JP2018071399A

JP2018071399A - 配管ユニット

Info

Publication number: JP2018071399A
Application number: JP2016210506A
Authority: JP
Inventors: 岳人野澤; Gakuto Nozawa; 功大原; Isao Ohara; 貴之三田; Hiroyuki Mita
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-05-10

Abstract

【課題】圧損増加を抑制しつつ、還元剤の堰き止め能力の向上させることが可能な配管ユニットを提供すること。【解決手段】本開示の一形態は、旋回流をなす排ガスおよび還元剤を排気浄化触媒に向けて案内する配管と、前記配管の内周面において鉛直下方向寄りの部分から、前記配管の中央側に向かって突出する板と、を備え、前記板において前記旋回流の旋回方向側にある端部を第一端部とし、前記板において前記旋回方向の逆方向側にある端部を第二端部とするとき、前記第一端部の鉛直方向位置は、前記第二端部の鉛直方向位置よりも高い、配管ユニットに向けられる。【選択図】図２Ａ

Description

本開示は、排ガスおよび還元剤を排気浄化触媒に案内する配管ユニットに関する。

従来、排気浄化装置は、触媒が保持された担体の排気上流側の排気中に、還元剤を供給することで選択触媒還元により排気中の窒素酸化物を浄化する。

また、担体を保持するアルミナマットの排気上流側における配管ユニットの内壁に、排気通路中央側に向って立設された板を設けることで、配管ユニットの内壁を伝い流れる液体の還元剤を、アルミナマットの手前で堰き止めるようにしている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１３−１２７２０８号公報

上記配管ユニットの板には、還元剤を堰き止める性能の向上が求められる。しかし、板は、配管ユニットにおいて圧損増加の要因にもなる。

そこで、本開示は、圧損増加を抑制しつつ、還元剤の堰き止め能力の向上させることが可能な配管ユニットを提供することを目的とする。

本開示の一形態は、
旋回流をなす排ガスおよび還元剤を排気浄化触媒に向けて案内する配管と、
前記配管の内周面において鉛直下方向寄りの部分から、前記配管の中央側に向かって突出する板と、を備え、
前記板において前記旋回流の旋回方向側にある端部を第一端部とし、前記板において前記旋回方向の逆方向側にある端部を第二端部とするとき、前記第一端部の鉛直方向位置は、前記第二端部の鉛直方向位置よりも高い、
配管ユニットに向けられる。

本開示によれば、圧損増加を抑制しつつ、還元剤の堰き止め能力の向上させることが可能な配管ユニットを提供することが出来る。

本開示の第一実施形態に係る配管ユニットを採用した排気系の全体構成を示す図図１の配管ユニットの詳細な構成を示す図であって、図１の線Ａ−Ａ’に沿う断面を矢印Ｂの方向から見た時の断面図図２Ａの線Ｃ−Ｃ’に沿う断面を矢印Ｄの方向から見た時の断面図図１の堰き止め板の変形例を示す図本開示の第二実施形態に係る配管ユニットを採用した排気系の全体構成を示す図図４の配管ユニットの詳細な構成を示す図であって、図４の線Ｅ−Ｅ’に沿う断面を矢印Ｆの方向から見た時の断面図

以下、上記図面を参照して、本開示に係る配管ユニットについて詳説する。

＜０．定義＞
下表１は、本実施形態で使用される頭字語や略語の意味を示す。

＜１−１．第一実施形態の構成＞
図１に示すように、車両Ｖには、第一実施形態に係る配管ユニット１７Ａ（図２Ａを参照）を採用した排気系１Ａと、それに接続された内燃機関３と、が搭載されている。

まず、内燃機関３について説明する。内燃機関３は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関３では、燃焼室で燃料が燃焼して排ガスが生じる。この排ガスは、排気系１Ａに送り出される。

次に、排気系１Ａの基本構成について説明する。
排気系１Ａは、内燃機関３からの排ガスを大気中（車外）に導く排気流路１１を有する。排気流路１１には、いくつかの後処理装置１３が配置される。本開示では、後処理装置１３として、ＤＰＦ１３Ａと、ＳＣＲ１３Ｂとが例示される。

ＤＰＦ１３Ａは、ディーゼル・パーティキュレート・ディフューザであって、自身に流入した排ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭという）捕集する。また、ＤＰＦ１３Ａは、排ガスの温度が自己再生温度以上であれば、捕集したＰＭを燃焼させて除去する（所謂、自己再生）。

ＳＣＲ１３Ｂは、排気浄化触媒の一例であって、排気流路１１においてＤＰＦ１３Ａの下流側に配置される。また、排気流路１１においてＤＰＦ１３ＡおよびＳＣＲ１３Ｂの間には、還元剤としての尿素水を噴射する噴射器１５が設けられる。これにより、ＳＣＲ１３Ｂには、排ガスだけでなく、尿素水を排ガスに吹きかけることで生成されたアンモニアも還元剤として導入される。

ＳＣＲ１３Ｂは、自身を通過する排ガスの温度が所定温度以上になると、供給されたアンモニアと、供給された排ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）を還元反応させて、ＮＯｘを無害化する。従って、噴射器１５は、ＳＣＲ１３Ｂの流入する排ガスの温度が所定温度以上の場合に、尿素水を排気流路１１内に噴射することが好ましい。なお、所定温度は、排気系１Ａ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。

以上の各後処理装置１３で排ガスを処理することで生成される水、窒素、二酸化炭素は、マフラー（図示せず）等を介して、大気中に排出される。

＜１−２．配管ユニットの詳細な構成＞
第一実施形態では、排気流路１１において、ＤＰＦ１３ＡとＳＣＲ１３Ｂとの間の部分において蛇行しており、これにより、第二実施形態のようなミキサを備えることなく、案内される排ガスが旋回流をなすように構成される。なお、旋回流の生成可能な排気流路に関しては、例えば特開２０１１−２４７１２８号公報に記載されているため、その詳細な説明を控える。

また、排気流路１１において、ＳＣＲ１３Ｂよりも、排ガスの流れ方向における直ぐ上流側には、図２Ａ，図２Ｂに示すような配管ユニット１７Ａが設けられる。配管ユニット１７Ａは、Ｕ型配管１７１Ａと、堰き止め板１７３と、を備えている。

Ｕ型配管１７１Ａの下流端ＤＥには、ＳＣＲ１３Ｂを収容したケース１９が流体連通可能に接続される。ここで、ケース１９の内部には、特許文献１にも記載のように、ＳＣＲ１３Ｂがアルミナマット等の繊維状マット１０１により周面を覆われた状態で圧入される。

それに対し、Ｕ型配管１７１Ａの上流端ＵＥは、別の配管（図示せず）を介してＤＰＦ１３Ａと流体連通可能に接続される。

ここで、本開示では、上流端ＵＥの開口は円形形状を有し、下流端ＤＥの開口は、堰き止め板１７３を取り外すと円形形状を有するとする。また、上流端ＵＥの開口の中心をＯ_Ｕとし、下流端ＤＥの開口の中心をＯ_Ｄとすると、中心Ｏ_Ｄの鉛直方向ｚにおける位置は、中心Ｏ_Ｕの鉛直方向ｚにおける位置よりも低くなっている。これにより、Ｕ字配管１７１Ａは排ガスの流路を水平面ｘｙに平行にＵターンさせるのではなく、Ｕ字配管１７１Ａにおいて相対的に下流側では排ガスの流路の高さがその上流側よりも低くなっている。このようなＵ字配管１７１Ａには、排ガスおよび還元剤は、下流端ＤＥにおいて、矢印Ａで示すように時計回りの旋回流をなした状態で流入する。なお、旋回流は、Ｕ字配管１７１Ａの上流側に設けられたミキサチャンバ１１０により生成される。このような旋回流により、還元剤を排ガス中に均一に拡散させることで、ＳＣＲ１３Ｂにおいて効率的に排ガスを浄化することが可能となる。なお、矢印Ａの方向は旋回流の旋回方向を示す。

堰き止め板１７３は、下流端ＤＥまたはその近傍の内周面における鉛直下方向側の一部から、Ｕ字配管１７１Ａの中央側に向かって突出する板状部材であって、例えばステンレス等の金属で作製される。

以下、堰き止め板１７３の外形形状であって、下流端ＤＥでの旋回流の進行方向ｙから平面視した時の外形形状を詳説する。そのために、まず、下記を定義する。なお、以下では、「下流端ＤＥでの旋回流の進行方向ｙから平面視」を、単に、「進行方向ｙから平面視」という。

直線Ｏ_ＵＯ_Ｄと内周面との二交点のうち、線分Ｏ_ＵＯ_Ｄ上の交点をＰ_Ｕとし、もう一方の交点をＰ_Ｄとする。

堰き止め板１７３は、旋回方向Ａにおける第一端部ＦＥと、旋回方向Ａの逆方向における第二端部ＳＥと、を有する。進行方向ｙから平面視した時、第一端部ＦＥは、内周面上の点Ｐ_１から中心Ｏ_Ｄに向かって、長さｄ_１だけ延在する線分となるのに対し、第二端部ＳＥは、内周面上の点Ｐ_２から中心Ｏ_Ｄに向かって、長さｄ_２だけ延在する線分となる。ここで、線分Ｐ_１Ｏ_Ｄと線分Ｏ_ＤＰ_Ｕとがなす角をθ_１とし、線分Ｐ_２Ｏ_Ｄと線分Ｏ_ＤＰ_Ｄとがなす角をθ_２とする。なお、都合上、ｄ_１，ｄ_２の図示は省略している。

本開示では、第一端部ＦＥの鉛直方向ｚにおける位置が、第二端部ＳＥの鉛直方向ｚにおける位置よりも高くなるように、点Ｐ_１，Ｐ_２、長さｄ_１，ｄ_２および角θ_１，θ_２の値が定められる。図２Ａの構成例では、点Ｐ_１の鉛直方向ｚにおける位置は、点Ｐ_２の鉛直方向ｚにおける位置よりも高く、長さｄ_１は長さｄ_２よりも短く、角θ_１は角θ_２よりも小さく設計される。

また、図２Ａの構成例では、堰き止め板１７３は、第一端部ＦＥと第二端部ＳＥとの間に存在する中間部Ｉを有する。進行方向ｙから平面視した時、中間部Ｉは、水平方向ｘに延在する線分であって、中間部Ｉの一方端は、第二端部ＳＥにおける中心Ｏ_Ｄ側の先端と直接的に接続され、その他方端は、第一端部ＦＥにおける中心Ｏ_Ｄ側の先端と、中心がＯ_Ｄの円弧を介して接続される。

＜１−３．配管ユニットの作用・効果＞
本開示の配管ユニット１７Ａは、進行方向ｙから平面視した時に上記のような外形形状を有する堰き止め板１７３を、Ｕ字配管１７１Ａの下流端ＤＥおよびその近傍に備えている。

配管ユニット１７Ａでは、Ｕ字配管１７１Ａの内部を、排ガスおよび還元剤が旋回方向Ａに旋回しつつＳＣＲ１３Ｂに向かって流れるだけでなく、一部の還元剤が液体の状態でＵ字配管１７１Ａの底をＳＣＲ１３Ｂに向かって流れることがある。しかし、堰き止め板１７３が備わることで、液状の還元剤がケース１９に浸入することを防止でき、これによって、ＳＣＲ１３Ｂの周面を囲む繊維状マット１０１への還元剤の浸透を防止できる。

より具体的には、排ガスおよび還元剤が旋回方向Ａに旋回しつつ堰き止め板１７３に向かってくる。このような旋回流の影響で、堰き止め板１７３の直前で溜まる液状還元剤において、旋回方向Ａにおける下流側の部分が、その上流側の部分よりも盛り上がる可能性がある。しかし、堰き止め板１７３は、旋回方向Ａにおける第一端部ＦＥの鉛直方向位置が高くなっているため、第一端部ＦＥは、盛り上がる可能性がある液状還元剤がケース１９に浸入することを防止でき、これによって、ＳＣＲ１３Ｂの周面を囲む繊維状マット１０１への還元剤の浸透を防止できる。

逆に、堰き止め板１７３は、旋回方向Ａの逆方向における第二端部ＳＥの鉛直方向ｚにおける位置が低くなっているが、旋回流の影響で、堰き止め板１７３の直前で溜まる液状還元剤において、旋回方向Ａの逆方向寄りの部分が落ち窪む。それ故、この液状還元剤が第二端部ＳＥを超えて液状還元剤がケース１９に浸入することを防止できる。

また、上記の通り、第二端部ＳＥの鉛直方向位置が第一端部ＦＥのそれよりも低くなっているため、旋回流が配管ユニット１７Ａを通過する際の圧損増加を抑制できる。

＜１−４．他の構成例＞
なお、堰き止め板１７３は、図２の構成例以外にも、図３に示した五通りの構成を採用することもできる。図３のいずれの構成に関しても、堰き止め板１７３は、旋回流の進行方向ｙから平面視した時に、Ｕ字配管１７１Ａの内周面における鉛直下方向側の少なくとも一部から、Ｕ字配管１７１Ａの中心側に中央側に向かって突出しており、旋回流の旋回方向Ａにおける第一端部ＦＥと、旋回方向Ａの逆方向における第二端部ＳＥと、を含んでいて、第一端部ＦＥの鉛直方向位置は、第二端部ＳＥの鉛直方向位置よりも高くなっている。これら構成によっても、＜１−３．配管ユニットの作用・効果＞に記載した効果を奏する。

＜１−５．付記＞
上記配管ユニット１７Ａは車両Ｖに取り付けた状態でユーザに提供されることもあるが、保守部品等として、配管ユニット１７Ａ単独でユーザに提供されることもある。

＜２−１．第二実施形態の構成＞
第二実施形態は、図４に示すように、前述の第一実施形態と比較すると、内燃機関３に気系１Ａの代わりに排気系１Ｂが接続されている点で相違する。それ以外に、両実施形態の間に相違点は無い。

また、排気系１Ｂは、排気系１Ａと比較すると、下記の二点で相違する。
（１）ＤＰＦ１３ＡとＳＣＲ１３Ｂとの間において排気流路１１が必ずしも蛇行している必要が無く、直線状であっても良い点
（２）配管ユニット１７Ａの代わりに配管ユニット１７Ｂを備えている点

上記以外に、両実施形態の間に相違点は無い。それゆえ、図４において、図１の構成に相当するものには同一参照符号を付け、それぞれの説明控える。

配管ユニット１７Ｂは、排気流路１１において、ＳＣＲ１３Ｂよりも、排ガスの流れ方向における直ぐ上流側に設けられ、図５に示すように、ストレート配管１７１Ｂと、ミキサ１７５と、堰き止め板１７３と、を備えている。

ストレート配管１７１Ｂの下流端ＤＥまたはその近傍には、第一実施形態と同様に、堰き止め板１７３が設けられる。

また、ストレート配管１７１Ｂにおいて、上記堰き止め板１７３よりも、旋回流の進行方向ｙにおける上流側であって、噴射器１５（より具体的には、還元剤の噴射位置）の下流側には、ミキサ１７５が設けられる。このミキサ１７５には、還元剤を含んだ排ガスを旋回流にする。

上記のような配管ユニット１７Ｂにおいても、＜１−３．配管ユニットの作用・効果＞に記載した効果を奏する。

＜２−２．付記＞
なお、第二実施形態では、配管ユニット１７Ｂにミキサ１７５が設けられるとして説明した。しかし、これに限らず、ミキサ１７５は、排気流路１１において、堰き止め板１７３よりも、旋回流の進行方向ｙにおける上流側であって、噴射器１５よりも下流側であれば、どこに設けられても構わない。

また、第二実施形態では、第一実施形態と同様に、ＳＣＲ１３Ｂは、配管ユニット１７Ｂとは別のケース１９に圧入される。しかし、これに限らず、ケース１９側に、堰き止め板１７３を上記の同じ要領で設けても構わない。この場合、配管ユニットは、図２Ｂ右側に示すように、配管としてのケース１９と、堰き止め板１７３と、ＳＣＲ１３Ｂとを備えることになる。

また、＜１−４．他の構成例＞および＜１−５．付記＞の記載内容は、第二実施形態においても同様に当てはまる。

本開示の配管ユニットは、圧損増加を抑制しつつ還元剤の堰き止め能力の向上させることが可能であり、ディーゼルエンジン等を搭載した乗用車や商用車等に好適である。

１７Ａ，１７Ｂ配管ユニット
１７１ＡＵ字配管
１７１Ｂストレート配管
１７３堰き止め板
ＦＥ第一端部
ＳＥ第二端部
１３ＢＳＣＲ（排気浄化触媒）

Claims

旋回流をなす排ガスおよび還元剤を排気浄化触媒に向けて案内する配管と、
前記配管の内周面において鉛直下方向寄りの部分から、前記配管の中央側に向かって突出する板と、を備え、
前記板において前記旋回流の旋回方向側にある端部を第一端部とし、前記板において前記旋回方向の逆方向側にある端部を第二端部とするとき、前記第一端部の鉛直方向位置は、前記第二端部の鉛直方向位置よりも高い、
配管ユニット。
前記配管は、前記板よりも、前記旋回流の進行方向上流側において、排ガスおよび還元剤の旋回流を生成するチャンバを含む、
請求項１に記載の配管ユニット。
前記板よりも、前記配管において前記旋回流の進行方向上流側に設けられたミキサを、
さらに備える、請求項１に記載の配管ユニット。