JP2014114764A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する選択還元触媒の上流に噴射添加される尿素水溶液からの析出物の生成を抑制しつつ加水分解効率を向上させる。
【解決手段】拡張管７１内周面の拡張管７１中心軸に対する傾斜角θｋを、噴射ノズル１５の噴霧中心軸に対する噴霧角θｆより小さくして、噴霧先端部が拡張管７１の内周面に到達して付着するように設定し、拡張管７１内側の内側通路１２１を通過する噴射された尿素水溶液を含んだ排気と、拡張管７１外周面と内外二重管１１０との間の外側通路１２２を通過する排気とが、拡張管７１下流側で合流してＳＣＲ触媒に流入させる構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する選択還元触媒の上流に噴射添加される尿素水溶液からの析出物の生成を抑制しつつ加水分解効率を向上させる技術に関する。

内燃機関の排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する排気浄化装置として、ＳＣＲ式の排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、排気系に還元触媒を配設し、該還元触媒の排気上流においてノズルから還元剤を噴射して添加することにより、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。その還元反応は、ＮＯｘと反応性が良好なアンモニアを用いるものであり、このための還元剤としては、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液が用いられる。

この種の排気浄化装置において、特許文献１に示すものでは、排気管内に配設した中間パイプ内に尿素水溶液を噴霧し、該噴霧を中間パイプ内を流通する排気と混合させ、該混合気を、中間パイプ下流側で中間パイプ外側の排気管壁との隙間を流通する排気と混合させた後、ＳＣＲ触媒に流入させている。

特開２０１２−９２７６９号公報

しかし、特許文献１に記載の排気浄化装置では、尿素水溶液の噴霧が中間パイプの内壁に局所的に当り続けると、該噴霧が当たるパイプ内壁部分の表面温度が大きく低下し、析出物が生成される可能性がある。尿素水噴霧の噴霧角を小さくして中間パイプ内壁と当る噴霧の交差角を小さくすれば、噴霧の中間パイプへの付着面積が増大して表面温度の低下を抑制できるが、噴霧角を小さくすることによって、尿素水溶液の微粒化が低下し、排気との混合による加水分解性能が低下し、ＳＣＲ触媒の還元性能低下につながる。

また、中間パイプ外側の隙間を流れる排気は整流となって中間パイプ下流に流出するため、中間パイプ内から流出する噴霧を含んだ排気と混合しにくく、この点でも、加水分解性能の低下、ＳＣＲ触媒の還元性能低下につながる。

本発明は、このような技術背景に着目したもので、析出物の生成抑制効果を高めると同時に、尿素水溶液噴霧と排気との混合性を高めて加水分解効率を高めひいてはＳＣＲ触媒のＮＯｘ還元性能を向上できる内燃機関の排気浄化装置を提案することを目的とする。

このため本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
排気通路に配設され、排気中の窒素酸化物を選択還元浄化するＳＣＲ触媒と、
前記ＳＣＲ触媒の排気上流に位置する排気通路に尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルと、を備える一方、
前記噴射ノズル下流で前記ＳＣＲ触媒上流の排気通路内に、前記噴射ノズルから排気下流側に噴射される尿素水溶液の噴霧を外包し、かつ、開口面積が排気下流側に向かって連続的に増大するテーパ状の拡張管を配設し、
前記拡張管内周面の拡張管中心軸に対する傾斜角を、前記噴射ノズルの噴霧中心軸に対する噴霧角より小さくして、噴霧先端部が前記拡張管の内周面に到達して付着するように設定し、
拡張管内を通過する前記噴射された尿素水溶液を含んだ排気と、前記拡張管外周面と外側の排気通路内周面との間を通過する排気とが、拡張管下流側で合流して前記ＳＣＲ触媒に流入するようにしたことを特徴とする。

本発明に係る排気浄化装置においては、噴射ノズルの噴霧角を良好な微粒化を得られる大きさとしても、テーパ状の傾斜した拡張管の内壁と噴霧との交差角を小さくできるため、噴霧の内壁への付着領域（接触面積）を大きくすることができる。これにより、拡張管に付着した噴霧の気化が促進されつつ、噴霧が当たる拡張管表面の温度低下を抑制でき、析出物の生成を抑制できる。

また、拡張管内を流通する排気の流速は下流側ほど拡張管の開口面積増大により低下する一方、拡張管外周面と排気管内周面との隙間を流通する排気の流速は、下流側ほど隙間の開口面積減少によって増加する。したがって、拡張管内から流出する噴霧と排気との混合気と、隙間から流出する排気とが、これらの流速差によって生じる乱れにより、噴射された尿素水溶液と排気との混合がより促進され、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ還元（低減）効果が高められる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置のシステム概要を示す図。 同上の排気浄化装置の要部断面図。 図２のＸ部拡大図。

以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳細に説明する。
図１は、本実施形態が適用されたエンジン（内燃機関）の排気浄化装置の概要を示す。

ディーゼルエンジン１０には、ターボチャージャ１１が搭載され、該ターボチャージャ１１のタービン１１ａ下流側の排気通路１２には、排気上流側から、ＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ2（二酸化窒素）に酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）１３、粒子状物質（Particulate Matter）を捕集除去するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１４，還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル１５，尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用してＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒１６，ＳＣＲ触媒１６を通過したアンモニアを酸化させるＡＳＣ（アンモニア酸化触媒）１７がこの順番で配設される。

本実施形態では、ＤＯＣ１３及びＤＰＦ１４は、第1の筐体２１内に収納され、ＳＣＲ触媒１６及びＡＳＣ１７は、第２の筐体２２内に収納されている。
還元剤タンク３１に貯蔵された尿素水溶液は、ポンプ及び流量制御弁が内蔵された還元剤添加ユニット３２を経由して、噴射ノズル１５に供給される。

排気通路１２のＤＰＦ１４と噴射ノズル１５との間に位置する部位には、排気の温度（排気温度）を測定する温度センサ４１が取り付けられる。温度センサ４１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：Dosing Control Unit）５１に入力される。また、ＤＣＵ５１は、エンジン運転状態としての回転速度及び負荷を任意の時点で読み込み可能とすべく、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：Engine Control Unit）６１に接続される。そして、ＤＣＵ５１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、排気温度，回転速度及び負荷等に応じて還元剤添加ユニット３２を電子制御する。

かかる排気浄化装置において、ディーゼルエンジン１０の排気は、ターボチャージャ１１のタービン１１ａを経て、ＤＯＣ１３に導入される。ＤＯＣ１３に導入された排気は、ＮＯがＮＯ2へと酸化されつつＤＰＦ１４へと流れる。ＤＰＦ１４では、排気中のＰＭが捕集されると共に、ＤＯＣ１３により生成されたＮＯ2を使用してＰＭが連続的に酸化（焼却）される。

また、エンジン運転状態に応じて噴射ノズル１５から噴射供給（添加）された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気を使用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒１６において排気中のＮＯｘと選択還元反応し、無害なＨ2Ｏ（水）及びＮ2（窒素）へと浄化される。

ＤＯＣ１３によりＮＯがＮＯ2へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ2との比率が選択還元反応に適したものに改善されるため、ＳＣＲ触媒１６におけるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。一方、ＳＣＲ触媒１６を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたＡＳＣ１７により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることを抑制できる。

ここで、図２に示すように、排気通路１２の第１の筐体２１と第２の筐体２２との間を接続する部分（連通管）１１０内において、噴射ノズル１５から尿素水溶液が噴射される部分に、連通管１１０内壁との間に間隙を有して、拡張管７１が配設される。

拡張管７１は、開口面積が排気下流側に向かって増大するテーパを有したコーン形状を有し、その中心軸を噴射ノズル１５の噴霧中心軸と一致させて配設される。
また、連通管１１０の拡張管７１外側を覆う部分は、内管１１１Ａと外管１１１Ｂとの間に環状の隙間を有した内外二重管１１１に形成され、拡張管７１は、その外周面と内外二重管１１１の内管１１１Ａの内周面とに両端部を溶接したブラケット８１を、周方向間隔をおいて複数箇所配設することにより、固定される。

ここで、拡張管７１内周面の中心軸に対する傾斜角θｋは、噴射ノズル１５の噴霧角（噴霧軸に対する傾斜角）θｆより小さい値に設定され、噴霧の先端部が拡張管７１内周面に到達（付着）するように設定されている。

かかる構造において、排気は上流側から拡張管７１内側の内側通路１２１と、内外二重管１１１の内管の内周面と拡張管７１の外周面との間の外側通路１２２とに流入する。
ここで、内外二重管１１１の外管１１１Ｂは、外周面が外気に接触して冷却されるが、内管１１１Ａは、空気層を介した断熱構造により冷却を抑制され、したがって、外側通路１２２を流れる排気は比較的高温に維持される。

また、内側通路１２１を流通する排気の温度は、流入前の排気温度から殆ど低下することなく高温に維持される。したがって、拡張管７１は、外側と内側とに高温の排気が流通するため、流入前排気温度に近い高温状態に維持される。

この状態で、噴射ノズル１５から噴射された尿素水溶液の噴霧は、先端部分が、拡張管７１の内周面に到達して付着する。
ここで、図２のＸ部を図３に拡大して示すように、噴射ノズル１５の噴霧角θｆを良好な微粒化を得られる大きさとしても、傾斜角θｋを有する拡張管７１の内周面と噴霧とのなす交差角Δθｋ（＝θｆ−θｋ）を小さくできる。

このため、噴霧の拡張管７１内周面への付着領域（面積）Ｓ１を、特許文献１のように拡張管の代わりに口径一定のストレート管とした場合の付着領域（面積）Ｓ２に比較して、十分大きくすることができる（同一量の尿素水溶液噴霧が広い面積で付着する）。

なお、ストレート管の拡張管で噴霧との交差角Δθｓ（＝θｆ）を小さくして噴霧の付着領域を大きくしようとすると、噴霧角θｆを小さくする必要があり、噴霧の微粒化性能が損なわれて加水分解性能が低下してしまう。

したがって、高温な拡張管７１内壁に付着した尿素水溶液は、付着領域における単位付着量当たりの受熱量が大きいため速やかに気化されやすく、排気との混合性が向上する。
一方、付着領域における単位面積当たりの付着量、したがって受熱量（拡張管７１からの放熱量）が小さいため、該付着領域が局所的に大きく温度低下することが抑制され、尿素由来の析出物の生成を効果的に抑制することができる。

また、内側通路１１１は下流側に行くほど拡張管７１の口径が増大して空間容積が増大することにより、内側通路１１１を流通する排気の流速は減少する。一方、外側通路１１２は下流側に行くほど開口面積が減少して空間容積が減少するため、外側通路１１２を流通する排気の流速は増加する。

したがって、内側通路１１１から流出する噴霧と排気との混合気と、外側通路１１２から流出する排気との流速差によって生じる乱れにより、気化された尿素水溶液と排気との混合が促進される。

これにより、加水分解の効率が高められつつ加水分解により生成されるアンモニアの排気中濃度の均一化が促進され、ＳＣＲ触媒１６でのアンモニアによるＮＯｘ還元（低減）効果が高められる。

さらに、上記排気浄化装置を車両にレイアウトする場合、第１の筐体２１、第２の筐体２２及び連通管１１０を水平状態に配置することがコンパクトに収納しやすく、一般的に好ましいと考えられる。この場合、拡張管の代わりに口径一定のストレート管を用いると、車両が僅かに上り坂方向に傾斜した場合でもストレート管に付着した尿素水溶液の一部が液状のまま上流側に逆流した後、ストレート管の上流端から流れ落ちてＳＣＲ触媒から遠ざけられる。そして、排気流によってストレート管と排気管との隙間に入り込み、ストレート管より低温の排気管内壁に長時間付着しつづける間に、尿素水溶液の析出物が堆積されてしまう可能性がある。

本実施形態では、連通管１１０を略水平状態に配置した場合、車両が多少傾斜した場合（上り坂方向の傾斜が拡張管７１の傾斜角以下）でも拡張管７１の下側部分は、排気下流側に向かって下降傾斜した状態に維持される。したがって、拡張管７１に付着した尿素水溶液が液状のまま流動することがあったとしても、重力によって拡張管７１の下側部分に流下しつつ下降傾斜する拡張管７１の内周面に沿って排気下流側に導かれ、ＳＣＲ触媒１６に近づけられる。したがって、尿素水溶液の外側通路１２２内への入り込みを抑制でき、析出物の生成・堆積を抑制できる。

また、本実施形態では、拡張管７１を固定するブラケット８１を拡張管７１の尿素水溶液噴霧が付着する領域から軸方向にオフセットした位置に設けたので、拡張管７１の噴霧付着領域が、ブラケット８１を介して拡張管７１より低温な内管１１１Ｂへの放熱により、温度低下することを抑制でき、付着した尿素水溶液の気化性能の低下を抑制できると共に、析出物生成抑制効果を良好に維持することができる。

なお、本実施形態では、拡張管７１外側の排気通路を内外二重管１１１とし、内管１１１Ａと外管１１１Ｂとの間に空気層を介在させて断熱構造としたが、空気層に代えて断熱材を介在させてより断熱性を高めた構造としてもよい。外管を無くし内管の外周を断熱材で囲包むだけの構成としてもよい。

また、拡張管７１外側の排気通路を単純な一重の排気管を用いた簡易な構成としたものも本発明に含まれることは勿論である。この場合でも、拡張管の内側と外側とに排気が流通するので、拡張管の温度を外気の接触する排気管温度に比較して十分高温とすることができ、付着した尿素水溶液の気化を促進できると共に、析出物生成抑制効果を良好に維持することができる。

１０ ディーゼルエンジン
１２ 排気通路
１３ ＤＯＣ
１４ ＤＰＦ
１５ 噴射ノズル
１６ ＳＣＲ触媒
１７ ＡＳＣ
７１ 拡張管
８１ ブラケット
１１０ 連通管
１１１ 内外二重管
１１１Ａ 内管
１１１Ｂ 外管
１２１ 内側通路
１２２ 外側通路
θｋ 拡張管の傾斜角
θｆ 噴霧角

Claims (7)

1. 排気通路に配設され、排気中の窒素酸化物を選択還元浄化するＳＣＲ触媒と、
   前記ＳＣＲ触媒の排気上流に位置する排気通路に尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルと、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記噴射ノズル下流で前記ＳＣＲ触媒上流の排気通路内に、前記噴射ノズルから排気下流側に噴射される尿素水溶液の噴霧を外包し、かつ、開口面積が排気下流側に向かって連続的に増大するテーパ状の拡張管を配設し、
   前記拡張管内周面の拡張管中心軸に対する傾斜角を、前記噴射ノズルの噴霧中心軸に対する噴霧角より小さくして、噴霧先端部が前記拡張管の内周面に到達して付着するように設定し、
   拡張管内を通過する前記噴射された尿素水溶液を含んだ排気と、前記拡張管外周面と外側の排気通路内周面との間を通過する排気とが、拡張管下流側で合流して前記ＳＣＲ触媒に流入するようにしたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記拡張管外側の排気通路が断熱構造に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記断熱構造の排気通路は、内外二重管であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記拡張管は、その外壁と該拡張管外側の排気通路内壁との間を連結するブラケットによって固定されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記ブラケットは、前記拡張管の前記噴霧が付着する領域に対し、拡張管の軸方向にオフセットされた位置に取り付けられることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記噴射ノズルが配設される排気通路の上流側に、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタが配設されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記ＳＣＲ触媒の排気下流側に、排気中のアンモニアを酸化するアンモニア酸化触媒が配設されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。