JP2010101236A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造の複雑化による製造コストの高騰を生じることなく、尿素水インジェクタの先端への尿素由来堆積物の堆積を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】ケーシング１７の一側面から他側面に連結パイプ２２を貫通させて、ケーシング１７内への連結パイプ２２の露出部分に多数の孔２２ａを貫設すると共に、ケーシング１７の他側面から連結パイプ２２内に噴射ノズル２７を挿入し、内燃機関からケーシング１７内に案内された排ガスを各孔２２ａを経て連結パイプ２２内に導入し、噴射ノズル２７から噴射された尿素水を排ガスに混合させながら連結パイプ２２を経て下流側のＮＯx触媒に案内する。連結パイプ２２内への噴射ノズル２７の突出長さＬとケーシング内径Ｄとの比Ｌ/Ｄを0.3〜1.0の範囲内に設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は内燃機関の排気を浄化するための排気浄化装置に関し、特に排気中に供給された尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを還元するアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を備えた排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気中に含まれる汚染物質の１つであるＮＯx（窒素酸化物）を浄化するための排気浄化装置として、内燃機関の排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を配設し、還元剤としてアンモニアをアンモニア選択還元型ＮＯx触媒に供給することにより、ＮＯxを還元して排気を浄化するようにした排気浄化装置が知られている。
このような排気浄化装置では、アンモニアをアンモニア選択還元型ＮＯx触媒に供給するために、アンモニアに比べて取り扱いが容易な尿素水を排気中に供給するのが一般的であり、尿素水インジェクタなどを用いて排気中に尿素水を噴射する。尿素水インジェクタの噴射ノズルから排気中に供給された霧状の尿素水は排気の熱により加水分解し、その結果生成されるアンモニアがアンモニア選択還元型ＮＯx触媒に供給される。こうしてＮＯx触媒に供給されたアンモニアと排気中のＮＯxとの間の脱硝反応がＮＯx触媒によって促進されることによりＮＯxが還元されて排気の浄化が行われる。

ところが、尿素水インジェクタの噴射ノズルから噴射された全ての尿素水が良好に加水分解されてアンモニアとなってＮＯx浄化に貢献することはなく、一部の尿素水は噴射ノズルの先端に付着し、その水分が排気熱で気化することにより固形の尿素由来堆積物となって噴射ノズルの先端に堆積してしまう。このような現象は、特に尿素水の供給量が多いとき、エンジンの排気排出量が少ないとき、或いはエンジンの排気温度が低いときに顕著に発生し、噴射ノズルの先端に堆積した尿素由来堆積物は、ノズル孔を閉塞して噴射不能の事態を引き起こすと共に、排気温度が高温となったときに一気にガス化してアンモニアに転化し、余剰のアンモニアがアンモニア選択還元型触媒を素通りして大気中に放出する所謂アンモニアスリップを引き起こしてしまう。

このような不具合を鑑みて従来から種々の対策が提案されている。例えば特許文献１の技術では、排気通路に設けた噴射ノズルの周囲に保護管を設けて、噴射ノズルに排ガスが直接衝突するのを保護管で遮り、これにより排ガスからの受熱により噴射ノズルが尿素水析出温度（尿素由来堆積物を生成する下限温度）まで昇温される事態を防いでいる。
特開２００７−７８４号公報

上記特許文献１の技術では、噴射ノズルへの排ガスの衝突を防止するには、噴射ノズルに対して排ガス流通方向の上流側の正確な位置に保護管を配設する必要がある。しかしながら、特許文献１の図１からも明らかなように、スペースの限られた排気通路内に噴射ノズルと共に保護管を適切に配置することは非常に困難であり、その構造が複雑化して排気浄化装置の製造コストを高騰させてしまうという問題があった。

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、構造の複雑化による製造コストの高騰を生じることなく、尿素水インジェクタの先端への尿素由来堆積物の堆積を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配設された第１のケーシングと、排気通路の第１のケーシングの下流側に配設され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を収容した第２のケーシングと、第１のケーシングの一側面と第２のケーシングとを連結すると共に、第１のケーシング側では一側面から他側面に第１のケーシングを貫通し、第１のケーシング内への露出部分に内外を連通させる多数の孔が貫設されて、排気通路から第１のケーシング内に導入された内燃機関の排ガスを各孔を経て内部に導入して第２のケーシングに向けて案内する連結パイプと、第１のケーシングの他側面から連結パイプ内に挿入されて連結パイプ内の下流側に向けて突出し、先端から尿素水を噴射する噴射ノズルとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、第１のケーシングの他側面を基点とした連結パイプ内への噴射ノズルの突出長さＬと、第１のケーシングの他側面から一側面までの距離Ｄとの比Ｌ/Ｄを0.3以上に設定したものである。

従って、内燃機関の排ガスは排気通路を経て第１のケーシングに導入され、第１のケーシング内から連結パイプの各孔を経て連結パイプ内に導入され、噴射ノズルから噴射された尿素水と混合しながら連結パイプを経て第２のケーシングに案内され、尿素水から生成されたアンモニアを利用してＮＯx触媒上でＮＯxが還元される。
連結パイプ内において排ガスは各孔から導入されて下流側に移送されながら順次合流することから、連結パイプ内の上流側から下流側に向かって排ガス流量が次第に増加し、それに伴って排ガス流速も次第に増加する傾向となる。排ガス流速が高い環境であれば、噴射ノズルの先端で排ガスの剥離が発生し難いことから、噴射された尿素水のノズル先端への再付着が防止されると共に、噴射された尿素水の噴霧が再結合して液滴となることも防止される。また、排ガス流量が多い環境であれば、ノズル先端に尿素由来堆積物が付着・堆積したとしても排ガスからの受熱量が多いことから、尿素由来堆積物がガス化する排気温度条件が頻繁に成立して、尿素由来堆積物は常に少ない堆積量に留められる。

図６は、第１のケーシングの他側面から一側面までの距離Ｄを230mmに設定して、連結パイプ内への噴射ノズルの突出長さＬを変化させながらノズル先端の温度を計測した試験結果を示しているが、尿素由来堆積物がガス化する下限温度は170℃程度であるが、この試験条件では、ノズル先端の温度を170℃程度に保持できる突出長さＬとして70mmが導き出され、噴射ノズルの突出長さＬを70mmに設定すればノズル先端の温度を170℃程度に維持できることが判る。第１のケーシングの変更に伴ってケーシング他側面から一側面までの距離Ｄが変化しても、連結パイプ内での排ガスの流動状態は相似形で生起されるため、噴射ノズルの突出長さＬと他側面から一側面までの距離Ｄとの比Ｌ/Ｄを指標とし、比Ｌ/Ｄが70/230≒0.3以上となるように、適用される第１のケーシングの距離Ｄに基づき噴射ノズルの突出長さＬを設定すれば、尿素由来堆積物が頻繁にガス化してアンモニアに転化することから、ノズル先端の尿素由来堆積物は少ない堆積量に留められる。

また、このようにノズル先端の温度を尿素由来堆積物がガス化する下限温度に維持できることは、排ガスから噴射ノズルの先端に十分な熱量を伝達可能な排ガス流量が確保され、排ガス流速も十分であることを意味し、排ガス流速が十分に高ければ、噴射ノズルの先端で排ガスの剥離が発生し難いことから、噴射された尿素水のノズル先端への再付着や、尿素水の噴霧の再結合による液滴化が防止され、これらの現象に起因する尿素由来堆積物の堆積を抑制可能となる。

また、噴射ノズルの突出長さＬとケーシング他側面から一側面までの距離Ｄとの比Ｌ/Ｄを最適設定しただけのため、排気浄化装置の構造の複雑化による製造コストの高騰を未然に回避可能となる。
請求項２の発明は、内燃機関の排気通路に配設された第１のケーシングと、排気通路の第１のケーシングの下流側に配設され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を収容した第２のケーシングと、第１のケーシングの一側面と第２のケーシングとを連結し、排気通路から第１のケーシング内に導入された内燃機関の排ガスを第２のケーシングに向けて案内する連結パイプと、第１のケーシングの他側面から第１のケーシング内に挿入されて一側面に開口する連結パイプに向けて突出し、先端から尿素水を噴射する噴射ノズルとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、第１のケーシングの他側面を基点とした第１のケーシング内への噴射ノズルの突出長さＬと、第１のケーシングの他側面から一側面までの距離Ｄとの比Ｌ/Ｄを0.3以上に設定したものである。

従って、内燃機関の排ガスは排気通路を経て第１のケーシングに導入され、第１のケーシング内で噴射ノズルから噴射された尿素水と混合しながら連結パイプを経て第２のケーシングに案内され、尿素水から生成されたアンモニアを利用してＮＯx触媒上でＮＯxが還元される。第１のケーシング内では、全ての排ガスが順次連結パイプの開口部に向けて移送されて内部に流入することから、連結パイプの開口部近傍では排ガス流量が多く、開口部より離間するほど、即ち噴射ノズル側ほど排ガス流量は少なくなる。

よって、噴射ノズルの軸線方向において、上記請求項１の発明と同様に上流側から下流側に向かって排ガス流量が次第に増加し、それに伴って排ガス流速も次第に増加する傾向となるため、請求項１の発明で述べた試験結果に基づき、噴射ノズルの突出長さＬとケーシング他側面から一側面までの距離Ｄとの比Ｌ/Ｄの推奨値として0.3以上が導き出される。従って、比Ｌ/Ｄが0.3以上となるように、適用される第１のケーシングの距離Ｄに基づき噴射ノズルの突出長さＬを設定すれば、噴射された尿素水のノズル先端への再付着や、尿素水の噴霧の再結合による液滴化に起因する尿素由来堆積物の堆積を抑制可能となると共に、堆積した尿素由来堆積物を頻繁にガス化させて少ない堆積量に留めることが可能となり、且つ排気浄化装置の構造の複雑化による製造コストの高騰を回避可能となる。

請求項３の発明は、請求項１または２において、噴射ノズルの突出長さＬと第１のケーシングの他側面から一側面までの距離Ｄとの比Ｌ/Ｄを0.3〜1.0の範囲内に設定したものである。
従って、対向するケーシング内壁を越えて噴射ノズルを延長しても排ガス流量及び排ガス流速は増加せず、また噴射ノズルを延長するほどアンモニア選択還元型ＮＯx触媒の入口までの経路長が短縮化されて尿素水の拡散条件の面で却って不利になるため、噴射ノズルの突出長さＬの上限は、噴射ノズルの先端と対向するケーシング内周までとすることが好ましい。よって、比Ｌ/Ｄの上限の推奨値は1.0となり、比Ｌ/Ｄが0.3〜1.0の範囲内となるように、適用される第１のケーシングの距離Ｄに基づき噴射ノズルの突出長さＬを設定すれば、噴射ノズルからＮＯx触媒の入口までの経路長を十分に確保して尿素水を排ガス中に良好に拡散可能となる。

以上説明したように請求項１，２の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、噴射ノズルの突出長さＬとケーシング他側面から一側面までの距離Ｄとの比Ｌ/Ｄを0.3以上に設定することにより、排ガス流量が多く、排ガス流速が高く、ノズル先端を高温に維持可能な位置に噴射ノズルを配置でき、結果として、構造の複雑化による製造コストの高騰を生じることなく、尿素水インジェクタの先端への尿素由来堆積物の堆積を確実に抑制することができる。

請求項３の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１，２に加えて、噴射ノズルの突出長さＬとケーシング他側面から一側面までの距離Ｄとの比Ｌ/Ｄの上限を1.0に設定することにより、噴射ノズルからアンモニア選択還元型ＮＯx触媒の入口までの経路長を十分に確保して尿素水を排ガス中に良好に拡散でき、もってＮＯx触媒に最大限の浄化作用を発揮させることができる。

以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置を具体化した一実施形態を説明する。
図１は本発明の内燃機関の排気浄化装置を示す全体構成図である。本実施形態の排気浄化装置はトラックに搭載されており、図１ではトラックへの搭載状態と同様の配置で内燃機関１及び排気浄化装置２を示すと共に、トラックの床下を部分的に示している。なお、以下の説明では、車両を主体として前後方向及び左右方向を規定する。

トラックのラダーフレームは左右一対のサイドメンバ３ａを複数のクロスメンバ３ｂ（一つのみ図示）により連結して構成され、このラダーフレーム上に内燃機関１等のパワープラント、及び車体のキャビンや荷台３ｃ等が搭載されている。図１では、ラダーフレームの左右一対のサイドメンバ３ａが部分的に示されると共に、ラダーフレーム上に載置された荷台３ｃが二点鎖線で示され、この荷台３ｃ下側の床下に排気浄化装置２が設置されている。

内燃機関１は直列６気筒機関として構成されて、左右のサイドメンバ３ａ間に位置している。内燃機関１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５から加圧燃料を供給され、開弁に伴って対応する気筒の筒内に燃料を噴射する。
内燃機関１の吸気側には吸気マニホールド６が装着され、吸気マニホールド６に接続された吸気通路７には、上流側よりエアクリーナ８、ターボチャージャ９のコンプレッサ９ａ、インタクーラ１０が設けられている。また、内燃機関１の排気側には排気マニホールド１２が装着され、排気マニホールド１２には上記コンプレッサ９ａと同軸上に連結されたターボチャージャ９のタービン９ｂが接続されている。タービン９ｂには排気通路１３が接続され、排気通路１３に上記排気浄化装置２が設けられている。内燃機関１の後部には変速機１５が結合され、変速機１５はプロペラシャフト１６及び図示しないディファレンシャルギアを介して左右の後輪に接続されている。

上記内燃機関１の排気通路１３は、車体の床下のプロペラシャフト１６と右側のサイドメンバ３ａとの間において後方に延設されている。本実施形態のトラックでは荷台長さの制限により床下の前後スペースが十分でないため、排気通路１３を右側に取り回して側方排気しており、この排気通路１３の取り回しの関係で、排気通路１３上に設置された排気浄化装置２のレイアウトも変則的なものになっており、以下に述べる。

排気通路１３はプロペラシャフト１６と右側のサイドメンバ３ａとの間を後方に延設され、排気通路１３の後端には第１のケーシング１７が接続されている。第１のケーシング１７は前後方向（排ガスの流通方向）に沿った円筒状をなし、その内部の上流側には前段酸化触媒１８が配置され、下流側には排ガス中のＰＭ（パティキュレート・マター）を捕集するためのウォールフロー式のＤＰＦ（ディーセルパティキュレートフィルタ）１９が設置され、さらにＤＰＦ１９の下流側には混合室２０が形成されている。

図２は第１及び第２のケーシングの接続部分を示す部分拡大断面図、図３は連結パイプ内での排ガス及び尿素水の流れを示す図２のIII−III線断面図である。図１〜３に示すように、第１のケーシング１７の混合室２０に対応する箇所には、第１のケーシング１７を右側面（一側面）から左側面（他側面）に貫通するように連結パイプ２２が配設されている。連結パイプ２２は排気通路１３の一部を構成するものであり、その径も排気通路１３と略等しく設定されている。第１のケーシング１７に対する連結パイプ２２の貫通箇所は溶接されており、第１のケーシング１７の左側面を貫通して露出する連結パイプ２２の左端には蓋体２２ｂが溶接され、これにより連結パイプ２２の左端は閉鎖されている。

連結パイプ２２の混合室２０内への露出部分には、連結パイプ２２の内外を連通させる多数の孔２２ａが貫設され、これらの孔２２ａを介して混合室２０内と連結パイプ２２内とが相互に連通している。連結パイプ２２の各孔２２ａは全て同一径に設定されると共に、混合室２０内への露出部分全体に均等に分散配置されている。また、各孔２２ａの総開口面積は、連結パイプ２２の通路断面積より大きく設定されている。但し、総開口面積の設定は必ずしもこれに限ることはなく、連結パイプ２２の通路断面積より小さくてもよい。

右側のサイドメンバ３ａを挟んだ第１のケーシング１７の右方位置には、左右方向に延びる円筒状をなす第２のケーシング２３が配設されている。上記連結パイプ２２の右端は第１のケーシング１７の外周面から右方に突出し、サイドメンバ３ａの下方を潜って後方に湾曲形成されて第２のケーシング２３の外周面に溶接されている。第２のケーシング２３内の上流側（車両の左側）にはＮＨ_３（アンモニア）の供給により排ガス中のＮＯxを還元するアンモニア選択還元型ＮＯx触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）が配置されると共に、下流側（車両の右側）には後段酸化触媒２５が設置されている。さらに後段酸化触媒２５の下流側には排出パイプ２６の一端が溶接され、排出パイプ２６の他端は右側に湾曲形成されて車体側方に開口している。

一方、上記連結パイプ２２の蓋体２２ｂには直管状の噴射ノズル２７が貫通して配設され、噴射ノズル２７のフランジ部２７ｂは蓋体２２ｂ上に図示しないボルトにより固定されている。噴射ノズル２７は連結パイプ２２の軸線Ｃ上に位置し、噴射ノズル２７の先端２７ａは連結パイプ２２内において軸線Ｃに沿って右方、即ち下流側の第２のケーシング２３側に向けて突出している。また、噴射ノズル２７の基端は第１のケーシング１７外に突出してソレノイドバルブ２８が固定され（図１に示す）、これらの噴射ノズル２７及びソレノイドバルブ２８により所謂エアアシスト式の尿素水インジェクタが構成されている。ソレノイドバルブ２８は図示しない尿素水タンクから圧送される尿素水とエアタンクから供給される圧縮エアとを混合し、開閉に応じて噴射ノズル２７の先端２７ａから連結パイプ２２内の軸線Ｃに沿って混合後の尿素水及び排ガスを噴射可能に構成されている。

上記した内燃機関１の各気筒の燃料噴射弁２、ソレノイドバルブ２８等のデバイス類、及び図示しないセンサ類はＥＣＵ３１（電子コントロールユニット）に接続され、センサ類からの検出情報に基づいてＥＣＵ３１により駆動制御される。例えばＥＣＵ３１は機関回転速度や負荷等の内燃機関１の運転状態に基づき、燃料噴射弁２の噴射量、噴射圧、噴射時期を制御して内燃機関１を運転する。

内燃機関１の運転中において、内燃機関１から排出された排ガスは排気通路１３を経て第１のケーシング１７内に導入され、前段酸化触媒１８及びＤＰＦ１９を通過した後に混合室２０内に移送され、連結パイプ２２の各孔２２ａを経て連結パイプ２２内に導入されて内部を流通して第２のケーシング２３内に導入され、さらにＳＣＲ触媒２４及び後段酸化触媒２５を通過した後に排出パイプ２６を経て大気中に排出される。このとき、ＤＰＦ１９では排ガス中のＰＭが捕集され、ＳＣＲ触媒２４では排ガス中のＮＯxが還元され、これらの作用により大気中への有害成分の排出が防止される。このような浄化作用をＤＰＦ１９及びＳＣＲ触媒２４に発揮させるために、ＥＣＵ３１はＤＰＦ１９に捕集されたＰＭを強制的に焼却する強制再生制御、及び噴射ノズル２７から尿素水を噴射してＳＣＲ触媒２４に供給する尿素水供給制御を実行しており、以下、これらの制御について述べる。

ＰＭの捕集に伴ってＤＰＦ１９のＰＭ捕集量は次第に増加するが、捕集されたＰＭは、内燃機関１が所定の運転状態（例えば、排ガス温度が比較的高い運転状態）のときに、前段酸化触媒１８上での酸化反応により排ガス中のＮＯから生成されたＮＯ₂ を酸化剤として利用して連続的に焼却除去される。また、このようなＤＰＦ１９の連続再生作用が得られない運転状態が継続されると、ＤＰＦ１９でのＰＭ捕集量が次第に増加して許容量を越えてしまうため、この状況を想定して、ＥＣＵ３１は内燃機関１の運転状態から推定したＰＭ捕集量がＤＰＦ１９の許容量を越える以前に、ＤＰＦ１９上のＰＭを強制的に焼却除去する強制再生を実施する。この強制再生では、例えば排気通路１３に設けた図示しない燃料噴射弁から未燃燃料を噴射し、前段酸化触媒１８上で酸化反応させた熱により下流側のＤＰＦ１９を昇温してＰＭを焼却除去する。

一方、ＥＣＵ３１は予め設定した尿素水供給条件の成立時に尿素水供給制御を実行する。具体的には、上記噴射ノズル２７近傍に配設された図示しない排気温度センサの検出値が所定の許可温度以上で、ＳＣＲ触媒２４が活性化していると推測できるときに、尿素水供給条件が成立したとして尿素水供給制御を実行する。この尿素水供給制御では、内燃機関１の運転状態から求めた排気排出量及びＮＯx排出量に基づき、ＮＯx浄化のためにＳＣＲ触媒２４に供給すべきアンモニア量を算出し、このアンモニア量から求めた尿素水の目標供給量に基づきソレノイドバルブ２８を駆動制御して尿素水ノズル２７から尿素水を噴射する。噴射された尿素水は連結パイプ２２内で各孔２２ａから流入する排ガスと混合しながら、連結パイプ２２内を移送される過程で排気熱及び排ガス中の水蒸気による加水分解でアンモニアを生成して下流側のＳＣＲ触媒２４上に移送され、ＳＣＲ触媒２４上でアンモニアを利用して排ガス中のＮＯxが無害なＮ_２に還元される。なお、ＤＰＦ１９でのＰＭの燃焼で発生するＣＯやＳＣＲ触媒２４上での余剰アンモニアは後段酸化触媒２５により処理される。

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、噴射ノズル２７から噴射された尿素水の一部は噴射ノズル２７の先端２７ａに付着し、その水分が排気熱で気化することにより固形の尿素由来堆積物となって噴射ノズル２７の先端２７ａに堆積してしまい、堆積した尿素由来堆積物は、ノズル孔の閉塞による噴射不能の事態、或いは高温時の急激なアンモニアへの転化に起因するアンモニアスリップなどの不具合を引き起こす。そこで、本発明では、連結パイプ２２内への噴射ノズル２７の突出長さを最適設定することにより上記不具合を防止しており、以下にその詳細を説明する。

本発明者は、噴射ノズル２７の先端２７ａへの尿素由来堆積物の付着及び堆積がどのようなメカニズムにより発生するかを考察した結果、以下の要因が影響することを突き止めた。
まず、図３に示すように、連結パイプ２２内に各孔２２ａから導入された排ガスは、軸線Ｃに位置する噴射ノズル２７近傍に周囲から集合しながら軸線Ｃに沿って下流側に移送されることから、連結パイプ２２内の上流側では排ガス流量は少ないが、下流側に移送されるほど新たな排ガスが合流することにより排ガス流量が次第に増加し、連結パイプ２２内の最下流では全ての孔から導入された排ガスが移送されることになる。このため、連結パイプ２２内の上流側から下流側に向かって排ガス流量が次第に増加し、それに伴って排ガス流速も次第に増加する傾向となる。

従来は排気浄化装置の各構成要素のレイアウトを決定する際に、排ガスに尿素水を十分に拡散させるべく噴射ノズル２７からＳＣＲ触媒２４の入口までの経路長を確保することを念頭においており、連結パイプ２２内に噴射ノズル２７を配設した構成とした場合には、図４に示すように、噴射ノズル２７の先端２７ａを連結パイプ２２内の可能な限り上流側に配設するのが望ましいとされていた。このような連結パイプ２２内の上流側にノズル先端２７ａを位置させた従来構成では、上記説明から明らかなようにノズル先端２７ａの排ガス流速が低く、結果として噴射ノズル２７の先端２７ａで排ガスが剥離を生じて渦を巻く現象が生じる。このため、噴射ノズル２７の先端２７ａから上流側に戻るようなガス流れが生起され、噴射ノズル２７の先端２７ａから噴射された尿素水は、このガス流れに運ばれて再び噴射ノズル２７の先端２７ａに戻って付着し、この現象が尿素由来堆積物の堆積の要因になるものと考えられる。また、連結パイプ２２内の上流側では排ガス流速が低いことから尿素水の微粒化が十分でなく、噴射ノズル２７の先端２７ａから噴射された尿素水の噴霧が再結合して液滴となることも、尿素由来堆積物の堆積の要因と推測される。

一方、噴射ノズル２７の先端２７ａに尿素由来堆積物が付着及び堆積したとしても、尿素由来堆積物がガス化してアンモニアに転化する排気温度条件が頻繁に成立すれば、尿素由来堆積物は少ない堆積量に留められてノズル孔の閉塞には至らず、また、１度に転化されるアンモニア量が少ないためアンモニアスリップの発生も防止される。ところが、連結パイプ２２内の上流側では排ガス流量が少ないことから、必然的にノズル先端２７ａに堆積した尿素由来堆積物が排ガスから受ける熱量も少なく、上記尿素由来堆積物がガス化する排気温度条件が成立する機会はほとんどない。よって、尿素由来堆積物が増加し続けてノズル孔を閉塞させる虞が高まると共に、稀に排気温度条件が成立したときに大量にアンモニアに転化してアンモニアスリップが生じる虞も高まる。

このように連結パイプ２２内での移送中に排ガス流量及び排ガス流速が変化することに起因して、噴射ノズル２７の先端２７ａへの尿素由来堆積物の付着及び堆積状況と、尿素由来堆積物のアンモニアへの転化状況とが、共に連結パイプ２２内の位置に応じて相違することを見出した。そして、排ガス流速が高い環境であれば、噴射ノズル２７の先端２７ａで排ガスの剥離が発生し難いことから、噴射された尿素水のノズル先端２７ａへの再付着が防止されると共に、噴射された尿素水の噴霧が再結合して液滴となることも防止される。また、排ガス流量が多い環境であれば、ノズル先端２７ａに尿素由来堆積物が付着・堆積したとしても排ガスからの受熱量が多いことから、尿素由来堆積物がガス化する排気温度条件が頻繁に成立して、尿素由来堆積物は常に少ない堆積量に留められる。以上の点を鑑みて、排ガス流量が多く、排ガス流速が高く、結果として高温側となる連結パイプ２２内の下流側に噴射ノズル２７の先端２７ａを位置させれば、上記した何れの不具合も改善方向に変化するとの知見に達した。

上記不具合は連結パイプ２２内の上流側にノズル先端２７ａを位置させるほど改善できるが、どの程度の範囲がノズル先端２７ａの位置として推奨できるかを検証した。ここで、排ガス流量と排ガス流速とは相関し、排ガス流量に応じて排ガスからの受熱量と共にノズル先端２７ａの温度が変化する関係にあるため、不具合の改善効果を推定するための指標としてノズル先端２７ａの温度を選択し、連結パイプ２２内への噴射ノズル２７の突出長さＬを変化させながらノズル先端２７ａの温度を計測する試験を実施した。なお、実際の試験では、噴射ノズル２７に代えて熱電対を連結パイプ２２内に挿入し、熱電対の先端（検出端）を噴射ノズル２７の先端２７ａに見立てて、連結パイプ２２内への熱電対の突出長さを変化させながら温度を測定した。試験条件としては、第１のケーシングの内径Ｄを230mmとし、実際の尿素水供給制御の実行状況に即して、尿素水供給条件が成立する排気温度が許可温度以上となる内燃機関１の運転状態とした。

図５は連結パイプ２２内への噴射ノズル２７の突出長さＬと第１のケーシングの内径Ｄとの関係を示す模式図、図６は噴射ノズル２７の突出長さＬとノズル先端２７ａの温度とを関係を示す試験結果である。
ここで、噴射ノズル２７の突出長さＬについては、図５に示すように第１のケーシング１７の内周上（内径Ｄを測定するときの一端側でもある）を基点として、この基点から先端２７ａまでの寸法として定義している。図６に示すように、全体的な特性として連結パイプ２２内への噴射ノズル２７の突出長さＬの増加に伴ってノズル先端２７ａの温度が上昇しており、特に突出長さＬが比較的少ない領域においては突出長さＬの増加に対してノズル先端２７ａの温度が急激に上昇している。尿素由来堆積物がガス化する下限温度（上記ガス化の排気温度条件に相当）は170℃程度であるため、ノズル先端２７ａの温度を170℃程度に保持できる突出長さＬを選択して噴射ノズル２７を配置すれば、尿素水供給制御中において堆積している尿素由来堆積物を頻繁にガス化することできる。

図６に示す試験結果では、ノズル先端２７ａの温度の170℃は突出長さＬの70mmに対応しており、噴射ノズル２７の突出長さＬを70mmに設定すればノズル先端２７ａの温度を170℃程度に維持できることを意味する。得られた突出長さＬ＝70mmはケーシング内径Ｄ＝230mmに対応する値であり、ケーシング内径Ｄを変更すると当然ながら最適な突出長さＬは変化するが、連結パイプ２２内での排ガスの流動状態はケーシング内径Ｄを変更しても相似形で生起されるため、突出長さＬとケーシング内径Ｄとの比Ｌ/Ｄを指標とすれば、どのようなケーシング内径Ｄでも最適な突出長さＬを割り出すことができる。

従って、比Ｌ/Ｄ＝70/230≒0.3を下限とし、適用するケーシング内径Ｄに基づき噴射ノズル２７の突出長さＬを設定すれば、尿素水供給制御中においてノズル先端２７ａの温度を170℃以上に維持でき、噴射ノズル２７の先端２７ａに尿素由来堆積物が付着及び堆積したとしても、尿素由来堆積物は頻繁にガス化してアンモニアに転化することから少ない堆積量に留められ、ノズル孔の閉塞を未然に防止できると共に、１度に転化されるアンモニア量が少ないためアンモニアスリップの発生も抑制することができる。

また、噴射ノズル２７の突出長さＬの上限は、噴射ノズル２７の先端２７ａと対向するケーシング内周（内径Ｄを測定するときの他端側でもある）までが目安となる。即ち、対向するケーシング内周までしか連結パイプ２２の孔が形成されていないため、対向するケーシング内壁を越えて噴射ノズル２７を延長しても排ガス流量及び排ガス流速は増加せず、また噴射ノズル２７を延長するほどＳＣＲ触媒２４の入口までの経路長が短縮化されて尿素水の拡散条件の面で却って不利になるため、突出長さＬの上限は、噴射ノズル２７の先端２７ａと対向するケーシング内周までとすることが好ましい。よって、比Ｌ/Ｄの上限の推奨値は1.0となり、望ましくは比Ｌ/Ｄが0.3〜1.0の範囲内となるようにケーシング内径Ｄに基づき噴射ノズル２７の突出長さＬを設定する。この設定により、噴射ノズル２７からＳＣＲ触媒２４の入口までの経路長を十分に確保して尿素水を排ガス中に良好に拡散可能とした上で、尿素水供給制御中の尿素由来堆積物のガス化による効果を得ることができる。

また、このようにノズル先端２７ａの温度を尿素由来堆積物がガス化する下限温度の170℃に維持できることは、排ガスから噴射ノズル２７の先端２７ａに十分な熱量を伝達できるだけの排ガス流量が確保されており、ひいては排ガス流速も十分に確保されていることを意味する。従って、比Ｌ/Ｄ0.3以上、望ましくは0.3〜1.0の範囲内に設定することにより、連結パイプ２２内の排ガス流量が多く、排ガス流速が高く、ノズル先端２７ａを高温に維持可能な位置に噴射ノズル２７を配置できることになる。そして、排ガス流速が十分に高ければ、噴射ノズル２７の先端２７ａで排ガスの剥離が発生し難いことから、噴射された尿素水のノズル先端２７ａへの再付着に起因する尿素由来堆積物の堆積を未然に防止でき、しかも、噴射された尿素水の噴霧が再結合して液滴となることもないため、この現象に起因する尿素由来堆積物の堆積も未然に防止することができる。

一方、以上の説明から明らかなように、本実施形態では、噴射ノズル２７の突出長さＬとケーシング内径Ｄとの比Ｌ/Ｄを最適設定しただけのため、例えば噴射ノズル２７の周囲に保護管を設けた特許文献１の技術のように、排気浄化装置の構造を複雑化させる要因になることは一切ない。よって、排気浄化装置の製造コストの高騰を回避した上で、上記した種々の作用効果を得ることができる。

ところで、上記実施形態では、混合室２０内の排ガスを連結パイプ２２に貫設した各孔２２ａを経て連結パイプ２２内に導入したが、連結パイプ２２の構成はこれに限ることはなく、例えば孔２２ａに代えてスリット４１を形成してもよい。図７は連結パイプ２２にスリット４１を形成した別例を示す図２に対応する断面図、図８は同じくスリット４１の詳細を示す図７のVIII−VIII線断面図である。混合室２０内に露出した連結パイプ２２の外周全体には連結パイプ２２の軸線Ｃ方向に延びる多数のスリット４１が周方向に列設されている。各スリット４１は、一側を中心として連結パイプ２２の内周方向に折曲して形成され、これにより連結パイプ２２の外周には各スリット４１と対応して同一角度αをなす多数のフィン４２が形成されている。

従って、混合室２０内の排ガスが各スリット４１を経て連結パイプ２２内に導入される際に、各フィン４２に案内されて排ガスが角度αに倣って流れ方向を変更され、結果として連結パイプ２２内で排ガスは軸線Ｃを中心として旋回流を生起されながら上流側から下流側へと移送される。このように構成された排気浄化装置でも、連結パイプ２２内での排ガス流量及び排ガス流速の特性は上記実施形態と同様であるため、噴射ノズル２７の突出長さＬとケーシング内径Ｄとの比Ｌ/Ｄを0.3以上、望ましくは0.3〜1.0の範囲内となるように、ケーシング内径Ｄに基づき噴射ノズル２７の突出長さＬを設定すれば、重複する説明はしないが同様の作用効果が得られる。

さらに、突出長さＬとケーシング内径Ｄとの比Ｌ/Ｄに関する条件は、混合室２０内に連結パイプ２２を備えない構成にも適用可能である。図９は混合室２０内の連結パイプ２２を省略した別例を示す図２に対応する断面図、図１０は同じく排ガス及び尿素水の流れを示す図９のX−X線断面図である。連結パイプ２２の混合室２０内に位置する部分を省略している点以外は上記実施形態の構成と同様であり、混合室２０内の連結パイプ２２を省略した結果、噴射ノズル２７の先端２７ａは対向するケーシング内周（一側面）に開口する連結パイプ２２に向けて突出していることになる。

この別例では混合室２０内に連結パイプ２２を備えないため、実施形態で述べたような連結パイプ２２内で各孔２２ａから導入される排ガスが順次合流して排ガス流量が次第に増加する現象は生じない。しかしながら、図９，１０に矢印で示すように、混合室２０内の全ての排ガスが順次連結パイプ２２の開口部に向けて移送されて内部に流入することから、連結パイプ２２の開口部近傍では排ガス流量が多く、開口部より離間するほど、即ち噴射ノズル２７側ほど排ガス流量は少なくなる。よって、噴射ノズル２７の軸線Ｃ方向において、上記実施形態と同様に上流側から下流側に向かって排ガス流量が次第に増加し、それに伴って排ガス流速も次第に増加する傾向となるため、上記実施形態で述べた試験結果に基づき、噴射ノズルの突出長さＬとケーシング内径Ｄとの比Ｌ/Ｄの推奨値として0.3以上、望ましくは0.3〜1.0の範囲内が導き出される。従って、これらの条件を満たすように、ケーシング内径Ｄに基づき噴射ノズル２７の突出長さＬを設定すれば、重複する説明はしないが同様の作用効果が得られる。

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、第１のケーシング１７を円筒状に形成し、噴射ノズル２７の突出長さＬとケーシング内径Ｄとの比Ｌ/Ｄを指標として、適用するケーシング内径Ｄから噴射ノズル２７の突出長さＬを割り出したが、第１のケーシング１７の形状は円筒状に限ることはない。例えば第１のケーシング１７を四角筒状に形成して、その一側面から連結パイプ２２を貫通させて、他側面から連結パイプ２２内に噴射ノズル２７を挿入配置した場合には、ケーシング内径Ｄに代えて第１のケーシング１７の一側面から他側面までの距離Ｄを適用すればよい。

実施形態の内燃機関の排気浄化装置を示す全体構成図である。 第１及び第２のケーシングの接続部分を示す部分拡大断面図である。 連結パイプ内での排ガス及び尿素水の流れを示す図２のIII−III線断面図である。 噴射ノズルの突出長さを短く設定した従来例を示す図３に対応する断面図である。 連結パイプ内への噴射ノズルの突出長さと第１のケーシングの内径との関係を示す模式図である。 噴射ノズルの突出長さＬとノズル先端の温度との関係を示す試験結果である。 連結パイプにスリットを形成した別例を示す図２に対応する断面図である。 同じくスリットの詳細を示す図７のVIII−VIII線断面図である。 混合室内の連結パイプを省略した別例を示す図２に対応する断面図である。 同じく排ガス及び尿素水の流れを示す図９のX−X線断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１３ 排気通路
１７ 第１のケーシング
２２ 連結パイプ
２２ａ 孔
２３ 第２のケーシング
２４ ＳＣＲ触媒（アンモニア選択還元型ＮＯx触媒）
２７ 噴射ノズル
２７ａ 先端
Ｌ 突出長さＬ
Ｄ 内径（距離）
Ｌ/Ｄ 比

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配設された第１のケーシングと、
   上記排気通路の上記第１のケーシングの下流側に配設され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を収容した第２のケーシングと、
   上記第１のケーシングの一側面と上記第２のケーシングとを連結すると共に、上記第１のケーシング側では一側面から他側面に該第１のケーシングを貫通し、該第１のケーシング内への露出部分に内外を連通させる多数の孔が貫設されて、上記排気通路から上記第１のケーシング内に導入された上記内燃機関の排ガスを上記各孔を経て内部に導入して上記第２のケーシングに向けて案内する連結パイプと、
   上記第１のケーシングの他側面から上記連結パイプ内に挿入されて該連結パイプ内の下流側に向けて突出し、先端から尿素水を噴射する噴射ノズルと
   を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   上記第１のケーシングの他側面を基点とした上記連結パイプ内への上記噴射ノズルの突出長さＬと、該第１のケーシングの他側面から一側面までの距離Ｄとの比Ｌ/Ｄを0.3以上に設定したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 内燃機関の排気通路に配設された第１のケーシングと、
   上記排気通路の上記第１のケーシングの下流側に配設され、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯxを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を収容した第２のケーシングと、
   上記第１のケーシングの一側面と上記第２のケーシングとを連結し、上記排気通路から上記第１のケーシング内に導入された上記内燃機関の排ガスを上記第２のケーシングに向けて案内する連結パイプと、
   上記第１のケーシングの他側面から該第１のケーシング内に挿入されて一側面に開口する上記連結パイプに向けて突出し、先端から尿素水を噴射する噴射ノズルと
   を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   上記第１のケーシングの他側面を基点とした該第１のケーシング内への上記噴射ノズルの突出長さＬと、該第１のケーシングの他側面から一側面までの距離Ｄとの比Ｌ/Ｄを0.3以上に設定したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記噴射ノズルの突出長さＬと上記第１のケーシングの他側面から一側面までの距離Ｄとの比Ｌ/Ｄを0.3〜1.0の範囲内に設定したことを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。

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