JP2009091976A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】添加剤を触媒に対して好適に供給する内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】エンジンの排気通路に、添加剤を噴射する噴射弁３０と、同添加剤に基づく特定の排気浄化反応を促進するＳＣＲ触媒２０とが設けられている。噴射弁３０はＳＣＲ触媒２０よりも上流側に配設されており、同噴射弁３０から噴射された添加剤の噴霧がＳＣＲ触媒２０の触媒担体２１に供給されるようになっている。排気通路のうち、噴射弁３０の噴射位置から触媒担体２１の上流側端面までの部分が、噴射弁３０側を高位、触媒担体２１側を低位として、エンジンの排気系に取り付けられる構成となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、尿素ＳＣＲ装置に代表されるような、添加剤に基づく特定の排気浄化反応を触媒上で生起させて排気を浄化する排気浄化装置に関し、特に内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置に関する。

近年、車載内燃機関（特にディーゼルエンジン）等に適用されて、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を高い浄化率で浄化する排気浄化装置として、尿素ＳＣＲ装置の開発が進められており、一部実用化に至っている（例えば特許文献１）。

このような装置は、排気浄化反応を促進する触媒と、内燃機関から排出される排気を触媒へ導く排気管と、その排気管の中途に設けられ、同排気管内を流れる排気に対して尿素水溶液（添加剤）を噴射供給する噴射弁とを備えて構成されている。ここで、触媒は、排気中のＮＯｘと尿素水溶液の加水分解により生成されるアンモニアとの還元反応（排気浄化反応）を促進するものである。そして上記構成のもと、排気の流れ（排気流）を利用して、噴射弁から噴射した尿素水溶液（尿素水溶液の加水分解により生成されたアンモニアを含む）を排気共々下流の触媒へ供給する。これにより、触媒においてＮＯｘとアンモニアとの還元反応が生起され排気が浄化される。
特開２００１−３７３７号公報

ところで従来、車載内燃機関に適用される排気浄化装置では、図５に示すように水平方向に延びる排気管１００内に、噴射弁１０１から尿素水溶液が噴射されるようになっている。そのため、尿素水溶液の噴霧が重力を受けて降下し、排気管１００の内壁に付着することが考えられる。こうなると、排気管１００の内壁において尿素水溶液の水分が排気熱によって蒸発し、同排気管１００の内壁に尿素が析出する。このように排気管１００の内壁に付着した尿素は、触媒１０２においてＮＯｘとアンモニアとの還元反応に供されず、結果として尿素水溶液が浪費される。また、排気管１００の内壁への尿素の析出の結果として、同排気管１００の流路面積が減少し、ひいては同排気管１００内の排気圧が上昇することが考えられる。

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであって、添加剤を触媒に対して好適に供給する内燃機関の排気浄化装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明の排気浄化装置は、内燃機関の排気を流す排気通路と、その排気通路に設けられ特定の排気浄化反応に供される添加剤を同排気通路内へ噴射する噴射装置と、排気通路の噴射装置よりも下流側に設けられ排気浄化反応を促進する触媒とを備える。そして特に、請求項１に記載の発明では、排気通路のうち、噴射装置の噴射位置から触媒の上流側端面までの添加剤通過部が、噴射装置側を高位、触媒側を低位として、内燃機関の排気系に取り付けられる構成となっている。

こうした構成によれば、噴射装置から噴射された添加剤の噴霧（以下「添加剤噴霧」という）に加わる重力の成分のうち、添加剤通過部の中心軸から同添加剤通過部の内壁側に向かう径方向成分が、従来の構成（添加剤通過部が水平方向を向く構成：図５参照）に比して小さくなる。その結果、添加剤通過部の内壁に付着する添加剤噴霧の量が減少する。また、添加剤噴霧が添加剤通過部の内壁に付着したとしても、付着した噴霧が液滴となって流れ落ちることにより、添加剤が触媒に到達することが考えられる。これにより、排気通路の内壁への添加剤の析出が抑制され、添加剤を触媒に対して好適に供給することができる。すなわち、触媒に到達する添加剤の噴霧が増加することにより、添加剤の浪費を抑制することができる。また、排気通路の内壁への添加剤の析出による排気圧の上昇を抑制することができる。

請求項２に記載の発明では、添加剤通過部に、触媒よりも上流側に同触媒から鉛直上向きに延びる鉛直部分が設けられており、添加剤が噴射装置により鉛直部分に向けて噴射されるようになっている。上記鉛直部分では、添加剤噴霧に加わる重力が全て同鉛直部分の中心軸方向に働く。また、上記鉛直部分では、排気が同鉛直部分の中心軸方向（鉛直方向）の下向きに流れる。そのため、上記構成によれば、添加剤通過部の鉛直部分において、その内壁に付着する添加剤噴霧の量が減少する。また、上記鉛直部分の内壁に付着した添加剤噴霧は、液滴となって流れ落ちやすい。これにより、排気通路の内壁への添加剤の析出が一層抑制され、添加剤を触媒に対してより好適に供給することができる。なお、請求項２に記載の発明では、噴射装置の噴射中心軸が上記鉛直部分を通って触媒の上流側端面に到達するようになっていることが望ましい（請求項３）。

請求項４に記載の発明では、噴射装置の噴射中心軸が鉛直方向を向くようになっている。この構成によれば、噴射装置から添加剤が鉛直方向（鉛直部分の中心軸方向）の下向きに噴射される。その結果、上記鉛直部分において、添加剤噴霧の速度成分のうち鉛直部分の中心軸方向の速度成分が、鉛直部分の径方向の速度成分に比して大きくなる。換言すれば、添加剤噴霧の速度成分のうち鉛直部分の径方向の速度成分が、鉛直部分の中心軸方向の速度成分に比して小さくなる。これにより、添加剤通過部の鉛直部分において、その内壁に付着する添加剤噴霧の量を更に減少させることができる。

ここで、排気流の乱れによって排気通路の内壁に付着する添加剤噴霧が増加することが考えられる。すなわち、添加剤通過部における排気流の速度成分のうち、同添加剤通過部の中心軸から同添加剤通過部の内壁に向かう径方向成分が一時的に大きくなると、その内壁に付着する添加剤噴霧の量が一時的に増加することが考えられる。この点、請求項５に記載の発明では、噴射装置の噴射中心軸が鉛直部分の中心軸に一致するようになっている。すなわち、噴射装置の噴射中心軸が鉛直部分の内壁全周から均等に離間する構成となっている。これにより、排気通路の内壁への添加剤噴霧の付着のうち、排気流の乱れに起因する付着を抑制することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、車載ディーゼルエンジン用の尿素ＳＣＲ装置（排気浄化装置）として本発明を具体化しており、その詳細な構成を以下に説明する。

まず、図１を参照して、尿素ＳＣＲ装置の概要について説明する。図１は、本実施形態の尿素ＳＣＲ装置を、エンジンへの取付状態で水平方向から見たものである。また、図１において、矢印Ｘは水平方向の１つ（Ｘ方向）を、また矢印Ｙは鉛直下向き（Ｙ方向）を示している。

図１に示す尿素ＳＣＲ装置は、エンジンの排気系に取り付けられ、同エンジンから排出される排気を浄化するものである。具体的には、ディーゼルエンジンの排気ポートに排気マニホールドが設けられており、尿素ＳＣＲ装置は、同マニホールドの最下流部に取り付けられる。そして、排気上流側から、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）４０、直管１１、曲がり管１２、ＳＣＲ触媒２０がこの順に配設されている。この尿素ＳＣＲ装置の排気通路は、ＤＰＦケース４２、直管１１、曲がり管１２、及び触媒ケース２２の内側に形成されており、同装置は上記排気通路を矢印Ａの如く流れる排気を浄化する。

ＤＰＦ４０は、尿素ＳＣＲ装置のエンジンへの取付状態にて排気が水平方向（Ｘ方向）に流れるように、すなわち排気の出入口が水平方向に開口するように設けられている。同様に（尿素ＳＣＲ装置の取付状態において）、ＳＣＲ触媒２０は、ＤＰＦ４０よりも下方に位置しかつ排気が鉛直下向き（Ｙ方向）に流れるように、すなわち排気の出入口が鉛直方向に開口するように設けられている。直管１１は、ＤＰＦ４０に接続され、尿素ＳＣＲ装置のエンジンへの取付状態にて排気が水平方向（Ｘ方向）に流れるように設けられている。また、曲がり管１２は、直管１１及びＳＣＲ触媒２０に接続されている。

上記ＤＰＦ４０は、ハニカム構造のＤＰＦ担体４１、同担体４１を収容するＤＰＦケース４２などで構成されている。このＤＰＦ４０は、排気中のＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集する連続再生式のＰＭ除去用フィルタであり、例えばメインの燃料噴射後のポスト噴射などで捕集ＰＭを繰り返し燃焼除去する（再生処理に相当）ことにより継続的に使用することができる。ＤＰＦ担体４１は、図示しない白金系の酸化触媒を担持しており、ＰＭ成分の１つである可溶性有機成分（ＳＯＦ）と共に、ＨＣやＣＯを除去することができるようになっている。

曲がり管１２には突出部１４が接続されており、その突出部１４には噴射弁３０が取り付けられている。この噴射弁３０は、図示しない尿素水供給系により加圧供給される尿素水溶液をノズル部３１に形成された噴孔から噴射することで、曲がり管１２内に尿素水溶液の噴霧を形成するものである。曲がり管１２内に形成された尿素水溶液の噴霧は、排気の熱によりアンモニア（ＮＨ３）に変換され（次式（１）参照）、排気共々下流のＳＣＲ触媒２０へ供給され、同触媒２０において排気浄化反応に供されることとなる。このように、排気通路には、尿素水溶液の噴霧に加え、アンモニアの噴霧が流れることとなるが、説明の都合上、以下、これらの噴霧を「尿素水溶液の噴霧」と記載する。
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2 …（１）

ＳＣＲ触媒２０は、ハニカム構造の触媒担体２１、同担体２１を収容する触媒ケース２２などで構成されている。触媒担体２１には、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）等の触媒金属が担持されており、ＳＣＲ触媒２０は、公知のＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）を促進し、排気中のＮＯｘを還元する（次式（２）〜（４）参照）。
４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ …（２）
６ＮＯ2＋８ＮＨ3→７Ｎ2＋１２Ｈ2Ｏ …（３）
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ …（４）

次に、本実施形態の尿素ＳＣＲ装置の構成について詳しく説明する。同尿素ＳＣＲ装置は、排気通路のうち、噴射弁３０の噴射位置から触媒担体２１の上流側端面までの部分（添加剤通過部）が上下方向を向くように、エンジンに取り付けられる構成となっている。すなわち、尿素ＳＣＲ装置は、添加剤通過部の噴射弁３０側が高位、添加剤通過部の触媒担体２１側が低位となるように、ディーゼルエンジンの排気系に取り付けられる構成となっている。

詳しくは、尿素ＳＣＲ装置のエンジンへの取付状態において、曲がり管１２内に形成された排気通路のうち、噴射弁３０の噴射位置よりも下流側の部分は、噴射弁３０側を高位、ＳＣＲ触媒２０側を低位とし湾曲している。また、触媒ケース２２内に形成された排気通路のうち、触媒担体２１の上流側端面よりも上流側の部分（鉛直部分）は、触媒担体２１よりも上流側に同担体２１から曲がり管１２まで鉛直上向きに延びている。

また、噴射弁３０は、尿素ＳＣＲ装置のエンジンへの取付状態にてその噴射中心軸が上記鉛直部分の中心軸２２ａと一致するように、突出部１４に取り付けられている。詳しくは、突出部１４は、曲がり管１２の円弧外縁側に、触媒ケース２２とは反対側に突出するように設けられている。この突出部１４は、筒状に形成されており、その中心軸と上記鉛直部分の中心軸２２ａとが一致するように曲がり管１２内に開口している。そして、突出部１４の上端面１４ａ（触媒ケース２２とは反対側の端面）の中央にて、噴射弁３０のノズル部３１に設けられた噴孔が突出部１４内に開口している。

ここで、図２に示すように、噴射弁３０から尿素水溶液が噴射されると、その尿素水溶液は略円錐状の噴霧となって下流側に流れる。そのため、噴射弁３０による尿素水溶液の噴霧角θは、排気通路の上記鉛直部分の内壁への尿素水溶液の噴霧の付着を抑制すべく、次のとおり設定されている。すなわち、噴霧角θは、噴射弁３０と触媒担体２１との距離Ｌ、及び上記鉛直部分における最小の直径φに基づいて、次式（５）が満たされるように設定されている。なお、仮に、噴射弁３０の噴霧角がエンジンの運手状態などに応じて変更される場合には、その最大噴霧角（噴射弁３０の使用下における最大の噴霧角）を想定して、噴射角θを設定することが望ましい。
２Ｌ・ｔａｎ（θ／２）＜φ …（５）

上述した尿素ＳＣＲ装置では、排気通路のうち、噴射弁３０の噴射位置から触媒担体２１の上流側端面までの部分（添加剤通過部）が、尿素ＳＣＲ装置のエンジンへの取付状態にて、上下方向を向いている。すなわち、上記添加剤通過部の噴射弁３０側が高位、同添加剤通過部の触媒担体２１側が低位となっている。その結果、噴射弁３０から噴射された尿素水溶液の噴霧に加わる重力の成分のうち、添加剤通過部の中心軸から同添加剤通過部の内壁側に向かう成分（径方向成分）が、従来の構成（尿素ＳＣＲ装置のエンジンへの取付状態にて添加剤通過部が水平方向を向く構成：図５参照）に比して小さくなる。これにより、添加剤通過部の内壁に付着する尿素水溶液の噴霧の量が減少する。また、上記添加剤通過部の内壁に尿素水溶液の噴霧が付着したとしても、その付着した噴霧が液滴となって触媒担体２１まで流れ落ちる。

これにより、排気通路の内壁への尿素の析出が抑制され、尿素水溶液をＳＣＲ触媒２０に対して好適に供給することができる。すなわち、触媒担体２１に到達する尿素水溶液の噴霧が増加することにより、尿素水溶液の浪費を抑制することができる。また、排気通路の内壁への尿素の析出による排気圧の上昇を抑制することができる。

また、触媒ケース２２内に形成された排気通路のうち触媒担体２１の上流側端面よりも上流側の部分（鉛直部分）が、尿素ＳＣＲ装置のエンジンへの取付状態にて、触媒担体２１よりも上流側に同担体２１から鉛直上向きに延びている。そして、噴射弁３０が、上記鉛直部分に向けて尿素水溶液を噴射するようになっている。具体的には、噴射弁３０の噴射中心軸が上記鉛直部分を通って触媒担体２１の上流側端面に到達するようになっている。上記鉛直部分では、尿素水溶液の噴霧に加わる重力が全て同鉛直部分の中心軸方向に働く。また、上記鉛直部分では、排気が同鉛直部分の中心軸方向（鉛直方向）下向きに流れる。そのため、上記構成によれば、排気通路の鉛直部分の内壁に付着する尿素水溶液の噴霧の量が減少する。また、この鉛直部分の内壁に付着した尿素水溶液の噴霧は、液滴となって流れ落ちやすい。これにより、排気通路の内壁への添加剤の析出が一層抑制され、尿素水溶液を触媒に対してより好適に供給することができる。

また、噴射弁３０の噴射中心軸が鉛直下向きに向いている。この構成によれば、噴射弁３０から尿素水溶液が鉛直方向（鉛直部分の中心軸方向）下向きに噴射される。その結果、上記鉛直部分において、尿素水溶液の噴霧の速度成分のうち同鉛直部分の中心軸方向の速度成分が、同鉛直部分の径方向の速度成分に比して大きくなる。換言すれば、尿素水溶液の噴霧の速度成分のうち上記鉛直部分の径方向の速度成分が、同鉛直部分の中心軸方向の速度成分に比して小さくなる。これにより、上記鉛直部分の内壁に付着する尿素水溶液の噴霧の量を更に減少させることができる
ここで、噴射弁３０から噴射される尿素水溶液の噴霧中心が排気流の乱れによって排気通路の径方向にずれて、結果として、排気通路の内壁に付着する尿素水溶液の噴霧が増加することが考えられる。この点、噴射弁３０の噴射中心軸が上記鉛直部分の中心軸２２ａに一致している。すなわち、噴射弁３０の噴射中心軸が上記鉛直部分の内壁全周から均等に離間している。これにより、排気流の乱れに伴う排気通路の内壁への尿素水溶液の噴霧の付着を抑制することができる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・上記実施形態では、排気通路のうち、噴射弁３０の噴射位置から触媒担体２１の上流側端面までの部分（添加剤通過部）を、曲がり管１２及び触媒ケース２２の一部で構成した。しかしながら、添加剤通過部がエンジンへの取付状態にて上下方向を向く限り、すなわち添加剤通過部の噴射弁３０側が高位、添加剤通過部の触媒担体２１側を低位となっている限り、同添加剤通過部を他の構成に変更してもよい。例えば、図３及び図４に示すように、上記添加剤通過部を、直管及び触媒ケース２２の一部で構成してもよい。また、図３及び図４に示す直管５０の中心軸５０ａが尿素ＳＣＲ装置のエンジンの取付状態にて鉛直方向に対して所定角度をなすように、同装置を構成してもよい。

なお、図４に示す実施形態では、先の噴射弁３０のノズル部３１よりも長く、その先端部が排気通路の中央まで延びるノズル部５２を備える噴射弁５１を採用し、同噴射弁５１の噴射中心軸を直管５０の中心軸５０ａと一致させている。

・上記実施形態では、噴射弁３０の噴射中心軸が鉛直下向きとなるように、同噴射弁３０を設けた。しかしながら、これに限られず、同噴射中心軸が鉛直方向に対して所定角度をなすように噴射弁３０を排気管１０に設けてもよい。例えば、図１に示す実施形態において、噴射弁３０を鉛直方向に対して所定角度をなすように噴射弁３０を突出部１４に設けてもよい。また、図３に示すように、噴射弁３０の噴射中心軸が直管５０の中心軸に対して所定角度をなすように、同噴射弁３０を直管５０に設けてもよい。

・上記実施形態では、噴射弁３０の噴射中心軸が、触媒ケース２２内に形成された排気通路のうち触媒担体２１よりも上流側の部分（鉛直部分）の中心軸と一致するように、同噴射弁３０を設けた。しかしながら、これに限られず、噴射弁３０を上記両軸が互いに平行にずれるように設けてもよいし、噴射弁３０を上記両軸が互いに所定角度をなすように設けてもよい。

・上記実施形態では、排気通路のうち、噴射弁３０の噴射位置から触媒担体２１の上流側端面までの部分（添加剤通過部）に、触媒担体２１の上流側端面から鉛直上向きに延びる部分（鉛直部分）を設けた。しかしながら、添加剤通過部に必ずしも鉛直部分を設ける必要はない。

・上記実施形態では、添加剤噴射装置として、加圧供給される尿素水溶液（添加剤）を噴射することにより排気通路内に尿素水溶液の噴霧を形成する噴射弁３０を例示した。しかしながら、これに限られず、添加剤噴射装置は、添加剤を圧縮ガス（例えば圧縮空気）共々噴射することにより排気通路内に添加剤の噴霧を形成するものでもよい。

・上記実施形態は、本発明を車載エンジン用の尿素ＳＣＲ装置に適用した。しかしながら、これに限られず本発明は、内燃機関の排気を添加剤及び触媒を用いて浄化する他の排気浄化装置にも適用可能である。

本発明に係る尿素ＳＣＲ装置の概要を示す図。 噴射弁による尿素水溶液の噴霧角の設定方法を示す図。 他の実施形態の概要を示す図。 他の実施形態の概要を示す図。 従来の尿素ＳＣＲ装置の概要を示す図。

符号の説明

１１…直管、１２…曲がり管、２０…ＳＣＲ触媒、２１…触媒担体（触媒）、２２…触媒ケース、３０…噴射弁（噴射装置）、３１…ノズル部、４０…ＤＰＦ、４１…ＤＰＦ担体、４２…ＤＰＦケース。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気を流す排気通路と、その排気通路に設けられ特定の排気浄化反応に供される添加剤を同排気通路内へ噴射する噴射装置と、前記排気通路の前記噴射装置よりも下流側に設けられ前記排気浄化反応を促進する触媒とを備える排気浄化装置において、
   前記排気通路のうち、前記噴射装置の噴射位置から前記触媒の上流側端面までの添加剤通過部が、前記噴射装置側を高位、前記触媒側を低位として、前記内燃機関の排気系に取り付けられる構成としたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記添加剤通過部には、前記触媒よりも上流側に同触媒から鉛直上向きに延びる鉛直部分が設けられ、
   前記噴射装置は、前記鉛直部分に向けて前記添加剤を噴射するように設けられている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記噴射装置は、その噴射中心軸が前記鉛直部分を通って前記触媒の上流側端面に到達するように設けられている請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記噴射装置は、その噴射中心軸を鉛直方向に向けて設けられている請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記噴射装置は、その噴射中心軸を前記鉛直部分の中心軸に一致させて設けられている請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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