JP5180656B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明はエンジンの排気浄化装置に係り、詳しくはエンジンの排気通路に選択還元型ＮＯx触媒を設けて上流側の噴射ノズルから尿素水を噴射し、排ガスの熱により尿素水から生成されたアンモニアを排ガスと共にＮＯx触媒上に供給して排ガス中のＮＯxを選択還元する排気浄化装置に関するものである。

例えばディーゼルエンジン等のようにリーン空燃比下で燃焼を行う内燃機関では排ガス中に含まれるＮＯxの浄化が要求され、この要求に対して、尿素水から生成したアンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯxを選択還元する選択還元型ＮＯx触媒を備えた排気浄化装置が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
当該特許文献１の排気浄化装置は、エンジンの排気通路に後処理装置として選択還元型ＮＯx触媒及び後段酸化触媒を設け、このＮＯx触媒の上流側に噴射ノズルを配設し、噴射ノズルから尿素水を噴射して排ガスの熱によりアンモニアを生成し、生成したアンモニアを排ガスと共にＮＯx触媒上に供給してＮＯxを選択還元している。尿素水をＮＯxの選択還元に有効に利用するには、噴射ノズル周辺が尿素水からアンモニアを生成可能な温度以上で、且つＮＯx触媒がＮＯxを選択還元可能な活性温度以上である必要があり、これらの要件が満たされないときには、尿素水が無駄に消費されるため噴射を中止することが望ましい。

特許文献１の排気浄化装置では、排気通路の上流側から下流側に直線的に排ガスが移送されるため、噴射ノズルとＮＯx触媒との中間地点の温度がノズル温度及び触媒温度の何れにもほぼ相関し、この位置に配設した温度センサの検出温度に基づき噴射ノズルからの尿素水の噴射を制御している。
一方、車体フレームの下側に燃料タンクやスペアタイヤ等の装備を設置したトラックやバス等では、上記特許文献１のように排気浄化装置を構成する各後処理装置を一列に配設できない場合が多い。そこで、排気浄化装置のケース長を短縮化して車載性を向上すべく、単一のケーシング内に後処理装置を２段に収容して、排ガスをＵターンさせながら各後処理装置を流通させるようにしたものが提案されている。

図４はこの従来技術の排気浄化装置を示す断面図である。なお、図１〜３に示す本発明の実施形態の排気浄化装置は、この従来技術の構成をベースとして温度センサの設置位置を変更したものであり、図１の構成は従来技術の排気浄化装置と共通する。従って、図１，４に従って従来技術の排気浄化装置の構成を説明する。
排気浄化装置のケーシング２内の上段にはＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１０が収容され、下段には選択還元型ＮＯx触媒１１が収容され、ＤＰＦ１０の下流端とＮＯx触媒１１の上流端とは折返室７を介して接続されている。折返室７内のＤＰＦ１０の開口部には環状の撹拌リング１３が接続され、折返室７内は撹拌リング１３の内周側と外周側とに区画されると共に、撹拌リング１３の右側半周に形成された多数の流通孔１３ａを介して撹拌リング１３の内外が連通している。撹拌リング１３の左側にはノズル孔１３ｂが貫設され、ケーシング２外より折返室７を経てノズル孔１３ｂには尿素水を噴射する噴射ノズル１４の先端が挿入され、撹拌リング１３内に尿素水を噴射するようになっている。撹拌リング１３のノズル孔１３ｂの下側にはセンサ孔１３ｃが貫設され、ケーシング２外より折返室７を経てセンサ孔１３ｃには温度センサ１０１の先端が挿入され、撹拌リング１３内の排ガスの温度を検出するようになっている。

エンジンからの排ガスはＤＰＦ１０を流通後に撹拌リング１３内で噴射ノズル１４から尿素水を噴射され、尿素水と混合しながら撹拌リング１３の各流通孔１３ａを経て折返室７内を下方に移送され、ＮＯx触媒１１を流通する際に、排ガスの熱により尿素水から生成されたアンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯxが選択還元される。
そして、この排気浄化装置においても、噴射ノズル１４からの尿素水の噴射が温度センサ１０１の検出温度に基づき制御される。温度センサ１０１の設置位置は、上記特許文献１のものと同様の観点から決定されたものであり、撹拌リング１３内であれば、ノズル温度のみならず触媒温度とも相関する温度を検出可能であることを鑑みて、上記のように撹拌リング１３内の噴射ノズル１４の近接位置に温度センサ１０１が配置されている。
特開２００６−２４２０９４号公報

ところが、図４に示す従来技術の排気浄化装置では、排ガスの移送経路が特許文献１のものと相違することに起因して、以下に述べる不具合が発生した。
何れの排気浄化装置でも、ノズル温度及び触媒温度と相関する温度が検出されるように温度センサの設置位置を決定しているが、この要件とは別に、低温の尿素水が温度センサに付着したときの検出誤差の発生を防止するために、尿素水が付着し難い位置に温度センサを設置する必要がある。特許文献１の排気浄化装置では、噴射ノズルの下流側に温度センサが位置するものの、噴射ノズルから噴射された尿素水は排ガスと共に上流側から下流側に略直線的に移送されることから、その移送経路を推測して尿素水が付着し難い位置に温度センサを設置することは可能であり、上記不具合は比較的容易に回避できる。

しかしながら、図４に示す排気浄化装置では、撹拌リング１３内で排ガスが撹拌されて尿素水と混合するため、各流通孔１３ａを経て撹拌リング１３外に排出されるまでの尿素水の移送経路を推測することは不可能である。従って、撹拌リング１３内の何れの位置に温度センサ１０１を設置したとしても、温度センサ１０１への尿素水の付着を防止できず、必然的に尿素水の付着による誤差を生じた検出温度に基づき、尿素水の噴射が不適切に実行されてしまうという問題があった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、温度センサへの尿素水の付着を回避した上で、ノズル温度及び触媒温度と相関する正確な温度を検出し、この検出温度に基づいて尿素水の噴射を適切に制御することができるエンジンの排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、ケーシング内に収容されて排ガス流通方向の上流端がエンジン側と接続された第１の後処理装置と、ケーシング内に第１の後処理装置と並列して収容されて少なくとも選択還元型ＮＯx触媒を含み、下流端が排気下流側と接続された第２の後処理装置と、ケーシングの一側で第１の後処理装置の下流端と第２の後処理装置の上流端とを接続する折返室と、折返室内において第１の後処理装置の下流端から連続する環状をなして折返室の内外を区画し、周方向の一側に排ガスを流通させる流通孔が貫設されると共に、周方向の他側にノズル孔が貫設された撹拌リングと、ケーシング外より折返室内を経て撹拌リングのノズル孔内に間隙を形成した状態で挿入されて、撹拌リング内に周方向におけるノズル孔側を除く所定の角度領域で尿素水を噴射する噴射ノズルと、折返室内の撹拌リング外において噴射ノズルの近接位置で且つ噴射ノズルの噴射角度領域を外れた位置に配設されて、配設位置の排ガス温度を検出する温度センサとを備えたものである。

従って、第１の後処理装置を流通した排ガスは撹拌リング内で噴射ノズルから噴射された尿素水と混合しながら、各流通孔を経て折返室内を第２の後処理装置のＮＯx触媒へと移送される。この排ガス温度は、噴射ノズルの温度とも相関し、ＮＯx触媒の温度とも相関するものであるが、排ガスの一部は、噴射ノズルとノズル孔との間隙を経て撹拌リング外に漏曵するため、撹拌リング外の噴射ノズルの近接位置に配設された温度センサは漏曵した排ガスに晒されて、ノズル温度及び触媒温度と相関する温度を検出する。そして、このような排ガスの漏曵に比して液体である尿素水の撹拌リング外への漏曵は少ないため、漏曵した尿素水が温度センサに付着したときの検出温度の誤差が未然に防止される。
しかも、撹拌リングの周方向においてノズル孔側を除くように噴射ノズルの噴射角度領域が設定されているため、撹拌リングの流通孔側の内周面に尿素水が液滴のまま衝突することはあっても、撹拌リングのノズル孔周辺の内周面には排ガスに混合した少量の尿素水しか到達しない。また、温度センサは噴射ノズルの噴射角度領域を外れた位置に配設されることで必然的にノズル孔と近接し、噴射ノズルとノズル孔との間隙を経て撹拌リング外に漏曵する排ガスに確実に晒される。よって、ノズル温度及び触媒温度と正確に相関する温度を温度センサにより検出可能となる。

請求項２の発明は、請求項１において、撹拌リングが、温度センサと対応する位置にセンサ孔が貫設されたものである。
従って、センサ孔は温度センサに対して正面で近接するため、センサ孔を経て撹拌リング外に漏曵した排ガスに温度センサが確実に晒されて一層適切な温度を検出し、一方、たとえセンサ孔を経て撹拌リング外に多少の尿素水が漏曵したとしても、温度センサが噴射ノズルの噴射角度領域を外れているため、温度センサへの尿素水の付着が抑制される。

以上説明したように請求項１の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、温度センサへの尿素水の付着を回避した上で、ノズル温度及び触媒温度と相関する正確な温度を検出し、この検出温度に基づいて尿素水の噴射を適切に制御することができる。

請求項２の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１に加えて、温度センサにより一層適切な温度を検出できると共に、温度センサへの尿素水の付着をより確実に抑制することができる。

以下、本発明を具体化したエンジンの排気浄化装置の一実施形態を説明する。
図１本実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す断面図、図２は同じく排気浄化装置を示す図１のII−II線断面図、図３は噴射ノズルからの尿素水の噴射状況を示す図１のIII−III線断面図である。
本実施形態の排気浄化装置はトラックに搭載されており、図示しない燃料タンクやスペアタイヤ等の車載装備と共に車体フレームに設置されている。

排気浄化装置１のケーシング２は四角箱状をなし、内部には断面円筒状をなして左右方向に延びる上段排気通路３及び下段排気通路４が上下に並設されている。上段排気通路３の左端は導入管５及び導入室６を介して図示しないエンジン側と接続され、上段排気通路３の右端（下流端）はケーシング２内に設けられた折返室７を介して下段排気通路４の右端（上流端）と接続され、下段排気通路４の左端は排出管８を介して図示しない排気下流側と接続されている。上段排気通路３内の左側には前段酸化触媒９が収容され、右側にはパティキュレート捕集用のＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１０が収容されている。また、下段排気通路４内の右側には選択還元型ＮＯx触媒１１が収容され、左側には後段酸化触媒１２が収容されている。

図２に示すように、折返室７内において、上段排気通路３の開口部には同一径の環状をなす撹拌リング１３が接続され、折返室７内は撹拌リング１３の内周側と外周側とに区画されると共に、撹拌リング１３の右側半周（一側）に形成された多数の流通孔１３ａを介して撹拌リング１３の内外が連通している。撹拌リング１３の左側（他側）にはノズル孔１３ｂが貫設され、ケーシング２外より折返室７を経てノズル孔１３ｂには尿素水を噴射する噴射ノズル１４の先端が挿入されている。噴射ノズル１４はノズル孔１３ｂの内周に対し若干の間隙Ｓを形成した状態で挿入されており、点検保守のためにケーシング２から引き抜き可能となっている。また、撹拌リング１３のノズル孔１３ｂの下側にはセンサ孔１３ｃが貫設されている。

図２，３に示すように、噴射ノズル１４の先端は撹拌リング１３の中心より手前（図２の左方）に位置して直角に屈曲形成されており、図示はしないが屈曲箇所の外周には、ノズル孔１３ｂ側（噴射ノズル１４の基端側）の領域を除き全周に亘って多数の噴射孔が周方向に列設されている。結果として噴射ノズル１４の各噴射孔からは、撹拌リング１３の周方向において上記ノズル孔１３ｂ側を除く角度領域αで尿素水が噴射され、この噴射角度領域α外に上記センサ孔１３ｃが位置している。なお、本実施形態では、噴射ノズル１４の各噴射孔を１列で列設したが、これに限ることはなく、例えば各噴射孔を互い違いの２列に列設してもよい。

エンジンの運転中において、排ガスは上段排気通路３内の前段酸化触媒９及びＤＰＦ１０を流通した後に撹拌リング１３内に到達し、その排ガス中に噴射ノズル１４から尿素水が噴射される。ＤＰＦ１０を流通直後の排ガスは撹拌リング１３内でケーシング２の内壁に衝突して尿素水と良好に混合しながら各流通孔１３ａを経て折返室７内を下方に移送され、下段排気通路４のＮＯx触媒１１及び後段酸化触媒１２を流通して排気下流側へと排出され、ＮＯx触媒１１を流通する際に、排ガスの熱により尿素水から生成されたアンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯxが選択還元される。

そして、図４の従来技術と同様に本実施形態でも、噴射ノズル１４からの尿素水の噴射は温度センサ１５の検出温度に基づき制御されるが、本実施形態では、温度センサ１５の設置位置を配慮することにより尿素水の付着を防止しており、以下、この温度センサ１５の設置位置について述べる。
端的に表現すると、本実施形態では折返室７内の撹拌リング１３外に温度センサ１５を設置している。詳しくは図２に示すように、温度センサ１５は噴射ノズル１４より若干下側に配設されているが、その先端（検出端）は、図４の従来技術のように撹拌リング１３のセンサ孔１３ｃを介して内部に挿入されることなく、折返室７内に突出し量Ｌだけ突出した位置に留められ、且つ、噴射ノズル１４の噴射角度領域α外に位置している。結果として温度センサ１５の先端は、撹拌リング１３外で、且つノズル孔１３ｂ及びセンサ孔１３ｃの近接位置に配設されている。温度センサ１５の先端を挿入しないにも拘わらず撹拌リング１３にセンサ孔１３ｃを設けているのは、後述するように、センサ孔１３ｃを経て撹拌リング１３外に漏曵する排ガスに温度センサ１５の先端を晒すためである。

次に、以上のように構成されたエンジンの排気浄化装置の作用、特に温度センサ１５に対する尿素水の付着防止に関する作用について述べる。
上記のようにＤＰＦ１０を流通した排ガスは撹拌リング１３内で噴射ノズル１４から噴射された尿素水と混合しながら、各流通孔１３ａを経て折返室７内をＮＯx触媒１１へと移送されるため、撹拌リング１３内の排ガス温度は、噴射ノズル１４の温度とも相関し、ＮＯx触媒１１の温度とも相関する。図４に示す従来技術では、この点に着目して撹拌リング１３内に温度センサ１０１を設置して、その検出温度を尿素水の噴射制御に適用していたが、［発明が解決しようとする課題］でも述べたように、撹拌リング１３内では飛散した尿素水が温度センサ１０１に付着する不具合が生じる。

ここで、本発明者は撹拌リング１３周辺での排ガスの挙動を解析した結果、ＤＰＦ１０から撹拌リング１３内に到達した排ガスの一部は、噴射ノズル１４とノズル孔１３ｂとの間隙Ｓ、及びセンサ孔１３ｃを経て撹拌リング１３外に漏曵する現象を見出し、しかも、このような排ガスの漏曵に比して液体である尿素水の撹拌リング１３外への漏曵が極めて少ないことを確認した。

この解析結果から、撹拌リング１３外であれば温度センサ１５への尿素水の付着を防止した上で、ノズル温度及び触媒温度と相関する排ガス温度を検出可能であるとの知見に至り、温度センサ１５の先端を撹拌リング１３の外部に設置した。特に本実施形態では、温度センサ１５の先端を撹拌リング１３外に配設するだけでなく、突出し量Ｌ及び噴射角度領域αに基づく位置設定によりノズル孔１３ｂ及びセンサ孔１３ｃの近接位置に配設しているため、噴射ノズル１４とノズル孔１３ｂとの間隙Ｓ、及びセンサ孔１３ｃを経て撹拌リング１３外に漏曵する排ガスに温度センサ１５の先端が晒される。特にセンサ孔１３ｃは温度センサ１５の先端に対して正面で近接するため、温度センサ１５は確実に排ガスに晒される。よって、図４に示す従来技術と同じく、温度センサ１５はノズル温度及び触媒温度と相関する正確な温度を検出することになり、この検出温度に基づき噴射ノズル１４からの尿素水の噴射を適切に制御することができる。

なお、噴射ノズル１４とノズル孔１３ｂとの間隙Ｓ、及びセンサ孔１３ｃを経て撹拌リング１３外に漏曵した排ガスが温度センサ１５の周辺でどのように拡散するかは、排気浄化装置の仕様（例えば、撹拌リング１３や折返室７の形状及び容積等）により相違する。従って、必ずしも温度センサ１５の先端を噴射ノズル１４の噴射角度領域α外に配設する必要はなく、撹拌リング１３外において噴射角度領域α内に位置するように温度センサ１５を配設してもよい。また、間隙Ｓを経た排ガスに晒されることにより温度センサ１５を十分に良好な感度に保てる場合には、撹拌リング１３のセンサ孔１３ｃを省略してもよい。

また、このようにノズル孔１３ｂ及びセンサ孔１３ｃの近接位置に温度センサ１５の先端を配設しているものの、噴射ノズル１４とノズル孔１３ｂとの間隙Ｓ、及びセンサ孔１３ｃを経て撹拌リング１３外に漏曵する尿素水は極めて少ないため、温度センサ１５への尿素水の付着が未然に防止される。特に本実施形態では、撹拌リング１３の周方向においてノズル孔１３ｂ側を除くように噴射ノズル１４の噴射角度領域αを設定しているため、尿素水は主に撹拌リング１３の流通孔１３ａ側に向けて噴射される。従って、撹拌リング１３の流通孔１３ａ側の内周面に尿素水が液滴のまま衝突することはあっても、撹拌リング１３のノズル孔１３ｂ及びセンサ孔１３ｃ周辺の内周面には排ガスに混合した少量の尿素水しか到達せず、仮に、このような少量の尿素水が間隙Ｓを経て撹拌リング１３外に漏曵したとしても、ほとんど温度センサ１５には付着せず検出誤差の要因にはなり得ない。よって、温度センサ１５への尿素水の付着による検出温度の誤差を未然に防止でき、検出温度の誤差に起因する不適切な尿素水の噴射制御を未然に回避することができる。

但し、上記のように温度センサ１５を撹拌リング１３外に設置するだけでも、間隙Ｓ及びセンサ孔１３ｃを経た尿素水の漏曵が少ないため、温度センサ１５への尿素水の付着は十分に防止できる。よって、必ずしもノズル孔１３ｂ側を除くように噴射ノズル１４の噴射角度領域αを設定しなくてもよく、例えば撹拌リング１３の周方向において全周に亘って尿素水を噴射するように、噴射ノズル１４の噴射角度領域α（＝360°）を設定してもよい。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、後処理装置として前段及び後段酸化触媒９，１２、ＤＰＦ１０、選択還元型ＮＯx触媒１１を備えたが、撹拌リング１３内に設けた噴射ノズル１４から尿素水を噴射して、撹拌リング１３の流通孔１３ａを経て下流側のＮＯx触媒１１に供給するものであれば、ＮＯx触媒１１以外の後処理装置は任意に変更可能であり、例えばＤＰＦ６に触媒を担持することにより前段酸化触媒９を廃したり、或いは下流側後処理装置として加水分解触媒を追加したりしてもよい。

また、撹拌リング１３の流通孔１３ａは必ずしも撹拌リング１３の半周に形成する必要はなく、その形成位置や形状、数等を任意に変更可能である。
また、ケーシング２の形状に関しても、上記実施形態のように上下に排気通路３，４を並設した縦型のケーシング２に限ることはなく、例えば左右に排気通路３，４を併設した横型のケーシングとして具体化してもよい。

実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す断面図である。 同じく実施形態の排気浄化装置を示す図１のII−II線断面図である。 噴射ノズルからの尿素水の噴射状況を示す図１のIII−III線断面図である。 従来技術の排気浄化装置を示す図２に対応する断面図である。

符号の説明

１ ケーシング
７ 折返室
９ 前段酸化触媒（第１後処理装置）
１０ ＤＰＦ（第１後処理装置）
１１ ＮＯx触媒（第２後処理装置）
１２ 後段酸化触媒（第２後処理装置）
１３ 撹拌リング
１３ａ 流通孔
１３ｂ ノズル孔
１３ｃ センサ孔
１４ 噴射ノズル
１５ 温度センサ

Claims (2)

1. ケーシング内に収容されて排ガス流通方向の上流端がエンジン側と接続された第１の後処理装置と、
   上記ケーシング内に上記第１の後処理装置と並列して収容されて少なくとも選択還元型ＮＯx触媒を含み、下流端が排気下流側と接続された第２の後処理装置と、
   上記ケーシングの一側で上記第１の後処理装置の下流端と上記第２の後処理装置の上流端とを接続する折返室と、
   上記折返室内において上記第１の後処理装置の下流端から連続する環状をなして該折返室の内外を区画し、周方向の一側に排ガスを流通させる流通孔が貫設されると共に、周方向の他側にノズル孔が貫設された撹拌リングと、
   上記ケーシング外より上記折返室内を経て上記撹拌リングのノズル孔内に間隙を形成した状態で挿入されて、該撹拌リング内に周方向における上記ノズル孔側を除く所定の角度領域で尿素水を噴射する噴射ノズルと、
   上記折返室内の撹拌リング外において上記噴射ノズルの近接位置で且つ該噴射ノズルの噴射角度領域を外れた位置に配設されて、該配設位置の排ガス温度を検出する温度センサと
   を備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
2. 上記撹拌リングは、上記温度センサと対応する位置にセンサ孔が貫設されたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。

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