JP2018150851A - エンジンの尿素ｓｃｒシステム - Google Patents

Abstract

【課題】尿素水の拡散性の低下を抑制しつつ尿素水を微粒化して噴射することができ、以って、尿素ＳＣＲシステムの小型化を図ることができるエンジンの尿素ＳＣＲシステムを提供する。【解決手段】エンジンの尿素ＳＣＲシステム２０は、尿素ＳＣＲ触媒４０と、フィルタ１２を通過したエンジンの排気を尿素ＳＣＲ触媒に導入させる導入管部３０と、尿素水を所定の平均噴霧粒径以下にまで微粒化して噴射する尿素水インジェクタ６０と、を有する尿素ＳＣＲシステムにおいて、導入管部の内部に、導入管部を通過する排気の流れを乱して排気渦流を発生させる渦流発生部７０を備え、尿素水インジェクタは、渦流発生部よりも下流側且つ尿素ＳＣＲ触媒よりも上流側の排気中に尿素水を噴射するように配置されている、ことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの尿素ＳＣＲシステムに関する。

従来、エンジンから排出された排気中のＮＯｘを尿素水の加水分解によって生成されたアンモニアを用いて低減させる尿素ＳＣＲシステムが知られている（例えば特許文献１参照）。具体的には、このような尿素ＳＣＲシステムは、尿素ＳＣＲ触媒と、ＰＭ除去用のフィルタを通過したエンジンの排気を尿素ＳＣＲ触媒に導入する導入管部と、この導入管部の排気中に尿素水を噴射する尿素水インジェクタと、を備えている。

特開２０１０−２４８９６号公報

ところで、近年、尿素水を所定の平均噴霧粒径（例えば５０μｍ）以下にまで微粒化して噴射できる尿素水インジェクタが開発されてきている。このような尿素水インジェクタを用いて、尿素水を微粒化して噴射すれば、噴射された尿素水の気化に必要な距離（すなわち、尿素水インジェクタから尿素ＳＣＲ触媒までの距離）を短縮させることができるので、尿素ＳＣＲシステムの小型化が期待できる。

しかしながら、上述したような従来の尿素ＳＣＲシステムにおいて、尿素水インジェクタが尿素水を微粒化して噴射した場合、個々の噴霧粒子の質量が小さくなる結果、噴霧粒子の慣性力が低下してしまい、噴霧粒子が排気の流れに乗ることが困難になるおそれがある。この結果、尿素水インジェクタから噴射された尿素水の拡散性が低下して、尿素ＳＣＲシステムによるＮＯｘの浄化率が低下するおそれがある。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、尿素水の拡散性の低下を抑制しつつ尿素水を微粒化して噴射することができ、以って、尿素ＳＣＲシステムの小型化を図ることができるエンジンの尿素ＳＣＲシステムを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係るエンジンの尿素ＳＣＲシステムは、尿素ＳＣＲ触媒と、フィルタを通過したエンジンの排気を前記尿素ＳＣＲ触媒に導入させる導入管部と、尿素水を所定の平均噴霧粒径以下にまで微粒化して噴射する尿素水インジェクタと、を有する尿素ＳＣＲシステムにおいて、前記導入管部の内部に、前記導入管部を通過する排気の流れを乱して排気渦流を発生させる渦流発生部を備え、前記尿素水インジェクタは、前記渦流発生部よりも下流側且つ前記尿素ＳＣＲ触媒よりも上流側の排気中に尿素水を噴射するように配置されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、上記の渦流発生部を備えており、また、尿素水インジェクタが渦流発生部よりも下流側且つ尿素ＳＣＲ触媒よりも上流側の排気中に尿素水を微粒化して噴射することから、微粒化されて噴射された尿素水を排気渦流に乗せて、撹拌させることができる。これにより、尿素水の拡散性の低下を抑制することができる。すなわち、本発明によれば、尿素水の拡散性の低下を抑制しつつ尿素水を微粒化して噴射することができる。こ
の結果、尿素ＳＣＲシステムの小型化を図ることができる。

実施形態に係る排気浄化システムの構成を模式的に示す構成図である。 尿素ＳＣＲシステムの構成を説明するための模式的な正面図である。 図３（ａ）は尿素ＳＣＲシステムの構成を説明するための模式的な平面図である。図３（ｂ）は図２のＡ−Ａ線で切断した尿素ＳＣＲシステムの模式的断面図である。 図４（ａ）は渦流発生部の拡大図である。図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線断面の模式図である。 図５は図３（ｂ）をベースとして排気の流れの様子を模式的に図示した図である。 図６（ａ）は実施形態の変形例に係る尿素ＳＣＲシステムを説明するための模式図である。図６（ｂ）は図６（ａ）のバッフルプレートの拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るエンジンの尿素ＳＣＲシステム２０（以下、尿素ＳＣＲシステム２０と略称する）について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように模式的に図示されており、各部材の厚みや幅、長さ等の比率は必ずしも実際の製品の比率と一致しているとは限らない。

図１は、本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステム２０を有する排気浄化システム１の構成を模式的に示す構成図である。なお、図１には、参考用として、右手系のＸ−Ｙ−Ｚの直交座標が図示されている。排気浄化システム１は、エンジン（図示せず）の排気通路１００に配置されており、フィルタシステム１０と、フィルタシステム１０よりも排気（Ｇ）の流動方向で下流側に配置された尿素ＳＣＲシステム２０とを備えている。なお、本実施形態においては、エンジンの一例として、ディーゼルエンジンを用いている。

フィルタシステム１０は、酸化触媒１１と、酸化触媒１１よりも下流側に配置されたフィルタ１２とを備えている。酸化触媒１１は、排気が通過可能な担持体に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属触媒が担持された構成を有している。酸化触媒１１は、その貴金属触媒の酸化触媒作用によって、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）に変化させる酸化反応を促進させる。排気温度が所定温度以上になった場合、この酸化触媒１１において生成された二酸化窒素によって、フィルタ１２のＰＭを燃焼させて、二酸化炭素（ＣＯ_２）として排出させることができる。

フィルタ１２は、排気に含まれるＰＭを捕集することで除去するＰＭ除去用のフィルタである。このような機能を有するものであれば、フィルタ１２の具体的な種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においてはフィルタ１２の一例として、ウォールフロータイプのディーゼルパティキュレートフィルタを用いている。

図２は、尿素ＳＣＲシステム２０の構成を説明するための模式的な正面図である。図３（ａ）は、尿素ＳＣＲシステム２０の構成を説明するための模式的な平面図であり、図３（ｂ）は、図２のＡ−Ａ線で切断した尿素ＳＣＲシステム２０の模式的断面図である。なお、これらの図において、尿素ＳＣＲシステム２０の内部構造が透視された状態で図示されている。

尿素ＳＣＲシステム２０は、導入管部３０、尿素ＳＣＲ触媒４０、アンモニアスリップ触媒５０、尿素水インジェクタ６０、及び渦流発生部７０を備えている。

導入管部３０は、フィルタ１２を通過したエンジンの排気を尿素ＳＣＲ触媒４０に導入させる排気通路１００の一部分である。導入管部３０は、クランク状に屈曲した屈曲部３１を、渦流発生部７０よりも上流側の部分に有している。具体的には屈曲部３１は、Ｘ方向に対して直角に屈曲して−Ｚ方向に所定距離延在した後に、直角に屈曲してＸ方向に延在するクランク形状になっている。また、屈曲部３１は、このようにクランク状に屈曲するに際して、角部が円弧状になるように屈曲している。また、導入管部３０は、渦流発生部７０が配置されている箇所が、導入管部３０における渦流発生部７０よりも上流側の部分に比較して拡径した形状になっている。

すなわち、本実施形態に係る導入管部３０は、Ｘ方向に所定距離延在した後に、屈曲部３１で直角に屈曲して−Ｚ方向に所定距離延在し、次いで、拡径しながら直角に屈曲してＸ方向に延在して導入管部３０の内径が尿素ＳＣＲ触媒４０の外径の大きさになり、尿素ＳＣＲ触媒４０の外側を覆う排気通路１００の部分に接続している。但し、導入管部３０の構成は、その内部に渦流発生部７０を配置することができるものであればよく、その具体的な構成は上述した内容に限定されるものではない。

尿素ＳＣＲ触媒４０は、尿素水が加水分解することで生成されたアンモニア（ＮＨ_３）を用いて排気中のＮＯｘを選択的に還元する触媒である。尿素ＳＣＲ触媒４０の具体的な種類は特に限定されるものではなく、例えば、バナジウム、モリブデン、タングステン、ゼオライト等の、公知の尿素ＳＣＲ触媒を用いることができる。

アンモニアスリップ触媒５０は、尿素ＳＣＲ触媒４０よりも下流側に配置されている。アンモニアスリップ触媒５０は、尿素ＳＣＲ触媒４０を通過したアンモニアを酸化するための酸化触媒である。

尿素水インジェクタ６０は、尿素水（Ｕ）を所定の平均噴霧粒径以下にまで微粒化して噴射するインジェクタである。本実施形態においては、この平均噴霧粒径の一例として、５０μｍを用いる。すなわち、本実施形態に係る尿素水インジェクタ６０は、尿素水を５０μｍ以下の平均噴霧粒径にまで微粒化して噴射する尿素水インジェクタである。より具体的には、本実施形態においては、尿素水インジェクタ６０の一例として、尿素水を３０μｍ以下の平均噴霧粒径にまで微粒化して噴射できるものを用いている。なお、この尿素水インジェクタ６０は、例えば市販されているものを用いることができる。このため、この尿素水インジェクタ６０の詳細な説明は省略する。また、尿素水インジェクタ６０の動作は、マイクロコンピュータを備える制御装置（図示せず）によって制御されている。

尿素水インジェクタ６０は、渦流発生部７０よりも下流側、且つ尿素ＳＣＲ触媒４０よりも上流側の排気中に尿素水を噴射するように、導入管部３０に配置されている。具体的には、本実施形態に係る尿素水インジェクタ６０は、渦流発生部７０の導入管部３０への接続箇所の直下の部分に配置されており、ここから尿素ＳＣＲ触媒４０の上流側端面に向けて尿素水を噴射している。

この尿素水インジェクタ６０から噴射された尿素水の噴霧粒子は、排気中で気化して加水分解される。この結果、アンモニアが生成される。このアンモニアは尿素ＳＣＲ触媒４０の触媒作用の下で排気中のＮＯｘを還元させる。この結果、窒素及び水が生成される。このようにして、尿素ＳＣＲシステム２０は、尿素水を用いて排気中のＮＯｘの低減を図っている。

渦流発生部７０は、導入管部３０の内部において、屈曲部３１よりも下流側、且つ、尿素ＳＣＲ触媒４０及び尿素水インジェクタ６０よりも上流側の部分に配置されている。渦流発生部７０は、導入管部３０を通過する排気の流れを乱して、排気渦流（Ｇｓ）を発生
させる部材である。なお、本実施形態に係る渦流発生部７０は、その−Ｚ方向側の端部が導入管部３０の内壁面に接続されるようにして、導入管部３０の内部に配置されている。また、渦流発生部７０の外周縁と導入管部３０の内壁面との間には、渦流発生部７０の外縁部を排気が通過して尿素ＳＣＲ触媒４０へ向けて流動するのに必要な空間が確保されている。

図４（ａ）、図４（ｂ）、及び図５は、渦流発生部７０の構成を詳細に説明するための模式図である。具体的には図４（ａ）は、図３（ｂ）の渦流発生部７０を拡大して図示しており、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線断面を模式的に図示しており、図５は、図３（ｂ）をベースとして排気の流れの様子を模式的に図示している。

渦流発生部７０は、上述したような排気の渦流を発生できる機能を有するものであれば、その具体的な形状は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、一例として、稜線７１を挟んで一方の側に傾斜した第１傾斜板７２と他方の側に傾斜した第２傾斜板７３とを有する山型のルーフ形状を有している（図４参照）。また渦流発生部７０は、第１傾斜板７２と第２傾斜板７３との間隔が排気流動方向で下流側に向かうほど拡大するような配置態様で、導入管部３０に配置されている。

これにより、渦流発生部７０は、図４（ｂ）及び図５に示すように、導入管部３０を通過する排気（Ｇ）を第１傾斜板７２及び第２傾斜板７３に沿って流動させることで、排気の流れを乱して排気渦流（Ｇｓ）を発生させている。尿素水インジェクタ６０から微粒化されて噴射された尿素水（Ｕ）は、この排気渦流（Ｇｓ）に乗って撹拌されながら下流側に流動して、尿素ＳＣＲ触媒４０に供給される。

続いて、本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステム２０の作用効果について説明する。まず、本実施形態によれば、渦流発生部７０を備えており、また、尿素水インジェクタ６０が渦流発生部７０よりも下流側且つ尿素ＳＣＲ触媒４０よりも上流側の排気中に尿素水（Ｕ）を微粒化して噴射することから、微粒化されて噴射された尿素水を排気渦流（Ｇｓ）に乗せて、撹拌させて拡散させることができる。すなわち、本実施形態によれば、尿素水の拡散性の低下を抑制しつつ尿素水を微粒化して噴射することができる。

このように尿素水を微粒化して噴射することによって、噴射された尿素水の気化に必要な距離を短縮させることができるので、尿素水インジェクタ６０から尿素ＳＣＲ触媒４０までの距離を短縮させて、尿素ＳＣＲシステム２０の小型化を図ることができる。すなわち、本実施形態によれば、尿素水を微粒化して噴射する尿素水インジェクタ６０と渦流発生部７０との組み合わせにより、尿素水の拡散性の低下を抑制しつつ尿素ＳＣＲシステム２０の小型化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、導入管部３０の渦流発生部７０よりも上流側にクランク状に屈曲した屈曲部３１を有しているので、渦流発生部７０に排気を容易に導入することができる。これにより、渦流発生部７０において排気渦流を容易に発生させることができる。

また、本実施形態によれば、上述したように尿素水の拡散性が向上しているので、尿素ＳＣＲ触媒４０によるＮＯｘの浄化率を向上させることができるとともに、尿素水インジェクタ６０から噴射された尿素水が例えば導入管部３０の内壁面に付着して固着することも抑制することができる。

ここで、渦流発生部７０の構成として、本実施形態のような山型のルーフ形状の部材（図４参照）ではなく、例えばスキュリュー状のミキサ等を用いることもできる。しかしながら、このようなスクリュー状のミキサを用いた場合、尿素ＳＣＲシステム２０の構造が複雑化するため、尿素ＳＣＲシステム２０の製造コストが大幅に増加してしまう。これに対して、本実施形態によれば、図４で説明したように、渦流発生部７０として、簡素な構成の山型のルーフ形状の部材を用いているので、渦流発生部７０を備えることに伴う製造コストの大幅な増加を抑制することができる。

また、渦流発生部７０として、スクリュー状のミキサを用いた場合、このミキサによって排気の圧力損失が大幅に増大する可能性がある。これに対して、本実施形態によれば、渦流発生部７０として山型のルーフ形状の部材を用いているので、渦流発生部７０による圧力損失の大幅な増加が抑制されている。

また、本実施形態によれば、図２で説明したように、導入管部３０の渦流発生部７０が配置されている箇所が導入管部３０における渦流発生部７０よりも上流側の部分に比較して拡径している。この点においても、本実施形態によれば、渦流発生部７０を配置することに伴う圧力損失の増大が抑制されている。

（実施形態の変形例）
図６（ａ）は、実施形態の変形例に係る尿素ＳＣＲシステム２０ａを説明するための模式図である。本変形例に係る尿素ＳＣＲシステム２０ａは、尿素水インジェクタ６０よりも下流側、且つ尿素ＳＣＲ触媒４０よりも上流側の部分に、バッフルプレート８０をさらに備えている点において、図２に示す尿素ＳＣＲシステム２０と異なっている。尿素ＳＣＲシステム２０ａの他の構成は、尿素ＳＣＲシステム２０と同様であるので、この他の構成の説明は省略する。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のバッフルプレート８０の拡大断面図である。本変形例においては、バッフルプレート８０の一例として、排気が通過する貫通孔８１を複数個有する板部材によって構成された整流板を用いている。また、バッフルプレート８０は、導入管部３０における尿素水インジェクタ６０よりも下流側且つ尿素ＳＣＲ触媒４０よりも上流側の部分に、バッフルプレート８０の外周面が導入管部３０の内壁面に嵌るような配置態様で、導入管部３０の内部に配置されている。またバッフルプレート８０は、その下流側端面が尿素ＳＣＲ触媒４０の上流側端面に平行になるような配置態様で、導入管部３０の内部に配置されている。

また、バッフルプレート８０の貫通孔８１は、バッフルプレート８０の径方向に複数個配置されている。具体的には、これらの貫通孔８１は、バッフルプレート８０の径方向で中央部から外周縁部にかけて、バッフルプレート８０の全体に形成されている。バッフルプレート８０よりも上流側の排気は、各々の貫通孔８１を通過してバッフルプレート８０よりも下流側に流動して、尿素ＳＣＲ触媒４０に流入する。

本変形例に係る尿素ＳＣＲシステム２０ａによれば、バッフルプレート８０を備えているので、尿素水（Ｕ）を含んだ排気を尿素ＳＣＲ触媒４０の径方向で中央部から外周縁部にかけて均一に流動させることができる。この結果、尿素ＳＣＲ触媒４０に導入される尿素水の濃度分布及び速度分布を尿素ＳＣＲ触媒４０の径方向で均一化させることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 排気浄化システム
１０ フィルタシステム
１１ 酸化触媒
１２ フィルタ
２０，２０ａ 尿素ＳＣＲシステム
３０ 導入管部
３１ 屈曲部
４０ 尿素ＳＣＲ触媒
５０ アンモニアスリップ触媒
６０ 尿素水インジェクタ
７０ 渦流発生部
７１ 稜線
７２ 第１傾斜板
７３ 第２傾斜板
８０ バッフルプレート
８１ 貫通孔

Claims (6)

1. 尿素ＳＣＲ触媒と、フィルタを通過したエンジンの排気を前記尿素ＳＣＲ触媒に導入させる導入管部と、尿素水を所定の平均噴霧粒径以下にまで微粒化して噴射する尿素水インジェクタと、を有する尿素ＳＣＲシステムにおいて、
   前記導入管部の内部に、前記導入管部を通過する排気の流れを乱して排気渦流を発生させる渦流発生部を備え、
   前記尿素水インジェクタは、前記渦流発生部よりも下流側且つ前記尿素ＳＣＲ触媒よりも上流側の排気中に尿素水を噴射するように配置されている、ことを特徴とするエンジンの尿素ＳＣＲシステム。
2. 前記導入管部は、前記渦流発生部よりも上流側に、クランク状に屈曲した屈曲部を有する、請求項１記載のエンジンの尿素ＳＣＲシステム。
3. 前記渦流発生部は、稜線を挟んで一方の側に傾斜した第１傾斜板と、他方の側に傾斜した第２傾斜板とを有する山型のルーフ形状を有し、
   前記渦流発生部は、前記第１傾斜板と前記第２傾斜板との間隔が下流側に向かうほど拡大するように前記導入管の内部に配置されている、請求項１又は２に記載のエンジンの尿素ＳＣＲシステム。
4. 前記導入管部の前記渦流発生部が配置されている箇所は、前記導入管部における前記渦流発生部よりも上流側の部分に比較して拡径している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの尿素ＳＣＲシステム。
5. 前記導入管部における前記尿素水インジェクタよりも下流側且つ前記尿素ＳＣＲ触媒よりも上流側の部分に、排気が通過する貫通孔を複数個有するバッフルプレートを備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの尿素ＳＣＲシステム。
6. 前記所定の平均噴霧粒径は５０μｍである、請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジンの尿素ＳＣＲシステム。

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