JP6125248B2

JP6125248B2 - 尿素水ミキシング構造

Info

Publication number: JP6125248B2
Application number: JP2013016318A
Authority: JP
Inventors: 稔小和田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: JP2014148896A

Description

本発明は、尿素水ミキシング構造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、本発明と同じ出願人により図６に示す如きコンパクトな排気浄化装置（下記の特許文献１を参照）が既に提案されており、ここに図示している排気浄化装置では、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並列に配置し、パティキュレートフィルタ３の出側端部と選択還元型触媒４の入側端部との間をＳ字構造の連絡流路７により接続し、パティキュレートフィルタ３の出側端部から排出された排気ガス１が逆向きに折り返されて隣の選択還元型触媒４の入側端部に導入されるようになっている。

ここで、前記連絡流路７は、パティキュレートフィルタ３の出側端部を包囲し且つ該出側端部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７Ａと、該ガス集合室７Ａで集められた排気ガス１をパティキュレートフィルタ３の排気流れと逆向きに抜き出すミキシングパイプ７Ｂと、該ミキシングパイプ７Ｂにより導かれた排気ガス１を略直角な向きに方向転換させつつ分散せしめ且つその分散された排気ガス１を選択還元型触媒４の入側端部に導入し得るよう該入側端部を包囲するガス分散室７ＣとによりＳ字構造を成すように構成されており、前記ミキシングパイプ７Ｂの入側端部の中心位置には、該ミキシングパイプ７Ｂ内に尿素水を添加するためのインジェクタ８が前記ミキシングパイプ７Ｂの出側端部側へ向けて装備されている。

尚、ここに図示している例では、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９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１０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、その下流側のミキシングパイプ７Ｂの途中でインジェクタ８から尿素水が排気ガス１中に添加されてアンモニアと炭酸ガスに分解され、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の出側端部から排出された排気ガス１が連絡流路７により逆向きに折り返されてから隣の選択還元型触媒４の入側端部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。

しかも、パティキュレートフィルタ３と選択還元型触媒４とが並列に配置され、これらパティキュレートフィルタ３と選択還元型触媒４との間に沿うように連絡流路７が配置されているので、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。

そして、下記の特許文献１にも開示されている通り、インジェクタ８により尿素水が添加される箇所には、図７及び図８に詳細を示す如き円筒状のミキシングパイプ７Ｂにおける入側端部の開口部１１に対しガス集合室７Ａからの排気ガス１をガイドフィン１２，１３，１４により接線方向から導入せしめ、これにより排気ガス１に旋回流（スワール）を与えるミキサ構造１５が採用されており、この旋回流の中心にインジェクタ８から尿素水の添加を行うことで該尿素水の排気ガス１に対する混合性を高めてアンモニアへの転化を促すようにしてある。

特開２００８−１９６３２８号公報

しかしながら、斯かる従来のミキサ構造１５は、図６に示す如き並列に配置したパティキュレートフィルタ３と選択還元型触媒４とをＳ字構造の連絡流路７により接続した排気浄化装置を対象として専用に設計されたもので、前記連絡流路７の一部と一体的に構成されるようになっていたため、パティキュレートフィルタ３と選択還元型触媒４がＬ字形や直列に配置されているものや、パティキュレートフィルタ３なしで選択還元型触媒４のみが配置されているものや、選択還元型触媒４のサイズが異なるもの等といった様々な形式の排気浄化装置への流用ができない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、様々な形式の排気浄化装置に対し汎用性の高い尿素水ミキシング構造を提供することを目的としている。

本発明は、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させる性質を備えて排気流路の途中に介装された選択還元型触媒と、該選択還元型触媒より上流で排気ガス中に尿素水を添加する尿素水添加手段とを備え、前記排気流路内を流れる排気ガスに対し前記尿素水添加手段により尿素水を添加して混合させるようにした尿素水ミキシング構造であって、前記尿素水添加手段と前記選択還元型触媒との間に、前記排気流路の軸心周りに旋回流を形成し得るよう複数枚のフィンを放射状に備えたミキサを設置し、該ミキサに向けて前記尿素水添加手段から尿素水を噴射し得るように構成すると共に、前記ミキサの少なくとも一部のフィンに、該フィンの半径方向に延びる一辺に沿い旋回流の回転方向と逆向きに傾斜するサブフィンを前記フィンよりも相対的に小さな面積で傾斜面を成すように付設し、このサブフィンに案内される排気ガスの支流と添加された尿素水とが、隣接するフィンの傾斜面に向かうように構成し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、排気ガスがミキサを通過する際に、該ミキサのフィンにより排気ガスの流れが案内されて排気流路の軸心周りに旋回流が形成されるので、尿素水添加手段から前記ミキサに向けて尿素水を噴射すると、該尿素水の噴霧がミキサの各フィンに衝突して受熱により化学反応を促されつつ微細化し、しかも、その直後から旋回流に巻き込まれて混合撹拌される結果、尿素水の蒸発と分散が著しく促進されてアンモニアへの転化が効率良く行われる。

また、このようにすれば、排気ガスがミキサを通過する際に、排気ガスの一部がサブフィンにより旋回流の形成方向とは逆向きの支流として振り分けられ、この逆向きの支流により前記サブフィンに衝突して受熱し且つ微細化した尿素水の噴霧が隣のフィンの傾斜面に向けて流され、この隣のフィンの傾斜面に再び衝突して更なる受熱と微細化が図られる結果、尿素水の蒸発と分散が更に促されてアンモニアへの転化がより一層効率良く行われることになる。

尚、サブフィンによる旋回流の旋回方向と逆向きの支流の形成は、フィンによる旋回流の形成を弱める働きをするが、そもそも旋回流は強ければ良いというものではなく、遠心力の作用による尿素水の噴霧の外周側への偏りを招かない程度に旋回流の強さを調整する必要があるので、サブフィンの付設が旋回流の強さの調整に寄与するという側面もある。

上記した本発明の尿素水ミキシング構造によれば、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、尿素水添加手段と選択還元型触媒との間に、排気流路の軸心周りに旋回流を形成し得るよう複数枚のフィンを放射状に備えたミキサを設置し、該ミキサに向けて前記尿素水添加手段から尿素水を噴射し得るように構成するだけで、前記ミキサの各フィンに尿素水の噴霧を衝突させて受熱により化学反応を促しつつ微細化し、その微細化した尿素水の噴霧を旋回流により混合撹拌し、尿素水の蒸発と分散を著しく促進してアンモニアへの転化を効率良く行わしめることができるので、尿素水のミキシング機能を流路構造から切り離して成立させることができ、斯かる構造を様々な形式の排気浄化装置に対し汎用性の高い尿素水ミキシング構造として提供することができ、部品の共通化によるコストの大幅な削減を図ることができる。

（ＩＩ）また、本発明の請求項１に記載の発明によれば、排気ガスの一部をサブフィンにより旋回流の形成方向とは逆向きの支流として振り分け、この逆向きの支流により前記サブフィンに衝突して受熱し且つ微細化した尿素水の噴霧を隣のフィンの傾斜面に向けて流し、この隣のフィンの傾斜面に再び衝突させて更なる受熱と微細化を図ることができるので、尿素水の蒸発と分散を更に促すことができてアンモニアへの転化をより一層効率良く行わしめることができる。

本発明の参考例を示す断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ矢視の断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視の断面図である。本発明の実施例を示す断面図である。図４のＶ−Ｖ矢視の断面図である。従来例を示す一部を切り欠いた概略図である。図６の要部の詳細を示す断面図である。図６の要部を拡大して示す斜視図である。

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３は本発明の参考例を示すもので、図１に示す如く、選択還元型触媒４の上流側の排気流路１６が屈曲している場合に、その屈曲部１７に対し該屈曲部１７より下流側の排気流路１６の軸心Ｏに沿うように尿素水を添加するためのインジェクタ８（尿素水添加手段）を配設し、前記選択還元型触媒４と前記インジェクタ８との間で該インジェクタ８と対峙する位置に、前記屈曲部１７より下流側の排気流路１６の軸心Ｏ周りに旋回流を形成し得るよう複数枚のフィン１８を放射状に備えたミキサ１９を設置し、該ミキサ１９に向けて前記インジェクタ８から尿素水が噴射されるように構成しており、ここに図示している例では、ミキサ１９の円周方向の一方に向けて多数の扇形のフィン１８を風車のように傾斜させて配置し、該各フィン１８の傾斜面により排気ガス１の流れを案内して前記旋回流が形成されるようにしている。

而して、このようにすれば、排気ガス１がミキサ１９を通過する際に、該ミキサ１９のフィン１８により排気ガス１の流れが案内されて排気流路１６の軸心Ｏ周りに旋回流が形成されるので、インジェクタ８から前記ミキサ１９に向けて尿素水を噴射すると、該尿素水の噴霧がミキサ１９の各フィン１８に衝突して受熱により化学反応を促されつつ微細化し、しかも、その直後から旋回流に巻き込まれて混合撹拌される結果、尿素水の蒸発と分散が著しく促進されてアンモニアへの転化が効率良く行われることになる。

従って、上記実施例によれば、インジェクタ８と選択還元型触媒４との間に、排気流路１６の軸心Ｏ周りに旋回流を形成し得るよう複数枚のフィン１８を放射状に備えたミキサ１９を設置し、該ミキサ１９に向けて前記インジェクタ８から尿素水を噴射し得るように構成するだけで、前記ミキサ１９の各フィン１８に尿素水の噴霧を衝突させて受熱により化学反応を促しつつ微細化し、その微細化した尿素水の噴霧を旋回流により混合撹拌し、尿素水の蒸発と分散を著しく促進してアンモニアへの転化を効率良く行わしめることができるので、尿素水のミキシング機能を流路構造から切り離して成立させることができ、斯かる構造を様々な形式の排気浄化装置に対し汎用性の高い尿素水ミキシング構造として提供することができ、部品の共通化によるコストの大幅な削減を図ることができる。

また、図４及び図５は本発明の実施例を示すもので、ミキサ１９の少なくとも一部のフィン１８に、該フィン１８の半径方向に延びる一辺に沿い旋回流の回転方向と逆向きに傾斜するサブフィン２０を前記フィン１８よりも相対的に小さな面積で傾斜面を成すように付設し、このサブフィン２０に案内される排気ガス１の支流が、隣接するフィン１８の傾斜面に向かうように構成している。

このようにすれば、排気ガス１がミキサ１９を通過する際に、排気ガス１の一部がサブフィン２０により旋回流の形成方向とは逆向きの支流として振り分けられ、この逆向きの支流により前記サブフィン２０に衝突して受熱し且つ微細化した尿素水の噴霧が隣のフィン１８の傾斜面に向けて流され、この隣のフィン１８の傾斜面に再び衝突して更なる受熱と微細化が図られる結果、尿素水の蒸発と分散が更に促されてアンモニアへの転化がより一層効率良く行われることになる。

尚、サブフィン２０による旋回流の旋回方向と逆向きの支流の形成は、フィン１８による旋回流の形成を弱める働きをするが、そもそも旋回流は強ければ良いというものではなく、遠心力の作用による尿素水の噴霧の外周側への偏りを招かない程度に旋回流の強さを調整する必要があるので、サブフィン２０の付設が旋回流の強さの調整に寄与するという側面もある。

従って、本実施例によれば、排気ガス１の一部をサブフィン２０により旋回流の形成方向とは逆向きの支流として振り分け、この逆向きの支流により前記サブフィン２０に衝突して受熱し且つ微細化した尿素水の噴霧を隣のフィン１８の傾斜面に向けて流し、この隣のフィン１８の傾斜面に再び衝突させて更なる受熱と微細化を図ることができるので、尿素水の蒸発と分散を更に促すことができてアンモニアへの転化をより一層効率良く行わしめることができる。

尚、本発明の尿素水ミキシング構造は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、図示では各フィンがミキサの半径方向に連続する一枚ものの場合を例示しているが、各フィンがミキサの半径方向に複数に分割されていても良いこと、また、尿素水添加手段側の噴口が複数口となっていてミキサ前面の円周方向複数箇所に部分的に尿素水の噴霧が当たるようになっている場合には、その当たる箇所にのみフィンを配置するようにしても良いこと、更には、選択還元型触媒の上流側にパティキュレートフィルタが装備されていても良く、そのパティキュレートフィルタと選択還元型触媒とのレイアウトは、Ｓ字形でもＬ字形でも直列でも良いこと、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
８インジェクタ（尿素水添加手段）
１６排気流路
１８フィン
１９ミキサ
２０サブフィン

Claims

酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させる性質を備えて排気流路の途中に介装された選択還元型触媒と、該選択還元型触媒より上流で排気ガス中に尿素水を添加する尿素水添加手段とを備え、前記排気流路内を流れる排気ガスに対し前記尿素水添加手段により尿素水を添加して混合させるようにした尿素水ミキシング構造であって、前記尿素水添加手段と前記選択還元型触媒との間に、前記排気流路の軸心周りに旋回流を形成し得るよう複数枚のフィンを放射状に備えたミキサを設置し、該ミキサに向けて前記尿素水添加手段から尿素水を噴射し得るように構成すると共に、前記ミキサの少なくとも一部のフィンに、該フィンの半径方向に延びる一辺に沿い旋回流の回転方向と逆向きに傾斜するサブフィンを前記フィンよりも相対的に小さな面積で傾斜面を成すように付設し、このサブフィンに案内される排気ガスの支流と添加された尿素水とが、隣接するフィンの傾斜面に向かうように構成したことを特徴とする尿素水ミキシング構造。