JP2016188579A

JP2016188579A - 排気浄化ユニット

Info

Publication number: JP2016188579A
Application number: JP2015068050A
Authority: JP
Inventors: 功大原; Isao Ohara
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2016-11-04

Abstract

【課題】尿素水の加水分解の効率を高めることにより、ＳＣＲ触媒の排気ガス浄化能力を向上させる。【解決手段】ＳＣＲ触媒４１に排気ガスを送る接続配管２４と、接続配管２４の排気上流端に対向して配され、接続配管２４内に尿素水を噴射する尿素水噴射バルブ３０と、前段ケーシング２０の排気下流端から接続配管２４の排気上流端へ排気ガスが折り返されて流れる流路を形成するミキサーチャンバ２３と、ミキサーチャンバ２３に設けられ、尿素水噴射バルブ３０の噴射口の近傍から接続配管２４に向かって次第に拡径しながら延びる円錐台形状の部材であり、複数の小孔５０Ｃが形成され、各小孔５０Ｃ毎に、排気ガスを排気下流側へ導く爪５０Ｄが設けられている整流部材５０とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、ＳＣＲ触媒を備える排気浄化ユニットに関する。

内燃機関から排出される排気中の窒素化合物（ＮＯｘ）を還元浄化する排気浄化ユニットとして、酸化触媒や排気中の粒子状物質（以下、ＰＭ）を捕集するフィルタを備える前段部と、尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として排気中の窒素化合物（以下、ＮＯｘ）を浄化する選択的還元触媒（以下、ＳＣＲ触媒）を備える後段部とを備えるものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１に記載の排気浄化ユニットでは、酸化触媒とフィルタとを収容する前段ケーシングとＳＣＲ触媒を収容する後段ケーシングとが並列され、これらの間に配された直線状の配管の上流端及び下流端がそれぞれ前段ケーシングの出口と後段ケーシングの入口とに接続されている。配管の上流端には、尿素水噴射装置が配されており、前段ケーシングから後段ケーシングへ導入される排気ガスに尿素水が添加され、排気ガス中で尿素水が加水分解されてアンモニアが生成され、該アンモニアが還元剤としてＳＣＲ触媒に供給されることにより排気ガス中のＮＯｘが還元浄化される。

特許文献２に記載の排気浄化ユニットでは、尿素水の噴射位置よりも上流側に、排気ガスを旋回させる旋回流発生用のフィンが設けられており、旋回流である排気ガスと噴射された尿素水とが配管内で混合される。

特開２００９−３６１０９号公報特開２００６−２９２３３号公報

尿素水は、配管の上流端近傍から下流側へ向けて噴射されるのに対して、排気ガスは、前段ケーシングから配管の上流端に排気ガスの流れに対して交差して導入される。そのため、噴射された尿素水の一部は、拡散する前に排気ガスにより配管の上流部の壁面に流されて付着する。従って、尿素水の加水分解の効率が悪くなったり、ＳＣＲ触媒へ供給される排気ガス中でのアンモニアの拡散性が低くなったりすることにより、ＳＣＲ触媒の排気ガス浄化能力が低下する。

開示の排気浄化ユニットは、尿素水の加水分解の効率を高め、排気ガスでのアンモニアの拡散性を高めることにより、触媒の排気ガス浄化能力を向上させることを目的とする。

開示の排気浄化ユニットは、内燃機関の排気系に設けられ、アンモニアを還元剤として排気中の窒素酸化物を選択還元する選択還元型触媒と、前記選択還元型触媒に排気ガスを送る排気管と、前記排気管の排気上流端に対向して配され、前記排気管内に尿素水を噴射する尿素水噴射装置と、触媒を収容するケーシングの排気下流端と前記排気管の排気上流端とを接続し、排気ガスが前記ケーシングから前記排気管へ折り返されて流れる流路を形成するチャンバと、前記チャンバに設けられ、前記尿素水噴射装置の噴射口の近傍から前記排気管に向かって次第に拡径しながら延びる円錐台形状の管材であり、複数の通気口が形成され、各通気口毎に、排気ガスを排気下流側へ導くガイドが設けられている整流部材とを備える。

開示の排気浄化ユニットによれば、尿素水の加水分解の効率を高め、排気ガスでのアンモニアの拡散性を高めることにより、触媒の排気ガス浄化能力を向上させることができる。

一実施形態に係る排気浄化ユニットを示す斜視図である。ミキサーチャンバ及び接続配管の内部を示す断面図である。ミキサーチャンバ内での排気ガスの流れを示す図である。ミキサーチャンバ内での排気ガスの流れを示す図である。他の実施形態に係る整流部を示す断面図である。他の実施形態に係る整流部を示す断面図である。他の実施形態に係る整流部を示す断面図である。他の実施形態に係る整流部を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係る排気浄化ユニット１を示す斜視図である。この図に示すように、排気浄化ユニット１は、排気上流側から順に、前段ケーシング２０と、ミキサーチャンバ２３と、尿素水噴射バルブ３０と、接続配管２４と、後段ケーシング４０とを備えている。

前段ケーシング２０と後段ケーシング４０とは円筒状であり、両者の軸線が互いに平行になるように並列され、これらの間に配された接続配管２４により接続されている。接続配管２４は、円筒状の第１配管２４Ａを備え、該配管２４Ａの軸線が前段ケーシング２０及び後段ケーシング４０の軸線に対して平行になるように配されている。

前段ケーシング２０は、第１ケーシング２０Ａと、第１ケーシング２０Ａの排気下流側に同軸に配された第２ケーシング２０Ｂとを備えている。第１ケーシング２０Ａの排気下流端と第２ケーシング２０Ｂの排気上流端とには環状のフランジが設けられており、両フランジがボルト・ナットによって締結されている。また、第１ケーシング２０Ａには、第１酸化触媒２１が収容され、第２ケーシング２０Ｂには、フィルタ２２が収容されている。

第１酸化触媒２１は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分等が担持されたものである。第１酸化触媒２１は、ポスト噴射又は排気管噴射によって供給された未燃炭化水素（ＨＣ）を酸化して排気温度を上昇させる。

フィルタ２２は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルが排気の流れ方向に沿って配置され、これらセルの上流側と下流側とが交互に目封止されたものである。フィルタ２２は、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭ）を隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積推定量が所定量に達していわゆるフィルタ強制再生が実施されるとＰＭを燃焼除去する。ここで、フィルタ強制再生は、排気管噴射又はポスト噴射によって排気上流側の第１酸化触媒２１に未燃炭化水素を供給し、フィルタ２２に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度まで昇温させることで行われる。

ミキサーチャンバ２３は、第２ケーシング２０Ｂの排気下流端に配され側面が円弧状の第１チャンバ２３Ａと、第１チャンバ２３Ａの側面から後段ケーシング４０側に延びる側面が円弧状の第２チャンバ２３Ｂとを備えている。第１チャンバ２３Ａは、第２ケーシング２０Ｂと同軸に配されている。また、第２チャンバ２３Ｂの直径は、第１チャンバ２３Ａの直径よりも小さく、両者の境界は円弧状に湾曲している。

第２ケーシング２０Ｂの排気下流端と第１チャンバ２３Ａの排気上流端とには環状のフランジが設けられており、両フランジがボルト・ナットによって締結されている。

接続配管２４は、第２チャンバ２３Ｂに接続された円筒状の第１配管２４Ａと、該第１配管２４Ａと後段ケーシング４０の排気上流端とを接続する第２配管２４Ｂとを備えている。第１配管２４Ａは、尿素水噴射バルブ３０の噴射軸と同軸に配されている。

第２配管２４Ｂは、エルボ管であり、排気下流端は円盤状に形成されている。この第２配管２４Ｂの直線部は第１配管２４Ａと同軸に配され、第１配管２４Ａの排気下流端と第２配管２４Ｂの排気上流端とには環状のフランジが設けられており、両フランジがボルト・ナットで締結されている。また、第２配管２４Ｂの排気下流端と後段ケーシング４０の排気上流端とには環状のフランジが設けられており、両フランジがボルト・ナットで締結されている。

尿素水噴射バルブ３０は、第２チャンバ２３Ｂに設けられている。この尿素水噴射バルブ３０の噴射軸は接続配管２４の軸心に合わされており、尿素水噴射バルブ３０から接続配管２４の排気下流側へ尿素水が噴射（噴霧）される。

接続配管２４内では、尿素水噴射バルブ３０から噴射された尿素水と、ミキサーチャンバ２３から後段ケーシング４０へ流れる排気ガスとが混合され、尿素水が排気熱により加水分解されてアンモニア（ＮＨ_３）が生成される。生成されたアンモニアは排気ガスの流れにより排気下流側のＳＣＲ触媒４１に供給される。

後段ケーシング４０には、ＳＣＲ触媒４１と、ＳＣＲ触媒４１の排気下流側に配された第２酸化触媒４２とが収容されている。

ＳＣＲ触媒４１は、例えば、多孔質セラミック担体にゼオライト等が担持されたものである。ＳＣＲ触媒４１は、尿素水噴射バルブ３０から還元剤として供給されるアンモニアを吸着させると共に、吸着させたアンモニアで通過する排気中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。

第２酸化触媒４２は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分等が担持されたものであり、ＳＣＲ触媒４１から排気下流側にスリップしたアンモニアを酸化する機能を有している。

図２は、ミキサーチャンバ２３及び接続配管２４の内部を示す断面図である。この図に示すように、ミキサーチャンバ２３の第２チャンバ２３Ｂ内には、整流部５１が設けられており、整流部５１には、整流部材５０が設けられている。整流部材５０は、両端が開口した円錐台形状の管材であり、尿素水噴射バルブ３０と同軸に配されている。

整流部材５０の小径の開口５０Ａは、尿素水噴射バルブ３０の噴射口に対向して配され、整流部材５０の大径の開口５０Ｂは、接続配管２４の上流端内に、その一部を挿入されている。整流部材５０の開口５０Ｂの縁部外周面と接続配管２４の上流端内周面との間には、排気ガスが通過する隙間が空けられている。

整流部材５０は、多孔部材であり、矩形状の小孔５０Ｃが周方向及び軸方向に狭い間隔で形成されている。ここで、小孔５０Ｃは、切り起こし曲げ加工により形成されており、爪５０Ｄが、小孔５０Ｃの上流側を起点として整流部材５０の内側に折り曲げられている。爪５０Ｄの切り起こし曲げの角度は鋭角であり、爪５０Ｄは、小孔５０Ｃを通過した排気ガスを排気下流側へ導くガイドとして機能する。

図３及び図４は、ミキサーチャンバ２３内での排気ガスの流れを示す図である。図３に示すように、第１チャンバ２３Ａから第２チャンバ２３Ｂにかけて流路の幅が狭くなると共に、一方（図中左側）の側壁が湾曲して凹んでいることにより、第１チャンバ２３Ａから第２チャンバ２３Ｂに流れる排気ガスに旋回流が生じる。

そして、図４に示すように、旋回流となった排気ガスは、整流部材５０の外側を通って接続配管２４内へ流れ、あるいは、小孔５０Ｃと整流部材５０内とを通って接続配管２４内へ流れる。接続配管２４内では、排気ガスは、接続配管２４の軸心周りに旋回しながら下流側へ流れる。

ここで、尿素水噴射バルブ３０は、尿素水を整流部材５０内へ噴射する。噴射（噴霧）された尿素水は、整流部材５０が上流側から下流側へかけて拡径していることにより、また、小孔５０Ｃから流入した排気ガスが爪５０Ｄにより排気下流側へ導かれることにより、拡散される。そして、拡散された尿素水と旋回流となった排気ガスとが、接続配管２４内で混合する。

これによって、接続配管２４内に噴射（噴霧）した尿素水を拡散させてから旋回流となった排気ガスとを混合させることができ、尿素水が排気ガスの流れにより第２チャンバ２３Ｂや接続配管２４の壁面に付着することを防止できる。従って、尿素水の加水分解の効率を向上させることができる。

ここで、尿素水が壁面に付着した場合、その尿素水についても排気ガスや壁面の熱により加水分解はされるものの、接続配管２４内でのアンモニアの拡散性は低下する。それに対して、本実施形態に係る整流部５１においては、第２チャンバ２３Ｂや接続配管２４の壁面への尿素水の付着を防止できることにより、アンモニアが均一的に拡散された旋回流の排気ガスを、ＳＣＲ触媒４１へ供給できることにより、ＳＣＲ触媒４１の排気ガス浄化能力を向上させることができる。

図５は、他の実施形態に係る整流部１５１を示す断面図である。なお、上述の実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、説明は省略する。図５に示すように、整流部１５１は、整流部材５０と、整流部材５０の排気下流側に配された衝突板ミキサ１５２とを備えている。衝突板ミキサ１５２は、円環状の枠体に、ワイヤーメッシュ（図示省略）と拡散板１５２Ａとが設けられたものである。衝突板ミキサ１５２は、整流部材５０の下流端の近傍に開口５０Ｂに面して配されている。

かかる構成の整流部１５１では、尿素水噴射バルブ３０から噴射され整流部材５０により拡散された尿素水が衝突板ミキサ１５２のワイヤメッシュに衝突する。これにより、尿素水の加水分解が促進される。そして、尿素水及び加水分解により生じたアンモニアが、拡散板１５２Ａによりさらに拡散されて接続配管２４へ流れる。

従って、上述の整流部５１を備える排気浄化ユニットに比して、尿素水の加水分割の効率をさらに高めることができることにより、ＳＣＲ触媒４１の排気ガス浄化能力をさらに向上させることができる。

図６は、他の実施形態に係る整流部２５１を示す断面図である。なお、上述の実施形態と同様の構成には同一の符合を付し、説明は省略する。図６に示すように、整流部２５１は、整流部材５０と、整流部材５０の排気下流側に配された加水分解触媒２５２とを備えている。加水分解触媒２５２としては、例えば、窒化ケイ素製のハニカムやメタルハニカムの壁面に酸化チタンを担持させたものや、コージェライトハニカムの壁面に酸化アルミニウムを担持させたもの等を使用できる。加水分解触媒２５２は、整流部材５０の下流端の近傍に開口５０Ｂに面して配されている。

かかる構成の整流部２５１では、尿素水噴射バルブ３０から噴射され整流部材５０により拡散された尿素水が加水分解触媒２５２を通過する。この際、尿素水の加水分解が促進される。そして、尿素水及び加水分解により生じたアンモニアが、旋回流となった排気ガスにより接続配管２４の排気下流側へ送られる。

図７は、他の実施形態に係る整流部３５１を示す断面図である。なお、上述の実施形態と同様の構成には同一の符合を付し、説明は省略する。図７に示すように、整流部３５１には、整流部材３５０が設けられている。整流部材３５０は、両端が開口した円錐台形状の管材であり、尿素水噴射バルブ３０と同軸に配されている。

整流部材３５０の小径の開口３５０Ａは、尿素水噴射バルブ３０の噴射口に対向して配され、整流部材３５０の大径の開口３５０Ｂは、接続配管２４の上流端に対向して配されている。整流部材３５０の開口３５０Ｂの縁部と接続配管２４の上流端及び第２チャンバ２３Ｂとの間には、排気ガスが通過する隙間が空けられている。

整流部材３５０は、多孔部材であり、メタルハニカムを円錐台形状に成型することにより形成されており、矩形状の小孔３５０Ｃが周方向及び軸方向に狭い間隔で形成されている。ここで、メタルハニカムの隔壁３５０Ｄは、メタルハニカムの厚み方向に対して傾斜しており、整流部材３５０の軸心に対して平行に配されている。これにより、隔壁３５０Ｄは、小孔３５０Ｃを通過した排気ガスを排気下流側へ導くガイドとして機能する。

かかる構成の整流部３５１では、上述の整流部５１と同様、噴射（噴霧）された尿素水は、整流部材３５０が上流側から下流側へかけて拡径していることにより、また、小孔３５０Ｃから流入した排気ガスが隔壁３５０Ｄにより排気下流側へ導かれることにより、拡散される。そして、拡散された尿素水と旋回流となった排気ガスとが、接続配管２４内で混合する。

図８は、他の実施形態に係る整流部４５１を示す断面図である。なお、上述の実施形態と同様の構成には同一の符合を付し、説明は省略する。図８に示すように、整流部４５１は、整流部材３５０と、整流部材３５０の排気下流側に配された加水分解触媒２５２とを備えている。

かかる構成の整流部４５１では、上述の整流部２５１と同様、尿素水噴射バルブ３０から噴射され整流部材３５０により拡散された尿素水が加水分解触媒２５２を通過する。この際、尿素水の加水分解が促進される。そして、尿素水及び加水分解により生じたアンモニアが、旋回流となった排気ガスにより接続配管２４の排気下流側へ送られる。

なお、本発明は、上述の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、適宜変形して実施することが可能である。

１排気浄化ユニット、２０前段ケーシング、２０Ａ第１ケーシング、２０Ｂ第２ケーシング、２１第１酸化触媒、２２フィルタ、２３ミキサーチャンバ、２３Ａ第１チャンバ、２３Ｂ第２チャンバ、２４接続配管、２４Ａ第１配管、２４Ｂ第２配管、３０尿素水噴射バルブ、４０後段ケーシング、４１ＳＣＲ触媒、４２第２酸化触媒、５０整流部材、５０Ａ開口、５０Ｂ開口、５０Ｃ小孔、５０Ｄ爪、５１整流部、１５１整流部、１５２衝突板ミキサ、１５２Ａ拡散板、２５１整流部、２５２加水分解触媒、３５０整流部材、３５０Ａ開口、３５０Ｂ開口、３５０Ｃ小孔、３５０Ｄ隔壁、３５１整流部、４５１整流部

Claims

内燃機関の排気系に設けられ、アンモニアを還元剤として排気中の窒素酸化物を選択還元する選択還元型触媒と、
前記選択還元型触媒に排気ガスを送る排気管と、
前記排気管の排気上流端に対向して配され、前記排気管内に尿素水を噴射する尿素水噴射装置と、
触媒を収容するケーシングの排気下流端と前記排気管の排気上流端とを接続し、排気ガスが前記ケーシングから前記排気管へ折り返されて流れる流路を形成するチャンバと、
前記チャンバに設けられ、前記尿素水噴射装置の噴射口の近傍から前記排気管に向かって次第に拡径しながら延びる円錐台形状の管材であり、複数の通気口が形成され、各通気口毎に、排気ガスを排気下流側へ導くガイドが設けられている整流部材と
を備える排気浄化ユニット。
前記整流部材の排気下流端に配された多孔材を備える請求項１に記載の排気浄化ユニット。
前記整流部材の排気下流端に配された加水分解触媒を備える請求項１に記載の排気浄化ユニット。