JP2012017670A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシング内に添加される添加剤の蒸発を促進させる。
【解決手段】内燃機関１の排気通路２に設けられ、通路断面積が徐々に大きくなる拡張部３１１と、該拡張部３１１の下流側において通路断面積が徐々に小さくなる縮小部３１２と、を有する上流側ケーシング３１と、上流側ケーシング３１内において縮小部３１２よりも上流側に収容されて排気を浄化する浄化部３２と、上流側ケーシング３１よりも下流側に設けられる排気浄化触媒４２と、上流側ケーシング３１内において浄化部３２よりも下流側に設けられ添加剤を噴射する噴射部５と、噴射部５と上流側ケーシング３１との間であって噴射部５から噴射される添加剤が向かう方向に設けられる衝突板６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気通路に酸化触媒及びフィルタを収容した上流側ケーシングと、選択還元型ＮＯx触
媒及びアンモニア酸化触媒を収容した下流側ケーシングと、を備え、上流側ケーシング内においてフィルタよりも下流側へ尿素水を供給する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、酸化触媒よりも下流側の温度が高い箇所であって通路断面積が大きな箇所に尿素水を供給することができるため、該尿素水の蒸発、分散、拡散を促進させることができる。これにより、ＮＯxの浄化率を高めることができる。

しかし、排気の流速によっては、噴射された尿素水が上流側ケーシングの壁面に到達し、該壁面に付着することがある。この壁面は外気の影響を受けるため、温度が比較的低い。そうすると、尿素水の蒸発が促進されずにＮＯxの浄化率が低下する虞がある。また、
尿素水が壁面に付着すると、尿素水を供給してから選択還元型ＮＯx触媒へ到達するまで
に時間を要するため、尿素水の供給量や供給時期の制御が複雑となる。さらに、上流側ケーシングは、尿素水が供給される箇所よりも下流側で通路断面積が徐々に小さくなるため、壁面に付着した尿素水は下流側に向かうことなく冷却されて結晶化し、堆積する虞がある。また、加水分解により発生したアンモニアが高温雰囲気下において壁面近傍に存在すると、壁面を酸化させる（腐食させる）虞がある。

特開２００８−１２７９９７号公報 特開２００７−０３２４７２号公報 特開２００５−１５５４０４号公報 特開２００９−１０８７２６号公報 特開２００３−０１０６４４号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ケーシング内に添加される添加剤の蒸発を促進させることにある。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ、通路断面積が徐々に大きくなる拡張部と、該拡張部の下流側において通路断面積が徐々に小さくなる縮小部と、を有する上流側ケーシングと、
前記上流側ケーシング内において前記縮小部よりも上流側に収容されて排気を浄化する浄化部と、
前記上流側ケーシングよりも下流側に設けられる排気浄化触媒と、
前記上流側ケーシング内において前記浄化部よりも下流側に設けられ添加剤を噴射する噴射部と、
前記噴射部と前記上流側ケーシングとの間であって前記噴射部から噴射される添加剤が向かう方向に設けられる衝突板と、
を備える。

上流側ケーシングよりも下流側に設けられる排気浄化触媒は、添加剤の供給により排気を浄化したり、排気の温度を上昇させたり、浄化能力を回復したりする。噴射部は、添加剤として例えば還元剤または酸化剤を添加する。そして、この添加剤は、噴射部よりも下流側に設けられる排気浄化触媒で反応し、排気を浄化したり、または排気の温度を上昇させたりする。さらに、添加剤は排気浄化触媒の浄化能力を回復させるために用いても良い。すなわち、触媒は、排気浄化触媒は添加剤の供給を受けることにより、例えば排気を浄化したり、排気の温度を上昇させたり、または浄化能力が回復したりすることができる。

上流側ケーシングは、拡張部及び縮小部を有することにより、該上流側ケーシングよりも上流側及び下流側の排気通路よりも通路断面積が大きい。このため、上流側ケーシング内に添加剤を噴射することで、添加剤の蒸発を促進させることができる。また、浄化部が触媒を備えて構成されている場合には、該触媒にて排気の温度が上昇するため、より高い温度の排気中に添加剤を供給することができるので、添加剤の蒸発を促進させることができる。さらに、噴射部から噴射される添加剤が向かう方向に衝突板が設けられているため、添加剤が衝突板に衝突し得る。なお、「添加剤が向かう方向」は、添加剤が噴射される方向としてもよい。また、添加剤が衝突板に常に衝突する必要はなく、所定の運転状態のときに衝突してもよい。この衝突板により、添加剤が上流側ケーシングに付着することを抑制できるため、上流側ケーシングの壁面が腐食することを抑制できる。また、上流側ケーシングよりも衝突板のほうの熱容量を小さくすることにより、衝突板の温度を早期に高めることができる。これにより、添加剤の蒸発を促進させることができる。また、添加剤に尿素水を用いている場合には、加水分解を促進させることができる。さらに、衝突板を上流側ケーシングの形状とは関係なく形成することができるため、該衝突板の形状を、より広い範囲に添加剤を分散させるための形状とすることができる。また、仮に衝突板に添加剤が堆積しても、該衝突板の温度が上昇し易いために除去し易くなるので、例えば排気の温度を上昇させて堆積物を除去するときの時間を短縮することができる。

また、本発明においては、前記衝突板は、前記上流側ケーシングよりも耐腐食性が高い材料により構成されていてもよい。

例えば腐食性の高い添加剤を用いた場合や、排気の熱により添加剤から腐食性の高い物質が生じる場合であっても、衝突板が腐食することを抑制できる。なお、耐腐食性は、添加剤、または添加剤から生じる物質に対する耐性であればよい。

本発明においては、前記衝突板は、前記上流側ケーシングに対して相対移動してもよい。この場合、前記衝突板は、振動してもよい。また、前記衝突板は、排気の流量に応じて前記噴射部に対する角度を変更してもよい。また、前記衝突板は、排気の温度に応じて前記噴射部に対する角度を変更してもよい。

衝突板の角度を変更することにより、添加剤の反射方向を調節することができるため、排気の温度が低いときや排気の流量が少ないときに、より温度が高い箇所または排気の流量が多い箇所に向けて添加剤を反射させることができる。また、反射材を振動させることにより、添加剤をより広い範囲に分散させたり、拡散をさせたりできる。

本発明によれば、ケーシング内に添加される添加剤の蒸発を促進させることができる。

実施例１に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。 実施例２に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。なお、以下の実施例は、ガソリンエンジンであっても同様に適用することができる。

内燃機関１には、排気通路２が接続されている。排気通路２には、第１排気浄化装置３が設けられている。第１排気浄化装置３は、上流側ケーシング３１、及び該上流側ケーシング３１に収容されている触媒３２を備えて構成されている。触媒３２には、例えば酸化触媒、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯx触媒又はＮＯx吸着触媒を挙げることができる。また、これらの触媒を担持するか上流または下流側に備えるパティキュレートフィルタを備えていても良い。なお、本実施例においては触媒３２が、本発明における浄化部に相当する。

上流側ケーシング３１は、触媒３２よりも上流側において、上流側から下流側へ向かって通路断面積が徐々に増加する拡張部３１１と、触媒３２よりも下流側において、上流側から下流側へ向かって通路断面積が徐々に縮小する縮小部３１２と、を備えている。このため、触媒３２の通路断面積は、上流側ケーシング３１よりもすぐ上流側及び下流側の排気通路２の通路断面積よりも大きい。

第１排気浄化装置３よりも下流の排気通路２には、第２排気浄化装置４が設けられている。第２排気浄化装置４は、下流側ケーシング４１、及び該下流側ケーシング４１に収容されている触媒４２を備えて構成されている。触媒４２には、例えば、吸蔵還元型ＮＯx
触媒、選択還元型ＮＯx触媒、酸化触媒、または三元触媒を挙げることができる。また、
これらの触媒を担持するか上流に備えるパティキュレートフィルタを備えていても良い。なお、本実施例においては触媒４２が、本発明における排気浄化触媒に相当する。

また、上流側ケーシング３１において触媒３２よりも下流側（縮小部３１２としてもよい）には、添加剤を噴射する添加弁５が取り付けられている。そして、添加弁５は、還元剤または酸化剤等の液状の添加剤を噴射する。添加剤には、例えば、燃料または尿素、アンモニアを用いることができる。添加剤に何を用いるのかは、第２排気浄化装置４に備わる触媒４２の種類に応じて決まる。そして、添加剤は、第２排気浄化装置４に備わる触媒４２にて反応する。なお、本実施例においては添加弁５が、本発明における噴射部に相当する。

上流側ケーシング３１において触媒３２よりも下流側（縮小部３１２としてもよい）には、添加剤を衝突させるための衝突板６が設けられている。本実施例における衝突板６は、１箇所以上においてたとえば溶接、ボルト・ナット、またはリベットなどにより上流側ケーシング３１へ固定される。衝突板６は、添加剤が衝突する面を有するたとえば金属またはセラミックを材料とした板である。衝突板６は、たとえば平面または曲面により構成することができる。上流側ケーシング３１の壁面に沿って平行に衝突板６を形成してもよい。

そして、衝突板６は、添加弁５からの添加剤が向かう方向（噴射方向としてもよい）に設けられている。なお、添加弁５から噴射される添加剤は、排気の流量の影響を受けるために、排気の流量によって向かう方向が変化する。このため、排気の流量が変化しても添加剤が衝突板６に衝突するように該衝突板６を配置してもよい。また、所定の運転状態のときにのみ添加剤が衝突板６に衝突するように該衝突板６を配置してもよい。また、衝突
板６は、添加弁５から可及的に離れて設けられる。少なくとも、添加弁５から上流側ケーシング３１の中心軸よりも遠い距離に配置される。たとえば、衝突板６は、添加弁５と対向する上流側ケーシング３１の壁面付近に設けられている。衝突板６は上流側ケーシング３１に密着させてもよく、衝突板６と上流側ケーシング３１との間に空間が存在してもよい。このように、添加弁５と衝突板６との距離を長くすることにより、添加剤が衝突板６に衝突するまでの時間が長くなるため、添加剤の蒸発を促進させることができる。

ここで、添加弁５から排気中へ添加される添加剤が、排気の流れに乗って下流へと流れる。そして、添加剤が第２排気浄化装置４に備わる触媒４２にて反応することで、たとえば排気が浄化される。しかし、添加剤が上流側ケーシング３１の壁面に付着すると、添加剤が触媒４２に到達するまでに時間を要するため、添加剤の噴射制御が困難となる。また、添加剤として尿素水を用いた場合には、加水分解により腐食性の高いアンモニアが生成され、高温下で上流側ケーシング３１が腐食する虞がある。さらに、低温時には上流側ケーシング３１に付着した添加剤が蒸発し難くなるため、排気の浄化率が低下する虞がある。また、添加剤として尿素水を用いた場合には、昇華し難い堆積物が上流側ケーシング３１に残存する虞がある。

これに対し本実施例では、衝突板６を備えている。この衝突板６は、上流側ケーシング３１よりも質量が小さいため、熱容量が小さい。したがって、排気の熱により、すぐに温度が上昇する。このため、衝突板６は上流側ケーシング３１よりも高温となるので、添加剤の蒸発を促進させることができる。また、添加剤として尿素水を用いた場合には、加水分解を促進させることができる。さらに、衝突板６が早期に高温となるため、早期に添加剤の供給を開始することができるので、早期に排気の浄化を開始することができる。また、上流側ケーシング３１とは別に衝突板６を設けることにより、該衝突板６の形状を上流側ケーシング３１の形状とは関係なく決定することができるので、添加剤の反射方向を自由に設定することができる。これにより、添加剤をより広い範囲に分散させることができる。また、添加剤が衝突板６に残存しても、衝突板６の温度が上昇し易いので、より速やかに除去することが可能となる。これにより、たとえば堆積物の除去のために排気の温度を上昇させる時間を短縮することができるため、燃費の悪化を抑制できる。

なお、本実施例では、衝突板６と上流側ケーシング３１との材質を異ならせてもよい。たとえば、衝突板６の材質を上流側ケーシング３１の材質よりも、過渡運転時における温度変化が小さいものとすることで、添加剤の改質を促進させることができる。また、衝突板６の材質を上流側ケーシング３１の材質よりも酸化、腐食に対する耐性の高いものとすることで、腐食を抑制して安定した性能を発揮することができる。なお、衝突板６の材質を上流側ケーシング３１に収容されている触媒３２または下流側ケーシング４１に収容されている触媒４２の材質よりも、酸化や腐食に対する耐性の高いものとしてもよい。

以上説明したように本実施例によれば、衝突板６を備えていることにより、上流側ケーシング３１内に添加剤を供給したときの該添加剤の蒸発及び分散を促進させることができる。これにより、上流側ケーシング３１の腐食を抑制することができる。また、添加弁５から添加剤を噴射してから、触媒４２へ到達するまでの時間遅れを低減することができる。これにより、排気の浄化効率を向上させることができる。さらに、衝突板６の材質を耐腐食性の高いものとすることで、添加剤を蒸発、分散、または拡散させる性能を維持することができる。

図２は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。本実施例においては、衝突板６をケーシング３１に対して相対移動可能とするために、可動装置７を設けている。その他の構成は実施例１と同じため説明を省略する。

可動装置７は、衝突板６を変位可能に保持している。可動装置７には、たとえばアクチュエータやリンク機構など、機械的に衝突板６を動かす装置を挙げることができる。また、たとえば、衝突板６の板厚、固定方法、形状（リブまたは返しなどを含む）などにより固有振動数を調整することで、簡易且つ低コストで衝突板６を振動させることができる。この場合、衝突板６自体が可動装置７となる。さらには、可動装置７として、バイメタルなどのように熱により変形するものを用いることで衝突板６の角度を変更することができる。

たとえば衝突板６を振動させることにより、添加剤の分散及び拡散をより促進させることができる。これにより、触媒４２における浄化効率を高めることができる。たとえば２０〜２００００Ｈｚの低〜高周波や２００００Ｈｚ以上の超音波の振動を与えるようにしてもよい。

また、温度に応じて形状が変化するバイメタルを用いて衝突板６を動かすことにより、排気の温度又は排気の流量に応じて添加剤の反射方向を変化させることができる。たとえば、排気の量が少ないときには排気の温度が低くなる。このときには、排気の流速が高い方向（たとえば触媒３２の中心軸方向）に添加剤が反射するようにバイメタルを設置する。また、たとえば排気の温度が高いときには、触媒３２の全体に添加剤が反射するようにバイメタルを設置する。これらにより、添加剤の蒸発や加水分解を促進することができる。

以上説明したように本実施例によれば、衝突板６を上流側ケーシング３１に対して相対移動可能とすることにより、添加剤の蒸発、分散、拡散を促進させることができる。これにより、排気の浄化性能を向上させることができる。

（参考例）
衝突板６の表面に耐熱性の高いコーティング剤を塗布してもよい。たとえば衝突板６の表面を粗くすると、表面積が大きくなるので、添加剤の蒸発や、尿素水の加水分解を促進させることができる。一方、衝突板６の表面を滑らかにすると、衝突板６における付着物及び再付着物を低減させることができる。なお、コーティング剤は、すくなくとも添加剤が付着し得る範囲に塗布すればよい。

なお、衝突板６を加熱する加熱装置を備えていてもよい。たとえば、ＰＴＣヒータ、ＳｉＣ、ペルチェ素子、マイクロウェーブ、または光源（たとえば赤外線）を用いることにより衝突板６を加熱することができる。このような加熱装置（加熱機能）を付加することにより、添加剤の蒸発を促進させることができる。これにより、下流側の排気通路２に添加剤が付着することを抑制できるので、添加弁５から添加剤を噴射した後に該添加剤が触媒４２へ到達するまでの時間を短縮することができる。また、添加剤に尿素水を用いた場合には、加水分解を促進させることができる。添加剤に軽油を用いた場合には、酸化や改質を促進させることができる。これにより、触媒４２の浄化性能を向上させることができると共に、添加剤が触媒４２をすり抜けることを抑制できる。

また、衝突板６に触媒を担持させてもよい。これにより、たとえば尿素水の加水分解を促進させることができる。衝突板６に触媒を担持することで、添加剤との接触面積が大きくなるので、加水分解を促進させ、脱硝性能を向上させることができる。また、従来では添加剤を広い範囲に分散させるための分散板に触媒を担持することがあったが、これに対し衝突板６に触媒を担持させると、構成が簡易となるため、触媒を容易に担持させることができると共に触媒を剥がれ難くすることができる。

また、衝突板６の表面に複数の突起を設けてもよい。これにより、添加剤との接触面積が拡大するため、添加剤の衝突及び拡散がし易くなる。

以上の参考例は、上記実施例と組み合わせて用いることもできる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 第１排気浄化装置
４ 第２排気浄化装置
５ 添加弁
６ 衝突板
７ 可動装置
３１ 上流側ケーシング
３２ 触媒
４１ 下流側ケーシング
４２ 触媒
３１１ 拡張部
３１２ 縮小部

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、通路断面積が徐々に大きくなる拡張部と、該拡張部の下流側において通路断面積が徐々に小さくなる縮小部と、を有する上流側ケーシングと、
   前記上流側ケーシング内において前記縮小部よりも上流側に収容されて排気を浄化する浄化部と、
   前記上流側ケーシングよりも下流側に設けられる排気浄化触媒と、
   前記上流側ケーシング内において前記浄化部よりも下流側に設けられ添加剤を噴射する噴射部と、
   前記噴射部と前記上流側ケーシングとの間であって前記噴射部から噴射される添加剤が向かう方向に設けられる衝突板と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記衝突板は、前記上流側ケーシングよりも耐腐食性が高い材料により構成される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記衝突板は、前記上流側ケーシングに対して相対移動する請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記衝突板は、振動する請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記衝突板は、排気の流量に応じて前記噴射部に対する角度を変更する請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記衝突板は、排気の温度に応じて前記噴射部に対する角度を変更する請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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