JP5626100B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気浄化装置として、排気通路に酸化触媒を配置するとともにその上流側に小型酸化触媒と、小型酸化触媒に燃料を添加する燃料供給弁とをさらに配置し、燃料供給弁からの燃料の供給量を制御することにより、小型酸化触媒の昇温機能及び改質機能を効果的に利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。

特開２００９−１５６１６８号公報 特開２００４−１９７６３５号公報 特開２０１０−１８０８６３号公報

燃料供給弁先端が高温の排気にさらされると燃料供給弁の噴孔がデポジットによる目詰まりを生じるおそれがあるため、排気の主流から離れた位置に燃料供給弁を設置することで噴孔と排気との接触を抑制している。しかし、排気が流入しにくくなると、燃料供給弁の設置部にデポジットが堆積するおそれがある。

そこで、本発明は燃料供給弁の噴孔詰まりを防止するとともに燃料供給弁の設置部へのデポジットの堆積を抑制する内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路内に配置された排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒に対して排気の流れ方向上流側から前記排気浄化触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路を形成する排気管には、前記還元剤供給装置の供給弁が設置された、前記排気管の円筒形状の排気管面に対して後退した設置部が設けられ、前記設置部には、前記供給弁に対し前記排気管内を周方向に流れる排気の上流側で突出する第１突出部と、その下流側で前記供給弁から前記排気管面に向けて排気の流れに沿うように傾斜した第１傾斜部と、が設けられている（請求項１）。

本発明の排気浄化装置によれば、排気管の周方向に流れる排気は、第１突出部により供給弁に直接当たることなく第１傾斜部へと導かれる。第１傾斜部に当たった排気は、第１傾斜部の斜面に沿って案内され排気管の主流に合流する。排気管内の排気の流れが供給弁に直接当たらないので供給弁の噴孔詰まりを防止する。そして、排気の流れが第１傾斜部に当たって排気管の主流に合流するので第１傾斜部付近の淀み点の発生を防止し、デポジットの堆積を防止する。従って、供給弁の噴孔詰まりと設置部内のデポジットの堆積を防止できる。

本発明の排気浄化装置の一形態において、前記供給弁から供給される還元剤が前記第１傾斜部に当たるように前記供給弁が前記設置部に設置されていてもよい（請求項２）。この形態によれば、第１突起部により導かれた排気には供給弁により還元剤が噴霧され、還元剤を含む排気が第１傾斜部へ当たる。還元剤が第１傾斜部に堆積したデポジットを流すのでデポジットの堆積を防止できる。

本発明の排気浄化装置の一形態において、前記還元剤供給装置が、内燃機関の過給機に対して排気の流れ方向下流側に設けられていてもよい（請求項３）。この形態によれば、過給機によって生じる排気管の周方向の流れに対して供給弁の噴孔詰まり及び設置部内のデポジットの堆積を防止できる。

本発明の排気浄化装置の一形態において、前記設置部には、前記供給弁に対し前記排気管内を軸線方向に流れる排気の上流側で突出する第２突出部と、その下流側で前記供給弁から前記排気管面に向けて排気の流れに沿うように傾斜した第２傾斜部と、が設けられていてもよい（請求項４）。この形態によれば、排気管の周方向の流れに加え、排気管の軸線方向に流れる排気による供給弁の噴孔詰まりと設置部内のデポジットの堆積とを防止できる。

以上説明したように、本発明においては、排気管内の排気の流れが供給弁に直接当たらないので供給弁の噴孔詰まりを防止する。そして、排気の流れが第１傾斜部に当たって排気管の主流に合流するので第１傾斜部付近の淀み点の発生を防止し、デポジットの堆積を防止する。従って、供給弁の噴孔詰まりと設置部内のデポジットの堆積を防止できる。

本発明の１形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略図。 図１のII−II線に沿って切断した断面図。 排気浄化装置のシミュレーションモデルを示す図。 図３のIV−IV線に沿って切断した断面図における、排気の流れる方向のシミュレーション結果を示す図。 排気管の軸線方向に切断した断面図における、排気の流速のシミュレーション結果を示す図。

図１に本発明の一形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略図を示す。図１は排気の流れ方向Ｆに切断した断面図である。排気浄化装置１は、内燃機関の排気系の一部として構成され、図示しない内燃機関の過給機としてのターボチャージャーに対して排気の流れ方向Ｆ下流側の排気通路２に設けられる。排気浄化装置１は、排気通路２を構成する排気管３内に設置される排気浄化触媒４と、排気浄化触媒４に対して排気の流れ方向Ｆ上流側から排気浄化触媒４に還元剤を供給する還元剤供給装置５とを備えている。排気管３内には、円筒形状の排気管面３ａに対して後退した設置部６が設けられ、還元剤供給装置５の供給弁５ａが設置されている。排気の流れ方向Ｆは排気管３の軸線方向に沿っている。

排気浄化触媒４は、酸化触媒である。一例として金属薄肉平板と金属薄肉波形板との積層構造から構成される基体を有し、この基体の表面に例えばアルミナからなる触媒担体の層が形成され、その触媒担体上に白金Ｐｔ、ロジウムＲｄ、パラジウムＰｄのような貴金属触媒が担持された触媒が用いられる。還元剤供給装置５は、排気浄化触媒４へ還元剤としての燃料が供給される。還元剤供給装置５の供給弁５ａは、図示しない燃料タンク等から導かれた燃料の一部を排気浄化触媒４に向けて噴射する。排気浄化触媒４が活性化していれば排気浄化触媒４内で燃料が酸化することにより発生する酸化反応熱によって排気浄化触媒４が昇温する。

設置部６は、排気管面３ａに対して後退し凹んだ形状を有している。図２に図１のII−II線に沿って切断した断面図を示す。排気通路２内では、排気浄化装置１の流れ方向Ｆ上流側に設けられたターボチャージャーによる旋回流Ｃが排気管３内の周方向に生じる。設置部６において、供給弁５ａに対しこの旋回流Ｃの流れ方向上流側には第１突起部７が設けられている。第１突起部７の頂点付近と排気管面３ａとの間で旋回流Ｃの流れに沿った斜面７ａが形成される。また、供給弁５ａに対し旋回流Ｃの流れ方向下流側の設置部６には、供給弁５ａ設置付近から排気管面３ａに向けて排気の流れに沿うように傾斜した第１傾斜部８が設けられている。第１傾斜部８は旋回流Ｃの流れに沿うようになだらかな斜面８ａを有している。旋回流Ｃの流れ方向と斜面８ａとにより形成される角度αが鋭角となるように第１傾斜部８が設けられている。

図１に戻り、設置部６における供給弁５ａに対する排気の流れ方向Ｆの上流側には、第２突起部９が設けられている。第２突起部９の頂点付近と排気管面３ａとの間で排気の流れ方向Ｆに沿った斜面９ａが形成される。また、供給弁５ａに対する流れ方向Ｆの下流側の設置部６には、供給弁５ａ設置付近から排気管面３ａに向けて排気の流れに沿うように傾斜した第２傾斜部１０が設けられている。第２傾斜部１０は排気の流れ方向Ｆに沿うようになだらかな斜面１０ａを有している。

次に排気浄化装置１の作用を説明する。まず、図２を参照して排気管３の周方向を流れる旋回流Ｃに対する設置部６の作用を説明する。設置部６において、供給弁５ａに対するターボチャージャーから流れてきた排気の旋回流Ｃの流れ方向上流側では、第１突起部７により供給弁５ａ付近へは排気が流れない。旋回流Ｃは第１突起部７の頂点付近と排気管面３ａとの間で形成される斜面７ａに沿って流れるため、排気の流れる向きに対して後退した位置に設けられた供給弁５ａには排気が直接当たらず、第１傾斜部８の斜面８ａに当たる。斜面８ａに当たる排気には燃料も含まれ、第１傾斜部８には燃料が当たる。この燃料により斜面８ａに堆積するデポジットが流されて噴霧経路詰まりを防止する。従って、高温の排気が供給弁５ａに当たることによる噴孔詰まりを防止しつつ設置部６内の噴霧経路詰まりも防止する。また、斜面８ａと旋回流Ｃの向きとが鋭角になるように構成されているので、旋回流Ｃのせん断力によっても第１傾斜部８に付着するデポジットの堆積を防止できる。斜面８ａと旋回流Ｃの向きとで作られる角度はできるだけ小さい方がよく、４５°以下が好ましい。

続いて図１を参照して排気管３の軸線方向を流れる排気に対する設置部６の作用を説明する。設置部６において、供給弁５ａに対する排気の流れ方向Ｆの上流側に設けられた第２突起部９により供給弁５ａに直接排気を当てないようにして排気が流れる。それとともに、第２突起部９の頂点付近と排気管面３ａとの間の斜面９ａに沿って排気が流れるので、供給弁５ａ付近まで排気を導くことができる。斜面９ａからの排気は、第２傾斜部１０に当たり第２傾斜部１０の斜面１０ａに沿って案内されて排気管面３ａへと流れていく。これにより、設置面６付近で排気の淀み点が生じないので、第２傾斜部１０へのデポジットの堆積を防止できる。

比較のため、図１及び図２に破線で従来形状の設置部１１を示す。図２において、従来形状の設置部１１では、旋回流Ｃが設置部１１内の供給弁５ａが供給する燃料の噴霧経路まで流入しやすく、設置部１１内で排気の流速が低下するとともに供給弁５ａ付近まで排気が流れ、噴孔詰まりや噴霧経路詰まりを生じるおそれがあった。また、図１においても、排気が設置部６内に流れ込みやすく供給弁５ａに当たると噴孔詰まりを生じるおそれがあった。本発明では、排気管３の軸線方向に流れる排気の流れ方向Ｆと、排気管３の周方向に流れる旋回流Ｃとに区別できる二つの流れに着目している。各流れにおける供給弁５ａに対する流れ方向上流側では供給弁５ａに排気が直接当たることを防止し、流れ方向下流側では各傾斜部８、１０の斜面８ａ、１０ａに排気の流れが当たりその斜面８ａ、１０ａに沿って排気が流れる。下流側の排気には供給弁５ａから供給される燃料が含まれるので燃料により各傾斜部８、１０に付着したデポジットが洗い流され、デポジットの堆積を防止できる。また、第１傾斜部８においては旋回流Ｃによるせん断力、第２傾斜部１０においては斜面１０ａによる淀み点の解消によってもデポジットの堆積が防止できる。このように、排気の流れに着目することで各流れにおいて設置部６内のデポジットの堆積及び供給弁５ａの噴孔詰まりを防止することができる。

設置部６付近の排気の流れ方向のシミュレーション結果を以下に説明する。図３は、排気浄化装置１のシミュレーションモデルを示したもので、排気の流れ方向Ｆに切断した断面図である。各部材については、上述した説明と同一の参照符号を振ることにより説明を省略する。なお、図３では図１及び図２で説明した図と排気の流れ方向Ｆの向きが異なっている。図４に、図３のIV−IV線に沿って切断した断面図を示す。図４では排気の流れる方向のシミュレーション結果を矢印で示している。第１突起部７、及びその斜面７ａにより、旋回流Ｃによる排気の流れは斜面７ａに沿って移動し、対向する第１傾斜部８に当たって斜面８ａに沿って移動する。第１突起部７を形成する斜面７ａにより案内された排気の流れ方向と第１傾斜部８の斜面８ａとで作られる角度βは、一例として４５°という鋭角で接触する。

図５は排気の流れ方向Ｆに切断した断面図における、排気の流速のシミュレーション結果を示した図である。なお、図５は流速を速度ごとに区別した分布図である。第２突起部９の斜面９ａに沿って案内された排気は、斜面９ａに沿った方向に流れるため、供給弁５ａが設置された最奥部６ａへは流れ込まない。最奥部６ａ付近の流速は小さく、シミュレーション結果から最奥部６ａ付近へは排気が流れ込みにくいといえる。一方、斜面９ａに沿って案内された排気は第２傾斜部１０に当たり、斜面１０ａに沿って流れて排気管３内の主流に合流する。第２傾斜部１０付近では斜面１０ａが排気管面３ａとなだらかにつながり、排気がある程度の速さを保ったまま流れるので、淀み点が生じることがない。従って、デポジットの堆積を抑制し、噴霧経路詰まりを防止できる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本形態では、排気浄化装置として酸化触媒と燃料の組み合わせで説明したが、これに限られない。例えば、尿素等の還元剤と選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）等の各種周知の排気浄化方法を適用してよい。また、本形態では、ターボチャージャーに対して排気の流れ方向下流側に設けられた排気浄化装置１として説明したがこれに限られない。主流となる流れ方向Ｆの他に旋回流Ｃが生じるような場所に排気浄化装置を設ける場合に本発明は適用できる。本形態では、旋回流Ｃ及び排気の流れ方向Ｆの二つの流れに着目して第１突起部７、第１傾斜部８、第２突起部９及び第２傾斜部１０を設けた形態で説明したが、これに限られない。第１突起部７及び第１傾斜部８、又は、第２突起部９及び第２傾斜部１０のいずれか一方のみを設けた形態であってもよい。特に第１突起部７及び第１傾斜部８のみを設けた形態であってもよく、これにより旋回流Ｃによる噴孔詰まり及び噴霧経路詰まりを防止できる。

１ 排気浄化装置
３ 排気管
３ａ 排気管面
４ 排気浄化触媒
５ 還元剤供給装置
５ａ 供給弁
６ 設置部
７ 第１突起部
８ 第１傾斜部

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路内に配置された排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒に対して排気の流れ方向上流側から前記排気浄化触媒に還元剤を供給する還元剤供給装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記排気通路を形成する排気管には、前記還元剤供給装置の供給弁が設置された、前記排気管の円筒形状の排気管面に対して後退した設置部が設けられ、前記設置部には、前記供給弁に対し前記排気管内を周方向に流れる排気の上流側で突出する第１突出部と、その下流側で前記供給弁から前記排気管面に向けて排気の流れに沿うように傾斜した第１傾斜部と、が設けられている内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記供給弁から供給される還元剤が前記第１傾斜部に当たるように前記供給弁が前記設置部に設置されている請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記還元剤供給装置が、内燃機関の過給機に対して排気の流れ方向下流側に設けられている請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
4. 前記設置部には、前記供給弁に対し前記排気管内を軸線方向に流れる排気の上流側で突出する第２突出部と、その下流側で前記供給弁から前記排気管面に向けて排気の流れに沿うように傾斜した第２傾斜部と、が設けられている請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。

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