JP4605205B2

JP4605205B2 - 排気浄化装置

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Publication number: JP4605205B2
Application number: JP2007287269A
Authority: JP
Inventors: 中市川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-11-05
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2027-11-05
Also published as: JP2009114910A

Description

本発明は、選択還元触媒方式の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）。

特許文献１に記載された尿素ＳＣＲ装置は、排気浄化反応を促進する選択還元触媒と、エンジンから排出される排気を選択還元触媒へ導く排気通路と、その排気通路内に尿素水溶液を噴射させるノズルとを備えている。そしてノズルは、排気通路の一部を形成する曲がり管の曲げ外側に設けられ、その曲がり管の排気下流側端に接続された直管の中心軸線上に尿素水溶液を噴射するようになっている。
特開２００３−２９３７３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された尿素ＳＣＲ装置では、ノズルから噴射された尿素水溶液の噴霧が排気流によって曲がり管の曲げ外側に流され、尿素水溶液の噴霧が曲がり管の内壁や直管の内壁に付着し、さらに付着した尿素水溶液が尿素として内壁に析出するおそれがある。このように排気管の内壁に付着した尿素水溶液はＮＯｘとの排気浄化反応に供されず、結果として尿素水溶液が浪費される。また、尿素の排気管の内壁への析出の結果、排気の流路面積が減少し、ひいては排気管の管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、内燃機関の排気の浄化に供される還元剤を好適に噴射供給する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。

本発明は、内燃機関の排気を流す排気通路と、内燃機関の排気に含まれる特定成分の還元反応を促進する選択還元触媒と、還元反応に供される還元剤を選択還元触媒に対して噴射供給する噴射弁とを備え、内燃機関の排気を還元反応によって浄化する排気浄化装置である。また、噴射弁は、噴孔の形成されたノズル部を有し、噴射弁の軸心と噴孔の噴霧中心とが一致するものであり、排気通路が選択還元触媒よりも排気上流側に曲部を有しており、その曲部の曲げ外側に噴射弁が設けられている。

このような排気浄化装置では、噴射弁の噴孔から噴射された還元剤の噴霧（以下「還元剤噴霧」という）が排気流によって曲部の曲げ外側に流され、還元剤噴霧が曲部の内壁やその下流側の内壁に付着するおそれがある。

この点、請求項１に記載の発明では、曲部の排気下流側の中心軸線に対する接線よりも曲部の曲げ内側に向けて噴射弁から還元剤を噴射するようになっている。このように、還元剤噴霧を曲部の曲げ内側に噴射供給することにより、還元剤噴霧の曲部の内壁への付着を抑制し、還元剤の浪費を抑制することができる。

さらに、排気通路が、曲部の排気下流側端から選択還元触媒の排気上流側端まで排気を導く直管状の直部を有し、曲部の排気下流側端（曲率が０になる部分）において曲部の中心軸線に対する接線と上記直部の中心軸線とが一致するように形成されている。そして、排気通路の直部の中心軸線よりも曲部の曲げ内側に向けて噴射弁から還元剤を噴射するようになっている。詳しくは、噴射弁は直部の中心軸線上にて噴孔が開口するように曲部の曲げ外側に設けられ、噴孔の噴霧中心が直部の中心軸線よりも曲部の曲げ内側に傾くように噴射弁が取り付けられている。これにより、還元剤噴霧の曲部の内壁への付着を抑制するとともに、還元剤噴の直部の内壁への付着を抑制することができる。

加えて、還元剤は尿素水溶液であり、選択還元触媒はアンモニア選択還元触媒である。すなわち、請求項１に記載の発明は尿素ＳＣＲ装置である。ここで、尿素水溶液の噴霧が排気通路の内壁に付着すると、尿素として排気通路の内壁に析出し、ひいては排気通路内の排気圧が上昇する。この点、請求項１の発明によると尿素水溶液の噴霧の排気通路の内壁への付着が抑制されるため、尿素の排気通路の内壁への析出を抑制することができる。

以下、本発明を具体化した複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態は、車載ディーゼルエンジン用の尿素ＳＣＲ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。はじめに、図１を参照しながら、本実施形態の尿素ＳＣＲ装置１０の概要を説明する。図１は、排気浄化装置としての尿素ＳＣＲ装置１０を内燃機関としての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Ｘ１は水平方向の１つ（Ｘ１方向）を、また矢印Ｙ１は鉛直下向き（Ｙ１方向）を示している。

図１に示す尿素ＳＣＲ装置１０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。詳しくは、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１０は上記マニホールドの最下流部に取り付けられるように構成されている。そして、尿素ＳＣＲ装置１０では、排気上流側からＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２０、曲がり管１１、曲がり管１２、ＳＣＲ触媒３０がこの順に配設されている。尿素ＳＣＲ装置１０では、ＤＰＦケース２１、曲がり管１１、曲がり管１２、及び触媒ケース３１の内側に排気通路が形成されており、上記排気通路を矢印Ａ１の如く流れる排気が浄化されるようになっている。なお、排気通路のうち曲がり管１２の管内に形成される部分が「曲部」に相当する。

ＤＰＦ２０及びＳＣＲ触媒３０は、尿素ＳＣＲ装置１０のエンジンへの取付状態にて排気が水平方向（Ｘ１方向）に流れるように、すなわち排気の流入口及び流出口が水平方向に開口するように設けられている。ＤＰＦ２０は、尿素ＳＣＲ装置１０のエンジン取付状態においてＤＰＦ２０よりも上方に位置し、曲がり管１１及び曲がり管１２経由でＳＣＲ触媒３０に接続されている。

曲がり管１１は、ＤＰＦケース２１に接続されており、尿素ＳＣＲ装置１０のエンジンへの取付状態にて排気の流向が水平方向（Ｘ１方向）から鉛直下向き（Ｙ１方向）に変化するように、すなわち排気の流入口が水平方向に開口し排気の流出口が鉛直方向に開口するように設けられている。曲がり管１２は、曲がり管１１に接続されており、尿素ＳＣＲ装置１０のエンジンの取付状態にて排気の流向が鉛直下向き（Ｙ１方向）から水平方向（Ｘ１方向）に変化するように、すなわち排気の出入口がそれぞれ鉛直方向と水平方向に開口するように設けられている。

触媒ケース３１は曲がり管１２に接続されている。触媒ケース３１のうち触媒担体３２の排気上流側端よりも上流側の部分（以下「直管部」という）３１ａは水平方向に延びている。その結果、曲がり管１２の排気下流側端では、曲がり管１２の中心軸線１４に対する接線が直管部３１ａの中心軸線３３と一致している。なお、排気通路のうち直管部３１ａの管内に形成される部分が「直部」に相当する。

上記ＤＰＦ２０は、ハニカム構造のＤＰＦ担体２２、同担体２２を収容するＤＰＦケース２１などで構成されている。このＤＰＦ２０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る。ＤＰＦ担体２２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の曲げ外側には突出部１３が設けられており、その突出部１３に噴射弁４０が取り付けられている。詳しくは、突出部１３は、曲がり管１２の曲げ外側において触媒ケース３１とは反対側に突出する筒状に形成されており、その中心軸線と触媒ケース３１の直管部３１ａの中心軸線３３とが一致するように曲がり管１２の管内に開口している。そして、突出部１３の触媒ケース３１とは反対側の端面１３ａの中央にて、噴射弁４０のノズル部４１に設けられた噴孔が突出部１３の管内に開口している。このように噴射弁４０のノズル部４１を曲がり管１２の管内に晒すことなく突出部１３の管内に収容することで、ノズル部４１の排気からの比熱を低減することができる。

噴射装置としての噴射弁４０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４１に形成された噴孔から噴射することにより、曲がり管１２の管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の管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３０へ供給され、同触媒３０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）
選択還元触媒としてのＳＣＲ触媒３０は、ハニカム構造の触媒担体３２、同担体３２を収容する触媒ケース３１などで構成されている。触媒担体３２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３０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）
ここで、尿素ＳＣＲ装置では、排気通路の内壁への尿素水溶液の噴霧の付着を抑制すべく、尿素水溶液の噴霧を排気通路の内壁全周から均等に離間した部分に供給することが望ましい。そのため、図５に示す比較例のように、触媒ケース３１の直部３１ａの中心軸線３３上に噴射弁４０から尿素水溶液を噴射することが考えられる。ところが、排気通路のうち曲がり管１２の管内に形成された部分（曲部）では、排気の流向が触媒ケース３１の直管部３１ａの中心軸線３３と交差する。すなわち、触媒ケース３１の直管部３１ａの中心軸線３３において排気が鉛直下向き（Ｙ１方向）の速度成分を有している。これにより、噴射弁４０から噴射された尿素水溶液の噴霧が鉛直下向きに流されて、曲がり管１２の曲げ外側の内壁やその排気下流側の直管部３１ａの内壁に付着し、さらに付着した尿素水溶液が尿素として内壁に析出することが考えられる。

そこで、本実施形態では、図１に示すように触媒ケース３１の直管部３１ａの中心軸線３３よりも曲がり管１２の曲げ内側（上流側）に向けて、噴射弁４０から尿素水溶液を噴射するようになっている。詳しくは、ノズル４１に形成された噴孔の噴霧中心４２が上記中心軸線３３よりも曲がり管１２の曲げ内側（鉛直上向き）に傾くように、噴射弁４０が突出部１３の端面１３ａに取り付けられている。ここで、上述の如く曲がり管１２の排気下流側端では、曲がり管１２の中心軸線１４に対する接線が直管部３１ａの中心軸線３３と一致している。すなわち、本実施形態では、曲がり管１２の中心軸線１４に対する接線よりも曲がり管１２の曲げ内側（上流側）に向けて、噴射弁４０から尿素水溶液を噴射するようにもなっている。このように尿素水溶液を曲がり管１２の曲げ内側に噴射することにより、曲がり管１２及び直管部３１ａの内壁への尿素水溶液の付着及び尿素の析出を抑制することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態は、第１実施形態と同様にして車載ディーゼルエンジンの排気を浄化する尿素ＳＣＲ装置である。以下、図２を参照しながら、本実施形態の尿素ＳＣＲ装置５０の構成及び効果をこの順に説明する。図２は、本実施形態の尿素ＳＣＲ装置５０をエンジンへの取付状態にて上方から見たものである。なお、第２実施形態の尿素ＳＣＲ装置を構成する構成要素のうち、第１実施形態の対応する構成要素と実質的に同一のものには、同一符号を付して、それらの説明を省略する。また、図２において、矢印Ｘ２は水平方向の１つ（Ｘ２方向）を、また矢印Ｙ２はＸ２方向と直交する水平方向（Ｙ２方向）示している。

図２に示す尿素ＳＣＲ装置５０では、排気の上流側からＤＰＦ２０、曲がり管５１、曲がり管５２、ＳＣＲ触媒３０がこの順に配置されている。ＤＰＦ２０及びＳＣＲ触媒３０は、尿素ＳＣＲ装置５０のエンジンへの取付状態において同一水平面上に位置し、曲がり管５１及び曲がり管５２経由で互いに接続されている。この尿素ＳＣＲ装置５０では、ＤＰＦケース２１、曲がり管５１、曲がり管５２、及び触媒ケース３１の内側に排気通路が形成されており、尿素ＳＣＲ装置５０は上記排気通路を矢印Ａ２の如く流れる排気を浄化する。

ＤＰＦ２０は、排気の流向がそれぞれＸ２方向となるように設けられている。またＳＣＲ触媒３０は、排気の流向がＸ２方向とは逆方向（−Ｘ２方向）となるように設けられている。そして曲がり管５１及び曲がり管５２は、それらの管内に半円環状の排気通路を形成している。詳しくは、曲がり管５１は、ＤＰＦ２０に接続され、排気の流向がＸ２方向からＹ２方向に変化するように設けられている。一方、曲がり管５２は、曲がり管５１及びＳＣＲ触媒３０に接続され、排気の流向がＹ２方向から−Ｘ２方向に変化するように設けられている。

曲がり管５１の曲げ外側には突出部５３が設けられており、その突出部５３には噴射弁４０が設けられている。詳しくは、突出部５３は、曲がり管５１の曲げ外側に曲がり管５２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５３は、筒状に形成されており、その中心軸線が曲がり管５１の排気下流側端の管内中央を通るように曲がり管５１の管内に開口している。そして、突出部５３の曲がり管５２とは反対側の端面５３ａの中央にて、噴射弁４０のノズル部４１に設けられた噴孔が突出部５３内に開口している。

本実施形態では、曲がり管５１，５２の中心軸線５４に対する接線５５よりも曲がり管５１，５２の曲げ内側（排気上流側）に向けて、噴射弁４０から尿素水溶液を噴射するようになっている。詳しくは、ノズル４１に形成された噴孔の噴霧中心５６が上記接線５５よりも曲がり管５１，５２の曲げ内側（鉛直方向に対して曲がり管５１，５２の曲げ内側）に傾くように、噴射弁４０が突出部５３の端面５３ａに取り付けられている。

このように尿素水溶液を曲がり管５１，５２の曲げ内側に噴射することにより、曲がり管５１，５２の内壁への尿素水溶液の付着及び尿素の析出を抑制することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、第１実施形態と同様にして車載ディーゼルエンジンの排気を浄化する尿素ＳＣＲ装置である。以下、図３を参照しながら、本実施形態の尿素ＳＣＲ装置６０の構成及び効果をこの順に説明する。図３は、本実施形態の尿素ＳＣＲ装置６０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。なお、第３実施形態の尿素ＳＣＲ装置を構成する構成要素のうち、第１実施形態の対応する構成要素と実質的に同一のものには、同一符号を付して、それらの説明を省略する。

図３に示す尿素ＳＣＲ装置６０では、触媒ケース３１の直管部３１ａの中心軸線３３を基準に曲がり管１２の曲げ内側（上流側）にオフセットさせて、噴射弁４０から尿素水溶液を噴射するようになっている。詳しくは、突出部６３は、曲がり管１２の曲げ外側において触媒ケース３１とは反対側に突出する筒状に形成されており、その中心軸線が触媒ケース３１の直管部３１ａの中心軸線３３に対して曲がり管１２の曲げ内側（鉛直上方）にずれて曲がり管１２の管内に開口している。また、突出部６３の触媒ケース３１とは反対側の端面６３ａの中央において、噴射弁４０のノズル部４１に設けられた噴孔が突出部６３内に開口している。そして、ノズル４１に形成された噴孔の噴霧中心６２が水平方向を向くように、噴射弁４０が突出部６３の端面６３ａに取り付けられている。このように尿素水溶液を曲がり管１２の曲げ内側に噴射することにより、第１実施形態と同様に曲がり管１２及び直管部３１ａの内壁への尿素水溶液の付着及び尿素の析出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。

・上記第１、第２実施形態では、尿素水溶液の噴射方向を排気の流向を考慮して排気通路の曲部の曲げ内側に向けた。詳しくは、第１実施形態では、尿素水溶液の噴射方向を触媒ケース３１の中心軸線３３よりも曲がり管１２の曲げ内側に向けた（図１参照）。また、第２実施形態では、尿素水溶液の噴射方向を、曲がり管５１，５２の中心軸線５４に対する接線５５よりも曲がり管５１，５２の曲げ内側に向けた（図２参照）。一方、第３実施形態では、尿素水溶液の噴射方向を排気の流向を考慮して排気通路の曲部の曲げ内側にオフセットさせた。詳しくは、尿素水溶液の噴射方向を触媒ケース３１の中心軸線３３よりも曲がり管１２の曲げ内側にオフセットさせた（図３参照）。

しかしながら、図４に示すように、尿素水溶液の噴射方向を排気通路の曲部の曲げ内側に向け、かつ尿素水溶液の噴射方向を排気通路の曲部の曲げ内側にオフセットさせてもよい。なお、図４に示す尿素ＳＣＲ装置７０の各構成要素は、噴射弁４０の突出部６３への取付態様を除き、図３に示す尿素ＳＣＲ装置６０の対応する構成要素と実質的に同一である。

・上記第１実施形態では、ＳＣＲ触媒３０がＤＰＦ２０よりも下方に位置するように尿素ＳＣＲ装置１０をエンジンに取り付けるものとして説明した。しかしながら、これに限られず、例えば、ＳＣＲ触媒３０がＤＰＦ２０よりも上方に位置するように尿素ＳＣＲ装置１０をエンジンに取り付けてもよいし、例えばＳＣＲ触媒３０及びＤＰＦ２０が同一平面上に位置するように尿素ＳＣＲ装置１０をエンジンに取り付けてもよい。この場合でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記第２実施形態では、ＳＣＲ触媒３０及びＤＰＦ２０が同一水平面上に位置するように尿素ＳＣＲ装置５０をエンジンに取り付けるものとして説明した。しかしながら、これに限られず、例えばＳＣＲ触媒３０がＤＰＦ２０よりも下方に位置するように尿素ＳＣＲ装置５０をエンジンに取り付けてもよいし、例えばＳＣＲ触媒３０がＤＰＦ２０よりも上方に位置するように尿素ＳＣＲ装置５０をエンジンに取り付けてもよい。この場合でも、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記第３実施形態では、ＳＣＲ触媒３０がＤＰＦ２０よりも下方に位置するように尿素ＳＣＲ装置６０をエンジンに取り付けるものとして説明した。しかしながら、これに限られず、例えば、ＳＣＲ触媒３０がＤＰＦ２０よりも上方に位置するように尿素ＳＣＲ装置１０をエンジンに取り付けてもよいし、例えばＳＣＲ触媒３０及びＤＰＦ２０が同一平面上に位置するように尿素ＳＣＲ装置１０をエンジンに取り付けてもよい。この場合でも、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

・上記実施形態では、噴射装置として、加圧供給される還元剤（尿素水溶液）を噴射することにより排気通路内に還元剤の噴霧を形成する噴射弁４０を例示した。しかしながら、これに限られず、噴射装置は、還元剤（尿素水溶液）を圧縮ガス（圧縮空気）共々噴射することにより排気通路内に還元剤の噴霧を形成するものでもよい。

第１実施形態の尿素ＳＣＲ装置の構成を示す図。第２実施形態の尿素ＳＣＲ装置の構成を示す図。第３実施形態の尿素ＳＣＲ装置の構成を示す図。他の実施形態の尿素ＳＣＲ装置の構成を示す図。比較例の尿素ＳＣＲ装置の構成を示す図。

符号の説明

１０…尿素ＳＣＲ装置（排気浄化装置）、１１…曲がり管、１２…曲がり管、２０…ＤＰＦ、２１…ＤＰＦケース、２２…ＤＰＦ担体、３０…ＳＣＲ触媒（選択還元触媒）、３１…触媒ケース、３２…触媒担体、４０…噴射弁（噴射装置）、４１…ノズル部。

Claims

内燃機関の排気を流す排気通路と、前記内燃機関の排気に含まれる特定成分を選択的に還元するための選択還元触媒と、その還元反応に供される還元剤を前記選択還元触媒に対して噴射供給する噴射弁とを備え、前記内燃機関の排気を前記還元反応によって浄化する排気浄化装置において、
前記排気通路は、前記選択還元触媒よりも排気上流側に曲部を有するとともに、前記曲部の排気下流側端から前記選択還元触媒の排気上流側端まで排気を導く直管状の直部を有し、前記曲部の排気下流側端において前記曲部の中心軸線に対する接線と前記直部の中心軸線とが一致するように形成され、
前記噴射弁は、噴孔の形成されたノズル部を有し、前記噴射弁の軸心と前記噴孔の噴霧中心とが一致するものであるとともに、前記直部の中心軸線上にて前記噴孔が開口するように前記曲部の曲げ外側に設けられ、前記噴孔の噴霧中心が前記直部の中心軸線よりも前記曲部の曲げ内側に傾くように前記噴射弁が取り付けられ、
前記還元剤は尿素水溶液であり、
前記選択還元触媒はアンモニア選択還元触媒であることを特徴とする排気浄化装置。