JP5013101B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒の上流に添加剤を供給するようにした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。
最近では、エンジンの冷態時の浄化効率を高めるために、できるだけエンジンの近く、例えばエンジンのエキゾーストマニホールドの出口の近くに、別途、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触媒など触媒を設け、この触媒の上流側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）を設けて、排気ガス浄化装置を構築することが進められている。

ところで、こうしたエンジンの排気出口の近くの前段触媒の設置には、自動車のエンジンルーム内に収められるようにする工夫が求められる。
このため、多くは特許文献１に開示されているようにエンジンの排気側に、Ｌ形に屈曲した屈曲部を有した排気管部を設けて、屈曲部の直下の排気管部分で触媒が設置可能な場所を確保し、この部分に前段触媒を設け、この前段触媒の直上流に燃料添加弁を設けることが行われている。

近時では、できるだけ前段触媒をエンジンに接近させるために、特許文献１の図１に示されるように排気管部の屈曲部の外周側に燃料添加弁を設置し、さらに噴射距離を確保するために、前段触媒の反応に求められる燃料を、屈曲部の外周側から、該屈曲部を通過する排気ガスの流れを横切るように噴射させて、触媒へ供給することが行われる。
特開２００５−１２７２６０号公報

ところで、前段触媒を最も効率よく反応させるためには、燃料添加弁から噴射された燃料は、均一に前段触媒の入口端面へ供給することが求められる。
ところが、燃料添加弁から噴射された燃料の向きは、エンジンから排気される排気ガスの挙動で変わりやすい。
具体的には、エンジンから排気される排気ガスの流速や流量は、エンジンの運転状態に応じて変化している。これに対し燃料添加弁からは、還元など触媒の反応を必要とするときだけ、エンジンの運転状態に関わらず、一定の向きで、燃料が噴射される。

このような状況で燃料は、排気ガスの流れを横切る方向から、燃料が触媒へ噴射されるが、ここで、当初の燃料の噴射の向きが、例えばエンジンの中負荷運転時に合わせて、燃料添加弁からの燃料が触媒の入口端面の中央に噴射されるようにしてあるとする。
このとき、エンジンの運転が、中負荷運転でなく、高負荷運転であると、排気ガスの流速、流量は、中負荷運転時のときより増しているので、触媒の入口端面に噴射されるはずの燃料の噴射流が、排気ガス流に押されて触媒の縁部側へ偏る。また反対に低負荷運転時であると、排気ガスの流速、流量は、中負荷運転時のときより減少しているので、逆に燃料の噴射流を押す力が小さくなり、触媒の反対側の縁部側へ偏る。

このため、エンジンの運転中、燃料噴射の向きは、一定せず、触媒の燃料分布に偏りが生じやすい。
こうした挙動のため、反応のための燃料が前段触媒へ均一に供給されず、前段触媒が十分に発揮できない問題がある。
そこで、本発明の目的は、排気ガス流に影響されずに添加剤を触媒へ均一に供給できるようにしたエンジン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、Ｌ形に屈曲する屈曲部を備えて形成された排気管部と、排気管部の屈曲部の直下流部分に収められた触媒と、排気管部の屈曲部の外周側に設けられ、排気ガスの流れを横切る方向へ噴射させて、触媒の所定位置へ添加剤を供給する添加剤噴射弁と、添加剤噴射弁から上流の排気管部分に設けられ、Ｌ形の屈曲部を通過する排気ガスの流れにより押される添加剤噴射弁からの添加剤が触媒の所定位置を保ち続けるように排気ガスの流れを制御する排気制御弁とを具備した。
同構成により、エンジンの運転状態に関わらず、Ｌ形の屈曲部を通過する排気ガスの流れにより押される、添加剤噴射弁から噴射された添加剤の噴射方向は所定に保つことができる。このため、添加剤は触媒の所定位置へ供給される。

好ましくは、添加剤噴射弁の噴孔は、添加剤噴射弁が設けられる側壁の反対側の触媒入口端面に指向し、排気流制御弁により触媒の所定位置に添加剤を供給させるとよい。
請求項２に記載の発明は、添加剤噴射弁の先端に、デジポットが堆積しにくくするよう、排気流制御弁は、添加剤噴射弁と並んで屈曲部の外周側の側壁に設ける構成とした。
請求項３に記載の発明は、どのようなエンジンの運転状態にも対応するよう、排気流制御弁部は、添加剤噴射弁の噴孔近傍の排気ガスの流れが所定の流れとなるように制御されるものとした。

好ましくは、排気流制御弁は、エンジンの高負荷運転時の最も排気ガスの流速、流量が多い排気ガス流のときに全開にし、エンジンの低負荷運転時の最も排気ガスの流速、流量が少ない排気ガス流のときに全閉にし、エンジンの運転状態に応じて弁部が全開〜全閉までの無段階に制御されるようにすると、高負荷運転時の排気ガスに合わせて添加剤噴射弁の向きを設定さえするだけで、簡単に添加剤の最適な噴射方向が保てる。

請求項１の発明によれば、どのようなエンジンの運転状態下で、添加剤が噴射されても、Ｌ形の屈曲部を通過する排気ガスの流れにより押される添加剤は、所定の方向を保ち続ける。それ故、常に触媒の所定位置へ添加剤を噴射することができる。

したがって、屈曲部によって添加剤噴射弁の噴孔近傍の排気ガスの流れが大きく影響を受けても排気流制御弁により影響を抑制することができる。
請求項２の発明によれば、さらに排気流制御弁が、添加剤噴射弁の直上流に配置されることにより、排気流制御弁が全開するときを利用して、それまで添加剤噴射弁の先端に堆積していたデジポットを、速い流速の排気ガスで吹き飛ばすことができるといった効果を奏する。

請求項３の発明によれば、さらに、排気流制御弁が、エンジンの運転状態に応じて添加剤噴射弁の噴孔近傍の排気ガスの流れが所定の流れとなるように制御されるので、どのようなエンジンの運転状態にも対応することができるといった効果を奏する。

以下、本発明を図１〜図４に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１はディーゼルエンジン（内燃機関）の排気系を示し、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過給機、例えばターボチャージャを示す。

ディーゼルエンジン１の排気側をなすターボチャージャ１ａ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とを組み合わせた構造が用いられている。

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（本願の触媒に相当）５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との組み合わせが用いてられている。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、上部側がＬ形に成形されていて、上部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、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。またこの屈曲部１５ａの直下に、触媒設置スペースを確保している。この確保された屈曲部１５ａの直下流となる地点に酸化触媒５が設置してある。これにより、酸化触媒５を、できるだけエンジン本体１に近い地点に設置させている（エンジン冷態時の昇温性を高めるため）。

また屈曲部１５ａの外周側の曲がり方向中央には、ディーゼルエンジンで用いる軽油などの燃料（添加剤）を噴射する燃料添加弁１９（添加剤噴射弁）が設けられている。この燃料添加弁１９は、先端部に燃料噴射部１９ａ（噴孔）をもち、同燃料噴射部１９ａから燃料が酸化触媒５の入口端面へ向けて噴射されるようにしてある。この燃料添加弁１９が、先端の燃料噴射部１９ａをハウジング１７から退避させて、ハウジング１７に設けた据付座２０に設置させてある。つまり、燃料添加弁１９は、酸化触媒５から、噴射に求められる噴射距離をおいて設置してある。なお、据付座２０には、燃料噴射部１９ａから噴射された燃料をハウジング１７内へ導くためのポート２１が形成してある。燃料添加弁１９は、酸化触媒５の反応（酸化）を利用して還元剤の生成し、この還元剤でＮＯｘトラップ触媒８に吸蔵されたＮＯｘやＳＯｘを還元除去したり、同じく酸化触媒５の反応（酸化）で得られる昇温により、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。そして、燃料添加弁１９は、ディーゼルエンジンを制御する制御部、例えばＥＣＵ２７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してある。

この屈曲部１５ａで行われる燃料添加弁１９の噴射動作より、触媒の反応に求められる燃料が、屈曲部１５ａを流れる排気ガスの流れに対し、横切る方向から噴射されて、酸化触媒５の入口端面へ噴射されるようにしている。このときの燃料噴射部１９ａの向きは、ディーゼルエンジンの高負荷運転時の排気ガスが屈曲部１５ａを流れているときを基準に、予め傾けてある。具体的には、燃料噴射部１９ａから噴射される燃料は、排気ガスで押されながら、所定位置、例えば酸化触媒５の入口の端面中央へ向って噴射される。このため、燃料噴射部１９ａの向きは、予め高負荷運転時の排気ガスで押されることを考慮して、若干、入口部１７ａ側へ傾けてある。

一方、燃料添加弁１９から上流の排気管部分、例えば入口部１７ａをなす筒形口体の壁部分には、排気流制御弁２３が設けられている。さらに述べれば、排気流制御弁２３は燃料添加弁１９と隣接した直上流の地点に配置されている。
この排気流制御弁２３を説明すると、２４は、筒形口体の内面に開閉可能に設けられた、ダンパー式の弁体２４である。ダンパー式の弁体２４は、屈曲部１５ａの外周側へ向う排気ガス流の流通を制御するよう、例えば筒形口体の上側の半分の領域を開閉する大きさとし、入口部１７ａ側に回動支点２４ａを配置した構成としてある。さらに述べれば、弁体２４は、図１中の実線で示す、筒形口体内を全開とする全開位置と、二点鎖線で示す、筒形口体内をほぼ半減にする全閉位置との間を回動変位するようにしてある。

この弁体２４が、ハウジング１７外に設置した、例えば電動モータなど弁部駆動用のアクチュエータ２５に接続されている。具体的には、弁体２４とアクチュエータ２５間はリンク機構２６を介して接続されている。これにより、アクチュエータ２５の駆動で、弁体２４の弁開度が、全開から全閉までの範囲で連続的に変位できるようにしてある。
アクチュエータ２５は、制御部、例えばＥＣＵ２７に接続されている。ＥＣＵ２７には、ディーゼルエンジンの運転状態に関わらず、屈曲部１５ａを流れる排気ガスの流速を一定する制御が設定されている。同制御は、例えば図２に示されるような排気ガスの流速が速く、流量が多いディーゼルエンジンの高負荷運転状態（エンジン回転数やアクセル開度の検出による）のときには、弁体２４を全開にし、排気ガスの流速が遅く、流量が少ないディーゼルエンジンの低負荷運転状態のときには、弁体２４を全閉しにし、その間を無段階にするマップを用いて行われる。

このマップに基づき行われる弁体２４による筒形口体の絞り制御から、高負荷運転時の排ガス流を基準として、屈曲部１５ａを通過して酸化触媒５へ向う排気ガスの流速が一定に調節される構造にしてある。また弁体２４で、屈曲部１５ａの外周側へ向う排気ガス流を制御することによって、燃料添加弁１９から噴射された燃料の噴射流αの先端側に、常に流速が一定な排気ガス流を導ける構成としている。

この排気ガス流の制御により、燃料添加弁１９から噴射された燃料が、ディーゼルエンジンの運転状態に影響されずに、前段触媒である酸化触媒５へ均一に供給されるようにしている。
すなわち、この燃料の噴射について説明すると、自動車の運転中、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、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、外気へ放出される。

こうした自動車の運転時、高負荷運転や中負荷運転や低負荷運転に関わらず、排気ガス中に含まれるＮＯｘ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。
このとき排気流制御弁２３の弁体２４の弁開度は、ＥＣＵ２７で行われる図２に示すマップに基づき制御され、酸化触媒５に向う排気ガスの流速を、常に高負荷運転時における排ガス流の流速と同じに調節している。

具体的には、ディーゼルエンジンが高負荷運転されているときは、弁体２４は、アクチュエータ２５により、図１中の実線で示す全開位置に位置決められ、排気ガスは、流速、流量とも多いそのままの状態で、酸化触媒５へ導かれる。
またディーゼルエンジンが低負荷運転されているときは、弁体２４は、アクチュエータ２５により、図３に示すように全閉位置決められ、流速が小さい排気ガスの主流は、弁体２４で行われる絞りにより、高負荷運転時と同等まで流速が増しながら、屈曲部１５ａの内周側に最も偏り寄ったコースを通り、酸化触媒５の入口の端面へ向う。

またディーゼルエンジンが中負荷運転されているときは、弁体２４は、アクチュエータ２５により、全開〜全閉間のマップで求められた中間地点にしたがい、図４に示されるように中間位置決められ、排気ガスの主流は、弁体２４で行われる絞りにより、高負荷運転時と同等まで流速が増しながら、屈曲部１５ａの内周側に偏ったコースを通り、酸化触媒５の入口の端面へ向う。

このようなディーゼルエンジンの運転状態に応じた弁体２４の弁開度により、屈曲部１５ａを流れる排気ガスの流速は一定に保たれている。
ここで、吸蔵されたＮＯｘや捕集されたＰＭを除去する時期となり、これらの除去に求められる燃料が、燃料添加弁１９から噴射されたとする。すると、燃料は、屈曲部１５ａを流れる排気ガスの流れを横切るように噴射され、酸化触媒５の入口の端面へ噴射される。

この燃料噴射が行われるときが、図１に示されるようなディーゼルエンジンの高負荷運転時のときとする。
このときは、燃料添加弁１０は、既に排気ガスで押されることを考慮して、当初から、排気ガスの影響を回避するよう、噴射方向を傾けて取り付けてあるから、図１に示されるように燃料添加弁１９からの燃料の噴射流の先端は、排気ガスで押されながらも、酸化触媒５の入口の所定位置、すなわち酸化触媒５の端面中央へ噴射される。

また燃料噴射が行われるときが、図３に示されるようなディーゼルエンジンの低負荷運転時とする。
このときは、弁体２４で、高負荷運転時の排気ガスと同等にまで、流速が高められた排気ガスの主流は、図３に示されるように燃料添加弁１９からの燃料の噴射流を、高負荷運転時ときと同じく横方向から押しながら、酸化触媒５の入口へ向う。これにより、図３に示されるように燃料添加弁１９からの燃料の噴射流の先端は、高負荷運転時のときと同様な排気ガスで押される挙動を伴う。

つまり、燃料は、排気ガスの流速や流量が小さい低負荷運転時であっても、酸化触媒５の入口の所定位置、すなわち酸化触媒５の端面中央へ噴射される。
また燃料噴射が行われるときが、図４に示されるようなディーゼルエンジンの中負荷運転時とする。
このときは、弁体２４で、高負荷運転時の排気ガスと同等にまで、流速が高められた排気ガスの主流は、図４に示されるように燃料添加弁１９からの燃料の噴射流を、高負荷運転時ときと同じく横方向から押しながら、酸化触媒５の入口へ向う。これにより、図４に示されるように燃料添加弁１９からの燃料の噴射流の先端は、高負荷運転時のときと同様な排気ガスで押される挙動を伴う。

つまり、燃料は、排気ガスの流速や流量が小さい中負荷運転時であっても、酸化触媒５の入口の所定位置、すなわち酸化触媒５の端面中央へ噴射される。
むろん、弁体２４は、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて、無段階に制御されるので、どのような運転状態でも、燃料添加弁１９からの燃料の噴射流の先端は、酸化触媒５の入口の所定位置、すなわち酸化触媒５の端面中央へ噴射される。

したがって、どのようなエンジンの運転状態下で、燃料が燃料添加弁１９から噴射されても、噴射された燃料の噴射方向は所定に保ち続けるので、常に酸化触媒５の所定位置へ燃料を噴射することができる。
この結果、酸化触媒５における燃料分布の偏りが抑えられ、常に屈曲部１５ａから酸化触媒５へ均一に燃料を供給することができ、酸化触媒５のみならず、下流のＮＯｘトラップ触媒８やパティキュレートフィルタ１１がもつ機能を十分に発揮させることができる。このため、排気ガス浄化装置の浄化機能を十分に発揮させることができる。特に、屈曲部１５ａにより、燃料添加弁１９の噴孔近傍の排気ガスの流れが大きく影響を受けやすい場合には有効である。

また弁部２４は、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて連続的に制御されることによって、どのようなエンジンの運転状態にも迅速に対応することができる。
しかも、弁体２４にて、燃料添加弁１９からの噴射流の先端側へ、流速が一定な排気ガス流を導く構造は、噴射された燃料の貫徹力が弱くなった先端側の噴射方向を制御するので、容易に最適な噴射方向が保てる。

そのうえ、弁体２４には、ディーゼルエンジンの高負荷運転時の最も排気ガスの流速、流量が多い排気ガス流のときに全開にし、ディーゼルエンジンの低負荷運転時の最も排気ガスの流速、流量が少ない排気ガス流のときに全閉にし、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて弁部２４を全開〜全閉までの無段階にする制御を用いたことにより、燃料添加弁１９の向きは、高負荷運転時の排気ガスに合わせて設定するだけで、簡単に燃料の最適な噴射方向を保つことができる。

加えて、弁体２４は、燃料添加弁１９の直上流に配置してあるので、たとえ燃料添加弁１９の先端にデジポットが堆積しても、弁部２４が全開するときを利用して、速い流速の排気ガスで吹き飛ばすことができ、燃料添加弁１９の先端にデジポットを堆積しにくくできる利点がある。
なお、本発明は上述した一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。例えば一実施形態では、屈曲部の直下流の触媒として酸化触媒を設け、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トラップ触媒を設け、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トラップ触媒を設け、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でもよく、要は屈曲部の直下流に触媒が配置され、同触媒の上流に燃料添加弁が配置される排気ガス浄化装置や、または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であれば、本発明を適用してもよい。

また、一実施形態では、屈曲部に添加剤噴射弁を設けたが、触媒の直上流のストレートな排気管部分、例えば屈曲部と触媒上流端との間に形成されるストレート部分に設けても良い。
さらに、上述した一実施形態では、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。

また一実施形態では、排気流制御弁にダンパー式の弁体を用いた構造を例に挙げたが、これに限らず、他の弁構造の排気流制御弁を用いてもよい。

本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の構造を、高負荷運転時に燃料添加弁から燃料が噴射される状態と共に示す一部断面した側面図。 同排気ガス浄化装置の排気流制御弁の動作特性を示す線図。 低負荷運転時に燃料添加弁から燃料が噴射されるときを示す一部断面した側面図。 中負荷運転時に燃料添加弁から燃料が噴射されるときを示す一部断面した側面図。

符号の説明

１ エンジン本体
５ 酸化触媒（触媒）
１５ 排気管部
１５ａ 屈曲部
１９ 燃料添加弁（添加剤噴射弁）
１９ａ 燃料噴射部（噴孔）
２３ 排気流制御弁

Claims (3)

1. エンジンから排気された排気ガスを外部へ導く、Ｌ形に屈曲する屈曲部を備えて形成された排気管部と、
   前記排気管部の前記屈曲部の直下流部分に収められた触媒と、
   前記排気管部の前記屈曲部の外周側に設けられ、排気ガスの流れを横切る方向へ噴射させて、前記触媒の所定位置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上流の排気管部分に設けられ、前記Ｌ形の屈曲部を通過する排気ガスの流れにより押される前記添加剤噴射弁からの添加剤が前記触媒の所定位置を保ち続けるように前記排気ガスの流れを制御する排気制御弁と
   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. 前記排気流制御弁は、前記添加剤噴射弁と並んで前記屈曲部の外周側の前記排気管側壁に設けられてい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. 前記排気流制御弁は、エンジンの運転状態に応じて前記添加剤噴射弁の噴孔近傍の排気ガスの流れが所定の流れとなるように制御されるものであ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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