JP5339079B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガスの浄化を行う内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン（内燃機関）の排気浄化装置には、内燃機関から排出された排ガス中に還元剤を噴射して浄化する構造がある。多くは、エンジンの排ガスが流通する排気通路の上流側にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）を設け、下流側に選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）を設け、ＳＣＲ触媒の上流側の通路部分から、排ガス中に、エアアシスト式の噴射装置を用いて空気のアシストで尿素水溶液を噴射させる構造が用いられる。

エアアシスト式の噴射装置は、噴射ノズル部の設置自由度の高さから、どの位置からでも排ガスの流通方向に沿って噴射するという、尿素水溶液と排ガスが混合しやすい状態が得やすい。このため特許文献１に示されるようなＤＰＦとＳＣＲ触媒が直列に配置される直列式の排気浄化装置に多く用いられる。
近時では、車両の搭載性を高めるため、特許文献２に示されるような全長を抑えた排気浄化装置、具体的には一塊となる箱形の外郭ケースを用い、同ケース内部の一部を折返室としてＤＰＦとＳＣＲ触媒を並列に収めた並列タイプの排気浄化装置にも用いられるようになった。

ところで、排気浄化装置は、他の装置と同様、コンパクト化、軽量化および低廉化が求められる。特にＤＰＦとＳＣＲ触媒が並列に配置される並列タイプの排気浄化装置は、全長が抑えられるという有利な特徴があるため、軽量化、低廉化を追及しながら、さらなるコンパクト化を目指すことが求められる。

特開２００８−１２７９９７号公報 特開２００７− ８５２４７号公報

ところで、排気浄化装置で適用されているエアアシスト式の噴射装置は、先にも述べたように噴射ノズル部の設置自由度が高いという利点があるが、尿素水以外に、空気タンクや多くの配管類を必要とするシステムなので、コスト的な負担が大きい。
そこで、エアアシスト式の噴射装置に代えて、尿素水溶液だけを噴霧するリキッドオンリ式の尿素水インジェクタを用いることが考えられている。リキッドオンリ式の尿素水インジェクタは、尿素水溶液だけを噴霧するために、エアアシスト式に比べてシステムの構成が簡単ですむという利点があり、エアアシスト式の噴射装置に比べ廉価ですむ。

ところで、リキッドオンリ型の尿素水インジェクタによる噴霧は基本的にコーン形状であり、エアアシスト方式の多噴孔ノズルよりも噴霧方向の自由度が低くなる制約がある。
単に上述の並列タイプの排気浄化装置において、エアアシスト式の噴射装置からリキッドオンリ式の尿素水インジェクタに代えたとしても、同排気浄化装置は、外郭ケース内に形成されている通路内に沿って尿素水溶液を噴射して排ガスと混合させる構造なので、リキッドオンリ式の尿素水インジェクタには適さない。つまり、リキッドオンリ式の尿素水インジェクタでは噴霧がコーン形状に制約されるので、エアアシスト式がもとになっている構造では、排ガスと良好に噴霧できるような尿素水溶液の噴霧が行えない。しかも、従来の並列タイプの排気浄化装置の各部を見る限り、リキッドオンリ式の尿素水インジェクタを設置できる適切な場所は見当たらない。

この並列タイプの排気浄化装置で、リキッドオンリ式の尿素水インジェクタを設置できる場所を確保するには、別途、尿素水溶液のコーン形状噴霧を許容するスペースを確保しなければならず、かなり排気ガス浄化装置が複雑になったり、大形になったりする。特に外殻ケース内にＤＰＦとＳＣＲ触媒を並列に収める構造は、リキッドオンリ式の尿素水インジェクタを最適に設置すること自体が難しく、それに対処可能な並列タイプの排気浄化装置が要望されている。

そこで、本発明の目的は、リキッドオンリ式の尿素水インジェクタによる尿素水溶液と排ガスとの良好なる混合を、装置のコンパクト性、廉価性および軽量性を図りつつ実現可能とした並列タイプの内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、筒形容器内にパティキュレートフィルタを収容した第１排ガス処理部と、排気ガスが流通する筒形容器内に選択還元型ＮＯｘ触媒を収容した第２排ガス処理部とを並行に隣接配置させてなる本体部を設け、第１排ガス処理部における筒形容器の出口側の端壁に、パティキュレートフィルタの端と端壁との間に形成される容器空間内にパティキュレートフィルタの中心部を中心としてコーン形状かつ広角的に尿素水溶液を噴霧するリキッドオンリ式の尿素水インジェクタを設け、第１排ガス処理部の出口側の端部と第２排ガス処理部の入口側の端部との間を連通するよう両者間に第１排ガス処理部から尿素水溶液が混合された排ガスを第２排ガス処理部の選択還元型ＮＯｘ触媒へ導く中間パイプ部を設け、中間パイプ部が、一端部を第１排ガス処理部の出口側の端壁中央を挟んだ両側の端面部分に連結し、他端部を第２排ガス処理部の筒形容器における入口側の端部両側に連結した２本の中間パイプで構成し、尿素水インジェクタを、２本の中間パイプ間で生ずる隙間内に設ける構成を採用した。

同構成によると、排気浄化装置は、パティキュレートフィルタを収容した第１排ガス処理部と選択還元型ＮＯｘ触媒を収容した第２排ガス処理部とを中間パイプ部で並行に連結という簡単な構造と、端壁からリキッドオンリ式の尿素水インジェクタでパティキュレートフィルタ端と端壁との間の空間に尿素水溶液を広角的に噴霧させる噴霧構造との組み合わせにより、コンパクト性、廉価性および軽量性が図れるだけでなく、噴霧された尿素水溶液が容器空間内を有効に活用して排ガスと十分に混合される。しかも、尿素水インジェクタの設置スペース確保と、第１排ガス処理部から第２排ガス処理部に流通する排ガスの圧力損失抑制とが両立される。

請求項２の発明は、さらに尿素水溶液が排ガスと接触する機会を多く確保して、混合に求められる空間が抑えられるよう、尿素水インジェクタは、尿素水溶液を中空コーン状の噴霧形状で噴霧するものとした。

請求項３の発明は、一層、尿素水溶液が排ガスと接触する機会を多く確保して、混合に求められる空間が抑えられるよう、パティキュレートフィルタと端壁との間に、パティキュレートフィルタから流出する排ガス流をドーナツ状の渦巻き流に変える気流変更部材を設けるものとした。

請求項１の発明によれば、排気浄化装置は、パティキュレートフィルタを収容した第１排ガス処理部と選択還元型ＮＯｘ触媒を収容した第２排ガス処理部とを中間パイプ部で並行に連結する簡単な構造と、筒形容器の端壁からリキッドオンリ式の尿素水インジェクタでパティキュレートフィルタ端と端壁との間の容器空間に尿素水溶液を広角的に噴霧するという廉価な噴霧構造（簡単なシステムのため）との組み合わせから、コンパクト性、廉価性および軽量性を図ることができる。しかも、リキッドオンリ式の尿素水インジェクタから噴射した尿素水溶液は、容器空間内を有効に活用して排ガスと十分に混合されるから、尿素水溶液と排ガスとを十分に混合でき、尿素水溶液の混合性、コンパクト性、廉価性および軽量性に優れたリキッドオンリ式の尿素水インジェクタを搭載した並列タイプの排気浄化装置が提供できる。特に同排気浄化装置は、従来のような外郭ケースは不要なので、格段に軽量性の点に優れる。そのうえ、第１排ガス処理部から第２排ガス処理部に流通する排ガスの圧力損失を抑えつつ、コンパクトに尿素水インジェクタが設置できる。

請求項２の発明によれば、中空コーン状の噴霧形状により、尿素水溶液と排ガスとが接触する機会が多く確保され、混合に求められる空間を抑えることができ、一層、排気浄化装置のコンパクト化を図ることができる。

請求項３の発明によれば、パティキュレートフィルタと端壁との間に形成されるドーナツ状の渦巻き流により、より一層、尿素水溶液と排ガスとが接触する機会が多く確保される。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の外形を示す斜視図。 図１中のＡ矢視から見た図。 図１中のＢ−Ｂ線に沿う断面図。 図１中のＣ−Ｃ線に沿う断面図。

以下、本発明を図１ないし図４に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１中１は、車両のシャーシフレーム２に搭載された内燃機関としてのディーゼルエンジンを示している。このディーゼルエンジン１の排気管１ａには、同エンジン１から排出される排ガスを浄化する尿素添加式の排気浄化装置３が接続されている。同排気浄化装置３は、シャーシフレーム２の車幅方向外側に設置されている。

この排気浄化装置３には、ディーゼルパティキュレートフィルタ５（以下、ＤＰＦ５という）と、選択還元型ＮＯｘ触媒であるアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒７（以下、ＳＣＲ触媒７という）とを並行に組み合わせた構造が用いられている。同構造を詳しく示すため、図２には図１中の矢視Ａから見た排気浄化装置の側面が示され、図３には図１中のＢ−Ｂ線に沿う排気浄化装置３の断面が示され、図４には図１中のＣ−Ｃ線に沿う同排気浄化装置３の断面が示されている。

図１〜４を参照して排気浄化装置３を説明すると、８は同装置３の本体部である。本体部８は、両端部が端壁９で塞がれた筒形のマフラケーシング１０（本願の筒形容器に相当）内に、排気ガス中のパティキュレートマター（以下、ＰＭという）を捕集する上記ＤＰＦ５を、同ＤＰＦ５を連続再生する前段酸化触媒１２（前段触媒）と共に収めて構成される上流側マフラ１４（本願の第１排ガス処理部に相当）と、両端部が端壁１５で塞がれた筒形のマフラケーシング１６（本願の筒形容器に相当）内に、上記ＳＲＣ触媒７を、同ＳＣＲ触媒７から流出したアンモニアを抑える後段酸化触媒１８（後段触媒）と共に収めて構成される下流側マフラ２０（本願の第２排ガス処理部に相当）とを、上下２段に並列に配置してなる。このうち上流側マフラ１０は、上流側の端壁９に形成されている入口部２２がシャーシフレーム２側に配置され、下流側の端壁９に形成されている出口部２４がシャーシフレーム２とは反対側に配置された向き、すなわちシャーシフレーム２の側方から出口側が突き出た姿勢で配置される。入口部２２は排気管１ａとつながる。下流側マフラ２０は、上流側マフラ１０と隣接して並ぶ地点、例えば上流側マフラ１０の直上に、当該上流側マフラ１０とは反対の向きで並行に配置してある。つまり下流側マフラ２０は、マフラケーシング１６の下流側の端部周壁に形成されている出口部２５がシャーシフレーム２側に配置され、マフラケーシング１６の上流側の端部周壁に形成されている入口部２７がシャーシフレーム２とは反対側に配置され、上流側マフラ１４の直上に配置してある。出口部２５は大気開放側の排気管部分（図示しない）につながる。ここでは、下流側マフラ２０は、上流側マフラ１４より、若干、全長が長く、同下流側マフラ２０の入口側の端部が、上流側マフラ１４の出口側の端部より突き出ていて、両者間に段差を生じさせる配置としてある。なお、上流側マフラ１４、下流側マフラ２０は、例えば二点鎖線で示す支持装置２８でシャーシフレーム２に固定されるものである。

上流側マフラ１４の下流側の端壁９の外面中央には、図１〜図３に示されるようにリキッドオンリ式の尿素インジェクタ３０の本体部３０ｂが据え付けられている。尿素インジェクタ３０は、エアアシスト式とは異なり、尿素タンクや尿素供給ポンプで構成される尿素供給部（図示しない）につながるだけの簡単なシステムで、尿素水溶液の噴霧が行えるものである。この尿素インジェクタ３０は、先端部に尿素水溶液をコーン状の噴霧形状で周囲に広角的に噴霧する噴霧部３０ａをもつ。特に噴霧部３０ａには、尿素水溶液と排ガスとが混合しやすいよう、ここでは単なるコーンではなく、中空コーン状の噴霧形状で噴霧する構造が用いられている。この噴霧部３０ａが、ＤＰＦ５の中心軸を延長した地点となる端壁９の壁面中央から内側へ突き出ている。これで、ＤＰＦ５の出口端と端壁９との間に有するケーシング空間１０ａ（本願の容器空間に相当）の周側へ広角的、さらに述べればＤＰＦ５の中心部と中心として周囲に尿素水溶液が噴霧できるようにしている。つまり、ＤＰＦ５の出口端と端壁９との間に有する扁平状の大きな（最大径）空間と、リキッドオンリ式の尿素インジェクタ３０による広角的な噴霧との組み合わせから、ＤＰＦ５から流出する排ガスに尿素水溶液が良好に混合させられるようにしている。特にケーシング空間１０ａ内には、ＤＰＦ５端から流出する排ガス流をドーナツ状の渦巻き流αに変えるための気流変更部材、例えば中央に気流収束用の通孔３２ａを有した隔壁３２が設けられ、ケーシング空間１０ａの最大径を活用して、尿素水溶液と排ガスとが接触する機会を多く得られるようにしている。

図１〜図４に示されるように上流側マフラ１４の出口側の端部と下流側マフラ２０の入口側の端部とは、中間パイプ部３５で連結される。例えば中間パイプ部３５は、一端部が上流側マフラ１０の出口側の端壁９に開口し、他端部が下流側マフラ２０の入口側の端部周壁と接線方向から開口する２本の中間パイプ３７から構成される。具体的には２本の中間パイプ３７は、ストレートパイプから構成され、各他端部が下流側マフラ２０の端部両側でそれぞれ開口している入口部２７に連結され、一端部が端壁９の中心両側でそれぞれ開口している出口部２４に連結されている。この連結により、上流側マフラ１４と下流側マフラ２０との段差を埋めるように、２本の中間パイプ３７が配管される。これにより、尿素が混合された排ガスを２本の中間パイプ３７を通じて、ＳＣＲ触媒７へ導き、同ＳＣＲ触媒７でＮＯｘ還元が行えるようにしてある。リキッドオンリ式の尿素インジェクタ３０は、この２本の中間パイプ３７の一端部間で生じるデッドスペース（本願の隙間に相当）に設置され、上流側マフラ１４が大形になるのを避けた尿素インジェクタ３０の設置を実現している。

この排気浄化装置３によると、ディーゼルエンジン１から排出された排ガスは、ＤＰＦ５を通過するときに排ガス中のＰＭが捕集される。その後、ケーシング空間１０ａを通過した排ガスに、リキッドオンリ式の尿素インジェクタ３０から、広角的に尿素水溶液が噴霧される。このときの尿素水溶液は、マフラケーシング１０内の内部空間を最大限に利用して広範囲に噴霧されるから、ケーシング空間１０ａ内で排ガスと効果的に混合される。このときケーシング空間１０ａには、隔壁３２により、ケーシング空間１０ａの内部にケーシング内面に小渦巻き流が連なるドーナツ状の渦巻き流αが生じているので、より一層、排ガスと接触する機会が多く確保され、尿素水溶液は効果的に排ガスと混合する。この混合により尿素水溶液は、排ガスの排気熱、排ガス中の水蒸気により加水分解され、アンモニアが生成される。このアンモニアが、２本の中間パイプ３６内を通って、直上のＳＣＲ触媒７に至り、同ＳＣＲ触媒７におけるＮＯｘ還元作用により、排ガス中のＮＯｘが還元される。そして、浄化を終えた排ガスが出口部２５から排出される。

こうした並列タイプの排気浄化装置３だと、リキッドオンリ式の尿素水インジェクタ３０の利点を十分に活かしながら、コンパクト性、廉価性、さらには軽量性に優れたものとすることができる。
すなわち、ＤＰＦ５を収容した上流側マフラ１４とＳＲＣ触媒７を収容した下流側マフラ２０とを並行に配置し、両者を中間パイプ部３５で連結するという、部品点数を抑えた簡単な構造により、ディーゼルエンジン１の排ガスをＤＰＦ５、ＳＲＣ触媒７へ順に導く流路が確保できるだけでなく、端壁９から排ガス流に向かって広角的に尿素水溶液が噴射できる場所、すなわちリキッドオンリ式の尿素水インジェクタ３０が設置するのに適した場所が確保できる。また上流側マフラ１４の端壁９からリキッドオンリ式の尿素インジェクタ３０でＤＰＦ５端と端壁９間のケーシング空間１０ａに尿素水溶液を広角的に噴霧させるという構造により、リキッドオンリ式の尿素インジェクタ３０の特性を十分に活用すべく、マフラケーシング１０の限られた内部空間を最大限に活用して、尿素水溶液を排ガス中に十分に混合させることができる。

したがって、並列タイプの排気浄化装置３は、ＰＤＦ５を収容した上流側マフラ１４とＳＲＣ触媒７を収容した下流側マフラ２０とを中間パイプ部３５で並行に連結するという簡素な構造と、端壁９からリキッドオンリ式の尿素水インジェクタ３０で尿素水溶液を広角的にケーシング空間１０ａ内に噴霧させる噴霧構造との組み合わせにより、十分に尿素水溶液と排ガスとの混合が十分に行われるだけでなく、装置全体が簡素化され、さらにコンパクトになる。しかも重量も軽減されるうえ、リキッドオンリ式の尿素水インジェクタ３０は、エアアシスト式よりシステム構成が簡素なので、並列構造による簡素化と合わせて、低コスト化、軽量化の図れた並列タイプの排気浄化装置３が実現できる。

そのうえ、尿素水インジェクタ３０から、中空コーン状の噴霧形状で尿素水溶液を噴霧すると、ケーシング空間１０ａにおける尿素水溶液と排ガスとが接触する機会が多くなり、さらに十分な混合が期待でき、その分、混合に求められるケーシング空間１０ａの全長を抑えることが可能となる。しかも、ケーシング空間１０ａに排ガス流をドーナツ状の渦巻き流に変える隔壁３２を設けると、一層、良好な混合が得られる。

また尿素水インジェクタ３０の設置には、２本の中間パイプ３６の各一端部を上流側マフラ１４の端壁中央を挟んだ端面の各位置に連結し、端壁９の中間パイプ３６，３６間で生ずるデッドスペースに尿素水インジェクタ３０の本体部３０ｂを設置する構造を用いると、尿素水インジェクタ３０の設置スペースが確保されるだけでなく、排ガスの圧力損失を抑えながら、極力、外側へ突き出るのを抑えた尿素水インジェクタ３０の設置が実現でき、中間パイプ３６に影響されずに尿素水インジェクタ３０をコンパクトに設置することができる。

なお、本発明は一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。例えば一実施形態では、下段に上流側マフラを配置し、上段に下流側マフラを配置した排気浄化装置を挙げたが、これに限らず、反対に上段に上流側マフラを配置し、下段に下流側マフラを配置した排気浄化装置でも構わない。もちろん、上下２段の並列タイプでなく、横方向に並ぶ並列タイプの排気浄化装置でもよい。またケーシング空間では、ドーナツ状の渦巻き流を生成させたが、他のケーシング空間を活用した旋回流を生成して、尿素水と排ガスとの混合を促進させるようにしても構わない。また一実施形態は、ＤＰＦ、前段酸化触媒、ＳＣＲ、後段酸化触媒を用いた排気浄化装置に本発明を適用したが、これに限らず、他の触媒を用いて構成される排気浄化装置に適用してもよく、要は並列に配置したＤＰＦ内蔵の上流側マフラとＳＣＲ触媒内蔵の下流側マフラとを中間パイプ部でつなぎ、上流側マフラの出口側の端面からリキッドオンリ式の尿素水インジェクタでマフラ内に尿素水溶液を噴霧するものであればよい。

３ 排気浄化装置
５ ディーゼルパティキュレートフィルタ
７ アンモニア選択還元型ＮＯｘ還元触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）
８ 本体部
１０ マフラケーシング（第１排ガス処理部の筒形容器）
１０ａ ケーシング空間（容器空間）
１４ 上流側マフラ（第１排ガス処理部）
１６ マフラケーシング（第２排ガス処理部の筒形容器）
２０ 下流側マフラ（第２排ガス処理部）
３０ リキッドオンリ式の尿素インジェクタ
３２ 隔壁（気流変更部材）
３５ 中間パイプ部
３６ 中間パイプ

Claims (3)

1. 排気ガスが流通するとともに、出口側の端に端壁を有する筒形容器内にパティキュレートフィルタを収容した第１排ガス処理部と、排気ガスが流通する筒形容器内に選択還元型ＮＯｘ触媒を収容した第２排ガス処理部とを並行に隣接して配置させてなる本体部と、
   前記第１排ガス処理部における前記筒形容器の出口側の端壁に設けられ、パティキュレートフィルタ端と前記端壁との間の容器空間内へ、前記パティキュレートフィルタの中心部を中心として広角的に尿素水溶液を噴霧するリキッドオンリ式の尿素水インジェクタと、
   前記第１排ガス処理部の出口側の端部と前記第２排ガス処理部の入口側の端部との間を連通するように設けられ、前記第１排ガス処理部から尿素水溶液が混合された排ガスを前記第２排ガス処理部の選択還元型ＮＯｘ触媒へ導く中間パイプ部とを有し、
   前記中間パイプ部は、一端部が前記第１排ガス処理部の出口側の端壁中央を挟んだ両側の端面部分に連結され、他端部が前記第２排ガス処理部の筒形容器における入口側の端部両側に連結される２本の中間パイプで構成され、
   前記尿素水インジェクタは、前記２本の中間パイプ間で生ずる隙間内に設けられる
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記尿素水インジェクタは、前記尿素水溶液を中空コーン状の噴霧形状で周囲へ噴霧するものであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記パティキュレートフィルタ端と前記端壁との間には、前記パティキュレートフィルタから流出する排ガス流をドーナツ状の渦巻き流に変える気流変更部材が設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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