WO2010082308A1

WO2010082308A1 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: WO2010082308A1
Application number: PCT/JP2009/050331
Authority: WO
Inventors: 広田　信也; 作太郎星; 笹谷　亨; 藤本　洋
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2010-07-22
Also published as: EP2388451B1; JP5120463B2; EP2388451A1; JPWO2010082308A1; EP2388451A4

Abstract

　本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気通路内を流れる排気ガスの一部を利用して加熱ガスを生成する加熱ガス生成装置であって、酸化機能を有する触媒と、触媒に燃料を供給する燃料供給ノズルとを有する加熱ガス生成装置と、加熱ガス生成装置の下流側に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、尿素水供給ノズルと、触媒から排出された加熱ガスを一時的に貯留して排出し、且つ尿素水供給ノズルからの尿素水が供給される貯留室とを備える。貯留室内の熱により、供給された尿素水の蒸発及び加水分解が促進され、アンモニアが効率的に生成される。

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、特に、ＮＯｘ触媒等の排ガス浄化触媒を加熱するのに好適な加熱ガス生成装置を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

　ディーゼルエンジン等の酸素過多（リーン）な状態で燃焼が行われる内燃機関においては、その排気温度が、ストイキ状態で燃焼が行われるガソリンエンジンに比べて低いことが知られている。そして、この排気温度が低いことに起因して、排気通路に設置されたＮＯｘ触媒等の排ガス浄化触媒が活性化しづらいという問題がある。特に、車両に搭載された内燃機関の場合、排ガス浄化触媒が内燃機関の燃焼室から離れた位置に設置されたり、車両の床下に設置されて走行風を受けたりするため、排ガス浄化触媒が高温となりづらく活性化しづらいという問題がある。また、内燃機関の低温始動時に排ガス浄化触媒を早期に活性化したいという要請もある。

　この対策として、従来、特許文献１に開示された装置がある。この装置は、排ガス浄化触媒の上流側の排気通路に設けられた酸化機能を有する第一及び第二触媒と、第一触媒に燃料を添加する燃料添加弁とを備える。添加された燃料は第一及び第二触媒で順次燃焼され、これによって生成された高温の排気ガスが排ガス浄化触媒に供給され、排ガス浄化触媒を加熱する。

　一方、排ガス浄化触媒として、還元剤としての尿素水を用いて排気ガス中のＮＯｘを連続的に還元処理する選択還元型ＮＯｘ触媒（所謂尿素ＳＣＲ）が知られている。この選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた排気浄化装置では、尿素水が排気熱もしくは触媒熱により蒸発し、加水分解されてアンモニアが生成され、このアンモニアとＮＯｘが触媒内で反応してＮＯｘが還元浄化される。

　しかし、一般的には、尿素水がＮＯｘ触媒の入口部に供給されて当該入口部の位置で蒸発、加水分解される。このため、ＮＯｘ触媒に流入してくる排気ガスの温度が低いことに起因して、尿素水の蒸発及び加水分解を高効率で行うことが難しく、アンモニアの生成を高効率で行うことが困難であった。

　本発明は、以上の事情に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、還元剤として尿素水を用いる選択還元型ＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、尿素水の蒸発及び加水分解を促進し、アンモニアの生成を促進することにある。

特開２００８－１６３８６１号公報

　本発明の一の形態によれば、
　内燃機関の排気通路内を流れる排気ガスの一部を利用して加熱ガスを生成する加熱ガス生成装置であって、酸化機能を有する触媒と、該触媒に燃料を供給する燃料供給ノズルとを有する加熱ガス生成装置と、
　前記加熱ガス生成装置の下流側に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
　前記触媒及び前記ＮＯｘ触媒の間に尿素水を供給する尿素水供給ノズルと、
　前記触媒の出口部に設けられ、前記触媒から排出された加熱ガスを一時的に貯留して排出する貯留室であって、前記尿素水供給ノズルからの前記尿素水が供給される貯留室と
　を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。

　これによれば、触媒から排出された加熱ガスが貯留室に一時的に貯留された後、排出される。よって貯留室内は加熱ガスの熱により高温状態となっている。かかる貯留室に液体の尿素水を供給すると、貯留室内の熱で尿素水の蒸発及び加水分解が促進され、気体としてのアンモニア即ちアンモニアガスが効率的に生成されるようになる。そしてこのアンモニアガスは、加熱ガスと一緒に貯留室から排出される。このように本発明によれば、尿素水の蒸発及び加水分解を促進し、アンモニアの生成を促進することができる。

　好ましくは、前記貯留室が画成部材によって画成される。

　好ましくは、前記画成部材が、前記貯留室内のガスを複数方向に排出するための複数の出口を有する。

　これによれば、貯留室内の加熱ガス及びアンモニアガスを複数の出口から複数方向に分散して排出させることができる。加熱ガス及びアンモニアガスは、気体であるため、貯留室からの排出後、拡散してＮＯｘ触媒にまんべんなく導入される。これによりＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化性能と、ＮＯｘ触媒の加熱効果とを向上することができる。

　好ましくは、前記画成部材が、前記加熱ガスから受けた熱を蓄熱する。

　好ましくは、前記画成部材が、前記触媒のケーシングに接続され、該ケーシングから伝達された熱を蓄熱する。

　これらによれば、貯留室内の熱及び高温状態を好適に保持することが可能となり、尿素水の蒸発及び加水分解さらにはアンモニアの生成を一層促進できる。

　好ましくは、前記尿素水供給ノズルから供給された前記尿素水が前記画成部材に衝突するよう、前記尿素水供給ノズルが指向されている。

　これによると、画成部材自体の熱をも有効に利用して尿素水の蒸発及び加水分解並びにアンモニアの生成を一層促進できる。

　好ましくは、前記画成部材が、前記触媒から後方に突出して後端が閉止された筒状の部材からなる。

　好ましくは、前記触媒が直列且つ多段に設けられ、前記貯留室が、最後段の前記触媒の出口部に設けられる。

　この場合、互いに隣り合う前後の触媒の間に設けられ、前段側の触媒から排出されたガスを分散させるための分散部材をさらに備えるのが好ましい。

　好ましくは、前記内燃機関の排気浄化装置が、前記触媒の入口部に設けられたヒータをさらに備える。

　本発明によれば、還元剤として尿素水を用いる選択還元型ＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置において、尿素水の蒸発及び加水分解を促進し、アンモニアの生成を促進することができるという、優れた効果が発揮される。

図１は、本発明の好適実施形態の概略断面図である。図２は、好適実施形態の作動を説明するための概略断面図である。

　以下、本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

　以下においては、本発明が車両用ディーゼルエンジンに適用された例を説明する。図１は本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を示し、排気ガスは図中左側から右側へと流れるようになっている（図２参照）。なお、排気ガス流れ方向の上流側を「前」、下流側を「後」ともいう。

　排気通路１は、排気管２によって画成されると共にその上流端が図示しないエンジン本体の排気ポートに連通されている。排気通路１には、排気通路１内を流れる全ての排気ガスのＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ触媒３が設けられている。

　ＮＯｘ触媒３は選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）からなり、尿素水からなる還元剤の供給を受けて排気ガス中のＮＯｘを連続的に還元除去する。ＮＯｘ触媒３は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ、Ｆｅ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニヤ／バナジウム触媒（Ｖ_２Ｏ_５／ＷＯ_３／ＴｉＯ_２）を担持させたもの等が例示できる。ＮＯｘ触媒３は、その触媒温度が活性温度域にあり、且つ、尿素水が供給或いは添加されているときにＮＯｘを還元可能である。ＮＯｘ触媒に対して尿素水が添加されると、尿素水が蒸発及び加水分解してアンモニアが生成され、このアンモニアがＮＯｘ触媒内でＮＯｘと反応し、ＮＯｘが還元される。この反応を化学式で表すと次のようになる。
　　　ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ

　ＮＯｘ触媒３の上流側には、尿素水を供給するための尿素水供給ノズル４が設けられている。この尿素水供給ノズル４は図示しない電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）に接続され、制御される。なお、供給された尿素水Ｎが仮想線で示されている。

　前述したように、本実施形態に係るディーゼルエンジンでは排気温度が比較的低く、ＮＯｘ触媒３が活性化しづらい傾向にある。また車両用エンジンの場合、ＮＯｘ触媒３が燃焼室から離れた位置に設置されたり、車両の床下に設置されて走行風を受けたりすることがあるため、ＮＯｘ触媒３が活性化しづらい傾向にある。さらにエンジンの低温始動時にＮＯｘ触媒３を早期に活性化したいという要請もある。

　このため、ＮＯｘ触媒３をエンジン始動後に早期に活性化させ、またその活性状態を維持すべく、ＮＯｘ触媒３の上流側には、排気通路１内を流れる排気ガスの一部を利用して加熱ガスを生成する加熱ガス生成装置１０が設けられている。この加熱ガス生成装置１０を設けることによって、加熱ガス生成装置１０で生成された加熱ガスをＮＯｘ触媒３に供給し、当該加熱ガスでＮＯｘ触媒３を加熱し、ＮＯｘ触媒３の早期活性化や活性状態維持を促進することができる。

　加熱ガス生成装置は、酸化機能を有する触媒と、この触媒に燃料を供給する燃料供給ノズルとを有し、燃料供給ノズルから供給された燃料を触媒内で排気ガスの一部と反応させ、酸化、燃焼させることで加熱ガスを生成する。本実施形態の場合、図１に示すように、加熱ガス生成装置１０は、直列且つ２段に設けられた二つの触媒、即ち前段触媒１１と後段触媒１２とを有する。そして燃料供給ノズル１３は、最前段の触媒たる前段触媒１１の前面入口部に向かって燃料を噴射供給する。なお供給された燃料Ｆが仮想線で示されている。代替的に、触媒の数は一つとすることもできるし、三つ以上とすることもできる。これら触媒１１，１２は、供給燃料に含まれる炭化水素ＨＣを酸素Ｏ_２と反応させて酸化させる酸化触媒からなり、例えば、コージェライト等からなる担体の表面にコート材を形成し、このコート材に活性点をなすＰｔ等の貴金属微粒子を多数分散配置させて構成されている。但し、加熱ガス生成装置１０に用いられる触媒は酸化機能を有するものであれば任意であり、例えば三元触媒を用いることも可能である。

　これら触媒１１，１２は一定径の円筒状とされ、その外周部に金属製のケーシング１１Ａ，１２Ａを有する。これら触媒１１，１２は排気通路１内に、所定間隔Ｌの隙間を隔てて配置されている。またこれら触媒１１，１２は互いに同軸となるよう配置され、排気通路１とも同軸となるよう配置されている。触媒１１，１２は図示しない支持部材により、排気通路１内に浮いた状態で配置されている。触媒１１，１２は、その軸方向に延びてガスを流通させるための多数のセルを有する。触媒１１，１２は、ガスが各セルを独立に通過する所謂フロースルー型、あるいは、各セルの前端部と後端部とが千鳥状に交互に閉止され、一つのセルに導入したガスをセル間の隔壁（例えば多孔質セラミックからなる）を通じて隣接セルから排出する所謂ウォールフロー型とされる。

　本実施形態では、後段触媒１２の外径Ｄ２が前段触媒１１の外径Ｄ１より大きくされ、またこれら外径Ｄ１，Ｄ２は排気通路１の内径ｄより小さくされる。よって、後段触媒１２の断面積は前段触媒１１の断面積より大きくされ、両触媒１１，１２の断面積は排気通路１の断面積より小さくされ、触媒１１，１２は排気通路１の断面積のうちの一部を占めるようになる。これにより、前段触媒１１には、排気通路１内を流れる排気ガスの一部が導入されるようになり、後段触媒１２には、前段触媒１１に導入されなかった排気ガスの一部が導入されるようになる。

　以下、排気通路１内を流れる排気ガスのうち、前段触媒１１に導入される一部を第１の部分と称し、後段触媒１２に導入される一部を第２の部分と称する。また、前段触媒１１から排出される加熱ガスを第１の加熱ガスと称し、後段触媒１２から排出される加熱ガスを第２の加熱ガスまたは単に加熱ガスと称する。他方、前段触媒１１及び後段触媒１２の半径方向外側には、これら触媒１１，１２に導入されない排気ガス（残部と称す）が流通される断面円環状の主通路１４が形成される。

　前段触媒１１に導入されなかった排気ガスの一部を後段触媒１２に導入するための導入路１５が設けられる。本実施形態において、導入路１５は、後段触媒１２のケーシング１２Ａから前方に延びて前段触媒１１の外周部を覆う管状部材１６により画成される。つまり、管状部材１６と前段触媒１１との間に形成された環状空間が導入路１５をなす。管状部材１６は、その後端がケーシング１２Ａに接続されると共に、前方に至るほど縮径するテーパ形状とされている。従って導入路１５の断面積は後方即ち下流側に向かうほど大きくなる。この構成により、主通路１４及び導入路１５における通路抵抗を減少することができる。管状部材１６の前端は前段触媒１１の前端より若干後方に位置され、管状部材１６は前段触媒１１の少なくとも後半部を部分的に覆うようになっている。

　なお、この多段触媒に関する構成については種々の変形が可能である。例えば、前段触媒１１及び後段触媒１２の軸心と排気通路１の軸心とは必ずしも同軸でなくてもよく、また平行でなくてもよい。前段触媒１１及び後段触媒１２を互いに同軸とせず、多少オフセットさせたり傾けたりしてもよい。管状部材１６の内径を一定としたり、導入路１５の断面積を一定とすることも可能である。また管状部材１６を、前端の方が後端より大径である逆テーパ状とすることも可能である。前段触媒１１及び後段触媒１２の断面形状は円に限らず、楕円、半円、多角形などの他の形状とすることができる。

　燃料供給ノズル１３は、排気管２に固定支持されると共に、最前段の触媒たる前段触媒１１の上流側から前段触媒１１の前端面１１Ｆないし入口面に向けて燃料Ｆを噴射する。燃料については、エンジンの燃料である軽油が使用されるが、エンジンの燃料以外の燃料が使用されてもよい。燃料供給ノズル１３は、前段触媒１１の内部に直接燃料を供給するように構成されていてもよい。燃料供給ノズル１３は前述のＥＣＵにより制御される。

　前段触媒１１の入口部にはヒータ１７が設けられている。ヒータ１７は、電気式であり、前段触媒１１の前端面１１Ｆの直前位置に配置され、特にその先端の加熱部１７Ａが前端面１１Ｆの中心付近に位置されている。なお、ヒータ１７の加熱部１７Ａを前段触媒１１の内部に配置して前段触媒１１を直接加熱してもよい。このヒータ１７もＥＣＵにより制御される。ヒータ１７を設けることにより、燃料供給ノズル１３から供給された燃料をヒータ１７で直接的且つ強制的に燃焼させられ、かかる燃焼ガスを前段触媒１１に導入することにより、前段触媒１１及び後段触媒１２の活性化を促進することができる。

　また、互いに隣り合う前段触媒１１及び後段触媒１２の間に、前段触媒１１から排出された第１加熱ガスを分散させるための分散部材２０が設けられている。分散部材２０は筒状の部材、特に円筒部材２１からなる。円筒部材２１は前段触媒１１のケーシング１１Ａと同一の外径及び内径を有し、前段触媒１１と同軸に配置されている。円筒部材２１の前端は開放され、前段触媒１１のケーシング１１Ａの後端に接続される。これにより円筒部材２１は前段触媒１１から後方に突出して設けられることとなる。円筒部材２１の後端は閉止板２２により閉止され、閉止板２２が前段触媒１１の後端面１１Ｒに対向される。

　円筒部材２１の前端と後端の間を軸方向に延びる周側面部２３には、複数の孔２４が設けられる。これら孔２４を通じて、前段触媒１１から円筒部材２１内に排出された第１加熱ガスが複数の半径方向に排出される。他方、円筒部材２１の閉止板２２には孔が設けられていない。これにより当該閉止板２２は、前段触媒１１から排出された第１加熱ガスを衝突させてその流れの向きを変えるためのじゃま板を形成する。

　また、後段触媒１２の出口部ないし後端面１２Ｒの直後の位置には、後段触媒１２から排出された加熱ガスを一時的に貯留して排出する貯留室３０が設けられる。貯留室３０は画成部材３１によって画成される。画成部材３１は、円筒部材２１と同様の筒状ないし円筒状の部材であり、後段触媒１２のケーシング１２Ａと同一の外径及び内径を有し、後段触媒１２と同軸に配置されている。画成部材３１の前端は開放され、後段触媒１２のケーシング１２Ａの後端に接続される。これにより画成部材３１は後段触媒１２から後方に突出して設けられることとなる。画成部材３１の後端は閉止板３２により閉止され、閉止板３２が後段触媒１２の後端面１２Ｒに対向される。

　画成部材３１の前端と後端の間を軸方向に延びる周側面部３３には、孔からなる複数の出口３４が設けられる。また画成部材３１の閉止板３２にも孔からなる複数の出口３５が設けられる。周側面部３３の出口３４は、画成部材３１の軸回りに千鳥状に配列されており、閉止板３２の出口３５も閉止板３２に千鳥状に配列されている。これら出口３４，３５を通じて、後段触媒１２から貯留室３０内に排出された第２加熱ガスが、複数の半径方向に排出されると共に、複数の異なる位置で軸方向にも排出される。即ち、後段触媒１２から軸方向後方に流出した高温の第２加熱ガスは、貯留室３０内に一時的に溜められた後、流れ方向を複数方向に変えて出口３４，３５から分散して排出されることとなる。

　また、画成部材３１は、第２加熱ガスから受けた熱を蓄熱する蓄熱部材としても機能する。画成部材３１は、例えば所定の厚さを有する耐熱金属（例えばステンレス鋼板）からなり、第２加熱ガスから受けた熱を蓄熱可能である。本実施形態の場合、画成部材３１の前端が後段触媒１２の金属製ケーシング１２Ａに接続ないし取り付けられているので、画成部材３１はケーシング１２Ａから伝達された熱をも蓄熱する。こうして、貯留室３０が第２加熱ガスにより高温に維持されるのに加え、画成部材３１自身も蓄熱機能により高温に維持され、貯留室３０の高温維持を促進する。

　一方、貯留室３０には、尿素水供給ノズル４からの尿素水Ｎが供給される。画成部材３１には、貯留室３０の外部で尿素水供給ノズル４から供給された尿素水Ｎの通過を許容するための通過穴３６が設けられている。そして尿素水供給ノズル４から供給された尿素水Ｎが貯留室３０内で画成部材３１に衝突するよう、尿素水供給ノズル４が指向されている。本実施形態の場合、供給尿素水Ｎの一部が画成部材３１の閉止板３２に衝突するよう尿素水供給ノズル４が指向されている。尿素水供給ノズル４は、鉛直方向に対しやや斜め後方に向かって尿素水Ｎを噴射する。一方、供給尿素水Ｎができるだけ後段触媒１２の後端面１２Ｒに接触、衝突しないように尿素水供給ノズル４が指向されている。なおこの構成により、尿素水供給ノズル４は、後段触媒１２とＮＯｘ触媒３の間の位置に尿素水Ｎを供給することとなる。

　次に、本実施形態の作用効果を説明する。図２にガスの流れを矢印で示す。加熱ガス生成装置１０の作動時、エンジンが運転状態にあり排気通路１に排気ガスが流通されているときに、燃料供給ノズル１３から燃料Ｆが供給される。一方、前段触媒１１には排気ガスの第１の部分Ｇ１が導入され、後段触媒１２には、導入路１５に入ってきた排気ガスの第２の部分Ｇ２が導入される。低温始動時等、前段触媒１１及び後段触媒１２の活性化が不十分であるときにはヒータ１７も同時に作動させられる。

　前段触媒１１内においては、排気ガスの第１の部分Ｇ１に含まれる酸素と燃料Ｆとが反応し、燃料Ｆの酸化或いは燃焼が生じる。特に、前段触媒１１には排気ガスの一部しか導入されないので、前段触媒１１内におけるガスの流速は低く、十分な反応時間が得られる。これにより排気ガスの第１の部分は高温の第１の加熱ガスとなり、前段触媒１１から排出される。なおヒータ１７が作動されている場合には、燃料Ｆの少なくとも一部がヒータ１７で直接酸化、燃焼されるので、前段触媒１１内での燃料の酸化反応が促進されると共に、前段触媒１１の活性化が促進される。

　ところで、前段触媒１１から排出された第１の加熱ガスは、燃料の未酸化部分、特にＨＣを含む場合がある。この第１の加熱ガスをそのまま下流側のＮＯｘ触媒３に供給してしまうと、ＮＯｘ触媒３をＨＣ被毒させるなどの不具合が生じる。このため、第１の加熱ガスを後段触媒１２に供給し、後段触媒１２内において排気ガスの第２の部分Ｇ２と反応させ、第１の加熱ガスのＨＣを再び酸化或いは燃焼させて、ＨＣを除去している。前段触媒１１と同様、後段触媒１２には排気ガスの第２の部分Ｇ２と第１の加熱ガスしか導入されないので、後段触媒１２内におけるガスの流速は低く、十分な反応時間が得られる。

　こうして後段触媒１２から排出される第２の加熱ガス、即ち加熱ガス生成装置１０から排出される加熱ガスは、ＮＯｘ触媒３の触媒能に悪影響を及ぼすほどのＨＣを含まず、しかしながらＮＯｘ触媒３を加熱するのに十分な高温となる。後段触媒１２内での酸化反応によっても、第１の加熱ガスを保温し、好ましくは再加熱することができ、これにより後段触媒１２からは、主通路１４を通過してきた排気ガスの残部Ｇ３に比べて著しく高温の第２の加熱ガスが得られる。

　こうして後段触媒１２から排出される第２の加熱ガスは、ＮＯｘ触媒３に供給され、ＮＯｘ触媒３を加熱する。

　このように本実施形態によれば、排ガス浄化触媒であるＮＯｘ触媒３の加熱に利用可能な加熱ガスを効率的に生成することができる。そしてエンジン始動後のＮＯｘ触媒３の早期活性化、およびＮＯｘ触媒活性化後の活性状態維持を確実に達成することができる。

　また、前段触媒１１及び後段触媒１２が活性不十分であるときには、ヒータ１７が作動させられ、排気ガスの第１の部分及び前段触媒１１が加熱される。これにより前段触媒１１及び後段触媒１２を早期に活性化させることができ、ひいてはＮＯｘ触媒３の早期活性化を図ることができる。また、前段触媒１１及び後段触媒１２が活性化後に排気温度低下等の理由で未活性となった場合でも、ヒータ１７を作動させて前段触媒１１及び後段触媒１２を再度迅速に活性化させることができる。

　ところで、前述の分散部材２０を設けると次のような作用効果が得られる。即ち、仮に分散部材２０がないと仮定した場合、前段触媒１１から排出された第１の加熱ガス（比較的リッチ且つ高温の状態にある）はそのまま軸方向後方に直線的に移動して後段触媒１２に流入する傾向にある。後段触媒１２が前段触媒１１より大径であるため、後段触媒１２の中心側の部分、換言すれば前段触媒１１の真後ろに位置する後段触媒１２の部分にのみ、第１の加熱ガスが流入する傾向にある。一方、導入路１５を通過してきた排気ガスの第２の部分Ｇ２（リーン且つ低温な状態にある）は、後段触媒１２の外周側の部分、換言すれば導入路１５の真後ろに位置する部分にのみ導入される傾向にある。従って、第１の加熱ガスと排気ガスの第２の部分Ｇ２とは後段触媒１２のそれぞれ異なった部位に導入され、後段触媒１２の中心側の部分では酸素不足、後段触媒１２の外周側の部分では温度及び燃料不足が生じて、効率的な加熱ガス生成を行うことが困難である。

　しかしながら、本実施形態のように分散部材２０を設けると、前段触媒１１から排出された第１の加熱ガスを分散部材２０により分散させ、排気ガスの第２の部分Ｇ２と混合して、後段触媒１２にまんべんなく供給することができる。詳しくは、前段触媒１１から軸方向に流出した第１の加熱ガスは、じゃま板である閉止板２２に衝突し、その流れの向きを変え（図２の符号ａ参照）、周側面部２３の複数の孔２４から各半径方向外側に流出する（図２の符号ｂ参照）。次いで第１の加熱ガスは、導入路１５を流れてきた排気ガスの第２の部分Ｇ２と混合する。これによってできた混合ガスが、閉止板２２後方の後段触媒１２との隙間にも流れて、後段触媒１２に均等に流入する。

　従って、かかる分散部材２０を設けることで、前段触媒１１から排出された第１の加熱ガスと新たに導入される排気ガスの第２の部分との混合を促進することができ、後段触媒１２における部位毎の酸素濃度、燃料濃度及び温度の偏りを抑制し、効率良く加熱ガスを生成することができる。

　特に、搭載性向上と熱損失減少のため前段触媒１１と後段触媒１２の距離Ｌを短くすることが考えられるが、こうすると仮に分散部材２０がない場合、前段触媒１１の真後ろに位置する後段触媒１２の部分にのみ、第１の加熱ガスが流入する傾向が強くなる。しかし、分散部材２０があると、触媒間距離Ｌが短い場合であってもそのような部分的流入を防止し、混合ガスを後段触媒１２にまんべんなく流入させることができる。

　次に、貯留室３０に関する作用効果を説明する。後段触媒１２から排出された第２の加熱ガスは、貯留室３０に一時的に貯留された後、出口３４，３５から排出される。よって貯留室３０内は第２の加熱ガスの熱により高温状態となっている。しかも、画成部材３１が、第２の加熱ガスから受けた熱と、後段触媒１２のケーシング１２Ａから伝達された熱とを蓄熱するため、貯留室３０内の熱及び高温状態を好適に保持する。

　かかる貯留室３０に液体の尿素水Ｎを供給すると、貯留室３０内の熱で尿素水Ｎの蒸発及び加水分解が促進され、気体としてのアンモニア即ちアンモニアガスが効率的に生成されるようになる。そしてこのアンモニアガスは、第２の加熱ガスと一緒に、複数の出口３４，３５から様々な方向に分散して排出される。アンモニアガス及び第２の加熱ガスは、気体であるため、貯留室３０からの排出後、拡散してＮＯｘ触媒３にまんべんなく導入される。これによりＮＯｘ触媒３におけるＮＯｘ浄化能と加熱効果も向上する。このように、本実施形態によれば、尿素水Ｎの蒸発及び加水分解を促進し、アンモニアの生成を促進することができる。

　ところで仮に貯留室３０及び画成部材３１がないと仮定すると、後段触媒１２の出口部に、後段触媒１２の外周側を通過してきた排気ガスの残部Ｇ３が回り込んできて、後段触媒１２から排出された第２の加熱ガスを冷却してしまう。よって後段触媒１２の出口部に尿素水Ｎを供給しても、尿素水Ｎの蒸発及び加水分解促進効果は減少してしまう。一方、貯留室３０及び画成部材３１を設けると、画成部材３１により貯留室３０とその外部とが隔てられるため、排気ガスの残部Ｇ３による第２の加熱ガスの冷却、およびこれらガスの混合を抑制することができる。よって本実施形態によれば、後段触媒１２から排出された第２の加熱ガスの冷却を抑制すると共に、そのガスの熱を有効利用して尿素水Ｎの蒸発及び加水分解を促進することができる。

　また、分散部材２０と同様、後段触媒１２から軸方向後方に排出された第２の加熱ガスが流れ方向を変えて複数の出口３４，３５から様々な方向に排出されると共に、貯留室３０内のアンモニアガスも様々な方向に排出されるので、これらガスをＮＯｘ触媒３にまんべんなく導入することができ（即ち、ＮＯｘ触媒３の前端入口面に均等に供給でき）、ＮＯｘ触媒３の浄化能及び加熱効果を向上できる。

　加えて、貯留室３０内に供給された尿素水Ｎが、蓄熱部材をなす高温の画成部材３１に接触或いは衝突するので、画成部材３１自体の熱をも利用して尿素水Ｎの蒸発及び加水分解を一層促進できる。

　なお、後段触媒１２内にはＨＣが吸着していることがあり、この吸着ＨＣに尿素が反応すると、ＮＯｘ等の望まない成分が生成されてしまう。よってこれを防止するため、本実施形態では供給尿素水Ｎができるだけ後段触媒１２に接触、衝突しないようにしている。

　尿素水供給ノズル４からの尿素水Ｎの供給は、連続的に行っても良いし、間欠的に行っても良い。いずれの場合でも、尿素水Ｎは貯留室３０内で蒸発し、アンモニアガスとなって貯留室３０から排出される。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、本発明はディーゼルエンジン即ち圧縮着火式内燃機関以外の内燃機関にも適用可能であり、例えば火花点火式内燃機関、特に直噴リーンバーンガソリンエンジンにも適用可能である。

　このほか、他の実施形態としては次のようなものが考えられる。

　（１）画成部材の全部又は一部（特に周側面部３３）を金属製ネット或いはパンチングメタルから形成してもよい。画成部材の具体的な形状、構造等は、試験結果等に鑑みて最適なものを採用することができる。

　（２）分散部材２１と同様の考え方で、画成部材３１の閉止板３２から出口３５を省略しても良く、或いは閉止板３２の外周側にのみ出口３５を設けても良い。こうすると後段触媒１２から軸方向後方に排出された第２の加熱ガスの流れ方向をより積極的に変えることができ、同時に貯留室３０の保温効果も向上できる。

　（３）加熱ガス生成装置の触媒は、二段に限らず三段、四段といったようにより多く設けることができる。例えば、二段の場合に、二段目（最後段）の触媒から望ましくないＨＣが出るようであれば、触媒の数を増やして例えば三段とし、三段目の触媒でＨＣ成分を除去すればよい。いずれにしても、要請に応じて、最後段の触媒からＨＣが排出されないよう、段数を定めることができる。

　（４）加熱ガス生成装置の燃料供給ノズルは、最前段即ち一段目の触媒に対して必須であるが、これに加えて、中間或いは最後段の触媒に対して設けてもよい。

　本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

Claims

　内燃機関の排気通路内を流れる排気ガスの一部を利用して加熱ガスを生成する加熱ガス生成装置であって、酸化機能を有する触媒と、該触媒に燃料を供給する燃料供給ノズルとを有する加熱ガス生成装置と、
　前記加熱ガス生成装置の下流側に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
　前記触媒及び前記ＮＯｘ触媒の間に尿素水を供給する尿素水供給ノズルと、
　前記触媒の出口部に設けられ、前記触媒から排出された加熱ガスを一時的に貯留して排出する貯留室であって、前記尿素水供給ノズルからの前記尿素水が供給される貯留室と
　を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
　前記貯留室が画成部材によって画成されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
　前記画成部材が、前記貯留室内のガスを複数方向に排出するための複数の出口を有することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
　前記画成部材が、前記加熱ガスから受けた熱を蓄熱することを特徴とする請求項２又は３記載の内燃機関の排気浄化装置。
　前記画成部材が、前記触媒のケーシングに接続され、該ケーシングから伝達された熱を蓄熱することを特徴とする請求項２～４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
　前記尿素水供給ノズルから供給された前記尿素水が前記画成部材に衝突するよう、前記尿素水供給ノズルが指向されていることを特徴とする請求項２～５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
　前記画成部材が、前記触媒から後方に突出して後端が閉止された筒状の部材からなることを特徴とする請求項２～６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
　前記触媒が直列且つ多段に設けられ、前記貯留室が、最後段の前記触媒の出口部に設けられることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
　互いに隣り合う前後の触媒の間に設けられ、前段側の触媒から排出されたガスを分散させるための分散部材をさらに備えることを特徴とする請求項８記載の内燃機関の排気浄化装置。
　前記触媒の入口部に設けられたヒータをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。