JP3571642B2

JP3571642B2 - 排気浄化装置用の還元剤

Info

Publication number: JP3571642B2
Application number: JP2000350167A
Authority: JP
Inventors: 和浩伊藤; 俊明田中; 信也広田; 好一郎中谷; 重樹大道; 尚久大山
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: JP2002155729A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置において使用する還元剤に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸素過剰の雰囲気で、還元剤により排気ガス中の有害なＮＯｘを還元または分解する選択還元型ＮＯｘ触媒は、リーン空燃比で燃焼可能な内燃機関（例えばディーゼルエンジンやリーンバーンガソリンエンジン）から排出される排気ガス中のＮＯｘを浄化する排気浄化装置として多用されている。
【０００３】
このような選択還元型ＮＯｘ触媒では還元剤として炭化水素を用いることが多いが、他の還元剤として尿素等、アンモニア由来の還元剤を使用することが検討されている。例えば、固体尿素を還元剤として用いたものとしては特開平７−３２３２１６号公報に記載の還元剤供給装置がある。
【０００４】
この特開平７−３２３２１６号公報に記載の還元剤供給装置は、脱硝装置の上流側の排ガス通路に燃焼触媒層を設置し、燃焼装置起動時に該燃焼触媒層上流に燃料を噴霧して燃焼させ、該脱硝装置温度が所定の温度に到達した時点で燃料の供給を停止し、固体または液体状の還元剤物質を該燃焼触媒層上流に供給するものである。この装置では、粉体の還元剤としてメラミン、尿素シアヌル酸等を用いることが示されている。
【０００５】
この還元剤の粉体を燃焼触媒層に噴霧することによって、還元剤を気化させて、排ガス中のＮＯｘとの間で脱硝反応が行われ、排ガス中のＮＯｘが窒素に変化することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の特開平７−３２３２１６号公報に記載の排ガスの脱硝装置では、固体還元剤等を貯蔵タンクに貯蔵して使用するのであるが、固体尿素を還元剤として使用する場合には、これを単独で用いようとすると、これが保管時に水分を吸収することで固まってしまうので搬送性が悪く、また添加の際に添加量を制御することが困難になる。
【０００７】
一方、特開２０００−２７６２６号公報に記載の還元剤供給装置にように、固体尿素の貯蔵タンクと、この貯蔵タンクの内部上面に固定されたバネ部材と、バネ部材の下方先端部に固定された粉砕機構とからなる粉砕手段が配置されたものがある。これは還元剤である固体尿素の貯蔵装置への供給に際して、ガイド部材により上下方向に摺動可能に案内された粉砕機構が、車両振動によってバネ部材を介して上下に振動して、尿素の塊を貯蔵装置内の全体に亘り粉砕する。
【０００８】
しかし、この装置では還元剤を排出させるためにバネ部材と粉砕機構等を必要とし、貯蔵タンク内の構造が複雑化する問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてされたものであり、還元剤供給装置の構造を複雑にすることなく、保存時や搬送時に互いに固着することがない固体還元剤を提供することを技術的課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、内燃機関の排気ガス通路に設けられ、ＮＯｘを還元または分解する選択還元型ＮＯｘ触媒に用いられるアンモニア由来の還元剤であって、この還元剤は、所定の大きさに形成したアンモニア由来の固体還元剤物質と、この固体還元剤物質が浸される非水溶性液体と、からなる混合剤であることを特徴とする。
【００１１】
前記アンモニア由来の固体還元剤物質は、例えば尿素、ビウレット、カルバミン酸アンモニウムを挙げることができる。
【００１２】
前記還元剤物質の形態は粉体、または球状とすることができる。その大きさは、これを用いるシステム、調量装置等に適した大きさで３．０ｍｍ以下が適当である。
【００１３】
また非水溶性液体としては、鉱物油、植物油等を広く用いることができる。鉱物油としては、軽油、灯油、ケロシン、ガソリン、シリコン油、また植物油としては菜種油、椰子の実油、ユーカリ油等が例示でき、これらのうちの少なくとも一つを非水溶性液として用いることができる。これらは可能な限り二以上を混合して使用することもできる。
【００１４】
また非水溶性液体としては、その液体中に浸した固体還元剤物質が溶出せず、また固体還元剤物質を添加すべき触媒に対して悪影響がないものであれば特に限定されるものではない。内燃機関の排ガスの浄化に使用する触媒の還元剤として使用する場合は、その内燃機関の駆動油、例えばガソリン、軽油などが取り扱い上において好適なことは言うまでもない。
【００１５】
前記混合剤の温度は、固体還元剤物質が溶融しない範囲の温度とすることが好ましい。これは添加制御を実施し易くし、固体還元剤物質のみを効率的に添加することが望ましいためである。
【００１６】
具体的には、貯蔵時または搬送時には非水溶性液体の沸点以下、または固体還元剤物質が溶融しない温度以下のうち、いずれか低い温度以下とする。例えば、固体還元剤として尿素を使用し、非水溶性液体として軽油を用いた場合は、軽油の沸点が２５０℃から３５０℃であり、他方、固体尿素の溶融温度の１３０℃程度であるので、後者の温度以下とする。
【００１７】
前記非水溶性液体の比重は、前記固体還元剤物質の比重よりも軽くすることが好適である。その理由は、固定還元剤が非水溶性液体の表面に浮くように偏って存在することなく、固体還元剤物質が非水溶性液体中に分散していることが固着防止上、または使用上において望ましいからである。
【００１８】
また固体還元剤貯蔵部に貯蔵された固体状の還元剤は、固体還元剤搬送手段により溶融還元剤貯蔵部に導かれて加熱液化され、液化した還元剤は溶融還元剤供給手段によって選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の排気通路に供給される。
【００１９】
本発明における内燃機関は、筒内直接噴射式のリーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示することができる。
【００２０】
前記選択還元型ＮＯｘ触媒としては、ゼオライトにＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持した触媒、ゼオライトまたはアルミナに貴金属を担持した触媒等が例示できる。
【００２１】
固体還元剤は、例えばエンジンコントロール用電子制御ユニット（ＥＣＵ）により作動が制御され、所定量ずつを排気ガス路中に噴射するインジェクタ等の供給量制御手段によって供給することができる。なお、固体還元剤は供給時に必ずしも液化または気化させる必要はなく、例えば粉体のまま供給することも可能である。
【００２２】
以上のように本発明では、固体還元剤が非水溶性液体との混合状態で保存されるので、固体還元剤が空気中の水分を吸収することがなく、固体還元剤どうしの固着が防止される。また非水溶性液体の存在により固体還元剤の流動性が確保できるので添加が容易になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る還元剤の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態は、本発明を内燃機関としての車両駆動用ディーゼルエンジン用の固体還元剤としたものである。
【００２４】
図１には、アンモニア由来の還元剤物質として固体尿素を使用した例を示す。この固体尿素物質１は粉末状で、粒径約５μｍとしてある。これは収納容器１２内において非水溶性液体である軽油２との混合体として保存される。
【００２５】
非水溶性液体としては、固体尿素物質１の比重（約１．２）よりも小さい比重のものを使用することが好ましく、ここでは比重の小さい軽油２を使用している。よって固体尿素物質１は軽油２の表面に浮かぶことなく、軽油２中に散在するので、全体に均一な尿素と軽油の混合体が形成される。
【００２６】
なお、アンモニア由来の還元剤物質としては、固体尿素の他、ビウレット、カルバミン酸アンモニウム等を使用できるが、これらと組み合わせる非水溶性液体の比重は、これらの還元剤物質よりも軽いものを選択することが好ましい。
【００２７】
次に、このような還元剤を使用する排気浄化装置の例について、図２、図３を参照して説明する。ディーゼルエンジン５０の各気筒の燃焼室５１にはピストン６が設けられ、この燃焼室２内には、エアクリーナ３を経て吸気管４から空気が導入されるようになっている。また各燃焼室５１には燃料噴射弁５から燃料が噴射され、これはリーン空燃比で燃焼する。
【００２８】
各燃焼室５１から排出された排気ガスは、排気管７、ＮＯｘ触媒コンバータ８、及び下流排気管９を通って大気中に排気される。ＮＯｘ触媒コンバータ８には、還元剤の存在下で、排気ガス中のＮＯｘを還元または分解するゼオライト・シリカ系の選択還元型ＮＯｘ触媒１０が収容されている。
【００２９】
この選択還元型ＮＯｘ触媒１０により排気ガス中のＮＯｘを浄化するには、これに用いる還元剤の存在が必要である。そのためこの排気浄化装置には、ＮＯｘ触媒コンバータ８よりも上流の排気管７内に還元剤を添加する還元剤添加装置１１が、排気管７に近接して設けられている。
【００３０】
この還元剤添加装置１１は、固体還元剤として固体尿素を液化して排気管７内に供給するものである。この装置は、固体還元剤貯蔵部であって固体尿素を収容する収納容器１２と、この収納容器１２の下部の排気管７内に臨んでいる添加制御弁１４と、からなる。
【００３１】
収納容器１２は、上部に還元剤投入口１２ａを有し、この投入口１２ａは蓋１２ｂによって開閉可能である。図２に示すように、その底面１２ｃには排出口１２ｄが形成され、これは連通路１２ｅを介して添加制御弁１４に連結されている。
また収納容器１２はカートリッジ式となっており、図中の矢印方向にスライドさせることで収納容器１２を収納室１３から取り出すことができる。したがって収納容器１２は収容した固体尿素が無くなれば、これを固体尿素を充填したものに交換することができる。
【００３２】
この収納容器１２を収納する収納室１３には、固体尿素の残量を検出する残量センサ１７が設けられており、残量センサ１７は検出した固体尿素の残量に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。このＥＣＵ１６は、残量センサ１７から所定の残量値（以下、これを警報残量値と称す）を示す入力信号を入力したときに、メータパネル２２の警報ランプ２３を点灯し、固体尿素の残量が少なくなったことを知らせる。
【００３３】
ＥＣＵ１６は、残量センサ１７から警報残量値よりもさらに少ない下限値を示す入力信号を入力したときに、還元剤添加装置１１の稼動を停止し、添加制御弁１４を全閉にして固体尿素の添加を停止する。
【００３４】
図２では、収納容器１２に収容されている固体尿素は、軽油２との混合物であって流動体である。したがって固体尿素は、排出口１２ｄから添加制御弁１４に向かって流下する。
【００３５】
この固体尿素は、図３に示す添加制御弁１４により流量制御されて排気管７内に添加される。添加制御弁１４は先端がニードルバルブ１４ａとなっており、軸方向に軸状の弁体１４ｃが貫通した供給路１４ｄに収納容器１２からの連通路１２ｃが接続され、弁体１４ｃは往復動可能なように支持体１４ｅにより案内されている。この添加制御弁１４の後端には、貫通した弁体１４ｃの後部に装着したストッパ１４ｆが設けられている。これは添加制御弁１４の本体の後端面に係止している。このストッパ１４ｆの後方にはソレノイド３７が配置されており、これが励磁するとストッパ１４ｆを後方に引き寄せるようになっている。
【００３６】
また弁体１４ｃの支持体１４ｅの外周面には、供給された固体尿素が漏出しないようにシール１４ｂが設けられている。
【００３７】
この添加制御弁１４は、その開閉時間をＥＣＵ１６によってデューティ比制御され、これによって固体尿素の流量や添加タイミングが制御されるので、ＥＣＵ１６からの命令によってソレノイド３７が通電によって励磁し、ストッパ１４ｆが後方に移動し、弁体１４ｃがこれに伴って後方に移動して先端のニードルバルブ１４ａが開くと、開弁中の所定時間にわたって所定量の尿素が排気通路内に添加される。
【００３８】
ソレノイド３７への通電が停止すると、ストッパ１４ｆはスプリング３８により原位置に戻されてニードルバルブ１４ａが閉じられ、尿素の添加が終了する。
【００３９】
なお、この添加制御弁１４の上流には、固体尿素を加圧してこれを調圧部に送るポンプ（図示せず）と、調圧部において固体尿素を一定圧力に加圧するプレッシャレギュレータ３９を備えている。
【００４０】
一方、ＮＯｘ触媒コンバータ８より上流の排気管７には、ＮＯｘ触媒コンバータ８に流入する排気ガスの温度を検出する触媒入ガス温センサ１９が設けられており、検出した触媒入ガス温度に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。
【００４１】
前記触媒入ガス温センサ１９より上流の排気管７には、ＮＯｘセンサ２１が設けられ排気ガス中のＮＯｘ量を計測する。
【００４２】
また前記触媒入ガス温センサ１９より下流の排気管７には、アンモニアガスセンサ３６が設置され、計測されたアンモニアガス量に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。このアンモニアガスセンサ３６は、アンモニアリークを抑制するために使用するもので、センサ出力値をフィードバックして制御することにより、アンモニアリークを感知し、固体尿素の添加量を調整して、リークを抑制する。
【００４３】
またＥＣＵ１６はデジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入出力ポート、出力ポートを具備し、エンジン１の燃料噴射量制御等の基本制御を行うほか、この実施の形態では、固体尿素の添加量制御を行っている。
【００４４】
これらの制御のために、ＥＣＵ１６の入力ポートには、エアフロメータ２０からの入力信号がＡ／Ｄコンバータを介して入力される。エアフロメータ２０は吸気量に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力し、ＥＣＵ１６はエアフロメータ２０の出力信号に基づいて吸気量を演算する。
【００４５】
前記ＮＯｘセンサ２１は、ＮＯｘ触媒コンバータ８より上流の排気管７に設置されているので、ＮＯｘ触媒コンバータ８に流入するＮＯｘ量を検出することができ、検出したＮＯｘ濃度に比例した出力信号をＥＣＵ１６に出力する。ＥＣＵ１６は、このＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度と、エアフロメータ２０で検出した吸気量からＮＯｘ排出量を演算する。
【００４６】
ＥＣＵ１６は、上記のＮＯｘ排出量を基にＮＯｘを浄化するのに必要な固体尿素の目標添加量を演算し、この目標添加量に対応する流量が得られる添加制御弁１４のデューティ比を演算し、添加制御弁１４をデューティ比制御する。
【００４７】
なお、添加制御弁１４を流れる固体尿素の流量は、添加制御弁１６のデューティ比が同じであっても固体尿素の液温や添加制御弁１４の出口側の背圧が異なると変化するので、添加制御弁１４をデューティ比制御する際に、ＥＣＵ１６は、温度センサ１８により検出した固体尿素の温度と、入りガス圧センサ１９により検出したガス圧力に基づいて、目標デューティ比の補正を行う。
【００４８】
次に、この内燃機関の排気浄化装置の作用を説明する。前述したように、ＥＣＵ１６は、内燃機関の運転状態に応じて、即ちＮＯｘ排出量に応じて、添加制御弁１４のデューティ比制御を行い、排気管７内に適正量の固体尿素を添加する。排気管７内に添加された固体尿素は排気ガスによって加熱される結果、気化して還元ガス（アンモニアガス）となり、排気ガスと共にＮＯｘ触媒コンバータ８に流入する。この際、混合剤を形成する軽油は固体尿素物質の気化を促進させることになる。
【００４９】
還元ガスは、選択還元型ＮＯｘ触媒１０上において排気ガスに含まれるＮＯｘを還元あるいは分解する。浄化された排気ガスは下流排気管９を通って大気中に放出される。
【００５０】
なお、この選択還元型ＮＯｘ触媒１０は排気ガス温がある所定の温度以下のときにはＮＯｘ浄化率が低く、排気ガス温が前記所定温度を越えると急激にＮＯｘ浄化率が高くなる性質がある。そのため、排気ガス温が低いときに還元ガスを添加しても、その添加された還元ガスはＮＯｘの還元反応に利用されないままＮＯｘコンバータ８を素通りし、大気に放出されてしまう。そこで、この実施の形態では、入りガス温センサ１９で検出した入りガス温度が前記所定温度以下のときには、ＥＣＵ１６が添加制御弁１４を全閉に制御し、これにより固体尿素の添加を停止して、還元ガスのリークを未然に防止するようにしている。
【００５１】
なお、上述した実施の形態では、ＮＯｘ触媒コンバータ８の上流側の排気管７に、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを設け、このＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度とエアフロメータ２０で検出した吸気量から、ＮＯｘ排出量を演算するようにしているが、これに代えて次のような方法を採用していもよい。すなわち、エンジン負荷とエンジン回転数に基づいてエンジン１から排出されるＮＯｘ量との関係を求めて予めマップ化し、このＮＯｘ排出量マップをＥＣＵ１６に記憶しておく。ＥＣＵ１６は、このＮＯｘ排出量マップを参照し、エンジン負荷とエンジン回転速度に基づいてエンジン１から排出されるるＮＯｘ排出量を推定算出する。この場合、ＥＣＵ１６の入力ポートには、図示しないアクセル開度センサからの入力信号と、クランク角センサからの入力信号が入力されるようにする。このアクセル開度センサはアクセル開度に比例した出力電圧をＥＣＵ１６に出力し、ＥＣＵ１６はアクセル開度センサからの出力信号に基づいて機関負荷を演算する。クランク角センサはエンジン１のクランクシャフトが一定角度回転する毎に主力パルスをＥＣＵ１６に出力し、ＥＣＵ１６はこの出力パルスに基づいて機関回転速度を演算することができる。
【００５２】
還元剤の供給は、固体還元剤と非水溶性液体との混合物として行うことができ、これは流動体であるので液体の還元剤と同様に、固まることなく保存できる上に流量を制御することで添加量を自由に変えることができる。
【００５３】
また制御対象が気体ではなく流動体であるため、添加制御弁１４により高精度の流量制御が十分可能である。
（他の実施の形態）
混合剤としての固体還元剤から、非水性液体を分離して固体還元剤物質のみを抜き出し、これをガス化して噴射することも可能である。この場合は、混合剤である固体還元剤を、固体還元剤物質が通過しないスクリーンを通過させて、非水溶性液体を分離する。取り出された固体還元剤物質は、噴射弁に連結されたタンクに収納されて加熱されると所定温度にてガス化する。したがって気体還元剤として噴射弁から排気通路内にこれを噴射することで、排気に添加することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の排気浄化装置用の還元剤によれば、固体の還元剤が非水溶性液体と混合された混合体として保存されるので、固体還元剤どうしの固着が防止され、保存されている固体還元剤の搬送が容易になり、同時に固体還元剤の流動性が確保されるために添加量の制御が容易になる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる固体還元剤を収納容器に収納した状態を示す図である。
【図２】本発明の固体還元剤を適用する排気浄化装置の一例の概略構成図である。
【図３】尿素の添加制御弁の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・固体尿素物質
２・・・軽油
３・・・エアクリーナ
４・・・吸気管
５・・・燃料噴射弁
６・・・ピストン
７・・・排気管（吸気系）
８・・・ＮＯｘ触媒コンバータ
９・・・排気管（排気通路）
１０・・・選択還元型ＮＯｘ触媒
１１・・・還元剤添加装置
１２・・・収納容器
１３・・・カートリッジ式収納容器の収納部
１４・・・添加制御弁（供給量制御手段）
１５・・・除湿手段
１６・・・ＥＣＵ
１７・・・残量センサ
１８・・・温度センサ
１９・・・触媒入りガス温センサ
２０・・・エアフロメータ
２１・・・ＮＯｘセンサ
２２・・・メータパネル
２３・・・警報ランプ
５０・・・ディーゼルエンジン（内燃機関）
５１・・・燃焼室

Claims

内燃機関の排気ガス通路に設けられ、ＮＯｘを還元または分解する選択還元型ＮＯｘ触媒に用いられるアンモニア由来の還元剤であって、この還元剤は、所定の大きさに形成したアンモニア由来の固体還元剤物質と、この固体還元剤物質が浸される非水溶性液体と、からなる混合剤であることを特徴とする排気浄化装置用の還元剤。
前記アンモニア由来の固体還元剤物質は固体尿素であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置用の還元剤。
前記非水溶性液体が軽油、灯油、ケロシン、ガソリン、シリコン油、菜種油、椰子の実油、ユーカリ油のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化装置用の還元剤。
前記混合剤の温度は、固体還元剤が溶融しない範囲の温度としたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の排気浄化装置用の還元剤。
前記非水溶性液体の比重は、前記固体還元剤の比重よりも軽くすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の排気浄化装置用の還元剤。