JP2008138594A - Ｎｏｘ浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気通路中に噴射され、ＮＯ_X触媒に流入する還元剤の濃度分布のばらつきを低減することにより、還元剤の効率的な利用が可能になるとともに、ＮＯ_Xの還元効率を向上させることができるＮＯ_X浄化装置を提供する
【解決手段】内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するためのＮＯ_X触媒と、ＮＯ_X触媒の上流側で排気通路中に還元剤を噴射するための噴射弁と、を備えたＮＯ_X浄化装置であって、排気通路は、ＮＯ_X触媒の上流側に、断面積が下流側に向けて次第に拡大するテーパ部を有するとともに、当該テーパ部のさらに上流側に屈曲部を有し、噴射弁は、屈曲部とテーパ部との間において、排気通路の外周部のうち、屈曲部の外側方向から連続する外周部に配置されるとともに、内燃機関の非運転状態に還元剤を噴射した場合における還元剤の噴射範囲がテーパ部の入口側端部の上流側及び下流側にまたがるように噴射弁を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＯ_X浄化装置に関し、特に、ＮＯ_X触媒の上流側の排気通路中に還元剤を噴霧し、選択的にＮＯ_Xを還元する構成のＮＯ_X浄化装置に関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、環境に影響を及ぼすおそれのある黒煙微粒子（以下、ＰＭと称する）や窒素酸化物（以下、ＮＯ_Xと称する）等が含まれている。このうち、ＮＯ_Xを浄化するために用いられる浄化装置として、排気ガス中に尿素水溶液や生ガス（ＨＣ）等の還元剤を添加し、触媒中で排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元するＮＯ_X浄化装置（ＳＣＲシステムと称する場合がある。）が知られている。

このようなＮＯ_X浄化装置の構成例を図７に示す。このＮＯ_X浄化装置は、内燃機関の排気系に設けられ排気ガス中のＮＯ_Xを選択還元するＮＯ_X触媒３１３と、ＮＯ_X触媒３１３上流の排気系に還元剤としての尿素水を供給する還元剤供給手段３１９と、所定の添加量となるように還元剤供給手段３１９を制御する制御手段Ａ２とを備えている。
このＮＯ_X浄化装置においては、ＮＯ_X触媒３１３の直径が排気管３２１の直径よりも大きいために、ＮＯ_X触媒の上流側にテーパ部３１１が設けられている。また、異なる車両等におけるレイアウトの都合上、排気管３２１には屈曲部３５０が設けられており、当該屈曲部３５０に、噴射方向をＮＯ_X触媒３１３側に向けて還元剤供給手段３１９が配置されている。

特開２００３−２９３７３６号公報 （特許請求の範囲 図１）

しかしながら、排気管を流れる排気ガスは質量成分を有しており、排気ガスが排気管の屈曲部を通過する際に、慣性力によって屈曲部の外側を通過するようになることから、屈曲部の下流側においては、速度成分が屈曲部の外側方向に偏ってしまうという問題がある。したがって、特許文献１に開示されたＮＯ_X浄化装置は、屈曲部３５０に配置された還元剤供給手段３１９から噴射された還元剤が排気ガスの速度分布の影響を受け、ＮＯ_X触媒に流入する還元剤の濃度分布にばらつきを生じるおそれがある。すなわち、排気ガスの流れの影響を受けて、屈曲部３５０の外側方向の還元剤濃度が高くなる一方、屈曲部３５０の内側方向の還元剤濃度が低くなる場合がある。その結果、ＮＯ_X触媒に流入する還元剤の量が部分的に異なり、還元剤を効率的に利用することができず、ひいてはＮＯ_Xの還元効率が低下するおそれがあった。

この排気ガスの速度分布の偏りについては、図８（ａ）〜（ｄ）に示すシミュレーション結果から理解することができる。この図８（ａ）〜（ｄ）は、排気通路の内径をｄとしたときに、屈曲部とテーパ部との間の直線部分の長さＬが、それぞれ１ｄ、２ｄ、４ｄ、１０ｄである排気通路を用いた排気ガスの速度分布のシミュレーション結果を示している。図中、排気通路中の色が赤に近づくほど排気ガスの流速が速い状態を、排気通路中の色が青に近づくほど排気ガスの流速が遅い状態を表している。すなわち、屈曲部からテーパ部までの距離Ｌにかかわらず、屈曲部を通過した排気ガスの速度分布が、屈曲部の外側方向から連続する排気通路の内周面側に偏って現れることが理解できる。
したがって、還元剤を噴射する噴射弁の配置位置や噴射方向を特に考慮せずに還元剤を噴射した場合には、排気ガスの速度分布の影響を受けて、還元剤の濃度分布も偏ってしまい、濃度分布が不均一な状態でＮＯ_X触媒に流入しやすいという問題が生じる。

そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、排気ガス中のＮＯ_Xを還元し、排気ガスを浄化するためのＮＯ_X浄化装置において、屈曲部を通過した排気ガスの速度分布を考慮して還元剤の噴射弁を配置することにより、上述した問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明の目的は、排気通路中に噴射され、ＮＯ_X触媒に流入する還元剤の濃度分布のばらつきを低減することにより、還元剤の効率的な利用が可能になるとともに、ＮＯ_Xの還元効率を向上させることができるＮＯ_X浄化装置を提供することである。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するためのＮＯ_X触媒と、ＮＯ_X触媒の上流側で排気通路中に還元剤を噴射するための噴射弁と、を備えたＮＯ_X浄化装置であって、排気通路は、ＮＯ_X触媒の上流側に、断面積が下流側に向けて次第に拡大するテーパ部を有するとともに、当該テーパ部のさらに上流側に屈曲部を有し、噴射弁は、屈曲部とテーパ部との間において、排気通路の外周部のうち、屈曲部の外側方向から連続する外周部に配置されるとともに、内燃機関の非運転状態に還元剤を噴射した場合における還元剤の噴射範囲がテーパ部の入口側端部の上流側及び下流側にまたがるように噴射弁を配置したＮＯ_X浄化装置が提供され、上述した問題を解決することができる。

また、本発明のＮＯ_X浄化装置を構成するにあたり、噴射弁は、噴射方向を排気通路の下流側方向に傾けて配置されることが好ましい。

また、本発明のＮＯ_X浄化装置を構成するにあたり、噴射弁の噴射軸と、屈曲部の上流側の排気通路の軸線と、屈曲部の下流側の排気通路の軸線と、が同一平面をなすように、噴射弁が配置されることが好ましい。

また、本発明のＮＯ_X浄化装置を構成するにあたり、噴射弁は、排気通路の外周部に設けられた還元剤導入路を介して、排気通路の内周面から離間して配置されることが好ましい。

また、本発明のＮＯ_X浄化装置を構成するにあたり、噴射弁から噴射される還元剤は、少なくとも、粒径が１５０μｍ以上の大径粒子と、粒径が１００μｍ以下の小径粒子と、を含むことが好ましい。

本発明のＮＯ_X浄化装置によれば、屈曲部を通過した排気ガスの速度分布を考慮して還元剤の噴射弁が配置されているために、ＮＯ_X触媒に流入する還元剤の濃度分布のばらつきを低減させることができる。すなわち、内燃機関の非運転状態で還元剤の噴射範囲がテーパ部の入口側端部の上流側及び下流側にまたがるように配置することにより、テーパ部の入口側端部よりも上流側の排気通路内面に衝突して細かく分散した小径かつ質量の小さい粒子は排気ガスの速度分布の影響を受けて屈曲部の外側方向から連続する内周面側を流れる一方、それ以外の比較的質量の大きい粒子はテーパ部の入口側端部よりも下流側に向けてそのまま進行し、屈曲部の内側方向から連続する内周面側を流れやすくなる。したがって、ＮＯ_X触媒の入口において、全面にわたって均等な濃度分布で還元剤を流入させることができ、還元剤の利用効率が改善されるとともに、ＮＯ_X触媒でのＮＯ_Xの浄化効率を向上させることができる。

また、本発明のＮＯ_X浄化装置において、噴射弁の噴射方向を、排気通路の下流側に傾けて配置することにより、噴射された還元剤が対面の排気通路の内周面に付着することを防止することができる。

また、本発明のＮＯ_X浄化装置において、噴射弁を所定位置に配置することにより、排気ガスの速度分布の偏りを考慮して、より効果的に還元剤の濃度分布のばらつきを低減することができる。

また、本発明のＮＯ_X浄化装置において、噴射弁を排気通路の内周面から離間して配置することにより、噴射弁が排気ガスの熱の影響を受けて損傷することを防ぐことができる。

また、本発明のＮＯ_X浄化装置において、噴射弁から噴射される還元剤が、それぞれ所定の粒径を有する大径粒子と小径粒子とを含むことにより、排気ガスの流れに影響されずに進行する成分と、排気ガスの流れの影響を受ける成分とが混在することになって、排気ガスの流れ方向断面における還元剤の濃度分布のばらつきをより効果的に低減させることができる。

以下、適宜図面を参照しながら、本発明のＮＯ_X浄化装置に関する実施形態について具体的に説明する。ただし、この実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、本発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

本発明にかかる実施の形態は、図１（ａ）〜（ｂ）に例示されるように、内燃機関１の排気通路３に配置され、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するためのＮＯ_X触媒５と、ＮＯ_X触媒５の上流側で排気通路３中に還元剤を噴射するための噴射弁７と、を備えたＮＯ_X浄化装置１０である。
本実施形態のＮＯ_X浄化装置１０において、排気通路３は、ＮＯ_X触媒５の上流側に、断面積が下流側に向けて次第に拡大するテーパ部１１を有するとともに、当該テーパ部１１のさらに上流側に屈曲部１３を有し、噴射弁７は、屈曲部１３とテーパ部１１との間において、排気通路３の外周部のうち、屈曲部１３の外側方向から連続する外周部３Ａに配置されるとともに、内燃機関１の非運転状態に還元剤を噴射した場合における還元剤の噴射範囲Ａがテーパ部１１の入口側端部１１ａの上流側及び下流側にまたがるように噴射弁７を配置したことを特徴とする。

１．内燃機関
ＮＯ_X浄化装置によって浄化される排気ガスを排出する内燃機関１としてはディーゼルエンジンやガソリンエンジンが典型的であるが、現状においてＮＯ_Xの浄化が課題とされるディーゼルエンジンを対象とすることが適している。

２．排気通路
また、内燃機関１の排気ガスの排出口には排気通路３が接続されている。この排気通路３の途中にはＮＯ_X触媒５が配設されており、ＮＯ_X触媒５の上流側には、断面積が下流側に向けて次第に大きくなるテーパ部１１が設けられている。このテーパ部１１は、通常、ＮＯ_X触媒５の断面積が排気通路３の断面積よりも大きいことから、ＮＯ_X触媒５の配設箇所の前後において、排気通路３の断面積が変化する領域として形成される。
このようなテーパ部は、例えば、ＮＯ_X触媒ユニットの一部として構成され、当該ＮＯ_X触媒ユニットを排気管に接続することによって装置上に設けられる。

また、排気通路３におけるテーパ部１１のさらに上流側には、直線部分１５を介して、屈曲部１３が設けられている。この屈曲部１３は、例えば、内燃機関１から排気ガスの流出口までの間を直線的に結ぶことができないために、レイアウトの都合上設けられる。
また、屈曲部１３の屈曲角度は特に制限されるものではないが、屈曲部１３を通過する排気ガスの速度分布の偏りによる還元剤の濃度分布のばらつきを低減する本発明においては、より屈曲角度が大きくなるにつれて得られる効果は大きくなる。したがって、例えば、屈曲部の屈曲角度が３０〜１２０°の範囲内である排気通路を備える場合に適しており、４５〜９０°の範囲内である排気通路を備える場合により適している。

３．ＮＯ_X触媒
また、排気通路３の途中に配置されるＮＯ_X触媒５は、排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元するための触媒である。このＮＯ_X触媒５の種類については特に制限されるものではなく、公知のもの、例えば、多孔質担体上に、活性成分としてのストロンチウム又はバリウム、及びマグネシウム等のアルカリ土類金属や、セリウムとランタン等の希土類金属、白金とロジウム等の貴金属等を含むものを用いることができる。

４．ＮＯ_Xセンサ
また、ＮＯ_X触媒５の下流側の排気通路３には、排気ガス中のＮＯ_X濃度を検知するためのＮＯ_Xセンサ９が取り付けられている。このＮＯ_Xセンサ９は、ＮＯ_X触媒５を通過した後の排気ガス中に含まれるＮＯ_X濃度の値を検知し、所定の基準値を下回っているかの判断に用いられる。そして、検知結果は、噴射弁７から噴射する還元剤の量を補正したりするために用いられる。

なお、噴射弁から噴射する還元剤の量は、ＮＯ_X触媒に流入する、ＮＯ_X触媒の上流側の排気ガス中のＮＯ_X濃度に応じて決定されるが、図１に示すＮＯ_X浄化装置１０の例では、内燃機関１における燃料噴射量や噴射タイミング、回転数などをもとに、ＤＣＵ（Dosing-valve Control Unit）３５においてＮＯ_X濃度を推定する構成をとっているが、その代わりに、ＮＯ_X触媒の上流側入口にＮＯ_Xセンサを配置し、排気ガス中のＮＯ_X濃度を直接的に検知するように構成することもできる。

５．噴射弁
また、還元剤の噴射弁７は、排気通路３の屈曲部１３とテーパ部１１との間の直線部分１５に配置されている。この噴射弁７は、燃料や尿素水溶液等の還元剤を噴射制御するための弁であり、例えば、内燃機関の気筒内に燃料を噴射する際に用いられる電磁制御弁を使用することができるが、これに制限されるものではない。

このような還元剤の噴射弁７を含む還元剤噴射装置の構成例を図２に示す。
図２に示す還元剤噴射装置３０は、液体の還元剤が貯蔵された貯蔵タンク３１と、貯蔵タンク３１内の還元剤を汲み上げ、圧送するポンプ３３と、ポンプ３３から圧送される還元剤を排気通路３中に噴射する噴射弁７とを備えている。また、この還元剤噴射装置３０の例では、内燃機関の運転状態を基に排出されるＮＯ_X濃度を演算し、算出されたＮＯ_X濃度に応じて還元剤の噴射量を決定し、噴射弁７を制御するための信号を発するＤＣＵ３５と、ＤＣＵ３５からの制御信号を受け、噴射弁７の噴射制御を行うアクチュエータ３７とを備えている。

また、貯蔵タンク３１と噴射弁７とを接続する還元剤供給路３９は、その途中から分岐して貯蔵タンク３１に接続された排出路４１を備えるとともに、この排出路４１の途中に、還元剤を貯蔵タンク３１に排出させるための排出弁４３を備えている。この排出弁４３は、還元剤の供給終了後に開弁され、還元剤供給路３９や噴射弁７に残存している余剰の還元剤を、排出路４１を経て貯蔵タンク３１に還流させるための弁である。
また、図示しないものの、還元剤噴射装置を構成する噴射弁や貯蔵タンク、還元剤供給路には、還元剤の状態を維持したり、噴射制御に利用したりするために用いられる温度センサや、ヒータ等の加熱手段が備えられている。

このうち、貯蔵タンク３１は、還元剤を貯蔵しておくことができるタンクであれば特に制限されるものではない。また、ポンプ３３についても、貯蔵タンク３１中の還元剤を噴射弁７に対して圧送することができるものであれば特に制限されるものではない。また、貯蔵タンク３１に貯蔵された還元剤についても、尿素水溶液や未燃燃料（ＨＣ）が代表的な例であるが特に制限されるものではない。
さらに、ＮＯ_X濃度を求める際には、内燃機関の運転状態を基に排気ガス中のＮＯ_X濃度を演算する以外に、排気通路中にＮＯ_Xセンサを配置して、直接的に排気ガス中のＮＯ_X濃度を測定することもできる。

ここで、図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、本実施形態のＮＯ_X浄化装置１０においては、噴射弁７は、屈曲部１３とテーパ部１１との間の直線部分１５において、屈曲部１３の外側方向から連続する外周部３Ａに配置されている。また、噴射弁７は、図１（ｂ）に示すように、内燃機関１の非運転状態に還元剤を噴射した場合における還元剤の噴射範囲Ａが排気通路３のテーパ部１１の入口側端部１１ａの上流側及び下流側にまたがるように、噴射方向を調整して取り付けられている。

噴射弁７をこのように配置することにより、テーパ部１１の入口側端部１１ａよりも上流側に向けて噴射された還元剤の粒子は、排気通路３の直線部分１５の内周面に衝突したり、排気ガスの熱の影響を受けたりして小径かつ質量の小さい粒子になり、その結果、排気ガスの流れの影響を受けて屈曲部１３の外側方向から連続する内周面側を流れやすくなる。また、テーパ部１１の入口側端部１１ａよりも下流側に向けて噴射された還元剤の粒子は、一部の粒子が排気ガスの熱の影響を受けて小径かつ質量の小さい粒子になり排気ガスの流れの影響を受ける一方で、大部分の粒子は、テーパ部１１における屈曲部１３の内側方向から連続する内周面側に沿ってそのまま進行し、屈曲部１３の内側方向から連続する内周面側を流れやすくなる。このほか、噴射された状態で還元剤に含まれる小径かつ質量の小さい粒子についても、排気ガスの流れの影響を受けて、屈曲部１３の外側方向から連続する内周面側を流れやすくなる。
その結果、ＮＯ_X触媒の入口から、全面にわたって均一な濃度分布で還元剤を導入させることができるようになり、部分的に還元剤が過剰になったり、不足したりすることがなく、還元剤を効率的に利用することができる。その結果、排気ガス中のＮＯ_Xを効率的に浄化することができる。

還元剤の噴射弁をこのように配置した場合の作用について具体的に説明する。
図３（ａ）は、内燃機関の非運転状態に還元剤を噴射した場合における還元剤の噴射範囲Ａが、すべてテーパ部１１の入口側端部１１ａよりも上流側となるように噴射弁７を配置した場合の、還元剤の濃度分布のシミュレーション結果を示している。また、図３（ｂ）は、内燃機関の非運転状態に還元剤を噴射した場合における還元剤の噴射範囲Ａが、すべてテーパ部１１の入口側端部１１ａよりも下流側となるように噴射弁７を配置した場合の、還元剤の濃度分布のシミュレーション結果を示している。一方、図４は、本実施形態のＮＯ_X浄化装置に相当するシミュレーション結果であり、内燃機関の非運転状態に還元剤を噴射した場合における還元剤の噴射範囲Ａが、テーパ部１１の入口側端部１１ａの上流側及び下流側にまたがるように噴射弁７を配置した場合の、還元剤の濃度分布のシミュレーション結果を示している。また、図中、還元剤の粒子のうち、粒径が大きいほど赤色で表示されており、粒径が小さいほど青色で表示されている。
なお、これらのシミュレーションは、排気ガスの流速を２１．８ｍ／秒、排気温度を３００℃の条件に設定して行った。

まず、図３（ａ）に示すように配置した場合には、噴射弁７から噴射された還元剤のうち大部分の還元剤粒子は対向する側の排気通路３の内周面１９に衝突したり、排気ガスの熱の影響を受けたりして、小径かつ質量の小さい粒子となる。そうすると、排気ガスの流れの影響を受け、屈曲部１３の外側方向から連続する排気通路３の内周面１８側（図中下側）に沿って流れやすくなる。その結果、還元剤の濃度分布が屈曲部１３の外側方向から連続する排気通路３の内周面１８側（図中下側）に偏ってしまい、ＮＯ_X触媒５に対して不均一に流入することになる。

また、図３（ｂ）に示すように配置した場合には、噴射弁から噴射された還元剤のうちの一部の粒子が排気ガスの熱の影響を受けて小径かつ質量の小さい粒子になり排気ガスの流れの影響を受ける一方で、大部分の還元剤粒子は、対向する側の排気通路３の内周面１９に激しく衝突することなく、屈曲部１３の内側方向から連続するテーパ部１１の内周面１１ｂ側に沿って流れる。その結果、屈曲部１３の内側方向から連続する排気通路３の内周面１１ｂ側（図中上側）に偏ってしまい、ＮＯ_X触媒５に対して不均一に流入することになる。
なお、噴射弁７から噴射された還元剤には、排気ガスの流れの影響を受けやすい比較的小径かつ質量の小さい粒子が当初から含まれており、このような粒子については、屈曲部１３の外側方向から連続する排気通路３の内周面１８側に向かって流されやすくなっているが、全体量に比べて割合は少ないために、上述のような濃度分布の偏りが生じてしまう。

一方、図４に示す本実施形態のＮＯ_X浄化装置の場合には、噴射弁７から噴射された還元剤が、テーパ部１１の入口側端部１１ａよりも上流側で、対向する排気通路３の内周面１９に衝突する粒子と、排気通路３の内周面１９に激しく衝突することなくテーパ部１１の内周面１１ｂに沿って流れる粒子と、排気ガスの熱の影響を受けて小径かつ質量の小さい粒子になる粒子とを含むことになる。すなわち、排気ガスの流れの影響を受けて、屈曲部１３の外側方向から連続する内周面１８側に向かって流されやすい粒子と、屈曲部１３の内側方向から連続する内周面１１ｂ側に向かって流されやすい粒子とが混在する状態となる。したがって、噴射弁７から噴射された還元剤は、ＮＯ_X触媒５の入口面の全体にわたって均等に分散した状態で、ＮＯ_X触媒５に流入することになる。
このように還元剤濃度が均一に分散した状態でＮＯ_X触媒に流入することにより、ＮＯ_X触媒の全体を利用してＮＯ_Xの還元処理を行うことができるとともに、ＮＯ_X触媒の全体にわたって過不足なく還元剤を供給しやすくなるため、還元剤の利用効率も向上させることができる。

なお、内燃機関の運転状態においては、質量が大きい還元剤粒子についても排気ガスの流れや熱の影響を多少受けることになる。したがって、本発明においては、内燃機関の非運転状態に還元剤を噴射した場合における還元剤の噴射範囲がテーパ部の入口側端部の上流側及び下流側にまたがるように噴射弁を配置することを規定しているが、内燃機関の運転状態において、噴射されたすべての還元剤が、テーパ部の入口側端部よりも下流側に向かって進むことがないように考慮する必要がある。

このような発明の作用を考慮すれば、噴射弁から噴射される還元剤は、少なくとも、粒径が１５０μｍ以上の大径粒子と、粒径が１００μｍ以下の小径粒子とを含むことが好ましい。このような大径粒子及び小径粒子を含む還元剤を噴射することにより、内燃機関の運転状態によって排気ガスの流速が変化する場合であっても、質量が比較的大きく排気ガスの流れの影響を受けにくい粒子と、質量が比較的小さく排気ガスの流れの影響を受けやすい粒子とを混在させることができ、ＮＯ_X触媒に流入する還元剤の濃度分布をより均一に分散させやすくすることができる。

また、図１（ａ）に示すように、還元剤の噴射弁７の噴射方向を、排気通路３の下流側方向に傾けて配置することが好ましい。噴射弁７をこのように配置することにより、テーパ部１１の入口側端部１１ａよりも上流側に向けて噴射された還元剤が、対向する排気通路３の内周面１９に衝突した際に、排気通路３の内周面１９に付着することを防ぐことができる。
例えば、図５に示すように、噴射弁７の噴射方向と排気通路３の内周面１８とがなす角度θ１が３０〜６０度の範囲内の値となるように、噴射弁７を配置することが好ましい。

また、還元剤の噴射弁の配置位置に関し、噴射された還元剤の濃度分布がばらつき、還元剤が偏在することを防ぐために、図６（ａ）に示すように、排気通路の直線部分１５の軸線方向から眺めた場合における、屈曲部１３の上流側の排気通路１７ａの軸線Ｓ２と下流側の排気通路１７ｂの軸線Ｓ３をともに含む平面Ｍと噴射弁７の噴射軸Ｓ１とのなす角度θ２を３０度以下の範囲内の値とすることが好ましく、１５度以下の範囲内の値とすることがより好ましい。中でも、図６（ｂ）に示すように、噴射弁７の噴射軸Ｓ１と、屈曲部１３の上流側の排気通路１７ａの軸線Ｓ２と、屈曲部１３の下流側の排気通路１７ｂの軸線Ｓ３とが同一平面Ｍをなすように、噴射弁７を配置することが好ましい。噴射弁７をこのように配置することにより、ＮＯ_X触媒に流入する還元剤の濃度分布をより均一に分散させやすくすることができる。

これは、図６（ｃ）に示すように、排気通路の直線部分１５の軸線方向から眺めた場合における、噴射弁７の噴射軸Ｓ１と、屈曲部１３の上流側の排気通路１７ａの軸線Ｓ２と屈曲部１３の下流側の排気通路１７ｂの軸線Ｓ２をともに含む平面Ｍとのなす角度θ２が過度に大きくなるように噴射弁７が配置されている場合には、排気ガスの流れの影響を受けやすい還元剤粒子と、排気ガスの流れの影響を受けにくい還元剤粒子とが、偏在してしまうおそれがあるためである。
なお、図６（ａ）〜（ｃ）は、図１（ａ）に示す排気通路３の直線部分１５を排気通路の１７ｂの軸線Ｓ３に沿って屈曲部１３側から眺めた図を示している。

また、図５に示すように、噴射弁７は、排気通路３の外周に設けられた還元剤導入路８を介して、排気通路３の内周面１８から離間して配置することが好ましい。噴射弁７をこのように配置することにより、排気通路３中を流れる排気ガスの熱の影響により、噴射弁７が損傷することを防止することができる。

また、噴射される還元剤をより均一に分散させるためには、排気通路中を流れる排気ガスの流速に応じて、還元剤噴射弁から噴射する還元剤の噴射圧力を制御することが好ましい。還元剤の噴射圧力を変えることによって、噴射された還元剤粒子の粒度分布や速度を調整することができる。その結果、排気通路における屈曲部の外側方向から連続する内周面側を流れやすい還元剤粒子と、屈曲部の内側方向から連続する内周面側を流れやすい還元剤粒子とを、排気ガスの流速に対応させて均等に分散させることができる。したがって、排気ガスと還元剤との混合状態を良好な状態にして、ＮＯ_X触媒の全面に対して均一に還元剤を流入させることができる。

このように制御する例としては、例えば、還元剤の噴射圧力を大きくしたり小さくしたりすることに伴って、比較的質量の大きい大径の還元剤粒子の分布が減少したり増加したりするような場合には、排気ガスの流速が速くなるにしたがい還元剤の噴射圧力を小さくし、排気ガスの流れに影響されにくい比較的大径の粒子を多く含ませる一方、排気ガスの流速が遅くなるにしたがい還元剤の噴射圧力を大きくし、排気ガスの流れに影響されやすい比較的小径の粒子を多く含ませるように制御することができる。
一方、噴射される還元剤粒子の粒径が還元剤の噴射圧力の影響を受けにくいような場合には、排気ガスの流速が速くなるにしたがい、排気ガスの流れに影響されにくくなるように還元剤粒子の運動量を大きくすべく還元剤の噴射圧力を大きくする一方、排気ガスの流速が遅くなるにしたがい、排気ガスの流れに影響されやすくなるように還元剤粒子の運動量を小さくすべく還元剤の噴射圧力を小さくするように制御することができる。

以上のように、本実施形態のＮＯ_X浄化装置によれば、噴射弁から噴射される還元剤がＮＯ_X触媒の全面にわたって均一に分散した状態で流入するため、部分的に過剰になったり、不足したりすることが低減され、還元剤の利用効率を向上させることができる。その結果、還元剤を用いたＮＯ_Xの浄化効率を向上させることができる。

本実施形態にかかるＮＯ_X浄化装置の構成例を説明するための図である。 噴射弁を含む還元剤噴射装置の構成例を説明するための図である。 噴射弁の配置と還元剤の濃度分布との関係を説明するための図である。 本実施形態にかかるＮＯ_X浄化装置の噴射弁の配置と還元剤の濃度分布との関係を説明するための図である。 噴射弁の噴射方向と排気通路の内周面とのなす角度について説明するための図である。 噴射弁の配置位置について説明するための図である。 従来のＮＯ_X浄化装置の構成について説明するための図である。 屈曲部を通過した排気ガスの速度分布の偏りについて説明するための図である。

符号の説明

１：内燃機関、３：排気通路、３Ａ：外周部、５：ＮＯ_X触媒、７：噴射弁、８：還元剤導入路、９：ＮＯ_Xセンサ、１１：テーパ部、１１ａ：テーパ部の上流側端部、１１ｂ：テーパ部の内周面、１３：屈曲部、１５：直線部分、１７ａ：屈曲部の上流側排気通路、１７ｂ：屈曲部の下流側排気通路、１８・１９：排気通路の内周面、３０：還元剤噴射装置、３１：貯蔵タンク、３３：ポンプ、３５：ＤＣＵ、３７：アクチュエータ、３９：還元剤供給路、４１：排出路、４３：排出弁

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するためのＮＯ_X触媒と、前記ＮＯ_X触媒の上流側で前記排気通路中に前記還元剤を噴射するための噴射弁と、を備えたＮＯ_X浄化装置において、
   前記排気通路は、前記ＮＯ_X触媒の上流側に、断面積が下流側に向けて次第に拡大するテーパ部を有するとともに、当該テーパ部のさらに上流側に屈曲部を有し、
   前記噴射弁は、前記屈曲部と前記テーパ部との間において、前記排気通路の外周部のうち、前記屈曲部の外側方向から連続する外周部に配置されるとともに、
   前記内燃機関の非運転状態に還元剤を噴射した場合における前記還元剤の噴射範囲が前記テーパ部の入口側端部の上流側及び下流側にまたがるように前記噴射弁を配置したことを特徴とするＮＯ_X浄化装置。
2. 前記噴射弁は、噴射方向を前記排気通路の下流側方向に傾けて配置されることを特徴とする請求項１に記載のＮＯ_X浄化装置。
3. 前記噴射弁の噴射軸と、前記屈曲部の上流側の排気通路の軸線と、前記屈曲部の下流側の排気通路の軸線と、が同一平面をなすように、前記噴射弁が配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＯ_X浄化装置。
4. 前記噴射弁は、前記排気通路の外周部に設けられた還元剤導入路を介して、前記排気通路の内周面から離間して配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のＮＯ_X浄化装置。
5. 前記噴射弁から噴射される前記還元剤は、少なくとも、粒径が１５０μｍ以上の大径粒子と、粒径が１００μｍ以下の小径粒子と、を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のＮＯ_X浄化装置。