JP2019011684A - 排気ガス浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】白色生成物の堆積を防止して所望の排気ガス浄化処理を実施することが可能な排気ガス浄化システムを提供する。【解決手段】排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路を構成する排気管に、選択還元型触媒装置と、還元剤を噴射する還元剤インジェクタとを備えて構成される。排気管を通過する排気ガスの流れ方向において排気管のうち選択還元型触媒装置の上流側には、還元剤インジェクタが設けられた屈曲部が形成され、流れ方向において排気管のうち屈曲部の上流側には、当該排気管の内径よりも小さい内径を有する内管が配置されており、当該排気管と当該内管との間に前記排気ガスが通過する隙間を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス浄化システムに関する。

トラックやバス等の車両に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排気ガス浄化システムとして、尿素水等を還元剤として用いてＮＯｘを窒素と水に還元する選択触媒還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

選択触媒還元システムは、尿素水タンクに貯留された尿素水を選択還元型触媒装置（ＳＣＲ装置）上流の排気管に供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによって選択還元型触媒装置内の触媒でＮＯｘを還元するものである。尿素水は、例えば排気通路を構成する排気管に設けられた尿素水インジェクタによって適量が噴射される。

特開２０００−３０３８２６号公報

しかしながら、内燃機関の低負荷運転時など排気ガスの温度が低い場合、尿素水の噴射量が異常に多い場合、排気ガスの流量が少ないのに尿素水の噴射が連続した場合などには、尿素水の加水分解が不十分となり、排気管内、特に尿素水インジェクタの噴口部周辺に、尿素水が加水分解する際に生じる尿素結晶、シアヌル酸などに代表される白色生成物が堆積する。排気管内に白色生成物が堆積すると、例えば排気管内が閉塞し、所望の排気ガス浄化処理が実施できないおそれがあるという問題があった。

本発明の目的は、白色生成物の堆積を防止して所望の排気ガス浄化処理を実施することが可能な排気ガス浄化システムを提供することである。

本発明に係る排気ガス浄化システムは、
内燃機関の排気通路を構成する排気管に、選択還元型触媒装置と、還元剤を噴射する還元剤インジェクタとを備えて構成される排気ガス浄化システムであって、
前記排気管を通過する排気ガスの流れ方向において前記排気管のうち前記選択還元型触媒装置の上流側には、前記還元剤インジェクタが設けられた屈曲部が形成され、
前記流れ方向において前記排気管のうち前記屈曲部の上流側には、当該排気管の内径よりも小さい内径を有する内管が配置されており、当該排気管と当該内管との間に前記排気ガスが通過する隙間を有する。

本発明によれば、白色生成物の堆積を防止して所望の排気ガス浄化処理を実施することができる。

本実施の形態における車両の構成を示す図である。 本実施の形態における尿素水インジェクタの噴口部周辺の部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における車両１の構成を示す図である。図１に示すように、トラックやバス等の車両１には、内燃機関１０と、排気系２０とが搭載されている。排気系２０は、本発明の排気ガス浄化システムとして機能する。

まず、内燃機関１０の構成について説明する。内燃機関１０は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関１０の燃焼室１１において、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１内に燃料を噴射する。なお、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１の吸気ポートに燃料を噴射しても良い。燃料の噴射は、例えばＥＣＭ（図示せず）により制御される。また、燃焼室１１内の燃料は、ピストン１９の動作により圧縮されて燃焼する。

吸気バルブ１５および排気バルブ１７は、開閉可能に構成される。吸気バルブ１５が開くことで、吸気用配管５０からの新気が燃焼室１１に吸入される。また、排気バルブ１７が開くことで、燃焼室１１で燃料が燃焼して生じた排気ガスが排気系２０（具体的には、排気管２１）に送り出される。

次に、排気系２０の構成について説明する。排気系２０は、内燃機関１０の排気通路を構成する排気管２１を有する。排気管２１は、主に金属製であり、例えば車両１の下部に設けられる。この排気管２１は、内燃機関１０において燃料の燃焼により生じた排気ガスを大気中（車外）に導く。

また、排気管２１の途中には、排気ガスを浄化（無害化）するために、様々な後処理装置が設けられている。本実施の形態では、後処理装置として、ＤＯＣ（酸化触媒）２３Ａと、ＤＰＦ２３Ｂと、ＳＣＲ２３Ｃ（本発明の選択還元型触媒装置に対応）と、ＲＤＯＣ２３Ｄとが設けられている。

ＤＯＣ２３Ａは、金属製の担持体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を分解除去する。また、ＤＯＣ２３Ａは、排気２ガスに含まれるＮＯｘの大半を占める一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ_２）を生成する機能も有している。この機能を利用することで、ＤＰＦ２３Ｂに捕集されたＰＭの燃焼（ＰＭ再生）を促進することや、ＳＣＲ２３ＣのＮＯｘ浄化効率を向上することが可能になる。

ＤＰＦ２３Ｂは、多孔質セラミック製のハニカムのチャンネル（セル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウオールフローフィルタから形成される。ＤＰＦ２３Ｂは、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去する。

排気管２１において、ＤＰＦ２３Ｂよりも下流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における下流側）であって、ＳＣＲ２３Ｃよりも上流側には、尿素水を噴射するための尿素水インジェクタ２５（ドージングバルブとも言う）が設けられた屈曲部２１ａが形成されている。屈曲部２１ａの断面形状は、Ｓ字形状またはクランク形状である。

排気管２１において例えばＳＣＲ２３Ｃの入口近傍には、排気ガスの温度を検出する温度センサ（図示せず）が設けられている。この温度センサは、尿素水の噴射の制御等に用いられる。

ＳＣＲ２３Ｃは、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、例えばゼオライトやバナジウム等の触媒が担持またはコーティングされる。

上記のようなＳＣＲ２３Ｃは、排気管２１において、上記ＤＰＦ２３Ｂの下流側に配置される。また、排気管２１においてＤＰＦ２３ＢとＳＣＲ２３Ｃとの間には、還元剤としての尿素水が、尿素水インジェクタ２５により噴射され、ＤＯＣ２３ＡおよびＤＰＦ２３Ｂを通過した排気ガスに供給される。その結果、尿素水がアンモニアに加水分解される。アンモニアを含む排気ガスがＳＣＲ２３Ｃを通過中、触媒の作用により窒素酸化物（いわゆるＮＯｘ）が窒素と水に反応する（還元反応）。これにより、排気ガス中の窒素酸化物が浄化される。

ここで、加水分解は、ＳＣＲ２３Ｃを通過する排気ガスの温度が所定温度以上で起こる。したがって、尿素水インジェクタ２５は、ＳＣＲ２３Ｃに流入する排気ガスの温度が所定温度以上の場合に、尿素水を排気管２１内の排気ガスに供給することが好ましい。ここで、尿素水の噴射はＤＣＵ（図示せず）により制御される。なお、所定温度は、排気系２０の設計開発段階での実験・シミュレーション等により、アンモニアとＮＯｘとの反応温度等を考慮しつつ適宜適切に定められる。

ＲＤＯＣ２３Ｄは、後段酸化触媒であって、ＤＯＣ２３Ａと同様の構成を有しており、排気管２１においてＳＣＲ２３Ｃの直ぐ下流に配置される。

ＲＤＯＣ２３Ｄは、主として、ＳＣＲ２３Ｃにおいて還元反応に使用されずにスリップしてきたアンモニアが大気中に放出されないように、スリップしてきたアンモニアを酸化し除去する。それ以外にも、ＲＤＯＣ２３Ｄは、ＳＣＲ２３Ｃと同様の機能を有する場合もある。

以上の各後処理装置で排気ガスを処理して生成される水、窒素、二酸化炭素は、マフラー（図示せず）等を介して、大気中に排出される。

ところで、内燃機関１０の低負荷運転時など排気ガスの温度が低い場合、尿素水の噴射量が異常に多い場合、排気ガスの流量が少ないのに尿素水の噴射が連続した場合などには、尿素水の加水分解が不十分となり、排気管２１内、特に尿素水インジェクタ２５の噴口部（取り付け部）周辺に、尿素水が加水分解する際に生じるシアヌル酸などに代表される白色生成物が堆積する。排気管２１内に白色生成物が堆積すると、例えば排気管２１内が閉塞し、所望の排気ガス浄化処理が実施できないおそれがある。

図２は、本実施の形態における尿素水インジェクタ２５の噴口部周辺２９の部分拡大図である。尿素水インジェクタ２５の噴口部周辺２９では、排気ガスの流れが滞留しやすく、尿素水インジェクタ２５から噴射された尿素水も滞留しやすい。その結果、噴口部周辺２９には、尿素水の加水分解が不十分な場合に、白色生成物が堆積しやすい。また、排気ガスの流速が遅いことから、噴口部周辺２９に堆積した白色生成物を掻き取ることは難しい。

そこで、本実施の形態では、屈曲部２１ａにおける排気ガスの流れを改善するため、排気ガスの流れ方向において排気管２１のうち屈曲部２１ａの上流側には、排気管２１の内径よりも小さい内径を有する内管２７が配置されて二重管構造としている。本実施の形態では、内管２７は整流パイプである。

図２において、実線矢印Ａは、内管２７の内側を通過し、尿素水インジェクタ２５の噴口部周辺２９に向かう排気ガスの流れを示す。本実施の形態では、内管２７の内側を通過した排気ガスが尿素水インジェクタ２５の噴口部周辺２９により向かいやすくする観点から、排気ガスの流れ方向において内管２７の後端面には、側面視で斜めに切断した形状の傾斜面が形成されている。噴口部周辺２９に向かう排気ガスは、流れが一様であり、流速が速くなる。そのため、尿素水インジェクタ２５の噴口部周辺２９では、排気ガスの流れは滞留しにくく、尿素水インジェクタ２５から噴射された尿素水も滞留しにくい。仮に、尿素水の加水分解が不十分な場合に、噴口部周辺２９に白色生成物が堆積した場合でも、排気ガスの流速が速いことから、噴口部周辺２９に堆積した白色生成物は容易に掻き取られる。

実線矢印Ｂは、噴口部周辺２９を通過した後、下流側に向かう排気ガスの流れを示す。点線矢印Ｃは、排気管２１と内管２７との間に隙間が設けられていることにより、内管２７の外周を回り込み、尿素水インジェクタ２５の下流側に導きられる排気ガスの流れを示す。一点鎖線矢印Ｄは、実線矢印Ｂに対応する排気ガスと、点線矢印Ｃに対応する排気ガスとが合流した後の排気ガスの流れを示す。実線矢印Ｂおよび一点鎖線矢印Ｄに対応する排気ガスによって、尿素水インジェクタ２５から噴射された尿素水は、ＳＣＲ２３Ｃに向けてスムーズに送られる。

以上詳しく説明したように、本実施の形態では、排気ガス浄化システム（排気系２０）は、内燃機関１０の排気通路を構成する排気管２１に、選択還元型触媒装置（ＳＣＲ２３Ｃ）と、尿素水を噴射する尿素水インジェクタ２５とを備えて構成される。そして、排気管２１を通過する排気ガスの流れ方向において排気管２１のうち選択還元型触媒装置の上流側には、尿素水インジェクタ２５が設けられた屈曲部２１ａが形成され、当該流れ方向において排気管２１のうち屈曲部２１ａの上流側には、排気管２１の内径よりも小さい内径を有する内管２７が配置されており、排気管２１と内管２７との間に排気ガスが通過する隙間を有する。

このように構成した本実施の形態によれば、噴口部周辺２９に向かう排気ガスは、流れが一様であり、流速が速くなるため、尿素水インジェクタ２５の噴口部周辺２９では、排気ガスの流れは滞留しにくく、尿素水インジェクタ２５から噴射された尿素水も滞留しにくい。仮に、尿素水の加水分解が不十分な場合に、噴口部周辺２９に白色生成物が堆積した場合でも、排気ガスの流速が速いことから、噴口部周辺２９に堆積した白色生成物は容易に掻き取られる。その結果、尿素水インジェクタ２５の噴口部周辺２９に白色生成物が堆積することを防止することができる。また、排気管２１と内管２７との間に隙間が設けられていることにより、内管２７の外周を回り込み、尿素水インジェクタ２５の下流側に直接導きられる排気ガスの流れが生まれ、その流れによって、尿素水インジェクタ２５から噴射された尿素水は、ＳＣＲ２３Ｃに向けてスムーズに送られる。以上より、白色生成物の堆積を防止して所望の排気ガス浄化処理を実施することができる。

また、本実施の形態では、排気ガスの流れ方向において内管２７の後端面には、側面視で斜めに切断した形状の傾斜面が形成されている。この構成により、内管２７の内側を通過した排気ガスが尿素水インジェクタ２５の噴口部周辺２９に向けて、より向かいやすくすることができる。

なお、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。例えば、排気ガスの流れ方向において内管２７の後端面には、側面視で斜めに切断した形状の傾斜面が形成されている例について説明したが、内管２７の後端面の形状にこれに限らない。

本発明は、尿素水インジェクタの噴口部周辺に白色生成物が堆積することを防止することが可能な排気ガス浄化システムとして有用である。

１ 車両
１０ 内燃機関
１１ 燃焼室
１３ 燃料噴射インジェクタ
１５ 吸気バルブ
１７ 排気バルブ
１９ ピストン
２０ 排気系
２１ 排気管
２１ａ 屈曲部
２３Ａ ＤＯＣ
２３Ｂ ＤＰＦ
２３Ｃ ＳＣＲ
２３Ｄ ＲＤＯＣ
２５ 尿素水インジェクタ（還元剤インジェクタ）
２７ 内管

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路を構成する排気管に、選択還元型触媒装置と、還元剤を噴射する還元剤インジェクタとを備えて構成される排気ガス浄化システムであって、
   前記排気管を通過する排気ガスの流れ方向において前記排気管のうち前記選択還元型触媒装置の上流側には、前記還元剤インジェクタが設けられた屈曲部が形成され、
   前記流れ方向において前記排気管のうち前記屈曲部の上流側には、当該排気管の内径よりも小さい内径を有する内管が配置されており、当該排気管と当該内管との間に前記排気ガスが通過する隙間を有する、
   排気ガス浄化システム。
2. 前記流れ方向において前記内管の後端面には、側面視で斜めに切断した形状の傾斜面が形成されている、
   請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
3. 前記屈曲部の断面形状は、Ｓ字形状またはクランク形状である、
   請求項１または２に記載の排気ガス浄化システム。

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