JP4924834B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒に供給す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で、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、例えば特許文献１に開示されているようにエンジンの排気側の近くで触媒の設置箇所を確保することが求められるようになると、燃料の飛翔距離が確保しにくい。
すなわち、この触媒の設置を活かすためには、特許文献１のように触媒の直上流の排気管部分に燃料添加弁を設置せざるを得ず、エンジンの近くでは燃料と排気ガスとを混合させる距離が稼ぎにくい。

その対策として、特許文献２にも開示されているように排気管部から離れた地点に燃料添加弁を配置して、燃料を排気ガス流から遠ざけた地点から噴射させる構造の排気ガス浄化装置が提案されている。
特開２００５−１２７２６０号公報 特開２００４− ４４４８３号公報

この排気ガス浄化装置において、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ためには、排気管部から分岐して、かなり遠くまで延びる燃料噴射路が必要である。しかし、エンジンの近くでは、このような燃料噴射路を確保するのは難しい。
このため、制約の多いエンジンの近くで、噴射燃料と排気ガスとを十分に混合させるのは難しく、均一の燃料を触媒へ供給するのは難しい問題があった。

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、エンジンから排気された排気ガスを外部へ導く排気管部と、排気管部内に収められた触媒と、触媒の直上流の排気管部分に斜めに傾かせて設けられ、触媒の入口端面へ添加剤を供給する添加剤噴射弁と、添加剤噴射弁から噴射された添加剤の噴射流が排気ガスと混じり合う触媒の直上流の排気部分に設けられ、当該排気部分を噴射流の軸心を中心として噴射流の形状に沿って添加剤噴射弁側から触媒の入口端面へ向うにしたがい次第に渦巻が大きくなる渦巻状にねじった螺旋状の通路で形成された、排ガスの流れを渦巻状の流れに変える旋回流発生部とを具備した。
同構成によると、旋回流発生部により発生する排気ガスの旋回流により、排気ガスが滞留する時間を稼いで、排気ガスと添加剤との接触が十分に行われる機会を与える。

請求項１の発明によれば、触媒の上流で生じる排気ガスの旋回流により、排気ガスが滞留する時間が稼げるから、触媒に導入される前に、十分に排気ガスと添加剤とを接触させる機会を与えることができる。
それ故、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、十分に排気ガスと添加剤とを混合させることができる。しかも、添加剤と排気ガスは、旋回流により、周囲に拡散しながら触媒へ向かうので、混合した排気ガスと添加剤を触媒へ均一に供給することができる。この結果、触媒の機能を十分に発揮させることができる。

以下、本発明を図１〜図３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ている。同図中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している。

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（本願の添加剤噴射弁に相当）２３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、ディーゼルエンジンの排気側の直後の地点に、Ｌ形に屈曲した屈曲部１５ａを形成している。酸化触媒５は、この屈曲部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３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は、直接、高温の排気ガスに晒されないように設置させてある。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が形成してある（水冷）。

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や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、酸化触媒５の上流の排気管部分、例えば屈曲部１５ａの出口側の排気管部分１５ｃには、旋回流発生部３０が設けられている。排気管部分１５ｃは、燃料添加弁２３から噴射された噴射流αの燃料が排気管部１５内を流れる排気ガス流の排気ガスと衝突して混じり合う部分である。旋回流発生部３０は、図２および図３に示されるように排気管部１５ｃにねじり部３１を形成することによって構成してある。具体的にはねじり部３１は、例えば筒形部２４の下端部から混合室１７ｃまでの管部分を、燃料添加弁２３から噴射される噴射流αの軸心を中心として、渦巻状にねじった螺旋形の通路構造が用いられている。このねじり部３１で形成された螺旋状の通路により、排気ガス流は、ねじり部３１を通過する間に旋回流に変わる。つまり、上流から排気ガスは、横渦を生じながら、混合室１７ｃ内をくまなく拡散してから、酸化触媒５の入口端面へ導かれるようにしている。

この旋回流により、噴射燃料と混合する地点で、排気ガスの滞留時間を稼いで、噴射燃料と十分に接触する機会が与えられるようにしている。
すなわち、このように構成された排気ガス浄化装置３の作用を説明すると、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、ねじり部３１、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。

この通過の際、排気ガス中に含まれるＮＯｘや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、混合室１７ｃへ向かう排気ガス流には、図１〜図３中の矢印ａに示されるようにねじり部３１の通過によって旋回流が発生する。排気ガスは、その旋回流を保ち、周りへ拡散しながら、混合室１７ｃを通じて、酸化触媒５へ導入される。

ここで、吸蔵されたＮＯｘ、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。
すると、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３に示されるように燃料噴射路２４ｂを通じて、排気管部分１５ｃ内を旋回している排気ガス流へ噴射される。これにより、噴射した燃料は、旋回している排気ガス流の排気ガスと衝突し、噴射流αの燃料が排気流の排気ガスと混ざり合う。

ここで、排気ガスは、旋回により、排気管部分１５ｃ内に滞留している時間が増しているから、格段に燃料と接触する機会が増大する。
これにより、燃料は、燃料添加弁２３から酸化触媒５までの区間で燃料と排気ガスを十分に混合させる距離が確保されなくとも、旋回流がもたらす、燃料と排気ガスとの接触する機会の増加により、酸化触媒５へ導入される前に、十分に燃料と排気ガスとの混合が行われる。

この混合した燃料と排気ガスは、旋回流を保ち半径方向（周囲）へ拡がり（拡散）ながら、下流の混合室１７ｃを通過して、均一に酸化触媒５の入口端面へ供給される。
したがって、旋回流発生部３０の形成により、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、混合した燃料と排気ガスを触媒へ均一に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。

特にねじり部３１は、噴射された燃料と排気ガスとが混じり合う排気管部分１７ｃに設けてあるので、旋回流の勢いを最大限に活かして、燃料と接触する機会が増やせ、最も効果的に燃料と排気ガスとの混合を促進することができる。
しかも、旋回流の発生には、酸化触媒５の上流側の排気管部分にねじり部３０を形成する構造を採用してあるので、簡単な構造ですむ。特に屈曲部１５ａが有ると、屈曲部１５ａの曲がりを流用して、ねじり部３１で容易に方向が変えられるので、旋回流が発生しやすい。

図４および図５は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、第１の実施形態のようなねじり部３０を用いて、旋回流を発生させるのではなく、別の手法、すなわち排気ガスを接線方向へ導出させて、旋回流を発生させる接線方向流通部４０を採用したものである。
具体的には、接線方向流通部４０は、例えば図４および図５に示されるように屈曲部１５ａの出口側の排気管部分１５ｃを円筒形にする。そして、入口部１７ａを形成している口体部４２の基端部を、円筒形部４１の内周面上の接線方向の地点に対し開口させた構造が用いられている。これにより、円筒形部４１へ導入された排気ガスが、図４および図５中の矢印ｂに示されるように円筒形部４１の内周面沿いに旋回して、渦巻きの流れ、すなわち旋回流を誘起させるようにしている。

このような旋回流を発生させる構造でも、排気管部分１５ｃにおける排気ガスの滞留時間が稼げるので、第１の実施形態と同様な効果を奏する。
但し、図４および図５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は、ねじり部や接線方向流通部を用いて旋回流を発生させる構造を挙げたが、これに限らず、他の構造を用いて、旋回流を発生させてもよい。また上述の実施形態では、排気ガス流と噴射流とが混じり合う排気管部分に旋回流発生部を設けたが、これに限らす、燃料噴射位置から離れた上流の地点に旋回流発生部を設けても構わない。

この他、上述した実施形態では、屈曲部を有する排気管部を用いた排気ガス浄化装置を挙げたが、これに限らず、屈曲部の無い排気ガス浄化装置に本発明を適用してもよい。むろん、上述した実施形態では、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。

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。 図１中のＡ−Ａ線に沿う平断面図。 旋回流発生部の構造を示す断面図。 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側面図。 図４中のＢ−Ｂ線に沿う平断面図。

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）
１５ｃ 排気管部分
２３ 燃料添加弁（添加剤噴射弁）
３０ 旋回流発生部
３１ ねじり部
４０ 接線方向流通部

Claims (1)

1. エンジンから排気された排気ガスを外部へ導く排気管部と、
   前記排気管部内に収められた触媒と、
   前記触媒の直上流の排気管部分に斜めに傾かせて設けられ、前記触媒の入口端面へ添加剤を供給する添加剤噴射弁と、
   前記添加剤噴射弁から噴射された添加剤の噴射流が排気ガスと混じり合う前記触媒の直上流の排気部分に設けられ、当該排気部分を前記噴射流の軸心を中心として前記噴射流の形状に沿って前記添加剤噴射弁側から前記触媒の入口端面へ向うにしたがい次第に渦巻が大きくなる渦巻状にねじった螺旋状の通路で形成された、排ガスの流れを渦巻状の流れに変える旋回流発生部と
   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。

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