JP2018123783A

JP2018123783A - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2018123783A
Application number: JP2017017582A
Authority: JP
Inventors: 川島　一仁; Kazuhito Kawashima; 川島　　一仁; 洋阿野田; Hiroshi Anoda; 亮二加藤; Ryoji Kato; 晶士 ▲高▼橋; Masashi Takahashi; 佐藤　大祐; Daisuke Sato; 大祐佐藤
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2018-08-09
Also published as: EP3358158A1; EP3358158B1

Abstract

【課題】排気ガス中の還元剤の分布をより均一化する。
【解決手段】エンジン８の燃焼室１から引き出された排気通路４と、排気通路４の内壁面よりも内側に設けられ通過する排気ガスによって加熱される昇温部材１０と、昇温部材１０よりも下流側に設けられ還元剤として尿素を排気ガス中に噴射する還元剤インジェクタ２０と、尿素から生成したアンモニアによって排気ガス中の窒素酸化物を浄化する還元触媒１３とを備え、還元剤インジェクタ２０は、還元剤の尿素を昇温部材１０の下流側端部１１に向かって噴射するエンジンの排気ガス浄化装置とした。
【選択図】図１

Description

この発明は、エンジンから排出される排気ガスを浄化するエンジンの排気ガス浄化装置に関する。

一般に、ディーゼルエンジン等における排気ガス浄化装置として、排気ガス中に含まれているディーゼル排気微粒子（ＰＭ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化を目的として、ディーゼル用酸化触媒装置（ＤｉｅｓｅｌＯｘｉｄａｔｉｏｎＣａｔａｌｙｓｔ）や、ディーゼル微粒子捕集フィルタ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒＦｉｌｔｅｒ）等が用いられる。

また、リーン排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化を目的として、窒素酸化物トラップ触媒装置（ＮＯｘＴｒａｐＣａｔａｌｙｓｔ）や、尿素選択触媒還元装置（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）等を用いるシステムが存在する。

尿素選択触媒還元装置は、還元触媒本体の上流側に設けた還元剤インジェクタを通じて、還元剤としての尿素水溶液を排気ガス中に噴射することにより、その尿素が排気ガスの熱によって分解されてアンモニア（ＮＨ_３）となることを利用している。生成されたアンモニアは、還元触媒本体付近で、排気ガス中の窒素酸化物と反応して窒素ガス（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）となる。これにより、排気ガス中の窒素酸化物が浄化される。

例えば、特許文献１では、ディーゼル用酸化触媒装置、ディーゼル微粒子捕集フィルタを排気通路のガス流動方向に沿って順に配置し、ディーゼル微粒子捕集フィルタの下流側に尿素選択触媒還元装置の還元剤インジェクタ、還元触媒本体を順に配置している。

特開２０１２−１２２４６９号公報

一般的に、尿素選択触媒還元装置は、窒素酸化物トラップ触媒装置よりも高温域での窒素酸化物の浄化特性に優れる反面、低温域ではその浄化性能が劣るという傾向がある。このため、近年は、尿素選択触媒還元装置をよりエンジンに近接する位置に配置して、高い反応温度を確保するレイアウトとする場合が多くなっている。

尿素選択触媒還元装置をエンジンの近接位置に配置した場合、エンジンの燃焼室から尿素選択触媒還元装置の還元触媒本体に至る距離が短くなる。このため、噴射された尿素水を、排気ガスが還元触媒本体に流入するまでの間に、排気ガス全体に均一に分布させることが難しい。

仮に、排気ガス中における尿素水の均一化が不充分な場合、供給した尿素水量に対して、充分な浄化性能を発揮できないという問題がある。このため、還元剤インジェクタの下流側に、尿素水を排気ガス中に分散させるためのミキサを配置する場合が多い。

ミキサは、尿素水を排気ガス中に分散させるのにある程度有効である。しかし、刻々と変化する様々な運転状況、温度条件に対して、常に、尿素水を排気ガス中に均一に分布させるには、さらなる改良が求められる。

そこで、この発明の課題は、排気ガス中に噴射した還元剤の分布をより均一化することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、エンジンの燃焼室から引き出された排気通路と、前記排気通路の内壁面よりも内側に設けられ通過する排気ガスによって加熱される昇温部材と、前記昇温部材よりも下流側に設けられ還元剤を排気ガス中に噴射する還元剤インジェクタと、前記還元剤又は前記還元剤から生成した物質によって排気ガス中の窒素酸化物を浄化する還元触媒とを備え、前記還元剤インジェクタは、前記還元剤を前記昇温部材の下流側端部に向かって噴射するエンジンの排気ガス浄化装置を採用した。

ここで、前記還元剤インジェクタの噴射口は、前記昇温部材の下流側端部に対向するよう配置される構成を採用することができる。

また、前記還元剤が尿素である場合に、前記昇温部材の下流側端部に前記尿素からのアンモニアの生成を促進するアンモニア生成促進触媒が担持されている構成を採用することができる。

前記昇温部材は、酸化触媒装置の一部又は微粒子捕集フィルタの一部である構成を採用することができる。あるいは、前記昇温部材は、前記排気通路の内壁面よりも内側に設けられた多孔質部材、板状部材、軸状部材、網状部材、又は、ハニカム構造の部材である構成を採用することができる。

前記還元剤インジェクタは、前記排気通路と前記還元剤インジェクタの噴射口との間に還元剤を拡散させる拡散部を有する穴内に設けられる構成を採用することができる。

また、前記還元剤インジェクタと前記還元触媒との間にミキサを備える構成を採用することができる。

この発明は、還元剤インジェクタによる還元剤の噴射が、還元剤インジェクタよりも上流側に位置する昇温部材の下流側端部に向かって行われるので、還元剤は排気ガスの流れ方向に対向することによって、噴射時の貫徹力が弱められる。また、その噴射された還元剤は、排気ガスによって温度が高められた昇温部材の下流側端部に付着する。これにより、還元剤は、排気通路の内壁面よりも相対的に温度が高い昇温部材によって気化の促進が図られるので、排気ガス中の還元剤の分布をより均一化することができる。

この発明の一実施形態のエンジンの排気ガス浄化装置の模式図である。図１の変形例を示す模式図である。図１のさらなる変形例の要部を示す模式図である。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、この実施形態のエンジンの排気ガス浄化装置の構成を概念的に示す模式図である。

図１に示すように、エンジン８の燃焼室１には、吸気通路３及び排気通路４が接続されている。燃焼室１には、吸気通路３を通じて空気が供給される。また、燃焼室１には、燃料噴射装置２によって燃料が噴射されるようになっている。燃焼室１からの排気ガスは、燃焼室１から引き出された排気通路４を通って送り出され、有害物質を除去する排気浄化部を通過した後に大気へ放出される。

燃焼室１へ通じる吸気通路３には、上流側から下流側に向かって、エアクリーナ、通路断面積を変化させて吸気の流量を制御するスロットルバルブ５、吸入空気量を検出するエアフローセンサ６等が順に設けられている。

燃焼室１から引き出された排気通路４には、上流側から下流側に向かって、機械式過給機のタービン７、上流側の排気浄化部Ａとしてのディーゼル用酸化触媒装置、還元剤を排気ガス中に噴射する還元剤インジェクタ２０、還元剤を排気ガス中に分散させて均一化を図るミキサ３０、還元剤又は還元剤から生成した物質によって排気ガス中の窒素酸化物を浄化する還元触媒１３、消音装置としてのマフラ等が順に備えられている。

還元剤インジェクタ２０とミキサ３０、還元触媒１３等は、下流側の排気浄化部Ｂとしての尿素選択触媒還元装置１４を構成する。

ディーゼル用酸化触媒装置は、前後の排気通路４よりも大きな断面を有する空間をその内部に備え、その空間内には、担体１２としてハニカム構造の部材が収容されている。担体１２は、排気ガスが通過可能な多数のセルの集合を有している。その素材には、例えば、熱膨張率が小さく、耐熱衝撃性に優れた結晶質のセラミックス（コーディエライト組成）が用いられる。担体の表面には、触媒の機能を発揮するための金属が担持されている。これにより、通過する排気ガス中に含まれる一酸化炭素、炭化水素等の有害物質を、水や二酸化炭素等の無害な物質に浄化させることができる。

このように、ディーゼル用酸化触媒装置は、排気通路４の排気管壁の内壁面よりも内側に、通過する排気ガスによって加熱される部材（前記担体１２）を備えており、その加熱される部材は、外壁面が外気に触れる排気通路４の排気管壁よりも相対的に高い温度となり得る。このため、以下、このディーゼル用酸化触媒装置の加熱される部材を、昇温部材１０と称する。

上流側の排気浄化部Ａを構成する昇温部材１０、下流側の排気浄化部Ｂである尿素選択触媒還元装置１４は、いずれも、エンジン８の燃焼室１に近く、比較的高温の排気ガスに晒される機会が多い環境にある近接触媒として配置されている。

還元剤インジェクタ２０は、還元剤を、昇温部材１０の下流側端部１１に向かって、すなわち、上流側へ向かって噴射する。ここでは、還元剤として尿素（ＣＯ（ＮＨ_２）_２）を採用している。

尿素は水溶液の状態で還元剤インジェクタ２０から噴射され、排気ガス中に飛散するとともに、その一部が昇温部材１０に付着する。そして、尿素は、昇温部材１０や排気ガスの高熱によって分解され、アンモニアを生成する。高温である昇温部材１０に尿素が付着することから、その尿素のアンモニアへの分解が促進される。その外面が外気に触れる排気管壁は昇温部材１０よりも温度が低いので、排気管壁に尿素が付着すると尿素の温度が低下し、気化しにくくなる。このため、昇温部材１０の下流側端部１１に向かって尿素が噴射されることが望ましい。

また、ここでは、昇温部材１０の下流側端部１１に、尿素からのアンモニアの生成を促進するアンモニア生成促進触媒１１ａが担持されているので、アンモニアの生成が円滑である。アンモニア生成促進触媒１１ａは、担体１２の下流側の端部の表面に担持させることができる。

還元剤インジェクタ２０は、排気通路４に開口する凹状のオフセット穴２１内に設けられる。このため、還元剤インジェクタ２０の噴射口は、排気通路４の内壁面よりもやや奥まった位置に配置される。このため、噴射口から配管までの間に拡散部を設けることができ、この拡散部により噴射口から昇温部材１０までの噴射距離を長く確保でき、また、還元剤インジェクタ２０を排気ガスの熱から保護することができる。さらに、還元剤インジェクタ２０が排気ガスの流れを阻害しない。

還元剤インジェクタ２０は、排気通路４内の排気ガスの流れ方向に対して対向する方向に、還元剤を噴射する。この実施形態では、還元剤インジェクタ２０は、排気通路４の直管部４ｂ，４ｃを結ぶ屈曲部４ａの外方側に配置されており、還元剤の噴射方向は、排気ガスの流れ方向に対して、１８０度逆向きになる方向となっている。すなわち、ここでは、図１に示すように、還元剤インジェクタ２０の噴射方向の噴射中心線ｐと、排気通路４内の排気ガスの流れ中心線ｑとが、同一直線又は平行となっている。このため、排気ガスの流れによって、噴射された還元剤の貫徹力を弱めることができ、その分散、均一化の促進を図ることができる。

還元触媒１３内やその付近では、還元触媒１３が備える触媒の機能により、尿素から生成したアンモニアと、排気ガスに含まれる窒素酸化物とが反応し、窒素ガスと水が生成される。これにより、排気ガスが大気開放前に浄化される。

ここで、還元剤インジェクタ２０と還元触媒１３との間にはミキサ３０を備えているので、還元剤である尿素の排気ガス中への分散、均一化がさらに促進されている。このためアンモニアの発生、アンモニアと窒素酸化物との反応はさらに良好である。ただし、昇温部材１０付近において、還元剤の排気ガス中への分散、均一化が充分に行われている場合には、図２に示す変形例のように、ミキサ３０を省略することも可能である。

また、例えば、図３の変形例に示すように、還元剤インジェクタ２０の噴射方向の噴射中心線ｐ’が、排気通路４内の排気ガスの流れ中心線ｑ’に対して、角度α（０＜α＜９０度）をもって対向する方向としてもよい。この変形例においても、還元剤は、排気通路４内の排気ガスの流れ方向に対して対向する方向に噴射され、昇温部材１０の下流側端部１１に噴射されている。

排気通路４には、図１に示すように、還元触媒１３の上流側（入口付近）に、アンモニアの流入量の情報を取得するアンモニア検出部ｂを備えている。また、還元触媒１３の下流側（出口付近）に、窒素酸化物の排出量の情報を取得する窒素酸化物検出部ｃ、Ｏ_２センサｄが備えられている。さらに、昇温部材１０の上流側（入口付近）には、排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段ａを備えている。

このエンジン８を搭載する車両は、電子制御ユニット（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）４０を備えている。吸排気バルブや燃料噴射装置、その他エンジン８の動作に必要な機器、車両の各種装備等は、すべて電子制御ユニット４０によって制御される。また、各種センサ類からの情報は、ケーブルを通じて電子制御ユニット４０へ伝達される。

電子制御ユニット４０は、アンモニア検出部ｂによるアンモニアの流入量の情報と、窒素酸化物検出部ｃによる窒素酸化物の排出量の情報に基づいて、燃焼室１に供給される燃料の噴射量及び吸気の量を制御し、あるいは、噴射する還元剤の量や時期を制御するエンジン制御装置４１を備えている。

エンジン制御装置４１は、これらの制御により、運転状態に応じて、還元触媒１３の上流側で生成するアンモニアの量を制御することで、窒素酸化物の排出量を低減することができる。

なお、上記の実施形態では、昇温部材１０における排気ガスで加熱される部材を、排気通路４の内壁面よりも内側に設けられたハニカム構造の担体１２としたが、この担体１２として、ハニカム構造の部材以外に、例えば、多孔質部材、板状部材、軸状部材、網状部材等を配置する場合も考えられる。また、昇温部材１０として、ディーゼル用酸化触媒装置を構成する部材に代えて、例えば、ディーゼル微粒子捕集フィルタを構成するフィルタ部材等の他の形態の排気浄化部を構成する部材としてもよい。あるいは、昇温部材１０として、排気浄化以外の目的、例えば、整流、圧力調整等を目的とする各種形状の部材としてもよい。このとき、部材の形状は、ハニカム構造の部材、多孔質部材、板状部材、軸状部材、網状部材等の場合が考えられる。

また、上記の実施形態では、還元剤として尿素を採用したが、尿素以外の還元剤を採用する場合にも、この発明を適用できる。例えば、還元剤としてアンモニアを採用し、そのアンモニアの水溶液等を噴射してもよい。

さらに、上記の実施形態では、上流側の排気浄化部Ａと下流側の排気浄化部Ｂをいずれも近接触媒としたが、上流側の排気浄化部Ａと下流側の排気浄化部Ｂを、それぞれエンジン８の燃焼室１から遠く、比較的高温の排気ガスに晒される機会が少ない環境にある床下触媒として配置する場合にもこの発明を適用できる。

この実施形態では、ディーゼルエンジンにおける排気ガスの浄化について説明したが、この発明は、ディーゼルエンジン以外にも、排気ガス中への還元剤の噴射によって、その還元剤又はその還元剤から生成した物質によって、排気ガス中の窒素酸化物を浄化する還元触媒本体を備えたエンジン全般に用いることができる。

１燃焼室
２燃料噴射装置
３吸気通路
４排気通路
５スロットルバルブ
６エアフローセンサ
７過給機
８エンジン
１０昇温部材
１１下流側端部
１１ａアンモニア生成促進触媒
１２担体
１３還元触媒
１４尿素選択触媒還元装置
２０還元剤インジェクタ
２１オフセット穴
３０ミキサ
４０電子制御ユニット
４１エンジン制御装置
ａ排気ガス温度検出手段
ｂアンモニア検出部
ｃ窒素酸化物検出部
ｄＯ_２センサ

Claims

エンジンの燃焼室から引き出された排気通路と、
前記排気通路の内壁面よりも内側に設けられ通過する排気ガスによって加熱される昇温部材と、
前記昇温部材よりも下流側に設けられ還元剤を排気ガス中に噴射する還元剤インジェクタと、
前記還元剤又は前記還元剤から生成した物質によって排気ガス中の窒素酸化物を浄化する還元触媒と、
を備え、
前記還元剤インジェクタは、前記還元剤を前記昇温部材の下流側端部に向かって噴射する
エンジンの排気ガス浄化装置。
前記還元剤インジェクタの噴射口は、前記昇温部材の下流側端部に対向するよう配置される
エンジンの排気ガス浄化装置。
前記還元剤は尿素であり、
前記昇温部材の下流側端部に前記尿素からのアンモニアの生成を促進するアンモニア生成促進触媒が担持されている
請求項１又は２に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
前記昇温部材は、酸化触媒装置の一部又は微粒子捕集フィルタの一部である
請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
前記昇温部材は、前記排気通路の内壁面よりも内側に設けられた多孔質部材、板状部材、軸状部材、網状部材、又は、ハニカム構造の部材である
請求項１〜４の何れか１項に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
前記還元剤インジェクタは、前記排気通路と前記還元剤インジェクタの噴射口との間に還元剤を拡散させる拡散部を有する穴内に設けられる
請求項１〜５の何れか１項に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
前記還元剤インジェクタと前記還元触媒との間にミキサを備える
請求項１〜６の何れか１項に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。