JP2009097435A

JP2009097435A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2009097435A
Application number: JP2007270184A
Authority: JP
Inventors: Minehiro Murata; 峰啓村田; Yoshihisa Takeda; 好央武田; Hiroaki Fujita; 博昭藤田; Satoshi Hiranuma; 智平沼; Goro Iijima; 吾郎飯島
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2009-05-07

Abstract

【課題】ケーシングへの尿素水の付着を防止しながら排気中に尿素水を供給することが可能な排気浄化装置を提供する。
【解決手段】筒状をなしてパティキュレートフィルタ３８を収容する上流側ケーシング３０と、上流側ケーシング３０のパティキュレートフィルタ３８より下流側となる位置の側壁部５４に設けられ、パティキュレートフィルタ３８を通過した排気を排出する排気流出口５６と、排気流出口５６に対向する位置の側壁部５４に取り付けられ排気流出口５６に向けて尿素水を噴射する尿素水インジェクタ４４と、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒４０を収容し、排気流出口５６から排出された排気がアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒４０に流入する下流側ケーシング３４とを備え、尿素水インジェクタ４４は、排気流出口５６の内周より径方向内方となる方向に向けて尿素水を噴射する。
【選択図】図２

Description

本発明はエンジンの排気を浄化する排気浄化装置に関し、特に排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒とを備えた排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等のエンジンから排出される排気中には、大気汚染物質であるパティキュレートやＮＯｘ（窒素酸化物）などが含まれている。そこでパティキュレートについては、エンジンの排気通路にパティキュレートフィルタを設け、排気中に含まれるパティキュレートをパティキュレートフィルタで捕集し、大気中にパティキュレートが放出されないようにする技術が従来より知られている。

またＮＯｘについては、エンジンの排気通路にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を配設し、還元剤としてアンモニアをアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給することにより、ＮＯｘを選択還元して排気を浄化するようにした排気浄化装置が知られている。アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒では、上流側の排気中に尿素水を供給し、この尿素水が排気の熱により加水分解して生じたアンモニアが供給される。アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給されたアンモニアは一旦アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着し、このアンモニアと排気中のＮＯｘとの間の脱硝反応がアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒によって促進されることによりＮＯｘの浄化が行われる。

このようなパティキュレートの捕集及びＮＯｘの還元を効率的に行うため、パティキュレートフィルタ及びアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を組み合わせ、排気浄化装置として用いるようにしたものが、例えば特許文献１などによって提案されている。
特許文献１の排気浄化装置は、上流側ケーシングと、上流側ケーシングの下流側に配設されて連通路で連通された下流側ケーシングとで構成される。上流側ケーシング内には、前段酸化触媒が収容されると共に、この前段酸化触媒の下流側にパティキュレートフィルタが収容されている。なお、前段酸化触媒は排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成し、このＮＯ_２によってパティキュレートフィルタの連続再生を行うために使用される。

一方、下流側ケーシング内にはアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒が収容されると共に、このアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の下流側にアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒から流出したアンモニアを酸化してＮ_２とするための後段酸化触媒が収容されている。
更に、上流側ケーシングと下流側ケーシングとを連通する連通路には、連通路内の排気中に尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタが設けられている。尿素水インジェクタから噴射された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に還元剤として供給される。

排気浄化装置をこのように構成した場合、排気の流動経路に沿って前段酸化触媒、パティキュレートフィルタ、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒及び後段酸化触媒が直列に配設されるため、これらを一直線上に配列した場合には排気浄化装置が長大なものとなってしまう。特に、このような排気浄化装置を車両に搭載しようとする場合には、他の車両搭載機器との干渉などにより搭載が困難となる場合があるため、これらのレイアウトを考慮する必要がある。

そこで、上流側ケーシングにおいてパティキュレートフィルタを通過した排気を排出するための排気流出口を、筒状の上流側ケーシングの側壁部に設けることにより、上流側ケーシングの側方から排気を排出し、排気流出口に接続された連通路を介して下流側ケーシングに排気を導入するように排気浄化装置を構成することが考えられる。この場合には連通路を複雑な形状とすることなく第１ケーシングの側方に第２ケーシングを配設することができるので、特に排気浄化装置を車両に搭載する場合などにおいてレイアウト上有利である。

排気浄化装置の上流側ケーシングをこのように構成した場合、尿素水インジェクタは、パティキュレートフィルタから排気流出口を経て連通路へと流動する排気中に効果的に尿素水を噴射供給するため、排気流出口に対向する側壁部に取り付けられる。そして、尿素水インジェクタから排気流出口に向けて噴射された尿素水が排気中で良好に霧化することができるようにするため、尿素水インジェクタは、その中心軸線を中心として尿素水の最外側の噴射方向がなす角度である尿素水噴射角が比較的大きな角度となるように拡散して尿素水を噴射するのが一般的である。
特開２００７−１６２４８７号公報

ところが、このようにして尿素水インジェクタから排気流出口に向けて尿素水を噴射供給した場合、必ずしも噴射された尿素水の全量が排気中で霧化するわけではなく、その一部は排気流出口の周囲にあるケーシングの内壁に達してしまう。ケーシングの内壁に達した尿素水は内壁に付着し、水分が蒸発することによって固形化した尿素が内壁に堆積する可能性がある。この結果、排気の流動抵抗が増大し、排気浄化装置の排気浄化効率が低下するという問題が生じる。また、尿素水がケーシングの内壁に付着することによってアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給されるべきアンモニアの量が不足し、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の排気浄化効率が低下するという問題も生じる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ケーシングへの尿素水の付着を防止しながら排気中に尿素水を供給することが可能な排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の排気浄化装置は、エンジンの排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、アンモニアを還元剤として上記排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒とを備えた排気浄化装置において、筒状をなして上記パティキュレートフィルタを収容する上流側ケーシングと、上記上流側ケーシングの上記パティキュレートフィルタより下流側となる位置の側壁部に設けられ、上記パティキュレートフィルタを通過した排気を排出する排気流出口と、上記排気流出口に対向する位置の上記側壁部に取り付けられ、上記排気流出口に向けて尿素水を噴射する尿素水インジェクタと、上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を収容し、上記排気流出口から排出された排気が上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する下流側ケーシングとを備え、上記尿素水インジェクタは、上記排気流出口の内周より径方向内方に向けて上記尿素水を噴射することを特徴とする（請求項１）。

このように構成された排気浄化装置によれば、上流側ケーシング内に収容されたパティキュレートフィルタを通過した排気は、筒状をなす上流側ケーシングの側壁部に設けられた排気流出口を介して上流側ケーシングから排出される。このとき、排気流出口に対向する位置に取り付けられている尿素水インジェクタが、パティキュレートフィルタから排気流出口へと流動する排気中に、必要に応じて尿素水を噴射する。このとき尿素水は、排気流出口の内周より径方向内方に向け、尿素水インジェクタから噴射される。

排気中に供給された尿素水は排気の熱により加水分解してアンモニアが生成され、上流側ケーシングの排気流出口から排出された排気は、このアンモニアと共に下流側ケーシング内のアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する。アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒では、排気中のアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘが選択還元されることにより排気が浄化される。

また、上記排気浄化装置において、上記排気流出口と上記下流側ケーシングとは連通路を介して連通されるようにしてもよい（請求項２）。
このように構成された排気浄化装置によれば、上流側ケーシングから排気流出口を介して排出された排気は、尿素水インジェクタから噴射された尿素と共に、連通路を通って下流側ケーシング内に流入する。

本発明の排気浄化装置によれば、排気中に尿素を供給する際には、排気流出口の内周より径方向内方に向けて尿素水インジェクタから尿素水が噴射されるので、尿素水インジェクタから噴射された尿素水は、上流側ケーシングの内壁や排気流出口の内周にほとんど付着することなく、パティキュレートフィルタから排気流出口を介し下流側ケーシング内のアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒へ向けて流動する排気中に供給される。この結果、上流側ケーシングの内壁に尿素水が付着して固形化した尿素が堆積するといった問題や、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に供給されるアンモニアの量が不足してアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒の排気浄化効率が低下するという問題の発生を防止することが可能となる。

また、請求項２の排気浄化装置によれば、上流側ケーシングから排気流出口を介して排出された排気は、尿素水インジェクタから噴射された尿素と共に、連通路を通って下流側ケーシング内に流入するようにしたので、排気が連通路内を流動する間に、尿素水を排気中で良好に拡散させて霧化させることができる。従って、尿素水インジェクタからの尿素の噴射角が比較的小さい場合に、尿素水からのアンモニアの生成をより一層良好に行うことが可能となる。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用される４気筒のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）の全体構成図を示しており、図１に基づき本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
エンジン１は各気筒共通の高圧蓄圧室（以下コモンレールという）２を備えており、図示しない燃料噴射ポンプから供給されてコモンレール２に蓄えられた高圧の燃料を、各気筒に設けられたインジェクタ４に供給し、各インジェクタ４からそれぞれの気筒内に燃料が噴射される。

吸気通路６にはターボチャージャ８が装備されており、図示しないエアクリーナから吸入された吸気は、吸気通路６からターボチャージャ８のコンプレッサ８ａへと流入し、コンプレッサ８ａで過給された吸気はインタークーラ１０及び吸気制御弁１２を介して吸気マニホールド１４に導入される。また、吸気通路６のコンプレッサ８ａより上流側には、エンジン１への吸入空気流量を検出するための吸気量センサ１６が設けられている。

一方、エンジン１の各気筒から排気が排出される排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド１８を介して排気管２０に接続されている。なお、排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４との間には、ＥＧＲ弁２２を介して排気マニホールド１８と吸気マニホールド１４とを連通するＥＧＲ通路２４が設けられている。
排気管２０はターボチャージャ８のタービン８ｂを経た後、排気絞り弁２６を介して排気後処理装置２８に接続されている。また、タービン８ｂの回転軸はコンプレッサ８ａの回転軸と連結されており、タービン８ｂが排気管２０内を流動する排気を受けてコンプレッサ８ａを駆動するようになっている。

排気後処理装置２８は、上流側ケーシング３０と、上流側ケーシング３０の下流側に連通路３２で連通された下流側ケーシング３４とで構成される。上流側ケーシング３０内には、前段酸化触媒３６が収容されると共に、この前段酸化触媒３６の下流側にはパティキュレートフィルタ（以下フィルタという）３８が収容されている。
フィルタ３８は、排気中のパティキュレートを捕集してエンジン１の排気を浄化するために設けられる。フィルタ３８はハニカム型のセラミック体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、通路の上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されており、エンジン１の排気が内部を流通することによって排気中のパティキュレートを捕集する。

前段酸化触媒３６は排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成するので、このように前段酸化触媒３６とフィルタ３８とを配置することにより、フィルタ３８に捕集され堆積しているパティキュレートは、前段酸化触媒３６から供給されたＮＯ_２と反応して酸化し、フィルタ３８の連続再生が行われるようになっている。
一方、下流側ケーシング３４内には、排気中のアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元して浄化するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒（以下ＳＣＲ触媒という）４０が収容されると共に、このＳＣＲ触媒４０の下流側にはＳＣＲ触媒４０から流出したアンモニアを酸化してＮ_２とするための後段酸化触媒４２が収容されている。この後段酸化触媒４２は、フィルタ３８の強制再生でパティキュレートが焼却される際に発生するＣＯを酸化し、ＣＯ_２として大気中に排出する機能も有している。

なお、上流側ケーシング３０のフィルタ３８下流側には、フィルタ３８から流出して連通路３２へと流入する排気中に尿素水を噴射供給する尿素水インジェクタ４４が設けられており、図示しない尿素水タンクから尿素水インジェクタ４４に対して尿素水が供給されるようになっている。
尿素水インジェクタ４４から噴射された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒４０に供給される。ＳＣＲ触媒４０は供給されたアンモニアを吸着し、吸着したアンモニアと排気中のＮＯｘとの脱硝反応を促進することにより、ＮＯｘを浄化して無害なＮ_２とする。なお、このときアンモニアがＮＯｘと反応せずにＳＣＲ触媒４０から流出した場合には、このアンモニアが後段酸化触媒４２によって酸化され、無害なＮ_２となって大気中に放出されるようになっている。

次に、排気後処理装置２８のうち、上流側ケーシング３０側の構成について、図２及び図３に基づき更に詳細に説明する。
図２は排気後処理装置２８における上流側ケーシング３０の要部断面図、図３は図２中のIII−III線に沿う断面図であって、上流側ケーシング３０は筒状をなしており、図２に示すように第１ケーシング４６、第２ケーシング４８及び第３ケーシング５０に分割されている。

第１ケーシング４６は前段酸化触媒３６を収容しており、排気管２０に接続されてエンジン１の排気が流入する排気流入部５２を有する。また、第２ケーシング４８は両端が開口した筒状をなしてフィルタ３８を収容し、上流端が第１ケーシング４６の下流端に連結されると共に、下流端が第３ケーシング５０の上流端に連結されている。更に、第３ケーシング５０の側壁部５４には、連通路３２を接続するための排気流出管６０が装着されることにより排気流出口５６が形成され、フィルタ３８を通過した後に排気流出口５６から流出した排気は、排気流出管６０を介して連通路３２に向かう。

図２及び図３に示すように、側壁部５４の排気流出口５６に対向する位置には尿素水インジェクタ４４が取り付けられており、尿素インジェクタ４４は排気流出口５６の方向に向けて尿素水を噴射する。尿素インジェクタ４４による尿素水の噴射は、排気流出口５６の内周、つまり図２及び図３中に破線で示された側壁部５４に対応する位置における排気流出管６０の内周より径方向内方に向けて行われる。即ち、尿素インジェクタ４４による尿素水の噴射は、図２及び図３中に示される２本の一点鎖線で挟まれた範囲内に向けられており、尿素水インジェクタ４４の噴射口４４ａと、破線で示された排気流出口５６の内周とを結ぶ２本の二点鎖線より内側となっている。

第３ケーシング５０の外方に位置する排気流出管６０の端部は連通路３２に接続されており、排気流出管６０の連通路３２とは反対側にある端部には、円筒状の整流体５８が排気流出口６０に対向する側壁部５４まで第３ケーシング５０を横断するように延設されている。整流体５８の周面には、整流体５８の外側と内側とを連通する多数の孔が形成されており、整流体５８の連通路３２とは反対側にある端部は尿素水インジェクタ４４を包囲するようにして側壁部５４に固定されている。フィルタ３８を通過した排気は、整流体５８に形成された多数の孔を介して整流体５８内に流入した後、排気流出口５６から排気流出管６０を介して連通路３２に流入し、更に下流側ケーシング３４内に流入する。

上述したように、尿素水インジェクタ４４は図２及び図３中に示される２本の一点鎖線で挟まれた範囲内に向けて尿素水を噴射するので、尿素水インジェクタ４４から噴射された尿素水のほとんどは、第３ケーシング５０の内壁に付着しないばかりか、整流体５８及び少なくとも排気流出口５６までの排気流出管６０の内壁にも付着することなく、整流体５８内に流入した排気と共に排気流出口５６から排気流出管６０を経て連通路３２内へと流入する。こうして排気が整流体５８内から連通路３２内へと流動する間に尿素水インジェクタ４４から排気中に尿素水の噴射が行われると、噴射された尿素水は排気の熱によって加水分解し、アンモニアが生成される。生成されたアンモニアは、下流側ケーシング３４内のＳＣＲ触媒４０に供給され、前述したようにＳＣＲ触媒４０によるＮＯｘの選択還元に還元剤として使用される。

このとき、上述したように第３ケーシング５０、整流体５８及び少なくとも排気流出口５６までの排気流出管６０の内壁への尿素水の付着がほとんどないので、内壁に付着した尿素水の水分が蒸発して形成される固形の尿素が内壁に大量に堆積して排気流動抵抗が増大するといった問題が生じることはない。また、エンジン１の運転状態に応じて求めたＳＣＲ触媒４０におけるＮＯｘの選択還元に必要な量の尿素水を尿素水インジェクタ４４から噴射すれば、アンモニア供給量に不足を生じることなくＳＣＲ触媒４０にアンモニアを供給することが可能となり、ＳＣＲ触媒４０の排気浄化効率を良好に維持することが可能となる。

更に、排気流出口５６から排出された排気は、排気流出管６０に接続された連通路３２を通った後に下流側ケーシング３４内に流入するので、尿素水インジェクタ４４から排気中に噴射された尿素水は、連通路３２内で排気と共に流動する間に十分に拡散されて霧化することができる。この結果、尿素水からのアンモニアの生成をより一層良好に行うことが可能となり、尿素水インジェクタ４４からの尿素の噴射角、即ち図２及び図３中の２本の破線がなす角度が比較的小さい場合に、このような連通路３２を介して上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３４とを連通することは極めて有効である。

以上で本発明の一実施形態に係る排気浄化装置についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、尿素水インジェクタ４４からの尿素水の噴射は、単一の噴射口を用いるものであってもよいし、複数の噴射口を用いるものであってもよい。いずれの場合においても、尿素水インジェクタ４４からの尿素水の噴射方向が、図２及び図３における２本の一点鎖線の間にあればよい。

また、上記実施形態では、側壁部５４に達する整流体５８を排気流出管６０に延設するようにしたが、整流体５８の形状はこれに限定されるものではない。例えば、側壁部５４に達することなく第３ケーシング５０内の途中まで整流体５８を排気流出管６０から延設してもよいし、整流体５８を全て省略するようにしてもよい。
更に、上記実施形態では、上流側ケーシング３０の側壁部となる第３ケーシング５０の側壁部５４に排気流出管６０を装着することにより排気流出口５６を形成し、連通路３２を排気流出管６０に接続するようにしたが、第３ケーシング５０の側壁部５４に排気流出口を形成し、連通路３２を直接排気流出口に接続するようにしてもよい。この場合、尿素水インジェクタ４４からの尿素水の噴射方向は、第３ケーシング５０の側壁部５４に直接形成された排気流出口の内周縁より径方向内方となるようにすればよい。

また、上記実施形態では、上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３４とを連通路３２によって連通するように排気後処理装置２８を構成したが、上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３４と隣接させ、上流側ケーシング３０の排気流出管６０を直接下流側ケーシング３４に連通させるようにしてもよい。更に、排気流出管６０を省略し、第３ケーシング５０の側壁部５４に形成した排気流出口を介し、上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３４とを直接連通するようにしてもよい。この場合も、尿素水インジェクタ４４からの尿素水の噴射方向は、第３ケーシング５０の側壁部５４に直接形成された排気流出口の内周縁より径方向内方となるようにすればよい。

また、上記実施形態の排気後処理装置２８において、前段酸化触媒３６及び後段酸化触媒４２は必要に応じて設けられるものであり、同様の機能を有する別の触媒への置き換えや省略も可能である。
更に、上記実施形態では、エンジン１を４気筒のディーゼルエンジンとしたが、エンジン１の気筒数及び形式はこれに限られるものではなく、フィルタ３８とその下流にＳＣＲ触媒４０を備えるエンジンであれば本発明を適用可能である。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置が適用されるエンジンの全体構成図である。図１の排気浄化装置における上流側ケーシングの要部断面図である。図２のIII−III線に沿う断面図である。

符号の説明

１エンジン
３０上流側ケーシング
３２連通路
３４下流側ケーシング
３８パティキュレートフィルタ
４０アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒
４４尿素水インジェクタ
５４側壁部
５６排気流出口

Claims

エンジンの排気中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタと、アンモニアを還元剤として上記排気中のＮＯｘを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒とを備えた排気浄化装置において、
筒状をなして上記パティキュレートフィルタを収容する上流側ケーシングと、
上記上流側ケーシングの上記パティキュレートフィルタより下流側となる位置の側壁部に設けられ、上記パティキュレートフィルタを通過した排気を排出する排気流出口と、
上記排気流出口に対向する位置の上記側壁部に取り付けられ、上記排気流出口に向けて尿素水を噴射する尿素水インジェクタと、
上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒を収容し、上記排気流出口から排出された排気が上記アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒に流入する下流側ケーシングとを備え、
上記尿素水インジェクタは、上記排気流出口の内周より径方向内方に向けて上記尿素水を噴射することを特徴とする排気浄化装置。
上記排気流出口と上記下流側ケーシングとは連通路を介して連通されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。