JP2021025473A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射された液体と排気を混合するための混合長を延長する。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置１は、第１の管３と、第１の管の下流端部が接続されるチャンバ６と、第１の管の下流端部と並列に配置されチャンバに接続される上流端部を有する第２の管４と、第２の管内に配置された後処理部材９と、第１の管の下流端部より上流側の位置に液体Ｕを噴射する噴射弁８と、チャンバ内に設けられ、第１の管の下流端部から排出された排気を第２の管の上流端部に向かう方向Ａとは異なる方向Ｂに向かって案内する案内壁１２とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気浄化装置において、互いに並列された上流側のパティキュレートフィルタと下流側の選択還元型ＮＯｘ触媒とをＳ字状の流路で連結し、その流路の途中に尿素水噴射弁を設けたものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−１９６３２８号公報

しかし、このものでは尿素水噴射弁からＮＯｘ触媒までの流路長が比較的短いので、尿素水と排気を混合するための混合長を十分確保するのが難しい問題がある。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、噴射された液体と排気を混合するための混合長を延長することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
第１の管と、
前記第１の管の下流端部が接続されるチャンバと、
前記第１の管の下流端部と並列に配置され前記チャンバに接続される上流端部を有する第２の管と、
前記第２の管内に配置された後処理部材と、
前記第１の管の下流端部より上流側の位置に液体を噴射する噴射弁と、
前記チャンバ内に設けられ、前記第１の管の下流端部から排出された排気を前記第２の管の上流端部に向かう方向とは異なる方向に向かって案内する案内壁と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。

好ましくは、前記排気浄化装置は、
前記内燃機関の排気が導入される入口管と、
前記入口管に接続され前記第１の管の下流端部と並列に配置された上流端部を有する第３の管と、
をさらに備え、
前記チャンバは、前記第３の管の上流端部に隣接して配置され、
前記案内壁は、前記第１の管の下流端部から排出された排気を前記第３の管の上流端部が隣接する部位に向かって案内する。

好ましくは、前記後処理部材は選択還元型ＮＯｘ触媒であり、前記液体は尿素水である。

本開示によれば、噴射された液体と排気を混合するための混合長を延長することができる。

排気浄化装置を示す斜視図である。 排気浄化装置を示す後面図である。 第１変形例を示す後面図である。 第２変形例を示す後面図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

図１および図２に、本実施形態の排気浄化装置を示す。排気浄化装置が適用される内燃機関（図示せず、エンジンともいう）は、車両に搭載されるディーゼルエンジンである。車両（図示せず）はトラック等の大型車両である。但し車両および内燃機関の種類、用途等に限定はなく、例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジンはガソリンエンジンであってもよい。なおエンジンは、車両以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に搭載されたものであってもよい。またエンジンは、移動体に搭載されたものでなくてもよく、定置式のものであってもよい。

便宜上、直交三軸の各方向、すなわち前後左右上下の各方向を図示の如く定める。但しこれら各方向が説明の便宜上定められたものに過ぎない点に留意されたい。排気の流れを矢印Ｇで示す。

図示するように、排気浄化装置１は、前後方向に延び互いに並列に配置された上流管２、中間管３および下流管４と、上流管２および中間管３の前端部が接続される上流チャンバ５と、中間管３および下流管４の後端部が接続される下流チャンバ６とを備える。上流管２の後端外周部には、エンジンの排気が導入される入口管７が接続される。上流管２および下流管４は比較的大径の円形直管により形成される。中間管３は、両端部がテーパ状に拡径された比較的小径の円形直管により形成される。上流管２、中間管３および下流管４は互いに平行に離間して配置される。上流管２、中間管３、下流管４、上流チャンバ５、下流チャンバ６および入口管７はステンレス等の金属により形成される。

入口管７から導入された排気は、上流管２内を前方に向かって流れ、上流チャンバ５内に排出される。従って上流管２では後端部が上流端部、前端部が下流端部をなす。上流管２内には上流側から順に酸化触媒とフィルタ（図示せず）が直列で配置されている。知られているように、酸化触媒は排気中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して浄化する。フィルタは排気中の粒子状物質（ＰＭ（Particulate Matter））を捕集する触媒付きフィルタである。排気が上流管２内を流れる際に酸化触媒とフィルタを通過する。

上流チャンバ５内に排出された排気は、上流チャンバ５内を通じて中間管３の前端部に導入される。そして中間管３内を後方に向かって流れた後、下流チャンバ６内に排出される。従って中間管３では前端部が上流端部、後端部が下流端部をなす。上流チャンバ５は、上流管２の下流端部と中間管３の上流端部とを連結する、前後方向の厚さが比較的薄い扁平状の部屋ないし空間を形成する。

上流チャンバ５の前端壁には、中間管３の上流端部内に向かって後向きに液体としての尿素水Ｕを噴射する噴射弁８が設けられる。噴射弁８は中間管３と同軸に設けられる。尿素水Ｕは知られているように、選択還元型ＮＯｘ触媒９に供給されるアンモニアの原料をなすものである。

下流チャンバ６内に排出された排気は、下流チャンバ６内を通じて下流管４の後端部に導入される。そして下流管４内を前方に向かって流れた後、図示しない排気出口から排出される。従って下流管４では後端部が上流端部、前端部が下流端部をなす。

下流管４内には選択還元型ＮＯｘ触媒９が配置されている。知られているように、ＮＯｘ触媒９は、噴射弁８から噴射された尿素水Ｕに由来するアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元除去する。なお下流管４内におけるＮＯｘ触媒９の下流側に、ＮＯｘ触媒９から排出された余剰アンモニアを酸化するアンモニア酸化触媒が設けられてもよい。酸化触媒、フィルタ、ＮＯｘ触媒９およびアンモニア酸化触媒は、それぞれ排気後処理を実行する後処理部材をなす。

図１および図２に示すように、下流チャンバ６は、中間管３の下流端部と下流管４の上流端部とを連結する、前後方向の厚さが比較的薄い扁平状の部屋ないし空間を形成する。なお図では便宜上、下流チャンバ６の後端が開放されているが、実際には図示しない後端壁で閉止されている。本実施形態の下流チャンバ６は、上流管２の上流端部に隣接して配置されている。より具体的には、下流チャンバ６は、上流管２の上流端部に、上流管２の軸方向に隣接して配置されている。そして下流チャンバ６は、上流管２の上流端部の全断面積に亘って隣接されている。

図２に示すような後面視において、上流管２と下流管４は同じ上下位置にて左右に離間して配置される一方で、中間管３はそれらより上方の位置、かつそれらの左右方向中間位置に、それらと離間して配置されている。従って上流管２、中間管３および下流管４は、二等辺三角形の各頂点部に位置するよう配置されているが、これに対応して、下流チャンバ６も略二等辺三角形状とされている。

下流チャンバ６は、外周壁１０、前端壁１１および前述の後端壁により画成される。外周壁１０は、上流管２、中間管３および下流管４の外周部同士を連結するように周方向に延びる。前端壁１１は、外周壁１０の前端に接続され、上流管２の上流端（後端）を閉止する。その一方で前端壁１１には、中間管３の下流端部と下流管４の上流端部とが開口される。前端壁１１は管２，３，４同士の隙間を閉止する。後端壁は、外周壁１０の後端に接続され下流チャンバ６の後端を閉止する。なお上流管２の上流端（後端）は別の閉止板で閉止されてもよく、この場合、その別の閉止板に前端壁１１が隣接されてもよい。

また本実施形態では、中間管３の下流端部から排出された排気を、下流管４の上流端部に向かう方向Ａとは異なる方向Ｂに向かって案内する案内壁１２が、下流チャンバ６内に設けられている。言い換えれば案内壁１２は、中間管３の下流端部から排出された排気が右斜め下の下流管４の上流端部に向かって流れるのを阻止する。特に案内壁１２は、中間管３の下流端部から排出された排気を、上流管２の上流端部が隣接する左斜め下の部位すなわち隣接部位３０に向かって案内するよう構成されている。よって方向Ｂは隣接部位３０に向かう方向である。案内壁１２は帯状の金属板により形成される。好ましくは、方向Ａと方向Ｂは鈍角をなす。

案内壁１２は、中間管３の下流端部の右側部分に沿って延びる円弧状部分１３と、円弧状部分１３の下端から左斜め下に向かって隣接部位３０まで延びる直線状部分１４とを有する。円弧状部分１３の上端は外周壁１０に接続される。直線状部分１４は、方向Ｂに向かうにつれ、その上方に位置する外周壁１０の部分から徐々に離間される。また案内壁１２は、下流チャンバ６の前端壁１１から後端壁まで前後方向に延び、下流チャンバ６内を仕切っている。その結果、下流チャンバ６内には、中間管３の下流端部から方向Ｂに向かった後に下流管４の上流端部に向かって折れ曲がるＶ字状の流路１５が形成される。

さて、本実施形態の排気浄化装置１では、噴射弁８から噴射された尿素水Ｕが排気と共に中間管３、下流チャンバ６、および下流管４内を順次流れてＮＯｘ触媒９に供給される。そしてその過程で、尿素水Ｕは排気と攪拌、混合されて蒸気化し、加水分解されてアンモニアを生成する。このアンモニアを高効率で生成するためには、尿素水Ｕと排気を混合する流路長すなわち混合長をできるだけ長くし、混合物をできるだけ均質化するのが好ましい。混合長は、噴射弁８における尿素水Ｕの噴射位置からＮＯｘ触媒９までの流路の長さと表現することができる。

ここで下流チャンバ６内の流れに着目すると、仮に案内壁１２が無いとした場合、中間管３の下流端部から排出された排気は、方向Ａに向かって下流管４の上流端部に直接向かってしまう。すると流れがショートカット状となってしまい、この点で混合長が短くなってしまう虞がある。

しかし本実施形態の場合だと、案内壁１２があるので、中間管３の下流端部から排出された排気は、方向Ａとは異なる方向Ｂに向かって流れる。そしてその後排気は、案内壁１２（直線状部分１４）の終端を超えた位置でＶ字状に折れ曲がり、下流管４の上流端部に向かう。従って流れは迂回するような流れとなり、この点で混合長を好適に延長することが可能となる。

しかも案内壁１２は、中間管３の下流端部から排出された排気を、上流管２の上流端部が隣接する隣接部位３０に向かって案内する。上流管２の上流端部には入口管７を通じてエンジンからの高温の排気が導入される。このため、下流チャンバ６内で隣接部位３０に到達した排気を、上流管２の上流端部内にある高温の排気で加熱することができる。これによって尿素水Ｕの加水分解を促進することができる。また、加熱により昇温された排気をＮＯｘ触媒９に供給してＮＯｘ触媒９をより活性化することができる。

次に、変形例を説明する。なお前述の基本実施形態と同様の部分については説明を割愛し、以下、基本実施形態との相違点を主に説明する。

図３に示すように、第１変形例の案内壁１２も円弧状部分１３と直線状部分１４を有する。但し直線状部分１４は、その上方に位置する外周壁１０の部分から平行に離間される。また案内壁１２は、直線状部分１４の下方に平行に離間して配置された別の直線状部分すなわち下流側直線状部分１６と、下流側直線状部分１６の終端と外周壁１０とを接続し中間管３の下流端部の左下部分に沿って延びる別の円弧状部分すなわち下流側円弧状部分１７とを有する。これにより下流チャンバ６内には、中間管３の下流端部から方向Ｂに向かった後に、下流管４の上流端部の左上部分に向かって折り返すＵ字状の流路１８が形成される。これによっても基本実施形態と同様の作用効果を発揮できる。また基本実施形態に比べ、流れをきつく曲げる分、混合長を僅かに延長することができる。

図４に示すように、第２変形例においては、中間管３の位置がより下方の位置に変更され、これにより下流チャンバ６内においては、中間管３の下流端部の上方でかつ外周壁１０との間に流路が形成されている。

案内壁１２は、中間管３の下流端部における方向Ｂの反対側の半周部分に沿って延びる円弧状部分１９と、この円弧状部分１９の両端から方向Ｂに向かって隣接部位３０まで延び、互いに平行な一対の直線状部分２０，２１とを有する。これら直線状部分２０，２１は、その上方に位置する外周壁１０の部分から平行に離間される。

下流チャンバ６内において、中間管３の下流端部から方向Ｂに向かった排気の流れは、直線状部分２０，２１の終端を超えた隣接部位３０において、上方に折り返す流れＧ１と、下方に折れ曲がる流れＧ２とに分岐される。一方の流れＧ１は、上側の直線状部分２０と外周壁１０の間の隙間を流れた後、円弧状部分１９と外周壁１０の間の隙間を流れ、その後、下流管４の上流端部に向かって流れる。これに対し、他方の流れＧ２は、そのまま直線的に、下流管４の上流端部に向かって流れる。

このように本変形例では、中間管３の下流端部から方向Ｂに向かった後、下流管４の上流端部から遠ざかる方向に折り返す流路（流れＧ１に対応した流路）と、下流管４の上流端部に向かって折れ曲がる流路（流れＧ２に対応した流路）とに分岐する、略Ｗ字状の流路が形成される。これによっても基本実施形態と同様の作用効果を発揮できる。また、下流管４の上流端部から遠ざかる方向に折り返す流路（流れＧ１に対応した流路）を設けたので、排気をさらに迂回ないし遠回りさせることができ、基本実施形態に比べ混合長を延長することが可能である。

なお本変形例において、第１変形例にあったような下流側直線状部分１６と下流側円弧状部分１７を追加してもよい。

以上の説明で理解されるように、本実施形態の中間管３は特許請求の範囲にいう第１の管に相当する。以下同様に、下流チャンバ６はチャンバに、下流管４は第２の管に、ＮＯｘ触媒９は後処理部材に、尿素水Ｕは液体に、上流管２は第３の管に、それぞれ相当する。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態は他にも様々考えられる。

（１）例えば、後処理部材と液体の組み合わせはＮＯｘ触媒９と尿素水Ｕの組み合わせでなくてもよい。後処理部材は任意の部材（例えば酸化触媒、フィルタ）であってよく、液体も任意の液体（例えば燃料、他の還元剤、水）であってよい。

（２）前記実施形態の排気浄化装置１を金属製ケーシングに収容して保温してもよい。

（３）下流チャンバ６は上流管２の上流端部に半径方向外側から隣接してもよい。そしてこの隣接部位に向かって案内壁により排気を案内してもよい。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 排気浄化装置
２ 上流管（第３の管）
３ 中間管（第１の管）
４ 下流管（第２の管）
６ 下流チャンバ（チャンバ）
７ 入口管
８ 噴射弁
９ ＮＯｘ触媒（後処理部材）
１２ 案内壁
３０ 隣接部位

Claims (3)

1. 第１の管と、
   前記第１の管の下流端部が接続されるチャンバと、
   前記第１の管の下流端部と並列に配置され前記チャンバに接続される上流端部を有する第２の管と、
   前記第２の管内に配置された後処理部材と、
   前記第１の管の下流端部より上流側の位置に液体を噴射する噴射弁と、
   前記チャンバ内に設けられ、前記第１の管の下流端部から排出された排気を前記第２の管の上流端部に向かう方向とは異なる方向に向かって案内する案内壁と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記内燃機関の排気が導入される入口管と、
   前記入口管に接続され前記第１の管の下流端部と並列に配置された上流端部を有する第３の管と、
   をさらに備え、
   前記チャンバは、前記第３の管の上流端部に隣接して配置され、
   前記案内壁は、前記第１の管の下流端部から排出された排気を前記第３の管の上流端部が隣接する部位に向かって案内する
   請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記後処理部材は選択還元型ＮＯｘ触媒であり、前記液体は尿素水である
   請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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