JP5532682B2

JP5532682B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP5532682B2
Application number: JP2009128929A
Authority: JP
Inventors: 直基島▲崎▼
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: JP2010275922A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気側に接続されディーゼルエンジンの排ガスを浄化する排気浄化装置に関するものである。

内燃機関の熱効率を向上させると系外への流出するエネルギーは減少する。つまり、排気温度は低下する傾向にある。一方、今後の厳しい排気規制に対応するため触媒装置がエンジンに取り付けられつつある。

触媒反応速度は温度の影響を強く受けるため、高い浄化率を得るためには触媒温度をある程度以上に維持することが重要である。従来技術としては、ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルター）の前段に酸化触媒を配置して酸化触媒の反応熱によって触媒温度を上昇させたり、排気管内で燃料噴射させて排気温度を上昇させ、浄化率を向上することが試みられている。

特開２００７−１９８７０６号公報特開２００７−１７５６５４号公報

ところで、将来のディーゼルエンジンには複数個の触媒（ＤＰＦ，ＤＯＣ（酸化触媒）、ＤｅＮＯｘ触媒）が設置されるため、エンジンの実験の種類の一つであるＪＥ−０５モード（低温試験）では下流の触媒ほどその温度維持が困難となる。排気管噴射やポスト噴射などによる排気温度昇温は、燃費の悪化をともなう。このような状況下において、酸化触媒の反応熱を触媒に流入するガスへ熱交換させ、触媒温度の低下を抑制する排気浄化装置が提案されている。図５に示すように、この排気浄化装置３０は、各種触媒を組み合わせた触媒装置３１と、触媒装置３１の下流側の排気ガスと上流側の排気ガスとの間で熱交換させる熱交換器３２とを備えて構成される。熱交換器３２は、エンジン３３側の配管３４に接続されると共に触媒装置３１の入口側の配管３５に接続される内管３６と、内管３６の外周に内管３６を覆うように設けられ触媒装置３１の出口側の配管３７に接続されると共に大気放出側の配管３８に接続される外管３９とを備えて構成され、触媒反応熱により昇温されたガスとこれよりも低温の流入ガスとが熱交換することで、触媒へ流入する排ガスの温度を上昇させることができる。

しかしながら、この装置３０は、配管３５、３７の長さが長く配管３５、３７からの放熱量が多いため熱回収率が低いという問題があった。また、この装置３０は、触媒装置３１が常温であるなど十分に暖められていない状態では、排ガス温度は下流ほど低温になるので、熱交換器３２では触媒から排出された低温な排ガスで、触媒に流入する排ガスを冷却することとなる。つまり、触媒より下流側の後処理装置全体（配管３７、熱交換器３２を含む排気系）が暖まるまでに後処理装置に多くの熱エネルギーを吸収されることとなって見かけの熱容量が大きくなり、触媒装置全体が暖機するまでに時間を要するという課題があった。また、ＣＯやＴＨＣ（炭化水素）の酸化反応が持続しないと酸化反応熱が得られず、熱交換による入口温度昇温が維持できず、触媒の温度を触媒が高効率で作動する高温に維持できないという課題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、短時間で暖機でき、触媒の温度を触媒が高効率で作動する高温に維持できる排気浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、ディーゼルエンジンの排気側に接続されディーゼルエンジンから排出される排ガスを浄化する排気浄化装置において、格子状に形成されると共に両端が開放され、格子壁で仕切られた複数の格子穴を縦横に有する担体と、該担体の複数の格子穴に形成され一端が上記ディーゼルエンジンの排気側に接続される複数の往路と、該往路と隣接する複数の格子穴に形成された複数の復路と、上記往路の他端と上記復路の他端に接続され、上記往路からの排ガスを上記復路に反転させると共に排ガス中の粒子状物質を捕集するＤＰＦと、上記往路を形成する格子穴の他端に担持されたＤｅＮＯｘ触媒と、上記復路を形成する格子穴の上記ＤｅＮＯｘ触媒の担持位置と同じ他端に担持された酸化触媒と、上記往路と上記復路の上記一端から上記他端に亘って、それぞれの往路の排ガスを、上記酸化触媒の酸化反応熱により昇温されたそれぞれの復路の排ガスで昇温するよう、上記往路と上記復路が隣接する上記格子穴間の上記格子壁で形成された熱交換部とから構成されたものである。触媒の温度維持には、ＰＣＩ燃焼（Ｐｒｅ−ＭｉｘｅｄＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＩｇｎｉｔｉｏｎ：予混合圧縮自己着火燃焼）で排出されやすいＣＯやＴＨＣの酸化触媒上での発熱を利用する。排気が対向流となることで、反応熱を流入ガスと熱交換され触媒温度が上昇し、浄化率の向上が期待できる。

上記ＤＰＦが、一端を開放されると共に他端を閉塞された格子状に形成され、上記担体の往路と復路が上記ＤＰＦの互いに隣接するＤＰＦ格子穴の一端にそれぞれ接続されるとよい。

上記担体には、上記往路と上記復路が交互に形成されるとよい。

上記担体には、複数の上記往路が一列に形成される往路用格子穴列と、複数の上記復路が一列に形成される復路用格子穴列とが交互に形成され、上記往路用格子穴列の格子穴に共通の入口ダクトが接続されると共に、上記復路用格子穴列の格子穴に共通の出口ダクトが接続されるとよい。

上記ＤＰＦには、酸化触媒が担持されるとよい。

上記ＤｅＮＯｘ触媒が尿素ＳＣＲであるとよい。

本発明によれば、短時間で暖機でき、触媒の温度を触媒が高効率で作動する高温に維持できる。

図１は本発明の実施の形態を示す排気浄化装置の平面断面図である。図２は排気浄化装置の斜視図である。図３は図１の要部拡大図である。図４は排気浄化装置に接続されるダクトの説明図である。図５は本発明に先行して提案された排気浄化装置の概略説明図である。

図１及び図２に示すように、排気浄化装置１は、ディーゼルエンジン（図示せず）の排気側に接続されディーゼルエンジンから排出される排ガスを浄化するものである。排気浄化装置１は、格子状に形成されると共に両端が開放された担体２と、担体２の格子穴３に形成され一端をディーゼルエンジンの排気側に接続される往路４と、往路４と隣接する格子穴３に形成された復路５と、往路４の他端と復路５の他端に接続され往路４からの排ガスを復路に反転させると共に排ガス中の粒子状物質を捕集するＤＰＦ６と、往路４を区画する担体２に担持されたＤｅＮＯｘ触媒７と、復路５を区画する担体２に担持された酸化触媒８と、往路４と復路５の間の担体２に形成され往路４の排ガスを酸化触媒８の酸化反応熱により昇温された復路５の排ガスで昇温する熱交換部９とを備える。

担体２は、伝熱性の良い金属にて形成されており、上下方向に整列する複数の格子穴３を有すると共に水平方向に整列する複数の格子穴３を有する。担体２は、排ガスの流路を往路４と復路５に分ける機能を備える。また、担体２には、複数の往路４が上下一列に形成される往路用格子穴列１０と、複数の復路５が上下一列に形成される復路用格子穴列１１とが水平方向に交互に形成されており、往路４と復路５が水平方向に交互に配置されるようになっている。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、往路用格子穴列１０には各往路４共通の入口ダクト１２が接続されると共に、復路用格子穴列１１には各復路５共通の出口ダクト１３が接続される。入口ダクト１２は、上下に延びる箱状に形成されると共に、上部に排ガスの入口１４を有し、かつ、側部に担体２の往路４に接続される接続口１５を有する。出口ダクト１３は、上下に延びる箱状に形成されると共に、下部に排ガスの出口１６を有し、かつ、側部に担体２の復路５に接続される接続口１７を有する。入口ダクト１２と出口ダクト１３は水平方向に交互に配置されており、各入口ダクト１２の入口１４は、エンジンから延びる排気管（図示せず）に一括して接続され、各出口ダクト１３の出口１６には、下流側の排気管（図示せず）が一括して接続される。

図１、図２及び図３に示すように、ＤＰＦ６は、既存のウォールフロータイプのＤＰＦに改良を加えたものであり、排気のＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：粒子状物質）除去と流路切替の機能を有する。ＤＰＦ６は格子状に形成されると共に格子穴（以下、ＤＰＦ格子穴という）１８の配置を担体２と同じにされている。ＤＰＦ格子穴１８はそれぞれ一端を担体２の往路４又は復路５に接続されると共に、他端を閉塞されている。具体的には、ＤＰＦ６は、担体２の往路４と接続される往路側格子穴１９を有すると共に、復路５と接続される復路側格子穴２０を有し、往路側格子穴１９と復路側格子穴２０は、一端を開放されると共に他端を閉塞されている。往路側格子穴１９と復路側格子穴２０との間の壁部２１には粒子状物質を捕集するための小孔（図示せず）が無数に形成されており、往路側格子穴１９から復路側格子穴２０へ排ガスを流通させるようになっている。

ＤｅＮＯｘ触媒７は、排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元するものであり、往路４の他端側（下流側）の担体２に全周に亘って担持される。

酸化触媒８は、ディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ：ＤｉｅｓｅｌＯｘｉｄａｔｉｏｎＣａｔａｌｙｓｔ）からなり、排ガス中のＣＯ（一酸化炭素）、ＴＨＣ（炭化水素）を酸化反応により酸化除去するものである。酸化触媒８により、ＣＯ、ＴＨＣが酸化除去されるとき酸化熱が発生する。また、酸化触媒８は、復路５の他端側（上流側）の担体２に全周に亘って担持される。

熱交換部９は、往路４と復路５の間の担体２に一端から他端に亘って形成されており、酸化触媒８の酸化反応熱により昇温された復路５の排ガスと往路４の排ガスとの間で熱交換させるようになっている。

次に本実施の形態の作用を述べる。

エンジンから排出された排ガスは、排気管及び入口ダクト１２を介して担体２の往路４に流入し、往路４に流入した排ガスはＤＰＦ６で反転し、復路５に流入する。復路５側の担体２には、酸化触媒８が担持されており、排ガス中のＣＯやＴＨＣが酸化される際に発熱する。この発熱したガスは、往路４と復路５の間の格子壁２２を介して往路４側のガスと熱交換をする。すなわち、酸化反応熱により昇温されたガスは、復路５内を通過する際に、往路４のガスと熱交換し、ＤｅＮＯｘ触媒７に流入する排ガスのガス温度の昇温に寄与する。これにより、往路４側のガスは十分昇温され、往路４を区画する担体２を通過するとき担体２に担持されたＤｅＮＯｘ触媒７を昇温させる。具体的には、ＤｅＮＯｘ触媒７は、ＤｅＮＯｘ触媒７が活性化されるライトオフ温度より高い温度に維持される。このため、往路４を通過する排ガスからＮＯｘを効率よく還元・除去できる。

また、ＤｅＮＯｘ触媒の温度維持には、ＰＣＩ燃焼（Ｐｒｅ−ＭｉｘｅｄＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＩｇｎｉｔｉｏｎ：予混合圧縮自己着火燃焼）で排出されやすいＣＯやＴＨＣの酸化触媒８上での発熱を利用する。

このように、格子状に形成されると共に両端が開放された担体２と、担体２の格子穴３に形成され一端をディーゼルエンジンの排気側に接続される往路４と、往路４と隣接する格子穴３に形成された復路５と、往路４の他端と復路５の他端に接続され往路４からの排ガスを復路５に反転させると共に排ガス中の粒子状物質を捕集するＤＰＦ６と、往路４を区画する担体２に担持されたＤｅＮＯｘ触媒７と、復路５を区画する担体２に担持された酸化触媒８と、往路４と復路５の間の担体２に形成され往路４の排ガスを酸化触媒８の酸化反応熱により昇温された復路５の排ガスで昇温する熱交換部９とを備えて排気浄化装置１を構成したため、担体２が常温であるなど十分に暖められていない状態であっても短時間で暖機でき、ＤｅＮＯｘ触媒７に流入する排ガスを迅速に昇温できる。また、担体２を短時間で暖機できるため、ＤｅＮＯｘ触媒７の温度をＤｅＮＯｘ触媒７が高効率で作動する高温に容易に維持できる。これによりＪＥ−０５モードなどで排気温度が低い領域ではＰＣＩ燃焼を適用して、低ＮＯｘと低燃費を維持したまま、比較的高濃度のＣＯやＴＨＣを酸化触媒８で反応させることで、触媒温度（担体２にＤｅＮＯｘ触媒７と酸化触媒８を担持させてなる触媒の温度）の維持が期待できる。

従来のエンジンシステムでは低排気温度での運転が持続すると触媒温度も低下するため、急激な負荷変化により高排気温度の排気が触媒に流入すると熱容量の影響で触媒の昇温は追いつかず、排気ガスが十分に浄化されない課題があり、このような不都合を回避するためにポスト噴射や排気管噴射などで温度上昇させると燃費が悪化するという課題があったが、本実施の形態の排気浄化装置１によれば、低排気温度時でもＣＯやＴＨＣの酸化反応熱と熱交換作用により触媒の温度は高温で維持されるため、浄化率は高く維持される。

ＤＰＦ６が、一端を開放されると共に他端を閉塞された格子状に形成され、担体２の往路４と復路５がＤＰＦ６の互いに隣接するＤＰＦ格子穴１８の一端にそれぞれ接続されるものとしたため、担体２の往路４と復路５の間にＤＰＦ６を簡易な構造で設けることができ、排気浄化装置１をシンプルかつコンパクトにできる。

また、ウォールフロー式ＤＰＦ６を流路方向切り替え器に使うため、担体２内の排ガスの流路を簡易な構造で対向させることができ、低いコストで熱交換の高効率化を図れると共に、装置の小型化が図れ、触媒システム全体の熱容量も低減できるので、同一発熱量で見ればより高温に維持できる。

担体２には、往路４と復路５が交互に形成されるものとしたため、往路４側の排ガスと復路５側の排ガスとの間で効率よく熱交換できる。

担体２には、複数の往路４が一列に形成される往路用格子穴列１０と、複数の復路５が一列に形成される復路用格子穴列１１とが交互に形成され、往路用格子穴列１０の格子穴３に共通の入口ダクト１２が接続されると共に、復路用格子穴列１１の格子穴３に共通の出口ダクト１３が接続されるものとしたため、排気浄化装置１に排気管を容易かつコンパクトに接続できる。

なお、往路４又は復路５は上下に複数列べて形成されるものとしたが、これに限るものではない。往路４又は復路５は水平方向に複数列べて形成されるものとしてもよい。また、往路４又は復路５と排気管との接続構造が複雑になっても構わない場合、往路４と復路５がちどり状に配置されるものとしてもよい。

ＤＰＦ６は酸化触媒を担持していることが好ましい。酸化反応熱が下流の熱交換時の昇温に寄与する。

また、ＤｅＮＯｘ触媒７として尿素ＳＣＲを用いるとよい。ＤＰＦ６がＤｅＮＯｘ触媒７のアンモニアスリップを除去する機能も兼ね備えることができる。

１排気浄化装置
２担体
３格子穴
４往路
５復路
６ＤＰＦ
７ＤｅＮＯｘ触媒
８酸化触媒
９熱交換部
１０往路用格子穴列
１１復路用格子穴列

Claims

ディーゼルエンジンの排気側に接続されディーゼルエンジンから排出される排ガスを浄化する排気浄化装置において、格子状に形成されると共に両端が開放され、格子壁で仕切られた複数の格子穴を縦横に有する担体と、該担体の複数の格子穴に形成され一端が上記ディーゼルエンジンの排気側に接続される複数の往路と、該往路と隣接する複数の格子穴に形成された複数の復路と、上記往路の他端と上記復路の他端に接続され、上記往路からの排ガスを上記復路に反転させると共に排ガス中の粒子状物質を捕集するＤＰＦと、上記往路を形成する格子穴の他端に担持されたＤｅＮＯｘ触媒と、上記復路を形成する格子穴の上記ＤｅＮＯｘ触媒の担持位置と同じ他端に担持された酸化触媒と、上記往路と上記復路の上記一端から上記他端に亘って、それぞれの往路の排ガスを、上記酸化触媒の酸化反応熱により昇温されたそれぞれの復路の排ガスで昇温するよう、上記往路と上記復路が隣接する上記格子穴間の上記格子壁で形成された熱交換部とから構成されたことを特徴とする排気浄化装置。
上記ＤＰＦが、一端を開放されると共に他端を閉塞された格子状に形成され、上記担体の往路と復路が上記ＤＰＦの互いに隣接するＤＰＦ格子穴の一端にそれぞれ接続された請求項１記載の排気浄化装置。
上記担体には、上記往路と上記復路が交互に形成された請求項１又は２記載の排気浄化装置。
上記担体には、複数の上記往路が一列に形成される往路用格子穴列と、複数の上記復路が一列に形成される復路用格子穴列とが交互に形成され、上記往路用格子穴列の格子穴に共通の入口ダクトが接続されると共に、上記復路用格子穴列の格子穴に共通の出口ダクトが接続された請求項１〜３のいずれかに記載の排気浄化装置。
上記ＤＰＦには、酸化触媒が担持された請求項１〜４のいずれかに記載の排気浄化装置。
上記ＤｅＮＯｘ触媒が尿素ＳＣＲである請求項１〜５のいずれかに記載の排気浄化装置。