JP2010014086A - ボルテックスチューブ及び内燃機関における排気ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの低温化及びガス中のパティキュレート・マターの分離を行えるボルテックスチューブを提供する。
【解決手段】ボルテックスチューブ２２は、包囲筒２３と、包囲筒２３の基端部の外周に形成されたノズル部２４と、包囲筒２３の末端部の外周に形成された室形成フランジ部２５と、包囲筒２３の末端面に連結されたバルブハウジング２６と、包囲筒２３内に収容された分離筒２７とを備えている。包囲筒２３の内部には分離室３１が形成されている。分離筒２７は、分離室３１を内側の第２旋回室３２と外側の捕集室３３とに区画する。捕集室３３は、分離筒２７のメッシュ孔２７１を介して第２旋回室３２に連通している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスを高温ガスと低温ガスとに分離するボルテックスチューブ及び内燃機関における排気ガス処理装置に関する。

特許文献２に開示されるＥＧＲ装置では、ボルテックスチューブが用いられている。ボルテックスチューブは、排気ガスを高温ガスと低温ガスとに分離し、分離された低温の排気ガスが吸気系へ送られる。低温の排気ガスを吸気系へ送るのは、ＮＯｘの発生を低減するためである。吸気系へ送られた排気ガス中のパティキュレート・マターは、排気ガスと共に燃焼室へ送られて燃焼される。

吸気系へ送られる排気ガスは、排気経路を流れる排気ガスのうちの一部である。吸気系へ送られない排気ガス中のパティキュレート・マターは、大気に放出しないように排気ガス中から分離することが望ましい。

排気ガス中のパティキュレート・マターを分離する技術思想が特許文献１に開示されている。排気経路にはサイクロンが設けられており、サイクロンは、排気ガスを旋回させて排気ガス中からパティキュレート・マターを分離する。
特開平７−１５８４２０号公報 特開２００２−７０６５７号公報

しかし、ボルテックスチューブとサイクロンとの両方を排気経路に設ける構成は、排気ガス処理装置の大型化を招く。
本発明は、ガスの低温化及びガス中のパティキュレート・マターの分離を行えるボルテックスチューブを提供することを目的とする。

請求項１乃至請求項３の発明は、ガスを高温ガスと低温ガスとに分離するボルテックスチューブを対象とし、請求項１の発明では、前記ボルテックスチューブは、前記ボルテックスチューブ内のガス旋回領域を形成する分離筒を備え、前記分離筒には前記分離筒の壁面を貫通する取り出し孔が形成されている。

ガスがガス旋回領域で旋回すると、ガスが高温ガスと低温ガスとに分離されると共に、ガス中のパティキュレート・マターがガスから分離されて取り出し孔から取り出される。
好適な例では、前記分離筒は、網状筒である。

メッシュサイズを適宜選択すれば、パティキュレート・マターの取り出しが良好に行われる。
好適な例では、前記分離筒は、包囲筒内に収納されており、前記分離筒と前記包囲筒との間には隙間が全周にわたって設けられており、前記取り出し孔は、前記分離筒の全周にわたって散在している。

ガス中のパティキュレート・マターは、分離筒の全周から前記隙間へと取り出される。分離筒の全周に取り出し孔を散在させた構成は、旋回するガス中からパティキュレート・マターを効率良く取り出す上で、好適な構成である。

請求項４の発明は、内燃機関における排気ガス処理装置を対象とし、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のボルテックスチューブが内燃機関の排気ガスの流路上に設けられており、前記分離筒内に導入された排気ガス中のパティキュレート・マターが前記分離筒に形成された取り出し孔を通り分離筒の外部へ排出される。

本発明のボルテックスチューブは、吸気系へ送られる排気ガスの低温化、及び排気バス中のパティキュレート・マターの分離を行なう排気ガス処理装置として、好適である。

本発明のボルテックスチューブは、ガスの低温化及びガス中のパティキュレート・マターの分離を共に行なうことができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、ディーゼルエンジン１０（内燃機関）は、ピストンによって区画される複数の燃焼室１１〔本実施形態では４つ〕を備えており、ディーゼルエンジン１０のシリンダヘッド１２には燃焼室１１毎に電磁式の燃料噴射ノズル１３が取り付けられている。燃料噴射ノズル１３は、燃料を燃焼室１１内へ噴射する。

燃料は、燃料ポンプ１４及びコモンレール１５を経由して燃料噴射ノズル１３へ供給され、燃料噴射ノズル１３は、各燃焼室１１内に燃料を噴射する。
シリンダヘッド１２にはインテークマニホールド１６が接続されている。吸気系を構成するインテークマニホールド１６には吸気管１７が接続されており、吸気管１７にはエアクリーナ１８が接続されている。吸気系を構成する吸気管１７の途中にはスロットル弁１９が配設されている。スロットル弁１９は、吸気管１７に吸入される空気流量を調整するためのものである。吸気管１７を流れる空気は、インテークマニホールド１６を経由して複数の燃焼室１１へ送られ、燃料噴射ノズル１３から各燃焼室１１内へ噴射された燃料が燃焼される。

シリンダヘッド１２にはエキゾーストマニホールド２０が接続されており、エキゾーストマニホールド２０には第１排気管２１Ａが接続されている。燃焼室１１から排出された排気ガスは、エキゾーストマニホールド２０及び第１排気管２１Ａへ送られる。第１排気管２１Ａにはボルテックスチューブ２２が接続されている。

図１（ｂ）に示すように、ボルテックスチューブ２２は、包囲筒２３と、包囲筒２３の基端部の外周に形成されたノズル部２４と、包囲筒２３の末端部の外周に形成された室形成フランジ部２５と、包囲筒２３の末端面に連結されたバルブハウジング２６と、包囲筒２３内に収容された網状筒としての分離筒２７とを備えている。分離筒２７の全周にはメッシュ孔２７１が散在されている。第１排気管２１Ａは、ノズル部２４に接続されている。バルブハウジング２６内の取り出し通路２６１には弁体２８が収容されている。弁体２８は、取り出し通路２６１の通路方向に移動されて取り出し通路２６１の通路断面積を変える。

包囲筒２３の基端部の内部には第１旋回室２９及び取り出し口３０が形成されており、取り出し口３０は、第１旋回室２９に連通されている。ノズル部２４内には噴射通路２４１が形成されている。噴射通路２４１は、第１旋回室２９に連通されている。

バルブハウジング２６と第１旋回室２９との間の包囲筒２３の内部には分離室３１が形成されている。分離筒２７は、分離室３１を内側の第２旋回室３２と外側の捕集室３３とに区画する。分離筒２７と包囲筒２３との間の隙間となる捕集室３３は、分離筒２７の壁面を貫通する取り出し孔としてのメッシュ孔２７１を介して第２旋回室３２に連通している。第２旋回室３２は、第１旋回室２９及び取り出し通路２６１に連通しており、取り出し通路２６１は、第２旋回室３２を介して第１旋回室２９に連通している。取り出し通路２６１には第２排気管２１Ｂが接続されている。

図１（ｃ）に示すように、室形成フランジ部２５内には集合室２５１が形成されており、室形成フランジ部２５の外周の下部には排出口２５２が形成されている。集合室２５１は、第２旋回室３２に連通されており、排出口２５２は、集合室２５１に連通されている。排出口２５２は、包囲筒２３の末端側にある。

図１（ｂ）に示すように、取り出し口３０には供給パイプ３４が接続されている。図１（ａ）に示すように、供給パイプ３４は、インテークマニホールド１６に接続されており、取り出し口３０は、供給パイプ３４を介してインテークマニホールド１６に連通されている。

図１（ｂ）に示すように、排出口２５２には排出管３５が接続されている。図１（ａ）に示すように、排出管３５は、吸気管１７に接続されており、排出口２５２は、排出管３５を介してスロットル弁１９より下流の吸気管１７に連通されている。排出口２５２及び排出管３５は、スロットル弁１９より下流の吸気管１７の直上にある。

ディーゼルエンジン１０が運転開始されると、燃焼室１１から排気ガスが第１排気管２１Ａを経由して噴射通路２４１へ流入し、噴射通路２４１へ流入した排気ガスは、噴射通路２４１から第１旋回室２９へ噴射される。第１旋回室２９へ噴射された排気ガスは、第１旋回室２９内及び第２旋回室３２内で、図１（ｂ）に矢印Ｒで示す方向に旋回する高温ガス流と、矢印Ｑで示す方向に旋回する低温ガス流とに分離される。第１旋回室２９及び第２旋回室３２は、ボルテックスチューブ２２内のガス旋回領域を構成する。

矢印Ｒで示す方向に旋回する高温ガスは、取り出し通路２６１及び第２排気管２１Ｂを経由して大気へ放出される。第１排気管２１Ａ及び第２排気管２１Ｂは、排気ガスの流路を構成する。

矢印Ｑで示す方向に旋回する低温ガスは、取り出し口３０及び供給パイプ３４を経由してインテークマニホールド１６内へ流入する。インテークマニホールド１６内へ流入した低温ガスは、燃焼室１１内の温度を低減してＮＯｘの発生を抑制する。

第２旋回室３２内で旋回する排気ガス中に含まれるパティキュレート・マターは、排気ガスの旋回に伴う遠心作用によって、排気ガスから分離されて分離筒２７のメッシュ孔２７１を通って捕集室３３へ流出する。捕集室３３へ流出したパティキュレート・マターは、包囲筒２３の基端側から末端側へ移動して集合室２５１に集合すると共に、排出口２５２から排出管３５へ排出される。排出管３５へ排出されたパティキュレート・マターは、吸気管１７内へ流出する。吸気管１７内へ流出したパティキュレート・マターは、吸気管１７内を流れる空気と共に燃焼室１１内へ送り込まれ、燃焼室１１内へ送り込まれたパティキュレート・マターは、燃料噴射ノズル１３から噴射された燃料と共に燃焼室１１内で燃焼される。

分離筒２７及びメッシュ孔２７１は、排気ガス中のパティキュレート・マターを分離する分離手段を構成する。
第１の実施形態では以下の効果が得られる。

（１）排気ガスが第１旋回室２９及び第２旋回室３２で旋回すると、排気ガスが高温ガスと低温ガスとに分離されると共に、排気ガス中のパティキュレート・マターが排気ガスから分離されてメッシュ孔２７１から取り出される。吸気管１７へ送られる排気ガスの低温化及び排気ガス中のパティキュレート・マターの分離を行えるボルテックスチューブ２２は、排気ガス処理装置の大型化の回避に寄与する。

（２）第２旋回室３２内の排気ガスがメッシュ孔２７１を経由して捕集室３３へ洩れた場合、この洩れガスは、吸気管１７を経由して燃焼室１１へ流入する。第２旋回室３２からメッシュ孔２７１を経由して洩れる排気ガスは、高温ガスであるので、この洩れ量が多いと、燃焼室１１の低温化が妨げられる。

メッシュ孔２７１の大きさ（メッシュサイズ）を適宜選択すれば、第２旋回室３２から捕集室３３への排気ガスの洩れを抑制しつつパティキュレート・マターの取り出しを良好に行なうことができる。

（３）排気ガス中のパティキュレート・マターは、分離筒２７の全周に散在させたメッシュ孔２７１から捕集室３３へと取り出される。分離筒２７の全周にメッシュ孔２７１を散在させた構成は、旋回する排気ガス中からパティキュレート・マターを効率良く取り出す上で、好適な構成である。

（４）低温ガスの旋回流の外側で旋回する高温ガスは、包囲筒２３の基端側から末端側へ移動するため、捕集室３３内のパティキュレート・マターは、包囲筒２３の基端側から末端側へ移動して集合室２５１へ集合する。包囲筒２３の末端側に排出口２５２を設けた構成では、捕集室３３内のパティキュレート・マターが排出口２５２に向けて移動するので、排気ガスから分離されたパティキュレート・マターを排出口２５２から円滑に排出し易い。

（５）室形成フランジ部２５の下部に排出口２５２を設けた構成では、集合室２５１内のパティキュレート・マターが排出口２５２から排出管３５内へ落下する。室形成フランジ部２５の下部に排出口２５２を設けた構成は、捕集室３３に分離されたパティキュレート・マターをボルテックスチューブ２２外へ円滑に排出する上で、好ましい構成である。

（６）スロットル弁１９より下流の吸気管１７の直上に排出口２５２及び排出管３５を設けた構成では、集合室２５１内のパティキュレート・マターが排出口２５２及び排出管３５から吸気管１７内へ落下する。吸気管１７の直上に排出口２５２及び排出管３５を設けた構成は、ボルテックスチューブ２２内から吸気管１７へのパティキュレート・マターの排出を円滑に行なう上で、好ましい構成である。

本発明では以下のような実施形態も可能である。
○図２に示すように、排出管３５を供給パイプ３４に接続してもよい。このようにすれば、ボルテックスチューブ２２で分離されたパティキュレート・マターが供給パイプ３４を経由して低温ガスと共にインテークマニホールド１６へ送られる。

○図３に示すように、内周に螺旋溝３６１を設け、分離筒３６の末端側の外周に環状の溝３６２を設けた分離筒３６を包囲筒２３内に収容したボルテックスチューブ２２Ａを構成してもよい。溝３６２は、取り出し孔３６４を介して螺旋溝３６１に連通している。又、溝３６２は、集合室２５１に連通している。螺旋溝３６１の螺旋方向は、ボルテックスチューブ２２Ａ内のガスの旋回方向と同じである。分離筒３６内のガス旋回領域３６３で分離したパティキュレート・マターは、螺旋溝３６１内を通って溝３６２から集合室２５１へと取り出される。分離筒３６及び螺旋溝３６１は、ガス中のパティキュレート・マターを分離する分離手段を構成する。

○図３に示すように、供給パイプ３４を排出管３５に接続してもよい。このようにすれば、低温ガスが排出管３５を経由してパティキュレート・マターと共に吸気管１７へ送られる。

○第１の実施形態において、供給パイプ３４を吸気管１７に接続してもよい。
○第１の実施形態において、排出管３５をインテークマニホールド１６に接続してもよい。

○第１の実施形態において、分離筒２７の全周のうち一部（例えば半周）にのみメッシュ孔２７１を設けてもよい。
○第１の実施形態において、分離筒２７の全長のうち一部（例えば半分）にのみメッシュ孔２７１を設けてもよい。

○第１の実施形態において、分離筒２７にメッシュ孔２７１を設ける代わりに、分離筒２７の長さ方向に延びるスリットを設けてもよい。取り出し孔としてのスリットは、１本でもよいし、複数本でもよい。

○本発明をガソリンエンジンに適用してもよい。
前記した実施形態から把握できる技術思想を以下にその効果と共に記載する。
〔１〕前記隙間は、前記包囲筒に設けられた排出口に連通されており、前記排出口は、前記包囲筒の末端側にある請求項３に記載のボルテックスチューブ。

排気ガスから分離されたパティキュレート・マターを排出口から円滑に排出し易い。

第１の実施形態を示し、（ａ）は、内燃機関及び排気ガス処理装置の概略構成図。（ｂ）は、ボルテックスチューブの側断面図。（ｃ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図。 別の実施形態を示す側断面図。 別の実施形態を示す側断面図。

符号の説明

１０…内燃機関としてのディーゼルエンジン。１６…吸気系を構成するインテークマニホールド。１７…吸気系を構成する吸気管。２１Ａ…排気ガスの流路を構成する第１排気管。２１Ｂ…排気ガスの流路を構成する第２排気管。２２，２２Ａ…ボルテックスチューブ。２３…包囲筒。２７…分離手段を構成する網状筒としての分離筒。２７１…取り出し孔としてのメッシュ孔。２９…ガス旋回領域を構成する第１旋回室。３１…分離室。３２…ガス旋回領域を構成する第２旋回室。３３…隙間としての捕集室。３４…供給経路としての供給パイプ。３６…分離手段を構成する分離筒。３６３…ガス旋回領域。３６４…取り出し孔。

Claims (4)

1. ガスを高温ガスと低温ガスとに分離するボルテックスチューブにおいて、
   前記ボルテックスチューブは、前記ボルテックスチューブ内のガス旋回領域を形成する分離筒を備え、前記分離筒には前記分離筒の壁面を貫通する取り出し孔が形成されているボルテックスチューブ。
2. 前記分離筒は、網状筒である請求項１に記載のボルテックスチューブ。
3. 前記分離筒は、包囲筒内に収納されており、前記分離筒と前記包囲筒との間には隙間が全周にわたって設けられており、前記取り出し孔は、前記分離筒の全周にわたって散在している請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のボルテックスチューブ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のボルテックスチューブが内燃機関の排気ガスの流路上に設けられており、前記分離筒内に導入された排気ガス中のパティキュレート・マターが前記分離筒に形成された取り出し孔を通り分離筒の外部へ排出される内燃機関における排気ガス処理装置。

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