JP2005291088A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 噴射ノズルから噴射される還元剤の良好な分散を得て還元剤の利用効率を向上しようとするエンジンの排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 エンジン１の排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒５と、前記排気系の排気管３内にて前記還元触媒５の排気上流側に前記還元剤を供給する噴射ノズル７と、を備えたエンジンの排気浄化装置であって、前記排気管３内にて前記噴射ノズル７近傍の排気上流側の排気管３の開口率を調整するバタフライ弁１１を設け、該バタフライ弁１１の前記エンジン１の開閉動作を排気流量に応じて制御する制御手段１３を備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動車両搭載のディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を、還元剤を還元触媒の排気上流側に噴射ノズルで供給して還元除去するエンジンの排気浄化装置に関し、詳しくは、噴射ノズル近傍の排気上流側の排気通路の開口率をエンジンの排気流量に応じて調整し、噴射ノズルから噴射される還元剤の良好な分散を得ようとするエンジンの排気浄化装置に係るものである。

エンジンから排出される排気中の有害物質のうち、特にＮＯｘを除去して排気を浄化するシステムとして、いくつかの排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、エンジンの排気系に還元触媒を置き、該還元触媒の上流側の排気通路に還元剤を噴射供給することにより、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させ、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。還元剤は貯蔵タンクに常温で液体状態に貯蔵され、必要量を噴射ノズルから噴射供給する。還元反応は、ＮＯｘとの反応性のよいアンモニアを用いるもので、還元剤としては、加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液、アンモニア水溶液、その他の還元剤水溶液が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２７６２７号公報

しかし、このような従来のエンジンの排気浄化装置においては、加速及び減速走行によって排気流量が変化すると、それに応じて排気ノズル近傍部の排気流速も変化するものであった。したがって、噴射ノズルから噴射された還元剤の分散性は、排気流量の変化に伴って変動し、特に、排気流量が少ないときには、還元剤の分散が不十分となって還元剤が排気と十分に反応せず、排気の浄化処理効率が低下する虞があった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、噴射ノズル近傍の排気上流側の排気通路の開口率をエンジンの排気流量に応じて調整し、噴射ノズルから噴射される還元剤の良好な分散を得ようとするエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるエンジンの排気浄化装置は、エンジンの排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、前記排気系の排気通路内にて前記還元触媒の排気上流側に前記還元剤を供給する噴射ノズルとを備えたエンジンの排気浄化装置であって、前記排気通路内にて前記噴射ノズル近傍の排気上流側の排気通路の開口率を調整する絞り手段を設け、該絞り手段の開閉動作を前記エンジンの排気流量に応じて制御する制御手段を備えたものである。

このような構成により、制御手段で絞り手段の開閉動作をエンジンの排気流量に応じて制御し、絞り手段で排気通路内にて噴射ノズル近傍の排気上流側の排気通路の開口率を調整する。これにより、排気流量が少ない場合にも、上記開口率を絞って排気流速を増し、噴射ノズルから噴射される還元剤の良好な分散を得る。

また、前記絞り手段は、バタフライ弁である。これにより、バタフライ弁で噴射ノズルの排気上流側の排気通路の開口率を排気流量に応じて調整する。

さらに、前記バタフライ弁は、前記噴射ノズルから噴射される還元剤が衝突する位置に配設されたものである。これにより、バタフライ弁に噴射ノズルから噴射される還元剤を衝突させる。

また、前記バタフライ弁は、前記排気通路の開口率を絞る閉動作の際、前記噴射ノズルに接近する部位の縁部にスリットを形成したものである。これにより、噴射ノズル近傍の排気上流側の排気通路の開口率を絞る閉動作の際、噴射ノズルに接近する部位の縁部に形成したスリットで乱流を増大させる。

そして、前記バタフライ弁は、その弁体の板面に貫通孔を散点状に形成したものである。これにより、弁体の板面に散点状に形成した貫通孔で乱流を増大させる。

請求項１に係る発明によれば、噴射ノズルの排気上流側の開口率をエンジンの排気流量に応じて調整するようにしたことにより、排気流量が少ない場合にも、上記開口率を絞って排気流速を増し、噴射ノズルから噴射される還元剤の良好な分散を得ることができる。したがって、還元剤と排気との反応を促進して排気の浄化処理効率を向上することができる。これにより、還元剤の利用効率を向上することができると共に加速及び減速時の良好な過渡応答を得ることができる。

また、請求項２に係る発明によれば、絞り手段をバタフライ弁としたことにより、バタフライ弁を回動して排気通路の開口率の調整を容易に行うことができる。

さらに、請求項３に係る発明によれば、バタフライ弁を噴射ノズルから噴射される還元剤が衝突する位置に配設したことにより、排気で加熱されたバタフライ弁で還元剤の加水分解を促進し、分散性をより向上することができる。

また、請求項４に係る発明によれば、バタフライ弁の排気通路の開口率を絞る閉動作の際、噴射ノズルに接近する部位の縁部にスリットを形成したしたことにより、このスリットで噴射ノズル近傍部の乱流を増大させることができる。したがって、噴射ノズルから噴射される還元剤の分散を更に促進することができる。

そして、請求項５に係る発明によれば、バタフライ弁の弁体の板面に貫通孔を散点状に形成したことにより、この貫通孔で噴射ノズル近傍部の乱流を増大させることができる。したがって、噴射ノズルから噴射される還元剤の分散を更に促進することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明によるエンジンの排気浄化装置の実施形態を示す図である。この排気浄化装置は、移動車両に搭載のディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等から排出されるＮＯｘを、還元剤を用いて還元除去するものである。ガソリンあるいは軽油を燃料とするエンジン１の排気は、排気マニフォールド２から排気通路としての排気管３を経由して大気中に排出される。詳細には、上記排気管３には排気上流側から順に一酸化窒素（ＮＯ）の酸化触媒４、ＮＯｘの還元触媒５、アンモニアスリップ用酸化触媒６が配設されている。

上記酸化触媒４は、排気管３内を通る排気中のＮＯを酸化反応により酸化してＮＯ₂を生成するもので、例えばステンレス鋼等の耐熱性、耐蝕性に優れた材料から成りハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、アルミナ等の多孔性部材の表面に白金等の貴金属を担持したハニカム型触媒が付設されている。そして、上記排気管３内を通る排気が上記触媒シェル内の触媒と接触しながら流れることにより、排気中のＮＯが酸化反応（燃焼）してＮＯ₂となり、下流側の還元触媒５におけるＮＯｘの除去率を向上するようになっている。なお、上記ＮＯの酸化反応と同時に、排気中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等も酸化反応により低減されることになる。

上記ＮＯｘの還元触媒５は、排気管３内を通る排気中のＮＯｘを還元剤により還元浄化するもので、例えばセラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼から成るハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体に、ゼオライト系の活性成分が担持されている。そして、上記触媒担体に担持された活性成分は、還元剤の供給を受けて活性化し、排気中のＮＯｘを効果的に無害物質に浄化させる。

上記ＮＯｘの還元触媒５の後段には、アンモニアスリップ用酸化触媒６が配設されている。このアンモニアスリップ用酸化触媒６は、ＮＯｘの還元触媒５で処理できなかったアンモニアを酸化処理して無臭化するためのものである。

また、上記ＮＯｘの還元触媒５の排気上流側には、噴射ノズル７が排気管３の上壁部に設けられており、図示省略のエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）によって制御される還元剤供給装置８から該噴射ノズル７を介して還元剤が圧力エアと共に排気管３内に噴射供給されるようになっている。そして、上記噴射ノズル７と還元剤供給装置８とで、還元剤をＮＯｘの還元触媒５の排気上流側に供給する還元剤供給手段を構成している。

この実施形態では、上記噴射ノズル７で噴射供給する還元剤として例えば尿素水溶液（尿素水）を用いる。そして、噴射ノズル７で噴射供給された尿素水は、排気管３内の排気熱と排気中の水蒸気により加水分解してアンモニアを容易に発生する。得られたアンモニアは、ＮＯｘの還元触媒５において排気中のＮＯｘと反応し、水及び無害なガスに浄化される。尿素水は、固体若しくは粉体の尿素の水溶液で、貯蔵タンク９に貯留されており、供給配管１０を通じて還元剤供給装置８に供給されるようになっている。

さらに、図１又は図２に示すように、上記排気管３内にて上記噴射ノズル７から噴射される尿素水が衝突する位置には、絞り手段としてのバタフライ弁１１が設けられている。このバタフライ弁１１は、噴射ノズル近傍の排気上流側の排気管３の開口率を調整するものであり、図３に示すように排気管３の横断面の内面形状と略同一形状に形成された例えば円板状の弁体１２を有し、図２に示す排気の流路方向（矢印Ａ方向）に対して直交方向に設けた回動軸１３で排気管３に図２において矢印Ｂ，Ｃ方向へ回動可能に軸支されている。

このバタフライ弁１１は、排気流量が大きい時には図２において破線で示し符号１２ａを付して示す弁体１２を排気流路方向Ａと平行にして全開状態にし、排気流量が減るに従って矢印Ｂ方向に回動し、図２において実線で示し符号１２ｂを付して示す弁体１２を、排気上流側の縁部１２ｃが噴射ノズル７に接近するように傾斜して閉状態にする。このようにバタフライ弁１１は、排気流量が減るに従って、噴射ノズル７の排気上流側における排気管３の開口率を絞って排気の流速を増すように動作する。

また、上記バタフライ弁１１には、図１又は図２に示すように制御手段１３が接続されている。この制御手段１３は、上記バタフライ弁１１の開閉動作をエンジン１の排気流量に応じて制御するものであり、図２に示すようにバタフライ弁駆動部１５と、バタフライ弁開度制御回路１６とを備えている。

このバタフライ弁駆動部１５は、例えばモータ等であり、モータの回転をバタフライ弁１１の回動軸１３に伝達する伝達手段を含んでいる。そして、バタフライ弁開度制御回路１６は、エンジン吸気センサ、エンジン吸気温度センサ、エンジン回転速度センサ、エンジン負荷センサ又は排気温度センサ等から入力したセンサ信号に基づいて、排気流量を算出する。これにより、バタフライ弁開度制御回路１６は、予め記憶した例えば図４に示すような排気流量とバタフライ弁開口率の相関から上記算出した排気流量に応じて、それに対応するバタフライ弁の開口率を求めて目標値として定め、該開口率が得られるようにバタフライ弁開度制御信号をバタフライ弁駆動部１５に出力し、該バタフライ弁駆動部１５を駆動してバタフライ弁１１の開度を目標値に設定するように動作する。

次に、このように構成されたエンジンの排気浄化装置の動作について説明する。
先ず、例えば排気流量が図４においてＱ以上の場合には、バタフライ弁１１は排気流路方向Ａに平行状態に保たれて排気管３を全開（バタフライ弁開口率100％）している。この場合、排気流量が多いため、噴射ノズル７近傍部の排気流速は高く、噴射ノズル７から噴射される尿素水は容易に分散されて霧状化し、排気の熱と排気中に含まれる水蒸気により加水分解されてアンモニアを発生する。そして、このアンモニアは、排気下流側に配設したＮＯｘの還元触媒５において排気中のＮＯｘと反応し、ＮＯｘを水及び無害なガスに浄化する。さらに、ＮＯｘの還元触媒５で処理できなかったアンモニアは、還元触媒５の排気下流側に配設されたアンモニアスリップ用酸化触媒６で酸化処理されて無臭化され、排気管３端部から大気中に排出される（図１参照）。

次に、排気流量が例えば図４においてＱよりも減少した場合には、排気流量がバタフライ弁開度制御回路１６によりエンジン吸気量センサ、エンジン吸気温度センサ、エンジン回転速度センサ、エンジン負荷センサ及び排気温度センサ等の各センサ信号に基づいて演算されて算出される。そして、バタフライ弁開度制御回路１６に予め記憶された排気流量とバタフライ弁開口率との相関から上記排気流量に応じたバタフライ弁１１の開口率を求め、該開口率に対応したバタフライ弁開度制御信号をバタフライ弁開度制御回路１６からバタフライ弁駆動部１５へ出力する。

次に、バタフライ弁駆動部１５は、上記バタフライ弁開度制御信号に基づいて駆動し、バタフライ弁１１を図２において矢印Ｂ方向に回動して噴射ノズル７の排気上流側の通路１７を上記開口率となるように調整する。これにより、排気流量が低い場合にはバタフライ弁１１の開口率が低下（通路１７が狭くなる）し、通路１７を通る排気の流速が増して、噴射ノズル７から噴射される尿素水を霧状化して分散を促進する。この分散した尿素水は、排気の熱及び排気中の水蒸気により加水分解が促進されて、効率よくアンモニアが発生する。これにより、下流の還元触媒５における排気中のＮＯｘとアンモニアとの還元反応が促進され、排気の無害化が促進される。したがって、少ない尿素水でも効率のよい排気の無害化処理を実現することができる。

同時に、噴射ノズル７から噴射される尿素水は、傾斜したバタフライ弁１１の弁体１２ｂの板面に衝突する。このとき、バタフライ弁１１は、排気によって加熱されているため、衝突した尿素水の加水分解が促進され、効率よくアンモニアが発生する。これにより、尿素水の分散がより促進され、排気の無害化処理効率がより向上する。

このように、本発明のエンジンの排気浄化装置によれば、噴射ノズル７の排気上流側の排気流速を排気流量に応じて適切な状態に制御できるようにしたことにより、排気流量が低い場合にも排気管３の開口率を絞って噴射ノズル７近傍の排気流速を増し、噴射ノズル７から噴射される尿素水の良好な分散を得ることができる。したがって、尿素水の加水分解が促進されて効率よくアンモニアが発生され、排気の無害化処理効率を向上することができると共に、加速及び減速時の良好な過渡応答や尿素水の利用効率を向上することができる。

また、噴射ノズル７から噴射される尿素水が衝突する位置にバタフライ弁１１を配設したことにより、排気によって加熱されたバタフライ弁１１に噴射された尿素水を衝突させて尿素水の加水分解をより促進することができる。したがって、より効率よくアンモニアを発生させることができ、排気の無害化処理効率をより向上することができる。

図５は、バタフライ弁１１の他の実施例を示す平面図である。このバタフライ弁１１は、排気管３の開口率を絞る閉動作の際、噴射ノズル７に接近する部位の縁部１２ｃにスリット１８を形成している。これにより、排気を該スリット１８を通過させて乱流を発生させ、噴射される尿素水の分散を更に促進することができる。

図６は、バタフライ弁１１の更に他の実施例を示す平面図である。このバタフライ弁１１は、弁体１２の板面に貫通孔１９を散点状に形成している。これにより、排気を該貫通孔１９を通過させて乱流を発生させ、噴射される尿素水の分散を更に促進することができる。

なお、本実施形態においては、排気管３の排気上流側に酸化触媒４を備えた排気浄化装置を例に説明してきたが、これに限られず、酸化触媒４を備えない排気浄化装置にも適用することができる。また、還元剤として、尿素水を用いた例を説明したが、これに限られず、排気を浄化するために好適な他の還元剤、例えばアンモニア水溶液を使用してもよい。

本発明によるエンジンの排気浄化装置の実施形態を示す概念図である。 図１の排気浄化装置の要部拡大断面図である。 バタフライ弁の一実施例を示す平面図である。 排気流量とバタフライ弁開口率の相関を示すグラフである。 バタフライ弁の他の実施例を示す平面図である。 バタフライ弁の更に他の実施例を示す平面図である。

符号の説明

１…エンジン
３…排気管（排気通路）
５…還元触媒
７…噴射ノズル
１１…バタフライ弁（絞り手段）
１２…弁体
１２ｃ…縁部
１４…制御手段
１８…スリット
１９…貫通孔

Claims (5)

1. エンジンの排気系に配設され、排気中の窒素酸化物を還元剤により還元浄化する還元触媒と、
   前記排気系の排気通路内にて前記還元触媒の排気上流側に前記還元剤を供給する噴射ノズルと、
   を備えたエンジンの排気浄化装置であって、
   前記排気通路内にて前記噴射ノズル近傍の排気上流側の排気通路の開口率を調整する絞り手段を設け、該絞り手段の開閉動作を前記エンジンの排気流量に応じて制御する制御手段を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 前記絞り手段は、バタフライ弁であることを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
3. 前記バタフライ弁は、前記噴射ノズルから噴射される還元剤が衝突する位置に配設されたことを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
4. 前記バタフライ弁は、前記排気通路の開口率を絞る閉動作の際、前記噴射ノズルに接近する部位の縁部にスリットを形成したことを特徴とする請求項２又は３記載のエンジンの排気浄化装置。
5. 前記バタフライ弁は、その弁体の板面に貫通孔を散点状に形成したことを特徴とする請求項２又は３記載のエンジンの排気浄化装置。

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