JP2017214884A - 排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクタから排気管内に噴射される還元剤をミキサー部材の全体に効果的に分散させる。【解決手段】エンジン１０から排出される排気ガスを流通させる排気管１３と、排気管１３内に還元剤を噴射するインジェクタ３３と、排気管１３内のインジェクタ３３よりも下流側に設けられると共に、排気ガスを通過させて拡散させる複数の排気流路を含み、排気流路を通過する排気ガスを還元剤と混合させるミキサー部材５０と、排気管１３内のミキサー部材５０よりも下流側に設けられた還元触媒４１とを備え、ミキサー部材５０は、インジェクタ３３から噴射される還元剤の分布が多くなる領域の排気ガスを通過させる排気流路の流通抵抗が他の排気流路の流通抵抗よりも大きく設定された。【選択図】図２

Description

本発明は、排気浄化システムに関し、特に、還元触媒を備えた排気浄化システムに関する。

この種の排気浄化システムとして、排気管内に尿素水を添加する尿素水インジェクタと、尿素水から排気熱により加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として排気ガス中に含まれる窒素化合物（以下、ＮＯｘ）を還元浄化する選択的還元触媒（以下、ＳＣＲ触媒）とを備えるものが知られている。

ＳＣＲ触媒に供給される還元剤の分布が偏ると、供給量が多い領域ではアンモニアが過剰となり、供給量が不足する領域ではＮＯｘを十分に還元浄化できないことになる。このため、還元効率を向上するには、還元剤を排気ガスに混合拡散させて、ＳＣＲ触媒に還元剤を均一に分布させる必要がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−００２３３５号公報

一般的に、排気管はレイアウト上の制約から湾曲して形成される場合がある。上記従来技術のように、尿素水インジェクタを排気管の湾曲部に設けた構造においては、排気ガスの流れは湾曲部内の半径が大きい湾曲外側に偏流するため、尿素水インジェクタから噴射された還元剤がミキサープレートに均一に分散されず、十分な効果を発揮できない可能性がある。

本開示のシステムは、インジェクタから排気管内に噴射される還元剤をミキサー部材の全体に効果的に分散させることを目的とする。

本開示のシステムは、エンジンから排出される排気ガスを流通させる排気管と、前記排気管内に還元剤を噴射するインジェクタと、前記排気管内の前記インジェクタよりも下流側に設けられると共に、排気ガスを通過させて拡散させる複数の排気流路を含み、当該排気流路を通過する排気ガスを還元剤と混合させるミキサー部材と、前記排気管内の前記ミキサー部材よりも下流側に設けられて、排気ガスを還元剤と反応させて浄化する還元触媒と、を備え、前記ミキサー部材は、前記インジェクタから噴射される還元剤の分布が多くなる領域の排気ガスを通過させる排気流路の流通抵抗が他の排気流路の流通抵抗よりも大きく設定されたことを特徴とする。

前記排気管は、少なくともその一部に湾曲部を含み、前記インジェクタは、前記湾曲部又は当該湾曲部よりも上流側の前記排気管に設けられ、前記ミキサー部材は、前記湾曲部の直下流に設けられると共に、前記複数の排気流路は、前記湾曲部の湾曲外側に偏流される排気ガスを通過させる排気流路の流通抵抗が他の排気流路の流通抵抗よりも大きく設定されてもよい。

前記ミキサー部材は、その外周面を前記排気管の内周面に固定される環状のリング部材と、前記リング部材内に配置されるハブと、前記ハブの外周面から前記リング部材の内周面に向かって放射状に延びると共に、そのプレート面と前記リング部材の内周面とにより前記複数の排気流路をそれぞれ区画する複数枚のフィン部材と、を備え、前記ハブを前記リング部材の中心から偏心させて、当該ハブの偏心側に区画される排気流路の流通抵抗を他の排気流路の流路抵抗よも大きく設定してもよい。

前記ミキサー部材は、その外周面を前記排気管の内周面に固定される環状のリング部材と、前記リング部材内に格子状に配置されて前記複数の排気流路を区画する複数枚のプレート部材と、前記プレート部材と一体に形成されて所定の角度で折り曲げられると共に、前記複数の排気流路の一部をそれぞれ区画する複数枚のフィン部材と、を備え、前記複数枚のフィン部材のうち、所定のフィン部材を他のフィン部材よりも大きく折り曲げて、前記所定のフィン部材により区画される排気流路の流通抵抗を前記他のフィン部材により区画される排気流路の流通抵抗よりも大きく設定してもよい。

前記インジェクタが前記還元剤として尿素水を噴射し、前記還元触媒が前記尿素水から排気熱により加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として排気ガス中に含まれる窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒であってもよい。

本開示のシステムによれば、インジェクタから排気管内に噴射される還元剤をミキサー部材の全体に効果的に分散させることができる。

本発明の第一実施形態に係る排気浄化システムを示す模式的な全体構成図である。 本発明の第一実施形態に係る排気浄化システムの要部を示す模式的な断面図である。 本発明の第一実施形態に係るミキサー部材を示す模式的な正面図である。 本発明の第二実施形態に係る排気浄化システムの要部を示す模式的な断面図である。 本発明の第二実施形態に係るミキサー部材を示す模式的な斜視図である。 他の実施形態に係る排気浄化システムの要部を示す模式的な断面図である。 他の実施形態に係る排気浄化システムの要部を示す模式的な断面図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の各実施形態に係る排気浄化システムを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［第一実施形態］
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の排気系は、排気上流側から順に、排気マニホールド１１と、上流配管１２と、前段ケーシング２０と、接続配管１３と、後段ケーシング４０と、放出配管１４とを備えている。

上流配管１２は、略円筒状に形成されており、その上流端を排気マニホールド１１に接続されると共に、その下流端を前段ケーシング２０の上流側開口部に接続されている。

前段ケーシング２０は、略円筒状に形成されており、その内部には、排気上流側から順に、第１酸化触媒２１及び、フィルタ２２が収容されている。

第１酸化触媒２１は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分等を担持して形成されている。第１酸化触媒２１は、エンジン１０のポスト噴射や図示しない排気管インジェクタの排気管噴射によって未燃燃料（ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。

フィルタ２２は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。フィルタ２２は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積推定量が所定量に達すると、これを燃焼除去するフィルタ強制再生が実施される。

接続配管１３は、湾曲部１３Ａを有する略円筒状に形成されており、前段ケーシング２０の下流側開口部と後段ケーシング４０の上流側開口部とを接続する。接続配管１３の湾曲部１３Ａには、尿素水噴射装置３０の一部を構成する尿素水インジェクタ３３が設けられ、さらに、湾曲部１３Ａ直下流の接続配管１３内には、詳細を後述するミキサー部材５０が設けられている。

尿素水噴射装置３０は、尿素水を貯留する尿素水タンク３１と、尿素水タンク３１から尿素水を汲み上げる尿素水ポンプ３２と、接続配管１３内に尿素水を噴射する尿素水インジェクタ３３とを備えている。尿素水インジェクタ３３から接続配管１３内に噴射された尿素水は、排気熱により加水分解されてアンモニア（ＮＨ_３）に生成され、下流側のＳＣＲ触媒４１に還元剤として供給される。本実施形態において、尿素水インジェクタ３３は、湾曲部１３Ａよりも下流側の接続配管１３内に尿素水を管軸方向に向けて略円錐状に噴射するように装着されている。

後段ケーシング４０は、略円筒状に形成されており、その内部には、排気上流側から順に、ＳＣＲ触媒４１及び、第２酸化触媒４２が収容されている。

ＳＣＲ触媒４１は、例えば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。ＳＣＲ触媒４１は、尿素水インジェクタ３３から還元剤として供給されるアンモニアを吸着すると共に、吸着したアンモニアで通過する排気中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。

第２酸化触媒４２は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分等を担持して形成されており、ＳＣＲ触媒４１から下流側にスリップしたアンモニアを酸化する機能を有している。

次に、図２，３に基づいて、第一実施形態に係るミキサー部材５０の詳細構成について説明する。

ミキサー部材５０は、接続配管１３内の湾曲部１３Ａ直下流に設けられている。より詳しくは、ミキサー部材５０は、円環状のリング部材５１と、リング部材５１の内部に配置されたハブ５２と、ハブ５２の周囲に配置された複数枚（図示例では８枚）のフィン部材５３とを備えている。

リング部材５１は、接続配管１３の内径と略同径の外径を呈しており、その外周面を接続配管１３の内周面に溶接等で固定されている。各フィン部材５３は、ハブ５２の外周面からリング部材５１の内周面に向かって放射状に取り付けられており、そのプレート面とリング部材５１の内周面とにより排気ガスを通過させる複数（図示例では８個）の排気流路を区画する。各フィン部材５３は、排気ガスが各排気流路を通過すると、排気ガスの流れに旋回流が生じるように、排気ガスの流れ方向に対して所定の角度で傾斜して設けられている。

本実施形態において、ハブ５２は、リング部材５１の中心から湾曲部１３Ａの湾曲外側にオフセット（偏心）して配置されている。すなわち、湾曲部１３Ａ内を湾曲外側に偏流する排気ガスを通過させるオフセット側（図中上側）の排気流路の流路面積が、排気ガス流量の少ない反オフセット側（図中下側）の排気流路の流路面積よりも小さくなるように形成されている。このように、オフセット側の排気流路の流通抵抗を反オフセット側の排気流路の流通抵抗よりも大きく設定したことで、湾曲部１３Ａ内で湾曲外側に偏流された排気ガスが流通抵抗の小さい反オフセット側の排気流路に導かれるようになる。

以上詳述したように、第一実施形態によれば、ミキサー部材５０のハブ５２をリング部材５１の中心から湾曲部１３Ａの湾曲外側にオフセットしたことで、各フィン部材５３により区画される各排気流路は、オフセット側（図中上側）の排気流路の流路面積が反オフセット側（図中下側）の排気流路の流路面積よりも小さく形成されている。すなわち、湾曲部１３Ａの湾曲外側に対応するオフセット側の排気流路の流通抵抗を大きく設定したことで、湾曲部１３Ａ内で湾曲外側に偏流された排気ガスが排気ガス流量の少ない湾曲内側に対応する反オフセット側の排気流路に向けて流れやすくなるように構成されている。

これにより、排気ガスがミキサー部材５０の全体を均一に通過して、尿素水インジェクタ３３から噴射された尿素水も排気ガスの流れによってミキサー部材５０の全体に均一に分散されるようになり、ミキサー部材５０の全体を活用した排気ガスと還元剤との混合拡散を効果的に促進させることができる。

［第二実施形態］
次に、図４，５に基づいて、第二実施形態に係る排気浄化システムを説明する。第二実施形態の排気浄化システムは、接続配管１３の湾曲部１３Ａ直下流に格子状の排気流路を有するミキサー部材６０を設けたものである。

ミキサー部材６０は、円環状のリング部材６１と、リング部材６１の内部に格子状に配置されて複数の排気流路を区画する複数枚の平板部材６３Ａ，Ｂと、平板部材６３Ａと一体に形成されて排気下流側に突出する複数枚のフィン６４Ａ，Ｂとを備えて構成されている。各フィン６４Ａ，Ｂは、平板部材６３Ａに略Ｖ字状の切り込みを入れて台形状に残された部位を所定の角度で折り曲げることで形成されている。また、各フィン６４Ａ，Ｂは、一の方向（図５中Ａ方向）に折り曲げられたフィン６４Ａと、他の方向（図５中Ｂ方向）に折り曲げられたフィン６４Ｂとが交互に並列するように形成されている。

このように、逆方向に折り曲げられたフィン６４Ａ，Ｂを交互に配置することで、ミキサー部材６０を通過する排気ガスに乱流を生じさせ、還元剤と排気ガスとの混合拡散が効果的に促進されるようになっている。また、複数枚のフィン６４Ａ，Ｂに尿素水を付着させて、通過する高温排気ガスと接触させることで、尿素水からアンモニアへの生成効率が効果的に向上されるようになっている。

本実施形態において、各フィン６４Ａ，Ｂは、湾曲部１３Ａの湾曲外側に対応するフィン６４Ａ，Ｂの折り曲げ角度が、湾曲部１３Ａの湾曲内側に対応するフィン６４Ａ，Ｂの折り曲げ角度よりも大きく設定されている。すなわち、湾曲部１３Ａ内を湾曲外側に偏流する排気ガスを通過させる排気流路（図４中の上側の排気流路）の流通抵抗が、排気ガス流量の少ない湾曲内側に対応する他の排気流路（図４中の下側の排気流路）の流通抵抗よりも大きくなるように形成されている。

これにより、上記第一実施形態と同様に、排気ガスがミキサー部材６０の全体を均一に通過して、尿素水インジェクタ３３から噴射された尿素水も排気ガスの流れによってミキサー部材６０の全体に均一に分散されるようになり、ミキサー部材６０の全体を活用した排気ガスと還元剤との混合拡散を効果的に促進させることができる。

なお、本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図６，７に示すように、上記第一実施形態のミキサー部材５０及び、上記第二実施形態のミキサー部材６０は、尿素水インジェクタ３３が接続配管１３の直線状部分に設けられ、尿素水インジェクタ３３が尿素水を接続配管１３内に管軸方向に対して斜めに噴射する構造に適用することもできる。

図６の例では、ミキサー部材５０のハブ５２をリング部材５１の中心から尿素水インジェクタ３３側（図中上側）にオフセットして、尿素水インジェクタ３３に近い排気流路の流路面積を尿素水インジェクタ３３から離れた排気流路の流通面積よりも小さく設定すればよい。同様に、図７の例では、ミキサー部材６０の各フィン６４Ａ，Ｂのうち、尿素水インジェクタ３３に近いフィン６４Ａ，Ｂの折り曲げ角度を尿素水インジェクタ３３から離れたフィン６４Ａ，Ｂの折り曲げ角度よりも大きく設定すればよい。

これら何れの場合も、尿素水インジェクタ３３から近い図中上側の排気流路の流通抵抗が大きくなることで、排気ガスが尿素水の到達しにくい図中下側の排気流路に導入されやすくなり、尿素水をミキサー部材５０，６０の全体に均一に分散されることができる。

また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他に内燃機関にも広く適用することが可能である。

１０ エンジン
１１ 排気マニホールド
１２ 上流配管
１３ 接続配管
１３Ａ 湾曲部
２０ 前段ケーシング
３０ 尿素水噴射装置
３１ 尿素水タンク
３２ 尿素水ポンプ
３３ 尿素水インジェクタ
４０ 後段ケーシング
４１ ＳＣＲ触媒
５０ ミキサー部材
５１ リング部材
５２ ハブ
５３ フィン部材

Claims (5)

1. エンジンから排出される排気ガスを流通させる排気管と、
   前記排気管内に還元剤を噴射するインジェクタと、
   前記排気管内の前記インジェクタよりも下流側に設けられると共に、排気ガスを通過させて拡散させる複数の排気流路を含み、当該排気流路を通過する排気ガスを還元剤と混合させるミキサー部材と、
   前記排気管内の前記ミキサー部材よりも下流側に設けられて、排気ガスを還元剤と反応させて浄化する還元触媒と、を備え、
   前記ミキサー部材は、前記インジェクタから噴射される還元剤の分布が多くなる領域の排気ガスを通過させる排気流路の流通抵抗が他の排気流路の流通抵抗よりも大きく設定された
   ことを特徴とする排気浄化システム。
2. 前記排気管は、少なくともその一部に湾曲部を含み、前記インジェクタは、前記湾曲部又は当該湾曲部よりも上流側の前記排気管に設けられ、前記ミキサー部材は、前記湾曲部の直下流に設けられると共に、前記複数の排気流路は、前記湾曲部の湾曲外側に偏流される排気ガスを通過させる排気流路の流通抵抗が他の排気流路の流通抵抗よりも大きく設定された
   請求項１に記載の排気浄化システム。
3. 前記ミキサー部材は、その外周面を前記排気管の内周面に固定される環状のリング部材と、前記リング部材内に配置されるハブと、前記ハブの外周面から前記リング部材の内周面に向かって放射状に延びると共に、そのプレート面と前記リング部材の内周面とにより前記複数の排気流路をそれぞれ区画する複数枚のフィン部材と、を備え、前記ハブを前記リング部材の中心から偏心させて、当該ハブの偏心側に区画される排気流路の流通抵抗を他の排気流路の流路抵抗よも大きく設定した
   請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
4. 前記ミキサー部材は、その外周面を前記排気管の内周面に固定される環状のリング部材と、前記リング部材内に格子状に配置されて前記複数の排気流路を区画する複数枚のプレート部材と、前記プレート部材と一体に形成されて所定の角度で折り曲げられると共に、前記複数の排気流路の一部をそれぞれ区画する複数枚のフィン部材と、を備え、前記複数枚のフィン部材のうち、所定のフィン部材を他のフィン部材よりも大きく折り曲げて、前記所定のフィン部材により区画される排気流路の流通抵抗を前記他のフィン部材により区画される排気流路の流通抵抗よりも大きく設定した
   請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
5. 前記インジェクタが前記還元剤として尿素水を噴射し、前記還元触媒が前記尿素水から排気熱により加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として排気ガス中に含まれる窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒である
   請求項１から４の何れか一項に記載の排気浄化システム。
   

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