JP6655414B2

JP6655414B2 - 排気浄化システム

Info

Publication number: JP6655414B2
Application number: JP2016026154A
Authority: JP
Inventors: 卓哉布施; 清三藤川; 圭太荒川; 慎子桑原
Original assignee: Hokkaido University NUC; Denso Corp
Current assignee: Hokkaido University NUC; Denso Corp
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: JP2017145709A; DE112017000846T5; WO2017141591A1

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムに関する。

従来より、内燃機関から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する排気浄化システムとして、尿素を用いた選択的還元触媒（すなわち、ＳＣＲ触媒）を有する排気後処理装置（すなわち、尿素ＳＣＲシステム）が知られている。

排気浄化システムは、内燃機関の排気流路に配置されたＳＣＲ触媒の排気流れ上流側に噴射弁が設けられており、タンクから供給される尿素水溶液が噴射弁から噴射されるように構成されている。

寒冷地での使用を考慮して、尿素水溶液は凝固点が最も低い−１１℃となる尿素濃度３２．５％に調製される場合が多い。尿素濃度を３２．５％よりも高くした場合には、尿素水溶液の凝固点が高くなり、不凍性能が低下する。このため、尿素水溶液中の尿素濃度を高くすることが難しく、タンク容量の増大および尿素リフィル回数の増大を招いていた。また、尿素水溶液中の尿素濃度が低いと水分量が多くなり、噴射弁から排気流路に噴射された際に蒸発潜熱の増大を招いていた。

さらに、尿素水溶液の凍結を確実に抑制するため、ヒータを設ける場合もある。この場合、ヒータの電力消費による燃費低下が問題となる。この電力消費は、尿素水溶液の凝固点が高いほど大きくなる。

これに対し、特許文献１には、尿素水溶液にアルコール系有機溶剤を混合することで、尿素水溶液の凝固点を低下させることが記載されている。

特開２００９−３５６４４号公報

しかしながら、尿素水溶液にアルコール系有機溶剤を混合して凝固点を低下させる場合には、多量のアルコール系有機溶剤を混合する必要があり、タンク容量の増大を招く。さらに、アルコール系有機溶剤が排気流路に噴射されると、炭化水素の発生および蒸発潜熱の増大を招いてしまう。

本発明は上記点に鑑み、還元用溶液に含まれる還元剤によって排気中の窒素酸化物を低減する排気浄化システムにおいて、還元剤濃度の向上あるいは還元用溶液の凝固点の低下を可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、窒素および酸素の存在下における燃料酸化に基づいてエネルギ変換し、窒素酸化物を含んだ排気を排出するエネルギ変換部（１００）と、排気に含まれる窒素酸化物を還元する還元用溶液を貯留する貯留部（４）と、排気が流通する排気流路（１１）に設けられるとともに、窒素酸化物の還元反応を促進する触媒（２２）と、貯留部から供給される還元用溶液を触媒に供給する供給部（３）とを備え、還元用溶液は、排気に含まれる窒素酸化物を還元する還元剤と、界面活性剤と、還元剤および界面活性剤を溶解可能な溶媒とを含んでおり、還元用溶液中における界面活性剤の含有量は、還元剤の含有量および溶媒の含有量のいずれよりも少ないことを特徴としている。

これにより、還元用溶液に界面活性剤を含有させることで、凝固点を低下させることができる。このため、還元用溶液の凝固点が同一であれば、還元用溶液に界面活性剤を含有させない場合に比較して、還元剤濃度を高くすることができる。この結果、還元用溶液における還元剤の含有量を増大させることができ、貯留部の容量を小さくすることができる。また、還元用溶液の消費量を少なくすることできるので、貯留部への還元剤の補充回数を低減することができる。また、還元用溶液中の溶媒量を少なくすることできるので、還元用溶液が供給部から触媒に供給された際における溶媒の蒸発潜熱を低減することができる。

また、還元用溶液中の還元剤濃度が同一であれば、凝固点を低下させることができる。これにより、還元用溶液の凍結を抑制でき、凍結防止用のヒータが設けられている場合には、ヒータの消費電力を低減することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の実施形態に係る尿素ＳＣＲシステムの全体概略構成図である。尿素水溶液中の尿素濃度を変化させた場合の凝固点を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態では、本発明の排気浄化システムを、車両の内燃機関の尿素ＳＣＲシステムに適用した例について説明する。

図１に示すように、車両の内燃機関１００には、エンジンから排出される排気が流通する排気流路１１が接続されている。内燃機関１００は、空気中、すなわち窒素および酸素の存在下における燃料酸化に基づいて、燃料のエネルギを他の形態のエネルギである動力に変換するエネルギ変換部である。内燃機関１００は、エネルギ変換を行う際に、窒素酸化物を含む排気を生成する。本実施形態では、内燃機関１００として、ディーゼルエンジンが採用されている。

内燃機関１００から排出される排気は、排気流路１１に設置した排気後処理装置１を通過した後、車外に放出される。排気後処理装置１は、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための触媒として、排気流れ上流側から順に第１酸化触媒２１、選択的還元触媒（ＳＣＲ触媒）２２、第２酸化触媒２３を有している。

第１酸化触媒２１は、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に転換してＮＯｘ中のＮＯ₂比率を高め、後述するＮＯｘ還元反応を容易にする。同時に、第１酸化触媒２１は、排気中の炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を酸化する機能も果たしている。

ＳＣＲ触媒２２は、還元剤の作用でＮＯｘを選択的に還元浄化する。すなわち、ＳＣＲ触媒２２は、ＮＯｘの還元反応を促進する触媒である。第１酸化触媒２１とＳＣＲ触媒２２との間には、ＳＣＲ触媒２２に還元剤を供給する供給部としての噴射弁３が設けられている。本実施形態では、還元剤としてアンモニアの前駆体である尿素を使用し、取り扱いの容易な尿素水溶液の状態で、噴射弁３から排気流路１１内に噴射供給する。

本実施形態の尿素水溶液は、還元剤である尿素と、尿素を溶解可能な溶媒である水とを有する混合溶液であり、本発明の還元用溶液に相当している。なお、尿素水溶液の組成の詳細については後述する。

第２酸化触媒２３は、尿素から生成されるアンモニアがＮＯｘと反応せずに放出されるのを抑制するためのもので、ＳＣＲ触媒２２を通過したアンモニアを酸化、分解して無害化する。本実施形態では、ＳＣＲ触媒２２と第２酸化触媒２３とを一体的に設けている。

噴射弁３に供給される尿素水溶液は、貯留部としてのタンク４に貯蔵されている。タンク４は、所定容量の密封容器である。

タンク４の内部には、タンク４に貯留された尿素水溶液を吸い出すポンプ４１が設けられている。タンク４には、ポンプ４１と噴射弁３とを接続する尿素水溶液供給路３１が接続されている。尿素水溶液供給路３１には、尿素水溶液に混ざった異物を取り除くためのフィルタ４２が設けられている。

ポンプ４１を駆動することで、タンク４内に貯留されている尿素水溶液が吸い出され、フィルタ４２を経由して、噴射弁３へ圧送される。このポンプ４１は、後述する制御装置５から出力される制御信号によって回転数（尿素水溶液供給量）が制御される電動式のポンプである。

噴射弁３への供給に伴い、タンク４に貯留されている尿素水溶液が減少した場合には、必要に応じてタンク４内に尿素水溶液を補充すればよい。

噴射弁３は、例えば、公知のエアアシスト式の噴射弁構造とすることができる。エアアシスト式では、噴射弁３に尿素水溶液供給路３１を接続するとともに、エアコンプレッサを設けた図示しないエア供給路を接続し、アクチュエータにてノズル部３ａを開閉して排気流路１１内にアシスト用のエアとともに尿素水溶液を噴射する。

噴射弁３は、図示するように、排気流路１１の壁部に対して傾斜して取り付けられている。このとき、排気流路１１内に突出するノズル部３ａの噴射方向が、排気流れと平行な方向となり、尿素水溶液が、ＳＣＲ触媒２２の入口側端面の全面に均等に供給される。

尿素水溶液供給路３１には、供給圧力を調整するため開閉弁を備えるプレッシャレギュレータ６が設けられている。プレッシャレギュレータ６は、設定圧を超えると開閉弁が開放されて、タンク４上部に接続されたリターン路６１から余剰の尿素水溶液がタンク４に戻るように構成されている。

タンク４の内部には、タンク４内の尿素水溶液を加熱するタンク内ヒータ４３が設けられている。また、尿素水溶液供給路３１には、尿素水溶液供給路３１を流通する尿素水溶液を加熱する供給路ヒータ３３が設けられている。以下、「タンク内ヒータ４３および供給路ヒータ３３」をまとめて「ヒータ３３、４３」ともいう。

本実施形態では、ヒータ３３、４３として、電気が供給されることにより尿素水溶液を加熱する電気ヒータが採用されている。ヒータ３３、４３は、後述する制御装置５から出力される制御信号によって作動（発熱量）が制御され、尿素水溶液の凍結を防止する。

制御装置５は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。そして、このＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行って、出力側に接続された各種機器の作動を制御する。

制御装置５の出力側には、上述した噴射弁３、ポンプ４１およびヒータ３３、４３等が接続されている。

制御装置５の入力側には、尿素水溶液供給路３１を流通する尿素水溶液の圧力を検出する圧力センサ５１、尿素水溶液供給路３１を流通する尿素水溶液の温度を検出する温度センサ５２、内燃機関１００から流出した冷却水の冷却水温度を検出する水温センサ５３、外気温を検出する外気温センサ５４等のセンサ群が接続されている。

図１において、噴射弁３から排気流路１１内に本実施形態の尿素水溶液が噴射されると、以下の反応式に示すように、噴射された尿素水溶液中の尿素は、排気熱により熱分解されてアンモニア（ＮＨ₃）が発生する。

（ＮＨ₂）₂ＣＯ→ＮＨ₃＋ＣＨＮＯ
このとき、同時に生成するシアン酸（ＣＨＮＯ）は、以下の反応式に示すように、さらに加水分解され、アンモニアと二酸化炭素が発生する。

ＣＨＮＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＮＨ₃＋ＣＯ₂
発生したアンモニアは、以下の反応式に示すように、ＳＣＲ触媒２２上でＮＯｘの還元剤として作用し、ＮＯｘの還元反応を促進する。

ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ
一方、ＮＯｘの還元に寄与せずにＳＣＲ触媒２２を通過したアンモニアは、以下の反応式に示すように、第２酸化触媒２３により浄化される。

４ＮＨ₃＋３Ｏ₂→２Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
次に、本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステムで用いられる尿素水溶液について説明する。尿素水溶液は、排気に含まれる窒素酸化物を還元する還元剤である尿素と、界面活性剤と、尿素および界面活性剤を溶解可能な溶媒である水とを含む溶液により構成されている。

尿素水溶液中における界面活性剤の含有量は、水の含有量および尿素の含有量よりも少なくなるようにしている。尿素水溶液に界面活性剤を含有させることで、尿素水溶液の凝固点を低下させることができる。

本実施形態では、界面活性剤として、水に溶解してもイオン性を示さない非イオン性の界面活性剤を用いている。非イオン性の界面活性剤として、脂肪アルコールエトキシレートあるいはアルキルポリエチレングリコールと称されるエーテル型の界面活性剤を用いることができる。具体的には、非イオン性の界面活性剤として、下記化学式１で示されるものを用いることができる。

なお、化学式１において、Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれ自然数である。

化学式１の［Ｃ_XＨ_Y−］としては、下記化学式２または下記化学式３で示される置換基を用いることできる。

上記化学式２または化学式３で示される置換基のいずれを用いた場合でも、凝固点を低下させる効果は同等である。

図２は、尿素水溶液中の尿素濃度を変化させた場合の凝固点を示している。図２では、界面活性剤を含有させた本実施形態の尿素水溶液と、界面活性剤を含有させていない比較例の尿素水溶液を示している。本実施形態の尿素水溶液は、尿素濃度を３２．５％とし、界面活性剤濃度を５％としている。比較例の尿素水溶液は、尿素濃度を３２．５％としている。

図２に示すように、本実施形態の尿素水溶液は、比較例の尿素水溶液に対して、尿素濃度の全域に渡って凝固点が低下している。つまり、尿素水溶液に界面活性剤を含有させることで、尿素水溶液の凝固点を効果的に低下させることができる。

本実施形態の尿素水溶液および比較例の尿素水溶液は、それぞれ尿素濃度３２．５％で凝固点が最も低くなっている。また、本実施形態の尿素水溶液では、尿素濃度を４５％まで増大させても、比較例の尿素水溶液で凝固点が最も低い−１１℃を維持することができる。つまり、尿素水溶液中の尿素濃度が同一であれば、凝固点を低下させることができる。また、尿素水溶液の凝固点が同一であれば、尿素濃度を高くすることができる。

本実施形態では、尿素水溶液中の界面活性剤濃度を０．１％〜５％の範囲内としている。尿素水溶液中の界面活性剤濃度が低すぎると、尿素水溶液の凝固点を低下させる効果が低くなる。このため、尿素水溶液中の界面活性剤濃度は０．１％以上とすることが望ましい。また、尿素水溶液中の界面活性剤濃度が高すぎると、界面活性剤が結晶化して、尿素水溶液の凝固点が上がってしまう。このため、尿素水溶液中の界面活性剤添加量は５％以下とすることが望ましい。

本実施形態では、尿素水溶液中の尿素濃度を３２．５％〜４５％の範囲内としている。尿素水溶液は、尿素濃度が３２．５％の場合に凝固点が最も低くなる。このため、尿素水溶液中の尿素濃度は３２．５％以上とすることが望ましい。また、図２で示したように、界面活性剤を含有する尿素水溶液において、界面活性剤を含有しない尿素水溶液の最も低い凝固点−１１℃を確保できる尿素濃度は４５％以下である。このため、尿素水溶液中の尿素濃度は４５％以下とすることが望ましい。

以上説明した本実施形態によれば、尿素水溶液に界面活性剤を含有させることで、凝固点を低下させることができる。このため、尿素水溶液の凝固点が同一であれば、尿素濃度を高くすることができる。これにより、尿素水溶液における尿素の含有量を増大させることができ、タンク４の容量を小さくすることができる。また、尿素水溶液の消費量を少なくすることできるので、タンク４への尿素の補充回数を低減することができる。また、尿素水溶液中の水分量を少なくすることできるので、尿素水溶液が噴射弁３から排気流路１１に噴射された際における水の蒸発潜熱を低減することができる。

また、尿素水溶液中の尿素濃度が同一であれば、凝固点を低下させることができる。これにより、尿素水溶液の凍結を抑制でき、ヒータ３３、４３の消費電力を低減することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

（１）上記実施形態では、エネルギ変換部としてディーゼルエンジンを採用した例について説明したが、エネルギ変換部はこれに限定されない。例えば、エネルギ変換部としてガソリンエンジンを採用してもよい。

（２）上記実施形態では、本発明の排気浄化システムを、尿素ＳＣＲシステムに適用した例について説明したが、これに限らず、その他の排気浄化システムに適用してもよい。

（３）上記実施形態では、噴射弁３の排気流れ下流側に位置するＳＣＲ触媒２２と第２酸化触媒２３とを一体的に収容した例について説明したが、これに限らず、ＳＣＲ触媒２２および第２酸化触媒２３を別体に設けてもよい。

（４）上記実施形態では、尿素水溶液の凍結を防止するためのヒータ３３、４３を設けたが、これらのヒータ３３、４３を省略してもよい。

３噴射弁（供給部）
４タンク（貯留部）
１１排気流路
２２ＳＣＲ触媒（触媒）
１００内燃機関（エネルギ変換部）

Claims

窒素および酸素の存在下における燃料酸化に基づいてエネルギ変換し、窒素酸化物を含んだ排気を排出するエネルギ変換部（１００）と、
前記排気に含まれる前記窒素酸化物を還元する還元用溶液を貯留する貯留部（４）と、
前記排気が流通する排気流路（１１）に設けられるとともに、前記窒素酸化物の還元反応を促進する触媒（２２）と、
前記貯留部から供給される前記還元用溶液を前記触媒に供給する供給部（３）とを備え、
前記還元用溶液は、前記排気に含まれる前記窒素酸化物を還元する還元剤と、界面活性剤と、前記還元剤および前記界面活性剤を溶解可能な溶媒とを含んでおり、
前記還元用溶液中における界面活性剤の含有量は、前記還元剤の含有量および前記溶媒の含有量のいずれよりも少ない排気浄化システム。
前記還元剤は尿素であり、前記溶媒は水であり、前記界面活性剤は、非イオン性の界面活性剤である請求項１に記載の排気浄化システム。
前記非イオン性の界面活性剤は、下記化学式１で示される請求項２に記載の排気浄化システム。

なお、化学式１において、Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれ自然数である。
前記非イオン性の界面活性剤は、前記化学式１の［Ｃ_XＨ_Y−］が下記化学式２で示される置換基である請求項３に記載の排気浄化システム。
前記非イオン性の界面活性剤は、前記化学式１の［Ｃ_XＨ_Y−］が下記化学式３で示される置換基である請求項３に記載の排気浄化システム。
前記還元用溶液中における前記還元剤の濃度は、４５％以下である請求項１ないし５のいずれか１つに記載の排気浄化システム。
前記還元用溶液中における前記還元剤の濃度は、３２．５％以上である請求項１ないし６のいずれか１つに記載の排気浄化システム。
前記還元用溶液中における前記界面活性剤の濃度は、５％以下である請求項１ないし７のいずれか１つに記載の排気浄化システム。
前記還元用溶液中における前記界面活性剤の濃度は、０．１％以上である請求項１ないし８のいずれか１つに記載の排気浄化システム。