JP5222616B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

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した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、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、該選択還元型触媒の上流側に尿素水を還元剤として添加する尿素水添加手段とを備えた排気浄化装置において、尿素粉末を溶液で溶いて流動性を持たせたペースト状尿素を供給され且つそのペースト状尿素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尿素放電分解リアクタを前記選択還元型触媒の上流側に追加装備し、
前記尿素放電分解リアクタが、互いに所要間隔を隔てて対向配置され且つ一方の他方に対する対向面に誘電体が被覆されて相互間に高電圧が印加されるようにした電極と、該電極の相互間に形成される放電空間に充填された誘電体ペレットと、該各誘電体ペレット間にペースト状尿素を注入する尿素注入手段と、該尿素注入手段に向けてペースト状尿素を圧送して供給する尿素供給手段と、前記放電空間で生じたアンモニアを排気管内へ送り出すための搬送ガスを導く搬送ガスラインとを有し、
前記尿素注入手段は、前記放電空間の上側から下方向に延びて前記各誘電体ペレット群の中に挿し入れられ且つその長手方向複数箇所に吐出口を開口した添加ノズルを有した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ペースト状尿素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。

尚、このようにペースト状尿素を放電プラズマによりアンモニアに分解する方式であれば、同じ量のアンモニアを添加するのに必要な尿素の重量・容積が尿素水（通常は３２．５重量％程度の水溶液）と比較して１／２程度で済み、しかも、少ないペースト状尿素から濃いアンモニアを生成できるので、極めてコンパクトな装置としてまとめることが可能である。

また、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、尿素水添加手段に切り換えて尿素水の添加を開始し、現在の運転状態から推定されるＮＯx発生量に見合う過不足のない添加量に制御して尿素水の添加を行えば良い。

更に、本発明をより具体的に実施するにあたっては、前記電極の他方は、ロッド状であり、
前記電極の一方は、前記電極の他方を取り巻くように同心状に配置された円筒状であり、
前記搬送ガスラインは、前記搬送ガスが前記電極の長手方向に沿って前記アンモニアを前記排気管内に導入するよう構成され、
前記尿素注入手段は、前記放電空間の上側に架設されたヘッダ管を更に有していることが好ましい。

而して、このように尿素放電分解リアクタを構成した場合に、電極の相互間に高電圧を印加して放電空間内に放電プラズマを発生させる一方、尿素供給手段によりペースト状尿素を放電空間まで圧送して尿素注入手段により各誘電体ペレット間に注入すると、放電空間内でペースト状尿素が放電プラズマにより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前記アンモニアが排気管内へと送り出される。

この際、放電空間に誘電体ペレットが充填されていると、該各誘電体ペレット同士の接触点に電界が集中して強い放電プラズマが発生し易くなり、しかも、誘電体ペレット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、放電空間内でペースト状尿素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。

更に、前記誘電体ペレットの表面には、尿素からアンモニアへの分解を促進する尿素分解触媒が担持されていることが好ましく、このようにすれば、尿素からアンモニアへの分解をより一層促進することが可能となる。

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ペースト状尿素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２に記載の発明によれば、ペースト状尿素を尿素注入手段により各誘電体ペレット間に注入し、誘電体ペレットの充填により強い放電プラズマを発生させ、誘電体ペレットのような固体表面で分解を行わせることで尿素からアンモニアへの分解を進み易くすることができるので、尿素からアンモニアへの分解を効率良く実現することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、尿素からアンモニアへの分解を促進する尿素分解触媒を誘電体ペレットの表面に担持させたことにより、尿素からアンモニアへの分解をより一層促進することができる。

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及び図２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、排気ガス８中に尿素水１３を添加する尿素水添加手段として尿素水添加弁１４が装備されており、この尿素水添加弁１４には、所要場所に配置された尿素水タンク１５から導いた尿素水供給ライン１６が接続されており、該尿素水供給ライン１６の途中に装備したポンプ１７の駆動により尿素水タンク１５内の尿素水１３が抜き出されて前記尿素水添加弁１４に向けて供給され、該尿素水添加弁１４のノズル先端から排気管１０内に噴射されるようになっている。

そして、本形態例においては、以上に述べた如き従来周知の排気浄化装置の構成に対し、尿素粉末を水（溶液）で溶いて流動性を持たせたペースト状尿素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１８を前記ケーシング１２の入口付近（選択還元型触媒１１の上流側）に追加装備したことを特徴としている。

図２に詳細を示している通り、前記尿素放電分解リアクタ１８は、排気管１０の上側に直立するように配置されており、その内部下段にロッド状の高電圧電極１９が起立状態で配置され、これを取り巻くように円筒状の接地電極２０が同心状に配置されており、該接地電極２０の内周面（高電圧電極１９に対する対向面）に誘電体２１が内嵌装着されて前記高電圧電極１９と接地電極２０の相互間に高電圧が印加されるようになっている。

しかも、前記高電圧電極１９と接地電極２０の相互間に形成される放電空間２２には、尿素からアンモニアへの分解を促進する性質を備えた酸化チタン等の尿素分解触媒が担持された多数の誘電体ペレット２３が充填されており、該誘電体ペレット２３がセラミックス製のパンチングプレート２４の底板により抜け落ちないように支持されている。

更に、前記尿素放電分解リアクタ１８の内部には、各誘電体ペレット２３間にペースト状尿素を注入する尿素注入装置２５（尿素注入手段）が設けられており、この尿素注入装置２５は、放電空間２２の上側に架設されたヘッダ管２６と、該ヘッダ管２６から下方向きに延びて各誘電体ペレット２３群の中に挿し入れられ且つその長手方向複数箇所に吐出口２７を開口した添加ノズル２８とにより構成されている。

また、この尿素注入装置２５のヘッダ管２６には、所要場所に設けられた尿素供給装置２９（尿素供給手段）が圧送チューブ３０及び３ウェイ方式の制御弁３１を介して接続されており、この尿素供給装置２９は、尿素粉末を水で溶いて流動性を高めたペースト状尿素３２（アンモニア化を阻害しない溶剤を用いることも可）の所要量を貯溜して先端から前記圧送チューブ３０に送り出すシリンダ部３３と、該シリンダ部３３の基端側に挿入されてモータ駆動により進退動するピストン部３４とにより構成されている。

更に、前記ヘッダ管２６の上側には、車両に搭載されたエアタンク３５（図１参照）から開閉弁３６を介して圧縮空気３７を導く搬送ガスライン３８が引き込まれており、該搬送ガスライン３８からの圧縮空気３７を搬送ガスとして、前記放電空間２２で生じたアンモニアが排気管１０内へ送り出されるようになっている。

また、ここに図示している例では、搬送ガスライン３８の途中からパージライン３９が開閉弁４０を介し分岐されて前記制御弁３１に接続されるようになっており、該制御弁３１を切り替えて尿素供給装置２９からのペースト状尿素３２の供給を遮断した際に、パージライン３９から導いた圧縮空気３７により制御弁３１から先のヘッダ管２６や各添加ノズル２８の内部に残留するペースト状尿素３２をエアパージして外部に出しきってしまうことができるようにしてある。

尚、この種のエアタンク３５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３７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３５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。

而して、このようにすれば、排気温度が尿素水１３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１３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１８を作動させ、該尿素放電分解リアクタ１８にてペースト状尿素３２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１８における電極の相互間に高電圧を印加して放電空間２２内に放電プラズマを発生させる一方、尿素供給装置２９によりペースト状尿素３２を放電空間２２まで圧送して尿素注入装置２５により各誘電体ペレット２３間に注入すると、放電空間２２内でペースト状尿素３２が放電プラズマによりアンモニアに分解され、搬送ガスライン３８により導かれた圧縮空気３７により前記アンモニアが排気管１０内へと送り出される。

この際、放電空間２２に誘電体ペレット２３が充填されていると、該各誘電体ペレット２３同士の接触点に電界が集中して強い放電プラズマが発生し易くなり、しかも、誘電体ペレット２３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、放電空間２２内でペースト状尿素３２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。

特に本形態例の場合は、前記誘電体ペレット２３の表面に尿素からアンモニアへの分解を促進する性質を備えた酸化チタン等の尿素分解触媒を担持させているので、尿素からアンモニアへの分解をより一層促進することが可能となる。

尚、このようにペースト状尿素３２を放電プラズマによりアンモニアに分解する方式であれば、同じ量のアンモニアを添加するのに必要な尿素の重量・容積が尿素水１３（通常は３２．５重量％程度の水溶液）と比較して１／２程度で済み、しかも、少ないペースト状尿素３２から濃いアンモニアを生成できるので、極めてコンパクトな装置としてまとめることが可能である。

また、排気温度が尿素水１３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）を超える運転状態に移行した段階では、尿素水添加弁１４に切り換えて尿素水１３の添加を開始し、現在の運転状態から推定されるＮＯx発生量に見合う過不足のない添加量に制御して尿素水１３の添加を行えば良い。

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１８を作動させてペースト状尿素３２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、ペースト状尿素３２を尿素注入手段により各誘電体ペレット２３間に注入し、誘電体ペレット２３の充填により強い放電プラズマを発生させ、誘電体ペレット２３のような固体表面で分解を行わせることで尿素からアンモニアへの分解を進み易くすることができ、しかも、尿素からアンモニアへの分解を促進する尿素分解触媒を誘電体ペレット２３の表面に担持させたことにより、尿素からアンモニアへの分解をより一層促進することもできるので、尿素からアンモニアへの分解を効率良く実現することができる。

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、尿素放電分解リアクタの具体的な構成は必ずしも図示例に限定されないこと、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。

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 尿素水
１４ 尿素水添加弁（尿素水添加手段）
１８ 尿素放電分解リアクタ
１９ 高電圧電極
２０ 接地電極
２１ 誘電体
２２ 放電空間
２３ 誘電体ペレット
２５ 尿素注入装置（尿素注入手段）
２９ 尿素供給装置（尿素供給手段）
３２ ペースト状尿素
３７ 圧縮空気（搬送ガス）
３８ 搬送ガスライン

Claims (3)

1. 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、該選択還元型触媒の上流側に尿素水を還元剤として添加する尿素水添加手段とを備えた排気浄化装置において、尿素粉末を溶液で溶いて流動性を持たせたペースト状尿素を供給され且つそのペースト状尿素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尿素放電分解リアクタを前記選択還元型触媒の上流側に追加装備し、
   前記尿素放電分解リアクタが、互いに所要間隔を隔てて対向配置され且つ一方の他方に対する対向面に誘電体が被覆されて相互間に高電圧が印加されるようにした電極と、該電極の相互間に形成される放電空間に充填された誘電体ペレットと、該各誘電体ペレット間にペースト状尿素を注入する尿素注入手段と、該尿素注入手段に向けてペースト状尿素を圧送して供給する尿素供給手段と、前記放電空間で生じたアンモニアを排気管内へ送り出すための搬送ガスを導く搬送ガスラインとを有し、
   前記尿素注入手段は、前記放電空間の上側から下方向に延びて前記各誘電体ペレット群の中に挿し入れられ且つその長手方向複数箇所に吐出口を開口した添加ノズルを有したことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記電極の他方は、ロッド状であり、
   前記電極の一方は、前記電極の他方を取り巻くように同心状に配置された円筒状であり、
   前記搬送ガスラインは、前記搬送ガスが前記電極の長手方向に沿って前記アンモニアを前記排気管内に導入するよう構成され、
   前記尿素注入手段は、前記放電空間の上側に架設されたヘッダ管を更に有し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。
3. 誘電体ペレットの表面に、尿素からアンモニアへの分解を促進する尿素分解触媒が担持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。

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