JP2013108461A - エンジンの還元剤噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】窒素酸化物を還元する還元触媒の上流側の排気管内に、液体還元剤を広い範囲に噴射しつつ、液体還元剤が排気管の内周壁に付着することを抑制する。
【解決手段】排気管の周壁から排気管の軸心に向けて延設され、前記軸心よりも手前で排気の流れ方向に向けて折曲した先端部304を有する還元剤噴射ノズルにおいて、複数の噴射孔301を、排気管の周壁に対する噴射ノズルの取付部を略中心とした所定角度範囲を除いて偏在させて形成し、かつ、前記所定角度範囲を除く角度範囲のうち、排気管の周壁までの距離が短い側の角度範囲には外方に向けて径が広がるテーパ状の噴射孔301a,301b,301g,301hを形成し、前記距離が長い側の角度範囲には径が一定であるストレート状の噴射孔301c〜301fを形成した。
【選択図】図６

Description

本発明は、エンジンの排気中の窒素酸化物を還元するための液体還元剤又はその前駆体をエアーと共に排気管内に噴射する還元剤噴射ノズルに関する。

従来、エンジンの排ガス中の窒素酸化物ＮＯｘを還元する排気浄化装置として、エンジンの排気管に還元触媒を配置し、この還元触媒の上流側の排気管に液体還元剤又はその前駆体を供給し、還元触媒で窒素酸化物ＮＯｘを還元反応させる装置が知られている。

また、上記の排気浄化装置において、液体還元剤又はその前駆体を排気管内に噴射する還元剤噴射ノズルとして、排気管の周壁に取り付けられ、前記周壁から排気管の軸心に向けて延設され、排気の流れ方向に向けて折曲したノズル先端部を備え、前記ノズル先端部の周方向に複数の噴射孔を形成した噴射ノズルが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３７１５９８５号公報

ところで、噴射ノズルに形成する噴射孔が、従来の装置のように、入口から出口までの径が一定であるストレート状である場合、液体還元剤（又はその前駆体）を広い範囲に噴霧しつつ、還元剤が排気管の内周壁に付着することを抑制するのが難しいという問題があった。

そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、液体還元剤を広い範囲に噴射しつつ、液体還元剤が排気管の内周壁に付着することを抑制できる、エンジンの還元剤噴射ノズルを提供することを目的とする。

このため、本発明に係る還元剤噴射ノズルは、排気流れ方向に略沿って延設されるノズル先端部を備え、前記ノズル先端部の周壁に、外方に向けて径が広がるテーパ状に形成された噴射孔を有するようにした。

本発明によれば、テーパ状の噴射孔は、ストレート状の噴射孔に比べて噴霧がより広角に広がり、また、噴霧が広角に広がることで噴霧の貫徹力が弱まるので、特に、排気管の内周壁に近い位置での噴射に好適で、排気管の内周壁への還元剤の付着を抑制しつつ、還元剤を排気ガス中にむらなく添加できるという効果を奏する。

本発明の実施形態におけるディーゼルエンジンを示す概略図 図１のディーゼルエンジンに備えられる還元剤噴射ノズルを示す図 図２の還元剤噴射ノズルの先端部を示す部分拡大図 図２の還元剤噴射ノズルの噴射孔を示す部分拡大断面図 図２の還元剤噴射ノズルの噴射孔形成範囲（噴射範囲）を示す図 テーパ状の噴射孔とストレート状の噴射孔とを備えた還元剤噴射ノズルの例を示す図 テーパ状の噴射孔と径が異なる２種類のストレート状の噴射孔とを備えた還元剤噴射ノズルの例を示す図 ノズル先端部が排気の流れ方向に対して傾けられる還元剤噴射ノズルを示す図

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。
図１は、本発明に係る還元剤噴射ノズルを含む、エンジンの排気浄化装置を示す。
図１において、ディーゼルエンジン１０の吸気マニフォールド１２に接続される吸気管１４には、上流側から順に、空気中の埃などを除去するエアクリーナ１６，ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ，ターボチャージャ１８によって高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０，吸気脈動を平滑化する吸気コレクタ２２などが配設される。

一方、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２４に接続される排気管２６には、上流側から順に、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ，連続再生式ＤＦＰ（Diesel Particulate Filter）装置２８，還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射する還元剤噴射ノズル３０，尿素水溶液によって生成されるアンモニア（還元剤）を使用してＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒（還元触媒）３２，ＳＣＲ触媒３２を通過したアンモニアを酸化させる酸化触媒３４などが配設される。

連続再生式ＤＰＦ装置２８は、少なくともＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ₂（二酸化窒素）へと酸化させる酸化触媒であるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２８Ａと、排気中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集するフィルタであるＤＰＦ２８Ｂと、を含む。
尚、連続再生式ＤＰＦ装置２８の代わりに、ディーゼル・パーティキュレート・フィルター（ＤＰＦ）に酸化触媒成分を付加し、フィルタ機能と共に酸化機能を併せ持つ、ＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用することもできる。

還元剤噴射ノズル３０には、還元剤供給装置３８によって、還元剤タンク３６に貯留された尿素水溶液（還元剤前駆体）、及び、エアータンク３９に貯留された加圧エアー（圧縮空気）が供給される。そして、還元剤噴射ノズル３０は、尿素水溶液を加圧エアーと共に、ＳＣＲ触媒３２上流の排気管２６内に噴射する。
ここで、還元剤供給装置３８は、還元剤噴射ノズル３０に供給する尿素水溶液、即ち、還元剤タンク３６からＳＣＲ触媒３２に供給する尿素水溶液の流量を制御する。

本実施形態では、還元剤としてのアンモニアを用いてＳＣＲ触媒３２における還元反応を行わせるが、加水分解して容易にアンモニアを発生させる尿素水溶液を、還元剤（アンモニア）の前駆体として、還元剤噴射ノズル３０から噴射させる。
尚、還元剤噴射ノズル３０から、アンモニア水溶液（液体還元剤）を噴射させることができる。

また、例えば、ＤＰＦ２８Ｂを通過した排気が、進行方向を１８０°だけ変え、それまでとは逆方向に進んで、ＳＣＲ触媒３２に流入するように、排気経路が、ＤＰＦ２８ＢとＳＣＲ触媒３２との間で折り返されるように形成することができる。
また、少なくとも還元剤噴射ノズル３０と、当該還元剤噴射ノズル３０の下流に配置されるＳＣＲ触媒（酸化触媒）３２とを備えればよく、ＳＣＲ触媒３２と酸化触媒３４との間にＤＰＦ２８Ｂを配置したり、酸化触媒３４の下流側にＤＰＦ２８Ｂを配置したりすることができる。

還元剤タンク３６に貯留される尿素水溶液は、ポンプ、流量制御弁などを内蔵した還元剤供給装置３８を経由して、噴射ノズル３０に供給される。ここで、還元剤供給装置３８を、ポンプを内蔵したポンプモジュールと、流量制御弁を内蔵したドージングモジュールとに分割することができる。また、噴射ノズル３０は、還元剤供給装置３８と一体化することができる。

連続再生式ＤＰＦ装置２８と噴射ノズル３０との間の排気管２６には、エンジン運転状態の一例としての排気温度を検出する排気温度センサ４０が取り付けられる。
排気温度センサ４０の出力信号は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット（ＤＣＵ）４４に入力される。

また、還元剤添加コントロールユニット４４は、ＣＡＮ（Controller Area Network）などの車載ネットワークを介して、ディーゼルエンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４６と接続されている。還元剤添加コントロールユニット４４は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４６から、エンジン運転状態の一例としてのエンジン回転速度及びエンジン負荷などの情報を読み込む。

そして、還元剤添加コントロールユニット４４は、内蔵するＲＯＭ（Read Only Memory）などに予め記憶された制御プログラムを実行することで、排気温度、エンジン回転速度、エンジン負荷などのエンジン運転状態に応じて還元剤供給装置３８を制御し、噴射ノズル３０からの尿素水溶液の噴射を制御する。

図２〜図４は、噴射ノズル３０を詳細に示す図である。
図２は、噴射ノズル３０が取り付けられる部分の排気管２６を、排気管２６の軸心及び噴射ノズル３０の取付部を含む断面で示す図である。

噴射ノズル３０は、先端が閉塞される中空パイプで形成され、排気管２６の周壁に設けた取付部２６ａから、排気管２６の径方向に沿って、排気管２６の軸心２６ｂに向けて延設され、軸心２６ｂの手前で排気流れ方向（下流側）に向けて略直角に折り曲げられ、閉塞先端３０ａ近傍の周壁部分に、噴射孔３０１を周方向に複数形成してある。
即ち、噴射ノズル３０は、取付部２６ａから排気管２６の径方向に沿って軸心２６ｂに向けて延設されるノズル基端部３０２と、折曲部３０３と、排気管２６の軸心２６ｂと略平行に排気下流側に向けて延設されるノズル先端部３０４とで構成される。

図３（Ａ），（Ｂ）は、ノズル先端部３０４の拡大図である。
この図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、噴射孔３０１は、ノズル先端部３０４の軸方向に複数列、一例として２列に形成され、かつ、各列間で相互に噴射孔３０１の位置を周方向にずらしてあり、下流側の例には４個の噴射孔３０１が設けられ、上流側の例にも４個の噴射孔３０１が設けられ、総計で８個の噴射孔３０１を設けてある。

更に、各噴射孔３０１の軸は、図３（Ａ）に示すように、ノズル先端部３０４の径方向から排気下流側に傾けてある。但し、各噴射孔３０１の軸を、ノズル先端部３０４の径方向に設定することができる。
また、各噴射孔３０１は、上流端から下流端まで直径が一定であるストレート状ではなく、上流端から下流端に向けて（外方に向けて）直径が徐々に広がるテーパ状に形成してある。

図４は、ノズル先端部３０４の噴射孔３０１が設けられる部分の断面図、詳細には、図３（Ｂ）のIV−IV断面図である。尚、図４では、噴射孔３０１の軸心がノズル先端部３０４の径方向に一致するものとして示してある。
この図４に示すように、ノズル先端部３０４の閉塞先端３０ａ近傍の周壁に、軸方向に２列に設けられる噴射孔のうち、上流側の列には、図４に破線で示す４つの噴射孔３０１ａ，３０１ｃ，３０１ｅ，３０１ｇが形成され、下流側の列には、図４に実線で示す４つの噴射孔３０１ｂ，３０１ｄ，３０１ｆ，３０１ｈが形成される。

ここで、ノズル先端部３０４の周壁において、取付部２６ａから最も遠い角度位置（曲げの外側の角度位置）を基準角度位置αとすると、噴射孔３０１ｄと噴射孔３０１ｅとは、基準角度位置αから左右方向に同じ角度βだけ離れた位置に設けられ、噴射孔３０１ｃと噴射孔３０１ｆとは、基準角度位置αから左右方向に同じ角度３βだけ離れた位置に設けられ、噴射孔３０１ｂと噴射孔３０１ｇとは、基準角度位置αから左右方向に同じ角度５βだけ離れた位置に設けられ、噴射孔３０１ａと噴射孔３０１ｈとは、基準角度位置αから左右方向に同じ角度７βだけ離れた位置に設けられる。

ここで、角度βは、例えば１５°〜１７°程度、一例として、１６．７５°に設定される。
即ち、８個の噴射孔３０１ａ〜３０１ｈは、ノズル基端部３０２の軸心３０２ａ及びノズル先端部３０４の軸心３０４ａ（噴射ノズル３０の軸心）を含む平面を境に対称となる角度位置に形成されており、かつ、取付部２６ａから遠い側、換言すれば、折曲部３０３の曲げの外側となる部分に偏って設けてある。

噴射ノズル３０のノズル先端部３０４は、排気管２６の軸心２６ｂよりも取付部２６ａに近い位置に配置されるため、ノズル先端部３０４の径方向における排気管２６の周壁までの距離は均一ではなく、取付部２６ａに近い側、換言すれば、折曲部３０３の曲げの内側となる部分でより近くなる。
このため、ノズル先端部３０４の取付部２６ａに近い側に設けた噴射孔から、尿素水溶液を加圧エアーと共に噴射すると、排気管２６の内周壁に尿素水溶液が付着し、排気管２６の内周壁に付着した尿素水溶液から水分が蒸発して尿素が析出し、尿素が堆積する可能性がある。

そこで、ノズル先端部３０４の取付部２６ａに近い側、換言すれば、排気管２６の内周壁に近い側には、噴射孔３０１を設けないようにし、排気管２６の内周壁までの距離が一定以上となる角度位置に噴射孔３０１を設けて、尿素水溶液を噴射させる。
このようにすれば、図５に示すように、排気管２６の内周壁に近い位置から尿素水溶液が噴射されないので、排気管２６の内周壁に対する尿素水溶液の付着量が軽減し、尿素の堆積を抑制することができる。

また、噴射孔３０１ａ〜３０１ｈは、上流端から下流端まで直径が一定であるストレート状ではなく、上流端（ノズル先端部３０４の中空内周壁）から下流端（ノズル先端部３０４の外周壁）に向けて徐々に直径が大きくなるテーパ状に形成してある。
このように、噴射孔３０１ａ〜３０１ｈを外方に向けて広がるテーパ状に形成すれば、噴射孔３０１を径が一定であるストレート状に形成した場合に比べて、尿素水溶液が広角に噴射されるので、排気ガス中にむらなく尿素水溶液に添加することができる。

更に、噴射孔３０１がテーパ状に形成され、尿素水溶液を広角に噴射することで、尿素水溶液の噴霧の貫徹力が、ストレート状の噴射孔とした場合よりも弱くなり、これによっても、排気管２６の内周壁に対する尿素水溶液の付着量が軽減し、尿素の堆積を抑制することができる。
尚、噴射孔３０１を設ける角度範囲、当該角度範囲内に設ける噴射孔３０１の数及び間隔角度、噴射孔３０１の径及びテーパ角などは、排気管２６の内周壁に対する尿素水溶液の付着量を軽減しつつ、尿素水溶液の添加ばらつきを抑制できるように適宜設定することができる。

図６は、噴射ノズル３０の別の例として、テーパ状の噴射孔３０１と、ストレート状の噴射孔３０１との双方を有したノズル先端部３０４を示す断面図である。
図６の示す例では、図４に示した例と同様に、排気管２６の内周までの距離が一定値以上となる角度範囲に噴射孔３０１を設けるが、係る角度範囲のうちで、前記距離がより近い角度範囲、換言すれば、取付部２６ａにより近い位置には、外方に向けて広がるテーパ状の噴射孔３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｇ，３０１ｈを形成し、前記距離がより遠い角度範囲、換言すれば、取付部２６ａからより遠い位置には、径が一定であるストレート状の噴射孔３０１ｃ〜３０１ｆを形成してある。

即ち、図６に示す噴射ノズル３０は、ノズル先端部３０４の径方向におけるノズル先端部３０４と排気管２６の内周壁との間の距離に応じて、ノズル先端部３０４の周壁の角度範囲を、前記距離が最も短い第１角度領域と、前記距離が最も長い第２角度領域と、前記距離が中程度である第３角度領域とに区別し、前記第１角度領域には噴射孔３０１を設けず、前記第２角度領域にストレート状の噴射孔３０１ｃ〜３０１ｆを形成し、前記第３角度領域にテーパ状の噴射孔３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｇ，３０１ｈを形成してある。

係る噴射ノズル３０では、排気管２６の内周壁までの距離が最も短くなる角度範囲（第１角度範囲）には、噴射孔が形成されないので、排気管２６の内周壁に対する尿素水溶液の付着量を軽減できる。
また、排気管２６の内周壁までの距離が中程度である角度範囲（第３角度範囲）には、テーパ状の噴射孔３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｇ，３０１ｈを形成してあり、係る噴射孔３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｇ，３０１ｈからは、貫徹力が弱い尿素水溶液の噴霧が広角に噴射されるので、排気管２６の内周壁に対する尿素水溶液の付着量を軽減しつつ、排気ガスに尿素水溶液をむらなく添加することができる。

更に、排気管２６の内周壁までの距離が最も長い角度範囲（第２角度範囲）には、ストレート状の噴射孔３０１ｃ〜３０１ｆを形成してあり、係る噴射孔３０１ｃ〜３０１ｆからは、テーパ状の噴射孔よりも噴霧角が狭角で貫徹力が強い尿素水溶液の噴霧が噴射されるから、ノズル先端部３０４から遠い位置を流れる排気ガスにまで尿素水溶液の噴霧を到達させて添加することができ、排気ガスに尿素水溶液をむらなく添加することができる。

ここで、図７に示すように、ストレート状に形成される噴射孔３０１ｃ〜３０１ｆの内で、排気管２６の内周壁までの距離がより長い２つの噴射孔３０１ｄ，３０１ｅの径を、排気管２６の内周壁までの距離がより短い２つの噴射孔３０１ｃ，３０１ｆの径よりも小さくすることができる。
上記のように、ストレート状に形成される噴射孔３０１ｃ〜３０１ｆの径を、排気管２６の内周壁までの距離が長いほど小さくすれば、排気管２６の内周壁までの距離がより長い噴射孔３０１から噴射される尿素水溶液の噴霧の貫徹力をより強くでき、各噴射孔３０１ｃ〜３０１ｆから噴射される尿素水溶液の排気管２６の内周壁への付着を軽減しつつ、排気管２６の内周壁付近を流れる排気ガスに尿素水溶液を添加でき、尿素水溶液を排気ガスに対してよりむらなく添加することができる。

尚、図８に示すように、折曲部３０３から閉塞先端３０ａに近づくに従って、排気管２６の軸心２６ｂにより近づくように、噴射ノズル３０のノズル先端部３０４を、排気管２６の軸心２６ｂに交差する方向に沿って延設させることができる。
また、排気管２６の折り返し部分などに噴射ノズル３０が取り付けられ、噴射ノズル３０が、取付部２６ａからストレートに延設される場合にも、テーパ状の噴射孔３０１を適用できる。
そして、排気管２６の軸心２６ｂから径方向にずれた位置に噴射ノズル３０が延設される場合には、前記図４，図６，図７に示した例と同様に、排気管２６の内周壁までの距離に応じて、テーパ状の噴射孔３０１を設けることで、同様な作用、効果を奏する。

１０ ディーゼルエンジン
３０ 噴射ノズル
３２ ＳＣＲ触媒（還元触媒）
３６ 還元剤タンク
３８ 還元剤供給装置
３９ エアータンク
３０１ａ〜３０１ｈ 噴射孔
３０２ ノズル基端部
３０３ 折曲部
３０４ ノズル先端部

Claims (5)

1. エンジンの排気中の窒素酸化物を還元するための液体還元剤又はその前駆体をエアーと共に前記エンジンの排気管内に噴射する還元剤噴射ノズルであって、
   前記還元剤噴射ノズルは、排気流れ方向に略沿って延設されるノズル先端部を備え、前記ノズル先端部の周壁に、外方に向けて径が広がるテーパ状に形成された噴射孔を有する、エンジンの還元剤噴射ノズル。
2. 前記ノズル先端部が、前記排気管の軸心からずれた位置に延設され、
   前記ノズル先端部の径方向における前記ノズル先端部と前記排気管の内周壁との間の距離が近い角度位置にテーパ状の噴射孔を形成し、前記距離がより遠い角度位置に径が一定であるストレート状の噴射孔を形成した、請求項１記載のエンジンの還元剤噴射ノズル。
3. 前記ノズル先端部の径方向における前記ノズル先端部と前記排気管の内周壁との間の距離に応じて、前記ノズル先端部の周壁の角度範囲を、前記距離が短い第１角度領域と、前記距離が長い第２角度領域と、前記距離が中程度である第３角度領域とに区別し、前記第１角度領域には前記噴射孔を設けず、前記第２角度領域にストレート状の噴射孔を形成し、前記第３角度領域にテーパ状の噴射孔を形成した、請求項２記載のエンジンの還元剤噴射ノズル。
4. エンジンの排気中の窒素酸化物を還元する還元触媒の上流に、液体還元剤又はその前駆体をエアーと共に噴射する還元剤噴射ノズルであって、
   前記エンジンの排気管の周壁に取付けられ、前記周壁から前記排気管の軸心に向けて延設され、前記軸心よりも手前で排気の流れ方向に向けて折曲した先端部の周方向に複数の噴射孔が形成される還元剤噴射ノズルにおいて、
   前記複数の噴射孔を、前記排気管の周壁に対する噴射ノズルの取付け部を略中心とした所定角度範囲を除いて偏在させて形成し、かつ、
   前記所定角度範囲を除く角度範囲のうち、前記ノズル先端部の径方向における前記ノズル先端部と前記排気管の周壁との間の距離が短い側の角度範囲には外方に向けて径が広がるテーパ状の噴射孔を形成し、前記距離が長い側の角度範囲には径が一定であるストレート状の噴射孔を形成した、エンジンの還元剤噴射ノズル。
5. 前記ストレート状の噴射孔の径を、前記ノズル先端部の径方向における前記ノズル先端部と前記排気管の周壁との間の距離が長いほど小さくした、請求項２〜４のいずれか１つに記載のエンジンの還元剤噴射ノズル。