JP7211174B2

JP7211174B2 - 排気管構造および車両

Info

Publication number: JP7211174B2
Application number: JP2019046156A
Authority: JP
Inventors: 哲史川口
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: JP2020148146A

Description

本開示は、排気管構造および車両に関する。

車両（例えば、トラックやバス等）に搭載される内燃機関（例えば、ディーゼルエンジン）において燃料の燃焼により生じた排気ガスを大気中（車外）に導く排気管の途中には、排気ガス中のＮＯｘを浄化する後処理装置（排気ガス浄化システム）や、排気ガスの状態・成分を検出する各種センサー（温度センサー、ＮＯｘ濃度センサー等）が設けられる。

後処理装置としては、尿素水等を還元剤として用いてＮＯｘを窒素と水に還元する選択触媒還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）装置が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

排気ガスの流れ方向における後処理装置の下流側においては、排気管が水平方向に延ばして設けられ、当該排気管内には例えばＮＯｘセンサーが設けられる。

特開２０００－３０３８２６号公報

ところで、水深の深い水溜まりや川へ車両が進入すると、排気管の下流側開口部から当該排気管内に例えば水（液体）が流入してしまう場合がある。この場合、排気管内のセンサーや排気管の上流側に設けられる後処理装置が被水して、当該センサーや後処理装置の触媒が故障してしまうおそれがあるという問題があった。

なお、内燃機関が稼働している場合には、車外へ排気ガスが排出され続けられるため、排気管内に水が流入する可能性は低い。しかし、内燃機関が停止している場合や、水の水圧が大きかったり水の水面に水面波が生じたりしている場合には、排気管内に水が流入する可能性は高い。

本開示の目的は、排気管内に水が流入することに起因する故障の発生を防止することが可能な排気管構造および車両を提供することである。

本開示に係る排気管構造は、
車両に搭載される内燃機関から排出された排気ガスを浄化する後処理装置の下流側に設けられ、前記後処理装置により浄化された排気ガスの流路を内部に有する管状本体を備え、前記管状本体が、前記車両の高さ方向において上に凸となるように湾曲して形成された湾曲部を有する排気管と、
前記管状本体の下流側に接続され、前記排気ガスを前記車両の外に排出するテールパイプと、
を備え、
前記管状本体と前記テールパイプとの間には、前記テールパイプの下流側開口部から前記テールパイプ内に流入してきた液体を外に逃がすとともに、前記車両の走行中に前記テールパイプ内に外気を導入する隙間部が設けられており、
前記隙間部は、
前記テールパイプの上流側開口部の内周面の外径が前記管状本体の下流側開口部の内周面の外径よりも大きいことによって形成されており、
前記管状本体の下流側開口部の全外周面と前記テールパイプの上流側開口部の全内周面との間に形成されている。

本開示に係る車両は、
上記排気管構造を備える。

本開示によれば、排気管内に水が流入することに起因する故障の発生を防止することができる。

本実施の形態における車両の構成を示す図である。本実施の形態における排気管構造の構成を示す図である。本実施の形態における下流側排気管とテールパイプとが接続される近傍の断面図を示している。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における車両１の構成を示す図である。図１に示すように、トラックやバス等の車両１には、内燃機関１０と排気系２０とが搭載されている。

まず、内燃機関１０の構成について説明する。内燃機関１０は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関１０の燃焼室１１において、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１内に燃料を噴射する。なお、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１の吸気ポートに燃料を噴射しても良い。燃料噴射インジェクタ１３による燃料の噴射は、図示しないＥＣＭ（Engine Control Module）により制御される。また、燃焼室１１内の燃料は、ピストン１９の動作により圧縮されて燃焼する。

吸気バルブ１５および排気バルブ１７は、開閉可能に構成される。吸気バルブ１５が開くことで、吸気用配管５０からの新気が燃焼室１１に吸入される。また、排気バルブ１７が開くことで、燃焼室１１で燃料が燃焼して生じた排気ガスが排気系２０（具体的には、排気管２１）に送り出される。

次に、排気系２０の構成について説明する。排気系２０は、例えば車両１の下部に設けられ、主に金属製の排気管２１を有する。この排気管２１は、内燃機関１０において燃料の燃焼により生じた排気ガスを大気中（車外）に導く。

また、排気管２１の途中には、排気ガスを浄化（無害化）するために、様々な後処理装置が設けられている。本実施の形態では、後処理装置として、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst：酸化触媒）２３Ａと、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２３Ｂと、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）２３Ｃと、ＡＳＣ（Ammonia Slip Catalyst）２３Ｄとが設けられている。

ＤＯＣ２３Ａは、金属製の担持体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を分解除去する。また、ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれるＮＯｘの大半を占める一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ_２）を生成する機能も有している。この機能を利用することで、ＳＣＲ２３ＣのＮＯｘ浄化効率を向上することが可能になる。

排気管２１において、ＤＯＣ２３Ａの上流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における上流側）には、一時的に排気ガス中に未燃燃料を供給して、未燃燃料の炭化水素（ＨＣ）をＤＯＣ２３Ａで酸化させ、その酸化反応熱を利用して排気ガスを昇温する燃料供給部２２（燃料供給インジェクタ）が配置されている。

ＤＰＦ２３Ｂは、多孔質セラミック製のハニカムのチャンネル（セル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウオールフローフィルタから形成される。ＤＰＦ２３Ｂは、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去する。

排気管２１において、ＤＰＦ２３Ｂよりも下流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における下流側）であって、ＳＣＲ２３Ｃよりも上流側には、尿素水溶液を排気管２１内へ噴射（具体的には、噴霧）するための尿素水インジェクタ２４が設けられている。

排気管２１におけるＳＣＲ２３Ｃの入口近傍には、排気ガスの温度を検出する温度センサー２６が設けられている。温度センサー２６の検出結果は、尿素水インジェクタ２４による尿素水溶液の噴射制御等に用いられる。

ＳＣＲ２３Ｃは、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、例えばゼオライトやバナジウム等の触媒が担持またはコーティングされる。

上記のようなＳＣＲ２３Ｃは、排気管２１において、ＤＰＦ２３Ｂの下流側に配置される。また、排気管２１においてＤＰＦ２３ＢとＳＣＲ２３Ｃとの間には、還元剤としての尿素水溶液が、尿素水インジェクタ２４により噴射され、ＤＰＦ２３Ｂを通過した排気ガスに供給される。その結果、尿素水溶液がアンモニアに加水分解される。そして、アンモニアを含む排気ガスがＳＣＲ２３Ｃを通過中、触媒の作用により窒素酸化物（いわゆるＮＯｘ）が窒素と水に反応する（還元反応）。これにより、排気ガス中の窒素酸化物が浄化される。

ここで、加水分解は、ＳＣＲ２３Ｃを通過する排気ガスの温度が所定温度（例えば、２００℃）以上で起こる。したがって、本実施の形態では、尿素水インジェクタ２４は、ＳＣＲ２３Ｃに流入する排気ガスの温度が２００℃以上の場合に、尿素水溶液を排気管２１内の排気ガスに供給する。なお、所定温度（２００℃）は、排気系２０の設計開発段階での実験・シミュレーション等により、アンモニアとＮＯｘとの反応温度等を考慮しつつ適宜適切に定められる。

ＡＳＣ２３Ｄ（アンモニアスリップ触媒）は、後段酸化触媒であって、ＤＯＣ２３Ａと同様の構成を有しており、排気管２１においてＳＣＲ２３Ｃの直ぐ下流に配置される。ＡＳＣ２３Ｄは、主として、ＳＣＲ２３Ｃにおいて還元反応に使用されずにスリップしてきたアンモニアが大気中に放出されないように、スリップしてきたアンモニアを酸化し除去する。それ以外にも、ＡＳＣ２３Ｄは、ＳＣＲ２３Ｃと同様の機能を有する場合もある。

排気管２１におけるＡＳＣ２３Ｄの下流側には、ＡＳＣ２３Ｄを通過した排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘ濃度センサー２７が設けられている。ＮＯｘ濃度センサー２７の検出結果は、尿素水インジェクタ２４による尿素水溶液の噴射制御等に用いられる。

以上の各後処理装置で排気ガスを処理して生成される水、窒素、二酸化炭素は、下流側排気管２９およびテールパイプ３４（排気クーラーとも言う）を介して、大気中に排出される（図２を参照）。

図２は、下流側排気管２９（本開示の「排気管」に対応）とテールパイプ３４とを備える排気管構造の構成を示す図である。

下流側排気管２９は、車両１に搭載される内燃機関１０から排出された排気ガスを浄化する後処理装置（ＤＯＣ２３Ａ、ＤＰＦ２３Ｂ、ＳＣＲ２３Ｃ、ＡＳＣ２３Ｄ）の下流側に設けられ、後処理装置により浄化された排気ガスの流路を内部に有する管状本体３０を備える。排気ガスの流れ方向に垂直な管状本体３０の断面形状は、円形状である。

管状本体３０の上流側開口部３０Ａは、ＮＯｘ濃度センサー２７を取り付けるＮＯｘ濃度センサー取り付け部２８の下流側において、排気管２１にフランジ接続されている。上流側開口部３０Ａは、管状本体３０を後処理装置の下流側に接続する接続部として機能する。管状本体３０の下流側開口部３０Ｂは、接続具３６を介して、テールパイプ３４の上流側開口部３４Ａと接続されている（図３を参照）。図３は、管状本体３０とテールパイプ３４とが接続される近傍の断面図を示している。

管状本体３０における上流側開口部３０Ａと下流側開口部３０Ｂとの間には、車両１の高さ方向Ｈにおいて上に凸（具体的には、逆Ｕ字形状）となるように湾曲して形成された湾曲部３２が設けられている。本実施の形態では、上流側開口部３０Ａ（接続部）により管状本体３０が後処理装置の下流側に接続されるとき、湾曲部３２は、流路の湾曲が高さ方向Ｈにおいて上に凸となるように配置される。また、車両１の高さ方向において、管状本体３０のうち湾曲部３２の内周面３０Ｃの下端位置３２Ａ（最上方）は、管状本体３０の下流側開口部３０Ｂの上端位置３０Ｂ１より所定距離ｈ１（例えば、６０ｍｍ）だけ高い。

テールパイプ３４は、管状本体３０の下流側に接続され、内燃機関１０から排出され、排気管２１および管状本体３０の流路を流通してきた排気ガスを下流側開口部３４Ｂから車両１の外に排出する。排気ガスの流れ方向に垂直なテールパイプ３４の断面形状は、円形状である。

図３に示すように、管状本体３０とテールパイプ３４との間には、隙間部４０Ａ，４０Ｂが設けられている。本実施の形態では、隙間部４０Ａ，４０Ｂは、テールパイプ３４の上流側開口部３４Ａの径と管状本体３０の下流側開口部３０Ｂの径との違いにより生じる。テールパイプ３４の上流側開口部３４Ａの径ｄ２（内周面３４Ｃの外径）は、管状本体３０の下流側開口部３０Ｂの径ｄ１（内周面３０Ｃの外径）より大きい。

隙間部４０Ａ，４０Ｂのうち隙間部４０Ａは、車両１の高さ方向Ｈにおいて、管状本体３０の外周面３０Ｄよりも下方に設けられ、テールパイプ３４の下流側開口部３４Ｂからテールパイプ３４内の流路に流入してきた液体（例えば、水）を外に逃がす隙間部として機能する。

なお、隙間部４０Ａ，４０Ｂは、車両１の走行中にテールパイプ３４内に外気（空気）を導入し、テールパイプ３４から排出される排気ガスの温度を下げることによって、高温の排気ガスによる周囲への悪影響を低減する導入口としても機能する。

以上詳しく説明したように、本実施の形態では、下流側排気管２９は、車両１に搭載される内燃機関１０から排出された排気ガスを浄化する後処理装置の下流側に設けられ、後処理装置により浄化された排気ガスの流路を内部に有する管状本体３０を備える。管状本体３０は、車両１の高さ方向において上に凸となるように湾曲して形成された湾曲部３２を有する。このように構成した本実施の形態によれば、水深の深い水溜まりや川へ車両１が進入した場合に、管状本体３０の下流側開口部３０Ｂから管状本体３０内に例えば水（液体）が流入しても、湾曲部３２の上流側に水が浸入することを防止することができる。そのため、管状本体３０の上流側に設けられる各種センサー（温度センサー２６，ＮＯｘ濃度センサー２７）や後処理装置が被水して、当該各種センサーや後処理装置の触媒が故障してしまうことを防止することができる。

さらに言えば、本実施の形態では、車両１の高さ方向において上に凸となるように湾曲して形成された湾曲部３２を設けた、すなわち排気ガスが流通する流路を一旦上方へ上げてから下方へ下げている。これにより、後処理装置の下流側において排気管が水平方向に延ばして設けられ従来と比べて、管状本体３０の下流側開口部３０Ｂの位置を高い位置に設けることができる。そのため、従来と比べて、管状本体３０の下流側開口部３０Ｂから管状本体３０内に水が流入することを抑制することができる。

また、本実施の形態では、管状本体３０とテールパイプ３４との間には、テールパイプ３４の下流側開口部３４Ｂからテールパイプ３４内に流入してきた液体を外に逃がす隙間部４０Ａが設けられている。この構成により、水深の深い水溜まりや川へ車両１が進入した場合に、テールパイプ３４の下流側開口部３４Ｂからテールパイプ３４内に例えば水（液体）が流入しても、管状本体３０側への水の浸入量を減らすことができる。

なお、上記実施の形態では、管状本体３０の下流側にテールパイプ３４が接続される例について説明したが、本開示はこれに限らない。例えば、管状本体３０の下流側にテールパイプ３４が接続されなくても良い。ただし、管状本体３０の上流側に設けられる各種センサーや後処理装置が被水することを効果的に防止する観点からは、管状本体３０の下流側にテールパイプ３４が接続されることが望ましい。

また、上記実施の形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示は、排気管内に水が流入することに起因する故障の発生を防止することが可能な排気管構造および車両として有用である。

１車両
１０内燃機関
１１燃焼室
１３燃料噴射インジェクタ
１５吸気バルブ
１７排気バルブ
１９ピストン
２０排気系
２１排気管
２２燃料供給部
２３ＡＤＯＣ
２３ＢＤＰＦ
２３ＣＳＣＲ
２３ＤＡＳＣ
２４尿素水インジェクタ
２６温度センサー
２７ＮＯｘ濃度センサー
２８ＮＯｘ濃度センサー取り付け部
２９下流側排気管
３０管状本体
３０Ａ上流側開口部
３０Ｂ下流側開口部
３０Ｂ１上端位置
３０Ｃ内周面
３０Ｄ外周面
３２湾曲部
３２Ａ下端位置
３４テールパイプ
３４Ａ上流側開口部
３４Ｂ下流側開口部
３４Ｃ内周面
３６接続具
４０Ａ，４０Ｂ隙間部
５０吸気用配管

Claims

車両に搭載される内燃機関から排出された排気ガスを浄化する後処理装置の下流側に設けられ、前記後処理装置により浄化された排気ガスの流路を内部に有する管状本体を備え、前記管状本体が、前記車両の高さ方向において上に凸となるように湾曲して形成された湾曲部を有する排気管と、
前記管状本体の下流側に接続され、前記排気ガスを前記車両の外に排出するテールパイプと、
を備え、
前記管状本体と前記テールパイプとの間には、前記テールパイプの下流側開口部から前記テールパイプ内に流入してきた液体を外に逃がすとともに、前記車両の走行中に前記テールパイプ内に外気を導入する隙間部が設けられており、
前記隙間部は、
前記テールパイプの上流側開口部の内周面の外径が前記管状本体の下流側開口部の内周面の外径よりも大きいことによって形成されており、
前記管状本体の下流側開口部の全外周面と前記テールパイプの上流側開口部の全内周面との間に形成されている、
排気管構造。
請求項１に記載の排気管構造を備える、
車両。