JP2009041370A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクタの熱損傷を低減するとともにインジェクタから噴射される還元剤を排気ガス中に混合拡散させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路中に配置された還元触媒と、還元触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、還元剤噴射部は接続管を介して排気通路に接続されており、還元剤噴射部として単噴孔ノズルを備えたインジェクタを備えるとともに、排気通路内に、インジェクタから噴射される還元剤が衝突し拡散される衝突拡散部材を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化するための排気浄化装置に関する。特に、インジェクタから還元剤を供給して窒素酸化物を還元浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。

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含まれる粒子状物質（以下、ＰＭと称する）や窒素酸化物（以下、ＮＯ_Xと称する）を除去するための技術が知られている。
このうち、ＮＯ_Xを除去するための技術として、排気通路中に配置された還元触媒の上流側で還元剤を噴射し、排気ガスとともに還元触媒に流入させて、排気ガス中のＮＯ_X（ＮＯやＮＯ₂）を窒素等に効率的に分解して放出する選択還元型（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）の排気浄化装置が知られている。

このような選択還元型の排気浄化装置の一態様として、インジェクタ（還元剤噴射弁）によってアンモニア化合物を還元剤として噴射する内燃機関の排気浄化装置が提案されている。より具体的には、図８に示すように、排気ガスを導く排気通路３０４に排気ガス中のＮＯ_Xを還元反応により浄化するＮＯ_X還元触媒３１１を有し、その上流側にアンモニア化合物を還元剤として噴射する還元剤噴射弁３２１と、還元剤噴射弁より噴射された還元剤を加熱する還元剤加熱手段３２２を備えた排気浄化装置が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００６−２４２１５５号公報 （特許請求の範囲 図２等）

ところで、還元剤の導入手段としてのインジェクタは、電流の供給によって噴射孔に通じる流路の開閉を容易に制御できることから電磁制御式のインジェクタが用いられており、樹脂部やコイル部等の熱に弱い部材が含まれている。しかしながら、特許文献１に記載された排出ガス浄化装置は、インジェクタが直接排気管に取り付けられており、排気管からの熱がインジェクタに直接伝わりやすくなっているため、インジェクタが熱により損傷を受けてしまうおそれがあった。

このような排気管からの熱によるインジェクタの熱損傷を防ぐために、排気管とインジェクタとを接続管を介して接続することが考えられる。しかしながら、一般的に排気管内に還元剤を噴射供給するためのインジェクタノズルは、高微粒子化、高分散、高貫徹力噴霧が可能であることから、還元剤の噴射広がり角が比較的大きな多噴孔ノズルやスワールノズル等が用いられている。そのため、噴射される還元剤が接続管に付着しないようにするためには、インジェクタと排気管とを接続する接続管を太くする必要がある。そうすると、排気管から接続管を介してインジェクタへ伝わる熱の伝導量が大きくなるため、それでもなおインジェクタが熱損傷を受けてしまうおそれがある。

そこで、本発明の発明者は鋭意努力し、還元剤噴射部として単噴孔ノズルを備えたインジェクタを用いるとともに、インジェクタから噴射される還元剤を衝突させて拡散させる衝突拡散部材を排気通路内に備えることにより、このような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、インジェクタの熱損傷を低減するとともにインジェクタから噴射される還元剤を排気ガス中に混合拡散させることができる内燃機関の排気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中に配置された還元触媒と、還元触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、還元剤噴射部は接続管を介して排気通路に接続されており、還元剤噴射部として単噴孔ノズルを備えたインジェクタを備えるとともに、排気通路内に、インジェクタから噴射される還元剤が衝突し拡散される衝突拡散部材を備えることを特徴とする内燃機関の排気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、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、接続管とインジェクタとの間に、断熱性部材を介在させることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、インジェクタは放熱フィンを備えることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、衝突拡散部材は加熱手段を備えることが好ましい。

本発明によれば、排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射部として単噴孔ノズルを備えたインジェクタを使用することにより、還元剤の噴射広がり角が小さくされる。したがって、多噴孔ノズルやスワールノズルを使用する場合と比較して、排気通路と還元剤噴射部を接続する接続管の直径の大きさを小さくすることができる。よって、排気通路から接続管を介してインジェクタへ伝わる熱伝導量が小さくなるため、インジェクタの熱損傷が低減され、還元剤噴射部の耐久性を向上させることができる。
また、排気通路中に衝突拡散部材を備えることにより、噴射広がり角が小さい単噴孔ノズルを用いた場合であっても、還元剤を排気ガス中に拡散させて、還元触媒に対して均一に流入させることができる。したがって、還元触媒全体を利用してＮＯ_Xを還元させることができ、ＮＯ_Xの浄化効率が低下することを防ぐことができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、接続管とインジェクタとの間に断熱性部材が介在することにより、排気通路から接続管を介してインジェクタへ伝わる熱伝導量を小さくすることができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、インジェクタが放熱フィンを備えることにより、インジェクタの持つ熱を放出することができるため、接続管を介してインジェクタに伝わる排気熱の伝導量の許容範囲を大きくすることができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、衝突拡散部材が加熱手段を備えることにより、還元剤が付着して結晶化することを低減することができるとともに、還元剤がさらに微粒化されやすくなり、効率的に排気ガス中に混合拡散させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の内燃機関の排気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、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この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、図面中、同一の符号が付された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。

１．排気浄化装置
図１は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」と称する）１０の構成を示す断面図である。
本実施形態にかかる排気浄化装置１０は、排気ガスを排出する内燃機関５と、内燃機関５に接続された排気通路２５と、排気通路２５の途中に接続された還元触媒１３と、還元触媒１３の上流側で排気通路内に還元剤を噴射する還元剤供給装置３０とを備えている。また、還元触媒１３の上流側及び下流側には、上流側酸化触媒１９及び下流側酸化触媒１７がそれぞれ配置されている。

このうち、内燃機関５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、現状において排気ガス中のＰＭやＮＯ_Xの浄化度合い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。

本実施形態の排気浄化装置１０に用いられる還元触媒１３は、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元浄化する、選択還元式の還元触媒である。この還元触媒１３は、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。

また、本実施形態の排気浄化装置１０は、還元触媒１３の上流側及び下流側に酸化触媒（以下、上流側酸化触媒及び下流側酸化触媒と称する。）１７、１９を備えている。下流側酸化触媒１７が備えられていることにより、仮に、還元剤としての尿素水溶液が加水分解されて生成されたアンモニアがスリップして、ＮＯ_X触媒１３をそのまま通過した場合であっても、この下流側酸化触媒１７によって酸化させ、相対的に有害性の低いＮＯ₂にして放出させることができる。
また、上流側酸化触媒１９は、排気ガス中に含まれる未燃燃料（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化することにより、その酸化熱を利用して排気ガスを昇温させることができる。したがって、比較的高温状態にされた排気ガスを還元剤拡散手段１１やＮＯ_X触媒１３に流入させることができ、還元剤拡散手段１１を加熱するとともにＮＯ_X触媒１３を昇温活性化させることができる。また、ＣＯが酸化されて生成されるＣＯ₂とＣＯとの比率を、ＮＯ_X触媒１３におけるＮＯ_Xの還元効率が最適化されるように調整することもできる。
これらの上流側酸化触媒１９及び下流側酸化触媒１７としては、公知のもの、例えば、アルミナに白金を担持させたものに所定量のセリウム等の希土類元素を添加したものを用いることができる。

２．還元剤供給装置
還元剤供給装置３０は、還元触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射するためのものであり、還元剤の貯蔵タンク３１と、貯蔵タンク３１内の還元剤を圧送するポンプ３３と、還元剤を排気通路内に噴射するインジェクタ３５とを備えている。このうちポンプ３３は、例えば電動ポンプが用いられ、還元剤の供給経路３７内の圧力が所定の圧力に維持されるように制御されている。
また、用いられる還元剤としては、尿素水溶液が典型的である。例えば、この尿素水溶液を使用した場合には、排気通路中に噴射された尿素が排気ガス中の熱によって加水分解することによりアンモニア（ＮＨ₃）が生成され、このＮＨ₃と排気ガス中のＮＯ_X（ＮＯやＮＯ₂）がＮＯ_X触媒中で反応することによりＮＯ_Xが還元され、窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に分解されて排出される。これ以外にも、未燃燃料（ＨＣ）等、ＮＯ_Xを還元させることができる材料を液体還元剤として使用することができる。

インジェクタ３５は、例えば、ＤＵＴＹ制御により開弁のＯＮ−ＯＦＦを制御するＯＮ−ＯＦＦ弁からなり、噴射される還元剤の量は、内燃機関５の回転数や負荷状態、燃料噴射量等を基に推定される排出ＮＯ_X量に応じて決定され、この噴射量に応じて還元剤噴射弁３５のＤＵＴＹ制御が行われるようになっている。
また、本実施形態の排気浄化装置１０に備えられたインジェクタ３５は、一つの噴射孔が形成された、いわゆる単噴孔ノズルを備えたインジェクタ３５が用いられており、接続管４１を介して排気通路に接続されている。

図２（ａ）〜（ｂ）は、インジェクタ３５と衝突拡散部材４２と排気管２５と接続管４１との配置構成を示す図であり、図２（ａ）は、インジェクタ３５の取付位置の周囲を排気管２５の下流側から見た図であり、図２（ｂ）は、インジェクタ３５の取付位置の周囲を側方から見た部分断面図である。
この図２（ａ）〜（ｂ）に示すように、インジェクタ３５は接続管４１を介して排気管２５と接続されている。図２に示す例では、接続管４１は、一端側が排気管２５に溶接固定されているとともに、他端側に単噴孔ノズル４０を持つインジェクタ３５を固定するフランジ部４６が溶接固定されている。また、インジェクタ３５にもフランジ部４８が設けられており、二つのフランジ部４６、４８の間にシム４４を介在させた状態で固定用ボルト４９を用いてネジ固定されている。インジェクタ３５を接続管４１に固定する接続部材については、図示しないものの固定用ボルト以外にもＶカップリングを用いることもできる。また、排気通路内には、インジェクタ３５から噴射される還元剤が衝突し拡散されるように衝突拡散部材４２が備えられており、この衝突拡散部材４２についても同様に、排気管２５に溶接固定されている。

通常、還元剤を噴射供給するインジェクタとしては、複数の噴射孔が形成された多噴孔ノズルやスワールノズル等を備えたインジェクタが用いられるが、一つの噴射孔３５ａが形成された単噴孔ノズル４０を備えたインジェクタ３５を使用することにより噴射広がり角が相対的に小さくされる。そのため、多噴孔ノズルやスワールノズルを使用する場合と比較して排気管２５とインジェクタ３５とを接続する接続管４１の直径を小さくすることができる。したがって、接続管４１を介してインジェクタ３５へ伝わる排気熱の熱伝導量が小さくされ、インジェクタ３５の熱損傷を低減することができ、インジェクタ３５の耐久性を向上させることができる。

また、インジェクタ３５のフランジ部４８と接続管４１のフランジ部４６との間に介在するシム４４は、セラミックス材料あるいはセラミックスコーティングが施された構成であり、断熱性が高められるようになっている。このように断熱性を持つシム４４が介在していることにより、インジェクタ３５と接続管４１との接触面積を小さくすることができるとともに、インジェクタ３５に伝わる熱伝導量がさらに低減されるようになっている。
さらに、インジェクタ３５のフランジ部４８と接続管４１のフランジ部４６との間に介在するシム４４のみならず、インジェクタ３５を接続管４１に接続するための固定用ボルト４９やＶカップリング等の接続部品についても、セラミックスコーティングを施すことによって、断熱性がより高められるようになっている。

また、本実施形態で使用されるインジェクタ３５には放熱フィン３５ｂが設けられており、インジェクタ３５が持つ熱量を放出しやすくされている。したがって、接続管４１等を介して排気ガスの熱がインジェクタ３５に伝わってくる場合であっても効率的に放熱されるため、インジェクタ３５が過度に昇温されることがないようになっている。すなわち、インジェクタ３５に伝わってくる熱量よりも放熱フィン３５ｂから放出される熱量が大きくなるように構成されており、インジェクタ３５の熱損傷の低減が図られている。

このように、単噴孔ノズル４０を備えたインジェクタ３５を用いることによって排気管２５からの熱の伝導量の低減を図ることができるが、その一方で、噴射される還元剤の噴霧は噴射広がり角が小さく、拡散されにくくなっている。そのため、本実施形態の排気浄化装置には衝突拡散部材４２が備えられ、還元剤を衝突させることによる衝突拡散効果によって排気通路中に還元剤を拡散させるようになっている。
図２に示す衝突拡散部材４２は、球状体４２ａを支持部４２ｂによって固定したものであり、還元剤が衝突する衝突面が球面となっている。

図３（ａ）〜（ｂ）は、図２に示す衝突拡散部材４２に対してインジェクタ３５から噴射された還元剤の噴霧が衝突し、拡散される様子を示している。図３（ａ）は、還元剤の進行方向から衝突拡散部材４２を見た状態を示し、図３（ｂ）は、還元剤の進行方向に対して側方側から衝突拡散部材４２を見た状態を示している。
まず、インジェクタ３５から噴射される還元剤の噴霧は、衝突拡散部材４２に衝突すると、衝突面において衝突位置を中心に放射状に広がって液膜状となる（図３（ａ）を参照）。そして、放射状に広がる還元剤の噴霧は、衝突拡散部材４２の外周エッジ部で衝突拡散部材４２から離れる際にせん断作用により微粒化され、衝突拡散部材４２の外周部全域に向けて拡散するようになっている。
そのうえ、排気通路内には排気ガスが流れるため、排気通路内に配置固定されている衝突拡散部材４２の下流側においては渦流が形成される（図３（ｂ）を参照）。そうすると、還元剤の噴霧は渦流の影響を受けるとともに排気ガスのもつ熱の影響を受けて、さらに微粒化が促進され、噴霧の拡散性が向上させられるようになっている。

このような衝突拡散部材４２の形態については様々な選択が可能である。
例えば、図４（ａ）〜（ｂ）に示す衝突拡散部材４２Ａは、半球状体４２Ａａを支持部４２Ａｂによって固定したものであり、図２の構成と同様にして還元剤が衝突し拡散されるようになる。
また、衝突拡散部材における還元剤の衝突面を曲面ではなく、図５や図６に示すような平面とすることもできる。図５（ａ）〜（ｂ）は、噴射された還元剤が垂直に衝突するように平面状の衝突面を配置した衝突拡散部材４２Ｂの例であり、図６（ａ）〜（ｂ）は、噴射された還元剤が平面状の衝突面に対して斜めに衝突するように構成した衝突拡散部材４２Ｃの例である。

また、還元剤の微粒化を促進し、排気ガス中により拡散させやすくするために、図７に示すように、衝突拡散部材４２を加熱するための加熱装置４３を備えることもできる。例えば、電熱線やグロープラグを衝突拡散部材４２に接するように取り付けることにより、噴射される還元剤を過熱により微粒化させることができるとともに、衝突拡散部材４２上に還元剤が付着して結晶化することを低減することができる。

さらに、この衝突拡散部材４２は、インジェクタ３５から噴射される還元剤の噴霧の噴射範囲が衝突拡散部材４２の外側にはみ出さないように配置し、還元剤の噴霧が衝突拡散部材４２に衝突しないでそのまま進行することのないようにされることが好ましい。
このように配置すれば、還元剤の微粒子化、拡散効果を最大限に得ることができるとともに、還元剤が還元触媒１３側への通路となる箇所に付着して結晶化するおそれを低減することができる。

このように、一つの噴射孔３５ａが形成された単噴孔ノズル４０を備えたインジェクタ３５を用いるとともに、インジェクタ３５から噴射される還元剤の噴霧を衝突させる衝突拡散部材４２を備えることにより、インジェクタ３５の熱損傷を防ぎつつ、噴射された還元剤を効率的に微粒化して混合拡散させることができる。したがって、インジェクタ３５の耐久性を向上させることができるとともに、還元触媒全体を利用してＮＯ_Xの還元を効率的に行うことができる。

３．応用例
これまで説明した排気浄化装置１０の例は、衝突拡散部材４２によって還元剤を微粒化し拡散させるものであるが、還元剤の噴霧分布が不均一な場合、衝突拡散部材４２の下流側にさらにミキサーを備えた構成とすることもできる。ミキサーの態様は特に制限されるものではなく、例えば、パンチングプレートやワイヤーメッシュ部材、スタティックミキサー等、種々のミキサーを用いることができる。このようなミキサーを備えることにより、還元剤の微粒化がさらに促進され、排気ガス中へより効率的に拡散させることができる。そのため、還元触媒の入口面全面に対して均一に流入させることができ、還元触媒全体を利用してＮＯ_Xの還元を効率的に行うことができる。

本発明の実施の形態にかかる排気浄化装置の全体構成を説明するための図である。 本実施形態の排気浄化装置におけるインジェクタや衝突拡散部材の配置構成を説明するための図である。 衝突拡散部材に還元剤が衝突し拡散される様子を説明するための図である。 衝突拡散部材の別の構成例を説明するための図である。 衝突拡散部材のさらに別の構成例を説明するための図である。 衝突拡散部材のさらに別の構成例を説明するための図である。 衝突拡散部材の加熱装置を備えた構成例を説明するための図である。 従来の排気浄化装置の構成を説明するための図である。

符号の説明

５：内燃機関、１０：排気浄化装置、１３：還元触媒、１７：下流側酸化触媒、１９：上流側酸化触媒、２５：排気管、３０：還元剤供給装置、３１：貯蔵タンク、３３：ポンプ、３５：還元剤噴射弁、３５ａ：噴射孔、３５ｂ：放熱フィン、３７：還元剤供給経路、４０：単噴孔ノズル、４１：接続管、４２・４２Ａ・４２Ｂ・４２Ｃ：衝突拡散部材、４３：加熱装置、４４：シム、４６：フランジ部、４８：フランジ部、４９：固定用ボルト

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路中に配置された還元触媒と、前記還元触媒の上流側で前記排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記還元剤噴射部は接続管を介して前記排気通路に接続されており、
   前記還元剤噴射部として単噴孔ノズルを備えたインジェクタを備えるとともに、前記排気通路内に、前記インジェクタから噴射される還元剤が衝突し拡散される衝突拡散部材を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記接続管と前記インジェクタとの間に、断熱性部材を介在させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記インジェクタは、放熱フィンを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記衝突拡散部材は、加熱手段を備え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内燃機関の排気浄化装置。

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