JP4779959B2

JP4779959B2 - 排気浄化装置

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Publication number: JP4779959B2
Application number: JP2006342319A
Authority: JP
Inventors: 昌利丸山; 圭司大嶋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: DE102007055874C5; DE102007055874A1; DE102007055874B4; US20080155973A1; JP2008151088A

Description

本発明は、尿素ＳＣＲ（選択還元）システムに代表されるような、所定の添加剤に基づく排気浄化反応を触媒上で行うことによって排気を浄化する排気浄化装置に関し、詳しくは添加剤噴射弁から噴射される尿素水溶液等の添加剤に基づく排気浄化反応を触媒を通じて促進しつつ、その排気浄化反応によって排気を浄化する排気浄化装置に関する。

近年、発電所、各種工場、及び自動車（特にディーゼルエンジン搭載の自動車）等に適用されて、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を高い浄化率で浄化する排気浄化装置として、尿素ＳＣＲ（選択還元）システムの開発が進められており、一部実用化に至っている。

以下、図５を参照して、尿素ＳＣＲシステムについてその概略を説明する。

図５に示されるように、この装置（システム）は、大きくは、排気浄化反応を促進する触媒５１と、排気発生源（例えばエンジン）から排出される排気を触媒５１へ導く排気管５２と、この排気管５２の中途に設けられ、同排気管５２内を流れる排気に対して尿素水溶液（添加剤）を噴射供給する添加剤噴射弁５３とを有して構成されている。ここで、触媒５１は、ＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）を促進するものである。また、添加剤噴射弁５３は、この触媒５１へ向かって尿素水溶液を噴射するように排気管５２に対して傾けて、すなわち先端の噴射口５３ａを触媒５１の方へ向けて配設されている。

こうした構成のもと、この装置では、排気管５２内を流れる排気中へ添加剤噴射弁５３により尿素水溶液を噴射供給し、排気の流れ（排気流）を利用してその排気共々尿素水溶液を下流の触媒５１へ供給するとともに、該触媒５１上でＮＯｘの還元反応を行うことによってその排気を浄化する。ＮＯｘの還元に際しては、尿素水溶液が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ₃）が生成され、触媒５１にて選択的に吸着された排気中のＮＯｘに対し、このアンモニアが添加される。そして、同触媒５１上で、そのアンモニアに基づく還元反応が行われることによって、ＮＯｘが還元、浄化されることになる。

ところで、上述の排気管５２には、車両のレイアウト等によっては、曲がり管である屈曲部を排気通路上に備えるものがある。そして、そのような屈曲部に、下記特許文献１〜３の如く、添加剤噴射弁を備え、噴射弁から還元剤が噴射されるものが知られている。
特開２００１−３７３７号公報特開２００３−２９３７３９号公報特表２００１−５１６６３５号公報

こうした屈曲部に添加剤噴射弁が設けられたシステムにおいては、還元剤と屈曲部を流れてくる排気ガスとが混合均一化された状態で触媒に到達可能とするために、添加剤噴射弁からの添加剤噴射方向が排気ガスの下流方向と同一となるように配置した方が望ましいと考えられる。しかしながら、特許文献２、３の構成では、添加剤噴射弁が、それぞれ屈曲部内に露出するよう配置されている。そのため、噴射弁が高温の排気ガスに曝されてしまう。

これに対して、特許文献１の構成では、屈曲部の外側に、触媒とは反対側に突出する突出部が設けられ、この突出部内に噴射弁が収納される構成が図示されている。このような構成ならば、高温の排気ガスに曝される蓋然性を低くすることが可能と考えられる。しかしながら、上記突出部の屈曲部壁面からの突出距離や、噴射弁から噴射される円錐状噴霧角を精密に考慮しないと、添加剤噴射弁からの噴霧が、突出部内壁面に付着してしまう恐れがある。これでは、かえって排気ガスと添加剤との混合均一が確実に図れない可能性がある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、屈曲部を備えた排気管に添加剤噴射弁を備えるものにおいて、被熱低減を図りながら、排気ガスと添加剤とを均一混合させて触媒に到達可能とした排気浄化装置を提供することを目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及び、その作用効果について記載する。

請求項１記載の発明では、排気通路内へ噴射口から添加剤を噴射する添加剤噴射弁と、該添加剤噴射弁の排気下流側に設けられ、少なくとも前記添加剤に基づく特定の排気浄化反応を促進する触媒とを備えて、前記触媒の上流側にて浄化対象とする排気の中へ前記添加剤噴射弁により添加剤を噴射供給し、排気流を利用してその排気共々前記添加剤を下流の前記触媒へ供給するとともに、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことによってその排気を浄化する排気浄化装置において、前記排気通路は、前記触媒の上流側に接続される直管状の直管部と、この直管部に接続され、通路が曲げられた屈曲部とを備えており、前記屈曲部の壁面に開口し、前記直管部の中心軸と略平行に前記直管部とは反対側に突出するように延びる筒状の側壁部と、該側壁部の前記直管部とは反対側の端部に設けられた端壁部とを備える突出部を有し、前記端壁部において前記排気通路とは反対側の反対側面に断熱材が設けられており、前記添加剤噴射弁は、前記噴射口を有する噴射弁先端部が前記端壁部に前記断熱材の外側から挿し入れられて、かつ、前記添加剤噴射弁の円錐状噴霧が、前記突出部の前記屈曲部における開口縁の少なくとも排気通路下流側で付着しないようにして、前記突出部に設けられていることを特徴とする。

上記構成では、突出部の端壁部において排気通路とは反対側の反対側面に断熱材が設けられている。また、添加剤噴射弁は、噴射弁先端部が端壁部に対して断熱材の外側から挿し入れられた状態で、突出部に設けられている。この場合、添加剤噴射弁は突出部から露出することなく内部に収納され、断熱材の存在もあいまって、排気ガスに対する被熱低減が図られる。また、添加剤噴射弁は、突出部の端壁部に、突出部の屈曲部に接続することによって形成される開口縁の少なくとも排気通路下流側、つまり、添加剤噴射弁から突出部の開口端までの距離のうちで一番大きくなる箇所において、添加剤噴射弁の円錐状噴霧が付着しないよう設けられる。さらに、直管部の中心軸と略平行に突出部が設けられ、その突出部の端壁部に添加剤噴射弁が設けられている。このため、噴射弁からの噴霧が、突出部壁面に付着することなく確実に排気通路へ供給可能となるとともに、排気ガスと添加剤とが均一混合された状態で触媒に到達させることができる。

従って、屈曲部を備えた排気管に添加剤噴射弁を備える場合においても、被熱低減を図りながら、排気ガスと添加剤とを均一混合させて触媒へ到達させることができる。

請求項２記載の発明によると、前記添加剤噴射弁は、前記円錐状噴霧が前記開口縁にて付着しないよう、前記突出部に設けられていることを特徴とする。

この構成により、さらに確実に添加剤噴射弁の円錐噴霧が、突出部に内周面に付着することが防止できる。

また、請求項３記載の発明のように、突出部の内壁を円筒状としてもよく、これによって、突出部の製作性が容易となる。

請求項４記載の発明によると、前記突出部の突出量は、前記添加剤噴射弁の前記円錐状噴霧の噴霧角に基づき、前記突出部の前記屈曲部における開口縁の排気通路下流側にて、前記噴霧が付着しない距離に設定されていることを特徴とする。

このように、添加剤噴射弁の噴霧角を考慮して、突出部の屈曲部からの距離を設定することにより、確実な突出部内壁面への噴霧付着を防止できる。

請求項５記載の発明によると、前記添加剤噴射弁の軸心は、前記直管部の中心軸に一致するよう設けられることを特徴とする。

この構成により、噴射弁の軸心が直管部の中心軸と一致するため、噴射弁の噴霧が排気通路の直管部全体に均一に分布可能である。このため、直管部の下流に設けられる触媒へ、添加剤と排気ガスとを均一に混合した状態で、確実に到達させることができる。

請求項６記載の発明によると、前記添加剤噴射弁の軸心は、前記触媒の中心軸に一致するよう設けられることを特徴とする。

この構成により、噴射弁の軸心が触媒の中心軸と一致するため、触媒へ、添加剤と排気ガスとを均一に混合した状態で、確実に到達させることができる。

請求項７記載の発明によると、前記円錐状噴霧角は、前記添加剤噴射弁の使用域における最大噴霧角であることを特徴とする。

この構成により、添加剤噴射弁が使用される状況下で、たとえ噴霧角が変化したとしても、確実に突出部の内壁面に添加剤が付着することを防止できる。

請求項８記載の発明によると、前記屈曲部は複数備えられ、これら複数の屈曲部は１箇所で前記直管部に接続されるよう集合部が設けられ、前記突出部は、前記集合部の壁面に開口し、前記直管部の中心軸と略平行に前記直管部とは反対側に突出するよう設けられることを特徴とする。

この構成のように、直管部の上流側が、複数の屈曲部を有する排気通路である場合にも、その直管部への１箇所にて集合させた集合部に、突出部を設けることによって、請求項１と同様、被熱低減を図りながら、排気ガスと添加剤とを均一混合させて触媒へ到達させることができる。

さらに、請求項９、１０の如く、屈曲部を、曲がり管や直角管として構成させてもよい。

以下、本発明に係る排気浄化装置を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の装置も、先の図５に例示した装置と同様、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するものであり、尿素ＳＣＲ（選択還元）システムとして構築されている。

図１に示す、本実施形態に係る尿素ＳＣＲシステム（排気浄化装置）は、自動車（図示略）に搭載されたディーゼルエンジン（排気発生源）により排出される排気を浄化するものである。具体的には、排気上流側から、ＤＯＣ（酸化触媒）２１、排気管（排気通路）１０、ＳＣＲ触媒２０の順で配設され、エンジンの排気ガスは、矢印Ａの如く、排気管１０を流れていく。

また、排気管１０の途中に添加剤噴射弁５０が設けられており、ＤＯＣ２１とＳＣＲ触媒２０との間の排気管１０内を流れる排気ガスに対して、尿素水溶液（添加剤）を噴射供給するようになっている。そして、排気の流れ（排気流）を利用してその排気共々尿素水溶液を、下流のＳＣＲ触媒２０へ供給するとともに、該触媒２０上でＮＯｘの還元反応を行うことによって、その排気が浄化されるようになっている。

ＳＣＲ触媒２０は、公知のＮＯｘの還元反応（排気浄化反応）を促進するものであり、例えば、
４ＮＯ＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ …（式１）
６ＮＯ₂＋８ＮＨ₃→７Ｎ₂＋１２Ｈ₂Ｏ …（式２）
ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ …（式３）
のような反応を促進して排気中のＮＯｘを還元する。そして、これらの反応においてＮＯｘの還元剤となるアンモニア（ＮＨ₃）を生成する尿素水溶液を噴射供給するものが、ＳＣＲ触媒２０の上流側の排気管１０の途中に設けられた添加剤噴射弁５０である。

この添加剤噴射弁５０は、公知のガソリンエンジンの燃料噴射インジェクタを、基本的に流用したものであり、噴射弁５０の噴射孔から、円錐状の噴霧Ｆ（図２参照）を噴射可能である。なお、添加剤である尿素水溶液は、図示せぬ尿素水タンクから、図示せぬポンプによって汲み上げられ、配管を通じて添加剤噴射弁５０へ供給されている。

ＳＣＲ触媒２０の上流側の排気管１０は、図１に示すとおり、ＳＣＲ触媒２０に接続される直管状ストレート配管である円筒状の直管１１と、その直管１１に接続され、通路が円弧状に曲げられた曲がり管１２と、さらに、この曲がり管１２とは円弧方向が逆で、ＤＯＣ２１へ接続される曲がり管１３とから構成されている。そして、曲がり管１２には、突出部１４が接続され、その突出部１４に添加剤噴射弁５０が配設されている。

図２に示す如く、突出部１４は筒状に形成され、この突出部１４の中心軸と直管１１の中心軸２５とが一致するよう、曲がり管１２に開口する。すなわち、突出部１４は、曲がり管１２の円弧外縁側に、直管１１とは反対側に突出するよう設けられる。なお、直管１１の中心軸とＳＣＲ触媒２０の中心軸とは一致するよう設けられている。

そして、この突出部１４の直管１１とは反対側の端面１８に、添加剤噴射弁５０が配設される。添加剤噴射弁５０は、端面１８に設けられた断熱材２２を介して、添加剤噴射弁５０の噴射孔が突出部１４内に開口するよう配設される。そして、添加剤噴射弁５０は、基本的には、直管１１の中心軸２５と一致するよう設けられている。このように構成することで、添加剤噴射弁５０に噴射孔は、触媒２０へ対向するよう配設されることとなる。

さらに、添加剤噴射弁５０は、噴射弁５０からの円錐状噴霧Ｆが、突出部１４の曲がり管１２への接続によって形成される開口縁（楕円状の開口縁が形成されることとなる）のうち、排気ガス下流側縁部１５に接触しないよう、端面１８に取り付けられる。すなわち、排気ガス下流側縁部１５に、噴霧Ｆが付着しないように、噴霧角θあるいは曲がり管１２からの突出部の突出距離Ｌを設定し、添加剤噴射弁５０を取り付ける。なお、本実施形態では、円錐状噴霧Ｆは、上記開口縁の排気ガス上流側縁部１６へも接触しないように、噴霧角θあるいは突出距離Ｌが設定されている。また、上記θは、仮に、添加剤噴射弁５０の噴霧角が、エンジンの運手状態等によって変更されるというのであれば、その最大噴霧角、すなわち、噴射弁５０の使用下における最大噴霧角を想定して、添加剤噴射弁５０を取り付けるようにする。

こうした構成のもと、本実施形態に係る上記システム（装置）でも、先の図５に例示した装置と同様、排気管１０を流れる排気中へ噴射弁５０により尿素水溶液を噴射供給する。そして、排気の流れ（排気流）を利用してその排気共々尿素水溶液を下流のＳＣＲ触媒２０へ供給するとともに、該触媒２０上でＮＯｘの還元反応を行うことによってその排気を浄化する。

さて、上述した実施形態の如く、添加剤噴射弁５０は、突出部１４の端面１８に配設されることにより、突出部１４内に確実に、添加剤噴射弁５０が収容されることとなる。よって、矢印Ａの如く流れる高温の排気ガスに、噴射弁５０が曝されることはない。また、断熱材２２の存在もあいまって、確実に、噴射弁５０の被熱低減を図ることができる。

また、添加剤噴射弁５０は、曲がり管１２に設けられた突出部１４に、直管１１（ひいては、ＳＣＲ触媒２０）の中心軸２５と、軸心が同一となるよう設置されている。よって、筒状のＳＣＲ触媒２０に向けて、円錐状噴霧Ｆを、触媒２０の全面にわたって均一に散布可能となる。従って、排気ガスと添加剤とが均一混合された状態で、確実にＳＣＲ触媒２０に到達させることが可能となる。

さらに、排気ガス下流側縁部１５に、円錐状噴霧Ｆが付着しないように、噴霧角θあるいは曲がり管１２からの突出部の突出距離Ｌが設定されて、添加剤噴射弁５０が取り付けられている。よって、噴霧Ｆが突出部１４の内壁に付着することを防止できる。なお、本実施形態では、円錐状噴霧Ｆが、排気ガス上流側縁部１６へも接触しないように、噴霧角θあるいは突出距離Ｌが設定されているため、より確実な円錐状噴霧Ｆの突出部１４の内壁付着防止を図ることができる。

上述した構成により、被熱低減を図りつつ、噴射弁５０からの噴霧Ｆが、突出部１４の内壁面に付着することなく確実に排気通路へ供給可能となるとともに、排気ガスと添加剤とが均一混合された状態で触媒に到達させることができる。従って、曲がり管１２のような屈曲部を備えた排気管１０を備えるようなエンジンに対して、添加剤噴射弁５０を備える場合においても、被熱低減を図りながら、確実に排気ガスと添加剤とを均一混合させて触媒へ到達させることができる。

本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

例えば図４に示すように、屈曲部をなす管路を、直管を直角状に曲げた直角管１２ａとし、これを直管１１に接続した排気管１０に、本発明を適用してもよい。

そして、上記直角管１２ａの直管１１とは反対側に、突出部１４を接続し、これに添加剤噴射弁５０を配設するようにしてもよい。

また、図４（ａ）（ｂ）に示す如く、複数の屈曲部を１箇所に集合させ、それを直管に接続するような排気管レイアウトを有するエンジンに対して、本発明を適用してもよい。例えば、図４（ａ）に示すような、複数の曲がり管１２ｂ、ｃを、１箇所の集合部１９にて集合させ、これを直管１１に接続したものである。

なお、図４（ｂ）は、屈曲部として直角管１２ｄ、ｅを集合部１９にて１箇所に集合接続させた例である。

このような複数の屈曲部（曲がり管や直角管）を集合させたものに対して、その集合部１９の、直管１１とは反対側に突出部１４を開口させ、これに添加剤噴射弁５０を設けるようにしてもよい。

このような配管レイアウトであっても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、被熱低減を図りながら、確実に排気ガスと添加剤とを均一混合させて触媒へ到達させることができる。

なお、上述した実施形態は、尿素ＳＣＲ（選択還元）システムに適用したものであるが、同様の添加剤及び触媒を用いて排気を浄化する場合には、他の用途についても本発明は同様に適用することができる。

本発明に係る排気浄化装置の一実施形態について、該装置の概略を示す構成図。本実施形態の装置の詳細を示す断面図。排気管についての変形例を示す構成図。排気管について、別の変形例を示す構成図。従来の尿素ＳＣＲシステムの一例について概略を示す構成図。

符号の説明

１０…排気管（排気通路）、１１…直管（直管部）、１２…曲がり管（屈曲部）、１４…突出部、２０…ＳＣＲ触媒、２５…中心線、５０…添加剤噴射弁。

Claims

排気通路内へ噴射口から添加剤を噴射する添加剤噴射弁と、該添加剤噴射弁の排気下流側に設けられ、少なくとも前記添加剤に基づく特定の排気浄化反応を促進する触媒とを備えて、前記触媒の上流側にて浄化対象とする排気の中へ前記添加剤噴射弁により添加剤を噴射供給し、排気流を利用してその排気共々前記添加剤を下流の前記触媒へ供給するとともに、該触媒上で前記排気浄化反応を行うことによってその排気を浄化する排気浄化装置において、
前記排気通路は、前記触媒の上流側に接続される直管状の直管部と、この直管部に接続され、通路が曲げられた屈曲部とを備えており、
前記屈曲部の壁面に開口し、前記直管部の中心軸と略平行に前記直管部とは反対側に突出するように延びる筒状の側壁部と、該側壁部の前記直管部とは反対側の端部に設けられた端壁部とを備える突出部を有し、
前記端壁部において前記排気通路とは反対側の反対側面に断熱材が設けられており、
前記添加剤噴射弁は、前記噴射口を有する噴射弁先端部が前記端壁部に前記断熱材の外側から挿し入れられて、かつ、前記添加剤噴射弁の円錐状噴霧が、前記突出部の前記屈曲部における開口縁の少なくとも排気通路下流側で付着しないようにして、前記突出部に設けられていることを特徴とする排気浄化装置。
前記添加剤噴射弁は、前記円錐状噴霧が前記開口縁にて付着しないよう、前記突出部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
前記突出部の内壁は円筒状であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか記載の排気浄化装置。
前記突出部の突出量は、前記添加剤噴射弁の前記円錐状噴霧の噴霧角に基づき、前記突出部の前記屈曲部における開口縁の排気通路下流側にて、前記噴霧が付着しない距離に設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排気浄化装置。
前記添加剤噴射弁の軸心は、前記直管部の中心軸に一致するよう設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の排気浄化装置。
前記添加剤噴射弁の軸心は、前記触媒の中心軸に一致するよう設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の排気浄化装置。
前記円錐状噴霧角は、前記添加剤噴射弁の使用域における最大噴霧角であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の排気浄化装置。
前記屈曲部は複数備えられ、これら複数の屈曲部は１箇所で前記直管部に接続されるよう集合部が設けられ、
前記突出部は、前記集合部の壁面に開口し、前記直管部の中心軸と略平行に前記直管部とは反対側に突出するよう設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の排気浄化装置。
前記屈曲部は、曲がり管であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の排気浄化装置。
前記屈曲部は、直角管であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の排気浄化装置。