(57)【要約】【課題】排気ガスの温度が低い状態でも高い状態でも、還元剤を効率良く加熱して還元剤の加水分解を促進させることができる排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】排気ガス浄化装置１は、ＤＰＦ５とＳＣＲ６とを繋ぐ排気管８内に配置され、排気管８内に尿素水を供給するための螺旋状の内部尿素水供給配管９を備えている。内部尿素水供給配管９は、排気管８の内壁面に接触するように配置されている。内部尿素水供給配管９の排気下流側部分には、尿素水の加水分解により生成されたアンモニアを異なる方向に排出するための排出口９ａ，９ｂが複数ずつ形成されている。また、排気ガス浄化装置１は、排気管８の外部に配置され、アンモニアと化学反応して熱を発生させる反応材料が含有されたリング状の反応器１３と、この反応器１３と管路１４を介して接続され、アンモニアを貯蔵することで蓄熱を行う蓄熱器１５とを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置において、
前記排気ガスが通る排気通路の途中に設けられた還元触媒と、
前記排気通路を形成する排気管内における前記還元触媒の上流側に配置され、前記排気管内に還元剤を供給するための還元剤供給配管と、
前記排気管の外側に配置され、前記還元剤供給配管を加熱する加熱手段とを備え、
前記還元剤供給配管は、前記排気管内における前記加熱手段に対応する部位において前記排気管の内壁面に熱的に接触するように配置されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記還元剤供給配管には、前記還元剤との加水分解により生成されたアンモニアを排出するための複数の排出口が設けられていることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記複数の排出口は、前記アンモニアの排出方向が異なるように前記還元剤供給配管に設けられていることを特徴とする請求項２記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記複数の排出口は、前記アンモニアの排出方向が排気上流側とならないように前記還元剤供給配管に設けられていることを特徴とする請求項２または３記載の排気ガス浄化装置。
【請求項５】
前記還元剤供給配管は、螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の排気ガス浄化装置。
【請求項６】
前記加熱手段は、前記排気管の外側に前記排気管を囲むように配置され、吸着媒体と化学反応して熱を発生させる反応材料を含有する反応器と、前記反応器と接続され、前記吸着媒体を貯蔵することで蓄熱を行う蓄熱器とを有し、
前記還元剤供給配管は、前記排気管内における前記反応器に対応する部位において前記排気管の長手方向に沿って間隔をもつように配置されていることを特徴とする請求項５記載の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の排気ガス浄化装置としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の排気ガス浄化装置は、ＮＯｘ還元触媒の上流側の排気通路（排気管）に介装され、尿素水溶液等の液体還元剤を噴射添加する還元剤噴射弁を備えている。還元剤噴射弁は、還元剤を短時間で加熱可能な電気ヒータで構成された発熱体を有し、この発熱体で還元剤を加熱することで、還元剤の気化を促進させる。
【０００３】
また、特許文献２には、排気管内に配置された複数の加熱管と、各加熱管の一端部と連通された還元剤水溶液通路と、各加熱管の他端部に取り付けられ、気化膨張室を構成する箱体とを備えた還元剤水溶液注入ノズル装置が記載されている。このような還元剤水溶液注入ノズル装置では、還元剤水溶液が加熱管を通過する間に、加熱管が高温の排気ガスにより加熱され、還元剤水溶液の気化が促進される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３３２８２７号公報
【特許文献２】特開平３−２０６３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、上記特許文献１に記載のものでは、排気管の外部で発熱体により還元剤を加熱し、その加熱された還元剤を排気管内に供給しているため、還元剤の熱が低温の排気ガスに奪われることがある。この場合には、還元剤の加水分解が促進されず、ＮＯｘ還元触媒によるＮＯｘの還元浄化に影響を与えるようになる。また、上記特許文献２に記載のものでは、排気ガスの温度が低いときに還元剤を加熱することができない。
【０００６】
本発明の目的は、排気ガスの温度が低い状態でも高い状態でも、還元剤を効率良く加熱して還元剤の加水分解を促進させることができる排気ガス浄化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、エンジンから排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置において、排気ガスが通る排気通路の途中に設けられた還元触媒と、排気通路を形成する排気管内における還元触媒の上流側に配置され、排気管内に還元剤を供給するための還元剤供給配管と、排気管の外側に配置され、還元剤供給配管を加熱する加熱手段とを備え、還元剤供給配管は、排気管内における加熱手段に対応する部位において排気管の内壁面に熱的に接触するように配置されていることを特徴とするものである。
【０００８】
このように本発明の排気ガス浄化装置においては、排気ガスの温度が所定温度よりも低いときは、還元剤供給配管により還元剤（例えば尿素水）が排気管内に供給されると共に、還元剤供給配管を通る還元剤が加熱手段によって加熱される。このとき、還元剤供給配管は、排気管内における加熱手段に対応する部位において排気管の内壁面に熱的に接触するように配置されている。このため、加熱手段によって還元剤供給配管が加熱されることで、排気管内も加熱されることになるため、還元剤供給配管を通る還元剤の熱が低温の排気ガスに奪われにくくなる。従って、還元剤の加水分解が促進されてアンモニアが生成され、還元触媒においてアンモニアによりＮＯｘが還元浄化される。一方、排気ガスの温度が所定温度よりも高いときは、排気ガスの熱により還元剤の加水分解が促進されることでアンモニアが生成され、上記と同様に還元触媒においてアンモニアによりＮＯｘが還元浄化される。このように排気ガスの温度が低い状態でも高い状態でも、還元剤を効率良く加熱して還元剤の加水分解を促進させることができる。
【０００９】
好ましくは、還元剤供給配管には、還元剤との加水分解により生成されたアンモニアを排出するための複数の排出口が設けられている。この場合には、還元剤の加水分解により生成されたアンモニアが複数の排出口から排出されるため、アンモニアが排気管内の広い範囲にわたって分散されるようになる。従って、アンモニアによるＮＯｘの還元浄化を効果的に行うことができる。
【００１０】
このとき、好ましくは、複数の排出口は、アンモニアの排出方向が異なるように還元剤供給配管に設けられている。この場合には、アンモニアが排気管内のより広い範囲にわたって均一に分散されるようになるため、アンモニアによるＮＯｘの還元浄化を更に効果的に行うことができる。
【００１１】
また、複数の排出口は、アンモニアの排出方向が排気上流側とならないように還元剤供給配管に設けられているのが好ましい。この場合には、排気管内を流れる排気ガス中に含まれるＰＭ（粒子状物質）等が排出口を塞ぐことが防止される。
【００１２】
また、好ましくは、還元剤供給配管は、螺旋状に形成されている。この場合には、還元剤供給配管において排気管の内壁面と熱的に接触する面積が増えるため、還元剤供給配管を通る還元剤を加熱手段によって十分加熱することができる。
【００１３】
このとき、好ましくは、加熱手段は、排気管の外側に排気管を囲むように配置され、吸着媒体と化学反応して熱を発生させる反応材料を含有する反応器と、反応器と接続され、吸着媒体を貯蔵することで蓄熱を行う蓄熱器とを有し、還元剤供給配管は、排気管内における反応器に対応する部位において排気管の長手方向に沿って間隔をもつように配置されている。
【００１４】
このような構成では、排気ガスの温度が低いときは、蓄熱器から反応器に吸着媒体が供給され、その吸着媒体が反応器に内蔵された反応材料と化学反応することで反応器に熱が発生し、その熱が反応器から還元剤供給配管に伝わり、還元剤供給配管を通る還元剤が加熱される。一方、排気ガスの温度が十分高くなったときは、高温の排気ガスの熱（排熱）が反応器に伝わり、この熱により反応器から分離した吸着媒体が蓄熱器に戻る。つまり、排熱が蓄熱器に回収されることになる。このとき、還元剤供給配管は、排気管内における反応器に対応する部位において排気管の長手方向に沿って間隔をもつように配置されている。このため、排気管内から反応器に直接伝わる排熱が増えるため、排熱が回収しやすくなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、排気ガスの温度が低い状態でも高い状態でも、還元剤を効率良く加熱して還元剤の加水分解を促進させることができる。これにより、還元触媒によるＮＯｘの還元浄化効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る排気ガス浄化装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示した排気ガス浄化装置の主要部を示す概略構成図である。
【図３】図２に示した内部尿素水供給配管の斜視図である。
【図４】図２に示した内部尿素水供給配管を含む部分を排気下流側から見たときの断面図である。
【図５】排気ガスの低温時及び高温時における反応器及び蓄熱器の動作を、尿素水が加水分解されてアンモニアが生成される様子と共に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る排気ガス浄化装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る排気ガス浄化装置の一実施形態を示す概略構成図である。同図において、本実施形態の排気ガス浄化装置１は、エンジン２（ここではディーゼルエンジン）の排気系に設けられ、エンジン２から排出される排気ガス中に含まれる有害物質（環境汚染物質）を浄化する装置である。
【００１９】
排気ガス浄化装置１は、エンジン２と接続された排気通路３の途中に排気上流側から排気下流側に向けて順に設けられた酸化触媒４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）５、選択還元触媒（ＳＣＲ）６及び酸化触媒７を備えている。
【００２０】
酸化触媒４は、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化する触媒である。ＤＰＦ５は、排気ガス中に含まれるＰＭ（粒子状物質）を捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ６は、アンモニア（ＮＨ３）を用いて、排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒である。ＳＣＲ６としては、ゼオライト系（Ｃｕ−ＺＳＭ５やＳＡＰＯ等）、酸化バナジウム系、酸化タングステン系などＮＨ３−ＳＣＲ活性を示す触媒が使用される。酸化触媒７は、ＮＯｘ還元反応に使われなかったアンモニアを酸化する触媒である。
【００２１】
ＤＰＦ５とＳＣＲ６とを繋ぐ排気管８内には、図２に示すように、排気管８内に還元剤である尿素水を供給するための内部尿素水供給配管（還元剤供給配管）９が配置されている。なお、排気管８は、排気通路３の一部を形成している。
【００２２】
内部尿素水供給配管９は、尿素水を貯留する尿素水タンク１０と外部尿素水供給配管１１を介して接続されている。尿素水タンク１０内の尿素水は、ポンプ（図示せず）により外部尿素水供給配管１１を介して内部尿素水供給配管９に送られる。内部尿素水供給配管９及び外部尿素水供給配管１１は、一体的に形成されていても良いし、連結されていても良い。
【００２３】
内部尿素水供給配管９は、図３にも示すように、非接触状態の螺旋状をなしている。内部尿素水供給配管９は、図４に示すように、排気管８の内壁面に接触した状態で排気管８の長手方向に沿って所定の間隔をもって配置されている。内部尿素水供給配管９の温度が所定温度（１８０℃）以上になると、内部尿素水供給配管９内において尿素水が加水分解されてアンモニアが生成される。
【００２４】
内部尿素水供給配管９は、熱伝導性及びアンモニアに対する耐腐食性を有する材料で形成されている。そのような材料としては、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）等が挙げられる。また、内部尿素水供給配管９の表面には、尿素水を加水分解させやすくする触媒（例えばＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等）が担持されているのが望ましい。
【００２５】
内部尿素水供給配管９の排気下流側部分には、尿素水の加水分解により生成されたアンモニアを排出するための排出口９ａ，９ｂが形成されている。排出口９ａ，９ｂは、内部尿素水供給配管９の例えば略一周分にわたって交互に複数ずつ形成されている。排出口９ａは、アンモニアを排気下流側に向けて排出するためのものであり、排出口９ｂは、アンモニアを排気管８の中心側（内側）に向けて排出するためのものである。なお、排出口としては、アンモニアの排出方向が３方向以上となるように形成されていても良い。ただし、排出口は、アンモニアの排出方向が排気上流側とならないように形成されているのが好ましい。
【００２６】
排気管８の内部における内部尿素水供給配管９とＳＣＲ６との間には、図２に示すように、内部尿素水供給配管９の排出口９ａ，９ｂから排出されたアンモニアと排気ガスとを混合拡散させる拡散部材１２が配置されている。拡散部材１２も、内部尿素水供給配管９と同様に、熱伝導性及びアンモニアに対する耐腐食性を有する材料で形成されている。
【００２７】
また、排気ガス浄化装置１は、排気管８の外部に排気管８を囲むように配置されたリング状の反応器１３と、この反応器１３と管路１４を介して接続された蓄熱器１５とを更に備えている。管路１４には、開閉弁１４ａが設けられている（図１参照）。反応器１３及び蓄熱器１５は、化学反応熱を利用した蓄熱（化学蓄熱）によって内部尿素水供給配管９を加熱する加熱手段を構成している。
【００２８】
反応器１３には、吸着媒体であるアンモニアと化学反応して熱を発生させる固体状または粉末状の反応材料が含有されている。反応材料としては、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＮｉＣｌ２、ＺｎＣｌ２、ＳｒＣｌ２等の金属塩化物、塩素を臭素やヨウ素に変えた金属臭化物、金蔵ヨウ化物等が挙げられる。
【００２９】
蓄熱器１５は、アンモニアを貯蔵することで蓄熱を行う。蓄熱器１５には、アンモニアを物理吸着する活性炭が内蔵されている。活性炭にアンモニアが物理吸着されることで、アンモニアが蓄熱器１５に貯蔵されるようになる。
【００３０】
上記の内部尿素水供給配管９は、排気管８内における反応器１３に対応する部位において排気管８の内壁面に接触するように配置されている。これにより、反応器１３で発生した熱が内部尿素水供給配管９に効果的に伝わるようになる。
【００３１】
以上のように構成した排気ガス浄化装置１において、排気管８内を通る排気ガスの温度が尿素水の加水分解反応が起きる温度（１８０℃）よりも低いときは、開閉弁１４ａを開弁させる。すると、蓄熱器１５と反応器１３との圧力差によって、図５（ａ）に示すように、蓄熱器１５に内蔵された活性炭より分離したアンモニアが管路１４を介して反応器１３に供給される。そして、反応器１３に含まれる反応材料（例えばＣａＣｌ２）とアンモニア（ＮＨ３）とが化学反応して化学吸着（配位結合）し、反応器１３から熱が発生する。つまり、下記の反応式（Ａ）における左辺から右辺への反応が起こる。
ＣａＣｌ２＋ｘＮＨ３  ⇔  Ｃａ（ＮＨ３）ｘＣｌ２＋熱      …（Ａ）
【００３２】
すると、反応器１３で発生した熱が排気管８を介して内部尿素水供給配管９に伝えられるため、内部尿素水供給配管９内を流れる尿素水が加熱される。このとき、内部尿素水供給配管９は排気管８の内壁面に接触しているため、上述したように反応器１３で発生した熱が内部尿素水供給配管９に効率良く伝えられる。そして、尿素水の温度が１８０℃以上になると、内部尿素水供給配管９の内部において尿素水（（ＮＨ２）２ＣＯ）が加水分解され、下記の反応式（Ｂ）のようにアンモニア（ＮＨ３）Ｑが生成される。
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  ２ＮＨ３＋２ＣＯ２      …（Ｂ）
【００３３】
そして、生成されたアンモニアＱは、内部尿素水供給配管９の排出口９ａ，９ｂから排出される。このとき、アンモニアＱは、排出口９ａから排気下流側に向けて排出されると共に、排出口９ｂから排気管８の中心側に向けて排出される。このため、アンモニアＱが排気管８内の外側及び内側の広い範囲にわたって均一に分散されるようになる。また、排出口９ａ，９ｂからのアンモニアＱの排出方向は排気上流側となっていないので、排気ガス中に含まれるＰＭ等が排出口９ａ，９ｂを塞いで目詰まりを起こすことが防止される。
【００３４】
内部尿素水供給配管９の排出口９ａ，９ｂから排出されたアンモニアＱは排気ガスと混合される。このとき、拡散部材１２によってアンモニアＱと排気ガスとが混合されやすくなる。
【００３５】
そして、拡散部材１２の排気下流側に位置するＳＣＲ６において、下記の反応式（Ｃ）のように、排気ガス中に含まれるＮＯｘがアンモニア（ＮＨ３）Ｑによって還元浄化されるようになる。
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３  →  ２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ      …（Ｃ）
【００３６】
このとき、アンモニアＱが排気管８内の外側及び内側の広い範囲にわたって均一に分散されると共に、拡散部材１２によってアンモニアＱと排気ガスとが混合されやすくなるため、アンモニアＱによるＮＯｘの還元浄化を効率的に行うことができる。
【００３７】
一方、排気ガスの温度が尿素水の加水分解反応が起きる温度（１８０℃）よりも高くなると、開閉弁１４ａが閉弁され、反応器１３及び蓄熱器１５による化学蓄熱を利用した内部尿素水供給配管９の加熱は行われず、排気ガスの熱（排熱）によって内部尿素水供給配管９が加熱される。そして、上記と同様に、内部尿素水供給配管９の内部において尿素水が加水分解されてアンモニアＱが生成され、そのアンモニアＱが内部尿素水供給配管９の排出口９ａ，９ｂから排出される。そして、ＳＣＲ６において、排気ガス中に含まれるＮＯｘがアンモニアＱによって還元浄化される。
【００３８】
エンジン２がより高負荷になることで排気ガスが更に高温になると、開閉弁１４ａが開弁される。このとき、図５（ｂ）に示すように、排熱が反応器１３に伝えられ、反応器１３に熱が与えられるため、反応器１３に含まれる反応材料（例えばＣａＣｌ２）からアンモニア（ＮＨ３）が分離し、反応器１３内の圧力が蓄熱器１５内の圧力よりも高くなる。つまり、上記の反応式（Ａ）における右辺から左辺への反応が起こる。そして、分離したアンモニアは、管路１４を介して蓄熱器１５に戻り、蓄熱器１５に内蔵された活性炭に物理吸着する。これにより、蓄熱器１５に熱が溜められる（回収される）ことになる。
【００３９】
このとき、内部尿素水供給配管９は、上述したように排気管８の内壁面に接触した状態で排気管８の長手方向に沿って所定の間隔をもって配置されている。このため、排熱が排気管８のみを介して反応器１３に伝えられる領域が広くなる。従って、排熱を蓄熱器１５に効果的に回収することができる。
【００４０】
以上のように本実施形態にあっては、アンモニアと化学反応して熱を発生させる反応材料が含有されたリング状の反応器１３を排気管８の外側に配置し、排気管８内に尿素水を供給するための螺旋状の内部尿素水供給配管９を、排気管８内における反応器１３に対応した部位において排気管８の内壁面に接触するように配置したので、排気ガスの温度が尿素水の加水分解温度よりも低いときには、内部尿素水供給配管９内を流れる尿素水が反応器１３により加熱される。このとき、反応器１３により内部尿素水供給配管９が加熱されることで、排気管８内も加熱されることになるため、反応器１３により加熱された尿素水の熱が低温の排気ガスに奪われにくくなる。一方、排気ガスの温度が尿素水の加水分解温度よりも高くなったときには、内部尿素水供給配管９内を流れる尿素水が排気ガスの熱（排熱）によって加熱される。以上により、排気ガスの温度が低い状態でも高い状態でも、尿素水を効率良く加熱して尿素水の加水分解を促進させることができる。その結果、ＳＣＲ６によるＮＯｘの還元浄化効率を向上させることが可能となる。
【００４１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、蓄熱用の吸着媒体をアンモニアとしたが、吸着媒体として水を使用することも可能である。この場合には、反応器１３に含有される反応材料としてはＭｇＯ等が使用される。
【００４２】
また、上記実施形態では、内部尿素水供給配管９を加熱する加熱手段として反応器１３及び蓄熱器１５を使用したが、使用する加熱手段としては、特にそれには限られず、ヒータ等であっても良い。この場合には、螺旋状の内部尿素水供給配管９を効果的に加熱するために、内部尿素水供給配管９の螺旋巻数を増やして内部尿素水供給配管９同士を接触させた状態とするのが望ましい。
【００４３】
さらに、上記実施形態では、螺旋状の内部尿素水供給配管９を排気管８内における反応器１３に対応した部位において排気管１３の内壁面に直接接触するように配置したが、内部尿素水供給配管９を排気管８内における加熱手段に対応した部位において排気管８の内壁面に熱的に接触するように配置するのであれば、内部尿素水供給配管９の形状としては、特に螺旋状には限られない。また、反応器１３は、排気管８を全周にわたって囲むように配置されたリング状の形状には限られず、排気管８の外周面の一部に接触するように配置しても良い。
【００４４】
また、上記実施形態では、内部尿素水供給配管９に排出口９ａ，９ｂを複数ずつ形成したが、排出口の数としては、１つだけであっても良い。
【００４５】
さらに、上記実施形態では、尿素水との加水分解により生成されたアンモニアと排気ガスとを混合拡散させる拡散部材１２を設けたが、そのような拡散部材１２は特に無くても良い。
【符号の説明】
【００４６】
１…排気ガス浄化装置、２…エンジン、３…排気通路、６…選択還元触媒（ＳＣＲ）、８…排気管、９…内部尿素水供給配管（還元剤供給配管）、９ａ，９ｂ…排出口、１３…反応器（加熱手段）、１５…反応器（加熱手段）、Ｑ…アンモニア。
【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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