(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を尿素水の加水分解によって得られたアンモニアガスによりＳＣＲ触媒上において還元するＳＣＲシステムにおいて、ＮＯｘの還元率を高めて排気ガス中のＮＯｘ濃度をできるだけ減らすと共に、排気ガス中に含まれるアンモニアの量が環境保全濃度以下となるようにすること。【解決手段】排気ガスの温度、エンジンのトルク値及びエンジンの排気風量の３因子のうちの２因子からＮＯｘの生成量をマトリックス化したデータを作成しておき、エンジン運転時には上記２因子を測定し、この測定結果と上記のデータとからＮＯｘの生成量を求めて、このＮＯｘの生成量に応じて尿素水の供給量を調整する。【選択図】図２
2009209896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する窒素酸化物還元装置において、
前記エンジンの排気ポートに気密に接続され、内部をＮＯｘ成分を含む排気ガスが通流するＮＯｘ還元触媒部と、
前記ＮＯｘ還元触媒部の前側に尿素注入濃度２５重量％〜３５重量％範囲とする尿素水溶液を噴霧する霧化部と、
前記霧化部に尿素供給管を介して接続され、尿素水溶液を貯留するための尿素源と、
前記霧化部に対して前記尿素源から前記尿素供給管を介して尿素水溶液を供給するための尿素水溶液供給部と、
前記エンジンのトルク値、前記排気ガスの温度及び前記排気ガスの風量のうち２つの値から算出される前記排気ガス中のＮＯｘ成分絶対量を記憶する第１の記憶部と、
前記エンジン排気ガス温度、エンジントルク値、エンジン排気風量の少なくとも２項因子を測定し、この測定結果に対応するＮＯｘ成分絶対量を前記第１の記憶部から読み取り、この読み取り値に基づいて前記尿素水溶液の供給量を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする窒素酸化物還元装置。
【請求項２】
前記エンジンのトルク値、このエンジンから排出される排気ガスの温度及び前記排気ガスの流量を算出するエンジン回転数のうち前記２つの値に基づいて前記排気ガス中の窒素酸化物の量を補正するための補正値を記憶する記憶部を備え、
前記制御部は、この補正値の読み取り値に基づいて前記尿素水溶液の供給量を補正することを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物還元装置。
【請求項３】
前記霧化部における尿素水溶液の吐出部は、前記ＮＯｘ還元触媒部の５０ｃｍ以上前側に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の窒素酸化物還元装置。
【請求項４】
前記霧化部から吐出される尿素水溶液の液滴は、粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の窒素酸化物還元装置。
【請求項５】
前記霧化部から尿素水溶液が吐出される時の前記エンジン排気ガス温度は１００℃以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の窒素酸化物還元装置。
【請求項６】
前記霧化部を１００℃以下に冷却する冷却手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の窒素酸化物還元装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記ＮＯｘ成分絶対量の読み取りと前記尿素水溶液の供給量の制御とを１回／秒以上の頻度で行うことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の窒素酸化物還元装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記尿素水溶液の供給量を不連続的に変化させることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載の窒素酸化物還元装置。
【請求項９】
前記第１の記憶部内の前記ＮＯｘ成分絶対量は、予めエンジンから排出される排気ガス中のＮＯｘ成分絶対量を算出し、この算出結果と前記前記エンジン排気ガス温度、エンジントルク値、エンジン排気風量の少なくとも２項因子とを対応付けて数値化したものであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一つに記載の窒素酸化物還元装置。
【請求項１０】
前記霧化部内に気体を供給する気体供給部を備え、
前記制御部は、前記霧化部内の尿素水溶液を排出するために、前記エンジンの停止後に前記霧化部内に気体をパージすることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一つに記載の窒素酸化物還元装置。
【請求項１１】
前記霧化部が０℃以下とならないように、当該霧化部を保温する保温機構を備えたことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の窒素酸化物還元装置。
【請求項１２】
前記尿素の供給量は、前記排気ガス中のＮＯｘ成分の当量の０．９倍以下であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一つに記載の窒素酸化物還元装置。
【請求項１３】
前記尿素水溶液供給部は、前記霧化部に尿素水を送液するための送液ポンプを備え、
前記送液ポンプと前記霧化部との間における前記尿素供給管には、前記霧化部から噴霧される尿素水溶液の噴霧量を一定化するために、この尿素供給管内を通流する尿素水溶液の圧力変動を抑えるための液圧調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか一つに記載の窒素酸化物還元装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、尿素水の加水分解によって得られたアンモニアガスにより、エンジン例えばディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を触媒上において還元する窒素酸化物還元装置及び窒素酸化物還元方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンよりも燃費に優れていることから、輸送業界などで自動車用などとして広く用いられているが、排気ガス中に含まれている未燃焼燃料などの粒子や窒素酸化物として知られているＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ2等）などが問題となっている。そこで、例えば小型や中型のディーゼルエンジンにおいては、例えばこのＮＯｘの排出量が厳しく規制されている。このＮＯｘを除去するためのシステムとして、例えば特許文献１〜４に記載のＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：選択性還元触媒）システムが知られている。  
このシステムは、例えば前段側においてディーゼルエンジンの排気ガス中の粒子と気体状の炭化水素成分とを取り除いた後、後段側に設けられたＳＣＲ触媒上においてアンモニア（ＮＨ3）ガスとＮＯｘとを反応させることによって、ＮＯｘを還元して例えば窒素（Ｎ2）ガスと水（Ｈ2Ｏ）とを得るシステムである。
【０００３】
ところで、アンモニアガスが有害であるため、このシステムにおいてアンモニアガスを得るにあたり、上記の排気ガスに対して尿素水溶液（ＣＯ（ＮＨ2）2・ａｑ）（尿素水）をミスト状に噴霧して、排気ガスの熱により尿素水溶液を気化させると共に、この尿素水溶液を加水分解させてアンモニアガスを得ている。また、大気に放出できるアンモニアガスの濃度には例えば１０ｐｐｍといった極めて厳しい基準が規定されているので、上記の反応によりアンモニアをできるだけ消費するために、排気ガスに含まれているＮＯｘに対する尿素の量が当量以下となるように、尿素水溶液の供給量を調整する必要がある。この時ＮＯｘに対する尿素の供給量が当量よりもはるかに下回る場合には、大気に放出されるＮＯｘの量が多くなってしまうので、ＮＯｘの還元率を高めるためには尿素の供給量が当量よりも僅かに下回るように、尿素水溶液の供給量を繊細に調整する必要がある。
【０００４】
一方、このようなディーゼルエンジンでは、例えば排気ガスの温度やエンジンの回転数などの運転状況に応じてＮＯｘの生成量が変化するので、そのＮＯｘの生成量に応じて尿素水溶液の供給量を調整するために、例えばディーゼルエンジンの運転状況などを介してＮＯｘの生成量をモニターする必要がある。そのようなＮＯｘの生成量のモニター方法として、例えば特許文献５、６の技術が知られているが、アンモニアガスが大気に放出されないように、生成するＮＯｘの当量に対して供給される尿素水溶液の量がかなり低く設定されることになるので、ＮＯｘの還元率を高めることができない。このことから、排気ガスの規制が年々厳しくなる昨今において、また例えば船舶用などの大型ディーゼルエンジンについてのＮＯｘの規制が行われる将来にあっては、ＮＯｘの排出量を更に抑えるために、ＮＯｘの生成量を正確に把握する必要がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３２４７２号公報（図１）
【特許文献２】特開２００７−２１８１４６号公報（図１）
【特許文献３】特開２０００−２３０４１４号公報（図１）
【特許文献４】特開２００７−１６７８０３号公報（段落００４５、００４６）
【特許文献５】特開２００７−１７００１３号公報（段落００３７）
【特許文献６】特表２００７−５０４３８７号公報（段落０００６〜００１２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、尿素水の加水分解によって得られたアンモニアガスにより、エンジン例えばディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を触媒上において還元するにあたり、大気に放出される排気ガス中に含まれる未反応のアンモニアガスの量を抑えると共に、この排気ガス中に含まれる窒素酸化物の量を容易に低減できる窒素酸化物還元装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の窒素酸化物還元装置は、
エンジンの排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する窒素酸化物還元装置において、
前記エンジンの排気ポートに気密に接続され、内部をＮＯｘ成分を含む排気ガスが通流するＮＯｘ還元触媒部と、
前記ＮＯｘ還元触媒部の前側に尿素注入濃度２５重量％〜３５％範囲とする尿素水溶液を噴霧する霧化部と、
前記霧化部に尿素供給管を介して接続され、尿素水溶液を貯留及び圧力コントロールするための尿素源と、
前記霧化部に対して前記尿素源から前記尿素供給管を介して尿素水溶液を供給するための尿素水溶液供給部と、
前記エンジンのトルク値、前記排気ガスの温度及び前記排気ガスの風量（流量）のうち２つの値から算出される前記排気ガス中のＮＯｘ成分絶対量を記憶する第１の記憶部と、
前記エンジン排気ガス温度、エンジントルク値、エンジン排気風量の少なくとも２項因子を測定し、この測定結果に対応するＮＯｘ成分絶対量を前記第１の記憶部から読み取り、この読み取り値に基づいて前記尿素水溶液の供給量を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
前記エンジンのトルク値、このエンジンから排出される排気ガスの温度及び前記排気ガスの流量を算出するエンジン回転数のうち前記２つの値に基づいて前記排気ガス中の窒素酸化物の量を補正するための補正値を記憶する記憶部を備え、
前記制御部は、この補正値の読み取り値に基づいて前記尿素水溶液の供給量を補正することが好ましい。  
前記霧化部における尿素水溶液の吐出部は、前記ＮＯｘ還元触媒部の５０ｃｍ以上前側に配置されていることが好ましい。  
前記霧化部から吐出される尿素水溶液の液滴は、粒径が５０μｍ以下であることが好ましい。  
前記霧化部から尿素水溶液が吐出される時の前記エンジン排気ガス温度は１００℃以上であることが好ましい。  
前記窒素酸化物還元装置は、前記霧化部を１００℃以下に冷却する冷却手段を備えていることが好ましい。  
前記制御部は、前記ＮＯｘ成分絶対量の読み取りと前記尿素水溶液の供給量の制御とを１回／秒以上の頻度で行うことが好ましい。  
前記制御部は、前記尿素水溶液の供給量を不連続的に変化させることが好ましい。
【０００９】
前記第１の記憶部内の前記ＮＯｘ成分絶対量は、予めエンジンから排出される排気ガス中のＮＯｘ成分絶対量を算出し、この算出結果と前記前記エンジン排気ガス温度、エンジントルク値、エンジン排気風量の少なくとも２項因子とを対応付けて数値化したものであることが好ましい。  
また、前記窒素酸化物還元装置は前記霧化部内に気体を供給する気体供給部を備え、
前記制御部は、前記霧化部内の尿素水溶液を排出して尿素水溶液中の尿素が固体析出する事を防止するために、前記エンジンの停止後に前記霧化部内に気体をパージすることが好ましい。  
更に、前記窒素酸化物還元装置は、前記霧化部が０℃以下とならないように、当該霧化部を保温する保温機構を備えていることが好ましい。  
前記尿素の供給量は、前記排気ガス中のＮＯｘ成分の当量の０．９倍以下であることが好ましい。  
前記尿素水溶液供給部は、前記霧化部に尿素水を送液するための送液ポンプを備え、
前記送液ポンプと前記霧化部との間における前記尿素供給管には、前記霧化部から噴霧される尿素水溶液の噴霧量を一定化するために、この尿素供給管内を通流する尿素水溶液の圧力変動を抑えるための液圧調整機構が設けられていることが好ましい。
【００１０】
本発明の窒素酸化物還元方法は、
エンジンと、このエンジンのトルク値、このエンジンから排出される排気ガスの温度及び前記排気ガスの流量のうち少なくとも２項因子の関係によりエンジンから排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）成分量を読み取り、排気ガス中のＮＯｘ成分を還元する窒素酸化物還元装置と、を備えたシステムにて行う窒素酸化物還元方法において、
前記エンジンのトルク値、前記エンジンから排出される排気ガスの温度及び前記排気ガスの流量のうちの２つの値から、前記排気ガス中の窒素酸化物の量を算出する工程と、
次いで、前記エンジンを始動させ、このエンジンから前記排気ガス中の窒素酸化物をアンモニアガスにより還元するための触媒が内部に収納されたＮＯｘ還元触媒部を介して前記排気ガスを排気する工程と、
続いて、前記２つの値に対応する２つの出力値例えば前記トルク値、前記排気ガスの温度及び前記排気ガスの流量のいずれか２つを計測し、前記算出する工程において算出した結果からこの計測値に対応する窒素酸化物の量を読み取る工程と、
その後、前記読み取る工程において得た読み取り値に基づいて尿素水溶液の量を調整して、この量の尿素水溶液を前記ＮＯｘ還元触媒部に噴霧し、前記排気ガスの熱によりこの尿素水溶液からアンモニアガスを得る工程と、
しかる後、前記アンモニアガスを得る工程にて得られたアンモニアガスと前記排気ガスとを前記ＮＯｘ還元触媒部に供給し、前記触媒上において前記排気ガス中の窒素酸化物を還元する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
前記システムは、前記エンジンのトルク値、このエンジンから排出される排気ガスの温度及び前記排気ガスの流量の少なくとも２項因子を必要とする。  
前記窒素酸化物の量を算出する工程の前に、前記エンジンのトルク値、前記排気ガスの温度及び前記排気ガスの流量を読み取り、この数値に基づいて前記排気ガス中の窒素酸化物の量を補正する工程を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、尿素水の加水分解によって得られたアンモニアガスにより、エンジン例えばディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を触媒上において還元するにあたり、排気ガスの温度、ディーゼルエンジンのトルク値及び排気風量のうちの２因子により窒素酸化物の生成量のデータを予め算出しておき、ディーゼルエンジンの運転時に当該２因子に対応する値を計測して、またこの計測値に対応する窒素酸化物の生成量を上記のデータから求めるようにしている。そして、この生成量に応じて尿素水溶液の供給量を調整しているので、大気に放出される排気ガス中に含まれる未反応のアンモニアガスの量を抑えると共に、この排気ガス中に含まれる窒素酸化物の量を容易に低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の窒素酸化物還元装置（排気ガス処理装置）について、エンジン例えばディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ2等、以下「ＮＯｘ」という）を低減するＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：選択性還元触媒）システムに適用した例を参照して説明する。図１に示すように、このＳＣＲシステムは、例えば排気量が３０００ｃｃの自動車用あるいは船舶用のディーゼルエンジン１０を備えている。このディーゼルエンジン１０には、当該ディーゼルエンジン１０のトルク値を検出するためのトルク検出部１４が設けられている。また、ディーゼルエンジン１０には、例えば軽油などの燃料を供給するための燃料供給管１１と、この燃料を燃焼させるための空気を取り込む空気取り込み管１２と、が接続されている。このディーゼルエンジン１０には、上記の燃料の燃焼により生成する排気ガスを排出するための排気管１３が排気ポート１３ａを介して接続されている。
【００１４】
排気管１３におけるディーゼルエンジン１０に近接する部位には、排気管１３内を通流する排気ガスの温度を検出するための例えば熱電対などの温度検出部１５と、この排気ガスの流量を測定するための流量検出部１６と、が設けられている。これらの温度検出部１５、流量検出部１６は、検出ユニットをなし、夫々温度及び流量を取得するための検知部１７、１８に接続されている。尚、この流量検出部１６としては、ディーゼルエンジン１０の回転数を読み取る回転数検知部を設けて、この回転数検知部により読み取ったディーゼルエンジン１０の回転数から検知部１８にて排気ガスの流量を計算する構成としても良い。この排気管１３の下流側には、排気ガス中に含まれる粒子例えば未燃焼の炭素及び気体状の炭化水素成分などを取り除くためのＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）システム２０が気密に介設されている。このＤＰＦシステム２０の下流側における排気管１３には、尿素注入装置３０が接続されている。
【００１５】
この尿素注入装置３０は、内部を排気ガスが通流する横に長く伸びる短管３１と、この短管３１内に液体状の尿素（ＣＯ（ＮＨ2）2）水（尿素水溶液）を噴霧するための霧化部であるノズル３２と、この液体状の尿素を貯留するための尿素源３３と、を備えている。短管３１は、液体状の尿素水から気体状のアンモニア（ＮＨ3）ガスを得るためのものであり、尿素水をミスト状に霧化する上流側の噴霧部３１ａと、排気ガスの熱によりこの尿素水を加水分解して気体状のアンモニアを生成する下流側の通流部３１ｂと、から構成されている。これらの噴霧部３１ａ及び通流部３１ｂの端面には、フランジ部３４、３４が形成されており、これらのフランジ部３４、３４同士が例えばボルト３５などにより圧接されることによって短管３１が気密に構成される。
【００１６】
既述のノズル３２は、吐出部である先端部には尿素水の噴霧側（下流側）に吐出孔（図示せず）が形成されており、この先端部が噴霧部３１ａの内周円（噴霧部３１ａの長さ方向に対して垂直に切断したときの当該噴霧部３１ａの断面）の略中央に位置するように構成されている。このノズル３２の周囲には、ノズル３２内における尿素水の沸騰を抑えるために、ノズル３２を例えば１００℃以下に冷却するための冷媒通流管３７が冷却手段として巻設されている。この冷媒通流管３７は、その両端が短管３１の外部に設けられた冷媒源３８に接続されており、この冷媒通流管３７に介設されたバルブ３７ａとポンプ３７ｂとにより内部を冷媒例えば冷却水が循環するように構成されている。尚、この冷媒通流管３７としては、ノズル３２の外側ではなくノズル３２の内部にインナークーラーとして設けても良い。また、冷媒として冷却水を用いたが、尿素源３３から尿素水を循環させるようにしても良い。
【００１７】
このノズル３２には、短管３１の側壁を介して尿素供給管３６の一端側が接続されており、この尿素供給管３６の他端側は、バルブ４０に形成された尿素噴霧口４０ａに接続されている。このバルブ４０の上流側（ノズル３２の反対側）には、尿素水入口４０ｂが形成されており、この尿素水入口４０ｂには尿素供給管３６により送液ポンプ４１を介して尿素源３３が接続されている。また、このバルブ４０には尿素水戻口４０ｃが形成されている。この尿素水戻口４０ｃには、尿素水戻り管４７の一端側が接続されており、この尿素水戻り管４７の他端側は既述の尿素源３３に接続されている。そのため、尿素水は、上記の送液ポンプ４１の圧力により、この尿素源３３、バルブ４０及び尿素水戻り管４７を介して常時循環し、ノズル３２から吐出されるときにはバルブ４０によりノズル３２側にも供給される。
【００１８】
このバルブ４０には、バルブ４０の開放時間を調整するための流量調整部４２が設けられている。このバルブ４０と上記の送液ポンプ４１との間には、液圧調整管６０の一端側が接続されており、この液圧調整管６０の他端側は、液圧調整機構であるエアチャンバー６１の下面側に接続されている。このエアチャンバー６１内には、尿素水と所定の圧力に保たれた空気とが満たされており、従って上記の液圧調整管６０の他端側の先端は尿素水の液面の下方にて開口している。そのため、このエアチャンバー６１内の尿素水は、上記の液圧調整管６０内の尿素水の液圧により液面が上下するように構成されている。つまり、液圧調整管６０（バルブ４０と送液ポンプ４１との間における尿素供給管３６）内を通流する尿素水の液圧が上昇すると、エアチャンバー６１内の空気が圧縮されてこのエアチャンバー６１内の尿素水が押し上げられて（液面が上昇して）いき、一方液圧調整管６０内の尿素水の液圧が減少すると、エアチャンバー６１内の空気が膨張してこのエアチャンバー６１内の尿素水の液面が下降していくこととなる。そのため、バルブ４０と送液ポンプ４１との間において、尿素供給管３６を通流する尿素水の液圧がエアチャンバー６１（より詳しくはエアチャンバー６１内の尿素水及び空気）によってほぼ一定に保たれることになる。このことから、バルブ４０によりノズル３２への尿素水の給断を行ったり、あるいはノズル３２へ供給される尿素水の流量が微量であったりしても、尿素供給管３６内の液圧の変動が抑えられるので、ノズル３２から噴霧される尿素水の脈動が抑えられて、噴霧量が一定化されることになる。これらのバルブ４０、送液ポンプ４１及び流量調整部４２により尿素水溶液供給部が構成される。
【００１９】
尿素源３３内には、濃度が２５重量％〜３５重量％例えば３０重量％（ｗｔ％）となるように水により希釈された尿素が尿素水として貯留されており、この尿素水の液面より下位置において尿素供給管３６が開口している。  
また、この尿素源３３の周囲には、尿素の析出を抑えるために、尿素水を０℃以上例えば５℃に保持するための保温機構であるヒーター４３が設けられている。尚、尿素供給管３６、バルブ４０及び送液ポンプ４１における尿素水が通流する部位には、同様に尿素の析出を抑えるための図示しないヒーターが設けられている。このＳＣＲシステムを外気温が例えば０℃以下にならない環境下にて運用する場合には、このようなヒーター４３などを設けなくても良い。  
ノズル３２とバルブ４０との間における尿素供給管３６には、ノズル３２に気体例えば空気を供給するための気体供給管４４の一端側が接続されており、この気体供給管４４の他端側には、バルブ４５を介して例えば空気が貯留された気体源４６が接続されている。これらの気体供給管４４、バルブ４５及び気体源４６は、気体供給部をなす。
【００２０】
この短管３１の下流側における排気管１３には、内部に尿素ＳＣＲ触媒例えば田中貴金属工業株式会社製ＣＳ−４２３が収納された反応部５０がＮＯｘ還元触媒部として接続されており、この尿素ＳＣＲ触媒の表面に既述のＮＯｘと尿素水の加水分解により生成したアンモニア（ＮＨ3）ガスとが吸着し、このＮＯｘとアンモニアガスとが反応することによって後述のＮＯｘの還元反応が進行するように構成されている。この反応部５０と尿素注入装置３０とにより本発明の窒素酸化物還元装置が構成される。既述のノズル３２とこの反応部５０との間の距離Ｌは、尿素水がアンモニアに加水分解するための十分な滞留時間が得られるように、例えば５０ｃｍ以上に設定されている。反応部５０の下流側における排気管５１は、例えば大気開放されている。
【００２１】
また、このＳＣＲシステムには、例えばコンピュータからなる制御部１が設けられており、この制御部１は図２に示すように、ＣＰＵ２、プログラム３及びメモリ４からなるデータ処理部を備えている。このプログラム３には流量調整部４２に制御信号を送り、バルブ４０の開放時間を調整することなどによって後述の各ステップを進行させるように命令（各ステップ）が組み込まれている。また、メモリ４には、例えば予め行われた計算などにより、ディーゼルエンジン１０の排気状況（運転状況）を示す情報であるディーゼルエンジン１０のトルク値（Ｔ1、Ｔ2、、、Ｔn）及び排気ガスの温度（排気温度）（ｔ1、ｔ2、、、ｔn）（ｎ：正数）毎に、ＮＯｘの生成量（濃度）Ｑを求めた第１の記憶部であるデータ５がマトリックス化されて格納されている。このＮＯｘの生成量Ｑは、実際には例えばディーゼルエンジン１０あるいはこの窒素酸化物還元装置に設けられた図示しないコンピューターなどのＮＯｘ生成量取得部によって、ディーゼルエンジン１０の運転中にこのディーゼルエンジン１０の運転状況（トルク値、排気温度）に応じて求めるようになっているが、ここではデータ５として一括して取得されたものとして記載している。
【００２２】
また、このメモリ４には、同様に予め行われた実験などにより、上記のトルク値、排気温度及びディーゼルエンジン１０の排気状況を示す情報であるディーゼルエンジン１０の排気風量（ディーゼルエンジン１０の回転数）などに応じて上記のＮＯｘの生成量Ｑが実際にどの程度増減するか取得された補正値ｒが記憶部である補正データ６として格納されている。このようなデータ５及び補正データ６は、当該ディーゼルエンジン１０に固有のものであり、従ってディーゼルエンジン１０毎に取得される。
【００２３】
次に、尿素注入装置３０の実施の形態である作用について、ＳＣＲシステムの全体の流れを含めて図３〜図５を参照して説明する。初めに、既述のように予め実験などを行うことにより、このディーゼルエンジン１０についてのデータ５と補正データ６とを取得しておく。そして、ディーゼルエンジン１０を始動させる（ステップＳ３１）と共に、冷媒通流管３７に所定の温度の冷媒を所定の流量で通流させる。ディーゼルエンジン１０内に燃料供給管１１と空気取り込み管１２とから夫々燃料と空気とを供給すると、ディーゼルエンジン１０内において燃料が燃焼し、この燃焼により生成した排気ガスが排気管１３からＤＰＦシステム２０、短管３１及び反応部５０を介して例えば大気に排出される。
【００２４】
この排気ガス中には、図５に示すように、既述の窒素酸化物であるＮＯｘ及び粉塵などのパーティクル及び気体状の炭化水素成分などが含まれており、このパーティクルや炭化水素成分はＤＰＦシステム２０において捕集され、ＮＯｘは下流側に通流していく。この排気ガスは燃料の燃焼により高温例えば２５０℃程度となっているので、ＳＣＲシステム内例えば短管３１や反応部５０の内部などが昇温していく。一方、冷媒通流管３７には冷媒を通流させているので、ノズル３２は例えば１００℃以下に保たれる。尚、後述するように、ディーゼルエンジン１０の運転開始前であっても、尿素が析出しないようにヒーター４３により尿素源３３内などの尿素水が加熱されている。また、既述のように、尿素水は尿素源３３、バルブ４０及び尿素水戻り管４７を介して常時循環している。更にまた、図５においては、燃料の燃焼により生成する二酸化炭素などの記載や冷媒通流管３７などの図示を省略している。
【００２５】
そして、排気管１３内を通流する排気ガスの温度を取得し（ステップＳ３２）、排気ガスの温度が例えば１００℃以上となっているか確認する（ステップＳ３３）。この排気ガスの温度が１００℃以上である場合には、後述のＮＯｘ還元処理（ステップＳ３４）を行う。排気ガスの温度が１００℃未満である場合には、例えば所定の時間経過後に再度排気ガスの温度を取得する。  
次いで、ステップＳ３４のＮＯｘ還元処理（ステップＳ４１〜Ｓ４８）について説明する。先ず、排気ガスの温度を取得する（ステップＳ４１）と共に、ディーゼルエンジン１０のトルク値を取得する（ステップＳ４２）。尚、この時ステップＳ３２において排気ガスの温度を既に取得しているので、ステップＳ４１については省略するようにしても良い。そして、この排気ガスの温度及びトルク値毎に格納されたＮＯｘの生成量Ｑをデータ５から読み出す（ステップＳ４３）。また、ディーゼルエンジン１０の回転数などを取得し、これらの値に対応する補正値ｒが補正データ６に格納されているかどうかを確認し（ステップＳ４４）、補正値ｒが格納されている場合にはステップＳ４３で読み出したＮＯｘの生成量Ｑを補正する（ステップＳ４５）。この時、補正前のＮＯｘの生成量Ｑが例えばＱｈｉであり、排気温度、回転数、エンジントルク値についての補正値ｒが夫々例えばｒ１ｊ、ｒ２ｋ、ｒ３ｍである場合には、補正後の生成量Ｑａは例えばＱｈｉ＋ｒ１ｊ＋ｒ２ｋ＋ｒ３ｍとなる。
【００２６】
補正値ｒが補正データ６に格納されていない場合あるいはこの補正値ｒによりＮＯｘの生成量Ｑを補正した場合には、尿素噴霧口４０ａ側にも尿素水が供給されるようにバルブ４０を開放して、ノズル３２から短管３１に尿素水を供給する（ステップＳ４６）。この時、バルブ４０と送液ポンプ４１との間における尿素供給管３６や尿素水戻り管４７内においては、尿素水の液圧が減少しかけるが、既述のようにエアチャンバー６１内の尿素水の液面が下降する（エアチャンバー６１内の空気が膨張する）ことによって液圧の減少が抑えられる。そのため、ノズル３２から噴霧される尿素水の流量は一定となる。  
【００２７】
この尿素水は、ノズル３２において粒径が例えば５０μｍ以下のミスト状に噴霧され、図５に示すように排気ガスの熱により気化していく。この気体状の尿素水は、この短管３１において更に排気ガスの熱により以下の（１）式に従って加水分解して気体状のアンモニアと二酸化炭素とが生成する。  
ＣＯ（ＮＨ2）2  ＋  Ｈ2Ｏ  →  ２ＮＨ3  ＋  ＣＯ2    ・・・・（１）
このアンモニアガスは、上流側から通流するＮＯｘや酸素ガスなどと共に反応部５０に流れていき、この反応部５０内のＳＣＲ触媒の表面に吸着する。そして、このＳＣＲ触媒の表面においてＮＯｘとアンモニアガスなどとが以下の（２）式や（３）式に従って反応して窒素（Ｎ2）と水（Ｈ2Ｏ）とが生成する。  
４ＮＯ  ＋  ４ＮＨ3  ＋  Ｏ2  →  ４Ｎ2  ＋  ６Ｈ2Ｏ    ・・・（２）
６ＮＯ  ＋  ８ＮＨ3  →  ７Ｎ2  ＋  １２Ｈ2Ｏ          ・・・（３）
【００２８】
そして、バルブ４０の開放時間が所定の時間例えば尿素の供給量がＮＯｘの生成量Ｑの当量の例えば０．９倍となる時間に達したかを確認し（ステップＳ４７）、その量となるまで尿素水を短管３１に供給する。この尿素の供給により、大気に排出される排気ガス中に含まれるＮＯｘの量がディーゼルエンジン１０の出口における量の例えば１／１０となる。また、反応部５０において上記の（２）式及び（３）式に従ってアンモニアガスのほぼ全量が消費されるので、大気に排出される排気ガス中のアンモニア濃度が極めて微量例えば１０ｐｐｍ以下となる。その後、バルブ４０を閉じ（ステップＳ４８）、このステップＳ４１〜ステップＳ４８のＮＯｘ還元処理を所定の時間例えば１秒毎に繰り返す。このようにバルブ４０の開放時間を調整することで、尿素水の供給量が不連続的に調整されることとなる。尚、上記の当量は、後述の実施例にも示すように、ＮＯｘ成分１ｍｏｌに対して尿素水中の尿素１ｍｏｌを注入当量１．０倍として算出している。
【００２９】
そして、ディーゼルエンジン１０の運転を停止した（ステップＳ３５）後には、尿素が析出しないようにヒーター４３により尿素源３３内などの尿素水の保温を続ける（ステップＳ３６）。また、ノズル３２内には尿素水が噴霧されずに残っていたり、あるいは反応部５０に未反応のアンモニアが残っていたりする場合があるので、気体源４６から例えば空気をノズル３２内に例えば１０秒程度パージする（ステップＳ３７）。この空気によりノズル３２内に残っていた尿素水が短管３１に吐出され、加水分解されてアンモニアとなり、反応部５０内に残っていたＮＯｘと反応して窒素ガスなどとして排出されていく。
【００３０】
上述の実施の形態によれば、尿素水の加水分解によって得られたアンモニアガスにより、ディーゼルエンジン１０の排気ガス中に含まれるＮＯｘを反応部５０において還元するにあたって、排気ガスの温度及びトルク値毎にＮＯｘの生成量Ｑを予め求めてメモリ４に格納しておき、ディーゼルエンジン１０の運転時には排気ガスの温度とトルク値とを計測し、この計測値に対応するＮＯｘの生成量Ｑをメモリ４から読み出すようにしている。そして、この生成量Ｑに応じて尿素水の注入量を調整しているので、大気に放出される排気ガス中の未反応のアンモニアガスの濃度を低く抑えると共に、この排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を極めて低く抑えることができる。また、実際に実験を行うことによって、排気温度、回転数、トルク値に応じて上記のＮＯｘの生成量Ｑを補正する補正データ６を予め取得しておき、この補正データ６に基づいて生成量Ｑを補正することにより、尿素水の供給量を更に微細に調整できるので、排気ガス中のアンモニアガス及びＮＯｘの濃度を更に低く抑えることができる。
【００３１】
この時、後述の実施例で説明するように、ＮＯｘに対する尿素水の当量が０．９倍以下となるように尿素水の供給量を調整することで、大気に放出されるアンモニアガスの濃度を環境保全濃度である１０ｐｐｍ以下に抑えることができる。尿素水の濃度としては、２５重量％〜３５重量％に設定することで、同様に大気に放出されるアンモニアガスの量を抑えることができる。また、ノズル３２と反応部５０との間の距離Ｌについても５０ｃｍ以上とすることで、同様に排気ガス中のアンモニアガスの量を抑えることができる。更に、ノズル３２から霧化される尿素水の液滴の粒径についても５０μｍ以下とすることで、排気ガス中のアンモニアガスの量を抑えることができる。更にまた、尿素水の供給を開始するタイミングとして、排気ガスの温度が１００℃以上の時とすることで、また同様に排気ガス中のアンモニアガスの量を抑えることができる。  
また、ディーゼルエンジン１０の停止後にノズル３２に空気をパージすることによって、ディーゼルエンジン１０の運転を再開した時の排気ガス中のアンモニアガスの量を抑えることができる。
【００３２】
尚、上記の例においてはトルク値及び排気温度毎にＮＯｘの生成量Ｑを求めるようにしたが、トルク値、排気温度及び排気風量（ディーゼルエンジン１０の回転数）の２つの情報毎にこのＮＯｘの生成量Ｑを求めるようにしても良い。また、これらの３つの情報毎にＮＯｘの生成量Ｑを求めるようにしても良い。また、この例ではデータ５と共に補正データ６を求めるようにしたが、これらのうち少なくとも１種類の補正データ６を用いても良いし、またはこれら以外にも例えば尿素水濃度などについて補正データ６を求めるようにしても良い。更に、補正値ｒにより補正されるＮＯｘの生成量Ｑが僅かである場合には、当該補正データ６を求めなくても良い。
【００３３】
本発明の窒素酸化物還元装置は、上記のようにディーゼルエンジン１０に適用できるが、特に大型のエンジンに適用することが好ましい。このような大型のエンジンとしては、例えば重量が２０ｔ以上の車両例えばトラック、ブルドーザーやクレーンなどのオフロード用の建機、例えばトンネル内での工事用の作業車、コンボイ、機関車、あるいは船舶用のエンジンなどが挙げられる。また、本発明の窒素酸化物還元装置を発電用のエンジンに適用しても良い。
【実施例】
【００３４】
次に、本発明の尿素注入装置の効果を確かめるために実エンジンを用いて行った実験について説明する。以下の実験には、既述のＳＣＲシステムにおいてディーゼルエンジン１０及び反応部５０内の尿素ＳＣＲ触媒として以下のものを用いた。  
（ディーゼルエンジン）
エンジン型式：いすず自動車製産業エンジン（ＩＳＵＺＵ−４ＪＢ１）
エンジン排気量：２，７７１ｃｃ
（尿素ＳＣＲ触媒）
触媒型式：田中貴金属工業株式会社提供ＣＳ−４２３
触媒サイズ：φ１９０．５×長さ１２７ｍｍ（触媒体積約３．６２リットル）
触媒ＳＶ値（ＳＶ値：空間速度）：約４６，０００［１／ＨＲ］（ａｓエンジン回転数２０００ｒｐｍ）
【００３５】
（実施例１）
最適な尿素水の濃度及びノズル３２と反応部５０との間の距離Ｌを求めるため、以下の条件においてＮＯｘの還元処理を行い、その時大気に排出される排気ガスに含まれるアンモニア（スリップアンモニア）の濃度を測定した。尚、以下の実施例１−１におけるノズル３２と反応部５０との間の距離Ｌ及び実施例１−２における尿素水の濃度については、排気ガス中にアンモニアガスが残るように、夫々以下の値に設定した。  
（実験条件）
エンジン回転数：２０５０ｒｐｍ
エンジントルク値：１１５Ｎ・ｍ
エンジン排気（排気ガス）温度：３５０℃〜３６０℃
【００３６】
（実施例１−１）
ノズル３２と反応部５０との間の距離Ｌを６０ｃｍに設定すると共に、尿素水の濃度を１０重量％〜３５重量％まで変化させて、排気ガス中に含まれるアンモニアガスの濃度を測定した。尚、いずれの条件においても、同じ当量の尿素が供給されるように尿素水の量を調整した。  
【００３７】
その結果、図６に示すように、尿素水の濃度が２５重量％〜３５重量％において、最もスリップアンモニアの量が少なくなることが分かった。この原因としては、尿素水の希釈度が高い（濃度が薄い）と、尿素水の加水分解に必要な時間が不足して十分に加水分解が起こらず、また時間あたりの尿素水の供給量が増えるので、その分ノズル３２から吐出する液滴の粒径が大きくなる。そのため、反応部５０に至るまでに尿素水が気化せずに反応部５０に尿素水が到達し、この反応部５０内において気化したアンモニアが触媒に吸着できずに排気ガスとして排出されたと考えられる。また、このように尿素水の濃度が薄い場合には、尿素水を貯留するための尿素源３３の体積を大きくする必要があることからも、尿素水の濃度は２５重量％以上とすることが好ましい。  
一方、尿素水の濃度が高い場合には、既述の（１）式からも明らかなように、加水分解に必要が水が不足するため、尿素が固体として尿素ＳＣＲ触媒上に析出して、この触媒上において尿素から例えば不完全な加水分解によりアンモニアが生じるので、スリップアンモニアが増えると考えられる。以上の結果から、尿素水の濃度は２５重量％〜３５重量％であることが好ましいことが分かった。
【００３８】
（実施例１−２）
次に、尿素水の濃度を３２．５重量％に設定すると共に、ノズル３２と反応部５０との間の距離Ｌを１０ｃｍ〜１００ｃｍまで変化させて、同様に排気ガス中に含まれるアンモニアガスの濃度を測定した。  
その結果、図７に示すように、距離Ｌが長くなるほどスリップアンモニアの量が減少していくことが分かった。このことから、尿素水が反応部５０に至るまでに加水分解することにより、排気ガス中のスリップアンモニアの量が少なくなることが分かった。そのための距離Ｌとしては、尿素水の十分な滞留時間を得るために、５０ｃｍ以上とすることが好ましいことが分かった。距離Ｌが５０ｃｍより短い場合には、尿素水の加水分解反応が阻害され、例えば反応部５０内のＳＣＲ触媒上において加水分解が起こるため、ＮＯｘと反応せずに排出されるアンモニアが多くなると考えられる。
【００３９】
（実施例２）
次に、ノズル３２の先端部に形成された吐出孔の開口径と、送液ポンプ４１の送液圧力（ノズル３２の噴出圧力）と、を変化させることにより、ノズル３２から噴出する液滴の粒径を変えて、尿素水の最適なミストの粒子径を検討した。ミストの粒子径は、ノズル３２の先端部（吐出孔）から３０ｃｍ程度下流側に離れた位置にカメラを設置して、このカメラによりミストを撮影することによりおおよその値を計算した。  
その結果、図８に示すように、ミストの粒径が５０μｍより大きいと気化が困難であり、その場合には反応部５０に至るまでに尿素水の加水分解が完了しないことが分かった。一方、ミストの粒径が５０μｍ以下では反応部５０に至るまでにミストが消失し、そのため十分に加水分解が起こると考えられる。従って、ミストの粒径としては、ノズル３２の先端部の吐出孔の開口径や送液ポンプ４１の送液圧力を調整することにより５０μｍ以下とすることが好ましいことが分かった。
【００４０】
（実施例３）
（実施例３−１）
ノズル３２から尿素水の吐出を開始する適切なタイミングを検討するために、排気ガスの温度が夫々以下の温度となった時にバルブ４０を開放し、その後エンジンが定常運転（排気ガスの温度が３００℃）となる時までに排気ガス中に含まれていたスリップアンモニアの量を測定した。  
尿素水の吐出開始時の排気ガスの温度：５０℃、９０℃、１３０℃、１８０℃、２３０℃、２８０℃
その結果、図９に示すように、尿素水の吐出開始時の排気ガスの温度が低温である程スリップアンモニアの量が増えていき、１００℃より低温では基準値をはるかに上回る濃度となっていた。このような現象が起こる理由としては、１００℃より低い温度では尿素水が短管３１において十分気化せず、反応部５０内の触媒に液体状の尿素水が到達してしまい、その後排気ガスの温度上昇により触媒が昇温すると、この触媒上において尿素水の気化と加水分解とが急激に進行して、未反応のアンモニアが大量に排出されてしまったためだと考えられる。従って、尿素水の吐出開始時の排気ガスの温度としては、１００℃以上が好ましいことが分かる。
【００４１】
（実施例３−２）
上記の図９に示したように、排気ガスの温度が１００℃以上に昇温するため、ノズル３２についても同様に昇温し、このノズル３２内において尿素水が沸騰してしまうことが分かった。このように尿素水がノズル３２内部において沸騰すると、尿素水の注入量を正確に調整できないことが分かった。従って、既述のようにノズル３２の周囲に冷媒通流管３７などの冷却機構を設けて、ノズル３２を１００℃以下に冷却することが好ましいことが分かった。
【００４２】
（実施例４）
本発明のＳＣＲシステムでは、既述のようにトルク値、排気ガスの温度及び排気風量などのディーゼルエンジン１０の運転状況からＮＯｘの生成量Ｑを求めて、この生成量Ｑに応じて尿素水の供給量（バルブ４０の開放時間）を調整するようにしている。一方、ノズル３２から尿素水を吐出する時には、制御部１とＳＣＲシステムとの間において信号伝達を行う時間の分だけ排気ガスは僅かながらも下流側へと流れてしまっている。また、反応部５０では、ノズル３２から尿素水が吐出されて、気化と加水分解とにより生成したアンモニアが触媒上に吸着した後、この触媒上に吸着して来るＮＯｘに対して還元反応が起こる。以上のことから、ＮＯｘの生成量Ｑに対して尿素水の供給には時間的な遅れが生じるので、反応部５０に実際に供給されるアンモニアの物質量（ｍｏｌ数）にはＮＯｘの物質量に対して過不足が生じる。アンモニアの量が不足した場合には、還元されずに排気されるＮＯｘの量が多くなってしまう。また、アンモニアの量が過剰であった場合には、大気にスリップアンモニアとして排出され、臭気の発生が起こるおそれがあるし、また高濃度のアンモニアが排出された場合には人体への健康阻害の要因となってしまう。そのため、このような尿素注入の時間遅れを考慮して、適切な尿素注入量の検討を行った。
【００４３】
実験には、ＮＯｘ成分１ｍｏｌに対して尿素水中の尿素１ｍｏｌを注入当量１．０倍とし、この尿素水の注入当量（尿素の注入ｍｏｌ数）を以下のように変えて排気ガス中のスリップアンモニアの量を測定した。  
尿素水の注入当量（倍）：０．２、０．４、０．６、０．８、１．０、１．２
その結果、図１０に示すように、尿素水の注入当量が０．９倍以上ではスリップアンモニアの量が環境保全濃度である１０ｐｐｍを越えることが分かった。尚、尿素水の注入当量を減らすと、このスリップアンモニアの量については減少するが、ＮＯｘの還元量も減少してしまう。そのため、尿素水の注入当量は、ＮＯｘの除去率についても考慮して決定する必要があると言える。尚、上記の例では、スリップアンモニアの量が上記の環境保全濃度以下となり、またＮＯｘの除去率が高くなる倍率である０．９に設定するようにしている。
【００４４】
（実施例５）
既述の実験用のエンジンをＤ−８モード運転（実働運転、各モード時間：約５００ｓｅｃ）状態として、既述の例にて説明したように、排気ガスの温度とトルク値との２変動因子から排気ガス中のＮＯｘ濃度をマトリックス化した作表を作成し、この作表に基づいて尿素注入量を変動させてＮＯｘ還元率とスリップアンモニアの量との関係を検討した。  
その結果、既述のステップＳ４１、Ｓ４２のエンジンの状態の確認を少なくとも１秒間に１回以上行うことにより、ＮＯｘの除去率が極めて高くなり、またスリップアンモニアの量が既述の環境保全濃度以下に減少することが分かった。また、尿素注入量を調整するにあたり、送液ポンプ４１の吐出圧を変動させるよりも、既述のようにバルブ４０の開放時間を制御することにより、尿素水の注入量を極めて精度高く調整できることが分かった。  
更に、上記のように尿素水の注入量を決める因子はＮＯｘ成分の生成量Ｑであるが、このようなＮＯｘの生成量Ｑは、エンジンの個体が同じであれば既述のように排気ガスの温度とトルク値でマトリックス化が可能であることが分かった。従って、このマトリックスを用いることで尿素水の注入量を簡便に調整できることが分かった。
【００４５】
（実施例６）
以上の実験において、エンジンを停止した後、エンジンの運転を再開したところ、スリップアンモニアの量が異常に高い値を示したり、あるいはノズル３２から注入される尿素水の量に異常を来したりすることがあった。その原因を検討したところ、エンジン停止時にノズル３２内に尿素水が残っていたり、触媒上にアンモニアが残っていたりするので、運転再開時にノズル３２が詰まったり、触媒上のアンモニアがスリップアンモニアとして排出されたりすることが分かった。そのため、エンジン運転停止後にノズル３２内に圧縮空気を例えば１０秒程度パージすることによって、上記の異常を解決できることが分かった。  
また、エンジンの停止後などに尿素水が冷却されて−３℃以下となった場合には、濃度が３０重量％の尿素水中には尿素の結晶が析出してしまうことがあり、そのため尿素水が接する部位例えば尿素源３３や尿素供給管３６などには、尿素水が０℃以下とならないようにヒーター４３などを設ける必要があることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明のＳＣＲシステムの全体構成の一例を示す概略図である。
【図２】上記のＳＣＲシステムの制御部の一例を示す概略図である。
【図３】上記のＳＣＲシステムにおける処理の流れを示すフロー図である。
【図４】上記のＳＣＲシステムにおける処理の流れを示すフロー図である。
【図５】上記のＳＣＲシステムにおける排気ガスの流れを示す概略図である。
【図６】本発明の実施例において得られた特性図である。
【図７】本発明の実施例において得られた特性図である。
【図８】本発明の実施例において得られた特性図である。
【図９】本発明の実施例において得られた特性図である。
【図１０】本発明の実施例において得られた特性図である。
【符号の説明】
【００４７】
５  データ
６  補正データ
１０  ディーゼルエンジン
１４  トルク検出部
１５  温度検出部
１６  流量検出部
３０  尿素注入装置
３１  短管
３２  ノズル
３３  尿素源
４１  送液ポンプ
４２  流量調整部
５０  反応部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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