JP2019173709A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤を排気中に分散させる分散板を利用した排気浄化装置において、還元剤由来の析出物の堆積を抑制すること。【解決手段】排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気に含まれる窒素酸化物を還元浄化する。その排気浄化装置は、排気通路に還元剤を噴射する噴射弁と、噴射弁よりも下流の排気通路に設けられた選択還元型触媒と、噴射弁と選択還元型触媒との間の排気通路において排気通路の内周面から内側に向かって設けられた分散板と、を備える。分散板は、噴射弁から噴射された還元剤が衝突する衝突面と、衝突面よりも排気通路の内周面側に位置する支持面と、を有する。衝突面は、排気流れ方向に対して４５°以上９０°以下の角度をなす。支持面は、排気流れ方向に対して０°以上４５°未満の角度をなす。【選択図】図４

Description

本発明は、排気に含まれる窒素酸化物を還元浄化する排気浄化装置に関する。

還元剤を用いて排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化する選択触媒還元（SCR: Selective Catalytic Reduction）技術が知られている。典型的には、尿素水が還元剤として用いられる。排気通路に噴射された尿素水が高温排気中で加水分解することにより、アンモニアガスが生成される。そのアンモニアガスが排気と共に選択還元型触媒に供給される。そして、選択還元型触媒の作用によって、排気中の窒素酸化物とアンモニアガスとが反応し、窒素酸化物が還元浄化される。

特許文献１は、排気通路に噴射された尿素水を微粒化させ、排気中に分散させるための分散板を開示している。その分散板は、筒体の周方向に沿って設けられた複数の羽根を備えている。各々の羽根の先端は、筒体の外周からその中央へと延設される。

特開２０１４−１６３２３２号公報

特許文献１に記載された技術によれば、排気通路に噴射された尿素水は、分散板に衝突し、分散する。このとき、尿素水の一部は、分散板に付着する。分散板に付着した尿素水は、重力によって、分散板の表面に沿って流下する。流下した尿素水は、分散板の足元に滞留する。流下中あるいは滞留している尿素水の水分が蒸発すると、固形の尿素結晶等の析出物が堆積する。つまり、尿素由来の析出物が分散板の足元等に堆積する。そして、時間経過と共に、析出物の堆積が進行していく。析出物の堆積が進行すると、浄化性能の悪化や圧損増大を引き起こす。

本発明の１つの目的は、還元剤を排気中に分散させる分散板を利用した排気浄化装置において、還元剤由来の析出物の堆積を抑制することができる技術を提供することにある。

本発明の１つの観点において、排気浄化装置が提供される。
前記排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気に含まれる窒素酸化物を還元浄化する。
前記排気浄化装置は、
前記排気通路に還元剤を噴射する噴射弁と、
前記噴射弁よりも下流の前記排気通路に設けられた選択還元型触媒と、
前記噴射弁と前記選択還元型触媒との間の前記排気通路において、前記排気通路の内周面から内側に向かって設けられた分散板と
を備える。
前記分散板は、
前記噴射弁から噴射された前記還元剤が衝突する衝突面と、
前記衝突面よりも前記内周面側に位置する支持面と
を有する。
前記分散板の位置における前記排気通路の延在方向は、第１方向である。
前記衝突面は、前記第１方向に対して４５°以上９０°以下の角度をなす。
前記支持面は、前記第１方向に対して０°以上４５°未満の角度をなす。

本発明に係る排気浄化装置の分散板は、噴射弁から噴射された還元剤が衝突する衝突面と、衝突面よりも排気通路の内周面の側に位置する支持面とを有している。衝突面は、第１方向（排気通路の延在方向、つまり、排気流れ方向）に対して４５°以上９０°以下の角度をなしている。これにより、還元剤を効果的に微粒化し、排気中に分散させることが可能となる。

衝突面に衝突した還元剤の一部は、衝突面に付着する。付着した還元剤は、分散板の表面に沿って流下し、支持面の方に移動する可能性がある。ここで、支持面は、第１方向に対して０°以上４５°未満の角度をなしている。つまり、支持面は、排気ガス流に対抗するより、むしろ、排気ガス流に沿っている。従って、支持面上の還元剤は、排気ガス流によって誘導され、持ち去られやすくなる。言い換えれば、支持面上の還元剤は、排気ガス流によって脱離しやすくなる。従って、還元剤の滞留量が減少し、還元剤由来の析出物の堆積が抑制される。

このように、本発明によれば、分散板を利用した排気浄化装置において、還元剤由来の析出物の堆積を抑制することが可能となる。このことは、排気浄化装置の浄化性能及び信頼性の向上に寄与する。

本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る排気浄化装置の分散板を概略的に示す概念図である。 比較例に係る分散板の構造を示す概念図である。 本発明の第１の実施の形態に係る分散板の構造を示す概念図である。 本発明の第２の実施の形態に係る分散板の構造を示す概念図である。 本発明の第３の実施の形態に係る分散板の構造を示す概念図である。 本発明の第３の実施の形態に係る分散板の構造の変形例を示す概念図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

１．第１の実施の形態
１−１．概略構成
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関１の構成を示す概略図である。内燃機関１は、車両に搭載されている。内燃機関１は、燃焼室から排出される排気が流れる排気通路２を備えている。その排気通路２に、排気浄化装置１０が設けられている。排気浄化装置１０は、排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化する。

より詳細には、排気浄化装置１０は、噴射弁２０及び選択還元型触媒３０を備えている。噴射弁２０は、排気通路２に還元剤を噴射するように設置されている。典型的には、尿素水が還元剤として用いられる。選択還元型触媒３０は、噴射弁２０よりも下流の排気通路２に設けられている。噴射弁２０から噴射された尿素水が高温排気中で加水分解することにより、アンモニアガスが生成される。そのアンモニアガスが排気と共に選択還元型触媒３０に供給される。そして、選択還元型触媒３０の作用によって、排気中の窒素酸化物とアンモニアガスとが反応し、窒素酸化物が還元浄化される。

排気浄化装置１０は、更に、噴射弁２０と選択還元型触媒３０との間の排気通路２に設けられた分散板４０を備えている。この分散板４０は、噴射弁２０から噴射された尿素水を微粒化し、排気中に効果的に分散（混合）させるために設けられている。そのため、分散板４０は、噴射弁２０から噴射された尿素水が衝突するように設置されている。言い換えれば、分散板４０は、噴射弁２０による尿素水の噴射方向に設置されている。

図２は、分散板４０を概略的に示す概念図である。分散板４０は、排気通路２の内周面２Ａ上に設けられている。より詳細には、分散板４０は、排気通路２の内周面２Ａから排気通路２の内側に向かって延びるように設けられている。その分散板４０の一部に、噴射弁２０から噴射された尿素水が衝突し、排気中に分散する。

分散板４０の位置における排気通路２の延在方向は、以下「Ｘ方向（第１方向）」と呼ばれる。Ｘ方向は、分散板４０の位置における排気の流れ方向であるとも言える。分散板４０の位置における排気通路２の径方向は、以下「Ｒ方向」と呼ばれる。Ｘ方向とＲ方向に直交する方向は、以下「Ｓ方向」と呼ばれる。

以下、分散板４０の構造について更に詳しく説明する。本実施の形態に係る分散板４０の構造の特徴を分かりやすくするため、まず比較例を説明する。

１−２．比較例
図３は、比較例に係る分散板の構造を示す概念図である。比較例に係る分散板は、平面板形状を有しており、排気通路２の内周面２Ａ上に設置されている。噴射弁２０から噴射された尿素水は分散板に衝突し、分散する。

但し、尿素水の一部は、分散板に付着する。分散板に付着した尿素水は、重力によって、分散板の表面に沿って流下する。流下した尿素水は、分散板の足元の排気通路２の内周面２Ａ上に滞留する。流下中あるいは滞留している尿素水の水分が蒸発すると、固形の尿素結晶等の析出物が堆積する。つまり、尿素由来の析出物が分散板の足元等に堆積する。そして、時間経過と共に、析出物の堆積が進行していく。析出物の堆積が進行すると、浄化性能の悪化や圧損増大を引き起こす。

１−３．分散板の構造
図４は、本実施の形態に係る分散板４０の構造を示す概念図である。分散板４０は、平面板形状ではなく、“ねじれた板形状”を有している。より詳細には、分散板４０は、衝突部４１と支持部４２とを有している。

衝突部４１には、噴射弁２０から噴射された尿素水が衝突する。つまり、衝突部４１は、噴射弁２０から噴射された尿素水が衝突する「衝突面４１Ｓ」を有している。衝突面４１Ｓは、板状の衝突部４１の主面である。尿素水を効果的に微粒化し、排気中に分散させるため、衝突面４１Ｓは、Ｘ方向に対して４５°以上９０°以下の角度をなしている。図４に示される例では、衝突面４１Ｓは、Ｘ方向に対して９０°の角度をなしている。

支持部４２は、排気通路２の内側において衝突部４１を支持するための板状部材である。すなわち、支持部４２は、衝突部４１と排気通路２の内周面２Ａとの間をつないでいる。従って、支持部４２は、衝突面４１Ｓよりも排気通路２の内周面２Ａの側に位置する「支持面４２Ｓ」を有している。支持面４２Ｓは、支持部４２の主面の一部である。図４に示される例では、支持面４２Ｓは、排気通路２の内周面２Ａに隣接している。

本実施の形態によれば、支持面４２ＳがＸ方向に対してなす角度は、衝突面４１ＳがＸ方向に対してなす角度よりも小さい。具体的には、支持面４２Ｓは、Ｘ方向に対して０°以上４５°未満の角度をなしている。図４に示される例では、支持面４２Ｓは、Ｘ方向と平行である。

角度の異なる衝突面４１Ｓと支持面４２Ｓとは、ねじれ構造を介してつながっている。より詳細には、支持部４２は、脚部４２−Ｌとねじれ部４２−Ｔを含んでいる。脚部４２−Ｌは、排気通路２の内周面２Ａに隣接しており、上記の支持面４２Ｓを有している。ねじれ部４２−Ｔは、ねじれ構造を有しており、衝突部４１と脚部４２−Ｌとの間をつないでいる。衝突面４１Ｓと支持面４２Ｓは、ねじれ部４２−Ｔの表面を介して連続的につながっている。

１−４．効果
以上に説明されたように、本実施の形態に係る分散板４０は、噴射弁２０から噴射された尿素水が衝突する衝突面４１Ｓと、衝突面４１Ｓよりも排気通路２の内周面２Ａの側に位置する支持面４２Ｓとを有している。衝突面４１Ｓは、Ｘ方向に対して４５°以上９０°以下の角度をなしている。これにより、尿素水を効果的に微粒化し、排気中に分散させることが可能となる。

衝突面４１Ｓに衝突した尿素水の一部は、衝突面４１Ｓに付着する。付着した尿素水は、分散板４０の表面に沿って流下し、支持面４２Ｓの方に移動する可能性がある。ここで、支持面４２Ｓは、Ｘ方向に対して０°以上４５°未満の角度をなしている。つまり、支持面４２Ｓは、排気ガス流に対抗するより、むしろ、排気ガス流に沿っている。従って、支持面４２Ｓ上の尿素水は、排気ガス流によって誘導され、持ち去られやすくなる。言い換えれば、支持面４２Ｓ上の尿素水は、排気ガス流によって脱離しやすくなる。従って、尿素水の滞留量が減少し、尿素由来の析出物の堆積が抑制される。本願発明者の実験により、従来技術に比べ、尿素由来の析出部の堆積が大幅に抑制されることが確認された。

このように、本実施の形態によれば、分散板４０を利用した排気浄化装置１０において、尿素由来の析出物の堆積を抑制することが可能となる。このことは、排気浄化装置１０の浄化性能及び信頼性の向上に寄与する。

本実施の形態に係る分散板４０は、排気通路２の下面上に設置されると、特に有意義である。

２．第２の実施の形態
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る分散板４０の構造を示す概念図である。第１の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。

第２の実施の形態に係る分散板４０は、ねじれ構造（ねじれ部４２−Ｔ）を有していない。衝突部４１と支持部４２は共に平面板形状を有しており、それら衝突部４１と支持部４２の組み合わせにより分散板４０が構成されている。

衝突面４１Ｓ及び支持面４２Ｓの特徴は、第１の実施の形態の場合と同じである。すなわち、衝突面４１Ｓは、Ｘ方向に対して４５°以上９０°以下の角度をなしている。支持面４２Ｓは、Ｘ方向に対して０°以上４５°未満の角度をなしている。これにより、第１の実施の形態と同じ効果が得られる。

３．第３の実施の形態
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る分散板４０の構造を示す概念図である。第１の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。

第３の実施の形態に係る分散板４０は、平面板形状を有している。よって、衝突面４１Ｓ及び支持面４２ＳがＸ方向に対してなす角度は同じである。図６に示される例では、その角度は９０°であるが、９０°未満であってもよい。すなわち、分散板４０は、Ｘ方向に対して斜めに設置されていてもよい。

本実施の形態では、支持部４２が衝突部４１よりも細く形成されている。より詳細には、Ｘ方向に直交するＲＳ面に投影したときの幅を考えたとき、支持部４２の投影幅Ｗ２は、衝突部４１の投影幅Ｗ１よりも小さい。好適には、支持部４２の投影幅Ｗ２は、衝突部４１の投影幅Ｗ１の１／３以下である。

このように、本実施の形態によれば、支持部４２の投影幅Ｗ２が、衝突部４１の投影幅Ｗ１よりも小さい。これにより、支持部４２の表面上の尿素水が排気ガス流によって持ち去られやすくなる。また、支持部４２の投影幅Ｗ２が小さいため、支持部４２の周辺に滞留する尿素水の量が減少する。従って、尿素由来の析出物の堆積が抑制される。

図７は、変形例を示している。図７に示されるように、分散板４０は、衝突部４１から支持部４２にかけて連続的に面取り加工されてもよい。これによっても、同様の効果が得られる。

本実施の形態に係る分散板４０も、排気通路２の下面上に設置されると、特に有意義である。

１ 内燃機関
２ 排気通路
２Ａ 内周面
１０ 排気浄化装置
２０ 噴射弁
３０ 選択還元型触媒
４０ 分散板
４１ 衝突部
４１Ｓ 衝突面
４２ 支持部
４２Ｓ 支持面
４２−Ｌ 脚部
４２−Ｔ ねじれ部

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気に含まれる窒素酸化物を還元浄化する排気浄化装置であって、
   前記排気通路に還元剤を噴射する噴射弁と、
   前記噴射弁よりも下流の前記排気通路に設けられた選択還元型触媒と、
   前記噴射弁と前記選択還元型触媒との間の前記排気通路において、前記排気通路の内周面から内側に向かって設けられた分散板と
   を備え、
   前記分散板は、
   前記噴射弁から噴射された前記還元剤が衝突する衝突面と、
   前記衝突面よりも前記内周面側に位置する支持面と
   を有し、
   前記分散板の位置における前記排気通路の延在方向は、第１方向であり、
   前記衝突面は、前記第１方向に対して４５°以上９０°以下の角度をなし、
   前記支持面は、前記第１方向に対して０°以上４５°未満の角度をなす
   排気浄化装置。

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