JP2006144576A

JP2006144576A - 窒素酸化物浄化装置

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Publication number: JP2006144576A
Application number: JP2004332275A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Okajima; 正博岡嶋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】本発明の課題は、ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジンなどのＮＯｘ浄化装置において、排気ガス中のすすや粘性成分が還元剤を添加する添加弁の噴射口周辺に付着しないで、正常な還元剤の噴射を維持できる安価で簡便なＮＯｘ浄化装置を提供することである。
【解決手段】本発明のＮＯｘ浄化装置は、ＮＯｘ浄化用触媒と、ＮＯｘを還元する還元剤を添加する還元剤添加手段とを備え、添加弁３２の先端３２ａに指向するように排気ガスＥの流れを縮流する縮流壁４０を添加弁３２の上流に備える。ここで、縮流壁４０ａには排気ガス中のすすを通過させる複数の通孔４４が穿設されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジンなどの酸素過剰雰囲気の排気ガスを排出する内燃機関の排気系に介挿する窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記す。）浄化装置に関する。

従来内燃機関には排気を浄化する排気浄化手段が設置されている。例えば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒によりＮＯｘを還元して排気を浄化する場合のように、排気浄化手段を機能させて排気を浄化するためには、燃料などの還元剤からなる添加剤を必要とする。このような排気浄化の方法として、内燃機関の排気管に燃料を噴射する方法が知られている（例えば、特許文献１など）。

上記のように燃料を添加剤として排気管内に添加する方法では、添加剤供給手段の添加弁は常時排気ガス中に曝されることとなる。このため、図７（ｂ）に示すように、排気ガスＥ中に含まれる例えばすすや粘性成分等Ｓが添加弁１００の噴射口の周辺Ｊに付着堆積して、添加弁１００からの還元剤Ｋの噴霧を異常なものとすることがある。つまり、添加弁の噴射口がすすなどによって目詰まりし、排気中に供給する燃料が低減してしまって排気浄化手段が十分に機能しなくなるおそれがある。

例えば排気浄化手段としてＮＯｘ還元触媒を用いた場合には、排気の空燃比をリッチ側へ変化させることができなくなる。そのため、ＮＯｘの還元が困難になり、ＮＯｘ排出量の低減を図ることができないという問題が生じる。また、排気浄化手段として排気中に含まれる微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを用いた場合には、フィルタの温度を高めることができない。そのため、捕集された微粒子の燃焼が不十分となり、フィルタに微粒子が堆積して圧力損失の増大によるドライバビリティや燃費の悪化を招くという問題が生じる。
特開平０５−３０２５０９号公報

本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジンなどのＮＯｘ浄化装置において、排気ガス中のすすや粘性成分が還元剤を添加する添加弁の噴射口周辺に付着しないで、正常な還元剤の噴射を維持できる安価で簡便なＮＯｘ浄化装置を提供することを課題とする。

本発明の窒素酸化物浄化装置は、窒素酸化物浄化用触媒と、この窒素酸化物浄化用触媒の上流側に窒素酸化物を還元する還元剤を添加する還元剤添加手段とを備え、酸素過剰雰囲気の排ガスを排出する内燃機関の排気系で窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化装置であって、還元剤添加手段の還元剤添加弁の先端に指向するように排気ガスの流れを縮流する縮流壁を還元剤添加弁の上流に備えることを特徴とする。

本発明の窒素酸化物浄化装置において、縮流壁には排気ガス中のすすを通過させる複数の通孔を穿設することが望ましい。通孔の径は１〜５ｍｍであることが好ましく、また、穿設された通孔の径は排気管の内周側から軸心に近接するほど順に大きくすることが好ましい。

上記のような縮流壁において、排気ガスを通過させる開口部の面積は、排気管の断面積の０．１〜０．７であることが望ましい。

本発明のＮＯｘ浄化装置は、排気管内の還元剤添加弁の上流に添加弁の先端に指向するように排気ガスの流れを縮流する縮流壁を備えている。内燃機関から排出された排気ガスはこの縮流壁に沿って縮流され、還元剤を噴射する添加弁の先端に形成されている噴射口周辺に衝突する。排気ガスは、縮流されることによりその流速は高まるので、この高速の排気ガスが噴射口周辺へのすすの付着・堆積を抑制する。従って、添加弁の噴射口からは常に正常なパターンで還元剤を噴霧することができ、排気ガス中のＮＯｘの浄化効率を安定化することができる。

また、縮流壁にはすすを通過させる通孔を設けているので、排気ガス中のすすはこの通孔を通過することができる。このため、排気ガスは縮流壁により炭酸ガスやＮＯｘなどを含むガス流と、未燃焼のすすとを分離するとともにガス流のみを添加弁の噴射口周辺へ向けて高速化することができる。この結果、噴射口周辺へのすすの堆積を一層抑制することができる。

さらに、排気ガスを通過させる縮流壁の開口部面積は、排気管の断面積の０．１〜０．７である。排気管の断面積に対する縮流壁の開口部面積の比率を大きくすると、縮流壁の開口部における排気ガスの流速は急速に低下するとともに、縮流壁による排気ガスの圧力損失も急激に低下する。すなわち、開口部面積を排気管の断面積の０．１〜０．７とすることで、縮流壁に沿って流れる排気ガスの流速をできるだけ高く維持しながら、圧力損失を小さく抑えることができる。

本発明のＮＯｘ浄化装置についてその望ましい実施の形態を図を参照しながら説明する。

図１は、本発明になるＮＯｘ浄化装置の一実施の形態の全体構成を示す概要図である。

本発明のＮＯｘ浄化装置１は、ＮＯｘ浄化用触媒２０と、このＮＯｘ浄化用触媒２０の上流側にＮＯｘを還元する還元剤を添加する還元剤添加手段３０とを備え、酸素過剰雰囲気の排ガスを排出する内燃機関の排気系でＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化装置であって、排気管１０内に還元剤添加手段３０の還元剤添加弁３２の先端３２ａに指向するように排ガスＥの流れを縮流する縮流壁４０を還元剤添加弁３２の上流に備える。

還元剤添加手段３０は、還元剤Ｇを貯留する還元剤タンク３４と、還元剤Ｇを排気管１０内へその先端３２ａから噴射する添加弁３２とを有している。還元剤Ｇは、エンジン燃焼用燃料タンク５０から供給ポンプ５０ｐの付勢によって還元剤タンク３４へ適宜供給されるようになっている。

本発明の特徴である縮流壁について図２によって説明する。（ａ）は排気管１０内に設置した縮流壁４０のＸ−Ｘ断面（（ｂ）参照）の模式図であり、（ｂ）は（ａ）のＹ視模式図である。縮流壁４０は、例えば添加弁３２の噴出口３２ａを頂点とする三角錐状の一側面である第１の縮流壁４０ａと、他の側面である第２の縮流壁４０ｂとからなり、第１の縮流壁４０ａと第２の縮流壁４０ｂとを（ｂ）の斜線で示すような開口部４２を形成するように、所定の距離を隔てて対向配置して排気管１０の内周面に溶接あるいは嵌合などの適宜の方法で固設されている。なお、縮流壁４０は、後述する開口部面積が確保できれば１つの円錐台状の一体物であっても良い。

縮流壁４０は、耐熱性や耐食性などを考慮して排気管１０と同様にステンレスで形成するとよい。

図２に示す実施の形態では、第１の縮流壁４０ａに複数の通孔４４が穿設されている。通孔４４は、排気管１０の内周面近傍の通孔４４ａの径よりも軸心に近い通孔４４の径の方が順に大きくなるように穿設されており、排気ガス流の中央近傍の４４ｅで最も大きくなっている。これは本実施の形態では排気管の軸心部に近いほど排気ガスＥ中のすすの濃度が高くなるからである。ここで、通孔４４の直径は１〜５ｍｍとすることが望ましい。通孔径が１ｍｍ未満ではすすが通孔を閉塞する虞があるので好ましくない。一方、５ｍｍを越えると添加弁先端に衝突する気流を高速化できないことがあるので適当ではない。より好ましくは２〜３ｍｍである。なお、通孔４４は、その各々の軸線が排気管の軸線に平行となるように穿設されている。

また、添加弁３２の先端３２ａ周辺へは排気ガスＥをできるだけ高速で衝突させることが望ましく、そのためには縮流壁４０の開口部面積Ｃを小さくするとよい。ここで、縮流壁４０の開口部面積Ｃとは、図２（ｂ）に斜線で示す開口部４２の二次元の面積Ａと第１の縮流壁４０ａに穿設された全ての通孔４４の合計面積Ｂとの和である。

開口部を増やして排気管１０の断面積Ｄに対する開口部面積Ｃの比率（Ｃ／Ｄ：以後、面積比率という。）を増加すると、図４（ｂ）に示すように開口部４２における排気ガスｅの流速Ｖは減少する。また、排気ガスＥの流路内に縮流壁４０を設けることで排気ガスＥの圧力は低下して圧力損失ΔＰを生じる。圧力損失ΔＰは、開口部を増やせば図４（ｃ）に示すように面積比率の増加に伴い低下する。すなわち、排気ガスｅ（Ｅ）が添加弁の先端３２ａへ衝突してすすを堆積させないために必要な最低の流速ｖに対応する面積比率ｒ１と、圧力損失ΔＰの許容最大値Δｐに対応する面積比率ｒ２との間が最適面積比率であり、例えば、０．１〜０．７とすることができる。この場合には、面積比率が０．１未満では圧力損失が大きくなるために不適当であり、また、０．７を越えると排気ガスの流速が低くなるので好ましくないわけである。

以上のように構成される本実施の形態の作用について図３を参照しながらより詳しく説明する。

図３（ａ）は、すすＳを含む排気ガスＥが縮流壁４０内に侵入する直前の様子を模式的に示した断面図である。還元剤添加弁３２はそのノズル先端３２ａから還元剤Ｇを正常に噴霧している。

時間の経過により、すすＳを含んだ排気ガスＥは図３（ｂ）に示すように縮流壁４０によってノズル先端３２ａを指向するように絞られる。このため、排気ガスＥのガス成分ｅは矢印ｆｅのように高速気流となってノズル先端３２ａの周辺に衝突する。

一方、排気ガスＥ中のすすＳは、質量があるのでガス成分ｅによる高速気流ｆｅには乗らないで、図３（ｂ）のＨで囲むように、第１の縮流壁４０ａに穿設されている通孔４４を通過して排気ガスＥの流れに沿って排気管の軸線とほぼ平行に流通する。図３（ｃ）はこれらの作用を１つの通孔４４について拡大して示したものである。排気ガスＥは第１の縮流壁４０ａに衝突して、ごく一部は矢印ｆｅ’のように通孔４４を通過するが、大半は矢印ｆｅの主流となって縮流壁に沿って開口部４２からノズル先端３２ａに向かって流出する。ところが前述のようにすすＳは質量があるので主流ｆｅに乗って上昇することができずに、矢印ｆｓのように通孔４４を貫通して排気管の軸線Ｚとほぼ平行に流通する。

第２の縮流壁側に流通してきたり、あるいは粒径が大きいくて通孔４４を通過できなかったすすＳは、矢印ｆｓのようにノズル先端３２ａに指向することなく排気ガスＥの流れに沿って縮流壁４０の開口部４２から流出する。ノズル先端３２ａの近傍ではすすＳの濃度が極めて低くなっているので、上述した高速気流の衝突と相まって、ノズル先端３２ａへのすすＳの堆積を従来に比べて大幅に抑制することができる。このため、還元剤Ｇの噴霧は常に正常な状態に維持されるので、ＮＯｘ浄化用触媒の浄化性能を高い状態で安定させることができる。

なお、本発明のＮＯｘ浄化装置は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することも可能である。

例えば、第１の縮流壁に図５（ａ）のように図２（ｂ）に示す実施の形態よりも更に多くの通孔を設けてもよい。また、上記の実施の形態では、第１の縮流壁４０ａのみにすすを通過させる通孔４４を設けたが、図５（ｂ）に示すように第２の縮流壁４０ｂにも通孔４４を穿設してもよい。このように第１と第２の両方の縮流壁に通孔を設けることにより高濃度のすすが発生する場合などに、すすの通孔４４への排出性が向上できて好適である。

さらに、上記の実施の形態では、縮流壁４０を第１の縮流壁４０ａと第２の縮流壁４０ｂとを対向して配置することとしたが、縮流壁４０を２部材に分けることなく、例えば、図６の（ａ）や（ｂ）などのように円錐台形状の一部材として形成してもよい。一部材とすることで排気管内への配設が容易となり、生産性を向上させることができる。

また、上記の実施の形態では還元剤としてエンジン燃焼用の燃料を使用することとして説明したが、還元剤としてのエンジン燃焼用の燃料は、軽油、ガソリンおよびＬＰＧあるいはＤＭＥなどの液化ガス燃料等を例示することができる。さらに、これの燃料にに代えて尿素を添加してもよい。

以上のように本発明のＮＯｘ浄化装置は、縮流壁という極めて安価で簡便な部材を排気管内へ配設するだけで、排気ガス中に含まれるすすや粘性成分が添加弁の先端周辺に付着・堆積することを抑制でき、還元剤を常に正常な状態で噴霧することができる。従って、ＮＯｘ浄化用触媒の浄化性能を安定して高い状態に維持することができる。

本発明の窒素酸化物処理装置は、ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジン等の酸素過剰雰囲気の排ガスを排出する内燃機関に用いて好適である。

本発明の一実施の形態の構成を示す概要図である。縮流壁の構成を説明する説明図である。（ａ）はＸ−Ｘ断面を示す模式図であり、（ｂ）はＹ視模式図である。縮流壁の作用を説明する説明図である。（ａ）は排気ガスＥが縮流壁を通過する前の状態を示す。添加弁３２は還元剤を正常に噴霧している。（ｂ）は排気ガスＥが縮流壁を通過している様子を示している。添加弁の先端３２ａにすすＳが堆積しないので添加弁３２は還元剤を正常に噴霧することができる。（ｃ）は通孔４４を排気ガスＥが通過する様子を拡大して示した概念図である。最適な開口部面積比率（Ｃ／Ｄ）を説明する説明図である。（ａ）は面積比率の定義を説明する図である。（ｂ）は排気ガスｅの流速Ｖと面積比率との関係を概念的に示すグラフである。（ｃ）は排気ガスＥの圧力損失ΔＰと面積比率との関係を概念的に示すグラフである。縮流壁に穿設された通孔についてその他の例を示す模式図である。（ａ）は第１の縮流壁にのみ更に多くの通孔を穿設したものであり、（ｂ）は第２の縮流壁にも通孔を穿設したものである。縮流壁のその他の形状を例示する斜視図である。（ａ）は一体成形され先端部のみに開口部を有するものであり、（ｂ）は側部にも開口部を有するものである。添加弁から還元剤を噴霧する様子を示す模式図である。（ａ）は正常噴霧であり、（ｂ）は添加弁の先端にすすが堆積したことによる異常噴霧の状態を示す模式図である。

符号の説明

１：窒素酸化物浄化装置１０：排気管２０窒素酸化物浄化用触媒３０：還元剤添加手段３２：還元剤添加弁４０：縮流壁４２：開口部４４：通孔５０：燃料タンクＥ：排気ガスＧ：燃料（還元剤）

Claims

窒素酸化物浄化用触媒と、該窒素酸化物浄化用触媒の上流側に窒素酸化物を還元する還元剤を添加する還元剤添加手段とを備え、酸素過剰雰囲気の排気ガスを排出する内燃機関の排気系で窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化装置であって、
前記還元剤添加手段の還元剤添加弁の先端に指向するように排気ガスの流れを縮流する縮流壁を前記還元剤添加弁の上流に備えることを特徴とする窒素酸化物浄化装置。
前記縮流壁は前記排ガス中のすすを通過させる複数の通孔を穿設した請求項１に記載の窒素酸化物浄化装置。
前記通孔の径は１〜５ｍｍである請求項２に記載の窒素酸化物浄化装置。
前記縮流壁の前記排気ガスを流通する開口部の面積は排気管の断面積の０．１〜０．５である請求項１〜３のいずれかに記載の窒素酸化物浄化装置。
前記排気ガスの前記縮流壁による圧力損失が２．５ｋＰａ未満である請求項１〜４のいずれかに記載の窒素酸化物浄化装置。