JP2010019082A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】排ガス中への尿素水溶液の均一な拡散・霧化を達成して排気浄化システムを小型化でき、しかも、尿素の析出を防止し、絞り部での尿素の堆積を抑制することができる内燃機関の排気浄化システムを提供する。
【解決手段】排気浄化システム２２は、前段酸化触媒３０及びＤＰＦ３２を内蔵する上流側ケーシング２４と、この上流側ケーシング２４に接続され、ＳＣＲ触媒３６及び後段酸化触媒３８を内蔵する触媒室３４並びにＳＣＲ触媒３６の上流側に位置付けられたミキシング室２８を形成するベンチュリ管形状の下流側ケーシング２６と、ミキシング室２８内の最上流位置に設けられ、排ガスの旋回流を生起させるためのフィン装置３９と、ミキシング室２８の絞り口部２８ｃよりも上流側で且つフィン装置３９より下流側に設けられ、尿素水溶液を噴射する噴射ノズル４６とを備え、下流側ケーシング２６は一体成形して得られ、ミキシング室２８の下部底壁は継ぎ目のない平滑面に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関（以下、エンジンという。）の排気浄化システムに係り、詳しくは排気通路に設けた添加剤噴射手段から排ガス中に添加剤を噴射し、排ガスと共に下流側の触媒に供給する排気浄化システムに関するものである。

エンジンの排ガス中の窒素酸化物を浄化する排気浄化システムの中には、添加剤として尿素水溶液を利用した選択還元触媒システム（以下、尿素ＳＣＲシステムという）が知られている。この尿素ＳＣＲシステムは、排気通路に介装された選択還元型ＮＯx触媒（以下、ＳＣＲ触媒という。）の上流側に噴射ノズルを備え、この噴射ノズルから尿素水溶液を噴射供給することで、排ガス中に尿素を供給し、斯かる尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによりＳＣＲ触媒において、排ガス中の窒素酸化物を無害な窒素と水に還元するというものである。

この尿素ＳＣＲシステムにおいては、噴射した添加剤を排ガス中に均一に拡散させることが重要であることから、尿素を排ガス中に拡散させるための拡散領域を確保するために尿素水溶液の噴射ノズルからＳＣＲ触媒までの距離を比較的長くする必要があった。
この場合、排気浄化システムが大型化してしまい車両への搭載性に問題が生じていた。
そこで、尿素を短い距離で均一に拡散させることができれば、尿素水溶液の噴射ノズルからＳＣＲ触媒までの距離を短くでき、それにより排気浄化システム全体としての長さを短くできるものと期待される。

このように、尿素を均一に拡散させることを目的とした尿素ＳＣＲシステムとしては、例えば、特許文献１に記載のエンジンの排気浄化構造等が挙げられる。
特許文献１の排気浄化構造は、排気管２内の上流側に設けられ、尿素水溶液を噴射する噴射ノズル３と、排気管２内にて噴射ノズル３の下流側に設けられ、触媒を保持するコンバータ４と、噴射ノズル３とコンバータ４との間の排気管に設けられた絞り部５とを備えている。この排気浄化構造は、絞り部５で排ガスの流速を高めることにより、噴射ノズルから噴射した尿素水溶液を排ガス中へ均一に拡散・霧化するというものである。

上述したような排気管の絞り部は、一般的には、複数の部品を溶接等により接合することで得られる。
特開２００２−２１３２３３号公報

ところで、噴射ノズルから噴射された尿素水溶液は、排気管の絞り部において、その下部に溜まりやすく、特に、下部に接合の継ぎ目が存在するような場合、その継ぎ目部分に溜まった尿素水溶液から尿素が析出して堆積することがある。このように、尿素水溶液から尿素が析出してしまうと、排ガス中に拡散される尿素が減少し、その結果、生成されるアンモニアの量も減り、ＳＣＲ触媒における排気浄化効率が低下する虞がある。また、尿素の堆積が進んで肥大化すると、排気管中の排ガスの流れを乱し、下流側のＳＣＲ触媒に排ガスが均一に導入されず、ＳＣＲ触媒の排気浄化効率が下がることがある。更に、堆積した尿素が急激に加水分解されると、一気にアンモニアが生成されてしまい、過剰なアンモニアを後段の酸化触媒においても処理しきれなくなるといった不具合が生じることがある。また、継ぎ目に尿素が堆積すると、この継ぎ目から排気管が腐食する虞もある。

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、排ガス中への尿素水溶液等の添加剤の均一な拡散・霧化を達成して排気浄化システムを小型化でき、しかも、尿素水溶液等の添加剤の滞留に起因する不具合を被ることのない内燃機関の排気浄化システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関の排気通路に設けられ、添加剤の供給により前記内燃機関の排ガスを浄化する触媒装置を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記触媒装置は、前記排気通路の一部を形成すべく略水平方向に延び、絞り部を有したベンチュリ管形状のケーシングと、前記ケーシング内にて前記絞り部の下流に配置され、前記排ガスを浄化する触媒と、前記ケーシングの上流端に設けられ、前記ケーシング内に流入する前記排ガスを旋回させ、前記排ガスの旋回流を生起させる旋回流発生手段と、前記旋回流発生手段と前記絞り部との間の前記ケーシング内にて、前記添加剤を噴射する添加剤噴射手段とを備え、前記ケーシングにおける絞り部の下部内面は継ぎ目のない平滑面からなることを特徴とするものである（請求項１）。

請求項１の内燃機関の排気浄化システムによれば、内燃機関の排ガスは排気通路からベンチュリ管の縮径部内に導入される際、旋回流発生手段により旋回流を生起し、旋回流は縮径部を経て最小径部に移行する過程で次第に旋回半径を縮小しながら旋回速度を増加させ、その後の拡径部を流通する過程では次第に旋回半径を拡大して下流側の触媒に到達する。このような旋回流を伴う排ガス中に添加剤噴射手段から添加剤が噴射されて排ガスと共に触媒に供給される。本発明では、旋回流発生手段により生起された旋回流は、ベンチュリ管の縮径部内で旋回半径を縮小しながら旋回速度を十分に高められて添加剤との混合が促進される。また、添加剤噴射手段から噴射された添加剤はベンチュリ管の縮径部、最小径部、拡径部を経て触媒に到達するまでに排ガス中に均一に拡散・霧化される。このため、排ガスの流速を高めるだけの従来の排気浄化構造に対し、比較的短い経路で添加剤を排ガス中に均一に拡散でき、排気浄化システム全体の長さを抑えることができる。しかも、添加剤が溜まりやすいケーシングにおける絞り部の下部内面は平滑面となっているので、添加剤の析出、堆積を防ぐことができる。

具体的には、前記ケーシングは、一体成形されている構成とすることが好ましい（請求項２）。
請求項２の内燃機関の排気浄化システムによれば、ケーシングが一体成形により得られるので、組立工数が減り排気浄化システム全体としての製造効率が上がる。
また、前記ケーシングは、その軸線を含む面にて上下に２分割構造をなし、アッパシェルと、ロアシェルとからなる構成とすることが好ましい（請求項３）。

また、前記ケーンシグは、３分割構造をなし、前記触媒を保持する触媒室を形成する筒状部材と、この筒状部材よりも上流側部分を形成し、前記ケーシングの軸線を含む面よりも上側のアッパシェルと、その下側のロアシェルとからなる構成とすることが好ましい（請求項４）。
請求項３及び４の内燃機関の排気浄化システムによれば、ケーシングを構成する部品の製造が容易であり、製造コスト削減に寄与する。

また、前記添加剤は、尿素水溶液であり、前記触媒は、選択還元型ＮＯｘ触媒である構成とすることが好ましい（請求項５）。
請求項５の内燃機関の排気浄化システムによれば、尿素の堆積を抑制することができるので、選択還元型ＮＯｘ触媒による排ガスの浄化効率を高めることができる。

請求項１乃至５に記載の内燃機関の排気浄化システムによれば、添加剤が絞り部にて析出、堆積することを有効に防止することができるとともに、添加剤と排ガスとの良好な混合、及び排ガス中への添加剤の均一な拡散・霧化を達成でき、もって触媒装置に最大限の浄化性能を発揮させることができる。また、絞り部において添加剤を効率よく拡散できることからケーシングの長さを比較的短くでき、排気浄化システム全体としての省スペース化が図れ、車両への搭載性が向上する。

以下、本発明に係る排気浄化システムの実施の形態を図面を参照して説明する。
（実施例１）
図１は実施例１のディーゼルエンジンの排気浄化システムの概略構成を示す。
この排気浄化システム２２は、直列６気筒の内燃機関として構成されているエンジン２の排気通路に設けられている。

エンジン２の各気筒には燃料噴射弁４が設けられ、各燃料噴射弁４は共通のコモンレール６から加圧燃料の供給を受け、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２の吸気側には吸気マニホールド８が装着され、吸気マニホールド８に接続された吸気通路１０には、上流側よりエアクリーナ１２、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａ、インタクーラ１６が順次設けられている。また、エンジン２の排気側には排気マニホールド１８が装着され、排気マニホールド１８には排気通路２０が接続されている。排気通路２０には前述したコンプレッサ１４ａと同軸上に連結されたターボチャージャ１４のタービン１４ｂが設けられている。

エンジン２の運転中においてエアクリーナ１２を経て吸気通路１０内に導入された吸気はターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａにより加圧された後にインタクーラ１６、吸気マニホールド８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４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１８を経てタービン１４ｂを回転駆動した後に排気通路２０を経て外部に排出される。

排気通路２０にはタービン１４ｂの下流に排気浄化システム２２が設けられており、この排気浄化システム２２により排ガス中の有害成分は浄化される。
排気浄化システム２２は、略水平方向に延びる上流側ケーシング２４及び下流側ケーシング２６を有している。
上流側ケーシング２４内には上流側より順に前段酸化触媒３０及びディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという。）３２が収容されている。

下流側ケーシング２６は、上流側ケーシング２４の下流端に連結され、その内部が上流側より順にミキシング室２８及び触媒室３４として形成されている。
ミキシング室２８は、全体として排ガス流通方向の中間域を絞り部として縮径させたベンチュリ管形状をなしており、より詳しくは、上流側ケーシング２４の下流端と同径のストレート部２８ａ、このストレート部２８ａから下流側に向けてテーパ状に縮径する縮径部２８ｂ、縮径部２８ｂの最小径部分である絞り口部２８ｃ、及び絞り口部２８ｃから下流側に向けて逆テーパ状に拡径して触媒室３４に連続する拡径部２８ｄを含んでいる。

ここで、ミキシング室２８の最上流端には、フィン装置３９（旋回流発生手段）が配設されている。このフィン装置３９は、図２に示すように、上流側ケーシング２４とミキシング室２８とを区画する円形の鋼板を有し、この鋼板には排ガスの通過を許容すべく、その周方向に等間隔を存して４つの扇状の開口が形成されている。そして、各開口にはフィン４０がそれぞれ備えられており、これらフィン４０は鋼板に４つの扇状の切込みを入れ、この扇状部分を下流側へ折り曲げ加工することによって形成されている。

また、図２から明らかなように、ストレート部２８ａにはその周面に貫通孔が設けられ、また、この貫通孔に連通するようにして筒状部材４２が取り付けられている。この筒状部材４２は、噴射ノズルユニット４４（添加剤噴射手段）の取り付けに使用される。より詳しくは、図１から明らかなように、噴射ノズルユニット４４は、貫通孔を通じてミキシング室２８内に配置された噴射ノズル４６と、この噴射ノズル４６の基端に接続された電磁弁４８とを含み、この電磁弁４８が筒状部材４２内にて固定されている。更に詳しくは、噴射ノズル４６は、ストレート部２８ａ内をその中心まで径方向に延び、下流の絞り口部２８ｃにむけられた先端４６ａを有する。そして、噴射ノズル４６には電磁弁４８を介して図示しない尿素タンクから所定圧の尿素水溶液が供給可能となっており、電磁弁４８が開弁されたとき、噴射ノズル４６はその先端の図示しない噴射孔からミキシング室２８の内周面に向けて放射状に尿素水溶液を噴射する。

触媒室３４は、図１に示すように、ミキシング室２８の拡径部２８ｄの下流端と同径の円筒形状をなしており、その内部には、前段及び後段にそれぞれ位置してＳＣＲ触媒３６及び酸化触媒３８が保持されている。触媒室３４の下流端には、触媒室３４より小径の後方排気通路２１がそのフランジ部２１ａを介して接続されている。
本実施例においては、下流側ケーシング２６は、図２に示すように、鋼製の円筒部材を絞り加工して得られた一体成形品であって、このため、ミキシング室２８のストレート部２８ａ、縮径部２８ｂ、絞り口部２８ｃ、拡径部２８ｄ及び触媒室３４にかけて、流路断面が排ガス流通方向に沿って緩やかに変化し、しかも、継ぎ目の無い平滑な内面形状を有する。

一方、図１に示すように、前述した燃料噴射弁４はＥＣＵ５０（電子コントロールユニット）に電気的に接続されており、このＥＣＵ５０にはその他にも図示しないセンサ類やデバイス類が電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ５０は、エンジン回転速度Ｎe及びアクセル操作量θaccに基づいてマップ（図示しない）から燃料噴射量を設定するとともに、エンジン回転速度Ｎe及び燃料噴射量に基づいてマップ（図示しない）から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従って燃料噴射弁４を開閉制御してエンジン２を駆動する。エンジン２の駆動中において、エンジン２からの排ガスは排気マニホールド１８及び排気通路２０を経て上流側ケーシング２４内に導入される。導入された排ガスは、前段酸化触媒３０にて、排ガス中の炭化水素及び一酸化炭素が二酸化炭素及び水に変化され、ＤＰＦ３２にて、排ガス中に含有しているＰＭ（パティキュレートマター）が捕集される。

この後、排ガスはフィン装置３９を経てミキシング室２８に導入されるが、フィン装置３９の開口を通過する際、排ガスの流れの向きはフィン装置３９の各フィン４０により変更され、排ガスの流れはフィン装置３９の下流にて、旋回流となる。斯かる排ガスの旋回流が縮径部２８ｂを経て絞り口部２８ｃに進行する過程では、その旋回半径は次第に縮小する一方、その旋回速度は増加し、この後、排ガスの旋回流が拡径部２８ｄを通過する過程では逆に、その旋回半径は次第に拡大する一方、その旋回速度は減少し、そして、排ガスの旋回流は下流側のＳＣＲ触媒３６に流入する。

一方、フィン装置３９の下流側に位置した噴射ノズル４６は、前述した排ガスの旋回流中に尿素水溶液を噴射する。より詳しくは、ＥＣＵ５０はＳＣＲ触媒３６にて効率よくＮＯx浄化作用を発揮させるべく尿素水溶液の目標噴射量を決定し、この目標噴射量に基づき、噴射ノズル４６の電磁弁４８の開閉を制御する。具体的には、ミキシング室２８には温度センサ（図示しない）が設置されており、この温度センサにより検出された排ガス温度に基づき、ＥＣＵ５０は尿素水溶液の目標噴射量を決定する。

排ガスの旋回流中に噴射された尿素水溶液は、旋回流とともにミキシング室２８内を通過する過程で排ガスに混合され、そして、排ガス中にて拡散・霧化する。そして、それ故、尿素水溶液に含まれる尿素は、排ガスの排気熱及び排ガス中の水蒸気により加水分解されてアンモニアを生成する。生成されたアンモニアは、ＳＣＲ触媒３６にて排ガス中のＮＯxを無害なＮ_２に還元し、ＮＯxの浄化を行う。

一方、余剰のアンモニアは、後段の酸化触媒３８により酸化処理され、無害なＮ_２及び水となる。
本実施例においては、下流側ケーシング２６が一体成形により得られたものであるので、下流側ケーシング２６はその内部に接合による継ぎ目を有していない。それ故、ミキシング室２８内にて排ガスの旋回流中に噴射された尿素水溶液は旋回流とともにＳＣＲ触媒３６まで確実に導かれ、尿素水溶液がミキシング室２８内に溜まることはない。従って、ミキシング室２８の内面に尿素が析出するという不具合の発生を有効に防止することができ、しかも、ＳＣＲ触媒３６の浄化効率を高めることができる。

また、本実施例では、フィン装置３９に近い位置に噴射ノズル４６を設けているので、早期に尿素水溶液と排ガスとの混合が開始される。そして、ミキシング室２８は、ベンチュリ管形状をなしており、絞り口部２８ｃに排ガスが到達した時点で排ガスの旋回流の旋回速度は十分に高められるため、排ガスと尿素水溶液との混合が更に促進されるとともに、排ガス中への尿素水溶液の拡散・霧化が均一に且つ効率よくなされる。

このように、本実施例では、排ガス中に尿素水溶液を効率良く、混合及び拡散・霧化させることができるので、尿素の拡散領域を比較的短くすることも可能となる。この結果、排気浄化システム全体としての長さを短くでき、排気浄化システムの小型化に寄与する。
（実施例２）
次に、実施例２の排気浄化システムについて説明する。なお、実施例２を説明するにあたり、既に説明した実施例１と同一の機能を発揮する部材および部位には同一の参照符号を付して、これらの説明は省略し、相違する点のみを説明する。

図３は、実施例２に係る下流側ケーシング５６を示している。
実施例２の下流側ケーシング５６は一体成形品ではなく、２つの部分からなっている。より詳しくは、下流側ケーシング５６は、実施例１の下流側ケーシング２６をその軸線を含む面にて上下に分割して得られるようなアッパシェル５８及びロアシェル６０からなる。

具体的には、アッパシェル５８はプレス加工により成形され、その下面開口の両側縁にフランジ６２を備えている。また、このアッパシェル５８は、ストレート部２８ａに対応する部分に貫通孔及び筒状部材４２を有する。また、ロアシェル６０もまたプレス加工により成形され、その上面開口の両側縁にフランジ６４を備えている。このようなアッパシェル５８及びロアシェル６０は、互いのフランジ６２，６４を重ね合わせて接合され、下流側ケーシング５６となる。

下流側ケーシング５６は、ミキシング室２８の両サイドに接合による継ぎ目を有するが、噴射ノズル４６から噴射された尿素水溶液は、主にミキシング室２８の底に溜まる傾向があるので、両サイドの継ぎ目に尿素水溶液が溜まることはなく、また、ミキシング室２８の底を形成するロアシェル６０の内面は継ぎ目の無い平滑面であるので、下流側ケーシング５６においても尿素の堆積に起因する不具合は十分に回避できる。

アッパシェル５８及びロアシェル６０は、プレス加工により比較的簡単に製造できるので、実施例１の下流側ケーシング２６に比べ、その製造コストの削減に大きく寄与する。
（実施例３）
次に、実施例３の排気浄化システムについて説明する。なお、実施例３を説明するにあたり、既に説明した実施例１と同一の機能を発揮する部材および部位には同一の参照符号を付して、これらの説明は省略し、相違する点のみを説明する。

図４は、実施例３に係る下流側ケーシング６６を示している。
実施例３の場合、下流側ケーシング６６は３つの部分からなり、実施例１の下流側ケーシング２６でみて触媒室３４を形成する円筒部材６８と、ミキシング室２８を形成する上下のアッパシェル７０及びロアシェル７２からなる。
円筒部材６８は、全体として円筒形状をなし、その上流側の端縁に沿ってフランジ７４を有している。

アッパシェル７０は、プレス加工により成形され、ミキシング室２８及び触媒室３４の端部に相当する部位の上半分を形成し、その下面開口の両側縁にフランジ７６を備えるとともに、その下流側の端縁にもフランジ７７を備えている。
また、ロアシェル７２もまた、プレス加工により形成され、前記部位の下半分を形成し、その上面開口の両側縁にフランジ７８を備えるとともに、その下流側の端縁にもフランジ７９を備えている。

アッパシェル７０とロアシェル７２とは、互いのフランジ７６，７８を重ね合わせ接合され、その後、下流側端縁のフランジ７７，７９と、円筒部材６８のフランジ７４とが重ね合わされて接合され、下流側ケーシング６６となる。
上述の下流側ケーシング６６の場合にも、実施例２の下流側ケーシング５６と同様な効果を発揮し、尿素の堆積に起因した不具合を被ることはない。なお、アッパ及びロアシェル７０，７２と円筒部材６８との間に繋ぎ目が存在するとしても、この繋ぎ目に尿素水溶液が到達する前に、尿素水溶液は既に拡散・霧化されているので、その継ぎ目が尿素の堆積を引き起こすことはない。

実施例３の場合でも、アッパシェル７０及びロアシェル７２は、プレス加工により比較的簡単に製造でき、また、円筒部材６８も構造が簡単な部材であるので、これら部品の製造コストを低く抑えることができる。
本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施例では、上流側ケーシングと下流側ケーシングとを別部材としたが、これらケーシングを一体成形により形成しても構わない。また、ＮＯx浄化用にＳＣＲ触媒３６を備えたディーゼルエンジン２の排気浄化システムについて説明したが、本発明の排気浄化システムは、尿素ＳＣＲシステムを備えたガソリンエンジンに用いても構わない。

実施例１のディーゼルエンジンの排気浄化システムを示す全体構成図である。 実施例１に係る下流側ケーシングを示す斜視図である。 実施例２に係る下流側ケーシングを示す斜視図である。 実施例３に係る下流側ケーシングを示す斜視図である。

符号の説明

２ エンジン（内燃機関）
２０ 排気通路
２２ 排気浄化システム
２４ 上流側ケーシング
２６ 下流側ケーシング
２８ ミキシング室
２８ａ ストレート部
２８ｂ 縮径部
２８ｃ 絞り口部
２８ｄ 拡径部
３４ 触媒室
３６ ＳＣＲ触媒
３９ フィン装置（旋回流発生手段）
４４ 噴射ノズルユニット（添加剤噴射手段）
４６ 噴射ノズル

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、添加剤の供給により前記内燃機関の排ガスを浄化する触媒装置を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、
   前記触媒装置は、
   前記排気通路の一部を形成すべく略水平方向に延び、絞り部を有したベンチュリ管形状のケーシングと、
   前記ケーシング内にて前記絞り部の下流に配置され、前記排ガスを浄化する触媒と、
   前記ケーシングの上流端に設けられ、前記ケーシング内に流入する前記排ガスを旋回させ、前記排ガスの旋回流を生起させる旋回流発生手段と、
   前記旋回流発生手段と前記絞り部との間の前記ケーシング内にて、前記添加剤を噴射する添加剤噴射手段と
   を備え、
   前記ケーシングにおける絞り部の下部内面は継ぎ目のない平滑面からなることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記ケーシングは、一体成形されてい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システム。
3. 前記ケーシングは、
   その軸線を含む面にて上下に２分割構造をなし、アッパシェルと、ロアシェルとからな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システム。
4. 前記ケーンシグは、
   ３分割構造をなし、
   前記触媒を保持する触媒室を形成する筒状部材と、この筒状部材よりも上流側部分を形成し、前記ケーシングの軸線を含む面よりも上側のアッパシェルと、その下側のロアシェルとからな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システム。
5. 前記添加剤は、尿素水溶液であり、
   前記触媒は、選択還元型ＮＯｘ触媒であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。

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