JP5510656B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気管内に燃料等の添加剤を噴射して触媒に供給する構造の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気の浄化には、ディーゼルエンジンの排気中に含まれる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、吸蔵型ＮＯｘ触媒、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浄化装置が用いられる。
こうした排気浄化装置には、エンジンから排出された排気を外部へ排気する排気管内に、前段触媒と呼ばれる、酸化触媒等の触媒を設け、触媒の上流側に、該触媒の反応に求められる添加剤（例えば燃料）を噴霧状に噴射する噴射弁を設けた構造が採用される。

このような排気浄化装置では、噴射弁の噴孔に排気中のすすが付着したり、排気の熱により噴射弁の温度が許容を超えて上昇してしまったりする虞がある。
そこで、排気管から外方に突出部を設け、この突出部に添加剤を噴射する噴射弁を設けることで、排気の流れが噴射弁に直接ぶつからないようにして、噴射弁の温度上昇を抑制する技術が提案されている(特許文献１)。

また、上記のように排気に添加剤を噴射する排気浄化装置では、噴射された添加剤と排気とを十分に混合させることが必要とされている。
このため、噴射弁から噴射した添加剤を排気流路の中心付近まで導くガイド管を設けたものも開発されている(特許文献２)。

特開２００９−１１４９１０号公報 特公平６−２１５５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された排気浄化装置では、突出部内に排気が入り込み、突出部内にすすが堆積しやすくなる。そして、突出部内にすすが多量に堆積すると、噴射弁から噴射した添加剤の噴霧がすすに妨げられ、排気との混合が不十分となる虞がある。
また、特許文献２に記載された排気浄化装置では、ガイド部開放端付近で、噴霧と排気管の内壁とが近くなるとともに、すすを含んだ排気がガイド部内に入り込む虞もあるため、上記特許文献１の構造よりも噴霧障害やすすによる閉塞を引き起こす可能性が高くなる虞がある。このように噴霧障害や閉塞により添加剤が十分に供給できなくなるとＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化が不十分となってしまう。また、排気管内に突出部が形成されることで、排気の流通性が低下し、エンジンの出力低下を招いてしまうといった問題点もある。

そこで、本発明の目的は、排気管内への添加剤の噴射位置で、排気の滞留を抑制して、すすの堆積を抑制可能な排気浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の排気浄化装置は、内燃機関の排気を外部へ導く排気管と、排気管に介装された触媒と、触媒の排気上流側に設けられ、触媒に供給する添加剤を噴射する添加剤噴射弁と、添加剤噴射弁と排気管との間に設けられ、排気管から外側に分岐して添加剤噴射弁から噴射した添加剤が内部を通過する通路部と、を備えた排気浄化装置であって、排気管は屈曲部を有し、通路部は排気管において屈曲部から外側に分岐し、通路部と排気管との接続箇所の排気上流側に位置する部位から、接続箇所から離間するように排気下流側の前記排気管の内部へ向けて延びる遮蔽部を備え、通路部は、先端部が軸線に対して斜めに切断された排気管とは別体の筒状部材により構成され、先端部の鋭角となる部位が排気上流側に位置するように配置され、遮蔽部は、通路部の先端部の排気上流側に位置する部位が、排気管内の排気の主流の流通箇所より外方に位置するように排気管の内壁から突出して形成されていることを特徴とする。

また、請求項２の排気浄化装置は、請求項１において、通路部と排気管とは湾曲部を介して接続されることを特徴とする。

また、請求項３の排気浄化装置は、請求項１または２において、通路部の排気管側の先端部の排気下流側に位置する部位が排気管の内壁から突出しないように配置されていることを特徴とする。

また、請求項４の排気浄化装置は、請求項１から３のいずれか１項において、排気管の流路断面は、排気管と通路部との接続箇所の排気上流側の所定の範囲で、添加剤噴射弁からの添加剤の噴射流を排気流と交差する方向から見た側面視の噴射領域と同等の形状となるように形成されていることを特徴とする。

また、請求項５の排気浄化装置は、請求項１から４のいずれか１項において、排気管は、通路部との接続箇所の排気上流側の所定の範囲で流路面積を一定に保つように形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、排気管と通路部との接続箇所の排気上流側に位置する部位から、接続箇所から離間するように排気下流側の前記排気管の内部へ向けて延びる遮蔽部を備えているので、この遮蔽部により排気管を通過する排気が接続箇所を伝って通路部に流入し難くなる。
また、添加剤噴射弁から噴射した添加剤が通過する通路部が、排気管とは別体の筒状部材からなっているので、先端部を排気管に挿入することで、容易に先端部を排気管の内壁から突出することができる。そして、通路部の先端部の排気上流側部位が排気管の内壁から突出した構造とするので、この突出した部位により排気管を通過する排気が通路部に流入し難くなる。
更に、通路部の先端部が軸線の垂直方向に対して斜めに切断されているので、鋭角となる部分を排気上流側に位置するように配置することで、排気上流側で先端部が大きく突出し、排気下流側で突出が抑えられるように通路部を容易に設置することができる。
また、通路部の先端部が排気管内の排気の主流の流通位置より外方に位置するので、排気が遠心力により屈曲外周をより多く流れたとしても通路部の先端部により排気の主流の流通を妨げることなく、排気管内の排気の流路抵抗が抑制され、内燃機関の出力の低下を抑制することができる。
請求項２の発明によれば、排気管と通路部との接続箇所の内、最も排気管を通過する排気が通路部に流入し易い湾曲部の近傍に遮蔽部を備えているので、通路部への排気の流入を効果的に抑制することができる。

請求項３の発明によれば、通路部の先端部の排気下流側部位は排気管の内壁から突出することなく排気管に接続されているので、この排気下流側部位での先端部と排気管との接続箇所で排気が滞留し難くなる。よって、通路部内及び通路部の近傍で排気中のすすが堆積することを抑制できる。

請求項４の発明によれば、排気管と通路部との接続箇所の排気上流側の所定の範囲で排気管の流路断面を、噴射流の側面視の形状と同等の形状とするので、噴射した燃料添加剤の側面上に排気がくまなく分布し、排気と添加剤との接触が十分に行われる機会が与えられる。これにより、排気と添加剤との混合を十分に行うことができる。

請求項５の発明によれば、通路部との接続箇所の排気上流側の所定の範囲、即ち排気と添加剤との混合位置まで排気管の流路面積が一定になるので、流路抵抗を抑え、内燃機関の出力の低下を防止することができる。

本発明の実施形態に係るエンジンの排気系の概略構成図である。 燃料添加位置近辺の排気管の構造を示す縦断面図である。 排気管の流路断面形状を示す説明図である。

以下、本発明を図１に示す実施形態にもとづいて説明する。
図１は本発明の実施形態に係るエンジンの排気系の概略構成図である。図２は、燃料添加位置近辺の排気系の構造図である。
本実施形態では、内燃機関としてターボチャージャを備えたディーゼルエンジン(エンジン１)を採用している。

図１に示すように、エンジン１の排気管２には、排気浄化装置として、ターボチャージャ３（タービン）から排気下流側に向かって順番に、酸化触媒４、ＮＯx吸蔵触媒５、ディーゼルパティキュレートフィルタ６が介装されている。酸化触媒４は、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されており、排気中のＣＯ及びＨＣを酸化させてＣＯ_２及びＨ_２Ｏに変換させるとともに、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成する機能を有する。

ＮＯx吸蔵触媒５は、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属を含んだ担体に、バリウム（Ｂａ），カリウム（Ｋ）等のＮＯx吸蔵剤を担持させて構成されており、リーン空燃比雰囲気（酸化雰囲気）下でＮＯxを捕捉する一方、リッチ空燃比雰囲気（還元雰囲気）下で、捕捉しているＮＯxを放出し、排気中のＨＣ、ＣＯと反応させて還元する機能を有している。

ディーゼルパティキュレートフィルタ６は、例えば、ハニカム担体の通路の上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖して、排気中のＰＭを捕集する機能を有しており、更に、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されている。
酸化触媒４の上流側には、排気管内燃料噴射弁７（添加剤噴射弁）が設置されている。排気管内燃料噴射弁７には、図示しない燃料タンクから、エンジン１によって駆動される燃料ポンプによって燃料が供給される。排気管内燃料噴射弁７は、供給された燃料を排気管２内に噴射する機能を有している。

図２に示すように、酸化触媒４は、筒型のハウジング１０に収容されている。このハウジング１０には、排気上流側に、排気管２の一部となる筒状の排気管部１１が形成されている。排気管部１１は、上方に位置するターボチャージャ３と下方に位置する酸化触媒４とを繋ぎ、その上流側の入口部１２が横向きに配置されている。排気管部１１には、屈曲部１３が形成されており、この屈曲部１３の直下の部分に酸化触媒４が配置されている。

排気管内燃料噴射弁７は、この酸化触媒４へ、触媒反応に求められる燃料を供給するために、酸化触媒４の直上の地点、屈曲部１３の外周側に設けられている。この排気管内燃料噴射弁７は、燃料を噴射する燃料噴射部７ａを先端部にもつ。排気管内燃料噴射弁７は、屈曲部１３の下流の排気管部１１の外周から分岐して外側上方へ延びる筒状の通路部２０の端に、取付フランジ２１および台座２２を用いて固定されている。これにより、排気管内燃料噴射弁７の先端部の燃料噴射部７ａを、通路部２０の内部空間で形成される燃料噴射路２０ａに臨ませている。燃料噴射路２０ａは、屈曲部１３の曲がり方向とは反対側へ傾いて延びていて、出口端を酸化触媒４の入口端面の中央から端寄り（入口部１２側）へ向けている。これにより、酸化触媒４の反応用の燃料が、屈曲部１３を通過する排気流とは交差する方向から酸化触媒４へ噴射されるようにしている。具体的には燃料は、図２中に示されるように排気流の流れ方向βとは、鋭角的に交差する角度θ１の方向から、下流方向、すなわち酸化触媒４の入口端面の前方に形成されている混合室１４へ向かって噴射されるようにしている。これで、噴射流αの貫徹力が弱まる下流部分が、酸化触媒４から直上流の地点で排気と衝突するようにしている。

一方、酸化触媒４から上流の排気管部１１のうち、排気管内燃料噴射弁７から噴射された燃料の噴射流αと交差する地点より上流側の排気管部１１の部位である排気誘導部１５の流路断面形状が、図３に示すように、当該排気流と交差する横方向から見た噴射流αの側面視の噴射領域と同等の形状となるように形成されている。具体的には、この流路断面形状を、噴射流αを横方向から投影した下流側の形状とほぼ同じ扇形に形成してなる。これで、排気誘導部１５は、先端に向かって拡がる噴射流αの形状にならい、噴射流αの上流側となる部分が細く、反対の下流側となる部分が太くなる流路断面形状をもつ。図３中の符号１５ａは、このうちの細い流路断面部分を示し、１５ｂは太い流路断面部分を示している。この排気誘導部１５により、排気を添加剤の噴射流上にくまなく分布させて、排気と十分に接触させる機会を与えるようにしている。

また、排気管部１１の入口部１２から燃料が混合する位置までの流路面積は、所定の流路面積に一定に保たれている。もちろん、排気誘導部１５までは、断面形状が徐々に噴射流αと同形になるよう変化していて、無用な通路抵抗を発生させない構造にしてある。
また排気誘導部１５から下流の排気管部１１は、半径方向へ拡がるように成形されている。この拡がる拡大部１６により、衝突を終えた燃料と排気とが半径方向へ拡げられながら、酸化触媒４の入口端面へ供給されるようにしている。拡大部１６の形状として、円錐形の他にラッパ状の形（ベルマウス形）が酸化触媒４に均一な分布で供給するためには有効である。

なお、排気管内燃料噴射弁７から噴射される燃料は、酸化触媒４の反応により還元剤を生成し、この還元剤でＮＯｘ吸蔵触媒５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４の反応で得た熱により、パティキュレートフィルタ６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、排気管内燃料噴射弁７は、エンジン１を制御する制御部、例えばＥＣＵ（図示しない）によって、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構成されている。

特に、本実施形態では、排気管内燃料噴射弁７からの燃料添加位置近辺の排気管部１１の構造に特徴を有している。図２に示すように、燃料噴射弁７から燃料を排気管部１１に導入する通路部２０は、排気管部１１とは一体成型ではなく別部品で構成されている。通路部２０は、その下端が排気管部１１に挿入されて溶接等により固定されている。通路部２０の下端は軸線に対して斜めに切断されて形成されており、この鋭角となっている突端部２０ｂ（本発明の遮蔽部となる）が、入口部１２側（図中右側）となるように配置されている。通路部２０と排気管部１１とは鋭角に接続されており、その間の接続箇所では排気管部１１の縁部先端１７が上方に湾曲して湾曲部１８が形成されているが、通路部２０の突端部２０ｂは、排気管部１１の縁部先端１７より下方に突出している。通路部２０の突端部２０ｂは、上流側からの排気管部１１の内壁の延長線（図中γ）、即ち排気の主流の流通箇所までは突出していない。一方、通路部２０の軸線を挟んで突端部２０ａの反対側である鈍角部２０ｃでは、排気管部１１と滑らかに繋がるように配置されている。通路部２０は、その下端部である先端部が排気下流側に向かうに連れて、上方へ後退するように配置されている。

以上のような構造の本実施形態では、運転中にエンジンから排出された排気は、図１に示されるように、ターボチャージャ３、排気管部１１、酸化触媒４、ＮＯｘ吸蔵触媒４およびパティキュレートフィルタ６を通過して、外気へ排出される。
排気中に含まれるＮＯｘ及びＳＯｘは、ＮＯｘ吸蔵触媒５に吸蔵され、同じくＰＭは、パティキュレートフィルタ６により捕集される。

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が作動させると、排気管内燃料噴射弁７の燃料噴射部７ａから、ＮＯｘ、ＳＯｘやＰＭを除去するための燃料が、燃料噴射路２０ａを通じて、鋭角的な方向から、排気管部１１内を流れる排気流へ噴射される。これで、噴射流αの燃料と排気流の排気とが衝突する。
このとき、噴射流αの貫徹力が弱まる下流部分と交差する直上流から交差する排気管部１１には、噴射流αの横方向から見た噴射領域とほぼ同形状の流路断面をもつ排気誘導部１５が形成してある。そのため、排気誘導部１５を通過した排気は、燃料の噴射流α上を、くまなく分布しながら通る。

これにより、排気流の排気と噴射流αの燃料とは十分に接触する機会が与えられる。これで、排気と燃料とはくまなく接触し、排気と燃料とは十分に混合される。
このとき燃料と排気の流速は、排気管内燃料噴射弁７から近い貫徹力の強い上流側の噴射流αの燃料が、細い流路断面部分１５ａで流速が増した高流速の排気と衝突し、排気管内燃料噴射弁７から遠い貫徹力の弱い下流側の噴射流αの燃料が、太い流路断面部分２０ｂで流速が低下した低流速の排気と衝突するので、添加剤と排気の均一な混合がより一層得られる。この均一に混合された燃料と排気とが、拡大部１６により、半径方向へ拡がりながら、酸化触媒４へ向かう。

ここで、排気流と噴射流αとは、鋭角的に交差して、排気流がもたらす噴射流αの偏向を抑えているから、混合した燃料と排気とは、酸化触媒４の所定位置、例えば入口端面のほぼ中央へ供給される。
したがって、排気誘導部１５の形成により、たとえ排気管内燃料噴射弁７と酸化触媒４間で混合に必要な距離が確保されなくとも、排気と均一に混合した燃料を触媒へ供給することができる。

それ故、排気誘導部１５を用いて、酸化触媒４の機能を十分に発揮させることができる。むろん、拡大部１６を併用すると、一層、均一な分布で、酸化触媒４へ燃料を供給することができる。そのうえ、排気誘導部１５は、排気管部１１の上流から所定の流路面積を一定に保つように形成してあるので、排気管部１１の流路抵抗の増加はなく、エンジン出力の低下は抑えられる。

更に、本実施形態では、排気管内燃料噴射弁７から噴射した燃料が通過する通路部２０は、先端が湾曲部１８より突出して突端部２０ｂ（遮蔽部）を形成し、排気下流側に配置される鈍角部２０ｃが上方へ後退した構造となっているので、排気が通路部２０内に流れ込み難い構造となっている。特許文献１のように排気管部１１と通路部２０とを一体とする構造では、互いに鋭角に交差するような配置上、その間の部分（湾曲部１８）で排気管部１１を湾曲させた構造としなければならず、排気管部１１から通路部２０に排気が流入し易くなってしまう。これに対して、本実施形態では、通路部２０の先端部を排気管部１１の内部へ突出させることで排気を遮蔽する遮蔽部（突端部２０ｂ）を設けているので、排気を通路部２０内に流れ込み難くすることができる。更に、通路部２０と排気管部１１とが別部品となっているので、通路部２０の排気管部１１への差し込み量を設定することで遮蔽部を容易に形成することができる。また、通路部２０の先端部の排気下流側の部位である鈍角部２０ｃは排気管部１１に滑らかに接続されているので、この部分で排気が滞留し難くなる。このように、本実施形態では、通路部２０内に排気が流入し難く、また排気が滞留し難いので、通路部２０内でのすすの堆積を抑制し、燃料の排気への添加を妨げないようにすることができる。

また、通路部２０の突端部２０ｂがその上流側からの排気誘導部１５の内壁の延長線γよりも外方にあり、即ち排気の主流の流通箇所までは突出していないので、従来技術である特許文献２のようにガイド部（通路部）を排気管の中心まで突出させる構造と比較して、排気管１１内の排気の流路抵抗が抑制され、エンジン１の出力の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、通路部２０が排気管部１１とは一体で形成されたものではなく、別部品を溶接にて接続する構造としたので、排気管部１１及び通路部２０と排気管内燃料噴射弁７を取り付けるフランジ２１とを容易に接続することができる。詳しくは、本実施形態では、始めに通路部２０とフランジ２１とを溶接する（図２中ａ部）。これにより、接続箇所の外側を容易に全周溶接することができる。そして、その後にこの通路部２０とフランジ２１とからなる部品２３と排気管部とを溶接する(図２中ｂ部)。このようにすることで、フランジ２１の接続箇所の外側を全周溶接できるので、内側の溶接が不要となる。特許文献１のように通路部２０と排気管部１１とが一体的に成形されている場合には、排気管部１１とフランジ２１とを溶接する際に、排気管部１１の上流側部分（屈曲部１３等）が邪魔になり、外側全周を溶接することが困難となる。よって、通路部２０の内側の接続箇所(図２中Ｃ部)を溶接しなければならず、この溶接部が突出してすすが溜まりやすくなる虞があるが、本実施形態では、前述のように内側の溶接が不要となるので、通路部２０内でのすすの堆積を抑制することができる。

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、添加剤が噴射される排気管部１１の直下流の触媒として酸化触媒４を用い、その下流にＮＯｘ吸蔵触媒５、パティキュレートフィルタ６を設けた排気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浄化装置、例えば排気管部１１の直下流の触媒としてＮＯｘ吸蔵触媒５を用い、その下流にパティキュレートフィルタ６を設け、ＮＯｘ吸蔵触媒５の上流に排気管内燃料噴射弁７を設けた排気浄化装置でも、排気管部１１の直下流の触媒としてＮＯｘ吸蔵触媒５を用い、その下流にＮＯｘ吸蔵触媒５、酸化触媒４、パティキュレートフィルタ６を設け、ＮＯｘ吸蔵触媒５の上流に排気管内燃料噴射弁７を設けた排気浄化装置や、または選択還元型触媒やパティキュレートフィルタ６の上流に排気管内燃料噴射弁７を設けた排気浄化装置などに本発明を適用してもよい。

さらに、上述した実施形態では、排気に添加する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。

１ エンジン
２ 排気管
４ 酸化触媒
７ 排気管内燃料噴射弁
１１ 排気管部
２０ 通路部
２０ｂ 突端部
３０、３１ 遮蔽部

Claims (5)

1. 内燃機関の排気を外部へ導く排気管と、
   前記排気管に介装された触媒と
   前記触媒の排気上流側に設けられ、前記触媒に供給する添加剤を噴射する添加剤噴射弁と、
   前記添加剤噴射弁と前記排気管との間に設けられ、前記排気管から外側に分岐して前記添加剤噴射弁から噴射した添加剤が内部を通過する通路部と、を備えた排気浄化装置であって、
   前記排気管は屈曲部を有し、
   前記通路部は前記排気管において前記屈曲部から外側に分岐し、
   前記通路部と前記排気管との接続箇所の排気上流側に位置する部位から、前記接続箇所から離間するように排気下流側の前記排気管の内部へ向けて延びる遮蔽部を備え、
   前記通路部は、先端部が軸線に対して斜めに切断された前記排気管とは別体の筒状部材により構成され、前記先端部の鋭角となる部位が排気上流側に位置するように配置され、
   前記遮蔽部は、前記通路部の前記先端部の排気上流側に位置する部位が、前記排気管内の排気の主流の流通箇所より外方に位置するように前記排気管の内壁から突出して形成されることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記通路部と前記排気管とは湾曲部を介して接続されることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記通路部の前記排気管側の先端部の排気下流側に位置する部位が前記排気管の内壁から突出しないように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化装置。
4. 前記排気管の流路断面は、前記排気管と前記通路部との接続箇所の排気上流側の所定の範囲で、前記添加剤噴射弁からの添加剤の噴射流を排気流と交差する方向から見た側面視の噴射領域と同等の形状となるように形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の排気浄化装置。
5. 前記排気管は、前記通路部との接続箇所の排気上流側の所定の範囲で流路面積を一定に保つように形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の排気浄化装置。

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