JP2008057520A

JP2008057520A - 排気処理装置

Info

Publication number: JP2008057520A
Application number: JP2006265929A
Authority: JP
Inventors: Kiyohiko Nagae; 清彦長江
Original assignee: Sango Co Ltd
Current assignee: Sango Co Ltd
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】ディーゼル機関の排気経路内に尿素水溶液等の還元剤を噴射しＮＯｘ触媒にて排気ガス中のＮＯｘを還元する浄化処理装置において、排気ガスと還元剤を均一に混合した状態でＮＯｘ触媒に流入させる構造を提案する。
【解決手段】還元剤の噴射手段とＮＯｘ触媒の間の排気経路内に、超音波振動手段を配する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスを浄化する装置に関し、詳しくはディーゼル機関の排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元分解する排気処理装置に係る。

近時のディーゼル機関の排気系においては、排気経路内に臨む供給手段から尿素水溶液等の還元剤を噴射して、還元剤から発生するアンモニアによって、その下流に設けられたＮＯｘ触媒にて排気ガス中のＮＯｘを還元する浄化処理が採用されることがある。ＮＯｘ触媒はいわゆる選択還元触媒（ＳＣＲ触媒）であり、還元雰囲気中でＮＯｘを還元処理できる。したがって、排気ガスと還元剤たる尿素水溶液が均一に混合された状態でＮＯｘ触媒に流入することが肝要であるが、排気経路内に臨む供給手段から尿素水溶液等を噴射するだけでは十分な混合と拡散が得られず、ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ還元が不十分であった。

この問題を解決すべく特開平２０００−３５２３０６号公報においては、尿素水溶液の供給量を精密制御するとともに、噴射直後の尿素水溶液を超音波加振によって微粒化してから排気経路内へ導入する技術が提案されている。その際、超音波加振の振動数も制御しており、排気ガスの状況に合わせて微粒化度合いを変化させている。

特開２０００−３５２３０６号公報

しかしながら、排気系路内を流れる排気ガスは、中心の流速に対して周縁部の流れが弱い偏流であるため、排気系路壁面の一点から尿素水溶液を液滴状態で添加しても、全断面方向へ均一に拡散し難い。結果として不均一な混合でかつ液滴状態のままＮＯｘ触媒へ流入するので局部的反応となりがちで、依然として所望のＮＯｘ還元を得難いという問題がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、排気経路内に尿素水溶液等の還元剤を噴射し、発生するアンモニアによって下流のＮＯｘ触媒にてＮＯｘを還元する浄化方法において、排気ガスと還元剤が確実に均一混合される構造を提案することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る排気処理装置は請求項１に記載のように、ディーゼル機関の排気経路内に設けられたＮＯｘ触媒と、ＮＯｘ触媒の上流側の排気経路内に還元剤を供給する供給手段と、供給手段とＮＯｘ触媒との間の排気経路内に露出する超音波振動手段とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載のように、供給手段は排気経路内に噴出口を有し、噴出口とＮＯｘ触媒の前面とを結んだ空間内に超音波振動手段のホーン部が露出するとよい。

また、請求項３に記載のように、超音波振動手段のホーン部が、排気経路の管軸方向及び／又は放射方向へ延出し、実質的に排気ガスの流体的ガイドを形成するようにしてもよい。

また、請求項４に記載のように、内燃機関の排気経路に設けられた排気浄化触媒と、排気浄化触媒の上流側の排気経路内に燃料を供給する燃料添加手段と、燃料添加手段と排気浄化触媒との間の排気経路内に露出する超音波振動手段とを備えたことを特徴とする。

本発明は上述のように構成されているので、以下に記載の効果を奏する。即ち、請求項１に記載の排気処理装置においては、排気経路内に噴射された微粒の還元剤が超音波振動手段の周囲に到達し瞬時に霧化されて拡散が促進するので、排気ガスと還元剤が均一に混合した状態で下流のＮＯｘ触媒に流入する。したがって、ＮＯｘ触媒全体における還元反応が得られ、所期のＮＯｘ還元を達成できるという効果を奏する。

また、請求項２記載の排気処理装置によれば、排気経路内に配した噴出口とＮＯｘ触媒の前面とを結んだ空間内に超音波振動手段を構成するホーン部が露出することにより、微粒還元剤が確実に超音波振動手段によって霧化され、排気ガスと混合された後にＮＯｘ触媒の前面から流入するので、排気ガスの乱れがあっても確実に均一混合される。

また、請求項３記載の排気処理装置によれば、ホーン部がＮＯｘ触媒方向及び／又は放射方向へ延出しており、排気ガスを強制的に攪拌（邪魔板効果）や整流や方向変換させる流体的ガイドとして機能するので、排気ガスと霧化還元剤の均一混合が流体的にも促進されるとともに、排気ガスをＮＯｘ触媒前面全域に指向させることができる。また、噴出口とＮＯｘ触媒前面との距離（混合距離）を十分に確保できない場合であっても確実に均一混合されるので、装置及び排気経路の設計自由度が向上する。

あるいは、請求項４記載の排気処理装置によれば、ガソリンエンジン・ディーゼルエンジンに拘わらず、排気経路内に添加した燃料が超音波振動手段により霧化され拡散が促進されるので、排気ガスと燃料が均一に混合された状態で下流の排気浄化触媒に流入する。したがって、排気浄化触媒がＮＯｘ触媒やパティキュレートフィルタであれば、排気浄化触媒全体における浄化反応が得られ、所期のＮＯｘ還元やパティキュレート補足を達成できるという効果を奏する。また、排気浄化触媒やパティキュレートフィルタの早期昇温を目的として燃料添加する場合においても、排気浄化触媒全体における熱反応が得られ、所期の触媒昇温促進を達成できるという効果を奏する。

以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明による排気処理装置１の管軸に沿った断面図である。金属パイプから成る外筒２は、両端部を一体的に絞り加工されており、全体として排気経路を構成する。以下、各実施例を通して、排気ガスは各外筒内を図の左方から右方へ流下する。外筒２の下流側半部内には緩衝マット５を介してＮＯｘ選択還元触媒（以下、ＮＯｘ触媒３）が強固に保持されている。本実施形態においては、外筒２（ケーシングあるいはハウジングとも呼ばれる）は、例えばステンレススチール管から形成される。外筒２の両端部は、その上流・下流の排気管と嵌合させてもよいし、両端部にフランジを固定して相手部品と締結してもよい。また、ＮＯｘ触媒３及び外筒２の横断面（管軸に直角な断面）の形状は任意である。

ＮＯｘ触媒３は、チタニアを担体とし酸化バナジウムを坦持したものや、ゼオライトを担体とし銅を担持したもの等が使用される。緩衝マット５はアルミナマットでも熱膨張性のバーミキュライトマットでも、あるいは金属製錯綜体（ワイヤネット等）でも、それらの組合せでも構わない。また、緩衝マット５を介さず、ＮＯｘ触媒３を直接外筒２内面で保持しても構わない。

外筒２の上流側半部内には、還元剤の供給手段として噴出口１７を有するノズル７と、超音波振動手段１０の構成要部であるホーン部１１が配されている。ノズル７は、外筒２の台座８に嵌入固定されたインジェクタ６と連通しており、図示しない電気信号系統の指示により還元剤たる尿素水溶液がインジェクタ７で加圧され、ノズル７内を通ってその先端の噴出口１７から排気経路内へ噴射（スプレー）され微粒尿素９となる。本実施形態においては、外筒２の管軸付近にノズル７先端が開口している。

超音波を放出するホーン部１１も、その先端の球状部１２が外筒２の中心軸付近に位置するよう配されており、噴出口１７から噴射された微粒尿素９が必ず球状部１２周囲に到達するようレイアウトされている。ホーン部１１は、金属やセラミック等、十分な耐熱性および耐腐食性を有する材質から形成される。球状部１２は、必ずしも外筒２の管軸付近に位置する必要はないが、噴出口１７とＮＯｘ触媒前面４とを結んだ略円錐状の空間１６内に露出することが好ましい。ホーン部１１は、外筒２の台座１４に嵌入固定された超音波振動子１３と連接しており、超音波振動子１３が発する超音波振動を増幅しつつ球状部１２にまで伝える。このような超音波振動手段１０は所謂ランジュバン型であるが、これに限らず、最適な超音波振動手段を適宜援用すればよいし、ホーン部形状や振動数も任意である。

この構成において、ノズル７先端から微粒尿素９が噴射されると、そのほぼ全量は球状部１２周囲に到達し、瞬時に噴霧１５となる。液滴である微粒尿素９よりもはるかに微細な噴霧１５は排気ガスの流下に乗じて中心から周縁部へと拡散し、均一に混合されてＮＯｘ触媒３の前面４の全域から流入する。したがって、排気ガスと噴霧１５の均一な混合体がＮＯｘ触媒３全体で還元処理されることになり、所期の浄化を達成できる。

なお、還元剤としては、尿素またはアンモニアを含む一定濃度の水溶液であることが必要で、そのような水溶液が過不足無くインジェクタ６に供給されるように、図示しない供給装置が設定される。また、微粒尿素９の噴射量を公知の各種制御法及び装置により精密制御してもよいし、超音波発生手段１０の振動数も状況に応じ精密制御すると好適である。もちろん、制御においては各部温度をセンシングしたり、ＳＶ値等の各種パラメータに依拠してもよい。

図２（ａ）は、本発明による第２の実施形態の排気処理装置２０の断面図である。外筒２１内には第１の実施形態と同様に緩衝マット５を介してＮＯｘ触媒３が強固に保持されている。そして、外筒２の上流側半部内には、還元剤の供給手段の噴射口２３を有するノズル２２と、超音波振動手段２４の構成要部であるホーン部２６が配されている。ノズル２２は、外筒２１の台座８に嵌入固定されたインジェクタ６と連通しており、加圧された尿素がノズル２２内を通って、下流に指向した先端の噴射口２３から排気経路内（外筒２１内）へスプレーされる。本実施形態においても、外筒２１の管軸付近に噴射口２３が開口している。

そして、超音波を放出するホーン部２６も、その先端部２７が外筒２の管軸付近に位置するよう配されており、スプレーされた微粒尿素２８が必ず到達するようレイアウトされている。ホーン部２６は、外筒２１の台座１４に嵌入固定された超音波振動子２５と連接しており、超音波振動子２５が発する超音波振動を増幅しつつホーン部２６にまで伝える。ホーン部２６の先端部２７の形状は、図２ｂに示すごとく略十字形状片が放射方向へ延在し、上流からの排気ガスを外筒２１の周縁方向（放射方向）へ強制的に拡散・攪拌させる流体的ガイド（邪魔板）として機能する。このように超音波振動手段２８が構成されている。

この構成において、噴射口２３から微粒尿素２８が噴射されると、そのほぼ全量は先端部２７周囲に到達し瞬時に噴霧２９となる。また、噴霧２９は先端部２７で拡散・攪拌された排気ガスの流下に乗じて中心から周縁部へと放射状に拡散し、ＮＯｘ触媒３の前面４全域から流入する。したがって、噴射口２３とＮＯｘ触媒前面４との距離（混合距離）を十分に確保できない場合であっても、強制的に排気ガスを拡散・攪拌することで排気ガスと霧化還元剤の均一混合が確実になされる。

なお、先端部２７の形状は図２ｂの略十字状に限らず、攪拌要求に応じて任意に構成すればよい。例えば、攪拌しつつ中央の流れも確保したい場合には、図２ｃのような孔６１が中央に穿設された多角ドーナツ形状の先端部６０としてもよい。また、更なる流体的拡散・攪拌が求められる場合には、図２ｄのように先端部の各片に下流方向への折曲部７１を設けて、排気ガスをガイドして強制的な旋回流を与えてもよい。更には、噴射口２３から噴射する微粒尿素９の展開パターンを円錐状に限らず各種設定し、ホーン部の先端形状と組合せると一層よい。

図３は、本発明による第３の実施形態の排気処理装置３０の断面図である。外筒３１は両端部がネッキング形状とされ、上流側に小径部３２と下流側に小径部３３とを一体的に有する。外筒３１内には第１及び第２の実施形態と同様に緩衝マット５を介してＮＯｘ触媒３が強固に保持されている。そして、小径部３２内には、還元剤供給手段である噴射口４０を有するノズル３４と、超音波振動手段３５の構成要部であるホーン部３７が配されている。ノズル３４は、台座８に嵌入固定されたインジェクタ６と連通しており、加圧された尿素がノズル３４内を通って噴射口４０から排気経路内へスプレーされる。本実施形態においても、外筒３１及び上流側小径部３２の管軸付近に噴射口４０が開口している。

超音波を放出するホーン部３７はその先端部３８に、上流側小径部３２の管軸と平行に延在する略板状の延出部３９を有し、噴射口４０から噴射された微粒尿素４１を霧化し、かつ、排気ガスを整流するようにレイアウトされている。ホーン部３７は台座１４に嵌入固定された超音波振動子３６と連接しており、超音波振動子３６が発する超音波振動を増幅しつつホーン部３７および先端の延出部３９にまで伝導する。

この構成において、噴射口４０から微粒尿素４１が噴射され、延出部３９に到達し瞬時に噴霧４２となる。同時に、排気ガスは小径部３２内で延出部３９にて整流される。そして、尿素が均一に混合された状態で拡大しつつ外筒３１の大径部に至り、前面４の全域から流入する。したがって、外筒３１の大径部を長く設定できない場合であっても、小径部３２内で整流と霧化を両立する先端部３８によって、確実に均一混合を達成できる。なお、延出部３９は、管軸方向に一定板厚の単なる板状に限らず、管軸方向で板厚が漸変するような翼断面であってもよいし、複数枚を並設しても構わない。

図４は、本発明による第４の実施形態の排気処理装置５０の断面図であり、ノズルを排気経路の周縁に露出させる場合の実施例である。外筒５１は両端部がネッキング形状とされ、上流側に小径部５２と下流側に小径部５３とを一体的に有する。外筒５１内には第１乃至第３の実施形態と同様、緩衝マット５を介してＮＯｘ触媒３が強固に保持されている。

小径部５２には開口５４が設けられ、開口５４を被う形でホルダ５５が小径部５２に固設される。ホルダ５５にはインジェクタ６及びノズル５６が嵌入されており、ノズル５６先端の噴射口５７は開口５４に臨む。また、ホルダ５５に穿設された長孔５８には超音波振動手段５９を構成する超音波振動子６０とホーン部６１が内挿されており、ホーン部６１先端は小径部５２内に露出している。なお、噴射口５７の下流隣にホーン部６１先端が配されている。

また、外筒５１の台座１４には、第３の実施例と同様の超音波振動手段３５が嵌入固定され、ホーン部３７とその先端部３８は外筒内に露出して、先端部３８は外筒５１の管軸付近に位置する。

この構成において、噴射口５７から微粒尿素がスプレーされた瞬間にホーン部６１にて第１の噴霧６１となり、排気ガスに乗って流下する。第１の噴霧６１は小径部５２周縁からスプレーされるため、ＮＯｘ触媒前面４まで拡散するには（管軸方向に）長い距離が必要である。そこで本実施例においては、もう１段の超音波振動手段３５を配するものである。噴射口５７とＮＯｘ触媒前面４の間に超音波振動手段３５を配することで、第１の噴霧６２は先端部３８によって更に微細な第２の噴霧６３になると同時に、排気ガス流も先端部３８で整流・拡散される。したがって、前記実施例よりも更に微細かつ均一分散の噴霧となってＮＯｘ触媒前面４に流入する。本実施例は、小径部内に噴出口を配置できない場合に、有効である。

更に、上記何れの実施形態においても、排気管内に尿素を噴射する代わりに燃料を噴射しても構わない。また、選択還元型のＮＯｘ触媒に限らず、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒やパティキュレートフィルター等の排気浄化触媒を配してもよい。

以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の変更があっても、本発明に包含される。また、適用対象は車両等のガソリンエンジン・ディーゼルエンジンに限定するものではなく、あらゆる内燃機関の排気処理装置に適用可能である。

第１の実施形態に係る排気処理装置の断面図である。第２の実施形態に係る排気処理装置の断面図である。第３の実施形態に係る排気処理装置の断面図である。第４の実施形態に係る排気処理装置の断面図である。

符号の説明

１，２０，３０，５０排気処理装置
２，２１，３１，５１外筒
３ＮＯｘ吸着触媒
４前面
５保持マット
６インジェクタ
７，２２，３４，５６ノズル
８，１４台座
９，２８，４１微粒尿素
１０，２４，３５，５９超音波振動手段
１１，２６，３７，６１ホーン部
１２球状部
１３，２５，３６，６０超音波振動子
１５，２９，４２，６２，６３噴霧
１６空間
１７，２３，４０，５７噴出口
２７，３０，３２，３８先端部
３１孔
３３折曲部
３２，３３，４２，５２，５３小径部
５４開口
５５ホルダ
５８長孔

Claims

ディーゼル機関の排気経路内に設けられたＮＯｘ触媒と、
該ＮＯｘ触媒の上流側の排気経路内に還元剤を供給する供給手段と、
該供給手段と前記ＮＯｘ触媒との間の排気経路内に露出する超音波振動手段とを備えた、
ことを特徴とする排気処理装置。
前記供給手段は前記排気経路内に噴出口を有し、
該噴出口と前記ＮＯｘ触媒の前面とを結んだ空間内に前記超音波振動手段のホーン部が露出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の排気処理装置。
前記ホーン部が前記排気経路の管軸方向及び／又は放射方向へ延出し排気ガスの流体的ガイドを形成する、
ことを特徴とする請求項２に記載の排気処理装置。
内燃機関の排気経路内に設けられた排気浄化触媒と、
該排気浄化触媒の上流側の排気経路内に燃料を供給する燃料添加手段と、
該燃料添加手段と前記排気浄化触媒との間の排気経路内に露出する超音波振動手段とを備えた、
ことを特徴とする排気処理装置。