JP2019143532A - 還元剤噴射装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡素な構成で、還元剤と排気ガスとの混合を効果的に促進させる。【解決手段】排気を流通させる流路体１３と、流路体１３内に還元剤を噴射可能なインジェクタ３３と、複数枚のフィン５２〜５９を有すると共に、流路体１３内のインジェクタ３３よりも下流側に設けられたミキサー部材５０とを備え、ミキサー部材５０が、その中心部５１を流路体１３内の排気通路軸中心に対してインジェクタ３３とは反対側にオフセットして流路体１３内に配置されると共に、インジェクタ３３の噴射軸心がミキサー部材５０の中心部５１よりもオフセット側のフィンに向けられている。【選択図】図３
Description
本開示は、還元剤噴射装置に関し、特に、還元触媒を備えた排気浄化システムに好適な還元剤噴射装置に関する。
この種の還元触媒の一例として、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触媒と称する）が知られている。
尿素水インジェクタから噴射される尿素水が、排気管の例えば湾曲部等を流れる排気ガスの偏流の影響を受けると、ＳＣＲ触媒に供給される還元剤と排気ガスとの混合が不均一となり、供給量が多い領域ではアンモニアが過剰になる一方、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。
このような還元剤の分布の均一化を図る技術として、例えば、特許文献１には、排気管の湾曲部に設けられた尿素水インジェクタとＳＣＲ触媒との間にミキサー部材を配置し、該ミキサー部材に複数枚の分散板を取り付けた構造が開示されている。
ところで、上記特許文献１開示の構造では、ミキサー部材に複数枚の分散板を個別に取り付けている。このため、加工工数や組み付け工数が増加し、コストの上昇を招くといった課題がある。
本開示の技術は、簡素な構成で、還元剤と排気ガスとの混合を効果的に促進させることを目的とする。
本開示の技術は、排気を流通させる流路体と、前記流路体内に還元剤を噴射可能なインジェクタと、複数枚のフィンを有すると共に、前記流路体内の前記インジェクタよりも下流側に設けられたミキサー部材と、を備え、前記ミキサー部材が、その中心部を前記流路体内の排気通路軸中心に対して前記インジェクタとは反対側にオフセットして前記流路体内に配置されると共に、前記インジェクタの噴射軸心が前記ミキサー部材の中心部よりもオフセット側のフィンに向けられていることを特徴とする。
また、前記流路体が湾曲部を含み、前記インジェクタが前記湾曲部の曲率半径が大きい外側湾曲部に設けられており、前記ミキサー部材が、その中心部を前記湾曲部の曲率半径が小さい内側湾曲部側にオフセットして配置されていることが好ましい。
また、前記インジェクタが３つの噴射孔を有すると共に、これら複数の噴射孔のうち、少なくとも２つの噴射孔の噴射軸心が前記ミキサー部材の中心部よりもオフセット側のフィンに向けられていることが好ましい。
また、前記複数枚のフィンが、前記ミキサー部材の中心部から放射状に延びて形成されていることが好ましい。
本開示の技術によれば、簡素な構成で、還元剤と排気ガスとの混合を効果的に促進させることができる。
以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る還元剤噴射装置を説明する。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。
［全体構成］
図１は、本実施形態に係る還元剤噴射装置１が適用されたエンジン１０の排気系を示す模式的な全体構成図である。同図に示すように、エンジン１０の排気系は、排気上流側から順に、排気マニホールド１１、上流配管１２、前段ケーシング２０、接続配管１３、後段ケーシング４０及び、放出配管１４等を備えている。
図１は、本実施形態に係る還元剤噴射装置１が適用されたエンジン１０の排気系を示す模式的な全体構成図である。同図に示すように、エンジン１０の排気系は、排気上流側から順に、排気マニホールド１１、上流配管１２、前段ケーシング２０、接続配管１３、後段ケーシング４０及び、放出配管１４等を備えている。
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に接続されている。また、上流配管１２の下流端は、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（粒子状物質）を隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積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（ＮＨ３）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。
図２は、本実施形態に係る尿素水インジェクタ３３の一例を示す模式的な斜視図である。同図に示すように、尿素水インジェクタ３３は、略円筒状のインジェクタボディ３４と、３本のノズル３５，３６，３７とを備えている。各ノズル３５〜３７は、好ましくは、インジェクタボディ３４の底部３４Ａに周方向に等ピッチ（１２０°毎）に配置されている。これらノズル３５〜３７は、インジェクタボディ３４の底部３４Ａから筒軸心に対して所定の角度で傾いて突出するように取り付けられている。各ノズル３５，３６，３７の先端部には、噴射孔３５Ａ，３６Ａ，３７Ａがそれぞれ設けられている。
図１に戻り、後段ケーシング４０は、略円筒状に形成されている。後段ケーシング４０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。
［第一実施形態］
次に、図３に基づいて、第一実施形態に係る還元剤噴射装置１の詳細構成について説明する。同図に示すように、還元剤噴射装置１は、接続配管１３（以下、単に排気管１３という）と、ミキサー部材５０と、尿素水インジェクタ３３とを備えている。
次に、図３に基づいて、第一実施形態に係る還元剤噴射装置１の詳細構成について説明する。同図に示すように、還元剤噴射装置１は、接続配管１３（以下、単に排気管１３という）と、ミキサー部材５０と、尿素水インジェクタ３３とを備えている。
排気管（流路体の一例）１３は、好ましくは、その流路断面形状を略円形状に形成されている。また、排気管１３の少なくとも一部には、湾曲部１３Ａが設けられている。なお、以下の説明において、湾曲部１３Ａのうち、管壁の曲率半径が大きい側を湾曲外側部１３Ｂ、管壁の曲率半径が小さい側を湾曲内側部１３Ｃと称する。
ミキサー部材５０は、排気管１３内の湾曲部１３Ａと後段ケーシング４０（図１参照）との間に設けられている。ミキサー部材５０は、排気管１３の管軸方向視において、全体として排気管１３の管内径よりも外径が小さい略円形状を呈している。具体的には、ミキサー部材５０は、略円中心に位置する中心ハブ５１と、中心ハブ５１から放射状に延びる複数枚（図示例では８枚）のフィン５２〜５９とを有する。各フィン５２〜５９は、好ましくは、径方向及び周方向の寸法が略同一形状に形成されており、中心ハブ５１に対して周方向に等ピッチ（８枚の場合は、約４５°毎）に配置されている。
ミキサー部材５０は、好ましくは、各フィン５２〜５９のうち、所定のフィン（図示例ではフィン５７）の先端部を下流側に折り返して形成されたフランジ部５７Ａを排気管１３の内壁に溶接等で接合することにより固定されている。なお、ミキサー部材５０の固定方法は、フランジ部５７Ａに限定されず、他の部材等を用いてもよい。
本実施形態において、ミキサー部材５０は、湾曲部１３Ａよりも下流側の排気管１３内に、中心ハブ５１を排気管１３の管軸心Ｘに対して内側湾曲部１３Ｃ側にオフセット（偏心）して設けられている。すなわち、中心ハブ５１よりも外側湾曲部１３Ｂ側（反オフセット側）の各フィン５２〜５４の外周縁と、外側湾曲部１３Ｂよりも下流側の排気管１３内壁との間には、管軸方向視で略半円弧状のクリアランスＣが確保されている。
尿素水インジェクタ３３は、外側湾曲部１３Ｂに形成されたボス部１３Ｄに、所定の姿勢で不図示のボルト等により固定されている。具体的には、尿素水インジェクタ３３は、第１ノズル３５の第１噴射孔３５Ａの噴射軸心Ｙ１が反オフセット側のフィンの何れか１枚（図示例ではフィン５３）に向けられ、且つ、残りの第２ノズル３６の第２噴射孔３６Ａ及び、第３ノズル３７の第３噴射孔３７Ａの各噴射軸心Ｙ２，Ｙ３がオフセット側のフィンの何れか２枚（図示例ではフィン５６，５８）にそれぞれ向けられるように取り付けられている。インジェクタ３３の各噴射孔３５Ａ〜３７Ａから噴射されて各フィン５２〜５９に付着した尿素水は、排気熱により加水分解されてアンモニアに生成され、排気ガスと均一に混合されながら下流側のＳＣＲ触媒４１（図１参照）に還元剤として供給される。
以上詳述した本実施形態によれば、ミキサー部材５０を、その中心ハブ５１が排気管１３内の内側湾曲部１３Ｃ側にオフセットするように配置し、さらに外側湾曲部１３Ｂに設けられたインジェクタ３３の３個の噴射孔３５Ａ〜３７Ａのうち、１個の噴射孔３５Ａを反オフセット側のフィン５３に指向させ、残り２個の噴射孔３６Ａ，３７Ａをオフセット側のフィン５６，５８に指向させている。すなわち、排気ガス流量が多く偏る外側湾曲部１３Ｂ側のフィン５３に対しては、１個の噴射孔３５Ａから尿素水を噴射し、排気ガス流量が少なくなる内側湾曲部１３Ｃ側のフィン５６，５８に対しては２個の噴射孔３６Ａ，３７Ａから尿素水が噴射されるように構成されている。
これにより、クリアランスＣをすり抜ける尿素水の量が抑制され、ミキサー部材５０の各フィン５２〜５９に尿素水を分散して付着させることができる。また、各フィン５２〜５９に尿素水が分散して付着することで、生成されるアンモニアと排気ガスとの均一な混合が促進されて、ＳＣＲ触媒４１に供給されるアンモニアの分布の均一化も図られるようになり、ＮＯｘ浄化性能を効果的に向上させることが可能になる。
また、ミキサー部材５０に別部材等を取り付ける必要がなく、さらには、中心ハブ５１やフィン５２〜５９の設計変更も不要なため、加工工数や組み付け工数の増加、これらに伴う製造コストの上昇も効果的に抑えることができる。
［第二実施形態］
次に、図４に基づいて、第二実施形態に係る尿素水噴射装置１を説明する。第二実施形態の尿素水噴射装置１は、尿素水インジェクタ３３が排気管１３の直線状部分に設けられて、尿素水を排気管１３内に管軸心Ｘに対して斜めに噴射する構造に適用したものである。
次に、図４に基づいて、第二実施形態に係る尿素水噴射装置１を説明する。第二実施形態の尿素水噴射装置１は、尿素水インジェクタ３３が排気管１３の直線状部分に設けられて、尿素水を排気管１３内に管軸心Ｘに対して斜めに噴射する構造に適用したものである。
具体的には、ミキサー部材５０が、その中心ハブ５１を管軸心Ｘよりも尿素水インジェクタ３３とは反対側にオフセットして配置されている。さらに、第１ノズル３５の第１噴射孔３５Ａの噴射軸心Ｙ１が尿素水インジェクタ３３に近い反オフセット側のフィン（図示例ではフィン５３）に向けられると共に、第２ノズル３６の第２噴射孔３６Ａ及び第３ノズル３７の第３噴射孔３７Ａの各噴射軸心Ｙ２，Ｙ３が尿素水インジェクタ３３から離れたオフセット側のフィン（図示例ではフィン５５，５８）にそれぞれ向けられている。
このように構成することで、尿素水インジェクタ３３に近い反オフセット側のフィン及び、尿素水インジェクタ３３から離れたオフセット側のフィンに尿素水を分散して付着させることが可能となり、第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
［その他］
なお、本開示は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本開示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。
なお、本開示は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本開示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。
上記実施形態において、尿素水インジェクタ３３は３本のノズル３５〜３７を有するものとして説明したが、ノズル本数は複数に限定されず、１本のノズルを備えるものであってもよい。ノズルが１本、且つこのノズルに複数の噴射孔を備える場合には、少なくとも１つの噴射孔を、オフセット側のフィンの向きに尿素水が噴射されるようにすればよく、或は、ノズルが１本、且つこのノズルに１つだけ噴射孔を備える場合には、この噴射孔をオフセット側のフィンの向きに尿素水が噴射されるようにすればよい。
また、上記実施形態の適用は排気管１３に限定されず、図５に示すようなミキシングチャンバＭＣに適用することも可能である。この場合は、ミキサー部材５０をミキシングチャンバＭＣ内のケーシング２０，４０側にオフセットして配置すればよい。
また、ミキサー部材５０は、各フィン５２〜５９が中心ハブ５１から放射状に延びるタイプを一例に説明したが、各フィンがリング体から中心部に向けて折り返されたタイプや、各フィンがリング体内に格子状に配置されたタイプ等、他の形状にも広く適用することが可能である。また、フィン５２〜５９の枚数は８枚に限定されず、他の枚数であってもよい。
また、上記実施形態の適用範囲は尿素水インジェクタ３３に限定されず、第１酸化触媒２１にＨＣを供給する排気管インジェクタにも適用することが可能である。
１ 還元剤噴射装置
１３ 接続配管（流路体）
１３Ａ 湾曲部
１３Ｂ 外側湾曲部
１３Ｃ 内側湾曲部
３３ 尿素水インジェクタ
３５ 第１ノズル
３５Ａ 第１噴射孔
３６ 第２ノズル
３６Ａ 第２噴射孔
３７ 第３ノズル
３７Ａ 第３噴射孔
５０ ミキサー部材
５１ 中心ハブ
５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９ フィン
１３ 接続配管（流路体）
１３Ａ 湾曲部
１３Ｂ 外側湾曲部
１３Ｃ 内側湾曲部
３３ 尿素水インジェクタ
３５ 第１ノズル
３５Ａ 第１噴射孔
３６ 第２ノズル
３６Ａ 第２噴射孔
３７ 第３ノズル
３７Ａ 第３噴射孔
５０ ミキサー部材
５１ 中心ハブ
５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９ フィン
Claims (4)
- 排気を流通させる流路体と、
前記流路体内に還元剤を噴射可能なインジェクタと、
複数枚のフィンを有すると共に、前記流路体内の前記インジェクタよりも下流側に設けられたミキサー部材と、を備え、
前記ミキサー部材が、その中心部を前記流路体内の排気通路軸中心に対して前記インジェクタとは反対側にオフセットして前記流路体内に配置されると共に、前記インジェクタの噴射軸心が前記ミキサー部材の中心部よりもオフセット側のフィンに向けられている
ことを特徴とする還元剤噴射装置。 - 前記流路体が湾曲部を含み、
前記インジェクタが前記湾曲部の曲率半径が大きい外側湾曲部に設けられており、
前記ミキサー部材が、その中心部を前記湾曲部の曲率半径が小さい内側湾曲部側にオフセットして配置されている
請求項１に記載の還元剤噴射装置。 - 前記インジェクタが３つの噴射孔を有すると共に、これら複数の噴射孔のうち、少なくとも２つの噴射孔の噴射軸心が前記ミキサー部材の中心部よりもオフセット側のフィンに向けられている
請求項１又は２に記載の還元剤噴射装置。 - 前記複数枚のフィンが、前記ミキサー部材の中心部から放射状に延びて形成されている
請求項１から３の何れか一項に記載の還元剤噴射装置。
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