JP2009024629A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】添加剤と排ガスとの良好な混合、及び排ガス中への添加剤の均一な拡散・霧化を共に達成でき、もって触媒装置に最大限の浄化性能を発揮できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気通路１０のＳＣＲ触媒１６の上流側にベンチュリ状のミキシング室１３を設け、ミキシング室１３内の最上流位置に旋回流を生起させるためのフィン装置１８を配置し、ミキシング室１３の絞り部１３ｂより上流側で且つフィン装置１８より下流側に、尿素水溶液を噴射する噴射ノズル１９を配置する。これにより、絞り部１３ｂに噴射ノズル１９を配置した場合に比較して、フィン装置１８から絞り部１３ｂまでの距離Ｌｆ、及び噴射ノズル１９からＳＣＲ触媒１６までの距離Ｌｎを共に長くする。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関（以下、エンジンと称する）の排気浄化装置に係り、詳しくは排気通路に設けた旋回流発生手段により排ガスに旋回流を生起させながら、その排ガス中に添加剤噴射手段から添加剤を噴射して排ガスと共に下流側の触媒装置に供給する排気浄化装置に関するものである。

この種の添加剤を利用して排ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置では、噴射した添加剤を旋回流を利用して排ガスと良好に混合させること、及び混合した添加剤を排ガス中に均一に拡散・霧化させることが肝要であり、これらの条件を満たすことにより触媒装置の各部位に均一に添加剤が供給されて高い浄化性能が実現される。このような要求を鑑みて従来から種々の対策が講じられており、例えば特許文献１に記載されたものを挙げることができる。

当該特許文献１に記載された排気浄化装置では、排気通路の大径部に設けた旋回流発生手段により排ガスに旋回流を生起させ、旋回流が縮径部を経て小径部に移行する過程で次第に旋回半径を縮小させながら旋回流の旋回速度を増加させて、排ガスへの添加剤の混合及び拡散・霧化を促進している。この特許文献１の技術では排気通路を次第に縮径させた後に小径部から段差状に拡径して下流側の触媒装置へと接続しているが、例えば図２に示すように、一旦縮径した排気通路を次第に拡径させて触媒装置へと接続したものもある。

図２の例では、触媒装置としてＮＯx浄化用のＳＣＲ触媒１６（選択還元型ＮＯx触媒）が備えられているが、排気通路１０の一部に、縮径部１３ａ、絞り部１３ｂ及び拡径部１３ｃからなるベンチュリ状をなすミキシング室１３を設けている。排ガスがミキシング室１３内を流通する過程では、フィン装置１８により生起された旋回流が縮径部１３ａ内で旋回半径の縮小に伴って旋回速度を次第に増加され、その後に拡径部１３ｃで旋回流の旋回半径を次第に拡大されながらＳＣＲ触媒１６へと導かれる。そして、この種の排気浄化装置では、噴射ノズル１９から噴射した添加剤と排ガスとの良好な混合、及び排ガス中への均一な拡散・霧化を実現するには、排ガス流速の高い位置で添加剤を噴射することが望ましいとの知見の下に、ミキシング室１３の縮径部１３ａと拡径部１３ｃとの間、即ち排ガス流速が最大となる絞り部１３ｂ（最小径の位置）に噴射ノズル１９を配置している。
特開２００６−１８３５０９号公報

しかしながら、フィン装置１８からＳＣＲ触媒１６までの距離Ｌは排気通路１０のレイアウト等の制約により十分に確保できないことが多く、この場合、図２に示す先行技術では、フィン装置１８からミキシング室１３の絞り部１３ｂまでの距離Ｌｆ、或いは噴射ノズル１９からＳＣＲ触媒１６までの距離Ｌｎの少なくとも何れかを最適値より短く設定せざるを得ない。

ミキシング室１３の縮径部１３ａでは、排ガスに生起された旋回流の旋回半径を次第に縮小させながら旋回速度を増加することで添加剤との混合を促進しているが、フィン装置１８から絞り部１３ｂまでの距離Ｌｆを短縮すると、旋回流の旋回半径が急激に縮小して運動エネルギの損失により旋回速度を十分に高められず、結果として添加剤と排ガスとの混合が不十分になってしまう。また、噴射ノズル１９から噴射された添加剤は下流側に移送されながら排ガス中に拡散・霧化するが、噴射ノズル１９からＳＣＲ触媒１６までの距離Ｌｎを短縮すると、尿素水溶液が拡散・霧化する時間を十分に確保できずに不十分になってしまう。

ＳＣＲ触媒１６の浄化性能は、添加剤と排ガスとの良好な混合、及び排ガス中への添加剤の均一な拡散・霧化が共に達成されることで最大限に発揮されるものであるため、先行技術ではＳＣＲ触媒１６の浄化性能の向上の点で改良の余地があった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、添加剤と排ガスとの良好な混合、及び排ガス中への添加剤の均一な拡散・霧化を共に達成でき、もって触媒装置に最大限の浄化性能を発揮させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、添加剤の供給により内燃機関の排ガスを浄化する触媒装置と、排気通路の触媒装置の上流側に設けられ、下流側に縮径する縮径部から最小径の絞り部を経て下流側に拡径する拡径部へと連続するベンチュリ状のミキシング室と、ミキシング室の縮径部の最上流近傍に配設され、排ガスに旋回流を生起させる旋回流発生手段と、ミキシング室の絞り部より上流側で且つ旋回流発生手段より下流側に配設され、ミキシング室内に添加剤を噴射する添加剤噴射手段とを備えたものである。

従って、内燃機関の排ガスは排気通路からミキシング室の縮径部内に導入されて旋回流発生手段により旋回流を生起し、旋回流は縮径部を経て絞り部に移行する過程で次第に旋回半径を縮小しながら旋回速度を増加させ、その後の拡径部を流通する過程では次第に旋回半径を拡大して下流側の触媒装置に到達する。このような旋回流を伴う排ガス中に添加剤噴射手段から添加剤が噴射されて排ガスと共に触媒装置に供給される。

排気通路のレイアウトに起因してミキシング室全体の経路長は制約を受けるものの、本発明では、ミキシング室の絞り部に対して添加剤噴射手段を上流側に位置させているため、旋回流発生手段から絞り部までの距離、及び添加剤噴射手段から触媒装置までの距離が共に十分に長く設定される。よって、旋回流発生手段により生起された旋回流は、ミキシング室内の縮径部内で運動エネルギの損失を最小限に抑制された上で旋回半径を縮小しながら旋回速度を十分に高められて添加剤との混合が促進される。また、添加剤噴射手段から噴射された添加剤はミキシング室の縮径部、絞り部、拡径部を経て触媒装置に到達するまでに排ガス中に均一に拡散・霧化される。これらの要因により、添加剤と排ガスとの良好な混合、及び排ガス中への添加剤の均一な拡散・霧化が共に達成され、触媒装置の各部位に均一に添加剤が供給される。

本発明は好適には、旋回流発生手段から絞り部までの距離を、縮径部内で旋回流の旋回半径を縮小させるときに運動エネルギの損失を抑制可能な程度に長く設定し、且つ、添加剤噴射手段から触媒装置までの距離を、噴射された添加剤が排ガス中に均一に拡散・霧化する時間を確保可能な程度に長く設定することが望ましい。このように双方の距離を個別に最適設定することにより、添加剤と排ガスとの良好な混合と排ガス中への添加剤の均一な拡散・霧化とをより確実に達成可能となる。

請求項２の発明は、請求項１において、添加剤噴射手段が、縮径部の最上流と最下流との中間位置より上流側に配設されたものである。
従って、添加剤噴射手段が縮径部の中間位置より上流側に配設されることにより、添加剤噴射手段から触媒装置までの距離を十分に確保できるため、添加剤の拡散・霧化がより均一化される。

以上説明したように請求項１，２の発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、添加剤と排ガスとの良好な混合、及び排ガス中への添加剤の均一な拡散・霧化を共に達成でき、もって触媒装置に最大限の浄化性能を発揮させることができる。

以下、本発明をディーゼルエンジンの排気浄化装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図であり、エンジン１は直列６気筒機関として構成されている。エンジン１の各気筒には燃料噴射弁２が設けられ、各燃料噴射弁２は共通のコモンレール３から加圧燃料を供給され、機関の運転状態に応じたタイミングで開弁して各気筒の筒内に燃料を噴射する。

エンジン１の吸気側には吸気マニホールド４が装着され、吸気マニホールド４に接続された吸気通路５には、上流側よりエアクリーナ６、ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａ、インタクーラ８が設けられている。また、エンジン１の排気側には排気マニホールド９が装着され、排気マニホールド９には上記コンプレッサ７ａと同軸上に連結されたターボチャージャ７のタービン７ｂを介して排気通路１０が接続されている。

エンジン１の運転中においてエアクリーナ６を経て吸気通路５内に導入された吸気はターボチャージャ７のコンプレッサ７ａにより加圧された後にインタクーラ８、吸気マニホールド４を経て各気筒に分配され、各気筒の吸気行程で筒内に導入される。筒内では所定のタイミングで燃料噴射弁２から燃料が噴射されて圧縮上死点近傍で着火・燃焼し、燃焼後の排ガスは排気マニホールド９を経てタービン７ｂを回転駆動した後に排気通路１０を経て外部に排出される。

上記排気通路１０には本発明の排気浄化装置が設けられ、排気浄化装置は上流側ケーシング１１、下流側ケーシング１２、及び両ケーシング１１，１２間に形成されたミキシング室１３に収容されている。上流側ケーシング１１内には上流側より前段酸化触媒１４及びＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１５が収容され、下流側ケーシング１２内には上流側よりＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯx触媒であり、本発明の触媒装置）１６及び後段酸化触媒１７が収容されている。

全体としてミキシング室１３は排ガス流通方向の中間を縮径させたベンチュリ状をなし、上流側ケーシング１１の後部から下流側に向けてテーパ状に縮径する縮径部１３ａ、縮径部１３ａの最小径を保って下流側に連続する絞り部１３ｂ、及び絞り部１３ｂから下流側に向けてテーパ状に拡径して下流側ケーシング１２の前部に接続される拡径部１３ｃから構成されている。

図１から明らかなように、上流側ケーシング１１、下流側ケーシング１２及びミキシング室１３は、全体として排ガス流通方向に緩やかに断面変化する形状をなしているため、本実施形態では両ケーシング１１，１２とミキシング室１３とを絞り加工等により一体成型している。従って、両ケーシング１１，１２とミキシング室１３とを別部品として製作した場合のように、上流側ケーシング１１とミキシング室１３との間、及びミキシング室１３と下流側ケーシング１２との間には接続用のフランジ部は存在せず、各部材が相互に連続する構成となっている。

ミキシング室１３の縮径部１３ａ内の最上流位置にはフィン装置１８（旋回流発生手段）が設けられている。詳細は説明しないがフィン装置１８は、スチール製の円形状をなすベース板１８ａをプレス成形することにより多数枚のフィン１８ｂが周方向に折曲されている。ベース板１８ａ上には各フィン１８ｂに対応して流通孔が貫設され、フィン装置１８はＤＰＦ１５からの排ガスを各流通孔を経て流通させると共に、流通直後に各フィン１８ｂにより排ガスの流通方向を変更して縮径部１３ａの下流側に旋回流を生起させる。縮径部１３ａのフィン装置１８の下流側には噴射ノズル１９（添加剤噴射手段）が配設されており、この噴射ノズル１９は縮径部１３ａの外周一側から中心に向けて延設され、その先端２４ａを縮径部１３ａの中心で排気下流側に指向させている。

噴射ノズル１９にはミキシング室１３の外周に設置された電磁弁２０を介して図示しない尿素タンクから所定圧の尿素水溶液が供給されており、電磁弁２０の開閉に応じて噴射ノズル１９の先端に貫設された図示しない噴射孔からミキシング室１３の外周に向けて放射状に尿素水溶液が噴射される。
一方、上記燃料噴射弁２及び噴射ノズル１９の電磁弁２０はＥＣＵ３１（電子コントロールユニット）に接続され、ＥＣＵ３１にはその他にもセンサ類やデバイス類が接続されている。例えばＥＣＵ３１は、エンジン回転速度Ｎe及びアクセル操作量θaccから図示しないマップに従って燃料噴射量を設定し、エンジン回転速度Ｎe及び燃料噴射量から図示しないマップに従って燃料噴射時期を設定し、これらの燃料噴射量及び燃料噴射時期に基づいて燃料噴射弁２を駆動制御してエンジン１を運転する。また、ＥＣＵ３１はＳＣＲ触媒１６上にＮＨ_３を供給してＮＯx浄化作用を発揮させるべく、ミキシング室１３の一側に設置した図示しない温度センサにより検出された排ガス温度に基づいて尿素水溶液の目標噴射量を決定し、目標噴射量に基づき電磁弁２０を駆動制御して噴射ノズル１９から尿素水溶液を噴射する。

エンジン１の運転中において、エンジン１から排出された排ガスは排気マニホールド９及び排気通路１０を経て上流側ケーシング１１内に導入され、前段酸化触媒１４を経てＤＰＦ１５を流通する際に含有しているＰＭ（パティキュレートマター）を捕集される。その後、排ガスはミキシング室１３内に導入されてフィン装置１８により旋回流を生起し、旋回流は縮径部１３ａを経て絞り部１３ｂに移行する過程で次第に旋回半径を縮小しながら旋回速度を増加させ、その後の拡径部１３ｃを流通する過程では次第に旋回半径を拡大して下流側のＳＣＲ触媒１６に到達する。このような旋回流を伴う排ガス中に噴射ノズル１９から尿素水溶液が噴射され、ミキシング室１３内で流通する過程で尿素水溶液は排ガスに混合及び拡散・霧化し、これにより排気熱及び排ガス中の水蒸気により加水分解されてＮＨ_３を生成する。そして、生成されたＮＨ_３によりＳＣＲ触媒１６上で排ガス中のＮＯxが無害なＮ_２に還元されてＮＯxの浄化が行われる一方、このときの余剰ＮＨ₃が後段酸化触媒１７によりＮＯに酸化されて処理される。

排ガスへの尿素水溶液の混合及び拡散・霧化は、ミキシング室１３内での排ガスや尿素水溶液の流通状況、ひいてはミキシング室１３の形状、及びミキシング室１３内でのフィン装置１８や噴射ノズル１９のレイアウトに大きな影響を受ける。そこで、本実施形態では、以下に述べるようにミキシング室１３の形状や各構成要素のレイアウトを設定している。

まず、説明の便宜上、ミキシング室１３内の各構成要素間の経路長を以下のように定義する。フィン装置１８のベース板１８ａからＳＣＲ触媒１６の前端までの経路長を総距離Ｌとし、フィン装置１８のベース板１８ａからミキシング室１３の絞り部１３ｂまでの経路長を混合距離Ｌｆとし、噴射ノズル１９の噴射孔からＳＣＲ触媒１６の前端までの経路長を拡散距離Ｌｎと称する。また、ミキシング室１３の縮径部１３ａの噴射ノズル１９より上流側を上流側距離Ｎａとし、同じく縮径部１３ａの噴射ノズル１９より下流側を下流側距離Ｎｂと称する。

［発明が解決しようとする課題］で述べた先行技術では、排ガスへの添加剤の良好な混合及び拡散・霧化のためには、排ガス流速の高い位置で添加剤を噴射することを最優先にすべきとの知見の下に、図２に示すように排ガス流速が最大となるミキシング室１３の絞り部１３ｂに噴射ノズル１９を配置した。しかしながら、排気通路１０のレイアウト等に起因する距離Ｌへの制約により、先行技術のレイアウトではフィン装置１８からミキシング室１３の絞り部１３ｂまでの距離Ｌｆ、或いは噴射ノズル１９からＳＣＲ触媒１６までの距離Ｌｎが不足してしまう。この点を鑑みて本発明者は、これらの距離Ｌｆ，Ｌｎを最適設定することの方が、排ガス流速の高い位置で添加剤を噴射することよりも総合的な排ガス浄化性能の点で重要であるとの見解に至った。

そこで、本実施形態では図１から明らかなように、ミキシング室１３の絞り部１３ｂと噴射ノズル１９とを相互に関連させることなく最適位置に個別に配置している。具体的には、フィン装置１９からミキシング室１３の絞り部１３ｂまでの経路長である混合距離Ｌｆに関しては、ミキシング室１３の縮径部１３ａ内で旋回流の旋回半径を縮小させるときに運動エネルギの損失を抑制すべく十分に長い値に設定している。勿論、拡径部１３ｃについてもある程度の経路長を必要とすると共に、フィン装置１９からＳＣＲ触媒１６までの総距離Ｌは制限を受けるため、これらの要件も考慮した上で混合距離Ｌｆが決定される。

何れにしても混合距離Ｌｆは、図２の先行技術の距離Ｌｆのように噴射ノズル１９の位置に拘束されずにより長い値に設定されており、これにより縮径部１３ａ内での排ガスの運動エネルギの損失が最小限に抑制されて、絞り部１３ｂに排ガスが到達した時点で旋回流の旋回速度が十分に高められ、噴射ノズル１９から噴射された尿素水溶液が排ガスと良好に混合される。なお、本実施形態の場合には、絞り部１３ｂより上流側で尿素水溶液が噴射される点で先行技術と相違するが、この要件は以下に述べる尿素水溶液の拡散・霧化にとって望ましいだけでなく、排ガスと尿素水溶液との混合に関しても都合がよく、より早期に双方の混合が開始されることで一層の混合促進を達成できる。

また、噴射ノズル１９からＳＣＲ触媒１６までの拡散距離Ｌｎに関しては、噴射された尿素水溶液が排ガス中に均一に拡散・霧化する時間を確保すべく十分に長い値に設定している。勿論、噴射ノズル１９とフィン装置１８との干渉を防止する必要があるため、この点を考慮した上で噴射ノズル１９は可能な限り上流側に設置されている。結果として本実施形態では、縮径部１３ａの最上流と最下流との中間位置より上流側位置、換言すれば上流側距離Ｎａ＜下流側距離Ｎｂの関係が成立する位置に噴射ノズル１９が設置されている。

何れにしても拡散距離Ｌｎは、図２の先行技術の距離Ｌｎのように絞り部１３ｂの位置に拘束されずにより長い値に設定されており、これにより噴射ノズル１９から噴射された尿素水溶液は、ミキシング室１３の縮径部１３ａ、絞り部１３ｂ、拡径部１３ｃを経てＳＣＲ触媒１６に到達する過程で排ガス中に均一に拡散・霧化される。
以上のように本実施形態の排気浄化装置では、先行技術では両立できなかった尿素水溶液と排ガスとの良好な混合、及び排ガス中への尿素水溶液の均一な拡散・霧化を共に達成でき、これにより尿素水溶液から生成したＮＨ_３をＳＣＲ触媒１６の各部位に均一に供給して、ＳＣＲ触媒１６に最大限のＮＯx浄化性能を発揮させることができる。

一方、先行技術では絞り部１３ｂを上流側に位置設定すると、旋回流の旋回速度を十分に高められないだけでなく、フィン装置１８の直径に制限を受ける不具合も生じる。即ち、図２に破線で示すように、噴射ノズル１９と共に絞り部１３ｂを上流側に位置設定すると、縮径部１３ａが急激に縮径する形状となるため、フィン装置１８の設置位置での縮径部１３ａの内径がＤからＤ’に縮小し、それに伴ってフィン装置１８が小径化してしまう。結果としてフィン装置１８の性能が低下してしまい、この要因も旋回流の旋回速度の低下、ひいては排ガスと尿素水溶液との混合不足を引き起こす。本実施形態では噴射ノズル１９と共に絞り部１３ｂを上流側に位置設定する必要が元々ないことから、このようなフィン装置１８の小径化に起因する先行技術の不具合を未然に回避できるという利点もある。

加えて、本実施形態では、両ケーシング１１，１２及びミキシング室１３を絞り加工等により一体成型しているため接続用のフランジ部を備えていない。両ケーシング１１，１２やミキシング室１３等に接続用のフランジ部を設けることはコストアップの要因になる上に、フランジ部からの放熱により尿素水溶液の加水分解が促進されなかったり、尿素水溶液を含む排ガス漏れ等の可能性が高まったりするが、一体成型によりこれらの問題を未然に回避できる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ＮＯx浄化用にＳＣＲ触媒１６を備えたディーゼルエンジン１の排気浄化装置に具体化したが、添加剤の供給を要する触媒装置を備えたエンジンであればこれに限ることはない。例えば排ガス中のＮＯxを吸蔵する吸蔵型ＮＯx触媒を排気通路に備え、吸蔵したＮＯxをＮＯx触媒から放出還元するために、添加剤として燃料を排気通路内に噴射するＮＯxパージを定期的に実行する必要があるエンジンに適用してもよい。この場合には図１においてＳＣＲ触媒１６を吸蔵型ＮＯx触媒に置換し、噴射ノズル１９から尿素水溶液に代えて燃料を噴射する構成となるが、ミキシング室１３内の各構成要素のレイアウトを上記実施形態と同様に設定することで同様の作用効果を得ることができる。

実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。 先行技術の排気浄化装置を示す全体構成図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１０ 排気通路
１３ ミキシング室
１３ａ 縮径部
１３ｂ 絞り部
１３ｃ 拡径部
１６ ＳＣＲ触媒（触媒装置）
１８ フィン装置（旋回流発生手段）
１９ 噴射ノズル（添加剤噴射手段）

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、添加剤の供給により上記内燃機関の排ガスを浄化する触媒装置と、
   上記排気通路の上記触媒装置の上流側に設けられ、下流側に縮径する縮径部から最小径の絞り部を経て下流側に拡径する拡径部へと連続するベンチュリ状のミキシング室と、
   上記ミキシング室の縮径部の最上流近傍に配設され、上記排ガスに旋回流を生起させる旋回流発生手段と、
   上記ミキシング室の絞り部より上流側で且つ上記旋回流発生手段より下流側に配設され、上記ミキシング室内に添加剤を噴射する添加剤噴射手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 上記添加剤噴射手段は、上記縮径部の最上流と最下流との中間位置より上流側に配設されたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。

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