JP5602495B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

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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等を還元剤により還元浄化する後処理装置を有する排気ガス浄化装置に関する。
ディーゼルエンジン（内燃機関）から排出される排気ガス中の窒素化合物（以下、ＮＯｘ）を還元浄化する後処理装置として、例えば、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒）や、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＬＮＴ触媒）が知られている。
ＳＣＲ触媒は、還元剤として供給されるアンモニア（ＮＨ3）とＮＯｘとの還元反応を促進することで、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する。また、ＬＮＴ触媒は、排気ガスをリーン雰囲気にして排気ガス中のＮＯｘを吸蔵するとともに、還元剤として供給される未燃燃料（ＨＣ）で排気ガスをリッチ雰囲気にして、吸蔵したＮＯｘを放出することにより、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、Ｈ2等でＮＯｘを還元浄化する。
このような還元剤としてのアンモニアや未燃燃料を後処理装置に供給すべく、後処理装置の上流側の排気管に還元剤供給手段を設けた構造が採用される。
しかし、排気ガス浄化装置を設けることができる車体のスペースは限られている。そのため、例えば、特許文献１には、パティキュレートフィルタから排出された排気ガスを折り返す第１接続部と、この第１接続部とＬ字状に接続されるとともに上流端に還元剤供給手段が設けられた直線部と、この直線部とＬ字状に接続されるとともに下流端にＳＣＲ触媒装置が設けられた第２接続部とを備え、排気管内の旋回流に還元剤を噴射して混合させることで、ＳＣＲ触媒装置に還元剤を効率よく供給する排気浄化装置が開示されている。
特開２００９−３６１０９号公報
ところで、上述のような、第１接続部と直線部とをＬ字状に接続する排気管の構造においては、この第１接続部と直線部とを接続する開口部の形状が長方形に形成される場合がある。このように開口部が長方形に形成されていると、還元剤供給手段から還元剤として噴射された尿素水等が、開口部の周縁に滞留することがある。そのため、特に開口部の角部に尿素水が滞留して、この尿素水がアンモニアに変化する過程で生じる腐食性生物の濃度が高くなると、開口部の周縁が滞留した尿素水によって腐食する虞がある。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、簡素な構成で、還元剤供給手段から噴射される還元剤が、排気管に設けられた開口部の周縁に滞留することを抑制するとともに、滞留した還元剤によって開口部の周縁が腐食することを効果的に防止できる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気系に還元剤によって排気ガス中の窒素化合物を還元浄化する後処理装置を有する排気ガス浄化装置において、前記内燃機関から排出される排気ガスを導出する第１の排気管部と、上流側の側部に前記第１の排気管部から排気ガスを導入する開口部を有するとともに、筒内で排気ガスに旋回流を生じるように、前記側部を前記第１の排気管部に接続され、下流側に前記後処理装置が設けられる第２の排気管部と、前記第２の排気管部の上流端に設けられ、前記後処理装置に還元剤を供給する還元剤供給手段とを備え、前記開口部は、上流端を下流端よりも上方に位置させて前記第２の排気管部の軸に対して傾斜する方向に延びる少なくとも一辺の第１の傾斜辺を含んで形成されることを特徴とする。
また、前記開口部は、前記第１の傾斜辺の一端から前記第２の排気管部の径に対して傾斜する方向に延びる第２の傾斜辺をさらに含んで形成されるようにしてもよい。
また、前記第１の傾斜辺と前記第２の傾斜辺とを滑らかに連続させるべく、前記第１の傾斜辺と前記第２の傾斜辺との間に曲線部を設けるようにしてもよい。
本発明の排気ガス浄化装置によれば、簡素な構成で、還元剤供給手段から噴射される還元剤が、排気管に設けられた開口部の周縁に滞留することを抑制することができるとともに、滞留した還元剤によって開口部の周縁が腐食することを効果的に防止することができる。
本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の要部の一部を示す、図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の要部の一部断面を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の要部の一部断面を示す上視図である。 本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の要部の一部を示す側面図である。 他の実施形態に係る排気ガス浄化装置を示す概略図である。 他の実施形態に係る排気ガス浄化装置の要部の一部を示す、図６のＢ−Ｂ断面図である。
以下、図１〜５に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図１に示すように、排気ガス浄化装置１は、上流側から順に、内燃機関であるディーゼルエンジン（以下、エンジン）１０と、エンジン１０から排出される排気ガスを導出する接続管１１と、前段酸化触媒（以下、前段ＤＯＣ）３１とディーゼル・パティキュレート・フィルタ（以下、ＤＰＦ）３２とを有する前段後処理装置１２と、前段後処理装置１２に対して長手方向が略９０度に位置して配置されるミキサーチャンバー１３と、上流端に尿素水噴射手段（還元剤供給手段）１６が設けられる排気管（第２の排気管部）１４と、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ）３３と後段酸化触媒（以下、後段ＤＯＣ）３４とを有する後段後処理装置（後処理装置）１５とを備え構成されている。
なお、本実施形態に係る接続管１１と前段後処理装置１２とミキサーチャンバー１３とは、本発明の第１の排気管部を構成する。
接続管１１は、図１に示すように、上流側をエンジン１０の排気マニホールド（不図示）に接続され、下流側は屈曲部１１ａを介して前段後処理装置１２に接続される。
前段後処理装置１２のＤＰＦ３２は、接続管１１から流れ込む排気ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭ）を捕集する。また、ＤＰＦ３２は、排気管内噴射手段（不図示）の排気噴射やエンジン１０のポスト噴射によって、上流側に設けた前段ＤＯＣ３１に燃料が供給され、この前段ＤＯＣ３１が酸化反応によって昇温されることで、堆積したＰＭを燃焼除去する。
ミキサーチャンバー１３は、図２に示すように、前段後処理装置１２の下流側に接続される前段チャンバー部１３ａと、排気管１４が接続される後段チャンバー１３部ｂとを備える。また、この前段チャンバー部１３ａと後段チャンバー部１３ｂとの間には、前段チャンバー部１３ａの排気ガスを後段チャンバー部１３ｂへと導出する連通部１３ｃが設けられる。すなわち、ミキサーチャンバー１３は、上流側から順に配置された前段チャンバー部１３ａと、連通部１３ｃと、後段チャンバー部１３ｂとによって一体に形成される。
また、後段チャンバー部１３ｂの壁面部には、図３，４に示すように、排気管１４の上流側面部１４ａを挿通する２つの取付け孔２０，２１が形成される。また、後段チャンバー部１３ｂの内側壁面には、図３に示すように、排気ガスの流れを入口窓４０に向けて整流する３つのフィン１３ｅ，１３ｆ，１３ｇが設けられる。この３つのフィン１３ｅ，１３ｆ，１３ｇは、入口窓４０に排気ガスを排気管１４の接線方向から流し入れることで、排気管１４筒内の排気ガスに旋回流（図２の矢印Ｘ）を生じさせる。
排気管（第２の排気管部）１４は、図３，４に示すように、円筒状に形成されており、上流側面部１４ａにはミキサーチャンバー１３から排気ガスを導入する入口窓（開口部）４０が設けられている。
入口窓４０は、図４，５に示すように、排気管１４の軸方向に延びる排気管１４の排気ガスの流れに対する右側縁部４１と、排気管１４の周方向に延びる上流側縁部４２と、排気管１４の軸方向に延びる左側縁部（第１の傾斜辺）４３と、排気管１４の周方向に延びる下流側縁部（第２の傾斜辺）４４とを含んで方形に形成されている。
左側縁部（第１の傾斜辺）４３は、図５に示すように、排気管１４の軸に対して傾斜する方向に延びて形成されている。本実施形態において、左側縁部４３は、排気管１４をミキサーチャンバー１３の上流側から側面視した場合に、上流端４３ａが下流端４３ｂよりも上方に位置するように傾斜する。
また、下流側縁部（第２の傾斜辺）４４は、図４に示すように、左側縁部４３の一端から排気管１４の径に対して傾斜する方向に延びて形成されている。本実施形態において、下流側縁部４４は、左側縁部４３の下流端４３ｂ（以下、下流側縁部４４の左端４３ｂともいう）から、左側縁部４３の相対対辺である右側縁部４１に向かって延びるとともに、排気管１４の下流側に傾斜する。すなわち、図４に示すように、入口窓４０を上方から平面視した場合に、下流側縁部４４の左端４３ｂは右側端４４ｃに対して排気管１４の上流側に位置する。
また、図３，４に示すように、左側縁部４３と下流側縁部４４との間には、入口窓４０の他の角部よりも曲率半径の大きい曲線部Ｒが設けられている。この曲線部Ｒによって、左側縁部４３と下流側縁部４４とは滑らかに連続するように形成される。
排気管１４の上流側面部１４ａは、図３に示すように、入口窓４０を下方にした状態で、ミキサーチャンバー１３の取付け孔２０，２１に挿通される。すなわち、排気管１４は、排気管１４の軸方向がミキサーチャンバー１３の長手方向に対して約９０度となるように、後段チャンバー部１３ｂに接続される。一方、排気管１４の下流側には、図１に示すように、屈曲部１４ｂを介して後段後処理装置１５が接続される。
尿素水噴射手段（還元剤供給手段）１６は、図示しない尿素水供給管、尿素水戻り管、フィードポンプ、圧力制御弁、貯留タンク等を備えている。また、尿素水噴射手段１６は、図４に示すように、排気管１４の上流部筒内に嵌挿された断熱プレート６０に固定板６１を取付け、この固定板６１に図示しないボルト等で固定されることで、排気管１４の上流端に設けられる。
後段後処理装置（後処理装置）１５のＳＣＲ３３は、排気管１４から流入する排気ガス中に含まれるＮＯｘの還元反応を促進する。具体的には、尿素水噴射手段１６から噴射された尿素水は排気ガスによって加水分解されてアンモニアに生成される。ＳＣＲ３３は、この生成されたアンモニアを吸着するとともに、排気ガスがＳＣＲ３３内を通過する際に吸着したアンモニアでＮＯｘを還元浄化する。
また、ＳＣＲ３３の下流側に配設された後段ＤＯＣ３４は、ＳＣＲ３３から余剰のアンモニアがスリップすると、排気ガス中からこの余剰のアンモニアを酸化除去する。
上述のような構成により、本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置１によれば以下のような作用・効果を奏する。
エンジン１０から排出された排気ガスは、接続管１１を介して前段後処理装置１２へと導入される。前段後処理装置１２に流入した排気ガスは、ＤＰＦ３２によって排気ガス中のＰＭを捕集されながら、ミキサーチャンバー１３へと導入される。
ミキサーチャンバー１３の前段チャンバー部１３ａに流入した排気ガスは、図２に示すように、連通部１３ｃを介して後段チャンバー部１３ｂへと流れ込み、複数のフィン１３ｅ，１３ｆ，１３ｇによって整流されながら入口窓４０へと導入される。
入口窓４０から排気管１４筒内へと流れ込む大部分の排気ガスは、フィン１３ｅ，１３ｆ，１３ｇによって排気管１４の接線方向から流入する。この接線方向から流入した排気ガスは、排気管１４の筒内壁面によって上昇され、図３の波線Ｈで示すように、排気管１４筒内を旋回しながら下流へと進む。
また、入口窓４０から排気管１４筒内へと流れ込む一部の排気ガスは、図２の矢印Ｙで示すように、フィン１３ｇを通過した後の巻き込み流によって、左側縁部４３近傍の排気管１４筒面に突き当たる。
尿素水噴射手段１６から噴射された尿素水は、旋回流（図２の矢印Ｘ）によって空気と混合されて拡散するが、一部の尿素水は、排気管１４筒内に付着した後、旋回（図２の矢印Ｘ）により、左側縁部４３近傍へと流される。そして、左側縁部４３近傍に達した尿素水は、流巻き込み流（図２の矢印Ｙ）によって左側縁部４３近傍に留まることになる。
このように、左側縁部４３近傍の排気管１４筒面に付着した尿素水は、上流端４３ａが下流端４３ｂよりも上方に位置して傾斜した左側縁部４３に沿って曲線部Ｒへと流される。その後、曲線部Ｒに到達した尿素水は、曲線部Ｒによって滑らかに連続した下流側縁部４４へと流され、下流側端部４４の右側端４４ｃから更に下流へと流される。
したがって、尿素水噴射手段１６から噴射される尿素水が、排気管１４に設けられた左側縁部４３や下流側縁部４４（開口部４０の周縁）に滞留することを抑制することができるとともに、滞留した尿素水によって開口部４０の周縁が腐食することを効果的に防止することができる。特に、左側縁部４３と下流側縁部４４との間に曲線部Ｒを設けたことにより、開口部４０の角部に尿素水が滞留することを効果的に抑止することができる。
また、左側縁部４３近傍の排気管１４筒面に付着した尿素水を、左側縁部４３、曲線部Ｒ、下流側縁部４４を介して排気管１４の下流へと流す過程で、その大部分を排気ガスによって加水分解してアンモニアに生成し、ＳＣＲ３３へと供給することができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、上述の実施形態において、排気管１４は円筒状のものとして説明したが、必ずしも円筒状である必要はなく、断面が方形の排気管等を用いてもよい。
また、上述の実施形態において、後段後処理装置１５はＳＣＲ３３を備えるものとして説明したが、このＳＣＲ３３に替えて、例えば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＬＮＴ）を適用することもできる。ＬＮＴの場合は、尿素水噴射手段１６ではなく、燃料（ＨＣ）を供給する排気管内噴射手段１７を用いればよい。
また、前段後処理装置１２は必ずしも必須ではなく、例えば、図６，７に示すように、前段後処理装置１２とミキサーチャンバー１３とを省略して、接続管１１でエンジン１０の吸気マニホールド（不図示）と排気管１４とを直接接続するように構成することもできる。この場合も、上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
１ 排気ガス浄化装置
１０ エンジン（内燃機関）
１１ 接続管（第１の排気管部）
１２ 前段後処理装置（第１の排気管部）
１３ ミキサーチャンバー（第１の排気管部）
１４ 排気管（第２の排気管部）
１５ 後段後処理装置
１６ 尿素水噴射手段（還元剤供給手段）
４３ 左側縁部（第１の傾斜辺）
４４ 下流側縁部（第２の傾斜辺）
Ｒ 曲線部

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気系に還元剤によって排気ガス中の窒素化合物を還元浄化する後処理装置を有する排気ガス浄化装置において、
    前記内燃機関から排出される排気ガスを導出する第１の排気管部と、
    上流側の側部に前記第１の排気管部から排気ガスを導入する開口部を有するとともに、筒内で排気ガスに旋回流を生じるように、前記側部を前記第１の排気管部に接続され、下流側に前記後処理装置が設けられる第２の排気管部と、
    前記第２の排気管部の上流端に設けられ、前記後処理装置に還元剤を供給する還元剤供給手段とを備え、
    前記開口部は、上流端を下流端よりも上方に位置させて前記第２の排気管部の軸に対して傾斜する方向に延びる少なくとも一辺の第１の傾斜辺を含んで形成される
    ことを特徴とする排気ガス浄化装置。
  2. 前記開口部は、前記第１の傾斜辺の一端から前記第２の排気管部の径に対して傾斜する方向に延びる第２の傾斜辺をさらに含んで形成される
    ことを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置。
  3. 前記第１の傾斜辺と前記第２の傾斜辺とを滑らかに連続させるべく、前記第１の傾斜辺と前記第２の傾斜辺との間に曲線部を設けた
    ことを特徴とする請求項２記載の排気ガス浄化装置。
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