JP2020037902A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒を保護することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを課題とする。【解決手段】排気通路に設けられ、排気を浄化する選択還元型の触媒と、前記排気通路のうち前記触媒よりも上流側に設けられ、前記排気通路に尿素水を添加する添加弁と、前記排気通路であって前記触媒と前記添加弁との間に設けられた第１の板と、前記排気通路であって前記第１の板と前記触媒との間に設けられた第２の板と、を具備し、前記第２の板は前記排気の流れと交差する方向に延伸し、開口部を有し、前記開口部は前記排気の流れる方向に前記第２の板を貫通する内燃機関の排気浄化装置。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関から発生する排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、例えば選択型還元型触媒（ＳＣＲ触媒：Selective Catalytic Reduction）などの触媒が用いられている。内燃機関の排気通路には、添加剤（尿素水）を添加する添加弁、および添加弁よりも下流側に位置する触媒が設けられる。添加弁から排気に尿素水を添加し、尿素水からアンモニアを発生させる。触媒はＮＯｘを吸着し、アンモニアと還元反応させることで窒素と水に分解し、ＮＯｘを浄化する。

尿素水を排気に拡散させ浄化効率を高めるため、添加弁から噴射する尿素水を分散板に衝突させる技術が知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１１−０９９３３３号公報

しかし、尿素水に起因する析出物が分散板に堆積する。析出物が崩落し、触媒に衝突すると、触媒が破損する恐れがある。そこで触媒を保護することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的は、排気通路に設けられ、排気を浄化する選択還元型の触媒と、前記排気通路のうち前記触媒よりも上流側に設けられ、前記排気通路に尿素水を添加する添加弁と、前記排気通路であって前記触媒と前記添加弁との間に設けられた第１の板と、前記排気通路であって前記第１の板と前記触媒との間に設けられた第２の板と、を具備し、前記第２の板は前記排気の流れと交差する方向に延伸し、開口部を有し、前記開口部は前記排気の流れる方向に前記第２の板を貫通する内燃機関の排気浄化装置によって達成できる。

上記目的は、排気通路に設けられ、排気を浄化する選択還元型の触媒と、前記排気通路のうち前記触媒よりも上流側に設けられ、前記排気通路に尿素水を添加する添加弁と、前記排気通路であって前記触媒と前記添加弁との間に設けられた第１の板と、前記排気通路であって前記第１の板と前記触媒との間に設けられた第２の板と、を具備し、前記第２の板は前記排気の流れと交差する方向に延伸し、前記第２の板の重力方向の下側における端部は前記排気通路の壁面に接触し、上側の端部は前記排気通路の壁面から離間する内燃機関の排気浄化装置によって達成できる。

触媒を保護することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供できる。

図１（ａ）は排気浄化装置を例示する模式図である。図１（ｂ）は分散板およびプレートを拡大した図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）はプレートを例示する正面図である。 図３（ａ）は分散板およびプレートを拡大した図である。図３（ｂ）はプレートを例示する正面図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）はプレートを例示する正面図である。 図５（ａ）は分散板を拡大した図である。図５（ｂ）は分散板を例示する正面図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は分散板を例示する正面図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態の排気浄化装置１００について説明する。図１（ａ）は排気浄化装置１００を例示する模式図である。図１（ａ）に示すように、排気浄化装置１００はエンジン１０（内燃機関）に適用され、酸化触媒４０および４８、フィルタ４２、ＳＣＲ触媒４４、添加弁５０、分散板５４（第１の板）、およびプレート６０（第２の板）を備える。

ＥＣＵ（Electric Control Unit）１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、および記憶装置等を備え、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。ＥＣＵ１１は燃料噴射、添加弁５０からの尿素水の噴射、スロットルバルブ３０およびＥＧＲバルブ３２の開度を制御する。

エンジン１０は例えば４つの気筒＃１〜＃４を有する四気筒のディーゼルエンジンであり、車両に搭載される。エンジン１０の気筒＃１〜＃４はインテークマニホールド２２およびエキゾーストマニホールド２４に接続されている。インテークマニホールド２２の上流側には吸気通路２０が接続されている。エキゾーストマニホールド２４の下流側に排気通路２６が接続されている。

吸気通路２０には、上流側から順に、ターボチャージャ３６のコンプレッサ３６ａ、インタークーラ２５およびスロットルバルブ３０が設けられている。コンプレッサ３６ａが回転することで吸気を過給する。インタークーラ２５は吸気を冷却する。スロットルバルブ３０の開度により吸気の流量を調整する。吸気はインテークマニホールド２２を通じて気筒＃１〜＃４に導入される。

各気筒には燃料噴射弁１２およびグロープラグ１４が設けられている。燃料噴射弁１２はコモンレール１８に接続されている。ポンプ１６からコモンレール１８へと高圧の燃料が供給され、燃料噴射弁１２が開弁すると、燃料が気筒内に噴射される。圧縮により燃料と空気との混合気が点火する。燃焼で発生する排気はエキゾーストマニホールド２４および排気通路２６を通じて排出される。

インテークマニホールド２２とエキゾーストマニホールド２４とはＥＧＲ通路２８により接続されている。排気の一部はＥＧＲ通路２８を通りインテークマニホールド２２内の吸入空気に合流する。ＥＧＲ通路２８にはＥＧＲバルブ３２およびＥＧＲクーラ３４が設けられている。ＥＧＲバルブ３２の開度を調整することでＥＧＲ通路２８内の排気の循環量が調整される。ＥＧＲクーラ３４はＥＧＲ通路２８内の排気の温度を低下させる。

排気通路２６には、上流側から順に、ターボチャージャ３６のタービン３６ｂ、酸化触媒４０、フィルタ４２、添加弁５０、分散板５４、プレート６０、ＳＣＲ触媒４４、および酸化触媒４８が設けられている。排気が流れ込むことでタービン３６ｂおよびコンプレッサ３６ａが回転する。

酸化触媒４０は排気中のＨＣを酸化する。フィルタ４２は例えば多孔質のセラミックなどで排気中のＰＭ（微粒子物質）を捕集する。フィルタ４２にはＰＭの酸化を促進する触媒が担持されてもよい。排気の温度を上昇させることで、フィルタ４２の再生処理が可能である。燃料噴射弁１２からのポスト噴射または不図示の添加弁からの燃料噴射などで酸化触媒４０に燃料を供給する。酸化触媒４０で燃料が燃焼され、排気の温度が上昇する。排気が昇温することでフィルタ４２に堆積したＰＭが酸化処理され、フィルタ４２の再生が行われる。

フィルタ４２より下流側にＳＣＲ触媒４４および酸化触媒４８が設けられている。ＳＣＲ触媒４４は、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元浄化する、選択還元型の触媒である。

ＳＣＲ触媒４４に還元剤を供給するために、添加弁５０が用いられる。添加弁５０にはタンク５２から尿素水が供給される。添加弁５０は、排気通路２６のＳＣＲ触媒４４より上流側に尿素水を噴射する。尿素水は分散板５４に衝突し、分散される。尿素水は排気の熱により加水分解され、アンモニアとなる。アンモニアは下流側のＳＣＲ触媒４４に吸着される。アンモニアを還元剤としてＮＯｘは還元浄化され、窒素（Ｎ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）に分解される。アンモニアは分散板５４により霧化するため、ＳＣＲ触媒４４の浄化効率が向上する。

酸化触媒４８は排気中のアンモニアを酸化する。このためアンモニアの大気への放出は抑制される。

分散板５４に衝突する尿素水の一部は尿素化合物に変質し、デポジットとして分散板５４に堆積することがある。排気が高温ならば、デポジットは熱分解されアンモニアとなる。

一方、排気が低温の環境下では、デポジットが分解温度まで加熱されず、デポジットが残存する。また、排気温度が低いと尿素水が蒸発しにくく、分散板５４に液膜として付着する。尿素水の液膜にデポジットが融解することで、デポジットが崩落し、分散板５４より下流側に流れる。デポジットがＳＣＲ触媒４４に衝突するとＳＣＲ触媒４４が破損する恐れがある。本実施形態では、分散板５４とＳＣＲ触媒４４との間にプレート６０を設け、プレート６０によりデポジットをトラップする。

図１（ｂ）は分散板５４およびプレート６０を拡大した図である。Ｚ軸方向は上下方向でありＺ軸に沿って重力が作用する。図１（ｂ）に示すように、分散板５４およびプレート６０は例えば金属製である。分散板５４およびプレート６０それぞれの上側（＋Ｚ側）の端部は排気通路２６の上側の壁面に接触する。分散板５４およびプレート６０それぞれの下側（−Ｚ側）の端部は排気通路２６の下側の壁面に接触する。分散板５４は例えば複数の孔を有してもよいし、複数の板を組み合わせたものでもよい。尿素水を含む排気が上流から下流にかけて分散板５４を通過し、尿素水が分散板５４に衝突して拡散する。ＳＣＲ触媒４４は例えば多孔質の担体を有し、排気の上流側から下流側にかけて延伸する孔４５を複数有する。

図２（ａ）および図２（ｂ）はプレート６０を例示する正面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すプレート６０ａおよび６０ｂはプレート６０の一例であり、これらのいずれかが排気通路２６に設けられる。プレート６０は、排気の流れる方向と交差するように延伸し、例えば排気の流れる方向に直交する。プレート６０は排気通路２６の内壁に沿い、排気通路２６の断面を覆う。

図２（ａ）に示すプレート６０ａは網状であり、複数の孔６２を有する。孔６２は排気の上流側から下流側にかけてプレート６０ａを貫通する。図２（ｂ）に示すプレート６０ｂは複数の孔６４を有する。孔６４は排気の上流側から下流側にかけてプレート６０ｂを貫通する。孔６２の長さＬ１および孔６４の直径Ｄ１は、ＳＣＲ触媒４４の孔４５の長さＬ２よりも小さい。

第１実施形態によれば、ＳＣＲ触媒４４の上流側に添加弁５０および分散板５４が設けられ、分散板５４とＳＣＲ触媒４４との間にプレート６０が設けられている。プレート６０が分散板５４から落下するデポジットを捉えることで、デポジットがＳＣＲ触媒４４に衝突することが抑制され、ＳＣＲ触媒４４の破損が抑制される。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すようにプレート６０は排気の流れる方向と交差する方向に延伸し、プレート６０の直径が排気通路２６の内径と同一であるため、排気通路２６の断面を覆う。このためデポジットを効果的にトラップすることができる。プレート６０は孔６２または孔６４など開口部を有する。したがって排気は開口部を通り下流側へと流れることができ、排気の圧力損失は抑制される。

プレート６０の孔６２の長さＬ１および孔６４の直径Ｄ１は、ＳＣＲ触媒４４の孔４５の長さＬ２よりも小さい。デポジットのうち、孔６２および孔６４よりも大きなものはプレート６０にトラップされる。すなわち、ＳＣＲ触媒４４の孔４５よりも大きなデポジットはプレート６０にトラップされ、ＳＣＲ触媒４４まで到達しにくい。したがってＳＣＲ触媒４４の破損が効果的に抑制される。

プレート６０は図２（ａ）および図２（ｂ）に示すもの以外でもよい。プレート６０は、排気通路２６を覆い、排気の流れる開口部を有していればよい。

（第２実施形態）
第２実施形態では第１実施形態とは異なる分散板およびプレートを用いる。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。

図３（ａ）は分散板５４およびプレート７０を拡大した図である。図３（ａ）に示すように分散板５４（第１の板）は複数の板５４ａ〜５４ｃを含む。上流側から下流側にかけて板５４ａ〜５４ｃが並び、互いに連結されている。板５４ａおよび５４ｃは排気通路２６の上側の壁面に接触し、下側の壁面から離間している。板５４ｂは排気通路２６の下側の壁面に接触し、上側の壁面から離間している。板５４ａ〜５４ｃのうち、板５４ｃが最も上側に位置する。

プレート７０（第２の板）は、排気通路２６の下側の壁面に接触し、上側の壁面から離間している。プレート７０の上側の端部７１と排気通路２６の壁面との間は空洞である。またプレート７０の端部７１は、板５４ｃの下側の端部５５よりも上に位置する。

図３（ｂ）から図４（ｂ）はプレート７０を例示する正面図である。プレート７０ａ〜７０ｃはプレート７０の一例であり、例えばこれらのいずれかが排気通路２６に設けられる。図３（ｂ）に示すプレート７０ａは網状であり、複数の孔７２を有する。図４（ａ）に示すプレート７０ｂは多孔プレートであり、複数の孔７４を有する。孔７２および７４はそれぞれプレート７０を貫通する。図４（ｂ）に示すプレート７０ｃは開口部を有さない。

デポジットは重力を受けて、分散板５４から下方（−Ｚ方向）に落下する。したがってデポジットは排気通路２６のうち下側に集中する。第２実施形態のプレート７０は排気通路２６の下側の壁面に接触し、例えば排気通路２６の断面の下半分以上を覆う。このためデポジットを効果的にトラップすることができる。

プレート７０の端部７１は、板５４ｃの端部５５よりも上に位置する。このため、分散板５４から下方に落下するデポジットを効果的にトラップすることができる。端部７１は、板５４ａおよび５４ｃの下端のうちいずれかより上側に位置すればよい。端部７１が分散板５４の下端のうち最も高い位置にある端部５５より上に位置することが特に好ましい。

第２実施形態によれば、第１実施形態に比べ、排気通路２６の断面のうちプレート７０で覆われる面積が小さくなる。このため排気の圧損を抑制することができる。また、プレート７０と排気通路２６との間が離間しているため、図４（ｂ）のように開口部のないプレート７０ｃを用いることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態では分散板８０がデポジットを捕獲する。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。

図５（ａ）は分散板８０を拡大した図である。図５（ａ）に示すように分散板８０は複数の板８０ａ〜８０ｃを含む。上流側から下流側にかけて板８０ａ〜８０ｃが並ぶ。板８０ａおよび８０ｂ（第１の板）の上側の端部は排気通路２６の壁面に接触し、下側の端部８５は壁面から離間している。板８０ｃ（第２の板）の下側の端部は排気通路２６の壁面に接触し、上側の端部８３は壁面から離間している。端部８３は端部８５よりも上側に位置する。

図５（ｂ）から図６（ｂ）は分散板８０を例示する正面図である。板８０ｃ１〜８０ｃ３は板８０ｃの一例であり、例えばこれらのいずれかが分散板８０に含まれる。板８０ｃ１〜８０ｃ３は排気の流れる方向と交差する方向に延伸する。板８０ｃ１〜８０ｃ３はそれぞれ下側に幅広の幅広部８１を有する。図５（ｂ）に示す板８０ｃ１の幅広部８１は網状であり、複数の孔８２を有する。図６（ａ）に示す板８０ｃ２の幅広部８１は多孔プレートであり、複数の孔８４を有する。孔８２および８４はそれぞれ板８０ｃを貫通する。図６（ｂ）に示す板８０ｃ３は開口部を有さない。

第３実施形態によれば、板８０ｃが板８０ａおよび８０ｂから落下するデポジットをトラップすることで、ＳＣＲ触媒４４の破損が抑制される。デポジットは重力を受けて、板８０ａおよび８０ｂから下方（−Ｚ方向）に落下する。板８０ｃは板８０ａおよび８０ｂよりも下側に位置し、排気通路２６の下側の壁面に接触する。このためデポジットをトラップすることができる。

板８０ｃの上側の端部８３は、板８０ａおよび８０ｂの下側の端部８５よりも上に位置する。このため板８０ａおよび８０ｂから下方に落下するデポジットを効果的にトラップすることができる。板８０ｃは下側に幅広部８１を有するため、デポジットを捉えやすい。したがってＳＣＲ触媒４４の破損が抑制される。

分散板８０と別にプレートを設けなくてよいため、低コストである。また排気の圧損を抑制することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ エンジン
１１ ＥＣＵ
１２ 燃料噴射弁
１４ グロープラグ
１６ ポンプ
１８ コモンレール
２０ 吸気通路
２２ インテークマニホールド
２４ エキゾーストマニホールド
２５ インタークーラ
２６ 排気通路
３０ スロットルバルブ
３２ ＥＧＲバルブ
３４ ＥＧＲクーラ
３６ ターボチャージャ
３６ａ コンプレッサ
３６ｂ タービン
４０、４８ 酸化触媒
４２ フィルタ
４４ ＳＣＲ触媒
５０ 添加弁
５２ タンク
５４、８０ 分散板
５５、７１、８３、８５ 端部
６０、６０ａ〜６０ｃ、７０、７０ａ〜７０ｃ プレート
６２、６４、７２、７４、８２、８４ 孔
８０ａ〜８０ｃ、８０ｃ１〜８０ｃ３ 板
８１ 幅広部
１００ 排気浄化装置

Claims (6)

1. 排気通路に設けられ、排気を浄化する選択還元型の触媒と、
   前記排気通路のうち前記触媒よりも上流側に設けられ、前記排気通路に尿素水を添加する添加弁と、
   前記排気通路であって前記触媒と前記添加弁との間に設けられた第１の板と、
   前記排気通路であって前記第１の板と前記触媒との間に設けられた第２の板と、を具備し、
   前記第２の板は前記排気の流れと交差する方向に延伸し、開口部を有し、
   前記開口部は前記排気の流れる方向に前記第２の板を貫通する内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記第２の板は前記排気通路の断面を覆う請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 排気通路に設けられ、排気を浄化する選択還元型の触媒と、
   前記排気通路のうち前記触媒よりも上流側に設けられ、前記排気通路に尿素水を添加する添加弁と、
   前記排気通路であって前記触媒と前記添加弁との間に設けられた第１の板と、
   前記排気通路であって前記第１の板と前記触媒との間に設けられた第２の板と、を具備し、
   前記第２の板は前記排気の流れと交差する方向に延伸し、
   前記第２の板の重力方向の下側における端部は前記排気通路の壁面に接触し、上側の端部は前記排気通路の壁面から離間する内燃機関の排気浄化装置。
4. 複数の前記第１の板のうち少なくとも１つにおいて、重力方向の下側の端部は前記排気通路の壁面から離間し、
   前記第２の板の上側の端部は、前記少なくとも１つの第１の板の端部より上に位置する請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記第２の板は開口部を有し、
   前記開口部は前記排気の流れる方向に前記第２の板を貫通する請求項３または４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記触媒は前記排気の流れる方向に延伸する開口部を有し、
   前記第２の板の開口部は、前記触媒の開口部より小さい請求項１、２および５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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