JP6156228B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気ガス浄化装置に関する。

従来より、ディーゼルエンジンにおいて、排気ガス中の煤（パティキュレート）を捕集するフィルタ（パティキュレートフィルタ）を触媒の下流に用いて、排気ガスを浄化・捕集する排気ガス浄化装置が用いられている。

このような目的に使用されるパティキュレートフィルタは、一般に、多孔質の隔壁によって区画された流体の流路となる複数のセルを有し、隣接するセルの軸方向反対側の端部において、一方の端部が目封じされ、他方の端部が開口している構造を有する。この場合、隔壁がフィルタとなり、エンジンから排出される煤が隔壁に捕捉されて隔壁上に堆積する。

このようなパティキュレートフィルタを長期間継続して使用するためには、定期的にフィルタに再生処理を施す必要がある。すなわち、パティキュレートフィルタ内部に経時的に堆積した煤を低減させてフィルタ性能を初期状態に戻すため、パティキュレートフィルタ内部に堆積した煤を燃焼させて除去する必要がある。

煤の再生には、通常、６００℃以上の熱を有するため、再生時には燃料を噴射させるタイミングを遅くし、燃料が完全に燃焼していない排気ガスを触媒にて反応させ、反応後の排気ガスをパティキュレートフィルタに流入させて煤を燃焼させるといった制御が行われている。上記再生制御は、パティキュレートフィルタの前後の差圧を計測し、煤の堆積により差圧が任意の値より大きくなると、再生を行うのが一般的である。

しかし、流入排気ガスの温度が不十分であったり、流入排気ガスのパティキュレートフィルタへのガスあたりに偏りがある場合、パティキュレートフィルタの再生が部分的にしか行われず、一部酸化処理されずに煤が残存したままの箇所ができる。すると、残存した煤の分だけ新たに煤を堆積させる容量が減る。その結果、煤を堆積させることができるパティキュレートフィルタ容量が減り、再生までの時間間隔が短くなり、再生を要する頻度も高くなってしまう。このような再生の頻度の悪化は、再生に必要な燃料を多く用いることになり、燃費の悪化を招く。

従来、このようなガスあたりに偏りがある場合の対策として、たとえば、特許文献１には開放セルの各々に堆積している煤の酸化除去が過不足なく均一に行なわれるように、ハニカム構造体内を流れるガスの速度分布曲線にほぼ一致するように詰栓が設けられたパティキュレートフィルタが開示されている。

しかし、特許文献１のパティキュレートフィルタでは、詰栓がされた個所より下流には煤が堆積しないため、均一に再生することはできるが、煤堆積容量が減ってしまうため、容量を補うために大型化しなければならない。

特開2007-132241号公開

ところで、近年の自動車は小型化が進められており、エンジンルームにスペースの制約がある。
そこで、触媒とパティキュレートフィルタを略同軸上に車両前部から後部に延びるように配置しているが、搭載スペースを小さくしたい場合、図６に示すように、触媒１とパティキュレートフィルタ２とを湾曲状の排気通路３により連結し、触媒とパティキュレートフィルタを並列に配置することで省スペースとすることが考えられる。

しかし、上記のようなエンジンの排気ガス浄化装置では、フィルタに堆積された煤が、パティキュレートフィルタに捕捉された位置によって堆積量が不均一になる偏積を生じ、パティキュレートフィルタの再生性能が低下する傾向がある。

即ち、触媒装置の下流端とパティキュレートフィルタ装置の上流端とを接続する排気通路が略Ｕ字状に形成されている場合、排気通路を流れる排気ガスに排気通路の湾曲中心からの距離に応じて慣性力が作用するため、排気通路の湾曲中心側部分を流れる排気ガスは、それ以外を流れる排気ガスよりも流速が遅くなる。
それ故、パティキュレートフィルタ再生時、排気通路の湾曲中心から排気通路の湾曲中心と反対側に離隔したフィルタ部分に堆積した粒子状物質には大量の排気ガスが供給され、排気ガスから粒子状物質の燃焼に必要な熱エネルギが伝達される。これに対し、排気通路の湾曲中心側フィルタ部分に堆積した粒子状物質には少量の排気ガスしか供給されず、粒子状物質は燃焼温度まで昇温されずに粒子状物質がパティキュレートフィルタに残留するため、均一に再生されないという課題がある。そこで、本発明のは、触媒とパティキュレートフィルタとが湾曲状排気通路により連結されているためにパティキュレートフィルタにガス当たりの偏りが生じる場合においても、パティキュレートフィルタの全体にわたって煤の酸化に必要な排気ガス温度を得ることができ、パティキュレートフィルタの再生頻度を増加させない排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のエンジンの排気ガス浄化装置は、エンジンの排気経路に設けられ排気ガスに含まれる粒子状物質を除去するエンジンの排気ガス浄化装置であって、上記排気ガスを浄化する触媒装置と、上記触媒装置の下流に配置されて上記排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタ装置と、上記触媒装置と上記パティキュレートフィルタ装置とを湾曲して接続する第１排気通路と、上記触媒装置と上記パティキュレートフィルタ装置とを上記第１排気通路の湾曲中心側に前記第１排気通路よりも短い距離で接続する第２排気通路を有し、上記第１排気通路のパティキュレートフィルタ装置側の一部内径が触媒装置側の内径以下であり、上記第２排気通路のパティキュレートフィルタ装置側が触媒装置側より低圧になることを特徴とする。

このように構成された本発明においては、第２排気通路の流出口に面するパティキュレートフィルタ装置に流入するガス量を増加させることができる。また、第１排気通路よりも距離が短いため、第２排気通路外部に排気ガスの熱が放出される時間が短く、パティキュレートフィルタ装置の第１排気通路の湾曲中心側に流入する排気ガス温度を高めることができる。さらに、上記第１排気通路のパティキュレートフィルタ装置側の一部内径が、触媒装置側の内径以下であるので、第１排気通路からパティキュレートフィルタ装置へ流入する排気ガスの流速が高まり、パティキュレートフィルタ装置のケーシング内が低圧となる。したがって、この低圧により第２排気通路の排気ガスがパティキュレートフィルタ装置に流入し易くなる。これにより、パティキュレートフィルタ装置の煤堆積容量の減少及び煤再生の頻度増加を抑制することができる。

また、本発明において、好ましくは、上記排気ガス浄化装置の触媒装置とパティキュレートフィルタ装置とが、エンジンに隣接して上下に略並列に配設されていることを特徴とする。このように構成された本発明であれば、エンジンと排気ガス浄化装置とをコンパクトにレイアウトすることができ、エンジンルームの省スペース化が可能である。

また、本発明において、好ましくは、上記第２排気通路の径が第１排気通路の径よりも小さい。このように構成された本発明であれば、第１排気通路の主流を確保しつつ、主流のガスが当たりにくいパティキュレートフィルタ装置の湾曲中心側の排気ガス温度を補足的に高めることができるため、均一に煤の堆積を行うことができ、煤の再生も均一に行うことができる。

また、本発明において、好ましくは、上記第２排気通路が断熱材で包囲されている。このように構成された本発明であれば、より高い温度の排気ガスをパティキュレートフィルタ装置に流入させることができる。

本発明によるエンジンの排気ガス浄化装置によれば、エンジンルームの省スペース化を可能としつつ、パティキュレートフィルタ装置へのガス当たりの偏りを改善し、パティキュレートフィルタ装置の再生を偏りなく行うことができる。そのため、長時間使用しても、パティキュレートフィルタ装置の煤堆積容量の減少及び煤再生の頻度増加を抑制することができる。

エンジンの排気ガス浄化装置のシステム構成図 本発明の実施形態１の排気ガス浄化装置を車両側面から見た図 本発明の実施形態１の排気ガス浄化装置を車両背面から見た図 本発明の実施形態１の排気ガス浄化装置の断面図 本発明の実施形態２の排気ガス浄化装置の断面図 従来の排気ガス浄化装置の断面図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

図１に、エンジン１１と、これに付設されている吸気装置１２及び排気装置(排気ガス浄化装置)１３の各構成を示す。エンジン１１は、自動車に搭載される直列４気筒のディーゼルエンジンである。

吸気装置１２の吸気通路における最上流部位には、エアクリーナ７が配置されている。エアクリーナ７は、外気から塵や埃を除去して、清浄にした空気（吸気）を吸気通路に導入する。エアクリーナ７の下流側は過給機８に接続されており、吸気は、過給機８に備えられたコンプレッサ８ａで過給される。排気装置(排気ガス浄化装置)１３は、触媒装置２１及びパティキュレート装置２２と、触媒装置２１とパティキュレートフィルタ装置２２を接続する排気通路２３とで構成され、サイレンサ９に接続されている。このサイレンサ９の出口は、大気中に開放されており、排気装置(排気ガス浄化装置)１３に導入された排気ガスは、この出口から外部に排出される。パティキュレートフィルタ装置２２の上流側端部には、第１排圧センサ１５が設けられ、パティキュレートフィルタ装置２２の下流側端部には、第２排圧センサ１６が設けられている。

エンジン１１は、第１排圧センサ１５で検出したパティキュレートフィルタ装置２２の上流の排気ガス圧力と、第２排圧センサ１６で検出したパティキュレートフィルタ装置２２の下流の排気ガス圧力との差圧によって、パティキュレートフィルタ装置２２に捕捉された粒子状物質の堆積量を評価し、この差圧が所定圧力以上になることをもってパティキュレートフィルタ装置２２の再生条件成立と判定している。パティキュレートフィルタ装置２２の再生条件成立と判定されたとき、エンジン１１は、各インジェクタ（図示略）からポスト燃料噴射を実行し、排気ガスの温度を上昇させ、パティキュレートフィルタ装置２２に堆積していた煤が酸化（燃焼）除去されて再生される。

次に、排気ガス浄化装置１３の具体的構成について説明する。
図２及び図３は、本発明の構成を示しており、それぞれ車両の右側面から見た側面図と車両の後方から見た背面図であり、図２中のFrは車両前方をRrは車両後方を示し、図３中のRhは車両右側をLhは車両左側を示している。
エンジン１１は、クランク軸（図示省略）の軸方向が車幅方向に沿うようにして横置きに配置されるとともに、クランク軸を中心にして上方側が車両後方に傾いた状態で車両に搭載されている。

そして、エンジン１１における排気ガス浄化装置１３は、上方に触媒装置２１が配設され、下方にパティキュレートフィルタ装置２２が設けられ、これら触媒装置２１とパティキュレートフィルタ装置２２とを湾曲して接続するＵ字管にて構成される第１排気通路２３を備えている。また、触媒装置２１とパティキュレートフィルタ装置２２とはエンジンに隣接した状態で第１排気通路２３を介して上下に略並列に設けられており、その下流が排気管２８に接続されている。

さらに、本実施形態においては、第１排気通路２３の湾曲中心側に触媒装置２１とパティキュレートフィルタ装置２２とを第１排気通路２３よりも短い距離で接続する接続パイプにて構成される第２排気通路２７が設けられ、この第２排気通路２７によって第２排気通路２７の流出口に面するパティキュレートフィルタ装置２２に流入するガス量を増加させるようになっている。
なお、８はエンジン１１の排気通路出口部の触媒装置２１の上流に設けられる過給機である。

図４は、本発明の実施形態１の排気ガス浄化装置の断面図である。
触媒装置２１が触媒２４とケーシング３４とから構成され、触媒２４は排気ガスの流れ方向に沿って開口する筒状のケーシング３４に収容され、ハニカム形状の担体に触媒金属（例えばＰｔ，Ｐｄ等）を担持させて構成される。エンジン１１の排気ガス中のＣＯ及びＨＣを酸化させてＣＯ２、Ｈ２Ｏとし、排気ガスを浄化している。

パティキュレートフィルタ装置２２はパテキュレートフィルタ２５とケーシング３５とから構成され、パテキュレートフィルタ２５はケーシング３５に収容されており、エンジン１１の排気ガス中に含まれる煤等の粒子状物質を捕集する。例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やコーディエライト等の耐熱性セラミック材によって形成されたウォールフロー型フィルタによって形成された三次元網目状フィルタで構成される。
そして、前述の第１排気通路２３が、これら触媒装置２１のケーシング３４とパティキュレートフィルタ装置２２のケーシング３５とを湾曲して接続するようにＵ字管にて構成されるとともに、前述の第２排気通路２７が、第１排気通路２３の湾曲中心側に具体的には同ケーシング３４及び３５を第１排気通路２３よりも短い距離で接続する接続パイプとして構成されている。なお、第２排気通路２７は、第１排気通路２３の主流を確保し、第２排気通路２７の流出口に面するパティキュレートフィルタ装置２２に流入するガス量を補足的に増加させるように第１排気通路２３よりも小径とされている。また、第２排気通路２７は断熱材(図示せず)で包囲され、より高い温度の排気ガスをパティキュレートフィルタ装置２２に流入させることができるようになっていることが好ましい。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
このエンジン１１の排気ガス浄化装置１３によれば、第１排気通路２３の湾曲中心側に触媒装置２１とパティキュレートフィルタ装置２２とを第１排気通路２３よりも短い距離で接続する第２排気通路２７を設けることにより、第２排気通路２７の流出口に面するパティキュレートフィルタ装置２２に流入するガス温度を増加させることができる。また、第１排気通路２３よりも距離が短いため、第２排気通路２７外部に排気ガスの熱が放出される時間が短く、パティキュレートフィルタ装置２２の第１排気通路２３の湾曲中心側に流入する排気ガス温度を高めることができる。これにより、パティキュレートフィルタ装置２２の煤堆積容量の減少及び煤再生の頻度増加を抑制することができる。

また、排気ガス浄化装置１３の触媒装置２１とパティキュレートフィルタ装置２２とが、エンジン１１に隣接して上下に略並列に配設されていることから、上記作用効果を得ながらエンジン１１と排気ガス浄化装置１３とをコンパクトにレイアウトすることができ、エンジンルームの省スペース化が可能である。

更に、第２排気通路２７の径が第１排気通路２３の径よりも小さいことにより、第１排気通路２３の主流を確保しつつ、主流のガスが当たりにくいパティキュレートフィルタ装置２２の湾曲中心側の排気ガス温度を補足的に高めることができるため、均一に煤の堆積を行うことができ、煤の再生も均一に行うことができる。
加えて、第２排気通路２７が断熱材で包囲されているように構成する場合は、より高い温度の排気ガスをパティキュレートフィルタ装置２２に流入させることができる。

次に、本発明の実施形態２の排気ガス浄化装置の断面図を図６に示す。
なお、実施形態１と同様の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
実施形態２は、実施形態１に加えてパティキュレートフィルタ装置２２に流入する第１排気通路２３のパティキュレートフィルタ装置２２側の径を小径とし流速を速める絞り部３８を有している。これにより、第１排気通路２３からの排気ガスの流速が速くなりケーシング３５の内周部（特に図６の３５ａ部の）圧力が低くなる。これにより第２排気通路２７の下流端も低圧状態となるため、第２排気通路２７の上流端である触媒装置２１の下流部の排気ガスがパティキュレートフィルタ装置２２に流入し易くなる構造となっている。
これにより、再生処理時における必要な温度と排気ガス量を得ることができ、パティキュレートフィルタ２５に堆積した煤を確実に燃焼除去することができる。

次に本発明の実施形態の変形例について説明する。
本願発明の実施形態は、触媒装置２１とパティキュレートフィルタ装置２２を上下に略並列に配設されているが、必ずしも上下に略並列に配置されている必要はなく、第１排気通路２３が湾曲状であればパティキュレートフィルタ装置２２には煤の偏積が起こり同様の課題が生じると考えられる。
したがって、触媒装置２１とパティキュレートフィルタ装置２２とが所定の角度で交差し湾曲状の排気通路で接続されるようなものにおいても同様に適用でき、本発明と同様の効果が得られる。
また、エンジンとしてディーゼルエンジンを例として挙げたがこれに限られるものではなく、ガソリンエンジンに適用することも可能である。

１１ エンジン
２１ 触媒装置
２２ パティキュレートフィルタ装置
２３ 第１排気通路
２４ 触媒
２５ パティキュレートフィルタ
２７ 第２排気通路

Claims (4)

1. エンジンの排気経路に設けられ排気ガスに含まれる粒子状物質を除去するエンジンの排気ガス浄化装置であって、
   上記排気ガスを浄化する触媒装置と、
   上記触媒装置の下流に配置されて上記排気ガス中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタ装置と、
   上記触媒装置と上記パティキュレートフィルタ装置とを湾曲して接続する第１排気通路と、
   上記触媒装置と上記パティキュレートフィルタ装置とを前記第１排気通路の湾曲中心側に上記第１排気通路よりも短い距離で接続する第２排気通路を有し、
   上記第１排気通路のパティキュレートフィルタ装置側の一部内径が触媒装置側の内径以下であり、上記第２排気通路のパティキュレートフィルタ装置側が触媒装置側より低圧になることを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
2. 上記排気ガス浄化装置の触媒装置とパティキュレートフィルタ装置とがエンジンに隣接して上下に略並列に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
3. 上記第２排気通路は第１排気通路よりも径が小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの排気ガス浄化装置。
4. 上記第２排気通路が断熱材で包囲されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のエンジンの排気ガス浄化装置。