JP5839002B2

JP5839002B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP5839002B2
Application number: JP2013142475A
Authority: JP
Inventors: 徹植西; 吉田　耕平; 耕平吉田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: EP2823880B1; JP2015014268A; EP2823880A1

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気中に還元剤または酸化剤などの添加剤を噴射することがある。この添加剤は、下流の触媒などへ到達する前に、触媒の半径方向に均一に分散することが望ましい。これに対し、上流側から順に、螺旋状の通路が形成されるミキサと、整流体と、触媒とを設ける技術が知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照。）。

ここで、ミキサにより旋回流を発生させた後に排気通路が屈曲していると、排気通路の半径方向に添加剤の偏りが生じるため、排気中の添加剤濃度が不均一になる虞がある。したがって、排気通路内に旋回流を発生させた後は、排気通路が触媒まで直線状に延びていることが望ましい。すなわち、旋回流の中心軸がそのまま触媒まで直線状に延びていることが望ましい。このため、一般的には、直線状の排気通路の途中に、ミキサ及び触媒が配置される。しかし、直線状の排気通路の途中にミキサを設け、さらに、ミキサの下流に触媒を設けると、触媒が内燃機関から離れてしまう。このため、内燃機関からの排気が触媒へ到達するまでに排気の温度が低下し易くなるので、触媒の温度が低下し易い。また、内燃機関の冷間始動時には、触媒の温度上昇に時間がかかるため、触媒の浄化能力が発揮されるまでに時間がかかってしまう。また、直線状の排気通路を設ける余地がない場合もある。

特開２０１１−０９２８３８号公報特開２０１２−２２５３１６号公報国際公開第２０１０／１４６２８５号特開２０１０−０３１７１７号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、触媒に流入する排気中の添加剤の濃度を均一にしつつ、触媒を内燃機関に近付けることにある。

上記課題を解決するために本発明では、
内燃機関の排気通路内に添加剤を供給する供給装置と、
前記供給装置よりも下流の前記排気通路に設けられる触媒と、
前記排気通路が屈曲している部位であって前記供給装置よりも下流側で且つ前記触媒よりも上流側に設けられる屈曲部と、
前記屈曲部に設けられ、前記屈曲部よりも上流側を前記屈曲部に向かって流れる排気の進行方向の延長線上において排気が流入し、前記屈曲部よりも下流側の排気通路の中心軸の周りを排気が旋回する旋回流を発生させる旋回流発生部と、
を備える。

添加剤は、還元剤または酸化剤としてもよい。添加剤は、触媒に応じて定まる。供給装置は、排気中に添加剤を噴射する噴射弁であってもよく、内燃機関の気筒内から排気通路へ添加剤を排出するものであってもよい。屈曲部は、排気通路が屈曲している部位であり
、屈曲部よりも上流側の排気通路の中心軸の方向と、屈曲部よりも下流側の排気通路の中心軸の方向と、が変わる部位である。例えば、排気通路の中心軸の方向が変わる点を屈曲部としてもよく、排気通路の中心軸の方向が変わる点を含む所定の範囲を屈曲部としてもよい。また、屈曲部よりも上流側及び下流側は直線状の通路であってもよい。また、屈曲部よりも上流側で且つ供給装置よりも下流側において、排気通路が更に屈曲していてもよい。また、屈曲部よりも下流側の排気通路は旋回流の回転軸方向に直線状に触媒まで延びていることとしてもよい。

旋回流発生部は、排気通路内で旋回流を発生させる。ここでいう旋回流は、螺旋状に回転しながら排気通路の下流側へ進む排気の流れである。この旋回流は、屈曲部よりも下流側の排気通路の中心軸の周りを旋回する。すなわち、旋回流の回転軸は、屈曲部よりも下流側の排気通路の中心軸と略一致する。このため、旋回流の回転軸は、屈曲部よりも上流側の排気通路の中心軸とは一致しない。すなわち、旋回流の回転軸に対して、角度を持った排気が旋回流発生部に向かって流れる。そして、旋回流発生部に向かって流れる排気の方向が、旋回流の回転方向に近くなる。なお、旋回流発生部に排気が当たる時点が、旋回流発生部に排気が流入する時点としてもよい。また、旋回流発生部により排気の流通方向が変わる時点が、旋回流発生部に排気が流入する時点としてもよい。そして、屈曲部よりも上流側を屈曲部に向かって流れる排気の進行方向の延長線上において、排気が旋回流発生部に当たっており、これにより、旋回流発生部に排気が流入しているといえる。

ここで、仮に、旋回流発生部に対して旋回流の回転軸方向から排気が流入すると、旋回流発生部よりも上流に、旋回流の軸方向に流れる排気通路が必要となるため、旋回流発生部が内燃機関から離れる虞がある。これにより、触媒が内燃機関から離れる虞がある。一方、本発明のように旋回流発生部に流入する排気の方向が、旋回流の回転軸の方向と異なってもよいのであれば、旋回流発生部を排気通路の屈曲部に設けることができる。すなわち、排気通路のより上流側に旋回流発生部を設けることができる。これにより、触媒も排気通路のより上流側に設けることができるので、該触媒を内燃機関に近付けることができる。また、旋回流発生部に流入する排気の方向が、旋回流の回転方向に近くなるので、排気の旋回を促進させることができる。また、屈曲部よりも下流側に、該屈曲部から距離を置いて旋回流発生部を備える必要がないため、装置の小型化が可能となる。そして、旋回流発生部よりも下流に触媒を設ければ、触媒へ流入する添加剤の濃度をより均一に近付けることができる。

また、本発明においては、前記旋回流発生部は、前記屈曲部よりも下流の排気通路の中心軸周りに螺旋状に形成される螺旋部を備え、前記屈曲部よりも上流の排気通路の延長線上に前記螺旋部の少なくとも一部が位置していてもよい。

螺旋部は、屈曲部から排気通路の下流側に向かって螺旋軸が延び、該螺旋軸の周りを回転しつつ下流側へ向かう。螺旋部は、例えば、螺旋軸の方向が板厚方向となる板状の部材であってもよい。この板状の部材は、螺旋軸から排気通路の半径方向に排気通路の壁面まで延びていてもよい。この螺旋部により、螺旋状の通路が形成される。このような螺旋部に沿って排気が流れることにより、排気に旋回流を発生させることができる。そして、螺旋軸は、旋回流の回転軸となる。

また、屈曲部よりも上流の排気通路の延長線上に螺旋部の少なくとも一部が位置することにより、屈曲部よりも上流の排気通路から屈曲部へ向かう排気の流れが、そのまま螺旋状の通路に流入する。ここで、屈曲部よりも上流の排気通路から螺旋部へ向かって流れる排気の方向は、螺旋軸に対して角度を有する。すなわち、排気は、螺旋軸に対して、斜め方向または直角方向から旋回流発生部に流入する。そして、旋回流の軸方向から排気が螺旋状の通路に流入する場合よりも、斜め方向または直角方向から螺旋状の通路に流入する
ときの角度が浅くなる。これにより、旋回流の回転方向成分がより大きくなるため、旋回流の回転力を高めることができる。これにより、添加剤をより広い範囲に分散させることができる。

また、本発明においては、前記螺旋部は、上流側端部において排気の流れを旋回流の回転方向に案内する案内部を備えることができる。

そうすると、排気が旋回流の回転方向とは逆方向に排気が流れることを抑制できるため、旋回流の発生が円滑になる。

また、本発明においては、前記旋回流発生部は、旋回流の中心軸方向に貫通する複数の孔を備えることができる。

ここで、旋回流が発生すると、遠心力により添加剤が排気通路の壁面側に偏ることがあるため、旋回流発生部よりも下流の排気通路の中心軸付近では添加剤の濃度が低くなり得る。これにより、下流の触媒などに流入する排気中の添加剤の濃度が排気通路の半径方向で不均一になる。これに対して本発明では、旋回流発生部を貫通する孔（以下、貫通孔ともいう。）を備えることにより、排気が該貫通孔を通過するようにしてもよい。この貫通孔は、螺旋部を貫通する孔としてもよい。この貫通孔を通過した添加剤により、排気通路の中心軸側の添加剤の濃度が高まるので、排気通路の半径方向の添加剤の濃度をより均一に近付けることができる。

また、本発明においては、前記複数の孔の空孔率が８％以上且つ２４％以下であってもよい。

空孔率は、旋回流発生部の排気通路の上流側を向く面の全面積に対する、貫通孔の面積の比である。これは、螺旋部の排気通路の上流側を向く面の全面積に対する、貫通孔の面積の比としてもよい。すなわち、空孔率が大きいほど、貫通孔の面積が大きくなる。貫通孔の面積が大きくなるのは、貫通孔の数が増えることや、貫通孔の１つ当たりの面積が増えることを含む。ここで、空孔率が小さすぎると、旋回流の影響を打ち消すことが困難となる。すなわち、貫通孔を通過する排気及び添加剤の量が少なくなるため、旋回流発生部よりも下流側において、排気通路の中心軸付近の添加剤の濃度を高くすることが困難となる。一方、空孔率が大きすぎると、貫通孔を通過する排気及び添加剤の量が多くなり、旋回流発生部よりも下流において、排気通路の中心軸付近の添加剤の濃度が過剰に高くなる。すなわち、旋回流の効果が小さくなる。したがって、空孔率には適正な範囲があり、８％以上且つ２４％以下とすることで、排気通路の半径方向の添加剤の濃度をより均一に近付けることができる。

本発明によれば、触媒に流入する排気中の添加剤の濃度を均一にしつつ、触媒を内燃機関に近付けることができる。

実施例１に係るミキサの周辺の断面図である。実施例１に係るミキサの斜視図である。実施例２に係るミキサの外観を示した図である。実施例２に係るミキサを備えていない場合の排気の流れを矢印で示した図である。実施例２に係るミキサを備えている場合の排気の流れを矢印で示した図である。螺旋プレートにおける空孔率と、流れの一様性との関係を示した図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係るミキサ１の周辺の断面図である。また、図２は、本実施例に係るミキサの斜視図である。本実例に係るミキサ１は、内燃機関の排気通路２に設けられている。排気通路２は、上流側直線部２１及び下流側直線部２２を備えて構成されている。上流側直線部２１及び下流側直線部２２は、何れも中心軸が直線である。そして、排気通路２は、屈曲部２３において屈曲している。屈曲部２３は、排気通路２において曲率を有している箇所としてもよい。また、屈曲部２３は、図１のような断面図における上流側直線部２１の中心軸と下流側直線部２２の中心軸との交点としてもよい。また、屈曲部２３は、上流側直線部２１と下流側直線部２２との交点から所定の範囲としてもよい。また、屈曲部２３は、上流側直線部２１と下流側直線部２２とが交わる箇所としてもよい。また、屈曲部２３は、排気の流れる方向が変わる箇所としてもよい。なお、本実施例では、下流側直線部２２の断面積よりも、上流側直線部２１の断面積のほうが大きくなっているが、これらの断面積は同じであってもよい。

ミキサ１は、屈曲部２３を含んだ下流側直線部２２に設けられている。また、ミキサ１よりも下流の下流側直線部２２には、触媒３が設けられている。さらに、上流側直線部２１よりも上流、または、上流側直線部２１には、排気中に添加剤を供給する添加弁４が設けられている。添加剤は、還元剤または酸化剤としてもよい。なお、本実施例では添加弁４を用いて添加剤を供給するが、これに代えて、内燃機関から添加剤を排出させてもよい。なお、本実施例においては添加弁４が、本発明における供給装置に相当する。

触媒３は、添加剤を供給することにより、温度が上昇したり、排気を浄化したり、または浄化能力が回復したりする触媒である。触媒３には、吸蔵還元型ＮＯx触媒、選択還元
型ＮＯx触媒、三元触媒、酸化触媒、加水分解触媒などを例示できる。また、触媒３は、
酸化機能を有する触媒としてもよい。さらに、粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを備え、該パティキュレートフィルタを触媒３の担体としてもよい。また、パティキュレートフィルタよりも上流に触媒３を配置してもよい。

ミキサ１は、下流側直線部２２内において該下流側直線部２２の中心軸の周りに設けられ、下流側直線部２２の中心軸を中心として螺旋状に配置される螺旋プレート１１を備えて構成されている。螺旋プレート１１の螺旋軸周りには、円筒形状の軸部１２が設けられている。螺旋プレート１１は、軸部１２から下流側直線部２２の内壁面へ延びる板状の部材であって、下流側直線部２２の中心軸方向を板厚方向とし、下流側直線部２２の中心軸周りを一方向に回りつつ下流へと変位する板状の部材である。螺旋プレート１１には、排気の熱に耐え得る材料が用いられ、例えば、板状のステンレス鋼材が用いられる。

螺旋プレート１１は、上流側直線部２１の延長線上に設けられる。なお、螺旋プレート１１は、上流側直線部２１の中心軸の延長線上に設けられていてもよい。また、上流側直線部２１の中心軸方向に該上流側直線部２１を延長したと仮定したときに、該上流側直線部２１の少なくとも一部と、螺旋プレート１１の少なくとも一部とが交わればよい。また、排気の流れる方向が螺旋プレート１１の螺旋軸に対して角度を持った状態で、排気が螺旋プレート１１に到達すればよい。なお、本実施例においてはミキサ１が、本発明におけ
る旋回流発生部に相当する。また、本実施例においては螺旋プレート１１が、本発明における螺旋部に相当する。

このように構成されたミキサ１では、螺旋プレート１１の螺旋軸に対して、角度を持った排気が、ミキサ１に向かって流れる。この角度は、上流側直線部２１の中心軸と下流側直線部２２の中心軸との角度に略等しい。そして、螺旋プレート１１の螺旋軸に対して角度を持った排気は、螺旋プレート１１に当たって角度を変えて、螺旋プレート１１に沿って流通する。このように、螺旋プレート１１に排気が当たる時点において、ミキサ１へ排気が流入する。すなわち、上流側直線部２１を流通する排気の角度が殆ど変らないうちに、ミキサ１へ排気が流入する。これは、上流側直線部２１を屈曲部２３に向かって流れる排気の進行方向の延長線上においてミキサ１に排気が流入しているといえる。なお、排気は、ミキサ１の半径方向から該ミキサ１へ流入してもよい。このようにしてミキサ１に流入した排気は、螺旋プレート１１に沿って螺旋状に流れる。すなわち、螺旋プレート１１により、螺旋状の通路（以下、螺旋通路１１ａという。）が形成される。このように、本実施例では、下流側直線部２２の中心軸の周りに螺旋通路１１ａが形成されている。

螺旋通路１１ａを流れた排気は、ミキサ１よりも下流において旋回流となる。この旋回流により添加剤と排気との混合が促進されるため、触媒３へ流入する排気中の添加剤の濃度がより均一となる。また、螺旋プレート１１の螺旋軸に対して、角度を持った排気がミキサ１に流入しているので、屈曲部２３からミキサ１を離さなくてもよい。そして、ミキサ１を屈曲部２３に近付けることにより、触媒３をより上流側に配置することができる。すなわち、触媒３を内燃機関に近付けることができるので、触媒３の温度を速やかに上昇させることができると共に、触媒を高い温度のまま維持することができる。

＜実施例２＞
図３は、本実施例に係るミキサ１の外観を示した図である。本実施例では、螺旋プレート１１が複数の貫通孔１３を有している。この貫通孔１３は、下流側直線部２２の中心軸方向に貫通する孔としてもよい。

また、螺旋プレート１１の上流側端部付近には、排気を旋回流の回転方向に導く案内部１４が設けられている。案内部１４は、螺旋プレート１１の一部としてもよい。案内部１４は、上流側直線部２１から流れてくる排気が、旋回流の回転方向とは逆方向に流れることを抑制する。このため、案内部１４は、上流端が排気通路２の壁面と接するように形成されている。すなわち、案内部１４は、螺旋通路１１ａの上流側端部を閉塞している。

案内部１４は、螺旋プレート１１の一部を加工したものであってもよい。この場合、螺旋プレート１１の上流側端部を螺旋プレート１１の螺旋軸の上流側に向かって曲げており、排気通路２の壁面に到達するまで延びている。そして、螺旋プレート１１の上流側端部を排気通路２の内壁面の形状に合わせて形成する。なお、案内部１４は、螺旋プレート１１とは異なる他の部材によるものであってもよい。また、案内部１４は、必ずしも必要ではない。また、案内部１４は、実施例１においても有することができる。そして、螺旋プレート１１の螺旋軸に対して角度を持った排気は、案内部１４に当たって角度を変えて、その後に螺旋プレート１１に沿って流通する。このように、案内部１４に排気が当たる時点において、ミキサ１へ排気が流入する。このように、上流側直線部２１を屈曲部２３に向かって流れる排気の進行方向の延長線上においてミキサ１に排気が流入している。

ここで、図４は、本実施例に係るミキサ１を備えていない場合の排気の流れを矢印で示した図である。また、図５は、本実施例に係るミキサ１を備えている場合の排気の流れを矢印で示した図である。

ミキサ１を備えていない場合には、屈曲部２３付近の下流側直線部２２において、排気が上流側直線部２１から遠い側を主に流通する。一方、ミキサ１を備えている場合には、旋回流が発生するため、排気の偏りを抑制することができる。

ところで、旋回流が発生すると、遠心力により排気及び添加剤が下流側直線部２２の壁面側に偏るため、下流側直線部２２の中心軸付近では排気及び添加剤の濃度が低くなり得る。これに対して本実施例では、螺旋プレート１１に貫通孔１３を備えることにより、排気及び添加剤が該貫通孔１３を通過する。そして、ミキサ１よりも下流において、螺旋プレート１１に沿って流れた旋回流と、貫通孔１３を通過して下流へ向かう流れと、が混ざり合うことで、添加剤の濃度が均一になる。すなわち、貫通孔１３を排気及び添加剤が通過することにより、旋回流の中心軸側の排気及び添加剤の濃度を高めることができる。

ここで、仮に、旋回流の中心軸方向からミキサ１へ排気が流入する場合を考える。旋回流の中心軸方向から排気が流入しても、本実施例に係るミキサ１では、旋回流を発生させることができる。しかし、排気の流れてきた方向と同じ方向に貫通孔１３が設けられていると、排気が貫通孔１３を通過し易くなる。このため、添加剤が直線的に進むようになり、貫通孔１３を触媒３へ投影した箇所において添加剤の濃度が高くなる。

一方、本実施例のように、旋回流の中心軸に対して角度を持って排気がミキサ１に流入すると、螺旋プレート１１に沿って排気が流れ易くなる。すなわち、排気が貫通孔１３を通過し難くなる。そして、貫通孔１３を通過する排気は、貫通孔に対して斜め方向から該貫通孔１３に流入することで、乱れが大きくなる。これにより、広い範囲に添加剤を分散させることができるので、添加剤の濃度をより均一にすることができる。

ここで、図６は、螺旋プレート１１における空孔率と、流れの一様性との関係を示した図である。空孔率は、貫通孔１３の面積を、貫通孔１３が無いと仮定した場合の螺旋プレート１１における排気の上流側を向く面の面積で除算した値である。流れの一様性（一様度）は、触媒３の半径方向の添加剤及び排気の均一の程度を示しており、以下のように定義される。
なお、γは一様度、Ｗｉは各点の値（例えば濃度）、Φは分散指標、ｎは測定点数である。

この一様度は、１以下の値であって、１に近いほど、添加剤及び排気の濃度が均一に近いことを示している。なお、本実施例では、上記式により一様度を定義しているが、添加剤及び排気の濃度の均一の程度を表す他の値を用いることもできる。

図６に示されるように、空孔率が１２−１３％の間において、流れの一様性が０．９６
を超えており、最も高くなっている。したがって、この範囲の空孔率となるように貫通孔１３を設けることにより、添加剤及び排気の濃度が最も均一となる。ただし、添加剤及び排気の濃度が均一になったとしても、例えば、螺旋プレート１１における圧損が大きい場合には、空孔率を大きくした方が良い場合もある。そこで、本実施例では、一様性が０．９４以上であれば許容範囲内であるとして、空孔率を８−２４％の間に設定している。貫通孔１２の数は実験またはシミュレーション等により最適値を求めてもよい。また、貫通項１２は、螺旋プレート１１に均一に配置してもよいが、実験またはシミュレーションにより最適な配置を求めてもよい。

以上説明したように本実施例によれば、案内部１４により旋回流の発生がより円滑に行われる。また、貫通孔１３により添加剤の濃度をより均一にすることができる。

１ミキサ
２排気通路
３触媒
４添加弁
１１螺旋プレート
１１ａ螺旋通路
１２軸部
１３貫通孔
１４案内部
２１上流側直線部
２２下流側直線部
２３屈曲部

Claims

内燃機関の排気通路内に添加剤を供給する供給装置と、
前記供給装置よりも下流の前記排気通路に設けられる触媒と、
前記排気通路が屈曲している部位であって前記供給装置よりも下流側で且つ前記触媒よりも上流側に設けられる屈曲部と、
前記屈曲部に設けられ、前記屈曲部よりも上流側を前記屈曲部に向かって流れる排気の進行方向の延長線上において排気が流入し、前記屈曲部よりも下流側の排気通路の中心軸の周りを排気が旋回する旋回流を発生させる旋回流発生部と、
を備え、
前記旋回流発生部は、前記屈曲部よりも下流の排気通路の中心軸周りに螺旋状に形成される螺旋部を備え、前記屈曲部よりも上流の排気通路の延長線上に前記螺旋部の少なくとも一部が位置し、
前記屈曲部よりも下流側の排気通路は旋回流の回転軸方向に直線状に触媒まで延びる内燃機関の排気浄化装置。
前記螺旋部は、上流側端部において排気の流れを旋回流の回転方向に案内する案内部を備える請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記旋回流発生部は、旋回流の中心軸方向に貫通する複数の孔を備える請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記複数の孔の空孔率が８％以上且つ２４％以下である請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。