JP2014231803A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を防ぎながら還元剤を排気ガス中に十分に分散させることのできる排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】分散装置２０は、排気ガスが通過可能な円形状の入口開口２４が形成された円板状の入口画定部材２１と、入口画定部材２１よりも下流側で入口画定部材２１に対して平行に設けられ、排気ガスが通過可能な出口開口２５が形成された円板状の出口画定部材２２と、入口画定部材２１と出口画定部材２２との間に設けられた旋回部材２３とを備えている。旋回部材２３は、排気管２の内周面２ａに沿って板状の部材を湾曲することで形成された湾曲部２６と、略矩形板状の区画板部材２７とを備えている。【選択図】図２

Description

この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特に、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムを利用した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窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、尿素ＳＣＲ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）や炭化水素（ＨＣ）を酸化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アンモニアスリップ触媒とから構成される。

このような排気ガス浄化装置において、尿素添加システムから添加された尿素水が排気ガス中で十分に分散され、ＳＣＲ触媒中にできる限り一様にアンモニアとして導入されることが、ＮＯｘの浄化効率の向上に好ましい。添加された尿素水を排気ガス中に十分に分散させることを目的として、ＳＣＲ触媒の上流側に分散板を設ける技術が、例えば特許文献１及び２等に記載されている。

特開２００８−２７４９４１号公報 特開２００９−２４６５４号公報

しかしながら、ＳＣＲ触媒の上流側に分散板を設けたとしても、尿素水を排気ガス中に十分に分散させるためには、分散板とＳＣＲ触媒との間にある程度の距離が必要となる。このため、排気ガス浄化装置が大きくなるという問題点があった。また、分散板とＳＣＲ触媒との間にある程度の距離を設けると、ＳＣＲ触媒がディーゼルエンジンから離れて配置されることにより、ディーゼルエンジンから排出された排気ガスがＳＣＲ触媒まで到達する間に温度が低下してしまい、尿素水の加水分解効率が低下してしまう。その結果、ＮＯｘの浄化効率が低下してしまうといった問題点もあった。

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、大型化を防ぎながら還元剤を排気ガス中に十分に分散させ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た排気ガスが流通する排気管と、排気管に設けられたＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒の上流側で排気ガス中に還元剤を供給する供給手段と、ＳＣＲ触媒の上流側に設けられた分散装置とを備え、分散装置は、排気ガスの流れ方向を排気管の内周面に沿う方向に変化させて排気ガスを分散装置内で旋回させる旋回通路を有する。排気ガスが旋回通路を流れることによって排気ガスの流れ方向が排気管の内周面に沿う方向に変化するので、排気管内における排気ガスの流通経路が長くなる。
分散装置は、分散装置内に排気ガスが流入する入口開口を有する入口画定部材と、分散装置内から排気ガスが流出する出口開口を有する出口画定部材と、入口画定部材と出口画定部材との間に設けられた旋回部材とを備え、旋回部材は、内周面に沿うように湾曲した湾曲部を備え、内周面と湾曲部との間に旋回通路が構成され、湾曲部の排気管の長さ方向に関する一方の端部は入口開口に接続され、他方の端部は、出口画定部材の出口開口以外の部分に接続されてもよい。
旋回部材は、入口画定部材と出口画定部材との間で湾曲部の内表面側と外表面側とを区画する１つの区画板部材を有し、旋回通路を流通した排気ガスが衝突する区画板部材の表面と入口画定部材とが鈍角の角度をなすように、区画板部材が設けられてもよい。
供給手段は、分散装置において出口開口までの距離よりも入口開口までの距離が短い位置に設けられてもよい。

この発明によれば、排気ガスが旋回通路を流れることによって排気ガスの流れ方向が排気管の内周面に沿う方向に変化することにより、排気管内における排気ガスの流通経路が長くなるので、大型化を防ぎながら還元剤を排気ガス中に十分に分散させることができる。

この発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。 この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の分散装置の断面図である。 図２の矢印ＩＩＩ方向から見た平面図である。 この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の分散装置の分解図である。 この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の分散装置における排気ガスの流れを説明するための図である。

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。
この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の構成を図１に示す。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、ディーデルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４と、アンモニアを還元剤としてＮＯｘを選択的に還元する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アンモニアスリップ触媒６とが順次設けられている。排気管２には、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間に、尿素水を供給する供給手段である噴射ノズル７が設けられており、噴射ノズル７は、配管８を介して、尿素水を貯留する尿素水タンク９に連通している。配管８には、尿素水タンク９内の尿素水を噴射ノズル７に供給するための尿素水添加システム１０が設けられている。尿素水添加システム１０は、制御手段であるＥＣＵ１４に電気的に接続されている。また、排気管２には、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間に、分散装置２０が設けられている。

ここで、ＳＣＲ触媒５における反応の還元剤はあくまでもアンモニアであるが、後述する動作で尿素水が加水分解されてアンモニアとなることから、本願発明では、尿素水などのアンモニアを生成するアンモニア原材料も還元剤に含めることとする。

図２に示されるように、分散装置２０は、排気ガスが通過可能な円形状の入口開口２４が形成された円板状の入口画定部材２１と、入口画定部材２１よりも下流側で入口画定部材２１に対して平行に設けられた円板状の出口画定部材２２と、入口画定部材２１と出口画定部材２２との間に設けられた旋回部材２３とを備えている。図３に示されるように、出口画定部材２２には、排気ガスが通過可能な出口開口２５が形成されている。

図４に示されるように、旋回部材２３は、排気管２の内周面２ａ（図２参照）に沿って板状の部材を湾曲することで形成された湾曲部２６と、略矩形板状の区画板部材２７とを備えている。区画板部材２７の４つの縁部のうちの１つの縁部２７ｂ１が湾曲部２６の外表面２８に接続されると共に縁部２７ｂ１と平行な他の縁部２７ｂ３が排気管２の内周面２ａに接続するように、区画板部材２７が設けられている。また、区画板部材２７の他の互いに平行な縁部２７ｂ２，２７ｂ４がそれぞれ入口画定部材２１及び出口画定部材２２に接続するように、区画板部材２７が設けられている。区画板部材２７のこのような配置により、区画板部材２７は、入口画定部材２１と出口画定部材２２との間で湾曲部２６の内表面２９側と外表面２８側とを区画する。図３に示されるように、区画板部材２７の一方の表面２７ａと入口画定部材２１とのなす角度θは鈍角となっている。ここで、表面２７ａは、後述するように分散装置２０に流入した排気ガスが排気管２の内周面２ａと湾曲部２６の外表面２８との間に構成されると共に内周面２ａに沿って湾曲した旋回通路３０（図２または３参照）を流通した排気ガスが衝突する表面である。

図４に示されるように、排気管２の長さ方向に関する湾曲部２６の一方の端部２６ａは、入口開口２４の輪郭に合致するようにして入口画定部材２１に接続されている。湾曲部２６の他方の端部２６ｂは、出口開口２５以外の部分で出口画定部材２２に接続されている。図３に示されるように、出口開口２５は、出口画定部材２２に接続される区画板部材２７の縁部２７ｂ４と合致するような円弧状の側縁部２５ａと、一端が側縁部２５ａに接続されると共に湾曲部２６の端部２６ｂの一部に合致する内縁部２５ｂと、一端が側縁部２５ａに接続されると共に出口画定部材２２の曲率半径と同じ曲率半径を有する円弧状の外縁部２５ｃと、内縁部２５ｂの他端と外縁部２５ｃの他端とを結ぶ側縁部２５ｄとによって囲まれた形状を有している。内縁部２５ｂの他端は、湾曲部２６の湾曲方向に関する両端２６ｃ，２６ｄ間の任意の位置に位置している。

図２及び３に示されるように、噴射ノズル７は、区画板部材２７に対して、湾曲部２６の内表面２９側、すなわち、区画板部材２７の表面２７ａとは反対側に位置するように設けられている。噴射ノズル７は、できる限り区画板部材２７の近傍かつ入口画定部材２１の近傍に設けることが好ましい。分散装置２０内における排気ガスの流通動作は後述するが、この流通動作によれば、噴射ノズル７のこのような配置により、入口開口２４を介して分散装置２０内に流入した直後の排気ガスに尿素水が供給されることになり、尿素水を含む排気ガスが入口開口２４から出口開口２５まで分散装置２０内を流通することになる。すなわち、この実施の形態では、噴射ノズル７は、入口開口２４から出口開口２５までの排気ガスの流通経路において、入口開口２４の近傍に位置している。

入口画定部材２１及び出口画定部材２２並びに旋回部材２３の表面の少なくとも一部には、尿素水の加水分解を促進する加水分解促進材料としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）がコーティングされている。加水分解促進材料としては、この他に、シリカ（ＳｉＯ_２）やチタニア（ＴｉＯ_２）、ポリシラザン等を用いてもよい。

次に、この実施の形態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、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスは、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、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）の一部が二酸化窒素（ＮＯ_２）に酸化され、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）も酸化される。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、分散装置２０を流通した後、ＳＣＲ触媒５に流入する。後述する動作により、ＥＣＵ１４は尿素水添加システム１０を作動させ、尿素水タンク９内の尿素水を、配管８を介して噴射ノズル７に供給し、噴射ノズル７から尿素水が分散装置２０内に供給される。供給された尿素水は、排気ガスの熱によって加水分解されてアンモニアと二酸化炭素（ＣＯ_２）となり、ＳＣＲ触媒５において、生成した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、アンモニアスリップ触媒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。

次に、分散装置２０における排気ガスの流通動作について説明する。
図５に示されるように、排気ガスは、入口開口２４を介して分散装置２０に流入し、湾曲部２６の内表面２９側を出口画定部材２２に向かって流れる（図５の紙面裏側から表側へ向かう方向を意味する記号Ａ参照）。その後、一点鎖線矢印Ｂ及び実線矢印Ｃに示されるように、湾曲部２６の両端２６ｃ，２６ｄ間を介して湾曲部２６の内表面２９側から外表面２８側に流出し、湾曲部２６の外表面２８と排気管２の内周面２ａとの間に構成された旋回通路３０を流通する。旋回通路３０を流通した排気ガスは、実線矢印Ｄに示されるように、区画板部材２７の表面２７ａに衝突後、表面２７ａに沿って出口開口２５に向かい、出口開口２５を介して分散装置２０から流出する。すなわち、排気ガスは、旋回通路３０を流通する過程で、分散装置２０内で旋回することになる。このような排気ガスの流れにより、分散装置２０を設けない場合と比較して、ＤＰＦ４（図１参照）とＳＣＲ触媒５（図１参照）との間の排気ガスの流通距離を長くすることができる。その結果、排気ガス中の尿素水の分散性が向上する。また、排気ガスは、分散装置２０内で旋回することにより、排気ガスの流れが乱れるので、さらに排気ガス中の尿素水の分散性が向上する。さらに、区画板部材２７の表面２７ａと入口画定部材２１とのなす角度θ（図３参照）が鈍角になるように区画板部材２７が設けられていることにより、排気ガスは旋回通路３０を流通した後、区画板部材２７の表面２７ａと衝突する際に、流れを大きく乱されることがないので、分散装置２０における排気ガスの圧力損失を低く抑えられる。

また、入口画定部材２１及び出口画定部材２２並びに旋回部材２３の表面の少なくとも一部には加水分解促進材料がコーティングされているので、ディーゼルエンジン１の始動直後のような排気ガス温度が低い場合でも、分散装置２０内を排気ガスが流通する間に、尿素水の加水分解が促進される。

このように、排気ガスが旋回通路３０を流れることによって排気ガスの流れ方向が排気管２の内周面２ａに沿う方向に変化することにより、排気管２内における排気ガスの流通経路が長くなるので、大型化を防ぎながら尿素水を排気ガス中に十分に分散させることができる。

この実施の形態では、分散装置２０は、図２及び３に示されるように、入口画定部材２１と出口画定部材２２と旋回部材２３とからなる構成であったが、このような構成に限定するものではない。分散装置２０内で排気ガスが旋回するような構成であればどのような構成であってもよい。例えば、入口画定部材として出口画定部材２２の構成のものを使用し、出口画定部材として入口画定部材２１の構成のものを使用した形態、すなわち、分散装置２０をちょうど反転させた構成のものであってもよい。

この実施の形態では、区画板部材２７の表面２７ａと入口画定部材２１とのなす角度θが鈍角になるように区画板部材２７が設けられていたが、区画板部材２７の表面２７ａと入口画定部材２１とのなす角度θが直角あるいは鋭角になるように区画板部材２７を設けてもよい。この場合には、排気ガスが旋回通路３０を流通した後、区画板部材２７の表面２７ａに衝突する際に、流れを大きく乱されることになり、分散装置２０における排気ガスの圧力損失が大きくなるものの、流れが大きく乱されることにより、さらに排気ガス中の尿素水の分散性が向上する。

この実施の形態では、排気管２内に供給する還元剤として尿素水を使用しているが、これに限定するものではない。アンモニアを供給してもよく、さらに分解によってアンモニアを生成する任意のアンモニア原材料を使用してもよい。

この実施の形態では、ＤＰＦ４をＳＣＲ触媒５と別体にしてＳＣＲ触媒５の上流に設けていたが、この形態に限定するものではない。多孔質性の基材の表面にＰＭを捕集する捕集層をコーティングすると共に基材の細孔内にＳＣＲ触媒成分を担持したものを設けてもよい。

この実施の形態では、排気管２の内周面２ａに沿って板状の部材を湾曲することで形成された湾曲部２６は、内周面２ａと同様の円筒形状の外表面２８を有していたが、この形態に限定するものではない。湾曲部の外表面と排気管２の内周面２ａとの間に、内周面２ａに沿う方向に排気ガスが旋回する旋回通路が構成されれば、湾曲部がどのように湾曲していてもよく、例えば、外表面が角柱形状を有するように湾曲していてもよい。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）、２ 排気管、２ａ （排気管の）内周面、５ ＳＣＲ触媒、７ 噴射ノズル（供給手段）、２０ 分散装置、２１ 入口画定部材、２２ 出口画定部材、２３ 旋回部材、２４ 入口開口、２５ 出口開口、２６ 湾曲部、２６ａ，２６ｂ （排気管の長さ方向に関する湾曲部の）端部、２７ 区画板部材、２７ａ （区画板部材の）表面、２８ （湾曲部の）外表面、２９ （湾曲部の）内表面、３０ 旋回通路。

Claims (4)

1. 内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管と、
   該排気管に設けられたＳＣＲ触媒と、
   該ＳＣＲ触媒の上流側で前記排気ガス中に還元剤を供給する供給手段と、
   前記ＳＣＲ触媒の上流側に設けられた分散装置と
   を備え、
   該分散装置は、前記排気ガスの流れ方向を前記排気管の内周面に沿う方向に変化させて前記排気ガスを前記分散装置内で旋回させる旋回通路を有する排気ガス浄化装置。
2. 前記分散装置は、
   該分散装置内に前記排気ガスが流入する入口開口を有する入口画定部材と、
   前記分散装置内から前記排気ガスが流出する出口開口を有する出口画定部材と、
   前記入口画定部材と前記出口画定部材との間に設けられた旋回部材と
   を備え、
   該旋回部材は、前記内周面に沿うように湾曲した湾曲部を備え、
   前記内周面と前記湾曲部との間に前記旋回通路が構成され、
   該湾曲部の前記排気管の長さ方向に関する一方の端部は前記入口開口に接続され、他方の端部は、前記出口画定部材の前記出口開口以外の部分に接続されている、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記旋回部材は、前記入口画定部材と前記出口画定部材との間で前記湾曲部の内表面側と外表面側とを区画する１つの区画板部材を有し、
   前記旋回通路を流通した前記排気ガスが衝突する前記区画板部材の表面と前記入口画定部材とが鈍角の角度をなすように、前記区画板部材が設けられている、請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記供給手段は、前記分散装置において前記出口開口までの距離よりも前記入口開口までの距離が短い位置に設けられている、請求項２または３に記載の排気ガス浄化装置。

Images