JP5835330B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化用触媒へ還元剤を供給することにより、排気の浄化を行う技術に関する。
内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用触媒と、排気浄化用触媒より上流の排気通路に配置された還元剤噴射弁と、還元剤噴射弁より下流であって排気浄化用触媒より上流の排気通路に配置された衝突拡散部材と、を備えた内燃機関の排気浄化装置が知られている（たとえば、特許文献１を参照）。
還元剤噴射弁から噴射された還元剤が衝突拡散部材に衝突すると、該還元剤が排気通路内で分散し、排気と均質に混合され易くなる。しかしながら、衝突拡散部材により排気抵抗が増加するため、内燃機関の高負荷運転時などに背圧の増加や機関出力の低下を招く可能性もある。
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用触媒と、排気浄化用触媒より上流を流れる排気中へ還元剤を添加する還元剤添加弁と、還元剤添加弁から添加された還元剤を排気通路内で分散させるための分散部材と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気抵抗の増加を少なく抑えつつ、還元剤の微粒化や分散性の向上を図ることができる。
本発明は、上記した課題を解決するために、還元剤添加弁から添加される還元剤の内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用触媒と、排気浄化用触媒より上流を流れる排気へ還元剤を添加する還元剤添加弁と、還元剤添加弁から添加される還元剤を分散させる分散部材と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、分散部材は、還元剤添加弁から添加される還元剤のうち粒子径が相対的に大きな粗大還元剤の飛行経路上のみに配置されるようにした。
詳細には、本発明に係わる内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用触媒と、
前記排気浄化用触媒より上流を流れる排気へ還元剤を添加する還元剤添加弁と、
前記還元剤添加弁から添加される還元剤を衝突させる部材であって、前記還元剤添加弁から添加される還元剤のうち、粒子径が相対的に大きな還元剤である粗大還元剤の飛行経路上に配置される分散部材と、
を備えるようにした。
内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用触媒と、
前記排気浄化用触媒より上流を流れる排気へ還元剤を添加する還元剤添加弁と、
前記還元剤添加弁から添加される還元剤を衝突させる部材であって、前記還元剤添加弁から添加される還元剤のうち、粒子径が相対的に大きな還元剤である粗大還元剤の飛行経路上に配置される分散部材と、
を備えるようにした。
このような構成によれば、還元剤添加弁から添加された還元剤のうち、粗大還元剤のみが分散部材に衝突する。粗大還元剤は、分散部材と衝突することにより、微粒化されるとともに排気中に分散される。その結果、粗大還元剤と排気との均質混合が促進される。
一方、還元剤添加弁から添加された還元剤のうち、粗大還元剤より粒子径が小さな還元剤（以下、「微粒還元剤」と称する）は、分散部材に衝突しないことになる。しかしながら、微粒還元剤は、粒子径が小さく且つ質量が少ないため、分散部材と衝突しなくても、排気と均質に混合される。
よって、本発明の分散部材によれば、還元剤添加弁から添加された還元剤の略全てが排気と均質に混合されるようになる。さらに、本発明の分散部材の大きさは、還元剤添加弁から添加された還元剤の略全量を分散部材と衝突させる場合より小さくなる。その結果、分散部材に起因した排気抵抗の増加を少なく抑えることができる。
したがって、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、分散部材に起因した排気抵抗の増加を最小限に抑えつつ、還元剤の微粒化及び分散性の向上を図ることができる。その結果、背圧の増加や機関出力の低下を少なく抑えつつ、還元剤と排気との均質混合を図ることができる。
なお、ここでいう「粗大還元剤」は、排気浄化用触媒をすり抜ける慣性力を持ち得る大きさの還元剤、排気と均質に混合せずに排気中を貫徹し得る大きさ（質量）の還元剤、或いは還元剤添加弁から排気浄化用触媒へ到達するまでに気化しきれない大きさの還元剤などを示すものとする。また、還元剤としてアンモニア由来の還元剤（たとえば、尿素やカルバミン酸アンモニウムなどの水溶液）が用いられる場合は、排気中において加水分解されない大きさの還元剤を粗大還元剤と定義してもよい。このような粗大還元剤の飛行経路は、予め実験的に求めておくことものとする。
本発明において、還元剤添加弁が円錐状（フルコーン状）のスプレーパターンを有する噴射弁である場合は、粗大還元剤が噴霧の周縁部に集まり易い。そのため、分散部材は、噴霧の周縁部と干渉し、且つ噴霧の中心部分と干渉しないように配置されてもよい。つまり、分散部材は、円錐状の噴霧の周縁部が飛行する経路上に配置されてもよい。
その際、分散部材は、筒状体の一方の端面に径方向外側或いは径方向内側へ延在する突出部が形成された部材であってもよい。その場合、円錐状の噴霧の中心部分に集まった微粒還元剤が筒状体の内部を通って下流へ流れ、円錐状の噴霧の周縁部に集まった粗大還元剤が突出部に衝突して微粒化される。また、排気が突出部に衝突或いは突出部を迂回することにより排気の流れが乱れるため、微粒化された還元剤と排気との混合が促進される。
また、分散部材として、環状に形成された板材を用いることもできる。その場合、円錐状の噴霧の中心部分に集まった微粒還元剤は環状の板材の内側を通り抜け、円錐状の噴霧の周縁部に集まった粗大還元剤が板材に衝突して微粒化される。また、排気が板材に衝突又は板材を迂回することにより排気の流れが乱れるため、微粒化された還元剤と排気との混合が促進される。
分散部材として環状の板材が用いられる場合に、板材の表面（排気及び還元剤の流れに対向する面）に凹凸が設けられてもよい。その場合、板材の表面に衝突した粗大還元剤の拡散が促進されるとともに、板材の表面に付着した粗大還元剤の気化（蒸発）が促進される。
分散部材として環状の板材が用いられる場合に、板材を貫通する複数の貫通孔が板材に設けられてもよい。その際、貫通孔の径は、粗大還元剤の径より小さくされることが望ましい。このように構成された板材によれば、板材との衝突によって微粒化された還元剤や排気が貫通孔を通過可能になる。その結果、分散部材に起因した排気抵抗を一層小さくすることができる。
なお、還元剤添加弁として、複数の噴孔が環状に配置されたマルチホール型の噴射弁が用いられる場合は、分散部材は、複数の板材を環状に配列して構成されてもよい。このような構成によれば、分散部材に起因する排気抵抗の増加をより少なく抑えることができる。また、各板材は、噴霧の進行方向に対して垂直に配置されてもよく、或いは噴霧の進行方向に対して斜めに配置されてもよい。
本発明に係わる分散部材は、粗大還元剤の飛行経路上の複数箇所に設けられてもよい。その場合、粗大還元剤は、複数の分散部材の少なくとも１つと衝突しやすくなる。そのため、粗大還元剤がより確実に微粒化される。また、粗大還元剤が複数の分散部材に衝突した場合は、粗大還元剤がより小さな微粒還元剤にすることができる。
本発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用触媒と、排気浄化用触媒より上流を流れる排気中へ還元剤を添加する還元剤添加弁と、還元剤添加弁から添加された還元剤を排気通路内で分散させる分散部材と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気抵抗の増加を少なく抑えつつ、還元剤の微粒化や分散性の向上を図ることができる。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
＜実施例１＞
先ず、本発明の第１の実施例について図１乃至図１５に基づいて説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。
先ず、本発明の第１の実施例について図１乃至図１５に基づいて説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。
図１に示す内燃機関１は、軽油を燃料とする圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）である。内燃機関１には、排気通路２が接続されている。排気通路２の途中には、選択還元型触媒３０を収容した触媒ケーシング３が配置されている。
前記触媒ケーシング３より上流の排気通路２には、還元剤添加弁４が取り付けられている。図１に示す例では、還元剤添加弁４は、該還元剤添加弁４の軸方向が触媒ケーシング３（選択還元型触媒３０）の軸方向と平行になるように、排気通路２に取り付けられる。言い換えると、還元剤添加弁４は、該還元剤添加弁４の軸方向が選択還元型触媒３０へ流入する排気の流れ方向と平行になるように配置される。
還元剤添加弁４は、ポンプ４０を介して還元剤タンク４１と連通している。還元剤タンク４１には、アンモニア由来の還元剤が貯蔵されている。ポンプ４０は、還元剤タンク４１から還元剤を汲み上げるとともに、汲み上げられた還元剤を還元剤添加弁４へ向けて吐出する。還元剤添加弁４は、ポンプ４０から吐出された還元剤を排気通路２内へ噴射する。還元剤添加弁４の開閉動作は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）６により電気的に制御される。
ここで、アンモニア由来の還元剤としては、尿素やカルバミン酸アンモニウムなどの水溶液を用いることができる。本実施例では、アンモニア由来の還元剤として、尿素水溶液を用いるものとする。なお、尿素水溶液が還元剤として用いられる場合は、尿素水溶液が加水分解して生成されるアンモニア（ＮＨ３）の一部が選択還元型触媒をすり抜ける場合がある。そのため、触媒ケーシング３は、選択還元型触媒３０の下流にアンモニア酸化触媒３１を収容してもよい。アンモニア酸化触媒３１が選択還元型触媒３０の下流に配置された場合は、選択還元型触媒３０をすり抜けたアンモニア（ＮＨ３）がアンモニア酸化触媒３１によって酸化される。その結果、アンモニア（ＮＨ３）が大気中に排出される事態を回避することができる。
還元剤添加弁４と触媒ケーシング３の間に位置する排気通路２には、分散部材５が配置される。分散部材５は、還元剤添加弁４から噴射された還元剤のうち、相対的に粒子径が小さな微粒還元剤と衝突せず、且つ相対的に粒子径が大きな粗大還元剤と衝突する部材である。
ここでいう「粗大還元剤」は、選択還元型触媒３０をすり抜ける慣性力を持ち得る大きさ（粒径）の還元剤、排気と均質に混合せずに排気中を貫徹し得る大きさの還元剤、或いは還元剤添加弁４から選択還元型触媒３０に到達するまでに気化しきれない（加水分解されない）大きさの還元剤である。一方、「微粒還元剤」は、前記粗大還元剤より粒径の小さな還元剤であり、還元剤添加弁４から選択還元型触媒３０へ到達するまでに加水分解され得る大きさの還元剤である。
分散部材５は、還元剤添加弁４から噴射された粗大還元剤の飛行経路上に配置される。たとえば、還元剤添加弁４がフルコーン状（円錐状）或いはホローコーン状（中空円錐状）の噴霧を形成する噴射弁である場合は、図２に示すように、円錐状の噴霧（図２中のＳ）の周縁部（図２中のＡ）に粗大還元剤が集まり易い。そこで、本実施例の分散部材５は、図３に示すように、中心部分が開口した環状の板材により構成されるようにした。その際、分散部材５は、複数の支軸５０により排気通路２内に固定される。
ここで、分散部材５が還元剤添加弁４から離れた位置に配置されると、円錐状の噴霧の外径が大きくなるため、分散部材５の外径を大きくする必要がある。分散部材５の外径が大きくなると、排気抵抗が大きくなる。よって、分散部材５は、可能な限り還元剤添加弁４に近い位置に配置されることが好ましい。分散部材５が還元剤添加弁４の近傍に配置されると、分散部材５の外径を小さく抑えることができる。その結果、分散部材５に起因した排気抵抗の増加を少なく抑えることができる。
このように構成された分散部材５によれば、図４に示すように、還元剤添加弁４から噴射された還元剤のうち、粗大還元剤（図４中のＡ）は分散部材５に衝突し、微粒還元剤（図４中のＢ）は分散部材５の中空部分を通過する。つまり、還元剤添加弁４から噴射された還元剤のうち、粗大還元剤のみが分散部材５と衝突することになる。
粗大還元剤が分散部材５に衝突すると、粗大還元剤が微粒化される。微粒化された粗大還元剤は、排気中に分散する。一方、微粒還元剤は、粒子径が小さく且つ質量が少ないため、分散部材５に衝突しなくても、排気と均質に混合される。その結果、還元剤添加弁４から噴射された還元剤の略全てが排気と均質に混合される。
また、分散部材５の大きさ（排気の流れ方向における前面投影面積）は、還元剤添加弁４から噴射された還元剤の全てが衝突する場合より小さくなる。よって、分散部材５の配置による排気抵抗の増加を少なく抑えつつ、還元剤の微粒化及び分散性の向上を図ることができる。
本実施例では、分散部材５として環状の板材を用いる例について述べたが、図５に示すように、複数の貫通孔５１が設けられた環状の板材を用いてもよい。その際、貫通孔５１の径が粗大還元剤の粒径より小さく形成されると、分散部材５との衝突により微粒化された還元剤や排気の一部が貫通孔５１を通過するため、分散部材５に起因した排気抵抗を一層小さくすることができる。
分散部材５として環状の板材を用いる場合に、上流側の表面に凹凸を設けるようにしてもよい。その場合、分散部材５に付着した液相の還元剤が気化しやすくなる。分散部材５の表面に凹凸を設ける方法としては、図６に示すように、断面波形の板材を環状に成形する方法を用いることができる。なお、還元剤添加弁４として、還元剤を螺旋状に旋回させながら噴射するスワールインジェクタが用いられる場合に、分散部材５の表面に凹凸が設けられていると、粗大還元剤が分散部材５に衝突した際の微粒化が促進される。
また、分散部材５としては、図７に示すように、筒状体５２の内周面に複数の板材（羽根）５３が螺旋状に配置された部材を用いることもできる。その際、複数の羽根５３は、相互に接触しないように配置される。このような分散部材５によれば、分散部材５の羽根に衝突した粗大還元剤及び排気が螺旋状に旋回する。その結果、羽根に衝突して微粒化された還元剤と排気との混合が促進される。さらに、複数の羽根５３が隙間を介して配置されるため、分散部材５に起因した排気抵抗の増加をより少なく抑えることもできる。
分散部材５としては、図８に示すように、環状の板材がテーパ状に成形されたものを用いることもできる。その際、板材の径方向内側の部位は、径方向外側の部位に比べ、排気流れ方向の下流側へ位置するものとする。このような構成によれば、分散部材５と排気との衝突角度が直角より小さくため、分散部材５に起因した排気抵抗の増加を一層少なく抑えることができる。
分散部材５としては、図９に示すように、筒状体の上流側端部が径方向外側へ突出した部材を用いることもできる。その場合、分散部材５を迂回した排気が図９中の矢印で示すようなバックステップ流を生成するため、排気と還元剤の攪拌が促進される。その結果、排気と還元剤が均質に混合される。
なお、還元剤添加弁４として、複数の噴孔が環状に配置されたマルチホール型の噴射弁が用いられる場合は、図１０に示すように、各噴孔から噴射された還元剤がフルコーン状（円錐状）或いはホローコーン状（中空円錐状）の噴霧を形成する。そこで、還元剤添加弁４としてマルチホール型の噴射弁が用いられる場合は、分散部材５として、図１１に示すような構成を採用してもよい。図１１に示す分散部材５は、環状体５４の内周面に複数の板材５５が設けられた部材である。各板材５５は、還元剤添加弁４の各噴孔２２から噴射された還元剤の飛行経路上に配置されるものとする。さらに、各板材５５において、微粒還元剤の飛行経路と重複する部位には貫通孔５６が形成されている。このような分散部材５によれば、各噴孔２２から噴射された還元剤のうち、粗大還元剤のみを板材５５に衝突させることができる。その結果、分散部材５に起因した排気抵抗の増加を少なく抑えつつ、粗大還元剤の微粒化や分散性の向上を図ることが可能となる。なお、図１１に示す例は、分散部材５が４枚の板材５５を備えているが、板材５５は３枚以下であってもよく、或いは５枚以上であってもよい。要は、還元剤添加弁４の噴孔の個数と同数の板材を備えていればよい。
また、還元剤添加弁４として断面矩形の噴孔を有するスリット型の噴射弁が用いられる場合は、図１２に示すように、還元剤添加弁４から噴射された還元剤が扇状の噴霧を形成する。その際、粗大還元剤は、扇状の噴霧の両端（図１２中のＡ）に集まり易い。そこで、還元剤添加弁４としてスリット型の噴射弁が用いられる場合は、分散部材５として、図１３に示すような構成を採用してもよい。図１３に示す分散部材５は、環状体５４の内周面の対向する２箇所に板材５７が設けられた部材である。このような分散部材５によれば、還元剤添加弁４から噴射された還元剤のうち、粗大還元剤のみを板材５７に衝突させることができる。その結果、分散部材５に起因した排気抵抗の増加を少なく抑えつつ、粗大還元剤の微粒化や拡散性の向上を図ることができる。
なお、本実施例では、還元剤添加弁４の軸方向が排気の流れ方向と平行となるように還元剤添加弁４が配置される例に述べたが、図１４に示すように、還元剤添加弁４の軸方向が排気の流れ方向と斜めに交差するように還元剤添加弁４が配置されてもよい。その場合、分散部材５は、図１４に示すように、粗大還元剤（図１４中のＡ）の飛行経路上であって、排気の流れ方向に対して垂直に配置されてもよい。また、分散部材５は、図１５に示すように、粗大還元剤（図１５中のＡ）の飛行経路上であって、排気の流れ方向に対して斜めに被配置されてもよい。要するに、分散部材５は、粗大還元剤の飛行経路上であれば如何様に配置されてもよい。
＜実施例２＞
次に、本発明に係わる内燃機関の排気浄化装置の第２の実施例について図１６乃至図２１に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
次に、本発明に係わる内燃機関の排気浄化装置の第２の実施例について図１６乃至図２１に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
前述した第１の実施例と本実施例との相違点は、還元剤添加弁４から噴射された粗大還元剤を分散部材５に複数回衝突させる点にある。
図１６は、本実施例における分散部材５の構成を示す図である。図１６において、分散部材５は、筒状体５８と、筒状体５８の下流側端部から径方向内側へ突出した環状の突出部５９と、を備えている。筒状体５８と突出部５９は、還元剤添加弁４から噴射された粗大還元剤の飛行経路上に配置される。
このように構成された分散部材５によれば、粗大還元剤が筒状体５８の内壁面に衝突した後に突出部５９の内壁面に衝突したり、突出部５９の内壁面に衝突した後に筒状体５８の内壁面に衝突したりする。その結果、粗大還元剤の微粒化が一層促進される。さらに、粗大還元剤が筒状体５８及び突出部５９に囲まれた空間に滞留するため、粗大還元剤の気化や加水分解を促進させることができるとともに、排気との混合を促進させることもできる。
なお、図１６に示す例では、突出部５９が筒状体５８に対して垂直（排気通路２の径方向と平行）に突出しているが、図１７に示すように、排気の流れ方向の上流側へ傾斜しつつ突出するようにしてもよい。このような構成によれば、粗大還元剤が筒状体５８の内壁面及び突出部５９の内壁面の双方とより確実に衝突するとともに、筒状体５８及び突出部５９に囲まれた空間に滞留しやすくなる。よって、粗大還元剤の微粒化が一層促進されるとともに、気化及び加水分解が一層促進される。また、突出部５９は、筒状体５８の下流側端部から径方向外側へ突出してもよい。
また、本実施例では、還元剤添加弁４の軸方向が排気の流れ方向と平行となるように還元剤添加弁４が配置される例について述べたが、図１８に示すように、還元剤添加弁４の軸方向が排気の流れ方向と垂直となるように配置されてもよい。
その場合、分散部材５は、排気通路２の径方向に配列された複数の衝突材５００を備えるようにしてもよい。各衝突材５００は、図１９に示すように、複数の貫通孔５０１が設けられた板材で構成される。各衝突材に５００において、粗大還元剤の飛行経路と重複する部位５０２には貫通孔５０１が設けられないものとする（以下、部位５０２を「非貫通部５０２」と称する）。
図１９に示した構成によれば、還元剤添加弁４から噴射された還元剤のうち、微粒還元剤は衝突材５００の貫通孔を通過し、粗大還元剤は複数の衝突材５００の非貫通部５０２に複数回に亘って衝突する。その結果、粗大還元剤の微粒化及び分散性の向上を図ることができるとともに、排気通路２の径方向における還元剤の濃度分布を均一にすることもできる。
なお、複数の衝突材５００は、図２０に示すように、粗大還元剤の飛行経路上のみに配置されるようにしてもよい。その際、各衝突材５００としては、平板、筒状体、或いは半筒状体を環状に成形した部材を用いることができる。このような構成によれば、粗大還元剤を複数の衝突材５００と衝突させることができる。
また、図１８に示す配置例において、還元剤添加弁４がスリット型の噴射弁である場合は、分散部材５は、図２１に示すように、複数の貫通孔５０１が設けられた板状の衝突材５００であって、扇状の噴霧の両端に対応した位置に非貫通部５０２が形成された部材であってもよい。
１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 触媒ケーシング
４ 還元剤添加弁
５ 分散部材
２２ 各噴孔
３０ 選択還元型触媒
３１ アンモニア酸化触媒
４０ ポンプ
４１ 還元剤タンク
５０ 支軸
５１ 貫通孔
５２ 筒体
５３ 羽根
５４ 環状体
５５ 板材
５６ 貫通孔
５７ 板材
５８ 筒状体
５９ 突出部
５００ 衝突材
５０１ 貫通孔
５０２ 非貫通部
２ 排気通路
３ 触媒ケーシング
４ 還元剤添加弁
５ 分散部材
２２ 各噴孔
３０ 選択還元型触媒
３１ アンモニア酸化触媒
４０ ポンプ
４１ 還元剤タンク
５０ 支軸
５１ 貫通孔
５２ 筒体
５３ 羽根
５４ 環状体
５５ 板材
５６ 貫通孔
５７ 板材
５８ 筒状体
５９ 突出部
５００ 衝突材
５０１ 貫通孔
５０２ 非貫通部
Claims (5)
- 内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用触媒と、
前記排気浄化用触媒より上流を流れる排気へ還元剤を添加するための噴射弁であって、円錐状の噴霧を形成する還元剤添加弁と、
前記還元剤添加弁から噴射される円錐状の噴霧の周縁部が衝突し、且つ前記円錐状の噴霧の中心部を貫通させる環状の部材である分散部材と、
を備える内燃機関の排気浄化装置。 - 請求項１において、前記分散部材は、筒状体の一方の端面に径方向へ延在する突出部が形成された部材である内燃機関の排気浄化装置。
- 請求項１において、前記分散部材は、環状に形成された板材である内燃機関の排気浄化装置。
- 請求項３において、前記板材の表面には、凹凸が形成される内燃機関の排気浄化装置。
- 請求項３において、前記板材には、複数の貫通孔が設けられる内燃機関の排気浄化装置。
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