JP2021008821A

JP2021008821A - 攪拌装置

Info

Publication number: JP2021008821A
Application number: JP2019121555A
Authority: JP
Inventors: 慶子柴田; Keiko Shibata
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2021-01-28
Also published as: WO2020262589A1

Abstract

【課題】尿素水に起因する白色生成物の析出を抑制する攪拌装置を提供する。【解決手段】排ガスＧ１が通過する排気通路１の中途位置に配置された尿素水噴射弁２と選択的還元触媒装置３との間に配置された攪拌部１１を備える攪拌装置１０において、攪拌部１１は尿素水噴射弁２の側に向いた面に尿素水を吸着可能な多孔質体１５を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、攪拌装置に関し、より詳細には、尿素水に起因する白色生成物の析出を抑制する攪拌装置に関する。

攪拌装置として尿素水噴射弁から噴射された尿素水の拡散を促進するミキサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１４４６４４号公報

ところで、尿素水噴射弁から噴射される尿素水の量が多かったり、排気通路を流れる排ガスの流量が少なかったり、排ガスの温度が低かったりすると、ミキサで攪拌された尿素水が拡散せずに、液状や液滴の状態で排気通路や選択的還元触媒装置に付着する。その付着した尿素水から、尿素、メラミン、シアヌル酸、ビウレットなどが固体化した白色生成物が析出する。

白色生成物が析出すると、その分、尿素水が加水分解されていないことになり、アンモニアの生成量が少なくなる。また、排気ガスの温度が上昇してその析出した白色生成物が熱分解するとアンモニアが生成される。つまり、この白色生成物が析出することで、選択的還元触媒装置に供給されるアンモニアの量が過少になったり、過多になったりする。この結果として、選択的還元触媒装置における窒素酸化物の還元率が低下したり、選択的還元触媒装置を通過するアンモニア量が増加したりする問題があった。

本開示の目的は、尿素水に起因する白色生成物の析出を抑制する攪拌装置を提供することである。

上記の目的を達成する本発明の一態様の攪拌装置は、排ガスが通過する排気通路の中途位置に配置された尿素水噴射弁とこの尿素水噴射弁よりも排ガスの流れに関して下流側に配置された選択的還元触媒装置との間に配置された攪拌部を備える攪拌装置において、前記攪拌部はその前記尿素水噴射弁の側に向いた面に尿素水を吸着可能な多孔質体を有することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、攪拌部が多孔質体を有することで加水分解できなかった液状あるいは液滴状の尿素水を吸着することができる。これにより、尿素水が排気通路や選択的還元触媒装置に直接付着することを防止するには有利になり、排気通路や選択的還元触媒装置に尿素水に起因する白色生成物が析出することを抑制することができる。

実施形態の攪拌装置を例示する構成図である。図１の攪拌部の斜視図である。図２の矢印ＩＩＩで示す断面図である。図１の矢印ＩＶで示す断面図である。実施形態の攪拌装置における加熱方法を例示するフロー図である。

以下に、本開示における攪拌装置の実施形態について説明する。図中において、白抜き矢印が排ガスＧ１を示し、Ｘ方向をその排ガスＧ１の流れに関して上流側から下流側に向かう方向とし、Ｙ方向をＸ方向の反対側の方向とする。また、図中の一点鎖線は信号線を示すものとする。

図１および図２に例示するように、本実施形態の攪拌装置１０は図示しない車両に搭載された内燃機関の排気通路１の中途位置に配置され、攪拌部１１と誘電加熱部１２とを備えて構成される。

排気通路１は円筒管で構成されて、図示しない内燃機関の複数の気筒から排出される排ガスＧ１が通過する通路であり、複数の気筒に連通する排気多岐管から車両の外部への出口までの通路である。排気通路１の中途位置にはＸ方向に向かって順に尿素水噴射弁２と選択的還元触媒装置３とが配置される。尿素水噴射弁２は尿素水を排気通路１の内部に向かって噴射する装置である。選択的還元触媒装置３は多孔質セラミック担体にゼオライト等の触媒を担持して構成され、噴射された尿素水が排ガスＧ１の熱により加水分解されて生成されたアンモニアを還元剤として排ガスＧ１に含有される窒素酸化物を選択的に還元浄化する装置である。

排気通路１における尿素水噴射弁２が配置される位置は図示しないターボチャージャよりも排ガスＧ１の流れに関して下流側に限定されずに、排気多岐管やターボチャージャのタービンよりも上流側でもよく、ターボチャージャの上流側に尿素水噴射弁２が配置され、ターボチャージャの下流側に選択的還元触媒装置３が配置されてもよい。また、排ガスＧ１の流れに関して尿素水噴射弁２の上流側や選択的還元触媒装置３の下流側に配置される装置としては、図示しない酸化触媒装置やフィルタ装置、アンモニア吸着触媒装置４が例示されるが特に限定されるものではない。加えて、尿素水噴射弁２は、排気通路１に挿通されていればよく、排気通路１の一部の内壁を窪ませて形成した空間に配置されてもよい。

攪拌部１１は尿素水噴射弁２および選択的還元触媒装置３の間の排気通路１の内部に配置されて、尿素水噴射弁２から噴射された尿素水が衝突し、衝突した尿素水を攪拌する装置である。攪拌部１１は、尿素水噴射弁２の近傍に配置されることが望ましく、尿素水噴射弁２から噴射された尿素水の液滴が衝突可能な位置に配置されることがより望ましい。

本実施形態の尿素水噴射弁２は、尿素水が噴射される噴射部が図中において右下側に向かって開口しており、尿素水が図中の左上から右下に向う方向に噴射される。噴射された尿素水は様々な粒径の液滴があり、粒径が小さい尿素水の液滴は慣性力が小さくなり排ガスＧ１の流れに乗って流れるので、排ガスＧ１中に拡散され易く、アンモニアに加水分解され易い。一方、粒径が大きい尿素水の液滴は慣性力が大きいことから排ガスＧ１中に拡散され難く、尿素水噴射弁２から噴射された後に所定の進行方向に向かって直進する。本実施形態で、尿素水の液滴が衝突する位置とは、尿素水噴射弁２から噴射された粒径が大きな尿素水の液滴の進路上とする。

攪拌部１１としては軸流ファンモータが例示されるが、排気通路１を流れる尿素水を攪拌可能な構成であればよく、その構成は軸流ファンモータに限定されるものではない。例えば、攪拌部１１としては排ガスの流れに対向する板に排ガスが通過可能な多数の穴が形成された固定の整流板でもよい。但し、攪拌部１１は、軸流ファンモータのように回転することで尿素水の拡散性を向上することができ、揮発した尿素を均一に混合することができる。

本実施形態の攪拌部１１は、複数の羽根１４から成るプロペラファン１３と多孔質体１５とを有する。プロペラファン１３は排気通路１の管周方向に間隔を空けて配置された複数の羽根１４がその管周方向に回転するものであればよく、駆動用のモータが内蔵されたハブやケーシングについてはその説明を省略する。プロペラファン１３は排ガスＧ１の流れる方向に排ガスＧ１を送風可能に構成されることが好ましい。

多孔質体１５は複数の羽根１４の尿素水噴射弁２の側に向いた面のそれぞれに配置される。羽根１４の尿素水噴射弁２の側に向いた面は排ガスＧ１の流れに関して上流側に向いた面であり、Ｙ方向に向いた面である。なお、多孔質体１５は羽根１４に限らずにハブやケーシングのＹ方向に向いた面に配置されてもよい。多孔質体１５はプロペラファン１３の複数の羽根１４の一部に配置されてもよいが、複数の羽根１４の全てに配置されることが好ましい。

多孔質体１５は尿素水を吸着可能な部材であり、尿素水を物理吸着可能な金属多孔質体であることが望ましい。物理吸着とは尿素水の液滴が多孔質体１５の細孔にファンデルワールス力により吸着する現象であり、化学吸着とは異なる現象である。多孔質体１５は攪拌部１１を通過する排ガスＧ１が到達する温度に耐えられる材質であればよい。多孔質体１５としては、耐熱性に優れる金属で構成されることが望ましい。また、金属多孔質体としては、金属粉体の焼結、金属布の圧縮や積層、あるいは、溶解金属へのガスの溶解により、表面および内部に多数（無数）の細孔が空いたものが例示される。

本実施形態の多孔質体１５は金属繊維１６が交絡して成る金属布１７で構成される。多孔質体１５は一枚の金属布１７から構成されてもよいが、複数の金属布１７が排ガスＧ１の流れる方向に積層して構成されることが望ましい。多孔質体１５を複数の金属布１７で構成することで、多孔質体１５が様々な大きさの細孔を有することができる。

金属繊維１６としてはステンレス鋼が例示される。金属布１７は金属繊維１６が交絡して成る織物、編物、および、不織布が例示されるが、細孔が不均一で且つ複雑になる不織布で構成されることが望ましい。

図３に例示するように、多孔質体１５の細孔の大きさはＸ方向に向かって小さくなることが望ましく、金属布１７が積層して成る多孔質体１５は下流側に配置された金属布１７における細孔の大きさが上流側に配置された金属布１７における細孔の大きさよりも小さいことが望ましい。本開示で多孔質体１５の細孔の大きさは各層のそれぞれに存在する多数の細孔の大きさの平均値とする。多孔質体１５の細孔の大きさの最小は、排ガスＧ１中に拡散され易く、アンモニアに加水分解され易い尿素水の液滴の粒径程度に設定されることが好ましく、大きさの最大は尿素水噴射弁２から噴射される尿素水の液滴の粒径の最大値程度に設定されることが好ましい。

金属布１７における細孔の大きさは構成する金属繊維１６が密になることで小さくなる。よって、金属布１７で構成される多孔質体１５はＸ方向に向かって金属繊維１６が密になることが望ましく、Ｘ方向に向かって順々に金属繊維１６が密になることがより望ましい。

多孔質体１５における金属布１７の積層数は特に限定されるものではない。金属布１７は細孔が不均一で且つ複雑になる不織布で構成されることが好ましいが、複数の金属布１７が積層する場合に全ての金属布１７が不織布で構成されなくてもよく、編物と不織布との組み合わせでもよい。

排ガスＧ１の温度が低い状況で尿素水噴射弁２から尿素水が噴射されると、粒径の小さい尿素水は拡散し、排ガスＧ１中で加水分解される。一方、粒径の大きい尿素水は慣性力により噴射方向に直進し、攪拌部１１に衝突する。攪拌部１１に衝突した尿素水は多孔質体１５に吸着される。このとき、粒径が大きい尿素水の液滴は細孔が比較的に大きい金属布１７に吸着され、その金属布１７を通り抜けた粒径が小さい尿素水は細孔が小さい金属布１７に吸着される。

尿素水の液滴の粒径が多孔質体１５の細孔よりも小さくなると、尿素水の液滴は多孔質体１５から脱離して、排ガスＧ１に拡散されて加水分解される。つまり、その細孔よりも粒径が大きい尿素水の液滴は多孔質体１５から脱離されずに吸着が維持される。

このように、攪拌部１１が多孔質体１５を有することで加水分解し難い液状あるいは液滴状の尿素水を吸着することができる。これにより、尿素水が排気通路１や選択的還元触媒装置３に直接付着することを防止するには有利になり、排気通路１や選択的還元触媒装置３に尿素水に起因する白色生成物が析出することを抑制することができる。

図１および図４に例示するように、誘電加熱部１２は尿素水噴射弁２および選択的還元触媒装置３の間の排気通路１の内部に配置された電波吸収体１８と、排気通路１の外部に配置された電波発振器１９とを有し、攪拌部１１を誘電加熱により加熱する装置である。誘電加熱部１２の加熱対象は攪拌部１１の一部であってもよく、本実施形態の誘電加熱部１２は加熱対象が攪拌部１１の多孔質体１５である。

電波吸収体１８はＸ方向に見て攪拌部１１の外縁部に配置される。本開示で、攪拌部１１の外縁部とは、尿素水を攪拌する部位の外縁部であり、本実施形態においてケーシングでは無く、プロペラファン１３の羽根１４の先端部とする。

電波吸収体１８はプロペラファン１３の複数の羽根１４の先端部のそれぞれに配置されて、Ｘ方向に見て多孔質体１５の外縁部に伝熱可能に当接することが望ましい。なお、電波吸収体１８は、複数の羽根１４のうちの多孔質体１５が設置されていない羽根１４には設置しなくてもよい。

電波吸収体１８は、抵抗性吸収材料、誘電性吸収材料、および、磁性吸収材料が例示される。電波吸収体１８は、排ガスＧ１が到達する温度に耐えられるものが望ましく、金属材料から成る抵抗性吸収材料や磁性吸収材料がより望ましい。

電波吸収体１８を羽根１４の先端部に配置するため、本実施形態の多孔質体１５は羽根１４の尿素水噴射弁２の側に向いた面の全域のうちの先端部を除いた部位を覆うものとする。

電波発振器１９は排気通路１の外側に配置されて、排気通路１の内部に配置された電波吸収体１８に向かって電波を発振する装置であり、マグネトロン、クライストロン、および、進行波管が例示される。電波発振器１９はＸ方向に見て排気通路１の外側に間隔を空けて複数配置されることが望ましい。

電波発振器１９が発振する電波はマイクロ波であることが望ましく、誘電加熱部１２はマイクロ波加熱により攪拌部１１の少なくとも一部を加熱する構成であることが望ましい。

電波発振器１９は温度取得装置２０と電気的に接続された制御装置２１に電気的に接続されて、温度取得装置２０の取得した温度Ｔｘに基づいて、制御装置２１により電波の発振が制御される。

温度取得装置２０は選択的還元触媒装置３を通過する排ガスＧ１の温度Ｔｘを取得する温度センサである。温度取得装置２０は、排ガスＧ１の流れに関して選択的還元触媒装置３よりも上流側に配置されることが望ましく、尿素水噴射弁２の近傍に配置されることがより望ましい。

制御装置２１は、各種情報処理を行う中央演算装置（ＣＰＵ）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置２１は、尿素水噴射弁２の尿素水の噴射を制御するドージングコントロールユニットで構成されてもよい。

制御装置２１は、機能要素として加熱判定部２２、および、加熱制御部２３を有する。各機能要素は、プログラムとして内部記憶装置に記憶されていて、適時、中央演算装置により実行されている。なお、各機能要素としては、プログラムの他にそれぞれが独立して機能するプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）や電気回路で構成されてもよい。

加熱判定部２２は温度取得装置２０が取得した排ガスＧ１の温度Ｔｘが入力されて、その温度Ｔｘが予め設定された下限値Ｔａ以上、且つ、上限値Ｔｂ以下の範囲に収まるか否かを判定し、判定した結果を加熱制御部２３に出力する機能要素である。

加熱制御部２３は加熱判定部２２の判定結果が入力されて、温度Ｔｘが予め設定された範囲に収まるという判定結果の場合に、電波発振器１９に電波を発振させる制御を行う機能要素である。

下限値Ｔａ以上、且つ、上限値Ｔｂ以下の範囲は、予め実験や試験により設定された温度範囲であり、尿素水噴射弁２から尿素水の噴射が許可される温度範囲のうちの低温側の範囲に設定される。ここでいう尿素水噴射弁２から尿素水の噴射が許可される温度範囲とは、尿素水がアンモニアに加水分解可能で、且つ、選択的還元触媒装置３がアンモニアを還元剤として窒素酸化物を還元可能に活性化した温度範囲である。また、その温度範囲のうちの低温側の範囲とは、その温度範囲の高温側の範囲に比して尿素水からアンモニアへの加水分解の反応速度が遅い範囲である。

図５に例示するように、攪拌装置１０の加熱方法は、図示しない内燃機関の運転中に所定の周期ごとに繰り返し行われる方法である。本開示で、所定の周期とは温度取得装置２０が温度Ｔｘを取得する周期とする。なお、フロー図における一周期の経過は「リターン」で示す。

内燃機関の運転が開始されると、温度取得装置２０が温度Ｔｘを取得する（Ｓ１１０）。ついで、加熱判定部２２が、取得した温度Ｔｘが下限値Ｔａ以上か否かを判定する（Ｓ１２０）。下限値Ｔａが尿素水噴射弁２から尿素水の噴射を開始する温度に設定されている場合にこのステップは温度Ｔｘと下限値Ｔａとの比較では無く、尿素水の噴射の有無を判定するステップとしてもよい。

ついで、温度Ｔｘが下限値Ｔａ以上と判定した場合に（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、加熱判定部２２が、取得した温度Ｔｘが上限値Ｔｂ以下か否かを判定する（Ｓ１３０）。一方、温度Ｔｘが下限値Ｔａを下回ると判定した場合に（Ｓ１２０：ＮＯ）、スタートへ戻る。

ついで、温度Ｔｘが上限値Ｔｂ以下と判定した場合に（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、加熱制御部２３が、電波発振器１９に指令を出し、電波を発振させて（Ｓ１４０）、スタートへ戻る。一方、温度Ｔｘが上限値Ｔｂを上回ると判定した場合に（Ｓ１３０：ＮＯ）、加熱制御部２３が、電波発振器１９の電波の発振を停止させて（Ｓ１５０）、スタートへ戻る。

電波発振器１９が電波を発振すると、電波吸収体１８が発振された電波を吸収して発熱する。ついで、電波吸収体１８で生じた熱が多孔質体１５に伝熱して、多孔質体１５に吸着された尿素水を加熱する。加熱された尿素水の液滴は揮発して多孔質体１５から脱離して、排ガスＧ１に拡散されて加水分解される。

このように、誘電加熱部１２により攪拌部１１を誘電加熱することで、排ガスＧ１の温度Ｔｘでは揮発できなかった尿素水を揮発させることができる。これにより、尿素水が排気通路１や選択的還元触媒装置３に直接付着することを防止するには有利になり、排気通路１や選択的還元触媒装置３に尿素水に起因する白色生成物が析出することを抑制することができる。

誘電加熱部１２は攪拌部１１を誘電加熱により加熱する。誘電加熱は、誘導加熱に比して均一加熱、迅速加熱、選択加熱の点で優れる。つまり、誘電加熱部１２は時々刻々と変化する排ガスＧ１の温度Ｔｘに対して迅速加熱することで、加熱遅れを回避するには有利になる。また、誘電加熱部１２は選択加熱により攪拌部１１のみを加熱するのに有利になる。

既述した実施形態で、攪拌装置１０は多孔質体１５を有する攪拌部１１および誘電加熱部１２の両方を備えているが、攪拌装置１０は誘電加熱部１２が無く、多孔質体１５を有する攪拌部１１のみで構成されてもよく、攪拌装置１０は多孔質体１５を有さない攪拌部１１および誘電加熱部１２で構成されてもよい。

前述したとおり、攪拌装置１０は攪拌部１１が多孔質体１５を有することで、加水分解できなかった液状あるいは液滴状の尿素水を吸着することができる。また、攪拌装置１０は誘電加熱部１２により攪拌部１１を誘電加熱することで、排ガスＧ１の温度Ｔｘでは揮発できなかった尿素水を揮発させることができる。

これらに対して、多孔質体１５を有する攪拌部１１および誘電加熱部１２の両方を備える攪拌装置１０は、加水分解できなかった液状あるいは液滴状の尿素水を多孔質体１５で吸着する。ついで、攪拌装置１０は排ガスＧ１の温度Ｔｘでは吸着したその尿素水を揮発できない場合に、誘電加熱部１２により攪拌部１１を誘電加熱することで、吸着した尿素水を揮発させることができる。

このように、多孔質体１５を有する攪拌部１１および誘電加熱部１２の両方を備える攪拌装置１０によれば、どちらか一方を備えない攪拌装置に比して、尿素水が排気通路や選択的還元触媒装置に直接付着することを防止するには有利になり、排気通路や選択的還元触媒装置に尿素水に起因する白色生成物が析出することを抑制することができる。

攪拌装置１０が有する多孔質体１５が吸着可能な尿素水の量を予め実験や試験により設定し、排ガスＧ１の温度Ｔｘでは尿素水を揮発できない場合に、尿素水噴射弁２から噴射される尿素水の噴射量を多孔質体１５から尿素水が飛び散らない量にするとよい。

また、多孔質体１５を排ガスＧ１の流れに関して攪拌部１１よりも下流側で、選択的還元触媒装置３の上流側の排気通路１における底部に設置してもよい。ここでいう、排気通路１における底部とは液状あるいは液滴の尿素水が付着し易い場所である。排気通路１における多孔質体１５を設置する場所は、攪拌部１１の近傍が好ましい。また、排気通路１に設置された多孔質体１５の細孔の大きさは管中心から管径方向外側に向かって小さくなることが望ましい。

排気通路１に設置された多孔質体１５に当接する電波吸収体１８を備えるとともに、その電波吸収体１８に向けて電波を発振する電波発振器１９を備えてもよい。

既述した実施形態で、電波吸収体１８を羽根１４の先端部に配置し、多孔質体１５を羽根１４の尿素水噴射弁２の側に向いた面の全域のうちの先端部を除いた部位を覆うように配置する構成を例示したが、電波吸収体１８の尿素水噴射弁２の側に向いた面に多孔質体１５を配置してもよい。

１排気通路
２尿素水噴射弁
３選択的還元触媒装置
１０攪拌装置
１１攪拌部
１５多孔質体

Claims

排ガスが通過する排気通路の中途位置に配置された尿素水噴射弁とこの尿素水噴射弁よりも排ガスの流れに関して下流側に配置された選択的還元触媒装置との間に配置された攪拌部を備える攪拌装置において、前記攪拌部はその前記尿素水噴射弁の側に向いた面に尿素水を吸着可能な多孔質体を有することを特徴とする攪拌装置。
前記多孔質体は金属繊維が交絡して成る金属布で構成される請求項１に記載の攪拌装置。
前記多孔質体は複数の前記金属布が排ガスの流れる方向に積層して成る請求項２に記載の攪拌装置。
前記多孔質体の細孔の大きさは排ガスの流れに関して上流側から下流側に向かって小さくなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の攪拌装置。
排ガスの流れる方向に見て前記多孔質体の外縁部に当接した電波吸収体と前記排気通路の外側に配置された電波発振器とを有する誘電加熱部を備え、前記多孔質体は前記電波発振器から出力された電波を吸収した前記電波吸収体からの伝熱により加熱される請求項１〜４のいずれか１項に記載の攪拌装置。