JP2023012148A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤が排気ガス中により均一に混合され、浄化効率が高い排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置は、触媒と、噴射部と、混合部材と、壁部材と、を備える。触媒は、排気ガスの流路内に設けられる。噴射部は、触媒よりも流路の上流側に設けられ、流路内に還元剤を噴射する。混合部材は、流路内に設けられ、排気ガスと還元剤とを混合する。壁部材は、流路内における混合部材と触媒との間に設けられ、排気ガスと還元剤との混合ガスが通る開口部と、混合ガスの流れを遮る壁部と、を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、排気ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯ_X）が含まれている。こうした排気ガスを浄化するための排気浄化システムとして、ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：選択触媒還元）方式の触媒を流路内に設け、その上流側の排気ガス中に還元剤を噴射する構成の排気ガス浄化システムがある。還元剤としては、例えば、尿素水が挙げられる。尿素水は、排気ガスの熱により加水分解されてアンモニアとなり、排気ガスとともに触媒へ供給される。その後、触媒の作用により窒素酸化物はアンモニアと反応し、還元浄化される。

この種の排気浄化システムでは、特許文献１に示すように、流路内における触媒よりも上流側に、排気ガスと還元剤とを混合するための混合部材が設けられる。これにより、排気ガスと還元剤とがよく混合され、浄化効率を高めることができる。

特開２０１７－２１４８８４号公報

本発明者らの検討の結果、単に混合部材を設けるだけでは排気ガスと還元剤との混合が十分でない場合があるという課題が見出された。
本開示の一局面は、還元剤が排気ガス中により均一に混合され、浄化効率が高い排気ガス浄化装置を提供する。

本開示の一態様は、内燃機関から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置であって、触媒と、噴射部と、混合部材と、壁部材と、を備える。触媒は、排気ガスの流路内に設けられる。噴射部は、触媒よりも流路の上流側に設けられ、流路内に還元剤を噴射する。混合部材は、流路内に設けられ、排気ガスと還元剤とを混合する。壁部材は、流路内における混合部材と触媒との間に設けられ、排気ガスと還元剤との混合ガスが通る開口部と、混合ガスの流れを遮る壁部と、を有する。このような構成によれば、還元剤が排気ガス中により均一に混合され、浄化効率が高い排気ガス浄化装置が提供される。

本開示の一態様では、混合部材は、排気ガスを旋回させてもよい。排気ガスの流れ方向に垂直な断面において、壁部は流路の中央領域に位置し、開口部は流路における中央領域の外周を囲む外周領域に位置してもよい。このような構成によれば、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

本開示の一態様では、第１筒部と、第２筒部と、を備えてもよい。第１筒部は、混合部材を内部に有する。第２筒部は、触媒を収容し、第１筒部よりも排気ガスの流れ方向に垂直な断面の面積が大きい。排気ガスの流れ方向に垂直な断面で見た場合に、壁部が第１筒部を覆う大きさであってもよい。このような構成によれば、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。
本開示の一態様では、壁部材は第２筒部内に設けられていてもよい。このような構成によれば、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

本開示の一態様では、混合部材は、排気ガスの流れ方向に沿った面を有してもよい。噴射部は、混合部材の面に対して還元剤を噴射してもよい。排気ガスの流れ方向に垂直な断面において、開口部は流路の中央領域に位置し、壁部は流路における中央領域の外周を囲む外周領域に位置してもよい。このような構成によれば、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

本開示の一態様では、第１筒部と、第２筒部と、を備えてもよい。第１筒部は、混合部材を内部に有する。第２筒部は、触媒を収容する。壁部材は、第２筒部内に設けられていてもよい。このような構成によれば、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

本開示の一態様では、壁部の触媒側の面は、開口部を基準として流路の上流側に向かって膨らんだ形状を有してもよい。このような構成によれば、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

第１実施形態の排気ガス浄化装置の断面図である。 第１実施形態の壁部材の正面図である。 第１実施形態の壁部材の斜視図である。 図２のＢ－Ｂ断面における、排気ガス浄化装置の断面図である。 壁部材の作用を説明する模式断面図である。 第２実施形態の排気ガス浄化装置の断面図である。 第２実施形態の混合部材の斜視図である。 第２実施形態の壁部材の正面図である。 第２実施形態の壁部材の斜視図である。 図７のＤ－Ｄ断面における、排気ガス浄化装置の断面図である。

以下、本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す排気ガス浄化装置１は、内燃機関から排出された排気ガスを浄化する装置である。排気ガス浄化装置１は、排気管２と、噴射部３と、混合部材４と、触媒５と、壁部材６と、を備える。

排気管２は、排気ガスの流路を形成する。排気管２は、例えば円筒状である。排気管２は、上流側から順に、第１筒部２１と、第１筒部２１よりも内径が大きい第２筒部２２と、第１筒部２１と第２筒部２２とを連結する第３筒部２３と、を有する。第３筒部２３は、下流側に向けて内径が徐々に大きくなる形状を有する。

第１筒部２１は、上流側の直筒部２１１と、下流側の直筒部２１２と、両者を連結する湾曲部２１３と、を有する。第１筒部２１は、上流側の直筒部２１１、下流側の直筒部２１２、及び湾曲部２１３によって、Ｓ字状に形成される。下流側の直筒部２１１の内部には、後に詳述する混合部材４が設けられている。湾曲部２１３には、流路内に還元剤を噴射する噴射部３が連結されている。

噴射部３は、下流側にある混合部材４に向かうように還元剤を噴射する。
混合部材４は、例えば、流路の下流側に向けて立設する複数の羽４１を有する。これにより、混合部材４は排気ガスを旋回するように下流側に向けて案内する。

第２筒部２２の内部には、触媒５が収容されている。第２筒部２２の内部であって、触媒５の上流側には、壁部材６が設けられている。第２筒部２２は、第１筒部２１よりも排気ガスの流れ方向に垂直な断面の面積が大きい。
壁部材６は、図２及び図３に示すように、全体として円盤状の形状を有する。壁部材６は、円筒状の第２筒部２２内にはめ込まれる。壁部材６は、図２に示すように、排気ガスの流れ方向に垂直な断面において流路の中央領域６１ａに位置する円盤状の壁部６１と、外枠６２と、壁部６１から外枠６２に向けて放射状に伸びて、壁部６１と外枠６２とを連結する８本の連結部６３と、を有する。

壁部６１は、排気ガスの流れ方向に垂直な断面で見た場合に、第１筒部２１を覆う大きさである。具体的には、排気ガスの流れ方向に垂直な断面において、壁部６１の径は、第１筒部２１の内径よりも大きい。
壁部６１、外枠６２、及び連結部６３に囲まれることにより、８つの開口部６４が形成される。開口部６４は、排気ガスの流れ方向に垂直な断面において、中央領域６１ａの外周を囲む外周領域６１ｂに位置する。外周領域６１ｂとは、具体的には、円状の流路の中央領域６１ａを囲む環状の領域である。

中央領域６１ａは、例えば、排気ガスの流れ方向に垂直な断面における流路の断面積の半分以下であることが好ましく、外周領域６１ｂは、例えば、排気ガスの流れ方向に垂直な断面における流路の断面積の半分以上であることが好ましい。後に詳述する効果が得られやすいためである。

図３に示すように、壁部６１及び連結部６３は、壁部材６における開口部６４、具体的には開口部６４の縁を基準として上流側に向けて膨らんだ形状を有する。
ここで、図１に示す壁部材６は、図２に示すＡ－Ａ断面で見た状態で表されている。また、図４に示す壁部材６は、図２に示すＢ－Ｂ断面で見た状態で表わされている。なお、図４では、簡略化のため混合部材４を図示していない。

図２及び図４に示すように、壁部６１の外周領域６１ｂにおける触媒５側の面は、開口部６４よりも上流側に位置する。そして、壁部６１の中央領域６１ａにおける触媒５側の面は、外周領域６１ｂよりも更に上流側に位置する。このように、壁部６１の触媒５側の面は、壁部材６における開口部６４を基準として上流側に向けて膨らんだ形状となっている。

また、図１及び図３に示すように、連結部６３における触媒５側の面も、開口部６４よりも上流側に位置する。例えば、連結部６３における触媒５側の面は、壁部６１の外周領域６１ｂにおける触媒５側の面と同一平面である。このように、連結部６３の触媒５側の面も、壁部材６における開口部６４を基準として上流側に向けて膨らんだ形状となっている。

［１－２．排気ガスの流れ］
排気ガス浄化装置１内の流路を流れる排気ガスの流れについて説明する。
上流側の直筒部２１１から流入する排気ガスに対して、湾曲部２１３内で還元剤が噴射される。その後、下流側の直筒部２１２内で、混合部材４により排気ガスが撹拌されることにより、排気ガス中に還元剤が拡散する。その後、排気ガスと還元剤との混合ガスは、第２筒部２２内の壁部材６の開口部６４を通って、下流側の触媒５へ導かれる。

［１－３．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）排気ガス浄化装置１は、排気ガスの流路内における混合部材４と触媒５との間に設けられ、排気ガスと還元剤との混合ガスが通る開口部６４と、混合ガスの流れを遮る壁部６１と、を有する壁部材６を備える。ここで、開口部６４を通る混合ガスの圧力は、触媒５の抵抗により高くなる。一方、触媒５よりも上流側に壁部６１があるため、壁部６１の裏側、すなわち壁部６１と触媒５との間の空間では負圧が生じやすい。よって、混合ガスは、流路幅が絞られた開口部６４を通ることにより壁部６１の裏側へ勢いよく回り込む。つまり、壁部材６に設けられた壁部６１と開口部６４とによって生じる圧力差により、混合ガスが壁部６１の裏側に回り込む。この流れにより混合ガスが撹拌されるため、壁部材６がない場合と比較して、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

（１ｂ）混合部材４は、排気ガスを旋回させる。また、排気ガスの流れ方向に垂直な断面において、壁部６１は流路の中央領域６１ａに位置し、開口部６４は流路における中央領域６１ａの外周を囲む外周領域６１ｂに位置する。このような構成によれば、以下に述べるように、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

混合部材４が排気ガスを旋回させる場合、本発明者の検討によれば、排気ガスの流れ方向に垂直な断面において、流路の中央領域６１ａと比較して流路の外周領域６１ｂの方が、ガスが多く流れ流速が速くなる傾向にある。このようなガスの流れが集中する領域に開口部６４を設けることで、圧力損失を抑えて開口部６４から壁部６１の裏側へ回る混合ガスの流れを速くすることができる。これにより、混合ガスがより激しく撹拌されるため、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

（１ｃ）排気ガスの流れ方向に垂直な断面で見た場合に、壁部６１が第１筒部２１を覆う大きさである。このような構成によれば、以下に述べるように、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

混合部材４が排気ガスを旋回させる場合、本発明者の検討によれば、液滴となってしまった還元剤が、壁部材６における、混合部材４が存在している空間をそのまま下流側に延長した領域に集中しやすい。液滴となってしまった還元剤は、比重が重いため、排気ガス中を拡散しにくくそのまま壁部材６に至りやすいためと考えられる。

そこで、壁部６１を、第１筒部２１を覆う大きさにすることで、こうした液滴が集中しやすい領域を壁部６１でカバーすることができる。よって、液滴が壁部６１に当たることにより拡散されるため、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

（１ｄ）壁部材６は、触媒５が収容される第２筒部２２内に設けられる。すなわち、壁部材６は、混合部材４と触媒５との間において触媒５に近い位置に設けられるため、壁部材６と触媒５との間の空間が比較的狭く、より大きい負圧を生じさせやすい。この狭い空間に混合ガスが流入するため、開口部６４付近でより大きい正圧が生じる。これにより、開口部６４から壁部６１の裏側へ回る混合ガスの流れを速くすることができるため、混合ガスがより激しく撹拌されて、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

（１ｅ）壁部６１の触媒５側の面は、開口部６４を基準として排気ガスの流路の上流側に向かって膨らんだ形状を有する。このような構成によれば、以下に述べるように、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

図５の模式断面図に示すように、壁部材６と触媒５との間の空間では、開口部６４付近で正圧となり、壁部６１付近で負圧となる。壁部６１が上流側に向かって膨らんだ形状を有すると、壁部６１の裏側の空間が拡大されるため、より大きい負圧が生じる。これにより、開口部６４を通り壁部６１の裏側へ回る混合ガスの流れを速くすることができるため、混合ガスがより激しく撹拌されて、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

［２．第２実施形態］
［２－１．構成］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同様の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

図６に示す排気ガス浄化装置１１は、第１実施形態の排気ガス浄化装置１と、主に混合部材の形状及び壁部材の形状が異なる。
排気ガス浄化装置１１の混合部材７は、図６に示すように、排気ガスの流れ方向に沿って伸びる、平板状の部材である。混合部材７は、図７に示すように、第１筒部２１の内部の中央に設けられる。

噴射部３１は、図６に示すように、混合部材７における排気ガスの流れ方向に沿った面に対して還元剤を噴射する。
壁部材８は、図８及び図９に示すように、第１実施形態と同様に全体として円盤状の形状を有する。壁部材８は、図８に示すように、排気ガスの流れ方向に垂直な断面において流路の外周領域に位置する環状の壁部８１と、流路の中央領域に位置する８つの開口部８２と、を有する。８つの開口部８２は、円状の流路の中央領域を、中心を通る４本の分割線で分割した形状及び配置となっている。

図９に示すように、壁部８１は、壁部材８の開口部８２、具体的には開口部８２の縁を基準として上流側に向けて膨らんだ形状を有する。
ここで、図６に示す壁部材８は、図８に示すＣ－Ｃ断面で見た状態で表されている。また、図１０に示す壁部材８は、図８に示すＤ－Ｄ断面で見た状態で表わされている。なお、図１０では、簡略化のため混合部材４を図示していない。

図１０に示すように、壁部８１における触媒５側の面は、開口部８２よりも上流側に膨らんでいる。
［２－２．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、第１実施形態の効果（１ａ）、（１ｄ）、及び（１ｅ）に加えて以下の効果が得られる。

（２ａ）混合部材７は、排気ガスの流れ方向に沿った面を有する。また、噴射部３１は、混合部材７における当該面に対して還元剤を噴射する。そして、排気ガスの流れ方向に垂直な断面において、開口部８２は排気ガスの流路の中央領域に位置し、壁部８１は流路における中央領域の外周を囲む外周領域に位置する。

混合部材７が、排気ガスの流れ方向に沿った面を有する形状の場合、第１実施形態の場合とは対照的に、排気ガスの流れ方向に垂直な断面において、流路の外周領域と比較して流路の中央領域の方が、ガスが多く流れ流速が速くなる傾向にある。よって、このようなガスの流れが集中する領域に開口部８２を設けることで、混合ガスがより激しく撹拌されるため、還元剤が排気ガス中により均一に混合される。

［３．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（３ａ）壁部材６，８の形状は、上記実施形態に示した形状に限定されない。例えば、開口部６４，８２の数が８よりも多くても少なくてもよい。また例えば、壁部６１，８１のサイズが上記実施形態に示した大きさよりも大きくても小さくてもよい。また例えば、壁部６１，８１等が，膨らんだ形状ではなく平板状であってもよい。また例えば、壁部６１，８１等の膨らみが、一段階であってもよく、多段階であってもよい。また、壁部等の膨らみ方が、多段状であってもよく、なめらかに膨らむ形状であってもよい。また例えば、比較的分厚い壁部材６，８の下流側の面を上流側にくり貫くことにより、壁部材６，８を凹状に形成してもよい。

（３ｂ）壁部材６，８が設けられる位置は、第２筒部２２内に限定されない。例えば、壁部材６，８は、第３筒部２３内に設けられてもよい。
（３ｃ）壁部６１，８１が設けられる位置は、上記実施形態に示した位置に限定されない。例えば、第１実施形態の排気ガス浄化装置１において第２実施形態の壁部材８を用いてもよく、第２実施形態の排気ガス浄化装置１１において第１実施形態の壁部材６を用いてもよい。また、壁部６１，８１は、排気ガスの流量が多い他の位置等に設けてもよい。
（３ｄ）開口部の形状も、上記実施形態に示した形状に限定されない。

（３ｅ）混合部材４，７の形状は、上記実施形態に示した形状に限定されない。例えば、混合部材４，７は、複数の小さな孔が形成された多孔板等であってもよい。
（３ｆ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

１，１１…排気ガス浄化装置、２…排気管、３，３１…噴射部、４，７…混合部材、５…触媒、６，８…壁部材、２１…第１筒部、２２…第２筒部、２３…第３筒部、４１…羽、６１，８１…壁部、６１ａ…中央領域、６１ｂ…外周領域、６２…外枠、６３…連結部、６４，８２…開口部。

Claims (7)

1. 内燃機関から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置であって、
   前記排気ガスの流路内に設けられた触媒と、
   前記触媒よりも前記流路の上流側に設けられ、前記流路内に還元剤を噴射する噴射部と、
   前記流路内に設けられ、前記排気ガスと前記還元剤とを混合する混合部材と、
   前記流路内における前記混合部材と前記触媒との間に設けられ、前記排気ガスと前記還元剤との混合ガスが通る開口部と、前記混合ガスの流れを遮る壁部と、を有する壁部材と、
   を備える排気ガス浄化装置。
2. 前記混合部材は、前記排気ガスを旋回させ、
   前記排気ガスの流れ方向に垂直な断面において、前記壁部は前記流路の中央領域に位置し、前記開口部は前記流路における前記中央領域の外周を囲む外周領域に位置する、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記混合部材を内部に有する第１筒部と、
   前記触媒を収容し、前記第１筒部よりも前記排気ガスの流れ方向に垂直な断面の面積が大きい第２筒部と、を備え、
   前記排気ガスの流れ方向に垂直な断面で見た場合に、前記壁部が前記第１筒部を覆う大きさである、請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記壁部材は前記第２筒部内に設けられている、請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
5. 前記混合部材は、前記排気ガスの流れ方向に沿った面を有し
   前記噴射部は、前記混合部材の前記面に対して前記還元剤を噴射し、
   前記排気ガスの流れ方向に垂直な断面において、前記開口部は前記流路の中央領域に位置し、前記壁部は前記流路における前記中央領域の外周を囲む外周領域に位置する、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
6. 前記混合部材を内部に有する第１筒部と、
   前記触媒を収容する第２筒部と、を備え、
   前記壁部材は前記第２筒部内に設けられている、請求項１、請求項２、又は請求項５のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
7. 前記壁部の前記触媒側の面は、前記開口部を基準として前記流路の上流側に向かって膨らんだ形状を有する、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。

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