(57)【要約】      （修正有）【課題】高いエネルギー効率で排ガスの温度を適正化が可能なＮＯｘ除去装置の提供。【解決手段】吸気流路と排気流路とを備える排ガス流路２１と、吸気流路及び排気流路の間で熱交換を行う伝熱体１と、ＮＯｘ還元触媒を含む酸化還元触媒３と、排ガス流路２１の外周表面を覆う断熱部材とを有する。つまり、排ガス流路を断熱部材で覆うことで熱損失を低減している。断熱部材としては、真空の中空部材が採用できる。また、排気流路の排気口からの排ガスを通過させる流路が形成される中空部材も採用できる。排ガスは雰囲気温度より温度が高いので、熱損失を低減できる。本装置は、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してエネルギー効率を向上する。熱交換の効率は断熱部材により向上できるので、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。【選択図】図３
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【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つ排気流路と、を備える排ガス流路と、
該吸気流路及び該排気流路の間で熱交換を行う熱交換手段と、
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、
該排ガス流路の外周表面を覆うように設けられた断熱部材と、
を有することを特徴とするＮＯｘ除去装置。
【請求項２】
前記断熱部材は、内部が真空の中空部材である請求項１に記載のＮＯｘ除去装置。
【請求項３】
前記断熱部材は、前記排気流路の前記排気口から排出される排ガスを通過させる流路が内部に形成されている中空部材である請求項１に記載のＮＯｘ除去装置。
【請求項４】
前記断熱部材の前記流路は前記排気流路及び前記吸気流路の前記外周表面に接しており、
該断熱部材の該流路は、該流路中の排ガスが、該排気流路の前記排気口から前記吸気口に向かって該排気流路の該外周表面に沿って流れた後、該吸気流路の前記排気口から前記吸気口に向かって該吸気流路の該外周表面に沿って流れるように形成されている請求項３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が、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。
【０００４】
そこで、本発明者らは、ＮＯｘ還元触媒にて処理した後の排ガスから熱を回収してＮＯｘ還元触媒前に戻す熱交換器を主要構成要素とするＮＯｘ除去装置を案出した。熱交換器としては特許文献１で開示されたような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あるが、放熱が大きく、必ずしも十分にＮＯｘ還元触媒に導入される排ガス温度の上昇ができるとは限られなかった。
【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】
【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、以下の知見に想到した。すなわち、排ガス流路からの放熱は排ガス流路とその周囲の雰囲気温度との温度差に支配されるため、この温度差を小さくすることで熱損失を小さくできることを見いだし、以下の発明を完成した。
【０００７】
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つ排気流路と、を備える排ガス流路と、
該吸気流路及び該排気流路の間で熱交換を行う熱交換手段と、
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、
該排ガス流路の外周表面を覆うように設けられた断熱部材と、
を有することを特徴とする。
【０００８】
つまり、排ガス流路の外周表面を断熱部材で覆うことで熱損失を低減している。例えば、前記断熱部材としては、内部が真空の中空部材を採用することもできる。
【０００９】
また、断熱部材としては、前記排気流路の前記排気口から排出される排ガスを通過させる流路が内部に形成されている中空部材を採用することができる。排ガスは熱交換により温度が低下したとしても雰囲気温度よりは遥かに温度が高いので、熱損失を大きく低減できる。
【００１０】
例えば、前記断熱部材の前記流路として、前記排気流路及び前記吸気流路の前記外周表面に接しているものを採用し、該断熱部材の該流路は、該流路中の排ガスが、該排気流路の前記排気口から前記吸気口に向かって該排気流路の該外周表面に沿って流れた後、該吸気流路の前記排気口から前記吸気口に向かって該吸気流路の該外周表面に沿って流れるように形成されているものを採用することで、より効果的に熱損失を低減できる。
【発明の効果】
【００１１】
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エネルギー効率を向上する装置である。断熱部材により熱損失を低減できるので、熱交換によるエネルギー効率を向上でき、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。従って、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】
【００１２】
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断熱部材とを有する。
【００１３】
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。
【００１４】
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ことが好ましい。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ることが望ましい。その場合に、吸気流路の排気口と排気流路の吸気口とがほぼ同じ位置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することで、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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、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。
【００２０】
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。
【００２１】
ここで、吸気流路の排気口と排気流路の吸気口とに接続されている排ガス撹拌空間を有することができる。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。
【００２２】
断熱部材は、排ガス流路の外周表面を覆うように設けられた部材である。断熱部材は排ガス流路からの熱損失を低減する目的で設けられている。断熱部材としては排ガスの温度に耐えられるものであれば、グラスウール、ロックウール、アスベストなどのいわゆる一般的な断熱材が採用できる。そして、より高い断熱性能を発揮する部材として、内部を真空にした中空部材を採用することもできる。アスベストなど、繊維状の断熱部材を採用した上で真空にすることもできる。
【００２３】
断熱部材としては、排気流路から排出される排ガスを通過させる流路が内部に形成されている中空部材を採用することもできる。排ガス流路のうち排気流路から排出される排ガスは熱交換手段によって概ね熱が回収されているが、それでも周りの温度よりも高温であることが期待できるので、排ガス流路からの熱損失を低減できる。
【００２４】
断熱部材における排ガスを通過させる流路は、排ガス流路（排気流路及び吸気流路）の外周表面に接するように配設されており、流路中の排ガスは排気流路の排気口から吸気口に向かって排気流路の外周表面に沿って流れた後、吸気流路の排気口から吸気口に向かって吸気流路の外周表面に沿って流れるように形成されていることが望ましい。このように排ガスを通過させることで、排ガス流路内の排ガスから断熱部材内の排ガスへの熱移動が小さくできるので熱損失を少なくできる。
【００２５】
そして、一般的な断熱材、真空にした中空部材と、排ガスを通過させる中空部材とを併用することも可能である。
【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などを除去する排ガス浄化装置の一部であり、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、排ガス流路及び断熱部材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、排ガス流路を内部に形成する排ガス流路部材２１が配設されており、その排ガス流路部材２１と筐体部２との間に排ガス流路２１の外周表面を覆う空間としての断熱部材が形成されている。断熱部材は図面上方の一部がアスベストから形成されいる以外、内部が真空になった中空部材から形成されている。
【００２９】
排ガス流路部材２１は、図４に示すように、その内部空間の一部（排ガス撹拌空間２１１）を空けて伝熱体１を配設し、排ガス流路（吸入流路１０、排気流路１１）を形成している。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。
【００３０】
伝熱体１は排ガス流路部材２１内の内部空間を２分しており、図５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。吸入流路の排ガス撹拌空間２１１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２１１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段差が設けられている。
【００３１】
吸入流路１０の排気口及び排気流路の吸気口には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。伝熱体１には、図６に示すように、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の一部１３にＮＯｘ還元触媒が担持されている。
【００３２】
排ガス流路部材２１は、排ガス撹拌空間２１１の反対側の端部近傍であって、厚み方向の一面側（図４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。排ガス流路部材２１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。
【００３３】
（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。更に、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。
【００３４】
還元剤を含む排ガスはＮＯｘ除去装置１００内に導入される。図３に基づき具体的に説明する。まず、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、そして、その内部に設けられた排ガス流路部材２１内に導入される。排ガス流路部材２１内で排ガスは、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２１１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４及び６の矢印参照）。
【００３５】
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。
【００３６】
ここで、排ガス流路部材２１の外周表面は断熱部材にて覆われているので、排ガス流路部材２１内の排ガスから外部に熱が逃げることを抑制でき、外部からのエネルギー投入量を抑制した状態で排ガス温度を高く保つことができる。従って、ＮＯｘ還元触媒に至る排ガス温度を十分に高温にすることができるので、高いＮＯｘ浄化能を発揮することができる。
【００３７】
（変形態様）
先述のＮＯｘ除去装置１００にかえて、図７に示す内部構造をもつＮＯｘ除去装置１００’を採用することができる。ＮＯｘ除去装置１００’は断熱部材の構成が異なる以外は前述のＮＯｘ除去装置１００とほぼ同様の構成をもつ。
【００３８】
断熱部材は、筐体部２’と排ガス流路部材２１’との間に設けられた空間であることは同じであるが、この空間に排ガス流路（排気流路１１の排気口）が接続されて、内部に排ガスが通過できるようにした点で異なっている。
【００３９】
従って、排ガス流路部材２１’の外周表面には比較的温度が高い排ガス（排ガス流路部材２１内で伝熱体１を介して熱を吸入流路１０側に移動させた後の排ガスであるが雰囲気温度よりは遙かに高い温度である）を通過させているので、排ガス流路部材２１’内の排ガスから外部に熱が逃げることを抑制できる。ここで、断熱部材内の排ガスの流れとして、排ガス流路部材２１’内における排ガスの流れと対向する流れを採用しているので、排ガス流路部材２１’の外周表面を介した熱交換により断熱部材内の排ガスに熱が移動したとしても、その熱の移動量は極力小さくすることができるので、外部への熱損失を少なくすることができる。
【００４０】
更に、図８に示すように、排ガス流路部材２１”の図面上方の断熱部材としてアスベストに代えて、同じように、排ガスが通過できる中空部材としたＮＯｘ除去装置１００”を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【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断面概略図である。
【図４】実施例のＮＯｘ除去装置の排ガス流路部材の内部構造を示した一部断面図である。
【図５】実施例のＮＯｘ除去装置の排ガス流路部材の内部構造を示した断面図である。
【図６】実施例のＮＯｘ除去装置に採用された伝熱体の構造を示した概略図である。
【図７】変形態様におけるＮＯｘ除去装置の内部構造を示した断面概略図である。
【図８】変形態様におけるＮＯｘ除去装置の内部構造を示した断面概略図である。
【符号の説明】
【００４２】
１００、１００’、１００”…ＮＯｘ除去装置
１…伝熱体    １０…吸入流路    １１…排気流路
２、２’、２”…筐体部    ２１、２１’、２２”…排ガス流路部材    ２１１…排ガス撹拌空間
３…多孔質担体（白金が担持されている）
４、４’、４“…拡散部    ５、５’、５“…流路    ６、６’、６”…収束部    ７、７’、７“…流路    ８…断熱部材（アスベスト、中空部材）
【図１】
2006336559.tif 000003
【図２】
2006336559.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006336559.tif 000006
【図５】
2006336559.tif 000007
【図６】
2006336559.tif 000008
【図７】
2006336559.tif 000009
【図８】
2006336559.tif 000010