JP5348412B2

JP5348412B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP5348412B2
Application number: JP2009183201A
Authority: JP
Inventors: 博昭藤田
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-08-06
Also published as: JP2011033011A

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガスの浄化を行な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）を搭載したトラック（車両）には、ディーゼルエンジンから排出された排ガスの浄化を行なう排気浄化装置が搭載されている。こうした排気浄化装置には、排出された排ガス中に還元剤を添加して浄化する添加式の構造がある。
こうした還元剤添加式の排気浄化装置の多くは、エンジンの排気管につながるストレート状のマフラ容器内に、パティキュレートトマター（以下、ＰＭという）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）とＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）とを設け、ＳＣＲ触媒の上流側から噴射装置（還元剤添加装置）で、排ガス中に、還元剤として尿素水溶液を噴射して、ＳＣＲ触媒で排気ガス中のＮＯｘを還元させる構造が用いられる。

通常、排気浄化装置は、トラックの車体を構成するシャシフレームの近傍、具体的にはシャシフレームの車両前後方向に延びるメインフレームの下方かつ車両のホイールベース内の空スペースに搭載することが行われる。
ところで、排気浄化装置は排ガスの浄化率の向上が求められる傾向にある。そのため、近時では、必須となるＤＰＦやＳＣＲ触媒の他に、前段触媒、後段触媒など浄化性能を高める浄化部材もマフラ容器内に収める傾向が多くなっている。
ところで、ＤＰＦ、ＳＣＲ触媒、他の浄化部材は、排ガスの流通方向に順に並んで配置される。そのため、ストレート状のマフラ容器内に、こうしたＤＰＦ、ＳＣＲ触媒と一緒に、他の浄化部材に収めると、かなり全長の長い排気浄化装置となり、ホイールベースの短い車両などでは、排気浄化装置の搭載に求められるスペースが確保できず、排気浄化装置が架装できなくなることがある。

そこで、排気浄化装置には、特許文献１にも開示されているように本体を、例えばＤＰＦが収まる上流側部分とＳＣＲ触媒が収まる下流側部分とに２分割し、これらを中間パイプで連結する分割形を採用して、車両に搭載しやすくすることが行われている。この分割式の排気浄化装置だと、例えばホイールベース内の空スペースとなるシャシフレーム下方に上流側部分を搭載し、車両のリヤオーバハングの空スペースとなるシャシフレーム下方に下流側部分を搭載するなどして、車両各部に主要部を分散させる架装が行なわれる。

特開２００８−１２７９９７号公報

ところが、分割式の排気浄化装置の場合、車両に搭載する場所が複数個所に渡るうえ、中間パイプの配管の仕方が、車両に応じて異なる傾向にあるので、排気浄化装置の架装は面倒になる。架装のしやすさから見ると、分散でなく、一定となる車両の特定の場所（１箇所）に排気浄化装置全体がコンパクトに搭載可能であることが望しく、排気浄化装置はこうした点の改善が求められている。
そこで、本発明の目的は、浄化機能の向上により大形化しても、容易に車両の特定場所に装置全体を搭載可能としたコンパクトな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、車両のシャシフレームを構成する車幅方向両側に配置されたメインフレーム部材のうちの片側の車両前後方向に延びるメインフレーム部材の下部に当該メインフレーム部材に沿って配置される第１の筒形部分と第１の筒形部分の端部から連続して連なりメインフレーム部材から車幅方向外側へ張り出る第２の筒形部分とからＬ形に構成され、内燃機関から排出された排ガスを第２の筒形部分の端側から第１の筒形部分の端側へ流通させる筒形のマフラ容器と、上流側に配置される第２の筒形部分内に収められたパティキュレートフィルタと、下流側に配置される第１の筒形部分内に収められた選択型ＮＯｘ触媒と、第１の筒形部分と第２の筒形部分とが連なる角部に設けられ、排ガス中に選択型ＮＯｘ触媒の作動に要する還元剤を添加する還元剤添加装置とを具備した構成を採用した。

同構成によると、排気浄化装置の全体は、車両のシャシフレームの前後方向やシャシフレームの車幅方向外側の一部を占めるだけのコンパクトな一体的構造ですむ。しかも、同排気浄化装置は、一部が車幅方向外側に張り出ながら、メインフレーム部材の下部に架装されるから、シャシフレームの前後方向に配置される第１の筒形部分は、車幅方向外側に張り出る第２の筒形部分の分、全長が抑えられ、十分に他の触媒を十分に受け入れることが可能となる。また車幅方向に張り出た第２の筒形部分も、シャシフレームから車両の車幅方向端までの寸法内に十分に許容されるから、十分に他の触媒を受け入れることが可能となる。このため、排気浄化装置は、たとえ浄化機能の向上により大形化（全長の延び）しても、コンパクトなまま、車両の特定の場所（１箇所）に架装される。

請求項２の発明は、さらに排気浄化装置の組み立てが行いやすいよう、マフラ容器は、第１の筒形部分と第２の筒形部分とが連なる角部から分割可能な構造とした。

請求項３の発明は、さらに限られた大きさの角部で添加剤と排ガスとの混合が良好に行えるよう、第１の筒形部分と第２の筒形部分とが連なる角部は、上流側の筒形部分からの排ガスを、一旦、収束させて、下流側の筒形部材へ導く収束用の筒形部材を有し、還元剤添加装置は、排ガスが流入する筒形部材の基端から当該筒形部材内の収束した排気ガス流へ還元剤を噴霧するものとした。

請求項１の発明によれば、排気浄化装置は、車両の片側のメインフレーム部材下方の前後方向や同メインフレーム部材の車幅方向外側の一部を占めるだけのコンパクトな一体的構造ですむので、他の架装物の配置への影響を抑制することができる。
それ故、排気浄化装置は、たとえ浄化機能の向上により大形化（全長の延び）しても、コンパクトな構造のまま、車両のホイールベース内といった車両の特定の場所（１箇所）に搭載することが可能となり、架装作業の向上が図れるなど多くの効果を奏する。

しかも、どのような車両でも同様の作業で排気浄化装置の架装を行うことができる。
請求項２の発明によれば、さらに排気浄化装置は組み立てやすくなる。
請求項３の発明によれば、さらに排気浄化装置は、限られたスペースの角部で添加剤と排ガスとを良好に混合させることができ、曲がった特異な構造でも十分に添加剤を排ガスに混合させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る排気浄化装置を、同装置を搭載した車両と共に示す平面図。同排気浄化装置の全体を示す斜視図。図２中のＡ−Ａ線に沿う平断面図。本発明の第２の実施形態の要部となる還元剤と排ガスを混合させる構造を示す断面図。

以下、本発明を図１ないし図３に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１は、車両、例えばトラックの概略的な平断面を示していて、図１中１は、車体を構成する車両前後方向に沿って延びるラダー式のシャシフレームを示す。このシャシフレーム１は、車幅方向両側に一対（２本）のメインフレーム２（本願のメインフレーム部材に相当）を有する。３は、同メインフレーム２の前部側に設けた前輪、４は同じくキャビン、５は同じくディーゼルエンジン（本願の内燃機関に相当）、６は同ディーゼルエンジン５の出力部に連結されたトランスミッション、７はメインフレーム２の後部側に設けた後輪、８はメインフレーム２の上部に搭載される荷台をそれぞれ示している。そして、トランスミッション６の出力部が、プロペラシャフト９、リヤデファレンシャル１０を介して後輪７につながっている。
シャシフレーム１には、各種付帯機器が設けられている。具体的には、シャシフレーム１の片側のメインフレーム２の中央には燃料タンク１１が設けてある。また反対側のメインフレーム２の前部にはバッテリ１２が設けてある。さらに同メインフレーム２の近傍の空いた個所となる、例えば同メインフレーム２の中央部には排気浄化装置、例えば尿素添加式の排気浄化装置１５が設けられている。図２はこの排気浄化装置１５の全体の外観を示し、図３は同排気浄化装置１５の詳細を示している（図２中のＡ−Ａ線）。

図１〜図３を参照して同排気浄化装置１５を説明すると、１６はマフラケーシング（本願のマフラ容器に相当）である。マフラケーシング１６は、例えば両端部が端壁１７で塞がれる軸心方向に沿って細長く延びた円筒形のケーシング部材で構成される。このケーシング部材は、中央部から曲がり、一方側が他方側より長くなったＬ形形状をなしている。このマフラケーシング１６のうちの長さ寸法の長い側は、ここではシャシフレーム１の前後方向に沿って配置されるケーシング部分１８（本願の第１の筒形部分に相当）にし、長さ寸法の短い側は、ここではシャシフレーム１の車幅方向外側に配置されるケーシング部分１９（本願の第２の筒形部分に相当）に定めている。そして、例えばケーシング部分１９が排気浄化装置１５の上流側に配置される部位、ケーシング部分１８が排気浄化装置１５の下流側に配置される部位と定めている。

すなわち、図２および図３に示されるようにケーシング部分１８，１９のうち、両ケーシング部１８，１９が連なる角部２０を除く、ストレートなケーシング部分１９内には、排ガス中のパティキュレートマター（以下、ＰＭという）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ２１（以下、ＤＰＦ２１という）が、同ＤＰＦ２１を連続再生する前段酸化触媒２２（前段触媒）と共に収容され、ＤＰＦ２１を主体とした上流側マフラ２５を形成している。なお、上流側マフラ２５の端部には排ガスが流入する入口部２５ａが形成してある。同じく角部２０を除く、ストレートなケーシング部分１８には、選択還元型ＮＯｘ触媒であるアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒２３（以下、ＳＣＲ触媒２３という）が、同ＳＣＲ触媒２３から流出したアンモニアを抑える後段酸化触媒２４（後段触媒）と共に収めて構成され、ＳＣＲ触媒２３を主体とした下流側マフラ２６を形成している。なお、下流側マフラ２６の端部には排ガスが流出する出口部２６ａが形成してある。つまり、本実施形態は、浄化率を高めるために、単に１個ずつＤＰＦ２１とＳＣＲ触媒２３とを組み合わせた構造でなく、上流側マフラ２５は前段酸化触媒２２を組み合わせた構造が用いられ、下流側マフラ２６は２つのＳＣＲ触媒２３と後段酸化触媒２４を組み合わせた構造が用いてある。

図２および図３に示されるようにマフラケーシング１６の角部２０（ＳＣＲ触媒２３の上流側）には、還元剤添加装置として例えば尿素インジェクタ３０が設けられている。尿素インジェクタ３０は、例えば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）に接続されている、先端の噴霧部３０ａは、角部２０内に臨み、噴霧部３０ａからＳＣＲ触媒２３へ向け、尿素水溶液がコーン状の噴霧形状で噴霧され、同尿素水溶液が角部２０内を流れる排ガスと混合できるようにしてある。特に尿素水溶液は、排ガスと良好に混合することが求められる。そのため、角部２０内には、限られた角部２０の内部で尿素水溶液を排ガスと効果的に混合させる工夫が施してある。同工夫には、ＤＰＦ２１から流出した排ガスを、一旦、所定に収束させ、この収束した排ガス流に沿って尿素水溶液を噴霧する構造が用いられている。

ここで、排ガスを収束する構造には、例えば図２および図３に示されるように角部２０のうちＳＣＲ触媒２３側の開口部と、ＳＣＲ触媒２３の入口端の前方に有る拡張室３３との間を隔壁３５で仕切り、仕切られたＤＰＦ２１側の空間内に排ガスを収束させる収束パイプ３６（本願の収束用の筒形部材に相当）を設ける構造が用いられる。具体的には、例えば収束パイプ３６には、周壁に軸心方向に延びる多数のスリット３７が形成されたパイプ部材を用いる。このパイプ部材は、下流側マフラ２６（ＳＣＲ触媒２３）の軸心と同方向に沿って配置され、一端部が隔壁３５に形成された排ガス流出口３８と接続される。また他端部は、角部２０の壁面、具体的には排ガス流出口３８と反対側の壁部２０ａに取着され、同端を塞ぎ、ＤＰＦ２１からの排ガスが多数のスリット３７からパイプ部材内へ流入される構造としている。これで、ＤＰＦ２１を通過した排ガスは、収束パイプ３６を通過する間、すなわちスリット３７から排ガス流出口３８（パイプ部材端）から流出する間に、パイプ部材内の通路にならい収束される。

尿素水溶液の噴霧には、図２および図３に示されるように例えば角部２０の壁部２０ａの外面に尿素インジェクタ３０の本体部３０ｂを設置し、先端の噴霧部３０ａを同壁部２０ａから収束パイプ３６の他端部内へ臨ませる構造が用いられている。特に噴霧部３０ａは、収束パイプ３６の内部へ尿素水溶液がコーン状の噴霧形状で噴き込まれるよう位置決めてある。つまり、収束パイプ３６は、噴霧された尿素水溶液全体を取り囲むように配設される。これにより、尿素水溶液は、収束された排ガス流の断面方向からくまなく噴霧され、さらに排ガスは、噴霧された尿素水溶液の周囲を取り囲みながら流れ、収束パイプ３６を通過する間の短い距離でも、尿素水溶液と排ガスとが効果的に混じり合うようにしている。

またＬ形の排気浄化装置１５は組み立てやすいよう、マフラケーシング１６は、図２および図３に示されるように角部２０から分割可能な構造にしてある。具体的には、ケーシング部分１９は、ＤＰＦ２１の入口側の部分と角部２０の入口側の部分との間から分かれ、分かれた部分を、継手部材、例えばフランジ継手４０で着脱可能に連結してある。またＤＰＦ２１のメンテナンスが容易に行えるよう、ＤＰＦ２１を挟んだフランジ継手４０とは反対側のＤＰＦ２１の出口側のケーシング部分１９も、同様にフランジ継手４１を用いた着脱構造を用いて分割させてある。

この排気浄化装置１５の下流側マフラ２６が、シャシフレーム１の前後方向に沿って配置、具体的にはメインフレーム２の直下でフレーム沿いに配置され、上流側マフラ２５が、同メインフレーム２から車幅方向外側へ張り出るように配置させてある。この排気浄化装置１５は、固定具（図示しない）でメインフレーム２やシャシフレーム１の各部に固定される。さらに入口部２５ａは、ディーゼルエンジン５から延びる排気管５ａに接続され、出口部２６ａは、大気開放に向かう排気管５ｂに接続される。これにより、Ｌ形の排気浄化装置１５は、特定の場所となる、トラックのホイールベース（前輪３と後輪７との間）内の空いている場所にコンパクトに架装される。

これで、ディーゼルエンジン５から排出された排ガスの浄化が行われる。すなわち、ディーゼルエンジン１から排出された排ガス中のＰＭは、連続再生されながら（前段酸化触媒２２による）、ＤＰＦ２１にて捕集される。ついで、ＤＰＦ２１から流出した排ガスは、角部２０を通る際、スリット３７から収束パイプ３６内に導かれ、排ガス流出口３８へ至るまでの間で収束される。

一方、尿素インジェクタ３０の噴霧部３０ａからは、収束パイプ３６内の通路へ向け、尿素水溶液が噴霧される。これにより、尿素水溶液は、収束パイプ３６の通路断面の全体を占めるように噴霧され、収束された排ガス流の全体にくまなく行き渡る。しかも排ガスは、この噴霧された尿素水溶液を周囲から取り囲むように流れるから、排ガスが収束パイプ３６を通過するとき、排ガスが排ガス流出口３８から流出するとき、さらには排ガスが拡張室３３で拡張するときの各段階で排ガスと混合が行われ、限られた角部２０内でも尿素水溶液と排ガスとは十分に混合される。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、拡張室３３を経て、ＳＣＲ触媒２３に供給される。すると、排ガス中のＮＯｘは、ＳＣＲ触媒２３におけるＮＯｘ還元作用により還元される。さらに後段酸化触媒２４により、ＳＣＲ触媒２３から流出するアンモニアを抑えられ、浄化を終えた排ガスが出口部２６ａから排出される。

このような排気浄化装置１５だと、排気浄化装置全体は、上記のようにシャシフレーム１の前後方向の一部、シャシフレーム１から車幅方向外側の一部を占めるだけのコンパクトな一体的構造ですむ。しかも、同排気浄化装置１５は、端側がシャシフレーム１から車幅方向外側に張り出ながら、シャシフレーム１内に架装されるから、車両前後方向に配置される下流側マフラ２６は、車幅方向外側に張り出るケーシング部分１９分、全長が抑えられ、図２および図３に示されるように後段酸化触媒２４など他の触媒を設けたり、さらにはＳＣＲ触媒２３が複数個にする場合でも十分に受け入れることが可能となる。また車幅方向外側に配置される上流側マフラ２５も、メインフレーム２（シャシフレーム１）から荷台８の側部端（車両の車幅方向端）までの寸法内に十分に許容されるので、図２および図３に示されるように後段酸化触媒２４など他の触媒を設ける場合でも十分に受け入れることが可能となる。

したがって、排気浄化装置１５は、たとえ浄化機能の向上により大形化（全長の延び）しても、コンパクト性を保ちつつ、トラックのホイールベース内の空いた場所といった車両の特定の場所（１箇所）に装置全体を架装することができる。これにより、ホイールベースが短い車両でも容易に排気浄化装置１３が架装できるうえ、容易な架装作業ですむ。
特に下流側マフラ２６はシャシフレーム１のメインフレーム２下に搭載すると、どのようなトラック（車両）でも同様の作業で排気浄化装置１５の架装ができる。またマフラケーシング１６が角部２０から分割可能にしてあると、排気浄化装置１５の組立作業が容易になる。しかも、ＤＰＦ２１が有る部分も分割可能してあると、ＤＰＦ２１のメンテナンスも容易に行える。

また角部２０では、下流側に向かう排ガス流を収束させ、同収束した排ガス流の基端から尿素水溶液を噴霧させたので、角部２０内といった限られたスペースの中でも、尿素水溶液を排気ガスに十分に混合させることができ、角部２０から曲がる特異なケーシング構造でも尿素水溶液と排ガスの十分な混合が行なえる。

図４は本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、第１の実施形態のようなスリットを有するパイプ部材でなく、通常の両端が開放しただけのパイプ部材を用いて排ガスの収束を行うようにしたものである。具体的には、図４に示されるように収束パイプ３６を構成するパイプ部材４５は、一端部が隔壁３５の排ガス流出口３８に接続され、他端部が角部２０の壁部２０ａの壁面と近接した位置に配置され、壁部２０ａとパイプ部材端との間の隙間から排ガスが流入するようにしたものである。むろん、同パイプ部材は、第１の実施形態と同様、尿素インジェクタ３０から噴霧された尿素水溶液を取り囲むように設けられる。

このようにしてもＤＰＦＰ２１から流出した排ガスを収束させることができるうえ、収束した排ガスを尿素インジェクタ３０から噴霧された尿素水溶液を取り巻きながら流通させることができ、第１の実施形態と同様、限られた角部２０内で尿素水溶液を排ガスに十分に混合させることができる。
但し、図４において第１の実施形態と同じ部分には同一符号を付して、その説明を省略した。

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。

１シャシフレーム
２メインフレーム（メインフレーム部材）
５ディーゼルエンジン（内燃機関）
１５排気浄化装置
１６マフラケーシング（マフラ容器）
１８ケーシング部分（第１の筒形部分）
１９ケーシング部分（第２の筒形部分）
２０角部
２１ディーゼルパティキュレートフィルタ
２２前段酸化触媒
２３アンモニア選択還元型ＮＯｘ還元触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）
２４後段酸化触媒
２５上流側マフラ
２６下流側マフラ
３０尿素インジェクタ（還元剤添加装置）
３５隔壁
３６収束パイプ（筒形部材）
４０，４１フランジ継手

Claims

車両のシャシフレームを構成する車幅方向両側に配置されたメインフレーム部材のうちの片側の車両前後方向に延びるメインフレーム部材の下部に当該メインフレーム部材に沿って配置される第１の筒形部分と前記第１の筒形部分の端部から連続して連なり前記メインフレーム部材から車幅方向外側へ張り出る第２の筒形部分とからＬ形に構成され、内燃機関から排出された排ガスを前記第２の筒形部分の端側から前記第１の筒形部分の端側へ流通させる筒形のマフラ容器と、
前記上流側に配置される第２の筒形部分内に収められたパティキュレートフィルタと、
前記下流側に配置される第１の筒形部分内に収められた選択型ＮＯｘ触媒と、
前記第１の筒形部分と前記第２の筒形部分とが連なる角部に設けられ、排ガス中に前記選択型ＮＯｘ触媒の作動に要する還元剤を添加する還元剤添加装置と
を具備してなることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記筒形のマフラ容器は、前記第１の筒形部分と前記第２の筒形部分とが連なる角部から分割可能となっている特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記第１の筒形部分と前記第２の筒形部分とが連なる角部は、上流側の筒形部分からの排ガスを一旦、収束させて、下流側の筒形部分へ導く収束用の筒形部材を有し、
前記還元剤添加装置は、前記排ガスが流入する前記筒形部材の基端から当該筒形部材内の収束した排ガス流へ還元剤を噴霧するものである
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。