JP5081496B2 - 内燃機関の排気後処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関、特に動力車両用内燃機関の排気後処理装置に関する。

選択的触媒還元法（ＳＣＲ法）は、排気中の全気体成分が還元されるのでなく、窒素酸化物のみが還元される、選択的化学反応に係るものである。自動車技術では、ディーゼルエンジンを備えたトラックや商用車の汚染物質排出量をＥＵ４の基準を満たすように減少させることを可能とするため、この方法がますます用いられるようになっている。還元に必要なアンモニアは直接、すなわち純粋形態では添加されず、尿素の水性溶液を排気ラインに噴射し、加水反応により尿素水溶液のアンモニアと水への分解が生じるという形で添加される。ＳＣＲ法の利点は、排気から煤粒子と窒素酸化物を除去し、それらの排出を確実に減少させるという点である。以前の方法には、特に、浄化すべき排気への尿素の混合が、しばしば不適切にしか実現されないという欠点があった。

本発明は、上記タイプの排気後処理装置の改良形態であって、特に、浄化すべき排気への還元剤の混合を改善した点を特徴とするものを提供するという課題に関する。

本発明によれば、かかる課題は、本発明の独立請求項の主題によって解決される。有利な実施形態は従属請求項の主題となっている。

本発明が立脚するのは、排気後処理装置内で、浄化すべき排気の流れの向きを何度も変え、これにより、排気と添加された尿素との格別良好な、徹底的な混合を実現するという一般的アイデアである。従って排気後処理装置は、ハウジングと、混合室に開口し、前記ハウジング内部に進入するパイプを備える。前記混合室は壺（pot）形で、前記排気パイプの口に覆いかぶさり、これにより流入する排気の流れ方向は反転し、前記排気パイプの放射方向外側で前記排気は逆流する。前記壺形混合室の開放端は捕集空間に開口する。その捕集空間は、好ましくは気密設計として、排気をもれなく下流のＳＣＲ触媒コンバータに送ることができるようにする。本発明排気後処理装置の利点は、排気流の反転が合計３６０°になり、浄化すべき排気と、最初に前記排気後処理装置に添加された尿素及び／またはアンモニアとの混合が、格別良好に、徹底的に行われるということである。格別良好で徹底的な混合は、翻って、窒素酸化物のほぼ完全な還元という結果をもたらす。

前記排気パイプはその口の領域に穴明き壁を有しているとよい。かかる穴明き壁はより強い乱流を生成し、尿素及び／または還元剤と浄化すべき排気との混合を、穴明きでない排気パイプと比較して、改善することができる。

本発明の有利な実施形態では、前記混合室と前記捕集空間の間に、次の流れ誘導要素の少なくとも１個が設けられている：穴明き板、旋回要素、螺旋要素。ここに掲げられた要素はすべて排気流に方向変換を生じさせ、排気に補助的な混合をもたらす。自明な事柄であるが、本発明排気後処理装置において、前記要素は単独で用いてもよく、他の要素と組み合わせて用いてもよい。

本発明の他の有利な実施形態では、前記ＳＣＲ触媒コンバータの下流に音響吸収空間が設けられる。前記ＳＣＲ触媒コンバータにおける触媒反応、すなわち窒素酸化物の還元の後、排気流は前記音響吸収室に送られ、そこで音響は吸収され、騒音排出は、例えば前記室に適切なライニングを施すことにより減少する。前記排気後処理装置は、単に排気を浄化するという目的を満足するだけでなく、同時にマフラーの機能も満足して、格別コンパクトな設計が実現される。

前記ＳＣＲ触媒コンバータの下流にＮＯ_xセンサが設けられているとよい。かかるＮＯ_xセンサは前記ＳＣＲ触媒コンバータから排出される排気中のＮＯ_xを計測し、計測値を分析装置に送る。分析装置は検出された前記値を設定された判定基準値と比較する。加えて、尿素の添加、ひいては還元プロセスを、実際の計測値と設定された判定基準値との乖離に基づき調整することも考えられる。

本発明の他の重要な特徴及び利点は、従属請求項、図面、及び図面に基づく個々の形象の説明より明らかとなる。

前述の、あるいは後述する特徴は、ここに示された特定の組み合わせでのみ用いられるのではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組み合わせで、あるいは単独で、用いられることは自明である。

本発明に係る排気後処理装置によると、浄化すべき排気への還元剤の混合を改善することができる。

本発明の好ましい実施形態は、図面に描かれ、以下の記述で一層詳細に説明される。同一の、または同等の、または機能的に等しい部品には同一の符号が用いられる。

図面は以下の模式的な図を示す。

図１は排気パイプの領域における排気後処理装置の長手方向断面図である。

図２は図１と同様の図であるが異なる排気パイプを備えたものである。

図３は図２と同様の図であるが異なる排気パイプを備えたものである。

図４は図３と同様の図であるが一端が閉じた排気パイプを備えたものである。

図５は図４と同様の図であるが排気パイプの壁が口の領域で穴明きとなったものである。

図６は図５と同様の図であるが排気パイプの一端が開放したものである。

図７はベンチュリーノズルを備えた排気パイプの長手方向断面図である。

図８は図２と同様の排気後処理装置の長手方向断面図であるが、複数のＳＣＲ触媒コンバータを備えたものである。

図９は排気後処理装置の線ＩＸ−ＩＸに沿った横断面図である。

図１によれば、内燃機関（図示せず）用の本発明排気後処理装置１はハウジング２を備え、その中に、混合室３に開口する排気パイプ４が進入する。前記混合室３は壺（pot）の形に設計され、全ての実施形態において、湾曲した障壁板５を有している。この障壁板５は、例えば焼結金属板を有し、またはそのように設計することができる。前記混合室３は、前記排気後処理装置１を流れ、前もって尿素のような還元剤が添加された排気を徹底的に混合する役割を担う。排気中に存在する窒素酸化物を首尾良く除去するため、好ましくは、排気は還元剤、例えば尿素と均一に混合されねばならない。図１に示すように、排気は前記排気パイプ４を通って左から右へと流れ矢印６に沿って前記混合室３に流れ込む。前記混合室３が壺形に設計されていることから、流入する排気の向きが逆転し、前記排気パイプ４の放射方向外側を右から左に還流する。左側領域、すなわち前記壺形混合室３の開放端７に達した排気は捕集空間８に流れ込み、捕集空間８は排気を下流のＳＣＲ触媒コンバータ９に送る。前記捕集空間８は気密設計とし、前記混合室３から前記捕集空間８に流れ込んだ排気を、好ましくはもれなくＳＣＲ触媒コンバータ９に送ることができるようにする。

前記排気パイプ４の放射方向外側には、図１から６によれば、いわゆる還流環状空間１０が形成される。この還流環状空間の中を排気は、流れ６の方向が１８０°変わる反転を行った後、前記混合室３の開口端７に向かって流れる。図１から６までの全ての図は、どれも、窒素酸化物還元用のＳＣＲ触媒コンバータ９を部分的にのみ示す。

前記ＳＣＲ触媒コンバータ９の下流側には、好ましくは、第２の捕集空間１１が配置され、その中に排気は集められ、そこから音響吸収室２０へと送られる。音響吸収室２０には、例えば、音響フィルタ及び／または粒子フィルタがある。同様に、前記ＳＣＲ触媒コンバータ９の下流にはＮＯ_xセンサ１２が設けられる。ＮＯ_xセンサ１２は浄化すべき排気流に存在する窒素酸化物の量を計測し、この情報を分析機と制御ユニット（図示せず）に伝達する。前記分析機と制御ユニットは、ＮＯ_xの実際の計測値と、前もって設定されたＮＯ_xの判定基準値とを比較し、必要なら尿素添加量を再調整する。ＮＯ_xの限界超えが生じたならば、例えば制御ランプを点灯させてエンジントルクの低下を促すといった手段をとることも考えられる。

一般的に、前記排気後処理装置１はできる限り機関に近づけて配置すべきである。同様に、複数のＳＣＲ触媒コンバータ９が、互いに平行に、好ましくはその全てが共通の捕集空間８から排気の供給を受けるよう配置される。図８、９にのみ示すこれらの追加のＳＣＲ触媒コンバータ９は、例えば図１から６に示される前記ＳＣＲ触媒コンバータ９の下に、それと平行に配置することができる。

図１の変更として、前記排気パイプ４の口の前記混合室３への突き出し量を小さくし、例えば、図の破線１３の領域で終わらせることも考えられる。

図２から図６には、前記排気パイプ４の口の領域の多様な形態が以下のようにより詳細に説明されている。

図２に示す排気パイプ４は、前記混合室３の領域で、壁が放射方向内側へテーパをなすように設計されており、テーパの領域で穴明け加工がなされている。従って、排気は前記穴を通って放射方向に外側に向かって流れ、流れ矢印６に従って前記混合室３に入る。前記穴は排気と還元剤の間の混合過程を支援する働きもする。

図３に示す排気パイプ４も、前記混合室３の領域でテーパをなし、テーパの領域で穴明け加工がなされているが、図２と比較した場合、長手方向の穴明け範囲が断然小さくされている。ここでの流れ特性は図２の場合とほぼ類似、すなわち排気は前記排気パイプ４をその軸端に設けられた開口から離脱する。還元剤と排気の間の混合効果を補助的に促進するため、穴明き板、旋回要素、螺旋要素といった流れ誘導要素１８を、前記還流環状空間１０または前記混合室３に配置することができる。前記壺形混合室３に、前記還流環状空間１０に沿う穴明き螺旋溝（perforated screw channel）１９という形で螺旋装置を持たせることも考えられる。

図４に示す排気パイプ４も図３の前記排気パイプと同様前記混合室３内に穴明き領域を有するが、ここでは、排気が前記排気パイプ４の端で軸線方向に離脱するのでなく、前記排気パイプ４の前記口の領域及び／または前記壁に設けられた開口１４から離脱する。

図５に示す排気パイプ４は、軸線方向の端が板１５で閉ざされ、且つ、前記混合室３内の前記排気パイプ４の軸線方向の端近くに、前記排気パイプ４の壁を放射方向に通り抜ける開口１４´を有している。

図６では、前記排気パイプ４の端の領域が、軸線方向の通路と、前記排気パイプ４の壁に設けられた開口１４″を有している。この方式により、排気は前記排気パイプ４を軸線方向にも放射方向にも離脱でき、前記混合室３内で、格別良好な混合効果が達成される。図６では、前記開口１４″は前記排気パイプ４の軸線１６上に位置しているが、他のやり方で前記開口１４″を前記排気パイプ４の壁に配置することも考えられる。前記排気パイプ４は前記混合室の端に対しある角度をもって終わっているので、前記混合室３内における混合工程はこれによっても補助的に支援される。

加えて、またはそれに代えて、図１から６に示す前記排気パイプ４の端の領域に対し、図７に示すように、前記排気パイプ４をベンチュリーノズルとして設計するか、または、ベンチュリーノズルとして設計されたインサート部品１７を設けることができる。かかるベンチュリーノズルでは、前記排気パイプ４の最も狭くなった箇所での真空と流れ速度の増大を、何ら付加的な動的影響を及ぼすことなく実現することができる。図７によれば、最も狭くなった箇所を通過した後、前記インサート部品１７にやはり開口１４″が設けられていて、還元剤と排気流との徹底的な混合を補助的に促進する。

図８は長さを短縮した本発明排気後処理装置１の長手方向断面を示し、２個のＳＣＲ触媒コンバータ９が前記混合室３の下に配置され、各々一端で前記捕集空間８に連通し、他端で前記第２捕集空間１１に連通する。図９に示すように、前記排気後処理装置１は、複数の、例えば７個の、ＳＣＲ触媒コンバータが、並列に、且つ縦並び及び／または横並びで、配置されるよう設計することができる。ＮＯ_x含有量は前記ＳＣＲ触媒コンバータ９の下流で、例えば音響吸収室２０の直前で計測される。上述のように、前記ＳＣＲ触媒コンバータ９は全て前記捕集空間８に連結されて流れ流入端でそれに連通し、流れ流出端では前記音響吸収室２０に連結されて前記第２捕集空間１１経由でそれに連通する。もちろん他の形態も、特にＳＣＲ触媒コンバータの数を増やしたものも、考えられる。

は、排気パイプの領域における排気後処理装置の長手方向断面図である。 は、図１と同様の図であるが異なる排気パイプを備えたものである。 は、図２と同様の図であるが異なる排気パイプを備えたものである。 は、図３と同様の図であるが一端が閉じた排気パイプを備えたものである。 は、図４と同様の図であるが排気パイプの壁が口の領域で穴明きとなったものである。 は、図５と同様の図であるが排気パイプの一端が開放したものである。 は、ベンチュリーノズルを備えた排気パイプの長手方向断面図である。 は、図２と同様の排気後処理装置の長手方向断面図であるが、複数のＳＣＲ触媒コンバータを備えたものである。 は、排気後処理装置の線ＩＸ−ＩＸに沿った横断面図である。

符号の説明

１ 排気後処理装置
２ ハウジング
３ 混合室
４ 排気パイプ
５ 障壁板
６ 流れ矢印
７ 開放端
８ 捕集空間
９ ＳＣＲ触媒コンバータ
１０ 還流環状空間
１１ 第２の捕集空間
１２ ＮＯ_xセンサ
１３ 破線
１４ 開口
１５ 板
１６ 軸線
１７ インサート部品
１８ 流れ誘導要素
１９ 穴明き螺旋溝
２０ 音響吸収室

Claims (6)

1. 内燃機関の排気後処理装置（１）であって、
   混合室（３）へと排気パイプ（４）が開口し進入するハウジング（２）を有し、
   前記混合室（３）は壺の形に設計され、流入排気から流れ（６）の方向を反転させ、それを前記排気パイプ（４）の放射方向外側に戻すものであり、
   前記壺形混合室（３）の開放端（７）は、前記排気を少なくとも１個の下流側ＳＣＲ触媒コンバータ（９）に供給する捕集空間（８）に開口し、
   前記排気パイプ（４）はベンチュリーノズルとして設計され、または、ベンチュリーノズルとして設計されたインサート（１７）を有し、
   前記混合室（３）に流入する前記排気には、前もって還元剤が添加されており、
   前記捕集空間（８）は、前記開放端（７）と前記排気パイプ（４）の外周との隙間を通して前記混合室（３）から流れ込んだ前記排気を、流れ方向を反転させてから、前記少なくとも１個の下流側ＳＣＲ触媒コンバータ（９）に供給し、
   前記排気パイプ（４）は、前記混合室（３）内に進入している領域で、穴明き加工がなされている。
2. 請求項１に記載の排気後処理装置であって、以下を特徴とするもの：
   前記混合室（３）内に、前記排気パイプ（４）の出口に対向して障壁板（５）が配置される。
3. 請求項１または２に記載の排気後処理装置であって、以下を特徴とするもの：
   次の流れ誘導要素（１８）の少なくとも１個が前記混合室（３）と前記捕集空間（８）の間に配置されている：穴明き板、旋回要素、螺旋要素。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の排気後処理装置であって、以下を特徴とするもの：
   前記ＳＣＲ触媒コンバータ（９）の下流に音響吸収室（２０）が配置されている。
5. 請求項４に記載の排気後処理装置であって、以下を特徴とするもの：
   前記音響吸収室（２０）に音響フィルタ及び／または粒子フィルタが配置されている。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の排気後処理装置であって、以下を特徴とするもの：
   前記ＳＣＲ触媒コンバータ（９）の下流にＮＯ _x センサ（１２）が配置されている。

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