JP6050942B2 - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を加熱し改質した炭化水素系ガスを還元剤としてエンジンの排気管に噴射することにより排ガス中のＮＯｘを浄化する装置に関するものである。

従来、尿素を含む水溶液を供給するための供給路に加水分解触媒が接続され、ＳＣＲ触媒に排ガスが貫流し、供給路又は加水分解触媒の少なくとも一方を加熱する棒状加熱要素が配置された内燃機関の排ガス処理装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この排ガス処理装置では、棒状加熱要素の周りに、供給路又は加水分解触媒の少なくとも一方が配置される。また棒状加熱要素が外被管で取り囲まれ、この外被管が棒状加熱要素と一体に形成されるか、棒状加熱要素と材料結合される。そして外被管内に通路が設けられる。ここで、通路は、棒状加熱要素の周りにほぼスパイラル状に形成され、内側が外被管により境界づけられかつ外側がブシュによる境界づけられた環状隙間横断面を持った１つ或いは複数の通路である。尿素水溶液は、通路の第１部位において棒状加熱要素により蒸発され、通路の第２部位に混合気が貫流する。通路の第２部位には、尿素からアンモニアへの加水分解を促進する被覆が設けられ、通路の第２部位は加水分解路及び加水分解触媒として用いられる。上記尿素がアンモニアに加水分解した後、アンモニアを含む蒸気流が還元剤として通路から排気管に供給される。更に外被管の上にブシュが被せられる。このブシュは、例えばそれ自体が発熱線を利用し、これによって、ブシュも加熱され、従って、通路はその内外から加熱されるようになっている。

一方、還元剤先駆物質を含む水溶液の貯蔵槽を有し、この貯蔵槽から水溶液が搬送手段によって放出開口付き供給管に搬送され、還元剤又は還元剤先駆物質のいずれか又は双方を含む混合気を供給する装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。この混合気の供給装置では、供給管を加熱する加熱手段が配置され、この加熱手段によって供給管が、水の沸点より高い臨界温度を超えて加熱されるように構成される。また加熱手段は、電気抵抗加熱器、他の構成要素の廃熱を利用する熱伝達手段、ペルチェ素子、又は燃料を燃焼する手段の少なくともいずれか１つの構成要素を有する。更に供給管は部分的に還元剤先駆物質を還元剤に加水分解する触媒により被覆される。ここで、還元剤とは、窒素酸化物の選択触媒還元の枠内で採用される還元剤を意味し、還元剤先駆物質とは、還元剤を水解するか、他の物質と還元剤を放出しながら反応する物質を意味する。また還元剤としてはアンモニアが挙げられ、還元剤先駆物質としては尿素水溶液が挙げられる。更に臨界温度は、その温度以上で水溶液の完全蒸発が行われる温度であり、３００℃より高いことが好ましい。このように構成された混合気の供給装置では、尿素を含む水溶液を完全に蒸発でき、続いてアンモニアを含む混合気に加水分解できる。この混合気は、ＳＣＲ触媒コンバータに還元剤として供給されるようになっている。

特表２００９−５３７７２５号公報（請求項１、段落［００２７］、［００４７］、［００４８］、図１、図４） 特表２００９−５３７７２６号公報（請求項１、５及び９、段落［０００８］、［０１４６］、図１、図４）

しかし、上記従来の特許文献１に示された排ガス処理装置では、尿素水溶液が加水分解触媒の通路に流入すると、この尿素水溶液は通路の第１部位で蒸発した後、通路の第２部位で加水分解し、アンモニアを含む蒸気流となって排気管に流入するため、通路の第１部位で尿素水溶液中の尿素が蒸発せずに水のみが蒸発して尿素が結晶化する場合があり、この場合、結晶化した尿素が通路内に堆積し、この堆積物により通路が詰まるおそれがあった。また、上記従来の特許文献２に示された混合気の供給装置では、供給管内の尿素水溶液が臨界温度を超える温度（３００℃より高い温度）に加熱されるため、尿素水溶液中の尿素が蒸発せずに水のみが蒸発して尿素が結晶化する場合があり、この場合、結晶化した尿素が供給管内に堆積し、この堆積物により供給管が詰まるおそれがあった。更に、上記従来の特許文献１又は２に示された装置では、尿素水溶液の供給路に加水分解触媒を接続する必要があり、或いは供給管に加水分解触媒の被膜を形成する必要があり、部品点数又は加工工数が増大する問題点もあった。

本発明の第１の目的は、改質ケース内で尿素を結晶化させず、また尿素水改質器に加水分解触媒やその触媒被膜を設けずに、尿素水を尿素水改質器でアンモニアガスに効率良く改質できる、排ガス浄化装置を提供することにある。本発明の第２の目的は、排ガス温度が比較的高いときのみならず、排ガス温度が比較的低いときであっても排ガス中のＮＯｘを効率良く低減でき、これにより排ガス中のＮＯｘを低温領域から高温領域まで広い温度領域にわたって効率良く低減できる、排ガス浄化装置を提供することにある。本発明の第３の目的は、尿素水の集中による局所的な改質ケース内温度の低下を抑制でき、かつ改質ケース内での局所的な尿素水の過熱を回避できる、排ガス浄化装置を提供することにある。

本発明の第１の観点は、図１〜図３に示すように、エンジン１１の排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、エンジン１１の排気管１８に設けられ排ガス中のＮＯｘをＮ₂に還元可能な選択還元型触媒１２と、密閉された改質ケース３１内で尿素水１３をヒータ３２にて加熱することにより尿素水１３を熱分解し更に加水分解してアンモニアガス１４に改質する尿素水改質器１６と、尿素水改質器１６に尿素水１３を供給する尿素水供給手段１７と、選択還元型触媒１２より排ガス上流側の排気管１８に臨み尿素水改質器１６で改質されたアンモニアガス１４を噴射可能なアンモニアガス噴射ノズル１９と、尿素水改質器１６内の温度を検出する改質器温度センサ５１，５２と、尿素水改質器１６内の圧力を検出する改質器圧力検出手段４２と、選択還元型触媒１２に関係する排ガス温度を検出する触媒温度センサ４３と、改質器温度センサ５１，５２、改質器圧力検出手段４２及び触媒温度センサ４３の各検出出力に基づいてヒータ３２及び尿素水供給手段１７を制御するコントローラ４７とを備え、コントローラ４７は、改質器温度センサ５１，５２、改質器圧力検出手段４２及び触媒温度センサ４３の各検出出力に基づいて、ヒータ３２をオンし尿素水改質器１６内の温度を上昇させて、尿素水供給手段１７により尿素水１３を尿素水改質器１６に供給し、尿素水１３の流量及び尿素水改質器１６の出口圧力をヒータ３２及び尿素水供給手段１７にて制御することにより、尿素水改質器１６に供給された尿素水１３を熱分解してアンモニアとイソシアン酸を生成し、尿素水改質器１６内の水蒸気分圧を増大させて水蒸気によるイソシアン酸の加水分解を促進させるように構成され、尿素水改質器１６が、内周面に長手方向及び円周方向にそれぞれ延びる第１溝３１ｄ及び第２溝３１ｅにて格子状溝３１ｆを形成することにより内周面に長手方向及び円周方向にそれぞれ整列した複数の突起３１ｇが設けられかつ両端が閉止された筒状の上記改質ケース３１と、この改質ケース３１の中央に長手方向に延びて収容された上記ヒータ３２とを有し、尿素水１３が格子状溝３１ｆへの流通時にヒータ３２による加熱で熱分解し更に加水分解してアンモニアガス１４に改質されるように構成されたことを特徴とする。

本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に図２及び図３に示すように、尿素水改質器１６が排気管１８の外周面にベース部材３３を介して取付けられ、尿素水改質器１６により改質されたアンモニアガス１４がベース部材３３に形成された挿通孔３３ａを通ってアンモニアガス噴射ノズル１９から排気管１８に噴射されるように構成されたことを特徴とする。

本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点のいずれかに基づく発明であって、更に図６に示すように、選択還元型触媒１２より排ガス上流側の排気管１８に設けられ尿素水供給手段１７により供給された尿素水１３を尿素水改質器１６を介さずに排気管１８に直接噴射する尿素水噴射ノズル７１を更に備え、尿素水供給手段７７が、尿素水１３を尿素水改質器１６又は尿素水噴射ノズル７１に圧送するポンプ３７と、ポンプ３７から圧送される尿素水１３の圧力を調整する圧力調整弁４０と、ポンプ３７と尿素水改質器１６とを接続する第１供給管４１を通る尿素水の流量を調整する第１流量調整弁８１と、ポンプ３７と尿素水噴射ノズル７１とを接続する第２供給管７２を通る尿素水の流量を調整する第２流量調整弁８２とを有し、コントローラ４７が改質器温度センサ５１，５２、改質器圧力検出手段４２及び触媒温度センサ４３の各検出出力に基づいて圧力調整弁４０、第１流量調整８１、第２流量調整弁８２及びヒータ３２をそれぞれ制御するように構成されたことを特徴とする。

本発明の第１の観点の排ガス浄化装置では、コントローラが改質器温度センサ、改質器圧力検出手段及び触媒温度センサの各検出出力に基づいてヒータ及び尿素水供給手段を制御するので、尿素水改質器の密閉された改質ケース内で尿素水がヒータにより熱分解してアンモニアとイソシアン酸が生成される一方で、尿素水中の水分の水蒸気化が進行して、改質ケース内の圧力が所定圧に増大するとともに改質ケース内の温度が所定の温度に上昇する。この結果、改質ケース内の水蒸気分圧が増大し、水蒸気によるイソシアン酸の加水分解が促進されるので、尿素水をほぼ完全にアンモニアガスに効率良く改質できる。また上記のように尿素水中の水がイソシアン酸の加水分解に利用されるため、改質ケース内で尿素水中の水のみが蒸発して尿素が結晶化することはない。更に尿素水溶液の供給路に加水分解触媒が接続されたり、或いは供給管に加水分解触媒の被膜が形成されて、部品点数又は加工工数が増大する従来の装置と比較して、本発明では、尿素水改質器に加水分解触媒やこの触媒の被膜を設けずに、上記のように改質ケース内で尿素水を熱分解し加水分解してアンモニアガスに改質できる。この結果、アンモニアガスをアンモニアガス噴射ノズルから噴射することにより、排ガス温度が比較的高いときのみならず、排ガス温度が比較的低いときであっても排ガス中のＮＯｘを効率良く低減できるので、排ガス中のＮＯｘを低温領域から高温領域まで広い温度領域にわたって効率良く低減できる。

また、本発明の第１の観点の排ガス浄化装置では、尿素水改質器の改質ケースに流入した尿素水が格子状溝を流通することにより、尿素水が改質ケース内の長手方向に略均一に行き渡り、この状態で尿素水がヒータにより加熱されるので、尿素水は、上記と同様に、熱分解し更に加水分解してアンモニアガスに効率良く改質される。この結果、尿素水の集中による局所的な改質ケース内温度の低下を抑制でき、かつ改質ケース内での局所的な尿素水の過熱を回避できる。

本発明の第２の観点の排ガス浄化装置では、尿素水改質器を排気管の外周面にベース部材を介して取付け、尿素水改質器により改質されたアンモニアガスがベース部材の挿通孔を通ってアンモニアガス噴射ノズルから排気管に噴射されるので、アンモニアガスを尿素水改質器からアンモニアガス噴射ノズルに供給する配管が不要になる。この結果、部品点数及び配管工数を低減できる。

本発明の第３の観点の排ガス浄化装置では、排ガス温度が比較的低いときに、第１流量調整弁を間欠的に開くか又は所定の開度で開き、第２流量調整弁を閉じ、更に圧力調整弁を所定の開度で開いた状態で、ポンプ及びヒータを駆動すると、ポンプにより圧送された尿素水が第１供給管を通って尿素水改質器に流入するので、この尿素水は、上記と同様に、熱分解し更に加水分解してアンモニアガスに効率良く改質された後に、アンモニアガス噴射ノズルから排気管に噴射される。この結果、アンモニアガス噴射ノズルから噴射されたアンモニアガスが選択還元型触媒上で排ガス中のＮＯｘをＮ₂に還元する還元剤として機能するので、排ガス温度が比較的低いときであっても、排ガス中のＮＯｘを効率良く浄化できる。一方、排ガス温度が比較的高いときには、第１流量調整弁を閉じ、第２流量調整弁を間欠的に開くか又は所定の開度で開き、更に圧力調整弁を所定の開度で開いた状態で、ポンプ及びヒータを駆動すると、ポンプにより圧送された尿素水が第２供給管を通って尿素水噴射ノズルに供給するので、この尿素水は尿素水噴射ノズルから排気管内に噴射される。このとき排ガス温度が比較的高いので、排気管に噴射された尿素水は排ガスにより加熱されて、アンモニアガスに改質される。この結果、アンモニアガスが選択還元型触媒上で排ガス中のＮＯｘをＮ₂に還元する還元剤として機能するので、尿素水を尿素水改質器でアンモニアガスに改質しなくても、排ガス中のＮＯｘを効率良く浄化できる。従って、排ガス中のＮＯｘを低温領域から高温領域まで広い温度領域にわたって効率良く低減できる。

本発明第１実施形態の排ガス浄化装置を示す構成図である。 その排ガス浄化装置の尿素水改質器を示す図３のＡ−Ａ線断面図である。 図２にＢ−Ｂ線断面図である。 その尿素水改質器の改質ケース及びヒータの分解斜視図である。 尿素水改質器の温度変化及び尿素水改質器の出口圧力の変化に対する尿素水改質器でのアンモニアガス発生率の変化を示す図である。 本発明第２実施形態の排ガス浄化装置を示す構成図である。 実施例１及び比較例１の排ガス浄化装置を用いたときの排ガス温度の変化に対するＮＯｘ低減率の変化を示す図である。

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、排ガス浄化装置は、ディーゼルエンジン１１から排出された排ガス中のＮＯｘをＮ₂に還元可能な選択還元型触媒１２と、尿素水１３をアンモニアガス１４に改質する尿素水改質器１６と、尿素水改質器１６に尿素水１３を供給する尿素水供給手段１７と、選択還元型触媒１２より排ガス上流側の排気管１８に臨みアンモニアガス１４を噴射可能なアンモニアガス噴射ノズル１９とを備える。ディーゼルエンジン１１の吸気ポートには吸気マニホルド２１を介して吸気管２２が接続され、排気ポートには排気マニホルド２３を介して排気管１８が接続される。吸気管２２には、ターボ過給機２６のコンプレッサハウジング２６ａと、ターボ過給機２６により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ２７とがそれぞれ設けられ、排気管１８にはターボ過給機２６のタービンハウジング２６ｂが設けられる。コンプレッサハウジング２６ａにはコンプレッサ回転翼（図示せず）が回転可能に収容され、タービンハウジング２６ｂにはタービン回転翼（図示せず）が回転可能に収容される。コンプレッサ回転翼とタービン回転翼とはシャフト（図示せず）により連結され、エンジン１１から排出される排ガスのエネルギによりタービン回転翼及びシャフトを介してコンプレッサ回転翼が回転し、このコンプレッサ回転翼の回転により吸気管２２内の吸入空気が圧縮されるように構成される。

選択還元型触媒１２は排気管１８に設けられる。具体的には、排気管１８の途中に排気管１８より大径の触媒ケースが２８設けられ、この触媒ケース２８に選択還元型触媒１２が収容される。選択還元型触媒１２はモノリス触媒であって、コージェライト製のハニカム担体に、ゼオライト又はアルミナをコーティングして構成される。ゼオライトとしては、鉄−ゼオライト、銅−ゼオライト、バナジウム−ゼオライト等が挙げられる。鉄−ゼオライト、銅−ゼオライト又はバナジウム−ゼオライトからなる選択還元型触媒１２は、鉄、銅又はバナジウムをイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。また鉄−アルミナ、銅−アルミナ又はバナジウム−アルミナからなる選択還元型触媒１２は、鉄、銅又はバナジウムを担持させたγ−アルミナ粉末又はθ−アルミナ粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして構成される。この選択還元型触媒１２にアンモニアガス１４が供給されると、アンモニアガス１４が選択還元型触媒１２上でＮＯｘをＮ₂に還元する還元剤として機能するようになっている。

一方、図２〜図４に示すように、尿素水改質器１６は、密閉された筒状の改質ケース３１と、この改質ケース３１に収容されたヒータ３２とを有する。改質ケース３１は横断面略Ｔ字状の角筒状に形成され、改質ケース３１には長手方向に延びる大径の円柱孔３１ａが形成される。また改質ケース３１は、大径の円柱孔３１ａの中心線を通る水平面で上下に２分割され、横断面略逆ハット状に形成された下側のロアケース部３１ｂと、横断面略伏せ椀状に形成された上側のアッパケース部３１ｃとからなる。更に改質ケース３１の内周面、即ち大径の円柱孔３１ａの内周面には、長手方向及び円周方向にそれぞれ延びる第１溝３１ｄ及び第２溝３１ｅにて格子状溝３１ｆを形成することにより、長手方向及び円周方向にそれぞれ整列した複数の突起３１ｇが設けられる。なお、図３中の符号３１ｈ及び３１ｉは改質ケース３１の両端に取付けられ改質ケース３１の大径の円柱孔３１ａをそれぞれ閉止する第１及び第２蓋体である。また図３及び図４中の符号３１ｊはロアケース部３１ｂの第１蓋体３１ｈ近傍に形成され改質ケース３１内に尿素水１３を流入させるための入口孔であり、符号３１ｋはアッパケース部３１ｃの第２蓋体３１ｉ近傍に形成され尿素水改質器１６で改質されたアンモニアガス１４を改質ケース３１から流出させるための出口孔である。更に図３及び図４中の符号３１ｍは入口孔３１ｊから流入した尿素水１３を格子状溝３１ｆにスムーズに導くための第１筒状凹部であり、符号３１ｎは格子状溝３１ｆを流通して改質されたアンモニアガス１４を出口孔３１ｋからスムーズに流出させるための第２筒状凹部である。

上記ヒータ３２は円柱状に形成され、改質ケース３１の大径の円柱孔３１ａに挿入可能に構成される。ここで、ヒータ３２を改質ケース３１の大径の円柱孔３１ａに挿入したとき、ヒータ３２を複数の突起３１ｇの先端面が受けるように構成され、入口孔３１ｊから改質ケース３１に流入した尿素水１３が格子状溝３１ｆを流通して、改質ケース３１の下部（ロアケース部３１ｂの下部又は全部、或いはロアケース部３１ｂの全部及びアッパケース部３１ｃの下部）の長手方向に略均一に行き渡るように構成される。またヒータ３２は、円柱状のコイル保持部３２ａと、このコイル保持部３２ａの外周面に沿いかつコイル保持部３２ａの外周面に露出しないように螺旋状に埋設された電熱コイル３２ｂとにより構成される。なお、上記ロアケース部３１ｂ、アッパケース部３１ｃ、第１蓋体３１ｈ、第２蓋体３１ｉ及びコイル保持部３２ａは、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４、インコネル（ハンティントン・アロイズ・カナダ・リミテッド社製の登録商標）等の熱伝導率が１５〜１７Ｗ／(ｍ・Ｋ)と比較的高い金属により形成される。また電熱コイル３２ｂは、図示しないが、金属シース（金属製極細管）の中にニクロム線等の発熱体を遊挿し、金属シースと発熱体との隙間に、高純度の無機絶縁物の粉末を充填して構成される。

上記尿素水改質器１６は排気管１８の外周面にベース部材３３を介して取付けられる。このベース部材３３は、上面が排気管１８の外周面に相応する湾曲面に形成され、下面がアッパケース部３１ｃの上面に相応する平面に形成される。この実施の形態では、ベース部材３３は排気管１８の下面に溶着され、ロアケース部３１ｂ及びアッパケース部３１ｃはボルト３４によりベース部材３３に固定され、第１及び第２蓋体３１ｈ，３１ｉはビス（図示せず）によりロアケース部３１ｂ及びアッパケース部３１ｃの両端面にそれぞれ取付けられる。なお、図３中の符号３３ａはベース部材３３に形成された挿通孔である。この挿通孔３３ａの一端はアッパケース部３１ｃの出口孔３１ｋに連通接続され、挿通孔３３ａの他端は排気管１８に挿着されたアンモニアガス噴射ノズル１９の基端に連通接続される。また、図２及び図３中の符号３５は改質ケース３１及びベース部材３３を覆う断熱材である。この断熱材３５によりヒータ３２の発生した熱の放散を抑制できる。更に、図２中の符号３２ｃ，３２ｃはヒータ３２の端子である。

図１に戻って、尿素水供給手段１７は、尿素水１３を貯留するタンク３６と、このタンク３６を上記尿素水改質器１６の入口孔３１ｊに接続する第１供給管４１と、第１供給管４１に設けられタンク３６内の尿素水１３を尿素水改質器１６に圧送するポンプ３７と、一端がポンプ３７及び入口孔３１ｊ間の第１供給管４１に接続され他端がタンク３６に接続された戻り管３８と、第１供給管４１に設けられた流量調整弁３９と、戻り管３８に設けられた圧力調整弁４０とを有する。上記ポンプ３７は、図示しないポンプ駆動モータにより駆動される。このポンプ駆動モータの回転速度を連続的又は段階的に変化させ、圧力調整弁４０の開度を調整し、流量調整弁３９の開閉間隔又は開度を調整することにより、ポンプ３７から吐出される尿素水１３の圧力とタンク３６へ戻る尿素水１３の戻り量とを調整し、これによりポンプ３７から吐出される尿素水１３の流量を制御できるようになっている。

一方、改質ケース３１の第１筒状凹部３１ｍには、尿素水改質器１６の入口温度、即ち第１筒状凹部３１ｍ内の温度を検出する第１改質器温度センサ５１が設けられる。また改質ケース３１の第２筒状凹部３１ｎには、尿素水改質器１６の出口温度、即ち第２筒状凹部３１ｎ内の温度を検出する第２改質器温度５２と、尿素水改質器１６の出口圧力、即ち第２筒状凹部３１ｎ内の圧力を検出する改質器圧力検出手段４２とが設けられる。ここで、改質器圧力検出手段４２は、圧力センサであってもよく、又はポンプ３７が尿素水１３を押出し駆動するときのポンプ駆動モータの電力で尿素水改質器１６内の圧力を推定する手段であってもよく、或いは尿素水改質器１６への尿素水１３の供給量と選択還元型触媒１２へのアンモニアガス１４の供給量とから算出した尿素水改質器１６内の尿素水１３の量の変化と、尿素水改質器１６の温度又はヒータ３２の温度の変化とをマップとして後述のメモリ４８に記憶し、このマップから尿素水改質器１６内の圧力を算出する手段であってもよい。また触媒ケース２８のうち選択還元型触媒１２より排ガス入口側には、選択還元型触媒１２入口の排ガス温度を検出する触媒温度センサ４３が設けられる。更にエンジン１１には、エンジン１１の回転速度を検出する回転センサ４４と、エンジン１１の負荷を検出する負荷センサ４６とが設けられる。第１改質器温度センサ５１、第２改質器温度センサ５２、改質器圧力検出手段４２、触媒温度センサ４３、回転センサ４４及び負荷センサ４６の各検出出力はコントローラ４７の制御入力に接続され、コントローラ４７の制御出力はヒータ３２、ポンプ駆動モータ及び流量調整弁３９にそれぞれ接続される。

コントローラ４７にはメモリ４８が設けられる。このメモリ４８には、エンジン回転速度、エンジン負荷、選択還元型触媒１２の入口側の排ガス温度に応じた、ポンプ駆動モータの回転速度、流量調整弁３９の開度が予め記憶される。またメモリ４８には、エンジン回転速度及びエンジン負荷の変化に応じた、排ガス中のＮＯｘ流量の変化がマップとして記憶される。更にメモリ４８には、尿素水改質器１６の入口温度である第１改質器温度センサ５１の検出出力、出口温度である第２改質器温度センサ５２の検出出力及び出口圧力である改質器圧力検出手段４２の検出出力に応じた、アンモニアガス１４の生成率の変化が例えば図５に示すようなマップとして記憶される。尿素水改質器１６で尿素水１３をアンモニアガス１４に改質するときの尿素水改質器１６の運転領域は、尿素水改質器１６の形状や尿素水及びアンモニアガスの流量等により変化するけれども、尿素水１３の温度が８０〜１２０℃の範囲内で尿素水改質器１６を作動させるため、尿素水改質器１６内の温度（第１及び第２改質器温度センサ５１，５２の各検出温度の平均値）をヒータ３２により制御することが好ましい。このときの尿素水改質器１６の内部の圧力は比較的高いため、尿素水改質器１６は耐圧性を有するように作製される。また第１及び第２改質器温度センサ５１，５２の各検出出力の温度差により、ヒータ３２による尿素水１３の加熱効率を検出できる。

なお、図１中の符号５３は、排気マニホルド２３及び吸気管２２をエンジン１１をバイパスして連通接続するＥＧＲ管である。このＥＧＲ管５３は排気マニホルド２３の枝管部から分岐し、インタクーラ２７より吸気下流側の吸気管２２に合流する。また、図１中の符号５４は、ＥＧＲ管５３に設けられこのＥＧＲ管５３から吸気管２２に還流される排ガス（ＥＧＲガス）の流量を調整するＥＧＲバルブである。更に、図１中の符号５６は、ＥＧＲ管５３を通る排ガス（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラである。

このように構成された排ガス浄化装置の動作を説明する。エンジン１１の始動直後やエンジン１１の軽負荷運転時には、排ガス温度が１００〜１８０℃と低い。この温度範囲の排ガス温度を触媒温度センサ４３が検出し、回転センサ４４及び負荷センサ４６がエンジン１１の無負荷運転又は軽負荷運転を検出すると、コントローラ４７は第１改質器温度センサ５１、第２改質器温度センサ５２、改質器圧力検出手段４２、触媒温度センサ４３、回転センサ４４及び負荷センサ４６の各検出出力に基づいて、ヒータ３２をオンし、尿素水改質器１６内の温度が所定の温度（例えば、平均温度３００℃）になったことを第１及び第２改質器温度センサ５１，５２が検出したときに、ポンプ駆動モータを作動させて尿素水１３を尿素水改質器１６に供給する。そしてコントローラ４７は、上記第１及び第２改質器温度センサ５１，５２の各検出温度の平均値が所定値（例えば、平均温度３５０℃）になるように、このポンプ駆動モータの回転速度を連続的又は段階的に変化させ、圧力調整弁４０の開度を調整し、流量調整弁３９の開閉間隔又は開度を調整することにより、ポンプ３７から吐出される尿素水１３の圧力とタンク３６へ戻る尿素水１３の戻り量とを調整し、これによりポンプ３７から吐出される尿素水１３の流量を制御する。また尿素水改質器１６の出口圧力が所定値（例えば、３０ｋＰａ）より高くなったことを改質器圧力検出手段４２が検出すると、コントローラ４７は尿素水１３の尿素水改質器１６への供給量を減らすか或いはヒータ３２の出力を下げる補正を行い、尿素水改質器１６の出口圧力が所定値（例えば、３０ｋＰａ）より低くなったことを改質器圧力検出手段４２が検出すると、コントローラ４７は尿素水１３の尿素水改質器１６への供給量を増やすか或いはヒータ３２の出力を上げる補正を行う。

これにより尿素水改質器１６に供給された尿素水１３は、ヒータ３２で加熱されることにより熱分解してアンモニアとイソシアン酸が生成される一方で、尿素水１３中の水分の水蒸気化が進行して、改質ケース３１内の圧力が所定圧力に増大するとともに改質ケース３１内の温度が所定温度に上昇する。この結果、改質ケース３１内の水蒸気分圧が増大し、水蒸気によるイソシアン酸の加水分解が促進されるので、尿素水１３をほぼ完全にアンモニアガス１４に効率良く改質できる。即ち、尿素水改質器１６において次の式（１）及び式（２）のように反応して尿素水がアンモニアガスに改質される。

ＮＨ₂-ＣＯ-ＮＨ₂ → ＮＨ₃ ＋ ＨＮＣＯ ……（１）
ＨＮＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＮＨ₃ ＋ ＣＯ₂ ……（２）
上記式（１）は尿素水１３の熱分解式であり、この反応に水は寄与しない。また式（２）はイソシアン酸（ＨＮＣＯ）からアンモニアガス（ＮＨ₃）１４への加水分解式である。

このように尿素水改質器１６で尿素水１３をヒータ３２で加熱して熱分解及び加水分解させてアンモニアガス１４に改質するので、水のみが蒸発して尿素が結晶化することを防止できる。この結果、尿素水改質器１６内に結晶化した尿素が堆積するのを防止できる。また尿素水改質器１６で改質されたアンモニアガス１４はアンモニアガス噴射ノズル１９から排気管１８に噴射される。このアンモニアガス噴射ノズル１９から排気管１８内に噴射されたアンモニアガス１４は排ガスとともに選択還元型触媒１２に流入する。この排ガスとともに選択還元型触媒１２に流入したアンモニアガス１４は排ガス中のＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ₂）を還元するための還元剤として機能する。即ち、選択還元型触媒１２で、次の式（３）で示すように、排ガス中のＮＯｘが速やかにＮ₂に還元される。

ＮＯ ＋ ＮＯ₂ ＋ ２ＮＨ₃ → ２Ｎ₂ ＋ ３Ｈ₂Ｏ ……（３）
上記式（３）は、排ガス中のＮＯ及びＮＯ₂が選択還元型触媒１２上でアンモニアガス１４と反応して、ＮＯ及びＮＯ₂がＮ₂に還元される化学反応式を示す。この結果、排ガス温度が比較的低いときであっても排ガス中のＮＯｘを効率良く低減できる。

一方、排ガス温度が１８０℃を越えると、コントローラ４７は、上記と同様に、第１改質器温度センサ５１、第２改質器温度センサ５２、改質器圧力検出手段４２、触媒温度センサ４３、回転センサ４４及び負荷センサ４６の各検出出力に基づいてヒータ３２、ポンプ駆動モータ及び流量調整弁３９を制御するので、尿素水改質器１６の密閉された改質ケース３１内で尿素水１３がヒータ３２により熱分解してアンモニアとイソシアン酸が生成される一方で、尿素水１３中の水分の水蒸気化が進行して、改質ケース３１内の圧力が所定圧に増大するとともに改質ケース３１内の温度が所定の温度に上昇する。この結果、改質ケース３１内の水蒸気分圧が増大し、水蒸気によるイソシアン酸の加水分解が促進されるので、尿素水１３をほぼ完全にアンモニアガス１４に効率良く改質できる。この結果、排ガス温度が高くなっても排ガス中のＮＯｘを効率良く低減できる。

このように尿素水改質器１６に加水分解触媒やこの触媒の被膜を設けずに、上記のように改質ケース３１内で尿素水１３を熱分解し加水分解してアンモニアガス１４に改質できる。また排ガス温度の高低に拘らず、アンモニアガス１４をアンモニアガス噴射ノズル１９から噴射することにより、排ガス中のＮＯｘを低温領域から高温領域まで広い温度領域にわたって効率良く低減できる。

＜第２の実施の形態＞
図６は本発明の第２の実施の形態を示す。図６において図１と同一符号は同一部品を示す。この実施の形態では、尿素水供給手段７７により供給された尿素水１３を尿素水改質器１６を介さずに排気管１８に直接噴射する尿素水噴射ノズル７１が選択還元型触媒１２より排ガス上流側の排気管１８に設けられる。尿素水供給手段７７は、尿素水１３を尿素水改質器１６又は尿素水噴射ノズル７１に圧送するポンプ３７と、ポンプ３７から圧送される尿素水１３の圧力を調整する圧力調整弁４０に加えて、ポンプ３７と尿素水改質器１６とを接続する第１供給管４１を通る尿素水１３の流量を調整する第１流量調整弁８１と、ポンプ３７と尿素水噴射ノズル７１とを接続する第２供給管７２と、この第２供給管７２を通る尿素水１３の流量を調整する第２流量調整弁８２とを有する。そして、コントローラ４７は、第１改質器温度センサ５１、第２改質器温度センサ５２、改質器圧力検出手段４２、触媒温度センサ４３、回転センサ４４及び負荷センサ４６の各検出出力に基づいてヒータ３２、ポンプ駆動モータ、圧力調整弁４０、第１流量調整弁８１及び第２流量調整弁８２をそれぞれ制御するように構成される。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。

このように構成された排ガス浄化装置の動作を説明する。エンジン１１の始動直後やエンジン１１の軽負荷運転時には、排ガス温度が１００〜１８０℃と低い。この温度範囲の排ガス温度を触媒温度センサ４３が検出し、回転センサ４４及び負荷センサ４６がエンジン１１の無負荷運転又は軽負荷運転を検出すると、コントローラ４７は、第１の実施の形態と同様に、第１改質器温度センサ５１、第２改質器温度センサ５２、改質器圧力検出手段４２、触媒温度センサ４３、回転センサ４４及び負荷センサ４６の各検出出力に基づいて、ヒータ３２をオンし、尿素水改質器１６内の温度が所定の温度（例えば、平均温度３００℃）になったことを第１及び第２改質器温度センサ５１，５２が検出したときに、ポンプ駆動モータを作動させて尿素水１３を尿素水改質器１６に供給する。その後のコントローラ４７による排ガス浄化装置の制御内容は第１の実施の形態と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。

一方、排ガス温度が１８０℃を越えると、コントローラ４７は、触媒温度センサ４３の検出出力に基づいて、ヒータ３２をオフにするとともに、第１流量調整弁８１を閉じかつ第２流量調整弁８２を間欠的に開くか又は所定の開度で開く。但し、コントローラ４７は、ポンプ駆動モータを所定の速度で作動させ、圧力調整弁４０を所定の開度で開く。これにより尿素水１３は尿素水噴射ノズル７１から排気管１８に噴射される。この噴射された尿素水１３は比較的高温の排ガスによりアンモニアガス１４に改質されるので、このアンモニアガス１４は選択還元型触媒１２上で排ガス中のＮＯｘをＮ₂に還元する還元剤として機能し、排ガス中のＮＯｘが効率良く低減される。

このように尿素水改質器１６に加水分解触媒やこの触媒の被膜を設けることなく、排ガス温度が比較的低いときに、尿素水１３を改質ケース３１内のヒータ３２で加熱することにより、尿素水１３を改質ケース３１内で熱分解し更に加水分解してアンモニアガスに改質できる。また排ガス温度が比較的高いときに、排気管１８に尿素水１３を直接噴射して、この噴射された尿素水１３を比較的高温の排ガスでアンモニアガス１４に改質できる。この結果、排ガス中のＮＯｘを低温領域から高温領域まで広い温度領域にわたって効率良く低減できる。

なお、上記第１及び第２の実施の形態では、本発明の排ガス浄化装置をディーゼルエンジンに適用したが、本発明の排ガス浄化装置をガソリンエンジンに適用してもよい。また、上記第１及び第２の実施の形態では、本発明の排ガス浄化装置をターボ過給機付ディーゼルエンジンに適用したが、本発明の排ガス浄化装置を自然吸気型ディーゼルエンジン又は自然吸気型ガソリンエンジンに適用してもよい。また、上記第１及び第２の実施の形態では、触媒温度センサを触媒ケースのうち選択還元型触媒より排ガス入口側に設けたが、選択還元型触媒に関係する温度を検出できれば、触媒温度センサを触媒ケースのうち選択還元型触媒より排ガス出口側に設けたり、或いは触媒温度センサを触媒ケースのうち選択還元型触媒より排ガス入口側及び排ガス出口側の双方に設けてもよい。また、上記第１及び第２の実施の形態では、改質器圧力検出手段により改質ケースの出口側の圧力（第２筒状凹部内の圧力）を検出したが、改質器圧力検出手段により改質ケースの入口側の圧力（第１筒状凹部内の圧力）を検出してもよい。

更に、上記第１及び第２の実施の形態では、改質ケースの入口孔を第１供給管に連通接続し、改質ケースの出口孔をアンモニアガス噴射ノズルに連通接続しており、完全に密閉されていない。しかし、ポンプにより尿素水が第１供給管を通って改質ケースに圧送されているため、尿素水が逆流することはなく、またアンモニアガス噴射ノズルの先端は極めて小さい細孔であるため、改質ケース内で改質されたアンモニアガスは徐々にアンモニアガス噴射ノズルから噴射される。このため、改質ケース内はほぼ密閉された状態に保たれており、本明細書では、このほぼ密閉された改質ケースも、密閉された改質ケースに含むものとする。

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。

＜実施例１＞
図１に示すように、排気量が８０００ｃｃである直列６気筒のターボ過給機付ディーゼルエンジン１１の排気管１８に選択還元型触媒１２を設けた。この選択還元型触媒１２は、鉄をイオン交換したゼオライト粉末を含むスラリーをハニカム担体にコーティングして作製した触媒であった。また尿素水１３をアンモニアガス１４に改質する尿素水改質器１６を用意した。この尿素水改質器１６は、図２〜図４に示すように、密閉した筒状の改質ケース３１と、改質ケース３１内に収容された円柱状のヒータ３２とを有した。そして改質ケース３１の内周面に長手方向及び円周方向にそれぞれ延びる第１溝３１ｄ及び第２溝３１ｅにて格子状溝３１ｆを形成することにより、改質ケース３１の内周面に長手方向及び円周方向にそれぞれ整列した複数の突起３１ｇを設けた。またヒータ３２は、円柱状のコイル保持部３２ａと、このコイル保持部３２ａの外周面に沿いかつコイル保持部３２ａの外周面に露出しないように螺旋状に埋設された電熱コイル３２ｂとにより構成した。更に改質ケース３１の両端面を第１及び第２蓋体３１ｈ，３１ｉによりそれぞれ閉止した。

一方、尿素水改質器１６を排気管１８の外周面にベース部材３３を介して取付けた。そしてアンモニアガス噴射ノズル１９を選択還元型触媒１２より排ガス上流側の排気管に臨むように設け、尿素水改質器１６の入口孔３１ｊを第１供給管４１を介してタンク３６に接続し、尿素水改質器１６の出口孔３１ｋをベース部材３３の挿通孔３３ａを介してアンモニアガス噴射ノズル１９に接続した。また第１供給管４１に、ポンプ駆動モータにより駆動されるポンプ３７と流量調整弁３９とを設け、戻り管３８に圧力調整弁４０を設けた。更に尿素水改質器１６の第１筒状凹部３１ｍ内に第１改質器温度センサ５１を設け、尿素水改質器１６の第２筒状凹部３１ｎ内に第２改質器温度センサ５２及び改質器圧力検出手段４２をそれぞれ設け、触媒ケース２８のうち選択還元型触媒１２より排ガス入口側に触媒温度センサ４３を設けた。この排ガス浄化装置を実施例１とした。

＜比較例１＞
尿素水改質器を用いずに、尿素水供給手段をアンモニアガス噴射ノズルに直接接続して、尿素水をアンモニアガス噴射ノズルから噴射するように構成したこと以外は実施例１と同一に構成した。この排ガス浄化装置を比較例１とした。

＜比較試験１及び評価＞
エンジンの回転速度及び負荷を変化させて、実施例１及び比較例１のエンジンの排気管から排出される排ガスの温度を１００℃から５５０℃まで徐々に上昇させたときのＮＯｘ低減率をそれぞれ測定した。その結果を図７に示す。なお、実施例１の排ガス浄化装置では、排ガス温度が１００〜５５０℃の全範囲で、尿素水供給手段を駆動してアンモニアガス噴射ノズルからアンモニアガスを排気管に噴射した。また、比較例１の排ガス浄化装置では、排ガス温度が１００〜５５０℃の全範囲で、尿素水供給手段を駆動してアンモニアガス噴射ノズルから尿素水を排気管に噴射した。

図７から明らかなように、比較例１の排ガス浄化装置では排ガス温度が１００〜１８０℃と比較的低いとき排ガス中のＮＯｘを殆ど浄化できなかったのに対し、実施例１の排ガス浄化装置では排ガス温度が１００〜１８０℃と比較的低いとき温度の上昇に伴って排ガス中のＮＯｘの浄化率が急激に上昇することが分かった。なお、排ガス温度が２００℃を越えると、比較例１の排ガス浄化装置によるＮＯｘの浄化率と、実施例１の排ガス浄化装置によるＮＯｘの浄化率とは略同一であることが分かった。

１１ ディーゼルエンジン（エンジン）
１２ 選択還元型触媒
１３ 尿素水
１４ アンモニアガス
１６ 尿素水改質器
１７，７７ 尿素水供給手段
１８ 排気管
１９ アンモニアガス噴射ノズル
３１ 改質ケース
３１ｄ 第１溝
３１ｅ 第２溝
３１ｆ 格子状溝
３１ｇ 突起
３２ ヒータ
３３ ベース部材
３３ａ 挿通孔
３７ ポンプ
４０ 圧力調整弁
４１ 第１供給管
４２ 改質器圧力検出手段
４３ 触媒温度センサ
４７ コントローラ
５１ 第１改質器温度センサ
５２ 第２改質器温度センサ
７１ 尿素水噴射ノズル
７２ 第２供給管
８１ 第１流量調整弁
８２ 第２流量調整弁

Claims (3)

1. エンジン(11)の排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、
   前記エンジン(11)の排気管(18)に設けられ排ガス中のＮＯｘをＮ₂に還元可能な選択還元型触媒(12)と、
   密閉された改質ケース(31)内で尿素水(13)をヒータ(32)にて加熱することにより前記尿素水(13)を熱分解し更に加水分解してアンモニアガス(14)に改質する尿素水改質器(16)と、
   前記尿素水改質器(16)に前記尿素水(13)を供給する尿素水供給手段(17,77)と、
   前記選択還元型触媒(12)より排ガス上流側の排気管(18)に臨み前記尿素水改質器(16)で改質されたアンモニアガス(14)を噴射可能なアンモニアガス噴射ノズル(19)と、
   前記尿素水改質器(16)内の温度を検出する改質器温度センサ(51,52)と、
   前記尿素水改質器(16)内の圧力を検出する改質器圧力検出手段(42)と、
   前記選択還元型触媒(12)に関係する前記排ガス温度を検出する触媒温度センサ(43)と、
   前記改質器温度センサ(51,52)、前記改質器圧力検出手段(42)及び前記触媒温度センサ(43)の各検出出力に基づいて前記ヒータ(32)及び前記尿素水供給手段(17,77)を制御するコントローラ(47)と
   を備え、
   前記コントローラ(47)は、前記改質器温度センサ(51,52)、前記改質器圧力検出手段(42)及び前記触媒温度センサ(43)の各検出出力に基づいて、前記ヒータ(32)をオンし前記尿素水改質器(16)内の温度を上昇させて、前記尿素水供給手段(17)により前記尿素水(13)を前記尿素水改質器(16)に供給し、前記尿素水(13)の流量及び前記尿素水改質器(16)の出口圧力を前記ヒータ(32)及び前記尿素水供給手段(17)にて制御することにより、前記尿素水改質器(16)に供給された前記尿素水(13)を熱分解してアンモニアとイソシアン酸を生成し、前記尿素水改質器(16)内の水蒸気分圧を増大させて水蒸気によるイソシアン酸の加水分解を促進させるように構成され、
   前記尿素水改質器(16)が、内周面に長手方向及び円周方向にそれぞれ延びる第１溝(31d)及び第２溝(31e)にて格子状溝(31f)を形成することにより内周面に長手方向及び円周方向にそれぞれ整列した複数の突起(31g)が設けられかつ両端が閉止された筒状の前記改質ケース(31)と、この改質ケース(31)の中央に長手方向に延びて収容された前記ヒータ(32)とを有し、前記尿素水(13)が前記格子状溝(31f)への流通時に前記ヒータ(32)による加熱で熱分解し更に加水分解してアンモニアガス(14)に改質されるように構成されたことを特徴とする排ガス浄化装置。
2. 前記尿素水改質器(16)が前記排気管(18)の外周面にベース部材(33)を介して取付けられ、前記尿素水改質器(16)により改質されたアンモニアガス(14)が前記ベース部材(33)に形成された挿通孔(33a)を通って前記アンモニアガス噴射ノズル(19)から前記排気管(18)に噴射されるように構成された請求項１記載の排ガス浄化装置。
3. 前記選択還元型触媒(12)より排ガス上流側の排気管(18)に設けられ前記尿素水供給手段(77)により供給された尿素水(13)を前記尿素水改質器(16)を介さずに前記排気管(18)に直接噴射する尿素水噴射ノズル(71)を更に備え、
   前記尿素水供給手段(77)が、前記尿素水(13)を前記尿素水改質器(16)又は前記尿素水噴射ノズル(71)に圧送するポンプ(37)と、前記ポンプ(37)から圧送される尿素水(13)の圧力を調整する圧力調整弁(40)と、前記ポンプ(37)と前記尿素水改質器(16)とを接続する第１供給管(41)を通る尿素水(13)の流量を調整する第１流量調整弁(81)と、前記ポンプ(37)と前記尿素水噴射ノズル(71)とを接続する第２供給管(72)を通る尿素水(13)の流量を調整する第２流量調整弁(82)とを有し、
   前記コントローラ(47)が前記改質器温度センサ(51,52)、前記改質器圧力検出手段(42)及び前記触媒温度センサ(43)の各検出出力に基づいて前記圧力調整弁(40)、前記第１流量調整弁(81)、前記第２流量調整弁(82)及び前記ヒータ(32)をそれぞれ制御するように構成された請求項１又は２記載の排ガス浄化装置。

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