JP5224269B2

JP5224269B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP5224269B2
Application number: JP2007325861A
Authority: JP
Inventors: 律子篠▲崎▼; 政行高橋
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: JP2009144680A

Description

本発明はエンジンから排出される排気を浄化するための排気浄化装置に関する。

エンジンの排気中には様々な大気汚染物質が含まれており、これらの大気汚染物質を効率良く排気中から除去して排気を浄化するため、様々なタイプの排気浄化手段による排気浄化装置が用いられている。
例えば、ディーゼルエンジン等のエンジンから排出される排気中には、大気汚染物質であるパティキュレートやＮＯｘ（窒素酸化物）などが含まれている。そこでパティキュレートについては、エンジンの排気通路にパティキュレートフィルタを設け、排気中に含まれるパティキュレートをパティキュレートフィルタで捕集し、大気中にパティキュレートが放出されないようにする技術が従来より知られている。

またＮＯｘについては、エンジンの排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を配設し、還元剤としてアンモニアをアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給することにより、ＮＯｘを選択還元して排気を浄化する技術が知られている。
そして、このようなパティキュレートの捕集及びＮＯｘの還元を効率的に行うため、パティキュレートフィルタ及びアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を組み合わせ、排気浄化装置として用いるようにしたものが、例えば特許文献１などによって提案されている。

特許文献１の排気浄化装置は、エンジンの排気通路に介装された上流側ケーシングと、上流側ケーシングの下流側に配設されて連通路で連通された下流側ケーシングとで構成される。上流側ケーシング内には、前段酸化触媒が収容されると共に、この前段酸化触媒の下流側にパティキュレートフィルタが収容されている。なお、この前段酸化触媒は排気中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化させてＮＯ_２（二酸化窒素）を生成し、このＮＯ_２によってパティキュレートフィルタの連続再生を行うと共に、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給される排気中のＮＯ_２の比率を増大させ、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の浄化効率を上昇させるために使用される。

一方、下流側ケーシング内にはアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒が収容されると共に、このアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の下流側にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒から流出したアンモニアを酸化してＮ_２とするための後段酸化触媒が収容されている。
更に、上流側ケーシングと下流側ケーシングとを連通する連通路には、連通路内の排気中に尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタが設けられている。尿素水インジェクタから噴射された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に還元剤として供給される。

また、上述した特許文献１の排気浄化装置に用いられているパティキュレートフィルタ及び後段酸化触媒を省略し、前段酸化触媒及びアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を組み合わせて排気浄化装置としたものが、例えば特許文献２などによって提案されている。特許文献２の排気浄化装置の場合には、パティキュレートフィルタが存在しないため、前段酸化触媒は上述したようにしてアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の排気浄化効率を上昇させるために用いられる。

特許文献２の排気浄化装置も上述した特許文献１の排気浄化装置と同様に、エンジンの排気通路に介装された上流側ケーシングと、上流側ケーシングの下流側に配設されて連通路で連通された下流側ケーシングとで構成される。そして、上流側ケーシング内には前段酸化触媒が収容され、下流側ケーシングにはアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒が収容されている。また、上流側ケーシングと下流側ケーシングとを連通する連通路には、連通路内の排気中に尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタが設けられている。

特許文献１及び２のように排気浄化装置を構成した場合、排気の流動経路に沿って上流側ケーシング、連通路及び下流側ケーシングが直列に設けられているため、これらを一直線上に配列した場合には排気浄化装置が長大なものとなってしまう。特に、このような排気浄化装置を車両に搭載しようとする場合には、他の車両搭載機器や車体構成部品との干渉などにより搭載が困難となる場合があるため、これらのレイアウトを考慮する必要がある。

そこで、上流側ケーシング及び下流側ケーシングを一直線上には配置せず、他の車両搭載機器や車体構成部品との干渉が生じないように、上流側ケーシング及び下流側ケーシングを様々な状態で配置することが考えられる。このような排気浄化装置では、上流側ケーシング及び下流側ケーシングの少なくとも一方において、排気の流入部及び流出部をそれぞれ筒状のケーシングの側面部に設けなければならなくなる場合がある。

また、特許文献１及び２の排気浄化装置のように複数のケーシングを用いず、単一のケーシングに排気浄化手段を収容するようにした排気浄化装置においても、排気浄化装置の設置上の制約などにより、排気の流入部及び流出部をそれぞれ筒状のケーシングの側面部に設けなければならなくなる場合がある。
特開２００７−１６２４８７号公報特開２００６−０２９２３３号公報

このように排気の流入部及び流出部をケーシングの側面部にそれぞれ設けるようにした場合、これら流入部及び流出部が筒状をなすケーシングの中心軸線から離れた位置にあるため、流入部からケーシング内に流入する排気、及びケーシング内に収容されている排気浄化手段から流出部に流動する排気の流れに偏りが生じ、排気浄化手段内に均等に排気を流動させることができいないという問題が生じる。この結果、排気浄化手段内の排気の分布や温度分布に偏りが生じ、排気浄化手段の排気浄化効率が低下することになる。

特に、上記特許文献１及び２の排気浄化装置のように、排気浄化手段としてアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた場合には、排気中に供給された尿素水或いはこの尿素水から生成されたアンモニアが偏ってアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給されるので、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒が排気中のＮＯｘを良好に選択還元することができず、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の排気浄化効率が低下するという問題が生じる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ケーシングの側壁部に流入部及び流出部を有した排気浄化装置において、ケーシング内の排気浄化手段内を流動する排気の流れの偏りを小さく抑えることが可能な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、本発明の排気浄化装置は、筒状をなし、エンジンの排気を浄化する排気浄化手段を収容したケーシングと、上記排気浄化手段よりも上流側となる位置で上記ケーシングの側面部に設けられ、上記排気を上記ケーシング内に流入させる流入部と、上記排気浄化手段よりも下流側となる位置で上記ケーシングの側面部に設けられ、上記排気浄化手段を通過した排気を上記ケーシングから流出させる流出部とを備え、上記流出部は、上記ケーシングの側面部の壁面を貫通し上記壁面に対向する上記側面部の壁面まで延設された出口側筒状部材と、上記ケーシング内に位置する上記出口側筒状部材に形成されて上記出口側筒状部材の内外を連通する複数の連通孔とを備え、上記流入部は、その全体が上記ケーシングの外方に位置すると共に、その下流側端部が上記ケーシングの側面部の壁面に固定されて上記ケーシングの内部に開口していることを特徴とする（請求項１）。

このように構成された排気浄化装置によれば、ケーシングの側面部に設けられた流入部から流入したエンジンの排気は、ケーシング内に収容されている排気浄化手段に流入して浄化される。そして、排気浄化手段を通過した排気は、ケーシングの側面部に設けられた流出部から流出する。このとき、流出部にはケーシングの側面部の壁面を貫通し上記壁面に対向する側面部の壁面まで出口側筒状部材が延設されており、この出口側筒状部材には出口側筒状部材の内外を連通する複数の連通孔が形成されているので、排気浄化手段を通過した排気は、これら連通孔のそれぞれに向かって流動した後、出口側筒状部材内に流入し、流出部からケーシングの外方に流出する。

更に、上記流入部は、その全体が上記ケーシングの外方に位置すると共に、その下流側端部が上記ケーシングの側面部の壁面に固定されて上記ケーシングの内部に開口している。
従って、エンジンの排気はケーシングの側面部の壁面に固定された流入部の下流側端部からケーシング内に流入し、ケーシング内に収容されている排気浄化手段に向けて流動する。

また、上記排気浄化装置において、上記排気浄化手段は、上記排気浄化手段に流入する排気中に供給されたアンモニアを還元剤として、上記排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を有することを特徴とする（請求項２）。
このように構成された排気浄化装置によれば、流入部を介してケーシング内に流入したエンジンの排気がアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に流入すると、排気中に供給されたアンモニアを還元剤として、排気中のＮＯｘを選択還元することにより排気の浄化が行われる。アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒によって浄化された排気は、流出部を介してケーシングの外方に流出する。

本発明の排気浄化装置によれば、排気浄化手段を通過して浄化された排気は、出口側筒状部材に形成された複数の連通孔のそれぞれに向かって流動した後、出口側筒状部材内に流入し、流出部からケーシングの外方に流出するので、排気浄化手段から流出する際の排気の流れの偏りを小さく抑えることが可能となる。この結果、排気浄化手段内を流動する排気の流れの偏りが小さく抑えられ、排気浄化手段の排気浄化効率を良好に維持することができる。

また、エンジンの排気はケーシングの側面部の壁面に固定された流入部の下流側端部からケーシング内に流入し、ケーシング内に収容されている排気浄化手段に向けて流動するので、例えば複数の連通孔が形成された入口側筒状部材を流入部においてケーシング内まで延設する場合に比べ、排気浄化手段に流入する排気の流れの偏りが大きくなる。しかしながら、流出部に出口側筒状部材を設けることにより、上述のように排気浄化手段内における排気の流れの偏りが小さく抑えられるので、入口側筒状部材の省略に伴う影響は少なく、この場合には排気浄化装置を流動する排気の流れの偏りを出口側筒状部材及び出口側筒状部材の連通孔によって小さく抑えながら、入口側筒状部材の省略により、ケーシングの軽量化及びコスト低減を図ることができる。

また、請求項２の排気浄化装置によれば、上述のように流出部に出口側筒状部材を設けることによってアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒内における排気の流れの偏りを小さく抑えるので、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒内のアンモニアや排気の分布の偏りが少なくなり、アンモニアを還元剤とした排気中のＮＯｘの選択還元を良好に行うことが可能となる。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態の前提例となる排気浄化装置が適用された４気筒の車載用ディーゼルエンジン（以下、エンジンという）の全体構成図を示しており、図１に基づき当該前提例の排気浄化装置の構成を説明する。
エンジン１は各気筒共通の高圧蓄圧室（以下コモンレールという）２を備えており、図示しない燃料噴射ポンプから供給されてコモンレール２に蓄えられた高圧の燃料を、各気筒に設けられたインジェクタ４に供給し、各インジェクタ４からそれぞれの気筒内に燃料が噴射される。

吸気通路６にはターボチャージャ８が装備されており、図示しないエアクリーナから吸入された吸気は、吸気通路６からターボチャージャ８のコンプレッサ８ａへと流入し、コンプレッサ８ａで過給された吸気はインタークーラ１０及び吸気制御弁１２を介して吸気マニホールド１４に導入される。また、吸気通路６のコンプレッサ８ａより上流側には、エンジン１への吸入空気流量を検出するための吸気量センサ１６が設けられている。

一方、エンジン１の各気筒から排気が排出される排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド１８を介して排気管（排気通路）２０に接続されている。なお、排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４との間には、ＥＧＲ弁２２を介して排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４とを連通するＥＧＲ通路２４が設けられている。
排気管２０はターボチャージャ８のタービン８ｂを経た後、排気絞り弁２６を介して排気後処理装置２８に接続されている。また、タービン８ｂの回転軸はコンプレッサ８ａの回転軸と連結されており、タービン８ｂが排気管２０内を流動する排気を受けてコンプレッサ８ａを駆動するようになっている。

排気後処理装置２８は、排気管２０に接続された筒状の上流側ケーシング３０と、上流側ケーシング３０の下流側に連通路３２で連通された筒状の下流側ケーシング（ケーシング）３４とで構成される。排気管２０から上流側ケーシング３０内に流入した排気は、上流側ケーシング３０内を通過した後に連通路３２を介して下流側ケーシング３４内に流入し、下流側ケーシング３４内を通過した排気は、テールパイプ３６から大気中に排出される。

上流側ケーシング３０内には、前段酸化触媒３８が収容されると共に、この前段酸化触媒３８の下流側にはパティキュレートフィルタ（以下フィルタという）４０が収容されている。フィルタ４０は、排気中のパティキュレートを捕集してエンジン１の排気を浄化するために設けられる。フィルタ４０はハニカム型のセラミック体からなり、エンジン１の排気が内部を流通することによって排気中のパティキュレートを捕集する。前段酸化触媒３８は排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成するので、このように前段酸化触媒３８とフィルタ４０とを配置することにより、フィルタ４０に捕集され堆積しているパティキュレートは、前段酸化触媒３８から供給されたＮＯ_２と反応して酸化し、フィルタ４０の連続再生が行われるようになっている。

一方、下流側ケーシング３４内には、排気中のアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元して排気を浄化するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒（以下ＳＣＲ触媒という）４２が収容されると共に、このＳＣＲ触媒４２の下流側にはＳＣＲ触媒４２から流出したアンモニアを酸化してＮ₂（窒素）とするための後段酸化触媒４４が収容されている。本前提例では、これらＳＣＲ触媒４２及び後段酸化触媒４４が本発明の排気浄化手段に相当する。

前段酸化触媒３８によって生成されたＮＯ_２の一部は、上述したようにフィルタ４０の連続再生に使用されるが、残りのＮＯ_２はＳＣＲ触媒４２に供給され、排気中のＮＯに対するＮＯ_２の比率を高めることによってＳＣＲ触媒４２の排気浄化効率を上昇させる。また、後段酸化触媒４４は、後述するフィルタ４０の強制再生でパティキュレートが焼却される際に発生するＣＯ（一酸化炭素）を酸化し、ＣＯ_２（二酸化炭素）として大気中に排出する機能も有している。

なお、上流側ケーシング３０のフィルタ４０下流側には、フィルタ４０から流出して連通路３２へと流入する排気中に尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタ４６が設けられており、図示しない尿素水タンクから尿素水インジェクタ４６に対して尿素水が供給されるようになっている。
尿素水インジェクタ４６から噴射された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒４２に供給される。ＳＣＲ触媒４２は供給されたアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの脱硝反応を促進することにより、ＮＯｘを浄化して無害なＮ_２とする。なお、このときアンモニアがＮＯｘと反応せずにＳＣＲ触媒４２から流出した場合には、このアンモニアが後段酸化触媒４４によって無害なＮ_２に変換され、テールパイプ３６から大気中に放出される。

次に、排気後処理装置２８のうち、下流側ケーシング３４側の構成について、図２及び３に基づき更に詳細に説明する。
図２は下流側ケーシング３４の部分断面図であり、図３は下流側ケーシング３４における排気の流動を示す部分断面図である。上述したように、筒状をなす下流側ケーシング３４内にはＳＣＲ触媒４２及び後段酸化触媒４４が収容されている。ＳＣＲ触媒４２よりも上流側となる下流側ケーシング３４の側面部には流入部４８が設けられ、連通路３２が接続されている。この流入部４８には、下流側ケーシング３４の互いに対向する側面部のそれぞれの壁面を貫通し、下流側ケーシング３４内を横断する円筒状の入口側整流体（入口側筒状部材）５０が延設されている。

下流側ケーシング３４の外方に突出する入口側整流体５０の下流側端部は、蓋体５２によって閉塞されており、入口側整流体５０は下流側ケーシング３４の貫通箇所において下流側ケーシング３４の側面部の壁面に溶接固定されている。また、下流側ケーシング３４内に位置する入口側整流体５０の周壁には、入口側整流体５０の内外を連通する複数の連通孔５４がほぼ均等に配列されて形成されている。

一方、後段酸化触媒４４よりも下流側となる下流側ケーシング３４の側面部には流出部５６が設けられ、テールパイプ３６が接続されている。この流出部５６には、下流側ケーシング３４の互いに対向する側面部のそれぞれの壁面を貫通し、下流側ケーシング３４内を横断する円筒状の出口側整流体（出口側筒状部材）５８が延設されている。
下流側ケーシング３４の外方に突出する出口側整流体５８の上流側端部は、蓋体６０によって閉塞されており、出口側整流体５８は下流側ケーシング３４の貫通箇所において下流側ケーシング３４の側面部の壁面に溶接固定されている。また、下流側ケーシング３４内に位置する出口側整流体５８の周壁には、出口側整流体５８の内外を連通する複数の連通孔６２がほぼ均等に配列されて形成されている。

このように下流側ケーシング３４を構成することにより、上流側ケーシング３０から流出したエンジン１の排気は、連通路３２を通って流入部４８に達し、入口側整流体５０内に流入する。入口側整流体５０内に流入した排気は、図３に矢印で示すように、入口側整流体５０の周壁に形成された複数の連通孔５４のそれぞれから下流側ケーシング３４内に流入するので、ＳＣＲ触媒４２に流入する際の排気の流れの偏りを小さく抑えることが可能となる。

また、ＳＣＲ触媒４２及び後段酸化触媒４４を通過した排気は、図３に矢印で示すように、出口側整流体５８の周壁に形成された複数の連通孔６２のそれぞれに向かって流動した後、出口側整流体５８内に流入し、流出部５６から下流側ケーシング３４の外方に流出するので、後段酸化触媒４４から流出する際の排気の流れの偏りを小さく抑えることが可能となる。

このように、流入部４８からＳＣＲ触媒４２に流入する排気の流れの偏りを入口側整流体５０によって低く抑えると共に、後段酸化触媒４４から流出部５６へと流出する排気の流れの偏りを出口側整流体５８によって低く抑えることにより、ＳＣＲ触媒４２及び後段酸化触媒４４を流動する際の排気の流れの偏りを小さく抑えることができる。この結果、ＳＣＲ触媒４２及び後段酸化触媒４４における排気の分布の偏りを低く抑えると共に、尿素水インジェクタ４６によって供給された尿素水或いはこの尿素水から生成されたアンモニアがＳＣＲ触媒４２に供給される際の偏りも低く抑えれられるので、ＳＣＲ触媒４２及び後段酸化触媒４４の排気浄化効率を良好に維持することができる。

以上が本発明の一実施形態の前提例となる排気浄化装置についての説明である。
上記前提例では流入部４８に入口側整流体５０を延設すると共に、流出部５６に出口側整流体５８を延設したが、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の場合、流入部４８については入口側整流体５０が省略されている。

図４は、このような実施形態の下流側ケーシング３４の入口側構造を示す部分断面図であって、この実施形態と上記前提例とは、図４に示される下流側ケーシング３４の入口側構造のみが相違している。従って、図４には示されていない下流側ケーシング３４の出口側構造は上記前提例と同様であり、下流側ケーシング３４内に排気浄化手段としてＳＣＲ触媒４２及び後段酸化触媒４４が収容されている点も上記前提例と同様である。

図４に示すように、下流側ケーシング３４の外方に位置する流入部４８’の下流側端部は、下流側ケーシング３４の側面部の壁面に固定されている。従って、上流側ケーシング３０から流出したエンジン１の排気は、連通路３２を通って流入部４８’に達すると、流入部４８’の下流側端部から下流側ケーシング３４内に流入した後、直ちにＳＣＲ触媒４２に向けて流動する。このため、ＳＣＲ触媒４２に流入する際の排気の流れには偏りが生じやすくなる。

しかしながら、この場合にも流出部５６に設けられた出口側整流体５８によって、前述した前提例と同様に後段酸化触媒４４から流出する排気の流れの偏りが低く抑えられるので、ＳＣＲ触媒４２及び後段酸化触媒４４を通過する過程で排気の流れの偏りが減る方向に改善される。従って、本実施形態では、入口側整流体５０の省略により上記前提例に比べるとＳＣＲ触媒４２及び後段酸化触媒４４を流動する際の排気の流れの偏りは増大するものの、その影響は小さく、ＳＣＲ触媒４２及び後段酸化触媒４４の排気浄化効率を良好に維持することが可能となる。

また、本実施形態では入口側整流体５０を省略することにより、下流側ケーシング３４の軽量化及びコスト低減を図ることができる。従って、排気浄化効率を大幅には向上させる必要がなく、むしろコストや重量の削減を優先する場合には、このような実施形態が有利である。
また、上記実施形態では、ＳＣＲ触媒４２及び後段酸化触媒４４を収容した下流側ケーシング３４に本発明を適用したが、単一のケーシングを用いて排気後処理装置を構成するようにした場合においても、排気の流入部分及び流出部分を共に排気後処理装置のケーシングの側面部に設けるようにした場合に、本発明を同様に適用することが可能である。更に、ケーシング内に収容する排気浄化手段の種類や数についても必要に応じて様々に変更することが可能である。

また、上記実施形態において出口側整流体５８には、連通孔６２をほぼ均等に配列するようにしたが、連通孔６２の配列方法については適宜変更してもよいし、連通孔６２の大きさや形状を個々に異ならせるようにしても良い。
更に、上記実施形態では、流入部４８及び流出部５６を共に下流側ケーシング３４の側面部に同方向を向けて設けるようにしたが、それぞれ別個の方向に向けて設けるようにしてもよい。

更に、上記実施形態では、エンジン１を４気筒のディーゼルエンジンとしたが、エンジン１の気筒数及び形式はこれに限定されるものではなく、様々なエンジンの排気浄化装置に本発明を適用することが可能である。

本発明の一実施形態の前提例となる排気浄化装置が適用されたエンジンの全体構成図である。図１の排気浄化装置における下流側ケーシングの部分断面図である。図２の下流側ケーシングにおける排気の流動状態を示す部分断面図である。本発明の一実施形態の排気浄化装置における下流側ケーシングの入口側構造を示す部分断面図である。

符号の説明

１エンジン
３４下流側ケーシング（ケーシング）
４２アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒（排気浄化手段）
４４後段酸化触媒（排気浄化手段）
４８，４８’ 流入部
５０入口側整流体（入口側筒状部材）
５４連通孔
５６流出部
５８出口側整流体
６２連通孔

Claims

筒状をなし、エンジンの排気を浄化する排気浄化手段を収容したケーシングと、
上記排気浄化手段よりも上流側となる位置で上記ケーシングの側面部に設けられ、上記排気を上記ケーシング内に流入させる流入部と、
上記排気浄化手段よりも下流側となる位置で上記ケーシングの側面部に設けられ、上記排気浄化手段を通過した排気を上記ケーシングから流出させる流出部とを備え、
上記流出部は、
上記ケーシングの側面部の壁面を貫通し上記壁面に対向する上記側面部の壁面まで延設された出口側筒状部材と、
上記ケーシング内に位置する上記出口側筒状部材に形成されて上記出口側筒状部材の内外を連通する複数の連通孔とを備え、
上記流入部は、
その全体が上記ケーシングの外方に位置すると共に、その下流側端部が上記ケーシングの側面部の壁面に固定されて上記ケーシングの内部に開口している
ことを特徴とする排気浄化装置。
上記排気浄化手段は、上記排気浄化手段に流入する排気中に供給されたアンモニアを還元剤として、上記排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を有することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。