JP2011106359A - 内燃機関の尿素還元式scr装置 - Google Patents

内燃機関の尿素還元式scr装置 Download PDF

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Abstract

【課題】渦の生成を低減し、排気の流れを阻害することによる圧力損失を低減し燃費性能を良好にすると共に、尿素水と排気の混合を促進し排気性能を良好にすることのできる内燃機関の尿素還元式SCR装置を提供する。
【解決手段】円弧状に互い違いに折り曲げて形成された右側羽根(31G)と左側羽根(31H)とをそれぞれ有する薄板部材である第1フィン(31)と第2フィン(32)とを十字状に組み合わせるようにして旋回流発生器(30)を構成した。
【選択図】図3

Description

本発明は、内燃機関の尿素還元式SCR装置に関し、詳しくは排気と還元剤を混合する技術に関する。
従来、乗用車やトラック等の内燃機関の排気中には、HC、CO、NOx等が含まれており、NOxを除去するための後処理装置として排気管に還元剤である尿素水を噴射ノズルから噴射し排気と混合させ、尿素水と排気中のNOxをNOx還元触媒にて触媒還元反応させることにより窒素(N)と水(HO)に分解し無害化する尿素還元式SCR装置が設けられている。
しかしながら、このような尿素還元式SCR装置では、NOx還元触媒の上流で尿素水を噴射するようにしているが、NOx還元触媒に至るまでに混合が十分に行われず尿素水がNOx還元触媒に偏って流入し、NOx浄化効率が低下するおそれがある。
この様なことから、NOx還元触媒の上流の排気通路内に排気通路の軸心を中心とし、らせん状に旋回する旋回流を発生させるフィンを設け、噴射された尿素水と排気とを均一に混合させ、NOx還元触媒における排気の浄化効率を向上させるエンジンの排気浄化装置が開発されている(特許文献1)。
特開2006−29233号公報
上記特許文献1のエンジンの排気浄化装置では、排気通路の断面と同一形状の薄板に切れ目を入れて任意の角度まで引き起こし形成されたフィンをNOx還元触媒の排気上流側にある噴射ノズルの更に排気上流側に設け、排気通路の軸心を中心としてらせん状に旋回する旋回流を発生させ、排気と尿素水の混合を促進させている。
しかしながら、上記のフィンは、薄板に切れ目を入れ、引き起こしてフィンを形成しているので、フィン以外の部分が排気通路を塞ぐような形状となっており、また、薄板に切れ目を入れて引き起こした平面状のフィンでは、排気がフィンに直接衝突することにより剥離が発生し、渦を生成することになる。
このような渦の生成は、尿素水と排気の混合を妨げ排気性能の悪化につながり、また、排気の流れを阻害することにより圧力損失が増大し、燃費の悪化につながる。
本発明は、この様な問題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、渦の生成を低減し、排気の流れを阻害することによる圧力損失を低減し燃費性能を良好にすると共に、尿素水と排気の混合を促進し排気性能を良好にすることのできる内燃機関の尿素還元式SCR装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項1の内燃機関の尿素還元式SCR装置は、内燃機関の排気通路に配設され、還元剤を噴射する噴射ノズルと、噴射された還元剤と排気中の窒素酸化物とを触媒還元反応させるNOx還元触媒とを有し排気を還元浄化する内燃機関の尿素還元式SCR装置において、前記排気通路内の前記NOx還元触媒の上流に配設され、該排気通路内の排気に旋回流を発生させる旋回流発生手段を備え、前記旋回流発生手段は、それぞれ排気が流入する一辺と該排気が流入する一辺の対辺であり排気が流出する他辺とを有する略四角形状の薄板部材であるとともに、それぞれ該他辺の中央から該一辺に到達しない長さの第1の溝で分断される一対の羽根が形成された一対の旋回板を排気流通方向視で十字状に組み合わせてなり、前記一対の羽根は、一方の羽根が、排気流通方向の下流側が排気流通方向の側面視で排気流通方向に対し垂直方向に凸となるよう円弧状に曲げられ、他方の羽根が、排気流通方向の下流側が排気流通方向の側面視で排気流通方向に対し前記一方の羽根とは反対の垂直方向に凸となるよう円弧状に曲げられ、排気流通方向の側面視で略Y字状をなすよう互い違いに形成されてなることを特徴とする。
また、請求項2の内燃機関の尿素還元式SCR装置では、請求項1の発明において、前記一対の旋回板をなす一方の旋回板には前記一辺より前記第1の溝に到達しない長さの第2の溝が形成されるとともに、他方の旋回板には前記第1の溝から更に前記一辺に向けて該一辺に到達しない長さの第3の溝が形成されてなり、前記旋回流発生手段は、これら第2の溝と第3の溝とを互いに挿入することで前記一対の旋回板を排気流通方向視で十字状に組み合わせてなることを特徴とする。
また、請求項3の内燃機関の尿素還元式SCR装置では、請求項1又は2の発明において、前記一対の旋回板の前記一対の羽根の各羽根の曲げ角度は、該羽根の根本部より先端に向けて大きくなることを特徴とする。
また、請求項4の内燃機関の尿素還元式SCR装置では、請求項1乃至3のいずれかの発明において、前記一対の羽根の各羽根の先端の角部は、R形状であることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、旋回流発生手段を構成する一対の旋回板の一対の羽根は、一方の羽根が、排気流通方向の下流側が排気流通方向の側面視で排気流通方向に対し垂直方向に凸となるよう円弧状に曲げられ、他方の羽根が、排気流通方向の下流側が排気流通方向の側面視で排気流通方向に対し一方の羽根とは反対の垂直方向に凸となるよう円弧状に曲げられ、排気流通方向の側面視で略Y字状をなすよう互い違いに形成されており、旋回流発生手段は、一対の旋回板を十字状に組み合わせて構成されている。
このように一対の旋回板の各旋回板の羽根形状を円弧状に形成していることで、旋回流発生手段に流入した排気には旋回流が発生するが、この際、排気の剥離を低減し、渦の生成を低減することができ、排気の流れの阻害を低減することができる。
従って、排気の流れの阻害を抑制することができるので、圧力損失を低減することができ、燃費を低減することができる。また、還元剤と排気の混合を促進することができるので排気性能を良好にすることができる。
請求項2の発明によれば、第2の溝と第3の溝とを互いに挿入することで一対の旋回板を排気流通方向視で十字状に組み合わせるようにしている。
これにより、簡単な構成にして旋回流発生手段を構成することができる。
請求項3の発明によれば、旋回板の羽根の曲げ角度を根本部から先端に向けて大きくしている。
このように羽根の曲げ角度を先端に行くに従い大きくすることで、更に排気の剥離を低減し、渦の生成を抑制することができ、排気の流れを阻害することなく還元剤と排気の混合を促進させることができる。
従って、更に排気性能を良好にすることができる。
請求項4の発明によれば、羽根の先端の角部をR形状としている。
この様に羽根の先端の角部をR形状とすることにより羽根の上面を流れる排気と羽根の側部を流れる排気の干渉を低減することができる。
これにより、排気の干渉による乱流の発生を低減することができるので、圧力損失を低減することができ、更に燃費を低減することができる。
本発明の実施形態に係る内燃機関の尿素還元式SCR装置の概略構成図である。 図1A部の拡大図であり、本発明の第1実施例に係る旋回流発生器の構造図である。 図2のB−B線における断面図である。 本発明の第1実施例に係る旋回流発生器を構成する第1フィンの上面視図である。 本発明の第1実施例に係る第1フィンの排気流通方向の側面視図である。 本発明の第1実施例に係る旋回流発生器を構成する第2フィンの上面視図である。 図1A部の拡大図であり、本発明の第2実施例に係る旋回流発生器の構成図である。 図7のC−C線における断面図である。 本発明の第2実施例に係る旋回流発生器を構成する第1フィンの上面視図である。 本発明の第2実施例に係る第1フィンの排気流通方向の側面視図である。 本発明の第2実施例に係る旋回流発生器を構成する第2フィンの上面視図である。 図7D部の拡大図であり、本発明の第2実施例に係る羽根周りの排気流れの模式図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
[第1実施例]
図1は、本発明の第1実施例に係る内燃機関の尿素還元式SCR装置を示した概略構成図であり、図2は、図1A部の拡大図であり旋回流発生器の構造図であり、図3は、図2のB−B線における断面図であり、図4は、旋回流発生器を構成する第1フィンの上面視図であり、図5は、第1フィンの排気流通方向の側面視図であり、図6は、旋回流発生器を構成する第2フィンの上面視図である。
また、図1中の白抜き矢印は新気流通方向を、各図中の黒塗り矢印は排気流通方向をそれぞれ示す。
以下、本発明の第1実施例の内燃機関の尿素還元式SCR装置の構成を説明する。
図1に示すように、エンジン1(内燃機関)は多気筒のコモンレール式ディーゼルエンジンであり、詳しくは、コモンレールに蓄圧された高圧燃料を各気筒の図示しない燃料噴射ノズルに供給し、任意の噴射時期及び噴射量で当該燃料噴射ノズルから各気筒の図示しない燃焼室内に噴射可能な構成を成している。
また、エンジン1の各気筒には上下摺動可能な図示しないピストンが設けられており、当該ピストンは図示しないコンロッドを介して図示しないクランクシャフトに連結されている。また、クランクシャフトの一端部には図示しないフライホイールが設けられている。
また、燃焼室には吸気通路15と排気通路16が連通されている。
吸気通路15には、燃焼室と吸気通路15の連通と遮断を行う図示しない吸気弁が設けられており、排気通路16には、燃焼室と排気通路16との連通と遮断を行う図示しない排気弁が設けられている。
また、吸気通路16の上流には、新気を吸入する吸気ダクト11、吸入された新気中のゴミを取り除くエアークリーナ12、排気のエネルギを利用し吸入された新気を圧縮するターボチャージャ13のコンプレッサハウジング13A、圧縮された新気を冷却するインタークーラ14がそれぞれ連通するように設けられている。
また、排気通路16の下流には、上記ターボチャージャ7に排気を導入するタービンハウジング13B、上流側排気管17を介して排気中の炭化水素を酸化させる酸化触媒18、排気中の黒鉛を主成分とする微粒子状物資(以下PMという)を捕集し燃焼させるディーゼルパティキュレートフィルタ19及び排気中に尿素水(還元剤)21Aを噴射し、NOxを低減する尿素還元式SCR装置20が設けられている。
尿素還元式SCR装置20は、排気中に尿素水21Aを噴射する尿素水噴射ノズル(噴射ノズル)21、排気に旋回流を発生させる旋回流発生器(旋回流発生手段)30を管内に備える下流側排気管(排気通路)22を介し排気中のNOxと尿素水21Aを還元させるSCR触媒(NOx還元触媒)を備えて構成されている。
図2及び図3に示すように、旋回流発生器30は、排気に旋回流を発生させるように第1フィン(一方の旋回板)31と第2フィン(他方の旋回板)32の溝部(第2の溝)31Cと溝部(第3の溝)32Cを嵌め合い、排気流通方向視で十字状となるように固着されている。
図4に示すように、第1フィン31は、下側排気管22内に収まる幅を有する略四角形状の薄板部材であり、排気流通方向下流側に位置する下流部(排気が流出する他辺)31Bから任意の距離にある折曲位置31Dから下流部31B側には、下流部31Bに向かうにしたがい両側端である右側部31E及び左側部31Fから幅方向中央に向い幅が狭くなるように羽根右側部31I及び羽根左側部31Jがそれぞれ形成されている。
また、第1フィン31には、下流部31Bの幅方向の中央から下流部31Bの対辺である排気流通方向上流側の上流部(排気が流入する一辺)31Aに向けて溝部31K(第1の溝)が形成されている。溝部31Kは、下流部31Bから折曲位置31Dに達するまで下流部31Bから上流部31Aに向かうにしたがい幅が狭くなるように形成されており、溝部31Kの両側には、右側羽根(一方の羽根)31G及び左側羽根(他方の羽根)31Hがそれぞれ形成されている。
また、第1フィン31には、上流部31Aの幅方向の中央から下流部31Bに向けて、溝31Kに達しない長さであり、フィン厚さと同等の一定の幅からなる溝部31Cが形成されている。
図5に示すように、右側羽根31Gは、折曲位置31Dより排気流通方向の下流側が排気流通方向の側面視で排気流通方向に対し垂直方向に凸となるよう円弧状に折り曲げて形成されている。
また、左側羽根31Hは、折曲位置31Dより排気流通方向の下流側が排気流通方向の側面視で排気流通方向に対し右側羽根31Gとは反対の垂直方向に凸となるよう円弧状に折り曲げて形成されている。
即ち、右側羽根31Gと左側羽根31Hは、排気流通方向の側面視で略Y字状となるように互い違いに折り曲げて形成されている。詳しくは、右側羽根31Gと左側羽根31Hは、折曲位置(根本部)31Dから下流部(先端)31Bに向けて曲げ角度が大きくなるよう円弧状に折り曲げられている。
図6に示すように、第2フィン32は、第1のフィン31と同様に形成されるが、溝部31Cはなく溝部32Cが形成されている。溝部32Cは、溝部31Kを更に上流部31Aに向け延ばすようにして、上流部31Aに達しない長さでフィン厚さと同等の一定の幅で形成されている。
以下、このように構成された本発明の第1実施例に係る内燃機関の尿素還元式SCR装置の作用及び効果について説明する。
図1に示すように、エンジン1で発生した排気は、ターボチャージャ7を経由し、上流側排気管17を介して排気中の炭化水素を酸化させる酸化触媒18に導入され、排気中のPMを捕集し燃焼させるディーゼルパティキュレートフィルタ19に導入される。その後、尿素水噴射ノズル21から尿素水21AがPMを除去された排気に噴射される。
次に、排気は、図2及び図3に示すように円弧状に形成された右側羽根31Gと左側羽根31Hを有する第1フィン31と第2フィン32が十字状に固着される旋回流発生器30によって下流側排気管22内で旋回流を発生させ、尿素水21Aと排気の混合を促進させる。
そして、尿素水21Aが混合した排気は、SCR触媒23に導入され、触媒作用にてNOxが浄化され、排出される。
このように、第1実施例に係る内燃機関の尿素還元式SCR装置では、旋回流発生器30の第1及び第2フィン31,32の右側羽根31Gと左側羽根31Hは、円弧状に形成され旋回流を発生させるべく十字状に固着されている。
これにより、簡単な構成にして旋回流発生器30に流入した排気及び尿素水21Aの第1及び第2フィン31,32の右側羽根31Gと左側羽根31Hでの剥離を低減し渦の生成を低減することができ、排気の流れの阻害を抑制することができる。
また、排気の流れの阻害を抑制することができるので尿素水21Aと排気の混合を促進させることができる。
従って、本発明の第1実施例に係る内燃機関の尿素還元式SCR装置によれば、
(1)排気の流れの阻害を抑制し、圧力損失を低減することができるので燃費を低減することができる。
(2)尿素水と21Aと排気の混合を促進することができるので排気性能を良好にすることができる。
[第2実施例]
次に、第2実施例について説明する。
図7は、第2実施例に係る旋回流発生器の構造図であり、図8は、図7のC−C線における断面図であり、図9は、旋回流発生器を構成する第1フィンの上面視図であり、図10は、第1フィンの排気流通方向の側面視図であり、図11は、旋回流発生器を構成する第2フィンの上面視図であり、図12は、図7D部の拡大図であり、本発明の第2実施例に係る羽根周りの排気流れの模式図である。
また、各図の黒塗り矢印は排気流通方向をそれぞれ示す。
図7及び図8に示すように第2実施例では、上記第1実施例に対して、旋回流発生器30を旋回流発生器130に変更しており、以下に上記第1実施例と異なる点に付いて説明する。
図7及び図8に示すように、旋回流発生器(旋回流発生手段)130は、排気に旋回流を発生させるように第1フィン(一方の旋回板)131と第2フィン(他方の旋回板)132の溝31Cと溝32Cを嵌め合い、排気流通方向視で十字状となるように固着されている。
図9に示すように、第1フィン131は、下側排気管22内に収まる幅を有する略四角形状の薄板部材であり、下流部31Bから任意の距離にある折曲位置31Dから下流部31B側には、下流部31Bに向かうにしたがい両側端である右側部31E及び左側部31Fから幅方向中央に向い幅が狭くなるように羽根右側部31I及び羽根左側部31Jがそれぞれ形成されている。
また、第1フィン131には、下流部31Bの幅方向の中央から上流部31Aに向けて溝部31Kが形成されている。溝部31Kは、下流部31Bから折曲位置31Dに達するまで下流部31Bから上流部31Aに向かうにしたがい幅が狭くなるように形成されており、溝部31Kの両側には、右側羽根(一方の羽根)131G及び左側羽根(他方の羽根)131Hがそれぞれ形成されている。
また、第1フィン131には、上流部31Aの幅方向の中央から排気流通方向下流側の対辺である下流部31Bに向けて、溝31Kに達しない長さであり、フィン厚さと同等の一定の幅からなる溝部31Cが形成されている。
右側羽根131G及び左側羽根131Hの羽根右側部31I及び羽根左側部31Jと下流部31Bのそれぞれの交点(羽根の先端の角部)には、R形状の外側R部131Lが形成され、溝部31Kと下流部31Bのそれぞれの交点(羽根の先端の角部)には、R形状の内側R部131Mが形成されている。
図10に示すように、右側羽根131Gは、折曲位置31Dより排気流通方向の下流側が排気流通方向の側面視で排気流通方向に対し垂直方向に凸となるよう円弧状に折り曲げて形成されている。
また、左側羽根131Hは、折曲位置31Dより排気流通方向の下流側が排気流通方向の側面視で排気流通方向に対し右側羽根131Gとは反対の垂直方向に凸となるよう円弧状に折り曲げて形成されている。
即ち、右側羽根131Gと左側羽根131Hは、排気流通方向の側面視で略Y字状となるように互い違いに折り曲げて形成されている。詳しくは、右側羽根131Gと左側羽根131Hは、折曲位置(根本部)31Dから下流部(先端)31Bに向けて曲げ角度が大きくなるよう円弧状に折り曲げられている。
図11に示すように、第2フィン132は、第1フィン131と同様に形成されるが、溝部31Cはなく溝部32Cが形成されている。溝部32Cは、溝部31Kを更に上流部31Aに向け延ばすようにして、上流部31Aに達しない長さでフィン厚さと同等の一定の幅で形成されている。
以下、このように構成された本発明の第2実施例に係る内燃機関の尿素還元式SCR装置の作用及び効果について説明する。
排気は、図7及び図8に示すように曲面で形成された右側羽根131Gと左側羽根131Hを有する第1フィン131と第2フィン132が十字状に固着される旋回流発生器130によって下流側排気管22内で旋回流を発生させ、尿素水21Aと排気の混合を促進させる。
そして、尿素水21Aが混合した排気は、SCR触媒23に導入され、触媒作用にてNOxが浄化され、排出される。
このように、第2実施例に係る内燃機関の尿素還元式SCR装置では、旋回流発生器30の第1及び第2フィン131,132の右側羽根131Gと左側羽根131Hは、円弧状に形成され、羽根右側部31I及び羽根左側部31Jと下流部31Bの交点には、R形状の外側R部131Lを、溝部31Kと下流部31Bの交点には、R形状の内側R部131Mが形成され、旋回流を発生させるべく十字状に固着されている。
これにより、簡単な構成にして旋回流発生器130に流入した排気及び尿素水21Aは、第1及び第2フィン131,132の右側羽根131Gと左側羽根131Hでの剥離を低減し渦の生成を低減することができ、排気の流れの阻害を抑制することができる。
また、図12に示すように右側羽根131G及び左側羽根131Hの上面を流れる排気とそれぞれの羽根の側部を流れる排気の干渉による乱流の発生を低減でき、排気の流れの阻害を抑制し旋回流を発生させることができるので尿素水21Aと排気の混合を促進させることができる。
従って、本発明の第2実施例に係る内燃機関の尿素還元式SCR装置によれば、
(1)更に排気の流れの阻害を抑制し、圧力損失を低減することができるので燃費を低減することができる。
(2)尿素水21Aと排気の混合を促進することができるので排気性能を良好にすることができる。
以上で発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の形態は実施形態に限定されるものではない。
例えば、旋回流発生器30を尿素水噴射ノズル21の下流に設けているが、旋回流発生器30の位置はこれに限定されるものではなく、尿素水噴射ノズル21の上流であっても良く、排気と尿素水21Aの混合を促進することのできる旋回流を発生させることができればよい。
また、旋回流の旋回方向は、反時計回り方向に限定するものではなく、時計回り方向に旋回をするように各羽根形状を形成しても良い。
また、エンジン1は、コモンレール式ディーゼルエンジンに限定されるものではなく、ユニットインジェクター式、分配型噴射ポンプ式等のディーゼルエンジンであってもよい。
また、第2実施例では、外側R部131Lと内側R部131Mを一緒に形成しているが、これに限られたものではなく、外側R部131L又は内側R部131Mのどちらか一方を形成しても排気の干渉による乱流の発生を低減することができる。
10 エンジン(内燃機関)
20 尿素還元式SCR装置
21 尿素水噴射ノズル(噴射ノズル)
21A 尿素水(還元剤)
22 下流側排気管(排気通路)
23 SCR触媒(NOx還元触媒)
30,130 旋回流発生器(旋回流発生手段)
31,131 第1フィン(一方の旋回板)
31A 上流部(排気が流入する一辺)
31B 下流部(排気が流出する他辺)
31C 溝部(第2の溝)
31G,131G 右側羽根(一方の羽根)
31H,131H 左側羽根(他方の羽根)
31K 溝部(第1の溝)
32,132 第2フィン(他方の旋回板)
32C 溝部(第3の溝)

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路に配設され、還元剤を噴射する噴射ノズルと、噴射された還元剤と排気中の窒素酸化物とを触媒還元反応させるNOx還元触媒とを有し排気を還元浄化する内燃機関の尿素還元式SCR装置において、
    前記排気通路内の前記NOx還元触媒の上流に配設され、該排気通路内の排気に旋回流を発生させる旋回流発生手段を備え、
    前記旋回流発生手段は、
    それぞれ排気が流入する一辺と該排気が流入する一辺の対辺であり排気が流出する他辺とを有する略四角形状の薄板部材であるとともに、それぞれ該他辺の中央から該一辺に到達しない長さの第1の溝で分断される一対の羽根が形成された一対の旋回板を排気流通方向視で十字状に組み合わせてなり、
    前記一対の羽根は、一方の羽根が、排気流通方向の下流側が排気流通方向の側面視で排気流通方向に対し垂直方向に凸となるよう円弧状に曲げられ、他方の羽根が、排気流通方向の下流側が排気流通方向の側面視で排気流通方向に対し前記一方の羽根とは反対の垂直方向に凸となるよう円弧状に曲げられ、排気流通方向の側面視で略Y字状をなすよう互い違いに形成されてなることを特徴とする内燃機関の尿素還元式SCR装置。
  2. 前記一対の旋回板をなす一方の旋回板には前記一辺より前記第1の溝に到達しない長さの第2の溝が形成されるとともに、他方の旋回板には前記第1の溝から更に前記一辺に向けて該一辺に到達しない長さの第3の溝が形成されてなり、
    前記旋回流発生手段は、これら第2の溝と第3の溝とを互いに挿入することで前記一対の旋回板を排気流通方向視で十字状に組み合わせてなることを特徴とする、請求項1に記載の内燃機関の尿素還元式SCR装置。
  3. 前記一対の旋回板の前記一対の羽根の各羽根の曲げ角度は、該羽根の根本部より先端に向けて大きくな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尿素還元式SCR装置。
  4. 前記一対の羽根の各羽根の先端の角部は、R形状であることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載の内燃機関の尿素還元式SCR装置。
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