JP2008280882A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】還元剤を排気ガスと混合し、還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させる作用と、混合流れの流れ分布を制御する作用とを備える、要素もしくは要素の組み合わせを提供する。
【解決手段】触媒上流の排気通路内に還元剤供給装置を配置し、還元剤供給装置の下流であって、触媒に対して上流側に、分散板と、分散板の下流に配置されたスワラーとを備える。分散板とスワラーとの組み合わせに代えて、混合器を備えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
触媒上流の排気通路内に還元剤供給装置を配置し、触媒において、還元剤供給装置から供給された還元剤と排気とを反応させ、排気浄化をするようにした内燃機関の排気浄化装置では、触媒における還元剤のすり抜けを防止し、還元剤を有効に利用するために、還元剤を排気ガスと十分混合し、また、還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させることが好ましい。
還元剤供給装置から触媒までの排気通路空間が大きければ、還元剤は十分混合され、排気通路の断面全体にわたって広く分散させることが可能であるが、車両構造による制限のため、還元剤供給装置から触媒までの排気通路空間を大きくすることができない。そこで、従来より、図２に示すように、還元剤供給装置の下流であって、触媒に対して上流側に、還元剤を排気ガスと混合し、還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させるために、分散板が備えられている。また、特許文献１には、短い排気通路空間で混合と整流をするためのミキサーが、紹介されている。
特表２００１−５１６６３５号公報
しかし、特許文献１のミキサーでは、流路における排気ガスを整流し、触媒入口における流れ分布を均一化することを目的としているが、内燃機関の排気量が小さい車両では、触媒の、触媒保持部材壁面付近の温度が、触媒中心部の温度より低く、この場合には、触媒入口における流れを完全に均一化するのではなく、触媒中心付近の流れ分布を増加させるほうが好ましい。一方、内燃機関の排気量が大きい車両では、触媒の、触媒保持部材壁面付近の温度と、触媒中心部の温度との差が小さいため、流れを全体的に均一化するほうが好ましいが、特許文献１のミキサーでは、触媒保持部材壁面付近の流れの分布が不十分で、流れを均一化することができず、流れを全体的に均一化するためには、流れを触媒保持部材壁面に沿うように導き、触媒保持部材壁面付近の流れ分布を増加させる必要がある。
即ち、触媒における還元剤のすり抜けを防止し、還元剤を有効に利用するためには、還元剤を排気ガスと混合する作用と、混合流れの流れ分布を制御する作用とを備えることが必要であり、更に、混合流れの流れ分布の制御では、触媒中心付近の流れ分布を増加させるように導く要素と、触媒保持部材壁面付近の流れ分布を増加させるように導く要素とを備え、内燃機関の排気量の大きさによって選択できるようにすることが好ましい。
本発明は、還元剤を排気ガスと混合し、還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させる作用と、混合流れの流れ分布を制御する作用とを備える、要素もしくは要素の組み合わせを提供することを目的としている。
請求項１に記載の発明によれば、触媒上流の排気通路内に還元剤供給装置を配置し、触媒において、還元剤供給装置から供給された還元剤と排気とを反応させ、排気浄化をするようにした内燃機関の排気浄化装置において、還元剤供給装置の下流であって、触媒に対して上流側に、還元剤と排気とを混合し、還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させる分散板を備え、更に、分散板の下流であって、触媒に対して上流側に、混合及び分散を促進し混合流れを制御するために、還元剤と排気との混合流れに旋回を与えるスワラーを備えることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項１の発明では、分散板とスワラーとを備えることにより、還元剤を排気ガスと十分混合し、還元剤を拡散する作用と、混合流れの流れ分布を制御する作用とを備える、要素の組み合わせ提供することができる。
請求項２に記載の発明によれば、排気通路が、触媒に向けて拡大して案内する円錐状拡大通路部を備え、スワラーが、円錐状拡大通路部の拡大開始部に隣接し、拡大開始部の上流側に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項２の発明では、スワラーが、円錐状拡大通路部の拡大開始部に隣接し、拡大開始部の上流側に配置されることにより、排気通路の円錐状拡大通路部の壁面に沿った混合流れの流れ分布を増加させる制御を行い、流れを全体的に均一化し、触媒保持部材壁面近傍の触媒を有効に利用し、還元剤を有効に利用することができる。
請求項３に記載の発明によれば、スワラーが、混合流れに旋回を与える翼を備え、翼の、排気流れ方向に対する垂直方向の長さが、排気流れの下流側に近接する程短く形成されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項３の発明では、スワラーの翼の翼長さを、排気流れの下流側に近接する程短くし、混合流れを外向きに流れ易くして、混合流れの触媒保持部材壁面に沿う流れ分布を増加するように制御し、流れを全体的に均一化し、触媒保持部材壁面近傍の触媒を有効に利用し、還元剤を有効に利用することができる。
請求項４に記載の発明によれば、スワラーが、混合流れに旋回を与える翼を備え、翼の、排気流れ方向に対する垂直方向の長さが、排気流れの下流側に近接する程長く形成されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項４の発明では、スワラーの翼の翼長さを、排気流れの下流側に近接する程長くし、混合流れを内向きに流れ易くして、混合流れの触媒中心近傍の流れ分布を増加するように制御し、触媒保持部材壁面付近の温度が触媒中心近傍の温度より低い場合に、触媒の還元剤利用率を向上させることができる。
請求項５に記載の発明によれば、分散板と前記スワラーの代わりに、還元剤を排気と混合し、還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させ、混合流れを制御する混合器を備えることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項５の発明では、分散板とスワラーの代わりに、混合器を備えることにより、分散板とスワラーを個別に設けた場合と比較して、これら要素の組み合わせによる作用効果と同一の作用効果を得るとともに、要素を単一化して構成を簡略化し、排気浄化装置の低圧損化をはかることができる。
請求項６に記載の発明によれば、混合器の、還元剤と排気とが通過する入口開口の排気通路軸方向に対して垂直な断面に対する投影面積の、通路投影断面の全面積に対する開口率が、０から８０％の間であることを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項６の発明では、混合器の開口率を０から８０％とすることにより、混合流れの流れ分布の制御容易性を維持しつつ、排気浄化装置の圧損を低圧損化することができる。
請求項７に記載の発明によれば、触媒上流に還元剤供給装置を配置し、触媒において、還元剤供給装置から供給された還元剤と排気とを反応させ、排気浄化をするようにした内燃機関の排気浄化装置において、触媒上流の排気通路から分岐し、触媒の上流であって分岐位置より下流で排気通路に合流する、排気通路と略同等の通路面積又は排気通路より小さい通路面積を有するバイパス通路を備え、バイパス通路に還元剤供給装置を備え、バイパス通路において、還元剤供給装置の下流であって、合流位置に対して上流側に、フィン又は翼を有する混合器を備えることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項７の発明では、混合器を、排気通路のバイパス通路部に配置することにより、比較的低流速で還元剤と排気ガスとを混合することができるため、還元剤と排気ガスとの混合と、還元剤の分散と、混合流れの流れ分布の制御とを、効率よく行なうことができる。
各請求項に記載の発明によれば、還元剤を排気ガスと混合し、還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させる作用と、混合流れの流れ分布を制御する作用とを備える要素もしくは要素の組み合わせを提供するという、共通の効果を奏する。
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する排気通路軸方向断面図である。触媒３の上流の排気通路１内に還元剤供給装置５が配置され、触媒３において、還元剤供給装置５から供給された還元剤と排気とを反応させ、排気浄化を行う。還元剤供給装置５の下流であって、触媒３に対して上流側に、還元剤を排気と混合し、還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させ、混合流れの流れ分布を制御するために、分散板６と、分散板６の下流に配置され、還元剤と排気との混合流れに旋回を与えるスワラー７とが備えられている。
従って、分散板６とスワラー７との組み合わせによる協働作用により、還元剤を排気と混合し、還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させ、混合流れの流れ分布を制御することができる。
図１に示すように、排気通路１は、普通、触媒３に向けて拡大して案内する円錐状拡大通路部９を備えており、スワラー７は、円錐状拡大通路部９の拡大開始部１１に隣接し、拡大開始部１１の上流側に配置されることが好ましい。普通、円錐状拡大通路部９の壁面近くの流れは剥離し易く、触媒保持部材１３の壁面に近い触媒では流れ分布が減少し、触媒が有効に利用されない。そこで、上述のように配置し、還元剤と排気の混合流れの円錐状拡大通路部９の壁面に沿った流れ分布を増加することにより、触媒入口１２において、排気通路断面全体にわたって均一化された流れを得ることができる。
図２は、従来の内燃機関の排気浄化装置の、実施形態の概略構成を説明する排気通路軸方向断面図で、分散板６のみを備える。特許文献１では、この分散板６の代わりに、ミキサーと呼ぶ要素を備えているが、特許文献１のミキサーの作用効果は、この分散板６の作用効果と略同等である。
図３は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、スワラーの一実施形態の概略構成を説明する図で、排気流れの上流側から見た正面図である。還元剤と排気との混合流れに旋回を与え、還元剤と排気との混合と、還元剤の分散とを促進し、混合流れの排気通路内の流れ分布を制御するために、スワラー７は翼３１を有する。図３では、スワラー７の翼３１の、排気流れ方向に対する垂直方向の長さが、翼の前部の長さＦよりも翼の後部の長さＲのほうが短く、排気流れの下流側に近接する程短く形成されている。
すなわち、スワラー７の翼３１の翼長さを、排気流れの下流側に近接する程短く形成することにより、混合流れを外向きに流れ易くし、混合流れの円錐状拡大通路部９の壁面に沿った流れ分布を増加し、触媒入口１２において、排気通路断面全体にわたって均一化された流れを得ることができる。従って、触媒保持部材１３の壁面近傍の触媒を有効に利用し、還元剤を有効に利用することができる。
図４は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、スワラー７の他の実施形態の概略構成を説明する図で、排気流れの上流側から見た正面図である。還元剤と排気との混合流れに旋回を与え、還元剤と排気との混合と、還元剤の分散とを促進し、混合流れの排気通路内の流れ分布を制御するために、スワラー７は翼４１を有する。図４では、スワラー７の翼４１の、排気流れ方向に対する垂直方向の長さが、翼の前部の長さＦよりも翼の後部の長さＲのほうが長く、排気流れの下流側に近接する程長く形成されている。
すなわち、スワラー７の翼４１の翼長さを、排気流れの下流側に近接する程長く形成することにより、混合流れを内向きに流れ易くし、混合流れの触媒中心近傍の流れ分布を増加して、触媒保持部材１３の壁面付近の温度が触媒中心近傍の温度より低い場合に、触媒の還元剤利用率を向上させることができる。
図５は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、混合器の一実施形態の概略構成を説明する排気通路軸方向断面図である。すなわち図５の実施形態では、図１の分散板６とスワラー７の組み合わせに代えて、混合器８が備えられている。
すなわち、図５では、分散板６とスワラー７の組み合わせに代えて、混合器８を備えることにより、分散板６とスワラー７とが協働する作用効果と比較して、同一の作用効果を得ることができ、装置構成を簡略化し、排気浄化装置を低圧損化することができる。
図６から図１０は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、図５の混合器８の様々な実施形態の概略構成を示す。図６は、排気流れの下流側から見た斜視図であり、混合器６７は、還元剤を排気と混合し、還元剤を排気通路内に分散させ、混合流れの流れ分布を制御するためのフィン６１を有する。図７から図１０は、排気流れの上流側から見た斜視図であり、混合器７７、８７、９７、１０７は、それぞれ、還元剤を排気と混合し、還元剤を排気通路内に分散させ、混合流れの流れ分布を制御するための翼７１、８１、９１、１０１を有する。
図１１は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、図５の混合器８の、開口率を説明する図である。混合器は、還元剤を排気と混合し、還元剤を排気通路内に分散させ、混合流れの流れ分布を制御するためのフィン（図１１（Ａ））又は翼（図１１（Ｂ））を有する。混合器の開口率とは、還元剤と排気とが通過する混合器入口開口の、排気通路１の軸方向に対して垂直方向の投影断面における開口部Ｋの面積を、通路投影断面の全面積で割った値である。混合器８の開口率が、０から８０％の間である場合に、還元剤を排気と良好に混合し、分散することができ、また、混合流れの制御が有効に行われる。開口率を大きくするほど、混合流れの圧力損失を小さくすることができるが、還元剤の排気への良好な混合及び分散が得られなくなり、また、混合流れの制御性が悪化する。
図１２は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、更なる実施形態の概略構成を説明する排気通路軸方向断面図である。図１２では、触媒３の上流に還元剤供給装置を配置し、触媒において、還元剤供給装置から供給された還元剤と排気とを反応させ、排気浄化をするようにした内燃機関の排気浄化装置において、触媒上流の排気通路から分岐し、触媒の上流であって分岐位置１２２より下流で排気通路に合流する、排気通路と略同等の通路面積又は排気通路より小さい通路面積を有するバイパス通路１２１を備え、バイパス通路１２１に還元剤供給装置１２５を備え、バイパス通路１２１において、還元剤供給装置１２５の下流であって、合流位置１２４に対して上流側に、混合器１２８を備えることができる。
すなわち、図１２の発明では、混合器１２８を、排気通路のバイパス通路部１２１に配置することにより、比較的低流速で還元剤と排気ガスとを混合することができるため、還元剤の排気ガスへの混合、分散と、混合流れの流れ分布の制御とを、効率よく行なうことができる。図１２では、図５と同様に、排気通路の主流側にも還元剤供給装置５と混合器８とを備える実施形態を示すが、別の実施形態では、主流側には還元剤供給装置５と混合器８とを備えず、バイパス通路部１２１にのみ還元剤供給装置１２５及び混合器１２８を備えることができる。
本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する排気通路軸方向断面図である。 従来の内燃機関の排気浄化装置の、実施形態の概略構成を説明する排気通路軸方向断面図である。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、スワラーの一実施形態の概略構成を説明する図で、排気流れの上流側から見た正面図である。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、スワラーの他の実施形態の概略構成を説明する図で、排気流れの上流側から見た正面図である。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、混合器の実施形態の概略構成を説明する排気通路軸方向断面図である。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、混合器の一実施形態の概略構成を説明する図で、混合器を排気流れの下流側から見た斜視図である。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、混合器の他の実施形態の概略構成を説明する図で、混合器を排気流れの上流側から見た斜視図である。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、混合器の別の実施形態の概略構成を説明する図で、混合器を排気流れの上流側から見た斜視図である。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、混合器の更なる実施形態の概略構成を説明する図で、混合器を排気流れの上流側から見た斜視図である。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、混合器の更なる他の実施形態の概略構成を説明する図で、混合器を排気流れの上流側から見た斜視図である。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、混合器の、開口率を説明する図で、排気通路の軸方向に対して垂直方向の投影断面における開口部を示す図である。 本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、他の実施形態の概略構成を説明する排気通路軸方向断面図である。
符号の説明
１ 排気通路
３ 触媒
５ 還元剤供給装置
６ 分散板
７ スワラー
８ 混合器
９ 円錐状拡大通路部
１１ 拡大開始部
１２ 触媒入口
１３ 触媒保持部材
３１ 翼
４１ 翼
６１ フィン
６７ 混合器
７１ 翼
７７ 混合器
８１ 翼
８７ 混合器
９１ 翼
９７ 混合器
１０１ 翼
１０７ 混合器
１２１ バイパス通路
１２２ 分岐位置
１２４ 合流位置
１２５ 還元剤供給装置
１２８ 混合器
Ａ 排気流れ方向
Ｂ 排気バイパス流れ方向
Ｆ スワラーの翼前部の翼長さ
Ｋ 開口部
Ｒ スワラーの翼後部の翼長さ

Claims (7)

  1. 触媒上流の排気通路内に還元剤供給装置を配置し、触媒において、還元剤供給装置から供給された還元剤と排気とを反応させ、排気浄化をするようにした内燃機関の排気浄化装置において、
    前記還元剤供給装置の下流であって、前記触媒に対して上流側に、前記還元剤と排気とを混合し、還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させる分散板を備え、
    更に、前記分散板の下流であって、前記触媒に対して上流側に、前記混合及び分散を促進し混合流れを制御するために、前記還元剤と排気との混合流れに旋回を与えるスワラーを備えることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記排気通路が、前記触媒に向けて拡大して案内する円錐状拡大通路部を備え、
    前記スワラーが、前記円錐状拡大通路部の拡大開始部に隣接し、前記拡大開始部の上流側に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記スワラーが、前記混合流れに旋回を与える翼を備え、前記翼の、排気流れ方向に対する垂直方向の長さが、前記排気流れの下流側に近接する程短く形成されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記スワラーが、前記混合流れに旋回を与える翼を備え、前記翼の、排気流れ方向に対する垂直方向の長さが、前記排気流れの下流側に近接する程長く形成されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記分散板と前記スワラーの代わりに、前記還元剤を排気と混合し、前記還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させ、前記混合流れを制御する混合器を備えることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 前記混合器の、前記還元剤と排気とが通過する入口開口の前記排気通路軸方向に対して垂直な断面に対する投影面積の、通路投影断面の全面積に対する開口率が、０から８０％の間であることを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. 触媒上流に還元剤供給装置を配置し、触媒において、還元剤供給装置から供給された還元剤と排気とを反応させ、排気浄化をするようにした内燃機関の排気浄化装置において、
    触媒上流の排気通路から分岐し、前記触媒の上流であって前記分岐位置より下流で前記排気通路に合流する、前記排気通路と略同等の通路面積又は前記排気通路より小さい通路面積を有するバイパス通路を備え、
    前記バイパス通路に還元剤供給装置を備え、
    前記バイパス通路において、前記還元剤供給装置の下流であって、前記合流位置に対して上流側に、フィン又は翼を有する混合器を備えることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
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