JP2011021485A

JP2011021485A - 自動車用排気浄化装置

Info

Publication number: JP2011021485A
Application number: JP2009164471A
Authority: JP
Inventors: Naoki Inukai; 直樹犬飼
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2029-07-13
Also published as: JP5504719B2

Abstract

【課題】燃費を悪化させることなく、排出ガスの浄化が可能な温度まで触媒を素早く昇温できる自動車用排気浄化装置を提供する。
【解決手段】エンジンからの排気通路に配置され、エンジンから排出される排出ガスｇから窒素酸化物を除去する触媒本体２と、触媒本体２を収容する管状部材３とを備えた自動車用排気浄化装置において、管状部材３に、管状部材３を上流側と下流側に分割するように断熱部材４を設け、断熱部材よりも上流側の管状部材３ａと、断熱部材４よりも下流側の管状部材３ｂとを熱的に遮断するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンから排出される排出ガスから窒素酸化物を除去する自動車用排気浄化装置に関するものである。

近年、ディーゼル車の排出ガス規制は厳しいものになってきており、過給機下流に後処理装置を設置することが必須となっている。

一般に、後処理装置は、エンジンからの排気通路に、酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst；ＤＯＣ）、ディーゼルパティキュレートフィルター（Diesel Particulate Filter；ＤＰＦ）、選択還元型触媒（Selective Catalytic Reduction；ＳＣＲ）を順次配置してなる。ＤＯＣやＳＣＲにおける触媒は、排出ガスとの熱交換により昇温される。

ＳＣＲでは、触媒が一定の温度（一般には１６０℃程度）に達しないと反応が起こらず、排出ガスを浄化することができない。しかも、ＳＣＲは、エンジンアウトからＤＯＣ、ＤＰＦよりも後段（下流側）に配置されているために、十分に暖機がなされていない条件では昇温に時間がかかってしまうという問題を抱えている。

その解決策として、従来、排出ガスによる昇温に加え、燃料噴射による加熱等で昇温速度を上げる工夫がなされている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１がある。

特開平５−２８５３４３号公報

ところで、近年、ＰＣＩ燃焼（予混合燃焼；Premixed Compression Ignition）などの新燃焼方式の適応や低燃費化への要求に伴い、エンジンアウトの排出ガス温度は低下傾向となり、触媒にとって厳しい条件が増えている。

排出ガス温度が低下すると、触媒の昇温に時間がかかり、十分に暖機されていない条件では、触媒が昇温するまでの間に多量の窒素酸化物（ＮＯｘ）が排出されてしまうという問題がある。

また、従来の燃料噴射による加熱等で昇温速度を上げる方法では、燃費が悪化する問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、燃費を悪化させることなく、排出ガスの浄化が可能な温度まで触媒を素早く昇温できる自動車用排気浄化装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、エンジンからの排気通路に配置され、前記エンジンから排出される排出ガスから窒素酸化物を除去する触媒本体と、該触媒本体を収容する管状部材とを備えた自動車用排気浄化装置において、前記管状部材に、該管状部材を上流側と下流側に分割するように断熱部材を設け、前記断熱部材よりも上流側の管状部材と、前記断熱部材よりも下流側の管状部材とを熱的に遮断するようにした自動車用排気浄化装置である。

前記断熱部材は、該断熱部材よりも上流側における熱容量が、前記断熱部材の下流側における熱容量よりも小さくなるように、前記管状部材に設けられてもよい。

前記触媒本体は、前記断熱部材の上流側と下流側とで分割されていてもよい。

本発明によれば、燃費を悪化させることなく、排出ガスの浄化が可能な温度まで触媒を素早く昇温できる自動車用排気浄化装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る自動車用排気浄化装置の概略斜視図である。本発明において、プレＳＣＲとメインＳＣＲの温度変化、および断熱部材を設けていないノーマルＳＣＲの温度変化をシミュレーション計算した結果を示すグラフ図である。本発明において、断熱部材を設けていないノーマルＳＣＲの出口でのＮＯ濃度に対する、ＮＯ濃度の低減率をシミュレーション計算した結果を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る自動車用排気浄化装置の概略斜視図である。

図１に示すように、自動車用排気浄化装置１は、エンジンからの排気通路に配置され、エンジンから排出される排出ガスｇから窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する触媒本体２と、触媒本体２を収容する管状部材３とを備えたＳＣＲ方式の脱硝装置である。

触媒本体２は、網目状の多数の流路が形成されたハニカム構造となっており、図示しない尿素噴射装置で尿素水を噴射することにより高温下でアンモニアガスを発生させ、アンモニアと排出ガスｇ中のＮＯｘとを反応させて、排出ガスｇ中のＮＯｘを除去するものである。

本実施の形態では、管状部材３を略円筒状としているが、管状部材３の形状はこれに限定されず、例えば、楕円筒状や、角筒状等であってもよい。

さて、本実施の形態に係る自動車用排気浄化装置１では、管状部材３に、管状部材３を上流側と下流側に分割するように断熱部材４を設け、断熱部材４よりも上流側の管状部材３ａと、断熱部材４よりも下流側の管状部材３ｂとを熱的に遮断するようにしている。

断熱部材４を設けることにより、断熱部材４の上流側と下流側とで触媒本体２が熱的に遮断されることとなり、２つの独立したＳＣＲを直列に配置した場合と同等となる。なお、触媒本体２は熱伝導率が低いため、断熱部材４の上流側の触媒本体２と断熱部材４の下流側の触媒本体２との間では、ほとんど熱伝導はない。以下、自動車用排気浄化装置１のうち断熱部材４より上流側（エンジン側）をプレＳＣＲ５、断熱部材４より下流側（排気側）をメインＳＣＲ６と呼ぶ。

断熱部材４は、断熱部材４よりも上流側における熱容量、すなわちプレＳＣＲ５の熱容量（容積）が、断熱部材４の下流側における熱容量、すなわちメインＳＣＲ６の熱容量（容積）よりも小さくなるように、管状部材３に設けられる。

このように、プレＳＣＲ５の熱容量がメインＳＣＲ６の熱容量よりも小さくなるように断熱部材４を設け、断熱部材４により自動車用排気浄化装置１の一部を断熱化（管状部材３の一部を断熱化）することで、大容量のＳＣＲ（つまりメインＳＣＲ６）の上流側に、小容量のＳＣＲ（つまりプレＳＣＲ５）を配置するのと同等となる。

プレＳＣＲ５は、熱容量が小さいため素早く昇温することができ、通常のＳＣＲ（断熱部材４を設けていない熱容量の大きいＳＣＲ）よりも早く浄化可能な温度に達する。よって、これまでに浄化できなかった条件においてＮＯ等のＮＯｘを浄化することが可能となる。

小容量のプレＳＣＲ５では、空間速度ＳＶ（Space Velocity）が大きくなる排出ガス流量の多い領域において浄化が満足に行えないが、多量の排出ガスｇが流れると、プレＳＣＲ５通過後の排出ガスｇと熱交換してメインＳＣＲ６も反応が可能な温度まで昇温されることとなり、高ＳＶ領域においてもよい浄化率を保つことができる。なお、空間速度ＳＶとは、熱容量（容積）と排出ガス流量の比である。

プレＳＣＲ５は、その熱容量が大きすぎると、触媒（触媒本体２）の昇温に時間がかかってしまうため、素早く昇温できる程度の熱容量とすることが望ましい。他方、メインＳＣＲ６は、その熱容量が小さすぎると、空間速度ＳＶが大きくなる排出ガス流量の多い領域において浄化が満足に行えないおそれがあるため、排出ガス流量の多い領域に対応できる程度の熱容量とすることが望ましい。

よって、自動車用排気浄化装置１全体での熱容量を考慮し、プレＳＣＲ５とメインＳＣＲ６の熱容量が最適な割合となる位置に断熱部材４を設けるようにすればよい。一例として、自動車用排気浄化装置１全体での熱容量が２０Ｌである場合、プレＳＣＲ５の熱容量を２〜５Ｌ、メインＳＣＲ６の熱容量を１５〜１８Ｌとすればよい。

ここで、本実施の形態に係る自動車用排気浄化装置１を模擬したシミュレーション計算の結果を図２，３に示す。

図２，３では、自動車用排気浄化装置１全体での熱容量を２０Ｌ、プレＳＣＲ５の熱容量を約５Ｌ、メインＳＣＲ６の熱容量を約１５Ｌ、触媒初期温度を２５℃とし、ＪＥ０５モード（都市内の走行実態を踏まえた過渡走行モード）にて、開始から３００ｓｅｃの間でのプレＳＣＲ５、メインＳＣＲ６の温度の変化をシミュレーションにより計算した結果を示している。また、熱容量２０Ｌの断熱部材４を設けていない通常のＳＣＲ（ノーマルＳＣＲ）についても、同様にシミュレーション計算を行った。

図２に示すように、熱容量の少ないプレＳＣＲ５では昇温が素早く、開始から２１０ｓｅｃ程度で、一般的なＳＣＲの浄化開始温度である１６０℃に達している。メインＳＣＲ６は、プレＳＣＲ５の後段（下流側）に配置されるため昇温速度が遅いが、２６０ｓｅｃ程度で浄化開始温度である１６０℃に達する。

これに対して、断熱部材４を設けていないノーマルＳＣＲでは、２４０ｓｅｃ程度で浄化開始温度である１６０℃に達しており、プレＳＣＲ５と比較すると、浄化開始温度に達する時間が３０秒程度遅い。

実際に車両を走行させる場合を考えると、２００〜２５０ｓｅｃという時間は、アクセルを踏み込みやすい時間であるため、浄化開始温度までの昇温時間を３０秒短縮することは、ＮＯｘの排出量の大幅な低減につながる。

図３に示すように、ＳＣＲの出口でのＮＯ濃度についてシミュレーション計算を行ったところ、ノーマルＳＣＲの出口でのＮＯ濃度を１００％とすると、自動車用排気浄化装置１の出口でのＮＯ濃度（プレＳＣＲ＋メインＳＣＲ）は約９０％と、ＮＯ濃度が約１０％低減している。つまり、自動車用排気浄化装置１では、従来と比較してＮＯ（ＮＯｘ）の排出量を低減できる。

以上説明したように、本実施の形態に係る自動車用排気浄化装置１では、触媒本体２を収容する管状部材３に、管状部材３を上流側と下流側に分割するように断熱部材４を設け、断熱部材４よりも上流側の管状部材３ａと、断熱部材４よりも下流側の管状部材３ｂとを熱的に遮断するようにしている。

断熱部材４を設けることにより、プレＳＣＲ５からメインＳＣＲ６に熱伝導は行われなくなり、プレＳＣＲ５は独立したＳＣＲと同様の効果を発揮する。よって、プレＳＣＲ５の熱容量が小さくなるように断熱部材４を設けることで、プレＳＣＲ５は昇温速度が速い小容量のＳＣＲとなり、その後段に大容量のメインＳＣＲ６が配置されることとなる。

一般に、ＳＣＲの昇温速度を上げるためには熱容量を小さくする必要があるが、熱容量を小さくしすぎると十分な浄化性能が得られず、昇温速度と浄化性能を両立することは困難であった。

自動車用排気浄化装置１では、小容量のプレＳＣＲ５を素早く浄化開始温度まで昇温させることができ、昇温不足によるＮＯｘの浄化ができない期間を短縮化できると共に、プレＳＣＲ５で浄化しきれない高ＳＶ領域では、後段に配置されたメインＳＣＲ６で浄化を行うことができ、昇温速度と浄化性能を両立できる。

また、自動車用排気浄化装置１によれば、燃料噴射による加熱等を行わないため、燃費が悪化することがない。

なお、ＳＣＲの上流側に別途小容量のＳＣＲを設置することでも同様の効果が得られるが、この場合、小容量のＳＣＲを別途設けるための配管やスペースが必要となり、さらには、尿素噴射装置を各々に設けなければならないため、コストがかかるという問題も生じる。

自動車用排気浄化装置１によれば、一般的な尿素噴射装置を１つ用いるのみであるため、設置場所や、尿素噴射装置の数等のコスト面で有利となる。

上記実施の形態では、触媒本体２が上流側から下流側まで一体となっている場合について説明したが、触媒本体２を、断熱部材４の上流側と下流側とで分割し、所定の間隔を隔てて管状部材３内に収容するようにしてもよい。これにより、断熱部材４の上流側の触媒本体２と断熱部材４の下流側の触媒本体２とを熱的に完全に遮断することができ、プレＳＣＲ５とメインＳＣＲ６とを完全に独立した状態とすることが可能となる。

また、上記実施の形態では、尿素水を用いたいわゆる尿素ＳＣＲについて説明したが、尿素を用いない他の方式であっても適用可能である。

１自動車用排気浄化装置
２触媒本体
３管状部材
４断熱部材
５プレＳＣＲ
６メインＳＣＲ
ｇ排出ガス

Claims

エンジンからの排気通路に配置され、前記エンジンから排出される排出ガスから窒素酸化物を除去する触媒本体と、該触媒本体を収容する管状部材とを備えた自動車用排気浄化装置において、
前記管状部材に、該管状部材を上流側と下流側に分割するように断熱部材を設け、前記断熱部材よりも上流側の管状部材と、前記断熱部材よりも下流側の管状部材とを熱的に遮断するようにしたことを特徴とする自動車用排気浄化装置。
前記断熱部材は、該断熱部材よりも上流側における熱容量が、前記断熱部材の下流側における熱容量よりも小さくなるように、前記管状部材に設けられる請求項１記載の自動車用排気浄化装置。
前記触媒本体は、前記断熱部材の上流側と下流側とで分割されている請求項１または２記載の自動車用排気浄化装置。