JP2006329019A - ディーゼルエンジンの排気管 - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクタから噴射された液体還元剤を排ガスに有効に混合する。
【解決手段】排気管１６ａは、ディーゼルエンジンの排ガスを流通可能に少なくとも一部が湾曲して形成されエンジンの排気経路を構成する管本体３１と、管本体３１の湾曲した外側に形成され排気経路下流側に向かって液体還元剤２１ｂを噴射するようにインジェクタ２１ａを取付けるインジェクタ取付部３２とを備える。インジェクタ２１ａの噴射口に一端が臨み他端が排気経路の横断面中央に開口しインジェクタ２１ａが噴射した液体還元剤２１ｂを排気経路の横断面中央の下流側に案内する真直ぐな案内管３４が管本体３１に設けられる。管本体３１とインジェクタ取付部３２と案内管３４が鋳造により一体的に形成される。案内管３４の他端は管本体３１の下流側端縁から突出することが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排気経路下流側に向かって液体還元剤を噴射するインジェクタを取付け可能な排気管に関するものである。

従来、ディーゼルエンジンにおいて生じるＮＯｘ（窒素酸化物）が大気に放出されることを防止するために、エンジンの排気経路にはエンジンで生じたＮＯｘを除去するＮＯｘ触媒が備えられる。代表的なＮＯｘ触媒としては、ＮＯｘ吸蔵還元触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒が知られている。
ここで、吸蔵型ＮＯｘ触媒は、排ガス中の酸素濃度が高い条件下ではＮＯｘを吸収し、排ガス中の酸素濃度が低い条件下ではＮＯｘを放出する特性を有する。ちなみに排ガス中に放出されたＮＯｘは、排ガス中に炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の還元成分が存在していれば、それら還元成分と速やかに反応して窒素（Ｎ₂）に還元される。また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、所定の限界量のＮＯｘを吸収し、その状態を保持（吸蔵）している場合、排ガス中の酸素濃度が高い条件下にあってもそれ以上ＮＯｘを吸収しなくなる。そこで、このようなＮＯｘ吸蔵還元触媒を排気経路に備えたディーゼルエンジンでは、同触媒のＮＯｘ吸蔵量が限界量に達する前に、排気経路内に還元剤を添加して同触媒に吸蔵されているＮＯｘを放出および還元浄化し、同触媒のＮＯｘ吸収能力を回復させるといった制御を所定のインターバルで繰り返すのが一般的である。

一方、選択還元型ＮＯｘ触媒は、排ガス中の酸素濃度が高く且つ、炭化水素（ＨＣ）等の還元成分が存在する条件下で、排ガス中に存在するこれら還元成分とＮＯｘとを互いに反応させ、窒素（Ｎ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）の形態に浄化する特性を有する。このため、このような選択還元型ＮＯｘ触媒を排気経路に備えたディーゼルエンジンでは、そのエンジンの運転中の排気経路内への還元剤の添加を継続的に行い、排ガス中に存在するＮＯｘを浄化するのが一般的である。
従って、ＮＯｘ触媒を採用して排ガス中のＮＯｘの還元浄化を図るディーゼルエンジンでは、上記ＮＯｘ吸蔵還元触媒、或いは選択還元型ＮＯｘ触媒の何れを採用する場合であれ、所望量の還元剤を所望のタイミングで排気経路のＮＯｘ触媒上流に供給する必要がある。

このため、このようなＮＯｘ触媒を備えるディーゼルエンジンに用いる排気管として、図4に示すように排気経路下流側に向かって液体還元剤を噴射するインジェクタを取付け可能に構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この図４に示す排気管１は、ディーゼルエンジンの排ガスを流通可能に少なくとも一部が湾曲して形成されエンジンの排気経路を構成する管本体２と、その管本体２の湾曲した外側に形成され排気経路下流側に向かって液体還元剤６を噴射するようにインジェクタ３を取付けるインジェクタ取付部４とを備える。そして、このようにインジェクタ３を取付ける排気管１にあっては、そのインジェクタ３が高温の排ガスに晒されることによる焼損や液体還元剤の流路内での焼付きを確実に回避し得るようにするため、そのインジェクタ３の周囲に略同心状に筒形のウォータジャケット４ａを形成し、そのウォータジャケット４ａに冷却水を流通させてその焼損や液体還元剤の焼付きを回避するようにしている。
特開２００３−１８４５５１号公報（特許請求の範囲、図１）

しかし、上記従来の排気管１では、その焼損や液体還元剤の焼付きを回避することができたとしても、インジェクタ３から噴射された液体還元剤を排ガスに有効に混合することができないという未だ解決すべき課題が残存していた。即ち、上記従来の排気管１では、インジェクタ取付部４に取付けられたインジェクタ３により液体還元剤を下流側の断面経路の中央に向けて噴射しても、管本体２の中を上流側から下流側に向かって実線で示すように流れる排ガスの圧力により、その噴射した液体還元剤６は一点鎖線で示す矢印のように湾曲して外側方向に押しやられ、その管本体２の湾曲した部分における内壁の外側に付着してしまい、その噴射された液体還元剤６の全てが排ガスに混合されないという未だ解決すべき課題が残存していた。
本発明の目的は、インジェクタから噴射された液体還元剤を排ガスに有効に混合し得るディーゼルエンジンの排気管を提供することにある。

請求項１に係る発明は、図１及び図３に示すように、ディーゼルエンジン１１の排ガスを流通可能に少なくとも一部が湾曲して形成されエンジン１１の排気経路を構成する管本体３１と、管本体３１の湾曲した外側に形成され排気経路下流側に向かって液体還元剤２１ｂを噴射するようにインジェクタ２１ａを取付けるインジェクタ取付部３２とを備えた排気管の改良である。
その特徴ある構成は、図１に詳しく示すように、インジェクタ２１ａの噴射口に一端が臨み他端が排気経路の横断面中央に開口しインジェクタ２１ａが噴射した液体還元剤２１ｂを排気経路の横断面中央の下流側に案内する真直ぐな案内管３４が管本体３１に設けられたところにある。
この請求項1に記載されたディーゼルエンジンの排気管では、インジェクタ２１ａが噴射した液体還元剤２１ｂを案内管３４が排気経路の横断面中央の下流側に案内するので、管本体３１中を上流側から下流具泡に向かって流れる排ガスによりその噴射した液体還元剤が湾曲した外側方向に押しやられるようなことはなく、その噴射した液体還元剤が管本体３１の湾曲した部分における内壁の外側に付着するような事態を有効に回避することができ、この結果インジェクタ２１ａから噴射された液体還元剤の全てを排ガスに有効に混合することができる。

請求項２に係る発明は、請求項1に係る発明であって、案内管３４の内径をｄ、案内管３４の長さをＬ、インジェクタ２１ａが噴射する液体還元剤２１ｂの拡がり角をθとするとき、以下の（１）式を満たすことを特徴とする。
ｄ≧ｔａｎ（θ／２）×Ｌ ………（１）
この請求項２に記載されたディーゼルエンジンの排気管では、インジェクタ２１ａが噴射する液体還元剤がその案内管３４の内壁に付着することを回避して排ガスに有効に混合させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、管本体３１の下流側端部が湾曲して形成され、インジェクタ取付部３２が管本体３１の下流側端部における湾曲した外側に形成され、案内管３４の他端が管本体３１の下流側端縁から突出するように形成されたことを特徴とする。
この請求項３に記載されたディーゼルエンジンの排気管では、インジェクタ２１ａが噴射した液体還元剤２１ｂを案内管３４が管本体３１の下流側端縁における横断面中央を越えて案内するので、管本体３１の下流側端縁に連続して設けられるその後の排気管に、排ガスとともにその液体還元剤２１ｂを案内することができ、その噴射した液体還元剤が管本体３１における内壁に付着するような事態を確実に回避して、インジェクタ２１ａから噴射された液体還元剤の全てを排ガスに有効に混合することができる。

本発明のディーゼルエンジンの排気管では、インジェクタの噴射口に一端が臨み他端が排気経路の横断面中央に開口しインジェクタが噴射した液体還元剤を排気経路の横断面中央の下流側に案内する真直ぐな案内管を管本体に設けたので、インジェクタが噴射した液体還元剤を案内管が排気経路の横断面中央の下流側に案内し、管本体中を上流側から下流具泡に向かって流れる排ガスによりその噴射した液体還元剤が湾曲した外側方向に押しやられるようなことを防止することができる。この結果、インジェクタから噴射された液体還元剤が管本体の湾曲した部分における内壁の外側に付着するような事態を回避することができ、噴射された液体還元剤の全てを排ガスに有効に混合することができる。

この場合、案内管の内径をｄ、案内管の長さをＬ、インジェクタが噴射する液体還元剤の拡がり角をθとするとき、その内径ｄが｛ｔａｎ（θ／２）×Ｌ｝と等しいか或いはそれ以上であれば、インジェクタが噴射する液体還元剤がその案内管の内壁に付着することを回避して排ガスに有効に混合させることができる。更に、案内管の他端が管本体の下流側端縁から突出するように形成すれば、インジェクタが噴射した液体還元剤を管本体の下流側端縁における横断面中央を越えて案内することができ、インジェクタから噴射された液体還元剤の全てを排ガスに有効に混合することができる。

次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図３に示すように、ディーゼルエンジン１１の吸気ポートには吸気マニホルド１２を介して吸気管１３が接続され、排ガスポートには排ガスマニホルド１５を介して排気管１６が接続される。吸気管１３には、ターボ過給機１４のコンプレッサケース１４ａと、ターボ過給機１４により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ１７とがそれぞれ設けられ、排ガスマニホルド１５に近い排気管１６にはターボ過給機１４のタービンケース１４ｂが設けられる。図示しないがコンプレッサケース１４ａ内にはコンプレッサホイールが回転可能に設けられ、タービンケース１４ｂにはタービンホイールが回転可能に設けられ、これらのホイールはシャフトにより連結される。エンジン１１から排出される排ガスのエネルギによりタービンホイール及びシャフトを介してコンプレッサホイールが回転し、このコンプレッサホイールの回転により吸気管１３内の吸入空気が圧縮されるように構成される。

タービンケース１４ｂより排ガス下流側の排気管１６は、上流側排気管１６ａと下流側排気管１６ｂとにより構成され、下流側排気管１６ｂにはＮＯｘ吸蔵還元触媒１８が設けられる。この実施の形態におけるＮＯｘ吸蔵還元触媒１８は、下流側排気管１６ｂの直径より大径の筒状のコンバータ１９に収容されてその下流側排気管１６ｂに設けられる。一方、上流側排気管１６ａには、液体還元剤供給手段２１のインジェクタ２１ａが設けられる。液体還元剤供給手段２１は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１８に向って還元剤である炭化水素系液体２１ｂを噴射する上記インジェクタ２１ａと、炭化水素系液体２１ｂを貯留する液体タンク２１ｃと、液体タンク２１ｃ及びインジェクタ２１ａを連通接続する液体供給管２１ｄと、この液体供給管２１ｄに設けられインジェクタ２１ａへの炭化水素系液体２１ｂの流量を調整する液体調整弁２１ｅと、液体調整弁２１ｅ及び液体タンク２１ｃ間の液体供給管２１ｄに設けられ液体タンク２１ｃ内の炭化水素系液体２１ｂをインジェクタ２１ａに圧送する液体ポンプ２１ｆとを有する。この実施の形態における上記炭化水素系液体２１ｂとしては、ディーゼルエンジン１１の燃料である軽油が用いられる。

液体調整弁２１ｅ及び液体ポンプ２１ｆには、マイクロコンピュータからなるコントローラ２６の制御出力がそれぞれ接続される。コントローラ２６にはメモリ２７が設けられ、このメモリ２７には、排ガス温度、エンジン回転及びエンジン負荷に応じた液体調整弁２１ｅの開度と液体ポンプ２１ｆの作動又は不作動が予めマップとして記憶される。そして、コントローラ２６はエンジン１１の運転状況からメモリ２７に記憶された条件に従って液体調整弁２１ｅ及び液体ポンプ２１ｆを制御し、その運転状況に応じて所定の時期に最適な量の炭化水素系液体２１ｂをインジェクタ２１ａから噴射するように構成される。そして、インジェクタ２１ａから炭化水素系液体２１ｂが噴射されると、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１８入口の排ガス中の炭化水素濃度が増加し、排ガスの空気過剰率が低下するとともに、ＨＣ，ＣＯ又はＨ₂が還元剤として増加する。これにより、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１８に吸蔵されたＮＯｘが上記ＨＣ等と反応しＮ₂，ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏとなって触媒から放出される。これにより、大気に排出される排ガス中のＮＯｘを効率良く低減できるようになっている。

図１及び図２に示すように、インジェクタ２１ａが取付けられる上流側排気管１６ａは、ディーゼルエンジン１１の排ガスを流通可能に少なくとも一部が湾曲して形成されエンジン１１の排気経路を構成する管本体３１と、管本体３１の湾曲した外側に形成されたインジェクタ取付部３２とを備える。この実施の形態における管本体３１はその下流側端部が湾曲して形成され、インジェクタ取付部３２はそのような管本体３１の下流側端部における湾曲した外側に形成される。図２に詳しく示すように、管本体３１の下流側端部には、その下流側端縁を下流側排気管１６ｂの上流側端縁と接続するためのフランジ３３がその周囲に形成され、そのフランジ３３の四隅にはねじ孔３３ａが形成される。このフランジ３３を下流側排気管１６ｂの上流側端縁に形成された図示しないフランジに当接させ、その状態でねじ孔３３ａを用いてねじ手段によりこの上流側排気管１６ａの下流側端縁を下流側排気管１６ｂの上流側端縁に接続できるように構成される。

図１に詳しく示すように、管本体３１の湾曲した外側に形成されたインジェクタ取付部３２には、インジェクタ２１ａが液体還元剤を排気経路下流側に向かって噴射可能に取付けられる。そのインジェクタ取付部３２の内部には、そのインジェクタ２１ａと同心円筒状を成すウォータジャケット３２ａが穿設される。ここで、このインジェクタ２１ａは、排気管の内部を流れる排ガスの圧力に抗して還元剤を噴射可能なものであって、例えば、ガソリンエンジン１１の気筒内噴射に用いられているインジェクタ２１ａをそのまま流用することも可能である。また、図示しないが、インジェクタ取付部３２にはウォータジャケット３２ａに連通する給水口と排水口が設けられ、給水口に対しディーゼルエンジン１１の冷却水を供給し且つ排水口から抜き出した冷却水をラジエータへ戻すように接続される。そして、インジェクタ２１ａの周囲におけるウォータジャケット３２ａに冷却水を流通させることによりインジェクタ２１ａを常に冷却することが可能になり、高温の排ガスに晒されることによる焼損や添加燃料の流路内での焼付きを回避することができるように構成される。

本発明の特徴ある構成は、インジェクタ２１ａの噴射口に一端が臨み他端が排気経路の横断面中央に開口しインジェクタ２１ａが噴射した液体還元剤を排気経路の横断面中央の下流側に案内する真直ぐな案内管３４が管本体３１に設けられたところにある。この本発明に係る排気管１６ａは、鋳型を用いて鋳造することにより製造され、その管本体３１とインジェクタ取付部３２と前述したウォータジャケット３２ａが一体的に形成される。案内管３４はこの鋳造時に同時にその管本体３１に一体となるように形成しても良く、予め鋳造された管本体３１に別に作られた案内管３４を後に溶接により接続しても良い。そして、案内管３４は、その内径をｄ、その長さをＬ、インジェクタ２１ａが噴射する液体還元剤２１ｂの拡がり角をθとするとき、以下の（１）式を満たすように作られ、案内管３４の他端は管本体３１の下流側端縁から突出するように形成される。

ｄ≧ｔａｎ（θ／２）×Ｌ ………（１）
このように構成されたディーゼルエンジンの排気管では、インジェクタ２１ａが噴射した液体還元剤２１ｂを排気経路の横断面中央の下流側に案内する真直ぐな案内管３４を管本体３１に設けたので、インジェクタ２１ａが噴射した液体還元剤２１ｂを案内管３４が排気経路の横断面中央の下流側に案内する。このため、管本体３１の中を上流側から下流具泡に向かって流れる排ガスによりその噴射した液体還元剤２１ｂが湾曲した外側方向に押しやられるようなことはなく、その噴射した液体還元剤２１ｂが管本体３１の湾曲した部分における内壁の外側に付着するような事態を有効に回避することができる。この結果、インジェクタ２１ａから噴射された液体還元剤２１ｂの全てを排ガスに有効に混合することができる。

また、案内管３４の内径をｄ、案内管３４の長さをＬ、インジェクタ２１ａが噴射する液体還元剤２１ｂの拡がり角をθとするとき、前述した（１）式を満たすので、インジェクタ２１ａが噴射する液体還元剤２１ｂがその案内管３４の内壁に付着することを回避して排ガスに有効に混合させることができる。そして、案内管３４の他端が管本体３１の下流側端縁から突出するように形成しているので、インジェクタ２１ａが噴射した液体還元剤２１ｂを案内管３４が管本体３１の下流側端縁における横断面中央を越えて案内する。このため、管本体３１の下流側端縁に連続して設けられる下流側の排気管に、排ガスとともにその液体還元剤２１ｂを案内することができ、その噴射した液体還元剤２１ｂが管本体３１における内壁に付着するような事態を確実に回避して、インジェクタ２１ａから噴射された液体還元剤２１ｂの全てを排ガスに有効に混合することができる。

なお、この実施の形態では、エンジン１１としてターボ過給機付ディーゼルエンジン１１を挙げたが、自然吸気型ディーゼルエンジン１１に本発明の排ガス浄化システムを用いてもよい。
また、この実施の形態では、下流側排気管１６ｂにＮＯx吸蔵還元触媒を設ける例を示したが、ＮＯx触媒は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒以外にも、尿素選択還元型ＮＯx触媒や軽油選択還元型ＮＯx触媒、又は触媒化ディーゼルパティキュレートフィルタ等でも使用できる。

本発明実施形態の排気管を示す図２のＡ−Ａ線断面図である。 その排気管の下流側端部の拡大斜視図である。 その排気管を有する排ガス浄化装置の構成図である。 従来の排気管を示す図１に対応する断面図である。

符号の説明

１１ ディーゼルエンジン
１６ａ 上流側排気管（排気管）
２１ｂ 液体還元剤
２１ａ インジェクタ
３１ 管本体
３２ インジェクタ取付部
３４ 案内管
ｄ 案内管の内径
Ｌ 案内管の長さ
θ インジェクタが噴射する液体還元剤の拡がり角

Claims (3)

1. ディーゼルエンジン(11)の排ガスを流通可能に少なくとも一部が湾曲して形成され前記エンジン(11)の排気経路を構成する管本体(31)と、前記管本体(31)の湾曲した外側に形成され排気経路下流側に向かって液体還元剤(21b)を噴射するようにインジェクタ(21a)を取付けるインジェクタ取付部(32)とを備えた排気管において、
   前記インジェクタ(21a)の噴射口に一端が臨み他端が前記排気経路の横断面中央に開口し前記インジェクタ(21a)が噴射した液体還元剤(21b)を前記排気経路の横断面中央の下流側に案内する真直ぐな案内管(34)が前記管本体(31)に設けられた
   ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気管。
2. 案内管(34)の内径をｄ、前記案内管(34)の長さをＬ、インジェクタ(21a)が噴射する液体還元剤(21b)の拡がり角をθとするとき、以下の（１）式を満たす請求項１記載のディーゼルエンジンの排気管。
   ｄ≧ｔａｎ（θ／２）×Ｌ ………（１）
3. 管本体(31)の下流側端部が湾曲して形成され、インジェクタ取付部(32)が前記管本体(31)の下流側端部における湾曲した外側に形成され、案内管(34)の他端が前記管本体(31)の下流側端縁から突出するように形成された請求項１又は２記載のディーゼルエンジンの排気管。
   

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