JP2008240552A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料を触媒に適切に流入させて触媒での効率を向上させる。
【解決手段】エンジンの排気管２に設けられた酸化触媒の上流側に燃料噴射弁５を設け、排気管２内に燃料を噴射して酸化触媒に燃料を供給する排気浄化装置において、排気管２に対して噴射弁５を首振り可能に支持する支持手段により、燃料噴射弁５を燃料噴射方向が変更可能に排気管２に支持する。支持手段は、排気管２に固定され排気管内外を連通する連通孔を有する排気管側フランジ２１と、連通孔と連通し噴射弁５を挿入固定する挿入孔を有する噴射弁側フランジ２２とを備え、連通孔の開口縁部近傍と挿入孔の開口縁部近傍とを半球曲面状の接触面で接触するとともに、接触面以外の部位では離間して係止される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、排気管内に添加剤を噴射して排気浄化触媒に添加剤を供給する技術に関する。

ディーゼルエンジンの排気を浄化する装置として、排気管には一般的にＮＯx（窒素酸化物）トラップ触媒やＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が備えられている。
ＮＯxトラップ触媒は、排気中のＮＯxやＳＯx（硫黄酸化物）を吸蔵する。そして、ＮＯxトラップ触媒に燃料等の還元剤を流入させることで、ＮＯxトラップ触媒に吸蔵されたＮＯx及びＳＯxが還元、無害化されて放出されるＮＯxトラップ触媒の再生方法が知られている。

一方、ＤＰＦは、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集する。また、ＤＰＦに捕集されて堆積したＰＭを除去するために、ＤＰＦの上流に酸化触媒を備え、この酸化触媒に燃料等の還元剤を流入させて排気温度を上昇させることにより、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼させる強制再生が知られている。
上記のように、ＮＯxトラップ触媒や酸化触媒に燃料等を流入させる装置として、これらの触媒（排気浄化触媒）の上流側に燃料噴射弁を設け、排気管内に燃料を直接噴射する方法が知られている。この方法では、排気浄化触媒での効率を向上させるために、排気浄化触媒に均一に燃料を供給することが望ましい。そこで、排気浄化触媒の直前で排気管を略垂直に屈曲させるとともに、この排気管の屈曲部に燃料噴射口が排気浄化触媒の排気流入口の中心に向かうように燃料噴射弁が配置されている（特許文献１）。
特開２００５−２０７２８９号公報

しかしながら、上記の特許文献１のように排気管が屈曲していると、屈曲部において排気が排気管内を偏って通過する。したがって、例え燃料噴射口が排気浄化触媒の中心に向かうように燃料噴射弁が配置されていても、排気の流れに伴って燃料が排気管内で偏って通過し、その多くが触媒に偏って流入してしまう。このように、排気浄化触媒に燃料が偏って流入すると、触媒での効率が低下してしまう虞があり、この現象は排気速度が大きい程顕著に現れる。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気浄化触媒の上流側で排気管内に添加剤を噴射する内燃機関の排気浄化装置において、添加剤を排気浄化触媒に適切に流入させて排気浄化触媒での効率を向上させる排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、排気浄化触媒の上流側の排気管に設けられ、排気管内に添加剤を噴射する添加剤噴射弁と、排気管に対して添加剤噴射弁を首振り可能に支持する支持手段と、を含んで内燃機関の排気浄化装置を構成する。
また、請求項２の発明では、請求項１において、支持手段は、排気管に固定され該排気管内外を連通する連通孔を有する排気管側フランジと、前記連通孔と連通し添加剤噴射弁を挿入固定する挿入孔を有する噴射弁側フランジとを備え、前記連通孔の開口縁部近傍と前記挿入孔の開口縁部近傍とを半球曲面状の接触面で接触するとともに、該接触面以外の部位では離間して係止されることを特徴とする。

また、請求項３の発明では、請求項２において、排気管側フランジ及び噴射弁側フランジには、ボルト孔が設けられるとともに、支持手段は、更に、ボルト孔に挿通されるボルトと、ボルトに羅合するナットと、排気管側フランジに向かって噴射弁側フランジを付勢し、前記ボルトの頭部または前記ナットのどちらか一方と前記排気管側フランジまたは前記噴射弁側フランジのどちらか一方との間に介在する付勢手段と、を備え、ボルトの頭部またはナットの縁部のどちらか他方と前記排気管側フランジまたは前記噴射弁側フランジのどちらか他方との接触面が半球曲面状に形成されたことを特徴とする。

また、請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれかにおいて、支持手段は、排気管内の排気の流通方向に沿って添加剤噴射弁を首振り可能に支持することを特徴とする。
また、請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれかにおいて、排気管は、排気浄化触媒の上流側で屈曲する屈曲部を備えるとともに、添加剤噴射弁は、添加剤噴射口が排気浄化触媒に向かうように屈曲部に配置されることを特徴とする。

また、請求項６の発明では、請求項５において、屈曲部における排気管内での排気速度を検出または推定する排気速度検出手段と、添加剤噴射弁を首振り作動させて排気管に対する首振り角度を調整する首振り駆動手段と、排気速度検出手段により検出または推定された排気速度に基づいて、首振り駆動手段を制御する制御手段と、を更に備えたことを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、添加剤噴射弁が首振り可能に支持されるので、添加剤噴射弁からの添加剤噴射方向を容易に設定することができる。したがって、添加剤が排気浄化触媒に偏ることなく流入するように添加剤噴射方向を設定することで、排気浄化触媒での効率を向上させることができる。
また、本発明の請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、添加剤噴射弁が首振り可能となるように支持手段を容易に揺動可能に構成することができる。また、排気管側フランジと噴射弁側フランジとは、半球曲面状の接触面のみで接触するので、シール性が確保されるとともに、排気管側フランジから噴射弁側フランジへの熱伝導を抑制することができ、排気の熱による添加剤噴射弁への影響を抑制することができる。

また、本発明の請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気管側フランジまたは噴射弁側フランジに接触するボルトの頭部またはナットの接触面が半球曲面状に形成されているので、排気管側フランジに対し噴射弁側フランジをスムーズに揺動可能に支持することができる。
本発明の請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気の流通方向に沿うように添加剤噴射弁の添加剤噴射方向が変更可能となり、排気の流通方向に対応して排気浄化触媒への添加剤の流入位置を調整することができる。

本発明の請求項５の内燃機関の排気浄化装置によれば、添加剤の噴射方向が排気浄化触媒に向かうように、添加剤噴射弁を排気管に容易に支持することができる。
本発明の請求項６の内燃機関の排気浄化装置によれば、屈曲部における排気管内での排気速度に基づいて添加剤噴射弁の首振り角度が制御されるので、排気速度が変化する場合でも、添加剤を排気浄化触媒に適切に流入させることができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置が適用されたエンジン（内燃機関）１の排気系の概略構成図である。
エンジン１の排気管２には、上流側から順番に、酸化触媒（排気浄化触媒）３、ＤＰＦ４が介装されている。酸化触媒３は、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されており、排気中のＣＯ及びＨＣを酸化させてＣＯ_２及びＨ_２Ｏに変換させるとともに、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成する機能を有する。

ＤＰＦ４は、例えば、ハニカム担体の通路の上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖して、排気中のＰＭを捕集する機能を有しており、更に、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されている。
排気管２は、酸化触媒３の上流側近傍で略垂直に屈曲している。この排気管２の屈曲部２ａには、燃料噴射弁(添加剤噴射弁)５が設置されている。燃料噴射弁５には、図示しない燃料タンクから、エンジン１によって駆動される燃料ポンプ６によって燃料（還元剤、添加剤）が供給される。燃料噴射弁５は、燃料噴射口５ａが酸化触媒３に向くように配置されており、供給された燃料を燃料噴射口５ａから噴射する機能を有している。

ＥＣＵ１０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。
ＥＣＵ１０の入力側には、エンジンの吸気流量を検出するエアフローセンサ１１、クランク角を検出するクランク角センサ、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルポジションセンサ（図示せず）等が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。

一方、ＥＣＵ１０の出力側には、上述した燃料噴射弁５の他に、燃焼室に燃料を供給する燃料噴射弁１２や図示しない吸気絞り弁等の各種出力デバイスが接続されている。ＥＣＵ１０は、各種センサ類からの検出情報に基づいて燃焼室への燃料噴射量、燃料噴射時期等を演算し、各種出力デバイスにそれぞれ出力することで、適正なタイミングで燃料噴射弁１２や吸気絞り弁等を制御する。

ところで、以上のようにＤＰＦ４の上流に酸化触媒３を配置することにより、酸化触媒３からＮＯ_２がＤＰＦ４に流入し、ＤＰＦ４に捕集され堆積しているＰＭ中の炭素成分であるすすと反応してこれを酸化させる。酸化したすすはＣＯ_２となり、ＤＰＦ４から除去され、ＤＰＦ４が連続的に再生される（連続再生）。
上記の連続再生では、エンジン１の運転状況により十分にＤＰＦ２１の再生が行われない場合がある。そこで、ＥＣＵ１０は、ＤＰＦ２１にＰＭが許容量以上堆積した場合に強制再生を実施させる。強制再生は、燃料噴射弁５を制御して排気管２内に燃料を噴射し、酸化触媒３に燃料を供給することによって行われる。酸化触媒３に供給された燃料は酸化し、排気温度を上昇させる。これにより、ＤＰＦ４に堆積したＰＭを燃焼させ、ＤＰＦ４を再生させる。

特に、本発明に係る排気浄化装置では、燃料噴射弁５が首振り可能な構造になっている。
図２は、燃料噴射弁５の支持構造を示す断面図である。
燃料噴射弁５は、球面フランジ（支持手段）を介して排気管２に揺動可能に支持されている。球面フランジは、排気管２の屈曲部２ａに固定される排気管側フランジ２１と、燃料噴射弁５を固定支持する燃料噴射弁側フランジ２２とを含んで構成されている。

排気管側フランジ２１は、円筒状の胴部２１ａの一端部が外方に円板状に突出して形成されており、この円板状に突出したつば部２１ｂの外側面が、燃料噴射弁側フランジ２２と相対するフランジ面２３となる。排気管側フランジ２１の軸心に形成された連通孔２４のフランジ面２３側の縁部は、半球曲面状に縁取りされてシール面２５が形成されている。

一方、燃料噴射弁側フランジ２２も、円筒状の胴部２２ａの一端部が外方に円板状に突出して形成されている。この円板状に突出したつば部２２ｂは、排気管側フランジ２１のつば部２１ｂと同径であり、その外側面が排気管側フランジ２１と相対するフランジ面２６となる。燃料噴射弁側フランジ２２の軸心に形成された挿入孔２７の縁部２２ｃは、フランジ面２６より円筒状に突出している。縁部２２ｃの先端部外周面には、排気管側フランジ２１のシール面２５と接触する半球曲面状のシール面２８が形成されている。縁部２２ｃの突出寸法は、シール面２５とシール面２８が接触したときにフランジ面２３とフランジ面２６とが離間するように設定されている。燃料噴射弁側フランジ２２の挿入孔２７には、燃料噴射弁５が挿入されて、燃料噴射口５ａが排気管２内に向くように燃料噴射弁５が燃料噴射弁側フランジ２２に固定されている。また、胴部２２ａには、燃料噴射弁５が冷却されるように冷却水通路２９が形成されている。

排気管側フランジ２１のつば部２１ｂ及び燃料噴射弁側フランジ２２のつば部２２ｂには、ボルト孔３０、３１が設けられている。ボルト孔３０、３１は、胴部２１ａ、２２ａの周囲を同径かつ同ピッチで例えば４箇所設けられている。ボルト孔３０、３１にはボルト３２が挿入貫通され、ボルト３２にナット３３が羅合して締め付けられている。また、ボルト３２の頭部３２ａとつば部２２ｂとの間にはスプリング(付勢手段)３４が挿入されている。更に、ナット３３及びつば部２１ｂの接触面３５、３６は対応して夫々半球曲面状に形成されている。

本実施形態では、排気管側フランジ２１と燃料噴射弁側フランジ２２とは、接触するシール面２５とシール面２８とが対応して半球曲面状に形成されているとともに、それ以外の部位であるフランジ面２３とフランジ面２６とでは離間して支持されている。即ち、排気管側フランジ２１と燃料噴射弁側フランジ２２とは球面フランジ構造になっており、燃料噴射弁側フランジ２２が排気管側フランジ２１に対して揺動可能に支持されている。

図３は、燃料噴射弁５の首振り駆動部の構造を示す断面図である。
図３に示すように、排気管２には、ブラケット４０を介して負圧アクチュエータ(首振り駆動手段)４１が固定されている。負圧アクチュエータ４１は、燃料噴射弁側フランジ２２から突出して形成されたステー４２を押して、燃料噴射弁側フランジ２２を揺動させる機能を有する。ステー４２は、屈曲部２ａに流入する排気の流通方向に沿って、燃料噴射弁側フランジ２２から延出している。したがって、負圧アクチュエータ４１がステー４２を押すことで、燃料噴射弁側フランジ２２が排気の流通方向に沿って揺動し、燃料噴射弁５が首振りして、燃料の噴射方向が調節される。

図４は、燃料噴射弁５による燃料噴射状態を示す説明図である。
本実施形態では、ＥＣＵ（制御手段）１０は、更に、強制再生時において燃料を燃料噴射弁５から噴射するときに、負圧アクチュエータ４１を作動制御して、排気速度Ｖeに応じて燃料噴射弁側フランジ２２を揺動させる。詳しくは、ＥＣＵ１０は、例えばエアフローセンサ１１により検出された吸気流量及び燃料噴射弁１２から燃焼室への燃料噴射量に基づいて排気流量Ｑeを推定し、この排気流量Ｑeから屈曲部２ａでの排気速度Ｖeを推定する（排気速度検出手段）。そして、この排気速度Ｖeに基づいて負圧アクチュエータ４１を作動させ、燃料噴射弁５の首振り角θaを制御する。この首振り角θaは、図４に示すように、酸化触媒３の軸線Ｃｌ（燃料噴射口５ａと酸化触媒３の排気流入口３ａの中心３ｂとを結ぶ線でもある。）に対する傾斜角であり、燃料噴射弁５から噴射した燃料が酸化触媒３の中心３ｂを中心として到達するように設定される。首振り角θaは、例えばあらかじめ実験等により確認して記憶されたマップから排気速度Ｖeに応じて読み出すことで求めればよく、排気速度Ｖeが大きいときには首振り角θaが大きく、排気速度Ｖeが小さいときには首振り角θaが小さく設定される。

以上のように、燃料噴射弁側フランジ２２が揺動可能に支持されて、燃料噴射弁５が首振り可能であるので、燃料噴射方向を容易に変更することができる。燃料噴射弁５が排気の流通方向に沿って首振り可能であるので、酸化触媒３の排気流入口３ａに偏ることなく燃料が到達するように、燃料噴射方向を設定することができ、酸化触媒３での効率を向上させることができる。また、排気管内の壁面等に燃料が付着することを防止でき、燃料の酸化触媒３への供給遅れを抑制することもできる。

また、屈曲部２ａでの排気速度Ｖeが推定され、この推定された排気速度Ｖeに応じて燃料噴射弁側フランジ２２が揺動されて燃料噴射方向が制御されるので、排気速度Ｖeが変動する場合でも、常に燃料を酸化触媒３に偏ることなく流入させることができる。
また、球面フランジ構造である排気管側フランジ２１及び燃料噴射弁側フランジ２２を用いて燃料噴射弁３が支持されるので、簡単な構成で燃料噴射弁５を排気管２に対して首振り可能に支持することができる。

また、ナット３３と排気管側フランジ２１との接触面が対応して夫々半球曲面状に形成されているので、排気管側フランジ２１に対し燃料噴射弁側フランジ２２をスムーズに揺動可能に支持することができる。
なお、本実施形態では、負圧アクチュエータ４１により燃料噴射弁側フランジ２２を揺動させるが、これに限定するものではなく、モータ等他のアクチュエータにより燃料噴射弁側フランジ２２を揺動させてもよい。あるいは、アクチュエータを用いずに手動で首振り角を設定してもよく、この場合排気速度Ｖeに応じて燃料の到達位置を常に適切にすることは困難であるが、組み立て時やメンテナンス時等において燃料噴射方向を容易に調整することができる。

更に、エンジン１の回転速度に応じて、燃料噴射方向を制御するとよい。詳しくは、エンジン１の回転速度が上昇したときには、燃料ポンプ６から燃料噴射弁５に供給される燃圧が上昇して燃料噴射圧が上昇するので、排気の流れによる燃料の流入位置への影響が減少する。したがって、エンジン１の回転速度が上昇したときに、排気速度Ｖeに応じて設定された首振り角θaを減少させるように制御すればよい。これによって、燃料をより適切に酸化触媒３に流入させることができる。

また、燃料噴射弁５からの燃料噴射時に首振り角θａを周期的に変化させてもよい。これにより、排気流入口３ａ全体に燃料を均一に流入させることができ、酸化触媒３における効率をより向上させることができる。
なお、本実施形態では、酸化触媒３に燃料を供給するシステムに本願発明を適用したが、排気管に備えたＮＯxトラップ触媒に燃料を供給するシステムにも本願発明を適用することができる。この場合、ＮＯxトラップ触媒の上流側の排気管に設置した燃料噴射弁から、ＮＯxトラップ触媒に燃料を適切に流入させることができ、ＮＯxトラップ触媒に吸蔵されたＮＯxやＳＯxを効率よく還元除去することができる。また、燃料以外にも、尿素水（還元剤）や他の添加剤を排気管内に噴射供給するシステムにも本発明を適用することができる。

本発明に係る内燃機関の排気系の概略構成図である。 燃料噴射弁の支持構造を示す断面図である。 燃料噴射弁の首振り駆動部の構造を示す断面図である。 燃料噴射弁による燃料噴射状態を示す説明図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 排気管
２ａ 屈曲部
３ 酸化触媒
５ 燃料噴射弁
１０ ＥＣＵ
２５、２８ シール面
３２ ボルト
３３ ナット
３４ スプリング
３５、３６ 接触面
４１ アクチュエータ

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
   前記排気浄化触媒の上流側の排気管に設けられ、前記排気管内に添加剤を噴射する添加剤噴射弁と、
   前記排気管に対して前記添加剤噴射弁を首振り可能に支持する支持手段と、
   を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記支持手段は、前記排気管に固定され該排気管内外を連通する連通孔を有する排気管側フランジと、前記連通孔と連通し前記添加剤噴射弁を挿入固定する挿入孔を有する噴射弁側フランジとを備え、
   前記連通孔の開口縁部近傍と前記挿入孔の開口縁部近傍とを半球曲面状の接触面で接触するとともに、該接触面以外の部位では離間して係止されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記排気管側フランジ及び噴射弁側フランジには、ボルト孔が設けられるとともに、
   前記支持手段は、更に、前記ボルト孔に挿通されるボルトと、前記ボルトに羅合するナットと、前記排気管側フランジに向かって前記噴射弁側フランジを付勢し、前記ボルトの頭部または前記ナットのどちらか一方と前記排気管側フランジまたは前記噴射弁側フランジのどちらか一方との間に介在する付勢手段と、を備え、
   前記ボルトの頭部または前記ナットの前記縁部のどちらか他方と前記排気管側フランジまたは前記噴射弁側フランジのどちらか他方との接触面が半球曲面状に形成されたことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記支持手段は、排気管内の排気の流通方向に沿って前記添加剤噴射弁を首振り可能に支持することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記排気管は、前記排気浄化触媒の上流側で屈曲する屈曲部を備えるとともに、
   前記添加剤噴射弁は、添加剤噴射口が前記排気浄化触媒に向かうように前記屈曲部に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記屈曲部における排気管内での排気速度を検出または推定する排気速度検出手段と、
   前記添加剤噴射弁を首振り作動させて前記排気管に対する首振り角度を調整する首振り駆動手段と、
   前記排気速度検出手段により検出または推定された排気速度に基づいて、前記首振り駆動手段を制御する制御手段と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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