JP2015169144A - 排気管構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘやＰＭを検出するセンサのセンシング性能を向上できる排気管構造を提供する。
【解決手段】本発明は、内燃機関の排気側に接続される排気管１０の排気管構造であって、内燃機関の排気ガスを浄化するためのＳＣＲ触媒２１，２２を収容するＳＣＲユニット１４と、ＳＣＲユニット１４の出口側に接続された曲げチャンバー１５と、曲げチャンバー１５における曲げ方向の外側に配置され、排気ガスのＰＭを検出するＰＭセンサ３０と、排気管内でＰＭセンサ３０より上流側に設けられ、曲げチャンバー１５に入る排気ガスの流れをＰＭセンサ３０に向かうセンサ側流れＦ２０と、曲げチャンバー１５の出口に向かう出口側流れＦ１０と、に分けるブレード４０と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の排気側に接続される排気管の排気管構造に関する。

ディーゼルエンジンを備えた車両には、法規による排気ガスのＮＯｘ・ＰＭ規制が課せられており、排気ガスのＮＯｘ・ＰＭを測定するセンサを排気管に設ける必要がある。このようなセンサを排気管に設ける構造として、例えば特開２００７―３２１５９３号公報に記載されたものが知られている。

この公報に記載された構造は、排気ガス中の水分がセンサに付着することを避けるためのものであり、排気管の内壁に設けられた整流板によってセンサに当たる排気ガスの流れを鋭角に整流する。

特開平１１−２５７０２５号公報

しかしながら、ＮＯｘ・ＰＭのセンサを単純に排気管中に配置しただけでは正常に機能しないことが多く、本来の目的を適切に達成できていない場合が多かった。そこで、本発明は、排気ガス中のＮＯｘやＰＭを検出するセンサのセンシング性能を向上できる排気管構造を提案することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、内燃機関の排気側に接続される排気管の排気管構造であって、内燃機関の排気ガスを浄化するための触媒を収容する触媒ユニットと、触媒ユニットの出口側に接続された曲げチャンバーと、曲げチャンバーにおける曲げ方向の外側に配置され、排気ガスのＰＭ及びＮＯｘのうち何れか一方を検出する第１のセンサと、排気管内で第１のセンサより上流側に設けられ、曲げチャンバーに入る排気ガスの流れを第１のセンサに向かうセンサ側流れと、曲げチャンバー出口に向かう出口側流れと、に分けるブレードと、を備えることを特徴とする。

本発明に係る排気管構造によれば、第１のセンサの上流側に設けられたブレードによって曲げチャンバーに入る排気ガスの流れを第１のセンサに向かうセンサ側流れと、曲げチャンバー出口に向かう出口側流れと、に分けるので、センサ側流れによって排気ガスを積極的にセンサに当てることができ、このようなブレードを備えない場合と比べて、第１のセンサのセンシング性能を向上することができる。しかも、この排気管構造によれば、ブレードによりセンサ側流れを作ることで、排気ガスの主流となる出口側流れから離れた曲げチャンバーの曲げ方向の外側に第１のセンサを配置することができるので、十分なセンシング性能を確保しつつ、第１のセンサを熱源から逃がした配置とすることができる。

また、本発明に係る排気管構造において、曲げチャンバーには、曲げ方向の外側に脹らむ膨張部が形成されており、第１のセンサは膨張部に配置されていてもよい。
この場合、第１のセンサを膨張部に配置しない場合と比べて、第１のセンサを更に排気ガスの主流から離すことができるので、排気ガスの高温によるセンサ劣化を抑制することができる。

また、曲げチャンバーにおける曲げ方向の外側に配置され、排気ガスのＰＭ及びＮＯｘのうち何れか他方を検出する第２のセンサを更に備え、第２のセンサは膨張部に配置されていてもよい。
この場合、ＰＭ及びＮＯｘの両方のセンサについてセンシング性能を確保しつつ、熱源から逃がした配置とすることができる。

本発明によれば、ＮＯｘやＰＭを検出するセンサのセンシング性能を向上できる排気管構造を提供することができる。

本実施形態に係る排気管構造を示す概略断面図である。 曲げチャンバーを示す平面図である。 曲げチャンバーを示す拡大断面図である。 ブレード無しの場合の排気ガスの流れを説明するための図である。 ブレード有りの場合の排気ガスの流れを説明するための図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示す本実施形態の排気管構造は、車載のディーゼルエンジン（内燃機関）の排気側に接続される排気管１０の構造である。この排気管１０が搭載される車両は特に限定されず、乗用車であっても貨物車であってもよい。

この排気管１０は、フィルタユニット１１と、ミキシングパイプ１２と、ＳＣＲ［Selective Catalytic Reduction］チャンバー１３と、ＳＣＲユニット１４と、曲げチャンバー１５と、テールパイプ１６と、を備えている。

フィルタユニット１１は、内部にＰＭ［Particulate Matter］フィルタ２０を収容した管状の部位である。フィルタユニット１１の入口側は、内燃機関の排気側（例えばエキゾーストマニホールドの接続パイプ）に接続されている。ＰＭフィルタ２０は、排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）を捕集するためのフィルタである。ＰＭフィルタ２０の種類や構成は特に限定されない。

ミキシングパイプ１２は、フィルタユニット１１とＳＣＲチャンバー１３とを繋ぐパイプ状の部位である。ミキシングパイプ１２には、ＰＭフィルタ２０によってＰＭが捕集された後の排気ガスが流れ込み、混ざり合いながらＳＣＲチャンバー１３へ流れる。ミキシングパイプ１２とフィルタユニット１１との間に、カーブ構造のミキサー部位を設けてもよい。

ＳＣＲチャンバー１３は、ＳＣＲユニット１４の入口側に形成されたチャンバーである。ＳＣＲチャンバー１３には、ミキシングパイプ１２から排気ガスが流れ込み、流れ込んだ排気ガスはＳＣＲユニット１４へと入り込む。

ＳＣＲユニット（触媒ユニット）１４は、ＳＣＲ触媒（選択還元触媒）２１，２２及びアンモニアスリップ触媒２３を備えた管状の部位である。ＳＣＲ触媒２１，２２は、排気ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する。ＳＣＲ触媒２１，２２としては、例えば、尿素を使用する尿素ＳＣＲ触媒を用いることができる。なお、アンモニアスリップ触媒２３は、ＳＣＲ触媒２１，２２と反応しきらなかったアンモニアが外に排出されることを抑制するための酸化触媒である。ＳＣＲユニット１４においてＮＯｘを浄化された排気ガスは、ＳＣＲユニット１４の出口部１４ａに接続された曲げチャンバー１５へ流れ込む。

曲げチャンバー１５は、ＳＣＲユニット１４とテールパイプ１６とを接続するチャンバーである。曲げチャンバー１５は、全体としてカーブ状に曲がるガス流路を形成する。曲げチャンバー１５の向きは特に限定されないが、本実施形態では下向きに曲げられている。テールパイプ１６は、排気管１０の出口を構成するパイプである。

ここで、図２は、曲げチャンバー１５を示す平面図である。図１及び図２に示されるように、曲げチャンバー１５には、ＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１が設けられている。ＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１は、図２に示す平面視において、曲げチャンバー１５の中心に対して左右対称となるように配置されている。

ＰＭセンサ３０は、排気ガス中のＰＭを検出するセンサである。ＰＭセンサ３０としては、例えば発光部と受光部とを備えた光散乱方式のものを採用することができる。ＰＭセンサ３０は、曲げチャンバー１５の内部に突出するセンシング部３０ａと、曲げチャンバー１５の外部に突出する本体部３０ｂと、図示しないＥＣＵ［EngineControl Unit ］などの演算ユニットに検出結果を送信するためのワイヤハーネス３０ｃと、から構成されている。ＰＭセンサ３０は、例えば、特許請求の範囲に記載の第１のセンサとして機能する。

ＮＯｘセンサ３１は、排気ガス中のＮＯｘを検出するセンサである。ＮＯｘセンサ３１としては、例えばジルコニアセラミックスを用いたジルコニア式のものを採用することができる。ＮＯｘセンサ３１は、例えば、特許請求の範囲に記載の第２のセンサとして機能する。

ブレード４０は、ＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１に向かう流れを作り出すための整流板である。ブレード４０は、排気管１０の内部でＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１よりも排気ガスの上流側に設けられている。本実施形態では、ブレード４０は、曲げチャンバー１５内に位置するように設けられている。

また、本実施形態では、コスト的観点などからブレード４０を平板としている。なお、ブレード４０を曲板にしてもよく、複数の平板を重ねて構成してもよい。ブレード４０の両端は、溶接等により曲げチャンバー１５の内壁に固定されている。

図３は、曲げチャンバー１５を示す拡大断面図である。図３に示されるように、ブレード４０は、曲げチャンバー１５の入口付近で曲げチャンバー１５の曲げ方向の外側（図３における紙面右上側）に設けられている。ブレード４０は、図３に示す断面において、ＳＣＲユニット１４の中心軸線Ｃに対して角度α傾くように設けられている。ブレード４０から延びる延長線Ｄを二点鎖線で示す。ＳＣＲユニット１４の中心軸線Ｃに対して延長線Ｄが成す角度αは、例えば、ブレード４０により排気ガスの一部をＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１へ適切に誘導して、十分なセンサ精度を確保できる範囲の角度とされている。

また、図３に示されるように、曲げチャンバー１５には、曲げ方向の外側に脹らむ膨張部１５ａが形成されている。具体的に、図３における膨張部１５ａは、仮想一点鎖線Ｅより外側の部位である。仮想一点鎖線Ｅは、例えば、曲げチャンバー１５の入口側と出口側を排気ガスの流れに沿って滑らかに結ぶ曲線に相当する。

ＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１は、この膨張部１５ａに設けられている。このようにＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１を排気ガスの主要な流れから離れた膨張部１５ａに配置することで、排気ガスの高熱によりセンサ劣化が生じることを抑制できる。

ここで、図４は、ブレード無しの場合の排気ガスの流れを説明するための図である。図４に示されるように、ブレード無しの場合、排気ガスの主要な流れＦ１から外れた膨張部１５ａには排気ガスの一部が滞留する流れＦ２が生じてしまう。このような滞留が生じると、ＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１は十分なセンシング性能を発揮できない。更に、このような滞留は、膨張部１５ａに配置されたＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１の温度上昇を招き、センサ劣化が生じるおそれがある。

図５は、ブレード有りの場合の排気ガスの流れを説明するための図である。図５に示されるように、ブレード４０を曲げチャンバー１５内に設けることにより、曲げチャンバー１５に入り込む排気ガスの流れを、曲げチャンバー１５の出口へ向かう出口側流れＦ１０と、ＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１に向かうセンサ側流れＦ２０と、に分けることができる。これにより、膨張部１５ａに配置したＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１に対しても、適切に排気ガスの流れを導くことができる。

以上説明した本実施形態に係る排気管構造によれば、ＰＭセンサ３０の上流側に設けられたブレード４０によって曲げチャンバー１５に入る排気ガスの流れを曲げチャンバー１５の出口に向かう出口側流れＦ１０と、ＰＭセンサ３０に向かうセンサ側流れＦ２０と、に分けるので、センサ側流れＦ２０によって排気ガスを積極的にセンサに当てることができ、図４に示すブレード４０を備えない場合と比べて、ＰＭセンサ３０のセンシング性能を向上することができる。しかも、この排気管構造によれば、ブレード４０によりセンサ側流れＦ２０を作ることで、排気ガスの主流となる出口側流れＦ１０から離れた曲げチャンバー１５の曲げ方向の外側にＰＭセンサ３０を配置することができるので、十分なセンシング性能を確保しつつ、ＰＭセンサ３０を熱源から逃がした配置とすることができる。

また、この排気管構造によれば、ＰＭセンサ３０と同様な位置にＮＯｘセンサ３１を配置することで、ＮＯｘセンサ３１についてもブレード４０により生じたセンサ側流れＦ２０を積極的に当てることができ、センシング性能を向上することができる。

更に、この排気管構造によれば、曲げチャンバー１５に曲げ方向の外側へ脹らむ膨張部１５ａを形成し、この膨張部１５ａにＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１を配置する構成とすることで、ＰＭセンサ３０及びＮＯｘセンサ３１を排気ガスの主流から離すことができるので、排気ガスの高温によるセンサ劣化を抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態に付いて説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、曲げチャンバー１５は、ＳＣＲユニット１４の出口側に接続されていればよく、ＳＣＲユニット１４の出口部１４ａに直接接続されている必要はない。曲げチャンバー１５は、他のパイプ等を介してＳＣＲユニット１４の出口部１４ａと接続されていてもよい。また、必ずしも特許請求の範囲に記載の触媒ユニットとしてＳＣＲ触媒を用いる必要はなく、その他のＮＯｘ触媒を用いてもよい。例えば、白金などを用いた通常の三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒を採用することもできる。

１０…排気管 １１…フィルタユニット １２…ミキシングパイプ １３…ＳＣＲチャンバー １４…ＳＣＲユニット（触媒ユニット） １４ａ…出口部 １５…曲げチャンバー １５ａ…膨張部 １６…テールパイプ ２０…ＰＭフィルタ ２１，２２…ＳＣＲ触媒 ２３…アンモニアスリップ触媒 ３０…ＰＭセンサ（第１のセンサ） ３０ａ…センシング部 ３０ｂ…本体部 ３０ｃ…ワイヤハーネス ３１…ＮＯｘセンサ（第２のセンサ） ４０…ブレード Ｃ…中心軸線 Ｄ…延長線 Ｅ…仮想一点鎖線 α…角度

Claims (3)

1. 内燃機関の排気側に接続される排気管の排気管構造であって、
   前記内燃機関の排気ガスを浄化するための触媒を収容する触媒ユニットと、
   前記触媒ユニットの出口側に接続された曲げチャンバーと、
   前記曲げチャンバーにおける曲げ方向の外側に配置され、前記排気ガスのＰＭ及びＮＯｘのうち何れか一方を検出する第１のセンサと、
   前記排気管内で前記第１のセンサより上流側に設けられ、前記曲げチャンバーに入る排気ガスの流れを前記第１のセンサに向かうセンサ側流れと、前記曲げチャンバーの出口に向かう出口側流れと、に分けるブレードと、
   を備えることを特徴とする排気管構造。
2. 前記曲げチャンバーには、曲げ方向の外側に脹らむ膨張部が形成されており、前記第１のセンサは前記膨張部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の排気管構造。
3. 前記曲げチャンバーにおける曲げ方向の外側に配置され、前記排気ガスのＰＭ及びＮＯｘのうち何れか他方を検出する第２のセンサを更に備え、
   前記第２のセンサは前記膨張部に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の排気管構造。
   

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