還元剤噴射ノズル及び還元剤噴射ノズルを備えた窒素酸化物浄化システム
【課題】還元剤を短い距離で広角に噴射することを実現した還元剤噴射ノズル、及び窒素酸化物の浄化効率を向上しつつ触媒間距離を短くすることを実現した窒素酸化物浄化システムを提供することを目的とする。
【解決手段】還元剤噴射ノズル５はノズル本体１１を備えており、ノズル本体１１の下方側の端部には、平坦な開口面１５及び開口面１６が、互いに異なる方向を向くように傾けられた状態で形成されている。また、ノズル本体１１の下方側の端部には、開口面１５で開口する一対の噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂと、開口面１６で開口する一対の噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂとが形成されている。各噴孔は、噴孔２１ａから噴射された尿素水と噴孔２１ｂから噴射された尿素水とが衝突可能となるように、且つ噴孔２２ａから噴射された尿素水と噴孔２２ｂから噴射された尿素水とが衝突可能となるように形成されている。
【解決手段】還元剤噴射ノズル５はノズル本体１１を備えており、ノズル本体１１の下方側の端部には、平坦な開口面１５及び開口面１６が、互いに異なる方向を向くように傾けられた状態で形成されている。また、ノズル本体１１の下方側の端部には、開口面１５で開口する一対の噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂと、開口面１６で開口する一対の噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂとが形成されている。各噴孔は、噴孔２１ａから噴射された尿素水と噴孔２１ｂから噴射された尿素水とが衝突可能となるように、且つ噴孔２２ａから噴射された尿素水と噴孔２２ｂから噴射された尿素水とが衝突可能となるように形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の排気ガスに添加される還元剤を噴射する還元剤噴射ノズルの構成と、この還元剤噴射ノズルを備えた窒素酸化物浄化システムの構成とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する窒素酸化物浄化システムの一例として、尿素水を還元剤として用いる尿素選択還元システム（尿素ＳＣＲシステム）が挙げられる。例えば特許文献１に記載されているように、尿素ＳＣＲシステムは、排気管に設けられた還元触媒と、還元触媒の上流側に配置され、排気管内に尿素水を噴射する還元剤噴射ノズルとを備えている。還元触媒は、排気管内に噴射された尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ３）と排気ガスに含まれる窒素酸化物とを反応させ、無害な窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに還元することによって窒素酸化物を浄化するものである。また、還元剤噴射ノズルは、還元剤を還元触媒に向かって噴射可能となるように、排気ガスの流れに対して所定の角度傾けられた状態で設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１１３６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
還元触媒による窒素酸化物の浄化効率を向上するためには、還元触媒の全面に対して尿素水を均一な分布状態で供給することが必要となる。しかしながら、通常、還元剤噴射ノズルは尿素水を円錐状に噴射するため、尿素水を還元触媒の全面に行き渡らせるためには、尿素水の噴射範囲が十分に広がるように還元剤噴射ノズルと還元触媒との間に距離をとる必要がある。一方、特許文献１にも記載されているように、還元触媒及び還元剤噴射ノズルの上流側には、例えば酸化触媒等、還元触媒とは別の触媒が設けられることが一般的であり、これらの触媒間の距離が長くなると、システム全体が大型化されて車両への搭載性が悪化するという問題や、圧力損失が増大するという問題が生じる。すなわち、特許文献１に記載の還元剤噴射ノズルを用いた場合、窒素酸化物の浄化効率の向上と触媒間の距離の短縮とは相反する事項となるため、これらを両立することが困難であるという問題点を有していた。
【０００５】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、還元剤を短い距離で広角に噴射することを実現した還元剤噴射ノズル、及び窒素酸化物の浄化効率を向上しつつ触媒間距離を短くすることを実現した窒素酸化物浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る還元剤噴射ノズルは、複数の噴孔が形成されたノズル本体を備え、複数の噴孔から還元剤を噴射する還元剤噴射ノズルにおいて、ノズル本体には、一方向に沿って配列された一対の噴孔が、一方向に直交する平面に沿って複数箇所に形成されており、一対の噴孔は、一方の噴孔から噴射される還元剤と他方の噴孔から噴射される還元剤とが衝突するように形成されることを特徴とするものである。
【０００７】
一対の噴孔のそれぞれから噴射された還元剤同士が衝突すると、衝突した還元剤が扁平な扇状に広がる、いわゆる衝突噴流が発生する。尚、この扇状の衝突噴流は、一対の噴孔が配列された方向に扁平となり、且つこの方向に対して垂直な方向に広がるものとなる。このように還元剤を噴射する一対の噴孔を、その配列方向に対して直交する平面に沿って、すなわち還元剤が扇状に広がる面に沿って複数箇所に形成したので、還元剤の全体的な噴射範囲は、一方向に扁平を保ったまま他方向に広がったものとなる。つまり、同量の還元剤を円錐状に噴射した場合と比較すると、短い距離の範囲内により多くの還元剤を分散させることができる。したがって、還元剤噴射ノズルにおいて、還元剤を短い距離で広角に噴射することが可能となる。
【０００８】
ノズル本体は、噴孔が開口するとともに互いに異なる方向を向くように傾けられた複数の開口面を有しており、複数の開口面のそれぞれに、一対の噴孔が１組ずつ配置されてもよい。一対の噴孔のそれぞれから扇状に噴射される還元剤同士に各開口面同士の傾きに応じた角度を付けられるため、より広角に還元剤を噴射することが可能となる。
尚、開口面は二面形成されてもよく、あるいは三面形成されてもよい。開口面の数を増やした場合、同量の還元剤を低い圧力で広範囲に噴射することが可能となる。
【０００９】
また、この発明に係る窒素酸化物浄化システムは、内燃機関から排出される排気ガスが流通する排気管と、排気管の内部に還元剤を噴射可能に設けられた、上記の還元剤噴射ノズルと、還元剤噴射ノズルの下流側に配置され、排気ガスと還元剤とを反応させて排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する還元触媒とを備えたものとして構成される。
【００１０】
上述したように、この発明に係る還元剤噴射ノズルは、還元剤を短い距離で広角に噴射可能となっている。つまり、還元剤噴射ノズルと還元触媒とを近接して配置しても、還元触媒の全面における広範囲に還元剤を供給することができるため、還元剤を円錐状に噴射する噴射ノズルのように、還元剤噴射ノズルと還元触媒との間に距離をとることを必要としない。すなわち、例えば還元触媒の上流側に酸化触媒等を設けた場合、これらの触媒間に必要となる距離は還元剤噴射ノズルを設置する分の距離のみとなるため、窒素酸化物の浄化効率を向上しつつ、触媒間の距離を短縮してシステム全体の小型化を図ることや、触媒間における圧力損失の低減を図ることが可能となる。
【００１１】
還元触媒は、排気ガスが流通する方向に対して垂直となる方向において、長円状または楕円状の断面形状を有してもよい。還元剤噴射ノズルは、一方向に扁平を保ったまま他方向に広がるように還元剤を噴射するため、その噴射範囲を平面的に見ると長円状または楕円状となる。すなわち、還元剤噴射ノズルから噴射された還元剤がより効率よく還元触媒の全面に供給されるため、窒素酸化物の浄化効率をさらに向上することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、還元剤噴射ノズルにおいて還元剤を短い距離で広角に噴射すること、及び窒素酸化物浄化システムにおいて窒素酸化物の浄化効率を向上しつつ触媒間距離を短くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１に係る窒素酸化物浄化システムの構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態１に係る還元剤噴射ノズルの構成を概略的に示す部分拡大断面図である。
【図３】実施の形態１に係る還元剤噴射ノズルの下方側の端部を示す斜視図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図５】実施の形態１に係る還元剤噴射ノズルから噴射される還元剤の様子を模式的に示す斜視図である。
【図６】実施の形態１に係る還元剤噴射ノズルによる還元剤の噴射範囲を示す模式図であり、（ａ）は排気ガスが流通する方向に沿った噴射範囲、（ｂ）は（ａ）で示される方向に対して直交する方向に沿った噴射範囲を示す。
【図７】この発明の実施の形態２に係る還元剤噴射ノズルの下方側の端部を示す斜視図である。
【図８】この発明の実施の形態３に係る窒素酸化物浄化システムの構成を概略的に示す図であり、（ａ）における還元触媒の構成を概略的に示す斜視図である。
【図９】この発明のその他の実施の形態に係る窒素酸化物浄化システムの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、この発明の実施の形態について、添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この実施の形態１に係る窒素酸化物浄化システムを備えたディーゼルエンジンの排気系の構成を概略的に示す。
内燃機関であるディーゼルエンジン１には排気管２が接続されており、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが、ディーゼルエンジン１側を上流側として排気管２の内部を矢印Ａで示される方向に流通する。排気管２の途中には、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）等を酸化するための酸化触媒３が設けられている。また、酸化触媒３の下流側には、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための還元触媒であるＳＣＲ触媒４が設けられている。
【００１５】
ＳＣＲ触媒４は、排気ガスに添加される還元剤である尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ３）と排気ガスとを反応させてＮＯｘを浄化する触媒であって、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間には、排気管２の内部に尿素水を噴射する還元剤噴射ノズル５が設けられている。還元剤噴射ノズル５には、尿素水を内部に貯留する尿素水タンク５ａと、尿素水タンク５ａ内の尿素水を還元剤噴射ノズル５に供給する尿素水添加システム５ｂとが、接続管５ｃを介して接続されている。尚、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間に位置する排気管２は、これらの触媒とほぼ同一の直径を有しており、排気ガスの流路面積を絞ることなく酸化触媒３とＳＣＲ触媒４とを接続している。
【００１６】
ＳＣＲ触媒４の下流側には、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ６が設けられている。また、フィルタ６の下流側には、例えば排気ガスに含まれるＮＯｘの量に対してアンモニアの量が過剰となった場合等に、未反応のままＳＣＲ触媒４を通過したアンモニアを除去するためのスリップ触媒７が設けられている。スリップ触媒７の下流側には図示しないマフラが接続されており、スリップ触媒７を通過した排気ガスは、マフラの内部で排気音を低減されてから大気中に放出される。
【００１７】
また、ＳＣＲ触媒４の上流側及び下流側には、排気ガスに含まれるＮＯｘの量を検知するＮＯｘセンサ８ａ及びＮＯｘセンサ８ｂが設けられている。尿素水添加システム５ｂ及びＮＯｘセンサ８ａ、８ｂは、ディーゼルエンジン１及び窒素酸化物浄化システムの動作を制御するＥＣＵ９に電気的に接続されている。ＥＣＵ９は、ＮＯｘセンサ８ａ、８ｂが検知したＮＯｘの量に基づいて尿素水の噴射量や噴射時期を決定するとともに、それに基づく信号を尿素水添加システム５ｂに出力し、還元剤噴射ノズル５による尿素水の噴射を制御する。
【００１８】
ここで、還元剤噴射ノズル５の構成について、図２〜４を用いて詳細に説明する。
まず、排気ガスが流通する方向（図１の矢印Ａ参照）における上流側から見た還元剤噴射ノズル５の要部を図２に示す。尚、以下の説明の便宜上、還元剤噴射ノズル５における上下方向を、図２に示す各矢印によって規定する。
図２に示すように、還元剤噴射ノズル５は、排気管２に取り付けられるノズル本体１１を備えている。ノズル本体１１の内部には、上下方向に沿って延びる還元剤通路１１ａが形成されており、この還元剤通路１１ａの内部に尿素水タンク５ａ（図１参照）からの尿素水が供給されるようになっている。還元剤通路１１ａの下端部には、下方側に向かってテーパ状に先細りとなるシート部１１ｂが形成されている。シート部１１ｂの下部には、下方側に向かってテーパ状に広がる空間部１２が形成されており、シート部１１ｂと空間部１２とが連通孔１３を介して接続されている。
【００１９】
また、還元剤噴射ノズル５は、ノズル本体１１の還元剤通路１１ａ内に摺動可能に設けられたニードル弁１４を備えている。ニードル弁１４は、その下方側の先端部１４ａによって連通孔１３を開閉するための部材であって、ノズル本体１１の上部側に設けられた図示しないソレノイドに駆動されることにより、還元剤通路１１ａ内を上下動可能となっている。ニードル弁１４を下方側に移動させると、先端部１４ａがシート部１１ｂに接触することによって連通孔１３が閉塞され、還元剤通路１１ａから空間部１２への尿素水の供給が停止される。一方、ニードル弁１４を上方側に移動させると、先端部１４ａがシート部１１ｂから離れることによって連通孔１３が開放され、還元剤通路１１ａから空間部１２への尿素水の供給が開始される。
【００２０】
以上のように構成される還元剤噴射ノズル５において、ノズル本体１１の下方側の端部には、平坦な２つの開口面１５及び開口面１６が、互いに異なる方向を向くように角度α傾けられた状態で形成されており、これらの開口面１５、１６が排気管２の内部に露出している。また、ノズル本体１１の下方側の端部には、図３に示されるように、開口面１５で開口する一対の噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂと、開口面１６で開口する一対の噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂとが形成されており、これらの噴孔が空間部１２と排気管２の内部とを連通している。つまり、還元剤噴射ノズル５（図２参照）は、ニードル弁１４を上方側に移動させて連通孔１３を開放することによって還元剤通路１１ａと空間部１２とを連通させ、空間部１２内に供給された尿素水を各噴孔２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂから噴射するものである。
【００２１】
開口面１５で開口する一対の噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂは、図３の矢印Ａで示される方向、すなわち排気管２の内部を排気ガスが流通する方向に沿って配列されている。同様に、開口面１６で開口する一対の噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂも、図３の矢印Ａで示される方向に沿って配列されている。また、噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂからなる噴孔の対と、噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂからなる噴孔の対とは、矢印Ａで示される方向に対して直交する平面上の方向（矢印Ｂ参照）に沿って配置されている。つまり、還元剤噴射ノズル５は、一方向（矢印Ａ参照）に沿って配列された一対の噴孔２１ａ、２１ｂ及び一対の噴孔２２ａ、２２ｂを、矢印Ｂを含む、一方向に直交する平面に沿った二箇所に形成したものとなっている。尚、図３の矢印Ｂで示される方向は、ＳＣＲ触媒４の上流側の端面４ａ（図１参照）が延在する方向に一致している。
【００２２】
図４に示すように、開口面１５で開口する一対の噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂは、これらがＶ字状をなすように互いに傾けられた状態で形成されており、一方の噴孔２１ａから噴射された尿素水と他方の噴孔２１ｂから噴射された尿素水とが噴射直後に衝突するようになっている。また、図示はしないが、開口面１６で開口する一対の噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂも、噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂと同様に互いに傾けられた状態で形成されており、噴孔２２ａから噴射された尿素水と噴孔２２ｂから噴射された尿素水とが衝突するようになっている。
【００２３】
次に、この発明の実施の形態１に係る窒素酸化物浄化システム及び還元剤噴射ノズル５の動作について説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１の運転が開始されると、排気管２の内部に排出された排気ガスが矢印Ａで示される方向に流通して酸化触媒３を通過し、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）等が酸化触媒３によって酸化されると同時に、一酸化窒素（ＮＯ）の一部が二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化される。また、ディーゼルエンジン１の運転が開始されると、還元剤噴射ノズル５を開弁させるための信号がＥＣＵ９から尿素水添加システム５ｂに出力される。
【００２４】
還元剤噴射ノズル５を開弁させるための信号がＥＣＵ９から出力されると、図２に示すように、ニードル弁１４が図示しないソレノイドに駆動されることによって上方側に移動する。ニードル弁１４が上方側に移動すると、その先端部１４ａがシート部１１ｂから離れることによって連通孔１３が開放され、還元剤通路１１ａから空間部１２内への尿素水の供給が開始される。空間部１２内に供給された尿素水は、ノズル本体１１の先端部に形成された噴孔２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ（図３参照）から排気管２の内部に噴射される。
【００２５】
ここで、図４に示すように、一対の噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂは、Ｖ字状となるように互いに傾けられた状態で形成されており、これらの噴孔から噴射された尿素水同士が衝突するようになっている。このような場合、図５に概略的に示すように、噴孔２１ａから噴射される尿素水Ｆ１と噴孔２１ｂから噴射される尿素水Ｆ２とが衝突後に扁平な扇状となって広がる、いわゆる衝突噴流Ｆ３が発生する。尚、この扇状の衝突噴流Ｆ３は、一対の噴孔２１ａ、２１ｂが配列された方向（図３、４の矢印Ａ参照）に扁平となり、且つこの方向に対して垂直な方向（図３の矢印Ｂ参照）に広がるものとなる。また、この扇状の衝突噴流Ｆは、開口面１６で開口する一対の噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂ側においても同様に発生する。
【００２６】
また、図３に示すように、一対の噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂと一対の噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂとは、互いに対となる噴孔同士が配列されている方向、すなわち排気ガスが流通する方向（矢印Ａ参照）に対して直交する方向（矢印Ｂ参照）に沿って配置されている。つまり、図６（ａ）に示されるように、還元剤噴射ノズル５による尿素水Ｆの噴射範囲は、排気ガスが流通する方向（矢印Ａ参照）に厚くなることがなく扁平を保ったままとなる。したがって、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間に必要となる距離Ｌは、還元剤噴射ノズル５を設置する分のみとなるため、窒素酸化物浄化システム全体を小型化すること、及び酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間における圧力損失を低減することが可能となっている。
【００２７】
一方、図６（ｂ）に示されるように、排気ガスが流通する方向（図６（ａ）の矢印Ａ参照）に対して直交する方向（矢印Ｂ参照）において、噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂから噴射される尿素水Ｆ３と、噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂから噴射される尿素水Ｆ３とは、それぞれ扇状に広がるようになっている。さらに、噴孔２１ａ、２１ｂが開口する開口面１５と、噴孔２２ａ、２２ｂが開口する開口面１６とは、互いに異なる方向を向くように角度α（図２参照）傾けられており、２つの扇状の噴射範囲にも角度αの傾きが生じるため、ＳＣＲ触媒４の端面４ａに対し、尿素水Ｆをより広角に噴射することが可能となっている。
【００２８】
図１に戻って、以上のように還元剤噴射ノズル５から噴射された尿素水から生成されたアンモニアがＳＣＲ触媒４に供給されると、ＳＣＲ触媒４はアンモニアと排気ガスとを反応させ、排気ガスに含まれるＮＯｘを無害な窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに還元する。ＳＣＲ触媒４を通過した排気ガスはフィルタ６を通過し、その際に排気ガスに含まれる粒子状物質が除去される。また、フィルタ６を通過した排気ガスに余剰分となるアンモニアが含まれている場合、余剰分のアンモニアはスリップ触媒７によって除去される。スリップ触媒７を通過した排気ガスは、図示しないマフラの内部で騒音を低減され、大気中に放出される。尚、ＮＯｘセンサ８ａ、８ｂは、ＳＣＲ触媒４の上流側及び下流側におけるＮＯｘの濃度を随時検知しており、ＥＣＵ９は、これらのＮＯｘセンサが検知したＮＯｘの濃度に基づいて、還元剤噴射ノズル５による尿素水の噴射量を制御する。
【００２９】
以上に述べたように、扇状の衝突噴流をそれぞれ生じさせる一対の噴孔２１ａ、２１ｂ及び一対の噴孔２２ａ、２２ｂを還元剤噴射ノズル５のノズル本体１１に形成したので、尿素水の全体的な噴射範囲を、矢印Ａで示される方向に扁平を保ったまま矢印Ｂで示される方向に広がったものとすることができる。つまり、同量の尿素水を円錐状に噴射した場合と比較すると、短い距離の範囲内により多くの尿素水を分散させることができる。したがって、還元剤噴射ノズル５において、還元剤を短い距離で広角に噴射することが可能となる。
【００３０】
また、ノズル本体１１に、噴孔２１ａ、２１ｂが開口する開口面１５と、噴孔２２ａ、２２ｂが開口する開口面１６とを形成し、これらの開口面１５、１６が互いに異なる方向を向くように角度α傾けたので、噴孔２２ａ、２２ｂからの扇状の噴射と、噴孔２２ａ、２２ｂからの扇状の噴射との間にも角度αの傾きが生じ、尿素水をより広角に噴射することが可能となる。
【００３１】
尚、上述したように、還元剤噴射ノズル５は、尿素水を短い距離で広角に噴射可能となっているため、ＳＣＲ触媒４と還元剤噴射ノズル５とを近接して配置しても、ＳＣＲ触媒４の全面における広範囲に尿素水を供給することができる。したがって、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間に必要となる距離Ｌは、還元剤噴射ノズル５を設置する分のみとなるため、ＮＯｘの浄化効率を向上しつつ、これらの触媒間の距離Ｌを短縮してシステム全体の小型化を図ることや、触媒間における圧力損失の低減を図ることが可能となる。
また、ノズル本体１１に形成される噴孔の数を複数（本実施の形態では４つの噴孔２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ）としたため、同量の還元剤を単一の噴孔から噴射する場合と比較すると、噴射圧を下げること及びより均一に噴射することが可能となる。
【００３２】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る還元剤噴射ノズルについて説明する。
この実施の形態２に係る還元剤噴射ノズルは、実施の形態１に係る還元剤噴射ノズルでは噴孔が開口する開口面が二面形成されていたのに対し、開口面を三面形成するように構成したものである。尚、以下に説明する各実施の形態において、図１〜６の参照符号と同一の符号は同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
図７に示すように、還元剤噴射ノズル３１におけるノズル本体３２の下方側の端部には、平坦な３つの開口面３３〜３５が形成されている。これらの開口面３３〜３５のうち、両端部にある開口面３３、３４は、実施の形態１における開口面１５、１６と同様に角度α傾けられた状態（図２参照）で形成されており、これらが交差する部位を平坦にすることにより、中央にある開口面３５が形成されている。また、ノズル本体３２の下部には、開口面３３で開口する一対の噴孔４１ａ、４１ｂ、開口面３４で開口する一対の噴孔４２ａ、４２ｂ、及び開口面３５で開口する一対の噴孔４３ａ、４３ｂがそれぞれ形成されている。各開口面３３〜３５で開口する噴孔の対は、実施の形態１と同様に、一方の噴孔から噴射される尿素水と他方の噴孔から噴射される尿素水とが衝突するように形成されている。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
【００３４】
以上のように、還元剤噴射ノズル３１のノズル本体３２に３つの開口面３３〜３５を形成しても、実施の形態１における還元剤噴射ノズル５と同様の効果を得ることができる。さらに、還元剤噴射ノズル３１のように開口面の数を増やした場合、各噴孔から尿素水を噴射するために必要となる圧力が低くなるため、同量の尿素水を少ない数の開口面から噴射する場合と比較して、より低い圧力で広範囲に噴射することが可能となる。
【００３５】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る窒素酸化物浄化システムについて説明する。
この実施の形態３に係る窒素酸化物浄化システムは、実施の形態１に係る窒素酸化物浄化システムにおける還元触媒であるＳＣＲ触媒４の代わりに、以下に説明するＳＣＲ触媒５１を用いるように構成したものである。
【００３６】
図８（ａ）に示すように、酸化触媒３の下流側には、排気ガスに含まれるＮＯｘを浄化するためのＳＣＲ触媒５１が設けられている。図８（ｂ）に示すように、ＳＣＲ触媒５１は、上下方向における寸法Ｄ１が酸化触媒３の直径とほぼ同一であり、且つ左右方向における寸法Ｄ２が酸化触媒３の直径より大きい長円形の断面形状を有している。また、酸化触媒３とＳＣＲ触媒５１とは、下流側に向かって広がるテーパ配管部２ａ（図８（ａ）参照）を介して接続されており、還元剤噴射ノズル５は、下方側に向かって尿素水を噴射するようにテーパ配管部２ａに設けられている。以下の構成については、実施の形態１と同様である。尚、ＳＣＲ触媒５１の断面形状は、上記の寸法Ｄ１を短軸とし、寸法Ｄ２を長軸とする楕円形とすることも可能である。
【００３７】
以上のように、ＳＣＲ触媒５１を用いるように窒素酸化物浄化システムを構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、還元剤噴射ノズル５は、一方向に扁平を保ったまま他方向に広がるように尿素水を噴射するため、その噴射範囲を平面的に見ると長円状または楕円状となる。すなわち、還元剤噴射ノズル５から噴射された尿素水がより効率よくＳＣＲ触媒５１の端面５１ａに供給されるため、ＳＣＲ触媒５１によるＮＯｘの浄化効率をさらに向上することが可能となる。
【００３８】
実施の形態１〜３に係る窒素酸化物浄化システムは、尿素水を還元剤としてＳＣＲ触媒によってＮＯｘを浄化する尿素ＳＣＲシステムとして構成されたが、尿素ＳＣＲシステムに限定するものではない。例えば、排気ガスの空燃費に応じてＮＯｘの吸蔵と浄化とを行うＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた浄化システムに適用することも可能であり、この場合の還元剤は軽油となる。
また、実施の形態１〜３に係る窒素酸化物浄化システムでは、酸化触媒の下流側直後にＳＣＲ触媒を設けたが、触媒の配置順序を限定するものではない。例えば図９に示すように、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間にフィルタ６を設け、ＳＣＲ触媒４の上流側に還元剤噴射ノズル５を配置することも可能である。この倍芋、フィルタ６と還元剤噴射ノズル４との間の距離が短縮されるため、実施の形態１〜３と同様にシステム全体の小型化を図ることが可能となる。
また、実施の形態１〜３に係る還元剤噴射ノズルは、その噴射範囲が排気ガスの流通方向に対して垂直となる平面に沿って厚くなることなく扁平を保つように設けられたが、排気ガスの流通方向に対して垂直でない平面に沿って厚くなることなく扁平を保つように設けることも可能である。例えば、還元剤の噴射範囲を傾けてＳＣＲ触媒側に向かって噴射することも可能であり、また、排気管内に別途設けた分散部材やいわゆるミキサー、スワラー等に還元剤を当てるようにすることも可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 内燃機関、２ 排気管、４，５１ ＳＣＲ触媒（還元触媒）、５，３１ 還元剤噴射ノズル、１１，３２ ノズル本体、１５，１６，３３，３４，３５ 開口面、２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ 噴孔。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の排気ガスに添加される還元剤を噴射する還元剤噴射ノズルの構成と、この還元剤噴射ノズルを備えた窒素酸化物浄化システムの構成とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する窒素酸化物浄化システムの一例として、尿素水を還元剤として用いる尿素選択還元システム（尿素ＳＣＲシステム）が挙げられる。例えば特許文献１に記載されているように、尿素ＳＣＲシステムは、排気管に設けられた還元触媒と、還元触媒の上流側に配置され、排気管内に尿素水を噴射する還元剤噴射ノズルとを備えている。還元触媒は、排気管内に噴射された尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ３）と排気ガスに含まれる窒素酸化物とを反応させ、無害な窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに還元することによって窒素酸化物を浄化するものである。また、還元剤噴射ノズルは、還元剤を還元触媒に向かって噴射可能となるように、排気ガスの流れに対して所定の角度傾けられた状態で設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１１３６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
還元触媒による窒素酸化物の浄化効率を向上するためには、還元触媒の全面に対して尿素水を均一な分布状態で供給することが必要となる。しかしながら、通常、還元剤噴射ノズルは尿素水を円錐状に噴射するため、尿素水を還元触媒の全面に行き渡らせるためには、尿素水の噴射範囲が十分に広がるように還元剤噴射ノズルと還元触媒との間に距離をとる必要がある。一方、特許文献１にも記載されているように、還元触媒及び還元剤噴射ノズルの上流側には、例えば酸化触媒等、還元触媒とは別の触媒が設けられることが一般的であり、これらの触媒間の距離が長くなると、システム全体が大型化されて車両への搭載性が悪化するという問題や、圧力損失が増大するという問題が生じる。すなわち、特許文献１に記載の還元剤噴射ノズルを用いた場合、窒素酸化物の浄化効率の向上と触媒間の距離の短縮とは相反する事項となるため、これらを両立することが困難であるという問題点を有していた。
【０００５】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、還元剤を短い距離で広角に噴射することを実現した還元剤噴射ノズル、及び窒素酸化物の浄化効率を向上しつつ触媒間距離を短くすることを実現した窒素酸化物浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る還元剤噴射ノズルは、複数の噴孔が形成されたノズル本体を備え、複数の噴孔から還元剤を噴射する還元剤噴射ノズルにおいて、ノズル本体には、一方向に沿って配列された一対の噴孔が、一方向に直交する平面に沿って複数箇所に形成されており、一対の噴孔は、一方の噴孔から噴射される還元剤と他方の噴孔から噴射される還元剤とが衝突するように形成されることを特徴とするものである。
【０００７】
一対の噴孔のそれぞれから噴射された還元剤同士が衝突すると、衝突した還元剤が扁平な扇状に広がる、いわゆる衝突噴流が発生する。尚、この扇状の衝突噴流は、一対の噴孔が配列された方向に扁平となり、且つこの方向に対して垂直な方向に広がるものとなる。このように還元剤を噴射する一対の噴孔を、その配列方向に対して直交する平面に沿って、すなわち還元剤が扇状に広がる面に沿って複数箇所に形成したので、還元剤の全体的な噴射範囲は、一方向に扁平を保ったまま他方向に広がったものとなる。つまり、同量の還元剤を円錐状に噴射した場合と比較すると、短い距離の範囲内により多くの還元剤を分散させることができる。したがって、還元剤噴射ノズルにおいて、還元剤を短い距離で広角に噴射することが可能となる。
【０００８】
ノズル本体は、噴孔が開口するとともに互いに異なる方向を向くように傾けられた複数の開口面を有しており、複数の開口面のそれぞれに、一対の噴孔が１組ずつ配置されてもよい。一対の噴孔のそれぞれから扇状に噴射される還元剤同士に各開口面同士の傾きに応じた角度を付けられるため、より広角に還元剤を噴射することが可能となる。
尚、開口面は二面形成されてもよく、あるいは三面形成されてもよい。開口面の数を増やした場合、同量の還元剤を低い圧力で広範囲に噴射することが可能となる。
【０００９】
また、この発明に係る窒素酸化物浄化システムは、内燃機関から排出される排気ガスが流通する排気管と、排気管の内部に還元剤を噴射可能に設けられた、上記の還元剤噴射ノズルと、還元剤噴射ノズルの下流側に配置され、排気ガスと還元剤とを反応させて排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する還元触媒とを備えたものとして構成される。
【００１０】
上述したように、この発明に係る還元剤噴射ノズルは、還元剤を短い距離で広角に噴射可能となっている。つまり、還元剤噴射ノズルと還元触媒とを近接して配置しても、還元触媒の全面における広範囲に還元剤を供給することができるため、還元剤を円錐状に噴射する噴射ノズルのように、還元剤噴射ノズルと還元触媒との間に距離をとることを必要としない。すなわち、例えば還元触媒の上流側に酸化触媒等を設けた場合、これらの触媒間に必要となる距離は還元剤噴射ノズルを設置する分の距離のみとなるため、窒素酸化物の浄化効率を向上しつつ、触媒間の距離を短縮してシステム全体の小型化を図ることや、触媒間における圧力損失の低減を図ることが可能となる。
【００１１】
還元触媒は、排気ガスが流通する方向に対して垂直となる方向において、長円状または楕円状の断面形状を有してもよい。還元剤噴射ノズルは、一方向に扁平を保ったまま他方向に広がるように還元剤を噴射するため、その噴射範囲を平面的に見ると長円状または楕円状となる。すなわち、還元剤噴射ノズルから噴射された還元剤がより効率よく還元触媒の全面に供給されるため、窒素酸化物の浄化効率をさらに向上することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、還元剤噴射ノズルにおいて還元剤を短い距離で広角に噴射すること、及び窒素酸化物浄化システムにおいて窒素酸化物の浄化効率を向上しつつ触媒間距離を短くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１に係る窒素酸化物浄化システムの構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態１に係る還元剤噴射ノズルの構成を概略的に示す部分拡大断面図である。
【図３】実施の形態１に係る還元剤噴射ノズルの下方側の端部を示す斜視図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図５】実施の形態１に係る還元剤噴射ノズルから噴射される還元剤の様子を模式的に示す斜視図である。
【図６】実施の形態１に係る還元剤噴射ノズルによる還元剤の噴射範囲を示す模式図であり、（ａ）は排気ガスが流通する方向に沿った噴射範囲、（ｂ）は（ａ）で示される方向に対して直交する方向に沿った噴射範囲を示す。
【図７】この発明の実施の形態２に係る還元剤噴射ノズルの下方側の端部を示す斜視図である。
【図８】この発明の実施の形態３に係る窒素酸化物浄化システムの構成を概略的に示す図であり、（ａ）における還元触媒の構成を概略的に示す斜視図である。
【図９】この発明のその他の実施の形態に係る窒素酸化物浄化システムの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、この発明の実施の形態について、添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この実施の形態１に係る窒素酸化物浄化システムを備えたディーゼルエンジンの排気系の構成を概略的に示す。
内燃機関であるディーゼルエンジン１には排気管２が接続されており、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが、ディーゼルエンジン１側を上流側として排気管２の内部を矢印Ａで示される方向に流通する。排気管２の途中には、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）等を酸化するための酸化触媒３が設けられている。また、酸化触媒３の下流側には、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための還元触媒であるＳＣＲ触媒４が設けられている。
【００１５】
ＳＣＲ触媒４は、排気ガスに添加される還元剤である尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ３）と排気ガスとを反応させてＮＯｘを浄化する触媒であって、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間には、排気管２の内部に尿素水を噴射する還元剤噴射ノズル５が設けられている。還元剤噴射ノズル５には、尿素水を内部に貯留する尿素水タンク５ａと、尿素水タンク５ａ内の尿素水を還元剤噴射ノズル５に供給する尿素水添加システム５ｂとが、接続管５ｃを介して接続されている。尚、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間に位置する排気管２は、これらの触媒とほぼ同一の直径を有しており、排気ガスの流路面積を絞ることなく酸化触媒３とＳＣＲ触媒４とを接続している。
【００１６】
ＳＣＲ触媒４の下流側には、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ６が設けられている。また、フィルタ６の下流側には、例えば排気ガスに含まれるＮＯｘの量に対してアンモニアの量が過剰となった場合等に、未反応のままＳＣＲ触媒４を通過したアンモニアを除去するためのスリップ触媒７が設けられている。スリップ触媒７の下流側には図示しないマフラが接続されており、スリップ触媒７を通過した排気ガスは、マフラの内部で排気音を低減されてから大気中に放出される。
【００１７】
また、ＳＣＲ触媒４の上流側及び下流側には、排気ガスに含まれるＮＯｘの量を検知するＮＯｘセンサ８ａ及びＮＯｘセンサ８ｂが設けられている。尿素水添加システム５ｂ及びＮＯｘセンサ８ａ、８ｂは、ディーゼルエンジン１及び窒素酸化物浄化システムの動作を制御するＥＣＵ９に電気的に接続されている。ＥＣＵ９は、ＮＯｘセンサ８ａ、８ｂが検知したＮＯｘの量に基づいて尿素水の噴射量や噴射時期を決定するとともに、それに基づく信号を尿素水添加システム５ｂに出力し、還元剤噴射ノズル５による尿素水の噴射を制御する。
【００１８】
ここで、還元剤噴射ノズル５の構成について、図２〜４を用いて詳細に説明する。
まず、排気ガスが流通する方向（図１の矢印Ａ参照）における上流側から見た還元剤噴射ノズル５の要部を図２に示す。尚、以下の説明の便宜上、還元剤噴射ノズル５における上下方向を、図２に示す各矢印によって規定する。
図２に示すように、還元剤噴射ノズル５は、排気管２に取り付けられるノズル本体１１を備えている。ノズル本体１１の内部には、上下方向に沿って延びる還元剤通路１１ａが形成されており、この還元剤通路１１ａの内部に尿素水タンク５ａ（図１参照）からの尿素水が供給されるようになっている。還元剤通路１１ａの下端部には、下方側に向かってテーパ状に先細りとなるシート部１１ｂが形成されている。シート部１１ｂの下部には、下方側に向かってテーパ状に広がる空間部１２が形成されており、シート部１１ｂと空間部１２とが連通孔１３を介して接続されている。
【００１９】
また、還元剤噴射ノズル５は、ノズル本体１１の還元剤通路１１ａ内に摺動可能に設けられたニードル弁１４を備えている。ニードル弁１４は、その下方側の先端部１４ａによって連通孔１３を開閉するための部材であって、ノズル本体１１の上部側に設けられた図示しないソレノイドに駆動されることにより、還元剤通路１１ａ内を上下動可能となっている。ニードル弁１４を下方側に移動させると、先端部１４ａがシート部１１ｂに接触することによって連通孔１３が閉塞され、還元剤通路１１ａから空間部１２への尿素水の供給が停止される。一方、ニードル弁１４を上方側に移動させると、先端部１４ａがシート部１１ｂから離れることによって連通孔１３が開放され、還元剤通路１１ａから空間部１２への尿素水の供給が開始される。
【００２０】
以上のように構成される還元剤噴射ノズル５において、ノズル本体１１の下方側の端部には、平坦な２つの開口面１５及び開口面１６が、互いに異なる方向を向くように角度α傾けられた状態で形成されており、これらの開口面１５、１６が排気管２の内部に露出している。また、ノズル本体１１の下方側の端部には、図３に示されるように、開口面１５で開口する一対の噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂと、開口面１６で開口する一対の噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂとが形成されており、これらの噴孔が空間部１２と排気管２の内部とを連通している。つまり、還元剤噴射ノズル５（図２参照）は、ニードル弁１４を上方側に移動させて連通孔１３を開放することによって還元剤通路１１ａと空間部１２とを連通させ、空間部１２内に供給された尿素水を各噴孔２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂから噴射するものである。
【００２１】
開口面１５で開口する一対の噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂは、図３の矢印Ａで示される方向、すなわち排気管２の内部を排気ガスが流通する方向に沿って配列されている。同様に、開口面１６で開口する一対の噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂも、図３の矢印Ａで示される方向に沿って配列されている。また、噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂからなる噴孔の対と、噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂからなる噴孔の対とは、矢印Ａで示される方向に対して直交する平面上の方向（矢印Ｂ参照）に沿って配置されている。つまり、還元剤噴射ノズル５は、一方向（矢印Ａ参照）に沿って配列された一対の噴孔２１ａ、２１ｂ及び一対の噴孔２２ａ、２２ｂを、矢印Ｂを含む、一方向に直交する平面に沿った二箇所に形成したものとなっている。尚、図３の矢印Ｂで示される方向は、ＳＣＲ触媒４の上流側の端面４ａ（図１参照）が延在する方向に一致している。
【００２２】
図４に示すように、開口面１５で開口する一対の噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂは、これらがＶ字状をなすように互いに傾けられた状態で形成されており、一方の噴孔２１ａから噴射された尿素水と他方の噴孔２１ｂから噴射された尿素水とが噴射直後に衝突するようになっている。また、図示はしないが、開口面１６で開口する一対の噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂも、噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂと同様に互いに傾けられた状態で形成されており、噴孔２２ａから噴射された尿素水と噴孔２２ｂから噴射された尿素水とが衝突するようになっている。
【００２３】
次に、この発明の実施の形態１に係る窒素酸化物浄化システム及び還元剤噴射ノズル５の動作について説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１の運転が開始されると、排気管２の内部に排出された排気ガスが矢印Ａで示される方向に流通して酸化触媒３を通過し、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）等が酸化触媒３によって酸化されると同時に、一酸化窒素（ＮＯ）の一部が二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化される。また、ディーゼルエンジン１の運転が開始されると、還元剤噴射ノズル５を開弁させるための信号がＥＣＵ９から尿素水添加システム５ｂに出力される。
【００２４】
還元剤噴射ノズル５を開弁させるための信号がＥＣＵ９から出力されると、図２に示すように、ニードル弁１４が図示しないソレノイドに駆動されることによって上方側に移動する。ニードル弁１４が上方側に移動すると、その先端部１４ａがシート部１１ｂから離れることによって連通孔１３が開放され、還元剤通路１１ａから空間部１２内への尿素水の供給が開始される。空間部１２内に供給された尿素水は、ノズル本体１１の先端部に形成された噴孔２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ（図３参照）から排気管２の内部に噴射される。
【００２５】
ここで、図４に示すように、一対の噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂは、Ｖ字状となるように互いに傾けられた状態で形成されており、これらの噴孔から噴射された尿素水同士が衝突するようになっている。このような場合、図５に概略的に示すように、噴孔２１ａから噴射される尿素水Ｆ１と噴孔２１ｂから噴射される尿素水Ｆ２とが衝突後に扁平な扇状となって広がる、いわゆる衝突噴流Ｆ３が発生する。尚、この扇状の衝突噴流Ｆ３は、一対の噴孔２１ａ、２１ｂが配列された方向（図３、４の矢印Ａ参照）に扁平となり、且つこの方向に対して垂直な方向（図３の矢印Ｂ参照）に広がるものとなる。また、この扇状の衝突噴流Ｆは、開口面１６で開口する一対の噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂ側においても同様に発生する。
【００２６】
また、図３に示すように、一対の噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂと一対の噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂとは、互いに対となる噴孔同士が配列されている方向、すなわち排気ガスが流通する方向（矢印Ａ参照）に対して直交する方向（矢印Ｂ参照）に沿って配置されている。つまり、図６（ａ）に示されるように、還元剤噴射ノズル５による尿素水Ｆの噴射範囲は、排気ガスが流通する方向（矢印Ａ参照）に厚くなることがなく扁平を保ったままとなる。したがって、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間に必要となる距離Ｌは、還元剤噴射ノズル５を設置する分のみとなるため、窒素酸化物浄化システム全体を小型化すること、及び酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間における圧力損失を低減することが可能となっている。
【００２７】
一方、図６（ｂ）に示されるように、排気ガスが流通する方向（図６（ａ）の矢印Ａ参照）に対して直交する方向（矢印Ｂ参照）において、噴孔２１ａ及び噴孔２１ｂから噴射される尿素水Ｆ３と、噴孔２２ａ及び噴孔２２ｂから噴射される尿素水Ｆ３とは、それぞれ扇状に広がるようになっている。さらに、噴孔２１ａ、２１ｂが開口する開口面１５と、噴孔２２ａ、２２ｂが開口する開口面１６とは、互いに異なる方向を向くように角度α（図２参照）傾けられており、２つの扇状の噴射範囲にも角度αの傾きが生じるため、ＳＣＲ触媒４の端面４ａに対し、尿素水Ｆをより広角に噴射することが可能となっている。
【００２８】
図１に戻って、以上のように還元剤噴射ノズル５から噴射された尿素水から生成されたアンモニアがＳＣＲ触媒４に供給されると、ＳＣＲ触媒４はアンモニアと排気ガスとを反応させ、排気ガスに含まれるＮＯｘを無害な窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに還元する。ＳＣＲ触媒４を通過した排気ガスはフィルタ６を通過し、その際に排気ガスに含まれる粒子状物質が除去される。また、フィルタ６を通過した排気ガスに余剰分となるアンモニアが含まれている場合、余剰分のアンモニアはスリップ触媒７によって除去される。スリップ触媒７を通過した排気ガスは、図示しないマフラの内部で騒音を低減され、大気中に放出される。尚、ＮＯｘセンサ８ａ、８ｂは、ＳＣＲ触媒４の上流側及び下流側におけるＮＯｘの濃度を随時検知しており、ＥＣＵ９は、これらのＮＯｘセンサが検知したＮＯｘの濃度に基づいて、還元剤噴射ノズル５による尿素水の噴射量を制御する。
【００２９】
以上に述べたように、扇状の衝突噴流をそれぞれ生じさせる一対の噴孔２１ａ、２１ｂ及び一対の噴孔２２ａ、２２ｂを還元剤噴射ノズル５のノズル本体１１に形成したので、尿素水の全体的な噴射範囲を、矢印Ａで示される方向に扁平を保ったまま矢印Ｂで示される方向に広がったものとすることができる。つまり、同量の尿素水を円錐状に噴射した場合と比較すると、短い距離の範囲内により多くの尿素水を分散させることができる。したがって、還元剤噴射ノズル５において、還元剤を短い距離で広角に噴射することが可能となる。
【００３０】
また、ノズル本体１１に、噴孔２１ａ、２１ｂが開口する開口面１５と、噴孔２２ａ、２２ｂが開口する開口面１６とを形成し、これらの開口面１５、１６が互いに異なる方向を向くように角度α傾けたので、噴孔２２ａ、２２ｂからの扇状の噴射と、噴孔２２ａ、２２ｂからの扇状の噴射との間にも角度αの傾きが生じ、尿素水をより広角に噴射することが可能となる。
【００３１】
尚、上述したように、還元剤噴射ノズル５は、尿素水を短い距離で広角に噴射可能となっているため、ＳＣＲ触媒４と還元剤噴射ノズル５とを近接して配置しても、ＳＣＲ触媒４の全面における広範囲に尿素水を供給することができる。したがって、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間に必要となる距離Ｌは、還元剤噴射ノズル５を設置する分のみとなるため、ＮＯｘの浄化効率を向上しつつ、これらの触媒間の距離Ｌを短縮してシステム全体の小型化を図ることや、触媒間における圧力損失の低減を図ることが可能となる。
また、ノズル本体１１に形成される噴孔の数を複数（本実施の形態では４つの噴孔２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ）としたため、同量の還元剤を単一の噴孔から噴射する場合と比較すると、噴射圧を下げること及びより均一に噴射することが可能となる。
【００３２】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る還元剤噴射ノズルについて説明する。
この実施の形態２に係る還元剤噴射ノズルは、実施の形態１に係る還元剤噴射ノズルでは噴孔が開口する開口面が二面形成されていたのに対し、開口面を三面形成するように構成したものである。尚、以下に説明する各実施の形態において、図１〜６の参照符号と同一の符号は同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
図７に示すように、還元剤噴射ノズル３１におけるノズル本体３２の下方側の端部には、平坦な３つの開口面３３〜３５が形成されている。これらの開口面３３〜３５のうち、両端部にある開口面３３、３４は、実施の形態１における開口面１５、１６と同様に角度α傾けられた状態（図２参照）で形成されており、これらが交差する部位を平坦にすることにより、中央にある開口面３５が形成されている。また、ノズル本体３２の下部には、開口面３３で開口する一対の噴孔４１ａ、４１ｂ、開口面３４で開口する一対の噴孔４２ａ、４２ｂ、及び開口面３５で開口する一対の噴孔４３ａ、４３ｂがそれぞれ形成されている。各開口面３３〜３５で開口する噴孔の対は、実施の形態１と同様に、一方の噴孔から噴射される尿素水と他方の噴孔から噴射される尿素水とが衝突するように形成されている。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
【００３４】
以上のように、還元剤噴射ノズル３１のノズル本体３２に３つの開口面３３〜３５を形成しても、実施の形態１における還元剤噴射ノズル５と同様の効果を得ることができる。さらに、還元剤噴射ノズル３１のように開口面の数を増やした場合、各噴孔から尿素水を噴射するために必要となる圧力が低くなるため、同量の尿素水を少ない数の開口面から噴射する場合と比較して、より低い圧力で広範囲に噴射することが可能となる。
【００３５】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る窒素酸化物浄化システムについて説明する。
この実施の形態３に係る窒素酸化物浄化システムは、実施の形態１に係る窒素酸化物浄化システムにおける還元触媒であるＳＣＲ触媒４の代わりに、以下に説明するＳＣＲ触媒５１を用いるように構成したものである。
【００３６】
図８（ａ）に示すように、酸化触媒３の下流側には、排気ガスに含まれるＮＯｘを浄化するためのＳＣＲ触媒５１が設けられている。図８（ｂ）に示すように、ＳＣＲ触媒５１は、上下方向における寸法Ｄ１が酸化触媒３の直径とほぼ同一であり、且つ左右方向における寸法Ｄ２が酸化触媒３の直径より大きい長円形の断面形状を有している。また、酸化触媒３とＳＣＲ触媒５１とは、下流側に向かって広がるテーパ配管部２ａ（図８（ａ）参照）を介して接続されており、還元剤噴射ノズル５は、下方側に向かって尿素水を噴射するようにテーパ配管部２ａに設けられている。以下の構成については、実施の形態１と同様である。尚、ＳＣＲ触媒５１の断面形状は、上記の寸法Ｄ１を短軸とし、寸法Ｄ２を長軸とする楕円形とすることも可能である。
【００３７】
以上のように、ＳＣＲ触媒５１を用いるように窒素酸化物浄化システムを構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、還元剤噴射ノズル５は、一方向に扁平を保ったまま他方向に広がるように尿素水を噴射するため、その噴射範囲を平面的に見ると長円状または楕円状となる。すなわち、還元剤噴射ノズル５から噴射された尿素水がより効率よくＳＣＲ触媒５１の端面５１ａに供給されるため、ＳＣＲ触媒５１によるＮＯｘの浄化効率をさらに向上することが可能となる。
【００３８】
実施の形態１〜３に係る窒素酸化物浄化システムは、尿素水を還元剤としてＳＣＲ触媒によってＮＯｘを浄化する尿素ＳＣＲシステムとして構成されたが、尿素ＳＣＲシステムに限定するものではない。例えば、排気ガスの空燃費に応じてＮＯｘの吸蔵と浄化とを行うＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた浄化システムに適用することも可能であり、この場合の還元剤は軽油となる。
また、実施の形態１〜３に係る窒素酸化物浄化システムでは、酸化触媒の下流側直後にＳＣＲ触媒を設けたが、触媒の配置順序を限定するものではない。例えば図９に示すように、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間にフィルタ６を設け、ＳＣＲ触媒４の上流側に還元剤噴射ノズル５を配置することも可能である。この倍芋、フィルタ６と還元剤噴射ノズル４との間の距離が短縮されるため、実施の形態１〜３と同様にシステム全体の小型化を図ることが可能となる。
また、実施の形態１〜３に係る還元剤噴射ノズルは、その噴射範囲が排気ガスの流通方向に対して垂直となる平面に沿って厚くなることなく扁平を保つように設けられたが、排気ガスの流通方向に対して垂直でない平面に沿って厚くなることなく扁平を保つように設けることも可能である。例えば、還元剤の噴射範囲を傾けてＳＣＲ触媒側に向かって噴射することも可能であり、また、排気管内に別途設けた分散部材やいわゆるミキサー、スワラー等に還元剤を当てるようにすることも可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 内燃機関、２ 排気管、４，５１ ＳＣＲ触媒（還元触媒）、５，３１ 還元剤噴射ノズル、１１，３２ ノズル本体、１５，１６，３３，３４，３５ 開口面、２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ 噴孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の噴孔が形成されたノズル本体を備え、前記複数の噴孔から還元剤を噴射する還元剤噴射ノズルにおいて、
前記ノズル本体には、一方向に沿って配列された一対の噴孔が、前記一方向に直交する平面に沿って複数箇所に形成されており、
前記一対の噴孔は、一方の噴孔から噴射される前記還元剤と他方の噴孔から噴射される前記還元剤とが衝突するように形成されることを特徴とする還元剤噴射ノズル。
【請求項２】
前記ノズル本体は、前記噴孔が開口するとともに互いに異なる方向を向くように傾けられた複数の開口面を有しており、
前記複数の開口面のそれぞれに、前記一対の噴孔が１組ずつ配置される請求項１に記載の還元剤噴射ノズル。
【請求項３】
前記開口面が二面形成される請求項２に記載の還元剤噴射ノズル。
【請求項４】
前記開口面が三面形成される請求項２に記載の還元剤噴射ノズル。
【請求項５】
内燃機関から排出される排気ガスが流通する排気管と、
前記排気管の内部に前記還元剤を噴射可能に設けられた、請求項１〜４のいずれか一項に記載の還元剤噴射ノズルと、
前記還元剤噴射ノズルの下流側に配置され、前記排気ガスと前記還元剤とを反応させて前記排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する還元触媒と
を備えた窒素酸化物浄化システム。
【請求項６】
前記還元触媒は、前記排気ガスが流通する方向に対して垂直となる方向において、長円状または楕円状の断面形状を有する請求項５に記載の窒素酸化物浄化システム。
【請求項１】
複数の噴孔が形成されたノズル本体を備え、前記複数の噴孔から還元剤を噴射する還元剤噴射ノズルにおいて、
前記ノズル本体には、一方向に沿って配列された一対の噴孔が、前記一方向に直交する平面に沿って複数箇所に形成されており、
前記一対の噴孔は、一方の噴孔から噴射される前記還元剤と他方の噴孔から噴射される前記還元剤とが衝突するように形成されることを特徴とする還元剤噴射ノズル。
【請求項２】
前記ノズル本体は、前記噴孔が開口するとともに互いに異なる方向を向くように傾けられた複数の開口面を有しており、
前記複数の開口面のそれぞれに、前記一対の噴孔が１組ずつ配置される請求項１に記載の還元剤噴射ノズル。
【請求項３】
前記開口面が二面形成される請求項２に記載の還元剤噴射ノズル。
【請求項４】
前記開口面が三面形成される請求項２に記載の還元剤噴射ノズル。
【請求項５】
内燃機関から排出される排気ガスが流通する排気管と、
前記排気管の内部に前記還元剤を噴射可能に設けられた、請求項１〜４のいずれか一項に記載の還元剤噴射ノズルと、
前記還元剤噴射ノズルの下流側に配置され、前記排気ガスと前記還元剤とを反応させて前記排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する還元触媒と
を備えた窒素酸化物浄化システム。
【請求項６】
前記還元触媒は、前記排気ガスが流通する方向に対して垂直となる方向において、長円状または楕円状の断面形状を有する請求項５に記載の窒素酸化物浄化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２３３６（Ｐ２０１３−２３３６Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３３２９６（Ｐ２０１１−１３３２９６）
【出願日】平成２３年６月１５日（２０１１．６．１５）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１５日（２０１１．６．１５）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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