JP2009156066A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡単な構造で、添加剤噴射弁からの添加剤を十分に拡げて触媒へ広範囲に噴射させる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】本発明の排気ガス浄化装置は、触媒５の近傍から上流の排気管部分１５を、仕切板１９で、排気ガスの流通方向に仕切り、排気ガスが流通する排気ガス通路２０と排気ガスの流れに干渉しない管路部２１とに分割し、添加剤噴射弁２３にて、分割した管路部２１を通し、触媒５の反応に求められる添加剤を触媒５へ噴射する。これにより、添加剤噴射弁２３からの添加剤αは、排気ガス流に影響されずに、所定に拡がりながら、触媒５の入口へ広範囲に噴射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、添加剤噴射弁から触媒に供給する添加剤の噴射を行う内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン車（車両）の排気ガスの浄化には、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）やＰＭ（パティキュレートマター）の大気への放出を防ぐために、ＮＯｘトラップ触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒やディーゼルパティキュレートフィルタなどを組み合わせた排気ガス浄化装置が用いられる。
最近では、エンジンの冷態時の浄化効率を高めるために、できるだけエンジンの近く、例えばエンジンのエキゾーストマニホールドの出口の近くに、別途、前段触媒と呼ばれる、酸化触媒やＮＯｘトラップ触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒などの触媒を設け、この触媒の上流側に該触媒の反応に求められる燃料を噴射する燃料添加弁（還元剤を添加するもの）を設けて、排気ガス浄化装置を構築することが進められている。

ところで、こうしたエンジンの排気出口の近くの前段触媒の設置には、自動車のエンジンルーム内に収められるようにする工夫が求められる。
このため、多くは特許文献１に開示されているようにエンジンの排気側に、例えばＬ形に屈曲した屈曲部を有した排気管部を設けて、屈曲部から下流部分で触媒が設置可能な場所を確保し、この部分に前段触媒を設け、この前段触媒の直上流に燃料添加弁を設けることが行われている。

近時では、できるだけ前段触媒をエンジンに接近させるために、特許文献１の図１に示されるように排気管部の屈曲部の外周側に燃料添加弁を設置し、さらに噴射距離を確保するために、前段触媒の反応に求められる燃料を、屈曲部の外周側から排気管部内に噴射して、触媒へ供給する傾向にある。
ところで、前段触媒を効率よく反応させるためには、燃料添加弁から噴射された燃料を、前段触媒の入口端面に広範囲に供給することがよいとされる。

ところが、触媒へ噴射する燃料の噴射形状は、排気ガス流に押されて、所定形状、例えばコーン形に拡がるはずが、拡がりを欠いた形状、具体的には噴射流の先端では扁平状となり、かなり小さな拡がりに変更されてしまう。特に燃料の噴射流は、先端にいくほど貫徹力が小さいので、排気ガス流の影響を受けやすい。しかも、排気ガス流は、流速や流量が多い高負荷運転時や反対に流速や流量が小さい低負荷運転時などエンジンの運転状態によって大きく異なる。

このため、反応のための燃料は、触媒へ広範囲に供給され難く、触媒の機能が十分に発揮され難い。
そこで、特許文献２に開示されているように屈曲部を形成する排気管部のうち、燃料添加弁の先端部付近にだけ、燃料添加弁から噴射された燃料を案内する案内管を形成し、案内管の直後から触媒までの間に、噴射された燃料と排気ガスとが混合するための距離を確保する構造が提案されている。
特開２００５−１２７２６０号公報 特開２００６−３２９０１９号公報

特許文献２によると、確かに案内管が有る領域については、噴射した燃料と排気ガス流との干渉が避けられるので、燃料添加弁から噴射した噴射流は、排気ガス流の影響は受けない。しかし、案内管の先端と触媒との間に多く距離が存在するので、案内管から流出した貫徹力の小さい噴射流と、屈曲部を通過した直後の乱れた排気ガス流とが混じることで、噴射形状が維持できなく、燃料を触媒へ広範囲に噴射すること自体できない。しかも、排気管部の屈曲部内に案内管部を形成する構造は、かなり難しい。

そこで、本発明の目的は、簡単な構造で、添加剤噴射弁からの燃料を十分に拡げて触媒へ広範囲に噴射させる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、触媒の近傍から上流の排気管部分を、仕切壁で、排気ガスの流通方向に仕切り、排気ガスが流通する排気ガス通路と排気ガスの流れに干渉しない管路部とに分割し、添加剤噴射弁にて、分割した管路部を通し、添加剤を触媒へ噴射するようにした。
同構成により、添加剤噴射弁からの添加剤は、排気ガス流に影響されずに、所定に拡がりながら、触媒の入口へ噴射される。しかも、仕切壁でその触媒の近くから排気管部内を仕切る構造なので、簡単な構造ですむ。

請求項２に記載の発明は、さらに、容易に排気管内部を仕切れるよう、排気管に屈曲部を形成し、屈曲部外周側と内周側とに仕切り、内周側を排気ガス通路とし、外周側を管路部とした。
請求項３に記載の発明は、噴射形状が損なわれずに添加剤が触媒へ噴射されるよう、添加剤が通る管路部は、添加剤噴射弁から噴射される添加剤の噴射形状を許容する大きさとした。

請求項４に記載の発明は、さらに、添加剤噴射弁の噴射部にデジポットが堆積されないよう、仕切壁には、添加剤噴射弁の先端部へ排気ガスの一部を導く送気用の孔部を形成した。

請求項１の発明によれば、添加剤噴射弁から噴射された添加剤を、排気ガス流に影響されずに所定に拡げさせて、そのまま、触媒の入口へ導くことができる。
したがって、簡単な構造で、添加剤噴射弁からの添加剤を、十分に拡げさせて、触媒へ広範囲に噴射させることができる。
請求項２の発明によれば、屈曲部の直下流に触媒を配置し、屈曲部外周側と内周側とに仕切っているため、さらに、簡単な構造で、添加剤噴射弁からの添加剤を、十分に拡げさせて、触媒へ広範囲に噴射させることができる。

請求項３の発明によれば、噴射形状が損なわれずに、添加剤を触媒へ噴射させることができる。
請求項４の発明によれば、さらに、添加剤噴射弁の噴射部には、常に微量な排気ガスが流れるから、同燃料噴射部はデジポットが堆積しにくくなる。

以下、本発明を図１および図２に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１はディーゼルエンジン（内燃機関）の排気系を示し、同図中１は、ディーゼルエンジンのエンジン本体、１ａは同エンジン本体１のエキゾーストマニホールド（一部しか図示せず）、２はそのエキゾーストマニホールド１ａの出口に接続された過給機、例えばターボチャージャを示す。

ディーゼルエンジン１の排気側をなすターボチャージャ１ａの排気出口には、排気ガス浄化装置３が設けられている。この排気ガス浄化装置３には、例えば、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵し、定期的に吸蔵したＮＯｘを還元除去するＮＯｘ除去系３ａと、ＰＭ（パティキュレートマター）を捕集するＰＭ捕集系３ｂとを組み合わせた構造が用いられている。

例えば、ＮＯｘ除去系３ａには、ターボチャージャ１ａの排気出口から、下方へ向うように連結された、前段触媒となる酸化触媒（本願の触媒に相当）５が内蔵された触媒コンバータ６と、同触媒コンバータ６の後に横方向に連結された、ＮＯｘトラップ触媒８が内蔵された触媒コンバータ９との組み合わせが用いられている。また捕集系３ｂには、触媒コンバータ９に、パティキュレートフィルタ１１が内蔵された触媒コンバータ１２を連結した構成が用いられている。これらの触媒コンバータ６，９，１２や同コンバータ間をつなぐ接続部１３などから、ディーゼルエンジンから排気された排気ガスを外部へ導く排気管部１５を構成している。

このうち触媒コンバータ６の酸化触媒５を収容している縦筒形のハウジング１７は、例えば上部側がＬ形に成形されていて、上部のターボチャージャ２と接続される入口部１７ａを横向きに配置させている。なお、触媒コンバータ９と連通する出口部１７ｂは、下向きの配置となっている。このハウジング１７により、排気管部１５のうち、ディーゼルエンジンの排気側の直後の地点に、Ｌ形に屈曲した屈曲部１５ａを形成している。またこの屈曲部１５ａの直下を触媒設置スペースとしている。この確保された触媒設置スペースのうちの屈曲部１５ａの直下流となる地点に酸化触媒５が設置してある。これにより、酸化触媒５を、エンジン本体１に近い地点に設置させている（エンジン冷態時の昇温性を高めるため）。

また酸化触媒５から上流側のハウジング空間（排気管部内に相当）は、仕切板１９（本願の仕切壁に相当）によって仕切られている。仕切板１９は、酸化触媒５の入口端面の近傍から上流に渡り設けられていて、ハウジング空間を排気ガスの流通方向に沿って仕切っている。例えば仕切板１９により、酸化触媒５の入口端面の近傍から屈曲部１５ａ内までが、排気ガスの流通方向沿いに仕切ってある。さらに述べれば、例えば図１および図２に示されるようにハウジング１７の内部は、仕切板１９により、屈曲部１５ａの外周側と内周側といった内外方向で仕切ってある。仕切板１９の上流側の端部は、屈曲部１５ａの入口付近でハウジング１７の内面に取着され、酸化触媒５から上流側のハウジング空間を、入口部１７ａと連通する排気ガス通路２０と、上流側が閉鎖された外周側の管路部２１とに分割している。つまり、内周側に形成された排気ガス通路２０は、排気ガスの主流が通る通路となり、外周側に形成された管路部２１は、排気ガスの主流とは干渉しないスペースとなる。なお、仕切板１９の下流側の端部は、可能な限り酸化触媒５の入口端面に近付けて、仕切板１０と酸化触媒５との間の隙間δ（図１に図示）を小さくしてある。

屈曲部１５ａの外周側の壁部（管路部２１の上流側）には、添加剤としてディーゼルエンジンで用いる軽油などの燃料を噴射する燃料添加弁２３（本願の添加剤噴射弁に相当）が設けられている。この燃料添加弁２３は、先端部に燃料噴射部２３ａをもつ。この燃料添加弁２３が、先端の燃料噴射部２３ａを屈曲部１５ａの内面から退避させて、ハウジング１７に形成した据付座２４に設置させてある。具体的には燃料添加弁２３は、図２に示されるように管路部２１の中央に、噴射方向を酸化触媒５へ向けて燃料噴射部２３ａが配置してある。なお、燃料噴射部２３ａから噴射された燃料は、据付座２４に形成したポート２４ａから管路部２１内へ導かれるようにしてある。

これにより、燃料添加弁２３から燃料αが、排気ガス流と干渉せずに、酸化触媒５の入口端面へ向かって噴射されるようにしている、つまり、燃料αは、分割した管路部２１を通して、コーン状に拡がりながら、酸化触媒５の入口端面へ噴射されるようにしている。特に有効に酸化触媒５へ燃料αが供給されるよう、燃料噴射部２３ａは、図１に示されるような所定の噴射距離Ｌをおいて配置され、噴射した燃料が最大に拡がり、かつ勢いがなくなる先端のブレークポイントが、酸化触媒５の入口端面の付近に到達する地点に配置してある。仕切板１９の長さはこの距離Ｌにも対応している。

管路部２１の大きさは、距離Ｌを許容するだけでなく、噴射形状がコーン形に最大に拡がったときの噴射径Ｓを許容する大きさも有していて、コーン形の噴射形状を損なわずに、酸化触媒５の入口端面に噴射できるようにしている。
また仕切板１９のうち、燃料噴射部２３ａと隣り合う位置には、燃料噴射部２３ａへ向かって開口する送気用の小孔２６（本願の送気用の孔部に相当）が設けられている。この小孔２６により、燃料噴射部２３の先端やポート２４ａにデジポットが堆積しないよう、燃料噴射部２３へ向って、排気ガス通路２０から微量な排気ガス（排気ガスの一部）を導けるようにしている。

なお、燃料添加弁２３は、酸化触媒５の反応（酸化）を利用して還元剤の生成し、この還元剤でＮＯｘトラップ触媒８に吸蔵されたＮＯｘやＳＯｘを還元除去したり、同じく酸化触媒５の反応（酸化）で得られる昇温により、パティキュレートフィルタ１１で捕集したＰＭを燃焼除去したりするのに用いるものである。そのため、燃料添加弁２３は、ディーゼルエンジンを制御する制御部、例えばＥＣＵ２７によって、ディーゼルエンジンの運転中、ＮＯｘやＳＯｘの還元除去、ＰＭの燃焼除去といった、触媒反応が求められるときに燃料の噴射が行われるようにしてある。

つぎに、このように構成された排気ガス浄化装置の作用について説明する。
ディーゼルエンジンの運転中、ディーゼルエンジンから排気された排気ガスは、エキゾーストマニホールド１ａ、ターボチャージャ２、排気ガス通路２０、酸化触媒５、ＮＯｘトラップ触媒８およびパティキュレートフィルタ１１を通じて、外気へ排気される。
このとき、排気ガス中に含まれるＮＯｘは、ＮＯｘトラップ触媒８に吸蔵され、同じくＰＭは、パティキュレートフィルタ１１により捕集される。

ここで、吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘや捕集されたＰＭを除去する時期となり、燃料添加弁２３が作動し、燃料噴射部２３ａから、これらの除去に求められる燃料αが管路部２１内へ噴射されたとする。
このとき、管路部２１は、排気ガスが流れる排気ガス通路２０とは隔てられているから、燃料噴射部２３ａから噴射された燃料αの噴射流は、屈曲部１５ａを流れる排気ガス流に影響せずに通す。

これにより、燃料添加弁２３からの燃料αは、周囲からの影響されずに、所定のコーン形状に拡がりながら、酸化触媒５の入口端面へ導かれる。特に仕切板１９の下流側の端は、酸化触媒５、すなわち触媒の入口端面の近傍まで配置されているから、排気ガス流の影響は最小限に抑えられる。
それ故、酸化触媒５の入口端面へは、最大に拡がった円形の噴射形状のままで、燃料αが供給される。

したがって、燃料添加弁２３の燃料αを、十分に拡げさせて、酸化触媒５、すなわち触媒の入口端面へ広範囲に噴射することができる。この結果、酸化触媒５のみならず、下流のＮＯｘトラップ触媒８やパティキュレートフィルタ１１がもつ機能を十分に発揮させることができ、排気ガス浄化装置の浄化機能を十分に発揮させることができる。
しかも、同効果は、屈曲部１５ａの直下に酸化触媒５（触媒）を配置し、仕切板１９により、酸化触媒５（触媒）の近傍から上流の排気管部分を仕切り、排気ガス流と干渉しない管路部２１から燃料αを噴射させれば得られるので、簡単な構造ですむ。

特に管路部２１は、燃料添加弁２３から噴射される燃料の噴射形状を許容する大きさをもつので、拡がる噴射形状を損なうことなく、適正に燃料を酸化触媒５、すなわち触媒へ噴射させることができる。
しかも、仕切板１９には送気用の小孔２６が設けてあるので、ディーゼルエンジンの運転中、燃料添加弁２３の先端部には、常に微量な排気ガスが送気され続けているから、燃料添加部２３の燃料噴射部２３ａやポート２４ａにはデジポットが堆積しにくく、常に良好に燃料噴射が行える。

なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば一実施形態では、仕切壁で排気管部分内を、屈曲部の内周側と外周側とに分割したが、これに限らず、例えば仕切壁で左右両側に分割して、排気ガス通路や管路部を形成してもよい。もちろん、仕切壁は、別体構造でなく、一体構造でもよい。また一実施形態では、屈曲部の直下流の触媒として酸化触媒を用い、その下流にＮＯｘトラップ触媒、パティキュレートフィルタを設けた排ガス浄化装置に本発明を適用した例を挙げたが、これに限らず、他の浄化方式の排気ガス浄化装置、例えば屈曲部の直下流の触媒としてＮＯｘトラップ触媒を用い、その下流にパティキュレートフィルタを設け、ＮＯｘトラップ触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置でも、屈曲部の直下流の触媒としてＮＯｘトラップ触媒を用い、その下流にＮＯｘトラップ触媒、酸化触媒、パティキュレートフィルタを設け、ＮＯｘトラップ触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置や添加剤噴射弁の直下流に選択還元型触媒やパティキュレートフィルタを設けた排気ガス浄化装置などでもよい。

また、一実施形態では、触媒の直上流に屈曲部を設け、屈曲部から仕切壁が延びているが、触媒の直上流がストレートな排気管部分、例えば屈曲部と触媒上流端との間に形成されるストレート部分に仕切壁を設けても良い。
さらに、上述した一実施形態では、添加剤として燃料を用いて説明したが、触媒に供給するものであれば何でもよく、例えば還元剤としての軽油，ガソリン，エタノール，ジメチルエーテル，天然ガス，プロパンガス，尿素，アンモニア，水素，一酸化炭素などでもよい。また、還元剤以外の物質でもよく、例えば触媒冷却のための空気，窒素，二酸化炭素などや，パティキュレートフィルタに捕集した煤の燃焼除去を促進させるための空気やセリアなどでもよい。また、燃料添加弁２３の噴射形状としてはコーン状の他に偏平で扇状に拡がる添加剤噴射弁や複数の噴射孔より添加剤が噴射される添加剤噴射弁でもよい。

本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の構造を示す一部断面した側面図。 図１中のＡ−Ａ線に沿う平断面図。

符号の説明

１ エンジン本体
３ 排気ガス浄化装置
５ 酸化触媒（触媒）
１５ 排気管部
１５ａ 屈曲部
２３ 燃料添加弁
２６ 小孔（送気用の孔部）

Claims (4)

1. エンジンから排気された排気ガスを外部へ導く排気管と、
   前記排気管に収められた触媒と、
   前記排気管部内に設けられ、前記触媒の近傍から上流の排気管部分を排気ガスの流通方向に仕切り、当該排気管部分内を前記排気ガスが流通する排気ガス通路と該排気ガスの流れに干渉しない管路部とに分割する仕切壁と、
   前記管路部を通して、前記触媒に供給する添加剤を前記触媒へ噴射する添加剤噴射弁と
   を具備したことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 前記排気管は前記触媒の直上流部分にＬ形に屈曲する屈曲部を備え、
   前記仕切壁は、前記排気管を屈曲部外周側と内周側とに仕切り、内周側を排気ガス通路とし、外周側を管路部としたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
3. 前記管路部は、前記添加剤噴射弁から噴射される燃料の噴射形状を許容する大きさを有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
4. 前記仕切壁には、前記燃料添加弁の先端部へ排気ガスの一部を導く送気用の孔部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。

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