(57)【要約】【課題】固体尿素を使用し、効率よくＮＯｘ量に見合った量のアンモニアを生成する排ガス浄化装置を提供する。【解決手段】ディーゼルエンジン１から排出された排ガスが流通する排気管２に、酸化触媒３と、ＳＣＲ触媒４と、酸化触媒５とが設けられている。排気管２には、酸化触媒３の上流側で一端が接続された枝管６と、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間で一端が接続された枝管７とが設けられている。枝管６及び７の他端はそれぞれ、固体尿素収容部８に接続されている。固体尿素収容部８の内部には、固体尿素９と、マイクロ波吸収体である金属製の複数のアンテナ１０とが互いに接触するように収容されている。固体尿素収容部８には、固体尿素収容部８の側壁に部分的に設けられた孔１２を介して、マイクロ波発生装置であるマグネトロン１３が接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排ガスが流通する排気管に設けられたＳＣＲ触媒と、
固体尿素を収容する固体尿素収容部であって、前記排ガスの少なくとも一部が前記固体尿素収容部を通って前記ＳＣＲ触媒に流入する固体尿素収容部と、
該固体尿素収容部の内部に照射されるマイクロ波を発生させるためのマイクロ波発生装置と、
前記固体尿素収容部の内部に設けられると共に前記マイクロ波を吸収するマイクロ波吸収体と
を備える排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記マイクロ波吸収体は、前記マイクロ波を吸収可能な長さの金属製のアンテナである、請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記マイクロ波吸収体は、前記マイクロ波を吸収可能な材質からなる、請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記マイクロ波吸収体は保護膜で被覆されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記保護膜はシリカ膜である、請求項４に記載の排ガス浄化装置。
【請求項６】
前記マイクロ波発生装置を動作させる制御装置を備え、
該制御装置は、前記排ガスの温度に基づいて、前記マイクロ波発生装置の動作を制御する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
【請求項７】
前記マイクロ波発生装置を動作させる制御装置を備え、
該制御装置は、前記排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて、前記マイクロ波発生装置の動作を制御する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は排ガス浄化装置に係り、特に、排ガス中の窒素酸化物を選択的に還元する排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている。このシステムは、尿素に水を反応させてアンモニアを生成し、アンモニアとＮＯｘとを反応させて窒素と水にすることにより、排ガス中のＮＯｘを低減するものである。通常、尿素は、尿素水として液体の形態で使用されるため、水の分だけ体積が大きくなって搭載性が悪くなり、また、尿素水の凍結開始温度がマイナス１１℃であることから寒冷地での使用には凍結防止対策が必要であるといった問題点があった。
【０００３】
これらの問題点を解決するためには、尿素を固体として使用する必要がある。固体の尿素を使用した尿素ＳＣＲシステムが特許文献１〜３に記載されている。特許文献１では、空気供給下において電気ヒータで固体尿素を加熱して、アンモニア、一酸化炭素等の還元ガスに分解し、この還元ガスをＮＯｘの還元に使用するものである。特許文献２では、固体尿素が収納される溶解槽に水を供給すると共にマイクロ波を照射して内部加熱することにより、尿素が水に溶解した還元剤組成物を生成し、この還元剤組成物をＮＯｘの還元に使用するものである。特許文献３では、固体尿素及び軽油からなる固体尿素混合液を排気管に噴射後、金網やディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等によって固体尿素を捕集し、捕集された固体尿素が排ガスの熱によって昇華し、さらに排ガス中の水によって尿素がアンモニアと二酸化炭素に分解し、このアンモニアをＮＯｘの還元に使用するものである。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２７２３３１号公報
【特許文献２】特開２００３−２６５９２３号公報
【特許文献３】特開２００２−１５５７３３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、特許文献１では、電気ヒータで固体尿素を加熱しているため、エネルギー効率が悪いといった問題点があった。また、特許文献２では、固体尿素を使用しているものの水を加えて溶液にしている点で、尿素水を使用する尿素ＳＣＲシステムと同様の問題点が生じる。さらに、特許文献３では、排気管内に固体尿素を供給するだけではＮＯｘ量に見合った量のアンモニアを生成できないといった問題点があった。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、固体尿素を使用し、効率よくＮＯｘ量に見合った量のアンモニアを生成する排ガス浄化装置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】
【０００７】
この発明に係る排ガス浄化装置は、内燃機関から排出された排ガスが流通する排気管に設けられたＳＣＲ触媒と、固体尿素を収容する固体尿素収容部であって、前記排ガスの少なくとも一部が前記固体尿素収容部を通って前記ＳＣＲ触媒に流入する固体尿素収容部と、該固体尿素収容部の内部に照射されるマイクロ波を発生させるためのマイクロ波発生装置と、前記固体尿素収容部の内部に設けられると共に前記マイクロ波を吸収するマイクロ波吸収体とを備える。マイクロ波発生装置によって固体尿素収容部の内部に照射されたマイクロ波をマイクロ波吸収体が吸収して発熱することにより、固体尿素は加熱されて昇華し、昇華された尿素が排ガス中の水と反応してアンモニアを生成する。
前記マイクロ波吸収体は、前記マイクロ波を吸収可能な長さの金属製のアンテナであってもよい。
前記マイクロ波吸収体は、前記マイクロ波を吸収可能な材質から形成されてもよい。
前記マイクロ波吸収体は保護膜で被覆されていてもよい。前記保護膜はシリカ膜でもよい。
前記マイクロ波発生装置を動作させる制御装置を備え、該制御装置は、前記排ガスの温度に基づいて、前記マイクロ波発生装置の動作を制御してもよい。
前記マイクロ波発生装置を動作させる制御装置を備え、該制御装置は、前記排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて、前記マイクロ波発生装置の動作を制御してもよい。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、マイクロ波発生装置によって固体尿素収容部の内部に照射されたマイクロ波をマイクロ波吸収体が吸収して発熱することにより、固体尿素は加熱されて昇華し、昇華された尿素が排ガス中の水と反応してアンモニアを生成するので、効率よくＮＯｘ量に見合った量のアンモニアを生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に示されるように、内燃機関であるディーゼルエンジン１から排出された排ガスが流通する排気管２に、酸化触媒３と、ＳＣＲ触媒４と、酸化触媒５とが設けられている。排気管２には、酸化触媒３の上流側で一端が接続された枝管６と、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間で一端が接続された枝管７とが設けられている。枝管６及び７の他端はそれぞれ、固体尿素収容部８に接続されている。また、排気管２には、酸化触媒３の上流側に、排ガス温度を検出するための温度センサ１１が設けられている。
【００１０】
固体尿素収容部８の内部には、固体尿素９と、マイクロ波吸収体である金属製の複数のアンテナ１０とが互いに接触するように収容されている。固体尿素収容部８には、固体尿素収容部８の側壁に部分的に設けられた孔１２を介して、マイクロ波発生装置であるマグネトロン１３が接続されている。枝管６及び７のそれぞれと固体尿素収容部８との接続部分にはそれぞれ、金属メッシュ１４及び１５が設けられている。また、固体尿素収容部８には、固体尿素９の投入及び取出用の開口が設けられ、開口は、金属メッシュ１８を介して蓋１９によって閉じられている。温度センサ１１及びマグネトロン１３はそれぞれ、制御装置であるＥＣＵ１６に電気的に接続されている。
【００１１】
図２に示されるように、各アンテナ１０は、ポリシラザンを塗布後に硬化させて形成したシリカ（ＳｉＯ２）からなる保護膜１７を金属棒１０ａに被覆して構成されている。各アンテナ１０の長さは、マイクロ波を吸収可能な長さである。すなわち、マイクロ波の波長の１／２の長さまたは１／４の長さであれば、アンテナ１０はマイクロ波を吸収可能となる。ただし、アンテナ１０は、正確にマイクロ波の波長の１／２の長さまたは１／４の長さを有さなければならないわけではなく、多少の長短は許容される。また、各アンテナ１０は、マイクロ波の波長の１／４の長さの間隔をあけて、互いに平行となるように設けられている。
【００１２】
次に、この実施の形態１に係る排ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン１から排出された排ガスは、排気管２を流通し、酸化触媒３の直前で、一部が枝管６を流通し、残りの排ガスが酸化触媒３に流入する。酸化触媒３において、排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）の大部分が酸化されて二酸化窒素（ＮＯ２）となる。一方、枝管６を介して固体尿素収容部８内に流入した排ガスは、その熱によって固体尿素９を昇華し、昇華された尿素は、排ガス中に含まれる水と反応してアンモニアが生成する。生成したアンモニアは、排ガスと共に固体尿素収容部８から流出して枝管７を介して排気管２に戻り、酸化触媒３から流出した排ガスと混合してＳＣＲ触媒４に流入する。
【００１３】
ここで、ディーゼルエンジン１の起動直後等のように、排ガス温度が低い場合には、固体尿素収容部８内において固体尿素９を十分に昇華することができず、ＳＣＲ触媒４に供給されるアンモニアの量が不十分となってしまう。そこで、温度センサ１１の検出値が、ＥＣＵ１６に予め設定された温度（以下、下限設定値と称する）よりも低い場合には、ＥＣＵ１６はマグネトロン１３を起動させる。マグネトロン１３が起動するとマイクロ波が発生し、発生したマイクロ波は、孔１２を介して固体尿素収容部８内に広がる。すると、固体尿素収容部８内のアンテナ１０はマイクロ波を吸収可能であるため、マイクロ波を吸収して発熱する。アンテナ１０が発熱すると、アンテナ１０に接触する固体尿素９が加熱されて昇華し、排ガス中の水と反応してアンモニアを生成する。これにより、排ガス温度が低い場合に、アンモニアの不足分が補われる。尚、アンテナ１０は、シリカからなる保護膜１７で被覆されているので、排ガスによる損傷を防止できる。また、シリカは、マイクロ波を透過するので、アンテナ１０によるマイクロ波の吸収を阻害することはない。
【００１４】
ディーゼルエンジン１が十分に暖機されると、排ガス温度も上昇するので、そのままマグネトロン１３を稼働させていると、固体尿素収容部８内の温度が高くなり過ぎ、ＳＣＲ触媒４において必要とされる以上の量のアンモニアが発生してしまう。そこで、温度センサ１１の検出値が、ＥＣＵ１６に予め設定された温度（以下、上限設定値と称する）よりも高くなった場合には、ＥＣＵ１６はマグネトロン１３の稼働を停止する。これ以後、ディーゼルエンジン１の運転状態に応じて排ガス温度が変動するが、排ガス温度が下限設定値よりも低くなった場合には、ＥＣＵ１６はマグネトロン１３を起動し、排ガス温度が上限設定値を上回ったら、ＥＣＵ１６はマグネトロン１３の稼働を停止する。尚、下限設定値及び上限設定値はそれぞれ、排ガス温度に対するアンモニアの発生量と、ＳＣＲ触媒４において必要とされるアンモニアの量との相対関係により決定される。
【００１５】
アンモニアは、排ガスと共にＳＣＲ触媒４に流入すると、排ガス中のＮＯ及びＮＯ２と反応して窒素及び水になり、排ガス中のＮＯｘが還元除去される。ＳＣＲ触媒４から流出した排ガス中には、ＳＣＲ触媒４において消費されずに残ったアンモニアが含まれている。これは、固体尿素収容部８において、排ガス温度に応じてアンモニアの発生量を制御しているが、ＳＣＲ触媒４において必要とされる量に完全には制御することは困難なためである。逆に、アンモニアを残留させないようにするためにアンモニアの量を少なくしてしまうと、ＮＯｘの低減量も低下してしまうため、若干アンモニアが残る程度が好ましい。そこで、ＳＣＲ触媒４から流出した排ガスが酸化触媒５に流入すると、酸化触媒５によってアンモニアが酸化される。これにより、アンモニアを含まない排ガスが大気中へ放出される。
【００１６】
このように、マグネトロン１３によって固体尿素収容部８の内部に照射されたマイクロ波をアンテナ１０が吸収して発熱することにより、固体尿素９は加熱されて昇華し、昇華された尿素が排ガス中の水と反応してアンモニアを生成するので、効率よくＮＯｘ量に見合った量のアンモニアを生成することができる。
【００１７】
実施の形態１では、温度センサ１１を酸化触媒３の上流側の排気管２に配置して、温度センサ１１の検出値に基づいてマグネトロン１３の起動及び停止を制御していたが、この形態に限定するものではない。温度センサ１１は枝管６及び７や、固体尿素収容部８に設けてもよい。また、排ガス温度を温度センサ１１によって直接検出することに限定するものではなく、ＥＣＵ１６において予め、ディーゼルエンジン１の回転数やトルク等の運転状態と排ガス温度との関係を表すマップを組み込んでおき、このマップに基づいて排ガス温度を推定し、マグネトロン１３の起動及び停止を制御するようにしてもよい。
【００１８】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る排ガス浄化装置について説明する。尚、以下の実施の形態において、図１及び２の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る排ガス浄化装置は、実施の形態１に対して、マイクロ波吸収体を変更したものである。
【００１９】
図３に示されるように、固体尿素収容部８の内部には、固体尿素９と、マイクロ波吸収体である複数の炭素シート２０とが互いに接触するように収容されている。図４に示されるように、炭素シート２０は、ポリシラザンを塗布後に硬化させて形成したシリカ（ＳｉＯ２）からなる保護膜１７を炭素製の板２０ａに被覆して構成されている。その他の構成については、実施の形態１と同じである。
【００２０】
実施の形態１と同様にして、固体尿素収容部８の内部にマイクロ波が広がると、炭素シート２０がマイクロ波を吸収して発熱する。炭素シート２０が発熱すると、炭素シート２０に接触する固体尿素９が加熱されて昇華し、排ガス中の水と反応してアンモニアを生成する。これにより、排ガス温度が低い場合に、アンモニアの不足分が補われる。マグネトロン１３（図１参照）の起動及び停止の制御については、実施の形態１と同じである。
【００２１】
このように、マイクロ波吸収体として、マイクロ波を吸収可能な材質である炭素からなる炭素シート２０を用いた場合でも、マイクロ波を吸収して発熱することにより、固体尿素９を昇華させて、昇華させた尿素を排ガス中の水と反応させてアンモニアを生成させることができるので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、炭素シート２０は、シリカからなる保護膜１７で被覆されているので、実施の形態１と同様に、炭素シート２０によるマイクロ波の吸収を阻害することなく、排ガスによる炭素シート２０の酸化を防止することができる。
【００２２】
実施の形態２では、マイクロ波吸収体の材質として炭素を用いたが、炭素に限定するものではない。マイクロ波を吸収できる材質ならどのような材質であってもよく、炭素繊維やグラファイト、ＳｉＣ等でもよい。また、マイクロ波吸収体としてシート状の炭素シート２０を用いたが、この形態に限定するものでもない。マイクロ波を吸収可能な材質からなる粒子を、固体尿素９と混合させて固体尿素収容部８内に収容させたり、マイクロ波を吸収可能な材質からなる格子状の部材を固体尿素収容部８の底部に配置し、格子内に固体尿素９を配置させたりする形態でもよい。すなわち、マイクロ波吸収体から発熱した熱が固体尿素９に伝わるような形態であれば、どのような形態であってもよい。
【００２３】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る排ガス浄化装置について説明する。
この発明の実施の形態３に係る排ガス浄化装置は、実施の形態１に対して、マグネトロン１３の起動及び停止の制御方法を変更したものである。
図５に示されるように、排気管２には、酸化触媒３の上流側に、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ２１が設けられている。ＮＯｘセンサ２１は、ＥＣＵ１６に電気的に接続されている。その他の構成については、実施の形態１と同じである。
【００２４】
実施の形態３において、固体尿素収容部８内にマイクロ波を発生させて、固体尿素９からアンモニアを生成させる動作については、実施の形態１と同じである。ＥＣＵ１６によるマグネトロン１３の起動及び停止の制御については、ＮＯｘセンサ２１によって検出された排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて行う。すなわち、排ガス中のＮＯｘ濃度が高い場合には、ＳＣＲ触媒４において必要とされるアンモニアの量が多くなるので、マグネトロン１３を起動させ、逆に、排ガス中のＮＯｘ濃度が小さい場合には、ＳＣＲ触媒４において必要とされるアンモニアの量が少ないので、マグネトロン１３を起動させないようにする制御を行う。これにより、実施の形態１と同様、効率よくＮＯｘ量に見合った量のアンモニアを生成することができる。
【００２５】
実施の形態３では、排ガス中のＮＯｘ濃度を、ＮＯｘセンサ２１によって直接検出しているが、この形態に限定するものではない。ＥＣＵ１６において予め、ディーゼルエンジン１の回転数やトルク等の運転状態とＮＯｘ濃度との関係を表すマップを組み込んでおき、このマップに基づいてＮＯｘ濃度を推定し、マグネトロン１３の起動及び停止を制御するようにしてもよい。
【００２６】
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４に係る排ガス浄化装置について説明する。
この発明の実施の形態４に係る排ガス浄化装置は、実施の形態１に対して、固体尿素収容部８の配置位置を変更したものである。
図６に示されるように、固体尿素収容部８は、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間で、排気管２に直接設けられている。すなわち、酸化触媒３から流出した排ガスが全て固体尿素収容部８を通ってＳＣＲ触媒４に流入するようになっている。その他の構成と、固体尿素収容部８内にマイクロ波を発生させて固体尿素９からアンモニアを生成させる動作とは、実施の形態１と同じである。
【００２７】
このように、排気管２を流通する排ガスが全て固体尿素収容部８を通ってＳＣＲ触媒４に流入するようになっていても、マグネトロン１３によって固体尿素収容部８の内部に照射されたマイクロ波をアンテナ１０が吸収して発熱することにより、固体尿素９は加熱されて昇華し、昇華された尿素が排ガス中の水と反応してアンモニアを生成するので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
実施の形態１〜４では、保護膜１７の材質としてポリシラザン由来のシリカを使用したが、これに限定するものではない。マイクロ波を透過すると共に排ガスからマイクロ波吸収体を保護できる材質であればどのようなものでもよく、例えば、アルミナ等、セラミック系の材質であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る排ガス浄化装置の構成模式図である。
【図２】実施の形態１に係る排ガス浄化装置に用いられるアンテナの斜視図である。
【図３】実施の形態２に係る排ガス浄化装置の固体尿素収容部の構成図である。
【図４】実施の形態２に係る排ガス浄化装置に用いられる炭素シートの断面図である。
【図５】実施の形態３に係る排ガス浄化装置の構成模式図である。
【図６】実施の形態４に係る排ガス浄化装置の構成模式図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ディーゼルエンジン（内燃機関）、２  排気管、４  ＳＣＲ触媒、８  固体尿素収容部、９  固体尿素、１０  アンテナ（マイクロ波吸収体）、１３  マグネトロン（マイクロ波発生装置）、１６  ＥＣＵ（制御装置）、１７  保護膜、２０  炭素シート（マイクロ波吸収体）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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