JP7056605B2 - 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。

特開２００８－１２８０４６号公報には、ターボチャージャと排気浄化触媒の間に添加弁を備える内燃機関の排気浄化装置が開示されている。排気浄化触媒は、添加弁からの液体（軽油）を利用して排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する。添加弁は、排気の流れ方向に対向し、かつ、ターボチャージャの排出口に向けて添加液を添加する。この排出口付近では、排気の流れが旋回流となっている。そのため、上記添加態様によれば、添加弁からの液体と排気の混合を促進して排気浄化触媒でのＮＯｘの還元率を高めることができる。

特開２００８－１２８０４６号公報 特開２０１５－０１０５０８号公報

添加弁からの液体が衝突可能な位置に排気管部材を設けることを考える。このような排気管部材によれば、衝突に伴って液体を微粒化させて排気中に分散させることができる。したがって、添加弁からの液体と排気の混合を促進することができる。つまり、このような排気管部材によれば、ターボチャージャの排出口に向けた添加の有無に関係なく、添加弁からの液体と排気の混合を促進することができる。

ただし、添加弁よりも上流側に排気管部材を設けた場合、排気管部材に衝突させた液体が排気によって下流側に押し流される。そのため、排気中に分散させた液体が、添加弁に付着する可能性がある。付着した液体が固化すると、デポジットとして添加弁に堆積する。そうすると、添加弁の添加動作に影響を及ぼすおそれがある。

本発明は、上述した課題の少なくとも１つに鑑みてなされたものであり、排気の流れ方向に対向して液体を添加する添加弁と、添加弁からの液体が衝突可能な位置に設けられた排気管部材と、を備える排気浄化装置において、排気管部材に衝突させた液体が添加弁に付着するのを抑えることを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するための内燃機関の排気浄化装置であり、次の特徴を有する。
前記排気浄化装置は、排気管と、排気浄化触媒と、筒状部材と、添加弁と、排気管部材と、を備えている。
前記排気管は、壁面に開口部を有している。
前記排気浄化触媒は、前記排気管の排気流れ方向の下流側に設けられている。
前記筒状部材は、前記排気管の外壁面に取り付けられている。前記筒状部材は、前記開口部の外周を覆う。
前記添加弁は、前記筒状部材に設けられている。前記添加弁は、前記開口部よりも外側から、前記排気流れ方向と対抗する方向に液体を添加する。
前記排気管部材は、前記排気管の内壁面に設けられている。前記排気管部材は、衝突面を有する。前記衝突面には、前記添加弁からの液体が衝突する。
前記衝突面は、前記排気流れ方向の下流側から上流側に向かうほど前記筒状部材から離れるように傾斜する。
前記筒状部材の中心軸を通り、かつ、前記添加弁からの液体の添加方向と平行な断面において、前記筒状部材の取り付け位置よりも前記排気流れ方向の上流側に位置する前記排気管の内壁面が、前記取り付け位置に近い箇所では前記開口部の径方向に延び、前記取り付け位置から離れた箇所では前記筒状部材から離れる方向に屈曲する。

本発明によれば、衝突面が上述したように傾斜しており、また、排気管の内壁面が上述したような断面形状を有しているので、開口部の上流側における液体の流れを制御して排気管から筒状部材への液体の流入を抑えることが可能となる。したがって、液体が添加弁に付着するのを抑えることが可能となる。

実施の形態１および２に係る排気浄化装置の構成を説明する図である。 実施の形態１に係る排気浄化装置の曲り部周辺の構成を説明する図である。 実施の形態１に係る排気浄化装置の曲り部周辺の構成を説明する図である。 実施の形態１に係る排気浄化装置の曲り部周辺の構成を説明する図である。 衝突面の好ましい傾斜例を説明する図である。 実施の形態１において、添加弁から添加された液体の流れを説明する図である。 第１比較例としての排気浄化装置において、添加弁から添加された液体の流れを説明する図である。 第２比較例としての排気浄化装置において、添加弁から添加された液体の流れを説明する図である。 実施の形態２に係る排気浄化装置の曲り部周辺の構成を説明する図である。 実施の形態２において、添加弁から添加された液体の流れを説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．実施の形態１
先ず、図１乃至８を参照しながら、本発明の実施の形態１について説明する。

１．１ 排気浄化装置の構成
（１） 装置全体の構成
図１は、本発明の実施の形態１に係る排気浄化装置の構成を説明する図である。図１に示す排気浄化装置１は、ツインターボ型のディーゼルエンジン（図示しない）からの排気を浄化するための装置である。図１に示す排気管１０は、プライマリターボ（図示しない）に接続されており、排気管１２はセカンダリターボ（図示しない）に接続されている。排気管１０と排気管１２は下流側で合流している。なお、本明細書における「上流側」および「下流側」は、排気流れ方向を基準とする。この「排気流れ方向」は、典型的には、排気管１０や排気管１２の中心軸の延在方向と平行となる。

排気管１０と排気管１２の合流部よりも下流側には、排気浄化触媒１４が配置されている。排気浄化触媒１４は、例えば、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＮＯｘ吸着還元触媒などから構成される。ＤＯＣは、排気に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）や一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して、水（Ｈ_２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）や二酸化窒素（ＮＯ_２）に変換する。ＤＰＦは、排気に含まれる微粒子を捕集する。ＮＯｘ吸着還元触媒は、酸化雰囲気においてＮＯｘを吸蔵し、ＨＣを含む還元雰囲気においてＮＯｘを放出して窒素（Ｎ_２）に還元する。

別の例として、排気浄化触媒１４は、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒から構成される。尿素ＳＣＲ触媒は、アンモニア（ＮＨ_３）を含む還元雰囲気においてＮＯｘをＮ_２に還元する。

（２） 排気管の構成
排気管１０および排気管１２は、その途中で大きく屈曲している。図２乃至４は、排気管１０の曲り部１６周辺の構成を説明する図である。図２は、図１に示すＸ－Ｚ平面と平行な平面で排気管１０を切断したときの断面図に相当する。図３は、図１に示すＹ－Ｚ平面と平行な平面で排気管１０を切断したときの断面図に相当する。図４は、図１に示すＸ－Ｙ平面と平行な平面で排気管１０を切断したときの断面図に相当する。なお、図１においては、上下方向をＺ軸方向とし、排気浄化触媒１４の配置方向をＹ軸方向とする。

図２および３に示すように、曲り部１６の壁面には開口部２０が形成されている。曲り部１６の外壁面には、筒状部材１８が取り付けられている。筒状部材１８の内壁面は、開口部２０の外周を覆う。図２には、筒状部材１８の上流側における取り付け位置２４と、下流側における取り付け位置２６と、が示されている。取り付け位置２４および２６を通る線Ｌ１は、Ｘ軸に対して傾斜している。

また、取り付け位置２４の上流側において、曲り部１６の内壁面は、取り付け位置２４に近い箇所では線Ｌ１と平行な方向（つまり、開口部２０の径方向）に延び、取り付け位置２４から離れた箇所ではＺ軸方向に屈曲している。これは、曲り部１６の形状によるものである。

（３） 添加弁の構成
添加弁２２は、開口部２０よりも外側から排気管１０の内側に向けて液体（例えば、軽油、尿素水、アンモニア水など）を添加する。添加弁２２からの液体の添加方向は、下流側から上流側に向かう方向である。つまり、液体の添加方向は、排気流れ方向に対向している。

（４） 排気管部材の構成
曲り部１６には、排気管部材３０が設けられている。排気管部材３０は、添加弁２２からの液体を微粒化して排気中に分散させる。排気管部材３０は、衝突面３２と、縦規制面３４と、横規制面３６と、支持面３８と、を備えている。

衝突面３２は、添加弁２２からの液体の衝突を受ける面である。図２乃至４に示すように、衝突面３２は、曲り部１６の内部に位置している。衝突面３２の延在方向は、Ｘ軸方向と略平行である。ここでいう「略平行」とは、２直線がなす角度が０°でなくてもよいことを意味している。略平行とは、例えば、２直線がなす角度が０±３０°である状態をいう。

また、衝突面３２は、Ｚ軸に対して傾斜している。具体的に、衝突面３２は、上流側に向かうほど筒状部材１８から離れるように傾斜している。図５は、衝突面３２の好ましい傾斜例を説明する図である。図５に示す角度θは、衝突面３２の最も上流側における液体の反射角を表している。衝突面３２は、例えば、この角度θを調整することで設計される。衝突面３２は、例えば、衝突時に発生する液膜がここから垂れることのない範囲内で、この角度θが最も小さくなるように設計される。

添加弁２２から添加された液体は、衝突面３２に衝突することで微粒化し、周囲に拡散する。衝突面３２に衝突した後の液体は、排気によって押し流されて下流側に向かう（詳細は後述）。縦規制面３４は、衝突面３２に衝突した後の液体のＺ軸方向における流れを規制する面である。縦規制面３４の上流側は、曲り部１６の内部に位置している。縦規制面３４は、Ｘ軸方向と略平行に延びている。

横規制面３６は、衝突面３２に衝突した後の液体のＹ軸方向における流れを規制する面である。横規制面３６は、縦規制面３４同様、Ｘ軸方向と略平行に延びている。横規制面３６と縦規制面３４は、略垂直に繋がっている。ここでいう「略垂直」とは、２直線のなす角度が９０°でなくてもよいことを意味している。略垂直とは、例えば、２直線がなす角度が９０±３０°である状態をいう。

支持面３８は、排気管部材３０を曲り部１６の内壁面に支持する面である。支持面３８、縦規制面３４同様、Ｘ軸方向と略平行に延びている。支持面３８は、曲り部１６の内壁面に繋がっている。支持面３８は、横規制面３６の下流側の一部とも繋がっている。

１．２ 添加液体の流れ
図６は、添加弁２２から添加された液体の流れを説明する図である。図２同様、図６は、図１に示すＸ－Ｚ平面と平行な平面で排気管１０を切断したときの断面図に相当する。図６は、筒状部材１８の中心軸を通り、かつ、添加弁２２からの液体の添加方向と平行な面で排気管１０を切断したときの断面図にも相当する。

図６に矢印で示すように、添加弁２２からの液体は、衝突面３２で反射して上流側に向かう。ただし、排気管１０には排気が流れていることから、衝突面３２で反射した液体は、排気によって押し流されて下流側に向かう。このとき、進行方向を反転させた液体の一部は、縦規制面３４に沿って流れる。進行方向を反転させた液体のまた別の一部は、取り付け位置２４の近くを流れる。取り付け位置２４の近くを流れる液体は、曲り部１６の内壁面の形状を利用して、線Ｌ１と平行な方向に進む。

１．３ 排気浄化装置による効果
図７は、排気浄化装置１の第１比較例としての排気浄化装置２において、添加弁２２から添加された液体の流れを説明する図である。図６同様、図７は、筒状部材１８の中心軸を通り、かつ、添加弁２２からの液体の添加方向と平行な面で排気管１０を切断したときの断面図に相当する。

図７に示す排気浄化装置２と、図６等に示した排気浄化装置１の違いは、排気管部材の形状にある。具体的に、排気浄化装置２の曲り部１６の内部には、排気管部材４０が設けられている。排気管部材４０は、衝突面４２と、横規制面４４と、支持面４６と、を備えている。衝突面４２の機能は、衝突面３２および縦規制面３４の機能を兼ねている。横規制面４４の機能は、横規制面３６のそれと同じである。支持面４６の機能は、支持面３８のそれと同じである。

図７に示すように、衝突面４２の延在方向は、Ｘ軸方向と平行である。そのため、衝突面４２での液体の反射角が衝突面３２でのそれに比べて大きくなる。そうすると、反射後における液体の上流側への移動距離が相対的に短くなるので、進行方向を反転させた液体が開口部２０を介して筒状部材１８に流入し易く、添加弁２２に付着する液体の量が多くなり易い。

図８は、排気浄化装置１の第２比較例としての排気浄化装置３において、添加弁２２から添加された液体の流れを説明する図である。図６同様、図８は、筒状部材１８の中心軸を通り、かつ、添加弁２２からの液体の添加方向と平行な面で排気管１０を切断したときの断面図に相当する。

図８に示す排気浄化装置３と、図６等に示した排気浄化装置１の違いは、取り付け位置２４の上流側における曲り部１６の形状にある。具体的に、排気浄化装置３では、曲り部１６の内壁面が取り付け位置２４の箇所からＺ軸方向に屈曲している。このような形状の場合、取り付け位置２４の上流側の曲り部１６の内壁面に沿って流れる液体の一部が、開口部２０を介して筒状部材１８の内部に流入し易くなる。

この点、排気浄化装置１によれば、衝突面３２が上述したように傾斜しており、また、取り付け位置２４の上流側における曲り部１６の内壁面が上述したような断面形状を有している。そのため、開口部２０の上流側における液体の流れを制御して、排気管１０から筒状部材１８への液体の流入を抑えることが可能となる。したがって、液体が添加弁２２に付着するのを抑えることが可能となる。

また、排気浄化装置１では、衝突面３２が上述したように傾斜しているので、反射後における液体の上流側への移動距離を相対的に長くすることも可能となる。したがって、排気と液体の混合時間を確保して液体を排気中に十分に拡散させることが可能となる。したがって、進行方向を反転させた液体の一部が筒状部材１８に流入した場合であっても、この流入量を減らして、添加弁２２に付着する液体の量を少なくすることができる。

２．実施の形態２
次に、図９および１０を参照しながら、本発明の実施の形態２について説明する。以下において、上記実施の形態１と重複する説明については適宜省略する。

２．１ 排気管の構成
図９は、本発明の実施の形態２に係る排気浄化装置４の曲り部１６周辺の構成を説明する図である。図９は、図２同様、図１に示すＸ－Ｚ平面と平行な平面で排気管１０を切断したときの断面図に相当する。図９は、筒状部材１８の中心軸を通り、かつ、添加弁２２からの液体の添加方向と平行な面で排気管１０を切断したときの断面図にも相当する。

図９に示すように、曲り部１６には開口部５０が形成されている。筒状部材５２は、曲り部１６の外壁面に取り付けられて開口部５０を覆う。筒状部材５２の上流側における取り付け位置５４は、図２で説明した取り付け位置２４と同じ位置である。一方、筒状部材５２の下流側における取り付け位置５６は、図２で説明した取り付け位置２６よりも下流側に位置している。この理由は、筒状部材５２の内壁面が取り付け位置５６に近い箇所において湾曲しているためである。

図２等で説明した線Ｌ１同様、取り付け位置５４および５６を通る線Ｌ２は、Ｘ軸に対して傾斜している。取り付け位置５４の上流側において、曲り部１６の内壁面は、取り付け位置５４に近い箇所では線Ｌ２と平行な方向に延び、取り付け位置５４から離れた箇所ではＺ軸方向に屈曲している。

また、取り付け位置５４に近い曲り部１６の内壁面には、壁部材５８が設けられている。壁部材５８は、この内壁面に溶接により取り付けられる板状部材であり、開口部５０の上流側の一部を塞いでいる。

２．２ 添加液体の流れ
図１０は、添加弁２２から添加された液体の流れを説明する図である。図９同様、図１０は、筒状部材１８の中心軸を通り、かつ、添加弁２２からの液体の添加方向と平行な面で排気管１０を切断したときの断面図に相当する。

図１０に矢印で示すように、添加弁２２からの液体は、衝突面３２で反射して上流側に向かう。衝突面３２で反射した液体は、排気によって押し流されて下流側に向かう。このとき、進行方向を反転させた液体の一部は、縦規制面３４に沿って流れる。進行方向を反転させた液体のまた別の一部は、取り付け位置５４の近くを流れる。取り付け位置５４の近くを流れる液体は、曲り部１６の内壁面の形状および壁部材５８を利用して、線Ｌ２と平行な方向に進む。

２．３ 排気浄化装置による効果
排気浄化装置４によれば、上記実施の形態１に係る排気浄化装置１による効果に加え、次の効果を得ることができる。すなわち、排気浄化装置４は、壁部材５８を有しているので、開口部５０の上流側における液体の流れを制御して、排気管１０から筒状部材１８への液体の流入をより一層抑えることが可能となる。したがって、液体が添加弁２２に付着するのをより一層抑えることが可能となる。

また、排気浄化装置４によれば、筒状部材５２の内壁面が取り付け位置５６に近い箇所において湾曲している。そのため、進行方向を反転させた液体の一部が筒状部材１８に流入した場合であっても、取り付け位置５６の形状を利用して曲り部１６に戻り易くすることができる。したがって、添加弁２２に付着する液体の量を少なくすることができる。

３．その他の実施の形態
上記実施の形態１または２に係る排気浄化装置は、次のように変形することもできる。

上記排気浄化装置１および４は、ツインターボ型のディーゼルエンジンを前提とした。しかし、シングルターボ型のディーゼルエンジンを前提としてもよいし、自然吸気型のディーゼルエンジンを前提としてもよい。更には、ガソリンエンジンを前提としてもよい。なお、ガソリンエンジンを前提とする場合は、エンジンの仕様に応じて排気浄化触媒の構成を適宜変更することが望ましい。

上記排気浄化装置１および４では、排気管部材３０が曲り部１６の内壁面に設置された。しかし、曲り部１６よりも上流側の排気管１０の内壁面に、排気管部材３０が設置されてもよい。

１、４ 排気浄化装置
１０、１２ 排気管
１４ 排気浄化触媒
１６ 曲り部
１８、５２ 筒状部材
２０、５０ 開口部
２２ 添加弁
２４、２６、５４、５６ 取り付け位置
３０ 排気管部材
３２ 衝突面
３４ 縦規制面
３６ 横規制面
３８ 支持面

Claims (1)

1. 壁面に開口部を有する排気管と、
   前記排気管の排気流れ方向の下流側に設けられる排気浄化触媒と、
   前記排気管の外壁面に取り付けられ、前記開口部の外周を覆う筒状部材と、
   前記筒状部材に設けられ、前記開口部よりも外側から、前記排気流れ方向と対向する方向に液体を添加する添加弁と、
   前記排気管の内壁面に設けられ、前記添加弁からの液体が衝突する衝突面を有する排気管部材と、
   を備え、
   前記衝突面は、前記排気流れ方向の下流側から上流側に向かうほど前記筒状部材から離れるように傾斜し、
   前記筒状部材の中心軸を通り、かつ、前記添加弁からの液体の添加方向と平行な断面において、前記筒状部材の取り付け位置よりも前記排気流れ方向の上流側に位置する前記排気管の内壁面が、前記取り付け位置に近い箇所では前記開口部の径方向に延び、前記取り付け位置から離れた箇所では前記筒状部材から離れる方向に屈曲する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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