(57)【要約】【課題】ＮＯｘ還元を行うために排ガスの温度を適正化でき且つエネルギー効率が高いＮＯｘ除去装置を提供すること。【解決手段】吸気流路１０と排気流路１１とを備える排ガス流路と、吸気流路１０及び排気流路１１の間を区画しその間で熱交換を行う伝熱体１と、排ガス流路中に設けられたＮＯｘ還元触媒を含む酸化還元触媒とを有することを特徴とする。そして、吸気流路１０の排気口は一つおきに段差を形成している。すなわち、排ガス流路中に酸化還元触媒を配設し、発生した熱で昇温した排ガスと、ＮＯｘ還元触媒に至る前の排ガスとの間で熱交換することで外部からの新たな熱（エネルギー）の投入を最小限にすることに成功し、無駄なエネルギー投入を抑制でき、燃費向上と排ガス浄化との両立に有用である。その際に、段差を形成したことで、流路内での排ガスの滞留を最小限にすることができる。【選択図】図３
2006348852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスが導入される吸気口と排ガスが排出される排気口とをもつ複数の吸気流路と、該吸気流路の該排気口から排出される排ガスが導入される吸気口と排ガスが排出される排気口とをもち且つ該吸気流路の該排気口が該吸気口に対してほぼ同じ方向に開口するように該吸気流路と交互に並設されている複数の排気流路と、該吸気流路の該排気口と該排気流路の該吸気口との間に接続されている排ガス撹拌空間と、を備え、該吸気流路の該排気口並びに該排気流路の該吸気口のうちの一部の開口部が段差を形成している排ガス流路と、
該吸気流路及び該排気流路の間を区画し熱交換を行う壁状の伝熱体である熱交換手段と、
排ガス中に含まれる還元剤とＮＯｘとの反応を主に促進するＮＯｘ還元触媒を含み、且つ、該吸気流路の該排気口近傍、該排気流路の該吸気口近傍、並びに、該吸気流路の該排気口及び該排気流路の該吸気口の間のいずれかに設けられた酸化還元触媒と、
を有することを特徴とするＮＯｘ除去装置。
【請求項２】
前記段差は、前記吸気流路又は前記排気流路の一つおきに設けられている請求項１に記載のＮＯｘ除去装置。
【請求項３】
前記熱交換手段はジャバラ状に折り畳んだ一枚の板材から形成されており、
前記排ガス流路は内部空間をもつ筐体部と該筐体内に配設された該熱交換手段とから形成されている請求項１又は２に記載のＮＯｘ除去装置。
【請求項４】
前記吸気流路の前記排気口及び前記排気流路の前記吸気口と、前記排ガス撹拌空間との間に配設された多孔質担体を有し、
前記酸化還元触媒は該多孔質担体に担持されている請求項１〜３のいずれかに記載のＮＯｘ除去装置。
【請求項５】
更に前記酸化還元触媒には、主に排ガス中に含まれる還元剤を酸化して熱を発生させる発熱触媒を有し、
該発熱触媒は並設された前記吸気流路及び前記排気流路の複数の組のうちの一部に設けられており、
複数の該吸気流路のうち、該発熱触媒が設けられている側及び設けられていない側の前記吸気口に流入する排ガスの量を制御する流量制御手段を有する請求項１〜４のいずれかに記載のＮＯｘ除去装置。
【請求項６】
前記酸化還元触媒に至る前の前記排ガス中に還元剤を添加する還元剤添加手段を有する請求項１〜５のいずれかに記載のＮＯｘ除去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関などからの排ガスに含まれるＮＯｘを効率よく除去できる排ガス除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排ガスにはＮＯｘが含まれており、除去が求められている。ＮＯｘを除去するための一つの方法として酸化還元触媒の一種としてのＮＯｘ還元触媒による分解除去がある。
【０００３】
ＮＯｘ還元触媒が効率的にＮＯｘを還元除去するためにはある程度の高い排ガス温度が必要であり、排ガスの昇温が必要な場合がある。従来、排ガスを昇温するために電力を投入するなどの方法が提案されていた。
【特許文献１】特開２００４−６９２９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電力によって排ガスを昇温させる方法はエネルギー効率が悪く、エネルギー効率の高い排ガスの昇温方法が望まれる。
【０００５】
本発明は上記実情に鑑み為されたものであり、ＮＯｘ還元を効率的に行うために、高いエネルギー効率で排ガスの温度を適正化できるＮＯｘ除去装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意研究を行った結果、酸化還元触媒で発生する熱を再利用して排ガス温度を昇温させる手法に想到し以下の発明を完成した。すなわち、本発明のＮＯｘ除去装置は、排ガスが導入される吸気口と排ガスが排出される排気口とをもつ複数の吸気流路と、該吸気流路の該排気口から排出される排ガスが導入される吸気口と排ガスが排出される排気口とをもち且つ該吸気流路の該排気口が該吸気口に対してほぼ同じ方向に開口するように該吸気流路と交互に並設されている複数の排気流路と、該吸気流路の該排気口と該排気流路の該吸気口との間に接続されている排ガス撹拌空間と、を備え、該吸気流路の該排気口並びに該排気流路の該吸気口のうちの一部の開口部が段差を形成している排ガス流路と、
該吸気流路及び該排気流路の間を区画し熱交換を行う壁状の伝熱体である熱交換手段と、
排ガス中に含まれる還元剤とＮＯｘとの反応を主に促進するＮＯｘ還元触媒を含み、且つ、該吸気流路の該排気口近傍、該排気流路の該吸気口近傍、並びに、該吸気流路の該排気口及び該排気流路の該吸気口の間のいずれかに設けられた酸化還元触媒と、
を有することを特徴とする。
【０００７】
すなわち、排ガスが流れる排ガス流路中に酸化還元触媒を配設し、そこで発生した熱で昇温した排ガスと、ＮＯｘ還元触媒に至る前の排ガスとの間で熱交換することで外部からの新たな熱（エネルギー）の投入を最小限にすることに成功した。そして、吸気流路及び排気流路がそれぞれ複数あり、交互に並設されていることで、熱交換を行う面積が増大でき、エネルギー効率が向上できる。
【０００８】
また、吸気流路の排気口と排気流路の吸気口との間に排ガス撹拌空間を有することで、排ガスの流れが撹拌されて乱流が発生し、排ガスが十分にＮＯｘ還元触媒に接触することが可能になる。ここで、排ガス撹拌空間内での排ガスの流れが淀まないように、吸気流路の排気口並びに排気流路の吸気口のうちの一部の開口部が段差を形成している。この段差は、吸気流路又は排気流路の一つおきに設けることで、圧損を小さく保ったまま、より高い撹拌の効果が実現できる。
【０００９】
なお、従来技術の自己熱交換器としてはジャバラ型の伝熱体にて高温ガスの熱量を上流側に戻す機構が開示されている（特許文献１）。
【００１０】
そして、構成の単純化及び装置作成の容易化の観点から、前記熱交換手段はジャバラ状に折り畳んだ一枚の板材から形成されており、前記排ガス流路は内部空間をもつ筐体部と該筐体内に配設された該熱交換手段とから形成されていることが望ましい。
【００１１】
また、、前記吸気流路の前記排気口及び前記排気流路の前記吸気口と、前記排ガス撹拌空間との間に配設された多孔質担体を有し、前記酸化還元触媒は該多孔質担体に担持されていることで、排ガスが吸気流路の排気口から噴出する際に多孔質担体を通過し、その後、排気流路の吸気口に吸い込まれる際にもう一度多孔質担体を通過することになるので、多孔質担体に担持された触媒の作用を十分に発揮できる。
【００１２】
更に前記酸化還元触媒には、主に排ガス中に含まれる還元剤を酸化して熱を発生させる発熱触媒を有し、該発熱触媒は並設された前記吸気流路及び前記排気流路の複数の組のうちの一部に設けられており、複数の該吸気流路のうち、該発熱触媒が設けられている側及び設けられていない側の前記吸気口に流入する排ガスの量を制御する流量制御手段を有することが望ましい。ＮＯｘ還元触媒が作用する温度に対して排ガスの温度が十分に高い場合、それ以上の排ガスの加熱を行わないことで、発熱触媒による還元剤の消費、発熱触媒通過による圧損の低減、過熱の防止などが達成できる。
【００１３】
ここで、ＮＯｘ還元用及び発熱用の還元剤を添加する手段として、前記酸化還元触媒に至る前の前記排ガス中に還元剤を添加する還元剤添加手段を有することが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のＮＯｘ除去装置は、排ガスが流れる排ガス流路中に熱を発生する酸化還元触媒を配設し、そこで発生した熱で昇温した排ガスと、ＮＯｘ還元触媒に至る前の排ガスとの間で熱交換することで外部からの最小限のエネルギー投入で排ガス温度を制御することができるので、無駄なエネルギー投入が抑制でき、燃費向上と排ガス浄化との両立に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明のＮＯｘ除去装置について実施形態に基づき具体的に説明を行う。本実施形態のＮＯｘ除去装置は排ガス流路と熱交換手段と酸化還元触媒とを有する。
【００１６】
排ガス流路は吸気流路と排気流路とを備える。吸気流路及び排気流路はそれぞれ排ガスが導入される吸気口と排ガスが排出される排気口とを有し、吸気流路の排気口から排出された排ガスが排気流路の吸気口から導入される。吸気流路及び排気流路の間は排気流路から吸気流路へ熱を移動させる熱交換手段により熱交換が行われる。
【００１７】
吸気流路及び排気流路は、それらの間の熱交換効率を向上する目的でそれぞれ複数ある。そして、複数ある吸気流路及び排気流路は交互に並設されている。吸気流路の排気口と排気流路の吸気口とはほぼ同じ方向に開口するように並設され、両者を壁状の伝熱体にて区画されているので、効率的な熱交換手段として作用させることができる。壁状の伝熱体を採用する場合には表面形状を段差、凹凸などの表面積が大きい形状を採用することが望ましい。ここで、伝熱体としては、熱交換効率を向上するために、ある程度の熱容量を有する部材を採用することが望ましい。
【００１８】
そして、吸気流路の排気口と排気流路の吸気口とには排ガスの撹拌を促進する排ガス撹拌空間を有する。排ガス撹拌空間は複数の吸気流路の排気口から流れでる排ガスがまとめて流入する形態をもつことで、排ガスの撹拌が促進されるので、排ガス中のＮＯｘ浄化がより効果的に行われる。つまり、排ガス撹拌空間を有することで、還元剤及びＮＯｘが排ガス中で均一に分散するように撹拌できるとともに、吸入流路の排気口と排気流路の吸気口との間など、酸化還元触媒を配設した部位によっては排ガスとの接触回数を増加することができる。
【００１９】
更に、複数の吸気流路及び排気流路は、その開口部である排気口及び吸気口が段差を形成するように並設されている。排気口及び吸気口に段差を設けることで、乱流の発生が期待でき、排ガス撹拌空間内での淀み発生が抑制や、より確実な撹拌の遂行が期待できる。
【００２０】
ここで、作成の容易さなどの観点から、壁状の伝熱体としてはジャバラ状に折り畳んだ一枚の板材から構成されたものが例示できる。この伝熱体を内部空間をもつ筐体部内に配設し、内部空間を２分することで吸入流路と排気流路とを区画することができる。また、ジャバラ状以外の形態とした伝熱体を採用することもできる。特に、壁状の伝熱体の表面に段差を設けることで、表面積増加及び乱流発生による熱交換効率向上や流路表面に触媒を担持している場合の触媒反応促進が期待できる。
【００２１】
熱交換手段としては前述の構成のほかに一般的な熱交換器を採用することもできる。
【００２２】
酸化還元触媒はＮＯｘ還元触媒を含む。ＮＯｘ還元触媒は還元剤と反応させることでＮＯｘを還元する反応を促進する触媒である。ＮＯｘ還元触媒としては、銀−アルミナ系、バナジウム系などの一般的な構成が採用できるが、特に限定するものではない。また、酸化還元触媒としては排ガス中の還元剤を酸化することで発熱させる白金などの発熱触媒を含むことができる。発熱触媒を含有させることで、発熱量の制御を精密に行うことができる。
【００２３】
還元剤は排ガス中に含まれる未燃焼の燃料由来の炭化水素や、必要に応じて燃料を添加することなどによってＮＯｘ還元に必要な量を排ガス中に含有させることができる。例えば、燃料などの還元剤をＮＯｘ還元に必要な量だけ、本装置に導入される排ガス中に添加する還元剤添加手段を設けることができる。
【００２４】
酸化還元触媒は、吸気流路の排気口近傍、排気流路の吸気口近傍、並びに、吸気流路の排気口及び排気流路の吸気口の間（排ガス撹拌空間内）、のうちの少なくとも一箇所に設けられている。酸化還元触媒は、吸気流路や排気流路を区画する壁面上に担持させたり、酸化還元触媒を担持した多孔質体（コージェライト製、メタル製などのハニカムなど）を排ガス流路中に配設することで排ガスとの接触面積を増加させている。
【００２５】
吸気流路及び排気流路が複数ある場合には、排ガス温度によって、更に発熱させて排ガス温度を上昇させる場合と上昇させる必要がない場合とに対応するために、それら複数の吸気流路及び排気流路を２以上に分割し、そのうちの一部にのみ発熱触媒を配設したうえで、発熱触媒を配設した流路の吸気口と配設しない吸気口との間で排ガスの流量を制御できる流量制御手段を有することができる。発熱触媒が存在する流路に流れる排ガスの流量を制御することで排ガスの加熱の程度を制御できる。
【実施例】
【００２６】
（構成）
以下、本発明のＮＯｘ除去装置について、内燃機関としてのディーゼルエンジンからの排ガスを浄化する排ガス浄化システムとして図面を参照しながら更に詳細に説明する。本実施例のＮＯｘ除去装置はディーゼルエンジンの排ガス中のＨＣ、ＰＭ、ＮＯｘなどを除去する装置の一部であり、ＮＯｘを除去する装置である。図１に示すように、ディーゼルエンジンの排気経路にはＤＰＦ１０６、酸化触媒１０７、そしてＮＯｘ除去装置１００が配設されている。ＤＰＦ１０６及び酸化触媒１０７それぞれの上流側には温度センサ１０５及び１０９が配設されており、それぞれに導入される排ガスの温度を計測している。
【００２７】
ＮＯｘ除去装置１００の上流側には燃料である軽油を還元剤として排ガス中に添加する還元剤添加手段１０４が配設されている。還元剤添加手段１０４には燃料タンク１０３から軽油が供給される。燃料タンク１０３から供給される軽油はレギュレータ１０８により所定圧に保たれている。
【００２８】
ＮＯｘ除去装置１００は、図２に示すように、排ガスを導入する流路５と、導入する排ガスを一様に拡散する拡散部４と、内部にＮＯｘ還元触媒などを収納し、排ガス流路を内部に形成する筐体部２と、ＮＯｘが除去された排ガスを収束する収束部６と、排ガスを排出する流路７とを有する。筐体部２の内部には、図３に示すように、筐体部２内の内部空間の一部（排ガス撹拌空間２１）を空けて伝熱体１が配設されている。筐体部２内では吸気流路１０及び排気流路１１が形成されており、そのうちの吸気流路１０が一つおきに排ガス撹拌空間２１側に突出する構造となっている。突出した吸気流路１０の排気口は排ガス撹拌空間２１を区画する筐体部２の壁近傍まで突出している。拡散部４内には排ガスの拡散を促進する目的でフィンなどが設けられる場合もある。
【００２９】
伝熱体１は筐体部２内の内部空間を２分しており、図４に示すように、図面上方側が排ガスが導入される拡散部４に接続される吸入流路１０を形成し、下方側が収束部６に接続される排気流路１１を形成する。吸入流路１０の排ガス撹拌空間２１に開口する側が排気口であり、排気流路１１の排ガス撹拌空間２１に開口する側が吸気口である。吸入流路１０及び排気流路１１の間を区画する伝熱体１は表面積を大きくすると共に、内部を流れる排ガスに乱流を形成するために流路表面に凹凸が設けられている。
【００３０】
吸入流路１０の排気口及び排気流路の吸気口それぞれの内部には還元剤を酸化して発熱させる酸化触媒としての白金が担持されているコージェライト製の多孔質担体３が配設されている。吸入流路１０の排気口側及び排気流路１１の吸気口側のそれぞれ多孔質担体３が配設された伝熱体１の近傍にはＮＯｘ還元触媒が担持されている。ここで、吸気流路１０の多孔質担体３には白金を担持させ、排気流路１１の多孔質担体３にはＮＯｘ還元触媒を担持することで効率的に排ガス温度上昇とＮＯｘ還元浄化とが実現できる。
【００３１】
筐体部２は、排ガス撹拌空間２１の反対側の端部近傍であって、厚み方向の一面側（図３の紙面手前側）で開口し、その開口部に拡散部４が接続されて排ガスが導入される。筐体部２は、厚み方向であって、拡散部４が接続された側と反対側にも開口し、その開口部に収束部６が接続されている。拡散部４側の開口部と、収束部６側の開口部とは板状の伝熱体１により区画されているので、排ガスがそのまま拡散部４から収束部６に漏れ出すことはほとんどない。
【００３２】
（作用効果）
以上の構成を有することから、本実施例のディーゼルエンジンからの排ガス浄化装置（ＮＯｘ除去装置１００）は以下の作用効果を発揮する。すなわち、ディーゼルエンジンの運転により排出される排ガスは、まずＤＰＦ１０６により浄化される。ＤＰＦ１０６は排ガス中のＰＭを除去する手段である。その後、排ガス中に残存するＨＣを酸化触媒１０７によって除去する。そして、ＨＣを除去した後の排ガス中に還元剤（軽油）を噴射することで添加する。還元剤の添加量はディーゼルエンジンの運転条件、温度センサ１０５及び１０９からの温度情報から推測したＮＯｘ量に相当する量を添加する。排ガス温度がＮＯｘ還元触媒の作動温度よりも低い場合には排ガス温度上昇に用いる量の還元剤も添加する。ここで、排ガス撹拌空間２１内、多孔質担体３及びＮＯｘ還元触媒のいずれかに温度センサを配設することで、ＮＯｘ還元触媒温度を直接測定することができるので好ましい。
【００３３】
還元剤を含む排ガスはＮＯｘ除去装置１００内に導入される。具体的に説明すると、排ガスは流路５を通り、拡散部４で拡散されることで、含有する還元剤を均一に分布させることができる。その後、排ガスは筐体部２内に導入されて吸入流路１０内を通過して排気口から多孔質担体３を通過して排ガス撹拌空間２１内に導入された後、再度、多孔質担体３を通過して、今度は排気流路１１の吸気口から導入される（図３の矢印参照）。ここで、吸気流路１０の排気口が一つおきに突出しているので排ガス撹拌空間２１内に乱流が発生し、排ガスが滞留するおそれを少なくできる。
【００３４】
排ガスは吸入流路１０で伝熱体１を介して排気流路１１を流れる高温の排ガスからの熱を受け取り昇温する。そして、吸入流路１０及び排気流路１１の表面に担持されたＮＯｘ還元触媒により含有するＮＯｘが除去できる。そして、多孔質担体３では担持された白金により還元剤が酸化されて発熱し排ガスを昇温させる。還元剤の酸化に必要な酸化剤は排ガス中に残存する酸素などの量を調節することなどで調達する。これら触媒により発生した熱により排気流路１１内の排ガスは昇温されており、その結果、前述のように、吸入流路１０内の排ガスに伝熱する。従って、ＮＯｘ還元触媒に至る排ガス温度が適正温度に保持されることになる。
【００３５】
（変形態様）
先述のＮＯｘ除去装置１００にかえて、図５に示す内部構造をもつＮＯｘ除去装置を採用することができる。ＮＯｘ除去装置１００’は筐体部２’の形状が異なり、排ガス流路（吸入流路１０及び排気流路１１）が２分され、排ガスの流れを切り替えることができること以外はＮＯｘ除去装置１００とほぼ同様の構成をもつ。ここで、排ガス流路の一方（図５の右方）の吸入流路１０の排気口と排気流路１１とには発熱触媒としての白金とＮＯｘ還元触媒とが担持された多孔質担体３が配設されており、排ガス流路の他方（図５の左方）にはＮＯｘ還元触媒のみが担持された多孔質担体が配設されている。従って、２つの排ガス流路を切り替えることで、排ガスが発熱触媒を通過する流れと、発熱触媒を通過しない流れとの間で制御することができる。
【００３６】
排ガス流路はフィン２４３及び２４４によって２つに区画され、一端部２４２で枢支されたドア２４１（流量制御手段）の位置を切り替えることで流路を制御可能である（図５の右方に移動させると、排ガスは左方に流れ、反対に左方に移動させると排ガスは右方に流れる）。
【００３７】
流路の切り替えは排ガスの温度に対応して行われる。すなわち、発熱触媒が流路中に存在すると、排ガス中の還元剤を酸化して発熱することで排ガス温度が上昇する。反対に発熱触媒が存在しない流路ではそのような発熱反応は進行せず、発熱の程度は穏やかである。従って、ＮＯｘ除去装置に導入される排ガス温度がＮＯｘ還元触媒の適正な作動温度にある場合には発熱触媒が流路中に存在しない経路（ドア２４１を右方に移動する）を選択することで不要な発熱反応を低減できる（従って、添加する還元剤の量も低減できる）。そして、排ガス温度がＮＯｘ還元触媒の適正な作動温度よりも低い場合にはドア２４１を左方に移動させて先に説明したような発熱触媒を通過させて排ガス温度を上昇させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施例のＮＯｘ除去装置を採用した内燃機関排ガス浄化システムの概略図である。
【図２】実施例のＮＯｘ除去装置の外観を示した図である。
【図３】実施例のＮＯｘ除去装置の内部構造を示した一部断面図である。
【図４】実施例のＮＯｘ除去装置の内部構造を示した断面図である。
【図５】変形態様におけるＮＯｘ除去装置の内部構造を示した一部断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００、１００’…ＮＯｘ除去装置
１…伝熱体    １０…吸入流路    １１…排気流路
２、２’…筐体部    ２１、２２、２３…排ガス撹拌空間    ２４１、２４２、２４３、２４４…流量制御手段
３…多孔質担体（白金、ＮＯｘ触媒が担持されている）
４…拡散部    ５…流路    ６…収束部    ７…流路
【図１】
2006348852.tif 000003
【図２】
2006348852.tif 000004
【図３】
2006348852.tif 000005
【図４】
2006348852.tif 000006
【図５】
2006348852.tif 000007