JP2013217311A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分散性能に優れるインジェクタ部材の耐久性を向上させることにある。
【解決手段】内燃機関の排気ガスが通過可能な管部材４と、管部材４途中に設けられて管部材４内に還元剤を噴射可能なインジェクタ部材６と、還元剤を利用して排気ガス中の不純物を浄化可能な浄化部材１４とを備えた排気ガス浄化装置において、管部材４をその径方向外側に凹ませて形成した凹部２０を、除去部材１４よりも管部材４の上流側に設けるとともに、インジェクタ部材６を、焼結金属からなる多孔体として凹部２０内に配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、インジェクタ部材（還元剤を噴射可能な部材）を備えた排気ガス浄化装置に関する。

自動車等の内燃機関（ディーゼルエンジンやガソリンエンジン）の排気ガスには各種の不純物が含まれる。このため内燃機関の排気ガスを、管部材を通じて外部に排出する際、環境保護の観点から排気ガス中の不純物を取除く必要がある。
例えばディーゼルエンジンの排気ガスには、窒素酸化物（ＮＯx）や、黒鉛を主体とする粒子状物質（ＰＭ）等の不純物が含まれる。このためディーゼルエンジンでは、パティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ、ＤＰＦ）を管部材の途中に配置してＰＭをトラップする。
またＮＯxは、還元剤（尿素水やアンモニア等）にて還元されて浄化される。例えば尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムでは、管部材途中（ＤＰＦの下流側）に、インジェクタ部材とＳＣＲ触媒をこの順で設ける。そしてインジェクタ部材から、尿素液（熱によりアンモニアに分解）を噴射して排気ガスに混合させたのち、ＳＣＲ触媒に接触させることで還元反応を促進する。

ここで尿素ＳＣＲシステムの課題として、どのようにして還元剤と排気ガスを均一に混合させるかという点がある。これらが均一に混合されなかった場合には、未反応のアンモニアが外部に排出されたり（アンモニアスリップが生じたり）、未反応のＮＯｘが残って浄化不足となったりする。
そこで特許文献１の技術では、焼結金属の多孔体からなるインジェクタ部材を管部材内に配置する。インジェクタ部材の壁面略全面には複数の細孔が開口しており、尿素水を噴射可能である。またインジェクタ部材の中央には通路（一端開放状）が設けられており、尿素水の収容容器に連通する。そしてインジェクタ部材（通路）内に尿素水を注入しつつ、インジェクタ部材の壁面略全面から噴射することで、尿素水（アンモニア）と排気ガスを比較的均一に混合させることができる（分散性能に優れる構成である）。

特表２０００−５０７６６５号公報

ところで上述の構成では、ＤＰＦを素通りした一部のＰＭや燃え残った燃料（不純物）が、インジェクタ部材に到達することがあった。そしてこれら不純物により、インジェクタ部材の壁面（細孔）が目詰まりするなどして、インジェクタ部材の寿命を縮めることがあった（耐久性に劣る構成となりがちであった）。
本発明は上述の点に鑑みて創案されたものであり、本発明が解決しようとする課題は、分散性能に優れるインジェクタ部材の耐久性を向上させることにある。

上記課題を解決するための手段として、第１発明の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気ガスが通過可能な管部材と、管部材途中に設けられて還元剤を管部材内に噴射可能なインジェクタ部材と、還元剤を利用して排気ガス中の不純物を浄化可能な浄化部材とを備える。
本発明では、管部材をその径方向外側に凹ませて形成した凹部を、浄化部材よりも管部材の上流側に設ける。そしてインジェクタ部材を、焼結金属からなる多孔体（分散性能に優れる部材）として凹部内に配置することにより、ＰＭなどの不純物がインジェクタ部材に直接到達することを極力回避することができる。

第２発明の排気ガス浄化装置は、第１発明の排気ガス浄化装置であって、上述のインジェクタ部材が、凹部内に収まる第一部位と、凹部から管部材内に突出する第二部位を有する。
そこで本発明では、インジェクタ部材よりも管部材の上流側に、管部材内に突出する阻止部材を設けて、管部材を通過する排気ガスが第二部位に直接当たることを阻止する構成とした。こうすることで阻止部材にて、ＰＭなどの不純物が第二部位に直接到達することを極力回避しつつ、第二部位にて管部材内に、より均一に還元剤を噴射できる。

第３発明の排気ガス浄化装置は、第１発明又は第２発明の排気ガス浄化装置において、上述のインジェクタ部材が、管部材内に突出することなく凹部内に収納されるため、ＰＭなどの不純物がインジェクタ部材に直接到達することをより確実に回避できる。

本発明に係る第１発明によれば、分散性能に優れるインジェクタ部材の耐久性を向上させることができる。また第２発明によれば、分散性能に更に優れるインジェクタ部材の耐久性を向上させることができる。そして第３発明によれば、インジェクタ部材の耐久性をより確実に向上させることができる。

排気ガス浄化装置の概略図である。 管部材一部の概略縦断面図である。 管部材を途中で破断した断面図である。 実施例２にかかる排気ガス浄化装置の概略図である。 実施例３にかかる排気ガス浄化装置の概略図である。

＜実施例１＞
以下、本発明を実施するための形態を、図１〜図５を参照して説明する。
図１の排気ガス浄化装置は、管部材４と、インジェクタ部材６と、複数の触媒（ＤＯＣ触媒１０、ＤＰＦ触媒１２、ＳＣＲ触媒１４、ＡＳＣ触媒１６）を備える（各部材等の詳細は後述）。
本実施例では、ディーゼルエンジン２（内燃機関の一例）に管部材４一端（上流側）を連通するとともに、管部材４他端（下流側）を外部に連通する。そして管部材４の一端から他端にかけて、ＤＯＣ触媒１０、ＤＰＦ触媒１２、ＳＣＲ触媒１４、ＡＳＣ触媒１６をこの順序で設ける。つぎにＳＣＲ触媒１４（浄化部材の一例）の上流側にインジェクタ部材６（焼結金属の多孔体）を配置するとともに、センサ部材８をインジェクタ部材６よりも上流側に配置する。
そして本実施例では、センサ部材８にて排気ガス中のＮＯｘ量を検出したのち、当該ＮＯｘ量に応じてインジェクタ部材６から還元剤（尿素，アンモニア等）を噴射する。そして還元剤を排気ガスに混合させつつ、ＳＣＲ触媒１４に接触させることで還元反応を促進するのであるが、この種の構成では、分散性能に優れるインジェクタ部材６の耐久性を向上できることが望ましい。
そこで本実施例では、後述の構成（凹部２０，阻止部材２２）により、インジェクタ部材６の耐久性を向上させることとした。以下、各構成について詳述する。

［複数の触媒］
ＤＯＣ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）触媒１０は、排気ガスの通過可能な担体（図示省略）と、担体に担持された酸化触媒を有する（図１を参照）。担体の構成は特に限定しないが、例えば金属やセラミックス製のハニカム体を例示できる。また酸化触媒は、排気ガス中の成分に対する酸化能を持った触媒であり、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）を例示できる。そしてＤＯＣ触媒１０にて、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）等を酸化できる。

ＤＰＦ触媒１２は、ＰＭを捕集可能な多孔質フィルタ（例えばセラミックフィルタ）であり、ＰＭの通過不能な多数の細孔が設けられる。そして細孔にて排気ガスの通過を許容しつつ、ＤＰＦ触媒１２にてＰＭをトラップする。なおＤＰＦ触媒１２に、必要に応じて触媒（例えば白金系、パラジウム系の触媒）を担持することで、排気ガス中のＨＣやＣＯを酸化することもできる。
ここでＤＰＦ触媒１２は、後述する通り、ＰＭにて細孔が目詰まりするため、ＰＭを焼却するなどして適宜除去する必要がある。

ＳＣＲ触媒１４（浄化部材の一例）は、排気ガスの通過可能な担体と、担体に担持された触媒（窒素酸化物選択還元触媒）を有する。この種の触媒として、バナジウム・チタニア触媒や銅ゼオライト触媒、鉄ゼオライト触媒を例示できる。そしてＳＣＲ触媒１４において、インジェクタ部材６（後述）から噴射されたアンモニアを触媒にて吸着したのち、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを窒素へと還元できる。

ＡＳＣ（Ａｍｍｏｎｉａ Ｓｌｉｐ Ｃａｔａｌｙｓｔ）触媒１６は、排気ガスの通過可能な担体と、担体に担持された触媒（白金やパラジウム等）を有する。ＡＳＣ触媒１６は、アンモニアスリップを防止する部材であり、ＳＣＲ触媒１４を通過した余剰のアンモニアをＮ₂と水に還元できる。

［インジェクタ部材］
インジェクタ部材６は、還元剤（尿素水やアンモニア）を噴射する部材であり、後述の第一部位６ａと第二部位６ｂを有する（図１〜図３を参照）。
本実施例のインジェクタ部材６は、焼結金属からなる多孔体（連続気孔を有する部材）であり、空隙率を２〜８０％に設定できる。
ここで焼結金属の種類は特に限定しないが、ステンレス、ニッケル、チタン、鉄、各種の合金（ハステロイ合金、インコネル合金、ニッケル合金、チタン合金）及びこれらの複合素材を例示でき、アンモニアに対する耐性を有する金属又は合金であることが好ましい。またインジェクタ部材６の形状は特に限定しないが、柱形（円柱や多角柱等）、球形や楕円形、平板状を例示できる。
そしてインジェクタ部材６の空隙率（単位体積あたりの隙間容積）は還元剤の種類に応じて適宜変更できる。例えばアンモニア（比較的軽い還元剤）を噴射する場合、インジェクタ部材６の空隙率を２〜６０％に設定することで、アンモニアを管部材４内に均一に噴射できる。また尿素液（比較的重い還元剤）を噴射する場合、インジェクタ部材６の空隙率を５０〜８０％に設定することで、尿素液を管部材４内に均一に噴射できる。

［凹部］
凹部２０は、管部材４途中の凹状部位であり、管部材４をその径方向外側に凹ませて形成できる（図２及び図３を参照）。凹部２０の形成位置は、ＳＣＲ触媒１４の配置位置よりも上流側であればよく、例えばＤＰＦ触媒１２とＳＣＲ触媒１４の間や、ＤＯＣ触媒１０の上流側に設定できる。
本実施例の凹部２０は、台形状（断面視）の凹状部位であり、平坦な底面２０ａと、第一傾斜面２０ｂと、第二傾斜面２０ｃと、一対の側面２０ｄを有する。第一傾斜面２０ｂは、底面２０ａから上流側の管部材４内面に続く壁面（比較的急な傾斜面）である。また第二傾斜面２０ｃは、底面２０ａから下流側の管部材４内面に続く壁面（比較的緩やかな傾斜面）である。そして一対の側面２０ｄは、第一傾斜面２０ｂと第二傾斜面２０ｃをつなぐ側壁（比較的急な傾斜面）である。

［インジェクタ部材の配設（第一部位と第二部位の形成）］
本実施例では、ＳＣＲ触媒１４とＤＰＦ触媒１２の間に凹部２０を設けて、インジェクタ部材６を配設する（図１〜図３を参照）。
そしてインジェクタ部材６を、弁部材やポンプ部材（符号省略）を介して還元剤の収容容器７に連通する。このときインジェクタ部材６中央に通路（一端開放状）を設けて収容容器７に連通することもできる。そしてインジェクタ部材６の前部側は第一傾斜面２０ｂに対面配置し、インジェクタ部材６の後部側は第二傾斜面２０ｃに対面配置する。
このときインジェクタ部材６の寸法を適宜変更するなどして、インジェクタ部材６の一部を凹部２０から突出させる（凹部２０内に収まる第一部位６ａと、凹部２０から管部材４内に突出する第二部位６ｂを形成する）ことができる（図２（ａ）を参照）。
ここで第二部位６ｂの突出寸法Ｐ１は、排気ガスの流量や管部材４の寸法等に応じて適宜変更可能である。例えば管部材４の径寸法をφ６９．５ｍｍ、排気ガス流量を１８ｇ／ｓｅｃに設定する。そしてインジェクタ部材６からアンモニアを９５ｃｃｍ噴出する場合、第二部位６ｂの突出寸法Ｐ１を０ｍｍ〜３０ｍｍに設定することで、アンモニアを管部材４内にまんべんなく噴射する（排気ガス中に均一に噴射する）ことができる。

［阻止部材］
阻止部材２２は、管部材４内面から管部材４内（径方向内方）に突出する凸部位であり、インジェクタ部材６よりも管部材４の上流側に配置する（図２及び図３を参照）。
本実施例の阻止部材２２は平板状の壁体であり、第二部位６ｂと同等又はそれ以上の突出寸法Ｐ２を有する。そして本実施例では、第二傾斜面２０ｃの直近に阻止部材２２を設けて、管部材４の長尺方向から見て第二部位６ｂを覆い隠すように配置する。

［排気ガスの浄化作業］
図１〜図３を参照して、ディーゼルエンジン２の排気ガスを管部材４内に通しつつ、複数の触媒にて浄化する。
本実施例では、ＤＯＣ触媒１０とＤＰＦ触媒１２の順に排気ガスを通したのち、インジェクタ部材６にて還元剤を排気ガス中に噴射する。そしてインジェクタ部材６の略全壁面から還元剤（例えばアンモニア）を噴射することで、排気ガスと還元剤を均一に混合することができる。
このときインジェクタ部材６の前部側から噴射されたアンモニアが第一傾斜面２０ｂに沿って流れつつ管部材４内（下面側）に導かれる。またインジェクタ部材６の後部側から噴射されたアンモニアが第二傾斜面２０ｃに沿って流れつつ管部材４内（上面側）に導かれる。そしてインジェクタ部材６の下面側（管部材を臨む面）から噴射されたアンモニアが、排気ガスの流れによって管部材４内（中央）に導かれる。このとき本実施例では、第二部位６ｂを管部材４内に突出させることで、アンモニア（比較的軽い還元剤）を管部材４内に更に均一に（まんべんなく）噴射できる。
そしてＳＣＲ触媒１４にアンモニアを吸着させることで、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを窒素へと還元する（還元剤を利用して排気ガス中の不純物を浄化する）。さらにＡＳＣ触媒１６にて、余剰のアンモニアをＮ₂と水に分解することができる。

そしてこの種の構成では、ＤＰＦ触媒１２を素通りしたＰＭや燃え残った燃料が、インジェクタ部材６に到達することがある。
そこで本実施例では、管部材４途中の凹部２０内にインジェクタ部材６を配置することにより、ＰＭなどの不純物がインジェクタ部材６に直接到達することを極力回避することができる。さらに本実施例では、第二部位６ｂが突出配置したとしても、阻止部材２２により、ＰＭなどの不純物が直接到達することを極力回避することができる。

以上説明したとおり本実施例では、インジェクタ部材６を、焼結金属の多孔体（分散性能に優れる部材）として凹部２０内に配置することとした。このようにインジェクタ部材６を凹部２０に配置して、ＰＭなどの不純物が直接到達することを極力回避することで、インジェクタ部材６の目詰まりを極力防止できる。
また本実施例では、阻止部材２２によって、ＰＭなどの不純物がインジェクタ部材６（第二部位６ｂ）に直接到達することを極力回避できる。
このため本実施例によれば、分散性能に優れるインジェクタ部材６の耐久性を向上させることができる。

（変形例）
本変形例では、上述のインジェクタ部材６が、管部材４内に突出することなく凹部２０内に収納される（図２（ｂ）を参照）。このためＰＭなどの不純物がインジェクタ部材６に直接到達することをより確実に回避できる。
さらに本変形例によれば、阻止部材を省略することができるため、比較的シンプルな構成とすることができる。なお本変形例では、凹部２０の開口側に平板状の整流部材（図示省略）を嵌装するなどして、排気ガスが凹部２０内に入ることを極力阻止することもできる。そしてインジェクタ部材６から噴射された還元剤（例えば尿素水）を、整流部材の孔部（貫通孔）を通して管部材４内に噴射することができる。

＜実施例２＞
本実施例の排気ガス浄化装置は、実施例１の装置とほぼ同一の基本構成を有するため、同一の構成については対応する符号を付すなどして詳細な説明を省略する。
本実施例の排気ガス浄化装置は、インジェクタ部材６と、センサ部材８と、複数の触媒（三元触媒１８、ＳＣＲ触媒１４、ＡＳＣ触媒１６）を備える（図４を参照）。
ここで三元触媒１８は、排気ガスの通過可能な担体と、担体に担持された触媒（プラチナ、パラジウム、ロジウム）を有する。この三元触媒１８により、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化できる。

本実施例では、ガソリンエンジン２ａ（内燃機関の他例）に管部材４一端を連通するとともに、管部材４他端を外部に連通する。そして管部材４の一端から他端にかけて、三元触媒１８、ＳＣＲ触媒１４（浄化部材の一例）、ＡＳＣ触媒１６をこの順序で設ける。
つぎに管部材４の凹部２０にインジェクタ部材６を配置するとともに、センサ部材８をインジェクタ部材６よりも上流側に配置する。凹部２０の形成位置は、例えばＳＣＲ触媒１４とＤＰＦ触媒１２の間や、三元触媒１８の上流側に設定できる。
そして本実施例においても、インジェクタ部材６（焼結金属製の多孔体）を凹部２０に配置することで、ＰＭなどの不純物がインジェクタ部材６に直接到達することを極力回避できる。このため本実施例においても、分散性能に優れるインジェクタ部材６の耐久性を向上させることができる。

＜実施例３＞
本実施例の排気ガス浄化装置は、実施例１の装置とほぼ同一の基本構成を有するため、同一の構成については対応する符号を付すなどして詳細な説明を省略する。
本実施例の排気ガス浄化装置は、インジェクタ部材６と、複数の触媒（ＤＯＣ触媒１０、ＤＰＦ触媒１２）を備える（図５を参照）。
本実施例では、ディーゼルエンジン２に管部材４一端を連通するとともに、管部材４他端を外部に連通する。そして管部材４の一端から他端にかけて、ＤＯＣ触媒１０、ＤＰＦ触媒１２をこの順序で設ける。
この種の構成では、ＤＰＦ触媒１２（浄化部材の一例）に堆積したＰＭが、ＤＰＦ触媒１２（細孔）を目詰まりさせるなどして、管部材４の排気圧を増大させる原因となる。このためＤＰＦ触媒１２に堆積したＰＭを適宜焼却して除去する必要がある。

そこで本実施例では、ＤＯＣ触媒１０の上流側に凹部２０を設けてインジェクタ部材６を配置する（図２を参照）。そしてインジェクタ部材６からＨＣ（還元剤の一例）を噴射しつつ、ＤＯＣ触媒１０の酸化触媒に供給する。そしてＤＯＣ触媒１０にて酸化熱を発生させること（排気ガス温度を上昇させること）で、ＤＰＦ触媒１２上のＰＭを燃焼させて除去する（還元剤を利用して排気ガス中の不純物を浄化する）ことができる。
そして本実施例においても、インジェクタ部材６（焼結金属の多孔体）を凹部２０に配置することで、ＰＭなどの不純物がインジェクタ部材６に直接到達することを極力回避できる。このため本実施例においても、分散性能に優れるインジェクタ部材６の耐久性を向上させることができる。

本実施形態の排気ガス浄化装置は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その他各種の実施形態を取り得る。
（１）本実施形態では、複数種類の触媒（１０、１２、１４、１６、１８）を適宜用いる例を説明したが、車両構成に応じて、適宜触媒の種類等を変更したり省略したりすることができる。
（２）また本実施形態では、阻止部材２２の構成（形状等）を例示したが、同部材の構成を限定する趣旨ではない。例えば阻止部材は、平板状（断面視で直線状又は湾曲状）のほか、三角状や台形状や半円状等（断面視）の凸部とすることができる。
（３）また本実施形態では、凹部２０の構成を例示したが、同部の構成を限定する趣旨ではない。例えば凹部の形状（断面視）を、多角形状（略矩形状、長方形状、三角形状等）や、半円状にすることもできる。
（４）また本実施形態では、一様な空隙率を有するインジェクタ部材６を例示したが、同部材の構成を限定する趣旨ではない。例えば第一部位と第二部位を異なる焼結金属の多孔体で形成することもできる。このとき第二部位の空隙率を第一部位よりも大きくする（目詰まりの起こりにくい構成）とすることもできる。

２ ディーゼルエンジン
２ａ エンジン
４ 管部材
６ インジェクタ部材
６ａ 第一部位
６ｂ 第二部位
７ 収容容器
８ センサ部材
１０ ＤＯＣ触媒
１２ ＤＰＦ触媒
１４ ＳＣＲ触媒
１６ ＡＳＣ触媒
１８ 三元触媒
２０ 凹部
２２ 阻止部材

Claims (3)

1. 内燃機関の排気ガスが通過可能な管部材と、前記管部材途中に設けられて還元剤を前記管部材内に噴射可能なインジェクタ部材と、前記還元剤を利用して前記排気ガス中の不純物を浄化可能な浄化部材とを備えた排気ガス浄化装置において、
   前記管部材をその径方向外側に凹ませて形成した凹部を、前記浄化部材よりも前記管部材の上流側に設けるとともに、前記インジェクタ部材を、焼結金属からなる多孔体として前記凹部内に配置する排気ガス浄化装置。
2. 前記インジェクタ部材が、前記凹部内に収まる第一部位と、前記凹部から前記管部材内に突出する第二部位を有し、
   前記インジェクタ部材よりも前記管部材の上流側に、前記管部材内に突出する阻止部材を設けて、前記管部材を通過する排気ガスが前記第二部位に直接当たることを阻止する構成とした請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記インジェクタ部材が、前記管部材内に突出することなく前記凹部内に収納される請求項１に記載の排気ガス浄化装置。

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