WO2017170108A1 - 排気浄化システム - Google Patents

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勝士 長田
今井　武人
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いすゞ自動車株式会社
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present disclosure relates to an exhaust purification system, and more particularly to an exhaust purification system including a reduction catalyst.
  • an injection nozzle for adding urea water into an exhaust pipe and a nitrogen compound (hereinafter referred to as NOx) contained in exhaust gas using ammonia generated by hydrolysis from urea water by exhaust heat as a reducing agent.
  • a selective reduction catalyst hereinafter referred to as an SCR catalyst for reducing and purifying.
  • Patent Document 1 discloses a technique in which a reducing agent is efficiently mixed and diffused in exhaust gas by providing a mixer plate having a plurality of fins between a reducing agent injection nozzle and an SCR catalyst. It is disclosed.
  • the mixer plate is disposed perpendicular to the pipe axis direction of the exhaust pipe, and urea water is injected into the exhaust pipe obliquely with respect to the pipe axis direction from the injection nozzle. For this reason, there is a problem that the urea water jetted obliquely in a substantially conical shape from the jet nozzle cannot collide with the entire surface of the plate, and in particular, the plate region that is far from the jet nozzle cannot be used efficiently.
  • the disclosed system aims to effectively cause urea water (reducing agent) injected from the injection nozzle to collide with the entire mixer member.
  • the disclosed system includes a linear exhaust pipe through which exhaust gas discharged from an engine flows, an injection nozzle that injects a reducing agent obliquely with respect to a pipe axis direction in the exhaust pipe, and a downstream side of the injection nozzle
  • a reduction catalyst for purifying the exhaust gas by reacting with the reducing agent and a reduction catalyst provided in the exhaust pipe downstream of the injection nozzle and upstream of the reduction catalyst.
  • the mixer member may be arranged to be inclined in the exhaust pipe so that the upstream side surface is perpendicular to the injection axis direction of the injection nozzle.
  • the straight pipe is formed in a cylindrical shape
  • the mixer member has an elliptical ring member whose outer periphery is fixed to the inner circumference of the straight pipe, and a plurality of flat plates arranged in a lattice in the ring member.
  • a member and a plurality of fins formed integrally with the flat plate member and bent at a predetermined angle may be provided.
  • the injection nozzle injects urea water into the straight pipe, and the reduction catalyst reduces and purifies nitrogen compounds contained in the exhaust gas using ammonia generated by hydrolysis from the urea water by exhaust heat as a reducing agent. It may be a selective reduction catalyst.
  • urea water (reducing agent) injected from the injection nozzle can be effectively collided with the entire mixer member.
  • FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram illustrating an exhaust purification system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view illustrating a mixer member according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a main part of an exhaust purification system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a main part of an exhaust purification system according to another embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic front view showing a mixer according to another embodiment.
  • an exhaust system of a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) 10 includes an exhaust manifold 11, an upstream pipe 12, a front casing 20, a straight pipe 13, and a rear casing in order from the exhaust upstream side. 40 and a discharge pipe 14.
  • the upstream pipe 12 is formed in a substantially cylindrical shape, and its upstream end is connected to the exhaust manifold 11 and its downstream end is connected to the upstream opening of the front casing 20.
  • the front casing 20 is formed in a substantially cylindrical shape, and a first oxidation catalyst 21 and a filter 22 are accommodated in that order from the exhaust upstream side.
  • the first oxidation catalyst 21 is formed, for example, by carrying a catalyst component or the like on the surface of a ceramic carrier such as a cordierite honeycomb structure.
  • a ceramic carrier such as a cordierite honeycomb structure.
  • the filter 22 is formed, for example, by arranging a large number of cells partitioned by porous partition walls along the flow direction of the exhaust gas and alternately plugging the upstream side and the downstream side of these cells. .
  • the filter 22 collects particulate matter (PM) in the exhaust gas in the pores and surfaces of the partition walls, and when the estimated amount of PM deposition reaches a predetermined amount, forced filter regeneration is performed to remove this.
  • PM particulate matter
  • the straight pipe 13 is formed in a substantially straight cylindrical shape, and connects the downstream opening of the front casing 20 and the upstream opening of the rear casing 40.
  • the straight pipe 13 is provided with an injection nozzle 33 that constitutes a part of the urea water injection device 30, and a mixer plate 50, which will be described in detail later, is provided in the straight pipe 13 downstream of the injection nozzle 33. It has been.
  • the urea water injection device 30 includes a urea water tank 31 that stores urea water, a urea water pump 32 that pumps urea water from the urea water tank 31, and an injection nozzle 33 that injects urea water into the straight pipe 13. Yes.
  • the urea water injected from the injection nozzle 33 into the straight pipe 13 is hydrolyzed by exhaust heat to be generated into ammonia (NH 3 ), and is supplied to the SCR catalyst 41 on the downstream side as a reducing agent.
  • NH 3 ammonia
  • the rear casing 40 is formed in a substantially cylindrical shape, and an SCR catalyst 41 and a second oxidation catalyst 42 are accommodated in that order from the upstream side of the exhaust.
  • the SCR catalyst 41 is formed, for example, by supporting zeolite or the like on a porous ceramic carrier.
  • the SCR catalyst 41 adsorbs ammonia supplied as a reducing agent from the injection nozzle 33 and selectively reduces and purifies NOx from the exhaust gas passing through the adsorbed ammonia.
  • the second oxidation catalyst 42 is formed, for example, by supporting a catalyst component or the like on the surface of a ceramic carrier such as a cordierite honeycomb structure, and has a function of oxidizing ammonia slipped downstream from the SCR catalyst 41. is doing.
  • the mixer member 50 includes an elliptical ring member 51, a plurality of flat plate members 53 ⁇ / b> A and 53 ⁇ / b> B that are arranged in a lattice shape inside the ring member 51 to form an exhaust gas passage, A plurality of fins 54A and 54B that are integrally formed with the member 53A and project to the exhaust downstream side are provided.
  • Each fin 54A, B is formed by making a substantially V-shaped cut into the flat plate member 53A and bending a portion left in a trapezoidal shape at a predetermined angle.
  • Each fin 54A, B is formed such that fins 54A bent in one direction (A direction in the figure) and fins 54B bent in the other direction (B direction in the figure) are alternately arranged in parallel. Has been.
  • the injection nozzle 33 is attached to the seat 13 ⁇ / b> A of the straight pipe 13 by a bolt or the like (not shown) so that the injection axis Y is inclined at a predetermined angle with respect to the pipe axis direction X of the straight pipe 13. It is fixed.
  • the mixer member 50 has an upstream side surface 50A (a side surface opposite to the fins 54A and B) inclined with respect to the tube axis direction X and perpendicular to the injection axis Y.
  • the outer periphery is fixed to the inner periphery of the straight pipe 13 by welding or the like.
  • the upstream side surface 50A of the mixer member 50 does not have to be completely perpendicular to the injection axis Y of the injection nozzle 33, and may be inclined by about ⁇ 5 degrees.
  • the mixer member 50 is attached in the straight pipe 13 so that the upstream side surface 50A faces the opening surface of the injection port 33A of the injection nozzle 33 substantially in parallel.
  • urea water (reducing agent) injected in a substantially conical shape from the injection nozzle 33 uniformly collides with the entire surface of the upstream side surface 50A. It becomes like this.
  • the mixer member 50 is attached to the straight pipe 13 so as to be inclined, and the upstream side surface 50 ⁇ / b> A is directly opposed to the injection port 33 ⁇ / b> A of the injection nozzle 33. Can be caused to collide uniformly with the entire surface of the upstream side surface 50A. This makes it possible to efficiently utilize the entire mixer member 50 to promote mixing and diffusion of the exhaust gas and the reducing agent, and to reliably improve the reduction efficiency of the SCR catalyst 41.
  • ammonia (reducing agent) is uniformly distributed in the SCR catalyst 41, so that ammonia slip can be effectively suppressed, the capacity of the second oxidation catalyst 42 on the downstream side can be reduced, and the cost of the entire apparatus can be reduced. Reduction can be effectively achieved.
  • the inclination angle of the mixer member 50 may be set more gently than in the above embodiment.
  • the upstream side surface 50A of the mixer member 50 may be inclined in the exhaust pipe so as to be about 60 to about 85 degrees with respect to the injection axis Y of the injection nozzle 33.
  • the adhesion of urea water to the fins 54A and 54B can be effectively promoted by setting the bending angle of each fin 54A and B to an acute angle as the distance from the injection nozzle 33 increases.
  • the mechanism for mixing and diffusing the reducing agent and the exhaust gas is not limited to the mixer member 50, and includes a plurality of blades (fins) 62 provided radially around the hub 61 as shown in FIG.
  • a mixer 60 can also be applied.
  • the upstream side surface of the mixer 60 may be inclined so as to face the injection nozzle 33 (see FIG. 3).
  • the engine 10 is not limited to a diesel engine, and can be widely applied to an internal combustion engine in addition to a gasoline engine or the like.
  • the present invention has an effect that urea water (reducing agent) injected from the injection nozzle can be effectively collided with the entire mixer member, and is useful for an exhaust purification system and the like.

Abstract

エンジン１０から排出される排気ガスが流通する直線状の排気管１３と、排気管１３内に管軸方向に対して斜めに還元剤を噴射する噴射ノズル３３と、噴射ノズル３３よりも下流側の排気系に設けられて排気ガスを還元剤と反応させて浄化する還元触媒４１と、噴射ノズル３３よりも下流側の排気管１３内に設けられて、還元剤を排気ガスと混合拡散させるミキサー部材５０とを備え、ミキサー部材５０は、下流側に突出する複数枚のフィン５４Ａ，Ｂを含むと共に、上流側面５０Ａが噴射ノズル３３の噴射口面と対向するように排気管１３内に傾斜して配置される。

Description

排気浄化システム
　本開示は、排気浄化システムに関し、特に、還元触媒を備えた排気浄化システムに関する。
　この種の排気浄化システムとして、排気管内に尿素水を添加する噴射ノズルと、尿素水から排気熱により加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として排気ガス中に含まれる窒素化合物（以下、ＮＯｘ）を還元浄化する選択的還元触媒（以下、ＳＣＲ触媒）とを備えるものが知られている。
　ＳＣＲ触媒に供給される還元剤の分布が偏ると、供給量が多い領域ではアンモニアが過剰となり、供給量が不足する領域ではＮＯｘを十分に還元浄化できないことになる。このため、還元効率を向上するには、還元剤を排気ガスに混合拡散させて、ＳＣＲ触媒に還元剤を均一に分布させる必要がある。例えば、特許文献１には、還元剤噴射ノズルとＳＣＲ触媒との間に複数枚のフィンを有するミキサープレートを設けることで、還元剤を排気ガス中に効率的に混合拡散させるようにした技術が開示されている。
日本国特開２００９－２４６５４号公報
　ところで、特許文献１記載の技術では、ミキサープレートを排気管の管軸方向に対して垂直に配置すると共に、尿素水を噴射ノズルから排気管内に管軸方向に対して斜めに噴射している。このため、噴射ノズルから斜めに略円錐状に噴射された尿素水をプレートの全面に衝突させることができず、特に噴射ノズルから距離が離れたプレート領域を効率的に活用できない課題がある。
　開示のシステムは、噴射ノズルから噴射される尿素水（還元剤）をミキサー部材の全体に効果的に衝突させることを目的とする。
　開示のシステムは、エンジンから排出される排気ガスが流通する直線状の排気管と、前記排気管内に管軸方向に対して斜めに還元剤を噴射する噴射ノズルと、前記噴射ノズルよりも下流側の排気系に設けられて排気ガスを前記還元剤と反応させて浄化する還元触媒と、前記噴射ノズルよりも下流側且つ、前記還元触媒よりも上流側の前記排気管内に設けられて、前記還元剤を排気ガスと混合拡散させるミキサー部材と、を備え、前記ミキサー部材は、下流側に突出する複数枚のフィンを含むと共に、当該フィンとは反対側の上流側面が前記噴射ノズルの噴射口面と対向するように前記排気管内に傾斜して配置されることを特徴とする。
　前記ミキサー部材は、前記上流側面が前記噴射ノズルの噴射軸方向に対して垂直となるように前記排気管内に傾斜して配置されてもよい。
　前記直線配管は円筒状に形成され、前記ミキサー部材は、その外周を前記直線配管の内周に固定される楕円環状のリング部材と、前記リング部材内に格子状に配置される複数枚の平板部材と、前記平板部材と一体に形成されて所定の角度で折り曲げられた複数枚のフィンと、を備えてもよい。
　前記噴射ノズルが前記直線配管内に尿素水を噴射し、前記還元触媒が前記尿素水から排気熱により加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として排気ガス中に含まれる窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒であってもよい。
　開示のシステムによれば、噴射ノズルから噴射される尿素水（還元剤）をミキサー部材の全体に効果的に衝突させることができる。
図１は、本開示の一実施形態に係る排気浄化システムを示す模式的な全体構成図である。 図２は、本開示の一実施形態に係るミキサー部材を示す模式的な斜視図である。 図３は、本開示の一実施形態に係る排気浄化システムの要部を示す模式的な断面図である。 図４は、他の実施形態に係る排気浄化システムの要部を示す模式的な断面図である。 図５は、他の実施形態に係るミキサーを示す模式的な正面図である。
　以下、添付図面に基づいて、本開示の一実施形態に係る排気浄化システムを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
　図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の排気系は、排気上流側から順に、排気マニホールド１１と、上流配管１２と、前段ケーシング２０と、直線配管１３と、後段ケーシング４０と、放出配管１４とを備えている。
　上流配管１２は、略円筒状に形成されており、その上流端を排気マニホールド１１に接続されると共に、その下流端を前段ケーシング２０の上流側開口部に接続されている。
　前段ケーシング２０は、略円筒状に形成されており、その内部には、排気上流側から順に、第１酸化触媒２１及び、フィルタ２２が収容されている。
　第１酸化触媒２１は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分等を担持して形成されている。第１酸化触媒２１は、エンジン１０のポスト噴射や図示しない排気管噴射ノズルの排気管噴射によって未燃燃料が供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。
　フィルタ２２は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。フィルタ２２は、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積推定量が所定量に達すると、これを燃焼除去するフィルタ強制再生が実施される。
　直線配管１３は、略直線円筒状に形成されており、前段ケーシング２０の下流側開口部と後段ケーシング４０の上流側開口部とを接続する。直線配管１３には、尿素水噴射装置３０の一部を構成する噴射ノズル３３が設けられ、さらに、噴射ノズル３３よりも下流側の直線配管１３内には、詳細を後述するミキサープレート５０が設けられている。
　尿素水噴射装置３０は、尿素水を貯留する尿素水タンク３１と、尿素水タンク３１から尿素水を汲み上げる尿素水ポンプ３２と、直線配管１３内に尿素水を噴射する噴射ノズル３３とを備えている。噴射ノズル３３から直線配管１３内に噴射された尿素水は、排気熱により加水分解されてアンモニア（ＮＨ３）に生成され、下流側のＳＣＲ触媒４１に還元剤として供給される。
　後段ケーシング４０は、略円筒状に形成されており、その内部には、排気上流側から順に、ＳＣＲ触媒４１及び、第２酸化触媒４２が収容されている。
　ＳＣＲ触媒４１は、例えば多孔質セラミック担体にゼオライト等を担持して形成されている。ＳＣＲ触媒４１は、噴射ノズル３３から還元剤として供給されるアンモニアを吸着すると共に、吸着したアンモニアで通過する排気中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。
　第２酸化触媒４２は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分等を担持して形成されており、ＳＣＲ触媒４１から下流側にスリップしたアンモニアを酸化する機能を有している。
　次に、図２に基づいて、本実施形態のミキサー部材５０の詳細構成について説明する。
　図２に示すように、ミキサー部材５０は、楕円環状のリング部材５１と、リング部材５１の内部に格子状に配置されて排気ガスの通路を形成する複数枚の平板部材５３Ａ，Ｂと、平板部材５３Ａと一体に形成されて排気下流側に突出する複数枚のフィン５４Ａ，Ｂとを備えて構成されている。各フィン５４Ａ，Ｂは、平板部材５３Ａに略Ｖ字状の切り込みを入れて台形状に残された部位を所定の角度で折り曲げることで形成されている。また、各フィン５４Ａ，Ｂは、一の方向（図中Ａ方向）に折り曲げられたフィン５４Ａと、他の方向（図中Ｂ方向）に折り曲げられたフィン５４Ｂとが交互に並列するように形成されている。
　このように、逆方向に折り曲げられたフィン５４Ａ，Ｂを交互に配置することで、ミキサー部材５０を通過する排気ガスに乱流を生じさせ、還元剤と排気ガスとの混合拡散が効果的に促進されるようになっている。また、複数枚のフィン５４Ａ，Ｂに尿素水を付着させて、通過する高温排気ガスと接触させることで、尿素水からアンモニアへの生成効率が効果的に向上されるようになっている。
　次に、図３に基づいて、本実施形態の直線配管１３及びミキサー部材５０の配置構成について説明する。
　図３に示すように、噴射ノズル３３は、その噴射軸Ｙが直線配管１３の管軸方向Ｘに対して所定の角度で傾斜するように、図示しないボルト等によって直線配管１３の座部１３Ａに固定されている。ミキサー部材５０は、その上流側面５０Ａ（フィン５４Ａ，Ｂとは反対側の側面）が管軸方向Ｘに対して傾斜し、且つ、噴射軸Ｙに対して垂直となるように、リング部材５１の外周を直線配管１３の内周に溶接等で固定されている。なお、ミキサー部材５０の上流側面５０Ａは噴射ノズル３３の噴射軸Ｙに対して完全に垂直である必要はなく、±５度程度傾斜してもよい。
　すなわち、ミキサー部材５０は、その上流側面５０Ａが噴射ノズル３３の噴口３３Ａの開口面と略平行に対向するように直線配管１３内に取り付けられている。このように、ミキサー部材５０の上流側面５０Ａを噴射ノズル３３と正対させることで、噴射ノズル３３から略円錐状に噴射される尿素水（還元剤）が上流側面５０Ａの全面に均一に衝突するようになる。
　以上詳述したように、本実施形態によれば、ミキサー部材５０を直線配管１３内に傾斜して取り付けて、その上流側面５０Ａを噴射ノズル３３の噴口３３Ａと正対させることにより、噴射ノズル３３から略円錐状に噴射される尿素水を上流側面５０Ａの全面に均一に衝突させることができる。これにより、ミキサー部材５０の全体を効率的に活用して排気ガスと還元剤との混合拡散を促進させることが可能となり、ＳＣＲ触媒４１の還元効率を確実に向上することができる。
　また、ＳＣＲ触媒４１にアンモニア（還元剤）が均一に分布されることで、アンモニアスリップを効果的に抑制することが可能となり、下流側の第２酸化触媒４２の容量小型化や装置全体のコスト低減を効果的に図ることができる。
　なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
　例えば、図４に示すように、ミキサー部材５０の傾斜角度を上記実施形態よりも緩やかに設定してもよい。たとえば、ミキサー部材５０の上流側面５０Ａを噴射ノズル３３の噴射軸Ｙに対して約６０度～約８５度となるように前記排気管内に傾斜して配置されてもよい。この場合、各フィン５４Ａ，Ｂの折り曲げ角度を噴射ノズル３３から離間するほど鋭角に設定することで、尿素水のフィン５４Ａ，Ｂへの付着を効果的に促進させることができる。
　また、還元剤と排気ガスとを混合拡散させる機構は上記ミキサー部材５０に限定されず、図５に示すような、ハブ６１を中心に放射状に設けられた複数枚の翼（フィン）６２を備えたミキサー６０を適用することもできる。この場合もミキサー６０の上流側面が噴射ノズル３３（図３参照）と正対するように傾斜して設ければよい。
　また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他に内燃機関にも広く適用することが可能である。
　本出願は、2016年3月28日付で出願された日本国特許出願（特願2016-064111）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明は、噴射ノズルから噴射される尿素水（還元剤）をミキサー部材の全体に効果的に衝突させることができるという効果を有し、排気浄化システム等に有用である。
　１０　エンジン
　１１　排気マニホールド
　１２　上流配管
　１３　直線配管
　２０　前段ケーシング
　３０　尿素水噴射装置
　３１　尿素水タンク
　３２　尿素水ポンプ
　３３　噴射ノズル
　４０　後段ケーシング
　４１　ＳＣＲ触媒
　５０　ミキサー部材
　５１　リング部材
　５３Ａ，Ｂ　平板部材
　５４Ａ，Ｂ　フィン

Claims (4)

  1. 　エンジンから排出される排気ガスが流通する直線状の排気管と、
    　前記排気管内に管軸方向に対して斜めに還元剤を噴射する噴射ノズルと、
    　前記噴射ノズルよりも下流側の排気系に設けられて排気ガスを前記還元剤と反応させて浄化する還元触媒と、
    　前記噴射ノズルよりも下流側且つ、前記還元触媒よりも上流側の前記排気管内に設けられて、前記還元剤を排気ガスと混合拡散させるミキサー部材と、を備え、
    　前記ミキサー部材は、下流側に突出する複数枚のフィンを含むと共に、当該フィンとは反対側の上流側面が前記噴射ノズルの噴射口面と対向するように前記排気管内に傾斜して配置される
    　ことを特徴とする排気浄化システム。
  2. 　前記ミキサー部材は、前記上流側面が前記噴射ノズルの噴射軸方向に対して垂直となるように前記排気管内に傾斜して配置される
    　請求項１に記載の排気浄化システム。
  3. 　前記直線配管は円筒状に形成され、
    　前記ミキサー部材は、
    　　　その外周を前記直線配管の内周に固定される楕円環状のリング部材と、
    　　　前記リング部材内に格子状に配置される複数枚の平板部材と、
    　　　前記平板部材と一体に形成されて所定の角度で折り曲げられた前記複数枚のフィンと、を備える
    　請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
  4. 　前記噴射ノズルが前記直線配管内に尿素水を噴射し、
    　前記還元触媒が前記尿素水から排気熱により加水分解されて生成されるアンモニアを前記還元剤として前記排気ガス中に含まれる窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒である
    　請求項１から３の何れか一項に記載の排気浄化システム。
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