JP4502800B2 - 内燃機関の排ガス攪拌装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排ガス攪拌装置に係り、詳しくは内燃機関の排ガスを攪拌して排ガス中の成分の混合を促進する排ガス攪拌装置に関するものである。

例えば産業用ボイラでは、蒸気通路内を流通する蒸気に対して水をスプレー噴射して蒸気温度を低下させる蒸気温度低減器が設けられているが、効率的に蒸気温度を低下させるために攪拌装置により蒸気と水とを攪拌することで混合促進を図っている（例えば、特許文献１参照）。当該特許文献１に開示された技術では、蒸気通路内に配置した噴射ノズルを中心として攪拌装置の多数のベーンを周方向に列設し、蒸気通路内を流通する蒸気を各ベーンにより斜め方向に案内して旋回流を生起させ、この旋回流中に噴射ノズルから水を噴射して蒸気と水とを混合している。

一方、内燃機関では排ガス中の成分の混合促進を目的として排ガスの攪拌が要求される場合があり、例えばリーン運転によりリーンＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxをパージすべく排気通路に還元剤として燃料を供給したときには、排ガスと燃料との混合を促進してＮＯxパージが効率的に行われるように排ガスを攪拌することが望ましく、このような用途に上記攪拌装置を適用することが考えられる。
特開平８−４２８１１号公報（図１，２）

ところで、排ガスを効率よく攪拌するには旋回流の流速（即ち、旋回速度）を高める必要があるが、上記特許文献１の攪拌装置の構成では、ベーン角度を増加させて排ガスの流通方向をベーンにより急激に変更させる対処しかできないため圧力損失が増加し、旋回流の生起と圧力損失とはトレードオフの関係となってしまう。蒸気温度の低下のために単に蒸気を流通させるだけの産業用ボイラでは圧力損失が多少増加しても何ら問題は生じないが、内燃機関においては排ガスの圧力損失が機関性能に多大な影響を与え、しかも機関の運転状態に応じて排ガス流量と共に圧力損失が大幅に変化することから、圧力損失の増加による燃費悪化や出力低下等は無視できない問題となる。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、旋回流を生起させたときの圧力損失の増大を抑制した上で、旋回速度を高めて排ガスを効率よく攪拌することができる内燃機関の排ガス攪拌装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排気通路内に排ガス浄化装置と排ガス浄化装置の上流側から添加物を供給する添加物供給手段とを設けると共に、排ガスに旋回流を生起させる旋回流発生手段を設けた内燃機関の排ガス攪拌装置において、排気通路に大径部を形成すると共に大径部の下流側に大径部より小径の小径部を形成し、大径部と小径部とを大径部から小径部にかけて徐々に縮径する縮流部により接続し、大径部内に旋回流発生手段として周方向に配設した多数のベーンにより排ガスを斜め方向に案内するベーンプレートを設け、ベーンプレートの下流側に添加物供給手段を配設し、添加物供給手段が設けられる排気通路の径をベーンプレートが設けられる大径部の径より小さくしたものである。

従って、内燃機関の運転時には上流側の排気通路から大径部内に導入される排ガスがベーンプレートにより旋回流を生起し、排ガスが旋回流を保ったまま縮径部及び小径部を経て下流側の排気通路へと移送される。そして、旋回流は排ガス流速が低い大径部において生起されるため、旋回流を生起するときの圧力損失が低減され、一方、旋回流が縮流部を経て小径部に移行する過程で旋回速度が増加されることから排ガスが十分に攪拌され、排気通路内に添加物供給手段から添加物が供給されたとき、例えばＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxを放出・還元させるべく還元剤として燃料が供給されたとき等には、生起した旋回流により排ガスと燃料とが良好に混合されてＮＯxの放出・還元が効率よく行われる。

請求項２の発明は、請求項１において、添加物供給手段を小径部内に配設したものである。
従って、増速後の旋回流に向けて添加物供給手段から添加物が供給されて直ちに攪拌されるため、排気通路の内壁への添加物の付着を抑制して排ガスと添加物とが確実に混合される。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、大径部を排気通路上に設けられた前段排気浄化装置のケーシングに対して連続して形成したものである。
従って、排気浄化装置のケーシングを延設することで大径部が形成され、ケーシングとは独立して大径部を形成した場合に比較して構成が簡略化される。

以上説明したように請求項１の発明の内燃機関の排ガス攪拌装置によれば、排ガス流速が低い大径部で旋回流を生起させることにより圧力損失の増大を抑制できると共に、旋回流が縮流部を経て小径部に移行する過程で旋回速度を高めて排ガスを効率よく攪拌することができる。
請求項２の発明の内燃機関の排ガス攪拌装置によれば、請求項１に加えて、増速後の旋回流に向けて添加物を供給することにより排ガスと添加物とを確実に混合でき、もって排ガスの攪拌作用を一層向上させることができる。

請求項３の発明の内燃機関の排ガス攪拌装置によれば、請求項１及び２に加えて、排気浄化装置のケーシングと大径部とを一体化することで、その構成を簡略化することができる。

以下、本発明をリーンＮＯx触媒を備えたディーゼル内燃機関用の排ガス攪拌装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態の排ガス攪拌装置が適用されたディーゼル内燃機関を示す全体構成図であり、内燃機関１は直列６気筒機関として構成されている。内燃機関１の各気筒には燃料噴射弁２が設けられ、各燃料噴射弁２は共通のコモンレール３から加圧燃料を供給され、機関の運転状態に応じたタイミングで開弁して各気筒の筒内に燃料を噴射する。

内燃機関１の吸気側には吸気マニホールド４が装着され、吸気マニホールド４に接続された吸気通路５には、上流側よりエアクリーナ６、ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａ、インタクーラ８、アクチュエータ９ａにより開閉駆動される吸気絞り弁９が設けられている。又、内燃機関１の排気側には排気マニホールド１０が装着され、排気マニホールド１０には上記コンプレッサ７ａと同軸上に連結されたターボチャージャ７のタービン７ｂが接続されている。タービン７ｂには排気通路１１が接続され、排気通路１１には上流側からアクチュエータ１２ａにより開閉駆動される排気絞り弁１２、ＤＰＦ（排気浄化装置であり、ディーゼルパティキュレートフィルタの略称）１８、ベーンプレート１３（旋回流発生手段）、排気通路１１内に燃料を噴射するための燃料ノズル１４（添加物供給手段）、リーンＮＯx触媒１５、及び図示しない消音器が設けられている。

周知のようにＮＯx触媒１５は主としてＯ₂の存在する酸化雰囲気でＮＯｘを吸蔵し、主としてＨＣ，ＣＯの存在する還元雰囲気中でＮＯｘを放出・還元する機能を有する。排気マニホールド１０と吸気マニホールド４とはＥＧＲ通路１６を介して接続され、ＥＧＲ通路１６にはアクチュエータ１７ａにより開閉駆動されるＥＧＲ弁１７が設けられている。
内燃機関１の運転中においてエアクリーナ６を経て吸気通路５内に導入された吸気はターボチャージャ７のコンプレッサ７ａにより加圧された後にインタクーラ８、吸気絞り弁９、吸気マニホールド４を経て各気筒に分配され、各気筒の吸気行程で筒内に導入される。筒内では所定のタイミングで燃料噴射弁２から燃料が噴射されて圧縮上死点近傍で着火・燃焼し、燃焼後の排ガスは排気マニホールド１０を経てタービン７ｂを回転駆動した後に排気絞り弁１２、ＤＰＦ１８、ベーンプレート１３、燃料ノズル１４、ＮＯx触媒１５、消音器を経て外部に排出され、このとき排ガス中のパティキュレートがＤＰＦ１８により捕集されると共に、同じく排ガス中のＮＯxがＮＯx触媒１５により吸蔵され、これらの有害成分の大気中への放出が防止される。

上記吸気絞り弁９、排気絞り弁１２、ＥＧＲ弁１７の各アクチュエータ９ａ，１２ａ，１７ａ、燃料噴射弁２、燃料ノズル１４等は図示しないＥＣＵ（電子コントロールユニット）に接続され、センサ類からの検出情報に基づいてＥＣＵにより駆動制御される。例えばＥＣＵは機関回転速度や負荷に基づいて燃料噴射弁２の噴射量及び噴射時期を制御して内燃機関１を運転すると共に、アクチュエータ１７ａによりＥＧＲ弁１７の開度を制御して排気側から吸気側に還流されるＥＧＲ量を調整し、図示しないウエストゲートの開度を制御してターボチャージャ７の過給圧を調整する。

更に、ＥＣＵは機関の運転状態から求めたＮＯx量を逐次加算することでＮＯx触媒１５のＮＯx吸蔵量を推定し、推定したＮＯx吸蔵量が所定値に達したときには燃料ノズル１４から還元剤として燃料を噴射するＮＯxパージ処理を実施して、ＮＯx触媒１５に吸蔵されたＮＯxを放出・還元する。尚、ＮＯxパージ処理では吸気絞り弁９や排気絞り弁１２を適宜閉弁側に制御することにより排気流量を制限してＮＯxパージの効率化を図る。

そして、このＮＯxパージ処理では排ガスと燃料ノズル１４から噴射された燃料とが良好に混合するようにベーンプレート１３により排ガスが攪拌されており、以下、当該ベーンプレート１３を含む排ガス攪拌装置の構成について詳述する。
ＤＰＦ１８を収容しているケーシング１９はその直径を維持したまま排気下流側に延設され、ＤＰＦ１８の下流側に比較的径の大きな大径部２０を形成している。一方、より下流側の上記燃料ノズル１４が配置された排気通路１１の個所は大径部２０に比較して径が小さい小径部２１とされ、大径部２０の下流端と小径部２１の上流端とは、大径部２０から小径部２１にかけて次第に縮径する漏斗状をなす縮流部２２により連結されている。これらの大径部２０、縮流部２２、小径部２１は、排ガスにより生起された旋回流を妨害しないように断面真円状に形成されると共に、大径部２０から縮径部２２を経て小径部２１に移行するに従って直径（即ち、断面積）が連続的に変化するように形状設定されている。そして、本実施形態では大径部２０と小径部２１との直径の比率が２：１に設定されている。

上記ベーンプレート１３は大径部２０内の比較的ＤＰＦ１８に近接する上流位置に配置されている。例えばベーンプレート１３は円盤状の鋼板に周方向に多数のベーン１３ａをプレスにより折曲形成して製作され、大径部２０内で排ガス流通方向に対して直交するように配置されており、ＤＰＦ１８を流通後の排ガスを各ベーン１３ａにより斜め方向に案内して大径部２０内に旋回流を生起させるようになっている。そして、本実施形態では、上記大径部２０、縮流部２２、小径部２１、及びベーンプレート１３により排ガス攪拌装置が構成されている。

次に、以上のように構成された排ガス攪拌装置による旋回流の生起状況を説明する。
内燃機関１の運転時には、排気通路１１内を流通する排ガスがＤＰＦ１８を流通した後に大径部２０内に導入され、ベーンプレート１３の各ベーン１３ａにより旋回流が生起される。その後、排ガスは旋回流を保ったまま縮径部２２を経て小径部２１に到達し、上記したＮＯxパージ処理により燃料ノズル１４から燃料が噴射されているときには、旋回流を利用して排ガスと燃料とが良好に混合される。

そして、本実施形態では、このように流速が低い大径部２０内で旋回流を生起することにより圧力損失が軽減される一方、縮流部２２を経て小径部２１に移行する過程では、所謂旋回流の角運動量保存則に従って旋回流が増速することから、排ガスの攪拌に要する十分な旋回速度が実現され、以下、これらの現象について詳述する。
本実施形態の排ガス攪拌装置の構成は図２に示す模式図として表現でき、同図では、大径部２０で生起された角速度ω0（即ち、旋回速度）の旋回流が小径部２１に到達した時点で角速度ω1に変化した状態を示している。ここで、縮流部２２の絞り作用により生じる圧力損失は無視できるレベルのため考慮しないものとすると、このときの角速度ω0，ω1の関係は次式(1)により表される。

Ｉ0×ω0＝Ｉ1×ω1………(1)
ここに、Ｉ0は大径部２０での排ガスの慣性モーメント、Ｉ1は小径部２１での慣性モーメントである。
各慣性モーメントＩ0，Ｉ1は次式(2),(3)により表される。
Ｉ0＝ａ×Ｄ0²×ｍ0………(2)
Ｉ1＝ａ×Ｄ1²×ｍ1………(3)
ここに、ａは係数、Ｄ0は大径部２０の直径、Ｄ1は小径部２１の直径、ｍ0は大径部２０での排ガス質量、ｍ1は小径部２１での排ガス質量であり、式(2),(3)を式(1)に代入すると次式(4)が得られる。

ａ×Ｄ0²×ｍ0×ω0＝ａ×Ｄ1²×ｍ1×ω1………(4)
ここで、排ガスの質量流量は変化しないため（ｍ1＝ｍ2）、
ω1＝（Ｄ0／Ｄ1）²×ω0………(5)
を得ることができる。即ち、大径部２０から小径部２１に移行する過程で旋回流の流速は、大径部２０と小径部２１との直径の比率の二乗（Ｄ0／Ｄ1）²に比例し、直径比率が２：１に設定された本実施形態では旋回速度が４倍に増加されることになる。

一方、旋回流を大径部２０で生起した場合と小径部２１で生起した場合とに生じる圧力損失を比較すると、圧力損失は差圧ΔＰとして次式(6)により表される。
ΔＰ＝Ｃ・ρ・Ｖ²………(6)
ここに、Ｃは係数、ρは流体の密度、Ｖは流速であり、流量をＱ、通路断面積をＡとすると流速Ｖは次式(7)により表される。

Ｖ＝Ｑ／Ａ………(7)
よって、
ΔＰ＝Ｃ・ρ・（Ｑ／Ａ）²………(8)
が得られる。
従って、直径比率が２：１の場合には、小径部２１に対して大径部２０では通路断面積が４倍になる一方、流速Ｖは１／４になるため、差圧ΔＰ、即ち、旋回流の生起に伴う圧力損失は二乗の１／１６まで減少する。

そして、旋回速度が流速Ｖに比例すると仮定した場合、流速Ｖと共に旋回速度も１／４まで減少するが、上記のように旋回流が縮流部２２を経て小径部２１に移行する過程で旋回速度が４倍に増速されることから、結果として小径部２１で旋回流を生起させた場合と同等の旋回速度が実現される。
尚、以上の説明から明らかなように旋回速度の増速比率は大径部２０と小径部２１との直径比率によって決定されるため、より高い旋回速度を必要とする場合には直径比率を２：１から更に増加設定すれば、任意の旋回速度を得ることができる。

以上のように本実施形態の攪拌装置では、排ガス流速が低い大径部２０において旋回流を生起させた上で、縮流部２２を経て小径部２１に移行する過程で旋回流の旋回速度を増加させるため、排ガスの攪拌に要する旋回速度を実現した上で、旋回流を生起させるときの圧力損失を大幅に低減することができる。結果として一般にトレードオフの関係にある旋回流の生起と圧力損失とを高次元で両立でき、十分な旋回速度の旋回流により排ガスと燃料とを良好に混合してＮＯxパージを効率的に実施できると共に、旋回流を生起させるときの圧力損失を大幅に低減して、圧力損失による内燃機関１の性能低下を未然に防止できる。

更に、燃料ノズルを小径部２１に配置しているため、増速後の旋回流に向けて燃料が噴射されて直ちに攪拌されることになり、排気通路１１の内壁への燃料付着を抑制して排ガスと燃料とを一層確実に混合でき、この点もＮＯxパージの効率化に貢献する。
加えて、ＤＰＦ１８のケーシング１９を延設することで大径部２０を形成しているため、ケーシング１９とは独立して大径部２０を形成した場合に比較して構成を大幅に簡略化することができる。

ところで、本実施形態では鋼板に多数のベーン１３ａを形成したベーンプレート１３により旋回流を生起したが、旋回流発生手段はこれに限るものではなく、例えば図３，４に示すブロワ式として構成してもよい。以下に詳述すると、この別例でも大径部２０、縮流部２２、小径部２１は本実施形態と同じ形状及び位置関係に構成され、小径部に燃料ノズル１４が配置されている点も同様である。ＤＰＦ１８からの排気通路１１は、大径部２０に直交する方向から大径部２０の外周面の偏心位置に接続されており、ＤＰＦ１８を流通後の排ガスは大径部２０内で内周面に沿って旋回して旋回流を生起する。その後は実施形態と同じく、生起された旋回流が縮流部２２を経て小径部２１に移行する過程で旋回速度を増加されるため、圧力損失を抑制した上で十分な旋回流の旋回速度を実現できる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、リーンＮＯx触媒１５を備えたディーゼル内燃機関１用の排ガス攪拌装置に具体化したが、排ガスの攪拌を要する内燃機関であれば種別はこれに限らず、例えば尿素を利用してＮＯxを還元する選択還元型ＳＣＲ触媒を備えた内燃機関に適用し、上記実施形態と同一構成の攪拌装置により排ガスを攪拌して噴射ノズルから供給される尿素との混合を促進するようにしてもよい。又、リーンＮＯx触媒１５を備えたガソリンエンジンに適用してもよい。

更に、上記実施形態では攪拌装置の小径部２１内に燃料ノズル１４を配置したが、燃料ノズル１４の位置はこれに限定されることはなく、攪拌装置の大径部２０内に配置したり、或いはベーンプレート２１とＤＰＦ１８との間に空間を形成して燃料ノズル１４を配置したりしてもよい。

実施形態の排ガス攪拌装置が適用されたディーゼル内燃機関を示す全体構成図である。 攪拌装置による旋回流の生起を模式的に表した説明図である。 旋回流発生手段をブロワ式として構成した排ガス攪拌装置の別例を示す断面図である。 同じく排ガス攪拌装置の別例を示す図３のIV−IV線断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１１ 排気通路
１３ ベーンプレート（旋回流発生手段）
１４ 燃料ノズル（添加物供給手段）
１８ ＤＰＦ（排気浄化装置）
１９ ケーシング
２０ 大径部
２１ 小径部
２２ 縮流部

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路内に排ガス浄化装置と該排ガス浄化装置の上流側から添加物を供給する添加物供給手段とを設けると共に、排ガスに旋回流を生起させる旋回流発生手段を設けた内燃機関の排ガス攪拌装置において、
   上記排気通路に大径部を形成すると共に該大径部の下流側に大径部より小径の小径部を形成し、上記大径部と小径部とを該大径部から小径部にかけて徐々に縮径する縮流部により接続し、上記大径部内に上記旋回流発生手段として周方向に配設した多数のベーンにより排ガスを斜め方向に案内するベーンプレートを設け、該ベーンプレートの下流側に上記添加物供給手段を配設し、該添加物供給手段が設けられる排気通路の径を上記ベーンプレートが設けられる大径部の径より小さくしたことを特徴とする内燃機関の排ガス攪拌装置。
2. 上記添加物供給手段を上記小径部内に配設したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排ガス攪拌装置。
3. 上記大径部を上記排ガス浄化装置よりも上流の上記排気通路上に設けられた前段排気浄化装置のケーシングに対して連続して形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排ガス攪拌装置。

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