JP2013087745A - 還元剤供給装置及びこれを備えた排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘの還元効率を向上させることのできる還元剤供給装置及びこれを備えた排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】各噴出管１２は、環状流路１１の径方向内側において、それらの中央部分において一か所で交わったスポーク形状を構成している。各噴出管１２には、複数の噴出孔２５が設けられている。各噴出管１２において、隣り合う噴出孔２５間の距離は一定となっている。また、各噴出管１２には、扇型形状を有する平板状のフィン３０が取り付けられている。
【選択図】図３

Description

この発明は、還元剤供給装置及びこれを備えた排気ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するために、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている。尿素ＳＣＲシステムの基本構成は、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ_２）にするための酸化触媒と、酸化触媒の下流側に設けられ、尿素水から生成したアンモニアとＮＯｘとの化学反応により、ＮＯｘを窒素及び水に還元するためのＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒に尿素水を添加するための尿素添加システムと、ＳＣＲ触媒の下流側に設けられ、ＳＣＲ触媒における化学反応で消費されずに残ったアンモニアを酸化するための酸化触媒とから構成される。

このような尿素ＳＣＲシステムが例えば、特許文献１に記載されている。この尿素ＳＣＲシステムでは、触媒担体の上流側に、複数の噴出孔が形成された格子状のパイプが設けられ、ポンプによって尿素水が格子状のパイプに送られて、噴出孔から触媒担体に向けて尿素水が供給されるようになっている。噴出孔は、格子状に設けられたパイプに等間隔に設けられているので、触媒担体の端面全体に均一に尿素水が供給される。

特開２００７−１０７４５０号公報

しかしながら、排気管を排気ガスが流通する際、排気ガスは一般的に、排気管の壁面から中心部に向かって速度が大きくなるような速度分布をなすので、触媒担体の端面全体に均一に尿素水を供給すると、排気管の壁面付近の領域では尿素水が過剰であるにもかかわらず、中心部付近の領域では尿素水が不足してしまい、ＮＯｘの還元効率が低下してしまうといった問題点があった。

この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、ＮＯｘの還元効率を向上させることのできる還元剤供給装置及びこれを備えた排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

この発明に係る還元剤供給装置は、内燃機関から排出されて排気管を流通する排気ガス中のＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒が担持された触媒担体に還元剤を供給する還元剤供給装置であって、還元剤が噴出される複数の噴出孔を備え、複数の噴出孔は、排気管の壁面から中心部に向かって、排気管の流路断面に対する噴出孔の開孔率が増加するように設けられている。排気管の壁面から中心部に向かって還元剤の供給量が増加するので、排気管を流通する排気ガスの速度分布に応じて適切な量の尿素水が供給される。
還元剤が流通する環状の環状流路と、環状流路の径方向内側に設けられると共に複数の噴出孔が形成された複数の噴出管とを備え、噴出管は、それらの両端部が環状流路と連通してもよい。複数の噴出管は、それらの両端部以外の部分において一か所で交わったスポーク形状を構成してもよい。噴出管は多孔質材から構成されてもよい。
噴出管は、前記排気ガスの流れを変化させるミキサー部を有してもよい。

この発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関から排出されて排気管を流通する排気ガス中のＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒が担持された触媒担体と、ＳＣＲ触媒によってＮＯｘを還元するために触媒担体に還元剤を供給する還元剤供給装置とを備え、還元剤供給装置は、還元剤が噴出される複数の噴出孔を備え、複数の噴出孔は、排気管の壁面から中心部に向かって、排気管の流路断面に対する噴出孔の開孔率が増加するように設けられている。排気管の壁面から中心部に向かって還元剤の供給量が増加するので、排気管を流通する排気ガスの速度分布に応じて適切な量の尿素水が供給される。
還元剤が流通する環状の環状流路と、環状流路の径方向内側に設けられると共に複数の噴出孔が形成された複数の噴出管とを備え、噴出管は、それらの両端部が環状流路と連通してもよい。複数の噴出管は、それらの両端部以外の部分において一か所で交わったスポーク形状を構成してもよい。噴出管は多孔質材から構成されてもよい。
噴出孔は、排気管内を排気ガスが流れる方向に対して上流側に向かって還元剤が噴出される向きに設けられてもよい。
噴出管は、前記排気ガスの流れを変化させるミキサー部を有してもよい。
還元剤供給装置は、前記触媒担体の上流側の端面に配置されてもよい。

この発明によれば、排気管の壁面から中心部に向かって還元剤の供給量が増加することにより、排気管を流通する排気ガスの速度分布に応じて適切な量の尿素水が供給されるので、ＮＯｘの還元効率を向上させることができる。

この発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。 この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の触媒担体の断面図である。 この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の還元剤供給装置の平面図である。 この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の還元剤供給装置の噴出管の変形例の断面図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、内燃機関であるディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２に、酸化触媒３と、ウォールフロー型の触媒担体６を備えた排気ガス浄化フィルタ４と、酸化触媒５とが設けられている。排気ガス浄化フィルタ４と酸化触媒５との間には、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサ７が設けられている。触媒担体６の上流側の端面６ａには、還元剤である尿素水を噴出する還元剤供給装置１０が設けられている。還元剤供給装置１０は、触媒担体６の外径と同じ外径を有する環状流路１１と、両端が環状流路１１と連通する複数の噴出管１２とを有している。環状流路１１は、配管１３を介して、尿素水が貯留されている尿素水タンク１４に連通されている。配管１３には、尿素水タンク１４に貯留された尿素水を環状流路１１に圧送するポンプ１５と、電磁弁１６とが設けられている。ＮＯｘセンサ７とポンプ１５と電磁弁１６とはそれぞれ、制御装置であるＥＣＵ１７に電気的に接続されている。

図２に示されるように、触媒担体６は、多孔質性の基材２１から構成されている。基材２１の材質としては、コージェライト、アルミナ、炭化珪素等の、通常のフィルタ基材として用いられるセラミックス材料が利用できる。基材２１の内部の細孔内には、ＮＯｘを還元するためのＳＣＲ触媒が担持されている。基材２１のディーゼルエンジン１側の表面２１ａには、排気ガス中のパティキュレートマター（ＰＭ）を捕集する捕集層２２がコーティングされている。捕集層２２の材質としても基材２１と同様の材料が利用可能である。触媒担体６の内部には、触媒担体６の軸方向に延びる複数の排気ガス通路２３が形成されているが、触媒担体６はウォールフロー型の触媒担体であるので、各排気ガス通路２３は、端面６ａ側及び他方の端面６ｂ側のいずれか一方の端部が開口部２３ａを構成し、他方の端部が目封じ部２３ｂを構成している。

図３に示されるように、各噴出管１２は、環状流路１１の径方向内側において、それらの両端部以外の部分（この実施の形態では中央部分）において一か所で交わったスポーク形状を構成している。各噴出管１２には、触媒担体６の端面６ａ（図１参照）に対向する向きに還元剤供給装置１０を見たときに、尿素水を噴出する噴出孔２５が見えるように、複数の噴出孔２５が設けられている。これにより、尿素水は、排気管２（図１参照）内を排気ガスが流れる方向に対して上流側に向かって、噴出孔２５から噴出されるようになる。ただし、尿素水は、排気ガスの流れに対して完全に対向する向き（排気ガスの流れと平行）に噴出される必要はなく、排気ガスの流れる方向に対して斜めに、すなわちある角度をなしながら、排気ガスが流れる方向に対して上流側に向かって噴出されてもよい。

各噴出管１２において、隣り合う噴出孔２５間の距離は一定となっている。しかしながら、各噴出管１２は、それらの中央部分において一か所で交わっているため、環状流路１１から各噴出管１２の交わった部分に向かって、隣り合う噴出管１２間の距離が短くなっている。これにより、環状流路１１から各噴出管１２の交わった部分に向かって噴出孔２５が密になるように、すなわち単位面積当たりの噴出孔２５の数が増加するように、噴出孔２５が設けられている。つまり、噴出孔２５は、排気管２の壁面から中心部に向かって、排気管２の流路断面に対する噴出孔２５の開孔率が増加するように設けられている。これにより、還元剤供給装置１０を排気管２（図１参照）内に設置したときに、尿素水の供給量は、排気管２の壁面から中心部に向かって増加するようになっている。

また、各噴出管１２には、扇型形状を有する平板状のフィン３０が取り付けられている。フィン３０は、図３の紙面に対して奥側に斜めに、すなわち、還元剤供給装置１０を排気管２（図１参照）内に設置したときに触媒担体６の端面６ａ（図１参照）に向かって斜めに傾斜するように設けられている。ここで、フィン３０は、排気管２を流通する排気ガスの流通方向がフィン３０の傾斜に沿って曲げられるので、排気ガスの流れを変化させるミキサー部を構成する。

次に、この実施の形態に係る還元剤供給装置及びこれを備えた排気ガス浄化装置の動作について説明する。
図１に示されるように、ディーゼルエンジン１の始動後、排気ガスは排気管２を流通する。排気ガスが酸化触媒３を流通することにより、排気ガス中のＮＯの一部がＮＯ_２に酸化される。続いて排気ガスは、排気ガス浄化フィルタ４に流入する。排気ガス浄化フィルタ４内において、排気ガスは、還元剤供給装置１０を通り抜ける。この際、排気ガスの流れがフィン３０に沿って変化して乱れ、排気ガスの渦が発生する。この状態で排気ガスは触媒担体６内に流入する。

図２に示されるように、開口部２３ａを介して触媒担体６に流入した排気ガスは、排気ガス通路２３を流通する。端面６ａ側の端部に開口部２３ａが設けられた排気ガス通路２３は、端面６ｂ側の端部に目封じ部２３ｂが設けられているので、排気ガス通路２３を流通する際に排気ガスは、排気ガス通路２３の壁、すなわち捕集層２２及び基材２１を通り抜けて隣の排気ガス通路２３へ移動する。この隣の排気ガス通路２３は、端面６ｂ側の端部に開口部２３ａが設けられているので、この開口部２３ａを介して触媒担体６から流出する。

排気ガスが排気ガス通路２３の壁を通り抜ける際、捕集層２２によって、排気ガスに含まれるＰＭが捕集される。捕集層２２を通り抜けた排気ガスは、基材２１の内部の細孔を拡散しながら基材２１を通り抜ける。この際、後述する動作により供給された尿素水が加水分解されたアンモニアと二酸化炭素（ＣＯ_２）となり、基材２１の内部の細孔内に担持されたＳＣＲ触媒において、生成したアンモニアと排気ガス中のＮＯｘとが反応して、窒素（Ｎ_２）及び水（Ｈ_２Ｏ）となる。図１に示されるように、排気ガス浄化フィルタ４において消費されずに残ったアンモニアは、酸化触媒５において酸化される。このようにしてＮＯｘが浄化された排気ガスは、排気管２を流通して大気中へ排気される。

次に、尿素水が触媒担体６に供給される動作について説明する。
図１に示されるように、ＮＯｘセンサ７は、排気ガス浄化フィルタ４から流出した排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出し、この検出値がＥＣＵ１７に伝送される。ＥＣＵ１７は、ＮＯｘセンサ７の検出値に基づいて、ポンプ１５の起動及び電磁弁１６の開閉を制御する。例えば、ＥＣＵ１７にＮＯｘ濃度の上限値を予め設定しておき、ＮＯｘセンサ７の検出値がこの上限値以上となったら、排気ガス浄化フィルタ４においてＮＯｘの浄化が必要であると判断し、ポンプ１５を起動すると共に電磁弁１６を開く。すると、尿素水タンク１４内の尿素水が配管１３を流通し、還元剤供給装置１０の環状流路１１に流入する。環状流路１１に流入した尿素水は、噴出管１２に流入し、噴出管１２に形成された噴出孔２５から噴出される。逆に、ＮＯｘセンサ７の検出値がこの上限値未満の場合には、排気ガス浄化フィルタ４においてＮＯｘの浄化が必要でないと判断し、ＥＣＵ１７は、ポンプ１５を停止し、電磁弁１６を閉じる。また、ＮＯｘセンサ７の検出値と尿素水の供給量とのマップ等をＥＣＵ１７に予め組み込んでおき、このマップに基づいて尿素水の供給量を調整するように、ポンプ１５の起動及び電磁弁１６の開閉を制御することもできる。

既に述べたように、この実施の形態では、尿素水は、排気ガスが流れる方向に対して上流側に向かって噴出されることにより、流れてくる排気ガスに衝突するようになるので、排気ガス中に分散されやすくなる。また、フィン３０（図３参照）によって排気ガスの渦が発生するので、排気ガス中に噴出された尿素水がさらに攪拌されるので、尿素水の分散性が向上する。

また、排気管２を排気ガスが流通する際、排気ガスは一般的に、排気管２の壁面から中心部に向かって速度が大きくなるような速度分布をなす。これに対し、既に述べたように、この実施の形態では、尿素水の供給量は、排気管２の壁面から中心部に向かって増加するようになっているので、排気ガスの速度が大きい個所に尿素水を多く供給するようになり、触媒担体６内でのＮＯｘの還元効率が向上する。

このように、排気管２の壁面から中心部に向かって還元剤の供給量が増加することにより、排気管２を流通する排気ガスの速度分布に応じて適切な量の尿素水が供給されるので、ＮＯｘの還元効率を向上させることができる。

この実施の形態では、複数の噴出管１２がスポーク形状を構成していたが、この形態に限定するものではない。二本の噴出管１２を十字状に配置したり、複数の噴出管１２を格子状にしたり、複数の噴出管１２を平行に配置したりしてもよい。ただし、十字状に配置する場合以外では、各噴出管１２における隣り合う噴出孔２５の間隔を同じにすると、排気管２の壁面から中心部に向かって単位面積当たりの噴出孔２５の数が増加するようにはならないので、これらの場合には、各噴出管１２において、排気管２の壁面から中心部に向かって、隣り合う噴出孔２５間の間隔を短くしたり、噴出孔２５のサイズを大きくしたりすればよい。

この実施の形態では、噴出管１２は、管状の部材に、噴出孔２５として複数の孔を形成したものであったが、この形態に限定するものではない。複数の噴出管がスポーク形状を構成していたり、２本の噴出管が十字状に配置されたりしている場合には、例えばセラミック焼結多孔質体のような多孔質材からなる噴出管を用いても、排気管２の壁面から中心部に向かって隣り合う噴出管の間隔が短くなるので、排気管２の壁面から中心部に向かって還元剤の供給量を増加するようにすることができる。尚、この場合、多孔質材の細孔が噴出孔を構成する。

この実施の形態では、ミキサー部として、扇型形状を有する平板状のフィン３０を用いたが、この形態に限定するものではなく、噴出管の配置態様に応じて、形状や大きさ、個数等を適宜変更してもよい。また、図４に示されるように、断面が長方形状の噴出管３２を還元剤供給装置に設け、互いに向かい合う２組の側面のうち、面積が広い方の側面３２ａの一方を、排気ガスの流れに対して下流側にある角度をなして傾斜させることによっても、排気ガスの流れを変化させることができる。この場合には、側面３２ａがミキサー部を構成する。

この実施の形態では、触媒担体６を構成する多孔質性の基材２１のディーゼルエンジン１側の表面２１ａに、排気ガス中のＰＭを捕集する捕集層２２がコーティングされているが、この形態限定するものではない。基材２１にはＰＭを捕集する部材を設けずに、酸化触媒３と触媒担体６との間に、ＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を設けてもよい。また、この実施の形態では、触媒担体６はウォールフロー型であったが、フロースルー型であってもよい。
また、この実施の形態では、還元剤供給装置１０を触媒担体６の上流側の端面６ａに設けたが、触媒担体６と間隔をあけて配置してもよい。

この実施の形態では、還元剤として尿素水を使用しているが、これに限定するものではない。アンモニア水、アンモニアガス等その他の還元剤を使用してもよい。
また、この実施の形態では、ＮＯｘセンサ７の検出値に基づいて還元剤の供給を制御したが、ディーゼルエンジン１の運転状況などを利用したり、併用したりして、還元剤の供給を制御してもよい。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）、２ 排気管、６ 触媒担体、６ａ （触媒担体の）端面、１０ 還元剤供給装置、１１ 環状流路、１２，３２ 噴出管、２５ 噴出孔、３０ フィン（ミキサー部）、３２ａ （噴出管の）側面（ミキサー部）。

Claims (12)

1. 内燃機関から排出されて排気管を流通する排気ガス中のＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒が担持された触媒担体に還元剤を供給する還元剤供給装置であって、
   前記還元剤が噴出される複数の噴出孔を備え、該複数の噴出孔は、前記排気管の壁面から中心部に向かって、前記排気管の流路断面に対する前記噴出孔の開孔率が増加するように設けられている還元剤供給装置。
2. 前記還元剤が流通する環状の環状流路と、
   該環状流路の径方向内側に設けられると共に前記複数の噴出孔が形成された複数の噴出管と
   を備え、
   該噴出管は、それらの両端部が前記環状流路と連通する、請求項１に記載の還元剤供給装置。
3. 前記複数の噴出管は、それらの両端部以外の部分において一か所で交わったスポーク形状を構成する、請求項２に記載の還元剤供給装置。
4. 前記噴出管は多孔質材からなる、請求項３に記載の還元剤供給装置。
5. 前記噴出管は、前記排気ガスの流れを変化させるミキサー部を有する、請求項２〜４のいずれか一項に記載の還元剤供給装置。
6. 内燃機関から排出されて排気管を流通する排気ガス中のＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒が担持された触媒担体と、
   前記ＳＣＲ触媒によってＮＯｘを還元するために前記触媒担体に還元剤を供給する還元剤供給装置と
   を備え、
   該還元剤供給装置は、前記還元剤が噴出される複数の噴出孔を備え、該複数の噴出孔は、前記排気管の壁面から中心部に向かって、前記排気管の流路断面に対する前記噴出孔の開孔率が増加するように設けられている排気ガス浄化装置。
7. 前記還元剤供給装置は、
   前記還元剤が流通する環状の環状流路と、
   該環状流路の径方向内側に設けられると共に前記複数の噴出孔が形成された複数の噴出管と
   を備え、
   該噴出管は、それらの両端部が前記環状流路と連通する、請求項６に記載の排気ガス浄化装置。
8. 前記複数の噴出管は、それらの両端部以外の部分において一か所で交わったスポーク形状を構成する、請求項７に記載の排気ガス浄化装置。
9. 前記噴出管は多孔質材からなる、請求項８に記載の排気ガス浄化装置。
10. 前記噴出孔は、前記排気管内を前記排気ガスが流れる方向に対して上流側に向かって前記還元剤が噴出される向きに設けられている、請求項６〜８のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
11. 前記噴出管は、前記排気ガスの流れを変化させるミキサー部を有する、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
12. 前記還元剤供給装置は、前記触媒担体の上流側の端面に配置されている、請求項６〜１１のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。

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