JP2015209799A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】塵芥車などの特殊架装を備えた車両にも容易に適用することができる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。【解決手段】上流側ケーシング（２）と下流側ケーシング（３）をつなぐ連結通路（１４）とを備え、下流側ケーシング（３）は、連結通路（１４）とつながる外側通路（４７）と、外側通路（４７）の内側に形成され選択還元触媒（６）を格納する内側通路（４８）とで構成され、外側通路（４７）は、連結通路（１４）から排気が流入する下流側ケーシング（３）一端の入口部（１１）から他端側に向かって排気流路断面積が大きくなる傾斜部（４１）を有し、内側通路（４８）は、選択還元触媒（６）へ他端側から排気が流入する開口部（４６）を有し、還元剤噴射手段（６０）は傾斜部（４１）に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気の浄化を行う内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン（内燃機関）の排気浄化装置には、内燃機関から排出された排気中に還元剤を噴射して浄化する構造がある。

多くは、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）を収めた前段側のケーシングと、浄化触媒となる選択還元触媒（以下、ＳＣＲという）を収めた後段側のケーシングとの間を通路でつなぎ、ＳＣＲの上流側から、噴霧ノズルで排気中に還元剤としての尿素水溶液を噴霧させる構造が用いられている。

ところで、噴霧ノズルから噴霧される尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解されるアンモニアを用いて、ＳＣＲでＮＯｘ還元作用を得て、排気中のＮＯｘを還元させる。

そこで、排気浄化装置では、ＳＣＲの上流側に配置されている通路から、排気の流通方向に沿って尿素水溶液を噴霧する構造を用いて、尿素水溶液を排気中に混合されることが行われている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−２１７３５１号公報

ところが、特許文献１では、噴霧ノズルを前段側のケーシングと後段側のケーシングをつなぐ通路に設けているため、通路において噴霧ノズルを取り付けるための長さを確保する必要がある。

そのため、特に塵芥車などのように特殊架装を備え排気浄化装置のレイアウトが難しい車両に搭載し難い場合があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、塵芥車などの特殊架装を備えた車両にも容易に適用することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気中に含まれる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、前記排気中のＮＯｘを還元剤を用いて選択還元する選択還元触媒と、前記パティキュレートフィルタを格納する上流側ケーシングと、前記選択還元触媒を格納する下流側ケーシングと、前記還元剤を噴霧する還元剤噴射手段と、前記上流側ケーシングと前記下流側ケーシングをつなぐ連結通路とを備え、前記下流側ケーシングは、前記連結通路とつながる外側通路と、前記外側通路の内側に形成され前記選択還元触媒を格納する内側通路とで構成され、前記外側通路は、前記連結通路から前記排気が流入する前記下流側ケーシング一端の入口部から他端側に向かって排気流路断面積が大きくなる傾斜部を有し、前記内側通路は、前記選択還元触媒へ他端側から排気が流入する開口部を有し、前記還元剤噴射手段は、前記傾斜部に設けられる。

上記手段を用いる本発明によれば、排気浄化装置を塵芥車などの特殊架装を備えた車両にも容易に適用することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図１のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 図１のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。図１には本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図、図２〜５には図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線に沿う断面図がそれぞれ示されており、以下これらの図に基づき説明する。

図１に示す排気浄化装置１は、図示しないディーゼルエンジン（内燃機関）の排気通路に介装され、当該ディーゼルエンジンから排出される排気を浄化するものである。

当該排気浄化装置１は上流側ケーシング２と下流側ケーシング３とが連結されており、上流側ケーシング内にはＤＯＣ４（Diesel Oxidation Catalyst：ディーゼル用酸化触媒）とＤＰＦ５（Diesel Particulate Filter：ディーゼルパティキュレートフィルタ）が格納され、下流側ケーシング３にはＳＣＲ６（Selective Catalytic Reduction：選択還元触媒）とＣＵＣ７（Clean Up Catalyst：後段酸化触媒）が格納されている。

上流側ケーシング２の入口部１０は図示しない上流側排気管と接続されており、出口部１１は下流側ケーシング３の入口部１２と連結されている。一方、下流側ケーシング３の出口部１３は図示しない下流側排気管と接続されている。このように上流側ケーシング２と下流側ケーシング３とは直接接続され、当該上流側ケーシング２の出口部１１と下流側ケーシング３の入口部１２とにより連結通路１４を形成している。なお各入口部１０、１２及び出口部１１、１３はフランジをなしている。

上流側ケーシング２は、ＤＯＣ４及びＤＰＦ５が配設される中央部２０が流路断面積の広い円筒状をなしており、当該中央部２０の両端側からは各先端に向けて円錐状に狭まった傾斜部２１、２２が形成され、当該各傾斜部２１、２２端部から入口部１０及び出口部１１へと管部２３、２４が形成されている。

下流側ケーシング３は、外殻をなす外筒部３０と、外筒部３０の内側に設けられた内筒部３１とからなる二重筒構造をなしている。下流側ケーシング３の外周面、即ち外筒部３０の外周面は耐熱用グラスウール３２により覆われている。

下流側ケーシング３の外筒部３０は一端側にある入口部１２から、他端側へと流路断面積が広くなるよう円錐状に拡がった傾斜部４１を有している。そして外筒部３０は、傾斜部４１の他端から円筒状の外筒周壁４２が軸方向に延び、当該外筒周壁４２の他端面が外筒端壁４３で塞がれている。

下流側ケーシング３の内筒部３１は、外筒周壁４２内方に、当該外筒周壁４２と同心円状に内筒周壁４４が形成されており、当該内筒周壁４４の一端面は内筒端壁４５で塞がれ、他端面は開口部４６を形成している。これにより、下流側ケーシング３内は、外筒周壁４２及び外筒端壁４３と、内筒周壁４４との間に外側通路４７が形成され、内筒周壁４４の内部に内側通路４８が形成されている。

内筒部３１内には排気上流側となる他端側にＳＣＲ６が、排気下流側となる一端側にＣＵＣ７が配設されている。また、内筒周壁４４の一端側の一部には軸方向に対し垂直方向に出口管部４９が延びている。図２にも示すように、出口管部４９は外筒周壁４２を貫通し、当該出口管部４９の端部が下流側ケーシング３の出口部１３をなしている。

また、内筒部３１は、内筒周壁４４と外筒周壁４２とが排気上流側から順番に、それぞれ環状の第１プレート５０、第２プレート５１、第３プレート５２により連結されている。

第１プレート５０は図３に示すように、環状の面に４つの長孔５０ａが周方向に等間隔に、即ち９０度ごとに並んで形成されている。第２プレート５１は図４に示すように、第１プレート５０と同様に環状の面に４つの長孔５１ａが周方向に等間隔に並んでいるが、当該長孔５１ａは第１プレート５０の長孔５０ａに対し周方向に４５度ずれるように配設されている。さらに、第３プレート５２は図５に示すように、環状の面に多数の小孔５２ａからなる小孔郡が第３プレート５２に全体的に形成されている。このように第１から第３プレート５０、５１、５３は下流側ケーシング３の外側通路４７を横断しており、各長孔５０ａ、５１ａ、及び小孔５２ａが外側通路４７において排気流路を形成している。

また、下流側ケーシング３には、外筒部３０の傾斜部４１に、当該傾斜部４１内部に臨むようにして還元剤噴射弁６０（還元剤噴射手段）が設けられている。還元剤噴射弁６０は傾斜部４１内部に向けて例えば尿素水溶液等の還元剤を噴射するものである。当該還元剤噴射弁６０から噴射される尿素水の噴霧は中空の円錐状をなしており、内筒端壁４５を避けつつ外筒部３０の外筒周壁４２に向けて放射状に噴射される。

このように構成された排気浄化装置１は、内燃機関から排出された排気が上流側排気管を通って、上流側ケーシング２の入口部１０から上流側ケーシング２内部に流入する。上流側ケーシング２内に流入した排気はＤＯＣ４にて酸化反応し、ＤＰＦ５によりパティキュレートマター（以下、ＰＭという）が捕集される。ＤＰＦ５に捕集されたＰＭはＤＯＣ４の酸化反応により二酸化窒素（ＮＯ₂）濃度を増やし、ＤＰＦ５にてＰＭを燃焼させることで連続再生が行われる。

またＤＰＦ５を通過した排気は、連結通路１４と通って、即ち上流側ケーシング２の管部２４から下流側ケーシング３の管部４０を通って、傾斜部４１内に流入する。さらに排気は、傾斜部４１から外側通路４７を通って外筒部３０の外筒端壁４３に向かい、当該外筒端壁４３で内方に方向を変え、他端側から内筒部３１の開口部４６を通って内側通路４８に流入する。

内筒部３１に流入した排気は、ＳＣＲ６にてＮＯｘが吸蔵される。一方で還元剤噴射弁６０から尿素水溶液が噴射されることで、加水分解されたアンモニア（ＮＨ₃）が排気中に拡散する。ここで、還元剤噴射弁６０は下流側ケーシングの傾斜部４１に設けられており、二重筒構造で上流側ケーシング２の傾斜部２１、２２よりも大きく流路断面積が拡がり、十分な空間を有する下流側ケーシング３の傾斜部４１内部で尿素水溶液が噴射されることから、アンモニアが排気中に拡散されるのに十分な空間が確保されている。そして、還元剤噴射弁６０は傾斜部４１の形状に合わせ、内筒端壁４５を避けつつ外筒部３０の外筒周壁４２に向けて放射状に尿素水溶液を噴射することから、噴射した尿素水溶液が内筒端壁４５に付着して拡散が阻害されるようなこともない。

また、排気は外側通路４７を通る際に、まず第１プレート５０の長孔５０ａを通った後、当該長孔５０ａと周方向に４５度ずれている第２プレート５１の長孔５１ａを通るため、軸方向に対して蛇行しつつ第２プレート５１の長孔５１ａを通過する。さらに、排気は第３プレート５２において小孔５２ａを通ることで整流されて外筒端壁４３に到達する。つまり外側通路４７を通る排気は、各プレート５０、５１、５２があることで、直進せずに蛇行しながらから進むため、アンモニアの排気中への拡散がより促進される。

このようにアンモニアを含んだ排気がＳＣＲ６を通過すると、ＳＣＲ６に吸蔵されたＮＯｘが還元される。当該還元反応に対して余剰のアンモニアは、さらに排気下流側の酸化触媒であるＣＵＣ７により酸化される。以上のように各種触媒及びフィルタにより浄化された排気は、出口管部４９を通って下流側排気管を経て大気中に排出される。

以上のように排気浄化装置１によれば、下流側ケーシング３が二重筒構造をなしている上、上流側ケーシング２の出口部１１と下流側ケーシング３の入口部１２とが直接接続されていることから、排気浄化装置１の全長を大幅に短縮することができる。

その一方で、還元剤噴射弁６０を下流側ケーシング３の傾斜部４１に設けることで、アンモニアを排気中に拡散する空間を十分に確保することができる。さらに還元剤噴射弁６０は、尿素水溶液の噴霧形状が傾斜部４１内部に合わせた形状としていることから、より確実にアンモニアを排気中に拡散することができる。さらに、外側通路４７に各プレート５０、５１、５２を設け、各孔５０ａ、５１ａ、５２ａにより排気を蛇行させたり、整流させたりすることで、アンモニアの拡散をより促進させることができる。これらのことから排気浄化装置１の全長を短縮していても、ＳＣＲ６におけるＮＯｘ浄化性能を確保することができる。

このように、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置は排気浄化性能を確保しつつ、全長を大幅に短縮することができることから、排気浄化装置のレイアウトが難しい塵芥車などの特殊架装を備えた車両にも容易に適用することができる。

以上で本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

上記実施形態では、上流側ケーシング２にＤＯＣ４及びＤＰＦ５が格納され、下流側ケーシング３にＳＣＲ６及びＣＵＣ７が格納されているが、上流側ケーシングには少なくともＤＰＦが格納され、下流側ケーシングには少なくともＳＣＲが格納されていればよい。

上記実施形態では還元剤噴射弁６０から噴射される尿素水溶液の噴霧は、中空の円錐状をなしており、内筒端壁４５を避けつつ外筒部３０の外筒周壁４２に向けて放射状に噴射されているが、還元剤噴射弁から噴射される尿素水溶液の噴霧形状はこれに限られるものではなく、例えば、中実の円錐状としたり、噴射の向きを変更してもよい。

１ 排気浄化装置
２ 上流側ケーシング
３ 下流側ケーシング
４ ＤＯＣ
５ ＤＰＦ
６ ＳＣＲ
７ ＣＵＣ
１４ 連結通路
３０ 外筒部
３１ 内筒部
４０ 管部
４１ 傾斜部
４２ 外筒周壁
４３ 外筒端壁
４４ 内筒周壁
４５ 内筒端壁
４６ 開口部
４７ 外側通路
４８ 内側通路
４９ 出口管部
５０ 第１プレート
５０ａ 長孔
５１ 第２プレート
５１ａ 長孔
５２ 第３プレート
５２ａ 小孔
６０ 還元剤噴射弁（還元剤噴射手段）

Claims (1)

1. 排気中に含まれる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、
   前記排気中のＮＯｘを還元剤を用いて選択還元する選択還元触媒と、
   前記パティキュレートフィルタを格納する上流側ケーシングと、
   前記選択還元触媒を格納する下流側ケーシングと、
   前記還元剤を噴霧する還元剤噴射装置と、
   前記上流側ケーシングと前記下流側ケーシングをつなぐ連結通路とを備え、
   前記下流側ケーシングは、前記連結通路とつながる外側通路と、前記外側通路の内側に形成され前記選択還元触媒を格納する内側通路とで構成され、
   前記外側通路は、前記連結通路から前記排気が流入する前記下流側ケーシング一端の入口部から他端側に向かって排気流路断面積が大きくなる傾斜部を有し、
   前記内側通路は、前記選択還元触媒へ他端側から排気が流入する開口部を有し、
   前記還元剤噴射手段は、前記傾斜部に設けられることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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