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JP2009036109A - 排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気ガス中に添加した尿素水のアンモニアへの加水分解反応を選択還元触媒に到達するまでに適切に行う排気浄化装置を提供することを目的とする。
【解決手段】排気管の途中に排気ガス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を備えると共に、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選択還元型触媒６を備え、選択還元型触媒６とパティキュレートフィルタ５との間に還元剤として尿素水を添加し得る尿素水添加手段１２を配置した排気浄化装置であって、尿素水添加手段１２から選択還元型触媒６へ排気ガス３を導入する流路の間には、少なくとも１つ以上の曲部１３，１４を形成する。
【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加水分解され、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
尚、この種の排気浄化装置に関連する先行技術文献情報としては、例えば、下記の特許文献１等が既に存在している。
特願２００７−０４３４９２号公報 特願２００７−０４５５８３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、排気ガスに対して尿素水がアンモニアと炭酸ガスに加水分解されるまで反応を適切に行うことができない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、排気ガス中に添加した尿素水のアンモニアへの加水分解反応を選択還元触媒に到達するまでに適切に行う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尿素水添加手段を配置した排気浄化装置であって、前記尿素水添加手段から選択還元型触媒へ排気ガスを導入する流路の間には、少なくとも１つ以上の曲部を形成し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、尿素水添加手段から選択還元型触媒へ排気ガスを導入する流路の間には、少なくとも１つ以上の曲部を形成することによって、尿素水が曲部で衝突して尿素水の液体の粒径が微細化し、排気ガスと尿素水が効率良く混合し、結果的に排気ガス中で尿素水のアンモニアへの加水分解反応を適切に行うことができる。
また、本発明において、前記尿素水添加手段は、パティキュレートフィルタから選択還元型触媒へ排気ガスを導入する流路の間で最も長い直線部の上流端に配置され、前記直線部は、尿素水のアンモニアへの転化を行うための反応時間を得る長さを備えると、尿素水が直線部で排気ガスと混合してアンモニア転化が始まり、更にアンモニア転化しきれなかった尿素水が曲部により微細化して反応を促進させ、排気ガスに対して尿素水の反応を一層適切に行うことができる。
更に、本発明をより具体的に実施するに際しては、前記パティキュレートフィルタと選択還元型触媒とを並列に配置すると共に、排気ガスの流路は、パティキュレートフィルタの後方から排出された排気ガスを折り返す第一接続部と、該第一接続部から選択還元型触媒の前方へ延在する直線部と、該直線部から選択還元型触媒の前方に導入するよう曲部を形成する第二接続部とを備えて構成されていることが好ましい。
また、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。
更に、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、２、３に記載の発明によれば、尿素水が曲部で衝突して尿素水の液体の粒径が微細化し、排気ガスに対して尿素水の反応を適切に行うことができる。
（ＩＩ）本発明の請求項４、５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。
（ＩＩＩ）本発明の請求項６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、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とをケーシング７，８により夫々抱持して並列に配置している。
ケーシング７，８を接続する排気ガス３の流路は、図１、図２に示す如く、パティキュレートフィルタ５の後方から出た直後の排気ガス３を折り返す第一接続部９と、第一接続部９で折り返された排気ガス３を選択還元型触媒６へ送るよう第一接続部９の先端から選択還元型触媒６の前方へ延在する直線部１０と、直線部１０から選択還元型触媒６の前方に排気ガス３を導入するよう直線部１０から選択還元型触媒６へ接続する第二接続部１１とを備えて構成されている。
この中で、直線部１０は、上流端１０ａに、選択還元型触媒６とパティキュレートフィルタ５との間に還元剤として尿素水を添加し得るよう尿素水添加用インジェクタ１２（尿素水添加手段）を配置している。また、直線部１０は、パティキュレートフィルタ５から選択還元型触媒６へ排気ガス３を導入する流路の間で最も長い直線状の流路であり、尿素水のアンモニア転化を行うための排気ガスとの混合及び反応時間を得る長さ（直線部１０の上流端１０ａから選択還元型触媒６の入口までの距離で７００ｍｍ以上）を備えている。ここで、直線部１０は、通常のパイプでも良いし、ミキシングパイプでも良い。また、尿素水添加用インジェクタ１２（尿素水添加手段）は、加圧エアにより尿素水の添加を補助するエアアシストタイプでも良いし、エアによる補助手段を備えないエアレスタイプでも良いが、エアアシストタイプの場合はエアを供給する構成が必要になるため、車両の重量が増すと共にコストが上昇するという問題がある。
一方、第二接続部１１は、尿素水添加用インジェクタ１２から選択還元型触媒６へ排気ガス３を導入する流路の間に少なくとも１つ以上の曲部を備えるよう、直線部１０の先端から湾曲する第一の曲部１３と、第一の曲部１３から更に湾曲して選択還元型触媒６の前方（ケーシング８）に接続される第二の曲部１４とを備えている。ここで、夫々の曲部１３，１４は、屈曲状に構成されるよりも、なめらかな曲面を形成する大きな曲率半径で構成されることが好ましい。
また、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１５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１６が装備されており、前記ケーシング８の後部には、テールパイプを後方へ向けて装備した排気室１７が形成されている。
また、図１に示してある通り、運転席のアクセルに、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１８（負荷センサ）が備えられていると共に、ディーゼルエンジン１の適宜位置には、その回転数を検出する回転センサ１９が装備されており、これらアクセルセンサ１８及び回転センサ１９からのアクセル開度信号１８ａ及び回転数信号１９ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２０に入力されるようになっている。
一方、前記制御装置２０においては、アクセル開度信号１８ａ及び回転数信号１９ａから判断される現在の運転状態に応じ、各気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置２１に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号２１ａが出力されるようになっている。
ここで、前記燃料噴射装置２１は、各気筒毎に装備される図示しない複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記制御装置２０からの燃料噴射信号２１ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるようになっている。
ただし、本形態例においては、制御装置２０でアクセル開度信号１８ａ及び回転数信号１９ａに基づき通常モードの燃料噴射信号２１ａが決定されるようになっている一方、パティキュレートフィルタ５の強制再生を行う必要が生じた際に、通常モードから再生モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）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（開始時期がクランク角９０゜〜１３０゜の範囲）でポスト噴射を行うような燃料噴射信号２１ａが決定されるようになっている。
つまり、ここに図示している例では、燃料噴射装置２１を燃料添加手段として採用しており、前述のように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が行われると、このポスト噴射により排気ガス３中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料がパティキュレートフィルタ５の前段の酸化触媒１５を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガス３の流入により直後のパティキュレートフィルタ５の触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃焼除去されることになる。
また、この制御装置２０においては、ディーゼルエンジン１の回転数と燃料噴射信号２１ａの出力値から判る燃料の噴射量とを抽出し、これら回転数と噴射量とによるパティキュレートの発生量マップからディーゼルエンジン１の現在の運転状態に基づくパティキュレートの基本的な発生量を推定し、この基本的な発生量に対しパティキュレートの発生にかかわる各種の条件を考慮した補正係数を掛け且つ現在の運転状態におけるパティキュレートの処理量を減算して最終的な発生量を求め、この最終的な発生量を時々刻々積算してパティキュレートの堆積量を推定し、その堆積量が所定の目標値に達したものと推定された際に、燃料噴射制御が通常モードから再生モードへ切り替わり、パティキュレートフィルタ５の上流側の排気ガス３中に燃料が添加されるようになっている。
尚、このようなパティキュレートの堆積量を推定する方法には各種の考え方があり、ここに例示した推定方法以外の手法を用いてパティキュレートの堆積量を推定することも勿論可能であり、パティキュレートフィルタ５の前後の差圧に基づいてパティキュレートの堆積量を推定したり、運転時間や走行距離を目安としてパティキュレートの堆積量を推定したりすることも可能である。
また、前記制御装置２０においては、ディーゼルエンジン１の回転数と燃料の噴射量等に基づきＮＯxの発生量も推定され、このＮＯxの発生量に見合う必要量の尿素水の添加が前記尿素水添加用インジェクタ１２に向け開弁指令信号１２ａとして指示されるようになっている。
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、その下流側の直線部１０の上流端１０ａで尿素水添加用インジェクタ１２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加水分解され、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、尿素水添加手段から選択還元型触媒６へ排気ガス３を導入する流路の間には、尿素水が第一の曲部１３及び第二の曲部１４の壁面に衝突し、尿素水の液体の粒径が微細化し、排気ガス３と尿素水が効率良く混合し、加水分解反応が促進する。
また、尿素水添加用インジェクタ１２（尿素水添加手段）は、パティキュレートフィルタ５から選択還元型触媒６へ排気ガス３を導入する流路の間で最も長い直線部１０の上流端に配置され、直線部１０は、尿素水のアンモニア転化を行うための排気ガス３との混合及び反応時間を得る長さを備えることにより、尿素水が直線部１０で排気ガス３と反応する。
尚、パティキュレートフィルタ５の強制再生を行う必要が生じた際には、制御装置２０における燃料噴射制御が通常モードから再生モードに切り替わり、ポスト噴射によりディーゼルエンジン１側で添加された燃料が前段の酸化触媒１５で酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガス３の流入により直後のパティキュレートフィルタ５の触媒床温度が上昇し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５の積極的な再生化が図られることは勿論である。
従って、上記形態例によれば、尿素水添加用インジェクタ１２（尿素水添加手段）から選択還元型触媒６へ排気ガス３を導入する流路の間には、少なくとも１つ以上の曲部（上記形態例では第一の曲部１３、第二の曲部１４の２つ）を形成することによって、尿素水が曲部で衝突して尿素水の液体の粒径が微細化し、排気ガス３と尿素水が効率良く混合し、結果的に排気ガス３中で尿素水のアンモニアへの加水分解反応を適切に行うことができる。
また、上記形態例において、尿素水添加用インジェクタ１２（尿素水添加手段）は、パティキュレートフィルタ５から選択還元型触媒６へ排気ガス３を導入する流路の間で最も長い直線部１０の上流端に配置され、直線部１０は、尿素水のアンモニアへの転化を行うための排気ガス３の混合及び反応時間を得る長さを備えると、尿素水が直線部１０で排気ガス３と混合してアンモニア転化が始まり、更にアンモニア転化しきれなかった尿素水が曲部により微細化して反応を促進させ、排気ガス３に対して尿素水の反応を一層適切に行うことができる。
更に、上記形態例において、パティキュレートフィルタ５と選択還元型触媒６とを並列に配置すると共に、排気ガス３の流路は、パティキュレートフィルタ５の後方から排出された排気ガス３を折り返す第一接続部９と、第一接続部９から選択還元型触媒６の前方へ延在する直線部１０と、直線部１０から選択還元型触媒６の前方に導入するよう第一の曲部１３及び第二の曲部１４を形成する第二接続部１１とを備えて構成されると、第一の曲部１３、第二の曲部１４及び直線部１０を好適に構成し得るので、排気ガス３に対して尿素水の反応を最適に行うことができる。また、パティキュレートフィルタ５と選択還元型触媒６とが並列に配置され、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との間に沿うように直線部１０が配置されているので、その全体構成をコンパクトなものにすることができる。
また、燃料噴射装置２１によりポスト噴射で添加した燃料を酸化触媒１５上で酸化処理させ、その反応熱で昇温した排気ガス３の流入により直後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るので、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。
しかも、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アンモニア低減触媒１６により酸化処理して無害化させることができるので、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もできる。
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、先の形態例においては、燃料添加手段として燃料噴射装置を採用し、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行うことで排気ガス中に燃料を添加するようにしているが、気筒内へのメイン噴射の時期を通常より遅らせることで排気ガス中に燃料を添加するようにしても良く、更には、このように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により燃料添加を行う手段だけでなく、排気管の適宜位置（排気マニホールドでも可）に燃料添加手段としてインジェクタを貫通装着し、このインジェクタにより排気ガス中に燃料を直噴して添加するようにしても良いこと、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。
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斜視図である
符号の説明
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 第一接続部
１０ 直線部
１０ａ 上流端
１０ｂ 下流端
１１ 第二接続部
１２ 尿素水添加用インジェクタ（尿素水添加手段）
１３ 第一の曲部
１４ 第二の曲部
１５ 酸化触媒
１６ アンモニア低減触媒
２１ 燃料噴射装置（燃料添加手段）

Claims (6)

  1. 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尿素水添加手段を配置した排気浄化装置であって、前記尿素水添加手段から選択還元型触媒へ排気ガスを導入する流路の間には、少なくとも１つ以上の曲部を形成したことを特徴とする排気浄化装置。
  2. 前記尿素水添加手段は、パティキュレートフィルタから選択還元型触媒へ排気ガスを導入する流路の間で最も長い直線部の上流端に配置され、前記直線部は、尿素水のアンモニアへの転化を行うための反応時間を得る長さを備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  3. 前記パティキュレートフィルタと選択還元型触媒とを並列に配置すると共に、排気ガスの流路は、パティキュレートフィルタの後方から排出された排気ガスを折り返す第一接続部と、該第一接続部から選択還元型触媒の前方へ延在する直線部と、該直線部から選択還元型触媒の前方に導入するよう曲部を形成する第二接続部とを備えて構成されていることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
  4. 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３に記載の排気浄化装置。
  5. 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４に記載の排気浄化装置。
  6. 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３、４又は５に記載の排気浄化装置。
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