(57)【要約】【課題】尿素水溶液の加水分解を促進させる。【解決手段】エンジン１０の排気管１４に配設され、加水分解により尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して排気中のＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒１８と、その排気上流に尿素水溶液を噴射供給する尿素水溶液噴射ノズル２２と、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液を噴霧化して尿素水溶液噴射ノズル２２に供給する尿素水溶液供給装置２６と、を含んで構成される排気浄化装置において、水蒸気発生装置３０で発生させた水蒸気を水蒸気噴射ノズル２４からＮＯｘ還元触媒１８の排気上流に噴射供給する。そして、尿素水溶液噴射ノズル２２から噴射供給された尿素水溶液噴霧に水蒸気を衝突させ、水分がリッチな雰囲気中で加水分解を行わせると共に、水蒸気の衝突により尿素水溶液の分裂及び拡散を促すことで、その加水分解を促進させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排気管に配設され、加水分解により尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して排気中の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尿素水溶液噴射ノズルと、
エンジン運転状態に応じた尿素水溶液を噴霧化して尿素水溶液噴射ノズルに供給する尿素水溶液供給装置と、
前記尿素水溶液噴射ノズルから噴射供給される尿素水溶液噴霧に水蒸気を衝突させる水蒸気衝突装置と、
を含んで構成されたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記水蒸気衝突装置は、
前記還元触媒の排気上流に水蒸気を噴射供給する水蒸気噴射ノズルと、
電気ヒータで水を加熱して水蒸気を発生させる水蒸気発生装置と、
エンジン運転状態に応じて、前記水蒸気発生装置から水蒸気噴射ノズルへと供給される水蒸気の流量を制御する流量制御装置と、
を含んで構成され、
前記尿素水溶液噴射ノズルから噴射供給された尿素水溶液噴霧に対して、前記水蒸気噴射ノズルから噴射供給された水蒸気を衝突させることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記水蒸気衝突装置は、
電気ヒータで水を加熱して水蒸気を発生させる水蒸気発生装置と、
エンジン運転状態に応じて、前記水蒸気発生装置から供給される水蒸気の流量を制御する流量制御装置と、
を含んで構成され、
前記尿素水溶液供給装置の内部において、前記流量制御装置により流量が制御された水蒸気を尿素水溶液噴霧に衝突させることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記水蒸気発生装置に供給される水をエンジンの熱で予熱する予熱装置を更に備えたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加水分解により尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気に含まれるＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、特開２０００−２７６２７号公報（特許文献１）に記載された排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、排気管に配設されたＮＯｘ還元触媒の排気上流にエンジン運転状態に応じた尿素水溶液を噴射供給する。そして、加水分解により生成されるアンモニアを使用して、ＮＯｘ還元触媒で排気中のＮＯｘを選択的に還元反応させることで、ＮＯｘを無害成分に浄化処理する。
【特許文献１】特開２０００−２７６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、尿素水溶液の加水分解が十分進行しないと、エンジン運転状態に応じたアンモニアが生成されず、また、排気中のアンモニア濃度に濃淡が生じることから、ＮＯｘ還元触媒におけるＮＯｘ浄化効率が低下するばかりでなく、ＮＯｘ還元触媒を通過した未反応アンモニアが大気中に放出されてしまうおそれがあった。さらに、エンジン運転状態の過渡期にあっては、排気温度や排気流量に対して尿素水溶液の噴射供給流量が多く、その加水分解が十分進行せずに溶媒（水分）のみが蒸発し、排気管内に尿素の結晶が析出したり、噴射ノズルの噴孔に目詰まりが発生するおそれもあった。排気管内に尿素の結晶が過度に析出すると、排気流れが阻害されることから、排気圧力の上昇，燃費低下などを来たしてしまう。
【０００４】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、ＮＯｘ還元触媒の排気上流に噴射供給される尿素水溶液に水蒸気を衝突させることで、尿素水溶液の加水分解を促進させた排気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】
【０００５】
このため、本発明では、排気浄化装置を、エンジン排気管に配設され、加水分解により尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用して排気中のＮＯｘを還元浄化する還元触媒と、その排気上流に尿素水溶液を噴射供給する尿素水溶液噴射ノズルと、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液を噴霧化して尿素水溶液噴射ノズルに供給する尿素水溶液供給装置と、尿素水溶液噴射ノズルから噴射供給される尿素水溶液噴霧に水蒸気を衝突させる水蒸気衝突装置と、を含んで構成する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、尿素水溶液噴射ノズルから噴射供給される尿素水溶液噴霧に水蒸気が衝突するので、尿素水溶液噴霧と水蒸気とが混合し、水分がリッチな雰囲気中で尿素水溶液の加水分解が行われる。また、尿素水溶液噴霧に水蒸気が衝突することから、尿素水溶液の分裂及び拡散が促進される。そして、これらの相乗効果により、尿素水溶液の加水分解が促進され、還元触媒におけるＮＯｘ浄化効率の低下、未反応アンモニアの放出、並びに、尿素結晶析出による排気圧力の上昇及び燃費低下などを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、排気浄化装置の第１実施形態を示す。
エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管１４には、排気流通方向に沿って、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2）へと酸化させる窒素酸化触媒１６と、加水分解により尿素水溶液から生成されたアンモニアを使用してＮＯｘを選択的に還元浄化するＮＯｘ還元触媒１８と、ＮＯｘ還元触媒１８を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２０と、がこの順番で配設される。窒素酸化触媒１６とＮＯｘ還元触媒１８との間に位置する排気管１４には、尿素水溶液を噴射供給する尿素水溶液噴射ノズル２２と、尿素水溶液の加水分解を促進させる水蒸気を噴射供給する水蒸気噴射ノズル２４と、が夫々取り付けられる。なお、水蒸気噴射ノズル２４の取付位置は、ＮＯｘ還元触媒１８の排気上流であれば、尿素水溶液噴射ノズル２２の排気上流又は排気下流のいずれであってもよい。
【０００８】
尿素水溶液噴射ノズル２２は、尿素水溶液を吸い込んで圧送する電動ポンプ及びその噴射供給流量を制御する流量制御弁が内蔵された尿素水溶液供給装置２６を介して、尿素水溶液を貯蔵する尿素水溶液タンク２８に連通接続される。また、水蒸気噴射ノズル２４は、電気ヒータで水を加熱して水蒸気を発生させる水蒸気発生装置３０、及び、ここで発生された水蒸気の供給流量を制御する流量制御弁３２を介して、水蒸気の元となる水を貯蔵する水タンク３４に連通接続される。なお、尿素水溶液供給装置２６は、尿素水溶液タンク２８から吸い込んだ尿素水溶液を噴霧化しつつ尿素水溶液噴射ノズル２２に圧送する。
【０００９】
窒素酸化触媒１６と尿素水溶液噴射ノズル２２との間に位置する排気管１４には、排気温度を測定する温度センサ３６が取り付けられる。温度センサ３６の出力信号は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット（以下「還元剤添加ＥＣＵ」という）３８に入力される。還元剤添加ＥＣＵ３８は、エンジン回転速度及び燃料噴射流量を適宜読み込むべく、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）などを介して、エンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット（以下「エンジンＥＣＵ」という）４０に接続される。そして、還元剤添加ＥＣＵ３８は、そのＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムに従って、エンジン運転状態（エンジン回転速度，燃料噴射流量及び排気温度）に応じて尿素水溶液供給装置２６及び流量制御弁３２を夫々電子制御する。
【００１０】
なお、水蒸気噴射ノズル２４及び水蒸気発生装置３０により、水蒸気衝突装置が構成される。また、流量制御弁３２及び還元剤添加ＥＣＵ３８により、流量制御装置が構成される。
【００１１】
このような排気浄化装置において、尿素水溶液噴射ノズル２２から排気管１４内へと噴射供給された尿素水溶液噴霧は、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。このアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒１８において排気中のＮＯｘと選択的に還元反応し、無害な水（Ｈ2Ｏ）及び窒素（Ｎ2）へと浄化される。このとき、ＮＯｘ還元触媒２０によるＮＯｘ浄化効率を向上させるべく、窒素酸化触媒１６によりＮＯがＮＯ2へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ2との比率が還元反応に適したものに改善される。また、ＮＯｘ還元触媒１８を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒２０により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることが抑制される。
【００１２】
ここで、尿素水溶液噴射ノズル２２から噴射供給された尿素水溶液噴霧に対して、水蒸気噴射ノズル２４から噴射供給された水蒸気が衝突するので、尿素水溶液噴霧と水蒸気とが混合して、水分がリッチな雰囲気中で尿素水溶液の加水分解が行われる。また、尿素水溶液噴霧に対して水蒸気が衝突することから、尿素水溶液の分裂及び拡散が促進されると共に、尿素水溶液と排気との混合が促進される。そして、これらの相乗効果により、尿素水溶液の加水分解が促進され、ＮＯｘ還元触媒１８におけるＮＯｘ浄化効率の低下、アンモニア酸化触媒２０で処理できなかった未反応アンモニアの放出、並びに、尿素結晶析出による排気圧力の上昇及び燃費低下などを抑制することができる。
【００１３】
図２は、排気浄化装置の第２実施形態を示す。なお、先の第１実施形態と同一構成については、同一符号を付すことで、その説明を省略又は簡略化する。
本実施形態では、水蒸気発生装置３０により発生させた水蒸気を、ＮＯｘ還元触媒１８の排気上流に噴射供給する代わりに、図３に示すように、尿素水溶液供給装置２６の内部で尿素水溶液噴霧に対して噴射供給する。このようにすれば、排気管１４より横断面積が小さい尿素水溶液供給装置２６の内部空間で、尿素水溶液噴霧に水蒸気が衝突するので、その分裂及び拡散を一層促進させることができる。なお、他の作用及び効果については、尿素水溶液と排気との混合促進を除き、先の第１実施形態と同様であるので、その説明を参照されたし。
【００１４】
ところで、水蒸気発生装置３０では、電気ヒータで水を加熱して水蒸気を発生させている。水蒸気発生に要するエネルギを低減するために、水タンク３４から水蒸気発生装置３０に供給される水を、エンジン１０の熱で予熱する予熱装置を備えることが望ましい。この予熱装置の一例としては、例えば、水タンク３４と水蒸気発生装置３０とを連通接続する配管をエンジン周囲に巡らし、エンジン１０と熱交換するようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】排気浄化装置の第１実施形態を示す全体構成図
【図２】排気浄化装置の第２実施形態を示す全体構成図
【図３】第２実施形態における尿素水溶液供給装置の要部断面図
【符号の説明】
【００１６】
１０  エンジン
１４  排気管
１８  ＮＯｘ還元触媒
２２  尿素水溶液噴射ノズル
２４  水蒸気噴射ノズル
２６  尿素水溶液供給装置
２８  尿素水溶液タンク
３０  水蒸気発生装置
３２  流量制御弁
３４  水タンク
３８  還元剤添加ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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