JP3715985B1 - 液体還元剤噴射ノズル構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ＮＯｘ低減排気浄化システムで使用する液体還元剤噴射ノズル構造を改良して、排気流通路内に噴射した液体還元剤の還元剤成分が通路壁面に堆積するのを抑制することを目的とする。
【解決手段】 排気浄化機能付き消音装置の上流側排気流通路９に取付けた液体還元剤噴射ノズル１２の、通路９内に突出するノズル先端部１２ａを、通路中心方向に向けて斜めに折曲する構造とした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、液体還元剤を用いて排気中のＮＯｘを低減する排気浄化システムで使用する液体還元剤噴射ノズルに関し、特に、排気流通路内に噴射した液体還元剤における還元剤成分の通路壁面への堆積を低減できるようにした液体還元剤噴射ノズル構造に関する。
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では、図１３に示すように、液体還元剤噴射ノズル１００を、排気流通路１０２の壁面から当該通路内の通路中心より手前に突出させ、折り曲げたノズル先端部１００ａが排気の流れ方向に向くよう排気流通路壁に固定する。そして、ノズル先端部１００ａの周囲に、図１４のようにノズル先端部１００ａの径方向に向けて形成した多数の噴孔１０１から、液体還元剤として例えば尿素水溶液を通路壁面方向に向けて噴射供給することにより、噴射された液体還元剤が排気の流れによって排気中に拡散、混合され、還元触媒によるＮＯｘ浄化率を向上させている。
特開２０００−２７６２７号公報
ところで、液体還元剤噴射ノズルを通路内へ突出させる場合、排気中に液体還元剤が略均一に分布するよう、ノズル先端部を通路の略中心に配置するのが望ましいが、片持ち支持構造であるために、特に、大型車の場合、車体振動等により噴射ノズルが破損したり、熱容量が大きくなって排気熱で液体還元剤の還元剤成分が噴射ノズル内壁に堆積してノズルが詰まったりする虞れがある。このために、現状では、通路壁面から通路中心までの距離の略１／３の位置にノズル先端部を突出配置している。また、従来の液体還元剤噴射ノズルは、図１３に示すように、ノズル先端部１００ａを略直角に折り曲げ、また、図１４に示すように噴孔１０１の向きがノズル先端部１００ａの径方向、即ち、通路壁面方向に向いている。更には、通路中心に比べて通路壁付近の排気流速が遅いため、液体還元剤の拡散、混合が不十分で、ノズル取付け壁面側に液体還元剤の還元剤成分が付着し易かった。このため、例えば、尿素水溶液の場合、壁面に付着した尿素水溶液から排気熱により水分が蒸発し、図１３に示すようにノズル取付け部付近の壁面に尿素が析出し堆積する。
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、液体還元剤における還元剤成分の排気流通路壁面への堆積を低減できる液体還元剤噴射ノズル構造を提供することを目的とする。
このため、請求項１の発明では、窒素酸化物を液体還元剤で還元浄化する還元触媒を介装した排気流通路の前記還元触媒より上流の排気流通路壁面に取付けられ、当該壁面から通路中心に向けて当該通路中心より手前側に突出し排気の流れ方向に向けて折曲したノズル先端部の周囲に形成した多数の噴孔から前記液体還元剤を噴射供給する液体還元剤噴射ノズルにおいて、前記ノズル先端部の前記噴孔を、ノズル取付け側壁面のノズル取付け部を略中心とした所定範囲を除いて液体還元剤を噴射するよう偏在させて形成したことを特徴とする液体還元剤噴射ノズル構造とした。
請求項１の構造において、請求項２のように、前記噴孔を、ノズル先端部の軸方向に複数列形成し、且つ、互いに隣接する列の噴孔位置を周方向にずらすようにするとよい。
また、請求項１又は２の構造において、請求項３のように、前記ノズル先端部を、通路中心方向に向かうよう排気流れ方向に対して斜めに折曲形成してもよく、請求項４のように、前記ノズル先端部の前記噴孔の向きを、ノズル先端部の中心軸線と直角な径方向に対して排気流れ方向側に傾斜させて形成してもよい。
請求項５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液体還元剤噴射ノズルを配置し、前記折返部より下流側の排気流通路に前記還元触媒を配置する構成の排気浄化機能付き消音装置の液体還元剤噴射ノズルに適用したことを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、液体還元剤噴射ノズル取付け部付近の排気流通路壁面に付着する液体還元剤の量を従来と比較して格段に低減できるので、液体還元剤における還元剤成分のノズル取付け部付近の排気流通路壁面への堆積を抑制できる。
請求項２〜４に記載の発明によれば、液体還元剤噴射ノズル取付け部付近の排気流通路壁面に付着する液体還元剤の量を更に低減でき、液体還元剤における還元剤成分のノズル取付け部付近の排気流通路壁面への堆積をより一層抑制できる。
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、本発明の液体還元剤噴射ノズル構造の第１実施形態を適用す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、排気浄化機能付き消音装置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図３に示す構造の液体還元剤噴射ノズル３０と、をそれぞれ配設する。尚、本実施形態の液体還元剤噴射ノズル３０については後に詳述する。
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ためのリング部材１５が配設してある。リング部材１５は、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、液体還元剤噴射ノズル３０、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。
かかる消音装置１の排気浄化動作を簡単に説明する。
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、液体還元剤噴射ノズル３０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から噴射し、このリング部材１５の作用により、液体還元剤が排気中に効果的に拡散、混合して下流側排気流通路１０のＮＯｘ還元触媒１３へ流入する。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。
次に、図３に示す本実施形態の液体還元剤噴射ノズル３０について詳述する。
本実施形態の液体還元剤噴射ノズル３０は、図３に示すように従来と同様に排気流れ方向に略直角に折曲したノズル先端部３０ａの周囲に設ける多数、例えば８個の噴孔３１を、図３のＸ−Ｘ矢視断面を示す図４に示すように、ノズル取付け側壁面のノズル取付け部を略中心とした所定範囲Ｖを除いて液体還元剤を噴射するよう、ノズル先端部３０ａの周方向において偏在させて形成したものである。図４のａ〜ｈは、噴孔３１の形成位置を示し、数字は各噴孔３１間の間隔（角度）を示す。
かかる構造の液体還元剤噴射ノズル３０によれば、上流側排気流通路９の断面方向から見たときに、ノズル取付け側壁面のノズル取付け部を略中心とした図５の斜線で示す所定範囲Ｖに付着する液体還元剤の量を大幅に低減でき、所定範囲Ｖにおける尿素等の堆積を抑制できる。
次に、本発明の液体還元剤噴射ノズルの第２実施形態について説明する。
第２実施形態の液体還元剤噴射ノズル４０は、第１実施形態と同様に排気流れ方向に略直角に折曲したノズル先端部４０ａの周囲に設ける複数の噴孔４１を、図６に示すように、ノズル先端部４０ａの軸方向に複数列、例えば２列にし、且つ、図７と図８に示すように互いに噴孔位置を周方向にずらして形成する。尚、図７は図６のＹ−Ｙ矢視断面図であり、図８は図６のＺ−Ｚ矢視断面図である。また、図７及び図８のａ〜ｈは、図４と同様の各列における噴孔４１の形成位置を示し、数字は各噴孔４１間の間隔（角度）を示す。
かかる構造の液体還元剤噴射ノズル４０によれば、上流側排気流通路９の断面方向から見たときに、ノズル取付け側壁面のノズル取付け部を略中心とした図９の斜線で示す、第１実施形態の場合より更に広い範囲Ｗで、壁面に付着する液体還元剤の量を大幅に低減でき、範囲Ｗにおける尿素等の堆積を抑制できる。また、噴孔４１を、ノズル先端部の軸方向に複数列形成すれば、噴孔間の間隔を広くとれる。また、互いに隣接する列の噴孔位置を周方向にずらすようにすれば、ノズル先端部４０ａの軸方向における列間の距離を短くでき、列と列との間隔を狭くできる。
次に、本発明の液体還元剤噴射ノズルの第３実施形態について説明する。
本実施形態の液体還元剤噴射ノズル１２は、上述した第１実施形態又は第２実施形態の構成において、図１０に示すように、ノズル先端部１２ａを、図示のように通路中心方向に斜めに折曲してある。折曲角度θとしては、例えば約θ＝１２０°程度とする。
かかる構造の液体還元剤噴射ノズル１２によれば、液体還元剤噴射ノズル１２を取付ける通路壁面側では、ノズル先端部１２ａの噴孔から噴射される液体還元剤の噴射方向が、従来に比べてノズル取付け部から離れる。従って、図５の所定範囲Ｖや図９の所定範囲Ｗに加えて、更に、図１０に示すノズル取付け部付近の通路壁面領域Ｕに付着する液体還元剤の量を大幅に低減できるので、例えば液体還元剤として尿素水溶液を用いた場合に、還元剤成分である尿素の堆積を抑制できる。
次に、本発明の液体還元剤噴射ノズルの第４実施形態について説明する。
図１１は、第４実施形態の液体還元剤噴射ノズル２０の要部拡大図である。
図１１において、第４実施形態の液体還元剤噴射ノズル２０は、上述した第１実施形態又は第２実施形態の構成において、ノズル先端部２０ａの周囲に設ける噴孔２１の向きを、ノズル先端部２０ａの径方向（図１１の矢印Ｒ方向）に対して排気流れ方向側に傾斜させて形成してある。傾斜角度は、例えば約３０°程度とする。
かかる構造の液体還元剤噴射ノズル２０においても、第３実施形態のノズル構造と同様に、図１２に示すように、液体還元剤噴射ノズル２０を取付ける通路壁面側では、ノズル先端部２０ａの噴孔２１から噴射される液体還元剤の噴射方向が、従来に比べてノズル取付け部から離れるので、図１２のノズル取付け部付近の通路壁面領域Ｕに付着する液体還元剤の量を大幅に低減でき、尿素等の堆積を抑制できる。
尚、第３実施形態の液体還元剤噴射ノズル１２に、第２実施形態の噴孔の向きを斜めに形成する構造を組み合わせるようにすれば、より一層液体還元剤中の尿素等の還元剤成分の析出を抑制できる。
また、上記各実施形態では、本発明を排気浄化機能付き消音装置に適用した例を示したが、排気浄化機能付き消音装置に限らず他の浄化装置にも適用できることは言うまでもない。
本発明に係る液体還元剤噴射ノズルを適用する排気浄化機能付き消音装置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 本発明に係る液体還元剤噴射ノズルの第１実施形態を示すノズル先端部の図 図３のＸ−Ｘ矢視断面図 第１実施形態の付着抑制領域の説明図 本発明に係る液体還元剤噴射ノズルの第２実施形態を示すノズル先端部の図 図６のＹ−Ｙ矢視断面図 図６のＺ−Ｚ矢視断面図 第２実施形態の付着抑制領域の説明図 本発明に係る液体還元剤噴射ノズルの第３実施形態を示す通路取付け状態図 本発明に係る液体還元剤噴射ノズルの第４実施形態を示すノズル先端部の拡大断面図 第４実施形態の通路取付け状態図 従来の液体還元剤噴射ノズルの通路取付け状態図 従来の液体還元剤噴射ノズルのノズル先端部の断面図
符号の説明
１ 消音装置
１２，２０，３０，４０ 液体還元剤噴射ノズル
１２ａ，２０ａ，３０ａ，４０ａ ノズル先端部
２１，３１，４１ 噴孔
９ 上流側排気流通路

Claims (5)

  1. 窒素酸化物を液体還元剤で還元浄化する還元触媒を介装した排気流通路の前記還元触媒より上流の排気流通路壁面に取付けられ、当該壁面から通路中心に向けて当該通路中心より手前側に突出し排気の流れ方向に向けて折曲したノズル先端部の周囲に形成した多数の噴孔から前記液体還元剤を噴射供給する液体還元剤噴射ノズルにおいて、
    前記ノズル先端部の前記噴孔を、ノズル取付け側壁面のノズル取付け部を略中心とした所定範囲を除いて液体還元剤を噴射するよう偏在させて形成したことを特徴とする液体還元剤噴射ノズル構造。
  2. 前記噴孔を、ノズル先端部の軸方向に複数列形成し、且つ、互いに隣接する列の噴孔位置を周方向にずらすようにした請求項１に記載の液体還元剤噴射ノズル構造。
  3. 前記ノズル先端部を、通路中心方向に向かうよう排気流れ方向に対して斜めに折曲形成した請求項１又は２に記載の液体還元剤噴射ノズル構造。
  4. 前記ノズル先端部の前記噴孔の向きを、ノズル先端部の中心軸線と直角な径方向に対して排気流れ方向側に傾斜させて形成した請求項１〜３のいずれか１つに記載の液体還元剤噴射ノズル構造。
  5. 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液体還元剤噴射ノズルを配置し、前記折返部より下流側の排気流通路に前記還元触媒を配置する構成の排気浄化機能付き消音装置の液体還元剤噴射ノズルに適用した請求項１〜４のいずれか１つに記載の液体還元剤噴射ノズル構造。
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