JP2006070710A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気の浄化効率を向上すると共に排気抵抗を低減しようとするエンジンの排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 エンジン１の排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒４と、前記排気系の排気管２内にて前記還元触媒４の排気上流側に前記還元剤を供給する噴射ノズル１２とを備えたエンジンの排気浄化装置であって、前記噴射ノズル１２の排気上流側に前記排気管２を横断して配設され、中央部には排気管２を通る排気に対して旋回流を発生させるフィン８を備え、該フィン８の周辺領域に散点状に形成され排気を流出させる排気穴を備えた隔板６と、前記排気管２の一部を構成し、前記フィン８を内部に包含して前記隔板６に接合され、前記フィン８近傍の側面に前記隔板６の排気穴から流出した排気を導入する排気導入穴を形成した配管２ａとを備えたものである。
【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に関し、詳しくは、排気通路内に旋回流発生手段を設けて排気に旋回流を発生させ、同時に旋回流発生手段の周辺の排気穴から流出した排気を旋回流発生手段近傍に導入することによって、排気の浄化効率を向上すると共に排気抵抗を低減しようとするエンジンの排気浄化装置に係るものである。

従来の排気浄化装置は、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側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、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てＮＯｘを無害成分に浄化処理するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２０７２４号公報

しかし、このような従来の排気浄化装置においては、ＮＯｘ還元触媒の排気上流側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虞がある。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虞があった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、排気の浄化効率を向上すると共に排気抵抗を低減しようとするエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるエンジンの排気浄化装置は、エンジンの排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、前記排気系の排気通路内にて前記還元触媒の排気上流側に前記還元剤を供給する噴射ノズルとを備えたエンジンの排気浄化装置であって、前記噴射ノズルの排気上流側に前記排気通路を横断して配設され、中央部には排気通路を通る排気に対して旋回流を発生させる旋回流発生手段を備え、該旋回流発生手段の周辺領域に散点状に形成され排気を流出させる排気穴を備えた隔板と、前記排気通路の一部を構成し、前記旋回流発生手段を内部に包含して前記隔板に接合され、前記旋回流発生手段近傍の側面に前記隔板の排気穴から流出した排気を導入する排気導入穴を形成した配管とを備えたものである。

このような構成により、噴射ノズルの排気上流側に排気通路を横断して配設された隔板の中央部に旋回流発生手段を備えて排気に対して旋回流を発生させ、隔板の旋回流発生手段の周辺領域に散点状に形成された排気穴から排気の一部を流出させ、該流出した排気を排気通路の一部を構成する配管の側面に形成した排気導入穴から旋回流発生手段近傍に導入し、噴射ノズルから還元剤を排気通路に供給し、還元剤で排気中の窒素酸化物を還元浄化する。これにより、旋回流で還元剤と排気との混交を促進し、排気の浄化効率を向上すると共に旋回流を維持しつつ排気抵抗を低減する。

また前記旋回流発生手段は、前記隔板の中央部に対して放射状に延びる辺を折れ線とする複数の切れ目を入れ、その外端部を排気下流に向かって所定の角度をなして折り曲げ、排気に旋回流を発生させるように形成された複数のフィンからなるものである。これにより、前記隔板の中央部に対して放射状に延びる辺を折れ線とする複数の切れ目を入れ、その外端部を排気下流に向かって所定の角度をなして折り曲げて複数のフィンを形成し、該複数のフィンで排気に旋回流を発生させる。

そして、前記排気導入穴は、その排気上流側縁部が前記旋回流発生手段のフィンの先端部よりも排気上流側に位置するように形成されたものである。これにより、排気導入穴で旋回流発生手段のフィンの先端部よりも排気上流側に排気を導入する。

請求項１に係る発明によれば、噴射ノズルの排気上流側に排気通路を横断して配設された隔板の中央部に旋回流発生手段を形成して排気に旋回流を発生させ、隔板の旋回流発生手段の周辺領域に散点状に排気排気穴を設けると共に排気通路の一部を構成する配管の側面に排気導入穴を形成して排気の一部を上記排気穴及び排気導入穴を通して上記旋回流発生手段近傍に導入するようにしたことにより、上記排気の旋回流により噴射ノズルから噴射供給される還元剤と排気との混交を促進して排気の浄化効率を向上し、排気が旋回流発生手段に集中するのを抑制して排気抵抗を低減することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、隔板に、その中央部に対して放射状に延びる辺を折れ線とする切れ目を入れ、その外端部を排気下流に向かって所定の角度をなして折り曲げて複数のフィンを形成したことにより、簡単な構成で排気に旋回流を発生させることができる。

そして、請求項３に係る発明によれば、排気導入穴を、その排気上流側縁部が旋回流発生手段のフィンの先端部よりも排気上流側に位置するように形成したことにより、排気の旋回流を維持することができる。したがって、還元剤と排気との混交をより促進し、排気の浄化効率をより向上することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明によるエンジンの排気浄化装置の実施形態を示す概略構成図である。この排気浄化装置は、還元剤を用いて、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去するものである。ガソリンあるいは軽油を燃料とするエンジン１の排気は、排気通路としての排気管２を経由して大気中に排出される。詳細には、上記排気管２には排気上流側から順に一酸化窒素（ＮＯ）の酸化触媒３、還元触媒４としてのＮＯｘ還元触媒４が配設されている。

上記酸化触媒３は、排気管２内を通る排気中のＮＯを酸化反応により酸化してＮＯ₂を生成するもので、例えばセラミックのコーディライトやステンレス鋼等の耐熱性、耐蝕性に優れた材料から成りハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、アルミナ等の多孔性部材の表面に白金等の貴金属を担持したハニカム型触媒が付設されている。そして、上記酸化触媒３は、排気管２より大径に形成された略円筒状のケース５内に納められて、上記排気管２内を通る排気が触媒シェル内の触媒と接触しながら流れることにより、排気中のＮＯを酸化反応（燃焼）してＮＯ₂に変えて下流側のＮＯｘ還元触媒４におけるＮＯｘの除去率を向上するようになっている。なお、上記ＮＯの酸化反応と同時に、排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等も酸化反応により低減される。

また、上記ケース５内には、その排気下流側に外形がケースの内径と略等しい円形状の隔板６が上記ケース５を横断して装着されており、後述のＮＯｘ還元触媒４を納めたケース７と連結する排気管２の一部を構成する配管２ａを接続して両ケース５，７内の空間５ａ，７ａを連通し、排気の通路を確保している。この隔板６には、図２に示すように、中央部に配管２ａの軸心を中心として排気に対してらせん状の旋回流を発生させる旋回流発生手段としてのフィン８が複数（図２においては、四つで示す）形成されており、フィン８の周辺領域に散点状に排気穴９が形成されている。なお、上記フィン８は、図２に示すように、上記隔板６の中央部に対して直交方向に延びる辺８ａを折れ線とする略鉤状の切れ目８ｂを入れ、図３に示すように、その外端部８ｃを排気下流（同図において、矢印Ａで示す）に向かって所定の角度をなして折り曲げることにより略プロペラ型に形成され、排気に旋回流を発生させるようになっている。このフィン８の数や角度は、エンジン１の仕様、配管２ａの内径又はケース５の内径等に基づいて適宜定められる。

さらに、上記配管２ａの側面には、図３に示すように上記フィン８の先端８ｄ近傍に排気導入穴１０を形成して、隔板６の排気穴９から流出した排気を上記排気導入穴１０を通して配管２ａ内にて上記フィン８の先端８ｄ近傍に導入できるようになっている。この排気導入穴１０は、図４（ａ）に示すように、その排気上流側縁部１０ａが上記フィン８の先端８ｄよりも排気上流側に位置するように形成するのがよい。

上記酸化触媒３のケース５と配管２ａで連結されたケース７内には、ＮＯｘ還元触媒４が納められている。このＮＯｘ還元触媒４は、排気管２内を通る排気中のＮＯｘを還元剤により還元浄化するもので、例えばセラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼から成るハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、ゼオライト系の活性成分が担持されている。そして、上記ＮＯｘ還元触媒４は、触媒担体に担持された活性成分が還元剤の供給を受けて活性化し、排気中のＮＯｘを効果的に無害物質に浄化させるようになっている。なお、上記ケース７は、排気管２より大径に形成された略円筒状を有したものである。

また、上記ケース７内には、ＮＯｘ還元触媒４の排気上流側に外形がケース７の内径と略等しい円形状の固定板１１が上記ケース７を横断して備えられており、中央部に開口部を形成して該開口部に上記ケース５と連通する配管２ａを固定している。そして、該配管２ａの端部２ｂを排気下流側（矢印Ａ方向）に向かってベルマウス状に拡径させている。

なお、上記ＮＯｘ還元触媒４の後段には、図示省略のアンモニアスリップ用酸化触媒が配設されており、ＮＯｘ還元触媒４で処理できなかったアンモニアを酸化処理して無臭化して排出するようになっている。

また、上記配管２ａの内部にてＮＯｘ還元触媒４の上流側には、噴射ノズル１２が配設されており、図示省略の還元剤供給装置から噴射ノズル１２を介して還元剤が圧力エアと共に配管２ａ内に噴射供給されるようになっている。ここで、噴射ノズル１２は、その先端部が排気の流通方向（矢印Ａ方向）と略平行に下流側に向けて延びるものとしたが、配管２ａ内にて排気の流通方向と略直角に突き出ているものとしてもよい。

上記噴射ノズル１２で噴射供給された還元剤、例えば尿素水溶液（尿素水）は、配管２ａ内の排気熱と排気中の水蒸気により加水分解してアンモニアを容易に発生する。得られたアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒４において排気中のＮＯｘと反応し、水及び無害なガスに浄化される。なお、使用する還元剤は尿素水に限られず、例えばアンモニア水溶液等であってもよい。

次に、このように構成されたエンジンの排気浄化装置の動作について説明する。
エンジン１の始動により排出される排気は、排気管２を通って酸化触媒３に流入し、この酸化触媒３により、排気中のＮＯが酸化反応により酸化されてＮＯ₂となる。このＮＯ₂を含む排気は、ケース５内に配設した隔板６のフィン８により旋回されて、旋回流となって配管２ａ内を矢印Ａ方向に流れる。

同時に、噴射ノズル１２から尿素水が配管２ａ内に矢印Ａ方向に向かって噴射される。噴射ノズル１２から噴射された尿素水は、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。

この場合、排気の旋回流に尿素水が噴射供給されるため、尿素水と排気の混合が促進される。これにより、尿素水の加水分解が促進されると共に、排気と尿素水とから生成されたアンモニアとが略均一に混交される。さらに、配管２ａの端部２ｂがベルマウス状に拡径しているので、旋回流の排気は、ベルマウス状に拡径する配管２ａの端部２ｂの内壁に沿って拡散しつつ端部２ｂから、ケース７内のＮＯｘ還元触媒４の排気上流側空間７ａ内に急激に拡散する。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に略均一に流入することになり、ＮＯｘ還元触媒４における排気の浄化作用がより促進される。

また、上記酸化触媒３を流出した排気の一部は、図３に示す隔板６に形成された排気穴９から該隔板６と上記ケース５の側面５ｂとに囲まれた空間５ｃに流入し、さらに、配管２ａの側面に形成した排気導入穴１０からフィン８の先端８ｄ近傍の配管２ａ内に導入される。これにより、排気は、上記フィン８の部分に集中せず、その一部が上記排気穴９から分散して流出し、排気導入穴１０から配管２ａ内に流入するので排気抵抗が低減される。

この場合、図４（ａ）に示すように、排気導入穴１０の排気上流側の縁部１０ａがフィン８の先端８ｄよりも排気上流側に位置するように形成されているので、フィン８によって発生した排気の旋回流は上記排気導入穴１０から導入される排気によって殆ど乱されることがない。図５（ａ）は、図４（ａ）の実施例であり、フィン８の先端８ｄと排気導入穴１０の排気上流側縁部１０ａとの間隔Δａを-2.5mmとしたときのものである。これによれば、排気の旋回流が維持され、噴射ノズル１２から噴射される尿素水は広く拡散してＮＯｘ還元触媒４に略均一に流入している。一方、図４（ｂ）に示すように、排気導入穴１０の排気上流側の縁部１０ａがフィン８の先端８ｄよりもΔｂだけ排気下流側に位置するように形成した場合には、図５（ｂ）に示すように排気の旋回流が排気導入穴１０から導入される排気によって抑えられ、噴射ノズル１２から噴射される尿素水の拡散が抑制される。なお、図５（ｂ）は、参考例であり、上記Δｂを+13.2mmとしたときのものである。このように、排気導入穴１０の排気上流側の縁部１０ａをフィン８の先端８ｄよりも排気上流側に位置させれば、排気の旋回流が維持される。

このように、本発明のエンジンの排気浄化装置によれば、酸化触媒３のケース５を横断して配設した隔板６の中央部にフィン８を形成して排気に旋回流を発生させ、隔板６のフィン８の周辺領域に散点状に排気穴９を設けると共にフィン８を内部に包含して隔板６に接合された配管２ａの側面に排気導入穴１０を形成し、排気の一部を上記排気穴９及び排気導入穴１０を通して上記フィン８の先端８ｄ近傍に導入するようにしたことにより、上記フィン８により発生する排気の旋回流を維持しつつ排気抵抗を低減することができる。したがって、噴射ノズル１２から噴射される尿素水と排気との混交を促進すると共に尿素水の拡散を促進してＮＯｘ還元触媒４に略均一に流入させることができ、排気の浄化効率を向上することができる。

本発明によるエンジンの排気浄化装置の実施形態を示す概略構成図である。 上記実施形態に適用される隔板の構成例を示す平面図である。 上記実施形態の酸化触媒を納めるケース部分を拡大して示す断面図である。 上記実施形態のフィン先端と排気導入穴の排気上流側縁部との位置関係を示す説明図である。 図４の各位置関係について、噴射ノズルから噴射される尿素水の拡散状態との関係を示す説明図で、（ａ）は実施例であり、（ｂ）は参考例である。

符号の説明

１…エンジン
２…排気管（排気通路）
２ａ…配管
４…ＮＯｘ還元触媒（還元触媒）
６…隔板
８…フィン（旋回流発生手段）
８ｄ…先端
９…排気穴
１０…排気導入穴
１０ａ…排気上流側縁部
１２…噴射ノズル

Claims (3)

1. エンジンの排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、前記排気系の排気通路内にて前記還元触媒の排気上流側に前記還元剤を供給する噴射ノズルとを備えたエンジンの排気浄化装置であって、
   前記噴射ノズルの排気上流側に前記排気通路を横断して配設され、中央部には排気通路を通る排気に対して旋回流を発生させる旋回流発生手段を備え、該旋回流発生手段の周辺領域に散点状に形成され排気を流出させる排気穴を備えた隔板と、
   前記排気通路の一部を構成し、前記旋回流発生手段を内部に包含して前記隔板に接合され、前記旋回流発生手段近傍の側面に前記隔板の排気穴から流出した排気を導入する排気導入穴を形成した配管と、
   を備えた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、前記隔板の中央部に対して放射状に延びる辺を折れ線とする複数の切れ目を入れ、その外端部を排気下流に向かって所定の角度をなして折り曲げ、排気に旋回流を発生させるように形成された複数のフィンからなることを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記排気導入穴は、その排気上流側縁部が前記旋回流発生手段のフィンの先端部よりも排気上流側に位置するように形成されたことを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。

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