JP2009062832A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、還元剤を拡散させつつ排気の流れを均一にすることができる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路２へ接続され、内部に空間を有し、排気の流れ方向の下流側ほど断面積が大きくなるコーン部３１と、コーン部３１の下流に接続され、少なくとも触媒を格納する格納部３２と、を備え、排気の流れ方向を変えるミキサー部３００をコーン部３１内に備える。排気の流れ方向を変えることにより、排気が攪拌されると共に、還元剤が拡散する。
【選択図】図２

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備わる触媒へ還元剤を添加することにより、ＮＯxを浄化したり
、触媒の温度を高めたり、フィルタの再生を行なったりする技術が知られている。そして、還元剤の添加弁よりも下流で且つ触媒よりも上流に、複数の穴を開けた板を間隔を空けて複数備えたミキサーを設置することにより、還元剤の拡散を促進させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２３２２１８号公報 実開平６−６９３１８号公報 特開平１１−３１９４９１号公報 特開平１１−１７３１４５号公報 特開２００６−９６０８号公報

しかし、穴を開ける位置によっては、ミキサーよりも下流の排気の流れが均一とならない虞がある。つまり、排気通路の中心軸からずれた位置に穴の中心があると、排気の流れに偏りが生じるため、触媒全体へ均一に還元剤を供給することが困難となる。これにより、触媒の中心軸側と外周側とで温度差が生じたり、還元剤の供給量に対して触媒の浄化能力が高くならなかったりする虞がある。

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、内燃機関の排気浄化装置において、還元剤を拡散させつつ排気の流れを均一にすることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路へ接続され、内部に空間を有し、排気の流れ方向の下流側ほど断面積が大きくなるコーン部と、
前記コーン部の下流に接続され、少なくとも触媒を格納する格納部と、
を備え、
排気の流れ方向を変えるミキサー部をコーン部内に備えることを特徴とする。

排気の流れ方向を変えることにより、排気と還元剤が混ざり合うため、還元剤の拡散を促進させることができる。また、排気が攪拌されることにより、還元剤をより広い範囲に分散させることができる。さらに、コーン内部で排気の流れ方向を変えるため、設置場所を容易に確保することができる。また、コーン内部で排気の流れ方向を変えるため、排気の温度低下を抑制することができるので、触媒の温度低下を抑制できる。

本発明においては、前記ミキサー部は、排気の流れ方向に対して角度を持ち且つ排気の流れ方向に間隔を空けて複数設けられる仕切板を含んで構成され、
夫々の仕切板には少なくとも１つの穴が開けられ、一の仕切板に開いた穴を、隣接する他の仕切板へ排気の流れ方向に投影したときに、他の仕切板における穴が開けられていない箇所に、一の仕切板の穴の少なくとも一部が投影され、且つ仕切板の面積に対する穴の
面積の割合が下流側ほど大きくすることができる。

仕切板が排気の流れ方向に対して角度を持つことにより、該仕切板に排気が衝突する。また、他の仕切板における穴が開けられていない箇所に、一の仕切板の穴の少なくとも一部が投影されるので、上流側の仕切板の穴を通過した排気の少なくとも一部は、下流側の仕切板に衝突する。これにより、排気の流れ方向が変えられる。このときに排気が攪拌されるため、還元剤がより広い範囲に分散する。また、下流ほど仕切板の面積に対する穴の面積の割合が大きくなっているため、圧力損失の増加を抑止し、さらにコーン部から流出する排気の流れをより均一にすることができる。つまり、格納部へ流入する排気の流れを均一にすることができる。

本発明においては、前記ミキサー部は、
少なくとも１回、屈曲する通路と、
前記屈曲する通路の下流側に接続され、排気の流れ方向の下流側ほど通路断面積が大きくなる第２コーン部と、
を備えて構成されることができる。

コーン部内で屈曲する通路により排気の流れ方向が変えられるため、排気を攪拌させることができる。また、還元剤が通路の壁面に衝突することにより、還元剤をより分散させることができる。さらにコーン部内に通路を設けることにより、排気の通路の外側に空気の層ができるので、排気の温度低下を抑制することができる。また、第２コーン部を備えることにより、格納部へ流入する排気の流れを均一にすることができる。

本発明においては、前記ミキサー部は、
排気の流れ方向の下流側ほど通路断面積が小さくなる第３コーン部と、
前記第３コーン部の下流側に接続され、排気の流れ方向の下流側ほど通路断面積が大きくなる第４コーン部と、
前記第３コーン部内に設けられ、排気の流れ方向に対して角度を持ち且つ複数の穴が開けられている仕切板と、
を備えて構成されることができる。

還元剤が第３コーン部に流入するとき又は第３コーン部を流れるときに、該還元剤の一部が仕切板に衝突するため、還元剤をより広い範囲に分散させることができる。また、第３コーン部から第４コーン部へ流入する際には、該第３コーン部の壁面に沿って流れていた排気がぶつかり合うため、還元剤をより広い範囲に分散させることができる。また、還元剤の拡散を促進させることもできる。

なお、第３コーン部の上流端は、コーン部の途中にあっても良い。そうすると、コーン部に流入した排気が一旦拡がり、その後第３コーン部で再度排気が集合するときに、排気がより勢い良く衝突する。そのため、還元剤をより広い範囲に分散させることができる。

なお、前記仕切板に開けられた穴は、中心側よりも外周側のほうの断面積が大きくてもよい。

つまり、第３コーン部の中心軸付近の排気の抵抗を大きくすることにより、排気を外周側へ拡げることができる。このように排気が拡がることにより、還元剤を分散させることができる。そして、仕切板を通過した後に、外周側から中心軸側へ再度排気が集まるため、該排気の乱れが大きくなる。これにより、還元剤が分散される。また、これらによって、還元剤の拡散が促進される。

本発明においては、前記ミキサー部は、複数の排気の通路を備えて構成され、夫々の通路の出口は該コーン部内で排気が旋回する向きに向いていることができる。

つまり、コーン部内で排気を旋回させることにより、還元剤をより広い範囲に分散させることができる。

本発明においては、前記ミキサー部は、複数の排気の通路を備えて構成され、夫々の通路の出口は夫々の通路から流出する排気と衝突する向きに向いていることができる。

つまり、コーン部内で排気を衝突させることにより、還元剤をより広い範囲に分散させることができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、還元剤を拡散させつつ排気の流れを均一にすることができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、排気通路２が接続されている。排気通路２の途中には、排気浄化装置３が設けられている。排気浄化装置３は、コーン部３１と格納部３２とを備えて構成されている。格納部３２は、排気通路２よりも断面積が大きくなっており、排気通路２と格納部３２とをコーン部３１を介して連結している。なお、排気通路２、コーン部３１、格納部３２は、何れも排気の流れ方向に垂直な断面が円であるが、楕円、長円、または多角形等であってもよい。そして、コーン部３１は、その外周が排気の流れ方向の下流側ほど大きくなっている。すなわち、コーン部の３１の最上流の外周径と排気通路２の外周径は同じ大きさであり、コーン部３１の最下流の外周径と格納部３２の最上流の外周径とは同じ大きさである。

格納部３２には、還元剤を必要とする触媒が格納される。例えば、吸蔵還元型ＮＯx触
媒、選択還元型ＮＯx触媒、酸化触媒、パティキュレートフィルタ等を格納することがで
きる。

また、排気浄化装置３よりも上流の排気通路には、排気中に還元剤を添加する還元剤添加弁４が取り付けられている。還元剤は、例えば、燃料または尿素を用いることができる。また、還元剤添加弁４から還元剤を添加する変わりに、内燃機関１において副噴射を行なってＨＣやＣＯを排出させてもよい。

次に図２は、本実施例におけるコーン部３１の内部構造を示した図である。コーン部３１内には、該コーン部３１の中心軸と垂直に、仕切板３００が間隔を空けて複数備えられている。この仕切板３００には、夫々穴３０１が開けられている。なお、図２中で格子状の模様を施した箇所は夫々の仕切板３００に開けられた穴３０１を示している。

図３は、図２中のＹで示した仕切板３００を該仕切板３００の鉛直方向から見た図であ
る。また、図４は、図２中のＺで示した仕切板３００を該仕切板３００の鉛直方向から見た図である。このように、下流側の仕切板３００ほど、その仕切板３００の面積に占める穴３０１の面積の割合が大きくなっている。そして、コーン部３１の下流端では、仕切板３００が無い。

さらに、一の仕切板３００に開いた穴３０１を、隣接する他の仕切板３００へ排気の流れ方向に投影したときに、他の仕切板３００における穴３０１が開けられていない箇所に、一の仕切板３００の穴３０１の少なくとも一部が投影されるようにしている。そのため、本実施例では、コーン部３１の中心軸から、仕切板３００に開けられた穴３０１の中心までの方向が、隣接する仕切板３００と逆方向になるように夫々の仕切板３００の穴３０１が開けられている。

つまり、一の仕切板３００の穴３０１を通過した排気の少なくとも一部は、他の仕切板３００に遮られて真っ直ぐ進むことができずに進路を変えることになる。

なお、１つの仕切板３００に開けられる穴３０１は１つより多くても良い。ここで、図５は、図２中のＺで示した仕切板３００の他の態様を示した図である。例えば、格納部３２に近い仕切板３００では、仕切板３００全体に占める穴３０１の割合が大きくなることにより、仕切板３００の剛性が不足する虞がある。このような場合には、１つ当たりの穴３０１の大きさを小さくして、且つ、他の場所にも穴３０１を開けて、全ての穴３０１の面積を加えたものが元の穴３０１の面積と等しくなるように、穴３０１の数や大きさを調節する。なお、コーン部３１の中心軸から、仕切板３００に開けられた最も大きな穴３０１の中心への方向を、穴３０１の数によらず同じにする。

このように構成されたコーン部３１を排気が通過するときには、排気が蛇行して流れることになり、この間に排気が攪拌される。そのため、還元剤の拡散を促進させることができる。また、還元剤が仕切板３００に衝突することにより、排気中に広く分散することになる。さらに、コーン部３１の下流に行くほど仕切板３００の開口面積が大きくなるため、格納部３２に流入する排気の流れが該格納部３２の半径方向に均一となる。これにより、触媒の温度を均一にしたり、触媒の浄化能力を高めたりすることができる。さらに、コーン部３１内に仕切板３００を設置するため、搭載性に優れている。なお、本実施例においては複数の仕切板３００が、本発明におけるミキサー部に相当する。

図６は、本実施例に係るコーン部３１の断面図である。コーン部３１の外壁よりも内側に、少なくとも１回屈曲している通路（以下、屈曲路３０２という。）が設けられている。また、さらに、屈曲路３０２よりも下流のコーン部３１内には、徐々に断面積が大きくなる第２コーン部３０３が設けられている。第２コーン部３０３は、上流側で屈曲路３０２と接続され、下流側でコーン部３１と格納部３２との接続箇所に接続されている。つまり、第２コーン部３０３はコーン部３１よりも、下流へ向かうときの断面積が大きくなる割合が大きい。そして、屈曲路３０２及び第２コーン部３０３の内側を排気が流れる。

このように構成されたコーン部３１では、排気が屈曲路３０２を通過する際に、排気中の還元剤が該屈曲路３０２の壁面に衝突することにより、広い範囲に還元剤が分散する。また、排気の流れが蛇行するため、排気が攪拌されるので、還元剤をより拡散させることができる。また、第２コーン部３０３を備えることにより、格納部３２に流入する排気の流れが該格納部３２の半径方向に均一となる。さらに、コーン部３１と屈曲路３０２及び第２コーン部３０３との二重構造となるため、排気の温度低下を抑制することができる。なお、本実施例においては屈曲路３０２及び第２コーン部３０３が、本発明におけるミキサー部に相当する。

図７は、本実施例に係るコーン部３１の断面図である。コーン部３１の外壁よりも内側に、第３コーン部３０４及び第４コーン部３０５を備えている。第３コーン部３０４は、上流側から下流側へ向かうに従って通路断面積が小さくなる。また、第４コーン部３０５は、上流側から下流側へ向かうに従って通路断面積が大きくなる。

そして、コーン部３１の途中において、第３コーン部３０４の上流端と該コーン部３１の内壁とが接している。また、第３コーン部３０４の下流端と第４コーン部３０５の上流端とは、直径が等しくなっており、これらは接している。さらに、第４コーン部３０５の下流端は、コーン部３１と格納部３２との接続箇所に接続されている。つまり、第４コーン部３０５はコーン部３１よりも、下流へ向かうときの断面積が大きくなる割合が大きい。

なお、第３コーン部３０４の上流端には、該第３コーン部３０４の上流端の直径と等しい仕切板３０６がはめ込まれている。図８は、仕切板３０６を排気の流れ方向の上流側から見た図である。この仕切板３０６には、複数の穴３０７が開けられている。この仕切板３０６には、その中心近傍において比較的小さな穴が開けられており、外周近傍において比較的大きな穴が開けられている。そのため、仕切板３０６の外周側のほうが中心側よりも排気が流れ易くなっている。

このように構成されたコーン部３１では、排気通路２からコーン部３１へ流入した排気は、該コーン部３１の形状に従って拡がる。そして、排気が第３コーン部３０４へ流入するときには、仕切板３０６があるため、該第３コーンの外周側ほど排気が流れ易くなっている。つまり、第３コーン部３０４では外周側に多くの排気が流れる。そして、第３コーン部３０４では、該第３コーン部３０４の形状に従って、中心軸方向に排気が向かう。そのため、第４コーン部３０５へ排気が流入するときに様々な方向から中心軸に向かう排気がぶつかり合う。その後、第４コーン部３０５に流入した排気は、該第４コーン部３０５の形状に従って拡がる。

すなわち、仕切板３０６によって排気の向きが変えられるとき、または、第３コーン部３０４の壁面に排気がぶつかるとき、さらには、第３コーン部３０４から第４コーン部３０５へ排気が流入するとき、において排気が攪拌されるため、還元剤をより広い範囲へ分散させたり、還元剤の拡散を促進させたりすることができる。

また、第４コーン部３０５を備えることにより、格納部３２に流入する排気の流れが該格納部３２の半径方向に均一となる。さらに、コーン部３１と第３コーン部３０４及び第４コーン部３０５との二重構造となるため、排気の温度低下を抑制することができる。なお、本実施例においては第３コーン部３０４、第４コーン部３０５、及び仕切板３０６が、本発明におけるミキサー部に相当する。

図９は、本実施例に係るコーン部３１の断面図である。また、図１０は、本実施例に係るコーン部３１を排気の上流側から見た図である。コーン部３１内には、同方向へ回転しつつ格納部３２へ向かう螺旋状の２つの通路３０８が設けられている。なお、コーン部３１よりも上流側の排気通路２内で排気の流れを２つに分岐させてもよい。また、排気通路２とコーン部３１との接続部では、螺旋状の２つの通路３０８以外に排気が流入しないように仕切板を備えていても良い。

このように構成されたコーン部３１では、該コーン部３１の中心軸を中心として、排気
が旋回しながら格納部３２へ進む。このときに、排気が攪拌されるため、該還元剤を広い範囲に分散させることができる。また、還元剤の拡散を促進させることができる。さらに、コーン部３１と螺旋状の通路との二重構造となるため、排気の温度低下を抑制することができる。さらに、コーン部３１内で排気を攪拌するため、搭載性に優れている。なお、本実施例においては螺旋状の２つの通路３０８が、本発明におけるミキサー部に相当する。

図１１は、本実施例に係るコーン部３１の断面図である。また、図１２は、本実施例に係るコーン部３１を排気の上流側から見た図である。コーン部３１内には、２つの通路３０９が設けられ、一方の通路の出口方向と他方の通路の出口方向とが交差している。なお、一方の通路の出口方向と他方の通路の出口方向とが対向していても良い。また、排気通路２とコーン部３１との接続部では、２つの通路３０９以外に排気が流入しないように仕切板を備えていても良い。

このように構成されたコーン部３１では、夫々の通路３０９から流出する排気がぶつかり合うため、排気が攪拌される。そのため、該還元剤を広い範囲に分散させることができる。また、還元剤の拡散を促進させることができる。さらに、コーン部３１と通路との二重構造となるため、排気の温度低下を抑制することができる。さらに、コーン部３１内で排気を攪拌するため、搭載性に優れている。なお、本実施例においては２つの通路３０９が、本発明におけるミキサー部に相当する。

実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。 実施例１におけるコーン部の内部構造を示した図である。 図２中のＹで示した仕切板を該仕切板の鉛直方向から見た図である。 図２中のＺで示した仕切板を該仕切板の鉛直方向から見た図である。 図２中のＺで示した仕切板の他の態様を示した図である。 実施例２に係るコーン部の断面図である。 実施例３に係るコーン部の断面図である。 実施例３に係る仕切板を排気の流れ方向の上流側から見た図である。 実施例４に係るコーン部の断面図である。 実施例４に係るコーン部を排気の上流側から見た図である。 実施例５に係るコーン部の断面図である。 実施例５に係るコーン部を排気の上流側から見た図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 排気浄化装置
４ 還元剤添加弁
３１ コーン部
３２ 格納部
３００ 仕切板
３０１ 穴
３０２ 屈曲路
３０３ 第２コーン部
３０４ 第３コーン部
３０５ 第４コーン部
３０６ 仕切板
３０７ 穴
３０８ 通路
３０９ 通路

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路へ接続され、内部に空間を有し、排気の流れ方向の下流側ほど断面積が大きくなるコーン部と、
   前記コーン部の下流に接続され、少なくとも触媒を格納する格納部と、
   を備え、
   排気の流れ方向を変えるミキサー部をコーン部内に備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ミキサー部は、排気の流れ方向に対して角度を持ち且つ排気の流れ方向に間隔を空けて複数設けられる仕切板を含んで構成され、
   夫々の仕切板には少なくとも１つの穴が開けられ、一の仕切板に開いた穴を、隣接する他の仕切板へ排気の流れ方向に投影したときに、他の仕切板における穴が開けられていない箇所に、一の仕切板の穴の少なくとも一部が投影され、且つ仕切板の面積に対する穴の面積の割合が下流側ほど大きい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. 前記ミキサー部は、
   少なくとも１回、屈曲する通路と、
   前記屈曲する通路の下流側に接続され、排気の流れ方向の下流側ほど通路断面積が大きくなる第２コーン部と、
   を備えて構成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。
4. 前記ミキサー部は、
   排気の流れ方向の下流側ほど通路断面積が小さくなる第３コーン部と、
   前記第３コーン部の下流側に接続され、排気の流れ方向の下流側ほど通路断面積が大きくなる第４コーン部と、
   前記第３コーン部内に設けられ、排気の流れ方向に対して角度を持ち且つ複数の穴が開けられている仕切板と、
   を備えて構成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。
5. 前記仕切板に開けられた穴は、中心側よりも外周側のほうの断面積が大きいことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記ミキサー部は、複数の排気の通路を備えて構成され、夫々の通路の出口は該コーン部内で排気が旋回する向きに向いてい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。
7. 前記ミキサー部は、複数の排気の通路を備えて構成され、夫々の通路の出口は夫々の通路から流出する排気と衝突する向きに向いてい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。

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