JP5471089B2

JP5471089B2 - 尿素ｓｃｒ触媒の還元剤供給装置

Info

Publication number: JP5471089B2
Application number: JP2009159321A
Authority: JP
Inventors: 惠夫関山
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2029-07-03
Also published as: JP2011012642A

Description

本発明は、エンジンの排気管に設けられた尿素ＳＣＲ触媒よりも上流の排気管に尿素水を噴射して、尿素ＳＣＲ触媒に還元剤であるアンモニアを供給する尿素ＳＣＲ触媒の還元剤供給装置に関するものである。

従来、エンジンから排出される有害な窒素酸化物を除去するために、排気管の途中にアンモニアを還元剤として用い窒素酸化物を無害なＮ₂（窒素）に変換する選択還元触媒（尿素ＳＣＲ触媒、以下ＳＣＲという）が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

また、エンジンから排出されるＰＭ（粒子状物質）を捕捉し焼却するＤＰＦ装置の採用も一般的である。

これらＤＰＦとＳＣＲは、図４または図５に示すように配置される場合が多い。図４および図５に示すように、ＤＰＦ１０１とＳＣＲ１０２とは、エンジンの排気管１０３に直列に並べて設けられる。

図４の構造では、ＤＰＦ１０１の下流にＳＣＲ１０２が配置され、それらＤＰＦ１０１とＳＣＲ１０２との間の排気管１０３に尿素水（尿素水溶液ともいう）を噴射する尿素水インジェクタ１０４が設けられる。図５の構造では、ＤＰＦ１０１の上流にＳＣＲ１０２が配置され、そのＳＣＲ１０２の上流の排気管１０３に尿素水インジェクタ１０４が設けられる。

このように尿素水インジェクタ１０４の尿素水を噴射するノズルは、ＳＣＲ１０２に対し排ガス流れの上流側（図４および５の左側）に配置され、排気管１０３内に噴射される尿素水の量はマイコンにより制御されている。

尿素水インジェクタ１０４より排気管１０３中に噴射されたミスト状の尿素水の水分は気化し尿素は水蒸気と接触して１６０℃以上では加水分解によりシアヌル酸とアンモニアとなり、このアンモニアがＳＣＲ１０２中で窒素酸化物を還元する。

ＳＣＲ１０２の浄化機能を効率よく働かせるためには還元剤であるアンモニアが尿素水から効率よく加水分解して生成され、排気ガスと均一に混合し、かつその混合気がＳＣＲ１０２内に均一に分散されることが必要である。

例えば、図６に示すように、尿素水の加水分解を促進し、効率よくアンモニアに変換するために、ＳＣＲ１０２の上流に配置する尿素水インジェクタ１０４とＳＣＲ１０２の間には加水分解触媒１０５が用いられる。

また、図７に示すように、ＳＣＲ１０２の排ガス上流位置には排気ガスと気化ガス（尿素水ミストおよびアンモニアからなる）の混合を均一化することを目的にミキサー１０６を配置し両ガスの混合を促進させる工夫がなされている。

特開２００２−２５０２２０号公報

尿素水の消費を抑え、効率よく窒素酸化物を還元するためには尿素水より生成されるアンモニアの変換効率を上げることが重要である。そのために尿素水インジェクタ１０４とＳＣＲ１０２の間には十分な距離を取り、尿素水が加水分解する時間を長く取ることが望ましいが、これら車両に搭載させた場合にはスペースの制約が大きく、尿素水インジェクタ１０４とＳＣＲ１０２の間の距離を大きく取ることができない。

距離を大きく取れない場合、排気管１０３中に噴射された尿素水の大部分はミスト（尿素水の粒）状でＳＣＲ１０２に導入されＳＣＲ１０２内に吸着されアンモニアに分解する。ミストと排気ガスの混合は十分な距離を取れない場合には不均一になりやすいので、ＳＣＲ１０２内部では使用されるアンモニア（尿素）が不均一に分布することになる。

このため、図７の構造では、ミストをＳＣＲ１０２手前で排気ガスと均一に混合する必要があり尿素水インジェクタ１０４とＳＣＲ１０２の間にミキサー１０６と称する穴あき板やガスの流れを乱す板状のものが設置される。

しかし、図７の構造は、ミキサー１０６を排気管１０３中に設置するためにエンジンの排圧が増加し燃費悪化を生じるという問題がある。

また、図６の構造では、ミストを早期にアンモニアガスに変換し排気ガスと混合することでＳＣＲ１０２内部でのアンモニア分布の不均一性の低減とアンモニアの生成効率を向上させる目的で尿素水インジェクタ１０４とＳＣＲ１０２の間に加水分解触媒１０５が配置される。

しかし、図６の構造は、加水分解触媒１０５により尿素水からアンモニアが精製される変換効率は向上するが、排気管１０３中に加水分解触媒１０５が配置されるためにエンジン排圧の増加が生じ燃費が悪化するという問題がある。

近年のターボ付きエンジンでは排圧増加による燃費悪化の影響が顕著に現れる。さらに、ＳＣＲ１０２の上流に加水分解触媒１０５を配置することで排気系の熱容量が増し冷間始動後の排気系の温度上昇が遅くなる。この結果、ＳＣＲ１０２の温度上昇が遅くなり、冷間始動直後からＳＣＲ１０２の触媒効果が現れるまでの時間が長くなるので、この間の窒素酸化物の大気中への排出量が低減できない。

尿素水のミストをよりガス状に近づけて排気管１０３内に噴射する手段として、尿素水に空気を混入させ尿素水インジェクタから供給する方式（エアアシスト方式）もあり効果は大きいものの、システムが複雑化することとコストが上がるために市場で採用されるには至っていない。

北米の市街地モードを想定した排気ガス測定モード（通称ＦＴＰ７５）では、冷間始動直後からＳＣＲ１０２の触媒機能が働きだすまでの間に、総排出量の半分以上の窒素酸化物が発生しており、排気系の熱容量低減が排ガス低減対策の重要な技術要素となっている。

そこで、本発明の目的は、前記課題を解決し、エンジン排圧を過度に上昇させることなく、尿素ＳＣＲ触媒の触媒機能の向上と尿素水の消費量とを抑えることができる尿素ＳＣＲ触媒の還元剤供給装置を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に設けられると共にアンモニアを還元剤として前記エンジンから排出される窒素酸化物を還元する尿素ＳＣＲ触媒よりも上流の前記排気管に設けられ、排気ガスの静圧を上昇させるべく前記排気管よりも拡径された膨らみ部、前記膨らみ部と前記尿素ＳＣＲ触媒との間の前記排気管に前記膨らみ部を接続するバイパス管、前記バイパス管に取り付けられ、前記尿素ＳＣＲ触媒よりも上流で尿素水を噴射する尿素水インジェクタ、のみで構成されており、前記尿素水インジェクタは、前記バイパス管の上流側の端部に近接して配置されており、前記尿素水インジェクタからの尿素水がアンモニアに加水分解されて前記尿素ＳＣＲ触媒に供給される尿素ＳＣＲ触媒の還元剤供給装置である。

前記膨らみ部は、その管径が前記排気管の管径の１４０％以上に設定されていると良い。

前記尿素水インジェクタは、ノズルを前記バイパス管の下流側に向けて前記バイパス管に取り付けられていると良い。

本発明によれば、エンジン排圧を過度に上昇させることなく、尿素ＳＣＲ触媒の触媒機能の向上と尿素水の消費量とを抑えることができるという優れた効果を発揮するものである。

図１は、本発明に係る一実施形態による尿素ＳＣＲ触媒の還元剤供給装置の模式的な構造図である。図２は、管径とガス速度および差圧との関係を説明するための図である。図３は、第２の実施形態による尿素ＳＣＲ触媒の還元剤供給装置の模式的な構造図である。図４は、従来の尿素水インジェクタの配置を示した図である。図５は、従来の尿素水インジェクタの配置を示した図である。図６は、従来の尿素水インジェクタと加水分解触媒との配置を示した図である。図７は、従来の尿素水インジェクタとミキサーとの配置を示した図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

（第１の実施形態）
本実施形態に係る尿素ＳＣＲ触媒の還元剤供給装置（以下、還元剤供給装置という）は、例えばディーゼルエンジンが搭載された車両に適用される。

まず、図１に基づき本実施形態の還元剤供給装置の概略構造を説明する。

図１に示すように、車両に搭載されたエンジン７に、そのエンジン７からの排気ガスを排出するための主排気管２が設けられる。その主排気管２に、エンジン７から排出される窒素酸化物を、アンモニアを還元剤として用いて還元する尿素ＳＣＲ触媒（以下、ＳＣＲという）８が設けられる。そのＳＣＲ８の上流の排気管２に、尿素水から分解されたアンモニアをＳＣＲ８に供給するための還元剤供給装置１が設けられる。

その還元剤供給装置１は、ＳＣＲ８よりも上流の排気管２に設けられた尿素水インジェクタ５と、ＳＣＲ８よりも上流の排気管２に設けられ該排気管２よりも拡径された膨らみ部３と、その膨らみ部３を、膨らみ部３とＳＣＲ８との間の排気管２に接続すると共に尿素水インジェクタ５が取り付けられたバイパス管４とを備える。

すなわち、還元剤供給装置１は、主排気管２の一部をＳＣＲ８の上流で膨らませた部位である膨らみ部３と、その膨らみ部３よりバイパスさせて主排気管２のＳＣＲ８の上流部分に戻るバイパス管４と、そのバイパス管４における主排気管２の膨らみ部３に近い部位に装着された尿素水インジェクタ５とで構成されている。

膨らみ部３は、排気ガスの静圧を上昇させるためのものであり、ＳＣＲ８よりも上流の主排気管２に、ＳＣＲ８から所定の間隔を隔てて配置される。その膨らみ部３は、主排気管２よりも拡径された管状に形成され、主排気管２に同心的に配置される。

図例の膨らみ部３は、紡錘状の外形形状を有しており、同一の管径Ａ１で延びる直管状の中間部９と、その中間部９を上流側（図１の左側）の主排気管２に接続するテーパ状（ほぼ円錐状）の上流側接続部１０と、中間部９を下流側（図１の右側）の主排気管２に接続するテーパ状の下流側接続部１１とを有する。

中間部９は、主排気管２よりも拡径されており、図例の中間部９は主排気管２の管径Ａ０に対して約１４０％の大きさの管径Ａ１を有する。上流側接続部１０は、主排気管２から下流側に至るにつれ管径が拡大され、下流側接続部１１は、中間部９から下流側に至るにつれ管径が縮小される。

この膨らみ部３が、膨らみ部３よりも下流かつＳＣＲ８よりも上流の主排気管２にバイパス管４によって連通される。

そのバイパス管４は、一端（上流端）が膨らみ部３の中間部９に接続され、他端（下流端）が戻り部６にて膨らみ部３とＳＣＲ８との間の主排気管２に接続される。図例では、バイパス管４の両端部が、中間部９および戻り部６の側面（外周面）にほぼ直交するように接続される。

バイパス管４は、主排気管２よりも小径に形成される。バイパス管４の長さは、バイパス管４内に噴射された尿素水が、戻り部６（あるいはＳＣＲ８）に至るまでにアンモニアに分解されるような長さに設定される。バイパス管４の管径および長さは、例えば尿素水の噴射量、分解時間や、バイパス管４内を流れる排気ガスの流速などを考慮して決定される。

尿素水インジェクタ５は、バイパス管４内に尿素水を噴射（噴霧）するためのものであり、バイパス管４の上流側（膨らみ部３側）の端部に近接させて配置される。尿素水インジェクタ５は、例えば、尿素水の噴射方向がバイパス管４内の排気ガスの流れとほぼ同じ方向となるように、図示しないノズル（噴射口）をバイパス管４の下流側に向けてバイパス管４に取り付けられる。

尿素水インジェクタ５には、車両に搭載された尿素水タンク１２から供給ライン１３を介して尿素水が圧送、供給される。その尿素水インジェクタ５は、制御手段（以下、マイコンという）１４により尿素水の噴射量や噴射時期が制御される。

次に、図１および図２に基づき本実施形態の作用について説明する。

本実施形態では、尿素水よりアンモニアを効率よく生成するため、主排気管２（例えばφ５０）の一部を膨らませて（例えばφ７０に拡径）、この膨らみ部３で排気ガスの流速を落として動圧を静圧変換し（正圧）、膨らみ部３よりバイパスした配管（バイパス管４）に尿素水インジェクタ５を取り付ける。また、バイパスしたバイパス管４は尿素水インジェクタ５の下流で主排気管２に戻す。戻し箇所の排気管（戻り部６）の管径は元の管径（φ５０）に戻し、ガス流速を上げることで膨らみ部３よりも動圧分だけ圧力を低くする。

これでバイパス管４の分岐部である膨らみ部３と、下流部の合流部である戻り部６に圧力差を設けることができ、バイパス管４に膨らみ部３から主排気管２の戻り部６に向かうガスの流れを作る。尿素水をバイパス管４内で気化させガス体として主排気管２に戻すことで加水分解触媒とミキサーを不要とし、加水分解触媒とミキサーによる圧損の増加を除くことでエンジン排圧の増加を抑制する。

図１に基づきバイパス管４を通る排気ガスの流れについて説明する。

膨らみ部３よりも上流（および下流）の主排気管２の断面積をＡ０、その断面積Ａ０の主排気管２を流れる排気ガスの静圧をＰ１、主排気管２を流れる排気ガスのガス流速をＶ０とする。また、膨らみ部３の断面積をＡ１、排気ガスの比重量をγ、重力加速度をｇとする。

ガス流速Ｖ０による動圧はγ×Ｖ０²／（２×ｇ）であるので膨らみ部３の上流の全圧はＰ１＋γ×Ｖ０²／（２×ｇ）となる。

断面積Ａ１の膨らみ部３において排気ガスのガス流速Ｖ１はＶ１＝Ａ０×Ａ１×Ｖ０となり全圧が変わらないとすれば、この部位での静圧はΔＰ＝γ×Ｖ０²／（２×ｇ）−γ×Ｖ１²／（２×ｇ）だけ増加する。主排気管２の戻り部６以降ではバイパスしたガスが再度合流するので、この部位の管径Ａ０と膨らみ部３上流の主排気管２の管径Ａ０が同じ場合には静圧はＰ１に戻る。

したがって、主排気管２の膨らみ部３と戻り部６との間には圧力差が生じ、膨らみ部３から戻り部６に向かうガス（排気ガス、アンモニアガスなど）の流れが生じる。バイパス管４の長さ（距離）は主排気管２を迂回するため長く取ることができる。

バイパス管４の膨らみ部３に近い部位に設けられた尿素水インジェクタ５からバイパス管４中に尿素水を噴射すると、噴射された尿素水はバイパス管４中でミストから気化し、ガス体となって戻り部６より主排気管２に合流する。

すなわち、尿素水インジェクタ５をバイパス管４に取り付けることにより、尿素水は主排気管２にガス状（気化ガスおよびバイパス管４内で加水分解したアンモニア）で供給されることになる。

主排気管２と膨らみ部３との管径Ａ０、Ａ１の違いにより発生する差圧の例を図２に示す。

図２は主排気管２の管径（ｍｍ）をφ５０とし、膨らみ部３の管径をφ５０からφ１４５まで変えた場合に膨らみ部３でのガス流速（ｍ／ｓ）と発生する静圧差（ｍｍＨｇ）を示すものである。図２において、黒丸が管径とガス流速（ガス速度）との関係、白丸が管径と静圧差との関係を示す。

膨らみ部３の管径が大きくなるほど、ガス流速が低下し静圧差が増大することがわかる。図例では、膨らみ部３の管径がφ７０以上のときに、バイパス管４に排気ガスを流通させるために十分な差圧が生じていると考えられる。このことから膨らみ部３の管径は、例えば主排気管２の管径の約１４０％以上に設定される。

以上のように本実施形態によれば、簡単な構造により加水分解触媒を不要としてエンジン排圧の増加を抑え燃費悪化を防止すると共にＳＣＲ８の触媒機能の向上と尿素水の消費量を抑えることができる。

すなわち、従来の構造（図６参照）では、排気管内に噴射された尿素水はミスト状であるので加水分解触媒１０５を用いてアンモニアガスとしてＳＣＲ１０２に導入する。また特に加水分解触媒１０５を用いない場合（図７参照）には噴射された尿素水の一部がミスト状でＳＣＲ１０２に導入されるのでＳＣＲ１０２内のアンモニアの分散が不均一になりやすく、尿素水インジェクタ１０４下流（後段）にミキサー１０６を必要とした。ＳＣＲ内のアンモニアの均一分散に効果が高いエアアシスト方式はシステムの複雑さやコストが掛かるために市場では採用されていない。

これに対して、本実施形態では尿素水をバイパス管４中でガス化させて主排気管２に導入するのでエアアシスト方式と同様の効果が期待でき、かつＳＣＲ内部でのアンモニアの均一混合が促進されるので、ミキサー、加水分解触媒が不要になる。

また、尿素水インジェクタ５をバイパス管４に配置したので、尿素水インジェクタ５からの尿素水をアンモニアに確実に分解することができ、ＳＣＲ８の触媒機能を向上させることができる。

すなわち、バイパス管４は主排気管２から分岐しているので、主排気管２に比べてレイアウト、形状の点で設計の自由度が高い。そのため、尿素水がバイパス管４内で確実にアンモニアに分解されるような長さにバイパス管４を形成することができる。

その他にも、本実施形態の還元剤供給装置１は、エアアシスト方式に比べて簡単な構造であり製造コストの低減を図ることができる。

（第２の実施形態）
次に、図３に基づき第２の実施形態について説明する。

本実施形態の還元剤供給装置は、第１の実施形態のものに対して、膨らみ部が省略される点と、排気管に絞り弁が設けられる点と、バイパス管が絞り弁の上流と下流とを接続する点とが主に異なり、他はほぼ同様の構成を有する。そこで、第１の実施形態と同一の要素には同一の符号を付し説明を省略する。また、エンジン、尿素タンクなどについての図示も省略する。

本実施形態では、主排気管２に可動式の絞り弁２２を設けると共に絞り弁２２を跨いだバイパス管２３を設ける。絞り弁２２を絞るとバイパス管２３の上下流位置（絞り弁２２の前後）に圧力差が生じ、バイパス管２３内にガス流れが作られる。このバイパス管２３内にガス流れにより、尿素水インジェクタ５からの尿素水がガス化されてＳＣＲ８に供給される。

より具体的には、本実施形態の還元剤供給装置２１は、ＳＣＲ８よりも上流の主排気管２に、排気ガスの圧力を上昇させるべく主排気管２を絞る絞り弁２２を設け、その絞り弁２２の上流の主排気管２を、絞り弁２２とＳＣＲ８との間の主排気管２にバイパス管２３で接続し、そのバイパス管２３に尿素水インジェクタ５を取り付けたものである。

絞り弁２２は、バイパス管２３の上流端と下流端（戻り部６）との間に所望の差圧を生じさせる所定開度と、全開との間で開度調整される。

この絞り弁２２がマイコン１４により制御される。そのマイコン１４は、尿素水を噴射しない通常時には絞り弁２２を全開とし、尿素水を噴射する際には、噴射前に絞り弁２２を予めを所定開度とし噴射後に再び全開とする。

この実施形態でも、ミキサーや加水分解触媒を主排気管２に設ける場合に比べてエンジン排圧の上昇を抑制することができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１還元剤供給装置
２主排気管（排気管）
３膨らみ部
４バイパス管
５尿素水インジェクタ
７エンジン
８ＳＣＲ（尿素ＳＣＲ触媒）
２１還元剤供給装置
２３バイパス管

Claims

エンジンの排気管に設けられると共にアンモニアを還元剤として前記エンジンから排出される窒素酸化物を還元する尿素ＳＣＲ触媒よりも上流の前記排気管に設けられ、排気ガスの静圧を上昇させるべく前記排気管よりも拡径された膨らみ部、
前記膨らみ部と前記尿素ＳＣＲ触媒との間の前記排気管に前記膨らみ部を接続するバイパス管、
前記バイパス管に取り付けられ、前記尿素ＳＣＲ触媒よりも上流で尿素水を噴射する尿素水インジェクタ、
のみで構成されており、
前記尿素水インジェクタは、前記バイパス管の上流側の端部に近接して配置されており、
前記尿素水インジェクタからの尿素水がアンモニアに加水分解されて前記尿素ＳＣＲ触媒に供給されることを特徴とする尿素ＳＣＲ触媒の還元剤供給装置。
前記膨らみ部は、その管径が前記排気管の管径の１４０％以上に設定されている請求項１に記載の尿素ＳＣＲ触媒の還元剤供給装置。
前記尿素水インジェクタは、ノズルを前記バイパス管の下流側に向けて前記バイパス管に取り付けられている請求項１又は２に記載の尿素ＳＣＲ触媒の還元剤供給装置。