JP2024010905A - 排気ガス整流装置および排気ガス浄化システム - Google Patents

排気ガス整流装置および排気ガス浄化システム Download PDF

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Abstract

【課題】尿素水噴射装置の下流側での、尿素由来のデポジットの発生リスクを低減する。【解決手段】排気ガス整流装置は、尿素水噴射装置に対して排気ガスが流れる方向の上流側に位置する排気偏向部を備える。排気偏向部は、排気ガスが通過する開口部を有する個別領域を複数含む。複数の個別領域は、一方向に並んで位置する。複数の個別領域の開口率は、一方向において異なる。【選択図】図6

Description

本発明は、排気ガス整流装置および排気ガス浄化システムに関する。
ディーゼルエンジンにおいて、排気ガス中の窒素酸化物を低減する技術が、例えば特許文献1に開示されている。特許文献1では、排気ガスが通る排気管の途中に、排気ガスを浄化するために、尿素選択触媒還元用のSCR触媒と、尿素水噴射部とを設けている。そして、排気ガスを尿素水と混合させてSCR触媒を通過させることにより、排気ガス中の窒素酸化物を低減するようにしている。
特開2016-075213号公報
尿素水噴射装置から噴射した尿素水が、高温の排気ガスが流れる配管の内面に局所的に衝突すると、尿素水の蒸発潜熱により配管の温度が局所的に低下し、そこで、蒸発しきれなかった尿素に由来する固形物(デポジット)が生成される不具合が生じる。特に、配管内で重力方向の下側の面に尿素水が多く衝突すると、尿素水の液だまりが発生し、蒸発しきれなかった尿素に由来するデポジットの発生リスクが高まる。配管内でデポジットの堆積が進行すると、排気圧力損失の増加による燃費の悪化、尿素混合性の低下による窒素酸化物排出量の増加、生成したデポジットが剥離した際に下流側の触媒に衝突することによる触媒の破損、などが生じ得る。そのため、デポジットの発生リスクを低減することが必要である。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、尿素水噴射装置の下流側での、尿素由来のデポジットの発生リスクを低減することができる排気ガス整流装置および排気ガス浄化システムを提供することにある。
本発明の一側面に係る排気ガス整流装置は、尿素水噴射装置に対して排気ガスが流れる方向の上流側に位置する排気偏向部を備え、前記排気偏向部は、前記排気ガスが通過する開口部を有する個別領域を複数含み、前記複数の個別領域は、一方向に並んで位置し、前記複数の個別領域の開口率は、前記一方向において異なる。
本発明の他の側面に係る排気ガス浄化システムは、上記の排気ガス整流装置と、DPFシステムと、前記尿素水噴射装置を含むSCRシステムと、を備える。
尿素水噴射装置の下流側での、尿素由来のデポジットの発生リスクを低減することができる。
本発明の実施の一形態に係るトラクタの概略の構成を示す説明図である。 上記トラクタが備えるエンジンの吸気系および排気系の構成を模式的に示す説明図である。 上記排気系に位置する排気ガス浄化システムを模式的に示す斜視図である。 上記排気ガス浄化システムが有する排気ガス整流装置の構成例を模式的に示す斜視図である。 上記排気ガス整流装置が有する接続部の分解斜視図である。 上記排気ガス整流装置が有する排気偏向部の一例である排気偏向板の正面図である。 上記排気ガス整流装置が有する第1排気ガス配管における排気ガスの流れを模式的に示す説明図である。 上記第1排気ガス配管における排気ガスの流れを模式的に示す説明図である。 上記第1排気ガス配管における排気ガスの流れを模式的に示す説明図である。 上記第1排気ガス配管の内面に付着した尿素水の分布を模式的に示す説明図である。 上記第1排気ガス配管の内面に付着した尿素水の分布を模式的に示す説明図である。 上記排気偏向板を上記接続部に配置しなかった場合(比較例)における、上記第1排気ガス配管における排気ガスの流れを模式的に示す説明図である。 上記比較例における、上記第1排気ガス配管における排気ガスの流れを模式的に示す説明図である。 上記比較例における、上記第1排気ガス配管における排気ガスの流れを模式的に示す説明図である。 上記比較例において、上記第1排気ガス配管の内面に付着した尿素水の分布を模式的に示す説明図である。 上記比較例において、上記第1排気ガス配管の内面に付着した尿素水の分布を模式的に示す説明図である。 上記排気偏向板の他の構成を模式的に示す正面図である。 上記排気偏向板のさらに他の構成を模式的に示す正面図である。 上記排気偏向板のさらに他の構成を模式的に示す正面図である。 上記排気偏向板のさらに他の構成を模式的に示す正面図である。 上記排気偏向板のさらに他の構成を模式的に示す正面図である。 上記排気偏向板のさらに他の構成を模式的に示す正面図である。
本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施形態では、作業車両としてトラクタを例に挙げて説明するが、作業車両はトラクタ以外の乗用作業車両または無人作業車両であってもよい。上記乗用作業車両には、例えば、各種の収穫機、草刈機、田植機、コンバイン、土木・建築作業機械(ホイールローダなど)、除雪車等が含まれる。また、上記無人作業車両には、無人草刈機などが含まれる。
また、本明細書では、特に断らない限り、作業車両としてのトラクタが作業時に進行する方向を「前」とし、その逆方向を「後」とする。また、トラクタの進行方向に向かって右側を右とし、左側を左とする。そして、トラクタの前後方向および左右方向に垂直な方向を上下方向とする。このとき、重力方向の下流側を下とし、その反対側(上流側)を上とする。
〔1.作業車両の構成〕
図1は、本実施形態のトラクタ1の概略の構成を示す説明図である。トラクタ1は、後方側に作業機2を装着可能な車体部3を備える。車体部3の前部には、左右一対の前輪4が取り付けられる。車体部3の後部には、左右一対の後輪5が取り付けられる。車体部3の前部には、ボンネット6が配置される。ボンネット6内には、駆動源としてのエンジン10(ディーゼルエンジン)が収容される。
エンジン10の上部側には、DPF(Diesel Particulate Filter )システム11が設けられる。DPFシステム11は、エンジン10から排出される排気ガスに含まれる粒子状物質(PM:Particulate Matter)を捕集するシステムである。エンジン10の後部側には、SCR(Selective Catalytic Reduction )システム12が設けられる。SCRシステム12は、尿素水貯留タンク(還元剤貯留タンク)12Tに貯留された尿素水(還元剤)を、エンジン10からDPFシステム11を介して排出される排気ガスに添加して、排気ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)を還元するシステムである。なお、DPFシステム11およびSCRシステム12の詳細については後述する。
ボンネット6の後方側には、ユーザが搭乗するためのキャビン13が設けられる。キャビン13内には、ユーザが操向操作するためのステアリングハンドル14、およびユーザの運転座席15等が設けられる。また、キャビン13内には、運転座席15に着席したユーザがトラクタ1の情報を視認するための表示部(図示せず)が設けられる。
図2は、エンジン10の吸気系および排気系の構成を模式的に示す説明図である。エンジン10には、外部から空気を吸入する吸気路21と、燃料を燃焼させる燃焼室22と、燃焼室22からの排気ガスを外部に排出する排気路23と、が設けられる。ちなみに、図2では、4つの燃焼室22を有する4気筒のエンジン10が示されているが、燃焼室22の数は適宜変更可能である。
吸気路21には、その空気の流れ方向の上流側から順に、吸気弁24と、吸気マニホールド25と、が配置されている。吸気弁24は、燃焼室22に供給する空気供給量を調整可能に構成されている。吸気マニホールド25は、吸入空気を複数の燃焼室22のそれぞれに対して分配供給するように構成されている。
エンジン10には、燃焼室22に燃料を供給するために、コモンレール26と、インジェクタ27と、が設けられる。コモンレール26には、燃料ポンプ(図示せず)により燃料が圧送される。インジェクタ27は、各燃焼室22に配置されており、コモンレール26にて高圧で蓄えられた燃料を所定のタイミングで各燃焼室22に噴出する。
排気路23には、排気ガスの流れ方向の上流側から順に、排気マニホールド28と、排気弁29と、上述のDPFシステム11と、SCRシステム12と、が配置されている。排気マニホールド28は、各燃焼室22にて発生した排気ガスをまとめて排出するように構成されている。排気弁29は、エンジン10の外部に排出する排気ガスの排気量を調整可能に構成されている。
エンジン10には、EGR(Exhaust Gas Recirculation )装置30がさらに設けられる。EGR装置30は、排気マニホールド28から配置される排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気ガス再循環装置である。具体的には、EGR装置30は、排気路23の排気ガスの一部を吸気路21に還流させるEGR流路31を備える。EGR流路31には、排気ガスの流れ方向の上流側から順に、EGRクーラ32と、EGR弁33と、が配置される。EGRクーラ32は、還流する排気ガスを冷却する。EGR弁33は、排気ガスの還流量を調整するためのバルブである。
EGR装置30によって、排気ガスの一部を吸気側に還流させることにより、吸気される気体中の酸素量が少なくなる。これにより、燃焼温度を下げることができるため、NOxと呼ばれる窒素酸化物の発生を減らすことができる。
DPFシステム11は、排気ガスの流れ方向の上流側から順に、酸化触媒11aと、スートフィルタ11bと、を備える。酸化触媒11aおよびスートフィルタ11bは、DPFケース11P内に収容されている。
酸化触媒11aは、排気ガスに含まれる一酸化炭素、一酸化窒素等の酸化を促進するように構成されている。スートフィルタ11bは、排気ガスに含まれる煤等のPMを捕集するように構成されている。スートフィルタ11bにて捕集して堆積したPMは、DPF再生制御を適切なタイミングで実施することにより燃焼除去される。
SCRシステム12は、排気ガスの流れ方向の上流側から順に、尿素水噴射装置12aと、選択還元触媒(SCR)12bと、アンモニアスリップ抑制触媒(ASC)12cと、を備える。選択還元触媒12bおよびアンモニアスリップ抑制触媒12cは、中空のSCRケース12P内に収容されている。
尿素水噴射装置12aは、例えば尿素水噴射ノズルで構成されており、後述する尿素水供給装置12Sから供給される尿素水を噴射して、DPFシステム11から供給される排気ガスに添加するモジュール(DM:Dosing Module )である。選択還元触媒12bは、尿素水から排気ガスに取り込まれたアンモニア(NH3)の存在する雰囲気下で、排気ガスに含まれるNOxを選択的に還元するように構成されている。
アンモニアスリップ抑制触媒12cは、白金等の酸化触媒等からなり、選択還元触媒12bを不測に通過してきたアンモニアを酸化するように構成されている。アンモニアを酸化して窒素、一酸化窒素、水等に変化させることにより、アンモニアの外部への放出が防止される。
SCRシステム12は、尿素水貯留タンク12Tと、尿素水供給装置12Sと、をさらに備える。尿素水貯留タンク12Tは、還元剤としての上記尿素水を貯留するタンクである。尿素水供給装置12Sは、ポンプ等を備えて構成される。尿素水供給装置12Sは、尿素水貯留タンク12Tから尿素水取出路12dを介して尿素水を吸い込み、尿素水供給路12fを介して尿素水噴射装置12aに尿素水を供給する。尿素水供給装置12Sが吸い込んだ尿素水の一部は、尿素水戻り路12eを介して尿素水貯留タンク12Tに戻される。
トラクタ1は、各種のセンサをさらに備える。上記センサには、例えば、エンジン回転速度センサ41と、酸化触媒温度センサ42と、スートフィルタ温度センサ43と、差圧センサ44と、が含まれる。エンジン回転速度センサ41は、エンジン10の回転速度を検出する。酸化触媒温度センサ42は、DPFシステム11における酸化触媒11aの上流側の温度を検出する。スートフィルタ温度センサ43は、DPFシステム11におけるスートフィルタ11bの上流側の温度を検出する。差圧センサ44は、DPFシステム11におけるスートフィルタ11bの上流側と下流側との差圧を検出する。
また、上記センサには、例えば、上流側NOxセンサ45と、下流側NOxセンサ46と、尿素水残量センサ47と、尿素水供給圧力センサ(図示せず)等も含まれる。上流側NOxセンサ45は、SCRシステム12の選択還元触媒12bの上流側(正確には尿素水噴射装置12aの上流側)で、かつ、DPFシステム11におけるスートフィルタ11bの下流側の排気ガスに含まれるNOxの濃度を検出する。下流側NOxセンサ46は、SCRシステム12のアンモニアスリップ抑制触媒12cよりも下流側の排気ガスに含まれるNOxの濃度を検出する。尿素水残量センサ47は、SCRシステム12の尿素水貯留タンク12Tに貯留されている尿素水の残量を検出する。尿素水供給圧力センサは、SCRシステム12の尿素水噴射装置12aへの尿素水の供給圧力を検出する。
トラクタ1は、制御部50をさらに備える。制御部50は、ECU(Engine Control Unit )51と、DCU(Dosing Control Unit )52と、を含む。ECU51は、主にエンジン10の出力状態およびDPFシステム11等の制御を行う。DCU52は、SCRシステム12の制御を行う。
制御部50は、上記した各種のセンサの検出情報、および予め設定されているマップ等を用い、エンジン10の出力状態が所定の出力状態となるように、吸気弁24による空気供給量、排気弁29による排気量、インジェクタ27による燃料噴射タイミングおよび燃料噴射量、EGR弁33による還流量等を制御する。例えば、制御部50は、エンジン回転速度センサ41によって検出されるエンジン回転速度が所定のエンジン回転速度になるように、上記空気供給量、上記排気量、上記燃料噴射タイミングおよび上記燃料噴射量、上記還流量等を制御する。
また、制御部50は、各種のセンサの検出情報等を用い、NOxの除去率が所定の除去率となるように、尿素水噴射装置12aから噴射される尿素水の噴射量を制御する。例えば、制御部50は、上流側NOxセンサ45によって検出された選択還元触媒12bの上流側のNOx濃度に基づいて、選択還元触媒12bでNOxを還元するために必要なアンモニア量を推定し、尿素水噴射装置12aから噴射される尿素水の噴射量を制御する。加えて、制御部50は、下流側NOxセンサ46によって検出された選択還元触媒12bの下流側のNOx濃度に基づいて、選択還元触媒12bで還元されたNOxの割合を推定し、NOxの除去率が所定の除去率となるように、上流側NOxセンサ45の検出値から決定した尿素水の噴射量に対してフィードバック補正を行う。
〔2.排気ガス浄化システムについて〕
本実施形態の作業車両としてのトラクタ1は、排気ガス浄化システム60を備える。図3は、本実施形態の排気ガス浄化システム60を模式的に示す斜視図である。なお、図3では、便宜的に、互いに垂直な3方向を、X方向、Y方向、Z方向とする。XYZの各方向は、いずれも排気ガスが流れる方向を示すが、前後、左右、上下の各方向と一致するとは限らない。
排気ガス浄化システム60は、エンジン10から排出される排気ガスを浄化するシステムである。排気ガス浄化システム60は、上述のDPFシステム11と、尿素水噴射装置12aを含むSCRシステム12とに加えて、排気ガス整流装置70を備えて構成される。
排気ガス整流装置70は、排気ガスが流れる方向において、DPFシステム11の下流側に位置する。すなわち、DPFシステム11は、排気ガス整流装置70の上流側に位置する。DPFシステム11のDPFケース11Pの排気入口11Eは、エンジン10から排出される排気ガスが通る排気路23(図2参照)と接続される。
また、排気ガス整流装置70は、排気ガスが流れる方向において、SCRシステム12のSCRケース12Pよりも上流側に位置する。SCRケース12Pの排気入口は、排気ガス整流装置70の後述する第1排気ガス配管71の排気出口71Eと接続される。以下、排気ガス整流装置70の詳細について説明する。
図4は、図2および図3で示した排気ガス整流装置70の構成例を模式的に示す斜視図である。排気ガス整流装置70は、第1排気ガス配管71と、第2排気ガス配管72と、排気偏向部73と、を備える。第1排気ガス配管71には、上述の尿素水噴射装置12aが取り付けられる。なお、以下で示す第1排気ガス配管71および第2排気ガス配管72の形状は、単なる例示であり、以下の例に限定されるわけではない。
第1排気ガス配管71は、第1流路管711と、第2流路管712と、を含んで構成される。第1流路管711は、X方向に延びて位置する。第1流路管711におけるX方向下流側の端部は、SCRシステム12のSCRケース12P(図2参照)と接続される。第2流路管712は、Y方向に延びて位置し、第1流路管711の外周面に溶接等により連結される。第1流路管711と第2流路管712との連結部は、排気ガスの進行方向を曲げる後述の第1曲げ部71B(図3参照)を構成する。第1流路管711および第2流路管712の内部は、排気ガスが流れる連通路を構成する。
尿素水噴射装置12aは、第1流路管711におけるX方向上流側の端面に取り付けられており、第2流路管712から第1流路管711に流れ込む排気ガスに対して尿素水を噴射する。尿素水噴射装置12aは、所定の角度で尿素水が噴射されるように第1流路管711の端面に取り付けられる。
第2排気ガス配管72は、第1排気ガス配管71に対して排気ガスが流れる方向(図4ではY方向)の上流側に位置する。より詳しくは、第2排気ガス配管72は、第1排気ガス配管71の第2流路管712よりもY方向上流側に位置する。第2排気ガス配管72は、Z方向からY方向に屈曲して形成される。第2排気ガス配管72の屈曲部は、後述の第2曲げ部72B(図3参照)を構成する。第2排気ガス配管72のZ方向上流側の端部は、DPFシステム11のDPFケース11P(図2、図3参照)と接続される。
排気偏向部73は、第1排気ガス配管71の第2流路管712に対してY方向上流側に位置する。すなわち、排気偏向部73は、尿素水噴射装置12aに対して排気ガスが流れる方向の上流側に位置する。また、排気偏向部73は、第2排気ガス配管72に対してY方向下流側に位置する。排気偏向部73は、本実施形態では、板状の排気偏向板80を含む。排気偏向板80は、排気ガスが通過する開口部を有するが、排気偏向板80の詳細については後述する。排気偏向板80は、第1排気ガス配管71と第2排気ガス配管72とを接続する接続部74に位置する。より詳しくは、以下の通りである。
図5は、接続部74の分解斜視図である。接続部74は、第1排気ガス配管71が有する第1フランジ部71Fと、第2排気ガス配管72が有する第2フランジ部72Fと、を含む。第1フランジ部71Fは、第1排気ガス配管71の第2流路管712のY方向上流側の端部に位置する。第2フランジ部72Fは、第2排気ガス配管72のY方向下流側の端部に位置する。第1フランジ部71Fと第2フランジ部72Fとは、ボルトBo(図4参照)およびナット(図示せず)などの締結部材によって締結される。排気偏向板80が第1フランジ部71Fと第2フランジ部72Fとの間に位置した状態で、第1フランジ部71Fと第2フランジ部72Fとを上記締結部材によって締結することにより、排気偏向板80が第1フランジ部71Fと第2フランジ部72Fとの間に取り付けられる。
第1フランジ部71Fは、排気ガスが通る開口である第1通路部71Pを有する。第1通路部71Pの内径は、第1排気ガス配管71(特に第2流路管712)の内径と同じである。また、第1フランジ部71Fは、四隅に第1孔部71aを有する。各第1孔部71aには、締結部材としてのボルトBoが挿通される。
第2フランジ部72Fは、排気ガスが通る開口である第2通路部72Pを有する。第2通路部72Pの内径は、第2排気ガス配管72の内径と同じである。また、第2フランジ部72Fは、四隅に第2孔部72aを有する。各第2孔部72aには、締結部材としてのボルトBoが挿通される。
排気偏向板80は、四隅に第3孔部80aを有する。各第3孔部80aには、締結部材としてのボルトBoが挿通される。各ボルトBoを、対応する第1孔部71a、第3孔部80a、第2孔部72aに挿入し、各ボルトBoの先端をナットに挿入して締め付けることにより、第1排気ガス配管71と第2排気ガス配管72とが排気偏向板80を介して連結される。ボルトBoとナットとの締め付けを解除することにより、第1排気ガス配管71、第2排気ガス配管72および排気偏向板80を分解することができる。すなわち、接続部74を分解することができる。
上記した排気ガス整流装置70の構成では、DPFシステム11から排出されて第2排気ガス配管72の内部を流れる排気ガスは、第2排気ガス配管72によってZ方向からY方向に向きを変え、排気偏向部73の開口部を介して第1排気ガス配管71に流れ込む。第1排気ガス配管71内では、図4で示した尿素水噴射装置12aから尿素水が噴射され、上記の排気ガスに添加される。尿素水が添加された後の排気ガスは、第1排気ガス配管71内をX方向に進行し、SCRシステム12(図2参照)に導入される。
排気偏向板80の取り付けおよび取り外しを容易にする観点では、排気偏向板80は、第1排気ガス配管71と第2排気ガス配管72とを接続する接続部74に位置することが望ましい。特に、第1排気ガス配管71および第2排気ガス配管72の形状(例えば曲がり方)および大きさ(例えば内径)に応じた所望の排気偏向板80への交換が容易となる点で、排気偏向板80が接続部74に位置する構成は望ましい。
また、第1フランジ部71Fと第2フランジ部72Fとの間のシール性を確保しつつ、排気偏向板80の交換を容易にする観点では、排気偏向板80は、第1フランジ部71Fと第2フランジ部72Fとの間に取り付けられることが望ましい。
図3で示すように、第1排気ガス配管71は、第1曲げ部71Bを有する。第2排気ガス配管72は、第2曲げ部72Bを有する。第1曲げ部71Bおよび第2曲げ部72Bはそれぞれ、排気ガスが流れる流路を曲げる。本実施形態では、第1曲げ部71Bは、Y方向からX方向に曲がる形状を有し、排気ガスが流れる流路をY方向からX方向に曲げる。上記した尿素水噴射装置12aは、第1曲げ部71Bに取り付けられる。第2曲げ部72Bは、Z方向からY方向に曲がる形状を有し、排気ガスが流れる流路をZ方向からY方向に曲げる。
第1曲げ部71Bと第2曲げ部72Bとの間のスペースを有効活用する観点では、排気偏向部73(排気偏向板80)は、第1曲げ部71Bと第2曲げ部72Bとの間に配置されることが望ましい。
特に、第1曲げ部71Bよりも下流側で、後述する旋回流を生じさせる排気偏向部73の機能および作用の発揮を容易にする観点では、排気偏向部73は、第1曲げ部71B(特に排気入口)と第2曲げ部72B(特に排気出口)との中央よりも、第1曲げ部71B寄りに配置されることが望ましい。つまり、排気偏向部73は、第1曲げ部71Bと第2曲げ部72Bとの間であって、第2曲げ部72Bとの距離よりも第1曲げ部71Bとの距離のほうが短くなる位置に配置されることが望ましい。
〔3.排気偏向板の詳細について〕
図6は、図4および図5で示した排気偏向板80をY方向から見たときの正面図である。なお、排気偏向板80の説明にあたっては、便宜的に方向を以下のように定義する。すなわち、図4および図5で示したZ方向を上下方向とし、X方向を左右方向とする。そして、Z方向の下流側を、重力方向の上流側、すなわち、上側とし、Z方向の上流側を重力方向の下流側、すなわち、下側とする。また、X方向の上流側を右側とし、X方向の下流側を左側とする。各図面では、適宜、上方を「U」、下方を「D」、右方を「R」、左方を「L」の記号で示す。
また、図6等では、排気偏向板80において、第1排気ガス配管71(特に第1フランジ部71Fの第1通路部71P)および第2排気ガス配管72(特に第2フランジ部72Fの第2通路部72P)とつながる領域の外形を、通路外周部80Eとして示す。なお、通路外周部80Eの内径は、第1排気ガス配管71(特に第1通路部71P)および第2排気ガス配管72(特に第2通路部72P)の内径と等しいとする。
排気偏向板80は、凸部80bを有する。凸部80bは、排気偏向板80の外周の上部に位置する。本実施形態では、図4で示したように、第2排気ガス配管72が、下から上に向かって流れる排気ガスを第1排気ガス配管71に供給する形状であるため、排気偏向板80は、凸部80bが上方に向かって突出する向きに配置される。例えば、第2排気ガス配管72が、上から下に向かって流れる排気ガスを第1排気ガス配管71に供給する形状である場合には、凸部80bが下方に向かって突出する向きに(図4の位置からY方向を中心軸として180°回転させて)排気偏向板80を配置することもあり得る。
排気偏向部73としての排気偏向板80は、複数の個別領域81を含む。複数の個別領域81は、第1個別領域81Aと、第2個別領域81Bと、を含む。第1個別領域81Aおよび第2個別領域81Bは、Z方向(ここでは上下方向)に並んで位置する。すなわち、複数の個別領域81は、一方向に並んで位置する。具体的には、第1個別領域81Aは、第2個別領域81Bに対して上側に位置する。
複数の個別領域81は、開口部81Pを有する。開口部81Pは、排気ガスが通過する開口である。各個別領域81が有する開口部81Pの数は特に制限されず、1個であってもよいし、複数であってもよい。図6の例では、第1個別領域81Aは、複数の開口部81Pを有する。第1個別領域81Aが有する複数の開口部81Pは、左右方向に長孔で全て同一形状である。一方、第2個別領域81Bは、図6の例では、開口部81Pを1個のみ有する。第2個別領域81Bが有する開口部81Pは、上側が平らで下側が凸である平凸形状である。第2個別領域81Bが有する開口部81Pは、全ての開口部81Pのうちで開口面積が最大である。以下では、開口面積が最大である開口部81Pを、特に開口部81Pmaxと称する場合がある。
複数の個別領域81の少なくともいずれかは、周囲領域81Qを有する。周囲領域81Qは、各個別領域81において、通路外周部80Eよりも内側で、かつ、開口部81Pの周囲に位置する領域である。なお、図6では、周囲領域81Qを明確にする目的で、周囲領域81Qをハッチングで示す(以下の図面でも同様とする)。なお、個別領域81の形状(開口部81Pの形状および数)によっては、周囲領域81Qを持たない個別領域81も存在し得る。例えば、第2個別領域81Bについては、全体を開口部81Pmaxで形成することにより、周囲領域81Qを持たない個別領域81となり得る。
本実施形態では、複数の個別領域81の開口率は、上記一方向において異なる。ここで、上記の開口率は、以下のように定義される。すなわち、1個の個別領域81の全体の面積をA(cm2)とし、上記個別領域81における少なくとも1個の開口部81Pの開口面積の合計をB(cm2)としたとき、上記個別領域81の開口率AR(%)は、以下の式で表される。
AR=(B/A)×100
なお、1つの個別領域81における周囲領域81Qの面積をC(cm2)としたとき、
A=B+C
である。したがって、例えば周囲領域81Qを持たない個別領域81では、C=0であるため、A=Bとなる。
第1個別領域81Aの開口率をAR1(%)とし、第2個別領域81Bの開口率をAR2(%)としたとき、本実施形態では、
AR1<AR2
である。
図7~図9は、第1排気ガス配管71における排気ガスの流れを模式的に示す。本実施形態のように、開口率が相対的に小さい第1個別領域81Aが上側(重力方向の上流側)となり、開口率が相対的に大きい第2個別領域81Bが下側(重力方向の下流側)となるように排気偏向部73としての排気偏向板80を、第1排気ガス配管71と第2排気ガス配管72との接続部74に位置させると、図7に示すように、排気偏向板80を通過する排気ガスは、上側よりも下側を多く流れる。これにより、図8および図9に示すように、上記排気ガスを尿素水噴射装置12aの下流側(第1流路管711)に供給して、上記排気ガスに対して尿素水噴射装置12aから尿素水を噴射したときに、尿素水噴射装置12aの下流側で、下から上に向かって旋回する流れ(旋回流)を容易に生じさせることができる。
上記旋回流の発生により、尿素水噴射装置12aから噴射された尿素水は、下向きの重力に逆らって、第1排気ガス配管71(特に第1流路管711)の内面の上部に付着する。また、噴射された上記尿素水は、上記旋回流により、第1排気ガス配管71内でX方向
において広範囲に拡散され、X方向において広範囲に付着する。図10および図11は、
第1排気ガス配管71(特に第1流路管711)の内面に付着した尿素水ASの分布を模式的に示す。このように、第1排気ガス配管71内における尿素水の局所的な付着が低減されるため、第1排気ガス配管71内における尿素由来の固形物(デポジット)の発生リスクを低減することができる。
図12~図14は、本実施形態の排気偏向板80を第1排気ガス配管71と第2排気ガス配管72との接続部74に配置しなかった場合(比較例)における、第1排気ガス配管71における排気ガスの流れを模式的に示す。図12に示すように、第2排気ガス配管72から供給される排気ガスは、第1排気ガス配管71(第2流路管712)の内部において、上部と下部でほとんど均等に流れる。このため、図13および図14に示すように、上記排気ガスを尿素水噴射装置12aの下流側(第1流路管711)に供給して、上記排気ガスに対して尿素水噴射装置12aから尿素水を噴射したときに、噴射された尿素水は、下向きの重力に従って、第1排気ガス配管71(特に第1流路管711)の内面の下部で、かつ、尿素水噴射装置12aに近い位置に付着する。図15および図16は、比較例において、第1排気ガス配管71(特に第1流路管711)の内面に付着した尿素水ASの分布を模式的に示す。比較例では、第1排気ガス配管71の内面の下部に尿素水が局所的に付着することにより、尿素水の液だまりが発生しやすくなり、デポジットの発生リスクが高まる。
デポジットの発生リスクを確実に低減する上では、図6で示したように、第1個別領域81Aの開口率AR1よりも、第2個別領域81Bの開口率AR2を大きくして、第1排気ガス配管71内で排気ガスの旋回流を生じさせやすくすることが望ましい。つまり、複数の個別領域81が並ぶ一方向を重力方向としたとき、複数の個別領域81の開口率ARは、上側(重力方向の上流側)から下側(重力方向の下流側)に向かうにつれて増加することが望ましい。さらに言い換えると、複数の個別領域81の開口率ARは、一方向の一方側から他方側に向かうにつれて増加することが望ましい。
図17は、排気偏向部73としての排気偏向板80の他の構成を模式的に示す正面図である。同図に示すように、複数の個別領域81のうち、開口率ARが最も大きい個別領域81(第2個別領域81B)が有する開口部81Pは、重力方向の中央部CPをまたがって位置してもよい。ただし、図17の構成では、排気偏向板80の中央部CP付近を通過する排気ガスの量が多くなる。このため、排気偏向板80の中央部CP付近を通過した排気ガスが、尿素水噴射装置12aから予め設計された角度で噴射された尿素水に強く衝突し、これによって、尿素水の軌道が乱れることが懸念される。
このような尿素水の軌道の乱れを低減するためには、排気偏向板80の中央部CPでは、排気ガスの通過をある程度抑えることが望ましい。そのためには、排気偏向板80の中央部CP付近には、開口率ARが最も大きい第2個別領域81Bの開口部81Pを位置させないことが望ましい。このような観点では、図6で示したように、複数の個別領域81のうち、開口率ARが最も大きい個別領域81(第2個別領域81B)が有する開口部81Pは、排気偏向部73における重力方向の中央部CPよりも下側、つまり、排気偏向部73の一方向における中央部CPよりも他方側に位置することが望ましい。
特に、排気偏向板80の中央部CPで、排気ガスの通過をある程度抑えつつ、図7および図8で示したように、第1排気ガス配管71における尿素水噴射装置12aの下流側で、下から上に向かって旋回する旋回流を確実に生じさせるためには、図6で示したように、第2個別領域81Bは、第1個別領域81Aよりも下側に位置することが望ましい。つまり、複数の個別領域81のうち、開口率ARが最も大きい個別領域81(第2個別領域81B)は、他の個別領域81(第1個別領域81A)よりも下側(一方向における他方側)に位置することが望ましい。
図18は、排気偏向部73としての排気偏向板80のさらに他の構成を模式的に示す正面図である。同図に示すように、第1個別領域81Aが有する開口部81Pは、円形(真円)であってもよい。また、図示はしないが、第1個別領域81Aが有する開口部81Pは、正方形であってもよい。
ただし、第1個別領域81Aにおいて、周囲領域81Qの面積を減少させて開口率ARを増加させること容易となる観点では、第1個別領域81Aの開口部81Pは、図6および図17で示したように、左右方向に長孔であることが望ましい。また、図示はしないが、第1個別領域81Aの開口部81Pは、上下方向に長孔であってもよく、上下方向および左右方向と交差する斜め方向に長孔であってもよい。つまり、複数の個別領域81のうち、開口率ARが最も大きい第2個別領域81Bを除いた他の個別領域81(第1個別領域81A)が有する開口部81Pは、長手方向を有することが望ましい。
また、他の個別領域81(第1個別領域81A)の開口率が低いと、排気偏向板80の上側における排気ガスの流れが規制されて、排気偏向板80の下側を多くの排気ガスが通過する。このため、第1排気ガス配管71の内部で生成される旋回流の旋回速度が速くなりすぎて、尿素水が第1排気ガス配管71の内面に局所的にあたって付着し、デポジットの発生リスクが高まることが懸念される。上記旋回流の旋回速度を適切な範囲内に収めるためには、他の個別領域81(第1個別領域81A)を通過する排気ガスの通過規制を緩和することが望ましい。第1個別領域81Aの開口部81Pが長手方向を有する上記の構成は、(開口部81Pが真円等である構成に比べて)第1個別領域81Aの開口率AR1を増加させることができるため、排気ガスの通過規制を緩和して、旋回流の旋回速度を適切な範囲内に収めることが可能となる点でも望ましいと言える。
特に、複数の開口部81Pを、同じ型を用いた打ち抜き加工によって形成して、排気偏向部73としての排気偏向板80の生産性を向上させる観点では、図6および図17で示したように、上記他の個別領域81(第1個別領域81A)は、同一形状の開口部81Pを複数有することが望ましい。
なお、長手方向を有する開口部81Pの形状は、図6および図17で示したような円弧部を有する長尺形状には限定されない。図19は、排気偏向部73としての排気偏向板80のさらに他の構成を模式的に示す正面図である。同図に示すように、長手方向を有する開口部81Pは、左右方向に長い長方形状であってもよい。また、図示はしないが、長手方向を有する開口部81Pは、上下方向または斜め方向に長い長方形状であってもよい。
図4で示した尿素水噴射装置12aから噴射された尿素水と、排気偏向板80を通過した排気ガスとを均質となるように混合するためには、尿素水噴射装置12aから噴射された尿素水のうち、尿素水噴射装置12aに近い側(X方向の上流側)の尿素水と、尿素水噴射装置12aから遠い側(X方向の下流側)の尿素水とに対して、開口部81Pを通過した排気ガスを均等に当てることが望ましい。そのためには、図6、図17、図18で示したように、排気偏向部73としての排気偏向板80は、左右方向において対称な形状であることが望ましい。つまり、排気偏向部73は、重力方向である一方向と垂直な他方向において対称な形状であることが望ましい。
図20は、排気偏向部73としての排気偏向板80のさらに他の構成を模式的に示す正面図である。図4で示した尿素水噴射装置12aから噴射された直後の尿素水の軌道が乱れるのを低減して、きれいな旋回流を生成する点では、尿素水噴射装置12aから噴射された尿素水のうち、尿素水噴射装置12aから遠い側(X方向の下流側)の尿素水よりも、尿素水噴射装置12aに近い側(X方向の上流側)の尿素水に、排気偏向板80の開口部81Pを通過した排気ガスを少ない量で当てることが望ましい。そのためには、排気偏向部73としての排気偏向板80は、図20に示すように、左右方向において非対称な形状であることが望ましい。つまり、排気偏向部73は、重力方向である一方向と垂直な他方向において非対称な形状であることが望ましい。
図20で示した構成例では、第2個別領域81Bが、開口面積が最大の開口部81Pmaxと、開口面積が小さい開口部81P1とを有して構成されている。開口部81P1は、開口部81Pmaxの左上部に周囲領域81Qを介して位置する。この構成では、排気偏向板80の開口率が、左側で小さくなり、右側で大きくなる。
したがって、図4のY方向上流側から見て、排気偏向板80の左側(開口率が小さい側)が尿素水噴射装置12aに近い側となり、排気偏向板80の右側(開口率が大きい側)が尿素水噴射装置12aから遠い側となるように、排気偏向板80を第1排気ガス配管71と第2排気ガス配管72との間に配置すればよい。この配置により、尿素水噴射装置12aから遠い側の尿素水よりも、尿素水噴射装置12aに近い側の尿素水に、排気偏向板80の開口部81Pを通過した排気ガスを少ない量で当てることができる。
〔4.変形例〕
図21は、排気偏向板80のさらに他の構成を模式的に示す正面図である。同図に示すように、複数の個別領域81は、第1個別領域81Aと、第2個別領域81Bとに加えて、第3個別領域81Cをさらに含んでいてもよい。第1個別領域81A、第2個別領域81B、および第3個別領域81Cは、上方から下方に向かってこの順で並んで位置する。この場合、第3個別領域81Cの開口率をAR3(%)とすると、
AR1<AR2<AR3
である。なお、開口率が最も大きい第3個別領域81Cは、上下方向の中央部CPよりも下側に位置しているとする。
このような排気偏向板80の構成であっても、尿素水噴射装置12a(図4等参照)の下流側で、下から上に向かって旋回する旋回流を容易に生じさせて、上述した本実施形態の効果を得ることができる。なお、排気偏向板80は、4つ以上の個別領域81を含み、各個別領域81の開口率が上側から下側に向かうにつれて増加する構成であってもよい。
図22は、排気偏向板80のさらに他の構成を模式的に示す正面図である。同図に示すように、複数の個別領域81が、第1個別領域81Aと、第2個別領域81Bと、第3個別領域81Cとを含み、これらが上方から下方に向かってこの順で並んで位置する構成において、
AR3<AR1<AR2
であってもよい。つまり、複数の個別領域81のうち、開口率が最も大きい個別領域81(図22の例では第2個別領域81B)の下方に、開口率が相対的に小さい他の個別領域81(図22の例では第3個別領域81C)が位置してもよい。なお、開口率が最も大きい第2個別領域81Bは、上下方向の中央部CPよりも下側に位置しているとする。
この構成では、第1排気ガス配管71(第2流路管712)の下側を流れる排気ガスの量が図6の構成に比べて抑えられるが、尿素水噴射装置12a(図4等参照)の下流側で、下から上に向かって旋回する旋回流を生じさせることができることに変わりはなく、それゆえ、上述した本実施形態の効果を得ることができる。
排気偏向部73は、第1フランジ部71Fおよび第2フランジ部72Fに挟まれる板状の排気偏向板80で構成される以外に、尿素水噴射装置12aよりも上流側の第1排気ガス配管71または第2排気ガス配管72の内部に溶接により直接取り付けられる溶接部品であってもよい。
〔5.補足〕
本実施形態では、図3で示したように、排気ガス整流装置70がDPFシステム11よりも下流側に位置する構成について説明したが、この構成には限定されない。例えば、排気浄化システム60において、排気ガスが流れる方向の上流側から、排気ガス整流装置70、SCRシステム12、DPFシステム11、SCRシステム12、がこの順で並ぶレイアウトであってもよい。
〔6.付記〕
本実施形態で説明した排気ガス整流装置および排気ガス浄化システムは、以下の付記(1)~(15)のように表現することができる。
付記(1)の排気ガス整流装置は、
尿素水噴射装置に対して排気ガスが流れる方向の上流側に位置する排気偏向部を備え、
前記排気偏向部は、前記排気ガスが通過する開口部を有する個別領域を複数含み、
前記複数の個別領域は、一方向に並んで位置し、
前記複数の個別領域の開口率は、前記一方向において異なる。
付記(2)の排気ガス整流装置は、付記(1)に記載の排気ガス整流装置において、
前記複数の個別領域の開口率は、前記一方向の一方側から他方側に向かうにつれて増加する。
付記(3)の排気ガス整流装置は、付記(2)に記載の排気ガス整流装置において、
前記複数の個別領域のうち、開口率が最も大きい個別領域が有する前記開口部は、前記排気偏向部の前記一方向における中央部よりも前記他方側に位置する。
付記(4)の排気ガス整流装置は、付記(3)に記載の排気ガス整流装置において、
前記複数の個別領域のうち、前記開口率が最も大きい個別領域は、他の個別領域よりも前記他方側に位置する。
付記(5)の排気ガス整流装置は、付記(4)に記載の排気ガス整流装置において、
前記他の個別領域が有する開口部は、長手方向を有する。
付記(6)の排気ガス整流装置は、付記(5)に記載の排気ガス整流装置において、
前記他の個別領域は、同一形状の前記開口部を複数有する。
付記(7)の排気ガス整流装置は、付記(1)から(6)のいずれかに記載の排気ガス整流装置において、
前記排気偏向部は、前記一方向と垂直な他方向において対称な形状である。
付記(8)の排気ガス整流装置は、付記(1)から(6)のいずれかに記載の排気ガス整流装置において、
前記排気偏向部は、前記一方向と垂直な他方向において非対称な形状である。
付記(9)の排気ガス整流装置は、付記(1)から(8)のいずれかに記載の排気ガス整流装置において、
前記尿素水噴射装置が取り付けられる第1排気ガス配管と、
前記第1排気ガス配管の上流側に位置する第2排気ガス配管と、をさらに備え、
前記排気偏向部は、排気偏向板を含み、
前記排気偏向板は、前記第1排気ガス配管と前記第2排気ガス配管とを接続する接続部に位置する。
付記(10)の排気ガス整流装置は、付記(9)に記載の排気ガス整流装置において、
前記接続部は、
前記第1排気ガス配管が有する第1フランジ部と、
前記第2排気ガス配管が有する第2フランジ部と、を含み、
前記排気偏向板は、前記第1フランジ部と前記第2フランジ部との間に取り付けられる。
付記(11)の排気ガス整流装置は、付記(1)から(8)のいずれかに記載の排気ガス整流装置において、
前記尿素水噴射装置が取り付けられる第1排気ガス配管と、
前記第1排気ガス配管の上流側に位置する第2排気ガス配管と、をさらに備え、
前記第1排気ガス配管は、第1曲げ部を有し、
前記第2排気ガス配管は、第2曲げ部を有し、
前記排気偏向部は、前記第1曲げ部と前記第2曲げ部との間に配置される。
付記(12)の排気ガス整流装置は、付記(11)に記載の排気ガス整流装置において、
前記尿素水噴射装置は、前記第1曲げ部に取り付けられ、
前記排気偏向部は、前記第1曲げ部と前記第2曲げ部との中央よりも、前記第1曲げ部寄りに配置される。
付記(13)の排気ガス整流装置は、付記(1)から(12)のいずれかに記載の排気ガス整流装置において、
前記一方向は、重力方向である。
付記(14)の排気ガス浄化システムは、
付記(1)から(13)のいずれかに記載の排気ガス整流装置と、
DPFシステムと、
前記尿素水噴射装置を含むSCRシステムと、を備える。
付記(15)の排気ガス浄化システムは、付記(14)に記載の排気ガス浄化システムにおいて、
前記DPFシステムは、前記排気ガス整流装置の上流側に位置する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で拡張または変更して実施することができる。
本発明は、例えばトラクタなどの作業車両に利用可能である。
12a 尿素水噴射装置
60 排気ガス浄化システム
70 排気ガス整流装置
71 第1排気ガス配管
71B 第1曲げ部
71F 第1フランジ部
72 第2排気ガス配管
72B 第2曲げ部
72F 第2フランジ部
73 排気偏向部
74 接続部
80 排気偏向板(排気偏向部)
81 個別領域
81A 第1個別領域(個別領域)
81B 第2個別領域(個別領域)
81C 第3個別領域(個別領域)
81P 開口部
81Pmax 開口部
81Q 周囲領域

Claims (15)

  1. 尿素水噴射装置に対して排気ガスが流れる方向の上流側に位置する排気偏向部を備え、
    前記排気偏向部は、前記排気ガスが通過する開口部を有する個別領域を複数含み、
    前記複数の個別領域は、一方向に並んで位置し、
    前記複数の個別領域の開口率は、前記一方向において異なる、排気ガス整流装置。
  2. 前記複数の個別領域の開口率は、前記一方向の一方側から他方側に向かうにつれて増加する、請求項1に記載の排気ガス整流装置。
  3. 前記複数の個別領域のうち、開口率が最も大きい個別領域が有する前記開口部は、前記排気偏向部の前記一方向における中央部よりも前記他方側に位置する、請求項2に記載の排気ガス整流装置。
  4. 前記複数の個別領域のうち、前記開口率が最も大きい個別領域は、他の個別領域よりも前記他方側に位置する、請求項3に記載の排気ガス整流装置。
  5. 前記他の個別領域が有する開口部は、長手方向を有する、請求項4に記載の排気ガス整流装置。
  6. 前記他の個別領域は、同一形状の前記開口部を複数有する、請求項5に記載の排気ガス整流装置。
  7. 前記排気偏向部は、前記一方向と垂直な他方向において対称な形状である、請求項1に記載の排気ガス整流装置。
  8. 前記排気偏向部は、前記一方向と垂直な他方向において非対称な形状である、請求項1に記載の排気ガス整流装置。
  9. 前記尿素水噴射装置が取り付けられる第1排気ガス配管と、
    前記第1排気ガス配管の上流側に位置する第2排気ガス配管と、をさらに備え、
    前記排気偏向部は、排気偏向板を含み、
    前記排気偏向板は、前記第1排気ガス配管と前記第2排気ガス配管とを接続する接続部に位置する、請求項1に記載の排気ガス整流装置。
  10. 前記接続部は、
    前記第1排気ガス配管が有する第1フランジ部と、
    前記第2排気ガス配管が有する第2フランジ部と、を含み、
    前記排気偏向板は、前記第1フランジ部と前記第2フランジ部との間に取り付けられる、請求項9に記載の排気ガス整流装置。
  11. 前記尿素水噴射装置が取り付けられる第1排気ガス配管と、
    前記第1排気ガス配管の上流側に位置する第2排気ガス配管と、をさらに備え、
    前記第1排気ガス配管は、第1曲げ部を有し、
    前記第2排気ガス配管は、第2曲げ部を有し、
    前記排気偏向部は、前記第1曲げ部と前記第2曲げ部との間に配置される、請求項1に記載の排気ガス整流装置。
  12. 前記尿素水噴射装置は、前記第1曲げ部に取り付けられ、
    前記排気偏向部は、前記第1曲げ部と前記第2曲げ部との中央よりも、前記第1曲げ部寄りに配置される、請求項11に記載の排気ガス整流装置。
  13. 前記一方向は、重力方向である、請求項1に記載の排気ガス整流装置。
  14. 請求項1から13のいずれかに記載の排気ガス整流装置と、
    DPFシステムと、
    前記尿素水噴射装置を含むSCRシステムと、を備える排気ガス浄化システム。
  15. 前記DPFシステムは、前記排気ガス整流装置の上流側に位置する、請求項14に記載の排気ガス浄化システム。
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