JP5779410B2 - 車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュールに関するものであって、より詳細には、排気ガスの後処理のための選択的触媒還元（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）〔以下、「ＳＣＲ」と記す〕装置の上流部に設けられて還元剤と排気ガスの混合を改善したドージングモジュールに関するものである。
一般に、エンジンの排気システムは、排気ガス中に含まれている汚染物質であるディーゼル排気微粒子（ＰＭ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を減少させるために、ディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ；Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）〔以下、「ＤＯＣ」と記す〕、ディーゼル微粒子捕集フィルター（ＤＰＦ；Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ）〔以下、「ＤＰＣ」と記す〕、及び選択的触媒還元（ＳＣＲ）などの排気ガス後処理装置を備えている〔例えば、特許文献１参照〕。
このうち、ＳＣＲは、インジェクターにより排気ガスの流動方向に還元剤（尿素水溶液）を噴射し、これが排気ガスの熱によって加水分解されてアンモニア（ＮＨ３）となり、排気ガス中の窒素酸化物と触媒反応して窒素ガス（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）にすることで、窒素酸化物を無害にするものである。
ＤＯＣ、ＤＰＦ、及びＳＣＲを採用した従来の技術による排気ガス後処理装置は、一例として、ＤＯＣ及びＤＰＦを排気ガスの流動方向に装着し、ＤＰＦの後端にＳＣＲを装着している。そして、ＤＰＦとＳＣＲとの間には還元剤を噴射するためのインジェクターを含むドージングモジュール（注入装置）を備えている。
従来の技術によるドージングモジュールでは、排気ガス中の窒素酸化物濃度基準の強化に合わせてインジェクターからの還元剤の噴射圧を上げ、還元剤の噴射速度を増加させている。しかし、従来の技術では、還元剤の噴射速度を上げることによる直進性の増加によって排気ガス通路の空間で還元剤の一部が蒸発せずに排気ガス通路の内壁面に尿素固形物が堆積するウォールウェッティング（ｗａｌｌ ｗｅｔｔｉｎｇ）現象が発生する問題点がある。つまり、還元剤のウォールウェッティング現象は、ＳＣＲの触媒活性化及び窒素酸化物の浄化効率を低下させる要因として作用して、還元剤が排気ガス通路の内壁面で蒸発する場合、その還元剤が排気ガス通路の内壁面に付着した固形物として残って、結果的には還元剤の噴射量の制御が難しくなる問題点を誘発することになる。
このようなウォールウェッティング現象を防止するために、インジェクターを通して噴射される還元剤を排気ガスと混合するためのミキサーを排気ガス通路に備える提案〔例えば、特許文献２参照〕がある。しかし、この場合、排気ガス通路にミキサーを設置するので、装置全体を構成するための材料費が増加し、耐久性の検証が必要である問題点がある。
また、このウォールウェッティング現象を防止するために、排気ガス通路の曲管部位にインジェクターを装着して、その曲管部位を通過する排気ガスに還元剤を噴射する構成とする例〔例えば、特許文献３参照〕があるが、この場合、インジェクターを排気ガス通路の曲管部位に設置するので、還元剤（尿素水溶液）が排気ガスの熱によってアンモニア（ＮＨ３）に加水分解されるようにする空間的距離の確保が必要である。したがって、距離の確保のための排気管の形状が要求され、全体的な後処理レイアウトが複雑になり、車両レイアウトにおいてインジェクターの設置が容易でない問題点がある。
その他、尿素水添加装置に複数のインジェクタを備え、排気通路に設けたバイパス通路に尿素水を噴射すると共に、バイパス通路を加熱することでＮＯｘ浄化率を向上させるとする提案〔特許文献４参照〕もある。
特開２０１１−０５２６７９号公報 特開２００７−０７７９５７号公報 特開２００８−１２８０４６号公報 特開２００７−３２７３７７号公報
本発明の目的は、還元剤のウォールウェッティング現象を防止することができ、ＳＣＲの効率をより向上させることができるようにした車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュールを提供することにある。
本発明は、車両排気ガスを処理する流れにおける選択的触媒還元（ＳＣＲ）装置の上流で還元剤を噴射するための車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュールであって、
前記排気ガスが流入する流入部と前記選択的触媒還元（ＳＣＲ）装置と連結した連結部を有するドージング本体と、
前記ドージング本体に備えられたボス部材に装着されて、前記還元剤を前記ドージング本体内部に噴射するインジェクターと、
前記ドージング本体の内部に設置されて、前記流入部を通ってドージング本体に流入した排気ガスの流れを一定の経路にガイドするガイド部材と、を含み、
前記ガイド部材には、その面に複数の孔が形成され、
前記ドージング本体には、前記ガイド部材と結合して前記流入部を形成するバッフル部材が設置され、
前記バッフル部材は、前記ドージング本体に対して前記流入部を除く部分を覆うプレート形状でなり、
前記バッフル部材は、一端部が前記ドージング本体の端部より内側に入り込んだ傾斜に配置されて前記流入部を形成することを特徴とする。
前記ガイド部材は、前記ドージング本体内部にあって前記流入部と前記連結部を区画するプレート形状でなり、一端部が前記ドージング本体の内壁面に固定され、他端部側が半円形状に屈曲したラウンド部を有し、かつその端部が前記内壁面から離れて構成されることを特徴とする。
前記バッフル部材は、前記ガイド部材と前記ドージング本体の内壁面との間に排気ガスの流動通路を形成することを特徴とする。
インジェクターは、ボス部材に排気ガスの流動方向に沿って傾斜して装着され、一端部が前記ドージング本体の内壁面に固定され、他端部側が半円形状に屈曲したラウンド部を有するガイド部材のラウンド部に向かって還元剤を噴射する。
連結部は、ＳＣＲと互いに連結する連結通路をドージング本体の下部に形成する。
本発明の車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュールは、車両レイアウトの制約を受けずに、排気ガスと還元剤噴霧の混合を促進し、均一度を高めて窒素酸化物の還元反応を活性化させてＳＣＲの効率を増大させることができ、しかも還元剤のウォールウェッティング現象を防止することができる。曲管部位を設けて還元剤を噴射したり、排気管にミキサーを設置する必要がない。
図面は、本発明を実施形態を挙げて説明するために参照するためのものであって、本発明の技術的な思想を、添付した図面に限定して解釈してはならない。
本発明の実施形態における車両の排気ガス後処理システムを概略的に示したブロック構成図である。 本発明の実施形態における車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュールを示した分解斜視図である。 図２の結合正面構成図である。 本発明の車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュールの作用を説明するための斜視図である。 図４を断面図で示している。
以下、添付した図面を参照しつつ実施形態を挙げて本発明を詳細に説明する。本発明の
車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュールは、多様に異なる形態で実施できるものであり、ここに挙げた実施形態に限定されるものではない。
以下の説明では、明細書全体にわたって同一または類似した構成要素については同じ符号を付け、説明に不必要な部分は省略していることを予め断っておく。また、図面では、部分的にある領域を拡大して示すなど、各構成部分の大きさ、厚さなど説明の便宜のために任意の大きさで示している。
図１は、本発明の実施形態を適用した車両の排気ガス後処理システムを概略で示したブロック構成図である。この実施形態では、排気ガス後処理システム２００により車両のディーゼルエンジンから排出された排気ガスを浄化している。ここで、排気ガス後処理システム２００は、例えば排気ラインの途中に上流側からＤＯＣ１、ＤＰＦ３、ＳＣＲ５の順に並べて構成する。この場合、ＤＯＣ１は、排気ガス中の炭化水素及び一酸化炭素を酸化させ、一酸化窒素を二酸化窒素に酸化させる機能を担い、ＤＰＦ３は、排気ガス中に含まれている粒子を捕集する機能を担い、そして、ＳＣＲ５は、排気ガス中に含まれていた、およびＤＯＣ１で生成した窒素酸化物を尿素水溶液などの還元剤を利用して窒素に還元する機能を担っている。つまり、ＳＣＲ５は、還元剤が排気ガスの酸化熱によってアンモニアに転換されると同時に、触媒によりアンモニアと窒素酸化物の反応によって窒素ガスと水になっていく。
本実施形態による排気ガス後処理システム２００では、ＤＰＦ３とＳＣＲ５との間にドージングモジュール１００を有する構成とし、ドージングモジュール１００で、ＳＣＲ５の前方で排気ガスの流動方向に沿って還元剤を噴射する。このようなドージングモジュール１００は、車両レイアウトの制約を受けずに、噴霧された還元剤を、排気ガスに速く、かつ均一に混合させており、ＳＣＲ５における反応を活性化して反応効率を上げることができる。
図２は、ドージングモジュールの概略分解斜視図であり、図３は、正面構成図である。
図面を参照すると、ドージングモジュール１００は、ドージング本体１０、インジェクター３０、ガイド部材５０、バッフル部材７０を主要構成部としており、以下にこれらの構成部をそれぞれ説明する。
ドージングモジュール１００は、図１に示したように排気ガス後処理システム２００においてＤＰＦ３とＳＣＲ５との間に位置しており、従って、ドージング本体１０は、ＤＰＦ３とＳＣＲ５のそれぞれに連結されている。
ドージング本体１０は、一側面が閉鎖され、他側面が開放された円筒形状で、ＤＯＣ１とＤＰＦ３を経た排気ガスが流入する流入部１１と、ＳＣＲ５と連結された連結部１３を有している。
流入部１１は、排気ガスが流入する入口であって、ガイド部材５０とバッフル部材７０によりドージング本体１０の一側面に形成されている。
連結部１３は、ドージング本体１０からの排気ガスの出口であって、ドージング本体１０内部でガイド部材５０を挟んで流入部１１とは反対の空間に開放され、ドージング本体１０の下部側外周面に溶接して形成される。連結部１３には、連結通路１２が形成され、連結通路１２によりＳＣＲ５と互いにパイプ（図示していない）で連結される。連結通路１２の断面積は、ドージング本体１０の内部の断面積より小さい。
インジェクター３０は、ドージング本体１０の内部に還元剤を噴射するためのものであって、ドージング本体１０の上部側で外周面の上端真中央部から一方向に偏った位置に形成される。すなわち、インジェクター３０は、排気ガスの流動方向に沿って傾斜して装着される。装着のために、ドージング本体１０の内部空間に連通する開放部（図示していない）のあるボス部材１５がドージング本体１０の外周面に溶接して固定され、さらにその外側に装着ブラケット１７が設置されて、インジェクター３０が装着される。
インジェクター３０は、ボス部材１５によってドージング本体１０の上端部真中央から一方向に一定の距離で偏って装着されるので、ガイド部材５０のラウンド部５１に向かって還元剤を噴射することができる。
インジェクター３０は、排気系統に装着される２次噴射装置であって公知であるので、本明細書では、その構成に対するより詳細な説明は省略する。
ガイド部材５０は、一端部側がなだらかに屈曲し、他端部側がほぼ半円形状に屈曲したラウンド部５１を有するプレート形状で、なだらかに屈曲している側の端部がドージング本体１０の内壁面に溶接固定され、ラウンド部のある側の端部がドージング本体１０の内壁面から離れている。そして、ドージング本体１０の内部における流入部１１を区画し、ガイド部材５０のラウンド部のある側端部とドージング本体１０の内壁面との隙間を排気ガスの流動通路７１としている。
ガイド部材５０は、ドージング本体１０内部にあっては、流入部１１の空間と連結部１３のある空間とを区画していて、流入部１１を通してドージング本体１０内部に流入した排気ガスを一定の流路にガイドして、インジェクター３０から噴射された還元剤を、排気ガスとの混合を促進させつつ、排気ガス中に均一に行き渡るようしている。
また、ガイド部材５０には、全領域に亘って多数の孔５３が穿孔形成されている。これにより排気ガスは、ドージング本体１０の閉鎖面とガイド部材５０、さらに後述するバッフル部材７０によって旋回流となって、流入部１１から流動通路７１を通って連結部１３のある空間に流れると共に、一部の排気ガスはガイド部材５０に穿孔された孔５３を通って連結部１３のある空間に流れていく。その結果、連結部１３のある側の空間では、排気ガスは、ガイド部材５０にある半円形状に屈曲したラウンド部５１に沿う流れと、一部の排気ガスが多数の孔５３を通って入り込む流れで、複雑な流れとなっており、ここにインジェクター３０からの還元剤が注入される。この排気ガスの流れにより、還元剤は、排気ガス中への混合が促進され、均一に混合されていく。特に、インジェクター３０から噴射された還元剤は、ガイド部材５０のラウンド部５１に向かって噴射されるため、還元剤が噴霧される場所ではラウンド部５１により空間が狭まって排気ガスの流れが速くなり、さらに孔５３を通った排気ガスが還元剤の噴霧と反対方向になることで、噴射された還元剤がガイド部材５０に衝突して初期噴射時においてもウォールウェッティング現象を防止することになる。
バッフル部材７０は、ドージング本体１０の内壁面及びガイド部材５０に固定され、ドージング本体１０に対して流入部１１を除く部分を覆うプレート形状に構成されている。これにより、バッフル部材７０で覆われない部分が、ガイド部材５０とドージング本体１０の閉鎖面および内壁面で排気ガスの流入部１１を形成している。流入部１１に入った排気ガスは、流れの向きを変え、ガイド部材５０に誘導されて旋回するように流れて流動通路７１を通り連結部１３のある空間に流れていく。
一方、連結部１３側の空間は、バッフル部材７０とガイド部材５０、さらにドージング本体１０の閉鎖面と内壁面で囲まれており、流動通路７１を通った排気ガスは、旋回流となって連結部１３に向う流れになる。
ここで、バッフル部材７０は、一端部がドージング本体１０の端部より内側に入り込んだ傾斜に配置されて流入部１１を形成して、排気ガスの流動を流入部１１側に誘導するようにするのが好ましい。このようにして、ＤＯＣ１とＤＰＦ３を経た排気ガスは、ドージング本体１０のバッフル部材７０に誘導されて、流入部１１に流入する。
図４と図５を参照して、本実施形態によるドージングモジュール１００の作用を説明する。排気ガスは、流入部１１に入り、ガイド部材５０のラウンド部５１に誘導されて旋回流となり、ガイド部材５０とドージング本体１０の内壁面との間の流動通路７１を通って、さらに一部の廃棄ガスは、ガイド部材５０に穿孔された孔５３を通ってそれぞれ連結部１３のある空間に流れていく。この空間では、排気ガスの流れの中に、インジェクター３０から還元剤が噴射される。インジェクター３０は、ボス部材１５によってドージング本体１０の上端部真中央から一方向に一定の距離で偏って装着されているため、還元剤は、ガイド部材５０のラウンド部５１に向かって噴射される。
インジェクター３０から噴射された還元剤は、ガイド部材５０のラウンド部５１に向かって排気ガス中に噴射される。このとき、排気ガスは、ガイド部材５０、特にそのラウンド部５１によって強い旋回流となり、一部の排気ガスは、ガイド部材５０の孔５３を通って流れてくる。これにより、噴射された還元剤は、排気ガスと良く混合され、かつ、ドージング本体１０の壁面やガイド部材５０に対して、初期噴射時においてもウォールウェッティングすることがない。
上記したようにインジェクター３０から噴射された還元剤は、高温のガイド部材５０に衝突して還元剤の微粒化を促進することができ、排気ガスと還元剤の混合時間を充分長くとることができる。さらに、還元剤は、ガイド部材５０の孔５３を通して流入する排気ガスにより混合されて微粒化が促進される。そして、還元剤は、排気ガスの強い旋回流によって排気ガスとの混合が促進され、均一に分散するようになる。
従って、ドージング本体１０で還元剤が排気ガスの熱によってアンモニア（ＮＨ３）に転換され、連結部１３を通ってＳＣＲ５（図１参照）に流入するが、その連結部１３のベンチュリ効果によってＳＣＲ５の全領域で窒素酸化物の還元反応が行われるようになる。
本発明の実施形態による車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュール１００は、曲管部位に還元剤を噴射したり、排気管にミキサーを設置しなくても、ウォールウェッティング現象を防止することができる。これによって、車両レイアウトの制約を受けず、排気ガスと還元剤噴霧の混合促進、均一性の向上、及び反応活性化によるＳＣＲ５の効率を増大させることができる。
以上で、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属する。
１：ＤＯＣ
３：ＤＰＦ
５：ＳＣＲ
１０：ドージング本体
１１：流入部
１２：連結通路
１３：連結部
１５：ボス部材
１７：装着ブラケット
３０：インジェクター
５０：ガイド部材
５１：ラウンド部
５３：孔
７０：バッフル部材
７１：流動通路

Claims (7)

  1. 車両排気ガスを処理する流れにおける選択的触媒還元（ＳＣＲ）装置の上流で還元剤を噴射するための車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュールであって、
    前記排気ガスが流入する流入部と前記選択的触媒還元（ＳＣＲ）装置と連結した連結部を有するドージング本体と、
    前記ドージング本体に備えられたボス部材に装着されて、前記還元剤を前記ドージング本体内部に噴射するインジェクターと、
    前記ドージング本体の内部に設置されて、前記流入部を通ってドージング本体に流入した排気ガスの流れを一定の経路にガイドするガイド部材と、を含み、
    前記ガイド部材には、その面に複数の孔が形成され、
    前記ドージング本体には、前記ガイド部材と結合して前記流入部を形成するバッフル部材が設置され、
    前記バッフル部材は、前記ドージング本体に対して前記流入部を除く部分を覆うプレート形状でなり、
    前記バッフル部材は、一端部が前記ドージング本体の端部より内側に入り込んだ傾斜に配置されて前記流入部を形成することを特徴とする車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュール。
  2. 前記ガイド部材は、前記ドージング本体内部にあって前記流入部と前記連結部を区画するプレート形状でなることを特徴とする請求項１に記載の車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュール。
  3. 前記ガイド部材は、一端部が前記ドージング本体の内壁面に固定され、他端部側が半円形状に屈曲したラウンド部を有し、かつその端部が前記内壁面から離れて構成されることを特徴とする請求項２に記載の車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュール。
  4. 前記バッフル部材は、前記ガイド部材と前記ドージング本体の内壁面との間に排気ガスの流動通路を形成することを特徴とする請求項１に記載の車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュール。
  5. 前記インジェクターは、前記ボス部材に排気ガスの流動方向に沿って傾斜して装着されることを特徴とする請求項１に記載の車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュール。
  6. 前記インジェクターは、一端部が前記ドージング本体の内壁面に固定され、他端部側が半円形状に屈曲したラウンド部を有するガイド部材のラウンド部に向かって還元剤を噴射することを特徴とする請求項５に記載の車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュール。
  7. 前記連結部は、前記選択的触媒還元（ＳＣＲ）と互いに連結する連結通路を前記ドージング本体の下部に形成することを特徴とする請求項１に記載の車両の排気ガス後処理システム用ドージングモジュール。
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