説明

排気浄化装置

【課題】排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、尿素水を積極的にアンモニアに分解することができ、従来より低い排気温度から良好なNOx低減効果が得られる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】尿素水12に超音波を照射する超音波照射手段13として、尿素水12の流入口14aと流出口14bとを有する超音波照射槽14を配設し、該超音波照射手段13としての超音波照射槽14の流入口14aに尿素水供給ライン15を接続すると共に、前記超音波照射槽14の流出口14bに、超音波が照射された尿素水12を選択還元型触媒10の上流側における排気管9内へ導く添加ノズル16を接続する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
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排気浄化装置がある。
【0003】
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、自動車の排気浄化装置の場合には、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)。
【0004】
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、該排気ガス中で尿素水が
(NH22・CO+H2O→2NH3+CO2
で示される化学反応式によりアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、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。
【特許文献1】特開2002−161732号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、このような尿素水を還元剤として使用する排気浄化装置の場合、その還元反応時における充分な触媒活性を得るのに約200[℃]以上の排気温度が必要となるので、排気温度が200[℃]を下まわるような低い運転状態(一般的に低負荷運転領域に排気温度が低い領域が拡がっている)が続くと、尿素水からアンモニアへの分解が進まないためにNOx低減率がなかなか高まらないという問題があり、例えば、都市部の路線バス等のように渋滞路ばかりを走行するような運行形態の車両では、必要な所定温度以上での運転が長く継続しないため、NOx低減率が低いまま推移してしまって良好なNOx低減効果を得ることができなかった。
【0006】
しかも、従来の場合、尿素水を単に排気管内へ直接噴射するだけであるため、排気ガスの排熱から尿素水への熱伝達効率が低く、特に排気温度が低い場合にはアンモニア生成量が少なくなることから、NOx低減に必要な量のアンモニアを選択還元型触媒へ供給できず、NOx低減効果が著しく小さくなるという不具合を有していた。
【0007】
本発明は、斯かる実情に鑑み、排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、尿素水を積極的にアンモニアに分解することができ、従来より低い排気温度から良好なNOx低減効果が得られる排気浄化装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、排気管の途中に選択還元型触媒を装備し且つ該選択還元型触媒の上流側に還元剤として尿素水を添加してNOxを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、
添加される尿素水に超音波を照射する超音波照射手段を備えたことを特徴とする排気浄化装置にかかるものである。
【0009】
上記手段によれば、以下のような作用が得られる。
【0010】
運転時に選択還元型触媒の上流側に還元剤として添加される尿素水に、超音波照射手段において超音波が照射されると、キャビテーションによる気泡が発生し、該キャビテーションによる気泡の崩壊時には、短寿命の高温・高圧の局所場(ホットスポット)が形成され、これにより、尿素分子における結合エネルギの低いC−N結合部が切断されるため、たとえ排気温度が低い場合であっても、前記超音波照射手段において超音波が照射された尿素水は、アンモニアと炭酸ガスに効率良く分解され、アンモニア生成量が多くなることから、従来のように尿素水を単に排気管内へ直接噴射するのとは異なり、NOx低減に必要な量のアンモニアを選択還元型触媒へ供給可能となり、該アンモニアが選択還元型触媒上で排気ガス中のNOxと効果的に反応し、該排気ガス中のNOxが従来より低い排気温度から良好に還元浄化される。
【0011】
前記排気浄化装置においては、振動子により槽全体を振動させて導入される尿素水に超音波を照射し排出する超音波照射槽によって、超音波照射手段を構成することができる。
【0012】
又、前記排気浄化装置においては、振動子によりホーンを振動させて導入される尿素水に超音波を照射し排出する超音波照射槽によって、超音波照射手段を構成することもできる。
【発明の効果】
【0013】
本発明の排気浄化装置によれば、排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、尿素水を積極的にアンモニアに分解することができ、従来より低い排気温度から良好なNOx低減効果が得られるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【0015】
図1〜図4は本発明を実施する形態の一例であって、図示しているディーゼルエンジン1では、ターボチャージャ2が備えられており、エアクリーナ3から導いた空気4が吸気管5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で加圧された空気4が更にインタークーラ6へと送られて冷却され、該インタークーラ6から図示しないインテークマニホールドへと空気4が導かれてディーゼルエンジン1の各シリンダに導入されるようにしてある。
【0016】
前記ディーゼルエンジン1の各シリンダから排出された排気ガス7はエキゾーストマニホールド8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7が排気管9を介し車外へ排出されるようにしてある。
【0017】
又、前記排気ガス7が流通する排気管9の途中には、選択還元型触媒10がケーシング11により抱持されて装備されており、該選択還元型触媒10は、図2に示す如きフロースルー方式のハニカム構造物として形成され、酸素共存下でも選択的にNOxをアンモニアと反応させ得るような性質を有している。
【0018】
そして、尿素水12に超音波(周波数がおよそ20[kHz]〜数[MHz]程度)を照射する超音波照射手段13として、尿素水12の流入口14aと流出口14bとを有する超音波照射槽14を配設し、該超音波照射手段13としての超音波照射槽14の流入口14aに尿素水供給ライン15を接続すると共に、前記超音波照射槽14の流出口14bに、超音波が照射された尿素水12を選択還元型触媒10の上流側における排気管9内へ導く添加ノズル16を接続するようにしてある。
【0019】
ここで、前記超音波照射槽14には、例えば、図3(a)に示す如く、その底部に振動子17を埋め込み、該振動子17により槽全体を振動させて尿素水12に超音波を照射する方式のものを採用したり、或いは図3(b)に示す如く、その内部に、振動子17からの振動を伝えるホーン18を配設し、該振動子17によりホーン18を振動させて尿素水12に超音波を照射する方式のものを採用することができる。尚、前記超音波照射槽14の振動子17は、電源19(図1参照)のオン・オフにより作動・停止するようになっている。
【0020】
又、前記尿素水供給ライン15は、尿素水12が貯留される尿素水タンク20から延び、該尿素水供給ライン15の途中には、尿素水タンク20の尿素水12を圧送する供給ポンプ21と、該供給ポンプ21によって圧送される尿素水12の圧力を調整するレギュレータ22と、該レギュレータ22によって圧力が調整された尿素水12を前記超音波照射手段13としての超音波照射槽14を経て添加ノズル16から噴射させるインジェクタ23とを設けるようにしてある。
【0021】
一方、制御装置24からは、前記供給ポンプ21に対し駆動指令信号21aが出力され、前記レギュレータ22に対し調圧指令信号22aが出力され、前記インジェクタ23に対し開弁指令信号23aが出力されるようになっており、該インジェクタ23の開弁作動により尿素水12の添加量が適切に制御され、その添加時に必要な噴射圧力が前記供給ポンプ21の駆動とレギュレータ22の作動により適宜に得られると共に、前記尿素水12の添加時にそれと連動させて前記電源19に対し制御指令信号19aが出力され、添加される尿素水12に超音波が照射されるようになっている。
【0022】
尚、前記制御装置24においては、図示していないエンジン制御コンピュータ(ECU:Electronic Control Unit)との間でディーゼルエンジン1の回転数及び負荷が遣り取りされるようになっており、これらから判断される現在の運転状態に基づきNOxの発生量が推定され、その推定されたNOxの発生量に見合う尿素水12の添加量が算出されて必要量の尿素水12の添加と超音波の照射とが実行されるようになっている。
【0023】
次に、上記図示例の作用を説明する。
【0024】
運転時に、制御装置24からの駆動指令信号21aと調圧指令信号22aと開弁指令信号23aとによって供給ポンプ21とレギュレータ22とインジェクタ23とを作動させることにより、必要量の尿素水12を尿素水供給ライン15から流入口14aを経て超音波照射槽14の内部へ導入すると共に、前記制御装置24からの制御指令信号19aにより電源19をオンにして超音波照射槽14の振動子17を作動させると、該超音波照射槽14内において尿素水12には、超音波が照射される。
【0025】
前記超音波照射槽14内において尿素水12に超音波が照射されると、キャビテーションによる気泡が発生し、該キャビテーションによる気泡の崩壊時には、短寿命の高温・高圧の局所場(ホットスポット)が形成され、これにより、尿素分子における結合エネルギの低いC−N結合部が切断されるため、たとえ排気温度が低い場合であっても、前記超音波照射槽14において超音波が照射された尿素水12は、アンモニアと炭酸ガスに効率良く分解され、アンモニア生成量が多くなることから、従来のように尿素水12を単に排気管9内へ直接噴射するのとは異なり、NOx低減に必要な量のアンモニアを選択還元型触媒10へ供給可能となり、該アンモニアが選択還元型触媒10上で排気ガス7中のNOxと効果的に反応し、該排気ガス7中のNOxが従来より低い排気温度から良好に還元浄化されることになる。
【0026】
事実、本発明者等が行った実験結果によれば、図4のグラフに示す如く、前述した本図示例の装置構成にて尿素水12への超音波照射を行うことにより分解されたアンモニアを選択還元型触媒10の上流側に添加するケースXと、このような超音波照射を行わずに尿素水12をそのまま選択還元型触媒10の上流側に添加した従来のケースYとを比較したところ、従来のケースYでは、高いNOx低減率を得るためには選択還元型触媒10の床温(入側排気温度)がおよそ200[℃]以上必要であるのに対し、ケースXでは、選択還元型触媒10の床温(入側排気温度)がおよそ140[℃]程度あれば高いNOx低減率を得られることが実際に確認された。
【0027】
こうして、排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、尿素水12を積極的にアンモニアに分解することができ、従来より低い排気温度から良好なNOx低減効果が得られる。
【0028】
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、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。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図2】図1の選択還元型触媒の一部を切り欠いて示す斜視図である。
【図3】図1の超音波照射槽を示す概略断面図であって、(a)は振動子により槽全体を振動させて尿素水に超音波を照射する方式の図、(b)は振動子によりホーンを振動させて尿素水に超音波を照射する方式の図である。
【図4】選択還元型触媒床温(入側排気温度)とNOx低減率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【0030】
1 ディーゼルエンジン
7 排気ガス
9 排気管
10 選択還元型触媒
11 ケーシング
12 尿素水
13 超音波照射手段
14 超音波照射槽
15 尿素水供給ライン
16 添加ノズル
17 振動子
18 ホーン
19 電源
20 尿素水タンク
21 供給ポンプ
22 レギュレータ
23 インジェクタ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
排気管の途中に選択還元型触媒を装備し且つ該選択還元型触媒の上流側に還元剤として尿素水を添加してNOxを還元浄化するようにした排気浄化装置であって、
添加される尿素水に超音波を照射する超音波照射手段を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項2】
振動子により槽全体を振動させて導入される尿素水に超音波を照射し排出する超音波照射槽によって、超音波照射手段を構成した請求項1記載の排気浄化装置。
【請求項3】
振動子によりホーンを振動させて導入される尿素水に超音波を照射し排出する超音波照射槽によって、超音波照射手段を構成した請求項1記載の排気浄化装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2007−182803(P2007−182803A)
【公開日】平成19年7月19日(2007.7.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−1402(P2006−1402)
【出願日】平成18年1月6日(2006.1.6)
【出願人】(000005463)日野自動車株式会社 (1,484)
【Fターム(参考)】