JP2017172332A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】尿素水を原料とした白色生成物の析出を抑制して、窒素酸化物及びアンモニアの排出量を減少するエンジンを提供する。【解決手段】エンジン１０は、排気ガスＧが流れる排気通路１４と、この排気通路１４に配置された尿素水噴射弁１５と、この尿素水噴射弁１５よりも排気ガスＧの流れに関して下流側に配置された選択的還元触媒装置１６とを備え、選択的還元触媒装置１６よりも上流側の排気通路１４の内部に、尿素水噴射弁１５の噴射部１８から噴射された尿素水Ｕが衝突する衝突体２０を備えて、その噴射された尿素水Ｕが衝突する衝突面２１が、繊維２２で覆われている。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンに関し、より詳細には、窒素酸化物及びアンモニアの排出量を減少するエンジンに関する。

尿素水噴射弁から噴射された尿素水から加水分解されたアンモニアを還元剤として、選択的還元触媒装置で排気ガス中の窒素酸化物を還元するエンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このエンジンは、排気の流れの外側に尿素水噴射弁と衝突部とを配置して、尿素水噴射弁から噴射された尿素水が衝突部に衝突することで、尿素水の微粒子化を促進しつつ、その衝突部による排気抵抗の上昇を抑制している。

しかし、噴射弁から噴射される尿素水の量が多かったり、排気通路を流れる排気ガスの流量が少なかったりすると、噴射された尿素水が拡散せずに、排気通路の内壁面や衝突部の壁面に付着する。その付着した尿素水から、尿素、メラミン、シアヌル酸、ビウレットなどが固体化した白色生成物が析出する。

白色生成物が析出すると、その分、尿素水が加水分解されていないことになり、アンモニアの生成量が少なくなる。また、排気ガスの温度が上昇してその析出した白色生成物が熱分解するとアンモニアが生成される。つまり、この白色生成物が析出することで、選択的還元触媒装置に供給されるアンモニアの量が過少になったり、過多になったりする。この結果として、選択的還元触媒装置における窒素酸化物の還元率が低下したり、選択的還元触媒装置を通過するアンモニア量が増加したりする問題があった。

特開２００９−７４４５５号公報

本発明の目的は、尿素水を原料とした白色生成物の析出を抑制して、窒素酸化物及びアンモニアの排出量を減少するエンジンを提供することである。

上記の目的を達成する本発明のエンジンは、排気ガスが流れる排気通路と、この排気通路に配置された尿素水噴射弁と、この尿素水噴射弁よりも排気ガスの流れに関して下流側に配置された選択的還元触媒装置と、を備え、前記尿素水噴射弁が、一端部に噴射部を有しており、その噴射部から前記排気通路の内部に尿素水を噴射して、前記選択的還元触媒装置が、噴射された尿素水から分解されたアンモニアを還元剤として窒素酸化物を還元する構成にしたエンジンにおいて、前記選択的還元触媒装置よりも上流側の前記排気通路の内部に、前記噴射部から噴射された尿素水が衝突する衝突体を備えて、この衝突体の尿素水が衝突する衝突面の少なくとも一部又は全部が、繊維で覆われていることを特徴とする。

このエンジンによれば、尿素水噴射弁から噴射された尿素水は、衝突体の衝突面に衝突する。次いで、その衝突した尿素水は、毛細管現象により、衝突面を覆う多数の繊維に浸透する。そして、繊維に浸透した尿素水は、液滴の状態よりも表面積が大きくなることで
、揮発性が向上するので、加水分解が促進される。これにより、尿素水が排気通路の壁面に直接、付着することを防止しつつ、尿素水からのアンモニアの生成が促進されるので、尿素水を原因とする白色生成物の析出を抑制できる。

このように、白色生成物の析出を抑制することで、選択的還元触媒装置に最適な量のアンモニアが供給されるので、アンモニアが過不足なく還元剤として機能して、選択的還元触媒装置における窒素酸化物の還元率を向上できる。したがって、選択的還元触媒装置を通過して大気へと排出される排気ガスに含有される窒素酸化物及びアンモニアの排出量を減少することができる。

また、このエンジンは、前記繊維に、尿素を分解する尿素分解触媒が定着していることが望ましい。この尿素分解触媒により、繊維に浸透した尿素水の加水分解が、より促進されるので、白色生成物の析出の抑制には有利になる。

本発明の第一実施形態のエンジンを例示する構成図である。 図１のＩＩで示した範囲の拡大断面図である。 噴射方向から見た面を正面とした衝突体の斜視図である。 図３のＩＶで示した範囲の拡大図である。 本発明の第二実施形態のエンジンにおける衝突体を例示する斜視図である。 本発明の第三実施形態のエンジンにおける選択的還元触媒装置よりも上流側の排気通路の内部を例示する拡大断面図である。 本発明の第四実施形態のエンジンにおける選択的還元触媒装置よりも上流側の排気通路の内部を例示する拡大断面図である。 本発明の第五実施形態のエンジンにおける選択的還元触媒装置よりも上流側の排気通路の内部を例示する拡大断面図である。

以下に、本発明のエンジンについて実施形態に基づいて説明する。以下、図中では、ｗが排気ガスＧの流方向を、ｘが噴射部１８から噴射される尿素水Ｕの噴射方向を、ｙがその噴射方向に直交する方向、ｚが奥行き方向をそれぞれ示している。

図１〜図４に例示する第一実施形態のエンジン１０はディーゼルエンジンである。図１に示すように、エンジン１０は、複数の直列に配置された気筒１１を有したエンジン本体１２と、このエンジン本体１２から気筒１１で燃料が燃焼して生じた排気ガスＧがエキゾーストマニホールド１３を経由して流れ込む排気通路１４とを備えている。

排気通路１４は、円筒管で構成されていて、排気ガスＧの流方向ｗに向って順に、尿素水噴射弁１５と選択的還元触媒装置１６とが配置されている。なお、図１における白抜き矢印が排気ガスＧの流方向ｗを示している。

尿素水噴射弁１５は、一端部に噴射口１７が形成された噴射部１８を有しており、排気通路１４に少なくともその噴射部１８を含む部分が挿通されている。選択的還元触媒装置１６は、多孔質セラミック担体にゼオライト等を担持して形成されている。

排気ガスＧに含有される窒素酸化物を浄化するときに、信号線を介して尿素水噴射弁１５に接続された制御装置１９の制御により、尿素水噴射弁１５は、噴射部１８から所定の噴射方向ｘに尿素水Ｕを噴射する。その噴射された尿素水Ｕは、排気ガスＧの熱により加水分解されて、アンモニアが生成される。選択的還元触媒装置１６は、そのアンモニアを還元剤として、窒素酸化物を選択的に還元浄化する。

図２に示すように、選択的還元触媒装置１６よりも上流側の排気通路１４の内部において、尿素水噴射弁１５は、流方向ｗに直交する排気通路１４の径方向（上下方向）に対して下端部の噴射部１８が流方向ｗに向って傾いて配置されている。つまり、尿素水Ｕの噴射方向ｘは、図中の左上から右下に向う方向になる。

噴射された尿素水Ｕは、様々な粒径の液滴として排気通路１４の内部に存在する。図中では、Ｕ１は粒径が小さいものを示しており、Ｕ２は粒径が大きいものを示している。粒径が小さい尿素水Ｕ１は、慣性力が小さくなり、排気ガスＧの流れに乗って流れるので、排気ガスＧ中に噴射方向ｘに関係なく拡散される。つまり、この尿素水Ｕ１は、アンモニアに加水分解され易い。一方、粒径が大きい尿素水Ｕ２は、慣性力が大きいことから、排気ガスＧ中に拡散されずに、排気ガスＧの流れに抗して噴射方向ｘに直進する。この尿素水Ｕ２が、排気通路１４の壁面に衝突すると、この壁面に付着して白色生成物が析出される。なお、噴射方向ｘは、一つの噴射口１７から尿素水Ｕ２が奥行き方向ｚの側面視で放射状に噴射される場合は、それぞれの尿素水Ｕ２の直進する方向の平均方向とする。また、噴射部１８に複数の噴射口１７が形成されている場合も同様である。

そこで、図２、３に示すように、エンジン１０は、選択的還元触媒装置１６よりも上流側の排気通路１４の内部に、その噴射部１８から噴射された尿素水Ｕが衝突する衝突体２０を備えている。そして、その衝突面２１は、繊維２２で覆われている。

衝突体２０は、噴射部１８から尿素水Ｕの噴射方向ｘに離間した位置に配置されていて、慣性力により噴射方向ｘに直進する尿素水Ｕ２が衝突する。具体的に、衝突体２０は、噴射方向ｘに対向する衝突面２１を有しており、この衝突面２１に、慣性力により噴射方向ｘに直進する尿素水Ｕ２が衝突する。

衝突面２１は、噴射方向ｘに垂直なｙｚ面、つまり、噴射方向ｘが垂線方向になる面であって、噴射方向ｘからの正面視で、矩形に形成されている。また、衝突面２１は、この衝突面２１から衝突体２０の反対面まで貫通する貫通孔が形成されていない無孔面である。なお、この実施形態では、正面視において、衝突面２１が矩形に形成されているが、衝突面２１の形状はこれに限定されない。

衝突面２１は、噴射方向ｘの正面投影面積が、尿素水噴射弁１５から噴射される尿素水Ｕ２の拡散面積と等しくなることが好ましい。尿素水Ｕ２の拡散面積は、噴射部１８から離間する距離が離れる程に、大きくなる。したがって、衝突面２１の正面投影面積も噴射部１８から離間する距離が離れる程、大きくするとよい。

衝突面２１は、排気ガスＧの流方向ｗから見た流方向投影面積が、排気通路１４の断面積よりも小さいことが好ましい。衝突面２１の流方向投影面積は、小さいほど、排気通路１４の排気抵抗の増加を抑制できる。

衝突面２１は、その全域が多数の繊維２２で覆われている。繊維２２は、ガラス繊維やアルミナ繊維などの高耐熱性繊維であって、排気ガスＧが７００度以上の高温になってもその形状が維持される繊維である。

なお、この実施形態では、衝突面２１の全域が多数の繊維２２で覆われているが、衝突面２１の少なくとも下端部の領域を含む領域が、多数の繊維２２で覆われていればよい。例えば、衝突面２１が水平に対して傾いている場合には、衝突した尿素水Ｕがその傾きにより下方に向かって垂れることから、衝突面２１の下端部が多数の繊維２２で覆われていればよい。また、衝突面２１の全域に、繊維２２の塊を点在させてもよい。但し、衝突面
２１の全域が多数の繊維２２で覆われることで、衝突した尿素水Ｕの全てを毛細管現象により繊維２２に浸透させることが可能になり、尿素水Ｕの分解に有利になる。

衝突体２０について詳しく説明すると、衝突体２０は、衝突面２１を有している衝突板２３と、その衝突面２１に固定されている不織布２４と、衝突板２３の衝突面２１の反対側の面に固定された固定部材２５とを有している。

衝突板２３は、固定部材２５を介して排気通路１４の内壁に固定されていて、噴射方向ｘが板厚方向になる金属製の板材で構成されている。衝突板２３は、奥行き方向ｚからの側面視で、排気通路１４の管径方向（上下方向）に対して上方が排気ガスＧの流方向ｗに向って傾いて、衝突面２１が噴射方向ｘに対して対向している。

衝突板２３は、噴射部１８から噴射方向ｘに離間した位置であればよい。但し、衝突板２３が噴射部１８の直前まで近接すると、衝突体２０に尿素水Ｕ１が衝突して、尿素水Ｕ１の拡散が抑制されるおそれがある。また、噴射部１８から排気通路１４の内壁まで遠く離すと、衝突面２１の正面投影面積を大きくする必要がある。そこで、衝突体２０は、粒径の小さい尿素水Ｕ１が拡散可能で、且つ粒径の大きい尿素水Ｕ２が衝突可能な位置に配置されることが望ましい。この実施形態では、排気通路１４の中央部がその位置になる。

図３に示すように、衝突板２３は、衝突面２１が起伏しており、噴射方向ｘの逆方向に突出し、噴射方向ｘに窪んでうねる波型に形成されている。具体的には、上方から下方に向かって、噴射方向ｘの逆方向に突出する突出部２６ａと、噴射方向ｘに窪んでいる窪み部２６ｂとが互い違いに配置されている。これにより、衝突面２１の表面積が増えるので、繊維２２に浸透する尿素水Ｕ２の量を増加することができる。

不織布２４は、繊維２２を機械的、あるいは化学的な作用によって接着又は絡み合わせる事で布にしたもので、繊維２２が集積した状態で、シート状に形成されている。なお、この実施形態では、不織布２４を用いたが、繊維２２を織って形成した織布を用いてもよい。但し、繊維２２が耐熱性の高いガラス繊維やアルミナ繊維の場合は、それらを織ることは容易でないことから、不織布２４を用いることが好ましい。

図４に示すように、衝突体２０は、繊維２２に定着されて尿素水Ｕを加水分解する尿素分解触媒２７を有している。尿素分解触媒２７は、酸化チタンをベースとして、酸化バナジウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化タングステンなどを添加したものが例示できる。

次に、衝突体２０の機能について説明する。尿素水噴射弁１５から尿素水Ｕが噴射されると、粒径の小さい尿素水Ｕ１は拡散し、排気ガスＧ中で加水分解される。一方、粒径の大きい尿素水Ｕ２は慣性力により噴射方向ｘに直進する。次いで、その尿素水Ｕ２が衝突体２０の衝突面２１に衝突する。

衝突した尿素水Ｕ２は、毛細管現象によって、衝突面２１を覆う多数の繊維２２の先端まで浸透する。次いで、繊維２２に浸透した尿素水Ｕ２は、液滴の状態よりも表面積が大きくなることで、揮発性が向上し、水分が蒸発して、加水分解が促進される。

さらに、水分が蒸発した尿素が、繊維２２に定着された尿素分解触媒２７により加水分解されて、アンモニアが生成される。そして、生成されたアンモニアは揮発してガスとなり、排気ガスＧと共に選択的還元触媒装置１６に供給される。

このように、このエンジン１０は、噴射された尿素水Ｕ２を衝突体２０に衝突させるこ
とで、排気通路１４の内壁に尿素水Ｕ２が直接、付着することを防止できる。さらに、衝突体２０に衝突した尿素水Ｕ２を、衝突面２１を覆う多数の繊維２２に毛細管現象により浸透させて、揮発性を向上することで、加水分解を促進して、白色生成物の析出を抑制できる。その上、繊維２２に尿素分解触媒２７を定着させることで、繊維２２に浸透して水分が蒸発した状態の尿素をその尿素分解触媒２７により加水分解することができるので、白色生成物の析出をより効果的に抑制することが可能になる。

そして、白色生成物の析出を抑制することで、選択的還元触媒装置１６に最適な量のアンモニアが供給されるので、アンモニアが過不足なく還元剤として機能して、選択的還元触媒装置１６における窒素酸化物の還元率を向上できる。したがって、選択的還元触媒装置１６を通過して大気へと排出される排気ガスＧに含有される窒素酸化物及びアンモニアの排出量を減少することができる。

この実施形態では、排気通路１４の所定の位置に衝突体２０を配置するだけで、衝突体２０が、自動的に白色生成物の析出を抑制するように機能する。そのため、排気ガスＧの温度を検出する装置や電力など動力が不要になるので、装置の重厚長大化を抑制できる。

また、この実施形態では、排気ガスＧが、衝突面２１に衝突することで、衝突体２０の流方向ｗの後方には、排気ガスＧの流れに乱れが発生する。これにより、尿素水Ｕ、あるいはアンモニアの分散がより向上する。特に、衝突板２３を排気通路１４の中央部に配置することで、流れの乱れによる分散を効果的に向上することが可能になる。

図５に例示する第二実施形態のエンジン１０は、第一実施形態に対して衝突面２１の噴射方向ｘからの正面視の形状が異なり、また、起伏の形状も異なっている。具体的に、第二実施形態の衝突面２１は、噴射方向ｘからの正面視で、円形に形成されている。また、衝突面２１は、噴射方向ｘと逆方向に突出する複数の突出部２６ｃが等間隔、あるいは不等間隔に配置されている。この突出部２６ｃは、衝突面２１から噴射方向ｘに対向する方向の一端部が球状に形成されている。

このように、衝突面２１の正面視の形状を円形にすることで、流方向投影形状も円形に近づくので、流方向投影面積を小さくすることできる。これにより、排気ガスＧの排気抵抗の抑制に有利になる。また、突出部２６ｃにより、衝突面２１の表面積が増えるので、繊維２２に浸透する尿素水Ｕ２の量を増加することができる。

図６に例示する第三実施形態のエンジン１０は、第一実施形態の構成に加えて、衝突体２０が、衝突面２１を温めるヒータ２８と、排気ガスＧの温度を検知する温度センサ２９とを有している。

ヒータ２８は、電熱ヒータであって、衝突板２３の衝突面２１の反対側の面に固定されており、信号線を介して制御装置１９に接続されている。なお、ヒータ２８は、衝突板２３の内部に埋められてもよく、この電熱ヒータが衝突面２１を形成してもよい。

温度センサ２９は、信号線を介して制御装置１９に接続されている。なお、温度センサ２９の代わりに、衝突面２１の温度を直接的に検知するセンサを用いてもよい。

以下に、このエンジン１０の制御方法を、制御装置１９の機能として説明する。まず、温度センサ２９が排気ガスＧの温度を検知する。次いで、制御装置１９が、その温度が予め設定された閾値以上か否かを判定する。閾値は、尿素の加水分解が促進される温度を判定可能な値に設定されており、例えば、９０度〜１００度に設定されている。

次いで、温度が閾値未満と判定すると、制御装置１９が、ヒータ２８に通電する。これにより、ヒータ２８によって、衝突面２１の温度を上昇する。そして、衝突面２１の温度が上昇して、尿素の加水分解が促進される温度以上になると、尿素が加水分解してアンモニアが生成される。衝突面２１の温度は、尿素の加水分解が促進される温度以上に維持されていればよい。つまり、排気ガスＧの温度が閾値以上になると、ヒータ２８への通電は停止される。

このような制御を行うようにしたことで、衝突体２０の衝突面２１の温度を、尿素の加水分解が促進される温度に維持することができる。つまり、この実施形態では、繊維２２に定着された尿素分解触媒２７と、衝突面２１の温度上昇との両方の作用により、尿素の加水分解が促進されるので、白色生成物の析出をより効果的に抑制できる。

なお、ヒータ２８を用いる場合は、繊維２２に尿素分解触媒２７を定着しなくてもよい。

図７に示す第四実施形態のエンジン１０は、上記の実施形態とは噴射方向ｘが異なっている。具体的に、選択的還元触媒装置１６よりも上流側の排気通路１４の内部において、尿素水噴射弁１５は、下端部の噴射部１８が、排気通路１４の管径方向（上下方向）に向いて配置されている。これに伴って、衝突面２１は、排気通路１４の内壁に対向している。つまり、尿素水Ｕの噴射方向ｘは、図中の上方から下方に向う方向になり、衝突面２１は、図中の下方から上方に向かう方向に向いている。

これにより、上記の実施形態よりも、排気ガスＧの流方向ｗに対する衝突体２０の流方向投影面積が減少することで、排気ガスＧの排気抵抗の低減には有利になる。

図８に示す第五実施形態のエンジン１０は、上記の実施形態とは噴射方向ｘが異なっている。具体的に、排気通路１４は、長手方向中途位置で屈曲しており、尿素水噴射弁１５が、その屈曲部に配置されている。排気ガスＧの流方向ｗは、この屈曲部で変化している。選択的還元触媒装置１６よりも上流側の排気通路１４の内部で、尿素水噴射弁１５は、一端部の噴射部１８が排気ガスＧの流方向ｗに向いて配置されている。これに伴って、衝突面２１は、排気ガスＧの流方向ｗの逆方向に向いている。つまり、尿素水Ｕの噴射方向ｘは、排気ガスＧの流方向ｗになり、衝突面２１は、流方向ｗに対向しいる。

このように、噴射方向ｘが排気ガスＧの流方向ｗになると、衝突面２１が流方向ｗに対向するので、衝突面２１により尿素水Ｕがより拡散する。また、屈曲部においては、排気ガスＧの流れに乱れが発生する。したがって、衝突面２１による拡散と流れの乱れの両方が作用することで、尿素水Ｕ、あるいはアンモニアの分散がより向上する。

なお、上記の実施形態においては、エンジン１０としてディーゼルエンジンを例に説明したが、ガソリンエンジンや、液化ガスを燃料とするエンジンにも適用可能である。また、排気ガスＧの浄化装置として、選択的還元触媒装置１６の上流側に排気ガスＧに含有される粒子状物質を捕集する捕集フィルタや、炭化水素などを酸化する酸化触媒装置を配置してもよい。さらに、選択的還元触媒装置１６の下流側にアンモニアを吸蔵する触媒装置を配置してもよい。

また、尿素水噴射弁１５は、排気通路１４に噴射部１８が挿通されていればよく、排気通路１４の一部の内壁を窪ませて形成した空間に配置されてもよい。この場合に、衝突体２０もその空間に配置される場合もあるが、その場合でも、上述したように機能する。

また、上記の実施形態では、尿素水噴射弁１５と衝突体２０とが、選択的還元触媒装置
１６の直前に配置された例を説明したが、それらは選択的還元触媒装置１６から流方向ｗの反対方向により離間させてもよい。例えば、尿素水噴射弁１５と衝突体２０とが図示しないターボチャージャよりも上流側に配置されてもよい。

衝突体２０は、衝突板２３以外で構成することも可能である。例えば、奥行き方向ｚから見た側面視で、排気ガスＧの流方向ｗに対して流線形状の立体で構成されてもよい。また、衝突面２１においては、半球面などで構成してもよい。

また、衝突体２０は、衝突面２１が上記の実施形態のように無孔面で形成されることが好ましいが、無孔面に限定されない。例えば、尿素水噴射弁１５と選択的還元触媒装置１６との間に配置された撹拌装置で構成されてもよい。攪拌装置は、排気通路１４の内部を閉鎖及び開放する弁体を有し、その弁体に排気ガスＧが通過可能な貫通孔が設けられているものや、弁体に排気ガスＧを撹拌する複数の攪拌翼が設けられているものが例示できる。但し、衝突面２１が無孔面であれば、粒子の大きい尿素水Ｕ２が必ずその衝突面２１に衝突することになり、排気ガスＧの流量が少ない場合もで、白色生成物の析出を確実に防止することができる。

１０ エンジン
１４ 排気通路
１５ 尿素水噴射弁
１６ 選択的還元触媒装置
１８ 噴射部
２０ 衝突体
２１ 衝突面
２２ 繊維
ｘ 噴射方向

Claims (7)

1. 排気ガスが流れる排気通路と、この排気通路に配置された尿素水噴射弁と、この尿素水噴射弁よりも排気ガスの流れに関して下流側に配置された選択的還元触媒装置と、を備え、前記尿素水噴射弁が、一端部に噴射部を有しており、その噴射部から前記排気通路の内部に尿素水を噴射して、前記選択的還元触媒装置が、噴射された尿素水から分解されたアンモニアを還元剤として窒素酸化物を還元する構成にしたエンジンにおいて、
   前記選択的還元触媒装置よりも上流側の前記排気通路の内部に、前記噴射部から噴射された尿素水が衝突する衝突体を備えて、
   この衝突体の尿素水が衝突する衝突面の少なくとも下端部の領域を含む領域又は全域が、繊維で覆われていることを特徴とするエンジン。
2. 前記衝突体が、前記噴射部から尿素水の噴射方向に離間した位置に配置されて、前記衝突面が、その噴射方向に対向する方向に向けられている請求項１に記載のエンジン。
3. 前記衝突体が、前記衝突面を有した衝突板と、前記繊維が集積してシート状に形成された不織布とを有しており、その不織布が前記衝突面を覆っている請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 前記繊維に、尿素を分解する尿素分解触媒が定着している請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジン。
5. 前記衝突体が、前記衝突面を温めるヒータを有している請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジン。
6. 前記衝突面が、起伏している請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジン。
7. 前記衝突面の排気ガスの流方向の投影面積が、前記排気通路の断面積よりも小さい請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンジン。