JP5781290B2 - 排ガス浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯx 」という。）を脱硝触媒下で還元剤と反応させて浄化する機構を排気マニホールド内に設けた排ガス浄化装置に関するものである。
従来、例えばディーゼルエンジンの排気管にＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction：選択触媒還元）等の脱硝触媒を介装すると共に、この脱硝触媒の上流側に高濃度の尿素と低濃度のアンモニアを含む還元剤組成物の水溶液を排ガス中に噴霧するノズルを設け、気化した還元剤を含む排ガスを脱硝触媒と接触させて、排ガス中のＮＯx を窒素と水に分解することにより無害化する技術が利用されている（例えば特許文献１の図１）。
このような技術をターボチャージャーを備えたディーゼルエンジンに適用する場合、脱硝触媒はターボチャージャーの下流側に設ける場合と、上流側に設ける場合がある。
図４は、ＳＣＲ触媒１０１を、例えば４気筒の舶用ディーゼルエンジン１０２のターボチャージャー１０３の下流側に設ける場合の例を示したものである。１０４は、排気ポート１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄから排出される排ガスを集合して排気管１０５ａに導く排気マニホールドを示している。ターボチャージャー１０３のタービン１０３ａの下流側の排気管１０５ｂには、アンモニア等の還元剤の水溶液又は尿素等の還元剤前駆体の水溶液を排ガス中に噴霧して供給するノズル１０６が設けられている。
また、図５は、ＳＣＲ触媒２０１を、例えば４気筒の舶用ディーゼルエンジン２０２のターボチャージャー２０３の上流側に設ける場合の例を示したものである（例えば、特許文献２の第１図も同様）。排気ポート２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄから排出される排ガスを集合する排気マニホールド２０４とターボチャージャー２０３のタービン２０３ａとの間の排気管２０５には、アンモニア等の還元剤の水溶液又は尿素等の還元剤前駆体の水溶液を排ガス中に噴霧して供給するノズル２０６と、このノズル２０６から噴霧された還元剤又は還元剤前駆体の水溶液を気化又は加水分解してアンモニアガス等の還元剤を発生させるための蒸発管２０７が設けられている。
しかしながら、図４に示すような、ターボチャージャー１０３の下流にＳＣＲ触媒１０１を設ける構成は、タービン１０３ａの下流側は排ガスの温度が下がるため、触媒の性能が低下するという問題点があった。具体的には、例えば舶用ディーゼルエンジンの場合、ＳＣＲ触媒１０１の活性温度は３５０℃前後であるのに対し、タービン１０３ａの下流側の排ガスの温度は２５０℃程度にまで下がってしまう場合がある。このように温度差が大きい場合は、タービン１０３ａの下流側に追い焚きバーナーを設けて排ガスを加熱する必要があるが、追い焚きバーナーを燃焼させるために余分なコストがかかってしまう。
また、図５に示すような、ターボチャージャー２０３の上流側にＳＣＲ触媒２０１を設ける構成の場合、ノズル２０６から噴霧した尿素水等をできるだけ短い経路で気化又は加水分解させるために、流路断面積が大きい蒸発管２０７を設けている。しかし、この蒸発管２０７のような断面積の大きな経路を排気系に設けることは、圧力の損失を招くため、エンジンの性能を低下させる要因となっていた。
特開２００３−２６０３３１号公報 特開昭６１−７０１１５号公報
本発明が解決しようとする問題点は、ターボチャージャーの下流側に脱硝触媒を設ける従来の排ガス浄化装置は、脱硝触媒に導入する排ガスの温度が不足するため、触媒性能上不利という点である。また、追い焚きバーナーを設ける場合は、コストアップになるという点である。さらに、ターボチャージャーの上流側に脱硝触媒を設ける従来の排ガス浄化装置は、断面積の大きな蒸発管を必要とするため、エンジン性能を低下させる要因となる点である。
本発明の排ガス浄化装置は、
ターボチャージャーを備えたエンジンの排気マニホールド内に、
エンジンの排気ポートから排出された排ガスを集合する排気室と、
内部に脱硝触媒が配置された触媒管が複数配設され、前記排ガスを前記触媒管の内部で前記脱硝触媒と接触させて排ガス中のＮＯx を分解する触媒反応部を連続配置するとともに、
前記触媒反応部に至る前の排ガス中に、還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧可能なノズルを前記排気室内に設け、
前記排気ポートから前記排気室に排出された排ガスが前記複数の触媒管の外周面を回り込むように、前記触媒反応部の一部を前記排気室と連通させたことを最も主要な特徴点としている。
上記構成の本発明では、エンジンの排気ポートから排出された直後の高温の排ガスに、還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧し、気化した還元剤を含む排ガスを高温の状態のまま脱硝触媒と接触させるので、排ガスの温度不足が原因で脱硝触媒の性能が低下することはない。また、排ガスの温度が触媒の活性温度を下回ることもないので、追い焚きバーナーは不要となる。
加えて、上記構成の本発明では、排気マニホールドの内部に脱硝触媒を組み込み、ノズルから噴霧された還元剤前駆体等の水溶液は、排気系の中で最も大きな断面積を有する排気マニホールド内で、エンジンの排気ポートから排出された直後の高温の排ガスと混合させるので、短時間の内に確実に気化又は加水分解される。よって、エンジンの性能低下の要因となっていた蒸発管は不要となる。
本発明の排ガス浄化装置の全体構成を示した概略図である。 本発明の排ガス浄化装置の触媒反応部の構成の一例を説明する図であり、触媒管の入口側から見た触媒反応部の斜視図である。 比較例の構成を説明する図である。 ターボチャージャーの下流側に脱硝触媒を設けた従来の排ガス浄化装置の説明図である。 ターボチャージャーの上流側に脱硝触媒を設けた従来の排ガス浄化装置の説明図である。
本発明は、エンジンの排気系に設ける排ガス浄化装置において、脱硝触媒に導入する排ガスの温度不足を解消すると共に、流路圧力の損失を招く蒸発管を不要とするという目的を、
ターボチャージャーを備えたエンジンの排気マニホールド内に、
エンジンの排気ポートから排出された排ガスを集合する排気室と、
内部に脱硝触媒が配置された触媒管が複数配設され、前記排ガスを前記触媒管の内部で前記脱硝触媒と接触させて排ガス中のＮＯx を分解する触媒反応部を連続配置するとともに、
前記触媒反応部に至る前の排ガス中に、還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧可能なノズルを前記排気室内に設け、
前記排気ポートから前記排気室に排出された排ガスが前記複数の触媒管の外周面を回り込むように、前記触媒反応部の一部を前記排気室と連通させた構成とすることによって実現した。
上記本発明の排ガス浄化装置は、特に舶用ディーゼルエンジンに適用する場合、以下の構成とすることがより望ましい。
舶用の場合、船舶が通過する海域によってＮＯx の排出規制量が異なるため、脱硝触媒を常時使用する必要はなく、使わなくても良い海域もある。
そのため、上記本発明の排ガス浄化装置は、
前記触媒管から排出された排ガスをターボチャージャーのタービンの上流側に導く排気通路に加えて、前記触媒管をバイパスして前記排気室と前記タービンの上流側との間を接続するバイパス通路をさらに設けるとともに、前記排気通路と前記バイパス通路を個々に開閉するバルブを備えた構成とする方が、より好ましい。
このように構成した場合、例えば排気通路のバルブを開いてバイパス通路のバルブを閉じることにより、脱硝触媒を使用した運転（以下、「ＳＣＲ運転」という。）ができる。逆に、排気通路のバルブを閉じてバイパス通路のバルブを開いた場合は、脱硝触媒を使用しない運転（以下、「バイパス運転」という。）となり、通過する海域に応じてＳＣＲ運転とバイパス運転を切り換えることができる。
また、舶用ディーゼルエンジンでは、ガソリンよりも硫黄分を多く含んだ軽油や重油などの燃料が用いられているため、燃料中の硫黄分によって排ガス中にＳＯx が発生しやすい。脱硝触媒をターボチャージャーの下流側に設ける従来の排ガス浄化装置の場合、排ガスの温度が低いため、ノズルから供給された尿素とＳＯx が反応して例えば硫酸アンモニウム（（ＮＨ4 ）2 ＳＯ4 ）や酸性硫安（ＮＨ4 ＨＳＯ4 ）などの中間成生物が生じやすく、この中間生成物が脱硝触媒上に吸着すると、触媒性能が低下する原因となっていた。
この点に関し、本発明では、排気マニホールド内の排ガスは高温であるため、中間生成物が脱硝触媒に吸着することによる性能低下のおそれは、基本的に低減されている。しかし、上記のようにＳＣＲ運転とバイパス運転を切り換える構成を採用する場合、バイパス運転中は触媒管の内部を高温の排ガスが通過せずに、ＳＯx を含んだ排ガスが比較的低温で滞留するため、中間性生物の吸着が起きやすくなる。
そこで、上記本発明の排ガス浄化装置は、
給気マニホールドと前記触媒管の出口側との間を接続する空気導入通路を設けるとともに、前記空気導入通路を開閉するバルブを備えた構成とする方が、より好ましい。
このように構成した場合、バイパス運転時に空気導入通路のバルブを開くことにより、給気マニホールドから触媒管の出口側に空気を導入し、触媒管内に滞留しているＳＯx を含む比較的低温の排ガスを触媒管の入口側に逆流させて新気と置換することができる。よって、ＳＣＲ運転とバイパス運転を切り換える構成を採用する場合においても、中間生成物の付着を確実に防止することができて、好適である。
以下、本発明を実施するための種々の形態を、図１〜図３を用いて詳細に説明する。図１において、１は、例えばターボチャージャー２を備えた４気筒の舶用ディーゼルエンジンに適用された本発明の排ガス浄化装置である。この排ガス浄化装置１の排気マニホールド３の内部には、エンジン４の各シリンダヘッドに設けられた排気ポート４ａに夫々接続された排気連絡管４ｂから排出された排ガスを集合する排気室５に続いて、管状の部材の内部に脱硝触媒が配置された触媒管７が複数本並列状に配設された触媒反応部８が設けられている。そして、排ガス中に含まれるＮＯx を脱硝触媒下で還元剤と反応させて浄化するために、排気室５内の排ガス中に尿素水を噴霧するノズル６が、前記排気室５内に設けられている。なお、２ｂは給気通路１０ａから給気された空気を圧縮するターボチャージャー２のコンプレッサーを、１１は給気通路１０から送り込まれた圧縮空気を給気連絡管４ｄを介してエンジン４の給気ポート４ｃに分配する給気マニホールドを示している。
上記ノズル６、触媒管７、触媒反応部８は、例えば以下の構成と成されている。
例えばノズル６は、排気連絡管４ｂから排気室５内に排出された直後の高温の排ガスに対し尿素水を直ちに噴霧できるように、排気連絡管４ｂの開口部近傍の上流側の位置に設ける。また、排気室５内の排ガスに対し、ムラなく一様に尿素水を噴霧できるように、ノズル６は、排気連絡管４ｂの開口部毎に複数（図１の実施例の場合は計４箇所）設けるのである。
ノズル６には、還元剤を発生させる水溶液を供給する必要があるが、アンモニア水を船内に貯蔵しておくことは危険を伴う。よって、本実施例ではノズル６と接続されたタンク６ａに還元剤前駆体として例えば尿素を水溶液の状態で貯蔵しておき、運転時にノズル６から尿素水を排気室５内に噴霧し、排ガスの熱を利用して尿素を加水分解してアンモニアを発生させるようにしている。
触媒管７の筒体の内部には、例えば多孔性のハニカムコアを設け、そのセル壁にＳＣＲ触媒を付着又は被覆している。あるいは、ＳＣＲ触媒自体を多孔性のハニカムコア形状に成形したものを筒体の内部に実装しても良い。ＳＣＲ触媒は、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。
触媒反応部８は、例えば筐体の内部に、上記のような触媒管７を複数横置きして一まとまりのユニットとすることも可能である。図１の実施例では、触媒反応部８は、排気マニホールド３内の排気連絡管４ｂの開口部と対向する位置に設けている。
気化した還元剤を含む排ガスは、触媒管７の入口７ｂから導入され、触媒管７の内部を通過する間にＳＣＲ触媒と接触して還元反応が行われ、ＮＯx が水と窒素に分解される。そして、ＮＯx が除去された排ガスは、触媒管７の出口７ｃから排出され、ターボチャージャー２のタービン２ａの上流側の排気通路９に導入される。
本発明では、排気マニホールド３内の高温の排ガスを触媒管７の内部に導入することができるが、エンジンの起動直後はＳＣＲ触媒の温度が低いため、排ガスが内部を通過するのみでは、ＳＣＲ触媒が触媒反応に適した温度まで上昇するのに一定の時間がかかる。そのため、エンジンの起動直後は、ＳＣＲ触媒が十分に機能しない場合がある。
そこで、本実施例の排ガス浄化装置１では、排気ポート４ａから排気室５に排出された排ガスが触媒管７の外周面を回り込むように、触媒反応部８の一部を排気室５と連通させている。具体的には、図２に示すように、触媒反応部８は、触媒管７の入口７ｂと出口７ｃの部分は排気室５内に排出された直後のガスが流れ込まないように壁８ａ及び８ｂによってシールされているが、触媒管７の中央部７ａは開放しており、排気室５と連通している。
そうすると、排気ポート４ａから排出された高温の排ガスは、触媒管７の外周を回り込むように流れて触媒管７を外側から予熱するので、触媒管７の内部に設けた例えばＳＣＲ触媒等からなる脱硝触媒の昇温時間が速くなる。よって、上記のように構成した場合は、エンジンを起動後ＳＣＲ触媒が機能し始めるまでに要する時間を短縮できる。なお、図２において、符号Ａの矢印は触媒管７の外周を回り込むように流れる排ガスの流れを、符号Ｂの矢印は入口７ｂから導入され触媒管７の内部を通過して出口７ｃに排出される排ガスの流れを示している。
次に、ノズル６、触媒管７、触媒反応部８以外の構成について説明する。
１２は、触媒管７をバイパスして排気室５とタービン２ａの上流側との間を接続するバイパス通路である。そして、排気通路９には第１のバルブ９ａを、バイパス通路１２には第２のバルブ１２ａを夫々設けている。
よって、例えば第１のバルブ９ａを開いて第２のバルブ１２ａを閉じた場合は、排気室５内に排出された排ガスは触媒管７の内部を通過し、ＳＣＲ運転が可能になる。一方、第１のバルブ９ａを閉じて第２のバルブ１２ａを開いた場合は、排気室５内に排出された排ガスは、触媒管７を通過せずにタービン２ａの上流側に排出されるので、バイパス運転が可能となる。このような構成とすることで、通過する海域に応じてＳＣＲ運転とバイパス運転を切り換えることができる。
また、１３は、給気マニホールド１１と触媒管７の出口７ｃ側との間を接続する空気導入通路である。空気導入通路１３には、この通路を開閉する第３のバルブ１３ａが設けられている。
よって、バイパス運転時に空気導入通路１３の第３のバルブ１３ａを開いた場合は、給気マニホールド１１から触媒管７の出口７ｃ側に空気が導入されるので、触媒管７内に滞留しているＳＯx を含む排ガスは、触媒管７の入口７ｂ側に押し出されて新気と置換される。したがって、ＳＣＲ運転とバイパス運転を切り換える構成を採用した場合でも、脱硝触媒への中間成生物の吸着をより確実に防止できる。
また、本実施例では、ノズル６は排気室５に設けるとともに、気化した還元剤を排ガス中に拡散させるために、排気室５と触媒反応部８の間に拡散室１４を設けている。なお、図１では、図示を省略しているが、拡散室１４には、アンモニアガスと排ガスを十分に混合するために、スタティックミキサーなどを設けても良い。
本発明は、前記の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。
例えば図１の実施例では、ノズル６は、排気連絡管４ｂの各開口部近傍の上流側の位置に夫々設ける場合の例を開示したが、ノズル６を設ける数や位置はこれに限らない。ただし、ノズル６は、例えば図３の比較例に示すように、排気室５と触媒反応部８の間の拡散室１４に一箇所だけ設けることも考えられるが、気化した還元剤と排ガスが十分に混合されるようにするためには、本発明のように、図１に一例を示した排気室内の位置に設ける方が有利である。
１ 排ガス浄化装置
２ ターボチャージャー
２ａ タービン
３ 排気マニホールド
４ エンジン
４ａ 排気ポート
５ 排気室
６ ノズル
７ 触媒管
７ｃ 出口
８ 触媒反応部
９ 排気通路
１１ 給気マニホールド
１２ バイパス通路
１３ 空気導入通路
１４ 拡散室

Claims (4)

  1. ターボチャージャーを備えたエンジンの排気マニホールド内に、
    エンジンの排気ポートから排出された排ガスを集合する排気室と、
    内部に脱硝触媒が配置された触媒管が複数配設され、前記排ガスを前記触媒管の内部で前記脱硝触媒と接触させて排ガス中のＮＯx を分解する触媒反応部を連続配置するとともに、
    前記触媒反応部に至る前の排ガス中に、還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧可能なノズルを前記排気室内に設け、
    前記排気ポートから前記排気室に排出された排ガスが前記複数の触媒管の外周面を回り込むように、前記触媒反応部の一部を前記排気室と連通させたことを特徴とする排ガス浄化装置。
  2. ターボチャージャーを備えたエンジンの排気マニホールド内に、
    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室と、
    内部に脱硝触媒が配置された触媒管が複数配設され、前記排ガスを前記触媒管の内部で前記脱硝触媒と接触させて排ガス中のＮＯx を分解する触媒反応部を連続配置するとともに、
    前記触媒反応部に至る前の排ガス中に、還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧可能なノズルを前記排気室内であって前記排気連絡管の開口部近傍の位置に設け、
    前記排気ポートから前記排気室に排出された排ガスが前記複数の触媒管の外周面を回り込むように、前記触媒反応部の一部を前記排気室と連通させたことを特徴とする排ガス浄化装置。
  3. 前記触媒管から排出された排ガスをターボチャージャーのタービンの上流側に導く排気通路に加えて、前記触媒管をバイパスして前記排気室と前記タービンの上流側との間を接続するバイパス通路をさらに設けるとともに、前記排気通路と前記バイパス通路を個々に開閉するバルブを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置。
  4. 給気マニホールドと前記触媒管の出口側との間を接続し、前記触媒管の出口側から入口側に空気を逆流させて前記触媒管内に滞留している排ガスを新気と置換する空気導入通路を設けるとともに、前記空気導入通路を開閉するバルブを備えたことを特徴とする請求項３に記載の排ガス浄化装置。
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