JP2009097439A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気流量に変動が生じたとしても、排気中における尿素水の噴霧の分布がほぼ一定となるように尿素水インジェクタから排気中に尿素水を供給することが可能な排気浄化装置を提供する。
【解決手段】筒状をなしてパティキュレートフィルタ３８を収容する上流側ケーシング３０と、上流側ケーシング３０のパティキュレートフィルタ３８より下流側となる位置の側壁部５４に設けられ、パティキュレートフィルタ３８を通過した排気を排出する排気流出口５６と、排気流出口５６に対向する位置の側壁部５４に取り付けられ排気流出口５６に向けて尿素水を噴射する尿素水インジェクタ４４と、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒４０を収容し、排気流出口５６から排出された排気がアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒４０に流入する下流側ケーシング３４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明はエンジンの排気を浄化する排気浄化装置に関し、特に排気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と、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒とを備えた排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等のエンジンから排出される排気中には、大気汚染物質であるパティキュレートやＮＯｘ（窒素酸化物）などが含まれている。そこでパティキュレートについては、エンジンの排気通路にパティキュレートフィルタを設け、排気中に含まれるパティキュレートをパティキュレートフィルタで捕集し、大気中にパティキュレートが放出されないようにする技術が従来より知られている。

またＮＯｘについては、エンジンの排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を配設し、還元剤としてアンモニアをアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給することにより、ＮＯｘを選択還元して排気を浄化するようにした排気浄化装置が知られている。アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒では、上流側の排気中に尿素水を供給し、この尿素水が排気の熱により加水分解して生じたアンモニアが供給される。アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給されたアンモニアは一旦アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着し、このアンモニアと排気中のＮＯｘとの間の脱硝反応がアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒によって促進されることによりＮＯｘの還元が行われる。

このようなパティキュレートの捕集及びＮＯｘの還元を効率的に行うため、パティキュレートフィルタ及びアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を組み合わせ、排気浄化装置として用いるようにしたものが、例えば特許文献１などによって提案されている。
特許文献１の排気浄化装置は、上流側ケーシングと、上流側ケーシングの下流側に配設されて連通路で連通された下流側ケーシングとで構成される。上流側ケーシング内には前段酸化触媒が収容されると共に、この前段酸化触媒の下流側にパティキュレートフィルタが収容されている。なお、前段酸化触媒は排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成し、このＮＯ_２によってパティキュレートフィルタの連続再生を行うために使用される。

一方、下流側ケーシング内にはアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒が収容されると共に、このアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の下流側にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒から流出したアンモニアを酸化してＮ_２とするための後段酸化触媒が収容されている。
そして、上流側ケーシングと下流側ケーシングとを連通する連通路には、連通路内の排気中に尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタが設けられている。尿素水インジェクタから噴射された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に還元剤として供給される。
特開２００７−１６２４８７号公報

排気浄化装置をこのように構成した場合、連通路に設けられた尿素水インジェクタからの尿素水の噴射方向は、尿素水インジェクタが配設された連通路内における排気の流動方向に対して直交するものとなる。連通路内を流動する排気の量はエンジンの運転状態によって変動するため、排気の量が比較的少ない場合には尿素水の噴射方向において尿素水インジェクタから比較的遠い位置まで尿素水が達する一方、排気の量が比較的多い場合には尿素水の噴射方向において尿素水インジェクタに比較的近い位置に達した段階で尿素水が排気によって下流方向に流されていく。このため、排気流量に応じて尿素水の噴霧が濃厚となる領域が移動し、排気中に常に尿素水の噴霧が一定の分布となるように尿素水を噴射することが困難となる。

また、極力排気の流れに沿うように尿素水を噴射するために、仮に尿素水インジェクタを傾斜させて連通路に装着したとしても、尿素水インジェクタは連通路の外方から連通のの周壁に装着しなければならないため、依然として尿素水インジェクタからの尿素水の噴射方向は連通路内における排気の流動方向と一致しておらず、上記特許文献１の排気浄化装置の場合と同様に、連通路内を流動する排気の量が変動した場合に、排気流量に応じて尿素水の噴霧が濃厚となる領域が移動し、排気中に常に尿素水の噴霧が一定の分布となるように尿素水を噴射することが困難となる。

このように、排気流量の変動に応じて尿素水の噴霧の分布が移動すると、尿素水から生成されるアンモニアの分布も排気流量の変動に応じて移動することになる。このため、排気流量の変動によってアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒におけるアンモニアの分布が不均一となり、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の浄化効率が低下してしまうという問題が生じることになる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気流量に変動が生じたとしても、排気中における尿素水の噴霧の分布がほぼ一定となるように尿素水インジェクタから排気中に尿素水を供給することが可能な排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、エンジンの排気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と、アンモニアを還元剤として上記排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒とを備えた排気浄化装置において、筒状をなして上記パティキュレートフィルタを収容する上流側ケーシングと、上記上流側ケーシングの上記パティキュレートフィルタより下流側となる位置の側壁部に設けられ、上記パティキュレートフィルタを通過した排気を排出する排気流出口と、上記排気流出口に対向する位置の上記側壁部に取り付けられ、上記排気流出口に向けて尿素水を噴射する尿素水インジェクタと、上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を収容し、上記排気流出口から排出された排気が上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する下流側ケーシングとを備えることを特徴とする（請求項１）。

このように構成された排気浄化装置によれば、上流側ケーシング内に収容されたパティキュレートフィルタを通過した排気は、筒状をなす上流側ケーシングの側壁部に設けられた排気流出口を介して上流側ケーシングから排出される。このとき、排気流出口に対向する位置に取り付けられている尿素水インジェクタが排気流出口に向けて尿素水を噴射すると、噴射された尿素水は、排気流出口から下流側ケーシングへと流動する排気と共に下流側ケーシングに向けて流出する。

排気中に供給された尿素水は排気の熱により加水分解してアンモニアが生成され、上流側ケーシングの排気流出口から排出された排気は、このアンモニアと共に下流側ケーシング内のアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する。アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒では、排気中のアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘが選択還元されることにより排気が浄化される。

本発明の排気浄化装置によれば、排気中に尿素を供給する際には、排気流出口に対向して設けられた尿素水インジェクタから排気流出口に向けて尿素水が噴射されるので、尿素水インジェクタからの尿素水の噴射の方向が、排気流出口を介し下流側ケーシングへ向けて流動する排気の流動方向に一致する。従って、排気流量の変動による影響を低減し、尿素水の噴霧の分布がほぼ一定となるように尿素水インジェクタから排気中に尿素水を噴射することが可能となる。この結果、尿素水から生成されるアンモニアの分布もほぼ一定となってアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給され、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒におけるアンモニアの不均一な分布に起因してアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の排気浄化効率が低下するという問題の発生を防止することが可能となる。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用される４気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）の全体構成図を示しており、図１に基づき本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
エンジン１は各気筒共通の高圧蓄圧室（以下コモンレールという）２を備えており、図示しない燃料噴射ポンプから供給されてコモンレール２に蓄えられた高圧の燃料を、各気筒に設けられたインジェクタ４に供給し、各インジェクタ４からそれぞれの気筒内に燃料が噴射される。

吸気通路６にはターボチャージャ８が装備されており、図示しないエアクリーナから吸入された吸気は、吸気通路６からターボチャージャ８のコンプレッサ８ａへと流入し、コンプレッサ８ａで過給された吸気はインタークーラ１０及び吸気制御弁１２を介して吸気マニホールド１４に導入される。また、吸気通路６のコンプレッサ８ａより上流側には、エンジン１への吸入空気流量を検出するための吸気量センサ１６が設けられている。

一方、エンジン１の各気筒から排気が排出される排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド１８を介して排気管２０に接続されている。なお、排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４との間には、ＥＧＲ弁２２を介して排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４とを連通するＥＧＲ通路２４が設けられている。
排気管２０はターボチャージャ８のタービン８ｂを経た後、排気絞り弁２６を介して排気後処理装置２８に接続されている。また、タービン８ｂの回転軸はコンプレッサ８ａの回転軸と連結されており、タービン８ｂが排気管２０内を流動する排気を受けてコンプレッサ８ａを駆動するようになっている。

排気後処理装置２８は、上流側ケーシング３０と、上流側ケーシング３０の下流側に連通路３２で連通された下流側ケーシング３４とで構成される。上流側ケーシング３０内には、前段酸化触媒３６が収容されると共に、この前段酸化触媒３６の下流側にはパティキュレートフィルタ（以下フィルタという）３８が収容されている。
フィルタ３８は、排気中のパティキュレートを捕集してエンジン１の排気を浄化するために設けられる。フィルタ３８はハニカム型のセラミック体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、通路の上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されており、エンジン１の排気が内部を流通することによって排気中のパティキュレートを捕集する。

前段酸化触媒３６は排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成するので、このように前段酸化触媒３６とフィルタ３８とを配置することにより、フィルタ３８に捕集され堆積しているパティキュレートは、前段酸化触媒３６から供給されたＮＯ_２と反応して酸化し、フィルタ３８の連続再生が行われるようになっている。
一方、下流側ケーシング３４内には、排気中のアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元して浄化するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒（以下ＳＣＲ触媒という）４０が収容されると共に、このＳＣＲ触媒４０の下流側にはＳＣＲ触媒４０から流出したアンモニアを除去するための後段酸化触媒４２が収容されている。この後段酸化触媒４２は、フィルタ３８の強制再生でパティキュレートが焼却される際に発生するＣＯを酸化し、ＣＯ_２として大気中に排出する機能も有している。

なお、上流側ケーシング３０のフィルタ３８下流側には、フィルタ３８から流出して連通路３２へと流入する排気中に尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタ４４が設けられており、図示しない尿素水タンクから尿素水インジェクタ４４に対して尿素水が供給されるようになっている。
尿素水インジェクタ４４から噴射された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒４０に供給される。ＳＣＲ触媒４０は供給されたアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの脱硝反応を促進することにより、ＮＯｘを浄化して無害なＮ_２とする。なお、このときアンモニアがＮＯｘと反応せずにＳＣＲ触媒４０から流出した場合には、このアンモニアが後段酸化触媒４２によって除去されるようになっている。

次に、排気後処理装置２８のうち、上流側ケーシング３０側の構成について、図２及び図３に基づき更に詳細に説明する。
図２は排気後処理装置２８における上流側ケーシング３０の要部断面図、図３は図２中のIII−III線に沿う断面図であって、上流側ケーシング３０は筒状をなしており、図２に示すように第１ケーシング４６、第２ケーシング４８及び第３ケーシング５０に分割されている。

第１ケーシング４６は前段酸化触媒３６を収容しており、排気管２０に接続されてエンジン１の排気が流入する排気流入部５２を有する。また、第２ケーシング４８は両端が開口した筒状をなしてフィルタ３８を収容し、上流端が第１ケーシング４６の下流端に連結されると共に、下流端が第３ケーシング５０の上流端に連結されている。更に、第３ケーシング５０の側壁部５４には、フィルタ３８を通過した排気が連通路３２に向けて流出する排気流出口５６が設けられている。

図２及び図３に示すように、側壁部５４の排気流出口５６に対向する位置には尿素水インジェクタ４４が取り付けられており、尿素インジェクタ４４は排気流出口５６の方向に向けて尿素水を噴射する。即ち、尿素インジェクタ４４による尿素水の噴射は、図２及び図３中に示される２本の破線で挟まれた範囲内に向けられており、尿素インジェクタ４４から噴射された尿素水の噴霧の中心軸線は、排気流出口５６の中心軸線と一致している。

第３ケーシング５０の外方に位置する排気流出口５６の端部は連通路３２に接続されており、排気流出口５６の連通路３２とは反対側にある端部には、円筒状の整流体５８が排気流出口５６に対向する側壁部５４まで第３ケーシング５０を横断するように延設されている。整流体５８の周面には、整流体５８の外側と内側とを連通する多数の孔が形成されており、整流体５８の連通路３２とは反対側にある端部は尿素水インジェクタ４４を包囲するようにして側壁部５４に固定されている。フィルタ３８を通過した排気は、整流体５８に形成された多数の孔を介して整流体５８内に流入した後、排気流出口５６を介して連通路３２に流入し、更に下流側ケーシング３４内に流入する。

従って、尿素水インジェクタ４４による尿素水の噴射方向である尿素水の噴霧の中心軸線の方向と、排気流出口５６から連通路３２内に流動する排気の流動方向とが一致している。このため、整流体５８内に流入する排気の流量が増減したとしても排気流出口５６から流出する排気中における尿素水の噴霧の分布がほぼ一定となるように、尿素水インジェクタ４４から尿素水を供給することができる。

こうして排気が整流体５８内から連通路３２内へと流動する間に尿素水インジェクタ４４から排気中に尿素水の噴射が行われると、噴射された尿素水は排気の熱によって加水分解し、アンモニアが生成される。生成されたアンモニアは、下流側ケーシング３４内のＳＣＲ触媒４０に供給され、前述したようにＳＣＲ触媒４０によるＮＯｘの選択還元に還元剤として使用される。

このとき、上述したように排気流出口５６から流出する排気中にほぼ均等に尿素水が噴射されるので、排気中で尿素水から生成されるアンモニアの分布も、排気流量に拘わらずほぼ一定となり、アンモニアの分布が変動することによって生じるＳＣＲ触媒４０の排気浄化率の低下を防止し、良好な浄化効率を維持することができる。
以上で本発明の一実施形態に係る排気浄化装置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い。

即ち、上記実施形態では、側壁部５４に達する整流体５８を排気流出管６０に延設するようにしたが、整流体５８の形状はこれに限定されるものではない。例えば、側壁部５４に達することなく第３ケーシング５０内の途中まで整流体５８を排気流出管６０から延設してもよいし、整流体５８を全て省略するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、上流側ケーシング３０の側壁部となる第３ケーシング５０の側壁部５４から突出するように管状の排気流出口５６を装着し、連通路３２を排気流出口５６に接続するようにしたが、第３ケーシング５０の側壁部５４に排気流出口となる孔を形成し、この排気流出口に連通路３２を直接接続するようにしてもよい。

更に、上記実施形態では、上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３４とを連通路３２によって連通するように排気後処理装置２８を構成したが、上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３４と隣接させ、上流側ケーシング３０の排気流出口５６を直接下流側ケーシング３４に連通させるようにしてもよい。
また、上記実施形態の排気後処理装置２８において、前段酸化触媒３６及び後段酸化触媒４２は必要に応じて設けられるものであり、同様の機能を有する別の触媒への置き換えや省略も可能である。

更に、上記実施形態では、エンジン１を４気筒のディーゼルエンジンとしたが、エンジン１の気筒数及び形式はこれに限られるものではなく、フィルタ３８とその下流にＳＣＲ触媒４０を備えるエンジンであれば本発明を適用可能である。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用されるエンジンの全体構成図である。 図１の排気浄化装置における上流側ケーシングの要部断面図である。 図２のIII−III線に沿う断面図である。

符号の説明

１ エンジン
３０ 上流側ケーシング
３２ 連通路
３４ 下流側ケーシング
３８ パティキュレートフィルタ
４０ アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒
４４ 尿素水インジェクタ
５４ 側壁部
５６ 排気流出口

Claims (1)

1. エンジンの排気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と、アンモニアを還元剤として上記排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒とを備えた排気浄化装置において、
   筒状をなして上記パティキュレートフィルタを収容する上流側ケーシングと、
   上記上流側ケーシングの上記パティキュレートフィルタより下流側となる位置の側壁部に設けられ、上記パティキュレートフィルタを通過した排気を排出する排気流出口と、
   上記排気流出口に対向する位置の上記側壁部に取り付けられ、上記排気流出口に向けて尿素水を噴射する尿素水インジェクタと、
   上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を収容し、上記排気流出口から排出された排気が上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する下流側ケーシングと
   を備えることを特徴とする排気浄化装置。

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