JPWO2012011148A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関の排気通路（３）に配置され、外周面と排気通路壁面との間を排気が流れるように形成された小断面触媒（８）と、前記小断面触媒（８）よりも上流の排気通路に向けて液体の燃料を噴射する燃料噴射弁（７）と、前記小断面触媒（８）より上流の排気通路に設けられ、前記燃料噴射弁（７）から噴射された燃料が衝突する位置に設けられる衝突板（１９）と、前記燃料噴射弁（７）から噴射された燃料に着火させることが可能な加熱装置（２１）と、を備え、前記小断面触媒（８）及び前記衝突板（１９）は前記排気通路内で所定方向に偏向して配置され、かつ前記燃料噴射弁（７）は前記衝突板（１９）に向けて、前記所定方向に燃料を噴射する。

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に配設される排気浄化触媒に燃料を供給するために、同触媒の上流に設けられる燃料噴射弁から液体の燃料（例えば軽油、ガソリン）を噴射する場合がある。その目的は、例えば、燃料の燃焼又は酸化による昇温、触媒に堆積したＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）の酸化除去、ＮＯｘ吸蔵還元触媒における還元、及び硫黄被毒の回復にある。そのような目的で供給される燃料を改質するために、ターゲットとする排気浄化触媒よりも上流の排気通路内に、小型の排気浄化触媒（小断面触媒）を配置して、排気浄化触媒の外周面と排気通路壁面との間を排気が流れるようにし、この小断面触媒に燃料を供給するようにした装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

排気中に噴射された燃料の分散性は、燃料の粒子を微粒化させることによって高めることができる。そこで、燃料噴射弁から噴射された噴霧が衝突する位置に衝突部材を設け、衝突部材に燃料を衝突させることによって燃料の微粒化、霧化を図る場合がある。この種の衝突部材としては、燃料の噴射方向に対向して設けられた衝突部材（例えば衝突板、拡散板等）が例示できる。

特開２００９−２０９８０４号公報 特開平２−１４９７１２号公報 特開２００９−５７９５４号公報

特許文献１に開示された装置では、小断面触媒に衝突板を固定している。小断面触媒は排気通路内で下方に偏心しており、衝突板は小断面触媒の上流側の端部の上端に固定され、この衝突板に向けて燃料噴射弁から燃料が上向きに噴射される。

しかしながら、燃料の噴射量が過度に多くなる場合には、燃料が衝突部材に付着し易くなり、衝突部材の表面への燃料の滞留が多くなる虞があった。この問題点は特許文献２及び特許文献３に開示された装置でも解決されていない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料噴射弁から噴射した燃料を排気通路に設けられる衝突部材に衝突させることによって燃料の微粒化を促進させる内燃機関の排気浄化装置において、衝突部材の表面への燃料の滞留を抑制することのできる技術を提供することである。

本発明の第１の態様は、内燃機関の排気通路に配置され、外周面と排気通路壁面との間を排気が流れるように形成された小断面触媒と、前記小断面触媒よりも上流の排気通路に向けて液体の燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記小断面触媒より上流の排気通路に設けられ、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が衝突する位置に設けられる衝突板と、前記燃料噴射弁から噴射された燃料に着火させることが可能な加熱装置と、を備え、前記小断面触媒及び前記衝突板は前記排気通路内で所定方向に偏向して配置され、かつ前記燃料噴射弁は前記衝突板に向けて、前記所定方向に燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

この態様では、排気通路内での小断面触媒の所定方向への偏向により、排気通路内に断面積の比較的大きな広大側迂回路が形成され、この広大側迂回路に排ガスの主流が形成される。他方、前記燃料噴射弁は前記衝突板に向けて、前記所定方向に燃料を噴射するので、衝突板における燃料が付着する面は、広大側迂回路に対面することになる。したがって、もし衝突板に燃料が付着したとしても、衝突板において燃料が付着する面が流速の比較的大きい主流に曝されるため、付着した燃料の衝突板の表面への滞留を抑制することができる。また、前記燃料噴射弁から噴射された燃料に着火させることが可能な加熱装置を備えたので、衝突板の表面に付着し又はその近傍に浮遊する燃料に着火させることにより、燃料の滞留を抑制でき、排ガスを高温にすることができる。

好適には、前記排気通路は湾曲部を有し、前記衝突板の少なくとも一部は前記湾曲部に配置され且つ前記湾曲部と同方向に湾曲している。排気通路及び衝突板の湾曲が前記所定方向を外側としている場合には、遠心力により排ガスの主流が衝突板に付着した燃料に向けて偏向されるため、衝突板の表面への燃料の滞留を好適に抑制できる。排気通路及び衝突板の湾曲が前記所定方向を内側としている場合には、遠心力により主流の流速が大きくなるので、衝突板の表面への燃料の滞留を好適に抑制できる。

好適には、前記衝突板は、その後端部が前記小断面触媒の前端部における前記所定方向側の端部に固定されている。この場合には衝突板に付着した燃料を小断面触媒に好適に誘導することができる。

好適には、前記衝突板は、前記加熱装置よりも下流側に通気孔を有する。この場合には、通気孔を通じた火炎の伝播により、小断面触媒の外側のうち衝突板の下流側の部分を昇温させることが可能になる。

好適には、前記所定の方向は下方である。

なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

本発明によれば、燃料噴射弁から噴射した燃料を排気通路に設けられる衝突部材に衝突させることによって燃料の微粒化を促進させる内燃機関の排気浄化装置において、衝突部材に付着する燃料の滞留を抑制することができる。

図１は第１実施形態におけるエンジンと、その吸排気系の概略構成を示した概念図である。 図２は第１実施形態におけるエンジンの排気系の部分詳細図である。 図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。 図４は第２実施形態におけるエンジンの排気系の部分詳細図である。 図５は第３実施形態におけるエンジンの排気系の部分詳細図である。 図６は第４実施形態におけるエンジンの排気系の部分詳細図である。 図７は第４実施形態における衝突板を示す平面図である。

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例示的に詳しく説明する。尚、本実施の形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜第１実施形態＞
本発明を実施するための第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態におけるエンジン１と、その吸排気系の概略構成を示した図である。図１に示すエンジン１は、車載の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

エンジン１には吸気管２および排気管３（排気通路）が接続されている。吸気管２の途中には、吸気管２内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ４が設けられている。このエアフローメータ４により、エンジン１への吸入空気量が測定される。

排気管３は図示しないマフラーに接続されており、排気管３の途中には酸化触媒６、及びＮＯｘ触媒２６が配置されている。酸化触媒６は、ＨＣ，ＣＯなどの未燃成分をＯ_２と反応させてＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ等とする触媒であり、触媒物質としては例えばＰｔ／ＣｅＯ_２、Ｍｎ／ＣｅＯ_２、Ｆｅ／ＣｅＯ_２、Ｎｉ／ＣｅＯ_２、Ｃｕ／ＣｅＯ_２等を用いることができる。ＮＯｘ触媒２６は、好ましくは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（NSR: NOx Storage Reduction）或いは選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）のいずれかからなる。ＮＯｘ触媒２６は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元成分（例えば、燃料等）が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する機能を有する。

排気管３における酸化触媒６の上流には、排気中に液体の燃料（軽油）を添加する燃料噴射弁７が設置されている。エンジン１の燃料タンク１１は燃料吸引管１２を介して、燃料ポンプ１３に接続されている。燃料ポンプ１３は機械式であり、エンジン１の図示しない出力軸（クランクシャフト）の駆動力を利用して作動する。燃料ポンプ１３は、更に燃料供給管１４を介して燃料噴射弁７に接続されている。上記構成では、燃料ポンプ１３が燃料吸入管１２を介して燃料タンク１１に貯留されている燃料を吸入し、燃料供給管１４へと吐出することで、燃料噴射弁７に燃料が供給される。

また、本実施形態では、排気管３における燃料噴射弁７と酸化触媒６との間の部分に、燃料噴射弁７から噴射された燃料を改質する小型酸化触媒８が設けられている。この小型酸化触媒８は、燃料（炭化水素：ＨＣ）を部分酸化させることによって、Ｈ２やＣＯを生成する機能を有する。小型酸化触媒８は、例えばゼオライト製の担体にロジウム等を担持させて構成することができる。本実施形態における小型酸化触媒８は本発明における小断面触媒に相当する。

図２において、小型酸化触媒８の外径は、排気管３の内径よりも小さく、小型酸化触媒８が排気管３に収容されると、小型酸化触媒８の外周面と排気管３の内周面との隙間に排気が通過することが可能になる（図３参照）。以下、小型酸化触媒８の外周面と排気管３の内周面との隙間を、「触媒迂回路」と称する。小型酸化触媒８は、個々のセルが上流から下流へと連通した所謂ストレートフロー型である。小型酸化触媒８は円筒状外枠８ａ内に配置されており、この円筒状外枠８ａは、概ね放射状に配置された複数のステー８ｂによって排気管３内に支持されている。小型酸化触媒８は、ステー８ｂを除く実質的に全周にわたって、触媒迂回路に囲まれている。

図３に示されるように、排気管３は、概ね円筒形状に形成されている。排気の流れ方向に直交する断面において、小型酸化触媒８における中心又は排気流れ方向の軸心は、排気管３の中心又は排気流れ方向の軸心よりも下方に偏向している。このため、前述した触媒迂回路は、図中上側が広く、かつ下側が狭くなっている。以下必要に応じて、前者を「広大側迂回路３ｂ」と称し、後者を「狭小側迂回路３ｃ」と称する。

燃料噴射弁７と小型酸化触媒８との間には、グロープラグ２１が設置されている。グロープラグ２１は、昇圧回路２２を経て車載直流電源２３に接続されており、通電された際に発生する熱により、燃料噴射弁７から供給された燃料に着火させることが可能である。

小型酸化触媒８の前端部には、衝突板１９が固定されている。衝突板１９は、ＳＵＳなどの耐熱性及び耐衝撃性に優れた材料から形成することができる。衝突板１９は、概ね樋状であって、図３に示されるように、その長手方向に直交する断面が概ね円弧である。衝突板１９は、その後端部において、小型酸化触媒８の前端部における下端部に固定されている。衝突板１９は、排気管３内で下向きに偏向した位置に配置されている。燃料噴射弁７は衝突板１９に向けて、下向きに燃料を噴射する。衝突板１９は、燃料が衝突することによって燃料の微粒化、霧化を促進させ、分散性、拡散性を向上させる。衝突板１９の上面に付着又は浮遊する燃料は、一部がグロープラグ２１によって着火させられ、他の主として液相の部分は小型酸化触媒８に供給されることになる。排気管３は湾曲部３ａ（図１参照）を有し、衝突板１９はその概ね前端側の半分が、湾曲部３ａ内に配置され、且つ湾曲部３ａと同方向に湾曲している。衝突板の全体が排気管の湾曲部内に配置されている場合には、衝突板の全体が排気管と同方向に湾曲していてもよい。

エンジン１には、該エンジン１の燃焼に供される燃料を気筒内に供給する筒内燃料噴射弁９が備えられている。更に、エンジン１には、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じて運転状態を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、エンジン１の制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等が一時記憶されるＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成される。

ＥＣＵ１０には、エアフローメータ４の他、エンジン１のクランク角を検出するクランクポジションセンサ１６や、アクセル開度に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ１７等が電気配線を介して接続され、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。また、ＥＣＵ１０には、燃料噴射弁７、筒内燃料噴射弁９等が電気配線を介して接続され、これらの開閉弁がＥＣＵ１０によって制御される。ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ１６の出力値に基づいて機関回転数を検出し、アクセル開度センサ１７の出力値に基づいてエンジン１のエンジン負荷を検出することができる。

本実施形態では、燃料の着火による昇温処理、小型酸化触媒８及び酸化触媒６に対する酸化処理、ＮＯｘ触媒２６に対するＮＯｘ還元処理及びＳＯｘ被毒回復処理を実施する際に、ＥＣＵ１０が燃料噴射弁７を制御して燃料を排気中に噴射させ、この燃料を小型酸化触媒８、酸化触媒６及びＮＯｘ触媒２６に供給する。供給された燃料の一部は、グロープラグ２１により着火され、他の主として液相の部分が小型酸化触媒８に供給される。燃料噴射弁７に噴射される燃料の噴射量は、前述したＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理、ＰＭ再生処理など、個々の制御毎に設定することができる。ＥＣＵ１０のＲＯＭ内には、エンジン１の運転状態に適合する目標総噴射量を算出するための目標総噴射量算出マップが、上記処理の種別（燃料の着火による昇温処理、酸化処理、ＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理、ＰＭ再生処理など）毎に記憶されている。そして、燃料噴射制御を行う場合、ＥＣＵ１０は、機関回転数、アクセル開度、吸入空気量を検出し、これらをパラメータとして目標総噴射量算出マップへとアクセスし、目標総噴射量を算出する。ＥＣＵ１０は、目標総噴射量の燃料が燃料噴射弁７から噴射されるように、その開弁時間を算出する。そして、ＥＣＵ１０は、燃料噴射弁７（詳しくは、燃料噴射弁７を開閉駆動させる駆動機構（不図示））に指令を出すことで当該燃料噴射弁７を開弁させ、算出された開弁時間が経過した時点で閉弁させる。

以上のとおり構成された本実施形態では、燃料噴射弁７は衝突板１９に向けて、下向きに燃料を噴射する。衝突板１９は、燃料が衝突することによって燃料の微粒化、霧化を促進させ、分散性、拡散性を向上させる。衝突板１９の上面に付着又は浮遊する燃料は、一部がグロープラグ２１によって着火させられ、他の主として液相の部分は小型酸化触媒８に供給される。燃料の微粒化により、燃料がより均一に分散した状態の排気を小型酸化触媒８に流入させることが可能になる。その結果、小型酸化触媒８における燃料の改質効率を向上することができる。そして、小型酸化触媒８において好適に改質された燃料が、酸化触媒６及び／又はＮＯｘ触媒２６に供給されることで、ＰＭ再生処理、ＮＯｘ還元処理、ＳＯｘ被毒回復処理などを円滑に行うことができる。

排気管３内での小型酸化触媒８の下方への偏向により、排気管３内であって小型酸化触媒８の上側に、断面積の比較的大きな広大側迂回路３ｂが形成され、この広大側迂回路３ｂに排ガスの主流Ｓ１が形成される。小型酸化触媒８の下側の狭小側迂回路３ｃには、排ガスの副流Ｓ２が形成される。他方、燃料噴射弁７は衝突板１９に向けて、下向きに燃料を噴射するので、衝突板１９における燃料が付着しうる面（すなわち上面）は、広大側迂回路３ｂに対面することになる。したがって、もし衝突板１９に燃料が付着したとしても、衝突板１９において燃料が付着する面が流速の比較的大きい主流Ｓ１に曝されるため、付着した燃料の衝突板１９の表面への滞留を抑制することができる。

また、本実施形態では、燃料噴射弁７から噴射された燃料に着火させることが可能なグロープラグ２１を備えたので、衝突板１９の表面に付着し又はその近傍に浮遊する燃料に着火させることにより、付着した燃料Ｆの衝突板１９の表面への滞留を抑制できると共に、広大側迂回路３ｂにおける火炎３０により主流Ｓ１の排ガス及び小型酸化触媒８を高温にし、ひいては小型酸化触媒８よりも下流におけるミキシングによって、小型酸化触媒８から排出される改質された燃料をも高温にすることができる。

また本実施形態では、排気管３が湾曲部３ａを有し、衝突板１９の一部が湾曲部３ａに配置され且つ湾曲部３ａと同方向に湾曲している。排気管３及び衝突板１９の湾曲が下方を外側としているため、遠心力により排ガスの主流が、衝突板１９に付着した燃料に向けて偏向される。したがって、衝突板１９の表面への燃料の滞留を好適に抑制できる。

また、衝突板１９は、その後端部が小型酸化触媒８の前端部における下側の端部に固定されているので、衝突板１９に付着した燃料を小型酸化触媒８に好適に誘導することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４に示される第２実施形態は、ストレートな排気管５３に本発明を適用した変形例である。小型酸化触媒８に固定された衝突板５９は排気管５３と平行であり、且つ湾曲していない。残余の構成は上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してその詳細の説明を省略する。

第２実施形態では、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図５に示される第３実施形態は、第１実施形態とは逆に、小型酸化触媒８の偏向の方向を内側として湾曲している排気管６３に、本発明を適用した変形例である。小型酸化触媒８に固定された衝突板６９は排気管６３と平行であり、且つ排気管６３と同様に、小型酸化触媒８の偏向の方向（図中下側）を内側として湾曲している。残余の構成は上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してその詳細の説明を省略する。

第３実施形態では、上記第１実施形態と同様の効果が得られ、さらに、遠心力により主流Ｓ１の流速が大きくなるので、衝突板６９の表面への燃料Ｆの滞留を好適に抑制できる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図６に示される第４実施形態は、衝突板７９にスリット７９ａ（通気孔）を設けた変形例である。衝突板７９は、グロープラグ２１よりも下流側に横方向のスリット７９ａを有する。図７に示されるように、スリット７９ａは衝突板７９の後端部の近傍に延在している。残余の構成は上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してその詳細の説明を省略する。

第４実施形態では、スリット７９ａを設けたので、副流Ｓ２の分流比を高めることができる。また、スリット７９ａを通じた火炎３０の伝播により、小型酸化触媒８の外側のうち衝突板７９の下流側の部分を昇温させることが可能になる。なお、衝突板に設ける通気孔の位置、形状及び数は、望ましい副流Ｓ２の流速及び流量、並びに下方からの加熱の望ましい熱量に応じて適宜に選択することができ、例えば複数の丸孔であってもよい。通気孔の位置は、燃料噴射弁７からの燃料が衝突する位置よりも下流側が望ましく、さらに、グロープラグ２１よりも下流側であることが望ましい。

本発明の実施態様は上述の各態様のみに限らず、本発明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例を含む。したがって本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。例えば、小断面触媒及び衝突板の偏向方向は下方でなく、側方や上方であってもよい。

また、燃料噴射弁７から噴射された燃料を微粒化させる機能、および当該燃料を小型酸化触媒８へと誘導する機能を有する範囲で、衝突板の配置方法や形状を適宜変更することができる。衝突板は小型酸化触媒８の前端部から離れて配置されて、衝突板と小型酸化触媒８との間に排ガスが流通できるようにしてもよい。また、衝突板１９の代わりにパンチングメタル等を配置し、これに燃料を衝突させて微粒化を促進させてもよい。衝突板の縦断面が弧状でなく直状であってもよい。また小型酸化触媒（小断面触媒）及び排気管のうち少なくとも一方は、断面が楕円形や長円形など、非円形であってもよい。小型酸化触媒８よりも下流側に存在する他の触媒装置の種類や順序も任意である。

３ 排気管
３ａ 湾曲部
６ 酸化触媒
７ 燃料供給弁
８ 小型酸化触媒
１９ 衝突板
２１ グロープラグ
２６ ＮＯｘ触媒
３０ 火炎
Ｓ１ 主流
Ｓ２ 副流

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配置され、外周面と排気通路壁面との間を排気が流れるように形成された小断面触媒と、
   前記小断面触媒よりも上流の排気通路に向けて液体の燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記小断面触媒より上流の排気通路に設けられ、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が衝突する位置に設けられる衝突板と、
   前記燃料噴射弁から噴射された燃料に着火させることが可能な加熱装置と、を備え、
   前記小断面触媒及び前記衝突板は前記排気通路内で所定方向に偏向して配置され、かつ前記燃料噴射弁は前記衝突板に向けて、前記所定方向に燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記排気通路は湾曲部を有し、
   前記衝突板の少なくとも一部は、前記湾曲部に配置され且つ前記湾曲部と同方向に湾曲していることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記衝突板はその後端部が前記小断面触媒の前端部における前記所定方向側の端部に固定されていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記衝突板は、前記加熱装置よりも下流側に通気孔を有することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
5. 請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記所定の方向は下方であることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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