JP2009036150A - 内燃機関の還元剤添加装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気通路に設けられ、該排気通路を通過する排気に還元剤を添加する還元剤添加装置において、還元剤噴射弁から噴射される還元剤を排気中でより分散させることのできる技術を提供する。
【解決手段】排気導入管２９を介して間隙部２５に導入されたアシスト排気をアウタハウジング２４の内周面に沿って回転させつつ燃料の噴霧領域ＡＨＣに導き、燃料の微粒化を促進する。そして、燃料及びアシスト排気に触媒２７を通過させることによって燃料の軽質化を促進させる。また、微粒化および軽質化が促進された燃料及びアシスト排気を有孔板２８に形成された貫通孔２８ａを通過させる際に直交断面内分布面積を増大させた後、燃料をアシスト排気と共に排気管１１内に導入させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気通路を通過する排気に還元剤を添加する還元剤添加装置に関する。

内燃機関から排出される排気に含まれる有害物質を除去し、排気を浄化する目的で内燃機関の排気通路に排気浄化装置が設けられる。この排気浄化装置としては、排気中のＮＯｘを浄化する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒や、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、これらをまとめて、単に「ＮＯｘ触媒」ともいう。）が例示できる。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸収していた窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ₂）に還元する触媒である。また、選択還元型Ｎ
Ｏｘ触媒は、酸素過剰の雰囲気で還元剤が存在するときに窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する触媒である。これらのＮＯｘ触媒は、還元剤の存在下で排気中のＮＯｘを浄化可能となるため、ＮＯｘを浄化するためにはＮＯｘ触媒に対して還元剤を供給する必要がある。

排気浄化装置としてのＮＯｘ触媒に還元剤を供給する方法の一つに、排気浄化装置よりも上流側の排気通路に還元剤添加装置を設け、該還元剤添加装置による排気への還元剤添加が挙げられる。ここで、排気浄化装置において還元剤を効率よく反応させるには、排気に添加された還元剤を排気中でより分散させることが必要となる。

これに関連して、特許文献１に記載の還元剤添加装置においては、還元剤を噴射する噴射ノズルが渦巻き状の空気流を形成する渦巻き要素を有しており、この空気流に乗せて還元剤を噴射することにより、還元剤の霧化の促進を図っている。
特許第２５５９６２０号公報 特開２００１−１７３４３１号公報 特開２００４−３４００号公報 特開２０００−２８２８４３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の従来技術のように、還元剤を渦巻き状の空気流に乗せて噴射（添加）するだけでは、還元剤の排気中への分散が不足する場合があった。

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の排気通路に設けられ、該排気通路を通過する排気に還元剤を添加する還元剤添加装置において、還元剤噴射弁から噴射される還元剤を排気中でより分散させることのできる技術を提供することである。

上記課題を達成するために本発明に係る内燃機関の排気浄化システムは、以下の手段を採用した。
すなわち、内燃機関の排気通路を通過する排気に還元剤を添加する還元剤添加装置であって、
還元剤を噴射する還元剤噴射弁と、
前記排気通路を通過する排気の一部を該排気通路とは異なる経路を経由させて前記還元
剤噴射弁が噴射する還元剤の噴霧領域に導き該還元剤の微粒化を促進させると共に、前記異なる経路を経由した排気および還元剤を前記排気通路内に導入させる微粒還元剤導入手段と、
前記異なる経路を経由した排気と混合した後の還元剤が前記排気通路内に導入される前に該還元剤の軽質化を促進させる還元剤改質触媒と、
前記還元剤が前記還元剤改質触媒を通過した後あるいは該還元剤改質触媒を通過する際に該還元剤の分布する領域を増大させる分布領域増大手段と、
を備えることを特徴とする。

すなわち、本発明においては、還元剤噴射弁から噴射される還元剤が排気通路内に導入される前に、排気通路を通過する排気の一部を該排気通路とは異なる経路を経由させて還元剤の噴霧領域に導くこととした。ここで便宜上、上記異なる経路を「排気導入経路」と称し、排気導入経路を経由して還元剤の噴霧領域に導かれる排気を「アシスト排気」と称す。

上記のアシスト排気が還元剤の噴霧領域に導かれると、アシスト排気の粒子と還元剤の粒子とが衝突することになる。その結果、還元剤の粒径がより細かくなるため還元剤の微粒化が促進される。このように、微粒化した還元剤を排気通路内に導入させることによって、還元剤の分散性を高めることができる。

また、本発明では、アシスト排気と衝突することにより微粒化した還元剤が微粒還元剤導入手段によって排気通路内に導入される前に、該還元剤に還元剤改質触媒を通過させることにより還元剤の軽質化を促進させることとした。本発明では、アシスト排気に含まれる酸素を利用して、還元剤改質触媒における還元剤と酸素との反応を促進させることができる。その結果、還元剤の軽質化・霧化が促進されるため、排気通路内に導入される還元剤の分散性を更に高めることができる。

更に、本発明においては、分布領域増大手段によって、還元剤が還元剤改質触媒を通過した後、あるいは通過する際に還元剤の分布する領域を増大させることとした。本発明における分布領域増大手段とは、還元剤の進行方向を変更させる部材や、還元剤が排気通路内に流入する貫徹力を弱める部材等が例示できる。これにより、排気通路内のより広い範囲に亘って還元剤を分散させることができる。尚、本発明における還元剤の分布する領域とは、燃料噴射弁の軸線と略直交する断面内において還元剤が分布する領域を意味していても良い。

ところで、本発明では排気通路内に導入される前の還元剤に還元剤改質触媒を通過させることによって、あるいは分布領域増大手段によって、還元剤の排気通路内に流入する貫徹力が弱められる場合がある。そのような場合には、例えば還元剤改質触媒への還元剤の付着等が多くなり、還元剤を排気通路内に効率よく導入させることが困難となるとも考えられる。これに対し、本発明ではアシスト排気に還元剤の排気通路内への導入をアシストさせることとした。すなわち、本発明によれば、微粒還元剤導入手段によって還元剤の噴霧領域に導かれたアシスト排気が排気通路内に流入するときの勢いを利用して、還元剤を排気通路内に勢い良く導入させることができる。

以上のように、本発明においては、排気通路を通過する排気の一部を利用することにより、還元剤を好適に排気通路内に導入させるために必要かつ充分な量のアシスト排気を簡単な構成により確保することができる。これにより、コストの低減および還元剤添加装置のコンパクト化を実現できる。

また、アシスト排気の量を調節することにより、還元剤改質触媒において還元剤を軽質
化させるために必要なだけの酸素を容易に確保することができる。また、アシスト排気は空気に比べて高温であるため、多量のアシスト排気に還元剤改質触媒を通過させたとしても還元剤改質触媒が熱を過度に奪われるおそれがない。つまり、還元剤改質触媒がアシスト排気に冷やされることにより活性を失うことを抑制できる。

また、本発明における微粒還元剤導入手段としては、以下のような構成を例示することができる。すなわち、本発明においては、微粒還元剤導入手段は、還元剤噴射弁の側面に略円筒状の間隙部が形成されるように還元剤噴射弁を覆う筒状部材と、排気通路内と間隙部とを連通する連通路と、を有していても良い。そして、筒状部材における少なくとも還元剤の噴霧領域近傍に位置する部分には、該筒状部材の内径が縮小している縮径部が形成されていても良い。

上記構成によれば、アシスト排気としての排気通路を通過する排気の一部が連通路を介して、筒状部材の内周面と還元剤噴射弁の外周面との間に形成される間隙部に導かれる。ここで、アシスト排気は筒状部材の内周面に沿って該間隙部内を回転しながら、還元剤噴射弁の噴射口に向かって進行する。そして、内径の縮小している筒状部材の縮径部に沿ってアシスト排気を回転させることによって、該アシスト排気を還元剤の噴霧領域に導くことができる。

ここで、本発明における間隙部は略円筒状に形成されるため、間隙部を回転するアシスト排気には渦流が形成される。このように、渦流を形成させつつアシスト排気を還元剤の噴霧領域に導くことによって、アシスト排気と還元剤との衝突を促進することができる。つまり、還元剤の微粒化をより促進させることができる。

また、本発明においては、微粒還元剤導入手段は、筒状部材と排気通路とを接続し、連通路から間隙部に導かれた排気と混合した還元剤を該排気通路に導入させる接続通路を更に有し、接続通路の少なくとも一部には流路面積が拡大する拡大部が形成されており、分布領域増大手段は、接続通路における拡大部を含んで構成されても良い。

このように、還元剤を接続通路の拡大部を通過させることによって、還元剤を排気通路に導入する前に還元剤の分布する領域を増大させることができる。尚、本発明における拡大部は、接続通路における排気通路との接続部近傍において、排気通路側に向かって内径が拡大していても良い。

また、本発明においては、微粒還元剤導入手段によって還元剤が導入された排気通路の少なくとも一部には流路面積が拡大する第２拡大部が形成されており、分布領域増大手段は、排気通路における第２拡大部を含んで構成されても良い。これにより、排気通路に導入された還元剤に第２拡大部を通過させる際に、還元剤の分布する領域を増大させることができる。

以上のように、本発明に係る還元剤添加装置によれば、燃料噴射弁から噴射された還元剤を、排気通路を通過する排気中に好適に分散させることができる。これにより、排気浄化装置（例えば、ＮＯｘ触媒、パティキュレートフィルタ等）に流入する前の排気に還元剤を添加する場合、排気浄化装置全体に還元剤を満遍なく供給できると共に、排気浄化装置における還元剤の反応性を高めることができる。

また、燃料噴射弁から噴射された還元剤は、排気通路内に導入される前に還元剤改質触媒によって軽質化されるので、排気通路内に導入された後において排気通路の内面に還元剤が付着し難くなる。これにより、還元剤噴射弁から噴射された還元剤が無駄になることを抑制できる。これにより、排気浄化装置に対する還元剤の供給量が不足してしまうこと
を抑制できる。

本発明にあっては、内燃機関の排気通路に設けられ、該排気通路を通過する排気に還元剤を添加する還元剤添加装置において、還元剤噴射弁から噴射される還元剤を排気中でより分散させることができる

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。尚、本実施の形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本実施例における還元剤添加装置２０を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有するディーゼル機関である。各気筒２には燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁３が設けられている。各燃料噴射弁３は、蓄圧室（コモンレール）４と接続され、このコモンレール４は燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。

内燃機関１には、排気マニホールド８が接続されており、排気マニホールド８の各枝管は排気ポートを介して各気筒２の燃焼室と連通されている。また、排気マニホールド８には集合管９を介して遠心過給機１０のタービンが格納されたタービンハウジング１０ａが接続されている。タービンハウジング１０ａの排気が流出する開口部には排気管１１が接続されている。排気管１１には排気中のＮＯｘを浄化するための吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」という。）を具備した排気浄化装置１５が設けられている。

また、排気管１１におけるタービン１０ａよりも下流側であって排気浄化装置１５よりも上流側の部分には、該排気浄化装置１５に流入する前の排気に還元剤たる燃料（例えば、軽油）を添加する燃料添加装置２０が設けられている。燃料添加装置２０から排気管１１内の排気に添加された燃料は該排気の酸素濃度を低下させる。このようにして形成された酸素濃度の低い排気は、排気浄化装置１５内に具備されるＮＯｘ触媒に流入し、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘを放出させつつ窒素（Ｎ_２）に還元するＮＯｘ還元処理が行われる。

また、排気管１１は排気浄化装置１５の下流にてマフラー（図示省略）と接続されている。各気筒２から排出された排気は、排気ポート、排気マニホールド８、集合管９、排気管１１を通過し、排気浄化装置１５において排気中のＮＯｘが浄化された後、マフラーを介して大気中に放出される。本実施例においては排気ポート、排気マニホールド８、集合管９、排気管１１等、内燃機関１からの排気が大気中に放出されるまでに流通する経路が本発明における排気通路を構成する。

内燃機関１には、内燃機関１を制御する電子制御コンピュータであるＥＣＵ１９が併設されている。ＥＣＵ１９は図示しないＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、入力ポート、出力ポート等を備え、内燃機関１の運転状態や運転者による要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するほか、燃料添加装置２０に係る制御を行うユニットである。

図２は、本実施例における燃料添加装置２０の概略構成を示す図である。燃料添加弁２１を構成する円筒状のニードルボディ２２の内部には、弁部材としての円柱状のニードル２３が軸方向に進退移動可能に挿設されている。ニードルボディ２２の先端部には燃料が
噴射される噴射口２２ａが形成されており、ニードルボディ２２の胴部２２ｂと燃料ポンプ６とは燃料導入管１３を介して接続されている。

また、ニードル２３の一端側には、ニードルボディ２２の噴射口２２ａを閉塞可能なバルブが形成されており、ニードル２３の他端側にはコイルスプリング（図示省略）が連結されている。これにより、通常時はコイルスプリングの付勢力および燃料ポンプ６から供給された燃料圧力によって、ニードル２３の先端部に形成されるバルブが噴射口２２ａ側に押し付けられ、該噴射口２２ａが閉塞されている。

また、燃料添加装置２０にはコイルにより構成される電磁アクチュエータ（図示省略）が内蔵されている。この電磁アクチュエータは、電気配線を介してＥＣＵ１９に接続されており、ＥＣＵ１９からの制御信号に基づいてコイルへの通電、通電の遮断が行われる。すなわち、ＥＣＵ１９からの指令によりコイルが通電され電磁アクチュエータが作動すると、ニードル２３が上記付勢力および燃料圧力に抗してリフトして噴射口２２ａが開放され、該噴射口２２ａから燃料が噴射される。一方、コイルへの通電を遮断して電磁アクチュエータの作動を解除すると、再びニードル２３によって噴射口２２ａが閉塞される。

上記のニードルボディ２２、ニードル２３等によって本実施例における燃料添加弁２１が構成されている。また、本実施例の燃料添加弁２１は、軸線が排気管１１の軸線と略直交するように配置されている。本実施例においては燃料添加弁２１が本発明における還元剤噴射弁に相当する。

ここで、ニードルボディ２２の外周部はニードルボディ２２と略同軸を有する円筒状のアウタハウジング２４によって覆われている。アウタハウジング２４には、図示のようにニードルボディ２２の胴部２２ｂ側から噴射口２２ａ側の方向に向かって、小径部２４ａ、大径部２４ｂ、テーパ部２４ｃが形成されている。ここで、小径部２４ａの内径はニードルボディ２２の胴部２２ｂの外径と等しく、大径部２４ｂの内径は胴部２２ｂの外径よりも大きい。また、テーパ部２４ｃは、ニードルボディ２２の噴射口２２ａおよび噴射口２２ａから噴射される燃料の噴霧領域近傍を覆う部分に形成されており、その内面がテーパ状に形成されている。より詳しくは、テーパ部２４ｃの内径は、燃料添加弁２１の軸線における胴部２２ｂ側から噴射口２２ａの側の方向に向かって縮小している。

上記のように形成されるアウタハウジング２４がニードルボディ２２の外周を覆うことによって、ニードルボディ２２の外周面とアウタハウジング２４の内周面との間に、図示したような円筒状の間隙部２５が形成される。本実施例においてはアウタハウジング２４が本発明における筒状部材に相当し、テーパ部２４ｃが本発明における縮径部に相当する。

また、本実施例において、アウタハウジング２４のテーパ部２４ｃと排気管１１とは円筒状に形成された接続管２６を介して接続されている。接続管２６の内径は、接続管２６とアウタハウジング２４との接続部側が一定であり、接続管２６と排気管１１との接続部側においては排気管１１側に向かってテーパ状に広がっている。ここで、内径が一定に維持される部分を同径部２６ａと称し、テーパ状に形成された部分を拡径部２６ｂと称す。本実施例においては接続管２６が本発明における接続通路に相当する。

ここで、接続管２６における同径部２６ａには、燃料の軽質化を促進させる触媒２７が介装されている。触媒２７は円柱状に形成されたストレートフロー型の触媒である。触媒２７を構成する基材は、燃料添加弁２１の軸線方向に伸びる隔壁によって区画された多数のセルを有しており、隔壁には酸化能を有する活性金属が担持されている。本実施例においては触媒２７が本発明における還元剤改質触媒に相当する。

また、拡径部２６ｂにおける、該拡径部２６ｂと排気管１１との接続部近傍には、多数の貫通孔２８ａ（図中、破線にて図示）を有する有孔板２８が設けられている。この有孔板２８は円錐台の形状に形成されており、該有孔板２８の外周部は拡径部２６ｂに内接して配置されている。

ここで、図１及び図２に示すように、本実施例における集合管９と間隙部２５ｂとは排気導入管２９を介して連通されている。この排気導入管２９の途中には、集合管９と間隙部２５とを導通し、あるいは遮断することの可能な切換弁２９ａが配置されている。切換弁２９ａは電気配線を介してＥＣＵ１９に接続されており、ＥＣＵ１９からの制御信号に基づいて切換弁２９ａの切り替えが行われる。つまり、ＥＣＵ１９が切換弁２９ａに集合管９と間隙部２５とを導通させることによって、集合管９を通過する排気の一部が排気導入管２９を経由して間隙部２５へ導かれる。本実施例においては排気導入管２９が本発明における連通路に相当する。

ここで、図３は、図２におけるＸ−Ｘ断面の断面図である。図示のように排気導入管２９と間隙部２５とは、該排気導入管２９を経由してきた排気が、アウタハウジング２４の大径部２４ｂ内周面の略接線方向に流入するように接続されている。

以上述べたように、本実施例における燃料添加装置２０は、燃料添加弁２１、アウタハウジング２４、接続管２６、排気導入管２９、切換弁２９ａを含んで構成される。以下、本実施例における燃料添加装置２０による燃料添加について、ＮＯｘ触媒に対するＮＯｘ還元処理を実施する場合を例に説明する。ＮＯｘ還元処理を実施する場合は、燃料添加装置２０に還元剤としての燃料を排気中に添加させる燃料添加制御が実行される。そして、この燃料が排気浄化装置１５のＮＯｘ触媒に供給されると、ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘが還元される。尚、ＮＯｘ還元処理に係る制御はＥＣＵ１９からの指令信号に基づいて実施される。

本実施例では、ＥＣＵ１９が内燃機関１の運転状態の履歴からＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘ吸蔵量を推定し、そのＮＯｘ吸蔵量が予め設定された閾値に達したときに燃料添加制御が実行される。ここでの閾値とは、ＮＯｘ触媒が最大限に吸蔵可能なＮＯｘ量から所定のマージン分だけ減じた値であり、ＮＯｘ吸蔵量がこの値以上になった場合にＮＯｘ還元処理を実行すべきと判断できる値である。

上述したＮＯｘ吸蔵量の推定は、ＥＣＵ１９によって内燃機関１の稼働時は所定時間毎に実行される。そして、本実施例においてはＮＯｘ量吸蔵量が閾値以上であると判定された場合、ＥＣＵ１９は切換弁２９ａに集合管９と間隙部２５とを導通させる。集合管９内はタービンハウジング１０ａに流入する前の排気が流通するため、該集合管９内の圧力は比較的高く維持されている。従って、集合管９および間隙部２５を導通させると、集合管９を通過する排気の一部が排気導入管２９を介して間隙部２５に導かれる（図２中、矢印Ａにて図示）。

ここで、図３に示すように、導入管２９を介して間隙部２５に導かれた排気（以下、この排気を「アシスト排気」という）は、アウタハウジング２４の大径部２４ｂにおける内周面の略接線方向に流入するため、アシスト排気がニードルボディ２２の外周面に衝突し難く、アシスト排気が排気導入管２９から流入する際の勢いが弱まることが抑制される。そして、アシスト排気は間隙部２５内をアウタハウジング２４の大径部２４ｂの内周面に沿って図中の矢印方向に回転するとともに、該アシスト排気には渦流が形成される。

ここで図２に戻ると、渦流が形成されたアシスト排気は、間隙部２５内を回転しながら
ニードルボディ２２の噴射口２２ａ側に向かって進行する（図２中、矢印Ｂおよび図３中、矢印にて図示）。ところで、テーパ部２４ｃの内周面はテーパ状に形成されているため、アシスト排気がテーパ部２４ｃの内周面に沿って回転する際、アシスト排気は噴射口２２ａから噴射される際に形成される燃料の噴霧領域ＡＨＣに誘導される（図２中、矢印Ｃにて図示）。

本実施例における燃料添加制御では、アシスト排気が燃料の噴霧領域ＡＨＣに到達するタイミングに合わせて燃料添加弁２１から燃料を噴射させる。その結果、燃料添加弁２１が噴射した燃料に対してアシスト排気が衝突するため、燃料の粒子を細粒化することができる。つまり、燃料の微粒化を促進することができるので燃料の分散性を高めることができる。

尚、燃料添加弁２１による燃料の噴射タイミングは、具体的にはＥＣＵ１９が切換弁３０に指令を出した後、アシスト排気が燃料の噴霧領域ＡＨＣに到達するまでに要する時間を予め実験的に求めておいても良い。本実施例においては排気導入管２９および間隙部２５が本発明における排気通路とは異なる経路に相当する。

上記のように、アシスト排気及び微粒化が促進された燃料は接続管２６における同径部２６ａに介装された触媒２７に流入することになる。本実施例では、アシスト排気及び燃料が混ざった状態で触媒２７を通過するので、アシスト排気に含まれる酸素と燃料とを触媒２７において効率的に反応させることができる。これにより、燃料の軽質化・霧化を促進させることができる。

次に、触媒２７から流出したアシスト排気および燃料の一部は、有孔板２８の貫通孔２８ａをそのまま通過して排気管１１内に流入し、残りは有孔板２８の貫通孔２８ａの形成されていない部分（以下、「無孔部」という）に衝突する。これにより、アシスト排気および燃料の進行方向が変更され、アシスト排気および燃料が有孔板２８の径方向に分散される（図２中、矢印Ｄにより図示）。

そうすると、燃料添加弁２１の軸線から離れた位置に形成される貫通孔２８ａからも燃料が排気管１１側にすり抜け易くなるので、燃料添加弁２１の軸線と略直交する断面内において燃料が分布する面積（以下、「直交断面内分布面積」という）を増大させることができる（図２中、矢印Ｅにより図示）。これにより、排気管１１を通過する排気中に、広範囲に亘って燃料を分散させることができる。

なお、本実施例における接続管２６の拡径部２６ｂは、排気管１１側に向かってテーパ状に拡径しているため、直交断面内分布面積をより好適に増大させることができる。本実施例においては有孔板２８と接続管２６における拡径部２６ｂとが本発明における分布領域増大手段を構成する。また、本実施例においては接続管２６の拡径部２６ｂが本発明における接続通路の拡大部に相当する。

以上のように、本実施例における燃料添加制御によれば、燃料添加弁２１から噴射された燃料を排気管１１に導入する前に一旦アシスト排気に衝突させ、更に触媒２７を通過させることにより、燃料の微粒化および軽質化を促進させることができる。これにより、排気管１１を通過する排気に添加される際の燃料の分散性を高めることができる。また、有孔板２８によって燃料の進行方向を変更し、直交断面内分布面積を増大させることができる。その結果、燃料添加弁２１によって噴射された燃料を、排気管１１を通過する排気中へより好適に分散させることができる。

従って、排気浄化装置１５のＮＯｘ触媒の全体に燃料を満遍なく供給することができると
共に、ＮＯｘ触媒における燃料の反応性を高めることができる。その結果、ＮＯｘ還元処理を効率的に行うことが可能となり、ＮＯｘ還元処理に係る燃料消費量を低減することができる。

また、燃料噴射弁２１から噴射された燃料の微粒化・軽質化が促進されることによって、排気管１１の内面に燃料が付着し難くなるので、ＮＯｘ触媒に供給する燃料が減ってしまうことを抑制できる。すなわち、燃料添加制御にかかる燃料の無駄を可及的に少なくし、燃料消費量を低減することができる。

また、本実施例のように、燃料添加弁２１から噴射された燃料に触媒２７、有孔板２８を通過させることは、少なからずとも燃料が排気管１１に導入する際の抵抗となりうるが、本実施例では排気導入管２９を順次経由してくるアシスト排気の勢いによって、燃料の排気管１１への流入をアシストすることができる。

また、アシスト排気として用いられる排気の温度は比較的高温であるため、多量のアシスト排気に触媒２７を通過させたとしても、触媒２７が過度に冷やされることにより活性が低下する虞がない。尚、本発明における微粒還元剤導入手段は、本実施例の燃料添加弁２１、アウタハウジング２４、排気導入管２９、切換弁２９ａ、及び燃料添加弁２１と切換弁２９ａとに係る制御を行うＥＣＵ１９を含んで構成される。

尚、本実施例の燃料添加装置２０においては、必ずしも排気導入管２９の途中には切換弁２９ａが設けられなくても良い。その場合には、内燃機関１の稼働時には、集合管９を通過する排気の一部は恒常的に排気導入管２９を介して排気管１１内に導入されることになるが、大気中に放出される前に排気浄化装置１５を通過するので、エミッションが悪化する虞も生じない。また、本実施例における燃料添加弁２１の排気管１１に対する配置として、燃料添加弁２１の軸線が排気管１１の軸線と直交する場合を例に説明したが、本発明の本旨を逸脱しない範囲内で変更しても良いのは勿論である。

また、本実施例における燃料添加制御では、燃料添加弁２１から噴射される燃料をタービンハウジング１０ａから流出した後であって排気浄化装置１５に流入する前の排気に添加しているが、タービンハウジング１０ａに流入する前の排気に燃料の添加を行っても良い。具体的には、例えば排気マニホールド８や、排気ポートを通過する排気に燃料を添加しても良い。

尚、上述した燃料添加装置２０は本発明の還元剤添加装置に係る実施の形態を説明するための一例であって、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得る。以下、本発明の実施の形態のバリエーションについて説明する。以下に示す図４〜８において、図２に示した燃料添加装置２０と共通する構成部分については同一の参照番号を付すとともに、共通する構成部分の一部の図示を省略する。

図４は、本実施例における第２燃料添加装置３０の概略構成を示す図である。ここで、図４に示す第２燃料添加装置３０は、有孔板２８の代わりに第２有孔板３１が設けられている点で図２に示す燃料添加装置２０と異なっている。第２有孔板３１も有孔板２８と同様、円錐台の形状に形成されており、第２有孔板３１の外周部は、拡径部２６ｂに内接するように配置されている。また、第２有孔板３１も多数の貫通孔３１ａ（図中、破線にて図示）を有している。ここで、第２有孔板３１の貫通孔３１ａは、アシスト排気及び燃料の流入側端部から流出側端部に向かって放射状に広がるように形成されている。

このように、放射状に形成された貫通孔３１ａをアシスト排気及び燃料に通過させることによって、貫通孔３１ａに対する流入時と流出時とにおけるアシスト排気および燃料の
進行方向を変更させ（図４中、矢印にて図示）、直交断面内分布面積をより拡大させることができる。尚、第２燃料添加装置３０において、第２接続管３２、第２有孔板３１、貫通孔３１ａの形状等は、本発明の技術的思想の範囲内において適宜変更しても良い。また、第２有孔板３１に形成される貫通孔３１ａの総断面積、粗密、貫通孔３１ａの断面形状等についても、適宜変更することができる。

次に、本実施例における第３燃料添加装置４０について説明する。図５は、本実施例における第３燃料添加装置４０の概略構成を示す図である。第３燃料添加装置４０は、アウタハウジング２４のテーパ部２４ｃと排気管１１とが第２接続管３２を介して接続されている点で図２に示す燃料添加装置２０と異なっている。この第２接続管３２は、燃料添加装置２０を構成する接続管２６の拡径部２６ｂと略同じ形状であって、排気管１１側に向かってテーパ状に拡径している。第３燃料添加装置４０においては第２接続管３２が本発明における接続通路に相当し、本発明における接続通路の拡大部を構成する。

また、第２接続管３２には円錐台の形状に形成されたストレートフロー型の第２触媒３３が介装されている。第２触媒３３を構成する基材は、隔壁３３ａによって区画された多数のセル３３ｂを有し、隔壁３３ａには酸化能を有する活性金属が担持されている。また、セル３３ｂの断面積（燃料およびアシスト排気の流路面積）が燃料およびアシスト排気の通過方向の下流側ほど増大するように、隔壁３３ａは燃料添加弁２１の軸線に対して傾斜している。

上記のように構成された第２触媒３３に燃料およびアシスト排気を流入させると、燃料およびアシスト排気が第２触媒３３の径方向に広がりつつ該第２触媒３３を流通させることができる（図５中、矢印にて図示）。これにより、燃料およびアシスト排気が第２触媒３３への流入する時に比べて該第２触媒３３から流出する時の方が、直交断面内分布面積を増大させることができる。この場合には、第２触媒３３が本発明における還元剤改質触媒に相当する。また、第２触媒３３と第２接続管３２とが本発明における分布領域増大手段を構成する。

また、図６は本実施例における第４燃料添加装置５０の概略構成を示す図である。第４燃料添加装置５０は、燃料添加弁２１における軸線が排気管１１の軸線と略平行になるように配置され、アウタハウジング２４のテーパ部２４ｃと排気管１１とが第３接続管３４を介して接続されている点で図２に示す燃料添加装置２０と異なっている。

この第３接続管３４は、燃料添加装置２０を構成する接続管２６と同様に円筒状に形成されている。第４燃料添加装置５０における第３接続管３４は途中で屈曲するように形成されている。すなわち、第３接続管３４の軸線方向はアウタハウジング２４との接続部側において燃料添加弁２１の軸線方向と略平行であるが、途中から徐々に変化している。そして、第３接続管３４の軸線方向は、排気管１１との接続部側では燃料添加弁２１および排気管１１の軸線方向と略直交している。第３接続管３４の屈曲部は内径がテーパ状に拡大しており、この屈曲部よりも排気管１１側は屈曲部よりもアウタハウジング２４側に比べて内径が大きくなっている（以下、第３接続管３４の屈曲部を、「屈曲拡径部３４ａ」という）。また、第３接続管３４における排気管１１との接続部近傍には内径が排気管１１側に向かってテーパ状に広がる排気管側拡径部３４ｂが形成されている。

上記構成の第４燃料添加装置５０によれば、燃料添加弁２１から添加された燃料であって、微粒化および軽質化が促進された燃料は、アシスト排気とともに第３接続管３４に流入する。第３接続管３４は屈曲拡径部３４ａにおいて流路面積が増大するため、アシスト排気と混合した燃料が第３接続管３４ａを通過する際にアシスト排気中において分散し易くなる。

また、排気管側拡径部３４ｂにおいて更に流路面積が増大するため、アシスト排気中の燃料を更に分散させることができる。また、排気管側拡径部３４ｂには有孔板２８が配置されているため、燃料およびアシスト排気に該有孔板２８を通過させることによって、直交断面内分布面積を増大させた上で燃料を排気管１１へと導入できる。これにより、燃料添加弁２１によって添加された燃料を、排気管１１を通過する排気中へ好適に分散させることができる。

第４燃料添加装置５０においては第３接続管３４が本発明における接続通路に相当する。また、屈曲拡径部３４ａおよび排気管側拡径部３４ｂが本発明における接続通路の拡大部に相当する。また、上記構成においては屈曲拡径部３４ａ、排気管側拡径部３４ｂおよび有孔板２８を含んで本発明における分布領域増大手段が構成される。尚、図６における燃料添加弁２１と排気管１１との配置はあくまでも例示であって、燃料添加弁２１の軸線が排気管１１の軸線と略平行でなくても良いのは勿論である。

また、図７は本実施例における第５燃料添加装置６０の概略構成を示す図である。第５燃料添加装置６０は、アウタハウジング２４のテーパ部２４ｃと排気管１１とが第４接続管３５を介して接続されている点で図２に示す燃料添加装置２０と異なっている。この第４接続管３５は、燃料添加装置２０を構成する接続管２６の同径部２６ａと略同形状であって、その内径が一定に形成されており、内部には触媒２７が配置されている。また、第５燃料添加装置６０には有孔板２８が設けられていない点で図２に示す燃料添加装置２０と相違する。

ここで、排気管１１における排気の流れ方向を図中に矢印にて図示すると、排気管１１および第４接続管３５の接続部の直下流部には、排気管１１の内径がテーパ状に拡径する排気管拡径部１１ａが形成されている。これによれば、排気管１１に導入された後の燃料に排気管拡径部１１ａを通過させる際に、排気中の燃料を更に分散させることができる。第５燃料添加装置６０においては、第４接続管３５が本発明における接続通路に相当する。また、排気管拡径部１１ａが本発明における排気通路の第２拡大部に相当し、本発明における分布領域増大手段を構成する。

また、図８は、図７に示した排気管拡径部１１ａの変形例を示した図である。図示のように、排気管１１は第４接続管３５との接続部の直下流部において屈曲するように形成されている。この排気管１１の屈曲部においては、その内径がテーパ状に拡径している。すなわち、排気管１１において屈曲部よりも下流側の部分は、該屈曲部よりも上流側の部分に比べて内径が大きくなっている（以下、排気管１１の屈曲部を、「排気管屈曲拡径部１１ｂ」という）。上記構成によれば、排気管１１に導入された後の燃料に排気管屈曲拡径部１１ｂを通過させる際に、排気中で燃料が分散し易くなる。上記構成においては排気管屈曲拡径部１１ｂが本発明における排気通路の第２拡大部に相当し、本発明における分布領域増大手段を構成する。尚、本実施例における排気管１１には、上述した排気管拡径部１１ａおよび排気管屈曲拡径部１１ｂの双方が形成されていても良いのはもちろんである。

以上のように、本実施例において例示した燃料添加装置２０〜第５燃料添加装置６０によれば、燃料添加弁２１からの燃料を排気中に好適に分散させることができる。また、本実施例において説明した燃料添加装置２０〜第５燃料添加装置６０の構成要素は本発明の本旨を逸脱しない範囲において可能な限り組み合わせることができる。

また、本実施例においては、アウタハウジング２４のテーパ部２４ｃおよび排気管１１を、本発明における接続通路としての接続管２６〜第４接続管３５を介して接続し、燃料
およびアシスト排気を排気管１１に導入しているが、これに限定される趣旨ではない。例えば、接続管２６〜第４接続管３５を排気管１１の一部によって構成しても良い。あるいは、アウタハウジング２４のテーパ部２４ｃと排気管１１とを直に接続しても良い。例えば、排気管１１に燃料およびアシスト排気を導入させるための開口部を形成し、テーパ部２４ｃの先端が該開口部内に臨むようにテーパ部２４ｃと排気管１１とを接続しても良い。

また、本実施例では、排気浄化装置１５に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を配置する場合を例に説明したが、これに限定される趣旨ではない。例えば酸化触媒が担持されたパティキュレートフィルタを配置し、あるいは上流側から酸化触媒とパティキュレートフィルタとを直列に配置した排気浄化装置１５を備えた排気浄化システムに本発明を適用しても良い。すなわち、燃料添加制御の実行によって還元剤としての燃料が酸化する時の反応熱によってパティキュレートフィルタを昇温し、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを酸化除去するＰＭ再生処理を実行しても良い。

また、本実施例における排気浄化装置１５に選択還元型ＮＯｘ触媒が備えられる場合、ＮＯｘ還元処理を実施する際には還元剤としての尿素水を選択還元型ＮＯｘ触媒に供給する。その場合には、本実施例における触媒２７、あるいは第２触媒３３は加水分解触媒を採用しても良い。その結果、触媒内において尿素水が反応してアンモニア成分が生成される。このアンモニア成分が選択還元型ＮＯｘ触媒に供給されることによってＮＯｘを効率的に浄化することができる。

実施例１における還元剤添加装置を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。 実施例１における燃料添加装置の概略構成を示す図である。 図２におけるＸ−Ｘ断面の断面図である。 実施例１における第２燃料添加装置の概略構成を示す図である。 実施例１における第３燃料添加装置の概略構成を示す図である。 実施例１における第４燃料添加装置の概略構成を示す図である。 実施例１における第５燃料添加装置の概略構成を示す図である。 図７に示した排気管拡径部の変形例を示す図である。

符号の説明

１・・・内燃機関
３・・・燃料噴射弁
９・・・集合管
１０・・遠心過給機
１１・・排気管
１５・・排気浄化装置
１９・・ＥＣＵ
２０・・燃料添加装置
２１・・燃料添加弁
２２・・ニードルボディ
２２ａ・噴射口
２４・・アウタハウジング
２４ｃ・テーパ部
２５・・間隙部
２６・・接続管
２７・・触媒
２８・・有孔板
２９・・排気導入管
２９ａ・切換弁

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路を通過する排気に還元剤を添加する還元剤添加装置であって、
   還元剤を噴射する還元剤噴射弁と、
   前記排気通路を通過する排気の一部を該排気通路とは異なる経路を経由させて前記還元剤噴射弁が噴射する還元剤の噴霧領域に導き該還元剤の微粒化を促進させると共に、前記異なる経路を経由した排気および還元剤を前記排気通路内に導入させる微粒還元剤導入手段と、
   前記異なる経路を経由した排気と混合した後の還元剤が前記排気通路内に導入される前に該還元剤の軽質化を促進させる還元剤改質触媒と、
   前記還元剤が前記還元剤改質触媒を通過した後あるいは該還元剤改質触媒を通過する際に該還元剤の分布する領域を増大させる分布領域増大手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の還元剤添加装置。
2. 前記微粒還元剤導入手段は、前記還元剤噴射弁の側面に略円筒状の間隙部が形成されるように前記還元剤噴射弁を覆う筒状部材と、前記排気通路内と前記間隙部とを連通する連通路と、を有し、
   前記筒状部材における少なくとも前記還元剤の噴霧領域近傍に位置する部分には、該筒状部材の内径が縮小している縮径部が形成さ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還元剤添加装置。
3. 前記微粒還元剤導入手段は、前記筒状部材と前記排気通路とを接続し、前記連通路から前記間隙部に導かれた排気と混合した還元剤を該排気通路に導入させる接続通路を更に有し、
   前記接続通路の少なくとも一部には流路面積が拡大する拡大部が形成されており、
   前記分布領域増大手段は、前記接続通路における前記拡大部を含んで構成されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の還元剤添加装置。
4. 前記微粒還元剤導入手段によって還元剤が導入された排気通路の少なくとも一部には流路面積が拡大する第２拡大部が形成されており、
   前記分布領域増大手段は、前記排気通路における前記第２拡大部を含んで構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の還元剤添加装置。
   
   

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