JP2009002213A - 排気処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ安価な構成でありながら、圧力損失を低く維持しつつ排気に添加した物質と排気とを良好に混合させて、排気に対する所定の処理を促進させることができる排気処理装置を提供する。
【解決手段】 従来のように小径の排気通路２Ａを設けず、大径の接続部１２を介して収容部１０と収容部１１を接続する。接続部１２には、尿素水噴射ノズル５Ａとミキサー２０が設けられる。ミキサー２０は放射状に所定間隔で配設された複数のフィン２１を備え、フィン２１は軸２１Ｂを回転中心として所定の方向に所定角度回転された位置で固定される。フィン２１には切欠部２２が設けられ、当該切欠部２２により圧力損失を低く抑えることができると共に、フィン２１により旋回される流れと、切欠部２２を通過して排気通路を直線的に進む流れと、を排気下流側で効果的に衝突させ、尿素と排気との混合・攪拌をより一層促進させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼装置から排出され種々の排出物質を含む気体（排気）を処理する排気処理装置に関する。

燃焼装置からの排気を浄化して環境汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、例えば、ディーゼル燃焼機関に関しては、排気中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質＝主に黒煙（スス）、ＳＯＦと称される燃え残った燃料や潤滑油の成分、サルフェートと称される軽油燃料中の硫黄分から生成される成分、その他の固体物質を含む）の大気への排出を抑えるために、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）などを排気通路に介装し、排気をディーゼルパティキュレートフィルタを通過させることで排気中のＰＭを捕集する一方、ディーゼルパティキュレートフィルタを種々の方法により再生することが行われている。

また、例えば、特許文献１などにおいては、排気中に含まれるＮＯｘとＰＭの同時低減を実現するために、ディーゼルパティキュレートフィルタやＣＳＦを排気通路に介装すると共に、その下流側に、ＮＯｘ低減に有効な尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）を介装することが提案されている。なお、尿素ＳＣＲとは、酸素共存下においても選択的にＮＯｘを還元剤と反応させることができる特性を備えた選択還元型ＮＯｘ触媒であって、毒性のない尿素水を排気中に添加してアンモニアと炭酸ガスに熱分解し、この生成されたアンモニアを還元剤として用いて選択還元型ＮＯｘ触媒上で排気中のＮＯｘを還元して浄化しようとするものである。

より詳細には、特許文献１に記載されるような従来の排気処理装置においては、例えば、図７に示すように、ディーゼル燃焼機関１の排気通路２の最上流側の排気温度の比較的高い位置に再生効率等の観点より酸化触媒３とディーゼルパティキュレートフィルタ４を介装し、その下流側に尿素水添加装置５、尿素ＳＣＲ触媒６を介装すると共に、尿素ＳＣＲ触媒６からリークしてくる余剰のアンモニア（ＮＨ_３）を酸化処理するためのアンモニア酸化触媒７を介装するようにしていた。

ここで、尿素水添加装置５を構成する尿素水噴射ノズル５Ａを尿素ＳＣＲ触媒６の排気上流側に配設し、前記尿素噴射ノズル５Ａの尿素水噴射部分から尿素ＳＣＲ触媒６の排気上流側端面までの距離を、尿素からアンモニアに加水分解するのに必要な時間を確保するため比較的長く取る必要がある。

また、噴射供給した尿素と排気とを良好に混合・拡散して尿素の加水分解を良好に行なわせる必要がある。

このような観点から、従来においては、図７に示したように、前記尿素水噴射ノズル５Ａの尿素水噴射部分から尿素ＳＣＲ触媒６の排気上流側端面までの距離を比較的長くとりつつ排気の流速を稼いで混合を促進するために、尿素ＳＣＲ触媒６の排気上流側に、酸化触媒３とディーゼルパティキュレートフィルタ４を収容する大径の収容ケース８や尿素ＳＣＲ触媒６とアンモニア酸化触媒７を収容する大径の収容ケース９の径より排気通路断面積を小さく絞った小径の排気通路２Ａを設け、ここに尿素水噴射ノズル５Ａを取り付けるようにしていた。

また、噴射した尿素水と排気とを良好に混合して尿素の加水分解を良好に行なわせるために、前記尿素水噴射ノズル５Ａの尿素水噴射部分の排気下流側の小径の排気通路２Ａにバッファプレート等からなるミキサーを配設するようにしていた。

なお、特許文献２に記載のように、尿素ＳＣＲ触媒を収容する大径の収容ケースの排気上流側に設けられる小径の排気通路の尿素水噴射ノズルの排気上流側にフィン等を用いて構成される旋回流発生手段を配設し、それより排気下流側の小径の排気通路に尿素水噴射ノズルを配設することで、前記旋回流発生手段により発生されるらせん状の旋回流を利用して、噴射した尿素水と排気との混合を促進しつつ、尿素ＳＣＲ触媒６の排気上流側端面に導入させるようとしたものが記載されている（特許文献２の図１、図７等参照）。
特開２００７−２６９７号公報 特許第３８９２４５２号明細書

しかしながら、図７に示したように、酸化触媒３やディーゼルパティキュレートフィルタ４を収容する収容ケース８の径や尿素ＳＣＲ触媒６を収容する収容ケース９の径より断面積をより小さく絞った小径の排気通路２Ａを設け、ここに尿素水噴射ノズル５Ａを取り付けるように構成した場合、圧力損失が大きくなるという実情がある。

このため、大径の収容ケース８、９と小径の排気通路２Ａとの径差をテーパや突き当てなどの形状を工夫することも行なわれているが、圧力損失の低減と、良好な混合・拡散作用と、の両立は難しく、十分な効果が得られていないのが実情である。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、圧力損失を低く維持しつつ排気に添加した物質と排気とを良好に混合させることができ、以って排気に対する所定の処理を促進させることができる排気処理装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る排気処理装置は、
燃焼装置から排気通路を介して排出される排気を処理する排気処理装置であって、
前記排気通路を流れる排気に対して添加された所定の添加物質と、排気と、を混合するための混合手段を含んで構成され、
前記混合手段が、排気通路の中心付近から放射方向に延伸されると共に径方向において所定間隔で配設される複数のフィンを含み、当該複数のフィンの少なくとも一部のフィンの排気に対向する面が排気の流れに対して所定に傾斜して配設されると共に、当該複数のフィンの少なくとも一部のフィンに当該フィンを貫通して設けられる切欠部が形成されたことを特徴とする。

本発明は、
前記所定の添加物質が、添加手段により排気に対して添加される尿素選択還元型ＮＯｘ触媒の還元剤であり、
前記排気処理装置が、尿素選択還元型ＮＯｘ触媒と、当該尿素選択還元型ＮＯｘ触媒の排気上流側に配設される触媒若しくはパティキュレートフィルタと、を含み、
前記添加手段及び前記混合手段が、前記尿素選択還元型ＮＯｘ触媒と、排気上流側に配設される触媒若しくはパティキュレートフィルタと、の間の接続部に配設されることを特徴とすることができる。

本発明は、前記触媒若しくはパティキュレートフィルタの収容部から、前記接続部を通って前記尿素選択還元型ＮＯｘ触媒の収容部に至る間において、実質的な絞り部分及び拡張部分が配設されないことを特徴とすることができる。

本発明は、前記添加手段が前記混合手段の排気上流側に配設されることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、圧力損失を低く維持しつつ排気に添加した物質と排気とを良好に混合させることができ、以って排気に対する所定の処理を促進させることができる排気処理装置を提供することができる。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

本発明の一実施の形態に係る排気処理装置は、図１に示すように、ディーゼル燃焼機関１の排気通路２の最上流側の排気温度の比較的高い位置に再生効率等の観点より酸化触媒３とディーゼルパティキュレートフィルタ４を介装し、その下流側に尿素水添加装置５、尿素ＳＣＲ触媒６を介装すると共に、尿素ＳＣＲ触媒６からリークしてくる余剰のアンモニア（ＮＨ_３）を酸化処理するためのアンモニア酸化触媒７が介装されている。

前記尿素水添加装置５は、排気に対して尿素水を所定のタイミングで噴射供給する尿素水噴射ノズル５Ａと、尿素水を貯留する尿素水タンク５Ｂと、当該尿素水タンク５Ｂに貯留されている尿素水を排気に対して噴射供給する前記尿素水噴射ノズル５Ａへ所定圧力をもって圧送供給する供給ポンプ５Ｃと、を含んで構成されている。

なお、本実施の形態では、図７に示した従来の排気処理装置のように、酸化触媒３とディーゼルパティキュレートフィルタ４を収容する大径の収容ケース８と、尿素ＳＣＲ触媒６とアンモニア酸化触媒７を収容する大径の収容ケース９と、の間に排気通路断面積を小さく絞った小径の排気通路２Ａを設ける構成を採用せず、酸化触媒３とディーゼルパティキュレートフィルタ４を収容する大径の収容部１０と、尿素ＳＣＲ触媒６とアンモニア酸化触媒７を収容する大径の収容部１１と、をこれらの径をほぼ維持したまま接続する接続部１２を介して接続するようになっている。

なお、収容部１０、収容部１１、接続部１２を略一体的に形成した収容ケースを採用することも可能である。
ここで、前記収容部１０、前記収容部１１、前記接続部１２は、金属製部材により形成されることができ、例えば、スチール、ＳＵＳ、Ｔｉなどの種々の材料を採用することができる。

このように、本実施の形態では、従来のように小径の排気通路２Ａを設けず、大径の接続部１２を介して収容部１０と収容部１１とを接続するようにしたので、従来のような排気通路断面積が縮小された部位（絞り部分：小径の排気通路２Ａ）がないため、圧力損失を低く抑えることができる（図２参照）。

また、図２に示したように、本実施の形態のように大径の接続部１２を介して収容部１０と収容部１１とを接続する構成とすれば、前記排気通路断面積を縮小・拡大するための部分（絞り部分・拡張部分）が不要となるため、例えば尿素からアンモニアに加水分解するのに必要な時間を確保するための必要最小限の長さを確保すればよく、以って排気処理装置の排気流れ方向長さを短くでき、延いては小型化、軽量化、低コスト化等に寄与することが可能となる。

なお、前記接続部１２には、図１に示したように、尿素水添加装置５を構成する尿素水噴射ノズル５Ａが取り付けられ、その下流側には、前記尿素水噴射ノズル５Ａから排気中に噴射供給された尿素水（すなわち、尿素）と排気との混合を促進するためのミキサー（混合手段）２０が設けられている。

前記ミキサー２０は、図３、図５、図６に示すように、尿素水噴射ノズル５Ａの尿素水噴射部分の排気下流側に配設されるフィン２１を複数備えて構成され、当該複数のフィン２１により排気流路を制限して流速を速めると共に旋回流を形成することで、尿素と排気との混合を促進し尿素の加水分解を促進させることができるようになっている。

また、図４に示すように、排気中に噴射供給された尿素水をフィン２１に衝突させることで、固体−液体界面の熱交換を活性化させることができるため、尿素と排気との混合を促進することができる。

なお、ミキサー２０を構成するフィン２１は、図３、図５、図６、及び図４に示すように、排気流れ方向の略同一位置において中心部２１Ａ廻りに放射状に所定間隔で複数配設され、旋回流を形成するために、軸２１Ｂを回転中心として所定の方向に所定角度（例えば４５度）回転された位置で固定されている。これにより、フィン２１に衝突した排気流れに旋回成分が与えられることになる。ところで、軸２１Ｂを回転中心として所定の方向に所定角度回転された位置は、複数のフィン２１の少なくとも一部のフィン２１と他のフィン２１とで異ならせることもできる。

また、フィン２１には、切欠部（スリット）２２が設けられており、当該切欠部２２により圧力損失を低く抑えることができると共に、図４に示したように、フィン２１に到達した排気（噴射供給された尿素を含む）の一部がフィン２１と衝突して旋回方向にその進路を変更される一方、当該切欠部２２を通過した排気（噴射供給された尿素を含む）はフィン２１に衝突せず排気下流側へ通過して行くことになる。

このため、フィン２１により旋回される流れと、切欠部２２を通過して排気通路を直線的に進む流れと、をフィン２１の排気下流側で効果的に衝突させることができるため、尿素と排気との混合・攪拌がより一層促進され、以って尿素の加水分解をより一層促進させることができ、延いては尿素ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ還元効率を効果的に高めることができることになる。

なお、フィン２１の数、フィン２１の形状（例えばフィン２１と隣接するフィン２１の隙間の大きさなども含む）、フィン２１に占める切欠部２２の割合やフィン２１上における切欠部２２の配置の仕方、フィン２１の軸２１Ｂ廻りの回転角度などをフィン２１毎に適宜調整することも可能で、これにより、圧力損失と尿素混合の促進度合いなどを適宜調整できるものである。

また、排気流れ方向の略同一位置において複数のフィン２１が中心部２１Ａ廻りに放射状に配設されて構成される複数のミキサー２０を、排気流れ方向の異なる位置に配設することで、ミキサー２０を複数段備える構成とすることもできる（図４では、１段目、２段目として記してある）。

この場合、各段のミキサー２０毎に、フィン２１の数、フィン２１の形状（例えばフィン２１間の隙間の大きさなども含む）、フィン２１に占める切欠部２２の割合やフィン２１上における切欠部２２の配置、フィン２１の軸２１Ｂ廻りの回転角度などを、適宜異ならせた構成を採用することができるものである。

なお、図４に１段目、２段目として記したように、複数のミキサー２０のうち、一のミキサー２０のフィン２１の配置と、排気下流側若しくは排気上流側に配設される他のミキサー２０のフィン２１の配置は、排気流れ方向に沿って見たときに、一のミキサー２０のフィン２１と、一のミキサー２０のフィン２１と、の間に他のミキサー２０のフィン２１が見えるように配設されることができる。

このように配設すると、一のミキサー２０のフィン２１と、一のミキサー２０のフィン２１と、の間を通過した直線的に流れる排気流れ成分が他のミキサー２０のフィン２１に衝突されて旋回流れ成分となるため、尿素と排気との混合・攪拌がより一層促進され、以って尿素の加水分解をより一層促進させることができ、延いては尿素ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ還元効率を効果的に高めることができることになる。

ところで、本実施の形態では、尿素水噴射ノズル５Ａの尿素水噴射部分の排気下流側に複数のフィン２１からなるミキサー２０を配設する構成として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、尿素水噴射ノズル５Ａの尿素水噴射部分の排気上流側に複数のフィン２１からなるミキサー２０を配設する構成とすることができる。この場合、固体−液体界面の熱交換の活性化作用は劣るものの、他の作用効果（圧力損失の低減作用、システム全体の小型・軽量・低コスト化作用、尿素と排気との混合・攪拌作用、尿素の加水分解の促進作用等）は同様に奏することができるものである。

また、本実施の形態では、酸化触媒３とディーゼルパティキュレートフィルタ４を収容する大径の収容部１０と、尿素ＳＣＲ触媒６とアンモニア酸化触媒７を収容する大径の収容部１１と、をこれらの径をほぼ維持したまま接続する接続部１２を介して接続する構成として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図７に示した従来の排気処理装置のように、酸化触媒３とディーゼルパティキュレートフィルタ４を収容する大径の収容ケース８と、尿素ＳＣＲ触媒６とアンモニア酸化触媒７を収容する大径の収容ケース９と、の間に排気通路断面積を小さく絞った小径の排気通路２Ａを設ける構成を採用し、小径の廃棄通路２Ａに、切欠部２２を有する複数のフィン２１からなるミキサー２０を配設する構成にも適用可能である。

すなわち、本実施の形態のように、大径の接続部１２を採用した場合に比べ、小径の排気通路２Ａを採用した場合には、圧力損失が高くはなるものの、従来のような切欠部２２のないものに比べれば、切欠部２２を設けたことにより圧力損失を低く抑えることができると共に、フィン２１により旋回される流れと、切欠部２２を通過して排気通路を直線的に進む流れと、をフィン２１の排気下流側で効果的に衝突させることができるため、尿素と排気との混合・攪拌をより一層促進することができ、以って尿素の加水分解をより一層促進させ、延いては尿素ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ還元効率を効果的に高めることができるものである。

なお、本実施の形態では、複数のフィン２１の全てに切欠部２２を形成した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のフィン２１のうちの一部のフィンについて切欠部２２を形成することも可能である。

ところで、本実施の形態において、ディーゼル燃焼機関１を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、排気を伴う燃焼装置であれば、ガソリンエンジンその他の内燃機関の他、外燃機関とすることもでき、燃焼方式に拘わらず、あらゆる移動式・定置式の燃焼装置とすることができる。

また、本実施の形態では、尿素ＳＣＲ触媒６を採用し、還元剤として尿素水を排気に添加する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、排気通路２を流れる排気に対して所定の添加物質を添加し、当該添加物質と、排気と、を混合することが要求される排気処理装置に本発明を適用可能である。

以上で説明した各実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

本発明の一の実施の形態に係る排気処理装置の構成例を示す図である。 本発明の作用効果を従来例と比較して説明するための図である。 同上実施の形態に係るミキサー（混合手段）の構成例を示す図である。 本発明の作用効果を模式的に説明するための図である。 同上実施の形態に係るミキサー（混合手段）のもう一つの構成例を示す図である。 同上実施の形態に係るミキサー（混合手段）の他の構成例を示す図である。 従来に係る排気処理装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１ ディーゼル燃焼機関
２ 排気通路
２Ａ 小径の排気通路
３ 酸化触媒
４ ディーゼルパティキュレートフィルタ
５ 尿素水添加装置
５Ａ 尿素水噴射ノズル
５Ｂ 尿素水タンク
５Ｃ 供給ポンプ
６ 尿素ＳＣＲ触媒
７ アンモニア酸化触媒
１０ 大径の収容部
１１ 大径の収容部
１２ 接続部
２０ ミキサー（混合手段）
２１ フィン
２２ 切欠部

Claims (4)

1. 燃焼装置から排気通路を介して排出される排気を処理する排気処理装置であって、
   前記排気通路を流れる排気に対して添加された所定の添加物質と、排気と、を混合するための混合手段を含んで構成され、
   前記混合手段が、排気通路の中心付近から放射方向に延伸されると共に径方向において所定間隔で配設される複数のフィンを含み、当該複数のフィンの少なくとも一部のフィンの排気に対向する面が排気の流れ方向に対して所定に傾斜して配設されると共に、当該複数のフィンの少なくとも一部のフィンに当該フィンを貫通して設けられる切欠部が形成されたことを特徴とする排気処理装置。
2. 前記所定の添加物質が、添加手段により排気に対して添加される尿素選択還元型ＮＯｘ触媒の還元剤であり、
   前記排気処理装置が、尿素選択還元型ＮＯｘ触媒と、当該尿素選択還元型ＮＯｘ触媒の排気上流側に配設される触媒若しくはパティキュレートフィルタと、を含み、
   前記添加手段及び前記混合手段が、前記尿素選択還元型ＮＯｘ触媒と、排気上流側に配設される触媒若しくはパティキュレートフィルタと、の間の接続部に配設されることを特徴とする請求項１に記載の排気処理装置。
3. 前記触媒若しくはパティキュレートフィルタの収容部から、前記接続部を通って前記尿素選択還元型ＮＯｘ触媒の収容部に至る間において、実質的な絞り部分及び拡張部分が配設されないことを特徴とする請求項２に記載の排気処理装置。
4. 前記添加手段が、前記混合手段の排気上流側に配設されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の排気処理装置。