JP4332755B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒に供給される添加剤の噴射を行う構造をもつ内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン車（車両）の排気ガスの浄化には、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）やＰＭ（パティキュレートマター）の大気への放出を防ぐために、ＮＯｘトラップ触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒やパティキュレートフィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）などを組み合わせた排気ガス浄化装置が用いられる。

こうした排気ガス浄化装置には、エンジンから排気された排気ガスを外部へ排気する排気管内に、前段触媒と呼ばれる、酸化触媒（酸化触媒）やＮＯｘ浄化触媒（ＮＯｘトラップ触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒）などの触媒を設け、触媒の上流側、例えば酸化触媒の上流に、該触媒の反応に求められる燃料を噴射する燃料添加弁（還元剤を添加するもの）などを設けた構造が採用されつつある。

このような排気ガス浄化装置では、エンジンの冷態時の浄化効率を高めるために、エンジンの排気側に前段触媒を近付けて配置することが行われる。
しかし、エンジンルームのスペースが限られている。そのため、多くは特許文献１に示されるように、例えばＬ形に屈曲した屈曲部を有した排気管部を用いて、屈曲部から直下流に前段触媒を設置する箇所を確保し、屈曲部の屈曲方向外周側から、屈曲部の直下流に設置した触媒の入口端面へ燃料を噴射する構造が用いられる傾向にある。
特開２００５−１２７２６０号公報

ところが、同構造だと、屈曲部の外周側から触媒へ噴射される燃料の噴射流は、屈曲部を曲がりながら通過する排気ガスと混じり合うために、常に、屈曲部を通過した排気ガス流により、屈曲部の内周側から外周側へ向って押される傾向にある。
このため、エンジンの排気ガスの流量や流速が増す高負荷運転のときは、排気ガス流による燃料の噴射流が内周側から押す力が増大して、触媒の入口端面の所定位置、例えば中央から、触媒の外周側へ偏る。またエンジンの排気ガスの流量や流速が減少する低負荷運転ときは、反対に噴射流を押す力が小さくなり、触媒の上記とは反対側の外周側へ偏る。こうした噴射流の偏向は、エンジンの運転状態の挙動がそのまま表れるため、噴射流の偏向量が過大になりやすい。

このため、反応のための燃料が前段触媒へ均一に供給されず、前段触媒が、その機能を十分に発揮できない問題があった。
そこで、本発明の目的は、添加剤の噴射流の過大な偏向が抑えられる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、屈曲部は、エンジンから排気された排気ガスを、触媒の入口端面と排気管部の屈曲方向外周側の壁面とがなす角部付近へ導入させて、角部付近の圧力を排気ガスとの衝突により上昇可能とし、添加剤噴射弁は、添加剤を、角部付近の直上を前記屈曲部の屈曲方向外周側から屈曲方向内周側へ向かって横切りながら触媒の入口端面へ噴射するように設けて、角部付近に発生する圧力により、噴射流の偏向を抑えて、添加剤の噴射流の向きが所定の向きに一定に保たれるようにした。

請求項２に記載の発明は、触媒が、屈曲部の出口側に当接して収められていることとした。
請求項３に記載の発明は、さらに噴射流の偏向を抑える力が発生しやすいよう、屈曲部は、該屈曲部の出口側部分が触媒の入口端面へ向かって徐々に流路面積が拡張して形成されていることとした。

請求項４に記載の発明は、さらに添加剤の噴射飛翔距離が確保される構造に対処できるよう、添加剤噴射弁は、屈曲部を流れる排気ガス流から遠ざけて設けた。

請求項１および請求項２の発明によれば、エンジンから排気される排気ガスの挙動により、屈曲部の内周側からの噴射流を押す力が変化しても、屈曲部の外周側の壁面と触媒の入口端面とがなす角部付近に発生する圧力により、屈曲部の内周側とは反対側の外周側から、偏向を抑える圧力が加わるので、添加剤の噴射流は所定の方向に一定に保ち続ける。
したがって、添加剤の噴射流の過大な偏向を抑えることができる。この結果、添加剤を触媒へ均一に供給させることができ、同触媒の機能を十分に発揮させることができる。

請求項３の発明によれば、さらに上記効果に加え、噴射流の偏向を抑える力が発生しやすくなる。

請求項４の発明によれば、さらに上記効果に加え、添加剤の噴射飛翔距離が確保される排気ガス浄化装置に対して容易に対処できる。

以下、本発明を図１〜図３に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１はディーゼルエンジン（内燃機関）の排気系を示している。同図中１は、ディーゼルエンジンのエンジン本体、１ａは同エンジン本体１のエキゾーストマニホールド（一部しか図示せず）、２はそのエキゾーストマニホールド１ａの出口に接続された過給機、例えばターボチャージャを示している。

ターボチャージャ２の排気出口には、排気ガス浄化装置３が設けられている。この排気ガス浄化装置３には、例えば、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵し、定期的に吸蔵したＮＯｘを還元除去するＮＯｘ除去系３ａと、ＰＭ（パティキュレートマター）を捕集するＰＭ捕集系３ｂとを組み合わせた装置が用いられている。
例えば、ＮＯｘ除去系３ａには、ターボチャージャ１ａの排気出口から、下方へ向うように連結された、前段触媒となる酸化触媒５（本願の触媒に相当）が内蔵された触媒コンバータ６と、同触媒コンバータ６の後に横方向に連結された、ＮＯｘトラップ触媒８が内蔵された触媒コンバータ９と、後述する酸化触媒５へ触媒反応用の燃料（添加剤）を供給する燃料添加弁２３（添加剤噴射弁）とを組み合わせた構成が用いられている。また捕集系３ｂには、触媒コンバータ９に、パティキュレートフィルタ１１が内蔵された触媒コンバータ１２を連結した構成が用いられている。これらの触媒コンバータ６，９，１２や同コンバータ間をつなぐ接続部１３などから、ディーゼルエンジン（エンジン本体１）から排気された排気ガスを外部へ導く排気管部１５を構成している。

このうち触媒コンバータ６の酸化触媒５を収容している縦筒形のハウジング１７は、上部側がほぼＬ形に成形されていて、上部のターボチャージャ２と接続される入口部１７ａを横向きに配置させている。なお、触媒コンバータ９と連通する出口部１７ｂは、下向きの配置となっている。このハウジング１７により、排気管部１５のうち、ディーゼルエンジンの排気側の直後の地点に、Ｌ形に屈曲した屈曲部１５ａを形成している。この屈曲部１５ａの直下の部分に触媒設置スペースを確保して、同地点に酸化触媒５が設置してある。

燃料添加弁２３は、この酸化触媒５へ、触媒反応に求められる燃料の噴射を果たすために、酸化触媒５の直上の地点、例えば屈曲部１５ａの外周側の壁部に設けられている。この燃料添加弁２３は、燃料を噴射する燃料噴射部を先端部にもつ。燃料添加弁２３は、屈曲部１５ａの外周部から外側へ分岐する筒形部材２４の端に有る取付フランジ２４ａに、台座２５を介して設置されている。そして、燃料添加弁２３の先端部の燃料噴射部を、筒形部材２４の内部空間で形成される燃料噴射通路２４ｂに臨ませている。これにより、燃料添加弁２３は、屈曲部１５ａ内を流れる排気ガス流から遠ざけた地点に配置して、燃料噴射部２３ａが高温の排気ガス流に晒されずにすむようにし、燃料添加弁２３の耐熱温度が超過したり、燃料添加弁２３がデジポットを発生しやすい温度になったりするのを避けている。なお、台座２５の内部には、さらに温度超過を抑えるために、冷却水で冷却されるよう冷却水路２５ａが形成してある。

一方、排気管部１５のうち屈曲部１５ａの各部は、図１中の矢印ａに示されるように入口部１７からの排気ガスを、酸化触媒５の入口端面５ａと屈曲部１５ａの外周側の壁面１５ｂ（本願の排気管部の屈曲方向外周側の壁面に相当）がなす角部付近Ａへ向って導入させるように曲成している。この曲成により、角部付近Ａは、排気ガスとの衝突によって、ディーゼルエンジンの運転中、他の部分よりも圧力が高く（上昇）なるようにしている。

燃料添加弁２３は、屈曲部１５ａの屈曲方向外周側から、上記角部付近Ａの直上を横切りながら酸化触媒５の入口端面５ａの所定位置、例えば中央へ噴射するように設けてある。具体的には、燃料添加弁２３の姿勢は、噴射された燃料の噴射流αが、角部付近Ａの直上を斜めに横切りながら噴射される向きに定めてある。これにより、噴射流αを偏向させる要因となる、噴射流αを屈曲部１５ａの内周側から押す力に対抗して、角部付近Ａに発生する圧力が、反対側の屈曲部１５ａの外周側から押す力として加わる構造にしている。

他方、屈曲部１５ａから酸化触媒５の入口端面５ａまでの排気管部分は、記屈曲部１５ａの出口側から徐々に入口端面５ａへ向うにしたがって、漸次、流路面積が大きくなるように成形されている。これで、酸化触媒５の前方に流路面積を拡張させた拡張部２６を形成している。この拡張部２６により、噴射流αに加わる背圧を発生しやすくしている。むろん、拡張部２６は、排気ガスの流速を低下させて、燃料と排気ガスとが混合されやすくする機能も併せもつ。

なお、燃料添加弁２３から噴射される燃料は、酸化触媒５の反応により還元剤を生成し、この還元剤でＮＯｘトラップ触媒８に吸蔵されたＮＯｘやＳＯｘを還元除去したり、同じく酸化触媒５の反応で得た昇温により、パティキュレートフィルタ１１で捕集したＰＭを燃焼除去したりするのに用いるものである。そのため、燃料添加弁２３は、ディーゼルエンジンを制御する制御部、例えばＥＣＵ（図示しない）によって、ディーゼルエンジンの運転中、ＮＯｘやＳＯｘの還元除去、ＰＭの燃焼除去といった、触媒反応が求められるときに燃料が噴射されるようになっている。

つぎに、このように構成された排気ガス浄化装置３の作用を図１〜図３を参照して説明する。
ディーゼルエンジンの運転中、ディーゼルエンジンから排気された排気ガスは、図１に示されるようにエキゾーストマニホールド１ａ、ターボチャージャ２、ハウジング１７、酸化触媒５、ＮＯｘトラップ触媒８およびパティキュレートフィルタ１１を通じて、外気へ排気される。

排気ガス中に含まれるＮＯｘは、ＮＯｘトラップ触媒８に吸蔵され、同じくＰＭは、パティキュレートフィルタ１１により捕集される。
吸蔵されたＮＯｘや捕集されたＰＭを除去する時期となり、燃料添加弁２３が作動したとする。
すると、燃料添加弁２３の燃料噴射部から、ＮＯｘやＰＭを除去するための燃料が、図１および図２に示されるように燃料噴射通路２４ｂを通じて、酸化触媒５の入口端面５ａの中央へ噴射される。αはその燃料の噴射流を示す。

燃料の噴射流αは、図２あるいは図３に示されるように屈曲部１５ａを通過した排気ガス流βにより、横方向、具体的には屈曲部１５ａの内周側から押される。
排気ガス流βで噴射流αを押す力は、ディーゼルエンジンの運転状態が、図２に示されるように排気ガスの流量や流速が小さい低負荷運転時（エンジン回転数：小）のときであれば小さく、図３に示されるように排気ガスの流量や流速が増大する高負荷運転時（エンジン回転数：大）のときであれば大きい。

このとき、エンジン運転中、屈曲部１５ａの外周側の角部付近Ａでは、屈曲部１５ａを流れる排気ガスが角部付近Ａに衝突することによって、圧力の高い部分Ｓが発生している。
この圧力の高い部分Ｓは、図３に示されるように排気ガスの流量や流速が高くなるほど圧力が上昇し、図２に示されるように排気ガスの流量や流速が小さくなるほど小さくなるという、ディーゼルエンジンの運転状態に応じた挙動を示す。

ここで、噴射流αは、角部付近Ａの直上を横切るように通過するから、屈曲部１５ａの外周側から、噴射流αに対して、角部付近Ａで発生した圧力が加わる。
噴射流αは、低負荷運転〜高負荷運転を問わずいずれの運転のときでも、屈曲部１５ａの内周側から排気ガス流βにより押されて偏向しようとするが、角部付近Ａに発生した圧力が、屈曲部１５ａの外周側から加わり噴射流αを押し、噴射流αの偏向を抑える。

このことにより、どのようなディーゼルエンジンの運転状態でも、噴射流αには、屈曲部１５ａの内周側と外周側とから同等の力が作用するので、過大な偏向は抑えられる。
したがって、燃料の噴射流αは、過大な偏向量を発生させずにすみ、噴射流αの向きを所定の向きにほぼ一定に保つことができる。この結果、反応のための燃料を酸化触媒５へ均一に供給させることができ、酸化触媒５の機能を十分に発揮させることができる。

しかも、噴射流αは、角部付近Ａに発生する圧力を受けやすいよう、角部付近Ａの直上を斜めに横切るように通過させてあるので、最も効果的に噴射流αに、偏向を抑える力を与えることができる。
特に、こうした偏向を抑える構造は、燃料添加弁２３を排気ガス流から遠ざけて、燃料の噴射飛翔距離を確保し、貫徹力を小さくさせて燃料を酸化触媒５の入口端面５ａに噴射する構造には、好適で、対処しやすい。

そのうえ、屈曲部１５ａの出口側から酸化触媒５までを、徐々に流路面積を拡張させた拡張部２６とすると、角部付近Ａから、噴射流αの偏向を抑える力が発生しやすく、十分に効果が発揮しやすい。
なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば一実施形態では、屈曲部の直下流の触媒として酸化触媒を用い、その下流にＮＯｘトラップ触媒、パティキュレートフィルタを設けた排ガス浄化装置に本発明を適用した例を挙げたが、これに限らず、他の浄化方式の排気ガス浄化装置、例えば屈曲部の直下流の触媒としてＮＯｘトラップ触媒を用い、その下流にパティキュレートフィルタを設け、ＮＯｘトラップ触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置でも、屈曲部の直下流の触媒としてＮＯｘトラップ触媒を用い、その下流にＮＯｘトラップ触媒、酸化触媒、パティキュレートフィルタを設け、ＮＯｘトラップ触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置や、または添加剤噴射弁の直下流に選択還元型触媒やパティキュレートフィルタを設けた排気ガス浄化装置などに本発明を適用しても構わない。

さらに、一実施形態では、添加剤として燃料を用いて説明したが、触媒に供給するものであれば何でもよく、例えば還元剤としての軽油，ガソリン，エタノール，ジメチルエーテル，天然ガス，プロパンガス，尿素，アンモニア，水素，一酸化炭素などでもよい。また、還元剤以外の物質でもよく、例えば触媒冷却のための空気，窒素，二酸化炭素などや，パティキュレートフィルタに捕集した煤の燃焼除去を促進させるための空気やセリアなどでもよい。

本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の構造を示す一部断面した側面図。 エンジンの低負荷運転時（エンジン回転数：小）において、燃料を噴射したときの状況を説明する側断面図。 エンジンの高負荷運転時（エンジン回転数：大）において、燃料を噴射したときの状況を説明する側断面図。

符号の説明

１ エンジン本体
３ 排気ガス浄化装置
５ 酸化触媒（触媒）
５ａ 入口端面
１５ 排気管部
１５ａ 屈曲部
１５ｂ 外周側の壁面
２３ 燃料添加弁（添加剤噴射弁）
２４ 燃料噴射通路
２６ 拡張部
Ａ 角部付近
Ｓ 圧力の高い部分
α 噴射流

Claims (4)

1. 触媒が内部に収められた排気管部と、
   前記触媒から直上流の排気管部を屈曲させて形成され、エンジンから排気された排気ガスを、前記触媒の入口端面と前記排気管部の屈曲方向外周側の壁面とがなす角部付近へ導入させ、前記角部付近の圧力を排気ガスとの衝突により上昇可能とした屈曲部と、
   前記屈曲部の屈曲方向外周側に、前記触媒に供給する添加剤を、前記角部付近の直上を該屈曲部の屈曲方向外周側から屈曲方向内周側へ向かって横切りながら前記触媒の入口端面へ噴射するように設けられた添加剤噴射弁と
   を具備したことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 前記触媒は、前記屈曲部の出口側に当接して収めら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排気ガス浄化装置。
3. 前記屈曲部は、該屈曲部の出口側部分が前記触媒の入口端面へ向かって徐々に流路面積が拡張して形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
4. 前記添加剤添加弁は、前記屈曲部を流れる排気ガス流から、遠ざけて設けられていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。

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