JP2021127749A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料添加弁に当たる排気ガスを低減することができる排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置１は、排気ガスが流れる排気通路４を形成する排気管３と、排気通路４に向けて燃料を噴射する燃料添加弁７と、排気管３と燃料添加弁７との間に配置され、燃料添加弁７から噴射される燃料が通過する噴射通路１１を形成する円筒状の側壁１０とを備え、側壁１０は、排気管３に接続された下壁部１２と、下壁部１２よりも燃料添加弁７側に配置されると共に、燃料添加弁７に接続された上壁部１３とを有し、下壁部１２の軸長Ｊ１は、上壁部１３の軸長Ｊ２よりも大きくなっており、下壁部１２及び上壁部１３は、側壁１０の軸方向に平行な方向に切った断面で側壁１０の径方向の外側に凸状となるような湾曲形状を有し、下壁部１２と上壁部１３との境界部には、側壁１０の周方向に延在する環状の凹部１４が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、排気浄化装置に関する。

従来の排気浄化装置としては、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の排気浄化装置は、内燃機関に接続された排気管と、この排気管を流れる排気ガス中に燃料を直接噴射する噴射ノズルと、この噴射ノズルと排気管の壁面との間に設けられた排気ガス滞留空間部とを備えている。

特開２０１７−２５７９７号公報

しかしながら、上記従来技術においては、噴射ノズル（燃料添加弁）から燃料が噴射されていないときに、排気ガス滞留空間部の内部に滞留する排気ガスの一部が噴射ノズルに向かって流れることがある。この場合には、高温の排気ガスが噴射ノズルに当たり、デポジットの要因となるおそれがある。

本発明の目的は、燃料添加弁に当たる排気ガスを低減することができる排気浄化装置を提供することである。

本発明の一態様は、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置において、内燃機関と接続され、排気ガスが流れる排気通路を形成する排気管と、排気通路に向けて燃料を噴射する燃料添加弁と、排気管と燃料添加弁との間に配置され、燃料添加弁から噴射される燃料が通過する噴射通路を形成する円筒状の側壁とを備え、側壁は、排気管に接続された第１壁部と、第１壁部よりも燃料添加弁側に配置されると共に、燃料添加弁に接続された第２壁部とを有し、第１壁部の軸長は、第２壁部の軸長よりも大きくなっており、第１壁部及び第２壁部は、側壁の軸方向に平行な方向に切った断面で側壁の径方向の外側に凸状となるような湾曲形状を有し、第１壁部と第２壁部との境界部には、側壁の周方向に延在する環状の凹部が設けられている。

このような排気浄化装置においては、燃料添加弁から排気通路に向けて燃料が噴射されていないときには、排気通路を流れる排気ガスの一部が噴射通路に入り込む。ここで、噴射通路を形成する円筒状の側壁において、第１壁部の軸長は第２壁部の軸長よりも大きい。また、第１壁部は、側壁の軸方向に平行な方向に切った断面で側壁の径方向の外側に凸状となるような湾曲形状を有している。従って、噴射通路に入り込んだ排気ガスは、第１壁部の内壁面に沿って流れて排気通路に戻るようになる。ただし、一部の排気ガスは、第１壁部内から第２壁部内に達する。その排気ガスは、第２壁部の内壁面に沿って流れる。ここで、第２壁部も、側壁の軸方向に平行な方向に切った断面で側壁の径方向の外側に凸状となるような湾曲形状を有している。また、第１壁部と第２壁部との境界部には、側壁の周方向に延在する環状の凹部が設けられている。このため、第２壁部が側壁の径方向の外側に凸状となるような湾曲形状を有していない場合に比べて、第２壁部の径が大きくなる。従って、第２壁部内に達した排気ガスは、第２壁部の内壁面に沿って第２壁部の周方向に周回して流れた後、第１壁部内を通って排気通路に戻るようになる。つまり、排気ガスは、第２壁部内において燃料添加弁の配置箇所に対応する径方向中央部を避けるように流れる。これにより、燃料添加弁から燃料が噴射されていないときに、燃料添加弁に当たる排気ガスが低減される。

第２壁部の最大径は、第１壁部の最大径と同等であってもよい。このような構成では、第２壁部の径方向の寸法を抑えて側壁の小型化を図りつつ、排気ガスが燃料添加弁の配置箇所に対応する径方向中央部を避けるように第２壁部の内壁面に沿って周回して流れるスペースが確保される。

第１壁部の内壁面と第２壁部の内壁面との境界部は、凹部の底部を形成しており、凹部の底部は、Ｒ状を有していてもよい。このような構成では、第１壁部の内壁面に沿って流れる排気ガスの一部が第２壁部内に達する際に、排気ガスが第１壁部の内壁面付近から第２壁部の内壁面付近まで滑らかに流れるようになる。従って、燃料添加弁に当たる排気ガスが更に低減される。

本発明によれば、燃料添加弁に当たる排気ガスを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を示す概略構成図である。 図１に示された排気浄化装置の主要部を示す断面図である。 図２に示された燃料添加弁から燃料が噴射されたときの排気ガスの流れを示す断面図である。 図２に示された燃料添加弁から噴射される燃料噴霧の周辺部の燃料液滴が下壁部の内壁面に付着する様子を示す概念図である。 図２に示された燃料添加弁から燃料が噴射されないときの排気ガスの流れを示す断面図である。 図２に示された燃料添加弁から燃料が噴射されないときの排気ガスの流れを示す断面図である。 図６のVII−VII線断面図を排気ガスの流れと共に示す図である。 比較例としての排気浄化装置の主要部を排気ガスの流れと共に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を示す概略構成図である。図２は、図１に示された排気浄化装置の主要部を示す断面図である。図１及び図２において、本実施形態の排気浄化装置１は、車両に搭載されている。

排気浄化装置１は、内燃機関であるディーゼルエンジン２から排出される排気ガスを浄化する。ディーゼルエンジン２は、特に図示はしないが、複数の気筒にそれぞれ燃料を噴射する複数のインジェクタを有している。排気浄化装置１は、ディーゼルエンジン２に接続された排気管３を備えている。排気管３は、排気ガスが流れる排気通路４を形成している。

また、排気浄化装置１は、排気通路４に上流側から下流側に向けて順に配設されたＤＯＣ５（ディーゼル酸化触媒）及びＤＰＦ６（ディーゼル排気微粒子除去フィルタ）を備えている。ＤＯＣ５は、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を酸化して除去する。ＤＰＦ６は、排気ガスに含まれるＰＭを捕集する。

また、排気浄化装置１は、排気通路４におけるディーゼルエンジン２とＤＯＣ５との間に配設された燃料添加弁７を備えている。燃料添加弁７は、排気通路４に向けて燃料を噴射して添加する。燃料添加弁７により添加される燃料は、主としてＤＰＦ６の再生を行う際に還元剤として使用される。燃料添加弁７の下端部には、排気通路４に向けて燃料を円錐状に噴射する噴射口７ａが設けられている。

燃料添加弁７は、保持部材８により保持されている。噴射口７ａは、保持部材８の下端から下側に突き出ないように保持部材８の内部に配置されている。これにより、排気通路４を流れる排気ガスが噴射口７ａに当たりにくい構造となっている。

保持部材８には、燃料添加弁７を冷却する冷却水が流れる冷却水路であるウォータージャケット９が形成されている。ウォータージャケット９は、燃料添加弁７を取り囲むように配置されている。保持部材８の下端部には、フランジ部８ａが設けられている。

また、排気浄化装置１は、排気管３と燃料添加弁７との間に配置された円筒状の側壁１０を備えている。側壁１０は、側壁１０の軸方向（Ｘ方向）に垂直な方向に切った断面で円形状を有している（図７参照）。側壁１０の軸方向は、側壁１０と燃料添加弁７との配列方向に相当する。側壁１０は、燃料添加弁７から噴射される燃料が通過する噴射通路１１を形成している。噴射通路１１は、排気通路４と連通されている。側壁１０は、排気管３から燃料添加弁７側に突出するように設けられている。なお、燃料添加弁７は、側壁１０の径方向（Ｙ方向）の中央部に対応する箇所に配置されている。

側壁１０は、下壁部１２と、この下壁部１２よりも燃料添加弁７側に配置された上壁部１３とを有している。下壁部１２は、排気管３に接続された第１壁部である。上壁部１３は、燃料添加弁７に接続された第２壁部である。上壁部１３は、燃料添加弁７に保持部材８を介して接続されている。

下壁部１２及び上壁部１３は、一体化されている。下壁部１２及び上壁部１３は、例えば鋳造により排気管３と一体的に形成されている。下壁部１２は、溶接等により排気管３に接合されていてもよい。上壁部１３は、例えば保持部材８のフランジ部８ａに溶接等により接合されている。

下壁部１２の軸長Ｊ１は、上壁部１３の軸長Ｊ２よりも大きい。下壁部１２の軸長Ｊ１は、下壁部１２の軸方向（Ｘ方向）の寸法である。上壁部１３の軸長Ｊ２は、上壁部１３の軸方向の寸法である。下壁部１２の軸長Ｊ１は、例えば上壁部１３の軸長Ｊ２よりも２倍以上大きい。

下壁部１２は、軸方向に平行な方向に切った断面で径方向（Ｙ方向）の外側に凸状となるような湾曲形状を有している。このため、下壁部１２の内壁面１２ａは、径方向の外側に凹状となるような湾曲面となっている。下壁部１２において凸状の頂点となる位置は、例えば下壁部１２の軸方向の中央位置である。

上壁部１３は、下壁部１２と同様に、軸方向に平行な方向に切った断面で径方向の外側に凸状となるような湾曲形状を有している。このため、上壁部１３の内壁面１３ａは、径方向の外側に凹状となるような湾曲面となっている。上壁部１３において凸状の頂点となる位置は、例えば下壁部１２の軸方向の中央位置よりも上側（燃料添加弁７側）の位置である。

上壁部１３の最大径Ｋ２は、下壁部１２の最大径Ｋ１と同等である。ここで、下壁部１２の最大径Ｋ１は、下壁部１２の最大内径である。つまり、下壁部１２の最大径Ｋ１は、下壁部１２の内壁面１２ａの径の最大値である。より具体的には、下壁部１２の最大径Ｋ１は、下壁部１２において凸状の頂点となる位置での内壁面１２ａの径である。上壁部１３の最大径Ｋ２は、上壁部１３の最大内径である。つまり、上壁部１３の最大径Ｋ２は、上壁部１３の内壁面１３ａの径の最大値である。より具体的には、上壁部１３の最大径Ｋ２は、上壁部１３において凸状の頂点となる位置での内壁面１３ａの径である。

下壁部１２と上壁部１３との境界部には、側壁１０の周方向に延在する環状の凹部１４が設けられている。凹部１４は、側壁１０の径方向の外側に開放されている。従って、側壁１０は、下側（排気管３側）から上側（燃料添加弁７側）に向かって、下壁部１２において拡径し、下壁部１２と上壁部１３との境界部において縮径し、上壁部１３において再び拡径するような形状を有している。

凹部１４は、下壁部１２の上端部と上壁部１３の下端部とで画成されている。凹部１４の底部１４ａは、Ｒ状を有している。凹部１４の底部１４ａは、下壁部１２の内壁面１２ａと上壁部１３の内壁面１３ａとの境界部である。

凹部１４において、下壁部１２の上端部と上壁部１３の下端部とがなす角度θは、鋭角となっている。角度θは、例えば下壁部１２の内壁面１２ａに沿って上方に流れる排気ガスが上壁部１３の内壁面１３ａ付近に到達しやすくなるような角度である。

以上のような排気浄化装置１において、図３に示されるように、燃料添加弁７の噴射口７ａから燃料が噴射されている状態では、燃料の噴射に伴う流れによって噴射通路１１の上側領域の圧力が低下するため、噴射通路１１を上方に向かう排気ガスの流れ（図３中のＡ参照）が発生する。すると、排気ガスの流れによって、燃料添加弁７から噴射される燃料噴霧Ｆが巻き返り、燃料噴霧Ｆの周辺部の燃料液滴Ｐが上方に向かう。

このとき、側壁１０の下壁部１２は、側壁１０の径方向の外側に凸状となるような湾曲形状を有している。このため、排気ガスは、図４に示されるように、下壁部１２の内壁面１２ａに沿って上方に流れる。そして、そのような排気ガスの流れによって、燃料噴霧Ｆの周辺部の燃料液滴Ｐに慣性力が発生する。従って、燃料噴霧Ｆの周辺部の燃料液滴Ｐは、慣性力により下壁部１２の内壁面１２ａに付着しやすくなるため、燃料添加弁７の噴射口７ａに到達しにくい。

一方、図５に示されるように、燃料添加弁７の噴射口７ａから燃料が噴射されていない状態では、排気通路４を流れる排気ガスの一部が噴射通路１１に入り込む。噴射通路１１に入り込んだ排気ガスは、排気管３の下流側において下壁部１２の内壁面１２ａに沿って上方に流れてから、排気管３の上流側において下壁部１２の内壁面１２ａに沿って下方に流れて排気通路４に戻るようになる。従って、排気ガスは、燃料添加弁７の噴射口７ａに到達しにくい。

ただし、図６に示されるように、下壁部１２の内壁面１２ａに沿って上方に流れる排気ガスの一部は、上壁部１３内に達する。このとき、上壁部１３は、側壁１０の径方向の外側に凸状となるような湾曲形状を有している。このため、上壁部１３内に達した排気ガスは、図６及び図７に示されるように、上壁部１３の内壁面１３ａに沿って周方向に流れるようになる。つまり、排気ガスは、燃料添加弁７の配置箇所に対応する上壁部１３内の径方向の中央部を避けるように流れることとなる。なお、図７では、上壁部１３の内壁面１３ａに沿った排気ガスの流れのみを示し、下壁部１２内から上壁部１３内への排気ガスの流れについて省略されている。

そして、排気ガスは、上壁部１３の内壁面１３ａに沿って周方向に任意の回数だけ周回して流れた後、下壁部１２の内壁面１２ａに沿って下方に流れて排気通路４に戻る。従って、一部の排気ガスが上壁部１３内に達しても、その排気ガスは燃料添加弁７の噴射口７ａに到達しにくい。

図８は、比較例としての排気浄化装置の主要部を示す断面図である。図８において、本比較例の排気浄化装置５０は、排気管３と燃料添加弁７との間に配置された円筒状の側壁５１を備えている。側壁５１は、燃料添加弁７から噴射される燃料が通過する噴射通路５２を形成している。側壁５１は、側壁５１の軸方向（Ｘ方向）に平行な方向に切った断面で直線状を有している。

このような排気浄化装置５０において、図８（ａ）に示されるように、燃料添加弁７から燃料が噴射されている状態では、噴射通路５２において燃料添加弁７側に向かう排気ガスの流れ（図８（ａ）中のＡ参照）によって、燃料添加弁７の噴射口７ａから噴射される燃料噴霧Ｆの巻き返りが起こる。このため、燃料噴霧Ｆの周辺部の燃料液滴Ｐが燃料添加弁７の噴射口７ａに付着し、噴射口７ａの詰まりの原因となるデポジットが生成されるおそれがある。

一方、図８（ｂ）に示されるように、燃料添加弁７から燃料が噴射されていない状態では、排気通路４を流れる排気ガスの一部が噴射通路５２に入り込むと、その排気ガスが噴射通路５２を燃料添加弁７側に向かって上方に流れる。このため、高温の排気ガスが燃料添加弁７の噴射口７ａに当たり、噴射口７ａの温度が上昇し、デポジット生成の要因となり得る。

そのような不具合に対し、本実施形態では、燃料添加弁７から排気通路４に向けて燃料が噴射されていないときには、排気通路４を流れる排気ガスの一部が噴射通路１１に入り込む。ここで、噴射通路１１を形成する円筒状の側壁１０において、下壁部１２の軸長Ｊ１は上壁部１３の軸長Ｊ２よりも大きい。また、下壁部１２は、側壁１０の軸方向に平行な方向に切った断面で側壁１０の径方向の外側に凸状となるような湾曲形状を有している。従って、噴射通路１１に入り込んだ排気ガスは、下壁部１２の内壁面１２ａに沿って流れて排気通路４に戻るようになる。ただし、一部の排気ガスは、下壁部１２内から上壁部１３内に達する。その排気ガスは、上壁部１３の内壁面１３ａに沿って流れる。ここで、上壁部１３も、側壁１０の軸方向に平行な方向に切った断面で側壁１０の径方向の外側に凸状となるような湾曲形状を有している。また、下壁部１２と上壁部１３との境界部には、側壁１０の周方向に延在する環状の凹部１４が設けられている。このため、上壁部１３が側壁１０の径方向の外側に凸状となるような湾曲形状を有していない場合に比べて、上壁部１３の径が大きくなる。従って、上壁部１３内に達した排気ガスは、上壁部１３の内壁面１３ａに沿って上壁部１３の周方向に周回して流れた後、下壁部１２内を通って排気通路４に戻るようになる。つまり、排気ガスは、上壁部１３内において燃料添加弁７の配置箇所に対応する径方向中央部を避けるように流れる。これにより、燃料添加弁７から燃料が噴射されていないときに、燃料添加弁７に当たる排気ガスが低減される。その結果、高温の排気ガスによる燃料添加弁７の温度上昇が防止される。また、排気ガスが上壁部１３の内壁面１３ａに沿って周回して流れるため、ウォータージャケット９により排気ガスが効果的に冷却される。

また、燃料添加弁７から排気通路４に向けて燃料が噴射されているときには、噴射通路１１に入り込んだ排気ガスは、下壁部１２の内壁面１２ａに沿って流れる。そして、燃料噴霧Ｆの周辺部の燃料液滴Ｐは、慣性力により下壁部１２の内壁面１２ａに効果的に捕集される。これにより、燃料添加弁７に当たる燃料液滴Ｐが低減される。

このように燃料添加弁７に当たる排気ガス及び燃料液滴Ｐが低減されるため、燃料添加弁７へのデポジットの生成を抑制し、燃料添加弁７の噴射口７ａの詰まりを抑制することができる。

また、本実施形態では、上壁部１３の最大径Ｋ２は、下壁部１２の最大径Ｋ１と同等である。従って、上壁部１３の径方向の寸法を抑えて側壁１０の小型化を図りつつ、排気ガスが燃料添加弁７の配置箇所に対応する径方向中央部を避けるように上壁部１３の内壁面１３ａに沿って周回して流れるスペースが確保される。

また、本実施形態では、下壁部１２の内壁面１２ａと上壁部１３の内壁面１３ａとの境界部によって形成される凹部１４の底部１４ａは、Ｒ状を有している。従って、下壁部１２の内壁面１２ａに沿って流れる排気ガスの一部が上壁部１３内に達する際に、排気ガスが下壁部１２の内壁面１２ａ付近から上壁部１３の内壁面１３ａ付近まで滑らかに流れるようになる。従って、燃料添加弁７に当たる排気ガスが更に低減される。

なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、上壁部１３の最大径Ｋ２が下壁部１２の最大径Ｋ１と同等であるが、特にその形態には限られず、上壁部１３の最大径Ｋ２が下壁部１２の最大径Ｋ１よりも大きくてもよいし、或いは上壁部１３の最大径Ｋ２が下壁部１２の最大径Ｋ１よりも小さくてもよい。

上壁部１３の最大径Ｋ２が下壁部１２の最大径Ｋ１よりも大きい構造では、上壁部１３内において排気ガスが燃料添加弁７の配置箇所に対応する径方向中央部をより避けるように流れるため、排気ガスが燃料添加弁７に更に当たりにくくなる。上壁部１３の最大径Ｋ２が下壁部１２の最大径Ｋ１よりも小さい構造では、保持部材８の近傍のスペースが狭くても、側壁１０を配置することができる。

また、上記実施形態の排気浄化装置１は、ＤＰＦ６を備えているが、本発明は、例えばフィルタとしてディーゼルＰＭ，ＮＯｘ同時低減触媒（ＤＰＮＲ）等を備えた排気浄化装置にも適用可能である。

また、本発明は、特にディーゼルエンジンには限られず、ガソリンエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置にも適用可能である。

１…排気浄化装置、２…ディーゼルエンジン（内燃機関）、３…排気管、４…排気通路、７…燃料添加弁、１０…側壁、１１…噴射通路、１２…下壁部（第１壁部）、１２ａ…内壁面、１３…上壁部（第２壁部）、１３ａ…内壁面、１４…凹部、１４ａ…底部、Ｊ１，Ｊ２…軸長、Ｋ１，Ｋ２…最大径。

Claims (3)

1. 内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置において、
   前記内燃機関と接続され、前記排気ガスが流れる排気通路を形成する排気管と、
   前記排気通路に向けて燃料を噴射する燃料添加弁と、
   前記排気管と前記燃料添加弁との間に配置され、前記燃料添加弁から噴射される燃料が通過する噴射通路を形成する円筒状の側壁とを備え、
   前記側壁は、前記排気管に接続された第１壁部と、前記第１壁部よりも前記燃料添加弁側に配置されると共に、前記燃料添加弁に接続された第２壁部とを有し、
   前記第１壁部の軸長は、前記第２壁部の軸長よりも大きくなっており、
   前記第１壁部及び前記第２壁部は、前記側壁の軸方向に平行な方向に切った断面で前記側壁の径方向の外側に凸状となるような湾曲形状を有し、
   前記第１壁部と前記第２壁部との境界部には、前記側壁の周方向に延在する環状の凹部が設けられている排気浄化装置。
2. 前記第２壁部の最大径は、前記第１壁部の最大径と同等である請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記第１壁部の内壁面と前記第２壁部の内壁面との境界部は、前記凹部の底部を形成しており、
   前記凹部の底部は、Ｒ状を有している請求項１または２記載の排気浄化装置。

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