JP2010144569A

JP2010144569A - 選択還元触媒装置

Info

Publication number: JP2010144569A
Application number: JP2008320922A
Authority: JP
Inventors: Kenji Harima; 健司播磨
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】排気ガスと還元剤との混合状態を改善し、排気ガスの浄化性能を向上した選択還元触媒装置を提供する。
【解決手段】選択還元触媒コンバータ３１０と、還元剤供給手段３４０と、排気ガスに旋回流を発生させる旋回流発生手段３５０とを備える選択還元触媒装置３００を、旋回流発生手段は、円盤部３５１の複数の開口３５５にそれぞれ設けられ排気ガスに旋回流を発生させるフィン部３５２を備え、フィン部は、円盤部の外周縁部近傍において円盤部の接線方向に略沿って円盤部に接続されるとともに、円盤部の内径側に向かって円盤部に対して傾斜して伸びかつ先細り形状に形成され、フィン部の突端部３５４は、フィン部と円盤部との接続部３５３と直交する円盤部の直径に対してオフセットして配置される構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の排気ガスの後処理に用いられる選択還元触媒装置に関し、特に、触媒に流入する排気ガス中に還元剤を供給する還元剤供給手段を有するものに関する。

ディーゼルエンジンの排気ガスの後処理装置において、例えば尿素水等の還元剤を用いて窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する選択還元触媒（ＳＣＲ）を用いることが知られている。
例えば、特許文献１には、エンジンから排出された排気ガスがディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を経て導入されるＳＣＲを設けるとともに、ＳＣＲの入り側に尿素水を噴射する尿素水添加弁を配置したエンジンの排気浄化装置が記載されている。

また、特許文献２には、上述したようなＳＣＲ装置において、排気通路内に還元剤を噴射する噴射ノズルの上流側に、排気通路の軸心を中心とする旋回流を発生させる旋回流発生手段を設けるとともに、旋回流発生手段と触媒コンバータとの間の排気管にベルマウス状の拡径部を設けたものが記載されている。
特許文献２の旋回流発生手段は、排気通路内に設置される円盤状のプレートに、切り起こし加工によって風車状のフィンを形成したものであり、この切り起こし軸はプレートの径方向に略沿って配置されている。
特開２００８−１０１５６４号公報特許第３８９２４５２号

排気ガスに旋回流を与えることは排気ガスと還元剤との混合を図るうえで有効であり、より大きな旋回流を発生させて排気ガスと還元剤との混合状態をさらに改善することが要望されている。
本発明の課題は、排気ガスと還元剤との混合状態を改善し、排気ガスの浄化性能を向上した選択還元触媒装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、エンジンの排気ガスが導入される排気管路と、前記排気管路内に配置された選択還元触媒コンバータと、前記選択還元触媒コンバータの上流側に設けられ前記排気管路の内部に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記排気管路内における前記選択還元触媒コンバータの上流側に設けられ前記排気ガスに旋回流を発生させる旋回流発生手段とを備える選択還元触媒装置であって、前記旋回流発生手段は、前記排気管路内に前記排気ガスの流路方向とほぼ直交して配置された円盤部と、前記円盤部の周方向に分散して設けられ、前記円盤部を貫通して形成された複数の開口と、前記複数の開口にそれぞれ設けられ前記排気ガスに旋回流を発生させるフィン部とを備え、前記フィン部は、前記円盤部の外周縁部近傍において前記円盤部の接線方向に略沿って所定の長さにわたって前記円盤部に接続されるとともに、前記円盤部の内径側に向かって前記円盤部に対して傾斜して伸びかつ先細り形状に形成され、前記フィン部の突端部は、前記円盤部の法線方向から見たときに、前記フィン部と前記円盤部との接続部と直交する前記円盤部の直径に対してオフセットして配置されることを特徴とする選択還元触媒装置である。

請求項２の発明は、前記フィン部は略三角形状に形成されるとともに、前記三角形の一辺が前記円盤部の接線方向に略沿って配置されて前記円盤部と接続され、他の二辺の長さが相互に異なることを特徴とする請求項１に記載の選択還元触媒装置である。
請求項３の発明は、前記円盤部は金属製のプレートによって形成され、前記フィン部は、前記円盤部からの切り起こし加工によって前記円盤部と一体に形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の選択還元触媒装置である。
請求項４の発明は、前記旋回流発生手段は、前記排気管路内において前記還元剤供給手段よりも前記選択還元触媒コンバータ側に配置されることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の選択還元触媒装置である。

本発明によれば、従来技術に対して排気ガスにより強い旋回流を与えることができることから、排気ガスと還元剤との混合を促進し、選択還元触媒装置の処理能力を高め、排気ガスの浄化性能を向上することができる。これによって、触媒コンバータサイズの低減による装置の小型化等を図ることもできる。
また、還元剤の利用率が向上するため、還元剤の消費量を低減することができる。
また、旋回流発生手段のフィン部を円盤部からの切り起こし加工で形成することによって、旋回流発生手段の製作工程を簡素化するとともに、部品点数の増加を最低限にとどめることができる。
さらに、旋回流発生手段を還元剤供給手段よりも選択還元触媒コンバータ側に配置したことによって、排気管路の内面方向に向かう還元剤は、ほぼ全てが旋回流発生手段に当たるため、旋回流によって還元剤の微粒化を促進することができる。また、排気管路内面に還元剤の固体が付着することを防止して、排気管路の腐食を防止できる。

本発明は、排気ガスと還元剤との混合状態を改善し、排気ガスの浄化性能を向上した選択還元触媒装置を提供する課題を、尿素インジェクタと触媒コンバータとの間に、排気ガスに旋回流を発生させる旋回流発生手段を設け、旋回流発生手段は円盤部の接線とほぼ沿った切り起こし軸から切り起こされた略三角形状のフィンを有し、フィンの突端部を切り起こし軸の中心部に対して周方向にオフセットしたことによって解決した。

以下、本発明を適用した選択還元触媒（ＳＣＲ）装置の実施例について説明する。
実施例のＳＣＲ装置は、例えば、乗用車等の自動車に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス後処理システムに設けられる。
図１は、排気ガス後処理システムの構成を示す模式図である。
排気ガス後処理システム１は、図示しないエンジンから出た排気ガスが導入される排気管である図示しないフロントパイプと、浄化処理済みの排気ガスが排出される排気管であるリアパイプ２との間に設けられている。
排気ガス後処理システム１は、エンジン側（上流側）から順に、酸化触媒部１００、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）部２００、選択還元触媒（ＳＣＲ）部３００等を備えて構成されている。

酸化触媒部１００は、触媒コンバータ１１０、ハウジング１２０を備えている。
触媒コンバータ１１０は、例えばアルミナ等の担体に白金等を担持させて構成されている。触媒コンバータ１１０は、排気ガス中のＮＯを酸化させ、ＮＯ_２を生成させるものである。
ハウジング１２０は、触媒コンバータ１１０を収容する容器状の部材であって、筒状に形成されるとともに、その両端部はフロントパイプ及びＤＰＦ部２００にそれぞれ接続されている。ハウジング１２０の中間部は、両端部に対して拡径して形成され、触媒コンバータ１１０はこの拡径部内に配置されている。

ＤＰＦ部２００は、酸化触媒部１００の下流側に接続され、酸化触媒部１００から出た排気ガスを濾過して粒子状物質（ＰＭ）を捕集するものである。
ＤＰＦ部２００は、フィルタ２１０、ハウジング２２０を備えている。
フィルタ２１０は、例えばコージェライト、ＳｉＣ等のセラミックや、焼結金属等によって形成され、ＰＭを捕集して酸化処理する。
ハウジング２２０は、フィルタ２１０を収容する容器状の部材であって、筒状に形成されるとともに、その両端部は酸化触媒部１００及びＳＣＲ部３００にそれぞれ接続されている。ハウジング２２０の中間部は、両端部に対して拡径して形成され、フィルタ２１０はこの拡径部内に配置されている。

ＳＣＲ部３００は、本発明を適用したＳＣＲ装置であり、還元剤として尿素水を排気ガス中に供給し、その下流側に配置された触媒コンバータによってＮＯｘを還元処理するものである。
ＳＣＲ部３００は、触媒コンバータ３１０、ハウジング３２０、センターパイプ３３０、尿素水インジェクタ３４０、ミキサ３５０、尿素水タンク３６０、尿素水供給制御ユニット（ＤＣＵ）３７０等を備えて構成されている。

触媒コンバータ３１０は、触媒として例えば金属を添加したゼオライトを備え、尿素水中の尿素が加水分解されて生じるアンモニアをＮＯｘに加え、ＮＯｘを人体に無害な窒素及び水に分解する。
ハウジング３２０は、触媒コンバータ３１０を収容する容器状の部材であって、筒状に形成されるとともに、その両端部はセンターパイプ３３０及びリアパイプ２にそれぞれ接続されている。ハウジング３２０の中間部は、両端部に対して拡径して形成され、触媒コンバータ３１０はこの拡径部内に配置されている。

センターパイプ３３０は、ＤＰＦ部２００のハウジング２２０の出口とＳＣＲ部３００のハウジング３２０の入口とを接続する管路である。
センターパイプ３３０は、ほぼ円筒状に形成されるとともに、尿素水インジェクタ３４０が装着されるマウント部３３１を備えている。
マウント部３３１は、センターパイプ３３０のハウジング３２０側の端部近傍に設けられている。マウント部３３１は、センターパイプ３３０の外周面から外径側に突き出した円筒状に形成され、センターパイプ３３０内と連通している。マウント部３３１は、その突端部がＤＰＦ部２００側に向くように傾斜して配置され、尿素水インジェクタ３４０はこの突端部端面に形成された開口に挿入され固定されている。

尿素水インジェクタ３４０は、触媒コンバータ３１０での選択還元処理に必要な還元剤として、尿素水をセンターパイプ３３０内に噴霧する尿素水供給手段である。
ミキサ３５０は、センターパイプ３３０からハウジング３２０に流れる排気ガスに旋回流を発生させる旋回流発生手段である。ミキサ３５０は、センターパイプ３３０の下流側端部（ハウジング３２０の入口直前）に配置されている。すなわち、ミキサ３５０は、尿素水インジェクタ３４０よりも下流側でありかつ触媒コンバータ３１０よりも上流側に配置されている。
ミキサ３５０については、後により詳細に説明する。

尿素水タンク３６０は、尿素水インジェクタ３４０で用いる尿素水を貯留する容器である。尿素水タンク３６０は、尿素水を尿素水インジェクタ３４０に搬送するポンプ３６１を備えている。さらに、尿素水タンク３６０は、尿素水の残量を検出するレベルセンサ３６２、及び、尿素水の温度を検出する温度センサ３６３等を備えている。
ＤＣＵ３７０は、ＳＣＲ部３００における尿素水の供給を制御する情報処理装置である。ＤＣＵ３７０は、図示しないエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）から提供されるエンジンの運転状態や、各センサの出力等に基づいて、尿素水インジェクタ３４０からの尿素水の噴射量等を制御する。

以下、上述したミキサ３５０について、より詳細に説明する。
図２は、ミキサ３５０の部品図である。図２（ａ）は、ミキサ３５０をセンターパイプ３３０の中心軸方向の下流側から見た外観図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のｂ−ｂ部矢視図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）のｃ−ｃ部矢視断面図である。

ミキサ３５０は、円盤部３５１及びフィン３５２を備えている。
円盤部３５１は、例えば金属製の薄板によって形成されたミキサ３５０の本体部である。円盤部３５１は、センターパイプ３３０の出口側の端部を閉塞するようにして、センターパイプ３３０の内径側に固定されている。

フィン３５２は、円盤部３５１から切り起こし加工することによって円盤部３５１と一体的に形成された羽根状の部分である。フィン３５２は、図２（ａ）に示すように、円盤部３５１の中心軸回りに例えば４つが略等間隔に設けられている。
フィン３５２を円盤部３５１から切り起こす際の切り起こし軸３５３は、円盤部３５１の外周縁部近傍に設けられている。この切り起こし軸３５３は、フィン３５２と円盤部３５１とが接続される本発明にいう接続部となる。切り起こし軸３５３は、円盤部３５１の隣接する接線とほぼ平行に配置されている。また、切り起こし軸３５３と直交する円盤部３５１の直径は、当該切り起こし軸３５３の中心付近を通過するようになっている。

フィン３５２を円盤部３５１の法線方向から見た形状は、切り起こし軸３５３を一辺とする不等辺三角形となっている。このため、フィン３５２の切り起こし軸３５２以外の２辺は、相互に長さが異なっている。その結果、フィン３５２の突端部３５４は、排気ガスの入り側から見たときに、切り起こし軸３５３と直交する円盤部３５１の直径に対して、時計回りにオフセット（図２（ａ）における角度θ、間隔ｄ）して配置されている。

また、フィン３５２は、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、平板状に形成されるとともに、突端部３５４が円盤部３５１から離間するように傾斜して配置されている。図１に示すように、ミキサ３５０は、フィン３５２が円盤部３５１から排気ガスの下流側（触媒コンバータ３１０側）に突き出すようにセンターパイプ３３０に装着される。

排気ガスは、フィン３５２を切り起こしたことによって、フィン３５２と円盤部３５１との間に形成される隙間である開口３５５を通過する際に渦流が誘起され、センターパイプ３３０から触媒コンバータ３１０側へ流れる。このとき、上述したフィン３５２の構成とすることによって、排気ガスには円盤部３５１の中心軸とほぼ同心の旋回流が発生する。また、尿素水インジェクタ３４０から噴射された尿素水は、ミキサ３５０に当たり、ここで上述した排気ガスの旋回流に巻き込まれる。尿素水は、旋回流のなかで微粒化されるとともに、排気ガスと混合されて触媒コンバータ３１０に流入する。

以上説明した実施例によれば、ミキサ３５０によって排気ガスに強い旋回流を与えることができることから、排気ガスと尿素水との混合を促進し、ＳＣＲ部３００の処理能力を高め、排気ガスの浄化性能を向上することができる。これによって、触媒コンバータ３１０のサイズ低減によるＳＣＲ部３００の小型化等を図ることもできる。
また、尿素水の利用率が向上するため、尿素水の消費量を低減し、補充サイクルの延長やタンクの小型化を図ることができる。
また、ミキサ３５０のフィン３５２を円盤部３５１からの切り起こし加工で形成することによって、ミキサ３５０の製作工程を簡素化するとともに、部品点数の増加を最低限にとどめることができる。
さらに、ミキサ３５０を尿素水インジェクタ３４０よりも触媒コンバータ３１０側に配置したことによって、センターパイプ３３０の内面方向に向かう尿素水は、ほぼ全てがミキサ３５０に当たるため、旋回流によって尿素水の微粒化を促進することができる。また、センターパイプ３３０の内面に還元剤の固体が付着することを防止して腐食を防止できる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。例えば、旋回流発生手段におけるフィンの枚数は特に限定されず、形状も適宜変更することができる。
また、旋回流発生手段の製作方法も上述した切り起こしには特に限定されない。
また、旋回流発生手段は、実施例のように還元剤供給手段の下流側に設けることが好ましいが、上流側に配置した場合であっても強い旋回流による還元剤と排気ガスの混合を行うことは可能である。

本発明を適用した選択還元触媒装置の実施例を有する排気ガス後処理システムの構成を示す模式図である。図１の選択還元触媒装置におけるミキサの部品図である。

符号の説明

１排気ガス後処理システム２リアパイプ
１００酸化触媒部
１１０触媒コンバータ１２０ハウジング
２００ディーゼルパティキュレートフィルタ部
２１０フィルタ２２０ハウジング
３００選択還元触媒（ＳＣＲ）部
３１０触媒コンバータ３２０ハウジング
３３０センターパイプ３３１マウント部
３４０尿素水インジェクタ
３５０ミキサ３５１円盤部
３５２フィン３５３切り起こし軸
３５４突端部３５５開口
３６０尿素水タンク３６１ポンプ
３６２レベルセンサ３６３温度センサ
３７０尿素水供給制御ユニット（ＤＣＵ）

Claims

エンジンの排気ガスが導入される排気管路と、
前記排気管路内に配置された選択還元触媒コンバータと、
前記選択還元触媒コンバータの上流側に設けられ前記排気管路の内部に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記排気管路内における前記選択還元触媒コンバータの上流側に設けられ前記排気ガスに旋回流を発生させる旋回流発生手段と
を備える選択還元触媒装置であって、
前記旋回流発生手段は、
前記排気管路内に前記排気ガスの流路方向とほぼ直交して配置された円盤部と、
前記円盤部の周方向に分散して設けられ、前記円盤部を貫通して形成された複数の開口と、
前記複数の開口にそれぞれ設けられ前記排気ガスに旋回流を発生させるフィン部と
を備え、
前記フィン部は、前記円盤部の外周縁部近傍において前記円盤部の接線方向に略沿って所定の長さにわたって前記円盤部に接続されるとともに、前記円盤部の内径側に向かって前記円盤部に対して傾斜して伸びかつ先細り形状に形成され、
前記フィン部の突端部は、前記円盤部の法線方向から見たときに、前記フィン部と前記円盤部との接続部と直交する前記円盤部の直径に対してオフセットして配置されること
を特徴とする選択還元触媒装置。
前記フィン部は略三角形状に形成されるとともに、前記三角形の一辺が前記円盤部の接線方向に略沿って配置されて前記円盤部と接続され、他の二辺の長さが相互に異なること
を特徴とする請求項１に記載の選択還元触媒装置。
前記円盤部は金属製のプレートによって形成され、
前記フィン部は、前記円盤部からの切り起こし加工によって前記円盤部と一体に形成されること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の選択還元触媒装置。
前記旋回流発生手段は、前記排気管路内において前記還元剤供給手段よりも前記選択還元触媒コンバータ側に配置されること
を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の選択還元触媒装置。