JP2011117386A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】噴射ノズルから液体還元剤又はその前駆体を噴射供給し、ＳＣＲ触媒において排気中のＮＯｘを選択還元浄化する排気浄化装置において、混合装置又は排気通路への溶質の析出を抑制する。
【解決手段】エンジンが所定運転状態で稼動しているとき、具体的には、排気温度が尿素水溶液を噴射供給し始める所定温度付近の運転状態のとき、噴射ノズル３０から噴射供給された尿素水溶液が略全面に当たる位置に、尿素水溶液と排気との混合を促進する混合装置３６を配設する。そして、混合装置３６又は排気管２６に付着する尿素水溶液の絶対量を減らし、ここから溶媒のみが蒸発して溶質たる尿素が析出することを抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する排気浄化装置に関する。
エンジンの排気に含まれるＮＯｘを浄化する排気浄化システムとして、特許第３２８３８６８号公報（特許文献１）に記載される排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、エンジン排気通路に配設されたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた流量で液体還元剤又はその前駆体を噴射供給し、ＳＣＲ触媒で排気中のＮＯｘを選択的に還元反応させることで、ＮＯｘを無害成分に浄化処理する。また、従来提案の排気浄化装置では、噴射ノズルを含む噴射装置から噴射供給された液体還元剤又はその前駆体と排気との混合を促進するために、噴射ノズルとＳＣＲ触媒との間に位置する排気通路に混合装置（ミキサ）を配設する構成が採用されている。
特許第３２８３８６８号公報
しかしながら、従来提案技術では、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤又はその前駆体が混合装置又は排気通路に当たる状態を考慮していなかったため、次のような不具合が発生するおそれがあった。即ち、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤又はその前駆体が混合装置に局所的に当たる場合、混合装置に液体還元剤又はその前駆体が液滴状態で付着し、ここから溶媒のみが蒸発して溶質が析出してしまうおそれがある。また、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤又はその前駆体が大きく広がり、混合装置のみならず排気通路にも当たる場合、排気通路に付着した液体還元剤又はその先駆体から溶媒のみが蒸発して溶質が析出してしまうおそれがある。混合装置又は排気通路に液体還元剤又はその前駆体の溶質が析出すると、例えば、排気流通抵抗が増大して燃費低下などを来たしてしまう。
そこで、本発明は従来提案技術の問題点に鑑み、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤又はその前駆体が混合装置の全面に当たるようにすることで、混合装置又は排気通路への溶質の析出を抑制したエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。
このため、本発明では、還元剤を使用して排気中のＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒の排気上流に液体還元剤又はその前駆体を噴射供給する噴射ノズルと、噴射ノズルとＳＣＲ触媒との間に位置する排気通路に配設された混合装置と、を含んで構成されたエンジンの排気浄化装置において、混合装置を、エンジンが所定運転状態で稼動しているとき、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤又はその前駆体が全面に当たる位置に配設する。
本発明によれば、エンジンが所定運転状態で稼動しているとき、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤又はその前駆体は、混合装置の全面に当たることとなる。このため、液体還元剤又はその前駆体が混合装置に局所的に当たる場合と比べて、液体還元剤又はその前駆体が混合装置に液滴状態で付着し難くなり、溶質の析出を抑制することができる。また、液体還元剤又はその前駆体が混合装置の全面に当たるため、排気通路に付着する液体還元剤又はその前駆体の絶対量が減り、ここから溶媒のみが蒸発して溶質が析出されることを抑制できる。従って、噴射ノズルと混合装置との位置関係を見直すことで、液体還元剤又はその前駆体を混合装置の全体にいき渡らせることが可能となり、液体還元剤又はその前駆体と排気との混合をさらに促進できることに加え、排気浄化性能を維持したまま、溶質の析出を抑制することができる。
本発明を具現化した排気浄化装置の一実施形態を示す概略図 混合装置の配設位置を説明するための要部縦断面図
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明を具現化した排気浄化装置の一実施形態を示す。
ディーゼルエンジン１０の吸気マニフォールド１２に接続される吸気管１４には、吸気流通方向に沿って、空気中の埃などを除去するエアクリーナ１６，ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ，ターボチャージャ１８により高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０，吸気脈動を平滑化する吸気コレクタ２２がこの順番で配設される。
一方、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２４に接続される排気管２６（排気通路）には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ，連続再生式ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）装置２８，還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル３０，尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用してＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒３２，ＳＣＲ触媒３２を通過したアンモニアを酸化させる酸化触媒３４がこの順番で配設される。連続再生式ＤＰＦ装置２８は、少なくともＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ2（二酸化窒素）へと酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２８Ａと、ＰＭ（Particulate Matter）を捕集除去するＤＰＦ２８Ｂと、を含んで構成される。なお、ＤＰＦ２８Ｂの代わりに、その表面に触媒（活性成分及び添加成分）を担持させたＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用することもできる。
また、噴射ノズル３０とＳＣＲ触媒３２との間に位置する排気管２６には、噴射ノズル３０から噴射供給された尿素水溶液と排気との混合を促進するための混合装置３６が配設される。混合装置３６は、別名「ミキサ」と称され、例えば、ここを通過した流体に旋回流を生じさせるものである。
混合装置３６は、ディーゼルエンジン１０が所定運転状態で稼動しているとき、図２に示すように、噴射ノズル３０から噴射供給された尿素水溶液が略全面に当たるように、噴射ノズル３０から排気下流に向けて所定距離Ｌだけ離れた位置に配設される。ここで、所定運転状態とは、尿素水溶液から尿素が析出し易い市街地等を走行しているときの運転状態（例えば、大型車を前提としたＪＥ０５モードの前半部分等）、即ち、排気温度が尿素水溶液を噴射供給し始める所定温度付近の運転状態のことをいう。また、所定距離Ｌは、ディーゼルエンジン１０を所定運転状態で稼動させているとき、尿素水溶液の混合装置３６への当たり具合を確認して適宜決定するようにすればよい。
還元剤タンク３８に貯蔵される尿素水溶液は、ポンプ及び流量制御弁が内蔵された還元剤添加ユニット４０を経由して、噴射ノズル３０に供給される。ここで、還元剤添加ユニット４０としては、ポンプが内蔵されたポンプモジュールと、流量制御弁が内蔵されたドージングモジュールと、に２分割された構成であってもよい。
連続再生式ＤＰＦ装置２８と噴射ノズル３０との間に位置する排気管２６には、排気の温度（排気温度）を測定する温度センサ４２が取り付けられる。温度センサ４２の出力信号は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット（ＤＣＵ：Dosing Control Unit）４４に入力される。また、ＤＣＵ４４は、エンジ運転状態としての回転速度及び負荷を任意の時点で読み込み可能とすべく、ＣＡＮ（Controller Area Network）などの車載ネットワークを介して、ディーゼルエンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ：Engine Control Unit）４６に接続される。そして、ＤＣＵ４４は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、排気温度，回転速度及び負荷に応じて還元剤添加ユニット４０を電子制御する。
ここで、ディーゼルエンジン１０の負荷としては、例えば、燃料噴射量，吸気流量，吸気圧力，過給圧力，アクセル操作量などトルクと密接に関連する状態量を使用することができる。また、ディーゼルエンジン１０の回転速度及び負荷は、ＥＣＵ４６から読み込む構成に限らず、公知のセンサを用いて直接検出するようにしてもよい。
かかる排気浄化装置において、ディーゼルエンジン１０の排気は、排気マニフォールド２４，ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂを経て、連続再生式ＤＰＦ装置２８のＤＯＣ２８Ａに導入される。ＤＯＣ２８Ａに導入された排気は、ＮＯがＮＯ2へと酸化されつつＤＰＦ２８Ｂへと流れる。ＤＰＦ２８Ｂでは、排気中のＰＭが捕集されると共に、ＤＯＣ２８Ａにより生成されたＮＯ2を使用してＰＭが酸化（焼却）される。
また、エンジン運転状態に応じて噴射ノズル３０から噴射供給（添加）された尿素水溶液は、混合装置３６により排気との混合が促進されつつ、排気熱及び排気中の水蒸気を使用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒３２において排気中のＮＯｘと選択還元反応し、無害なＨ2Ｏ（水）及びＮ2（窒素）へと浄化されることは知られたことである。このとき、ＤＯＣ２８ＡによりＮＯがＮＯ2へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ2との比率が選択還元反応に適したものに改善されるため、ＳＣＲ触媒３２におけるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。一方、ＳＣＲ触媒３２を通過したアンモニアは、その排気下流に配設された酸化触媒３４により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることを抑制できる。
ここで、ディーゼルエンジン１０が所定運転状態で稼動しているとき、即ち、尿素水溶液から溶媒が蒸発して溶質たる尿素が析出し易い状態のときには、噴射ノズル３０から噴射供給された尿素水溶液は、混合装置３６の略全面に当たることとなる。このため、尿素水溶液が混合装置３６に局所的に当たる場合と比べて、尿素水溶液が混合装置３６に液滴状態で付着し難くなり、溶質たる尿素の析出を抑制することができる。また、尿素水溶液が混合装置３６の略全面に当たるため、排気管２６の内壁に付着する尿素水溶液の絶対量が減り、ここから溶媒のみが蒸発して溶質たる尿素が析出されることを抑制できる。
従って、噴射ノズル３０と混合装置３６との位置関係を見直すことで、尿素水溶液を混合装置３６の全体にいき渡らせることが可能となり、尿素水溶液と排気との混合をさらに促進できることに加え、排気浄化性能を維持したまま、尿素の析出を抑制することができる。
なお、本発明は、液体還元剤又はその前駆体として、尿素水溶液を使用する排気浄化装置に限らず、炭化水素を主成分とするアルコール及び軽油などを使用する排気浄化装置にも適用することができる。
１０ ディーゼルエンジン
２６ 排気管
３０ 噴射ノズル
３２ ＳＣＲ触媒
３６ 混合装置

Claims (1)

  1. 還元剤を使用して排気中の窒素酸化物を選択還元浄化するＳＣＲ触媒と、
    前記ＳＣＲ触媒の排気上流に液体還元剤又はその前駆体を噴射供給する噴射ノズルと、
    前記噴射ノズルと前記ＳＣＲ触媒との間に位置する排気通路に配設された混合装置と、
    を含んで構成され、
    前記混合装置は、エンジンが所定運転状態で稼動しているとき、前記噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤又はその前駆体が全面に当たる位置に配設されていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
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