JP5155824B2

JP5155824B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP5155824B2
Application number: JP2008291040A
Authority: JP
Inventors: 博昭藤田
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-11-13
Also published as: JP2010116859A

Description

本発明は、尿素を加水分解して得たアンモニアで排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元する触媒装置と、排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するフィルターとを備えた内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、尿素水噴射ノズルから噴射した尿素水を排ガス中で蒸発・拡散させてアンモニアを得、前記触媒装置に供給する排気浄化装置に係るものである。

内燃機関の排ガスを浄化処理する排気処理装置として、ＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）と、選択還元型（ＳＣＲ：ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｕｄｕｃｔｉｏｎ）触媒とを組み合わせた装置が知られている。
このようなＤＰＦとＳＣＲ触媒とを組み合わせた排気処理装置では、内燃機関であるエンジンで発生した排ガスは、ＤＰＦでＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）を捕集され、その後、ＳＣＲ触媒で排ガス中のＮＯｘが浄化される。

ＮＯｘの浄化は、排気ガス中のＮＯｘを選択的に前記ＳＣＲ触媒に吸着させ、該ＳＣＲ触媒上流側の排気通路中に尿素水を噴射し、該尿素水中の尿素を加水分解して還元剤であるアンモニア（ＮＨ_３）として前記ＳＣＲ触媒に供給し、ＳＣＲ触媒に吸着したＮＯｘを還元して窒素と水に分解して排出することでなされる。

このような排気処理装置においては、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化効率は尿素水の供給状態に大きく影響を受ける。良好なＮＯｘ浄化効率を得るためには、供給した尿素水を加水分解してアンモニアを生成する必要があり、そのためには噴射した尿素水を排ガスと良好に混合させ、排ガスと混合した尿素水を均一に蒸発・拡散させることが重要である。

そのため、特許文献１、２には、尿素水噴射口下流側の排気通路中に複数枚の分散板を装備したミキサを設けて尿素水を均一に蒸発・拡散させる技術が開示されている。
また、特許文献３、４には、尿素水噴射口の近接位置に、該ガスを攪拌するための攪拌手段を設けて尿素水を均一に蒸発・拡散させる技術が開示されている。
さらに、特許文献５には、尿素水を排気流に逆らって噴射させることで、尿素水を排気中で均一に蒸発・拡散させる技術が開示されている。
さらにまた、特許文献６には、排気通路に上流側が下流側よりも排気通路の断面積が連続して大きくなる傾斜部を設け、排気ガスが前記傾斜部を通過して収束する部位の近傍で、前記排気通路の中心部近傍に配設した尿素水の噴射口から、尿素水を排気通路の径方向に噴射することで、尿素水を排気中で均一に蒸発・拡散させる技術が開示されている。

特開２００６−９６０８号公報特開２００７−７７９５７号公報特開２００８−１２７９９７号公報特開２００８−１２８０９３号公報特開２００５−２１４１７２号公報特開２００７−２０５３０８号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示された技術においては、排気通路中の尿素水噴射口とＳＣＲ触媒との間に、設置に大きな距離が必要なミキサを設置するため、尿素水噴射口とＳＣＲ触媒との間に大きな距離が必要であり、排気通路のレイアウト上の制約によっては車載が困難になる場合がある。

また、特許文献３、４に開示された技術においては、尿素水噴射口と攪拌手段の配置関係によっては噴射口からＳＣＲまで十分な距離を確保することができず、尿素水を十分に蒸発・拡散することができない可能性がある。

また、特許文献５に開示された技術においては、尿素水を十分に蒸発・拡散するためには十分な距離が必要である。尿素噴射口の上流側にＤＰＦを設けた排気装置では、レイアウト上の制約からＤＰＦとＳＣＲ触媒との間の距離が小さく設定されていることが多いため、尿素水噴射口からＳＣＲまでの距離を十分に確保できず、特許文献５に開示されている技術を適用することが困難である場合が多い。また、仮に尿素水噴出口からＳＣＲまでの距離を稼ぐために、尿素水噴出口をＤＰＦ近傍に配置すると、尿素水がＤＰＦに直接かかってしまうという問題がある。

また、特許文献６に開示された技術においては、レイアウト上の制約からＤＰＦとＳＣＲ触媒との間の距離が小さく設定されていることが多いため、前記傾斜部の下流側で尿素水を噴射すると、尿素水の噴射口からＳＣＲ触媒まで十分な距離を確保できず尿素水の蒸発・拡散が十分とならない場合がある。

従って、本発明においては、ＤＰＦとＳＣＲ触媒との間の距離に制約があっても尿素水を排ガスと良好に混合させ、排ガスと混合した尿素水を均一に蒸発・拡散させることができるＤＰＦとＳＣＲ触媒とを組み合わせた排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、内燃機関の排気通路上に設けられて排ガス中のＮＯｘをアンモニアで還元する触媒装置と、前記排気通路の前記触媒装置の上流側に設けられるフィルターとを有し、前記触媒装置の上流側且つ前記フィルターの下流側の排気通路内に尿素水を噴射する尿素水噴射ノズルを設けた排気浄化装置において、前記尿素水噴射ノズルは、前記フィルターの下流側且つ前記触媒装置の上流側で前記排気通路内に挿入され、先端部が排気通路上流側を向いて前記フィルター近傍に配されるとともに、先端部近傍に前記排気通路の径方向に尿素を噴射可能な噴射口が設けられていることを特徴とする。
前記噴射口は、ノズル側面の周方向に均等な間隔で複数個配置することが好ましい。

前記尿素水噴射ノズルをフィルターの下流側から排気通路内に挿入して、先端部を排気通路上流側に向けることで、尿素水噴射ノズル先端部をフィルター近傍に配置することができる。さらに、尿素水噴射ノズルの先端部近傍に排気通路の径方向に尿素水を噴射可能な噴射口を設けることで、尿素水がフィルターに直接かかることを避けることができる。なお、排気通路の径方向に尿素水を噴射とは、尿素水の噴射中心線が排気通路の径方向であることを意味する。

この構成により、フィルター近傍で尿素水を噴射することができるため、フィルターからＳＣＲ触媒までの限られた距離の中で、尿素水噴射口からＳＣＲ触媒までの距離を最大限に確保することができ、噴射した尿素水がＳＣＲ触媒に到達するまでの時間を十分に確保することができる。従って尿素水の蒸発・拡散を促進することができる。

また、前記触媒装置の上流側且つ前記フィルターの下流側の排気通路内に、前記排ガスを上流側から下流側へと流通させながら流通方向を変更して攪拌する攪拌手段を設け、前記尿素水噴射ノズルは、前記旋回流生成手段の下流側で前記排気通路内に挿入され、前記攪拌手段の排気通路径方向中心部を貫通するように配設されていることを特徴とする。

攪拌手段を設けることで尿素水の蒸発・拡散がさらに促進される。さらに、尿素水噴射ノズルを、前記攪拌手段の下流側から攪拌手段の排気通路径方向中心部を貫通するように配設することで、単純に尿素水噴射ノズルの下流側に攪拌手段を配置する場合と比較して、攪拌手段からＳＣＲ触媒までの距離を大きく確保することができる。なお、前記攪拌手段としてはフィンなどを挙げることができる。

この構成により、攪拌手段下流側の乱流域を広く確保することができる。前記乱流域が狭くなると尿素水の蒸発・拡散に対する寄与が小さくなるが、本発明によれば前記乱流域を広く確保することができるため、蒸発・拡散に対する寄与は大きくなる。
また、乱流成分が大きな攪拌手段の間口部を噴射した尿素水が通過するため、尿素水の蒸発・拡散が更に促進される。

また、前記触媒装置の上流側且つ前記フィルターの下流側の排気通路の一部を、下流側に縮径する縮径部から最小径の絞り部を経て下流側に拡径する拡径部へと連続するベンチュリ状としたことを特徴とする。
また、前記攪拌手段は、ベース板をプレス成形して成るフィン装置からなり、前記ベース板には、中心から外周に向けて延びる複数の連結部が定められ、前記連結部間の略三角状の複数の領域がフィンとして定められ、前記フィンの一側は、当該フィンを定める前記連結部のうち一方の連結部に対して境界線を介して連続する一方、前記フィンの他側は、当該フィンを定める前記連結部のうち他方の連結部に対して分断され、前記フィンの外周は前記ベース板から分断され、前記フィンは前記境界線にて折り曲げられて排気通路下流側に向けて起立させられて前記ベース板上に略三角状の流通孔が開口し、そして、前記ベース板には前記尿素水噴射ノズルが挿通される貫通孔が形成されていることを特徴とする。
また、前記尿素水噴射ノズルは、前記縮径部で前記排気通路内に挿入されることを特徴とする。
前記攪拌手段による攪拌によって生じた旋回流は、縮径部を通過する過程で旋回半径を縮小しながら旋回速度が増加し、拡径部を通過する過程で旋回半径を拡大しながら旋回速度が減少する。これによりさらに尿素水の蒸発・拡散が促進される。

以上記載のごとく本発明によれば、ＤＰＦとＳＣＲ触媒との間の距離に制約があっても尿素水を排ガスと良好に混合させ、排ガスと混合した尿素水を均一に蒸発・拡散させることができるＤＰＦとＳＣＲ触媒とを組み合わせた排気浄化装置を提供することができる。
さらに、ＤＰＦとＳＣＲ触媒との間のスペースのコンパクト化が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、実施例１における排気処理装置の概要図である。図１を用いて排ガス処理装置の概略について説明する。本発明の排気処理装置１は、図１に示したように前段酸化触媒（ＤＯＣ：ＤｉｅｓｅｌＯｘｉｄａｔｉｏｎＣａｔａｌｙｓｔ）２及びフィルター４からなるＤＰＦシステム６と、ＳＣＲ触媒８及び後段酸化触媒（ＣＵＣ）１０からなるＳＣＲシステム１２とから構成される。

このようなＤＰＦシステム６とＳＣＲシステム１２を組み合わせた排気処理装置においては、エンジン（不図示）で発生した排ガスは、まず前段酸化触媒２及びフィルター４からなるＤＰＦシステム６に送り込まれる。前記排ガスは、前段酸化触媒２で排ガス中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を無害化されるとともに排ガス中のＮＯの酸化活性を高められ、フィルター４でＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）を捕集されて排出される。

前記フィルター４でＰＭを捕集された後の排ガスは、中間通路１４を通り、ＳＣＲシステム１２を構成するＳＣＲ触媒８に送り込まれ、排ガス中のＮＯｘがＳＣＲ触媒８に選択的に吸着される。
また、中間通路１４中に、後述する尿素水噴射ノズルより尿素水を噴射し、該尿素水中の尿素（ＮＨ_２）_２ＣＯが以下の（１）の化学反応式によって加水分解することによってＮＨ_３が生成される。
（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→２ＮＨ_３＋ＣＯ_２・・・（１）

前記尿素水が分解して生成されたＮＨ_３は、ＳＣＲ触媒８上に選択的に吸着されたＮＯｘと以下の（２）〜（４）の反応式によって反応し、有害なＮＯｘを無害なＮ_２へと転換させる。
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ・・・（２）
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ・・・（３）
２ＮＯ_２＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→３Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ・・・（４）

さらに、ＳＣＲ触媒８で反応できなかったＮＨ_３は、同様にＳＣＲ触媒８で反応できなかったＮＯｘと後段酸化触媒１０でＳＣＲ触媒８と同様の（２）〜（４）の反応式によって反応し、ＮＯｘを無害なＮ_２へと転換させる。また、ＳＣＲ触媒８上に吸着したＮＨ_３は、温度上昇によりＳＣＲ触媒８より脱離し、後段酸化触媒１０で（５）の反応式によりＮ_２へと転化される。
４ＮＨ_３＋３Ｏ_２→２Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ・・・（５）

次に、尿素水の噴射について説明する。
図２は、フィルター４及びＳＣＲ触媒８近傍の構成図である。
図２において、フィルター４を含むＤＰＦシステム６と、ＳＣＲ触媒８を含むＳＣＲシステム１２との間の中間通路１４には、下流側に縮径する縮径部１４ａ、絞り部１４ｂ及び下流側に拡径する拡径部１４ｃが形成されており、ベンチュリ状をなしている。また、フィルター４の近傍の中間通路１４内には排ガスを攪拌し旋回流を形成するフィン装置１６が設けられている。

フィン装置１６はスチール製の円形状をなすベース板２９をプレス成型して製作され、８枚のフィン３０が環状に列設されている。ベース板２９の周囲は中間通路１４の内壁に対して溶接され、これにより中間通路の上流側と下流側とがベース板２９により区画されている。

図４はフィン装置１６を排気下流側から見た図２のＡ方向矢視図、図５は図４におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図であり、図５では下方が排気上流側に、上方が排気下流側に相当する。ベース板２９上には中心から外周に向けて延びる８条の連結部３１が定められ、各連結部３１の間の略三角状の領域を前記フィン３０としている。なお、各連結部３１の中心側はベース板２９の中心に対して偏心しているが、これに限ることなく、連結部３１の中心側をベース板２９の中心に一致させてもよい。

各フィン３０は隣接する一側の連結部３１に対して境界線３２を介して連続する一方、他側の連結部３１に対してはプレス成型時に打ち抜かれて分断され、同様に各フィン３０の外周もプレス成型時に打ち抜かれてベース板２９から分断されている。各フィン３０は一側の連結部３１の境界線３２を起点としてプレス成型時に折曲形成され、これにより各フィン３０はベース板２９上から下流側に向けて同一角度αで起立すると共に、各フィン３０の起立によりベース板２９上には上流側と下流側とを連通させる略三角状の流通孔３３が開口している。

中間通路１４内に尿素水を噴射する尿素水噴射ノズル２０は、フィン装置１６よりも下流側の縮径部１４ａで中間通路１４外から内へ中間通路１４の径方向に挿入され、中間通路の径方向略中心で向きを変え、その先端部がフィン装置１６の上流側且つフィルター４の下流側に位置するように配置されている。なお、フィン装置１６には、中間通路１４の径方向中心部に尿素水噴射ノズル２０を通すための貫通孔が設けられており、該貫通孔内を尿素水噴射ノズルを貫通させることで前記配置が可能となっている。さらに、尿素水噴射ノズル２０の先端部近傍には、ノズル側面の周方向に均等な間隔で複数個の噴出口２４が設けられている。

このように構成された中間通路１４、尿素水噴射ノズル２０、フィン装置１６において、排ガスが流通している状態で、尿素水噴射ノズル２０内に尿素水を供給すると、尿素水噴射ノズル２０に設けた噴射口２４から尿素水が噴射される。前記噴射口２４は、前述の通りノズル側面の周方向に均等な間隔で複数個設けられているため、尿素水はノズル側面の全方向に向かって略均等に中間通路１４の径方向に噴射される。なお、噴射口２４から噴射された尿素水の噴射方向が中間通路１４の径方向であり、且つ中間通路１４内を排ガスが上流から下流に向けて流れているため、尿素水がフィルター４にかかることはほとんどない。

前記噴射された尿素水は、排ガスの流れに乗って下流側へ流れる。前記排ガスは、フィン装置１６を通過する際に、フィン装置１６の各流通孔３３に分岐しながら流通し、流通直後にフィン３０に衝突してフィン角度に倣って流通方向を変更される。その結果、排ガスは中間通路１４内で旋回流を生起する。
該旋回流は、縮径部１４ａ内を通過する過程で旋回半径を縮径しながら旋回速度が増加し、絞り部１４ｂで旋回半径最小且つ旋回速度最大となり、拡径部１４ｃ内を通過する過程で旋回半径を拡大しながら旋回速度が減少してＳＣＲ触媒８へと導かれる。

図３は、実施例１における尿素水の拡散の状態と、従来技術における尿素水の拡散の状態を表したイメージ図であり、図３（Ａ）は実施例１におけるイメージ図、図３（Ｂ）は従来技術におけるイメージ図である。なお、図３（Ａ）と図３（Ｂ）において同一符号は同一物を表す。

本実施例１と従来技術においては、尿素水噴射ノズル（２０、１２０）の形状が異なる。従来技術における尿素水噴射ノズル１２０は、フィン装置１６の上流側から、フィン装置１６の中間通路１４径方向略中心部を貫通して、フィン装置１６の下流側で排ガス流れ方向と同方向に尿素水を噴射するように構成されている。

本実施例においてはフィン装置１６とフィルター４との間には噴射口２４を配置することが出来るため、尿素水噴射ノズル２０の噴射口２４からＳＣＲ触媒８までの距離を従来よりも大きく確保することができ、そのため噴射した尿素水がＳＣＲ触媒８に到達するまでの時間を十分に確保することができるので、尿素水の蒸発・拡散を促進することができる。

さらに、本実施例においては、フィン装置１６からＳＣＲ触媒８までの距離も従来よりも大きく確保することができるため、フィン装置１６の下流側の乱流域に関して、Ａ´で示した従来技術における乱流域よりも、Ａで示した本実施例における乱流域のほうが広く確保することができる。前記乱流域が狭くなると尿素水の蒸発・拡散を抑制する方向に作用するが、本発明によれば前記乱流域を広く確保することができるため、蒸発・拡散を抑制する方向の作用は生じにくい。
また、本実施例においては、乱流成分が大きなフィン装置１６の間口部を噴射した尿素水が通過するため、尿素水の蒸発・拡散が促進される。

以上により、本発明によれば、フィルター４とＳＣＲ触媒８との間の限られたスペースの中で尿素水を効率的に蒸発・拡散させることができ、そのため尿素からアンモニアの生成率を高く確保でき、従ってＳＣＲ触媒８におけるＮＯｘ浄化効率の向上が達成できる。

ＤＰＦとＳＣＲ触媒との間の距離に制約があっても尿素水を排ガスと良好に混合させ、排ガスと混合した尿素水を均一に蒸発・拡散させることができるＤＰＦとＳＣＲ触媒とを組み合わせた排気浄化装置として利用することができる。

実施例１における排気処理装置の概要図である。フィルター及びＳＣＲ触媒近傍の構成図である。実施例１における尿素水の拡散の状態と、従来技術における尿素水の拡散の状態を表したイメージ図である。フィン装置を排気下流側から見た図２のＡ方向矢視図である。図４におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

符号の説明

１排気処理装置
２前段酸化触媒
４フィルター
８ＳＣＲ触媒
１０後段酸化触媒
１４中間通路
１４ａ縮径部
１４ｂ絞り部
１４ｃ拡径部
１６フィン装置
２０尿素水噴射ノズル

Claims

内燃機関の排気通路上に設けられて排ガス中のＮＯｘをアンモニアで還元する触媒装置と、前記排気通路の前記触媒装置の上流側に設けられるフィルターとを有し、前記触媒装置の上流側且つ前記フィルターの下流側の排気通路内に尿素水を噴射する尿素水噴射ノズルを設けた排気浄化装置において、
前記触媒装置の上流側且つ前記フィルターの下流側の排気通路内に、前記排ガスを上流側から下流側へと流通させながら流通方向を変更して攪拌する攪拌手段を設け、
前記尿素水噴射ノズルは、前記攪拌手段の下流側且つ前記触媒装置の上流側で前記排気通路内に挿入され、前記攪拌手段の排気通路径方向中心部を貫通し、先端部が排気通路上流側を向いて前記フィルター近傍に配されるとともに、先端部近傍に前記排気通路の径方向に尿素水を噴射可能な噴射口が設けられ、
前記触媒装置の上流側且つ前記フィルターの下流側の排気通路の一部を、下流側に縮径する縮径部から最小径の絞り部を経て下流側に拡径する拡径部へと連続するベンチュリ状とした
ことを特徴とする排気浄化装置。
前記攪拌手段は、ベース板をプレス成形して成るフィン装置からなり、
前記ベース板には、中心から外周に向けて延びる複数の連結部が定められ、
前記連結部間の略三角状の複数の領域がフィンとして定められ、
前記フィンの一側は、当該フィンを定める前記連結部のうち一方の連結部に対して境界線を介して連続する一方、前記フィンの他側は、当該フィンを定める前記連結部のうち他方の連結部に対して分断され、
前記フィンの外周は前記ベース板から分断され、
前記フィンは前記境界線にて折り曲げられて排気通路下流側に向けて起立させられて前記ベース板上に略三角状の流通孔が開口し、そして、
前記ベース板には前記尿素水噴射ノズルが挿通される貫通孔が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
前記尿素水噴射ノズルは、前記縮径部で前記排気通路内に挿入されることを特徴とする請求項２記載の排気浄化装置。