JP6771099B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は排気浄化装置に関し、特にディーゼルエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置に好適なものである。

内燃機関（例えば、ディーゼルエンジン）から排出された排気ガスには、有害物質である粒子状物質（ＰＭ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれている。そのため、内燃機関から排出された排気ガスを浄化して、当該排気ガスからＰＭ及びＮＯｘを除去または低減しておくことが要請されている。このような要請を実現するために、各種の開発が行われており、近年では、ＤＰＦシステムと尿素ＳＣＲシステムとを組み合わせた排気浄化装置も開発され、実用化されるに至っている。このような排気浄化装置では、ＤＰＦシステムと尿素ＳＣＲシステムとの間に還元剤供給部が設けられている（例えば、特許文献１，２参照）。

ここで、ＤＰＦシステムは、排気ガスからＰＭを除去または低減するための装置であり、内燃機関（ディーゼルエンジン）から排出される排気ガス中のＮＯｘを酸化するための酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）及び、排気ガス中のＰＭを捕集し、燃焼（酸化）除去するためのパティキュレートフィルタ(ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter)を備えたものである。また、尿素ＳＣＲシステムは、ＮＯｘとアンモニアとの選択還元反応を利用して、排気ガスからＮＯｘを除去または低減するための装置であり、ＮＯｘを還元剤と接触させて還元除去するための選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）及びアンモニアスリップ触媒を備えたものである。

特表２００２−５０２９２７号公報 ＥＰ０７５８７１３Ａ１号公報

ところで、特許文献１，２に係る排気浄化装置にあっては、還元剤供給部とＳＣＲとの距離が長いほど、還元剤（例えば、尿素、アンモニア等）と排気ガスとの混合が促進して、排気ガスの浄化効率が向上することとなる。従って、かかる装置にあっては、両者の距離を長くしておくことが望ましい。

しかしながら、従来の装置の如く、ＤＯＣ，ＤＰＦ，ＳＣＲ及びアンモニアスリップ触媒が直列に収納されたままの状態で、還元剤供給部とＳＣＲとの距離を長くした場合には、装置全体が長尺化してしまう。そして、このように装置全体が長尺化してしまうと、車輌への搭載が困難になる等の問題が生じることとなる。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、還元剤供給部と選択還元触媒との距離を確保しつつ装置全体の長尺化を防止でき、還元剤と排気ガスとを十分に混合させ、排気ガスの浄化効率を向上することが可能な排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る排気浄化装置は、
内燃機関から排出された排気ガスを浄化する排気浄化装置であって、
前記排気ガスの流入口と連通する第一流通路と、
前記第一流通路と連通する第二流通路と、
これら第一及び第二流通路を収容し、任意の位置に前記排気ガスの排出口が設けられるケーシングと、を備え、
前記第一流通路は、
前記排気ガス中の窒素酸化物を酸化するための酸化触媒と、
前記酸化触媒の下流側に配置され、前記排気ガス中の微粒子成分を捕集して除去するためのパティキュレートフィルタと、を有し、
前記第二流通路は、
前記窒素酸化物を尿素成分またはアンモニア成分から選ばれる還元剤と接触させて還元除去するための選択還元触媒を有し、
前記第一流通路と前記第二流通路とが、連通部を介して接続されており、
前記連通部は、
上流側に前記還元剤を供給するための還元剤噴霧部が配置される上流側拡散部と、
下流側に前記第二流通路が配置される下流側拡散部と、
前記上流側拡散部及び前記下流側拡散部を連通する接続部と、を備え、
前記上流側拡散部に対し、前記下流側拡散部が、前記接続部を介して折り返された形状で配置され、
前記上流側拡散部及び前記下流側拡散部の断面積は、それぞれ一様であり、前記上流側拡散部の断面積は、前記下流側拡散部の断面積よりも大きく形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、還元剤供給部と選択還元触媒との距離を確保しつつ装置全体の長尺化を防止でき、還元剤と排気ガスとを十分に混合させ、排気ガスの浄化効率を向上することが可能な排気浄化装置を提供できる。

本実施形態に係る排気浄化装置を部分的に透視して示す概略斜視図である。 図１の排気浄化装置における排気ガスの流れの説明に供する断面図である。 図１の排気浄化装置を示す平面図である。 図１の排気浄化装置を示す下面図である。 図３の排気浄化装置を紙面右方向から見て示す側面図である。 図３の排気浄化装置を紙面左方向から見て示す側面図である。 図１の排気浄化装置を示す正面図である。 図６の排気浄化装置におけるＡ−Ａ矢視の断面を示す断面図である。 図６の排気浄化装置におけるＢ−Ｂ矢視の断面を示す断面図である。 図５の排気浄化装置におけるＣ−Ｃ矢視の断面を示す断面図である。 図６の排気浄化装置におけるＤ−Ｄ矢視の断面を示す断面図である。 図６の排気浄化装置におけるＥ−Ｅ矢視の断面を示す断面図である。 還元剤噴霧後の排気ガスの流速分布を示し、（ａ）は従来構造での排気ガスの流速分布を示し、（ｂ）は本実施形態での排気ガスの流速分布を示す図である。 還元剤の濃度分布を示し、（ａ）は上流側と下流側の拡散流通路が同一径の場合における還元剤の濃度分布を示し、（ｂ）は上流側の拡散流通路の方が下流側の拡散流通路より径が大きい場合における還元剤の濃度分布を示す図である。 噴霧した還元剤の流通路壁面への付着状態を平面側から見て示し、（ａ）は従来構造での付着状態を示し、（ｂ）は本実施形態での付着状態を示す図である。 噴霧した還元剤の流通路壁面への付着状態を側面側から見て示し、（ａ）は従来構造での付着状態を示し、（ｂ）は本実施形態での付着状態を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係る排気浄化装置の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態および図示例に限定するものではない。

＜排気浄化装置の構成＞
図１〜図１２に示すように、本実施形態の排気浄化装置１は、不図示の内燃機関（この場合、ディーゼルエンジン）から排出された排気ガスの流入口ＧＩと連通する第一流通路２と、第一流通路２と連通する第二流通路３と、これら第一及び第二流通路２，３を収容する略箱型のケーシング４と、を備えている。なお、本実施形態の場合、第一及び第二流通路２，３は、それぞれ円筒形状をなしているが、本発明はこれに限ることはない。また、ケーシング４における排気ガスの排出口ＧＯは、搭載する車両等に応じて任意の位置に設けることができる。

図１，図２に示すように、第一流通路２には、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を酸化するための酸化触媒（ＤＯＣ）２１と、ＤＯＣ２１の下流側に配置され、排気ガス中の微粒子成分（ＰＭ）を捕集して除去するためのパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２２と、が設置されている。第一流通路２におけるＤＯＣ２１の上流側には、後述する上流側導入部２０が配設されている。上流側導入部２０は、流入口ＧＩから流入する排気ガスをＤＯＣ２１の直径方向に拡散させるためのものである。

図１，図２，図８に示すように、第二流通路３には、窒素酸化物（ＮＯｘ）を尿素成分またはアンモニア成分から選ばれる還元剤と接触させて還元除去するための選択還元触媒（ＳＣＲ）３１，３２が設置されている。なお、本実施形態では、ＳＣＲ３１，３２を二段構成で設ける場合について述べるが、本発明はこれに限らない。また、下流側のＳＣＲ３２の更に下流側には、ＳＣＲ３２から排出される還元剤を酸化するための新たな酸化触媒であるＮＨ₃スリップ３３が配置されていることが好ましい。これにより、ＳＣＲ３１，３２において排気ガスと反応しきれずに排出される（スリップする）還元剤を確実に酸化させ、スリップ現象を未然に防止できる。但し、本発明において、ＮＨ₃スリップ３３は必須ではなく、ＮＨ₃スリップ３３を省略してもよい。

図１に示すように、第一流通路２と第二流通路３は、それらの断面がケーシング４の側壁断面における対角方向に並ぶように、互いに平行に配置されている。より具体的には、当該側壁断面の相互に対向する略角部にそれぞれ配置されている。また、第一流通路２と第二流通路３は、還元剤を供給するための還元剤噴霧部であるドージング５１が設けられた連通部５を介して接続されている。

図１，図２，図８に示すように、連通部５は、全体として略Ｕ字状の形状をなし、第一流通路２のＤＰＦ２２と連通するドージング５１と、このドージング５１と連通する上流側拡散部５２と、上流側拡散部５２の下流側に接続されて流通路を１８０°折り返す接続部５３と、接続部５３に接続され、上流側拡散部５２と略平行な下流側拡散部５４と、下流側拡散部５４と第二流通路３のＳＣＲ３１とを連通する下流側導入部５５と、を備えている。また、ＤＰＦ２２の下流側端部の外周には、排気ガスをドージング５１へと排出するための開口部２２ａが設けられている。

このように、本実施形態では、第一流通路２と第二流通路３とが連通部５によって略Ｓ字状に接続されている。これにより、図１３（ａ）に示す従来の排気浄化装置の場合と比較して、図１３（ｂ）に示すように、第一流通路２と第二流通路３とを、並べて配置した場合においても、排気浄化装置１の全長を大きくすることなく、ドージング５１とＳＣＲ３１との間の流通路の長さを稼ぐことができる。換言すれば、ドージング５１とＳＣＲ３１との距離を確保しつつ、装置全体の長尺化を防止できる。よって、従来の排気浄化装置の場合に比して、連通部５における排気ガスの流速を速めることができ、ドージング５１において噴霧された還元剤と排気ガスとを十分に混合させ、排気ガスの浄化効率を向上できる。

第一流通路２の導入部２０は、図９，図１０に示すように、第一流通路２に対して側方から排気ガスを流入するパイプ状の流入口ＧＩと、ＤＯＣ２１の排気ガス流入側端面を覆う張出部２０ｂと、を有している。また、導入部２０は、流入口ＧＩから張出部２０ｂにおけるＤＯＣ２１側の接続端部２０ａに向けて、当該ＤＯＣ２１の外周における直径近傍の位置まで広がった形状をなしている。さらに、張出部２０ｂは、ＤＯＣ２１と対向する部位が、ＤＯＣ２１側とは反対側（つまり、ケーシング４の外方側）に向けて膨らんだ形状をなしている。なお、ケーシング４の張出部２０ｂと対応する部位は、当該張出部２０ｂを覆うように外方へと膨らんだ形状をなしている。また、導入部２０は、内部にＤＯＣ２１の外径に沿った（この場合、円筒状の）邪魔板２０１が設けられている。この邪魔板２０１は、その流入口ＧＩ側に面した一面が、パンチング孔２０１ａを多数穿設されたパンチングメタルとして構成されている。これにより、第一流通路２に対して側方に配置された流入口ＧＩから流入した排気ガスを、邪魔板２０１のパンチング孔２０１ａを通過する経路（図１０の矢印Ｌ１ａ）と、邪魔板２０１を乗り越える経路（図１０の矢印Ｌ１ｂ）とに流通させることで、ＤＯＣ２１の直径方向に均一に拡散させることができる。

このような構成の排気浄化装置１において、ケーシング４の内壁と、連通部５を含む第一及び第二流通路２，３との間には空間が形成されており、この空間がＤＯＣ２１，ＤＰＦ２２，ＳＣＲ２１，３２等の触媒を断熱（保温）するための空気層Ｘとして機能するようになっている。そして、本実施形態では、第二流通路３から排出される排気ガスが空気層Ｘを流通しつつ、排出口ＧＯから排出されるようになっている。

ここで、本実施形態の排気浄化装置１の場合、上流側拡散部５２の断面積は、下流側拡散部５４の断面積よりも大きく形成されていることが望ましい。具体的に、本実施形態の場合、上流側拡散部５２の断面積、すなわち、上流側拡散部５２の径をφ１３０とし、下流側拡散部５４の断面積、すなわち、下流側拡散部５４の径をφ１２０とした。図１４（ａ）に示すように、上流側及び下流側拡散部５２，５４が同一径（共にφ１２０）の場合（以下、これを前者と称す）における下流側拡散部５４の還元剤（ＮＨ₃）の濃度分布と比較し、図１４（ｂ）に示すように、上流側拡散部５２の径（φ１３０）が下流側拡散部５４の径（φ１２０）より大きい場合（以下、これを後者と称す）における下流側拡散部５４の還元剤（ＮＨ₃）の濃度分布の方が濃く、より混合していることがわかる。

これは、図１５及び図１６に示すように、前者の場合には、ドージング５１から噴霧された還元剤の一部が上流側拡散部５２の内壁面に付着している（図１５（ａ）及び図１６（ａ）参照）のに対し、後者の場合には、そのような上流側拡散部５２の内壁面への付着は見られない（図１５（ｂ）及び図１６（ｂ）参照）。つまり、後者の場合、上流側拡散部５２における排気ガスの流速を遅くすることで、その内壁面への付着を回避でき、局所的な（還元剤の）液膜の偏りを分散化し、排気ガスに対して還元剤をより効果的に混合させることができるためであることがわかった。

＜排気ガスと尿素水の流れ＞
次に、排気浄化装置１の内部における排気ガスと還元剤（例えば、尿素水）の流れについて説明する。
ディーゼルエンジンから排出された排気ガスは、流入口ＧＩから排気浄化装置１の内部に流入し（図１の矢印Ｌ１）、第一流通路２に配置されたＤＯＣ２１及びＤＰＦ２２を通過する（図１０の矢印Ｌ２，Ｌ３）。排気ガス中に含まれていたＮＯｘは、ＤＯＣ２１で酸化されてＮＯ₂となる。また、排気ガス中に含まれていたＰＭは、ＤＰＦ２２で捕集されて排気ガスから除去される。そして、ＤＯＣ２１及びＤＰＦ２２を通過した排気ガスに対し、ドージング５１から尿素水が噴射供給される。このドージング５１から噴射供給された尿素水は、略Ｕ字状に折り返された連通部５の上流側拡散部５２，接続部５３，下流側拡散部５４において、下方の開口部２２ａを介して上流側拡散部５２へ流入されるＤＰＦ２２通過後の排気ガス流（図８，図１０の矢印Ｌ３）によって、連通部５の内壁面に沿った旋回流を形成しながら流れる（図２，図８の矢印Ｌ４）。つまり、ＤＯＣ２１及びＤＰＦ２２を通過した排気ガスは、連通部５付近を通過する際に、旋回流を形成した尿素水と攪拌混合される。その際、尿素水と攪拌混合された排気ガスは、接続部５３付近で旋回しながら強制的に流れ方向を変えられ下流側拡散部５４において均一に分散された状態となる。

そして、この排気ガスは、下流側導入部５５の壁面で堰き止められた後、旋回しながら第二流通路３のＳＣＲ３１に流入し（図２，図８の矢印Ｌ５，Ｌ６）、均一に分散された状態でＳＣＲ３２及びＮＨ₃スリップ３３を通過する（図２，図８の矢印Ｌ７）。なお、排気ガス中に含まれていたＮＯｘ（ＮＯ₂を含む）は、ＳＣＲ３１，３２で還元浄化されてＮ₂となる。また、ＳＣＲ３１，３２で消費されずに排気ガス中に残存する尿素水及びＮＨ₃は、ＮＨ₃スリップ３３で吸着されて排気ガスから除去され、若しくはＮＨ₃スリップ３３で酸化浄化されてＮ₂となる。そして、ＳＣＲ３１，３２及びＮＨ₃スリップ３３を通過して浄化された排気ガスは、ケーシング４の内壁と、連通部５を含む第一及び第二流通路２，３との間に形成された空気層Ｘを介して（図１，図２の破線で示す矢印Ｌ１０）、ケーシング４（すなわち、排気浄化装置１）の外部に流出する。

以上の通り、本実施形態にあっては、排気ガスの流入口ＧＩと連通し、ＤＯＣ２１とＤＰＦ２２とを有する第一流通路２と、ＳＣＲ３１，３２を有する第二流通路３とが、上流側にドージング５１が配置される上流側拡散部５２と、下流側に第二流通路３が配置される下流側拡散部５４と、これら拡散部５２，５４を連通する接続部５３と、を備えた連通部５を介して折り返された形状で配置される。このため、ドージング５１とＳＣＲ３１との距離を確保しつつ装置全体の長尺化を防止でき、還元剤と排気ガスとを十分に混合させ、排気ガスの浄化効率を向上することができる。

このとき、上流側拡散部５２の断面積を、下流側拡散部５４の断面積よりも大きく形成することにより、上流側拡散部５２における排気ガスの流速を遅くすることで、上流側拡散部５２の内壁面に対する還元剤の付着を回避でき、局所的な（還元剤の）液膜の偏りを分散化し、排気ガスに対して還元剤をより効果的に混合させることができる。

１…排気浄化装置
２…第一流通路
２０…上流側導入部
２０ａ…接続端部
２０ｂ…張出部
２０１…邪魔板
２０１ａ…パンチング孔
２１…ＤＯＣ（酸化触媒）
２２…ＤＰＦ（燃焼フィルタ）
３…第二流通路
３１，３２…ＳＣＲ（選択還元触媒）
３３…ＮＨ₃スリップ（新たな酸化触媒）
４…ケーシング
４ａ…挿通孔
５…連通部
５１…ドージング
５２…上流側拡散部
５３…接続部
５４…下流側拡散部
５５…下流側導入部
ＧＩ…排気ガスの流入口
ＧＯ…排気ガスの排出口

Claims (1)

1. 内燃機関から排出された排気ガスを浄化する排気浄化装置であって、
   前記排気ガスの流入口と連通する第一流通路と、
   前記第一流通路と連通する第二流通路と、
   これら第一及び第二流通路を収容し、任意の位置に前記排気ガスの排出口が設けられるケーシングと、を備え、
   前記第一流通路は、
   前記排気ガス中の窒素酸化物を酸化するための酸化触媒と、
   前記酸化触媒の下流側に配置され、前記排気ガス中の微粒子成分を捕集して除去するためのパティキュレートフィルタと、を有し、
   前記第二流通路は、
   前記窒素酸化物を尿素成分またはアンモニア成分から選ばれる還元剤と接触させて還元除去するための選択還元触媒を有し、
   前記第一流通路と前記第二流通路とが、連通部を介して接続されており、
   前記連通部は、
   上流側に前記還元剤を供給するための還元剤噴霧部が配置される上流側拡散部と、
   下流側に前記第二流通路が配置される下流側拡散部と、
   前記上流側拡散部及び前記下流側拡散部を連通する接続部と、を備え、
   前記上流側拡散部に対し、前記下流側拡散部が、前記接続部を介して折り返された形状
   で配置され、
   前記上流側拡散部及び前記下流側拡散部の断面積は、それぞれ一様であり、前記上流側拡散部の断面積は、前記下流側拡散部の断面積よりも大きく形成されている
   ことを特徴とする排気浄化装置。