(57)【要約】【課題】還元剤を十分に霧化して排気ガスに均等に混合することができる排気浄化装置を提供する。【解決手段】ターボチャージャ２７を備えたエンジン１１の排気浄化装置１０であって、エンジン１１の排気通路１２におけるターボチャージャ２７の下流側に設けられる排気浄化用触媒３２と、排気浄化用触媒３２の上流側及びターボチャージャ２７の下流側に設けられて排気ガスの流れ方向に対向し且つターボチャージャ２７の排出口３７に向けて添加剤を噴射するインジェクタ３５とを具備するようにする。【選択図】図２
2008128046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャを備えたエンジンの排気浄化装置であって、エンジンの排気通路における前記ターボチャージャの下流側に設けられる排気浄化用触媒と、該排気浄化用触媒の上流側及び前記ターボチャージャの下流側に設けられて排気ガスの流れ方向に対向し且つ前記ターボチャージャの排出口に向けて添加剤を噴射するインジェクタとを具備することを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記インジェクタは、前記添加剤を前記ターボチャージャの排出口中央部に向かって噴射することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記排気浄化用触媒が前記ターボチャージャの直下に近接して設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記ターボチャージャと前記排気浄化用触媒との間の前記排気通路が湾曲し、同湾曲の外径側に前記インジェクタが設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記ターボチャージャと前記排気浄化用触媒との間の前記排気通路が、当該排気通路の下流に向かって内径の漸大するコーン部となっており、前記インジェクタがこのコーン部に設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから排出される排気ガスを浄化、すなわち、排気ガスから有害物質を除去（削減）する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に搭載されるエンジン、特にディーゼルエンジンから排出される排気ガス中には、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等、環境に悪影響を与える虞のある汚染物質や、微粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）等が多く含まれている。このため、一般的には、エンジンから排出される排気ガスが通過する排気通路に、例えば、上記汚染物質を分解（還元等）するための三元触媒や、ＰＭを捕捉するためのフィルタ等を設け、排気ガスができるだけ無害化された状態で大気中に放出されるようにしている。
【０００３】
また、ディーゼルエンジンにおいては、窒素酸化物（ＮＯｘ）が特に多く発生し易い。このため、ディーゼルエンジンには、排気ガス中のＮＯｘを効率的に分解するために、例えば、ＮＯｘの吸着と還元とを繰り返し行ってＮＯｘを分解（還元）する、いわゆるＮＯｘ吸蔵触媒が多く採用されている。
【０００４】
このようなＮＯｘ吸蔵触媒は、吸着したＮＯｘを分解（還元）するため、ＮＯｘ吸蔵触媒に外部から還元剤を適宜供給する必要がある。このため、一般的には、燃料（軽油）等を還元剤として排気通路内に噴射することでＮＯｘ吸蔵触媒に供給するようにしている。その一例としては、例えば、排気通路に設けられたインジェクタによってＮＯｘ還元剤を、ＮＯｘ吸蔵触媒に向かって噴射するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１４１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、特許文献１に記載されているようにＮＯｘ吸蔵触媒の上流からＮＯｘ吸蔵触媒に向かってＮＯｘ還元剤を噴射すると、ＮＯｘ還元剤が十分に霧化、拡散されず、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸着されているＮＯｘが十分に分解（還元）されない虞がある。すなわち、ＮＯｘ還元剤の霧化、拡散が不十分であり、ＮＯｘ還元剤が排気ガスに十分に混合されていないと、ＮＯｘ還元剤がＮＯｘ吸蔵触媒の一部しか行き届かずにＮＯｘが分解されずに残ってしまうことが考えられ、触媒効率が低下してしまう虞がある。特に、ＮＯｘ吸蔵触媒がハニカム構造を有する場合には、このようなことが生じ易い。また、ＮＯｘ吸蔵触媒以外の触媒であっても、還元剤が排気ガスと十分に混合されていないことにより触媒効率が低下する虞はある。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、還元剤である添加剤を十分に霧化して排気ガスに均等に混合することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ターボチャージャを備えたエンジンの排気浄化装置であって、エンジンの排気通路における前記ターボチャージャの下流側に設けられる排気浄化用触媒と、該排気浄化用触媒の上流側及び前記ターボチャージャの下流側に設けられて排気ガスの流れ方向に対向し且つ前記ターボチャージャの排出口に向けて添加剤を噴射するインジェクタとを具備することを特徴とする排気浄化装置にある。
【０００９】
かかる第１の態様では、インジェクタから噴射された添加剤が排気ガスの流れと衝突して微粒化され、排気ガスと良好に混合される。特に、ターボチャージャの排出口近傍では、排気ガスの流れは旋回流となっているため、この旋回流に還元剤が乗ることで排気ガスと良好に混合される。
【００１０】
本発明の第２の態様は、前記インジェクタは、前記添加剤を前記ターボチャージャの排出口中央部に向かって噴射することを特徴とする第１の態様の排気浄化装置にある。
【００１１】
かかる第２の態様では、ターボチャージャの排出口近傍では、排気ガスの流れは旋回流となっているため、排出口中央部に向かって添加剤を噴射することで、排気口周囲に向かって噴射したりする場合と比較して飛距離が伸びるため、添加剤が排気ガスとさらに良好に混合される。
【００１２】
本発明の第３の態様は、前記排気浄化用触媒が前記ターボチャージャの直下に近接して設けられていることを特徴とする第１又は２の態様の排気浄化装置にある。
【００１３】
かかる第３の態様では、排気浄化装置の小型化を図ることができ、且つ添加剤を排気ガスと良好に混合することができる。
【００１４】
本発明の第４の態様は、前記ターボチャージャと前記排気浄化用触媒との間の前記排気通路が湾曲し、同湾曲の外径側に前記インジェクタが設けられていることを特徴とする第１〜３の何れかの態様の排気浄化装置にある。
【００１５】
かかる第４の態様では、添加剤が排出口に向かって噴射されるように、インジェクタを比較的容易に配置することができる。
【００１６】
本発明の第５の態様は、前記ターボチャージャと前記排気浄化用触媒との間の前記排気通路が、当該排気通路の下流に向かって内径の漸大するコーン部となっており、前記インジェクタがこのコーン部に設けられていることを特徴とする第１〜４の何れかの態様の排気浄化装置にある。
【００１７】
かかる第５の態様では、排気通路がコーン部となっていることで、排気ガスの流れが旋回流となり易くなる。また、添加剤が排出口に向かって噴射されるように、インジェクタをさらに容易に配置することができる。
【発明の効果】
【００１８】
かかる本発明では、インジェクタから排気ガスの流れ方向に対向してターボチャージャの排出口に向かって添加剤が噴射されるため、噴射された添加剤は排気ガスの流れと衝突して微粒化される。また、ターボチャージャの排出口近傍では、排気ガスの流れは旋回流となっているため、この旋回流に添加剤が乗ることで排気ガスと良好に混合される。したがって、排気浄化用触媒に添加剤を全体に亘って略均等に供給することができ、触媒効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、実施形態に基づいて本発明について説明する。なお、図１は、一実施形態に係る排気浄化装置の概略構成を示す図であり、図２は、図１のII−II断面図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態に係る排気浄化装置１０は、複数の排気浄化用触媒と排気浄化用フィルタとを有し、これら複数の排気浄化用触媒と排気浄化用フィルタとは、車両に搭載される多気筒ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１１の排気管（排気通路）１２に介装されている。
【００２１】
エンジン１１は、シリンダヘッド１３とシリンダブロック１４とを有し、シリンダブロック１４の各シリンダボア１５内には、ピストン１６が往復移動自在に収容されている。そして、このピストン１６とシリンダボア１５とシリンダヘッド１３とで燃焼室１７が形成されている。なお、ピストン１６は、コンロッド１８を介してクランクシャフト１９に接続されており、ピストン１６の往復運動によってクランクシャフト１９が回転するようになっている。
【００２２】
またシリンダヘッド１３には吸気ポート２０が形成され、この吸気ポート２０には吸気マニホールド２１を含む吸気管（吸気通路）２２が接続されている。また、吸気ポート２０には、吸気弁２３が設けられておりこの吸気弁２３によって吸気ポート２０が開閉されるようになっている。また、シリンダヘッド１３には、排気ポート２４が形成され、この排気ポート２４には、排気マニホールド２５を含む排気管（排気通路）１２が接続されている。なお、排気ポート２４には排気弁２６が設けられており、吸気ポート２０と同様に、排気ポート２４はこの排気弁２６によって開閉されるようになっている。そして、これら吸気管２２及び排気管１２の途中には、ターボチャージャ２７が設けられ、排気管１２のターボチャージャ２７の下流側には、本実施形態に係る排気浄化装置１０を構成する排気浄化用触媒及び排気浄化用フィルタが介装されている。
【００２３】
なお、ターボチャージャ２７は、タービン２８と、コンプレッサ２９とを有し、これらタービン２８とコンプレッサ２９とがタービン軸３０によって連結されてなる。エンジン１１からターボチャージャ２７内に排気ガスが流れ込むと、排気ガスの流れによってタービン２８が回転し、このタービン２８の回転に伴ってコンプレッサ２９が回転して吸気管２２ａからターボチャージャ２７内に空気を吸い込んで加圧する（図２参照）。また、ターボチャージャ２７で加圧された空気は、吸気管２２ｂを介してエンジン１１の各吸気ポート２０に供給される。
【００２４】
なお、シリンダヘッド１３には、各気筒の燃焼室１７内に燃料を直噴射する電子制御式の燃料噴射弁３１が設けられており、この燃料噴射弁３１には、図示しないコモンレールから所定の燃圧に制御された高圧燃料が供給されるようになっている。
【００２５】
ここで、本実施形態では、ターボチャージャ２７の下流側の排気管１２に、排気浄化用触媒であるディーゼル酸化触媒（以下、単に酸化触媒と称する）３２及びＮＯｘ吸蔵触媒３３と、排気浄化用フィルタであるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter：以下、ＤＰＦと称する）３４とが上流側から順に配されている。また、詳しくは後述するが、ターボチャージャ２７と酸化触媒３２との間の排気管１２ａには、還元剤（添加剤）である燃料（軽油）を排気管１２ａ内に噴射するインジェクタ３５が設けられている。
【００２６】
酸化触媒３２は、例えば、セラミックス材料で形成されたハニカム構造の担体に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属が担持されてなる。酸化触媒３２では、排気ガスが流入すると、排気ガス中の一酸化炭素（ＮＯ）が酸化されて二酸化窒素（ＮＯ2）が生成される。また、酸化触媒３２における酸化反応が起こるには、酸化触媒３２が所定温度以上に加熱されている必要があるため、酸化触媒３２は可及的にエンジン１１に近い位置に配されていることが好ましい。酸化触媒３２がエンジン１１の熱によって加熱され、エンジン始動時等であっても、比較的短時間で酸化触媒３２を所定温度以上に加熱することができるからである。
【００２７】
ＮＯｘ吸蔵触媒３３は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなるハニカム構造の担体に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属が担持されると共に、吸蔵剤としてバリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属、あるいはアルカリ土類金属が担持されてなる。そして、ＮＯｘ吸蔵触媒３３では、酸化雰囲気においてＮＯｘ、すなわち、酸化触媒３２で生成されたＮＯ2、また酸化触媒３２で酸化されずに排気ガス中に残存するＮＯを一旦吸蔵し、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等を含む還元雰囲気中において、ＮＯｘを放出して窒素（Ｎ2）等に還元する。
【００２８】
なお、酸化触媒３２で生成されたＮＯ2の多くはＮＯｘ吸蔵触媒３３によって吸着・分解（還元）され、吸着・分解（還元）されなかった残りのＮＯ2はＤＰＦ３４での反応により浄化されるようになっている。
【００２９】
通常、エンジン１１から排出される排気ガスの大部分はＮＯが占めておりＨＣの量は極めて少ないため、ＮＯｘ吸蔵触媒３３内が酸化雰囲気となり、ＮＯｘ吸蔵触媒３３ではＮＯｘが吸着されるのみで吸着されたＮＯｘが分解（還元）されることはない。このため、ＮＯｘ吸蔵触媒３３に所定量のＮＯｘが吸着されると、ターボチャージャ２７と酸化触媒３２との間の排気管１２ａに固定されたインジェクタ３５から還元剤である燃料（軽油）が噴射されるようになっている。これにより、燃料が混合された排気ガスが酸化触媒３２を通過してＮＯｘ吸蔵触媒３３に供給され、ＮＯｘ吸蔵触媒３３内が還元雰囲気となり、吸着されたＮＯｘが分解（還元）される。
【００３０】
ここで、本発明では、図２に示すように、インジェクタ３５は、先端のノズル３６がターボチャージャ２７の排出口３７に対向するように排気管１２ａに固定されている。すなわち、インジェクタ３５は、排気ガスの流れ方向に対向し且つターボチャージャ２７の排出口３７に向かって、ノズル３６から燃料（還元剤）を噴射する。これにより、インジェクタ３５から噴射される燃料は、排気管（排気通路）１２内で十分に霧化され、排気ガス中に均等に混合されて酸化触媒３２、ＮＯｘ吸蔵触媒３３等に供給される。
【００３１】
例えば、本実施形態では、酸化触媒３２がターボチャージャ２７の直下に近接して設けられており、またこれらターボチャージャ２７と酸化触媒３２との間の排気管１２ａは略Ｌ字状に湾曲した湾曲管で構成されている。さらに、本実施形態では、この湾曲管で構成される排気管１２ａは、下流側ほど内径が漸大するコーン部となっている。そして、インジェクタ３５は、その先端のノズル３６がターボチャージャ２７の排出口３７に対向するように、この湾曲したコーン部である排気管１２ａの外径側に固定されている。
【００３２】
このような構成では、インジェクタ３５から噴射された燃料（還元剤）が、排気ガスの流れに衝突することで微細化、すなわち霧化される。またターボチャージャ２７の排出口３７から排出される排気ガスの流れは、図２に点線で示すように、排気管１２の外周部に沿った旋回流となり、霧化された燃料が排出口３７近傍でこの旋回流に乗ることで、燃料がより均等に排気ガスに混合される。したがって、このような本実施形態の構成では、酸化触媒３２、ＮＯｘ吸蔵触媒３３等の排気浄化用触媒に燃料が均等に混合された排気ガスが供給されるため、触媒全体を有効利用して触媒効率を向上することができる。
【００３３】
なお、燃料が均等に混合されていない排気ガスが、例えば、酸化触媒３２に供給された場合、燃料の濃度が高い部分でＮＯ2の生成量が低下し、全体として所望量のＮＯ2が生成されない虞がある。また、燃料が均等に混合されていない排気ガスが、例えば、ＮＯｘ吸蔵触媒３３に供給された場合には、燃料の濃度の低い部分で、吸着されたＮＯｘが十分に還元されない虞がある。
【００３４】
また、燃料を排気ガスと良好に混合するためには、インジェクタ３５のノズル３６は、排出口３７の中央部に向かって開口していることが好ましい。すなわち、ノズル３６から排出口３７の中央部に向かって燃料が噴射されるようになっていることが好ましい。特に、ノズル３６から燃料が線状に噴射されるようになっていることが望ましい。上述のように、ターボチャージャ２７の排出口３７から排出される排気ガスの流れは旋回流となっている。このため、排出口３７の中央部に向かって線状に燃料を噴射すると、インジェクタ３５から噴射される燃料の飛距離が伸び、排出口３７により近い位置で燃料が旋回流に乗るようになるため、燃料が排気ガスにさらに良好に混合される。
【００３５】
また、ＤＰＦ３４は、例えば、セラミックス材料で形成されたハニカム構造のフィルタであり、ＤＰＦ３４内には、上流側端部が開放され下流側端部が閉塞された排気ガス通路３８と下流側端部が開放され上流側端部が閉塞された排気ガス通路３９とが交互に配列されている。そして、排気ガスは、まず上流側端部が開放された排気ガス通路３８に流入し、隣接する排気ガス通路３９との間に設けられた多孔質の壁面から下流側端部が開放された排気ガス通路３９に流入して下流側に流出し、この過程において排気ガス中の微粒子状物質（ＰＭ）が、壁面に衝突したり吸着されたりして捕捉される。
【００３６】
また、捕捉されたＰＭは、排気ガス中のＮＯ2によって酸化（燃焼）されＣＯ2として排出され、またＤＰＦ３４内に残存するＮＯ2はＮ2に分解されて排出されるようになっている。すなわち、ＤＰＦ３４では、排気ガスを浄化して、ＰＭ及びＮＯｘの排出量を大幅に低減できるようになっている。また、ＰＭが燃焼されることで、ＤＰＦ３４の性能がある程度再生される。
【００３７】
ここで、通常は、上述したようにＮＯｘはＮＯｘ吸蔵触媒３３で吸着されるため、ＤＰＦ３４に供給される排気ガス中のＮＯ2の量は少なく、ＤＰＦ３４にはＰＭが徐々に堆積されていく。そして、ＤＰＦ３４に所定量のＰＭが堆積すると、排気管１２ａに固定されているインジェクタ３５から所定量の燃料が噴射されるようになっている。上述したように排気ガスに燃料が混合されると、ＮＯｘ吸蔵触媒３３では吸着されたＮＯｘが還元されるため、排気ガスに含まれているＮＯｘ（ＮＯ2）はＮＯｘ吸蔵触媒３３で吸着されずにＤＰＦ３４に供給される。これにより、ＤＰＦ３４におけるＰＭの燃焼が促進されるようになっている。
【００３８】
なお、これら酸化触媒３２、ＮＯｘ吸蔵触媒３３及びＤＰＦ３４の上流側近傍及びＤＰＦ３４の下流側近傍には、それぞれ排気温センサ４０が設けられており、これら複数の排気温センサ４０によって、酸化触媒３２、ＮＯｘ吸蔵触媒３３及びＤＰＦ３４に流入する排気ガスの温度と、酸化触媒３２、ＮＯｘ吸蔵触媒３３及びＤＰＦ３４から排出される排気ガスの温度を検出している。さらに、酸化触媒３２及びＤＰＦ３４の上流側近傍には、排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサ４１が設けられている。また、車両には、図示しないが電子制御ユニット（ＥＣＵ）が設けられており、このＥＣＵには、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。そして、このＥＣＵが、上記各センサからの情報に基づいて、エンジン１１及び排気浄化装置１０の総合的な制御を行っている。
【００３９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、排気浄化装置１０として、排気管（排気通路）１２に、排気浄化用触媒である酸化触媒３２及びＮＯｘ吸蔵触媒３３と、排気浄化用フィルタであるとＤＰＦ３４とを、上流側から酸化触媒３２、ＮＯｘ吸蔵触媒３３、ＤＰＦ３４の順で配置した例を挙げたが、これら排気浄化用触媒及び排気浄化用フィルタの配置及び種類は特に限定されるものではない。例えば、図３（ａ）に示すように、ターボチャージャ２７の下流側の排気管１２に、ＮＯｘ吸蔵触媒３３、酸化触媒３２、ＤＰＦ３４の順で配置するようにしてもよい。また、例えば、図３（ｂ）に示すように、ターボチャージャ２７の下流側の排気管１２に、酸化触媒３２を設けずに、ＮＯｘ吸蔵触媒３３とＤＰＦ３４とを順に配置するようにしてもよい。また、例えば、図３（ｃ）に示すように、排気浄化用触媒を設けずに、触媒機能を有するＤＰＦ３４Ａのみを設けた構成としてもよい。すなわち、排気浄化用触媒を兼ねる排気浄化用フィルタであるＤＰＦ３４Ａのみを設けた構成としてもよい。何れにしても、ターボチャージャ２７の下流側に燃料等の還元剤を噴射するインジェクタを有する構成であれば、本発明を採用することができる。
【００４０】
また、本実施形態では、ＮＯｘを分解（還元）する排気浄化用触媒として、燃料（軽油）を還元剤としてＮＯｘを分解（還元）するＮＯｘ吸蔵触媒（ＮＴＣ）を例示したが、これに限定されず、例えば、排気ガス中のＮＯｘを選択的に触媒に吸着させ、アンモニアあるいは尿素を還元剤としてＮＯｘを分解（還元）する、いわゆる尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）等であってもよい。この場合、インジェクタからアンモニア又は尿素を噴射することになる。
【００４１】
また、上述した実施形態では、添加剤を還元剤としたが、還元作用を目的としたものに限らず、噴射した燃料を燃焼させて触媒を昇温させるものでも同様の効果が得られる。
【００４２】
さらに、ターボチャージャの上流側の排気通路の構成は特に限定されず、例えば、ターボチャージャよりも上流側の排気通路に、吸気通路と接続して排気ガスの一部を吸気として利用可能とする、いわゆるＥＧＲ装置を設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の一部を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る排気浄化装置の変形例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  排気浄化装置
１１  エンジン
１２  排気管
２７  ターボチャージャ
３２  ディーゼル酸化触媒
３３  ＮＯｘ吸蔵触媒
３５  インジェクタ
３６  ノズル
３７  排出口
【図１】
2008128046.tif 000003
【図２】
2008128046.tif 000004
【図３】
2008128046.tif 000005