JP6623733B2

JP6623733B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP6623733B2
Application number: JP2015242718A
Authority: JP
Inventors: 晶士 ▲高▼橋; 亮二加藤; 川島　一仁; 川島　　一仁
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: JP2017106426A

Description

本発明は、車両の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を低減させるため、選択還元触媒システムが開発されている。これは、一酸化窒素（ＮＯ）や炭化水素（ＨＣ）等を酸化するための酸化触媒と、酸化触媒の下流側に設けられ尿素水から生成したアンモニアとＮＯｘとの化学反応によりＮＯｘを窒素と水とに分解させるための選択還元触媒と、選択還元触媒に還元剤である尿素水を添加させる還元剤添加手段としての尿素水添加手段とを有している。

このような排気浄化装置では、尿素水添加手段から放出された尿素水が排気中で十分に分散され、選択還元触媒においてアンモニアが一様に分散することが浄化効率向上のためには望ましい。そこで、放出された尿素水を排気中に十分に分散させるべく、選択還元触媒の上流側に分散部材を設ける技術が知られている（例えば「特許文献１」参照）。この技術では、分散部材として少なくとも一部が粉末合金から構成されたものを使用しており、これにより粉末合金部分に存在する複数の細孔を通って排気ガスの一部が通過するので、排気の圧力損失の上昇を抑えつつ排気の浄化効率を向上できる、とされている。

特開２０１４−２３４７１５号公報

上記技術に開示された分散部材は排気が通過する隙間が少なく閉塞度が高く構成されている。このため、尿素水が衝突しても隙間が少ないことから尿素水と排気とが混ざりにくく、混合が難しいという問題点があると共に、背圧が上昇するためにエンジンへの空気の入りが悪化してエンジンの最高出力が低下するという問題点がある。また、尿素水添加手段から分散部材までの距離が短いと尿素水の分散がうまくいかず、さらに分散部材から選択還元触媒までの距離が短いと尿素水と排気との混合がうまくいかないことから、尿素水添加手段から選択還元触媒までの距離を長く取る必要があった。しかし、車両のレイアウト上においてこの距離を長く取ることが難しいと共に、上述した背圧が上昇してしまうという問題点がある。
本発明は上述の問題点を解決し、還元剤と排気とを良好に混合することが可能な排気浄化装置の提供を目的とする。

請求項１記載の発明は、排気通路に配置されて内燃機関の排気を浄化する選択還元触媒と、前記選択還元触媒の上流側の前記排気通路に配置されて前記排気に還元剤を添加する還元剤添加手段とを備える排気浄化装置において、前記還元剤添加手段と前記選択還元触媒との間の前記排気通路に配置される分散板を備え、前記分散板は還元剤を分散させる分散部材を一方向に複数並設することにより構成され、前記分散部材は複数の繊維状部材を束ねて構成されており、前記分散板は毛細管現象により前記還元剤を分散させることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の排気浄化装置において、さらに前記分散部材はその断面形状が翼形状であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の排気浄化装置において、さらに前記分散部材はその厚みが中央から両側端部に向かうに連れて徐々に薄くなるように形成されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から３までの何れか一つに記載の排気浄化装置において、さらに前記分散部材は前記繊維状部材の密度が中央から両側端部に向かうに連れて徐々に密となるように形成されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１から４までの何れか一つに記載の排気浄化装置において、さらに前記分散部材は前記繊維状部材の直径が中央から両側端部に向かうに連れて徐々に細くなるように形成されていることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１から５までの何れか一つに記載の排気浄化装置において、さらに前記分散部材は前記繊維状部材としてそれぞれ直径が異なる複数種のものが用いられることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１から６までの何れか一つに記載の排気浄化装置において、さらに前記分散板が複数用いられ、複数の前記分散板は前記分散部材の配設方向がそれぞれ異なるように配置されることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１から７までの何れか一つに記載の排気浄化装置において、さらに前記分散板は前記排気通路の径が広がった拡径部に配設されていることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項８記載の排気浄化装置において、さらに前記選択還元触媒は前記拡径部の下流側に配設されていることを特徴とする。

本発明によれば、還元剤と排気とを一様に分散混合した状態で選択還元触媒に送り込むことができるので、排気の浄化効率を確実に向上することができる。また、分散板における排気の通過領域が大きいので、背圧の上昇を防止することができエンジン出力の低下を防止することができる。

本発明の一実施形態を適用可能な内燃機関及び排気浄化装置の概略図である。本発明の第１の実施形態に用いられる分散板を説明する概略図である。本発明の第２の実施形態に用いられる分散板を説明する概略図である。本発明の第３の実施形態に用いられる分散部材を説明する概略図である。本発明の第５の実施形態に用いられる分散部材を説明する概略図である。

図１は、本発明の一実施形態を示す車両の排気浄化装置を示している。同図において符号１は車両の内燃機関であるディーゼルエンジンを示しており、その排気口１ａには排気管を介して排気浄化装置２が接続されている。

排気浄化装置２は、排気通路である排気管３を介してディーゼルエンジン１に接続された酸化触媒４及びＤＰＦ触媒５と、その排気排出方向下流側に排気通路である排気管６を介して配設された選択還元触媒７と、選択還元触媒７の直前に配設された分散板８と、排気管６内の分散板８よりも排気排出方向上流側に配設され排気管６内を通過する排気に対して還元剤としての尿素水を添加する還元剤添加手段としての尿素水添加手段９とを有している。なお、図１中に破線で示した符号１０は、従来用いられている分散板の配設位置を示している。

図１に示した構成により、ディーゼルエンジン１の排気口１ａから排出された排気は、排気管３を介して酸化触媒４に送られる。酸化触媒４は、例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、排気中のＮＯをＮＯ_２に転換する作用と、排気中のＨＣやＣＯ等の有害成分を酸化させる作用とを有している。ＮＯ_２はＮＯよりも酸化作用が強く、ＮＯ_２によって図示しないフィルタ装置に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進される。図示しないフィルタ装置は排気中の粒子状物質を捕獲するフィルタ装置であり、捕獲された粒子状物質はＮＯ_２の強力な酸化作用で燃焼除去される。その後、排気はＤＰＦ触媒５を通過することにより、成分中のパティキュレートマター（ＰＭ）がＤＰＦ触媒５によって捕捉される。

次に、図示しない制御手段からの指令に基づいて尿素水添加手段９が作動を開始し、ＤＰＦ触媒５を通過して排気管６内に進入した排気に対して尿素水１１が添加される。従来の技術では、添加された尿素水は分散板１０を通過した後に選択還元触媒７に進入する。排気が分散板１０を通過して選択還元触媒７に進入するとき、供給された尿素水１１は排気中に分散されると共に排気の熱によって加水分解されてアンモニアとＣＯ_２となる。そして、選択還元触媒７において生成されたアンモニアと排気中のＮＯｘとが反応し、窒素及び水に化学変化する。このようにしてＮＯｘが浄化された排気は大気中へと放散される。

上述の動作中、添加された尿素水１１が排気に対して十分に分散混合されないとＮＯｘの浄化が促進されないという問題点がある。そのため従来の分散板１０では、尿素水添加手段９から添加された尿素水１１が十分に分散されるように、尿素水添加手段９からの距離が３００ｍｍ程度は必要であった。また、分散板１０を通過した尿素水１１が十分に排気と混合すべく、分散板１０から選択還元触媒７までの距離が３００ｍｍ程度必要であった。これにより、排気浄化装置が大型化してしまうと共に、レイアウトによっては大幅な設計変更を要するという問題点があった。

本発明は上述の問題点を解決するものであり、本発明の第１の実施形態で示す分散板８は、選択還元触媒７の直前の位置であって排気管６の管径が拡大している拡径部に配設されている。
分散板８は、図２（ａ）に示すように排気管６と同じ材質、例えばステンレスによって形成され、排気管６の拡径部と同じ外径を有する円形状を呈する枠体８ａと、図２（ｂ）に示すように異方性耐熱材料からなる繊維状部材８ｂを束ねて構成され、その両端を枠体８ａに固定された複数の分散部材８ｃとによって構成されている。繊維状部材８ｂとしては、ステンレス、炭化ケイ素、アルミナ、チタン酸アルミ等の材質からなるワイヤが用いられる。分散板８は、排気管６の形状にかかわらず、添加された尿素水１１の中心部がその中心部に衝突するように排気管６内に配置される。

上述の構成により、尿素水添加手段９から添加された尿素水１１は分散板８の中央部に衝突するが、衝突した尿素水１１は分散部材８ｃを構成する繊維状部材８ｂ間の隙間に入り込み、毛細管現象によって各分散部材８ｃの両端方向へと運ばれる。そして、各分散部材８ｃの両端方向へと運ばれた尿素水１１は、端部に位置する枠体８ａに到達する前にしたたり落ち、分散板８を通過する排気に乗って分散される。これにより尿素水１１の分散を良好に行うことができると共に、尿素水１１及び排気が通過する領域を拡大することができ、背圧の上昇を防止することができる。また、分散部材８ｃとして図２（ｂ）に示すように断面形状が翼形状のものを用いることにより、排気が通過し易くなり背圧の上昇をより一層防止することができる。

また、上述の構成では分散板８の中央部に衝突した尿素水１１が周辺部へと運ばれるため分散板８の中央部を通過する尿素水１１の量が減少するが、分散板８を通過した排気は周辺部から中央部に向けて渦状に回り込む挙動を示すため、周辺部に分散された尿素水１１が排気と混合されつつ中心部にも流通することとなり、尿素水１１と排気とが一様に分散混合された状態で選択還元触媒７に進入することとなる。

本発明によれば、尿素水１１と排気とを一様に分散混合した状態で選択還元触媒７に送り込むことができるので、排気の浄化効率を確実に向上することができる。また、分散板８における排気の通過領域が従来の分散部材に比して大きいので、従来の構成に比して背圧の上昇を防止することができエンジン出力の低下を防止することができる。また、エンジンの最高出力を得る場合に背圧が落ちると出力が上がり、馬力が上がって通過ガス量が多くなることにより排気の乱流が生まれ易くなるので、尿素水１１の分散性が向上する。

さらに、分散板８を排気管６の拡径部に配置することにより、排気の通過領域を最大とすることができると共に背圧の上昇を防止することができる。加えて、分散板８を選択還元触媒７の直前に配設することにより、排気が高温の状態で選択還元触媒７に進入するので化学反応のタイミングを早めることができ、浄化効率を向上することができる。従って、分散板８を排気管６の拡径部に配置し、拡径部の下流側に選択還元触媒７を配置することにより、本発明の作用効果を最大限に得ることができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に用いられる分散板を示している。この分散板１２は、枠体８ａと同材質及び同形状に形成された枠体１２ａと、繊維状部材８ｂと同様の繊維状部材を束ねて構成され、その両端を枠体１２ａに固定された複数の分散部材１２ｂとによって構成されている。ここで複数の分散部材１２ｂは、その厚みすなわち図３における横幅が中央部において一番厚くなり、両側端部に向かうに連れて徐々に薄くなるように形成されている。

尿素水添加手段９から添加された尿素水１１は排気管６の中央に多く分布し、中央部の分散部材１２ｂには尿素水１１が多量に付着するため尿素水１１は分散部材１２ｂの端部方向に浸透し易いことから、中央部の分散部材１２ｂの厚みを厚くしている。また、分散板１２の両側端部では尿素水１１が微量しか付着しないため、両側端部に向かうに連れて分散部材１２ｂの厚みを徐々に薄くしている。この構成により、尿素水１１の分散をより一層良好に行うことができる。

次に、本発明の第３の実施形態を説明する。この第３の実施形態では、分散部材として、中央部に位置するものは図２（ｂ）に示す直径の太い繊維状部材８ｂからなる分散部材８ｃを用い、両側端部に位置するものは図４に示す直径の細い繊維状部材８ｄからなる分散部材８ｅを用いて、分散部材８ｃから分散部材８ｅの間に配置される分散部材は中央部から両側端部に向かうに連れて直径が徐々に細くなるように形成されたものを用いる構成とする。

上述のように中央部の分散部材には尿素水１１が多量に付着するため尿素水１１は分散部材の端部方向に浸透し易いことから、中央部の分散部材では繊維状部材として毛細管現象による搬送力が小さくてもすむために直径の太い繊維状部材８ｂを用いている。また、分散板の両側端部では尿素水１１が微量しか付着しないため、両側端部に向かうに連れて分散部材として毛細管現象による搬送力が必要であることから繊維状部材の直径が徐々に細くなるものを用いている。この構成により、第２の実施形態と同様に尿素水１１の分散をより一層良好に行うことができる。

次に、本発明の第４の実施形態を説明する。この第４の実施形態では、分散部材として、中央部に位置するものは繊維状部材の密度が低いものを用い、両側端部に位置するものは繊維状部材の密度が高いものを用いて、中央部から両側端部に向かうに連れて密度が徐々に高くなるように形成された繊維状部材を用いた分散部材を用いる構成とする。この構成により、第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

次に、本発明の第５の実施形態を説明する。この第５の実施形態は、上述した第１から第４までの実施形態と比較すると、各分散部材８ｃ，８ｅ，１２ｂに代えて図５に示す分散部材１３を用いる点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。
分散部材１３は、それぞれ直径が異なる複数種の繊維状部材１３ａによって構成されており、繊維所部材１３ａは排気方向上流側から下流側に向かうに連れて直径が徐々に細くなる様に構成されている。
この構成により、各実施形態の作用効果に加え、さらに排気の流通が良好となり背圧を低減することができる。

上記各実施形態では、それぞれ分散板８，１２を１枚のみ用いる構成を示したが、分散板は２枚以上用いてもよい。分散板を複数枚用いる場合には、その分散部材の方向（図２（ａ）に示す分散部材８では上下方向）が互いにずれるように配置することが望ましい。例えば分散板をｎ枚用いる場合には、互いの分散部材の方向が１８０／ｎ度ずれるように配置することが望ましい。分散板を２枚重ねる場合は、１枚目と２枚目との間隔を少し設け、１枚目の分散板を通過した排気の乱流が収まってから排気が２枚目に入るように構成するとよい。
分散板を複数枚重ねることにより尿素水の分散を細かく行うことができるが、分散板を重ねすぎると排気が通過しにくくなって背圧が上昇してしまうことから、用いる分散板の枚数は２枚までとすることが望ましい。

上記実施形態では、分散板８を尿素水添加手段９から所定距離離した状態を示したが、分散板８を尿素水添加手段９の直下流位置に配設しても同様の作用効果を得ることができる。これにより、排気浄化装置の小型化を図ることができ、設計上のレイアウトを広げることができる。また、繊維状部材を構成する材質による尿素水１１の輸送量の相違は見られないが、材質の濡れ性（親水性、疎水性）は輸送量に関係がある。このため、繊維状部材として表面処理を行ったものを用いることも可能である。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。本発明の実施の形態に記載された効果は本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１・・・内燃機関（ディーゼルエンジン）、２・・・排気浄化装置、３，６・・・排気通路（排気管）、７・・・選択還元触媒、８，１２・・・分散板、８ｂ，８ｄ，１３ａ・・・繊維状部材、８ｃ，８ｅ，１２ｂ，１３・・・分散部材、９・・・還元剤添加手段（尿素水添加手段）、１１・・・還元剤（尿素水）

Claims

排気通路に配置されて内燃機関の排気を浄化する選択還元触媒と、前記選択還元触媒の上流側の前記排気通路に配置されて前記排気に還元剤を添加する還元剤添加手段とを備える排気浄化装置において、
前記還元剤添加手段と前記選択還元触媒との間の前記排気通路に配置される分散板を備え、前記分散板は還元剤を分散させる分散部材を一方向に複数並設することにより構成され、前記分散部材は複数の繊維状部材を束ねて構成されており、
前記分散板は毛細管現象により前記還元剤を分散させることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１に記載の排気浄化装置において、
前記分散部材はその断面形状が翼形状であることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１または２に記載の排気浄化装置において、
前記分散部材はその厚みが中央から両端部側に向かうに連れて徐々に薄くなるように形成されていることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１から３までの何れか一つに記載の排気浄化装置において、
前記分散部材は前記繊維状部材の密度が中央から両端部側に向かうに連れて徐々に密となるように形成されていることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１から４までの何れか一つに記載の排気浄化装置において、
前記分散部材は前記繊維状部材の直径が中央から両端部側に向かうに連れて徐々に細くなるように形成されていることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１から５までの何れか一つに記載の排気浄化装置において、
前記分散部材は前記繊維状部材としてそれぞれ直径が異なる複数種のものが用いられることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１から６までの何れか一つに記載の排気浄化装置において、
前記分散板が複数用いられ、複数の前記分散板は前記分散部材の配設方向がそれぞれ異なるように配置されることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１から７までの何れか一つに記載の排気浄化装置において、
前記分散板は前記排気通路の径が広がった拡径部に配設されていることを特徴とする排気浄化装置。
請求項８記載の排気浄化装置において、
前記選択還元触媒は前記拡径部の下流側に配設されていることを特徴とする排気浄化装置。