JP2005076460A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクタのノズルから噴射した還元剤を排気ガス中に良好に混合せしめて短時間のうちに効率良くリッチ雰囲気を形成し得るようにした排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気ガス８中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス８中の酸素濃度の低下時に還元剤の介在によりＮＯxを分解放出するＮＯx吸蔵還元触媒１０を排気管９の途中に装備し、該排気管９のＮＯx吸蔵還元触媒１０より上流に排気ガス８中に燃料１３を添加するインジェクタ１１を配設すると共に、該インジェクタ１１のノズル先端より下流で且つ該ノズル先端に近い位置における排気管９の軸心方向の所要範囲に亘り断熱構造としてセラミックコーティング１２を施す。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気管の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備した排気浄化装置に関するものである。

従来より、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度を低下させた時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒が知られている。

このＮＯx吸蔵還元触媒においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、定期的にＮＯx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの酸素濃度を低下させてＮＯxを分解放出させる必要がある。例えば、ガソリン機関に使用した場合であれば、機関の運転空燃比を低下（機関をリッチ空燃比で運転）することにより、排気ガス中の酸素濃度を低下し且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加してＮＯxの分解放出を促すことができる。

ただし、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼル機関の排気浄化装置として使用した場合には、機関をリッチ空燃比で運転することが困難であるため、ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で排気ガス中に燃料を添加することにより、その添加した燃料を高温の排気ガス中で蒸発させて多量の炭化水素を生成し、この炭化水素を還元剤として酸素と反応させることで排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要がある（尚、同時に燃料中の硫黄分が触媒上に蓄積したものを脱離させる必要があるので、この場合もリッチ空燃比が必要である）。

尚、排気管途中に装備したＮＯx吸蔵還元触媒等の後処理装置の上流側に燃料を添加するという考え自体は従来より提案されているものであり、例えば、下記の特許文献１には、シリンダヘッドの排気ポートに燃料添加用インジェクタを装備して、該インジェクタによる排気ポート噴射で排気ガス中に燃料を添加し、その添加燃料をタービンで撹拌した上で後処理装置に供給するようにした手段が提案されている。

ただし、ディーゼルエンジンを搭載した大型車両等においては、ＥＧＲ装置やターボチャージャの信頼性を確保する観点から、排気管途中の後処理装置の入側にインジェクタを装備して燃料添加を行い、リッチ雰囲気を形成することが望まれており、既に下記の特許文献２等に排気管の途中にインジェクタで燃料添加を行う手段が提案されている。
特開２００１−２８０１２５号公報 特開２０００−２４０４２９号公報

しかしながら、排気管の途中にインジェクタで燃料添加を行い、リッチ雰囲気を形成した場合、ただ単純に排気管内にインジェクタで燃料を噴射するだけでは、該インジェクタのノズルから所要の噴射角で噴射された燃料の大半が排気管の内周面を濡らすばかりで良好な排気ガス中への気化混合が図られないため、ＮＯx吸蔵還元触媒を再生するのに適したリッチ雰囲気（排気ガス中の酸素濃度が低く且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分が多い雰囲気）を短時間のうちに効率良く形成することができず、特に燃料を還元剤として添加する場合に燃費の悪化を招いてしまうという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、インジェクタのノズルから噴射した還元剤を排気ガス中に良好に混合せしめて短時間のうちに効率良くリッチ雰囲気を形成し得るようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中の酸素濃度の低下時に還元剤の介在によりＮＯxを分解放出するＮＯx吸蔵還元触媒を排気管の途中に装備し、該排気管のＮＯx吸蔵還元触媒より上流に排気ガス中に燃料を添加するインジェクタを配設すると共に、該インジェクタのノズル先端より下流で且つ該ノズル先端に近い位置における排気管軸心方向の所要範囲に亘り断熱構造を採用したことを特徴とする排気浄化装置、に係るものである。

而して、このようにすれば、インジェクタのノズル先端から噴射された還元剤が排気管の内周面に付着した際に、その付着部分が断熱構造となっていて排気ガスからの受熱により高温化しているので、排気管の内周面に付着した還元剤が直ちに蒸発して排気ガス中に良好に混合され、短時間のうちに効率良くリッチ雰囲気が形成されることになる。

また、本発明は、排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中の酸素濃度の低下時に還元剤の介在によりＮＯxを分解放出するＮＯx吸蔵還元触媒を排気管の途中に装備し、該排気管のＮＯx吸蔵還元触媒より上流に排気ガス中に燃料を添加するインジェクタを配設すると共に、該インジェクタのノズル先端より下流で且つ該ノズル先端に近い位置における排気管軸心方向の所要範囲に亘り凹曲面構造を採用したことを特徴とする排気浄化装置、にも係るものである。

而して、このようにすれば、インジェクタのノズル先端から噴射された還元剤が排気管の内周面に近接した際に、排気ガスの凹曲面構造に沿う流れに乗って該凹曲面構造の後半で排気管の中心側へ戻されるので、排気管の内周面（凹曲面構造）への還元剤の付着が極力回避されて該還元剤が排気ガス中に良好に混合され、短時間のうちに効率良くリッチ雰囲気が形成されることになる。

更に、前述した何れの本発明においても、インジェクタのノズル先端より下流で且つ該ノズル先端に近い位置における排気管軸心方向の所要範囲に亘り酸化触媒を担持せしめておくことが好ましく、このようにすれば、インジェクタのノズル先端から噴射された還元剤が排気管の内周面に付着した際に、その付着部分に酸化触媒が担持されていることから前記還元剤の酸化反応が促進されて該還元剤の着火燃焼が助勢され、これにより排気ガス中の酸素濃度が直ちに低下し且つその反応熱による気化促進も図られて短時間のうちに効率良くリッチ雰囲気が形成されることになる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、インジェクタのノズルから噴射した還元剤を排気ガス中に良好に混合せしめて短時間のうちに効率良くリッチ雰囲気を形成することができるので、還元剤の消費量を必要最小限に抑制することができ、特に還元剤が燃料である場合に燃費の悪化を極力回避することができるという優れた効果を奏し得る。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号の１はターボチャージャ２を搭載したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導いた吸気４を吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ導いて加圧し、その加圧された吸気４をインタークーラ６を介しディーゼルエンジン１の各気筒に分配して導入するようにしてある。

また、このディーゼルエンジン１の各気筒から排気マニホールド７を介し排出された排気ガス８を排気管９を通して前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８をＮＯx吸蔵還元触媒１０を通してＮＯxを低減化した上で車外へ排出するようにしてある。

ここで、このＮＯx吸蔵還元触媒１０は、フロースルー型の触媒モノリスにより構成しても良いし、コージェライト等のセラミックから成る多孔質ハニカム構造のパティキュレートフィルタに担持させたものとしても良い。

更に、排気管９の途中における適宜位置、即ち、ここに図示している例でＬ字状に曲がっている排気管９の屈曲部に対し、燃料噴射方向が排気ガス８の流れ方向に沿うようにインジェクタ１１が貫通装着されている。

ここで、このインジェクタ１１は、ディーゼルエンジン１の気筒内噴射に用いられるインジェクタのように高圧雰囲気に燃料噴射を行うものではないので、大気圧に近い排気圧力に抗して燃料を噴射できる程度のインジェクタであれば良く、例えば、ガソリンエンジンの気筒内噴射に用いられているインジェクタをそのまま流用することも可能である。

そして、本形態例においては、インジェクタ１１のノズル先端より下流で且つ該ノズル先端に近い位置における排気管９の軸心方向の所要範囲に亘り断熱構造としてセラミックコーティング１２を施してある。

より具体的には、排気管９のパイプ径をＤとした場合に、インジェクタ１１のノズル先端を起点として下流側へ１Ｄ程度離れた位置から５Ｄ程度離れた位置までの範囲にセラミックコーティング１２を施すことが好ましく、この範囲は後述する断熱構造の別の例についても同様に好適である。

而して、このようにすれば、インジェクタ１１のノズル先端から噴射された燃料１３（還元剤）が排気管９の内周面に付着した際に、その付着部分にセラミックコーティング１２が施されていて排気ガス８からの受熱により高温化しているので、排気管９の内周面に付着した燃料１３が直ちに蒸発して排気ガス８中に良好に混合され、短時間のうちに効率良くリッチ雰囲気が形成されることになる。

従って、上記形態例によれば、インジェクタ１１のノズルから噴射した燃料１３を排気ガス中に良好に混合せしめて短時間のうちに効率良くリッチ雰囲気を形成することができるので、燃料１３の消費量を必要最小限に抑制することができて燃費の悪化を極力回避することができる。

図３は本発明の断熱構造の別の例を示すもので、インジェクタ１１のノズル先端より下流にセラミックコーティング１２を施す替わりに、この範囲をセラミックパイプ１４に置き換えて断熱構造を構成している。

また、図４は本発明の断熱構造の更に別の例を示すもので、インジェクタ１１のノズル先端より下流の所要範囲に内筒１５を配置して二重管構造とし、この内筒１５と排気管９の内周面との間に排気ガス８の層が介在するようにして断熱構造を構成している。

そして、これら図３及び図４の何れの断熱構造を採用した場合でも、その断熱構造が施された範囲において、付着した燃料１３を直ちに蒸発せしめて排気ガス８中に良好に混合させることができる。

また、図２のセラミックコーティング１２の内周面、図３のセラミックパイプ１４の内周面、図４の内筒１５の内周面には、酸化触媒を担持せしめておくことが好ましく、このようにすれば、インジェクタ１１のノズル先端から噴射された燃料１３が付着した際に、その付着部分に酸化触媒が担持されていることから前記燃料１３の酸化反応が促進されて該燃料１３の着火燃焼が助勢され、これにより排気ガス８中の酸素濃度が直ちに低下し且つその反応熱による気化促進も図られて短時間のうちに効率良くリッチ雰囲気が形成されることになる。

図５は本発明の別の形態例を示すもので、本形態例においては、前述した如き各種の断熱構造を採用する替わりに、排気管９の軸心方向の所要範囲に亘り、該排気管９の内周面に対し約３〜２０ｍｍ程度の深さで凹曲面構造１６を採用している。

より具体的には、排気管９のパイプ径をＤとした場合に、インジェクタ１１のノズル先端を起点として下流側へ１．５Ｄ程度離れた位置から３Ｄ程度離れた位置までの範囲に凹曲面構造１６を施すことが好ましい。

而して、このようにすれば、インジェクタ１１のノズル先端から噴射された燃料１３が排気管９の内周面に近接した際に、排気ガス８の凹曲面構造１６に沿う流れに乗って該凹曲面構造１６の後半で排気管９の中心側へ戻されるので、排気管９の内周面（凹曲面構造１６）への燃料１３の付着が極力回避されて該燃料１３が排気ガス８中に良好に混合され、短時間のうちに効率良くリッチ雰囲気が形成されることになる。

従って、本形態例においても、インジェクタ１１のノズルから噴射した燃料１３を排気ガス８中に良好に混合せしめて短時間のうちに効率良くリッチ雰囲気を形成することができるので、燃料１３の消費量を必要最小限に抑制することができて燃費の悪化を極力回避することができる。

また、この凹曲面構造１６には、前述した図２のセラミックコーティング１２、図３のセラミックパイプ１４、図４の内筒１５等といった断熱構造を併用することも可能であり、要するに、図２のセラミックコーティング１２を施した範囲の排気管９や、図３のセラミックパイプ１４とその外周の排気管９、図４の内筒１５とその外周の排気管９を、その軸心方向に凹曲面を成すように成形加工すれば良い。

更に、この凹曲面構造１６に関しても、より効率的にリッチ雰囲気が形成されるようにする目的で酸化触媒を担持させておくことが好ましいことは勿論であり、このようにしておけば、インジェクタ１１のノズル先端から噴射された燃料１３が付着したとしても、その付着部分に酸化触媒が担持されていることから前記燃料１３の酸化反応が促進されて該燃料１３の着火燃焼が助勢されるので、排気ガス８中の酸素濃度の低下や反応熱による気化促進が図られることになる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、インジェクタは必ずしも排気管の屈曲部に配設しなくても良いこと、また、インジェクタにより添加される燃料には、一般的なディーゼルエンジン用燃料である軽油を用いる以外に、灯油等の異種燃料を用いても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を概略的に示す全体図である。 図１のインジェクタによる燃料添加位置の詳細を示す断面図である。 本発明の断熱構造の別の例を示す断面図である。 本発明の断熱構造の更に別の例を示す断面図である。 本発明の別の形態例を示す断面図である。

符号の説明

８ 排気ガス
９ 排気管
１０ ＮＯx吸蔵還元触媒
１１ インジェクタ
１２ セラミックコーティング（断熱構造）
１３ 燃料（還元剤）
１４ セラミックパイプ（断熱構造）
１５ 内筒（断熱構造）
１６ 凹曲面構造

Claims (3)

1. 排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中の酸素濃度の低下時に還元剤の介在によりＮＯxを分解放出するＮＯx吸蔵還元触媒を排気管の途中に装備し、該排気管のＮＯx吸蔵還元触媒より上流に排気ガス中に燃料を添加するインジェクタを配設すると共に、該インジェクタのノズル先端より下流で且つ該ノズル先端に近い位置における排気管軸心方向の所要範囲に亘り断熱構造を採用したことを特徴とする排気浄化装置。
2. 排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中の酸素濃度の低下時に還元剤の介在によりＮＯxを分解放出するＮＯx吸蔵還元触媒を排気管の途中に装備し、該排気管のＮＯx吸蔵還元触媒より上流に排気ガス中に燃料を添加するインジェクタを配設すると共に、該インジェクタのノズル先端より下流で且つ該ノズル先端に近い位置における排気管軸心方向の所要範囲に亘り凹曲面構造を採用したことを特徴とする排気浄化装置。
3. インジェクタのノズル先端より下流で且つ該ノズル先端に近い位置における排気管軸心方向の所要範囲に亘り酸化触媒を担持せしめたことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。

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