JP2011226431A

JP2011226431A - 内燃機関の排気装置

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Publication number: JP2011226431A
Application number: JP2010098851A
Authority: JP
Inventors: Hisaya Okamoto; 尚也岡本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2011-11-10

Abstract

【課題】内燃機関の排気通路を構成する主通路に対して、副通路が合流するように構成された排気装置において、合流点における排気の混合を改善する。
【解決手段】複数の副通路３ｂ、３ｃの主通路３ａとの合流点３３，３４が、主通路３ａの流れ方向に関して互いに異なる位置であり、複数の副流路３ｂ，３ｃの主通路３ａとの合流方向が、主通路３ａの流れ方向に直交する断面において互いに異なる方向であり、且つ主通路３ａ内において互いに同一の旋回方向成分を含む。主通路３ａ内の渦の生成が促進され、排気の混合を促進することができる。複数の副通路３ｂ，３ｃから主通路３ａに流入する排気の方向が互いにねじれの関係となって交差しないので、複数の副通路３ｂ，３ｃからの排気同士の衝突に起因する圧力損失を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路を構成する主通路に対して、副通路が合流するように構成された排気装置に関する。

排気通路を構成する主通路に対して、副通路が合流するように構成された排気装置が提案されている。特許文献１が開示する装置では、主通路に酸化触媒を配置すると共に、主通路から分岐し酸化触媒をバイパスする副通路を主通路の外周に配置し、酸化触媒の下流側で副通路を主通路に合流させている。主通路と副通路との合流点では、副通路は主通路の外周側に同心円状に合流している。

特許文献２が開示する装置では、排気通路を第１及び第２の分岐路に分岐させ、これらを再び合流させるにあたり流速差を生じさせることで、せん断による乱れによって排気の攪拌を促進させている。

特開２００６−１８３６２８号公報特開２００８−１９６４１３号公報

しかしながら、特許文献１の装置では副通路は主通路の外周側に同心円状に合流しているため、排気の混合が十分でなくなるおそれがある。また、特許文献２の装置では、出口面積の等しい第１及び第２の分岐路を、並行状あるいは交差状に合流させているのみであり、排気の混合についてなお改善の余地が残されている。

本発明の目的は、内燃機関の排気通路を構成する主通路に対して、副通路が合流するように構成された排気装置において、合流点における排気の混合を改善できる新規な手段を提供することにある。

本発明の１態様は、
内燃機関の排気通路を構成する主通路に対して複数の副通路が合流するように構成された内燃機関の排気装置であって、
前記複数の副通路の前記主通路との合流点は、前記主通路の流れ方向に関して互いに異なる位置であり、前記複数の副流路の前記主通路との合流方向は、前記主通路の流れ方向に直交する断面において互いに異なる方向であり、且つ前記主通路内において互いに同一の旋回方向成分を含むことを特徴とする内燃機関の排気装置である。

この態様では、前記複数の副通路の前記主通路との合流点が、前記主通路の流れ方向に関して互いに異なる位置であり、前記複数の副流路の前記主通路との合流方向が、前記主通路の流れ方向に直交する断面において互いに異なる方向であり、且つ前記主通路内において互いに同一の旋回方向成分を含むので、主通路内の渦の生成が促進され、排気の混合を促進することができる。また、複数の副通路から主通路に流入する排気の方向が互いにねじれの関係となって交差しないので、複数の副通路からの排気同士の衝突に起因する圧力損失を抑制することができる。

好適には、装置は前記主通路を通る排気を浄化するための触媒コンバータを備える。この態様では、触媒コンバータによって改質され主通路に供給された燃料を、副通路からの排気等の気体と良く混合することができる。

好適には、前記排気通路には燃料添加弁及び着火装置が配置され、前記着火装置により生じた火炎が前記複数の副通路に供給される。この態様では、複数の副通路から主通路に流入する高温の排気等の気体により、排気を好適に昇温することができる。

本発明によれば、内燃機関の排気通路を構成する主通路に対して、副通路が合流するように構成された排気装置において、合流点における排気の混合を改善することができる。

本発明の第１実施形態の概念図である。第１実施形態における合流点の近傍を示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。第２実施形態の要部を示す概念図である。

本発明の好適な実施形態について、以下に詳細に説明する。ただし、本発明の実施態様は下記の各態様のみに限らず、本発明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例を含むことに注意しなければならない。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は実施形態におけるエンジン本体１と、その吸排気系の概略構成を示す。エンジン本体１は、車載の４サイクル・ディーゼルエンジンである。エンジン本体１には吸気管２が吸気マニホールド（不図示）を介して接続され、また排気管３（排気通路）が排気マニホールド（不図示）を介して接続されている。エンジン本体１の各燃焼室には、気筒数に応じた数の筒内燃料噴射弁９がそれぞれ設置されている。吸気管２の上流側は、エアフローメータ４及び不図示のエアクリーナを介して大気に開放されている。

排気管３の終端は、不図示の消音器に接続され、その出口で大気に開放されている。排気管３の途中には、酸化触媒コンバータ６及びＮＯｘ触媒コンバータ２６が、この順に直列に配置されている。酸化触媒コンバータ６は、ＨＣ，ＣＯなどの未燃成分をＯ₂と反応させてＣＯ，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ等とする。触媒物質としては例えばＰｔ／ＣｅＯ₂、Ｍｎ／ＣｅＯ₂、Ｆｅ／ＣｅＯ₂、Ｎｉ／ＣｅＯ₂、Ｃｕ／ＣｅＯ₂等を用いることができる。ＮＯｘ触媒コンバータ２６は、好ましくは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒コンバータ（NSR: NOx Storage Reduction）からなる。ＮＯｘ触媒コンバータ２６は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元成分（例えば、燃料等）が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する機能を有する。ＮＯｘ触媒コンバータ２６は、アルミナＡｌ₂Ｏ₃等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金Ｐｔのような貴金属と、ＮＯｘ吸収成分とが担持されて構成されている。ＮＯｘ吸収成分は、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ，リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つから成る。なお、ＮＯｘ触媒コンバータ２６は選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ（SCR: Selective Catalytic Reduction）であってもよい。

排気管３における酸化触媒コンバータ６の上流側には、前処理装置３０が配置されている。前処理装置３０は、排気管３の他の部分とほぼ等しい内径を有する主通路３ａと、主通路３ａから分岐した第１副通路３ｂ及び第２副通路３ｃとを有する。第１副通路３ｂ及び第２副通路３ｃの断面積は互いに等しく、且つ主通路３ａの断面積よりも小さい。副通路３ｂ，３ｃの合計の断面積は、主通路３ａの断面積と等しくされている。

主通路３ａからの第１副通路３ｂの分岐点３１の位置は、主通路３ａの流れ方向に関して、主通路３ａからの第２副通路３ｂの分岐点３２の位置と等しい。

他方、第１副通路３ｂの下流側の端部（すなわち第１副通路３ｂの主通路３ａとの合流点３３）と、第２副通路３ｃの下流側の端部（すなわち第２副通路３ｃの主通路３ａとの合流点３４）とは、主通路３ａの流れ方向に関して互いに異なる位置であり、後者が前者よりも下流側に配置されている。

さらに、図２に示されるように、第１副通路３ｂの主通路３ａとの合流方向３５と、第２副通路３ｃの主通路３ａとの合流方向３６とは、主通路３ａの流れ方向に直交する断面において互いに異なる方向である。本実施形態では合流方向３５，３６は１８０°異なり、互いに逆方向となっている。また、合流方向３５，３６ないし各副通路３ｂ、３ｃの中心線３８，３９は、いずれも正中面３７と平行かつ正中面３７から互いに逆方向にシフトし、その結果としていずれも主通路３ａの径方向（中心点４０に向かう方向）とは異なる方向になっており、且つ、主通路３ａ内において互いに同一の旋回方向成分（図２において反時計回り）を含んでいる。なお合流方向３５，３６は下流側に向けて傾斜していてもよい。

再び図１において、分岐点３１，３２よりも上流側の排気管３内であって、図示しない排気マニホールドの集合部よりも下流側には、燃料添加弁７、衝突板２０およびグロープラグ２１が配置されている。

燃料添加弁７は、排気中に液体の燃料（軽油）を添加することができる。燃料タンク１１は、燃料吸引管１２、低圧燃料ポンプ１３、高圧燃料ポンプ１４及び燃料供給管１５を介して、燃料添加弁７に接続されている。燃料ポンプ１３，１４が燃料吸入管１２を介して燃料タンク１１に貯留されている燃料を吸入し、燃料供給管１５へと吐出することで、燃料添加弁７に燃料が供給される。高圧燃料ポンプ１４の下流側の配管２７は、筒内燃料噴射弁９に向けて分岐している。燃料ポンプ１３，１４は例えば機械式であり、エンジン本体１の図示しない出力軸（クランクシャフト）の駆動力を利用して作動する。なお燃料ポンプ１３，１４のうちの少なくとも一つは電動式であってもよい。

グロープラグ２１は、燃料添加弁７よりも下流側であって、前処理触媒コンバータ８よりも上流側に設置されている。グロープラグ２１は、昇圧回路２２を経て車載直流電源２３に接続されており、通電された際に発生する熱により、燃料添加弁７から供給された燃料に着火させることが可能である。グロープラグ２１は、その軸心が排気管３の上流に向けて傾斜しているが、例えば流れ方向に直交し且つ次に述べる衝突板２０の長手方向と平行に配置するなど、任意の姿勢で配置することができる。なお、着火手段としては、セラミックヒータやスパークプラグなどの他の装置、とくに電熱式または火花着火式の装置を用いることができる。

燃料添加弁７の軸線上かつグロープラグ２１よりも上流側には、衝突板２０が固定されている。衝突板２０はほぼ水平の平板であり、ＳＵＳなどの耐熱性及び耐衝撃性に優れた材料から形成することができる。燃料添加弁７は、衝突板２０に向けて、斜め下向きに燃料を噴射する。衝突板２０は、燃料が衝突することによって燃料の微粒化、霧化を促進させ、分散性、拡散性を向上させる。衝突板２０に衝突した燃料は、排気流によって下流側に偏向されて、グロープラグ２１先端の発熱部及び前処理触媒コンバータ８に供給される。

燃料添加弁７及びグロープラグ２１よりも下流側に、燃料添加弁７から噴射された燃料を改質する前処理触媒コンバータ８が配置されている。前処理触媒コンバータ８は主通路３ａ内に配置されており、前処理触媒コンバータ８の外側面は、主通路３ａの内面に隙間なく保持されている。この前処理触媒コンバータ８は、例えばゼオライト製の担体にロジウム等を担持させた酸化触媒コンバータとして構成することができる。前処理触媒コンバータ８は、個々のセルが上流から下流へと連通した所謂ストレートフロー型である。

燃料が前処理触媒コンバータ８に供給されると、そのとき前処理触媒コンバータ８が活性化していれば、前処理触媒コンバータ８内で燃料が酸化させられ、このとき発生する酸化反応熱によって、前処理触媒コンバータ８が昇温させられる。また、前処理触媒コンバータ８の温度が高くなると、燃料中の炭素数の多い炭化水素が分解して、炭素数が少なく反応性の高い炭化水素が生成され、これによって燃料が反応性の高い燃料に改質される。換言すれば、前処理触媒コンバータ８は、一方では急速に発熱する急速発熱器を構成し、他方では、改質された燃料を排出する改質燃料排出器を構成する。

前処理触媒コンバータ８が排気管３に収容されると、その排気抵抗のために、副通路３ｂ、３ｃへの排気の通過が促進される。燃料添加弁７から供給された燃料の一部又は全部は、グロープラグ２１により昇温又は着火され、着火により生じた火炎は前処理触媒コンバータ８の上流側の端面を昇温すると共に、副通路３ｂ、３ｃを通じて下流側に延在し、これによって排ガスの昇温が促進されると共に、前処理触媒コンバータ８から排出される改質された燃料を着火させることもできる。

エンジン本体１には、エンジン本体１の運転条件や運転者の要求に応じて運転状態を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、エンジン本体１の制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等が一時記憶されるＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成される。

ＥＣＵ１０には、エアフローメータ４の他、エンジン本体１のクランク角を検出するクランクポジションセンサ２４、アクセル開度に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ２５のほか、ＮＯｘ触媒コンバータ２６の下流側の排気通路に配置されたＮＯｘセンサ（不図示）、エンジン冷却水温を検出する水温センサ（不図示）、ＮＯｘ触媒コンバータ２６の入口近傍に設けられた固体電解質等からなるＳＯｘセンサ（不図示）、駆動輪の近傍に配置され車速を検出する車速センサ（不図示）を含む各種センサ類が、電気配線を介して接続され、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。また、ＥＣＵ１０には、燃料添加弁７、筒内燃料噴射弁９、昇圧回路２２等の各種アクチュエータ類が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ１０によって制御される。ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ２４の出力値に基づいて機関回転数を検出し、アクセル開度センサ２５の出力値に基づいてエンジン本体１の要求負荷を検出することができる。

本実施形態では、燃料の着火による昇温処理、前処理触媒コンバータ８及び酸化触媒コンバータ６に対するＰＭ酸化処理、ＮＯｘ触媒コンバータ２６に対するＮＯｘ還元処理及びＳＯｘ被毒回復処理を実施する際に、ＥＣＵ１０が燃料添加弁７を制御して燃料を排気中に噴射させ、この燃料を前処理触媒コンバータ８、酸化触媒コンバータ６及びＮＯｘ触媒コンバータ２６に供給する。供給された燃料の一部は、グロープラグ２１により着火され、他の主として液相の部分が前処理触媒コンバータ８に供給される。

燃料添加弁７に噴射される燃料の噴射量は、前述したＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理、ＰＭ再生処理など、個々の制御毎に設定することができる。ＥＣＵ１０のＲＯＭ内には、エンジン本体１の運転状態に適合する目標総噴射量を算出するための目標総噴射量算出マップが、上記処理の種別（燃料の着火による昇温処理、酸化処理、ＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理、ＰＭ再生処理など）毎に記憶されている。そして、燃料噴射制御を行う場合、ＥＣＵ１０は、機関回転数、アクセル開度、吸入空気量を検出し、これらをパラメータとして目標総噴射量算出マップへとアクセスし、目標総噴射量を算出する。ＥＣＵ１０は、目標総噴射量の燃料が燃料添加弁７から噴射されるように、その開弁時間を算出する。そして、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁７（詳しくは、燃料添加弁７を開閉駆動させる駆動機構（不図示））に指令を出すことで当該燃料添加弁７を開弁させ、算出された開弁時間が経過した時点で閉弁させる。

以上のとおり構成された第１実施形態では、ＥＣＵ１０は、例えば触媒コンバータ６，２６の推定温度が所定値より低い場合に、燃料添加弁７及び昇圧回路２２を制御して、グロープラグ２１に通電した状態で、燃料添加弁７に噴射を実行させる。触媒コンバータ６，２６の推定温度は、例えば冷却水温及び吸気温度に基づいて所定の関数又はマップにより算出することができる。なお燃料の添加は、車速が減速中であることを条件としてもよい。

燃料添加弁７から噴射された燃料は、衝突板２０に衝突し、反射又は付着した燃料が排気流によってグロープラグ２１及び前処理触媒コンバータ８に供給される。

燃料の供給によって、前処理触媒コンバータ８が昇温させられ、また、供給された燃料が反応性の高い燃料に改質される。改質された燃料が、酸化触媒コンバータ６及び／又はＮＯｘ触媒コンバータ２６に供給されることで、ＰＭ再生処理、ＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理などを円滑に行うことができる。また、噴射された燃料の一部は、グロープラグ２１の発熱部の近傍に供給され、着火させられる。

ここで、本実施形態では、複数の副通路３ｂ、３ｃの主通路３ａとの合流点３３，３４が、主通路３ａの流れ方向に関して互いに異なる位置であり、複数の副流路３ｂ，３ｃの主通路３ａとの合流方向が、主通路３ａの流れ方向に直交する断面において互いに異なる方向であり、且つ主通路３ａ内において互いに同一の旋回方向成分を含むので、主通路３ａ内の渦の生成が促進され、排気の混合を促進することができる。また、複数の副通路３ｂ，３ｃから主通路３ａに流入する排気の方向が互いにねじれの関係となって交差しないので、複数の副通路３ｂ，３ｃからの排気同士の衝突に起因する圧力損失を抑制することができる。

また本実施形態では、装置は主通路３ａを通る排気を浄化するための前処理触媒コンバータ８を備えるので、この前処理触媒コンバータ３ａによって改質され主通路３ａに供給された燃料を、副通路３ｂ，３ｃからの排気と良く混合することができる。

また本実施形態では、排気管３には燃料添加弁７及びグロープラグ２１が配置され、グロープラグ２１により生じた火炎が複数の副通路３ｂ，３ｃに供給されるので、複数の副通路３ｂ，３ｃから主通路３ａに流入する高温の排気により、排気を好適に昇温することができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図３に示される第２実施形態は、副通路の出口すなわち合流点の配置においては上記第１実施形態（図２）と同様であるが、副通路１０３ｂ，１０３ｃの入口が共通の点火室１３１に開口しており、燃料添加弁７及びグロープラグ２１の位置が変更され、且つ可動衝突板１２０を備えた点において第１実施形態と異なるものである。

図３において、排気管３には前処理装置１３０が配置されている。前処理装置１３０は、主通路３ａから分岐した第１副通路１０３ｂ及び第２副通路１０３ｂとを有する。第１副通路１０３ｂ及び第２副通路１０３ｃの断面積は互いに等しく、且つ主通路３ａの断面積よりも小さい。副通路１０３ｂ，１０３ｃの合計の断面積は、主通路３ａの断面積と等しくされている。

本実施形態では点火室１３１が、主通路３ａの側方に膨出するように設けられており、第１副通路１０３ｂ及び第２副通路１０３ｃは、点火室１３１から分岐している。点火室１３１には、燃料添加弁７及びグロープラグ２１が設けられている。燃料の軌道と一致する燃料添加弁７の軸線上を選択的に遮断するように、可動衝突板１２０が配置されている。

可動衝突板１２０は、ＳＵＳなどの耐熱性及び耐衝撃性に優れた材料から形成することができる。可動衝突板１２０は、軸１２０ａを中心に旋回可能に排気管３に保持されており、軸１２０ａは不図示の２段作動式の負圧アクチュエータに固定されている。ＥＣＵ１０の制御出力に応じて負圧アクチュエータに吸気管負圧を選択的に導入することにより、可動衝突板１２０は実線で示されるほぼ水平の姿勢、二点鎖線ａで示される倒立姿勢、及び二点鎖線ｂで示される下垂姿勢の３姿勢をとりうる。下垂姿勢では可動衝突板１２０の先端部は鉛直方向真下よりものやや上流側に向けられており、これによって副通路１０３ａ，１０３ｂへの排気の流入が促進される。グロープラグ２１との干渉を避けるために、可動衝突板１２０の先端部には溝が設けられて二又状となっている。

可動衝突板１２０が、実線で示されるほぼ水平の姿勢のときには、燃料添加弁７からの燃料は可動衝突板１２０に衝突してグロープラグ２１の近傍に滞留し、その着火が促進される。可動衝突板１２０が二点鎖線ａで示される倒立姿勢のときには、燃料は前処理触媒コンバータ８の前端面に向けて供給される。燃料の供給が行われない通常運転時には、可動衝突板１２０は二点鎖線ｂで示される下垂姿勢とされ、これによって副通路１０３ａ，１０３ｂへの排気の流入が促進される。第２実施形態の残余の構成は上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してその詳細の説明を省略する。

以上のとおり構成された第２実施形態では、上記第１実施形態と同様に、主通路３ａ内の渦の生成が促進され、排気の混合を促進することができる。また、複数の副通路１０３ｂ，１０３ｃから主通路３ａに流入する排気の方向が互いにねじれの関係となって交差しないので、複数の副通路１０３ｂ，１０３ｃからの排気同士の衝突に起因する圧力損失を抑制することができる。

本発明をある程度の具体性をもって説明したが、クレームされた発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。本発明の実施態様は上述の各態様のみに限らず、本発明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例を含む。したがって本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

例えば、複数の副通路のうち少なくとも１つの上流側は、排気通路外（例えば外気を導入するコンプレッサ）に接続されていてもよい。副通路は３つ以上であってもよく、各副通路の合流点は流れ方向に直交する断面において等角度間隔に配置するのが特に好適である。

前処理触媒コンバータ及び排気管のうち少なくとも一方は、断面が楕円形や長円形など、非円形であってもよい。前処理触媒コンバータ８よりも下流側に存在する他の排気処理装置の種類や順序も任意である。

本発明はターボチャージャを有するエンジンシステムにも適用でき、この場合に前処理装置はタービンの下流側に設置するのが好適である。この場合において更に、副通路の入口はタービンの上流側であってもよい。

１エンジン本体
３排気管
６酸化触媒コンバータ
７燃料添加弁
８前処理触媒コンバータ
９筒内燃料噴射弁
１０ＥＣＵ
２０衝突板
２１グロープラグ
２６ＮＯｘ触媒コンバータ
３０前処理装置

Claims

内燃機関の排気通路を構成する主通路に対して複数の副通路が合流するように構成された内燃機関の排気装置であって、
前記複数の副通路の前記主通路との合流点は、前記主通路の流れ方向に関して互いに異なる位置であり、前記複数の副流路の前記主通路との合流方向は、前記主通路の流れ方向に直交する断面において互いに異なる方向であり、且つ前記主通路内において互いに同一の旋回方向成分を含むことを特徴とする内燃機関の排気装置。
請求項１に記載の内燃機関の排気装置であって、
前記主通路を通る排気を浄化するための触媒コンバータを備えたことを特徴とする内燃機関の排気装置。
請求項１または２に記載の内燃機関の排気装置であって、
前記排気通路には燃料添加弁及び着火装置が配置され、前記着火装置により生じた火炎が前記複数の副通路に供給されることを特徴とする内燃機関の排気装置。