WO2011136320A1 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a technology of an exhaust purification system for purifying exhaust gas discharged from an internal combustion engine through an exhaust pipe.
  • a technique in which a metal mesh member and a diffusion member for mixing and diffusing urea water are disposed in the exhaust pipe so as to face the exhaust gas flow direction (see, for example, Patent Document 1). ).
  • the urea water injected into the exhaust pipe collides with the mesh member and is subdivided and mixed into the exhaust gas passing through the mesh member. Further, the subdivided urea water collides with a diffusion member provided on the downstream side of the mesh member, so that it is efficiently mixed and diffused in the exhaust pipe. Further, since the metal mesh member becomes high temperature due to the heat of the exhaust gas, evaporation of urea water colliding with the mesh member is promoted.
  • a metal mesh member formed in a flat plate shape is rotatably installed in the exhaust pipe.
  • the mesh member is rotated in a direction parallel to the flow direction of the exhaust gas.
  • the mesh member is rotated so as to face the urea water injection direction (in other words, in a direction non-parallel to the flow direction of the exhaust gas). Urea water collides with the member.
  • the mesh member is rotated in a direction parallel to the flow direction of the exhaust gas.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and the problem to be solved is to generate uniform ammonia in the exhaust pipe and efficiently reduce nitrogen oxides in the exhaust gas by the reduction catalyst. It is an object of the present invention to provide an exhaust purification system for an internal combustion engine that can be reduced and purified and that can prevent a decrease in performance of the internal combustion engine due to an increase in pressure in the exhaust pipe.
  • the internal combustion engine comprising: a reduction catalyst disposed in an exhaust passage of the internal combustion engine; and a reducing agent injection device for injecting a reducing agent into the exhaust passage from an upstream side of the reduction catalyst.
  • a reducing agent evaporation promoting member is installed at a position upstream of the reduction catalyst in the exhaust passage and where the reducing agent injected from the reducing agent injection device is sprayed,
  • the reducing agent evaporation promoting member is formed of a porous member, and is fixed in the exhaust passage in a state parallel to the flow direction of the exhaust gas.
  • the reducing agent is urea water.
  • the reducing agent injection device includes an injection nozzle, and the injection nozzle is a one-fluid nozzle.
  • the exhaust gas purification system for an internal combustion engine generates uniform ammonia in the exhaust passage, can efficiently reduce and purify nitrogen oxides in the exhaust gas by the reduction catalyst, and A decrease in the performance of the internal combustion engine due to an increase in pressure can be prevented.
  • an exhaust gas purification system for an internal combustion engine can be constructed more easily.
  • the exhaust gas purification system of the internal combustion engine can be constructed with a simpler configuration.
  • the graph which showed the exhaust pipe pressure loss in the exhaust gas purification system of an internal combustion engine, the amount of urea water crystallized by the wall surface, and the amount of ammonia production in the state which does not install a dispersion member.
  • the schematic explanatory drawing which showed the structure of the dispersion member which concerns on another embodiment of this invention.
  • the exhaust purification system 2 of the internal combustion engine 1 is a system (so-called SCR) that purifies nitrogen oxides in exhaust gas generated in the internal combustion engine 1.
  • the exhaust purification system 2 of the internal combustion engine 1 includes a reducing agent injection device 4, a dispersion member 5, and a reduction catalyst 6 in an exhaust pipe 3 serving as an exhaust passage for exhaust gas.
  • the internal combustion engine 1 includes one or a plurality of cylinders 12.
  • the internal combustion engine 1 burns fuel injected into the cylinder 12 and converts energy generated thereby into rotational power.
  • the outside air supplied through the intake pipe 8 and the fuel supplied from the fuel injection valves 11, 11, 11, 11 are mixed and burned in the cylinders 12, 12, 12, 12, 12, Exhaust gas is generated. Exhaust gas is discharged out of the internal combustion engine 1 through an exhaust pipe 3 serving as an exhaust passage.
  • the internal combustion engine 1 is an in-line four cylinder, but is not limited to this.
  • the reducing agent injection device 4 is a device that injects a reducing agent into the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 3.
  • the reducing agent injection device 4 includes a reducing agent tank 41, a reducing agent pump 42, and an injection nozzle 43.
  • the reducing agent is supplied into the exhaust gas and reduces and purifies exhaust gas components by the reduction catalyst 6.
  • the reducing agent injection device 4 is an embodiment of the “reducing agent injection device” according to the present invention.
  • the reducing agent tank 41 stores urea water.
  • the reducing agent tank 41 communicates with the reducing agent pump 42 via the supply passage 44.
  • the reducing agent pump 42 pumps the urea water stored in the reducing agent tank 41 to the injection nozzle 43 side.
  • the reducing agent pump 42 communicates with the injection nozzle 43 via the supply passage 45.
  • the reducing agent pump 42 is an electric pump.
  • the reducing agent pump 42 is electrically connected to control means (not shown), and is controlled so that the pressure in the supply passage 45 is maintained at a predetermined pressure by the urea water pumped to the injection nozzle 43 side.
  • the injection nozzle 43 is for injecting urea water into the exhaust pipe 3.
  • a single fluid nozzle is used as the ejection nozzle 43.
  • the injection nozzle 43 causes the urea water in the supply passage 45 to flow downstream of the exhaust gas in the exhaust pipe 3 according to the pressure in the supply passage 45 of urea water fed by the reducing agent pump 42 (without mixing with the gas). Injected diagonally to the side.
  • the dispersion member 5 is a member that promotes evaporation of urea water while mixing and dispersing urea water in the exhaust gas.
  • the dispersion member 5 is formed in a flat plate shape by a porous member made of ceramic or metal.
  • the dispersion member 5 is provided in the horizontal direction in the middle of the upper and lower sides in the exhaust pipe 3 on the downstream side of the injection nozzle 43. That is, the dispersion member 5 is provided in parallel with the flow direction of the exhaust gas so that the plane center of the dispersion member 5 is positioned on the extension of the injection center line of the injection nozzle 43.
  • the urea water injected from the injection nozzle 43 obliquely collides (sprays) against the dispersion member 5.
  • the “position where the injected urea water collides” refers not to a position where the injected urea water collides after riding on the flow of exhaust gas, but to a position where it collides with the momentum when it is injected.
  • the dispersing member 5 is an embodiment of the “reducing agent evaporation promoting member” according to the present invention.
  • the reduction catalyst 6 detoxifies the nitrogen oxides in the exhaust gas by reducing and purifying them.
  • the reduction catalyst 6 is provided in the exhaust pipe 3 and is disposed downstream of the dispersion member 5.
  • a selective catalytic reduction catalyst is used as the reduction catalyst 6.
  • the urea water supplied (mixed and diffused) in the exhaust gas is hydrolyzed by the heat of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 3 to generate ammonia.
  • the produced ammonia and nitrogen oxide in the exhaust gas react in the reduction catalyst 6 to reduce the nitrogen oxide and decompose (detoxify) nitrogen and water.
  • the reduction catalyst 6 is an embodiment of the “reduction catalyst” according to the present invention.
  • the exhaust gas purification system 2 of the internal combustion engine 1 can be provided with a particulate filter (not shown) (hereinafter referred to as DPF).
  • DPF collects particulate matter (hereinafter referred to as PM) in the exhaust gas.
  • the DPF is provided in the exhaust pipe 3 and is disposed upstream of the exhaust purification system 2 (SCR) of the internal combustion engine 1.
  • SCR exhaust purification system 2
  • the DPF accommodates, for example, an oxidation catalyst such as platinum and a honeycomb structure side by side in a substantially cylindrical filter case in a casing made of a refractory metal.
  • the DPF can collect PM in exhaust gas by the honeycomb structure, and can burn and remove the collected PM by the oxidation catalyst.
  • the exhaust gas purification system 2 of the internal combustion engine 1 uses the reducing agent pump 42 to inject the urea water stored in the reducing agent tank 41 with respect to the exhaust gas generated in the internal combustion engine 1 by the injection nozzle 43.
  • the gas is pumped to the side and injected into the exhaust pipe 3 from the injection nozzle 43.
  • the urea water colliding (sprayed) with the dispersion member 5 in the exhaust pipe 3 is mixed and dispersed in the exhaust pipe 3.
  • the dispersion member 5 heated to a high temperature by the heat of the exhaust gas promotes the evaporation of the urea water, and uniform ammonia is generated in the exhaust pipe 3.
  • the reduction catalyst 6 reacts ammonia with nitrogen oxides in the exhaust gas to reduce and purify the nitrogen oxides.
  • the DPF is provided in the exhaust gas purification system 2 of the internal combustion engine 1
  • urea water is injected into the exhaust gas after PM is collected by the DPF, and the exhaust gas is exhausted. Nitrogen oxides in the gas are reduced and purified.
  • the configuration of the dispersion member 50 as an example of a conventional dispersion member will be described with reference to FIGS. 4 to 6.
  • the symbol (a) indicates “exhaust pipe pressure loss”.
  • the symbol (b) indicates “amount of urea water crystallized on the wall surface”.
  • the symbol (c) indicates “ammonia production amount”.
  • a metal mesh member is formed in a flat plate shape.
  • the dispersion member 50 is disposed so as to be rotatable in the exhaust pipe 3 by a rotation device (not shown). Then, the dispersion member 50 is rotated so as to face the flow direction of the exhaust gas (the right direction in FIG. 4).
  • the dispersion member 50 is rotated in a direction parallel to the flow direction of the exhaust gas.
  • the dispersion member 50 is rotated so as to face the injection direction of the urea water (in a direction non-parallel to the flow direction of the exhaust gas).
  • the urea water injected into the exhaust pipe 3 is everywhere. If there is no collision, the pressure loss of the exhaust gas in the exhaust pipe 3 can be reduced as shown in FIG. However, in such a case, as shown in FIG. 6, the urea water injected into the exhaust pipe 3 is difficult to be mixed and diffused. That is, the urea water easily adheres to the wall surface in the exhaust pipe 3, and the attached urea water is crystallized.
  • the symbol (a) indicates “exhaust pipe pressure loss”. Further, the symbol (b) indicates “amount of urea water crystallized on the wall surface”. Further, the symbol (c) indicates “ammonia production amount”.
  • the dispersion member 5 in the present embodiment is formed of a porous member made of ceramic or metal. With such a configuration, when urea water collides with the dispersion member 5, the urea water can be instantly evaporated by the heat of the exhaust gas stored in the dispersion member 5.
  • the dispersion member 5 is formed in a flat plate shape and is installed in the exhaust pipe 3 in a direction parallel to the flow direction of the exhaust gas. More specifically, the exhaust gas generated in the internal combustion engine 1 flows in the exhaust pipe 3 from the left side to the right side in FIG. 2, whereas the dispersion member 5 formed in a flat plate has a pair of front and back sides.
  • the plate surfaces 5a are installed so as to be parallel to the left-right direction. That is, in the dispersion member 5, the portion facing the exhaust gas flow direction becomes the side surface 5b having a small area.
  • the pair of front and back plate surfaces 5a can be arranged in the exhaust pipe 3 such that the pair of front and back plate surfaces 5a are parallel to the left and right directions and are also arranged to be parallel to the horizontal plane.
  • the dispersion member 5 is installed on the wall surface in the exhaust pipe 3 with the pair of front and back plate surfaces 5a oriented in the vertical direction.
  • the dispersion member 5 is fixed to the wall surface in the exhaust pipe 3. That is, the dispersion member 5 is not rotated like the conventional dispersion member 50.
  • the two end surfaces of the dispersion member 5 on the wall surface side in the exhaust pipe 3 and the wall surface in the exhaust pipe 3 can be provided continuously, and no gap is formed between these members.
  • the dispersion member 5 when the dispersion member 5 is rotated, that is, when a gap is formed between the two end surfaces of the dispersion member 5 on the wall surface side in the exhaust pipe 3 and the wall surface in the exhaust pipe 3.
  • the urea water injected from the injection nozzle 43 into the exhaust pipe 3 may enter the gap and adhere to the wall surface in the exhaust pipe 3 to be crystallized.
  • the two end surfaces of the dispersion member 5 on the wall surface side in the exhaust pipe 3 and the wall surface in the exhaust pipe 3 are provided in series, so that there is a gap between these members. Is not formed. That is, it is possible to prevent the urea water from entering the gap between these members and adhering to the wall surface in the exhaust pipe 3 to be crystallized.
  • the fixing method to the wall surface in the exhaust pipe 3 of the dispersion member 5 is not specifically limited. That is, the dispersion member 5 and the exhaust pipe 3 may be provided integrally.
  • the dispersion member case 9 may be installed in the exhaust pipe 3 and the dispersion member 5 may be fixed to the dispersion member case 9 so as to be replaceable. According to this configuration, when the dispersion member 5 is contaminated with PM in the exhaust gas, the dispersion member 5 is replaced with a new dispersion member 5 or once removed from the wall surface in the exhaust pipe 3 and washed. It can be attached to the wall surface in the exhaust pipe 3 again.
  • the dispersion member 5 since the dispersion member 5 is fixed to the wall surface in the exhaust pipe 3, the dispersion member 50 can be rotated as compared with the exhaust purification system having the dispersion member 50 that is rotatably installed. No moving device is required. Therefore, the exhaust purification system 2 of the internal combustion engine 1 can be constructed with a simple configuration with extremely few parts. In particular, the inside of the exhaust pipe 3 becomes a high temperature due to the exhaust gas when the internal combustion engine 1 is driven, and becomes a low temperature (same as the temperature of the outside air) when the internal combustion engine 1 is not driven. It is. That is, in the exhaust pipe 3, the durability of the exhaust purification system 2 is required. However, as described above, the exhaust purification system 2 does not use the rotating device of the dispersion member 50, and the number of parts is extremely small. Durability can be improved.
  • the dispersion member 5 is disposed so that the plane center of the dispersion member 5 is positioned on the extension of the injection center line of the injection nozzle 43.
  • the dispersing member 5 can also be arranged so that the plane center thereof is located on the rear side of the extension of the injection center line of the injection nozzle 43. That is, the urea water injected from the injection nozzle 43 is made to flow in the flow direction of the exhaust gas (rightward in FIG. 1) by the flow of the exhaust gas (while maintaining the momentum when injected) and collides with the dispersion member 5
  • the dispersion member 5 is disposed at a position where the urea water is flowed. That is, the position of the dispersion member 5 in the exhaust gas flow direction is not particularly limited as long as the dispersion member 5 is disposed at a position where the urea water injected from the injection nozzle 43 collides.
  • the exhaust purification system 2 of the internal combustion engine 1 is A reduction catalyst 6 disposed in the exhaust pipe 3 (exhaust passage) of the internal combustion engine 1; A reducing agent injection device 4 for injecting a reducing agent into the exhaust pipe 3 from the upstream side of the reduction catalyst 6;
  • a dispersion member 5 (reducing agent evaporation promoting member) is installed at a position upstream of the reducing catalyst 6 in the exhaust pipe 3 and where the reducing agent injected from the reducing agent injection device 4 is sprayed.
  • the dispersion member 5 is formed of a porous member, and is fixed in the exhaust pipe 3 in a state parallel to the flow direction of the exhaust gas.
  • the exhaust purification system 2 of the internal combustion engine 1 can generate uniform ammonia in the exhaust pipe 3, efficiently reduce and purify nitrogen oxides in the exhaust gas by the reduction catalyst 6, and A decrease in the performance of the internal combustion engine 1 due to an increase in pressure in the exhaust pipe 3 can be prevented.
  • the reducing agent is preferably urea water.
  • the exhaust gas purification system 2 of the internal combustion engine 1 can handle the reducing agent more easily than, for example, the case of using ammonia that is toxic and difficult to handle. Therefore, the exhaust purification system 2 of the internal combustion engine 1 can be constructed more easily.
  • the reducing agent injection device 4 includes an injection nozzle 43,
  • the spray nozzle 43 is preferably a single fluid nozzle.
  • the exhaust purification system 2 of the internal combustion engine 1 uses only the pressure of the liquid (reducing agent) (without mixing with gas), for example, as compared with the case where a two-fluid nozzle is used. It can be injected into the exhaust pipe 3. Therefore, the exhaust purification system 2 of the internal combustion engine 1 can be constructed with a simpler configuration without increasing the number of parts.
  • FIG. 7 it is also possible to adopt a configuration in which dispersive members having different mesh roughness are arranged vertically. More specifically, two upper and lower dispersion members (hereinafter, the upper dispersion member is referred to as “upper dispersion member 51” and the lower dispersion member is referred to as “lower dispersion member 52”) are arranged.
  • the upper dispersion member 51 and the lower dispersion member 52 are arranged such that the plane center thereof is an extension of the injection center line of the injection nozzle 43. Further, the upper dispersion member 51 is disposed in the horizontal direction in the vicinity of the upper and lower central portions in the exhaust pipe 3.
  • the lower dispersion member 52 is disposed in the horizontal direction obliquely below and downstream of the upper dispersion member 51.
  • the upper dispersion member 51 and the lower dispersion member 52 are configured in a mesh shape or a flat plate shape in which a large number of holes are opened with metal or the like.
  • the upper dispersion member 51 and the lower dispersion member 52 are formed so that the upper dispersion member 51 is coarse and the lower dispersion member 52 is densely formed.
  • the pair of front and back plate surfaces 52 a of the lower dispersion member 52 is preferably configured to be larger than the pair of front and back plate surfaces 51 a of the upper dispersion member 51 in proportion to the spread of urea water injected from the injection nozzle 43. .
  • the number of dispersing members is not particularly limited, and may be three or more. That is, in the plurality of dispersion members, the dispersion member closer to the injection nozzle 43 has a coarser mesh, and the center of the plate surface of each dispersion member is positioned on the extension of the injection center line of the injection nozzle 43. What is necessary is just to be arrange
  • the urea water colliding with the lower dispersion member 52 adheres or is reflected and subdivided. That is, the urea water easily evaporates, and uniform ammonia is easily generated in the exhaust pipe 3. Therefore, as the number of stages of the dispersing members increases, ammonia is more easily generated in the exhaust pipe 3. Further, since the upper dispersion member 51 and the lower dispersion member 52 are parallel to the flow direction of the exhaust gas, the pressure loss of the exhaust gas is not increased.
  • the present invention can be used in the technology of an exhaust purification system for purifying exhaust gas discharged from an internal combustion engine through an exhaust pipe.

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Abstract

　内燃機関１の排気管３（排気通路）内に配置された還元触媒６と、前記還元触媒６より上流側で排気管３内に還元剤を噴射するための還元剤噴射装置４と、を備えた内燃機関１の排気浄化システム２において、排気管３内における還元触媒６より上流側であって、かつ還元剤噴射装置４から噴射された前記還元剤が吹き付けられる位置に分散部材５（還元剤蒸発促進用部材）が設置され、分散部材５は、多孔質部材により形成され、排気ガスの流れ方向に対して平行となる状態で排気管３内に固定される。

Description

内燃機関の排気浄化システム
　本発明は、内燃機関から排気管を介して排出される排気ガスを浄化するための排気浄化システムの技術に関する。
　従来、内燃機関から排気管を介して排出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する方法として、排気管内に還元剤として尿素水を噴射し、下流側に配置された還元触媒により窒素酸化物を還元浄化する技術（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｃａｔａｌｙｔｉｃ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）が知られている。
　この方法による排気ガスの浄化効率を高めるためには、排気管内に噴射される尿素水を効率的に蒸発させ、排気管内に均一なアンモニアを生成する必要がある。
　例えば、排気管内の排気ガスの温度が低い場合には、排気管内に噴射される尿素水を効率的に蒸発させることができない。したがって、排気管内に均一なアンモニアを生成するための時間がかかるので、排気管の長さを長くする必要がある。
　しかしながら、このような構成では、排気管の長さが長くなるため、排気管を設置するために大きなスペースが必要となるという問題点がある。また、排気管内の壁面に尿素水が付着しやすくなり、その付着した尿素水が結晶化するという問題点がある。
　そこで、金属製のメッシュ部材と、尿素水を混合拡散する拡散部材とを、排気管内に排気ガスの流れ方向に対して対向するように配置する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　この技術によれば、排気管内に噴射される尿素水は、メッシュ部材に衝突して細分化され、該メッシュ部材を通過する排気ガス中に混合されることとなる。また、細分化された尿素水は、該メッシュ部材の下流側に設けられた拡散部材に衝突することによって、排気管内に効率的に混合拡散されることとなる。また、金属製のメッシュ部材は排気ガスの熱により高温となるため、メッシュ部材に衝突した尿素水の蒸発が促進されることとなる。
　したがって、この技術によれば、排気管内に均一なアンモニアを生成することができる。つまり、排気管の長さを長くする必要がなく、排気管を設置するための大きなスペースも必要ない。また、排気管内の壁面に尿素水が付着して結晶化することを防止することができる。
　しかしながら、特許文献１に記載の技術では、排気管内の排気ガスは、排気ガスの流れ方向に対して対向するように配置されたメッシュ部材と拡散部材とを通過するものである。したがって、該メッシュ部材と該拡散部材とを通過する際に排気ガスの圧力損失が生じる。その結果、該メッシュ部材および該拡散部材よりも上流側の排気管内の圧力が上昇し、内燃機関の性能が低下するという問題点があった。
　そこで、特許文献２に記載の技術では、平板状に形成された金属製のメッシュ部材を排気管内に回動可能に設置する。そして、尿素水の非噴射時には、該メッシュ部材を排気ガスの流れ方向に対して平行となる向きに回動させる。一方、尿素水の噴射時には、該メッシュ部材を尿素水の噴射方向に対して対向するように（換言すれば、排気ガスの流れ方向に対して非平行となる向きに）回動させ、該メッシュ部材に尿素水を衝突させる。
　この技術によれば、尿素水の非噴射時には、メッシュ部材が排気ガスの流れ方向に対して平行となる向きに回動される。したがって、排気ガスが該メッシュ部材を通過する際に圧力損失が生じず、該メッシュ部材よりも上流側の排気管内の圧力が上昇することを防止し、内燃機関の性能の低下を防止することができる。
特開２００９－４１３７１号公報 特開２０１０－３８０２０号公報
　しかしながら、特許文献２に記載の技術では、尿素水の噴射時には、メッシュ部材が排気ガスの流れ方向に対して非平行となる向きに回動される。したがって、排気ガスがメッシュ部材を通過する際に圧力損失が生じ、メッシュ部材よりも上流側の排気管内の圧力が上昇し、内燃機関の性能が低下するという問題点があった。
　本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされるものであり、その解決しようとする課題は、排気管内に均一なアンモニアを生成し、還元触媒により排気ガス中の窒素酸化物を効率よく還元浄化することができ、かつ排気管内の圧力の上昇による内燃機関の性能の低下を防止することのできる内燃機関の排気浄化システムを提供することである。
　請求項１においては、内燃機関の排気通路内に配置された還元触媒と、前記還元触媒より上流側から前記排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射装置と、を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記排気通路内における前記還元触媒より上流側であって、かつ前記還元剤噴射装置から噴射された前記還元剤が吹き付けられる位置に還元剤蒸発促進用部材が設置され、前記還元剤蒸発促進用部材は、多孔質部材により形成され、排気ガスの流れ方向に対して平行となる状態で前記排気通路内に固定されるものである。
　請求項２においては、前記還元剤は、尿素水であるものである。
　請求項３においては、前記還元剤噴射装置は、噴射ノズルを備え、前記噴射ノズルは、一流体ノズルであるものである。
　本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
　請求項１においては、内燃機関の排気浄化システムは、排気通路内に均一なアンモニアを生成し、還元触媒により排気ガス中の窒素酸化物を効率よく還元浄化することができ、かつ排気通路内の圧力の上昇による内燃機関の性能の低下を防止することができる。
　請求項２においては、内燃機関の排気浄化システムをより容易に構築することができる。
　請求項３においては、内燃機関の排気浄化システムをより簡易な構成で構築することができる。
本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化システムの構成を示した概略説明図。 同じく、分散部材の構成を示した概略説明図。 同じく、排気管圧力損失、壁面で結晶化した尿素水量、およびアンモニア生成量を示したグラフ図。 従来の分散部材の構成を示した概略説明図。 従来の分散部材を設置した状態での、内燃機関の排気浄化システムにおける排気管圧力損失、壁面で結晶化した尿素水量、およびアンモニア生成量を示したグラフ図。 分散部材を設置しない状態での、内燃機関の排気浄化システムにおける排気管圧力損失、壁面で結晶化した尿素水量、およびアンモニア生成量を示したグラフ図。 本発明の別実施形態に係る分散部材の構成を示した概略説明図。
　１　　　内燃機関
　２　　　排気浄化システム（ＳＣＲ）
　３　　　排気管
　４　　　還元剤噴射装置
　５　　　分散部材
　５ａ　　板面
　本発明の一実施形態に係る内燃機関１の排気浄化システム２の構成について、図１を用いて説明する。
　内燃機関１の排気浄化システム２は、内燃機関１にて発生した排気ガス中の窒素酸化物を浄化するシステム（所謂、ＳＣＲ）である。内燃機関１の排気浄化システム２は、排気ガスの排気通路となる排気管３に、還元剤噴射装置４と、分散部材５と、還元触媒６とを備える。
　内燃機関１は、単数または複数の気筒１２を備える。内燃機関１は、気筒１２内に噴射された燃料を燃焼して、これにより発生するエネルギーを回転動力に変換するものである。内燃機関１では、吸気管８を介して供給される外気と、燃料噴射弁１１・１１・１１・１１から供給される燃料とが気筒１２・１２・１２・１２内において混合されて燃焼し、排気ガスが発生する。排気ガスは、排気通路となる排気管３を介して内燃機関１外へ排出される。なお、本実施形態において、内燃機関１は直列四気筒としたが、これに限定するものではない。
　還元剤噴射装置４は、排気管３を流れる排気ガスに還元剤を噴射する装置である。還元剤噴射装置４は、還元剤タンク４１と、還元剤ポンプ４２と、噴射ノズル４３とを備える。
　還元剤とは、排気ガス中に供給されて還元触媒６により排気ガス成分を還元浄化するものである。なお、本実施形態において、還元剤として尿素水を用いるものとして、以下の説明を行なう。
　なお、還元剤噴射装置４は、本発明に係る「還元剤噴射装置」の一実施形態である。
　還元剤タンク４１は、尿素水を貯蔵するものである。還元剤タンク４１は、還元剤ポンプ４２と供給通路４４を介して連通される。
　還元剤ポンプ４２は、還元剤タンク４１に貯蔵している尿素水を噴射ノズル４３側へ圧送するものである。還元剤ポンプ４２は、噴射ノズル４３と供給通路４５を介して連通される。本実施形態において、還元剤ポンプ４２は、電動ポンプが用いられる。還元剤ポンプ４２は、図示せぬ制御手段と電気的に接続され、供給通路４５内の圧力が噴射ノズル４３側へ圧送された尿素水により所定の圧力を維持するように制御される。
　噴射ノズル４３は、排気管３内へ尿素水を噴射するものである。本実施形態において、噴射ノズル４３として一流体ノズルが用いられる。噴射ノズル４３は、還元剤ポンプ４２により圧送された尿素水の供給通路４５内の圧力に応じて（気体と混合しないで）、供給通路４５内の尿素水を排気管３内で排気ガスの下流側へ斜めに噴射する。
　分散部材５は、排気ガス中に尿素水を混合分散させるとともに、尿素水の蒸発を促進させる部材である。分散部材５は、セラミックや金属などで構成した多孔質部材により平板状に形成される。分散部材５は、噴射ノズル４３よりも下流側であって、排気管３内の上下中途部に水平方向に設けられる。つまり、分散部材５は、噴射ノズル４３の噴射中心線の延長上に分散部材５の平面中心が位置するように排気ガスの流れ方向と平行に設けられる。こうして、該噴射ノズル４３から噴射される尿素水が、分散部材５に斜めに衝突する（吹き付けられる）。
　噴射ノズル４３から分散部材５に向けて尿素水をシャワー状または霧状に噴射させることにより、分散部材５に衝突する前の尿素水の細かな粒は、容易に蒸発する。また、尿素水は、分散部材５に衝突して跳ね返る時に細分化されて排気管３内に拡散され、容易に蒸発する。また、分散部材５は、排気ガスの熱により高温となるため、該分散部材５に衝突した尿素水の蒸発を促進することができる（図３参照）。
　したがって、排気管３内に均一なアンモニアが発生されるとともに、排気管３内の壁面に尿素水が付着して結晶化することを防止することができる。なお、前記「噴射された尿素水が衝突する位置」とは、噴射された尿素水が排気ガスの流れに乗った後に衝突する位置ではなく、噴射されたときの勢いで衝突する位置を指す。
　なお、分散部材５は、本発明に係る「還元剤蒸発促進用部材」の一実施形態である。
　還元触媒６は、排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化して無害化するものである。還元触媒６は、排気管３内に設けられ、分散部材５よりも下流側に配置される。本実施形態において、還元触媒６として選択接触還元触媒が用いられる。排気ガス中に供給された（混合拡散された）尿素水は排気管３内を流れる排気ガスの熱により加水分解し、アンモニアが生成される。そして、生成されたアンモニアと排気ガス中の窒素酸化物とが還元触媒６中で反応することにより窒素酸化物が還元され、窒素と水とに分解（無害化）される。
　なお、還元触媒６は、本発明に係る「還元触媒」の一実施形態である。
　また、内燃機関１の排気浄化システム２に、図示せぬパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと称する。）を設ける構成とすることができる。ＤＰＦは、排気ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭと称する。）を捕集するものである。ＤＰＦは、排気管３内に設けられ、内燃機関１の排気浄化システム２（ＳＣＲ）よりも上流側に配置される。ＤＰＦは、耐熱金属製のケーシング内にある略筒型のフィルタケースに、例えば白金などの酸化触媒とハニカム構造体とを直列に並べて収納する。ＤＰＦは、前記ハニカム構造体により排気ガス中のＰＭを捕集し、その捕集したＰＭを前記酸化触媒により燃焼除去することができる。
　以上のような構成において、内燃機関１の排気浄化システム２は、内燃機関１にて発生した排気ガスに対して、還元剤タンク４１に貯蔵している尿素水を還元剤ポンプ４２により噴射ノズル４３側へ圧送して、該噴射ノズル４３から排気管３内へ噴射する。そして、排気管３内で分散部材５に衝突した（吹き付けられた）尿素水が、排気管３内に混合分散される。そして、排気ガスの熱により高温となった該分散部材５によって尿素水の蒸発が促進されて、該排気管３内に均一なアンモニアが生成される。そして、還元触媒６によりアンモニアと排気ガス中の窒素酸化物とを反応させて該窒素酸化物を還元浄化するのである。
　また、前述したように、内燃機関１の排気浄化システム２に前記ＤＰＦを設けた場合には、該ＤＰＦによりＰＭが捕集された後の排気ガスに対して、尿素水が噴射されて、排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化することとなる。
　次に、本実施形態における分散部材５の構成を明確にするため、従来の分散部材の一例である分散部材５０の構成について、図４から図６を用いて説明する。
　なお、図５および図６のグラフにおいて、符号（ａ）は、「排気管圧力損失」を示す。また、符号（ｂ）は、「壁面で結晶化した尿素水量」を示す。また、符号（ｃ）は、「アンモニア生成量」を示す。
　従来の分散部材５０は、金属製のメッシュ部材が平板状に形成される。そして、分散部材５０は、図示せぬ回動装置により排気管３内で回動可能に配置される。そして、分散部材５０は、排気ガスの流れ方向（図４における右方向）に対して対向するように回動される。そして、噴射ノズル４３から尿素水が非噴射時には、分散部材５０が排気ガスの流れ方向に対して平行となる向きに回動される。一方、噴射ノズル４３から尿素水が噴射時には、分散部材５０が尿素水の噴射方向に対して対向するように（排気ガスの流れ方向に対して非平行となる向きに）回動される。
　このように構成されるので、分散部材５０が通気性の良いメッシュ部材により形成されていても、図５に示すように、噴射ノズル４３から尿素水が噴射される時には、排気ガスが該分散部材５０を通過する際に圧力損失が生じる（図４黒塗矢印参照）。その結果、排気管３内にて分散部材５０よりも上流側の圧力が上昇し、内燃機関の性能が低下することとなる。
　また、このような排気管３内の排気ガスの圧力損失を防止するために、例えば分散部材５０を排気管３内に設けない場合、つまり排気管３内に噴射された尿素水が何処にも衝突しない場合には、図６に示すように、排気ガスの排気管３内における圧力損失を減少させることができる。しかしながら、このような場合には、図６に示すように、排気管３内に噴射された尿素水が混合拡散され難くなる。つまり、尿素水が該排気管３内の壁面に付着しやすくなり、付着した尿素水が結晶化することとなる。
　次に、分散部材５の構成について、図２および図３を用いて、さらに詳細に説明する。
　なお、図３のグラフにおいて、符号（ａ）は、「排気管圧力損失」を示す。また、符号（ｂ）は、「壁面で結晶化した尿素水量」を示す。また、符号（ｃ）は、「アンモニア生成量」を示す。
　本実施形態における分散部材５は、前述したように、セラミックや金属などで構成した多孔質部材により形成される。
　このような構成により、尿素水が分散部材５に衝突した場合には、その尿素水を分散部材５に蓄えられた排気ガスの熱により瞬時に蒸発させることができる。
　また、分散部材５は、平板状に形成され、排気管３内に排気ガスの流れ方向に対して平行となる向きに設置されるものである。さらに詳細には、内燃機関１にて発生した排気ガスは、排気管３内を、図２における左側から右側へ向けて流れるのに対し、平板状に形成される分散部材５は、表裏一対の板面５ａがそれぞれ左右方向に平行となるように設置される。すなわち、分散部材５は、排気ガスの流れ方向に対して対向する部分が面積の小さい側面５ｂとなる。
　このような構成により、図３に示すように、排気ガスが分散部材５を左側から右側へ通過する際に生じる圧力損失を前記従来の分散部材５０と比べて大幅に減少させることができる。
　また、分散部材５は、排気管３内にて、前述したように表裏一対の板面５ａがそれぞれ左右方向に平行となるとともに、水平面とそれぞれ平行となるよう配置される構成とすることができる。かかる場合、分散部材５は、表裏一対の板面５ａがそれぞれ上下の鉛直方向に向けられた状態で、排気管３内の壁面に設置される。
　また、分散部材５は、排気管３内の壁面に固定されるものである。つまり、分散部材５は、従来の分散部材５０のように回動されない。その結果、分散部材５における排気管３内の壁面側の２つの端面と、該排気管３内の壁面と、をそれぞれ連なって設けることができ、これら部材の間に隙間が形成されない。
　例えば、分散部材５が回動される場合、つまり分散部材５における排気管３内の壁面側の２つの端面と、該排気管３内の壁面との間に隙間が形成されている場合には、噴射ノズル４３から排気管３内へ噴射された尿素水はこの隙間に入り込んで該排気管３内の壁面に付着して結晶化するおそれがある。
　しかしながら、本実施形態のように、分散部材５における排気管３内の壁面側の２つの端面と、該排気管３内の壁面と、がそれぞれ連なって設けられるので、これらの部材の間に隙間が形成されない。つまり、尿素水がこれらの部材の間の隙間に入り込んで該排気管３内の壁面に付着して結晶化することを防止することができる。
　なお、分散部材５の排気管３内の壁面への固定方法は、特に限定するものではない。すなわち、分散部材５と排気管３とを一体的に設けても良い。また、例えば、排気管３内に分散部材ケース９を設置し、この分散部材ケース９に分散部材５を交換可能に固定する構成であってもよい。この構成によれば、分散部材５が排気ガス中のＰＭにより汚染された際に、新たな分散部材５と交換したり、一旦分散部材５を排気管３内の壁面から取り外し、洗浄してから再び排気管３内の壁面に取り付けたりできる。
　また、本実施形態において、分散部材５は排気管３内の壁面に固定されるので、従来の回動可能に設置される分散部材５０を備えた排気浄化システムと比べて、分散部材５０の回動装置などが必要ない。したがって、部品点数が極端に少なく、簡易な構成で内燃機関１の排気浄化システム２を構築することができる。特に、排気管３内は、内燃機関１の駆動時においては排気ガスにより高温となり、内燃機関１の非駆動時においては低温（外気の温度と同一）となる、温度変化が激しい劣悪な環境下である。つまり、排気管３内では排気浄化システム２の耐久性が必要とされるところ、排気浄化システム２は、前述したように分散部材５０の回動装置などを使用せず、部品点数を極端に少なくすることができるので、耐久性が向上される。
　なお、本実施形態において、分散部材５は、噴射ノズル４３の噴射中心線の延長上に分散部材５の平面中心が位置するように配置される。しかし、分散部材５を、その平面中心が噴射ノズル４３の噴射中心線の延長上よりも後方側に位置するように配置することもできる。すなわち、噴射ノズル４３から噴射された尿素水が（噴射されたときの勢いを維持したまま）排気ガスの流れによって排気ガスの流れ方向（図１における右方向）に流されて分散部材５に衝突する場合に、分散部材５はその尿素水が流された位置に配置される。つまり、分散部材５は、噴射ノズル４３から噴射された尿素水が衝突する位置に配置されるものであれば、排気ガスの流れ方向における位置を特に限定するものではない。
　以上のように、本発明の一実施形態に係る内燃機関１の排気浄化システム２は、
　内燃機関１の排気管３（排気通路）内に配置された還元触媒６と、
　前記還元触媒６より上流側から排気管３内に還元剤を噴射するための還元剤噴射装置４と、
　を備えた内燃機関１の排気浄化システム２において、
　排気管３内における還元触媒６より上流側であって、かつ還元剤噴射装置４から噴射された前記還元剤が吹き付けられる位置に分散部材５（還元剤蒸発促進用部材）が設置され、
　分散部材５は、多孔質部材により形成され、排気ガスの流れ方向に対して平行となる状態で排気管３内に固定されるものである。
　このような構成により、内燃機関１の排気浄化システム２は、排気管３内に均一なアンモニアを生成し、還元触媒６により排気ガス中の窒素酸化物を効率よく還元浄化することができ、かつ排気管３内の圧力の上昇による内燃機関１の性能の低下を防止することができる。
　また、本発明の一実施形態に係る内燃機関１の排気浄化システム２において、
　前記還元剤は、尿素水であることが望ましい。
　このような構成により、内燃機関１の排気浄化システム２は、例えば毒性を有して取り扱いが困難であるアンモニアを用いる場合と比べて、還元剤の取り扱いが容易である。したがって、内燃機関１の排気浄化システム２をより容易に構築することができる。
　また、本発明の一実施形態に係る内燃機関１の排気浄化システム２において、
　還元剤噴射装置４は、噴射ノズル４３を備え、
　噴射ノズル４３は、一流体ノズルであることが望ましい。
　このような構成により、内燃機関１の排気浄化システム２は、例えば二流体ノズルを用いた場合と比べて、液体（還元剤）の圧力だけを用いて（気体と混合しないで）、還元剤を排気管３内に噴射することができる。したがって、部品点数を増やすことなく、内燃機関１の排気浄化システム２をより簡易な構成で構築することができる。
　また、別実施形態として、図７に示すように、網（メッシュ）の目の粗さが異なる分散部材を上下に配置する構成とすることも可能である。
　より詳細には、上下二枚の分散部材（以下、上側の分散部材を「上分散部材５１」、下側の分散部材を「下分散部材５２」と称する。）を配置する。上分散部材５１および下分散部材５２は、その平面中心が噴射ノズル４３の噴射中心線の延長上に配置される。また、上分散部材５１は、排気管３内の上下中央部付近に水平方向に配置される。また、下分散部材５２は、上分散部材５１の下流側斜め下方に水平方向に配置される。上分散部材５１および下分散部材５２は、金属などでメッシュ状または多数の孔を開口した平板状に構成される。上分散部材５１および下分散部材５２の網の目の粗さは、上分散部材５１が粗く、下分散部材５２が密に構成される。なお、下分散部材５２の表裏一対の板面５２ａは、噴射ノズル４３から噴射された尿素水の広がりに比例して、上分散部材５１の表裏一対の板面５１ａよりも大きく構成することが望ましい。
　なお、分散部材の数は、特に限定するものではなく、三枚以上であってもよい。つまり、複数の分散部材は、噴射ノズル４３に近い分散部材ほど網の目の粗さが粗く、且つ、噴射ノズル４３の噴射中心線の延長上に各分散部材の板面の中心が位置するように平行に配置されるものであればよい。
　このような構成により、尿素水が噴射ノズル４３から上分散部材５１に噴射されると、尿素水の一部は上分散部材５１に衝突して付着したり、反射して細分化されたりする。すなわち、尿素水は蒸発し易い状態となり、排気管３内に均一なアンモニアが生成され易くなる。
　また、上分散部材５１を通り抜けた残りの尿素水は、下分散部材５２に衝突する。この下分散部材５２の網の目の粗さは密に構成されるため、下分散部材５２を通り抜ける尿素水は極僅かとなり、さらに通り抜けた尿素水は細分化されているため容易に蒸発する。また、下分散部材５２に衝突した尿素水は付着したり、反射して細分化されたりする。すなわち、尿素水は蒸発し易い状態となり、排気管３内に均一なアンモニアが生成され易くなる。したがって、分散部材の段数を多くするほど、排気管３内にアンモニアが均一に生成され易くなる。また、上分散部材５１および下分散部材５２は排気ガスの流れ方向と平行であるため、排気ガスの圧力損失を増大させることがない。
　本発明は、内燃機関から排気管を介して排出される排気ガスを浄化するための排気浄化システムの技術に利用することが可能である。

Claims (3)

  1. 　内燃機関の排気通路内に配置された還元触媒と、
    　前記還元触媒より上流側から前記排気通路内に還元剤を噴射するための還元剤噴射装置と、
    　を備えた内燃機関の排気浄化システムにおいて、
    　前記排気通路内における前記還元触媒より上流側であって、かつ前記還元剤噴射装置から噴射された前記還元剤が吹き付けられる位置に還元剤蒸発促進用部材が設置され、
    　前記還元剤蒸発促進用部材は、多孔質部材により形成され、排気ガスの流れ方向に対して平行となる状態で前記排気通路内に固定される、
    　ことを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
  2. 　前記還元剤は、尿素水である、
    　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システム。
  3. 　前記還元剤噴射装置は、噴射ノズルを備え、
    　前記噴射ノズルは、一流体ノズルである、
    　ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
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