排气脱硝装置的制作方法

1.本技术涉及一种使排气脱硝的排气脱硝装置。


背景技术：

2.以往，例如如专利文献1所公开，提出使自柴油引擎排出的排气中的氮氧化物(nox)无害化的技术。所述专利文献1所公开者包括排气管(废气接收器)、设于排气管下游侧的选择催化还原(selective catalytic reduction，scr)反应器、及在排气管内喷射还原剂的喷射阀。在所述专利文献1所公开者中，引擎的排气集合于排气管，与还原剂混合。与还原剂混合的排气自排气管排出，流入至scr反应器。在scr反应器中，在脱硝催化剂下，排气中的nox与还原剂反应(脱硝反应)而被还原去除。由此，nox被无害化。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本专利第5878860号公报


技术实现要素：

6.发明所要解决的问题
7.但是，在专利文献1所公开者中，由于在引擎室内引绕包括排气管、scr反应器及连接它们的连接配管的排气脱硝装置整体，因此导致设置空间体积大，因此有在特别狭窄的引擎室中难以配置的情况。为了缓和所述配置的困难性，考虑缩小连接配管的管径以减小容积，但在所述情况下，有导致排气脱硝装置整体的压力损失增加，对引擎的运行造成限制或故障之虞。
8.本技术所公开的技术为鉴于所述情况而成，其目的在于削减设置空间，而不产生排气脱硝装置整体的压力损失增加。
9.解决问题的技术手段
10.本技术的排气脱硝装置包括容器、混合室、前段侧反应室及后段侧反应室。所述容器为筒状。所述混合室为沿着与所述容器的轴心方向正交的方向将所述容器内划分为两部分后，其中一者自所述容器的所述轴心方向的一端侧延伸至所述轴心方向的中途而成。所述混合室供引擎的排气流入并与还原剂混合。所述前段侧反应室为所述划分为两部分中的另一者自所述容器的所述轴心方向的一端侧延伸至所述轴心方向的中途而成。所述前段侧反应室设有供自所述混合室流入的排气通过的催化剂。所述后段侧反应室形成于所述容器内的所述轴心方向的另一端侧，与所述轴心方向正交的截面面积形成得比所述前段侧反应室的与所述轴心方向正交的截面面积大。所述后段侧反应室设有供自所述前段侧反应室流入的排气通过的催化剂。
11.发明的效果
12.根据本技术的排气脱硝装置，能够削减设置空间，而不产生装置整体的压力损失增加。
附图说明
13.图1是表示设有实施方式的排气脱硝装置的船用柴油引擎的设备的概略结构的配管系统图。
14.图2是表示实施方式的排气脱硝装置的概略结构的图。
15.图3是图2中沿a-a线的剖面图。
16.图4是图2中沿b-b线的剖面图。
17.图5是表示实施方式的变形例的排气脱硝装置的概略结构的图。
18.图6是图5中沿c-c线的剖面图。
具体实施方式
19.以下，参照附图对本技术的实施方式进行说明。再者，以下的实施方式本质上为优选例示，并不意图限制本技术所公开的技术、其应用物、或者其用途的范围。
20.本实施方式的排气脱硝装置10例如设于四汽缸的二冲程船用柴油引擎(以下简称为引擎)的设备。排气脱硝装置10为使自引擎1排出的排气中的氮氧化物(以下称为“nox”)在脱硝催化剂下与还原剂进行脱硝反应而使其无害化的装置。
21.如图1所示，引擎1(船用柴油引擎)具有将各汽缸(cylinder)中产生的排气排出的四个排气端口1a。在排气端口1a连接有排气通路2，在排气通路2设有本实施方式的排气脱硝装置10。具体而言，在四个排气端口1a分别连接有构成排气通路2的一部分的上游侧通路3。
22.再者，引擎1的汽缸的数量及排气端口1a的数量并不限定于上述。
23.在排气脱硝装置10连接有四个上游侧通路3。也就是说，引擎1的排气端口1a与排气脱硝装置10经由四个上游侧通路3连接。又，在排气脱硝装置10连接有构成排气通路2的一部分的下游侧通路4。在下游侧通路4设有涡轮增压器5。
24.涡轮增压器5具有涡轮6及压缩机7。在涡轮6连接有上述下游侧通路4，在压缩机7连接有供气通路8。压缩机7通过下游侧通路4(排气通路2)的排气流入涡轮6而旋转驱动。压缩机7通过被旋转驱动，对自供气通路8供给的空气进行压缩。以此方式压缩的空气经由供气通路8供给于引擎1的四个供气端口(省略图示)。
25.〈排气脱硝装置〉
26.关于本实施方式的排气脱硝装置10的结构，也参照图2～图4详细地进行说明。排气脱硝装置10包括容器11、及设于容器11内的混合室20及反应室25。排气脱硝装置10为将使排气与还原剂混合的部分、及使与还原剂混合的排气脱硝的部分设于一个容器11内的装置。
27.如图2所示，容器11为耐压容器，形成为两端封闭的筒状。容器11例如设于引擎1上，以轴心x沿水平方向延伸的状态设置。也就是说，容器11形成为沿水平方向延伸的圆筒状。再者，容器11也可以轴心x沿铅直方向延伸的状态设置。
28.在容器11设有多个(本实施方式中为四个)流入部12、及一个排出部13。流入部12连接有上游侧通路3，且供引擎的排气流入容器11内(混合室20)。排出部13连接有下游侧通路4，且供容器11内(反应室25)的排气排出下游侧通路4。
29.混合室20为沿着与容器11的轴心x方向正交的方向(即，容器11的径向)将容器11
内划分为两部分后，其中一者自容器11的轴心x方向的一端侧(图2中为左侧的端部)延伸至轴心x方向的中途而成的空间。混合室20为供引擎的排气流入且与还原剂混合的空间。
30.反应室25具有互相连通的前段侧反应室26及后段侧反应室27。
31.前段侧反应室26为沿着与容器11的轴心x方向正交的方向(即，容器11的径向)将容器11内划分为两部分中的另一者自容器11的轴心x方向的一端侧(图2中为左侧的端部，以下也称为容器11的一端侧)延伸至轴心x方向的中途而成的空间。前段侧反应室26为设有供自混合室20流入的排气通过的催化剂28的空间。
32.后段侧反应室27为形成于容器11内的轴心x方向的另一端侧(图2中为右侧的端部，以下也称为容器11的另一端侧)的空间。后段侧反应室27的横截面(与轴心x方向正交的截面)的面积形成得比前段侧反应室26的横截面面积大。后段侧反应室27为设有供自前段侧反应室26流入的排气通过的催化剂29的空间。
33.具体而言，容器11的内部由间隔壁15、间隔壁16划分为混合室20及反应室25(前段侧反应室26、后段侧反应室27)。混合室20、前段侧反应室26及后段侧反应室27构成为供排气依次通过的排气通路。
34.间隔壁15为设于容器11内的径向中央，且沿轴心x延伸的板状者。间隔壁15自容器11的轴心x方向的一端侧延伸至轴心x方向的中途。
35.间隔壁15在与轴芯x方向正交的方向(容器11的径向)上将容器11的内部划分为混合室20及前段侧反应室26。更详细而言，间隔壁15上下划分容器11中的轴心x方向的一端侧至轴心x方向中途的内部。由间隔壁15划分的上侧空间成为混合室20，下侧空间成为前段侧反应室26。
36.间隔壁16为自延伸至轴心x方向中途的间隔壁15的端部(图2中为右侧的端部)朝向上方延伸的板状者。间隔壁16延伸至与容器11的内周面(容器11的圆筒部的内表面)相接。间隔壁16封闭混合室20的一端(上游端)。
37.以此方式划分的混合室20自容器11的一端侧沿着水平方向延伸形成。混合室20在图2中的右侧端部为上游端，在图2中的左侧端部为下游端。混合室20的下游端经由连通路22与前段侧反应室26连通。连通路22通过与容器11的一端侧的内表面隔开特定间隔地设置间隔壁15而形成。
38.四个流入部12位于混合室20。四个流入部12设于容器11的侧部，沿着轴心x方向依次排列。也就是说，流入部12沿着混合室20延伸的方向排列。在混合室20，自流入部12流入排气。
39.如图3所示，流入部12形成为管状，贯通容器11。流入部12形成为直径随着朝向内侧端而变大的圆锥形状。流入部12以内侧端的开口轴x1沿水平延伸的状态设置。
40.排气脱硝装置10包括设于混合室20的喷嘴21。喷嘴21向混合室20的排气中喷射还原剂及还原剂前体的至少一者。具体而言，喷嘴21设于混合室20中的上游端附近，朝向下游端侧喷射还原剂等。
41.喷嘴21具有如下作用，即，将在反应室25中进行脱硝反应所需的氨等还原剂供给于混合室20的排气中。然而，氨水要求慎重管理。因此，在本实施方式中，在经由供给管连接于喷嘴21的罐(省略图示)中，以水溶液的状态储藏作为还原剂前体的尿素。
42.而且，在本实施方式中，通过喷嘴21将尿素水喷射至混合室20的排气中，利用排气
的高温热使尿素水解并产生氨。也就是说，本实施方式的喷嘴21喷射作为还原剂前体的尿素的水溶液。如此，在混合室20中，排气与还原剂(氨)混合。
43.由间隔壁15划分的前段侧反应室26与混合室20同样地，自容器11的一端侧沿着水平方向延伸形成。前段侧反应室26在图2中的左侧端部为上游端，在图2中的右侧端部为下游端。前段侧反应室26的一端侧(上游端)经由连通路22与混合室20连通。
44.在前段侧反应室26设有单元化的多个催化剂28。多个催化剂28沿着前段侧反应室26延伸的方向依次配置。也就是说，多个催化剂28沿着轴心x方向隔开特定间隔地配置。催化剂28遍及前段侧反应室26的横截面的大致整体而设置(参照图3)。
45.催化剂28使用脱硝催化剂及水解催化剂的至少一者。也就是说，多个催化剂28可全部为脱硝催化剂，也可全部为水解催化剂，或者，也可将脱硝催化剂与水解催化剂混杂。在脱硝催化剂与水解催化剂混杂的情况下，在上游侧的催化剂28使用水解催化剂，在下游侧的催化剂28使用脱硝催化剂。
46.前段侧反应室26以如下方式构成，即，通过来自混合室20的排气通过脱硝催化剂，主要进行排气的脱硝反应。也就是说，在前段侧反应室26的脱硝催化剂下，排气中的nox与还原剂进行反应而被还原去除。
47.又，前段侧反应室26以如下方式构成，即，通过来自混合室20的排气通过水解催化剂，主要进行尿素(还原剂前体)的水解反应。也就是说，在前段侧反应室26的水解催化剂下，在混合室20及连通路22未得到水解的尿素被水解而成为氨(还原剂)。
48.后段侧反应室27形成于容器11的另一端侧。后段侧反应室27遍及容器11的横截面(与轴心x方向正交的截面)整体而形成。也就是说，后段侧反应室27的通路截面积大于前段侧反应室26的通路截面积。后段侧反应室27与前段侧反应室26的另一端侧(下游端)连通。
49.在后段侧反应室27设有单元化的催化剂29。如图4所示，所述催化剂29遍及后段侧反应室27的横截面的大致整体而设置。催化剂29使用脱硝催化剂。
50.排出部13位于后段侧反应室27。排出部13为设于容器11的另一端，且在后段侧反应室27开口的排出口。排出部13与轴心x同轴设置。
51.后段侧反应室27以如下方式构成，即，通过来自前段侧反应室26的排气通过脱硝催化剂，进行排气的脱硝反应，其后，排气自排出部13排出。也就是说，在后段侧反应室27中，排气中的nox与还原剂进行反应而被还原去除，并排出其后的排气。
52.又，前段侧反应室26的另一端侧(下游端)随着朝向后段侧反应室27而逐渐扩大。具体而言，间隔壁16随着自间隔壁15的端部朝向容器11的内周面，成为向容器11的另一端侧倾斜的倾斜壁。由此，将来自前段侧反应室26的排气引导至后段侧反应室27中的上部。也就是说，来自前段侧反应室26的排气全面地流入后段侧反应室27的通路整体(即，催化剂29的整体)。
53.作为脱硝催化剂，使用scr(selective catalytic reduction：选择催化还原)催化剂。scr催化剂使排气中的nox与还原剂选择性地进行还原反应。作为scr催化剂，例如可使用氧化铝、氧化锆、氧化钒等金属氧化物系催化剂或沸石系催化剂等所需的催化剂，也可将这些催化剂进行组合。
54.〈动作〉
55.对以上述方式构成的排气脱硝装置10的动作进行说明。在排气脱硝装置10中，自
引擎1的各排气端口1a排出的排气经由上游侧通路3及流入部12流入至(集合于)容器11内的混合室20。此时，由于流入部12形成为随着朝向内侧端而直径变大的圆锥形状，因此排气大范围流入混合室20中。
56.自流入部12流入混合室20的排气与自喷嘴21喷出的尿素水混合。而且，尿素水利用排气的高温热，如下述式(1)所示那样水解，产生作为还原剂的氨气(nh3)。
57.(nh2)2co+h2o
→
2nh3+co2····
式(1)
58.混合室20中产生的氨气与排气一起，自混合室20经由连通路22，依序通过前段侧反应室26及后段侧反应室27(参照图2所示的粗线箭头)。在前段侧反应室26及后段侧反应室27的脱硝催化剂下，排气中的nox与氨气进行反应而被还原去除。具体而言，排气中的nox与氨气之间进行如下述式(2)及式(3)所示的脱硝反应，nox分解为氮及水从而被无害化。
59.4nh3+4no+o2→
4n2+6h2o
····
式(2)
60.2nh3+no+no2→
2n2+3h2o
····
式(3)
61.再者，在前段侧反应室26设有水解催化剂的情况下，在所述水解催化剂下，如上述式(1)所示，尿素水被水解。
62.如此，在反应室25(前段侧反应室26及后段侧反应室27)中去除nox后的排气自排出部13排出至下游侧通路4，供给于涡轮6。
63.如上所述，在上述实施方式的排气脱硝装置10中，混合室20及反应室25(前段侧反应室26及后段侧反应室27)设于一个容器11内。因此，与通过连接配管连接排气管及scr反应器的以往的形态相比，可实现装置整体的小型化，可削减设置空间。
64.进而，上述实施方式的反应室25除具有前段侧反应室26以外，还具有后段侧反应室27，前段侧反应室26为沿着与容器11的轴心x方向正交的方向(容器11的径向)将容器11内划分为两部分后，其中一者自容器11的轴心x方向的一端侧延伸至轴心x方向的中途而成，后段侧反应室27在容器11内的轴心x方向的另一端侧的横截面大于前段侧反应室26。
65.根据上述结构，可设置排气的通路截面积大的后段侧反应室27作为反应室25的一部分。也就是说，可设置能够降低排气的压力损失的后段侧反应室27。因此，虽然在无法争取到那么大通路截面积的前段侧反应室26中压力损失增加，但是反应室25整体的压力损失可抑制为以往形态的同等以下。
66.如此，根据上述实施方式的排气脱硝装置10，装置整体可削减设置空间，而不会产生压力损失的增加。
67.又，在上述实施方式的排气脱硝装置10中，前段侧反应室26的另一端侧(下游端)随着朝向后段侧反应室27而逐渐扩大。
68.根据上述结构，前段侧反应室26的另一端侧与后段侧反应室27的下部连通，而可使来自前段侧反应室26的排气全面地流入后段侧反应室27整体(即，催化剂29整体)。因此，可有效地进行后段侧反应室27中的脱硝反应。
69.又，在上述实施方式的排气脱硝装置10中，前段侧反应室26的催化剂28沿着容器11的轴心x方向隔开特定间隔地配置有多个。
70.根据上述结构，在维护脱硝催化剂28时，容易沿着轴心x方向取出及安装脱硝催化剂28。
71.又，在上述实施方式的排气脱硝装置10中，后段侧反应室27的催化剂29设于容器
11中与轴心x方向正交的截面的大致整体。
72.根据上述结构，由于在后段侧反应室27中可争取催化剂29的量，因此相应地，可减少前段侧反应室26中的催化剂28的量。如此一来，在前段侧反应室26中，可降低因通过催化剂28而产生的压力损失。
73.(实施方式的变形例)
74.本变形例的排气脱硝装置10如图5及图6所示变更上述实施方式中的混合室及后段侧反应室的结构。此处，对与上述实施方式不同的点进行说明。
75.容器11的内部由间隔壁15、间隔壁17、间隔壁18划分为混合室20及反应室25(前段侧反应室26、后段侧反应室31)。
76.本变形例的混合室20在上述实施方式的混合室中追加预热空间20a。也就是说，预热空间20a形成为混合室20的一部分。预热空间20a为用于将下述后段侧反应室31的催化剂32进行预热的空间。
77.预热空间20a为自上述实施方式的混合室的上游端朝向容器11的另一端侧(即，后段侧反应室31侧)伸出的空间。预热空间20a位于后段侧反应室31的上部，沿着轴心x延伸。预热空间20a遍及后段侧反应室31的轴心x方向而形成。预热空间20a的横截面(与轴心x方向正交的截面)的面积小于上述实施方式的混合室的横截面面积。
78.本变形例的后段侧反应室31与上述实施方式同样地，形成于容器11内的轴心x方向的另一端侧(图5中为右侧的端部)，且横截面(与轴心x方向正交的截面)的面积大于前段侧反应室26的横截面面积。在后段侧反应室31，与上述实施方式同样地，设有作为单元化的脱硝催化剂的催化剂32。如图6所示，所述催化剂32遍及后段侧反应室31的横截面的大致整体而设置。
79.间隔壁15与上述实施方式相同。间隔壁17为自延伸至轴心x方向中途的间隔壁15的端部(图5中为右侧的端部)朝向上方延伸的板状者。间隔壁17延伸至容器11的内周面近前方，不与容器11的内周面相接。间隔壁17与上述实施方式同样地，随着自间隔壁15的端部朝向容器11的内周面，成为朝容器11的另一端侧(图5中为右侧的端部)倾斜的倾斜壁。
80.间隔壁18为自延伸至容器11的内周面近前方的间隔壁17的端部(图5中为上侧端部)朝向容器11的另一端侧延伸的板状者。间隔壁18沿着轴心x延伸。间隔壁18将容器11的内部在与轴芯x方向正交的方向(容器11的径向)上划分为预热空间20a及后段侧反应室31。
81.在以此方式划分的后段侧反应室31中，例如在引擎1开始运行时，利用流入至预热空间20a的排气的高温热对催化剂32进行预热。也就是说，催化剂32由于经由间隔壁18与预热空间20a相接，因此通过预热空间20a的排气的高温热而被有效地加热。因此，可迅速将催化剂32升温至最适合脱硝反应的温度。由此，在开始运行时，可促进后段侧反应室31中的脱硝反应。
82.(其他实施方式)
83.再者，本技术所公开的技术在上述实施方式及其变形例中可设为如下结构。
84.例如，在上述实施方式及变形例中，可颠倒混合室20与前段侧反应室26的位置。也就是说，可将上下划分容器11内的上侧空间设为前段侧反应室26，可将下侧空间设为混合室20。
85.又，在上述实施方式及变形例中，上下划分容器11内而形成混合室20及前段侧反
应室26，但本技术所公开的技术并不限定于此，例如，也可沿轴心x方向观察，左右划分容器11内而形成混合室20及前段侧反应室26。
86.又，在上述实施方式及变形例中，可将用于促进还原剂前体(尿素水)水解的水解催化剂设于混合室20或连通路22。通过此种方式，还原剂前体(尿素水)在流入至前段侧反应室26之前可充分产生还原剂(氨气)。由此，可促进反应室25(前段侧反应室26及后段侧反应室27、后段侧反应室31)中的脱硝反应。
87.又，在上述实施方式及变形例中，对自喷嘴21喷射尿素水作为还原剂前体的结构进行了说明，但本技术所公开的技术并不限定于此，例如，可使用高浓度尿素与低浓度氨气的混合水溶液作为还原剂前体。
88.又，在上述实施方式及变形例中，流入部12并不限定于上述数量，可为一个、或除四个以外的多个。
89.又，在上述实施方式及变形例中，喷嘴向混合室20的排气中喷射还原剂等，但本技术所公开的技术并不限定于此，也可设为喷嘴向流入至容器11内(混合室20)前的排气中喷射还原剂等的结构。
90.又，在上述实施方式的变形例中，容器11除圆筒状以外，例如可形成为角形或椭圆形筒状，或者可形成为将它们组合而成的截面形状的筒状。
91.又，在上述实施方式及变形例中，可在容器11内设置用于使排气全面地通过催化剂28、催化剂29、催化剂32整体的整流板。整流板例如设于连通路22、前段侧反应室26的上游端、前段侧反应室26与后段侧反应室27、后段侧反应室31之间。
92.又，在上述实施方式中，对将排气脱硝装置10应用于船用柴油引擎的结构进行了说明，但本技术的排气脱硝装置并不限定于此，也可应用于其他引擎。
93.产业上的可利用性
94.如上所述，本技术所公开的技术对排气脱硝装置有用。
95.符号的说明
96.1：船用柴油引擎
97.10：排气脱硝装置
98.11：容器
99.20：混合室
100.26：前段侧反应室(反应室)
101.27：后段侧反应室(反应室)
102.28：催化剂
103.29：催化剂
104.31：后段侧反应室(反应室)
105.32：催化剂
106.x：轴心