JPWO2018198344A1 - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

本発明の排気浄化装置１は、排気ガスの流入口ＧＩと連通する流通路２，３と、この流通路２，３を収容し、任意の位置に排気ガスの排出口ＧＯが設けられるケーシング４と、を備える。流通路２，３は、ＤＯＣ２１と、その下流側に配置されるＤＰＦ２２と、その下流側に配置されるＳＣＲ３１，３２を有する。ケーシング４の内壁と、流通路２，３との間に形成される空気層Ｘには、流通路３から排出される排気ガスが流通しつつ充填されるため、構造の煩雑化を回避でき、且つ、断熱性及び保温性に優れた排気浄化装置１を提供できる。

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、触媒温度が活性温度（例えば、ＳＣＲでは２００℃以上）に到達するまでは、その浄化機能を十分に発揮しないという問題があった。そこで、このような問題を解決するために、触媒通過後の排気ガスの一部を利用して触媒を断熱（保温）する排気浄化装置が考案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特開２００３−１２０２６０号公報 特開２０１６−１８６２２９号公報

特許文献１及び２の装置にあっては、排気ガスの流通路と同心円状に流通路の径が上流側よりも小さいリターン流通路を形成し、排気ガスの一部を折り返してＤＰＦの周囲を流通させるようにしている。そして、ＤＰＦの周囲を流通した排気ガスは、リターン流通路から出た後、再び折り返されて排出口へと向かって流されるため、流通路の構成が煩雑であった。そのため、このような構造を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に適用するとなると、その構造がより複雑となり、製造コストが増加するという問題があった。しかも、このような構造では、狭くなる流通路を介して排気ガスを何度も折り返して流通させることにより、圧損が生じる虞も懸念される。

また、ケーシング内に流通路を設けると共に、当該流通路にＤＯＣ、ＤＰＦ、ＳＣＲ等の触媒を順に配置し、これら触媒を順次流通させることで内燃機関からの排気ガスを浄化する排気浄化装置も知られている。このような構造の排気浄化装置においては、前述のようなリターン流通路を設けることは困難であった。そのため、この排気浄化装置の場合、ケーシング内壁と流通路との間に形成される空間に空気層（断熱層）を設け、当該空気層によって各触媒を断熱（保温）していたものの、更なる断熱（保温）効果の確保が望まれている。

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、構造の煩雑化を回避でき、且つ、断熱性及び保温性に優れた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、
前記流通路を収容するケーシングと、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、
前記ケーシングには前記排気ガスの排出口が設けられ、前記ケーシングの内壁と、前記流通路との間に形成される空間には、前記流通路から排出される排気ガスが流通しつつ充填されることを特徴とする。

また、本発明に係る排気浄化装置において、
前記流通路が、前記選択還元触媒の下流側に配置され、当該選択還元触媒から排出される前記還元剤を酸化するための新たな酸化触媒を更に備えることが好ましい。

本発明によれば、構造の煩雑化を回避でき、且つ、断熱性及び保温性に優れた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。

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。

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、詳細は後述するが、第二流通路３から排出される排気ガスが空気層Ｘに流通し、排出口ＧＯから排出されるまでの間充填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へと流出する（図１，図２の破線で示す矢印Ｌ１０）。

ここで、従来の排気浄化装置では、内燃機関からの排気ガスがケーシング内に設けられた流通路内のみを流通していたため、ケーシング内における流通路以外の空間を排気ガスが流通することはなく、当然に断熱（保温）に利用されることはなかった。このとき、断熱はケーシング内に設けられた空気層のみで行われていた。

そこで、本実施形態の排気浄化装置１では、ケーシング４内の空気層Ｘに、ＳＣＲ３１，３２及びＮＨ₃スリップ３３を通過して浄化された高温の排気ガスを流通させることによって、この空気層Ｘの温度を上昇させ、更なる断熱（保温）効果を得ることができる。
そして、空気層Ｘを流通した排気ガスは、ケーシング４に対して任意の位置に形成される排出口ＧＯを介して、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、ケーシング４内にディーゼルエンジンから排出される排気ガスを流通する流通路と、この流通路に配置されるＤＯＣ２１，ＤＰＦ２２及びＳＣＲ３１，３２等の触媒を設けてなる、所謂、箱型の排気浄化装置１において、ＤＯＣ２１，ＤＰＦ２２及びＳＣＲ３１，３２を順に通過して浄化された排気ガスを、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へと流出させ、当該排気ガスの熱を利用して空気層Ｘ、ひいては前記触媒を断熱（保温）するという単純な構造により、構造の煩雑化を回避でき、且つ、断熱性及び保温性に優れた排気浄化装置１を提供することができる。

しかも、第二流通路３は、ＳＣＲ３２の下流側に配置され、当該ＳＣＲ３２から排出される尿素水を酸化するための新たな酸化触媒としてのＮＨ₃スリップ３３を更に備えることにより、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。

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 (2)

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、
   前記流通路を収容するケーシングと、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、
   前記ケーシングには前記排気ガスの排出口が設けられ、前記ケーシングの内壁と、前記流通路との間に形成される空間には、前記流通路から排出される排気ガスが流通しつつ充填される
   ことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記流通路が、前記選択還元触媒の下流側に配置され、当該選択還元触媒から排出される前記還元剤を酸化するための新たな酸化触媒を更に備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。