JP2020133443A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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(H2O)、二酸化炭素(CO2)や二酸化窒素(NO2)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(N2)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(NH3)を含む還元雰囲気においてNOxをN2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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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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- 2019-02-15 JP JP2019025141A patent/JP2020133443A/ja active Pending
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Legal Events
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