JP2018035715A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両の内燃機関で生じた排ガスを浄化するための排ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification device for purifying exhaust gas generated in an internal combustion engine of a vehicle.
従来、車両の内燃機関からの排ガスに含まれる窒素酸化物(一般的に「NOx」とも称される)除去のための排ガス浄化装置が種々開発されている。例えば、図1に示すように、内燃機関(図示せず)に接続された排ガス管510と、当該排ガス管510内に尿素水を噴射するための還元剤噴射部530と、還元触媒520と、を有する排ガス浄化装置500が知られている(例えば、特許文献1)。当該排ガス浄化装置500では、還元剤噴射部530から排出された尿素水が排ガスによって暖められて気化し、加水分解する。そして、当該反応によって生じたアンモニアと排ガス中の窒素酸化物とが、還元触媒520存在下で反応し、窒素酸化物が無害化される。
Conventionally, various exhaust gas purification apparatuses for removing nitrogen oxides (generally also referred to as “NOx”) contained in exhaust gas from an internal combustion engine of a vehicle have been developed. For example, as shown in FIG. 1, an
しかしながら、排ガスの温度が低い場合や、排ガス管510の温度が低い場合には、尿素水の温度が十分に高まらず、その一部が、液体状のまま、排ガス管510の内壁に付着し、析出したりする。そこで、排ガス管510の内壁に、尿素水もしくは尿素水が加水分解されて生じたアンモニア水580を溜めるための貯留部を設けることが提案されている(例えば特許文献2および3等)。
However, when the temperature of the exhaust gas is low or the temperature of the
上述の特許文献1のような排ガス浄化装置では、排ガス管に液体状の尿素水が付着すると、当該尿素水は、重力によって排ガス管の下方に集まり、還元触媒や、還元触媒を保護するための保護部材等に染み込む。そして、尿素水が冷却されると、還元触媒や保護部材の内部で結晶化し、還元触媒の細孔を押しつぶしたり、還元触媒の細孔内に詰まったりする。その結果、排ガス浄化装置の圧力損失が増大したり、還元触媒の有効体積が減少して十分に窒素酸化物を除去できなくなる等の不具合が生じる。 In the exhaust gas purifying apparatus as in Patent Document 1 described above, when liquid urea water adheres to the exhaust gas pipe, the urea water gathers under the exhaust gas pipe due to gravity, and protects the reduction catalyst and the reduction catalyst. Infiltrate the protective member. When the urea water is cooled, it crystallizes inside the reduction catalyst or the protection member, crushing the pores of the reduction catalyst or clogging the pores of the reduction catalyst. As a result, problems such as an increase in pressure loss of the exhaust gas purification device or a reduction in the effective volume of the reduction catalyst, making it impossible to remove nitrogen oxides sufficiently.
そこで、液体状の尿素水が還元触媒や保護部材に染み込まないよう、還元触媒の排ガス上流側の一部を、金属板等で覆うことも検討されている。しかしながらこの場合、金属板の背後に位置する還元触媒を十分に機能させることができず、この場合にも、排ガス浄化装置の圧力損失が増大したり、触媒の有効体積が減少する等の課題が生じやすい。 Therefore, it has been studied to cover a part of the exhaust gas upstream side of the reduction catalyst with a metal plate or the like so that the liquid urea water does not penetrate into the reduction catalyst or the protection member. However, in this case, the reduction catalyst located behind the metal plate cannot be sufficiently functioned, and in this case as well, there are problems such as an increase in pressure loss of the exhaust gas purification device and a reduction in the effective volume of the catalyst. Prone to occur.
一方、上述の特許文献2や特許文献3で提案されているように、尿素水やアンモニア水等を除去するための貯留部を設けると、尿素水の還元触媒等への染み込みは抑制される。しかしながら、これらの装置では、貯留部に溜まった尿素水やアンモニア水等を除去する必要がある。そこで、これらの排ガス浄化装置では、貯留部内を加熱するためのヒーターを排ガス管の外部に設けているが、このようなヒーターを設けると、排ガス浄化装置が大型化しやすく、エネルギー消費量が大きくなる、との課題があった。 On the other hand, as proposed in Patent Document 2 and Patent Document 3 described above, if a reservoir for removing urea water, ammonia water, or the like is provided, the penetration of urea water into the reduction catalyst or the like is suppressed. However, in these apparatuses, it is necessary to remove urea water, ammonia water, and the like accumulated in the reservoir. Therefore, in these exhaust gas purification devices, a heater for heating the inside of the storage portion is provided outside the exhaust gas pipe. However, when such a heater is provided, the exhaust gas purification device is likely to be large and energy consumption increases. There was a problem.
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものである。すなわち、還元剤に起因する圧力損失の低下や触媒の性能低下が少なく、さらに省スペース化や省エネルギー化が可能な排ガス浄化装置の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems. That is, an object of the present invention is to provide an exhaust gas purifying apparatus that can reduce the pressure loss and the catalyst performance due to the reducing agent and can save space and energy.
本発明の排ガス浄化装置は、車両の内燃機関で生じた排ガスを浄化するための装置である。当該排ガス浄化装置は、排ガス管と、前記排ガス管の内部に窒素酸化物還元用の還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、前記排ガス管の内部、かつ前記還元剤噴射部より排ガス下流側に配置された還元触媒と、を含み、前記排ガス管は、前記還元剤噴射部と前記還元触媒との間、かつ前記排ガス管の内壁に、前記還元剤噴射部から噴射された前記還元剤の一部を貯留するための凹みを有し、前記凹みの内壁面は、複数の凸部および/または複数の凹部を有する。 The exhaust gas purifying apparatus of the present invention is an apparatus for purifying exhaust gas generated in an internal combustion engine of a vehicle. The exhaust gas purification apparatus includes an exhaust gas pipe, a reducing agent injection unit for injecting a reducing agent for nitrogen oxide reduction into the exhaust gas pipe, an inside of the exhaust gas pipe, and an exhaust gas downstream of the reducing agent injection unit. A reduction catalyst disposed on a side of the exhaust pipe, the exhaust pipe being injected from the reducing agent injection section between the reducing agent injection section and the reduction catalyst and on an inner wall of the exhaust pipe. The inner wall surface of the recess has a plurality of convex portions and / or a plurality of concave portions.
本発明の排ガス浄化装置によれば、還元剤に起因する圧力損失の低下や触媒の性能低下が生じ難い。さらに、当該ガス浄化装置によれば、省スペース化や省エネルギー化が可能である。 According to the exhaust gas purification apparatus of the present invention, it is difficult for pressure loss and catalyst performance to be reduced due to the reducing agent. Furthermore, according to the gas purification apparatus, space saving and energy saving are possible.
(排ガス浄化装置の構成)
以下、図面を参照して、本発明の排ガス浄化装置について詳しく説明する。ただし、本発明の排ガス浄化装置は、当該図面に示す構造に限定されない。
本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置100を、排ガス下流側から観察したときの正面図を図2に示し、図3に、図2に示すA−A線の概略断面図を示し、図4に図2に示すB−B線の概略断面図を示す。また、本明細書では、図2における上下方向が、「重力方向」と一致する。また、図3および図4において、矢印はそれぞれ、排ガスの流動する方向(排ガス流れ方向)を示す。
(Configuration of exhaust gas purification device)
Hereinafter, an exhaust gas purification apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the exhaust gas purification apparatus of the present invention is not limited to the structure shown in the drawing.
FIG. 2 shows a front view of the exhaust
本実施形態の排ガス浄化装置100は、図3および図4に示すように、排ガス管110と、排ガス管110内部に還元剤を噴射するための還元剤噴射部130と、排ガス管110の内部、かつ還元剤噴射部130より排ガス下流側に配置された還元触媒(以下、「SCR」(Selective Catalytic Filter)とも称する)120と、排ガス管110の内部、かつSCR120より排ガス下流側に配置された酸化触媒(以下、「DOC」(Diesel Oxidation Catalyst)とも称する)140と、を含む。
As shown in FIGS. 3 and 4, the exhaust
本実施形態の排ガス浄化装置100は、車両のディーゼルエンジンに直接または間接的に接続されて使用される。また本実施形態の排ガス浄化装置100より排ガス上流または排ガス下流には、ディーゼル微粒子捕集フィルター(以下、「DPF」とも称する)を有するディーゼル微粒子捕集部(以下、「DPD」とも称する)が配置される。以下、排ガス浄化装置100の排ガス上流側にDPDが配置される場合を例に説明するが、本発明は当該実施形態に制限されない。
The exhaust
本実施形態の排ガス管110は、図3に示すように、排ガス浄化装置100の排ガス上流側に配置される部材(例えばDPD)に接続するための排ガス導入部110aと、SCR120およびDOC140を内部に収容する触媒収容部110cと、排ガス浄化装置100の排ガス下流側に配置される部材(例えばマフラー)に接続するための排ガス排出部110eと、を有する。排ガス導入部110a、触媒収容部110c、および排ガス排出部110eは、いずれも略円筒形状であり、触媒収容部110cの径はSCR120やDOC140の径に合わせて設定されている。本実施形態では、触媒収容部110cの径が、排ガス導入部110aや排ガス排出部110eの径より大きく設定されている。そこで、排ガス導入部110aおよび触媒収容部110cの間には、下流側に向かって径が大きくなる拡径部110bが配置されている。また、触媒収容部110cおよび排ガス排出部110eの間には、下流側に向かって径が小さくなる縮径部110dが配置されている。
As shown in FIG. 3, the
ここで、排ガス管110は、還元剤噴射部130とSCR120との間の内壁(本実施形態では、触媒収容部110cの内壁)に、還元剤噴射部130から噴射された還元剤180の一部を貯留するための凹み111を有する。当該凹み111の内壁面は、複数の凸部および/または複数の凹部を有する。これらの凸部および/または凹部は、凹み111の内壁面のみならず、内壁面と表裏の関係で凹み111の外壁面にも形成されていてもよい。すなわち、凹み111の外壁面も、内壁面と同様の凸状の部分または凹状の部分を有していてもよい。なお、本明細書において、「凸部」または「凹部」とは、各種成形加工等によって機械的に形成された凸状の部分または凹状の部分を意味する。
Here, the
凹み111の内壁面が凹部または凸部を有すると、凹み111の内壁面が平坦である場合と比較して表面積が大きくなり、凹み111に貯留される還元剤180と凹み111との接触面積が大きくなる。本実施形態の排ガス浄化装置100では、後述するように、凹み111に貯留された還元剤180を、DPF再生時の熱によって揮発させるが、凹み111の内壁面が凹部または凸部を有すると、DPF再生時の熱が、還元剤180に十分に伝わりやすい。したがって、当該凹み111に貯留された還元剤180を確実に揮発させることが可能となる。
When the inner wall surface of the
ここで、凹み111の形状は、還元剤180を十分に貯留可能であれば特に制限されない。本実施形態では、図2および図3に示すように、円筒状の排ガス管110の外周面から、凹み111に相当する領域の外壁面が突出している。また、図2および図4に示すように、凹み111は、排ガス下流側(もしくは排ガス上流側)から排ガス管110を観察した場合の重力方向を0°としたとき、当該重力方向(0°)を中心として±45°の範囲に帯状に形成されている。
Here, the shape of the
ここで、凹み111の最大深さ(図3中、hで表される長さ)は、排ガス管110の触媒収容部110cの内径(図3中、Dで表される長さ)に対して、10〜25%程度の深さであることが好ましい。凹み111の最大深さが深すぎると、排ガス浄化装置100が大型化しやすくなる。一方、凹み111の最大深さが浅すぎると、凹み111に十分な量の還元剤180を貯留することができず、還元剤180が凹み111から溢れやすくなる。
Here, the maximum depth of the recess 111 (the length represented by h in FIG. 3) is relative to the inner diameter (the length represented by D in FIG. 3) of the
また、凹み111の排ガスの流れ方向の幅(図3中、wで表される長さ)は、排ガス浄化装置100を車両に搭載したときに略水平となる、触媒収容部110cのSCR120より排ガス上流側の領域の幅と略同等であることが好ましい。
Further, the width of the
また、凹み111の内壁面は、必要に応じて親水化処理等、各種処理がなされていてもよい。凹み111の内壁面が親水化処理されていると、還元剤180と凹み111の内壁面との接触面積が増加し、DPF再生時の熱が伝わりやすくなる。
Moreover, the inner wall surface of the
一方、凹み111の内壁面が有する凸部および/または凹部の形状は、凹み111の表面積を十分に増大させることが可能であれば特に制限されない。本実施形態では、図2および図4に示すように、排ガスの流れ方向に平行な、均一な形状の凸条および凹条が交互に凹み111に配置されている。また、本実施形態では、排ガス管110の排ガス流れに直交方向の凹み111の断面が、波板状となるように、凹み111の内壁面だけでなく、外壁面にも凸部および凹部が形成されている。ただし、凸部や凹部の形状は当該実施形態に制限されず、凸部および/または凹部の数も特に制限されない。また、複数の凸部および/または複数の凹部の形状は、全て同一であってもよく、異なっていてもよい。また、凸部および/または凹部は、筋状であってもよく、島状であってもよい。また、凸部または凹部の断面形状も特に制限されず、半円状であってもよく、矩形状であってもよく、三角形状等であってもよい。
On the other hand, the shape of the convex part and / or the concave part of the inner wall surface of the
ここで、排ガス管110は、凹み111と排ガス管110の他の領域との間に継ぎ目を有さないことが好ましい。凹み111と他の領域との間に継ぎ目を有すると、当該箇所が還元剤によって、腐食されやすい。
Here, it is preferable that the
なお、排ガス管110の成形方法は、一般的な排ガス管の成形方法と同様とすることができる。例えば、一体成型によって、所望の箇所に溝を有する円筒状の管を形成する。そして、溝にプレス加工を行い、溝の内壁面(および外壁面)に所望の凸部および/または凹部を形成する。
The method for forming the
一方、排ガス浄化装置100が有する還元剤噴射部130は、SCR120より排ガス上流側に配置されており、排ガス管110内部に還元剤を噴射可能なものであればよい。還元噴射部130は、還元剤を噴射するための噴射ノズルと、還元剤を貯留しておくための貯留部(図示せず)と、これらを接続する配管(図示せず)とを少なくとも有する。噴射ノズルは、通常排ガス管110の上部に配置され、本実施形態では、排ガス管110の排ガス導入部110aの上部に配置されている。ここで、還元剤噴射部130は、必要に応じて、還元剤および圧縮空気を、噴射ノズルから排ガス管110内に噴射するが、還元剤の噴射量や噴射タイミングは、内燃機関の回転速度や燃料噴射量等に応じて制御されている。
On the other hand, the reducing
還元剤噴射部130が噴射する還元剤180の種類は、排ガス中の窒素酸化物と反応して、窒素酸化物を無害化可能な化合物(例えばアンモニア)、もしくはその前駆体であれば特に制限されない。ただし、通常は、加水分解によってアンモニアを生成可能な尿素水を還元剤として使用する。
The type of the reducing
また、SCR120は、排ガス管110の触媒収容部110c内に配置されている。SCR120は、還元剤180等(本実施形態では、アンモニア)を吸着し、SCR120内部で窒素酸化物と還元剤等とを反応させることが可能なものであればよい。SCR120は、例えば多孔質セラミック担体にゼオライト等を担持させた部材とすることができる。
Further, the
一方、DOC140は、排ガス管110の触媒収容部110c内に、SCRより排ガス下流に配置されている。DOC140は、SCR120から下流側に通過(スリップ)したアンモニアを酸化し、無害化することが可能なものであればよく、多孔質セラミック担体に白金やロジウム、酸化セリウム等を担持させた部材とすることができる。
On the other hand, the
ここで、SCR120およびDOC140は、保護部材121、141を介して排ガス管110に固定されている。SCR120やDOC140が保護部材121、141を介して固定されていると、これらが、外部からの衝撃や震動からの影響を受け難くなる。保護部材121、141は、例えばセラミックや金属繊維からなるマット等とすることができる。
Here, the
(作用)
以下、本実施形態の排ガス浄化装置100の作用について、還元剤180が尿素水である場合を例に説明する。本実施形態の排ガス浄化装置100では、排ガスが排ガス管110内を通過する際、還元剤噴射部130から尿素水が噴射される。排ガス管110内に噴射された尿素水は、その多くが排ガス熱によって暖められて気化し、加水分解する。当該反応によって生じたアンモニアガスは、排ガスと共にSCR120側に移動する。そして、SCR120内で排ガス中の窒素酸化物およびアンモニアが反応することにより、窒素酸化物が窒素および水に分解される。続いて、排ガスは、DOC140内に移動する。DOC140内部では、排ガス中に含まれるアンモニア(SCR120からスリップしたアンモニア)が酸化され、無害化される。その後、排ガスは、排ガス浄化装置100の外部に排出され、例えば排ガス浄化装置100に接続されたマフラー(図示せず)等を介して大気中に放出される。
(Function)
Hereinafter, the operation of the exhaust
一方で、本実施形態の排ガス浄化装置100は、前述のように、DPDと接続して用いられる。DPDでは、DPFによって排ガス中のディーゼル微粒子(以下、「PM」とも称する)を捕集すると共に、ユーザからの指示を受けて、DPFに堆積したPMを除去し、DPFを再生する。DPFの再生時には、内燃機関のシリンダ内の燃料噴射制御でポスト噴射したり、排気ガスに未然燃料を供給し、その未然燃料を酸化触媒で酸化する。これにより、一時的に排ガスの温度が上昇し、DPFに堆積したPMが燃焼除去される。
On the other hand, the exhaust
ここで、本実施形態の排ガス浄化装置100では、排ガスの温度が低い場合や、排ガス管110の温度が低い場合、還元剤噴射部130から噴射された尿素水の一部が気化せずに、液体状のまま、排ガス管110に付着する。排ガス管110に付着した液体状の尿素水180は、重力によって排ガス管110の下方に集まり、排ガスと共にSCR120側に移動する。そして、当該尿素水180は、排ガス管110の内壁に配置された凹み111に貯留される。その後、上述のDPF再生が行われると、高温の排ガスが排ガス浄化装置100内にも供給される。これにより、排ガス管110の温度が上昇し、凹み111の温度も上昇する。その結果、凹み111に貯留された尿素水180の温度が上昇し、揮発する。
Here, in the exhaust
(効果)
以上のように、本実施形態の排ガス浄化装置によれば、従来のような、尿素水の結晶化によるSCRの変形や、保持部材の変形が生じない。つまり、本実施形態の排ガス浄化装置によれば、還元剤に起因する圧力損失の低下や触媒の性能低下が生じ難い。また、本実施形態の排ガス浄化装置によれば、排ガス管の外部に別途ヒーターを配置することなく、凹みに貯留された還元剤(尿素水)を除去することが可能である。したがって、排ガス浄化装置を小型化することが可能であり、省エネルギー化も可能である。
(effect)
As described above, according to the exhaust gas purifying apparatus of the present embodiment, the SCR deformation and the holding member deformation due to crystallization of urea water do not occur as in the conventional case. That is, according to the exhaust gas purifying apparatus of the present embodiment, it is difficult for pressure loss and catalyst performance to be reduced due to the reducing agent. Moreover, according to the exhaust gas purification apparatus of this embodiment, it is possible to remove the reducing agent (urea water) stored in the recess without separately providing a heater outside the exhaust gas pipe. Therefore, it is possible to reduce the size of the exhaust gas purification device and save energy.
本発明の排ガス浄化装置によれば、還元剤に起因する圧力損失の低下や触媒の性能低下が生じ難い。さらに、当該排ガス浄化装置によれば、省スペース化や省エネルギー化が可能である。したがって、ディーゼルエンジンを搭載した乗用車や商用車に好適である。 According to the exhaust gas purification apparatus of the present invention, it is difficult for pressure loss and catalyst performance to be reduced due to the reducing agent. Furthermore, according to the exhaust gas purification apparatus, space saving and energy saving are possible. Therefore, it is suitable for passenger cars and commercial vehicles equipped with diesel engines.
100、500 排ガス浄化装置
110、510 排ガス管
111 凹み
120、520 還元触媒(SCR)
121、141 保護部材
130、530 還元剤噴射部
140 酸化触媒(DOC)
180 還元剤
100, 500 Exhaust
121, 141
180 Reducing agent
Claims (4)
排ガス管と、
前記排ガス管の内部に窒素酸化物還元用の還元剤を噴射するための還元剤噴射部と、
前記排ガス管の内部、かつ前記還元剤噴射部より排ガス下流側に配置された還元触媒と、
を含み、
前記排ガス管は、前記還元剤噴射部と前記還元触媒との間、かつ前記排ガス管の内壁に、前記還元剤噴射部から噴射された前記還元剤の一部を貯留するための凹みを有し、
前記凹みの内壁面は、複数の凸部および/または複数の凹部を有する、
排ガス浄化装置。 An exhaust gas purification device for purifying exhaust gas generated in an internal combustion engine of a vehicle,
An exhaust pipe,
A reducing agent injection unit for injecting a reducing agent for nitrogen oxide reduction into the exhaust gas pipe;
A reduction catalyst disposed in the exhaust gas pipe and on the exhaust gas downstream side of the reducing agent injection unit;
Including
The exhaust gas pipe has a recess for storing a part of the reducing agent injected from the reducing agent injection part between the reducing agent injection part and the reduction catalyst and on an inner wall of the exhaust gas pipe. ,
The inner wall surface of the recess has a plurality of convex portions and / or a plurality of concave portions,
Exhaust gas purification device.
請求項1に記載の排ガス浄化装置。 Further comprising an oxidation catalyst disposed inside the exhaust gas pipe and on the exhaust gas downstream side of the reduction catalyst,
The exhaust gas purification apparatus according to claim 1.
請求項1または2に記載の排ガス浄化装置。 The inner wall surface of the dent alternately has ridges and ridges parallel to the flow direction of the exhaust gas in the exhaust pipe,
The exhaust gas purification apparatus according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれか一項に記載の排ガス浄化装置。
The cross section of the dent perpendicular to the exhaust gas flow of the exhaust pipe is corrugated.
The exhaust gas purification apparatus according to any one of claims 1 to 3.
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