JP5132187B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

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本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に、途中に折返部を有する排気通路を備え、還元剤を用いて排気ガス中のNOXを還元除去する内燃機関の排気浄化装置に関する。
従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質(以下、PMと称する)や窒素酸化物(以下、NOXと称する)を除去するための技術が知られている。
このうち、NOXを除去するための技術として、排気通路中に配置されたNOX触媒の上流側で還元剤を噴射し、排気ガスとともにNOX触媒に流入させて、排気ガス中のNOX(NOやNO2)を窒素等に効率的に分解して放出する選択還元型(SCR:Selective Catalytic Reduction)の排気浄化装置が知られている。
このような排気浄化装置の一態様として、排気中のNOX浄化機能を備え、内部で排気流れ方向を強制的に折り返す構造の消音装置が提案されている。より具体的には、図8に示すように、上流側排気通路409に、酸化触媒411と液体還元剤を噴射供給する噴射ノズル412を配置し、下流側排気通路410に、NOX還元触媒413と還元剤酸化触媒414を配置し、折返部408に、孔415aを周囲に設けたリング部材415を設け、孔415aから排気を下流側に流して折返部壁面408aに沿った排気流れを発生させて折返部408の鉛直面に渦を生成するようにした排気浄化機能付き消音装置401が開示されている(特許文献1参照)。
特開2005−273580号公報 (特許請求の範囲 図1)
ところで、特許文献1に記載された消音装置の構成の場合、上流側の排気通路を通過した排気ガスが折返部に流入すると、急激に空間が広がるために折返部内での流速は遅くなってしまう。そのため、排気通路中に供給された還元剤と排気ガスとが十分に混合されにくくなるとともに下流側排気通路へ流入する排気ガスの分布にばらつきが生じる結果、NOX触媒に供給される還元剤の分布にばらつきが生じてしまう。したがって、NOX触媒でのNOXの浄化効率が低下するおそれがあった。
還元剤と排気ガスとを十分に混合するためには、折返部内に多孔板等の拡散手段を設けることが考えられるが、拡散手段の配置によっては拡散手段が排気ガスの流れを妨げる結果となり、大部分の排気ガスが拡散手段を通過することなく下流側の排気通路に流れ込むおそれがある。
そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、排気通路に折返部を有する排気浄化装置において、折返部を形成する本体部及び蓋部の少なくとも一方に所定のガイド部(ガイド板、遮蔽板)及び還元剤拡散部(拡散板)を設けることにより、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、排気通路の折返部を有しコンパクトにされた排気浄化装置において、下流側の排気通路に配置されたNOX触媒に対して、還元剤を拡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、折返部を有する排気通路と、折返部又は折返部よりも上流側の排気通路に配置され排気通路中に還元剤を供給する還元剤供給部と、折返部よりも下流側の排気通路に配置され窒素酸化物を還元剤を用いて還元浄化する還元触媒と、を備えた排気浄化装置であって、排気浄化装置の筐体は、上流側の排気通路及び下流側の排気通路が収容された本体部と、上流側の排気通路の出口側開口及び下流側の排気通路の入口側開口が設けられた本体部に装着された蓋部と、を含み、折返部は本体部及び蓋部によって囲まれる空間からなっており、蓋部内の出口側開口を含む面、又は当該面と対向する蓋部内面に、開口部を有する第1のリング状部材、開口部を有する第2のリング状部材、第1のガイド板、第2のガイド板、及び拡散板を接触して備えることを特徴とするともに、またさらに、上流側の排気通路の出口側開口に連接して設置される第1のリング状部材、下流側の排気通路の入口側開口に連接して設置される第2のリング状部材、第1のリング状部材の開口部から流出される排気ガスを拡散板に導く第1のガイド板、拡散板を通過した排気ガスを第2のリング状部材の開口部に導く第2のガイド板、及びガイド板によって導かれる排気ガスの流れを排気ガス中への還元剤の混合を促進させる拡散板と、を備えることを特徴とする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、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、蓋部における排気ガスの流れが、上流側の排気通路から出口側開口を経て、第1のリング状部材に流入し、第1のリング状部材の開口部を経て流出し、第1のガイド板により導かれて拡散板を通過した後、第2のガイド板により導かれて第2のリング状部材の開口部に達し、開口部を経て第2のリング状部材に流入し、第2のリング状部材から下流側の排気通路の入口側開口を経て、下流側の排気通路に流入することが好ましい。
また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、還元剤供給部は折返部内の拡散板の上流側に配置するとともに、第1のリング状部材と蓋部の外周部との間を塞ぎ、第1のリング状部材から流出した排気ガスを、第2のリング状部材の開口部に導く第3のガイド板を含むことが好ましい。
また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、排気ガスの流れの途中に配置され、排気ガスを拡散板に均一に導くための整流板を含むことが好ましい。
また、本発明の排気浄化装置を構成するにあたり、第1のリング状部材が連接する上流側の排気通路の出口側開口と、第2のリング状部材が連接する下流側の排気通路の入口側開口が蓋部断面図の矩形領域の対角に位置するように配置することが好ましい。
本発明によれば、排気通路が途中で折り返されて装置全体の小型化が図られた排気浄化装置において、折返部を形成する本体部の面又は蓋部の面の少なくとも一方に備えられた所定のガイド部によって、折返部に流入した排気ガスの流速の低下を低減しつつ、下流側排気通路へと導くことができる。また、ガイド部によって導かれる排気ガスの流れの途中に還元剤拡散部が配置されていることによって、還元剤の混合を促進させることができる。したがって、下流側の排気通路に配置されたNOX触媒に対して、還元剤を拡散させて流入させやすくなり、NOXの浄化効率を向上させることができる。
また、本体部及び蓋部によって囲まれる空間によって折返部が形成される構成であるために、ガイド部及び還元剤拡散部を折返部内に容易に配置することができる。
また、上流側排気通路の出口側開口には、周方向に複数の開口部としての孔を有する第1のリング状部材を備えることにより、当該孔を介して上流側排気通路から折返部に流入する排気ガスの流れ方向を規定する。
また、下流側排気通路の入口側開口には、第2のリング状部材を備えることにより、折返部から下流側排気通路に排気ガスを流入させる。
また、排気ガスを拡散板に導く第1のガイド板を備えることにより、排気ガスを還元剤拡散部を通過させて、還元剤の気化混合を促進させることができる。
さらに、拡散板を通過した排気ガスを下流側の排気通路に導く第2のガイド板を備えることにより、供給された還元剤がNO X 触媒以外の領域に入り込んで付着しないように排気ガスを導くことができる。
また、本発明によれば、第1のリング状に流入した排気ガスは第1のリング状部材の複数の孔から折返部に流れ込み、拡散板に向かって進行する。そして、拡散板の上流側で還元剤が還元剤供給部から排気ガス中に噴射供給され、この還元剤が混合された排気ガスが拡散板を通過する。その後、排気ガスが第2のリング状部材の開口部を介して下流側排気通路に導かれる結果、下流側排気通路中に配設されたNO X 還元触媒に対して還元剤を拡散させて流入させることができるようになっている。
また、本発明によれば、第3のガイド板を備えることによって、第1のリング状部材の複数の孔を介して折返部に流入した排気ガスの流れが、下流側排気通路の入口側開口に配設された第2のリング状部材の開口部が臨む領域に向けられるようになっている。
また、本発明の排気浄化装置において、排気ガスの流れの途中に所定の整流板を備えることにより、排気ガスの流速が均一化され、還元剤拡散部に対して排気ガスを均一に流入させることができる。
以下、図面を参照して、本発明の排気浄化装置に関する実施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。
1.排気浄化装置(消音装置)
図1は、本発明の実施の形態にかかる排気浄化装置10の内部構造の一例を示しており、排気浄化機能を持った消音装置として構成されたものとなっている。
この排気浄化装置10は、本体部12と蓋部11とによって筐体が構成され、全体として角型の排気浄化装置10となっている。筐体の外周囲には、排気浄化装置10を車両に固定するためのフランジ部15aが複数設けられている。また、本体部12及び蓋部11にはそれぞれ取付フランジ部15b、15cが設けられ、本体部12と蓋部11とが図示しないネジ等を用いて固定されている。
このうち、本体部12の側面(図中右側の面)12aに排気流入部13及び排気排出部14(図中、2点鎖線で示す)が設けられている。また、本体部12の内部には、排気流入部13に形成した多数の孔16を介して排気流入部13と連通する拡張室17と、当該拡張室17が配置された側の側面12aと反対側の側面12bで排気ガスの流れを折返す折返部18と、拡張室17と折返部18とを連通する上流側排気通路19と、折返部18と排気排出部14とを連通する下流側排気通路20とが形成されている。折返部18は、本体部12の側面12bと蓋部11の内面11aとによって囲まれる空間からなり、上流側排気通路19を介して流れ込む排気ガスの拡張室としての機能も有している。
このように排気通路が折り返されていることによって、排気浄化装置10の全長が短くされ、装置全体の小型化が図られている。
上流側排気通路19には、上流側酸化触媒21及びパティキュレートフィルタ26が配設されている。パティキュレートフィルタ26は、排気ガス中に含まれる黒煙微粒子等のパティキュレートを捕集するためのものであり、上流側酸化触媒21の下流側に配設されている。また、上流側酸化触媒21は、排気ガス中の未燃燃料(HC)や一酸化炭素(CO)、NOを酸化させたり、パティキュレートフィルタ26の再生時に排気ガスを昇温させたりするために用いられるようになっている。また、下流側排気通路20には、NOX還元触媒23及び下流側酸化触媒24が配設されている。NOX還元触媒23は、排気ガス中に含まれるNOXを還元剤により還元浄化するために用いられる。また、下流側酸化触媒24は、NOX還元触媒23を通過した還元剤を酸化浄化するために用いられ、NOX還元触媒23の下流側に配設されている。
これらの上流側酸化触媒21、下流側酸化触媒24、パティキュレートフィルタ26及びNOX還元触媒23については、それぞれ公知のものを使用することができる。
また、折返部18には、図示しないガイド部及び拡散板が配置されるとともに、例えば尿素水溶液や未燃燃料等の液体還元剤を噴射供給する還元剤供給部22が配設されている。この還元剤供給部22は、エアアシスト式の還元剤供給装置に接続された噴射ノズルや圧送される還元剤を直接噴射する還元剤噴射弁からなり、拡散板の上流側で還元剤が噴射供給されるようになっている。還元剤供給部22の配置位置については特に制限されるものではないが、排気ガス中への還元剤の拡散効率を考慮して配置することが好ましい。
次に、図2及び図3を参照して、本実施形態の排気浄化装置10の折返部18の構成について詳細に説明する。図2は、図1に示す本実施形態の排気浄化装置10のXX断面を矢印方向に見た図を示しており、図3は、蓋部11を本体部12から外して展開した状態を示す斜視図である。
この図2及び図3に示すように、排気浄化装置10の折返部18には、上流側排気通路19の出口側開口19a及び下流側排気通路20の入口側開口20aが臨み、それぞれ断面の矩形領域の対角に位置するようになっている。
上流側排気通路19の出口側開口19aには、周方向に複数の開口部としての孔25aを有し、当該孔25aを介して上流側排気通路19から折返部18に流入する排気ガスの流れ方向を規定する第1のリング状部材25が配設されている。
また、下流側排気通路20の入口側開口20aには、周方向の一部が広く開口した開口部27aを有し、当該開口部27aを介して折返部18から下流側排気通路20に排気ガスを流入させる第2のリング状部材27が配設されている。
これらのリング状部材は、本体部12の側面12bに対向する蓋部11の内面11aに溶接等によって固定されるとともに、本体部12の側面12bにも接するようになっている。
また、図2に示す断面の外周部28のうち、上流側排気通路19の出口側開口19aに近接する角部28aには第3のガイド板29が配置されている。この第3のガイド板29についても蓋部11の内面11aに溶接等で固定されるとともに、本体部12の側面12bに接するようになっている。この第3のガイド板29を備えることによって、第1のリング状部材25の複数の孔25aを介して折返部18に流入した排気ガスの流れが、下流側排気通路20の入口側開口20aに配設された第2のリング状部材27の開口部27aが臨む領域に向けられるようになっている。
図2の例では、第1のリング状部材25と外周部28との間を塞ぐように三枚の第3のガイド板29が配置されている。そのため、第3のガイド板29と第1のリング状部材25あるいは外周部28との間に隙間ができたとしても、排気ガスが第3のガイド板29を越えて回り込みにくいようになっている。
また、第1のリング状部材25の複数の孔25aを介して折返部18に流入した排気ガスが流れ込む、第2のリング状部材27の開口部27aが臨む領域には、排気ガスを拡散板30に導くための第1のガイド板31が配置されるとともに、拡散板30を通過した排気ガスを第2のリング状部材27の開口部27aへと導く第2のガイド板32が配置されている。これらの第1のガイド板31及び第2のガイド板32についても蓋部11の内面11aに溶接等で固定されるとともに本体部12の側面12bに接するようになっており、第1のリング状部材25と第2のリング状部材27との間、及び第2のリング状部材27と外周部28との間を塞ぐように配置されている。
また、これらの第1のガイド板31と第2のガイド板32とによって規定される排気ガスの流路には、流路面積が狭められる絞り部33が形成されており、当該絞り部33に拡散板30が配置されている。したがって、排気ガスは絞り部33を通過する際に流速が早められるようになっており、この流速が早められる状態において拡散板30を通過するために、拡散板33の上流側で排気ガス中に噴射供給された還元剤が効率的に混合拡散されるようになっている。
さらに、拡散板30の上流側の排気通路の途中の、外周部28の角部28bの近傍には、排気ガスの流れ方向に沿って配置された三枚の整流板34配置されている。この整流板34は、第1のリング状部材25の複数の孔25aから折返部18に流入した排気ガスが、角部28b側を通って第2のリング状部材27の開口部27aに流れる際に、外側を通過する排気ガスの流速が内側を通過する排気ガスの流速に比べて相対的に早くなることを防ぐようになっている。したがって、排気ガスが拡散板30に到達する際には排気ガスの流れが均一にされ、その後、下流側排気通路20へと流入させられる。
この排気ガスの流速を均一にするための整流板については、本体部12の側面12b又は蓋部11の内面11aに溶接等で固定されている一方、固定されていない側の面には接していてもよく、あるいは接しないようになっていても構わない。
図4は、図2に示す本実施形態の排気浄化装置10の折返部18のように構成した場合の排気ガスの流路を図示したものである。図4中、領域Aが排気ガスが流れる領域を示している。
上述のように、第1のリング状部材25、第2のリング状部材27、第3のガイド板29、第1のガイド板31及び第2のガイド板32は、それぞれ蓋部11の内面11aに固定されるとともに本体部12の側面12bに接した遮蔽板となっており、これらの遮蔽板によって排気ガスが流れる流路が規定されている。本実施形態の排気浄化装置10の構成において、上流側排気通路19の出口側開口19aから下流側排気通路20の入口側開口20aへと直線的に流れ方向を規定していないのは、排気浄化装置の外形を大型化することなく拡散板等の還元剤拡散部やその上流側に配置される還元剤供給部の配置スペースを確保するとともに、還元剤が排気ガス中に混合拡散されやすくなるように十分な距離を稼ぐためである。
このように構成された本実施形態の排気浄化装置10では、第1のリング状部材25の複数の孔25aから折返部18に流れ込んだ排気ガスは、途中、流速のばらつきが生じやすい角部28b付近に配置された整流板34によって流速が均一にされて拡散板30に向かって進行する。そして、拡散板30の上流側で還元剤が還元剤供給部22から排気ガス中に噴射供給され、この還元剤が混合された排気ガスが拡散板30を通過することによって、還元剤が排気ガス中で気化され、混合が促進される。その後、排気ガスが第2のリング状部材27の開口部27aを介して下流側排気通路20に導かれる結果、下流側排気通路20中に配設されたNOX還元触媒23に対して還元剤を拡散させて流入させることができるようになっている。
また、本実施形態の排気浄化装置10では、本体部12に蓋部11を取り付けることにより内部空間を折返部18として形成した構成であるために、折返部18内にリング状部材やガイド板、拡散板等を容易に配設することができるようになっている。
2.変形例
これまで説明した排気浄化装置の構成は、言うまでもなく構成例の一つに過ぎないものであり、これ以外にも種々の変形が可能である。
例えば、図5に示すように、第1のリング状部材25、第2のリング状部材27、第3のガイド板29、第1のガイド板31及び第2のガイド板32を、蓋部11側ではなく、本体部12の側面12bに溶接等で固定するようにしてもよい。
また、ガイド板等の配置位置についても排気ガスの流れに応じて適宜設計することができる。図6は、ガイド板の別の配置例を示したものであり、本体部12の側面12b及び蓋部11の内面11aにそれぞれに接するガイド板36a、36bを用いて排気ガスの流路を規定し、リング状部材を用いないで構成した例である。この例では、二枚の円弧状のガイド板36a、36bによって排気ガスが流れ込まない領域(図中の領域B)を形成する一方、上流側排気通路19から流入してくる排気ガスを拡散板30に導くとともに、拡散板30を通過した排気ガスを下流側排気通路20の入口側開口20aに導くように構成されている。
また、折返部内において下流側排気通路の入口側開口に配置するリング状部材の代わりに、下流側排気通路20の入口側開口20aを覆うようにして配置されるガイド蓋部材40を備えた構成を図7の参考図として示す。
このガイド蓋部材40は、下流側排気通路20の入口側開口20aの流路面積よりも小さい排気ガスの導入口40aを有するとともに、当該導入口40aから連続する直線状の部分41が、図2の例における第2のガイド板32と同様の機能を果たすガイド部として構成されている。また、導入口40aには還元剤拡散部としての拡散板30が配置されており、下流側排気通路20の入口側開口20aに流入する排気ガスが、当該拡散板30を通過するようになっている。
このようなガイド蓋部材40を用いることにより、排気ガスの導入口40aが絞り部として機能し、当該絞り部で排気ガスの流速が高められると同時に拡散板30を通過するため、排気ガス中への還元剤の混合が促進される。また、拡散板30を通過した排気ガスは、下流側排気通路20の入口側開口20aに分散して流れ込みやすくなる。
なお、下流側の排気通路に配置されるNOX還元触媒23以外の、上流側酸化触媒、パティキュレートフィルタ、下流側酸化触媒については適宜省略することができる。この場合、上流側の排気通路にスペースが確保されるのであれば、上流側の排気通路に還元剤供給部としての噴射ノズルや還元剤噴射弁を備えることもできる。還元剤供給部が上流側の排気通路に配置される場合であっても、還元剤を含む排気ガスを、所定のガイド部及び還元剤拡散部が配置された折返部を通過させて下流側の排気通路に流入させることにより、還元剤の気化と混合が促進され、排気ガス中に還元剤を拡散させた状態で下流側の排気通路に配置されたNOX還元触媒に対して流入させることができる。
本実施形態の排気浄化装置の構成を説明するための図である。 本実施形態の排気浄化装置の折返部の構成を説明するための断面図である。 本実施形態の排気浄化装置の折返部の構成を説明するための斜視図である。 折返部内での排気ガスの流れを説明するための図である。 折返部の別の構成例を示す図である。 ガイド部の別の構成例を示す図である。 ガイド蓋部材を用いた構成例を示す図(参考図)である。 従来の排気浄化装置の構成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:蓋部、11a:蓋部の内面、12:本体部、12a・12b:本体部の側面、13:排気流入部、14:排気排出部、15a:フランジ部、15b・15c:取付フランジ部、16:孔、17:拡張室、18:折返部、19:上流側排気通路、19a:出口側開口、20:下流側排気通路、20a:入口側開口、21:酸化触媒、22:還元剤供給部、23:NOX還元触媒、24:酸化触媒、25:第1のリング状部材、25a:孔、26:パティキュレートフィルタ、27:第2のリング状部材、27a:開口部、28:外周部、28a・28b:角部、29:第3のガイド板、30:拡散板、31:第1のガイド板、32:第2のガイド板、33:絞り部、34:整流板、36a・36b:ガイド板、40:ガイド蓋部剤、40a:導入口、41:直線状部分

Claims (5)

  1. 折返部を有する排気通路と、前記折返部又は前記折返部よりも上流側の排気通路に配置され前記排気通路中に還元剤を供給する還元剤供給部と、前記折返部よりも下流側の排気通路に配置され窒素酸化物を前記還元剤を用いて還元浄化する還元触媒と、を備えた排気浄化装置において、
    前記排気浄化装置の筐体は、前記上流側の排気通路及び前記下流側の排気通路が収容された本体部と、前記上流側の排気通路の出口側開口及び前記下流側の排気通路の入口側開口が設けられた前記本体部に装着された蓋部と、を含み、前記折返部は前記本体部及び前記蓋部によって囲まれる空間からなっており、
    蓋部内の前記出口側開口を含む面、又は当該面と対向する蓋部内面に、開口部を有する第1のリング状部材、開口部を有する第2のリング状部材、第1のガイド板、第2のガイド板、及び拡散板を接触して備え、前記第1のリング状部材は前記上流側の排気通路の前記出口側開口に連接され、前記第2のリング状部材は前記下流側の排気通路の前記入口側開口に連接されて設置され、
    前記第1のガイド板は前記第1のリング状部材の前記開口部から流出される前記排気ガスを前記拡散板に導き、前記第2のガイド板は前記拡散板を通過した前記排気ガスを前記第2のリング状部材の前記開口部に導き、前記拡散板は前記ガイド板によって導かれる前記排気ガスの流れを前記排気ガス中への前記還元剤の混合を促進させる、ことを特徴とする排気浄化装置。
  2. 前記排気浄化装置において、前記蓋部における前記排気ガスの流れが、前記上流側の排気通路から、前記出口側開口を経て、前記第1のリング状部材に流入し、前記第1のリング状部材の前記開口部を経て流出し、前記第1のガイド板により導かれて前記拡散板を通過した後、前記第2のガイド板により導かれて前記第2のリング状部材の前記開口部に達し、前記開口部を経て前記第2のリング状部材に流入し、前記第2のリング状部材から前記下流側の排気通路の前記入口側開口を経て、前記下流側の排気通路に流入する、ことを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  3. 前記還元剤供給部は前記折返部内の前記拡散板の上流側に配置されるとともに、前記第1のリング状部材と前記蓋部の外周部との間を塞ぐ第3のガイド板をさらに備え、前記第1のリング状部材から流出した前記排気ガスを、前記第2のリング状部材の前記開口部に導くことを特徴とする請求項1又は2に記載の排気浄化装置。
  4. 前記排気ガスの流れの途中に配置され、前記排気ガスを前記拡散板に均一に導くための整流板を、さらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
  5. 前記第1のリング状部材が連接する前記上流側の排気通路の前記出口側開口と、前記第2のリング状部材が連接する前記下流側の排気通路の前記入口側開口が蓋部断面図の矩形領域の対角に位置するように配置されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の排気浄化装置
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