JP2018071353A - 内燃機関の排気系構造 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの圧力損失の増大を抑制しつつ、排気ガスを触媒に均等に流入させることができる内燃機関の排気系構造を提供する。【解決手段】排気通路に排気ガスを浄化する触媒が設けられている内燃機関の排気系構造であって、前記内燃機関から前記触媒に至る前記排気通路には、前記触媒に進入する前記排気ガスの流速が前記触媒の軸方向に直交する方向において均一になるように曲がった曲がり部が形成されている。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、内燃機関の排気系構造に関する。

従来、内燃機関の排気系に設けられ、内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）等を除去する触媒を備えた排気浄化装置が知られている。排気浄化装置の触媒を有効に活用するためには、排気ガスを触媒の上流端に均等に流入させることが望まれる。

特許文献１には、排気浄化触媒の上流側に、先端が閉蓋され且つ先端の側壁に複数の穿孔を備える排気導入パイプと、複数の穿孔を備える隔壁とを設けたものが開示されている。また、特許文献２には、触媒の上流側の排気管に拡散板を設けたものが開示されている。

これらの排気浄化装置では、いずれも排気導入パイプ、隔壁、拡散板により、排気ガスに乱れを生じさせて、排気ガスを拡散させ、排気ガスが触媒の上流端に均等に流入するようにしている。

特開２００３−１８４５４４号公報 特開２００５−３２５７４７号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示された排気浄化装置で用いられている排気導入パイプ、隔壁、拡散板は、いずれも排気ガスの流れを阻害することによって排気ガスに乱れを生じさせている。そのため、排気ガスの圧力損失が増大してしまうという問題があった。

本発明の目的は、排気ガスの圧力損失の増大を抑制しつつ、排気ガスを触媒に均等に流入させることができる内燃機関の排気系構造を提供することである。

本発明に係る内燃機関の排気系構造は、排気通路に排気ガスを浄化する触媒が設けられている内燃機関の排気系構造であって、前記内燃機関から前記触媒に至る前記排気通路には、前記触媒に進入する前記排気ガスの流速が前記触媒の軸方向に直交する方向において均一になるように曲がった曲がり部が形成されている。

本発明によれば、排気ガスの圧力損失の増大を抑制しつつ、排気ガスを触媒に均等に流入させることができる。

本発明に係る排気系を示す概略断面図 本発明に係る排気系における上流側排気通路を示す断面図 図２ＡにおけるＡ−Ａ断面図 本発明に係る排気系の触媒上流端面における排気ガスの流速の分布を示す図 比較例に係る排気系の触媒上流端面における排気ガスの流速の分布を示す図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は一例であり、本発明はこの実施形態により限定されるものではない。

図１は、本発明に係る排気系を示す概略図である。なお、図１〜図４には、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸が描かれている。以下の説明では、図１における左右方向をＸ方向又は車両前後方向といい、右方向を「＋Ｘ方向」又は「車両前側」、左方向を「−Ｘ方向」又は「車両後側」という。また、図１における上下方向をＹ方向又は車両上下方向といい、上方向を「＋Ｙ方向」又は「車両上側」、下方向を「−Ｙ方向」又は「車両下側」という。さらに、図１において紙面に垂直な方向をＺ方向又は車両幅方向といい、手前方向を「＋Ｚ方向」又は「車両右側」、奥方向を「−Ｚ方向」又は「車両左側」という。また、排気通路を流れる排気ガスの流れ方向における上流側及び下流側を、単に「上流側」及び「下流側」という。

排気系１は、エンジン２の車両右側に設けられた排気マニホールド３と、排気マニホールド３の集合部に連結されたターボ過給機４と、ターボ過給機４から延びる上流側排気通路５、後処理装置６、及び下流側排気通路７と、を備える。

上流側排気通路５は、直線部８及び曲がり部９を有する。直線部８は円管状であり、ターボ過給機４から＋Ｘ方向に直線状に延びている。また、直線部８の下流側の端部に接続された曲がり部９も円管状であり、Ｚ軸回り（時計回り）に滑らかに曲がっている。曲がり部９の詳細については後述する。

曲がり部９の下流側の端部には、後処理装置６が接続されている。後処理装置６は、円管状のキャニング１０に、排気ガスを浄化するためのリーンＮＯｘトラップ触媒（ＬＮＴ）１１及びディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）１２が収容されてなる。ＬＮＴ１１の上流側の端部及びＤＰＦ１２の上流側の端部は、＋Ｙ方向から＋Ｘ方向側に傾斜している。

ＬＮＴ１１は、γアルミナ等で形成されたモノリスハニカムのセルの担持体の表面に、触媒金属及びＮＯｘ吸蔵物質を担持させて形成される。触媒金属としてはＰｔやＰｄが用いられる。またＮＯｘ吸蔵物質としては、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｃｓ等のアルカリ金属や、Ｂａ、Ｃａ等のアルカリ土類金属のうちのいずれか１つ又は組み合わされた複数が用いられる。ＬＮＴ１１については公知の技術であるため、詳細な説明は省略する。

ＤＰＦ１２は、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路を形成する多数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して構成されている。ＤＰＦ１２については公知の技術であるため、詳細な説明は省略する。

後処理装置６の下流側の端部には、下流側排気通路７が接続されている。後処理装置６で浄化された排気ガスは、下流側排気通路７を通って外部に導出される。下流側排気通路７における下流側は、−Ｘ方向へ直線状に延びており、排気ガスは、下流側排気通路７の後端から、車両後方へ向けて導出される。

次に、曲がり部９の詳細について、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。図２Ａは、上流側排気通路５を、ＬＮＴ１１の中心軸を通るＸＹ平面において切断した場合の断面図である。図２Ｂは、図２ＡにおけるＡ−Ａ断面図である。

上流側排気通路５において、当該上流側排気通路５の延在方向（すなわち、排気ガスの流れ方向）に直交する断面の形状は、略円形状である。曲がり部９は、直線部８の下流側の端部に接続された第１曲がり部１３と、第１曲がり部１３の下流側の端部に接続され、ＬＮＴ１１へ至る第２曲がり部１４とを有する。

本実施形態では、上述のとおり、上流側排気通路５を構成する曲がり部９の延在方向に直交する断面形状は略円形状である。そのため、曲がり部９の延在方向に直交する断面（例えば、Ａ−Ａ断面）において、曲がり部９の中心軸Ｃ１を通る位置（以下、単に「中心位置」という。）の車幅方向の寸法が最も大きい。また、曲がり部９において、中心位置から車両前側へ向かって車幅方向の寸法が徐々に小さくなる領域を、「曲げ外側」という。また、曲がり部９において、中心位置から車両後側へ向かって車幅方向の寸法が徐々に小さくなる領域を、「曲げ内側」という。図２Ａでは、曲げ外側において最も外側に位置する「曲げ最外壁」及び曲げ内側において最も内側に位置する「曲げ最内壁」が示されている。

本発明では、「曲げ外側」及び「曲げ内側」は以下のとおり定義する。すなわち、ＬＮＴ１１の中心軸Ｃ２を通るＸＹ平面において、曲がり部９の曲げ最外壁及び曲げ最内壁からの距離が等しい点の集合を曲がり部９の中心軸Ｃ１とし、曲がり部９において中心軸Ｃ１よりも＋Ｘ方向の領域を曲げ外側、中心軸Ｃ１よりも−Ｘ方向の領域を曲げ内側とする。

第１曲がり部１３において、上流側排気通路５は、＋Ｘ方向に延在する方向から−Ｙ方向に延在する方向に向かうように曲がっている。第１曲がり部１３の曲げ最内壁１５は、図２Ａに示すように、曲率半径が略一定の円弧状、又は、曲率半径が略一定の円弧状と見なせる程度の直線部の集合である。

第１曲がり部１３の曲げ最外壁１６は、直線部８と接続する上流側の端部から＋Ｘ方向に延び、徐々に−Ｙ方向に向かうように曲がっている。この曲がった部分（以下、「最外壁曲がり部１７」という。）では、上流側から下流側へ向けて、曲率半径が徐々に小さくなっている。そして、曲げ最外壁１６は、−Ｙ方向を向いた後、−Ｙ方向へ直線状に延びている。図２Ａに示すように、曲げ最外壁１６において−Ｙ方向へ直線状に延びる部分（以下、「第１直線部分１８」という。）は、ＬＮＴ１１の軸方向投影面に重ならない非重なり部である。

第２曲がり部１４において、上流側排気通路５は、−Ｙ方向に延在する方向から、徐々に−Ｘ方向に向かうように曲がっており、−Ｘ方向へ所定角度曲がったところで、ＬＮＴ１１に接続されている。第２曲がり部１４がＬＮＴ１１に接続される位置において、曲がり部９の中心軸Ｃ１と、ＬＮＴ１１の中心軸Ｃ２とは、斜めに交差している。

第２曲がり部１４の曲げ最内壁１９は、曲率半径が略一定の円弧状、又は、曲率半径が略一定の円弧状と見なせる程度の直線部の集合である略円弧状部分２０と、当該略円弧状部分２０の下流側の端部に滑らかにつながり、−ＸＹ方向へ延びる直線部分（以下、「第２直線部分２１」という。）とを有している。

第２曲がり部１４の曲げ最外壁２２は、−Ｙ方向へ直線状に延びる部分（以下、「第３直線部分２３」という。）と、第３直線部分２３の下流端から−ＸＹ方向へ屈曲し、−ＸＹ方向へ直線状に延びる部分（以下、「第４直線部分２４」という。）とを有する。

図２Ａに示すように、第３直線部分２３及び第４直線部分２４は、ＬＮＴ１１の軸方向投影面に重ならない非重なり部である。本実施形態では、第４直線部分２４とＬＮＴ１１の上流端面２５とのなす角は、第２直線部分２１とＬＮＴ１１の上流端面２５とのなす角よりも大きい。すなわち、第２曲がり部１４における下流側部分において、上流側排気通路５は、拡径部を経て触媒に至っている。なお、第４直線部分２４とＬＮＴ１１の上流端面２５とのなす角は、第２直線部分２１とＬＮＴ１１の上流端面２５とのなす角と同程度または小さくてもよい。

次に、本発明に係る曲がり部９による作用・効果について、図２〜図４を参照して説明する。図３及び図４は、ＬＮＴ１１に進入する排気ガスの、ＬＮＴ１１の軸方向に直交する方向における流速の分布（以下、単に「流速分布」という。）を示している。図３は、本発明の構成を採用した場合の流速分布である。一方、図４は、比較例であり、曲がり部９の曲げ最外壁を一定の曲率半径を有する円弧形状とした場合の流速分布である。図３及び図４では、ＬＮＴ１１に流入する流れのうち、相対的に流速の速い流れを、互いに同じハッチングで示している。

曲がり部９の曲げ最外壁を一定の曲率半径を有する円弧形状とした場合、曲がり部９をＬＮＴ１１の中心軸Ｃ２を通るＸＹ平面において切断した場合の断面は、図２Ａにおいて破線で示したものとなる。

この場合、図２Ａにおいて破線の矢印で示したように、曲がり部９の曲げ最外壁の内壁面に沿って流れる排気ガスは、曲がり部９の全領域において、曲げ最外壁の内壁面に沿って流れる。

そして、排気ガスは、ＬＮＴ１１の上流端面に進入する際に、図２Ａにおいて破線の矢印で示したように、曲げ最外壁の内壁面に沿ってＬＮＴ１１の上流端面２５に流れ込む。そのため、流速分布は、図４に示すものとなる。すなわち、曲げ外側の領域に、相対的に流速が速い流れ（ＬＮＴ１１の上流端面に対して垂直方向に指向して流入する流れ）が多く存在する。

一方、本発明の排気系構造によれば、図２Ａにおいて実線の矢印で示すように、第１曲がり部１３の曲げ最外壁１６の内壁面に沿って流れてきた排気ガスは、第２曲がり部１４の第３直線部分２３の内壁面に沿って流れる。そして、排気ガスは、第３直線部分２３から屈曲するように設けられた第４直線部分２４の内壁面に衝突する。

第４直線部分２４の内壁面に衝突した排気ガスは、図２Ａにおいて実線の矢印で示すように、第４直線部分２４の内壁面から離れ、第４直線部分２４がＬＮＴ１１の上流端面２５に対してなす角よりも小さな角度で、ＬＮＴ１１の上流端面２５に流れ込む。すなわち、第４直線部分２４は、上流側排気通路５の曲げ外側の内壁面に沿った方向に流れる排気ガスの流れを、内壁面から離れる方向の流れに偏向する流れ偏向部として機能する。

そのため、この第４直線部分２４の内壁面から離れる方向の流れの影響により、流速分布は、図３に示すものとなる。すなわち、曲げ外側の領域における、相対的に流速が速い流れ（ＬＮＴ１１の上流端面２５に対して垂直方向に指向して流入する流れ）を減らし、図４に示す比較例に比べ、流速分布を均一にすることができる。

すなわち、本発明によれば、エンジン２からＬＮＴ１１に至る上流側排気通路５に、ＬＮＴ１１に進入する排気ガスの流速がＬＮＴ１１の軸方向に直交する方向において均一になるように曲がった曲がり部９が形成されているので、排気ガスの圧力損失の増大を抑制しつつ、排気ガスをＬＮＴ１１に均等に流入させることができる。

また、本発明では、ＬＮＴ１１の下流側にＤＰＦ１２が設けられていることで、ＬＮＴ１１の下流側にＤＰＦ１２が設けられていない場合に比べて、ＬＮＴ１１を通過する排気ガスの流速が均一化される。すなわち、ＤＰＦ１２は、排気ガスの流速を均一化する流速均一化部として機能する。そのため、本発明によれば、流速均一化部として機能するＤＰＦ１２によっても、ＬＮＴ１１を通過する排気ガスの流速を均一化することができ、排気ガスをより均等に、ＬＮＴ１１に流入させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜組合せ又は変形して実施することが可能である。

上述の実施形態では、上流側排気通路５の断面形状を略円形状とし、曲がり部９の中心軸Ｃ１を通る位置において上流側排気通路５の幅方向の寸法が最も大きくなるものとして説明したが、これに限定されない。上流側排気通路５の断面形状は、楕円形状、矩形形状、多角形状でもよい。

なお、上流側排気通路５の断面形状を矩形形状等とした場合でも、上述のとおり、ＬＮＴ１１の中心軸Ｃ２を通るＸＹ平面において、上流側排気通路５の曲げ最外壁及び曲げ最内壁からの距離が等しい点の集合を曲がり部９の中心軸Ｃ１とする。また、曲がり部９において中心軸Ｃ１よりも＋Ｘ方向の領域を曲げ外側、中心軸Ｃ１よりも−Ｘ方向の領域を曲げ内側とする。

また、上述の実施形態では、第１曲がり部１３の曲げ最外壁を、最外壁曲がり部１７及び第１直線部分１８からなるものとして説明したが、これに限定されない。第１曲がり部１３の曲げ最外壁は、所定の曲率半径を有する円弧形状を単独又は組み合わせて構成してもよい。

また、上述の実施形態では、第２曲がり部１４の曲げ最外壁を、第３直線部分２３及び第４直線部分２４からなるものとして説明したが、これに限定されない。第２曲がり部１４の曲げ最外壁は、直線部分と円弧部分の組み合わせ、所定の曲率半径を有する円弧形状の組み合わせにより構成してもよい。

また、上述の実施形態では、触媒として、ＬＮＴを例に挙げて説明を行ったが、これに限定されない。触媒としては、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、選択接触還元触媒（ＳＣＲ）等、排気ガスを浄化する様々な触媒が対象となり得る。

また、上述の実施形態では、ＬＮＴ１１の下流側に、ＤＰＦ１２を設け、排気ガスの流速を均一化するようにした例について説明したが、これに限定されない。触媒の下流側において排気ガスの流速を均一化する流速均一化部の機能は、排気系構造において触媒の下流側に設置される各種後処理装置（例えば、ＤＯＣ、ＳＣＲ、ＳＣＲ機能を有するＳＤＰＦ、各種スリップ触媒等）が有し得る。さらに、触媒の下流側において排気ガスの流速を均一化する流速均一化部の機能は、排気系構造において触媒の下流側に設置される各種機器（ＳＣＲ用ミキサ、排ガスヒータ、排気スロットル等の各種装置）が有し得る。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気浄化装置が内燃機関の近傍に設けられる車両に好適に用いられる。

１ 排気系
２ エンジン
３ 排気マニホールド
４ ターボ過給機
５ 上流側排気通路
６ 後処理装置
７ 下流側排気通路
８ 直線部
９ 曲がり部
１０ キャニング
１１ ＬＮＴ
１２ ＤＰＦ
１３ 第１曲がり部
１４ 第２曲がり部
Ｃ１、Ｃ２ 中心軸
１５、１９ 曲げ最内壁
１６、２２ 曲げ最外壁
１７ 最外壁曲がり部
１８ 第１直線部分
２０ 略円弧状部分
２１ 第２直線部分
２３ 第３直線部分
２４ 第４直線部分
２５ 上流端面

Claims (3)

1. 排気通路に排気ガスを浄化する触媒が設けられている内燃機関の排気系構造であって、
   前記内燃機関から前記触媒に至る前記排気通路には、前記触媒に進入する前記排気ガスの流速が前記触媒の軸方向に直交する方向において均一になるように曲がった曲がり部が形成されている、
   内燃機関の排気系構造。
2. 前記曲がり部は、前記排気通路が前記触媒の軸方向に直交する軸回りにおいて所定方向に曲がることで形成されているとともに、曲げ外側に前記触媒の軸方向投影面に重なる重なり部及び前記触媒の軸方向投影面に重ならない非重なり部を備え、
   前記非重なり部には、前記排気通路の曲げ外側の内壁面に沿った方向に流れる排気ガスの流れを前記内壁面から離れる方向の流れに偏向する流れ偏向部が設けられている、
   請求項１に記載の内燃機関の排気系構造。
3. 前記触媒の下流側に、前記排気ガスの流速を均一化する流速均一化部が設けられている、
   請求項１又は２に記載の内燃機関の排気系構造。

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