JP4662334B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

近年、内燃機関（以下、エンジンともいう）の排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する手段の一つとして、排ガス中に尿素水等の還元剤を添加し加水分解により発生するアンモニア（ＮＨ₃）により、ＮＯｘを窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に選択還元するＮＯｘ触媒、所謂ＳＣＲ触媒が知られている。
ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの浄化を効率的に行うには還元剤を排気中に均一に拡散させアンモニアをＳＣＲ触媒に供給することが必要である。アンモニアがＳＣＲ触媒に十分に供給されなければＮＯｘを浄化しきれなかったり、アンモニアが大気中にそのまま排出される所謂アンモニアスリップ現象が発生するおそれがある。

排ガス中への還元剤の添加は一般的にはＳＣＲ触媒より排気上流側の排気管内で行われており、例えばＳＣＲ触媒より排気上流側の排気管内に尿素水等の還元剤を排ガス中に混入する混入部と、当該混入部とＳＣＲ触媒との間に排気流路の断面積を縮小する絞り部や排気を攪拌する攪拌部を設ける技術が開発されている（特許文献１参照）。
また、ＮＯｘ中の一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ₂）の割合がおよそ等しいと低温時におけるＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が向上することが知られている。
特開２００２−２１３２３３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたような技術では、複数の触媒及びフィルタを別々に設けることになると、排気管を間に介して夫々の触媒及びフィルタを取り付ける必要があるためスペースが必要となり、車両への搭載の際に何らかの制約を受けるおそれがある。
また、上記特許文献１では絞り部の手前で尿素水を添加しているため、尿素水が析出して絞り部に尿素が付着していき排気管を閉塞してしまうおそれもある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、コンパクトな構成とすることができ、且つ還元剤を十分に拡散させＳＣＲ触媒によるＮＯｘの浄化率を向上させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気系に設けられた酸化触媒と、該酸化触媒の排気下流側に、該排気下流側に向かって円錐状に排気流路を縮小するよう形成された絞り部と、該絞り部内で前記排気流路の中心軸を中心に放射状に還元剤を排ガス中に添加する還元剤添加手段と、前記絞り部の排気下流側に設けられ前記還元剤により排ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、前記酸化触媒と前記絞り部と前記還元剤添加手段と前記ＮＯｘ触媒を内部に有するケースとを備えたことを特徴としている。

つまり、ひとつのケース内で、酸化触媒により排ガス中のＮＯｘのＮＯとＮＯ₂の割合をおよそ等しくして、還元剤を添加し、絞り部により排ガスの速度を増加させることで還元剤を拡散させ、ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）でＮＯｘを選択還元させることとなる。
請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、前記絞り部の近傍に、前記還元剤添加手段により排ガス中に添加された還元剤を拡散させる拡散手段を備えたことを特徴としている。

つまり、絞り部の近傍に拡散手段を設け、当該拡散手段により排ガス中に添加された還元剤の拡散を促進させることとなる。

請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、前記還元剤添加手段は前記還元剤に空気を混合して排ガス中に該還元剤を添加することを特徴としている。
つまり、還元剤に空気を混合することで還元剤を微粒子化して排ガス内に添加させることとなる。
請求項４の内燃機関の排気浄化装置では、前記還元剤添加手段は、前記絞り部の最小となる排気流路断面積に対応した空気量を前記還元剤に混合することを特徴としている。

つまり、還元剤に混合する空気量を最小限に抑制することとなる。

上記手段を用いる本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒よりも排気上流側に酸化触媒を設け、排ガス中のＮＯｘのＮＯとＮＯ₂の割合をおよそ等しくすることでＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）の低温時でのＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
また、絞り部を設け排ガスの速度を増加させることで添加した還元剤を拡散させることができ、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの浄化を効率的に行うことができる。

また、酸化触媒、ＮＯｘ触媒、絞り部、還元剤添加手段をひとつのケース内に備えることで排気浄化装置を一体のものとすることができ、車両への搭載性を向上させることができる。
これにより、排気浄化装置をコンパクトな構成とさせることができ、且つ還元剤を十分に拡散させＮＯｘ触媒によるＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、拡散手段により還元剤の拡散を促進させることができ、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの浄化を効率的に行うことができる。

請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、還元剤に空気を混合して排ガス中への添加を行うことにより、還元剤を微粒子化させ、拡散を促進させることができる。
請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、空気の混合による還元剤の拡散の効果を十分に得ながら、還元剤へ混合する空気量を最小限とすることができ、還元剤への空気混合による無駄なエネルギーを低減させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
まず、実施例１について説明する。
図１を参照すると、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を含むディーゼルエンジンの吸排気系の概略構成図が示されており、図２を参照すると、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施例１における排気浄化装置の断面図が示されている。以下、図１、図２に基づき説明する。

エンジン１は直列６気筒ディーゼルエンジンであり、コモンレール式燃料噴射装置を備えており、コモンレール２に蓄圧された高圧燃料を各気筒４の燃料噴射弁５に供給し、任意の噴射時期及び噴射量で燃料噴射弁５から各気筒４の筒内に噴射可能に構成されている。
エンジン１の吸気側には吸気マニホールド６が接続されており、吸気マニホールド６からは吸気管８が延びている。吸気管８の吸気上流端にはエアクリーナ１０が設けられており、吸気管８の途中にはターボ過給機１２のコンプレッサ１２ａが設けられ、当該コンプレッサ１２ａの吸気下流側にはインタークーラ１４が設けられている。

一方、エンジン１の排気側には排気マニホールド１６が接続されており、排気マニホールド１６からは排気管１８が延びている。排気マニホールド１６と吸気マニホールド６にはＥＧＲ通路２０が接続されており、ＥＧＲ通路２０にはＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２２やＥＧＲガスの還流量を調節するＥＧＲバルブ２４が設けられている。
また、排気管１８の途中には上記コンプレッサ１２ａと同軸上に連結されているタービン１２ｂが設けられており、排気管１８の排気下流側には、排気温度センサ２６が設けられており、その排気下流側には排気浄化装置３０が接続されている。

ここで、排気浄化装置３０について詳しく説明する。
図２に示すように、排気浄化装置３０は円筒状のケース３２内部の排気上流側に酸化触媒３４を、排気下流側にＳＣＲ触媒３６（ＮＯｘ触媒）が配設されている。
酸化触媒３４は、例えばハニカム構造のセラミックス製の触媒担体上に白金（Ｐｔ）等の触媒金属を担持して構成されており、排ガス中の炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に変えるとともに、ＮＯｘのうち一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に効率よく変化させ、ＮＯｘのＮＯとＮＯ₂との割合をおよそ等しくするものである。

ＳＣＲ触媒３６は、例えばハニカム構造のセラミックス製の触媒担体上に酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）等の触媒金属を担持して構成されており、アンモニア（ＮＨ₃）により排ガス中のＮＯｘを窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）選択還元するものである。
また、ケース３２内の酸化触媒３４とＳＣＲ触媒３６が配設されている間には空間３８が存在し、この空間３８には排気下流側に向かい円錐状に排気流路の断面積を縮小する絞り部４０が形成されており、一定の断面積（例えばケース３２の断面積の１／２程度）まで縮小した絞り部４０の排気下流端からは当該一定の断面積を維持した円筒部４２が形成されている。

また、円筒部４２の外周は多数の孔が穿設されており、円筒部４２の下流端はＳＣＲ触媒３６の直上流に設けられている拡散板４６（拡散手段）と当接している。
拡散板４６は外周縁がケース３２の内周壁と当接している円盤状の板部材であり、円筒部４２の径より若干小径な内円部分４６ａを除いて多数の孔が穿設されている。
さらに空間３８内には、ケース３２外部から貫通し先端が絞り部４０の中心軸線上に位置するＬ字状の添加ノズル４８（還元剤添加手段）が設けられている。添加ノズル４８の先端は中心軸を中心に放射状に尿素水が噴射されるよう形成されている。

添加ノズル４８は排気浄化装置３０の外部に設けられている尿素水供給装置５０（還元剤添加手段）に連結されており、尿素水供給装置５０は尿素水が貯蔵されている尿素水タンク５２から尿素水が供給されるとともに、エンジン１を動力としたエアコンプレッサ５４から圧縮空気が供給され、当該供給された尿素水と圧縮空気を混合させて添加ノズル４８へ供給する。

また、車内にはＥＣＵ（電子コントロールユニット）５６が設けられており、当該ＥＣＵ５６は排気温度センサ２６が検知した排気温度やエンジン回転数、アクセル開度等の各種情報を入力し、当該各種情報に基づき尿素水供給装置４８やＥＧＲバルブ２４、エンジン１等の各種制御を行う。
以下このように構成された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施例1における作用について説明する。

エンジン１は、エアクリーナ１０から吸気管８を通りコンプレッサ１２ａにより圧縮された空気を各気筒４に吸気し燃料噴射弁５から燃料を噴射することで燃焼を生起する。燃焼後の排ガスは排気マニホールド１６から途中タービン１２ｂを回転させて排気管１８の下流側へと流れ排気浄化装置３０内へ流入する。
排気浄化装置３０に流入する前の排ガス中には炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、ＮＯｘが含まれており、このときのＮＯｘは一酸化窒素（ＮＯ）の割合が二酸化窒素（ＮＯ₂）よりも高い。

そして、酸化触媒３４では、排ガス中のほとんどの炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）は二酸化炭素（ＣＯ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に変化し、一酸化窒素（ＮＯ）は二酸化窒素（ＮＯ₂）に効率よく変化する。これによりＮＯｘのＮＯとＮＯ₂との割合がおよそ等しくなる。
空間３８の絞り部４０では排気流路断面積が縮小しているために当該絞り部４０を通る排ガスは増速する。また、絞り部４０に設けられている添加ノズル４８の先端からは中心軸を中心に放射状に尿素水が噴射され、排ガス中に尿素水が添加される。この噴射される尿素水は圧縮空気が混合されていることにより微粒子化した状態で噴射され、この圧縮空気の量は絞り部４０の排気下流端の断面積、つまり排気流路の最小断面積と同面積程度に尿素水が拡がるようＥＣＵ５６が尿素水供給装置５０を制御している。

そして、増速し尿素水を含む排ガスは円筒部４２を通る際に拡散され、さらに拡散板４６の中央部４６ａへの衝突や多数の孔を通過することによっても尿素水の拡散が促進される。
十分に拡散された尿素水は加水分解及び熱分解されることでアンモニア（ＮＨ₃）を生成し、ＳＣＲ触媒３６では当該アンモニアと反応することでＮＯｘの還元が行われ、ＮＯｘは窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に変化する。このとき、酸化触媒３４によってＮＯｘ中のＮＯとＮＯ₂はおよそ等しいので低温時でも十分にＮＯｘは浄化される。

そして、浄化された排ガスは排気浄化装置３０からさらに下流に流れ大気に排出される。
このように、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、酸化触媒３４、ＳＣＲ触媒３６、添加ノズル４８、絞り部４０等をひとつのケース内に備えることで排気浄化装置３０を一体のものとすることができ、車両への搭載性を向上させることができる。

その上、尿素水に最小限の圧縮空気を混合させ尿素水を微粒子化し、絞り部４０を設け排ガスの流速を増速させ、拡散板４６を設けることで、排ガス中に添加された尿素水を十分に拡散させることができる。これにより、ＳＣＲ触媒３２へ確実にアンモニアを吸着させることができ、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。また、絞り部４０を設けたことで尿素水の添加は絞り部の最小断面積分拡がれば十分に拡散させることができるので、圧縮空気の混合を最小限に抑制することができる。つまりエアコンプレッサが要する仕事量を最小限にすることができ、エンジン１の負荷を抑制することができる。

さらに、ＳＣＲ触媒３６よりも排気上流側に酸化触媒３４を設け、排ガス中のＮＯｘのＮＯとＮＯ₂の割合をおよそ等しくすることで低温時でのＳＣＲ触媒３６のＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
これらのことより、排気浄化装置３０をコンパクトな構成とすることができる上、尿素水を十分に拡散させＳＣＲ触媒３６によるＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

以上で本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態では、尿素水供給装置により尿素水に圧縮空気を混合しているが、圧縮空気を混合せずに尿素水のみで噴射を行うようにしてもよい。そうすることで圧縮空気を生成するためのエアコンプレッサ等の装置を設ける必要がなくなり、さらなるコンパクト化を図ることができ、例えばエアコンプレッサ等を備えていない小型車等にも本願の内燃機関の排気浄化装置を搭載することが可能となる。

また、上記実施形態では拡散板の形状は内円部分を除いて多数の孔を穿設しているが、これに限られるものではなく、拡散板全体に多数の孔を穿設してもよい。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を含むディーゼルエンジンの吸排気系の概略構成図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施例１における排気浄化装置の断面図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１８ 排気管
３０ 排気浄化装置
３２ ケース
３４ 酸化触媒
３６ ＳＣＲ触媒（ＮＯｘ触媒）
３８ 空間
４０ 絞り部
４６ 拡散板（拡散手段）
４８ 添加ノズル（還元剤添加手段）
５０ 尿素水供給装置（還元剤添加手段）
５２ 尿素水タンク
５４ エアコンプレッサ
５６ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気系に設けられた酸化触媒と、
   該酸化触媒の排気下流側に、該排気下流側に向かって円錐状に排気流路を縮小するよう形成された絞り部と、
   該絞り部内で前記排気流路の中心軸を中心に放射状に還元剤を排ガス中に添加する還元剤添加手段と、
   前記絞り部の排気下流側に設けられ前記還元剤により排ガス中のＮＯｘを選択還元するＮＯｘ触媒と、
   前記酸化触媒と前記絞り部と前記還元剤添加手段と前記ＮＯｘ触媒を内部に有するケースとを備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記絞り部の近傍に、前記還元剤添加手段により排ガス中に添加された前記還元剤を拡散させる拡散手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記還元剤添加手段は前記還元剤に空気を混合して排ガス中に該還元剤を添加することを特徴とする請求項１または２いずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記還元剤添加手段は、前記絞り部内の最小となる排気流路断面積に対応した空気量を前記還元剤に混合することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置。

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