JP5128425B2

JP5128425B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP5128425B2
Application number: JP2008236159A
Authority: JP
Inventors: 信也佐藤; 吉弘川田; 満細谷; 彰水野; ミハルショウアドリアン; タガードセルマ
Original assignee: Hino Motors Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Hino Motors Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: JP2010071092A

Description

本発明は、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気ガス中に添加すれば、該排気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加水分解され、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。
［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１００℃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、尿素水がアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに少なくとも約１５０〜１６０℃の排気温度が必要であるため、これより低い排気温度が想定されるエンジンスタート時や低速走行時等に、いくら尿素水を添加してもアンモニアが十分に生成されないためにＮＯx低減性能がなかなか高まらないという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮し得るようにすることを目的としている。

本発明は、エンジンからの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をアンモニアと反応させる性質を備えた選択還元型触媒と、尿素原料を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して前記選択還元型触媒より上流側の排気管内に導入する尿素放電分解リアクタとを備えた排気浄化装置であって、前記尿素放電分解リアクタが、ドラム型に形成され且つその外周面に多孔質のセラミックを誘電体として被覆した第一の電極と、該第一の電極の外周面に対峙するように多数の針状に形成された第二の電極と、前記第一の電極をドラム型の軸心を中心として回転駆動する駆動手段と、前記第一の電極の外周面における前記第二の電極が対峙する側と反対側に尿素原料を送り込んで前記第一の電極の外周面に付着せしめる尿素供給手段と、前記第一及び第二の電極の相互間に形成される放電空間で生じたアンモニアを搬送ガスにより排気管内へ送り出す搬送ガスラインと、アンモニア必要量に応じたアンモニア発生量となるように第一の電極の回転速度及び放電電力を併せて制御する制御装置とにより構成されていることを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、排気温度が尿素水を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度に達していなくても、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階で尿素放電分解リアクタを作動させ、該尿素放電分解リアクタにて尿素原料を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管内に導入すると、このアンモニアを還元剤として排気ガス中のＮＯxが選択還元型触媒上で良好に還元浄化されることになる。

即ち、尿素放電分解リアクタにおける第一及び第二の電極の相互間に高電圧を印加して放電空間に放電プラズマを発生させる一方、駆動手段により第一の電極を回転駆動させると、尿素供給手段により送り込まれた尿素原料が第一の電極の外周面に付着して第二の電極と対峙する側に回り込み、ここで前記放電プラズマにより尿素原料がアンモニアに分解され、搬送ガスラインにより導かれた搬送ガスにより排気管内へと送り出される。

この際、第二の電極が多数の針状に形成されていることにより、その尖端に電界が集中して局所的に強い放電プラズマが発生し易くなり、しかも、第一の電極の外周面のような固体表面での方が尿素からアンモニアへの分解が進み易くなるため、尿素原料が強い放電プラズマにより効率良くアンモニアに分解されることになる。

また、多数の針状に形成された第二の電極は、その配置にあたり大きな流路抵抗とならないため、搬送ガスの流れに対し大きな圧力損失を与えることがなく、搬送ガスを僅かな供給圧で送り込むだけで十分にアンモニアを排気管内へ導くことが可能である。
更に、単に放電電力を制御するだけでは、放電開始電圧からスパーク電圧の間でしか制御できないが、第一の電極の回転速度の制御を併用することでアンモニア発生量の最低量から最高量までの制御範囲が広くなり、しかも、第一の電極の回転速度及び放電電力を個別に調整することでアンモニア発生量が細かく制御されると共に、放電開始電圧付近の不安定な電圧領域を避けて安定した制御を行うことが可能となる。

尚、尿素供給手段は、尿素原料として尿素粉末を送り込んで第一の電極の外周面に付着せしめるように構成したり、或いは、尿素原料として尿素水を送り込んで第一の電極の外周面に付着せしめるように構成したりすることが可能である。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１〜３に記載の発明によれば、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、尿素放電分解リアクタを作動させて尿素原料を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解し、このアンモニアを選択還元型触媒の還元剤として排気管内に導入することができるので、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮させることができる。

（ＩＩ）本発明の請求項１〜３に記載の発明によれば、放電電力の制御に第一の電極の回転速度の制御を併用してアンモニア発生量を広い制御範囲で行うことができ、しかも、第一の電極の回転速度及び放電電力を個別に調整してアンモニア発生量を細かく制御し且つ放電開始電圧付近の不安定な電圧領域を避けて安定した制御を実現することができる。

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、図示しないエアクリーナから導いた吸気３が吸気管４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で加圧された吸気３が更にインタークーラ５へと送られて冷却され、該インタークーラ５からインテークマニホールド６へと吸気３が導かれてエンジン１の各シリンダ７に導入されるようにしてある。

また、このエンジン１の各シリンダ７から排出された排気ガス８がエキゾーストマニホールド９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を駆動した排気ガス８が排気管１０を介し車外へ排出されるようにしてあるが、該排気管１０の途中には、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させる性質を備えた選択還元型触媒１１がケーシング１２を介し装備されている。

更に、前記ケーシング１２の入口付近には、図２に詳細を示すように、尿素粉末１３を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管１０内に導入する尿素放電分解リアクタ１４が配置されており、その内部の下段側には、ドラム型に形成され且つその外周面に多孔質のセラミック１５（図３参照）を誘電体として被覆した接地電極１６（第一の電極）が水平方向（図２の図面に対し直角な方向）に横臥した状態で配置され且つそのドラム型の軸心を中心として回転モータ１７（駆動手段）によりベルト１８を介し回転駆動されるようになっている。尚、この接地電極１６を接地させるにあたっては、その回転を軸支している軸部分や軸受部分にて接地させるようにすれば良い。

一方、尿素放電分解リアクタ１４の内部の上段側には、前記接地電極１６の外周面に対峙するように多数の針状に形成された高電圧電極１９（第二の電極）が天井部から尖端を下向きにして配置されており、この高電圧電極１９は、前記天井部に対し絶縁碍子２０を介して絶縁状態で固定されるようにしてある。

また、前記接地電極１６の外周面における前記高電圧電極１９が対峙する範囲を除いた下側部分に所要の貯蔵空間２１が形成されており、該貯蔵空間２１に図示しない尿素粉末タンクからダストフィーダ２２（尿素供給手段）により尿素粉末１３が送り込まれるようにしてある。

ここで、ダストフィーダ２２により尿素粉末１３が投入される位置における貯蔵空間２１の底面は、接地電極１６の最下端に向け下り勾配を成す傾斜面となっており、その傾斜により滑落した尿素粉末１３が接地電極１６の回転により噛み込まれて該接地電極１６の外周面に圧接され、その外周面を成す多孔質のセラミック１５に付着されるようにしてある。

尚、尿素放電分解リアクタ１４の下部には、必要に応じ振動発生器を備えて尿素粉末１３がブリッジ現象（粒子の押し合いや絡み合いにより粉末中に大きな空隙が形成される現象）を起こさないように適宜に振動を与えるようにすると良い。

また、尿素放電分解リアクタ１４の上部には、車両に搭載されたエアタンク２３（図１参照）から開閉弁２４を介して圧縮空気２５を導き且つ該圧縮空気２５を接地電極１６及び高電圧電極１９の相互間の放電空間２７を経由させて前記ケーシング１２の入口付近の排気管１０に導入する搬送ガスライン２６が接続されている。

尚、この種のエアタンク２３は、トラック等の大型車両でブレーキ系やサスペンション系に利用される圧縮空気２５を蓄えておくためのものとして周知のものであるが、このようなエアタンク２３が搭載されていない車両にあっては、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの出口から吸気３を抽気して導いても良い。

更に、図１に示す如く、前記尿素放電分解リアクタ１４の接地電極１６及び高電圧電極１９には、バッテリ２８からの電力を適切な放電電力に昇圧して供給する電力供給装置２９により高電圧が印加されるようになっているが、この電力供給装置２９は、制御装置３０により放電電力を制御信号２９ｓを介し制御されるようになっており、また、この制御装置３０により前記回転モータ１７も制御信号１７ｓを介し制御されるようになっている。

また、前記制御装置３０では、ＮＯxセンサ３１からの検出信号３１ｓに基づいてＮＯx発生量が算出（厳密にはエンジン回転数や吸入空気量等から判る排気流量も加味して算出）されると共に、そのＮＯx発生量に見合うアンモニア必要量が推定されるようになっており、このアンモニア必要量に応じたアンモニア発生量となるように接地電極１６の回転速度及び放電電力が併せて制御されるようになっている。

而して、このように排気浄化装置を構成すれば、排気温度が尿素水を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度（約２００℃程度：尿素水がアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに少なくとも約１５０〜１６０℃が必要であるため）に達していなくても、排気温度が選択還元型触媒１１の活性温度域（約１００℃程度）に到達した段階で尿素放電分解リアクタ１４を作動させ、該尿素放電分解リアクタ１４にて尿素粉末１３を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管１０内に導入すると、このアンモニアを還元剤として排気ガス８中のＮＯxが選択還元型触媒１１上で良好に還元浄化されることになる。

即ち、尿素放電分解リアクタ１４における接地電極１６及び高電圧電極１９の相互間に高電圧を印加して放電空間２７内に放電プラズマを発生させる一方、ダストフィーダ２２により接地電極１６を回転駆動させると、ダストフィーダ２２により送り込まれた尿素粉末１３が接地電極１６の外周面に付着して高電圧電極１９と対峙する側に回り込み、ここで前記放電プラズマにより尿素粉末１３がアンモニアに分解され、搬送ガスライン２６により導かれた圧縮空気２５により排気管１０内へと送り出される。

この際、高電圧電極１９が多数の針状に形成されていることにより、その尖端に電界が集中して局所的に強い放電プラズマが発生し易くなり、しかも、接地電極１６の外周面のような固体表面での方が尿素からアンモニアへの分解が進み易くなるため、尿素粉末１３が強い放電プラズマにより効率良くアンモニアに分解されることになる。

また、多数の針状に形成された高電圧電極１９は、その配置にあたり大きな流路抵抗とならないため、圧縮空気２５の流れに対し大きな圧力損失を与えることがなく、圧縮空気２５を僅かな供給圧で送り込むだけで十分にアンモニアを排気管１０内へ導くことが可能である。

更に、単に放電電力を制御するだけでは、放電開始電圧からスパーク電圧の間でしか制御できないが、接地電極１６の回転速度の制御を併用することでアンモニア発生量の最低量から最高量までの制御範囲が広くなり、しかも、接地電極１６の回転速度及び放電電力を個別に調整することでアンモニア発生量が細かく制御されると共に、放電開始電圧付近の不安定な電圧領域を避けて安定した制御を行うことが可能となる。

即ち、図４にグラフで示す如く、異なる放電電力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ（ＡからＤにかけて放電電力を段階的に高めている）について、アンモニア発生量と接地電極１６の回転速度との関係を説明すると、放電電力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの何れの場合も接地電極１６の回転速度が高くなるほどアンモニア発生量が増え、同じ回転速度でも放電電力が高いほどアンモニア発生量は多くなる。

このため、接地電極１６の回転速度及び放電電力の両方を高めれば、アンモニア発生量を非常に多くすることが可能となり、また、接地電極１６の回転速度を大幅に下げれば、放電開始電圧付近の不安定な電圧領域まで放電電圧を下げなくてもアンモニア発生量を非常に少なくすることが可能となる。

従って、上記形態例によれば、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、尿素放電分解リアクタ１４を作動させて尿素粉末１３を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解し、このアンモニアを選択還元型触媒１１の還元剤として排気管１０内に導入することができるので、排気温度が選択還元型触媒１１の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮させることができる。

また、前述した如き排気浄化装置を制御するにあたり、放電電力の制御に接地電極１６の回転速度の制御を併用してアンモニア発生量を広い制御範囲で行うことができ、しかも、接地電極１６の回転速度及び放電電力を個別に調整してアンモニア発生量を細かく制御し且つ放電開始電圧付近の不安定な電圧領域を避けて安定した制御を実現することができる。

図５は本発明の別の形態例を示すもので、ここに図示している例では、貯蔵空間２１の底部に図示しない尿素水タンクからポンプ３２（尿素供給手段）により尿素水１３’が送り込まれるようになっており、この尿素水１３’を尿素原料として接地電極１６の外周面に付着せしめ得るようにしてある。

この際、このポンプ３２の駆動は、レベルセンサ３３等を装備して貯蔵空間２１内における水位を監視しながら制御することが好ましく、また、尿素水１３’が貯蔵空間２１に導入される入口部分には、固形分を除去するためのフィルタ３４を介装しておくと良い。

而して、このようにした場合にも、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等において、尿素放電分解リアクタ１４を作動させて尿素水１３’を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解し、このアンモニアを選択還元型触媒１１の還元剤として排気管１０内に導入することができるので、排気温度が選択還元型触媒１１の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮させることができる。

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、排気温度が尿素水を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度を超える運転状態に移行した段階では、尿素放電分解リアクタ以外の放電機構のない尿素水添加手段に切り換えて尿素水の添加を行わせるようにしても良いこと、その他、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図である。図１の尿素放電分解リアクタの詳細を示す断面図である。図２のＩＩＩ部の拡大図である。アンモニア発生量と接地電極の回転速度との関係を説明するグラフである。本発明の別の形態例を示す断面図である。

符号の説明

１エンジン
８排気ガス
１０排気管
１１選択還元型触媒
１３尿素粉末（尿素原料）
１３’ 尿素水（尿素原料）
１４尿素放電分解リアクタ
１５セラミック
１６接地電極（接地電極）
１７回転モータ（駆動手段）
１９高電圧電極（第二の電極）
２２ダストフィーダ（尿素供給手段）
２５圧縮空気（搬送ガス）
２６搬送ガスライン
２７放電空間
２９電力供給装置
３０制御装置

Claims

エンジンからの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をアンモニアと反応させる性質を備えた選択還元型触媒と、尿素原料を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して前記選択還元型触媒より上流側の排気管内に導入する尿素放電分解リアクタとを備えた排気浄化装置であって、前記尿素放電分解リアクタが、ドラム型に形成され且つその外周面に多孔質のセラミックを誘電体として被覆した第一の電極と、該第一の電極の外周面に対峙するように多数の針状に形成された第二の電極と、前記第一の電極をドラム型の軸心を中心として回転駆動する駆動手段と、前記第一の電極の外周面における前記第二の電極が対峙する側と反対側に尿素原料を送り込んで前記第一の電極の外周面に付着せしめる尿素供給手段と、前記第一及び第二の電極の相互間に形成される放電空間で生じたアンモニアを搬送ガスにより排気管内へ送り出す搬送ガスラインと、アンモニア必要量に応じたアンモニア発生量となるように第一の電極の回転速度及び放電電力を併せて制御する制御装置とにより構成されていることを特徴とする排気浄化装置。
尿素供給手段が、尿素原料として尿素粉末を送り込んで第一の電極の外周面に付着せしめるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
尿素供給手段が、尿素原料として尿素水を送り込んで第一の電極の外周面に付着せしめるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。