JP2021050615A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換の効率をさらに向上させることができる排ガス浄化装置を提供すること。【解決手段】排ガス浄化装置は、触媒を収容する触媒キャニングと、触媒キャニングの下流側に接続された下流側排気管とを備えた排ガス浄化装置であって、下流側排気管は、排ガスが触媒キャニングの外側表面に衝突するように設けられた排ガス流路を含み、触媒は、排ガス流路の下流端の位置に対応して設けられている。【選択図】図１

Description

本開示は、排ガス浄化装置に関する。

従来、内燃機関から排出される排ガスを、触媒キャニング（触媒コンバータともいう）に収容された触媒により浄化する排ガス浄化装置が知られている。

例えば、特許文献１には、触媒キャニングを包み込むように排気管を設けた２重管構造において、触媒キャニング内を通過した排ガスを、触媒キャニングの外周面と排気管の内周面との間に導き、その排ガスと触媒キャニングとの熱交換によって、触媒キャニング内の触媒の保温を行う技術が開示されている。

特開２００３−３２８７３６号公報

特許文献１の排ガス浄化装置には、熱交換の効率の点で改善の余地があった。

本開示の目的は、熱交換の効率をさらに向上させることができる排ガス浄化装置を提供することである。

本開示の一態様に係る排ガス浄化装置は、触媒を収容する触媒キャニングと、前記触媒キャニングの下流側に接続された下流側排気管とを備えた排ガス浄化装置であって、前記下流側排気管は、排ガスが前記触媒キャニングの外側表面に対して衝突するように設けられた排ガス流路を含み、前記触媒は、前記排ガス流路の下流端の位置に対応して設けられている。

本開示によれば、熱交換の効率をさらに向上させることができる。

本開示の実施の形態に係る排ガス浄化装置の第１の構成例を示す断面模式図 本開示の実施の形態に係る排ガス浄化装置の第２の構成例を示す断面模式図 本開示の実施の形態に係る排ガス浄化装置の第３の構成例を示す断面模式図 本開示の変形例３に係る排ガス浄化装置の構成例を示す断面模式図 本開示の変形例４に係る排ガス浄化装置の構成例を示す断面模式図 図１に示した第１の構成例における径方向の断面を示す模式図 図１に示した第１の構成例における排ガス流路の変形例を示す断面模式図

以下、本開示の実施の形態について、図面を用いて説明する。各図において共通する構成要素には同一符号を付し、それらの説明は適宜省略する。

本実施の形態に係る排ガス浄化装置１の第１の構成例について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る排ガス浄化装置１の第１の構成例を示す断面模式図である。なお、図１は、触媒キャニング３および下流側排気管４の軸方向の断面を示している。

排ガス浄化装置１は、車両に搭載され、車両の内燃機関（図示略）から排出された排ガスを浄化する装置である。図１において、点線の矢印は、排ガスの流れを示している。なお、内燃機関は、ディーゼルエンジンであってもよいし、ガソリンエンジンであってもよい。

排ガス浄化装置１は、触媒キャニング３および下流側排気管４を有する。触媒キャニング３および下流側排気管４は、ともに筒状である。

触媒キャニング３の一端には、上流側排気管２が接続されている。図示は省略するが、上流側排気管２は、内燃機関の排気マニホールドに接続されている。

触媒キャニング３の他端には、開口部３ａが設けられている。この開口部３ａを介して、触媒キャニング３と、下流側排気管４とが連結されている。

触媒キャニング３の内部には、ＮＯｘ選択還元型触媒であるＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）５、６、およびＡＳＣ（Ammonia Slip Catalyst）７が設けられている。ＳＣＲ５、６、およびＡＳＣ７は、触媒キャニング３内における排ガスの流れ方向（図中の点線の矢印参照）に沿って、直列に設けられている。

ＳＣＲ５、６は、ＳＣＲ５よりも上流側に設けられた尿素水噴射装置（図示略）から供給される尿素水が加水分解したアンモニアを吸着する。そして、ＳＣＲ５、６は、吸着したアンモニアによって排ガス中のＮＯｘを選択的に還元浄化する。

ＳＣＲ５、６としては、例えば、セラミック製の担持体の表面に、Ｆｅゼオライト、Ｃｕゼオライト又はバナジウム等のＮＯｘ還元触媒を担持したものを用いることができる。

ＡＳＣ７は、ＳＣＲ５、６で消費しきれなかったアンモニアを酸化、分解する。

なお、ＳＣＲ５、６およびＡＳＣは、それぞれ、それらの外周面を被覆するマットを介して触媒キャニング３内に設けられてもよい。

下流側排気管４の一端は、触媒キャニング３の開口部３ａに接続されている。下流側排気管４の他端には、開口部４ａが設けられている。

図１に示す下流側排気管４は、排ガスが触媒キャニング３の外周面（外側表面の一例）に衝突するように設けられた排ガス流路４１を含む。例えば、排ガス流路４１は、排ガスが触媒キャニング３の外周面に対して垂直に衝突するように設けられてもよい。

排ガス流路４１は、ＳＣＲ６の位置に対応して設けられている。換言すれば、ＳＣＲ６は、排ガス流路４１の下流端の位置に対応して設けられている。

すなわち、排ガス流路４１は、ＳＣＲ６の位置に対応する触媒キャニング３の外周面に排ガスが衝突するように設けられている。

なお、図１に示す下流側排気管４は、排ガス流路４１を含んでいればよく、下流側排気管４全体の形状や長さは、図１に示すものに限定されない。

また、触媒キャニング３および下流側排気管４の径方向の断面において、排ガス流路４１は、触媒キャニング３の外周面に対して傾いて設けられることが好ましい。この例について、図６を用いて説明する。図６は、図１の矢印Ａの方向から見た、触媒キャニング３および下流側排気管４の径方向の断面を示す模式図である。図６に示すように、排ガス流路４１は、触媒キャニング３の外周面に対して傾いて設けられている。これにより、排ガス流路４１を出た排ガスは、触媒キャニング３の外周面に沿った旋回流となる（図６中の点線の各矢印参照）。よって、開口部４ａに向かう排ガスの流れを向上させることができる。なお、ここでの説明は、後述する排ガス流路４２（図２〜図４参照）にも適用できる。

また、本実施の形態では、図１に示したように、触媒キャニング３および下流側排気管４の軸方向の断面において、排ガス流路４１が触媒キャニング３の外周面に対して垂直に設けられる場合を例に挙げたが、これに限定されない。例えば、図７に示すように、軸方向の断面において、排ガス流路４１は、触媒キャニング３の外周面に対して傾いて設けられてもよい。これにより、排ガス流路４１を出て開口部４ａに向かう排ガスの流れを向上させることができる。なお、ここでの説明は、後述する排ガス流路４２（図２〜図４参照）にも適用できる。

このような構成を備えた図１の排ガス浄化装置１における排ガスの流れについて説明する。上述したとおり、図１に示す点線の矢印は、排ガスの流れを示している。

内燃機関から排出された排ガスは、上流側排気管２から触媒キャニング３へ流入し、ＳＣＲ５、６、ＡＳＣ７を通過する。そして、排ガスは、触媒キャニング３の開口部３ａから排気管４へ流入し、排ガス流路４１を流れ、触媒キャニング３の外周面（ＳＣＲ６の位置に対応する外周面）に衝突する。その後、触媒キャニング３の外周面に沿って流れ、下流側排気管４の開口部４ａから排ガス浄化装置１の外部へ排出される。

このように、図１に示す排ガス浄化装置１では、下流側排気管４において排ガスが触媒キャニング３の外周面に衝突してから触媒キャニング３の外周面に沿って流れる間、排ガスと触媒キャニング３の外周面との間で熱交換が行われる。特に、排ガス流路４１を流れる排ガスが、触媒キャニング３の外周面のうちＳＣＲ６の位置に対応する面に衝突することにより、その面が効果的に加温されるため、熱交換の効率をより向上させることができる。また、ＳＣＲ６（特に、温度が低下しやすいＳＣＲ６の外周部分）を効率的に保温することができる。

以上、本実施の形態の排ガス浄化装置１の第１の構成例について説明した。

次に、本実施の形態の排ガス浄化装置１の第２の構成例について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係る排ガス浄化装置１の第２の構成例を示す断面模式図である。

図２に示す排ガス浄化装置１は、図１に示した排ガス浄化装置１と比べて、下流側排気管４が排ガス流路４２を含む点が異なる。

排ガス流路４２は、上述した排ガス流路４１と同様に、排ガスが触媒キャニング３の外周面に対して垂直（略垂直でもよい）に衝突するように設けられている。

排ガス流路４２は、ＳＣＲ５の位置に対応して設けられている。換言すれば、ＳＣＲ５は、排ガス流路４２の下流端の位置に対応して設けられている。

すなわち、排ガス流路４２は、ＳＣＲ５の位置に対応する触媒キャニング３の外周面に対して排ガスが垂直に衝突するように設けられている。

なお、図２に示す下流側排気管４は、排ガス流路４２を含んでいればよく、下流側排気管４全体の形状や長さは、図２に示すものに限定されない。

このような構成を備えた図２の排ガス浄化装置１における排ガスの流れについて説明する。図２に示す点線の矢印は、排ガスの流れを示している。

内燃機関から排出された排ガスは、上流側排気管２から触媒キャニング３へ流入し、ＳＣＲ５、６、ＡＳＣ７を通過する。そして、排ガスは、触媒キャニング３の開口部３ａから排気管４へ流入し、排ガス流路４２を流れ、触媒キャニング３の外周面（ＳＣＲ５の位置に対応する外周面）に衝突する。その後、触媒キャニング３の外周面に沿って流れ、下流側排気管４の開口部４ａから排ガス浄化装置１の外部へ排出される。

このように、図２に示す排ガス浄化装置１では、下流側排気管４において排ガスが触媒キャニング３の外周面に衝突してから触媒キャニング３の外周面に沿って流れる間、排ガスと触媒キャニング３の外周面との間で熱交換が行われる。特に、排ガス流路４２を流れる排ガスが、触媒キャニング３の外周面のうちＳＣＲ５の位置に対応する面に衝突することにより、その面が効果的に加温されるため、熱交換の効率をより向上させることができる。また、ＳＣＲ５（特に、温度が低下しやすいＳＣＲ５の外周部分）を効率的に保温することができる。

以上、本実施の形態の排ガス浄化装置１の第２の構成例について説明した。

次に、本実施の形態の排ガス浄化装置１の第３の構成例について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る排ガス浄化装置１の第３の構成例を示す断面模式図である。

図３に示す排ガス浄化装置１は、図１、図２に示した排ガス浄化装置１と比べて、下流側排気管４が排ガス流路４１および排ガス流路４２を含む点が異なる。また、下流側排気管４において、排ガス流路４２を流れる排ガスが排出される開口部４ａとは別に、排ガス流路４１を流れる排ガスが排出される開口部４ｂが設けられている点も異なる。

なお、図３に示す排ガス流路４１、４２については、図１、図２を用いて説明した排ガス流路４１、４２と同じであるので、ここでの説明は省略する。

このような構成を備えた図３の排ガス浄化装置１における排ガスの流れについて説明する。図３に示す点線の矢印は、排ガスの流れを示している。

内燃機関から排出された排ガスは、上流側排気管２から触媒キャニング３へ流入し、ＳＣＲ５、６、ＡＳＣ７を通過する。そして、排ガスは、触媒キャニング３の開口部３ａから排気管４へ流入する。排気管４へ流入した排ガスのうち、一部は、排ガス流路４１へ流入し、残りは、排ガス流路４２へ流入する。排ガス流路４１を流れる排ガスは、触媒キャニング３の外周面（ＳＣＲ６の位置に対応する外周面）に衝突した後、触媒キャニング３の外周面に沿って流れ、下流側排気管４の開口部４ｂから排ガス浄化装置１の外部へ排出される。一方、排ガス流路４２を流れる排ガスは、触媒キャニング３の外周面（ＳＣＲ５の位置に対応する外周面）に衝突した後、触媒キャニング３の外周面に沿って流れ、下流側排気管４の開口部４ａから排ガス浄化装置１の外部へ排出される。

このように、図３に示す排ガス浄化装置１では、下流側排気管４において排ガスが触媒キャニング３の外周面に衝突してから触媒キャニング３の外周面に沿って流れる間、排ガスと触媒キャニング３の外周面との間で熱交換が行われる。特に、排ガス流路４１を流れる排ガスが、触媒キャニング３の外周面のうちＳＣＲ６の位置に対応する面に衝突し、かつ、排ガス流路４２を流れる排ガスが、触媒キャニング３の外周面のうちＳＣＲ５の位置に対応する面に衝突することにより、それらの面が効果的に加温されるため、熱交換の効率をより向上させることができる。また、ＳＣＲ５、６（特に、温度が低下しやすいＳＣＲ５、６それぞれの外周部分）を効率的に保温することができる。

以上、本実施の形態の排ガス浄化装置１の第３の構成例について説明した。

本開示は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。以下、変形例について説明する。

［変形例１］
図１、図２に示した排ガス浄化装置１は、下流側排気管４の下流端（例えば、開口部４ａ）から排出される排ガスを集約して車両の外部へ導く排気管を備えてもよい。これにより、下流側排気管４を通過した排ガスを確実に車両外へ排出させることができる。

図３に示した排ガス浄化装置１は、下流側排気管４の下流端（例えば、開口部４ａおよび開口部４ｂ）から排出される排ガスを集約して車両の外部へ導く排気管を備えてもよい。これにより、下流側排気管４を通過した排ガスを確実に車両外へ排出させることができる。

［変形例２］
実施の形態では、触媒キャニング３にＳＣＲ５、６およびＡＳＣ７が収容される場合を例に挙げて説明したが、収容される触媒等の数および種類は、それらに限定されない。

例えば、触媒キャニング３には、ＳＣＲ５、６のうちいずれか１つが収容されてもよい。その場合、上述した第１の構成例または第２の構成例のいずれかが採用される。

また、例えば、触媒キャニング３に収容される触媒等は、酸化触媒、微粒子捕集フィルタ、または、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（Lean NOx Trap：ＬＮＴ）等であってもよい。酸化触媒としては、例えば、排ガス中の一酸化炭素や炭化水素を酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）が挙げられる。微粒子捕集フィルタとしては、例えば、排ガス中の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）が挙げられる。

［変形例３］
上述した第３の構成例において、排ガスが排ガス流路４１、４２のいずれか一方を流れるように切り替え可能な手段を備えてもよい。

この具体例について、図４を用いて以下に説明する。図４は、本変形例に係る排ガス浄化装置１の構成例を示す断面模式図である。

図４に示す排ガス浄化装置１は、図３に示した排ガス浄化装置１と比べて、開閉バルブ８、９を備える点が異なる。

下流側排気管４内には、排ガス流路４１、４２それぞれの上流側に、開閉バルブ８、９が設けられている。開閉バルブ８、９は、図示しない制御装置（例えば、ＥＣＵ：Electronic Control Unit）と電気的に接続されており、その制御装置によって開状態または閉状態に制御される。開閉バルブ８、９は、それぞれ、「第１開閉バルブ」の一例に相当する。

なお、開閉バルブ８、９は、それぞれ、排ガス流路４１、４２の下流端よりも上流側に設けられればよく、図４に示す位置に限定されない。

まず、制御装置は、ＳＣＲ５、６それぞれの温度を推定する。ＳＣＲ５、６の温度の推定方法は、公知の技術を適用できるため、ここでの説明は省略する。また、以下では、推定されたＳＣＲ５の温度を「ＳＣＲ５推定温度」といい、推定されたＳＣＲ６の温度を「ＳＣＲ６推定温度」という。

次に、制御装置は、ＳＣＲ５推定温度が予め定められた温度（例えば、ＳＣＲ５の活性温度域の下限値）未満であるか否かを判定する。また、制御装置は、ＳＣＲ６推定温度が予め定められた温度（例えば、ＳＣＲ６の活性温度域の下限値）未満であるか否かを判定する。

例えば、ＳＣＲ５推定温度が予め定められた温度未満であり、ＳＣＲ６推定温度が予め定められた温度以上である場合、制御装置は、開閉バルブ８を閉状態に制御するとともに、開閉バルブ９を開状態に制御する。これにより、開口部３ａから下流側排気管４へ流入した排ガスは、排ガス流路４１へ流入せずに、排ガス流路４２へ流入する。よって、排ガスを、触媒キャニング３の外周面のうちＳＣＲ５の位置に対応する面に衝突させることができる。

一方、例えば、ＳＣＲ５推定温度が予め定められた温度以上であり、ＳＣＲ６推定温度が予め定められた温度未満である場合、制御装置は、開閉バルブ８を開状態に制御するとともに、開閉バルブ９を閉状態に制御する。これにより、開口部３ａから下流側排気管４へ流入した排ガスは、排ガス流路４２へ流入せずに、排ガス流路４１へ流入する。よって、排ガスを、触媒キャニング３の外周面のうちＳＣＲ６の位置に対応する面に衝突させることができる。

なお、ＳＣＲ５推定温度およびＳＣＲ６推定温度がともに予め定められた温度未満である場合、制御装置は、開閉バルブ８、９をともに開状態に制御する。これにより、図３を用いて説明した上記第３の構成例と同様の排ガスの流れとなる。

このように、本変形例では、ＳＣＲ５、６それぞれの推定温度に応じて、排ガスが排ガス流路４１、４２のいずれか一方を流れるように制御することができる。よって、より効率的な熱交換を実現できる。また、ＳＣＲ５、６の過度の温度の上昇を抑制することができる。

［変形例４］
上述した第１〜第３の構成例では、触媒キャニング３の開口部３ａから下流側排気管４へ流入した排ガスが、常に、排ガス流路４１、４２のうち少なくとも一方を流れる構成としたが、これに限定されない。

例えば、ＳＣＲ５、６を保温する必要がない場合には、開口部３ａから下流側排気管４へ流入した排ガスを、排ガス流路４１、４２のいずれにも流さずに、車両の外部へ排出させる構成としてもよい。

この具体例について、図５を用いて以下に説明する。図５は、本変形例に係る排ガス浄化装置１の構成例を示す断面模式図である。ここでは、第１の構成例の変形例について説明する。

図５に示す排ガス浄化装置１は、図１に示した排ガス浄化装置１と比べて、排気管１０、開閉バルブ１１、１２を備える点が異なる。開閉バルブ１２は、「第２開閉バルブ」の一例に相当する。

排気管１０の一端は、開口部３ａと接続されている。図示は省略するが、排気管１０の他端は、排ガスを車両の外部へ排出可能な位置に設けられている。また、下流側排気管４内に位置する排気管１０の外周面の一部には、下流側排気管４の内部と連通する開口部（図示略）が形成されている。そして、その開口部には、開閉バルブ１２が設けられている。換言すれば、開閉バルブ１２は、下流側排気管４の上流端に設けられている。

また、排気管１０内には、開閉バルブ１１が設けられている。開閉バルブ１１、１２は、図示しない制御装置（例えば、ＥＣＵ：Electronic Control Unit）と電気的に接続されており、その制御装置によって開状態または閉状態に制御される。

まず、制御装置は、ＳＣＲ５、６それぞれの温度を推定する。ＳＣＲ５、６の温度の推定方法は、公知の技術を適用できるため、ここでの説明は省略する。

次に、制御装置は、推定された各温度が予め定められた温度（例えば、ＳＣＲ５、６それぞれの活性温度域の下限値）未満であるか否かを判定する。

推定された各温度が予め定められた温度未満である場合、制御装置は、開閉バルブ１１を閉状態に制御するとともに、開閉バルブ１２を開状態に制御する。これにより、開口部３ａから流出した排ガスは、排気管１０の開口部から下流側排気管４へ流入する。そして、排ガスは、排ガス流路４１を通過し、開口部４ａから排出される。

一方、推定された各温度が予め定められた温度以上である場合、制御装置は、開閉バルブ１１を開状態に制御するとともに、開閉バルブ１２を閉状態に制御する。これにより、開口部３ａから流出した排ガスは、下流側排気管４へ流入せずに、排気管１０から車両の外部へ排出される。よって、この場合、開口部３ａから流出した排ガスは、排ガス流路４１を通過しない。

よって、排気管１０は、開閉バルブ１２が閉状態に制御された場合に、開口部３ａから流出した排ガスを車両の外部へ導く排気管である、と言える。

このように、本変形例では、ＳＣＲ５、６を保温する必要がない場合、排ガスが表面積拡大部９を通過しないように制御することができる。よって、ＳＣＲ５、６の過度の温度の上昇を抑制することができる。

なお、上記説明では、開閉バルブ１１が開状態に制御され、かつ、開閉バルブ１２が閉状態に制御される条件が、推定されたＳＣＲ５、６の温度が予め定められた温度以上である場合を例に挙げたが、これに限定されない。例えば、上記条件は、ＤＰＦが再生中である場合、温度低下を避けるため車両が減速する時間が予め定められた時間以上である場合、または、内燃機関が高負荷である場合のいずれかであってもよい。

［変形例５］
上述した第１〜第３の構成例における下流側排気管４は、内管としての触媒キャニング３を包み込むように設けられ、その触媒キャニング３と二重管構造を構成する排気管（外管）の一部であってもよい。

以上、各変形例について説明した。各変形例は適宜組み合わせてもよい。

本開示の排ガス浄化装置は、内燃機関からの排ガスを触媒等により浄化する技術全般に有用である。

１ 排ガス浄化装置
２ 上流側排気管
３ 触媒キャニング
３ａ 開口部
４ 下流側排気管
４ａ、４ｂ 開口部
５、６ ＳＣＲ
７ ＡＳＣ
８、９、１１、１２ 開閉バルブ
１０ 排気管
４１、４２ 排ガス流路

Claims (6)

1. 触媒を収容する触媒キャニングと、前記触媒キャニングの下流側に接続された下流側排気管とを備えた排ガス浄化装置であって、
   前記下流側排気管は、
   排ガスが前記触媒キャニングの外側表面に対して衝突するように設けられた排ガス流路を含み、
   前記触媒は、
   前記排ガス流路の下流端の位置に対応して設けられている、
   排ガス浄化装置。
2. 前記触媒は、
   前記排ガスの流れ方向に沿って直列に複数設けられており、
   前記排ガス流路は、
   前記触媒のそれぞれの位置に対応する前記触媒キャニングの外側表面に対して、排ガスが垂直に衝突するように複数設けられている、
   請求項１に記載の排ガス浄化装置。
3. 前記下流側排気管には、前記排ガス流路のそれぞれに第１開閉バルブが設けられ、
   前記第１開閉バルブは、それぞれ、
   予め定められた温度未満である前記触媒の位置に対応して設けられた前記排ガス流路には排ガスが流れるように、かつ、予め定められた温度以上である前記触媒の位置に対応して設けられた前記排ガス流路には排ガスが流れないように、開閉状態が制御される、
   請求項２に記載の排ガス浄化装置。
4. 前記下流側排気管の上流端に、第２開閉バルブが設けられ、
   前記第２開閉バルブは、
   前記触媒の温度が予め定められた温度以上である場合に、前記触媒キャニングから流出した排ガスが前記下流側排気管に流入しないように、閉状態に制御される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
5. 前記第２開閉バルブが閉状態に制御された場合に、前記触媒キャニングから流出した排ガスを、前記排ガス浄化装置が搭載された車両の外部へ導く排気管をさらに備える、
   請求項４に記載の排ガス浄化装置。
6. 前記下流側排気管の下流端に接続され、前記下流側排気管から排出される排ガスを集約して前記排ガス浄化装置が搭載された車両の外部へ導く排気管をさらに備える、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。

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