JP2020133443A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化装置の直上流において排気管が屈曲する場合に、屈曲部よりも上流側に設置した排気管部材を用いて排気中に分散させた液体の濃度分布が屈曲部で不均一となるのを抑える。【解決手段】排気管は、その途中で大きく屈曲して排気浄化触媒に接続される。排気管における屈曲上流側の上流部は、排気浄化触媒の設置方向に対して平行に配置される。排気管における屈曲下流側の下流部は、この設置方向に対して傾斜して配置される。下流部には、排気管部材が設けられている。排気管部材は、添加弁からの液体を微粒化して排気中に分散させる。排気管部材は、添加弁からの液体が衝突する衝突面を有する。衝突面は、下流側に向かうほど添加弁が設置されている側の下流部の内壁面に近づくように傾斜している。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

特開２００８−１２８０４６号公報には、ターボチャージャと排気浄化触媒の間に添加弁を備える内燃機関の排気浄化装置が開示されている。排気浄化触媒は、添加弁からの液体（軽油）を利用して排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する。添加弁は、排気の流れ方向に対向し、かつ、ターボチャージャの排出口に向けて添加液を添加する。この排出口付近では、排気の流れが旋回流となっている。そのため、上記添加態様によれば、添加弁からの液体と排気の混合を促進して排気浄化触媒でのＮＯｘの還元率を高めることができる。

特開２００８−１２８０４６号公報 特開２０１６−０７９９６０号公報

添加弁からの液体が衝突可能な位置に排気管部材を設けることを考える。このような排気管部材によれば、衝突に伴って液体を微粒化させて排気中に分散させることができる。したがって、添加弁からの液体と排気の混合を促進することができる。つまり、このような排気管部材によれば、ターボチャージャの排出口に向けた添加の有無に関係なく、添加弁からの液体と排気の混合を促進することができる。

ところで、搭載スペースの都合上、排気管を途中で屈曲させることがある。そこで、排気浄化装置の直上流において排気管が屈曲する場合を考える。この場合は、排気管における屈曲部よりも上流側の部分が、排気浄化装置の設置方向に対して傾斜する。この上流側の部分に排気管部材が設置されていると、排気中に分散させた液体の濃度分布が、屈曲部で不均一になる。そのため、液体を利用した排気浄化触媒の機能を十分に発揮することが困難になるおそれがある。

本発明は、上述した課題の少なくとも１つに鑑みてなされたものであり、排気浄化装置の直上流において排気管が屈曲する場合に、屈曲部よりも上流側に設置した排気管部材を用いて排気中に分散させた液体の濃度分布が屈曲部で不均一となるのを抑えることを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するための内燃機関の排気浄化装置であり、次の特徴を有する。
前記排気浄化装置は、排気浄化触媒と、添加弁と、排気管部材と、を備える。
前記排気浄化触媒は、排気管に設けられる。
前記添加弁は、前記排気管に設けられる。前記添加弁は、前記排気管内に液体を添加する。
前記排気管部材は、前記排気管の内壁面に設けられる。前記排気管部材は、前記添加弁からの液体が衝突する衝突面を有する。
前記排気浄化触媒の上流側において、前記排気管は、傾斜部と、平行部とを備える。
前記傾斜部は、前記排気浄化触媒の設置方向に対して傾斜して設置される。
前記平行部は、傾斜部と前記排気浄化触媒との間に設けられる。前記平行部は、前記設置方向に対して平行に設置される。
前記排気管部材は、前記傾斜部の内壁面に設けられる。
前記衝突面は、前記傾斜部の軸方向に延びる。
前記衝突面の下流端部は、前記衝突面の上流端部よりも、前記添加弁が設置される側の前記傾斜部の内壁面の近くに位置する。

本発明によれば、衝突面が傾斜部の軸方向に延びるので、衝突面に衝突させた液体を排気中に分散させつつ、この衝突面の方向に流すことが可能となる。また、衝突面の下流端部が、衝突面の上流端部よりも添加弁側の内壁面の近くに位置するので、下流端部から流れ出る排気を添加弁に近い側の内壁面から遠い側の内壁面に向けて流すことが可能となる。そのため、傾斜部と排気浄化触媒との間に設けられる平行部において旋回流を発生させることが可能となる。したがって、排気中に分散させた液体の濃度分布が平行部で不均一となるのを抑えることが可能となる。

実施の形態に係る排気浄化装置の構成を説明する図である。 実施の形態に係る排気浄化装置の排気管の下流部周辺の構成を説明する図である。 実施の形態に係る排気浄化装置の排気管の下流部周辺の構成を説明する図である。 実施の形態に係る排気浄化装置の排気管の下流部周辺の構成を説明する図である。 添加弁から添加された液体の流れを説明する図である。 添加弁から添加された液体の流れを説明する図である。 比較例としての排気浄化装置において、添加弁から添加された液体の流れを説明する図である。 比較例としての排気浄化装置において、排気管を流れる排気の流れを説明する図である。 実施の形態に係る排気浄化装置において、排気管を流れる排気の流れを説明する図である。 排気浄化触媒に流入する排気の圧力分布を模式的に示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１ 排気浄化装置の構成
１．１ 装置全体の構成
図１は、本発明の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を説明する図である。図１に示す排気浄化装置１は、ツインターボ型のディーゼルエンジン（図示しない）からの排気を浄化するための装置である。図１に示す排気管１０は、プライマリターボ（図示しない）に接続されており、排気管１２はセカンダリターボ（図示しない）に接続されている。排気管１０と排気管１２とは、合流部１４で合流している。なお、本明細書における「上流側」および「下流側」は、排気流れ方向を基準とする。この「排気流れ方向」は、典型的には、排気管１０や排気管１２の中心軸方向と平行となる。

合流部１４よりも下流側には、排気浄化触媒１６が配置されている。排気浄化触媒１６は、例えば、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＮＯｘ吸着還元触媒などから構成される。ＤＯＣは、排気に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）や一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して、水（Ｈ_２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）や二酸化窒素（ＮＯ_２）に変換する。ＤＰＦは、排気に含まれる微粒子を捕集する。ＮＯｘ吸着還元触媒は、酸化雰囲気においてＮＯｘを吸蔵し、ＨＣを含む還元雰囲気においてＮＯｘを放出して窒素（Ｎ_２）に還元する。

別の例として、排気浄化触媒１６は、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒から構成される。尿素ＳＣＲ触媒は、アンモニア（ＮＨ_３）を含む還元雰囲気においてＮＯｘをＮ_２に還元する。

１．２ 排気管の構成
排気管１０および排気管１２は、その途中で大きく屈曲して合流部１４に接続されている。排気管１０における屈曲上流側の上流部１０ａは、排気浄化触媒１６の設置方向に対して平行に配置される。排気管１０における屈曲下流側の下流部１０ｂは、この設置方向に対して傾斜して配置される。下流部１０ｂの中心軸が排気浄化触媒１６のそれとなす角度（傾斜角度）は、４５°以上９０°未満である。排気管１２の形状は、排気管１０のそれと同じである。下流部１０ｂには、筒状部材１８が取り付けられている。

図２乃至４は、下流部１０ｂ周辺の構成を説明する図である。図２は、図１に示すＸ−Ｚ平面と平行な平面で下流部１０ｂを切断したときの断面図に相当する。図３は、図１に示すＹ−Ｚ平面と平行な平面で下流部１０ｂを切断したときの断面図に相当する。図４は、図１に示すＸ−Ｙ平面と平行な平面で下流部１０ｂを切断したときの断面図に相当する。なお、図１においては、上下方向をＺ軸方向とし、排気浄化触媒１６の設置方向をＹ軸方向とする。

図２および３に示すように、下流部１０ｂの壁面には開口部２０が形成されている。開口部２０が形成された箇所には、筒状部材１８が取り付けられている。筒状部材１８の内壁面は、開口部２０の外周を覆う。図２に示す筒状部材１８の上流側の内壁面は平らであり、一方、筒状部材１８の下流側における内壁面は湾曲している。また、図２に示す筒状部材１８の上流側において、下流部１０ｂの内壁面は、筒状部材１８に近い箇所では開口部２０の径方向に延び、ここから離れた箇所ではＺ軸方向に屈曲している。

１．３ 添加弁の構成
添加弁２２は、開口部２０よりも外側から排気管１０の内側に向けて液体（例えば、軽油、尿素水、アンモニア水など）を添加する。添加弁２２からの液体の添加方向は、下流側から上流側に向かう方向である。つまり、液体の添加方向は、排気流れ方向に対向している。

１．４ 排気管部材の構成
下流部１０ｂには、排気管部材３０が設けられている。排気管部材３０は、添加弁２２からの液体を微粒化して排気中に分散させる。排気管部材３０は、衝突面３２と、規制面３４と、支持面３６と、を備えている。

衝突面３２は、添加弁２２からの液体の衝突を受ける面である。図２乃至４に示すように、衝突面３２は、下流部１０ｂの内部に位置している。衝突面３２の延びる方向は、Ｘ軸方向と略平行である。ここでいう「略平行」とは、２直線がなす角度が０°でなくてもよいことを意味している。略平行とは、例えば、２直線がなす角度が０±３０°である状態をいう。

衝突面３２は、Ｚ軸に対して傾斜している。具体的に、衝突面３２は、下流側に向かうほど添加弁２２が設置されている側の下流部１０ｂの内壁面（以下、「添加弁設置面」とも称す。）に近づくように傾斜している。添加弁２２から添加された液体は、衝突面３２に衝突することで微粒化し、周囲に拡散する。衝突面３２に衝突した後の液体は、排気によって押し流されて下流側に向かう（詳細は後述）。衝突面３２は、ここに衝突した後の液体のＺ軸方向における流れを規制する面でもある。

規制面３４は、衝突面３２に衝突した後の液体のＹ軸方向における流れを規制する面である。規制面３４は、衝突面３２同様、Ｘ軸方向と略平行に延びている。規制面３４と衝突面３２は、略垂直に繋がっている。ここでいう「略垂直」とは、２直線のなす角度が９０°でなくてもよいことを意味している。略垂直とは、例えば、２直線がなす角度が９０±３０°である状態をいう。

支持面３６は、排気管部材３０を下流部１０ｂの内壁面に支持する面である。支持面３６、衝突面３２同様、Ｘ軸方向と略平行に延びている。支持面３６は、下流部１０ｂの内壁面に繋がっている。支持面３６は、規制面３４の下流側の一部とも繋がっている。

２．添加液体の流れ
図５および６は、添加弁２２から添加された液体の流れを説明する図である。図２同様、図５は、図１に示すＸ−Ｚ平面と平行な平面で排気管１０を切断したときの断面図に相当する。図５は、筒状部材１８の中心軸を通り、かつ、添加弁２２からの液体の添加方向と平行な面で排気管１０を切断したときの断面図にも相当する。図４同様、図６は、図１に示すＸ−Ｙ平面と平行な平面で下流部１０ｂを切断したときの断面図に相当する。

図５に矢印で示すように、添加弁２２からの液体は、衝突面３２で反射して上流側に向かう。ただし、排気管１０には排気が流れていることから、衝突面３２で反射した液体は、排気によって押し流されて下流側に向かう。このとき、進行方向を反転させた液体の一部は、衝突面３２に沿って流れる。進行方向を反転させた液体のまた別の一部は、筒状部材１８の上流側における下流部１０ｂの内壁面の近くを流れる。この内壁面の近くを流れる液体は、下流部１０ｂの内壁面の形状を利用して、開口部２０の径方向と平行な方向に進む。

既に説明したように、衝突面３２および規制面３４は、Ｘ軸と略平行に延びている。また、衝突面３２は、下流側に向かうほど添加弁設置面に近づくように傾斜している。そのため、図５および６に矢印で示すように、衝突面３２に沿って流れる液体は、下流側に向かうほど添加弁設置面の方向に集約される。衝突面３２の下流端部に到達した液体は、添加弁設置面から離れる方向に流れながら下流側に向かう。

３．排気浄化装置による効果
図７は、排気浄化装置１の比較例としての排気浄化装置２において、添加弁２２から添加された液体の流れを説明する図である。図５同様、図７は、筒状部材１８の中心軸を通り、かつ、添加弁２２からの液体の添加方向と平行な面で排気管１０を切断したときの断面図に相当する。

図７に示す排気浄化装置２と、図５等に示した排気浄化装置１の違いは、衝突面の傾斜の有無にある。具体的に、排気浄化装置２は、下流部１０ｂに排気管部材４０を備えている。排気管部材４０は、衝突面４２と、規制面４４と、支持面４６と、を備えている。衝突面４２、規制面４４および支持面４６の機能は、それぞれ、衝突面３２、規制面３４および支持面３６の機能と同じである。

図７に示すように、衝突面４２はＺ軸に対して傾斜していない。そのため、衝突面４２に沿って流れる液体は、添加弁設置面の方向に集約されることなく衝突面４２の下流端部に到達する。衝突面４２の下流端部に到達した液体は、下流部１０ｂの径方向に偏在することなく下流側に向かう。

図８は、排気浄化装置２において、排気管１０および１２を流れる排気の流れを説明する図である。既に説明したように、排気管１０および１２は、その途中で大きく屈曲して合流部１４に接続されている。そのため、図８に破線矢印で示すように、合流部１４においては、排気管１０からの排気と排気管１２からの排気とが交差する。

排気管１０からの排気と排気管１２からの排気とが交差すれば、合流部１４において、排気管１０からの排気中の液体が、排気管１２からの排気中に拡散することが考えられる。しかし、搭載スペースの都合上、合流部１４の長さが確保できないような場合には、排気管１２からの排気中への拡散が十分でないにも関わらず、排気管１０からの排気中の液体が排気浄化触媒１６に流入してしまう。特に、排気流量が多い場合には、合流部１４の特定の箇所に排気が集中する傾向がある。そうすると、排気中に分散させた液体の濃度分布が、合流部１４において不均一になる。

この点、排気浄化装置１では、合流部１４の上流側において、排気管１０からの排気を添加弁設置面に偏らせた状態で流すことが可能となる。図９は、排気浄化装置１において、排気管１０および１２を流れる排気の流れを説明する図である。図９に破線矢印で示すように、排気管１０からの排気は、合流部１４の上流側において旋回流となる。そのため、合流部１４の上流側において、排気管１０からの排気中の液体を、排気管１２からの排気中に拡散させることが可能となる。

また、排気管１０からの排気が旋回流となることで、合流部１４よりも大きい径を有する排気浄化触媒１６に排気が流入した後において、排気浄化触媒１６の径方向に液体を急速かつ均一に拡散させることが可能となる。図１０は、排気浄化触媒１６に流入する排気の圧力分布を模式的に示した図である。図１０に示すように、合流部１４から排気浄化触媒１６に排気が流入すると、液体を多く含む外周部分が排気浄化触媒１６の径方向に拡大する。

以上のことから、排気浄化装置１によれば、液体を利用した排気浄化触媒１６の機能を十分に発揮させることが可能となる。

４．実施の形態と発明の対応関係
上記実施の形態においては、下流部１０ｂが本発明の「傾斜部」に相当している。合流部１４が本発明の「平行部」に相当している。

５．その他の実施の形態
上記実施の形態に係る排気浄化装置は、次のように変形することもできる。

上記排気浄化装置１は、ツインターボ型のディーゼルエンジンを前提とした。しかし、シングルターボ型のディーゼルエンジンを前提としてもよいし、自然吸気型のディーゼルエンジンを前提としてもよい。更には、ガソリンエンジンを前提としてもよい。なお、ガソリンエンジンを前提とする場合は、エンジンの仕様に応じて排気浄化触媒の構成を適宜変更することが望ましい。

上記排気浄化装置１では、添加弁２２からの液体の添加方向が排気流れ方向に対向していた。しかし、液体の添加方向は、必ずしも排気流れ方向に対向していなくてもよい。液体の添加方向は、例えば、排気流れ方向と同じ方向でもよい。

上記排気浄化装置１では、衝突面３２が平らに形成されていた。しかし、衝突面３２の下流端部がその上流端部よりも添加弁設置面に近い位置にある限りにおいて、衝突面３２の断面形状は特に限定されない。衝突面３２は、例えば、湾曲した断面形状を有していてもよいし、屈曲した断面形状を有していてもよい。

１ 排気浄化装置
１０、１２ 排気管
１０ａ 上流部
１０ｂ 下流部
１４ 合流部
１６ 排気浄化触媒
１８ 筒状部材
２０ 開口部
２２ 添加弁
３０ 排気管部材
３２ 衝突面
３４ 規制面
３６ 支持面

Claims (1)

1. 排気管に設けられる排気浄化触媒と、
   前記排気管に設けられ、前記排気管内に液体を添加する添加弁と、
   前記排気管の内壁面に設けられ、前記添加弁からの液体が衝突する衝突面を有する排気管部材と、
   を備え、
   前記排気浄化触媒の上流側において、前記排気管は、
   前記排気浄化触媒の設置方向に対して傾斜して設置される傾斜部と、
   前記傾斜部と前記排気浄化触媒との間に設けられ、前記設置方向に対して平行に設置される平行部と、を備え、
   前記排気管部材は、前記傾斜部の内壁面に設けられ、
   前記衝突面は、前記傾斜部の軸方向に延び、
   前記衝突面の下流端部は、前記衝突面の上流端部よりも、前記添加弁が設置される側の前記傾斜部の内壁面の近くに位置する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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