(57)【要約】【課題】簡単な構成で排気管内における還元剤の分散性を向上した排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】供給ノズル１０には、アンモニアガスが流出する３つの流出口２１，２２，２３が、供給ノズル１０の長手方向に間隔をあけて設けられている。流出口２１，２２，２３のそれぞれから排気管２の軸方向に沿った下流側の位置に、第１分散板１２，１３，１４が設けられている。第１分散板１２，１３，１４のそれぞれには、流出口２１，２２，２３のそれぞれに対向するように平面部１２ｂ，１３ｂ，１４ｂが設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出されて排気管を流通する排気ガス中のＮＯｘを還元剤を用いて還元する還元触媒と、
該還元触媒よりも上流に設けられ前記排気管中に前記還元剤を供給する還元剤供給手段と、
該還元剤供給手段と前記還元触媒との間に設けられた第１分散部材と
を備え、
前記還元剤供給手段には、前記還元剤が流出する複数の流出口が設けられ、
前記第１分散部材は、長手方向軸を有する複数の第１分散板が前記排気管の軸方向に対して垂直な方向に互いに間隔をあけて設けられるようにして構成され、
前記流出口のそれぞれから前記排気管の軸方向に沿った下流側の位置に前記第１分散板が設けられている排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記第１分散板にはそれぞれ、前記流出口に対向するように平面部が設けられている、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記第１分散部材と前記還元触媒との間には、長手方向軸を有する複数の第２分散板が前記排気管の軸方向に対して垂直な方向に互いに間隔をあけて設けられるようにして構成された第２分散部材が設けられている、請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記還元剤は気体である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特に、アンモニアを還元剤として用いて窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に還元する排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるＮＯｘを低減するために、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている。従来の尿素ＳＣＲシステムでは、排気管中に噴射された尿素水を加水分解することでアンモニアを生成し、ＳＣＲ触媒内において、アンモニアとＮＯｘとを反応させ、ＮＯｘを窒素と水とに還元している。しかしながら、排気管を流れる排気ガスの流速が小さい場合には、排気管中に噴射された尿素水の分散性が悪化してしまい、ＳＣＲ触媒に均一にアンモニアが分散されないために、ＮＯｘの浄化効率が低下してしまう。尿素水の代わりにアンモニアガスを直接噴射する形態の場合には、排気管を流れる排気ガスの流量に比べて、噴射されるアンモニアガスの流量が極めて少量のため、アンモニアの分散性の悪化はさらに顕著となる。
【０００３】
これに対し、排気管中に噴射された還元剤の分散性を向上した排気ガス浄化装置が特許文献１に記載されている。この排気ガス浄化装置では、排気管に、互いに平行に間隔をあけて設けられると共に傾斜角を変更可能な複数の傾斜板と、これらの傾斜板よりも下流側においてこれらの傾斜板に対して垂直な向きで互いに平行に間隔をあけて設けられると共に傾斜角を変更可能な複数の傾斜板とが設けられている。排気管を流れる排気ガスが傾斜板によって流れを大きく変えられ、これにより、排気ガスに同伴される還元剤が分散されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１１５７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、排気ガスの流れを変えるために排気管に傾斜板を設けると圧力損失が大きくなるため、引用文献１に記載の排気ガス浄化装置では、傾斜板の傾斜角を変更可能にして圧力損失の上昇を抑制しているが、傾斜角を変更可能とするためにバネや磁石を設けており、構成が非常に複雑になるといった問題点があった。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成で排気管内における還元剤の分散性を向上した排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関から排出されて排気管を流通する排気ガス中のＮＯｘを還元剤を用いて還元する還元触媒と、還元触媒よりも上流に設けられ排気管中に還元剤を供給する還元剤供給手段と、還元剤供給手段と還元触媒との間に設けられた第１分散部材とを備え、還元剤供給手段には、還元剤が流出する複数の流出口が設けられ、第１分散部材は、長手方向軸を有する複数の第１分散板が排気管の軸方向に対して垂直な方向に互いに間隔をあけて設けられるようにして構成され、流出口のそれぞれから排気管の軸方向に沿った下流側の位置に第１分散板が設けられている。流出口から流出した還元剤は、排気管の軸方向に沿って流れると、第１分散板に衝突して流れが乱される。
第１分散板にはそれぞれ、流出口に対向するように平面部が設けられていてもよい。
第１分散部材と還元触媒との間には、長手方向軸を有する複数の第２分散板が排気管の軸方向に対して垂直な方向に互いに間隔をあけて設けられるようにして構成された第２分散部材が設けられていてもよい。
還元剤は気体であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、還元剤が流出する複数の流出口のそれぞれから排気管の軸方向に沿った下流側の位置に第１分散板が設けられていることにより、流出口から流出した還元剤は、排気管の軸方向に沿って流れると、第１分散板に衝突して流れが乱されるので、排気管内における還元剤の分散性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。
【図２】実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の第１分散部材の正面図である。
【図３】実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の供給ノズル及び第１分散部材の平面図である。
【図４】実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の構成模式図である。
【図５】実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の第２分散部材の正面図である。
【図６】実施の形態２に係る排気ガス浄化装置において、第１分散部材の上流側から排気管の軸方向に見たときの第１分散部材及び第２分散部材の正面図である。
【図７】実施例における第１分散部材及び第２分散部材のＣＶ値の結果を表すグラフである。
【図８】実施例における第１分散部材及び第２分散部材の圧力損失の結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に示されるように、内燃機関であるディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２に、酸化触媒３と、ディーデルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４と、ＮＯｘを選択的に還元する還元触媒であるＳＣＲ触媒５と、ＳＣＲ触媒５を通過してきた還元剤であるアンモニアを酸化するアンモニアスリップ触媒６とが設けられている。排気管２には、ＤＰＦ４とＳＣＲ触媒５との間に、アンモニアを排気管２中に供給する還元剤供給手段である供給ノズル１０が設けられている。
【００１１】
供給ノズル１０には、アンモニア供給管７の一端が接続されている。アンモニア供給管７の他端は、アンモニア供給源８に接続されている。アンモニア供給源８には、例えば、アンモニアを吸蔵した塩化マグネシウムや塩化カルシウム等を充填したボンベを使用することができる。また、アンモニアガス若しくは液化アンモニアを充填したボンベ等を使用してもよい。
【００１２】
また、排気管２には、供給ノズル１０とＳＣＲ触媒５との間に第１分散部材１１が設けられている。図２に示されるように、第１分散部材１１は、板状の３つの第１分散板１２，１３，１４から構成されている。各第１分散板１２，１３，１４は、長手方向軸１２ａ，１３ａ，１４ａを有し、排気管２の軸方向に対して垂直な方向に互いに間隔をあけて設けられている。すなわち、隣り合う第１分散板１２，１３間及び第１分散板１３，１４間にはそれぞれ、隙間１５，１６が形成されている。また、排気管２の内壁と第１分散板１２との間と、排気管２の内壁と第１分散板１４との間とにもそれぞれ、隙間１７，１８が形成されている。隙間１５，１６，１７，１８は、第１分散部材１１における開口する部分を構成する。
【００１３】
図３に示されるように、供給ノズル１０は、排気管２の軸方向及び長手方向軸１２ａ，１３ａ，１４ａ（図２参照）に対して垂直な方向へ延びるように排気管２の内部へ突出しており、排気管２の軸方向の中心を通るように配置されている。供給ノズル１０には、アンモニアガスが流出する３つの流出口２１，２２，２３が、供給ノズル１０の長手方向に間隔をあけて設けられている。流出口２１，２２，２３のそれぞれから排気管２の軸方向に沿った下流側の位置に、第１分散板１２，１３，１４が設けられている。第１分散板１２，１３，１４のそれぞれには、流出口２１，２２，２３のそれぞれに対向するように平面部１２ｂ，１３ｂ，１４ｂが設けられている。
【００１４】
次に、この実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
図１に示されるように、ディーゼルエンジン１の始動後、排出された排気ガスは、排気管２を流通する。排気ガスが酸化触媒３を流通することにより、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）の一部が二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化され、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）も酸化される。続いて排気ガスがＤＰＦ４を流通することにより、排気ガス中のパティキュレートマター（ＰＭ）がＤＰＦ４に捕捉される。ＤＰＦ４から流出した排気ガスは、ＳＣＲ触媒５に流入する。供給ノズル１０からアンモニアガスが噴射され、後述する動作でアンモニアガスが第１分散部材１１によって分散される。排気ガスと共にアンモニアがＳＣＲ触媒５に流入すると、アンモニアと排気ガス中のＮＯｘとが反応して、窒素及び水となる。ＳＣＲ触媒５において消費されずに残ったアンモニアは、アンモニアスリップ触媒６において酸化される。このようにしてＮＯｘが浄化された排気ガスは、排気管２を流通して大気中へ排気される。
【００１５】
次に、第１分散部材１１がアンモニアを分散する動作について説明する。
図３に示されるように、流出口２１，２２，２３のそれぞれから流出したアンモニアガスは、その流量が排気管２を流れる排気ガスの流量に比べて極めて少量のため、ほとんど分散せずに、排気管２の軸方向に沿って（矢印Ａ，Ｂ，Ｃのように）流れる。すると、流出口２１，２２，２３のそれぞれから排気管２の軸方向に沿った下流側の位置に第１分散板１２，１３，１４が設けられているので、流出口２１，２２，２３のそれぞれから流出したアンモニアガスはそれぞれ、第１分散板１２，１３，１４に衝突する。
【００１６】
第１分散板１２，１３，１４のそれぞれに衝突したアンモニアガスは、第１分散板１２，１３，１４のそれぞれの両側に分かれて流れることで分散される。特に、第１分散板１２，１３，１４のそれぞれには、流出口２１，２２，２３のそれぞれに対向するように平面部１２ｂ，１３ｂ，１４ｂが設けられているので、アンモニアガスが第１分散板１２，１３，１４のそれぞれに衝突する際の衝撃も大きく、アンモニアの分散効果が向上する。また、アンモニアガスだけではなく排気ガスも第１分散板１２，１３，１４のそれぞれによって流れが乱され、カルマン渦や乱流が発生することにより、排気ガスと共に流れるアンモニアガスの分散を促進することになる。その結果、排気ガス中にアンモニアが良好に分散されて、ＳＣＲ触媒５（図１参照）に流入するので、ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率の低下を抑えることができる。
【００１７】
このように、アンモニアが流出する流出口２１，２２，２３のそれぞれから排気管２の軸方向に沿った下流側の位置に第１分散板１２，１３，１４が設けられていることにより、流出口２１，２２，２３のそれぞれから流出したアンモニアは、排気管２の軸方向に沿って流れると、第１分散板１２，１３，１４に衝突して流れが乱されるので、排気管２内におけるアンモニアの分散性を向上することができる。
【００１８】
実施の形態１では、供給ノズル１０には３つの流出口２１，２２，２３が設けられ、流出口２１，２２，２３のそれぞれから排気管２の軸方向に沿った下流側の位置に、３つの第１分散板１２，１３，１４が設けられていたがこの形態に限定するものではない。流出口の個数は２つ以上であればよい。また、第１分散板の個数は流出口の個数に一致する形態に限定するものではなく、流出口のそれぞれから排気管２の軸方向に沿った下流側の位置に少なくとも第１分散板が設けられていれば、それ以上の個数の第１分散板を設けてもよい。さらに、第１分散板１２，１３，１４の形状は板状に限定するものではなく、任意の多角柱や円柱等であってもよい。ただし、流出口２１，２２，２３のそれぞれに対向するように平面部１２ｂ，１３ｂ，１４ｂが設けられた形状のほうが、円柱の場合のように円柱の外周に沿って滑らかに排気ガス及びアンモニアガスが流れる場合に比べて、排気ガス及びアンモニアガスの流れの乱れ方が激しくなるので、アンモニアの分散性の向上にはより効果がある。
【００１９】
実施の形態１では、供給ノズル１０は、第１分散板１２，１３，１４の長手方向の中心付近に供給するように配置したが、この形態に限定するものではない。供給ノズル１０の形状を変更したり、複数の供給ノズルを配置したりすることによって、第１分散板１２，１３，１４の長手方向における複数個所に還元剤を供給するようにしてもよく、中心付近以外に供給するようにしてもよい。
【００２０】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の構成を示す。尚、実施の形態２において、図１〜３の参照符号と同一の符号は、同一又は同一な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置は、実施の形態１に対して、第１分散部材１１とＳＣＲ触媒５との間に、第１分散部材１１とは別の分散部材を設けたものである。
【００２１】
図４に示されるように、第１分散部材１１とＳＣＲ触媒５との間に、第２分散部材３１が設けられている。図５に示されるように、第２分散部材３１は、板状の３つの第２分散板３２，３３，３４から構成されている。各第２分散板３２，３３，３４は、長手方向軸３２ａ，３３ａ，３４ａを有し、排気管２の軸方向に対して垂直な方向に互いに間隔をあけて設けられている。第２分散板３２，３３，３４のそれぞれには、流出口２１，２２，２３（図３参照）のそれぞれに対向するように平面部３２ｂ，３３ｂ，３４ｂが設けられている。
【００２２】
図６に示されるように、第１分散部材１１の上流側から排気管２の軸方向に見たときに、第２分散板３２，３３，３４の長手方向軸３２ａ，３３ａ，３４ａはそれぞれ、第１分散板１２，１３，１４の長手方向軸１２ａ，１３ａ，１４ａに対して９０°の角度をなしている。また、第１分散部材１１の上流側から排気管２の軸方向に見たときに、第１分散部材１１及び第２分散部材３１のいずれによっても塞がれない正方形又は略正方形若しくは扇形の部分３０が１６個形成される（図６には、１６個のうちの１つに代表して符号「３０」が付されている）。これら１６個の部分３０は、第１分散部材１１の上流側から排気管２の軸方向に第１分散部材１１及び第２分散部材３１を見たときに開口する部分を構成する。その他の構成は、実施の形態１と同じである。
【００２３】
この実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の動作及び第１分散部材１１がアンモニアを分散する動作については、実施の形態１と同じである。実施の形態２では、第１分散部材１１がアンモニアを分散した後さらに、アンモニアが第２分散板３２，３３，３４に衝突したり、排気ガスが第２分散板３２，３３，３４のそれぞれによって流れが乱されて、カルマン渦や乱流が発生したりすることにより、排気ガスと共に流れるアンモニアガスの分散をさらに促進することになる。このように、第１分散部材１１とＳＣＲ触媒５との間に、第２分散部材３１を設けることにより、実施の形態１に比べてアンモニアガスの分散をさらに促進することができる。
【００２４】
実施の形態２では、第２分散板３２，３３，３４の個数は、流出口２１，２２，２３の個数と同じであったが、２つ以上であれば、流出口の個数にかかわらずいくつであってもよい。また、第２分散板３２，３３，３４の形状も板状に限定するものではなく、任意の多角柱や円柱等であってもよい。ただし、第１分散板１２，１３，１４の場合と同様の理由で、第２分散板３２，３３，３４のそれぞれに、流出口２１，２２，２３のそれぞれに対向するように平面部３２ｂ，３３ｂ，３４ｂを設けることが好ましい。
【００２５】
実施の形態２では、長手方向軸３２ａ，３３ａ，３４ａはそれぞれ、長手方向軸１２ａ，１３ａ，１４ａに対して９０°の角度をなしていたが、９０°に限定するものではない。両者が互いに平行であると、第１分散部材１１の上流側から排気管２の軸方向に見たときに、第２分散部材３１が第１分散部材１１に重なってしまい、アンモニアの分散性の向上に寄与しない場合も考えられることから、両者が互いに平行ではなく、少なくとも０°よりも大きく１８０°未満の角度をなしていればよい。
また、実施の形態２では、第１分散部材１１の上流側から排気管２の軸方向に見たときに、第１分散部材１１と第２分散部材３１とが重なる部位に還元剤が供給されるように供給ノズルを配置することが好ましい。
【００２６】
実施の形態１及び２では、還元剤としてアンモニアガスを用いていたが、この形態に限定するものではない。水素や燃料（軽油等）、尿素水を還元剤として用いてもよい。ただし、尿素水自体は本願発明に係る排気ガス浄化装置における還元剤ではないが、尿素水が排気ガス中で加水分解して、還元剤であるアンモニアを生成するので、本願発明では、排気管中に添加することによって還元剤を生成するこのような物質も還元剤に含めることとする。また、還元触媒としてＳＣＲ触媒５に限定するものではなく、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等であってもよい。
【実施例】
【００２７】
次に、この発明に係る排気ガス浄化装置の効果を実施例によって説明する。
実施の形態２に係る排気ガス浄化装置と同じ構成を有する実施例１〜３と、従来の分散部材として特開２００９−２４６５４号公報に記載された分散部材を供給ノズル１０とＳＣＲ触媒５との間に設けた比較例１と、供給ノズル１０とＳＣＲ触媒５との間に分散部材を設けない比較例２とのそれぞれについて、排気管２に排気ガスを３．７ｍ／ｓｅｃ及び６．５ｍ／ｓｅｃの流速で流した場合の変動係数であるＣＶ値及び圧力損失を算出及び測定した。尚、実施例１〜３はそれぞれ、第１分散板１２〜１４及び第２分散板３２〜３４の平面部１２ｂ〜１４ｂ及び平面部３２ｂ〜３４ｂの面積を変更することにより、排気管２の空洞部分の断面積に対する実施の形態２の部分３０の合計面積の比（以下、開口率という）を、６５％、６０％、５０％に調整したものである。
【００２８】
実施例１〜３と比較例１及び２とについて、ＣＶ値の結果を図７に示すと共に圧力損失の結果を図８に示す。図７から、分散部材を設けない比較例２に比べて、何らかの分散部材を設けた実施例１〜３及び比較例１の場合の方が、ＣＶ値が小さくなっていることから、分散部材が還元剤の分散性の向上に寄与していることが分かる。実施例１〜３と比較例１とを比較すると、開口率が最も大きい実施例１（開口率６５％）と比較例１との間に、ＣＶ値について有意差がある。すなわち、実施例１は、比較例１に対して還元剤の分散性が向上していることが分かる。実施例２及び３よりも開口率が大きいのに実施例１のほうが還元剤の分散性の向上効果が大きいのは、開口率が小さいと還元剤の濃度勾配がつきやすく、局所的に還元剤の濃度が濃くなることと、分散部材の部分でガスの流れが滞留してしまい分散効果が低くなることとが考えられる。
【００２９】
一方、分散部材を設けることにより排気管２における圧力損失が上昇する。図８によれば、実施例１〜３のように開口率が低下するに従って、当然に圧力損失は上昇する。実施例２の開口率６０％が、従来の分散部材を用いた比較例１の圧力損失とほぼ同じくらいになっていることから、開口率を６０％以上にすれば、排気管２における圧力損失は許容できるものと考えられる。
【００３０】
尚、実施の形態１に係る排気ガス浄化装置においては、排気管２の空洞部分の断面積に対する第１分散部材１１において開口する部分の面積の比が開口率となる。この場合でも、開口率を６０％以上にすれば、排気管２における圧力損失は許容できるものと考えられる。
【符号の説明】
【００３１】
１  ディーゼルエンジン(内燃機関)、２  排気管、５  ＳＣＲ触媒（還元触媒）、１０  供給ノズル（還元剤供給手段）、１１  第１分散部材、１２，１３，１４  第１分散板、１２ａ，１３ａ，１４ａ  （第１分散板の）長手方向軸、１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ  （第１分散板の）平面部、２１，２２，２３  流出口、３１  第２分散部材、３２，３３，３４  第２分散板、３２ａ，３３ａ，３４ａ  （第２分散板の）長手方向軸、３２ｂ，３３ｂ，３４ｂ  （第２分散板の）平面部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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