JP3715981B2 - 排気浄化機能付き消音装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液体還元剤と還元触媒を用いて排気中のＮＯｘを低減し排気を浄化する排気浄化機能を備える消音装置に関し、特に、内部で排気流れ方向を強制的に折返す構造の排気浄化機能付き消音装置におけるＮＯｘ低減性能を向上させる技術に関する。
エンジンの排気に含まれるＮＯｘを除去する排気浄化システムとして、エンジン排気系に配設された還元触媒の上流に、液体還元剤を噴射供給することで、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理する排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このような排気浄化装置を、トラクタのような車体長さが短く排気管の長さに制約がある車両に搭載するため、排気浄化装置を内部に組込んだ排気浄化機能付き消音装置が開発されている。
特開２０００−２７６２７号公報
ところで、トラクタのような排気管の長さに制約がある車両に搭載される消音装置としては、内部の排気流通路に排気流れを強制的に折返す折返部を設け、流入した排気を上流側の排気流通路に導いた後、折返部で強制的に折返して下流側の排気流通路に導いて排出する構造のものがある。前述の排気浄化装置では、還元触媒によるＮＯｘ浄化率を向上させるには、液体還元剤を還元触媒に到達するまでの間に排気中で十分拡散及び混合させる必要があり、液体還元剤の噴射ノズルと還元触媒との間にある程度の距離を設ける必要がある。このため、前記構造の消音装置に前述の排気浄化装置を組込む場合、液体還元剤の噴射ノズルを上流側排気流通路に配置し、還元触媒を下流側排気流通路に配置することが望ましい。
しかしながら、前記構造の消音装置では、折返部で排気流れ方向を強制的に変える構造であるため、排気流れに偏りが生じる。このため、還元触媒に流入する排気流れに偏りが生じ、液体還元剤が不均一な分布状態で還元触媒に流入し、ＮＯｘ浄化能力を十分に発揮できない虞れがある。
尚、排気流通路壁面から通路内へ突出させる液体還元剤の噴射ノズルを、噴口が排気流通路中心に位置するよう延ばせば、排気中に液体還元剤を比較的均一に分布させることが可能である。しかし、片持ち支持構造であるため、車体振動等により噴射ノズルが破損する虞れがあると共に、熱容量が大きくなって、排気熱で液体還元剤が噴射ノズル内壁に堆積してノズルが詰まる虞れもある。
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、折返部で排気流れに渦を生成して液体還元剤の拡散を助長することにより、排気流れを強制的に折返す構造の排気浄化機能付き消音装置におけるＮＯｘ浄化性能を向上させることを目的とする。
このため、請求項１に記載の発明では、内部の排気流通路に折返部を有し、前記折返部より上流側の排気流通路に配置され液体還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、前記折返部より下流側の排気流通路に配置され窒素酸化物を液体還元剤により還元浄化する還元触媒と、を少なくとも備えて構成した排気浄化機能付き消音装置において、前記上流側排気流通路から前記折返部に流入する排気を、当該排気の流れ方向と略平行な折返部壁面方向に案内し渦流を生成して前記液体還元剤を拡散する拡散手段を設け、該拡散手段は、周方向に沿って複数の開口部を設けたリング部材であって、前記折返部に流入する排気を、前記開口部を介して前記折返部壁面方向に案内する構成としたことを特徴とする。
請求項２の発明では、前記複数の開口部を、前記リング部材の周方向において偏りを持たせて形成する構成としたことを特徴とする。
請求項３の発明では、前記噴射ノズルの上流側に一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化させる酸化触媒を備え、前記還元触媒の下流側に、当該還元触媒を通過した液体還元剤を酸化浄化する還元剤酸化触媒を備えることを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、周方向に沿って複数の開口部を設けたリング部材からなる拡散手段により、折返部に流入する排気を流入排気流れ方向と略平行な折返部壁面方向に案内して渦流を生成することで、還元触媒に流入する排気の偏りが低減されると共に、排気中への液体還元剤の拡散が助長されて排気中の液体還元剤の分布も均一化されるので、還元触媒でのＮＯｘ浄化効率が高まり、ＮＯｘ浄化性能を向上できる。
請求項２に記載の発明によれば、拡散手段を通過した排気流れの方向が偏るので、折返部の鉛直方向の渦をより一層生成し易くなり、液体還元剤の排気中における分布の均一化が更に促進され、ＮＯｘ低減性能を更に向上できる。
請求項３に記載の発明によれば、酸化触媒を設けることで、更にＮＯｘ低減効果を向上できる。また、かかる構成では噴射ノズルと還元触媒との間の距離が更に短くなるが、拡散手段を備えることで液体還元剤を十分に拡散、混合できる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化機能付き消音装置の内部構造を示す図である。
図１において、本実施形態の消音装置１は、ケース２の図中右側側面に、排気流入部３と、該排気流入部３の図中手前側に排気排出部４（図中、２点鎖線で示す）が設けられている。また、ケース２外周囲には、適所に車両に固定するための取付けフランジ部５が設けられている。ケース２の内部には、排気流入部３に形成した多数の孔６を介して排気流入部３と連通する拡張室７と、該拡張室７と反対側の側面で排気流れを折返す折返部８と、拡張室７と折返部８とを連通する上流側排気流通路９と、折返部８と排気排出部４とを連通する下流側排気流通路１０と、が形成されている。
上流側排気流通路９には、排気中のＮＯをＮＯ2へと酸化させる酸化触媒１１と、該酸化触媒１１の下流側に例えば尿素水溶液等の液体還元剤を噴射供給する噴射ノズル１２と、をそれぞれ配設する。前記噴射ノズル１２は、図２に示すように、通路壁から通路中心部に向かって突設され、その噴口１２ａは、通路中心位置より手前側に位置させている。このように、噴射ノズル１２の突出長さを短くすることにより、車両振動等による破損を防止し、また、噴射ノズル１２の熱容量を抑えノズル内壁への尿素堆積を抑制してノズル詰まりを防止している。また、下流側排気流通路１０には、ＮＯｘを液体還元剤により還元浄化するＮＯｘ還元触媒１３と、該ＮＯｘ還元触媒１３の下流側にＮＯｘ還元触媒１３を通過した液体還元剤を酸化浄化する還元剤酸化触媒１４と、をそれぞれ配設する。
更に、折返部８の上流側排気流通路９側に連通する部分には、折返部８で排気流れに鉛直方向の渦を生成して液体還元剤を拡散する拡散手段として図３に示すリング部材１５が配設してある。リング部材１５は、図３に示すように周方向に沿って等間隔に複数の開口部としての孔１５ａを有し、これら孔１５ａを介して、上流側排気流通路９から折返部８に流入する排気を、その排気の流れ方向と略平行な折返部壁面８ａ方向に案内する構成である。
図２は、図１の矢印Ａ方向から見た場合の、排気流入部３、排気排出部４、噴射ノズル１２、上流側排気流通路９及び下流側排気流通路１０の位置関係を示すものである。
本実施形態の消音装置１では、図１の矢印で示す如く、排気流入部３から流入した排気は、孔６を介して拡張室７に流入し、上流側排気流通路９、折返部８、下流側排気流通路１０へと順次流れ、排気排出部４から排出される。この際、上流側排気流通路９において酸化触媒１１で排気中のＮＯをＮＯ2に酸化した後、噴射ノズル１２から液体還元剤を排気中に噴射供給する。液体還元剤を含んだ排気は、折返部８においてリング部材１５の孔１５ａから、上流側排気流通路９からの排気の流れ方向と略平行な折返部壁面８ａに向けて噴射する。これにより、壁面８ａに沿った排気流れが発生し、折返部８のリング部材１５下方で下流側排気流通路１０と連通する部分に、鉛直方向の渦が生成され、液体還元剤が排気中に効果的に拡散、混合し、排気中の液体還元剤の分布状態が均一となり、下流側排気流通路１０においてＮＯｘ還元触媒１３へ液体還元剤が均一に流入する。そして、ＮＯｘ還元触媒１３で排気中のＮＯｘを液体還元剤で還元浄化し、還元剤酸化触媒１４で残存する液体還元剤を酸化浄化した後、排気排出部４から排出する。
かかる構成の消音装置１によれば、折返部８から下流側排気流通路１０のＮＯｘ還元触媒１３へ向かう排気流れに渦を生成することにより、液体還元剤が排気中に効果的に拡散、混合するので、排気中の液体還元剤の分布状態が均一となり、ＮＯｘ還元触媒１３へ液体還元剤が均一に流入する。従って、ＮＯｘ還元触媒１３におけるＮＯｘの還元浄化が効率良く行われ、ＮＯｘ低減性能が向上する。
また、酸化触媒１１や還元剤酸化触媒１４を設けることにより、噴射ノズル１２とＮＯｘ還元触媒１３との間の距離が縮まるが、リング部材１５による拡散作用により、液体還元剤を十分に均一化に分布できるので、問題はない。尚、酸化触媒１１及び還元剤酸化触媒１４は、必要に応じて設ければよい。
リング部材１５は、図３のように全周に等間隔に孔１５ａを設けるのではなく、図４に示すように、リング部材１５の周方向において偏りを持たせて孔１５ａを形成するようにしてもよい。この場合、液体還元剤の噴射ノズル１２の取付け位置側と反対側に孔１５ａが偏るようにリング部材１５を折返部８にセットする。これにより、リング部材１５の孔１５ａから噴射する排気流れに指向性が付与され、全周に等間隔に孔１５ａを設ける場合と比較して、より効果的に渦を生成することができる。従って、液体還元剤の拡散、混合作用が促進されて、より一層液体還元剤の分布が均一化され、ＮＯｘ還元触媒１３のＮＯｘ還元効率が向上し、ＮＯｘ低減性能が更に向上する。尚、孔１５ａの位置に偏りを持たせるだけでなく、孔１５ａの孔径も異ならせる構成としてもよい。
図５に、同一の運転状態において、孔を等間隔に設けた図３のリング部材を用いた場合と、孔位置に偏りを持たせた図４のリング部材を用いた場合における、渦の生成状態を比較したシミュレーション結果を示す。（Ａ）が図３のリング部材の場合、（Ｂ）が図４のリング部材の場合である。
図から明らかなように、図４のリング部材を用いた方が図３のリング部材を用いた場合に比べて、リング部材１５の下方に大きな渦が生成され、液体還元剤の拡散、混合が良好であることが分かる。
図６に、同一の運転状態において、拡散手段のない場合、図３のリング部材を用いた場合及び図４のリング部材を用いた場合における、ＮＯｘ還元触媒１３入口の液体還元剤の分布状態を比較したシミュレーション結果を示す。（Ａ）が拡散手段のない場合、（Ｂ）が図３のリング部材の場合、（Ｃ）が図４のリング部材の場合である。尚、図中、濃い部分が液体還元剤濃度の高い部分である。
図から明らかなように、拡散手段がない場合に比較して、拡散手段であるリング部材を用いた場合の方が、液体還元剤の分布状態が均一化されている。また、リング部材を用いた場合でも、図４のリング部材を用いた方が図３のリング部材を用いた場合に比べて、液体還元剤の分布状態が均一化されている。
本発明に係る排気浄化機能付き消音装置の一実施形態の内部構造を示す図 図１の矢印Ａ方向から見た場合の、排気流入部、排気排出部、噴射ノズル、上流側排気流通路及び下流側排気流通路の位置関係を示す図 同上実施形態のリング部材を示す図 リング部材の別の例を示す図 渦生成状態のシミュレーション結果で、（Ａ）は図３のリング部材を用いた場合の図、（Ｂ）は図４のリング部材を用いた場合の図 還元触媒入口の液体還元剤の分布状態のシミュレーション結果で、（Ａ）は拡散手段のない場合の図、（Ｂ）は図３のリング部材を用いた場合の図、（Ｃ）は図４のリング部材を用いた場合の図
符号の説明
１ 消音装置
８ 折返部
８ａ 折返部壁面
９ 上流側排気流通路
１０ 下流側排気流通路
１２ 噴射ノズル
１３ ＮＯｘ還元触媒
１５ リング部材
１５ａ 孔

Claims (3)

  1. 内部の排気流通路に折返部を有し、前記折返部より上流側の排気流通路に配置され液体還元剤を噴射供給する噴射ノズルと、前記折返部より下流側の排気流通路に配置され窒素酸化物を液体還元剤により還元浄化する還元触媒と、を少なくとも備えて構成した排気浄化機能付き消音装置において、
    前記上流側排気流通路から前記折返部に流入する排気を、当該排気の流れ方向と略平行な折返部壁面方向に案内し渦流を生成して前記液体還元剤を拡散する拡散手段を設け、該拡散手段は、周方向に沿って複数の開口部を設けたリング部材であって、前記折返部に流入する排気を、前記開口部を介して前記折返部壁面方向に案内する構成としたことを特徴とする排気浄化機能付き消音装置。
  2. 前記複数の開口部を、前記リング部材の周方向において偏りを持たせて形成する構成とした請求項１に記載の排気浄化機能付き消音装置。
  3. 前記噴射ノズルの上流側に一酸化窒素を二酸化窒素へと酸化させる酸化触媒を備え、前記還元触媒の下流側に、当該還元触媒を通過した液体還元剤を酸化浄化する還元剤酸化触媒を備える請求項１又は２に記載の排気浄化機能付き消音装置。
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