JP2008196328A - 排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間を確保しながらもパティキュレートフィルタ及び選択還元型触媒のコンパクトな配置を実現して車両への搭載性を向上する。
【解決手段】排気管４の途中にパティキュレートフィルタ５を備え、その下流側に酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る選択還元型触媒６を備え、該選択還元型触媒６と前記パティキュレートフィルタ５との間に還元剤として尿素水を添加し得るように構成した排気浄化装置に関し、パティキュレートフィルタ５と選択還元型触媒６とを並列に配置し、パティキュレートフィルタ５の後端部から排出された排気ガス３を前方に折り返して隣の選択還元型触媒６の前端部に導入するＳ字構造の連絡流路９を設け、該連絡流路９の途中に尿素水添加用インジェクタ１１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。
従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。
他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ3）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている。
即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガス中で尿素水が次式によりアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。
［化１］
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2
他方、ディーゼルエンジンの排気浄化を図る場合、排気ガス中のＮＯxを除去するだけでは十分ではなく、排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）についてもパティキュレートフィルタを通して捕集する必要があるが、この種のパティキュレートフィルタを採用する場合には、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要がある。
このため、パティキュレートフィルタの前段に、フロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタを強制再生することが考えられている。
つまり、酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加すれば、その添加燃料（ＨＣ）が前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応するので、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。
一般的に、前述した如き燃料添加を実行するための具体的手段としては、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を実行して排気ガス中に燃料を添加することが考えられているが、その添加燃料を効率良く強制再生に活用し且つ排気ガスが極力温度降下しないうちに添加燃料を酸化処理するためには、パティキュレートフィルタを選択還元型触媒より上流側に配置することが好ましいものと考えられている（例えば、下記の特許文献１参照）。
特開２００５−４２６８７号公報
しかしながら、このようにパティキュレートフィルタを選択還元型触媒より上流側に配置するとした場合、該選択還元型触媒への尿素水の添加がパティキュレートフィルタと選択還元型触媒との間で行われることになるため、排気ガス中に添加された尿素水がアンモニアと炭酸ガスに熱分解されるまでの十分な反応時間を確保しようとすれば、尿素水の添加位置から選択還元型触媒までの距離を長くする必要があり、結果的にパティキュレートフィルタと選択還元型触媒とを十分な距離を隔てて離間配置させなければならなくなって車両への搭載性が著しく損なわれるという問題があった。
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間を確保しながらもパティキュレートフィルタ及び選択還元型触媒のコンパクトな配置を実現して車両への搭載性を向上することを目的としている。
本発明は、排気管の途中に排気ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを備えると共に、該パティキュレートフィルタの下流側に酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る選択還元型触媒を備え、該選択還元型触媒と前記パティキュレートフィルタとの間に還元剤として尿素水を添加し得るように構成した排気浄化装置であって、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒とを並列に配置し、パティキュレートフィルタの後端部から排出された排気ガスを前方に折り返して隣の選択還元型触媒の前端部に導入するＳ字構造の連絡流路を設け、該連絡流路の途中に尿素水を添加するための尿素水添加手段を備えたことを特徴とするものである。
而して、このようにすれば、パティキュレートフィルタの後端部から排出された排気ガスが連絡流路により前方に折り返されてから隣の選択還元型触媒の前端部に導入されることになり、これによって、前記連絡流路の途中にある尿素水の添加位置から選択還元型触媒までの距離が長く確保されると共に、排気ガスの流れが折り返されることで乱流化して尿素水と排気ガスとの混合促進が図られる結果、尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間が確保されることになる。
しかも、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒とが並列に配置され、これらパティキュレートフィルタと選択還元型触媒との間に沿うように連絡流路が配置されるので、その全体構成がコンパクトなものとなって車両への搭載性が大幅に向上されることになる。
また、本発明をより具体的に実施するに際しては、パティキュレートフィルタの後端部と選択還元型触媒の前端部との間を連絡するＳ字構造の連絡流路が、パティキュレートフィルタの後端部を包囲し且つ該後端部から出た直後の排気ガスを壁面に衝突させて略直角な向きに方向転換させつつ集合せしめるガス集合室と、該ガス集合室で集められた排気ガスを前方に向けて抜き出すミキシングパイプと、該ミキシングパイプにより前方に導かれた排気ガスを壁面に衝突させて略直角な向きに方向転換させつつ分散せしめ且つその分散された排気ガスを選択還元型触媒の前端部に導入し得るよう該前端部を包囲するガス分散室とにより構成されていることが好ましい。
更に、本発明においては、パティキュレートフィルタの直前に排気ガス中の未燃燃料分を酸化処理する酸化触媒が装備され、該酸化触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段が備えられていることが好ましく、このようにすれば、燃料添加手段により添加された燃料が酸化触媒上で酸化処理される結果、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られる。
このようにした際には、エンジンの各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置を燃料添加手段として採用し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を実行するように構成すると良い。
また、本発明においては、選択還元型触媒の直後に余剰のアンモニアを酸化処理するアンモニア低減触媒が装備されていることが好ましく、このようにすれば、選択還元型触媒での還元反応に使用されて余剰したアンモニアが、直後のアンモニア低減触媒にて酸化処理される。
上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
（Ｉ）本発明の請求項１、２に記載の発明によれば、尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間を確保しながらもパティキュレートフィルタ及び選択還元型触媒のコンパクトな配置を実現することができるので、従来よりも車両への搭載性を大幅に向上することができる。
（ＩＩ）本発明の請求項３、４に記載の発明によれば、燃料添加手段により添加した燃料を酸化触媒上で酸化処理させ、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度を上げてパティキュレートを燃やし尽くすことができ、パティキュレートフィルタの積極的な再生化を図ることができる。
（ＩＩＩ）本発明の請求項５に記載の発明によれば、選択還元型触媒を未反応のまま通過してしまった余剰のアンモニアを酸化処理して無害化させることができ、最終的に大気中へ排出される排気ガス中にアンモニアが残存してしまう虞れを未然に回避することができる。
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例の排気浄化装置においては、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４の途中に、排気ガス３中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ５と、該パティキュレートフィルタ５の下流側に酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒６とをケーシング７，８により夫々抱持して並列に配置しており、しかも、パティキュレートフィルタ５の後端部と選択還元型触媒６の前端部との間をＳ字構造の連絡流路９により接続し、パティキュレートフィルタ５の後端部から排出された排気ガス３が前方に折り返されて隣の選択還元型触媒６の前端部に導入されるようにしてある。
図２に要部を拡大して示す如く、前記連絡流路９は、パティキュレートフィルタ５の後端部を包囲し且つ該後端部から出た直後の排気ガス３を壁面に衝突させて略直角な向きに方向転換させつつ集合せしめるガス集合室９Ａと、該ガス集合室９Ａで集められた排気ガス３を前方に向けて抜き出し且つその途中に尿素水添加用インジェクタ１１（尿素水添加手段）を備えたミキシングパイプ９Ｂと、該ミキシングパイプ９Ｂにより前方に導かれた排気ガス３を壁面に衝突させて略直角な向きに方向転換させつつ分散せしめ且つその分散された排気ガス３を選択還元型触媒６の前端部に導入し得るよう該前端部を包囲するガス分散室９ＣとによりＳ字構造を成すように構成されている。
ただし、ここでは尿素水添加用インジェクタ１１をミキシングパイプ９Ｂの途中に備えた場合を例示しているが、図２中に二点鎖線で示す如く、ガス集合室９Ａに尿素水添加用インジェクタ１１を備えることも可能である。
更に、特に本形態例においては、パティキュレートフィルタ５が抱持されているケーシング７内の前段に、排気ガス３中の未燃燃料分を酸化処理する酸化触媒１４が装備されていると共に、選択還元型触媒６が抱持されているケーシング８内の後段に、余剰のアンモニアを酸化処理するアンモニア低減触媒１５が装備されており、前記ケーシング８の後部には、テールパイプを後方へ向けて装備した排気室１６が形成されている。
また、図１に示してある通り、運転席のアクセルに、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１７（負荷センサ）が備えられていると共に、ディーゼルエンジン１の適宜位置には、その回転数を検出する回転センサ１８が装備されており、これらアクセルセンサ１７及び回転センサ１８からのアクセル開度信号１７ａ及び回転数信号１８ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１９に入力されるようになっている。
一方、前記制御装置１９においては、アクセル開度信号１７ａ及び回転数信号１８ａから判断される現在の運転状態に応じ、各気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置２０に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号２０ａが出力されるようになっている。
ここで、前記燃料噴射装置２０は、各気筒毎に装備される図示しない複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記制御装置１９からの燃料噴射信号２０ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるようになっている。
ただし、本形態例においては、制御装置１９でアクセル開度信号１７ａ及び回転数信号１８ａに基づき通常モードの燃料噴射信号２０ａが決定されるようになっている一方、パティキュレートフィルタ５の強制再生を行う必要が生じた際に、通常モードから再生モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１３０゜の範囲）でポスト噴射を行うような燃料噴射信号２０ａが決定されるようになっている。
つまり、ここに図示している例では、燃料噴射装置２０を燃料添加手段として採用しており、前述のようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス３中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料がパティキュレートフィルタ５の前段の酸化触媒１４を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガス３の流入により直後のパティキュレートフィルタ５の触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃焼除去されることになる。
また、この制御装置１９においては、ディーゼルエンジン１の回転数と燃料噴射信号２０ａの出力値から判る燃料の噴射量とを抽出し、これら回転数と噴射量とによるパティキュレートの発生量マップからディーゼルエンジン１の現在の運転状態に基づくパティキュレートの基本的な発生量を推定し、この基本的な発生量に対しパティキュレートの発生にかかわる各種の条件を考慮した補正係数を掛け且つ現在の運転状態におけるパティキュレートの処理量を減算して最終的な発生量を求め、この最終的な発生量を時々刻々積算してパティキュレートの堆積量を推定し、その堆積量が所定の目標値に達したものと推定された際に、燃料噴射制御が通常モードから再生モードへ切り替わり、パティキュレートフィルタ５の上流側の排気ガス３中に燃料が添加されるようになっている。
尚、このようなパティキュレートの堆積量を推定する方法には各種の考え方があり、ここに例示した推定方法以外の手法を用いてパティキュレートの堆積量を推定することも勿論可能であり、パティキュレートフィルタの前後の差圧に基づいてパティキュレートの堆積量を推定したり、運転時間や走行距離を目安としてパティキュレートの堆積量を推定したりすることも可能である。
また、前記制御装置１９においては、ディーゼルエンジン１の回転数と燃料の噴射量等に基づきＮＯxの発生量も推定され、このＮＯxの発生量に見合う必要量の尿素水の添加が前記尿素水添加用インジェクタ１１に向け開弁指令信号１１ａとして指示されるようになっている。
而して、このように排気浄化装置を構成すれば、パティキュレートフィルタ５により排気ガス３中のパティキュレートが捕集されると共に、その下流側のミキシングパイプ９Ｂの途中で尿素水添加用インジェクタ１１から尿素水が排気ガス３中に添加されてアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、選択還元型触媒６上で排気ガス３中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化される結果、排気ガス３中のパティキュレートとＮＯxの同時低減が図られる。
この際、パティキュレートフィルタ５の後端部から排出された排気ガス３が連絡流路９により前方に折り返されてから隣の選択還元型触媒６の前端部に導入されるようになっているので、前記連絡流路９の途中にある尿素水の添加位置から選択還元型触媒６までの距離が長く確保されると共に、排気ガス３の流れが折り返されることで乱流化して尿素水と排気ガス３との混合促進が図られる結果、尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間が確保されることになる。
特に本形態例においては、パティキュレートフィルタ５の後端部から出た直後の排気ガス３をガス集合室９Ａの壁面に衝突させて略直角な向きに方向転換させつつ集合させるようにしているので、排気ガス３が効果的に乱流化された状態でミキシングパイプ９Ｂに導入されることになり、該ミキシングパイプ９Ｂの途中で添加される尿素水が極めて良好に混合促進されることになる。
尚、ミキシングパイプ９Ｂにより前方に導かれた排気ガス３をガス分散室９Ｃの壁面に衝突させて略直角な向きに方向転換させつつ分散させるようにしているので、選択還元型触媒６の前端部に対し排気ガス３が偏りを生じることなく分散して導入されることになる。
しかも、パティキュレートフィルタ５と選択還元型触媒６とが並列に配置され、これらパティキュレートフィルタ５と選択還元型触媒６との間に沿うように連絡流路９が配置されているので、その全体構成がコンパクトなものとなって車両への搭載性が大幅に向上されることになる。
例えば、図１及び図２に図示している例を前方から見た場合、図３に示す如き比較的狭い搭載スペースＳ内に収まるコンパクトな配置が実現されることになり、また、図４に示す如く、車型により搭載スペースＳが縦方向に狭く横方向に広い偏平空間となっていたとしても、ミキシングパイプ９Ｂを中心とするガス集合室９Ａ及びガス分散室９Ｃの取り付け角度αを変更することで簡単に対応させて前記搭載スペースＳ内にコンパクトに配置することが可能となる。
しかも、このようにミキシングパイプ９Ｂを中心とするガス集合室９Ａ及びガス分散室９Ｃの取り付け角度αを変更することで搭載姿勢を変更できれば、異なる車型に適用させるにあたっても、ミキシングパイプ９Ｂやガス集合室９Ａ及びガス分散室９Ｃ等といった部品の共通化を図ることが可能となる。
尚、パティキュレートフィルタ５の強制再生を行う必要が生じた際には、制御装置１９における燃料噴射制御が通常モードから再生モードに切り替わり、ポスト噴射によりディーゼルエンジン１側で添加された燃料が前段の酸化触媒１４で酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガス３の流入により直後のパティキュレートフィルタ５の触媒床温度が上昇してパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタ５の積極的な再生化が図られることは勿論である。
従って、上記形態例によれば、尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間を確保しながらもパティキュレートフィルタ５及び選択還元型触媒６のコンパクトな配置を実現することができ、従来よりも車両への搭載性を大幅に向上することができる。
また、燃料噴射装置２０によりポスト噴射で添加した燃料を酸化触媒１４上で酸化処理させ、その反応熱で昇温した排気ガス３の流入により直後のパティキュレートフィルタ５の触媒床温度を上げてパティキュレートを燃やし尽くすことができるので、パティキュレートフィルタ５の積極的な再生化を図ることができる。
しかも、選択還元型触媒６を未反応のまま通過してしまった余剰のアンモニアをアンモニア低減触媒１５により酸化処理して無害化させることができるので、最終的に大気中へ排出される排気ガス３中にアンモニアが残存してしまう虞れを未然に回避することもできる。
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、先の形態例においては、燃料添加手段として燃料噴射装置を採用し、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うことで排気ガス中に燃料を添加するようにしているが、気筒内へのメイン噴射の時期を通常より遅らせることで排気ガス中に燃料を添加するようにしても良く、更には、このように気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことにより燃料添加を行う手段だけでなく、排気管の適宜位置（排気マニホールドでも可）に燃料添加手段としてインジェクタを貫通装着し、このインジェクタにより排気ガス中に燃料を直噴して添加するようにしても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１の要部を拡大して示す斜視図である。 図２に図示している例を前方から見た時の配置状態を説明する図である。 別の車型に適用した場合の配置状態を説明する図である。
符号の説明
１ ディーゼルエンジン（エンジン）
３ 排気ガス
４ 排気管
５ パティキュレートフィルタ
６ 選択還元型触媒
９ 連絡流路
９Ａ ガス集合室
９Ｂ ミキシングパイプ
９Ｃ ガス分散室
１１ 尿素水添加用インジェクタ（尿素水添加手段）
１４ 酸化触媒
１５ アンモニア低減触媒
２０ 燃料噴射装置（燃料添加手段）

Claims (5)

  1. 排気管の途中に排気ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを備えると共に、該パティキュレートフィルタの下流側に酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る選択還元型触媒を備え、該選択還元型触媒と前記パティキュレートフィルタとの間に還元剤として尿素水を添加し得るように構成した排気浄化装置であって、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒とを並列に配置し、パティキュレートフィルタの後端部から排出された排気ガスを前方に折り返して隣の選択還元型触媒の前端部に導入するＳ字構造の連絡流路を設け、該連絡流路の途中に尿素水を添加するための尿素水添加手段を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
  2. パティキュレートフィルタの後端部と選択還元型触媒の前端部との間を連絡するＳ字構造の連絡流路が、パティキュレートフィルタの後端部を包囲し且つ該後端部から出た直後の排気ガスを壁面に衝突させて略直角な向きに方向転換させつつ集合せしめるガス集合室と、該ガス集合室で集められた排気ガスを前方に向けて抜き出すミキシングパイプと、該ミキシングパイプにより前方に導かれた排気ガスを壁面に衝突させて略直角な向きに方向転換させつつ分散せしめ且つその分散された排気ガスを選択還元型触媒の前端部に導入し得るよう該前端部を包囲するガス分散室とにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  3. パティキュレートフィルタの直前に排気ガス中の未燃燃料分を酸化処理する酸化触媒が装備され、該酸化触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段が備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
  4. エンジンの各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置を燃料添加手段として採用し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を実行するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。
  5. 選択還元型触媒の直後に余剰のアンモニアを酸化処理するアンモニア低減触媒が装備されていることを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の排気浄化装置。
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