JP4347000B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

吸蔵還元型ＮＯx触媒を内燃機関の排気系に配置し、酸化雰囲気のときに排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を該ＮＯx触媒に貯蔵し、還元雰囲気となったときは該ＮＯx触媒に貯蔵されていたＮＯxを還元して排気中のＮＯxを浄化する技術が知られている。

このようにＮＯxを還元する際、還元剤添加弁の上流に設けた排気絞り弁の開度を絞って排気流量を減量させつつ還元剤添加弁から還元剤を添加させる技術（例えば、特許文献１参照。）が知られている。
特開平１１−２９４１４５号公報

しかし、排気中へ還元剤を添加すると、この還元剤の一部が液状のまま排気通路の壁面に付着することがある。このように還元剤が排気通路の壁面に付着すると、排気中の還元剤の濃度が要求される濃度まで高くならず、ＮＯxの還元が不十分となる虞がある。また、排気通路の壁面に付着した還元剤は、排気の流れにより排気通路の下流側へ壁面に沿って流される。そして、排気絞り弁に到達すると、該排気絞り弁の摺動部に流れ込み、更に排気の熱により還元剤の粘性が高まり、該排気絞り弁の作動が制限されることがある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、還元剤の付着により排気絞り弁の作動が制限されることを抑制することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。即ち、第１の発明は、
内燃機関の排気通路に設けられる吸蔵還元型ＮＯx触媒と、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも上流の排気中へ還元剤を供給することにより該吸蔵還元型ＮＯx触媒へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記還元剤供給手段よりも下流で且つ前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも上流に備えられ、排気の流量を調整する排気絞り弁と、
前記還元剤供給手段よりも下流で且つ前記排気絞り弁よりも上流に備えられ、該排気絞り弁よりも上流の排気通路の壁面に付着した還元剤を該排気通路の壁面から排気の流れ中に脱離させる還元剤脱離手段と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の最大の特徴は、壁面に付着した還元剤を再度排気中に戻し下流の吸蔵還元型ＮＯx触媒に均一な濃度の還元剤を供給しつつ、排気絞り弁の摺動部に還元剤が付着することを抑制することにある。

このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、還元剤供給手段から排気中に供給された還元剤の一部が、蒸発する前に排気通路の壁面に付着することがある。このようにして排気通路の壁面に付着した還元剤は、排気によって壁面に付着したまま下流へと流さ
れる。そして、還元剤が排気通路の壁面を伝わって排気絞り弁に到達すると、該排気絞り弁の摺動部に流入し、その後排気の熱により固着して、排気絞り弁の作動が制限されることがある。また、還元剤が触媒へ到達するまでに時間がかかり、触媒が還元剤を必要とするときに、適切な還元剤濃度が得られなくなる虞もある。

その点、還元剤脱離手段を備えることにより、排気通路の壁面に付着した還元剤を排気の流れの中へ再度戻すことができる。これにより、排気中で還元剤が拡散し、従来技術に比べより均一な濃度の還元剤を触媒に導入させることができる。また、排気通路の壁面から排気絞り弁の摺動部に還元剤が流入することを抑制できる。

本発明においては、前記還元剤脱離手段は、前記排気通路の壁面から該排気通路の下流側に向けて突出し且つ下流端が尖形となる複数の突起からなり、該突起の下流端は排気通路の壁面から離間されていても良い。

このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、排気通路の壁面を流れる還元剤が前記突起の下流端に集まり、その後、還元剤は排気の力を受けて突起から排気中へ脱離される。ここで、壁面から突出する突起を複数備えることにより、壁面に付着した還元剤を夫々の突起の尖形の下流端に集めることができ、排気中へ還元剤を脱離しやすくすることができる。また、突起の下流端が排気通路の壁面から離間されているので、還元剤が突起の下流端から排気通路の壁面へと流れることを抑制し、さらに突起の下流端から排気中へ脱離された還元剤が再び壁面に付着することを抑制できる。これにより、排気絞り弁の摺動部に還元剤が流入することを抑制できる。

本発明においては、前記突起の下流端は、排気通路の中心軸側に向かって折り曲げられていても良い。

このように、前記突起の下流端が排気通路の中心軸側に位置していると、該下流端において排気の通路径が小さくなり、該下流端において排気の流速が速まる。その結果、下流端に集まった還元剤が該下流端から排気中へ脱離されやすくなる。また、排気通路の壁面からより離れ位置に突起の下流端が位置しているので、突起の下流端から排気中へ戻された還元剤が再び排気通路の壁面に付着することを抑制できる。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。即ち、第２の発明は、
内燃機関の排気通路に設けられる吸蔵還元型ＮＯx触媒と、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも上流の排気中へ還元剤を供給することにより該吸蔵還元型ＮＯx触媒へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記還元剤供給手段よりも下流で且つ前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも上流に備えられ、排気通路の壁面を貫通し且つ回動可能な軸、及び該軸に支持され該軸を中心として回動する弁を有する排気絞り弁と、
前記還元剤供給手段よりも下流で且つ前記排気絞り弁よりも上流であって、排気通路の壁面から排気通路の中心軸側へ突出し、この突出量が排気通路の下流側ほど大きくなる突起と、
を備え、
前記軸と前記排気通路の内壁面とが交差する箇所を通過し、且つ排気の流通方向と平行
な線上に前記突起が備えられていることを特徴とする。

本発明の最大の特徴は、排気絞り弁に備えられた軸の摺動部の上流に備えられた突起から還元剤を排気中へ脱離させ、該軸の摺動部に還元剤が流入することを抑制することにある。

このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、排気通路の壁面に付着して下流へと流れる還元剤が、突起に到達すると該突起上に流れ、排気通路の中心側へ導かれる。そして、突起の端部に還元剤が到達すると、該端部から排気中へと還元剤が脱離される。

また、突起は、その突出量が排気通路の下流側ほど大きくなるので、還元剤が突起の下流端から排気通路の壁面へと流れることを抑制することができる。さらに、突起の下流端から排気中へ脱離された還元剤が再び壁面に付着することを抑制できる。これらにより、排気絞り弁の摺動部に還元剤が流入することを抑制できる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、排気絞り弁の軸の摺動部に還元剤が流入することを抑制することができる。これにより、排気絞り弁の作動を良好なものとすることができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関１とその排気系の概略構成を示す図である。

＜概略構成の説明＞
図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、燃焼室と連通する排気通路２が接続されている。この排気通路２は、下流にて大気へと通じている。

前記排気通路２の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒という。）を担持したパティキュレートフィルタ３（以下、フィルタ３という。）が備えられている。

フィルタ３は、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭとする。）を捕獲するとともに、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを貯蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは貯蔵していたＮＯxを還元する機能を有する。

ところで、内燃機関１が希薄燃焼運転されている場合は、ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和する前にＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxを還元させる必要がある。

そこで、本実施例では、フィルタ３より上流の排気通路２を流通する排気中に還元剤たる燃料（軽油）を添加する還元剤供給機構を備えている。この還元剤供給機構から排気中へ燃料を添加することにより、ＮＯx触媒に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに還元剤の濃度を高めることができる。

還元剤供給機構は、図１に示されるように、その噴孔が排気通路２内に臨むように取り付けられた還元剤添加弁５と、燃料ポンプ６と、該燃料ポンプ６から吐出された燃料を還元剤添加弁５へ導く燃料供給路７と、を備えている。ここで、還元剤添加弁５は、後述するＥＣＵ１０からの信号により開弁して燃料を噴射する。還元剤添加弁５から排気通路２内へ噴射された燃料は、排気通路２の上流から流れてきた排気の酸素濃度を低下させると共に、ＮＯx触媒に吸蔵されていたＮＯxを還元する。

また、還元剤供給機構は、ＮＯx触媒に貯蔵されたＳＯxを放出させるＳＯx被毒回復時や、フィルタ３に堆積したＰＭを酸化させるＰＭ除去時において、ＮＯx触媒やフィルタ３の温度を上昇させることにも利用される。即ち、ＮＯx触媒にて還元剤が反応し、このときに熱が発生する。この熱により、ＮＯx触媒及びフィルタ３の温度が上昇される。このように、ＮＯx触媒若しくはフィルタ３の温度を上昇させることにより、ＳＯx被毒回復が可能となり、また、フィルタ３からのＰＭの除去が可能となる。

還元剤添加弁５よりも下流で且つフィルタ３よりも上流の排気通路２には、該排気通路２内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁８が設けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ１０には、各種センサ等が電気配線を介して接続され、該センサ等の出力信号が入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１０には、還元剤添加弁５等が電気配線を介して接続され、上記した各部をＥＣＵ１０により制御することが可能になっている。

＜排気絞り弁の構造の説明＞
図２は、本実施例による排気絞り弁の概略構成を示した図である。図２（Ａ）は、排気通路２の中心軸と直行する平面により切断した断面図であり、図２（Ｂ）は、排気通路２の中心軸を含む平面により切断した断面図である。図２（Ｂ）は、図の左側が排気通路２の上流側となり、図の右側が排気通路２の下流側となる。また、図２（Ａ）は、排気通路２の上流側から排気絞り弁を見た断面図である。

排気絞り弁８は、本体８０、弁８１、弁側軸８２、ダイヤフラム側軸８３、ブッシュ８４、ダイヤフラム８５を備えて構成されている。本体８０には、排気通路２と同じ内径で且つ排気が流通する通路８７が設けられ、この通路８７を塞ぐように弁８１が設けられる。なお、排気絞り弁８の排気が流通する通路８７は、排気通路２の一部として構成されている。弁８１は、弁側軸８２により支持されている。本体８０には、弁側軸８２を支持するための穴が空けられている。この穴は、通路８７の中心軸、即ち排気通路２の中心軸と直行するように設けられ、また、本体８０を貫通している。そして、弁側軸８２は、ブッシュ８４を介して本体８０に回動可能なように支持されている。

弁側軸８２とダイヤフラム側軸８３とは、リンク８６を介して連結されている。このリンク８６により、ダイヤフラム側軸８３の往復運動が、弁側軸８２の回転運動に変換される。

このように構成された、排気絞り弁８では、ダイヤフラム８５によりダイヤフラム側軸８３が該ダイヤフラム側軸８３軸線方向に移動されると、リンク８６を介して、弁側軸８２が回動される。これに伴い、弁８１が回動され、通路８７が開閉される。

＜還元剤脱離手段の説明＞
ここで、本実施例による還元剤脱離手段の具体的な構成について説明する。

本実施例では、還元剤脱離手段として、還元剤添加弁５よりも下流で且つ排気絞り弁８
の直ぐ上流に、還元剤脱離装置９を備えている。

図３は、本実施例による還元剤脱離装置の概略構成を示した図である。図３（Ａ）は、排気通路２の中心軸を含む平面により切断した断面図であり、図３（Ｂ）は、排気通路２の中心軸と直行する平面により切断した断面図である。図３（Ａ）は、図の左側が排気通路２の上流側、図の右側が排気通路２の下流側となり、矢印の方向に排気が流通する。また、図３（Ｂ）は、排気通路２の下流側から還元剤脱離装置９を見た図である。

還元剤脱離装置９は、排気通路２と同じ内径の筒９０、筒９０の上流端に設けられたフランジ９０ａ、筒９０の下流端に設けられたフランジ９０ｂ、筒９０に内接して設けられている内筒９１を備えて構成されている。

筒９０は、外径は一定であるが、下流側の内径が上流側よりも大きくなるように、下流側が薄肉化されている。そして、内筒９１は、筒９０の内径が小さい箇所、即ち、上流側で内嵌している。また、下流側では、筒９０の内壁面と内筒９１の外壁面に隙間９２ができる。

内筒９１は、下流端の円周上に、下流に向かって突出する複数の尖形の突起９１ａを有している。

このように構成された、還元剤脱離装置９では、還元剤添加弁５から排気通路２内へ添加された還元剤の一部が、該排気通路２の内壁面に付着する。そして、この還元剤は、排気の流れにより壁面に付着したまま下流へと流され、還元剤脱離装置９に到達する。還元剤脱離装置９では、先ず、還元剤が筒９０の内壁に沿って下流へと進む。そして、還元剤が内筒９１に到達すると、該内筒９１の内壁面に沿って還元剤が下流へと流れる。そして、突起９１ａに到達すると、突起９１ａの尖端に向かって還元剤が導かれる。そして、この尖端と筒９０とには隙間９２があるため、還元剤は筒９０の内壁面に流れることなく、突起９１ａの尖端から排気中へ脱離される。排気中に脱離された還元剤は、蒸発しながら排気と共に排気絞り弁８を通過し、最後に、フィルタ３へ到達する。

このようにして、弁側軸８２の摺動部に還元剤が流入することを抑制し、且つ、フィルタ３へ必要とされる濃度の還元剤を供給することができる。

本実施例では、実施例１と比較して、還元剤脱離装置９の形状が異なる。その他の構成については、実施例１と同様なので説明を割愛する。

＜還元剤脱離手段の説明＞
ここで、本実施例による還元剤脱離手段の具体的な構成について説明する。

図４は、本実施例による還元剤脱離装置の概略構成を示した図である。図４（Ａ）は、排気通路２の中心軸を含む平面により切断した断面図であり、図４（Ｂ）は、排気通路２の中心軸と直行する平面により切断した断面図である。図４（Ａ）は、図の左側が排気通路２の上流側、図の右側が排気通路２の下流側となり、矢印の方向に排気が流通する。また、図４（Ｂ）は、排気通路２の下流側から還元剤脱離装置９を見た図である。

還元剤脱離装置９は、排気通路２と同じ内径の筒９０、筒９０の上流端に設けられたフランジ９０ａ、筒９０の下流端に設けられたフランジ９０ｂ、筒９０に内接して設けられている内筒９０１を備えて構成されている。

筒９０は、外径は一定であるが、下流側の内径が上流側よりも大きくなるように、下流側が薄肉化されている。そして、内筒９０１は、筒９０の内径が小さい箇所、即ち、上流側で内嵌している。また、下流側では、筒９０の内壁面と内筒９０１の外壁面に隙間９０２ができる。

内筒９０１は、下流端の円周上に、下流に向かって突出する複数の尖形の突起９０１ａを有している。この突起９０１ａは、下流端が尖端となるように形成されている。また、突起９０１ａは、尖端が排気通路の中心軸側へ向かうように、根元から規定の角度折り曲げられている。即ち、隙間９０２は、下流ほど大きくなる。

このように構成された、還元剤脱離装置９では、突起９０１ａの尖端に還元剤が導かれるのは同じであるが、実施例１と比較して、排気通路２の中心軸により近い位置で還元剤が脱離されるため、還元剤が再び排気通路の壁面に付着し難い。また、突起９０１ａを排気通路の中心軸側へ折り曲げたことにより、排気通路の断面積が小さくなり、該突起９０１ａで排気の流速が増加する。これにより、実施例１と比較して還元剤が排気中に脱離されやすくなる。

排気中に脱離された還元剤は、蒸発しながら排気と共に排気絞り弁８を通過し、最後に、フィルタ３へ到達する。

このようにして、弁側軸８２の摺動部に還元剤が流入することを抑制し、且つ、フィルタ３へ必要とされる濃度の還元剤を供給することができる。

本実施例では、実施例１と比較して、還元剤脱離装置９の形状が異なる。その他の構成については、実施例１と同様なので説明を割愛する。

＜還元剤脱離手段の説明＞
ここで、本実施例による還元剤脱離手段の具体的な構成について説明する。

図５は、本実施例による排気絞り弁及び還元剤脱離装置の概略構成を示した図である。図５（Ａ）は、排気通路２の中心軸と直行する平面により切断した断面図であり、図５（Ｂ）は、排気通路２の中心軸を含む平面により切断した断面図である。図５（Ｂ）は、図の左側が排気通路２の上流側となり、図の右側が排気通路２の下流側となる。また、図５（Ａ）は、排気通路２の上流側から排気絞り弁を見た断面図であり、この断面上に還元剤脱離装置９を投影した図である。

筒９０の内壁には、下流へ進むほど該筒９０の中心側への突出量が増す突起９３が設けられている。この突起９３は、図５（Ａ）の網掛けで表されるように、排気通路２の上流側から該突起９３及び排気絞り弁８を見た場合、弁側軸８２が本体８０に支持されている箇所、即ち、弁側軸８２がブッシュ８４に支持されている箇所が突起９３により見えなくなるような位置に設ける。また、弁側軸８２が本体８０に支持されている箇所の直上流に突起９３を設けるとしても良い。なお、本実施例においては、突起９３は、板状の金属を曲げたものを筒９０に溶接しており、該突起９３は上流側で閉口し、下流側で開口する袋状となっている。

このように構成された、還元剤脱離装置９では、還元剤添加弁５から排気通路２内へ添加された還元剤の一部が、該排気通路２の内壁面に付着する。そして、この還元剤は、排気の流れにより下流へと流され、還元剤脱離装置９に到達する。還元剤脱離装置９では、先ず、還元剤が筒９０の内壁に沿って下流へと進む。そして、還元剤が突起９３に到達す
ると、突起９３上に還元剤が流れる。そして、突起９３の下流端から排気中へ還元剤が脱離される。排気中に脱離された還元剤は、蒸発しながら排気と共に排気絞り弁８を通過し、最後に、フィルタ３へ到達する。

このようにして、弁側軸８２の摺動部に還元剤が流入することを抑制し、且つ、フィルタ３へ還元剤を供給することができる。

尚、本実施例では、突起９３をダイヤフラム８５側（図５（Ａ）の左側）の１箇所に設けた例について説明したが、弁側軸８２が本体８０に支持されているもう一箇所（図５（Ａ）の右側）の摺動部の上流にも突起９３を設けても良い。また、還元剤が流れ得る箇所にのみ突起９３を設けるようにしても良い。

また、本実施例では、排気絞り弁８と還元剤脱離装置９とは、別々の部材として構成されているが、これに限らず、排気絞り弁８と一体的に形成しても良い。

さらに、弁側軸８２が地面と水平になるように、排気絞り弁８を車両に搭載されることが望ましい。このように、排気絞り弁８を搭載することにより、還元剤が重力の影響を受けて、排気通路２の地面に近い側、つまり下側へ流れたとしても、弁側軸８２の摺動部に該還元剤が流入することを抑制可能である。また、弁側軸８２が地面と水平にならず、排気通路２の中心軸を通る水平線よりも下方に摺動部が位置する場合には、その下方に位置する摺動部の直上流側にのみ突起９３を設けるようにしても良い。この場合、本実施例においては、突起９３をダイヤフラム８５側の１箇所に設けているため、ダイヤフラム８５側が前記水平線よりも下方に位置するように、排気絞り弁８及び還元剤脱離装置９を設置しても良い。

実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。 実施例による排気絞り弁の概略構成を示した図である。図２（Ａ）は、排気通路の中心軸と直行する平面により切断した断面図であり、図２（Ｂ）は、排気通路の中心軸を含む平面により切断した断面図である。 実施例１による還元剤脱離装置の概略構成を示した図である。図３（Ａ）は、排気通路の中心軸を含む平面により切断した断面図であり、図３（Ｂ）は、排気通路の中心軸と直行する平面により切断した断面図である。 実施例２による還元剤脱離装置の概略構成を示した図である。図４（Ａ）は、排気通路の中心軸を含む平面により切断した断面図であり、図４（Ｂ）は、排気通路の中心軸と直行する平面により切断した断面図である。 実施例３による排気絞り弁及び還元剤脱離装置の概略構成を示した図である。図５（Ａ）は、排気通路の中心軸と直行する平面により切断した断面図であり、図５（Ｂ）は、排気通路の中心軸を含む平面により切断した断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ パティキュレートフィルタ
５ 還元剤添加弁
６ 燃料ポンプ
７ 燃料供給路
８ 排気絞り弁
９ 還元剤脱離装置
１０ ＥＣＵ
８０ 本体
８１ 弁
８２ 弁側軸
８３ ダイヤフラム側軸
８４ ブッシュ
８５ ダイヤフラム
８６ リンク
８７ 通路
９０ 筒
９０ａ フランジ
９０ｂ フランジ
９１ 内筒
９１ａ 突起
９２ 隙間
９３ 突起
９０１ 内筒
９０１ａ 突起
９０２ 隙間

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられる吸蔵還元型ＮＯx触媒と、
   前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも上流の排気中へ還元剤を供給することにより該吸蔵還元型ＮＯx触媒へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   前記還元剤供給手段よりも下流で且つ前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも上流に備えられ、排気の流量を調整する排気絞り弁と、
   前記還元剤供給手段よりも下流で且つ前記排気絞り弁よりも上流に備えられ、該排気絞り弁よりも上流の排気通路の壁面に付着した還元剤を該排気通路の壁面から排気の流れ中に脱離させる還元剤脱離手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記還元剤脱離手段は、前記排気通路の壁面から該排気通路の下流側に向けて突出し且つ下流端が尖形となる複数の突起からなり、該突起の下流端は排気通路の壁面から離間されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記突起の下流端は、排気通路の中心軸側に向かって折り曲げられていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 内燃機関の排気通路に設けられる吸蔵還元型ＮＯx触媒と、
   前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも上流の排気中へ還元剤を供給することにより該吸蔵還元型ＮＯx触媒へ還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   前記還元剤供給手段よりも下流で且つ前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも上流に備えられ、排気通路の壁面を貫通し且つ回動可能な軸、及び該軸に支持され該軸を中心として回動する弁を有する排気絞り弁と、
   前記還元剤供給手段よりも下流で且つ前記排気絞り弁よりも上流であって、排気通路の壁面から排気通路の中心軸側へ突出し、この突出量が排気通路の下流側ほど大きくなる突起と、
   を備え、
   前記軸と前記排気通路の内壁面とが交差する箇所を通過し、且つ排気の流通方向と平行な線上に前記突起が備えられていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
   

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