JP2023084259A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関から排気触媒までの排気通路の距離を短くしつつ、添加剤を排気ガスと均一に混合させ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１３は、排気通路９に配設され、排気ガスに含まれる有害物質を除去するＤＯＣ１４と、排気通路９を形成する排気管５内におけるＤＯＣ１４よりも上流側に燃料を噴射する燃料添加弁２０と、排気管５内におけるＤＯＣ１４よりも上流側に配置され、燃料添加弁２０から噴射された燃料を分散させる燃料分散板２２とを備え、燃料分散板２２は、燃料添加弁２０から噴射された燃料が当たる壁面２３ａを有する底壁部２３と、底壁部２３の縁部に接続された側壁部２４，２５とを有し、側壁部２５における壁面２３ａに当たった燃料が反射される位置を含む領域には、切欠部２６が設けられている。【選択図】図２

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り 公開日 令和３年６月２０日 公開場所 トヨタ車体株式会社 吉原工場（愛知県豊田市吉原町上藤池２５番地）

本発明は、排気浄化装置に関する。

従来の排気浄化装置としては、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の排気浄化装置は、内燃機関からの排気ガスが流れる排気管に接続された拡張室と、この拡張室に排気管を介して接続された排気触媒と、排気管内を流れる排気ガスに還元剤を供給する添加弁とを備えている。拡張室の内部では、排気ガスのバックステップ流と旋回流とを生起させることで、排気ガスと還元剤との均質混合促進や流量の偏り解消等が行われる。

特開２００９－４７０９１号公報

ところで、近年の車両では、種々の目的から、内燃機関の排気マニホールドから排気触媒に至るまでの排気通路の距離を短くすることが望まれている。このため、内燃機関の近傍に排気触媒及び添加弁が搭載される傾向にある。しかし、上記従来技術においては、添加弁により排気管内に供給された還元剤（添加剤）を排気ガスに均一に混合させるための拡張室が搭載されている。従って、内燃機関から排気触媒までの排気通路が長くならざるを得ない。

本発明の目的は、内燃機関から排気触媒までの排気通路の距離を短くしつつ、添加剤を排気ガスに均一に混合させることができる排気浄化装置を提供することである。

本発明の一態様は、内燃機関に接続された排気通路を流れる排気ガスを浄化する排気浄化装置において、排気通路に配設され、排気ガスに含まれる有害物質を除去する排気触媒と、排気通路を形成する排気管内における排気触媒よりも上流側に添加剤を噴射する添加弁と、排気管内における排気触媒よりも上流側に配置され、添加弁から噴射された添加剤を分散させる添加剤分散板とを備え、添加剤分散板は、添加弁から噴射された添加剤が当たる壁面を有する底壁部と、底壁部の縁部に接続された側壁部とを有し、側壁部における壁面に当たった添加剤が反射される位置を含む領域には、切欠部が設けられている。

このような排気浄化装置においては、排気管内における排気触媒よりも上流側に添加剤分散板を配置することにより、添加弁から噴射された添加剤が底壁部の壁面に当たって排気ガスと共に下流側に流れる。従って、排気管内に添加剤分散板が配置されていない場合に比べて、添加剤が排気触媒まで流れる距離が長くなるため、添加剤の蒸発が促進され、添加剤が排気ガスと混合されやすくなる。また、添加剤分散板において、側壁部における底壁部の壁面に当たった添加剤が反射される位置を含む領域に切欠部を設けることにより、添加弁から噴射された添加剤の一部が切欠部を通り抜けて排気ガスと混合されることになる。このため、添加剤が排気ガスと更に混合されやすくなる。以上により、内燃機関から排気触媒までの排気通路の距離を短くしつつ、添加剤を排気ガスに均一に混合させることができる。

切欠部は、側壁部の下流側の端まで延びるように設けられていてもよい。このような構成では、切欠部の加工及び添加剤分散板の製造を容易に行いつつ、添加剤を排気ガスに均一に混合させることができる。

添加剤分散板は、排気管内の一部領域を添加弁側に位置する第１空間と添加弁の反対側に位置する第２空間とに区画し、添加剤分散板の上流端には、排気ガスが第１空間に流入する流入口が設けられ、添加剤分散板の下流端には、添加弁から噴射された添加剤が排気ガスと共に第１空間から流出する流出口が設けられ、流入口の開口面積は、流出口の開口面積よりも小さくてもよい。このような構成では、添加剤分散板の上流側から第１空間への排気ガスの流れ込みが規制されるため、添加弁から噴射された添加剤が底壁部の壁面に当たりやすくなる。また、添加剤分散板の下流側において第２空間を流れてきた排気ガスの旋回流が抑えられ、排気触媒に向かう排気ガスの流れが整流される。

添加弁は、排気管の上部に配置されており、添加剤分散板は、排気管の上流側から下流側に向かって下側に傾斜するように配置されていてもよい。このような構成では、添加弁から噴射された添加剤が底壁部の壁面に当たって下流側に流れやすくなる。従って、添加剤が排気ガスと更に混合されやすくなるため、添加剤を排気ガスに更に均一に混合させることができる。

本発明によれば、内燃機関から排気触媒までの排気通路の距離を短くしつつ、添加剤を排気ガスに均一に混合させることができる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を備えたエンジンシステムを示す概略構成図である。 図１に示された排気管の曲がり部の内部を示す概略断面図である。 図１に示された排気管の曲がり部の平面図である。 図１に示された排気管の曲がり部の正面図である。 図４のV－V線断面図である。 図３のVI－VI線断面図である。

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。

図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を備えたエンジンシステムを示す概略構成図である。図１において、エンジンシステム１は、自動車等の車両２に搭載されている。エンジンシステム１は、内燃機関であるエンジン３と、吸気管４と、排気管５とを備えている。エンジン３は、例えば４気筒のディーゼルエンジンである。

吸気管４は、吸気マニホールド６を介してエンジン３と接続されている。吸気管４は、エンジン３に供給される空気（吸気）が流れる吸気通路７を形成する。排気管５は、排気マニホールド８を介してエンジン３と接続されている。排気管５は、エンジン３内で発生した排気ガスが流れる排気通路９を形成する。

排気通路９には、ターボチャージャー１０のタービン１１が配設されている。吸気通路７には、ターボチャージャー１０のコンプレッサ１２が配設されている。タービン１１は、排気ガスにより回転駆動される。コンプレッサ１２は、タービン１１により回転駆動され、吸気通路７を流れる空気を圧縮してエンジン３に送る。ターボチャージャー１０は、特に図示はしないが、例えばツインターボである（図２参照）。

また、エンジンシステム１は、本実施形態の排気浄化装置１３を備えている。排気浄化装置１３は、排気通路９を流れる排気ガスを浄化する。排気浄化装置１３は、排気通路９に上流側から下流側に向けて順に配設されたＤＯＣ１４（Diesel Oxidation Catalyst：酸化触媒）及びＤＰＦ１５（Diesel Particulate Filter：粒子状物質捕集フィルタ）を備えている。

ＤＯＣ１４は、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）等を酸化して浄化する。ＤＰＦ１５は、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集する。ＤＯＣ１４及びＤＰＦ１５は、排気ガスに含まれる有害物質を除去する排気触媒である。

排気管５におけるタービン１１とＤＯＣ１４との間には、クランク状の曲がり部１７が設けられている。なお、排気管５は、複数の配管を連結して構成されている。

また、排気浄化装置１３は、曲がり部１７に取り付けられた燃料添加弁２０を備えている。燃料添加弁２０は、ＤＰＦ１５の再生を行う際に、排気ガスの温度を上昇させるための添加剤である液体の燃料をＤＯＣ１４に向けて噴射する添加弁である。ＤＰＦ１５の再生とは、ＤＰＦ１５に堆積したＰＭを燃焼させることである。

図２は、排気管５の曲がり部１７の内部を示す概略断面図である。図３は、排気管５の曲がり部１７の平面図である。図４は、排気管５の曲がり部１７の正面図である。図５は、図４のV－V線断面図である。図６は、図３のVI－VI線断面図である。

図１～図６において、排気浄化装置１３は、排気管５の曲がり部１７の内部に配置された燃料分散板２２を備えている。燃料分散板２２は、排気管５内におけるＤＯＣ１４よりも上流側に配置されている。燃料分散板２２は、燃料添加弁２０から噴射された添加剤である液体の燃料を分散させる添加剤分散板である。燃料分散板２２は、例えば鋳造等により排気管５と一体成形されている。燃料添加弁２０は、排気管５の曲がり部１７の上流側の上部に配置されている。

燃料分散板２２は、断面略Ｕ字状を呈している。燃料分散板２２は、燃料添加弁２０から噴射された燃料が当たる壁面２３ａを有する底壁部２３と、この底壁部２３の両側縁部に接続された側壁部２４，２５とを有している。燃料添加弁２０から噴射された燃料が壁面２３ａに当たることで、燃料の噴霧が飛散して微粒化されるため、燃料の分散が促進される。

側壁部２５における壁面２３ａに当たった燃料が反射される位置を含む領域には、切欠部２６が設けられている。切欠部２６は、側壁部２５の下流側の端まで延びるように設けられている。切欠部２６の形状及び寸法等は、特に限定されず、排気管５の構造等に応じて適宜設定される。

また、燃料分散板２２は、排気管５の上流側から下流側に向かって下側（燃料添加弁２０の反対側）に傾斜するように配置されている。従って、底壁部２３の壁面２３ａに当たって微粒化された燃料が壁面２３ａ上で滞留して液滴になることが抑制されるため、燃料の分散が更に促進される。

燃料添加弁２０から噴射された燃料の一部は、底壁部２３の壁面２３ａに当たってそのまま下流側に反射して流れるか、或いは底壁部２３の壁面２３ａに付着した状態で下流側に流れる。燃料添加弁２０から噴射された残りの燃料は、底壁部２３の壁面２３ａに当たって側壁部２５側に反射して、切欠部２６を通り抜けるように流れる。

燃料分散板２２は、排気管５内の一部領域を燃料添加弁２０側に位置する第１空間２７と燃料添加弁２０の反対側に位置する第２空間２８とに区画する。燃料分散板２２は、排気管５内において排気管５の軸心Ｇよりも燃料添加弁２０側に配置されている。第１空間２７は、第２空間２８よりも狭い。第１空間２７には、燃料添加弁２０から噴射された燃料が排気ガスと共に流れる。第２空間２８には、主として排気ガスが流れる。

燃料分散板２２の上流端には、排気ガスが流入する流入口３０が設けられている。燃料分散板２２の下流端には、燃料添加弁２０から噴射された燃料が排気ガスと共に流出する流出口３１が設けられている。流入口３０の開口面積は、流出口３１の開口面積よりも小さい。このように流入口３０の開口面積が絞られているため、第１空間２７への排気ガスの流入が抑制されることになる。従って、燃料添加弁２０から噴射された燃料が底壁部２３の壁面２３ａに当たることが阻害されにくいため、燃料の分散が更に促進される。

以上のような排気浄化装置１３において、エンジン３からの排気ガスが燃料分散板２２まで達すると、排気ガスの大部分は第２空間２８を流れてＤＯＣ１４に向かう。残りの排気ガスは、燃料分散板２２の流入口３０から第１空間２７に導入される。

また、燃料添加弁２０から噴射された燃料が燃料分散板２２の底壁部２３の壁面２３ａに当たって微粒化される。微粒化された燃料の一部は、第１空間２７に導入された排気ガスと混合されて下流側に流れ、燃料分散板２２の流出口３１から流出される。そして、燃料分散板２２の流出口３１から流出された燃料が、第２空間２８を流れてきた排気ガスと混合される。残りの燃料は、燃料分散板２２の側壁部２５に設けられた切欠部２６を通って燃料分散板２２から流出され、第２空間２８を流れる排気ガスと混合される。

ところで、排気管５内に燃料分散板２２が配置されていない場合には、燃料添加弁２０から噴射された燃料がＤＯＣ１４に到達するまでの距離が短くなる。このため、燃料の蒸発性が低下し、燃料が微粒化されにくくなるため、燃料を排気ガスに均一に混合させることが困難になる。

そのような課題に対し、本実施形態では、排気管５内におけるＤＯＣ１４よりも上流側に燃料分散板２２を配置することにより、燃料添加弁２０から噴射された燃料が底壁部２３の壁面２３ａに当たって排気ガスと共に下流側に流れる。従って、排気管５内に燃料分散板２２が配置されていない場合に比べて、燃料がＤＯＣ１４まで流れる距離が長くなるため、燃料の蒸発が促進され、燃料が排気ガスと混合されやすくなる。また、燃料分散板２２において、側壁部２５における底壁部２３の壁面２３ａに当たった燃料が反射される位置を含む領域に切欠部２６を設けることにより、燃料添加弁２０から噴射された燃料の一部が切欠部２６を通り抜けて排気ガスと混合されることになる。このため、燃料が排気ガスと更に混合されやすくなる。以上により、エンジン３からＤＯＣ１４までの排気通路９の距離を短くしつつ、燃料を排気ガスに均一に混合させることができる。

その結果、ＤＯＣ１４をエンジン３に近接して配置することにより、ＤＯＣ１４を早期に暖気することができる。また、ＤＯＣ１４における燃料分布の均等性と燃料に起因するデポジット耐性との両立を図ることができる。

また、本実施形態では、切欠部２６は、側壁部２５の下流側の端まで延びるように設けられている。このため、切欠部２６の加工及び燃料分散板２２の製造を容易に行いつつ、燃料を排気ガスと均一に混合させることができる。

また、本実施形態では、燃料分散板２２は、排気管５内の一部領域を燃料添加弁２０側に位置する第１空間２７と燃料添加弁２０の反対側に位置する第２空間２８とに区画し、燃料分散板２２の上流端に設けられた流入口３０の開口面積は、燃料分散板２２の下流端に設けられた流出口３１の開口面積よりも小さい。従って、燃料分散板２２の上流側から第１空間２７への排気ガスの流れ込みが規制されるため、燃料添加弁２０から噴射された燃料が底壁部２３の壁面２３ａに当たりやすくなる。また、燃料分散板２２の下流側において第２空間２８を流れてきた排気ガスの旋回流が抑えられ、ＤＯＣ１４に向かう排気ガスの流れが整流される。

また、本実施形態では、燃料添加弁２０は、排気管５の上部に配置されており、燃料分散板２２は、排気管５の上流側から下流側に向かって下側に傾斜するように配置されている。このため、燃料添加弁２０から噴射された燃料が底壁部２３の壁面２３ａに当たって下流側に流れやすくなる。従って、燃料が排気ガスと更に混合されやすくなるため、燃料を排気ガスに更に均一に混合させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、切欠部２６は、燃料分散板２２において、側壁部２５の下流側の端まで延びるように設けられているが、特にそのような形態には限られない。例えば、側壁部２５における底壁部２３の壁面２３ａに当たった燃料が反射される位置のみに切欠部２６が設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、燃料分散板２２の側壁部２５のみに切欠部が設けられているが、特にその形態には限られず、排気管５の内部構造等によっては、燃料分散板２２の側壁部２４，２５の両方に切欠部が設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、燃料分散板２２は断面略Ｕ字状を呈しているが、燃料分散板２２の形状としては、特にその形態には限られず、例えば断面湾曲状であってもよい。この場合には、例えば燃料添加弁２０から噴射された燃料が当たる壁面を有する部分を底壁部とし、その底壁部の左右両側の部分を側壁部として構成してもよい。

また、上記実施形態では、排気管５内の第１空間２７において、流入口３０の開口面積が流出口３１の開口面積よりも小さくなっているが、特にその形態には限られず、流入口３０の開口面積が流出口３１の開口面積と同等であってもよい。

また、上記実施形態では、排気管５内におけるＤＯＣ１４よりも上流側に、燃料添加弁２０から噴射された燃料を分散させる燃料分散板２２が配置されているが、本発明は、燃料添加弁２０以外にも適用可能である。

例えば、排気通路９におけるＤＰＦ１５よりも下流側に、尿素水を用いて排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して浄化するＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction：選択還元触媒）が配設されている場合には、尿素水添加弁から噴射された尿素水を分散させる尿素水分散板に本発明を適用してもよい。

３…エンジン（内燃機関）、５…排気管、９…排気通路、１３…排気浄化装置、１４…ＤＯＣ（排気触媒）、２０…燃料添加弁（添加弁）、２２…燃料分散板（添加剤分散板）、２３…底壁部、２３ａ…壁面、２４，２５…側壁部、２６…切欠部、２７…第１空間、２８…第２空間、３０…流入口、３１…流出口。

Claims (4)

1. 内燃機関に接続された排気通路を流れる排気ガスを浄化する排気浄化装置において、
   前記排気通路に配設され、前記排気ガスに含まれる有害物質を除去する排気触媒と、
   前記排気通路を形成する排気管内における前記排気触媒よりも上流側に添加剤を噴射する添加弁と、
   前記排気管内における前記排気触媒よりも上流側に配置され、前記添加弁から噴射された前記添加剤を分散させる添加剤分散板とを備え、
   前記添加剤分散板は、前記添加弁から噴射された前記添加剤が当たる壁面を有する底壁部と、前記底壁部の縁部に接続された側壁部とを有し、
   前記側壁部における前記壁面に当たった前記添加剤が反射される位置を含む領域には、切欠部が設けられている排気浄化装置。
2. 前記切欠部は、前記側壁部の下流側の端まで延びるように設けられている請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記添加剤分散板は、前記排気管内の一部領域を前記添加弁側に位置する第１空間と前記添加弁の反対側に位置する第２空間とに区画し、
   前記添加剤分散板の上流端には、前記排気ガスが前記第１空間に流入する流入口が設けられ、
   前記添加剤分散板の下流端には、前記添加弁から噴射された前記添加剤が前記排気ガスと共に前記第１空間から流出する流出口が設けられ、
   前記流入口の開口面積は、前記流出口の開口面積よりも小さい請求項１または２記載の排気浄化装置。
4. 前記添加弁は、前記排気管の上部に配置されており、
   前記添加剤分散板は、前記排気管の上流側から下流側に向かって下側に傾斜するように配置されている請求項１～３の何れか一項記載の排気浄化装置。

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