JP2020041529A - 排気ガス浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの渦流が発生した場合でも、還元剤噴射装置に腐食が発生することを防止可能な排気ガス浄化システムを提供する。【解決手段】排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路を構成する排気管に、上流側から順に還元剤噴射装置、選択還元型触媒装置を備えて構成される排気ガス浄化システムであって、還元剤噴射装置から噴射された還元剤が逆流しないように、排気管内に空気を導入する空気導入部を備える。【選択図】図３

Description

本開示は、排気ガス浄化システムに関する。

トラックやバス等の車両に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排気ガス浄化システムとして、尿素水等を還元剤として用いてＮＯｘを窒素と水に還元する選択触媒還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

選択触媒還元システムは、尿素水タンクに貯留された尿素水を選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）上流の排気管に供給し、排気ガスの熱で尿素水を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによって選択還元型触媒装置内の触媒でＮＯｘを還元するものである。尿素水は、例えば排気通路に設けられた尿素水インジェクタ（還元剤噴射装置）によって適量が噴射される。

特開２０００−３０３８２６号公報

ところで、排気管が、当該排気管を通過する排気ガスの流れ方向における尿素水インジェクタの前後に亘って湾曲状（例えば、Ｓ字状）に形成されていると、ディーゼルエンジンの運転条件（例えば、吸入空気量、急激な吸入空気量の変化、排気管で生じる脈動など）によっては、尿素水インジェクタの近傍で排気ガスの渦流が発生する場合がある。この場合、尿素水インジェクタから噴射された尿素水が、渦流によって尿素水インジェクタ側に逆流（還流）する結果、当該尿素水から加水分解により生成されたアンモニアが尿素水インジェクタの先端部に付着して著しい腐食を発生させるという問題があった。

本開示の目的は、排気ガスの渦流が発生した場合でも、還元剤噴射装置に腐食が発生することを防止可能な排気ガス浄化システムを提供することである。

本開示に係る排気ガス浄化システムは、
内燃機関の排気通路を構成する排気管に、上流側から順に還元剤噴射装置、選択還元型触媒装置を備えて構成される排気ガス浄化システムであって、
前記還元剤噴射装置から噴射された還元剤が逆流しないように、前記排気管内に空気を導入する空気導入部を備える。

本開示によれば、排気ガスの渦流が発生した場合でも、還元剤噴射装置に腐食が発生することを防止できる。

本実施の形態における車両の構成を示す図である。 従来構成の問題点を説明する図である。 本実施の形態における還元剤噴射装置周辺の構成を示す図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における車両１の構成を示す図である。図１に示すように、トラックやバス等の車両１には、内燃機関１０と、排気系２０とが搭載されている。排気系２０は、本開示の「排気ガス浄化システム」として機能する。

まず、内燃機関１０の構成について説明する。内燃機関１０は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関１０の燃焼室１１において、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１内に燃料を噴射する。なお、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１の吸気ポートに燃料を噴射しても良い。燃料の噴射は、ＥＣＭ（エンジン・コントロール・モジュール）により制御される。また、燃焼室１１内の燃料は、ピストン１９の動作により圧縮されて燃焼する。

吸気バルブ１５および排気バルブ１７は、開閉可能に構成される。吸気バルブ１５が開くことで、吸気用配管５０からの新気が燃焼室１１に吸入される。また、排気バルブ１７が開くことで、燃焼室１１で燃料が燃焼して生じた排気ガスが排気系２０（具体的には、排気管２１）に送り出される。

次に、排気系２０の構成について説明する。排気系２０は、例えば車両１の下部に設けられ、主に金属製の排気管２１を有する。この排気管２１は、内燃機関１０において燃料の燃焼により生じた排気ガスを大気中（車外）に導く。

また、排気管２１の途中には、排気ガスを浄化（無害化）するために、様々な後処理装置が設けられている。本実施の形態では、後処理装置として、ＤＯＣ（酸化触媒）２３Ａと、ＤＰＦ２３Ｂと、ＳＣＲ２３Ｃ（本開示の「選択還元型触媒装置」に対応）とが設けられている。

ＤＯＣ２３Ａは、金属製の担持体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を分解除去する。また、ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれるＮＯｘの大半を占める一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ_２）を生成する機能も有している。この機能を利用することで、ＳＣＲ２３ＣのＮＯｘ浄化効率を向上することが可能になる。

排気管２１において、ＤＯＣ２３Ａの上流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における上流側）には、一時的に排気ガス中に燃料を供給して、燃料中の炭化水素（ＨＣ）をＤＯＣ２３Ａで酸化させ、その酸化反応熱を利用して排気ガスを昇温する燃料供給部２２（燃料供給インジェクタ）が配置されている。

ＤＰＦ２３Ｂは、多孔質セラミック製のハニカムのチャンネル（セル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウォールフローフィルタから形成される。ＤＰＦ２３Ｂは、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去する。

排気管２１において、排気ガスの流れ方向におけるＤＰＦ２３Ｂよりも下流側であって、ＳＣＲ２３Ｃよりも上流側には、還元剤としての尿素水を噴射（具体的には、噴霧）するための尿素水インジェクタ２４（本開示の「還元剤噴射装置」に対応）が設けられている。

本実施の形態では、排気管２１は、当該排気管２１を通過する排気ガスの流れ方向における尿素水インジェクタ２４の前後に亘って湾曲状（例えば、Ｓ字状）に形成されている（図１を参照）。

排気管２１において例えばＳＣＲ２３Ｃの入口近傍には、排気ガスの温度を検出する温度センサ（図示せず）が設けられている。この温度センサは、尿素水インジェクタ２４における尿素水の噴射の制御等に用いられる。

ＳＣＲ２３Ｃは、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、例えばゼオライトやバナジウム等の触媒が担持またはコーティングされる。

上記のようなＳＣＲ２３Ｃは、排気管２１において、上記ＤＰＦ２３Ｂの下流側に配置される。また、排気管２１においてＤＰＦ２３ＢとＳＣＲ２３Ｃとの間には、還元剤としての尿素水が、尿素水インジェクタ２４により噴射され、ＤＯＣ２３ＡおよびＤＰＦ２３Ｂを通過した排気ガスに供給される。その結果、尿素水がアンモニアに加水分解される。そして、アンモニアを含む排気ガスがＳＣＲ２３Ｃを通過中、触媒の作用により窒素酸化物（いわゆるＮＯｘ）が窒素と水に反応する（還元反応）。これにより、排気ガス中の窒素酸化物が浄化される。

ここで、加水分解は、ＳＣＲ２３Ｃを通過する排気ガスの温度が所定温度以上で起こる。したがって、尿素水インジェクタ２４は、ＳＣＲ２３Ｃに流入する排気ガスの温度が所定温度以上の場合に、尿素水を排気管２１内の排気ガスに供給することが好ましい。ここで、尿素水の噴射は図示しないＤＣＵ（ドージングコントロールユニット）により制御される。なお、所定温度は、排気系２０の設計開発段階での実験・シミュレーション等により、アンモニアとＮＯｘとの反応温度等を考慮しつつ適宜適切に定められる。

なお、排気管２１においてＳＣＲ２３Ｃの直ぐ下流側にアンモニアスリップ触媒を配置しても良い。アンモニアスリップ触媒は、後段酸化触媒であって、ＤＯＣ２３Ａと同様の構成を有する。アンモニアスリップ触媒は、主として、ＳＣＲ２３Ｃにおいて還元反応に使用されずにスリップしてきたアンモニアが大気中に放出されないように、スリップしてきたアンモニアを酸化して除去する。それ以外にも、アンモニアスリップ触媒は、ＳＣＲ２３Ｃと同様の機能を有する場合もある。

以上の各後処理装置で排気ガスを処理して生成される水、窒素、二酸化炭素は、マフラー（図示せず）等を介して、大気中に排出される。

ところで、排気管２１に噴射された尿素水が原因で以下のような不具合が生じる場合があった。図２は、排気系２０（特に、尿素水インジェクタ２４周辺）に係る従来構成の問題点を説明する図である。すなわち、排気管２１が、当該排気管２１を通過する排気ガスＢの流れ方向における尿素水インジェクタ２４の前後に亘って湾曲状に形成されていると、内燃機関１０の運転条件（例えば、吸入空気量、急激な吸入空気量の変化、排気管２１で生じる脈動など）によっては、尿素水インジェクタ２４の近傍で排気ガスの渦流Ａが発生する場合がある。この場合、尿素水インジェクタ２４から噴射された尿素水が、渦流Ａによって尿素水インジェクタ２４側に逆流（還流）する結果、当該尿素水から加水分解により生成されたアンモニアが尿素水インジェクタ２４の先端部に付着して著しい腐食を発生させるという問題があった。

そこで、本実施の形態では、図３に示すように、排気管２１内（特に、尿素水インジェクタ２４の近傍）で発生する排気ガスの渦流Ａによって、尿素水インジェクタ２４から噴射された尿素水（還元剤）が逆流しないように、排気管２１内に空気Ｃを導入する空気導入部３０が設けられている。

図３Ａは、排気管２１、尿素水インジェクタ２４および空気導入部３０の平面図である。図３Ｂは、排気管２１、尿素水インジェクタ２４および空気導入部３０の縦断面図である。

図３Ａ，３Ｂに示すように、空気導入部３０は、排気管２１の外側に設けられ、空気Ｃを貯留して排気管２１内に導入するエアチャンバーである。空気導入部３０は、供給路３０Ａ，３０Ｂを介して、車両１のエアコンプレッサで圧縮された圧縮空気の供給を受け、当該圧縮空気を空気Ｃとして尿素水インジェクタ２４の噴射方向と同一方向に導入する。

空気導入部３０は、尿素水インジェクタ２４の先端部（噴射口）を囲むように排気管２１の壁面に形成された８つの空気導入口３２（貫通穴）から空気Ｃを導入することによって尿素水インジェクタ２４の先端部の周囲にエアカーテンを形成する。以上により、尿素水インジェクタ２４の近傍で排気ガスの渦流Ａが発生する場合であっても、その渦流Ａがそもそも尿素水インジェクタ２４に当たることが防止される。その結果、尿素水インジェクタ２４から噴射された尿素水が渦流Ａによって尿素水インジェクタ２４側に逆流すること、すなわち当該尿素水から加水分解により生成されたアンモニアが尿素水インジェクタ２４の先端部に付着して腐食を発生させることを防止することができる。さらに言えば、尿素水インジェクタ２４の先端部の周囲にエアカーテンが形成されることによって、尿素水インジェクタ２４に直接的に排気ガスが当たって尿素水インジェクタ２４が高温化することを抑制することができる。

供給路３０Ａと供給路３０Ｂとの間には、制御部２８の制御を受けて、供給路３０Ａから供給路３０Ｂへ供給される圧縮空気の流量を調整する流量調整弁２６が設けられている。制御部２８は、内燃機関１０の運転条件が、尿素水インジェクタ２４の近傍で排気ガスの渦流Ａが発生することが予想される運転条件である場合に限り、供給路３０Ａから供給路３０Ｂへ圧縮空気が供給されるように流量調整弁２６を制御する。これにより、車両１のエアコンプレッサで圧縮された圧縮空気量が不必要に減少し、その減少分だけ燃費が減少することを防止することができる。なお、排気ガスの渦流Ａが発生することが予想される運転条件は、排気系２０の設計開発段階での実験・シミュレーション等により適宜適切に定められる。

なお、上記実施の形態では、空気導入部３０は、車両１のエアコンプレッサで圧縮された圧縮空気の供給を受ける例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、空気導入部３０は、車両１のエアブレーキ用に圧縮された圧縮空気の供給を受けても良い。

また、上記実施の形態において、圧縮空気が尿素水インジェクタ２４に当たるように空気導入口３２を尿素水インジェクタ２４の先端部側に向けることによって、尿素水インジェクタ２４を直接的に冷却して尿素水インジェクタ２４の高温化を抑制しても良い。

また、上記実施の形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示は、排気ガスの渦流が発生した場合でも、還元剤噴射装置に腐食が発生することを防止可能な排気ガス浄化システムとして有用である。

１ 車両
１０ 内燃機関
１１ 燃焼室
１３ 燃料噴射インジェクタ
１５ 吸気バルブ
１７ 排気バルブ
１９ ピストン
２０ 排気系
２１ 排気管
２２ 燃料供給部
２３Ａ ＤＯＣ
２３Ｂ ＤＰＦ
２３Ｃ ＳＣＲ
２４ 尿素水インジェクタ
２６ 流量調整弁
２８ 制御部
３０ 空気導入部
３０Ａ，３０Ｂ 供給路
３２ 空気導入口
Ａ 渦流
Ｂ 排気ガス
Ｃ 空気

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路を構成する排気管に、上流側から順に還元剤噴射装置、選択還元型触媒装置を備えて構成される排気ガス浄化システムであって、
   前記還元剤噴射装置から噴射された還元剤が逆流しないように、前記排気管内に空気を導入する空気導入部を備える、
   排気ガス浄化システム。
2. 前記排気管は、前記排気管を通過する排気ガスの流れ方向における前記還元剤噴射装置の前後に亘って、湾曲状に形成されている、
   請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
3. 前記還元剤噴射装置の近傍で、前記排気ガスの渦流が発生する、
   請求項１または２に記載の排気ガス浄化システム。
4. 前記空気導入部は、前記還元剤噴射装置の先端部を囲むように前記排気管に形成された空気導入口から前記空気を導入する、
   請求項１〜３の何れか１項に記載の排気ガス浄化システム。
5. 前記空気導入部は、前記排気管の外側に設けられ、前記空気を貯留して前記排気管内に導入するエアチャンバーである、
   請求項１〜４の何れか１項に記載の排気ガス浄化システム。
6. 前記空気導入部は、車両のエアコンプレッサで圧縮された圧縮空気を前記空気として導入する、
   請求項１〜５の何れか１項に記載の排気ガス浄化システム。
7. 前記空気導入部は、車両のエアブレーキ用に圧縮された圧縮空気を前記空気として導入する、
   請求項１〜５の何れか１項に記載の排気ガス浄化システム。

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