JP2009156077A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、添加剤噴射弁と触媒間で混合に必要な距離が確保されなくとも、十分に添加剤と排気ガスとを混合させることが可能な内燃機関の排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、屈曲部１５ａから触媒５までの間の排気管部分に絞り部３０を設け、この絞り部３０の上流側に、触媒５へ添加剤を供給する添加剤噴射弁２３を設けた。同構成により、添加剤噴射弁２３から噴射された添加剤は、屈曲部１５ａと絞り部３０との間で生じる排気ガスの乱流により、排気ガスと急速に混合させられる。添加剤は、排気ガスが絞り部３０を通過するときや、排気ガスが絞り部３０から拡散しながら噴出するときにも排気ガスと混合させられるから、触媒５へ供給される前に、排気ガスと十分に混合される。
【選択図】図１

Description

本発明は、触媒に供給される添加剤の噴射を行う構造をもつ内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン車（車両）の排気ガスの浄化には、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）やＰＭ（パティキュレートマター）の大気への放出を防ぐために、ＮＯｘトラップ触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒やディーゼルパティキュレートフィルタなどを組み合わせた排気ガス浄化装置が用いられる。
こうした排気ガス浄化装置には、エンジンから排気された排気ガスを外部へ排気する排気管部内に、前段触媒と呼ばれる、酸化触媒やＮＯｘトラップ触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒などの触媒を設け、触媒の上流側、例えば酸化触媒の上流に、該触媒の反応に求められる燃料を噴射する燃料添加弁（還元剤を添加するもの）などを設けた構造が採用される。

このような排気ガス浄化装置において、前段触媒を効率よく反応させるためには、前段触媒へ燃料が流入する前に、噴射された燃料と排気ガスとを十分に混合させることが重要である。
このためには、燃料添加弁から触媒までの区間において、十分な燃料の飛翔距離を確保することが求められる。

しかし、最近のようにエンジンの冷態時の浄化効率を高めるため、エンジンの排気側の近くに触媒を配置するようになると、十分な燃料の混合をもたらす飛翔距離が確保し難い。
具体的には、エンジンの排気側の近くに触媒を配置する場合、エンジンルームを考慮して、特許文献１に開示されているようにエンジン本体の排気直後に屈曲部を形成し、屈曲部の直下流に、触媒を収める領域を確保し、この領域に触媒を収めるという工夫を採用しないと、限られたエンジンルームでは、できるだけエンジン本体に近付けて触媒を配置するのは難しい。燃料添加弁は、この触媒の上流に設置するため、多くは、特許文献１のように屈曲部から触媒へ燃料を噴射することが余儀なくされる。

このため、エンジンの近くに触媒を配置する排気ガス浄化装置だと、レイアウト上、燃料添加弁と触媒との間で、燃料と排気ガスとを十分に混合させる距離を確保するのは難い。
その対策として、特許文献２に開示されているような排気管部から離れた地点に燃料添加弁を配置して、遠ざけた地点から触媒へ燃料を噴射させる構造が提案されている。
特開２００５−１２７２６０号公報 特開２００４− ４４４８３号公報

しかし、排気管部から遠ざけて燃料添加弁を据付け、燃料添加弁と触媒との間の距離を稼ぐためには、かなり遠くまで延びる燃料噴射路（噴射燃料が通過する通路）が必要になる。このため、エンジンルームやエンジン本体の周囲の制約などから、十分な距離を確保するのは難しい。しかも、同燃料噴射路は、排気管部から退避するために、内部は澱みやすく、燃料と排気ガスとの混合が良好に行われないという問題もあり、依然、触媒に流入する前に、燃料と排気ガスとを十分に混合させることは難しい。

そこで、本発明の目的は、添加剤噴射弁と触媒間で混合に必要な距離が確保されなくとも、十分に添加剤と排気ガスとを混合させることを可能にした内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、屈曲部から触媒までの間の排気管部分に、絞り部を設け、この絞り部の上流側に、触媒に添加剤を供給する添加剤噴射弁を設けた。
同構成により、添加剤噴射弁から噴射される添加剤は、排気管部の屈曲部と絞り部とにより、排気ガスと急速に混合される。しかも、添加剤は、排気ガスが絞り部を通過するときや、排気ガスが絞り部から拡散しながら噴出するときにも、排気ガスと混合する機会が与えられるから、触媒へ流入する前に、添加剤と排気ガスとの混合が十分に行われる。

請求項２に記載の発明は、さらに添加剤と排気ガスとが効果的に混合されるよう、添加剤噴射弁は、触媒へ向けて噴射するように屈曲部に設け、絞り部は、添加剤噴射弁から噴射された添加剤と排気管部内の排気ガスとが衝突する位置から、下流の噴射方向延長上の排気管部分に設けて、触媒へ向かう添加剤の噴射流に、排気ガスの収縮、排気ガスの拡散というそれぞれ混合作用が十分に与えられるようにした。

請求項３に記載の発明は、簡単な構造で、添加剤と排気ガスとの混合が行われるよう、絞り部には、排気管部分の径寸法を小さく成形してなる構造を採用した。

請求項１の発明によれば、添加剤噴射弁から噴射した添加剤は、絞り部から上流において屈曲部と絞り部とにより排気ガスの流れに変化をもたらし、同変化により添加剤と排気ガスと急速に混合させる。しかも、混合は、続く絞り部を通過するときや絞り部から噴出するときにでも行われる。
それ故、添加剤は、効果的に排気ガスと混合させるだけでなく、数多く混合させる機会が確保できるから、たとえ添加剤噴射弁と触媒間で混合に必要な距離が確保されなくとも、添加剤は、触媒に流入される前に、十分に排気ガスと混合させることができる。しかも、絞り部から噴出される添加剤と排気ガスは、拡散しながら触媒へ向かうから、混合した排気ガスと還元剤を均一に触媒へ供給することができ、触媒の機能を十分に発揮させることができる。

特に、触媒を据付けるスペースを確保するため、排気管部に屈曲部を形成することが余儀なくされる排気ガス浄化装置だと、屈曲部をそのまま活用できるので、構造的な負担が少なくてすむ。
請求項２の発明によれば、さらに触媒へ向かう添加剤の噴射流に対し、排気ガスの収縮、排気ガスの拡散というそれぞれ混合作用が十分に与えられる構造となるから、一層、添加剤と排気ガスとを効果的に混合させることができる。

請求項３の発明によれば、さらに簡単な構造で、添加剤と排気ガスとを十分に混合させることができる。

以下、本発明を図１および図２に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１は内燃機関、例えばディーゼルエンジンの排気系を示し、図２は要部の断面図を示している。
図中１は、ディーゼルエンジンのエンジン本体、１ａは同エンジン本体１のエキゾーストマニホールド（一部しか図示せず）、２はそのエキゾーストマニホールド１ａの出口に接続されたターボチャージャを示す。

ターボチャージャ２の排気出口には、排気ガス浄化装置３が設けられている。この排気ガス浄化装置３には、例えば、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵し、定期的に吸蔵したＮＯｘを還元除去するＮＯｘ除去系３ａと、ＰＭ（パティキュレートマター）を捕集するＰＭ捕集系３ｂとを組み合わせた装置が用いられている。
例えば、ＮＯｘ除去系３ａには、ターボチャージャ１ａの排気出口から、下方へ向うように連結された、前段触媒となる酸化触媒５（本願の触媒に相当）が内蔵された触媒コンバータ６と、同触媒コンバータ６の後に横方向に連結された、ＮＯｘトラップ触媒８が内蔵された触媒コンバータ９と、後述する酸化触媒５へ触媒反応用の燃料（添加剤）を供給する燃料添加弁２３（本願の添加剤噴射弁に相当）とを組み合わせた構成が用いられている。また捕集系３ｂには、触媒コンバータ９に、パティキュレートフィルタ１１が内蔵された触媒コンバータ１２を連結した構成が用いられている。これらの触媒コンバータ６，９，１２や同コンバータ間をつなぐ接続部１３などから、ディーゼルエンジン（エンジン本体１）から排気された排気ガスを外部へ導く排気管部１５を構成している。

このうち触媒コンバータ６の酸化触媒５を収容している縦筒形のハウジング１７は、例えば上部側がほぼＬ形に成形されていて、上側のターボチャージャ２と接続される入口部１７ａを横向きに配置させている。なお、下側の触媒コンバータ９と連通する出口部１７ｂは、下向きの配置となっている。このハウジング１７により、排気管部１５のうちのディーゼルエンジンの排気側の直後となる地点に、ほぼＬ形に屈曲した屈曲部１５ａを形成して、屈曲部１５ａの下方に触媒据付用スペースを確保している。これで、制約の有るエンジンルーム内に対して、エンジン本体１と触媒コンバータ６とが収まる構造にしている。酸化触媒５は、確保された屈曲部１５ａの直下の地点（ディーゼルエンジンの排気側に近い地点）に収めてある。

燃料添加弁２３は、この酸化触媒５へ、触媒反応に求められる燃料の噴射を果たすために、酸化触媒５の直上の地点、例えば屈曲部１５ａの外周側部近傍に設けられている。この燃料添加弁２３は、燃料を噴射する燃料噴射部を先端部にもつ。屈曲部１５ａの出口側からは、図２にも示されるように屈曲部１５ａから離れる方向、すなわち外側へ延びる筒形部２４が分岐されている。燃料添加弁２３は、この筒形部２４の先端部に、取付フランジ２４ａおよび台座２５を用いて設置されている。これにより、燃料添加弁２３の先端部の燃料噴射部を、筒形部２４の内部空間で形成される燃料噴射路２４ｂに臨ませている。燃料噴射路２４ｂは、屈曲部１５ａの曲がり方向とは反対側へ傾いていて、燃料噴射路全体を、下流の拡張部で形成される混合室１７ｃや酸化触媒５の入口端面へ向けている。これで、燃料添加弁２３から燃料が、酸化触媒５（触媒）へ向けて噴射されるようにしている。なお、台座２５の内部には、燃料添加弁２３を熱から保護するために冷却水路２５ａが形成してある（図２のみ図示）。

燃料添加弁２３から噴射される燃料は、酸化触媒５の反応により還元剤を生成し、この還元剤でＮＯＸトラップ触媒８に吸蔵されたＮＯｘ及びＳＯｘを還元除去したり、同じく酸化触媒５の反応で得た熱により、パティキュレートフィルタ１１で捕集したＰＭを燃焼除去したりするのに用いるものである。そのため、燃料添加弁２３は、ディーゼルエンジンを制御する制御部、例えばＥＣＵ（図示しない）によって、ディーゼルエンジンの運転中、ＮＯｘ及びＳＯｘの還元除去、ＰＭの燃焼除去といった、触媒反応が求められるときに燃料が噴射されるようになっている。

一方、屈曲部１５ａの出口側から酸化触媒５までの間の排気管部分、具体的には燃料添加弁２３から噴射された燃料と排気ガスとが衝突する位置Ｘから下流の噴射方向延長上の排気管部分には、絞り部３０が設けられている。絞り部３０は、例えば同地点の排気管部分の径寸法を他の部分より小さく成形して形成してある。この絞り部３０により、絞り部３０の上流側には、排気ガスの乱流を生じさせる部分が形成される。すなわち、乱流は、屈曲部１５ａの出口側が絞り部３０により制限されることで、屈曲部１５ａへ導入される排気ガスのうち、屈曲部１５ａの壁面と衝突した排気ガス流が出口側とは異なる方向へ流れ、絞り部３０の上流で、複雑に乱れた流れとなることで発生する。つまり、乱流は、屈曲部１５ａをトリガーとし、絞り部３０を増大部とした双方の協同により、屈曲部１５ａと絞り部３０との間に生じる。この絞り部３０により、噴射された燃料と排気ガスは、乱流により、混合する機会が与えられるだけでなく、燃料と排気ガスとが絞り部３０を通過するときや、燃料と排気ガスとが絞り部３０から拡散しながら噴出するときにも混合する機会が与えられるようにしている。特に燃料の噴射方向延長上に絞り部３０が形成されることによって、燃料の噴射流には、排気ガスの乱流、排気ガスの収縮（絞り部３０の通過時）、排気ガスの拡散（絞り部３０からの噴出）など排気ガスと混合する機会が効果的に与えられるようにしている。

つぎに、このように構成された排気ガス浄化装置３の作用を説明する。
今、ディーゼルエンジンが運転中であるとする。このときディーゼルエンジンから排気された排気ガスは、エキゾーストマニホールド１ａ、ターボチャージャ２、屈曲部１５ａ、絞り部３０、酸化触媒５、ＮＯＸトラップ触媒８およびパティキュレートフィルタ１１を通じて、外気へ排気される。

この際、排気ガス中に含まれるＮＯｘ及びＳＯｘは、ＮＯＸトラップ触媒８に吸蔵され、同じくＰＭは、パティキュレートフィルタ１１により捕集される。
このとき、屈曲部１５ａへ導入される排気ガスのうち、一部の排ガス流は、図１および図２中の矢印ａに示されるように屈曲部１５ａの壁面と衝突する。ここで、屈曲部１５ａの出口側の排気ガスの流れは、絞り部３０がもたらす抵抗を受けて、停滞ぎみとなる。このため、通常であれば、そのまま、屈曲部１５ａを通過するような屈曲部１５ａの壁面と衝突した排気ガス流などは、他の方向へ向かうなど、複雑な方向へ流れる。これにより、排気ガスは、図１および図２中に示されるように絞り部２５の上流で、複雑な乱流ｃを生じながら、酸化触媒５へ向かう。

ここで、吸蔵されたＮＯｘ及びＳＯｘや捕集されたＰＭを除去する時期となり、燃料添加弁２３が作動したとする。
これにより、燃料添加弁２３の燃料噴射部からは、ＮＯｘやＳＯｘやＰＭを除去するための燃料が、図１および図２に示されるように絞り部３０へ向かって噴射される。図中αはその燃料の噴射流を示す。すると、噴射された燃料は、絞り部３０の上流の複雑に乱れている排気ガス流（乱流）と衝突して、急速に排気ガスと混合させられる。また絞り部３０を通過できずに絞り部３０側の壁面から跳ね上がった燃料は、同様に複雑に乱れている排気ガス流と衝突して、急速に排気ガスと混合させられる。さらに排気ガスと燃料は、図１および図２に示されるように絞り部３０を通過するときや、絞り部３０から混合室１７ｃへ拡散しながら噴出するときにも混合させられる。

これにより、燃料は、排気ガスと接触する機会が十分に与えられ、排気ガスと十分に混合する。この混合した燃料と排気ガスが、酸化触媒５の入口端面へ供給される。
したがって、絞り部３０により、乱流で効果的に燃料と排気ガスとを混合させるだけでなく、数多く混合させる機会が確保できるから、たとえ燃料添加弁２３と酸化触媒５間で混合に必要な距離が確保されなくとも、酸化触媒５（触媒）に流入される前に、十分に排気ガスと燃料とを混合させることができる。しかも、絞り部３０から噴出される燃料と排気ガスは、拡散しながら酸化触媒５（触媒）へ向かうから、混合した排気ガスと燃料を均一に酸化触媒５へ供給することができる。この結果、酸化触媒５の機能を十分に発揮させることができる。

屈曲部１５ａと絞り部３０の協同により乱流を形成する構造は、エンジンの近くに触媒の配置させるために、燃料添加弁２３と酸化触媒５（触媒）との間の距離が稼ぎにくくなった排気ガス浄化装置には有効である。特に、触媒据付スペースの確保のために屈曲部１５ａの形成が余儀なくされる排気ガス浄化装置は、そのまま屈曲部１５ａを活用して乱流を生じさせることができるので、構造的な負担が少ない。しかも、絞り部３０には、排気管部分の径寸法を小さく成形した構造が用いてあるので、簡単な構造ですむ。

そのうえ、絞り部３０は、燃料添加弁２３から噴射された燃料と排気管部内の排気ガスとが衝突する位置Ｘから、下流の噴射方向延長上に設けたことで、酸化触媒５（触媒）へ向かう燃料の噴射流αに対して、排気ガスの乱流、排気ガスの収縮、排気ガスの拡散というそれぞれ混合作用を十分に与えることができ、一層、効果的に燃料を排気ガスに混合させることができる。

図３は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、第１の実施形態の変形例で、燃料添加弁２３の噴射方向を、一層、傾けた配置とし、この配置に合わせ、排気管部１５の片側を閉塞することで絞り部３０を形成したものである。
このようにしても第１の実施形態と同様の効果を奏する。但し、図３において、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略した。

なお、本発明は上述したいずれの実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば上述した実施形態では、絞り部として排気管部分の径寸法を小さくする構造を挙げたが、これに限らず、排気管部分内の通路に、別途、絞り部材を設けて、絞り部としてもよい。
この他、上述した実施形態は、屈曲部の直下流の触媒として酸化触媒を用い、その下流にＮＯＸトラップ触媒、パティキュレートフィルタを設けた排ガス浄化装置に本発明を適用した例を挙げたが、これに限らず、他の浄化方式の排気ガス浄化装置、例えば屈曲部の直下流の触媒としてＮＯＸトラップ触媒を用い、その下流にパティキュレートフィルタを設け、ＮＯＸトラップ触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置でも、屈曲部の直下流の触媒としてＮＯＸトラップ触媒を用い、その下流にＮＯＸトラップ触媒、酸化触媒、パティキュレートフィルタを設け、ＮＯＸトラップ触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置や添加剤噴射弁の直下流に選択還元型触媒やパティキュレートフィルタを設けた排気ガス浄化装置などに本発明を適用しても構わない。

さらに、上述した実施形態では、添加剤として燃料を用いて説明したが、触媒に供給するものであれば何でもよく、例えば還元剤としての軽油，ガソリン，エタノール，ジメチルエーテル，天然ガス，プロパンガス，尿素，アンモニア，水素，一酸化炭素などでもよい。また、還元剤以外の物質でもよく、例えば触媒冷却のための空気，窒素，二酸化炭素などや，パティキュレートフィルタに捕集した煤の燃焼除去を促進させるための空気やセリアなどでもよい。また、燃料添加弁２３の噴射形状としてはコーン状の他に偏平で扇状に拡がる添加剤噴射弁や複数の噴射孔より添加剤が噴射される添加剤噴射弁でもよい。この場合、絞り部の形状として噴射底断面を相似形に縮小した形状とすることで一層の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る排気ガス浄化装置を示す斜視図。 同装置の絞り部の構造を、噴射された燃料が排気管部を流れる排気ガスと混合する状態と共に示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る排気ガス浄化装置の要部を示す一部断面した斜視図。

符号の説明

１ エンジン本体
３ 排気ガス浄化装置
５ 酸化触媒（触媒）
１５ 排気管部
１５ａ 屈曲部
２３ 燃料添加弁（添加剤噴射弁）
３０ 絞り部
Ｘ 燃料と排気ガスとが衝突する位置

Claims (3)

1. エンジンから排気された排気ガスを、屈曲する屈曲部を通して、外部へ導く排気管部と、
   前記屈曲部から下流の排気管部分に収められた触媒と、
   前記屈曲部から前記触媒までの間の排気管部分に設けられる絞り部と、
   前記絞り部の上流側に設けられ、前記触媒に添加剤を供給する添加剤噴射弁と
   を具備したことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 前記添加剤噴射弁は、前記触媒へ向けて噴射するように前記屈曲部近傍に設けられ、
   前記絞り部は、前記添加剤噴射弁から噴射された添加剤と前記排気管部内の排気ガスとが衝突する位置から、下流の噴射方向延長上の排気管部分に設けられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
3. 前記絞り部は、前記排気管部分の径寸法を小さく成形してなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。

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