JP2017155693A

JP2017155693A - 内燃機関の排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2017155693A
Application number: JP2016041293A
Authority: JP
Inventors: 幸博川島; Yukihiro Kawashima
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2017-09-07
Also published as: WO2017150513A1; CN108884740A

Abstract

【課題】後処理ユニットの熱がケーシングに奪われることを抑制し、後処理ユニットの触媒の温度低下を抑制する。【解決手段】内燃機関１の排ガス浄化装置１００に関し、排気管２と、排ガスを浄化するための複数の触媒１０を有する後処理ユニット３と、後処理ユニット３を収容するケーシング４と、ケーシング４に設けられ、後処理ユニット３の排ガス入口管３１が隙間Ｓ１をもって挿通される入口孔４６と、後処理ユニット３の排ガス出口管３２が隙間Ｓ２をもって挿通される出口孔４７と、ケーシング４の内周面上に設けられた断熱材５と、隙間Ｓ１，Ｓ２に設けられた断熱シール部材６，７と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、後処理ユニットを備えた内燃機関の排ガス浄化装置に関する。

一般的に、内燃機関を搭載した車両においては、排気管の途中に設けられ、排ガス中の有害物質を浄化するための複数の触媒を有する後処理ユニットを備えた排ガス浄化装置が知られている。

特開２００８−２４０５２５号公報

上記の排ガス浄化装置においては、触媒の温度を高温に保持するために、後処理ユニットをケーシングに収容することが考えられる。このケーシングには、後処理ユニットの排ガス入口管が挿通される入口孔と、後処理ユニットの排ガス出口管が挿通される出口孔とが設けられる。

しかしながら、これらの挿通部分にて入口管（または出口管）と入口孔（または出口孔）が接触していると、例えば、暖機時には、この接触部分から後処理ユニットの熱がケーシングに奪われてしまい、触媒の温度が低下してしまう。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、後処理ユニットの熱がケーシングに奪われることを抑制し、後処理ユニットの触媒の温度低下を抑制することができる内燃機関の排ガス浄化装置を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の排ガス浄化装置は、排気管と、前記排気管の途中に設けられ、排ガスを浄化するための複数の触媒を有する後処理ユニットと、前記後処理ユニットを収容するケーシングと、前記ケーシングに設けられ、前記後処理ユニットの排ガス入口管を外部に突出させるように前記排ガス入口管が隙間をもって挿通される入口孔と、前記ケーシングに設けられ、前記後処理ユニットの排ガス出口管を外部に突出させるように前記排ガス出口管が隙間をもって挿通される出口孔と、前記ケーシングの内周面上に設けられた断熱材と、前記排ガス入口管と前記入口孔との隙間に設けられた入口側断熱シール部材と、前記排ガス出口管と前記出口孔との隙間に設けられた出口側断熱シール部材と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の排ガス浄化装置では、後処理ユニットの熱がケーシングに奪われることを抑制し、後処理ユニットの触媒の温度低下を抑制することができるという優れた効果を発揮する。

本発明の一実施形態に係る排ガス浄化装置を示す概略構成図である。図１の要部拡大図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排ガス浄化装置を示す概略構成図であり、図２は、その要部拡大図である。

図１に示すように、排ガス浄化装置１００は、内燃機関１の排ガスを通過させる排気管２と、排気管２の途中に設けられ、排ガスを浄化するための複数の触媒１０を有する後処理ユニット３と、後処理ユニット３を収容するケーシング４と、を含む。

内燃機関１は、図示しない車両に搭載された多気筒の圧縮着火式内燃機関、すなわちディーゼルエンジンである。内燃機関１には、各気筒１１から排出される排ガスを集合させる排気マニホールド１２が設けられる。

排気管２は、排気マニホールド１２に接続され、排気マニホールド１２からの排ガスを下流方向（矢印Ｇで示す方向）に流して大気に放出する管である。

より詳しくは、この排気管２は、後処理ユニット３の上流側に位置する上流側排気管２１と、後処理ユニット３の下流側に位置する下流側排気管２２とからなる。上流側排気管２１は、その下流側端部にフランジ２１ａを有し、下流側排気管２２は、その上流側端部にフランジ２２ａを有する。

次に、後処理ユニット３について説明する。後処理ユニット３の前後左右方向を図１に示す。なお、図示する後処理ユニット３の前後左右方向は、車両の前後左右方向とは無関係であり、説明の便宜上定められたものに過ぎない。本実施形態では、内燃機関１が車両に縦置きされており、後処理ユニット３の左方向が車両の前方向に一致する。

後処理ユニット３は、排ガス入口管３１と、排ガス出口管３２と、少なくとも一つの触媒１０を内設する第１触媒ケーシング３３と、少なくとも一つの触媒１０を内設する第２触媒ケーシング３４と、第１触媒ケーシング３３と第２触媒ケーシング３４とを連結する連結管３５と、尿素水を添加する添加弁３６を備える。また、後処理ユニット３は、概ね左右対称の構造を有する。

排ガス入口管３１は、後処理ユニット３の前端部且つ左側に配置され、前方から後方に延び、その前端は、上流側排気管２１の下流端に接続される。また、排ガス出口管３２は、後処理ユニット３の前端部且つ右側に配置され、前方から後方に延び、その前端は、下流側排気管２２の上流端に接続される。

より詳しくは、排ガス入口管３１の上流側端部には、フランジ３１ａが設けられ、このフランジ３１ａに上流側排気管２１のフランジ２１ａが接続される。また同様に、排ガス出口管３２の下流側端部には、フランジ３２ａが設けられ、このフランジ３２ａに下流側排気管２２のフランジ２２ａが接続される。互いに接続されるフランジ同士は、ボルト（不図示）等の締結手段で取り外し可能に固定される。

第１触媒ケーシング３３は、管状に形成され、排ガス入口管３１から後方に向けて延在すると共に、後端部に位置する下流側端部３３ａの右側面に第１側孔３３ｂを有する。また、第１触媒ケーシング３３には、上流側に位置する排ガス入口管３１および下流側に位置する連結管３５よりも拡径された第１拡径部３３ｃが形成される。

第１触媒ケーシング３３は、第１拡径部３３ｃの位置にて、第１断熱緩衝部材（マット）３７を介して、上流側から酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）１０ａおよびパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１０ｂを内設する。

酸化触媒１０ａは、排ガス中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して浄化する。酸化触媒１０ａは、ＨＣ，ＣＯの酸化時に生じた熱で排ガスを加熱、昇温する機能を有する。また酸化触媒１０ａは、排ガス中のＮＯをＮＯ₂に酸化し、排ガス中のＮＯ₂濃度を高める機能をも有する。

ＤＰＦ１０ｂは、排ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集して除去するものである。ＤＰＦ１０ｂは、本実施形態では、ハニカム形状の耐熱性基材の両端開口を互い違いに市松状に閉塞した所謂ウォールフロータイプのものが用いられている。しかしながら、網の目構造のフォーム形状のもの等、ＰＭを物理的に捕集するあらゆるタイプのフィルタを用いることができる。

ＤＰＦ１０ｂは、その内壁にＰｔ等の貴金属（触媒）を担持させた所謂連続再生式の触媒付きＤＰＦからなる。この場合、エンジンの通常運転中、ＤＰＦ１０ｂに供給された排ガス中のＨＣが触媒作用で酸化、燃焼し、このとき同時にＤＰＦ１０ｂ内部に堆積しているＰＭが燃焼除去される。なお、ＤＰＦ１０ｂが触媒を有するため、ここではＤＰＦ１０ｂも本発明にいう触媒１０に含ませるものとする。

第２触媒ケーシング３４は、管状に形成され、排ガス出口管３２から後方に向けて延在すると共に、後端部に位置する上流側端部３４ａの左側面に第２側孔３４ｂを有する。また、第２触媒ケーシング３４には、上流側に位置する連結管３５および下流側に位置する排ガス出口管３２よりも拡径された第２拡径部３４ｃが形成される。

第２触媒ケーシング３４は、第２拡径部３４ｃの位置にて、第２断熱緩衝部材（マット）３８を介して、上流側からＮＯｘ触媒１０ｃおよびアンモニア酸化触媒１０ｄを内設する。

ＮＯｘ触媒１０ｃは、排ガス中の窒素酸化物ＮＯｘを浄化するための触媒である。ＮＯｘ触媒１０ｃは、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）からなり、尿素水から加水分解されて生成されたアンモニア（ＮＨ₃）によって、ＮＯｘを連続的に還元し得る。

アンモニア酸化触媒１０ｄは、ＮＯｘ触媒１０ｃでＮＯｘの還元に消費されなかった余剰のアンモニア（ＮＨ₃）を酸化して、Ｎ₂を生成する触媒である。

本実施形態においては、第１触媒ケーシング３３と第２触媒ケーシング３４とは、互いに並列して左右に配置される。また、第１側孔３３ｂと第２側孔３４ｄとは、互いに対向する位置に配置される。

連結管３５は、左右方向における第１触媒ケーシング３３と第２触媒ケーシング３４との間の位置に配置され、第１側孔３３ｂと第２側孔３４ｂとを連結する。

より詳しくは、連結管３５は、第１側孔３３ｂから第２側孔３４ｂ側（図示右側）に向かって延び、前方に折れ曲がる第１部分３５ａと、第２側孔３４ｂから第１側孔３３ｂ側（図示左側）に向かって延び、前方に折れ曲がる第２部分３５ｂとを有する。具体的には、第１部分３５ａは、図中のＸ１からＸ２までの部分を示し、第２部分３５ｂは、図中のＹ１からＹ２までの部分を示す。

また、連結管３５は、第１部分３５ａの下流端Ｘ２から前方に延びると共に、Ｕ字状に折り返されて後方に延び、第２部分３５ｂの上流端Ｙ２に接続される第３部分３５ｃを有する。すなわち、連結管３５がこのようにＵ字状に折り返されて形成されることで、第１側孔３３ｂと第２側孔３４ｄを直線的に結ぶよりも、連結管３５の管長が長くなる。

添加弁３６は、第１部分３５ａの折れ曲がり部分Ｌから第３部分３５ｃの折り返し部分Ｕに向かって、後方から前方に尿素水を添加するように配置される。

ケーシング４は、ステンレス等の耐熱材料を用いた箱型ケーシングからなり、後処理ユニット３全体を略気密に覆う。ケーシング４の内周面上ほぼ全体には、後処理ユニット３の保温のため、グラスウール等の断熱材５が敷設される。

ケーシング４の後面４１には、後処理ユニット３の折れ曲がり部分Ｌの後方に位置する部分に、添加弁３６を取り付ける取付部４２が形成される。取付部４２は、前方に凹んで形成され、その前端には、前後方向に延びる外側挿通孔４３が形成される。また、後処理ユニット３の折れ曲がり部分Ｌの後端面には、外側挿通孔４３と同軸に内側挿通孔３５ｄが形成されている。添加弁３６は、ケーシング４の外部（後方）から外側挿通孔４３と内側挿通孔３５ｄの両方に挿通され、取付部４２に設けられたボス部４４によって、ケーシング４に固定される。

ケーシング４の前面４５には、後処理ユニット３の排ガス入口管３１をケーシング４の外部（前方）に突出させるように、排ガス入口管３１が隙間Ｓ１をもって挿通される入口孔４６が形成される。また、ケーシング４の前面４５には、後処理ユニット３の排ガス出口管３２をケーシング４の外部（前方）に突出させるように、排ガス出口管３２が隙間Ｓ２をもって挿通される出口孔４７が形成される。

本実施形態においては、排ガス入口管３１と入口孔４６との隙間Ｓ１に、入口側断熱シール部材６が設けられ、排ガス出口管３２と出口孔４７との隙間Ｓ２に、出口側断熱シール部材７が設けられる。これらの構造は、入口孔４６側と出口孔４７側で、ほぼ同様に構成される。よって、これらの詳細な構造については、入口孔４６側のみを説明し、出口孔４７側の説明を省略する。

図２にも詳細に示すように、入口側断熱シール部材６は、排ガス入口管３１が挿通可能なリング状のシール部材からなり、熱伝達率の低い材料、例えば耐熱性ゴムで形成される。

ケーシング４の前面４５の裏面で且つ入口孔４６の周囲には、入口側断熱シール部材６をケーシング４に取り付けるための支持部材４８が突出して形成される。

より詳しくは、支持部材４８は、リング状に形成され、入口孔４６より大きく、且つ、入口側断熱シール部材６の外径より僅かに小さい内径を有する。入口側断熱シール部材６は、支持部材４８に後方から圧入される。

この状態において、組み立て時に、排ガス入口管３１が入口孔４６に後方から前方に向けて挿入されると、排ガス入口管３１の外周面が入口側断熱シール部材６の内周面に密着した状態で固定される（圧入される）。この結果、入口側断熱シール部材６によって、排ガス入口管３１と入口孔４６との隙間Ｓ１がシールされると共に、入口管３１からケーシング４への熱伝達が大幅に抑制される。

次に、図１に基づいて、本実施形態に係る排ガス浄化装置１００の作用効果を説明する。

内燃機関１の排ガスは、排気マニホールド１２から上流側排気管２１を通過し、排ガス入口管３１を通じて、第１触媒ケーシング３３内へ流入する。

第１触媒ケーシング３３内へ流入した排ガスは、酸化触媒１０ａを通過し、これにより、排ガス中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）が酸化して浄化される。

次に、酸化触媒１０ａを通過した排ガスは、ＤＰＦ１０ｂに流入し、ＤＰＦ１０ｂによって排ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）が捕集除去される。

ＤＰＦ１０ｂを通過した排ガスは、第１触媒ケーシング３３の後端部に位置する第１側孔３３ｂから連結管３５の第１部分３５ａに流れ、第１部分３５ａの折れ曲がり形状に沿って前方へ９０°方向転換して、第３部分３５ｃへ流れる。

第３部分３５ｃへ流れた排ガスは、折り返し部分Ｕにて後方へ１８０°方向転換し、後方の第２部分３５ｂへ流れ、第２部分３５ｂの折れ曲がり形状に沿って９０°方向転換し、第２側孔３４ｂを通じて第２触媒ケーシング３４内へ流入する。

ここで、第１部分３５ａの折れ曲がり部分Ｌに配置された添加弁３６は、第３部分３５ｃの折り返し部分Ｕに向かって、後方から前方に尿素水を添加する。添加された尿素水は、折り返し部分Ｕにて後方へ１８０°方向転換し、後方の第２部分３５ｂへ流れ、第２部分３５ｂの折れ曲がり形状に沿って９０°方向転換し、第２側孔３４ｂを通じて第２触媒ケーシング３４内へ流入する。

次に、第２触媒ケーシング３４内において、尿素水とアンモニアの少なくとも一方を含む排ガスは、ＮＯｘ触媒１０ｃを通過する。このとき、ＮＯｘ触媒１０ｃは、尿素水が加水分解されて生成されたアンモニアによって、ＮＯｘを還元する。

ＮＯｘ触媒１０ｃでＮＯｘの還元に消費されなかった余剰のアンモニアは、アンモニア酸化触媒１０ｄと接触して酸化され、大気への放出が抑制される。

アンモニア酸化触媒１０ｄを通過した排ガスは、排ガス出口管３２を通じて下流側排気管２２へ排出されて、下流側排気管２２から大気に放出される。

以上の作用のうち、上記の酸化触媒１０ａ、ＤＰＦ１０ｂ、ＮＯｘ触媒１０ｃ、およびアンモニア酸化触媒１０ｄについては、その触媒温度（触媒床温）が活性温度域にあるときに、排ガス浄化作用を有効に発揮する。よって、各触媒１０の温度をできるだけ高温に保持するのが有効である。

本実施形態においては、内周面に断熱材５を敷設したケーシング４内に、後処理ユニット３を収容することで、後処理ユニット３が外気や走行風で冷却されるのを抑制し、各触媒１０の温度を高温に保持することができる。

一方、仮に、後処理ユニット３の排ガス入口管３１（または排ガス出口管３２）が、ケーシング４の前面４５に形成された入口孔４６（または出口孔４７）と、接触していると、この接触部分から後処理ユニット３の熱がケーシング４に奪われて、各触媒１０の温度が低下してしまう。これにより、例えば暖機時には、各触媒１０の活性化が遅れてしまう。

そこで、本実施形態の排ガス浄化装置１００においては、図１および図２に示す通り、排ガス入口管３１と入口孔４６との隙間Ｓ１に、入口側断熱シール部材６を設けると共に、排ガス出口管３２と出口孔４７との隙間Ｓ２に、出口側断熱シール部材７を設ける。

これにより、後処理ユニット３の熱がケーシング４に奪われることを抑制し、後処理ユニット３の各触媒１０の温度低下を抑制することが可能になる。

また、入口側断熱シール部材６と出口側断熱シール部材７は、それぞれ排ガス出口管３２と出口孔４７との隙間Ｓ１，Ｓ２をシールすることで、隙間からの水侵入による後処理ユニット３の腐食を防止することができる。

また、本実施形態の後処理ユニット３においては、連結管３５がＵ字状に折り返されて形成されているため、第１側孔３３ｂと第２側孔３４ｄを直線的に結ぶよりも、連結管３５の管長を長くし、その一方で、後処理ユニット３をコンパクトに構成することが可能となるので、車載に有利である。

本実施形態の後処理ユニット３においては、添加弁３６から添加された尿素水が、この長く且つ折り返されて形成された連結管３５を通過する。これにより、尿素水が排ガスとの間で十分に攪拌混合されることが可能になり、尿素水の加水分解が更に促進される。この結果、アンモニアが効率よく生成されて、ＮＯｘ触媒１０ｃにおけるＮＯｘ浄化率の向上に有利となる。

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。

１内燃機関
２排気管
３後処理ユニット
４ケーシング
５断熱材
６入口側断熱シール部材
７出口側断熱シール部材
３１排ガス入口管
３２排ガス出口管
４６入口孔
４７出口孔
１００排ガス浄化装置
Ｓ１，Ｓ２隙間

Claims

排気管と、
前記排気管の途中に設けられ、排ガスを浄化するための複数の触媒を有する後処理ユニットと、
前記後処理ユニットを収容するケーシングと、
前記ケーシングに設けられ、前記後処理ユニットの排ガス入口管を外部に突出させるように前記排ガス入口管が隙間をもって挿通される入口孔と、
前記ケーシングに設けられ、前記後処理ユニットの排ガス出口管を外部に突出させるように前記排ガス出口管が隙間をもって挿通される出口孔と、
前記ケーシングの内周面上に設けられた断熱材と、
前記排ガス入口管と前記入口孔との隙間に設けられた入口側断熱シール部材と、
前記排ガス出口管と前記出口孔との隙間に設けられた出口側断熱シール部材と、を備えた
ことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。