(57)【要約】【課題】尿素水から効率的にアンモニアを生成できるアンモニア発生装置を提供する。【解決手段】本開示は、ディーゼル機関の排気ガスにアンモニアを供給するアンモニア発生装置である。アンモニア発生装置は、排気ガス保温部材と、噴射部と、多孔質シートとを備える。排気ガス加温部材は、排気ガス管路内に設けられ、排気ガスを加温する。噴射部は、排気ガス加温部材の排気ガスの流れ方向における上流側に尿素水を噴射する。多孔質シートは、排気ガス加温部材に少なくとも一部が当接するよう配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼル機関の排気ガスにアンモニアを供給するアンモニア発生装置であって、
排気ガス管路内に設けられ、前記排気ガスを加温する排気ガス加温部材と、
前記排気ガス加温部材の前記排気ガスの流れ方向における上流側に尿素水を噴射する噴射部と、
前記排気ガス加温部材に少なくとも一部が当接するよう配置される多孔質シートと
を備える、アンモニア発生装置。
【請求項２】
前記排気ガス加温部材は、導電性のシート体であり、
前記排気ガス加温部材と前記多孔質シートとが交互に積層されている、請求項１に記載のアンモニア発生装置。
【請求項３】
前記排気ガス加温部材と前記多孔質シートとの積層方向は、前記排気ガスの流れ方向と垂直である、請求項２に記載のアンモニア発生装置。
【請求項４】
前記多孔質シートは、非導電性である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアンモニア発生装置。
【請求項５】
前記排気ガス加温部材は、凹凸面を有し、
前記多孔質シートは、前記凹凸面の凸部に当接している、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアンモニア発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、アンモニア発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガス成分に関する規制に対応するため、内燃機関の排気ガス管路には、多くの場合に排気ガス浄化装置が設置される。特にディーゼル機関では、選択触媒還元（ＳＣＲ）を用いた窒素酸化物（ＮＯｘ）の除去装置が一般に用いられる。
【０００３】
ＳＣＲは、アンモニアと触媒とによって、排気ガス中のＮＯｘを還元し、無害な窒素に改質する方法である。還元剤であるアンモニアは、尿素水を排気ガス中に噴射し、この尿素水中の尿素を加水分解することで生成される。
【０００４】
尿素の加水分解には２００℃程度の温度が必要となるが、ディーゼル機関のコールドスタートや減速時等には、排気ガスの温度が低い。そのため、噴射された尿素が加水分解されない場合が生じる。
【０００５】
そこで、尿素水を噴射した排気ガスを加温するヒーターを備えたアンモニア発生装置が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−６２８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のようにヒーターで尿素水を含む排気ガスを加温する場合でも、ヒーターの温度が十分に上昇していないと、排気ガスの温度が加水分解に対し不十分となる。その結果、尿素は加水分解されることなく、排気ガス管路内に滞留するか、又は排気ガスと共に系外へ排出される。このように尿素が加水分解されないと、アンモニアの発生量が不足し、十分なＮＯｘ除去ができない。そこで、アンモニアの発生量を補填するために尿素水を多く噴射する必要があるが、これによって尿素水の消費量が増大し、ひいてはディーゼル機関の運転コストが高くなる。
【０００８】
本開示の一局面は、尿素水から効率的にアンモニアを生成できるアンモニア発生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】
【０００９】
本開示の一態様は、ディーゼル機関の排気ガスにアンモニアを供給するアンモニア発生装置である。アンモニア発生装置は、排気ガス加温部材と、噴射部と、多孔質シートとを備える。排気ガス加温部材は、排気ガス管路内に設けられ、排気ガスを加温する。噴射部は、排気ガス加温部材の排気ガスの流れ方向における上流側に尿素水を噴射する。多孔質シートは、排気ガス加温部材に少なくとも一部が当接するよう配置される。
【００１０】
このような構成によれば、排気ガス加温部材による排気ガスの加温が不十分である場合に、噴射された尿素水を多孔質シートで保持できる。そして、排気ガス加温部材の温度が上昇し、排気ガス加温部材に当接している多孔質シート又はその周囲の温度が加水分解温度に達すると、保持していた尿素水の尿素が加水分解される。そのため、尿素水から効率的にアンモニアを生成させることができ、ひいてはＳＣＲにおける尿素水の消費量を低減することができる。
【００１１】
本開示の一態様は、排気ガス加温部材は、導電性のシート体であってもよい。また、排気ガス加温部材と多孔質シートとが交互に積層されていてもよい。このような構成によれば、噴射される尿素水が多孔質シートで保持されやすくなると共に、排気ガス加温部材から多孔質シートへの伝熱効率も高まるので、アンモニアの発生効率をさらに高めることができる。
【００１２】
本開示の一態様は、排気ガス加温部材と多孔質シートとの積層方向は、排気ガスの流れ方向と垂直であってもよい。このような構成によれば、排気ガスに噴射された尿素水をより確実に多孔質シートで保持できる。
【００１３】
本開示の一態様は、多孔質シートは、非導電性であってもよい。このような構成によれば、排気ガス加温部材の短絡を防止できるため、排気ガス加温部材の加温効率を高めることができる。
【００１４】
本開示の一態様は、排気ガス加温部材は、凹凸面を有してもよい。また、多孔質シートは、凹凸面の凸部に当接していてもよい。このような構成によれば、排気ガス加温部材の表面積が増大し、アンモニアの発生効率を高めることができる。また、排気ガス加温部材と多孔質シートとの間に空間が形成されるので、排気ガス管路の圧損を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態のアンモニア発生装置を示す模式的な断面図である。
【図２】図１のアンモニア発生装置の排気ガス加温部材と多孔質シートとの積層体を示す模式的な斜視図である。
【図３】図２の積層体の排気ガスの流れ方向と垂直な面における模式的な部分拡大断面図である。
【図４】図４Ａは、図１とは異なる実施形態のアンモニア発生装置を示す模式的な断面図であり、図４Ｂは、図１及び図４Ａとは異なる実施形態のアンモニア発生装置を示す模式的な断面図であり、図４Ｃは、図１、図４Ａ及び図４Ｂとは異なる実施形態のアンモニア発生装置を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示すアンモニア発生装置１は、ディーゼル機関の排気ガス管路内に設けられ、排気ガスＧにＳＣＲ用のアンモニアを供給する。つまり、アンモニア発生装置１は、ＳＣＲ装置の一部を構成する。
【００１７】
アンモニア発生装置１を含むＳＣＲ装置が設けられるディーゼル機関としては、自動車、鉄道、船舶、建機等の輸送機器、発電施設などで駆動用又は発電用として用いられるものが挙げられる。
【００１８】
アンモニア発生装置１は、排気ガス管路内に設けられ、排気ガスＧを加温する排気ガス加温部材２と、排気ガス加温部材２に向かって尿素水Ｕを噴射する噴射部３と、排気ガス加温部材２に少なくとも一部が当接するよう配置される多孔質シート４とを備える。
【００１９】
（排気ガス加温部材）
排気ガス加温部材２は、排気ガスを加温することで、排気ガス中の尿素の加水分解を促進するための部材である。排気ガス加温部材２は、排気ガスを加温できるものあれば特に限定されず、例えば公知の電熱式のヒーターを採用することができる。
【００２０】
排気ガス加温部材２の形状は特に限定されないが、排気ガスＧと接触して熱を加えつつ、排気ガスＧを下流側に流通可能な構造を有する必要がある。本実施形態では、排気ガス加温部材２は、図２に示すように、排気ガスの流れ方向と平行な軸を中心に金属製のシート体を巻回した構成を有する。なお、図２では巻回の中心軸は上下方向を向いているが、排気ガス加温部材２は、巻回の中心軸が排気ガスの流れ方向と平行となるように配置される。
【００２１】
さらに、排気ガス加温部材２は、図３に示すように、長手方向（つまり、巻回方向）に沿った凹凸が表面に形成されている。そのため、排気ガス加温部材２は、凹凸面を有する。具体的には、排気ガス加温部材２は、排気ガスの流れ方向（図３において紙面手前から奥に向かう方向）に平行な複数の突条部１２を表面に有する。
【００２２】
（多孔質シート）
多孔質シート４は、液体を保持できる多孔質性のシート体である。多孔質シート４の具体例としては、織布、不織布等が挙げられる。
【００２３】
多孔質シート４の材料は、排気ガスＧや尿素水Ｕによって腐食しないものであれば特に限定されない。具体的な多孔質シート４の材料としては、アルミナ等のセラミックが挙げられる。
【００２４】
多孔質シート４は、非導電性であることが好ましい。排気ガス加温部材２が短絡すると加温のエネルギー効率が低下するが、多孔質シート４が非導電性であると、多孔質シート４による排気ガス加温部材２の短絡が防止できる。そのため、絶縁用の部材のコストや配置の手間を低減しつつ、排気ガス加温部材２の加温効率を高められる。なお、「非導電性」とは、電気抵抗率が１×１０−４Ωｍ以上であることを意味する。
【００２５】
本実施形態では、多孔質シート４は、図１に示すように、排気ガス加温部材２の間に配置されている。つまり、排気ガス加温部材２と多孔質シート４とは交互に積層されている。また、この積層方向は、排気ガスの流れ方向と垂直である。換言すれば、排気ガス加温部材２及び多孔質シート４は、表面が排気ガスの流れ方向と平行となるように配置されている。
【００２６】
多孔質シート４は、図２に示すように、排気ガス加温部材２に重ねた状態で巻回することで、排気ガス加温部材２と交互に積層されている。また、図３に示すように、多孔質シート４は、排気ガス加温部材２の凹凸面の凸部である複数の突条部１２に当接している。そのため、排気ガス加温部材２の凹凸面の多孔質シート４と当接しない部分（つまり、突条部１２の反対側の面や、隣接する２つの突条部１２の間）によって、排気ガスの流路が構成されている。
【００２７】
（噴射部）
噴射部３は、図１に示すように、排気ガス加温部材２及び多孔質シート４の積層体から離間した位置に噴射口が配置される。噴射部３は、排気ガス加温部材２及び多孔質シート４の排気ガスの流れ方向における上流側に尿素水Ｕを噴射する。
【００２８】
本実施形態では、噴射部３は排気ガス加温部材２及び多孔質シート４の上流側に配置され、尿素水Ｕを排気ガスの流れ方向に向かって噴射する。噴射する尿素水Ｕの量は、排気ガス中のＮＯｘ濃度に合わせて適宜調整される。なお、排気ガス中のＮＯｘ濃度が低く、かつ排気ガスの温度が高い場合に、噴射する尿素水Ｕの量を増やし、改質したアンモニアをＳＣＲ装置にストレージしてもよい。また、噴射部３としては、公知の噴射装置を用いることができる。
【００２９】
（使用方法）
以下、アンモニア発生装置１の使用方法について説明する。
まず、排気ガスＧの温度が尿素の加水分解に十分な温度である場合には、排気ガス加温部材２による加温は行われず、噴射部３のみが駆動される。噴射部３から噴射された尿素水Ｕは、蒸発及び加水分解により、速やかにアンモニアに改質される。このアンモニアは、下流のＳＣＲ用触媒において、ＮＯｘを窒素に還元する。
【００３０】
次に、排気ガスＧの温度が不十分である場合には、排気ガス加温部材２への通電による排気ガスＧの加温が行われる。この場合、噴射部３から噴射された尿素水Ｕは、排気ガスによって運ばれつつ加温に伴って徐々にアンモニアに変換されるが、一部は尿素水のまま排気ガス加温部材２又は多孔質シート４に衝突する。排気ガス加温部材２又は多孔質シート４に衝突した尿素水は多孔質シート４によって保持される。多孔質シート４に保持された尿素水は、排気ガス加温部材２によって加温される。その結果、多孔質シート４に保持された尿素水はアンモニアに改質され、排気ガスＧに添加される。
【００３１】
［１−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）上述のように、排気ガス加温部材２による排気ガスＧの加温が不十分である場合に、噴射された尿素水Ｕを多孔質シート４で保持することで、尿素水Ｕの下流への流出を抑制できる。そして、排気ガス加温部材２の温度が上昇し、排気ガス加温部材２に当接している多孔質シート４又はその周囲の温度が加水分解温度に達すると、保持していた尿素水の尿素が加水分解される。そのため、尿素水から効率的にアンモニアを発生させることができ、ひいてはＳＣＲにおける尿素水の消費量を低減することができる。
【００３２】
（１ｂ）シート状の排気ガス加温部材２と多孔質シート４とが交互に積層されているので、噴射部３から噴射される尿素水Ｕが多孔質シートに保持されやすい。また、排気ガス加温部材２から多孔質シート４への伝熱効率も高まる。その結果、アンモニアの発生効率をさらに高めることができる。
【００３３】
（１ｃ）排気ガス加温部材２と多孔質シート４との積層方向が排気ガスの流れ方向と垂直であるので、排気ガスＧに噴射された尿素水Ｕをより確実に多孔質シート４で保持できる。その結果、アンモニアの発生効率をさらに向上できる。
【００３４】
（１ｄ）排気ガス加温部材２が凹凸面を有しているので、排気ガス加温部材２の表面積が増大し、加温効率、ひいてはアンモニア生成効率を高めることができる。また、排気ガス加温部材２の突条部１２に多孔質シート４が当接しているので、排気ガス加温部材２と多孔質シート４との間に排気ガスＧの流路が形成され、排気ガス管路の圧損を低減することができる。
【００３５】
（１ｅ）シート状の排気ガス加温部材２と多孔質シート４とを重ねて巻回することで、配管内に配置しやすい任意の径の積層体を容易に作製することができる。また、巻回構造により、積層体の蓄熱性も高められる。
【００３６】
［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００３７】
（２ａ）上記実施形態のアンモニア発生装置１において、排気ガス加温部材２と多孔質シート４との積層方向は、必ずしも排気ガスの流れ方向と垂直でなくてもよい。排気ガスの流れを妨害しなければ、任意の方向に積層することができる。また、必ずしも排気ガス加温部材２と多孔質シート４とを交互に積層しなくてもよい。
【００３８】
一例を挙げると、図４Ａに示すアンモニア発生装置１Ａのように、排気ガスの上流側に排気ガス加温部材２Ａと当接するように多孔質シート４Ａを配置してもよい。逆に、図４Ｂに示すアンモニア発生装置１Ｂのように、排気ガスの下流側に排気ガス加温部材２Ａと当接するように多孔質シート４Ａを配置してもよい。さらに、図４Ｃに示すアンモニア発生装置１Ｃのように、排気ガスの上流側及び下流側に排気ガス加温部材２Ａと当接するように２つの多孔質シート４Ａを配置してもよい。
【００３９】
また、排気ガス加温部材２と多孔質シート４とは、巻回以外の方法で積層されてもよい。例えば、複数のシート状の排気ガス加温部材２と、複数の多孔質シート４とを用意し、これらを交互に重畳することで積層体を形成してもよい。
【００４０】
（２ｂ）上記実施形態のアンモニア発生装置１において、排気ガス加温部材２は、シート体に限定されるものではない。例えば、ブロック状や棒状の排気ガス加温部材を用いてもよい。
【００４１】
（２ｃ）上記実施形態のアンモニア発生装置１において、排気ガス加温部材２と多孔質シート４との積層体から、排気ガス加温部材２又は多孔質シート４のいずれかが突出していてもよい。排気ガス加温部材２を突出させることで、排気ガスＧの加温効率を高めることができる。一方、多孔質シート４を突出させることで、噴射される尿素水Ｕを保持しやすくできる。
【００４２】
（２ｄ）上記実施形態のアンモニア発生装置１において、排気ガス加温部材２は、凹凸面を有していなくてもよい。また、凹凸面を有する場合にも凹凸のパターンは任意に設計可能であり、例えば穿孔によって凹凸を形成してもよい。さらに、図３に示す突条部１２に穿孔を設けてさらに微細な複合凹凸形状を形成してもよい。
【００４３】
（２ｅ）上記実施形態のアンモニア発生装置１における噴射部３の位置や噴射方向は一例である。つまり、尿素水Ｕを排気ガスの流れ方向における上流側から多孔質シート４に噴射し保持させることができれば、噴射部３の位置、噴射方向、噴射角等は特に限定されない。
【００４４】
（２ｆ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
【００４５】
［３．実施例］
次に、本開示の効果を確認するために行った実施例１と比較例１との比較について説明する。
【００４６】
（実施例１）
まず、図１のアンモニア発生装置１を備えたＳＣＲ装置を自動車のディーゼルエンジンの排気管路に設置した。次に、ＳＣＲ装置にアンモニアのストレージがない状態で、ディーゼルエンジンを減速させた。同時に、このときの減速エネルギーを回生して得られた電力を排気ガス加温部材２に供給しながら尿素水を噴射し、アンモニア発生装置１によりアンモニアを発生させた。そして、発生したアンモニアを一旦ＳＣＲ装置にストレージした状態でディーゼルエンジンを加速させ、ストレージしたアンモニアによって排気ガス中のＮＯｘを低減した。これら一連の動作を繰り返し、一定時間経過するまでのＮＯｘの総排出量を計測した。
【００４７】
（比較例１）
図１のアンモニア発生装置１から多孔質シート４を取り除いた点以外は同様の装置を用いて、実施例１と同じ条件でＮＯｘの総排出量を計測した。
【００４８】
（結果）
実施例１では、比較例１に対し、上述のようなエンジンの加速と減速とを繰り返すモード運転においてＮＯｘの総排出量が約１０％低減された。つまり、実施例１は、排気ガスの温度が低い状態で、比較例１よりも効率よくアンモニアが発生したと推測される。
【符号の説明】
【００４９】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…アンモニア発生装置、２，２Ａ…排気ガス加温部材、
３…噴射部、４，４Ａ…多孔質シート、１２…突条部、Ｇ…排気ガス、Ｕ…尿素水。
【図１】
2018105135.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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