(57)【要約】【課題】内燃機関の排気管の配管経路に影響されることなく排気と還元剤とを均一に混合することができる排気浄化装置の提供を目的とする。【解決手段】排気管１４内に設けられる尿素水噴射ノズル２と、尿素水噴射ノズル２の下流側に設けられる触媒反応器１２と、を具備し、エンジン１８の排気に尿素水噴射ノズル２から尿素水を噴射して触媒反応器１２に収容されているＮＯｘ触媒１３によって排気中の窒素酸化物を還元する排気浄化装置１において、尿素水噴射ノズル２が排気の流れ方向の下流側に向かって排気管１４の軸心から尿素水を噴射するように配置され、複数の板状部材１１ｂが排気管１４の軸心を中心として放射状に配置され、排気の流れ方向に対する板状部材１１ｂの板面Ａ・Ｂの角度が、上流側と下流側とでそれぞれことなる値になるように形成された混合器１１が、触媒反応器１２の上流側端部に接続されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気管内に設けられる噴射ノズルと、排気の流れ方向における噴射ノズルの下流側に設けられる触媒反応器と、を具備し、エンジンの排気に噴射ノズルから還元剤を噴射して触媒反応器に収容されている触媒によって排気中の窒素酸化物を還元する排気浄化装置において、
噴射ノズルが排気の流れ方向の下流側に向かって排気管の軸心から還元剤を噴射するように配置され、
複数の板状部材が排気管の軸心を中心として放射状に配置され、排気の流れ方向に対する板状部材の上流側端部の角度と排気の流れ方向に対する板状部材の下流側端部の角度とがそれぞれことなる値になるように形成された混合器が、排気の流れ方向における触媒反応器の上流側端部に接続されている排気浄化装置。
【請求項２】
排気の流れ方向に対する前記板状部材の上流側端部の角度よりも排気の流れ方向に対する前記板状部材の下流側端部の角度が大きくなるように板状部材が形成され、板状部材同士が近接する排気管の軸心に、端部が縮小するテーパ形状に形成された芯部材が設けられている請求項１に記載の排気浄化装置。
【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。特に、船舶用の排気浄化装置における尿素水噴射ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、舶用エンジン等からの排気に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を低減させるために、選択還元型のＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）と還元剤とを用いて、ＮＯｘを窒素と水とに還元する排気浄化装置が知られている。例えば、高温の排気中に噴射した尿素水からアンモニアを生成し、ＮＯｘ触媒と接触させることでＮＯｘを窒素と水に還元するものがある。
【０００３】
このような排気浄化装置において、ＮＯｘ触媒における還元作用の効率を向上させるため、排気と還元材とを混合する混合器が設けられたものが知られている。排気浄化装置は、混合器によって還元剤を強制的に混合させた排気をＮＯｘ触媒に供給することで排気の還元作用を向上させる。例えば、特許文献１に記載の如くである。
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の排気浄化装置は、添加剤噴射弁（噴射ノズル）から噴射された添加剤が混合器に直接衝突するように添加剤噴射弁を配置する必要がある。つまり、特許文献１に記載の排気浄化装置は、添加剤噴射弁に対する混合器の位置が制限される。従って、内燃機関の排気管の配管経路によっては排気浄化装置の添加剤噴射弁と混合器とが適切な位置に設置できない問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−４７２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであり、噴射ノズルと混合器とを所定の距離に保つだけでエンジンから触媒反応器までの配管経路に制限されることなく噴射ノズルと混合器とを配置することができる排気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】
【０００７】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００８】
すなわち、本発明においては、エンジンの排気管内に設けられる噴射ノズルと、排気の流れ方向における噴射ノズルの下流側に設けられる触媒反応器と、を具備し、エンジンの排気に噴射ノズルから還元剤を噴射して触媒反応器に収容されている触媒によって排気中の窒素酸化物を還元する排気浄化装置において、噴射ノズルが排気の流れ方向の下流側に向かって排気管の軸心から還元剤を噴射するように配置され、複数の板状部材が排気管の軸心を中心として放射状に配置され、排気の流れ方向に対する板状部材の上流側端部の角度と排気の流れ方向に対する板状部材の下流側端部の角度とがそれぞれことなる値になるように形成された混合器が、排気の流れ方向における触媒反応器の上流側端部に接続されているものである。
【０００９】
本発明においては、排気の流れ方向に対する前記板状部材の上流側端部の角度よりも排気の流れ方向に対する前記板状部材の下流側端部の角度が大きくなるように板状部材が形成され、板状部材同士が近接する排気管の軸心に、端部が縮小するテーパ形状に形成された芯部材が設けられているものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示す効果を奏する。
【００１１】
本発明によれば、排気管内に均一に噴射された還元剤が、混合器によって均一に排気と混合されるので排気管に対して方向性を有さない。これにより、噴射ノズルと混合器とを所定の距離に保つだけでエンジンから触媒反応器までの配管経路に制限されることなく噴射ノズルと混合器とを配置することができる。
【００１２】
本発明によれば、還元剤と排気との混合効率が向上する。従って、混合時間を確保するための混合器から触媒反応器までの配管が不要になる。これにより、噴射ノズルと混合器とを所定の距離に保つだけでエンジンから触媒反応器までの配管経路に制限されることなく噴射ノズルと混合器とを配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る排気浄化装置の全体構成を示す概略図。
【図２】本発明に係る排気浄化装置の混合器の内部を示す断面斜視図。
【図３】本発明に係る排気浄化装置の混合器を示す上流側正面図。
【図４】本発明に係る排気浄化装置の混合器を示す側面断面図。
【図５】本発明に係る排気浄化装置の混合器から触媒反応器にかけての排気の流れの態様を示す側面断面図。
【図６】本発明に係る排気浄化装置の他の実施形態における混合器を示す側面断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、図１を用いて本発明に係る排気浄化装置の第一実施形態である排気浄化装置１ついて説明する。なお、本実施形態における「上流側」とは排気の流れ方向における上流側を示し、「下流側」とは排気の流れ方向における下流側を示す。
【００１５】
本実施形態において、一の内燃機関であるエンジン（例えば、舶用エンジンにおける主機もしくは補機）に対して排気浄化装置を設ける構成としているがこれに限定されるものでない。複数のエンジン（例えば、舶用エンジンにおける補機）が設置されている場合において、複数のエンジンからの排気をまとめて一の排気浄化装置で浄化する構成や、エンジン毎に排気浄化装置を設ける構成でもよい。
【００１６】
排気浄化装置１は、エンジン１８からの排気を浄化する。排気浄化装置１は、尿素水噴射ノズル２、尿素供給流路３、空気供給流路４、加圧空気弁５、エアタンク６、加圧空気供給ポンプ（コンプレッサ）７、切替弁８、尿素水供給ポンプ９、尿素水タンク１０、混合器１１、触媒反応器１２、ＮＯｘ触媒１３、制御装置１７等を具備している。なお、排気浄化装置１は、還元剤として尿素水を使用しているがこれに限定されるものではない。
【００１７】
還元剤の噴射ノズルである尿素水噴射ノズル２は、還元剤である尿素水を排気管１４の内部に供給する。尿素水噴射ノズル２は、管状部材から構成され、その一側（噴射口側）をエンジン１８と接続されている排気管１４の外部から内部へ挿通するようにして設けられている。尿素水噴射ノズル２には、尿素水の流路である尿素供給流路３が接続されている。また、尿素水噴射ノズル２には、加圧空気の流路である空気供給流路４が接続されている。
【００１８】
尿素水噴射ノズル２は、排気管１４の軸心から下流側に向かって尿素水を噴射するように配置されている。尿素水噴射ノズル２は、その噴射口を中心として等しい振り分け角度で排気管１４の軸心から尿素水を噴射する。つまり、尿素水噴射ノズル２は、その噴射口を中心とする略円錐状に尿素水を噴射するように構成されている。
【００１９】
加圧空気弁５は、加圧空気の流路を連通又は遮断する。加圧空気弁５は、空気供給流路４に設けられる。加圧空気弁５は、電磁弁で構成されソレノイドが制御装置１７と接続されている。加圧空気弁５は、図示しないスプールを摺動させることにより尿素水噴射ノズル２に加圧空気供給ポンプ（コンプレッサ）７によってエアタンク６に加圧された加圧空気を供給可能に構成されている。
【００２０】
切替弁８は、尿素水の流路を切り替える。切替弁８は、空気供給流路４の尿素水供給ポンプ９の下流側に設けられている。切替弁８は、図示しないスプールを摺動させることにより尿素水噴射ノズル２に尿素水供給ポンプ９によって尿素水タンク１０の尿素水を供給可能に構成されている。
【００２１】
混合器１１は、排気と尿素水とを混合する。混合器１１は、尿素水噴射ノズル２から所定の距離だけ下流側の排気管１４に接続されている。所定の距離とは、尿素水噴射ノズル２から噴射された尿素水が排気管１４内でアンモニアに分解されるために必要な距離である。混合器１１は、排気管１４と同一の内径に形成された円筒状の筐体１１ａの内部に設けられた４枚の板状部材１１ｂと芯部材１１ｃとを具備している。混合器１１は、板状部材１１ｂと芯部材１１ｃとによって混合器１１を通過する排気に旋回流を生じさせるように構成されている（図２参照）。つまり、混合器１１は、排気管１４の中心部分の排気が排気管１４の内壁面の沿って流れるように構成されている。
【００２２】
触媒反応器１２は、内部に配置されたＮＯｘ触媒１３によって排気中のＮＯｘを選択還元する。触媒反応器１２は、一側端部と他側端部とが開口している略直方体形状に形成されている。さらに、触媒反応器１２の一側端部は、縮小するテーパ形状Ｄが形成されている。触媒反応器１２の一側端部には、混合器１１が接続されている。すなわち、触媒反応器１２の一側（上流側）端部には、混合器１１が密接するように配置されている。触媒反応器１２の他側側端部は、縮小するテーパ形状Ｄが形成されている。触媒反応器１２の他側側端部には、排気管１４が接続されている。
【００２３】
ＮＯｘ触媒１３は、ＮＯｘの還元反応を促進させるものである。ＮＯｘ触媒１３は触媒反応器１２の内部に配置されている。ＮＯｘ触媒１３は、尿素水が熱・加水分解されて生成されるアンモニアが排気に含まれるＮＯｘを窒素と水とに還元する反応を促進させる。
【００２４】
ここで、排気管１４について説明する。排気管１４は、エンジン１８からの排気を外部（大気）に排出するものである。排気管１４には、排気浄化装置１の尿素水噴射ノズル２、混合器１１および触媒反応器１２が設けられている。また、排気管１４には、尿素水噴射ノズル２の上流側に分岐管１５と排気の通過経路を切り替える排気切替弁１６ａ・１６ｂが設けられている。つまり、排気管１４には、上流側から、排気切替弁１６ａ・１６ｂ、尿素水噴射ノズル２、混合器１１の順で配置されている。分岐管１５は、排気管１４に接続されている。排気切替弁１６ａは、尿素水噴射ノズル２の上流側であって分岐管１５の下流側の排気管１４の内部に配置されている。排気切替弁１６ｂは、分岐管１５の内部に配置されている。
【００２５】
排気切替弁１６ａ・１６ｂは、互いに連動して開閉可能に構成されている。具体的には、排気切替弁１６ａ・１６ｂは、排気切替弁１６ａが開状態のときに排気切替弁１６ｂを閉状態になり、排気切替弁１６ａが閉状態のときに排気切替弁１６ｂを開状態になるように構成されている。これにより、排気切替弁１６ａが開状態かつ排気切替弁１６ｂが閉状態の場合、排気管１４は、排気が排気浄化装置１に供給される経路が構成される（図１の状態）。一方、排気切替弁１６ａが閉状態かつ排気切替弁１６ｂが開状態の場合、排気管１４は、排気が排気浄化装置１で浄化されずに分岐管１５を通じて外部（大気）に放出される経路が構成される。なお、排気管１４には、上流側から、尿素水噴射ノズル２、排気切替弁１６ａ・１６ｂ、混合器１１の順で配置しても良い。この場合、尿素水を噴射する場合に、排気切替弁１６ｂは閉となるよう制御される。
【００２６】
また、別実施形態として、分岐管１５の接続部分に排気管１４と分岐管１５とのいずれか一方を選択的に閉状態にする排気切替弁を分岐管１５の接続部分に設ける構成としてもよい。分岐管１５が閉状態の場合、排気管１４は、排気が排気浄化装置１に供給される経路を構成する。一方、排気管１４が閉状態の場合、排気管１４は、排気が排気浄化装置１で浄化されずに分岐管１５を通じて外部（大気）に放出される経路を構成する。
【００２７】
制御装置１７は、加圧空気弁５、切替弁８、尿素水供給ポンプ９、排気切替弁１６ａ・１６ｂ等を制御する。制御装置１７には、加圧空気弁５、切替弁８、尿素水供給ポンプ９、排気切替弁１６ａ・１６ｂ等を制御するための種々のプログラムやデータおよび排気の規制海域マップＭ１が格納されている。制御装置１７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＤＩ等からなる構成であってもよい。また、制御装置１７は、エンジン１８を制御するＥＣＵ１９と一体的に構成することも可能である。
【００２８】
制御装置１７は、加圧空気弁５、切替弁８、尿素水供給ポンプ９、排気切替弁１６ａ・１６ｂおよびＥＣＵ１９にそれぞれ接続されている。また、制御装置１７は、ＧＰＳ（全地球測位システム）装置２０に接続されている。
【００２９】
制御装置１７は、ＥＣＵ１９からエンジン１８に関する各種情報をそれぞれ取得することが可能である。制御装置１７は、ＧＰＳ（全地球測位システム）装置２０に接続され、ＧＰＳ装置２０が検出した位置を取得することが可能である。また、制御装置１７は、加圧空気弁５、尿素水供給ポンプ９、切替弁８および排気切替弁１６ａ・１６ｂをそれぞれ制御することが可能である。
【００３０】
このように構成される排気浄化装置１において、例えば船舶に搭載されている場合、制御装置１７は、ＧＰＳ装置２０が検出した船舶の現在位置を取得し、規制海域マップＭ１から現在位置が排気の規制海域であるか否か判断する。制御装置１７は、現在位置が排気の規制海域であると判断した場合、排気切替弁１６ａを開状態かつ排気切替弁１６ｂを閉状態に制御する。すなわち、排気は、排気浄化装置１によって浄化された後に外部へ排出される。制御装置１７は、現在位置が排気の規制海域でないと判断した場合、排気切替弁１６ａを閉状態かつ排気切替弁１６ｂを開状態に制御する。すなわち、排気は、排気浄化装置で浄化されずに分岐管１５を通じて外部へ排出される。なお、制御装置１７は、手動による排気切替弁１６ａ・１６ｂの開閉信号を取得し、開閉信号に従って排気切替弁１６ａ・１６ｂを制御することも可能である。
【００３１】
次に、図２から図４を用いて、混合器１１の構造について具体的に説明する。
【００３２】
図２から図４に示すように、混合器１１は、筐体１１ａ、４個の板状部材１１ｂおよび芯部材１１ｃから構成される。
【００３３】
筐体１１ａは、混合器１１の主たる構成部材である。筐体１１ａは、排気管１４と略同一の内径を有する円筒状部材から形成されている。筐体１１ａは、上流側がその軸心と排気管１４の軸心とが一致するように排気管１４に接続され、下流側が触媒反応器１２の一側端部に接続されている。すなわち、筐体１１ａは、排気管１４に接続されて排気通路を構成している。
【００３４】
４個の板状部材１１ｂは、排気の流れを旋回流にする部材である。４個の板状部材１１ｂは、筐体１１ａの内部に筐体１１ａの軸心を中心として放射状に配置されている。具体的には、４個の板状部材１１ｂは、一側端面を筐体１１ａの軸心に向けるようにして、他側端面が筐体１１ａの内側面にそれぞれ固定されている。この際、４個の板状部材１１ｂは、等角度毎（本実施形態においては９０°毎）に配置されている（図２、図３参照）。なお、本実施形態において、板状部材１１ｂの数を４個としたが、これに限定されるものではない。
【００３５】
板状部材１１ｂは、その上流側と下流側とが排気の流れ方向に対してそれぞれ所定の角度を成すように配置されている。つまり、板状部材１１ｂは、その途中部で屈曲されている。具体的には、板状部材１１ｂは、屈曲位置よりも上流側の板面Ａの排気の流れ方向に対する角度（以下、単に「傾斜角」と記す）を傾斜角θ１とし、屈曲位置よりも下流側の板面Ｂの傾斜角を傾斜角θ２とするように屈曲されている。さらに、板状部材１１ｂは、傾斜角θ２が傾斜角θ１に比べて大きくなるように屈曲されている。つまり、板状部材１１ｂは、上流側から下流側に向かうにつれて傾斜角が大きくなるように構成されている。なお、板状部材１１ｂは、板面Ａと板面Ｂとの間が円弧状に湾曲されて形成される構成でもよい。
【００３６】
芯部材１１ｃは、混合器１１の軸心部を閉塞するものである。芯部材１１ｃは、略棒状に形成されている。芯部材１１ｃは、その軸心と筐体１１ａの軸心とが一致するように筐体１１ａの内部に配置されている。芯部材１１ｃの排気の流れ方向に沿う側面は、４個の板状部材１１ｂの一側端面が固定されている。つまり、芯部材１１ｃは、４個の板状部材１１ｂによって固定支持されている。また、４個の板状部材１１ｂは、芯部材１１ｃを介して互いに固定されている。
【００３７】
芯部材１１ｃの上流側端部は、上流側に向かって縮小するテーパ形状Ｃが形成されている。さらに、芯部材１１ｃの下流側端部は、下流側に向かって縮小するテーパ形状Ｃが形成されている。具体的には、芯部材１１ｃの上流側端部と下流側端部とは、その軸心を頂点とする円錐状に形成されている。これにより、芯部材１１ｃは、混合器１１の軸心部を閉塞し、混合器１１の軸心部に流入した排気が周囲に配置されている４個の板状部材１１ｂに案内されるように構成されている（図４における黒塗矢印参照）。
【００３８】
また、混合器１１は、その別実施形態として、図６に示すように湾曲形状に形成された板状部材１１ｄから構成してもよい。具体的には、混合器１１は、上流側の傾斜角θ１から下流側の傾斜角θ２まで連続的に（円弧状に）変化するように形成されている。つまり、混合器１１は、円弧状に形成された板状部材１１ｂの板面の接線方向と排気の流れ方向とが成す傾斜角が上流側から下流側にかけて傾斜角θ１から傾斜角θ２まで変化するように構成される。
【００３９】
次に、図３から図５を用いて、尿素水噴射ノズル２から噴射された尿素水が混合器１１と触媒反応器１２とによって混合される態様について具体的に説明する。
【００４０】
図５に示すように、尿素水噴射ノズル２は、噴射口の中心が排気管１４の軸心Ｆと一致するように配置される。尿素水噴射ノズル２は、加圧空気の作用により霧状になった尿素水を排気管１４の軸心から円錐状に排気管１４内に噴射する。尿素水噴射ノズル２は、排気管１４内において排気の流れ方向に垂直な面における排気の流域全面に尿素水を分散する。従って、尿素水噴射ノズル２は、排気管１４の内部に均一に尿素水を噴射するので排気管１４に対して方向性を有さない。すなわち、このような尿素水噴射ノズル２の配置は、排気管１４の配管経路が尿素水の分散状態に与える影響を抑制することができる。
【００４１】
霧状の尿素水が噴射された排気は、排気管１４を通じて混合器１１に案内される。図３に示すように、混合器１１は、その軸方向からみた板状部材１１ｂと芯部材１１ｃとからなる構造が軸心を中心とする点対称に構成されている。つまり、混合器１１は、排気管１４の内部において排気の流れ方向に垂直な面における排気の流域全面を通過する排気を混合する。従って、混合器１１は、排気管１４から供給される排気を均一に混合するので接続される排気管１４に対して方向性を有さない。すなわち、混合器１１は、尿素水噴射ノズル２と混合器１１とを所定の距離に保つだけで排気管１４の配管経路によってその性能が変動することがない。
【００４２】
図３から図５に示すように、混合器１１は、板状部材１１ｂの板面Ａによって排気の流れ方向が板面Ａに沿う方向になるように案内する。つまり、混合器１１は、排気の流れ方向を傾斜角θ１の方向に変える。さらに、混合器１１は、板状部材１１ｂの板面Ｂによって排気の流れ方向が板面Ｂに沿う方向になるように案内する。つまり、混合器１１は、排気の流れ方向を傾斜角θ２の方向に変える。これにより、排気は、混合器１１の筐体１１ａの内側面に向かって流れ、筐体１１ａの内側面の周方向に移動する。この結果、排気の流れに旋回流が生じて排気と尿素水とが混合される（図３における黒塗矢印参照）。
【００４３】
混合器１１は、板状部材１１ｂによって排気に生じる抵抗が、板状部材１１ｂの傾斜角を一律に傾斜角θ２にした場合よりも低減される。さらに、混合器１１は、板状部材１１ｂによって生じる排気の旋回流が、板状部材１１ｂの傾斜角を一律に傾斜角θ１にした場合よりも大きくなる。すなわち、混合器１１は、上流側と下流側とで傾斜角が変化する板状部材１１ｂによって排気に生じる抵抗を抑制しつつ、板状部材１１ｂによって排気に生じる旋回流を大きくすることができる。
【００４４】
また、混合器１１は、芯部材１１ｃの端部のテーパ形状Ｃによって混合器１１の軸心部に送られる排気を板状部材１１ｂに案内する。つまり、混合器１１は、旋回流の中心となる混合器１１の軸心部の排気を板状部材１１ｂに案内することで混合効率を向上させている。
【００４５】
図５に示すように、混合器１１を通過した排気は、旋回流を生じた状態で混合器１１に接続されている触媒反応器１２に供給される。触媒反応器１２は、その一側端部に形成されるテーパ形状Ｄによって排気の旋回流の旋回径が増大される。これにより、排気は、尿素水と均一に混合されつつ触媒反応器１２の内部に配置されたＮＯｘ触媒１３に行き渡る。従って、混合器１１と触媒反応器１２との間に排気と尿素水とを混合させる混合時間を確保するための空間を設ける必要がない。
【００４６】
以上のように構成される排気浄化装置１は、尿素水が排気管１４の軸心から等しい振り分け角度で噴射されるように尿素水噴射ノズル２を設け、排気管１４の軸心を中心とする点対称に構成されている混合器を設けることで、排気管１４の配管経路に影響されることなく排気と尿素水とが混合される。また、混合器１１の板状部材１１ｂの傾斜角を変化させ、芯部材１１ｃを軸心部に配置することで排気と尿素水とが効率よく均一に混合される。さらに、触媒反応器１２の一側端部をテーパ形状Ｄに形成することで、混合時間を確保するための混合器１１から触媒反応器１２までの配管が不要になる。これにより、エンジン１８から触媒反応器１２までの排気管１４の配管経路に制限されることなく尿素水噴射ノズル２と混合器１１とを配置することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１    排気浄化装置
２    尿素水噴射ノズル
１１    混合器
１１ｂ  板状部材
１２    触媒反応器
１３    ＮＯｘ触媒
１４    排気管
１８    エンジン
【図１】
2015075042.tif 000003
【図２】
2015075042.tif 000004
【図３】
2015075042.tif 000005
【図４】
2015075042.tif 000006
【図５】
2015075042.tif 000007
【図６】
2015075042.tif 000008