JP2012225284A

JP2012225284A - 排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法

Info

Publication number: JP2012225284A
Application number: JP2011094665A
Authority: JP
Inventors: Taiji Nagaoka; 大治長岡; Teruo Nakada; 輝男中田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-11-15

Abstract

【課題】比較的簡単な構造で、排気ガス中に供給された浄化剤を確実にガス化してから排気ガス浄化装置に供給でき、排気管からの燃料漏れ、白煙の放出等を防止しながら、排気ガスの温度が低い時から排気管へ浄化剤の噴射を行うことができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気管１２に配置する排気ガス浄化装置１３の上流側に浄化剤供給装置１４を設けた排気ガス浄化システム１０において、前記浄化剤供給装置１４の下流側の排気管１２の一部を二重管１５で構成すると共に、この二重管１５の内側の管１５ｂを排気ガスＧの流れ対して波打つ波板形状で形成し、更に、該内側の管１５ｂを加熱する加熱手段を設け、該内側の管１５内に浄化剤Ｌを噴射するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼル車等の内燃機関の排気ガスを浄化する排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法に関する。

ディーゼルエンジン搭載車の内燃機関（エンジン）等の排気ガス浄化装置には、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を浄化するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置を用いた装置や、窒素酸化物（ＮＯｘ）をリーン雰囲気中で還元して浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒や選択還元型触媒（ＳＣＲ）を用いた装置がある。

このＤＰＦ装置では、ＰＭの捕集限界に近づくと、ＤＰＦ装置に捕集されたＰＭを燃焼除去するために排気ガスを昇温する強制再生を行って、ＤＰＦ装置のＰＭ捕集能力を回復している。この強制再生の排気ガス昇温では、筒内（シリンダ内）での燃料噴射において、ピストンが上死点を過ぎた後に燃料噴射を行い、この噴射された未燃燃料を酸化触媒に供給して酸化して、この酸化熱により排気ガスを昇温させる方法もあるが、この方法の他に、排気管に設けた燃料噴射装置から排気管内へ直接、燃料を噴射して、この噴射された未燃燃料をＤＰＦ装置やその上流側に設けられた酸化触媒に供給して酸化して、この酸化熱により排気ガスを昇温させる方法もある。

また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を用いた装置においても、ＮＯｘ吸蔵能力を回復するためのリッチ制御では、排気管への直接燃料噴射を用いて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の表面をリッチ状態にして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵されていたＮＯｘを放出させると共に、放出されたＮＯｘを還元する方法が採用されている。

また、選択還元型触媒を用いた装置においても、尿素水等の還元剤を選択還元型触媒の上流側で噴射して、この還元剤から発生するアンモニアを用いて排気ガス中のＮＯｘを選択還元型触媒で還元する方法が採用されている。

このように、排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムの幾つかの排気ガス浄化方法では、軽油等の燃料又は尿素水等の還元剤である浄化剤を、ＤＰＦ装置やＮＯｘ吸蔵還元型触媒や選択還元型触媒等の排気ガス浄化装置の上流側にそれぞれに応じたタイミングと供給量で供給している。

この排気管内に浄化剤の噴射を行う場合に、排気ガスの温度及び排気管の壁面の温度が、浄化剤がガス化する温度、即ち、軽油の分解温度や尿素水の蒸発拡散に効果的な温度より高ければ、早期に分解したり蒸発したりしてガス化し、排気ガス浄化装置に供給される。

しかしながら、これらの浄化剤を排気ガスの温度が低い（例えば、２５０℃以下）場合に噴射すると、浄化剤はガス化しないで排気管の壁面に付着するという問題がある。この排気管からの浄化剤の漏れや、浄化剤の溜まりが生じると、この後で、加速等により排気ガスの温度が上昇したときに、この溜まっていた浄化剤が急激に蒸発してガス化して白煙が大気中に放出される等の不具合な現象が生じる。

特に、ＤＰＦ装置では、アイドリング時にＰＭ再生を行う際にこの問題が発生し易い。また、燃料噴射弁からの燃料リークによっても同様な問題が生じる。

また、選択還元型触媒への尿素水の噴射においても、排気ガスが２５０℃以下であると蒸発拡散の速度が低下するので、排気ガスの温度が２５０℃より大きいことが尿素水噴射の目安となる。また、尿素水はディーゼルエンジンのような比較的低温の排気ガス環境下においては、還元剤として供給されるアンモニアとの反応により、硝酸アンモニウムを生成する。この硝酸アンモニウムは、その融点である１７０℃より低温では触媒上に固形物として堆積するので、触媒の細孔を詰まらせたり、触媒表面を覆ってしまったりする。これにより、ＮＯｘ浄化反応が阻害される。

これに関連して、尿素水インジェクタから噴射した尿素水が運ばれる連通路を二重管構造にすると共に、排気が衝突する第１屈曲部の内側壁面の部分に断熱材等で形成される放熱抑制部材を設けて、尿素水から生成される固形物の堆積を抑制すると共に良好な排気浄化効率を確保可能とする排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、還元剤等の添加部付近に二重構造の排気管を採用しても、添加した液剤を内管の周りに残留させることなく確実に気化させ、良好な排気浄化性能を発揮するために、二重管構造の外周側の筒状の空間に入った排気ガス及び液剤を触媒ユニット側に通過させると共に、液剤を拡散及び気化させる外側拡散部材を設け、この外側拡散部材を複数の小孔と切起し片部と、環状の金属メッシュを含んで形成し、内側拡散部材を複数の小孔と切起し片部で形成した排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、未燃燃料や還元剤等の浄化剤を噴射する排気管部分を二重構造にして保温性を高めても、エンジン始動開始時やアイドル時等の排気ガスの温度が比較的長い間低い場合には、浄化剤を確実にガス化することは難しいという問題がある。

特開２０１０−３１７１８号公報特開２０１０−９０８０８号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気管に配置する排気ガス浄化装置の上流側に浄化剤供給装置を設けた排気ガス浄化システムにおいて、比較的簡単な構造で、排気ガス中に供給された浄化剤を確実にガス化してから排気ガス浄化装置に供給でき、排気管からの燃料漏れ、白煙の放出等を防止しながら、排気ガスの温度が低い時から排気管内部へ浄化剤を噴射することができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気管に配置する排気ガス浄化装置の上流側に浄化剤供給装置を設けた排気ガス浄化システムにおいて、前記浄化剤供給装置の下流側の排気管の一部を二重管で構成すると共に、この二重管の内側の管を排気ガスの流れ対して波打つ波板形状で形成し、更に、該内側の管を加熱する加熱手段を設け、該内側の管内に浄化剤を噴射するように構成される。

この構成によれば、二重管構造の排気管により、排気ガスの温度及び排気管の壁面温度を、軽油や還元剤等の浄化剤をガス化できる温度、例えば、軽油分解温度や尿素水蒸発拡散に効果的な温度以上に保持することが容易となり、更に、噴射された浄化剤を一定時間保持して、加熱することにより、噴射されて内側の管に保持された浄化剤を確実にガス化することができる。

従って、簡単な構造で、排気管からの燃料漏れ、白煙の放出等を防止しながら、排気ガスの温度が低いときから排気管内部へ軽油噴射、尿素水噴射等の浄化剤供給を行うことができる。

また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記内側の管を３０μｍ以上１００μｍ以下の薄箔で形成すると、内側の管の熱容量を小さくすることができるので、内側の管の内部を通過する排気ガスの温度が低下するのを防止することができる。

そして、上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気管に配置する排気ガス浄化装置の上流側に浄化剤を供給する排気ガス浄化方法において、前記排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの温度が低い場合には、浄化剤供給装置の下流側に設けた二重管構造の排気管の、排気ガスの流れ対して波打つ波板形状をした内側の管で、前記排気管内に供給された浄化剤を受けて溜めて、この溜めた浄化剤を加熱手段で加熱してガス化して前記排気ガス浄化装置に供給することを特徴とする方法である。

この方法によれば、比較的簡単な構造で、排気管からの燃料漏れ、白煙の放出等を防止しながら、排気温度が低いときから排気管内部へ軽油噴射、尿素水噴射等の浄化剤供給を行うことができる。

本発明に係る排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、内燃機関の排気管に配置する排気ガス浄化装置の上流側に浄化剤供給装置を設けた排気ガス浄化システムにおいて、比較的簡単な構造で、排気ガス中に供給された浄化剤を確実にガス化してから排気ガス浄化装置に供給でき、排気管からの燃料漏れ、白煙の放出等を防止しながら、排気ガスの温度が低い時から排気管内部へ浄化剤の噴射を行うことができる。

本発明の実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システムと排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、この実施の形態の排気ガス浄化システム１０は、エンジン（内燃機関）１の排気マニホールド１ａに接続する排気管１２に配置する排気ガス浄化システムであり、この排気ガス浄化システム１では、排気ガス浄化装置１３の上流側に浄化剤供給装置１４を設けている。

この排気ガス浄化装置１３は、排気ガス浄化システム１０を搭載するエンジン１の排気ガスの状態等によって、幾つかの種類の排気ガス浄化装置１３が選択される。この排気ガス浄化装置１３としては、排気ガスＧ中の粒子状物質（ＰＭ）を浄化するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置や、窒素酸化物（ＮＯｘ）をリーン雰囲気中で還元して浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒や、同様に窒素酸化物（ＮＯｘ）をリーン雰囲気中で還元して浄化する選択還元型触媒（ＳＣＲ）を用いることができる。

しかし、この排気ガス浄化装置１３の種類によって、浄化剤供給装置１４から供給される浄化剤Ｌの種類と供給のタイミングが異なってくる。排気ガス浄化装置１３にＤＦＰ装置を用いる場合には、浄化剤Ｌは、軽油等の燃料であり、この燃料の供給は、ＤＰＦ装置に捕集されたＰＭを強制的に燃焼除去するための強制再生時に行われる。なお、この場合には、ＤＰＦ装置の排気ガス浄化装置１３と浄化剤供給装置１４の間に酸化触媒が設けられることが多い。

また、排気ガス浄化装置１３にＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置を用いる場合には、浄化剤Ｌは、軽油等の燃料であり、この燃料の供給は、ＮＯｘ吸蔵能力を回復するために、排気ガス中の空燃比をリッチ状態にするＮＯｘ再生制御で行われる。この場合にも、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒装置の排気ガス浄化装置１３と浄化剤供給装置１４の間に酸化触媒が設けられることが多い。

また、排気ガス浄化装置１３に選択還元型触媒装置を用いる場合は、浄化剤Ｌは、尿素水等の還元剤であり、この還元剤の供給は、排気ガス中のＮＯｘを還元するために、ほぼ常時行われる。

そして、この浄化剤供給装置１３の下流側の排気管１２の一部を二重管１５で構成する。この二重管１５の構造は外側の管１５ａを通常の排気管１２と同じ配管で構成し、内側の管１５ｂを排気ガスＧの流れ対して波打つ波板形状で形成する。この内側の管１５ｂは、通過する排気ガスＧの温度が低下するのを防止するために、熱容量を小さくすることが好ましく、３０μｍ以上１００μｍ以下の薄箔で形成する。３０μｍより薄いと構造的な強度が不足し、１００μｍより厚いと熱容量が大きくなる。

この内側の管１５ｂは、断熱保持部材１５ｃで外側の管１５ａの内側に保持される。また、この内側の管１５ｂには、これを加熱する加熱手段を設ける。この加熱手段は、この内側の管１５ｂを抵抗発熱体とし、これに電極１５ｄ（図１では「＋極」）と電極１５ｅ（図１では「−極」）を設けて、電源（図示しない）と接続して、電流を通じることにより、内側の管１５ｂそのものを発熱させる。あるいは、内側の管１５ｂの外周側に別体のコイル状の電気ヒータを設けて電気ヒータにより内側の管１５ｂを加熱してもよく、また、電気ヒータ等の加熱源から熱伝導部材により内側の管１５ｂに伝熱して、内側の管１５ｂを加熱してもよい。

また、浄化剤供給装置１３は、浄化剤タンク（図示しない）から供給ポンプ（図示しない）により送られてくる浄化剤Ｌを、温度センサ１６の検出値が入力される制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）１８で算出された噴射タイミングと噴射量で噴射するように構成される。更に、この浄化剤供給装置１３は浄化剤Ｌを内側の管１５ｂの内部に噴射するように構成される。

このエンジン１では、吸気Ａが吸気管１１経由でターボ過給器１７のコンプレッサ１７ａにより昇圧されて、エンジン１のシリンダ内に供給され、同じくシリンダ内に供給される燃料を燃焼させて、排気ガスＧとなる。この排気ガスＧは、必要に応じて一部は排気再循環（ＥＧＲ）に使用されるが、それ以外は、排気マニホールド１ａから排気管１２に導かれ、ターボ過給器１７のタービン１７ｂを駆動した後、浄化剤供給装置１４と二重管１５を通過して排気ガス浄化装置１３に流入し、この排気ガス浄化装置１３で浄化される。

この構成の排気ガス浄化システム１によれば、排気管１２の二重管１５により、排気ガスＧの温度及び排気管１５の内側の管１５ｂの壁面温度を、浄化剤Ｌをガス化できる温度、例えば、軽油分解温度や尿素水蒸発拡散に効果的な温度以上に保持することが容易となる。更に、噴射された軽油や尿素水等の浄化剤Ｌを、内側の管１５ｂで一定時間保持して、加熱することにより、噴射され、内側の管１５ｂに保持された軽油や尿素水等の浄化剤Ｌをガス化することができる。

従って、簡単な構造で、排気管１２からの燃料漏れ、白煙の放出等を防止しながら、排気温度が低いときから排気管１２へ軽油噴射、尿素水噴射等の還元剤供給を行うことができるようになる。

また、本発明の実施の形態の排気ガス浄化方法は、エンジン１の排気管１２に配置する排気ガス浄化装置１３の上流側に浄化剤Ｌを供給する排気ガス浄化方法において、排気ガス浄化装置１３に流入する排気ガスＧの温度が低い場合には、浄化剤供給装置１３の下流側に設けた二重管構造の排気管１５の、排気ガスＧの流れ対して波打つ波板形状をした内側の管１５ｂで、排気管１５内に供給された浄化剤Ｌを受けて溜めて、この溜めた浄化剤Ｌを加熱手段１５ｂ、１５ｄ、１５ｅ等で加熱してガス化して排気ガス浄化装置１３に供給する方法である。

この方法によれば、簡単な構造で、排気管１２からの燃料漏れ、白煙の放出等を防止しながら、排気温度が低いときから排気管１２へ軽油噴射、尿素水噴射等の浄化剤供給を行うことができる。

本発明の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、比較的簡単な構造で、排気ガス中に供給された浄化剤を確実にガス化してから排気ガス浄化装置に供給でき、排気管からの燃料漏れ、白煙の放出等を防止しながら、排気ガスの温度が低い時から排気管内部へ浄化剤の噴射を行うことができる。従って、自動車等に搭載した内燃機関の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法として利用できる。

１エンジン（内燃機関）
１０排気ガス浄化システム
１２排気管
１３排気ガス浄化装置
１４浄化剤供給装置
１５二重管
１５ａ外側の管
１５ｂ内側の管
１５ｃ断熱保持部材
１５ｄ、１５ｅ電極
１８制御装置（ＥＣＵ）
Ｇ排気ガス
Ｌ浄化剤

Claims

内燃機関の排気管に配置する排気ガス浄化装置の上流側に浄化剤供給装置を設けた排気ガス浄化システムにおいて、前記浄化剤供給装置の下流側の排気管の一部を二重管で構成すると共に、この二重管の内側の管を排気ガスの流れ対して波打つ波板形状で形成し、更に、該内側の管を加熱する加熱手段を設け、該内側の管内に浄化剤を噴射することを特徴とする排気ガス浄化システム。
前記内側の管を３０μｍ以上１００μｍ以下の薄箔で形成することを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システム。
内燃機関の排気管に配置する排気ガス浄化装置の上流側に浄化剤を供給する排気ガス浄化方法において、前記排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの温度が低い場合には、浄化剤供給装置の下流側に設けた二重管構造の排気管の、排気ガスの流れ対して波打つ波板形状をした内側の管で、前記排気管内に供給された浄化剤を受けて溜めて、この溜めた浄化剤を加熱手段で加熱してガス化して前記排気ガス浄化装置に供給することを特徴とする排気ガス浄化方法。