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JP2003232218A - エンジンの排ガス浄化装置 - Google Patents

エンジンの排ガス浄化装置

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Publication number
JP2003232218A
JP2003232218A JP2002032385A JP2002032385A JP2003232218A JP 2003232218 A JP2003232218 A JP 2003232218A JP 2002032385 A JP2002032385 A JP 2002032385A JP 2002032385 A JP2002032385 A JP 2002032385A JP 2003232218 A JP2003232218 A JP 2003232218A
Authority
JP
Japan
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exhaust gas
liquid
selective reduction
mixer
exhaust
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002032385A
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English (en)
Inventor
Mitsuru Hosoya
満 細谷
Hironobu Mogi
浩伸 茂木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hino Motors Ltd
Original Assignee
Hino Motors Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hino Motors Ltd filed Critical Hino Motors Ltd
Priority to JP2002032385A priority Critical patent/JP2003232218A/ja
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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9404Removing only nitrogen compounds
    • B01D53/9409Nitrogen oxides
    • B01D53/9431Processes characterised by a specific device
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Abstract

(57)【要約】 【課題】選択還元型触媒に到達する尿素系液体を均一に
する。 【解決手段】エンジン11の排気管16に設けられた選
択還元型触媒24と、選択還元型触媒24より排ガス上
流側の排気管16に設けられ選択還元型触媒24に向け
て尿素系液体32を噴射可能な液体噴射ノズル29とを
備える。液体噴射ノズル29から噴射された液体32を
排ガスに混合可能に構成されたミキサ51が液体噴射ノ
ズル29と選択還元型触媒24の間の排気管16に設け
られる。ミキサ51が、軸線方向に排ガスを通過可能な
筒部52aを有するミキサ本体52と、筒部52aの内
部の排ガスの通過を遮るようにミキサ本体52に所定の
間隔をあけて設けられ複数のガス孔53aがそれぞれ形
成された複数枚の仕切板53とを備え、複数のガス孔5
3aは隣接する仕切板53に形成された複数のガス孔5
3aと筒部52aの軸線方向に重ならないように形成さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンの排ガスに含まれる窒素酸化物(以下、NOxとい
う)を低減する排ガス浄化装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の排ガス浄化装置として、
ディーゼルエンジンの排気通路の途中に選択還元型触媒
を設け、その選択還元型触媒より排ガス上流側の排気管
に、その選択還元型触媒に向けて尿素系液体を噴射可能
な液体噴射ノズルを設けたディーゼルエンジンの排ガス
浄化装置が知られている(特開2000−8833
号)。このように構成されたディーゼルエンジンの排ガ
ス浄化装置では、液体噴射ノズルから噴射された尿素系
液体が排ガスの熱により加熱されて加水分解し、アンモ
ニアが生じる。そしてこのアンモニアは排気ガス中のN
Oxを選択還元型触媒によって浄化する還元剤として機
能し、大気に排出されるNOxの量を低減できるように
なっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の排
ガス浄化装置では、液体噴射ノズルから噴射された尿素
系液体は排ガスの流れに沿って選択還元型触媒に向かう
ため、尿素系液体が選択還元触媒に局部的に集中して到
達する不具合があった。尿素系液体が局部的に集中する
と、その集中した尿素系液体が加水分解して生じるアン
モニアがその部分において過剰になり、NOxを還元さ
せる還元反応に用いられなかったアンモニアが直接大気
中に排出される不具合がる。一方、選択還元型触媒にお
いて尿素系液体が希薄な部分では、加水分解して生じる
アンモニアの量が不足してその部分においてNOxを十
分に還元することが困難になり、NOx排出量を十分に
低減できない不具合が生じる。本発明の目的は、選択還
元型触媒に到達する尿素系液体を均一にしてNOx排出
量を低減するとともにアンモニアが大気中に排出される
のを有効に防止し得るエンジンの排ガス浄化装置を提供
することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、
図1に示すように、エンジン11の排気管16に設けら
れた選択還元型触媒24と、選択還元型触媒24より排
ガス上流側の排気管16に設けられ選択還元型触媒24
に向けて尿素系液体32を噴射可能な液体噴射ノズル2
9とを備えたエンジンの排ガス浄化装置の改良である。
その特徴ある構成は、液体噴射ノズル29から噴射され
た液体32を排ガスに混合可能に構成されたミキサ51
が液体噴射ノズル29と選択還元型触媒24の間の排気
管16に設けられたところにある。この請求項1に記載
されたエンジンの排ガス浄化装置では、液体噴射ノズル
29から噴射された尿素系液体32は、選択還元型触媒
24に向かって排ガスの流れに沿って流れてミキサ51
に流入する。このミキサ51で排ガス中に噴射された尿
素系液体32はその排ガスに混合され、ミキサ51を通
過した段階で排ガスに十分に混合された尿素系液体32
は選択還元型触媒24に均一に到達する。
【0005】請求項2に係る発明は、請求項1に係る発
明であって、更に図2に示すように、ミキサ51が、軸
線方向に排ガスを通過可能な筒部52aを有するミキサ
本体52と、筒部52aの内部の排ガスの通過を遮るよ
うにミキサ本体52に所定の間隔をあけて設けられ複数
のガス孔53a,54a,55aがそれぞれ形成された
複数枚の仕切板53,54,55とを備え、複数のガス
孔53a,54a,55aは隣接する仕切板53,5
4,55に形成された複数のガス孔53a,54a,5
5aと筒部52aの軸線方向に重ならないように複数の
仕切板53,54,55にそれぞれ形成されたエンジン
の排ガス浄化装置である。この請求項2に係るエンジン
の排ガス浄化装置では、ミキサ51でに流入した排ガス
は複数の仕切板53,54,55にそれぞれ形成された
複数のガス孔53a,54a,55aを通過するが、こ
の複数のガス孔53a,54a,55aは隣接する仕切
板53,54,55に形成された複数のガス孔53a,
54a,55aと筒部52aの軸線方向に重ならないよ
うにそれぞれ形成されているため、図2の破線矢印で示
すように蛇行して通過する。排ガスが蛇行して進むこと
により、その排ガス中に噴射された尿素系液体32はそ
の排ガスに混合される。
【0006】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図1に示すように、ディーゼルエン
ジン11の吸気ポートには吸気マニホルド12を介して
吸気管13が接続され、排気ポートには排気マニホルド
14を介して排気管16が接続される。吸気管13に
は、ターボ過給機17のコンプレッサ17aと、ターボ
過給機17により圧縮された吸気を冷却するインタクー
ラ18とがそれぞれ設けられ、排気管16にはターボ過
給機17のタービン17bが設けられる。図示しないが
コンプレッサ17aの回転翼とタービン17bの回転翼
とはシャフトにより連結される。エンジン11から排出
される排ガスのエネルギによりタービン17b及びシャ
フトを介してコンプレッサ17aが回転し、このコンプ
レッサ17aの回転により吸気管13内の吸入空気が圧
縮されるように構成される。
【0007】排気管16の途中には選択還元型触媒24
が設けられる。触媒24は排気管16の直径を拡大した
筒状のコンバータ27に収容される。この実施の形態に
おける触媒24は、排気管16に流入する排ガス中のN
Oxを比較的低温の200〜300℃で還元する銅ゼオ
ライト系の触媒が用いられる場合を示すが、酸化チタン
又は酸化バナジウム又は酸化タングステン等から成る触
媒であっても良い。
【0008】触媒24の排ガス上流側の排気管16、即
ち触媒24の入口には、後述するミキサ51を介して液
体噴射ノズル29が触媒24に向けて設けられる。この
液体噴射ノズル29には液体供給管31の一端が接続さ
れ、この液体供給管31の他端は尿素系液体32が貯留
された液体タンク33に接続される。また液体供給管3
1には液体噴射ノズル29への液体32の供給量を調整
する液体調整弁34が設けられ、液体調整弁34と液体
タンク33との間の液体供給管31には液体タンク33
内の液体32を液体噴射ノズル29に供給可能なポンプ
36が設けられる。液体調整弁34の第1ポート34a
はポンプ36の吐出口に接続され、第2ポート34bは
液体噴射ノズル29に接続される。そして、液体調整弁
34がオンすると第1及び第2ポート34a,34bが
所定の開度で連通し、オフすると第1及び第2ポート3
4a,34bの連通が遮断されるように構成される。
【0009】液体調整弁34及びポンプ36には、マイ
クロコンピュータからなるコントローラ44の制御出力
がそれぞれ接続される。このコントローラ44の制御入
力には、選択還元型触媒24上流側の排気管16に設け
られ排ガスの温度を検出する温度センサ43と、エンジ
ン11の回転速度を検出する回転センサ46と、エンジ
ン11の負荷を検出する負荷センサ47の各検出出力が
接続される。上記負荷センサ47はこの実施の形態では
燃料噴射ポンプ(図示せず)のロードレバーの変位量を
検出する。コントローラ44はメモリ44aを備える。
メモリ44aには、排ガス温度、エンジン回転、エンジ
ン負荷等に応じた液体調整弁34のオン又はオフ並びに
オン時における開度、更にポンプ36の作動の有無が予
め記憶される。そして、コントローラ44は温度センサ
43、回転センサ46及び負荷センサ47の検出出力に
基づいてエンジン11の運転状況を把握し、その運転状
況からメモリ44aに記憶された条件に従って液体調整
弁34及びポンプ36を制御し、その運転状況に応じた
最適な量の尿素系液体32を噴射ノズル29から噴射す
るように構成される。
【0010】本発明の特徴ある構成は、液体噴射ノズル
29から噴射された尿素系液体32を排ガスに混合可能
に構成されたミキサ51が、液体噴射ノズル29と選択
還元型触媒24の間の排気管16に設けられたところに
ある。そして、この実施の形態におけるミキサ51は、
軸線方向に排ガスを通過可能な筒部52aを有するミキ
サ本体52と、このミキサ本体52に設けられた複数枚
の仕切板53,54,55とを備える。
【0011】図2に詳しく示すように、ミキサ本体52
は、ステンレス鋼板を円筒状にすることにより形成され
た筒部52aの両端に、ステンレス鋼板を漏斗状にする
ことにより形成された蓋体52b,52cを溶接するこ
とにより作られる。即ち、蓋体52b,52cの筒部5
2aに臨む一端部はその筒部52aの外径に等しく形成
されて溶接される。一方、蓋体52b,52cの他端部
は排気管16の直径に相応して形成され、その他端部に
おける外周囲には排気管16に接続するための環状のフ
ランジ部材52d,52eがそれぞれ溶接される。この
フランジ部材52d,52eには複数の取付孔52f,
52gがそれぞれ形成され、排気管16の端縁に設けら
れた被取付部材16a,16b(図1)にねじ止め可能
に構成される。
【0012】一方、複数枚の仕切板53,54,55
は、筒部52aの内部の排ガスの通過を遮るように所定
の間隔をあけてミキサ本体52に設けられる。この実施
の形態では厚さが1.2mmのステンレス鋼板から作ら
れた3枚の仕切板53,54,55が設けられる場合を
示し、3枚の仕切板53,54,55には複数のガス孔
53a,54a,55aがそれぞれ形成される。この実
施の形態では8個のガス孔53a,54a,55aがそ
れぞれの仕切板53,54,55に形成される例を示
し、8個のガス孔53a,54a,55aの面積の和が
排気管16の排ガス流通断面積より大きくなるように調
整される。また、仕切板53,54,55の外周には筒
部52aの内面に外面が接触するフランジ53b,54
b,55bがそれぞれ形成される。そして、このフラン
ジ53b,54b,55bを筒部52aに抵抗溶接する
ことにより、3枚の仕切板53,54,55は所定の間
隔をあけてミキサ本体52にそれぞれ設けられる。ここ
で、所定の間隔は1cm〜10cmが好ましく、2cm
〜3cmであることが更に好ましい。また、フランジ5
3b,54b,55bを筒部52aに溶接する際に、そ
れぞれの仕切板53,54,55における複数のガス孔
53a,54a,55aが、隣接する仕切板53,5
4,55に形成された複数のガス孔53a,54a,5
5aと筒部52aの軸線方向に重ならないように調整さ
れる。
【0013】このように構成されたミキサ51は、図1
に示すように分断された排気管16の中間に設けられ
る。即ち、排気管16は選択還元型触媒24の上流側近
傍において分断され、その分断された部分における排気
管16のそれぞれの端縁に被取付部材16a,16bが
それぞれ設けられる。そして、分断された部分にミキサ
51を挿入して、ミキサ51の両端に設けられたそれぞ
れのフランジ部材52d,52eを被取付部材16a,
16bにそれぞれねじ止めすることによりミキサ51は
液体噴射ノズル29と選択還元型触媒24の間の排気管
16に設けられる。
【0014】このように構成されたエンジンの排ガス浄
化装置の動作を説明する。エンジン11を始動し、尿素
が加水分解できない温度であること、具体的にこの実施
の形態では220℃未満の排ガス温度を温度センサ43
が検出したとき、コントローラ44はこの検出出力に基
づいて、液体調整弁34をオフする。これにより液体調
整弁34における第1及び第2ポート34a,34bの
連通は遮断されて、尿素が加水分解できない温度におけ
る尿素系液体32の噴射が回避される。
【0015】尿素が加水分解する温度であること、具体
的にこの実施の形態では温度センサ43が220℃以上
の排ガス温度を検出した状態で、コントローラ44はポ
ンプ36を駆動するとともに液体調整弁34をオンして
液体調整弁34における第1及び第2ポート34a,3
4bを連通させ、液体噴射ノズル29から尿素系液体3
2を噴射する。これは、排気ガス中のNOxを選択還元
型触媒24によって浄化するのに還元剤が必要だからで
あり、尿素系液体32は予め所定の濃度に調整されたも
のが液体タンク33に貯留される。そしてコントローラ
44は回転センサ46及び負荷センサ47の各検出出力
に基づいて求められるディーゼルエンジン11の運転状
態から排気ガス中のNOx濃度を推定し、このNOxを
浄化するのに必要な還元剤としての尿素量を求めて液体
噴射ノズル29から必要な量の尿素系液体32を噴射す
る。
【0016】液体噴射ノズル29から噴射された尿素系
液体32は、選択還元型触媒24に向かって排ガスの流
れに沿って流れ、液体噴射ノズル29と選択還元型触媒
24の間に設けられたミキサ51に流入する。ミキサ5
1に流入した排ガスは3枚の仕切板53,54,55に
それぞれ形成された複数のガス孔53a,54a,55
aを通過するが、この複数のガス孔53a,54a,5
5aは隣接する仕切板53,54,55に形成された複
数のガス孔53a,54a,55aと筒部52aの軸線
方向に重ならないようにそれぞれ形成されているため、
図2の破線矢印で示すように蛇行して通過する。排ガス
が蛇行して進むことにより、その排ガス中に噴射された
尿素系液体32はその排ガスに混合され、ミキサ51を
通過した段階で排ガスに十分に混合された尿素系液体3
2は選択還元型触媒24に均一に到達する。
【0017】選択還元型触媒24に均一に到達した尿素
系液体32は、排気ガスによって加熱されて次のような
化学反応により加水分解しアンモニアを生じる。 (NH2)2・CO + H2O → CO2 + 2NH3 このアンモニアは、次のような化学反応によりNO、N
2を還元してNOxの排出量を低減するとともに、尿
素系液体32が均一に選択還元型触媒24に到達するこ
とによりアンモニアの大部分が還元剤として機能し、還
元剤として使用されないアンモニアが大気中に排出され
るのを有効に防止する。 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O 6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O なお、この実施の形態では、エンジンとしてターボ過給
機付ディーゼルエンジンを挙げたが、自然吸気型ディー
ゼルエンジンに本発明の排ガス浄化装置を用いてもよ
い。
【0018】また、上述した実施の形態では、厚さが
1.2mmのステンレス鋼板から作られた3枚の仕切板
53,54,55がミキサ本体52に設けられる場合を
示したが、仕切板の厚さは0.8mm又は1.5mmで
あっても良く、ステンレス鋼板でなくいわゆるSS鋼材
であっても良い。また、仕切板の枚数は、複数枚であれ
ば3枚でなく、2枚、4枚、5枚、又は6枚であっても
良い。また、上述した実施の形態では、8個のガス孔5
3a,54a,55aがそれぞれの仕切板53,54,
55に形成される例を示したが、ガス孔53a,54
a,55aの数は、その面積の和が排気管16の排ガス
流通断面積より大きければ良く、4個、6個、12個、
18個又は24個のガス孔53a,54a,55aをそ
れぞれの仕切板53,54,55に形成しても良い。
【0019】更に、上述した実施の形態では、選択還元
型触媒24上流側の排気管16に排ガスの温度を検出す
る温度センサ43を設け、220℃未満の排ガス温度を
温度センサ43が検出したときにコントローラ44が液
体調整弁34をオフするような例を示したが、図4に示
すように、排ガスの温度を検出する温度センサ63を選
択還元型触媒24下流側の排気管16に設けても良い。
この場合には、170℃未満の排ガス温度を温度センサ
63が検出したときにコントローラ44が液体調整弁3
4をオフし、温度センサ63が170℃以上の排ガス温
度を検出した状態でコントローラ44がポンプ36を駆
動するとともに液体調整弁34をオンして液体調整弁3
4における第1及び第2ポート34a,34bを連通さ
せるように構成することが好ましい。
【0020】
【実施例】次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく
説明する。 <実施例1>図1に示すように、8000ccのターボ
過給機付ディーゼルエンジン11の排気管16に選択還
元型触媒24を設けた。また触媒24の排ガス上流側の
排気管16には尿素系液体32を噴射可能な液体噴射ノ
ズル29を設けた。そして液体噴射ノズル29と選択還
元型触媒24の間の排気管16に、図2に示すような構
成のミキサ51を設けた。なお、上記触媒24は、銅ゼ
オライトから成るものを使用した。 <比較例1>図示しないが8000ccのターボ過給機
付ディーゼルエンジンの排気管に、実施例1と同一の選
択還元型触媒24及び液体噴射ノズル29を設けたが、
ミキサは設けなかった。
【0021】<比較試験1及び評価>実施例1及び比較
例1の排ガス浄化装置によるNOx低減率を、触媒入口
温度を200〜500℃に変化させてそれぞれ測定し
た。その結果を図3に示す。図3から明らかなように、
液体噴射ノズル29と選択還元型触媒24の間の排気管
16にミキサ51を設けた実施例1における排ガス浄化
装置では、ミキサを設けない比較例1の排ガス浄化装置
に比較してNOx低減率を向上できることが判る。これ
は、ミキサ51を設けることにより排ガス中に噴射され
た尿素系液体32が排ガスに混合されて選択還元型触媒
24に均一に到達したことに起因するものと考えられ
る。
【0022】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、液
体噴射ノズルから噴射された液体を排ガスに混合可能に
構成されたミキサを液体噴射ノズルと選択還元型触媒の
間の排気管に設けたので、ミキサを通過した段階で排ガ
スに十分に混合された尿素系液体は選択還元型触媒に均
一に到達する。この結果、尿素系液体が加水分解して生
じるアンモニアも均一になり、アンモニアの全てがNO
xを還元させる還元反応に用いられ、NOx排出量を従
来よりも低減するとともにアンモニアが大気中に排出さ
れるのを有効に防止することができる。この場合、ミキ
サが、軸線方向に排ガスを通過可能な筒部を有するミキ
サ本体と、筒部の内部の排ガスの通過を遮るようにミキ
サ本体に所定の間隔をあけて設けられ複数のガス孔がそ
れぞれ形成された複数枚の仕切板とを備え、複数のガス
孔は隣接する仕切板に形成された複数のガス孔と筒部の
軸線方向に重ならないように複数の仕切板にそれぞれ形
成されたものであれば、ミキサでに流入した排ガスは複
数の仕切板にそれぞれ形成された複数のガス孔を蛇行し
て通過し、排ガスが蛇行して進むことにより、その排ガ
ス中に噴射された尿素系液体を十分に排ガスと混合する
ことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施形態のエンジンの排ガス浄化装置を
示す構成図。
【図2】そのミキサの構成図。
【図3】そのミキサの有無の相違によるNOx低減率の
相違を示す図。
【図4】本発明の別のエンジンの排ガス浄化装置を示す
構成図。
【符号の説明】
11 ディーゼルエンジン 16 排気管 24 選択還元型触媒 29 液体噴射ノズル 32 尿素系液体 51 ミキサ 52 ミキサ本体 52a 筒部 53,54,55 仕切板 53a,54a,55a ガス孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3G091 AA10 AA18 AA28 AB05 BA14 CA13 CA17 CA27 DA01 DA02 DB10 EA01 EA03 EA17 GB01W GB09X GB10X HA37 HB06 4D048 AA06 AB02 AC03 BA11X BA35X CC23 CC38 CC61

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エンジン(11)の排気管(16)に設けられた
    選択還元型触媒(24)と、前記選択還元型触媒(24)より排
    ガス上流側の排気管(16)に設けられ前記選択還元型触媒
    (24)に向けて尿素系液体(32)を噴射可能な液体噴射ノズ
    ル(29)とを備えた排ガス浄化装置において、 前記液体噴射ノズル(29)から噴射された前記液体(32)を
    排ガスに混合可能に構成されたミキサ(51)が前記液体噴
    射ノズル(29)と前記選択還元型触媒(24)の間の前記排気
    管(16)に設けられたことを特徴とするエンジンの排ガス
    浄化装置。
  2. 【請求項2】 ミキサ(51)が、軸線方向に排ガスを通過
    可能な筒部(52a)を有するミキサ本体(52)と、前記筒部
    (52a)の内部の排ガスの通過を遮るように前記ミキサ本
    体(52)に所定の間隔をあけて設けられ複数のガス孔(53
    a,54a,55a)がそれぞれ形成された複数枚の仕切板(53,5
    4,55)とを備え、 前記複数のガス孔(53a,54a,55a)は隣接する前記仕切板
    (53,54,55)に形成された複数のガス孔(53a,54a,55a)と
    前記筒部(52a)の軸線方向に重ならないように前記複数
    の仕切板(53,54,55)にそれぞれ形成された請求項1記載
    のエンジンの排ガス浄化装置。
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