JP5340629B2

JP5340629B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP5340629B2
Application number: JP2008111973A
Authority: JP
Inventors: 吉弘川田; 信也佐藤; 満細谷; 彰水野
Original assignee: Hino Motors Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Hino Motors Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: JP2009264148A

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。

他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ₃）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている（例えば、特許文献１参照）。

即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガスの熱によって尿素水が次式によりアンモニアと炭酸ガスに加水分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。
［化１］
（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂
特開２００２−１６１７３２号公報

このような排気浄化装置にあっては、選択還元型触媒にアンモニアを添加することで約１００℃以上の排気温度からＮＯx低減効果が得られることが実験により確認されているが、尿素水がアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに少なくとも約１５０〜１６０℃の排気温度が必要であるため、これより低い排気温度が想定されるエンジンスタート時や低速走行時等に、いくら尿素水を添加してもアンモニアが十分に生成されないためにＮＯx低減性能がなかなか高まらないという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮し得るようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、エンジンからの排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させる性質を備えた選択還元型触媒と、該選択還元型触媒の上流側に尿素水を還元剤として添加する尿素水添加手段とを備えた排気浄化装置において、尿素の固形物を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管内に導入する尿素放電分解リアクタを前記選択還元型触媒の上流側に追加装備し、
前記尿素放電分解リアクタが、互いに所要間隔を隔てて対向配置され且つ一方の他方に対する対向面に誘電体が被覆されて相互間に高電圧が印加されるようにした電極と、該電極の相互間に形成される放電空間に充填された誘電体ペレットと、尿素の固形物を切削し微細化して前記誘電体ペレットが充填された放電空間に投入する尿素切削投入手段と、前記放電空間で生じたアンモニアを排気管内へ送り出すための搬送ガスを導く搬送ガスラインと、を備え、
前記尿素放電分解リアクタは、前記尿素切削投入手段と、前記放電空間と、を内部に有し、
前記誘電体ペレットが充填された放電空間は、前記尿素放電分解リアクタの内部下段に設けられ、
前記尿素切削投入手段は、前記尿素放電分解リアクタの内部上段に設けられ、切削して微細化した尿素を落として、前記誘電体ペレットが充填された放電空間に直接投入するように構成されたことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、排気温度が尿素水を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度に達していなくても、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階で尿素放電分解リアクタを作動させ、該尿素放電分解リアクタにて尿素の固形物を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管内に導入すると、このアンモニアを還元剤として排気ガス中のＮＯxが選択還元型触媒上で良好に還元浄化されることになる。

尚、このように尿素の固形物を放電プラズマによりアンモニアに分解する方式であれば、同じ量のアンモニアを添加するのに必要な尿素の重量・容積が尿素水（通常は３２．５重量％程度の水溶液）と比較して１／３程度で済み、しかも、少ない尿素の固形物から濃いアンモニアを生成できるので、極めてコンパクトな装置としてまとめることが可能である。

また、排気温度が尿素水を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度を超える運転状態に移行した段階では、尿素水添加手段に切り換えて尿素水の添加を開始し、現在の運転状態から推定されるＮＯx発生量に見合う過不足のない添加量に制御して尿素水の添加を行えば良い。

この際、放電空間に誘電体ペレットが充填されていると、該各誘電体ペレット同士の接触点に電界が集中して強い放電プラズマが発生し易くなり、しかも、誘電体ペレットのような固体表面での方が尿素からアンモニアへの分解が進み易くなるため、放電空間内で尿素の固形物が強い放電プラズマにより効率良くアンモニアに分解されることになる。

更に、前記誘電体ペレットの表面には、尿素からアンモニアへの分解を促進する尿素分解触媒が担持されていることが好ましく、このようにすれば、尿素からアンモニアへの分解をより一層促進することが可能となる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、尿素放電分解リアクタを作動させて尿素の固形物を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解し、このアンモニアを選択還元型触媒の還元剤として排気管内に導入することができるので、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮させることができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、尿素の固形物を尿素切削投入手段により切削して微細化することでアンモニアへの分解を促し、誘電体ペレットの充填により強い放電プラズマを発生させ、誘電体ペレットのような固体表面で分解を行わせることで尿素からアンモニアへの分解を進み易くすることができ、尿素からアンモニアへの分解を効率良く実現することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、尿素からアンモニアへの分解を促進する尿素分解触媒を誘電体ペレットの表面に担持させたことにより、尿素からアンモニアへの分解をより一層促進することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号１はディーゼル機関であるエンジンを示し、ここに図示しているエンジン１では、ターボチャージャ２が備えられており、図示しないエアクリーナから導いた吸気３が吸気管４を介し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気３が更にインタークーラ５へと送られて冷却され、該インタークーラ５からインテークマニホールド６へと吸気３が導かれてエンジン１の各シリンダ７に導入されるようにしてある。

また、このエンジン１の各シリンダ７から排出された排気ガス８がエキゾーストマニホールド９を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８が排気管１０を介し車外へ排出されるようにしてあるが、該排気管１０の途中には、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させる性質を備えた選択還元型触媒１１がケーシング１２を介し装備されている。

更に、前記ケーシング１２の入口付近には、排気ガス８中に尿素水１３を添加する尿素水添加手段として尿素水添加弁１４が装備されており、この尿素水添加弁１４には、所要場所に配置された尿素水タンク１５から導いた尿素水供給ライン１６が接続されており、該尿素水供給ライン１６の途中に装備したポンプ１７の駆動により尿素水タンク１５内の尿素水１３が抜き出されて前記尿素水添加弁１４に向けて供給され、該尿素水添加弁１４のノズル先端から排気管１０内に噴射されるようになっている。

そして、本形態例においては、以上に述べた如き従来周知の排気浄化装置の構成に対し、尿素の固形物を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管１０内に導入する尿素放電分解リアクタ１８を前記ケーシング１２の入口付近（選択還元型触媒１１の上流側）に追加装備したことを特徴としている。

図２に詳細を示している通り、前記尿素放電分解リアクタ１８は、排気管１０の上側に直立するように配置されており、その内部下段にロッド状の高電圧電極１９が起立状態で配置され、これを取り巻くように円筒状の接地電極２０が同心状に配置されており、該接地電極２０の内周面（高電圧電極１９に対する対向面）に誘電体２１が内嵌装着されて前記高電圧電極１９と接地電極２０の相互間に高電圧が印加されるようになっている。

しかも、前記高電圧電極１９と接地電極２０の相互間に形成される放電空間２２には、尿素からアンモニアへの分解を促進する性質を備えた酸化チタン等の尿素分解触媒が担持された多数の誘電体ペレット２３が充填されており、該誘電体ペレット２３がセラミックス製のパンチングプレート２４の底板により抜け落ちないように支持されている。

更に、前記尿素放電分解リアクタ１８の内部上段には、放電空間２２に尿素の固形物２５を切削して微細化してから投入する尿素切削投入装置２６（尿素切削投入手段）が設けられており、この尿素切削投入装置２６は、尿素の固形物２５を切削する円盤状の切削刃２７と、該切削刃２７を回転駆動する駆動装置２８と、前記切削刃２７の上面に尿素の固形物２５を押圧する供給装置２９とにより構成されている。

前記円盤状の切削刃２７は、鉛直方向の軸を中心に水平回転し得るよう図示しない軸支手段により回転自在に保持されており、図３に示す如く、その平面部分の周方向複数箇所（図示では４箇所）に鉋の歯の如き刃先２７ａが斜めに立ち上がり、この刃先２７ａに沿って開口する隙間（図３で刃先２７ａに隠れた部分）から切削粉が下の放電空間２２に落下するようにしてあり、前記切削刃２７の外周部に刻設されたギヤ歯２７ｂと噛合するピニオン３０を介して前記駆動装置２８により前記切削刃２７が回転駆動されるようになっている。

また、前記供給装置２９は、円柱状に成形された複数の尿素の固形物２５を前記切削刃２７の上面側で刃先２７ａと対峙するよう多段に保持するガイド筒３１と、該ガイド筒３１の上部開口に挿入され且つ圧縮バネ３２により下方向きに付勢されたピストン３３とにより構成されており、該ピストン３３により尿素の固形物２５が、回転する切削刃２７の上面に押し付けられて切削されるようにしてある。

また、前記切削刃２７の上面側でガイド筒３１と干渉しない位置には、車両に搭載されたエアタンク３４（図１参照）から開閉弁３５を介して圧縮空気３６を導く搬送ガスライン３７が引き込まれており、該搬送ガスライン３７からの圧縮空気３６を搬送ガスとして、前記放電空間２２で生じたアンモニアが排気管１０内へ送り出されるようになっている。

尚、この種のエアタンク３４は、トラック等の大型車両でブレーキ系やサスペンション系にに利用される圧縮空気３６を蓄えておくためのものとして周知のものであるが、このようなエアタンク３４が搭載されていない車両にあっては、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの出口から吸気３を抽気して導いても良い。

而して、このようにすれば、排気温度が尿素水１３を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度（約２００℃程度：尿素水１３がアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに少なくとも約１５０〜１６０℃が必要であるため）に達していなくても、排気温度が選択還元型触媒１１の活性温度域（約１００℃程度）に到達した段階で尿素放電分解リアクタ１８を作動させ、該尿素放電分解リアクタ１８にて尿素の固形物２５を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管１０内に導入すると、このアンモニアを還元剤として排気ガス８中のＮＯxが選択還元型触媒１１上で良好に還元浄化されることになる。

即ち、尿素放電分解リアクタ１８における電極の相互間に高電圧を印加して放電空間２２内に放電プラズマを発生させる一方、尿素切削投入装置２６の駆動装置２８で切削刃２７を回転駆動して尿素の固形物２５を切削し、前記切削刃２７の刃先２７ａの隙間から微細化した切削粉を落として放電空間２２に投入すると、該放電空間２２内で尿素の固形物２５が放電プラズマによりアンモニアに分解され、搬送ガスライン３７により導かれた圧縮空気３６により前記アンモニアが排気管１０内へと送り出される。

この際、本形態例に示す如く、放電空間２２に誘電体ペレット２３が充填されていると、該各誘電体ペレット２３同士の接触点に電界が集中して強い放電プラズマが発生し易くなり、しかも、誘電体ペレット２３のような固体表面での方が尿素からアンモニアへの分解が進み易くなるため、放電空間２２内で尿素の固形物２５が強い放電プラズマにより効率良くアンモニアに分解されることになる。

特に本形態例の場合は、前記誘電体ペレット２３の表面に尿素からアンモニアへの分解を促進する性質を備えた酸化チタン等の尿素分解触媒を担持させているので、尿素からアンモニアへの分解をより一層促進することが可能となる。

尚、このように尿素の固形物２５を放電プラズマによりアンモニアに分解する方式であれば、同じ量のアンモニアを添加するのに必要な尿素の重量・容積が尿素水１３（通常は３２．５重量％程度の水溶液）と比較して１／３程度で済み、しかも、少ない尿素の固形物２５から濃いアンモニアを生成できるので、極めてコンパクトな装置としてまとめることが可能である。

また、排気温度が尿素水１３を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度（約２００℃程度）を超える運転状態に移行した段階では、尿素水添加弁１４に切り換えて尿素水１３の添加を開始し、現在の運転状態から推定されるＮＯx発生量に見合う過不足のない添加量に制御して尿素水１３の添加を行えば良い。

従って、上記形態例によれば、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、尿素放電分解リアクタ１８を作動させて尿素の固形物２５を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解し、このアンモニアを選択還元型触媒１１の還元剤として排気管１０内に導入することができるので、排気温度が選択還元型触媒１１の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮させることができる。

また、尿素の固形物２５を尿素切削投入装置２６により切削して微細化することでアンモニアへの分解を促し、誘電体ペレット２３の充填により強い放電プラズマを発生させ、誘電体ペレット２３のような固体表面で分解を行わせることで尿素からアンモニアへの分解を進み易くすることができ、しかも、尿素からアンモニアへの分解を促進する尿素分解触媒を誘電体ペレット２３の表面に担持させたことにより、尿素からアンモニアへの分解をより一層促進することもできる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、尿素放電分解リアクタの具体的な構成は必ずしも図示例に限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１の尿素放電分解リアクタの詳細を示す断面図である。図２の切削刃を上方から見た平面図である。

符号の説明

１エンジン
８排気ガス
１０排気管
１１選択還元型触媒
１３尿素水
１４尿素水添加弁
１８尿素放電分解リアクタ
１９高電圧電極
２０接地電極
２１誘電体
２２放電空間
２３誘電体ペレット
２５尿素の固形物
２６尿素切削投入装置
３６圧縮空気（搬送ガス）
３７搬送ガスライン

Claims

エンジンからの排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを
アンモニアと反応させる性質を備えた選択還元型触媒と、該選択還元型触媒の上流側に尿素水を還元剤として添加する尿素水添加手段とを備えた排気浄化装置において、尿素の固形物を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管内に導入する尿素放電分解リアクタを前記選択還元型触媒の上流側に追加装備し、
前記尿素放電分解リアクタが、互いに所要間隔を隔てて対向配置され且つ一方の他方に対する対向面に誘電体が被覆されて相互間に高電圧が印加されるようにした電極と、該電極の相互間に形成される放電空間に充填された誘電体ペレットと、尿素の固形物を切削し微細化して前記誘電体ペレットが充填された放電空間に投入する尿素切削投入手段と、前記放電空間で生じたアンモニアを排気管内へ送り出すための搬送ガスを導く搬送ガスラインと、を備え、
前記尿素放電分解リアクタは、前記尿素切削投入手段と、前記放電空間と、を内部に有し、
前記誘電体ペレットが充填された放電空間は、前記尿素放電分解リアクタの内部下段に設けられ、
前記尿素切削投入手段は、前記尿素放電分解リアクタの内部上段に設けられ、切削して微細化した尿素を落として、前記誘電体ペレットが充填された放電空間に直接投入するように構成されたことを特徴とする排気浄化装置。
誘電体ペレットの表面に、尿素からアンモニアへの分解を促進する尿素分解触媒が担持されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。