JP5173308B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。
従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にNOxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のNOx(窒素酸化物)と還元反応させ、これによりNOxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。
他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア(NH3)を用いてNOxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている。
即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガス中で尿素水が次式によりアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のNOxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。
[化1]
(NH22CO+H2O→2NH3+CO2
他方、ディーゼルエンジンの排気浄化を図る場合、排気ガス中のNOxを除去するだけでは十分ではなく、排気ガス中に含まれるパティキュレート(Particulate Matter:粒子状物質)についてもパティキュレートフィルタを通して捕集する必要があるが、この種のパティキュレートフィルタを採用する場合には、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要がある。
このため、パティキュレートフィルタの前段に、フロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタを強制再生することが考えられている。
つまり、酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加すれば、その添加燃料(HC)が前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応するので、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。
一般的に、前述した如き燃料添加を実行するための具体的手段としては、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を実行して排気ガス中に燃料を添加することが考えられているが、その添加燃料を効率良く強制再生に活用し且つ排気ガスが極力温度降下しないうちに添加燃料を酸化処理するためには、パティキュレートフィルタを選択還元型触媒より上流側に配置することが好ましいものと考えられている(例えば、下記の特許文献1参照)。
特開2005−42687号公報
しかしながら、このようにパティキュレートフィルタを選択還元型触媒より上流側に配置するとした場合、該選択還元型触媒への尿素水の添加がパティキュレートフィルタと選択還元型触媒との間で行われることになるため、排気ガス中に添加された尿素水がアンモニアと炭酸ガスに熱分解されるまでの十分な反応時間を確保しようとすれば、尿素水の添加位置から選択還元型触媒までの距離を長くする必要があり、結果的にパティキュレートフィルタと選択還元型触媒とを十分な距離を隔てて離間配置させなければならなくなって車両への搭載性が著しく損なわれるという問題があった。
即ち、この種のパティキュレートフィルタは、車両前後方向に延在するフレームを取り付け相手として該フレームに沿わせて配置されるようになっているため、このパティキュレートフィルタの後方に選択還元型触媒を続けて配置すると、フレームの長手方向における広範囲がパティキュレートフィルタと選択還元型触媒の配置スペースとして占有されてしまう結果となり、尿素水タンク等の補機類をフレームに取り付けるための配置スペースの確保が難しくなった。
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間を確保しながらもパティキュレートフィルタ及び選択還元型触媒のコンパクトな配置を実現して車両への搭載性を向上することを目的としている。
本発明は、排気管の途中に排気ガス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を備えると共に、該パティキュレートフィルタの下流側に酸素共存下でも選択的にNOxをアンモニアと反応させ得る選択還元型触媒を備え、該選択還元型触媒と前記パティキュレートフィルタとの間に還元剤として尿素水を添加し得るように構成した排気浄化装置であって、車両のフレームに沿わせてパティキュレートフィルタを車両前後方向に配置すると共に、該パティキュレートフィルタの入側端部付近で車幅方向外側に向けて選択還元型触媒を配置し、パティキュレートフィルタの出側端部から排出された排気ガスを前記パティキュレートフィルタの入側端部付近まで折り返して選択還元型触媒の入側端部に導入する連絡流路を設け、該連絡流路の途中に尿素水を添加するための尿素水添加手段を備えたことを特徴とするものである。
而して、このようにすれば、パティキュレートフィルタの出側端部から排出された排気ガスが、連絡流路により前記パティキュレートフィルタの入側端部付近まで折り返されてからパティキュレートフィルタの入側端部付近で車幅方向外側に向かう選択還元型触媒の入側端部に導入され、これによって、前記連絡流路の途中にある尿素水の添加位置から選択還元型触媒までの距離が長く確保されると共に、排気ガスの流れが折り返されることで尿素水と排気ガスとの混合促進が図られる結果、尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間が確保されることになる。
一方、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒とが平面視でL字型に配置され、連絡流路もパティキュレートフィルタに沿うように配置されるので、これらパティキュレートフィルタと選択還元型触媒と連絡流路の全体構成がコンパクトなものとなって車両への搭載性が大幅に向上されることになる。
より具体的には、フレームの長手方向にパティキュレートフィルタの長さ範囲を大きく超えて選択還元型触媒の配置スペースを確保しなくて済み、しかも、パティキュレートフィルタをフレームの車幅方向内側に沿わせて配置することによって、その外側の選択還元型触媒を避けた位置に余剰の配置スペースが確保されて尿素水タンク等の補機類の配置が可能となる。
また、本発明をより具体的に実施するに際しては、パティキュレートフィルタの出側端部と選択還元型触媒の入側端部との間を連絡する連絡流路が、パティキュレートフィルタの出側端部から出た排気ガスを車幅方向外側へ方向転換させつつ集合せしめるガス集合室と、該ガス集合室で集められた排気ガスを前記パティキュレートフィルタの入側端部側に向けて抜き出し且つ終端部分を選択還元型触媒の入側端部に対峙するように屈曲させたミキシングパイプとにより構成し、ガス集合室の容積とミキシングパイプの流路断面積及び長さを共鳴減衰の原理により低周波域の排気騒音を低減し得るように設定されていることが好ましい。
更に、本発明においては、パティキュレートフィルタの直前に排気ガス中の未燃燃料分を酸化処理する酸化触媒が装備され、該酸化触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段が備えられていることが好ましく、このようにすれば、燃料添加手段により添加された燃料が酸化触媒上で酸化処理される結果、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られる。
このようにした際には、エンジンの各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置を燃料添加手段として採用し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を実行するように構成すると良い。
また、本発明においては、選択還元型触媒の直後に余剰のアンモニアを酸化処理するアンモニア低減触媒が装備されていることが好ましく、このようにすれば、選択還元型触媒での還元反応に使用されて余剰したアンモニアが、直後のアンモニア低減触媒にて酸化処理される。
上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
(I)本発明の請求項1に記載の発明によれば、尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間を確保しながらもパティキュレートフィルタ及び選択還元型触媒のコンパクトな配置を実現することができるので、従来よりも車両への搭載性を大幅に向上することができ、尿素水タンク等の補機類も支障なくフレームに沿わせて配置することができる。
(II)本発明の請求項2に記載の発明によれば、連絡流路をガス集合室とミキシングパイプとにより構成し、ガス集合室の容積とミキシングパイプの流路断面積及び長さを適切に設定することによって、共鳴減衰の原理により低周波域の排気騒音を低減し得るようにすることができ、連絡流路に消音器の機能を兼用させることで新たな消音器の追加装備を不要とすることができる。
(III)本発明の請求項3、4に記載の発明によれば、燃料添加手段により添加した燃料を酸化触媒上で酸化処理させ、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度を上げてパティキュレートを燃やし尽くすことができ、パティキュレートフィルタの積極的な再生化を図ることができる。
(IV)本発明の請求項5に記載の発明によれば、選択還元型触媒を未反応のまま通過してしまった余剰のアンモニアを酸化処理して無害化させることができ、最終的に大気中へ排出される排気ガス中にアンモニアが残存してしまう虞れを未然に回避することができる。
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図1〜図3は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例の排気浄化装置においては、ディーゼルエンジン1から排気マニホールド2を介して排出される排気ガス3が流通する排気管4の途中に、排気ガス3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5と、該パティキュレートフィルタ5の下流側に酸素共存下でも選択的にNOxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒6とがケーシング7,8により夫々抱持されて備えられており、前記パティキュレートフィルタ5が車両のフレーム10に沿わされて前後方向に向けて配置され、前記選択還元型触媒6がパティキュレートフィルタ5の入側端部付近で車幅方向外側に向けて配置されるようになっている。
しかも、前記パティキュレートフィルタ5の出側端部と前記選択還元型触媒6の入側端部との間は連絡流路9により接続されており、パティキュレートフィルタ5の出側端部から排出された排気ガス3が前記パティキュレートフィルタ5の入側端部付近まで折り返されて選択還元型触媒6の入側端部に導入されるようにしてある。
ここで、前記連絡流路9は、パティキュレートフィルタ5の出側端部から出た排気ガス3を車幅方向外側へ方向転換させつつ集合せしめるガス集合室9Aと、該ガス集合室9Aで集められた排気ガス3を前記パティキュレートフィルタ5の入側端部側に向けて抜き出し且つ終端部分を選択還元型触媒6の入側端部に対峙するように屈曲させたミキシングパイプ9Bとにより構成されており、特に本形態例においては、ガス集合室9Aの容積V(図3中にクロスハッチングで示す部分を参照)とミキシングパイプ9Bの流路断面積S(図3中に斜線で示す部分を参照)及び長さL(図3中の矢印Lを参照)を共鳴減衰の原理により低周波域(爆発成分の周波数域)の排気騒音を低減し得るように設定してある。
即ち、共鳴周波数fは下記の数式により表すことができるので、ガス集合室9Aを消音室として、該ガス集合室9Aの容積Vとミキシングパイプ9Bの流路断面積S及び長さLを適切に設定すれば、低減したい低周波域に対応した共鳴周波数fの共鳴器を連絡流路9で構成することが可能となるのである。
Figure 0005173308
C:音速
π:円周率
また、前記ミキシングパイプ9Bの終端部分は、選択還元型触媒6の入側端部に対峙するように屈曲させた際に、その屈曲部の外周側に排気ガス3の流れが偏り易いことに配慮し、該排気ガス3の流れが前記屈曲部の内周側に導かれ易くなるように形状を工夫しており、ケーシング8の出側のテールパイプにも排気抵抗が一様化するような形状を付してある。
更に、前記ガス集合室9Aにおけるミキシングパイプ9Bの始端部分の開口と対峙する位置には、尿素水添加手段を成す尿素水添加用インジェクタ11が同心状に装着されており、該尿素水添加用インジェクタ11により前記ミキシングパイプ9Bの始端部分の開口中心位置に向け尿素水が添加されるようになっている。
ただし、尿素水添加用インジェクタ11の配置位置は、選択還元型触媒6までに十分な距離を確保することが可能な連絡流路9途中の適宜位置であれば良く、必ずしも図示する位置に限定されないことは勿論である。
更に、特に本形態例においては、パティキュレートフィルタ5が抱持されているケーシング7内の前段に、排気ガス3中の未燃燃料分を酸化処理する酸化触媒12が装備されていると共に、選択還元型触媒6が抱持されているケーシング8内の後段に、余剰のアンモニアを酸化処理するアンモニア低減触媒13が装備されている。
尚、図中における14はケーシング7の入側に設けられた膨張型の消音室、15は該消音室14内に挿入されて上流側からの排気ガス3を拡散させるパンチングパイプ、16は該パンチングパイプ15の先端部が突き当たる位置に配置された分散板、17は前記消音室14の前段に装備された排気ブレーキを示す。
而して、このように排気浄化装置を構成すれば、パティキュレートフィルタ5により排気ガス3中のパティキュレートが捕集されると共に、その下流側で尿素水添加用インジェクタ11から尿素水が排気ガス3中に添加されてアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、選択還元型触媒6上で排気ガス3中のNOxがアンモニアにより良好に還元浄化される結果、排気ガス3中のパティキュレートとNOxの同時低減が図られる。
この際、パティキュレートフィルタ5の出側端部から排出された排気ガス3が連絡流路9により前記パティキュレートフィルタ5の入側端部付近まで折り返されてからパティキュレートフィルタ5の入側端部付近で車幅方向外側に向かう選択還元型触媒6の入側端部に導入され、これによって、尿素水添加用インジェクタ11による尿素水の添加位置から選択還元型触媒6までの距離が長く確保されると共に、排気ガス3の流れが折り返されることで尿素水と排気ガス3との混合促進が図られる結果、尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間が確保されることになる。
一方、パティキュレートフィルタ5と選択還元型触媒6とが平面視でL字型に配置され、連絡流路9もパティキュレートフィルタ5に沿うように配置されるので、これらパティキュレートフィルタ5と選択還元型触媒6と連絡流路9の全体構成がコンパクトなものとなって車両への搭載性が大幅に向上されることになる。
より具体的には、フレーム10の長手方向にパティキュレートフィルタ5の長さ範囲を大きく超えて選択還元型触媒6の配置スペースを確保しなくて済み、しかも、パティキュレートフィルタ5をフレーム10の車幅方向内側に沿わせて配置することによって、その外側の選択還元型触媒6を避けた位置に余剰の配置スペースが確保されて尿素水タンク等の補機類の配置が可能となる。
従って、上記形態例によれば、尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間を確保しながらもパティキュレートフィルタ5及び選択還元型触媒6のコンパクトな配置を実現することができるので、従来よりも車両への搭載性を大幅に向上することができ、尿素水タンク等の補機類も支障なくフレーム10に沿わせて配置することができる。
また、連絡流路9をガス集合室9Aとミキシングパイプ9Bとにより構成し、ガス集合室9Aの容積Vとミキシングパイプ9Bの流路断面積S及び長さLを適切に設定することによって、共鳴減衰の原理により低周波域の排気騒音を低減し得るようにすることができ、連絡流路9に消音器の機能を兼用させることで新たな消音器の追加装備を不要とすることができる。
更に、ここに図示している例では、パティキュレートフィルタ5の入側に排気ガス3中の未燃燃料分を酸化処理する酸化触媒12が装備されているので、ディーゼルエンジン1側でのポスト噴射等により排気ガス3中に添加した燃料を酸化触媒12上で酸化処理させ、その反応熱で昇温した排気ガス3の流入により出側のパティキュレートフィルタ5の触媒床温度を上げてパティキュレートを燃やし尽くすことができ、パティキュレートフィルタ5の積極的な再生化を図ることができる。
また、選択還元型触媒6の出側に余剰のアンモニアを酸化処理するアンモニア低減触媒13が装備されているので、選択還元型触媒6を未反応のまま通過してしまった余剰のアンモニアを酸化処理して無害化させることができ、最終的に大気中へ排出される排気ガス3中にアンモニアが残存してしまう虞れを未然に回避することができる。
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図1の要部を拡大して示す平面図である。 図2の連絡流路に消音器の機能を兼用させる場合の条件を説明する図である。
符号の説明
1 ディーゼルエンジン(エンジン)
3 排気ガス
4 排気管
5 パティキュレートフィルタ
6 選択還元型触媒
9 連絡流路
9A ガス集合室
9B ミキシングパイプ
10 フレーム
11 尿素水添加用インジェクタ(尿素水添加手段)
12 酸化触媒
13 アンモニア低減触媒

Claims (5)

  1. 排気管の途中に排気ガス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を備えると共に、該パティキュレートフィルタの下流側に酸素共存下でも選択的にNOxをアンモニアと反応させ得る選択還元型触媒を備え、該選択還元型触媒と前記パティキュレートフィルタとの間に還元剤として尿素水を添加し得るように構成した排気浄化装置であって、車両のフレームに沿わせてパティキュレートフィルタを車両前後方向に配置すると共に、該パティキュレートフィルタの入側端部付近で車幅方向外側に向けて選択還元型触媒を配置し、パティキュレートフィルタの出側端部から排出された排気ガスを前記パティキュレートフィルタの入側端部付近まで折り返して前記選択還元型触媒の入側端部に導入する連絡流路を設け、該連絡流路の途中に尿素水を添加するための尿素水添加手段を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
  2. パティキュレートフィルタの出側端部と選択還元型触媒の入側端部との間を連絡する連絡流路が、パティキュレートフィルタの出側端部から出た排気ガスを車幅方向外側へ方向転換させつつ集合せしめるガス集合室と、該ガス集合室で集められた排気ガスを前記パティキュレートフィルタの入側端部側に向けて抜き出し且つ終端部分を選択還元型触媒の入側端部に対峙するように屈曲させたミキシングパイプとにより構成し、ガス集合室の容積とミキシングパイプの流路断面積及び長さを共鳴減衰の原理により低周波域の排気騒音を低減し得るように設定したことを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
  3. パティキュレートフィルタの直前に排気ガス中の未燃燃料分を酸化処理する酸化触媒が装備され、該酸化触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段が備えられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の排気浄化装置。
  4. エンジンの各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置を燃料添加手段として採用し、気筒内への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料分を多く残すことで燃料添加を実行するように構成されていることを特徴とする請求項3に記載の排気浄化装置。
  5. 選択還元型触媒の直後に余剰のアンモニアを酸化処理するアンモニア低減触媒が装備されていることを特徴とする請求項1、2、3又は4に記載の排気浄化装置。
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