JP5046332B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化するための排気浄化装置に関する。特に、還元触媒の直前で排気ガスの流れ方向が屈曲する形態の内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯ_Xと称する。）を除去するために、液体還元剤の噴射装置と選択還元触媒とを備えた排気浄化装置が知られている。かかる排気浄化装置は、還元触媒の上流側で排気ガス中に尿素水溶液等の液体還元剤を噴霧し、混合した上で還元触媒に流入させ、液体還元剤が加水分解して生成されるアンモニアと窒素酸化物とを還元触媒中で還元反応させることによって窒素酸化物が浄化されるようになっている。

排気通路中に還元剤を供給する装置としては、混合室内で圧縮空気を液体還元剤と混合して霧化した後に排気管中のノズルから供給する、いわゆるエアアシストタイプの装置や、排気管に取り付けられたインジェクタに液体還元剤を圧送し、インジェクタの噴射孔に通じる通路を開閉することによって噴射孔から排気通路内に還元剤の噴霧を行うインジェクションタイプの装置がある。このうち、インジェクタを用いて還元剤の噴霧を行うタイプでは、還元剤の粒子が拡散されにくく、還元触媒の入口面に流入する噴霧分布が偏りやすくなっている。

噴霧された還元剤の分布が偏った状態で還元触媒の入口面に流入すると、還元剤の流入量が多い領域においては生成されるアンモニアのうち窒素酸化物の還元反応に用いられなかったアンモニアがそのまま大気中に放出され、還元剤の流入量が少ない領域においては排気ガス中の窒素酸化物が十分に還元されずにそのまま大気中に放出されるおそれが生じる。そのため、還元触媒に到達する還元剤微粒子の分布が均一になるように、排気通路中にミキサーや衝突板を配置することが行われている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特開２００５−２７３５８０号公報 （特許請求の範囲 図１） 特開２００７−３２４７２号公報 （特許請求の範囲 図１）

しかしながら、特許文献１や２のように、排気通路中にミキサーや衝突板を配置して排気ガス中に還元剤を分散させやすくする場合であっても、ミキサーや衝突板の配置位置と還元触媒の入口面との間の距離が所定程度確保されていない場合には、還元剤と排気ガスとを十分に混合拡散した上で還元触媒の入口面に対して均一に流入させることは困難である。
また、還元触媒の上流側の排気通路の形態は様々であり、還元触媒の直前で排気ガスの流れ方向が屈曲し、インジェクタを還元触媒の入口面に近い位置に配置する必要がある場合には、還元剤と排気ガスとを十分に混合拡散させることが困難であるとともに、還元触媒の入口面へ流入する排気ガスの流量や流速にばらつきが生じやすくなっている。したがって、還元触媒の入口面での還元剤の分布と排気ガスの流量分布とが一致しない状態になりやすく、結果的に、上述と同様の問題が生じるおそれがある。

そこで、本発明の発明者は鋭意努力し、還元触媒の直前で排気ガスの流れ方向が屈曲する形態の排気浄化装置において、還元触媒の上流側の排気通路、還元剤噴射部、カバー部材、及びミキサーのレイアウト構成を所定の構成とすることにより、このような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。すなわち、本発明の目的は、還元触媒の直前で排気ガスの流れ方向が屈曲する形態の排気浄化装置において、還元触媒に対して還元剤混合排気ガスを均一に分散させて流入させることができる排気浄化装置を提供することである。

本発明によれば、内燃機関の排気通路中に配置された還元触媒と、還元触媒の上流側で排気通路内に還元剤を供給するための還元剤噴射部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、還元触媒の上流側には排気導入室が設けられ、排気ガスは、還元触媒を通過する排気ガスの流れ方向に対して側方側から排気導入室に流れ込むようになっており、還元触媒が配置された排気通路の還元触媒の入口側は排気導入室内に向けて延設され、当該延設された排気通路の端部には排気ガスの通過孔が設けられたカバー部材が備えられ、排気導入室の還元触媒の入口面に対向する面に還元剤噴射部が配置されるととともに、対向する面とカバー部材との間隙が排気ガスの通路として構成され、カバー部材に還元剤及び排気ガスを混合拡散させるためのミキサーを備え、対向する面とカバー部材との間に、一端側がカバー部材の通過孔に連通するとともに対向する面側に向かって延在し、対向する面とカバー部材との間隙を流れる排気ガスの導入孔が外周部に複数形成された排気ガス導入部材を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供され、上述した問題を解決することができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、ミキサーは下流側に向けて拡大するテーパ部を含む拡散部材を備えることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、排気導入室の対向する面と還元触媒の入口面との距離が還元触媒の直径よりも小さいことが好ましい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、還元触媒の直前で排気ガスの流れ方向が屈曲する形態の場合に、排気導入室やカバー部材、ミキサーを用いた所定のレイアウト構成とすることにより、還元触媒の上流側の直線部分が短い場合であっても、還元剤を排気ガス中に混合拡散させて還元触媒の入口面全面に対して均一に流入させることができる。したがって、還元触媒の全面を利用してＮＯ_Xを還元させることができ、排気ガス中のＮＯ_Xの還元効率を向上させることができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、還元剤噴射部が配置された排気導入室の対向面とカバー部材との間に所定の排気ガス導入部材を備えることにより、還元剤がカバー部材の通過孔以外の箇所に飛散することを防ぐことができる。また、排気ガス導入部材の内部に流入する排気ガスの流速が速められるため、還元剤の微粒化及び排気ガスと還元剤との混合拡散を促進させることができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ミキサーが所定のテーパ部を含む拡散部材を備えることにより、ミキサーを通過した還元剤混合排気ガスを還元触媒の入口面全面に対して拡散させて流入させることができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、還元触媒の入口面と排気導入室の対向面との距離が所定値未満の構成の排気浄化装置に適用することにより、還元触媒の直前の排気通路の直線部分が短くされつつ、還元剤を均一に混合拡散させて還元触媒に流入させることができ、排気通路の自由度が高められるとともに、排気浄化装置を小型化することができる。

以下、図面を参照して、本発明の内燃機関の排気浄化装置に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同一の符号が付されているものについては同一の部材を表しており、適宜説明が省略されている。

図１及び図２は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」と称する）１０の構成を示す図である。図１（ａ）は、排気浄化装置１０を軸方向に沿って切断した断面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）の排気浄化装置１０を排気導出管２７側から見た後方側面図を示している。

図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、本実施形態にかかる排気浄化装置１０は、筐体としてのケーシング１１と、ケーシング１１内に収容された還元触媒１３と、ケーシング１１に固定されたインジェクタ３５と、還元触媒１３の直前に配置されたカバー部材１５と、還元剤を拡散させるためのミキサー４３とを主たる要素として構成されている。また、ケーシング１１内の還元触媒１３の下流側には、酸化触媒１７が配置されている。
この排気浄化装置１０は、主としてディーゼルエンジンの排気通路中に配設されて使用されるものである。

この排気浄化装置１０の筐体であるケーシング１１は、ステンレス等の材料からなる円筒状の部材であり、その内部には、排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元する還元触媒１３が配置され、その下流側には酸化触媒１７が配置されている。これらの還元触媒１３及び酸化触媒１７は、それぞれ円筒状のハウジング２１ａ、２１ｂの内部に収容されている。

本実施形態の排気浄化装置１０に用いられる還元触媒１３は、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元浄化する、選択還元型の還元触媒である。この還元触媒１３は、公知のもの、例えば、多孔質担体上に、活性成分としてのストロンチウム又はバリウム、及びマグネシウム等のアルカリ土類金属や、セリウムとランタン等の希土類金属、白金とロジウム等の貴金属等を含むものを用いることができる。

また、還元触媒１３の下流側に備えられた酸化触媒１７は、仮に、還元剤としての尿素水溶液が加水分解されて生成されたアンモニアのうち、ＮＯ_Xの還元に使用されなかった分がそのまま通過した場合であっても、この酸化触媒１７によって酸化させ、相対的に有害性の低いＮＯ₂にして放出させるために用いられる。この酸化触媒１７は、公知のもの、例えば、アルミナに白金を担持させたものに所定量のセリウム等の希土類元素を添加したものを用いることができる。

また、還元触媒１３のさらに上流側には排気導入室２３が設けられ、当該排気導入室２３に臨むように内燃機関の排気管が接続される排気導入管２５が設けられている。また、酸化触媒１７のさらに下流側には貯留室２９が設けられ、当該貯留室２９には排気ガスが通過する複数の孔部２７ａが形成された排気導出管２７が接続されている。この排気導出管２７の出口側には排気管が接続される。

また、還元触媒１３が収容されたハウジング２１ａのうち、還元触媒１３の入口側は排気導入室２３の内部に向けて延設されており、延設された側のハウジング２１ａの端部２１ａａにはカバー部材１５が取り付けられている。このカバー部材１５は、中央に排気ガスの通過孔１５ａが設けられ、当該通過孔１５ａにはミキサー４３が配設されている。
また、カバー部材１５と還元触媒１３の入口面に対向するケーシング１１の端面１１ａとの間には、カバー部材１５の通過孔１５ａと連通する円筒空間を有する円筒状の排気ガス導入部材１９が備えられている。この排気ガス導入部材１９には排気ガス導入孔１９ａが複数形成されているとともに、排気ガス導入部材１９の軸方向の両端部は、それぞれカバー部材１５及びケーシング１１の端面１１ａに接している。

また、ケーシング１１の端面１１ａにはインジェクタ３５が取り付けられ、インジェクタ３５のノズルの先端が、排気ガス導入部材１９の円筒空間内に臨むようにされている。このインジェクタ３５が取り付けられた端面１１ａと還元触媒１３の入口面との間の距離は、還元触媒１３の直径よりも小さくなっている。そして、インジェクタ３５から噴射される還元剤の噴霧が、カバー部材１５の通過孔１５ａに配設されたミキサー４３に向けて到達するようになっている。

このインジェクタ３５は、例えば、噴射孔に通じる通路の開閉を電磁制御によって行うＯＮ−ＯＦＦ弁であり、液体還元剤が常時所定の圧力値に維持されるようにポンプ等によって圧送され、通路が開いたときに噴射孔から噴射されるようになっている。インジェクタ３５のノズルは、スワールノズルや多噴孔ノズルであることが好ましいが、これらに限定されるものではない。
また、本実施形態の例では、排気ガスの熱によるインジェクタ３５の損傷を避けるために、放熱フィン３５ａを備えたインジェクタ３５が用いられている。

インジェクタ３５によって噴射される還元剤の量は、例えば、内燃機関の回転数や負荷状態、燃料噴射量等を基に推定される排出ＮＯ_X量に応じて決定され、この噴射量に応じてインジェクタ３５のＤＵＴＹ制御が行われるようになっている。
用いられる還元剤としては、尿素水溶液が典型的である。例えば、この尿素水溶液を使用した場合には、排気通路中に噴射された尿素が排気ガス中の熱によって加水分解することによりアンモニア（ＮＨ₃）が生成され、このＮＨ₃と排気ガス中のＮＯ_X（ＮＯやＮＯ₂）が還元触媒中で反応することによりＮＯ_Xが還元され、窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に分解されて排出される。これ以外にも、未燃燃料（ＨＣ）等、ＮＯ_Xを還元させることができる材料を液体還元剤として使用することができる。

次に、本実施形態の排気浄化装置１０における還元剤噴射領域近傍の配置構成について説明する。図２（ａ）〜（ｂ）は、本実施形態の排気浄化装置を構成するカバー部材１５、排気ガス導入部材１９、ミキサー４３及びインジェクタ３５を分解して表した斜視図を示している。図２（ａ）は、インジェクタ３５側（図１のケーシング１１の端面１１ａ側）から見た斜視図であり、図２（ｂ）は、ミキサー４３側（図１の還元触媒１３側）から見た斜視図である。

図２（ａ）〜（ｂ）に示すように、本実施形態の排気浄化装置では、カバー部材１５の通過孔１５ａの縁がインジェクタ３５側に向けて立ち上げられて延設され、円筒状の排気ガス導入部材１９として構成されている。この排気ガス導入部材１９には排気ガス導入孔１９ａが複数形成されているとともに、排気ガス導入部材１９の延設方向側の端部１９ｂは、インジェクタ３５のノズルの先端を取囲むようになっている。
ただし、排気ガス導入部材１９は、カバー部材１５と一体成形されたものに限られず、図３に示すように、別途、円筒状の排気ガス導入部材１９Ａを用意して、カバー部材１５あるいはケーシングの端面に溶接固定した構成とすることもできる。

また、カバー部材１５の通過孔１５ａにはミキサー４３が溶接固定されている。図２に示す本実施形態においては、ミキサー４３は通過孔１５ａの部分に固定されているが、排気ガス導入部材１９の内部を流れる還元剤混合排気ガスが通過できるようになっていれば、カバー部材１５のいずれの箇所に固定されていても構わない。

このカバー部材１５に備えられたミキサー４３の形態は特に制限されるものではなく、多孔板やワイヤーメッシュ、衝突板その他の様々な形態のものを使用することができる。
例えば、図２に示すミキサー４３は、円形のワイヤーメッシュプレート５１の下流側の面に、下流側に向かって直径が拡大する複数のテーパ部５３ａからなる拡散部材５３が固定された構成となっている。かかる拡散部材５３を備えることにより、ミキサー４３を通過した還元剤混合排気ガスが短時間で排気通路内全体に広げられるようになる。
そのため、図１に示すような、カバー部材１５から還元触媒１３までの距離が比較的短くされた構成の排気浄化装置１０であっても、ミキサー４３を通過した還元剤混合排気ガスを還元触媒１３の入口面全面に流入させることができる。したがって、ケーシング１１の長さが短くされ、排気浄化装置１０の小型化を図ることができるとともに、排気ガスの熱放出が低減され、還元触媒１３の活性温度領域が広げられて、ＮＯ_Xの還元効率を向上させることができる。

以上のように構成された本実施形態の排気浄化装置１０における、還元触媒１３に流れ込む排気ガスの流れについて、図４を参照して説明すると以下のとおりになる。
まず、内燃機関から排出された排気ガスは、排気導入管２５を介して排気導入室２３に導入される。排気導入室２３では、排気導入室２３の内部に延設されたハウジング２１ａの外周部を流れ、カバー部材１５とケーシング１１の端面１１ａとの間を通過し、排気ガス導入部材１９の周方向に形成された複数の排気ガス導入孔１９ａを介して排気ガス導入部材１９の内部に流れ込む。すなわち、還元触媒１３の軸方向に対して側方側から流れ込んできた排気ガスの流れを軸方向に変えられるようになっている。

排気ガス導入部材１９の内部では、インジェクタ３５から還元剤が噴射され、排気ガス中に混合されるようになっており、還元剤混合排気ガスがミキサー４３を通過して還元触媒１３側に流される。このとき、複数の排気ガス導入孔１９ａを介して排気ガス導入部材１９の内部に排気ガスが流れ込むようになっているため、カバー部材１５の通過孔１５ａを流れる排気ガスの流れを均一に分散させることができるとともに、排気ガス導入部１５からミキサー４３を通過するまでの排気ガスの流速が速められるようになっている。したがって、還元剤粒子の微粒化及び排気ガスと還元剤粒子との混合拡散が促進されるようになっている。また、インジェクタ３５から噴射される還元剤はミキサー４３に衝突するようになっているために、排気ガスの流速と相俟って、還元剤がせん断あるいは吹き飛ばされて、結晶化されにくくなっている。

ミキサー４３を通過した還元剤混合排気ガスは、ミキサー４３の拡散部材５３によって排気通路内全体に広げられ、還元触媒１３の入口面全面に対して流入させられる。その結果、排気ガス中のＮＯ_Xを、還元触媒１３の全体を利用して効率的に還元させることができる。また、ミキサー４３から還元触媒１３までの距離が近付けられているために、この区間において排気ガスの熱放出が抑えられるため、還元触媒１３が活性温度に維持されやすく、さらにＮＯ_Xの還元効率の向上が図られている。

なお、本発明の排気浄化装置は、これまで説明した構成以外にも種々の態様が考えられる。例えば、図５に示すように、カバー部材１５とケーシング１１の端面１１ａとの間に配置される排気ガス導入部材１９Ｂに排気ガス導入孔を設けない一方、排気ガス導入部材１９Ｂの端部とケーシング１１の端面１１ａとの間に間隙を設けて排気ガスの導入口とした構成とすることもできる。
さらには、図示しないものの、排気ガス導入部材を省略した構成としてもよい。

本発明の実施の形態にかかる排気浄化装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる排気浄化装置の還元剤噴射領域近傍の構成を説明するための分解斜視図である。 排気浄化装置の別の構成例を説明するための分解斜視図である。 排気導入室内での排気ガスの流れを説明するための図である。 排気浄化装置のさらに別の構成例を説明するための図である。

符号の説明

１０：排気浄化装置、１１：ケーシング、１１ａ：端面（対向面）、１３：還元触媒、１５：カバー部材、１５ａ：通過孔、１７：酸化触媒、１９：排気ガス導入部材、１９ａ：排気ガス導入孔、１９ｂ：端部、２１ａ、２１ｂ：ハウジング、２３：排気導入室、２５：排気導入管、２７：排気導出管、２７ａ：孔部、２９：貯留室、３５：インジェクタ、３５ａ：放熱フィン、４３：ミキサー、５１：ワイヤーメッシュプレート、５３：拡散部材、５３ａ：テーパ部

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路中に配置された還元触媒と、前記還元触媒の上流側で前記排気通路内に還元剤を供給するための還元剤噴射部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記還元触媒の上流側には排気導入室が設けられ、前記排気ガスは、前記還元触媒を通過する排気ガスの流れ方向に対して側方側から前記排気導入室に流れ込むようになっており、
   前記還元触媒が配置された排気通路の前記還元触媒の入口側は前記排気導入室内に向けて延設され、当該延設された排気通路の端部には前記排気ガスの通過孔が設けられたカバー部材が備えられ、
   前記排気導入室の前記還元触媒の入口面に対向する面に前記還元剤噴射部が配置されるとともに、前記対向する面と前記カバー部材との間隙が前記排気ガスの通路として構成され、
   前記カバー部材に前記還元剤及び前記排気ガスを混合拡散させるためのミキサーを備え、
   前記対向する面と前記カバー部材との間に、一端側が前記カバー部材の通過孔に連通するとともに前記対向する面側に向かって延在し、前記対向する面と前記カバー部材との間隙を流れる前記排気ガスの導入孔が外周部に複数形成された排気ガス導入部材を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ミキサーは下流側に向けて拡大するテーパ部を含む拡散部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記排気導入室の前記対向する面と前記還元触媒の入口面との距離が前記還元触媒の直径よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
   化装置。

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