JP4881213B2

JP4881213B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4881213B2
Application number: JP2007119544A
Authority: JP
Inventors: 誠木村
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: JP2008274851A

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

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入側に、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出側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）。

そして、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、この距離を確保するためにパティキュレートフィルタと選択還元型触媒との間を十分な長さを持つミキシングパイプで接続することが検討されている。
特開２００５−４２６８７号公報

しかしながら、これらパティキュレートフィルタと選択還元型触媒とミキシングパイプとを車両に搭載するにあたっては、車型ごとに異なる搭載可能スペースの制約に応じて適切なレイアウトを工夫しなければならないが、そのレイアウトが変わるたびに新たにケーシング形状や配管系を設計し直して部品類を新設していたのでは、コストの大幅な高騰を招いてしまうという問題があった。

本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、車型ごとに異なる搭載可能スペースの制約に応じてパティキュレートフィルタと選択還元型触媒とミキシングパイプのレイアウトを変えてもコストの大幅な高騰を回避することが可能な排気浄化装置を提供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フィルタケースにより抱持して備えると共に、この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触媒ケースにより抱持して備え、これら選択還元型触媒と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、パティキュレートフィルタから出た排気ガスを略直角な向きに方向転換させつつ集合せしめるガス集合室をフィルタケースの出側に装着して構成した捕集ユニットと、該捕集ユニットのガス集合室で集められた排気ガスをフィルタケース軸心方向へ抜き出すミキシングパイプと、該ミキシングパイプにより導かれた排気ガスを略直角な向きに方向転換させつつ分散せしめるガス分散室を触媒ケースの入側に装着して構成したＮＯx浄化ユニットとを備え、ガス集合室の下流側端部におけるフィルタケース軸心方向の表裏何れの面に対してもミキシングパイプを接続し得るように構成すると共に、ガス分散室の上流側端部における触媒ケース軸心方向の表裏何れの面に対してもミキシングパイプを接続し得るように構成したことを特徴とするものである。

而して、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒との出側端部同士が対峙するように捕集ユニットとＮＯx浄化ユニットとを直列に配置したり、或いは、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒との入側端部同士が対峙するように捕集ユニットとＮＯx浄化ユニットとを直列に配置したりした上、ガス集合室の下流側端部とガス分散室の上流側端部との対向面間をミキシングパイプで接続すると、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒とを近接させて直列に配置しながらもミキシングパイプにより尿素水の十分な反応時間を確保し得るようにしたコンパクトなレイアウトが実現される。

また、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒との入側端部同士が同じ方向を向くように捕集ユニットとＮＯx浄化ユニットとを並列に配置した上、ガス集合室の下流側端部とガス分散室の上流側端部との対向面間をミキシングパイプで接続すると、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒とを近接させて並列に配置しながらもミキシングパイプにより尿素水の十分な反応時間を確保し得るようにしたコンパクトなレイアウトが実現される。

しかも、このように捕集ユニットとＮＯx浄化ユニットとを並列に配置するにあたっては、ミキシングパイプを中心とするガス集合室及びガス分散室の取り付け角度を変更することで捕集ユニットとＮＯx浄化ユニットの姿勢を様々に変化させることが可能である。

また、本発明においては、捕集ユニットにおけるパティキュレートフィルタの入側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ていることが好ましく、このようにすれば、ポスト噴射等により排気ガス中に添加された燃料が前記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出側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。

更に、本発明においては、ＮＯx浄化ユニットにおける選択還元型触媒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、出側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、共通の捕集ユニットとＮＯx浄化ユニットとミキシングパイプとを組み替えるだけで様々なレイアウトを実現することができ、レイアウトが変わるたびに新たにケーシング形状や配管系を設計し直して部品類を新設するといった事態を招かなくて済むので、車型ごとに異なる搭載可能スペースの制約に応じてパティキュレートフィルタと選択還元型触媒とミキシングパイプのレイアウトを変えてもコストの大幅な高騰を回避することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、レイアウトが変わっても共通の捕集ユニットとＮＯx浄化ユニットとミキシングパイプとが組み替えられて使用されていることには変わりがないため、レイアウトが変わるたびに性能評価をやり直す必要がなく、予め確認できている性能評価通りの性能を異なるレイアウトについて再現することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、ポスト噴射等により排気ガス中に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出側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３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は本発明を実施する形態の一例を示すもので、ここに図示している本形態例の排気浄化装置では、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をフィルタケース７により抱持して備えると共に、この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を触媒ケース８により抱持して備え、これらパティキュレートフィルタ５及び選択還元型触媒６の出側端部同士を対峙させて直列に配置するようにしている。

即ち、図２及び図３に要部を拡大して示す如く、前記フィルタケース７の出側には、パティキュレートフィルタ５の出側端部から出た直後の排気ガス３を略直角な向きに方向転換させつつ集合せしめるガス集合室９が装着されていて、該ガス集合室９で集められた排気ガス３が、フィルタケース７の軸心方向へ延びるミキシングパイプ１０を介し選択還元型触媒６を迂回して該選択還元型触媒６の入側へと導かれるようになっており、前記触媒ケース８の入側には、前記ミキシングパイプ１０から導かれた排気ガス３を略直角な向きに方向転換させつつ分散せしめるガス分散室１１が装着されている。

また、ここに図示している例では、ミキシングパイプ１０における上流側の中途部に、選択還元型触媒６への還元剤として尿素水を排気ガス３中に添加するための尿素水添加用インジェクタ１２（尿素水添加手段）が備えられているが、この尿素水添加用インジェクタ１２は、ミキシングパイプ１０より更に上流のガス集合室９に備えることも可能である。

尚、特に本形態例においては、パティキュレートフィルタ５が抱持されているフィルタケース７内の入側（図示ではフィルタケース７の入側をメンテナンス等のために分割可能な構造としている）に、排気ガス３中の未燃燃料分を酸化処理する酸化触媒１３が装備されていると共に、選択還元型触媒６が抱持されている触媒ケース８内の出側に、余剰のアンモニアを酸化処理するアンモニア低減触媒１４が装備されている。

そして、このように構成された排気浄化装置において、前述のパティキュレートフィルタ５とフィルタケース７とガス集合室９と酸化触媒１３とが一つのアッセンブリとして組み付けられて捕集ユニット１５を構成するようになっており、他方、前述の選択還元型触媒６と触媒ケース８とガス分散室１１とアンモニア低減触媒１４とが一つのアッセンブリとして組み付けられてＮＯx浄化ユニット１６を構成するようになっている。

ここで、前記ガス集合室９の下流側端部９ａには、フィルタケース軸心方向の表裏何れの面に対してもミキシングパイプ１０を接続し得るよう開口部１７が表裏両面に形成されており、ミキシングパイプ１０を接続しなかった側の開口部１７については、着脱可能な蓋体により適宜に閉塞し得るようにしてある。

また、これと同様に、前記ガス分散室１１の上流側端部１１ａには、触媒ケース軸心方向の表裏何れの面に対してもミキシングパイプ１０を接続し得るよう開口部１８が表裏両面に形成されており、ミキシングパイプ１０を接続しなかった側の開口部１８については、着脱可能な蓋体により適宜に閉塞し得るようになっている。

尚、図中１９はフィルタケース７の入側に設けられて上流の排気管４から排気ガス３を導入するための入口ユニット、２０は触媒ケース８の出側に設けられて下流の排気管４へ排気ガス３を排出するための出口ユニットを示し、これら入口ユニット１９と出口ユニット２０は、夫々が装着されているフィルタケース７や触媒ケース８の軸心方向に対し平行な向きと直角な向きとに向けられた二種類のタイプが用意されていて、車型ごとに異なる搭載可能スペースの制約に応じて何れかのタイプが選択的に採用されるようになっている。

而して、図１〜図３に示すように、パティキュレートフィルタ５と選択還元型触媒６との出側端部同士が対峙するように捕集ユニット１５とＮＯx浄化ユニット１６とを直列に配置した上、ガス集合室９の下流側端部９ａとガス分散室１１の上流側端部１１ａとの対向面間をミキシングパイプ１０で接続すると、パティキュレートフィルタ５と選択還元型触媒６とを近接させて直列に配置しながらもミキシングパイプ１０により尿素水の十分な反応時間を確保し得るようにしたコンパクトなレイアウトが実現されることになる。

更に、捕集ユニット１５とＮＯx浄化ユニット１６とを直列に配置するにあたっては、図４及び図５に示す如く、パティキュレートフィルタ５と選択還元型触媒６との入側端部同士が対峙するように捕集ユニット１５とＮＯx浄化ユニット１６とを直列に配置した上、ガス集合室９の下流側端部９ａとガス分散室１１の上流側端部１１ａとの対向面間をミキシングパイプ１０で接続するようにしても良く、このようにした場合であっても、ミキシングパイプ１０により尿素水の十分な反応時間を確保し得るようにしたコンパクトなレイアウトが実現される。

また、図６に示す如く、パティキュレートフィルタ５と選択還元型触媒６との入側端部同士が同じ方向を向くように捕集ユニット１５とＮＯx浄化ユニット１６とを並列に配置した上、ガス集合室９の下流側端部９ａとガス分散室１１の上流側端部１１ａとの対向面間をミキシングパイプ１０で接続すると、パティキュレートフィルタ５と選択還元型触媒６とを近接させて並列に配置しながらもミキシングパイプ１０により尿素水の十分な反応時間を確保し得るようにしたコンパクトなレイアウトが実現される。

しかも、このように捕集ユニット１５とＮＯx浄化ユニット１６とを並列に配置するにあたっては、図７や図８に示す如く、ミキシングパイプ１０を中心とするガス集合室９及びガス分散室１１の取り付け角度αを変更することで捕集ユニット１５とＮＯx浄化ユニット１６の姿勢を様々に変化させることが可能である。

以上に詳細に述べた通り、上記形態例によれば、共通の捕集ユニット１５とＮＯx浄化ユニット１６とミキシングパイプ１０とを組み替えるだけで様々なレイアウトを実現することができ、レイアウトが変わるたびに新たにケーシング形状や配管系を設計し直して部品類を新設するといった事態を招かなくて済むので、車型ごとに異なる搭載可能スペースの制約に応じてパティキュレートフィルタ５と選択還元型触媒６とミキシングパイプ１０のレイアウトを変えてもコストの大幅な高騰を回避することができる。

また、レイアウトが変わっても共通の捕集ユニット１５とＮＯx浄化ユニット１６とミキシングパイプ１０とが組み替えられて使用されていることには変わりがないため、レイアウトが変わるたびに性能評価をやり直す必要がなく、予め確認できている性能評価通りの性能を異なるレイアウトについて再現することができる。

尚、更に付言しておくと、捕集ユニット１５とＮＯx浄化ユニット１６とを直列に配置するにあたり、ミキシングパイプ１０だけを長尺なものに変更すれば、図９に示す如きレイアウトも実現することが可能であり、このようにした場合には、ミキシングパイプ１０の共通化は不可能となるが、ミキシングパイプ１０の長さを変更する程度の変更は、比較的軽微なコスト増に抑えることが可能であり、コスト面での十分なメリットが得られることになる。

更に、ここに図示している例では、捕集ユニット１５における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１３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１３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、ＮＯx浄化ユニット１６における選択還元型触媒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、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詳細図である。図２の排気浄化装置の斜視図である。図２の捕集ユニットとＮＯx浄化ユニットの別の直列配置例を示す図である。図４の排気浄化装置の斜視図である。図２の捕集ユニットとＮＯx浄化ユニットの並列配置例を示す図である。図６を排気ガス導入方向から見た時の配置状態を示す説明図である。図７の捕集ユニットとＮＯx浄化ユニットの姿勢の変化例を示す図である。捕集ユニットとＮＯx浄化ユニットの更に別の直列配置例を示す図である。

符号の説明

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
７フィルタケース
８触媒ケース
９ガス集合室
９ａ下流側端部
１０ミキシングパイプ
１１ガス分散室
１１ａ上流側端部
１２尿素水添加用インジェクタ
１３酸化触媒
１４アンモニア低減触媒
１５捕集ユニット
１６ＮＯx浄化ユニット

Claims

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フィルタケースにより抱持して備えると共に、この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触媒ケースにより抱持して備え、これら選択還元型触媒と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、パティキュレートフィルタから出た排気ガスを略直角な向きに方向転換させつつ集合せしめるガス集合室をフィルタケースの出側に装着して構成した捕集ユニットと、該捕集ユニットのガス集合室で集められた排気ガスをフィルタケース軸心方向へ抜き出すミキシングパイプと、該ミキシングパイプにより導かれた排気ガスを略直角な向きに方向転換させつつ分散せしめるガス分散室を触媒ケースの入側に装着して構成したＮＯx浄化ユニットとを備え、ガス集合室の下流側端部におけるフィルタケース軸心方向の表裏何れの面に対してもミキシングパイプを接続し得るように構成すると共に、ガス分散室の上流側端部における触媒ケース軸心方向の表裏何れの面に対してもミキシングパイプを接続し得るように構成したことを特徴とする排気浄化装置。
捕集ユニットにおけるパティキュレートフィルタの入側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ていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
ＮＯx浄化ユニットにおける選択還元型触媒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が装備さ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。