JP6051673B2 - Exhaust gas aftertreatment device and internal combustion engine equipped with the exhaust gas aftertreatment device - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を選択的に還元して、浄化する排ガスの後処理装置とそれを搭載する内燃機関に関する。 The present invention relates to an exhaust gas aftertreatment device that selectively reduces and purifies NOx (nitrogen oxide) contained in exhaust gas of an internal combustion engine, and an internal combustion engine equipped with the exhaust gas aftertreatment device.
従来、エンジン（内燃機関）の排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するため、尿素ＳＣＲ（選択的触媒還元）システムが使用されている。このシステムは、排ガス中に尿素水を噴射し、尿素水が加水分解して発生するアンモニアを還元剤として使用している。その尿素水はドージングバルブ（噴射弁）で排気通路内に噴射されるが、そのままでは攪拌されず、加水分解が進まない。 Conventionally, a urea SCR (selective catalytic reduction) system has been used to purify NOx (nitrogen oxides) in exhaust gas of an engine (internal combustion engine). In this system, urea water is injected into exhaust gas, and ammonia generated by hydrolysis of urea water is used as a reducing agent. The urea water is injected into the exhaust passage by a dosing valve (injection valve), but is not stirred as it is and hydrolysis does not proceed.
十分に尿素水を攪拌することができない、つまり尿素水を微粒子化することができない場合は、尿素ＳＣＲ触媒に供給されるアンモニアの濃度にむらが生じ易く、また、アンモニアを生成する加水分解反応が低下し、ＮＯｘの浄化効率が低下するおそれがあった。 If the urea water cannot be sufficiently stirred, that is, if the urea water cannot be finely divided, the concentration of ammonia supplied to the urea SCR catalyst is likely to be uneven, and the hydrolysis reaction that generates ammonia is likely to occur. The NOx purification efficiency may be reduced.
そこで、尿素水を排ガス中に均一に分散させるために、尿素水の噴霧中に空気を混ぜ、噴霧を微粒子化していたが、この装置では、空気を混ぜるためのエアコンプレッサやエアタンクが必要になり、システムが大掛かりになると共に、コストも高いという問題があった。 Therefore, in order to disperse the urea water uniformly in the exhaust gas, air was mixed into the urea water spray to atomize the spray, but this device requires an air compressor and an air tank to mix the air. However, there is a problem that the system becomes large and the cost is high.
この問題に対して、エアコンプレッサやエアタンクの代わりに、ミキサー（混合器、スワラーともいう）を使用した装置がある（例えば、特許文献１参照）。ミキサーを使用すると、尿素水を排ガス中に攪拌することができるが、排ガスの通気抵抗が増加するため、燃費の悪化の原因となってしまう。 To solve this problem, there is an apparatus that uses a mixer (also referred to as a mixer or a swirler) instead of an air compressor or an air tank (see, for example, Patent Document 1). When a mixer is used, urea water can be agitated in the exhaust gas, but the ventilation resistance of the exhaust gas increases, resulting in deterioration of fuel consumption.
そこで、ディーゼルエンジンなどのエンジン（内燃機関）において、マイクロバブルやナノバブルといった微細な気泡を還元剤又はその前駆体に混入する装置がある（例えば、特許文献２参照）。直径が５０μｍ以下のマイクロバブルや、直径が１μｍ以下のナノバブルは、通常の気泡とは異なった性質が現れる。例えば１０μｍの気泡は水中で１分間に３ｍｍ程度しか上昇しない等、液体中の上昇速度が極めて遅いことから、液体中で長時間滞在する特性を有している。また、気泡の大きさに反比例して界面張力による加圧が大きくなるため一層小さくなりやすく、また、負に帯電し互いに反発して大径化しにくいという特性も有している。 Therefore, there is an apparatus that mixes fine bubbles such as microbubbles and nanobubbles into a reducing agent or a precursor thereof in an engine (internal combustion engine) such as a diesel engine (see, for example, Patent Document 2). Microbubbles having a diameter of 50 μm or less and nanobubbles having a diameter of 1 μm or less exhibit properties different from those of normal bubbles. For example, a 10 μm bubble has a characteristic of staying in the liquid for a long time because the ascending speed in the liquid is very slow, such as rising only about 3 mm per minute in water. In addition, the pressure applied by the interfacial tension increases in inverse proportion to the size of the bubbles, so that the pressure tends to be further reduced. In addition, it has a characteristic that it is negatively charged and repels each other so that it is difficult to increase the diameter.
特許文献２に記載の装置は、そのマイクロバブルやナノバブルといった微細な気泡を還元剤又は前駆体に混入することにより、還元剤又は前駆体に混入した微細気泡が、噴射時に破裂することにより、噴射還元剤の微細化を促進している。 The apparatus described in Patent Document 2 is a method in which fine bubbles such as microbubbles and nanobubbles are mixed in a reducing agent or a precursor, so that the fine bubbles mixed in the reducing agent or the precursor are ruptured at the time of injection. Promotes miniaturization of reducing agents.
ここで、特許文献２に記載の装置を図３に示す。排ガスの後処理装置１Ｘの尿素ＳＣＲシステム４Ｘは、マイクロバブル発生装置１０Ｘを尿素水の貯蔵タンク７に設置する。この構成によれば、マイクロバブルが貯蔵タンク７内の尿素水中に分布するので、ドージングバルブ６から尿素水が噴射された際に、マイクロバブルが弾け尿素水が微粒子化し、均一に分布する。そのため、ミキサーが不要となり、排ガスの通気抵抗が増加しないため、燃費の悪化を抑制することができる。 Here, the apparatus described in Patent Document 2 is shown in FIG. The urea SCR system 4X of the exhaust gas aftertreatment device 1X installs the microbubble generator 10X in the urea water storage tank 7. According to this configuration, since the microbubbles are distributed in the urea water in the storage tank 7, when the urea water is injected from the dosing valve 6, the microbubbles are repelled and the urea water is finely divided to be uniformly distributed. This eliminates the need for a mixer and does not increase the ventilation resistance of exhaust gas, so that deterioration in fuel consumption can be suppressed.
一方、このような尿素ＳＣＲシステムを設けた後処理装置では、ＮＯｘを十分に浄化するためには、尿素ＳＣＲ触媒に向けて噴射する尿素水の量を多くするとＮＯｘの浄化効果
が高いが、尿素水量が多くなると、その分コストが増加する。また、尿素水を補充する回数も多くなってしまう。
On the other hand, in an aftertreatment device provided with such a urea SCR system, in order to sufficiently purify NOx, if the amount of urea water injected toward the urea SCR catalyst is increased, the NOx purification effect is high. As the amount of water increases, the cost increases accordingly. Moreover, the frequency | count of replenishing urea water will also increase.
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な装置で、還元剤又はその前駆体を微粒子化すると共に、ＮＯｘの浄化反応を促進して、還元剤又はその前駆体の投入量を減少することができる排ガスの後処理装置と、それを備える内燃機関を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object thereof is to reduce the reducing agent or its precursor into fine particles with a simple apparatus and promote the NOx purification reaction to reduce the reducing agent or its It is an object of the present invention to provide an exhaust gas aftertreatment device capable of reducing the input amount of precursor and an internal combustion engine including the exhaust gas aftertreatment device.
上記の目的を解決するための本発明の排ガスの後処理装置は、排気通路に設けられた触媒装置と、前記触媒装置の上流側で排ガスに還元剤又は前記還元剤の前駆体を供給する噴射弁と、前記噴射弁の上流側に設けられ、気体をせん断するように微細気泡として分離し、前記微細気泡を前記還元剤又は前記前駆体に混入する微細気泡発生装置を備える排ガスの後処理装置において、前記気体を前記微細気泡発生装置に供給する気体供給装置を備え、前記気体供給装置が、排ガス成分の浄化反応を促進させる浄化促進気体を、前記気体に添加するように形成される。 An exhaust gas aftertreatment device of the present invention for solving the above-described object includes a catalyst device provided in an exhaust passage, and an injection for supplying a reducing agent or a precursor of the reducing agent to the exhaust gas upstream of the catalyst device. An exhaust gas post-treatment device comprising a valve and a fine bubble generating device that is provided upstream of the injection valve, separates the gas as fine bubbles so as to shear gas, and mixes the fine bubbles into the reducing agent or the precursor And a gas supply device for supplying the gas to the fine bubble generating device, wherein the gas supply device is configured to add a purification promoting gas for promoting a purification reaction of an exhaust gas component to the gas.
また、上記の排ガスの後処理装置において、前記気体供給装置をオゾン発生装置で形成することが好ましい。 In the exhaust gas aftertreatment device, the gas supply device is preferably formed of an ozone generator.
この構成によれば、還元剤又はその前駆体を均一に分散すると共に、還元剤又はその前駆体中に排ガス成分の浄化反応を促進させる浄化促進気体を生成することができる。これにより、還元剤又はその前駆体が均一に排ガス中に分散するので、触媒上のあらゆるところでＮＯｘ（窒素酸化物）をＮ２（窒素）とＯ２（酸素）に分解し、浄化率を向上することができる。さらに、還元剤又はその前駆体に混入した微細気泡中の浄化促進気体により、ＮＯｘの還元反応（浄化反応）を促進するので、投入する還元剤又はその前駆体の量を減らすことができる。 According to this configuration, it is possible to generate the purification promoting gas that uniformly disperses the reducing agent or the precursor thereof and promotes the purification reaction of the exhaust gas component in the reducing agent or the precursor thereof. As a result, the reducing agent or its precursor is uniformly dispersed in the exhaust gas, so that NOx (nitrogen oxide) is decomposed into N 2 (nitrogen) and O 2 (oxygen) everywhere on the catalyst to improve the purification rate. can do. Further, the NOx reduction reaction (purification reaction) is promoted by the purification promoting gas in the fine bubbles mixed in the reducing agent or its precursor, so that the amount of the reducing agent or its precursor to be introduced can be reduced.
なお、ここでいう後処理装置は、触媒装置としてバナジウム系触媒やゼオライト系触媒を、そして還元剤として尿素水を用いる尿素ＳＣＲ（選択的触媒還元）システムや、触媒装置として白金（Ｐｔ）担持触媒を、そして還元剤としてアルケンなどの炭化水素やエタノールなどを用いるもののことをいう。 The post-treatment device mentioned here is a urea SCR (selective catalytic reduction) system using a vanadium catalyst or a zeolite catalyst as a catalyst device and urea water as a reducing agent, or a platinum (Pt) supported catalyst as a catalyst device. And hydrocarbons such as alkenes or ethanol as the reducing agent.
また、微細気泡とは、直径がミクロン単位以下（１ｍｍ未満）の微細な気泡のことであり、直径がミクロン単位、詳しくは直径が５０μｍ以下の微細な気泡であるマイクロバブルや、直径がナノ単位、詳しくは直径が１μｍ以下の微細な気泡であるナノバブルなどのことをいう。 The fine bubble is a fine bubble having a diameter of micron or less (less than 1 mm), and is a microbubble having a diameter of micron, more specifically, a fine bubble having a diameter of 50 μm or less, or a nano unit of diameter. Specifically, it refers to nanobubbles which are fine bubbles having a diameter of 1 μm or less.
その微細気泡を発生させる微細気泡発生装置とは、還元剤に微細気泡を混入できる装置のことをいい、本発明では、気体（空気）に浄化促進気体を添加し、その気体と液体（還元剤又は前駆体）が共存する状態を乱流にして、気体をせん断するように気泡として分離するエジェクタ式（気液せん断法）の装置が好ましい。 The fine bubble generating device that generates the fine bubbles refers to a device that can mix fine bubbles into a reducing agent. In the present invention, a purification promoting gas is added to gas (air), and the gas and liquid (reducing agent) are added. Alternatively, an ejector-type (gas-liquid shearing method) apparatus that separates the gas into bubbles so as to shear the gas by making the state in which the precursor) coexist is turbulent is preferable.
加えて、浄化促進気体とは、排ガス成分の浄化反応を促進させる気体であり、例えば、還元剤であるアンモニア（ＮＨ３）の前駆体である尿素水（ＣＯ（ＮＨ２）２＋Ｈ２Ｏ）を噴射する場合は、オゾン（Ｏ３）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）、及び塩素（Ｃｌ２）などのことである。オゾンを例に説明すると、オゾンを添加することで、尿素水の水とオゾンが反応し、ＯＨ−が発生することで、尿素水の加水分解が加速されて、アンモニアを生成する。そのアンモニアが尿素ＳＣＲ触媒上のあらゆるところでＮＯｘを分解し、ＮＯｘの浄化率を向上することができる。 In addition, the purification promoting gas is a gas that promotes the purification reaction of the exhaust gas components. For example, urea water (CO (NH 2 ) 2 + H 2 O) that is a precursor of ammonia (NH 3 ) that is a reducing agent. When ozone is injected, it is ozone (O 3 ), nitrous oxide (N 2 O), nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ), chlorine (Cl 2 ), or the like. Explaining ozone as an example, by adding ozone, the water of urea water reacts with ozone, and OH − is generated, whereby hydrolysis of urea water is accelerated and ammonia is generated. The ammonia can decompose NOx everywhere on the urea SCR catalyst and improve the NOx purification rate.
そのオゾンを気体に添加するオゾン発生装置とは、酸素に放電方式、紫外線照射方式、及び電解方式を用いてオゾンを発生させる装置である。このオゾン発生装置に送られる酸素は、空気中の酸素でよいが、好ましくはオゾン発生装置には酸素のみを送ると、ＮＯｘなどの生成を抑制することができる。 An ozone generator that adds ozone to a gas is a device that generates ozone using a discharge method, an ultraviolet irradiation method, and an electrolysis method for oxygen. The oxygen sent to the ozone generator may be oxygen in the air, but preferably the generation of NOx or the like can be suppressed by sending only oxygen to the ozone generator.
加えて、上記の排ガスの後処理装置において、前記微細気泡発生装置で微細気泡が混入された前記還元剤又は前記前駆体を、前記還元剤又は前記前駆体を貯蔵する貯蔵タンクから前記噴射弁に至る供給配管に供給し、内燃機関の始動時に、微細気泡が混入された前記還元剤又は前記前駆体を前記噴射弁から噴射するように構成すると、内燃機関の始動時にも、貯蔵タンクから噴射弁に至る供給配管に、浄化促進気体が添加された微細気泡が混入された還元剤又はその前駆体を供給することができる。これにより、内燃機関の始動直後から還元剤又はその前駆体に微細気泡を混入し、還元剤又はその前駆体を微粒子化すると共に、ＮＯｘの浄化反応を促進することができる。 In addition, in the exhaust gas aftertreatment device, the reducing agent or the precursor mixed with the fine bubbles in the fine bubble generating device is transferred from the storage tank storing the reducing agent or the precursor to the injection valve. When the internal combustion engine is started, the reducing agent mixed with fine bubbles or the precursor is injected from the injection valve when the internal combustion engine is started. The reducing agent mixed with fine bubbles to which the purification promoting gas is added, or a precursor thereof, can be supplied to the supply pipe leading to. As a result, fine bubbles can be mixed into the reducing agent or its precursor immediately after the start of the internal combustion engine to make the reducing agent or its precursor finer and promote the NOx purification reaction.
さらに、上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、上記の排ガスの後処理装置を備えて構成される。この構成によれば、簡易な装置で、還元剤又はその前駆体の投入量を減少することができるので、その分コストを減少すると共に、還元剤又はその前駆体を補充する回数を少なくすることができる。 Furthermore, an internal combustion engine of the present invention for solving the above object is configured to include the exhaust gas aftertreatment device. According to this configuration, since the input amount of the reducing agent or its precursor can be reduced with a simple device, the cost can be reduced and the number of times the reducing agent or its precursor is replenished can be reduced accordingly. Can do.
本発明によれば、簡易な装置で、還元剤又はその前駆体を微粒子化すると共に、ＮＯｘの浄化反応を促進して、還元剤又は前駆体の投入量を減少することができる。また、内燃機関の始動時から、十分な量の微細気泡を還元剤又はその前駆体に混入することができる。 According to the present invention, the reducing agent or its precursor can be atomized with a simple device, and the NOx purification reaction can be promoted to reduce the input amount of the reducing agent or precursor. In addition, a sufficient amount of fine bubbles can be mixed into the reducing agent or its precursor from the start of the internal combustion engine.
以下、本発明に係る実施の形態の排ガスの後処理装置と、それを備える内燃機関について、図面を参照しながら説明する。なお、内燃機関として、トラックのような車両に搭載されるディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はこれに限定しない。例えば、ガソリンエンジンや、燃料油（重油、灯油、軽油、又は廃油等）に水と界面活性剤を添加し、機械的に攪拌してオイル中に水を分散させた燃料を用いるものに適用することができる。 Hereinafter, an exhaust gas aftertreatment device according to an embodiment of the present invention and an internal combustion engine including the exhaust gas aftertreatment device will be described with reference to the drawings. In addition, although the diesel engine mounted in vehicles, such as a truck, is demonstrated to an example as an internal combustion engine, this invention is not limited to this. For example, it is applied to gasoline engines or fuel oils (heavy oil, kerosene, light oil, waste oil, etc.) that use water and a surfactant, and mechanically agitate to disperse water in the oil. be able to.
また、排ガスの後処理装置の一つとして、還元剤にアンモニア（ＮＨ３）を用いてＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する尿素ＳＣＲ（選択的触媒還元）システムを搭載した構成を例に説明するが、本発明はこれに限定せず、還元剤にアルケンなどの炭化水素やエタノールを用いたシステムにも適用することができる。 Further, as an example of an exhaust gas aftertreatment device, a configuration in which a urea SCR (selective catalytic reduction) system that purifies NOx (nitrogen oxide) using ammonia (NH 3 ) as a reducing agent will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to a system using a hydrocarbon such as alkene or ethanol as a reducing agent.
図１及び図２に示す本発明に係る実施の形態の後処理装置１及び２０は、例えば、大排気量のディーゼルエンジンの排ガスの後処理装置であって、排気通路２にＤＰＦ（ディーゼル微粒子捕集フィルタ）３と尿素ＳＣＲ（選択的触媒還元）システム４及び２１とを備え、尿素ＳＣＲシステム４及び２１に尿素ＳＣＲ触媒（触媒装置）５、ドージングバルブ（噴射弁）６、貯蔵タンク７、ポンプ８、及び貯蔵タンク７からドージングバルブ６に至る供給配管９を備える。 The aftertreatment devices 1 and 20 according to the embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 are, for example, exhaust gas aftertreatment devices for a large displacement diesel engine. And a urea SCR (selective catalytic reduction) system 4 and 21. The urea SCR systems 4 and 21 are equipped with a urea SCR catalyst (catalyst device) 5, a dosing valve (injection valve) 6, a storage tank 7, and a pump. 8 and a supply pipe 9 extending from the storage tank 7 to the dosing valve 6.
この後処理装置１及び２０は、マイクロバブル発生装置１０及び２２を備えることにより、貯蔵タンク７から尿素水（前駆体）をポンプ８が吸い上げて、所定の圧力でドージングバルブ６に供給し、マイクロバブルを混入された尿素水をドージングバルブ６から噴射する。 The post-processing devices 1 and 20 are equipped with microbubble generators 10 and 22, so that the pump 8 sucks urea water (precursor) from the storage tank 7 and supplies it to the dosing valve 6 at a predetermined pressure. The urea water mixed with bubbles is injected from the dosing valve 6.
このマイクロバブル発生装置１０及び２２は、周知の技術のマイクロバブル発生装置であればよいが、本発明のように、尿素水にマイクロバブルを混入し、且つ後述する浄化促進気体を添加する場合は、空気（気体）と尿素水（液体）が共存する状態を乱流にして、気体をせん断するようにマイクロバブルとして分離するエジェクタ式（気液せん断法）のマイクロバブル発生装置が好ましい。 These microbubble generators 10 and 22 may be microbubble generators of a well-known technology. However, as in the present invention, when microbubbles are mixed in urea water and a purification promoting gas described later is added. An ejector-type (gas-liquid shearing method) microbubble generator that separates the gas into microbubbles so as to shear the gas is preferable because air (gas) and urea water (liquid) coexist.
また、このマイクロバブル発生装置１０及び２２は、直径がミクロン単位の微細な気泡、詳しくは、直径が５０μｍ以下のマイクロバブルを燃料に混入するが、マイクロバブルよりも直径が小さく、直径が１μｍ以下のナノバブルを燃料に混入してもよい。 The microbubble generators 10 and 22 mix fine bubbles with a diameter of micron, specifically, microbubbles with a diameter of 50 μm or less into the fuel, but the diameter is smaller than the microbubbles and the diameter is 1 μm or less. The nanobubbles may be mixed into the fuel.
本発明に係る第１の実施の形態の後処理装置１では、上記の構成に加えて、図１に示すように、マイクロバブル発生装置１０でせん断するように微細気泡（マイクロバブル）として分離される気体（空気）をマイクロバブル発生装置１０に供給するオゾン発生装置（気体供給装置）１３を備え、オゾン発生装置１３が、ＮＯｘの浄化反応を促進するオゾン（浄化促進気体）を、気体（空気）に添加するように形成される。 In the post-processing device 1 according to the first embodiment of the present invention, in addition to the above-described configuration, as shown in FIG. The ozone generator 13 (gas supply device) 13 supplies gas (air) to the microbubble generator 10, and the ozone generator 13 converts ozone (purification promoting gas) that promotes NOx purification reaction into gas (air). ) To be added.
また、マイクロバブル発生装置１０を尿素水の供給配管９の途中に配置すると共に、マイクロバブル発生装置１０に、マイクロバブル発生装置１０の上流側の供給配管９ａから尿素水を吸入する吸入管１１と、マイクロバブル発生装置１０の下流側の供給配管９ｂへマイクロバブルが混入された尿素水を供給する排出管１２を備えて構成される。 In addition, the microbubble generator 10 is arranged in the middle of the urea water supply pipe 9, and the microbubble generator 10 has a suction pipe 11 for sucking urea water from the supply pipe 9 a upstream of the microbubble generator 10. The exhaust pipe 12 is configured to supply urea water mixed with microbubbles to the supply pipe 9b on the downstream side of the microbubble generator 10.
この実施の形態では、吸入管１１と供給配管９ａとを接続し、また、排出管１２と供給配管９ｂとを接続したが、例えば、吸入管１１と供給配管９ａとを一体に形成し、また、排出管１２と供給配管９ｂとを一体に形成してもよい。 In this embodiment, the suction pipe 11 and the supply pipe 9a are connected, and the discharge pipe 12 and the supply pipe 9b are connected. For example, the suction pipe 11 and the supply pipe 9a are integrally formed, The discharge pipe 12 and the supply pipe 9b may be integrally formed.
詳しく説明すると、このオゾン発生装置１３は、酸素に放電方式、紫外線照射方式、及び電解方式を用いてオゾン（Ｏ３）を発生させる装置であり、この実施の形態では、エアクリーナー１４から取り込んだ空気中の酸素を、電極間に高電圧を印加し、放電させ、その空間に通過させる事でオゾンを生成する装置を用いる。なお、このオゾン発生装置１３は、周知の技術のオゾン発生装置を用いることができる。 More specifically, the ozone generator 13 is a device that generates ozone (O 3 ) by using a discharge method, an ultraviolet irradiation method, and an electrolysis method for oxygen. In this embodiment, the ozone generator 13 is taken in from the air cleaner 14. A device that generates ozone by applying high voltage between electrodes to discharge oxygen in the air and passing it through the space is used. In addition, this ozone generator 13 can use the ozone generator of a well-known technique.
上記のオゾン発生装置１３により、オゾンの含有量が増加した空気をマイクロバブル発生装置１０へ取り込む。そして、供給配管９ａと接続された吸入管１１より尿素水を吸入し、前述した方法で尿素水内にマイクロバブルを混入する。そして、オゾンを添加したマイクロバブルが混入された尿素水を供給配管９ｂと接続された排出管１２より排出する。このオゾンにより、尿素水の水とオゾンが反応して、ＯＨ−を発生して、尿素水の加水分解を加速する。 Air having an increased ozone content is taken into the microbubble generator 10 by the ozone generator 13. And urea water is suck | inhaled from the suction pipe 11 connected with the supply piping 9a, and microbubble is mixed in urea water by the method mentioned above. Then, urea water mixed with ozone-added microbubbles is discharged from the discharge pipe 12 connected to the supply pipe 9b. This ozone reacts with the water of the urea water and ozone to generate OH − to accelerate the hydrolysis of the urea water.
なお、この実施の形態では、浄化促進気体としてオゾンを用いたが、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）、及び塩素（Ｃｌ２）などを用いても上記と同様に尿素水の加水分解を加速することができ、尿素水の噴射量を抑制しながら、ＮＯｘの浄化反応を促進することができる。 In this embodiment, ozone is used as the purification promoting gas, but nitrous oxide (N 2 O), nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ), chlorine (Cl 2 ), and the like are used. However, the hydrolysis of urea water can be accelerated in the same manner as described above, and the NOx purification reaction can be promoted while suppressing the injection amount of urea water.
この他、この後処理装置１は、ドージングバルブ６、ポンプ８、マイクロバブル発生装置１０、及びオゾン発生装置１３を制御するＤＣＵ（ドージングコントロールユニット）１５を備え、そのＤＣＵ１５は、差圧センサＳ１、排気温センサＳ２、排ガスセンサＳ３、温度センサＳ４、レベルセンサＳ５、及びＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１６からの入力信号が接続される。ＥＣＵ１６からは、外気温、エンジンパラメータ（エンジン回転数など）の信号が入力される。なお、ＤＣＵ１５と各部材との信号の入出力に関しては、個別の信号線を介した入出力、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を介した入出力のどちらであってもよい。 In addition, the post-processing device 1 includes a dosing valve 6, a pump 8, a microbubble generator 10, and a DCU (dosing control unit) 15 that controls the ozone generator 13. The DCU 15 includes a differential pressure sensor S1, Input signals from the exhaust temperature sensor S2, the exhaust gas sensor S3, the temperature sensor S4, the level sensor S5, and the ECU (engine control unit) 16 are connected. From the ECU 16, signals of outside air temperature and engine parameters (engine speed, etc.) are input. Note that the input / output of signals between the DCU 15 and each member may be either input / output via individual signal lines or input / output via a CAN (Controller Area Network).
ここで、図１の白抜き矢印は、外部からマイクロバブル発生装置１０に供給される空気を示し、塗り潰し矢印はマイクロバブルが混入された尿素水を示し、点線矢印は、マイクロバブルが混入されていない尿素水を示す。 Here, the white arrow in FIG. 1 indicates air supplied to the microbubble generator 10 from the outside, the filled arrow indicates urea water mixed with microbubbles, and the dotted arrow indicates that microbubbles are mixed. Show no urea water.
第１の実施の形態の後処理装置１の作用について説明する。エンジンが始動して、排気通路２に排ガスが排出されると、ＥＣＵ１６や各センサＳ１〜Ｓ５の入力信号からＤＣＵ１５がポンプ８を駆動し、貯蔵タンク７から尿素水が吸引され、供給配管９を介してドージングバルブ６に供給される。そして、ＤＣＵ１５がドージングバルブ６の図示しないアクチュエータを操作して、尿素水の噴射量をＥＣＵ１６や各センサＳ１〜Ｓ５の入力信号に応じて制御する。 The operation of the post-processing device 1 according to the first embodiment will be described. When the engine is started and exhaust gas is discharged into the exhaust passage 2, the DCU 15 drives the pump 8 from the input signals of the ECU 16 and the sensors S1 to S5, the urea water is sucked from the storage tank 7, and the supply pipe 9 is connected. To the dosing valve 6. Then, the DCU 15 operates an actuator (not shown) of the dosing valve 6 to control the injection amount of the urea water according to the input signals of the ECU 16 and the sensors S1 to S5.
このとき、ＤＣＵ１５は、マイクロバブル発生装置１０とオゾン発生装置１３も駆動する。尿素水は、マイクロバブル発生装置１０の上流側の供給配管９ａから吸入管１１を介してマイクロバブル発生装置１０に移送される。そして、オゾン発生装置１３によりオゾンを含有した空気をマイクロバブル発生装置１０でそのオゾンを含有した空気をせん断するようにして形成したマイクロバブルが混入される。そして、マイクロバブルが混入された尿素水は、マイクロバブル発生装置１０の下流側の供給配管９ｂに供給される。 At this time, the DCU 15 also drives the microbubble generator 10 and the ozone generator 13. The urea water is transferred from the supply pipe 9 a on the upstream side of the microbubble generator 10 to the microbubble generator 10 via the suction pipe 11. Then, the microbubbles formed by the ozone generator 13 so that the air containing ozone is sheared by the microbubble generator 10 are mixed. Then, the urea water mixed with the microbubbles is supplied to the supply pipe 9 b on the downstream side of the microbubble generator 10.
尿素水を微粒子化して噴射すると、排ガスの温度により尿素水が以下の化学式（１）に示すように、加水分解してアンモニアが生成される。
本発明によれば、マイクロバブルを尿素水に混入させることができるので、尿素水の噴射時により細かな噴霧とすることができる。そのため、従来のミキサー（混合器）を用いずとも、尿素水が均一に排ガス中に分散するので、尿素ＳＣＲ触媒５に到達する前に、排ガスの温度により加水分解し、均一なアンモニアとなる。 According to the present invention, since microbubbles can be mixed into urea water, finer spraying can be achieved when urea water is injected. Therefore, the urea water is uniformly dispersed in the exhaust gas without using a conventional mixer (mixer). Therefore, before reaching the urea SCR catalyst 5, it is hydrolyzed according to the temperature of the exhaust gas to become uniform ammonia.
さらに、本発明は、マイクロバブルにオゾンを添加するので、尿素水の加水分解を促進することができる。上記の化学式（１）に示した尿素水の加水分解は、Ｈ２ＯがＨ＋とＯＨ−に分かれる必要がある。通常は触媒などを使ってその反応を促進するが、オゾンを入れることで、以下の化学式（２）に示す反応が起きる。
これにより、ＯＨ−を発生することにより、上記の化学式（１）に示す尿素水の加水分解を促進する。 Thereby, by generating OH − , hydrolysis of urea water shown in the above chemical formula (1) is promoted.
上記で生成されたアンモニアを還元剤として、以下の化学式（３）及び（４）のＮＯｘの浄化反応が起る。
このように、尿素ＳＣＲシステム４では、前駆体である尿素水から加水分解によって生じるアンモニアを還元剤として、ＮＯｘを浄化するが、本発明の尿素ＳＣＲシステム４は、マイクロバブルの中にオゾンを封じ込めることで、そのオゾンにより尿素水中にＯＨ−が発生し、上記の化学式（１）に示す加水分解を加速して、その結果化学式（３）及び（４）に示すＮＯｘの浄化反応を促進することができる。 As described above, in the urea SCR system 4, NOx is purified by using ammonia generated by hydrolysis from urea water as a precursor as a reducing agent. However, the urea SCR system 4 of the present invention contains ozone in microbubbles. Thus, OH − is generated in the urea water by the ozone, and the hydrolysis shown in the chemical formula (1) is accelerated. As a result, the NOx purification reaction shown in the chemical formulas (3) and (4) is promoted. Can do.
この実施の形態によれば、尿素水にマイクロバブルを混入し、尿素水の微粒子化を促進する。これにより、尿素水が均一に排ガス中に分散し、均一なアンモニアとなるため、尿素ＳＣＲ触媒５上のあらゆるところでＮＯｘを分解することができる。よって、ＮＯｘの浄化率を向上することができる。 According to this embodiment, microbubbles are mixed in urea water to promote urea water micronization. As a result, the urea water is uniformly dispersed in the exhaust gas and becomes uniform ammonia, so that NOx can be decomposed everywhere on the urea SCR catalyst 5. Therefore, the NOx purification rate can be improved.
また、マイクロバブル中のオゾンにより尿素水中にＯＨ−が発生し、尿素水の加水分解を促進することができるので、投入尿素水の量を減らすことができる。これにより、コストを低減すると共に、尿素水の補充回数を低減することができる。 In addition, OH − is generated in the urea water by ozone in the microbubbles, and the hydrolysis of the urea water can be promoted, so that the amount of the input urea water can be reduced. Thereby, while reducing cost, the frequency | count of replenishment of urea water can be reduced.
加えて、マイクロバブル発生装置１０を供給配管９の途中に配置し、ドージングバルブ６に供給される尿素水が必ずマイクロバブル発生装置１０を通過するように構成することで、貯蔵タンク７に新規に尿素水を貯蔵した場合などの貯蔵タンク７内の尿素水にマイクロバブルが混入されていない場合でも、マイクロバブル発生装置１０の始動時からマイクロバブルが混入された尿素水をドージングバルブ６に供給することができる。これにより、エンジンの始動時でも尿素水の加水分解を促進して、ＮＯｘの浄化反応を向上することができる。 In addition, the microbubble generator 10 is arranged in the middle of the supply pipe 9 so that the urea water supplied to the dosing valve 6 always passes through the microbubble generator 10. Even when the microbubbles are not mixed in the urea water in the storage tank 7 such as when the urea water is stored, the urea water mixed with the microbubbles is supplied to the dosing valve 6 from the start of the microbubble generator 10. be able to. Thereby, even when the engine is started, hydrolysis of urea water can be promoted, and the NOx purification reaction can be improved.
次に、本発明に係る第２の実施の形態の排ガスの後処理装置２０について、図２を参照しながら説明する。この排ガスの後処理装置２０は、図３の従来のマイクロバブル発生装置１０Ｘに替えて、図２に示すように、尿素ＳＣＲシステム２１に、貯蔵タンク７から吸入管２３を介して吸入した尿素水にマイクロバブルを混入するマイクロバブル発生装置２２を備え、そのマイクロバブル発生装置２２にＮＯｘの浄化反応を促進するオゾンを添加した気体を供給するオゾン発生装置１３を備える。 Next, an exhaust gas aftertreatment device 20 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This exhaust gas aftertreatment device 20 replaces the conventional microbubble generator 10X of FIG. 3 with the urea water sucked into the urea SCR system 21 from the storage tank 7 through the suction pipe 23 as shown in FIG. A microbubble generator 22 for mixing microbubbles, and an ozone generator 13 for supplying the microbubble generator 22 with a gas added with ozone for promoting a NOx purification reaction.
さらに、供給配管９と貯蔵タンク７の両方へマイクロバブルが混入された尿素水を供給するように、貯蔵タンク７の上流側にそのマイクロバブル発生装置２２を配置すると共に、マイクロバブル発生装置２２に供給配管９と貯蔵タンク７のそれぞれに接続される排出管２４を備えて構成される。 Further, the microbubble generator 22 is arranged on the upstream side of the storage tank 7 so as to supply urea water mixed with microbubbles to both the supply pipe 9 and the storage tank 7. A discharge pipe 24 connected to each of the supply pipe 9 and the storage tank 7 is provided.
詳しくは、マイクロバブル発生装置２２によりマイクロバブルが混入された尿素水を、二股状の分岐路で形成された排出管２４の一方の第１分岐路２４ａで貯蔵タンク７へ、他方の第２分岐路２４ｂで貯蔵タンク７の下流側へそれぞれ供給するように構成される。 Specifically, urea water mixed with microbubbles by the microbubble generator 22 is transferred to the storage tank 7 through one first branch path 24a of the discharge pipe 24 formed by a bifurcated branch path, and the other second branch. It is configured so as to be supplied to the downstream side of the storage tank 7 by the passage 24b.
この構成によれば、マイクロバブルにオゾンを添加し、尿素水の加水分解を促進するという作用効果に加えて、マイクロバブル発生装置２２を貯蔵タンク７の上流側に配置しても、直接供給配管９にもマイクロバブルが混入された尿素水を供給することができる。これにより、マイクロバブル発生装置２２の始動時から尿素水の微粒子化を図ると共に、マイクロバブルが混入された尿素水を貯蔵タンク７に送るので、貯蔵タンク７内でマイクロバブルを均一化することもできる。 According to this configuration, in addition to the effect of adding ozone to the microbubbles to promote the hydrolysis of urea water, the direct supply pipe is provided even if the microbubble generator 22 is arranged on the upstream side of the storage tank 7. 9 can also be supplied with urea water mixed with microbubbles. As a result, since the urea water is atomized from the start of the microbubble generator 22 and the urea water mixed with the microbubbles is sent to the storage tank 7, the microbubbles can be made uniform in the storage tank 7. it can.
なお、上記の構成に加えて、分岐路で形成した排出管２４の分岐部分にオリフィスを設けると、マイクロバブルが混入された尿素水の貯蔵タンク７の下流側に供給される量と、貯蔵タンク７に供給される量をコントロールし、貯蔵タンク７内にマイクロバブルが均一化されるまで、マイクロバブルが混入された尿素水を供給配管９に供給することができる。また、逆止弁を備えて、尿素水の逆流を抑制してもよい。 In addition to the above configuration, when an orifice is provided in the branch portion of the discharge pipe 24 formed by the branch path, the amount supplied to the downstream side of the storage tank 7 of urea water mixed with microbubbles, and the storage tank The amount supplied to 7 can be controlled, and urea water mixed with microbubbles can be supplied to the supply pipe 9 until the microbubbles are made uniform in the storage tank 7. Further, a check valve may be provided to suppress the back flow of urea water.
加えて、この実施の形態では、排出管２４を分岐路で形成したが、マイクロバブルが混入された尿素水を貯蔵タンク７の下流側に供給することができればよく、例えば、分岐路で形成せず、貯蔵タンク７の下流側で、且つポンプ８の上流側の供給配管９に直接接続するように構成してもよい。 In addition, in this embodiment, the discharge pipe 24 is formed by a branch path. However, it is only necessary that urea water mixed with microbubbles can be supplied to the downstream side of the storage tank 7, for example, it may be formed by a branch path. Instead, it may be configured to be directly connected to the supply pipe 9 on the downstream side of the storage tank 7 and on the upstream side of the pump 8.
従来の構成では、図３に示すように、貯蔵タンク７内の尿素水にマイクロバブルを混入する構成のため、貯蔵タンク７に新規に尿素水を貯蔵した場合や、あるいはエンジンが停止し、貯蔵タンク７内のマイクロバブルが減少した場合に、エンジンが始動し、合せてマイクロバブル発生装置１０Ｘが始動しても、十分にマイクロバブルが混入された尿素水をドージングバルブ６に供給することができない。 In the conventional configuration, as shown in FIG. 3, since microbubbles are mixed into the urea water in the storage tank 7, the urea water is newly stored in the storage tank 7, or the engine is stopped and stored. When the microbubbles in the tank 7 are reduced, even if the engine is started and the microbubble generator 10X is started at the same time, the urea water in which the microbubbles are sufficiently mixed cannot be supplied to the dosing valve 6. .
これに対して、図１及び図２に示す本発明の装置では、貯蔵タンク７内の尿素水にマイクロバブルを混入する構成ではなく、マイクロバブルが混入された尿素水を供給配管９に供給する構成のため、エンジンの始動直後、すなわちマイクロバブル発生装置１０及び２２の始動直後でも、十分にマイクロバブルが混入された尿素水により、加水分解を促進することができる。 On the other hand, in the apparatus of the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the urea water mixed with the microbubbles is supplied to the supply pipe 9 instead of the configuration in which the microbubbles are mixed into the urea water in the storage tank 7. Due to the configuration, hydrolysis can be promoted by urea water sufficiently mixed with microbubbles even immediately after the engine is started, that is, immediately after the microbubble generators 10 and 22 are started.
上記の第１及び第２の実施の形態の後処理装置１又は２０を搭載したエンジン（内燃機関）は、簡易な装置で、尿素水を微粒子化すると共に、尿素水の混入するマイクロバブルにオゾンを添加するので、そのオゾンにより尿素水の加水分解を促進することができる。これにより、排ガス中のＮＯｘの浄化率が向上すると共に、尿素水の投入量を減少することができる。 The engine (internal combustion engine) on which the post-processing device 1 or 20 of the first and second embodiments described above is mounted is a simple device that atomizes urea water and introduces ozone into microbubbles mixed with urea water. Therefore, hydrolysis of urea water can be accelerated by the ozone. As a result, the purification rate of NOx in the exhaust gas can be improved and the input amount of urea water can be reduced.
また、尿素水を新規に貯蔵タンク７に追加した後の、エンジンの始動時でも、十分な量のマイクロバブルを尿素水に混入することができる。これにより、エンジンの始動時から尿素水を微粒子化して、加水分解を促進し、ＮＯｘの浄化反応を向上することができる。 In addition, a sufficient amount of microbubbles can be mixed into the urea water even when the engine is started after the urea water is newly added to the storage tank 7. Thereby, urea water can be atomized from the time of engine start, hydrolysis can be promoted, and NOx purification reaction can be improved.
本発明の排ガスの後処理装置は、還元剤又はその前駆体に微細気泡を混入することにより還元剤又はその前駆体を微粒子化すると共に、その微細気泡の元となる気体に排ガス中の成分の浄化を促進する浄化促進気体を添加して、排ガス中の成分の浄化反応を促進することができるので、特にディーゼルエンジンを搭載するトラックなどの車両に利用することができる。 The exhaust gas after-treatment device of the present invention makes fine particles of the reducing agent or its precursor by mixing fine bubbles into the reducing agent or its precursor, and also converts the components in the exhaust gas into the gas that is the source of the fine bubbles. Since the purification promoting gas for promoting the purification can be added to promote the purification reaction of the components in the exhaust gas, it can be used particularly for vehicles such as trucks equipped with diesel engines.
１、２０ 後処理装置
２ 排気通路
３ ＤＰＦ（ディーゼル微粒子捕集フィルタ）
４、２１ 尿素ＳＣＲ（選択的触媒還元）システム
５ 尿素ＳＣＲ触媒（触媒装置）
６ ドージングバルブ（噴射弁）
７ 尿素水タンク
８ ポンプ
９ 供給配管
１０ マイクロバブル発生装置（微細気泡発生装置）
１１ 吸入管
１２ 排出管
１３ オゾン発生装置（気体供給装置）
１４ エアクリーナー
１５ ＤＣＵ（ドージングコントロールユニット；制御装置）
１６ ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット；制御装置）
２２ マイクロバブル発生装置（微細気泡発生装置）
２３ 吸入管
２４ 排出管
２４ａ 第１分岐路
２４ｂ 第２分岐路
1, 20 Aftertreatment device 2 Exhaust passage 3 DPF (diesel particulate filter)
4, 21 Urea SCR (selective catalytic reduction) system 5 Urea SCR catalyst (catalytic device)
6 Dosing valve (injection valve)
7 Urea water tank 8 Pump 9 Supply pipe 10 Microbubble generator (fine bubble generator)
11 Intake pipe 12 Discharge pipe 13 Ozone generator (gas supply device)
14 Air cleaner 15 DCU (Dosing control unit; control device)
16 ECU (engine control unit; control device)
22 Microbubble generator (fine bubble generator)
23 suction pipe 24 discharge pipe 24a first branch path 24b second branch path
Claims (2)
前記微細気泡発生装置に接続された気体供給装置を備え、
前記微細気泡発生装置が、前記貯蔵タンクに接続された吸入管と、前記噴射弁と前記貯蔵タンクの両方に直接的に又は間接的に接続された排出管と、を有しており、
前記気体供給装置により、オゾン、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化窒素、及び塩素のいずれかからなる浄化促進気体が混入した気体を前記微細気泡発生装置に供給し、前記微細気泡発生装置により、前記吸入管を介して吸入した前記還元剤又は前記前駆体に前記気体供給装置から供給されたその気体から生成された微細気泡を混入し、前記排出管を介して微細気泡が混入された前記還元剤又は前記前駆体を前記噴射弁と前記貯蔵タンクとのそれぞれに供給する構成にしたことを特徴とする排ガスの後処理装置。 A catalyst device provided in the exhaust passage; an injection valve for supplying a reducing agent or a precursor of the reducing agent to exhaust gas upstream of the catalyst device ; a storage tank for storing the reducing agent or the precursor; in the post-processing apparatus of the exhaust gas and a fine bubble generator for mixing the reducing agent or the precursor bubbles,
Comprising a gas supply device connected to the microbubble generator;
The fine bubble generating device has a suction pipe connected to the storage tank, and a discharge pipe connected directly or indirectly to both the injection valve and the storage tank,
By the gas supply device, a gas mixed with a purification promoting gas composed of any of ozone, nitrous oxide, nitric oxide, nitrogen dioxide, and chlorine is supplied to the fine bubble generating device, and the fine bubble generating device, The reducing agent or the precursor sucked through the suction pipe is mixed with fine bubbles generated from the gas supplied from the gas supply device, and the fine bubbles are mixed through the discharge pipe. An exhaust gas post-treatment device, wherein the agent or the precursor is supplied to each of the injection valve and the storage tank .
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