JP5019069B2

JP5019069B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP5019069B2
Application number: JP2008195852A
Authority: JP
Inventors: 洋之木村; 光高小島; 公二郎岡田; 一雄古賀; 和人前原; 肇石井
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: JP2010031778A

Description

本発明は、排気浄化装置に関する。

自動車等に搭載されるエンジン、特にディーゼルエンジンから排出される排気ガス中には、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）や、微粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）等が多く含まれている。このため、一般的には、エンジンから排出される排気ガスが通過する排気通路に、例えば、上記物質を分解（還元等）するための三元触媒や、ＰＭを捕捉するためのパティキュレートフィルタ等を設け、排気ガスができるだけ無害化された状態で大気中に放出されるようにしている。

このようなパティキュレートフィルタは、使用に伴ってフィルタ内にＰＭが堆積して通過抵抗が増大するため、必要に応じて再生処理を行う必要がある。このような再生処理としては、パティキュレートフィルタに加熱装置を配設し、加熱によりＰＭを燃焼させて除去することが行われていたが、パティキュレートフィルタの上流に設けられた酸化触媒に燃料（軽油）などの炭化水素系液体を流入させて発熱反応を生じさせ、この熱によりパティキュレートフィルタの再生処理を行う方法も提案されている。

また、ディーゼルエンジンの場合、排気ガス中に窒素酸化物（ＮＯｘ）が特に多く発生し易い。このため、ディーゼルエンジンには、排気ガス中のＮＯｘを効率的に分解するために、例えば、ＮＯｘの吸着と還元とを繰り返し行ってＮＯｘを分解（還元）する、いわゆるＮＯｘトラップ触媒が採用されている。

このようなＮＯｘトラップ触媒は、吸着したＮＯｘを分解（還元）するため、ＮＯｘトラップ触媒に外部から還元剤（添加剤）を適宜供給する必要がある。このため、一般的には、燃料（軽油）等を還元剤として排気通路内に噴射することでＮＯｘトラップ触媒に供給することが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、排気管の屈曲部下流に沿う方向に向けて形成された噴射空間を介してインジェクタを排気管に設けている。そして、インジェクタから噴射された燃料が噴射空間を介して排気管内の流路に噴射され、この燃料が混合された排気ガスが触媒に供給されるようになっている。

特開２００４−０４４４８３号公報（図１、段落００２３等）

しかしながら、上記構成によれば、噴射空間内にまで排気ガスが流入しないので噴射空間内が澱んだ状態となり、噴射空間内に燃料が留まりやすくなる。留まった燃料はバインダーとなり、このバインダーにより噴射空間内にすすが付着してデポジットを生成してしまい、インジェクタの噴孔や噴射空間を塞いでしまう。このように噴射空間が塞がれてしまうと添加剤の供給が不十分になり、空燃比制御の応答遅れが発生したり、再生処理やＮＯｘの分解（還元）処理等が十分に行えないおそれがあるという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、デポジットが噴射空間内に堆積することを防止し、これによりデポジットによる排気通路内への添加剤の供給不良を防止した排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の排気浄化装置は、エンジンの排気ポートに接続される排気路と、この排気路に設けられた排気浄化用触媒と、前記排気浄化用触媒より上流側の前記排気路に連通した添加剤噴射路と、この添加剤噴射路に添加剤を噴射して前記排気浄化用触媒にこの添加剤を供給するインジェクタとを備え、前記排気路には、前記添加剤噴射路よりも下流側の、前記添加剤噴射路よりも上流側からの排気ガスに対向する位置に設けられ、前記排気ガスの一部を前記添加剤噴射路内に流入させるように誘導する、排気路の壁面に該排気路の壁面よりも外側に凸となるように設けられた凹部を備えることを特徴とする。

本発明の排気浄化装置は、ガイド部を設けていることで、前記排気ガスの一部が前記添加剤噴射路内に流入するので、添加剤噴射路内に燃料が留まることを防止でき、かつ、仮に添加剤噴射路内にデポジットが堆積している場合でもこのデポジットを掃き出すことが可能である。

この凹部は、排気路の壁面に該排気路の壁面よりも外側に凸となるように設けられ、かつ、前記添加剤噴射路よりも上流側からの排気ガスに対して対向する位置に設けられ、前記排気ガスの一部を前記添加剤噴射路内に誘導するように構成されていることが好ましい。このような位置にガイド部である凹部が形成されていることで、排気ガスの一部が前記添加剤噴射路内に流入するので、添加剤噴射路内に堆積しているデポジットを簡易に掃きだすことが可能である。

前記インジェクタは、前記添加剤噴射路の前記排気路の反対側に設けられ、前記添加剤噴射路は、前記添加剤噴射路側に誘導された排気ガスの前記インジェクタ側への流入を抑制する返し部を備えていることが好ましい。返し部を備えていることで、前記添加剤噴射路側に誘導された排気ガスの前記インジェクタ側への流入を抑制することができ、前記添加剤噴射路の前記排気路の反対側（添加剤噴射路の先端）に設けられているインジェクタに排気ガスが接触することを抑制できる。
また、前記添加剤噴射路は、前記排気浄化用触媒より上流側の前記排気路の屈曲部の外側に連通して設けられ、前記凹部は、前記添加剤噴射路よりも下流側の前記屈曲部の内壁面であって該屈曲部の流入口に対向する位置に設けられていることが好ましい。
さらに、前記凹部の下部が、前記流入口からの排気ガスの中心線と一致する位置に形成されていることが好ましい。

本発明の排気浄化装置によれば、排気ガスの一部により添加剤噴射路内に堆積しているデポジットを掃きだすことが可能であるので、インジェクタの先端面に堆積するデポジットによる排気通路内への添加剤の供給不良を防止することが可能である。

図１は、本実施形態に係る排気浄化装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、排気浄化装置１０は、複数の排気浄化用触媒と排気浄化用フィルタとを有し、これら複数の排気浄化用触媒と排気浄化用フィルタとは、車両に搭載される多気筒ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１１の排気管（排気通路）１２に設けられている。

エンジン１１は、シリンダヘッド１３とシリンダブロック１４とを有し、シリンダブロック１４の各シリンダボア１５内には、ピストン１６が往復移動自在に収容されている。そして、このピストン１６とシリンダボア１５とシリンダヘッド１３とで燃焼室１７が形成されている。なお、ピストン１６は、コンロッド１８を介してクランクシャフト１９に接続されており、ピストン１６の往復運動によってクランクシャフト１９が回転するようになっている。

またシリンダヘッド１３には吸気ポート２０が形成され、この吸気ポート２０には吸気マニホールド２１を含む吸気管（吸気通路）２２が接続されている。また、吸気ポート２０には、吸気弁２３が設けられておりこの吸気弁２３によって吸気ポート２０が開閉されるようになっている。また、シリンダヘッド１３には、排気ポート２４が形成され、この排気ポート２４には、排気ポート２５を含む排気管（排気通路）１２が接続されている。なお、排気ポート２４には排気弁２６が設けられており、吸気ポート２０と同様に、排気ポート２４はこの排気弁２６によって開閉されるようになっている。そして、これら吸気管２２及び排気管１２の途中には、ターボチャージャ２７が設けられ、排気管１２のターボチャージャ２７の下流側には、排気浄化装置１０を構成する排気浄化用触媒及び排気浄化用フィルタが介装されている。

ターボチャージャ２７は、図示しないタービンと、このタービンに連結されたコンプレッサとを有し、エンジン１１からターボチャージャ２７内に排気ガスが流れ込むと、排気ガスの流れによってタービンが回転し、このタービンの回転に伴ってコンプレッサが回転して吸気管２２の一部である吸気管２８からターボチャージャ２７内に空気を吸い込んで加圧するようになっている。そして、ターボチャージャ２７で加圧された空気は、吸気管２２の一部である吸気管２９を介してエンジン１１の各吸気ポート２０に供給される。

なお、シリンダヘッド１３には、各気筒の燃焼室１７内に燃料を直噴射する電子制御式の燃料噴射弁３０が設けられており、この燃料噴射弁３０には、図示しないコモンレールから所定の燃圧に制御された高圧燃料が供給されるようになっている。

本実施形態では、ターボチャージャ２７の下流側の排気管１２に、排気浄化用触媒であるディーゼル酸化触媒（以下、単に酸化触媒と称する）３１及びＮＯｘトラップ触媒３２と、排気浄化用フィルタであるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter：以下、ＤＰＦと称する）３３とが上流側から順に配されている。また、ターボチャージャ２７と酸化触媒３１との間の排気管１２の一部を構成する排気路３４には、添加剤（還元剤）である燃料（軽油）を排気路３４内に噴射するインジェクタ３５が添加剤噴射路３６を介して設けられている。

酸化触媒３１は、例えば、セラミックス材料で形成されたハニカム構造の担体に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属が担持されてなる。酸化触媒３１では、排気ガスが流入すると、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）が酸化されて二酸化窒素（ＮＯ_２）が生成される。また、酸化触媒３１における酸化反応が起こるには、酸化触媒３１が所定温度以上に加熱されている必要があるため、酸化触媒３１は可及的にエンジン１１に近い位置に配されていることが好ましい。酸化触媒３１がエンジン１１の熱によって加熱され、エンジン始動時等であっても、比較的短時間で酸化触媒３１を所定温度以上に加熱することができるからである。

ＮＯｘトラップ触媒３２は、例えば、酸化アルミニウム（ＡＬ_２Ｏ_３）からなるハニカム構造の担体に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属が担持されると共に、吸蔵剤としてバリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属、あるいはアルカリ土類金属が担持されてなる。そして、ＮＯｘトラップ触媒３２では、酸化雰囲気においてＮＯｘ、すなわち、酸化触媒３１で生成されたＮＯ_２、また酸化触媒３１で酸化されずに排気ガス中に残存するＮＯを一旦吸蔵し、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等を含む還元雰囲気中において、ＮＯｘを放出して窒素（Ｎ_２）等に還元する。

また酸化触媒３１で生成されたＮＯ_２の多くはＮＯｘトラップ触媒３２によって吸着・分解（還元）され、吸着・分解されなかった残りのＮＯ_２はＤＰＦ３３での反応により浄化されるようになっている。

通常、エンジン１１から排出される排気ガスの大部分はＮＯが占めておりＨＣの量は極めて少ないため、ＮＯｘトラップ触媒３２内が酸化雰囲気となり、ＮＯｘトラップ触媒３２ではＮＯｘが吸着されるのみで吸着されたＮＯｘが分解（還元）されることはない。このため、ＮＯｘトラップ触媒３２に所定量のＮＯｘが吸着されると、ターボチャージャ２７と酸化触媒３１との間の排気路３４に固定されたインジェクタ３５から添加剤である燃料（軽油）が噴射されるようになっている。これにより、燃料が混合された排気ガスが酸化触媒３１を通過してＮＯｘトラップ触媒３２に供給され、ＮＯｘトラップ触媒３２内が還元雰囲気となり、吸着されたＮＯｘが分解（還元）される。なおＮＯｘトラップ触媒３２は、窒素酸化物（ＮＯｘ）と同様に硫黄酸化物（ＳＯｘ）も吸蔵すると共に分解（還元）している。

ＤＰＦ３３は、例えば、セラミックス材料で形成されたハニカム構造のフィルタであり、ＤＰＦ３３内には、例えば、上流側端部が開放され下流側端部が閉塞された排気ガス通路３７と下流側端部が開放され上流側端部が閉塞された排気ガス通路３８とが交互に配列されている。そして、排気ガスは、まず上流側端部が開放された排気ガス通路３７に流入し、隣接する排気ガス通路３７との間に設けられた多孔質の壁面から下流側端部が開放された排気ガス通路３８に流入して下流側に流出し、この過程において排気ガス中の微粒子状物質（ＰＭ）が、壁面に衝突したり吸着されたりして捕捉される。

捕捉されたＰＭは、排気ガス中のＮＯ_２によって酸化（燃焼）されＣＯ_２として排出され、またＤＰＦ３３内に残存するＮＯ_２はＮ_２に分解されて排出されるようになっている。すなわち、ＤＰＦ３３では、排気ガスを浄化して、ＰＭ及びＮＯｘの排出量を大幅に低減できるようになっている。また、ＰＭが燃焼されることで、ＤＰＦ３３の性能がある程度再生される。

通常は、上述したようにＮＯｘはＮＯｘトラップ触媒３２で吸着されるため、ＤＰＦ３３に供給される排気ガス中のＮＯ_２の量は少なく、ＤＰＦ３３にはＰＭが徐々に堆積されていく。そして、ＤＰＦ３３に所定量のＰＭが堆積すると、排気路３４に固定されているインジェクタ３５から所定量の燃料が噴射されるようになっている。上述したように排気ガスに燃料が混合されると、ＮＯｘトラップ触媒３２では吸着されたＮＯｘが還元されるため、排気ガスに含まれているＮＯｘ（ＮＯ_２）はＮＯｘトラップ触媒３２で吸着されずにＤＰＦ３３に供給される。これにより、ＤＰＦ３３におけるＰＭの燃焼が促進されるようになっている。

なお、これら酸化触媒３１、ＮＯｘトラップ触媒３２及びＤＰＦ３３の上流側近傍及びＤＰＦ３３の下流側近傍には、それぞれ排気温センサ３９が設けられており、これら複数の排気温センサ３９によって、酸化触媒３１、ＮＯｘトラップ触媒３２及びＤＰＦ３３に流入する排気ガスの温度と、酸化触媒３１、ＮＯｘトラップ触媒３２及びＤＰＦ３３から排出される排気ガスの温度を検出している。さらに、酸化触媒３１及びＤＰＦ３３の上流側近傍には、排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサ４０が設けられている。また、車両には、図示しないが電子制御ユニット（ＥＣＵ）が設けられており、このＥＣＵには、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。そして、このＥＣＵが、上記各センサからの情報に基づいて、エンジン１１及び排気浄化装置１０の総合的な制御を行っている。

図２は、本実施形態に係る排気浄化装置の要部を示す拡大断面図である。排気管１２の一部である排気路３４は、図２中図示しないターボチャージャ２７に接続する中空の上流側部材４１と、上流側部材４１に接続されている触媒保持部材４２とから構成されている。触媒保持部材４２には、固定部材４３を介して酸化触媒３１が設けられている。

上流側部材４１について詳細に説明する。上流側部材４１は、ターボチャージャ２７側の一端である流入口４４が図２中右向きに開口し、酸化触媒３１側の他端の流出口４５は図２中下向きに開口して上流側部材４１が全体として緩やかに屈曲されるように構成されている。即ち、上流側部材４１は、断面視において略Ｌ字状である。また、上流側部材４１は、流入口４４部分は狭く流出口４５が触媒保持部材４２と径が同一となるように広くなっている。

添加剤噴射路３６は、排気路３４の屈曲部の外側に、排気路３４に連通（開口）して設けられている。即ち、図２中では、添加剤噴射路３６は排気路３４の左側壁面に、インジェクタ３５が設けられたその基端部が上流側部材４１の流入口４４とは逆方向を向くように（左方向を向くように）設けられている。かかる構成により、流入口４４から流入した排気ガスの主流とインジェクタ３５から噴射され添加剤噴射路３６を通過した燃料とは、上流側部材４１の内径が広くなった部分により構成されている混合部４６で混合された後に酸化触媒３１に接触する。このようにインジェクタ３５を添加剤噴射路３６を介して設けることで、インジェクタ３５が直接高温の排気ガスの主流に接触することを防止できる。

インジェクタ３５は、詳細には、添加剤噴射路３６の先端部に保持部材４７により保持されている。保持部材４７はフランジ部４８を有し、このフランジ部４８で図示しない固定部材により添加剤噴射路３６に固定されている。また、インジェクタ３５は、インジェクタ３５の先端が添加剤噴射路３６内に露出しない状態で保持部材４７に保持されている。この保持部材４７内部には、インジェクタ３５の周囲を囲む冷却水路４９が形成されている。この冷却水路４９により冷却されると共に、保持部材４７により直接添加剤噴射路３６内に露出しないように設けられていることで、インジェクタ３５が過熱されることを防止できる。

ここで、本実施形態では、上流側部材４１に、排気ガスの一部を添加剤噴射路３６に流入させるためのガイドとして機能するガイド部としての凹部５０を設けている。凹部５０は、上流側部材４１の添加剤噴射路３６よりも下流側の内壁面に成形により構成されてなるものであり、添加剤噴射路３６に連続的に接続している。この凹部５０は、排気ガスをスムーズに誘導することができるように、好ましくは図２に示すような曲面からなるものである。凹部５０は、添加剤噴射路３６より上流側からの排気ガス（排気ガスの流れ）に対向する位置、即ち流入口４４に対向する位置であって、流入口４４からの排気ガスの中心線Ｌ１と上流側部材４１の凹部５０の下部が一致する位置に形成されている。

この凹部５０を設けることで、流入口４４から流入した排気ガスの一部Ｇ１は上流側部材４１の壁面の流入口４４に対向する壁面に構成されている凹部５０に衝突しながら凹部５０の壁面形状に従って壁面を上昇し、添加剤噴射路３６に流入する。排気ガスの残りＧ２はそのまま混合部４６へ流入する。この場合、凹部５０の下部が排気ガスの主流の中心線Ｌ１上に設置されているので、排気ガスは略半分ずつに分断されている。

添加剤噴射路３６に流入した排気ガスの一部Ｇ１は、そのまま添加剤噴射路３６の内面形状に沿って添加剤噴射路３６内を通過して混合部４６へ流入する。混合部４６へ流入した排気ガスの一部Ｇ１及び残りＧ２は、混合部４６でそれぞれ燃料と混合される。

このように排気ガスの一部Ｇ１が添加剤噴射路３６内に流入され、添加剤噴射路３６の内面形状に沿って飛行することから、添加剤噴射路３６内に燃料が留まることがなく、かつ、添加剤噴射路３６の内壁に付着しているすすや燃料を掃き出すことができ、インジェクタの先端面に堆積するデポジットによる排気通路内への添加剤の供給不良を防止することが可能である。

また、本実施形態では、凹部５０を、凹部５０の下部が中心線Ｌ１上にくるように設けて排気ガスのうち略半分が添加剤噴射路３６へ流入するように構成したが、少なくとも排気ガスの一部を添加剤噴射路３６へ流入させることができればよい。

また、本実施形態では、凹部５０を上流側部材４１に形成するために上流側部材４１の壁面を外側に凸となるように形成したが、凹部５０を形成することができれば、どのような態様でもよい。例えば、上流側部材４１を構成する壁面が十分に厚いものであれば、壁面を薄くして凹部５０を形成してもよい。

次に、図３に示す別の実施形態では、このように排気ガスの一部Ｇ１を添加剤噴射路３６へ流入させる場合に、高温の排気ガスがインジェクタ３５に接触するのを防止すべく、添加剤噴射路３６の突出部側には返し部を設けている。返し部を設けることで、添加剤噴射路３６側に誘導された排気ガスのインジェクタ３５側への流入を抑制する。即ち、返し部を設けることで、添加剤噴射路３６に流入した排気ガスの一部Ｇ１が返し部で折り返されて添加剤噴射路３６から流出するので、インジェクタ３５側への流入を抑制し、インジェクタ３５と排気ガスとの接触を防ぐことができる。図３に示す実施形態では、この返し部として、添加剤噴射路３６を構成する壁面であって凹部５０が設けられている側の壁面を保持部材４７の中心部近辺まで延設した延設部５１を設けてある。

返し部としては、図４に示すような添加剤噴射路３６を構成する壁面の一部を内側に凸の突起部５２としたものも挙げられる。この場合には、図３に示した場合よりもよりインジェクタ３５から距離を置いた位置で排気ガスを折り返して添加剤噴射路３６から流出させることができるので、よりインジェクタ３５と排気ガスとの接触を防止できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、排気浄化装置１０として、排気管１２に、排気浄化用触媒である酸化触媒３１及びＮＯｘトラップ触媒３２と、排気浄化用フィルタであるＤＰＦ３３とを、上流側から酸化触媒３１、ＮＯｘトラップ触媒３２、ＤＰＦ３３の順で配置した例を挙げたが、これら排気浄化用触媒及び排気浄化用フィルタの配置及び種類は特に限定されるものではない。

また、上述した実施形態では、ＮＯｘを分解（還元）する排気浄化用触媒として、燃料（軽油）を還元剤としてＮＯｘを分解（還元）するＮＯｘトラップ触媒を例示したが、これに限定されず、例えば、排気ガス中のＮＯｘを選択的に触媒に吸着させ、還元剤としてアンモニアあるいは尿素をインジェクタから噴射してＮＯｘを分解（還元）する、いわゆるＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）等であってもよい。

また、上述した実施形態では、添加剤として燃料を用いて説明したが、これに限らず、排気系に添加するものであれば、例えば、還元作用を目的とした還元剤でもよい。

本発明は、排気ガスからＮＯｘ等の物質を除去（削除）する排気浄化装置を利用するもの、例えば自動車製造分野で利用することができる。

排気浄化装置の概略構成を示す模式図である。排気浄化装置の要部を示す断面図である。排気浄化装置の要部を示す断面図である。排気浄化装置の要部を示す断面図である。

符号の説明

１０排気浄化装置
１１エンジン
１２排気管
２７ターボチャージャ
３１酸化触媒
３４排気路
３５インジェクタ
３６添加剤噴射路
４１上流側部材
４２触媒保持部材
４３固定部材
４４流入口
４５流出口
４６混合部
４７保持部材
４８フランジ部
４９冷却水路
５０凹部
５１延設部
５２突起部

Claims

エンジンの排気ポートに接続される排気路と、この排気路に設けられた排気浄化用触媒と、前記排気浄化用触媒より上流側の前記排気路に連通した添加剤噴射路と、この添加剤噴射路に添加剤を噴射して前記排気浄化用触媒にこの添加剤を供給するインジェクタとを備え、
前記排気路には、前記添加剤噴射路よりも下流側の、前記添加剤噴射路よりも上流側からの排気ガスに対向する位置に設けられ、前記排気ガスの一部を前記添加剤噴射路内に流入させるように誘導する、排気路の壁面に該排気路の壁面よりも外側に凸となるように設けられた凹部を備えることを特徴とする排気浄化装置。
前記インジェクタは、前記添加剤噴射路の前記排気路の反対側に設けられ、
前記添加剤噴射路は、前記添加剤噴射路側に誘導された排気ガスの前記インジェクタ側への流入を抑制する返し部を備えていることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
前記添加剤噴射路は、前記排気浄化用触媒より上流側の前記排気路の屈曲部の外側に連通して設けられ、
前記凹部は、前記添加剤噴射路よりも下流側の前記屈曲部の内壁面であって該屈曲部の流入口に対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の排気浄化装置。
前記凹部の下部が、前記流入口からの排気ガスの中心線と一致する位置に形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。