JP2007239486A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤の長い移動経路を確保し、還元剤の拡散の良好化を図る内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】還元剤添加手段(28)と選択還元型ＮＯｘ触媒(38)との間に配置され、その中央部分にて筐体の径方向における還元剤の拡散を図る隔壁部(32)、及び隔壁部の外周側にて筐体の周方向における還元剤の拡散を図るフィン部(34)を備えたミキサ(30)を具備する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、還元剤を用いて排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を還元浄化させる触媒を備えた排気浄化装置に関する。

自動車用エンジン、特にディーゼルエンジンの燃料は気筒内に取り込まれて圧縮した空気に向けて噴射される。この燃料は自発火によって燃焼するため、ＮＯｘの発生が懸念される。そこで、このＮＯｘからＯ_２（酸素）を奪ってＮ_２（窒素）に還元させる技術が知られている。
この種の技術の一例としては、尿素によって排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）を用いるものがある。具体的には、ＳＣＲ触媒は筐体内に配設され、ＳＣＲ触媒の上流側にはユリア水（尿素水）を添加するインジェクタが配置されている。そして、排気にユリア水を添加すると、尿素がＮＨ_３（アンモニア）に変化する。次いで、ＳＣＲ触媒内ではこのＮＨ_３と排気中のＮＯｘとが結びついて水とＮ_２とに分解され、ＮＯｘの浄化が行われる。

ここで、図５に示した様な上記インジェクタを筐体の径よりも小径の配管内に配置した排気浄化装置が知られている。当該小径部においては配管壁面付近までユリア水を到達・拡散させることが容易であるため、引き続きＳＣＲ触媒の正面側における径が大きい部分の外周側に向けた拡散が容易になる。一方、当該小径の配管を設けると、排気浄化装置の全長が長くなって省スペース化が困難になるとの問題が生じる。この問題の回避策としては排ガス浄化装置が収容された筐体内にフィンを設置する構成が考えられる（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２５９７０９号公報

ところで、上記特許文献１に記載の技術はユリア水の拡散効果の向上を図るものではなく、また、当該技術では、筐体の通路面積の大きさに相当するフィンが設置されている。
すなわち、仮に、当該技術に上述したインジェクタ及びＳＣＲ触媒を筐体内に配設した排気浄化装置を組み合わせても、ユリア水は筐体の軸線方向に沿って積極的に進み、径方向の拡散は十分に促進されず、ユリア水と排気とが充分に混合されない状態でＳＣＲ触媒に導入され、所望のＮＯｘ浄化が得られ難いという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、還元剤の径方向及び周方向の拡散の良好化を図る内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成すべく、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置は、配管を介して内燃機関からの排気が導入される筒状の筐体と、筐体内に配設され、還元剤の添加によって排気中のＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒と、ＮＯｘ触媒の上流側に配置され、還元剤を添加する還元剤添加手段と、還元剤添加手段とＮＯｘ触媒との間に配置され、その中央部分にて筐体の径方向における還元剤の拡散を図る隔壁部、及び隔壁部の外周側にて排気を筐体の周方向に流出させて周方向における還元剤の拡散を図るフィン部を備えたミキサとを具備することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、筐体は、略同一径の筒状に形成され、筐体内には排気流れ方向でみて、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成する前段酸化触媒、排気中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタ、還元剤添加手段、ミキサ、選択還元型ＮＯｘ触媒、余剰ＮＨ_３を酸化させてＮ_２を生成する後段酸化触媒が順次配置されていることを特徴としている。

更に、請求項３記載の発明では、フィン部は、旋回流を形成させ、ＮＯｘ触媒に至る旋回流の軌跡は、フィン部からＮＯｘ触媒までの筐体の軸線方向長さよりも長く形成されていることを特徴としている。
更にまた、請求項４記載の発明では、フィン部の通路面積は、配管の通路面積よりも大きく形成されていることを特徴としている。

従って、請求項１記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、筒状の筐体内において、還元剤添加手段と選択還元型ＮＯｘ触媒との間にはミキサが配置されており、このミキサは、その中央部分にて筐体の径方向における還元剤の拡散を図る隔壁部と、この隔壁部の外周側にて筐体の周方向における還元剤の拡散を図るフィン部とを備えている。よって、添加された還元剤は、隔壁部の正面側に遮られて筐体の径方向に向けて進み、フィン部を通過して筐体の周方向に進む。次いで、隔壁部の背面側に生ずる負圧によって筐体の径方向内側に向けて進むことが可能になる。この結果、特許文献１の様に筐体内にフィンを設置した場合に比してより長い還元剤の移動経路を確保できるので、還元剤の拡散を良化できる。

また、請求項２記載の発明によれば、パティキュレートフィルタと選択還元型ＮＯｘ触媒との間には、還元剤添加手段及びミキサが配置され、これら還元剤添加手段及びミキサは略同一径の筒状内に配設されている。つまり、従来の還元剤の拡散部に用いられている小径の配管が省略可能となり、装置の全長が短くなって排気浄化装置の搭載スペースが小さくなる。

また、装置の全長および面積の減少は、筐体内の保温性を向上させ、上述した各触媒の活性が促進されて浄化率が向上する。
更に、請求項３記載の発明によれば、フィン部によって形成された旋回流は乱流を含むので、この旋回流の軌跡が筐体の軸線方向長さよりも長く形成されていることと乱流の相乗効果により、還元剤が排気中に均一に拡散され易くなり、ＮＯｘ浄化率の向上が図られる。

更にまた、請求項４記載の発明によれば、フィン部の通路面積が小径の配管を設けた場合の通路面積よりも大きく形成されているので、圧力損失が低減され、エンジン燃費を低減できる。

以下、図面により本発明の実施形態について説明する。本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、図１に示されたトラック２に搭載されている。
同図に示されるように、当該トラック２にはキャブ４が備えられ、このキャブ４の下側には、はしご型のフレーム６が後方に向けて延設されている。これらキャブ４とフレーム６との間にはディーゼルエンジン（図示しない）が配設されており、このエンジンの後側、詳しくはキャブ４の後面側であってフレーム６の右側部分の適宜位置には排気浄化装置８が配設されている。なお、このフレーム６の左側部分の適宜位置には燃料タンク１０やユリア水タンク１２が配設される。そして、上記排気浄化装置８にはエンジンからの排気が導入され、この導入された排気を浄化して外部に放出する。

当該排気浄化装置８は、図２に示されるように、略同一径の円筒状に形成された筐体１６を備え、この筐体１６の前方側の端面１７には配管１４が連結され、配管１４は上記エンジンに接続されている。また、筐体１６の後方側の端面１９にも配管２０が連結されている。更に、筐体１６の周壁１８の適宜位置には、還元剤の一例としてのユリア水（尿素水）を添加するインジェクタ（還元剤添加手段）２８が配設されている。本実施形態のインジェクタ２８はユリア水タンク１２やエアタンク（図示しない）に接続され、エアを混合したユリア水の噴射口は筐体１６の中心部分にてその径方向外側に向けて開口されている（図３）。

この図３に示されるように、筐体１６内にはエンジンからの排気の流れ方向でみて、前段酸化触媒２２、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）２４、ＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）３８、及び後段酸化触媒４０が順次介挿されている。
前段酸化触媒２２では、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成しており、このＮＯ_２を酸化剤としてＤＰＦ２４に供給している。ＤＰＦ２４の各通路は上流側の開口部分と下流側の開口部分が交互に閉鎖されている。そして、このＤＰＦ２４では、排気中のパティキュレート（ＰＭ）を捕集する一方、この捕集したＰＭを前段酸化触媒２２から供給されたＮＯ_２との反応によって燃焼する。

ＳＣＲ触媒３８は、インジェクタ２８から添加されたユリア水が加水分解して生成されたＮＨ_３を吸着し、このＮＨ_３を還元剤として排気中のＮＯｘを浄化する。後段酸化触媒４０では、ＳＣＲ触媒３８においてＮＨ_３が余剰になった場合にはこれを酸化させてＮ_２を生成し、更に、ＤＰＦ２４においてＰＭの燃焼に伴ってＣＯが生じた場合にはこれを酸化させてＣＯ_２を生成する。

ところで、上述したインジェクタ２８は、ＤＰＦ２４とＳＣＲ触媒３８との間に配置されており、このインジェクタ２８とＳＣＲ触媒３８との間には、ミキサ３０が配置されている。ミキサ３０は円盤状に形成され、筐体１６の径方向に沿って配置されており、インジェクタ２８を備えた上流側空間２６と、ＳＣＲ触媒３８の正面側に形成された下流側空間３６とを区画している。

より詳しくは、本実施形態のミキサ３０は、図４に示される如くその中央部分に配置された隔壁部３２と、その外周部分、つまり、この隔壁部３２の外周側にて配置され、その外周縁が周壁１８の内側に当接されたフィン部３４とを備えている。
この隔壁部３２では、ユリア噴霧が筐体１６の軸線方向に沿う直線的な移動を阻み、筐体１６の径方向におけるユリア噴霧の拡散を図る。具体的には、本実施形態における隔壁部３２の正面側ではユリア水を周壁１８の近傍に到達させ、噴射直後のユリア噴霧が上記軸線方向に沿って流されることによる拡散不十分な状態を回避している。一方、隔壁部３２の背面側では負圧が生じるので、フィン部３４を通過したユリア噴霧を含む気流は周壁側から中心側に引き寄せられ、ＳＣＲ触媒３８の正面側におけるユリア分布の均等化を促進する。また、この隔壁部３２の面積は、配管１４，２０の通路面積よりも大きく形成され、本実施形態においてはミキサ３０の径をＲとすると、隔壁部３２の径ｒは０．５Ｒ以上に設定されている。

一方、フィン部３４では、ユリア噴霧が筐体１６の軸線方向に沿う直線的な移動を阻み、筐体１６の周方向におけるユリア水の拡散を図る。詳しくは、フィン部３４は旋回流を形成させ、この旋回流を利用してフィン部３４からＳＣＲ触媒３８に至るまでの軌跡を筐体１６の軸線方向長さよりも長くしている。また、フィン部３４の通路面積は、配管１４，２０の通路面積よりも大きく形成されている。

以上のように、本発明によれば、インジェクタ２８とＳＣＲ触媒３８との間にはミキサ３０が配置されており、このミキサ３０は、その中央部分にて筐体１６の径方向におけるユリア噴霧の径方向の拡散を図る隔壁部３２と、この隔壁部３２の外周側にて筐体１６の周方向におけるユリア噴霧の拡散を図るフィン部３４とを備えている。
よって、上流側空間２６内にて添加されたユリア水の噴霧は、まず、隔壁部３２の正面側に遮られて筐体１６の軸線方向に沿って直線的に進むことなく、径方向外側に向けて進み、そして、フィン部３４を通過して下流側空間３６内に達し、やはり筐体１６の軸線方向に沿って直線的に進むことなく、周壁１８の内周に沿って進む。次いで、隔壁部３２の背面側に生ずる負圧の作用により筐体１６の径方向内側に戻るように進むことが可能になる。この結果、ユリア噴霧の長い移動経路が確保され、ユリアの拡散の良好化に寄与する。

また、インジェクタ２８及びミキサ３０は、前段酸化触媒２２、ＤＰＦ２４、ＳＣＲ触媒３８及び後段酸化触媒４０を収容する同一径の筐体１６内に配設されている。つまり、従来の還元剤の添加部として設けられている小径の配管が省略可能となり、排気浄化装置８の全長が短くなって搭載スペースが小さくなる。
しかも、排気浄化装置の全長及び表面積の減少は、筐体１６内の保温性を向上させ、上述した各触媒２２，３８，４０の活性が促進されて浄化率が向上する。

更に、フィン部３４によって形成されたユリア水の旋回流は乱流を含むので、この旋回流の軌跡が筐体１６の軸線方向長さよりも長く形成されていることと乱流の相乗効果により、ユリアが排気中に均一に拡散され易くなり、ＮＯｘ浄化率の向上が図られる。
更にまた、フィン部３４の通路面積を配管１４，２０の通路面積よりも大きくすることにより、配管１４，２０の相当の小径の配管を還元剤の添加部に設ける場合と比べて圧力損失が低減され、エンジン燃費が低減する。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施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種々の変更ができるものである。
例えば、本発明の筐体は箱型であっても良く、また、各配管１４，２０は筐体１６の端面１７，１９に対して偏心されていても良い。更に、インジェクタ２８の噴射口が筐体１６の中心で開口される構成の他、エアレスタイプの如く周壁１８にて開口されるインジェクタにも適用可能である。この場合の隔壁部は、ミキサの中心部分のみならず、当該インジェクタの噴射口の近傍をも遮蔽して周壁まで延出させれば良い。この場合にも上記と同様に、ユリア水の長い移動経路を確保し、ユリア水の拡散の良好化を図るとの効果を奏する。

ところで、上記実施形態では、ディーゼルエンジンに適用された排気浄化装置について説明されているが、当該エンジンに限定されるものではなく、本発明は、ＳＣＲ触媒を備えた総てのエンジンに適用可能である。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を搭載した車両の概略図である。 図１の排気浄化装置の外観斜視図である。 図２の排気浄化装置におけるIII−III線の矢視断面図である。 図３の排気浄化装置におけるミキサの正面図である。 従来の排気浄化装置における断面図である。

符号の説明

８ 排気浄化装置
１４ 配管
１６ 筐体
２０ 配管
２２ 前段酸化触媒
２４ ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
２８ インジェクタ（還元剤添加手段）
３０ ミキサ
３２ 隔壁部
３４ フィン部
３８ ＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）
４０ 後段酸化触媒

Claims (4)

1. 配管を介して内燃機関からの排気が導入される筒状の筐体と、
   該筐体内に配設され、還元剤の添加によって排気中のＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   該ＮＯｘ触媒の上流側に配置され、前記還元剤を添加する還元剤添加手段と、
   該還元剤添加手段と前記ＮＯｘ触媒との間に配置され、その中央部分にて前記筐体の径方向における前記還元剤の拡散を図る隔壁部、及び該隔壁部の外周側にて排気を前記筐体の周方向に流出させると共に該周方向における前記還元剤の拡散を図るフィン部を備えたミキサと
   を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記筐体は、略同一径の筒状に形成され、
   該筐体内には排気流れ方向でみて、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成する前段酸化触媒、排気中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタ、前記還元剤添加手段、前記ミキサ、前記選択還元型ＮＯｘ触媒、及び余剰ＮＨ_３を酸化させてＮ_２を生成する後段酸化触媒が順次配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記フィン部は、旋回流を形成させ、前記ＮＯｘ触媒に至る該旋回流の軌跡は、前記フィン部から前記ＮＯｘ触媒までの前記筐体の軸線方向長さよりも長く形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記フィン部の通路面積は、前記配管の通路面積よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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