WO2009119574A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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nox
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combustion engine
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鈴木康子
藤田博昭
平沼智
斎藤真一
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三菱ふそうトラック・バス株式会社
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    • F01N3/035Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters in combination with other devices with catalytic reactors, e.g. catalysed diesel particulate filters
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    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine, and more particularly to an exhaust gas purification device provided with a venturi-shaped mixing chamber upstream of a catalyst device.
  • a casing containing DPF is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine.
  • a vane plate is provided in which a large-diameter portion is disposed on the downstream side of the DPF to generate a swirling flow.
  • the vane plate is provided with a contraction portion that reduces the diameter from the large diameter portion toward the small diameter portion on the downstream side, and a fuel nozzle is disposed therein as an additive injection means.
  • a NOx storage catalyst is disposed as a catalyst device downstream of the small diameter portion.
  • the exhaust gas of the internal combustion engine flows in the order of DPF, large diameter portion, contracted portion, and small diameter portion.
  • NOx in the exhaust gas is occluded, and when the NOx occlusion amount reaches a predetermined value, NOx purge for releasing and reducing NOx from the NOx catalyst is executed.
  • NOx purge the fuel injected from the fuel nozzle is supplied onto the NOx catalyst together with the exhaust gas, and NOx stored in the NOx catalyst is released and reduced by using this fuel as a reducing agent.
  • a swirl flow is generated in the exhaust gas by the vane plate, and the mixing of the fuel into the exhaust gas is promoted.
  • FIG. 4 is a block diagram showing such a conventional exhaust emission control device.
  • a selective reduction type NOx catalyst 16 is disposed as a catalyst device downstream of the DPF 15. Between the DPF 15 and the NOx catalyst 16, the diameter-reduced portion 13 a that is reduced in diameter toward the downstream side passes through the throttle portion 13 b that has the smallest diameter, and the diameter-expanded portion 13 c that increases in diameter toward the downstream side.
  • a continuously formed venturi-shaped mixing chamber 13 is provided.
  • a vane plate 18 that generates a swirling flow is disposed on the upstream side in the reduced diameter portion 13a, and an injection nozzle 19 that injects urea water as an additive injection unit is provided immediately downstream of the vane plate 18. It has been.
  • the exhaust gas flowing through the DPF 15 passes through the vane plate 18 in the reduced diameter portion 13a of the mixing chamber 13 to generate a swirling flow of the exhaust gas, and urea water is injected from the injection nozzle 19 into the exhaust gas.
  • the exhaust gas is well mixed with the urea water while the flow path area is reduced in the process of flowing through the reduced diameter portion 13a.
  • the exhaust gas flows through the throttle portion 13b to the enlarged diameter portion 13c, and in parallel with this, the urea water in the exhaust gas is hydrolyzed by the heat of the exhaust gas, thereby generating ammonia (NH 3 ).
  • the exhaust gas diffuses in the process of flowing through the enlarged diameter portion 13c, and ammonia is distributed and supplied to the inlet of the downstream NOx catalyst 16. Using the ammonia thus supplied, NOx in the exhaust is selectively reduced in the NOx catalyst 16.
  • the exhaust system of the internal combustion engine is routed around the powertrain and traveling equipment mounted on the vehicle body, an exhaust purification device that inevitably forms part of the exhaust system is also installed in the installation space.
  • the DPF 15, the mixing chamber 13, and the NOx catalyst 16 that constitute the exhaust gas purification device need to be arranged in a line in terms of function, so that it is desired to reduce the total length of these components for mounting on the vehicle body. Since the shortening of the DPF 15 and the NOx catalyst 16 directly leads to a decrease in purification performance, the above-mentioned demand is often met by shortening the remaining mixing chamber 13.
  • Such shortening of the mixing chamber 13 means shortening of the reduced diameter portion 13a and the enlarged diameter portion 13c.
  • FIG. 4 shows a prior art exhaust purification device when the reduced diameter portion 13a is shortened
  • FIG. 5 shows a prior art exhaust purification device when the enlarged diameter portion 13c is shortened. Yes.
  • the present invention has been made to solve such problems.
  • the object of the present invention is to sufficiently exhibit the mixing action of the exhaust gas and the additive by the reduced diameter portion of the mixing chamber and the diffusion action of the exhaust gas by the enlarged diameter portion of the mixing chamber even when the mixing chamber is shortened.
  • An object of the present invention is to provide an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
  • an exhaust emission control device in an exhaust passage of an internal combustion engine, a catalyst device for purifying exhaust gas of the internal combustion engine using an additive, and the exhaust gas upstream of the catalyst device.
  • Venturi-shaped mixing chamber formed in the passage and continuously formed from a reduced diameter portion that decreases in diameter toward the downstream side, through a narrowed portion that has the smallest diameter, and an enlarged diameter portion that increases in diameter toward the downstream side
  • a swirling flow generating means disposed upstream of the reduced diameter portion of the mixing chamber and generating a swirling flow of exhaust, and disposed in the vicinity of the upstream side or the downstream side of the swirling flow generating means,
  • Additive injection means for injecting the additive into the exhaust, and a distance a from the swirl flow generating means of the mixing chamber to the throttle portion and a distance b from the throttle portion to the inlet of the catalyst device
  • the ratio a / b is 0.5 to 1. It is set in the range of.
  • the present invention relates to an exhaust gas purification apparatus provided with a selective reduction type NOx catalyst as a catalyst apparatus and provided with an injection nozzle for injecting urea water as an additive injection means, by changing the mixing chamber ratio a / b.
  • a test was conducted to measure the NOx purification rate obtained by the selective reduction type NOx catalyst and the ammonia slip amount that is the amount of ammonia leaking from the selective reduction type NOx catalyst without contributing to the NOx purification.
  • FIG. 2 is a test result showing the NOx purification rate characteristic at this time.
  • the NOx purification rate gradually improves as the ratio a / b increases from around 0.45, and reaches a peak when the ratio a / b becomes around 0.95.
  • the NOx purification rate starts to decrease when the ratio a / b increases from around 1.0.
  • the ratio a / b is increased from around 1.0 where the NOx purification rate starts to decrease, the NOx purification rate does not improve, so the upper limit of the ratio a / b may exist near 1.0. I understand.
  • FIG. 3 is a test result showing the ammonia slip amount characteristic at this time.
  • the ammonia slip amount is very large when the ratio a / b is around 0.45, but rapidly decreases when the ratio a / b is around 0.5, which is slightly increased. To do.
  • the ammonia slip amount starts to increase again when the ratio a / b further increases from around 1.0.
  • the ammonia slip amount increases at a ratio a / b lower than 0.5, it can be seen that the lower limit of the ratio a / b exists in the vicinity of 0.5.
  • the fact that the ammonia slip amount increases even at a ratio a / b higher than 1.0 supports the conclusion based on the NOx purification rate characteristic that the upper limit of the ratio a / b exists in the vicinity of 1.0. .
  • the ratio a / b is within the range of 0.5 to 1.0 based on the view from the above test results. If the length of the reduced diameter part and the length of the enlarged diameter part are set as described above, the mixing action of the exhaust gas and the additive by the reduced diameter part of the mixing chamber and the diffusion action of the exhaust gas by the enlarged diameter part of the mixing chamber are sufficient. Is obtained.
  • the catalytic device is a selective reduction type NOx catalyst that selectively reduces NOx in the exhaust gas using ammonia.
  • urea water may be injected into the exhaust gas as an additive by the additive injection means. In this case, the exhaust gas and urea water are mixed well, and ammonia generated from the urea water is well dispersed and supplied to the NOx catalyst.
  • the catalyst device is a storage type NOx catalyst that stores NOx in exhaust gas and releases and reduces NOx stored by fuel in the exhaust gas, and additive injection
  • the fuel may be injected into the exhaust gas as an additive by means.
  • the exhaust gas and the fuel are mixed well, and the fuel is well dispersed and supplied to the storage-type NOx catalyst.
  • the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention can satisfactorily suppress a decrease in purification performance caused by shortening of the mixing chamber.
  • the whole block diagram which shows the exhaust gas purification apparatus of the diesel engine which concerns on one Embodiment of this invention, Test results showing NOx purification rate characteristics, Test results showing ammonia slip amount characteristics,
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an exhaust emission control device according to this embodiment.
  • an in-line 6-cylinder diesel engine hereinafter simply referred to as an engine 1 is used as an internal combustion engine.
  • Each cylinder of the engine 1 is provided with a fuel injection valve 2, and pressurized fuel is supplied to each fuel injection valve 2 from a common rail 3 provided in common to each fuel injection valve 2.
  • the fuel injection valves 2 are each opened at a timing according to the operating state of the engine 1 and inject fuel into the corresponding cylinder.
  • An intake manifold 4 is mounted on the intake side of the engine 1, and an intake passage 5 is connected to the intake manifold 4.
  • An air cleaner 6, a compressor 7 a of a turbocharger 7, and an intercooler 8 are provided in the intake passage 5 from the upstream side.
  • an exhaust manifold 9 is mounted on the exhaust side of the engine 1.
  • An exhaust passage 10 is connected to the exhaust manifold 9 via a turbine 7b of a turbocharger 7 that is coaxially disposed and mechanically connected to the compressor 7a.
  • the intake air introduced into the intake passage 5 through the air cleaner 6 is pressurized by the compressor 7 a of the turbocharger 7.
  • the pressurized intake air is distributed to each cylinder through the intercooler 8 and the intake manifold 4, and is introduced into the cylinder in the intake stroke of each cylinder.
  • Fuel is injected into the cylinder from the fuel injection valve 2 at a predetermined timing, and the injected fuel is ignited and burned near the compression top dead center of the cylinder.
  • Exhaust gas generated by the combustion is driven to rotate through the exhaust manifold 9 and then to the outside through the exhaust passage 10.
  • the exhaust passage 10 is provided with an exhaust purification device.
  • the exhaust purification apparatus includes an upstream casing 11, a downstream casing 12, and a mixing chamber 13 formed between the casings 11 and 12.
  • the upstream casing 11 has a cylindrical shape having an axis extending in the exhaust flow direction.
  • a upstream oxidation catalyst 14 and a DPF (diesel particulate filter) 15 are accommodated inside the upstream casing 11 from the upstream side.
  • the downstream casing 12 also has a cylindrical shape with the same diameter as the upstream casing 11.
  • a selective reduction type NOx catalyst 16 catalyst device
  • a post-stage oxidation catalyst 17 are accommodated in the downstream casing 12 from the upstream side.
  • the mixing chamber 13 as a whole has a venturi shape in which the intermediate portion in the exhaust flow direction is reduced in diameter.
  • the mixing chamber 13 includes a diameter-reduced portion 13a that is tapered from the rear end of the upstream casing 11 toward the downstream side, and a throttle that is continuous toward the downstream side while maintaining the minimum diameter of the diameter-reduced portion 13a. It is comprised from the diameter expansion part 13c expanded to a downstream side from the part 13b and the aperture
  • a vane plate 18 (swirl flow generating means) is provided at a position slightly downstream of the most upstream flow in the reduced diameter portion 13a of the mixing chamber 13.
  • the vane plate 18 is configured by bending a large number of fins 18a in the circumferential direction by press molding on a steel circular material.
  • the exhaust flows through the circulation holes formed by bending the fins 18 a.
  • the flow direction of the exhaust gas is changed by the fins 18a, whereby a swirling flow of the exhaust gas is generated in the reduced diameter portion 13a.
  • An injection nozzle 19 (additive injection means) is disposed immediately downstream of the vane plate 18 in the reduced diameter portion 13a.
  • the injection nozzle 19 extends from the outer peripheral side of the reduced diameter portion 13a toward the center, and its tip is bent toward the downstream side of the exhaust.
  • the injection nozzle 19 is supplied with urea water having a predetermined pressure from a urea tank (not shown) via an electromagnetic valve 20 installed on the outer periphery of the mixing chamber 13.
  • the supplied urea water is sprayed radially into the mixing chamber 13 from a spray hole (not shown) provided at the tip of the spray nozzle 19 according to the opening and closing of the electromagnetic valve 20.
  • the fuel injection valve 2 and the electromagnetic valve 20 of the injection nozzle 19 are electrically connected to an ECU 31 (electronic control unit). Further, sensors and devices are connected to the ECU 31 in addition to these.
  • the ECU 31 sets the fuel injection amount according to a map (not shown) from the engine speed Ne and the accelerator operation amount ⁇ acc. Further, the ECU 31 sets the fuel injection timing according to a map (not shown) from the engine speed Ne and the fuel injection amount.
  • the ECU 31 operates the engine 1 by controlling the drive of the fuel injection valve 2 based on the fuel injection amount and the fuel injection timing.
  • the ECU 31 controls the drive of the electromagnetic valve 20 so as to supply ammonia (NH 3 ) to the NOx catalyst 16 to exert a NOx purification action. Specifically, the ECU 31 determines a target injection amount of urea water based on an exhaust temperature detected by a temperature sensor (not shown) installed in the mixing chamber 13. Based on the determined target injection amount, the ECU 31 controls the driving of the solenoid valve 20 to cause the injection nozzle 19 to inject urea water corresponding to the target injection amount.
  • a temperature sensor not shown
  • the exhaust discharged from the engine 1 is introduced into the upstream casing 11 through the exhaust manifold 9 and the exhaust passage 10.
  • PM partate matter contained in the exhaust gas
  • the exhaust is introduced into the reduced diameter portion 13 a of the mixing chamber 13, and a swirling flow of the exhaust is generated by the vane plate 18.
  • Urea water is injected from the injection nozzle 19 into the exhaust gas with the swirling flow.
  • the exhaust gas is well mixed with urea water while the flow cross-sectional area is reduced in the central direction of the reduced diameter portion 13a in the process of flowing through the reduced diameter portion 13a.
  • the exhaust gas flows through the throttle portion 13b to the enlarged diameter portion 13c.
  • the urea water in the exhaust is hydrolyzed by the heat of the exhaust to produce ammonia.
  • the above two requirements of good mixing of urea water and good dispersion of ammonia are in a trade-off relationship.
  • the inventors of the present invention based on the viewpoint that there exists an optimum setting range that can satisfy both of the two requirements regarding the length of the reduced diameter portion 13a and the enlarged diameter portion 13c of the mixing chamber 13.
  • the performance test of the NOx catalyst 16 was performed while changing the length of the diameter portion 13c.
  • the mixing action of the exhaust gas by the reduced diameter portion 13a and the urea water as an additive can be roughly obtained according to the length of the reduced diameter portion 13a, more precisely, the distance from the vane plate 18 to the throttle portion 13b.
  • the distance a from the vane plate 18 to the center of the throttle portion 13b is set to the length of the reduced diameter portion 13a. It was determined as an indicator that correlates with
  • the exhaust gas diffusing action by the enlarged diameter portion 13c is generally obtained according to the length of the enlarged diameter portion 13c, more accurately, it correlates with the distance from the throttle portion 13b to the inlet of the NOx catalyst 16. Therefore, the distance b from the center of the throttle portion 13b to the inlet of the NOx catalyst 16 is determined as an index that correlates with the length of the enlarged diameter portion 13c.
  • the position of the downstream end of the enlarged diameter portion 13c and the position of the inlet of the NOx catalyst 16 in the exhaust flow direction coincide with each other, and therefore, the expansion from the center of the throttle portion 13b. Even if the distance b extends to the downstream end of the diameter portion 13c, there is substantially no difference.
  • the distances a and b include the length of the diaphragm 13b.
  • the setting of the distances a and b is not limited to this, and the distances a and b may be set by excluding the length of the aperture 13b.
  • each of the distances a and b differs depending on the specification and size of the mixing chamber 13, and even if an optimum value can be found by the test, they cannot be applied to all the mixing chambers 13. Therefore, as described below, the ratio a / b of the distances a and b is obtained from the test results, and consideration is given to setting the shape of the mixing chamber 13 according to the ratio a / b.
  • This total length value is set shorter than a general value, for example, assuming a limitation of installation space on the vehicle body. For this reason, in order to achieve both of the two requirements described above, the lengths a and b must be optimally set in the specifications of the exhaust emission control device applied to the test.
  • ammonia slip amount the NOx purification rate obtained by the NOx catalyst 16 and the amount of ammonia leaking from the NOx catalyst 16 without contributing to the selective reduction of NOx.
  • FIG. 2 is a test result showing the NOx purification rate characteristic when the test is performed based on the above various conditions.
  • the ratio a / b is increased from around 0.45, the NOx purification rate gradually improves, and when the ratio a / b becomes around 0.95, the NOx purification rate reaches a peak. Furthermore, the NOx purification rate starts to decrease when the ratio a / b increases from around 1.0.
  • Such a characteristic is that the extension of the reduced diameter portion 13a accompanying the increase in the ratio a / b promotes the mixing of the exhaust gas and the urea water in the reduced diameter portion 13a and improves the NOx purification rate, while the ratio a When / b exceeds 1.0, the demerit that the supply of ammonia becomes non-uniform due to the shortening of the expanded diameter portion 13c becomes more prominent, resulting in a decrease in the NOx purification rate. Presumed to be.
  • FIG. 3 is a test result showing the ammonia slip amount characteristic when the test is performed based on the above-mentioned various conditions.
  • the ratio a / b is around 0.45, the ammonia slip amount is very large, but when the ratio a / b is around 0.5, which is slightly increased, the ammonia slip amount sharply decreases.
  • the ratio a / b further increases from around 1.0, the ammonia slip amount starts to increase again.
  • Such a characteristic is that when the ratio a / b is in the vicinity of 0.45, the length of the reduced diameter portion 13a is insufficient, and insufficient mixing of exhaust gas and urea water causes ammonia slip, while the ratio a / b is 1. If it exceeds .0, the length of the enlarged diameter portion 13c is insufficient, and it is assumed that the non-uniform supply of ammonia causes ammonia slip.
  • the lower limit of the ratio a / b exists in the vicinity of 0.5 because the ammonia slip amount increases at a ratio a / b lower than 0.5. Further, the fact that the ammonia slip amount increases even when the ratio a / b is higher than 1.0 is the conclusion based on the NOx purification rate characteristic that the upper limit of the ratio a / b exists in the vicinity of 1.0 as described above. Is backed up.
  • the ratio a / b is within the range of 0.5 to 1.0 based on the view of the above test results.
  • the length of the reduced diameter portion 13a and the length b of the enlarged diameter portion 13c may be set so that Thereby, the mixing action of the exhaust gas by the reduced diameter portion 13a of the mixing chamber 13 and the urea water as the additive, and the exhaust gas diffusion action by the enlarged diameter portion 13c of the mixing chamber 13 can be sufficiently obtained. As a result, it is possible to minimize the ammonia slip amount while realizing a good NOx purification rate.
  • the aspect of the present invention is not limited to this embodiment.
  • the present invention by applying the present invention to the exhaust gas purification device of the diesel engine 1 provided with the selective reduction type NOx catalyst 16, the diameter of the mixing chamber 13 for mixing and diffusing urea water in the exhaust gas is reduced.
  • the length of the part 13a and the enlarged diameter part 13c was set.
  • the engine to which the present invention is applied is not limited to this as long as the engine includes a catalyst device that requires supply of an additive.
  • a storage type NOx catalyst for storing NOx in exhaust gas is provided in the exhaust passage, and NOx purge for injecting fuel as an additive into the exhaust passage is periodically performed to release and reduce the stored NOx from the NOx catalyst.
  • the present invention may be applied to an engine that needs to be executed.
  • the NOx catalyst 16 is replaced with a storage-type NOx catalyst in the exhaust purification device of FIG. 1, and fuel is injected from the injection nozzle 19 instead of urea water.
  • the lengths of the reduced diameter portion 13a and the enlarged diameter portion 13c of the mixing chamber 13 may be set in the same manner as in the above embodiment, and the same operational effects as in the above embodiment can be obtained.
  • the lengths of the reduced diameter portion 13a and the enlarged diameter portion 13c need to be set so that the ratio a / b is in the range of 0.5 to 1.0.
  • the total length of the other mixing chambers 13 is not limited.
  • the total length L, the length c, and the like can be arbitrarily changed.
  • the diameters of the upstream and downstream casings 11 and 12 are not necessarily the same, and may be set to different diameters.
  • the injection nozzle 19 is not necessarily provided immediately downstream of the vane plate 18. That is, the injection nozzle 19 may be disposed on the upstream side of the vane plate in the reduced diameter portion 13a, or may be disposed on the downstream side of the DPF 15 in the upstream casing 11.

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Abstract

 NOx触媒16の上流側に、下流側に向けて縮径する縮径部13aから径が最小となる絞り部13bを経て下流側に向けて拡径する拡径部13cへと連続的に形成されたベンチュリ状のミキシング室13が設けられる。縮径部13a内には、ベーンプレート18及び尿素水の噴射ノズル19が配設される。ベーンプレート18から絞り部13bの中央までの距離aと、絞り部13bの中央からNOx触媒16の入口までの距離bとの比率a/bが、0.5~1.0の範囲内に設定される。

Description

内燃機関の排気浄化装置
 本発明は内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは触媒装置の上流側にベンチュリ状のミキシング室を備えた排気浄化装置に関する。
 この種の排気浄化装置では、内燃機関の排気中に噴射された添加剤が触媒装置に供給され、この添加剤を利用して触媒装置が排気浄化作用を発揮する。触媒装置に高い浄化作用を発揮させるには、排気中に添加剤を良好に混合すること、及び添加剤が混合された後の排気を触媒装置の入口のほぼ全域にわたってできる限り均一に供給することの2つの要件が重要となる。このような要件を鑑みて従来から種々の対策が講じられており、例えば特許文献1にその対策の1つが記載されている。
 当該特許文献1に記載された排気浄化装置では、内燃機関の排気通路にDPFを収容したケーシングが設けられる。このケーシング内には、DPFの下流側に大径部を配置して旋回流を生起するベーンプレートが設けられる。ベーンプレートには、大径部から下流側の小径部に向けて縮径する縮流部が設けられ、内部に添加剤噴射手段として燃料ノズルが配設される。小径部の下流側には、触媒装置としてNOx吸蔵触媒が配設されている。
 このような排気浄化装置において、内燃機関の排気はDPF、大径部、縮流部、小径部の順に流通する。排気がNOx触媒を流通する際には排気中のNOxが吸蔵され、NOx吸蔵量が所定値に達した時点で、NOx触媒からNOxを放出還元するためのNOxパージが実行される。当該NOxパージでは、燃料ノズルから噴射された燃料が排気と共にNOx触媒上に供給され、この燃料を還元剤として用いることにより、NOx触媒に吸蔵されているNOxが放出還元される。排気が大径部を流通する際には、ベーンプレートにより排気に旋回流が生起され、排気中への燃料の混合が促進される。
 上記特許文献1の排気浄化装置では、上記2つの要件の一方(排気中への燃料の混合促進)だけに着目した対策が講じられているが、これとは別に上記2つの要件を共に達成するための対策を講じた排気浄化装置も提案されている。
 図4は、このような従来技術の排気浄化装置を示す構成図である。図4に示されるように、DPF15の下流側に触媒装置として選択還元型NOx触媒16が配設される。これらのDPF15とNOx触媒16との間には、下流側に向けて縮径する縮径部13aから径が最小となる絞り部13bを経て下流側に向けて拡径する拡径部13cへと連続して形成されたベンチュリ状のミキシング室13が設けられている。縮径部13a内の上流側に、旋回流を生起するベーンプレート18が配設されると共に、ベーンプレート18の直下流側には、添加剤噴射手段として尿素水を噴射する噴射ノズル19が設けられている。
 DPF15を流通した排気がミキシング室13の縮径部13a内でベーンプレート18を通過することにより排気の旋回流が生起され、この排気中に、噴射ノズル19から尿素水が噴射される。排気は縮径部13a内を流通する過程でその流路面積が絞られながら尿素水と良好に混合される。その後、排気は絞り部13bを経て拡径部13cへと流通し、これと並行して排気中の尿素水が排気の熱により加水分解されることによりアンモニア(NH)が生成される。拡径部13c内を流通する過程で排気は拡散し、下流側のNOx触媒16の入口にはアンモニアが分散して供給される。こうして供給されたアンモニアを利用し、NOx触媒16において排気中のNOxが選択還元される。
特開2006-183509号公報
 上記のように図4の排気浄化装置では、ミキシング室13の縮径部13aにより排気と尿素水との混合が促進され、尿素水が混合された後の排気の拡散がミキシング室13の拡径部13cにより行われる。これらの混合及び拡散作用を十分に得るには、ミキシング室13の縮径部13aと拡径部13cとの排気流通方向の長さをある程度確保する必要がある。
 ところが、内燃機関の排気系は、車体上に搭載されているパワートレインや走行用装備等を避けて取り回されることから、必然的に排気系の一部を構成する排気浄化装置も設置スペースの制限を受ける。特に排気浄化装置を構成するDPF15、ミキシング室13及びNOx触媒16は機能上一列に配置する必要があるため、車体への搭載のためにこれらの総全長を短縮化することが要望される。DPF15やNOx触媒16の短縮化は浄化性能の低下に直結するため、必然的に残るミキシング室13の短縮化により、上記要望に対応する場合が多い。このようなミキシング室13の短縮化は、上記縮径部13aや拡径部13cの短縮化を意味する。
 図4には、縮径部13aを短縮化した場合の従来技術の排気浄化装置が示され、図5には、拡径部13cを短縮化した場合の従来技術の排気浄化装置が示されている。
 図4に示されるように縮径部13aを短縮化した場合には、排気と尿素水との混合時間を十分に確保できなくなるため、排気に対して尿素水を良好に混合することができない。一方、図5に示されるように拡径部13cを短縮化した場合には、尿素水を混合した排気の拡散時間を十分に確保できなくなるため、尿素水から生成したアンモニアをNOx触媒16の入口全体に均一に供給できない。結果として何れの場合も、NOx触媒16におけるNOxの選択還元に貢献しないアンモニアが発生してNOx浄化性能の低下の要因になり、今一つ改良の余地があった。
 本発明は、このような課題を解決するためになされた。本発明の目的は、ミキシング室を短縮化した場合でも、ミキシング室の縮径部による排気と添加剤との混合作用、及びミキシング室の拡径部による排気の拡散作用を十分に発揮することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
 上記目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、添加剤を用いて上記内燃機関の排気を浄化する触媒装置と、上記触媒装置より上流側の上記排気通路に設けられ、下流側に向けて縮径する縮径部から径が最小となる絞り部を経て下流側に向けて拡径する拡径部へと連続的に形成されたベンチュリ状のミキシング室と、上記ミキシング室の上記縮径部内における上流側に配設され、排気の旋回流を生起させる旋回流発生手段と、上記旋回流発生手段の上流側近傍または下流側近傍に配設されて、添加剤を排気中に噴射する添加剤噴射手段とを備え、上記ミキシング室の上記旋回流発生手段から上記絞り部までの距離aと、上記絞り部から上記触媒装置の入口までの距離bとの比率a/bが、0.5~1.0の範囲内に設定されている。
 本発明者らは、触媒装置として選択還元型NOx触媒が設けられ、添加剤噴射手段として尿素水を噴射する噴射ノズルが設けられた排気浄化装置に関し、ミキシング室の比率a/bを変化させて、選択還元型NOx触媒により得られるNOx浄化率と、NOx浄化に貢献せずに選択還元型NOx触媒から漏れ出すアンモニアの量であるアンモニアスリップ量とを計測する試験を実施した。
 図2は、このときのNOx浄化率特性を示す試験結果である。図2に示されるようにNOx浄化率は、比率a/bが0.45付近から増加するのに従って次第に向上し、比率a/bが0.95付近になったときにピークに達する。更にNOx浄化率は、比率a/bが1.0付近より増大すると低下方向に転じる。このように、NOx浄化率が減少し始める1.0付近より比率a/bを増加させてもNOx浄化率は向上しないことから、比率a/bの上限は1.0近傍に存在することが判る。
 また図3は、このときのアンモニアスリップ量特性を示す試験結果である。図3に示されるようにアンモニアスリップ量は、比率a/bが0.45付近であるときに非常に多いものの、比率a/bがこれより僅かに増加させた0.5付近であるときには急減する。アンモニアスリップ量は、比率a/bが1.0付近から更に増加すると再び増加し始める。このように、0.5より低い比率a/bではアンモニアスリップ量が増加することから、比率a/bの下限は0.5近傍に存在することが判る。また、1.0より高い比率a/bでもアンモニアスリップ量が増加している事実は、上記比率a/bの上限が1.0近傍に存在するというNOx浄化率特性に基づく結論を裏付けている。
 従って、車体上での設置スペースの制限によりミキシング室を短縮化した場合であっても、以上の試験結果からの見解に基づき、比率a/bが0.5~1.0の範囲内となるように縮径部の長さ及び拡径部の長さを設定すれば、ミキシング室の縮径部による排気と添加剤との混合作用、及びミキシング室の拡径部による排気の拡散作用が十分に得られる。
 具体的には、本発明の排気浄化装置において、例えば、上述の試験で用いた排気浄化装置のように、触媒装置がアンモニアを用いて排気中のNOxを選択還元する選択還元型のNOx触媒であると共に、添加剤噴射手段により添加剤として尿素水を排気中に噴射してもよい。この場合、排気と尿素水との混合が良好に行われると共に、尿素水から生成されたアンモニアが良好に分散してNOx触媒に供給される。
 或いは、本発明の排気浄化装置において、例えば、触媒装置が排気中のNOxを吸蔵し、排気中の燃料により吸蔵しているNOxを放出して還元する吸蔵型NOx触媒であると共に、添加剤噴射手段により添加剤として燃料を排気中に噴射してもよい。この場合、排気と燃料との混合が良好に行われると共に、燃料が良好に分散して吸蔵型NOx触媒に供給される。
 以上説明したように、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ミキシング室を短縮化した場合でも、ミキシング室の縮径部による排気と添加剤との混合作用、及びミキシング室の拡径部による排気の拡散作用を確保できる。この結果、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、ミキシング室の短縮化に起因する浄化性能の低下を良好に抑制することができる。
本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図、 NOx浄化率特性を示す試験結果、 アンモニアスリップ量特性を示す試験結果、 縮径部が短縮化された場合の従来技術の排気浄化装置を示す図、及び 拡径部が短縮化された場合の従来技術の排気浄化装置を示す図である。
 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置について以下に説明する。
 図1は本実施形態の排気浄化装置を示す全体構成図であり、本実施形態では、直列6気筒のディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)1が内燃機関として用いられている。エンジン1の各気筒には燃料噴射弁2が設けられ、各燃料噴射弁2に共通に設けられたコモンレール3から各燃料噴射弁2に加圧燃料が供給されるようになっている。燃料噴射弁2は、それぞれエンジン1の運転状態に応じたタイミングで開弁し、対応する気筒内に燃料を噴射する。
 エンジン1の吸気側には吸気マニホールド4が装着され、更に吸気マニホールド4に吸気通路5が接続されている。吸気通路5には、上流側よりエアクリーナ6、ターボチャージャ7のコンプレッサ7a、インタクーラ8が設けられている。
 また、エンジン1の排気側には排気マニホールド9が装着されている。排気マニホールド9には、上記コンプレッサ7aと同軸上に配置されて機械的に連結されたターボチャージャ7のタービン7bを介して排気通路10が接続されている。
 エンジン1の運転中においてエアクリーナ6を経て吸気通路5内に導入された吸気はターボチャージャ7のコンプレッサ7aにより加圧される。加圧された吸気は、インタクーラ8及び吸気マニホールド4を経て各気筒に分配され、各気筒の吸気行程で気筒内に導入される。気筒内には所定のタイミングで燃料噴射弁2から燃料が噴射され、噴射された燃料が当該気筒の圧縮上死点近傍で着火して燃焼する。燃焼によって生じた排気は、排気マニホールド9を経てタービン7bを回転駆動した後に、排気通路10を経て外部に排出される。
 排気通路10には排気浄化装置が介装されている。排気浄化装置は、上流側ケーシング11、下流側ケーシング12、及び両ケーシング11,12間に形成されたミキシング室13を備える。上流側ケーシング11は、排気の流通方向に延びる軸線を有した円筒状をなす。上流側ケーシング11の内部には、上流側より前段酸化触媒14及びDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)15が収容されている。下流側ケーシング12も上流側ケーシング11と同一径の円筒状をなす。下流側ケーシング12の内部には、上流側より選択還元型のNOx触媒16(触媒装置)及び後段酸化触媒17が収容されている。
 ミキシング室13は、全体として排気流通方向における中間部分が縮径されたベンチュリ状をなしている。具体的にミキシング室13は、上流側ケーシング11の後端から下流側に向けてテーパ状に縮径する縮径部13a、縮径部13aの最小径を保って下流側に向けて連続する絞り部13b、及び絞り部13bから下流側に向けて漏斗状に拡径して下流側ケーシング12の前端に接続される拡径部13cから構成されている。
 ミキシング室13の縮径部13a内の最上流より若干下流側の位置には、ベーンプレート18(旋回流発生手段)が設けられている。詳細は説明しないが、ベーンプレート18は、スチール製の円形状をなす素材上に、プレス成形により多数枚のフィン18aが周方向に向けて折曲されて構成される。ベーンプレート18では、各フィン18aが折曲されることによって形成された流通孔を介して排気が流通する。このとき、各フィン18aにより排気の流通方向が変更され、それによって縮径部13a内に排気の旋回流が生起される。
 縮径部13aにおけるベーンプレート18の直下流側には噴射ノズル19(添加剤噴射手段)が配設されている。この噴射ノズル19は、縮径部13aの外周側から中心に向けて延設され、その先端は排気の下流側に向けて屈曲されている。噴射ノズル19には、ミキシング室13の外周に設置された電磁弁20を介し、図示しない尿素タンクから所定圧の尿素水が供給される。供給された尿素水は、電磁弁20の開閉に応じ、噴射ノズル19の先端に設けられた図示しない噴射孔からミキシング室13内に放射状に噴射される。
 前述した燃料噴射弁2、及び噴射ノズル19の電磁弁20は、ECU31(電子コントロールユニット)に電気的に接続されている。更にECU31には、これらの他にもセンサ類やデバイス類が接続されている。
 例えば、ECU31は、エンジン回転速度Ne及びアクセル操作量θaccから図示しないマップに従って燃料噴射量を設定する。また、ECU31は、エンジン回転速度Ne及び燃料噴射量から図示しないマップに従って燃料噴射時期を設定する。ECU31は、これらの燃料噴射量及び燃料噴射時期に基づいて燃料噴射弁2の駆動を制御してエンジン1を運転する。
 また、ECU31は、NOx触媒16にアンモニア(NH)を供給してNOx浄化作用を発揮させるべく、電磁弁20の駆動を制御する。具体的にECU31は、ミキシング室13に設置した図示しない温度センサにより検出された排気温度に基づいて尿素水の目標噴射量を決定する。決定された目標噴射量に基づき、ECU31は電磁弁20の駆動を制御し、目標噴射量に対応した尿素水の噴射を噴射ノズル19に行わせる。
 エンジン1の運転中において、エンジン1から排出された排気は排気マニホールド9及び排気通路10を経て上流側ケーシング11内に導入される。導入された排気が前段酸化触媒14を経てDPF15を流通する際に、排気中に含有されているPM(パティキュレートマター)がDPF15によって捕集される。
 その後、排気はミキシング室13の縮径部13a内に導入され、ベーンプレート18によって排気の旋回流が生起される。この旋回流を伴う排気中に、噴射ノズル19から尿素水が噴射される。排気は、縮径部13a内を流通する過程で縮径部13aの中心方向に流通断面積が絞られながら、尿素水と良好に混合される。その後、排気は絞り部13bを経て拡径部13cへと流通する。これと並行して排気中の尿素水は、排気の熱により加水分解され、アンモニアが生成される。拡径部13c内を流通する過程で、排気は拡径部13cの通路断面積の拡大に伴って外周方向に拡散する。このため、NOx触媒16の入口にはアンモニアがほぼ全域にわたって良好に分散して供給される。こうして供給されたアンモニアを利用し、NOx触媒16では排気中のNOxが無害なNに選択還元される。このときに生じた余剰アンモニアは、後段酸化触媒17により処理される。
 ところで、発明が解決しようとする課題として述べたように、例えば車体上での設置スペースの制限により排気流通方向のミキシング室13の短縮化が要求される場合、縮径部13aの短縮化によってこれに対応すると、排気に対して尿素水を良好に混合できなくなるという不具合が生じる。一方、拡径部13cの短縮化によってこれに対応すると、尿素水を混合した後の排気が十分に拡散されず、NOx触媒16の入口のほぼ全域にわたってアンモニアを良好に分散させながらNOx触媒16に供給することができなくなるという不具合が生じる。
 従って、上述した尿素水の良好な混合とアンモニアの良好な分散という2つの要件はトレードオフの関係にある。本発明者らは、ミキシング室13の縮径部13a及び拡径部13cの長さに関して、2つの要件を共に満足可能な最適設定範囲が存在するとの観点の基に、縮径部13a及び拡径部13cの長さを変更しながらNOx触媒16の性能試験を実施した。
 縮径部13aによる排気と添加剤である尿素水との混合作用は、概ね縮径部13aの長さに応じて得られるものの、より正確に表現すると、ベーンプレート18から絞り部13bまでの距離と相関する。そこで、縮径部13aのベーンプレート18より上流側の部分の長さc(例えば50mmの固定値)を除き、ベーンプレート18から絞り部13bの中央までの距離aを、縮径部13aの長さと相関する指標として定めた。
 また、拡径部13cによる排気の拡散作用は、概ね拡径部13cの長さに応じて得られるものの、より正確に表現すると、絞り部13bからNOx触媒16の入口までの距離と相関する。そこで、絞り部13bの中央からNOx触媒16の入口までの距離bを、拡径部13cの長さと相関する指標として定めた。但し、図1に示されるように本実施形態では、排気流通方向において拡径部13cの下流端の位置とNOx触媒16の入口の位置とが一致しているため、絞り部13bの中央から拡径部13cの下流端までを距離bとしても、実質的に相違はない。
 なお、絞り部13bの中央を基準として距離a,bを設定した結果、距離a,bに絞り部13bの長さが含まれることになる。しかしながら、距離a,bの設定はこれに限られるものではなく、絞り部13bの長さを除外して距離a,bを設定してもよい。
 距離a,bのそれぞれはミキシング室13の仕様や大きさ等によって相違し、試験により最適値を見出すことができたとしても、それらを全てのミキシング室13に適用することはできない。このため、以下に述べるように、試験結果から距離a,bの比率a/bを求め、この比率a/bに従ってミキシング室13の形状を設定するように配慮した。
 また、長さcを含めたミキシング室13の総全長Lは280mmの固定値として設定したため、必然的に距離a,bの総全長(=a+b)は230mmとなる。この総全長の値は、例えば車体上等での設置スペースの制限を想定し、一般的な値より短めに設定されている。このため、前述した2つの要件を共に達成するためには、試験に適用した排気浄化装置の仕様において、長さa,bがそれぞれ最適に設定されなければならない。
 一方、性能試験としては、NOx触媒16によって得られるNOx浄化率、及びNOxの選択還元に貢献せずにNOx触媒16から漏れ出すアンモニアの量(以下、アンモニアスリップ量と称する)を計測した。
 図2は、以上の諸条件に基づいて試験を実施したときのNOx浄化率特性を示す試験結果である。比率a/bを0.45付近から増加させるに従ってNOx浄化率は次第に向上し、比率a/bが0.95付近となったときにNOx浄化率はピークに達する。更にNOx浄化率は、比率a/bが1.0付近より増加した場合に低下方向に転じる。このような特性は、比率a/bの増加に伴う縮径部13aの延長により、縮径部13a内での排気と尿素水との混合が促進されてNOx浄化率が向上する反面、比率a/bが1.0を越えた場合には、拡径部13cの短縮化によってアンモニアの供給が不均一になるというデメリットの方が顕著になり、結果としてNOx浄化率の低下を招くことに起因するものと推測される。
 そして、このように、NOx浄化率が減少し始める1.0付近より更に比率a/bを増加させてもNOx浄化率は向上しないため、比率a/bの上限は1.0近傍に存在することが判る。
 また図3は、上述した諸条件に基づいて試験を実施したときのアンモニアスリップ量特性を示す試験結果である。比率a/bが0.45付近にあるときにはアンモニアスリップ量が非常に多いものの、比率a/bがこれより僅かに増加した0.5付近であるときにはアンモニアスリップ量が急減する。更に比率a/bが1.0付近より増加すると、再びアンモニアスリップ量が増加し始める。このような特性は、比率a/bが0.45付近にあるときには縮径部13aの長さが不足し、排気と尿素水との混合不足がアンモニアスリップを引き起こす一方、比率a/bが1.0を越えると拡径部13cの長さが不足し、アンモニアの不均一な供給がアンモニアスリップを引き起こすことに起因するものと推測される。
 そして、このように、0.5より低い比率a/bではアンモニアスリップ量の増加を引き起こすことから、比率a/bの下限は0.5近傍に存在することが判る。また、1.0より高い比率a/bの場合もアンモニアスリップ量が増加するという事実は、上述したように比率a/bの上限が1.0近傍に存在するというNOx浄化率特性に基づく結論を裏付けている。
 従って、例えば車体上等での設置スペースの制限によりミキシング室13を短縮化した場合であっても、以上の試験結果に対する見解に基づき、比率a/bが0.5~1.0の範囲内となるように縮径部13aの長さ及び拡径部13cの長さbを設定すればよい。これにより、ミキシング室13の縮径部13aによる排気と添加剤である尿素水との混合作用、及びミキシング室13の拡径部13cによる排気の拡散作用を十分に得ることができる。この結果、良好なNOx浄化率を実現しつつアンモニアスリップ量を最小限に抑制することができる。
 以上で本実施形態の説明を終えるが、本発明の態様は本実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、選択還元型NOx触媒16を備えたディーゼルエンジン1の排気浄化装置に本発明を適用することにより、尿素水を排気中に混合して拡散するためのミキシング室13の縮径部13a及び拡径部13cの長さを設定した。しかしながら本発明が適用されるエンジンは、添加剤の供給を要する触媒装置を備えたエンジンであればこれに限ることはない。
 例えば、排気中のNOxを吸蔵する吸蔵型NOx触媒を排気通路に備え、吸蔵したNOxをNOx触媒から放出して還元するために、添加剤として燃料を排気通路内に噴射するNOxパージを定期的に実行する必要があるエンジンに本発明を適用してもよい。この場合には、図1の排気浄化装置においてNOx触媒16が吸蔵型NOx触媒に置換され、噴射ノズル19から尿素水に代えて燃料が噴射される。しかし、ミキシング室13の縮径部13a及び拡径部13cの長さに関しては上記実施形態と同様に設定すればよく、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
 また、縮径部13a及び拡径部13cの長さは、比率a/bが0.5~1.0の範囲内となるようにそれぞれ設定する必要があるが、その他のミキシング室13の総全長Lや長さc等に関しては任意に変更可能である。同様に、上流側及び下流側ケーシング11,12の径についても、必ずしも同一にする必要はなく、異なる径に設定してもよい。
 更に、噴射ノズル19は必ずしもベーンプレート18の直下流側に設ける必要はない。即ち、噴射ノズル19は縮径部13a内におけるベーンプレートの上流側に配設されてもよいし、上流側ケーシング11内におけるDPF15の下流側に配設されてもよい。
符号の説明
 1   内燃機関
 10  排気通路
 13  ミキシング室
 13a 縮径部
 13b 絞り部
 13c 拡径部
 16  NOx触媒(触媒装置)
 18  ベーンプレート(旋回流発生手段)
 19  噴射ノズル(添加剤噴射手段)
 a,b 距離

Claims (4)

  1.  内燃機関の排気通路に設けられ、添加剤を用いて上記内燃機関の排気を浄化する触媒装置と、
     上記触媒装置より上流側の上記排気通路に設けられ、下流側に向けて縮径する縮径部から径が最小となる絞り部を経て下流側に向けて拡径する拡径部へと連続的に形成されたベンチュリ状のミキシング室と、
     上記ミキシング室の上記縮径部内における上流側に配設され、排気の旋回流を生起させる旋回流発生手段と、
     上記旋回流発生手段の上流側近傍または下流側近傍に配設されて、添加剤を排気中に噴射する添加剤噴射手段と
    を備え、
     上記ミキシング室の上記旋回流発生手段から上記絞り部までの距離aと、上記絞り部から上記触媒装置の入口までの距離bとの比率a/bが、0.5~1.0の範囲内に設定されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2.  上記触媒装置は、アンモニアを用いて排気中のNOxを選択還元する選択還元型のNOx触媒であって、
     上記添加剤噴射手段は、上記添加剤として尿素水を排気中に噴射する
     ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3.  上記比率a/bの上記設定範囲は、予め定められた条件下で、上記距離a及び/又は上記距離bを変化させたときに、上記NOx触媒の排気浄化率が所定値以上となると共に、上記NOx触媒のアンモニアスリップ量が所定量以下となる上記比率a/bに基づき定められることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4.  上記触媒装置は、排気中のNOxを吸蔵し、排気中の燃料により吸蔵したNOxを放出して還元する吸蔵型NOx触媒であって、
     上記添加剤噴射手段は、上記添加剤として燃料を排気中に噴射する
     ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
     
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