JP5500959B2

JP5500959B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP5500959B2
Application number: JP2009271215A
Authority: JP
Inventors: 吉弘川田; 信也佐藤; 満細谷; 惇鈴木
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2029-11-30
Also published as: JP2011112018A

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。

他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ₃）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている。

即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガスの熱によって尿素水が次式によりアンモニアと炭酸ガスに加水分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。
［化１］
（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂

他方、ディーゼルエンジンの排気浄化を図る場合、排気ガス中のＮＯxを除去するだけでは十分ではなく、排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）についてもパティキュレートフィルタを通して捕集する必要があるが、この種のパティキュレートフィルタを採用する場合には、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要がある。

このため、パティキュレートフィルタの前段に、フロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタを強制再生することが考えられている。

つまり、酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加すれば、その添加燃料（ＨＣ）が前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応するので、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。

一般的に、前述した如き燃料添加を実行するための具体的手段としては、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を実行して排気ガス中に燃料を添加することが考えられているが、その添加燃料を効率良く強制再生に活用し且つ排気ガスが極力温度降下しないうちに添加燃料を酸化処理するためには、例えば、図７に示す如く、パティキュレートフィルタ１及びその前段の酸化触媒２を選択還元型触媒３より上流側に配置することが好ましいものと考えられている。

また、図７中における符号の４は排気管、５は排気ガス、６は尿素水７を噴射する尿素水添加装置、８はディーゼルエンジン、９はリークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ₃スリップ触媒を示している。

そして、斯かる従来構造においては、排気ガス５に対する尿素水７の均一な混合を促進するために、酸化触媒２及びパティキュレートフィルタ１をケーシング１１により抱持すると共に、選択還元型触媒３及びＮＨ₃スリップ触媒９をケーシング１２により抱持し、これら各ケーシング１１，１２の間を絞り込んで小径部１０を形成し、ここに尿素水添加装置６を配置して尿素水７の添加を行い得るようにしている。

即ち、このようにすれば、小径部１０内の全域に偏りなく尿素水７を噴射することが可能となるので、排気ガス５に対し尿素水７を良好に混合させてから流れを拡げ、尿素水７から生じたアンモニアを選択還元型触媒３の全領域で効率良く反応させることが可能となる。

尚、この種のパティキュレートフィルタ及びその前段の酸化触媒を選択還元型触媒より上流に配置した排気浄化装置に関連する先行技術文献情報としては、例えば、本発明と同じ出願人による下記の特許文献１等が既に存在している。

特開２００７−２６９７号公報

しかしながら、図７に示す如き小径部１０を形成しても、尿素水７がアンモニアと炭酸ガスに分解されるまでの十分な反応時間を確保するためには、尿素水７の添加位置から選択還元型触媒３までに十分な距離をとらなければならず、また、小径部１０の前後にテーパ部を介在させなければならないことからも前後方向の距離が長くなってしまうため、排気浄化装置としての全長が長くなって車両への搭載性が悪くなるという問題があった。

本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、選択還元型触媒の上流側に還元剤を添加して排気ガス中のＮＯxを還元浄化する排気浄化装置の搭載性を従来よりも改善することを目的としている。

本発明は、排気流路の途中に酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を介装し、該選択還元型触媒の入口付近に排気ガスの流れ方向へ向け流路径が徐々に縮小し且つ途中から徐々に拡径して元の流路径に復帰するようにした絞り部を形成すると共に、該絞り部の最小径部に多数の散気孔を備えた分散板を配置し、該分散板と前記選択還元型触媒との間に前記分散板の背面に向け還元剤を噴射する還元剤添加手段を配置した排気浄化装置であって、分散板の中央部付近の開口率を相対的に下げ且つ該中央部を取り囲む外周部の開口率を相対的に上げると共に、前記外周部における還元剤添加手段からの還元剤が当たる衝突領域を取り囲む位置に排気ガスの主流を形成し得るよう最大開口面積の散気孔を形成し、これら最大開口面積の散気孔の円周方向における相互間に前記中央部と同程度に開口率を下げた低開口率領域を部分的に介在させたことを特徴とするものである。

而して、還元剤添加手段により分散板の背面に向けて還元剤を噴射すると、該還元剤は排気ガスの流れに抗して噴射されることになり、排気ガスの流れと還元剤の噴射流とがぶつかり合うことで該還元剤が分散し易くなると共に、排気ガスの流れ方向に噴射する場合よりも還元剤がガス化するまでの反応時間が確保され易くなる。

更に、還元剤添加装置からの還元剤は、分散板の出側で排気ガスの流れが拡散しているところに噴射されることになるため、還元剤の分散性がより一層向上されて排気ガスとの良好な混合化が図られる。

また、分散板の直前で排気ガスの流れが絞り込まれて、分散板を通過する排気ガスの流速が高められ、次いで、分散板の直後で排気ガスの流れが拡げられて、分散板を通過した排気ガスの流路外周側に向かう流れが促されることになり、しかも、その流路外周側に向かう流れは、分散板の外周部と排気流路の内壁とが鈍角を成していることにより乱流化し難くなるため、これまで分散板外周部の直後で澱み易かった排気ガスの流れが大幅に改善されることになる。

この結果、従来の如き小径部を形成しなくても、排気ガスに対し還元剤を良好に混合させてガス化を促進し、そのガス化した還元剤を選択還元型触媒の全領域で効率良く反応させることが可能となるので、前記小径部及びその前後のテーパ部を形成しなくて済む分だけ排気浄化装置の全長を短縮することが可能となる。

また、分散板の中央部付近の開口率を相対的に下げ且つ該中央部を取り囲む外周部の開口率を相対的に上げているので、分散板より上流で排気流路の中心付近を主流として流れてきた排気ガスが分散板の中央部で堰き止められて外周側へ拡散される一方、分散板の出側から上流へ向け噴射された還元剤が分散板の入側へ通り抜けることなく受け止められ、しかも、前記外周部における還元剤添加手段からの還元剤が当たる衝突領域を取り囲む位置に排気ガスの主流を形成し得るよう最大開口面積の散気孔を形成しているので、還元剤の衝突領域を取り囲む最大開口面積の散気孔に流れ込んだ排気ガスが分散板の後方で主流を形成した後に、この主流が分散板の中央部直後の圧力低下した領域に流れ込んで還元剤の噴霧と効果的に撹拌混合されることになる。

更に、最大開口面積の散気孔の円周方向における相互間には、中央部と同程度に開口率を下げた低開口率領域が部分的に介在しており、この低開口率領域の直後も圧力低下した領域となっているため、前記分散板の中央部直後の圧力低下した領域に流れ込んだ主流が更に前記低開口率領域の直後の領域に拡散して還元剤を流路外周へも分散させることになる。

また、本発明においては、還元剤が尿素水であることが好ましく、この場合には、分散板の背面に向け排気ガスの流れに抗して尿素水を噴射することにより、排気ガスの流れ方向に尿素水を噴射する場合よりも、尿素水がアンモニア化するまでの反応時間を稼ぐことが可能となり、尿素水の添加位置と選択還元型触媒との間の距離を長く確保しなくて済む。

更に、本発明においては、選択還元型触媒をパティキュレートフィルタに担持させることが好ましく、このようにすれば、ＮＯxとパティキュレートの同時低減を図ることが可能となると共に、パティキュレートフィルタを選択還元型触媒と別体で直列配置する場合よりも排気浄化装置の短縮化が可能となる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、選択還元型触媒の上流側に還元剤を添加するに際し、該還元剤の添加位置に小径部を形成しなくても、排気ガスに対し還元剤を良好に混合させてガス化を促進し、そのガス化した還元剤を選択還元型触媒の全領域で効率良く反応させることができるので、前記小径部及びその前後のテーパ部を形成しなくて済む分だけ排気浄化装置の全長を短縮することができ、該排気浄化装置の搭載性を従来より大幅に向上することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、分散板より上流で排気流路の中心付近を主流として流れてきた排気ガスの外周側への拡散を促し、分散板の出側から上流へ向け噴射された還元剤を受け止め、還元剤の衝突領域を取り囲む最大開口面積の散気孔に流れ込んだ排気ガスにより分散板の後方で主流を形成し、この主流を分散板の中央部直後の圧力低下した領域に流れ込ませて還元剤の噴霧と効果的に撹拌混合させることができ、しかも、その主流を低開口率領域の直後の領域に拡散させて還元剤の流路外周への分散を促すこともできる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、排気ガスの流れ方向に尿素水を噴射する場合よりも、尿素水がアンモニア化するまでの反応時間を稼ぐことができるので、尿素水の添加位置と選択還元型触媒との間の距離を長く確保しなくても、尿素水の良好なアンモニア化を実現することができる。

（ＩＶ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、ＮＯxとパティキュレートの同時低減を図ることができると共に、パティキュレートフィルタを選択還元型触媒と別体で直列配置する場合と比較して、排気浄化装置の大幅な短縮化を図ることができ、ＮＯxとパティキュレートの同時低減を図り得る排気浄化装置としての搭載性を大幅に向上することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１の要部の拡大図である。図１の分散板の通過後の主流の動きを説明する図である。図３のように動いた後の主流の動きを説明する図である。検証実験でのアンモニア濃度の測定点を説明する図である。検証実験の結果を示す棒グラフである。従来例を示す概略図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例の排気浄化装置においては、排気管４（排気流路）途中に介装した単一のケーシング１３（排気流路）内に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニア（還元剤）と反応させる性質を備えた選択還元型触媒３がパティキュレートフィルタ１を担体として該パティキュレートフィルタ１に一体的に担持されて収容されており、この選択還元型触媒３の前段には、排気ガス５中のＨＣを酸化処理する酸化触媒２が収容されている。

また、前記選択還元型触媒３の直後にもフロースルー型の担体に担持させて選択還元型触媒３’が追加装備されているが、この選択還元型触媒３’は、前段の選択還元型触媒３の処理能力の不足分を補い得る程度の小さな容量としたものであり、これまでの選択還元型触媒よりも大幅に小型化したものとなっている。

即ち、パティキュレートフィルタ１に選択還元型触媒３を担持させるにあたっては、前記パティキュレートフィルタ１のフィルタ能力に悪影響を及ぼさない程度に加減して担持させなければならないため、これまでの選択還元型触媒と同じＮＯx処理能力を全てパティキュレートフィルタ１側に担わせるのは難しく、前記パティキュレートフィルタ１の直後にも選択還元型触媒３’を追加装備することが好ましい。

更に、前記選択還元型触媒３の入口付近には、図２に拡大して示す如く、排気ガス５の流れ方向へ向け流路径が徐々に縮小し且つ途中から徐々に拡径して元の流路径に復帰するようにした絞り部１４が形成されており、該絞り部１４の最小径部には、多数の散気孔１５を備えた分散板１６が配置され、該分散板１６と前記選択還元型触媒３との間に前記分散板１６の背面に向け尿素水７（還元剤）を噴射する尿素水添加装置６（還元剤添加手段）が配置されている。

ここで、図３及び図４に示す如く、前記分散板１６の中央部付近の開口率は相対的に下げられており、該中央部を取り囲む外周部の開口率は相対的に上げられているが、より詳細には、前記外周部における尿素水添加装置６からの尿素水７が当たる衝突領域Ａを取り囲む四箇所に、排気ガス５の主流を形成し得るよう最大開口面積の大きな散気孔１５が形成されており、これら最大開口面積の散気孔１５の円周方向における相互間には、前記中央部と同程度に開口率を下げた低開口率領域Ｂが部分的に介在されるようにしてある。

尚、前述した図７の従来例の場合と同様に、ケーシング１３内におけるフロースルー型の選択還元型触媒３’の直後には、リークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ₃スリップ触媒９（図１参照）が配設されているが、このＮＨ₃スリップ触媒９は、必要に応じて配設すれば良いものである。

而して、尿素水添加装置６により分散板１６の背面に向けて尿素水７を噴射すると、該尿素水７は排気ガス５の流れに抗して噴射されることになり、排気ガス５の流れと尿素水７の噴射流とがぶつかり合うことで該尿素水７が分散し易くなると共に、排気ガス５の流れ方向に噴射する場合よりも尿素水７がアンモニア化するまでの反応時間が確保され易くなる。

更に、尿素水添加装置６からの尿素水７は、分散板１６の出側で排気ガス５の流れが拡散しているところに噴射されることになるため、尿素水７の分散性がより一層向上されて排気ガス５との良好な混合化が図られる。

また、図２に拡大して示す如く、分散板１６の直前で排気ガス５の流れが絞り込まれて、分散板１６を通過する排気ガス５の流速が高められ、次いで、分散板１６の直後で排気ガス５の流れが拡げられて、分散板１６を通過した排気ガス５の流路外周側に向かう流れが促されることになり、しかも、その流路外周側に向かう流れは、分散板１６の外周部と排気流路の内壁とが鈍角を成していることにより乱流化し難くなるため、これまで分散板１６外周部の直後で澱み易かった排気ガス５の流れが大幅に改善されることになる。

この結果、従来の如き小径部１０（図７参照）を形成しなくても、排気ガス５に対し尿素水７を良好に混合させてアンモニア化を促進し、そのアンモニアを選択還元型触媒３の全領域で効率良く反応させることが可能となるので、前記小径部１０（図７参照）及びその前後のテーパ部を形成しなくて済む分だけ排気浄化装置の全長を短縮することが可能となる。

事実、選択還元型触媒３へ導かれるアンモニアの分散性を高める上で尿素水７を逆方向に噴射（分散板１６の出側から上流へ向け噴射）することは極めて有効であり、本発明者らによる検証実験によれば、図５に示す如き、選択還元型触媒３の入側端面における中央、エッジａ、エッジｂ、エッジｃ、エッジｄの計五箇所でアンモニア濃度を測定し、このうちの最大値を「１」として規格化し、図６に棒グラフで示す如く、尿素水７を順方向に噴射（分散板１６の入側から下流へ向け噴射：図７の従来図を参照）した場合と比較したところ、順方向の噴射の場合よりも逆方向からの噴射の方がアンモニア濃度の偏りが少なく、より分散性の高いアンモニアの供給を行い得ることが判った。尚、図６中のαは逆方向の噴射の場合における最大値で規格化した濃度の平均値、βは順方向の噴射の場合における最大値で規格化した濃度の平均値を示している。

また、特に本形態例においては、図３及び図４に示してある通り、分散板１６の中央部付近の開口率を相対的に下げ且つ該中央部を取り囲む外周部の開口率を相対的に上げているので、分散板１６より上流で排気流路の中心付近を主流として流れてきた排気ガス５が分散板１６の中央部で堰き止められて外周側へ拡散される一方、分散板１６の出側から上流へ向け噴射された尿素水７が分散板１６の入側へ通り抜けることなく受け止められることになる。

しかも、前記分散板１６の外周部における尿素水添加装置６からの尿素水７が当たる衝突領域Ａを取り囲む四箇所に、排気ガス５の主流を形成し得るよう最大開口面積の大きな散気孔１５を形成しているので、尿素水７の衝突領域Ａを取り囲む最大開口面積の散気孔１５に流れ込んだ排気ガス５が分散板１６の後方で主流を形成した後に、図３に矢印ｘで示す如く、主流が分散板１６の中央部直後の圧力低下した領域に流れ込んで尿素水７の噴霧と効果的に撹拌混合されることになる。

更に、最大開口面積の散気孔１５の円周方向における相互間には、中央部と同程度に開口率を下げた低開口率領域Ｂが部分的に介在しており、この低開口率領域Ｂの直後も圧力低下した領域となっているため、図４に矢印ｘで示す如く、前記分散板１６の中央部直後の圧力低下した領域に流れ込んだ主流が更に前記低開口率領域Ｂの直後の領域に拡散して尿素水７を流路外周へも分散させることになる。

従って、上記形態例によれば、選択還元型触媒３の上流側に尿素水７を添加するに際し、該尿素水７の添加位置に小径部１０（図７参照）を形成しなくても、排気ガス５に対し尿素水７を良好に混合させてアンモニア化を促進し、そのアンモニアを選択還元型触媒３の全領域で効率良く反応させることができるので、前記小径部１０（図７参照）及びその前後のテーパ部を形成しなくて済む分だけ排気浄化装置の全長を短縮することができ、該排気浄化装置の搭載性を従来より大幅に向上することができる。

特に本形態例においては、図３及び図４に示す如き分散板１６を採用しているので、分散板１６より上流で排気流路の中心付近を主流として流れてきた排気ガス５の外周側への拡散を促し、分散板１６の出側から上流へ向け噴射された尿素水７を受け止め、尿素水７の衝突領域Ａを取り囲む最大開口面積の散気孔１５に流れ込んだ排気ガス５により分散板１６の後方で主流を形成し、この主流を分散板１６の中央部直後の圧力低下した領域に流れ込ませて尿素水７の噴霧と効果的に撹拌混合させることができ、しかも、その主流を低開口率領域Ｂの直後の領域に拡散させて尿素水７の流路外周への分散を促すこともできる。

また、本形態例の場合、選択還元型触媒３をパティキュレートフィルタ１に担持させているので、ＮＯxとパティキュレートの同時低減を図ることができると共に、パティキュレートフィルタ１を選択還元型触媒３と別体で直列配置する場合と比較して、排気浄化装置の大幅な短縮化を図ることができ、ＮＯxとパティキュレートの同時低減を図り得る排気浄化装置としての搭載性についても大幅に向上することができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図１〜図６における形態例に関する説明では、選択還元型触媒をパティキュレートフィルタを担体として一体的に担持させた場合で例示しているが、選択還元型触媒をフロースルー型の担体に担持させてパティキュレートフィルタとは別体で配置するようにしても良いこと、また、ＮＨ₃スリップ触媒は必要に応じて追加すれば良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１パティキュレートフィルタ
３選択還元型触媒
４排気管（排気流路）
５排気ガス
６尿素水添加装置（還元剤添加手段）
７尿素水（還元剤）
１３ケーシング（排気流路）
１４絞り部
１５散気孔
１６分散板

Claims

排気流路の途中に酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を介装し、該選択還元型触媒の入口付近に排気ガスの流れ方向へ向け流路径が徐々に縮小し且つ途中から徐々に拡径して元の流路径に復帰するようにした絞り部を形成すると共に、該絞り部の最小径部に多数の散気孔を備えた分散板を配置し、該分散板と前記選択還元型触媒との間に前記分散板の背面に向け還元剤を噴射する還元剤添加手段を配置した排気浄化装置であって、分散板の中央部付近の開口率を相対的に下げ且つ該中央部を取り囲む外周部の開口率を相対的に上げると共に、前記外周部における還元剤添加手段からの還元剤が当たる衝突領域を取り囲む位置に排気ガスの主流を形成し得るよう最大開口面積の散気孔を形成し、これら最大開口面積の散気孔の円周方向における相互間に前記中央部と同程度に開口率を下げた低開口率領域を部分的に介在させたことを特徴とする排気浄化装置。
還元剤が尿素水であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
選択還元型触媒をパティキュレートフィルタに担持させたことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。