JP4095525B2

JP4095525B2 - 排気後処理装置用補助装置

Info

Publication number: JP4095525B2
Application number: JP2003334559A
Authority: JP
Inventors: 雄二古谷; 康雄横田; 史宏黒木
Original assignee: Bosch Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP2005098247A

Description

本発明は、尿素還元型ＮＯｘ触媒（urea-Selective Catalystic Reduction 、以下ＳＣＲという）を用いた内燃機関の排気後処理装置用補助装置に関する。

近年、排気ガス中に含まれる各種物質を除去するため、種々の排気後処理装置が開発されてきている。この種の装置として、ディーゼル機関の排気ガスに含まれるＮＯｘを除去するための排気後処理装置として、ディーゼル機関の排気ガスを尿素と共にＳＣＲに通すことにより排気ガス中のＮＯｘを除去するようにした構成の装置が用いられている。このＳＣＲを用いた排気後処理装置は、一般に、ディーゼル機関の排気ガス中のような酸素濃度が高い条件下でも定量的にＮＯｘと反応し、高い浄化率が期待でき、また、信頼性も高いという利点を有している。

しかし、ＳＣＲの活性化温度は一般的には３００゜Ｃ以上と高いため、車両の始動時や低速走行時のような排気ガス温度が低い条件では、十分な排気ガス浄化率が得られない場合が生じる。このため、ＳＣＲは酸化触媒と組み合わせて用いられ、酸化触媒によって排気ガスの温度を上昇させるようにして使用されることが多い。

しかし、酸化触媒のみによる排気ガス温度の上昇作用には限界がある。そこで、酸化触媒とＳＣＲとを組み合わせて排気浄化を行うようにした排気後浄化処理装置にあっては、酸化触媒が活性化していない場合には、軽油バーナを用いて酸化触媒をその活性化温度にまで加熱し、その後、必要に応じて燃料及び必要量の尿素水溶液を供給するようにし、一方酸化触媒が活性化している場合には、必要量の尿素水溶液の供給のみを行うようにする補助装置を設ける構成が考えられる。このような補助装置は有効に触媒を利用することが可能となるため排気後処理装置の能力を十分に活用するのに有用であるが、そのためには、軽油バーナ、燃料供給装置、尿素水溶液供給装置の３種類の装置が必要とされ、排気管に上述の如き３個もの装置を取り付けなければならない。このため、広いスペースを必要とし、熱放出も格段に増加するので、このような構成を採用することは困難であるという問題点を有している。

本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができる内燃機関の排気後処理装置のための補助装置を提供することにある。

本発明の目的は、排気温度によらず酸化触媒を常に活性化状態で使用可能なようにしてＳＣＲにより有効にＮＯｘを除去できるようにした小型の排気後処理装置用補助装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によれば、排気温度を上昇させるための酸化触媒と排気中のＮＯｘを除去するためのＳＣＲとを備えた排気後処理装置に、生燃料、火炎ガス、尿素水溶液のうちの少なくとも１つを供給するための排気後処理装置用補助装置であって、出口部を有するハウジングと、前記ハウジング内に設けられ先端部に噴孔を有する噴射ノズルと、該噴射ノズルに空気を送るための第１通路と、該第１通路内に燃料を供給するための第１インジェクタと、該第１通路内に尿素水溶液を供給するための第２インジェクタと、前記噴射ノズルの前記先端部の外周を囲む環状吐出口を有し前記ハウジング内に空気を送るための第２通路と、前記噴孔からの噴出流体を前記出口部へ導くため一端開口が前記噴孔に対向して接近配置され、他端開口が前記出口部に接続されるようにして前記ハウジング内に設けられた導通路と、前記導通路内に前記噴孔側から前記出口部側に向かう空気流を生じさせるため前記ハウジング内に空気を送るための第３通路と、前記導通路内の燃料に点火するための点火器とを備えたことを特徴とする排気後処理装置用補助装置が提案される。

本発明によれば、内燃機関の運転条件によらず、酸化触媒を常に活性化状態で使用でき、酸化触媒の効果で燃料消費量、ＨＣ、ＣＯの排出量を低減できる。またＳＣＲが常に高温状態で運転されるので、高いＮＯｘ浄化率が得られる。さらに、空気で噴射ノズル内部や噴孔及び装置内の付着物を洗浄できるため良好な動作を確保でき、信頼性が向上する。

図１〜図３は、排気後処理装置の活性化のために用いられる、本発明による補助装置の一実施形態を示す図である。図１はその断面図、図２は図１の左側面図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図である。

補助装置１００は、排気温度を上昇させるための酸化触媒と排気中のＮＯｘを除去するためのＳＣＲとを備えた排気後処理装置に、生燃料、火炎ガス、尿素水溶液のうちの少なくとも１つを供給するための装置であり、排気後処理装置に取り付けられて使用される。補助装置１００は、円筒状のハウジング本体１の一端にハウジングプレート２を全周溶接等により固定し、その他端にカバーフランジ３を固定部材５によって固定して成るハウジング４を備え、ハウジングプレート２には開口２Ａが設けられている。開口２Ａは、補助装置１００を排気後処理装置にハウジングプレート２によって固定したときに、補助装置１００からの生燃料、火炎ガス、尿素水溶液等を排気後処理装置へ送り出すための出口部を形成する開口である。

カバーフランジ３の取付孔３Ａには、グロープラグ６が固定されている。ここでは、グロープラグ６の外周面に設けられているねじ溝６Ａによってグロープラグ６が取付孔３Ａに螺着されており、グロープラグ６のヒータ部６Ｂがハウジング４内に略同軸に突出している。グロープラグ６には図示しない電源から加熱用の電力が供給され、これによりヒータ部６Ｂが加熱される構成となっている。

ハウジング４内には、ヒータ部６Ｂを覆うようにしてキャップ状の噴射ノズル７が固定されており、ヒータ部６Ｂは噴射ノズル７の円筒状空間７Ａ内にわずかな隙間をもって収容されている。噴射ノズル７の先端部には円筒状空間７Ａに連通する複数の噴孔７Ｂが形成されており、円筒状空間７Ａの内周面にはねじ溝７Ａａが形成されている。

ねじ溝７Ａａは、噴射ノズル７の内部を通る流体の乱れを増加させ、微粒化を促進させるために形成されている。したがって、この部分はネジ形状以外でも良い。例えば、耐熱金属のメッシュを挿入したり、スワーラーを形成して、スワールノズルとすることもできる。

カバーフランジ３には、一端が円筒状空間７Ａと連通している第１通路８が設けられており、第１通路８の他端には１次空気導入口９が設けられている。

１次空気導入口９には図示しない空気ポンプからの圧縮空気を供給できる構成となっており、１次空気導入口９から送り込まれた圧縮空気は第１通路８を通って円筒状空間７Ａ内に入り、噴孔７Ｂからハウジング４内に送り出される構成となっている。

第１通路８内に燃料及び尿素水溶液を噴射できるようにするため、燃料供給用の第１インジェクタ１０と尿素水溶液供給用の第２インジェクタ１１とが設けられている。第１インジェクタ１０には、軽油の燃料タンクより燃料ポンプで加圧されプレッシャーレギュレーターで一定圧に調整された燃料が供給されている。一方、第２インジェクタ１１には、尿素水溶液のタンクよりポンプで加圧されプレッシャーレギュレーターで一定圧に調整された尿素水溶液が供給されている。これら２つのポンプは作動時のみ運転される。図１〜図３では、第１インジェクタ１０及び第２インジェクタ１１への燃料及び尿素水溶液の供給システムは図示するのを省略している。

第１インジェクタ１０及び第２インジェクタ１１は、固定部材５によってハウジング４に固着されている固定プレート１２に適宜の手段で固定されている。第１インジェクタ１０の噴射ポート１０Ａは連結路１３によって第１通路８に連結され、第２インジェクタ１１の噴射ポート１１Ａは連結路１４によって第１通路８に連結されている。ここでは、燃料は、尿素水溶液よりも第１通路８の上流側において供給される構成となっている。この構成による利点は次の通りである。尿素水溶液の噴射は、低噴射量状態の噴射が継続すると、周辺温度の影響で、水分が蒸発し、ノズル内に尿素が析出し、噴孔等を詰まらせる危険性を持つ。しかし、上流側に燃料供給用の第１インジェクタ１０を配置する構成によれば、微量の析出が存在しても、燃料で洗い流す効果が期待できる。

上述の構成により、第１通路８内に燃料及び又は尿素水溶液を噴射し、噴孔７Ｂから燃料及び又は尿素水溶液を噴射させることができる。

噴射ノズル７にはキャップ部材１５が覆設され、噴射ノズル７とキャップ部材１５の間には、これにより、噴射ノズル７の先端部の外周を囲む環状通路１６が形成されている。すなわち、キャップ部材１５の円筒状突部１５Ａ内に、噴射ノズル７の先端部がわずかな隙間をあけて収容されるようにしてキャップ部材１５が噴射ノズル７に覆設されており、これにより円筒状室部１５Ａの内周面と噴射ノズル７の先端部の外周面との間に環状通路１６が形成されている。この結果、噴射ノズル７の先端部の外周を囲む環状吐出口１６Ａが形成されている。なお、キャップ部材１５はガスケットＧを介してカバーフランジ３にボルトＢで固定されている。

環状通路１６はカバーフランジ３内に形成されている第２通路１７の一部を構成するもので、第２通路１７の他端に設けられている２次空気導入口１８から導入される圧縮空気を環状吐出口１６Ａからハウジング４内に送り込むことができる構成となっている。

環状吐出口１６Ａからの空気は、噴射ノズル７の先端部からスカート状に拡がるエアカーテンを構成するので、このエアカーテンによって噴孔７Ｂから噴射される燃料及び又は尿素水溶液が飛び散るのを有効に抑えることができる。

噴孔７Ｂから噴射される流体を開口２Ａに導くための導通路を形成するため、ハウジング４内には両端が開口している円筒管１９が設けられている。

円筒管１９は、一端が噴孔７Ｂに対向して接近配置され他端がハウジングプレート２に全周溶接接続されており、噴孔７Ｂからの流体及び環状通路１６からの空気を、開口２Ａに導くことができるようになっている。なお、噴射ノズル７の先端部の噴孔７Ｂは、スワールノズル以外では多噴孔ノズルで噴出方向が軸線とある角度を持って作られている。これにより、噴孔７Ｂからの噴霧が円筒管１９の内壁面に衝突する様になっている。

円筒管１９内には、円筒管１９内に入ってきた燃料に点火するための点火プラグ２０が設けられており、円筒管１９内に燃焼室が形成されている。２３はフレームロッドである。ハウジング本体１の外周側には点火プラグ２０及びフレームロッド２３が挿入される穴が形成されていて、ガスケットで気密性を確保し、固定プレートと固定ボルトで組み付けられる。

本実施の形態では、円筒管１９の一端において、噴射ノズル７の先端部が円筒管１９内に入り込んでおり、且つキャップ部材１５の外周面と円筒管１９の内周面との間に比較的大きな隙間２１が生じるように構成されている。

この隙間２１を介して、円筒管１９内に燃料燃焼用の空気を入れることができるようにするため、ハウジング本体１には第３通路２２が設けられている。図示しない空気ポンプにより第３通路２２に導入された空気はハウジング４内に入り、隙間２１を介して円筒管１９内に入り、開口２Ａから放出される。なお、空気ポンプと２次空気導入口１５及び第３通路２２を連結する流路にはＯＮ／ＯＦＦ制御する電磁弁が配置され空気供給を制御可能な構成としてある。空気ポンプの運転は作動時のみで良い。

補助装置１００は以上のように構成されているので、（１）第１インジェクタ１０を作動させて燃料のみを供給することにより酸化触媒の活性化を図る、（２）（１）で点火プラグ２０を作動させ、火炎ガスを供給して酸化触媒のより一層の活性化を図る、（３）第２インジェクタ１１を作動させ、尿素水溶液を供給してＮＯ_Xの除去を行う、（４）第１インジェクタ１０及び第２インジェクタ１１により燃料と尿素水溶液とを同時に供給する、など、そのときの機関の運転状態に合わせて適切な活性化を行うことができる。

このように、内燃機関の運転条件によらず、酸化触媒を常に活性化状態で使用でき、酸化触媒の効果で燃料消費量、ＨＣ、ＣＯの排出量を低減できる。またＳＣＲが常に高温状態で運転されるので、高いＮＯｘ浄化率が得られる。

また、燃料や尿素水溶液を噴射する噴射ノズル７には、第１通路８を介して圧縮空気を送ることができる構成となっているため、空気で噴射ノズル７の内部や噴孔７Ｂ及び装置内の付着物を洗浄できるため良好な動作を確保でき、信頼性が向上する。

さらに、ディーゼル微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）をＳＣＲの後側に付けると再生に若干の問題が生じるが、ＮＯ_Xが発生し易い燃焼の場合、ＰＭの排出量は少なく、再生頻度が伸びる。また、適宜の内燃機関運転状態においてバーナ燃焼又は過度の燃料噴射で十分温度上昇させれば、再生可能である。

次に、補助装置１００の作動について説明する。先ず、排気後処理装置の酸化触媒の活性状況が低く、補助装置１００を軽油バーナとして使用する場合につき、始動時と定常運転時とに分けて説明する。

始動時、グロープラグ６に通電し噴射ノズル７の内部を加熱する。次に、空気ポンプを作動させ、１次空気導入口９から１次空気を噴射ノズル７内に導入する。その後、第１インジェクタ１０を作動させて燃料を送り込み、噴孔から噴霧が噴出すると同時に点火プラグ２０を作動させ、燃料に着火させる。そして、フレームロッド２３から着火信号を検出したら、点火プラグ２０の作動を停止させ、第３通路２２の上流に配置している電磁弁を作動させ、空気をハウジング４内に導入する。バーナ出力が目標出力及び目標空気過剰率となる様に、第１インジェクタ１０及び空気ポンプの吐出量を調整する。

定常運転時には、円筒管１９の内壁温度が十分上昇し、安定状態と判断される状態となれば、グロープラグ６の通電を停止する。安定状態の判定は運転時間に基づいて行うことができる。つまり、円筒管１９の内壁での熱交換でガス化燃焼するので、過度の微粒化が必要無い。

次に、軽油バーナの使用で酸化触媒が活性化状態となり、燃料噴射を実施する場合について説明する。酸化触媒が活性化状態かどうかの判定には、酸化触媒の近傍に温度センサーを配置し、その測定値より判定するのが好ましい。これから、十分活性化状態と判断された場合で且つ、酸化触媒の活性化のための更なる温度上昇のため、燃料噴射が必要と判断された場合は以下の操作を実施する。

一度、バーナ燃焼を停止するために、第１インジェクタ１０の燃料噴射を停止し完全に消火させる。その後、第３通路２２への空気送給用の電磁弁を停止し、空気の供給を停止する。次に、２次空気用電磁弁を作動させ、２次空気の空気を供給する。グロープラグ６の作動が停止している場合は、通電を再開し、目標燃料供給量及び目標空気量となる様に第１インジェクタ１０の作動と空気ポンプの調整を実施する。３次空気流により噴孔７Ｂでの噴霧角が縮小され、円筒管１９の内壁面に噴孔７Ｂからの噴流が衝突すること無く、酸化触媒に噴霧又はガスとして供給することが可能となる。

酸化触媒及びＳＣＲが共に活性化の場合には次の通りの動作となる。１次と２次空気を供給する。このとき、目標空気量となる様にポンプは調整する。グロープラグ６の通電を停止する。尿素水溶液は粘性が低いので、加熱しなくても良好な噴霧が得られる。第２インジェクタ１１を作動させ、目標供給量となる様に調整する。

燃料噴射と尿素水溶液の噴射とを同時に行う場合は次の通りの動作となる。低速運転時の様に、燃料噴射を実施しないと触媒が活性化温度を維持出来ない場合は、同時に噴射しても、別々にあるサイクルで周期的に運転しても良い。同時に行う場合は、グロープラグ６の通電電圧を低下させても良い。混合により、粘性が低下する。

その他の運転パターンは次の通りである。内燃機関の排気管に本装置を配置すると、排気ガスが流入することで未燃ＨＣやＰＭが付着し、噴孔７Ｂを閉鎖させたりして、機能不能を起こす危険性がある。よって、これを防ぐため以下の処置を実施する。

運転停止時：しばらくの間、１次空気のみ噴射を継続し、噴射ノズル７内に残留している燃料や水溶液を全て無くす。この時にグロープラグ６を通電すると、噴射ノズル７内に残留していた尿素が液化し、洗浄性が向上する。

未作動時：定期的又はＰＭの排出量が多い運転状態では、装置洗浄と排気ガス流入を防止する目的で、１次空気又は、３次空気の噴出を行う。

本発明による補助装置の一実施形態を示す断面図。図１の左側面図。図１のＡ−Ａ線断面図。

符号の説明

１ハウジング本体
２ハウジングプレート
３カバーフランジ
４ハウジング
５固定部材
６グロープラグ
７噴射ノズル
８第１通路
９１次空気導入口
１０第１インジェクタ
１１第２インジェクタ
１２固定プレート
１３、１４連結路
１５キャップ部材
１６環状通路
１６Ａ環状吐出口
１７第２通路
１８２次空気導入口
１９円筒管
２０点火プラグ
２１隙間
２２第３通路
２３フレームロッド

Claims

排気温度を上昇させるための酸化触媒と排気中のＮＯｘを除去するためのＳＣＲとを備えた排気後処理装置に、生燃料、火炎ガス、尿素水溶液のうちの少なくとも１つを供給するための排気後処理装置用補助装置であって、
出口部を有するハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ先端部に噴孔を有する噴射ノズルと、
該噴射ノズルに空気を送るための第１通路と、
該第１通路内に燃料を供給するための第１インジェクタと、
該第１通路内に尿素水溶液を供給するための第２インジェクタと、
前記噴射ノズルの前記先端部の外周を囲む環状吐出口を有し前記ハウジング内に空気を送るための第２通路と、
前記噴孔からの噴出流体を前記出口部へ導くため一端開口が前記噴孔に対向して接近配置され、他端開口が前記出口部に接続されるようにして前記ハウジング内に設けられた導通路と、
前記導通路内に前記噴孔側から前記出口部側に向かう空気流を生じさせるため前記ハウジング内に空気を送るための第３通路と、
前記導通路内の燃料に点火するための点火器と
を備えたことを特徴とする排気後処理装置用補助装置。