JP2015048824A - 添加剤注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流れを整流できるとともに添加剤のガスへの分散性を向上できる添加剤注入装置を提供する。
【解決手段】添加剤注入装置１０は、ガスが流通する、湾曲した形状の管本体４と、管本体４の湾曲の外側４ａに配置され、ガス流れの下流側に向けて添加剤を噴射するインジェクタ２０と、インジェクタ２０の噴射口２１に臨む一端３１、および、一端３１と反対側の他端３２を有し、インジェクタ２０が噴射する添加剤を案内する案内管３０とを備えている。案内管３０には、他端３２において、管本体４の湾曲の内側４ｂに向く一部分が切り欠かれた切り欠き部３４が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、添加剤注入装置に関し、特に、ガス流れ中に添加剤を注入する添加剤注入装置に関する。

従来、ディーゼルエンジンの排ガスの排気経路下流側に向かって液体還元剤を噴射するインジェクタを取付け可能な排気管が提案されている（たとえば、特開２００６−３２９０１９号公報（特許文献１）参照）。特許文献１には、ディーゼルエンジンの排気経路を構成する管本体に、インジェクタが噴射した液体還元剤を案内する真直ぐな案内管が設けられている構成が開示されている。

特開２００６−３２９０１９号公報

ガス流れ中に添加剤を注入する場合、たとえば、エンジンの排気経路に排ガス処理用の添加剤を噴射する場合には、ガス流れの整流および添加剤の十分な拡散が必要とされている。特許文献１に記載の装置では、排気管の曲がり部分においてインジェクタが設置されているため、インジェクタの設置位置において排気管内のガス流れの偏流が発生しており、ガス流れの整流は不十分である。ガス流れの偏流に伴って、排気管内に注入された添加剤も偏り、したがって添加剤がガス流れ中に均一に分散されず、目標の添加剤分散性が得られない問題があった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、ガス流れを整流できるとともに添加剤のガスへの分散性を向上できる、添加剤注入装置を提供することである。

本発明に係る添加剤注入装置は、ガスが流通する管本体と、添加剤を噴射するインジェクタと、インジェクタが噴射する添加剤を案内する案内管とを備えている。管本体は、湾曲した形状を有している。インジェクタは、管本体の湾曲の外側に配置されている。インジェクタは、ガス流れの下流側に向けて添加剤を噴射する。案内管は、インジェクタの噴射口に臨む一端、および、一端と反対側の他端を有している。案内管には、他端において、管本体の湾曲の内側に向く一部分が切り欠かれた切り欠き部が形成されている。

上記添加剤注入装置において好ましくは、案内管は、管本体と接合する接合部を有しており、切り欠き部は、接合部から他端までの範囲が切り欠かれた形状に形成されている。

上記添加剤注入装置において好ましくは、案内管の、管本体の湾曲の外側に向く部分は、円錐面形状に形成されており、切り欠き部は、他端において、円錐面の中心軸よりも管本体の湾曲の内側に向く部分が切り欠かれた形状に形成されている。

上記添加剤注入装置において好ましくは、案内管の円錐面形状のテーパ角度は、インジェクタの噴射口のスプレー角度が案内管に干渉しない角度とされている。好ましくは、テーパ角度は、スプレー角度が案内管に干渉しない最小角度とされている。

上記添加剤注入装置において好ましくは、管本体に対しガス流れの下流側に連結された直管部をさらに備えており、案内管の他端は、直管部のガス流れの上流側の端部に配置されている。

本発明の添加剤注入装置によると、ガス流れの整流および添加剤のガスへの分散性向上を実現することができる。

ガスの排気経路の概略を示す模式図である。 添加剤注入装置の構成の概略を示す模式図である。 図２に示す案内管付近を拡大して示す模式図である。 添加剤注入装置をガス流れの下流側から見た模式図である。 案内管の側面図である。 図５中の矢印ＶＩ方向から見た案内管の端面図である。 図５中の矢印ＶＩＩ方向から見た案内管の端面図である。 インジェクタから添加剤が噴射される様子を示す模式図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、ガスの排気経路の概略を示す模式図である。図１に示すように、エンジン１からの排気ガスは、曲がり管形状の管本体４および直管形状の直管部５を経て、チャンバ２の内部に配置されている排気浄化用触媒３へ流れる。一方、添加剤注入装置１０により、管本体４内を流れるガス中に添加剤が注入される。添加剤は混合器７においてガスと混合されて拡散し、チャンバ２内でガス中に均一に分散した添加剤が排気浄化用触媒３に供給される。排気浄化用触媒３において、ガス中に含有される公害物質が添加剤と反応することにより、公害物質の濃度が減少する。公害物質の量が適正値に低下したガスは、排気管６から排出される。

図２は、添加剤注入装置１０の構成の概略を示す模式図である。図３は、図２に示す案内管３０付近を拡大して示す模式図である。図４は、添加剤注入装置１０をガス流れの下流側から見た模式図である。図２〜４を参照して、添加剤注入装置１０は、添加剤を噴射するインジェクタ２０と、インジェクタ２０が噴射する添加剤を案内する案内管３０とを主に備えている。

エンジン１からの排気ガスが流通する管本体４は、湾曲した形状を有している。図２〜４中の符号４ａは、管本体４の湾曲の外側を示し、符号４ｂは、管本体４の湾曲の内側を示している。管本体４は、管本体４の周辺に他の機器が配置されることによって配置上の制約をうけており、そのため湾曲した形状を有している。

管本体４内を流れるガス中に添加剤を注入するインジェクタ２０は、管本体４の湾曲の外側４ａに配置されている。インジェクタ２０は、噴射口２１を有している。インジェクタ２０は、噴射口２１から、管本体４の内部を流れるガスの流れの下流側に向けて、添加剤を噴射する。排気浄化用触媒３におけるガス温度の低下を抑制して排気浄化用触媒３の活性を維持するために、添加剤の注入位置から排気浄化用触媒３までの距離をできるだけ小さくする必要があり、そのためインジェクタ２０は、曲がり管形状の管本体４に設けられている。

添加剤はたとえば、尿素水、ハイドロカーボン、アンモニアなどの、ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）と化学反応してＮＯｘを還元するための還元剤である。排気浄化用触媒３はたとえば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒または選択的還元触媒である。

案内管３０は、細長の形状を有しており、一端３１と他端３２とを有している。一端３１は、インジェクタ２０の噴射口２１に臨んでいる側の、案内管３０の一方の端部である。他端３２は、一端３１と反対側の、案内管３０の他方の端部である。案内管３０の他端３２は、ガスの排気経路内に配置されている。管本体４のガス流れの下流側には、直管部５が連結されている。図３に示すように、案内管３０の他端３２は、管本体４と直管部５との連結部分に配置されている。案内管３０の他端３２は、直管部５の、ガス流れの上流側の端部に配置されている。ガスの排気経路を形成する管が曲がり管形状から直管形状に変化する位置に、案内管３０の他端３２が設けられている。

案内管３０は、管本体４と一体の構造物として設けられている。管本体４と案内管３０とが一体に成形されてもよく、または管本体４に案内管３０がたとえば溶接されて一体に取り付けられてもよい。案内管３０は、接合部３６を有している。接合部３６において、案内管３０は、管本体４と接合している。図３中の上側、すなわち、管本体４の湾曲の内側４ｂに向く側において、接合部３６は一端３１に設けられている。図３中の下側、すなわち、管本体４の湾曲の外側４ａに向く側において、接合部３６は一端３１と他端３２との間に設けられている。

図５は、案内管３０の側面図である。図６は、図５中の矢印ＶＩ方向から見た案内管３０の端面図である。図７は、図５中の矢印ＶＩＩ方向から見た案内管３０の端面図である。図５および図７を参照して、案内管３０には、その一部分が切り欠かれた切り欠き部３４が形成されている。切り欠き部３４は、接合部３６から他端３２までの範囲が切り欠かれた形状に形成されている。切り欠き部３４は、案内管３０の他端３２の一部分が切り欠かれた形状に形成されている。一端３１には切り欠き部３４は形成されておらず、そのため、図６に示すように、一端３１側から見た案内管３０の端面は円形状を有している。

図２〜４を併せて参照して、切り欠き部３４は、管本体４の湾曲の内側４ｂに向く案内管３０の一部分が切り欠かれた形状に形成されている。案内管３０の、管本体４の湾曲の外側４ａに向く部分３３は、円錐面形状に形成されている。図５中に示す一点鎖線は、当該円錐面形状の中心軸を示している。切り欠き部３４は、他端３２において、円錐面の中心軸よりも管本体４の湾曲の内側４ｂに向く部分が切り欠かれた形状に形成されている。そのため、図７に示すように、他端３２側から見た案内管３０の端面は半円形状を有している。

案内管３０は、円錐面形状の筒の一部が切り欠かれた形状を有している。そのため、切り欠き部３４が形成されていない部分において、案内管３０は、円錐面形状に形成されている。案内管３０の、管本体４の湾曲の外側４ａに向く部分３３は、一端３１から他端３２までの範囲で、円錐面形状に形成されている。案内管３０の、管本体４の湾曲の内側４ｂに向く部分は、一端３１から切り欠き部３４までの範囲で、円錐面形状に形成されている。案内管３０の円錐面形状は、当該円錐面形状の中心軸（図５中の一点鎖線）に対して、テーパ角度θを形成している。

案内管３０に切り欠き部３４が形成されているために、図２〜４に示すように、管本体４の湾曲の外側４ａに向く側の案内管３０の一部が、より長く管本体４の内部空間に突き出している。湾曲した形状の管本体４の内部ではガスの排気経路も湾曲しており、ガス流れの偏りの発生し易い湾曲の外側４ａにおいて、案内管３０はガスの排気経路内に延在しており、管本体４と直管部５との境目にまで延びて配置されている。案内管３０の、管本体４の湾曲の外側４ａに向く部分３３は、図４に示すように、管本体４の湾曲の内側４ｂに向かって凹形状に形成されている。他端３２において典型的に示されるように、案内管３０の円錐面形状の外側が管本体４の湾曲の外側４ａに向いており、案内管３０の円錐面形状の内側が管本体４の湾曲の内側４ｂに向いている。

図２に示す直管部５は、中心軸に対して対称な形状、たとえば円筒形状に形成されている。案内管３０は、直管部５の中心軸と、図５中の一点鎖線で示す案内管３０の中心軸とが同一の直線上にあるように、配置されている。案内管３０と直管部５とは、互いに同軸に配置されている。

図８は、インジェクタ２０から添加剤が噴射される様子を示す模式図である。図８には、管本体４内のガスの流れがない状態での、インジェクタ２０の噴射口２１から噴射される添加剤の理論上のスプレー形状が、符号５０で示されている。噴射口２１には、フルコーンスプレーノズルが設けられている。噴射口２１から噴射される添加剤のスプレーパターンは、フルコーン（充円錐）形状である。このフルコーン形状の中心軸は、案内管３０の中心軸と一致している。案内管３０と直管部５とが互いに同軸に配置されているために、添加剤のスプレーパターンのフルコーン形状の中心軸は、直管部の中心軸と一致している。

添加剤のスプレーパターンのフルコーン形状の中心軸は、直管部５の中心軸に対してずれていても構わない。たとえば、直管部５の中心軸に対して添加剤のスプレーパターンのフルコーン形状の中心軸が傾斜していてもよく、直管部５の中心軸からずれた位置に噴射口２１が配置されていてもよい。添加剤のスプレーパターンのフルコーン形状を直管部５と同軸にすれば、直管部５の下流側に配置されている排気浄化用触媒３に対して、より均一に添加剤を供給できるので好ましい。

図８に示すように、添加剤は、スプレー角度αを形成して噴射口２１から噴射される。噴射口２１から噴射される添加剤は、スプレー角度αの範囲で広がって噴射される。案内管３０は、噴射口２１から噴射される添加剤との干渉を回避可能な形状に形成されている。案内管３０の円錐面形状のテーパ角度θは、噴射口２１のスプレー角度αが案内管３０に干渉しない角度とされている。

噴射口２１から噴射される添加剤が案内管３０の他端３２に到達したとき、添加剤の円錐状の広がりが案内管３０の他端３２によって妨げられないように、噴射口２１は最適に選定されており、かつ、案内管３０は最適に設計されている。望ましくは、案内管３０の円錐面形状のテーパ角度θは、噴射口２１から噴射される添加剤のスプレー角度αが案内管３０に干渉しない最小の角度とされている。

次に、本実施の形態の添加剤注入装置１０の作用効果について説明する。
本実施の形態によれば、図２〜４に示すように、案内管３０には、他端３２において、管本体４の湾曲の内側４ｂに向く一部分が切り欠かれた切り欠き部３４が形成されている。案内管３０を円筒形状または円錐面形状とせずに切り欠き部３４が形成されている形状とすることにより、案内管３０のうち、切り欠き部３４の形成されていない側である管本体４の湾曲の外側４ａに向く部分３３（図２〜４中の下側の部分）が、管本体４内部を流れるガスを案内するガイドベーンとして機能する。より具体的には、湾曲の外側４ａに向く部分３３は、管本体４内を湾曲の外側４ａに向かって流れようとするガスの一部を受け、湾曲の内側４ｂへ向けて流れるように管本体４内でガスを案内する。これにより、ガス流れが整流される。

管本体４内部のガス流れが整流されることにより、曲がり管形状の管本体４の湾曲の外側４ａにガスが偏って流れることが抑制される。そのため、インジェクタ２０からガス流れ中に噴射される添加剤が管本体４の湾曲の外側４ａに偏って流れることも抑制されて、管本体４内に添加剤が良好に拡散される。その結果、下流側の排気浄化用触媒３には、均一に拡散された添加剤が供給されるので、添加剤のばらつきに起因した排気浄化用触媒３の性能低下を防止することができる。したがって、目標とする排気浄化用触媒３のガス処理性能を達成することができる。

添加剤の注入に用いられる案内管３０に切り欠き部３４を形成する形状変更によって、管本体４内のガス流れの整流を達成できる。そのため、曲がり管形状の管本体４の形状変更、または管本体４内への整流板の新設などの、ガス流れの整流のための追加対策を必要としない。したがって、より生産性に優れた低コストな添加剤注入装置１０を実現することができる。

また図５に示す本実施の形態のように、切り欠き部３４は、案内管３０が管本体４と接合する接合部３６から他端３２までの範囲が切り欠かれた形状に形成されていてもよい。このようにすれば、案内管３０のうち、管本体４の湾曲の内側４ｂに向く部分におけるより広い範囲が切り欠かれて切り欠き部３４が形成されていることになる。そのため、案内管３０のより広い範囲において、管本体４を流れるガスが整流される。すなわち、管本体４を流れるガスのうち、より多くの量のガスが、案内管３０によって湾曲の内側４ｂへ向けて流れることになる。したがって、ガス流れをより効率よく整流することができる。

また図５，７に示す本実施の形態のように、案内管３０の、管本体４の湾曲の外側４ａに向く部分３３は、円錐面形状に形成されており、切り欠き部３４は、他端３２において、円錐面の中心軸よりも管本体４の湾曲の内側４ｂに向く部分が切り欠かれた形状に形成されていてもよい。このようにすれば、図７に示すように、他端３２側から見た案内管３０の端面が半円形状を有していることになる。これにより、他端３２においてより多くの量のガスを湾曲の内側４ｂへ向けて流すことができるので、ガス流れをより効率よく整流することができる。

また図８に示す本実施の形態のように、案内管３０の円錐面形状のテーパ角度θは、インジェクタ２０の噴射口２１のスプレー角度αが案内管３０に干渉しない角度とされていてもよい。このようにすれば、案内管３０が噴射口２１から噴射される添加剤の拡散の妨げとなることを回避できるので、管本体４内に添加剤をさらに良好に拡散することができる。

また図８に示す本実施の形態のように、案内管３０の円錐面形状のテーパ角度θは、インジェクタ２０の噴射口２１のスプレー角度αが案内管３０に干渉しない最小の角度とされていてもよい。案内管３０と添加剤との干渉を避けることにより上述した通り添加剤の拡散性を向上できるが、テーパ角度θが大きくなると、案内管３０によってガスを湾曲の内側４ｂへ向けて流す整流効果が小さくなる。そのため、テーパ角度θを最小の角度とすれば、案内管３０は、添加剤の拡散を妨げることなく、ガス流れの整流作用を発揮することができる。したがって、より効率的にガス流れの偏流を低減することができる。

また図２，３に示す本実施の形態のように、案内管３０の他端３２は、管本体４に対しガス流れの下流側に連結された直管部５の、ガス流れの上流側の端部に配置されていてもよい。他端３２が直管部５まで延びる案内管３０を管本体４の内部に設けることにより、曲がり管形状の管本体４から直管部５に到達するまで、案内管３０によってガスが案内される。そのため、案内管３０はガス流れの整流作用をさらに顕著に発揮することができるので、ガス流れの偏流をさらに低減することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、車両に搭載されたエンジン排ガス中に尿素水などの液体還元剤を注入する添加剤注入装置に、特に有利に適用され得る。

１ エンジン、２ チャンバ、３ 排気浄化用触媒、４ 管本体、４ａ 湾曲の外側、４ｂ 湾曲の内側、５ 直管部、６ 排気管、７ 混合器、１０ 添加剤注入装置、２０ インジェクタ、２１ 噴射口、３０ 案内管、３１ 一端、３２ 他端、３４ 切り欠き部、３６ 接合部、５０ スプレー形状、α スプレー角度、θ テーパ角度。

Claims (6)

1. ガスが流通する、湾曲した形状の管本体と、
   前記管本体の湾曲の外側に配置され、ガス流れの下流側に向けて添加剤を噴射するインジェクタと、
   前記インジェクタの噴射口に臨む一端、および、前記一端と反対側の他端を有し、前記インジェクタが噴射する添加剤を案内する案内管とを備え、
   前記案内管には、前記他端において、前記管本体の湾曲の内側に向く一部分が切り欠かれた切り欠き部が形成されている、添加剤注入装置。
2. 前記案内管は、前記管本体と接合する接合部を有し、
   前記切り欠き部は、前記接合部から前記他端までの範囲が切り欠かれた形状に形成されている、請求項１に記載の添加剤注入装置。
3. 前記案内管の、前記管本体の湾曲の外側に向く部分は、円錐面形状に形成されており、
   前記切り欠き部は、前記他端において、円錐面の中心軸よりも前記管本体の湾曲の内側に向く部分が切り欠かれた形状に形成されている、請求項１または２に記載の添加剤注入装置。
4. 前記案内管の円錐面形状のテーパ角度は、前記インジェクタの噴射口のスプレー角度が前記案内管に干渉しない角度とされている、請求項３に記載の添加剤注入装置。
5. 前記テーパ角度は、前記スプレー角度が前記案内管に干渉しない最小角度とされている、請求項４に記載の添加剤注入装置。
6. 前記管本体に対しガス流れの下流側に連結された直管部をさらに備え、
   前記案内管の前記他端は、前記直管部のガス流れの上流側の端部に配置されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の添加剤注入装置。

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