JP2007198316A - 内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤の主成分が結晶化することによる、還元剤の噴射孔の目詰まりを防止できる内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路中に配置され、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを還元するためのＮＯ_X触媒と、ＮＯ_X触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気通路におけるＮＯ_X触媒の上流側に、還元剤を排気ガス中に均一に分散させるためのスワーラを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法に関する。特に、還元剤を用いて排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元して排気ガスを浄化する内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法に関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、環境汚染を及ぼす窒素酸化物（以下、ＮＯ_Xと称する）等が含まれている。このＮＯ_Xを還元して排気ガスを浄化するために用いられる浄化装置としてＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られている。

このＳＣＲシステムは、ＮＯ_X触媒に流入する排気ガス中に尿素やＨＣ等の還元剤を供給することにより、ＮＯ_X触媒においてＮＯ_X（ＮＯやＮＯ₂）と還元剤とを還元反応させて、窒素や水、二酸化炭素等に効率的に分解して放出するものである。かかるＳＣＲシステムにおける還元剤の供給方法としては、図８に示すように、タンク３０７内に貯蔵された液体の還元剤を、液体還元剤供給ポンプ３０６によって液体の還元剤を圧送し、排気管３０２内に配置された噴射ノズル３２０を介して、ＮＯ_Xを吸収した触媒３０３に対して供給することが一般的である（特許文献１参照）。
特開２０００−２７６２７号公報 （特許請求の範囲 図１）

しかしながら、特許文献１に記載されたようなＳＣＲシステムは、ＮＯ_X触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴霧し、排気ガスと混合した上でＮＯ_X触媒に流入させるものであり、排気ガスの流量や温度が非定常に変化する状態では、噴射された還元剤が排気ガス中に均一に分散しづらいという問題がある。このような状態で排気ガスをＮＯ_X触媒に流入させると、還元剤がＮＯ_X触媒の一部の領域に偏って不均一に流入し、還元剤が希薄な部分においてはＮＯ_Xの還元効率が低下する一方、還元剤が過密な部分においては余剰の還元剤がそのままＮＯ_X触媒を通過し大気中に放出されてしまう、いわゆるスリップ現象を生じるおそれがあった。

そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、ＮＯ_X触媒の上流側にスワーラを配置し、ＮＯ_X触媒に流入する排気ガスに旋回流を発生させることにより、このような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明の目的は、内燃機関から排出される排気ガスの乱流を抑えて、ＮＯ_X触媒に流入する排気ガス中に還元剤を均一に分散させることにより、還元剤のスリップ現象を防ぎつつ、ＮＯ_X触媒の還元効率を向上させることができる内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法を提供することである。

本発明によれば、内燃機関の排気通路中に配置され、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを還元するためのＮＯ_X触媒と、ＮＯ_X触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、排気通路におけるＮＯ_X触媒の上流側に、前記還元剤を前記排気ガス中に均一に分散させるためのスワーラを備えた内燃機関の排気浄化装置が提供され、上述した問題を解決することができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、スワーラが孔部を有することが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、スワーラを排気通路の配設方向に沿って眺めた場合に、複数の孔部が重なるように設けられることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、スワーラを還元剤噴射部の上流側に備えることが好ましい。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置を構成するにあたり、スワーラを還元剤噴射部の下流側に備えることが好ましい。

また、本発明の別の態様は、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを、排気通路中に配置されたＮＯ_X触媒を用いて吸収するとともに、還元剤を用いて浄化する内燃機関の排気浄化方法であって、排気通路中のＮＯ_X触媒の上流側に備えられたスワーラによって、排気ガスに旋回流を発生させることにより、還元剤を均一に分散してＮＯ_X触媒に対して流入させる内燃機関の排気浄化方法である。

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯ_X触媒の上流側にスワーラを備えることにより、還元剤を排気ガス中に均一に分散させた状態でＮＯ_X触媒に流入させることができる。したがって、還元剤がＮＯ_X触媒の一部の領域に集中してＮＯ_X触媒に流入し、還元反応に用いられることなく大気中に放出されることを防ぎつつ、ＮＯ_Xの還元効率を向上させることができる。
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、スワーラに孔部を設けた場合には、排気ガスの圧力損失を低減させることができ、内燃機関への負担を小さくすることができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、スワーラを還元剤噴射手段の上流側に配置した場合には、還元剤がスワーラに付着して結晶化することを防ぐことができる。一方、スワーラを還元剤噴射手段の下流側に配置した場合には、還元剤をより均一に分散させやすくなる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化方法によれば、内燃機関から排出された排気ガスを、スワーラを通過させた後、ＮＯ_X触媒に流入させることにより、還元剤を排気ガス中に均一に分散させた状態でＮＯ_X触媒に流入させることができる。したがって、還元剤がＮＯ_X触媒の一部の領域に集中してＮＯ_X触媒に流入し、還元反応に用いられることなく大気中に放出されることを防ぎつつ、ＮＯ_Xの還元効率を向上させることができる。

以下、本発明にかかる内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法の実施の形態について詳細に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。

［第１の実施の形態］
本発明にかかる第１の実施の形態は、内燃機関の排気通路中に配置され、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを還元するためのＮＯ_X触媒と、ＮＯ_X触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、排気通路におけるＮＯ_X触媒の上流側に、還元剤を排気ガス中に均一に分散させるためのスワーラを備えた内燃機関の排気浄化装置及びそのような排気浄化装置を用いた排気浄化方法である。
以下、図１〜図６を参照して、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法について具体的に説明する。

１．排気浄化装置
まず、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置について説明する。図１は、本実施形態の内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す図である。

（１）内燃機関
排気ガスを排出する内燃機関５としては、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンが典型的であるが、排気ガス中に比較的多量のＮＯ_Xを含み、排気浄化装置の取り付けが必須であるディーゼルエンジンを対象とすることが適している。

（２）排気通路
また、排気通路１１は、内燃機関５の排気口に接続されており、その途中に、ＮＯ_X触媒１５が配置されている。かかる排気通路１１の断面形状は、円形、楕円、あるいは角柱等、特に特に制限されるものではない。

（３）ＮＯ_X触媒
また、ＮＯ_X触媒１５は、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを還元して排気ガスを浄化するための部材である。すなわち、排気ガス中に混合されて運ばれてくる尿素やＨＣ等の還元剤を使用して、排気ガスに含まれるＮＯやＮＯ₂を選択的に還元し、窒素（Ｎ₂）や水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）などに分解して放出することができる。使用可能なＮＯ_X触媒としては特に制限されるものではなく、公知のもの、例えば、多孔質担体上に、活性成分としてのストロンチウム又はバリウム、及びマグネシウム等のアルカリ土類金属や、セリウムとランタン等の希土類金属、白金とロジウム等の貴金属等を含むものを用いることができる。

（４）還元剤噴射部
また、還元剤噴射部１３は、排気ガス中に含まれるＮＯ_XをＮＯ_X触媒で還元させるために、ＮＯ_X触媒１５の上流側で、排気通路１１内に還元剤を供給するための部位である。かかる還元剤噴射部１３から供給される還元剤は、主として霧状に噴射され、排気通路１１中を流れる排気ガスに混合された上で、ＮＯ_X触媒に対して流入する。
ここで、排気通路内に噴射される還元剤の種類は特に制限されるものではなく、主として、尿素水、アンモニア水溶液、燃料ガス（ＨＣ）等、ＮＯ_Xを還元反応させることができるものであれば好適に使用することができる。

ここで、図２に、還元剤噴射部１５から還元剤を噴射させるための還元剤噴射制御システム３０の構成例を示す。
この構成例では、排気通路１１中に配置されたＮＯ_X触媒１５の上流側に配置され、排気ガス中に還元剤を噴射するための噴射ノズル（還元剤噴射部）１３と、噴射ノズル１３に供給される液体の還元剤を貯蔵したタンク３１と、タンク３１から供給される液体還元剤に対して混合するエアを供給するためのエアコンプレッサ３３を備えている。また、タンク３１内の液体還元剤を圧送するためのポンプ３５と、圧送されてきた液体還元剤を混合室３９内に吹き込むためのインジェクタ３６とを備えるとともに、エアコンプレッサ３３から移送されるエアを混合室３９内に送り込む量を調節する調整弁３７と、混合室３９に送り込まれるエアの圧力を調整するための絞り弁４１とを備えている。さらに、ポンプ３５とインジェクタ３６との間には、還元剤噴射後に供給系統内から還元剤を排出させるための排出弁３４を備えている。

このような還元剤噴射システムの構成例３０では、混合室３９内で、タンク３１から圧送され、インジェクタによって噴射された液体の還元剤に対して圧縮エアを混合し、霧状となった還元剤が噴射ノズル１３を介して、排気通路内のＮＯ_X触媒１５の上流側に噴霧される。

また、図２に示す還元剤噴射システムに用いるポンプ３５、排出弁３４、エアコンプレッサ３３については、特に制限されるものではなく、公知のものを適宜使用することができる。ただし、トラックやバス等の大型車の場合、一般的にエアコンプレッサが備えられているために、このエアコンプレッサを上述のエアコンプレッサ３３として併用させることができる。

（５）スワーラ
スワーラ１７は、ＮＯ_X触媒１５の上流側に配置され、ＮＯ_X触媒１５に流入する排気ガスに旋回流を発生させるための部材である。すなわち、排気ガスの流量や温度が非定常的に変化する状態では、上述の還元剤噴射部（噴射ノズル）１３から噴霧された還元剤が、排気ガス中に偏って混合された状態でＮＯ_X触媒１５に不均一に流入することとなる。そうすると、ＮＯ_X触媒１５において、還元剤が希薄な領域ではＮＯ_Xの還元効率が低下する一方、還元剤が過密な領域では余剰の還元剤がＮＯ_Xの還元に用いられることなくスリップ現象を生じ、アンモニアや炭化水素として大気中に放出されてしまう。そのため、ＮＯ_X触媒１５の上流側にスワーラ１７を配置することにより、排気ガスが旋回流となり、還元剤が排気ガス中に均一に分散しやすくなる。したがって、排気ガス中に還元剤を均一に分散させた状態でＮＯ_X触媒に流入させることができる。よって、還元剤のスリップ現象を防止しつつ、ＮＯ_Xの還元効率の向上を図ることができる。

このようなスワーラの例を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。図３（ａ）はスワーラ１７Ａの側面図であり、図３（ｂ）はスワーラ１７Ａの斜視図である。また、図３（ｃ）は、スワーラ１７Ａを排気通路中に配置した状態を示している。このスワーラ１７Ａは、排気通路中に配置され、入口部分においては、二つ又はそれ以上の領域１７ａ、１７ｂ・・・に分けられているとともに、それぞれの領域に侵入した排気ガスが旋回する流路を通過した後、出口１７ａ´、１７ｂ´・・・から排出されることにより、スワーラ１７Ａを通過した排気ガスに旋回流を発生させることができる。
また、かかるスワーラは、旋回度合いに応じて合計長さを変えることができる。すなわち、図４（ａ）に示すように、複数のスワーラ１７を直列的に配置したり、図４（ｂ）に示すように、一つのスワーラ１７の長さを長くしたりすることにより、排気ガスがスワーラ１７を通過する時間を長くして、旋回度合いを変えることができる。

また、図５（ａ）〜（ｂ）に示すように、スワーラ１７Ｂが孔部１８を有することが好ましい。この理由は、排気ガスを、スワーラ中を通過しやすくすることにより、排気ガスの圧力損失を少なくして、内燃機関の排気圧力が上昇しないようにできるためである。したがって、内燃機関に与える悪影響を小さくすることができる。

また、ＮＯ_X触媒の上流側にスワーラを配置するにあたり、図６（ａ）〜（ｂ）に示すように、その配置位置は、上述した還元剤噴射部（噴射ノズル）１３の上流側あるいは下流側のいずれであっても構わない。さらには、図６（ｃ）に示すように、還元剤噴射部１３の上流側及び下流側の双方に配置することもできる。
例えば、図６（ａ）に示すように、ＮＯ_X触媒１５の上流側であって、かつ、還元剤の噴射ノズル１３の上流側に配置した場合には、排気ガスに旋回流を発生させた状態で、霧状の還元剤を混合させることができるとともに、スワーラに還元剤が付着して結晶化することを防ぐことができる。一方、図６（ｂ）に示すように、ＮＯ_X触媒１５の上流側であって、かつ、還元剤の噴射ノズル１３の下流側に配置した場合には、排気ガス中に霧状の還元剤を混合した状態で排気ガスをかき混ぜることができ、還元剤をより均一に分散させることができる。

（６）ラムダセンサ
その他、図示しないものの、本実施形態の排気浄化装置には、ＮＯ_X触媒の劣化状況を推測するために、ＳＣＲ触媒の上流側及び下流側にラムダセンサを配置することができる。このようなラムダセンサとしては特に制限されるものではなく、公知のものを適宜使用することができる。

（７）酸化触媒
また、内燃機関から排出された排気ガスの排気通路中における、ＮＯ_X触媒の上流側及び下流側あるいはいずれか一方に、酸化触媒を配置することが好ましい。
この理由は、酸化触媒を上流側に配置した場合には、排気ガス中のＮＯの一部を酸化させてＮＯ₂にし、ＮＯとＮＯ₂との比率を制御することにより、ＮＯ_X触媒における還元効率を最適化することができるためである。また、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等が酸化されることによる酸化熱を利用して、ＮＯ_X触媒に流入する排気ガスの温度を上昇させることができるためである。したがって、ＮＯ_X触媒の温度が活性化温度に到達していない場合等に、ＮＯ_X触媒の温度を迅速に高めることができる。
一方、酸化触媒を下流側に配置した場合には、還元剤としての尿素が万が一スリップ現象を起こし、ＮＯ_X触媒を通過した場合であっても、酸化触媒において酸化させて、アンモニアよりは毒性が低い窒素酸化物に変換させることができるためである。
使用できる酸化触媒としては特に制限されるものではなく、公知のもの、例えば、アルミナに白金を担持させたものに、所定量のセリウム等の希土類元素を添加したものを用いることができる。

２．排気浄化方法
次に、上述の図６（ａ）に示す排気浄化装置１０を用いた内燃機関の排気浄化方法について説明する。かかる排気浄化方法は、還元剤として尿素を用い、ＮＯ_X触媒１５の上流側かつ還元剤噴射部１３の上流側に配置されたスワーラ１７を用いて、排気ガスに旋回流を発生させる排気浄化方法である。

かかる排気浄化方法において、内燃機関５から排出された排気ガスは、排気通路１１の途中に配置されたスワーラ１７を通過することによって旋回流が発生する。これによって、還元剤が排気ガス中に均一に分散しやすくなる。
次いで、旋回流が生じた排気ガス中に、還元剤噴射システムによって供給される霧状の尿素水を、還元剤噴射部（噴射ノズル）１３から噴射する。これによって、霧状の尿素水が排気ガス中に均一に分散される。

次いで、霧状の尿素水が均一に分散された排気ガスが、ＮＯ_X触媒１５に流入する。これにより、尿素が排気ガスの熱により加水分解してアンモニアとしてＮＯ_X触媒１５上に吸蔵され、ＮＯ_Xと選択的に反応してＮＯ_Xを還元させる。
このとき、本実施形態の排気浄化方法であれば、霧状の尿素水が排気ガス中に均一に分散していることから、ＮＯ_X触媒の全面に対して均一に流れ込むため、還元剤が一部領域に集中することにより、尿素水が未反応のまま大気中に放出されたり、還元剤が一部領域において不足して、ＮＯ_Xの還元効率が低下したりすることを抑止することができる。

このように、ＮＯ_X触媒の上流側にスワーラを備えることにより、還元剤をＮＯ_X触媒に対して均一に分散させて流入させることができ、還元剤のスリップ現象を防止しつつ、ＮＯ_Xの浄化効率を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態は、内燃機関の排気通路中に配置され、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを吸収するためのＮＯ_X触媒と、ＮＯ_X触媒の上流側で排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気通路におけるＮＯ_X触媒の上流側に、排気ガスにせん断乱流や渦流を発生させるための穴開き板を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

１．排気浄化装置
図７は、本実施形態の排気浄化装置５０の構成例を示す図である。
かかる排気浄化装置５０は、第１の実施の形態におけるスワーラの代わりに、穴開き板５７を用いた排気浄化装置５０である。この穴開き板５７は、通過する排気ガスにせん断流や渦流を発生させることができるものであれば特に制限されるものではなく、代表的なものとしては、パンチングメタルを挙げることができる。
すなわち、排気ガスの流量や温度が非定常的に変化する状態では還元剤が均一に分散しづらいことから、排気ガスを、穴開き板を通過させることによりせん断流や渦流を発生させて、排気ガスの混合を促進させるものである。

また、穴開き板５７の配置位置については、第１の実施の形態のスワーラと同様、ＮＯ_X触媒５５の上流側における、還元剤噴射部５３の上流側あるいは下流側のいずれであってもよく、その双方に配置しても構わない。
また、穴開き板５７の孔の大きさや密度についても特に制限されるものではないが、乱流の発生度合いや、排気ガスの圧力損失の程度を考慮して定めることが好ましい。

それ以外の内燃機関５や排気通路５１、還元剤供給システム等については第１の実施の形態と同様とすることができるために、ここでの説明を省略する。

２．排気浄化方法
以下、図７に示す本実施形態の排気浄化装置５０を用いた排気浄化方法について具体的に説明する。かかる排気浄化方法は、還元剤として尿素を用い、ＮＯ_X触媒５５の上流側かつ、還元剤噴射部５３の上流側に配置されたパンチングメタル５７を用いて排気ガスにせん断乱流又は渦流を発生させ、排気ガス中に還元剤を均一に分散させる排気浄化方法である。

かかる排気浄化方法において、内燃機関５から排出された排気ガスは、排気通路５１の途中に配置されたパンチングメタル５７を通過する。これによって、排気ガスにせん断乱流や渦流が発生し、還元剤が均一に分散しやすくなる。
次いで、せん断乱流や渦流が発生した排気ガス中に、還元剤噴射システムによって供給される霧状の尿素水を、還元剤噴射部（噴射ノズル）５３から噴射する。これによって、霧状の尿素水が排気ガス中に均一に分散される。

次いで、霧状の尿素水が均一に分散された排気ガスが、ＮＯ_X触媒５５に流入する。これにより、尿素が排気ガスの熱により加水分解してアンモニアとしてＮＯ_X触媒５５上に吸蔵され、ＮＯ_Xと選択的に反応してＮＯ_Xを還元させる。
このとき、本実施形態の排気浄化方法であれば、霧状の尿素水が排気ガス中に均一に分散していることから、ＮＯ_X触媒の全面に対して均一に流れ込むため、還元剤が一部領域に集中することにより、尿素水が未反応のまま大気中に放出されたり、還元剤が一部領域において不足して、ＮＯ_Xの還元効率が低下したりすることを抑止することができる。

このように、ＮＯ_X触媒の上流側にパンチングメタルを備えることにより、還元剤をＮＯ_X触媒に対して均一に分散させて流入させることができ、還元剤のスリップ現象を防止しつつ、ＮＯ_Xの浄化効率を向上させることができる。

第１の実施の形態の排気浄化装置の一例を示す図である。 第１の実施の形態の排気浄化装置における還元剤噴射システムの構成例を示す図である。 スワーラの立面図及び斜視図である。 スワーラの合計長さを変えた排気浄化装置を示す図である。 複数の孔を備えたスワーラを示す図である。 スワーラの配置について説明するために供する図である。 第２の実施の形態の排気浄化装置の一例を示す図である。 従来の排気浄化装置の構成を示す図である。

符号の説明

５：内燃機関、１０：排気浄化装置、１１：排気通路、１３：還元剤噴射部（噴射ノズル）、１５：ＮＯ_X触媒、１７：スワーラ、１８：孔、５７：穴開き板（パンチングメタル）

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路中に配置され、前記内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを還元するためのＮＯ_X触媒と、前記ＮＯ_X触媒の上流側で前記排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記排気通路における前記ＮＯ_X触媒の上流側に、前記還元剤を前記排気ガス中に均一に分散させるためのスワーラを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記スワーラが孔部を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記スワーラを前記排気通路の配設方向に沿って眺めた場合に、前記複数の孔部が重なるように設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記スワーラを前記還元剤噴射部の上流側に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記スワーラを前記還元剤噴射部の下流側に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 内燃機関の排気通路中に還元剤を供給するとともに、前記排気通路中に配置されたＮＯ_X触媒を用いて前記内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを浄化する内燃機関の排気浄化方法において、
   前記排気通路中の前記ＮＯ_X触媒の上流側に備えられたスワーラによって、前記排気ガスに旋回流を発生させることにより、前記還元剤を前記排気ガス中に均一に分散させて前記ＮＯ_X触媒に流入させることを特徴とする内燃機関の排気浄化方法。

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