JP6620639B2 - ディーゼル機関の排気処理システム - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼル機関の排気処理システムに関し、詳しくは尿素水を用いてＮＯｘの低減を図ることが可能な排気処理システムに関する。

従来、尿素水を用いてＮＯｘの低減を図ることが可能な排気処理システムが知られている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。このような排気処理システムは、ディーゼル酸化触媒及びフィルター（ディーゼルパティキュレートフィルター）が内部に配置された上流側管部（ＤＰＦ部）と、尿素ＳＣＲ触媒が内部に配置された下流側管部（ＳＣＲ部）と、上流側管部と下流側管部とを連通する連通管部と、を備えるとともに、連通管部を通過する排気中に尿素水を噴射する尿素水噴射部を備えている。

上記のような排気処理システムにおいて、尿素水噴射部から噴射された尿素水は、排気中で気化し、加水分解されて、アンモニア（ＮＨ_３）が生成される。このアンモニアは尿素ＳＣＲ触媒の触媒作用の下でＮＯｘを還元させる。この結果、窒素及び水が生成される。このようにして、尿素水を用いてＮＯｘの低減を図っている。

特開２０１４−１１４７１４号公報 特開２０１３−２１７３５１号公報

しかしながら、上記の排気処理システムでは、尿素水噴射部から噴射された尿素水の気化及び加水分解に要する距離を確保するために、ディーゼル酸化触媒及びフィルターが配置されている部分と尿素ＳＣＲ触媒が配置されている部分とを連通する連通管部の長さを長くする必要がある。そのため、排気処理システムの全長が長くなっていた。また、排気が長い連通管部を通過する間に冷却され、排気の温度が低下する可能性が高いので、ＮＯｘの浄化率が悪化する可能性がある。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、全長を短くすることができるとともにＮＯｘの浄化率を向上させることができるディーゼル機関の排気処理システムを提供することである。

上記の目的を達成するための本発明に係るディーゼル機関の排気処理システムは、ディーゼル酸化触媒及び排気流動方向で前記ディーゼル酸化触媒よりも下流側に配置されたフィルターの両方が内部に配置された内側管部と、前記内側管部の外側に配置された外側管部と、を有する二重管部と、前記外側管部の下流側端部に接続され、内部に尿素ＳＣＲ触媒が配置された下流側管部と、を備え、前記二重管部は、前記フィルターを通過後の排気が前記内側管部の外側且つ前記外側管部の内側の部分を螺旋状に旋回しながら下流側に向けて流動するように構成され、前記内側管部の外側且つ前記外側管部の内側の部分における排気の旋回流に向けて尿素水を噴射する尿素水噴射部をさらに備えている。

本発明によれば、尿素水噴射部から噴射された尿素水を、内側管部の外側且つ外側管部の内側の部分の排気の旋回流に乗せることができる。そして、この旋回流に乗った尿素水
は、旋回しながら下流側に流動する際に、拡散しつつ気化して、加水分解されて、アンモニアを生成する。そして、この生成されたアンモニアを下流側管部の尿素ＳＣＲ触媒に供給して、尿素ＳＣＲ触媒の触媒作用の下で、ＮＯｘを還元させることができる。

そして、本発明によれば、この尿素水が噴射されてから尿素ＳＣＲ触媒に到達するまでに尿素水が通過する通路が、ディーゼル酸化触媒及びフィルターが配置されている内側管部の外周部分になっており、さらに、螺旋状になっているので、このような構成を備えていない場合に比較して、尿素水の気化、加水分解に必要な距離を確保しつつ、排気処理システムの全長を短くすることができる。

また本発明によれば、ディーゼル酸化触媒及びフィルターが内部に配置された内側管部の外側を排気の旋回流が流動するので、ディーゼル酸化触媒及びフィルターの熱を、排気の旋回流に伝達させることができる。これにより、排気の旋回流の温度低下を抑制することができるので、この排気の旋回流に乗った尿素水の気化、加水分解を促進させることができる。この結果、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

上記構成において、前記二重管部は、前記内側管部を前記外側管部の内側に固定する固定部材を備え、前記固定部材は、前記内側管部の外側且つ前記外側管部の内側の部分を下流側に向かって螺旋状に旋回しながら延在する構成とすることができる。

この構成によれば、部品点数の増加を抑制しつつ、フィルターを通過後の排気を螺旋状に旋回させながら下流側に向けて流動させることができる。

本発明によれば、ディーゼル機関の排気処理システムの全長を短くすることができるとともにＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

なお、本発明によれば、ディーゼル機関の排気処理システムの全長を短くすることができるので、この排気処理システムを車両に搭載する際の搭載スペースの確保が容易になるとともに、この排気処理システムの車両における搭載レイアウトの自由度を向上させることができる。

また本発明によれば、尿素水噴射部から噴射された尿素水が螺旋状に旋回しながら流動するので、尿素水噴射部から噴射された尿素水を排気中に拡散させることが容易になる（すなわち、尿素水の拡散性が向上する）。この点においても、本発明によれば、尿素水の気化及び加水分解が容易になり、その結果、アンモニアの生成も容易になるので、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

さらに本発明によれば、ディーゼル酸化触媒及びフィルターが内部に配置された内側管部の外側を排気の旋回流が流動することにより、ディーゼル酸化触媒やフィルターの温度が外気温の影響を受けて低下することが生じ難くなるので、ディーゼル酸化触媒及びフィルターにおける排気処理能力を向上させることもできる。

実施形態に係るディーゼル機関システムの全体構成を模式的に示す概略図である。 図２（ａ）は実施形態に係る排気処理システムの模式的断面図である。図２（ｂ）は排気処理システムの内部における排気の流動態様と尿素水の流動態様とを模式的に示す模式図である。 比較例に係る排気処理システムを示す模式的断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係るディーゼル機関の排気処理システム１０（以下、排気処理システム１０と略称する）について図面を参照しつつ説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように実際の製品から寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際の製品の比率と一致しているとは限らない。

まず、本実施形態に係る排気処理システム１０を有するディーゼル機関システム１の全体構成について説明する。図１は、本実施形態に係るディーゼル機関システム１の全体構成を模式的に示す概略図である。このディーゼル機関システム１が搭載されている車両の具体的な種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においてはバスやトラック等の大型車両を用いる。ディーゼル機関システム１は、ディーゼル機関２、制御装置４、排気通路５、及び排気処理システム１０を備えている。

ディーゼル機関２の燃料噴射量や燃料噴射時期等は、制御装置４によって制御される。なお、本実施形態に係る制御装置４は、ディーゼル機関２の制御装置としての機能のみならず、排気処理システム１０の後述する尿素水噴射部３０を制御する制御装置としての機能も兼務している。このような制御装置４は、各種制御処理や演算処理等を実行するＣＰＵと、ＣＰＵの動作に用いられる各種情報を記憶する記憶部としての機能を有するＲＯＭ、ＲＡＭ等とを有するマイクロコンピュータを備えている。なお、ディーゼル機関システム１は、ディーゼル機関２の制御装置とは別に、排気処理システム１０専用の制御装置を備える構成とすることもできる。

排気通路５はディーゼル機関２の各気筒３の排気ポートに接続されている。具体的には排気通路５は、各気筒３に接続した排気マニホールド６と、排気マニホールド６の下流側端部に接続した排気管７とを備えている。

排気処理システム１０は、排気通路５の排気管７の通路途中に配置されている。ディーゼル機関２の各気筒３から排出された排気（Ｇ）は、この排気処理システム１０によって浄化処理されて、排気処理システム１０よりも下流側の排気管７を通過してディーゼル機関システム１の外部に排出される。

続いて排気処理システム１０の詳細について説明する。図２（ａ）は本実施形態に係る排気処理システム１０の模式的断面図である。図２（ｂ）は排気処理システム１０の内部における排気（Ｇ）の流動態様と尿素水（Ｕ）の流動態様とを模式的に示す模式図である。なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）において、後述するディーゼル酸化触媒２０、フィルター２１、尿素ＳＣＲ触媒４０、及びアンモニアスリップ触媒４１の内部構造の詳細な断面図示は省略されている。

図２（ａ）を参照して、排気処理システム１０は、接続管部１１、二重管部１２、及び下流側管部１６を備えている。二重管部１２は、内側管部１３と、内側管部１３の外側に配置された外側管部１４とを有する二重管構造になっている。また、二重管部１２は、外側管部１４の内側に内側管部１３を固定するための固定部材１５を備えている。

接続管部１１は、内側管部１３と排気管７の排気処理システム１０よりも上流側部分とを接続する部位である。具体的には本実施形態に係る接続管部１１は、その下流側端部が内側管部１３の上流側端部に接続するとともに、その上流側端部がフランジ部になっており、このフランジ部が排気管７の排気処理システム１０よりも上流側部分の下流側端部に接続している。下流側管部１６は、その上流側端部が外側管部１４の下流側端部に接続し、その下流側端部がフランジ部になっており、このフランジ部が排気管７の排気処理システム１０よりも下流側部分の上流側端部に接続している。

また排気処理システム１０は、内側管部１３の内部に、ディーゼル酸化触媒２０及びフィルター２１を備えている。フィルター２１は、ディーゼル酸化触媒２０よりも排気流動方向で下流側に配置されている。フィルター２１は、ディーゼル機関２の排気に含まれる煤等のＰＭを捕集する機能を有する部材である。このような機能を有するものであれば、フィルター２１の具体的な種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においてはフィルター２１の一例として、ディーゼルパティキュレートフィルターを用いている。

ディーゼル酸化触媒２０は、排気が通過可能なフィルターに、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属触媒が担持された構成を有している。ディーゼル酸化触媒２０は、その貴金属触媒の酸化触媒作用によって、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）に変化させる酸化反応を促進させる。排気温度が所定温度以上になった場合、このディーゼル酸化触媒２０において生成された二酸化窒素によって、フィルター２１のＰＭを燃焼させて、二酸化炭素（ＣＯ_２）として排出させることができる。

図２（ｂ）に示すように、二重管部１２は、接続管部１１から流入した排気（Ｇ）がディーゼル酸化触媒２０及びフィルター２１を通過後に、内側管部１３の外側且つ外側管部１４の内側の部分（すなわち、内側管部１３と外側管部１４との間の部分）を螺旋状に旋回しながら下流側に向けて流動するように構成されている。この構成の具体例は特に限定されるものではないが、本実施形態では次のようになっている。

具体的には本実施形態では、二重管部１２の固定部材１５が、内側管部１３の外側且つ外側管部１４の内側の部分を下流側に向かって螺旋状に旋回しながら延在している。これにより、フィルター２１を通過後の排気は、固定部材１５に沿って流動することができ、この結果、内側管部１３の外側且つ外側管部１４の内側の部分を螺旋状に旋回しながら下流側に向けて流動することができる。

図２（ａ）を参照して、排気処理システム１０は、尿素水噴射部３０を備えるとともに、下流側管部１６の内部に尿素ＳＣＲ(Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒４０及びアンモニアスリップ触媒４１を備えている。尿素水噴射部３０は、制御装置４の指示を受けて尿素水を噴射する噴射弁によって構成されている。

図２（ｂ）を参照して、尿素水噴射部３０は、内側管部１３の外側且つ外側管部１４の内側の部分における排気の旋回流に向けて尿素水（Ｕ）を噴射している。

具体的には、本実施形態に係る尿素水噴射部３０は、二重管部１２の中心軸線上で上流側端部の箇所に配置されており、この部分から内側管部１３と外側管部１４との間の部分の上流側端部に向けて尿素水を噴射している。この構成により、尿素水噴射部３０から噴射された尿素水は、排気の旋回流の最上流側部分に乗って、旋回流の下流側に向けて螺旋状に流動している。

但し、尿素水噴射部３０の配置箇所は、噴射された尿素水が排気の旋回流に乗る箇所であれば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す箇所に限定されるものではない。他の一例を挙げると、尿素水噴射部３０は、内側管部１３の外側且つ外側管部１４の内側の部分（二重管になっている部分）の上流側端部と下流側端部との途中箇所に配置されて、この箇所に尿素水を噴射する構成とすることもできる。但し、図２（ａ）及び図２（ｂ）のように、尿素水噴射部３０が内側管部１３と外側管部１４との間の部分の上流側端部に向けて尿素水を噴射する方が、噴射された尿素水をより長い時間、排気の旋回流に乗せることができるので、噴射された尿素水の拡散や気化、加水分解をより促進できる点で好ましい。

図２（ａ）を参照して、尿素ＳＣＲ触媒４０は、アンモニア（ＮＨ_３）を用いて排気中のＮＯｘを選択的に還元する触媒である。尿素ＳＣＲ触媒４０の具体的な種類は特に限定されるものではなく、例えば、バナジウム、モリブデン、タングステン等の卑金属酸化物や、ゼオライト等の貴金属等、公知の尿素ＳＣＲ触媒を用いることができる。本実施形態においては、尿素ＳＣＲ触媒４０の一例として、バナジウムを用いる。

尿素水噴射部３０から噴射された尿素水は、排気の旋回流に乗って下流側に移動しながら、気化及び加水分解される。この結果、アンモニア（ＮＨ_３）が生成される。このアンモニアは、尿素ＳＣＲ触媒４０の触媒作用の下で、ＮＯｘを還元させる。この結果、窒素及び水が生成される。このようにして、尿素ＳＣＲ触媒４０は排気中のＮＯｘの低減を図っている。

アンモニアスリップ触媒４１は、下流側管部１６の内部において、尿素ＳＣＲ触媒４０よりも下流側の部分に配置されている。アンモニアスリップ触媒４１は、尿素ＳＣＲ触媒４０を通過したアンモニアを酸化するための酸化触媒である。なお、アンモニアスリップ触媒４１は本実施形態に必須の構成というものではない。しかしながら、本実施形態のように排気処理システム１０がアンモニアスリップ触媒４１を備える方が、アンモニアが排気処理システム１０の外部に排出されることを効果的に抑制できる点で好ましい。

以上説明した本実施形態の作用効果について、比較例と比較しつつまとめると次のようになる。図３は、比較例に係る排気処理システム２００を示す模式的断面図である。比較例に係る排気処理システム２００は、ディーゼル酸化触媒２０及びフィルター２１が内部に配置された上流側管部２０１と、尿素ＳＣＲ触媒４０及びアンモニアスリップ触媒４１が内部に配置された下流側管部２０３と、上流側管部２０１と下流側管部２０３とを連通する連通管部２０２（これは螺旋形状ではない）と、を備えるとともに、連通管部２０２を通過する排気中に尿素水を噴射する尿素水噴射部３０を備えている。なお、図３において、連通管部２０２の長手方向（図では横方向）の中間部分は、一部省略されて図示されている。

比較例に係る排気処理システム２００において、尿素水噴射部３０から連通管部２０２に噴射された尿素水は、排気中で気化し、加水分解されて、アンモニアが生成される。このアンモニアは、尿素ＳＣＲ触媒４０の触媒作用の下で、ＮＯｘを還元させる。排気処理システム２００においても、このようにして、尿素水を用いてＮＯｘの低減を図ることは可能である。しかしながら、排気処理システム２００の場合、尿素水噴射部３０から排気中に噴射された尿素水の気化及び加水分解に要する距離を確保するために、連通管部２０２の長さを長くする必要がある。そのため、排気処理システム２００の全体の長さ（全長Ｌ）を長くする必要がある。

また、排気処理システム２００の場合、連通管部２０２の長さが長いので、排気がこの長い連通管部２０２を通過する間に冷却され、排気の温度が低下する可能性が高い。この場合、排気に乗った尿素水の気化、加水分解が十分に進行せず、不十分なまま尿素ＳＣＲ触媒４０に流入する可能性があり、この結果、ＮＯｘの浄化率が悪化する可能性がある。また、排気の温度が低下した場合、尿素水が低温の状態で熱せられ、デポジットが発生する可能性もある。

これに対して本実施形態に係る排気処理システム１０によれば、図２（ａ）及び図２（ｂ）で説明したように、尿素水噴射部３０から噴射された尿素水を、内側管部１３の外側且つ外側管部１４の内側の部分の排気の旋回流に乗せることができる。そして、この旋回流に乗った尿素水は、旋回しながら下流側に流動する際に、拡散しつつ気化して、加水分解されて、アンモニアを生成する。そして、この生成されたアンモニアを下流側管部１６の尿素ＳＣＲ触媒４０に供給して、尿素ＳＣＲ触媒４０の触媒作用の下で、ＮＯｘを還元させることができる。

そして、排気処理システム１０によれば、この尿素水が噴射されてから尿素ＳＣＲ触媒４０に到達するまでに尿素水が通過する通路が、ディーゼル酸化触媒２０及びフィルター２１が配置されている内側管部１３の外周部分になっており、さらに、螺旋状になっているので、このような構成を備えていない比較例に係る排気処理システム２００に比較して、尿素水の気化、加水分解に必要な距離を確保しつつ、排気処理システム１０の全長Ｌ（すなわち、排気処理システム１０の軸方向の長さ）を短くすることができる。

また排気処理システム１０によれば、ディーゼル酸化触媒２０及びフィルター２１が内部に配置された内側管部１３の外側を排気の旋回流が流動するので、ディーゼル酸化触媒２０及びフィルター２１の熱を排気の旋回流に伝達させることができる。これにより、排気の旋回流の温度低下を抑制することができるので、この排気の旋回流に乗った尿素水の気化、加水分解を促進させることができる。この結果、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

すなわち、排気処理システム１０によれば、全長Ｌを短くすることができるとともにＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

また排気処理システム１０によれば、排気の旋回流の温度低下が抑制されているので、前述したようなデポジットの発生も抑制することができる。

なお、排気処理システム１０によれば、排気処理システム１０の全長を短くすることができるので、排気処理システム１０を車両に搭載する際の搭載スペースの確保が容易になるとともに、排気処理システム１０の車両における搭載レイアウトの自由度を向上させることができる。

また排気処理システム１０によれば、尿素水噴射部３０から噴射された尿素水が螺旋状に旋回しながら流動するので、尿素水噴射部３０から噴射された尿素水を排気中に拡散させることが容易になる（すなわち、尿素水の拡散性が向上する）。この点においても、排気処理システム１０によれば、尿素水の気化及び加水分解が容易になり、その結果、アンモニアの生成も容易になるので、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

さらに排気処理システム１０によれば、ディーゼル酸化触媒２０及びフィルター２１が内部に配置された内側管部１３の外側を排気の旋回流が流動することにより、ディーゼル酸化触媒２０やフィルター２１の温度が外気温の影響を受けて低下することが生じ難くなる。これにより、ディーゼル酸化触媒２０及びフィルター２１における排気処理能力を向上させることができる。

また、排気処理システム１０によれば、フィルター２１を通過後の排気を固定部材１５に沿って流動させることで、内側管部１３の外側且つ外側管部１４の内側の部分を螺旋状に旋回させながら下流側に向けて流動させているので、フィルター２１を通過後の排気を螺旋状に旋回させるために固定部材１５とは別の部材を備える必要がない。この点において、排気処理システム１０によれば、部品点数の増加を抑制することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ ディーゼル機関システム
２ ディーゼル機関
５ 排気通路
１０ 排気処理システム
１１ 接続管部
１２ 二重管部
１３ 内側管部
１４ 外側管部
１５ 固定部材
１６ 下流側管部
２０ ディーゼル酸化触媒
２１ フィルター
３０ 尿素水噴射部
４０ 尿素ＳＣＲ触媒
４１ アンモニアスリップ触媒

Claims (2)

1. ディーゼル酸化触媒及び排気流動方向で前記ディーゼル酸化触媒よりも下流側に配置されたフィルターの両方が内部に配置された内側管部と、前記内側管部の外側に配置された外側管部と、を有する二重管部と、
   前記外側管部の下流側端部に接続され、内部に尿素ＳＣＲ触媒が配置された下流側管部と、を備え、
   前記二重管部は、前記フィルターを通過後の排気が前記内側管部の外側且つ前記外側管部の内側の部分を螺旋状に旋回しながら下流側に向けて流動するように構成され、
   前記内側管部の外側且つ前記外側管部の内側の部分における排気の旋回流に向けて尿素水を噴射する尿素水噴射部をさらに備える、ディーゼル機関の排気処理システム。
2. 前記二重管部は、前記内側管部を前記外側管部の内側に固定する固定部材を備え、
   前記固定部材は、前記内側管部の外側且つ前記外側管部の内側の部分を下流側に向かって螺旋状に旋回しながら延在する請求項１記載のディーゼル機関の排気処理システム。

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