JP2011111927A

JP2011111927A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2011111927A
Application number: JP2009267008A
Authority: JP
Inventors: Masashi Hashimoto; 勝史橋本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】圧損を低減できるとともに、還元剤と排気とを均一に混合できるミキサを備え、高いＮＯｘ浄化率が得られる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】ＮＯｘ浄化触媒と、ＮＯｘ浄化触媒の上流側に設けられ、還元剤を噴射して供給する尿素水噴射装置と、尿素水噴射装置の下流側で且つＮＯｘ浄化触媒の上流側に設けられ、尿素水噴射装置により噴射された還元剤と排気とを混合するミキサ２３と、を備え、ミキサ２３は、排気管の内周に嵌合する外側リング２３３と、外側リング２３３の内周面に、周方向に沿って所定間隔毎に複数設けられ、且つミキサ２３の中心部近傍が空洞となるように、外側リング２３３の内周面から半径内方向に向かって延びてミキサ２３の中心部近傍の周囲に至る複数の旋回翼２３５と、を備え、尿素水噴射装置は、噴射した還元剤が旋回翼２３５に衝突する位置に設けられた噴射ノズルを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。詳しくは、排気中のＮＯｘを還元剤により浄化するＮＯｘ浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来より、内燃機関（以下、「エンジン」という）の排気通路にＮＯｘ浄化触媒を設け、ＮＯｘ浄化触媒の上流側の排気通路から還元剤、例えば尿素水を噴射して供給することにより、ＮＯｘを浄化する技術が知られている。この技術では、通常、排気通路内を流通する排気と、噴射された還元剤とを混合するためのミキサが排気通路内に設けられている。

従来の一般的なミキサを、図８に示す。図８に示すように、このミキサ６０は、中心ハブ６１と、排気通路の内周に嵌合する外側リング６３と、中心ハブ６１から半径外方向に向かって放射状に延び、外側リング６３に至る複数の旋回翼６５と、を備えている。
このミキサ６０を、ＮＯｘ浄化触媒の上流側であって且つ還元剤噴射部の下流側の排気通路内に配置することにより、旋回翼６５によって、排気通路の中心軸を中心としてらせん状に旋回する旋回流を発生させることができるため、還元剤の尿素水と排気との混合を促進できるとされている。また、排気により高温化した旋回翼６５に尿素水の液滴を衝突させることにより、液滴の微粒化を促進できるとともに、尿素水の蒸発を促進できるとされている。

ところが、従来のミキサを排気通路内に配置した場合には、排気の流れを阻害する結果、ミキサの上流側と下流側とで差圧（以下、「圧損」という）が生じ、エンジンの出力の悪化を招いていた。
また、ミキサにより還元剤と排気の混合を促進できるとされているものの、実際には、旋回流による遠心分離効果によって排気と還元剤とが分離し、排気中の還元剤濃度が不均一であるという問題があった。

これに対して、還元剤を噴射供給する噴射ノズルの上流側に、旋回翼を配置する技術が開示されている（特許文献１参照）。この技術で開示されている旋回翼は、噴射ノズルの上流側に配置されて、噴射ノズルを避けるような構造となっている。具体的には、排気通路の内周面から半径方向内方に向かって延びて噴射ノズル近傍に至る旋回翼が複数設けられている。
この技術によれば、噴射ノズルの上流側から旋回流を発生させることができ、噴射ノズルから噴射された還元剤と排気とを略均一に混合させることができるとされている。ひいては、ＮＯｘ浄化率を向上できるとされている。

特開２００６−２９２３３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている排気浄化装置では、ミキサによる圧損の発生は回避できるものの、還元剤と排気の混合が十分ではなく、十分なＮＯｘ浄化率が得られないのが現状であった。

本発明は以上に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧損を低減できるとともに、還元剤と排気とを均一に混合できるミキサを備え、高いＮＯｘ浄化率が得られる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記載の発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気通路（例えば、後述の排気管３）に設けられ、排気中のＮＯｘを還元剤により浄化するＮＯｘ浄化触媒（例えば、後述のＮＯｘ浄化触媒２５）と、前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側の排気通路に設けられ、当該排気通路内に還元剤を噴射して供給する還元剤噴射手段（例えば、後述の尿素水噴射装置２１）と、前記還元剤噴射手段の下流側で且つ前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側の排気通路に設けられ、前記還元剤噴射手段により噴射された還元剤と排気とを混合するミキサ（例えば、後述のミキサ２３）と、を備え、前記ミキサは、前記排気通路の内周に嵌合する外側リング（例えば、後述の外側リング２３３）と、前記外側リングの内周面に、周方向に沿って所定間隔毎に複数設けられ、且つ前記ミキサの中心部近傍が空洞となるように、当該外側リングの内周面から半径内方向に向かって延びて当該ミキサの中心部近傍の周囲に至る複数の旋回翼（例えば、後述の旋回翼２３５）と、を備え、前記還元剤噴射手段は、噴射した還元剤が前記旋回翼に衝突する位置に設けられた噴射ノズル（例えば、後述の尿素水噴射ノズル２１３）を備えることを特徴とする。

請求項１記載の発明では、ミキサの中心部近傍が空洞となるようにして、ミキサの外側リングの内周面に、周方向に沿って所定間隔毎に複数の旋回翼を設けた。より詳しくは、外側リングの内周面から半径内方向に向かって延びて、ミキサの中心部近傍の周囲に至る複数の旋回翼を設けた。即ち、従来の一般的なミキサの旋回翼は、図８に示すように、ミキサの中心部から半径外方向に向かって放射状に延び、外側リングの内周面まで至るように設けられていたのに対して、請求項１記載の発明では、ミキサの中心部近傍には旋回翼が無い、所謂センターホール構造となっている。
これにより、従来の一般的なミキサに比して、上流側からの排気の流れが、ミキサの中心部近傍で妨げられることがないため、圧損を低減できる。また、旋回翼により発生した旋回流によって還元剤が排気と混合されてミキサの下流に流れ込むとともに、ミキサの中心部近傍を排気が速度を維持したまま通過して下流に流れ込む結果、ミキサの下流側で還元剤と排気の混合が促進され、排気中の還元剤濃度を均一化できる。このため、従来に比して高いＮＯｘ浄化率が得られる。
また、排気中の還元剤濃度を均一化できるため、ＮＯｘ浄化触媒に到達する還元剤濃度も当然均一化でき、局所的に高濃度になることによって還元剤が処理しきれずスリップ（触媒下流から外気側に流出）してしまうことを抑制し、還元剤を効率的に使用することができる。

また、請求項１記載の発明では、噴射した還元剤が旋回翼に衝突するようにして噴射ノズルを設けた。
これにより、排気により高温化した旋回翼に還元剤の液滴を衝突させ、液滴の微粒化を促進できるとともに、還元剤の蒸発を促進できる。従って、還元剤と排気とをより均一に混合でき、より高いＮＯｘ浄化率が得られる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記複数の旋回翼は、前記還元剤噴射手段により噴射される還元剤の噴射方向に対して所定の角度を有していることを特徴とする。

請求項２記載の発明では、還元剤噴射手段により噴射される還元剤の噴射方向に対して所定の角度を有するようにして旋回翼を設けた。
これにより、還元剤噴射手段から噴射された還元剤を、より確実に旋回翼に衝突させることができ、請求項１記載の発明の効果がより確実に発揮される。

本発明によれば、圧損を低減できるとともに、還元剤と排気とを均一に混合できるミキサを備え、高いＮＯｘ浄化率が得られる排気浄化装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の構成を示す図である。上記実施形態に係るミキサの斜視図である。図２のＡ方向矢視図である。図２のＡ’方向矢視図である。上記実施形態に係るミキサの部分断面側面図である。上記実施形態に係る排気浄化装置の動作を説明するための図である。ミキサの動作を説明するための図であり、（Ａ）が上記実施形態に係るミキサの動作の説明図であり、（Ｂ）が従来のミキサの動作の説明図である。従来のミキサの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン１の排気浄化装置２の構成を示す図である。排気浄化装置２は、エンジン１の排気系に設けられている。エンジン１は、各気筒の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンである。
排気浄化装置２は、エンジン１の排気管３内に設けられたＮＯｘ浄化触媒２５と、ＮＯｘ浄化触媒２５の上流側の排気管３内に還元剤の尿素水を噴射して供給する尿素水噴射装置２１と、尿素水噴射装置２１の下流側で且つＮＯｘ浄化触媒２５の上流側の排気管３に設けられ、尿素水噴射装置２１により噴射された尿素水と排気とを混合するミキサ２３と、を備える。

尿素水噴射装置２１は、排気管３のうちＮＯｘ浄化触媒２５の上流側に、還元剤のＮＨ_３の元となる尿素水を噴射して供給する。尿素水噴射装置２１は、尿素水タンク２１１と、図示しない噴射弁を備える尿素水噴射ノズル２１３と、尿素水供給路２１５と、を備える。
尿素水タンク２１１には尿素水が貯蔵されており、尿素水供給路２１５及び図示しない尿素水ポンプを介して、尿素水噴射ノズル２１３の先端部から、排気管３内に尿素水が噴射される。

尿素水噴射ノズル２１３の先端部には、図示しない２つの噴射孔が設けられている。尿素水噴射ノズル２１３は、噴射孔から噴射した尿素水が、後述する旋回翼２３５に衝突する位置に設けられている。このため、これら２つの噴射孔から噴射された尿素水の液滴は、旋回翼２３５に衝突する。

ＮＯｘ浄化触媒２５は、従来公知の所謂ＳＣＲ（選択還元式）触媒であり、従来公知の調製方法により調製される。
ＮＯｘ浄化触媒２５は、尿素水噴射装置２１により供給された尿素水が加水分解して生成したＮＨ_３を捕捉する。また、ＮＯｘ浄化触媒２５は、少なくともＮＯｘ浄化機能を有し、捕捉又は供給したＮＨ_３を用いて排気中のＮＯｘを還元浄化する。

ミキサ２３の構成について、図２〜５を参照して説明する。
図２は、ミキサ２３の斜視図であり、図３は、図２のＡ方向矢視図であり、図４は、図２のＡ’方向矢視図であり、図５は、ミキサ２３の部分断面側面図である。また、図３は、ミキサ２３を排気通路の上流側から視た図に相当し、図４は、ミキサ２３を排気通路の下流側から視た図に相当する。
図２〜図５に示すように、ミキサ２３は、排気管３の内周に嵌合する外側リング２３３と、外側リング２３３の内周面に、周方向に沿って所定間隔毎に設けられた複数の旋回翼２３５と、を備える。

旋回翼２３５は、それぞれ、外側リング２３３の内周面から半径内方向に向かって延びて、ミキサ２３の中心部近傍の周囲に至るように設けられている。即ち、ミキサ２３の中心部近傍には旋回翼２３５が存在せず、ミキサ２３の中心部近傍には空洞が形成されている。
具体的には、本実施形態の旋回翼２３５は、外側リング２３３の内周面から半径内方向に向かって延びて、外側リング２３３の内側に外側リング２３３と同軸上に配置された内側リング２３７に連結されている。なお、図５から明らかであるように、内側リング２３７は、排気の流れ方向の長さが外側リング２３３よりも短く設計されている。即ち、２重管構造となっているのは外側リング２３３のうちの上流側のみであり、これにより、圧損の上昇を回避できる。

ミキサ２３の中心部近傍に形成される空洞の大きさ、即ち内側リング２３７の径は、エンジン１の全運転領域（低負荷運転領域〜高負荷運転領域）において、上流側からの排気の流れが均一となるように、また、噴射された尿素水がミキサ２３の旋回翼２３５に確実に衝突して、尿素水の微粒化及び蒸発が促進されるように、適宜設定される。

また、図２〜図５に示すように、旋回翼２３５は、面方向が、ミキサ２３の上流側に設けられている尿素水噴射ノズル２１３から噴射される尿素水の噴射方向に対して、およそ４５°の角度を有して配置されている。より具体的には、本実施形態の複数の旋回翼２３５は、それぞれ、下流側部分を周方向の同一方向にひねるようにして設けられており、これにより、尿素水の噴射方向に対しておよそ４５°の角度を有して配置されている。このため、尿素水噴射ノズル２１３から噴射された尿素水の液滴は、ほぼ全て、旋回翼２３５に確実に衝突する。

以上のような構成を備える排気浄化装置２の動作について、図６及び図７を参照しながら説明する。
先ず、エンジン１でリーン燃焼が実行され、エンジン１から多量のＮＯｘを含む排気が排出される。排出された排気は、排気管３内を流通してミキサ２３を通過し、ＮＯｘ浄化触媒２５に流入する。流入した排気中に含まれるＮＯｘは、ＮＯｘ浄化触媒２５により捕捉される。

次いで、ＮＯｘ浄化触媒２５におけるＮＯｘ捕捉量が所定量を超えたときに、尿素水噴射ノズル２１３の２つの噴射孔から、還元剤の尿素水がミキサ２３の旋回翼２３５に向けて噴射される。噴射された尿素水の液滴が旋回翼２３５に衝突したときの様子を図６に示す。図６に示すように、旋回翼２３５は、その面方向が、尿素水の噴射方向に対しておよそ４５°の角度を有して配置されているため、２つの噴射孔から噴射された尿素水の液滴は、ほぼ全て、旋回翼２３５に衝突する。

排気により高温化した旋回翼２３５に衝突した尿素水の液滴は、微粒子化及び蒸発が促進されるとともに、旋回翼２３５により発生する旋回流によって、上流側から流れ込む排気と均一に混合される。
また、図６及び図７（Ａ）に示すように、ミキサ２３の中心部近傍には内側リング２３７により空洞が形成されているため、中心部近傍では、上流側からの排気の流れが妨げられることがなく、排気は速度を維持したままこの空洞を通過する。これに対して、図７（Ｂ）に示すように、従来のミキサ６０は中心部近傍に空洞が形成されていないため、上流側からの排気の流れが妨げられ、中心部近傍の排気の速度は低下する。

速度を維持したまま空洞を通過した排気は、ミキサ２３の下流にて、旋回流によって尿素水が混合された排気と均一に混合され、下流のＮＯｘ浄化触媒２５に流入する。尿素水は、排気中で加水分解されてＮＨ_３を生成し、生成したＮＨ_３はＮＯｘ浄化触媒２５に捕捉される。排気中のＮＯｘは、捕捉又は供給されたＮＨ_３を還元剤として、ＮＯｘ浄化触媒２５により還元浄化される。

次に、本実施形態に係る排気浄化装置２の効果について説明する。
本実施形態によれば、ミキサ２３の中心部近傍が空洞となるようにして、ミキサ２３の外側リング２３３の内周面に、周方向に沿って所定間隔毎に複数の旋回翼２３５を設けた。より詳しくは、外側リング２３３の内周面から半径内方向に向かって延びて、ミキサ２３の中心部近傍の周囲に至る複数の旋回翼２３５を設けた。即ち、従来の一般的なミキサ６０の旋回翼６５は、図８に示すように、ミキサ６０の中心部から半径外方向に向かって放射状に延び、外側リング６３の内周面まで至るように設けられていたのに対して、本実施形態では、ミキサ２３の中心部近傍には旋回翼２３５が無い、所謂センターホール構造となっている。
これにより、従来の一般的なミキサ６０に比して、上流側からの排気の流れが、ミキサ２３の中心部近傍で妨げられることがないため、圧損を低減できる。また、旋回翼２３５により発生した旋回流によって還元剤が排気と混合されてミキサ２３の下流に流れ込むとともに、ミキサ２３の中心部近傍を排気が速度を維持したまま通過して下流に流れ込む結果、ミキサ２３の下流側で還元剤と排気の混合が促進され、排気中の還元剤濃度を均一化できる。このため、従来に比して高いＮＯｘ浄化率が得られる。
また、排気中の還元剤濃度を均一化できるため、ＮＯｘ浄化触媒２５に到達する還元剤濃度も当然均一化でき、局所的に高濃度になることによって還元剤が処理しきれずスリップ（触媒下流から外気側に流出）してしまうことを抑制し、還元剤を効率的に使用することができる。

また、本実施形態によれば、噴射した還元剤が旋回翼２３５に衝突するようにして尿素水噴射ノズル２１３を設けた。
これにより、排気により高温化した旋回翼２３５に還元剤の液滴を衝突させ、液滴の微粒化を促進できるとともに、還元剤の蒸発を促進できる。従って、還元剤と排気とをより均一に混合でき、より高いＮＯｘ浄化率が得られる。

また、本実施形態によれば、尿素水噴射装置２１の尿素水噴射ノズル２１３から噴射される還元剤の噴射方向に対して、所定の角度、具体的にはおよそ４５°の角度を有するようにして旋回翼２３５を設けた。
これにより、尿素水噴射ノズル２１３から噴射された還元剤を、より確実に旋回翼２３５に衝突させることができ、上述の効果がより確実に発揮される。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態では、還元剤のＮＨ_３の元となる添加剤として、尿素水を供給する尿素水噴射装置２１を用いたが、これに限定されず、他の還元剤を噴射して供給するものであってもよい。

１…エンジン（内燃機関）
２…排気浄化装置
２１…尿素水噴射装置（還元剤噴射手段）
２１３…尿素水噴射ノズル（噴射ノズル）
２３…ミキサ
２３３…外側リング
２３５…旋回翼
２３７…内側リング
２５…ＮＯｘ浄化触媒
３…排気管（排気通路）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを還元剤により浄化するＮＯｘ浄化触媒と、
前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側の排気通路に設けられ、当該排気通路内に還元剤を噴射して供給する還元剤噴射手段と、
前記還元剤噴射手段の下流側で且つ前記ＮＯｘ浄化触媒の上流側の排気通路に設けられ、前記還元剤噴射手段により噴射された還元剤と排気とを混合するミキサと、を備え、
前記ミキサは、
前記排気通路の内周に嵌合する外側リングと、
前記外側リングの内周面に、周方向に沿って所定間隔毎に複数設けられ、且つ前記ミキサの中心部近傍が空洞となるように、当該外側リングの内周面から半径内方向に向かって延びて当該ミキサの中心部近傍の周囲に至る複数の旋回翼と、を備え、
前記還元剤噴射手段は、噴射した還元剤が前記旋回翼に衝突する位置に設けられた噴射ノズルを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記複数の旋回翼は、前記還元剤噴射手段により噴射される還元剤の噴射方向に対して所定の角度を有していることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。