JP2011504977A - 排気系においてガス中の燃料を均質にする装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、排気系のガスに含まれる燃料を均質にする装置（１）に関するものであり、本装置は、通路（４）を取り囲むほぼ平坦な密閉表面（２）と、通路（４）に密閉表面から突出し、且つ密閉表面の平面から突出するたわみ部材（３）とを備え、密閉表面及びたわみ部材は単一部材として形成される。

Description

本発明は概して、燃焼ガスを濾過する装置を備える内燃機関に関する。
本発明は特に、排気パイプと、この排気パイプに通じる燃料インジェクタとを含む排気系に関する。

内燃機関の排気パイプには普通、酸化触媒コンバータと、燃焼ガスが流れる方向に沿って当該酸化触媒コンバータの後段に位置するパティキュレートフィルタとが設けられる。
酸化触媒コンバータが、燃焼室において燃料が新鮮な空気によって燃えることにより生じる炭化水素及び一酸化炭素を酸化することにより、炭化水素及び一酸化炭素が大気中に放出されることを防止することを目的とするのに対し、パティキュレートフィルタは、エンジンから排出される汚染微粒子（煤）の大部分を濾過し、捕集することができる。

パティキュレートフィルタの目詰まりが所定の密度に達すると、燃焼ガスが排気パイプから出て行くことが難しくなり、燃焼ガスの背圧が内燃機関の運転に有害なレベルに達する。
従って、パティキュレートフィルタ再生段階において、フィルタに堆積した汚染微粒子を、そのままの状態で大気中に放出するのではなく、事前に燃焼させることにより除去することが必要である。このために、燃料を排気系に噴射し、多量の熱を発生する酸化反応を起こして燃料を酸化触媒コンバータ内で酸化する。従って、燃焼ガスが酸化触媒コンバータを高温で出て行き、パティキュレートフィルタに流入し、パティキュレートフィルタに堆積する汚染微粒子を燃焼させる。

このような方法を実行する公知の装置は欠点を有する。得られるガス／燃料混合物は、触媒コンバータに流入するときに比較的不均質であり、パティキュレートフィルタの最適な再生が行なわれず、パティキュレートフィルタを損傷させてしまう危険が生じ、車両を修理工場に持ち込むはめになる。

本発明は、これらの欠点のうちの一つ以上の欠点を解決することを目的としている。従って、本発明は、排気系のガスに含まれる燃料を均質にするための均質化装置に関するものであり、当該均質化装置は、
−通路を取り囲むほぼ平坦な密閉表面と、
−密閉表面から通路内に突出し、且つ密閉表面の平面から突出するたわみ部材と
を備え、密閉表面及びたわみ部材は単一部材として形成される。

別の一形態によれば、密閉表面及びたわみ部材は、金属材料により作製される。
更に別の変形例によれば、密閉表面及びたわみ部材は、単一部材として鋳型成形により作製される。

更に別の変形例によれば、密閉表面及びたわみ部材は、単一部材としてプレス加工により作製される。
更に別の変形例によれば、前記たわみ部材のうちの複数は、通路内で反対側に延び、各たわみ部材が一つのフィンを有する。

一変形例によれば、前記フィンは互いにほぼ平行である。
更に別の変形例によれば、たわみ部材は、自由端である一端部と、密閉表面に対して傾斜するタブとを有し、タブは端部を密閉表面に接続し、タブの幅は端部の幅よりも狭い。

別の変形例によれば、タブはねじれている。
更に別の変形例によれば、たわみ部材は、通路の大部分に亘って延び、且つ自由端を有する。

本発明はまた、排気系に関するものであり、当該排気系は、
−互いに対して取り付けられた第１ダクト及び第２ダクトを含む排気パイプと、
−上に記述される均質化装置と
を備え、
均質化装置の密閉表面は、第１ダクトと第２ダクトとの間で圧縮され、均質化装置の通路によって第１及び第２ダクトの内部が互いに連通する。
別の一形態によれば、排気系は、第１ダクトに通じる燃料インジェクタと、酸化触媒コンバータと、酸化触媒コンバータの後段に位置して第２ダクトに接続されるパティキュレートフィルタとを備える。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して完全に非限定的に提示される後述の説明により明確になる。

図１は、上流端から見たときの本発明による燃料均質化装置の斜視図である。 図２は、上流端から見たときの本発明による別の燃料均質化装置の斜視図である。 図３は、上流端から見たときの本発明によるまた別の燃料均質化装置の斜視図である。 図４は、上流端から見たときの本発明によるまた別の燃料均質化装置の斜視図である。 図５は、上流端から見たときの本発明によるまた別の燃料均質化装置の斜視図である。 図６は、このような均質化装置を搭載したジーゼル型内燃機関の模式的な概要構造を示している。 図７は、排気パイプに配置される均質化装置の断面図である。

本発明は、密閉表面によって取り囲まれたガス通路を備えた排気系のガスに含まれる燃料を均質にする装置を提案する。たわみ部材は密閉表面から通路内に突出し、且つ密閉表面の平面から突出し、たわみ部材及び密閉表面は単一部材として形成される。
このようにして、排気ガス中の燃料を、パティキュレートフィルタの上流で均質に混合させることができる。燃料の気化は、排気系の内壁に加え、たわみ部材がこの気化に貢献するので、大幅に改善される。従って、パティキュレートフィルタの再生不良の危険が低下する。更に、均質化装置が単一部材構造であることによって、当該部材構造を産業規模で、且つ低コストで、例えばプレス加工又は鋳型成形によって製造することが可能になる。この解決策によって、触媒コンバータのサイズ、及び／又は貴金属の充填量を減らすことも可能になる。

後述では、「下流」及び「上流」という用語は、新鮮な空気を大気から取り込む箇所から触媒コンバータを通って出て行くまで、空気が流れる方向を指す。
図１は、本発明による均質化装置１の第１の実施例を示している。この装置１は、排気ガスを通過させる通路４を取り囲むほぼ平坦な密閉表面２を含む。装置１は、表面２から通路４内に突出し、且つ表面２の平面から突出するたわみ部材３を含む。排気ガスの温度に耐えるために、密閉表面及びたわみ部材は、有利には金属材料により作製される。従って、このたわみ部材は、排気系を通過する燃料の噴出を妨害すると同時に、ガス流に小さい圧力低下を生じさせる。図示の部材３の構造は、そのほぼ全長に亘って同じ幅を持つタブの構造である。このタブは、通路の大部分に亘って延び、自由端を有する。このタブは、流れにとって或る種のトランポリンを構成する。この形態によって、ガスがいずれかの側で渦巻き、混合が促進される。部材３は通路４の中央に突き出している。これは、燃料の噴出を流れの中央に向かって上昇させることにより気化を促進する。

図２は、本発明による均質化装置１の第２の実施例を示している。装置１は、通路４内で反対側へ延びる２つのたわみ部材３１及び３２を含む。たわみ部材３１及び３２は、表面２の平面からそれぞれ反対方向に突出するフィンを有する。この構造によって、排気系の壁の効果を補強する２つの燃料気化段階を構成することが可能になる。図示のこれらのフィンはほぼ平行である。
図３は、図２に類似の実施例を示している。この実施例は、４つのたわみ部材３１〜３４を有することにより、気化段階の数を更に増やしている。各たわみ部材が一つのフィンを有し、これらのフィンはほぼ平行である。

図４及び５では、たわみ部材は、自由端となる端部３５を有する。密閉表面に対して傾斜するタブ３６は、端部３５を密閉表面２に連結している。このタブ３６の幅は、端部３５の幅よりも狭い。端部３５はガス流の中心に位置するので、燃料の気化はこの領域において有意に改善する。図４の実施例では、タブ３６は、例えば形成時に生じるねじれ作用の結果としてねじれる。従って、これは、側面に堆積し、ガスの方向に移動する燃料の薄い層の捕捉を大幅に減らすことができる。図５の実施例では、タブ３６はねじれない。これらの実施例における端部３５は平坦であるが、一方の方向に又は他方の方向にドーム形に突出する端部を作製することも同じように考慮することができる。

図６は、本発明による均質化装置を搭載したジーゼル型内燃機関の概要構造を模式的に示している。
内燃機関１０は、４つのシリンダ１２によって画定される燃焼室１１を備える。エンジン１０は、燃焼室１１の上流にフレッシュエア吸気系２０を備える。この吸気系２０は、大気から新鮮な空気を直接取り込み、その空気はエアフィルタ２１で濾過される。吸気系２０は空気マニホールド２２まで延び、空気マニホールド２２は、それぞれが燃焼室１１のシリンダ１２の一つに接続される４つの吸気路２３に開口する。

吸気系２０は更に、ターボコンプレッサ３０のコンプレッサ３７を含み、コンプレッサ３７は、エアフィルタ２１で濾過された新鮮な空気を圧縮し、加圧下で空気マニホールド２２に噴射する。燃焼室１１の下流に、内燃機関１０は燃焼ガス用の排気系４０を備え、この排気系４０は、４つの排気路４２を介して燃焼室１１のシリンダ１２の各々に接続される排気マニホールド４１から触媒コンバータ４５まで延びる。この場合、この触媒コンバータ４５はその内部に、酸化触媒コンバータ４６と、燃焼ガスが流れる方向に沿って当該酸化触媒コンバータの後段に、パティキュレートフィルタ４７とを含む。酸化触媒コンバータ４６は、排気系４０を通過して流れる燃焼ガスに含まれる炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯの酸化に特に適している。
パティキュレートフィルタ４７の役割は、燃料及び新鮮な空気が燃焼室１１で燃焼することによって発生する汚染微粒子（煤としても知られる）を濾過し、捕集して、これらの微粒子が大気中に放出されることを防ぐことである。このフィルタは、過剰な量の汚染微粒子によって目詰まりすることがないように、定期的に再生される必要がある。パティキュレートフィルタ４７の内側は、燃焼ガスに含まれる炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯを酸化するために用いられる白金のような触媒材料でコーティングすることができる。

排気系４０は補助の酸化触媒コンバータ４４を含み、この補助コンバータは、触媒コンバータ４５の上流に配置され、且つ円形断面を有する排気パイプ４３を介して当該触媒コンバータ４５に接続される。同補助酸化触媒コンバータ４４は、重い炭化水素ＨＣを細かくして、触媒コンバータ４５の酸化触媒コンバータ４６で更に容易に且つ更に迅速に処理することを可能にする。排気系４０は更に、補助酸化触媒コンバータ４４の上流にタービン３８を含み、タービン３８は、燃焼ガスの流れで駆動されてコンプレッサ３７を駆動する。
内燃機関１０は更に、排気ガス再循環ライン６０を備える。この排気ガス再循環ライン６０は、排気マニホールド４１とタービン３８の間の排気系４０を始点とし、コンプレッサ３７と空気マニホールド２２との間で吸気系２０に通じる。排気ガス再循環ライン６０は、吸気系２０への接続位置に、内燃機関１０の燃焼室１１に再噴射される燃焼ガスの流れを制御するためのバルブ６１を含む。排気ガス再循環ライン６０によって、内燃機関１０から排出される汚染排出物の量を少なくすることができる。

内燃機関１０は更に、排気パイプ４３への燃料の直接的な導入を可能にする燃料噴射手段５０を含む。この噴射手段は、ポンプ５２に接続される燃料タンク５１を含み、ポンプ５２は燃料をこのタンクから取り出して、加圧下で燃料インジェクタ５３に送り込む。燃料インジェクタは排気パイプ４３内に開口している。インジェクタ５３によって、所望の時点で、所望量の燃料をこのパイプに送り込むことができる。このために、燃料インジェクタ５３の開閉は、内燃機関１０の電子制御手段７５によって制御される。
図６に示すように、内燃機関１０の電子制御手段７５は、触媒コンバータ４５の流入口と流出口との圧力差を測定する２つの圧力センサ７１、７４に接続される。この圧力差は、パティキュレートフィルタ４７における汚染微粒子の充填レベルに応じて変化する。従って、圧力センサ７１及び７４は、このフィルタの汚れの程度を判断することができる。

制御手段７５は２つの温度センサ７２、７３にも接続され、一方の温度センサはインジェクタ５３の直ぐ上流の排気パイプ４３に配置され、他方の温度センサは、触媒コンバータ４５の、酸化触媒コンバータ４６とパティキュレートフィルタ４７との間に配置される。これらの温度センサは、ガスが酸化触媒コンバータで処理されたとき、ガスの温度を表わす２つの信号を継続的に制御手段７５に供給する。従って、制御手段は、これらの測定温度に基づいて燃料インジェクタ５３によって噴射される燃料の量を制御することにより、燃焼ガスを所望の温度に調節する。

図７は排気パイプ４３の断面図を示す。排気パイプ４３は、均質化装置１に接続されることにより、燃焼ガスへの燃料噴射を促進して燃料を気化させ、混合物の均質化を促進する。排気パイプ４３は、互いに対して公知の方法により取り付けられた２つのダクト７及び８を含む。一つの均質化装置１の密閉表面２は、ダクト７と８の間で圧縮される。シール１０１及び１０２は、密閉表面の各側に、ダクト７及び８と接触するように配置される。従って、ダクト７及び８の内部は、均質化装置１の通路を介して連通する。酸化触媒コンバータ４５はダクト８の下流に接続される。
図７に示すように、燃料インジェクタ５３は、有利には、中心噴射軸Ｗを持つ噴射円錐空間Ｃに燃料ジェット流５４を送り込むように設計される。更に詳細には、燃料インジェクタ５３は、中心噴射軸が排気パイプ４３の中心線Ｖと交差し、且つこの中心線Ｖに対して傾斜するように、排気パイプ４３内に配置される（噴射の中心軸Ｗは中心線Ｖとは一致せず、且つ中心線Ｖと直交しない）。たわみ部材のフィン３１〜３３は噴射円錐空間Ｃに配置される。

図７では均質化装置１が２つのダクトの間で圧縮されるが、この装置を排気フランジに組み込むか、又は分離システムへの流入口に配置することにより、排気系の形成に必要な継ぎ手の数を減らすことも同じように可能である。

Claims (11)

1. 排気系のガスに含まれる燃料を均質にする均質化装置（１）であって、
   −通路（４）を取り囲むほぼ平坦な密閉表面（２）と、
   −密閉表面から通路（４）内に突出し、且つ密閉表面の平面から突出するたわみ部材（３）と
   を備え、
   −密閉表面及びたわみ部材が単一部材として形成されることを特徴とする、均質化装置（１）。
2. 密閉表面（２）及びたわみ部材（３）が金属材料により作製される、請求項１記載の均質化装置。
3. 密閉表面（２）及びたわみ部材（３）が単一部材として鋳型成形により作製される、請求項１記載の均質化装置。
4. 密閉表面（２）及びたわみ部材（３）が単一部材としてプレス加工により作製される、請求項１又は２記載の均質化装置。
5. 前記たわみ部材のうちの複数が通路内で反対側に延び、各たわみ部材が一つのフィンを有する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の均質化装置。
6. 前記フィンが互いにほぼ平行である、請求項５記載の均質化装置。
7. たわみ部材（３）が自由端となる端部（３５）と、密閉表面に対して傾斜するタブとを有し、タブ（３６）は端部を密閉表面（２）に接続しており、タブの幅は端部の幅よりも狭い、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の均質化装置。
8. タブ（３６）がねじれている、請求項７記載の均質化装置。
9. たわみ部材（３）が、通路（４）の大部分に亘って延び、且つ自由端を有する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の均質化装置。
10. −互いに対して取り付けられる第１ダクト及び第２ダクト（７、８）を含む排気パイプ（４３）と、
    −請求項１ないし９のいずれか一項に記載の均質化装置（３）であって、その密閉表面は第１ダクトと第２ダクトとの間で圧縮され、その通路によって第１ダクトと第２ダクト（７、８）の内部が互いに連通する均質化装置と
    を備える排気系。
11. 第１ダクトに通じる燃料インジェクタ（５３）と、酸化触媒コンバータと、酸化触媒コンバータの後段に位置し、且つ第２ダクトに接続されるパティキュレートフィルタとを備える、請求項１０記載の排気系。

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