JP2006029233A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 排気の浄化効率を向上させる。
【解決手段】 エンジン１の排気管２に配設され、尿素水溶液により排気中の窒素酸化物を還元浄化するＮＯｘ還元触媒４と、ＮＯｘ還元触媒４の排気上流側に尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル５と、噴射ノズル５における尿素水溶液の噴射位置の排気上流に配設され、排気に、排気管２ａの軸心を中心としてらせん状に旋回する旋回流を発生させるフィンを備えたプレート１０と、を含んでエンジンの排気浄化装置が構成される。これにより、尿素水溶液が噴射供給される前の排気にあらかじめ旋回流が発生するので、尿素水溶液と排気との混合が促進される。従って、尿素水溶液の加水分解が促進されるとともに、排気と尿素水溶液から生成されたアンモニアとが略均一に混合されるので、アンモニアが略均一に混合された排気をＮＯｘ還元触媒４に流入させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、還元剤を用いて、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去するエンジンの排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）に関し、特に、排気の浄化効率を向上させる技術に関する。
エンジンの排気に含まれるＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、特開２００１−２０７２４号公報（特許文献１）に開示された排気浄化装置が提案されている。
かかる排気浄化装置は、エンジンの排気通路にＮＯｘ還元触媒を配設し、ＮＯｘ還元触媒の排気上流に設けた噴射ノズルから尿素水溶液等の還元剤を噴射することにより、排気と還元剤とを混合させる。そして、ＮＯｘ還元触媒にて排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させ、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。
特開２００１−２０７２４号公報
しかしながら、このような排気浄化装置では、ＮＯｘ還元触媒の排気上流に還元剤を噴射したときに、還元剤と排気との混合が不十分となる恐れがある。そして、このように還元剤と排気との混合が不十分であると、還元剤がＮＯｘ還元触媒に偏って流入してしまうので、排気の浄化効率が低下する恐れがあった。
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、噴射ノズルにおける還元剤の噴射位置の排気上流に、排気通路の軸心を中心としてらせん状に旋回する旋回流を排気に発生させるフィンを設けることにより、噴射ノズルから噴射された還元剤と排気とを略均一に混合させ、ＮＯｘ還元触媒における排気の浄化効率を向上させることを目的とする。
このため、請求項１記載の発明は、エンジンの排気通路に配設され、還元剤により排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、前記還元触媒の排気上流側に還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、前記噴射ノズルにおける還元剤の噴射位置の排気上流に配設され、排気に、前記排気通路の軸心を中心としてらせん状に旋回する旋回流を発生させる旋回流発生手段と、を含んでエンジンの排気浄化装置が構成されることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、前記旋回流発生手段は、排気の流通方向に対し所定の角度をもって延びるように前記排気通路に複数備えられた薄板状のフィンであることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記フィンは、前記排気通路の断面と略同一形状の薄板に切れ目を入れて引き起こすことにより形成されることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、前記フィンは、前記排気通路の略軸心を排気下流側に向けて延びる前記噴射ノズルの外周面及び前記排気通路の内周面の少なくとも一方に設けられることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、前記排気通路は、前記噴射ノズルの排気上流で分割可能であって、前記フィンは、前記排気通路の分割箇所を互いに接続するフランジに介装されるガスケットに切れ目を入れて引き起こすことにより形成されることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、前記還元触媒は、その排気上流側の前記排気通路の断面より大径に形成され、前記排気通路は、前記還元触媒への排気流入部において、排気下流側に向けてベルマウス状に拡径することを特徴とする。
請求項７記載の発明は、前記還元触媒は、その排気上流側の前記排気通路の断面より大径に形成され、前記排気通路は、少なくとも前記噴射ノズルと前記還元触媒との間の一部が、排気下流側に向けて略テーパ状に拡径することを特徴とする。
請求項１記載の発明によれば、旋回流発生手段によって、エンジンの排気に、排気通路の軸心を中心としてらせん状に旋回する旋回流が発生する。そして、この旋回流が発生している排気に噴射ノズルから還元剤が噴射供給されるので、還元剤と排気との混合が促進される。これにより、還元剤が略均一に混合された排気が還元触媒に流入するので、還元触媒における排気の浄化効率を向上できる。
また、旋回流発生手段は、噴射ノズルにおける還元剤の噴射位置の排気上流に設けられるので、旋回流発生手段に噴射ノズルから噴射供給された還元剤が付着することがない。これにより、旋回流発生手段に還元剤の成分が析出することがない。
請求項２記載の発明によれば、排気がフィンを沿うように通過することにより、排気の流通方向が変更され、排気に旋回流を発生させることができる。
請求項３〜５のいずれか１つに記載の発明によれば、フィンを容易に形成することができる。特に請求項５に記載の発明によれば、ガスケットを変更するだけで、容易に排気に旋回流を発生させることができる。
請求項６記載の発明によれば、排気上流側の排気通路の断面より大径に形成された還元触媒に、旋回流が発生している排気が、ベルマウス状に拡径された排気通路の内周面に沿って拡散しつつ流入する。これにより、排気が急激に拡散し、還元触媒に略均一に流入するので、還元触媒における排気の浄化効率を向上できる。
請求項７記載の発明によれば、旋回流が発生している排気は、少なくとも噴射ノズルと還元触媒との間の一部で略テーパ状に拡径した排気通路を通過するときに、排気通路の内周面に沿って旋回しつつ排気通路の半径外方に向かって拡散する。これにより、排気は、排気通路内で充分に拡散し、還元触媒に略均一に流入するので、還元触媒における排気の浄化効率を向上できる。
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明の排気浄化装置の構成図である。
エンジン１の排気通路である排気管２には、排気上流より順番に、排気中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒３と、ＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒４と、が夫々配設されている。また、酸化触媒３とＮＯｘ還元触媒４との間の排気管２ａには、還元剤としての尿素水溶液を排気管２ａ内に噴射供給する噴射ノズル５が配設されている。噴射ノズル５には、エンジン運転状態に応じて、尿素水溶液が供給される。なお、本実施形態では、還元剤として尿素水溶液を用いるが、アンモニア水溶液，炭化水素を主成分とする軽油などを用いてもよい。
ＮＯｘ還元触媒４は、排気管２ａより大径に形成された略円筒状のケース６内に、例えばゼオライト系の活性成分を担持した触媒担体７が内蔵されている。触媒担体７は、ケース６の排気上流側端部６ａと第１の所定間隔Ｌ１を隔てて配設される。従って、ケース６の内部には、触媒担体７の排気上流側に空間８が形成される。ケース６の排気上流側端部６ａの略中心には、排気流入部としての端部２ｂが開口した排気管２ａが挿入される。排気管２ａは、端部２ｂが触媒担体７と第２の所定間隔Ｌ２を隔てるように配置されるとともに、端部２ｂ近傍が固定板９によりケース６に固定される。更に、端部２ｂは、その内周面が空間８内で排気下流側に向かってベルマウス状に拡径する。なお、第２の所定間隔Ｌ２は、エンジン１の仕様、排気管２ａの内径、ケース６の内径等に基づいて適宜定められる。第１の所定間隔Ｌ１は、ベルマウス状に形成された端部２ｂがケース６内に配置されるように、第２の所定間隔Ｌ２より若干広くすればよい。
排気管２ａには、噴射ノズル５の排気上流側に、排気管２ａの軸心を中心としてらせん状に旋回する旋回流を排気に発生させるプレート１０が設けられる。図２に示すように、プレート１０には、排気管２ａの断面と略同一形状の薄板に切れ目を入れて引き起こすことにより、排気の流通方向に対し所定の角度をもって延びる旋回流発生手段としてのフィン１１が複数形成されている。フィン１１の枚数や角度等は、エンジン１の仕様、排気管２ａの内径、ケース６の内径等に基づいて適宜定められる。
以上のような構成によれば、エンジン１の排気は、フィン１１を通過し、排気管２ａの軸心を中心としてらせん状に旋回する旋回流を発生する。そして、この旋回流が発生している排気に、噴射ノズル５からエンジン１の運転状態に見合った量の尿素水溶液が噴射供給される。噴射ノズル５から噴射された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解されてアンモニアを生成する。このアンモニアと排気とは混合しつつＮＯｘ還元触媒４に流入する。そして、ＮＯｘ還元触媒４において、アンモニアと排気中のＮＯｘとが反応することにより、排気中のＮＯｘが水及び無害なガスに浄化される。
このとき、エンジン１の排気が酸化触媒３を通過することにより、排気中の一酸化窒素が二酸化窒素に酸化する。これにより、排気中の一酸化窒素の割合が減少して、排気中の一酸化窒素と二酸化窒素との比率が、ＮＯｘ還元触媒４において浄化するのに最適な比率に近付くので、ＮＯｘ還元触媒４における排気の浄化効率が向上する。
また、プレート１０によって排気に旋回流が発生し、この旋回流が発生している排気に尿素水溶液が噴射供給されるので、尿素水溶液と排気との混合が促進される。これにより、尿素水溶液の加水分解が促進されるとともに、排気と尿素水溶液から生成されたアンモニアとが略均一に混合される。更に、排気管２ａの端部２ｂがベルマウス状に拡径するので、旋回流が発生している排気は、ベルマウス状の排気管２ａの内周面に沿って拡散しつつ端部２ｂから空間８内に流入し、空間８内で急激に拡散する。これにより、アンモニアが略均一に混合された排気がＮＯｘ還元触媒４の触媒担体７に略均一に流入するので、ＮＯｘ還元触媒４における排気の浄化効率を向上できる。
また、プレート１０は、噴射ノズル５の排気上流に設けられるので、プレート１０に噴射ノズル５から噴射供給された尿素水溶液が付着することがない。これにより、プレート１０に尿素水溶液の成分である尿素が析出することがない。
図３は、端部２ｂがベルマウス状に形成されているものを前提とし、排気管２ａ内及び空間８内での排気の流れをシミュレーションした図である。同図（ａ）は、噴射ノズル５の排気上流にプレート１０が設けられていないときの排気の流れを示し、同図（ｂ）は、噴射ノズル５の排気上流にプレート１０が設けられたときの排気の流れを示す。これにより、端部２ｂがベルマウス状に形成されているものを前提とし、プレート１０を設けたときには、排気が空間８内でより拡散し、触媒担体７に略均一に流入することが判明できる。
なお、プレート１０を設ける代わりに、図４に示すように、排気管２ａの略軸心を排気下流側に向けて延びる噴射ノズル５の外周面であって、尿素水溶液を噴射する噴孔５ａの排気上流に、排気の流通方向に対し所定の角度をもって延びる複数のフィン１２を、旋回流発生手段として設けてもよい。また、図５に示すように、噴孔５ａの排気上流であって排気管２ａの内周面に、排気の流通方向に対し所定の角度をもって延びる複数のフィン１３を、旋回流発生手段として設けてもよい。これにより、プレート１０と同様に、尿素水溶液が噴射供給される前に排気にあらかじめ旋回流を発生させるので、同様の効果を発揮することができる。また、排気管２ａの略軸心を排気下流側に向けて延びる噴射ノズル５の外周面にフィン１２を設けるとともに、排気管２ａの内周面にフィン１３を設けることにより、より強い旋回流を発生させ、尿素水溶液と排気との混合をより促進させることができる。
図６に示すように、排気管２ａを、プレート１０とＮＯｘ還元触媒４との間に亘って、排気下流側に向けてＮＯｘ還元触媒４と略同径となるまで略テーパ状に拡径させてもよい。旋回流を発生している排気は、テーパ状に拡径された排気管２ａを通過するときに、排気管２ａ内の内周面に沿って旋回しつつ排気管２ａの半径外方に向かって拡散する。これにより、排気は、排気管２ａ内で充分に拡散し、触媒担体７に略均一に流入されるので、ＮＯｘ還元触媒４における排気の浄化効率を向上できる。このとき、排気管２ａを、少なくとも噴射ノズル５とＮＯｘ還元触媒４との間の一部で、排気下流側に向けて略テーパ状に拡径すれば、同様の効果を発揮できる。また、このように、排気管２ａを、少なくとも噴射ノズル５とＮＯｘ還元触媒４との間の一部で略テーパ状に拡径させるとともに、プレート１０の代わりにフィン１２及びフィン１３の少なくとも一方を設けても、同様の効果を発揮することができる。
また、図７に示すように、酸化触媒３と噴射ノズル５との間の排気管２ａが分割可能であるとともに、この分割された排気管２ａがフランジ２０によって互いに接続される構成であるときには、フランジ２０に介装されるガスケット２１にフィン１１を形成するとよい。このとき、例えば図８に示すように、ガスケット２１を成形する際に排気通路として打ち抜かれる中心の円板部分を活用して、ガスケット２１に切れ目を入れて引き起こし、排気の流通方向に対し所定の角度をもって延びるフィン１１を複数形成する。これにより、プレート１０と同様に、尿素水溶液が噴射供給される前に排気にあらかじめ旋回流が発生する。従って、このように酸化触媒３と噴射ノズル５との間で分割された排気管２ａがフランジ２０によって互いに接続される構成であるときには、ガスケット２１を変更するだけで、他の部品を変更することなく、容易にプレート１０と同様の効果を発揮することができる。
本発明の排気浄化装置の実施形態の構成図 同上のプレートの構造を示す斜視図 同上における排気管及び空間での排気の流れを示し、（ａ）は、プレートを設けていないときの参考図、（ｂ）は、プレートを設けたときの参考図 本発明の排気浄化装置の他の実施形態におけるフィンの形状を示す構造図 同上の他の実施形態におけるフィンの形状を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図 同上の他の実施形態における排気管の形状を示す構造図 本発明の排気浄化装置の他の実施形態の構成図 同上におけるガスケットの形状を示す斜視図
符号の説明
１ エンジン
２、２ａ 排気管
２ｂ 端部
４ ＮＯｘ還元触媒
５ 噴射ノズル
５ａ 噴孔
１０ プレート
１１、１２、１３ フィン
２０ フランジ
２１ ガスケット

Claims (7)

  1. エンジンの排気通路に配設され、還元剤により排気中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
    前記還元触媒の排気上流側に還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、
    前記噴射ノズルにおける還元剤の噴射位置の排気上流に配設され、排気に、前記排気通路の軸心を中心としてらせん状に旋回する旋回流を発生させる旋回流発生手段と、
    を含んで構成されることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
  2. 前記旋回流発生手段は、排気の流通方向に対し所定の角度をもって延びるように前記排気通路に複数備えられた薄板状のフィンであることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
  3. 前記フィンは、前記排気通路の断面と略同一形状の薄板に切れ目を入れて引き起こすことにより形成されることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
  4. 前記フィンは、前記排気通路の略軸心を排気下流側に向けて延びる前記噴射ノズルの外周面及び前記排気通路の内周面の少なくとも一方に設けられることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
  5. 前記排気通路は、前記噴射ノズルの排気上流で分割可能であって、
    前記フィンは、前記排気通路の分割箇所を互いに接続するフランジに介装されるガスケットに切れ目を入れて引き起こすことにより形成されることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
  6. 前記還元触媒は、その排気上流側の前記排気通路の断面より大径に形成され、
    前記排気通路は、前記還元触媒への排気流入部において、排気下流側に向けてベルマウス状に拡径することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
  7. 前記還元触媒は、その排気上流側の前記排気通路の断面より大径に形成され、
    前記排気通路は、少なくとも前記噴射ノズルと前記還元触媒との間の一部が、排気下流側に向けて略テーパ状に拡径することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置。
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