JP2018135801A - 排気後処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化触媒の上流側端面に煤が堆積することを効果的に抑止する。【解決手段】エンジン１０の排気管１３に接続された筒状のケーシング２１と、ケーシング２１内に配置され、少なくともセル３３が開口する両端面３６，３７を断面円弧状に突出させたハニカム構造担体３１のセル表面に酸化触媒成分を担持して形成された酸化触媒３０と、ハニカム構造担体３１をケーシング２１内にケーシング２１の軸方向と直交する回転軸Ｘを中心に回転可能に支持すると共に、ハニカム構造担体３１の両端面３６，３７のうち、一端面３６が上流側に向けられた状態で所定時間経過すると、他端面３７が上流側に向けられるようにハニカム構造担体３１を反転させる回転支持機構５０とを備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、排気後処理装置に関し、特に酸化触媒を備えた排気後処理装置に関する。

従来、エンジンの排気系に排気上流側から順に、ＨＣ・ＣＯ酸化能を有する酸化触媒及び、排気ガス中に含まれる煤等を捕集するパティキュレイト・フィルタ（以下、フィルタ）を備える排気後処理装置が広く実用化されている。

この種の排気後処理装置においては、フィルタ上流の酸化触媒にポスト噴射や排気管噴射によって未燃燃料（以下、ＨＣ）を供給し、フィルタに流れ込む排気ガスの温度を煤燃焼温度まで上昇させることで、フィルタに堆積した煤を燃焼除去する所謂フィルタ再生が定期的に行われるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−０７２６６６号公報

ところで、エンジンと排気後処理装置とを接続する排気管は、スペース上の制約等により湾曲して形成されるのが一般的である。また、排気後処理装置の酸化触媒やフィルタを収容するケーシングは、その外径を上流側の排気管よりも大きく形成されており、該排気管に拡径管を介して接続されるのが一般的である。このため、一般的な排気後処理装置は、排気管から拡径管を介して酸化触媒に流入する排気ガスに、これら排気管や拡径管の形状等の影響により偏流が生じやすい構造になっている。

酸化触媒に流入する排気ガスに偏流が生じると、酸化触媒の上流側端面のうち、特に排気ガス流量が減少する領域の端面には、排気ガス中に含まれる煤が付着しやすくなる。このような煤の堆積により当該端面のセルが閉塞されると、フィルタ再生時に酸化触媒に供給されるＨＣは、閉塞されていないセルに集中的に流れ込むようになる。その結果、酸化触媒のＨＣ反応容積が不足し、供給されるＨＣの一部が酸化触媒よりも下流側にスリップすることで、白煙を生じさせる課題がある。

また、酸化触媒のセルが閉塞されると、該セルの直下流側に位置するフィルタには、フィルタ再生時に高温排気ガスが流れ込み難くなるため、フィルタに堆積した煤を十分に燃焼除去することができない所謂燃え残りを引き起こす課題もある。

また、フィルタ再生時に酸化触媒のＨＣ反応容積が不足すると、排気ガスの昇温効率低下によりフィルタ再生時間が長くなり、燃料の総噴射量が増加することで、燃費性能の悪化を招く課題もある。

本開示の技術は、酸化触媒の上流側端面に煤が堆積することを効果的に抑止することを目的とする。

本開示の技術は、エンジンの排気管に接続された筒状のケーシングと、前記ケーシング内に配置され、少なくともセルが開口する両端面を断面円弧状に突出させたハニカム構造担体のセル表面に酸化触媒成分を担持して形成された酸化触媒と、前記ハニカム構造担体を前記ケーシング内に該ケーシングの軸方向と直交する回転軸を中心に回転可能に支持すると共に、前記ハニカム構造担体の前記両端面のうち、一端面が上流側に向けられた状態で所定時間経過すると、他端面が上流側に向けられるように前記ハニカム構造担体を反転させる回転支持機構と、を備えることを特徴とする。

また、前記ケーシング内の前記酸化触媒よりも下流側に配置され、排気ガス中に含まれる少なくとも煤を捕集するフィルタをさらに備え、前記回転支持機構は、前記フィルタに堆積した煤を該フィルタから燃焼除去するフィルタ再生の回数が所定の閾値回数に達すると、前記ハニカム構造担体を反転させてよい。

また、前記酸化触媒の前後の差圧を取得する差圧取得手段をさらに備え、前記回転支持機構は、前記差圧取得手段により取得される前記差圧が所定の閾値差圧に達すると、前記ハニカム構造担体を反転させてもよい。

また、前記酸化触媒の出口温度を取得する温度取得手段をさらに備え、前記回転支持機構は、前記酸化触媒に未燃燃料が供給された際に、前記温度取得により取得される前記出口温度が所定の閾値温度まで上昇しない場合に、前記ハニカム構造担体を反転させてもよい。

また、前記ケーシングの内周面に設けられ、少なくとも前記ハニカム構造担体が反転する際に、該ハニカム構造担体の上流側から下流側に向けられる端面に摺接するブラシ部材をさらに備えてもよい。

また、前記ハニカム構造担体が、その外形を球状に形成されてもよい。

本開示の技術によれば、酸化触媒の上流側端面に煤が堆積することを効果的に抑止することができる。

本発明の一実施形態に係る排気後処理装置を示す模式的な全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る排気後処理装置を管軸方向と直交する方向から視た模式図である。 本発明の一実施形態に係る排気後処理装置を管軸方向から視た模式図である。 （Ａ）はハニカム構造担体の一端面が排気上流側に向けられた状態を説明する模式図、（Ｂ）はハニカム構造担体の他端面が排気上流側に向けられた反転状態を説明する模式図である。 本発明の他の実施形態に係る排気後処理装置を管軸方向から視た模式図である。 本発明の他の実施形態に係る排気後処理装置を管軸方向と直交する方向から視た模式図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気後処理装置について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の各気筒には、筒内に燃料を直噴する筒内インジェクタ１１がそれぞれ設けられている。筒内インジェクタ１１の燃料噴射量や燃料噴射タイミングは、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１００から入力される指示信号に応じて制御される。

エンジン１０の排気マニホールド１２には、排気ガスを導出する上流側排気管１３が接続されている。上流側排気管１３の下流端には、排気後処理装置２０が設けられている。また、上流側排気管１３には、上流側排気管１３内にＨＣを噴射する排気管インジェクタ１４が設けられている。排気管インジェクタ１４の燃料噴射量は、ＥＣＵ１００から入力される指示信号に応じて制御される。

排気後処理装置２０は、ケーシング２１と、ケーシング２１内に配置された酸化触媒３０と、ケーシング２１内の酸化触媒３０よりも下流側に配置されたフィルタ４０と、酸化触媒３０を回転させる回転支持機構５０とを備えている。また、酸化触媒３０の直下流には出口温度センサ６０が設けられ、フィルタ４０の前後には差圧センサ６１が設けられている。これら各センサ６０，６１は、ＥＣＵ１００と電気的に接続されている。

ケーシング２１は、排気上流側から順に、その入口側を上流側排気管１３の出口部に接続された拡径部２２と、その内部に酸化触媒３０及び、フィルタ４０を収容する略円筒状の筒部２３と、その出口側を下流側排気管１５の入口部に接続された縮径部２４とを備えている。

酸化触媒３０は、例えば、セラミック製のハニカム構造担体３１のセル表面に酸化触媒成分を担持して形成されている。酸化触媒３０は、排気管インジェクタ１４の排気管噴射及び、又は筒内インジェクタ１１のポスト噴射によりＨＣが供給されると、これを酸化して排気ガス温度を上昇させる。

フィルタ４０は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された複数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。フィルタ４０は、排気ガス中に含まれる煤等を隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、煤堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するフィルタ再生が実施されるようになっている。

次に、図２〜４に基づいて、本実施形態の酸化触媒３０及び、回転支持機構５０の詳細について説明する。

図２，３に示すように、酸化触媒３０のハニカム構造担体３１は、その外形を略球状に形成されている。より詳しくは、ハニカム構造担体３１は、外壁部３２と、外壁部３２内の隔壁により区画された複数のセル３３と、外壁部３２の外周側の二箇所（図中の上下二箇所）をセル３３の軸方向と略平行に平面状に切り欠いて形成されて、互いに対向する第１平面部３４及び、第２平面部３５とを備えている。

ハニカム構造担体３１の各セル３３が開口する両端面３６，３７（図２参照）は、半球状に突出して形成されている。すなわち、各セル３３の開口面積は、排気ガス流量の多い中心側のセル群Ａから排気ガス流量の少ない外側のセル群Ｂに向うに従い大きくなるように形成されている。このように、排気ガス流量の少ない外側のセル群Ｂほど開口面積が大きくなるように形成されることで、当該セル群Ｂの開口部に付着する煤の堆積進行が効果的に抑制されるようになっている。

回転支持機構５０は、ハニカム構造担体３１をケーシング２１の筒部２３内に回転可能に支持する第１及び第２支持部材５１，５２と、第１支持部材５１に回転力を伝達可能な駆動源としての電動モータ５５と、電動モータ５５の作動を制御するＥＣＵ１００とを備えている。なお、電動モータ５５は、第２支持部材５２に回転力を伝達するように構成されてもよい。

第１及び第２支持部材５１，５２は、縦断面円弧状の略半球状を呈しており、その球面側を筒部２３の内周面から半球状に窪む一対の凹部２５，２６内にそれぞれ相対回転可能に収容されている。これら各凹部２５，２６は、筒部２３の軸心を中心に互いに対向配置されている。また、第１及び第２支持部材５１，５２の平面側には、クッション部材５３，５４を介してハニカム構造担体３１の各平面部３４，３５がそれぞれ支持されている。すなわち、第１及び第２支持部材５１，５２にクッション部材５３，５４を介して挟持されたハニカム構造担体３１が、第１及び第２支持部材５１，５２によって筒部２３の軸心と直交する回転軸Ｘを中心に回転可能に支持されている。

第１支持部材５１には、回転軸Ｘと略同軸上に突設された駆動軸５６が設けられている。駆動軸５６は、凹部２５の略中心に形成された貫通穴２７に回転自在に挿入されている。なお、図示は省略するが、駆動軸５６と貫通穴２７との間に、これらの隙間を封鎖するシール部材を設けてもよい。

駆動軸５６の突出端には、電動モータ５５が連結されている。電動モータ５５は、例えば、図示しない車載バッテリ等から供給される電力により作動する。電動モータ５５が作動すると、その回転力が駆動軸５６を介して第１支持部材５１に伝達されることで、ハニカム構造担体３１が回転するようになっている。

なお、駆動源は電動モータ５５に限定されず、何れも図示しないリンク機構等を介して連結される油圧アクチュエータ等であってもよい。また、電動モータ５５は、駆動軸５６に直接的に連結される必要はなく、互いに噛合する図示しないギヤ等を介して連結されてもよい。このようにリンク機構やギヤ等を介して連結すれば、第１支持部材５１から駆動軸５６を介して駆動源に伝達される排気熱を効果的に低減させることができる。

ＥＣＵ１００は、エンジン１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、ＥＣＵ１００は、フィルタ再生制御部１１０と、回転制御部１２０とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ１００に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

フィルタ再生制御部１１０は、差圧センサ６１により取得されるフィルタ４０の前後差圧からフィルタ４０の煤堆積量を推定すると共に、煤堆積量が所定の上限閾値に達すると、フィルタ４０から堆積した煤を燃焼除去させるフィルタ再生を実施する。

より具体的には、フィルタ再生制御部１１０は、煤堆積量が所定の上限閾値に達すると、筒内インジェクタ１１（図１参照）にポスト噴射を実行させる指示信号及び、又は排気管インジェクタ１４（図１参照）に排気管噴射を実行させる指示信号を出力して酸化触媒３０にＨＣを供給し、フィルタ４０に流入する排気ガスの温度を煤燃焼温度（例えば、約６００℃）まで上昇させる。フィルタ再生は、煤堆積量が所定の下限閾値まで低下すると終了される。

なお、フィルタ再生を実施するか否かの判定は、差圧センサ６１のセンサ値に基づいた判定に限定されず、フィルタ再生終了から次のフィルタ再生開始までの再生インターバル（走行時間や走行距離）が所定の閾値に達したか否かで判定してもよい。

回転制御部１２０は、フィルタ再生の実施回数（累積回数）が所定の閾値回数（例えば、約１０回）に達すると、ハニカム構造担体３１の一端面３６が排気上流側に向けられた図４（Ａ）に示す状態から、ハニカム構造担体３１を略１８０℃ほど反転させて他端面３７が排気上流側（一端面３６が排気下流側）に向けられた図４（Ｂ）に示す状態となるように、駆動モータ５５に作動指示信号を出力する。このように、煤の付着が進んだハニカム構造担体３１の一端面３６を排気下流側に向けることで、一端面３６に付着した煤は、フィルタ再生時等に他端側３７からセル３３内に流れ込むＨＣの酸化反応熱によって効果的に燃焼除去されるようになっている。

なお、閾値回数は固定値に限定されず、何れも図示しないエンジン回転数センサやアクセル開度センサ等により取得されるエンジン１０の運転状態等に基づいて煤の総排出量を推定し、該総排出量に応じて閾値回数を増減させてもよい。また、一端面３６に付着した煤を燃焼除去する熱源はフィルタ再生時のＨＣ酸化反応熱に限定されず、排気後処理装置２０がＮＯｘ触媒等を備える場合には、該ＮＯｘ触媒からＳＯｘを燃焼除去する触媒再生時のＨＣ酸化反応熱を用いて除去してもよい。

以上詳述したように、本実施形態の排気後処理装置２０によれば、回転支持機構５０によって酸化触媒３０のハニカム構造担体３１をケーシング２１の筒部２３に回転可能に支持すると共に、ハニカム構造担体３１の一端面３６を排気上流側に向けた状態でフィルタ再生の累積回数が閾値回数に達すると、他端面３７を排気上流側に向けるようにハニカム構造担体３１が反転されるように構成されている。これにより、一端面３６に付着した煤が、フィルタ再生時等に他端側３７からセル３３内に流れ込むＨＣの酸化反応熱によって燃焼除去されるようになり、ハニカム構造担体３１の両端面３６，３７に煤が堆積することを効果的に防止することができる。

また、ハニカム構造担体３１の両端面３６，３７を半球状に突出させたことで、各セル３３の開口面積は排気ガス流量の多い中心側のセル群Ａから排気ガス流量の少ない外側のセル群Ｂに向うに従い大きくなるように形成されている。このように、排気ガス流量の少ない外側のセル群Ｂほど開口面積を大きく確保したことで、当該セル群Ｂの開口部に付着する煤の堆積進行を効果的に抑止することができる。

また、ハニカム構造担体３１を球状に形成したことで、ハニカム構造担体３１を反転させる際に該ハニカム構造担体３１が筒部２３の内周と干渉することを効果的に防止することができる。また、ハニカム構造担体３１を円柱状にする一般的な構造に比べ、特に中心部のセル３３が長く形成されるようになり、ＨＣの酸化反応容積も効果的に確保することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図５に示すように、筒部２３の内周に、その内径をハニカム構造担体３１の外径と略同径又は僅かに小さく形成された略円弧状のブラシ部材７０，７１を取り付けてもよい。この場合、各ブラシ部材７０，７１は、所定の高温雰囲気（例えば、エンジン高負荷時の排気温度相当の約３００〜４００℃）に耐えうる耐熱材で形成することが好ましい。このように、ハニカム構造担体３１の反転時にその外周面と摺接するブラシ部材７０，７１を設けることで、ハニカム構造担体３１の端面３６，３７に付着した煤を確実に清掃除去することが可能になる。なお、ブラシ部材７０，７１は、必ずしも一対設ける必要はなく、ハニカム構造担体３１の回転方向に応じて、反転時に上流側から下流側に向けられる端面３６，３７と摺接する一方側のみに設けられてもよい。

また、図６に示すように、ハニカム構造担体３１の前後に酸化触媒３０用の差圧センサ６２（差圧取得手段の一例）を設け、該差圧センサ６２により取得される酸化触媒３０の前後差圧が煤の付着進行を示す所定の閾値差圧に達した場合に、ハニカム構造担体３１を反転させるように構成してもよい。この場合は、ハニカム構造担体３１を反転させた後（好ましくは直後）に、酸化触媒３０の前後差圧が所定の目標差圧に下がるまで、排気管噴射又はポスト噴射により必要量のＨＣを酸化触媒３０に供給すればよい。

また、排気管噴射やポスト噴射により酸化触媒３０に所定量のＨＣを供給し、出口温度センサ６０により取得される酸化触媒３０の出口温度がＨＣ供給量に応じた所定の目標閾値温度に達しない場合に、ハニカム構造担体３１を反転させるように構成してもよい。この場合は、ハニカム構造担体３１を反転させた後も、酸化触媒３０の出口温度が煤燃焼温度に達するまで排気管噴射又はポスト噴射を継続させればよい。

また、ハニカム構造担体３１は球状に限定されず、少なくとも両端面３６，３７が断面円弧状に突出して形成されていればよい。

また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他のエンジンにも広く適用することが可能である。

１０ エンジン
１１ 筒内インジェクタ
１３ 排気管
１４ 排気管インジェクタ
２０ 排気後処理装置
２１ ケーシング
２２ 拡径部
２３ 筒部
２４ 縮径部
３０ 酸化触媒
３１ ハニカム構造担体
３３ セル
３６ 一端面
３７ 他端面
４０ フィルタ
５０ 回転支持機構
５５ 電動モータ
６０ 出口温度センサ
１００ ＥＣＵ

Claims (6)

1. エンジンの排気管に接続された筒状のケーシングと、
   前記ケーシング内に配置され、少なくともセルが開口する両端面を断面円弧状に突出させたハニカム構造担体のセル表面に酸化触媒成分を担持して形成された酸化触媒と、
   前記ハニカム構造担体を前記ケーシング内に該ケーシングの軸方向と直交する回転軸を中心に回転可能に支持すると共に、前記ハニカム構造担体の前記両端面のうち、一端面が上流側に向けられた状態で所定時間経過すると、他端面が上流側に向けられるように前記ハニカム構造担体を反転させる回転支持機構と、を備える
   ことを特徴とする排気後処理装置。
2. 前記ケーシング内の前記酸化触媒よりも下流側に配置され、排気ガス中に含まれる少なくとも煤を捕集するフィルタをさらに備え、
   前記回転支持機構は、前記フィルタに堆積した煤を該フィルタから燃焼除去するフィルタ再生の回数が所定の閾値回数に達すると、前記ハニカム構造担体を反転させる
   請求項１に記載の排気後処理装置。
3. 前記酸化触媒の前後の差圧を取得する差圧取得手段をさらに備え、
   前記回転支持機構は、前記差圧取得手段により取得される前記差圧が所定の閾値差圧に達すると、前記ハニカム構造担体を反転させる
   請求項１に記載の排気後処理装置。
4. 前記酸化触媒の出口温度を取得する温度取得手段をさらに備え、
   前記回転支持機構は、前記酸化触媒に未燃燃料が供給された際に、前記温度取得により取得される前記出口温度が所定の閾値温度まで上昇しない場合に、前記ハニカム構造担体を反転させる
   請求項１に記載の排気後処理装置。
5. 前記ケーシングの内周面に設けられ、少なくとも前記ハニカム構造担体が反転する際に、該ハニカム構造担体の上流側から下流側に向けられる端面に摺接可能なブラシ部材をさらに備える
   請求項１から４の何れか一項に記載の排気後処理装置。
6. 前記ハニカム構造担体が、その外形を球状に形成された
   請求項１から５の何れか一項に記載の排気後処理装置。

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