JP6046568B2

JP6046568B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP6046568B2
Application number: JP2013158677A
Authority: JP
Inventors: オリビエフルニエ
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: JP2015031158A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に排気通路に配置される撹拌手段に関するものである。

従来、内燃機関の排気浄化装置として、特許文献１に示すように、撹拌手段、噴射ノズル、ＳＣＲ触媒（選択還元型触媒）、および酸化触媒を備えたものがある。この排気浄化装置は、まず撹拌手段によって排気ガスの流れを旋回流に変え、旋回流に添加剤（尿素水溶液）を噴射することで、排気ガスと添加剤を混合する。排気ガスと添加剤を混合することで、添加剤中の尿素が、排気熱、および排気ガス中の水蒸気によって加水分解され、アンモニアが生成される。そして、排気ガス中の窒素酸化物とアンモニアがＳＣＲ触媒によって窒素に還元され、余剰アンモニアが酸化触媒によって窒素、および窒素酸化物に酸化される。

特開２００９−２４６２８号公報

ところで、上記のような排気浄化装置は、撹拌手段によって排気ガスの流れを旋回流に変えるように構成されているため、噴射された添加剤が遠心力によって排気管の内壁面に衝突、付着してしまう。そして、付着した添加剤は、結晶化して堆積し、排気系部品を腐食してしまうという課題があった。

そこで、本発明は、排気管の内壁面に付着する添加剤を低減しつつ、排気ガスと添加剤とを撹拌、混合することができる排気浄化装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するために、本発明は、内燃機関の排気管１４内に配置される撹拌手段５を備えた排気浄化装置１であって、撹拌手段５は、排気ガスの流れ方向に沿って配置され、排気ガスの流れを整える板状の整流部５１と、該整流部５１の下流側に排気ガスを旋回流に変える旋回部５３とを有し、前記整流部５１は複数の整流片５１ａで構成され、該整流片５１ａの前記排気管１４の内壁面１４ａに対向する径方向外側端部と前記内壁面１４ａとの間に第１の隙間１４ｂが形成され、前記旋回部５３は、前記整流片５１ａの下流側に扇形状に延設された扇形状部を有し、該扇形状部の円弧縁５３ｂは前記内壁面１４ａに面し、前記円弧縁５３ｂと前記内壁面１４ａとに間に第２の隙間１４ｃが形成されると共に、前記第１の隙間１４ｂ及び前記第２の隙間１４ｃは、その径方向寸法が周方向に対して一定に設定され、前記排気管１４内を排気ガスが流れる際に、前記第１の隙間１４ｂ及び前記第２の隙間１４ｃの下流側に筒状に、排気ガスが該排気管１４の中心軸Ｏの軸方向に沿って流れる直進流路２１と、該直進流路２１の筒内側に、排気ガスが該中心軸Ｏの該軸方向に対して旋回しつつ流れる旋回流路２２とが形成されることを特徴としている。

本発明は、配管１４内で、旋回流は、直進流にぶつかりつつ、旋回を続けるため、添加剤は内壁面１４ａに付着せずに排気ガス中に撹拌される。これによって、添加剤が均一に分布するとともに、配管１４の内壁に付着、堆積する添加剤が減少し、排気系部品における腐食の発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態を示し、排気浄化装置の全体構成図である。本発明の一実施形態を示し、図１のII-II線に沿った断面図である。本発明の一実施形態を示し、図２のIII-III線に沿った断面図である。本実施形態のミキサを示す斜視図である。本実施形態のミキサを構成する複合構成材を示す平面図で、（ａ）は下流側、（ｂ）は中央側、（ｃ）は上流側で単位構成材が連結していることを示している。第１エルボ部から第２チャンバ部までの配管内の流速を示すベクトル線図である。本実施形態のミキサを配置した場合の配管内の流速を示すベクトル線図である。ミキサを使用しない場合のＳＣＲ触媒入口におけるアンモニアの濃度分布を示す等濃度線図である。本実施形態のミキサを配置した場合のＳＣＲ触媒入口におけるアンモニアの濃度分布を示す等濃度線図である。ミキサの第１の別態様を示す斜視図である。ミキサの第２の別態様を示す側面図である。ミキサの第２の別態様を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態の排気浄化装置１は、車両（図示せず）の動力源となるディーゼルエンジン（内燃機関）１０１の排気系に設置されている。

本実施形態の排気浄化装置１は、酸化触媒２、ＰＭ（粒子状物質）フィルタ３、インジェクタ（噴射ノズル）４、ミキサ（撹拌手段）５、ＳＣＲ触媒（選択還元形触媒）６、ＡＳＣ触媒（アンモニアスリップ防止触媒）７を備えている。

ディーゼルエンジン１０１には、インタークーラ１０２付きターボチャージャ１０３が設置され、ターボチャージャ１０３のタービン出口１０４に排気浄化装置１が設置されている。つまり、タービン出口１０４には、連通管部１１を通じて、第１チャンバ部１２が連通し、この第１チャンバ部１２内には、酸化触媒２とＰＭフィルタ３が配置されている。そして、第１チャンバ部１２の出口部には、排気ガスの流れる方向を反転する１８０度の第１エルボ部１３が連通し、この第１エルボ部１３の出口部には、直線状の直線状管部（排気管）１４が連通している。ここで、第１エルボ部１３の出口部内には、インジェクタ４が配置されるとともに、直線状管部１４の入口側には、ミキサ５が配置されている。直線状管部１４の出口部には、排気ガスの流れる方向を再度反転する１８０度の第２エルボ部（湾曲管部）１５が連通し、この第２エルボ部１５の出口部には、第２チャンバ部１６が連通している。ここで、第２チャンバ部１６内には、ＳＣＲ触媒６とＡＳＣ触媒７が、配置されている。そして、第２チャンバ部１６の出口部には、排気ガスの流れる方向を再度反転する１８０度の第３エルボ部１７が連通し、この第３エルボ部１７の出口部には、外気に通じる連通管部１８が連通している。

ディーゼルエンジン１０１から排出される排気ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素化合物（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ）が含まれている。そして、排気ガス中のＣＯとＨＣが、排気ガスが酸化触媒２を通過する際に化合して、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。また、排気ガス中のＰＭは、ＰＭフィルタ３で捕集される。そして、ＰＭが捕集された排気ガスには、インジェクタ４によって尿素水タンク４ａから供給される尿素水（添加物）が噴射される。ここで、噴射された尿素水中の尿素は、排気ガスの熱によって加水分解され、アンモニア（ＮＨ_３）が生成される。そして、このＮＨ_３とＮＯｘが、ＳＣＲ触媒６を通過する際に化合して、窒素（Ｎ_２）とＨ_２Ｏが生成される。また、排気ガス中に残ったＮＨ_３は、ＡＳＣ触媒７を通過する際に、排気ガス中の酸素（Ｏ_２）と化合してＮ_２とＨ_２Ｏに無毒化されて外気に放出される。

次に、ミキサ５の構成について説明する。本実施形態のミキサ５は、図２〜図５に示すように、排気ガスの流れを整える整流部５１と、直線状管部１４内にミキサ５を保持する支持部５２と、排気ガスの流れを旋回流に変える旋回部５３とを備えている。

整流部５１は、平板状部材からなる６枚の整流片５１ａで構成され、排気ガスの流れ方向となる、直線状管部１４の中心軸Ｏの軸方向に沿って、整流片５１ａの各板面が配置される。そして、各整流片５１ａは、直線状管部１４の中心軸Ｏから径方向外側に沿って配置されるとともに、周方向に対して等角度間隔に配置される。また、整流片５１ａの径方向寸法５１Ｌは、直線状管部１４の半径ｒよりも小さく設定されている。

支持部５２は、各整流片５１ａの径方向外側端から径方向外側に沿って板状に延設されつつ、板面が直線状管部１４の内壁面１４ａに沿って折曲げられることで形成される。そして、支持部５２の板面が内壁面１４ａに当接することで、ミキサ５は直線状管部１４内に保持される。

旋回部５３は、各整流片５１ａの下流側端に延設され、中心軸Ｏの軸方向に対して所定の角度に傾けて形成される。また、旋回部５３は、扇形状を備え、扇の要部分が直線状管部１４の中心軸Ｏに対応しつつ、扇の円弧縁５３bが内壁面１４ａに面するように形成される。そして、旋回部５３は、図３に示すように、断面視で、扇の直線縁５３a が隣接する整流片５１ａに接するように扇形状、および中心軸Ｏの軸方向に対する傾き角度が設定されている。

つまり、本実施形態のミキサ５は、整流片５１ａ、支持部５２、旋回部５３を備えた板状部材からなる単位構成材５ａを６枚備えている。これら単位構成材５ａは、直線状管部１４の中心軸Ｏを挟んで対向する整流部５１同士が、連結部５４によって連結され、連結された２枚の単位構成材５ａは、１枚の複合構成材５ｂを構成する。つまり、本実施形態のミキサ５は、図５に示すように、３枚の複合構成材５ｂによって構成されている。各複合構成材５ｂは、連結部５４によって、２枚の単位構成材５ａが、中心軸Ｏを対称軸とする線対称に連結されている。なお、各複合構成材５ｂの連結部５４は、整流部５１の上流側、中央側、下流側をそれぞれ連結しており、ミキサ５に組上げる際に、これら連結部５４が干渉しないように、複合構成材５ｂが組まれる。

上記構成によって、ミキサ５を直線状管部１４内に設置した際に、整流片５１ａの径方向外側端部と直線状管部１４の内壁面１４ａとの間、および旋回部５３の円弧縁５３bと直線状管部１４の内壁面１４ａとの間のそれぞれに、周方向に対して径方向寸法が一定に設定された隙間１４ｂ，１４ｃが形成される。

そして、ミキサ５が直線状管部１４内に設置されることによって、排気ガスが直線状管部１４内を流れる際に、直線状管部１４内には、図２に示すように、直進流路２１と旋回流路２２が形成される。

直進流路２１は、ミキサ５と直線状管部１４の内壁面１４ａとの間の隙間によって、直線状管部１４内の内壁面１４ａ近傍に筒状に形成される。つまり、直進流路２１は、整流部５１と内壁面１４ａとの間に形成される隙間１４ｂと、旋回部５３と内壁面１４ａとの間に形成される隙間１４ｃを流れる排気ガスによって、隙間１４ｂ，１４ｃの下流側に形成される。そして、直進流路２１には、排気ガスが直線状管部１４の中心軸Ｏの軸方向に沿って流れる。

旋回流路２２は、直進流路２１の筒内側に形成される。つまり、旋回流路２２は、直線状管部１４の旋回部５３下流側に形成される。そして、旋回流路２２には、排気ガスが直線状管部１４の中心軸Ｏの軸方向に対して旋回しつつ流れる。

図６、図７は、直線状管部１４と第２エルボ部１５を排気ガスが流れる様子を示しており、矢印の向きが流れの方向、矢印の長さが流れの速さを表している。ミキサを設置しない場合には、図６に示すように、直線状管部１４の下方では流速が遅く、上方で流速が早くなる。このため、第２エルボ部１５では、流速の速い上方の流れが、そのままＳＣＲ触媒６に流れ込み、ＳＣＲ触媒６入口の各部における流速には、大きな差が生じている。

これに対して、ミキサ５を直線状管部１４に設置した場合には、図７に示すように、内壁面１４ａ周辺に形成される直進流路２１の流速が速く、旋回流路２２の流速が遅くなる。このため、第２エルボ部１５で排気ガスの流れる方向が反転する際に、第２エルボ部１５内で流れが乱れ、ＳＣＲ触媒６入口における流速分布が改善されている。

図８、図９は、ＳＣＲ触媒６入口におけるアンモニア濃度を示す等濃度線図で、図中に線の数が多いほど濃度差が大きいことを表している。ミキサ５を設置しない場合には、図８に示すように、インジェクタ４から噴射された尿素水が撹拌されないまま直線状管部１４内を流れるため、アンモニアの濃い部分と薄い部分が生じている。

これに対して、ミキサ５を直線状管部１４に設置した場合には、図９に示すように、インジェクタ４から噴射された尿素水が、ミキサ５によって撹拌され、ＳＣＲ触媒６入口におけるアンモニア濃度分布が改善されている。

以上のことから、ミキサ５を直線状管部１４に設置したことによって、第２エルボ部１５で排気ガスの流れる方向が反転する際に、第２エルボ部１５内で流れが乱れ、ＳＣＲ触媒６入口における流速分布を改善することができる。また、インジェクタ４から噴射される尿素水が、ミキサ５によって発生する流れによって撹拌され、ＳＣＲ触媒６入口における添加剤濃度分布を改善することができる。

つまり、直線状管部１４内で、旋回流は、直進流にぶつかりつつ、旋回を続けるため、アンモニアは内壁面１４ａに付着せずに排気ガス中に撹拌される。これによって、アンモニアが均一に分布するとともに、直線状管部１４の内壁に付着、堆積する尿素が減少し、排気系部品における腐食の発生を抑制することができる。また、隙間１４ｂ，１４ｃの径方向寸法を周方向に対して一定に設定することによって、形成される直進流路が安定し、内壁に付着、堆積する尿素をさらに減らすことができる。そして、噴射された尿素水が内壁に付着しないことから、噴射後、時間差なくアンモニアに加水分解されるため、アンモニア濃度を高い精度で制御することができる。これによって、インジェクタ４が必要十分な量の尿素水を噴射することになるため、尿素水の浪費が改善される。

板状の整流部５１を排気ガスの流れ方向に沿って配置することによって、排気ガスの流れを妨げることなく、流れを整えることができ、下流側に形成される旋回流を安定させることができるとともに、整流部５１を平板状部材で構成することによって、製造コストを増大させることなく排気ガスを整流することができる。

そして、整流部５１の下流側に旋回部５３を設けることによって、整流された後に旋回するため、整った旋回流が発生し、排気ガスの撹拌を促進させることができる。また、複数の旋回部５７が直線状管部１４内に等角度間隔で配置されることによって、下流側に形成される旋回流を安定させることができる。

流れ方向に面して形成された板状の支持部５２の板面が、内壁面１４ａに当接することで、排気ガスの流れを妨げることなく、ミキサ５を直線状管部１４内に保持することができる。

複合構成材５ｂの各連結部５４が、整流部５１の上流側、中央側、下流側にずれていることで、ミキサ５を組立てる際の誤組付けを防止することができる。

なお、本実施形態の整流部５１は、平板状に形成されているが、ミキサ５を第１エルボ部１３の出口部に配置する等の場合には、第１エルボ部１３の曲率に合わせて湾曲させる構成としても良い。

次に、ミキサ５の第１の別態様について、図面を用いて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

上記実施形態のミキサ５が、６枚の単位構成材５ａで構成されているのに対して、本別態様のミキサ５Ａは、図１０に示すように、４枚の単位構成材５ａで構成されている点が上記実施形態と異なる。各単位構成材５ａは、上記実施形態と同様に、整流部５１、支持部５２、旋回部５３で構成され、連結部によって２枚一組の複合構成材に形成されている。

また、本態様のミキサ５Ａも、上記実施形態と同様に、断面視で、扇の直線縁５３a が隣接する整流片５１ａに接するように設定されている。ところが、本態様のミキサ５Ａは、４枚の単位構成材５ａで構成されるため、隣接する単位構成材５ａとの角度間隔が、上記実施形態よりも広くなる。そこで、断面視で、扇の直線縁５３a が隣接する整流片５１ａに接するように、扇形状、および中心軸Ｏの軸方向に対する傾き角度が設定されている。

以上のことから、本態様のミキサ５Ａは、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。また、単位構成材５ａの枚数が少ないことから、排気ガスの流量が小さく、排気管の管径が小さくなる、排気量が比較的小さいディーゼルエンジン１０１の排気浄化装置として好適である。

次に、ミキサ５の第２の別態様について、図面を用いて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

本態様のミキサ５Ｂは、５枚の複合構成材で構成されている。上記実施形態のミキサ５では、複合構成材５ｂが、２枚の単位構成材５ａを連結部５４で連結することで構成されているのに対して、本別態様のミキサ５Ｂでは、図１１、図１２に示すように、整流片５５ａ（整流部５５）と旋回部５６で構成される単位構成材が整流片５５ｂ（整流部５５）に連結されることで、複合構成材が構成されている。つまり、組立てられた状態のミキサ５Ｂは、旋回部５６が延設された整流片５５ａと旋回部５６を有しない整流片５５ｂが、周方向に対して交互に配置される。なお、整流片５５ａの軸方向寸法５５Ｌａは、整流片５５ｂの軸方向寸法５５Ｌｂよりも長くなるように設定されている。

また、旋回部５６の円弧縁には、切欠５７によって段差が形成されている。この切欠５７を設けることで、直線状管部１４の内壁面１４ａとミキサ５Ｂとの間に隙間が形成され、この隙間を排気ガスが流れることによって、直進流路が形成される。

なお、切欠５７を整流片５５ａとの境界部分に設けることで、上記実施形態と同様に、内壁面１４ａとミキサとの間に環状の隙間と、隙間の下流側に筒状の直進流路を形成することができる。

以上のことから、本態様のミキサ５Ａは、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。

本発明は、ディーゼルエンジンの排気系に利用することができる。

１…排気浄化装置
５…撹拌手段（ミキサ）
１４…排気管（直線状管部）
１４ａ…内壁面
１４ｃ…隙間
２１…直進流路
２２…旋回流路
５１…整流部
５２…支持部
５３…旋回部
Ｏ…中心軸

Claims

内燃機関の排気管（１４）内に配置される撹拌手段（５）を備えた排気浄化装置（１）であって、
前記撹拌手段（５）は、排気ガスの流れ方向に沿って配置され、排気ガスの流れを整える板状の整流部（５１）と、該整流部（５１）の下流側に排気ガスを旋回流に変える旋回部（５３）とを有し、
前記整流部（５１）は複数の整流片（５１ａ）で構成され、
該整流片（５１ａ）の前記排気管（１４）の内壁面（１４ａ）に対向する径方向外側端部と前記内壁面（１４ａ）との間に第１の隙間（１４ｂ）が形成され、
前記旋回部（５３）は、前記整流片（５１ａ）の下流側に扇形状に延設された扇形状部を有し、
該扇形状部の円弧縁（５３ｂ）は前記内壁面（１４ａ）に面し、
前記円弧縁（５３ｂ）と前記内壁面（１４ａ）とに間に第２の隙間（１４ｃ）が形成されると共に、
前記第１の隙間（１４ｂ）及び前記第２の隙間（１４ｃ）は、その径方向寸法が周方向に対して一定に設定され、
前記排気管（１４）内を排気ガスが流れる際に、
前記第１の隙間（１４ｂ）及び前記第２の隙間（１４ｃ）の下流側に筒状に、排気ガスが該排気管（１４）の中心軸（Ｏ）の軸方向に沿って流れる直進流路（２１）と、
該直進流路（２１）の筒内側に、排気ガスが該中心軸（Ｏ）の該軸方向に対して旋回しつつ流れる旋回流路（２２）とが形成されることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１に記載の排気浄化装置であって、
前記撹拌手段（５）を前記排気管（１４）の軸方向から視認した場合、前記扇形形状部の直線縁（５３ａ）が、隣接する前記整流片（５１ａ）に接する位置関係に配置されていることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１、または請求項２に記載の排気浄化装置であって、
前記撹拌手段（５）は、前記整流片（５１ａ）から径方向外側に延設される支持部（５２）を備え、
該支持部（５２）によって、該旋回部（５３）は該排気管（１４）の前記内壁面（１４ａ）から離間して位置しつつ、該撹拌手段（５）が前記排気管（１４）内に保持されることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の排気浄化装置であって、
前記撹拌手段（５）は、前記旋回部（５３）を複数備え、
該旋回部（５３）が、前記中心軸（Ｏ）を中心に、周方向に対して等角度間隔で配置されることを特徴とする排気浄化装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の排気浄化装置であって、
前記直進流路（２１）の流速は、前記旋回流路（２２）の流速より早く、
前記撹拌手段（５）が配設された前記排気管（１４）の下流側に触媒が配設されたチャンバ（１６）を有し、
前記排気管（１４）の出口部と前記チャンバ（１６）の入口部との間には、湾曲管（１５）を介して接続されている
ることを特徴とする排気浄化装置。