(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献1の排気ガス浄化装置では、簡素な構成で旋回流を発生させることができるとされているが、旋回流の発生位置がキャップ部材の近傍に限定される。そのため、排気ガス中の還元剤の拡散効果については、改善の余地がある。
【0008】
本開示の一局面は、還元剤の拡散効果の向上により、排気ガスの浄化効率に優れる排気ガス浄化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示の一態様は、内燃機関の排気ガス浄化装置である。排気ガス浄化装置は、排気ガス浄化部と、還元部と、連通管と、還元剤供給部と、を備える。排気ガス浄化部は、排気ガス中の環境汚染物質を改質又は捕集する。還元部は、排気ガスの流れ方向において排気ガス浄化部の下流側に設けられ、排気ガスを還元剤の存在下で還元する。連通管は、排気ガス浄化部と還元部とを連通する。還元剤供給部は、連通管内で排気ガスに還元剤を供給する。また、連通管は、排気ガス浄化部から排出される排気ガスの流れ方向を曲げるように排気ガス浄化部の排出口に接続されると共に、排気ガスの流れを分割する1又は複数の仕切り板を内部に有する。1又は複数の仕切り板は、排気ガス浄化部の排出口における排気ガスの流れ方向から視て少なくとも一部が排出口と重なると共に、その下流側に少なくとも2つの旋回流を発生させるよう配置される。排気ガスの流路の断面積は、排気ガス浄化部から連通管に向かって小さくなると共に、連通管から還元部に向かって大きくなる。
【0010】
このような構成によれば、連通管による排気ガスの流れ方向の変化と、連通管の内部に配置された仕切り板による2以上の旋回流の発生によって、還元剤をミキシングすることができる。また、仕切り板は、排気ガスの流れ方向から視て排気ガス浄化部の排出口と重なるように配置される。そのため、排気ガス浄化部の排出口近傍で発生した2以上の旋回流は互いに衝突しながら下流側まで流動する。また、排気ガスの流路の断面積は、排気ガス浄化部から連通管に向かって小さくなるので、連通管内における旋回流の旋回速度が高められる。従って、連通管内に供給される還元剤が効果的に拡散される。
【0011】
さらに、排気ガスの流路の断面積が還元部に向かって大きくなるので、還元部では排気ガスの速度が低下すると共に排気ガスが拡散し、排気ガスの偏りが抑制される。
これらの相乗効果として、排気ガスの浄化効率が高められる。
【0012】
本開示の一態様では、1又は複数の仕切り板として、一方の表面が排気ガス浄化部の排出口と対向するように配置される1枚の仕切り板を備えてもよい。このような構成によれば、2以上の旋回流を容易かつ確実に発生させることができるので、還元剤の拡散効果が促進される。
【0013】
本開示の一態様では、仕切り板は、連通管における排気ガスの流れ方向に延伸し、かつ下流側に向かって幅が大きくなる帯状の平板であってもよい。このような構成によれば、より上流側から旋回流を発生させることができる。
【0014】
本開示の一態様では、連通管は、還元剤を衝突させる衝突板を内部に有してもよい。また、還元剤供給部は、衝突板に向かって還元剤を噴霧してもよい。このような構成によれば、還元剤を衝突板によって微粒化した後に旋回流に乗せることができるので、還元剤の拡散効果がさらに向上する。
【0015】
本開示の一態様では、還元部は、排気ガス浄化部の下方に配置されてもよい。また、連通管は、排気ガス浄化部の排出口と、還元部の排気ガスの導入口とを接続するように上下方向に延伸してもよい。さらに、排気ガス浄化部、連通管、及び還元部により、水平方向から視て、U字を横倒した形状の流路が構成されてもよい。このような構成によれば、排気ガス浄化装置のサイズを小さくすることができる。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
[1.第1実施形態]
[1−1.構成]
図1A,1B、
図2、
図3及び
図4に示す排気ガス浄化装置(以下、単に「浄化装置」ともいう。)1は、内燃機関の排気ガス管路内に設けられ、排気ガス中の環境汚染物質を低減する。浄化装置1は、排気ガス浄化部2と、還元部3と、連通管4と、還元剤供給部5とを備える。
【0018】
浄化装置1が設けられる内燃機関は、特に限定されないが、浄化装置1はディーゼル機関の排気ガス浄化装置として特に好適に使用できる。ディーゼル機関としては、自動車、鉄道、船舶、建機等の輸送機器、発電施設などで駆動用又は発電用として用いられるものが挙げられる。
【0019】
<排気ガス浄化部>
排気ガス浄化部2は、排気ガス中の環境汚染物質を改質又は捕集する。ここで、「環境汚染物質」とは、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)、粒状物質(PM)、硫黄酸化物(SOx)、炭化水素類(HC)等を意味する。
【0020】
排気ガス浄化部2は、
図2に示すように、排気ガスを浄化するための浄化用部材21と、浄化用部材21を収納した筒状のケーシング22とを有する。排気ガスは、ケーシング22の内部で浄化用部材21に接触しながら、ケーシング22の中心軸方向(図中X軸方向)に沿って流れる。
【0021】
浄化用部材21としては、例えばディーゼル酸化触媒(DOC)、ディーゼル微粒子捕集フィルター(DPF)、NOx吸着剤等が挙げられる。DOCは、排気ガスに含まれるPM中の可溶有機成分(SOF)、CO及びHCを酸化させる触媒である。DPFは、排気ガスに含まれるPMを捕集するフィルターである。NOx吸着剤は、NOxを吸着除去する物質である。
【0022】
浄化用部材21は、一般にハニカム構造を有する筒状体が用いられる。排気ガスがハニカム構造内部を通過することで、排気ガス中の環境汚染物質は、浄化用部材21が含む触媒金属によって改質されたり、浄化用部材21に捕捉されたりする。
【0023】
本実施形態では、排気ガス浄化部2は、内部での排気ガスの流れ方向が水平方向となるように、つまり筒状のケーシング22の中心軸が水平方向となる向きに配置されている。また、排気ガス浄化部2の排気ガスの排出口2Aは、排気ガスが水平方向(図中X軸方向)に排出されるように形成されている。排出口2Aの径は、ケーシング22の浄化用部材21を収納した部分の内径よりも小さくされている。
【0024】
なお、本明細書では便宜上、
図2に示すように、排気ガス浄化部2の排出口2Aにおける排気ガスの流れ方向を「第1方向D1」とする。この第1方向D1は、図中のX軸と平行な方向である。
【0025】
<還元部>
還元部3は、排気ガスを還元剤の存在下で還元する。具体的には、還元部3は、アンモニアと還元触媒とによって、排気ガス中のNOxを還元し、無害な窒素に改質する。還元剤であるアンモニアは、一般に尿素水を排気ガス中に噴射し、この尿素水中の尿素を加水分解することで生成される。
【0026】
還元部3は、還元触媒31と、還元触媒31を収納した筒状のケーシング32とを有する。還元触媒31は、セラミック等の母材と、この母材に担持された金属触媒とから構成される。排気ガスは、ケーシング32の内部で還元触媒31に接触しながら、ケーシング32の中心軸方向に沿って流れる。
【0027】
本実施形態では、還元部3は、内部での排気ガスの流れ方向が水平方向となるように、つまり筒状のケーシング32の中心軸が水平方向となる向きに配置されている。また、還元部3は、排気ガスの流れ方向において排気ガス浄化部2の下流側に設けられる。本実施形態では
図3に示すように、還元部3は排気ガス浄化部2の下方に重なるように配置されている。つまり、還元部3は、排気ガス浄化部2のケーシング22と還元部3のケーシング32との中心軸同士が平行となる向きに、排気ガス浄化部2と上下方向に並置されている。
【0028】
なお、本明細書では便宜上、
図2に示すように、還元部3における排気ガスの流れ方向を「第3方向D3」とする。第3方向D3は、第1方向D1と逆向きであり、図中のX軸と平行な方向である。
【0029】
また、還元部3は、還元触媒31が収納されない中空の前段領域3Aをケーシング32の一部に有する。この前段領域3Aは、還元部3の連通管4が接続される側に設けられる。前段領域3Aにおいて、ケーシング32の周面の上方には、排気ガスの導入口3Bが形成されている。導入口3Bの径は、ケーシング32の還元触媒31を収納した部分の内径よりも小さくされている。
【0030】
<連通管>
連通管4は、排気ガス浄化部2と還元部3とを連通する。つまり、排気ガス浄化部2から排出された排気ガスは、連通管4を通って還元部3に導入される。なお、本明細書では便宜上、連通管4における排気ガスの流れ方向を「第2方向D2」とする。
【0031】
連通管4は、その内部に、排気ガスの流れを分割する1枚の仕切り板6と、還元剤を拡散させる1枚の衝突板7とを有する。また、連通管4は、排気ガス浄化部2から排出される排気ガスの流れ方向を第1方向D1から第2方向D2に曲げるように排気ガス浄化部2の排出口2Aに接続される。
【0032】
本実施形態では、連通管4は、排気ガス浄化部2の排出口2Aと、還元部3の排気ガスの導入口3Bとを接続するように上下方向(図中Z軸方向)に延伸している。連通管4の上端には後述する還元剤供給部5が設置されている。また、連通管4の排気ガス浄化部2と対向する側面の上端近傍には、排気ガス浄化部2の排出口2Aと接続される開口が設けられている。連通管4の下端は、還元部3の導入口3Bに接続されている。
【0033】
また、連通管4は、第1方向D1(図中X軸方向)の幅が第1方向D1と直交する方向(図中Y軸方向)の幅よりも小さく形成されている。つまり、連通管4の第2方向D1の断面は、短軸がX軸と平行で、かつ長軸がY軸と平行な楕円形状又は長方形状である。ただし、連通管4の断面形状は、仕切り板6により2以上の旋回流を作ることができれば特に限定されない。また、連通管4の第2方向D2の断面積は、排気ガス浄化部2のケーシング21内部の断面積及び還元部3の前段領域3Aにおける第3方向D3の断面積よりも小さい。
【0034】
(仕切り板)
仕切り板6は、排気ガスの流れを分割することで、その下流側に少なくとも2つの旋回流を発生させる。仕切り板6は、
図4に示すように、連通管4の内部において、第1方向D1(図中X軸方向)から視て少なくとも一部が排出口2Aと重なるように配置される。
【0035】
本実施形態では、仕切り板6は、一方の表面が排気ガス浄化部2の排出口2Aと対向するように配置されている。また、仕切り板6は、表面が第1方向D1と直交する向きに配置されている。さらに、仕切り板6は、第1方向D1から視て排出口2Aの中心と重なるように配置されている。
【0036】
仕切り板6は、
図4及び
図5示すように、第2方向D2(つまり上下方向)に延伸し、排気ガスの流れ方向において下流側に向かって幅が大きくなる帯状の平板である。また、
図4に示すように、仕切り板6の幅は、排出口2Aの径よりも小さい。そのため、第1方向D1からから視て、排出口2Aには、左右両側に仕切り板6と重ならない領域、つまり仕切り板6と衝突しない流路が形成されている。
【0037】
また、仕切り板6の上下方向(図中Z軸方向)の長さは、排気ガス浄化部2の排出口2Aの径よりも大きい。また、仕切り板6の上端は、排出口2Aの上端よりも上方に位置する。従って、仕切り板6は、第1方向D1から視て、排出口2Aの上方から下方に架け渡されるように配置されている。
【0038】
(衝突板)
衝突板7は、還元剤供給部5から噴霧される還元剤を拡散させる。衝突板7は、還元剤供給部5のインジェクタの噴霧孔と対向するように配置される。
【0039】
本実施形態では、衝突板7は、表面が水平方向と平行となる向きで連通管4の上端近辺に設置されている。また、
図4に示すように、衝突板7は、第1方向D1から視て、排気ガス浄化部2の排出口2Aと重なる位置に配置されている。
【0040】
なお、衝突板7の形状や大きさは、還元剤供給部5のインジェクタの位置や構成に合わせて適宜変更が可能である。また、
図5に示すように、衝突板7には1又は複数の貫通孔を設けてもよい。さらに、連通管4内に複数の衝突板を組み合わせて配置してもよい。
【0041】
<還元剤供給部>
還元剤供給部5は、連通管4内で排気ガスに還元剤を供給する。還元剤供給部5は、衝突板7に向かって還元剤を噴霧するインジェクタを有する。なお、
図1A,1B、
図2、及び
図4では、還元剤供給部5として、連通管4との接続管のみを図示しており、インジェクタ等の部材は図示を省略している。
【0042】
本実施形態では、還元剤供給部5は、連通管4の上端に接続され、下方に向かって還元剤である尿素水を噴霧するように構成されている。なお、還元剤供給部5のインジェクタは、公知のものを用いることができる。
【0043】
<排気ガスの流路>
図2に示すように、排気ガス浄化部2から排出された排気ガスは、排出口2Aから第1方向D1に排出された後、連通管4によって第2方向D2に流れ方向が曲げられる。さらに、排気ガスは、連通管4内を移動後、還元部3の前段領域3Aに導入され、第3方向D3に流れ方向をさらに変え、還元部3内を通過する。つまり、浄化装置1において、排気ガス浄化部2、連通管4、及び還元部3により、水平方向から視て、U字を90°回転させて横倒した形状の流路が構成されている。
【0044】
また、排気ガスの流路の断面積(つまり、排気ガスの流れ方向と垂直な断面における流路の面積)は、排気ガス浄化部2から連通管4に向かって小さくなると共に、連通管4から還元部3に向かって大きくなるように構成されている。なお、還元部3における排気ガスの流路の断面積(つまり、ケーシング32内部の断面積)は、排気ガス浄化部2における排気ガスの流路の断面積(つまり、ケーシング22内部の断面積)よりも大きい。
【0045】
[1−2.機能]
次に、浄化装置1における旋回流の発生メカニズムについて説明する。
浄化装置1では、排気ガス浄化部2から排出された排気ガスは、連通管4内に進入後、仕切り板6によって流れが左右2つに分割される。分割された2つの流れは、仕切り板6の裏側にそれぞれ回り込むように流れる。これにより、
図6A,6B,6Cに示すように2つの旋回流が連通管4内に形成される。この2つの旋回流は、第2方向D2と平行な軸(Z軸)を中心に、互いに反対方向に旋回する。2つの旋回流は、衝突をしながら、下流側(つまり下方)に向かって流動する。つまり、排気ガスは、仕切り板6によって旋回流を形成した後に、流れ方向が第1方向D1から第2方向D2に曲げられる。なお、
図6A,6B,6Cでは、排気ガスの流速の大きい箇所ほど流線が濃く表示されている。
【0046】
ここで、連通管4における排気ガスの流路の断面積は、排気ガス浄化部2における排気ガスの流路の断面積よりも小さいので、連通管4内での排気ガスの流速は上昇する。そのため、
図6A,6Bに示すように、連通管4の中央部分で旋回流は比較的早い速度で旋回し、これにより還元剤の拡散が促進される。
【0047】
連通管4の下端まで旋回しながら流動した排気ガスは、還元部3の前段領域3Aに導入される。前段領域3Aにおける排気ガスの流路は、連通管4における流路よりも断面積が大きい。そのため、
図6Aに示すように、前段領域3Aに導入された排気ガスは流速が低下すると共に、前段領域3A内に拡散する。この結果、前段領域3A内では、第3方向D3と平行な軸(X軸)を中心に旋回する新たな旋回流が形成され、還元剤の拡散が促進される。
【0048】
[1−3.効果]
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1a)排気ガス浄化部2の排出口2Aと重なるように連通管4内に配置した仕切り板6によって、排気ガス浄化部2の排出口2A近傍で2つの旋回流が発生する。この2つの旋回流は、互いに衝突しながら連通管4内の下流側まで流動する。この旋回流によって、還元剤を排気ガス内に効果的に拡散することができる。
【0049】
(1b)排気ガスの流路の断面積は、排気ガス浄化部2から連通管4に向かって小さくなるので、連通管4内における旋回流の旋回速度が高められる。これにより、還元剤が効果的に拡散される。
【0050】
(1c)排気ガスの流路の断面積が還元部3に向かって大きくなるので、還元部3では排気ガスの速度が低下すると共に拡散し、排気ガスの偏りが抑制される。そのため、還元触媒31と均質に接触し、還元が効率的に行われる。
【0051】
(1d)仕切り板6は、下流側に向かって幅が大きくなる帯状の平板とされているので、より上流側から旋回流を発生させることができる。これにより、還元剤の拡散効果が促進される。
【0052】
(1e)連通管4は、還元剤を拡散させる衝突板7を内部に有するので、衝突板7に向かって還元剤を噴霧させることで、還元剤を微粒化することができる。微粒化された還元剤は、旋回流によって効果的に拡散される。
【0053】
また、排気ガス中に供給されても蒸発しなかった尿素水が衝突板7に付着することで、衝突板7によって尿素水を加熱して蒸発させることができる。そのため、尿素水の供給効率を向上させることができる。
【0054】
(1f)排気ガス浄化部2、連通管4、及び還元部3により、水平方向から視てU字を横倒した形状の流路が構成されるので、浄化装置1がコンパクトに設計できる。そのため、例えば車両のエンジン直下に好適に配置することができる。
【0055】
[2.他の実施形態]
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【0056】
(2a)上記実施形態の排気ガス浄化装置1において、連通管4が排気ガス浄化部2から排出される排気ガスの流れ方向を曲げるように排出口2Aに接続されれば、排気ガス浄化部2と還元部3との位置関係は限定されない。また、水平方向から視てU字を横倒した形状の流路を必ずしも構成しなくてもよい。
【0057】
従って、排気ガス浄化部2の上に還元部3が配置されてもよいし、排気ガス浄化部2と還元部3とが同じ高さに配置されてもよい。また、連通管4の延伸方向も上下方向(つまり鉛直方向)に限定されず、水平方向であってもよいし、上下方向及び水平方向を組み合わせた斜め方向であってもよい。さらに、排気ガスの流れ方向は3回以上曲げられてもよい。
【0058】
(2b)上記実施形態の排気ガス浄化装置1において、仕切り板6によって発生する旋回流の数は3以上であってもよい。また、連通管4内に少なくとも2つの旋回流を発生させることができれば、仕切り板6の形状や向きは限定されない。
【0059】
従って、仕切り板6は、必ずしも下流側に向かって幅が大きくなる帯状の平板である必要はない。仕切り板6は、幅が一定であってもよいし、湾曲又は屈曲した板であってもよい。また、仕切り板6は、必ずしも一方の表面が排気ガス浄化部2の排出口2Aと対向する必要もなく、表面が第1方向D1と平行となるように配置されてもよい。さらに、複数の仕切り板6を組み合わせて旋回流を発生させてもよい。
【0060】
(2c)上記実施形態の排気ガス浄化装置1において、還元剤供給部5の取り付け位置は、連通管4の上端に限定されない。還元剤供給部5は、連通管4の任意の位置に取り付けが可能である。従って、還元剤供給部5の還元剤の供給方向(つまり噴霧方向)についても、任意に設計可能である。
【0061】
(2d)上記実施形態の排気ガス浄化装置1において、衝突板7は必須の構成ではなく、還元剤供給部5のインジェクタの機能によっては省略することができる。また、仕切り板6を衝突板7として用い、仕切り板6に還元剤を噴霧して衝突させてもよい。
【0062】
(2e)上記実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。