JPWO2013179435A1 - 排気管の耐久性向上方法及び排気浄化装置 - Google Patents

排気管の耐久性向上方法及び排気浄化装置 Download PDF

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Abstract

尿素水溶液から生成されるアンモニアの供給を受けて、窒素酸化物を選択的に還元浄化する排気浄化装置などにおいて、アンモニア及び水素を含む排気が通過する、フェライト系ステンレス鋼板からなる排気管の溶接部に、ショットピーニング処理を施す。そして、排気管の溶接部にショットピーニング処理を施すことで、排気管の溶接部の引張残留応力を圧縮残留応力に変えると共に、溶接部の金属結晶粒径を小さくし、排気管の耐久性を向上させる。

Description

本発明は、排気管の耐久性向上方法及び排気浄化装置に関する。
エンジン排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する触媒浄化システムとして、特開２００５−２２６５２８号公報（特許文献１）に記載された排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置は、排気管に配設されたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた尿素水溶液を噴射供給することで、ＳＣＲ触媒においてＮＯｘと尿素水溶液から生成されるアンモニアとを選択的に還元反応させ、ＮＯｘを無害成分に浄化する。
特開２００５−２２６５２８号公報
ところで、エンジンの排気管の少なくとも一部は、加工性及び溶接性に優れた、ＳＵＳ４３６Ｌなどのフェライト系ステンレス鋼板から形成されることがある。この場合、フェライト系ステンレス鋼板をパイプ状に成形し、その端部を突き合わせ溶接することで、排気管が作り上げられる。
エンジンの排気管に噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気を使用した加水分解により、金属に対する腐食性を有するアンモニア及び水素などを生成する。また、排気管の溶接部は、溶接により引張応力が残留し、応力割れが発生し易くなると共に、溶接熱により表面の金属結晶粒径が大きくなり、腐食成分に対する感受性が鋭敏化してしまう。
このため、排気管の溶接部は、応力割れが発生し易い環境に晒されると共に、引張残留応力及び腐食成分に対する感受性の鋭敏化の相乗効果によって、耐久性が低下するおそれがあった。
そこで、本発明は、排気管の溶接部の耐久性を向上させることができる、排気管の耐久性向上方法及び排気浄化装置を提供することを目的とする。
アンモニア及び水素を含む排気が通過する、フェライト系ステンレス鋼板からなる排気管の溶接部に、ショットピーニング処理を施す。
排気管の溶接部の引張残留応力が圧縮残留応力に変わると共に、溶接部の金属結晶粒径が小さくなるので、排気管の耐久性を向上させることができる。
排気浄化装置の平面図である。 排気浄化装置の斜視図である。 排気浄化装置の内部の説明図である。 内管及び外管からなる二重管構造を有する排気管の断面図である。 溶接部の耐久性が低下する条件の説明図である。 溶接部にショットピーニング処理を施す方法の説明図である。 ショットピーニング処理の鋼球直径と圧縮残留応力との相関図である。 排気浄化装置の他の例の説明図である。
以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図１〜図３は、排気浄化装置の一例を示す。
排気浄化装置は、筒形をなす第１の筐体１０と、同じく筒形をなす第２の筐体２０と、第１の筐体１０及び第２の筐体２０の遠端部同士を連通させる連通管３０と、を含んで構成される。第１の筐体１０と第２の筐体２０とは、第１の筐体１０の軸線１０Ａと第２の筐体２０の軸線２０Ａとが略平行（見た目で平行という程度でよい。以下同様。）となるように、互いに並べて近接配置される。そして、連通管３０の軸線３０Ａが第１の筐体１０の軸線１０Ａ及び第２の筐体２０の軸線２０Ａと略平行になるように、連通管３０が配置される。ここで、第１の筐体１０、第２の筐体２０及び連通管３０は、エンジンの排気管の一部に該当する。また、第１の筐体１０、第２の筐体２０及び連通管３０は、加工性及び溶接性に優れた、ＳＵＳ４３６Ｌなどのフェライト系ステンレス鋼板から形成されている。
第１の筐体１０では、排気上流端部に流入口１２が形成され、排気下流端部に排出口１４が形成される。本実施形態の場合、流入口１２は排気上流端部の端面に形成され、排出口１４は排気下流端部の側面に形成される。そして、流入口１２と排出口１４との間には、少なくともＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ2（二酸化窒素）へと酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）１６と、ＰＭ（Particulate Matter）を捕集・除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter、以下「ＤＰＦ」という。）１８と、がＤＯＣ１６を排気上流側に配置して収納される。
第２の筐体２０では、排気上流端部に流入口２２が形成され、排気下流端部に排出口２４が形成される。本実施形態の場合、流入口２２及び排出口２４の両方とも、第２の筐体２０の端部側面に形成される。そして、流入口２２と排出口２４との間には、還元剤としてのアンモニアの供給を受けてＮＯｘを選択的に還元浄化するＳＣＲ触媒２６（選択還元触媒）と、ＳＣＲ触媒２６を通過したアンモニア及び水素を酸化させる酸化触媒２８と、がＳＣＲ触媒２６を排気上流側に配置して収納される。
連通管３０は、第１の筐体１０及び第２の筐体２０の遠端部同士、要するに、互いに反対側に位置する遠い方の端部である、第１の筐体１０の排気下流端部の排出口１４と、第２の筐体２０の排気上流端部の流入口２２と、を連通させる。従って、エンジンの排気は、流入口１２から第１の筐体１０に流入し、ＤＯＣ１６及びＤＰＦ１８を通過して排出口１４から連通管３０の中へと入る。そして、連通管３０の中へと入った排気は、連通管３０を経て流入口２２から第２の筐体２０に流入し、ＳＣＲ触媒２６及び酸化触媒２８を通過して排出口２４から排出される。即ち、第１の筐体１０から連通管３０を経由して第２の筐体２０へと至る排気の通路は、連通管３０により一度折り返されている。
また、連通管３０は、第１の筐体１０の排出口１４と第２の筐体２０の流入口２２との接続のために曲折部分が両端に形成された直線状の直管であって、排出口１４に対する曲折部分に噴射ノズル３２が取り付けられる。そして、噴射ノズル３２は、連通管３０の直線状の管内に向けて尿素水溶液を噴射供給する。これにより、排気中への尿素水溶液の均一拡散に必要な直線長さが確保されている。なお、尿素水溶液の均一拡散を促進するために、例えば、連通管３０に網目部材など公知の拡散部材を設置してもよい。
かかる排気浄化装置において、エンジンから排出された排気は、ＤＯＣ１６により一部のＮＯがＮＯ2へと酸化されつつ、ＤＰＦ１８へと流れる。ＤＰＦ１８では、排気中のＰＭが捕集・除去されると共に、ＤＯＣ１６により生成されたＮＯ2を使用してＰＭが酸化されることで、ＤＰＦ１８の再生処理が行われる。
また、エンジン運転状態に応じた流量で噴射ノズル３２から噴射された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気を使用して加水分解され、アンモニア及び水素などに転化される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒２６において排気中のＮＯｘと選択的に還元反応し、無害成分であるＨ2Ｏ（水）及びＮ2（窒素ガス）へと浄化されることは知られたことである。一方、ＳＣＲ触媒２６を通過したアンモニア及び水素は、その排気下流に配設された酸化触媒２８により酸化されるので、アンモニア及び水素がそのまま大気中に放出されることを抑制できる。
さらに、第１の筐体１０と第２の筐体２０とを近接させて並列に配置したため、排気浄化装置のシルエットは角型マフラー並みのコンパクトサイズとなっている。また、第１の筐体１０及び第２の筐体２０の遠端部同士を連通管３０で連通させたため、尿素水溶液の均一拡散に必要な管長を確保しつつ、第１の筐体１０及び第２の筐体２０のシルエット内に連通管３０を収めることが可能となり、排気上流から下流にかけての長さ方向のサイズを小さくすることに成功している。
連通管３０の曲折部分により挟まれる直線部分、即ち、噴射ノズル３２とＳＣＲ触媒２６との間に位置する排気管の少なくとも一部は、連通管３０の保温性を高め、例えば、噴射ノズル３２から噴射供給された尿素水溶液の加水分解を促進するために、図４に示すように、略同心に配置された内管３４及び外管３６からなる二重管構造をなしている。内管３４及び外管３６は、例えば、ＳＵＳ４３６Ｌなどのフェライト系ステンレス鋼板をパイプ状に成形し、その端部をＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接などで突き合わせ溶接することで作り上げられる。従って、内管３４及び外管３６の溶接部３８は、内管３４及び外管３６の軸方向に沿って延びている。なお、内管３４及び外管３６は、アンモニア及び水素に対する感受性の鋭敏化を抑制すべく、内管３４及び外管３６の内方から溶接し、溶接部３８の粒界が内周面で細かく外周面で粗くなるようにしてもよい。
内管３４及び外管３６の溶接部３８は、溶接により１００ＭＰａ以上の引張応力が残留し、応力割れが発生し易くなっている（応力条件の成立）。また、内管３４及び外管３６の溶接部３８は、溶接時の熱影響により表面の金属結晶粒径が大きくなり、結晶粒界にクロム（Ｃｒ）系炭化物が析出する一方、その周囲のクロム（Ｃｒ）濃度が低下するため、アンモニア及び水素に対する感受性が鋭敏化してしまう（材料条件の成立）。さらに、内管３４と外管３６との間に形成される略円環形状の横断面を有する排気通路は、内管３４の内部空間と比較して排気の流れが緩やかであるため、溶接部３８がアンモニア及び水素に晒される時間が長くなってしまう（環境条件の成立）。このため、内管３４及び外管３６の溶接部３８は、図５に示すように、環境条件、材料条件及び応力条件が共に成立することで、応力腐食割れが発生し易い領域（応力腐食割れ発生領域）に位置するようになり、耐久性が低下するおそれがある。なお、環境条件、材料条件及び応力条件が共に成立しなければ、溶接部３８の耐久性低下はさほど起こらない。
そこで、耐久性低下の原因となっている環境条件、材料条件及び応力条件のうち、材料条件及び応力条件が成立しないようにすべく、内管３４及び外管３６の溶接部３８に、鋼球を使用したショットピーニング処理を施す。即ち、フェライト系ステンレス鋼板をパイプ状に成形して溶接した後、図６に示すように、内管３４及び外管３６の内方から溶接部３８に向けて、ショットピーニング装置４０を管軸方向に移動させながらノズルから鋼球を発射することで、溶接部３８にショットピーニング処理を施す。ここで、ショットピーニング装置４０を移動させる代わりに、内管３４及び外管３６を軸方向に移動させるようにしてもよい。内管３４及び外管３６の溶接部３８にショットピーニング処理を施すと、溶接部３８の引張残留応力が圧縮残留応力に変わり、耐久性低下の原因の１つとなっている応力条件が成立し難くなる。また、内管３４及び外管３６の溶接部３８にショットピーニング処理を施すと、溶接部３８の表面が鋼球に打たれることにより、その金属結晶粒径が小さくなって、耐久性低下の原因の他の１つとなっている材料条件が成立し難くなる。なお、ショットピーニング処理は、内管３４及び外管３６の内面及び外面のうち少なくとも、アンモニア及び水素に晒され易い内面に施すとよい。
従って、内管３４及び外管３６の溶接部３８は、耐久性低下の原因となる材料条件及び引張条件が成立し難くなるため、この溶接部３８がアンモニア及び水素に晒されても、応力腐食割れ発生領域に位置し難くなり、耐久性を向上させることができる。このとき、圧縮残留応力は６００℃になると減少するが、溶接部３８の金属結晶粒径は６００℃でも安定しているため、高温下であっても耐久性低下を抑制することができる。
内管３４及び外管３６の溶接部３８に、内管３４及び外管３６の材質とは異なる金属結晶が混入すると、溶接部３８の表面における金属結晶粒径が大きくなり、アンモニア及び水素に対する感受性が鋭敏化し、材料条件が成立してしまう。そこで、ショットピーニング処理は、内管３４及び外管３６と類似の材質であるステンレス鋼球を使用するとよい。なお、ショットピーニング処理は、ＳＵＳ４３６Ｌなどのフェライト系ステンレス鋼球、要するに、内管３４及び外管３６と同一の材質を使用してもよい。
また、内管３４及び外管３６の溶接部３８に対するショットピーニング処理においては、溶接部３８の表面における金属結晶粒径を小さくして所望の効果を発揮できるようにすべく、直径５０〜３００μｍ（０．０５〜０．３ｍｍ）の鋼球を使用するとよい。即ち、耐久性低下は溶接部３８の表面から生じるため、ショットピーニング処理による耐久性向上の効果は、溶接部３８の最表面における圧縮残留応力に依存する。鋼球の直径と表面からの距離に応じた圧縮残留応力との関係は、フェライト系ステンレス鋼球を０．３ＭＰａ以上の高圧空気，ガスで発射すると、図７に示すようになる。図７を参照すると、鋼球の直径が小さくなるにつれて、圧縮残留応力の最大値が最表面側に移動する一方、鋼球の直径が大きくなるにつれて、最表面は塑性変形により圧縮残留応力が小さくなり、圧縮残留応力の最大値が内部へと移動することが理解できる。従って、鋼球の直径としては、５０〜３００μｍを選定することができる。
なお、ショットピーニング処理で使用する鋼球は、内管３４及び外管３６の溶接部３８の表面における金属結晶粒径が、内管３４及び外管３６の素材の金属結晶粒径と同程度となるように、その直径を適宜選定してもよい。
さらに、連通管３０は、内管３４及び外管３６からなる二重管構造に限らず、一重の管構造であってもよい。この場合にも、耐久性低下の原因となる材料条件及び応力条件が成立し難くなるので、溶接部３８の耐久性を向上させることができる。
排気浄化装置としては、図１〜図３に示す構造のものに限らず、図７に示すように、第１の筐体１０、連通管３０及び第２の筐体２０がこの順番で略直線状に配置された構造であってもよい。また、耐久性を向上させる対象となる排気管は、連通管３０に限らず、アンモニア及び水素に晒される他の部分であってもよい。
１０ 第１の筐体
２０ 第２の筐体
２６ ＳＣＲ触媒
３０ 連通管
３２ 噴射ノズル
３４ 内管
３６ 外管
３８ 溶接部
４０ ショットピーニング装置

Claims (5)

  1. アンモニア及び水素を含む排気が通過する、フェライト系ステンレス鋼板からなる排気管の溶接部に、ショットピーニング処理を施すことを特徴とする、排気管の耐久性向上方法。
  2. 前記ショットピーニング処理は、ステンレス鋼球を使用することを特徴とする、請求項１に記載の排気管の耐久性向上方法。
  3. 前記鋼球は、直径が５０〜３００μｍであることを特徴とする、請求項２に記載の排気管の耐久性向上方法。
  4. 前記ショットピーニング処理は、前記排気管の溶接部の内周面及び外周面のうち少なくとも内周面に施すことを特徴とする、請求項１に記載の排気管の耐久性向上方法。
  5. エンジンの排気管に配設され、尿素水溶液から生成されるアンモニアの供給を受けて、排気中の窒素酸化物を選択還元浄化する選択還元触媒と、
    前記選択還元触媒の排気上流に尿素水溶液を噴射する噴射ノズルと、
    を有し、
    前記噴射ノズルと前記選択還元触媒との間に位置する排気管の少なくとも一部が、溶接部を有するフェライト系ステンレス鋼板からなり、前記排気管の溶接部にショットピーニング処理が施されていること
    を特徴とする排気浄化装置。
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