WO2005033480A1 - エンジンの排気浄化装置及び排気浄化方法 - Google Patents

エンジンの排気浄化装置及び排気浄化方法 Download PDF

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Kiminobu Hirata
Hirokazu Satou
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas purification technology of an engine for reducing and purifying nitrogen oxides (NOx) in exhaust gas using ammonia generated from an aqueous urea solution injected and supplied into an exhaust pipe, and particularly to an exhaust pipe.
  • the present invention relates to a technique for suppressing the deposition of urea on steel.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-27627
  • a powerful exhaust gas purification device arranges a NOx reduction catalyst in an exhaust pipe of an engine and injects and supplies a reducing agent upstream of the exhaust gas, thereby causing a catalytic reduction reaction between NOx and the reducing agent in the exhaust gas. And purify NOx into harmless components.
  • Ammonia with good reactivity with NOx is used for the reduction reaction. Ammonia is obtained by injecting a urea aqueous solution into an exhaust pipe and performing a hydrolysis reaction using exhaust heat and water vapor in the exhaust.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-27627
  • the present invention promotes a hydrolysis reaction that generates ammonia from an aqueous urea solution, thereby purifying the exhaust gas of an engine that suppresses urea precipitation in an exhaust pipe. It aims to provide technology.
  • the exhaust gas is generated from the urea aqueous solution.
  • ammonia is used to reduce and purify nitrogen oxides by a reduction catalyst disposed in an exhaust pipe of an engine, an internal passage of an injection nozzle for injecting an aqueous urea solution upstream of the exhaust of the reduction catalyst, the injection nozzle, Aqueous decomposition catalyst is applied to at least one of an exhaust pipe located between the reduction catalyst and a diffusion plate that diffuses exhaust gas between the injection nozzle and the reduction catalyst to generate ammonia from urea aqueous solution.
  • the hydrolysis reaction is accelerated.
  • the hydrolysis catalyst be an alkali catalyst containing any one of alkali metal hydroxide, carbonate and silicate as a main component. Les ,.
  • nitrogen oxides contained in the exhaust gas of the engine are reduced and purified by the reduction catalyst using ammonia generated from the aqueous urea solution.
  • the hydrolysis catalyst is applied to the internal passage of the injection nozzle, the urea aqueous solution contacts the hydrolysis catalyst when passing through the injection nozzle, so that the hydrolysis reaction is promoted.
  • the hydrolysis catalyst is applied to the exhaust pipe located between the injection nozzle and the reduction catalyst, even if urea aqueous solution droplets adhere to the inner wall of the exhaust pipe, they contact the hydrolysis catalyst. Then, the hydrolysis reaction is accelerated.
  • the hydrolysis plate is coated with the hydrolysis catalyst, the aqueous urea solution comes into contact with the hydrolysis catalyst when passing through the diffusion plate, so that the hydrolysis reaction is promoted. For this reason, since urea precipitation is suppressed, urea hardly accumulates in the exhaust pipe, and an increase in exhaust pressure, a decrease in fuel consumption, and the like can be suppressed.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an exhaust gas purification device embodying the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an injection nozzle according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an exhaust pipe according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows an overall configuration of an engine exhaust purification device (hereinafter, referred to as an “exhaust gas purification device”) embodying the present invention.
  • An exhaust pipe 2 of the engine 1 is provided with a NOx reduction catalyst 3 that reduces and purifies NOx using ammonia generated from an aqueous urea solution.
  • An injection nozzle 5 for injecting an aqueous urea solution from an injection hole 4 opened in the exhaust pipe 2 is provided upstream of the exhaust gas of the N ⁇ x reduction catalyst 3.
  • the injection nozzle 5 is supported and fixed in a cantilever manner via a flange 10 detachably attached to a peripheral wall of the exhaust pipe 2 so that a tip of the injection nozzle 5 extends downstream of the exhaust along substantially the axis of the exhaust pipe 2.
  • it is connected to a reducing agent supply device 16 via a pipe 15.
  • the injection nozzle 5 injects the urea aqueous solution from the injection hole 4 outward in a direction substantially orthogonal to the axis of the exhaust pipe 2 so that the urea aqueous solution is almost evenly mixed with the exhaust gas passing through the exhaust pipe 2. Supply.
  • the reducing agent supply device 16 mixes compressed water with an aqueous urea solution to form a spray, and supplies the sprayed urea aqueous solution to the injection nozzle 5.
  • a control unit 20 having a built-in computer is provided to control the injection flow rate of the urea aqueous solution in accordance with the engine operating state.
  • the control unit 20 is a CAN (Controller
  • the engine operating state i.e., the engine speed and fuel
  • the reducing agent supply device 16 is controlled according to the fuel injection amount.
  • the hydrolysis catalyst 30 is applied to the inner wall 2a of the exhaust pipe 2 located between the injection nozzle 5 and the NOx reduction catalyst 3.
  • the hydrolysis catalyst 30 is an alkali catalyst containing at least one of hydroxides, carbonates and silicates of an alkali metal as a main component, which promotes a hydrolysis reaction for producing an aqueous urea solution and ammonia. It is.
  • the exhaust gas of the engine 1 passes through the exhaust pipe 2 and is led to the NOx reduction catalyst 3.
  • the control unit 20 controls the reducing agent supply device 16 based on the engine rotation speed and the fuel injection amount, so that the required amount of urea aqueous solution power and the exhaust gas upstream of the NOx reduction catalyst 3 corresponding to the engine operating state are controlled.
  • From the injection nozzle 5. The aqueous urea solution injected and supplied from the injection nozzle 5 is hydrolyzed by exhaust heat and water vapor in the exhaust gas to produce ammonia.
  • the generated ammonia undergoes a reduction reaction with NOx in the exhaust gas in the NOx reduction catalyst 3, and is purified into water and harmless gas.
  • the hydrolysis catalyst 30 is an alkali catalyst mainly composed of one of a hydroxide, a carbonate and a silicate of an alkali metal, and therefore produces ammonia from an aqueous urea solution. The hydrolysis reaction can be further accelerated.
  • the hydrolysis catalyst 30 is applied to the inner wall 2a of the exhaust pipe 2, but may be applied to the inner wall 5a of the internal passage of the injection nozzle 5, as shown in FIG.
  • the urine aqueous solution comes into contact with the hydrolysis catalyst 30 when passing through the injection nozzle 5, so that the hydrolysis reaction is promoted and the precipitation of urea can be suppressed.
  • the injection nozzle 5 Ammonia is generated in the internal passage at this temperature. Since ammonia is a gas at normal temperature, it does not adhere to the inner wall 5a.
  • the droplet adheres to the inner wall 5a of the internal passage of the injection nozzle 5, the droplet contacts the hydrolysis catalyst 30 to accelerate the hydrolysis reaction. Therefore, the deposition of urea in the internal passage of the injection nozzle 5 is suppressed, urea is less likely to be accumulated on the inner wall 5a of the injection nozzle 5, and clogging of the internal passage and the injection hole 4 can be suppressed. .
  • the hydrolysis catalyst 30 may be applied to the diffusion plate 35.
  • the diffusion plate 35 is a plate provided so as to partition the inside of the exhaust pipe 2 between the injection nozzle 5 and the N ⁇ x reduction catalyst 3, and has many openings 35a. It distributes the flowing exhaust gas almost uniformly. In this way, the urea aqueous solution injected and supplied from the injection nozzle 5 comes into contact with the hydrolysis catalyst 30 when passing through the diffusion plate 35, so that the hydrolysis reaction is promoted and the precipitation of urea is suppressed. Can be.
  • the hydrolysis catalyst 30 is applied to one of the internal passage of the injection nozzle 5, the exhaust pipe 2 located between the injection nozzle 5 and the N ⁇ x reduction catalyst 3, and the diffusion plate 35.
  • the configuration is not limited to this, and two or more components may be arbitrarily combined. By doing so, the hydrolysis reaction of the entire exhaust gas purification apparatus is further promoted, and thus the precipitation of urea can be further suppressed.
  • the engine exhaust purification technology according to the present invention promotes hydrolysis of the urea aqueous solution by the hydrolysis catalyst and suppresses urea precipitation on the exhaust pipe. This is extremely useful because it hardly causes an increase and a decrease in fuel efficiency.

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Abstract

　エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアによりＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒と、ＮＯｘ還元触媒の排気上流に尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルと、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置において、噴射ノズルの内部通路、噴射ノズルと還元触媒との間に位置する排気管、及び、噴射ノズルと還元触媒との間で排気を拡散させる拡散板のうち少なくとも１つに、尿素水溶液からアンモニアを生成する加水分解反応を促進させる加水分解触媒を塗布する。そして、加水分解触媒と接触した尿素水溶液の加水分解反応を促進させ、排気管内への尿素の析出を抑制する。

Description

明 細 書
エンジンの排気浄化装置及び排気浄化方法
技術分野
[0001] 本発明は、排気管内に噴射供給された尿素水溶液から生成されるアンモニアを用 いて、排気中の窒素酸化物（NOx)を還元浄化するエンジンの排気浄化技術におい て、特に、排気管への尿素の析出を抑制する技術に関する。
背景技術
[0002] エンジンの排気に含まれる NOxを還元浄化する排気浄化システムとして、特開 20 00 - 27627号公報 (特許文献 1)に開示された排気浄化装置が提案されている。
[0003] 力かる排気浄化装置は、エンジンの排気管に NOx還元触媒を配設し、その排気上 流に還元剤を噴射供給することにより、排気中の NOxと還元剤とを触媒還元反応さ せ、 NOxを無害成分に浄化処理するものである。還元反応は、 NOxと反応性のよい アンモニアが用いられる。アンモニアは、尿素水溶液を排気管内に噴射し、排気熱 及び排気中の水蒸気を用いた加水分解反応により得られる。
特許文献 1：特開 2000 - 27627号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] し力しながら、上記従来の排気浄化装置では、排気の温度及び流量に対して、尿 素水溶液の噴射供給流量が多いときには、尿素水溶液の加水分解が不十分となり、 尿素水溶液から水分のみが蒸発して尿素が析出してしまうことがある。そして、排気 管内に尿素が蓄積すると、排気の流通を妨げて排気抵抗が増大するので、排気圧 力が上昇したり、燃費が低下してしまうおそれがあった。
[0005] そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、尿素水溶液からアンモニアを 生成する加水分解反応を促進させることで、排気管内への尿素の析出を抑制したェ ンジンの排気浄化技術を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0006] このため、本発明に係るエンジンの排気浄化技術では、尿素水溶液から生成される アンモニアを用いて、エンジンの排気管に配設された還元触媒により窒素酸化物を 還元浄化するときに、前記還元触媒の排気上流に尿素水溶液を噴射供給する噴射 ノズルの内部通路、前記噴射ノズルと還元触媒との間に位置する排気管、及び、前 記噴射ノズルと還元触媒との間で排気を拡散させる拡散板のうち少なくとも 1つに加 水分解触媒を塗布し、尿素水溶液からアンモニアを生成する加水分解反応を促進さ せたことを特徴とする。ここで、加水分解触媒としては、加水分解反応をより促進する ために、アルカリ金属の水酸化物、炭酸塩及び珪酸塩のうちいずれか 1つを主成分 とするアルカリ触媒であることが望ましレ、。
発明の効果
[0007] 本発明に係るエンジンの排気浄化技術によれば、エンジンの排気中に含まれる窒 素酸化物は、尿素水溶液から生成されたアンモニアを用いて、還元触媒において還 元浄化される。このとき、噴射ノズルの内部通路に加水分解触媒が塗布されていれ ば、尿素水溶液が噴射ノズルを通過するときに加水分解触媒に接触するので、その 加水分解反応が促進される。また、噴射ノズルと還元触媒との間に位置する排気管 に加水分解触媒が塗布されてレ、れば、排気管の内壁に尿素水溶液の液滴が付着し ても、これが加水分解触媒に接触してその加水分解反応が促進される。さらに、拡散 板に加水分解触媒が塗布されてレ、れば、尿素水溶液が拡散板を通過するときに加 水分解触媒に接触するので、その加水分解反応が促進される。このため、尿素の析 出が抑制されることから、排気管内に尿素が蓄積し難くなり、排気圧力の上昇，燃費 低下などを抑制することができる。
[0008] また、噴射ノズルの内部通路に加水分解触媒を塗布するようにすれば、尿素水溶 液の噴射供給が停止したときに、その液滴が内部通路に付着しても、これが加水分 解触媒と接触して加水分解反応が促進される。このため、尿素の析出が抑制され、 噴射ノズノレの内部通路に尿素が蓄積され難くなり、噴射ノズルの目詰まりを抑制する こと力 Sできる。
図面の簡単な説明
[0009] [図 1]図 1は、本発明を具現化した排気浄化装置の全体構成図である。
[図 2]図 2は、本発明の他の実施形態に係る噴射ノズルの断面図である。 [図 3]図 3は、本発明の他の実施形態に係る排気管の断面図である。
符号の説明
[0010] 1 エンジン
2 排気管
2a 内壁
3 N〇x還元触媒
5 噴射ノズル
5a 内壁
30 加水分解触媒
35 拡散板
発明を実施するための最良の形態
[0011] 以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
[0012] 図 1は、本発明を具現化したエンジンの排気浄化装置 (以下「排気浄化装置」とレ、う )の全体構成を示す。
[0013] エンジン 1の排気管 2には、尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて、 NOx を還元浄化する NOx還元触媒 3が配設されている。また、 N〇x還元触媒 3の排気上 流には、排気管 2内に開口した噴孔 4から、尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル 5 が配設されている。噴射ノズル 5は、先端が排気管 2の略軸心に沿って排気下流に 延びるように、排気管 2の周壁に着脱可能に取り付けられたフランジ 10を介して片持 ち状態で支持固定されると共に、配管 15を介して還元剤供給装置 16に連通接続さ れている。そして、噴射ノズル 5は、排気管 2を通過する排気に尿素水溶液が略均等 に混合するように、排気管 2の軸心の略直交方向外方に向かって噴孔 4から尿素水 溶液を噴射供給する。
[0014] 還元剤供給装置 16は、圧縮空気に尿素水溶液を混合して噴霧状態とし、噴霧状 態となつた尿素水溶液を噴射ノズル 5へと供給する。また、エンジン運転状態に応じ て、尿素水溶液の噴射流量を制御するため、コンピュータを内蔵したコントロールュ ニット 20が備えられる。コントロールユニット 20は、 CAN (Controller
Area Network)を介して入力したエンジン運転状態、即ち、エンジン回転速度及び燃 料噴射量に応じて還元剤供給装置 16を制御する。
[0015] 噴射ノズル 5と NOx還元触媒 3との間に位置する排気管 2の内壁 2aには、加水分 解触媒 30が塗布されている。加水分解触媒 30は、アルカリ金属の水酸化物、炭酸 塩及び珪酸塩のうちいずれ力、 1つを主成分とするアルカリ触媒であって、尿素水溶液 力 アンモニアを生成する加水分解反応を促進させるものである。
[0016] 次に、かかる構成からなる排気浄化装置の作用について説明する。
[0017] エンジン 1の排気は、排気管 2を通過して NOx還元触媒 3へと導かれる。一方、コン トロールユニット 20は、エンジン回転速度及び燃料噴射量に基づいて還元剤供給装 置 16を制御することで、エンジン運転状態に応じた必要量の尿素水溶液力 NOx還 元触媒 3の排気上流に噴射ノズル 5から噴射供給される。噴射ノズル 5から噴射供給 された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解され、アンモニア が生成される。生成されたアンモニアは、 NOx還元触媒 3において排気中の NOxと 還元反応し、水及び無害なガスに浄化される。
[0018] このとき、噴射ノズル 5と NOx還元触媒 3との間に位置する排気管 2の内壁 2aには 、加水分解触媒 30が塗布されているので、噴射ノズル 5から噴射供給された尿素水 溶液が排気管 2の内壁 2aに液滴となって付着しても、これが加水分解触媒に接触し てその加水分解反応が促進される。このため、排気管 2内に噴射供給された尿素水 溶液から尿素が析出されることが抑制されるので、その内壁 2aに尿素が蓄積され難 くなり、排気の流通が妨げられることが抑制される。そして、排気の流通が妨げられな レ、ことから、排気圧力の上昇が抑制されると共に、燃費の低下を抑制することができ る。
[0019] また、加水分解触媒 30は、アルカリ金属の水酸化物、炭酸塩及び珪酸塩のうちい ずれ力、 1つを主成分とするアルカリ触媒であるので、尿素水溶液からアンモニアを生 成する加水分解反応をより促進させることができる。
[0020] 上記実施形態では、加水分解触媒 30を排気管 2の内壁 2aに塗布したが、図 2に示 すように、噴射ノズル 5の内部通路の内壁 5aに塗布してもよい。このようにすれば、尿 素水溶液が噴射ノズル 5を通過するときに加水分解触媒 30に接触するので、その加 水分解反応が促進され、尿素の析出を抑制することができる。このとき、噴射ノズル 5 の内部通路内でアンモニアが生成される力 アンモニアは常温で気体であるので、こ れが内壁 5aに付着することがない。また、尿素水溶液の噴射供給が停止したときに、 その液滴が噴射ノズル 5の内部通路の内壁 5aに付着しても、これが加水分解触媒 3 0と接触して加水分解反応が促進される。このため、噴射ノズル 5の内部通路におけ る尿素の析出が抑制され、噴射ノズル 5の内壁 5aに尿素が蓄積され難くなり、その内 部通路及び噴孔 4の目詰まりを抑制することができる。
[0021] さらに、図 3に示すように、加水分解触媒 30を拡散板 35に塗布してもよい。拡散板 35は、噴射ノズル 5と N〇x還元触媒 3との間で排気管 2内を仕切るように設けられた 板であって、多数の開口部 35aが開設されており、排気管 2を流通する排気を略均 一に拡散させるものである。このようにすれば、噴射ノズル 5から噴射供給された尿素 水溶液は、拡散板 35を通過するときに加水分解触媒 30に接触するので、その加水 分解反応が促進され、尿素の析出を抑制することができる。
[0022] なお、加水分解触媒 30は、噴射ノズル 5の内部通路、噴射ノズル 5と N〇x還元触 媒 3との間に位置する排気管 2、拡散板 35のうちいずれ力 1つに塗布される構成に限 らず、 2つ以上のものを任意に組み合わせてもよい。このようにすれば、排気浄化装 置全体の加水分解反応がより促進されるので、尿素の析出を一層抑制することがで きる。
産業上の利用可能性
[0023] 以上のように、本発明に係るエンジンの排気浄化技術は、加水分解触媒により尿素 水溶液の加水分解を促進させ、排気管への尿素の析出を抑制するものであるから、 排気圧力の増加、燃費の低下などが起こり難くなり、極めて有用なものである。

Claims

請求の範囲
[1] エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアにより窒素酸 化物を還元浄化する還元触媒と、
前記還元触媒の排気上流に尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルと、 を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置において、
前記噴射ノズノレの内部通路、前記噴射ノズルと還元触媒との間に位置する排気管 、及び、前記噴射ノズルと還元触媒との間で排気を拡散させる拡散板のうち少なくと も 1つに、尿素水溶液からアンモニアを生成する加水分解反応を促進させる加水分 解触媒が塗布されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
[2] 前記加水分解触媒は、アルカリ触媒であることを特徴とする請求項 1記載のェンジ ンの排気浄化装置。
[3] 前記アルカリ触媒は、アルカリ金属の水酸化物、炭酸塩及び珪酸塩のうちいずれ 力 1つを主成分とすることを特徴とする請求項 2記載のエンジンの排気浄化装置。
[4] 尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて、エンジンの排気管に配設された還 元触媒により窒素酸化物を還元浄化するエンジンの排気浄化方法であって、 前記還元触媒の排気上流に尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルの内部通路、 前記噴射ノズルと還元触媒との間に位置する排気管、及び、前記噴射ノズルと還元 触媒との間で排気を拡散させる拡散板のうち少なくとも 1つに加水分解触媒を塗布し 、尿素水溶液からアンモニアを生成する加水分解反応を促進させたことを特徴とする エンジンの排気浄化方法。
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