(57)【要約】【課題】排気管の外周部から加水分解触媒を加熱した場合でも尿素からアンモニアへの転化率が向上する排気ガス浄化システムを提供することを課題とする。【解決手段】少なくとも選択還元触媒を備えており、選択還元触媒の還元剤として排気管３内に尿素Ｎを供給する排気ガス浄化システムにおいて、排気管３内における尿素Ｎの供給箇所と選択還元触媒との間に配設され、尿素Ｎの加水分解を促進する加水分解触媒９と、加水分解触媒９を排気管３の外周部から加熱する加熱手段１０ｃとを備え、加水分解触媒９に対して断面ドーナツ状になるように尿素Ｎを噴くことを特徴とし、加水分解触媒９は断面ドーナツ形状であると好適である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムであって、
選択還元触媒と、
前記選択還元触媒の還元剤として排気管内に尿素を供給する尿素供給手段と、
前記排気管内における前記尿素供給手段の尿素の供給箇所と前記選択還元触媒との間に配設され、前記尿素供給手段で供給された尿素の加水分解を促進する加水分解触媒と、
前記加水分解触媒を前記排気管の外周部から加熱する加熱手段と、
を備え、
前記尿素供給手段は、前記加水分解触媒に対して断面ドーナツ状になるように尿素を噴くことを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項２】
前記加水分解触媒は、断面ドーナツ形状であることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３】
前記加熱手段は、化学蓄熱装置であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気ガス浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の排気ガス浄化システムには、エンジンから排出される排気ガスに含まれる環境汚染物質の１つであるＮＯｘを浄化するために、選択還元触媒（ＳＣＲ[Selective Catalytic Reduction]）が設けられている。ＳＣＲは、アンモニア（ＮＨ３）とＮＯｘとを化学反応させることによって、ＮＯｘを還元して浄化する。ＳＣＲにはアンモニアを得るために尿素を使用する尿素ＳＣＲシステムがあり、排気ガス中に尿素を噴射し、尿素を加水分解させてアンモニアに転化する。特許文献１には、ＳＣＲ触媒の上流側に加水分解触媒が設けられ、加水分解触媒に尿素を供給し、加水分解触媒で加水分解を促進して尿素をアンモニアに転化することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−５４３４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
尿素からアンモニアへの加水分解は、排気ガスの温度がある程度高い必要がある（１８０℃程度必要といわれている）。そのため、エンジン始動直後などの排気ガスの温度が低いときには、尿素からアンモニアに転化できないので、ＳＣＲでＮＯｘを浄化できない。そこで、排気ガス浄化システムには、排気管の外周部に加熱装置を設け、排気ガスの温度が低いときには、排気管の外周部から加水分解触媒を加熱しているものがある。しかし、特許文献１に開示されている円柱形状の加水分解触媒の場合、低温の排気ガスが円柱形状の加水分解触媒を通過すると、加水分解触媒が冷やされる。そのため、排気管の外周部から加熱した場合、加水分解触媒の円柱形状の中心部に近いほど、排気管の外周部からの熱伝達距離が長くなるので、熱が効率的に使われず、温度が上り難い。その結果、円柱形状の加水分解触媒全体に尿素を噴射しても中心部に近いほどアンモニアに転化できず、尿素からアンモニアへの転化率が低下する。
【０００５】
そこで、本発明は、排気管の外周部から加水分解触媒を加熱した場合でも尿素からアンモニアへの転化率が向上する排気ガス浄化システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る排気ガス浄化システムは、車両の内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムであって、選択還元触媒と、選択還元触媒の還元剤として排気管内に尿素を供給する尿素供給手段と、排気管内における尿素供給手段の尿素の供給箇所と選択還元触媒との間に配設され、尿素供給手段で供給された尿素の加水分解を促進する加水分解触媒と、加水分解触媒を排気管の外周部から加熱する加熱手段とを備え、尿素供給手段は、加水分解触媒に対して断面ドーナツ状になるように尿素を噴くことを特徴とする。
【０００７】
この排気ガス浄化システムは、排気ガスを浄化するために少なくとも選択還元触媒が設けられ、この選択還元触媒の還元剤として尿素を供給する尿素供給手段を備えている。さらに、排気ガス浄化システムは、排気管内における尿素供給手段の尿素の供給箇所と選択還元触媒との間に加水分解触媒が設けられ、加水分解触媒を排気管の外周部から加熱する加熱手段を備えている。排気ガスの温度が低いときに、加熱手段によって排気管の外周部から加水分解触媒を加熱するので、排気管内に配設される加水分解触媒の外周側ほど、熱が伝わり易く（加熱効率が高く）、温度が上昇する。そこで、尿素供給手段では、加水分解触媒に対して断面ドーナツ状になるように尿素を噴く。このように断面ドーナツ状に尿素が噴かれることによって、尿素が排気管の中心部周辺には噴かれずに外周側に噴かれ、尿素が加水分解触媒の外周側に集中する。そのため、温度が上昇している加水分解触媒の外周側では、集中的に噴かれた尿素の加水分解を促進し、尿素からアンモニアに転化する。このように、排気ガス浄化システムは、加水分解触媒に対して断面ドーナツ状になるように尿素を噴くことにより、排気管の外周部から加水分解触媒を加熱した場合でも尿素からアンモニアへの転化率が向上する。その結果、排気ガスの温度が低いときでも、アンモニアが効率的に得られ、選択還元触媒ではアンモニアとＮＯｘとが化学反応してＮＯｘを浄化でき、浄化率が向上する。
【０００８】
本発明の上記排気ガス浄化システムでは、加水分解触媒は、断面ドーナツ形状であると好適である。
【０００９】
尿素供給手段では、加熱手段による加熱効率が高い加水分解触媒の外周側に尿素が集中するように、断面ドーナツ状に尿素を噴いている。そのため、排気管内の中心部周辺には尿素が噴かれず、中心部周辺には加水分解触媒も必要ない。そこで、排気ガス浄化システムでは、加水分解触媒を排気管内において断面ドーナツ形状（外周側に触媒が配置される形状）とする。したがって、この断面ドーナツ形状の加水分解触媒には、尿素供給手段から尿素が集中的に噴かれる。加水分解触媒が配置される箇所の排気管の中心部周辺は、空間であるので、排気ガスが抵抗無く通過できる。したがって、排気ガスの排出抵抗が低減する。このように、排気ガス浄化システムは、加水分解触媒を断面ドーナツ形状にすることにより、システムにおける圧力損失を低減でき、燃費が向上する。
【００１０】
本発明の上記排気ガス浄化システムでは、加熱手段を化学蓄熱装置としてもよい。このように、排気ガス浄化システムは、加熱手段として化学蓄熱装置を適用することにより、加水分解触媒を加熱するためのエネルギロスを低減でき、燃費が向上する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、加水分解触媒に対して断面ドーナツ状になるように尿素を噴くことにより、排気管の外周部から加水分解触媒を加熱した場合でも尿素からアンモニアへの転化率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る排気ガス浄化システムの概略構成図である。
【図２】加水分解触媒周辺の側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明に係る排気ガス浄化システムの実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
本実施の形態では、本発明に係る排気ガス浄化システムを、車両のエンジンの排気系に設けられる排気ガス浄化システムに適用する。本実施の形態に係る排気ガス浄化システムは、エンジン（特に、ディーゼルエンジン）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）を浄化するシステムである。本実施の形態に係る排気ガス浄化システムは、触媒のＤＯＣ[Diesel Oxidation Catalyst]、ＳＣＲ、ＡＳＣ[AmmoniaSlip Catalyst]及びフィルタのＤＰＦ[Diesel Particulate Filter]を備えている。また、本実施の形態に係る排気ガス浄化システムは、ＳＣＲが尿素ＳＣＲシステムであり、還元剤として尿素（特に、尿素水）を供給する尿素水供給装置も備えている。さらに、本実施の形態に係る排気ガス浄化システムは、尿素水の加水分解を促進する加水分解触媒を備えており、この加水分解触媒を暖機するための化学蓄熱装置も備えている。
【００１５】
図１及び図２を参照して、本実施の形態に係る排気ガス浄化システム１について説明する。図１は、本発明に係る排気ガス浄化システムの概略構成図である。図２は、加水分解触媒周辺の側断面図である。
【００１６】
排気ガス浄化システム１は、エンジン２の排気側に接続された排気管３の上流側から下流側に向けて、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）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、アンモニアスリップ防止触媒（ＡＳＣ）７を有しており、ＳＣＲ６用の尿素水供給装置８も有している。本実施の形態では、エンジン２が特許請求の範囲に記載する内燃機関に相当し、ＳＣＲ６が特許請求の範囲に記載する選択還元触媒に相当し、尿素水供給装置８が特許請求の範囲に記載する尿素供給手段に相当する。
【００１７】
ＤＯＣ４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を捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ６は、還元剤である尿素水から加水分解されたアンモニアと排気ガス中に含まれるＮＯｘとを化学反応させることによって、ＮＯｘを還元して浄化する触媒である。ＡＳＣ７は、ＳＣＲ６をすり抜けて下流側に流れたアンモニアを酸化する触媒である。
【００１８】
尿素水供給装置８は、排気管３におけるＳＣＲ６の上流側に尿素水（還元剤）を供給するための装置である。具体的には、尿素水供給装置８は、ポンプ（図示せず）、尿素水タンク８ａ、供給管８ｂ、インジェクタ８ｃ等を備えている。尿素水タンク８ａは、尿素水を貯蔵するタンクである。ポンプが作動すると、尿素水タンク８ａから尿素水が供給管８ｂに送り出される。供給管８ｂは、尿素水タンク８ａとインジェクタ８ｃとを接続し、尿素水タンク８ａからインジェクタ８ｃまで尿素水を移動させる管路である。インジェクタ８ｃは、排気管３におけるＤＰＦ５とＳＣＲ６との間に配設され、排気管３内（排気ガス中）に尿素水を噴射（噴霧）する。このインジェクタ８ｃの噴射制御やポンプのＯＮ／ＯＦＦ制御は、エンジン２を制御するＥＣＵ[Electronic Control Unit]（図示せず）等で行われる。なお、インジェクタ８ｃの尿素水の噴霧形状については、後で詳細に説明する。
【００１９】
尿素水供給装置８で供給される尿素水の加水分解を促進するために、排気ガス浄化システム１は、排気管３におけるインジェクタ８ｃの配設位置（尿素水の供給箇所）とＳＣＲ６との間に加水分解触媒９を有している。尿素水の加水分解には、排気ガスの温度がある程度高い必要がある。しかし、エンジン２の始動直後などは、エンジン２から排出された排気ガスの温度は比較的低温である。そこで、排気ガスの温度が低いときでも加水分解できるように、排気ガス浄化システム１は、加水分解触媒９を暖機するための化学蓄熱装置１０を有している。さらに、排気ガス浄化システム１は、尿素水から転化したアンモニアを分散するための分散板１１も有している。本実施の形態では、加水分解触媒９が特許請求の範囲に記載する加水分解触媒に相当し、化学蓄熱装置１０が特許請求の範囲に記載する加熱手段に相当する。
【００２０】
加水分解触媒９は、尿素水の加水分解を促進するための触媒である。加水分解用の触媒としては、従来の周知の触媒を適用する。加水分解触媒９は、排気管３内においてインジェクタ８ｃとＳＣＲ６との間に設けられる。加水分解触媒９は、図２に示すように、排気管３の中心部周辺が空間となる断面ドーナツ形状である。この断面ドーナツ形状は、外径が排気管３内に嵌る径であり、形状が排気管３の内形状に応じた形状であり、例えば、排気管３の内形状が円形状であれば円形の断面ドーナツ形状である。断面ドーナツ形状の断面は、加水分解触媒９を排気ガスの流れる方向に対して垂直に切った面である。加水分解触媒９は、ハニカム構造、フィン構造等の構造で形成され、これらの構造において触媒が担持されたり、埋め込まれる。例えば、ハニカム構造の場合、平板の一面に波状板を貼り付けたものを、外径が排気管３の内径よりも細いパイプに幾重にも巻き付けて、断面ドーナツ形状のハニカム構造を形成する。また、加水分解触媒９は、尿素水が通過したときに加水分解を促進する触媒として十分に機能するように、所定の幅（排気ガスの流れ方向の長さ）を有している。
【００２１】
このように加水分解触媒９を断面ドーナツ形状とするのは、化学蓄熱装置１０（反応器１０ｃ）によって排気管３の外周部（外側）から加水分解触媒９を加熱するので、排気管３の外周部に近いほど、熱伝達距離が短く、熱の伝わりがよく、加熱効率が高いからである。断面ドーナツ形状によって排気管３の外周側に加水分解用の触媒が配置されると、触媒が迅速に暖機されて、尿素水の加水分解を促進することができる。一方、排気管３の中心部周辺は、排気管３の外周部からの熱伝達距離が長くなるので、加熱効率が低く、加熱しても暖機され難い。したがって、低温の排気ガスが通過すると、中心部ほど冷やされてしまう。そのため、排気管３の中心部に加水分解用の触媒があっても、温度が上らず、尿素水の加水分解を促進することができない。
【００２２】
温度が高くなっている加水分解触媒９に尿素水が入ると、加水分解が促進されて、アンモニアへの転化率が高くなる。加水分解触媒９は断面ドーナツ形状であり、化学蓄熱装置１０よる加熱によって排気管３の外周側ほど加水分解触媒９が暖機されるので、排気管３の中心部周辺に尿素水が噴霧されても、加水分解が促進されない。そこで、図２に示すように、噴霧された尿素水が排気管３内の外周側に放射状に広がって断面ドーナツ状になるように（断面ドーナツ形状の加水分解触媒９に集中するように）、インジェクタ８ｃによる噴霧形状が設定されている。例えば、インジェクタ８ｃ先端の噴射口をドーナツ形状とし、尿素水の噴射圧力等を考慮してインジェクタ８ｃと加水分解触媒９との距離等を調整する。断面ドーナツ状の断面は、噴霧された尿素水を排気ガスの流れる方向に対して垂直に切った面である。
【００２３】
化学蓄熱装置１０は、エネルギレスで加水分解触媒９を加熱して暖機するための装置である。つまり、化学蓄熱装置１０は、通常は排気ガスの熱（排熱）を蓄えておき、必要なときにその熱を使用して加水分解触媒９を加熱して暖機する。化学蓄熱装置１０は、吸着器（蓄熱器）１０ａ、接続管１０ｂ、反応器１０ｃ等を備えている。
【００２４】
吸着器１０ａは、アンモニアと物理吸着する吸着材としての活性炭が内蔵されている。吸着器１０ａでは、蓄熱状態においては、アンモニアが活性炭と物理吸着した状態で貯蔵される。
【００２５】
接続管１０ｂは、吸着器１０ａと反応器１０ｃとを接続し、吸着器１０ａと反応器１０ｃの間でアンモニアを移動させる管路である。接続管１０ｂには、開閉弁（図示せず）が配設され、開閉弁が開弁されると吸着器１０ａと反応器１０ｃとの間でアンモニアの移動が可能となる。この開閉弁の開閉制御は、エンジン２を制御するＥＣＵ等で行われる。
【００２６】
反応器１０ｃは、排気管３における加水分解触媒９が配設されている箇所の外周面に設けられる。反応器１０ｃは、アンモニアと化学反応する固体状又は粉末状の反応材１０ｄを有している。反応材としては、例えば、ＭｇＣｌ２、ＣａＣｌ２、ＮｉＣｌ２、ＺｎＣｌ２、ＳｒＣｌ２、又は、ＭｇＢｒ２、ＣａＢｒ２などの臭化物、ＭｇＩ２、ＣａＩ２などのよう化物がある。反応材１０ｄは、図２に示すように、排気管３の外周面における加水分解触媒９の配設箇所に配設され、排気管３を囲む断面ドーナツ形状である。反応材１０ｄの幅（排気ガスの流れ方向の長さ）は、加水分解触媒９の幅よりも広い幅であるほうがよい。さらに、反応器１０ｃは、反応材１０ｄを覆うように断熱材１０ｅが設けられ、それらをケース１０ｆで収納している。
【００２７】
分散板１１は、尿素水から転化したアンモニアを分散し、アンモニアをＳＣＲ６に導入させるための分散板である。分散板１１は、排気管３における加水分解触媒９とＳＣＲ６との間に配設される。分散板１１は、所定の厚さを有する円盤状であり、排気管３内に配設される。分散板１１におけるアンモニアを分散させる構造は、ミキサ、スワラ等の従来の周知の構造である。
【００２８】
以上のように構成した排気ガス浄化システム１における尿素水供給装置８、加水分解触媒９、化学蓄熱装置１０についての動作を説明する。車両停止中（エンジン２が停止中）は、化学蓄熱装置１０の接続管１０ｂに配設されている開閉弁は閉弁されている。したがって、吸着器１０ａにおいて活性炭からアンモニアが分離していても、接続管１０ｂを介してアンモニアが反応器１０ｃに供給されない。
【００２９】
エンジン２が始動後、エンジン２から排出された排気ガスの温度が所定温度より低いときには（エンジン２の始動直後など）、ＥＣＵによる制御によって接続管１０ｂに配設されている開閉弁が開弁され、接続管１０ｂを介してアンモニアが反応器１０ｃに供給される。このとき、吸着器１０ａの圧力が反応器１０ｃの圧力よりも高く、アンモニアが反応器１０ｃ側に移動する。反応器１０ｃでは、供給されたアンモニアと反応材１０ｄ（例えば、ＭｇＣｌ２）とが化学反応して化学吸着（配位結合）し、熱を発生する。そして、反応器１０ｃから発生した熱によって、排気管３の外周部から加水分解触媒９が加熱され、加水分解触媒９の温度が上昇し、尿素水が加水分解可能な温度になる。この際、反応器１０ｃからの熱は、排気管３の外周部からの熱伝達距離が短いので、断面ドーナツ形状の加水分解触媒９で効率的に使われる。
【００３０】
このとき、ＥＣＵによる制御によって、尿素水タンク８ａ内の尿素水が供給管８ｂを通ってインジェクタ８ｃから噴霧されていると、図２に示すように、噴霧された尿素水Ｎが断面ドーナツ状になる。そのため、尿素水Ｎが排気管３内の外周側に集中し、断面ドーナツ形状の加水分解触媒９に効率良く入っていく。温度が上昇している加水分解触媒９では、尿素水Ｎの加水分解を促進し、尿素水ＮからアンモニアＡに効率的に転化していく。加水分解触媒９から出たアンモニアＡは、分散板１１によって排気管３内で分散され、ＳＣＲ６に入る。ＳＣＲ６では、アンモニアＡと排気ガス中に含まれるＮＯｘとが化学反応し、ＮＯｘを効率的に還元浄化する。
【００３１】
エンジン２から排出された排気ガスの温度が所定温度より高くなると、排気ガスの排熱が反応器１０ｃに与えられることにより、アンモニアと反応材１０ｄとが分離し、高温のアンモニアが発生する。そして、分離したアンモニアは、反応器１０ｃから接続管１０ｂを介して吸着器１０ａに戻る。このとき、反応器１０ｃの圧力が吸着器１０ａの圧力よりも高く、アンモニアが吸着器１０ａ側に移動する。吸着器１０ａでは、活性炭がアンモニアを物理吸着して貯蔵する。ちなみに、排気ガスの温度が高い場合、加水分解触媒９を暖機しなくても、加水分解触媒９では加水分解を促進でき、インジェクタ８ｃから噴霧されている尿素水ＮをアンモニアＡに効率的に転化できる。
【００３２】
この排気ガス浄化システム１によれば、インジェクタ８ｃから加水分解触媒９に対して断面ドーナツ状になるように尿素水を噴くことにより、化学蓄熱装置１０で排気管３の外周部から加水分解触媒９を加熱した場合でも、排気管３の外周側の加水分解触媒９が迅速に暖機され、尿素水からアンモニアへの転化率が向上する。その結果、排気ガスの温度が低いときでも、アンモニアが効率的に得られ、ＳＣＲ６ではアンモニアとＮＯｘとが化学反応してＮＯｘを浄化でき、浄化率が向上する。
【００３３】
さらに、排気ガス浄化システム１によれば、加水分解触媒９を断面ドーナツ形状にすることにより、排気ガスの排出抵抗を低減できるので、システムにおける圧力損失を低減でき、燃費が向上する。また、排気ガス浄化システム１によれば、加水分解触媒９の加熱手段として化学蓄熱装置１０を適用しているので、加水分解触媒９を加熱するためのエネルギロスを低減でき、燃費が向上する。
【００３４】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００３５】
例えば、本実施の形態では触媒としてＳＣＲの他にＤＯＣとＡＳＣ、フィルタとしてＤＰＦを備える排気ガス浄化システムに適用したが、他の様々な構成の排気ガス浄化システムに適用できる。また、本実施の形態では分散板を有する構成としたが、分散板が無い構成としてもよい。
【００３６】
また、本実施の形態では加熱手段として化学蓄熱装置を適用したが、ヒータ等の他の加熱手段としてもよい。
【００３７】
また、本実施の形態では加水分解触媒を断面ドーナツ状としたが、断面円状（加水分解触媒全体が円柱形）としてもよい。加水分解触媒が円柱形の場合、構造が単純であるので、製造が容易である。但し、インジェクタでは尿素水を断面ドーナツ状になるように噴霧する。
【符号の説明】
【００３８】
１…排気ガス浄化システム、２…エンジン、３…排気管、４…ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、５…ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）、６…選択還元触媒（ＳＣＲ）、７…アンモニアスリップ防止触媒（ＡＳＣ）、８…尿素水供給装置、８ａ…尿素水タンク、８ｂ…供給管、８ｃ…インジェクタ、９…加水分解触媒、１０…化学蓄熱装置、１０ａ…吸着器、１０ｂ…接続管、１０ｃ…反応器、１０ｄ…反応材、１０ｅ…断熱材、１０ｆ…ケース、１１…分散板。
【図１】
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【図２】
2014088816.tif 000004