JP5641134B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置に関し、特に尿素添加弁から選択還元型触媒へアンモニア由来の還元剤を供給することにより、排気中の窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を浄化する排気浄化装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒と、選択還元型触媒へ流入する前の排気にアンモニア由来の還元剤を添加する添加弁と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、選択還元型触媒から流出する排気の熱を回収するとともに、回収された熱を添加弁の近傍へ伝達する熱回収装置を設ける技術について記述されている。

特許文献２には、選択還元型触媒と添加弁を備えた内燃機関の排気浄化装置において、添加弁から選択還元型触媒へ至る排気通路にヒータを設ける技術について記述されている。

特許文献３には、内燃機関の排気通路に設けられた触媒担体と、触媒担体より上流の排気通路内へ燃料を供給する添加弁と、添加弁から供給された燃料に着火するグロープラグと、を備えた内燃機関の排気浄化装置について記述されている。

特開２０１０−２７０６２４号公報 特開２００９−２６４２２２号公報 特開２００６−１１２４０１号公報

上記した特許文献１，２に記述されている技術は、還元剤由来の固形物が排気通路内に堆積した場合に、該固形物を除去することを目的とした技術である。

アンモニア由来の還元剤として尿素水溶液が使用される場合は、尿素結晶に加え、シアヌル酸やメラニンなどが生成される場合がある。たとえば、尿素水溶液が排気通路の壁面に衝突すると、壁面上で水分が蒸発して固形化する。その後、固形物が約２００℃から４００℃の雰囲気に曝されると、尿素結晶、シアヌル酸、メラニンが生成され易い。

ところで、上記した特許文献１，２に記述された技術によれば、熱回収装置やヒータにより添加弁近傍や排気通路が加熱される過程において、前記した固形物が４００℃以下の雰囲気に曝される可能性がある。よって、尿素結晶、シアヌル酸、メラニンなどの生成量が却って増加する可能性がある。

本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒と、選択還元型触媒より上流の排気通路へアンモニア由来の還元剤を供給する還元剤供給装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気通路の壁面などに堆積する還元剤由来の固形物を好適に除去することできる技術の提供にある。

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒と、選択還元型触媒より上流の排気通路へアンモニア由来の還元剤を供給する還元剤供給装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、還元剤供給装置から供給される還元剤が接触する箇所に火炎を当てることにより、尿素結晶、シアヌル酸、及びメラニンなどの生成を誘発することなく、固形物を除去するようにした。

詳細には、本発明に係わる内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に配置された選択還元型触媒と、
前記選択還元型触媒より上流の排気通路内へアンモニア由来の還元剤を供給する還元剤供給装置と、
前記選択還元型触媒より上流の排気通路内へ燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料供給装置から供給された燃料に着火することにより火炎を発生させる着火装置と、
を備え、
前記還元剤供給装置、前記燃料供給装置、及び前記着火装置は、前記還元剤供給装置から供給される還元剤と排気通路の壁面との衝突箇所へ前記火炎が到達するように配置されるようにした。

このように構成された内燃機関の排気浄化装置によれば、還元剤供給装置から供給される還元剤と排気通路の壁面との衝突箇所には、燃料供給装置及び着火装置により発生させられる火炎が直接あたるようになる。

排気通路の壁面において還元剤が衝突する箇所（以下、「衝突箇所」と記す）には、還元剤由来の固形物が付着又は堆積する。還元剤由来の固形物は、約２００℃から４００℃の雰囲気（以下、「変性雰囲気」と称する）に曝されると、難溶融性の物質に変化する。たとえば、アンモニア由来の還元剤として尿素水溶液が使用される場合は、シアヌル酸やメラニンなどに変化する。

これに対し、燃料供給装置及び着火装置により発生させられる火炎が前記衝突箇所に直接照射されると、上記したような固形物が前記変性雰囲気に比して十分に高温な雰囲気に曝されることになる。その際、前記固形物が曝される雰囲気は、前記変性雰囲気を経て徐々に昇温するのではなく、前記変性雰囲気より高温な雰囲気に一気に昇温する。その結果、前記固形物がシアヌル酸やメラニンなどに変性することなく、溶融及び除去されるようになる。

したがって、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気通路の壁面などに堆積する還元剤由来の固形物を好適に除去することできる。

なお、燃料供給装置及び着火手段により発生させられる火炎が還元剤供給装置に到達すると、還元剤供給装置の熱劣化などが発生する可能性がある。そのため、還元剤供給装置、燃料供給装置、及び着火装置は、還元剤供給装置から供給される還元剤と排気通路の壁面との衝突箇所へ前記火炎が到達し、且つ還元剤供給装置に前記火炎が到達しないように配置されるようにしてもよい。その場合、還元剤供給装置の熱劣化などを併発することなく、還元剤由来の固形物を除去することができる。

本発明に係わる内燃機関の排気浄化装置は、前記燃料供給装置及び前記着火装置より下流、且つ前記還元剤供給装置より上流の排気通路に配置される前段触媒と、前記燃料供給装置及び前記着火装置により発生させられる火炎を前記前段触媒及び前記衝突箇所へ案内する案内板を更に備えるようにしてもよい。

このような構成によれば、前段触媒を昇温させるための燃料供給装置及び着火装置と、還元剤由来の固形物を除去するための燃料供給装置及び着火装置と、を兼用することができる。その結果、部品点数の増加を抑えつつ、還元剤由来の固形物を好適に除去することが可能になる。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒と、選択還元型触媒より上流の排気通路へアンモニア由来の還元剤を供給する還元剤供給装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気通路の壁面などに堆積する還元剤由来の固形物を好適に除去することできる。

第１の実施例における内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。 燃料添加弁及びグロープラグにより発生させられた火炎の飛行経路を示す図である。 第２の実施例における内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。 燃料添加弁及びグロープラグにより発生させられた火炎の飛行経路を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
先ず、本発明の第１の実施例について図１乃至図２に基づいて説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）であるが、火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）であってもよい。

図１において、内燃機関１には、排気通路２が接続されている。排気通路２は、内燃機関１の気筒内から排出される既燃ガス（排気）を流通させるための通路である。排気通路２の途中には、遠心過給機（ターボチャージャ）のタービン３が配置されている。タービン３より下流の排気通路２には、触媒ケーシング４が配置されている。

前記触媒ケーシング４は、筒状のケーシング内に選択還元型触媒が担持された触媒担体を収容したものである。触媒担体は、たとえば、コーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼から成るハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの基材に、アルミナ系又はゼオライト系の活性成分（担体）をコーティングしたものである。さらに、触媒担体には、酸化能を有する貴金属触媒（たとえば、白金（Ｐｔ））が担持されている。

前記したタービン３と触媒ケーシング４との間に位置する排気通路２には、還元剤添加弁５と、燃料添加弁６と、グロープラグ７と、が取り付けられている。

還元剤添加弁５は、触媒ケーシング４より上流の排気通路２において該排気通路２の径方向外側に窪んだ部分（窪み部）２０に配置され、該還元剤添加弁５が排気通路２内に露出しないようになっている。また、還元剤添加弁５は、第１ポンプ５０を介して還元剤タンク５１に接続されている。第１ポンプ５０は、還元剤タンク５１に貯留されている還元剤を吸引するとともに、吸引された還元剤を還元剤添加弁５へ圧送する。還元剤添加弁５は、第１ポンプ５０から圧送されてくる還元剤を排気通路２内へ噴射する。これら還元剤添加弁５、第１ポンプ５０、及び還元剤タンク５１は、本発明に係わる還元剤供給装置の一実施態様である。

なお、還元剤タンク５１に貯留される還元剤は、アンモニア由来の還元剤である。アンモニア由来の還元剤としては、尿素やカルバミン酸アンモニウムなどの水溶液を用いることができる。本実施例では、アンモニア由来の還元剤として尿素水溶液を用いるものとする。

還元剤添加弁５から尿素水溶液が噴射されると、排気中又は触媒ケーシング４において尿素水溶液が熱分解及び加水分解されてアンモニア（ＮＨ_３）を生成する。このようにして生成されたアンモニア（ＮＨ_３）は、触媒ケーシング４の選択還元型触媒に吸着又は吸蔵される。選択還元型触媒に吸着又は吸蔵されたアンモニア（ＮＨ_３）は、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）と反応して窒素（Ｎ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。つまり、アンモニア（ＮＨ_３）は、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の還元剤として機能する。

燃料添加弁６は、前記還元剤添加弁５より上流の排気通路２に配置される。燃料添加弁６は、第２ポンプ６０を介して燃料タンク６１に接続されている。燃料タンク６１は、内燃機関１の燃料を貯留するタンクである。第１ポンプ６０は、燃料タンク６１に貯留されている燃料を吸引するとともに、吸引された燃料を燃料添加弁６へ圧送する。燃料添加弁６は、第１ポンプ６０から送られてくる燃料を排気通路２内の排気へ噴射する。燃料添加弁６、第１ポンプ６０、及び燃料タンク６１は、本発明に係わる燃料供給装置の一実施態様である。

グロープラグ７は、該グロープラグ７の発熱部が前記燃料添加弁６の噴射口の近傍、或いは前記燃料添加弁６から噴射された燃料の飛行経路上に位置するように配置される。グロープラグ７は、図示しないバッテリやオルタネータから供給される電気エネルギを熱エネルギに変換することにより、発熱部を発熱させるものである。グロープラグ７は、前記燃料添加弁６から燃料が噴射されるときに発熱部を発熱させることにより、燃料を着火せしめる。その場合、燃料が火炎を伴って燃焼しつつ排気通路２内を飛散する。その結果、排気の温度を高めたり、排気通路２の壁面に付着した物質を燃焼又は溶融させたりすることができる。

また、本実施例のグロープラグ７及び燃料添加弁６は、還元剤添加弁５から添加された還元剤に由来する固形物が付着又は堆積し易い部位（排気通路２の壁面）へ火炎が到達するように配置されるものとする。

ここで、還元剤添加弁５から噴射される還元剤（尿素水溶液）が排気通路２の壁面に衝突すると、壁面上に固形物が析出される。このような固形物は、約２００℃から４００℃の雰囲気（変性雰囲気）に曝されると、シアヌル酸やメラニンなどの難溶融性の物質に変化する。そのため、排気温度の昇温やヒータによる加熱によって前記固形物を除去しようとすると、その昇温過程或いは加熱過程において前記固形物が変性雰囲気に曝され、シアヌル酸やメラニンの生成を促進させる虞があった。

これに対し、燃料添加弁６及びグロープラグ７により発生させられる火炎が固形物の付着又は堆積し易い部位に照射されると、前記固形物が前記変性雰囲気より十分に高温な雰囲気に曝されることになる。さらに、前記固形物が曝される雰囲気は、前記変性雰囲気を経て徐々に昇温するのではなく、前記変性雰囲気より高温な雰囲気に一気に昇温する。その結果、前記固形物がシアヌル酸やメラニンなどに変性することなく、溶融及び除去される。

なお、図１に示す例では、還元剤由来の固形物は、排気通路２と窪み部２０との分岐部分（図１中の矢印Ａが示す部位）に付着又は堆積し易い。そのため、前記燃料添加弁６及び前記グロープラグ７は、図２に示すように、これら燃料添加弁６及びグロープラグ７により発生させられる火炎（図２中の矢印Ｆが示す火炎）が前記分岐部分Ａへ到達するように配置されるものとする。具体的には、燃料添加弁６は、該燃料添加弁６から噴射された燃料が前記分岐部Ａを指向するように配置されるものとする。

このように燃料添加弁６及びグロープラグ７が配置されると、排気通路２の壁面に付着又は堆積する還元剤由来の固形物を難熔融性の物質に変化させることなく除去することができる。また、燃料添加弁６及びグロープラグ７は、内燃機関１の運転状態に関わらず作動させることができるため、還元剤由来の固形物の付着量又は堆積量が過多となる前に除去したり、還元剤由来の固形物の付着量又は堆積量が過少であるときの作動を禁止したりすることも可能となる。

ところで、燃料添加弁６及びグロープラグ７により発生させられた火炎が還元剤添加弁５にあたると、還元剤添加弁５の熱劣化などの弊害を招く可能性がある。しかしながら、本実施例の還元剤添加弁５は、排気通路２において該排気通路２の径方向外側へ窪んだ窪み部２０に設けられるため、前記火炎が還元剤添加弁５にあたる事態を回避することができる。よって、還元剤添加弁５の熱劣化などを併発することなく、還元剤由来の固形物を除去することができる。

＜実施例２＞
次に、本発明の第２の実施例について図３乃至図４に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

前述した第１の実施例と本実施例との相違点は、触媒昇温用の燃料添加弁及びグロープラグを用いて、還元剤由来の固形物を除去する点にある。

図３は、本実施例における内燃機関１の排気系の概略構成を示す図である。図３において、前述した第１の実施例と同様の構成要素には同一に符号が付されている。図３において、燃料添加弁６及びグロープラグ７より下流、且つ還元剤添加弁５より上流の排気通路２には、酸化触媒が担持されたパティキュレートフィルタ８が配置されている。パティキュレートフィルタ８は、排気通路２の内径より小さな外径を有する円柱状に形成され、排気通路２と同軸に配置されている。このパティキュレートフィルタ８は、本発明に係わる前段触媒の一実施態様である。なお、パティキュレートフィルタ８の変わりに円柱状の触媒担体が配置され、該触媒担体に酸化触媒が担持されてもよい。

また、本実施例の還元剤添加弁５は、排気通路２のストレート部分において該排気通路２の径方向外側へ窪んだ窪み部２１に配置され、該還元剤添加弁５が排気通路２内に露出しないようになっている。一方、燃料添加弁６も、排気通路２のストレート部分において該排気通路２の径方向外側に窪んだ窪み部２２に配置され、該燃料添加弁６が排気通路２内に露出しないようになっている。グロープラグ７は、前述した第１の実施例と同様に、該グロープラグ７の発熱部が燃料添加弁６の噴孔近傍又は燃料添加弁６から噴射された燃料の飛行経路上に位置するように配置される。

このように構成された内燃機関の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタ８に捕集されたＰＭを酸化させる場合、或いはパティキュレートフィルタ８に担持された触媒を活性させる場合などに、燃料添加弁６及びグロープラグ７が作動させられると、それら燃料添加弁６及びグロープラグ７によって発生させられた火炎が排気の圧力を受けてパティキュレートフィルタ８の近傍へ到達する。その場合、パティキュレートフィルタ８の温度、及びパティキュレートフィルタ８へ流入する排気の温度が速やかに上昇するようになる。その結果、パティキュレートフィルタ８に捕集されたＰＭが酸化されたり、パティキュレートフィルタ８に担持された酸化触媒が速やかに活性したりする。

ところで、還元剤添加弁５から噴射された還元剤が排気通路２の壁面に衝突すると、該壁面上に還元剤由来の固形物が析出される。図３に示す例では、還元剤由来の固形物は、窪み部２１と排気通路２との境目の段差部分（図３中の矢印Ｂが示す部位）に付着又は堆積し易い。

そこで、本実施例の内燃機関の排気浄化装置は、燃料添加弁６及びグロープラグ７により発生させられる火炎をパティキュレートフィルタ８と前記段差部分Ｂへ案内する案内板９を備えるようにした。案内板９は、燃料添加弁６から噴射された燃料の飛行経路上においてグロープラグ７の発熱部より下流の位置に配置される。その際、案内板９は、該案内板９に衝突した燃料又は火炎がパティキュレートフィルタ８と排気通路２との間隙を通って前記段差部分Ｂへ到達するように配置されるものとする。

たとえば、図３に示す例では、燃料添加弁６から噴射された燃料は排気通路２の径方向へ飛行するため、案内板９は排気通路２の軸方向と略平行に配置される。このように案内板９が配置されると、図４に示すように、燃料添加弁６及びグロープラグ７により発生させられた火炎（図４中の矢印Ｆで示す火炎）は、案内板９と衝突した後にパティキュレートフィルタ８と排気通路２との間隙を通って前記段差部分Ｂへ到達する。その結果、前記段差部分Ｂに付着又は堆積した固形物は、シアヌル酸やメラニンなどの難熔融性の物質に変性することなく除去される。また、火炎がパティキュレートフィルタ８と排気通路２との間隙を通る際に、該火炎の熱がパティキュレートフィルタ８の外周面に伝達されるため、パティキュレートフィルタ８を速やかに昇温させることも可能となる。

以上述べた実施例によれば、パティキュレートフィルタ８を昇温させるために火炎を発生する部品と、還元剤由来の固形物を除去するために火炎を発生する部品と、を共用することができる。その結果、部品点数の増加を抑えつつ、還元剤由来の固形物を好適に除去することが可能になる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ タービン
４ 触媒ケーシング
５ 還元剤添加弁
６ 燃料添加弁
７ グロープラグ
８ パティキュレートフィルタ
９ 案内板
２０ 窪み部
２１ 窪み部
２２ 窪み部
５０ 第１ポンプ
５１ 還元剤タンク
６０ 第２ポンプ
６１ 燃料タンク

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配置された選択還元型触媒と、
   前記選択還元型触媒より上流の排気通路内へアンモニア由来の還元剤を供給する還元剤供給装置と、
   前記選択還元型触媒より上流の排気通路内へ燃料を供給する燃料供給装置と、
   前記燃料供給装置から供給された燃料に着火することにより火炎を発生させる着火装置と、
   を備え、
   前記還元剤供給装置、前記燃料供給装置、及び前記着火装置は、前記還元剤供給装置から供給される還元剤と排気通路の壁面との衝突箇所へ前記火炎が到達するように配置される内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１において、前記還元剤供給装置、前記燃料供給装置、及び前記着火装置は、前記火炎が前記衝突箇所に到達し、且つ前記還元剤供給装置に到達しないように配置される内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１において、前記燃料供給装置及び前記着火装置より下流、且つ前記還元剤供給装置より上流の排気通路に配置され、前記排気通路より小さな外径を有する前段触媒と、
   前記燃料供給装置及び前記着火装置により発生させられる火炎を前記前段触媒及び前記衝突箇所へ案内する案内板と、
   を更に備える内燃機関の排気浄化装置。

Images