JP2018076801A - 内燃機関の排気ガス浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの低温時でも、尿素水からアンモニアへの変化効率を向上させることができる内燃機関の排気ガス浄化システムを提供する。【解決手段】選択還元型触媒装置１１より上流側の排気管１０の外壁に、この外壁１０ａより外側から排気管１０を通過する排気ガスＧに向けて尿素水Ｕを噴射する尿素水噴射装置１２を外壁１０ａより外側に配置された加熱装置１３を介して接続するとともに、この加熱装置１３を格子形状として構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化システムに関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気通路には、選択還元型触媒装置が配置されることがある。選択還元型触媒装置は、排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を装置に担持した選択還元型触媒に吸着させ、この吸着したＮＯｘを還元剤で窒素に還元して浄化する装置である。

選択還元型触媒装置に供給する還元剤としてアンモニアがある。選択還元型触媒装置より上流側の排気通路に備えた尿素水噴射装置より噴射された尿素水を排気ガスの熱で分解してアンモニアに変化させることで、アンモニアが選択還元型触媒装置に供給される。尿素水からアンモニアへの変化には、一定量以上の熱量が必要となるため、排気ガスの低温時にはこの変化が起きにくくなる。

ここで、アンモニア化合物の還元剤を効率的にアンモニアに変換するために、還元剤噴射弁の噴射口の後方の排気通路に加熱器を備えて、噴射弁より加熱器に向けて還元剤を噴射する内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２４２１５５号公報

ところで、上記の内燃機関の排気浄化装置では、排気通路に加熱器を備えているため、排気ガスの低温時には、加熱器は低温の排気ガスに冷却されながら還元剤を加熱することとなる。その結果、尿素水からアンモニアへの変化効率が向上しないとともに、加熱器の消費電力量が大きくなる虞がある。

本発明の目的は、排気ガスの低温時でも、尿素水からアンモニアへの変化効率を向上させることができる内燃機関の排気ガス浄化システムを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路に選択還元型触媒装置を備えて構成される内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記選択還元型触媒装置より上流側の前記排気通路を構成する排気管の外壁に、該外壁より外側から前記排気管を通過する排気ガスに向けて尿素水を噴射する尿素水噴射装置を前記外壁より外側に配置された加熱装置を介して接続するとともに、該加熱装置を格子形状として構成される。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムによれば、排気管の外壁より外側の位置に尿素水噴射装置と加熱装置（ヒーター等）を備えて、尿素水噴射装置より噴射された尿素水を加熱装置による加熱により蒸発させ、アンモニアに変化させてから、排気管を通過する排気ガスに混入するので、排気ガスの低温時でも、低温の排気ガスにより加熱装置が冷却されることがない。その結果、加熱装置により尿素水に一定量以上の熱量を確実に与えることができるので、尿素水からアンモニアへの変化効率を向上させることができる。また、加熱装置の消費電力量を低減することができる。

また、排気管より外側の位置に尿素水噴射装置と加熱装置を備える場合、この２つの装置が近い位置となることが多く、鉄板ヒーター等の通常のヒーターを加熱装置として用いると、加熱装置に衝突した尿素水の内、蒸発しきれなかった尿素水が液膜として加熱装置に付着したり、または、尿素水由来の白色生成物が加熱装置に付着したりして、加熱装置を詰まらせる虞がある。

これに対し、本発明では、加熱装置を格子形状とするため、尿素水噴射装置より噴射された尿素水が加熱装置の格子形状部分を通過時により細かい噴霧となり、蒸発し易くなるので、尿素水の液膜や尿素水由来の白色生成物の加熱装置への付着を防止して、加熱装置の詰まりを防止することができる。その結果、選択還元型触媒装置に到達するアンモニアの量が減少したり、または、加熱装置が詰まってアンモニアが選択還元型触媒装置に到達しなかったりするといった問題の発生を防止することができる。

本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。 本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムの別の構成を示す図である。 尿素水噴射装置の構成を示す図である。 格子形状のヒーターの構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）（図示しない）の排気通路１０に選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）１１を備えて構成されるシステムである。なお、図１では、排気ガス浄化処理装置として、選択還元型触媒装置１１のみを図示しているが、選択還元型触媒装置１１より上流側の排気通路１０には上流側より順に酸化触媒装置（ＤＯＣ）、微粒子捕集装置（ＣＳＦ）が、下流側の排気通路１０にはアンモニアスリップ触媒装置（ＡＳＣ）が配置されている。

選択還元型触媒装置１１は、排気ガスＧに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を装置１１内の選択還元型触媒に吸着させ、この吸着したＮＯｘを還元剤で窒素に還元して浄化する装置である。本発明では、この還元剤としてアンモニア（ＮＨ₃）Ｎを使用する。選択還元型触媒装置１１より上流側の排気通路１０に備えた尿素水噴射装置１２より噴射された尿素水Ｕに熱を加えてアンモニアＮに変化させて、このアンモニアＮと混合された排気ガスＧａを選択還元型触媒装置１１に流入させることで、アンモニアＮは選択還元型触媒装置１１に供給される。

本発明では、選択還元型触媒装置１１より上流側の排気管（排気通路）１０の外壁１０ａに外壁１０ａの外側に配置されたヒーター（加熱装置）１３を介して尿素水噴射装置１２を接続する。より詳細には、排気管１０の外壁１０ａに孔を設け、この設けた孔に尿素水噴射装置１２及びヒーター１３を備えた配管１０ｂを接続する。尿素水噴射装置１２は、尿素水Ｕの噴射方向が排気管１０を通過する排気ガスＧに向う方向となるように配置する。ヒーター１３は、尿素水Ｕが後述する格子形状の面（ヒーター１３の流入口）１３ａに流入するように、尿素水噴射装置１２の尿素水Ｕの噴射方向に配置する。

なお、配管１０ｂが接続される排気管１０の外壁１０ａの位置は、図１に示すように直線形状の排気管１０の外壁１０ａでもよいし、図２に示すように、曲がり形状の排気管１０の外壁１０ａでもよい。また、尿素水噴射装置１２は、図１及び図２に示すように、尿素水Ｕの噴射方向と外壁１０ａの方向が直交するように設ける必要はないが、ヒーター１３は、尿素水Ｕの噴射方向と格子形状の面１３ａが直交するように設けると、尿素水Ｕがヒーター１３を通過し易くなるので好ましい。また、尿素水噴射装置１２とヒーター１３の間の距離は、尿素水ＵからアンモニアＮへの変化効率が最大となるように、予め実験等により最適な距離に設定される。

また、尿素水噴射装置１２は、尿素水貯留タンク（図示しない）より尿素水供給ポンプ（図示しない）を介して供給された尿素水Ｕを内部の尿素水用の通路１２ａを経由して噴射する装置である。この尿素水噴射装置１２は、図３に示すように、尿素水用の通路１２ａを囲うように空気用の通路１２ｂを備えて、空気用の通路１２ｂより供給された空気Ａにより尿素水用の通路１２ａからの尿素水Ｕの噴射の補助を行う構成にすると、噴射された尿素水Ｕが噴霧状態となり易いのでより好ましい。なお、空気Ａは、空気貯留タンク（図示しない）より空気供給ポンプ（図示しない）を介して供給される。

また、ヒーター１３は、尿素水噴射装置１２から尿素水Ｕを噴射しているときで、かつ、排気ガスＧの温度が予め設定された設定温度（例えば２００℃）以下であるときに、尿素水ＵからアンモニアＮへの変化を促進するために作動状態となり、その他のときには停止状態となる。

以上のように、排気管１０の外壁１０ａより外側の位置に尿素水噴射装置１２とヒーター等の加熱装置１３を備えることで、尿素水噴射装置１２より噴射された尿素水Ｕを加熱装置１３による加熱により蒸発させ、アンモニアＮに変化させてから、排気管１０を通過する排気ガスＧに混入することができる。そのため、排気ガスＧの低温時でも、低温の排気ガスＧにより加熱装置１３が冷却されることがなく、加熱装置１３により尿素水Ｕに一定量以上の熱量を確実に与えることができるので、尿素水ＵからアンモニアＮへの変化効率を向上させることができる。また、加熱装置１３の消費電力量を低減することができる。

また、排気管１０より外側の位置に尿素水噴射装置１２とヒーター１３を備える場合、この２つの装置１２、１３が近い位置となることが多く、鉄板ヒーター等の通常のヒーターを用いると、ヒーターに衝突した尿素水Ｕの内、蒸発しきれなかった尿素水Ｕが液膜としてヒーターに付着したり、または、尿素水Ｕ由来の白色生成物がヒーターに付着したりして、ヒーターを詰まらせる虞がある。

これに対し、本発明では、図４に示すように、ヒーター１３の流入口１３ａを格子形状の面として構成する。このようにすることで、尿素水噴射装置１２より噴射された尿素水Ｕがヒーター１３の格子形状部分を通過することにより、熱を受けると共に細かい噴霧となり、蒸発し易くなるので、尿素水Ｕの液膜や尿素水Ｕ由来の白色生成物のヒーター１３への付着を防止して、ヒーター１３の詰まりを防止することができる。その結果、選択還元型触媒装置１１に到達するアンモニアＮの量が減少したり、または、ヒーター１３が詰まってアンモニアＮが選択還元型触媒装置１１に到達しなかったりするといった問題の発生を防止することができる。

なお、ヒーター１３の格子形状の面１３ａの各格子の大きさは、ヒーター１３での尿素水ＵからアンモニアＮへの変化効率が最大となるように、予め実験等により最適な大きさに設定される。また、ヒーター１３の幅（尿素水Ｕの通過方向の長さ）は、ヒーター１３から尿素水Ｕへの伝熱量と配管１０ｂの大きさ等を考慮して、予め実験等により最適値に設定される。

さらに、本発明者は、尿素水噴射装置１２から噴射される尿素水Ｕの噴射粒径（ザウタ平均粒径：全粒子の全表面積に対する全粒子の全体積と同じ表面積対体積率を有する粒子径）を３０μｍ以下とすると、ヒーター１３の格子形状の面１３ａに尿素水Ｕが衝突しても、尿素水Ｕの液膜や尿素水Ｕ由来の白色生成物が生成されなくなるとの知見を数多の実験を通じて得た。すなわち、尿素水噴射装置１２から噴射される尿素水Ｕの噴射粒径を３０μｍ以下とすることで、尿素水Ｕを液膜や白色生成物の形でヒーター１３に滞留させることなく（ヒーター１３を詰まらせることなく）、尿素水Ｕを全量アンモニアＮに変化させて、選択還元型触媒装置１１に供給することができる。

なお、尿素水Ｕの噴射粒径は、例えば次のような方法で変更することができる。その方法とは、尿素水噴射装置１２の噴射圧力を変更する方法であったり、尿素水供給ポンプの吐出圧力を変更する方法であったり、尿素水噴射装置１２自体の仕様を変更する方法であったり、尿素水噴射装置１２内部の空気用の通路１２ｂより供給される空気Ａの圧力や流量を変更する方法である。

また、尿素水Ｕの噴射粒径は、各装置（尿素水噴射装置１２、尿素水供給ポンプ等）の仕様上、実際には数μｍ（例えば３μｍ）〜３０μｍ以下の範囲で設定することとなる。

さらに、本発明では、尿素水噴射装置１２より上流側の排気管１０（外壁１０ａと配管１０ｂの接続位置より上流側の排気管１０）を通過する排気ガスＧの一部を分岐して、この分岐した排気ガスＧを尿素水噴射装置１２とヒーター１３の間の配管１０ｂ内の空間に導入する排気ガス導入機構２０を備えて構成する。図１、図２では、この排気ガス導入機構２０は、配管１０ｂとの接続位置より上流側の外壁１０ａと、尿素水噴射装置１２とヒーター１３の間の配管１０ｂとを接続する分岐通路である。

このようにすることで、尿素水噴射装置１２から噴射された尿素水Ｕの噴霧化を導入された排気ガスＧにより促進することができるので、下流側のヒーター１３での尿素水ＵからアンモニアＮへの変化効率を向上させることができる。

なお、排気ガスＧの低温時に排気ガス導入機構２０より多量の排気ガスＧを流入すると、尿素水Ｕが冷却される虞があるので、排気ガスＧの温度に応じて、排気ガス導入機構２０より導入される排気ガスＧの流量を調整して、尿素水Ｕの噴霧化の促進と温度維持の両立を図ることが好ましい。

１、１Ａ 内燃機関の排気ガス浄化システム
１０ 排気通路（排気管）
１０ａ 排気管の外壁
１０ｂ 配管
１１ 選択還元型触媒装置
１２ 尿素水噴射装置
１２ａ 尿素水用の通路
１２ｂ 空気用の通路
１３ 格子形状のヒーター（加熱装置）
１３ａ 格子形状の面（ヒーターの流入口）
２０ 排気ガス導入機構
Ｕ 尿素水
Ｎ アンモニア
Ｇ 排気ガス
Ｇａ アンモニアと混合された排気ガス
Ａ 空気

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に選択還元型触媒装置を備えて構成される内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、
   前記選択還元型触媒装置より上流側の前記排気通路を構成する排気管の外壁に、該外壁より外側から前記排気管を通過する排気ガスに向けて尿素水を噴射する尿素水噴射装置を前記外壁より外側に配置された加熱装置を介して接続するとともに、該加熱装置を格子形状として構成される内燃機関の排気ガス浄化システム。
2. 前記尿素水噴射装置がこの尿素水噴射装置から噴射される尿素水の噴射粒径を３０μｍ以下となるように構成される請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
3. 前記尿素水噴射装置より上流側の前記排気管を通過する排気ガスの一部を分岐して、この分岐した排気ガスを前記尿素水噴射装置と前記加熱装置の間の空間に導入する排気ガス導入機構を備えて構成される請求項１または２に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。

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