JP7428176B2 - 排気構造およびインジェクタ取付部材 - Google Patents

Description

本開示は、排気構造およびインジェクタ取付部材に関する。

従来、内燃機関から排出された排ガスが流れる排気管と、排気管内に尿素水を噴射する尿素水インジェクタ（ドージングモジュールと言ってもよい）と、排気管内において尿素水の噴射位置よりも下流側に設けられたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒と、を備えた排気構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記排気構造では、尿素水インジェクタから噴射された尿素水は、排ガスの熱によって加水分解される。これにより発生したアンモニアはＳＣＲ触媒へ供給され、ＳＣＲ触媒においてアンモニアにより排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が窒素に還元される。

特開２０１８－５３８９７号公報

上記排気構造における排ガスの流れは、ＳＣＲ触媒へ向かう流れが主流であるが、それとは逆に、尿素水インジェクタの噴口（ノズルまたは噴射口と言ってもよい）へ向かう流れが発生することがある。これにより、尿素水インジェクタから噴射された尿素水は、噴口の方向へと押し戻されてしまい、噴口付近に尿素（具体的には、アンモニア生成過程の副産物である白色系の固形物）が固着するおそれがある。

本開示の一態様の目的は、噴口付近における尿素の固着を抑制することができる排気構造を提供することである。

本開示の一態様に係る排気構造は、内燃機関から排出された排ガスが流れる排気管と、尿素水の噴射を行う尿素水インジェクタと、前記排気管内において前記尿素水の噴射位置よりも下流側に設けられたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒と、前記尿素水インジェクタを前記排気管に固定的に取り付けるためのインジェクタ取付部材と、を備えた排気構造であって、前記インジェクタ取付部材は、軸方向に貫通した筒状体であり、一方の開口部に前記尿素水インジェクタの噴口が配置され、他方の開口部が前記ＳＣＲ触媒よりも上流側の前記排気管内に面するように前記排気管に取り付けられ、前記インジェクタ取付部材の内周面には、前記他方の開口部から前記一方の開口部へ向かう前記排ガスの流れを前記一方の開口部から前記他方の開口部へ向かう流れに方向転換させるリブが設けられ、前記リブは、前記軸方向に延伸しており、前記インジェクタ取付部材の内周面に対して垂直な壁面を有し、前記軸方向に延伸している前記リブの端部のうち、前記一方の開口部に近い方の端部は、前記尿素水インジェクタの噴口から前記他方の開口部方向に所定距離離間して設けられている。

本開示の一態様に係るインジェクタ取付部材は、内燃機関から排出された排ガスが流れる排気管と、尿素水の噴射を行う尿素水インジェクタと、前記排気管内において前記尿素水の噴射位置よりも下流側に設けられたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒と、前記尿素水インジェクタを前記排気管に固定的に取り付けるためのインジェクタ取付部材と、を備えた排気構造であって、前記インジェクタ取付部材は、軸方向に貫通した筒状体であり、一方の開口部に前記尿素水インジェクタの噴口が配置され、他方の開口部が前記ＳＣＲ触媒よりも上流側の前記排気管内に面するように前記排気管に取り付けられ、前記インジェクタ取付部材の内周面には、前記他方の開口部から前記一方の開口部へ向かう前記排ガスの流れを前記一方の開口部から前記他方の開口部へ向かう流れに方向転換させるリブが設けられ、前記リブは、前記軸方向に延伸しており、前記インジェクタ取付部材の内周面に対して垂直な壁面を有し、前記軸方向に延伸している前記リブの端部のうち、前記一方の開口部に近い方の端部は、前記尿素水インジェクタの噴口から前記他方の開口部方向に所定距離離間して設けられている。

本開示によれば、噴口付近における尿素の固着を抑制することができる。

本開示の比較例に係る排気構造を模式的に示す側断面図 本開示の実施の形態に係る排気構造を模式的に示す側断面図 本開示の実施の形態に係るインジェクタ取付部材の正面図 本開示の実施の形態に係るインジェクタ取付部材の側断面図

＜本開示に至った知見＞
まず、本開示に至った知見について、図１を用いて説明する。図１は、本開示の比較例としての排気構造１を模式的に示す側断面図である。

排気構造１は、インジェクタ取付部材１０、第１排気管１１、第２排気管１２、尿素水インジェクタ（図示略）、ＳＣＲ触媒（図示略）を有する。

第１排気管１１および第２排気管１２は、内燃機関（図示略）から排出された排ガスが流れる筒状体である。

第１排気管１１の上流側端部には、インジェクタ取付部材１０（詳細は後述）が固定的に設けられている。また、第１排気管１１には、第２排気管１２（詳細は後述）が接続されている。また、図示は省略するが、第１排気管１１には、第２排気管１２が接続された位置よりも下流側に、ＳＣＲ触媒が設けられている。例えば、ＳＣＲ触媒は、第１排気管１１の内径よりも径が大きいケース内に収容されている。

第２排気管１２の一端は、例えば排気マニホールド（図示略）に接続されている。第２排気管１２の他端は、図１に示すように、第１排気管１１に接続されている。なお、図１では、便宜上、第２排気管１２が第１排気管１１の下方に接続されるように図示したが、第２排気管１２が接続される位置は、第１排気管１１の下方に限定されない。

図中の矢印ｂは、第２排気管１２における排ガスの流れ方向を示している。すなわち、第２排気管１２を流れる排ガスは、第１排気管１１内に流入する。第１排気管１１内に流入した排ガスは、第１排気管１１内において、図の左から右へと流れる。

インジェクタ取付部材１０は、尿素水インジェクタを第１排気管１１に固定的に取り付けるための部材である。図示は省略するが、尿素水インジェクタは、インジェクタ取付部材１０のうち第１排気管１１の外部に配置される部分（第１開口部１３が設けられたフランジ部分）に固定されている。

図１に示すように、インジェクタ取付部材１０は、軸方向（図の左右方向）に貫通した筒状体であり、第１開口部１３および第２開口部１４を備える。すなわち、インジェクタ取付部材１０には、その軸方向に沿って、第１開口部１３、第２開口部１４を両端とする貫通孔（符号略）が設けられている。この貫通孔は、尿素水の噴射路として用いられる。

第１開口部１３は、第１排気管１１の外部に配置されている。第１開口部１３には、尿素水インジェクタの噴口（図示略）が配置されている。図中の矢印ａは、尿素水の噴射方向を示している。すなわち、尿素水インジェクタは、第２開口部１４へ向けて貫通孔内に尿素水を噴射する。

第２開口部１４は、第１排気管１１の内部に配置されている。言い換えれば、第２開口部１４は、ＳＣＲ触媒よりも上流側の第１排気管１１の内部に面するように配置されている。

第２開口部１４から第１排気管１１へ流入した尿素水は、排ガスの熱によって加水分解される。これにより発生したアンモニアは、ＳＣＲ触媒へ供給される。そして、ＳＣＲ触媒では、アンモニアにより排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が窒素に還元される。

次に、上記構成を備えた排気構造１における課題について説明する。

上述したとおり、第２排気管１２から第１排気管１１へ流入した排ガスは、基本的には、第１排気管１１において、図の左から右へ、すなわちＳＣＲ触媒へ向かうように流れる。しかし、この流れとは逆の流れが発生することがある。

具体的には、排ガスの一部が、第１排気管１１からインジェクタ取付部材１０内へ流入し、旋回しながら尿素水インジェクタの噴口（第１開口部１３と言ってもよい）へ向かうように流れる。図中の矢印ｃは、インジェクタ取付部材１０内において噴口へ向かう排ガスの流れ方向を示している。この流れにより、矢印ａの方向へ噴射された尿素水は、噴口の方向へと押し戻される。

そして、インジェクタ取付部材１０内に流入した排ガスは、継続的に第２開口部１４からインジェクタ取付部材１０内に流れ込む排ガスにより、インジェクタ取付部材１０内に滞留する。図中の矢印ｄは、インジェクタ取付部材１０内において滞留する排ガス（旋回流）を示している。

このような排ガスの滞留により、尿素水インジェクタの噴口付近に尿素（具体的には、アンモニア生成過程の副産物である白色系の固形物）が固着するおそれがある。その結果、尿素水の噴射効率が低下し、ＳＣＲ触媒に十分なアンモニアが供給されず、排ガスの浄化不良につながるおそれがある。

以上のことから、本開示では、尿素水インジェクタの噴口付近における尿素の固着を抑制できるようにすることを目的とする。

＜本開示の実施の形態＞
次に、本開示の実施の形態について、図２～図４を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付している。

図２は、本実施の形態に係る排気構造１００を模式的に示す側断面図である。図３は、本実施の形態に係るインジェクタ取付部材２０の正面図である。図４は、本実施の形態に係るインジェクタ取付部材２０の側断面図である。

図２に示す排気構造１００は、例えば、内燃機関（図示略）を有する車両（図示略）に搭載される。内燃機関は、ディーゼルエンジンであってもよいし、ガソリンエンジンであってもよい。また、排気構造１００は、車両の内燃機関に限らず、例えば、船舶または定置式の内燃機関に適用することも可能である。

排気構造１００は、インジェクタ取付部材２０、第１排気管１１、第２排気管１２、尿素水インジェクタ（図示略）、ＳＣＲ触媒（図示略）を有する。

すなわち、排気構造１００は、図１に示した排気構造１と比べて、インジェクタ取付部材１０の代わりに、インジェクタ取付部材２０を備えた点が異なる。なお、排気構造１００における第１排気管１１、第２排気管１２、尿素水インジェクタ、およびＳＣＲ触媒は、上述した排気構造１における第１排気管１１、第２排気管１２、尿素水インジェクタ、およびＳＣＲ触媒と同じであるので、以下では、それらの説明を省略し、主にインジェクタ取付部材２０について説明する。

インジェクタ取付部材２０は、尿素水インジェクタを第１排気管１１に固定的に取り付けるための部材である。図示は省略するが、尿素水インジェクタは、インジェクタ取付部材２０のうち第１排気管１１の外部に配置される部分（第１開口部２１が設けられたフランジ部分）に固定されている。

図２に示すように、インジェクタ取付部材２０は、軸方向（図の左右方向）に貫通した筒状体であり、第１開口部２１および第２開口部２２を備える。すなわち、インジェクタ取付部材２０には、その軸方向に沿って、第１開口部２１、第２開口部２２を両端とする貫通孔が設けられている。この貫通孔は、尿素水の噴射路として用いられる。

第１開口部２１は、第１排気管１１の外部に配置されている。第１開口部２１には、尿素水インジェクタの噴口（図２、図４の点線部分参照）が配置されている。尿素水インジェクタは、貫通孔内において矢印ａに示す方向へ（すなわち、第２開口部２２へ向けて）尿素水を噴射する。

第２開口部２２は、第１排気管１１の内部に配置されている。言い換えれば、第２開口部２２は、ＳＣＲ触媒よりも上流側の第１排気管１１の内部に面するように配置されている。

第２開口部２２から第１排気管１１へ流入した尿素水は、排ガスの熱によって加水分解される。これにより発生したアンモニアは、ＳＣＲ触媒へ供給される。そして、ＳＣＲ触媒では、アンモニアにより排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が窒素に還元される。

ここで、比較例としての排気構造１の説明で述べたとおり、排気構造１００においても、第１排気管１１からインジェクタ取付部材１０内へ流入し、尿素水インジェクタの噴口（第１開口部２１と言ってもよい）へ向かう排ガスの流れが発生しうる。

そこで、本実施の形態では、インジェクタ取付部材２０の内周面に、第２開口部２２から第１開口部２１へ向かう排ガスの流れを第１開口部２１から第２開口部２２へ向かう流れに方向転換させるリブ（突起部と言ってもよい）２３を設けるようにした。

図２～図４に示すように、リブ２３は、インジェクタ取付部材２０の内周方向に沿って、所定間隔（図３に示す矢印Ｃ参照）を空けて複数個設けられている。

また、図３に示すように、リブ２３は、インジェクタ取付部材２０の内周面から径方向へ突出するように設けられている。

また、図３に示すように、リブ２３は、インジェクタ取付部材２０の内周面に対して垂直な壁面（以下、垂直壁面という）２３ａを有する。換言すると、垂直壁面２３ａは、図３に示すように、インジェクタ取付部材２０を正面から見た場合における、インジェクタ取付部材２０の内周円の接線ｘに対して直交する法線ｙに沿うように設けられている。

また、図２、図４に示すように、リブ２３は、インジェクタ取付部材２０の軸方向に延伸している（図２に示す矢印Ａ参照）。

また、図２に示すように、軸方向に延伸しているリブ２３の両端部のうち、第１開口部２１に近い方の端部は、尿素水インジェクタの噴口から所定距離（図２に示す矢印Ｂ参照）離間して設けられている。

なお、本実施の形態では、図２、図４に示すように、インジェクタ取付部材２０の貫通孔において、上流側の部分(具体的には、第１開口部２１およびリブ２３が設けられた部分)の径が、その部分よりも下流側の部分の径よりも小さい場合を例示したが、これに限定されない。

次に、上述したリブ２３の作用による排ガスの流れについて、図４を用いて説明する。

矢印ｅは、第２開口部２２からインジェクタ取付部材２０へ流入し、第１開口部２１へ向かって流れる排ガスの旋回流を示している。

旋回している排ガスは、リブ２３（具体的には、図３に示した垂直壁面２３ａ）に当たる。これにより、排ガスは、直線流に整流されて、リブ２３の延伸方向（図４の左右方向）に沿って、矢印ｆに示す方向へ流れる。

次に、排ガスは、矢印ｇに示すように、貫通孔の径方向中心に向かって流れる。このとき、排ガスは、図２に示した矢印Ｂの部分（尿素水インジェクタの噴口とリブ２３の端部との間）を流れる。

次に、排ガスは、矢印ｈに示すように、第２開口部２２に向かって流れる。このとき、排ガスは、図３に示した矢印Ｃの部分（隣り合うリブ２３同士の間）を流れる。

リブ２３を通過した排ガスは、矢印ｅで示した旋回流の中心に引き込まれ、第２開口部２２から図２に示した第１排気管１１（図４では図示略）へ流入する。

以上説明したように、本実施の形態の排気構造１００は、内燃機関から排出された排ガスが流れる第１排気管１１と、尿素水の噴射を行う尿素水インジェクタと、第１排気管１１内において尿素水の噴射位置よりも下流側に設けられたＳＣＲ触媒と、尿素水インジェクタを第１排気管１１に固定的に取り付けるためのインジェクタ取付部材２０と、を備え、インジェクタ取付部材２０は、軸方向に貫通した筒状体であり、第１開口部２１に尿素水インジェクタの噴口が配置され、第２開口部２２がＳＣＲ触媒よりも上流側の第１排気管１１内に面するように第１排気管１１に取り付けられ、インジェクタ取付部材２０の内周面には、第２開口部２２から第１開口部２１へ向かう排ガスの流れを第１開口部２１から第２開口部２２へ向かう流れに方向転換させるリブ２３が設けられていることを特徴とする。

この特徴により、インジェクタ取付部材２０内に排ガスが滞留することを防ぐことができるので、尿素水インジェクタの噴口付近における尿素の固着を抑制できる。その結果、尿素水の噴射効率の低下を抑制し、ＳＣＲ触媒に十分なアンモニアを供給できるので、排ガスの浄化不良を防ぐことができる。

なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。

本開示の排気構造およびインジェクタ取付部材は、内燃機関からの排ガスを還元剤と触媒により浄化する技術に有用である。

１、１００ 排気構造
１０、２０ インジェクタ取付部材
１１ 第１排気管
１２ 第２排気管
１３、２１ 第１開口部
１４、２２ 第２開口部
２３ リブ
２３ａ 垂直壁面

Claims (4)

1. 内燃機関から排出された排ガスが流れる排気管と、尿素水の噴射を行う尿素水インジェクタと、前記排気管内において前記尿素水の噴射位置よりも下流側に設けられたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒と、前記尿素水インジェクタを前記排気管に固定的に取り付けるためのインジェクタ取付部材と、を備えた排気構造であって、
   前記インジェクタ取付部材は、
   軸方向に貫通した筒状体であり、
   一方の開口部に前記尿素水インジェクタの噴口が配置され、他方の開口部が前記ＳＣＲ触媒よりも上流側の前記排気管内に面するように前記排気管に取り付けられ、
   前記インジェクタ取付部材の内周面には、
   前記他方の開口部から前記一方の開口部へ向かう前記排ガスの流れを前記一方の開口部から前記他方の開口部へ向かう流れに方向転換させるリブが設けられ、
   前記リブは、前記軸方向に延伸しており、前記インジェクタ取付部材の内周面に対して垂直な壁面を有し、
   前記軸方向に延伸している前記リブの端部のうち、前記一方の開口部に近い方の端部は、前記尿素水インジェクタの噴口から前記他方の開口部方向に所定距離離間して設けられている、
   排気構造。
2. 前記リブは、
   前記インジェクタ取付部材の内周方向に沿って、所定間隔を空けて複数設けられている、
   請求項１に記載の排気構造。
3. 前記排気管において前記ＳＣＲ触媒よりも上流側かつ前記インジェクタ取付部材よりも下流側に接続され、前記排気管に前記排ガスを流入させる別の排気管をさらに備える、
   請求項１又は２に記載の排気構造。
4. 内燃機関から排出された排ガスが流れる排気管と、尿素水の噴射を行う尿素水インジェクタと、前記排気管内において前記尿素水の噴射位置よりも下流側に設けられたＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒と、を備えた排気構造で用いられ、前記尿素水インジェクタを前記排気管に固定的に取り付けるためのインジェクタ取付部材であって、
   軸方向に貫通した筒状体であり、
   一方の開口部に前記尿素水インジェクタの噴口が配置され、他方の開口部が前記ＳＣＲ触媒よりも上流側の前記排気管内に面するように前記排気管に取り付けられ、
   内周面には、前記他方の開口部から前記一方の開口部へ向かう前記排ガスの流れを前記一方の開口部から前記他方の開口部へ向かう流れに方向転換させるリブが設けられ、
   前記リブは、前記軸方向に延伸しており、前記インジェクタ取付部材の内周面に対して垂直な壁面を有し、
   前記軸方向に延伸している前記リブの端部のうち、前記一方の開口部に近い方の端部は、
   前記尿素水インジェクタの噴口から前記他方の開口部方向に所定距離離間して設けられている、
   インジェクタ取付部材。