特許 7593169 エンジンの排気浄化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】エンジンの排気浄化装置

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/08 20060101AFI20241126BHJP

   F01N 3/28 20060101ALI20241126BHJP

   F01N 3/24 20060101ALI20241126BHJP

   B01D 53/94 20060101ALI20241126BHJP

【ＦＩ】

F01N3/08 B ZAB

F01N3/28 301E

F01N3/24 N

B01D53/94 222

B01D53/94 245

B01D53/94 280

B01D53/94 400

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021035564

(22)【出願日】2021-03-05

(65)【公開番号】P2022135628

(43)【公開日】2022-09-15

【審査請求日】2024-01-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】吉田 一樹

(72)【発明者】

【氏名】中野 洋平

(72)【発明者】

【氏名】和田 好隆

(72)【発明者】

【氏名】古田 哲朗

(72)【発明者】

【氏名】福尾 奈央斗

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 祐也

【審査官】櫻田 正紀

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０３０８２３４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１５－５３７１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１４２３６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１２３７８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｎ ３／０８

Ｆ０１Ｎ ３／２８

Ｆ０１Ｎ ３／２４

Ｂ０１Ｄ ５３／９４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンの排気通路に設けられ、排気中のＨＣ及びＣＯを酸化する酸化触媒と、
前記排気通路における前記酸化触媒よりも下流側且つ低位置に設けられ、前記排気中のＮＯｘを選択的に還元浄化するＮＯｘ選択還元触媒と、を備え、
前記酸化触媒は、その軸心が横方向に延び、前記排気が流出する流出口を有し、
前記ＮＯｘ選択還元触媒は、前記排気が流入する流入口を有し、
前記流出口と前記流入口を結ぶ排気通路部は、排気の流れが前記横方向から縦方向の下向きに変わるように曲がった屈曲部を備え、
前記屈曲部に該屈曲部の下流側の縦方向に延びる通路軸心を旋回軸として前記排気を旋回させる旋回部が設けられ、
前記ＮＯｘ選択還元触媒によるＮＯｘ浄化のための還元剤を前記旋回部に噴射する還元剤噴射装置と、
前記酸化触媒の流出口に設けられ、前記排気を前記旋回部に対して前記旋回軸から片側に逸れた部位を指向して流入するようにガイドする整流部材と、を備えており、
前記排気通路における前記旋回部と前記ＮＯｘ選択還元触媒との間には、前記旋回部よりも通路径が小さくなった絞り部が設けられていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。

【請求項2】

請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置において、
前記酸化触媒の流出口の軸心が前記旋回部の旋回軸に交わらず、該流出口の軸心の位置が該旋回軸の位置から前記片側にずれていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のエンジンの排気浄化装置において、
前記整流部材は、排気流れ方向の前方に行くにつれて前記片側に寄るように傾斜していることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置において、
前記整流部材は相対する側壁を備え、
前記相対する両側壁のうちの前記片側に配置された側壁は、前記旋回部の内周壁に沿うように湾曲して該旋回部に向かって延びていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１つに記載のエンジンの排気浄化装置において、
前記絞り部には、前記排気の流れに抵抗を与える抵抗部材が設けられていることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はエンジンの排気浄化装置に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車等に用いられるエンジンの排気にはＮＯｘ（窒素酸化物）が含まれている。この排気中のＮＯｘを浄化するための触媒の一例として、ＮＯｘ選択還元触媒と、このＮＯｘ触媒よりも上流側に還元剤を噴射する装置とを備えた排気浄化装置が知られている。自動車のエンジンでは、還元剤として尿素水が広く用いられている。この構成では、還元剤噴射装置から噴射された還元剤が排気と混合される。還元剤が混合された排気は、ＮＯｘ触媒に供給され浄化される。

【0003】

このような排気浄化装置の一例が特許文献１に記載されている。この排気浄化装置は、排気通路内の還元剤噴射装置と、ＮＯｘ触媒との間に、スタテッィクミキサ、還元剤拡散部材が、上流側から順に配設されている。還元剤拡散部材は、複数のフラップを有するミキサで形成されている。

【0004】

この排気浄化装置では、還元剤噴射装置から還元剤拡散部材に向けて、還元剤が噴射される。これにより、還元剤は、微粒化・気化し排気中に分散させられる。還元剤が分散した排気は、還元剤拡散部材のフラップを通過するときに渦流が生じ、排気ガスと還元剤との混合が促進される。その後、スタティックミキサを通過することで大きな渦流が発生し、還元剤の分布が均一化するようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許４９４３４９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＮＯｘ浄化効率を高めるためには排気中に混合される還元剤の濃度分布が均質になることが好ましい。このため、特許文献１の構成では、還元剤拡散手段によって還元剤の微粒化・気化を促進することで、排気中に還元剤が均質に分散されるようになっている。さらに、スタティックミキサの過流により、排気中の還元剤の分布の均一化が促進されている。

【0007】

ところで、排気中に混合された還元剤は排気の熱により熱分解される。ＮＯｘ選択還元触媒による排気中のＮＯｘ浄化性能のさらなる向上のためには、この熱分解を促進することが好ましい。

【0008】

本発明は斯かる点に鑑みて為されたものであり、その目的とすることは排気中に混合された還元剤の熱分解を促進することで、排気浄化装置のＮＯｘ浄化性能を向上させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の目的を達成するために、この発明では旋回流の生成を促進する整流部材を設けることで、還元剤と排気とを均質に混ぜ合わせるようにした。

【0010】

具体的に、ここに開示するエンジンの排気浄化装置は、
エンジンの排気通路に設けられ、排気中のＨＣ及びＣＯを酸化する酸化触媒と、
前記排気通路における前記酸化触媒よりも下流側且つ低位置に設けられ、前記排気中のＮＯｘを選択的に還元浄化するＮＯｘ選択還元触媒と、を備え、
前記酸化触媒は、その軸心が横方向に延び、前記排気が流出する流出口を有し、
前記ＮＯｘ選択還元触媒は、前記排気が流入する流入口を有し、
前記流出口と前記流入口を結ぶ排気通路部は、排気の流れが前記横方向から縦方向の下向きに変わるように曲がった屈曲部を備え、
前記屈曲部に該屈曲部の下流側の縦方向に延びる通路軸心を旋回軸として前記排気を旋回させる旋回部が設けられ、
前記ＮＯｘ選択還元触媒によるＮＯｘ浄化のための還元剤を前記旋回部に噴射する還元剤噴射装置と、
前記酸化触媒の流出口に設けられ、前記排気を前記旋回部に対して前記旋回軸から片側に逸れた部位を指向して流入するようにガイドする整流部材と、を備えており、
前記排気通路における前記旋回部と前記ＮＯｘ選択還元触媒との間には、前記旋回部よりも通路径が小さくなった絞り部が設けられていることを特徴とする。

【0011】

このエンジンの浄化装置によれば、まず排気通路内を通る排気は酸化触媒により、ＨＣ及びＣＯが酸化浄化される。酸化浄化された排気は、酸化触媒の流出口から流出して旋回部に流入する。この旋回部に流入する排気は、旋回部の内周壁に沿うように整流部材によってガイドされる。これにより、旋回部の内周壁に沿った排気の旋回流が強化される。

【0012】

旋回する排気は、屈曲部の下流側の縦方向に延びる通路軸心を旋回軸としながら、下方へ流れる。ＮＯｘを還元浄化するための還元剤が、還元剤噴射装置から旋回部を旋回する排気中に噴射されて、排気と混合される。この還元剤と排気との混合が、前述の排気の旋回により促進されることで、排気からの入熱による還元剤の気化・熱分解が促進される。

【0013】

還元剤が混合された排気は、低位置に設けられたＮＯｘ選択還元触媒にその流入口から流入する。そして、ＮＯｘ還元触媒により排気中のＮＯｘが還元浄化される。

【0014】

前記のエンジンの排気浄化装置において、
前記酸化触媒の流出口の軸心が前記旋回部の旋回軸に交わらず、該流出口の軸心の位置が該旋回軸の位置から前記片側にずれていることを特徴とする。

【0015】

これにより、前記整流部材による排気のガイドと相俟って、酸化触媒から流出する排気が旋回部に対してその内周壁に沿うように流入しやすくなり、旋回部における排気の旋回流の強化に有利になる。

【0016】

前記のエンジンの排気浄化装置において、
前記整流部材は、排気流れ方向の前方に行くにつれて前記片側に寄るように傾斜していることを特徴とする。

【0017】

従って、旋回部において排気の旋回流を強化することができる。

【0018】

前記のエンジンの排気浄化装置において、
前記整流部材は相対する側壁を備え、
前記相対する両側壁のうちの前記片側に配置された側壁は、前記旋回部の内周壁に沿うように湾曲して該旋回部に向かって延びていることを特徴とする。

【0019】

すなわち、整流部材の相対する両側壁によって、酸化触媒から旋回部に流入する排気の流路断面に制約をつけることにより、排気に旋回流を生じさせる趣旨である。片側の側壁が旋回部の内周壁に沿うように湾曲していることにより、旋回部の内周壁が排気の旋回流の生成に寄与し易くなるため、旋回流の強化に有利になる。

【0020】

上述のごとく、前記のエンジンの排気浄化装置において、
前記排気通路における前記旋回部と前記ＮＯｘ選択還元触媒との間には、前記旋回部よりも通路径が小さくなった絞り部が設けられていることを特徴とする。

【0021】

このようにすれば、絞り部によって排気の流れに抵抗が与えられる。これにより、旋回部での排気の滞留時間を確保できるから、還元剤と排気との混合が促進されることで、還元剤の気化・熱分解が促進される。また、絞り部によって旋回流れの半径が徐々に小さくなることで旋回の角速度が成長し、還元剤と排気との混合が促進される。

【0022】

前記のエンジンの排気浄化装置において、
前記絞り部には、前記排気の流れに抵抗を与える抵抗部材が設けられていることを特徴とする。

【0023】

このようにすれば、旋回部における排気の滞留時間を十分に確保することができる。これにより、排気中への還元剤の混合が促進される。また、液体状態もしくは未分解の還元剤が抵抗部材によってトラップされ、そのすり抜けが抑制される。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、還元剤と排気とを均質に混ぜ合わせることにより、排気からの入熱による還元剤の熱分解が促進され、ＮＯｘ選択還元触媒によるＮＯｘ浄化効率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】エンジンの排気浄化装置の構成を示す図である。

【図2】エンジンの排気浄化装置の側面図である。

【図3】エンジンの排気浄化装置の斜視図である。

【図4】第１屈曲部と旋回部とを除いた、エンジンの排気浄化装置の斜視図である。

【図5】屈曲部の縦断面図である。

【図6】抵抗部材の斜視図である。

【図7】整流部材の斜視図である。

【図8】酸化触媒と整流部材との正面図である。

【図9】酸化触媒と整流部材との背面図である。

【図10】酸化触媒と整流部材との側面図である。

【図11】旋回部の横断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

【0027】

＜排気浄化装置の構成＞
図１に示すエンジン（ディーゼルエンジン）Ｅの排気浄化装置において、１はエンジンＥから排出される排気ガスを通す排気通路である。この排気通路１に、排気ガス流れ方向の上流側から順に、酸化触媒２及び尿素ＳＣＲ触媒付きフィルタ（以下、「ＳＣＲ ＯＮ Ｆ」という。）３が配置されている。そうして、排気浄化装置は、酸化触媒２とＳＣＲ ＯＮ Ｆ３との間に尿素水を噴射供給する還元剤噴射装置としての尿素噴射装置（インジェクタ）４と、を備えている。尿素水としてはアドブルーと呼ばれるものが用いられる。

【0028】

酸化触媒２は、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを酸化させる触媒であり、ハニカム状担体に触媒金属としての貴金属を担持させてなる。本例では、触媒金属としてＰｔを採用し、Ｐｔのサポート材としては活性アルミナを採用している。

【0029】

ＳＣＲ ＯＮ Ｆ３は、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタに、ＮＯｘを選択的に還元するＮＯｘ選択還元触媒としての尿素ＳＣＲ触媒を担持させたものである。フィルタはウォールフロータイプのハニカム構造体であり、セルの内壁面及びセル同士を隔てる多孔質壁の細孔内面に尿素ＳＣＲ触媒が担持されている。尿素ＳＣＲ触媒は、尿素の加熱分解によって生ずるＮＨ_３、並びにその加熱分解で生ずるイソシアン酸の加水分解によって生ずるＮＨ_３を還元剤として排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する。尿素ＳＣＲ触媒は、ゼオライトにＣｕをイオン交換によって担持させたＣｕゼオライトを好ましく採用できる。ゼオライトとしてはＣＨＡ（チャバサイト）を好ましく採用することができる。触媒成分として、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ｗを採用することもできる。

【0030】

尿素噴射装置４は、尿素水供給管によって尿素水タンクに接続されている。尿素水タンクの尿素水を尿素噴射装置４に供給するポンプが尿素水供給管に介装されている。

【0031】

図２～図４に示すように、酸化触媒２とＳＣＲ ＯＮ Ｆ３とは各々の軸方向が互いに略平行となるように並設されている。本実施形態では、ＳＣＲ ＯＮ Ｆ３は酸化触媒２よりも低位置に配置されている。図５に示すように、酸化触媒２の排気が流出する流出口２１と、ＳＣＲ ＯＮ Ｆ３の排気が流入する流入口３１とは、略同じ方向に開口している。

【0032】

酸化触媒２の流出口２１とＳＣＲ ＯＮ Ｆ３の流入口３１とを結ぶ排気通路部１０は、排気の流れが酸化触媒２の軸方向からその軸方向に対して交差する方向（縦方向）の下向きに変わるように曲がった第１屈曲部１１と、排気の流れがＳＣＲ ＯＮ Ｆ３の軸方向（横方向）に変わるように曲がった第２屈曲部１２とを備える。本実施形態において、ＳＣＲ ＯＮ Ｆ３が酸化触媒２の下側に配置されているため、排気通路部１０は第１屈曲部１１において略水平な横方向から縦方向（上下方向）に曲がり、第２屈曲部１２において縦方向から横方向に曲がっている。

【0033】

第１屈曲部１１には、前記縦方向（本実施形態では上下方向）に延びる通路軸心を旋回軸として排気を旋回させる旋回部１１２が設けられている。この旋回部１１２には酸化触媒２の流出口２１からの排気が流入する。酸化触媒２の流出口２１は、図４に示すように、酸化触媒２の軸心から片側（図４では左側）にずらして設けられている。これにより、流出口２１の軸心と旋回部１１２の旋回軸とが交わらないようになっている。この流出口２１からの排気が、前記縦方向に延びる通路軸心から片側にそれた方向を指向して、旋回部１１２に流入する。これにより、旋回部１１２に流入した排気は、図５の矢印に示すように、縦方向を旋回軸として旋回する。

【0034】

また、流出口２１には旋回部１１２に向けて延びる整流部材５が設けられている。この整流部材５は、排気を旋回部１１２に対して旋回軸から片側（図４では左側）に逸れた部位を指向して流入するようにガイドする部材である。

【0035】

旋回部１１２の下流側、すなわち排気通路１における第１屈曲部１１と第２屈曲部１２とを結んで前記縦方向に延びる部位には、絞り部１３が設けられている。絞り部１３の通路径は、旋回部１１２の通路径よりも小さくなっている。この絞り部１３には、排気に抵抗をあたえるための抵抗部材６が設けられている。この抵抗部材６が図６に示されている。抵抗部材６は円形であり、排気通路を横断するように配置されている。抵抗部材６の外周には取付フランジ６１が設けられている。抵抗部材６には、４ヵ所の四半円部分６２が下流側に切り起こされて開口が形成されている。四半円部分６２は排気の旋回方向に沿うように切り起こされ、四半円部分６２によって排気の旋回が阻害されないようになっている。図５の矢印に示すように旋回部１１２を流れてきた排気は、絞り部１３と抵抗部材６とから抵抗を与えられ、抵抗部材６の開口から下流側へ流れる。また、絞り部１３によって旋回流れの半径が徐々に小さくなることで旋回の角速度が成長し、還元剤と排気との混合が促進される。

【0036】

図５に示すように、第１屈曲部１１には、前記旋回部１１２に向けて前記縦方向に尿素水を噴射する尿素噴射装置４が設けられている。本実施形態では、尿素噴射装置４は、第１屈曲部１１を形成する排気通路の上壁部に設けられ、下方に向かって尿素水を噴射する。

【0037】

旋回部１１２の内周壁における尿素噴射装置４の下方には、旋回部１１２の中心方向に延びる平板で形成された複数の衝突壁７が設けられている。本実施形態では、３枚の衝突壁７各々の壁面が上下方向に間隔を置いて、旋回部１１２における排気の旋回軸に対して略垂直になるように配置されている。尿素噴射装置４が噴射した尿素水は、これらの衝突壁７に衝突する。

【0038】

図７には整流部材５が、図８～図１０には、整流部材５と酸化触媒２の流出口２１とが描かれている。図７に示すように、整流部材５の上下には固定フランジ５１が設けられている。この固定フランジ５１を、図９に示すように酸化触媒２の流出口２１の上下に溶接することで、整流部材５は酸化触媒２に固定されている。これにより、図１１に示すように、酸化触媒２の流出口２１から旋回部１１２内に延びるように整流部材５が設けられている。

【0039】

整流部材５は、図７に示すように、その上側半部５２と下側半部５３と夫々に設けられた結合フランジ７４同士を溶接することによって形成されている。この整流部材５の断面は、図中で上下方向に長い略四角形状である。この整流部材５は、相対する外側側壁５５（図中で左側）と内側側壁５６（図中で右側）とを備えている。

【0040】

整流部材５は、図１１に示すように、排気流れ方向の前方に行くにつれて片側（図中で左側）に寄るように傾斜している。また、整流部材５の外側側壁５５は、旋回部１１２の内周壁に沿うように湾曲している。

【0041】

＜排気の浄化＞
［酸化触媒による酸化浄化］
酸化触媒２により、排気中に含まれるＨＣ及びＣＯは酸化浄化される。

【0042】

［旋回部への流入］
酸化触媒２により酸化浄化された排気は、整流部材５にガイドされて酸化触媒２の流出口２１から、第１屈曲部１１の旋回部１１２に流入する。このとき、流出口２１の軸心と旋回部１１２の旋回軸とは交わらないようになっているため、旋回部１１２の内周壁に沿うように排気が流入する。このため、旋回部１１２においてその内周壁を沿うように排気が旋回する。

【0043】

また、整流部材５は前述のように傾斜している。この傾斜に沿って整流部材５にガイドされた排気は、旋回部１１２にその内周壁に沿うようにして流入する。このため、旋回部１１２における排気の旋回流が強化される。

【0044】

さらに、整流部材５は相対する両側壁５５、５６によって、酸化触媒２から旋回部１１２に流入する排気の流路断面に制約をつけることで、排気に旋回流が生じるようになっている。この整流部材５の外側側壁５５は、旋回部１１２の内周壁に沿って湾曲している。従って、この外側側壁５５にガイドされる排気は、旋回部１１２の内周壁に沿うようにして、旋回部１１２に流入する。このため、旋回部１１２の内周壁が排気の生成に寄与しやすくなり、旋回流が強化される。

【0045】

このようにして旋回させられた排気は、縦方向を旋回軸として旋回部１１２から絞り部１３の方へ流れる。

【0046】

［還元剤の供給］
ＳＣＲ ＯＮ Ｆ３に流入する排気のＮＯｘ濃度値、並びにＳＣＲ ＯＮ Ｆ３に流入する排気温度（例えば２００℃以上）に応じて、旋回部１１２には、尿素噴射装置４から還元剤としての尿素水が噴射供給される。尿素噴射装置４から噴射された尿素水は、衝突壁７に衝突することにより、その液滴が微粒化して旋回する排気中に拡散される。排気中に拡散した尿素水は排気からの入熱により気化・熱分解されて、ＮＨ_３及びＨＮＣＯが生成する。

【0047】

前述のように旋回部１１２において排気が旋回しているため、排気と尿素水との混合が促進される。これにより、尿素水は排気からの熱を受けやすくなり、尿素の熱分解が促進される。

【0048】

また、尿素噴射装置４よりも上流側に設けられた流出口２１と整流部材５とによって、排気は旋回する。このため、排気中に尿素水が拡散されるときには、排気は強い旋回流となっている。従って、排気と尿素水との混合が促進され、排気からの入熱による尿素水の熱分解が促進される。

【0049】

［絞り部への流入］
旋回部１１２から絞り部１３へ流れる排気は、絞り部１３と抵抗部材６とによって排気抵抗が与えられる。これにより、旋回部１１２内における排気の滞留時間は長くなる。このため、旋回部１１２内において、排気と尿素水及びＮＨ_３とを混合する時間が十分に確保され、排気中の尿素水及びＮＨ_３の濃度分布が均質になる。さらに、絞り部１３によって旋回流れの半径が徐々に小さくなることで旋回の角速度が成長し、還元剤と排気との混合が促進される。また、液体状態もしくは未分解の尿素水が抵抗部材６によってトラップされ、そのすり抜けが抑制される。

【0050】

［ＳＣＲ ＯＮ ＦによるＮＯｘ選択還元］
排気は絞り部１３の抵抗部材６の開口から、第２屈曲部１２及び流入口３１を経由してＳＣＲ ＯＮ Ｆ３に供給される。前述の熱分解によって生じるＮＨ_３がＳＣＲ ＯＮ Ｆ３のＣｕゼオライトに吸着される。また、ＨＮＣＯはＳＣＲ ＯＮ Ｆ３において加水分解されゼオライトに吸着される。ＳＣＲ ＯＮ Ｆ３に流入するＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ_２）は、Ｃｕゼオライトに吸着されたＮＨ_３によってＮ_２に還元浄化され、そのときに生成するＨ_２Ｏと共に排出される。Ｃｕゼオライトに吸着されなかったＮＨ_３はＳＣＲ ＯＮ Ｆ３よりも下流側に配置されたＮＨ_３酸化触媒（図示省略）によって酸化されることで、大気中への排出が阻止される。

【符号の説明】

【0051】

１ 排気通路
２ 酸化触媒
３ ＳＣＲ ＯＮ Ｆ
４ 尿素噴射装置
５ 整流部材
６ 抵抗部材
７ 衝突壁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】