JP4698359B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する排気浄化装置に係り、特に、選択還元触媒（ＳＣＲ）を採用した排気浄化装置に関する。
エンジンの排気に含まれるＮＯｘを除去する排気浄化装置として、特許文献１に開示されたようなＳＣＲ式の排気浄化装置が提案されている。
この排気浄化装置は、排気系に還元触媒を配設し、該還元触媒の排気上流にノズルから還元剤を噴射して添加することにより、排気中のＮＯｘと還元剤とを触媒還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。その還元反応は、ＮＯｘと反応性が良好なアンモニアを用いるものであり、このための還元剤としては、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解してアンモニアを容易に発生する尿素水溶液やアンモニア水溶液又はＨＣ系などの液体還元剤が用いられる。
特開２０００−２７６２７号公報
上記のようなＳＣＲ式排気浄化装置においては、還元触媒（ＮＯｘ浄化触媒）と、この還元触媒の排気上流に液体還元剤を噴射するノズルと、を直列配置しており、これに加えて、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するためのフィルタを配置しなければならないとすると、排気系において排気浄化装置の占める長さ方向の寸法が長くなってレイアウトが難しくなる。すなわち、今後の排出ガス規制強化を視野に入れて、ＮＯｘ除去に加えてＰＭ捕集の機能も備えたＳＣＲ式の排気浄化装置を実現しようとした場合、ノズル及び還元触媒に粒子状物質捕集フィルタを加えたレイアウトを工夫して小型化を図る必要がある。
本発明はこの点に着目し、ＳＣＲによるＮＯｘ除去とＰＭ捕集の両機能を加えた排気浄化装置のコンパクト化を目的とするものである。
請求項１に係る排気浄化装置は、仕切壁で内部を区切ることにより、折返部位でのみ連通する二室を形成し、前記二室の一方に排気入口を設けると共に前記二室の他方に排気出口を設けてあり、前記排気入口から前記排気出口へ至る排気経路が前記折返部位で折り返される、角形箱状のケーシングと、液体還元剤を前記折返部位の排気中に噴射するノズルと、前記二室の他方に配置され、前記液体還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、前記二室の一方に配置され、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、を含んで構成され、前記ケーシングを縦置きしたときに、前記二室が上下に並ぶと共に前記折返部位が前記ケーシングの高さ相当の長さをもち、該折返部位の上流寄りに前記ノズルが設置される、ことを特徴とする。
請求項２に係る排気浄化装置は、前記二室の一方に配置され、排気中のＮＯをＮＯ ２ に酸化する酸化触媒をさらに含むことを特徴とする。
請求項３に係る排気浄化装置は、前記フィルタが、排気中のＮＯをＮＯ ２ に酸化する酸化触媒物質を担持していることを特徴とする。
請求項４に係る排気浄化装置は、前記二室の他方において前記還元触媒よりも下流に配置され、排気中のアンモニアを酸化するアンモニア酸化触媒をさらに含むことを特徴とする。
請求項１に係る排気浄化装置によれば、ケーシング内で少なくとも一回折り返した排気経路にノズル、還元触媒、フィルタを配置しているので、その排気経路の折り返しにより、排気系において排気浄化装置の占める長さ方向の寸法を縮めることができる。また、排気経路の折返部位の上流寄りにノズルを配置することにより、これよりも下流側に配置される還元触媒との間の距離を稼ぐことが可能となり、ノズルから排気中へ噴射される液体還元剤が還元触媒へ到達するまでの排気中均一拡散、加水分解に最適な距離、時間を確保することが実現される。
請求項２に係る排気浄化装置によれば、酸化触媒によるＮＯの酸化作用により、還元触媒における還元効率を向上させることができる。
請求項３に係る排気浄化装置によれば、粒子状物質を捕集するためのフィルタにＮＯの酸化触媒の機能を兼備させることができ、部品点数の低減を図ることができる。
請求項４に係る排気浄化装置によれば、アンモニア酸化触媒によるアンモニアの酸化作用により、還元触媒での還元浄化後に排気中に残留し得るアンモニアの排出を防止することができる。
図１から図５に、本発明の実施形態を各種例示している。
各実施形態に係るＳＣＲ式の排気浄化装置は、尿素水溶液等の液体還元剤を貯蔵したタンク１から適量の液体還元剤をノズル２へ供給するための添加装置３と、排気温度やエンジン４のＥＣＵ５から得られるエンジン回転速度等に応じて添加装置３の供給制御を行うＥＣＵ６と、を備えている。また、タンク１内における測定に適した位置、たとえばタンク底面近傍には液体還元剤の濃度センサ７が垂下され、ＥＣＵ６へ測定信号を出力している。
ケーシング１０は、各実施形態とも、角を丸めた（Ｒを付けた）角形の箱で縦置きとされ、エンジン４からの排気管８に連通した排気入口１１から排気が流入し、該排気入口１１と同じ側面に設けられた排気出口１２から排出される。そして、その排気入口１１から排気出口１２へ至る排気経路が一回折り返されるように、ケーシング１０の内部を仕切壁１３が仕切っている。すなわち仕切壁１３は、ケーシング１０の内部を、排気入口１１の側と排気出口１２の側との二室に区切り、当該二室が折返部位１４でのみ連通するように仕切っている。したがって排気は、矢印Ａで示すように、排気入口１１から入って折返部位１４で折り返された後、排気出口１２から排出される。なお、仕切壁１３による折返部位１４は、図示の例の場合１箇所であるが、仕切壁をラビリンス状に設けるなどして折返部位を増やし、排気経路を折り返す回数を多くすることもできる。
このように、排気経路が仕切壁１３により折り返されていることによって、排気系において排気浄化装置の占める長さ方向の寸法Ｌ（図１参照）が従来構造の約半分程度にコンパクト化される。このような効果に加えて、ケーシング１０は、縦置きや横置き等、取付箇所の都合に合わせて設置の向きを自在に決めることができるので、より設計の自由度を上げることができる。
各実施形態の排気浄化装置では、排気中のＮＯをＮＯ２に酸化して還元効率を向上させるための酸化触媒２０が、ケーシング１０内の排気経路における最も上流に配置され、この酸化触媒２０を通った後の排気中にノズル２から液体還元剤を噴射し、該液体還元剤を添加した排気を還元触媒（ＮＯｘ浄化触媒）２１に通してＮＯｘを還元浄化する構成をもつ。そして、還元触媒２１を経た排気中に含まれ得るアンモニアの排出を防止するため、アンモニアを酸化するアンモニア酸化触媒２２が還元触媒２１よりも排気下流に配置される。各実施形態においてはさらに、これらの触媒に加えてＰＭ捕集のためのフィルタ２３が、適当な位置に追加される。
ただし、酸化触媒２０はＮＯｘ除去性能を向上させるための要素であり、アンモニア酸化触媒２２はアンモニアの排出を防止するための要素であるので、ＮＯｘ除去とＰＭ捕集の機能に必須要素という訳ではない。したがって、最低限、ノズル２及び還元触媒２１とフィルタ２３がケーシング１０に分配配置されていれば良い。
これら、触媒２０〜２２とフィルタ２３を配置するバリエーションにつき図１〜図５に示している。図示のケーシング１０は縦置きされており、排気入口１１のある排気上流側が上段、排気出口１２のある排気下流側が下段となっている。なお、図示の例では排気入口１１と排気出口１２とを上下段に離して配置してあるが、車載レイアウトを考慮した場合、排気入口１１と排気出口１２とを近接させて配置することも可能である。たとえば、図示のケーシング１０の下段側に排気入口１１及び排気出口１２の両方を近接させて配置し、該下段側の排気入口１１から上段へ排気を導いて触媒に流入させる構造、あるいは、図示のケーシング１０の上段側に排気入口１１及び排気出口１２の両方を近接させて配置し、上段から触媒を通って下段へ流れた排気を上段側の排気出口１２へ導いて排出する構造とすることが可能である。
図１に示す第１実施形態のケーシング１０では、仕切壁１３による折返部位１４よりも上流側の排気経路１５に、上流から下流へ順に酸化触媒２０とフィルタ２３が直列配置されている。また、仕切壁１３による折返部位１４よりも下流側の排気経路１６には、上流から下流へ順に還元触媒２１とアンモニア酸化触媒２２が直列配置されている。そして、この第１実施形態の場合のノズル２は、折返部位１４の上流寄りに配設されて、還元触媒２１の排気上流に液体還元剤を噴射する。
上段から下段への折返通路となる折返部位１４は、ケーシング１０の略高さ相当の長さをもつので、この折返部位１４の上流寄りにノズル２を設置することで、ノズル２と還元触媒２１との間の距離を稼ぐことができ、ノズル２から排気中へ噴射された液体還元剤の均一な拡散、加水分解に最適な距離、時間を確保することが可能となる。そして、仕切壁１３により排気経路が折り返されているので、排気系において排気浄化装置の占める長さ方向の寸法を従来の半分程度に抑えることができている。
図２に示す第２実施形態のケーシング１０では、折返部位１４よりも上流側の排気経路１５に、上流から下流へ順に酸化触媒２０と還元触媒２１が直列配置されている。また、折返部位１４よりも下流側の排気経路１６には、上流から下流へ順にフィルタ２３とアンモニア酸化触媒２２が直列配置されている。そしてノズル２は、上流側の排気経路１５における酸化触媒２０と還元触媒２１との間に配設されている。
この第２実施形態の場合は、第１実施形態のようにノズル２と還元触媒２１との間の距離を稼ぐことができないが、排気系において排気浄化装置の占める長さ方向の寸法については、第１実施形態同様の効果を得ることができる。
図３に示す第３実施形態のケーシング１０では、折返部位１４よりも上流側の排気経路１５に、上流から下流へ順に酸化触媒２０と還元触媒２１が直列配置され、また、折返部位１４よりも下流側の排気経路１６に、上流から下流へ順にアンモニア酸化触媒２２とフィルタ２３が直列配置されている。そしてノズル２は、上流側の排気経路１５における酸化触媒２０と還元触媒２１との間に配設されている。
この第３実施形態は、アンモニア酸化触媒２２とフィルタ２３の位置関係を第２実施形態と逆にしたもので、第２実施形態と同様の利点をもつ。
図４に示す第４実施形態のケーシング１０は、ＮＯを酸化する酸化触媒の機能を兼ねたフィルタ２４を用いた例である。酸化触媒兼備フィルタ２４は、粒子状物質捕集フィルタの表面に酸化触媒物質を担持させることで形成することができる。この第４実施形態では、酸化触媒兼用フィルタ２４が折返部位１４よりも上流側の排気経路１５に配置され、折返部位１４よりも下流側の排気経路１６には、上流から下流へ順に還元触媒２１とアンモニア酸化触媒２２が直列配置されている。そして、ノズル２は、折返部位１４の上流寄りに配設されて、還元触媒２１の排気上流に液体還元剤を噴射する。
第４実施形態ではノズル２を折返部位１４に設置しているので、第１実施形態同様の利点を得ることができる。加えて、酸化触媒兼用のフィルタ２４を使用することにより、部品点数の低減を図ることができる。
図５に示す第５実施形態のケーシング１０は、アンモニア酸化触媒の機能を持たせたフィルタ２５を用いた例である。アンモニア酸化触媒兼用フィルタ２４は、粒子状物質捕集フィルタの表面にアンモニア酸化触媒物質を担持させることで形成することができる。この第５実施形態では、折返部位１４よりも上流側の排気経路１５に、上流から下流へ順に酸化触媒２０と還元触媒２１が直列配置され、折返部位１４よりも下流側の排気経路１６に、アンモニア酸化触媒兼備フィルタ２５が配置されている。そして、ノズル２は上流側の排気経路１５における酸化触媒２０と還元触媒２１との間に配設されている。
第５実施形態の場合は、第２実施形態と同様の利点に加えて、アンモニア酸化触媒兼用のフィルタ２５を使用することにより、部品点数の低減を図ることができる。
本発明に係る排気浄化装置の第１実施形態を示す概略図。 本発明に係る排気浄化装置の第２実施形態を示す概略図。 本発明に係る排気浄化装置の第３実施形態を示す概略図。 本発明に係る排気浄化装置の第４実施形態を示す概略図。 本発明に係る排気浄化装置の第５実施形態を示す概略図。
符号の説明
１０ ケーシング
１１ 排気入口
１２ 排気出口
１３ 仕切壁
１４ 折返部位
１５ 上流側の排気経路
１６ 下流側の排気経路
２０ 酸化触媒
２１ 還元触媒
２２ アンモニア酸化触媒
２３ 粒子状物質捕集用のフィルタ
２４ 酸化触媒兼用フィルタ
２５ アンモニア酸化触媒兼用フィルタ

Claims (4)

  1. 仕切壁で内部を区切ることにより、折返部位でのみ連通する二室を形成し、前記二室の一方に排気入口を設けると共に前記二室の他方に排気出口を設けてあり、前記排気入口から前記排気出口へ至る排気経路が前記折返部位で折り返される、角形箱状のケーシングと、
    液体還元剤を前記折返部位の排気中に噴射するノズルと、
    前記二室の他方に配置され、前記液体還元剤により窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
    前記二室の一方に配置され、排気中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
    を含んで構成され、
    前記ケーシングを縦置きしたときに、前記二室が上下に並ぶと共に前記折返部位が前記ケーシングの高さ相当の長さをもち、該折返部位の上流寄りに前記ノズルが設置される、
    ことを特徴とする排気浄化装置。
  2. 前記二室の一方に配置され、排気中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
  3. 前記フィルタが、排気中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する酸化触媒物質を担持していることを特徴とする請求項２記載の排気浄化装置。
  4. 前記二室の他方において前記還元触媒よりも下流に配置され、排気中のアンモニアを酸化するアンモニア酸化触媒をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気浄化装置。
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