JP2020169616A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大幅なコストの高騰や顕著な圧力損失の増加を招くことなく尿素水等の添加剤の気化を促進し得る排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気系の途中に装備され且つその反応に尿素水（添加剤）の添加が必要な選択還元型触媒４（後処理装置）と、該選択還元型触媒４より上流で排気ガス１に尿素水を噴射するインジェクタ１０（添加剤噴射装置）と、該インジェクタ１０から前記選択還元型触媒４までの間に介装されて排気ガス１を導きながら尿素水の気化時間を稼ぐ連絡管路７とを備えた排気浄化装置に関し、前記連絡管路７における尿素水の噴射位置直後に屈曲部１３を形成し、該屈曲部１３の出側における曲がり方向外側に排気ガス１の流れを飛び越させて流路壁面からの剥離を促す飛越台１４を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

近年、排気管の途中に排気ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを備えると共に、該パティキュレートフィルタの下流側に酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る選択還元型触媒を備え、該選択還元型触媒と前記パティキュレートフィルタとの間に還元剤として尿素水を添加してパティキュレートとＮＯxの同時低減を図ることが提案されている。

この場合、選択還元型触媒への尿素水の添加は、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒との間で行われることになるため、排気ガス中に添加された尿素水がアンモニアと炭酸ガスに熱分解されるまでの十分な反応時間を確保しようとすれば、尿素水の添加位置から選択還元型触媒までの距離を長くする必要があるが、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒とを十分な距離を隔てて離間配置させてしまうと、車両への搭載性が著しく損なわれてしまう。

このため、例えば、図７に示す如きコンパクトな排気浄化装置のレイアウトが既に採用されており、ここに図示されている例では、エンジンからの排気ガス１が流通する排気管２の途中に、排気ガス１中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ３と、該パティキュレートフィルタ３の下流側に酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒４とをケーシング５，６により夫々抱持してＬ字形に配置し、前記選択還元型触媒４のケーシング６に沿う連絡管路７により前記パティキュレートフィルタ３の出側と前記選択還元型触媒４の入側との間を接続し、前記パティキュレートフィルタ３の出側から略直角な向きに排出された排気ガス１が前記連絡管路７の終端部で折り返されて前記選択還元型触媒４の入側に導入されるようになっている。

より具体的には、パティキュレートフィルタ３の出側の端面を包囲し且つ該端面から出た直後の排気ガス１を略直角な向きに方向転換させつつ集合せしめるガス集合室８と、選択還元型触媒４の入側の端面を包囲し且つ該端面に導入される排気ガス１をＵターンさせつつ分散せしめるガス分散室９との間が前記連絡管路７により接続されており、前記ガス集合室８における前記連絡管路７の入口と対峙する位置には、尿素水（還元剤：添加剤）を排気ガス１中に噴射し得るようインジェクタ１０（添加剤噴射装置）が装備されている。

尚、ここに図示されている例では、パティキュレートフィルタ３が抱持されているケーシング５内の前段に、排気ガス１中の未燃燃料分を酸化処理する酸化触媒１１が装備されており、また、選択還元型触媒４が抱持されているケーシング６内の後段には、余剰のアンモニアを酸化処理するアンモニア低減触媒１２が装備されている。

そして、このような構成を採用すれば、パティキュレートフィルタ３により排気ガス１中のパティキュレートが捕集されると共に、そのガス集合室８でインジェクタ１０から尿素水が排気ガス１中に添加されて連絡管路７を通過する間にアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、選択還元型触媒４上で排気ガス１中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化される結果、排気ガス１中のパティキュレートとＮＯxの同時低減が図られることになる。

この際、パティキュレートフィルタ３の出側から排出された排気ガス１が連絡管路７を経由して選択還元型触媒４の入側に導入されるようになっているので、尿素水の添加位置から選択還元型触媒４までの距離が長く確保され、尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間が確保されると共に、連絡管路７を選択還元型触媒４のケーシング６に沿わせて配置し且つ排気ガス１を折り返して前記選択還元型触媒４に導入するようにしているので、その全体構成がコンパクトなものとなって車両への搭載性が大幅に向上されることになる。

ここで、尿素水からアンモニアへの転化を効率良く進めるためには、連絡管路７における尿素水の気化を積極的に促進してアンモニア生成の実質的な化学反応を進める必要があり、例えば、連絡管路７の入口に近い流路内に、排気ガス１の流れを遮るように複数枚の羽根を設置し、これにより排気ガス１の流れに旋回流や乱流を発生させて尿素水の撹拌を促し、該尿素水と連絡管路７の内周面との接触頻度を高めて該内周面からの受熱による尿素水の気化を促すようにしている。

尚、この種の排気浄化装置に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特開２０１５−４８７１５号公報

しかしながら、前述した如き複数枚の羽根を流路内に設置した従来構造にあっては、部品点数や組立工数の増加により大幅なコストの高騰を招いてしまい、しかも、各羽根による抵抗が大きすぎて顕著な圧力損失の増加を招いてしまうという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、大幅なコストの高騰や顕著な圧力損失の増加を招くことなく尿素水等の添加剤の気化を促進し得る排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気系の途中に装備され且つその反応に添加剤の添加が必要な後処理装置と、該後処理装置より上流で排気ガスに添加剤を噴射する添加剤噴射装置と、該添加剤噴射装置から前記後処理装置までの間に介装されて排気ガスを導きながら添加剤の気化時間を稼ぐ連絡管路とを備えた排気浄化装置であって、前記連絡管路における前記添加剤の噴射位置直後に屈曲部を形成し、該屈曲部の出側における曲がり方向外側に排気ガスの流れを飛び越させて流路壁面からの剥離を促す飛越台を設けたことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、添加剤噴射装置により添加剤を噴射された排気ガスが屈曲部を通過する際に、該屈曲部の曲がり方向外側に偏りながら流れて飛越台に乗り上げ、該飛越台を飛び越す際に流路壁面から剥離して乱流を生じ、これにより排気ガス中に噴射された添加剤が効果的に撹拌され、該添加剤と連絡管路の内周面との接触頻度が高められて該内周面からの受熱が増え、斯かる状態が連絡管路を通過するまで継続されることで添加剤の気化が著しく促進されることになる。

また、本発明を具体的に実施するにあたっては、前記後処理装置を酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応せしめる選択還元型触媒とし、該選択還元型触媒より上流で添加剤噴射装置により還元剤を添加剤として噴射し得るよう構成することが好ましく、このようにすれば、前述と同様に還元剤の気化が促進されることで尿素水のアンモニアへの転化や燃料のＨＣガスへの転化を早期に実現することが可能となる。

更に、本発明においては、前記飛越台が上流側に上り勾配の登坂部を成し且つ下流側には前記登坂部の上り勾配より急峻な下り勾配の断崖部を成す山形断面で形成されていることが好ましく、このようにすれば、前記登坂部に排気ガスの流れを円滑に乗り上げさせてから断崖部により流路断面積を急変させて流路壁面からの剥離を促し、排気ガスの流れに対し圧力損失の増大を極力抑えつつ効果的な乱流化を図ることが可能となる。

また、本発明においては、前記屈曲部における曲がり方向外側を内側へ寄せて流路断面積を相対的に狭めたスロート部を形成し、該スロート部の直後に飛越台を配置することが好ましく、このようにすれば、前記スロート部の通過時に排気ガスの流速が高められ且つその主流が前記飛越台を飛び越すことで排気ガスの流れの剥離が生じ易くなり、排気ガスの乱流化がより顕著となる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、従来の如き複数枚の羽根を流路内に設置した構造を採用しなくても、連絡管路の流路に簡易な形状変更を施すだけで添加剤の気化を促進することができるので、部品点数や組立工数を従来より減らしてコストの大幅な削減を図り且つ大幅な圧力損失の増加も回避することができ、しかも、添加剤の気化を促進できることで後処理装置における効果的な反応を促して大幅な性能向上を図ることもできる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、還元剤の気化を促進することができて尿素水のアンモニアへの転化や燃料のＨＣガスへの転化を早期に実現することができ、選択還元型触媒の触媒性能を十分に引き出して高いＮＯx低減効果を得ることができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、登坂部に排気ガスの流れを円滑に乗り上げさせてから断崖部により流路断面積を急変させて流路壁面からの剥離を促すようにしているので、排気ガスの流れに対し圧力損失の増大を極力抑えつつ効果的な乱流化を図ることができる。

（ＩＶ）本発明の請求項４に記載の発明によれば、スロート部の通過時に排気ガスの流速を高め且つその主流を飛越台を飛び越させることで排気ガスの流れの剥離を生じ易くさせることができて添加剤の更なる気化の促進を図ることができる。

本発明を実施する形態の一例を示す正面図である。 図１の連絡管路における屈曲部の外観を示す斜視図である。 図２の屈曲部を破断して飛越台の外観を示す斜視図である。 図１の屈曲部での排気ガスの乱流化の様子を示す模式図である。 図４の飛越台の詳細を示す断面図である。 本発明の別の形態例を示す平面図である。 従来例を示す平面図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図５は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例においては、前述した図７のものと略同様に構成した排気浄化装置となっており、エンジンからの排気ガス１が流通する排気系の途中に、排気ガス１中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ３と、該パティキュレートフィルタ３の下流側に酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒４とをケーシング５，６により夫々抱持してＬ字形に配置し、選択還元型触媒４のケーシング６に沿う連絡管路７によりパティキュレートフィルタ３の出側と選択還元型触媒４の入側との間を接続し、パティキュレートフィルタ３の出側からガス集合室８を介し略直角な向きに排出された排気ガス１が連絡管路７の終端部でガス分散室９を介し折り返されて選択還元型触媒４の入側に導入されるようになっている。

ただし、前記連絡管路７の入口近くに屈曲部１３が形成され、該屈曲部１３の出側における曲がり方向外側に排気ガス１の流れを飛び越させて流路壁面からの剥離を促す飛越台１４が設けられているところが特徴となっており、より具体的には、ガス集合室８の真下から選択還元型触媒４に近づく側へ所要角度ずれた位置に前記連絡管路７の始端部が斜め下方から接続されて該連絡管路７の入口が形成され、この連絡管路７の入口近くが斜め下方に一旦下がってから上がり直すことで前記屈曲部１３が形成されている。

しかも、図示している例においては、前記屈曲部１３における曲がり方向外側を内側へ寄せて流路断面積を相対的に狭めたスロート部１５が形成されるようになっており、より具体的には、前記屈曲部１３の下方部分が水平なフラット面１６を成して上方へ底上げされている。尚、このような前記屈曲部１３の下方部分の底上げは、車両の最低地上高を確保する上でも寄与することになる。

そして、前記飛越台１４は、前記スロート部１５を経たフラット面１６の下流側に板金部品を溶接することで設けられており、上流側に上り勾配の登坂部１４ａを成し且つ下流側に前記登坂部１４ａの上り勾配より急峻な下り勾配の断崖部１４ｂを成す山形断面で形成されている。

尚、前記飛越台１４の登坂部１４ａ及び断崖部１４ｂに関し、山形断面を成していることに鑑み上流側の頂部に向かう傾斜を上り勾配と称し、頂部を乗り越えた下流側の傾斜を下り勾配と称しているが、前記屈曲部１３の曲がり方向の向きによっては、必ずしも実際の上下方向に合致した上り下りにならない場合もあり得ることは勿論である。

更に、補足して説明しておくと、前記登坂部１４ａの上り勾配とは、飛越台１４に差し掛かった時の排気ガス１の向き（図示例では水平方向：フラット面１６に沿う方向）を基準として、この排気ガス１の向きを前記登坂部１４ａにより前記屈曲部１３の曲がり方向内側へ向かわせる勾配α（図５参照）のことを指しており、また、前記断崖部１４ｂの下り勾配とは、前記登坂部１４ａの終端から前記屈曲部１３の曲がり方向外側へ大きく屈折した前記断崖部１４ｂが、前記基準とした排気ガス１の向きに対し成す勾配β（図５参照）のことを指しており、ここに図示している例では、前記フラット面１６に対し前記登坂部１４ａ及び断崖部１４ｂが成す角度と等しい。

一方、図１に示されている通り、前記連絡管路７の入口と対峙する前記ガス集合室８の斜め上方位置には、前記連絡管路７の入口に向けて尿素水（還元剤：添加剤）を噴射し得るようインジェクタ１０（添加剤噴射装置）が傾斜配置されており、該インジェクタ１０による前記尿素水の噴射位置直後に前記屈曲部１３が配置されるようにしてある。

而して、このように排気浄化装置を構成すれば、インジェクタ１０により尿素水を噴射された排気ガス１が屈曲部１３を通過する際に、該屈曲部１３の曲がり方向外側に偏りながら流れて飛越台１４に乗り上げ、該飛越台１４を飛び越す際に流路壁面から剥離して乱流を生じ、これにより排気ガス１中に噴射された尿素水が効果的に撹拌され、該尿素水と連絡管路７の内周面との接触頻度が高められて該内周面からの受熱が増え、斯かる状態が連絡管路７を通過するまで継続されることで尿素水の気化が著しく促進され、該尿素水のアンモニアへの転化が早期に実現されることになる。

特に本形態例の場合は、前記飛越台１４が上流側に上り勾配の登坂部１４ａを成し且つ下流側には前記登坂部１４ａの上り勾配より急峻な下り勾配の断崖部１４ｂを成す山形断面で形成されているので、前記登坂部１４ａに排気ガス１の流れを円滑に乗り上げさせてから断崖部１４ｂにより流路断面積を急変させて流路壁面からの剥離を促し、排気ガス１の流れに対し圧力損失の増大を極力抑えつつ効果的な乱流化を図ることが可能となる。

即ち、従来の如く、排気ガス１の流れを遮るように複数枚の羽根を設置し、これにより排気ガス１の流れに旋回流や乱流を発生させて尿素水の撹拌を促すようにした場合には、排気ガス１の流れが直接的に堰き止められて顕著な圧力損失の増加を招いてしまうが、本形態例の如く、飛越台１４の登坂部１４ａに排気ガス１の流れを円滑に乗り上げさせてから断崖部１４ｂにより流路断面積を急変させて流路壁面からの剥離を促すようにすれば、排気ガス１の流れを直接的に堰き止めなくて済むことで顕著な圧力損失の増加を回避することが可能となる。

事実、本発明者による検証実験によれば、飛越台１４を設けた場合と、該飛越台１４を設けなかった場合とで、殆ど変わらない排気圧を維持しながらも、前記飛越台１４により尿素水の気化を促進して下流の選択還元型触媒４におけるＮＯx浄化率を２.７０％程度も改善できることが確かめられている。

また、特に本形態例においては、前記屈曲部１３における曲がり方向外側を内側へ寄せて流路断面積を相対的に狭めたスロート部１５を形成し、該スロート部１５の直後に飛越台１４を配置しているので、前記スロート部１５の通過時に排気ガス１の流速が高められ且つその主流が前記飛越台１４を飛び越すことで排気ガス１の流れの剥離が生じ易くなり、排気ガス１の乱流化がより顕著に促進されることになる。

従って、上記形態例によれば、従来の如き複数枚の羽根を流路内に設置した構造を採用しなくても、連絡管路７の流路に簡易な形状変更を施すだけで尿素水の気化を促進することができるので、部品点数や組立工数を従来より減らしてコストの大幅な削減を図り且つ大幅な圧力損失の増加も回避することができ、しかも、尿素水の気化を促進することができて該尿素水のアンモニアへの転化を早期に実現することができるので、選択還元型触媒４の触媒性能を十分に引き出して高いＮＯx低減効果を得ることができる。

図６は本発明の別の形態例を示すもので、パティキュレートフィルタ３と選択還元型触媒４とをケーシング５，６により夫々抱持して並列に配置し、パティキュレートフィルタ３の出側と選択還元型触媒４の入側との間を連絡管路７により接続し、パティキュレートフィルタ３の出側からガス集合室８を介し折り返された排気ガス１が連絡管路７を通りガス分散室９を介し折り返されて選択還元型触媒４の入側に導入されるようになっており、前記連絡管路７の始端部の中心位置に装備したインジェクタ１０により前記連絡管路７の終端部へ向けて尿素水が添加されるようになっている。

而して、このようなレイアウトとした排気浄化装置の場合であっても、前記連絡管路７における尿素水の噴射位置直後に屈曲部１３を形成し、該屈曲部１３の出側における曲がり方向外側に排気ガス１の流れを飛び越させて流路壁面からの剥離を促す飛越台１４を設けておけば、該飛越台１４にて排気ガス１の流れを流路壁面から剥離させて乱流を起こし、これにより排気ガス１中に噴射された尿素水を効果的に撹拌して該尿素水の気化を著しく促進することができ、前述した図１〜図５の形態例と同様の作用効果を奏することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図１〜図５、図６を用いた形態例の説明では、還元剤が尿素水である場合について説明しているが、選択還元型触媒が、酸素共存下でも選択的にＮＯxをＨＣガスと反応せしめる性質を備えたものである場合には、還元剤が燃料であっても良いこと、また、後処理装置は必ずしも選択還元型触媒に限定されるものではなく、パティキュレートフィルタの前段に備えられて排気昇温を図るための酸化触媒や、排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中のＯ₂濃度の低下時に還元剤の介在によりＮＯxを分解放出するＮＯx吸蔵還元触媒であっても良いこと、更に、排気浄化装置のレイアウトは図１〜図５のＬ字形の例や、図６の並列形の例に限定されるものではないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 排気ガス
４ 選択還元型触媒（後処理装置）
７ 連絡管路
８ ガス集合室
９ ガス分散室
１０ インジェクタ（添加剤噴射装置）
１３ 屈曲部
１４ 飛越台
１４ａ 登坂部
１４ｂ 断崖部
１５ スロート部

Claims (4)

1. 排気系の途中に装備され且つその反応に添加剤の添加が必要な後処理装置と、該後処理装置より上流で排気ガスに添加剤を噴射する添加剤噴射装置と、該添加剤噴射装置から前記後処理装置までの間に介装されて排気ガスを導きながら添加剤の気化時間を稼ぐ連絡管路とを備えた排気浄化装置であって、前記連絡管路における前記添加剤の噴射位置直後に屈曲部を形成し、該屈曲部の出側における曲がり方向外側に排気ガスの流れを飛び越させて流路壁面からの剥離を促す飛越台を設けたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記後処理装置を酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応せしめる選択還元型触媒とし、該選択還元型触媒より上流で添加剤噴射装置により還元剤を添加剤として噴射し得るよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記飛越台が上流側に上り勾配の登坂部を成し且つ下流側には前記登坂部の上り勾配より急峻な下り勾配の断崖部を成す山形断面で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
4. 前記屈曲部における曲がり方向外側を内側へ寄せて流路断面積を相対的に狭めたスロート部を形成し、該スロート部の直後に飛越台を配置したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気浄化装置。

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