JP5753485B2 - 尿素水噴霧構造 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯx 」という。）を選択還元型触媒（以下「ＳＣＲ触媒」という。）の下で還元剤と反応させて浄化する排ガス浄化装置における尿素水の噴霧構造に関するものである。
エンジンの排気管の下流にＳＣＲ触媒を介装した脱硝反応器を設けると共に、この脱硝反応器の上流側の排気通路に還元剤としてアンモニアガスを添加し、脱硝反応器中で排ガス中のＮＯx を浄化する技術が開示されている（特許文献１）。
しかし、アンモニアガスやアンモニア水は毒性が強く危険であり、臭気等の問題もあるため、船舶等への搭載には厳しい制約がある。そこで、従来、ＳＣＲ触媒を用いた排ガス浄化装置では、化学的に安定な尿素を還元剤前駆体として使用し、尿素水の状態でタンクに収容しておき、ノズルを用いて脱硝反応器の上流側の排気通路内に噴霧する構成が多く採用されている（例えば、特許文献２）。
この場合、ノズルから排気通路内に噴霧された尿素水は、排気通路内の温度が十分に高ければＳＣＲ触媒に到達するまでの間に下記の式（１）のように加水分解され、アンモニアガス（ＮＨ3）が生成される。
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3 ＋ＣＯ2 ・・・・（１）
そして、加水分解により発生したアンモニアガスはＳＣＲ触媒に供給され、これによりＳＣＲ触媒上でアンモニアと排ガス中のＮＯx の間に次の式（２）及び（３）のような脱硝反応が行われ、ＮＯx は窒素と水に分解されて無害化される。
４ＮＨ3＋４ＮＯ＋Ｏ2 →４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ・・・・（２）
２ＮＨ3＋ＮＯ＋ＮＯ2 →２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ・・・・（３）
このように、ＳＣＲ触媒を用いた排ガス浄化装置において、安全上の必要性から尿素水を用いる場合は、噴霧した尿素水が排気通路内を流動中に上記式（１）の加水分解反応が確実に行われる必要がある。そのため、従来、例えば特許文献２のＮＯx 浄化装置では、尿素水添加ノズルとＮＯｘ 触媒コンバータの間に、アンモニアの生成を促進するための手段としてマフラーを設けるようにしている。
また、従来、例えば図２に示すような、排気マニホールド１０１を備えた４気筒の舶用ディーゼルエンジン１０２においても、ターボチャージャー１０３のタービン１０３ａの上流側の排気通路１０４に設けた尿素水噴霧用のノズル１０５とＳＣＲ触媒１０６との間に、ノズル１０５から噴霧された尿素水の加水分解を促進するための蒸発管１０７を設ける場合がある。
しかしながら、燃料中に硫黄分が多く含まれる例えばＣ重油を使用したディーゼルエンジンの場合、排ガス中に含まれるＳＯ3 の割合が高くなるところ、尿素水の噴霧によってさらに温度が低下した領域で排ガス中のＳＯ3 と尿素水の加水分解により生じたアンモニアが接触すると、例えば硫酸アンモニウム（（ＮＨ4）2ＳＯ4）や酸性硫安（ＮＨ4ＨＳＯ4）などの塩が副生成物として生成される。これらの副生成物は、排気通路に堆積すると腐食や閉塞の原因となり、またＳＣＲ触媒上にも堆積すると触媒活性が低下するという問題もある。
特に、特許文献２のマフラーや図２の蒸発管１０７のような構成を用いる場合、エンジンの排気ポートから排出された直後の例えば３００〜４５０℃の高温の排ガスが存在する排気マニホールドよりも下流側の、排ガスの温度が低下した領域で尿素水が噴霧されるため、尿素水のミストが壁面に付着して壁面温度が低下することで、副生成物が生成されやすい。例えばＣ重油を使用していないエンジンでも、壁面に尿素水が付着し、壁面温度が低下することで、尿素水の加水分解が進行せずに副生成物としてシアヌル酸が生成され、排気通路への堆積等の原因となる。
なお、図２の蒸発管１０７のような構成を用いる場合は、尿素水の加水分解により生じたアンモニアが排ガス中に均一に拡散されず、ムラがある状態のままＳＣＲ触媒１０６に供給されるために、上記式（２）及び（３）の脱硝反応の進行が不十分となる場合もある。
実開平２−１１５９１２号公報 特開２００３−２９３７３９号公報
本発明が解決しようとする問題点は、従来の排ガス浄化装置は、硫黄分が多く含まれる燃料を使用しているために排ガス中に含まれるＳＯ3 の割合が高い雰囲気で尿素水を噴霧することで排ガスの温度が低下し、硫酸アンモニウム、酸性硫安などの副生成物が生成されやすくなる。また、噴霧された尿素水が壁面に付着することでシアヌル酸などの副生成物が生成される。以上の副生成物が排気通路の腐食や閉塞、ＳＣＲ触媒の性能低下の原因となっていた点である。
本発明の尿素水噴霧構造は、
エンジンの排気ポートに接続された排気連絡管から排出された排ガスを集合する排気マニホールドと、ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路との間に設けられた脱硝反応器を備えた排ガス浄化装置の、前記脱硝反応器のＳＣＲ触媒に対してアンモニアを供給可能な尿素水噴霧構造であって、
前記排気マニホールド内に、ターボチャージャーのコンプレッサの下流側の給気通路から分岐された分岐管と接続された蒸発管を配置すると共に、
前記蒸発管に、前記分岐管を介して前記蒸発管内に導入する空気に対して尿素水を噴霧するノズルを設けたことを最も主要な特徴点としている。
本発明の尿素水噴霧構造は、ターボチャージャーのコンプレッサの下流側の給気通路から分岐された分岐管と接続された蒸発管を排気マニホールド内に配置し、この蒸発管内で尿素水の噴霧とアンモニアへの加水分解を完了するものである。蒸発管の内部にはコンプレッサによって圧縮された高温の空気が通過するが、この空気はエンジンの給気ポートに導入される前のものでＳＯ3を含まないので、硫黄分が多く含まれる燃料を使用する場合でも、硫酸アンモニウムや酸性硫安などの副生成物の生成を抑制できる。
加えて、本発明の尿素水噴霧構造では、排気連絡管から排出された直後の高温の排ガスによって排気マニホールド内に設けた蒸発管の壁面が十分に加熱され、尿素水を噴霧する領域においても温度が不足しないので、シアヌル酸などの副生成物の生成も防止できる。また、仮に、エンジンが低負荷の状態のときに副生成物が生成されて蒸発管の壁面に付着したとしても、エンジンが高負荷の状態になれば蒸発管の壁面は再び高温になるため、一時的に付着した副生成物を分解できる。
よって、本発明によれば、硫酸アンモニウム、酸性硫安、シアヌル酸などの副生成物の生成を抑制し、排気通路の腐食や閉塞を防止することができ、ＳＣＲ触媒の性能も良好に維持できる。
本発明の尿素水噴霧構造を有する排ガス浄化装置の構成の一例を説明する図である。 従来の舶用ディーゼルエンジンの構成を示した概略図である。
本発明は、排ガス浄化装置において、排ガス中に含まれるＳＯ3 の割合が高い場合や、排ガスの温度が低下した領域で尿素水が噴霧される場合でも、硫酸アンモニウム、酸性硫安、シアヌル酸などの副生成物の生成を抑制するという目的を、
エンジンの排気ポートに接続された排気連絡管から排出された排ガスを集合する排気マニホールドと、ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路との間に設けられた脱硝反応器を備えた排ガス浄化装置の、前記脱硝反応器のＳＣＲ触媒に対してアンモニアを供給可能な尿素水噴霧構造であって、
前記排気マニホールド内に、ターボチャージャーのコンプレッサの下流側の給気通路から分岐された分岐管と接続された蒸発管を配置すると共に、
前記蒸発管に、前記分岐管を介して前記蒸発管内に導入する空気に対して尿素水を噴霧するノズルを設けた尿素水噴霧構造を採用することによって実現した。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図１を用いて詳細に説明する。図１において、１は、本発明の尿素水噴霧構造が適用される４気筒の舶用ディーゼルエンジンであり、各シリンダヘッドに設けられた排気ポート１ａに夫々接続された排気連絡管２から排出された高温の排ガスを集合し、ターボチャージャー４のタービン４ａの上流側の排気通路５に導く排気マニホールド３を備えている。本発明の尿素水噴霧構造の主要部はこの排気マニホールド３の内部に実装されており、排気マニホールド３に連続配置され、タービン４ａの上流側の排気通路５との間に設けられた脱硝反応器６とで排ガス浄化装置７を構成している。なお、４ｂはターボチャージャー４のコンプレッサを、８はコンプレッサ４ｂによって圧縮された空気が送り込まれる給気通路を示している。
排気マニホールド３の内部には、コンプレッサ４ｂの下流側の給気通路８の分岐部８ａから分岐された分岐管９と接続された蒸発管１０が配置されている。蒸発管１０は、一端が分岐管９と接続され他端は噴出孔１０ａを介して排気マニホールド３内に開放された状態となっている。
１１は、前記分岐管９を介して前記蒸発管１０内に導入する空気に対して尿素水を噴霧するノズルを示している。蒸発管１０内を通過する空気は、コンプレッサ４ｂにより圧縮されて高温の状態になっているが、この空気はエンジン１の給気ポートに導入される前のものでＳＯ3を含まない。本実施例の尿素水噴霧構造は、このＳＯ3が存在しない高温空気を蒸発管１０に導入し、蒸発管１０内の空気に尿素水を噴霧することで尿素水の加水分解を促進するので、硫黄分を多く含む燃料を用いた場合でも、アンモニアとＳＯ3が反応することに起因する副生成物の生成を抑制できる。
ここで、ノズル１１を設ける位置は、蒸発管１０が排気マニホールド３の外部に突出した領域（Ａの領域）に設けるよりも、蒸発管１０が排気マニホールド３内に存在する領域（Ａ以外の領域）に設ける方が好ましい。排気連絡管２の排気口から排出された直後の高温の排ガスが直接当たることによって蒸発管１０の壁面を常に高温に保つことができるので、低温による副生成物の生成を抑制できるからである。
より具体的には、蒸発管１０は、蒸発管１０の長手方向がエンジン１の各シリンダの排気ポート１ａに接続された排気連絡管２の排気口の列設方向と平行となるように配置した上で、ノズル１１から噴霧された尿素水が流れるＢの領域が排気連絡管２の排気口に夫々対向するように、ノズル１１の位置を決定すれば良い。
脱硝反応器６には、エンジン１から排出される排ガス中に含まれ、酸性雨や光化学スモッグなどの環境汚染の原因となるＮＯx を選択的に還元除去するＳＣＲ触媒６ａが介装されている。ＳＣＲ触媒６ａは、例えばアルミナ、ジルコニア、バナジア／チタニア等の金属酸化物系触媒やゼオライト系触媒など所望の触媒を使用することができ、これらの触媒を組み合わせても良い。また、ＳＣＲ触媒６ａは、例えばハニカム構造を有する触媒担体に担持させても良いし、筒体に装入してケージングさせても良い。本発明の尿素水噴霧構造は、このＳＣＲ触媒６ａに対し、完全に加水分解した状態のアンモニアを供給するものである。
本実施例では、蒸発管１０の内部であってノズル１１よりも下流側に、尿素水の加水分解を促進するための加水分解触媒１２を設け、加水分解の効率をより高めるようにしている。加水分解触媒１２は、アンモニア生成を促す作用を有する触媒であれば良く、例えば酸化チタン系の触媒やアルカリ金属系の触媒など所望の触媒を使用できる。
また、本実施例では、蒸発管１０の加水分解触媒１２よりも下流側に、尿素水の加水分解よって生成されたアンモニアをＳＣＲ触媒６ａに向けて噴出する噴出孔１０ａを設けている。そのため、蒸発管１０内で加水分解によって生じたアンモニアガスは、小径の噴出孔１０ａを通って排気マニホールド３内の排ガス中に高圧で噴出され、排ガス中に十分に拡散された状態でＳＣＲ触媒６ａに供給されるので、脱硝反応の進行が不十分となることもない。
なお、本実施例では、排気マニホールド３の内部にノズル１１及び加水分解触媒１２を備えた蒸発管１０が組み込まれているので、タービン４ａの上流側の排気通路５に蒸発管が設けられていた従来の装置と比較すると省スペース化が図れる。また、本実施例では、排気マニホールドと排気管が並設されていた従来の装置と比較すると、ターボチャージャー４に至るまでの排気通路を短くすることができるので、排気通路における空気圧の損失を低減できる点でも有利である。
１３は、給気通路８に設けられたエアクーラーを示している。コンプレッサ４ｂによって圧縮された空気は温度が上昇し、膨張しようとするが、膨張すると空気の密度が低くなり、空気の量が減ってしまうため、エアクーラー１３で冷却して温度を下げてからエンジン１に空気を供給するものである。
本発明の尿素水噴霧構造では、給気通路８にエアクーラー１３を設ける場合、給気通路８から分岐管９を分岐する位置（分岐部８ａの位置）は、エアクーラー１３よりも上流側とする方が好ましい。本発明においては、高温の空気を蒸発管１０に送り込む方が尿素水の加水分解を促進する上で有利であるからである。
１４は、エアクーラー１３の下流側に設けられたレシーバタンクを示している。エンジン１が空気の使用を開始し始めたとき、その空気をレシーバタンク１４から速やかに供給し、その後レシーバタンクの圧力が低下すると、その低下分をコンプレッサ４ｂからの供給によって補充するようにして、瞬間的に能力を超える大量の空気が必要になった場合でも給気が不足しないようにしている。
以上説明したように、本発明の尿素水噴霧構造は、ターボチャージャーのコンプレッサの下流側の給気通路から分岐された分岐管と接続された蒸発管を排気マニホールド内に配置し、この蒸発管内に尿素水を噴霧してアンモニアへの加水分解を完了するので、硫黄分が多く含まれる燃料を使用する場合でも、硫酸アンモニウムや酸性硫安などの副生成物の生成を抑制できる。また、排気連絡管から排出された直後の高温の排ガスによって排気マニホールド内に設けた蒸発管の壁面が十分に加熱されるので、尿素水を噴霧する領域においても温度が不足せず、シアヌル酸などの副生成物の生成も防止できる。
本発明は、前記の実施例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範囲内において、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
例えば、前記の実施例では、給気通路８から分岐管９を介して一定量の空気を蒸発管１０へ導入する構成を示したが、船舶が走行する海域によってはＳＣＲ触媒６ａによる脱硝処理が不要な場合もあるため、分岐部８ａに切換弁を設けることにより、必要に応じて分岐管９の入口を密閉し、脱硝処理が不要な場合は全ての空気をエアクーラー１３の方に送るように構成しても良い。
本発明の尿素水噴霧構造は、舶用ディーゼルエンジンに限らず、自動車用ディーゼルエンジンにも適用可能である。
１ エンジン
１ａ 排気ポート
２ 排気連絡管
３ 排気マニホールド
４ ターボチャージャー
４ａ タービン
４ｂ コンプレッサ
５ 排気通路
６ 脱硝反応器
６ａ ＳＣＲ触媒
７ 排ガス浄化装置
８ 給気通路
９ 分岐管
１０ 蒸発管
１０ａ 噴出孔
１１ ノズル
１２ 加水分解触媒
１３ エアクーラー

Claims (5)

  1. エンジンの排気ポートに接続された排気連絡管から排出された排ガスを集合する排気マニホールドと、ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路との間に設けられた脱硝反応器を備えた排ガス浄化装置の、前記脱硝反応器のＳＣＲ触媒に対してアンモニアを供給可能な尿素水噴霧構造であって、
    前記排気マニホールド内に、ターボチャージャーのコンプレッサの下流側の給気通路から分岐された分岐管と接続された蒸発管を配置すると共に、
    前記蒸発管に、前記分岐管を介して前記蒸発管内に導入する高温空気に対して尿素水を噴霧するノズルを設けたことを特徴とする尿素水噴霧構造。
  2. 前記ノズルは、前記蒸発管が前記排気マニホールド内に存在する領域に設けたことを特徴とする請求項１に記載の尿素水噴霧構造。
  3. 前記蒸発管の内部であって前記ノズルよりも下流側に、尿素水の加水分解を促進するための加水分解触媒を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の尿素水噴霧構造。
  4. 前記蒸発管の前記加水分解触媒よりも下流側に、尿素水の加水分解よって生成されたアンモニアを前記ＳＣＲ触媒に向けて噴出する噴出孔を設けたことを特徴とする請求項３に記載の尿素水噴霧構造。
  5. 前記給気通路にエアクーラーを設けると共に、前記給気通路から前記分岐管を分岐する位置は、前記エアクーラーよりも上流側としたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の尿素水噴霧構造。
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