JP6051674B2 - 排ガスの後処理装置と、それを搭載する内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を選択的に還元して、浄化する排ガスの後処理装置とそれを搭載する内燃機関に関する。

従来、エンジン（内燃機関）の排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するため、尿素ＳＣＲ（選択的触媒還元）システムが使用されている。このシステムは、排ガス中に尿素水を噴射し、尿素水が加水分解して発生するアンモニアを還元剤として使用している。その尿素水はドージングバルブ（噴射弁）で排気通路内に噴射されるが、そのままでは攪拌されず、加水分解が進まない。

十分に尿素水を攪拌することができない、つまり尿素水を微粒子化することができない場合は、尿素ＳＣＲ触媒に供給されるアンモニアの濃度にむらが生じ易く、また、アンモニアを生成する加水分解反応が低下し、ＮＯｘの浄化効率が低下するおそれがあった。

そこで、尿素水を排ガス中に均一に分散させるために、尿素水の噴霧中に空気を混ぜ、噴霧を微粒子化していたが、この装置では、空気を混ぜるためのエアコンプレッサやエアタンクが必要になり、システムが大掛かりになると共に、コストも高いという問題があった。

この問題に対して、エアコンプレッサやエアタンクの代わりに、ミキサー（混合器、スワラーともいう）を使用した装置がある（例えば、特許文献１参照）。ミキサーを使用すると、尿素水を排ガス中に攪拌することができるが、排ガスの通気抵抗が増加するため、燃費の悪化の原因となってしまう。

そこで、ディーゼルエンジンなどのエンジン（内燃機関）において、マイクロバブルやナノバブルといった微細な気泡を還元剤又はその前駆体に混入する装置がある（例えば、特許文献２参照）。直径が５０μｍ以下のマイクロバブルや、直径が１μｍ以下のナノバブルは、通常の気泡とは異なった性質が現れる。例えば１０μｍの気泡は水中で１分間に３ｍｍ程度しか上昇しない等、液体中の上昇速度が極めて遅いことから、液体中で長時間滞在する特性を有している。また、気泡の大きさに反比例して界面張力による加圧が大きくなるため一層小さくなりやすく、また、負に帯電し互いに反発して大径化しにくいという特性も有している。

特許文献２に記載の装置は、そのマイクロバブルやナノバブルといった微細な気泡を還元剤又は前駆体に混入することにより、還元剤又は前駆体に混入した微細気泡が、噴射時に破裂することにより、噴射還元剤の微細化を促進している。

ここで、特許文献２に記載の装置を図３に示す。排ガスの後処理装置１Ｘの尿素ＳＣＲシステム４Ｘは、マイクロバブル発生装置１０Ｘを尿素水の貯蔵タンク７に設置する。この構成によれば、マイクロバブルが貯蔵タンク７内の尿素水中に分布するので、ドージングバルブ６から尿素水が噴射された際に、マイクロバブルが弾け尿素水が微粒子化し、均一に分布する。そのため、ミキサーが不要となり、排ガスの通気抵抗が増加しないため、燃費の悪化を抑制することができる。

しかしながら、この後処理装置１Ｘは、尿素水を貯蔵している貯蔵タンク７内の尿素水にマイクロバブルを混入するため、貯蔵タンク７に新規に尿素水を追加した後に、あるい
はエンジンが停止してからある程度時間が経過し、貯蔵タンク７内のマイクロバブルが減少した後に、エンジンが始動し、マイクロバブル発生装置１０Ｘを始動した場合には、ドージングバルブ６に供給される尿素水中にマイクロバブルを十分に混入できないという問題があった。この問題は特許文献２の図４のグラフからも明らかである。

特開２００７−０７７９５７号公報 特開２０１０−０７７９０２号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、還元剤又はその前駆体に微細気泡を混入して微粒子化すると共に、内燃機関の始動時から、十分な量の微細気泡を還元剤又はその前駆体に混入することができる排ガスの後処理装置と、それを備える内燃機関を提供することである。

上記の目的を解決するための本発明の排ガスの後処理装置は、排気通路に設けられた触媒装置と、前記触媒装置の上流側で排ガスに還元剤又は前記還元剤の前駆体を供給する噴射弁と、前記噴射弁の上流側に設けられ、微細気泡を前記還元剤又は前記前駆体に混入する微細気泡発生装置を備える排ガスの後処理装置において、前記微細気泡発生装置で微細気泡が混入された前記還元剤又は前記前駆体を、前記還元剤又は前記前駆体を貯蔵する貯蔵タンクから前記噴射弁に至る供給配管に供給し、内燃機関の始動時に、微細気泡が混入された前記還元剤又は前記前駆体を前記噴射弁から噴射するように構成される。

この構成によれば、内燃機関の始動時、つまり微細気泡発生装置の始動時にも、貯蔵タンクから噴射弁に至る供給配管に、微細気泡が混入された還元剤又はその前駆体を供給することができる。これにより、内燃機関の始動直後から還元剤又はその前駆体に微細気泡を混入し、還元剤又はその前駆体を微粒子化することができる。

例えば、前駆体として尿素水を用いて、還元剤としてアンモニアを用いてＮＯｘを還元する場合には、尿素水に微細気泡を混入することで、尿素水を噴射する際に、圧力の変化や温度の変化によって微細気泡が急激に破裂し、尿素水を微粒子化する。これにより、尿素水が均一に排ガス中に分散するので、触媒装置に到達する前に、排ガスの温度により加水分解し均一なアンモニアとなる。そのため、触媒装置上のあらゆるところでＮＯｘを分解し、ＮＯｘの浄化率を向上することができる。

しかし、従来の構成では、貯蔵タンク内の還元剤又はその前駆体に微細気泡を混入する構成のため、貯蔵タンクに新規に還元剤又はその前駆体を貯蔵した場合や、あるいは内燃機関が停止し、貯蔵タンク内の微細気泡が減少した場合に、内燃機関が始動し、合せて微細気泡発生装置も始動した時には、十分に微細気泡が混入された還元剤又はその前駆体を噴射弁に供給することができなかった。対して、本発明では、内燃機関の始動時から、十分に微細気泡が混入された還元剤又はその前駆体を噴射弁に供給することができる。

なお、ここでいう排ガスの後処理装置は、触媒装置としてバナジウム系触媒やゼオライト系触媒を、そして還元剤として尿素水を用いる尿素ＳＣＲ（選択的触媒還元）システムや、触媒装置として白金（Ｐｔ）担持触媒を、そして還元剤としてアルケンなどの炭化水素やエタノールなどを用いるもののことをいう。

また、微細気泡とは、直径がミクロン単位以下（１ｍｍ未満）の微細な気泡のことであり、直径がミクロン単位、詳しくは直径が５０μｍ以下の微細な気泡であるマイクロバブルや、直径がナノ単位、詳しくは直径が１μｍ以下の微細な気泡であるナノバブルなどのことをいう。

その微細気泡を発生させる微細気泡発生装置とは、還元剤又はその前駆体に微細気泡を混入できる装置のことをいい、還元剤又はその前駆体に超音波振動を印加して還元剤又はその前駆体に内に微細気泡を発生させる超音波発信器を備えた装置や、気体（空気や排ガスなど）と液体（還元剤又はその前駆体）が共存する状態を乱流にして、気体をせん断するように気泡として分離するエジェクタ式（気液せん断法）の装置を使用することが好ましい。

加えて、上記の排ガスの後処理装置において、前記供給配管の途中に前記微細気泡発生装置を配置すると共に、前記微細気泡発生装置に、前記微細気泡発生装置の上流側の前記供給配管から前記還元剤又は前記前駆体を吸入する吸入管と、前記微細気泡発生装置の下流側の前記供給配管へ微細気泡が混入された前記還元剤又は前記前駆体を供給する排出管を備えると、供給配管を介して噴射弁に供給される還元剤又はその前駆体が必ず微細気泡発生装置を通過するので、その際に微細気泡を混入することができる。これにより、内燃機関の始動時でも微細気泡が混入された還元剤又はその前駆体を供給配管に供給し、噴射弁から噴射することができる。

一方、上記の排ガスの後処理装置において、前記貯蔵タンクの上流側に前記微細気泡発生装置を配置すると共に、前記微細気泡発生装置に、前記貯蔵タンクから前記還元剤又は前記前駆体を吸入する吸入管と、前記供給配管と前記貯蔵タンクの両方へ微細気泡が混入された前記還元剤又は前記前駆体を供給するように、前記供給配管と前記貯蔵タンクのそれぞれに接続される排出管を備えると、内燃機関の始動時に、微細気泡が混入された還元剤又はその前駆体を供給配管に供給すると共に、微細気泡が混入された還元剤又はその前駆体を貯蔵タンクにも供給することができる。これにより、貯蔵タンク内で微細気泡を均一化することができる。

さらに、上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、上記の排ガスの後処理装置を備えて構成される。この構成によれば、還元剤又はその前駆体を新規に貯蔵タンクに追加した後の、内燃機関の始動時でも、微細気泡が十分に混入された還元剤又はその前駆体を噴射弁に供給することができ、ＮＯｘの浄化率を向上することができる。

本発明によれば、還元剤又はその前駆体に微細気泡を混入して微粒子化すると共に、内燃機関の始動時から、十分な量の微細気泡を還元剤又はその前駆体に混入することができる。

本発明に係る第１の実施の形態の排ガスの後処理装置を示す概略図である。 本発明に係る第２の実施の形態の排ガスの後処理装置を示す概略図である。 従来の排ガスの後処理装置を示す概略図である。

以下、本発明に係る実施の形態の排ガスの後処理装置と、それを備える内燃機関について、図面を参照しながら説明する。なお、内燃機関として、トラックのような車両に搭載されるディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はこれに限定しない。例えば、ガソリンエンジンや、燃料油（重油、灯油、軽油、又は廃油等）に水と界面活性剤を添加し、
機械的に攪拌してオイル中に水を分散させた燃料を用いるものに適用することができる。

また、排ガスの後処理装置の一つとして、還元剤にアンモニア（ＮＨ_３）を用いてＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する尿素ＳＣＲ（選択的触媒還元）システムを搭載した構成を例に説明するが、本発明はこれに限定せず、還元剤にアルケンなどの炭化水素やエタノールを用いたシステムにも適用することができる。

図１及び図２に示す本発明に係る実施の形態の後処理装置１及び２０は、例えば、大排気量のディーゼルエンジンの排ガスの後処理装置であって、排気通路２にＤＰＦ（ディーゼル微粒子捕集フィルタ）３と尿素ＳＣＲ（選択的触媒還元）システム４及び２１とを備え、尿素ＳＣＲシステム４及び２１に尿素ＳＣＲ触媒（触媒装置）５、ドージングバルブ（噴射弁）６、貯蔵タンク７、ポンプ８、及び貯蔵タンク７からドージングバルブ６に至る供給配管９を備える。

この後処理装置１及び２０は、尿素ＳＣＲシステム４及び２１にそれぞれ、マイクロバブル発生装置１０及び２２を備えることにより、貯蔵タンク７から尿素水（前駆体）をポンプ８が吸い上げて、所定の圧力でドージングバルブ６に供給し、マイクロバブルを混入された尿素水をドージングバルブ６から噴射する。

このマイクロバブル発生装置１０及び２２は、周知の技術のマイクロバブル発生装置であればよいが、図１に示すような、エアクリーナー１３から取り込んだ空気（気体）と尿素水（液体）が共存する状態を乱流にして、気体をせん断するようにマイクロバブルとして分離するエジェクタ式（気液せん断法）のマイクロバブル発生装置１０や、図２に示すような、尿素水に超音波振動を印加して、尿素水内にマイクロバブルを形成するマイクロバブル発生装置２２が好ましい。

また、このマイクロバブル発生装置１０及び２２は、直径がミクロン単位の微細な気泡、詳しくは、直径が５０μｍ以下のマイクロバブルを燃料に混入するが、マイクロバブルよりも直径が小さく、直径が１μｍ以下のナノバブルを燃料に混入してもよい。

さらに、本発明に係る第１の実施の形態の排ガスの後処理装置１では、図１に示すように、マイクロバブル発生装置１０でマイクロバブルが混入された尿素水を、貯蔵タンク７からドージングバルブ６に至る供給配管９に供給し、エンジンの始動時に、マイクロバブルが混入された尿素水をドージングバルブ６から噴射するように構成する。

また、マイクロバブル発生装置１０を尿素水の供給配管９の途中に配置すると共に、マイクロバブル発生装置１０に、マイクロバブル発生装置１０の上流側の供給配管９ａから尿素水を吸入する吸入管１１と、マイクロバブル発生装置１０の下流側の供給配管９ｂへマイクロバブルが混入された尿素水を供給する排出管１２を備えて構成される。

この実施の形態では、吸入管１１と供給配管９ａとを接続し、また、排出管１２と供給配管９ｂとを接続したが、例えば、吸入管１１と供給配管９ａとを一体に形成し、また、排出管１２と供給配管９ｂとを一体に形成してもよい。

この他、この後処理装置１は、ドージングバルブ６、ポンプ８、及びマイクロバブル発生装置１０を制御するＤＣＵ（ドージングコントロールユニット）１４を備え、そのＤＣＵ１４は、差圧センサＳ１、排気温センサＳ２、排ガスセンサＳ３、温度センサＳ４、レベルセンサＳ５、及びＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１５からの入力信号が接続される。ＥＣＵ１５からは、外気温、エンジンパラメータ（エンジン回転数など）の信号が入力される。なお、ＤＣＵ１４と各部材との信号の入出力に関しては、個別の信号線
を介した入出力、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を介した入出力のどちらであってもよい。

ここで、図１の白抜き矢印は、外部からマイクロバブル発生装置１０に供給される空気を示し、塗り潰し矢印はマイクロバブルが混入された尿素水を示し、点線矢印は、マイクロバブルが混入されていない尿素水を示す。

第１の実施の形態の排ガスの後処理装置１の作用について説明する。エンジンが始動して、排気通路２に排ガスが排出されると、ＥＣＵ１５や各センサＳ１〜Ｓ５の入力信号からＤＣＵ１４がポンプ８を駆動し、貯蔵タンク７から尿素水が吸引され、供給配管９を介してドージングバルブ６に供給される。そして、ＤＣＵ１４がドージングバルブ６の図示しないアクチュエータを操作して、尿素水の噴射量をＥＣＵ１５や各センサＳ１〜Ｓ５の入力信号に応じて制御する。

このとき、ＤＣＵ１４は、マイクロバブル発生装置１０も駆動する。尿素水は、マイクロバブル発生装置１０の上流側の供給配管９ａから吸入管１１を介してマイクロバブル発生装置１０に移送され、マイクロバブル発生装置１０でエアクリーナー１３から取り込まれた空気をせん断するように分離して形成したマイクロバブルが混入される。そして、マイクロバブルが混入された尿素水は、排出管１２を介してマイクロバブル発生装置１０の下流側の供給配管９ｂに供給される。

尿素水を微粒子化して噴射すると、排ガスの温度により尿素水が以下の化学式（１）に示すように、加水分解してアンモニアが生成される。

本発明によれば、マイクロバブルはドージングバルブ６で噴射される際に、圧力の変化や温度の変化によって急激に破裂し、尿素水を微粒子化する。これにより、尿素水が均一に排ガス中に分散するので、尿素ＳＣＲ触媒５に到達する前に、排ガスの温度により加水分解し均一なアンモニアとなる。そのため、従来のミキサー（混合器）を用いずとも、尿素水が均一に排ガス中に分散するので、尿素ＳＣＲ触媒５に到達する前に、排ガスの温度により加水分解し、均一なアンモニアとなる。

そのアンモニアを還元剤として、以下の化学式（２）及び（３）のＮＯｘの浄化反応（還元反応）が起る。

このように、尿素ＳＣＲシステム４では、前駆体である尿素水から加水分解によって生
じるアンモニアを還元剤として、ＮＯｘを浄化する。

この実施の形態によれば、尿素水にマイクロバブルを混入し、尿素水の微粒子化を促進する。これにより、尿素水が均一に排ガス中に分散し、均一なアンモニアとなるため、尿素ＳＣＲ触媒５上のあらゆるところでＮＯｘを分解することができる。よって、ＮＯｘの浄化率を向上することができる。

また、マイクロバブル発生装置１０を供給配管９の途中に配置し、ドージングバルブ６に供給される尿素水が必ずマイクロバブル発生装置１０を通過するように構成することで、貯蔵タンク７に新規に尿素水を貯蔵した場合などの貯蔵タンク７内の尿素水にマイクロバブルが混入されていない場合でも、マイクロバブル発生装置１０の始動時からマイクロバブルが混入された尿素水をドージングバルブ６に供給することができる。これにより、エンジンの始動時にも尿素水の加水分解を促進して、ＮＯｘの浄化反応を向上することができる。

次に、本発明に係る第２の実施の形態の排ガスの後処理装置２０について、図２を参照しながら説明する。この排ガスの後処理装置２０は、図３の従来の構成のマイクロバブル発生装置１０Ｘに替えて、図２に示すように、尿素ＳＣＲシステム２１に、貯蔵タンク７から吸入管２３を介して吸入した尿素水に超音波振動を印加して、尿素水内にマイクロバブルを形成するマイクロバブル発生装置２２を備える。

また、供給配管９と貯蔵タンク７の両方へマイクロバブルが混入された尿素水を供給するように、貯蔵タンク７の上流側にそのマイクロバブル発生装置２２を配置すると共に、マイクロバブル発生装置２２に供給配管９と貯蔵タンク７のそれぞれに接続される排出管２４を備えて構成される。

詳しくは、マイクロバブル発生装置２２によりマイクロバブルが混入された尿素水を、二股状の分岐路で形成された排出管２４の一方の第１分岐路２４ａで貯蔵タンク７へ、他方の第２分岐路２４ｂで貯蔵タンク７の下流側へそれぞれ供給するように構成される。

この構成によれば、前述の作用効果に加えて、マイクロバブル発生装置２２を貯蔵タンク７の上流側に配置しても、直接供給配管９にもマイクロバブルが混入された尿素水を供給することができる。これにより、マイクロバブル発生装置２２の始動時から尿素水の微粒子化を図ると共に、マイクロバブルが混入された尿素水を貯蔵タンク７に送るので、貯蔵タンク７内でマイクロバブルを均一化することもできる。

なお、上記の構成に加えて、分岐路で形成した排出管２４の分岐部分にオリフィスを設けると、マイクロバブルが混入された尿素水の貯蔵タンク７の下流側に供給される量と、貯蔵タンク７に供給される量をコントロールし、貯蔵タンク７内にマイクロバブルが均一化されるまで、マイクロバブルが混入された尿素水を供給配管９に供給することができる。また、逆止弁を備えて、尿素水の逆流を抑制してもよい。

加えて、この実施の形態では、排出管２４を分岐路で形成したが、マイクロバブルが混入された尿素水を貯蔵タンク７の下流側に供給することができればよく、例えば、分岐路で形成せず、貯蔵タンク７の下流側で、且つポンプ８の上流側の供給配管９に直接接続するように構成してもよい。

従来の構成では、図３に示すように、貯蔵タンク７内の尿素水にマイクロバブルを混入する構成のため、貯蔵タンク７に新規に尿素水を貯蔵した場合や、あるいはエンジンが停止し、貯蔵タンク７内のマイクロバブルが減少した場合に、エンジンが始動し、合せてマ
イクロバブル発生装置１０Ｘが始動しても、十分にマイクロバブルが混入された尿素水をドージングバルブ６に供給することができない。

これに対して、図１及び図２に示す本発明の装置では、貯蔵タンク７内の尿素水にマイクロバブルを混入する構成ではなく、マイクロバブルが混入された尿素水を供給配管９に供給する構成のため、エンジンの始動直後、すなわちマイクロバブル発生装置１０及び２２の始動直後でも、十分にマイクロバブルが混入された尿素水により、加水分解を促進することができる。

上記の第１及び第２の実施の形態の後処理装置１又は２０を搭載したエンジン（内燃機関）は、尿素水を新規に貯蔵タンク７に追加した後の、エンジンの始動時でも、十分な量のマイクロバブルを尿素水に混入することができる。これにより、エンジンの始動時から尿素水を微粒子化して、加水分解を促進し、ＮＯｘの浄化反応を向上することができる。

本発明の排ガスの後処理装置は、還元剤又はその前駆体に微細気泡を混入して微粒子化すると共に、内燃機関の始動時から、十分な量の微細気泡を還元剤又はその前駆体に混入することができるので、特にディーゼルエンジンを搭載するトラックなどの車両に利用することができる。

１、２０ 後処理装置
２ 排気通路
３ ＤＰＦ（ディーゼル微粒子捕集フィルタ）
４、２１ 尿素ＳＣＲ（選択的触媒還元）システム
５ 尿素ＳＣＲ触媒（触媒装置）
６ ドージングバルブ（噴射弁）
７ 貯蔵タンク
８ ポンプ
９ 供給配管
１０ マイクロバブル発生装置（微細気泡発生装置）
１１ 吸入管
１２ 排出管
１３ エアクリーナー
１４ ＤＣＵ（ドージングコントロールユニット；制御装置）
１５ ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット；制御装置）
２２ マイクロバブル発生装置（微細気泡発生装置）
２３ 吸入管
２４ 排出管
２４ａ 第１分岐路
２４ｂ 第２分岐路

Claims (2)

1. 排気通路に設けられた触媒装置と、前記触媒装置の上流側で排ガスに還元剤又は前記還元剤の前駆体を供給する噴射弁と、前記還元剤又は前記前駆体を貯蔵する貯蔵タンクと、微細気泡を前記還元剤又は前記前駆体に混入する微細気泡発生装置と、を備える排ガスの後処理装置において、
   前記微細気泡発生装置が、前記貯蔵タンクに接続された吸入管と、前記噴射弁及び前記貯蔵タンクの両方に直接的に又は間接的に接続された排出管と、を有しており、
   前記微細気泡発生装置により、前記吸入管を介して吸入した前記還元剤又は前記前駆体に微細気泡を混入し、前記排出管を介して微細気泡が混入された前記還元剤又は前記前駆体を前記噴射弁と前記貯蔵タンクとのそれぞれに供給する構成にしたことを特徴とする排ガスの後処理装置。
2. 請求項１に記載の排ガスの後処理装置を備えることを特徴とする内燃機関。