JP5688963B2

JP5688963B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP5688963B2
Application number: JP2010281131A
Authority: JP
Inventors: 茂樹大林
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: JP2012127307A

Description

本発明は、エンジンの排気に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する排気浄化装置に関する。

エンジンの排気に含まれるＮＯｘを浄化する排気浄化システムとして、特開２００９−２４６５４号公報（特許文献１）に記載される排気浄化装置が提案されている。この排気浄化装置は、エンジン排気通路に配設されたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた流量で液体還元剤又はその前駆体を噴射供給し、ＳＣＲ触媒で排気中のＮＯｘを選択的に還元反応させることで、ＮＯｘを無害成分に浄化処理する。また、この排気浄化装置では、噴射ノズルを含む噴射装置から噴射供給された液体還元剤又はその前駆体と排気との混合を促進するために、噴射ノズルとＳＣＲ触媒との間に位置する排気通路に混合装置（ミキサ）を配設する構成が採用されている。

特開２００９−２４６５４号公報

しかしながら、排気通路に混合装置を配設することで、液体還元剤又はその前駆体と排気との混合が促進される一方、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤又はその前駆体が混合装置に付着し、液体還元剤又はその前駆体に由来する物質が析出されてしまうおそれがある。混合装置に液体還元剤又はその前駆体に由来する物質が過度に析出されると、排気通路における流路面積が小さくなり、例えば、排圧上昇による燃費や出力の低下の恐れがある。

そこで、本発明は従来技術の問題点に鑑み、液体還元剤又はその前駆体に由来する物質が混合装置に析出し難くした排気浄化装置を提供することを目的とする。

エンジンの排気浄化装置は、還元剤を使用して排気中のＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒の排気上流に液体還元剤又はその前駆体を噴射供給する噴射ノズルと、噴射ノズルとＳＣＲ触媒との間に位置する排気通路に配設され、噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤又はその前駆体と排気との混合を促進するフィンを備えた混合装置と、を有する。そして、混合装置のフィンを、電力の供給を受けて発熱する電熱帯であって、排気通路の横断面上に配設された、排気流の上流及び下流に複数回屈曲する少なくとも１条の電熱帯で構成する。または、混合装置のフィンを、電力の供給を受けて発熱する電熱帯であって、排気通路の複数の横断面上において、排気通路を横切るように角度差をもって配設された、螺旋状に捩じられた少なくとも２条の電熱帯で構成する。

液体還元剤又はその前駆体に由来する物質の融点以上までフィンを発熱させることで、フィンに付着した液体還元剤又はその前駆体から結晶が析出することを抑制できる。また、フィンに結晶が析出しても、これが融点以上まで加熱されて溶解するため、その結晶を容易に除去できる。

排気浄化装置を搭載したディーゼルエンジンの概要図混合装置の第１実施例を示す斜視図混合装置の第２実施例を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はＡ−Ａ断面図混合装置の第３実施例を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図

以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳細に説明する。
図１は、排気浄化装置を搭載したディーゼルエンジンの概要を示す。
ディーゼルエンジン１０の吸気マニフォールド１２に接続される吸気管１４には、吸気流通方向に沿って、吸気中の埃などを濾過するエアクリーナ１６、ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ、ターボチャージャ１８により高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０、吸気脈動を平滑化する吸気コレクタ２２がこの順番で配設される。

一方、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２４に接続される排気管２６（排気通路）には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ、連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ；Diesel Particulate Filter）装置２８、還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル３０、尿素水溶液から生成されるアンモニアを使用してＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒３２、ＳＣＲ触媒３２を通過したアンモニアを酸化させる酸化触媒３４がこの順番で配設される。連続再生式ＤＰＦ装置２８は、少なくともＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ₂（二酸化窒素）へと酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２８Ａと、ＰＭ（Particulate Matter）を捕集・除去するＤＰＦ２８Ｂと、を有する。なお、ＤＰＦ２８Ｂの代わりに、その基体表面に触媒（活性成分及び添加成分）を担持させたＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用することもできる。

また、噴射ノズル３０とＳＣＲ触媒３２との間に位置する排気管２６には、噴射ノズル３０から噴射供給された尿素水溶液と排気との混合を促進するフィンを備えた混合装置３６が配設される。混合装置３６は、別名「ミキサ」と称され、例えば、ここを通過した流体にフィンで旋回流や乱流を生じさせるものである。
混合装置３６は、図２に示すように、排気管２６のフランジ間に挟持固定される略矩形形状の板部材３６Ａを有する。板部材３６Ａは、排気管２６のフランジに固定するためのボルト挿通孔３６Ｂが四隅に開設されると共に、板面の略中央に排気通路の一部となる円形穴３６Ｃが開設される。円形穴３６Ｃには、板面が排気流と略平行な複数の板材からなる格子状の支持部材３６Ｄが配設され、その排気上流又は排気下流の少なくとも一方に、矩形形状の電熱帯からなる複数のフィン３６Ｅの基端が取り付けられる。電熱帯からなるフィン３６Ｅは、板部材３６Ａの外周に取り付けられた端子３６Ｆに電力の供給を受けて発熱する。なお、電熱帯としては、例えば、ＦＣＨＲ−１を素材とする、鉄−クロム電熱帯（１種、２種）などを使用することができる。

還元剤タンク３８に貯蔵される尿素水溶液は、ポンプ及び流量制御弁が内蔵された還元剤添加ユニット４０を経由して、噴射ノズル３０に供給される。ここで、還元剤添加ユニット４０としては、ポンプが内蔵されたポンプモジュールと、流量制御弁が内蔵されたドージングモジュールと、に２分割された構成であってもよい。
連続再生式ＤＰＦ装置２８と噴射ノズル３０との間に位置する排気管２６には、排気の温度（排気温度）を検出する温度センサ４２が取り付けられる。温度センサ４２の出力信号は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット（ＤＣＵ；Dosing Control Unit）４４に入力される。また、ＤＣＵ４４は、エンジン運転状態としての回転速度及び負荷を任意の時点で読み込み可能とすべく、ＣＡＮ（Controller Area Network）などの車載ネットワークを介して、ディーゼルエンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ；Engine Control Unit）４６に接続される。そして、ＤＣＵ４４は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、排気温度、回転速度及び負荷に応じて還元剤添加ユニット４０を電子制御する。

ここで、ディーゼルエンジン１０の負荷としては、例えば、燃料噴射量、吸気流量、吸気圧力、過給圧力、アクセル操作量などトルクと密接に関連する状態量を使用することができる。また、ディーゼルエンジン１０の回転速度及び負荷は、ＥＣＵ４６から読み込む構成に限らず、公知のセンサを用いて直接検出するようにしてもよい。
かかる排気浄化装置において、ディーゼルエンジン１０の排気は、排気マニフォールド２４、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂを経て、連続再生式ＤＰＦ装置２６のＤＯＣ２８Ａに導入される。ＤＯＣ２８Ａに導入された排気は、ＮＯがＮＯ₂へと酸化されつつＤＰＦ２８Ｂへと流れる。ＤＰＦ２８Ｂでは、排気中のＰＭが捕集・除去されると共に、ＤＯＣ２８Ａにより生成されたＮＯ₂を使用してＰＭが連続的に酸化（焼却）される。

また、エンジン運転状態に応じて噴射ノズル３０から噴射供給（添加）された尿素水溶液は、混合装置３６により排気との混合が促進されつつ、排気熱及び排気中の水蒸気を使用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒３２において排気中のＮＯｘと選択還元反応し、無害なＨ₂Ｏ（水）及びＮ₂（窒素）へと浄化されることは知られたことである。このとき、ＤＯＣ２８ＡによりＮＯがＮＯ₂へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ₂との比率が選択還元反応に適したものに改善されるため、ＳＣＲ触媒３２におけるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。一方、ＳＣＲ触媒３２を通過したアンモニアは、その排気下流に配設された酸化触媒３４により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることを抑制できる。

さらに、排気管２６に配設された混合装置３６は、噴射ノズル３０から噴射供給された尿素水溶液と排気との混合を促進するフィン３６Ｅが電熱帯から構成されているので、その端子３６Ｆに電力を供給することで、次のような効果が奏される。即ち、電熱帯からなるフィン３６Ｅを尿素の融点以上に加熱することで、フィン３６Ｅに尿素水溶液が付着しても、これが溶質たる尿素の融点以上に昇温されるため、フィン３６Ｅに尿素結晶が析出することを抑制できる。また、フィン３６Ｅに付着した尿素水溶液から溶媒たる水が蒸発して尿素結晶が析出されても、これが溶解されて除去される。

このため、混合装置３６に尿素結晶が析出し難くなり、排圧上昇による燃費や出力の低下を抑制することができる。
混合装置３６としては、図２に示すものに限らず、図３に示すように、排気管２６の横断面上に配設された板部材３６Ａの円形穴３６Ｃに対して、排気流の上流及び下流に複数回屈曲する少なくとも１条の電熱帯からなるフィン３６Ｅを取り付けてもよい。即ち、少なくとも１条の電熱帯からなるフィン３６Ｅを遮蔽物として、複数回屈曲する電熱帯の排気上流面を利用して混合を促進させる。

また、他の混合装置３６としては、図４に示すように、板部材３６Ａの円形穴３６Ｃにおける複数の横断面に角度差（例えば、９０°の角度差）をもって配設された、螺旋状に捩じられた少なくとも２条の電熱帯からなるフィン３６Ｅを取り付けてもよい。即ち、電熱帯を捩じると共に、これを排気流通方向で角度差をもって少なくとも２重に配置することで、排気流を乱して混合を促進させる。

このようにすれば、混合装置３６の基本的な機能に加え、図２に示すような支持部材３６Ｄを使用しなくとも、電熱帯からなるフィン３６Ｅを取り付けることができ、部品点数の削減によるコスト低減などを期待することができる。

なお、本発明は、液体還元剤又はその前駆体として、尿素水溶液を使用する排気浄化装置に限らず、炭化水素を主成分とする軽油などを使用する排気浄化装置にも適用することができる。また、本発明は、連続再生式ＤＰＦ装置２８とＳＣＲ触媒３２及び酸化触媒３４とが略Ｓ字状の排気通路に配設される排気浄化装置にも適用可能である。

２６排気管（排気通路）
３０噴射ノズル
３２ＳＣＲ触媒
３６混合装置
３６Ｄ支持部材
３６Ｅフィン

Claims

還元剤を使用して排気中の窒素酸化物を選択還元浄化するＳＣＲ触媒と、
前記ＳＣＲ触媒の排気上流に液体還元剤又はその前駆体を噴射供給する噴射ノズルと、
前記噴射ノズルと前記ＳＣＲ触媒との間に位置する排気通路に配設され、前記噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤又はその前駆体と排気との混合を促進するフィンを備えた混合装置と、
を含んで構成され、
前記混合装置のフィンは、電力の供給を受けて発熱する電熱帯であって、前記排気通路の横断面上に配設された、排気流の上流及び下流に複数回屈曲する少なくとも１条の電熱帯からなることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
前記電熱帯は、前記排気通路を横切るように配設されたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
還元剤を使用して排気中の窒素酸化物を選択還元浄化するＳＣＲ触媒と、
前記ＳＣＲ触媒の排気上流に液体還元剤又はその前駆体を噴射供給する噴射ノズルと、
前記噴射ノズルと前記ＳＣＲ触媒との間に位置する排気通路に配設され、前記噴射ノズルから噴射供給された液体還元剤又はその前駆体と排気との混合を促進するフィンを備えた混合装置と、
を含んで構成され、
前記混合装置のフィンは、電力の供給を受けて発熱する電熱帯であって、前記排気通路の複数の横断面上において、前記排気通路を横切るように角度差をもって配設された、螺旋状に捩じられた少なくとも２条の電熱帯からなることを特徴とするエンジンの排気浄化装置。