JP5898868B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガス浄化装置に関する。

排気ガスに還元剤を供給して混合し、排気ガス中の窒素酸化物を還元触媒にて還元する浄化装置が知られている。例えば、特許文献１に記載された浄化装置では、酸化触媒と還元触媒とを接続する排気管の内部に、旋回流を発生させるためのフィンを有するプレートが配置されている。この浄化装置では、フィンを通過することで排気ガスが旋回流となるので、還元剤と排気ガスとがよく混ざり、排気ガス中の窒素酸化物の還元効率を高めることができる。

この浄化装置に用いられるフィンは、直線状切り込みと１／４円弧状切り込みの組からなる切り込みをプレートに形成し、この切り込みを引き起こすことで設けられた扇状部分である。そして、４つの扇状フィンが円形となるように配置されている。

特開２００６−２９２３３号公報

前述の浄化装置では、フィンによって還元剤と排気ガスとを混合できるという利点がある一方、４つの扇状フィンを作製しなければならず、構造が複雑となり、加工に手間を要してしまうという課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、旋回流を発生させるための構成を簡素化することにある。

前記目的を達成するため、本発明の排気ガス浄化装置は、排気ガス中の窒素化合物を酸化する酸化触媒と、前記酸化触媒で酸化された前記排気ガス中の窒素酸化物を、還元剤の存在下で還元して浄化する還元触媒と、前記酸化触媒の排気下流側と前記還元触媒の排気上流側の間に配設され、還元剤供給口を通じて前記還元剤が供給される連通管と、前記酸化触媒が収容されるケーシングに一端部が嵌る筒状部、及び、前記筒状部の他端部を塞ぐ閉塞部を有するキャップ形状をなし、前記酸化触媒を通過した排気ガスを前記連通管へ流すための開口を側方に向けて開設したキャップ部材と、前記キャップ部材の内側空間における前記開口の手前に配設され、前記開口側の空間と反対側の空間との間に圧力差を生じさせる圧力調整プレートとを有し、前記開口は、前記酸化触媒における前記排気ガスの流れ方向に扁平な形状であり、前記圧力調整プレートは、前記開口の長手方向一端側から他端側に向かう程に、前記開口からの距離が遠くなるように配設されていることを特徴とする。

本発明の排気ガス浄化装置によれば、圧力調整プレートをキャップ部材における開口の手前に配置することで、圧力調整プレートを境にして開口側と反対側とで圧力差を生じさせる。この圧力差を利用して開口付近における排気ガスに旋回流を生じさせることができる。従って、旋回流を発生させるための構成を簡素化することができる。

また、前記開口は、前記酸化触媒における前記排気ガスの流れ方向に扁平な形状であり、前記圧力調整プレートは、前記開口の長手方向一端側から他端側に向かう程に、前記開口からの距離が遠くなるように配設されている。また、前記開口は、長方形の短辺を外側に凸の湾曲形状に置き換えた長円形状であることが好ましい。これらの構成では、扁平形状とされた開口に向かう排気ガスの流れ方向を、圧力調整プレートによって規制することができる。これにより、旋回流を生じさせ易くすることができる。

上記の排気ガス浄化装置において、前記キャップの開口と前記連通管の排気上流端とを接続し、前記連通管に近付く程に流路幅が狭められた狭窄流路を形成する接続部材を有することが好ましい。この構成では、狭窄流路を通ることによっても、旋回流を生じさせ易くすることができる。

上記の排気ガス浄化装置において、前記接続部材は、前記キャップ部材の開口から前記連通管の排気上流端に向かって屈曲させた屈曲部分を有し、前記還元剤供給口は、前記屈曲部分における前記連通管の排気上流端を臨む位置に設けられていることが好ましい。この構成では、旋回流となった排気ガスに対して還元剤を供給できるので、還元剤が排気ガスによく混ざり、還元効率を高めることができる。

本発明によれば、圧力調整プレートをキャップ部材における開口の手前に配置するという簡単な構成で、排気ガスに旋回流を生じさせることができる。

排気ガス浄化装置の全体構成を示す断面図である。 キャップ部材及び接続部材を示す斜視図である。 キャップ部材を開口側から見た状態を示す図である。 図１のＸ部分を示す拡大図である。 キャップ部材の内側空間を示す図である。 圧力調整プレートの正面図である。 圧力調整プレートの平面図である。 酸化触媒から連通管までの排気ガスの流れを示す解析結果である。 圧力調整プレートの近傍における圧力分布を示す解析結果である。 他の浄化装置における排気ガスの流れを示す解析結果である。 圧力調整プレートを設けない比較例における排気ガスの流れを示す解析結果である。 圧力調整プレートの他の例を説明する断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、排気ガスの浄化装置における全体構成について説明する。図１に示すように、浄化装置１は、エンジン（図示せず）からの排気ガスを排出するための排気通路に組み込まれている。この浄化装置１は、酸化触媒２と、上流側ケーシング３と、上流側キャップ部材４と、上流側接続部材５と、連通管６と、下流側接続部材７と、下流側キャップ部材８と、還元触媒９と、下流側ケーシング１０とを有している。

酸化触媒２は、排気ガスに含まれる窒素化合物を酸化するものであり、例えば、ガスの流れ方向に沿って無数のガス流路が形成された円柱状の担持基材と、このガス流路の表面にコーティングされたＰｔ−Ａｌ_２Ｏ_３系触媒層とを有している。

上流側ケーシング３は、酸化触媒２を収容する筒状部材であり、本実施形態では排気ガスの流れ方向に並べられた２つの酸化触媒２を収容する円形のステンレス管で構成されている。上流側ケーシング３における図中下側の端部は、エンジンからの排気ガスが流入する流入部３ａ（上流側端部）である。この流入部３ａは、エンジンからの排気管１１と酸化触媒２を収容する本体部分３ｂとを接続する部分であり、酸化触媒２側に向けて次第に直径が拡大する漏斗形状に作製されている。一方、図中上側の端部は酸化触媒２を通った排気ガスが排出される排出部３ｃ（下流側端部）である。この排出部３ｃは、酸化触媒２の周囲を囲む円形状になっている。

上流側キャップ部材４及び上流側接続部材５は、酸化触媒２で処理された排気ガスを連通管６に導くための流路部材である。これらの部材４，５、及び、上流側キャップ部材４に取り付けられた圧力調整プレート１２によって、排気ガスを旋回流にして連通管６に導いている。また、上流側接続部材５には還元剤（例えば尿素水）を供給するための還元剤供給口１３が設けられている。なお、上流側キャップ部材４、上流側接続部材５、及び、圧力調整プレート１２については後で詳しく説明する。

連通管６は、酸化触媒２の排気下流側と還元触媒９の排気上流側の間に配設され、酸化触媒２で処理された排気ガスを還元剤とともに還元触媒９側へ流すための流路部材である。本実施形態における連通管６は、上流側ケーシング３や下流側ケーシング１０よりも細い直径のステンレス製円管で作製されている。この連通管６の軸線方向は、上流側ケーシング３を流れる排気ガスの流れ方向に揃えられている。すなわち、この連通管６と、上流側キャップ部材４及び上流側接続部材５とにより、酸化触媒２で処理された排気ガスは、上流側ケーシング３の流入部３ａに向けて折り返される。

下流側接続部材７及び下流側キャップ部材８は、連通管６を通過した還元剤と排気ガス（酸化触媒２で処理された排気ガス）の混合ガスを還元触媒９に導入するための部材である。

下流側接続部材７は、還元剤供給口１３が設けられていない点で相違しているが、他の構成は上流側接続部材５と同じである。下流側キャップ部材８は、圧力調整プレート１２が設けられていない点で相違しているが、他の構成は上流側キャップ部材４と同じである。このため、上流側キャップ部材４、及び、上流側接続部材５の説明をもってこれらの部材の説明に代えることとする。

還元触媒９は、混合ガスに含まれる窒素酸化物を還元して浄化するものであり、例えば、ガスの流れ方向に沿って無数のガス流路が形成された円柱状の担持基材と、このガス流路の表面にコーティングされたＣｅ−Ｔｉ−ＳＯ_４−Ｚｒ系触媒層とを有している。

下流側ケーシング１０は、還元触媒９を収容する筒状部材であり、本実施形態では排気ガスの流れ方向に並べられた２つの還元触媒９を収容する円形のステンレス管で構成されている。そして、下流側ケーシング１０における図中下側の端部は、混合ガスが導入される導入部１０ａ（上流側端部）であり、下流側キャップ部材８が被せられる。また、下流側ケーシング１０における図中上側の端部は、処理後の排気ガスを放出する放出部１０ｂ（下流側端部）である。この放出部１０ｂは、下流側（還元触媒９から遠い側）に向けて次第に直径が縮小する漏斗形状に作製されている。

次に、上流側キャップ部材４について説明する。図２に示すように、上流側キャップ部材４は、上流側ケーシング３と上流側接続部材５との間に介在し、酸化触媒２で処理された排気ガスの流れ方向をほぼ直角に曲げて上流側接続部材５へと流す。図２〜図５に示すように、この上流側キャップ部材４は、筒状部２１と、天井部２２と、開口筒部２３とを有している。

筒状部２１は、上流側ケーシング３の端部が嵌る部分であり、開放端の内径が上流側ケーシング３における排出部３ｃの外径に揃えられた短尺の円筒状部材で作製されている。天井部２２は、筒状部２１における開放端とは反対側の端部を塞ぐ円盤状部材であり、閉塞部に相当する。図４に示すように、この天井部２２は、開口筒部２３に近い側から遠くなるほど内部空間が浅くなるように斜めに取り付けられている。これにより、天井部２２の内表面はスロープ形状に形成されている。そして、筒状部２１と天井部２２とによって底の浅いキャップ形状の部材が構成される。

開口筒部２３は、筒状部２１や天井部２２と一体に設けられる部分であり、上流側接続部材５と接続されて排気ガスを案内する。この開口筒部２３は、端部の開口２３ａが、上流側ケーシング３の軸線方向（酸化触媒２を流れる排気ガスの方向）と交差する側方に向くように設けられている。図３に示すように、この開口２３ａは、上流側ケーシング３の軸線方向に扁平な形状とされる。具体的には、長方形の短辺を外側に凸の半円（湾曲）形状に置き換えた長円形状とされる。

図２〜図５に示すように、上流側キャップ部材４の内側空間には、圧力調整プレート１２が取り付けられている。この圧力調整プレート１２は、開口２３ａの手前に配設されており、内側空間に圧力差を生じさせるための板状部材である。本実施形態の圧力調整プレート１２は、ステンレス製の板材で作製されている。

図６に示すように、圧力調整プレート１２は、屈曲部分１２ａと、短尺部分１２ｂと、長尺部分１２ｃとを有している。そして、図７の方向から見ると、これらの各部分が逆「へ」の字状に屈曲されている。図６に示す下縁部分１２ｅは、上流側キャップ部材４の装着状態において、酸化触媒２の端面に対向するので、直線状に形成されている。一方、上縁部分１２ｆは、図４に示すように、天井部２２や開口筒部２３の内面に当接する。これに伴い、図６に示すように、屈曲部分１２ａについては短尺部分１２ｂや長尺部分１２ｃよりも高さが高くなっている。また、短尺部分１２ｂ及び長尺部分１２ｃについては、天井部２２分のスロープ形状にあわせ、屈曲部分１２ａから離れるほどに高さが低くなっている。さらに、長尺部分１２ｃにおける上縁部分の端部には、接合用の取付片１２ｄが設けられている。

このような形状を有する圧力調整プレート１２は、図２や図５に示すように、長円開口２３ａの長手方向一端側から他端側に向かう程に、この長円開口２３ａからの距離が遠くなるように配設されている。本実施形態では、長円開口２３ａに対して４５度±１５度の範囲の角度となるように配設されている。

図５に示すように、圧力調整プレート１２によって、上流側キャップ部材４の内部空間が、長円開口２３ａに近い側の第１部分４Ａと長円開口２３ａから遠い側の第２部分４Ｂとに区画されている。圧力調整プレート１２が介在することで、第１部分４Ａにおける排気ガスの圧力が、第２部分４Ｂにおける排気ガスの圧力よりも低くなるように、圧力差が付与される。また、第２部分４Ｂの排気ガスの一部について、長尺部分１２ｃの先端を通って回り込む経路で第１部分４Ａへと流入される。

このように、第１部分４Ａと第２部分４Ｂに圧力差を与えることで、上流側接続部材５に流入する排気ガスを旋回流にすることができる。また、第２部分４Ｂから第１部分４Ａへ流れる排気ガスの経路を規制することで、排気ガスを効率よく旋回流にすることができる。なお、これらの点については後述する。

次に、上流側接続部材５について説明する。図２の左側半部に示すように、上流側接続部材５は、上流側キャップ部材４の長円開口２３ａと連通管６の上流側端部とを接続する部材である。このため、上流側接続部材５における上流側キャップ部材４との接続部分（キャップ接続部分３１）は、長円状の扁平流路を内部に有する長円筒状に形成されている。一方、上流側接続部材５における連通管６との接続部分（管接続部分３２）は、連通管６と同様に円筒状に形成されている。

キャップ接続部分３１と管接続部分３２との間には、排気ガスの流路を連通管６の上流端に向けて曲げるための屈曲部分３３が設けられている。この屈曲部分３３の内部には、連通管６に近付く程に流路幅が狭められた狭窄流路が形成されている。この狭窄流路の断面形状は、上流側から下流側に向かうにつれて長円形状から円形状に変化する。この場合、狭窄流路の下流側端部はテーパー面になるため、狭窄流路を流れる排気ガスは、このテーパー面に沿って流れることで旋回流が生じ易くなる。

また、図２及び図４に示すように、屈曲部分３３には還元剤供給口１３が設けられている。この還元剤供給口１３は、酸化触媒２で処理された後の排気ガスへ還元剤を供給するためのものであり、連通管６の排気上流端を臨む位置に設けられている。例えば、図４に仮想線で示す供給ノズル３４を還元剤供給口１３に挿入し、上流側接続部材５を流れる排気ガスに対し、この供給ノズル３４を通じて還元剤を供給する。供給された還元剤は、排気ガスと混ざりつつ連通管６を流れる。

以上の構成を有する浄化装置１では、エンジンからの排気ガスが流入部３ａから流入する。そして、排気ガスに含まれる一酸化窒素が酸化触媒２によって酸化されて二酸化窒素になる。酸化触媒２で処理された排気ガスは、上流側キャップ部材４及び上流側接続部材５を通って連通管６に導入される。その際、排気ガスは旋回流となり、上流側接続部材５の還元剤供給口１３を通じて供給された還元剤と混合される。連通管６を通過した混合ガスは、下流側接続部材７及び下流側キャップ部材８を通じて還元触媒９に導入される。還元触媒９は、混合ガスに含まれる二酸化窒素を窒素に還元する。還元触媒９で処理された混合ガスは、放出部１０ｂを通じて大気に放出される。

そして、この浄化装置１では、上流側キャップ部材４の内部空間に圧力調整プレート１２を配設しているので、排気ガスを旋回流にして連通管６に導入させることができる。また、上流側接続部材５の内部空間を、連通管６に近付く程に流路幅を狭くするように構成しているので、この点でも排気ガスを旋回させ易くできる。以下、これらの点について説明する。

図８は、酸化触媒２から連通管６までの排気ガス（流体）の流れを示す解析結果である。図に描かれた複数の線は、それぞれ排気ガスが流れる経路を表している。そして、各線における色の濃さは、その経路における排気ガスの流速を示している。なお、図８の解析結果において、酸化触媒２が収容された上流側ケーシング３の直径は２３０ｍｍ、連通管６の直径は７５ｍｍである。

図８から、酸化触媒２を通過した排気ガスは、キャップ部材の内部空間を長円開口２３ａに向けて流れることが判る。また、排気ガスは、圧力調整プレート１２によって流れ方向を規制され、長円開口２３ａに対して斜め方向から多くの量が流入することも判る。また、酸化触媒２から長円開口２３ａまでの第１範囲Ｙ１と、上流側接続部材５に対応する第２範囲Ｙ２と、連通管６に対応する第３範囲Ｙ３に分けた場合、第１範囲Ｙ１の流速が最も遅く、第２範囲Ｙ２で加速され、第３範囲Ｙ３でさらに加速されることが確認された。これは、排気ガスが通る流路の断面積が次第に狭くなっているからと考えられる。

図９は、上流側キャップ部材４の内部空間における、圧力調整プレート１２近傍の圧力分布を示す解析結果であり、排気ガスの大まかな圧力分布を等圧線で示している。図９より、圧力調整プレート１２を境に、長円開口側の第１部分４Ａと反対側の第２部分４Ｂとで大きな圧力差が生じていることが判る。図９における圧力調整プレート１２の右近傍の範囲Ｚ１が最も圧力が低く、この例では１１８０００Ｐａであった。これに対し、圧力調整プレート１２の左近傍の範囲Ｚ２が最も圧力が高く、この例では１２８０００Ｐａであった。

このような大きな圧力差が圧力調整プレート１２の近傍範囲Ｚ１，Ｚ２で生じると、流速が高められた排気ガスが、圧力調整プレート１２に沿って回り込むように流れると解される。そして、圧力調整プレート１２における長円開口側の表面に排気ガスが流れ込んでくると、この排気ガスは、圧力調整プレート１２や開口筒部２３の内表面等に沿って多く流れる。その結果、図８に示すように、排気ガスは旋回流となって、上流側接続部材５の狭窄流路及び連通管６の内部を流れる。その際、排気ガスは、狭窄流路にてテーパー面に沿って流れるため、旋回流をさらに強めることができる。

このように、本実施形態の浄化装置１では、連通管６において排気ガスを旋回流の状態で流すことができるので、還元剤供給口１３を通じて供給された還元剤を、排気ガスに対して拡散させた状態（より均質に近い状態）で混合することができる。その結果、還元触媒９で二酸化窒素を窒素に還元する際の反応性を高めることができ、排気ガスの浄化性能を高めることができる。

なお、図１０は、上流側ケーシング３及び連通管６の直径が先の実施形態と異なる他の浄化装置１での解析結果である。この浄化装置１において、上流側ケーシング３の直径φ３は３００ｍｍ、連通管６の直径φ６は１００ｍｍである。図１０より、サイズの異なる他の浄化装置１であっても、排気ガスが旋回流となって連通管６を流れることが確認できた。したがって、この浄化装置１においても、先に説明した浄化装置１と同様に、排気ガスの浄化性能を高めることができる。

また、図１１は、圧力調整プレート１２を設けていない比較例の浄化装置１での解析結果であり、圧力調整プレート１２を除く各部は、先に説明した浄化装置１と同じ構成である。この図１１より、圧力調整プレート１２が設けられないと、旋回流が生じないことが判る。言い換えれば、圧力調整プレート１２によって旋回流が生じていることが判る。

以上説明したように、本実施形態の浄化装置１によれば、上流側キャップ部材４の内側空間における開口２３ａの手前に、開口側の空間と反対側の空間との間に圧力差を生じさせる圧力調整プレート１２を配設しているので、この圧力差を利用して開口付近における排気ガスに旋回流を生じさせることができる。すなわち、旋回流を発生させるための構成を簡素化することができる。

また、本実施形態の浄化装置１では、扁平な長円開口２３ａの長手方向一端側から他端側へ向かう程に、長円開口２３ａからの距離が遠くなるように配設されているので、長円開口２３ａに向かう排気ガスの流れ方向を、圧力調整プレート１２によって規制することができる。その結果、旋回流を生じさせ易くすることができる。

加えて、開口筒部２３と連通管６との間に、狭窄流路を形成する上流側接続部材５を設けているので、狭窄流路を通ることによっても旋回流を発生させ易くすることができる。

さらに、還元剤供給口１３は、連通管６の排気上流端を臨む位置に設けられているので、旋回流となった排気ガスに対して還元剤を供給することができる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。例えば、次のように構成してもよい。

圧力調整プレート１２に関し、前述の実施形態では、屈曲部分１２ａが長円開口２３ａの近傍位置に配置されていたが、この形状に限定されるものではない。例えば、図１２に示すように、屈曲部分１２ａを前述の実施形態よりも長円開口２３ａから遠い側に配置してもよい。要するに、圧力調整プレート１２に関しては、上流側キャップ部材４の内側空間に圧力差を生じさせる板状部材であればよい。

上流側キャップ部材４が有する開口筒部２３に関し、前述の実施形態における開口筒部２３は、扁平な長円開口２３ａを区画するのであったが、矩形開口や六角形開口としてもよい。要するに扁平な開口であればよい。

還元剤に関し、前述の実施形態では、還元剤として尿素水溶液が用いられていたが、これに限定されない。例えば、アンモニア水溶液であってもよい。また、炭化水素を主成分とする軽油を用いてもよい。

１…排気ガスの浄化装置，２…酸化触媒，３…上流側ケーシング，３ａ…流入部，３ｂ…本体部分，３ｃ…排出部，４…上流側キャップ部材，４Ａ…第１部分，４Ｂ…第２部分，５…上流側接続部材，６…連通管，７…下流側接続部材，８…下流側キャップ部材，９…還元触媒，１０…下流側ケーシング，１０ａ…導入部，１０ｂ…放出部，１１…エンジンからの排気管，１２…圧力調整プレート，１２ａ…屈曲部分，１２ｂ…短尺部分，１２ｃ…長尺部分，１２ｄ…取付片，１２ｅ…下縁部分，１２ｆ…上縁部分，１３…還元剤供給口，２１…筒状部，２２…天井部（閉塞部），２３…開口筒部，２３ａ…長円開口（端部開口），３１…上流側接続部材のキャップ接続部分，３２…上流側接続部材の管接続部分，３３…上流側接続部材の屈曲部分，３４…供給ノズル，Ｙ１…酸化触媒から長円開口までの第１範囲，Ｙ２…上流側接続部材に対応する第２範囲，Ｙ３…連通管に対応する第３範囲，Ｚ１…圧力調整プレートの近傍範囲，Ｚ２…圧力調整プレートの近傍範囲

Claims (4)

1. 排気ガス中の窒素化合物を酸化する酸化触媒と、
   前記酸化触媒で酸化された前記排気ガス中の窒素酸化物を、還元剤の存在下で還元して浄化する還元触媒と、
   前記酸化触媒の排気下流側と前記還元触媒の排気上流側の間に配設され、還元剤供給口を通じて前記還元剤が供給される連通管と、
   前記酸化触媒が収容されるケーシングに一端部が嵌る筒状部、及び、前記筒状部の他端部を塞ぐ閉塞部を有するキャップ形状をなし、前記酸化触媒を通過した排気ガスを前記連通管へ流すための開口を側方に向けて開設したキャップ部材と、
   前記キャップ部材の内側空間における前記開口の手前に配設され、前記開口側の空間と反対側の空間との間に圧力差を生じさせる圧力調整プレートと、
   を有し、
   前記開口は、前記酸化触媒における前記排気ガスの流れ方向に扁平な形状であり、
   前記圧力調整プレートは、前記開口の長手方向一端側から他端側に向かう程に、前記開口からの距離が遠くなるように配設されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 前記開口は、長方形の短辺を外側に凸の湾曲形状に置き換えた長円形状であることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記キャップ部材の開口と前記連通管の排気上流端とを接続し、前記連通管に近付く程に流路幅が狭められた狭窄流路を形成する接続部材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記接続部材は、前記キャップ部材の開口から前記連通管の排気上流端に向かって屈曲させた屈曲部分を有し、
   前記還元剤供給口は、前記屈曲部分における前記連通管の排気上流端を臨む位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の排気ガス浄化装置。