JP2022030193A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体が液滴のまま触媒に到達することをより一層抑制することができる排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置１００は、内燃機関の排気通路に配置された触媒と、触媒より上流の第１枝管３に設けられ、第１枝管３に液体を供給する噴射部６と、噴射部６に対向するように第１枝管３に設けられた蒸発板１０と、を備える。蒸発板１０は、第１枝管３に沿って延在する底板部１１と、噴射部６の噴射軸線６ｃを挟むように底板部１１から噴射部６に向かって突出する壁部１２，１３と、を有する。壁部１２，１３は、噴射軸線６ｃに沿う方向から見て曲率を有しており、底板部１１、壁部１２，１３、及び内面３ｄは、筒状通路７を形成する。筒状通路７の通路面積は、少なくとも噴射部６と対向する領域Ａで、排気ガスの流れ方向における上流から下流に向かうにつれて、壁部１２，１３の曲率中心側又は噴射部６とは反対側に向かって拡大する。【選択図】図４

Description

本発明は、排気浄化装置に関する。

従来、排気浄化装置に関する技術として、内燃機関の排気通路に配置された触媒と、触媒より上流の排気通路に設けられ、排気通路に液体を供給する噴射部と、噴射部に対向するように排気通路に設けられた蒸発板と、を備える排気浄化装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

国際公開第２０１２／１４７２０５号

本技術分野では、触媒より上流の排気通路に設けられた噴射部から液体が噴射されて触媒に供給される。このような液体の供給にあっては、噴射された液体が触媒に一様に供給されることが望まれることから、上記特許文献１のように噴射部に対向するように排気通路に蒸発板を設けることが考えられる。ところで近年、触媒の暖機の早期化を考慮して、排気通路における内燃機関に近い位置に触媒が配置される傾向がある。そのため、液体が液滴のまま触媒に到達することをより一層抑制することが望まれている。

本発明は、液体が液滴のまま触媒に到達することをより一層抑制することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に配置された触媒と、触媒より上流の排気通路に設けられ、排気通路に液体を供給する噴射部と、噴射部に対向するように排気通路に設けられた蒸発板と、を備え、蒸発板は、排気通路に沿って延在する底板部と、噴射部の噴射軸線を挟むように底板部から噴射部に向かって突出する一対の壁部と、を有し、一対の壁部は、噴射部の噴射軸線に沿う方向から見て曲率を有しており、底板部、一対の壁部、及び排気通路の内面は、排気通路に沿って延在して噴射部に臨む筒状通路を形成し、筒状通路の通路面積は、少なくとも噴射部と対向する領域で、排気ガスの流れ方向における上流から下流に向かうにつれて、一対の壁部の曲率中心側又は噴射部とは反対側に向かって拡大する。

本発明によれば、液体が液滴のまま触媒に到達することをより一層抑制することができる。

実施形態の排気浄化装置の概略斜視図である。 図１の排気浄化装置の平面図である。 図２の排気浄化装置のIII矢印から見た側面図である。 図２の排気浄化装置のIV-IV線に沿っての断面図である。 蒸発板の斜視図である。 蒸発板の平面視での模式図である。 平面視でのガス流速解析結果を示す図である。 実施形態の筒状通路の排気ガスの流れを模式的に示す断面図である。 比較例の筒状通路の排気ガスの流れを模式的に示す断面図である。

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、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。また、排気ガスの流れ方向における上流及び下流を、単に上流及び下流ともいう。

図１は、実施形態の排気浄化装置の概略斜視図である。図２は、図１の排気浄化装置の平面図である。図１及び図２において、本実施形態の排気浄化装置１００は、例えば車両に搭載され、エンジン（内燃機関）から排出される排気ガスを浄化する。

排気浄化装置１００は、エキゾーストマニホールド１と触媒２とを備えており、例えば触媒ユニットとして構成されている。排気浄化装置１００では、エキゾーストマニホールド１と触媒２とが、排気ガスを導く排気通路に配置されている。触媒２は、特に限定されないが、一例として排気微粒子除去フィルタであってもよい。触媒２は、ＤＰＦ［Diesel Particulate Filter］であってもよいし、ＧＰＦ［Gasoline Particulate Filter］であってもよい。

エキゾーストマニホールド１は、エンジンに接続され、エンジンの各気筒から排出された排気ガスを合流させて下流の触媒２に排出する。エキゾーストマニホールド１は、第１枝管３と、第２枝管４と、合流管５と、を備える。

第１枝管３は、エンジンの一の排気ポートに接続される枝管である。第１枝管３には、当該排気ポートに連通されて当該排気ポートから排出される排気ガスが導入される第１ガス通路３ａが形成されている。第１ガス通路３ａは、排気通路である。第１ガス通路３ａの排気ガスの流れ方向における上流端は、当該排気ポートからエキゾーストマニホールド１に排気ガスが導入される第１導入口３ｂとなっている。

第２枝管４は、エンジンの他の排気ポートに接続される枝管である。第２枝管４には、当該他の排気ポートに連通されて当該他の排気ポートから排出される排気ガスが導入される第２ガス通路４ａが形成されている。第２ガス通路４ａは、排気通路である。第２ガス通路４ａの排気ガスの流れ方向における上流端は、当該他の排気ポートからエキゾーストマニホールド１に排気ガスが導入される第２導入口４ｂとなっている。

合流管５は、第１枝管３及び第２枝管４の下流に位置する合流管である。合流管５には、第１ガス通路３ａ及び第２ガス通路４ａが合流してなる合流ガス通路５ａが形成されている。合流ガス通路５ａは、排気通路である。合流ガス通路５ａの下流端は、エキゾーストマニホールド１から触媒２へ排気ガスが排出される接続部となっている。

第１枝管３は、第１ガス通路３ａを屈曲させる屈曲部３ｃを有している。屈曲部３ｃは、第１枝管３における第１導入口３ｂ側の直線部分と、第１枝管３における合流管５側の直線部分と、を結ぶように屈曲する部分である。屈曲部３ｃは、触媒２より上流の排気通路に位置している。ここでの屈曲部３ｃは、第１枝管３における第１導入口３ｂ側の直線部分から触媒２に向かって屈曲している。

屈曲部３ｃには、第１ガス通路３ａに燃料（液体）を供給する噴射部６が設けられている。噴射部６は、第１枝管３から突出するように設けられたボス部６ａと、ボス部６ａに取り付けられる燃料噴射弁６ｂと、を有している。例えば、噴射部６からの燃料は、触媒２で捕集された排気微粒子を燃焼させる際に触媒２の温度を上昇するために供給される。

噴射部６は、噴射軸線６ｃに沿って燃料を噴射可能に構成されている。噴射軸線６ｃは、例えば、第１ガス通路３ａの延在方向に対して略直交する仮想面内に含まれると共に、燃料噴射弁６ｂが燃料を下流側に向かって噴射するように傾斜している。本実施形態の噴射部６では、一例として、ボス部６ａと燃料噴射弁６ｂとは噴射軸線６ｃと同軸に設けられている。なお、燃料噴射弁６ｂとしては、公知の排気管用インジェクタを用いることができる。

図３は、図２の排気浄化装置のIII矢印から見た側面図である。図４は、図２の排気浄化装置のIV-IV線に沿っての断面図である。図３及び図４に示されるように、第１ガス通路３ａには、噴射部６に対向するように蒸発板１０が設けられている。蒸発板１０は、噴射部６から供給された燃料の蒸発を促進するための部材である。

図５は、蒸発板の斜視図である。図６は、蒸発板の平面視での模式図である。図３～図６に示されるように、蒸発板１０は、底板部１１と、一対の壁部１２，１３と、を有している。蒸発板１０は、例えば金属板（ステンレス板等）を曲げて成型されており、底板部１１と一対の壁部１２，１３とが一体的に形成されている。

蒸発板１０が屈曲部３ｃの内面に取り付けられた状態において、底板部１１は、噴射部６に対向すると共に第１ガス通路３ａに沿って延在する。底板部１１の長さは、第１ガス通路３ａに沿う方向において、例えば屈曲部３ｃの長さと同等であってもよいし、屈曲部３ｃの長さよりも短くてもよい。底板部１１の長さは、例えば、噴射部６と対向する領域Ａ（図６参照）の直径の２倍以上であってもよい。領域Ａは、噴射部６から噴射される燃料が底板部１１に理論上衝突する領域を含む底板部１１上の円形の領域である。底板部１１は、噴射軸線６ｃに沿って噴射された燃料が領域Ａに理論上衝突するように第１ガス通路３ａ内に配置されている。理論上衝突とは、排気ガスの流れがある場合には燃料が流されて直接衝突しづらくなるところ、排気ガスの流れがない場合に燃料が衝突すればよいことを意味する。

底板部１１の幅寸法は、上流側端部１１ａの幅寸法Ｗ１よりも下流側端部１１ｂの幅寸法Ｗ２の方が大きい。底板部１１の幅寸法とは、第１ガス通路３ａに交差する方向における底板部１１の寸法である。幅寸法Ｗ１は、例えば、第１導入口３ｂの開口寸法（例えば直径）の半分よりも小さくてもよい（図３参照）。幅寸法Ｗ２は、例えば、第１導入口３ｂの開口寸法（例えば直径）の半分よりも大きくてもよい（図４参照）。

一対の壁部１２，１３は、噴射部６の噴射軸線６ｃを挟むように底板部１１から噴射部６に向かって突出する。一対の壁部１２，１３は、底板部１１の領域Ａを挟むように底板部１１から噴射部６に向かって突出する。一対の壁部１２，１３は、一例として、噴射軸線６ｃに沿う方向から見て、底板部１１の幅方向両端部から連続するように噴射部６側に立ち上がっている。一対の壁部１２，１３と底板部１１との成す角度は、例えば、第１ガス通路３ａに交差する方向において直角に近い鈍角となっている。

一対の壁部１２，１３の底板部１１に対する突出高さは、少なくとも噴射部６と対向する領域Ａで、排気ガスの流れ方向における上流から下流に向かうにつれて大きくなる。よって、底板部１１は、少なくとも噴射部６と対向する領域Ａで、排気ガスの流れ方向における上流から下流に向かうにつれて第１枝管３の内面３ｄから離れていく。

一対の壁部１２，１３は、噴射部６の噴射軸線６ｃに沿う方向から見て曲率を有している。一対の壁部１２，１３は、第１ガス通路３ａの延在方向に沿ってカーブを描くような曲率を有している。一対の壁部１２，１３は、第１枝管３の屈曲部３ｃに沿って延在している。本実施形態では、一例として、壁部１２は、噴射軸線６ｃに沿う方向から見て、第１枝管３の屈曲部３ｃの曲率よりも大きい曲率で湾曲している。壁部１３は、噴射軸線６ｃに沿う方向から見て、第１枝管３の屈曲部３ｃの曲率と同等の曲率で湾曲している。つまり、噴射部６の噴射軸線６ｃに沿う方向から見て、壁部１２の曲率は、壁部１３の曲率よりも大きい。

図３及び図４に示されるように、一対の壁部１２，１３は、内面３ｄまで達して内面３ｄに固定されている。一対の壁部１２，１３の端縁１２ａ，１３ａは、内面３ｄの形状に沿うように湾曲している（図５参照）。したがって、底板部１１、一対の壁部１２，１３、及び屈曲部３ｃの内面３ｄは、第１ガス通路３ａに沿って延在して噴射部６に臨む筒状通路７を形成する。筒状通路７は、噴射部６から噴射された燃料の蒸発を促進するための排気ガスの通路である。

ここで、筒状通路７の通路面積は、少なくとも噴射部６と対向する領域Ａで、排気ガスの流れ方向における上流から下流に向かうにつれて、一対の壁部１２，１３の曲率中心側又は噴射部６とは反対側に向かって拡大する。

具体的には、噴射部６の噴射軸線６ｃに沿う方向から見て、壁部１２の曲率が壁部１３の曲率よりも大きいことにより、筒状通路７の通路面積は、少なくとも噴射部６と対向する領域Ａで、排気ガスの流れ方向における上流から下流に向かうにつれて、一対の壁部１２，１３の曲率中心側に向かって拡大する。

また、一対の壁部１２，１３の底板部１１に対する突出高さが少なくとも噴射部６と対向する領域Ａで、排気ガスの流れ方向における上流から下流に向かうにつれて大きくなることにより、筒状通路７の通路面積は、少なくとも噴射部６と対向する領域Ａで、排気ガスの流れ方向における上流から下流に向かうにつれて、噴射部６とは反対側に向かって拡大する。

このように構成されるエキゾーストマニホールド１では、上流側端部１１ａでは、一対の壁部１２，１３は、第１導入口３ｂにおける排気ガスの導入方向に沿って延在している。第１導入口３ｂから導入された排気ガスの一部は、上流側端部１１ａから筒状通路７に流入する。

図５及び図６に示されるように、上流側端部１１ａと下流側端部１１ｂとの間において、筒状通路７は、一対の壁部１２，１３の曲率中心側において、主に壁部１２によって区画され、曲率中心とは反対側において、主に壁部１３及び内面３ｄによって区画されている。上流側端部１１ａから筒状通路７に流入した排気ガスは、筒状通路７を通る際に、壁部１２から排気ガスの流れが剥離し易くなり、壁部１３及び内面３ｄによって案内される。

より詳しくは、筒状通路７の通路面積が一対の壁部１２，１３の曲率中心側に向かって拡大するため、図６の領域Ａにおいて横渦の形成が促進される。図７は、平面視でのガス流速解析結果を示す図である。図７に示されるように、領域Ａでは壁部１２から排気ガスの流れが剥離し易くなる結果、領域Ａにおいて横渦が形成されるため、領域Ａに向かって噴射された燃料の一部が横渦に乗って還流される。よって、燃料が蒸発するための時間が長くなる。

また、筒状通路７の通路面積が噴射部６とは反対側に向かって拡大するため、図６の領域Ａにおいて縦渦の形成が促進される。図８は、実施形態の筒状通路の排気ガスの流れを模式的に示す断面図である。図８に示されるように、領域Ａでは底板部１１から排気ガスの流れが剥離し易くなる結果、領域Ａにおいて縦渦が形成されるため、領域Ａに向かって噴射された燃料の一部が縦渦に乗って還流される。よって、燃料が蒸発するための時間が長くなる。

更に、上流側端部１１ａにおける底板部１１と内面３ｄとの離間距離Ｈ１は、上流側端部１１ａよりも下流の底板部１１と内面３ｄとの離間距離よりも小さいことから、例えば図９の比較例に係る底板部１１Ｘのように離間距離が下流側と同等である場合と比べて、上流側端部１１ａから筒状通路７に流入した排気ガスの速度が高まる。これにより、図８の領域Ｆ１に位置する燃料の微粒化が促進される。また、図８の領域Ｆ２に位置する燃料は、領域Ｆ１で微粒化が促進された上で縦渦によって還流され易くなる。よって、燃料が蒸発するための時間が長くなると共に、微粒化により燃料が蒸発し易くなる。

下流側端部１１ｂでは、一対の壁部１２，１３は、第１枝管３の屈曲部３ｃから合流管５に向かう方向に沿って延在している。筒状通路７を通ってきた排気ガスは、合流管５に向かって筒状通路７から流出する。

以上説明したように排気浄化装置１００では、筒状通路７の通路面積が、少なくとも噴射部６と対向する領域Ａで、排気ガスの流れ方向における上流から下流に向かうにつれて、一対の壁部１２，１３の曲率中心側及び噴射部６とは反対側に向かって拡大する。これにより、領域Ａでは壁部１２及び底板部１１から排気ガスの流れが剥離し易くなる。その結果、領域Ａにおいて横渦及び縦渦が形成されるため、領域Ａに向かって噴射された燃料の蒸発時間の不足を抑制し、触媒２に粗大な液滴が直達されることを抑制することができる。したがって、排気浄化装置１００によれば、燃料が液滴のまま触媒２に到達することをより一層抑制することができる。

［変形例］
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限られるものではない。

上記実施形態において、触媒２として、排気微粒子除去フィルタ（Particulate Filter）を例示したが、これに限定されない。例えば、触媒２として、近接酸化触媒、ディーゼル酸化触媒［ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst］、ＮＳＲ［NOx Storage Reduction］、又は三元触媒など、種々の触媒を用いることができる。また、触媒２は、選択還元触媒［ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction］であってもよい。この場合、噴射部６として、ＳＣＲに尿素水（液体）を添加する尿素水添加弁を用いることができる。

上記実施形態において、内燃機関としてのエンジンは、ガソリンエンジンでもよいしディーゼルエンジンでもよい。あるいは、天然ガスエンジンなど、種々の内燃機関を採用することができる。

上記実施形態では、第１枝管３、第２枝管４、合流管５、及び屈曲部３ｃを有するエキゾーストマニホールド１を例示したが、具体的な構成はこれらに限定されない。例えば、屈曲部３ｃを有しない部分において噴射部６の噴射軸線６ｃに沿う方向から見て曲率を有する一対の壁部が設けられていてもよい。また、エキゾーストマニホールド１の枝管の本数、合流の位置などは適宜変形されてもよい。

上記実施形態では、筒状通路７の通路面積が、少なくとも噴射部６と対向する領域Ａで、排気ガスの流れ方向における上流から下流に向かうにつれて、「一対の壁部１２，１３の曲率中心側」及び「噴射部６とは反対側」の両方に向かって拡大したが、一対の壁部１２，１３の曲率中心側、又は、噴射部６とは反対側、の何れか一方であってもよい。この場合であっても、領域Ａでは、壁部１２又は底板部１１の何れかから排気ガスの流れが剥離し易くなる。その結果、領域Ａにおいて横渦又は縦渦の何れかが形成されるため、液体が液滴のまま触媒に到達することをより一層抑制することができる。

２…触媒、６…噴射部、６ｃ…噴射軸線、７…筒状通路、１０…蒸発板、１１…底板部、１２，１３…壁部、１００…排気浄化装置、Ａ…領域。

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
   前記触媒より上流の前記排気通路に設けられ、前記排気通路に液体を供給する噴射部と、
   前記噴射部に対向するように前記排気通路に設けられた蒸発板と、を備え、
   前記蒸発板は、
   前記排気通路に沿って延在する底板部と、
   前記噴射部の噴射軸線を挟むように前記底板部から前記噴射部に向かって突出する一対の壁部と、を有し、
   一対の前記壁部は、前記噴射部の噴射軸線に沿う方向から見て曲率を有しており、
   前記底板部、一対の前記壁部、及び前記排気通路の内面は、前記排気通路に沿って延在して前記噴射部に臨む筒状通路を形成し、
   前記筒状通路の通路面積は、少なくとも前記噴射部と対向する領域で、排気ガスの流れ方向における上流から下流に向かうにつれて、一対の前記壁部の曲率中心側又は前記噴射部とは反対側に向かって拡大する、排気浄化装置。

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