JP2014109239A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気流量が少ない場合に、排気浄化装置に対して排気を略均等に流入せることができるようにしつつ、排気流量が多くなった場合に、偏向部材による排圧の上昇を抑制できる、内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気浄化装置４は、酸化触媒７、ＤＰＦ８、ＳＣＲ触媒９及びアンモニア酸化触媒１０を、上流側からこの順に備える。排気通路３は、酸化触媒７及びＳＣＲ触媒９の直前でＵ字状をなし、排気は、進路を１８０度変えて酸化触媒７、ＳＣＲ触媒９に流入する。ここで、酸化触媒７、ＳＣＲ触媒９を上流側に向け投影したときの排気通路３（Ｕ字状部３１）の内壁への投影領域に、感温変形材料で形成される偏向部材２１、２１を配置する。偏向部材２１、２１は、排気通路３の曲りの外側に偏って流れる排気を中央寄りに偏向させるものであり、排気温度が高い場合には低い場合に比べて排気の流れの偏向（排気抵抗）を弱めるように変形する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に介装される排気浄化装置に関する。

特許文献１には、触媒のケーシングに接続した入口パイプの開口端に流路変更板を溶接し、この流路変更板により排ガスの流路を変更することで、触媒の各部位への排ガス供給量の格差を縮小するようにした、排気浄化装置が開示されている。

特開２０１１−０９９４１５号公報

ところで、排気流量が少ない場合に、触媒やフィルタなどの排気浄化装置における排気流れの偏りを減少させることができるように、偏向部材の角度などの偏向特性を設定すると、排気流量が多くなった場合に、偏向部材による排気の抵抗が増大して内燃機関の背圧を上昇させ、内燃機関の燃費性能を低下させる要因になってしまうという問題があった。

そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、排気流量が少ない場合に、排気浄化装置における排気流れの偏りを減少させつつ、排気流量が多くなった場合に、偏向部材による機関背圧の上昇を抑制できる、内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気浄化装置の横断面における排気の流れを分散させるように排気の流れを偏向する偏向部材を、内燃機関の排気通路に配置し、前記偏向部材は、排気温度に応じて変形する感温変形材料で形成され、排気温度が高い場合には低い場合に比べて排気の流れの偏向を弱めるように変形するようにした。

本発明によれば、排気流量が少なく排気の温度が低い場合には、偏向部材によって排気浄化装置の横断面における排気の流れを分散させる一方、排気流量が多くなって排気の温度が高くなると、偏向部材が変形して排気の偏向が弱められることで、偏向部材による排気抵抗が弱まり、排圧（内燃機関の背圧）の上昇を抑制できる。

本発明の実施形態におけるディーゼルエンジンの排気系を示す図 本発明の実施形態において偏向部材を設けない場合の排気の流れを示す図 本発明の実施形態における偏向部材を示す斜視図 本発明の実施形態における偏向部材の排気温度による変形特性及び排気の偏向特性を示す図 本発明の実施形態における貫通孔を有する偏向部材を示す斜視図 本発明の実施形態における２つ１組とする偏向部材を示す斜視図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、排気浄化装置を含む、エンジンの排気系を示す図である。
ディーゼルエンジン（内燃機関）１は、排気マニホールド２下流側の排気通路（排気管）３に、排気浄化装置４を備えている。

ディーゼルエンジン１は、排気浄化装置４を装備するため、上流側の第１ケーシング５ａと、下流側の第２ケーシング５ｂと、これらのケーシング５ａ、５ｂ間の連通路６とを備えている。
第１ケーシング５ａ内には、前段（上流側）にディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ；Diesel Oxidation Catalyst）７が収納され、後段（下流側）にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）８が収納されている。

ＤＰＦ８は、排気中の粒子状物質であるＰＭ（Particulate Matter）を捕集するフィルタである。ＤＰＦ８は、例えば、多孔質セラミックのハニカム構造の担体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、隣接する通路同士において上流側と下流側とが交互に封止された、ウォールフロータイプのフィルタである。
このウォールフロータイプのＤＰＦ８では、排気は、上流端が開口し下流端が封止された通路から流入し、通路壁（隔壁の気孔）を通って、上流端が封止され下流端が開口する通路へ流出し、この際に、排気中のＰＭが通路壁に捕集される。

酸化触媒７は、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成し、このＮＯ_２を酸化剤としてＤＰＦ８に供給すると共に、酸化熱を発生させて下流側のＤＰＦ８を昇温する。
このようにＤＰＦ８の前段（上流側）に酸化触媒７を配置することにより、ＤＰＦ８に捕集されたＰＭは、酸化触媒７から供給されたＮＯ_２と反応して酸化し、ＤＰＦ８の連続再生が行われる。

第２ケーシング５ｂ内には、前段（上流側）にアンモニアを還元剤としてＮＯｘを還元する機能を有するＳＣＲ触媒９が収納され、後段（下流側）にＳＣＲ触媒９から流出したアンモニアを酸化してＮ_２とする酸化触媒としての機能を有するアンモニア酸化触媒１０が収納されている。「ＳＣＲ」は、Selective Catalytic Reductionの略語である。

また、第２ケーシング５ｂ上流の連通路６には、ＳＣＲ触媒９へ向けて、還元剤（アンモニア）の前駆体としての尿素水溶液（以下「尿素水」という）を噴射する尿素水噴射ノズル１１が設けられている。
尿素水は、図示しない尿素水タンクから噴射量制御用の制御モジュール１２を介してノズル１１へ供給される。制御モジュール１２は、マイクロコンピュータを内蔵する電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって制御される。

尿素水噴射ノズル１１から噴射された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、係るアンモニアはＳＣＲ触媒９に吸着される。ＳＣＲ触媒９では、吸着したアンモニアを還元剤として、ＮＯｘとアンモニア（ＮＨ_３）とを選択的に還元反応させ、ＮＯｘを水（Ｈ_２Ｏ）と窒素（Ｎ_２）とに転換して浄化する。
上記のＳＣＲ触媒９と尿素水噴射ノズル１１とでＮＯｘ還元装置が構成される。

また、酸化触媒７の上流側及びＳＣＲ触媒９の上流側の排気通路３には、排気の流れを偏向して、酸化触媒７及びＳＣＲ触媒９の横断面（排気の流れ方向に直交する断面）における排気の流れの偏りを減少させるための偏向部材２１，２１を配置してある。
尚、偏向部材２１を、酸化触媒７の上流側とＳＣＲ触媒９の上流側とのいずれか一方に設けることができる。

本実施形態の排気浄化装置４では、酸化触媒７とＤＰＦ８とが同一直線上に配置され、ＳＣＲ触媒９とアンモニア酸化触媒１０とが同一直線上に配置され、酸化触媒７及びＤＰＦ８が、ＳＣＲ触媒９及びアンモニア酸化触媒１０に対して略平行に並んで配置され、かつ、酸化触媒７とＤＰＦ８における排気の流れ方向と、ＳＣＲ触媒９とアンモニア酸化触媒１０における排気の流れ方向とが同じに設定され、ＤＰＦ８を通過した排気は、進路を１８０度変えて進んだ後、再度進路を１８０度変えてＳＣＲ触媒９に流入するように、排気通路３を設けてある。

更に、排気マニホールド２の出口においては、酸化触媒７とＤＰＦ８における排気の流れ方向とは逆方向に向けて排気が流れた後、進路を１８０度変えて酸化触媒７に流入するように排気通路３を設けてある。
即ち、酸化触媒７及びＳＣＲ触媒９の直前で、排気通路３は屈曲してＵ字状をなし、排気は、進路を１８０度変えて酸化触媒７及びＳＣＲ触媒９に流入するように構成されている。

ここで、排気の流量が少ない場合、排気は、図２に示すように、排気の進路を１８０度変えるＵ字状部（屈曲部）３１の曲りの外側３１ａに偏って流れる、つまり、曲りの内側３１ｂを流れる排気流量よりも曲りの外側３１ａを流れる排気流量が多くなる傾向を示し、酸化触媒７及びＳＣＲ触媒９を流れる排気に偏りが発生し、引いては、ＤＰＦ８及びアンモニア酸化触媒１０でも排気の流れに偏りが発生することになる。
そこで、Ｕ字状部３１の曲りの外側３１ａに偏って流れる排気を、偏向部材２１、２１によって内側に向けて案内、偏向することで、排気の流れを排気通路３内に分散させ、酸化触媒７及びＳＣＲ触媒９の横断面（排気の流れ方向に直交する断面）における排気の流れの偏りを減少させる。

偏向部材２１、２１は、長方形の板材を長手方向の中央付近で折り曲げたような形に形成され、図３に示すように、折り曲げ部２１ａを境に、一方を、排気通路３の内壁に固定されるベース部２１ｂとし、他方を、排気通路３内に突出する偏向部（フィン部）２１ｃとする。
そして、偏向部材２１、２１は、酸化触媒７、ＳＣＲ触媒９を上流側に向け投影したときの排気通路３（Ｕ字状部３１）の内壁への投影領域、つまり、Ｕ字状部３１の曲りの外側３１ａであって酸化触媒７、ＳＣＲ触媒９の入口に向けて排気が進路を略９０度変える部分に、ベース部２１ｂが排気の流れの上流側、偏向部２１ｃが下流側となるように、ベース部２１ｂを排気通路３の内壁に重ねるようにして固定されている。
これにより、偏向部２１ｃは、排気の流れの下流側に向けて徐々に排気通路３の内壁から離れるような傾斜を有することになる。

偏向部２１ｃは、Ｕ字状部３１の曲りの外側３１ａで、排気が流れる排気通路３内の空間に突出し、Ｕ字状部３１の曲りの外側３１ａに沿って流れる排気を、内側に向けて案内、偏向する。
これにより、図４に示すように、排気がＵ字状部３１の曲りの外側３１ａに偏って流れる場合に、排気の流れを分散させることができ、以って、酸化触媒７及びＳＣＲ触媒９の横断面における排気の流れの偏りを減少させることができる。

ここで、排気の流量が多い（排気温度が高い）場合には、偏向部材２１、２１による偏向を行わなくとも、酸化触媒７及びＳＣＲ触媒９の横断面における排気の流れの偏りは十分に小さくなる。従って、排気流量が多い場合、偏向部材２１、２１による偏向の効果は減少し、逆に、排気抵抗を増大させてしまうという不利益が大きくなってしまう。
一方、排気の流量が少ない（排気温度が低い）場合には、排気がＵ字状部３１の曲りの外側３１ａに偏って流れる傾向が強くなるため、偏向部材２１、２１によって排気の流れを分散させることの効果が大きく、また、排気抵抗は充分に小さく抑制できる。

そこで、偏向部材２１、２１を、温度に応じて変形する感温変形材料で形成し、図４に示すように、排気温度に応じて偏向部２１ｃと排気通路３の内壁（ベース部２１ｂ）とがなす角度（挟角）θ、つまり、偏向部２１ｃの傾きが変化し、排気流量が多く排気の温度が高い場合には、排気流量が少なく排気温度が低い場合に比べて角度θが小さくなり、排気の偏向、換言すれば、排気抵抗が弱まるようにしてある。
これにより、排気流量が少ない場合（ディーゼルエンジン１の低負荷、低回転域で排気温度が低い場合）には、排気の流れの偏りを減少させて、酸化触媒７、ＤＰＦ８、ＳＣＲ触媒９及びアンモニア酸化触媒１０の横断面における排気の流れの偏りを減少させ、排気浄化装置４において高い効率で排気を浄化させることができる。
また、排気流量が多い場合（ディーゼルエンジン１の高負荷、高回転域で排気温度が高い場合）には、偏向部材２１、２１による排気抵抗の増大を抑制して、ディーゼルエンジン１の背圧上昇による燃費性能の低下などを抑制できる。

偏向部材２１、２１の材料である感温変形材料としては、バイメタルや形状記憶合金など公知の感温変形材料を適宜用いることができ、温度と変形量（角度θ変化量）との相関は、低温域での排気流れの偏りを減少させつつ、高温域で排気抵抗の増大を抑制できるように適合させる。
ここで、偏向部材２１、２１を形状記憶合金で形成する場合、１００℃以上の高温域で機能する高温形状記憶合金を用いる。係る高温形状記憶合金として、一例として、チタンＴｉ−ニッケルＮｉ−ジルコニウムＺｒ−ニオブＮｂ系合金や、チタンＴｉ−タンタルＴａ系合金などを用いることができる。

尚、感温変形材料による変形では、偏向特性を細かく調整することが難しいので、例えば、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、偏向部２１ｃ（偏向フィン部）に複数の貫通孔２１ｄを穿設し、貫通孔２１ｄの配置領域、径、密度（間隔）、軸心方向などの設定によって、偏向特性の調整を行うことができる。例えば、偏向部２１ｃのベース部２１ｂ寄りでは、貫通孔２１ｄの径及び／又は単位面積当たりの孔数を先端側に比べて小さくすれば、排気通路３の内壁に沿って流れる排気を中心寄りに偏向させつつ、排気通路３の中心寄りを流れる排気が過剰に偏向されてしまうことを抑制できる。
また、複数の偏向部材２１を同一箇所に並べて配置することができ、例えば、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す例では、２つの偏向部材２１１、２１２を排気通路３の周方向に並べて配置してある。図６（Ａ）は、２つの偏向部材２１１、２１２が共に貫通孔２１ｄを備えない例であり、図６（Ｂ）は、２つの偏向部材２１１、２１２が共に貫通孔２１ｄを有する例である。

以上、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。
例えば、複数の偏向部材を排気の流れ方向の前後に隣接させて設けることができる。
また、偏向部材は、触媒（排気浄化装置）に対する流入排気の偏りを抑制するために用いることができる他、フィルタ（排気浄化装置）に対する流入排気の偏りを抑制するために用いることができる。

また、偏向部材は、実施形態に示したように、触媒やフィルタなどの排気浄化装置の上流に設けることで、下流側の排気浄化装置における排気の偏りを抑制できる他、排気浄化装置の下流側に設けることで、上流側の排気浄化装置における排気の偏りを抑制することが可能である。即ち、排気浄化装置の下流側であって排気が偏る側に偏向部材を設けることで、排気が偏る側の経路における排気抵抗が増し、排気流れの偏りを抑制することができる。

また、偏向部材が適用される排気系は、排気浄化装置の上流側で排気通路３が屈曲する排気系に限定されるものではなく、例えば、排気浄化装置の上流側で排気通路３がストレートに延びる排気系にも適用することが可能である。
排気浄化装置の上流側で排気通路がストレートに延びる排気系の場合であって、例えば、排気浄化装置（触媒やフィルタ）の軸心付近に排気が偏って流れる場合には、排気浄化装置の周辺部に向けて排気を偏向する偏向部材を設け、排気温度が高くなった場合には、係る偏向部材が変形して偏向（排気抵抗）が弱まるようにする。

また、排気温度に応じて変形する偏向部材と、変形しない偏向部材とを組み合わせて用いたり、排気温度に対する変形（角度変化）の特性が異なる複数の偏向部材を組み合わせて用いたりすることができる。
また、偏向部材を適用する内燃機関をディーゼルエンジン１に限定するものではなく、ガソリンエンジンなどへの適用が可能であり、ガソリンエンジンの場合も、三元触媒など排気浄化装置における排気の偏りを改善しつつ、排気抵抗の増大を抑制できる。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ 排気マニホールド
３ 排気通路（排気管）
４ 排気浄化装置
５ａ 第１ケーシング
５ｂ 第２ケーシング
６ 連通路
７ 酸化触媒（ＤＯＣ）
８ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
９ ＳＣＲ触媒
１０ アンモニア酸化触媒
２１ 偏向部材
２１ｄ 貫通孔
３１ Ｕ字状部（屈曲部）

Claims (7)

1. 排気浄化装置の横断面における排気の流れを分散させるように排気の流れを偏向する偏向部材を、内燃機関の排気通路に配置し、
   前記偏向部材は、排気温度に応じて変形する感温変形材料で形成され、排気温度が高い場合には低い場合に比べて排気の流れの偏向を弱めるように変形する、内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記偏向部材は、板状に形成され、排気温度に応じて変形して前記排気通路に対する角度が変化する、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記排気浄化装置の手前に前記排気通路の屈曲部が配され、前記偏向部材が、前記屈曲部の曲りの外側に沿って流れる排気を内側に向けて偏向する、請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記偏向部材が板状に形成され、前記板状の偏向部材と前記排気通路の内壁とがなす挟角が、排気温度が高くなるほど小さくなるように変形する、請求項１から３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記板状の偏向部材に複数の貫通孔を形成した、請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記偏向部材を形成する感温変形材料が形状記憶合金である、請求項１から５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記形状記憶合金が、チタン−ニッケル−ジルコニウム−ニオブ系合金、又は、チタン−タンタル系合金である、請求項６記載の内燃機関の排気浄化装置。