JP2006207395A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス中のＮＯｘの浄化のために還元剤添加弁から燃料成分の噴霧を噴射する場合、ＮＯｘと噴霧とが十分に反応しなかった。
【解決手段】排気ガス浄化装置は、内燃機関から延び排気ガスを排出する排気管３５と、排気管の途中に配置されＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒６０と、ＮＯｘ浄化触媒の近傍で排ガス中に燃料成分の噴霧を噴射する添加弁５０と、排気管中に配置され添加弁から噴射される噴霧を微粒化する微粒化部材５５とを備えている。ＮＯｘ浄化触媒に加えて微粒化部材を設け、しかも微粒化が促進されるので、噴霧によるＮＯｘの浄化がより確実に行える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化する排気ガス浄化装置に関する。

近年、車両のエンジンから排出される排気ガス中に含まれ大気を汚染する物質が問題になっており、その一つに窒素酸化物（ＮＯｘ）がある。大気汚染物質を浄化すべく、排気管に浄化触媒を設ける場合があり、その一つに三元触媒がある。但し、希薄燃焼（リーンバーン）を行うディーゼルエンジンでは排気ガスは酸素過剰雰囲気にあり、燃料成分（ＨＣ）と酸素とが反応（燃焼）し易いため、三元触媒によるＮＯｘの十分な浄化は困難である。そこで、三元触媒の近傍に設けた還元剤添加弁から燃料（軽油）を噴射する技術が開発されている（特許文献１参照）。排気ガス中をリッチとすることで還元剤添加弁から噴射される燃料成分が還元剤として作用し、ＮＯｘを還元して窒素にする。
特開２００１−７３７４４号公報

しかし、上記従来例のように還元剤添加弁から排気ガス中に燃料成分の噴霧を噴射するのみでは、噴霧とＮＯｘとが十分に反応するとは言い難い。その理由は、還元剤添加弁への燃料供給圧力が燃焼室への燃料噴射圧力に比べて低く、噴霧が微粒化し難いからである。なお、霧滴の大きさは還元剤添加弁の噴孔の形状等により決まるが、噴孔の形状の工夫で霧滴の大きさを小さくするには限界がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、排気ガス中のＮＯｘと還元剤添加弁から噴射される噴霧状の燃料成分とが十分に反応し、ＮＯｘが燃料成分により良好に浄化（還元）できる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

（イ）本願の発明者は、添加弁から噴射される噴霧を更に微粒化して、触媒上で排気ガス中のＮＯｘとの反応を促進することを着想した。本発明による排気ガス浄化装置は、請求項１に記載したように、内燃機関から延び排気ガスを排出する排気管と、排気管の途中に配置されＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、ＮＯｘ浄化触媒の近傍で排ガス中に燃料成分の噴霧を噴射する還元剤添加弁と、排気管中に配置され還元剤添加弁から噴射される噴霧を微粒化する微粒化部材と、を備えている。

（ロ）本発明の排気ガス浄化装置の構成要素の種々の態様を説明する。内燃機関には、リーンバーンを行い排気ガスが酸素過剰雰囲気にあるガソリンエンジンやディーゼルエンジンが含まれる。ＮＯｘ浄化触媒はＮＯｘを窒素（Ｎ₂）に変える還元触媒である。この他に、ＮＯｘ浄化触媒の上流側に、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する酸化触媒を含んでも良い。

還元剤添加弁（以下、課題を解決するための手段の欄では「添加弁」と言う）は排気ガス中に還元剤としての燃料成分（ＣＨ）の噴霧を噴射するものである。燃料成分とは、内燃機関がガソリンエンジンの場合はガソリンであり、ディーゼルエンジンの場合は軽油である。排気管上における取付場所はＮＯｘ浄化触媒の上流側でかつその近傍であれば良い。排気管の中空部に臨む噴孔を持ち、噴射方向は排気管の半径方向内向き、又は斜め下流側である。噴射時期や噴射量は排気ガスの温度等を考慮して決める。

微粒化部材は添加弁から噴射される噴霧を衝突させて微粒化するものである。噴霧の衝突部、排気管への取付け部及び排気ガスの流通部を含み、さらに衝突部にヒータを内蔵することができる。微粒化部材は排気管にその軸直角方向、又は斜め横断方向に取り付けることができる。微粒化部材への衝突により、噴霧の霧滴は数μｍから数十μｍ程度の大きさに微粒化され、広い範囲に拡散する。

本発明にかかる排気ガス浄化装置によれば、ＮＯｘ浄化触媒の他に、還元剤添加弁から噴射される噴霧の微粒化部材を設けたので還元剤添加弁への燃料供給圧力が比較的低い排気管でも噴霧が微粒化されＮＯｘがより確実に還元、浄化される。請求項２の排気ガス浄化装置によれば、排気ガスが酸素過剰雰囲気であるディーゼルエンジンにおいて、排気ガス中のＮＯｘが確実に浄化される。請求項３の排気ガス浄化装置によれば、還元剤添加弁が微粒化部材の上流側に配置されているので、衝突部で反射した噴霧が排ガスの流れと衝突し、その分燃料成分とＮＯｘとが反応する機会が多くなる。

請求項４の排気ガス浄化装置によれば、噴霧は微粒化部材への衝突により霧滴がさらに寸法の小さい霧滴に微粒化される。請求項５の排気ガス浄化装置によれば、微粒化部材がヒータを内蔵しているので、噴霧は衝突による微粒化の際に加熱により気化し、微粒化がより促進される。請求項６の排気ガス浄化装置によれば、噴霧が微粒化部材に垂直に衝突するので、衝突時に噴霧に作用する衝撃が大きく、噴霧の微粒化がより確実になる。

以下、発明を実施するための最良の形態を添付図面を参照しつつ説明する。これは、ディーゼルエンジンに本発明が適用された場合である。

＜最良の形態＞
（構成）
図１に一つの気筒のエンジン及びその排気系を示す。エンジンはシリンダ１０、ピストン１５、吸気弁２４、排気弁３８及び燃料噴射弁２７などを含む。エンジンから吸気管２１及び排気管３５が延びている。詳述すると、シリンダ１０のシリンダブロック１１に形成されたシリンダボア１２にピストン１５が摺動可能に滑合され、シリンダボア１２の上部空間が燃焼室１７を形成している。

燃焼室１７に接続された吸気管２１の吸気孔２２を吸気弁２５の弁部が開閉可能で、吸気弁２５は駆動機構２５により所定時期に開閉される。燃焼室１７を覆うシリンダヘッド１３の中央部に取り付けられた燃料噴射弁２７から燃料タンク２８に延びた燃料パイプ２９上にコモンレール３１及び高圧ポンプ３２が配置されている。コモンレール３１は、燃料タンク２８から圧送される燃料を各気筒に分配するものである。燃焼室１７に接続された排気管３５の吸気孔３６をその弁部が開閉可能な排気弁３８は駆動機構３９により駆動され、所定時期に排気孔３６を開閉する。駆動機構２５及び３９はシリンダヘッド１３内に収容されている。

エンジンから延びた排気管３５上には、排気ガスの流れ方向で上流から下流に向かって順に第１温度センサ４１、ＤＰＦ４３、第２温度センサ４５、酸化触媒４７、還元剤添加弁（以下、最良の形態の欄では「添加弁」と呼ぶ））５０、拡散板（微粒化部材）５５及びＮＯｘ浄化触媒６０が配置されている。このうち、第１及び第２温度センサ４１及び４５は排気ガスの温度を検出し、検出結果をＥＣＵ（不図示）に出力する。ＤＰＦ(diesel particulate filter)４３は排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を除去する。酸化触媒４７は担持体とその表面に担持された触媒（何れも不図示）等とを有し、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素に変える。ＮＯｘ浄化触媒６０は担持体とその表面に担持された触媒（何れも不図示）等とを有し、ＮＯｘを還元して窒素に変える。

図１において、酸化触媒４７とＮＯｘ浄化触媒６０との間に添加弁５０及び拡散板５５が配置されている。燃料成分の噴霧を噴射する添加弁５０と燃料タンク２８との間に延びたパイプ５１上に調圧弁５３を持つ調圧室５２が配置され、燃料ポンプ２８内にポンプ５４が配置されている。図２及び図３に示すように、拡散板５５はステンレス等耐熱性に優れた材料からなり、中心の衝突部５６、外周の環状部５７、両者間に放射状に延びた複数本のリブ５８とを含む。隣接するリブ５８の間に複数の流通孔５９が形成されている。拡散板５５はその環状部５７において排気管３５の部分３６に軸直角方向に取り付けられている。

（作用）
次に、図１，図２及び図３を参照しつつ、この最良の形態の作用を説明する。但し、ピストン１５の往復動による吸入、圧縮、爆発及び排気工程、各工程における吸気孔２２及び排気孔３６の開閉、並びに圧縮工程での燃料噴射弁２７による燃焼室１７への燃料の噴射等は何れも公知であり、しかも本発明とは直接関係しない。従って、これらの説明は割愛し、排気ガスの浄化を中心に説明する。

排気工程で排気管３５から排出される排気ガスに含まれているＣＯは酸化触媒４７により酸化されてＣＯ２になる。酸化触媒４７の下流側で添加弁５０から拡散板５５に向かって燃料成分の噴霧を噴射する。噴射方向は添加弁５０と拡散板５５との相対位置で決まる。噴射時期及び噴射量は第１温度センサ４１及び第２温度センサ４５で検出された温度に基づきＥＣＵで制御する。具体的には、噴霧時期は所定のＮＯｘ以上が発生していると検出したときとし、噴霧量は検出温度が高いときは多くする。

図２にｘで示すように、下流方向に噴射される噴霧Ｓは拡散板５５の中心の衝突部５６に衝突し、衝突時の衝撃で微粒化される。その後、ｙで示すように衝突部５６で上流方向に反射され、広い範囲に拡散した噴霧Ｓは排気管中を下流方向に流れる排気ガスと衝突し、微粒化される。こうして微粒化された噴霧Ｓの霧滴が排気ガス中のＮＯｘと反応し、ＮＯｘをＮ₂に還元する。なお、拡散板５５の衝突部５６に衝突しない排ガスは流通孔５９を通過する。その後、排気ガスはＮＯｘ浄化触媒６０を通過し、その際上記添加弁５０及び拡散板５５で還元されなかったＮＯｘがＮＯｘ浄化触媒６０で還元されて窒素になる。

（効果）
この最良の形態によれば、以下の効果が得られる。第１に、排気ガスに含まれているＮＯｘの浄化が確実である。その理由は、ＮＯｘ浄化触媒６０の他に、還元剤としての燃料成分を添加弁５０から噴射し、しかも噴霧Ｓを微粒化する拡散板５５を設けたことによる。つまり、還元剤添加弁５０への燃料供給圧力が燃焼室１７へ噴射する燃料噴射圧力に比べて低いにも関わらず、噴霧Ｓが微粒化でき、霧滴によるＮＯｘの還元が促進される。

第２に、拡散板５５は添加弁５０の下流側に配置されているので、衝突部５６で反射された噴霧Ｓ（矢印ｙ参照）が排気ガスと衝突し、霧滴とＮＯｘとの反応機会が増える。また、拡散板５５はシンプルな形状で製作コストは安価であり、耐熱性に優れているので排気ガスの高熱で変形、変質する心配もない。流通孔５９が形成されているので、排気ガスの流通を妨げることもない。

＜変形例＞
次に、微粒化部材としての拡散板の変形例を示す。図４に示す第１変形例では、拡散板７０は中心の衝突部７１、周辺の環状部７２、複数のリブ７３及び衝突部７１に内蔵されたヒータ７４を含む。ヒータ７４には排気管３５の外部からリブ７３を利用して電圧を供給される。このように衝突部７１をヒータ７４で加熱すれば、上記最良の形態の効果に加えて、衝突部７１に衝突する噴霧が加熱により気化し、微粒化が更に促進される効果が得られる。

第５図に示す第２変形例の拡散板７５は、中心の衝突部７６、周辺の環状部７７及び複数のリブ７８を含み、排気管３５を斜めに横断する方向に取り付けられている。このようにすれば、上記最良の形態の効果に加えて、添加弁５０から下流側にｘ方向に噴射される噴霧が、拡散板７５の衝突部７６の表面に垂直方向に衝突する。その結果、衝突時に噴霧に加わる衝撃が大きくなり、噴霧がより確実に微粒化される効果が得られる。

本発明の最良の形態による排気ガス浄化装置の全体説明図である。 最良の形態の部分説明図である。 最良の形態の部分説明図である。 最良の形態の第１変形例を示す説明図である。 最良の形態の第２変形例を示す説明図である。

符号の説明

１０：シリンダ １５：ピストン ２４：吸気弁 ２８：燃料タンク ３５：排気管 ３８：排気弁
４７：酸化触媒 ５０：添加弁 ５５：拡散板 ５６：衝突部 ５７：環状部 ５９：流通孔
６０：ＮＯｘ浄化触媒

Claims (6)

1. 内燃機関から延び排気ガスを排出する排気管（３５）と、
   前記排気管上に配置されＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒（６０）と、
   前記ＮＯｘ浄化触媒の近傍で排ガス中に燃料成分の噴霧を噴射する還元剤添加弁（５０）と、
   前記排気管中に配置され前記還元剤添加弁から噴射される噴霧を微粒化する微粒化部材（５５）と、
   を備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 前記内燃機関はディーゼルエンジンである請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記還元剤添加弁は前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側に配置されている請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記微粒化部材は噴霧を衝突させる衝突部と、排気ガスを流通させる流通部とを含み、前記還元剤添加弁の下流側に配置されている請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
5. 前記微粒化部材は前記衝突部にヒータを内蔵している請求項４に記載の排気ガス浄化装置。
6. 前記微粒化部材は、前記還元剤添加弁からの噴霧が垂直に衝突するように配置されている請求項４又は５に記載の排気ガス浄化装置。

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