JP2009156071A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、添加剤噴射弁と触媒間で混合に必要な距離が確保されなくとも、十分に添加剤と排気ガスとを混合させることが可能な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、触媒５から上流の排気管部１５のうち、添加剤噴射弁２３から噴射された添加剤の噴射流αが通過する排気管部分Ｓに、同排気管部分の流路断面形状を、当該排気管部分Ｓを通る噴射流αの噴射領域の断面と同等の形状にしてなる添加剤混合部２８を形成した。この構成により、添加剤混合部２８において、排気ガスと添加剤とが十分に接触する機会が与え、十分に排気ガスと添加剤との混合が行われるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、触媒の反応に求められる燃料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）などを設けた構造が採用されつつある。

このような排気ガス浄化装置で、前段触媒を効率よく反応させるためには、前段触媒へ燃料が流入する前に、噴射された燃料と排気ガスとを十分に混合させることが重要である。
このためには、燃料添加弁から触媒までの区間で、十分な燃料の飛翔距離を確保することが求められる。

しかし、最近のようにエンジンの冷態時の浄化効率を高めるため、例えば特許文献１に開示されているようにエンジンの排気側の近くで触媒の設置箇所を確保することが求められるようになると、燃料の飛翔距離が確保しにくい。
すなわち、この触媒の設置を活かすためには、特許文献１のように触媒の直上流の地点、例えば屈曲部に燃料添加弁を設けることになる。このため、燃料添加弁と触媒との間には、燃料と排気ガスとを混合させる距離が稼ぎにくい。
特開２００５−１２７２６０号公報

こうした燃料添加弁や触媒の設置上の理由から、燃料と排気ガスとを混合させる距離が稼ぎにくい事情は、屈曲部が無い排気ガス浄化装置にも見られる。
その対策として、排気管部から離れた地点に燃料添加弁を配置して、燃料を排気ガス流から遠ざけた地点から噴射させる構造の排気ガス浄化装置が提案されているが、同様に、燃料添加弁や触媒の設置上の事情などから、燃料と排気ガスとを混合させる距離が稼ぎ難い。

それ故、排気ガス浄化装置は、噴射された燃料と排気ガスとを十分に混合させることは難しい。このため、均一に射化した燃料が触媒へ供給されるのが難しく、触媒が、その機能を十分に発揮できない問題があった。
そこで、本発明の目的は、添加剤噴射弁と触媒間で混合に必要な距離が確保されなくとも、十分に添加剤と排気ガスとを混合させることを可能に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、触媒から上流の排気管部のうち、添加剤噴射弁から噴射された燃料の噴射流が通る排気管部分に、同排気管部分の流路断面形状を、当該排気管部分を通る噴射流の噴射領域の断面と同等の形状にしてなる添加剤混合部を形成した。
同構成によると、添加剤混合部により、触媒の上流において、排気管部分内を流れる排気ガス流に対し、添加剤噴射弁からの噴射流がくまなく分布するので、排気ガス流の排気ガスと噴射流の添加剤との接触が十分に行われる機会が与えられる。これにより、排気ガスと添加剤との混合は十分に行われ、添加剤噴射弁と触媒間で混合に必要な距離が確保されなくとも、均一に霧化した添加剤が触媒へ供給される。

請求項２に記載の発明は、さらにエンジンの出力低下がないよう、添加剤混合部には、排気管部の上流から所定の流路面積を一定に保つ構造を採用した。
請求項３に記載の発明は、さらに添加剤混合部を通過する排気ガスと添加剤が、触媒に対して均一に供給されるよう、添加剤混合部の出口には、ベルマウス形に拡げた構造を採用した。

請求項１の発明によれば、添加剤混合部により、触媒の上流において、排気ガス流の排気ガスと噴射流の添加剤との接触を十分に行わせる機会を与えることができ、十分に排気ガスと添加剤を混合させることができる。
それ故、添加剤噴射弁と触媒間で混合に必要な距離が確保されなくとも、均一に霧化した添加剤を触媒へ供給することができ、触媒の機能を十分に発揮させることができる。

請求項２の発明によれば、排気管部は、上流から添加剤混合部まで、流路面積が一定なので、流路抵抗が増大することはなく、エンジン出力の低下はない。
請求項３の発明によれば、さらに上記効果に加え、添加剤混合部から流出した排気ガスと添加剤は、添加剤混合部のベルマウス形出口により、半径方向へ拡がりながら一様に触媒に向うので、均一な分布で添加剤を触媒へ供給させることができる。

以下、本発明を図１〜図３に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１は内燃機関、例えばディーゼルエンジンの排気系を示している。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している。

ターボチャージャ２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とを組み合わせた装置が用いられている。
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へ触媒反応用の添加剤としての燃料を供給する燃料添加弁（添加剤噴射弁）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（エンジン本体１）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、例えば上部側がほぼＬ形に成形されていて、上側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、下側の触媒コンバータ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の直下の部分に触媒設置スペースを確保している。酸化触媒５は、このディーゼルエンジンの排気側に近い地点に設置してある。

燃料添加弁２３は、この酸化触媒５へ、触媒反応に求められる燃料の噴射を果たすために、酸化触媒５の直上の地点、例えば屈曲部１５ａの外周側の壁部に設けられている。この燃料添加弁２３は、燃料を噴射する燃料噴射部を先端部にもつ。燃料添加弁２３は、屈曲部１５ａの外周部から分岐した筒形部２４の端に有る取付フランジ２４ａに、台座２５を介して設置されている。そして、燃料添加弁２３の先端部の燃料噴射部を、筒形部２４の内部空間で形成される燃料噴射路２４ｂに臨ませている。燃料噴射路２４ｂは、屈曲部１５ａの出口〜酸化触媒５の入口端面を流れる排気ガスの流れ方向にならって、屈曲部１５ａから外側へ直線状に延びている。これにより、排気ガス流から遠ざけた地点から、酸化触媒５の反応用の燃料が、屈曲部１５ａの出口から酸化触媒５の入口端面へ向う排ガス流に沿って噴射される構造にしてある。つまり、燃料は、排気ガス流に乗りながら、酸化触媒５へ噴射されるようにしてある。なお、２５ａは、台座２５の内部に形成されている冷却水路である。

一方、図２に拡大して示されるように酸化触媒５から上流の排気管部分のうち、燃料添加弁２３から噴射された燃料の噴射流αが通る地点、具体的には燃料と排気ガスとが衝突する部位となる屈曲部１５ａの出口側の排気管部分Ｓには、燃料混合部（添加剤混合部）２８が設けられている。この燃料混合部２８は、図３に示されるように排気管部分Ｓの流路断面形状だけを、排気管部分Ｓを通過する燃料の噴射流αの噴射領域の断面とほぼ同じ形状にする、すなわち同等の形状に成形することによって構成されている。この燃料混合部２８により、噴射された燃料を、排気管部分の内部において、くまなく分布させて、酸化触媒５へ向う排気ガスと十分に接触させる機会を与えるようにしている。また燃料混合部２８を含む、排気管部１５の上流端となる入口部１７ａまでの区間の流路面積は、上流から所定の流路面積に一定に保たれていて、無用な通路抵抗を発生させずにすむようにしている。

燃料混合部２８の出口と連なるハウジング１７の端側の壁面は、図３に示されるように半径方向へ拡がるベルマウス形に成形されている。この燃料混合部２８の出口に形成されるベルマウス部２９により、燃料混合部２８から噴射される燃料が、半径方向へ拡げられながら、酸化触媒５の入口端面へ供給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及びＳＯｘを還元除去したり、同じく酸化触媒５の反応で得た熱により、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及び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ようになっている。

つぎに、このように構成された排気ガス浄化装置３の作用を説明する。
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出された排気ガスは、図１および図２に示されるようにエキゾーストマニホールド１ａ、ターボチャージャ２、屈曲部１５ａ、燃料混合部２８、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やＳＯｘ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。
吸蔵されたＮＯｘ及びＳＯｘや捕集されたＰＭを除去する時期となり、燃料添加弁２３が作動したとする。
すると、燃料添加弁２３の燃料噴射部から、ＮＯｘやＳＯｘやＰＭを除去するための燃料が、図１および図２に示されるように燃料噴射路２４ｂを通じて、酸化触媒５の入口端面へ噴射される。

ここで、燃料の噴射流αと排気ガスと衝突する地点の排気管部分は、合流する噴射流αの噴射領域の断面とほぼ同形状の流路断面をもつ燃料混合部２８に形成してある。そのため、噴射流αが燃料混合部２８を通過するときは、排気管部分内の排気ガスに対し、噴射流αの燃料がくまなく分布しながら通る。
これにより、排気ガス流の排気ガスと噴射流αの燃料とは十分に接触する機会が与えられるから、排気ガスと燃料とはくまなく接触し、排気ガスと燃料とは十分に混合される。

燃料混合部２８から出た燃料と排気ガスは、ベルマウス部２９によって、半径方向へ拡げられながら霧化していき、均一な燃料分布で、酸化触媒５の入口端面へ供給される。
したがって、燃料混合部２８の形成により、たとえ燃料添加弁２３と酸化触媒５間で混合に必要な距離が確保されなくとも、均一に霧化した燃料を触媒へ供給することができる。もちろん、燃料を、排気ガス流から遠ざけた地点から噴射する構造を併用すると、一層、排気ガスと燃料との混合が良好に行われることはいうまでもない。

それ故、酸化触媒５の機能を十分に発揮させることができる。特にターボチャージャ２からの排気ガスは、旋回しながら排気管部１５へ導入されるので、このときの旋回流により、更なる排気ガスと燃料との混合が期待できる。
しかも、燃料混合部２８は、排気管部１５の上流から所定の流路面積を一定に保つように形成してあるので、排気管部１５の流路抵抗が増加するようなことはなく、エンジン出力の低下は抑えられる。

そのうえ、燃料混合部２８の出口にベルマウス部２９を形成すると、燃料混合部２８から流出した排気ガスと燃料は、ハウジング１７の半径方向へ拡がりながら、一様に酸化触媒５（触媒）へ向うので、燃料を均一な分布で酸化触媒５(触媒)に供給させることができる。
図４および図５は、本発明の第２の実施形態を示す。

本実施形態は、屈曲部１５ａを形成しないで、排気管部１５に燃料添加弁２３と酸化触媒５とを設置した構造の排気ガス浄化装置３に本発明を適用したものである。
具体的には、本実施形態は、直線状の排気管部１５を用いて、同排気管部１５に酸化触媒５を設け、その直上流に燃料添加弁２３を設けた排気ガス浄化装置３において、排気管部１５のうち、噴射流αが通過する直線状の排気管部分Ｓの流路断面形状を、当該排気管部１５を通過する噴射流αの噴射領域の断面と同等の形状にして、燃料混合部３１としたものである。図５はその燃料混合部３１における断面を示している。

このような排気ガス浄化装置３でも、燃料混合部３１を形成さえすれば、第１の実施形態と同様、たとえ燃料添加弁２３と酸化触媒５間で混合に必要な距離が確保されなくとも、均一に射化した燃料を酸化触媒５（触媒）へ供給することができる。
但し、図４および図５において、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略した。

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。例えば上述した実施形態では、添加剤噴射弁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、例えば添加剤噴射弁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た排気ガス浄化装置でも、添加剤噴射弁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ＮＯｘ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に本発明を適用しても構わない。

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、上述した実施形態では、燃料添加弁２３の噴射形状としてコーン状を用いて説明したが、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。複数の噴射孔がある場合は、複数の噴射流の外郭が噴射領域となる。

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。 装置の触媒入口付近を拡大して示す側断面図。 図２中のＡ−Ａ線に沿う断面図。 本発明の第２の実施形態に係る排気ガス浄化装置の要部を示す側面図。 図４中のＢ−Ｂ線に沿う断面図。

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
２３ 燃料添加弁
２８ 燃料混合部
２９ ベルマウス部
α 噴射流

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部と、
   前記排気管部内に収められた触媒と、
   前記触媒の直上流の排気管部分に設けられ、前記触媒に供給する添加剤を、前記排気管部内を流れる排気ガス流と同方向に沿って、前記触媒へ噴射する添加剤噴射弁と、
   前記触媒から上流の排気管部のうち、前記添加剤噴射弁から噴射された添加剤の噴射流が通る排気管部分に形成され、同排気管部分の流路断面形状を、当該排気管部分を通る噴射流の噴射領域の断面と同等の形状にしてなる添加剤混合部と
   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. 前記添加剤混合部は、前記排気管部の上流から所定の流路面積を一定に保つように形成され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ガス浄化装置。
3. 前記添加剤混合部の出口は、ベルマウス形に拡げられ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。

Images