JP2009030561A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元触媒の入口面に流入する排気ガスの流量分布に応じて還元剤を分布させて還元触媒に流入させ、窒素酸化物の還元効率の向上を図ることができる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路中に配置されて用いられ、還元触媒と、還元触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射するためのインジェクタと、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、インジェクタは、噴射される還元剤が扇状となるファンスプレーノズルを備えたインジェクタであり、還元触媒の入口面に対向する位置に、インジェクタから噴射された還元剤を衝突させて還元剤の進行方向を変え、還元触媒の入口面に還元剤を導く衝突板を備えるとともに、衝突板は複数の衝突面を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化するための排気浄化装置に関する。特に、還元触媒の直前で排気ガスの流れ方向が屈曲する形態の排気浄化装置に関する。

従来、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯ_Xと称する。）を除去するために、液体還元剤の噴射装置と選択還元触媒とを備えた排気浄化装置が知られている。かかる排気浄化装置は、還元触媒の上流側で排気ガス中に尿素水溶液等の液体還元剤を噴霧し、混合した上で還元触媒に流入させ、還元触媒中で液体還元剤が加水分解して生成されるアンモニアと窒素酸化物とを還元反応させることによって窒素酸化物が浄化されるようになっている。

排気通路中に還元剤を供給する装置としては、混合室内で圧縮空気を液体還元剤と混合して霧化した後に排気管中のノズルから供給する、いわゆるエアアシストタイプの装置や、排気管に取り付けられたインジェクタに液体還元剤を圧送し、インジェクタの噴射孔に通じる通路を開閉することによって噴射孔から排気通路内に還元剤の噴霧を行うインジェクションタイプの装置がある。このうち、インジェクタを用いて還元剤の噴霧を行うタイプでは、還元剤の粒子が拡散されにくく、還元触媒の入口面に流入する噴霧分布が偏りやすくなっている。

噴霧された還元剤の分布が偏った状態で還元触媒の入口面に対して流入すると、還元剤の流入量が多い領域においては生成されるアンモニアのうち窒素酸化物の還元反応に用いられなかったアンモニアがそのまま大気中に放出され、還元剤の流入量が少ない領域においては排気ガス中の窒素酸化物が十分に還元されずにそのまま大気中に放出されるおそれが生じる。そのため、還元触媒に到達する液体還元剤の分布が均一になるように、排気通路中にミキサーや衝突板を配置することが行われている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特開２００３−２３２２１８号公報 （図２） 特開２００７−３２４７２号公報 （図１）

しかしながら、還元触媒の上流側の排気通路の形態は様々であり、還元触媒の入口面に流入する排気ガスの流量分布は、それぞれの排気浄化装置の形態ごとにばらつきを持っている。特に、還元触媒の直前で排気ガスの流れ方向が屈曲するような形態の場合には、還元触媒の入口面へ流入する排気ガスの流量や流速は領域ごとにばらつきが生じやすくなっている。そのため、特許文献１や２のように、排気通路中にミキサーや衝突板を配置して排気ガス中に還元剤を分散させやすくした場合であっても、還元触媒の入口面での還元剤の分布と排気ガスの流量分布とが一致していない場合には、結果として、上述と同様の問題が生じるおそれがある。

そこで、本発明の発明者は鋭意努力し、排気浄化装置のインジェクタとして、ファンスプレーノズルを備えたインジェクタを用いるとともに、噴射された扇状の還元剤を衝突板の複数の衝突面に衝突させて還元触媒側へ進行方向を変えるように構成することによりこのような問題が解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明は、還元触媒の入口面に流入する排気ガスの流量分布に応じて還元剤を分布させて還元触媒に流入させ、窒素酸化物の還元効率の向上を図ることができる排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、内燃機関の排気通路中に配置されて用いられ、還元触媒と、還元触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射するためのインジェクタと、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、インジェクタは、噴射される還元剤が扇状となるファンスプレーノズルを備えたインジェクタであり、還元触媒の入口面に対向する位置に、インジェクタから噴射された還元剤を衝突させて還元剤の進行方向を変え、還元触媒の入口面に還元剤を導く衝突板を備えるとともに、衝突板は複数の衝突面を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供され、上述したような問題を解決することができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、排気通路は、還元触媒の直前に屈曲部を有し、排気ガスは還元触媒の直前で流れ方向を変えられて還元触媒に流入するようになっており、衝突板は、屈曲部における還元触媒の入口面に対向する位置に配置されることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、衝突板は、インジェクタから噴射される扇状の平面に沿って延在するように配置され、複数の衝突面は、還元剤の噴射方向に沿って配列されることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、衝突板の複数の衝突面の角度は、還元触媒の入口面に流入する排気ガスの流量分布に応じて設定されることが好ましい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、還元剤の噴霧が排気ガスの流れの影響を受けることが少なくなり、還元触媒の入口面に到達する還元剤の分布を調整することができる。すなわち、ファンスプレーノズルを備えたインジェクタは、高微粒化及び高貫徹力といった特徴を有しているため、複数の衝突面の配置や角度を調節することによって、還元触媒の入口面に導かれる還元剤の分布を定常化することができる。したがって、還元触媒において部分的にアンモニア又はＮＯ_Xのいずれかが過剰になることによる還元触媒の下流側への流出が防止され、排気ガス中のＮＯ_Xの還元効率を向上させることができる。
また、かかる構成であれば、還元触媒に近接してインジェクタや衝突板を配置することができるため、排気通路の長さを短くでき、排気浄化装置を小型化することができるとともに、熱放出が低減されて、還元触媒の活性温度領域を広げることもできる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、還元触媒の直前に排気通路の屈曲部を備え、還元触媒の入口面に対向する位置に衝突板を配置することにより、還元触媒の直前の排気通路の直線部分が短いような場合であっても、還元触媒に流入する排気ガスの流量分布に対応させて還元剤を還元触媒の入口面に導くことができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、インジェクタからの還元剤の噴霧の形状に対応させて所定の方向に沿って衝突板及び衝突面を配置することにより、扇状に噴射される還元剤を部分的に衝突面に衝突させて還元触媒側に導くことができるため、還元触媒の入口面に導かれる還元剤の分布を容易に調節することができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、複数の衝突面の角度を還元触媒の入口面に流入する排気ガスの流量分布に応じて設定することにより、還元触媒に流入するＮＯ_X量に見合った分布で還元剤を流入させることができ、還元触媒をそのまま通過するアンモニア又はＮＯ_Xの量を低減させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の内燃機関の排気浄化装置に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、図面中、同一の符号が付されたものについては同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

図１及び図２は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の排気浄化装置（以下、単に「排気浄化装置」と称する）１０の構成を示す図である。図１（ａ）は、排気浄化装置１０を軸方向に対して直交する方向から見た側面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）の排気浄化装置１０を排気導出管２７側から見た後方側面図を示している。また、図２は、図１（ｂ）のＸＸ断面を矢印方向に見た図であり、排気浄化装置１０を軸方向に沿って切断した断面図を示している。

図１及び図２に示すように、本実施形態にかかる排気浄化装置１０は、筐体としてのケーシング１１と、ケーシング１１内に収容された還元触媒１３と、ケーシング１１に固定されたインジェクタ３５と、インジェクタ３５の噴射方向に配置された衝突板１５とを主たる要素として構成されている。また、ケーシング１１内の還元触媒１３の下流側には、酸化触媒１７が配置されている。
この排気浄化装置１０は、主としてディーゼルエンジンの排気通路中に配設されて使用される。

この排気浄化装置１０の筐体であるケーシング１１は、ステンレス等の材料からなる円筒状の部材であり、その内部には、排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元する還元触媒１３が配置され、その下流側には酸化触媒１７が配置されている。これらの還元触媒１３及び酸化触媒１７は、それぞれ円筒状のハウジング２１ａ、２１ｂの内部に収容されている。

本実施形態の排気浄化装置１０に用いられる還元触媒１３は、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元浄化する、選択還元型の還元触媒である。この還元触媒１３は、公知のもの、例えば、多孔質担体上に、活性成分としてのストロンチウム又はバリウム、及びマグネシウム等のアルカリ土類金属や、セリウムとランタン等の希土類金属、白金とロジウム等の貴金属等を含むものを用いることができる。

また、還元触媒１３の下流側に備えられた酸化触媒１７は、仮に、還元剤としての尿素水溶液が加水分解されて生成されたアンモニアのうち、ＮＯ_Xの還元に使用されなかった分がそのまま通過した場合であっても、この酸化触媒１７によって酸化させ、相対的に有害性の低いＮＯ₂にして放出させるために用いられる。この酸化触媒１７は、公知のもの、例えば、アルミナに白金を担持させたものに所定量のセリウム等の希土類元素を添加したものを用いることができる。

また、還元触媒１３のさらに上流側には排気導入室２３が設けられ、当該排気導入室２３に臨むように内燃機関の排気管が接続される排気導入管２５が設けられている。また、酸化触媒１７のさらに下流側には貯留室２９が設けられ、当該貯留室２９には排気ガスが通過する複数の孔部２７ａが形成された排気導出管２７が接続されている。この排気導出管２７には排気管が接続される。

また、排気導入室２３に相当する部位のケーシング１１の外周にはインジェクタ３５が取り付けられ、インジェクタ３５のノズルの先端が排気導入室２３に臨むようにされている。このインジェクタ３５は、例えば、噴射孔に通じる通路の開閉を電磁制御によって行うＯＮ−ＯＦＦ弁であり、液体還元剤が常時所定の圧力値に維持されるようにポンプ等によって圧送され、噴射孔が開いたときに噴射されるようになっている。

また、インジェクタ３５のノズルに形成される噴射孔は矩形のスリット状に形成されており、噴射される還元剤の噴霧が扁平な扇状に形成され、かつ、貫徹力が強い噴射が行われるようになっている。また、インジェクタ３５から噴射される扁平な扇状の還元剤の噴霧がケーシング１１の中心軸と直交する断面に沿って形成されるように、矩形のスリット状の噴射孔は、ケーシング１１の軸方向に直交するように配置されている。
また、本実施形態の例では、排気ガスの熱によるインジェクタ３５の損傷を避けるために、放熱フィン３５ａを備えたインジェクタ３５が用いられている。

インジェクタ３５によって噴射される還元剤の量は、例えば、内燃機関の回転数や負荷状態、燃料噴射量等を基に推定される排出ＮＯ_X量に応じて決定され、この噴射量に応じてインジェクタ３５のＤＵＴＹ制御が行われるようになっている。
用いられる還元剤としては、尿素水溶液が典型的である。例えば、この尿素水溶液を使用した場合には、排気通路中に噴射された尿素が排気ガス中の熱によって加水分解することによりアンモニア（ＮＨ₃）が生成され、このＮＨ₃と排気ガス中のＮＯ_X（ＮＯやＮＯ₂）が還元触媒中で反応することによりＮＯ_Xが還元され、窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に分解されて排出される。これ以外にも、未燃燃料（ＨＣ）等、ＮＯ_Xを還元させることができる材料を液体還元剤として使用することができる。

また、インジェクタ３５から噴射される還元剤の噴霧の進行方向には、還元剤の噴霧が衝突可能なように衝突板１５が備えられている。この衝突板１５は、例えばステンレス等の耐熱性の材料からなり、複数の衝突面１５ａを備え、扁平な扇状の還元剤の噴霧が部分的に衝突することにより、それぞれ進行方向が変えられて還元触媒１３の入口面に向かって導かれるようになっている。

次に、図３及び図４を参照して、本実施形態の排気浄化装置１０に備えられたインジェクタ３５及び衝突板１５の構成について詳細に説明する。図３は、インジェクタ３５及び衝突板１５の斜視図を示し、図４（ａ）は、インジェクタ３５及び衝突板１５をケーシングの軸方向下流側から見た図を示し、図４（ｂ）は、インジェクタ３５及び衝突板１５を側方から見た図を示している。

この図３及び図４に示すように、インジェクタ３５から噴射される還元剤の噴霧の進行方向側には衝突板１５が配置されており、インジェクタ３５から噴射される扇状の噴霧が衝突可能になっている。本実施形態における衝突板１５は、プレート状の基体１５ｂの表面に、基体１５ｂの面に対して傾斜した衝突面１５ａを有する複数の衝突部１５ｃが設けられるとともに、基体１５ｂの周囲の縁のうち、インジェクタ３５側とは反対側の縁に沿って、Ｕ字状の壁部１５ｄが設けられている。

この衝突板１５は、ケーシングの端面のカバー板１１ａに溶接固定されており、還元触媒１３の入口面に対向するように配置されている。すなわち、衝突板１５の基体１５ｂの部分は、インジェクタ３５から噴射される還元剤の扁平な扇状の噴霧の平面と対向するようになっている。
ただし、衝突板１５は、ケーシングのカバー板１１ａに固定されることは必須ではなく、インジェクタのボディやケーシング自体に固定されていても構わない。

また、衝突板１５に備えられた複数の衝突部１５ｃは、インジェクタ３５から噴射される還元剤の噴霧の進行方向に沿って配列されるとともに（図３及び図４の例では５列に配列）、インジェクタ３５から最も離れた列の衝突部１５ｃｅ以外は、それぞれ中央部で分離されて、間に空間が形成されている。そして、インジェクタ３５から離れるにしたがい、分離された二つの衝突部１５ｃの間の距離が小さくなっている。したがって、噴射される扁平な扇状の還元剤の噴霧のうち外側に位置する噴霧ほどインジェクタ３５に近い衝突部１５ｃａに衝突し、中央部に位置する噴霧が最も離れた衝突部１５ｃｅに衝突する構造となっている。

これらの衝突部１５ｃは、それぞれインジェクタ３５から噴射された還元剤の噴霧の進行方向を、還元触媒１３の入口面に向けさせるためのものであり、衝突部１５ｃの位置及び衝突面１５ａの傾斜角度に応じて、還元触媒１３の入口面に到達する位置が調節可能になっている。
また、還元触媒１３の前面に衝突板１５が配置されるために、排気ガスの乱れ要素が増え、還元触媒１３の前面での排気ガスの流量分布自体を改善させることもできる。

この衝突部１５ｃの数や配置位置、大きさ、衝突面１５ａの傾斜角度については特に制限されるものではなく、種々の態様が考えられる。本実施形態の排気浄化装置は、インジェクタ３５として、ファンスプレーノズルを備えたインジェクタ３５が用いられ、貫徹力の強い噴射が可能であることから、噴射された還元剤は排気ガスの流れの影響を受けにくく、衝突部１５ｃの形態に応じて還元触媒１３の入口面の狙った位置に向けて還元剤を導くことができるようになっている。したがって、還元触媒１３の入口面に到達する還元剤の流量の分布を定常化できるため、排気通路の構成に応じた排気ガスの流量分布に対応させて還元剤を分布させて還元触媒１３に流入させることができるようになる。

例えば、図３及び図４に示される衝突板１５の各衝突部１５ｃａ〜１５ｃｅは、同間隔で配列されるとともに、すべて同じ傾斜角度の衝突面１５ａとされている。したがって、各衝突面１５ａに衝突して進行方向を変えられた還元剤の噴霧は、図５に示すように、インジェクタ３５に近い側の領域に対して比較的多くの還元剤が到達するようになっている。
ただし、排気通路の形態に応じて、還元触媒１３の入口面に到達する排気ガスの流量分布と還元剤の流量分布とを近似させるためには、ＣＦＤ（流体数値計算）を利用してそれぞれの流量分布が一致するように設計することで、衝突板１５の形状を最適化することができる。

また、衝突板１５の縁に沿って配置されたＵ字状の壁部１５ｄは、還元剤が液垂れした場合の受け皿として機能するようになっている。インジェクタ３５の閉弁時等には、噴射される還元剤の噴霧の貫徹力が弱められるため、衝突部１５ｃに付着し、液化して液垂れが生じるおそれがある。そのため、この液垂れを壁部１５ｄで回収し、排気ガスによって加熱されていた壁部１５ｄの熱によって還元剤を蒸発させ、排気ガスの流れに乗せて還元触媒１３に流入させるようになっている。
ただし、このＵ字状の壁部１５ｄは省略されていても構わない。

これまで説明したように、還元触媒の上流側で排気ガスの流れ方向が屈曲する構成の排気浄化装置において、扁平な扇状に形成され、かつ、貫徹力の強い噴霧となるファンスプレーノズルを備えたインジェクタを用いるとともに、扇状の還元剤の噴霧の進行方向を変えるための衝突板を備えることにより、還元触媒の入口面に流入する還元剤を所望の状態に分布させて定常化させることができる。したがって、還元触媒の入口面に到達する排気ガスの流量分布に応じて還元剤を還元触媒に導くことができるようになり、還元触媒に到達する排気ガスの流量の分布が偏っている場合であっても、その分布に合わせて還元剤を供給することができる。

また、還元剤及び排気ガスを混合拡散させて均一に還元触媒に流入させることを目的として混合拡散部材と還元触媒との距離を長く確保する必要がなくなるため、インジェクタや衝突板の取付位置を還元触媒に近接させることができるようになる。したがって、排気管を短くすることができ、排気浄化装置の小型化を図ることができるとともに、還元触媒上流側での熱放出が抑えられ、還元触媒の温度を活性温度に維持しやすくなる。その結果、排気ガス中のＮＯ_Xを効率的に低減させることができる。

本発明の実施の形態にかかる排気浄化装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる排気浄化装置の構成を説明するための断面図である。 衝突板の構成について説明するための斜視図である。 衝突板の構成について説明するための正面図及び側面図である。 衝突板に衝突した還元剤が導かれる様子を示す図である。

符号の説明

１０：排気浄化装置、１１：ケーシング、１１ａ：カバー板、１３：還元触媒、１５：衝突板、１５ａ：衝突面、１５ｂ：基体、１５ｃ：衝突部、１５ｄ：壁部、１７：酸化触媒、２１ａ、２１ｂ：ハウジング、２３：排気導入室、２５：排気導入管、２７：排気導出管、２７ａ：孔部、２９：貯留室、３５：インジェクタ、３５ａ：放熱フィン

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路中に配置されて用いられ、還元触媒と、前記還元触媒の上流側で前記排気通路内に還元剤を噴射するためのインジェクタと、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記インジェクタは、噴射される前記還元剤が扇状となるファンスプレーノズルを備えたインジェクタであり、
   前記還元触媒の入口面に対向する位置に、前記インジェクタから噴射された還元剤を衝突させて前記還元剤の進行方向を変え、前記還元触媒の入口面に前記還元剤を導く衝突板を備えるとともに、前記衝突板は複数の衝突面を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排気通路は、前記還元触媒の直前に屈曲部を有し、前記排気ガスは前記還元触媒の直前で流れ方向を変えられて前記還元触媒に流入するようになっており、
   前記衝突板は、前記屈曲部における前記還元触媒の入口面に対向する位置に配置され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. 前記衝突板は、前記インジェクタから噴射される扇状の平面に沿って延在するように配置され、前記複数の衝突面は、前記還元剤の噴射方向に沿って配列されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記衝突板の前記複数の衝突面の角度は、前記還元触媒の入口面に流入する排気ガスの流量分布に応じて設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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