JP5000602B2

JP5000602B2 - 排気浄化装置及びその制御方法

Info

Publication number: JP5000602B2
Application number: JP2008204054A
Authority: JP
Inventors: 吉弘川田; 信也佐藤; 満細谷; 彰水野
Original assignee: Hino Motors Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Hino Motors Ltd; Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2028-08-07
Also published as: JP2010038090A

Description

本発明は、排気浄化装置及びその制御方法に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。

他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ₃）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている（例えば、特許文献１参照）。

即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガスの熱によって尿素水が次式によりアンモニアと炭酸ガスに加水分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。
［化１］
（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂
特開２００２−１６１７３２号公報

このような排気浄化装置にあっては、選択還元型触媒にアンモニアを添加することで約１００℃以上の排気温度からＮＯx低減効果が得られることが実験により確認されているが、尿素水がアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに少なくとも約１５０〜１６０℃の排気温度が必要であるため、これより低い排気温度が想定されるエンジンスタート時や低速走行時等に、いくら尿素水を添加してもアンモニアが十分に生成されないためにＮＯx低減性能がなかなか高まらないという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮し得るようにすることを目的としている。

本発明は、エンジンからの排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させる性質を備えた選択還元型触媒と、尿素粉末を溶液で溶いて流動性を持たせたペースト状尿素を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して前記選択還元型触媒より上流側の排気管内に導入する尿素放電分解リアクタとを備えた排気浄化装置であって、前記尿素放電分解リアクタが、パイプ状に形成され且つその内部空間を外部に開放する多数の孔を備えた第一の電極と、該第一の電極を取り巻くように円筒状に形成され且つその内周面に誘電体が被覆されて前記第一の電極との間で高電圧が印加されるようにした第二の電極と、これら第一及び第二の電極の相互間に形成される放電空間に充填された誘電体ペレットと、前記第一の電極の内部空間に向けてペースト状尿素を供給する尿素供給手段と、前記放電空間で生じたアンモニアを排気管内へ送り出すための搬送ガスを導く搬送ガスラインとにより構成されていることを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、排気温度が尿素水を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度に達していなくても、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階で尿素放電分解リアクタを作動させ、該尿素放電分解リアクタにてペースト状尿素を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管内に導入すると、このアンモニアを還元剤として排気ガス中のＮＯxが選択還元型触媒上で良好に還元浄化されることになる。

即ち、尿素放電分解リアクタにおける第一及び第二の電極の相互間に高電圧を印加して放電空間内に放電プラズマを発生させる一方、尿素供給手段によりペースト状尿素を第一の電極の内部空間に供給して各孔から各誘電体ペレット間に注入させると、放電空間内でペースト状尿素が放電プラズマによりアンモニアに分解され、搬送ガスラインにより導かれた搬送ガスにより前記アンモニアが排気管内へと送り出される。

この際、放電空間に誘電体ペレットが充填されていることで、該各誘電体ペレット同士の接触点に電界が集中して強い放電プラズマが発生し易くなり、しかも、誘電体ペレットのような固体表面での方が尿素からアンモニアへの分解が進み易くなるため、放電空間内でペースト状尿素が強い放電プラズマにより効率良くアンモニアに分解されることになる。

また、ペースト状尿素が放電空間の中心に位置する第一の電極の各孔から噴き出して放電空間内に満遍なく拡散するようになっているので、該放電空間内でペースト状尿素が放電プラズマに効果的に晒されることで、アンモニアへの分解が更に効率良く進むことになり、しかも、ペースト状尿素が第一の電極の内部空間を通して放電空間に送り込まれることで、放電空間内にペースト状尿素を送り込むための注入手段を別途配置しなくても済むので、この種の注入手段の配置により放電効率が悪くなったり、搬送ガスの通気性が悪くなったりする虞れが未然に回避される。

更に、このようにペースト状尿素を放電プラズマによりアンモニアに分解する方式であれば、同じ量のアンモニアを添加するのに必要な尿素の重量・容積が尿素水（通常は３２．５重量％程度の水溶液）と比較して１／２程度で済み、しかも、少ないペースト状尿素から濃いアンモニアを生成できるので、極めてコンパクトな装置としてまとめることが可能である。

また、前述した如き排気浄化装置を制御するにあたっては、尿素放電分解リアクタの温度に基づき放電プラズマの助勢が必要な温度条件下でのみ第一及び第二の電極の相互間に高電圧を印加し且つ尿素放電分解リアクタの温度が低いほど放電電力が高くなるように制御することが好ましい。

このようにすれば、放電プラズマの助勢がなくてもペースト状尿素が効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解できるような高温域での無駄な電力消費を回避することが可能となり、しかも、尿素放電分解リアクタの温度が低いほど放電電力を高めて局所的な高温化を図ることで低温域でのアンモニアへの分解を促進することが可能となる。

また、尿素放電分解リアクタの温度により決まる放電電力をペースト状尿素の添加量が多いほど高くなるように補正することが好ましく、このようにすれば、分解しなければならないペースト状尿素の添加量が多くなっても、その全てを遅滞なく良好に分解することが可能となる。

上記した本発明の排気浄化装置及びその制御方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、尿素放電分解リアクタを作動させてペースト状尿素を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解し、このアンモニアを選択還元型触媒の還元剤として排気管内に導入することができるので、排気温度が選択還元型触媒の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮させることができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、放電プラズマの助勢がなくてもペースト状尿素を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解できるような高温域での無駄な電力消費を回避して省電力化を図ることができ、しかも、尿素放電分解リアクタの温度が低いほど放電電力を高めて局所的な高温化を図ることで低温域でのアンモニアへの分解を促進することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、尿素放電分解リアクタの温度により決まる放電電力をペースト状尿素の添加量が多いほど高くなるように補正しているので、分解しなければならないペースト状尿素の添加量が多くなっても、その全てを遅滞なく良好に分解することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号１はディーゼル機関であるエンジンを示し、ここに図示しているエンジン１では、ターボチャージャ２が備えられており、図示しないエアクリーナから導いた吸気３が吸気管４を介し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気３が更にインタークーラ５へと送られて冷却され、該インタークーラ５からインテークマニホールド６へと吸気３が導かれてエンジン１の各シリンダ７に導入されるようにしてある。

また、このエンジン１の各シリンダ７から排出された排気ガス８がエキゾーストマニホールド９を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８が排気管１０を介し車外へ排出されるようにしてあるが、該排気管１０の途中には、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させる性質を備えた選択還元型触媒１１がケーシング１２を介し装備されている。

更に、前記ケーシング１２の入口付近には、図２に詳細を示すように、ペースト状尿素１３を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管１０内に導入する尿素放電分解リアクタ１４が、排気管１０の上側に直立するように配置されており、その内部下段にパイプ状に形成され且つその内部空間を外部に開放する多数の孔１５を備えた接地電極１６（第一の電極）が起立状態で配置され、これを取り巻くように円筒状の高電圧電極１７（第二の電極）が同心状に配置されており、該高電圧電極１７の内周面（接地電極１６に対する対向面）に誘電体１７ａが内嵌装着されて前記接地電極１６と高電圧電極１７の相互間に高電圧が印加されるようになっている。

しかも、前記接地電極１６と高電圧電極１７の相互間に形成される放電空間１８には、尿素からアンモニアへの分解を促進する性質を備えた酸化チタン等の尿素分解触媒が担持された多数の誘電体ペレット１９が充填されており、該誘電体ペレット１９がセラミックス製のパンチングプレート２０の底板により抜け落ちないように支持されている。

更に、前記接地電極１６の上端部には、所要場所に設けられた尿素供給装置２１（尿素供給手段）が圧送チューブ２２及び３ウェイ方式の制御弁２３、連絡管２４を介して接続されており、この尿素供給装置２１は、尿素粉末を水で溶いて流動性を高めたペースト状尿素１３（アンモニア化を阻害しない溶剤を用いることも可）の所要量を貯溜して先端から前記圧送チューブ２２に送り出すシリンダ部２５と、該シリンダ部２５の基端側に挿入されてモータ駆動により進退動するピストン部２６とにより構成されている。

更に、前記接地電極１６の上側には、車両に搭載されたエアタンク２７（図１参照）から開閉弁２８を介して圧縮空気２９を導く搬送ガスライン３０が引き込まれており、該搬送ガスライン３０からの圧縮空気２９を搬送ガスとして、前記放電空間１８で生じたアンモニアが排気管１０内へ送り出されるようになっている。

また、ここに図示している例では、搬送ガスライン３０の途中からパージライン３１が開閉弁３２を介し分岐されて前記制御弁２３に接続されるようになっており、該制御弁２３を切り替えて尿素供給装置２１からのペースト状尿素１３の供給を遮断した際に、パージライン３１から導いた圧縮空気２９により制御弁２３から先の連絡管２４や接地電極１６の内部空間に残留するペースト状尿素１３をエアパージして外部に出しきってしまうことができるようにしてある。

尚、この種のエアタンク２７は、トラック等の大型車両でブレーキ系やサスペンション系に利用される圧縮空気２９を蓄えておくためのものとして周知のものであるが、このようなエアタンク２７が搭載されていない車両にあっては、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの出口から吸気３を抽気して導いても良い。

また、図１に示す如く、前記尿素供給装置２１は、制御装置３３によりペースト状尿素１３の供給量（添加量）を制御信号２１ｓを介し制御されるようになっており、この制御装置３３では、ＮＯxセンサ３４からの検出信号３４ｓに基づいてＮＯx発生量が算出され（厳密にはエンジン回転数等から判る排気流量も加味して算出）、そのＮＯx発生量に見合うペースト状尿素１３の供給量（添加量）が算出されて制御信号２１ｓとして出力されるようになっている。

ただし、前記制御装置３３には、温度センサ３５により検出される選択還元型触媒１１の入側排気温度が検出信号３５ｓとして入力されており、この検出温度が選択還元型触媒１１の活性温度域（約１００℃程度）に到達しないうちはペースト状尿素１３の供給を停止するようにしてある。

即ち、温度センサ３５の検出温度が選択還元型触媒１１の活性温度域（約１００℃程度）に到達しないうちにペースト状尿素１３の供給を開始しても、選択還元型触媒１１でアンモニアを消費しきれないため、このような無駄なペースト状尿素１３の供給を行わないようにしている。

尚、ここでは、選択還元型触媒１１の入側排気温度を触媒床温度の代用値としているが、選択還元型触媒１１の出口部に温度センサを挿入設置して出側の触媒床温度を直接測定するようにしても良い。

また、前記尿素放電分解リアクタ１４の接地電極１６及び高電圧電極１７には、バッテリ３６からの電力を適切な放電電力に昇圧して供給する電力供給装置３７により高電圧が印加されるようになっているが、この電力供給装置３７も前記制御装置３３により放電電力を制御信号３７ｓを介し制御されるようになっている。

ここで、前記制御装置３３では、温度センサ３８により検出される尿素放電分解リアクタ１４の温度が検出信号３８ｓとして入力されており、図３にグラフで示す通り、温度センサ３８の検出温度（リアクタ温度）に基づき放電プラズマの助勢が必要な温度条件下でのみ接地電極１６及び高電圧電極１７の相互間に高電圧が印加され、しかも、尿素放電分解リアクタ１４の温度が低いほど放電電力が高くなる制御が実行されるようになっている。

即ち、尿素放電分解リアクタ１４における放電は、制御装置３３によって、尿素供給装置２１によるペースト状尿素１３の供給開始に合わせて開始されるようになっているが、温度センサ３８の検出温度（リアクタ温度）が２５０℃以上となる高温域では、特に放電プラズマの助勢がなくてもペースト状尿素１３の加水分解が進んでアンモニアに分解されることになるため、このような放電プラズマの助勢が不要な温度域では放電を停止するようにしている。

また、尿素放電分解リアクタ１４の温度が低いほどペースト状尿素１３の分解は不活発となるため、尿素放電分解リアクタ１４の温度が低いほど放電電力を高めて局所的な高温化を図ることで低温域でのアンモニアへの分解を促進するようにしている。

しかも、前記尿素放電分解リアクタの温度により決まる放電電力は、図４にグラフで示す如く、ペースト状尿素１３の添加量に応じた補正係数により、ペースト状尿素１３の添加量が多いほど放電電力が高く補正されるようになっている。

即ち、ペースト状尿素の添加量が少ない時は、低めの放電電力でも十分に分解できるが、添加量が多くなれば、その全てを遅滞なく良好に分解することが難しくなるため、ペースト状尿素１３の添加量に対応した補正を行うようにしている。

而して、このように排気浄化装置を構成すれば、排気温度が尿素水を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度（約２００℃程度：尿素水がアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに少なくとも約１５０〜１６０℃が必要であるため）に達していなくても、排気温度が選択還元型触媒１１の活性温度域（約１００℃程度）に到達した段階で尿素放電分解リアクタ１４を作動させ、該尿素放電分解リアクタ１４にてペースト状尿素１３を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して排気管１０内に導入すると、このアンモニアを還元剤として排気ガス８中のＮＯxが選択還元型触媒１１上で良好に還元浄化されることになる。

即ち、尿素放電分解リアクタ１４における接地電極１６及び高電圧電極１７の相互間に高電圧を印加して放電空間１８内に放電プラズマを発生させる一方、尿素供給装置２１によりペースト状尿素１３を接地電極１６の内部空間に供給して各孔１５から各誘電体ペレット間に注入させると、放電空間１８内でペースト状尿素１３が放電プラズマによりアンモニアに分解され、搬送ガスライン３０により導かれた圧縮空気２９により前記アンモニアが排気管１０内へと送り出される。

この際、放電空間１８に誘電体ペレット１９が充填されていることで、該各誘電体ペレット１９同士の接触点に電界が集中して強い放電プラズマが発生し易くなり、しかも、誘電体ペレット１９のような固体表面での方が尿素からアンモニアへの分解が進み易くなるため、放電空間１８内でペースト状尿素１３が強い放電プラズマにより効率良くアンモニアに分解されることになる。

また、ペースト状尿素１３が放電空間１８の中心に位置する接地電極１６の各孔１５から噴き出して放電空間１８内に満遍なく拡散するようになっているので、該放電空間１８内でペースト状尿素１３が放電プラズマに効果的に晒されることで、アンモニアへの分解が更に効率良く進むことになり、しかも、ペースト状尿素１３が接地電極１６の内部空間を通して放電空間１８に送り込まれることで、放電空間１８内にペースト状尿素１３を送り込むための注入手段を別途配置しなくても済むので、この種の注入手段の配置により放電効率が悪くなったり、圧縮空気２９の通気性が悪くなったりする虞れが未然に回避される。

更に、このようにペースト状尿素１３を放電プラズマによりアンモニアに分解する方式であれば、同じ量のアンモニアを添加するのに必要な尿素の重量・容積が尿素水（通常は３２．５重量％程度の水溶液）と比較して１／２程度で済み、しかも、少ないペースト状尿素１３から濃いアンモニアを生成できるので、極めてコンパクトな装置としてまとめることが可能である。

従って、上記形態例によれば、排気温度の低いエンジンスタート時や低速走行時等においても、尿素放電分解リアクタ１４を作動させてペースト状尿素１３を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解し、このアンモニアを選択還元型触媒１１の還元剤として排気管１０内に導入することができるので、排気温度が選択還元型触媒１１の活性温度域に到達した段階から直ちに高いＮＯx低減性能を発揮させることができる。

また、前述した如き排気浄化装置を制御するにあたり、尿素放電分解リアクタ１４の温度に基づき放電プラズマの助勢が必要な温度条件下でのみ接地電極１６及び高電圧電極１７の相互間に高電圧を印加するようにしているので、放電プラズマの助勢がなくてもペースト状尿素１３を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解できるような高温域での無駄な電力消費を回避して省電力化を図ることができ、しかも、尿素放電分解リアクタ１４の温度が低いほど放電電力を高めて局所的な高温化を図ることで低温域でのアンモニアへの分解を促進することができる。

更に、特に本形態例においては、尿素放電分解リアクタ１４の温度により決まる放電電力をペースト状尿素１３の添加量が多いほど高くなるように補正しているので、分解しなければならないペースト状尿素１３の添加量が多くなっても、その全てを遅滞なく良好に分解することができる。

尚、本発明の排気浄化装置及びその制御方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、排気温度が尿素水を効率良くアンモニアと炭酸ガスに加水分解するのに十分な温度を超える運転状態に移行した段階では、尿素放電分解リアクタ以外の放電機構のない尿素水添加手段に切り換えて尿素水の添加を行わせるようにしても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１の尿素放電分解リアクタの詳細を示す断面図である。リアクタ温度と放電電力との関係を説明するグラフである。ペースト状尿素の添加量と補正係数との関係を説明するグラフである。

符号の説明

１エンジン
８排気ガス
１０排気管
１１選択還元型触媒
１３ペースト状尿素
１３尿素水
１４尿素放電分解リアクタ
１５孔
１６接地電極（第一の電極）
１７高電圧電極（第二の電極）
１７ａ誘電体
１８放電空間
１９誘電体ペレット
２１尿素供給装置（尿素供給手段）
２９圧縮空気（搬送ガス）
３０搬送ガスライン
３３制御装置
３５温度センサ
３７電力供給装置
３８温度センサ

Claims

エンジンからの排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させる性質を備えた選択還元型触媒と、尿素粉末を溶液で溶いて流動性を持たせたペースト状尿素を放電プラズマにより強制的にアンモニアに分解して前記選択還元型触媒より上流側の排気管内に導入する尿素放電分解リアクタとを備えた排気浄化装置であって、前記尿素放電分解リアクタが、パイプ状に形成され且つその内部空間を外部に開放する多数の孔を備えた第一の電極と、該第一の電極を取り巻くように円筒状に形成され且つその内周面に誘電体が被覆されて前記第一の電極との間で高電圧が印加されるようにした第二の電極と、これら第一及び第二の電極の相互間に形成される放電空間に充填された誘電体ペレットと、前記第一の電極の内部空間に向けてペースト状尿素を供給する尿素供給手段と、前記放電空間で生じたアンモニアを排気管内へ送り出すための搬送ガスを導く搬送ガスラインとにより構成されていることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１に記載の排気浄化装置の制御方法であって、尿素放電分解リアクタの温度に基づき放電プラズマの助勢が必要な温度条件下でのみ第一及び第二の電極の相互間に高電圧を印加し且つ尿素放電分解リアクタの温度が低いほど放電電力が高くなるように制御することを特徴とする排気浄化装置の制御方法。
尿素放電分解リアクタの温度により決まる放電電力をペースト状尿素の添加量が多いほど高くなるように補正することを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置の制御方法。