JP2021143618A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易でコンパクトな構成の排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置１は、密閉状のケース２と、ケースの内部を仕切る仕切板３と、ケースおよび仕切板により画成されたＵ字状通路４であって、排気を第１方向に向かって流す第１通路４１と、排気を第１方向とは反対側の第２方向に向かって流す第２通路４２と、排気を第１通路から第２通路に流す第３通路４３とを有するＵ字状通路と、仕切板に設けられ、第１通路と第２通路を連通するバイパス穴５と、バイパス穴を開閉するバイパス弁６と、バイパス穴の入口側より下流側の第１通路、バイパス穴の出口側より上流側の第２通路、および第３通路の少なくとも一つに設けられた触媒７とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は排気浄化装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路には、排気中の様々な有害成分を浄化するために排気浄化装置が設けられる。一般的に排気浄化装置は、排気管の途中に設けられた円筒状の触媒ケーシング内に排気浄化用の触媒を収容して構成される。

一方、触媒が排気抵抗となって触媒上流側の排気圧力、すなわち背圧が過度に上昇することがある。この背圧上昇が生じると内燃機関の燃焼効率が低下する。そのため、背圧が過度に上昇した場合に触媒から排気をバイパスさせるバイパス通路と、このバイパス通路を開閉するバイパス弁とを設けることがある。

特開２０１７−２０７０５６号公報

しかし、一般的にこうしたバイパス構造は、触媒ケーシングの上流側と下流側の排気管を別のバイパス用排気管で繋ぐ構成である。このため、排気浄化装置が複雑大型化してしまい、より簡易でコンパクトな構成が望まれる。

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、簡易でコンパクトな構成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、
密閉状のケースと、
前記ケースの内部を仕切る仕切板と、
前記ケースおよび前記仕切板により画成されたＵ字状通路であって、排気を第１方向に向かって流す第１通路と、排気を前記第１方向とは反対側の第２方向に向かって流す第２通路と、排気を前記第１通路から前記第２通路に流す第３通路とを有するＵ字状通路と、
前記仕切板に設けられ、前記第１通路と前記第２通路を連通するバイパス穴と、
前記バイパス穴を開閉するバイパス弁と、
前記バイパス穴の入口側より下流側の前記第１通路、前記バイパス穴の出口側より上流側の前記第２通路、および前記第３通路の少なくとも一つに設けられた触媒と、
を備えたことを特徴とする排気浄化装置が提供される。

好ましくは、前記バイパス弁はバタフライ弁で構成され、前記バイパス穴の全開時に前記第１通路を全閉し、前記バイパス穴の全閉時に前記第１通路を全開するように構成されている。

好ましくは、前記触媒が選択還元型ＮＯｘ触媒であり、
前記排気浄化装置は、前記触媒より上流側の前記Ｕ字状通路内に尿素水を噴射する噴射弁をさらに備える。

好ましくは、前記触媒が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒である。

本開示によれば、簡易でコンパクトな構成の排気浄化装置を提供することができる。

排気浄化装置を示す横断平面図である。 同縦断正面図である。 変形例の排気浄化装置を示す縦断正面図である。

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。図１は横断平面図（図２のＩ−Ｉ断面図）、図２は縦断正面図（図１のＩＩ−ＩＩ断面図）である。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図示の配置に関して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、車両用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。但し内燃機関の種類、用途等は限定されない。

図示するように、排気浄化装置１は、密閉状のケース２と、ケース２の内部を仕切る仕切板３と、ケース２および仕切板３により画成されたＵ字状通路４とを備える。Ｕ字状通路４は、矢印Ｇ１で示すように、後方から前方に向かう方向（第１方向）に向かって排気を流す第１通路４１と、第１方向とは反対側の第２方向（前方から後方に向かう方向）に向かって排気を流す第２通路４２と、排気を第１通路４１から第２通路４２に流す第３通路４３とを有する。

また排気浄化装置１は、仕切板３に設けられ、第１通路４１と第２通路４２を連通するバイパス穴５と、バイパス穴５を開閉するバイパス弁６と、バイパス穴５の出口側より上流側の第２通路４２に設けられた触媒７とを備える。

ケース２は、図示の如き複数の部材をコンパクトに纏めてキャニング（canning）状態で収容する密閉容器とされる。本実施形態のケース２は直方体形状とされる。仕切板３は、縦の状態（上下方向に延びる状態）で前後方向に延び、その後端がケース２の後端壁３１に接続され、その前端がケース２の前端壁３２から所定距離Ｘ１離間される。これにより仕切板３はケース２内を左右方向に仕切り、同時にＵ字状通路４を形成する。

便宜上、前後方向における前端壁３１の前端の位置Ｘ２を境として、後側を第１通路４１および第２通路４２、前側を第３通路４３とする。第１通路４１の左右幅Ｙ１は第２通路４２の左右幅Ｙ２より小さくされ、第３通路４３の前後幅（仕切板３とケース２の間隔Ｘ１に等しい）は第１通路４１の左右幅Ｙ１と同程度とされる。第３通路４３は、第１方向と直角な第３方向（左側から右側に向かう方向）に向かって排気を流す。第１通路４１、第２通路４２および第３通路４３の排気流れＧ１方向に直角な断面形状は四角形である。

第１通路４１の上流端ないし後端には排気を導入するための排気入口８が接続される。排気入口８は入口管９により形成され、入口管９はケース２の後端壁３１に固定される。

第２通路４２の下流端ないし後端には排気を排出するための排気出口１０が接続される。排気出口１０は出口管１１により形成され、出口管１１はケース２の右側壁３３に固定される。

入口管９には、それより上流側に位置する排気管（図示せず）の下流端が接続され、出口管１１には、それより下流側に位置する排気管（図示せず）の上流端が接続される。これによりＵ字状通路４は、両排気管内の排気通路と連通される。

バイパス穴５は、仕切板３の後端部に設けられる。本実施形態のバイパス穴５は、仕切板３の全高を切り抜いて形成され、バイパス穴５の全閉時には、バイパス弁６がバイパス穴５に嵌合してバイパス穴５を完全に閉じるようになっている。従ってバイパス穴５およびバイパス弁６は、縦長長方形の形状を有する。図１および図２はバイパス穴５の全開時を示す。図２にバイパス弁６の形状を示す。

但し、これに限らず、バイパス穴５およびバイパス弁６の形状は任意である。仕切板３の高さ方向の中間部のみを切り抜いてバイパス穴５を形成し、バイパス穴５にバイパス弁６を嵌合させるか重ねるなどしてバイパス穴５を全閉してもよい。

バイパス弁６はバタフライ弁で構成され、回動軸１２の回りを回動可能となっている。回動軸１２は、バイパス穴全閉時におけるバイパス弁６の前端縁に固定され、バイパス穴５の前端に位置されると共に、上下方向に延びる。回動軸１２は、例えばサーボモータにより形成されたアクチュエータ１３により回転駆動される。アクチュエータ１３は図示しない制御ユニットにより制御される。

図１に示すように、バイパス穴５を全閉したときのバイパス弁６の角度θを全閉角度θａ、バイパス穴５を全開したときのバイパス弁６の角度θを全開角度θｂとする。θａ＝０°、θｂ＝９０°である。バイパス弁６の角度θが大きくなるにつれ、バイパス弁６およびバイパス穴５の開度は大きくなっていく。θ＝θａのときの開度を０％、θ＝θｂのときの開度を１００％とする。

バイパス弁６は、バイパス穴５の全開時に第１通路４１を全閉し、バイパス穴５の全閉時に第１通路４１を全開するように構成されている。特にバイパス穴５の全開時には、バイパス弁６が第１通路４１に嵌合され、第１通路４１を完全に閉じるようになっている。

触媒７は、本実施形態の場合、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を還元する選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒）とされている。触媒７は、尿素水を加水分解して得られるアンモニアＮＨ₃とＮＯｘを化学反応させることにより、排気中のＮＯｘを窒素Ｎ₂に還元する。

このため、排気浄化装置１は、触媒７より上流側のＵ字状通路４内に尿素水Ｕを噴射する噴射弁１４をさらに備える。本実施形態の場合、噴射弁１４は、第３通路４３の上流端に配置され、ケース２の左側壁３４に固定される。そして第３通路４３の下流側に向かって尿素水Ｕを左側から右側へと噴射する。第３通路４３は、噴射弁１４から噴射された尿素水Ｕを排気と混合させる混合通路としての役割を果たす。

触媒７は、前後方向に延びる中心軸Ｃを有する円筒状とされ、円形の保護管１５内に収容されている。そしてこれら触媒７と保護管１５のアセンブリは、第２通路４２内に同軸状態で配置されている。保護管１５の外周囲に排気が流れるのを防止するため、保護管１５の前端と、ケース２および仕切板３との隙間は、前端板１６で閉止されている。また保護管１５の後端と、ケース２および仕切板３との隙間は、後端板１７で閉止されている。

触媒７、保護管１５および後端板１７は、第２通路４２内におけるバイパス穴５の出口側および排気出口１０よりも前方、すなわち排気流れＧ１方向上流側に位置される。よってそれらの後側における第２通路４２内のスペースは、触媒７およびバイパス穴５の少なくとも一方から出た排気が排気出口１０に向かうための通路として機能する。

なお排気浄化装置１は、金属（例えばステンレス）製のケース２、仕切板３等を溶接等により組み立てた構造である。

作動について、バイパス弁６が図示の如く全開角度θｂの位置にあり、バイパス穴５を全開しているときには、第１通路４１がバイパス弁６により全閉される。よって排気入口８から第１通路４１内に導入された排気は、矢印Ｇ２で示すように、全量バイパス穴５を通じ、第２通路４２を経由して排気出口１０から排出される。これによって排気が触媒７をバイパスし、排気が触媒７を流れることによる背圧上昇を抑制することができる。

他方、バイパス弁６が全閉角度θａの位置にあり、バイパス穴５を全閉しているときには、排気入口８から第１通路４１内に導入された排気は、矢印Ｇ１で示すように、全量第１通路４１、第３通路４３、第２通路４２という経路を辿って触媒７に流される。そして触媒７を通過した後、一旦第２通路４２を経由して排気出口１０から排出される。これによって排気が触媒７を流れ、排気中のＮＯｘを浄化することができる。

バイパス弁６を全閉角度θａと全開角度θｂの間の中間位置にすれば、バイパス穴５と触媒７の両方に排気を流すことができる。そしてバイパス弁６の開度を調節することにより、背圧とＮＯｘ浄化を最適にバランスさせることができる。

このように本実施形態によれば、ケース２の内部を仕切る仕切板３にバイパス穴５を設けたため、触媒ケーシングの上流側と下流側の排気管を別のバイパス用排気管で繋ぐ従来の構成に比べ、排気浄化装置の構成を簡易でコンパクトにすることができる。

また、バイパス弁６をバタフライ弁で構成したので、単一のバイパス弁６でバイパス穴５と第１通路４１を交互に全開、全閉でき、これによっても排気浄化装置の構成を簡易でコンパクトにすることができる。

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）例えば触媒は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＬＮＴ（Lean NOx Trap）触媒）であってもよく、他の触媒、例えば酸化触媒または三元触媒であってもよい。

（２）ケースは直方体形状でなくてもよく、任意の形状であってよい。例えば図３に示すように、ケース２は正面視で略円筒状もしくはダルマ形であってもよい。図示例の場合、ケース２は、第２通路４２を画成する大径円筒管１８と、第１通路４１を画成する小径半円筒管１９とを組み合わせて構成される。これら大径円筒管１８と小径半円筒管１９の接続位置に仕切板３が設けられる。バイパス弁６は、断面半円状の第１通路４１に嵌合可能な半円状とされる。他の構成は大略同様である。

（３）触媒７は、第２通路４２以外の位置に設けられてもよい。例えば、排気流れＧ１方向においてバイパス穴５の入口側より下流側の第１通路４１に設けられてもよい。あるいは、第３通路４３に設けられてもよい。第１〜第３通路４１〜４３のうちの２つ以上の通路にそれぞれ設けられてもよい。

（４）出口管１１は、ケース２の後端壁３１に固定されてもよい。

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 ケース
３ 仕切板
４ Ｕ字状通路
５ バイパス穴
６ バイパス弁
７ 触媒
１４ 噴射弁
４１ 第１通路
４２ 第２通路
４３ 第３通路

Claims (4)

1. 密閉状のケースと、
   前記ケースの内部を仕切る仕切板と、
   前記ケースおよび前記仕切板により画成されたＵ字状通路であって、排気を第１方向に向かって流す第１通路と、排気を前記第１方向とは反対側の第２方向に向かって流す第２通路と、排気を前記第１通路から前記第２通路に流す第３通路とを有するＵ字状通路と、
   前記仕切板に設けられ、前記第１通路と前記第２通路を連通するバイパス穴と、
   前記バイパス穴を開閉するバイパス弁と、
   前記バイパス穴の入口側より下流側の前記第１通路、前記バイパス穴の出口側より上流側の前記第２通路、および前記第３通路の少なくとも一つに設けられた触媒と、
   を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記バイパス弁はバタフライ弁で構成され、前記バイパス穴の全開時に前記第１通路を全閉し、前記バイパス穴の全閉時に前記第１通路を全開するように構成されている
   請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記触媒が選択還元型ＮＯｘ触媒であり、
   前記排気浄化装置は、前記触媒より上流側の前記Ｕ字状通路内に尿素水を噴射する噴射弁をさらに備える
   請求項１または２に記載の排気浄化装置。
4. 前記触媒が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒である
   請求項１または２に記載の排気浄化装置。

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