JP2009236013A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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博昭 藤田
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Abstract

【課題】ミキシング室を短縮化した場合でも、ミキシング室の縮径部による排ガスと添加剤との混合作用、及びミキシング室の拡径部による排ガスの拡散作用を十分に発揮でき、もってミキシング室の短縮化に起因する浄化性能の低下を最小限に抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】NOx触媒16の上流側に、下流側に縮径する縮径部13aから最小径の絞り部13bを経て下流側に拡径する拡径部13cへと連続するベンチュリ状のミキシング室13を設け、その縮径部13a内にベーンプレート18及び尿素水の噴射ノズル19を配設する。ベーンプレート18から絞り部13bの中央までの距離aと、絞り部13bの中央からNOx触媒16の入口までの距離bとの比率a/bを、0.5〜1.0の範囲内に設定する。
【選択図】図1

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは触媒装置の上流側にベンチュリ状のミキシング室を設けて内燃機関の排ガスを導入し、ミキシング室の縮径部内で排ガスを絞りながら添加剤噴射手段から噴射された添加剤と混合させると共に、この縮径部から最小径の絞り部を経て連続する拡径部内で排ガスを拡散させて触媒装置の入口に均一に供給するようにした排気浄化装置に関するものである。
この種の排気浄化装置では、内燃機関の排ガス中に添加剤を噴射して触媒装置上に供給し、添加剤を利用して触媒装置に排ガス浄化作用を発揮させている。触媒装置に高い浄化作用を発揮させるには、排ガス中に添加剤を良好に混合すること、及び添加剤を混合後の排ガスを触媒装置の入口全体に均一に供給することの2の要件が重要となる。このような要件を鑑みて従来から種々の対策が講じられており、例えば特許文献1に記載されたものを挙げることができる。
当該特許文献1に記載された排気浄化装置では、内燃機関の排気通路にDPFを収容したケーシングを設け、このケーシング内のDPFの下流側を大径部として内部に旋回流を生起するベーンプレートを配設し、大径部から下流側に向けて縮径する縮流部を介して小径部を設けて内部に添加剤噴射手段として燃料ノズルを設けると共に、小径部の下流側に触媒装置としてNOx吸蔵触媒を配設している。
内燃機関の排ガスはDPF、大径部、縮流部、小径部の順に流通し、NOx触媒を流通する際に排ガス中のNOxが吸蔵され、NOx吸蔵量が所定値に達した時点で、NOx触媒からNOxを放出還元するためのNOxパージが実行される。当該NOxパージでは、燃料ノズルから燃料が噴射されて排ガスと共にNOx触媒上に供給され、この燃料を還元剤としてNOx触媒からNOxが放出還元されるが、大径部を流通する際にベーンプレートにより排ガスに旋回流を生起させることにより、排ガス中への燃料の混合促進を図っている。
上記特許文献1の発明では、上記2つの要件の一方(排ガス中への燃料の混合促進)だけに着目した対策を講じているが、これとは別に2つの要件を共に達成するための対策を講じた排気浄化装置も提案されている。
図4はこの従来技術の排気浄化装置を示す構成図であるが、DPF15の下流側に触媒装置として選択還元型NOx触媒16を配設し、これらのDPF15とNOx触媒16との間に、下流側に縮径する縮径部13aから最小径の絞り部13bを経て下流側に拡径する拡径部13cへと連続するベンチュリ状のミキシング室13を形成し、縮径部13a内の上流側に旋回流を生起するベーンプレート18を配設すると共に、ベーンプレート18の直下流側に添加剤噴射手段として尿素水を噴射する噴射ノズル19を設けている。
DPF15を流通後の排ガスはミキシング室13の縮径部13a内でベーンプレート18により旋回流を生起し、この排ガス中に噴射ノズル19から尿素水が噴射される。排ガスは縮径部13a内を流通する過程で絞られながら尿素水と良好に混合され、その後に絞り部13bを経て拡径部13cへと流通し、これと並行して排ガス中の尿素水は排ガスの熱により加水分解されてアンモニア(NH)を生成する。拡径部13c内を流通する過程で排ガスは拡散して下流側のNOx触媒16の入口にはアンモニアが均一に供給され、このアンモニアを利用してNOx触媒16上で排ガス中のNOxが選択還元される。
特開2006−183509号公報
上記のように図4の排気浄化装置では、ミキシング室13の縮径部13aにより排ガスと尿素水との混合促進が行われ、ミキシング室13の拡径部13cにより尿素水を混合後の排ガスの拡散が行われるが、これらの作用を十分に得るには、ミキシング室13の縮径部13aと拡径部13cとの排ガス流通方向の長さをある程度確保する必要がある。
ところが、内燃機関の排気系は、車体上に搭載されているパワートレインや走行用装備等を避けて取り回されることから、必然的に排気系の一部を構成する排気浄化装置も設置スペースの制限を受ける。特に排気浄化装置を構成するDPF15、ミキシング室13及びNOx触媒16は機能上一列に配置する必要があるため、車体への搭載のために総全長を短縮化することが要望される。DPF15やNOx触媒16の短縮化は浄化性能の低下に直結するため、必然的に残るミキシング室13の短縮化により対処する場合が多いが、ミキシング室13の短縮化は上記縮径部13aや拡径部13cの短縮化を意味する。
図4に示した従来技術の排気浄化装置は縮径部13aを短縮化した場合を表しており、図5に示す従来技術の排気浄化装置は拡径部13cを短縮化した場合を表している。
図4に示すように縮径部13aを短縮化した場合には、排ガスと尿素水との混合時間を十分に確保できなくなるため、排ガスに対して尿素水を良好に混合できず、一方、図5に示すように拡径部13cを短縮化した場合には、尿素水を混合した排ガスの拡散時間を十分に確保できなくなるため、尿素水から生成したアンモニアをNOx触媒16の入口全体に均一に供給できない。結果として何れの場合も、NOx触媒16上でのNOxの選択還元に貢献しないアンモニアが発生してNOx浄化性能の低下の要因になり、今一つ改良の余地があった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ミキシング室を短縮化した場合でも、ミキシング室の縮径部による排ガスと添加剤との混合作用、及びミキシング室の拡径部による排ガスの拡散作用を十分に発揮でき、もってミキシング室の短縮化に起因する浄化性能の低下を最小限に抑制す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にある。
上記目的を達成するため、請求項1の発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、添加剤の供給により上記内燃機関の排ガスを浄化する触媒装置と、排気通路の触媒装置の上流側に設けられ、下流側に縮径する縮径部から最小径の絞り部を経て下流側に拡径する拡径部へと連続するベンチュリ状をなすミキシング室と、ミキシング室の縮径部内の上流側に配設され、排ガスに旋回流を生起させる旋回流発生手段と、旋回流発生手段の上流側または下流側近傍に配設されて、添加剤を噴射する添加剤噴射手段とを備え、ミキシング室の旋回流発生手段から絞り部までの距離aと絞り部から触媒装置の入口までの距離bとの比率a/bを、0.5〜1.0の範囲内に設定したものである。
本発明者は、触媒装置として選択還元型NOx触媒を設け、添加剤噴射手段として尿素水を噴射する噴射ノズルを設けた排気浄化装置において、ミキシング室の比率a/bを変化させて選択還元型NOx触媒により発揮されるNOx浄化率と、NOx浄化に貢献せずに選択還元型NOx触媒から漏れ出すアンモニアスリップ量とを計測する試験を実施した。
図2はNOx浄化率特性を示す試験結果であるが、比率a/bを0.45付近から増加させるに従ってNOx浄化率は次第に向上し、比率a/b=0.95付近でNOx浄化率はピークに達し、その直後の1.0付近から低下方向に転じている。このように、NOx浄化率が減少し始める1.0付近よりも比率a/bを増加させてもNOx浄化率は向上しないことから、比率a/bの上限は1.0近傍に存在することが判る。
また、図3はアンモニアスリップ量特性を示す試験結果であるが、比率a/b=0.45付近ではアンモニアスリップ量が非常に多いものの、僅かに比率a/bを増加させた0.5付近ではアンモニアスリップ量が急減し、さらに比率a/bを増加させると1.0付近から再びアンモニアスリップ量が増加し始める。このように、0.5より低い比率a/bではアンモニアスリップ量が増加することから、比率a/bの下限は0.5近傍に存在することが判る。また、1.0より高い比率a/bでもアンモニアスリップ量が増加している事実は、上記比率a/bの上限が1.0近傍に存在するというNOx浄化率特性に基づく結論を裏付けている。
従って、車体上での設置スペースの制限によりミキシング室を短縮化した場合であっても、以上の試験結果からの見解に基づき、比率a/b=0.5〜1.0の範囲内となるように縮径部の長さ及び拡径部の長さを設定すれば、ミキシング室の縮径部による排ガスと添加剤との混合作用、及びミキシング室の拡径部による排ガスの拡散作用が十分に得られる。
以上説明したように請求項1の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ミキシング室を短縮化した場合でも、ミキシング室の縮径部による排ガスと添加剤との混合作用、及びミキシング室の拡径部による排ガスの拡散作用を確保でき、もってミキシング室の短縮化に起因する浄化性能の低下を最小限に抑制することができる。
以下、本発明をディーゼルエンジンの排気浄化装置に具体化した一実施形態を説明する。
図1は本実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図であり、エンジン1は直列6気筒内燃機関として構成されている。エンジン1の各気筒には燃料噴射弁2が設けられ、各燃料噴射弁2は共通のコモンレール3から加圧燃料を供給され、機関の運転状態に応じたタイミングで開弁して各気筒の筒内に燃料を噴射する。
エンジン1の吸気側には吸気マニホールド4が装着され、吸気マニホールド4に接続された吸気通路5には、上流側よりエアクリーナ6、ターボチャージャ7のコンプレッサ7a、インタクーラ8が設けられている。また、エンジン1の排気側には排気マニホールド9が装着され、排気マニホールド9には上記コンプレッサ7aと同軸上に連結されたターボチャージャ7のタービン7bを介して排気通路10が接続されている。
エンジン1の運転中においてエアクリーナ6を経て吸気通路5内に導入された吸気はターボチャージャ7のコンプレッサ7aにより加圧された後にインタクーラ8、吸気マニホールド4を経て各気筒に分配され、各気筒の吸気行程で筒内に導入される。筒内では所定のタイミングで燃料噴射弁2から燃料が噴射されて圧縮上死点近傍で着火・燃焼し、燃焼後の排ガスは排気マニホールド9を経てタービン7bを回転駆動した後に排気通路10を経て外部に排出される。
上記排気通路10には本発明の排気浄化装置が設けられ、排気浄化装置は上流側ケーシング11、下流側ケーシング12、及び両ケーシング11,12間に形成されたミキシング室13に収容されている。上流側ケーシング11は排ガス流通方向に延びる円筒状をなし、その内部には上流側より前段酸化触媒14及びDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)15が収容されている。下流側ケーシング12も上流側ケーシング11と同一径の円筒状をなし、その内部には上流側より選択還元型のNOx触媒16(触媒装置)及び後段酸化触媒17が収容されている。
全体としてミキシング室13は排ガス流通方向の中間を縮径させたベンチュリ状をなし、上流側ケーシング11の後部から下流側に向けてテーパ状に縮径する縮径部13a、縮径部13aの最小径を保って下流側に連続する絞り部13b、及び絞り部13bから下流側に向けてテーパ状に拡径して下流側ケーシング12の前部に接続される拡径部13cから構成されている。
ミキシング室13の縮径部13a内の最上流より若干下流側の位置には、ベーンプレート18(旋回流発生手段)が設けられている。詳細は説明しないがベーンプレート18は、スチール製の円形状をなす素材上にプレス成形により多数枚のフィン18aが周方向に折曲されて構成され、各フィン18aにより形成された流通孔を介して排ガスを流通させながら、各フィン18aにより排ガスの流通方向を変更して縮径部13a内に旋回流を生起させる。縮径部13aのベーンプレート18の直下流側には噴射ノズル19(添加剤噴射手段)が配設されており、噴射ノズル19は縮径部13aの外周一側から中心に向けて延設され、その先端は排ガスの下流側に向けて屈曲している。
噴射ノズル19にはミキシング室13の外周に設置された電磁弁20を介して図示しない尿素タンクから所定圧の尿素水が供給されており、電磁弁20の開閉に応じて噴射ノズル19の先端に貫設された図示しない噴射孔から放射状に尿素水が噴射される。
一方、上記燃料噴射弁2及び噴射ノズル19の電磁弁20はECU31(電子コントロールユニット)に接続され、ECU31にはその他にもセンサ類やデバイス類が接続されている。例えばECU31は、エンジン回転速度Ne及びアクセル操作量θaccから図示しないマップに従って燃料噴射量を設定し、エンジン回転速度Ne及び燃料噴射量から図示しないマップに従って燃料噴射時期を設定し、これらの燃料噴射量及び燃料噴射時期に基づいて燃料噴射弁2を駆動制御してエンジン1を運転する。また、ECU31はNOx触媒16上にアンモニア(NH)を供給してNOx浄化作用を発揮させるべく、ミキシング室13の一側に設置した図示しない温度センサにより検出された排ガス温度に基づいて尿素水の目標噴射量を決定し、目標噴射量に基づき電磁弁20を駆動制御して噴射ノズル19から尿素水を噴射する。
エンジン1の運転中において、エンジン1から排出された排ガスは排気マニホールド9及び排気通路10を経て上流側ケーシング11内に導入され、前段酸化触媒14を経てDPF15を流通する際に含有しているPM(パティキュレートマター)を捕集される。その後、排ガスはミキシング室13の縮径部13a内に導入されてベーンプレート18により旋回流を生起し、この旋回流を伴う排ガス中に噴射ノズル19から尿素水が噴射される。排ガスは縮径部13a内を流通する過程で縮径部13aの中心方向に絞られながら尿素水と良好に混合され、その後に絞り部13bを経て拡径部13cへと流通し、これと並行して排ガス中の尿素水は排ガスの熱により加水分解されてアンモニアを生成する。拡径部13c内を流通する過程で、排ガスは拡径部13cの通路断面積の拡大に伴って外周方向に拡散するため、NOx触媒16の入口にはアンモニアが均一に供給され、このアンモニアを利用してNOx触媒16上で排ガス中のNOxが無害なNに選択還元される一方、このときに生じた余剰アンモニアが後段酸化触媒17によりNOに酸化されて処理される。
ところで、[発明が解決しようとする課題]でも述べたように、車体上での設置スペースの制限により排ガス流通方向のミキシング室13の短縮化が要求される場合、縮径部13aの短縮化で対応した場合には、排ガスに対して尿素水を良好に混合できなくなり、拡径部13cの短縮化で対応した場合には、尿素水を混合後の排ガスを十分に拡散できずにアンモニアをNOx触媒16の入口全体に均一に供給できなくなるという不具合が生じる。
従って、これらの2つの要件はトレードオフの関係にあるが、本発明者は、ミキシング室13の縮径部13a及び拡径部13cの長さに関して、2つの要件を共に満足可能な最適設定範囲が存在するとの観点の基に、縮径部13a及び拡径部13cの長さを変更しながらNOx触媒16の性能試験を実施した。
縮径部13aによる排ガスと添加剤との混合作用は、概ね縮径部13aの長さに応じて得られるものの、より正確に表現するとベーンプレート18から絞り部13bまでの距離と相関する。そこで、縮径部13aの長さと相関する指標としては、縮径部13aのベーンプレート18より上流側の長さc(50mmの固定値)を除き、ベーンプレート18から絞り部13bの中央までの距離aを定めた。
また、拡径部13cによる排ガスの拡散作用は、概ね拡径部13cの長さに応じて得られるものの、より正確に表現すると絞り部13bからNOx触媒16の入口までの距離と相関する。そこで、拡径部13cの長さと相関する指標としては、絞り部13bの中央からNOx触媒16の入口までの距離bを定めた。但し、図1に示すように本実施形態では、排ガス流通方向において拡径部13cの下流端とNOx触媒16の入口とが一致しているため、絞り部13bの中央から拡径部13cの下流端までを距離bとしても、実質的に相違はない。
なお、絞り部13bの中央を基準として距離a,bを設定した結果、距離a,bに絞り部13bの長さが含まれることになるが、これに限ることはなく、絞り部13bの長さを除外して距離a,bを設定してもよい。
そして、距離a,bはミキシング室13の仕様や大きさ等によって相違し、試験により最適値を見出したとしても全てのミキシング室13に適用できないため、以下に述べるように試験結果から距離a,bの比率a/bを求め、この比率a/bに従ってミキシング室13の形状を設定するように配慮した。
また、長さcを含めたミキシング室13の総全長Lは280mmの固定値として設定したため、必然的に距離a,bの総全長(=a+b)は230mmとなる。この総全長の値は、車体上での設置スペースの制限を想定して一般的な値より短めに設定されたものであり、試験に適用した排気浄化装置の仕様において、長さa,bを最適設定しなければ上記2つの要件を達成できないように配慮されている。
一方、性能試験の内容としては、NOx触媒16によって発揮されるNOx浄化率、及びNOxの選択還元に貢献せずにNOx触媒16から漏れ出すアンモニアの量(以下、アンモニアスリップ量と称する)を計測した。
図2は以上の諸条件に基づいて試験を実施したときのNOx浄化率特性を示す試験結果である。比率a/bを0.45付近から増加させるに従ってNOx浄化率は次第に向上し、比率a/b=0.95付近でNOx浄化率はピークに達し、その直後の1.0付近から低下方向に転じている。この特性は、比率a/bの増加に伴って縮径部13aが延長化されると、縮径部13a内での排ガスと尿素水との混合が促進されてNOx浄化率の向上に貢献する反面、比率a/b=1.0を越えると、拡径部13cの短縮化によりアンモニア供給が不均一になるデメリットの方が顕著になり、結果としてNOx浄化率の低下を招くものと推測される。
そして、このように、NOx浄化率が減少し始める1.0付近よりも比率a/bを増加させてもNOx浄化率は向上しないため、比率a/bの上限は1.0近傍に存在することが判る。
また、図3はアンモニアスリップ量特性を示す試験結果であるが、比率a/b=0.45付近ではアンモニアスリップ量が非常に多いものの、僅かに比率a/bを増加させた0.5付近ではアンモニアスリップ量が急減し、さらに比率a/bを増加させると1.0付近から再びアンモニアスリップ量が増加し始める。この特性は、比率a/b=0.45付近では縮径部13aの長さが不足し、排ガスと尿素水との混合不足に起因してアンモニアスリップが発生する一方、比率a/b=1/0を越えると拡径部13cの長さが不足し、アンモニア供給の不均一に起因してアンモニアスリップが発生するものと推測される。
そして、このように、0.5より低い比率a/bではアンモニアスリップ量の増加を引き起こすことから、比率a/bの下限は0.5近傍に存在することが判る。また、1.0より高い比率a/bでもアンモニアスリップ量が増加している事実は、上記比率a/bの上限が1.0近傍に存在するというNOx浄化率特性に基づく結論を裏付けている。
従って、車体上での設置スペースの制限によりミキシング室13を短縮化した場合であっても、以上の試験結果からの見解に基づき、比率a/b=0.5〜1.0の範囲内となるように縮径部13aの長さ及び拡径部13cの長さbを設定すれば、ミキシング室13の縮径部13aによる排ガスと添加剤との混合作用、及びミキシング室13の拡径部13cによる排ガスの拡散作用を十分に得られ、良好なNOx浄化率を実現しつつアンモニアスリップ量を最小限に抑制することができる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、選択還元型NOx触媒16を備えたディーゼルエンジン1の排気浄化装置に適用し、尿素水を排ガス中に混合・拡散するためのミキシング室13の縮径部13a及び拡径部13cの長さを設定したが、添加剤の供給を要する触媒装置を備えたエンジンであればこれに限ることはない。例えば排ガス中のNOxを吸蔵する吸蔵型NOx触媒を排気通路に備え、吸蔵したNOxをNOx触媒から放出還元するために、添加剤として燃料を排気通路内に噴射するNOxパージを定期的に実行する必要があるエンジンに適用してもよい。この場合には図1においてNOx触媒16を吸蔵型NOx触媒に置換し、噴射ノズル19から尿素水に代えて燃料を噴射する構成となるが、ミキシング室13の縮径部13a及び拡径部13cの長さに関しては上記実施形態と同様に設定すればよく、同様の作用効果を得ることができる。
また、縮径部13a及び拡径部13cの長さについては上記比率a/b=0.5〜1.0の範囲内に設定する必要があるが、その他のミキシング室13の総全長Lや長さc等に関しては任意に変更可能である。同様に、上流側及び下流側ケーシング11,12の径についても、必ずしも同一径にする必要はなく、異なる径に設定してもよい。さらに、噴射ノズル19は必ずしもベーンプレート18の直下流側に設ける必要はなく、縮径部13a内のベーンプレートの上流側に配設してもよいし、或いは上流側ケーシング11内のDPF15の下流側に配設してもよい。
実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。 NOx浄化率特性を示す試験結果である。 アンモニアスリップ量特性を示す試験結果である。 縮径部を短縮化した従来技術の排気浄化装置を示す図である。 拡径部を短縮化した従来技術の排気浄化装置を示す図である。
符号の説明
1 内燃機関
10 排気通路
13 ミキシング室
13a 縮径部
13b 絞り部
13c 拡径部
16 NOx触媒(触媒装置)
18 ベーンプレート(旋回流発生手段)
19 噴射ノズル(添加剤噴射手段)
a,b 距離

Claims (1)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられ、添加剤の供給により上記内燃機関の排ガスを浄化する触媒装置と、
    上記排気通路の上記触媒装置の上流側に設けられ、下流側に縮径する縮径部から最小径の絞り部を経て下流側に拡径する拡径部へと連続するベンチュリ状をなすミキシング室と、
    上記ミキシング室の縮径部内の上流側に配設され、上記排ガスに旋回流を生起させる旋回流発生手段と、
    上記旋回流発生手段の上流側または下流側近傍に配設されて、添加剤を噴射する添加剤噴射手段と
    を備え、
    上記ミキシング室の上記旋回流発生手段から上記絞り部までの距離aと該絞り部から上記触媒装置の入口までの距離bとの比率a/bを、0.5〜1.0の範囲内に設定したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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