本発明は、エンジンからの排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関するものである。

排ガス浄化装置は、排ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する選択還元触媒と、この選択還元触媒の上流側に配置され、尿素水を噴射する尿素水噴射弁とを有し、尿素水噴射弁から噴射された尿素水を加水分解してアンモニア（ＮＨ _３ ）を生成し、選択還元触媒においてＮＨ _３によりＮＯｘを浄化している。 このとき、排気温度が１８０℃程度よりも低いと、尿素水からＮＨ _３への加水分解を行うことができない。 このため、尿素水噴射弁と選択還元触媒との間に、尿素水噴射弁から噴射された尿素水を排ガス中に分散（拡散）させる分散板（拡散板）を配置し、その分散板を加熱することで、尿素水の温度を上昇させ、尿素水の加水分解を促進させることが提案されている。

また、エンジンの始動時等において、排気温度が１８０℃程度よりも低いと、選択還元触媒が活性化温度まで昇温されず、選択還元触媒にＮＨ _３が供給されても、排ガス中に含まれるＮＯｘの浄化率が低くなる。 このため、選択還元触媒自体や、選択還元触媒に流入される排ガスの温度を上昇させ、選択還元触媒を早期に活性化させることが望ましい。

分散板、排ガス、選択還元触媒等を加熱する手法としては、例えば特許文献１に記載されているような化学蓄熱を利用するという方法がある。 特許文献１に記載の技術は、蓄熱物質（ＣａＯ）を内蔵してなる化学反応蓄熱装置を備え、エンジンの冷間始動時には、蓄熱物質に水を供給することで、ＣａＯ＋Ｈ _２ Ｏ→Ｃａ（ＯＨ） _２ ＋熱という反応を起こして化学反応蓄熱装置から熱を発生させ、この熱により触媒を加熱するというものである。 このような化学反応蓄熱装置では、エンジンからの排ガスの温度が十分高くなった場合には、上記とは逆の反応が起こり、蓄熱物質から水が離脱され、その水を回収することで、連続的に使用することを可能としている。

しかし、蓄熱物質と反応する媒体として水を使用する場合には、化学反応蓄熱装置を氷点下環境で動作させることが困難である。 そこで、ＣａＯとＨ _２ Ｏとを化学蓄熱反応させる代わりに、例えば特許文献２に記載されているように、ＭｇＣｌ _２とＮＨ _３とを化学蓄熱反応させることが考えられる。 具体的には、蓄熱物質としてＭｇＣｌ _２を用い、その蓄熱物質と反応する媒体としてＮＨ _３を用い、ＭｇＣｌ _２ ＋６ＮＨ _３ →ＭｇＣｌ _２ （ＮＨ _３ ） _６ ＋熱という反応を起こすようにする。 この場合には、化学反応蓄熱装置を氷点下環境で動作させることが可能となる。

しかしながら、例えばディーゼルエンジンからの排ガスは６００℃以上の高温状態になることがある。 この場合には、化学蓄熱反応に使用されるＮＨ _３が熱分解してしまう。 ＮＨ _３が熱分解すると、ＭｇＣｌ _２からＮＨ _３を回収することができなくなる。 このため、次回のエンジンの始動時にＭｇＣｌ _２とＮＨ _３との反応が進まなくなるため、十分な熱が得られなくなり、結果的に分散板を加熱できなくなるおそれがある。

本発明の目的は、アンモニア（ＮＨ _３ ）の熱分解を抑制することができる排ガス浄化装置を提供することである。

本発明は、エンジンからの排ガスを浄化する排ガス浄化装置において、エンジンの排気系に配置された選択還元触媒と、尿素水を貯蔵する尿素水タンクと、選択還元触媒の上流側に配置され、尿素水タンクに貯蔵された尿素水を噴射する尿素水噴射部と、アンモニアを貯蔵することで蓄熱を行う蓄熱器と、排気系に配置され、蓄熱器に貯蔵されたアンモニアと化学反応して熱を発生させる蓄熱材を含む反応器と、尿素水タンクに貯蔵された尿素水を尿素水噴射部及び反応器に供給する尿素水供給手段とを備えることを特徴とするものである。

このような本発明の排ガス浄化装置においては、例えばエンジン始動時のように排ガスの温度が低く、蓄熱器から反応器にアンモニアが供給された後に、高温となった排ガスによって反応器から蓄熱器にアンモニアを回収するときに、排ガスの温度がアンモニアを熱分解する温度よりも高くなった場合であっても、尿素水タンクに貯蔵された尿素水を反応器にも供給することにより、反応器が尿素水により冷却されるようになる。 これにより、反応器内に存在するアンモニアの熱分解を抑制することができる。

好ましくは、尿素水供給手段は、尿素水タンクから尿素水噴射部に尿素水を送るための第１尿素水流路と、尿素水タンクと反応器との間で尿素水を循環させるための第２尿素水流路とを有する。 この場合には、排ガスの温度や反応器の温度が所定温度よりも高いときのみ、第２尿素水流路により尿素水タンクと反応器との間で尿素水を循環させるようにすることで、排ガスの温度や反応器の温度が低いときには、アンモニアと蓄熱材との化学反応を促進させて、必要な熱を確実に得ることが可能となる。

このとき、好ましくは、排ガスの温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段により検出された排ガスの温度が所定値よりも高いときに、第２尿素水流路により尿素水タンクと反応器との間で尿素水を循環させるように制御する制御手段とを更に備える。 この場合には、排ガスの温度が所定値よりも高くなると、自動的に第２尿素水流路により尿素水タンクと反応器との間で尿素水が循環するようになる。

また、好ましくは、第２尿素水流路の一部は、蓄熱材の内部を通るように配置されている。 この場合には、例えば排気系を構成する排気管の外周面の所定部位に、第２尿素水流路を形成する配管を巻回し、その状態で当該部位に蓄熱材を設けることにより、第２尿素水流路の一部を蓄熱材の内部に容易に配置することができる。

また、第２尿素水流路の一部は、蓄熱材に対して排気系の反対側を通るように配置されていても良い。 この場合には、排気系を構成する排気管と蓄熱材との間には第２尿素水流路が全く存在しないことになるため、アンモニアと蓄熱材との化学反応によって発生した熱が効果的に排気管内に伝わるようになる。 これにより、加熱効率を向上させることができる。

さらに、好ましくは、蓄熱材の周囲には、排気系側を除いて断熱材が配置されている。 この場合には、アンモニアと蓄熱材との化学反応によって発生した熱が外部に逃げることが防止されるため、排気系に熱が効果的に伝わるようになる。 これにより、加熱効率を向上させることができる。

本発明によれば、アンモニアの熱分解を抑制することができる。 これにより、蓄熱材とアンモニアとの化学反応によって反応器に十分な熱が発生するため、排気系の所定部位を確実に加熱することが可能となる。

本発明に係る排ガス浄化装置の一実施形態を示す概略構成図である。

図１に示した排ガス浄化装置の要部を示す構成図である。

図２に示した反応器及び分散部材を含む箇所を示す断面図である。

図２に示したコントローラによる開閉バルブ制御処理の手順を示すフローチャートである。

本発明に係る排ガス浄化装置の他の実施形態における反応器及び分散部材を含む箇所を示す断面図である。

以下、本発明に係る排ガス浄化装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る排ガス浄化装置の一実施形態を示す概略構成図である。 同図において、本実施形態の排ガス浄化装置１は、ディーゼルエンジン（単にエンジンということがある）２の排気系に設けられ、エンジン２から排出される排ガス中に含まれる有害物質（環境汚染物質）を浄化する装置である。

排ガス浄化装置１は、エンジン２と接続された排気管３の上流側から下流側に向けて順に配置された酸化触媒（ＤＯＣ）４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）５及び選択還元触媒（ＳＣＲ）６を備えている。 ＤＯＣ４は、排ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化して浄化する触媒である。 ＤＰＦ５は、排ガス中に含まれるＰＭ（煤）を捕集して取り除くフィルタである。 ＳＣＲ６は、アンモニア（ＮＨ _３ ）を用いて、排ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒である。

ＳＣＲ６の排気上流側には、図２にも示すように、還元剤である尿素水（（ＮＨ _２ ） _２ ＣＯ）を排気管３内に噴射する尿素水噴射弁７が配置されている。 尿素水噴射弁７は、尿素水を貯蔵する尿素水タンク８と尿素水供給流路９を介して接続されている。 尿素水供給流路９は、尿素水タンク８の吐出口８ａから尿素水噴射弁７に尿素水を送るための流路である。 尿素水タンク８内の尿素水は、例えば尿素水タンク８の出口付近に配置されるポンプ（図示せず）により尿素水噴射弁７に向けて圧送される。

図２に示すように、排気管３の内部におけるＳＣＲ６と尿素水噴射弁７との間には、尿素水噴射弁７から噴射された尿素水を排ガス中に混合分散（混合拡散）させる分散部材１０が配置されている。 分散部材１０の温度が所定温度（１８０℃程度）以上になると、分散部材１０において尿素水が加水分解されてアンモニアが生成される（後述）。 なお、分散部材１０の具体的構造については省略する。

また、排ガス浄化装置１は、排気管３における分散部材１０に対応する部位の外側に配置されたリング状の反応器１１と、この反応器１１とアンモニア供給流路１２を介して接続された蓄熱器１３とを更に備えている。 アンモニア供給流路１２には、開閉バルブ１４が設けられている。

蓄熱器１３は、アンモニアを貯蔵することで蓄熱を行う。 蓄熱器１３には、アンモニアを物理吸着する活性炭が内蔵されている。 活性炭にアンモニアが物理吸着されることで、アンモニアが蓄熱器１３に貯蔵されるようになる。

反応器１１は、化学反応熱を利用した蓄熱（化学蓄熱）によって分散部材１０を加熱する。 反応器１１は、図３に示すように、ステンレス鋼（ＳＵＳ）で形成された筐体１５を有している。 筐体１５は、排気管３の外周面に溶接で結合されている。 また、筐体１５には、アンモニア供給流路１２を形成する配管１２Ａが溶接で結合されている。

筐体１５内には、アンモニア（ＮＨ _３ ）と化学反応して熱を発生させる固体状または粉末状の蓄熱材１６が配置されている。 蓄熱材１６としては、ＭｇＣｌ _２ 、ＣａＣｌ _２ 、ＮｉＣｌ _２ 、ＺｎＣｌ _２ 、ＳｒＣｌ _２等が挙げられる。 蓄熱材１６は、排気管３の外周面に接触した状態で筐体１５内に収容されている。

筐体１５の内壁面と蓄熱材１６との間には、蓄熱材１６で発生した熱を筐体１５の外部に逃がさないための断熱材１７が配置されている。 断熱材１７は、筐体１５の内側（排気管３側）を除いた蓄熱材１６の周囲に断面Ｕ字状に配置されている。 断熱材１７は、例えばガラスウールやセラミック多孔体等で形成されている。

また、排ガス浄化装置１は、図１及び図２に示すように、尿素水タンク８と反応器１１との間で尿素水を循環させるための尿素水循環流路１８を備えている。 尿素水循環流路１８は、尿素水供給流路９と尿素水タンク８の戻り口８ｂとの間に接続されている。 尿素水循環流路１８には、開閉バルブ１９が設けられている。

尿素水タンク８内の尿素水は、尿素水タンク８の吐出口８ａから出て尿素水供給流路９の一部及び尿素水循環流路１８を通って尿素水タンク８の戻り口８ｂに戻るように循環する。 従って、開閉バルブ１９は、尿素水循環流路１８における反応器１１の上流側に設けられているのが望ましい。

尿素水循環流路１８の一部は、図３に示すように、反応器１１において筐体１５を貫通して蓄熱材１６の内部を通るように配置されている。 具体的には、尿素水循環流路１８を形成する配管１８Ａの一部は、排気管３の外周面に分散部材１０に対応する部位を含むように巻回されている。 その状態で、配管１８Ａの一部が蓄熱材１６に埋め込まれるように、排気管３の外周面における分散部材１０に対応する部位に蓄熱材１６が付着されている。 従って、尿素水循環流路１８の一部を容易に蓄熱材１６の内部に設けることができる。 このとき、配管１８Ａは、蓄熱材１６の内部において排ガス流れ方向に全体的にほぼ均等な間隔で配置されている。

さらに、排ガス浄化装置１は、図２に示すように、排ガスの温度を検出する温度センサ２０と、この温度センサ２０の検出値に基づいて開閉バルブ１４，１９を制御するコントローラ２１とを更に備えている。 温度センサ２０は、排気管３の任意位置、例えばＤＰＦ５の排気下流側に配置されている。

図４は、コントローラ２１による開閉バルブ１９の制御処理の手順を示すフローチャートである。 図４において、温度センサ２０の検出値を取得し（手順Ｓ１０１）、温度センサ２０により検出された排ガスの温度が閾値（例えば３００℃程度）以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０２）。

排ガスの温度が閾値以上であるときは、開閉バルブ１９を開いた状態とし（手順Ｓ１０３）、手順Ｓ１０１に戻る。 これにより、尿素水循環流路１８により尿素水タンク８と反応器１１との間で尿素水を循環させることが可能となる。 一方、排ガスの温度が閾値以上でないときは、開閉バルブ１９を閉じた状態とし（手順Ｓ１０４）、手順Ｓ１０１に戻る。 これにより、尿素水循環流路１８により尿素水タンク８と反応器１１との間で尿素水を循環させることが不可能となる。

以上のように構成した排ガス浄化装置１において、排気管３内を通る排ガスの温度が尿素水の加水分解反応が起きる温度（１８０℃程度）よりも低いときは、開閉バルブ１４が開かれ、蓄熱器１３に内蔵された活性炭から分離したアンモニア（ＮＨ _３ ）がアンモニア供給流路１２を通って反応器１１に供給される。 そして、反応器１１に含まれる蓄熱材１６（例えばＭｇＣｌ _２ ）とアンモニアとが化学反応し、反応器１１から熱が発生する。 つまり、下記の反応式（Ａ）における左辺から右辺への反応が起こる。
ＭｇＣｌ _２ ＋６ＮＨ _３ ⇔ ＭｇＣｌ _２ （ＮＨ _３ ） _６ ＋熱 …（Ａ）

すると、反応器１１から分散部材１０に熱が伝えられ、分散部材１０が加熱される。 このとき、反応器１１の内部には断熱材１７が配置されているため、反応器１１の外部に熱が逃げることが防止され、十分な熱が分散部材１０に伝わるようになる。 これにより、分散部材１０を効果的に加熱することができる。

そして、分散部材が１８０℃程度の温度になると、尿素水噴射弁７から噴射された尿素水（（ＮＨ _２ ） _２ ＣＯ）が分散部材１０において加水分解され、下記の反応式（Ｂ）のようにアンモニアが生成される。
（ＮＨ _２ ） _２ ＣＯ＋Ｈ _２ Ｏ → ２ＮＨ _３ ＋２ＣＯ _２ …（Ｂ）

ここで生成されたアンモニアは、排ガスと混合される。 そして、分散部材１０の排気下流側に位置するＳＣＲ６において、下記の反応式（Ｃ）のように、排ガス中に含まれるＮＯｘがアンモニアによって還元浄化されるようになる。
ＮＯ＋ＮＯ _２ ＋２ＮＨ _３ → ２Ｎ _２ ＋３Ｈ _２ Ｏ …（Ｃ）

一方、排気管３内を通る排ガスの温度が尿素水の加水分解反応が起きる温度よりも高くなると、尿素水噴射弁７から噴射された尿素水が排ガスの熱（排熱）によって加水分解されてアンモニアが生成される。 そして、ＳＣＲ６において、排ガス中に含まれるＮＯｘがアンモニアによって還元浄化される。

その後、排気管３内を通る排ガスの温度が更に高くなると、排熱が反応器１１に与えられるため、反応器１１に含まれる蓄熱材（例えばＭｇＣｌ _２ ）からアンモニア（ＮＨ _３ ）が分離する。 つまり、上記の反応式（Ａ）における右辺から左辺への反応が起こる。 そして、分離したアンモニアは、アンモニア供給流路１２を介して蓄熱器１３に戻り、蓄熱器１３に内蔵された活性炭に物理吸着する。 これにより、蓄熱器１３に熱が溜められることになる。

ここで、排ガスの温度が上記閾値（例えば３００℃程度）以上になると、開閉バルブ１９が開かれ、尿素水が尿素水循環流路１８を通って尿素水タンク８と反応器１１との間で循環されるようになる。 具体的には、尿素水タンク８から出た尿素水は、反応器１１に内蔵された蓄熱材１６の内部を通過して尿素水タンク８に戻るようになる。 従って、尿素水によって蓄熱材１６が冷却される。 このとき、尿素水循環流路１８は蓄熱材１６の内部において排ガス流れ方向に沿ってほぼ均等な間隔に配置されているので、蓄熱材１６をほぼ均等に冷却することができる。

以上のように本実施形態にあっては、尿素水タンク８と反応器１１との間で尿素水を循環させるための尿素水循環流路１８を設け、排ガスの温度が所定値以上のときに、尿素水循環流路１８により尿素水を循環させるようにしたので、反応器１１を尿素水により冷却することができる。 これにより、反応器１１内に存在するアンモニアの熱分解を防ぐことができる。 従って、蓄熱器１３にアンモニアが回収されるようになり、反応器１１と蓄熱器１３との間を流れるアンモニアの総量が確保されるため、次回のエンジン２の始動時にも、蓄熱材１６とアンモニアとの化学反応によって十分な熱が得られるようになり、分散部材１０を十分に加熱することができる。 その結果、排ガスの温度が低い状態であっても、分散部材１０において尿素水を加水分解してアンモニアを生成し、ＳＣＲ６において当該アンモニアによりＮＯｘを還元浄化することが可能となる。

また、尿素水は凝固点（−１１℃）以下で凍ってしまうが、反応器１１で発生した化学蓄熱の熱を尿素水の解凍に使用することが可能である。 このため、尿素水を解凍するためにヒータ等を使用しなくて済むため、消費電力の低減に寄与することができる。

なお、本実施形態では、蓄熱材１６の内部において分散部材１０に対応する部位を含むように尿素水循環流路１８を配置したが、蓄熱材１６の内部において分散部材１０に対応する部位を避けるように尿素水循環流路１８を配置しても良い。 この場合には、蓄熱材１６の内部における分散部材１０に対応する部位には尿素水循環流路１８が存在しないため、反応器１１で発生した熱をより効果的に分散部材１１に伝えることができる。

図５は、本発明に係る排ガス浄化装置の他の実施形態における反応器及び分散部材を含む箇所を示す断面図である。 図中、上述した実施形態と同一または同等の要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。

同図において、本実施形態の排ガス浄化装置１は、上述した実施形態と同様に反応器１１を備えている。 反応器１１は、筐体１５と、この筐体１５内に配置された蓄熱材１６及び断熱材１７とを有している。

反応器１１の内部には、上記の尿素水循環流路１８の一部が通っている。 具体的には、尿素水循環流路１８を形成する配管１８Ａの一部は、蓄熱材１６と断熱材１７との間に配置されるように蓄熱材１６に巻回されている。 つまり、配管１８Ａの一部は、蓄熱材１６の外側（蓄熱材１６に対して排気管３の反対側）を通るように配置されている。 この場合には、配管１８Ａが蓄熱材１６の内部に存在しない分だけ、反応器１１で発生した熱をより効果的に分散部材１０に伝えることができる。

このような本実施形態においても、排ガスの温度が閾値（例えば３００℃程度）以上になると、尿素水が尿素水循環流路１８を通って尿素水タンク８と反応器１１との間で循環されるようになるため、尿素水によって蓄熱材１６が冷却される。 これにより、反応器１１内に存在するアンモニアの熱分解を防ぐことができる。

以上、本発明に係る排ガス浄化装置の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。 例えば上記実施形態では、反応器１１の内部に、蓄熱材１６で発生した熱を筐体１５の外部に逃がさないようにするための断熱材１７を設けたが、蓄熱材１６で発生した熱が分散部材１０に伝わるのであれば、断熱材１７は特に無くても良い。 この場合には、部品点数の削減及び反応器１１の小型化につながる。

また、上記実施形態では、尿素水タンク８内の尿素水を尿素水噴射弁７に供給するための尿素水供給流路９とは別に、尿素水タンク８と反応器１１との間で尿素水を循環させるための尿素水循環流路１８を設けたが、特にその構成には限られず、尿素水タンク８内の尿素水を、反応器１１内を通過させて尿素水噴射弁７に供給するような流路を設けても良い。 この場合でも、排ガスの温度が高くなったときに、尿素水によって蓄熱材１６を冷却することができる。

また、上記実施形態では、分散部材１０が尿素水噴射弁７とＳＣＲ６との間に配置されているが、特にそれには限られず、分散部材１０の下流側に尿素水噴射弁７を配置し、尿素水噴射弁７から分散部材１０に向けて尿素水を噴射しても良い。

さらに、上記実施形態では、尿素水循環流路１８を形成する配管１８Ａの一部は、蓄熱材１６の内部または外側において排ガス流れ方向に対して全体的にほぼ均等な間隔で配置されているが、特にそれには限られず、配管１８Ａの一部を排ガス流れ方向に対して不均等に配置しても良い。 例えば、配管１８Ａの一部を排ガス流れ方向に対して上流側に密度が高くなるように配置することで、排ガスによって温度が高くなりやすい蓄熱材１６の上流側部分を効率良く冷却することができる。

また、上記実施形態では、反応器１１を排気管３における分散部材１０に対応する部位の外側に配置し、分散部材１０を加熱するようにしたが、特にそれには限られず、排気管３内に配置される他の部材を加熱するように反応器１１を配置しても良い。 例えば、酸化触媒４や選択還元触媒６を早期に活性状態にするために、排気管３におけるこれらの触媒に対応する部位の外側に反応器１１を配置しても良いし、排気管３自体を加熱するように反応器１１を配置しても良い。

また、上記実施形態では、排ガスの温度を検出する温度センサ２０を用いて開閉バルブ１９を制御するようにしているが、特にそれには限られず、排ガスの温度以外の温度を利用して開閉バルブ１９の開閉制御を実施しても良い。 例えば、反応器１１内に温度センサを配置し、蓄熱材１６自体の温度を検出するようにし、その温度に基づいて開閉バルブ１９の開閉制御を実施しても良い。 また、反応器１１による加熱対象である分散部材や触媒の温度を用いても良い。

１…排ガス浄化装置、２…ディーゼルエンジン、３…排気管（排気系）、６…選択還元触媒、７…尿素水噴射弁（尿素水噴射部）、８…尿素水タンク、９…尿素水供給流路（第１尿素水流路、尿素水供給手段）、１１…反応器、１３…蓄熱器、１６…蓄熱材、１７…断熱材、１８…尿素水循環流路（第２尿素水流路、尿素水供給手段）、２０…温度センサ（温度検出手段）、２１…コントローラ（制御手段）。