JP2019044757A - 排気浄化装置および内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】アッシュの形態を制御することができる排気浄化装置および内燃機関を提供すること。【解決手段】排気浄化装置は、内燃機関からの排気ガス中の粒子状物質を捕集し、当該捕集された粒子状物質が燃焼されることにより再生されるフィルターと、再生により前記フィルターに堆積するアッシュを還元剤で前記フィルターの排気下流側へ押し流すように、還元剤をフィルターの排気上流側に移送する移送部と、を備える。例えば、排気浄化装置は、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する尿素ＳＣＲ触媒を備え、移送部は、窒素酸化物を浄化する場合に、還元剤を尿素ＳＣＲ触媒の排気上流側に移送する。【選択図】図１
Description
本開示は、排気浄化装置および内燃機関に関する。
従来、内燃機関からの排気ガス中に含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を捕集するフィルターとして、例えば、ディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）が知られている。
オイルの添加剤中に含まれるＣａなどの原因物質が、ＰＭと共にＤＰＦに堆積した後、ＤＰＦの再生により燃え残り、ＤＰＦ内に堆積する。燃え残り成分をアッシュという場合がある。
アッシュには、ＤＰＦ上に堆積するウォールアッシュと呼ばれるものと、ＤＰＦの排気下流側に堆積するプラグアッシュと呼ばれるものとがある。
ところで、ウォールアッシュは、高温のガスによりＤＰＦの排気下流側に輸送されて、アッシュの形態をプラグアッシュに変化させることが知られている。
また、アッシュの堆積がＤＰＦの圧力損失に及ぼす影響は、ウォールアッシュの方がプラグアッシュよりも大きいことが知られている。
ＤＰＦの圧力損失に及ぼす影響を低減するためには、アッシュの形態をウォールアッシュからプラグアッシュに変化させることが望ましい。しかし、従来のＤＰＦの再生方法の中に、アッシュの形態を制御する方法は見当たらない。
本開示の目的は、アッシュの形態を制御することができる排気浄化装置および内燃機関を提供することである。
本開示の排気浄化装置は、
内燃機関からの排気ガス中の粒子状物質を捕集し、当該捕集された前記粒子状物質が燃焼されることにより再生されるフィルターと、
前記再生により前記フィルターに堆積するアッシュを還元剤で前記フィルターの排気下流側へ押し流すように、前記還元剤を前記フィルターの排気上流側に移送する移送部と、
を備える。
内燃機関からの排気ガス中の粒子状物質を捕集し、当該捕集された前記粒子状物質が燃焼されることにより再生されるフィルターと、
前記再生により前記フィルターに堆積するアッシュを還元剤で前記フィルターの排気下流側へ押し流すように、前記還元剤を前記フィルターの排気上流側に移送する移送部と、
を備える。
本開示の内燃機関は、上記の排気浄化装置を備える。
本開示によれば、アッシュの形態を制御することができる。
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本実施の形態は、自動車に搭載されたディーゼルエンジン（内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。
本実施の形態は、自動車に搭載されたディーゼルエンジン（内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。
まず、本実施の形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構造について説明する。図１は、実施の形態に係るエンジンの排気系の一例を示す概略構成図である。なお、図１から図３には、Ｘ軸が描かれている。以下の説明では、図１から図３における左右方向をＸ方向又は排気方向といい、右方向を「＋Ｘ方向」、「排気下流方向」又は「排気下流側」、左方向を「−Ｘ方向」、「排気上流方向」又は「排気上流側」という。
図１に示すように、エンジンの排気マニホールド（図示略）には排気管１０が連結されている。排気管１０にはエンジンからの排気ガスが流入する。排気管１０内には、排気上流側（−Ｘ方向）から順に酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）１１、ＤＰＦ１２および尿素ＳＣＲ触媒１３が設けられている。
ＤＯＣ１１は、燃料が供給された場合、これを酸化して排気ガスを昇温させる。
尿素ＳＣＲ触媒１３は、還元剤を用いて、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する。ここで用いられる還元剤には、例えば尿素水がある。
図２および図３は、ＤＰＦ１２を排気方向（Ｘ方向）に沿って切断した部分縦断面図である。
ＤＰＦ１２は多孔質性の隔壁１２２で区画された多数のセル１２１を有している。セル１２１は排気方向（Ｘ方向）に沿って配置されている。セル１２１の排気上流側（−Ｘ方向）の入口と排気下流側（＋Ｘ方向）の出口とは交互に目封止されている。ＤＰＦ１２は、排気ガス中に含まれるＰＭを隔壁１２２の細孔や表面に捕集する。ＤＰＦ１２の隔壁１２２に捕集されたＰＭを燃焼することにより、ＤＰＦ１２が再生される。ＤＰＦ１２の再生は、ＤＰＦ１２よりも排気上流側のＤＯＣ１１に燃料を供給し、排気ガスをＰＭ燃焼温度まで昇温することで行われる。
エンジンから排出されるＰＭの中には、オイルや燃料添加剤（以下、オイル等）に含まれる金属成分から生成されるアッシュと呼ばれる燃え残り成分がある。アッシュは、ＤＰＦ１２内に残留し、ＤＰＦ１２の容積を占有していく。これにより、ＤＰＦ１２におけるＰＭを濾過する面積が減少するため、圧力損失が走行距離とともに上昇する。
アッシュの堆積が圧力損失に及ぼす影響は、アッシュがＤＰＦ１２のどの部分に堆積するかにより異なる。図２にＤＰＦ１２の隔壁１２２に堆積したウォールアッシュ３ａを示す。また、図３にＤＰＦ１２の排気下流側（セルの出口側）に堆積したプラグアッシュ３ｂを示す。
アッシュの堆積が圧力損失に及ぼす影響は、ウォールアッシュ３ａの方がプラグアッシュ３ｂよりも大きいことが知られている。
本実施形態に係る排気浄化装置１は、図１に示すように、上記のＤＰＦ１２に加えて、タンク２０Ａ，２０Ｂおよび移送部３０を備えている。
タンク２０Ａは、尿素水２を貯留する。
タンク２０Ｂは水３を貯留する。
水３は、例えば、エンジンの排気系で生成される凝縮水である。具体的には、エンジンから排出される排気ガスには、吸気にもともと含まれていた水蒸気のほか、燃料あるいはＰＭの燃焼などの結果発生した水蒸気が含まれている。水蒸気を含んだ排気ガスが排気系を流れる間にその温度を下げて、排気ガスの温度が露点を下回った時点で水蒸気が凝縮して排気ガスに凝縮水が発生する。発生した凝縮水は、タンク２０Ｂに貯留される。
また、水３は、例えばＥＧＲガス中の水分が凝縮したものである。具体的には、ＥＧＲクーラによって冷却されたＥＧＲガスが露点以下に冷やされると、ＥＧＲガス中の水分が凝縮し、凝縮水が発生する。発生した凝縮水は、タンク２０Ｂに貯留される。
移送部３０は、図１に示すように、ポンプ３１、ノズル３２Ａ，３２Ｂ、水路３３Ａ，３３Ｂ、制御弁３４および流量調整弁３５を有している。
ポンプ３１は、制御弁３４を介してノズル３２Ａ，３２Ｂにそれぞれ接続されている。ポンプ３１は、流量調整弁３５を介してタンク２０Ａ，２０Ｂにそれぞれ接続されている。
ノズル３２Ａは、ＤＰＦ１２の排気上流側（−Ｘ方向）に配置されている。
ノズル３２Ｂは、尿素ＳＣＲ触媒１３の排気上流側（−Ｘ方向）に配置されている。
制御弁３４は、ノズル３２Ａに通じる水路３３Ａを希釈尿素水４が流通する状態と、ノズル３２Ｂに通じる水路３３Ｂを尿素水２が流通する状態と、水路３３Ａ，３３Ｂのいずれにも希釈尿素水４，尿素水２が流通しない状態とに切り替えられる。
流量調整弁３５は、タンク２０Ａからポンプ３１へ送られる尿素水２の流量及びタンク２０Ｂからポンプ３１へ送られる水３の流量を調整する。流量調整弁３５は、例えば尿素水２のみがポンプ３１へ送られるように制御される。また、流量調整弁３５は、例えば尿素水２を水３で希釈した希釈尿素水４がポンプ３１へ送られるように制御される。水３は、尿素水２と混合されることにより粘性が高くなる。また、尿素水２を水３で希釈することにより、尿素水２の拡散性が向上する。
ＥＣＵ４０は、排気ガス中の窒素酸化物を浄化する場合に、尿素水２のみがポンプ３１へ送られるように流量調整弁３５を制御し、かつ、尿素水２が水路３３Ｂを流通するように制御弁３４を制御する。
ノズル３２Ｂは、尿素水２を尿素ＳＣＲ触媒１３の排気上流側に放出（噴射）する。尿素水２から得られるアンモニアガスが排気ガス中の窒素酸化物を還元し、水と窒素とに分解する。つまり、本実施の形態に係る尿素水２は、排気ガス中の窒素酸化物を浄化するための尿素水としても用いられる。
ＥＣＵ４０は、エンジンの冷間始動時、尿素水２を水３で希釈した希釈尿素水４がポンプ３１へ送られるように流量調整弁３５を制御し、かつ、希釈尿素水４が水路３３Ａを流通するように制御弁３４を制御する。
移送部３０は、排気ガスよりも粘性が高い希釈尿素水４をノズル３２Ａに移送する。ノズル３２Ａは、希釈尿素水４をＤＰＦ１２の排気上流側（セルの入口側）に向かって放出（噴射）する。希釈尿素水４は、排気ガスの流れによって、ＤＰＦ１２の排気上流側（−Ｘ方向）から排気下流側（＋Ｘ方向）へ流通する。図２に、希釈尿素水４の流通方向を白抜き矢印で示す。
希釈尿素水４がＤＰＦ１２の排気上流側から排気下流側に向かって流通することにより、粘性の高い液体である希釈尿素水４がセル１２１の隔壁１２２に堆積するウォールアッシュ３ａを排気下流側（＋Ｘ方向）に押し流す。図２にウォールアッシュ３ａの押し流される方向を矢印で示す。
ウォールアッシュ３ａの形態は、希釈尿素水４（図２参照）によりウォールアッシュ３ａが排気下流側に押し流されることで、プラグアッシュ３ｂの形態に変形する（図３参照）。また、隔壁１２２に堆積するウォールアッシュ３ａの量は、アッシュ成分が希釈尿素水４に溶解し、希釈尿素水４と共にセル１２１から流出されることで減少する。
希釈尿素水４の放出は、オイル消費量および尿素水２及び水３の各水量等に基づいて行われる。希釈尿素水４の具体的な放出方法（例えば水量、時間等）は、シミュレーション又は実験結果に基づいて設定される。
次に、尿素水移送処理について図４を参照して説明する。図４は、尿素水移送処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、エンジンの始動により開始される。
ステップＳ１００において、ＥＣＵ４０は、排気ガス中の窒素酸化物を浄化するか否かを判断する。
窒素酸化物を浄化する場合（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、ＥＣＵ４０は、ポンプ３１、制御弁３４および流量調整弁３５を制御して、尿素水２を尿素ＳＣＲ触媒１３の排気上流側に移送する（ステップＳ１１０）。窒素酸化物を浄化しない場合（ステップＳ１００：ＮＯ）、処理はステップＳ１２０に移る。
ステップＳ１２０において、ＥＣＵ４０は、エンジンの冷間始動時であるか否かを判断する。
エンジンの冷間始動時である場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ４０は、ポンプ３１、制御弁３４および流量調整弁３５を制御して、希釈尿素水４をＤＰＦ１２の排気上流側に移送する（ステップＳ１３０）。処理は、所定時間後にステップＳ１２０に戻る。
エンジンの冷間始動時以外の場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、処理は終了する。
＜本実施の形態の効果＞
以上のように、本実施の形態に係る排気浄化装置１は、エンジンからの排気ガス中のＰＭを捕集し、捕集されたＰＭが燃焼されることにより再生されるＤＰＦ１２と、尿素水２を貯留するタンク２０Ａと、水３を貯留するタンク２０Ｂと、再生によりＤＰＦ１２に堆積するアッシュを希釈尿素水４（尿素水２及び水３）でＤＰＦ１２の排気下流側へ押し流すように、希釈尿素水４をＤＰＦ１２の排気上流側に移送する移送部３０と、を備える。ウォールアッシュ３ａが排気下流側に押し流されることにより、ウォールアッシュ３ａからプラグアッシュ３ｂへの形態の変化を促すことができる。ひいては、ウォールアッシュ３ａが圧力損失に及ぼす影響を抑えることができる。
以上のように、本実施の形態に係る排気浄化装置１は、エンジンからの排気ガス中のＰＭを捕集し、捕集されたＰＭが燃焼されることにより再生されるＤＰＦ１２と、尿素水２を貯留するタンク２０Ａと、水３を貯留するタンク２０Ｂと、再生によりＤＰＦ１２に堆積するアッシュを希釈尿素水４（尿素水２及び水３）でＤＰＦ１２の排気下流側へ押し流すように、希釈尿素水４をＤＰＦ１２の排気上流側に移送する移送部３０と、を備える。ウォールアッシュ３ａが排気下流側に押し流されることにより、ウォールアッシュ３ａからプラグアッシュ３ｂへの形態の変化を促すことができる。ひいては、ウォールアッシュ３ａが圧力損失に及ぼす影響を抑えることができる。
また、本実施の形態に係る排気浄化装置１によれば、移送部３０は、エンジンの冷間始動時に希釈尿素水４をＤＰＦ１２の排気上流側に移送する。これにより、冷間始動時に排気ガス中に含まれるＰＭ量が多く、それに応じてＤＰＦ１２にウォールアッシュ３ａが多量に堆積された場合であっても、希釈尿素水４をＤＰＦ１２の排気上流側に移送することで、ウォールアッシュ３ａの形態をプラグアッシュ３ｂの形態へ変化させることができるため、圧力損失の影響を抑えることができる。
なお、上記排気浄化装置１において、希釈尿素水４をＤＰＦ１２の排気上流側に移送する条件をエンジンの冷間始動時としたが、本発明はこれに限らない。ＤＰＦ１２に流通される希釈尿素水４が蒸発しない温度であればよい。また、例えば、ＤＰＦ１２の排気上流側の圧力と排気下流側との圧力差（差圧）が所定値を超える場合としてもよい。また、例えば、エンジンの冷間始動時かつ差圧が所定値を超える場合としてもよい。
本開示の排気浄化装置は、アッシュの形態を制御することが要求される内燃機関として有用である。
１ 排気浄化装置
２ 尿素水
３ 水
４ 希釈尿素水
１０ 排気管
１１ ＤＯＣ
１２ ＤＰＦ
１３ 尿素ＳＣＲ触媒
２０Ａ，２０Ｂ タンク
３０ 移送部
３１ ポンプ
３２Ａ，３２Ｂ ノズル
３３Ａ，３３Ｂ 水路
３４ 制御弁
３５ 流量調整弁
４０ ＥＣＵ
２ 尿素水
３ 水
４ 希釈尿素水
１０ 排気管
１１ ＤＯＣ
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３２Ａ，３２Ｂ ノズル
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４０ ＥＣＵ
Claims (6)
- 内燃機関からの排気ガス中の粒子状物質を捕集し、当該捕集された前記粒子状物質が燃焼されることにより再生されるフィルターと、
前記再生により前記フィルターに堆積するアッシュを還元剤で前記フィルターの排気下流側へ押し流すように、前記還元剤を前記フィルターの排気上流側に移送する移送部と、
を備える、排気浄化装置。 - 前記排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する尿素ＳＣＲ触媒を備え、
前記移送部は、前記窒素酸化物を浄化する場合に、前記還元剤を前記尿素ＳＣＲ触媒の排気上流側に移送する、請求項１に記載の排気浄化装置。 - 前記移送部は、水で希釈された前記還元剤を前記フィルターの排気上流側に移送する、請求項２に記載の排気浄化装置。
- 前記移送部は、流量調整弁、ポンプ、第１水路、第２水路および制御弁を備え、
前記流量調整弁は、前記ポンプに送られる前記還元剤の流量および前記水の流量を調整し、
前記第１水路は、前記制御弁から前記フィルターの排気上流側に延在し、
前記第２水路は、前記制御弁から前記尿素ＳＣＲ触媒の排気上流側に延在し、
前記制御弁は、前記ポンプから送られる前記水で希釈された前記還元剤が前記第１水路を流通するように切り替えられ、かつ、前記ポンプから送られる前記還元剤が前記第２水路を流通するように切り替えられる、請求項３に記載の排気浄化装置。 - 前記移送部は、前記内燃機関の冷間始動時に前記還元剤を前記フィルターの排気上流側に移送する、請求項１から４のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
- 請求項１から５のいずれか一項に記載の排気浄化装置を備える、内燃機関。
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| JP2023043903A (ja) * | 2021-09-17 | 2023-03-30 | 光貴スペーステクノロジーズ株式会社 | 排ガス浄化フィルタ用の洗浄剤 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014051896A (ja) * | 2012-09-05 | 2014-03-20 | Nippon Soken Inc | 内燃機関の排気浄化装置 |
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2017
- 2017-09-07 JP JP2017172239A patent/JP2019044757A/ja active Pending
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