JP2009036041A - 排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】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。
【解決手段】パティキュレートフィルタ５と、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６とを排気管４の途中に備え、夫々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に関し、車両のフレーム１０に沿わせてパティキュレートフィルタ５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５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６を配置し、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を前方に折り返して選択還元型触媒６の入側端部に導入する連絡流路９を設け、該連絡流路９の途中に尿素水を添加するための尿素水添加用インジェクタ１１（尿素水添加手段）を備える。
【選択図】図２
【解決手段】パティキュレートフィルタ５と、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６とを排気管４の途中に備え、夫々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に関し、車両のフレーム１０に沿わせてパティキュレートフィルタ５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５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６を配置し、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を前方に折り返して選択還元型触媒６の入側端部に導入する連絡流路９を設け、該連絡流路９の途中に尿素水を添加するための尿素水添加用インジェクタ１１（尿素水添加手段）を備える。
【選択図】図２
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］
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2
［化１］
（ＮＨ2）2ＣＯ＋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方に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、連絡流路により前方に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方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が前方に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を前方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。
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により前方に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。
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
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)
- 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方に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排気浄化装置。
- 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方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。
- 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。
- 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。
- 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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