JP2013124569A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で還元剤を排気ガス中に供給することのできる排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】排気管２には、排気ガスの流通方向に向かって内径が縮小する縮径部２１と、縮径部２１の下流側端部と同じ内径で排気ガスの流通方向に向かって延びると共に他端が開口した開口部２４を有する最小径部２２と、縮径部２１及び最小径部２２を内部に含むように設けられた拡径部２３とが設けられている。拡径部２３は、開口部２４よりも下流において、排気ガスの流通方向に向かって内径が縮小する縮径部２７と、排気ガスの流通方向に向かって内径が拡大するディフューザー部２５とを備えている。拡径部２３の内部には、ディフューザー部２５よりも上流側に、開口部２４から排気ガスが噴出される拡散室２６が形成されている。還元剤導入配管１２は、開口部２４よりも下流において、拡散室２６に連通するように接続されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特に、還元剤を用いて窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に還元する排気ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるＮＯｘを低減するために、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている。尿素ＳＣＲシステムの基本構成は、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ_２）にするための酸化触媒と、酸化触媒の下流側に設けられ、尿素水から生成したアンモニアとＮＯｘとの化学反応により、ＮＯｘを窒素及び水に還元するためのＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒に尿素水を添加するための尿素添加システムと、ＳＣＲ触媒の下流側に設けられ、ＳＣＲ触媒における化学反応で消費されずに残ったアンモニアを酸化するためのＡＳＣ（Ammonia Slip Catalyst）触媒とから構成される。このような尿素ＳＣＲシステムが特許文献１に記載されており、この尿素ＳＣＲシステムでは、酸化触媒とＳＣＲ触媒との間に、縮径部と最小径の絞り部と拡径部とからなるベンチュリ状のミキシング室を設け、縮径部に尿素水の噴射ノズルを設けることにより、ミキシング室の拡径部による排気ガスの拡散作用によって、排気ガス中への尿素水の分散を向上させている。

特開２００９−２３６０１３号公報

しかしながら、還元剤を排気ガス中に供給するためには、排気ガス側の圧力に対して還元剤側の圧力を制御する必要があり、システム全体が複雑化したりコストが上昇したりするといった問題点があった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成で還元剤を排気ガス中に供給することのできる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

この発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関から排出されて排気管を流通する排気ガス中のＮＯｘを還元剤を用いて還元する還元触媒と、還元剤を排気ガス中に供給する還元剤導入配管とを備えた排気ガス浄化装置であって、排気管には、還元触媒の上流において、排気ガスの流通方向に向かって内径が縮小する縮径部と、縮径部における最も小さな内径と同じ内径を有する最小径部と、排気ガスの流通方向に向かって内径が拡大する拡径部とが設けられ、排気ガスは、縮径部、最小径部、拡径部の順に流通し、還元剤導入配管は、最小径部又は最小径部よりも下流において排気管内に接続される。縮径部から最小径部までの間で排気ガスの流速が上昇し、流速の上昇により生じる負圧によって、還元剤が還元剤導入配管を介して排気管内に吸引される。
最小径部の下流側端部を少なくとも内部に含むように拡径部が設けられて、拡径部の内部に、最小径部から排気ガスが噴出される拡散室が形成され、還元剤導入配管は、径部の下流側端部よりも下流において前記拡散室に連通するように接続されてもよい。
拡径部は、最小径部の拡散室に開口する開口部よりも下流において、排気ガスの流通方向に向かって内径が縮小する第２の縮径部と、排気ガスの流通方向に向かって内径が拡大するディフューザー部とを備えてもよい。
還元剤は気体の状態で排気ガス中に供給されてもよい。
内燃機関から排出されるＮＯｘの排出量を検出するＮＯｘ排出量検出手段と、還元剤導入配管を流通する還元剤の流量を調節する流量調節手段とを備え、ＮＯｘ排出量検出手段による検出値に基づいて、流量調節手段によって還元剤導入配管を流通する還元剤の流量が調節されてもよい。

この発明によれば、縮径部から最小径部までの間で排気ガスの流速が上昇し、流速の上昇により生じる負圧によって、還元剤が還元剤導入配管を介して排気管内に吸引されるので、簡単な構成で還元剤を排気ガス中に供給することができる。

この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。 実施の形態１に係る排気ガス浄化装置において、排気管と還元剤導入配管との接続部分の拡大模式図である。 実施の形態２に係る排気ガス浄化装置において、排気管と還元剤導入配管との接続部分の拡大模式図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に示されるように、内燃機関であるディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２に、酸化触媒３と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４と、ＮＯｘを選択的に還元する還元触媒であるＳＣＲ触媒５と、ＳＣＲ触媒５を通過してきたアンモニアを酸化するＡＳＣ触媒６とが設けられている。排気管２には、ＳＣＲ触媒５よりも上流側に、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出ＮＯｘセンサ７が設けられ、ディーゼルエンジン１の図示しない吸気管には、吸気量を検出するエアーフローメーター８が設けられている。ディーゼルエンジン１から排出される排気ガスの流量は、ディーゼルエンジン１に吸引される吸気量にほぼ等しいことから、吸気量と排気ガス中のＮＯｘ濃度とから、ディーゼルエンジン１から排出されるＮＯｘの排出量を算出することができる。従って、ＮＯｘセンサ７及びエアーフローメーター８は、ＮＯｘ排出量検出手段を構成する。

ＤＰＦ４から流出しＳＣＲ触媒５に流入する排気ガス中に、還元剤であるアンモニアガスを供給するために、還元剤供給装置１０が設けられている。還元剤供給装置１０は、アンモニアを貯蔵する還元剤タンク１１と、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間の排気管２と還元剤タンク１１とを連通する還元剤導入配管１２と、還元剤導入配管１２に設けられ還元剤導入配管１２を流通するアンモニアの流量を調節するための流量調節手段である流量調節弁１３とを備えている。

ＮＯｘセンサ７とエアーフローメーター８と流量調節弁１３とはそれぞれ、制御装置であるＥＣＵ１４に電気的に接続されている。ＥＣＵ１４には、ディーゼルエンジン１から排出されるＮＯｘの排出量と、流量調節弁１３の開度とについてのマップが組み込まれており、ＥＣＵ１４は、このマップに基づいて、ディーゼルエンジン１から排出されるＮＯｘの排出量についての算出結果から、流量調節弁１３の開度を調節する、すなわち還元剤導入配管１２を流通するアンモニアの流量を調節することにより、排気管２へのアンモニアの供給量を制御することができる。

還元剤タンク１１には、例えば、アンモニアを吸蔵した塩化マグネシウムや塩化カルシウム等を充填したボンベを使用することができる。また、アンモニアガス若しくは液化アンモニアを充填したボンベ等を使用してもよい。

図２に示されるように、排気管２には、排気ガスの流通方向に向かって内径が縮小する縮径部２１と、縮径部２１の下流側端部に一端（上流側端部）が接続され、縮径部２１の下流側端部と同じ内径（縮径部２１における最も小さい内径）で排気ガスの流通方向に向かって延び、他端（下流側端部）が開口した開口部２４を有する最小径部２２と、縮径部２１及び最小径部２２を内部に含むように設けられた拡径部２３とが設けられている。拡径部２３は、縮径部２１及び最小径部２２を内部に含んでいるため、その内径は、縮径部２１及び最小径部２２それぞれの内径よりも大きい。拡径部２３は、最小径部２２の開口部２４よりも下流において、排気ガスの流通方向に向かって内径が縮小する第２の縮径部としての縮径部２７と、排気ガスの流通方向に向かって内径が拡大するディフューザー部２５とを備えている。拡径部２３の内部には、ディフューザー部２５よりも上流側に、最小径部２２から排気ガスが噴出される拡散室２６が形成されている。還元剤導入配管１２は、最小径部２２の開口部２４よりも下流において、拡散室２６に連通するように接続されている。

次に、実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
図１に示されるように、ディーゼルエンジン１の始動後、排気ガスは排気管２を流通する。排気ガスが酸化触媒３を流通することにより、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が酸化される。続いて排気ガスがＤＰＦ４を流通することにより、排気ガス中のパティキュレートマター（ＰＭ）がＤＰＦ４に捕捉される。ＤＰＦ４から流出した排気ガスは、ＳＣＲ触媒５に流入する。後述する動作により、還元剤供給装置１０は、ＳＣＲ触媒５にアンモニアガスを供給する。ＳＣＲ触媒５において、アンモニアと排気ガス中のＮＯｘとが反応して、窒素（Ｎ_２）及び水（Ｈ_２Ｏ）となる。ＳＣＲ触媒５において消費されずに残ったアンモニアは、ＡＳＣ触媒６において酸化される。このようにしてＮＯｘが浄化された排気ガスは、排気管２を流通して大気中へ排気される。

ディーゼルエンジン１の始動後、エアーフローメーター８は、ディーゼルエンジン１に吸引される吸気量を検出すると共に、ＮＯｘセンサ７は、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。これらの検出値はそれぞれＥＣＵ１４に伝送され、ＥＣＵ１４は、ディーゼルエンジン１から排出されたＮＯｘの排出量を算出する。ＥＣＵ１４は、ＥＣＵ１４に組み込まれたマップに基づいて、ディーゼルエンジン１から排出されたＮＯｘの排出量についての算出結果から流量調節弁１３の開度を調節する。

図２に示されるように、排気管２を流通する排気ガスは、縮径部２１及び最小径部２２を順次流通し、開口部２４から拡散室２６へ噴出される。排気ガスは、縮径部２１を流通する際、内径の縮小に伴い流速が上昇し、縮径部２１から流出したときの流速で最小径部２２を流通し、開口部２４から拡散室２６へ噴出される。排気ガスは、高速で拡散室２６に噴出されることで、拡散室２６に負圧が生じる。この負圧により、還元剤導入配管１２内のアンモニアガスが、流量調節弁１３の開度に見合った流量で拡散室２６へ吸引される。拡散室２６に吸引されたアンモニアガスは、開口部２４から噴出された排気ガスの流れに伴って拡散室２６から流出し、ディフューザー部２５による排気ガスの拡散作用によって、排気ガスと混合されてＳＣＲ触媒５に流入する。

このように、縮径部２１から最小径部２２までの間で排気ガスの流速が上昇し、流速の上昇により拡散室２６内に生じる負圧によって、アンモニアガスが還元剤導入配管１２を介して拡散室２６内に吸引されるので、簡単な構成でアンモニアガスを排気ガス中に供給することができる。

実施の形態１では、拡径部２３が縮径部２１及び最小径部２２を内部に含む形態となっていたが、この形態に限定するものではない。縮径部２１の一部及び最小径部２２を内部に含む形態や、最小径部２２の一部を内部に含む形態であってもよい。少なくとも最小径部２２の開口部２４を内部に含み、開口部２４から流出する排気ガスが直接拡散室２６に噴出されるような形態であればよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置について説明する。尚、実施の形態２において、図１及び２の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置は、実施の形態１に対して、還元剤導入配管１２と排気管２との接続部分の構成を変更したものである。

図３に示されるように、排気管２には、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５（図１参照）との間に、他の部分よりも内径が小さくなるような凹部３０が設けられている。凹部３０は、排気ガスの流通方向に向かって内径が縮小する縮径部３１と、縮径部３１の下流側端部に一端（上流側端部）が接続され、縮径部３１の下流側端部と同じ内径（縮径部３１における最も小さい内径）で排気ガスの流通方向に向かって延びる最小径部３２と、最小径部３２の下流側端部に一端（上流側端部）が接続され、排気ガスの流通方向に向かって内径が拡大する拡径部３３とを備えている。最小径部３２には、還元剤導入配管１２が接続されている。その他の構成は、実施の形態１と同じである。

実施の形態２に係る排気ガス浄化装置は、還元剤導入配管１２からアンモニアガスが排気管２に吸引される動作以外の動作は実施の形態１の動作と同じであるので、以下に、還元剤導入配管１２からアンモニアガスが排気管２に吸引される動作についてのみ説明する。
排気管２を流通する排気ガスは、縮径部３１、最小径部３２、拡径部３３を順次流通する。排気ガスは、縮径部３１を流通する際、内径の縮小に伴い流速が上昇し、縮径部３１から流出したときの流速で最小径部３２を流通する。排気ガスは、高速で最小径部３２を流通することで、最小径部３２に負圧が生じる。この負圧により、還元剤導入配管１２内のアンモニアガスが最小径部３２へ吸引される。最小径部３２に吸引されたアンモニアガスは、排気ガスの流れに伴って最小径部３２を流出し、拡径部３３による排気ガスの拡散作用によって、排気ガスと混合されてＳＣＲ触媒５に流入する。

このように、排気管２に、縮径部３１、最小径部３２、拡径部３３からなる凹部３０を設け、還元剤導入配管１２を最小径部３２に接続しても、縮径部３１から最小径部３２までの間で排気ガスの流速が上昇し、流速の上昇により最小径部３２内に生じる負圧によって、アンモニアガスが還元剤導入配管１２を介して最小径部３２内に吸引されるので、簡単な構成でアンモニアガスを排気ガス中に供給することができる。

実施の形態２では、最小径部３２に還元剤導入配管１２が接続されていたが、この形態に限定するものではない。拡径部３３であっても排気ガスの流速は速いので、拡径部３３に還元剤導入配管１２を接続しても、負圧によるアンモニアガスの吸引効果を得ることができる。ただし、拡径部３３に接続する場合には、下流側ほど負圧によるアンモニアガスの吸引効果は小さくなるので、できる限り最小径部３２に近い位置に接続することが好ましい。

実施の形態２では、排気管２に１つの凹部３０を設けていたが、この形態に限定するものではない。排気管２の周方向に沿って複数の凹部を設けてもよい。また、凹部によって縮径部３１、最小径部３２、拡径部３３を構成するのではなく、ベンチュリ管の形状によってこれらを構成してもよい。

実施の形態２では、最小径部３２は、排気ガスの流通方向に長さを有していたが、この形態に限定するものではない。縮径部３１の下流側端部と拡径部３３の上流側端部とが接続された形態であってもよい。この場合には、縮径部３１の下流側端部と拡径部３３の上流側端部との接続部分が最小径部となる。

実施の形態１及び２では、還元剤としてアンモニアガスを用いていたが、この形態に限定するものではない。水素や燃料（軽油等）、尿素水を還元剤として用いてもよい。還元剤が液体であっても排気ガスの流速上昇による負圧を利用した吸引力を発生するので、液体の還元剤を供給するポンプなどの加圧手段を省略できる、または、小型など要求性能が低いポンプを利用することができる。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）、２ 排気管、５ ＳＣＲ触媒（還元触媒）、７ ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ排出量検出手段）、８ エアーフローメーター（ＮＯｘ排出量検出手段）、１２ 還元剤導入配管、１３ 流量調節弁（流量調節手段）、２１，３１ 縮径部、２２，３２ 最小径部、２３，３３ 拡径部、２４ 開口部（最小径部の下流側端部）、２５ ディフューザー部、２６ 拡散室、２７ 縮径部（第２の縮径部）。

Claims (5)

1. 内燃機関から排出されて排気管を流通する排気ガス中のＮＯｘを還元剤を用いて還元する還元触媒と、
   前記還元剤を前記排気ガス中に供給する還元剤導入配管と
   を備えた排気ガス浄化装置であって、
   前記排気管には、前記還元触媒の上流において、
   前記排気ガスの流通方向に向かって内径が縮小する縮径部と、
   該縮径部における最も小さな内径と同じ内径を有する最小径部と、
   前記排気ガスの流通方向に向かって内径が拡大する拡径部と
   が設けられ、
   前記排気ガスは、前記縮径部、前記最小径部、前記拡径部の順に流通し、前記還元剤導入配管は、前記最小径部又は該最小径部よりも下流において前記排気管内に接続される排気ガス浄化装置。
2. 前記最小径部の下流側端部を少なくとも内部に含むように前記拡径部が設けられて、該拡径部の内部に、前記最小径部から前記排気ガスが噴出される拡散室が形成され、前記還元剤導入配管は、前記最小径部の下流側端部よりも下流において前記拡散室に連通するように接続されている、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記拡径部は、前記最小径部の前記拡散室に開口する開口部よりも下流において、前記排気ガスの流通方向に向かって内径が縮小する第２の縮径部と、排気ガスの流通方向に向かって内径が拡大するディフューザー部とを備えている、請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記還元剤は気体の状態で前記排気ガス中に供給される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
5. 前記内燃機関から排出されるＮＯｘの排出量を検出するＮＯｘ排出量検出手段と、
   前記還元剤導入配管を流通する還元剤の流量を調節する流量調節手段と
   を備え、
   前記ＮＯｘ排出量検出手段による検出値に基づいて、前記流量調節手段によって前記還元剤導入配管を流通する還元剤の流量が調節される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。

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