JP4706631B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、尿素ＳＣＲ（選択還元）システムに代表されるような、所定の添加剤に基づく排気浄化反応を触媒上で行うことによって排気を浄化する排気浄化装置に関し、詳しくは添加剤噴射弁から噴射される尿素水溶液等の添加剤に基づく排気浄化反応を触媒を通じて促進しつつ、その排気浄化反応によって排気を浄化する排気浄化装置に関する。

近年、発電所、各種工場、及び自動車（特にディーゼルエンジン搭載の自動車）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（選択還元）システムの開発が進められており、一部実用化に至っている。そして、この尿素ＳＣＲシステムとしては従来、例えば特許文献１に記載される装置（システム）が知られている。以下、図１４を参照して、この特許文献１に記載の装置をはじめ、従来一般の尿素ＳＣＲシステムに採用されている構成の一例についてその概略を説明する。

同図１４に示されるように、この装置（システム）は、大きくは、排気浄化反応を促進する触媒５１と、排気発生源（例えばエンジン）から排出される排気を触媒５１へ導く排気管５２と、この排気管５２の中途に設けられ、同排気管５２内を流れる排気に対して尿素水溶液（添加剤）を噴射供給する添加剤噴射弁５３とを有して構成されている。ここで、触媒５１は、ＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）を促進するものである。

こうした構成のもと、この装置では、排気管５２内を流れる排気中へ添加剤噴射弁５３により尿素水溶液を噴射供給し、排気の流れ（排気流）を利用してその排気共々尿素水溶液を下流の触媒５１へ供給するとともに、該触媒５１上でＮＯｘの還元反応を行うことによってその排気を浄化する。ＮＯｘの還元に際しては、尿素水溶液が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ₃）が生成され、触媒５１にて、排気中のＮＯｘが上記アンモニアに基づく還元反応が行われることによって、還元、浄化されることになる。

なお、図１４に示したような、添加剤噴射弁５３を、排気管５２に設けた、すなわち排気通路の通路壁に設けたものとして、特許文献２が挙げられる。この特許文献２においては、図１４と同様、触媒へ尿素水溶液を供給するために、尿素添加弁を、その出口開口が触媒に向け、排気管に対して傾けて配設する構成が開示されている。
特開２００３−２９３７３９号公報 特表２００１−５１６６３５号公報

ところで、こうした尿素ＳＣＲ（選択還元）システムでは一般に、尿素水溶液の加水分解により生成されるアンモニアガスが、触媒５１にて排気を十分に浄化するためには、そのアンモニアガスが、触媒５１の上流側端面全域に分布することが望ましい。こうすれば、触媒５１全域でＮＯｘを還元、浄化できるからである。そして、アンモニアガスを触媒５１の上流側端面全体に、なるべく分布させるためには、添加剤噴射弁５３から排気通路内に噴射される添加剤（尿素水溶液）が、排気通路の通路断面の全域に極力分布されることが望まれる。

特に、直管状の排気通路である排気管５２に、添加剤噴射弁５３を装着した場合、図１５にて示すように、噴射直後の噴霧は、エンジンからの排気にその大半が流されてしまい、噴射弁５３の排気管５２の装着位置とは反対側の通路部分６０まで到達しない場合がある。そうすると、尿素水溶液の加水分解により生成されるアンモニアガスが、触媒５１の上流側端面の一部にしか到達しないことになる。そのため、触媒５１の上流側端面で、アンモニアガスが流入しない部分においては触媒として機能しない。これでは、触媒５１全体を使って、ＮＯｘを還元、浄化することができないため、触媒５１本来の浄化性能を十分に発揮できない恐れがある。

なお、特許文献２に記載の発明では、添加剤噴射弁の出口開口部に、尿素水溶液を、排気通路内に均一に分散させるための網（その公報図３の参照番号５６）を設けたり、噴射弁から噴射された尿素水溶液の方向を変化させるためにデフレクタ（公報図２の参照番号２８）を排気通路中に設ける点が開示されている。

しかしながら、この特許文献２の従来装置でも、添加剤噴射弁から噴射された尿素水溶液の噴霧は、排気の流れの影響をどうしても受けざるを得ない。このため、特に、排気管の噴射弁が設けられた側の反対側の領域まで、尿素水溶液の噴霧が到達できない可能性がある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、排気通路の通路壁に設けた添加剤噴射弁から噴射される添加剤噴霧が、噴射弁が設けられた側の反対側の排気通路領域まで確実に到達可能な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記載する。

請求項１に記載の発明では、排気通路の通路壁に設けられ、この排気通路内へ添加剤を噴射する添加剤噴射弁と、該添加剤噴射弁の排気下流側に設けられ、少なくとも前記添加剤に基づく特定の排気浄化反応を促進する触媒とを備え、前記触媒の上流側にて浄化対象とする排気の中へ前記添加剤噴射弁により添加剤を噴射供給し、排気流を利用してその排気共々前記添加剤を下流の前記触媒へ供給するとともに、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことによってその排気を浄化する排気浄化装置において、前記添加剤噴射弁は、前記排気通路内へ所定の噴霧到達距離にて第１噴霧を噴射する第１噴霧噴射部と、前記第１噴霧の前記所定の噴霧到達距離よりも大きな到達距離にて、前記排気通路内へ第２噴霧を噴射する第２噴霧噴射部とを備えることを特徴とする。

こうした構成によれば、上記第２噴霧噴射部によって、排気通路内へ第１噴霧より噴霧到達距離が大きな第２の噴霧を得ることができる。すなわち、第１噴霧の噴霧到達距離よりも大きくなるよう、貫徹力（ペネトレーション）が大きな噴霧を第２噴霧噴射部より噴射できる。このため、上記第２噴霧によって、排気流の流れに対しても、確実に、排気通路の添加剤噴射弁が設けられた側とは反対側の排気通路領域まで添加剤を到達させることが可能である。従って、この通路領域に到達した添加剤は、最終的に、排気流れに乗り、確実に、この通路領域下流側の触媒端面へ到達するため、触媒の浄化性能を十分に発揮させることができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記第２噴霧噴射部は、前記第１噴霧噴射部よりも、前記排気流の流れ方向において上流側に位置し、前記第１噴霧と前記第２噴霧の前記排気通路内への噴射方向は同一方向としてもよい。第２噴霧噴射部が第１噴霧噴射部よりも排気流の流れ方向から見て、上流側に位置されることで、第１、第２噴霧の噴射方向を同一としたとしても、第２噴霧が排気流の主流流れを克服して、添加剤噴射弁とは反対側の排気通路領域へ到達するための、添加剤噴射弁から触媒に至るまでの距離の確保が能である。よって、確実に、第２噴霧を、所望の通路領域へ到達させるとともに所望の触媒上流端面領域に到達させることが可能である。

さらに、請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記第２噴霧噴射部は、前記第１噴霧噴射部よりも、前記排気流の流れ方向において上流側に位置し、前記第２噴霧の前記排気通路内への噴射方向は、前記第１噴霧の噴射方向に比べ、排気上流側に向くよう設定されるようにしてもよい。この構成により、請求項２に比べてさらに、第２噴霧が排気流の主流流れを克服して、添加剤噴射弁とは反対側の排気通路領域へ到達するための、添加剤噴射弁から触媒までの距離を確保できる。よって、より確実に第２噴霧を所望の通路領域へ到達させるとともに所望の触媒上流端面領域に到達させることが可能である。

第２噴霧の、添加剤噴射弁とは反対側の排気通路への到達のさらなる確実化のために、請求項４に記載の発明の如く、前記第２噴霧の前記排気通路内への噴射方向は、前記排気流に直交する方向よりも排気上流側へ向くよう設定してもよい。この構成により、第２噴霧は、一旦、添加剤噴射弁よりも排気流上流側へ噴射されることとなる。よって、第２噴霧が排気流の主流流れを克服して、添加剤噴射弁とは反対側の排気通路領域へ到達するための、触媒までの距離を確保できる。このため、第２噴霧を所望の通路領域へ到達させるとともに所望の触媒上流端面領域に到達させることが可能である。

なお、第１噴霧と第２噴霧との噴霧到達距離（すなわち貫徹力）を第２噴霧の方を大きくさせる具体的構成として、請求項５の発明に記載の如く、前記添加剤噴射弁は、前記排気通路内へ前記添加剤を噴射する出口開口部を備え、この出口開口部には、前記第１の噴霧を形成する前記第１噴霧噴射部としての第１噴孔と、前記第１噴孔よりも噴孔径が大きく、前記第２噴霧を形成する前記第２噴霧噴射部としての第２噴孔とが設けられるようにする。

このように第１噴孔よりも噴孔径が大きい第２噴孔を、添加剤噴射弁の出口開口部に設けることによって、排気通路内への第１・第２噴霧の噴霧到達距離を異ならせることができる。

また、より具体的な、第１・第２噴霧の噴霧到達距離（すなわち貫徹力）を第２噴霧の方を大きくさせる構成として、請求項６に記載の発明の如く、前記添加剤噴射弁は、前記出口開口部に板状部材を備えており、前記板状部材に前記第１噴孔と前記第２噴孔とが形成されているようにする。すなわち、添加剤噴射弁の出口開口部に、第１噴孔、第２噴孔を形成した板状部材を設ける。この構成により、板状部材への第１、第２噴孔の噴孔径の調整が簡単化できるようになるため、第１・第２噴霧の噴霧到達距離の制御が容易となる。

次に、請求項１又は２において、第１・第２噴霧の噴射方向を同一とするために、請求項７記載の発明の如く、前記添加剤噴射弁は、前記排気通路内へ前記添加剤を噴射する出口開口部と、この出口開口部には設けられ、前記第１の噴霧を形成する前記第１噴霧噴射部としての第１噴孔と、前記第１噴孔よりも噴孔径が大きく、前記第２噴霧を形成する前記第２噴霧噴射部としての第２噴孔とを形成する板状部材とを備え、前記第１噴孔と前記第２噴孔とは、前記板状部材に対して、垂直に形成されるようにしてもよい。このように板状部材への噴孔形成によって簡単に、添加剤噴射弁からの２つの噴霧の噴射方向を同一方向とすることができる、よって、添加剤噴射弁の排気通路への取り付けの簡単化も期待できる。

一方、請求項１、３、４において、第１・第２噴霧の噴射方向を異ならせるための具体的に構成として、請求項８記載の発明の如く、前記添加剤噴射弁は、前記排気通路内へ前記添加剤を噴射する出口開口部と、この出口開口部には設けられ、前記第１の噴霧を形成する前記第１噴霧噴射部としての第１噴孔と、前記第１噴孔よりも噴孔径が大きく、前記第２噴霧を形成する前記第２噴霧噴射部としての第２噴孔とを形成する板状部材とを備え、前記第１噴孔と前記第２噴孔とは、前記板状部材に対して、互いに異なる方向にて形成されるようにしてもよい。このように板状部材への第１、第２噴孔の形成を工夫することによって、第１・第２噴霧の噴射方向を容易に所望の角度にし、両噴射の噴射角度を異ならせることができる。

なお、請求項１〜８のいずれかにおいて、請求項９の如く、前記添加剤噴射弁は、その軸心が、前記排気流に直交する方向に向くよう前記排気通路壁に設けられるようにすれば、添加剤噴射弁の取り付けが簡便化される。

一方、請求項１〜８のいずれかにおいて、請求項１０の如く、前記添加剤噴射弁は、その軸心が、前記排気流に直交する方向よりも排気下流側に向くよう前記排気通路壁に設けられたり、請求項１１の如く、前記添加剤噴射弁は、その軸心が、前記排気流に直交する方向よりも排気上流側に向くよう前記排気通路壁に設けられたりしてもよい。

このように、第１、第２噴霧の排気通路内への噴射方向や触媒への噴霧到達距離等を勘案して、上記請求項９〜１１のように、添加剤噴射弁の排気通路壁への取り付けを行うものである。

次に、請求項１２の発明は、排気通路の通路壁に設けられ、この排気通路内へ添加剤を噴射する添加剤噴射弁と、該添加剤噴射弁の排気下流側に設けられ、少なくとも前記添加剤に基づく特定の排気浄化反応を促進する触媒とを備え、前記触媒の上流側にて浄化対象とする排気の中へ前記添加剤噴射弁により添加剤を噴射供給し、排気流を利用してその排気共々前記添加剤を下流の前記触媒へ供給するとともに、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことによってその排気を浄化する排気浄化装置において、前記添加剤噴射弁は、前記排気通路内へ前記添加剤を噴射する出口開口部と、この出口開口部に設けられる第１噴孔と、前記第１噴孔よりも噴孔径が大きい第２噴孔とを備えることを特徴とする。

こうした構成によれば、添加剤噴射弁の出口開口部に噴孔径の異なる第１・第２噴孔を備えたので、排気通路内へ異なる噴霧到達距離となる２つの噴霧を得ることができる。すなわち、第１噴孔からの噴霧の噴霧到達距離よりも大きくなるよう、貫徹力（ペネトレーション）が大きな噴霧を、第２噴孔から噴射可能となる。このため、上記第２噴孔からの噴霧によって、排気流の流れに対しても、確実に、排気通路の添加剤噴射弁が設けられた側とは反対側の排気通路領域まで添加剤を到達させることが可能である。従って、この通路領域に到達した添加剤は、最終的に、排気流れに乗り、確実に、この通路領域下流側の触媒端面へ到達するため、触媒の浄化性能を十分に発揮させることができる。

上記請求項１２において、請求項１３の如く、前記第１噴孔と前記第２噴孔とは、前記出口開口部に設けられる板状部材に形成されるようにすれば、各噴孔の噴孔径の調整、制御が簡便となり、様々な内燃機関（排気流が大きな機関や小さな機関等）への対応も容易になる。

さらに、請求項１２または１３において、前記第１噴孔は、前記排気通路内へ所定の噴霧到達距離にて第１噴霧を形成し、前記第２噴孔は、前記第１噴霧の前記所定の噴射到達距離よりも大きな到達距離の第２噴霧を形成するものであり、前記第２噴孔は、前記第１噴孔よりも、前記排気流の排気上流側に位置するよう前記出口開口部に設けられるようしてもよい。上記構成によれば、第２噴霧が排気流の主流流れを克服して、添加剤噴射弁とは反対側の排気通路領域へ到達するための、添加剤噴射弁から触媒に至るまでの距離の確保が能である。よって、確実に、第２噴霧を、所望の通路領域へ到達させるとともに所望の触媒上流端面領域に到達させることが可能である。

請求項１５の発明は、排気通路の通路壁に設けられ、この排気通路内へ添加剤を噴射する添加剤噴射手段と、該添加剤噴射手段の排気下流側に設けられ、少なくとも前記添加剤に基づく特定の排気浄化反応を促進する触媒とを備え、前記触媒の上流側にて浄化対象とする排気の中へ前記添加剤噴射手段により添加剤を噴射供給し、排気流を利用してその排気共々前記添加剤を下流の前記触媒へ供給するとともに、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことによってその排気を浄化する排気浄化装置において、前記添加剤噴射手段は、前記排気通路の前記通路壁に設けられ、前記排気通路内へ所定の噴霧到達距離にて第１噴霧を噴射する第１添加剤噴射弁と、前記第１添加剤噴射弁とは別個に、前記排気通路の前記通路壁に設けられ、前記第１噴霧の前記所定の噴霧到達距離よりも大きな到達距離にて、前記排気通路内へ第２噴霧を噴射する第２添加剤噴射弁とを備えることを特徴とするものである。

すなわち、請求項１にて示した、第１噴霧、第２噴霧を噴射させる手段として、２つの添加剤噴射弁を別個に、排気通路の通路壁に設けたものである。この構成により、請求項１と同様の効果を得ることができる。それとともに、独立した別個の添加剤噴射弁を排気通路の通路壁に取付できるため、個々の噴霧の噴射角度や、排気通路への取り付け位置の自由度を大きくすることができる。

なお、請求項１５において、請求項１６の発明の如く、前記第２添加剤噴射弁は、前記第１添加剤噴射弁よりも、前記排気流の排気上流側で、前記排気通路の前記通路壁に設けられるようにすれば、第２噴霧が排気流の主流流れを克服して、添加剤噴射弁とは反対側の排気通路領域へ到達するための、添加剤噴射弁から触媒に至るまでの距離の確保が能である。よって、確実に、第２噴霧を、所望の通路領域へ到達させるとともに所望の触媒上流端面領域に到達させることが可能である。

請求項１７の発明は、請求項１〜１６のいずれかにおいて、前記添加剤は尿素水溶液であり、前記触媒は、該尿素水溶液の加水分解により生成されるアンモニアを通じてＮＯｘ（窒素酸化物）を還元するＮＯｘ還元反応を前記排気浄化反応として促進するものである。

上述の尿素ＳＣＲ（選択還元）システムに代表されるように、尿素水溶液を添加剤にしたＮＯｘ浄化装置は、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期待されている。したがって本発明は、こうした尿素ＳＣＲシステムに適用して特に有益である。そして、こうしたシステムに本発明を適用した場合にも、上述の如く、添加剤噴射弁の取り付けられた側とは反対側の排気通路領域への添加剤到達が可能となり、触媒の浄化性能を十分に発揮することができ、ひいては排気浄化装置としてより高い浄化性を得ることが可能になる。また、例えば自動車の分野でこの排気浄化装置を採用し、ディーゼルエンジン搭載の車両等にこの装置を装着した場合には、燃焼過程でＮＯｘの発生を許容して燃費及びＰＭを改善することなども可能になり、ひいては自動車の性能向上や排気クリーン化に大きく貢献することができるようになる。

なお、上記各種請求項において記載された、添加剤噴射弁の第１、第２噴孔は、多数の微噴孔の集合体（群噴孔）によって構成されるものであっても、ただ１つの噴孔によって構成されるものであってもよい。特定の方向に対する噴射（特定の方向の噴霧密度が高い場合、すなわち噴霧に拡がりのある場合も含む）を多数の噴孔にて共同で行う場合には、それらの噴孔をまとめて１つの噴孔とする。

以下、本発明に係る排気浄化装置を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の装置も、先の図１４に例示した装置と同様、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するものであり、尿素ＳＣＲ（選択還元）システムとして構築されている。まず、図１を参照して、このシステム（装置）の構成について詳述する。

図１は、本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステム（排気浄化装置）の概要を示す構成図である。なお、この図１において、図中の矢印Ｘは水平方向の１つ（Ｘ方向）を、また矢印Ｙは重力方向（Ｙ方向）を指している。

同図１に示されるように、このシステムは、自動車（図示略）に搭載されたディーゼルエンジン（排気発生源）により排出される排気を浄化対象として、大きくは、この排気を浄化するための各種アクチュエータ及び各種センサ、並びにＥＣＵ（電子制御ユニット）４０等を有して構築されている。

具体的には、排気上流側から、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１１、排気管１２（排気通路）、触媒１３、排気管１４（排気通路）、の順で配設されている。そして、排気管１２の中途の通路壁面には、添加剤噴射弁１６が設けられている。添加剤噴射弁１６は、ＤＰＦ１１と触媒１３との間の排気管１２内を流れる排気に対して添加剤である尿素水溶液を噴射供給する、電気的に駆動される電磁弁であり、排気の流れ（排気流）を利用してその排気共々尿素水溶液を下流の触媒１３へ供給するとともに、該触媒１３上でＮＯｘの還元反応を行うことによって、その排気が浄化されるようになっている。

ここで、ＤＰＦ１１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等で捕集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。また、同ＤＰＦ１１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。

触媒１３は、ＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）を促進するものであり、例えば、
４ＮＯ＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ …（式１）
６ＮＯ₂＋８ＮＨ₃→７Ｎ₂＋１２Ｈ₂Ｏ …（式２）
ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ …（式３）
のような反応を促進して排気中のＮＯｘを還元する。これらの反応においてＮＯｘの還元剤となるアンモニア（ＮＨ₃）は尿素を加水分解することにより生成され、この尿素を溶解した液体、すなわち尿素水を噴射供給するものが、同触媒１３の上流側の排気管１２の中途に設けられた添加剤噴射弁１６である。

この添加剤噴射弁１６は、燃料の噴射通路となるノズル部１６ａ（細管）を先端に有し、そのノズル出口面には、出口開口１６ｂが形成されている。同添加剤噴射弁１６は、こうした出口開口１６ｂを通じて、尿素水タンク１７ａから供給される尿素水溶液を噴射（霧化）するものであり、尿素水タンク１７ａから逐次尿素水溶液が供給されている。すなわち、尿素水タンク１７ａの内部に貯蔵されている尿素水溶液が、同タンク１７ａ内に設置されたポンプ１７ｂによって汲み上げられ、配管１７ｃを通じて噴射弁１６へ供給されている。

ここで、配管１７ｃの中途には、尿素水圧レギュレータ１７ｄ、尿素水圧センサ１７ｅ、及びフィルタ１７ｆが設けられている。フィルタ１７ｆは尿素水溶液を濾過するものであり、ポンプ１７ｂからの尿素水溶液は、このフィルタ１７ｆにより異物が取り除かれた後、噴射弁１６へ供給される。また、尿素水圧センサ１７ｅは、噴射弁１６に対する尿素水溶液の供給圧力を検出するものであり、尿素水圧レギュレータ１７ｄはその供給圧力を調圧するものである。すなわち、この供給圧力が設定値を超えた場合には、同レギュレータ１７ｄにより、上記配管１７ｃ内の尿素水溶液が尿素水タンク１７ａへ戻されることになる。

図２に、添加剤噴射弁１６の断面構成を示す。添加剤噴射弁１６は、ガソリンエンジンに用いられる燃料噴射弁と同様な、電磁式開閉弁である。

噴射弁１６の先端側に位置するノズル部１６ａには、ボデー２６内に軸方向移動可能にガイドされるニードル２０が備えられ、ニードル２０は、ボデー２６に形成された弁座２１に着座可能となっている。さらに、弁座２１の下流側には、出口開口１６ｂが設けられる。本実施形態では、出口開口１６ｂとして、複数の噴孔を形成する円板状のプレート部材３０が設けられている。

ノズル部１６ａの上方には、電磁ソレノイド２３が備えられ、ターミナル２５から入力される通電信号により通電される。また、ニードル２０とボデー２６との間に形成される通路２４と連通する入口２２は、配管１７ｃと接続される。この構成により、レギュレータ１７ｄにて調圧された尿素水溶液は、入口２２を介して、通路２４に及び、ニードル２０の弁座２１への着座部に到達している。

上記構成の添加剤噴射弁１６では、ＥＣＵ４０からの通電信号に電磁ソレノイド２３が通電されると、該通電に伴いニードル２０が開弁方向に移動する。すると、上記着座部にまで到達しているレギュレータ１７ｄにて調圧された尿素水溶液は、ニードル２０と弁座２１との間を通過し下流側に流れる。両部材２０、２１間を通過した尿素水溶液は、出口開口１６ｂ（すなわちプレート部材３０に形成された複数の噴孔）を介して排気管１２内に噴射される。

本実施形態では、噴射弁１６は、排気管１２の軸中心の真上（鉛直方向上）に設けられた取付け口に、その先端が挿入される。噴射弁１６は、直管状の排気管１２の通路壁に、その通路中心に対して垂直な方向（図１のＹ方向）となるよう挿入される。すなわち、排気管１２内を流れる排気の主流の流れ方向（図１のＸ方向）に対して垂直となる方向に挿入される。そして、このように設けられる噴射弁１６から噴射される尿素水溶液の噴霧は、基本的に、Ｙ方向に噴射されることとなる。

一方、触媒１３の下流側の排気管１４には、ＮＯｘセンサと排気温センサとが共に内蔵された排気センサ１８が設けられており、同触媒１３の下流側にて、排気中のＮＯｘ量（ひいては触媒１３によるＮＯｘの浄化率）、及び排気の温度を検出することができるようになっている。そして、この排気管１４のさらに下流には、余剰のアンモニア（ＮＨ₃）を除去するためのアンモニア除去装置（例えば酸化触媒）や、排気中のアンモニア量を検出するためのアンモニアセンサ等が、必要に応じて設けられる。

こうしたシステムの中で電子制御ユニットとして主体的に排気浄化に係る制御を行う部分がＥＣＵ４０である。このＥＣＵ４０は、周知のマイクロコンピュータ（図示略）を備え、各種センサの検出値に基づいて所望とされる態様で上記噴射弁１６等をはじめとする各種アクチュエータを操作することにより、排気浄化に係る各種の制御を行うものである。具体的には、例えば添加剤噴射弁１６の通電時間やポンプ１７ｂの駆動量等を制御することにより、排気管１２内を流れる排気に対し、適切な時期に適正な量の尿素水溶液（添加剤）を噴射供給する。

こうした構成のもと、本実施形態に係る上記システム（装置）でも、先の図１４に例示した装置と同様、排気管１２の内側を流れる排気中へ噴射弁１６により尿素水溶液を噴射供給し、排気の流れ（排気流）を利用してその排気共々尿素水溶液を下流の触媒１３へ供給するとともに、該触媒１３上でＮＯｘの還元反応を行うことによってその排気を浄化する。ＮＯｘの還元に際しては、例えば、
（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂ …（式４）
のような反応をもって、尿素水溶液が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ₃）が生成され、触媒１３にて選択的に吸着された排気中のＮＯｘに対し、このアンモニアが添加される。そして、同触媒１３上で、そのアンモニアに基づく還元反応（上記反応式（式１）〜（式３））が行われることによって、ＮＯｘが還元、浄化されることになる。

次に、図３及び図４を併せ参照して、本実施形態の装置による排気浄化態様について説明する。

本実施形態のプレート部材３０には、所定噴孔径ｒの第１噴孔３１０を複数備える第１噴孔群３１が形成される。一方、プレート部材３０には、第１噴孔の噴孔径ｒよりも大きな所定噴孔径Ｒの第２噴孔３２０を複数備える第２噴孔群３２が形成される。これら第１噴孔３１０、第２噴孔３２０は、プレート部材３０の軸方向に対して平行に孔が開けられている。そして、このプレート部材３０が噴射弁１６に取り付けられることによって、各噴孔群３１，３２から噴射される噴霧の噴射方向は、噴射弁１６の軸心とほぼ平行となる。

そして、上述した如く、第１噴孔３１０の噴孔径ｒに対して、第２噴孔３２０の噴孔径Ｒは大きくなるよう設定されている。このため、第２噴孔３２０から噴射される尿素水溶液の噴霧（第２噴霧３２１）は、第１噴孔３１０から噴射される尿素水溶液の噴霧（第１噴霧３１１）に比べて、貫徹力（ペネトレーション）が大きくなる。

従って、図４に示す如く、第２噴霧３２１の排気管１２への噴霧到達距離は、第１噴霧３１１のそれに比べて大きくなる。すると、第２噴霧３２１からの噴霧到達距離を、排気管１２の噴射弁１６が設けられる側とは反対側の通路領域６０に届く程度の距離とすることが可能となる。

一方、第１噴霧３１１からの噴霧到達距離を第２噴霧３２１のそれよりも短く、例えば、噴射弁１６から排気管１２の中心軸までの距離よりも短くすることで、排気管１２の噴射弁１６が設けられる側の排気管通路領域に対応する噴霧を確保することができる。

このようにプレート部材３０に、第１、第２噴孔群３１，３２を形成し、各噴孔群からの噴霧到達距離を、それぞれ変化させることにより、排気管１２内へ噴射される還元剤すなわち尿素水溶液噴霧を、排気管１２の管断面に対して、ほぼ全域に行き渡らせることが可能となる。そのため、各噴孔群から噴射された２つの噴霧が、排気管１２内に管断面全域に行き渡った後は、最終的に、排気の流れに乗り、触媒１３の上流側に到達する。従って、触媒１３のほぼ全面に噴霧が散布されることとなるため、触媒１３全体で、ＮＯｘの還元浄化反応をさせることができる。よって、触媒１３の触媒浄化性能を十分発揮させることができる。

特に、第２噴孔群３２からの第２噴霧３２１の貫徹力を、第１噴孔群３１からの第１噴霧３１１のそれよりも大きくしたことにより、排気流れの主流の影響を乗り越えて、排気管１２の通路領域６０へも噴霧を到達させることができる。このため、確実に通路領域６０下流側の触媒端面へ到達するため、触媒の浄化性能を十分に発揮させることができる。

また、上述のように噴霧到達距離が異なる第１噴霧、第２噴霧を噴射可能とし、触媒１３全面への噴霧散布が十分に可能となったため、特許文献２に記載されたような、噴射弁からの尿素水溶液の方向を変化させるデフレクタといった部材を、排気管内に設ける必要がない。

なお、上記実施形態では、第１、第２噴霧３１１，３２１の噴射方向は同じとなるよう設定されている。その場合においても、図４に示す如く、第２噴霧３２１の方が、第１噴霧３１１よりも排気流の流れ方向から見て、上流側に位置されるよう、本実施形態では、噴射弁１６を排気管１２に取り付けている。このような配置関係とすることにより、第２噴霧３２１が排気流の主流流れを克服して、噴射弁１６とは反対側の排気通路領域６０へ到達するための、噴射弁１６から触媒１３に至るまでの排気流れ方向距離の確保が可能となる。従って、第１、第２噴霧の噴射方向を同一としたとしても、十分に触媒１３の排気浄化性能を引き出すことができる。

なお、第２噴霧３２１が、触媒１３へ到達する前に排気通路領域６０へ到達し、十分な噴霧と排気とが十分に混合するよう、流れ方向の距離を、より確保するという観点から、第２噴霧３２１の噴射方向を排気流れ上流側へ向けて噴射するようにしてもよい。具体的には、図５、図６に示す実施形態にて実現する。

すなわち、図５（ｂ）に示す如く、第２噴孔３２０のプレート部材３０に対する孔開け角度を傾斜させる。そして、このプレート部材３０を取り付けた噴射弁１６を、図６に示す如く、第２噴霧３２１の噴射弁１６における噴射位置が、第１噴霧３１１よりも排気流れ上流側となるよう、排気管１２に取り付ければよい。

このように構成すれば、噴射弁１６を、排気管１２の管軸に対して、垂直に設けたり、あるいは、噴射弁１６から下流側の触媒１３までの距離が短い場合であったとしても、第２噴霧３２１の排気通路領域６０への到達と、当該領域における噴霧と排気との混合とを確実に確保することが可能である。

なお、図７，８に示す如く、第１噴霧３１１の噴射方向を、排気流れ下流側に向けてもよい。そのためには、図７（ｂ）に示す如く、プレート部材３０への第１噴孔３１０の孔開け角度を傾斜させる。このように構成することで、第１噴霧３１１は、排気管１２の噴射弁１６を取り付けた側の壁面近傍領域へも、噴霧を拡散可能となり、より触媒１３の上流側端面への噴霧散布を向上させることができる。

また、場合によっては、噴射弁１６を、図１０の如く、排気流れ下流側に向けて傾けて取り付ける事もある。この場合においても、プレート部材３０を、図５の実施形態と同様、図９（ｂ）のように、第２噴孔３２０を傾斜させて孔開けさせれば、図１０に示す如く、第２噴霧３２１の噴射方向を、極力、排気流れ上流側に向けることができる。これにより、噴射弁１６が、排気流れ下流側に向けて傾斜して設けた場合であっても、触媒１３へ到達する前に排気通路領域６０へ到達し、十分な噴霧と排気とが十分に混合するための流れ方向の距離を確保できる。

一方、図１２の如く、噴射弁１６を、排気流れの上流側に傾けて設置する場合、上述した如く、第２噴霧３２１は、排気上流側に向けて噴射可能となる。このため、図１１（ａ），（ｂ）の如く、プレート部材３０に、第２噴孔３２０をプレート軸方向に対して平行に形成したとしても、触媒１３へ到達する前に排気通路領域６０へ到達し、十分な噴霧と排気とが十分に混合するための流れ方向の距離を十分に確保できる。よって、プレート部材３０への噴孔の形成が容易にとなる。

以上、第１噴霧、第２噴霧を形成するために、プレート部材に噴孔径の異なる、噴孔群を２つ準備する実施形態を詳述した。２つの噴霧を形成するために、プレート部材にて実現させることによって、噴射弁自体を変更することなく、プレート部材に形成する、噴孔の噴孔径や、プレートに対する噴孔の形成角度を調整可能となる。これにより、様々なエンジンや噴射弁の仕様（排気管への取り付け角度や、噴射自体の仕様）に対して、フレキシブルに対応可能である。

なお、異なる噴霧到達距離を有する噴霧を実現するための、他の手法として、図１３に示す如く、第１、第２噴霧をそれぞれ受け持つ、第１噴射弁１６１、第２噴射弁１６２を排気管１２に取り付けるようにしてもよい。

このように、２つの噴射弁１６１、１６２を使用することによって、各噴霧の噴霧到達距離や、排気の流れに対する噴霧噴射方向を、自在に設定することができる。よって、設計上の自由度を大幅に増大させることが可能となる。

すなわち、図１３（ａ）〜（ｄ）に示すように、各噴射弁１６１，１６２の排気管への取り付け位置を変更する。こうすることで、上述した如く、エンジン等の様々な要求に対して、調整等を非常に柔軟に行うことが可能となる。

上記した構成以外の方式にて、排気管への噴霧到達距離が異なる第１、第２噴霧を得るようにしてもよい。

例えば、プレート部材３０にて、第１噴霧、第２噴霧をそれぞれ形成するため、プレート部材３０の厚み方向（噴射弁の軸方向）の厚みを変更させてもよい。具体的には、排気管１２内への噴霧到達距離が短い第１噴霧を形成する噴孔部分のプレート部材３０の厚みに対し、噴霧到達距離が第１噴霧よりも長い第２噴霧を形成する噴孔部分のプレート部材３０の厚みを所定距離厚くする。これによって、例えば、噴孔径が同一であっても、プレート部材の厚みが変化していることによって、第１、第２噴霧を形成可能である。

さらに、上述した実施形態では、第１、第２噴霧を形成する例を示したが、さらに、これら２つの噴霧とは異なる噴霧到達距離の噴霧を得るようにしてもよい。これによって、排気管１２内に噴射される噴霧がより均一化できる。

なお、上述した実施形態は、尿素ＳＣＲ（選択還元）システムを前提としていたが、同様の添加剤及び触媒を用いて排気を浄化する場合には、他の用途についても本発明は同様に適用することができる。

本発明に係る排気浄化装置の一実施形態について、該装置のシステム構成の概略を示す構成図。 添加剤噴射弁の断面図。 （ａ）及び（ｂ）は、本実施形態のプレート部材を示す図。 本実施形態の装置による排気浄化態様を示す模式図。 プレート部材についての変形例を示す図。 変形例による排気浄化態様を示す模式図。 プレート部材についての別の変形例を示す図。 別の変形例による排気浄化態様を示す模式図。 プレート部材について、さらに別の変形例を示す図。 さらに別の変形例による排気浄化態様を示す模式図。 プレート部材について、さらに別の変形例を示す図。 さらに別の変形例による排気浄化態様を示す模式図。 本実施形態の装置による、さらなる排気浄化対応を示す模式図。 従来一般の尿素ＳＣＲシステムに採用されている構成の一例についてその概略を示す構成図。 従来一般の構成における排気浄化態様を示す模式図。

符号の説明

１１…ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、１２…排気管（排気通路）、１３…触媒、１６…添加剤噴射弁、３０…プレート部材、３１…第１噴孔群、３２…第２噴孔群、３１０…第１噴孔、３２０…第２噴孔、３１１…第１噴霧、３２１…第２噴霧、４０…ＥＣＵ（電子制御ユニット）。

Claims (17)

1. 排気通路の通路壁に設けられ、この排気通路内へ添加剤を噴射する添加剤噴射弁と、
   該添加剤噴射弁の排気下流側に設けられ、少なくとも前記添加剤に基づく特定の排気浄化反応を促進する触媒とを備え、
   前記触媒の上流側にて浄化対象とする排気の中へ前記添加剤噴射弁により添加剤を噴射供給し、排気流を利用してその排気共々前記添加剤を下流の前記触媒へ供給するとともに、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことによってその排気を浄化する排気浄化装置において、
   前記添加剤噴射弁は、
   前記排気通路内へ所定の噴霧到達距離にて第１噴霧を噴射する第１噴霧噴射部と、
   前記第１噴霧の前記所定の噴霧到達距離よりも大きな到達距離にて、前記排気通路内へ第２噴霧を噴射する第２噴霧噴射部と
   を備えることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記第２噴霧噴射部は、前記第１噴霧噴射部よりも、前記排気流の流れ方向において上流側に位置し、前記第１噴霧と前記第２噴霧の前記排気通路内への噴射方向は同一方向であることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記第２噴霧噴射部は、前記第１噴霧噴射部よりも、前記排気流の流れ方向において上流側に位置し、前記第２噴霧の前記排気通路内への噴射方向は、前記第１噴霧の噴射方向に比べ、排気上流側に向くよう設定されることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
4. 前記第２噴霧の前記排気通路内への噴射方向は、前記排気流に直交する方向よりも排気上流側へ向くよう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排気浄化装置。
5. 前記添加剤噴射弁は、前記排気通路内へ前記添加剤を噴射する出口開口部を備え、
   この出口開口部には、前記第１の噴霧を形成する前記第１噴霧噴射部としての第１噴孔と、前記第１噴孔よりも噴孔径が大きく、前記第２噴霧を形成する前記第２噴霧噴射部としての第２噴孔とが設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
6. 前記添加剤噴射弁は、前記出口開口部に板状部材を備えており、
   前記板状部材に前記第１噴孔と前記第２噴孔とが形成されていることを特徴とする請求項５記載の排気浄化装置。
7. 前記添加剤噴射弁は、
   前記排気通路内へ前記添加剤を噴射する出口開口部と、
   この出口開口部には設けられ、前記第１の噴霧を形成する前記第１噴霧噴射部としての第１噴孔と、前記第１噴孔よりも噴孔径が大きく、前記第２噴霧を形成する前記第２噴霧噴射部としての第２噴孔とを形成する板状部材とを備え、
   前記第１噴孔と前記第２噴孔とは、前記板状部材に対して、垂直に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化装置。
8. 前記添加剤噴射弁は、
   前記排気通路内へ前記添加剤を噴射する出口開口部と、
   この出口開口部には設けられ、前記第１の噴霧を形成する前記第１噴霧噴射部としての第１噴孔と、前記第１噴孔よりも噴孔径が大きく、前記第２噴霧を形成する前記第２噴霧噴射部としての第２噴孔とを形成する板状部材とを備え、
   前記第１噴孔と前記第２噴孔とは、前記板状部材に対して、互いに異なる方向にて形成されることを特徴とする請求項１、３、４のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
9. 前記添加剤噴射弁は、その軸心が、前記排気流に直交する方向に向くよう前記排気通路壁に設けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
10. 前記添加剤噴射弁は、その軸心が、前記排気流に直交する方向よりも排気下流側に向くよう前記排気通路壁に設けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
11. 前記添加剤噴射弁は、その軸心が、前記排気流に直交する方向よりも排気上流側に向くよう前記排気通路壁に設けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
12. 排気通路の通路壁に設けられ、この排気通路内へ添加剤を噴射する添加剤噴射弁と、
    該添加剤噴射弁の排気下流側に設けられ、少なくとも前記添加剤に基づく特定の排気浄化反応を促進する触媒とを備え、
    前記触媒の上流側にて浄化対象とする排気の中へ前記添加剤噴射弁により添加剤を噴射供給し、排気流を利用してその排気共々前記添加剤を下流の前記触媒へ供給するとともに、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことによってその排気を浄化する排気浄化装置において、
    前記添加剤噴射弁は、
    前記排気通路内へ前記添加剤を噴射する出口開口部と、
    この出口開口部に設けられる第１噴孔と、前記第１噴孔よりも噴孔径が大きい第２噴孔とを備えることを特徴とする排気浄化装置。
13. 前記第１噴孔と前記第２噴孔とは、前記出口開口部に設けられる板状部材に形成されることを特徴とする請求項１２記載の排気浄化装置。
14. 前記第１噴孔は、前記排気通路内へ所定の噴霧到達距離にて第１噴霧を形成し、前記第２噴孔は、前記第１噴霧の前記所定の噴射到達距離よりも大きな到達距離の第２噴霧を形成するものであり、
    前記第２噴孔は、前記第１噴孔よりも、前記排気流の排気上流側に位置するよう前記出口開口部に設けられることを特徴とする請求項１２または１３に記載の排気浄化装置。
15. 排気通路の通路壁に設けられ、この排気通路内へ添加剤を噴射する添加剤噴射手段と、
    該添加剤噴射手段の排気下流側に設けられ、少なくとも前記添加剤に基づく特定の排気浄化反応を促進する触媒とを備え、
    前記触媒の上流側にて浄化対象とする排気の中へ前記添加剤噴射手段により添加剤を噴射供給し、排気流を利用してその排気共々前記添加剤を下流の前記触媒へ供給するとともに、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことによってその排気を浄化する排気浄化装置において、
    前記添加剤噴射手段は、
    前記排気通路の前記通路壁に設けられ、前記排気通路内へ所定の噴霧到達距離にて第１噴霧を噴射する第１添加剤噴射弁と、
    前記第１添加剤噴射弁とは別個に、前記排気通路の前記通路壁に設けられ、前記第１噴霧の前記所定の噴霧到達距離よりも大きな到達距離にて、前記排気通路内へ第２噴霧を噴射する第２添加剤噴射弁と
    を備えることを特徴とする排気浄化装置。
16. 前記第２添加剤噴射弁は、前記第１添加剤噴射弁よりも、前記排気流の排気上流側で、前記排気通路の前記通路壁に設けられることを特徴する請求項１５記載の排気浄化装置。
17. 前記添加剤は尿素水溶液であり、前記触媒は、該尿素水溶液の加水分解により生成されるアンモニアを通じてＮＯｘ（窒素酸化物）を還元するＮＯｘ還元反応を前記排気浄化反応として促進するものである請求項１〜１６のいずれか一項に記載の排気浄化装置。

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