(57)【要約】【課題】選択還元型ＮＯｘ触媒の熱害を回避する内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関(8)からの排気が導入される筐体(22)と、筐体内にそれぞれ収容され、排気中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタ(34)、及びフィルタの下流側に配置されて還元剤の添加によって排気中のＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒(48)と、筐体内に形成され、フィルタとＮＯｘ触媒とを接続し、フィルタからの排気流れをＮＯｘ触媒に向けて折り返させる通路(36)と、通路内の排気を冷却する冷却手段(37,40,41,43,44,46)とを具備する。【選択図】図３
2007270643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気が導入される筐体と、
該筐体内にそれぞれ収容され、排気中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタ、及び該フィルタの下流側に配置されて還元剤の添加によって排気中のＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記筐体内に形成され、前記フィルタと前記ＮＯｘ触媒とを接続し、前記フィルタからの排気流れを前記ＮＯｘ触媒に向けて折り返させる通路と、
該通路内の排気を冷却する冷却手段と
を具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記冷却手段は、前記通路を囲繞するケーシングを備え、
前記ケーシングにそれぞれ開口された外気導入口及び外気導出口と、前記外気導入口及び外気導出口を開閉可能な開閉ユニットとを含むことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記通路は、前記ＮＯｘ触媒の入口側の排気温度を検出する温度検出手段を有し、
前記開閉ユニットは、前記排気温度に基づいてその開度が調整されており、該排気温度が前記ＮＯｘ触媒を効果的に機能させる所定の温度範囲から脱し得る場合には、前記外気導入口の開口面積を調整し、前記ＮＯｘ触媒内に流入される排気の温度を前記温度範囲内に維持することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記冷却手段は、前記ケーシングにそれぞれ開口された外気導入口及び外気導出口と、前記外気導入口と前記通路との間に配置された送風ユニットとを含み、
前記通路は、前記ＮＯｘ触媒の入口側の排気温度を検出する温度検出手段を有し、
前記送風ユニットは、前記排気温度に基づいてその送風力が調整されており、該排気温度が前記ＮＯｘ触媒を効果的に機能させる所定の温度範囲から脱し得る場合には、前記送風力を調整し、前記ＮＯｘ触媒内に流入される排気の温度を前記温度範囲内に維持することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記冷却手段は、前記ケーシングにそれぞれ開口された外気導入口及び外気導出口と、前記通路に介挿され、該通路内の排気と前記外気との間で熱交換を行う熱交換ユニットとを含むことを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記通路を囲繞するケーシングは、前記筺体の車両側方部に配設されたことを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、還元剤の添加によって排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化させる触媒と、排気中のパティキュレート（ＰＭ）を捕集するパティキュレートフィルタとを備えた排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の内燃機関、例えばディーゼル機関ではリーン空燃比での燃焼が行われる。そして、燃料は、気筒内の圧縮空気に向けて噴射され、自発火によって燃焼するため、ＮＯｘの発生が顕著になる。そこで、このＮＯｘから酸素（Ｏ２）を奪って窒素（Ｎ２）に還元する技術が知られている。
この種の技術の一例としては、尿素を還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）がある。具体的には、排気にユリア水（尿素水）を添加すると、尿素がアンモニア（ＮＨ３）に変化する。次いで、ＳＣＲ触媒内ではこのＮＨ３と排気中のＮＯｘとが結びついて水とＮ２とに分解され、ＮＯｘが浄化される。
【０００３】
一方、このディーゼル機関では、上述した燃焼が行われるが故に排気中に含まれるＰＭの浄化も要求される。このＰＭについてはパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）にて捕集される。そして、捕集されたＰＭは、ＤＰＦの強制再生、つまり、ＤＰＦの昇温によって強制的に焼却されて浄化される。しかし、このＰＭの燃焼に伴って高温の排気が発生するため、この高温の排気をＤＰＦから外部に排出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−１３９５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したＳＣＲ触媒或いはＤＰＦのいずれか一方を備えたシステムでは、厳格な排気規制への対応が困難になり得る。そこで、近年、これらＳＣＲ触媒とＤＰＦとを組み合わせた排気浄化装置がある。詳しくは、ＳＣＲ触媒がＤＰＦの下流側に配置され、これらＳＣＲ触媒及びＤＰＦが１つの筐体内に収容されている。
しかしながら、上記従来の技術の如くＰＭの燃焼に伴う高温の排気がＤＰＦから排出されると、この高温の排気がＳＣＲ触媒にそのまま流入され、ＳＣＲ触媒の熱害を招くとの問題がある。このように、高温の排気がＳＣＲ触媒にそのまま流入される点については何等かの措置が必要になるが、上記従来の技術では格別な配慮がなされていない。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、選択還元型ＮＯｘ触媒の熱害を回避する内燃機関の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】
【０００６】
上記の目的を達成すべく、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関からの排気が導入される筐体と、筐体内にそれぞれ収容され、排気中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタ、及びフィルタの下流側に配置されて還元剤の添加によって排気中のＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒と、筐体内に形成され、フィルタとＮＯｘ触媒とを接続し、フィルタからの排気流れをＮＯｘ触媒に向けて折り返させる通路と、通路内の排気を冷却する冷却手段とを具備することを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２記載の発明では、冷却手段は、通路を囲繞するケーシングを備え、ケーシングにそれぞれ開口された外気導入口及び外気導出口と、外気導入口および外気導出口を開閉可能な開閉ユニットとを含むことを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、通路は、ＮＯｘ触媒の入口側の排気温度を検出する温度検出手段を有し、開閉ユニットは、排気温度に基づいてその開度が調整されており、排気温度がＮＯｘ触媒を効果的に機能させる所定の温度範囲から脱し得る場合には、外気導入口の開口面積を調整し、ＮＯｘ触媒内に流入される排気の温度を温度範囲内に維持することを特徴としている。
【０００８】
更に、請求項４記載の発明では、冷却手段は、ケーシングにそれぞれ開口された外気導入口及び外気導出口と、外気導入口と通路との間に配置された送風ユニットとを含み、通路は、ＮＯｘ触媒の入口側の排気温度を検出する温度検出手段を有し、送風ユニットは、排気温度に基づいてその送風力が調整されており、排気温度がＮＯｘ触媒を効果的に機能させる所定の温度範囲から脱し得る場合には、送風力を調整し、ＮＯｘ触媒内に流入される排気の温度を温度範囲内に維持することを特徴としている。
【０００９】
また、請求項５記載の発明では、冷却手段は、ケーシングにそれぞれ開口された外気導入口及び外気導出口と、通路に介挿され、通路内の排気と外気との間で熱交換を行う熱交換ユニットとを含むことを特徴としている。
また、請求項６記載の発明では、通路を囲繞するケーシングが、前記筺体の車両側方部に配設されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
従って、請求項１記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、フィルタからの排気流れは、通路内を通って選択還元型ＮＯｘ触媒に向けて折り返されるが、この通路内の排気が冷却手段によって冷却されている。よって、この通路内にはフィルタの強制再生時に伴う高温の排気が流れても、この排気は冷却されることから、フィルタの下流側に位置するＮＯｘ触媒には高温の排気が流入されない。この結果、ＮＯｘ触媒の熱害が回避され、その性能劣化の防止が図られる。
【００１１】
また、請求項２，４，５記載の発明によれば、通路内の排気は、ケーシング内に導入された外気や更に加圧された外気によって冷却されるので、ＮＯｘ触媒には高温の排気が流入されない。よって、ＮＯｘ触媒の熱害が回避される。
更に、請求項３，４記載の発明によれば、ＮＯｘ触媒の入口側の排気温度が監視されており、ＮＯｘ触媒内に流入される排気の温度がこの触媒を効果的に機能させる所定の温度範囲内に維持されている。よって、ＮＯｘ触媒の性能劣化が防止されるし、また、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化性能がより一層向上する。
【００１２】
また、請求項６記載の発明によれば、ケーシングが走行風を受けやすい車両側方に配設されるので、排気を外気によって効果的に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面により本発明の実施形態について説明する。本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、図１に示されたトラック２に搭載されている。
同図に示されるように、当該トラック２にはキャブ４が備えられ、このキャブ４の下側には、はしご型のフレーム１０が後方に向けて延設されている。これらキャブ４とフレーム１０との間にはディーゼルエンジン８が配設されており、このエンジン８の上方に位置する車室内にはＥＣＵ（電子コントロールユニット）６が備えられている。
【００１４】
また、このエンジン８の後側、詳しくはキャブ４の後面側であってフレーム１０の左側部分の適宜位置には排気浄化装置１２が配設されている。なお、このフレーム１０の右側部分の適宜位置にはユリア水タンク１４や燃料タンク１６が配設される。そして、上記排気浄化装置１２には配管１８を介してエンジン８からの排気が導入され、この導入された排気を浄化して配管２０を介して外部に放出する。
【００１５】
当該排気浄化装置１２は、図２に示されるように、略直方体に形成された箱型の筐体２２を備えており、この筐体２２の前側面２３には上記配管１８，２０が上下方向に連結されている（図３）。また、前側面２３の各辺には車両左側（外側）に向けて周壁上面２４、周壁下面２５、左側面２６及び右側面２７がそれぞれ配設されている。また、これら周壁上面２４、周壁下面２５、左側面２６及び右側面２７は、前側面２３とは反対側の位置にて排気対峙面２８に当接され、この排気対峙面２８は前側面２３に対峙して配置されている。
【００１６】
また、図３や図４に示されるように、筐体２２には、その内部を上下２段に区画する内壁３０が配設されており、内壁３０は、前側面２３及び排気対峙面２８、並びに左側面２６及び右側面２７にそれぞれ固定支持される長さに形成されている。そして、この内壁３０と周壁上面２４との間には、前段酸化触媒３２及びＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）３４が収容され、エンジン８からの排気の流れ方向でみてこの順に介挿されている（図３）。
【００１７】
前段酸化触媒３２では、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ２を生成しており、このＮＯ２を酸化剤としてＤＰＦ３４に供給している。ＤＰＦ３４は、排気の上流側と下流側とを連通させる複数個の通路が並設されているとともに、各通路の上流側の開口部分と下流側の開口部分とが交互に閉鎖されている。そして、このＤＰＦ３４では、排気中のパティキュレート（ＰＭ）を捕集する一方、この捕集したＰＭを前段酸化触媒３２から供給されたＮＯ２との反応によって燃焼する。
【００１８】
一方、内壁３０と周壁下面２５との間には、ＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）４８及び後段酸化触媒５０が収容され、同じく排気の流れ方向でみてこの順に介挿されている（図３）。
ＳＣＲ触媒４８は、後述するインジェクタ３８から添加された還元剤の一例としてのユリア水（尿素水）を吸着させ、尿素から変化したＮＨ３を還元剤として排気中のＮＯｘを浄化する。後段酸化触媒５０では、ＳＣＲ触媒４８においてＮＨ３が余剰になった場合にはこれを酸化させてＮ２を生成し、更に、ＤＰＦ３４においてＰＭの燃焼に伴ってＣＯが生じた場合にはこれを酸化させてＣＯ２を生成する。
【００１９】
ここで、ＤＰＦ３４の出口側とＳＣＲ触媒４８の入口側とは、折り返し通路（通路）３６にて接続されている。図３に示されるように、折り返し通路３６は排気対峙面２８に対して上下方向に沿って配設されており、この折り返し通路３６は、ＤＰＦ３４から車両左側に向かう排気流れを車両右側（内側）に向けて折り返し、ＳＣＲ触媒４８に向かわせている。
【００２０】
また、折り返し通路３６には熱交換ユニット（冷却手段）３７が介挿されており、この通路３６の内側を通る排気と通路３６の外側を通る外気との間で熱交換を行っている。なお、図の熱交換ユニット３７は一例として放熱フィンを有している。更に、図３に示される如く、折り返し通路３６において、この熱交換ユニット３７の下流側の適宜位置には、上記インジェクタ３８が配設され、このインジェクタ３８はユリア水タンク１４に接続されている。更にまた、この折り返し通路３６において、ＳＣＲ触媒４８の上流側の適宜位置には、排気温度センサ（温度検出手段）３９が配設されており、ＳＣＲ触媒４８の入口側の排気温度Ｔを検出している。なお、インジェクタ３８及び排気温度センサ３９はＥＣＵ６に電気的にそれぞれ接続されている。
【００２１】
ところで、本実施形態の車両側方に位置する折り返し通路３６は、略直方体に形成された箱型のケーシング４０にて上下方向に亘って囲繞されている。具体的には、このケーシング（冷却手段）４０は、熱交換ユニット３７、インジェクタ３８及び排気温度センサ３９を覆い、更に、車両前後方向にそれぞれ開口を有して延設されている。そして、図４に示されるように、車両前側には外気導入口（冷却手段）４１が形成され、車両後側には外気導出口（冷却手段）４３が形成されている。これら外気導入口４１と外気導出口４３との間には外気通路４２が形成されており、この外気通路４２内に折り返し通路３６が配置されている。
【００２２】
また、外気導入口４１には、この外気導入口４１を開閉可能な導入口開閉ユニット（冷却手段）４４が配設されており、導入口開閉ユニット４４の一例としては、ケーシング４０の開口周縁部分に枢支される扉を有している。なお、導入口開閉ユニット４４はモータ４５を含み、このモータ４５はＥＣＵ６に電気的に接続されている（図４）。
更に、ケーシング４０内において、外気導入口４１と折り返し通路３６との間には、外気通路４２内の空気に圧力を加えて熱交換ユニット３７に向けて送り出す送風ユニット（冷却手段）４６が配設されている。送風ユニット４６の一例としては、電動ファンを有している。なお、送風ユニット４６はモータ４７を含み、このモータ４７はケーシング４０の周壁に配置されて電動ファンを駆動する。このモータ４７もまたＥＣＵ６に電気的に接続されている。
【００２３】
このように、ＥＣＵ６の入力側には、排気温度センサ３９が接続される一方、ＥＣＵ６の出力側には、インジェクタ３８やモータ４５，４７が接続されている。そして、ＥＣＵ６では、排気温度センサ３９からの信号に基づいてＳＣＲ触媒４８を効果的に機能させるべく、ＤＰＦ３４からの排気温度のフィードバック制御を実施している。
具体的には、ＥＣＵ６は、図３や図４に示されるように、開度制御部６２及び速度制御部６４を備えている。この開度制御部６２では、折り返し通路３６内の排気温度Ｔに基づいて導入口開閉ユニット４４を駆動させ、外気導入口４１の開口面積Ｓを調整している。一方、速度制御部６４では、折り返し通路３６内の排気温度Ｔに基づいて送風ユニット４６を駆動させ、外気通路４２内の送風力、つまり、電動ファンの回転速度Ｎを調整している。
【００２４】
図５を参照すると、ＥＣＵ６による排気温度制御のフローチャートが示されている。以下、上記の如く構成された排気浄化装置の本発明に係る作用について説明する。
同図のステップＳ５０１では、ＤＰＦ３４の強制再生時であるか否かが判別され、この強制再生時である場合、すなわち、ＹＥＳと判定されたときにはステップＳ５０２に進み、排気温度センサ３９にてＳＣＲ触媒４８の入口側の排気温度Ｔを検出してステップＳ５０３に進む。
【００２５】
このステップＳ５０３では、トラック２が走行中であるか否かが判別され、ケーシング４０内に走行風を導入可能な所定の車両速度に達している場合、すなわち、ＹＥＳと判定されたときにはステップＳ５０４に進み、開度制御部６２がモータ４５を介して導入口開閉ユニット４４に駆動信号を出力し、外気導入口４１の開口面積Ｓを調整する。
一方、ステップＳ５０３にて上記所定の車両速度に達していないと判定されたときには、停車中であると擬制してステップＳ５０５に進み、速度制御部６４がモータ４７を介して送風ユニット４６に駆動信号を出力し、電動ファンの回転速度Ｎを調整する。
【００２６】
このように、外気導入口４１の開口面積Ｓ或いは電動ファンの回転速度Ｎの調整によって熱交換ユニット３７では折り返し通路３６内の排気を冷却するが、上記排気温度Ｔは逐次モニタされており、この排気温度Ｔのフィードバック制御を実施してＳＣＲ触媒４８を効果的に機能する所定の温度範囲内に維持している。
詳しくは、ステップＳ５０６では、排気温度Ｔが、ＳＣＲ触媒４８が効果的に機能する所定の温度範囲内にあるか否かが判別され、排気温度Ｔが下限温度Ｌ（例えば約２００℃）から上限温度Ｈ（例えば約５００℃）までの間に納まっている場合、すなわち、ＹＥＳと判定されたときには一連のルーチンを抜ける。
【００２７】
しかし、この排気温度Ｔが下限温度Ｌを下回っている場合には、ステップＳ５０３に戻り、走行中（ステップＳ５０４）の場合には外気導入口４１の開口面積Ｓを小さくし、停車中（ステップＳ５０５）の場合には電動ファンの回転速度Ｎを小さくする。これに対し、排気温度Ｔが上限温度Ｈを超えている場合には、ステップＳ５０３に戻り、走行中の場合（ステップＳ５０４）には外気導入口４１の開口面積Ｓを大きくし、停車中（ステップＳ５０５）の場合には電動ファンの回転速度Ｎを大きくする。
【００２８】
以上のように、本発明によれば、ＤＰＦ３４からの排気流れは、折り返し通路３６内を通ってＳＣＲ触媒４８に向けて折り返されるが、この通路３６内の排気が熱交換ユニット３７、外気導入口４１や外気導出口４３、導入口開閉ユニット４４及び送風ユニット４６の各種冷却手段によって冷却されている。従って、この通路３６内にはＤＰＦ３４の強制再生時におけるＰＭの燃焼に伴う高温の排気（例えば約６００℃）が流れても、この排気は冷却されることから、ＤＰＦ３４の下流側に位置するＳＣＲ触媒４８にはこの高温の排気が流入されない。この結果、ＳＣＲ触媒４８の熱害が回避され、その性能劣化の防止が図られる。
【００２９】
また、折り返し通路３６内の排気は、特にトラック２の走行時にはケーシング４０内に導入された外気によって冷却され、停車時には更に加圧された外気によって冷却されるので、ＳＣＲ触媒４８には高温の排気が流入されない。よって、ＮＯｘ触媒の熱害が回避される。
更に、ＳＣＲ触媒４８の入口側の排気温度Ｔが監視されており、ＳＣＲ触媒４８内に流入される排気の温度がこの触媒４８を効果的に機能させる所定の温度範囲内（例えば約２００℃〜５００℃）に維持されている。よって、高温の排気に曝されないので、ＳＣＲ触媒４８の性能劣化が防止されるし、また、ＳＣＲ触媒４８内の温度が低温にならないので、ＳＣＲ触媒４８によるＮＯｘ浄化性能がより一層向上する。
【００３０】
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記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種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、ＤＰＦ３４とＳＣＲ触媒４８とを上下方向に配置した筐体２２について説明されているが、本発明は、ＤＰＦ３４とＳＣＲ触媒４８とを水平方向に配置した筐体にも適用可能であり、この場合にもＳＣＲ触媒４８の熱害が回避されるとの効果を奏する。
【００３１】
また、上述した外気導入口４１の開口面積Ｓの調整と、電動ファンの回転速度Ｎの調整とは同時に行われても良い。
更に、上記実施形態ではディーゼルエンジンに適用された排気浄化装置について説明されているが、必ずしもこのエンジンに限定されるものではなく、本発明は、ＤＰＦを備えた総てのエンジンに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を搭載した車両の概略図である。
【図２】図１の排気浄化装置の外観斜視図である。
【図３】図２のIII−III線に沿う矢視断面図である。
【図４】図２のIV−IV線に沿う矢視断面図である。
【図５】図１のＥＣＵによる排気温度制御のフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
６  ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
８  内燃機関
１２  排気浄化装置
２２  筐体
３４  ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
３６  折り返し通路（通路）
３７  熱交換ユニット（冷却手段）
３９  排気温度センサ（温度検出手段）
４０  ケーシング（冷却手段）
４１  外気導入口（冷却手段）
４３  外気導出口（冷却手段）
４４  導入口開閉ユニット（冷却手段）
４６  送風ユニット（冷却手段）
４８  ＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）
６２  開度制御部
６４  速度制御部
【図１】
2007270643.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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