(57)【要約】【課題】還元剤に起因する圧力損失の低下や触媒の性能低下が少なく、省スペース化や省エネルギー化が可能な排ガス浄化装置を提供する。【解決手段】排ガス浄化装置は、車両の内燃機関で生じた排ガスを浄化する装置であって、排ガス管と、前記排ガス管の内部に窒素酸化物還元用の還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、前記排ガス管の内部、かつ前記還元剤噴射部より排ガス下流側に配置された還元触媒と、を含む。前記排ガス管は、前記還元剤噴射部と前記還元触媒との間、かつ前記排ガス管の内壁に、前記還元剤噴射部から噴射された前記還元剤の一部を貯留するための凹みを有し、前記凹みの内壁面は、複数の凸部および／または複数の凹部を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の内燃機関で生じた排ガスを浄化するための排ガス浄化装置であって、
排ガス管と、
前記排ガス管の内部に窒素酸化物還元用の還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、
前記排ガス管の内部、かつ前記還元剤噴射部より排ガス下流側に配置された還元触媒と、
を含み、
前記排ガス管は、前記還元剤噴射部と前記還元触媒との間、かつ前記排ガス管の内壁に、前記還元剤噴射部から噴射された前記還元剤の一部を貯留するための凹みを有し、
前記凹みの内壁面は、複数の凸部および／または複数の凹部を有する、
排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記排ガス管の内部、かつ前記還元触媒より排ガス下流側に配置された酸化触媒をさらに有する、
請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記凹みの内壁面が、前記排ガス管の排ガスの流れ方向に平行な凸条および凹条を交互に有する、
請求項１または２に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記排ガス管の排ガス流れに直交方向の、前記凹みの断面が、波板状である、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の内燃機関で生じた排ガスを浄化するための排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両の内燃機関からの排ガスに含まれる窒素酸化物（一般的に「ＮＯｘ」とも称される）除去のための排ガス浄化装置が種々開発されている。例えば、図１に示すように、内燃機関（図示せず）に接続された排ガス管５１０と、当該排ガス管５１０内に尿素水を噴射するための還元剤噴射部５３０と、還元触媒５２０と、を有する排ガス浄化装置５００が知られている（例えば、特許文献１）。当該排ガス浄化装置５００では、還元剤噴射部５３０から排出された尿素水が排ガスによって暖められて気化し、加水分解する。そして、当該反応によって生じたアンモニアと排ガス中の窒素酸化物とが、還元触媒５２０存在下で反応し、窒素酸化物が無害化される。
【０００３】
しかしながら、排ガスの温度が低い場合や、排ガス管５１０の温度が低い場合には、尿素水の温度が十分に高まらず、その一部が、液体状のまま、排ガス管５１０の内壁に付着し、析出したりする。そこで、排ガス管５１０の内壁に、尿素水もしくは尿素水が加水分解されて生じたアンモニア水５８０を溜めるための貯留部を設けることが提案されている（例えば特許文献２および３等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２７６２７号公報
【特許文献２】特開２００５−２１４１７６号公報
【特許文献３】特開２０１３−１２７２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１のような排ガス浄化装置では、排ガス管に液体状の尿素水が付着すると、当該尿素水は、重力によって排ガス管の下方に集まり、還元触媒や、還元触媒を保護するための保護部材等に染み込む。そして、尿素水が冷却されると、還元触媒や保護部材の内部で結晶化し、還元触媒の細孔を押しつぶしたり、還元触媒の細孔内に詰まったりする。その結果、排ガス浄化装置の圧力損失が増大したり、還元触媒の有効体積が減少して十分に窒素酸化物を除去できなくなる等の不具合が生じる。
【０００６】
そこで、液体状の尿素水が還元触媒や保護部材に染み込まないよう、還元触媒の排ガス上流側の一部を、金属板等で覆うことも検討されている。しかしながらこの場合、金属板の背後に位置する還元触媒を十分に機能させることができず、この場合にも、排ガス浄化装置の圧力損失が増大したり、触媒の有効体積が減少する等の課題が生じやすい。
【０００７】
一方、上述の特許文献２や特許文献３で提案されているように、尿素水やアンモニア水等を除去するための貯留部を設けると、尿素水の還元触媒等への染み込みは抑制される。しかしながら、これらの装置では、貯留部に溜まった尿素水やアンモニア水等を除去する必要がある。そこで、これらの排ガス浄化装置では、貯留部内を加熱するためのヒーターを排ガス管の外部に設けているが、このようなヒーターを設けると、排ガス浄化装置が大型化しやすく、エネルギー消費量が大きくなる、との課題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものである。すなわち、還元剤に起因する圧力損失の低下や触媒の性能低下が少なく、さらに省スペース化や省エネルギー化が可能な排ガス浄化装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の排ガス浄化装置は、車両の内燃機関で生じた排ガスを浄化するための装置である。当該排ガス浄化装置は、排ガス管と、前記排ガス管の内部に窒素酸化物還元用の還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、前記排ガス管の内部、かつ前記還元剤噴射部より排ガス下流側に配置された還元触媒と、を含み、前記排ガス管は、前記還元剤噴射部と前記還元触媒との間、かつ前記排ガス管の内壁に、前記還元剤噴射部から噴射された前記還元剤の一部を貯留するための凹みを有し、前記凹みの内壁面は、複数の凸部および／または複数の凹部を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の排ガス浄化装置によれば、還元剤に起因する圧力損失の低下や触媒の性能低下が生じ難い。さらに、当該ガス浄化装置によれば、省スペース化や省エネルギー化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来の排ガス浄化装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置を排ガス下流側から観察したときの正面図である。
【図３】図２に示すＡ−Ａ線の概略断面図である。
【図４】図２に示すＢ−Ｂ線の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（排ガス浄化装置の構成）
以下、図面を参照して、本発明の排ガス浄化装置について詳しく説明する。ただし、本発明の排ガス浄化装置は、当該図面に示す構造に限定されない。
本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置１００を、排ガス下流側から観察したときの正面図を図２に示し、図３に、図２に示すＡ−Ａ線の概略断面図を示し、図４に図２に示すＢ−Ｂ線の概略断面図を示す。また、本明細書では、図２における上下方向が、「重力方向」と一致する。また、図３および図４において、矢印はそれぞれ、排ガスの流動する方向（排ガス流れ方向）を示す。
【００１３】
本実施形態の排ガス浄化装置１００は、図３および図４に示すように、排ガス管１１０と、排ガス管１１０内部に還元剤を噴射するための還元剤噴射部１３０と、排ガス管１１０の内部、かつ還元剤噴射部１３０より排ガス下流側に配置された還元触媒（以下、「ＳＣＲ」（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｆｉｌｔｅｒ）とも称する）１２０と、排ガス管１１０の内部、かつＳＣＲ１２０より排ガス下流側に配置された酸化触媒（以下、「ＤＯＣ」（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）とも称する）１４０と、を含む。
【００１４】
本実施形態の排ガス浄化装置１００は、車両のディーゼルエンジンに直接または間接的に接続されて使用される。また本実施形態の排ガス浄化装置１００より排ガス上流または排ガス下流には、ディーゼル微粒子捕集フィルター（以下、「ＤＰＦ」とも称する）を有するディーゼル微粒子捕集部（以下、「ＤＰＤ」とも称する）が配置される。以下、排ガス浄化装置１００の排ガス上流側にＤＰＤが配置される場合を例に説明するが、本発明は当該実施形態に制限されない。
【００１５】
本実施形態の排ガス管１１０は、図３に示すように、排ガス浄化装置１００の排ガス上流側に配置される部材（例えばＤＰＤ）に接続するための排ガス導入部１１０ａと、ＳＣＲ１２０およびＤＯＣ１４０を内部に収容する触媒収容部１１０ｃと、排ガス浄化装置１００の排ガス下流側に配置される部材（例えばマフラー）に接続するための排ガス排出部１１０ｅと、を有する。排ガス導入部１１０ａ、触媒収容部１１０ｃ、および排ガス排出部１１０ｅは、いずれも略円筒形状であり、触媒収容部１１０ｃの径はＳＣＲ１２０やＤＯＣ１４０の径に合わせて設定されている。本実施形態では、触媒収容部１１０ｃの径が、排ガス導入部１１０ａや排ガス排出部１１０ｅの径より大きく設定されている。そこで、排ガス導入部１１０ａおよび触媒収容部１１０ｃの間には、下流側に向かって径が大きくなる拡径部１１０ｂが配置されている。また、触媒収容部１１０ｃおよび排ガス排出部１１０ｅの間には、下流側に向かって径が小さくなる縮径部１１０ｄが配置されている。
【００１６】
ここで、排ガス管１１０は、還元剤噴射部１３０とＳＣＲ１２０との間の内壁（本実施形態では、触媒収容部１１０ｃの内壁）に、還元剤噴射部１３０から噴射された還元剤１８０の一部を貯留するための凹み１１１を有する。当該凹み１１１の内壁面は、複数の凸部および／または複数の凹部を有する。これらの凸部および／または凹部は、凹み１１１の内壁面のみならず、内壁面と表裏の関係で凹み１１１の外壁面にも形成されていてもよい。すなわち、凹み１１１の外壁面も、内壁面と同様の凸状の部分または凹状の部分を有していてもよい。なお、本明細書において、「凸部」または「凹部」とは、各種成形加工等によって機械的に形成された凸状の部分または凹状の部分を意味する。
【００１７】
凹み１１１の内壁面が凹部または凸部を有すると、凹み１１１の内壁面が平坦である場合と比較して表面積が大きくなり、凹み１１１に貯留される還元剤１８０と凹み１１１との接触面積が大きくなる。本実施形態の排ガス浄化装置１００では、後述するように、凹み１１１に貯留された還元剤１８０を、ＤＰＦ再生時の熱によって揮発させるが、凹み１１１の内壁面が凹部または凸部を有すると、ＤＰＦ再生時の熱が、還元剤１８０に十分に伝わりやすい。したがって、当該凹み１１１に貯留された還元剤１８０を確実に揮発させることが可能となる。
【００１８】
ここで、凹み１１１の形状は、還元剤１８０を十分に貯留可能であれば特に制限されない。本実施形態では、図２および図３に示すように、円筒状の排ガス管１１０の外周面から、凹み１１１に相当する領域の外壁面が突出している。また、図２および図４に示すように、凹み１１１は、排ガス下流側（もしくは排ガス上流側）から排ガス管１１０を観察した場合の重力方向を０°としたとき、当該重力方向（０°）を中心として±４５°の範囲に帯状に形成されている。
【００１９】
ここで、凹み１１１の最大深さ（図３中、ｈで表される長さ）は、排ガス管１１０の触媒収容部１１０ｃの内径（図３中、Ｄで表される長さ）に対して、１０〜２５％程度の深さであることが好ましい。凹み１１１の最大深さが深すぎると、排ガス浄化装置１００が大型化しやすくなる。一方、凹み１１１の最大深さが浅すぎると、凹み１１１に十分な量の還元剤１８０を貯留することができず、還元剤１８０が凹み１１１から溢れやすくなる。
【００２０】
また、凹み１１１の排ガスの流れ方向の幅（図３中、ｗで表される長さ）は、排ガス浄化装置１００を車両に搭載したときに略水平となる、触媒収容部１１０ｃのＳＣＲ１２０より排ガス上流側の領域の幅と略同等であることが好ましい。
【００２１】
また、凹み１１１の内壁面は、必要に応じて親水化処理等、各種処理がなされていてもよい。凹み１１１の内壁面が親水化処理されていると、還元剤１８０と凹み１１１の内壁面との接触面積が増加し、ＤＰＦ再生時の熱が伝わりやすくなる。
【００２２】
一方、凹み１１１の内壁面が有する凸部および／または凹部の形状は、凹み１１１の表面積を十分に増大させることが可能であれば特に制限されない。本実施形態では、図２および図４に示すように、排ガスの流れ方向に平行な、均一な形状の凸条および凹条が交互に凹み１１１に配置されている。また、本実施形態では、排ガス管１１０の排ガス流れに直交方向の凹み１１１の断面が、波板状となるように、凹み１１１の内壁面だけでなく、外壁面にも凸部および凹部が形成されている。ただし、凸部や凹部の形状は当該実施形態に制限されず、凸部および／または凹部の数も特に制限されない。また、複数の凸部および／または複数の凹部の形状は、全て同一であってもよく、異なっていてもよい。また、凸部および／または凹部は、筋状であってもよく、島状であってもよい。また、凸部または凹部の断面形状も特に制限されず、半円状であってもよく、矩形状であってもよく、三角形状等であってもよい。
【００２３】
ここで、排ガス管１１０は、凹み１１１と排ガス管１１０の他の領域との間に継ぎ目を有さないことが好ましい。凹み１１１と他の領域との間に継ぎ目を有すると、当該箇所が還元剤によって、腐食されやすい。
【００２４】
なお、排ガス管１１０の成形方法は、一般的な排ガス管の成形方法と同様とすることができる。例えば、一体成型によって、所望の箇所に溝を有する円筒状の管を形成する。そして、溝にプレス加工を行い、溝の内壁面（および外壁面）に所望の凸部および／または凹部を形成する。
【００２５】
一方、排ガス浄化装置１００が有する還元剤噴射部１３０は、ＳＣＲ１２０より排ガス上流側に配置されており、排ガス管１１０内部に還元剤を噴射可能なものであればよい。還元噴射部１３０は、還元剤を噴射するための噴射ノズルと、還元剤を貯留しておくための貯留部（図示せず）と、これらを接続する配管（図示せず）とを少なくとも有する。噴射ノズルは、通常排ガス管１１０の上部に配置され、本実施形態では、排ガス管１１０の排ガス導入部１１０ａの上部に配置されている。ここで、還元剤噴射部１３０は、必要に応じて、還元剤および圧縮空気を、噴射ノズルから排ガス管１１０内に噴射するが、還元剤の噴射量や噴射タイミングは、内燃機関の回転速度や燃料噴射量等に応じて制御されている。
【００２６】
還元剤噴射部１３０が噴射する還元剤１８０の種類は、排ガス中の窒素酸化物と反応して、窒素酸化物を無害化可能な化合物（例えばアンモニア）、もしくはその前駆体であれば特に制限されない。ただし、通常は、加水分解によってアンモニアを生成可能な尿素水を還元剤として使用する。
【００２７】
また、ＳＣＲ１２０は、排ガス管１１０の触媒収容部１１０ｃ内に配置されている。ＳＣＲ１２０は、還元剤１８０等（本実施形態では、アンモニア）を吸着し、ＳＣＲ１２０内部で窒素酸化物と還元剤等とを反応させることが可能なものであればよい。ＳＣＲ１２０は、例えば多孔質セラミック担体にゼオライト等を担持させた部材とすることができる。
【００２８】
一方、ＤＯＣ１４０は、排ガス管１１０の触媒収容部１１０ｃ内に、ＳＣＲより排ガス下流に配置されている。ＤＯＣ１４０は、ＳＣＲ１２０から下流側に通過（スリップ）したアンモニアを酸化し、無害化することが可能なものであればよく、多孔質セラミック担体に白金やロジウム、酸化セリウム等を担持させた部材とすることができる。
【００２９】
ここで、ＳＣＲ１２０およびＤＯＣ１４０は、保護部材１２１、１４１を介して排ガス管１１０に固定されている。ＳＣＲ１２０やＤＯＣ１４０が保護部材１２１、１４１を介して固定されていると、これらが、外部からの衝撃や震動からの影響を受け難くなる。保護部材１２１、１４１は、例えばセラミックや金属繊維からなるマット等とすることができる。
【００３０】
（作用）
以下、本実施形態の排ガス浄化装置１００の作用について、還元剤１８０が尿素水である場合を例に説明する。本実施形態の排ガス浄化装置１００では、排ガスが排ガス管１１０内を通過する際、還元剤噴射部１３０から尿素水が噴射される。排ガス管１１０内に噴射された尿素水は、その多くが排ガス熱によって暖められて気化し、加水分解する。当該反応によって生じたアンモニアガスは、排ガスと共にＳＣＲ１２０側に移動する。そして、ＳＣＲ１２０内で排ガス中の窒素酸化物およびアンモニアが反応することにより、窒素酸化物が窒素および水に分解される。続いて、排ガスは、ＤＯＣ１４０内に移動する。ＤＯＣ１４０内部では、排ガス中に含まれるアンモニア（ＳＣＲ１２０からスリップしたアンモニア）が酸化され、無害化される。その後、排ガスは、排ガス浄化装置１００の外部に排出され、例えば排ガス浄化装置１００に接続されたマフラー（図示せず）等を介して大気中に放出される。
【００３１】
一方で、本実施形態の排ガス浄化装置１００は、前述のように、ＤＰＤと接続して用いられる。ＤＰＤでは、ＤＰＦによって排ガス中のディーゼル微粒子（以下、「ＰＭ」とも称する）を捕集すると共に、ユーザからの指示を受けて、ＤＰＦに堆積したＰＭを除去し、ＤＰＦを再生する。ＤＰＦの再生時には、内燃機関のシリンダ内の燃料噴射制御でポスト噴射したり、排気ガスに未然燃料を供給し、その未然燃料を酸化触媒で酸化する。これにより、一時的に排ガスの温度が上昇し、ＤＰＦに堆積したＰＭが燃焼除去される。
【００３２】
ここで、本実施形態の排ガス浄化装置１００では、排ガスの温度が低い場合や、排ガス管１１０の温度が低い場合、還元剤噴射部１３０から噴射された尿素水の一部が気化せずに、液体状のまま、排ガス管１１０に付着する。排ガス管１１０に付着した液体状の尿素水１８０は、重力によって排ガス管１１０の下方に集まり、排ガスと共にＳＣＲ１２０側に移動する。そして、当該尿素水１８０は、排ガス管１１０の内壁に配置された凹み１１１に貯留される。その後、上述のＤＰＦ再生が行われると、高温の排ガスが排ガス浄化装置１００内にも供給される。これにより、排ガス管１１０の温度が上昇し、凹み１１１の温度も上昇する。その結果、凹み１１１に貯留された尿素水１８０の温度が上昇し、揮発する。
【００３３】
（効果）
以上のように、本実施形態の排ガス浄化装置によれば、従来のような、尿素水の結晶化によるＳＣＲの変形や、保持部材の変形が生じない。つまり、本実施形態の排ガス浄化装置によれば、還元剤に起因する圧力損失の低下や触媒の性能低下が生じ難い。また、本実施形態の排ガス浄化装置によれば、排ガス管の外部に別途ヒーターを配置することなく、凹みに貯留された還元剤（尿素水）を除去することが可能である。したがって、排ガス浄化装置を小型化することが可能であり、省エネルギー化も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の排ガス浄化装置によれば、還元剤に起因する圧力損失の低下や触媒の性能低下が生じ難い。さらに、当該排ガス浄化装置によれば、省スペース化や省エネルギー化が可能である。したがって、ディーゼルエンジンを搭載した乗用車や商用車に好適である。
【符号の説明】
【００３５】
１００、５００  排ガス浄化装置
１１０、５１０  排ガス管
１１１  凹み
１２０、５２０  還元触媒（ＳＣＲ）
１２１、１４１  保護部材
１３０、５３０  還元剤噴射部
１４０  酸化触媒（ＤＯＣ）
１８０  還元剤
【図１】
2018035715.tif 000003
【図２】
2018035715.tif 000004
【図３】
2018035715.tif 000005
【図４】
2018035715.tif 000006