JP2009074455A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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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抵抗を小さくすることができる技術を提供する。
【解決手段】 還元剤を噴射する還元剤添加弁５と、内燃機関１の排気通路２を流れる排気の流れの外側で還元剤添加弁５が還元剤を噴射するための空間を有し、且つ還元剤添加弁５が設置される還元剤添加弁取付部４と、還元剤添加弁取付部４に存在し、還元剤添加弁５から噴射される還元剤が衝突する衝突部４１と、を備え、還元剤添加弁５からの還元剤の噴射方向を、衝突部４１に向け、且つ該還元剤添加弁５よりも排気の下流側へ向ける。
【選択図】図１

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、還元剤添加弁の噴孔から至近距離に、還元剤を衝突させるための衝突壁を設置する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、還元剤が排気の流れによって下流に流される前に衝突壁へ衝突するため、該還元剤の微粒化が促進される。また、噴孔が排気の流れに直接晒されないため、該噴孔の詰まりを抑制できる。
特開２００２−８９２５５号公報 特開２００６−９６０８号公報 特開２００７−３２４７２号公報 特表２００４−５３２９５４号公報
しかし、衝突壁が排気の流れの中にあると、排気の抵抗が大きくなるため、圧力損失が増加する。これにより、内燃機関の機能低下を招く虞がある。
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抵抗を小さく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、
還元剤を噴射する還元剤添加弁と、
内燃機関の排気通路を流れる排気の流れの外側で前記還元剤添加弁が還元剤を噴射するための空間を有し、且つ前記還元剤添加弁が設置される還元剤添加弁取付部と、
前記還元剤添加弁取付部に存在し、前記還元剤添加弁から噴射される還元剤が衝突する衝突部と、
を備え、
前記還元剤添加弁からの還元剤の噴射方向を、前記衝突部に向け、且つ該還元剤添加弁よりも排気の下流側へ向けることを特徴とする。
すなわち、排気の流れの外側に還元剤添加弁取付部を備え、還元剤の噴射方向を還元剤添加弁よりも下流側とすることにより、還元剤添加弁の噴孔が排気の流れに直接晒されることが抑制されるため、該噴孔が詰まることを抑制できる。また、排気の流れの外に衝突部があるため、圧力損失の増加を抑制できる。さらに、還元剤を衝突部へ衝突させることにより、還元剤の微粒化を促進させることができる。そして、衝突部が還元剤添加弁取付部内に存在するため、還元剤添加弁から噴射された還元剤が、排気の流れに流されることを抑制できるため、より多くの還元剤を衝突部に勢い良く衝突させることができる。これにより、還元剤の微粒化を促進させることができる。
本発明においては、前記還元剤添加弁から噴射される還元剤の全量が前記衝突部に衝突
し、該衝突部で跳ね返る還元剤が、排気通路を流れる排気の流れまで到達するように該衝突部を設けることができる。
すなわち、還元剤の全量を衝突部に衝突させた後に、排気の流れへ向かうようにする。これによれば、還元剤の微粒化を促進できると共に、排気と還元剤との混合を促進させることができる。
本発明においては、前記衝突部は、複数の穴を有する板を備えて構成され、該穴を通過する還元剤及び該板に跳ね返される還元剤が、排気通路を流れる排気の流れまで到達するように該衝突部を設けることができる。
つまり、衝突部に穴を開けることにより、還元剤の一部を通過させることができる。そして、衝突部の穴を通過するときにも、還元剤の微粒化が促進されるように、穴の大きさや位置を調節しておく。また、この通過する還元剤の割合を調節することにより、排気中の還元剤濃度を調節することができる。そして、穴を通過する還元剤及び板に跳ね返される還元剤が共に排気の流れに到達するようにすれば、排気と還元剤との混合を促進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抵抗を小さくすることができる。
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１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、還元剤を必要とする触媒３が備えられている。触媒３には、例えば、吸蔵還元型ＮＯx触媒、選択還元
型ＮＯx触媒、酸化触媒等を挙げることができる。また、触媒を担持したパティキュレー
トフィルタ、または触媒を上流側に有するパティキュレートフィルタであっても良い。
また、触媒３よりも上流の排気通路２には、還元剤噴射室４が取り付けられている。この還元剤噴射室４は、該還元剤噴射室４がなかったと仮定したときに、排気通路２よりも外側となる位置に存在する。つまり、還元剤噴射室４は、排気の流れから外れた位置に取り付けられている。そして、還元剤噴射室４は、排気通路２側に開口している。この還元剤噴射室４内に還元剤添加弁５が取り付けられている。そして、還元剤添加弁５は、還元剤噴射室４内に形成される衝突壁４１に向かって還元剤を噴射する。還元剤は、例えば、燃料または尿素を用いることができる。なお、本実施例においては還元剤噴射室４が、本発明における還元剤添加弁取付部に相当する。また、本実施例においては衝突壁４１が、本発明における衝突部に相当する。
そして、還元剤添加弁５から還元剤が噴射される方向が、排気の流れの下流側となるように、該還元剤添加弁５が取り付けられている。これは、排気通路２の中心軸と直交する面であって、還元剤添加弁５の噴孔を含む面よりも下流側に還元剤が噴射されていれば良く、排気の流れ方向と平行に還元剤を噴射する必要はない。
また、衝突壁４１の鉛直方向が、排気の流れの上流側を向くように、該衝突壁４１が形成されている。これは、排気通路２の中心軸と直交する面であって、衝突壁４１の所定の位置を含む面よりも上流側に衝突壁４１が向いていれば良く、排気の流れ方向と衝突壁４１の鉛直方向とが平行になる必要はない。また、衝突壁４１は平面でなくても良い。
そして、還元剤添加弁５から噴射され、その後、衝突壁４１に衝突して跳ね返った還元剤が、排気通路２を流通する排気の流れに乗るように、還元剤添加弁５の取付位置及び噴射角度、さらには衝突壁４１の位置及び角度を決定する。このときに、還元剤添加弁５と衝突壁４１との距離を可及的に短くする。さらに、還元剤添加弁５から噴射された還元剤の全量が衝突壁４１へ衝突するように還元剤添加弁５及び衝突壁４１を設ける。なお、図１中の矢印は、還元剤の進行方向を示している。
このように還元剤噴射室４及び還元剤添加弁５を配置することにより、排気通路２を流れる排気の進行方向に還元剤噴射室４及び還元剤添加弁５が存在しなくなる。つまり、排気の抵抗が大きくなることを抑制できるので、圧力損失の増加を抑制できる。
また、還元剤添加弁５の噴孔が排気の流れの下流側を向いているので、還元剤の勢いが低下することを抑制できるため、還元剤の貫徹力の低下を抑制できる。また、排気が噴孔に直接当たらないため、該噴孔にデポジットが付着することによる詰まりの発生を抑制できる。
さらに、還元剤添加弁５と衝突壁４１との距離を短くすることにより、排気の流れに還元剤が流されることを抑制できる。つまり、より多くの還元剤を衝突壁４１へ衝突させることができる。さらに、還元剤の勢いが強いまま衝突壁４１へ衝突させることができる。これらにより、還元剤が衝突壁４１へ付着することを抑制することができ、また、還元剤の微粒化を促進させることができる。
そして、還元剤添加弁５からの還元剤の噴射方向と、衝突壁４１の角度と、を調節することにより、還元剤を排気の流れに乗せることができるため、還元剤と排気との混合を促進させることができる。
なお、圧力損失の増加を抑制するため、衝突壁４１の高さ（すなわち、排気通路２の外壁から外側へ突出する距離）は、２０から５０ｍｍの間としてもよい。
ここで、図２は、本実施例における還元剤噴射室４及び還元剤添加弁５を備えている場合における還元剤添加時の触媒３の温度分布を示した図である。図２Ａは装置の概要図、図２Ｂは温度分布を示している。図２Ｂは、該触媒３の中心軸と直交する切断線Ｘで切断したＸ−Ｘ断面図である。触媒３の温度分布は、実験により得たものである。図２Ｂによれば、触媒３の中心部と周辺部との最大温度差は５６℃である。また、触媒３の中心部の温度が最も高くなっている。
図３は、本実施例における還元剤噴射室４を備えていない場合であって、還元剤添加弁から排気中へ直接還元剤を噴射した場合における還元剤添加時の触媒３の温度分布を示した図である。図３Ａは装置の概要図、図３Ｂは温度分布を示している。図３Ｂは、該触媒３の中心軸と直交する切断線Ｙで切断したＹ−Ｙ断面図である。触媒３の温度分布は、実験により得たものである。
本実施例による衝突壁４１を備えていない場合には、還元剤添加弁から噴射された還元剤が、対向する壁面に衝突する。このときには、排気の流れにより還元剤の勢いが弱まっ
ているので、還元剤の多くが排気通路２の壁面に付着し、そこから拡散する。そのため、触媒３内では還元剤添加弁と対向する壁面側の温度が特に高くなる。また、触媒３の中心部の温度上昇が不十分となる。そして、図３Ｂによれば、触媒３の中心部と周辺部との最大温度差は２５６℃である。
図４は、本実施例における還元剤噴射室４を備えていない場合であって、排気の流れの中に還元剤を衝突させるための分散板５００を備えた場合における還元剤添加時の触媒３の温度分布を示した図である。図４Ａは装置の概要図、図４Ｂは温度分布を示している。図４Ｂは、該触媒３の中心軸と直交する切断線Ｚで切断したＺ−Ｚ断面図である。触媒３の温度分布は、実験により得たものである。
分散板５００に還元剤が衝突することにより、図３に示した場合と比較して、還元剤の微粒化が促進される。しかし、触媒３の中心部の温度上昇が不十分である。つまり、還元剤添加弁から噴射された還元剤が分散板５００に到達するまでに、排気の流れにより還元剤の貫徹力が低下する。そのため、還元剤が分散板５００に衝突しないか、衝突したとしても勢いが弱いために微粒化が不十分になると考えられる。そして、図４Ｂによれば、触媒３の中心部と周辺部との最大温度差は１２６℃である。
このように、本実施例によれば、触媒３内の温度差を小さくすることができる。また、触媒３の中心部の温度を十分に上昇させることができる。
なお、以下の（１）から（４）の条件を全て満たしていれば、本実施例に係る構造以外のものを採用してもよい。（１）還元剤添加弁から至近距離で且つ排気通路２の外側に、還元剤が衝突するための壁を設ける。（２）排気の流れが直接当たらない方向に還元剤を噴射するように還元剤添加弁を設置する。（３）壁で跳ね返った還元剤が、排気通路を流れる排気の流れに合流する。（４）還元剤の全量が壁に衝突する。
本実施例は、還元剤噴射室４内に還元剤を衝突させるための衝突板４２を備え、衝突壁４１を備えていない点で実施例１と相違する。
図５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。
還元剤添加弁５は、衝突板４２に向かって還元剤を噴射する。そして、衝突板４２は、還元剤添加弁５から噴射された還元剤の全量が衝突する位置に備わる。
また、還元剤添加弁５から還元剤が噴射される方向が、排気の流れの下流側となるように、該還元剤添加弁５が取り付けられている。これは、排気通路２の中心軸と直交する面であって、還元剤添加弁５の噴孔を含む面よりも下流側に還元剤が噴射されていれば良く、排気の流れと平行に噴射する必要はない。
そして、衝突板４２には、還元剤の一部を通過させるための複数の穴が開けられている。これは、一枚の板に複数の穴を開けたものであっても良く、また、棒状若しくは繊維状の金属若しくは樹脂を格子状に配置したものであっても良い。さらに、金属または樹脂を網状に編んだものであっても良い。なお、本実施例においては衝突板４２が、本発明における「衝突部」及び「複数の穴を有する板」に相当する。
つまり、還元剤添加弁５から噴射された還元剤の一部は、衝突板４２の穴を通過する。このときに、衝突板４２に還元剤が衝突しつつ穴を通過すると還元剤が微粒化される。ま
た、還元剤が衝突板４２を通過する際に、穴の周りでガスの乱れが大きくなるため、微粒化が促進される。
また、衝突板４２に衝突して跳ね返された還元剤は、この衝突により微粒化が促進される。
そして、還元剤添加弁５から噴射され、その後、穴を通過した還元剤及び該衝突板４２に衝突して跳ね返された還元剤が、排気通路２を流通する排気の流れに乗るように、還元剤添加弁５の取付位置及び噴射角度、さらには衝突板４２の形状及び設置位置が決定される。衝突板４２の穴の位置や数も同様に決定される。これらは、実験等により求めても良い。なお、図５中の矢印は、還元剤の進行方向を示している。
このように本実施例によれば、還元剤の微粒化を促進させることができる。また、還元剤添加弁５へ直接排気の流れが当たらないため、該還元剤添加弁５の噴孔が詰まることを抑制できる。さらに、排気の流れの中に還元剤添加弁５及び衝突板４２がないため、排気損失の増加を抑制できる。
実施例１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における還元剤噴射室及び還元剤添加弁を備えている場合における還元剤添加時の触媒の温度分布を示した図である。図２Ａは装置の概要図、図２Ｂは温度分布を示している。 実施例１における還元剤噴射室を備えていない場合であって、還元剤添加弁から排気中へ直接還元剤を噴射した場合における還元剤添加時の触媒の温度分布を示した図である。図３Ａは装置の概要図、図３Ｂは温度分布を示している。 実施例１における還元剤噴射室を備えていない場合であって、排気の流れの中に還元剤を衝突させるための分散板を備えた場合における還元剤添加時の触媒の温度分布を示した図である。図４Ａは装置の概要図、図４Ｂは温度分布を示している。 実施例２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。
符号の説明
１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 触媒
４ 還元剤噴射室
５ 還元剤添加弁
４１ 衝突壁
４２ 衝突板
５００ 分散板

Claims (3)

  1. 還元剤を噴射する還元剤添加弁と、
    内燃機関の排気通路を流れる排気の流れの外側で前記還元剤添加弁が還元剤を噴射するための空間を有し、且つ前記還元剤添加弁が設置される還元剤添加弁取付部と、
    前記還元剤添加弁取付部に存在し、前記還元剤添加弁から噴射される還元剤が衝突する衝突部と、
    を備え、
    前記還元剤添加弁からの還元剤の噴射方向を、前記衝突部に向け、且つ該還元剤添加弁よりも排気の下流側へ向けることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記還元剤添加弁から噴射される還元剤の全量が前記衝突部に衝突し、該衝突部で跳ね返る還元剤が、排気通路を流れる排気の流れまで到達するように該衝突部を設け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. 前記衝突部は、複数の穴を有する板を備えて構成され、該穴を通過する還元剤及び該板に跳ね返される還元剤が、排気通路を流れる排気の流れまで到達するように該衝突部を設け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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