JP4924833B2 - 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部内に、前段触媒と呼ばれる、酸化触媒や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）を設けた構造が採用される。

ところで、常に燃料添加弁を正常に機能させるためには、燃料添加弁の耐熱温度を超える使用を避けることが求められる。
このためには、燃料添加弁を排気ガス流から遠ざけて、高温の排気ガスに、燃料が噴射する先端部が晒されないようにすることが有効である。そのため、排気ガス浄化装置では、特許文献１のように排気管部に、同排気管部から分かれて延びる燃料噴射路を設け、この燃料噴射路の先端部に燃料添加弁を設置して、燃料添加弁の燃料を、排気ガスから離れた地点から、燃料噴射路を通じて、排気管部内へ噴射させる技術が採用されつつある。
特開２００４− ４４４８３号公報

ところが、同構造は、燃料噴射路が排気管部から分かれて外気に晒されるために、燃料噴射路の温度は、排気管部の温度より低くなる。このため、燃料添加弁から噴射された燃料は、霧化しにくく、排気ガスと混合しにくい問題がある。これは、燃料噴射路の全長が長くなる程、顕著に表れる。
しかも、燃料噴射路は、排気管部から退避するために、排気管部内を流れる排気ガスの主流が、燃料噴射路の内部までは波及しにくく、燃料噴射路内は澱んだ部分が生じやすい。このため、燃料噴射路内に留まった蒸発燃料が、バインダーとなって、排気ガスに含まれる煤を燃料噴射路の壁面に付着させて、デジポットを生成させる難点もある。

そこで、噴射燃料の気化の促進と蒸発燃料や煤の排出が行われるよう、エキゾーストマニホールド内の高温、高圧の排気ガスの一部を燃料噴射路内へ導入させることが考えられる。
しかし、単に、高温、高圧の排気ガスを燃料噴射路内へ導入させたのでは、燃料添加弁は、常時、高温・高圧の排気ガスに晒されるので、当初の問題が再び露呈してしまう。つまり、燃料添加弁が熱的影響により正常に機能しなくなるおそれがある。このため、燃料添加弁を考慮した排気ガスの導入が求められている。

そこで、本発明の目的は、添加剤噴射弁の熱的負担を抑えながら、添加剤噴射路へ高温・高圧の排気ガスを導入させ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、エンジンのエキゾーストマニホールドから排気ガスを外部へ導く排気管部と、排気管部に設けられる触媒と、触媒の上流側に設けられ、基端が排気管部と連通し、先端が排気管部から離れた方向に延びる添加剤噴射路と、添加剤が噴射する添加剤噴射部を添加剤噴射路の先端部に配置させて設置され、添加剤噴射部から噴射された添加剤を添加剤噴射路内を通して触媒へ供給する添加剤噴射弁と、一端部からエンジンのエキゾーストマニホールドからの排気ガスの一部を流入し、他端部を添加剤噴射路の内周面上の接線方向の地点に開口させ、エキゾーストマニホールドからの排気ガスで、添加剤噴射路内に、添加剤噴射剤から噴射された燃料の周りを旋回する旋回流を形成する排気ガス路と、排気ガス路に設けられ、添加剤噴射弁の噴射時にエキゾーストマニホールドからの排気ガスを排気ガス路に導入させるガス導入制御弁とを具備した。
同構成により、高温、高圧の排気ガスが、必要に応じ添加剤噴射路内へ導入され、添加剤噴射路内で、排気ガスの旋回流が形成される。

請求項２に記載の発明は、できるだけ高温・高圧の排気ガスの熱が添加剤噴射弁へ伝わるのを避けるよう、排気ガス路は、添加剤噴射路の下流側へ向かって排気ガスが導出される構成を採用した。

請求項１の発明によれば、エキゾーストマニホールドからの高温、高圧の排気ガスが、必要に応じて排気ガス路を通じて、添加剤噴射路内へ導入されるから、添加剤噴射弁が、高温・高圧の排気ガスに晒されるのが最小限に抑えられる。
したがって、添加剤噴射弁に加わる熱的負担を抑えながら、高温、高圧の排気ガスを十分に活用して、効果的に添加剤噴射路内における添加剤の気化または撹拌、さらには添加剤噴射路内で滞留する添加剤や煤が排出できる。この結果、たとえエンジン排出直後の高温、高圧の排気ガスを用いても、添加剤噴射弁が正常に機能しなくなるおそれは回避され、常に良好な排気な排気ガス浄化性能が維持でき、高い信頼性が得られる。
しかも、添加剤噴射路内で生成される排気ガスの旋回流により、限られた添加剤噴射時といった時間内で、添加剤の気化または撹拌が促進できるうえ、旋回流の中心部に発生する負圧を活用して、効果的に添加剤や煤を吸い出すことができる。

請求項２の発明によれば、できるだけ高温・高圧の排気ガスの熱が添加剤噴射弁へ伝わるのを避けることができ、効果的に添加剤噴射弁を排気ガスの熱から保護できる。

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は内燃機関、例えばディーゼルエンジンの排気系を示している。同図中１は、多気筒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、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とを組み合わせた構造が用いられている。
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、後述する添加剤である触媒反応用の燃料を供給する燃料添加弁（本願の添加剤噴射弁に相当）２３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、例えば上部側がＬ形に成形されていて、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。酸化触媒５は、この屈曲部１５ａの直下に地点に収めてある。

燃料添加弁２３は、この酸化触媒５への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の外周側に設けられている。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。屈曲部１５ａの出口側の外周部分からは、図２にも示されるように屈曲部１５ａから離れる方向、すなわち外側へ延びる筒形部２４が分岐されている。燃料添加弁２３は、この屈曲部１５ａから分かれた筒形部２４の先端部に、取付フランジ２４ａおよび台座２５を用いて設置してある。これにより、燃料添加弁２３の先端部の燃料噴射部を、筒形部２４の内部空間で形成される燃料噴射路（本願の添加剤噴射路に相当）２４ｂ（図２に図示）に臨ませている。燃料噴射路２４ｂは傾いていて、燃料噴射路全体を酸化触媒５の入口端面へ向けている。これにより、排気ガス流から遠ざけた地点から、触媒反応に求められる燃料が酸化触媒５へ噴射されるようにしている。これで、燃料添加弁２３の先端の燃料噴射部が、高温の排気ガス流に晒されずにすむようにしている。台座２４の内部には、さらに燃料添加弁２３を熱から保護するために、冷却水路２６が形成してある（水冷）。

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の反応で得た熱により、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ＥＣＵ２０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してある。

筒形部２４には、排気ガスの一部を燃料噴射路２４へ導入させる排気ガス導入部２９が設けられている。この排気ガス導入部２９の詳細な構造が図２および図３に示されている。この排気ガス導入部２９には、細長の排気ガス導入管３０と排気ガス導入制御弁３５（本願のガス導入制御弁に相当）とを組み合わせた構造が用いられている。
このうち排気ガス導入管３０は、一端部に入口３１ａ（図１に図示）をもち、他端部に出口３１ｂ（図１および図２に図示）をもつ。この排気ガス導入管３０の一端部は、エンジン本体１の排気口の直後の地点、具体的にはエキゾーストマニホールド１ａに連結され、入口３１ａをエキゾーストマニホールド１内に連通させている。また排気ガス導入管３０の他端部は、筒形部２４の壁部、例えば中段の壁部に連結され、入口３１ａを燃料噴射路２４と連通させている。このエキゾーストマニホールド１ａと筒形部２４間をバイパスする排気ガス導入管３０にて、エキゾーストマニホールド１ａ内の高温、高圧の排気ガスの一部を燃料噴射路２４へ導く排気ガス路３２を構成している。

また排気ガス導入管３０の他端部は、図２に示されるように端が燃料噴射路２４の下流側へ近づく向きで傾いて筒形部２４と連結されていて、高温、高圧の排気ガスが燃料噴射路２４の下流側へ向かって導出される構造にしてある。排気ガス導入管３０の出口３１ａは、図３に示されるように燃料噴射路２４ｂの径方向中央から側方へオフセットした地点、具体的には燃料噴射路２４ｂの内周面上の接線方向の地点で開口していて、出口３１ａから導出した排気ガスが、内周面沿いに旋回しながら燃料噴射路２４ｂへ導入される構造にしている。こうした各部の構造により、高温、高圧の排気ガスが、燃料添加弁２３の噴射燃料と混ざり合いながら、燃料噴射路２４ｂの下流側へ向かって流れ出るようにしている。

排気ガス導入制御弁３５は、排気ガス導入管３０の途中、例えば排気ガス導入管３０の他端部に介装されている。排気ガス導入制御弁３５は、例えば排気ガス導入路３２を「開」と「閉」に切換え可能な開閉弁から構成されている。図１中の符号３５は、その開閉する弁体を示している。この開閉弁が、同弁を駆動するドライバー部（図示しない）を介して、制御部、例えばＥＣＵ２０に接続され、必要に応じ、燃料噴射路２４ｂ内へ高温、高圧の排気ガスが導入されるようにしている。具体的には、ＥＣＵ２０には、常態時では、排気ガス制御弁３５を「閉」にし、燃料添加弁２３が燃料の噴射を行うとき、すなわち開弁のときだけ、排気ガス制御弁３５を「開」に制御する設定がなされている。この開弁制御により、燃料添加弁３５の燃料噴射時だけ、エキゾーストマニホールド１ａ内の高温、高圧の排気ガスが燃料噴射路２４ｂへ導入されるようにしている。この排気ガスの導入により、燃料添加弁３５の熱的影響を抑えながら、噴射燃料の気化・混合の促進と、デジポットの生成防止とを成立させるようにしている。

すなわち、同作用を説明すると、今、ディーゼルエンジンが運転中であるとする。
このとき、ディーゼルエンジンから排気された排気ガスは、図１および図２中の矢印ａ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、屈曲部１５ａ、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。

この通過の際、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。
このとき、燃料添加弁２３は、排気ガスの主流とは遠ざけた地点に配置され、排気ガスの主流に晒されないから、燃料添加弁２３が温度上昇しても、耐熱温度を越えない。
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の先端の燃料噴射部から、これらの除去のために燃料が噴射されたとする。

すると、燃料は、図１および図２に示されるように燃料噴射路２４ｂを通じて、酸化触媒５の入口端面へ噴射される。図１および図２中のαは、その燃料の噴射流を示す。
一方、排気ガス導入制御弁３５は、燃料添加弁２３の燃料噴射動に合わせて、開作動している。
これにより、エキゾーストマニホールド１ａ内の高温、高圧の排気ガスが、排気ガス路３２を通じて、強制的に燃料噴射路２４ｂへ導入される。

このとき、排気ガス路３２の出口３２ｂは、オフセットしてあるうえ、下流側へ傾いているから、燃料噴射路２４ｂ内には、図２および図３中の矢印ｂに示されるように下流へ向かう排気ガスの旋回流ｂが形成される。
これで、高温、高圧の排気ガスは、噴射流αの燃料と混ざり合いながら下流へ向かい、燃料の気化と混合がなされる。特に旋回流ｂだと、排気ガスの熱や流動を活用して、効果的に燃料の気化と混合が促進される。と同時に蒸発燃料や煤が、旋回流ｂの中心部で発生する負圧により吸い出されて、燃料噴射路２４ｂ外へ流出し、デジポットの生成を回避する。

燃料添加弁２３からの燃料噴射を終えると、排気ガス導入制御弁３５も「閉」に切り換わり、排気ガスの導入を停止し、再び排気ガスに晒されない状況に戻る。
このように必要に応じ、高温、高圧の排気ガスを燃料噴射路２４ｂ内へ導入すると、燃料添加弁２３が、高温、高圧の排気ガスに晒されるのを最小限に抑えることができる。特に、燃料噴射の都度、燃料噴射路２４ｂに高温、高圧の排気ガスを導入すると、燃料添加弁２３が排気ガスに晒される時間は、ごく短い噴射時間といった最小限に抑えられる。

したがって、燃料添加弁２３の熱的負担を抑えながら、高温、高圧の排気ガスを十分に活用した噴射燃料の気化・混合の促進ができるうえ、蒸発燃料や煤の滞留を要因としたデジポット生成を防ぐことができる。これにより、たとえエンジン排出直後の高温、高圧な排気ガスを用いても、燃料添加弁２３が正常に機能しなくなるおそれは回避されるから、常に良好に排気ガス浄化性能が維持でき、高い信頼性が確保できる。

特に燃料噴射路２４ｂの下流側へ向かって排気ガスが導出されるようにすると、できるだけ高温・高圧の排気ガスの熱が燃料添加弁２３へ伝わるのを避けられるから、燃料添加弁２３を熱から保護するのには有効である。しかも、旋回流ｂを生成すると、噴射燃料との混合が促進されるので、噴射燃料が均一に気化できる。そのうえ、旋回流ｂの中心部に生ずる負圧がもたらす蒸発燃料や煤の吸い出しにより、デジポットの生成を抑えることができ、限られた時間（燃料噴射時）に導入される排気ガスを有効に活用して、噴射燃料の気化および混合の促進と、デジポット生成の回避とを実現させることができる。

なお、本発明は上述したいずれの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。例えば上述した実施形態では、前段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、例えば前段触媒として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、前段触媒として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、上述した実施形態では、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を示す斜視図。 排気ガスが添加剤噴射路へ導入されたときの状態を示す断面図。 図２中のＡ−Ａ線に沿う断面図。

符号の説明

１ エンジン本体
１ａ エキゾーストマニホールド
１５ 排気管部
２３ 燃料添加弁
２４ｂ 燃料噴射路（添加剤噴射路）
３２ 排気ガス路
３５ 排気ガス導入制御弁（ガス導入制御弁）

Claims (2)

1. エンジンのエキゾーストマニホールドから排気ガスを外部へ導く排気管部と、
   前記排気管部に設けられる触媒と、
   前記触媒の上流側に設けられ、基端が前記排気管部と連通し、先端が排気管部から離れた方向に延びる添加剤噴射路と、
   添加剤が噴射する添加剤噴射部を前記添加剤噴射路の先端部に配置させて設置され、前記添加剤噴射部から噴射された添加剤を前記添加剤噴射路内を通して前記触媒へ供給する添加剤噴射弁と、
   一端部からエンジンのエキゾーストマニホールドからの排気ガスの一部を流入し、他端部を前記添加剤噴射路の内周面上の接線方向の地点に開口させ、前記エキゾーストマニホールドからの排気ガスで、前記添加剤噴射路内に、前記添加剤噴射剤から噴射された燃料の周りを旋回する旋回流を形成する排気ガス路と、
   前記排気ガス路に設けられ、前記添加剤噴射弁の噴射時に前記エキゾーストマニホールドからの排気ガスを前記排気ガス路に導入させるガス導入制御弁と
   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. 前記排気ガス路は、前記添加剤噴射路の下流側へ向って排気ガスが導出される構成としてあ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。

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