JP2007270643A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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健次 佐々木
Naoki Onoda
直樹 小野田
Yasushi Kamitaki
裕史 上瀧
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Abstract

【課題】選択還元型NOx触媒の熱害を回避する内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関(8)からの排気が導入される筐体(22)と、筐体内にそれぞれ収容され、排気中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタ(34)、及びフィルタの下流側に配置されて還元剤の添加によって排気中のNOxを浄化する選択還元型NOx触媒(48)と、筐体内に形成され、フィルタとNOx触媒とを接続し、フィルタからの排気流れをNOx触媒に向けて折り返させる通路(36)と、通路内の排気を冷却する冷却手段(37,40,41,43,44,46)とを具備する。
【選択図】図3

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、還元剤の添加によって排気中の窒素酸化物(NOx)を還元浄化させる触媒と、排気中のパティキュレート(PM)を捕集するパティキュレートフィルタとを備えた排気浄化装置に関する。
この種の内燃機関、例えばディーゼル機関ではリーン空燃比での燃焼が行われる。そして、燃料は、気筒内の圧縮空気に向けて噴射され、自発火によって燃焼するため、NOxの発生が顕著になる。そこで、このNOxから酸素(O)を奪って窒素(N)に還元する技術が知られている。
この種の技術の一例としては、尿素を還元剤として排気中のNOxを選択還元する選択還元型NOx触媒(SCR触媒)がある。具体的には、排気にユリア水(尿素水)を添加すると、尿素がアンモニア(NH)に変化する。次いで、SCR触媒内ではこのNHと排気中のNOxとが結びついて水とNとに分解され、NOxが浄化される。
一方、このディーゼル機関では、上述した燃焼が行われるが故に排気中に含まれるPMの浄化も要求される。このPMについてはパティキュレートフィルタ(DPF)にて捕集される。そして、捕集されたPMは、DPFの強制再生、つまり、DPFの昇温によって強制的に焼却されて浄化される。しかし、このPMの燃焼に伴って高温の排気が発生するため、この高温の排気をDPFから外部に排出する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平9−13953号公報
ところで、上述したSCR触媒或いはDPFのいずれか一方を備えたシステムでは、厳格な排気規制への対応が困難になり得る。そこで、近年、これらSCR触媒とDPFとを組み合わせた排気浄化装置がある。詳しくは、SCR触媒がDPFの下流側に配置され、これらSCR触媒及びDPFが1つの筐体内に収容されている。
しかしながら、上記従来の技術の如くPMの燃焼に伴う高温の排気がDPFから排出されると、この高温の排気がSCR触媒にそのまま流入され、SCR触媒の熱害を招くとの問題がある。このように、高温の排気がSCR触媒にそのまま流入される点については何等かの措置が必要になるが、上記従来の技術では格別な配慮がなされていない。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、選択還元型NOx触媒の熱害を回避する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成すべく、請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関からの排気が導入される筐体と、筐体内にそれぞれ収容され、排気中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタ、及びフィルタの下流側に配置されて還元剤の添加によって排気中のNOxを浄化する選択還元型NOx触媒と、筐体内に形成され、フィルタとNOx触媒とを接続し、フィルタからの排気流れをNOx触媒に向けて折り返させる通路と、通路内の排気を冷却する冷却手段とを具備することを特徴としている。
また、請求項2記載の発明では、冷却手段は、通路を囲繞するケーシングを備え、ケーシングにそれぞれ開口された外気導入口及び外気導出口と、外気導入口および外気導出口を開閉可能な開閉ユニットとを含むことを特徴としている。
更に、請求項3記載の発明では、通路は、NOx触媒の入口側の排気温度を検出する温度検出手段を有し、開閉ユニットは、排気温度に基づいてその開度が調整されており、排気温度がNOx触媒を効果的に機能させる所定の温度範囲から脱し得る場合には、外気導入口の開口面積を調整し、NOx触媒内に流入される排気の温度を温度範囲内に維持することを特徴としている。
更に、請求項4記載の発明では、冷却手段は、ケーシングにそれぞれ開口された外気導入口及び外気導出口と、外気導入口と通路との間に配置された送風ユニットとを含み、通路は、NOx触媒の入口側の排気温度を検出する温度検出手段を有し、送風ユニットは、排気温度に基づいてその送風力が調整されており、排気温度がNOx触媒を効果的に機能させる所定の温度範囲から脱し得る場合には、送風力を調整し、NOx触媒内に流入される排気の温度を温度範囲内に維持することを特徴としている。
また、請求項5記載の発明では、冷却手段は、ケーシングにそれぞれ開口された外気導入口及び外気導出口と、通路に介挿され、通路内の排気と外気との間で熱交換を行う熱交換ユニットとを含むことを特徴としている。
また、請求項6記載の発明では、通路を囲繞するケーシングが、前記筺体の車両側方部に配設されたことを特徴としている。
従って、請求項1記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、フィルタからの排気流れは、通路内を通って選択還元型NOx触媒に向けて折り返されるが、この通路内の排気が冷却手段によって冷却されている。よって、この通路内にはフィルタの強制再生時に伴う高温の排気が流れても、この排気は冷却されることから、フィルタの下流側に位置するNOx触媒には高温の排気が流入されない。この結果、NOx触媒の熱害が回避され、その性能劣化の防止が図られる。
また、請求項2,4,5記載の発明によれば、通路内の排気は、ケーシング内に導入された外気や更に加圧された外気によって冷却されるので、NOx触媒には高温の排気が流入されない。よって、NOx触媒の熱害が回避される。
更に、請求項3,4記載の発明によれば、NOx触媒の入口側の排気温度が監視されており、NOx触媒内に流入される排気の温度がこの触媒を効果的に機能させる所定の温度範囲内に維持されている。よって、NOx触媒の性能劣化が防止されるし、また、NOx触媒によるNOx浄化性能がより一層向上する。
また、請求項6記載の発明によれば、ケーシングが走行風を受けやすい車両側方に配設されるので、排気を外気によって効果的に冷却することができる。
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、図1に示されたトラック2に搭載されている。
同図に示されるように、当該トラック2にはキャブ4が備えられ、このキャブ4の下側には、はしご型のフレーム10が後方に向けて延設されている。これらキャブ4とフレーム10との間にはディーゼルエンジン8が配設されており、このエンジン8の上方に位置する車室内にはECU(電子コントロールユニット)6が備えられている。
また、このエンジン8の後側、詳しくはキャブ4の後面側であってフレーム10の左側部分の適宜位置には排気浄化装置12が配設されている。なお、このフレーム10の右側部分の適宜位置にはユリア水タンク14や燃料タンク16が配設される。そして、上記排気浄化装置12には配管18を介してエンジン8からの排気が導入され、この導入された排気を浄化して配管20を介して外部に放出する。
当該排気浄化装置12は、図2に示されるように、略直方体に形成された箱型の筐体22を備えており、この筐体22の前側面23には上記配管18,20が上下方向に連結されている(図3)。また、前側面23の各辺には車両左側(外側)に向けて周壁上面24、周壁下面25、左側面26及び右側面27がそれぞれ配設されている。また、これら周壁上面24、周壁下面25、左側面26及び右側面27は、前側面23とは反対側の位置にて排気対峙面28に当接され、この排気対峙面28は前側面23に対峙して配置されている。
また、図3や図4に示されるように、筐体22には、その内部を上下2段に区画する内壁30が配設されており、内壁30は、前側面23及び排気対峙面28、並びに左側面26及び右側面27にそれぞれ固定支持される長さに形成されている。そして、この内壁30と周壁上面24との間には、前段酸化触媒32及びDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)34が収容され、エンジン8からの排気の流れ方向でみてこの順に介挿されている(図3)。
前段酸化触媒32では、排気中のNOを酸化させてNOを生成しており、このNOを酸化剤としてDPF34に供給している。DPF34は、排気の上流側と下流側とを連通させる複数個の通路が並設されているとともに、各通路の上流側の開口部分と下流側の開口部分とが交互に閉鎖されている。そして、このDPF34では、排気中のパティキュレート(PM)を捕集する一方、この捕集したPMを前段酸化触媒32から供給されたNOとの反応によって燃焼する。
一方、内壁30と周壁下面25との間には、SCR触媒(選択還元型NOx触媒)48及び後段酸化触媒50が収容され、同じく排気の流れ方向でみてこの順に介挿されている(図3)。
SCR触媒48は、後述するインジェクタ38から添加された還元剤の一例としてのユリア水(尿素水)を吸着させ、尿素から変化したNHを還元剤として排気中のNOxを浄化する。後段酸化触媒50では、SCR触媒48においてNHが余剰になった場合にはこれを酸化させてNを生成し、更に、DPF34においてPMの燃焼に伴ってCOが生じた場合にはこれを酸化させてCOを生成する。
ここで、DPF34の出口側とSCR触媒48の入口側とは、折り返し通路(通路)36にて接続されている。図3に示されるように、折り返し通路36は排気対峙面28に対して上下方向に沿って配設されており、この折り返し通路36は、DPF34から車両左側に向かう排気流れを車両右側(内側)に向けて折り返し、SCR触媒48に向かわせている。
また、折り返し通路36には熱交換ユニット(冷却手段)37が介挿されており、この通路36の内側を通る排気と通路36の外側を通る外気との間で熱交換を行っている。なお、図の熱交換ユニット37は一例として放熱フィンを有している。更に、図3に示される如く、折り返し通路36において、この熱交換ユニット37の下流側の適宜位置には、上記インジェクタ38が配設され、このインジェクタ38はユリア水タンク14に接続されている。更にまた、この折り返し通路36において、SCR触媒48の上流側の適宜位置には、排気温度センサ(温度検出手段)39が配設されており、SCR触媒48の入口側の排気温度Tを検出している。なお、インジェクタ38及び排気温度センサ39はECU6に電気的にそれぞれ接続されている。
ところで、本実施形態の車両側方に位置する折り返し通路36は、略直方体に形成された箱型のケーシング40にて上下方向に亘って囲繞されている。具体的には、このケーシング(冷却手段)40は、熱交換ユニット37、インジェクタ38及び排気温度センサ39を覆い、更に、車両前後方向にそれぞれ開口を有して延設されている。そして、図4に示されるように、車両前側には外気導入口(冷却手段)41が形成され、車両後側には外気導出口(冷却手段)43が形成されている。これら外気導入口41と外気導出口43との間には外気通路42が形成されており、この外気通路42内に折り返し通路36が配置されている。
また、外気導入口41には、この外気導入口41を開閉可能な導入口開閉ユニット(冷却手段)44が配設されており、導入口開閉ユニット44の一例としては、ケーシング40の開口周縁部分に枢支される扉を有している。なお、導入口開閉ユニット44はモータ45を含み、このモータ45はECU6に電気的に接続されている(図4)。
更に、ケーシング40内において、外気導入口41と折り返し通路36との間には、外気通路42内の空気に圧力を加えて熱交換ユニット37に向けて送り出す送風ユニット(冷却手段)46が配設されている。送風ユニット46の一例としては、電動ファンを有している。なお、送風ユニット46はモータ47を含み、このモータ47はケーシング40の周壁に配置されて電動ファンを駆動する。このモータ47もまたECU6に電気的に接続されている。
このように、ECU6の入力側には、排気温度センサ39が接続される一方、ECU6の出力側には、インジェクタ38やモータ45,47が接続されている。そして、ECU6では、排気温度センサ39からの信号に基づいてSCR触媒48を効果的に機能させるべく、DPF34からの排気温度のフィードバック制御を実施している。
具体的には、ECU6は、図3や図4に示されるように、開度制御部62及び速度制御部64を備えている。この開度制御部62では、折り返し通路36内の排気温度Tに基づいて導入口開閉ユニット44を駆動させ、外気導入口41の開口面積Sを調整している。一方、速度制御部64では、折り返し通路36内の排気温度Tに基づいて送風ユニット46を駆動させ、外気通路42内の送風力、つまり、電動ファンの回転速度Nを調整している。
図5を参照すると、ECU6による排気温度制御のフローチャートが示されている。以下、上記の如く構成された排気浄化装置の本発明に係る作用について説明する。
同図のステップS501では、DPF34の強制再生時であるか否かが判別され、この強制再生時である場合、すなわち、YESと判定されたときにはステップS502に進み、排気温度センサ39にてSCR触媒48の入口側の排気温度Tを検出してステップS503に進む。
このステップS503では、トラック2が走行中であるか否かが判別され、ケーシング40内に走行風を導入可能な所定の車両速度に達している場合、すなわち、YESと判定されたときにはステップS504に進み、開度制御部62がモータ45を介して導入口開閉ユニット44に駆動信号を出力し、外気導入口41の開口面積Sを調整する。
一方、ステップS503にて上記所定の車両速度に達していないと判定されたときには、停車中であると擬制してステップS505に進み、速度制御部64がモータ47を介して送風ユニット46に駆動信号を出力し、電動ファンの回転速度Nを調整する。
このように、外気導入口41の開口面積S或いは電動ファンの回転速度Nの調整によって熱交換ユニット37では折り返し通路36内の排気を冷却するが、上記排気温度Tは逐次モニタされており、この排気温度Tのフィードバック制御を実施してSCR触媒48を効果的に機能する所定の温度範囲内に維持している。
詳しくは、ステップS506では、排気温度Tが、SCR触媒48が効果的に機能する所定の温度範囲内にあるか否かが判別され、排気温度Tが下限温度L(例えば約200℃)から上限温度H(例えば約500℃)までの間に納まっている場合、すなわち、YESと判定されたときには一連のルーチンを抜ける。
しかし、この排気温度Tが下限温度Lを下回っている場合には、ステップS503に戻り、走行中(ステップS504)の場合には外気導入口41の開口面積Sを小さくし、停車中(ステップS505)の場合には電動ファンの回転速度Nを小さくする。これに対し、排気温度Tが上限温度Hを超えている場合には、ステップS503に戻り、走行中の場合(ステップS504)には外気導入口41の開口面積Sを大きくし、停車中(ステップS505)の場合には電動ファンの回転速度Nを大きくする。
以上のように、本発明によれば、DPF34からの排気流れは、折り返し通路36内を通ってSCR触媒48に向けて折り返されるが、この通路36内の排気が熱交換ユニット37、外気導入口41や外気導出口43、導入口開閉ユニット44及び送風ユニット46の各種冷却手段によって冷却されている。従って、この通路36内にはDPF34の強制再生時におけるPMの燃焼に伴う高温の排気(例えば約600℃)が流れても、この排気は冷却されることから、DPF34の下流側に位置するSCR触媒48にはこの高温の排気が流入されない。この結果、SCR触媒48の熱害が回避され、その性能劣化の防止が図られる。
また、折り返し通路36内の排気は、特にトラック2の走行時にはケーシング40内に導入された外気によって冷却され、停車時には更に加圧された外気によって冷却されるので、SCR触媒48には高温の排気が流入されない。よって、NOx触媒の熱害が回避される。
更に、SCR触媒48の入口側の排気温度Tが監視されており、SCR触媒48内に流入される排気の温度がこの触媒48を効果的に機能させる所定の温度範囲内(例えば約200℃〜500℃)に維持されている。よって、高温の排気に曝されないので、SCR触媒48の性能劣化が防止されるし、また、SCR触媒48内の温度が低温にならないので、SCR触媒48によるNOx浄化性能がより一層向上する。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、DPF34とSCR触媒48とを上下方向に配置した筐体22について説明されているが、本発明は、DPF34とSCR触媒48とを水平方向に配置した筐体にも適用可能であり、この場合にもSCR触媒48の熱害が回避されるとの効果を奏する。
また、上述した外気導入口41の開口面積Sの調整と、電動ファンの回転速度Nの調整とは同時に行われても良い。
更に、上記実施形態ではディーゼルエンジンに適用された排気浄化装置について説明されているが、必ずしもこのエンジンに限定されるものではなく、本発明は、DPFを備えた総てのエンジンに適用可能である。
本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を搭載した車両の概略図である。 図1の排気浄化装置の外観斜視図である。 図2のIII−III線に沿う矢視断面図である。 図2のIV−IV線に沿う矢視断面図である。 図1のECUによる排気温度制御のフローチャートである。
符号の説明
6 ECU(電子コントロールユニット)
8 内燃機関
12 排気浄化装置
22 筐体
34 DPF(パティキュレートフィルタ)
36 折り返し通路(通路)
37 熱交換ユニット(冷却手段)
39 排気温度センサ(温度検出手段)
40 ケーシング(冷却手段)
41 外気導入口(冷却手段)
43 外気導出口(冷却手段)
44 導入口開閉ユニット(冷却手段)
46 送風ユニット(冷却手段)
48 SCR触媒(選択還元型NOx触媒)
62 開度制御部
64 速度制御部

Claims (6)

  1. 内燃機関からの排気が導入される筐体と、
    該筐体内にそれぞれ収容され、排気中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタ、及び該フィルタの下流側に配置されて還元剤の添加によって排気中のNOxを浄化する選択還元型NOx触媒と、
    前記筐体内に形成され、前記フィルタと前記NOx触媒とを接続し、前記フィルタからの排気流れを前記NOx触媒に向けて折り返させる通路と、
    該通路内の排気を冷却する冷却手段と
    を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記冷却手段は、前記通路を囲繞するケーシングを備え、
    前記ケーシングにそれぞれ開口された外気導入口及び外気導出口と、前記外気導入口及び外気導出口を開閉可能な開閉ユニットとを含むことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記通路は、前記NOx触媒の入口側の排気温度を検出する温度検出手段を有し、
    前記開閉ユニットは、前記排気温度に基づいてその開度が調整されており、該排気温度が前記NOx触媒を効果的に機能させる所定の温度範囲から脱し得る場合には、前記外気導入口の開口面積を調整し、前記NOx触媒内に流入される排気の温度を前記温度範囲内に維持することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記冷却手段は、前記ケーシングにそれぞれ開口された外気導入口及び外気導出口と、前記外気導入口と前記通路との間に配置された送風ユニットとを含み、
    前記通路は、前記NOx触媒の入口側の排気温度を検出する温度検出手段を有し、
    前記送風ユニットは、前記排気温度に基づいてその送風力が調整されており、該排気温度が前記NOx触媒を効果的に機能させる所定の温度範囲から脱し得る場合には、前記送風力を調整し、前記NOx触媒内に流入される排気の温度を前記温度範囲内に維持することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記冷却手段は、前記ケーシングにそれぞれ開口された外気導入口及び外気導出口と、前記通路に介挿され、該通路内の排気と前記外気との間で熱交換を行う熱交換ユニットとを含むことを特徴とする請求項2から4のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 前記通路を囲繞するケーシングは、前記筺体の車両側方部に配設されたことを特徴とする請求項2から5のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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