JP6745401B2 - 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。

ところで、このような排気浄化装置では、排気ガスの浄化性能向上を図るために、排気ガスをＤＯＣに対して均一に導入する技術が考案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

かかる特許文献１及び２の装置では、ケース内に排気ガスを浄化するＤＯＣとＤＰＦを収納して浄化室を構成した排気ガス浄化装置において、ケースに排気ガスの導入室を形成し、該導入室に排気導入管を導入室の中心軸に対して垂直方向に挿入して固定し、排気導入管に複数の排出孔を設け、該排出孔の数を導入室の中心位置と外周側位置とで異なるようにしている。

特開２０１２−１４０９６４号公報 特開２０１４−１５６８６５号公報

しかしながら、これら特許文献１及び２の装置にあっては、排気ガスの流れに圧力の上昇が生じる虞があると共に、排出孔を通過する排気ガスの流れに偏りが生じる虞があり、ＤＯＣに対して導入する排気ガスの均一性が不十分となり、排気ガスの浄化性能を十分に発揮できない場合があると考えられる。

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、簡易な構成で触媒に対して均一に排気ガスを導入でき、当該排気ガスの浄化性能を十分に発揮できる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流通路と、
前記流通路を収容し、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、
前記パティキュレートフィルタの下流側に配置され、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と、を有し、
前記流通路における前記酸化触媒の上流側には、前記流入口から流入する前記排気ガスを前記酸化触媒の径方向に拡散させるための導入部が配設されており、
前記導入部は、
前記流通路に対して側方から前記排気ガスを流入する前記流入口と、
前記酸化触媒の排気ガス流入側端面を覆う張出部と、を有し、
前記流入口が前記張出部における前記酸化触媒側の接続端部に向けて、当該酸化触媒の外周近傍の位置まで広がった形状をなすと共に、前記張出部における前記酸化触媒と対向する部位が、前記酸化触媒側とは反対側となる前記ケーシングの外方に向けて膨らんだ形状をなし、
前記導入部の内部には、前記流入口側に面した一面にパンチング孔を多数穿設されたパンチングメタルとして構成される邪魔板が、前記酸化触媒の外径に沿って設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で触媒に対して均一に排気ガスを導入でき、当該排気ガスの浄化性能を十分に発揮できる排気浄化装置を提供することが可能となる。

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。 平面側から見たＤＯＣの上流側端面における排気ガスの流速分布を示し、（ａ）は邪魔板を設けた場合における流速分布を示し、（ｂ）は邪魔板を設けない場合における濃度分布を示す図である。 邪魔板を設けない場合の側面側から見たＤＯＣの上流側端面における排気ガスの流速分布を示す図である。 邪魔板を設けた場合の側面側から見たＤＯＣの上流側端面における排気ガスの流速分布を示す図である。

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。このようにして、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、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、流通路の長さを稼ぐことができ、ドージング５１において噴霧された還元剤の拡散性を確保できるようになっている。

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。

具体的に、本実施形態の導入部２０に邪魔板２０１を設けた場合のＤＯＣ２１の排気ガス流入側端面における排気ガスの流速分布（図１３（ａ））と、設けない場合のＤＯＣ２１の排気ガス流入側端面における排気ガスの流速分布（図１３（ｂ））とを比較してみると、後者の流速分布に比べて前者（つまり、邪魔板２０１を設けた場合）の流速分布の方が、一様度（均一性）が高く、より均一な流れになっていることがわかった。

また、邪魔板２０１を設けない場合のＤＯＣ２１の上流側端面における排気ガスの流速分布を側面側から見ると、図１４に示すように、手前（図中左側）から中央付近まで流速が速く、接続端部２０ａを越えた排気ガスの流速は均一度が低い。これに対して、邪魔板２０１を設けた場合のＤＯＣの上流側端面における排気ガスの流速分布を側面側から見ると、図１５に示すように、邪魔板２０１を設けることによってＤＯＣ２１端面に略均一な排気ガスの流れを作ると共に流速の均一化が図れることがわかった。

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。

＜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、流通路２におけるＤＯＣ２１の上流側に、排気ガスをＤＯＣ２１の径方向に拡散させるための導入部２０が配設されている。導入部２０は、一方に流通路２に対して側方から排気ガスを流入する流入口ＧＩを有し、他方にＤＯＣ２１の排気ガス流入側端面を覆う張出部２０ｂを有すると共に、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の外周近傍の位置まで広がった形状をなす。また、張出部２０ｂにおけるＤＯＣ２１と対向する部位が、ＤＯＣ２１とは反対側となるケーシング４の外方に向けて膨らんだ形状をなし、導入部２０の内部には、流入口ＧＩ側に面した一面にパンチング孔２０１ａを多数穿設された邪魔板２０１が、ＤＯＣ２１の外径に沿って設けられている。このため、簡易な構成で触媒に対して均一に排気ガスを導入でき、当該排気ガスの浄化性能を十分に発揮できる。

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
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流通路と、
   前記流通路を収容し、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、
   前記パティキュレートフィルタの下流側に配置され、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と、を有し、
   前記流通路における前記酸化触媒の上流側には、前記流入口から流入する前記排気ガスを前記酸化触媒の径方向に拡散させるための導入部が配設されており、
   前記導入部は、
   前記流通路に対して側方から前記排気ガスを流入する前記流入口と、
   前記酸化触媒の排気ガス流入側端面を覆う張出部と、を有し、
   前記流入口が前記張出部における前記酸化触媒側の接続端部に向けて、当該酸化触媒の外周近傍の位置まで広がった形状をなすと共に、前記張出部における前記酸化触媒と対向する部位が、前記酸化触媒側とは反対側となる前記ケーシングの外方に向けて膨らんだ形状をなし、
   前記導入部の内部には、前記流入口側に面した一面にパンチング孔を多数穿設されたパンチングメタルとして構成される邪魔板が、前記酸化触媒の外径に沿って設けられている
   ことを特徴とする排気浄化装置。