JP4327445B2 - Exhaust purification equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気浄化装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、排気管の途中に装備した排気浄化用触媒により排気浄化を図ることが行われている。この種の排気浄化用触媒としては、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のNOxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下した時に未燃HCやCO等の介在によりNOxを分解放出して還元浄化する性質を備えたNOx吸蔵還元触媒が知られている。
【0003】
このNOx吸蔵還元触媒においては、NOxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のNOxを吸蔵できなくなるため、定期的にNOx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの酸素濃度を低下させてNOxを分解放出させる必要がある。例えば、ガソリン機関に使用した場合であれば、機関の運転空燃比を低下(機関をリッチ空燃比で運転)することにより、排気ガス中の酸素濃度を低下し且つ排気ガス中の未燃HCやCO等の還元成分を増加してNOxの分解放出を促すことができる。
【0004】
ただし、NOx吸蔵還元触媒をディーゼル機関の排気浄化装置として使用した場合には、機関をリッチ空燃比で運転することが困難である。このため、NOx吸蔵還元触媒の上流側で排気ガス中に燃料を添加することにより、その添加した燃料を高温の排気ガス中で熱分解させて多量の炭化水素を生成し、この炭化水素を還元剤としてNOx吸蔵還元触媒上で酸素と反応させることで排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要がある。
【0005】
他方、ディーゼル機関から排出されるパティキュレート(Particulate Matter:粒子状物質)の低減対策として、パティキュレートフィルタに担持させた酸化触媒や、フロースルー型の酸化触媒といった排気浄化用触媒を排気管の途中に装備することが既に行われている。このような酸化触媒を使用すれば、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートや排気ガス中のパティキュレートの酸化反応を促進し、該パティキュレートの燃焼除去による低減化を図ることができる。
【0006】
ただし、このような酸化触媒には活性温度領域があり、この活性下限温度を下まわるような排気温度での運転状態が続くと、酸化触媒が活性化しないためにパティキュレートが良好に燃焼除去されないという不具合が起こり得る。必要に応じ上流側の排気ガス中に燃料を添加し、この添加した燃料を高温の排気ガス中で熱分解させることで多量の炭化水素を生成し、この炭化水素を酸化触媒上で酸化反応させて反応熱により触媒床温度を積極的に上昇させることが提案されている。
【0007】
以上に幾つかの例をあげて説明した通り、排気管の途中に装備した排気浄化用触媒(NOx吸蔵還元触媒や酸化触媒、又はこれらを担持したパティキュレートフィルタ)の上流側に燃料を添加するという考え自体は従来より提案されているものである。
【0008】
例えば、シリンダヘッドの排気ポートに燃料添加用インジェクタを装備して、該インジェクタによる排気ポート噴射で排気ガス中に燃料を添加し、その添加燃料をタービンで撹拌した上で排気浄化用触媒に供給するようにした手段が提案されており、このような排気ポート噴射で排気ガス中に燃料を添加する手段は既に一部の乗用車等で実用化に向けた開発が成されている(例えば特許文献1参照)。
【0009】
ただし、ディーゼルエンジンを搭載した大型車両等においては、EGR装置やターボチャージャの信頼性を確保する観点から、排気管途中の排気浄化用触媒の入側にインジェクタを装備して燃料添加を行うことが望まれており、既に排気管途中にインジェクタで燃料添加を行う手段が提案されている(例えば特許文献2参照)。
【0010】
【特許文献1】
特開2001−280125号公報
【特許文献2】
特開2000−240429号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように排気管の途中にインジェクタを装備するとした場合、該インジェクタが高温の排気ガスに晒されることによる焼損や添加燃料の流路内での焼付きを確実に回避し得るようにするため、インジェクタに関して何らかの熱対策を講じる必要があると考えられるが、インジェクタの排気管途中への装備自体が開発途上のことであり、インジェクタの熱対策については、未だ実用性の高い具体的手段が提案されていないのが実情である。
【0012】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気管の途中に装備したインジェクタの焼損や添加燃料の流路内での焼付きを確実に回避し得るようにした実用性の高い排気浄化装置を提供することを目的としている。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、排気浄化用触媒を排気管の途中に装備し、該排気管の排気浄化用触媒より上流にある屈曲部の曲がり方向外側に、該屈曲部上流の排気管に沿うように燃料添加用インジェクタを付設すると共に、該インジェクタのノズルの先端部から屈曲部下流の排気管に沿う方向に向け噴射空間を形成し、該噴射空間を介して屈曲部下流の排気管内の流路に燃料を噴射し得るように構成すると共に、インジェクタのノズルの噴霧中心が屈曲部下流の排気管の中心線に対し屈曲部上流に向かう側へ所要の傾斜角を有するように構成したことを特徴とする排気浄化装置、に係るものである。
【0014】
而して、このようにすれば、インジェクタのノズルの先端部から噴射空間を介して排気管内の流路に燃料が添加されることになるので、インジェクタのノズルの先端部が高温の排気ガスに晒されなくなり、インジェクタのノズルの焼損や添加燃料の流路内での焼付きが確実に回避される。
【0015】
しかも、このようにインジェクタのノズルの先端部と排気管内の流路との間に噴射空間を介在させても、インジェクタ自体は屈曲部上流の排気管に沿うように付設されているので、排気管から大きく張り出さないコンパクトな付帯装備としてインジェクタを配置することが可能となる。
更に、インジェクタのノズルの噴霧中心が屈曲部下流の排気管の中心線に対し屈曲部上流に向かう側へ所要の傾斜角を有するように構成されているので、屈曲部上流からの排気ガスの流れに対する添加燃料の混合性が増し、排気管の屈曲部の曲がり方向外側に片寄りがちな排気ガスの主流の影響で添加燃料が屈曲部の曲がり方向内側に混合され難いという不具合が解消されることになる。
【0016】
また、本発明においては、噴射空間がインジェクタの先端部を頂点とする円錐形状を成し且つその円錐形状の頂角がインジェクタのノズルの噴射角より大きく設定されていることが好ましい。
【0017】
このようにすれば、インジェクタのノズルから噴射された燃料が、噴射空間の内周面に付着することなく全て排気管内の流路に噴射され、該流路を流れる排気ガス中に良好に添加されるので、インジェクタ内の電磁弁の開弁期間を電子制御することによる意図した通りの適切な制御量で効果的な燃料添加が実現されることになる。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1〜図3は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図1中における符号の1はターボチャージャ2を搭載したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ3から導いた吸気4を吸気管5を通し前記ターボチャージャ2のコンプレッサ2aへ導いて加圧し、その加圧された吸気4をインタークーラ6を介しディーゼルエンジン1の各気筒に分配して導入するようにしてある。
【0021】
また、このディーゼルエンジン1の各気筒から排気マニホールド7を介し排出された排気ガス8を排気管9を通して前記ターボチャージャ2のタービン2bへ送り、該タービン2bを駆動した排気ガス8を触媒再生型のパティキュレートフィルタ10(排気浄化用触媒)を通してパティキュレートを捕集した上で車外へ排出するようにしてある。
【0022】
更に、排気管9におけるパティキュレートフィルタ10より上流で略L字状に曲がっている屈曲部9aの曲がり方向外側に、該屈曲部9a上流の排気管9に沿うように燃料添加用のインジェクタ11が先端部を下方に向けた傾斜状態で付設されており、該インジェクタ11の基端部に燃料タンク(図示せず)等から導かれた燃料の一部が、前記インジェクタ11の先端部から屈曲部9a下流の排気管9に沿う方向に向けて形成された噴射空間12を介し排気管9内の流路に噴射されるようになっている。
【0023】
図2に示す如く、前記噴射空間12は、インジェクタ11のノズル11aの先端部を頂点とする円錐形状を成し且つその円錐形状の頂角αがインジェクタ11のノズル11aの噴射角βより大きく設定されたものとなっている。
【0024】
また、インジェクタ11のノズル11aの噴霧中心は、屈曲部9a下流の排気管9の中心線に対し屈曲部9a上流に向かう側へ所要の傾斜角θを有するように構成されている。
【0025】
尚、インジェクタ11を抱持しているボス部13の内部には、前記インジェクタ11と略同心状の筒形を成すウォータジャケット14が穿設されており、該ウォータジャケット14におけるインジェクタ11先端側(下端側)で且つ排気管9に対し離反する側に給水口15が設けられ、前記ウォータジャケット14におけるインジェクタ11基端側(上端側)で且つ排気管9に対し近接する側に排水口16が設けられている。
【0026】
そして、前記給水口15に対しディーゼルエンジン1の冷却水の一部を供給し且つ前記排水口16から抜き出した冷却水を図示しないサーモスタット(整温器)へ戻すようにしてある。
【0027】
而して、このように排気浄化装置を構成すれば、インジェクタ11のノズル11aの先端部から噴射空間12を介して排気管9内の流路に燃料が添加されることになるので、ノズル11aの先端部が高温の排気ガス8に晒されなくなり、インジェクタ11のノズル11aの焼損や添加燃料の流路内での焼付きが確実に回避される。
【0028】
しかも、このようにインジェクタ11のノズル11aの先端部と排気管9内の流路との間に噴射空間12を介在させても、インジェクタ11自体は屈曲部9a上流の排気管9に沿うように付設されているので、排気管9から大きく張り出さないコンパクトな付帯装備としてインジェクタ11を配置することが可能となる。
【0029】
ここで、排気管9内の流路に対するノズル11aの引込み量x(図2参照)は、排気管9内の流路を流れる排気ガス8の温度により適宜に決まるものであり、インジェクタ11のノズル11aの先端温度を耐熱保証限界(例えば180℃程度)に保持するのに必要なノズル11aの引込み量xは、排気管9側の排気温度が高くなるほど大きくとる必要がある(図3参照)。
【0030】
ただし、排気温度に対する引込み量xの増減傾向は、インジェクタ11のノズル11aの径や、ウォータジャケット14側との伝熱面積等の様々な要因が複雑に関連することで変化するので、実装されるディーゼルエンジン1ごとに実測ベースで温度的に支障のない引込み量xを適切に設定することが好ましい。
【0031】
他方、本形態例においては、噴射空間12の円錐形状の頂角αがインジェクタ11のノズル11aの噴射角βより大きく設定されているので、インジェクタ11のノズル11aから噴射された燃料が、噴射空間12の内周面に付着することなく全て排気管9内の流路に噴射されて、該流路を流れる排気ガス8中に良好に添加される。この結果、インジェクタ11内の電磁弁の開弁期間を電子制御することによる意図した通りの適切な制御量で効果的な燃料添加が実現される。
【0032】
更に、インジェクタ11のノズル11aの噴霧中心が屈曲部9a下流の排気管9の中心線に対し屈曲部9a上流に向かう側へ所要の傾斜角θを有するようにしてあるので、屈曲部9a上流からの排気ガス8の流れに対する添加燃料の混合性が増し、排気管9の屈曲部9aの曲がり方向外側に片寄りがちな排気ガス8の主流の影響で添加燃料が屈曲部9aの曲がり方向内側に混合され難いという不具合が解消されることになる。
【0033】
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、炭化水素の添加を要する排気浄化用触媒には、触媒再生型のパティキュレートフィルタ以外にNOx還元触媒(選択還元型触媒)やNOx吸蔵還元触媒、パティキュレートフィルタにNOx吸蔵還元触媒を組み合わせたもの、酸化触媒等を採用しても良いこと、また、インジェクタにより添加される燃料には、一般的なディーゼルエンジン用燃料である軽油を用いる以外に、灯油等の異種燃料を用いても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【0034】
【発明の効果】
上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【0035】
(I)本発明の請求項1に記載の発明によれば、インジェクタのノズルの先端部と排気管内の流路との間に噴射空間を介在させたことにより、ノズルの先端部を高温の排気ガスに晒されないよう保護することができるので、インジェクタのノズルの焼損や添加燃料の流路内での焼付きを確実に回避することができ、しかも、排気管から大きく張り出さない付帯装備としてインジェクタをコンパクトに配置することもでき、更には、屈曲部上流からの排気ガスの流れに対する添加燃料の混合性を大幅に向上することができるので、排気管の屈曲部の曲がり方向外側に片寄りがちな排気ガスの主流の影響で添加燃料が屈曲部の曲がり方向内側に混合され難いという不具合を解消することができる。
【0036】
(II)本発明の請求項2に記載の発明によれば、インジェクタのノズルからの燃料を、噴射空間の内周面に付着させることなく全て排気管内の流路に噴射して、該流路を流れる排気ガス中に良好に添加することができるので、インジェクタ内の電磁弁の開弁期間を電子制御することによる意図した通りの適切な制御量で効果的な燃料添加を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図2】図1のインジェクタの設置個所の詳細を拡大して示す断面図である。
【図3】排気温度とノズル引込み量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 ディーゼルエンジン
8 排気ガス
9 排気管
9a 屈曲部
10 触媒再生型のパティキュレートフィルタ(排気浄化用触媒)
11 インジェクタ
11a ノズル
12 噴射空間
α 噴射空間の円錐形状の頂角
β インジェクタの噴射角
θ 屈曲部下流の排気管中心線に対するインジェクタの噴霧中心の傾斜角
x 排気管内の流路に対するノズルの引込み量[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, exhaust purification has been performed with an exhaust purification catalyst installed in the middle of an exhaust pipe. As this type of exhaust purification catalyst, when the exhaust air-fuel ratio is lean, NOx in the exhaust gas is oxidized and temporarily stored in the form of nitrate, and when the oxygen concentration in the exhaust gas decreases, unburned HC or There is known an NOx occlusion reduction catalyst having the property of decomposing and releasing NOx through CO or the like for reduction and purification.
[0003]
In this NOx occlusion reduction catalyst, when the occlusion amount of NOx increases and reaches the saturation amount, no more NOx can be occluded. Therefore, the oxygen concentration of the exhaust gas that periodically flows into the NOx occlusion reduction catalyst is reduced. It is necessary to reduce and release NOx by decomposition. For example, when used in a gasoline engine, the operating air-fuel ratio of the engine is reduced (the engine is operated at a rich air-fuel ratio), thereby reducing the oxygen concentration in the exhaust gas and unburned HC in the exhaust gas. Reduction components such as CO can be increased to promote decomposition and release of NOx.
[0004]
However, when the NOx storage reduction catalyst is used as an exhaust gas purification device for a diesel engine, it is difficult to operate the engine at a rich air-fuel ratio. For this reason, by adding fuel to the exhaust gas upstream of the NOx storage reduction catalyst, the added fuel is thermally decomposed in high-temperature exhaust gas to produce a large amount of hydrocarbon, and this hydrocarbon is reduced. It is necessary to reduce the oxygen concentration in the exhaust gas by reacting with oxygen on the NOx storage reduction catalyst as an agent.
[0005]
On the other hand, as a measure to reduce particulate matter (particulate matter) discharged from diesel engines, an exhaust purification catalyst such as an oxidation catalyst supported on a particulate filter or a flow-through oxidation catalyst is placed in the middle of the exhaust pipe. Has already been equipped. By using such an oxidation catalyst, it is possible to promote the oxidation reaction of the particulates collected in the particulate filter and the particulates in the exhaust gas, and to reduce the particulates by combustion removal.
[0006]
However, such an oxidation catalyst has an active temperature region, and if the operation state continues at an exhaust temperature that falls below the lower limit temperature of activation, the oxidation catalyst will not be activated and the particulates will not be burned and removed well. The malfunction that can happen. If necessary, fuel is added to the exhaust gas on the upstream side, and the added fuel is pyrolyzed in high-temperature exhaust gas to produce a large amount of hydrocarbons, which are then oxidized on the oxidation catalyst. It has been proposed to increase the catalyst bed temperature positively by the heat of reaction.
[0007]
As described above with some examples, the fuel is added to the upstream side of the exhaust purification catalyst (NOx storage reduction catalyst, oxidation catalyst, or particulate filter carrying these) installed in the middle of the exhaust pipe. The idea itself has been proposed in the past.
[0008]
For example, a fuel addition injector is installed in an exhaust port of a cylinder head, fuel is added to exhaust gas by exhaust port injection by the injector, and the added fuel is stirred by a turbine and supplied to an exhaust purification catalyst. A means for adding fuel to exhaust gas by such exhaust port injection has already been developed for practical use in some passenger cars and the like (for example, Patent Document 1). reference).
[0009]
However, in large vehicles equipped with diesel engines, it is possible to add fuel by installing an injector on the inlet side of the exhaust purification catalyst in the middle of the exhaust pipe from the viewpoint of ensuring the reliability of the EGR device and turbocharger. A means for adding fuel with an injector in the middle of an exhaust pipe has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2001-280125 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-240429
[Problems to be solved by the invention]
However, when an injector is provided in the middle of the exhaust pipe in this way, it is possible to reliably avoid burning caused by exposure of the injector to high-temperature exhaust gas and seizure in the flow path of the added fuel. Therefore, it is considered necessary to take some thermal countermeasures for the injector, but the equipment itself in the middle of the exhaust pipe of the injector is still under development, and there are still practical means for the thermal countermeasures for the injector. The fact is not proposed.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is highly practical exhaust gas purification capable of reliably avoiding burnout of an injector installed in the middle of an exhaust pipe and seizure in the flow path of an added fuel. The object is to provide a device.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is equipped with an exhaust purification catalyst in the middle of an exhaust pipe, and fuel is added along the exhaust pipe upstream of the bent portion upstream of the bent portion upstream of the exhaust purification catalyst of the exhaust pipe. And an injection space is formed in the direction along the exhaust pipe downstream of the bent portion from the tip of the nozzle of the injector, and fuel is supplied to the flow path in the exhaust pipe downstream of the bent portion via the injection space. Exhaust gas characterized in that it is configured to be able to inject, and the spray center of the nozzle of the injector has a required inclination angle toward the upstream side of the bent portion with respect to the center line of the exhaust pipe downstream of the bent portion This relates to a purification device.
[0014]
Thus, since the fuel is added from the tip of the injector nozzle to the flow path in the exhaust pipe through the injection space, the tip of the injector nozzle is converted into high-temperature exhaust gas. It is not exposed and burnout of the nozzle of the injector and seizure in the flow path of the added fuel are reliably avoided.
[0015]
Moreover, even if the injection space is interposed between the tip of the nozzle of the injector and the flow path in the exhaust pipe in this way, the injector itself is attached along the exhaust pipe upstream of the bent portion. Therefore, it is possible to arrange the injector as a compact accessory that does not overhang.
Further, since the spray center of the nozzle of the injector is configured to have a required inclination angle toward the upstream side of the bent portion with respect to the center line of the exhaust pipe downstream of the bent portion, the flow of exhaust gas from the upstream of the bent portion The added fuel is more miscible with the exhaust pipe, and the problem that the added fuel is difficult to be mixed inside the bent portion in the bent direction due to the influence of the main flow of exhaust gas that tends to be displaced outward in the bent direction of the exhaust pipe is eliminated. become.
[0016]
In the present invention, it is preferable that the injection space has a conical shape with the tip of the injector as a vertex, and the apex angle of the conical shape is set larger than the injection angle of the nozzle of the injector.
[0017]
In this way, all the fuel injected from the nozzle of the injector is injected into the flow passage in the exhaust pipe without adhering to the inner peripheral surface of the injection space, and is well added to the exhaust gas flowing through the flow passage. Therefore, effective fuel addition is realized with an appropriate control amount as intended by electronically controlling the opening period of the electromagnetic valve in the injector.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 to 3 show an example of an embodiment for carrying out the present invention. Reference numeral 1 in FIG. 1 denotes a diesel engine equipped with a turbocharger 2, and an
[0021]
Further,
[0022]
Furthermore, an
[0023]
As shown in FIG. 2, the
[0024]
Further, the spray center of the
[0025]
In addition, a water jacket 14 having a cylindrical shape substantially concentric with the
[0026]
A part of the cooling water of the diesel engine 1 is supplied to the
[0027]
Thus, if the exhaust gas purification device is configured in this way, fuel is added to the flow path in the
[0028]
Moreover, even if the
[0029]
Here, the drawing amount x (see FIG. 2) of the
[0030]
However, the increasing / decreasing tendency of the pull-in amount x with respect to the exhaust temperature changes because various factors such as the diameter of the
[0031]
On the other hand, in the present embodiment, since the apex angle α of the conical shape of the
[0032]
Further, the spray center of the
[0033]
The exhaust purification apparatus of the present invention is not limited to the above-described embodiment. For exhaust purification catalysts that require the addition of hydrocarbons, in addition to catalyst regeneration type particulate filters, NOx reduction catalysts (selection) Reduction type catalyst), NOx occlusion reduction catalyst, particulate filter combined with NOx occlusion reduction catalyst, oxidation catalyst etc. may be adopted, and fuel added by injector is a general diesel engine Of course, different fuels such as kerosene may be used in addition to the light oil used for the fuel, and various changes can be made without departing from the scope of the present invention.
[0034]
【The invention's effect】
According to the exhaust emission control device of the present invention described above, various excellent effects as described below can be obtained.
[0035]
(I) According to the invention described in claim 1 of the present invention, the injection space is interposed between the tip of the nozzle of the injector and the flow path in the exhaust pipe, so that the tip of the nozzle is exhausted at a high temperature. Since it can be protected from being exposed to gas, burnout of the nozzle of the injector and seizure in the flow path of the added fuel can be reliably avoided, and the injector is an incidental equipment that does not protrude greatly from the exhaust pipe. Furthermore, the mixing of the added fuel with respect to the flow of the exhaust gas from the upstream of the bent portion can be greatly improved, so that the bent portion of the bent portion of the exhaust pipe is offset to the outside in the bending direction. senna added fuel in the mainstream of the effect of exhaust gas Ru can eliminate the problem that difficult to be mixed in the bending inward of the bend.
[0036]
(II) According to the invention described in claim 2 of the present invention, the fuel from the nozzle of the injector is all injected into the flow path in the exhaust pipe without adhering to the inner peripheral surface of the injection space. Therefore, it is possible to achieve effective fuel addition with an appropriate control amount as intended by electronically controlling the valve opening period of the solenoid valve in the injector. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an example of an embodiment for carrying out the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing details of an installation location of the injector of FIG.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between exhaust temperature and nozzle pull-in amount.
[Explanation of symbols]
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