JP2009156068A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、通路の壁面を伝わる添加剤が、台座部分と排気管の壁部間から、外部への漏れるのを抑制する内燃機関の排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、台座２４の固定をなす、台座部分２７と排気管１５ａの壁部との間へ、通路２６の壁面を伝わる添加剤Ｐが進入するのを規制する燃料進入規制手段３５，４０を設けた。これにより、たとえ通路２６の壁面を伝わった添加剤Ｐが、台座２４を固定している台座部分２７と排気管１５ａの壁部間へ向っても、燃料進入規制手段３５，４０により、その進入が規制されるので、添加剤Ｐが外部へ漏れるのが抑えられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、触媒に供給される添加剤の噴射を行う構造をもつ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。
こうした排気ガス浄化装置には、エンジンから排気された排気ガスを外部へ排気する排気管部内に、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、触媒の上流側、例えば酸化触媒の上流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）を設けた構造が採用されつつある。

ところで、燃料添加弁を正常に機能させるためには、燃料添加弁の耐熱温度を超える使用を避けたり、噴射詰まりの要因となる燃料添加弁の先端部にデジポットが生成されるのを避けたりすることが求められる。
このためには、燃料添加弁を、燃料排気ガス流から遠ざけ、高温の排気ガス流に、燃料が噴射する先端部が晒されないようにすることが有効である。そのため、排気ガス浄化装置では、特許文献１のように排気管の壁部に燃料添加弁を固定する台座を用いて、排気管外に燃料添加弁の先端部を配置し、また先端部から排気管内まで間の噴射燃料が通る通路を形成して、排気管を流れる排気ガスの主流から燃料添加弁の先端部を遠ざけ、燃料添加弁の先端部の温度が、耐熱温度を超えずに、またデジポットの生成温度を超えずにすむよう、燃料噴射を行えるようにした構造が採用されつつある。
特表２００２−５４３３３７号公報

ところで、こうした排気ガス浄化装置では、燃料添加弁から燃料が噴射されると、気圧の変化等によって噴射流以上に燃料が拡散し、燃料の一部が台座に形成されている通路の壁面に付着されることが避けられない。
このような場合、通路の壁面に付着した燃料は、壁面を伝って台座の固定をなしている台座部分と排気管の壁部との間に到達し、燃料が、台座と排気管との間のシール面を通じて、外部（大気）へ漏れるおそれがある。

そこで、本発明の目的は、通路の壁面を伝わる添加剤が、台座部分と排気管の壁部間から、外部への漏れるのを抑制す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、台座の固定をなす、台座部分と排気管の壁部との間へ、添加剤が進入するのを規制する添加剤進入規制手段を設けた。
同構成により、たとえ添加剤が台座を固定している台座部分と排気管の壁部間へ向っても、添加剤進入規制手段により、その進入が規制されるので、添加剤が外部へ漏れるのが抑制される。

請求項２に記載の発明は、さらに、簡単な構造で、添加剤の漏れが防げるよう、添加剤進入規制手段は、通路の排気管に開口する開口端の周囲に、他の部分より排気管側へ突き出る凸部を形成した構造を採用した。
請求項３に記載の発明は、同じく、通路の排気管に開口する開口端から、台座部分と排気管の壁部との間へ向う経路の途中に、添加剤の流れを遮断する凹部を形成した構造を採用した。

請求項１の発明によれば、添加剤が台座を固定している台座部分と排気管の壁部との間へ向っても、その添加剤の進行が、添加剤進入規制手段により規制されるので、添加剤が外部（大気）へ漏れるのを防ぐことができる。
請求項２および請求項３の発明によれば、さらに上記効果に加え、凸部や凹部を設けるという簡単な構造だけで、添加剤が外部へ漏れるのを防ぐことができる。

以下、本発明を図１〜図５に示す第１の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５（本願の触媒に相当）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、後述する酸化触媒５へ燃料を供給する燃料添加弁２３とを組み合わせた構成が用いられている。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（本願の排気管に相当）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を収容している鋼板製の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。この屈曲部１５ａの下部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。

燃料添加弁（添加剤噴射弁）２３は、例えば酸化触媒５への燃料の噴射を果たすために、酸化触媒５の直上流の地点、例えば屈曲部１５ａの外周側の壁部に設けられている。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は、先端の燃料噴射部２３ａを屈曲部１５ａから退避させて、設置されている。この設置は、専用の台座２４ａを用いて行われる。

図２にはこの燃料添加弁２３の設置構造が示され、図３〜図５には同構造の各部の詳細が示されている。
具体的に燃料添加弁２３の設置構造を説明すると、台座２４には、例えば円形の台形をなしたアルミ製の台部材２４ａが用いられる。台部材２４ａの上部中央には、中段まで延びる弁取付孔２５が形成してある。下部中央には、弁取付孔２５の下端から、台部材の下端へ向うにしたがって拡がる凹形部２６（本願の通路に相当）が形成されている。また台部材２４ａの下部の周縁部には、凹形部２６を囲むようにフランジ２７が形成されている。台部材２４ａは、このフランジ２７を、カーボンメタルガスケット３０を挟んで、屈曲部１５ａに形成してある弁取付口１９の開口縁部にねじ止めすることによって、屈曲部１５ａの外周側に固定してある。さらに述べれば、カーボンメタルガスケット３０は、図５に示されるように例えば薄板の鋼板部材３０ａを芯材として、その両側にカーボン層３０ｂを設けた構造となっていて、フランジ２７が弁取付口１９の開口縁部にねじ止めされると、両側のカーボン層３０ｂのカーボン面が、フランジ２７や弁取付口１９の開口縁部と擦り付くように密着する。

燃料添加弁２３は、この取り付けた台部材２４ａの弁取付孔２５へ先端部を挿入し、本体部２３ｂを、押え部材（図示しない）で、台部材２４ａの上部に押え付けることによって固定される。そして、燃料添加弁２３の先端部である燃料噴射部２３ａを凹形部２６内に臨ませている。これにより、屈曲部１５を流れる排気ガスの主流から、燃料噴射部２３ａ、本体部２３ｂを含め、燃料添加弁２３の全体を遠ざけている。この燃料添加弁２３の配置により、燃料添加弁２３の耐熱温度が超過するのを避けたり、噴射詰まりの要因となる燃料添加弁２３の先端部がデジポットを発生しやすい温度になるのを避けたりするようにしている。これで、屈曲部１５ａ外から、酸化触媒５の反応に求められる燃料（例えばディーゼルエンジンの燃料である軽油など）が、凹形部２６で形成される通路を通じて、排気管部１５内へ噴射、すなわち酸化触媒５の入口端面へ向かって噴射されるようにしている。

なお、燃料添加弁２３から噴射される燃料は、酸化触媒５の反応により還元剤を生成し、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ＥＣＵ（図示しない）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が噴射される。

また台部材２４ａの内部には、図３および図４に示されるように燃料添加弁２３の燃料噴射部２３ａ、本体部２３ｂ、凹形部２６を取り囲むように環状の冷却水通路３２が形成されている。冷却水通路３２は、例えばディーゼルエンジンの冷却水循環系（図示しない）に接続されていて、ディーゼルエンジンを冷却する冷却水で燃料添加弁２３が冷却されるようにしている。この冷却により、デジポット生成に影響のある燃料噴射部２３ａの周辺に到達する排気ガスの温度も低下させ、上記温度超過が回避されるようにしている。なお、十分に燃料添加弁２３の先端部が冷却されるようにするには、燃料添加弁２３を覆う冷却水路３２で形成された水室の容積は、１０ｃｃ以上で、該水室と台部材２４ａ外観の容積比は、１／７以上であるとよい。

冷却通路３２は、カーボンメタルガスケット３０の近くまで形成されていて、カーボンメタルガスケット３０の近くの台座部分やフランジ２７までも冷却している。この冷却により、アルミ製の台座部材２４ａと鋼製のハウジング２７（排気管）との間を、高シール性を確保できるが、耐熱性が低く、排気系に不向きなカーボンメタルガスケット３０によるシールを実現させている。

一方、屈曲部１５ａに固定された台座２４の凹形部２６のうち、屈曲部１５ａ内に開口する開口端の全周には、図２に示されるように台座２４の他の下部分、すなわち台座２４のフランジ２７から、前方（下方）へ突き出る環状の水切り用の凸部３５が形成されている。この凸部３５から燃料進入規制手段を構成して、凹形部２６の壁面を伝わる燃料が、台座２４を固定しているフランジ２７と屈曲部１５ａの壁部（弁取付口１９の開口縁部）との間へ進入するのを規制するようにしている。

すなわち、同作用について説明すると、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、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。
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。

このとき、吸蔵されたＮＯｘや捕集されたＰＭを除去する時期となり、燃料添加弁２３から、これらの除去のために燃料が噴射されたとする。
すると、燃料は、図１および図２に示されるように燃料噴射部２３ａから拡がりながら、凹形部２６内を通じて、酸化触媒５の入口端面へ噴射される。αは、その燃料の噴射流を示す。

このとき、噴射された燃料の一部は、図２に示されるように凹形部２６の壁面に付着する。この付着した燃料Ｐは、凹形部２６の壁面を伝わって、台座２４の設置部をなしている、フランジ２７と屈曲部１５ａの壁面間のシール面へ向う。図１および図２は、そのときの状況を誇大的に示してある。
ここで、燃料Ｐがフランジ２７と屈曲部１５ａの壁面間へ向う経路の途中の地点となる凹形部２６の開口端には、水切り用の凸部３５が形成されているから、図２に示されるように燃料Ｐは、凸部３５に伝わり、凸部３５の先端から、下方（ハウジング１７内）へ流れ落ちる。

この凸部３５で行われる水切り現象により、燃料Ｐは、フランジ２７と屈曲部１５ａの壁面間のシール面へ到達できなくなる。
それ故、凹形部２６の壁面を伝わる燃料Ｐが、台座２４を固定している部分へ向ったとしても、その燃料Ｐの進行が、燃料進入規制手段により規制されるから、燃料Ｐが、フランジ２７と分岐部１５ａ間から、外部（大気）へ漏れるのを防ぐことができる。

特に凹形部２６の開口端に凸部３５を設けただけなので、簡単な構造で、燃料の漏れが防止できる。
また、上記では水切り用の凸部３５を分岐部１５ａ内に開口する開口端の全周に凸部３５を形成しているが、全周ではなく一部分に形成しても良い。この場合、付着した燃料Ｐが伝わりやすい部分、すなわち燃料噴射部２３ａから近い凹形部２６の開口端の一部分に形成することで同様の効果を得ることができる。

図６は、本発明の第２の実施形態を示す。
第２の実施形態は、凹形部２６の開口端から、フランジ２７と屈曲部１５ａの間へ向う経路の途中に、凹部４０を形成して、燃料進入規制手段としたものである。
具体的には、凹形部２６の開口縁部に、凹形部２６の開口を囲むように環状の凹部２６を形成して、凹部２６により、フランジ２７と屈曲部１５ａの間へ向う燃料Ｐの流れを断ち切る、すなわち燃料Ｐの流れを遮断するようにしたものである。但し、図６において、第１の実施形態と同一な部分には同一符号を付してその説明を省略した。

このような凹部４０を用いた簡単な構造でも、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
なお、本発明は上述したいずれの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。例えば上述の実施形態では、燃料進入規制手段として、凸部や凹部を用いた構造を採用したが、これに限らず、他の形状や構造を用いてもよい。

また上述の実施形態では、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、例えば分岐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などに本発明を適用しても構わない。

また、上述の実施形態では、屈曲部に添加剤噴射弁を設けたが、触媒の直上流の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設けても良い。
さらに、上述した実施形態では、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。

また上述の実施形態では、フランジ２７と弁取付口１９の開口縁部とをカーボンメタルガスケット３０を挟んで密着させているが、カーボンの代わりにゴムをコートしたゴムコートメタル等の耐熱性は低いが高シール性を確保できるガスケットを適用しても構わない。

本発明の第１の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。 同装置の燃料添加弁が設置された部分を拡大して示す側断面図。 図２中のＡ−Ａ線に沿う平断面図。 図２中のＢ−Ｂ線に沿う平断面図。 図２中のＣ部を拡大して示す側断面図。 本発明の第２の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。

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（排気管）
１５ａ 分岐部
２３ 燃料添加弁
２４ 台座
２６ 凹形部（通路）
３５，４０ 凸部，凹部（燃料進入規制手段）

Claims (3)

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、
   前記排気管内に収められた触媒と、
   前記触媒に添加剤を供給可能な添加剤噴射弁と、
   前記排気管の壁部に固定され、前記添加剤噴射弁からの添加剤が噴射され前記排気管に連通する通路を形成して、前記添加剤噴射弁を据付ける台座と
   を有する内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記添加剤噴射弁から噴射された添加剤が、前記台座の固定をなす、台座部分と前記排気管の壁部との間へ進入するのを規制する添加剤進入規制手段を設けた
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 前記添加剤進入規制手段は、前記通路の排気管に開口する開口端の周囲に、他の部分より排気管側へ突き出る凸部を形成し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ガス浄化装置。
3. 前記添加剤進入規制手段は、前記通路の排気管に開口する開口端から、前記台座部分と前記排気管の壁部との間へ向う経路の途中に、伝わる添加剤の流れを遮断する凹部を形成して構成され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。

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