JP5878601B2 - 排気ガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は排気ガス処理装置および内燃機関に関する。

工業炉、ゴミ焼却、その他産業設備、ガス・タービン、エンジンなどから排出される燃焼ガスを機械的、触媒的、或いは、化学的に浄化するための諸手法は、排気ガス関連の分野において一括して排気ガス処理と呼ばれる。従来の排気ガス処理手法は、時には混合器生成や燃焼を制御する手法と組み合わされて、従来の内燃機関からの汚染物質の排出の大幅な低減に成果を上げている。

一方で、例えばガソリンを燃料とするエンジンを備えた車両に対しては、公道の走行にあたって、最低限、規制適合三元触媒コンバーターとして知られる装置を搭載することが多くの国において長年にわたり法的に義務付けられてきているのに対して、同等のディーゼル・エンジンの排気ガスについては、従来技術は不十分な排気ガス処理しか提供してこなかった。これは、このタイプのエンジンの燃料空気比がガソリン・エンジンと比べて高いために、対応の装置に高度な機能が要求されるからである。また、ディーゼル・エンジンの出力の制御は、ガソリン・エンジンにおけるように燃料空気混合気の総体積を調節することによってではなく、単に投入される燃料の量を調節することによって行われる。したがって、一般に、ディーゼル・エンジンにおいては、燃料の供給量を制限するだけでは排出微粒子の低減には限定的な効果しか得られない。

このため従来、排出微粒子に対する厳しい法的規制に対応するために、煤煙フィルターが用いられる。このような煤煙フィルターは、除去対象粒子に因んで煤煙粒子フィルター（SPF, Soot Particle Filter）と、あるいはその元物質に因んでディーゼル粒子フィルター（DPF, Diesel Particle Filter）と呼ばれ、排出される排気ガス流に含まれる燃焼残渣の濃度を低減するためのものである。他にも汚染物質の排出の低減するために用いられるものとして、触媒コンバーター（cat）がある。ディーゼル・エンジンと組み合わせられる触媒コンバーターの多くは、酸化触媒または選択的触媒還元（SCR, Selective Catalytic Reduction）の作用を利用したものである。以下の説明において、このようなまたはその他のフィルター、各種触媒、サーマル・リアクターを内蔵したユニット類が「排気ガス処理装置」に含まれるものとする。

排気ガスなどの流体の扱いに関する運転パラメーターの中で特に注目すべきは、異なる排気ガス処理部材における圧力損失あるいは圧力降下と呼ばれるものである。そのような圧力差の要因として、一般のフィルターにおいて、フィルター体自体の抵抗係数がその構成や素材に応じて最初から存在していることが挙げられる。また、排気ガス処理部材が使われ続けるうちに、排気ガス流から分離した固形物が堆積し続け、例えばいわゆる「濾過ケーキ」を形成して、流れ抵抗を大幅に増加させることはよくあり、これによりフィルターに発生する逆圧（反対圧力）が次第に増加する。このような逆圧の増加により、装置全体を通過する体積流量が次第に低下する。

本発明の目的は排気ガス流に対してフィルターにおいて生じる逆圧の連続的な観測を可能にする排気ガス処理装置を提供することである。本発明の他の目的は同様の内燃機関を提供することである。

上記発明の目的はそれぞれ下記技術的特徴によって達成される。

本発明を支えているのは、ディーゼル煤煙粒子フィルターの逆圧を観測するための適切な測定ポイントは必ずしも該フィルターの上流側に設ける必要はない、という知見である。この考え方は当技術分野の従来の考え方と異なる。近年の排気ガス処理装置の設計においては、ディーゼル煤煙粒子フィルターが略気密な内側ハウジングに収納され、この内側ハウジングが導入管及び排出管に結合されるので、以前より柔軟な配置が可能になっている。この点により原則として、フィルターの上流側に配された酸化触媒とフィルターの下流側に配された結合部との間の領域内であれば、事実上どの位置も、逆圧を正確に測定するのに適切であることが分かっている。排気ガス処理装置の好ましい構成として、粒子フィルターと内側ハウジングとの間に径方向に環状空間を形成する。ここで内側ハウジングは、酸化触媒と粒子フィルターとの間に軸方向に形成された領域と流体的に結合されている。そしてその環状空間に逆圧測定ポイントを設ける。この構成によれば、逆圧測定ポイントを設けるにあたっての自由度が高いので、据付に許された限られたスペースを有効に利用できる。

本明細書および請求項を通して、「軸方向」および「径方向」とは粒子フィルターに関して、特に粒子フィルターの管状ジャケットに関しての「軸方向」および「径方向」のことである。また「流体的に」とは「流体、特に排気ガス、そのものあるいはその流れとの関連において」と解される。

逆圧測定ポイントは、原則として、内側ハウジングの周面のどこに位置していてもよい。したがって、多様な設計上の選択肢の中から製造や目的に最適な逆圧測定ポイントを選択することができる。

好ましくは環状空間を、軸方向に結合部から粒子フィルターの入口端までの間を占めるように形成する。そうすれば、逆圧測定ポイントを環状空間に設けるにあたって、本発明の利点を特に享受できる。

好ましくは逆圧測定ポイントを、内側ハウジングの端面に保持されたブッシュ内に形成し、このブッシュの形状を、その中に一般の圧力計がぴったりと取り付け可能な形状とする。このようなブッシュの構成として、適切なネジ溝を切ったブッシュとすれば、計器を取り付ける際にそれに作業者が適度な力を円周方向に加えてねじ込むことによって軸方向に十分な力が働いて、計器をブッシュに十分な強さでぴったりと嵌め込むことができる。また、必要な場合にはその逆の手順で計器を取り外すことができる。このように比較的大きな周方向の運動が小さな軸方向の運動に変換されるので、作業者はブッシュに対する逆圧測定計器の嵌り具合を容易に調節できる。

好ましくは、内側ハウジングにおいて、逆圧測定ポイントの位置に開口を設け、この開口を内側ハウジングの壁の環状空間付近に配する。こうすれば逆圧測定ポイントにおいて環状空間内の圧力、つまり酸化触媒と粒子フィルターとの間の領域内の圧力、が測定できる。このようにして、粒子フィルターで生じる逆圧を逆圧測定ポイントにおいて測定することができる。

本発明に係る逆圧測定ポイントによれば、排気ガス処理装置にさらに外側ハウジングを設けてもよい。そのような外側ハウジングを上述の（ネジ溝を切った）ブッシュに貫通させることは、外側ハウジングが二重壁構造のものであっても、大きな設計変更を伴わずに実現できる。

また、排気ガス処理装置の熱絶縁のために、外側ハウジングの外壁と内壁との間に断熱マットを設けても、上述の構成に支障はない。この場合、本発明に係るブッシュは外壁および内壁のみならずそれらの間に囲まれた断熱材をも貫通するが、これも本発明の趣旨から外れるものではない。またこの場合、断熱効果を損なわないように、ブッシュは外側ハウジングの壁と直角に設けるのがよい。

ディーゼル・エンジンで殊に問題となる窒素酸化物の排出の更なる削減のために、排気ガス処理装置に、単純な煤煙粒子フィルターなどに代えて、窒素酸化物吸蔵触媒を設けてもよい。その場合でも選択的触媒還元（ＳＣＲ）によって好適な燃焼条件が維持される。

本発明の他の重要な特徴や効果は、従属請求項、図面、および図面に基づいた本明細書内の記載の該当箇所から理解されるとおりである。

上に述べた、また下にこれから述べるいずれの特徴も、具体的に言及されている組み合わせ以外のどのような組み合わせでも、あるいは単独でも、本発明の範囲を逸脱しない限り実施可能である。

本発明に係る内燃機関の排気ガス処理装置の基本構造を模式的に示す断面図。 図１に示した排気ガス処理装置のＡ−Ａ面沿い断面を模式的に示す図。 図１に示した排気ガス処理装置のＢ−Ｂ面沿い断面を模式的に示す図。 図３に示した排気ガス処理装置のＵ−Ｕ面沿い断面を模式的に示す図。

本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。同一、類似、または機能上同等の部材は同一の参照符号で示す。

図１は本発明に係る内燃機関の排気ガス処理装置の基本構造を模式的に示す断面図である。図２は図１に示した排気ガス処理装置のＡ−Ａ面沿い断面を模式的に示す図である。図３は図１に示した排気ガス処理装置のＢ−Ｂ面沿い断面を模式的に示す図である。図４は図３に示した排気ガス処理装置のＵ−Ｕ面沿い断面を模式的に示す図である。

図１〜図４に本発明に係る排気ガス処理装置１の基本構成を示す。図１はその一断面を示す図である。本排気ガス処理装置１は一般のディーゼル・エンジンにおける内燃機関２４の一部として用いられる。窒素酸化物の排出を削減するために、内燃機関２４は選択的触媒還元反応を利用しており、そのために内燃機関２４は還元剤ノズル２０を備える。還元剤ノズル２０は排気ガス流と同心に設けられ、ＤＩＮ（ドイツ工業規格）７００７０に略相当する尿素水溶液を噴霧状にして、内燃機関２４の排気回路中に供給する。この排気回路は排気ガス処理装置１の内部を通っている。還元剤ノズルは排気ガス流から偏芯して設けてもよく、その場合の還元剤ノズル２０’の位置も図１に示されている。このような配置でも上述の動作は実現される。

上述の動作は図１のＡ−Ａ面に沿った断面を示す図２を参照すればより明らかになる。そこに特に示されているように、還元剤ノズル２０は排気ガス処理装置１のＵ字状混合管１９内に向かって開口している。Ｕ字状混合管１９において、注入された尿素溶液が燃焼排気ガス内に分散して、加水分解により二酸化炭素（ＣＯ₂）とアンモニア（ＮＨ₃）を生成する。燃焼排気ガスはこうして還元剤として働くアンモニアと混合されて、フード２１内に形成された流入路２２を介してＳＣＲ触媒６に流入する。ＳＣＲ触媒６内で、排気ガスは適切な反応温度での所期の酸化還元反応によって処理される。その後、排気ガスは排出管３を介して排気ガス処理装置１外に排出される。

本発明に特徴的な構成は、排気ガス処理装置１の図１のＢ−Ｂ面に沿った断面を示す図３に示されているので、それを以下に説明する。排気ガス流に従って説明すれば、該構成の開始点は導入管２である。導入管２は中空で円筒形で、外側ハウジング２７を貫通して排気ガス処理装置１内に開口し、内燃機関２４の燃焼室（図示せず）からの高温の燃焼排気ガスを排気ガス処理装置１内の、まずは従来型の酸化触媒５に供給する。酸化触媒５は導入管２に対して直角に設けられており、外側ハウジング２７にほぼ沿うように設けられる。炭化水素（Ｃ_mＨ_n−）および一酸化炭素の含有量が低減されて酸化触媒５を出た燃焼排気ガスは次に粒子フィルター４に入る。粒子フィルター４は酸化触媒５の下流側かつその延長線上に設けられる。粒子フィルター４には排気ガス流に含まれる煤煙粒子が堆積する。このように処理された後、排気ガスは方向転換室２３に入る。方向転換室２３は排気ガス処理装置１の端部カバー１８内に設けられ、方向転換室２３に入ったガスをＵ字状の流路を有する排気ガス処理装置１内に再度導く。

粒子フィルター４の交換を容易にするために、ジャケット３８を設けるとよい。ジャケット３８は管状で、少なくとも１つの粒子フィルター・エレメント４０を保持する。粒子フィルター・エレメント４０は通例のとおり支持マット４２に包まれてジャケット３８内に収められる。粒子フィルター４の両端はそれぞれ入口端３６と出口端３７となり、これらを介して燃焼排気ガスが粒子フィルター４に流入し、またそれから流出する。

粒子フィルター４はまた結合部９を有する。結合部９はジャケット３８の周面に設けられ、粒子フィルター４を内側ハウジング７に結合する。結合部９は、粒子フィルター４の一部としてその出口端３７に臨む結合領域８に設けらる。これにより、粒子フィルター４はその大部分が内側ハウジング７内において内側ハウジング７と非接触に設けられる。

Ｂ−Ｂ切断面沿いの図３においてＡ−Ａ面に対して直角に、またＵ−Ｕ切断面沿いの図４においてＢ−Ｂ面に対して直角に、逆圧測定ポイント１０、１１、１２（図３）、１３、１４（図４）が５か所に示されている。これらのいずれかを任意で設けるのがよく、これが本発明に特徴的な構成の核と考えてよい。まず図３に示す第１の逆圧測定ポイント１０に注目する。このポイントは、逆圧測定は測定対象の粒子フィルター４のすぐ上流側で行うべきという従来の考え方に沿ったものであるが、この考え方は正しいとは言えない。

対して、図３に代替箇所として示した第２および第３の逆圧測定ポイント１１、１２の背景にある考え方は、方向転換室２３に臨む結合部９を介して内側ハウジング７内に全体が挿入されかつそれに結合された粒子フィルター４であれば、その最大長Ｌに沿った任意の箇所で逆圧測定が可能だとするものである。この場合、逆圧測定が可能なのは、第２の逆圧測定ポイント１１のような、挿入された粒子フィルター４に沿った箇所に限られない。第３の逆圧測定ポイント１２のように、軸方向に関して、従来からＶクランプとして知られる形状の結合部９と、内側ハウジング７がその中に収められる外側ハウジング２７との間に位置させても、測定精度が悪化することはない。

言うまでもなく、測定ポイントを、内側ハウジング７の円周方向の他の任意の位置に設けることもできる。図４に示す第４の逆圧測定ポイント１３および第５の逆圧測定ポイント１４がその例である。以上述べた逆圧測定ポイント１０、１１、１２、１３、１４はいずれもが、目的に応じて、一般の圧力計やマノメーターなどの計器を取り付けるのに適したものである。任意の逆圧測定ポイントに、ネジ溝を切ったブッシュを設けて、これにそのような計器をねじ込むことで、計器の取り付けと位置決めが容易になる。そのために、内側ハウジング７の、逆圧測定ポイント１０〜１４のうちの任意のものに対応する位置のブッシュ２５（図４参照）の延長線上に開口２６が設けられる。ブッシュ２５は軸方向の両端が開口している。内側ハウジング７の外側に設けられる外側ハウジング２７は二重壁を有していてもよく、その場合ブッシュ２５は、特に第１および第２の逆圧測定ポイント１０、１１において、外側ハウジング２７の外壁１５、その内側に設けられた内壁１６、および外壁１５と内壁１６の間に液密に設けられた断熱マット１７をすべて貫通するものであってよい。

従来実施されていた逆圧測定ポイントの位置（逆圧測定ポイント１０参照）とは異なる位置に逆圧測定ポイント１１〜１４を設けることで、本発明は特に有用なものとなる。それにより、逆圧測定ポイント１１〜１４を設け得る位置を従来より多様とすることができ、その結果、据付に許されたスペースに排気ガス処理装置１を適応させることがより容易になる。

逆圧測定ポイント１１〜１４は、粒子フィルター４と内側ハウジング７との間に径方向に形成される環状空間３０に位置する点が共通している。より具体的には、環状空間３０は粒子フィルター４のジャケット３８と内側ハウジング７の壁３２との間に径方向に形成される。逆圧測定ポイント１１〜１４はまた、内側ハウジング７の壁３２の開口２６が形成される位置に設けられるので、逆圧測定ポイント１１〜１４において環状空間３０内の圧力を計ることができる。

環状空間３０は径方向には内側ハウジング７と粒子フィルター４との間を占め、軸方向には結合部９から領域３４までの間を占める。この領域３４は軸方向に酸化触媒５と粒子フィルター４との間を占める。特に、環状空間３０は軸方向に粒子フィルター４の入口端３６に達する。

環状空間３０は粒子フィルター４の入口端３６側で領域３４に連通しているので、環状空間３０内の圧力と、酸化触媒５と粒子フィルター４との間を軸方向に占める領域内の圧力とは実質的に等しい。したがって逆圧測定ポイント１１〜１４において、粒子フィルター４に起因する逆圧を、大きな誤差なく測定できる。

本明細書および請求項を通して、「軸方向」および「径方向」とは粒子フィルター４に関して、特に粒子フィルター４の管状ジャケット３８に関しての「軸方向」および「径方向」のことである。また「流体的に」とは「流体、特に排気ガス、そのものあるいはその流れとの関連において」と解される。

１ 排気ガス処理装置
２ 導入管
３ 排出管
４ 粒子フィルター
５ 酸化触媒
６ ＳＣＲ触媒
７ 内側ハウジング
８ 結合領域
９ 結合部
１０〜１４ 逆圧測定ポイント
１５ 外壁
１６ 内壁
１７ 断熱マット
１８ 端部カバー
１９ Ｕ字状混合管
２０ 還元剤ノズル
２１ フード部
２２ 流入路
２３ 方向転換室
２４ 内燃機関
２５ ブッシュ
２６ 開口
２７ 外側ハウジング
３０ 環状空間
３２ 壁
３４ 領域
３６ 入口端面
３７ 出口端面
３８ ジャケット
４０ 粒子フィルター・エレメント
４２ 支持マット

Claims (18)

1. 燃焼排気ガスを導入するための導入管と、
   前記燃焼排気ガスを排出するための排出管と、
   一端が前記導入管と流体的に結合され、他端が前記排出管と流体的に結合されると共に、粒子フィルターを収納するための略気密な内側ハウジングと、
   前記粒子フィルターを前記内側ハウジングに結合するための結合部と、
   前記内側ハウジング内において前記粒子フィルターの上流側に設けられて、前記燃焼排気ガスの酸化反応の触媒として作用する酸化触媒と、
   前記粒子フィルターで発生する逆圧を測定するために、前記酸化触媒と前記結合部との間に設けられた１以上の逆圧測定ポイントと、
   を備えた排気ガス処理装置であって、
   前記粒子フィルターと前記内側ハウジングとの間に径方向に環状空間が形成され、
   前記環状空間は、前記酸化触媒と前記粒子フィルターとの間に形成された領域と流体的に結合され、
   前記逆圧測定ポイントは前記環状空間内に設けられることを特徴とする排気ガス処理装置。
2. 前記環状空間は前記結合部から前記粒子フィルターの入口端までの間を占める請求項１に記載の排気ガス処理装置。
3. 前記逆圧測定ポイントは前記内側ハウジングの周面に設けられる請求項１または請求項２に記載の排気ガス処理装置。
4. 前記内側ハウジングは前記逆圧測定ポイントにおいて開口を有し、前記逆圧測定ポイントにおいて該開口の端面に、圧力計を取り付けるためのブッシュが保持されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
5. 前記開口は、前記環状空間を区画する前記内側ハウジングの壁に設けられる請求項４に記載の排気ガス処理装置。
6. 前記ブッシュは、前記圧力計を前記ブッシュに螺合させて取り付けるためのネジ溝を有する請求項４または請求項５に記載の排気ガス処理装置。
7. 前記内側ハウジングの外側に外側ハウジングが設けられ、
   前記ブッシュは前記外側ハウジングを略直角に貫通する請求項４から請求項６のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
8. 前記外側ハウジングの外壁と内壁との間に断熱マットが前記外側ハウジングに包み込まれるように設けられ、
   前記ブッシュは前記外壁、前記内壁および前記断熱マットを貫通する請求項７に記載の排気ガス処理装置。
9. 前記逆圧測定ポイントは、前記結合部と前記外側ハウジングとの間に設けられ、
   前記外側ハウジングが前記内側ハウジングの少なくとも一部を包み込んでいて、前記内側ハウジングが前記外側ハウジングから突き出ている請求項７又は請求項８に記載の排気ガス処理装置。
10. 前記粒子フィルターに流体的に結合されて還元剤を前記燃焼排気ガスに混合するための混合管と、
    前記混合管内に向かって開口し、前記還元剤としてアンモニアを含有する還元剤を噴霧状にする還元剤ノズルと、
    一端において前記混合管と流体的に結合されると共に他端において前記排出管と流体的に結合され、前記還元剤による前記燃焼排気ガスの還元反応の触媒として作用する少なくとも１つのＳＣＲ触媒と、
    を備える請求項７から請求項９のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
11. 前記ＳＣＲ触媒を覆い、前記外側ハウジングに着脱可能に結合されたフードを備える請求項１０に記載の排気ガス処理装置。
12. 前記フード内に形成され、一端において前記混合管と流体的に結合され、他端において前記ＳＣＲ触媒と流体的に結合された、前記還元剤と混合された前記燃焼排気ガスを前記ＳＣＲ触媒内に導入するための流入路を備える請求項１１に記載の排気ガス処理装置。
13. 前記結合部の下流側に設けられた、前記内側ハウジングを覆うための着脱可能なカバーを備える請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
14. 前記カバー内に形成され、一端において前記内側ハウジングと流体的に結合され、他端において前記混合管と流体的に結合された、前記粒子フィルターから前記混合管への前記燃焼排気ガスの流れの方向を転換するための方向転換室を備える請求項１３に記載の排気ガス処理装置。
15. 前記内側ハウジングは、前記カバーが取り外された状態において、前記粒子フィルターを前記内側ハウジングの中へ所定の最大長にわたって押し込んで前記粒子フィルターを前記結合部によって前記内側ハウジングに結合することが可能な長さと形状を有している請求項１３または請求項１４に記載の排気ガス処理装置。
16. 前記結合部は、前記粒子フィルターを前記内側ハウジングに固定することが可能な着脱可能なクランプからなり、該クランプはＶ字状に形成されている請求項１から請求項１５のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
17. 前記粒子フィルターとして煤煙粒子フィルターを備え、
    前記煤煙粒子フィルターは、
    前記燃焼排気ガスから煤煙粒子を分離するための少なくとも１つのガス透過基材と、
    前記基材を包み込む気密なジャケットと、
    前記基材と前記内側ハウジングとの間に設けられ、前記内側ハウジングを支持するための支持マットと、
    を有する請求項１から請求項１６のいずれかに記載の排気ガス処理装置。
18. 燃料の燃焼によって燃焼排気ガスを排出する燃焼室を少なくとも１つ備えた内燃機関であって、
    前記燃焼排気ガスを処理するために前記燃焼室と流体的に結合された、請求項１から請求項１７のいずれかに記載の排気ガス処理装置を備えたことを特徴とする内燃機関。

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