JP2023167157A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスおよび添加剤の高い分散効果を得ることが可能な排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置は、排気通路と、排気ガスを浄化する触媒を含む排気浄化ユニットと、排気通路内に添加剤を噴射する添加剤供給部とを備える。排気通路は、添加剤供給部よりも下流側に位置し、第１方向に延びる第１流路と、第１流路よりも下流側に位置し、第１方向に対して略直交する第２方向に延びる第２流路と、第１流路と第２流路とを接続する接続部とを含む。排気通路を第１方向からみたときに、接続部は、第１方向に直交する平面への第２流路の投影領域の外側から第２流路に接続される。排気通路を第２方向からみたときに、接続部の壁面の少なくとも一部が第２流路の壁面に沿うように接続部が第２流路に接続される。【選択図】図３

Description

本技術は、排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関において、触媒の上流側に位置する排気通路に還元剤としての添加剤を添加し、触媒において排気ガスを浄化することが従来から行われている。

排気通路内に渦巻状の旋回流を生じさせる構成が、特許文献１ないし２に記載されている。

特表２０１５－５０８４６９号公報 独国特許出願公開第１０２０１９１２６５７８号明細書

添加剤成分（たとえばアンモニア成分）と排気ガス成分（たとえば窒素酸化物）とを触媒に均一に供給することで、排気ガスの浄化性能が向上し得る。添加剤成分および排気ガス成分を如何にして均一に触媒に供給するかという観点から、従来の排気浄化装置にはなお改善の余地がある。

本技術の目的は、排気ガスおよび添加剤の高い分散効果を得ることが可能な排気浄化装置を提供することにある。

本技術に係る排気浄化装置は、内燃機関からの排気ガスが流れる排気通路と、排気通路の下流側に接続され、排気ガスを浄化する触媒を含む排気浄化ユニットと、排気通路内に添加剤を噴射する添加剤供給部とを備える。排気通路は、添加剤供給部よりも下流側に位置し、第１方向に延びる第１流路と、第１流路よりも下流側に位置し、第１方向に対して略直交する第２方向に延びる第２流路と、第１流路と第２流路とを接続する接続部とを含む。排気通路を第１方向からみたときに、接続部は、第１方向に直交する平面への第２流路の投影領域の外側から第２流路に接続される。排気通路を第２方向からみたときに、接続部の壁面の少なくとも一部が第２流路の壁面に沿うように接続部が第２流路に接続される。

１つの実施態様では、上記排気浄化装置において、排気通路および排気浄化ユニットを第２方向からみたときに、排気浄化ユニットの触媒は、第２方向に直交する平面への第２流路の投影領域を内包するように設けられる。

１つの実施態様では、上記排気浄化装置は、添加剤供給部から噴射された添加剤を微粒化する微粒化部をさらに備える。

１つの実施態様では、上記排気浄化装置において、添加剤供給部から噴射された添加剤を排気通路の壁面に衝突させることにより微粒化部が形成される。

１つの実施態様では、上記排気浄化装置において、添加剤供給部は、添加剤を噴射するノズルと、ノズルを覆う筒状部材とを含む。

本技術によれば、第２流路の投影領域の外側から第２流路の壁面に沿って排気ガスが第２流路に流入するため、第２流路において大きな旋回流がスムーズに形成され得る。この結果、排気ガスおよび添加剤の高い分散効果を得ることが可能な排気浄化装置を提供することができる。

排気浄化装置の構成の一例を示す図である。 図１に示す排気浄化装置のＩＩ－ＩＩ断面図である。 図２に示す排気通路を矢印ＩＩＩの方向から見た状態を示す図である。 比較例に係る排気通路を図３と同じ方向から見た状態を示す図である。 添加剤供給部の周辺構造の一例を示す図である。

以下に、本技術の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本技術の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本技術にとって必ずしも必須のものではない。また、本技術は、本実施の形態において言及する作用効果を必ずしもすべて奏するものに限定されない。

なお、本明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含む場合に、当該構成以外の他の構成を含んでもよいし、含まなくてもよい。

また、本明細書において幾何学的な文言および位置・方向関係を表す文言、たとえば「平行」、「直交」、「斜め４５°」、「同軸」、「沿って」などの文言が用いられる場合、それらの文言は、製造誤差ないし若干の変動を許容する。本明細書において「上側」、「下側」などの相対的な位置関係を表す文言が用いられる場合、それらの文言は、１つの状態における相対的な位置関係を示すものとして用いられるものであり、各機構の設置方向（たとえば機構全体を上下反転させる等）により、相対的な位置関係は反転ないし任意の角度に回動し得る。

図１は、本実施の形態に係る排気浄化装置の構成の一例を示す図である。図１に示す排気浄化装置１は、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムである。排気浄化装置１は、排気通路１００と、排気浄化ユニット２００と、添加剤供給部３００とを含む。

排気通路１００には、図示しない内燃機関からの排気ガスが流れる。排気通路１００は、矢印ＤＲ１方向（第１方向）に延びる第１流路１１０と、矢印ＤＲ２（第２方向）に延びる第２流路１２０と、第１流路１１０と第２流路１２０とを接続する接続部１３０とを含む。第２流路１２０は、第１流路１１０よりも下流側に位置する。

排気浄化ユニット２００は、排気通路１００の下流側に接続される。一例において、排気浄化ユニット２００は、ＳＣＲ（選択還元型触媒）を含む。

ＳＣＲは、還元剤としてのアンモニアガスを用いて、排気通路１００から流入した排気ガス中の一酸化窒素および二酸化窒素を還元し、窒素および水に変換する。ＳＣＲの作用により、内燃機関からの排気ガスが浄化される。

図１の例では、排気通路１００の第２流路１２０と排気浄化ユニット２００を構成する触媒は、矢印ＤＲ２方向に沿って設けられ。排気浄化ユニット２００を構成する触媒（ＳＣＲ）が設けられる部分において流路は拡径される。

すなわち、排気通路１００および排気浄化ユニット２００を矢印ＤＲ２方向（第２方向）からみたときに、排気浄化ユニット２００を構成する触媒は、矢印ＤＲ２方向に直交する平面への第２流路１２０の投影領域を内包するように設けられる。このようにすることで、排気通路１００から排気浄化ユニット２００に向かって流れる排気ガス流れに対する抵抗および当該排気ガス流れの乱れを低減することができる。

図１に示す構造は一例であって、本技術の範囲はこれに限定されない。たとえば、第２流路１２０と排気浄化ユニット２００の触媒は略同軸に配置されていなくてもよい。

添加剤供給部３００は、排気通路１００内に添加剤としての尿素水を噴射する。排気ガス中に噴射された尿素が熱分解されることで、アンモニアとイソシアン酸が得られる。さらに、イソシアン酸の加水分解により、アンモニアと二酸化炭素が得られる。このようにして得られたアンモニアガスが排気浄化ユニット２００のＳＣＲに供給される。
排気ガス中の窒素酸化物の還元反応は、以下の化学式により表される。
（排気通路１００における尿素水分解およびアンモニア生成）
・（ＮＨ₂）₂ＣＯ→ＮＨ₃＋ＨＮＣＯ（尿素の熱分解）
・ＨＮＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＮＨ₃＋ＣＯ₂（イソシアン酸の加水分解）
（排気浄化ユニット２００における選択還元反応）
・４ＮＯ＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
・２ＮＯ₂＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂→３Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
・ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ

排気通路１００を流れる排気ガス流れは、第２流路１２０の内部において、旋回流４００を形成する。旋回流４００が形成されることにより、排気ガス中に供給された添加剤が均一に分散されやすくなる。

図２は、図１に示す排気浄化装置のＩＩ－ＩＩ断面図である。図３は、図２に示す排気通路を矢印ＩＩＩの方向から見た状態を示す図である。図２，図３に示すように、接続部１３０は、第１流路１１０が延びる方向（矢印ＤＲ１方向）および第２流路１２０が延びる方向（矢印ＤＲ２方向）に直交する矢印ＤＲ３方向に沿って第２流路１２０に近づき、接続部１３０の先端が第２流路１２０に接続される。

すなわち、第１流路１１０が延びる方向（矢印ＤＲ１方向）から排気通路１００をみたときに、排気通路１００の接続部１３０は、矢印ＤＲ１方向に直交する平面への第２流路１２０の投影領域の外側から第２流路１２０に接続される。これにより、第１流路１１０および第２流路１２０が接続される。

また、図３に示すように、排気通路１００を矢印ＤＲ２方向からみたとき、接続部１３０は、接続部１３０の壁面１３１の一部が第２流路１２０の壁面１２１に沿うように第２流路１２０に接続されている。このようにすることで、接続部１３０の壁面１３１および第２流路１２０の壁面１２１に連続的に沿うガス流れが形成される。壁面１２１に沿うガス流れは、矢印ＤＲ２方向（図３における紙面に垂直な方向）に進みながら旋回する旋回流４００を形成する。

図４は、比較例に係る排気通路を図３と同じ方向から見た状態を示す図である。図４に示す比較例において、接続部１３０Ａは、矢印ＤＲ１方向に沿って第２流路１２０Ａに近づき、接続部１３０Ａの先端が第２流路１２０Ａに接続される。第２流路１２０Ａに流通したガス流れは、矢印ＤＲ２方向（図４における紙面に垂直な方向）に進みながら旋回する旋回流４００Ａを形成する。ただし、矢印ＤＲ２方向（旋回流４００Ａの進行方向）からみて接続部１３０Ａの壁面１３１Ａおよび第２流路１２０Ａの壁面１２１Ａが連続的に形成されていないため、比較的小さな旋回流４００Ａの形成に留まる。

これに対し、本実施の形態に係る排気浄化装置１においては、図３に示すように、旋回流４００の進行方向からみて接続部１３０の壁面１３１および第２流路１２０の壁面１２１が連続的に形成され、第２流路１２０の壁面に沿って排気ガスが第２流路１２０に流入する。さらに、排気ガスは、第２流路１２０の外側（オフセットされた位置）から大回りするように形成された接続部１３０を介して第２流路１２０に流入するため、第２流路１２０において大きな旋回流が形成されやすい。

このように、本実施の形態に係る排気浄化装置１によれば、第２流路１２０において、大きな旋回流４００がスムーズに形成されやすい。この結果、排気浄化ユニット２００に向かって流れる排気ガス流において、二酸化窒素成分およびアンモニア成分を均一に分散させることが可能となり、排気浄化効率を高めることができる。本件発明者らは、従来の製品と比較して、本実施の形態に係る排気浄化装置１においてアンモニア成分がより均一に分散し、結果として窒素酸化物の浄化性能が向上していることを確認している。

また、本実施の形態に係る排気浄化装置１によれば、第２流路１２０において、単一の大きな旋回流４００が形成されるため、複数の旋回流を形成し、それらを合流させる構造と比較して、排気通路１００における圧力損失を低減することができる。

図５は、添加剤供給部３００の周辺構造の一例を示す図である。図５に示すように、添加剤供給部３００は、ノズル３１０と、筒状部材３２０とを含む。尿素水（添加剤）は、ノズル３１０から第１流路１１０の壁面１１１に向かって噴射される。筒状部材３２０は、ノズル３１０を覆う円筒状の部材である。筒状部材３２０は、第１流路１１０の壁面１１１１に向かって開口している。ノズル３１０から噴射された尿素水は、第１流路１１０の壁面１１１に衝突する。これにより、尿素水の微粒化が促進される。すなわち、第１流路１１０の壁面１１１は、尿素水（添加剤）を微粒化する微粒化部を構成し得る。ここで、ノズル３１０から噴射された尿素水（添加剤）を壁面１１１に直接衝突させることにより、排気通路１００中のガス流れを遮る部材を設けることなく微粒化を行うことができる。

尿素水（添加剤）が微粒化されることにより、排気ガス中に尿素水（添加剤）が均一に分散されやすくなる。添加剤供給部３００がノズル３１０を覆う筒状部材３２０を含むことにより、ノズル３１０から噴射された尿素水（添加剤）が第１流路１１０の壁面１１１に衝突するまでの間の排気ガス流れの影響を低減することができるので、尿素水（添加剤）を壁面１１１に衝突させやすくすることができ、尿素水（添加剤）の微粒化が促進される。排気通路１００に設けられた筒状部材３２０が排気通路１００内のガス流れに乱れを生じさせることにより、尿素水（添加剤）の分散効果がさらに高まり得る。

ただし、添加剤供給部３００の構造は図５に示すものに必ずしも限定されない。添加剤供給部３００が筒状部材３２０を含むものでなくてもよい。ノズル３１０から噴射された尿素水（添加剤）が第１流路１１０の壁面１１１に衝突するものに限定されるものでもない。

以上、本技術の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本技術の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 排気浄化装置、１００ 排気通路、１１０ 第１流路、１１１ 壁面、１２０，１２０Ａ 第２流路、１２１，１２１Ａ 壁面、１３０，１３０Ａ 接続部、１３１，１３１Ａ 壁面、２００ 排気浄化ユニット、３００ 添加剤供給部、３１０ ノズル、３２０ 筒状部材、４００，４００Ａ 旋回流。

Claims (5)

1. 内燃機関からの排気ガスが流れる排気通路と、
   前記排気通路の下流側に接続され、前記排気ガスを浄化する触媒を含む排気浄化ユニットと、
   前記排気通路内に添加剤を噴射する添加剤供給部とを備え、
   前記排気通路は、前記添加剤供給部よりも下流側に位置し、第１方向に延びる第１流路と、前記第１流路よりも下流側に位置し、前記第１方向に対して略直交する第２方向に延びる第２流路と、前記第１流路と前記第２流路とを接続する接続部とを含み、
   前記排気通路を前記第１方向からみたときに、前記接続部は、前記第１方向に直交する平面への前記第２流路の投影領域の外側から前記第２流路に接続され、
   前記排気通路を前記第２方向からみたときに、前記接続部の壁面の少なくとも一部が前記第２流路の壁面に沿うように前記接続部が前記第２流路に接続される、排気浄化装置。
2. 前記排気通路および前記排気浄化ユニットを前記第２方向からみたときに、前記排気浄化ユニットの前記触媒は、前記第２方向に直交する平面への前記第２流路の投影領域を内包するように設けられる、請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記添加剤供給部から噴射された前記添加剤を微粒化する微粒化部をさらに備えた、請求項１または請求項２に記載の排気浄化装置。
4. 前記添加剤供給部から噴射された前記添加剤を前記排気通路の壁面に衝突させることにより前記微粒化部が形成される、請求項３に記載の排気浄化装置。
5. 前記添加剤供給部は、前記添加剤を噴射するノズルと、前記ノズルを覆う筒状部材とを含む、請求項４に記載の排気浄化装置。
   

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