容器１５内の液面は徐々に低下することになるので、制御装置３２は、液面計３３からの液面高さ信号３４に基づき、尿素水供給弁２１を調節して尿素水タンク２３の所定濃度の尿素水２３ａを容器１５に供給して容器１５内部の尿素水２３ａの量を一定に保つように制御する。
上記形態によれば、排出ガス７の温度に関係なく、アンモニア生成装置１２においてプラズマの作用によりアンモニアガス１３ａを生成して、そのアンモニアガス１３ａを排出ガス７に噴射供給するので、従来の尿素水を供給する場合のように排出ガス７の温度を低下させることなしに必要量のアンモニアを確実に排出ガス７に添加することができ、よって排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、従来より低い排気温度の状態から良好なＮＯx低減効果を得ることができる。又、前記アンモニアガス１３ａを排出ガス７に添加しても排気温度が下がる問題は生じないため、排気温度が低い運転状態でのＮＯx低減効果を更に高く維持できる。
事実、本発明者が行った実験結果によれば、図７のグラフに示す如く、前述の本発明の形態による場合Ｘと、尿素水をそのまま排出ガスに添加した従来の場合Ｙとを比較したところ、従来の場合Ｙよりも本発明の形態の場合Ｘの方が低い温度（選択還元型触媒１０の入側排気温度が約１４０℃あたり）から高いＮＯx低減率を得られることが実際に確認された。
更に、尿素水２３ａにプラズマを作用させてアンモニアガス１３ａを生成するようにしたので、アンモニアガス１３ａの生成を容易且つ迅速に調整することができ、且つ、生成したアンモニアガス１３ａを排出ガス７に添加するようにしているので、排出ガス７に対するアンモニアガス１３ａの供給量を、高い応答性にて制御することができる。
図４は、前記容器１５の尿素水２３ａが分解によって生成したアンモニア水１３ｂを選択還元型触媒１０の上流側に噴射するようにした形態を示したもので、アンモニア供給管２８を容器１５内の液面に近い液中に開口させている。即ち、尿素水供給管２０によって容器１５の底部付近に供給された尿素水２３ａは、前記電極１６とケーシング１７の間に形成されるプラズマによってアンモニアと炭酸ガスに分解されながら上側に流動し、分解によって生成したアンモニアが水に溶解することにより、容器１５内の特に上部ではアンモニア水１３ｂとなっている。従って、このアンモニア水１３ｂを、ポンプ２９及びアンモニア供給弁３０を介して噴射ノズル１４により選択還元型触媒１０の上流側に噴射して排出ガス７に混合する。
このように、アンモニア生成装置１２で生成したアンモニア水１３ｂを排出ガス７に添加すると、アンモニア水１３ｂのアンモニアとＮＯxが反応して前記と同様にＮＯx低減効果が得られる。従って、排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、従来より低い排気温度から良好なＮＯx低減効果を得ることができる。即ち、前記アンモニア水１３ｂを排出ガス７に添加すると水分が蒸発する際に僅かな熱を排出ガス７から奪うことになるが、排出ガス７の熱を利用して尿素水２３ａをアンモニアと炭酸ガスに熱分解する従来の場合に比して排出ガス７の温度低下は非常に小さく、従ってアンモニア水１３ｂを供給する場合も排気温度が低い運転状態における選択還元型触媒のＮＯx低減効果を高く保持できる。
図５はアンモニア生成装置１２の他の形態を示したもので、耐熱性と絶縁性を有する材料により左右方向に長く形成されて尿素水２３ａを収容するようにした容器４０を備えており、該容器４０の上部には、下端が前記尿素水２３ａの液面と所要の間隔を隔てた電極１６を、左右方向に所要の間隔を有して複数配置している。そして、前記電極１６の夫々はコントローラ２６を介してバッテリ等の電源２４に接続された電源線２５に接続している。前記容器４０の底部には導電材からなる電極板４１が設けてあり、該電極板４１はアース１８に接続している。又、容器４０には前記形態と同様の尿素水供給管２０が設けられている。
更に、前記容器４０内部における尿素水２３ａの液面より上部の空間２７には前記形態と同様のアンモニア供給管２８が設けられており、該アンモニア供給管２８はポンプ２９及び図２のアンモニア供給弁３０を介して前記噴射ノズル１４に接続されている。
又、図５の例では、前記容器４０内部には尿素水２３ａのみが供給されているが、図２、図４と同様に、容器内１５に、尿素水２３ａと共にチタニア、チタン酸バリウム、アルミナ等の誘電率が高い材料からなる誘電体ペレット１９ａを装入してもよい。
図５の形態においても、電極１６と尿素水面との間で形成されるプラズマによって尿素水がアンモニアと炭酸ガスに分解され、これにより容器１５の上部空間２７にはアンモニアガス１３ａが生成される。
従って、排出ガス７の温度に関係なく、アンモニア生成装置１２によりプラズマの作用によって生成したアンモニアガス１３ａを排出ガス７に噴射するようにしたので、排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、従来より低い排気温度から良好なＮＯx低減効果が得られるようにすることができる。
図６は上記図５の形態において、前記容器４０の尿素水２３ａがプラズマによる分解によって生成したアンモニア水１３ｂを、選択還元型触媒１０の上流側に噴射するようにした場合を示しており、アンモニア供給管２８を容器４０内のアンモニア水１３ｂ中に開口させている。即ち、尿素水供給管２０によって容器４０の底部付近に供給された尿素水２３ａは、前記電極１６と電極板４１との間に形成されるプラズマによって徐々にアンモニアと炭酸ガスに分解されて上昇するため、容器４０内の上部ではアンモニア水１３ｂとなっているので、このアンモニア水１３ｂを、ポンプ２９及び図２のアンモニア供給弁３０を介して選択還元型触媒１０の上流側に噴射する。
このように、アンモニア生成装置１２で生成したアンモニア水１３ｂを排出ガス７に添加すると、アンモニア水１３ｂのアンモニアとＮＯxが反応して前記と同様にＮＯx低減効果が得られる。従って、排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、従来より低い排気温度から良好なＮＯx低減効果を得ることができる。即ち、前記アンモニア水１３ｂを排出ガス７に添加すると水分が蒸発する際に僅かな熱を排出ガス７から奪うことになるが、排出ガス７の熱を利用して尿素水２３ａをアンモニアと炭酸ガスに熱分解する従来の場合に比して排出ガス７の温度低下は非常に小さく、従ってアンモニア水１３ｂを供給する場合も排気温度が低い運転状態における選択還元型触媒のＮＯx低減効果を高く保持できる。
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、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概略構成図である。 アンモニア生成装置の一例を示すもので、アンモニア生成装置からアンモニアガスを取り出す形態を示す構成説明図である。 モジュール構造の容器を複数備える場合の斜視図である。 図２のアンモニア生成装置からアンモニア水を取り出す形態の構成説明図である。 アンモニア生成装置の他の例を示すもので、アンモニア生成装置からアンモニアガスを取り出す形態を示す構成説明図である。 図５のアンモニア生成装置からアンモニア水を取り出す形態の構成説明図である。 排気温度とＮＯx低減率との関係を示すグラフである。
符号の説明
９ 排気管
１０ 選択還元型触媒
１２ アンモニア生成装置
１３ アンモニア
１３ａ アンモニアガス（アンモニア）
１３ｂ アンモニア水（アンモニア）
１５ 容器
１６ 電極
１７ ケーシング
１９ａ 誘電体ペレット
２３ａ 尿素水
３２ 制御装置
３７ ｐＨ指示計
３８ ｐＨ検出値
３９ アンモニア供給指令
４０ 容器
４１ 電極板

Claims (4)

  1. 排気管の途中に選択還元型触媒を装備し且つ該選択還元型触媒の上流側にアンモニアを添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、尿素水を収容する容器と、誘電体ペレットを収容して前記容器の尿素水内に設置した金網と、前記容器の尿素水にプラズマを作用してアンモニアを生成させる電極とを備えたアンモニア生成装置を設け、該アンモニア生成装置で生成したアンモニアを前記選択還元型触媒の上流側に供給するようにしたことを特徴とする排気浄化装置。
  2. 前記アンモニア生成装置からアンモニアガスを取り出すようにしたことを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
  3. 前記アンモニア生成装置からアンモニア水を取り出すようにしたことを特徴とする請求項２記載の排気浄化装置。
  4. 前記容器から取り出すアンモニアの濃度を検出するｐＨ指示計を設け、該ｐＨ指示計からの検出値に基づき選択還元型触媒の上流側に供給するアンモニアの供給量を指令する制御装置を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の排気浄化装置。
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