(57)【要約】【課題】排気の流れを利用して排気に対するアンモニアの均一な拡散を促進する排気浄化装置を提供する。【解決手段】インジェクタ３１は、排気通路１７を形成する排気管部１６において過給器１４のタービン１８に隣接して配置されている。インジェクタ３１は、タービン１８を通過した排気に対しタービン１８へ向けてアンモニアを噴射される。アンモニアは、タービン１８を通過した排気が形成する旋回流と逆方向、かつ排気の流れの外周に沿って噴射される。これにより、排気に対する貫徹力の小さな気体のアンモニアを、インジェクタ３１から排気へ噴射する場合でも、アンモニアと排気とが均一に混合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられているタービンを有する過給器と、
排気の流れ方向において前記タービンの下流側に設けられ、前記排気通路を流れる排気に気体のアンモニアを前記タービンに向けて噴射するアンモニア噴射弁と、
前記アンモニア噴射弁から噴射されたアンモニアにより、排気に含まれるＮＯｘを還元する還元触媒と、
を備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記アンモニア噴射弁は、前記タービンを通過して旋回する排気の流れの外周に沿ってアンモニアを噴射することを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記アンモニア噴射弁は、前記タービンを通過した排気の流れ方向に対し逆方向へアンモニアを噴射し、排気の旋回方向に対し逆方向へ旋回するアンモニアの流れを形成することを特徴とする請求項１または２記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記排気通路を形成する排気管部材の内壁に沿って、前記アンモニア噴射弁から前記タービンへ螺旋状に設けられているガイド部材をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記アンモニア噴射弁と前記タービンとの間に設けられ、前記アンモニア噴射弁から噴射されたアンモニアの前記タービン側への流れを制限し、前記アンモニア噴射弁から噴射されたアンモニアと前記タービンとの接触を制限する制限部材をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記アンモニア噴射弁は、前記タービンを通過した排気の流れ方向に対し逆方向へアンモニアを噴射し、排気の旋回方向に対し逆方向へ旋回するアンモニアの流れを形成し、
前記排気通路を形成する排気管部材の内壁に沿って、前記アンモニア噴射弁から前記タービンへ螺旋状に設けられているガイド部材と、
前記ガイド部材の前記タービン側の端部に前記ガイド部材と一体に設けられ、前記アンモニア噴射弁から噴射されたアンモニアの前記タービン側への流れを制限し、前記アンモニア噴射弁から噴射されたアンモニアと前記タービンとの接触を制限する制限部材と、
を備えることを特徴とする請求項１または２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、排気浄化装置に関し、特に排気に含まれるＮＯｘをアンモニアで還元する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関、特にディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘを還元する排気浄化装置として、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが公知である。ＳＣＲシステムを用いた排気浄化装置は、例えば尿素やアンモニアなどを還元剤として噴射することにより、排気に含まれるＮＯｘを選択的に窒素や水に還元する（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−１３２３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘの還元を促進するためには、アンモニアが排気に対し均一に拡散することが望ましい。しかしながら、アンモニアなどの気体は、排気に対する貫徹力が小さく拡散性が低い。還元剤としてアンモニアを用いる場合、沸点の低いアンモニアは気体として排気に噴射される。そのため、アンモニアは、排気に対する拡散が不十分になるおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気の流れを利用して排気に対するアンモニアの均一な拡散を促進する排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明では、アンモニア噴射弁は排気の流れ方向において過給器のタービンの下流側に設けられている。そして、アンモニア噴射弁は、気体のアンモニアを過給器のタービンに向けて噴射する。過給器のタービンは、排気の流れによって所定の方向へ回転している。そのため、タービンを通過した排気は、この所定方向へ旋回する流れを形成している。この排気の流れに向けてアンモニアを噴射することにより、アンモニアが気体であっても排気との混合が促進される。したがって、排気に対するアンモニアの均一な拡散を促進することができる。
【０００６】
請求項２記載の発明では、アンモニア噴射弁はタービンを通過した排気の流れの外周に沿ってアンモニアを噴射する。タービンは回転しているため、排気は中心よりも外周側の方が流速が大きい。そのため、排気の流れの外周に沿ってアンモニアを噴射することにより、アンモニアは流速の速い排気に吹き付けられる。したがって、排気に対するアンモニアの均一な拡散を促進することができる。
【０００７】
請求項３記載の発明では、アンモニア噴射弁はタービンを通過した排気の流れに対し逆方向へ旋回するアンモニアの流れを形成する。タービンは回転しているため、タービンを通過した排気は所定方向へ旋回する流れを形成している。このタービンを通過した排気の旋回方向に対し、逆方向へ旋回する流れをアンモニアに付与することにより、排気に対するアンモニアの混合が促進される。したがって、排気に対するアンモニアの均一な拡散を促進することができる。
【０００８】
請求項４または６記載の発明では、アンモニア噴射弁からタービンへ螺旋状に設けられているガイド部材を備えている。そのため、アンモニア噴射弁から噴射されたアンモニアは、ガイド部材に沿って旋回しながら徐々にタービン側へ案内される。これにより、タービンとアンモニア噴射弁から噴射されたアンモニアとの接触は低減される。したがって、タービンの腐食を低減することができ、耐久性を高めることができる。
【０００９】
請求項５または６記載の発明では、アンモニア噴射弁から噴射されたアンモニアのタービン側への流れを制限する制限部材を備えている。アンモニアは腐食性を有するため、アンモニア噴射弁から噴射されたアンモニアがタービンに直接付着すると、タービンの腐食を招くおそれがある。そこで、制限部材は、噴射されたアンモニアの流れを制限し、タービン側へのアンモニアの移動を制限する。したがって、タービンの腐食を低減することができ、耐久性を高めることができる。
【００１０】
請求項６記載の発明では、制限部材はガイド部材のタービン側にガイド部材と一体に設けられている。これにより、アンモニア噴射弁から噴射されたアンモニアは、ガイド部材に沿って旋回しながら徐々にタービン側へ案内されるとともに、制限部材によりタービン側への流れが制限される。これにより、アンモニアと排気との混合が促進されるとともに、タービンへのアンモニアの付着が低減される。したがって、排気に対するアンモニアの均一な拡散と、タービンの腐食の低減とを両立して達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明による排気浄化装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムを図１に示す。ディーゼルエンジンシステム１０は、内燃機関としてのディーゼルエンジン１１、吸気系１２、排気系１３および過給器１４を備えている。吸気系１２は、吸気管部１５を有している。吸気管部１５は、ディーゼルエンジン１１に吸入される吸気が流れる吸気通路を形成している。排気系１３は、排気管部１６を有している。排気管部１６は、ディーゼルエンジン１１から排出された排気が流れる排気通路１７を形成している。
【００１２】
過給器１４は、タービン１８およびコンプレッサ１９を有している。タービン１８は、排気通路１７に設けられている。コンプレッサ１９は、吸気通路に設けられている。タービン１８とコンプレッサ１９とは、図示しない回転軸により接続されている。排気通路１７を流れる排気は、タービン１８を通過することにより、タービン１８を高速で回転させる。回転軸によってタービン１８と接続されているコンプレッサ１９は、タービン１８の回転とともに回転することにより、吸気通路を流れる吸気をディーゼルエンジン１１へ過給する。吸気系１２には、インタークーラー２１が設けられている。インタークーラー２１は、コンプレッサ１９で過給されることにより温度が上昇した空気を冷却する。
【００１３】
排気浄化装置３０は、ディーゼルエンジンシステム１０の排気系１３に設けられている。排気浄化装置３０は、アンモニア噴射弁としてのインジェクタ３１、タンク部３２、供給部３３、制御部３４、酸化触媒３５、ＳＣＲ触媒３６およびＮＯｘセンサ３７などを備えている。また、排気系１３の排気通路１７を形成する排気管部１６も排気浄化装置３０を構成している。なお、排気浄化装置３０は、上記に加え、例えばアンモニア酸化触媒およびＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）などを備えていてもよい。ＳＣＲ触媒３６は、特許請求の範囲の還元触媒に対応する。
【００１４】
インジェクタ３１は、排気通路１７を形成する排気管部１６に設けられている。インジェクタ３１は、過給器１４のタービン１８と酸化触媒３５との間に設けられている。すなわち、インジェクタ３１は、排気の流れ方向において過給器１４のタービン１８の下流側であって、酸化触媒３５の上流側に設けられている。インジェクタ３１は、図示しないボディの内側を軸方向へ往復移動する可動部を有している。可動部は、電磁駆動部３８によって駆動される。インジェクタ３１は、ボディの先端すなわち排気通路１７側にアンモニアを噴射する噴孔３９を有している。電磁駆動部３８により可動部が往復移動することにより、噴孔３９が開閉され、アンモニアの噴射が断続される。
【００１５】
タンク部３２は、インジェクタ３１から噴射されるアンモニアを貯えている。アンモニアは、加圧され液体としてタンク部３２に貯えられている。供給部３３は、供給管部４１および気化部４２を有している。供給管部４１は、タンク部３２とインジェクタ３１とを接続している。タンク部３２から吐出されたアンモニアは、気化部４２で気化した後、インジェクタ３１に供給される。なお、タンク部３２とインジェクタ３１との間の供給管部４１には、タンク部３２に貯えられたアンモニアをインジェクタ３１へ供給するポンプを設けてもよい。
【００１６】
制御部３４は、インジェクタ３１によるアンモニアの噴射を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部３４は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータで構成されている。制御部３４は、図示しない車内ＬＡＮを経由してディーゼルエンジン１１の図示しない他の制御装置と接続している。
【００１７】
酸化触媒３５は、排気に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を、水（Ｈ２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ２）に酸化する。ＳＣＲ触媒３６では、排気に含まれるＮＯｘが還元される。具体的には、排気に含まれるＮＯｘは、ＳＣＲ触媒３６においてインジェクタ３１から噴射されたアンモニアによって窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに変換される。図示しないアンモニア酸化触媒は、排気に含まれる未反応のアンモニアを酸化させる。図示しないＤＰＦは、排気に含まれる炭素の微粒子などを捕集または燃焼させる。
【００１８】
ＮＯｘセンサ３７は、排気系１３の排気通路１７においてＳＣＲ触媒３６の出口側に設けられている。ＮＯｘセンサ３７は、排気通路１７を流れる排気に含まれるＮＯｘの濃度を検出する。ＮＯｘセンサ３７は、検出したＮＯｘの濃度を電気信号として制御部３４へ出力する。制御部３４は、ＮＯｘセンサ３７で検出されたＮＯｘの濃度、および車内ＬＡＮを経由して取得したディーゼルエンジン１１の運転状態に関する種々のデータに基づいて、インジェクタ３１から噴射されるアンモニアの量すなわちインジェクタ３１の開弁時間を制御する。
【００１９】
次に、インジェクタ３１の配置の詳細を図２に基づいて説明する。図２は、排気管部１６およびタービン１８とインジェクタ３１との位置関係を模式的に説明するための図であり、実際の形状を反映したものではない。
インジェクタ３１は、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）に示すように噴孔３９をタービン１８に向けて配置されている。すなわち、インジェクタ３１は、中心軸が排気通路１７の中心軸に対し傾斜している。これにより、アンモニアは、インジェクタ３１からタービン１８を通過した排気に向けて噴射される。また、インジェクタ３１は、図２（Ａ）に示すように排気通路１７を形成する排気管部１６の接線方向へ傾斜している。このとき、インジェクタ３１は、タービン１８の回転方向Ｒとは逆向きの接線方向へ傾斜している。これにより、インジェクタ３１から噴射されたアンモニアは、タービン１８の回転によって排気に生じる旋回流ｓ１とは逆向きの旋回流ｓ２を形成する。すなわち、インジェクタ３１から噴射されたアンモニアが形成する旋回流ｓ２の方向は、タービン１８が形成する排気の旋回流ｓ１の方向と逆になる。さらに、アンモニアは、インジェクタ３１から排気通路１７を形成する排気管部１６の接線方向へ噴射される。これにより、アンモニアは、タービン１８によって形成される排気の流れの外周に沿ってインジェクタ３１から噴射される。
【００２０】
以上、説明したように、第１実施形態では、インジェクタ３１は、排気通路１７を形成する排気管部１６において過給器１４のタービン１８に隣接して配置されている。すなわち、インジェクタ３１は、排気の流れ方向において過給器１４のタービン１８の直下に配置されている。インジェクタ３１からは、タービン１８を通過した排気に対しタービン１８へ向けてアンモニアが噴射される。このとき、アンモニアは、タービン１８を通過した排気が形成する旋回流ｓ１と逆方向、かつ排気の流れの外周に沿って噴射される。アンモニアをタービン１８に向けて噴射することにより、アンモニアはタービン１８を通過した流速の大きな排気に吹き付けられる。また、アンモニアをタービン１８を通過した排気の旋回流ｓ１とは逆方向へ噴射することにより、アンモニアは排気との混合が促進される。さらに、アンモニアを排気の流れの外周に沿って噴射することにより、アンモニアは旋回流ｓ１を形成する排気の流速が大きな部分に吹き付けられる。したがって、アンモニアと排気との混合を促進することができる。これにより、排気に対する貫徹力の小さな気体のアンモニアをインジェクタ３１から排気へ噴射する場合でも、アンモニアと排気とが均一に混合される。したがって、ＳＣＲ触媒３６におけるアンモニアの還元反応が促進され、ディーゼルエンジン１１から大気中へ排出されるＮＯｘを低減することができる。
【００２１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による排気浄化装置の要部を図３に示す。
図３に示す第２実施形態では、排気浄化装置３０はガイド部材としてのガイド板５０を備えている。ガイド板５０は、排気通路１７を形成する排気管部１６の内壁に設けられている。ガイド板５０は、図３（Ｂ）に示すようにインジェクタ３１の噴孔３９の近傍からタービン１８へ向けて設けられている。ガイド板５０は、インジェクタ３１から噴射されたアンモニアの流れを制御する。これにより、ガイド板５０は、第１実施形態で説明したインジェクタ３１から噴射されたアンモニアと同様の流れの形成を促進する。本実施形態の場合、ガイド板５０は、排気管部１６の内壁に沿って、タービン１８を通過した排気の旋回流ｓ１の方向とは反対方向へ螺旋状に曲げられている。ガイド板５０は、図３および図４に示すようにインジェクタ３１の噴孔３９の近傍にのみ配置してもよく、噴孔３９の近傍からタービン１８へ排気管部１６の内壁に沿って螺旋状に数回旋回しつつ設けてもよい。
【００２２】
また、ガイド板５０を設ける場合、インジェクタ３１は図５に示すように中心軸を排気通路１７の中心軸と平行に配置してもよい。ガイド板５０は、排気通路１７を形成する排気管部１６においてインジェクタ３１と同じ側の内壁に設けられている。例えばインジェクタ３１を排気管部１６の上方に設ける場合、ガイド板５０は排気管部１６の上方の内壁に設けられる。この場合、インジェクタ３１から噴射されたアンモニアは、ガイド板５０によってその流れが案内される。これにより、インジェクタ３１から噴射されたアンモニアは、ガイド板５０に沿って流れ、タービン１８を通過した排気と逆方向の旋回流ｓ２を形成する。
【００２３】
インジェクタ３１から噴射されたアンモニアは、ガイド板５０に沿ってタービン１８を通過した排気の旋回流ｓ１とは逆方向へ旋回しつつタービン１８側へ流れる。また、ガイド板５０は、排気管部１６の内壁に設けられている。そのため、インジェクタ３１から噴射されたアンモニアは、タービン１８を通過した排気が形成する旋回流ｓ１の外周に沿って流れる。
【００２４】
第２実施形態では、ガイド板５０によってインジェクタ３１から噴射されたアンモニアの流れが案内される。例えばタービン１８を通過した排気の流速が大きな場合、インジェクタ３１から噴射されたアンモニアが排気の流れに押し流され、排気とアンモニアとの混合が不均一になるおそれがある。第２実施形態では、ガイド板５０を設けることにより、インジェクタ３１から噴射されたアンモニアは、排気に混合されるまで、ガイド板５０によって案内される。すなわち、インジェクタ３１から噴射されたアンモニアは、旋回しながらタービン１８へ徐々に近づいていく。そのため、排気の流速が大きな場合でも、インジェクタ３１から噴射されたアンモニアと排気との混合が不均一になりにくい。したがって、インジェクタ３１から噴射されたアンモニアと排気との均一な混合を促進することができる。また、第２実施形態では、ガイド板５０を設けることにより、インジェクタ３１の姿勢を任意に設定可能である。したがって、ディーゼルエンジン１１の周囲における空間などに応じてインジェクタ３１を配置することができ、設計の自由度を高めることができる。
【００２５】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による排気浄化装置の要部を図６に示す。
図６に示す第３実施形態による排気浄化装置３０は、第２実施形態の変形である。第３実施形態の排気浄化装置３０は、遮蔽板５１を備えている。遮蔽板５１は、特許請求の範囲の制限部材を構成している。遮蔽板５１は、ガイド板５０と一体に形成されている。遮蔽板５１は、排気の流れ方向においてガイド板５０のタービン１８側の端部に沿って設けられている。遮蔽板５１は、ガイド板５０から排気通路１７の内周側へ立ち上がっている。遮蔽板５１の高さすなわち遮蔽板５１の排気管部１６の径方向における長さは、排気管部１６の内径に対し十分に小さい。
【００２６】
ガイド板５０に遮蔽板５１を設けることにより、ガイド板５０に沿って流れるアンモニアは遮蔽板５１によってタービン１８側への直接の移動が制限される。例えばインジェクタ３１から噴射されるアンモニアの圧力が大きい場合、あるいはタービン１８を通過する排気の流速が小さい場合など、インジェクタ３１から噴射されガイド板５０に沿って流れるアンモニアはタービン１８に直接付着するおそれがある。タービン１８にアンモニアが付着すると、タービン１８の材質によってはアンモニアによって腐食を招くおそれがある。
【００２７】
第３実施形態では、ガイド板５０と一体の遮蔽板５１を設けることにより、インジェクタ３１から噴射されガイド板５０に沿って流れるアンモニアは遮蔽板５１によってタービン１８側への移動が制限される。そのため、インジェクタ３１から噴射されたアンモニアは、排気との均一な混合が妨げられることなく、タービン１８への付着が低減される。したがって、タービン１８へのアンモニアの付着によるアンモニアと排気との混合の不均一化、およびタービン１８の腐食などを低減することができる。
【００２８】
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態による排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムを示す概略図
【図２】本発明の第１実施形態による排気浄化装置の要部を示す模式図であり、（Ａ）は排気管部の内側を示す図、（Ｂ）は（Ａ）の矢印Ｂ方向から見た矢視図、（Ｃ）は（Ａ）の矢印Ｃ方向から見た矢視図
【図３】本発明の第２実施形態による排気浄化装置の要部を示す模式図であり、（Ａ）は排気管部の内側を示す図、（Ｂ）は（Ａ）の矢印Ｂ方向から見た矢視図
【図４】本発明の第２実施形態による排気浄化装置の要部を示す模式的な斜視図
【図５】本発明の第２実施形態による排気浄化装置の変形例を示す模式図
【図６】本発明の第３実施形態による排気浄化装置の要部を示す模式図
【符号の説明】
【００３０】
図面中、１１はディーゼルエンジン（内燃機関）、１４は過給器、１７は排気通路、１８はタービン、３０は排気浄化装置、３１はインジェクタ（アンモニア噴射弁）、３６はＳＣＲ触媒（還元触媒）、５０はガイド板（ガイド部材）、５１は遮蔽板（制限部材）を示す。
【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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