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1. WO2020121607 - 還元剤噴射装置、排ガス処理装置及び排ガス処理方法

Document

明 細 書

発明の名称 還元剤噴射装置、排ガス処理装置及び排ガス処理方法

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0006   0007   0008   0009  

課題を解決するための手段

0010   0011   0012   0013  

発明の効果

0014  

図面の簡単な説明

0015  

発明を実施するための形態

0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084  

産業上の利用可能性

0085  

符号の説明

0086  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13  

図面

1   2   3   4   5   6   7  

明 細 書

発明の名称 : 還元剤噴射装置、排ガス処理装置及び排ガス処理方法

技術分野

[0001]
 本発明は、還元剤噴射装置、排ガス処理装置及び排ガス処理方法に関する。

背景技術

[0002]
 各種エンジンなどから排出される排ガス中の窒素酸化物(NOx)を浄化するために、選択触媒還元型NOx触媒(SCR触媒)を用いた排ガス処理装置が知られている(特許文献1)。
 特許文献1に記載の排ガス処理装置は、エンジンの排気筒に取り付けられた触媒(SCR触媒)、及びエンジンと触媒との間の排気筒内に尿素水を噴射する手段を有し、噴霧された尿素水を排ガスと混合し、触媒によって排ガス中の特定成分と反応させると共に尿素水を排ガスと混合する尿素水噴射手段が複数個所に設けられている。
 しかしながら、特許文献1に記載の排ガス処理装置は、尿素水中の尿素を排ガスの熱でアンモニアに分解させるため、排ガスの温度が200℃以上であることが必要とされる。そのため、排ガスの温度が低いときには、尿素の分解反応が起こり難くなり、NOxの処理に必要なアンモニアの量が不足するという問題があった。
[0003]
 そこで、筒状のハニカム構造部、及びハニカム構造部の側面に配設された一対の電極部を有するハニカム構造体(ハニカムヒーター)と、ハニカム構造部に尿素水溶液を噴霧する尿素噴霧器とを備える還元剤噴射装置を用いた排ガス処理装置が提案されている(特許文献2)。この排ガス装置に用いられる還元剤噴射装置は、電極部に電圧を印加することで通電加熱されたハニカム構造部に尿素水溶液を噴霧し、尿素水溶液中の尿素をハニカム構造部内で分解してアンモニアを効率良く生成させることができる。
 しかしながら、通電加熱されたハニカム構造部に尿素水溶液を噴霧すると、尿素水溶液が噴霧された領域の温度が低下し、ハニカム構造部内に温度ムラが発生する。その結果、ハニカム構造部の低温領域に尿素デポジット(尿素に起因する結晶)が生成し易くなる。尿素デポジットが生成すると、ハニカム構造部内の流路が遮断されるため、尿素からアンモニアへの分解が阻害されてしまう。
[0004]
 そこで、尿素噴霧器とハニカム構造体との間にキャリアガス導入口を設けた還元剤噴射装置を用いた排ガス処理装置が提案されている(特許文献3及び4)。この排ガス処理装置に用いられる還元剤噴射装置によれば、キャリアガス導入口から導入されたキャリアガスが、ハニカム構造部内のガスの流れを促進させることができる。そのため、ハニカム構造部に尿素水溶液を噴霧してもハニカム構造部内の温度差が小さくなり、尿素デポジットの生成を抑制することができる。

先行技術文献

特許文献

[0005]
特許文献1 : 特開2007-327377号公報
特許文献2 : 国際公開第2014/148506号
特許文献3 : 特開2017-180298号公報
特許文献4 : 特開2017-180299号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0006]
 排ガス中のNOxの量は、車両の走行パターンなどによって変化するが、排ガス中のNOxの量が多い場合、NOxの浄化に必要な還元剤(アンモニア)の量が増えるため、尿素水溶液の噴霧量を増大させる必要がある。尿素水溶液の噴霧量が多くなると、ハニカム構造体の温度が低下するため、通電電力を高める必要があるため、電力消費量が増大してしまう。
[0007]
 また一般的に、NOxの浄化に必要な還元剤の量は、NOxを含有する排ガスの温度に依存しており、排ガスの温度が低いと、要求される還元剤の量は少なくなり、排ガスの温度が高いと、要求される還元剤の量は多くなる。また、排ガスの温度が高い(例えば、200℃以上)場合、排ガスに尿素水溶液を直接噴霧しても、排ガスの熱によって尿素が分解されてアンモニアが生成するため、NOxを浄化することができる。したがって、排ガスの温度が低い場合には還元剤噴射装置からアンモニアを噴霧し、排ガスの温度が高い場合には還元剤噴射装置から尿素水溶液を噴射することができる。
[0008]
 しかしながら、特許文献2~4に記載された従来の還元剤噴射装置は、尿素水溶液をそのまま噴霧することを意図していないため、尿素水溶液の噴霧量を多くすると、ハニカム構造部が尿素水溶液の流通の妨げとなる。その結果、還元剤噴射装置から尿素水溶液を効率的に噴射することができないと共に、尿素デポジットが生成し易くなるという問題があった。
[0009]
 本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、電力消費量が少なく、排ガスの温度に応じてアンモニア又は尿素水溶液を選択して効率良く噴射することが可能な還元剤噴射装置を提供することを目的とする。
 また、本発明は、排ガスの温度に応じて還元剤噴射装置からアンモニア又は尿素水溶液を選択して効率良く噴射し、NOxの浄化を行うことが可能な排ガス処理装置及び排ガス処理方法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

[0010]
 本発明者らは、ハニカム構造部の側面に少なくとも一対の電極部が配設されたハニカム構造体を備える還元剤噴射装置の構造について鋭意研究を行った結果、ハニカム構造体が収容される外筒において、ハニカム構造部のセル内を流体が流通可能な第1流通経路と、ハニカム構造部のセル内を介さずに流体が流通可能な第2流通経路とを形成し、排ガスの温度に応じて第1流通経路又は第2流通経路に尿素水溶液を噴霧可能な噴霧方向切替手段を設けることにより、上記の問題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
[0011]
 すなわち、本発明は、流体流入端面から流体流出端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁を有する柱状のハニカム構造部、及び前記ハニカム構造部の側面に配設され、前記ハニカム構造部を通電加熱するための少なくとも一対の電極部を有し、通電加熱された前記ハニカム構造部内で尿素水溶液中の尿素を分解してアンモニアを生成可能に構成されたハニカム構造体と、
 入口側端部にキャリアガスを導入するためのキャリアガス導入口、及び出口側端部にアンモニアを噴射するための噴射口を備え、前記ハニカム構造体を収容し、前記ハニカム構造部の前記セル内を流体が流通可能な第1流通経路と、前記セル内を介さずに前記入口側端部から前記出口側端部へ前記流体が流通可能な第2流通経路とが内部に形成されている外筒と、
 前記外筒の一端に配置され、前記流体の流入側の前記第1流通経路又は前記第2流通経路に前記尿素水溶液を噴霧するための尿素噴霧器と、
 排ガスの温度に応じて前記第1流通経路又は前記第2流通経路に前記尿素水溶液の噴霧方向を切替可能に構成された噴霧方向切替手段と
を備える、還元剤噴射装置である。
[0012]
 また、本発明は、排ガスが流通するための排気筒と、
 前記排気筒内にアンモニア又は尿素水溶液を噴射するための前記還元剤噴射装置と、
 前記排気筒の、前記アンモニア又は尿素水溶液が噴射される位置よりも下流側に配置されたSCR触媒と
を備える排ガス処理装置である。
[0013]
 さらに、本発明は、排ガスの温度が200℃以上の場合に、前記還元剤噴射装置から尿素水溶液を前記排ガスに噴射し、前記尿素水溶液が混入した排ガスをSCR触媒で還元処理し、
 前記排ガスの温度が200℃未満の場合に、前記還元剤噴射装置で生成したアンモニアを前記排ガスに噴射し、前記アンモニアが混入した前記排ガスをSCR触媒で還元処理する排ガス処理方法である。

発明の効果

[0014]
 本発明によれば、電力消費量が少なく、排ガスの温度に応じてアンモニア又は尿素水溶液を選択して効率良く噴射することが可能な還元剤噴射装置を提供することができる。
 また、本発明によれば、排ガスの温度に応じて還元剤噴射装置からアンモニア又は尿素水溶液を選択して効率良く噴射し、NOxの浄化を行うことが可能な排ガス処理装置及び排ガス処理方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0015]
[図1] 本発明の実施形態1に係る還元剤噴射装置を示す模式断面図である。
[図2] 図1におけるA-A’線の模式断面図である。
[図3] 本発明の実施形態2に係る還元剤噴射装置を示す模式断面図である。
[図4] 図3におけるB-B’線の模式断面図である。
[図5] 図3におけるC-C’線の模式断面図である。
[図6] 本発明の実施形態3に係る排ガス処理装置を示す模式断面図である。
[図7] 本発明の実施形態3に係る別の排ガス処理装置を示す模式断面図である。

発明を実施するための形態

[0016]
 以下、本発明の還元剤噴射装置、排ガス処理装置及び排ガス処理方法の好適な実施形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、改良などを行うことができる。各実施形態に開示されている複数の構成要素は、適宜な組み合わせにより、種々の形態を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
[0017]
<実施形態1>
(1)還元剤噴射装置
 図1は、本発明の実施形態1に係る還元剤噴射装置を示す模式断面図(ハニカム構造部のセルの延びる方向に平行な模式断面図)である。また、図2は、図1におけるA-A’線の模式断面図(ハニカム構造部のセルの延びる方向に垂直な模式断面図)である。
 図1及び2に示すように、本実施形態の還元剤噴射装置100は、ハニカム構造体1と、ハニカム構造体1を収容する外筒2と、外筒2の一端に配置された尿素噴霧器3とを備える。
[0018]
 ハニカム構造体1は、流体流入端面13aから流体流出端面13bまで延びる複数のセル14を区画形成する隔壁15を有する柱状のハニカム構造部11と、ハニカム構造部11の側面に配設され、ハニカム構造部11を通電加熱するための少なくとも一対の電極部12とを有する。ハニカム構造部11は、セル14が延びる方向に垂直な断面において、中央に空間領域が位置するように構成された中空型の構造を有する。このような構造を有する中空型のハニカム構造部11では、セル14が第1流通経路、空間領域が第2流通経路16となる。
 ここで、本明細書において「流体流入端面13a」とは、流体の流入口を有する端面のことを意味し、「流体流出端面13b」とは、流体の流出口を有する端面のことを意味する。また、「一対の電極部12」は、ハニカム構造部11を均一に加熱する観点から、ハニカム構造部11のセル14が延びる方向に直交する断面において、一方の電極部12に対して、他方の電極部12がハニカム構造部11の中心を挟んで反対側に配設されていることが好ましい。
 電極部12は、セル14が延びる方向に沿って帯状に形成されていることが好ましい。なお、電極部12は一対であってよいが、ハニカム構造部11の発熱効率を高める観点から、複数対としてもよい。
[0019]
 外筒2は、入口側端部及び出口側端部を有し、内部にハニカム構造体1を収容している。一端である入口側端部は、キャリアガスを導入するためのキャリアガス導入口22を備えている。また、入口側端部には尿素噴霧器3が配置されている。他端である出口側端部は、アンモニアを噴射するための噴射口21を備えている。
 外筒2の内部には、ハニカム構造部11のセル14内を流体が流通可能な第1流通経路と、セル14内を介さずに入口側端部から出口側端部へ流体が流通可能な第2流通経路とが形成されている。すなわち、外筒2の内部において、第1流通経路(セル14)及び第2流通経路16は、外筒2の長さ方向に対して並列に配置されている。第2流通流路16は、ハニカム構造部11のセル14以外に流体が流通可能に構成されているため、流体は第1流通経路(セル14)又は第2流通経路16のいずれか一方を流通する。
[0020]
 キャリアガス導入口22は、ハニカム構造部11の流体流入端面13a側、すなわち、ハニカム構造体1と尿素噴霧器3との間に設けられていることが好ましい。キャリアガスとしては、特に限定されず、排ガス、吸気ガス、その他のエアー供給装置(大型車両などに搭載されているコンプレッサーなど)からのエアーなどを用いることができる。
 外筒2に収容されるハニカム構造体1は、絶縁保持部23を介して外筒2内に固定(保持)されている。これにより、ハニカム構造体1と外筒2との間の絶縁が確保される。ハニカム構造体1と外筒2との間には、絶縁保持部23が配置されていない部分(空間)があってもよいが、ハニカム構造体1の外周全体が絶縁保持部23で覆われていてもよい。絶縁保持部23の材質は、絶縁性に優れたものであれば特に限定されず、例えば、アルミナ、ガラスなどを用いることができる。
[0021]
 尿素噴霧器3は、外筒2の一端(入口側端部)に配置され、ハニカム構造部11の流体流入端面13a側に尿素水溶液を噴霧する。また、尿素噴霧器3は、排ガスの温度に応じて第1流通経路(セル14)又は第2流通経路16に尿素水溶液の噴霧方向を切替可能に構成された噴霧方向切替手段を有する。
[0022]
 上記のような構成を有する本実施形態の還元剤噴射装置100は、排ガスの温度に応じて、尿素噴霧器3から尿素水溶液を第1流通経路(セル14)又は第2流通経路16に噴霧する。第1流通経路(セル14)に噴霧された尿素水溶液中の尿素は、第1流通経路(セル14)内で、通電加熱されたハニカム構造部11により分解され、アンモニア(還元剤)を生成し、噴射口21から外部にアンモニアが噴射される。一方、第2流通経路16に噴霧された尿素水溶液は、噴射口21からそのまま外部に噴射される。このとき、外筒2内にキャリアガスを導入することにより、第1流通経路(セル14)及び第2流通経路16にガスの流れを作ることができる。そのため、第1流通経路(セル14)及び第2流通経路16内に尿素水溶液が停滞し難くなり、尿素デポジットが抑制される。
[0023]
 以下、本実施形態の還元剤噴射装置100について、さらに、構成部材ごとに詳細に説明する。
[0024]
(1-1)ハニカム構造体1
 ハニカム構造体1は、ハニカム構造部11と電極部12とを有する。
 ハニカム構造部11を構成する隔壁15の材質は、特に限定されないが、セラミックスであることが好ましい。特に、隔壁15の材質は、珪素-炭化珪素複合材又は炭化珪素を主成分としていることが好ましく、珪素-炭化珪素複合材を主成分としていることがより好ましい。このような材質を用いることにより、ハニカム構造部11の電気抵抗率を、炭化珪素と珪素との比率を変更することで任意の値に調整し易くなる。
 ここで、上記の主成分となる「珪素-炭化珪素複合材」とは、骨材としての炭化珪素粒子、及び炭化珪素粒子を結合させる結合材としての金属珪素を含有するものを意味する。珪素-炭化珪素複合材は、複数の炭化珪素粒子が、金属珪素によって結合されていることが好ましい。また、上記の主成分となる「炭化珪素」とは、炭化珪素粒子同士が焼結して形成されたものを意味する。また、本明細書において「主成分」とは、90質量%以上含有される成分のことを意味する。
[0025]
 ハニカム構造部11の電気抵抗率は、特に限定されないが、0.01~500Ωcmであることが好ましく、0.1~200Ωcmであることがより好ましい。このような電気抵抗率に制御することにより、少なくとも一対の電極部12に電圧を印加することにより、ハニカム構造部11を効果的に発熱させることができる。特に、電圧12~200Vの電源を用いて、ハニカム構造部11を160~600℃に発熱させるためには、電気抵抗率を上記の範囲とすることが好ましい。
 なお、ハニカム構造部11の電気抵抗率は、25℃における値である。また、ハニカム構造部11の電気抵抗率は、四端子法により測定した値である。
[0026]
 ハニカム構造部11の単位体積当たりの表面積は、特に限定されないが、5cm 2/cm 3以上であることが好ましく、8~45cm 2/cm 3であることがより好ましく、20~40cm 2/cm 3であることが特に好ましい。この表面積が5cm 2/cm 3以上であると、尿素水溶液との接触面積が十分に確保され、尿素水溶液の処理速度、すなわちアンモニアの発生量(発生速度)が適切に制御される。
 なお、ハニカム構造部11の表面積は、ハニカム構造部11の隔壁15の表面の面積である。
[0027]
 ハニカム構造部11の隔壁15の厚さは、0.06~1.5mmが好ましく、0.10~0.80mmがより好ましい。隔壁15の厚さが1.5mm以下であると、圧力損失が低減され、尿素水溶液の処理速度、すなわちアンモニアの発生量(発生速度)が適切に制御される。隔壁15の厚さが0.06mm以上であると、通電加熱による熱衝撃でハニカム構造部11が破壊してしまうことが抑制される。
 セル14の形状(セル14の延びる方向に直交する断面の形状)が、図2に示すような円形の場合、隔壁15の厚さは、「セル14同士の間の距離が最も短くなっている部分(隔壁15の厚さが小さい部分)」における隔壁15の厚さを意味する。
 セル14の密度は、7~140セル/cm 2が好ましく、15~120セル/cm 2が更に好ましい。セル14の密度が7セル/cm 2以上であると、尿素水溶液との接触面積が十分に確保され、尿素水溶液の処理速度、すなわちアンモニアの発生量(発生速度)が適切に制御される。セル14の密度が140セル/cm 2以下であると、圧力損失が低減され、尿素水溶液の処理速度、すなわちアンモニアの発生量(発生速度)が適切に制御される。
[0028]
 ハニカム構造部11は、一部のセル14に対し、流体流入端面13a側の端部に目封止部を設けてもよい。目封止部の材質は、隔壁15の材質と同じであることが好ましいが、他の材質であってもよい。
[0029]
 流体流入端面13aの形状(外形)は、特に限定されず、例えば、図2に示すような円形の他、正方形、長方形、その他の多角形、楕円形などの各種形状であってもよい。また、流体流入端面13aの形状(外形)は、流体流出端面13bの形状と同じであり、セル14の延びる方向に直交する断面の形状(外形)と同じであることが好ましい。
[0030]
 ハニカム構造部11の大きさは、第2流通経路16を含む流体流入端面13a及び流体流出端面13bの面積(セル14の延びる方向に直交する断面の面積)がそれぞれ50~10000mm 2であることが好ましく、100~8000mm 2であることがより好ましい。また、セル14の延びる方向に直交する断面の第2流通経路16の面積は20~2000mm 2であることが好ましい。
[0031]
 セル14の延びる方向に直交する断面におけるセル14の形状は、図2に示すような円形の他、楕円形、四角形、六角形、八角形、又はこれらの組み合わせであることが好ましい。このような形状にすることにより、ハニカム構造部11に排ガスを流したときの圧力損失が小さくなり、尿素水溶液中の尿素を効率的に分解することが可能となる。
[0032]
 ハニカム構造部11の中央に形成される第2流通経路16の形状は、特に限定されず、セル14が延びる方向に垂直な断面において、例えば、図2に示すような円形の他、正方形、長方形、その他の多角形、楕円形などの各種形状であってもよい。
 なお、ハニカム構造部11の形状(外形)と、第2流通経路16の形状とは同一であっても異なっていてもよいが、外部からの衝撃、熱応力などに対する耐性の観点から、同一であることが好ましい。
[0033]
 電極部12は、セル14が延びる方向に沿って帯状に形成されているが、ハニカム構造部11の周方向にも広がる幅広に形成されていてもよい。また、セル14の延びる方向に直交する断面において、一方の電極部12は、他方の電極部12に対して、ハニカム構造部11の中心を挟んで反対側に配設されている。このような構成とすることにより、一対の電極部12の間に電圧を印加した時に、ハニカム構造部11内を流れる電流の偏りを抑制することができるため、ハニカム構造部11内の発熱の偏りを抑制することが可能になる。
 また、電極部12に対する電圧の印加は、流体流入端面13aにおける温度が900℃以下となるようにハニカム構造部11を発熱させることが好ましい。ハニカム構造部11の温度の制御はハニカム構造部11に温度測定手段を直接設けることにより制御することができる。あるいは、キャリアガス温度、キャリアガス流量及び尿素水溶液噴霧量からハニカム構造部11の温度を推定して制御することも可能である。また、エンジンの運転条件をマッピングすれば、キャリアガス温度及びキャリアガス流量の測定に代えることもできる。
[0034]
 電極部12の材質は、特に限定されないが、ハニカム構造部11の隔壁15の主成分と同じであることが好ましい。
 電極部12の電気抵抗率は、0.0001~100Ωcmであることが好ましく、0.001~50Ωcmであることがより好ましい。電極部12の電気抵抗率をこのような範囲にすることにより、一対の電極部12が、高温の排ガスが流れる排気筒内において、電極の役割を効果的に果たすことができる。電極部12の電気抵抗率は、ハニカム構造部11の電気抵抗率より低いものであることが好ましい。
 なお、電極部12の電気抵抗率は、400℃における値である。また、電極部12の電気抵抗率は、四端子法により測定した値である。
[0035]
 一対の電極部12には、外部からの電気配線19を繋ぐための電極端子突起部17が配設されていてもよい。電極端子突起部17の材質は、導電性セラミックスであってもよいし、金属であってもよい。また、電極端子突起部17の材質は、電極部12と同じであることが好ましい。また、電極端子突起部17と外筒2のコネクター18とが、電気配線19によって繋がれていることが好ましい。
[0036]
 ハニカム構造部11には、尿素加水分解触媒が備えられていてもよい。尿素加水分解触媒を用いることにより、尿素からアンモニアを効率的に生成させることができる。尿素加水分解触媒としては、酸化チタンなどを挙げることができる。
[0037]
(1-2)外筒2
 外筒2の材質は、特に限定されないが、ステンレス鋼などが好ましい。
 外筒2の形状は、ハニカム構造体1と嵌合させるため、セル14の延びる方向に直交する断面において、ハニカム構造部11の形状と同種であることが好ましい。ここで、本明細書において「同種の形状」とは、外筒2の形状が正方形であるときには、ハニカム構造部11の形状も正方形であり、外筒2の形状が長方形であるときには、ハニカム構造部11の形状も長方形であることを意味する。なお、例えば、外筒2の形状及びハニカム構造部11の形状が、同種の形状であり、その形状が長方形である場合、縦と横との長さの比までが同じである必要はない。
[0038]
(1-3)尿素噴霧器3
 尿素噴霧器3は、排ガスの温度に応じて第1流通経路(セル14)又は第2流通経路16に尿素水溶液の噴霧方向を切替可能に構成された噴霧方向切替手段を有する。
 噴霧方向切替手段としては、特に限定されないが、例えば、尿素水溶液の供給圧力に応じて尿素水溶液の噴霧方向を変えることが可能なノズルを用いることができる。具体的には、尿素水溶液の供給圧力が低い場合に第2流通経路16に尿素水溶液を噴霧するとともに、尿素水溶液の供給圧力が高い場合に第1流通経路(セル14)に尿素水溶液を噴霧することが可能なノズルを用いることができる。なお、当該噴霧方向切替手段を用いる場合、噴霧方向切替手段により第2流通経路16に尿素水溶液を噴霧しているときに、尿素噴霧器3から噴射された一部の尿素水溶液が第1流通経路に少量流入してもよい。
[0039]
 尿素噴霧器3の種類は、尿素水溶液を噴霧可能であれば特に限定されないが、ソレノイド式、超音波式、圧電アクチュエータ式、又はアトマイザー式であることが好ましい。これらを用いることにより、尿素水溶液を容易に霧状に噴霧することができる。また、これらの中でも、ソレノイド式、超音波式、又は圧電アクチュエータ式を用いると、空気を使用せずに尿素水溶液を霧状に噴霧することができる。そのため、尿素水溶液の噴霧に用いる空気を加熱する必要がなくなり、加熱するエネルギー量を低減することができる。また、噴霧に用いる空気を使用しないことにより、噴射体積が減少するため、ハニカム構造部11内を霧状の尿素水溶液が通過する速度を低下させることが可能となり、分解に必要な反応時間を長く取ることができる。尿素噴霧器3から噴霧される尿素水溶液の液滴の大きさ(直径)は、0.3mm以下であることが好ましい。液滴の大きさが0.3mmより大きいと、ハニカム構造部11内で加熱された際に、気化し難くなることがある。
[0040]
 ここで、ソレノイド式の尿素噴霧器3は、ソレノイドの振動又はソレノイドを用いた電界によるピストンの前後動作により、尿素水溶液を霧状に噴霧する装置である。また、超音波式の尿素噴霧器3は、超音波振動により、尿素水溶液を霧状に噴霧する装置である。また、圧電アクチュエータ式の尿素噴霧器3は、圧電素子の振動により、尿素水溶液を霧状に噴霧する装置である。また、アトマイザー式の尿素噴霧器3は、例えば、管で液体を吸い上げながら、当該管の先端の開口部に吸い上げられた液体を空気で霧状に吹き飛ばして、当該液体を噴霧する装置である。なお、アトマイザー式の尿素噴霧器3は、ノズルの先端に小さな開口部を複数個形成し、当該開口部より液体を霧状に噴霧する装置であってもよい。
[0041]
 尿素噴霧器3は、ハニカム構造部11の流体流入端面13a側に尿素水溶液を噴霧し易くするために、尿素水溶液の噴霧方向(液滴が飛び出す方向)が、ハニカム構造部11の流体流入端面13a側を向いていることが好ましい。
[0042]
 次に、本実施形態の還元剤噴射装置100の製造方法について詳細に説明する。
(2)還元剤噴射装置100の製造方法
(2-1)ハニカム構造体1の製造
 ハニカム構造体1がセラミックス製の場合、ハニカム構造体1の製造方法は、以下のような製造方法であることが好ましい。
 ハニカム構造体1の製造方法は、ハニカム成形体作製工程と、ハニカム乾燥体作製工程と、未焼成電極付きハニカム体作製工程と、ハニカム構造体作製工程とを含む。
[0043]
(ハニカム成形体作製工程)
 ハニカム成形体作製工程では、成形原料を押出成形してハニカム成形体を作製する。成形原料は、セラミックス原料及び有機バインダを含むことが好ましい。成形原料には、セラミックス原料及び有機バインダ以外に、界面活性剤、焼結助剤、造孔材、水などをさらに配合してもよい。成形原料は、これらの原料を混合することによって得ることができる。
[0044]
 成形原料中のセラミックス原料は、「セラミックス」又は「焼成によりセラミックスとなる原料」である。セラミックス原料は、いずれの場合も、焼成後にセラミックスとなる。成形原料中のセラミックス原料は、金属珪素及び炭化珪素粒子(炭化珪素粉末)を主成分とするか、又は炭化珪素粒子(炭化珪素粉末)を主成分とすることが好ましい。これにより、得られるハニカム構造体1が導電性になる。金属珪素も金属珪素粒子(金属珪素粉末)であることが好ましい。なお、「金属珪素及び炭化珪素粒子を主成分とする」とは、金属珪素及び炭化珪素粒子の合計質量が、全体(セラミックス原料)の90質量%以上であることを意味する。また、セラミックス原料に含まれる、主成分以外の成分としては、SiO 2、SrCO 3、Al 23、MgCO 3、コージェライトなどを挙げることができる。
[0045]
 セラミックス原料の主成分として炭化珪素を用いた場合には、焼成によって炭化珪素が焼結される。また、セラミックス原料の主成分として金属珪素及び炭化珪素粒子を用いた場合には、焼成により、金属珪素を結合材として、骨材である炭化珪素同士が結合される。
[0046]
 セラミックス原料として、炭化珪素粒子(炭化珪素粉末)及び金属珪素粒子(金属珪素粉末)を用いた場合、炭化珪素粒子の質量と金属珪素粒子の質量との合計に対して、金属珪素粒子の質量が10~40質量%であることが好ましい。炭化珪素粒子の平均粒子径は、10~50μmが好ましく、15~35μmがより好ましい。金属珪素粒子の平均粒子径は、0.1~20μmが好ましく、1~10μmがより好ましい。炭化珪素粒子及び金属珪素粒子の平均粒子径はレーザー回折法で測定した値である。
[0047]
 有機バインダとしては、メチルセルロース、グリセリン、ヒドロキシプロピルメチルセルロースなどを挙げることができる。有機バインダとしては、1種類の有機バインダを用いてもよいし、複数種類の有機バインダを用いてもよい。有機バインダの配合量は、セラミックス原料の合計質量を100質量部としたときに、5~10質量部であることが好ましい。
[0048]
 界面活性剤としては、エチレングリコール、デキストリンなどを用いることができる。界面活性剤としては、1種類の界面活性剤を用いてもよいし、複数種類の界面活性剤を用いてもよい。界面活性剤の配合量は、セラミックス原料の合計質量を100質量部としたときに、0.1~2.0質量部であることが好ましい。
[0049]
 焼結助剤としては、SiO 2、SrCO 3、Al 23、MgCO 3、コージェライトなどを用いることができる。焼結助剤としては、1種類の焼結助剤を用いてもよいし、複数種類の焼結助剤を用いてもよい。焼結助剤の配合量は、セラミックス原料の合計質量を100質量部としたときに、0.1~3質量部であることが好ましい。
[0050]
 造孔材としては、焼成後に気孔を形成するものであれば特に限定されず、例えば、グラファイト、澱粉、発泡樹脂、吸水性樹脂、シリカゲルなどを挙げることができる。造孔材としては、1種類の造孔材を用いてもよいし、複数種類の造孔材を用いてもよい。造孔材の配合量は、セラミックス原料の合計質量を100質量部としたときに、0.5~10質量部であることが好ましい。
[0051]
 水の配合量は、セラミックス原料の合計質量を100質量部としたときに、20~60質量部であることが好ましい。
[0052]
 成形原料を押出成形する際には、まず、成形原料を混練して坏土を形成する。次に、坏土を押出成形してハニカム成形体を得る。ハニカム成形体は、流体流入端面13aから流体流出端面13bまで延びる複数のセル14を区画形成する多孔質の隔壁15を有し、中央に第2流通経路16が形成されている。ハニカム成形体の隔壁15は、未乾燥、未焼成の隔壁15である。
[0053]
(ハニカム乾燥体作製工程)
 ハニカム乾燥体作製工程では、得られたハニカム成形体を乾燥させてハニカム乾燥体を作製する。乾燥条件は、特に限定されず、公知の条件を用いることができる。例えば、80~120℃で、0.5~5時間乾燥させることが好ましい。
[0054]
(未焼成電極付きハニカム体作製工程)
 未焼成電極付きハニカム体作製工程では、まず、ハニカム乾燥体の側面に、セラミックス原料と水とを含有する電極形成用スラリーを塗布する。次に、電極形成用スラリーを乾燥させて未焼成電極を形成して、未焼成電極付きハニカム体を作製する。
[0055]
 未焼成電極付きハニカム体は、ハニカム乾燥体に、セル14の延びる方向に帯状に延びるとともに周方向にも広がる、幅広の長方形の未焼成電極が形成されていることが好ましい。周方向とは、セル14の延びる方向に直交する断面において、ハニカム乾燥体の側面に沿った方向のことである。
[0056]
 未焼成電極付きハニカム体作製工程で用いられる電極形成用スラリーは、セラミックス原料と水とを含有する。電極形成用スラリーには、界面活性剤、造孔材、水などを配合してもよい。
 セラミックス原料としては、ハニカム成形体を作製する際に用いられるセラミックス原料を用いることが好ましい。例えば、ハニカム成形体を作製する際に用いられるセラミックス原料の主成分を炭化珪素粒子及び金属珪素とした場合には、電極形成用スラリーのセラミックス原料としても炭化珪素粒子及び金属珪素を用いればよい。
[0057]
 ハニカム乾燥体の側面に、電極形成用スラリーを塗布する方法は特に限定されない。電極形成用スラリーは、例えば、刷毛を用いて塗布したり、印刷の手法を用いて塗布したりすることができる。
[0058]
 電極形成用スラリーの粘度は、20℃において、500Pa・s以下であることが好ましく、10~200Pa・sであることがより好ましい。電極形成用スラリーの粘度が500Pa・s以下であると、電極形成用スラリーをハニカム乾燥体の側面に塗布し易くなる。
[0059]
 ハニカム乾燥体に電極形成用スラリーを塗布した後に、電極形成用スラリーを乾燥させて、未焼成電極(未焼成電極付きハニカム体)を得ることができる。乾燥温度は、80~120℃であることが好ましい。また、乾燥時間は、0.1~5時間であることが好ましい。
[0060]
(ハニカム構造体作製工程)
 ハニカム構造体作製工程では、未焼成電極付きハニカム体を焼成してハニカム構造体1を作製する。
 焼成条件は、ハニカム成形体の製造に用いられたセラミックス原料、及び電極形成用スラリーに用いられたセラミックス原料の種類に応じて適宜決定すればよい。
 また、未焼成電極付きハニカム成形体を乾燥させた後、焼成前に、バインダなどを除去するため、仮焼成を行うことが好ましい。仮焼成は、大気雰囲気下、400~500℃で0.5~20時間行うことが好ましい。
[0061]
 尿素加水分解触媒40をハニカム構造体1に担持させる場合、その方法としては、例えば、尿素加水分解触媒40のスラリーが貯留された容器に、ハニカム構造体1を浸漬させればよい。なお、尿素加水分解触媒40のスラリーの粘度、含有される尿素加水分解触媒40の粒径などを調整することによって、隔壁15の表面だけでなく隔壁15の細孔の内部にまで触媒を担持させることができると共に、担持する触媒の量を調節することもできる。また、スラリーの吸引を複数回行うことによっても、担持する触媒の量を調節することができる。
[0062]
(2-2)還元剤噴射装置100の製造
 外筒2内にハニカム構造体1を挿入し、絶縁保持部23を介してハニカム構造体1を外筒2内に固定すると共に、外筒2の一端(入口側端部)に尿素噴霧器3を配置する。そして、外筒2のコネクター18と一対の電極部12に配設した電極端子突起部17との間を電気配線19によって接続することにより、還元剤噴射装置100を製造することができる。
[0063]
 次に、本実施形態の還元剤噴射装置100の使用方法について詳細に説明する。
(3)還元剤噴射装置100の使用方法
 本実施形態の還元剤噴射装置100は、尿素水溶液を原料として用い、排ガスの温度に応じて、尿素噴霧器3から尿素水溶液を第1流通経路(セル14)又は第2流通経路16に噴霧する。排ガスの温度が低い場合、尿素水溶液を第1流通経路(セル14)に選択的に噴霧することにより、尿素水溶液中の尿素を第1流通経路(セル14)内で分解してアンモニア(還元剤)を生成させ、噴射口21から外部にアンモニアを噴射する。具体的には、ハニカム構造部11を通電して昇温(加熱)し、尿素噴霧器3に尿素水溶液を供給し、尿素噴霧器3からハニカム構造部11の第1流通経路(セル14)に尿素水溶液を噴霧する。このとき、キャリアガスをキャリアガス導入口22からハニカム構造部11の流体流入端面13a側に導入することにより、尿素水溶液の流れを促進させてハニカム構造部11の第1流通経路(セル14)内に尿素水溶液を停滞し難くすることができる。尿素噴霧器3から噴霧された尿素水溶液は、キャリアガスの流れにより、流体流入端面13aからハニカム構造部11の第1流通経路(セル14)内に入る。第1流通経路(セル14)内に供給された尿素水溶液中の尿素は、加熱されたハニカム構造部11の温度により分解されてアンモニアが生成する。一方、排ガスの温度が高い場合、尿素水溶液を第2流通経路16に選択的に噴霧することにより、噴射口21からそのまま外部に噴射される。このときキャリアガスをキャリアガス導入口22からハニカム構造部11の流体流入端面13a側に導入することにより、尿素水溶液の流れを促進させてハニカム構造部11の第2流通経路16内に尿素水溶液を停滞し難くすることができる。
[0064]
 ここで、排ガスの温度は、要求される還元剤の量と関係する。すなわち、排ガスの温度が高くなると、要求される還元剤の量が多くなり、排ガスの温度が低くなると、要求される還元剤の量が少なくなる。したがって、例えば、排ガス温度が200℃以上の場合には、尿素噴霧器3から尿素水溶液を第2流通経路16に噴霧し、そのまま外部に噴射し、排ガスの温度が200℃未満の場合には、尿素噴霧器3から尿素水溶液を第1流通経路(セル14)に噴霧し、生成したアンモニアを外部に噴射するようにすればよい。
[0065]
 尿素水溶液の供給量は、特に限定されないが、排ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)量に対して、アンモニアの当量比が1.0~2.0となるような量であることが好ましい。当量比が1.0未満の場合、浄化されずに排出される窒素酸化物量が増加することがある。ただし、SCR触媒にNOx吸蔵機能を付与すれば、当量比が1.0未満の期間があってもよい。当量比が2.0を超えると、排ガス中にアンモニアが混入した状態で排ガスが排出される可能性が高くなる恐れがある。
[0066]
 尿素水溶液としては、特に限定されないが、10~40質量%の尿素を含む水溶液であることが好ましい。尿素含有量が10質量%未満であると、NOx還元のために多量の尿素水溶液を噴霧する必要があり、ハニカム構造部11の通電加熱に要求される電力量が多くなることがある。尿素含有量が40質量%を超えると、寒冷地で尿素が凝固する懸念がある。尿素水溶液の好適な例としては、市場で広く流通しているAdBlue(32.5質量%の尿素水溶液、ドイツ自動車工業会(VDA)の登録商標)が挙げられる。
[0067]
 ハニカム構造部11の加熱温度は、160℃以上とすることが好ましく、160~600℃とすることがより好ましく、250~400℃とすることが更に好ましい。加熱温度が160℃以上であると、尿素が効率良く分解され易くなる。加熱温度が600℃以下であると、アンモニアが燃焼され、排気筒にアンモニアが供給されないことが抑制される。また、ハニカム構造部11の加熱温度は、360℃以上とすることが、還元剤噴射装置100に析出する硫酸水素アンモニウム、硫酸アンモニウムなどの硫黄化合物を除去することができる点で好ましい。
[0068]
 ハニカム構造部11に印加する最大電圧は、12~200Vとすることが好ましく、12~100Vとすることがより好ましく、12~48Vとすることがさらに好ましい。最大電圧が12V以上であると、ハニカム構造部11を昇温し易くなる。最大電圧が200V以下であると、電圧を昇圧させる装置が高価になることが抑制される。
<実施形態2>
 図3は、本発明の実施形態2に係る還元剤噴射装置を示す模式断面図(ハニカム構造部のセルの延びる方向に平行な模式断面図)である。また、図4は、図3におけるB-B’線の模式断面図(ハニカム構造部のセルの延びる方向に垂直な模式断面図)、図5は図3におけるC-C’線の模式断面図(ハニカム構造部のセルの延びる方向に平行な模式断面図)である。
 図3~5に示すように、本実施形態の還元剤噴射装置200は、四角柱状のハニカム構造部11を有するハニカム構造体1が外筒2内に収容されていると共に、外筒2内において第2流通経路(空間領域16)がハニカム構造体1に隣接する位置に形成されている。また、噴霧方向切替手段としての制御弁31が、ハニカム構造体1と尿素噴霧器3との間に設けられている。それ以外の構成は、実施形態1の還元剤噴射装置100と同様であるため説明を省略し、相違点のみ詳細に説明する。
[0069]
 本実施形態の還元剤噴射装置200では、ハニカム構造部11のセル14内を流体が流通可能な第1流通経路と、第1流通経路と隣接して位置して流体が流通可能な第2流通経路とが外筒2の内部に形成されている。第2流通流路16は、ハニカム構造部11のセル14以外に流体が流通可能に構成されているため、流体は第1流通経路(セル14)又は第2流通経路16のいずれか一方を流通する。
[0070]
 噴霧方向切替手段として用いられる制御弁31としては、尿素水溶液の噴霧方向を変えることが可能なものであれば特に限定されない。図5は、制御弁31によって尿素水溶液の噴霧方向を第2流通経路16に制御するときの状態を示している。第1流通経路(セル14)側への尿素水溶液の流れを制御弁31で遮断しているため、第2流通経路16へ尿素水溶液を流通させることができる。一方、第2流通経路16側への尿素水溶液の流れを制御弁31で遮断すれば、第1流通経路(セル14)へ尿素水溶液を流通させることができる。
[0071]
 上記のような構造を有する本実施形態の還元剤噴射装置200では、排ガスの温度に応じて、尿素噴霧器3から尿素水溶液を第1流通経路(セル14)又は第2流通経路16に噴霧することができるため、実施形態1の還元剤噴射装置100と同様の作用効果を得ることができる。
[0072]
<実施形態3>
 図6及び7は、本発明の実施形態3に係る排ガス処理装置を示す模式断面図である。
 図6及び7に示すように、本実施形態の排ガス処理装置300,400は、排ガスが流通する排気筒41と、排気筒41内にアンモニア又は尿素水溶液を噴射する還元剤噴射装置100と、排気筒41の、アンモニア又は尿素水溶液が噴射される位置よりも下流側に配置されたSCR触媒42とを備える。
[0073]
 排気筒41は、各種エンジンなどから排出される排ガス(NOxを含有する排ガス)を通す配管であり、この中で、排ガスとアンモニアとが混合される。排気筒41の大きさは、特に限定されず、本実施形態の排ガス処理装置300,400を取り付けるエンジンなどの排気系に合わせて、適宜決定することができる。また、排気筒41の、ガスの流れる方向における長さは、特に限定されないが、還元剤噴射装置100とSCR触媒42との間の距離を適切な距離とすることが可能な長さであることが好ましい。
[0074]
 排気筒41の材質は、特に限定されないが、排ガスによる腐食が発生し難いものであることが好ましい。排気筒41の材質としては、例えば、ステンレス鋼などが挙げられる。
[0075]
 還元剤噴射装置100は、噴射口21が排気筒41に装着されており、排気筒41内にアンモニア又は尿素水溶液を噴射する。具体的には、還元剤噴射装置100は、排ガスの温度が200℃以上の場合に、排気筒41内に尿素水溶液を噴霧し、排ガスの温度が200℃未満の場合に、排気筒41内にアンモニアを噴霧することにより、排気筒41内でアンモニア又は尿素水溶液が排ガス中に混入される。なお、排気筒41に噴霧された尿素水溶液は、排ガスの熱によってアンモニアに分解される。
 還元剤噴射装置100は、図6に示すように排気筒41に1つ装着すればよい。また、図7に示すように排気筒41に還元剤噴射装置を2つ装着してもよい。この場合、下流側の還元剤噴射装置は、還元剤噴射装置100であっても、還元剤(尿素水)を加熱せずに噴霧する従来の還元剤噴射装置500(例えば、尿素噴霧器3)であってもよい。好ましい実施形態では、下流側の還元噴霧装置は、還元剤(尿素水)を加熱せずに噴霧する従来の還元剤噴射装置500である。これは、排ガス中のNOxの量が少ない場合(排ガスの温度が低い場合)、上流側の還元剤噴射装置100及びSCR触媒42によってNOxのほとんどが浄化され、また、排ガス中のNOxの量が多い場合(排ガスの温度が高い場合)、従来の還元剤噴射装置500から噴霧された尿素水が排ガスの温度によってアンモニアに分解されるためである。また、図示していないが、還元剤噴射装置100は、必要に応じて排気筒41に3つ以上装着してもよい。
 還元剤噴射装置100に導入するキャリアガスとして排ガスを用いる場合、図6及び7に示すように、排気筒41が還元剤噴射装置100の上流で分岐され、分岐流路43がキャリアガス導入口22に接続される。一方、排ガス以外のキャリアガス(例えば、吸気ガスなど)を用いる場合には、当該キャリアガスの供給源に接続筒などを介してキャリアガス導入口22が接続される。
[0076]
 SCR触媒42は、触媒体(SCR触媒42が担持されたハニカム構造体)の状態で、排気筒41の、アンモニア又は尿素水溶液が噴射される位置よりも下流側に配置される。したがって、図6に示すように、還元剤噴射装置100が排気筒41に1つ装着される場合、この還元剤噴射装置100が装着された位置よりも下流側の排気筒41にSCR触媒42が配置される。また、図7に示すように、還元剤噴射装置が排気筒41に2つ装着される場合、還元剤噴射装置100及び従来の還元剤噴射装置500が装着された位置よりも下流側の排気筒41にSCR触媒42がそれぞれ配置される。
 SCR触媒42の例としては、バナジウム系触媒やゼオライト系触媒などを挙げることができる。
 SCR触媒42を、ハニカム構造体に担持された触媒体として使用する場合には、当該触媒体を容器内に収納し、当該容器を排気筒41の下流側に装着することが好ましい。
 SCR触媒42を担持するハニカム構造体は、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。
[0077]
 排気筒41の上流側には、排ガス中の粒子状物質を捕集するためのフィルタが配置されていることが好ましい。粒子状物質を捕集するためのフィルタとしては、例えば、ハニカム形状のセラミックス製のDPF(ディーゼル・パティキュレート・フィルタ)44を挙げることができる。また、排気筒41の上流側には、排ガス中の炭化水素や一酸化炭素を除去するための酸化触媒45が配置されていることが好ましい。酸化触媒45は、セラミックス製のハニカム構造体に担持された状態(酸化触媒体)であることが好ましい。酸化触媒45としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)などの貴金属が好適に用いられる。
 還元剤噴射装置100が排気筒41に1つ装着される場合、DPF44及び酸化触媒45は、図6に示すように、還元剤噴射装置100によるアンモニア又は尿素水溶液の噴射位置よりも上流側の排気筒41に配置される。また、還元剤噴射装置100が排気筒41に2つ装着される場合、DPF44及び酸化触媒45は、図7に示すように、従来の還元剤噴射装置500によるアンモニア又は尿素水溶液の噴射位置よりも上流側であり、且つ還元剤噴射装置100が装着された位置よりも下流側にあるSCR触媒42よりも下流側の排気筒41に配置されることが好ましい。
[0078]
 SCR触媒42の下流側には、アンモニアを除去するためのアンモニア除去触媒(酸化触媒)を配置することが好ましい。このような構成とすることにより、排ガス中のNOxの除去に使用されなかった余分なアンモニアが下流側に流れた際に、そのアンモニアが外部に排出されることを防止することができる。SCR触媒42の下流側に配置される酸化触媒としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)などの貴金属が好適に用いられる。
[0079]
 なお、上記の説明では、実施形態1の還元剤噴射装置100を用いた場合を説明したが、実施形態2の還元剤噴射装置200を用いてもよい。
[0080]
<実施形態4>
 本発明の実施形態4に係る排ガス処理方法は、排ガスの温度が200℃以上の場合に、実施形態1又は2の還元剤噴射装置100,200から尿素水溶液を排ガスに噴射し、尿素水溶液が混入した排ガスをSCR触媒で還元処理し、排ガスの温度が200℃未満の場合に、実施形態1又は2の還元剤噴射装置100,200で生成したアンモニアを排ガスに噴射し、アンモニアが混入した排ガスをSCR触媒で還元処理する。この排ガス処理方法は、実施形態3の排ガス処理装置300,400を用いることによって容易に実施することができる。
[0081]
 還元剤噴射装置100,200は、排ガスの温度が高い場合(排ガス温度が200℃以上の場合)に、尿素水溶液を選択して噴霧し、排ガスの熱によって尿素水溶液を分解してアンモニアを生成させることにより、SCR触媒42でNOxを浄化することができる。そのため、排ガスの温度が高い場合に、還元剤噴射装置100,200でアンモニアの生成量を増大させる必要がなくなることから、電力消費量が少なくなると共に、尿素デポジットの生成も抑制することができる。一方、排ガスの温度が低い場合(排ガス温度が200℃未満の場合)に、アンモニアを選択して噴霧することにより、SCR触媒42でNOxを浄化することができる。
 また、キャリアガスを、尿素噴霧器3から噴霧された尿素水溶液と共に供給することができるため、ハニカム構造部11の第1流通経路(セル14)又は第2流通経路16内のガスの流れを促進することができる。その結果、第1流通流路又は第2流通流路内に尿素が残留することを抑制できるため、尿素デポジットの生成限界を上げることができる。さらに、排ガスの温度が200℃未満の場合には、加熱分解されたアンモニアをキャリアガスによって外部に排出することができるため、応答性が向上する。
[0082]
 還元剤噴射装置100,200からアンモニアを噴霧する場合(排ガスの温度が200℃未満の場合)、ハニカム構造部11の流体流入端面13aの温度は、150℃以上、好ましくは250℃以上となるように、キャリアガスの温度及び流量、並びにハニカム構造体1への供給電力を調整することが好ましい。このような温度制御を行うために、例えば、キャリアガスの温度は100℃以上、流量は10L/分以上とすることが好ましい。また、ハニカム構造体1への供給電力は、150~500Wとすることが好ましい。
[0083]
 還元剤噴射装置100,200から噴射されるアンモニア又は尿素水溶液の噴射量は、排ガスに含まれる窒素酸化物量に対して、アンモニアの当量比が1.0~2.0となるような量であることが好ましい。当量比が1.0未満の場合は、浄化されずに排出される窒素酸化物量が増加することがある。当量比が2.0を超えると、排ガス中にアンモニアが混入した状態で排ガスが排出される可能性が高くなる恐れがある。
[0084]
 尿素水溶液の噴霧量及びハニカム構造部11の温度(供給電力)は、電子制御装置によって、制御することが好ましい。また、ハニカム構造部11の抵抗値から温度を算出し、算出された温度が所望の温度になるように、ハニカム構造部11の温度を制御してもよい。

産業上の利用可能性

[0085]
 本発明の還元剤噴射装置、排ガス処理装置及び排ガス処理方法は、各種エンジンなどから排出される排ガス中のNOxを浄化するのに好適に利用することができる。

符号の説明

[0086]
 1 ハニカム構造体
 2 外筒
 3 尿素噴霧器
 11 ハニカム構造部
 12 電極部
 13a 流体流入端面
 13b 流体流出端面
 14 セル
 15 隔壁
 16 第2流通経路
 17 電極端子突起部
 18 コネクター
 19 電気配線
 21 噴射口
 22 キャリアガス導入口
 23 絶縁保持部
 31 制御弁
 41 排気筒
 42 SCR触媒
 43 分岐流路
 44 DPF
 45 酸化触媒
 100、200 還元剤噴射装置
 300、400 排ガス処理装置
 500 従来の還元剤噴射装置

請求の範囲

[請求項1]
 流体流入端面から流体流出端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁を有する柱状のハニカム構造部、及び前記ハニカム構造部の側面に配設され、前記ハニカム構造部を通電加熱するための少なくとも一対の電極部を有し、通電加熱された前記ハニカム構造部内で尿素水溶液中の尿素を分解してアンモニアを生成可能に構成されたハニカム構造体と、
 入口側端部にキャリアガスを導入するためのキャリアガス導入口、及び出口側端部にアンモニアを噴射するための噴射口を備え、前記ハニカム構造体を収容し、前記ハニカム構造部の前記セル内を流体が流通可能な第1流通経路と、前記セル内を介さずに前記入口側端部から前記出口側端部へ前記流体が流通可能な第2流通経路とが内部に形成されている外筒と、
 前記外筒の一端に配置され、前記流体の流入側の前記第1流通経路又は前記第2流通経路に前記尿素水溶液を噴霧するための尿素噴霧器と、
 排ガスの温度に応じて前記第1流通経路又は前記第2流通経路に前記尿素水溶液の噴霧方向を切替可能に構成された噴霧方向切替手段と
を備える、還元剤噴射装置。
[請求項2]
 前記第1流通経路に噴霧された前記尿素水溶液中の尿素は、前記第1流通経路内で通電加熱された前記ハニカム構造部により分解され、アンモニアを生成して外部に噴射され、
 前記第2流通経路に噴霧された前記尿素水溶液は、そのまま外部に噴射される、請求項1に記載の還元剤噴射装置。
[請求項3]
 前記第2流通経路は、前記ハニカム構造部の前記セル内以外に前記流体が流通可能に構成されている、請求項1又は2に記載の還元剤噴射装置。
[請求項4]
 前記ハニカム構造部は、前記セルが延びる方向に垂直な断面において、中央に前記第2流通経路が位置するように構成された中空型のハニカム構造部である、請求項1~3のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
[請求項5]
 前記第2流通経路は、前記ハニカム構造体に隣接する位置に形成されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
[請求項6]
 前記尿素噴霧器が前記噴霧方向切替手段を有し、前記噴霧方向切替手段が前記尿素水溶液の供給圧力に応じて前記尿素水溶液の噴霧方向を変えることが可能なノズルである、請求項1~5のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
[請求項7]
 前記噴霧方向切替手段が、前記ハニカム構造体と前記尿素噴霧器との間に設けられており、前記尿素水溶液の噴霧方向を変えることが可能な制御弁である、請求項1~5のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
[請求項8]
 前記キャリアガスは排ガスである、請求項1~7のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
[請求項9]
 前記ハニカム構造部の電気抵抗率が0.01~500Ωcmである、請求項1~8のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
[請求項10]
 前記ハニカム構造部は、珪素-炭化珪素複合材又は炭化珪素を主成分とする、請求項1~9のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
[請求項11]
 前記ハニカム構造部の単位体積当たりの表面積が5cm 2/cm 3以上である、請求項1~10のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置。
[請求項12]
 排ガスが流通するための排気筒と、
 前記排気筒内にアンモニア又は尿素水溶液を噴射するための、請求項1~11のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置と、
 前記排気筒の、前記アンモニア又は前記尿素水溶液が噴射される位置よりも下流側に配置されたSCR触媒と
を備える排ガス処理装置。
[請求項13]
 排ガスの温度が200℃以上の場合に、請求項1~11のいずれか一項に記載の還元剤噴射装置から尿素水溶液を前記排ガスに噴射し、前記尿素水溶液が混入した排ガスをSCR触媒で還元処理し、
 前記排ガスの温度が200℃未満の場合に、前記還元剤噴射装置で生成したアンモニアを前記排ガスに噴射し、前記アンモニアが混入した前記排ガスをSCR触媒で還元処理する排ガス処理方法。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]