JP4807524B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒の反応に求められる添加剤の噴射を行う構造をもつ内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン車（車両）の排気ガスの浄化には、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）やＰＭ（パティキュレートマター）の大気への放出を防ぐために、ＮＯｘトラップ触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒やディーゼルパティキュレートフィルタなどを組み合わせた排気ガス浄化装置が用いられる。
こうした排気ガス浄化装置には、エンジンから排気された排気ガスを外部へ排気する排気管部内に、前段触媒と呼ばれる酸化触媒やＮＯｘトラップ触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒などの触媒を設け、触媒の上流側、例えば酸化触媒の上流に該触媒の反応に求められる燃料を噴射する燃料添加弁（添加剤を添加するもの）を設けた構造が採用されつつある。

このような排気ガス浄化装置で、前段触媒を効率よく反応させるためには、噴射された燃料を排気ガスと混合させて十分に霧化させることが重要である。
このためには、燃料添加弁と触媒間で十分な混合のための距離を確保することが求められる。
しかし、最近のようにエンジンの冷態時の浄化効率を高めるため、エンジンの排気側の近くで触媒の設置箇所を確保することが求められるようになると、混合距離が十分に確保しにくい。例えばエンジンルームの収まるエンジンの排気側の近くで、触媒の設置箇所を確保するためには、特許文献１に開示されているようにエンジンの排気側に、例えばＬ形に屈曲した屈曲部を有した排気管部を設けて、屈曲部から下流部分に触媒の設置場所を確保することが多い。
特開２００５−１２７２６０号公報

ところが、この触媒の設置を活かすためには、特許文献１のように触媒の直上流の地点、例えば屈曲部の外周側に燃料添加弁を設けることになる。このため、設置場所の制約などの理由から、燃料添加弁と触媒との間には、燃料と排気ガスとを混合させる距離が稼ぎにくい。
それ故、十分に霧化した燃料が触媒へ供給されないことがある。

特にエンジンから排気された排気ガスが低流量のとき、燃料添加弁から燃料を噴射する場合、排気ガスの温度は燃料の蒸発（気化）により下降しやすいので、燃料が十分に霧化されないまま、触媒へ供給されやすい。またエンジンから排気された排気ガスが高流量のときは、排気ガスの流速が高いために、燃料が十分に均一に霧化されないまま、触媒へ供給されるおそれがある。

このため、反応のための燃料は、有効に触媒へ供給され難く、触媒の機能が十分に発揮できないことがある。
そこで、本発明の目的は、添加噴射弁と触媒との間で十分に添加剤と排気ガスとを混合させるスペースが確保されなくとも、添加噴射弁から噴射された添加剤の霧化の促進が行える内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、添加剤の噴射領域に位置する添加剤滞留体は、エンジンの運転状態に応じて添加剤を受ける面積を変更可能で、添加剤噴射弁から噴射された添加剤の拡散を可能とした添加剤拡散姿勢と、添加剤拡散姿勢より添加剤を受ける面積が減少し添加剤の噴射領域で排気ガスとの衝突により渦流を発生可能とした渦流発生姿勢とに切換可能であり、かつエンジンから排気される排気ガスの排気ガスが低温のときは、渦流発生姿勢に切換わり、エンジンから排気される排気ガスが高温のときは、添加剤拡散姿勢に切換わることとした。
同構成により、添加剤を受ける面積をエンジンの運転状態に応じた所定の面積に変更できるため、適切な添加剤の霧化が行える。しかも、エンジンの運転状態に応じて、添加剤の衝突による拡散か、渦流による拡散かを選択できる。そのうえ、排気ガスの温度に応じ適切な姿勢となるよう、滞留制御体が、エンジンから排気される排気ガスが低温時のとき、渦流発生姿勢に切換わり、エンジンから排気される排気ガスが高温時のとき、添加剤拡散姿勢に切換わる。

請求項２に記載の発明は、上記姿勢切換えが簡単な構造で行えるよう、滞留制御体には、壁状部材を用い、壁状部材が、渦流発生姿勢のときは、添加剤噴射弁から噴射される添加剤の噴射流にならう向きに切換わり、添加剤拡散姿勢のときは、噴射流を遮る向きに切換わるようにした。

請求項３に記載の発明は、特に混合するスペースの確保が難しい、屈曲部の有る排気管部に、触媒や燃料添加弁を設けた排気ガス浄化装置において十分に作用効果が発揮されるよう、排気管部には、途中に屈曲部を有し、触媒は、屈曲部の直下流部分の排気管部分内に収められ、添加剤噴射弁は、屈曲部の外周側に配置されて、当該屈曲部の外周側から触媒に指向して噴射する。

請求項１の発明によれば、基本的に添加剤滞留体の添加剤を受ける面積が大きくすることで添加剤の霧化を促進するが、逆に添加剤滞留体の添加剤を受ける面積が大きいことにより添加剤の霧化を阻害する場合には添加剤を受ける面積を少なくすることができる。
しかも、添加剤の衝突による霧化と、渦流による霧化とを選択できるため、エンジンの運転状態に応じた制御が行える。

そのうえ、排気ガスが低いときには添加剤が添加剤滞留体に衝突したとしても、添加剤が添加剤滞留体に付着して霧化が促進されないため、渦流による霧化を行い、排気ガス温度が高いときには添加剤滞留体が高温となるため、この熱で添加剤の霧化を促進させることができる。
請求項２の発明によれば、壁状部材を用いた簡単な構造で、添加剤を滞留させる渦流発生姿勢と、燃料をライデンフロスト現象で拡散させる添加剤拡散姿勢とに切換えることができる。

請求項３の発明によれば、特に燃料添加弁と触媒との間で混合のスペースを確保することが難しい、屈曲部の有る排気管部に、触媒や添加剤噴射弁を設けた排気ガス浄化装置において有効なものとなる。

以下、本発明を図１〜図３に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１はディーゼルエンジン（内燃機関）の排気系を示し、同図中１は、ディーゼルエンジンのエンジン本体、１ａは同エンジン本体１のエキゾーストマニホールド（一部しか図示せず）、２はそのエキゾーストマニホールド１ａの出口に接続された過給機、例えばターボチャージャを示す。

ディーゼルエンジン１の排気側をなすターボチャージャ１ａの排気出口には、排気ガス浄化装置３が設けられている。この排気ガス浄化装置３には、例えば、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵し、定期的に吸蔵したＮＯｘを還元除去するＮＯｘ除去系３ａと、ＰＭ（パティキュレートマター）を捕集するＰＭ捕集系３ｂとを組み合わせた構造が用いられている。

例えば、ＮＯｘ除去系３ａには、ターボチャージャ１ａの排気出口から、下方へ向うように連結された、前段触媒となる酸化触媒（本願の触媒に相当）５が内蔵された触媒コンバータ６と、同触媒コンバータ６の後に横方向に連結された、ＮＯｘトラップ触媒８が内蔵された触媒コンバータ９と、後述する酸化触媒５へ燃料を供給する燃料添加弁２３（本願の添加剤噴射弁に相当）とを組み合わせた構成が用いられている。また捕集系３ｂには、触媒コンバータ９に、ディーゼルパティキュレートフィルタ１１が内蔵された触媒コンバータ１２を連結した構成が用いられている。これらの触媒コンバータ６，９，１２や同コンバータ間をつなぐ接続部１３などから、ディーゼルエンジンから排気された排気ガスを外部へ導く排気管部１５を構成している。

このうち触媒コンバータ６の酸化触媒５を収容している縦筒形のハウジング１７は、例えば上部側がＬ形に成形されていて、上部のターボチャージャ２と接続される入口部１７ａを横向きに配置させている。なお、触媒コンバータ９と連通する出口部１７ｂは、下向きの配置となっている。このハウジング１７により、排気管部１５のうち、ディーゼルエンジンの排気側の直後の地点に、Ｌ形に屈曲した屈曲部１５ａを形成している。またこの屈曲部１５ａの下部を触媒設置スペースとしている。この確保された触媒設置スペースのうちの屈曲部１５ａの直下流となる地点に酸化触媒５が設置してある。これにより、酸化触媒５を、エンジン本体１に近い地点に設置させている（エンジン冷態時の昇温性を高めるため）。

燃料添加弁２３は、例えば酸化触媒５への燃料の噴射を果たすために、酸化触媒５の直上流、例えば屈曲部１５ａの外周側の壁部に設けられている。燃料添加弁２３は、先端部に燃料噴射部２３ａをもつ。この燃料添加弁２３は、先端の燃料噴射部２３ａを屈曲部１５ａの内面から退避させて、ハウジング１７に形成した据付座２４に設置させてある。噴射方向は、酸化触媒５の入口端面の所定位置へ向くように定められていて、燃料噴射部２３ａから、酸化触媒５の反応に求められる添加剤としての燃料（例えばディーゼルエンジンの燃料である軽油など）が、酸化触媒５の入口端面へ向かって噴射されるようにしている。なお、据付座２４には、燃料噴射部２３ａから噴射された燃料をハウジング１７内へ導くためのポート２４ａが形成してある。

ここで、燃料添加弁２３から噴射される燃料は、酸化触媒５の反応により添加剤を生成し、この添加剤でＮＯｘトラップ触媒８に吸蔵されたＮＯｘやＳＯｘを還元除去したり、同じく酸化触媒５の反応で得られる昇温により、ディーゼルパティキュレートフィルタ１１で捕集したＰＭを燃焼除去したりするのに用いる。そのため、燃料添加弁２３は、ディーゼルエンジンを制御する制御部、例えばＥＣＵ２５によって、ディーゼルエンジンの運転中、ＮＯｘやＳＯｘの還元除去、ＰＭの燃焼除去といった、触媒反応が求められるときに燃料が噴射されるようにしてある。

一方、燃料添加弁２３と酸化触媒５との間となる、燃料添加弁２３から噴射された燃料の噴射範囲内、例えば燃料の噴射流αの先端側（燃料の貫徹力が弱い部位）が通る地点には、噴射した燃料を滞留させる燃料滞留体として、例えば可動式の滞留制御体３０が設けられている。この滞留制御体３０には、ディーゼルエンジンから排気される排気ガスの低温時や高温時に適した手法で、燃料を排気ガスに滞留させる構造が用いられている。

具体的には、滞留制御体３０は、例えば図１に示されるような先端側の噴射流部分に収まる大きさをもつ壁状部材３０ａで形成されている。この壁状部材３０ａの両端部（図１において手前と奥側となる端）の中央は、シャフト部材３１でハウジング１７の壁部に回動自在に支持されている。この支持により、壁状部材３０ａの全体は、屈曲部１５ａを流れる排気ガス流に対して回動できるようにしている。壁状部材３０ａは、図１中の実線で示す噴射流αの流れに合わせた状態を渦流発生姿勢Ａとし、図１中の二点鎖線で示す噴射流αに対して遮る方向に配置した状態を燃料拡散姿勢Ｂとしてある。そして、シャフト部材３１は、例えばリンク機構で構成される伝達機構３２を介して、ハウジング１７外に設置したアクチュエータ、例えばダイヤフラム式駆動装置３３に接続されていて、ダイヤフラム式駆動装置３３の作動により、壁状部材３０ａを渦流発生姿勢Ａあるいは燃料拡散姿勢Ｂに切換えられるようにしてある。ダイヤフラム式駆動装置３３は、制御部、例えばＥＣＵ２５に接続されている。このＥＣＵ２５で行われる制御を利用して、例えばディーゼルエンジンの運転状態のうち、排気ガスの流量が少ない運転時（低温時）のときには、図１中の実線で示すように壁状部材３０ａが、燃料を受ける面積が少ない渦流発生姿勢Ａ、すなわち噴射流αにならう向きに切換わり、排ガスの流量が多い運転時（高温時）のときには、図１中の二点鎖線で示すように壁状部材３０ａが、燃料を受ける面積が多い燃料拡散姿勢Ｂ、すなわち噴射流αを遮る向きに切換わるようにしてある。なお、燃料添加弁２３が屈曲部１５ａの外周側の壁部に設けられているため、燃料添加弁２３の噴射方向を酸化触媒５に指向させつつ、排気ガスが当たる方向とは異なる方向から壁状部材３０ａに燃料を当てることができる。このことにより燃料を受ける面積が最小となる渦流発生姿勢Ａでも、排気ガスを受ける面積を確保することができ渦流Ｓを発生させることができる。

この切換えにより、壁状部材３０ａが渦流発生姿勢Ａになると、排気ガス流との衝突により、壁状部材３０ａの後方の燃料噴射範囲に、渦流Ｓ（図２に図示）が発生する。燃料拡散姿勢Ｂになると、排気ガス流により高温に加熱された壁状部材３０ａが噴射流αを遮り、ライデンフロスト現象で、燃料を飛び散らせる体勢が整うようになっていて、低流量に適した、渦流Ｓで燃料を取り込む手法や、高流量に適した、ライデンフロスト現象で燃料を周囲に飛び散らせる手法により、燃料添加弁２３からの燃料が、ハウジング１７内（排気管部１５）に滞留されるようにしている。つまり、排気ガスの流量が少ない運転時に燃料拡散姿勢Ｂのままにしておくと、燃料を周囲に飛び散らせて霧化を促進させるように思えるが、排気ガス自体の温度も低いため噴射された燃料が液状のまま壁状部材３０ａに付着し、霧化を阻害してしまうことがある。この場合には渦流発生姿勢Ａに制御して渦流による霧化の方が好ましい。

つぎに、このように構成された排気ガス浄化装置の作用について説明する。
ディーゼルエンジンの運転中、ディーゼルエンジンから排気された排気ガスは、エキゾーストマニホールド１ａ、ターボチャージャ２、酸化触媒５、ＮＯｘトラップ触媒８およびパティキュレートフィルタ１１を通じて、外気へ排気される。
このとき、排気ガス中に含まれるＮＯｘは、ＮＯｘトラップ触媒８に吸蔵され、同じくＰＭは、パティキュレートフィルタ１１により捕集される。

ここで、ディーゼルエンジンの運転状態が、低流量の排気ガスで排気される運転状態であると、図２に示されるように滞留制御体３０は、渦流発生姿勢Ａ、すなわち燃料添加弁２３から噴射される噴射流αの噴射軌跡に沿って配置される。この状態では、排気ガスが、滞留制御体３０と衝突しながら、屈曲部１５ａを流れるので、滞留制御体３０の後方の燃料噴射範囲には渦流Ｓが生ずる。

このとき、吸蔵されたＮＯｘや捕集されたＰＭを除去する時期となり、燃料噴射部２３ａから、これらの除去のために燃料が噴射されたとする。
すると、燃料は、燃料噴射部２３ａからコーン状に拡がりながら、酸化触媒５の入口端面へ噴射される。
このとき、渦流Ｓは、燃料の噴射流αの先端側が通る地点で生じているから、燃料の一部あるいは大部分は、渦流Ｓに取り込まれ、排気ガス中を滞留する。この滞留している間、燃料の霧化（蒸発）は進む。

排気ガスの低温時は、燃料は霧化しにくいが、渦流Ｓがもたらす燃料の滞留によって、排気ガスと接触する期間が多く確保されるので、そのような状況でも、燃料の霧化が有効に進む。この霧化により、添加剤が生成される。
この添加剤が、酸化触媒５へ供給され、酸化触媒５や、その下流のＮＯｘトラップ触媒８やパティキュレートフィルタ１１を反応させる。

またディーゼルエンジンの運転状態が、高流量の排気ガスで排気される運転状態であると、図３に示されるように滞留制御体３０は、燃料拡散姿勢Ｂ、すなわち燃料添加弁２３から噴射される噴射流αの噴射軌跡を遮る横方向の向きに切換わる。この状態では、滞留制御体３０は、多量の排気ガスの熱により加熱されているから、滞留制御体３０の全体は高温化する。

このとき、吸蔵されたＮＯｘや捕集されたＰＭを除去する時期となり、燃料噴射部２３ａから、これらの除去のために燃料が噴射されたとする。
すると、燃料は、燃料噴射部２３ａからコーン状に拡がりながら、酸化触媒５の入口端面へ噴射される。
このとき、燃料の噴射流αは、途中で滞留制御体３０と衝突する。すると、滞留制御体３０、排気ガスで高温に熱せられているから、表面でライデンフロスト現象が生じ、噴射された燃料が、図３中のＣ矢印のように周囲へ飛び散り、燃料を広範囲にかつ細かく拡散させる。

これにより、噴射された燃料は、排気ガス中に滞留する。この滞留している間、燃料の霧化（蒸発）は進む。これにより、混合する期間が確保されるので、排気ガスの流速が高くとも、燃料は均一に霧化される。そして、生成された添加剤が、酸化触媒５へ供給され、同様に、酸化触媒５や、その下流のＮＯｘトラップ触媒８やＤＰＦ１１を反応させる。
したがって、たとえ燃料添加弁２３と酸化触媒５（触媒）との間で十分に燃料と排気ガスとを混合させる距離やスペースが確保されなくとも、滞留制御体３０の燃料を受ける面積の変更により、エンジンの運転に応じた所定の面積に変更することができ、燃料の適切な霧化が行える。
それ故、有効に燃料を酸化触媒５（触媒）へ供給することができ、排気ガス浄化装置３の排気ガス浄化性能を十分に発揮させることができる。加えて、滞留制御体３０は、添加剤の衝突による拡散か、渦流による選択が行えるので、エンジンの運転に応じた制御が十分に行える。

しかも、排気ガスの低流量時は、渦流Ｓに燃料を取り込んで滞留させるという、排気ガスの低流量時（低温）に適した手法で、燃料の霧化を促進し、排気ガスの高流量時（高温）は、ライデンフロスト現象を用いて、燃料を周囲に飛び散らせて、排気ガス中に滞留させるという、排気ガスの高流量時に適した手法で、燃料の霧化を促進させたので、ディーゼルエンジンの運転状態に応じた燃料の霧化ができ、有効な燃料の霧化が期待できる。

そのうえ、滞留制御体３０には、壁状部材３０ａを用い、その向きを切換えるという構造が用いてあるので、簡単な構造ですむ。
特に十分な噴射距離を確保することが難しい、屈曲部１５ａの有る排気管部１５に、酸化触媒５（触媒）や燃料添加弁２３を組み込む構造の排気ガス浄化装置３には有効である。

なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば一実施形態では、滞留制御体として、壁状部材を用いた例を挙げたが、これに限らず、他の形状や構造でもよい。また一実施形態では、排気ガスの低流量時や高流量時の制御として、エンジンの運転を制御するＥＣＵを用いて行う構造を例に挙げたが、これに限らず、例えば滞留制御体自身の温度を、同滞留制御体を支持するシャフト部材を通じて温度センサで検出して、低流量に相当する温度センサの検出温度（排気ガスが低流量であれば：低、排気ガスが高流量であれば：高）を用いても良く、制御の手法はいずれでもでもよい。

また一実施形態では、屈曲部の直下流の触媒として酸化触媒を用い、その下流にＮＯｘトラップ触媒、パティキュレートフィルタを設けた排ガス浄化装置に本発明を適用した例を挙げたが、これに限らず、他の浄化方式の排気ガス浄化装置、例えば屈曲部の直下流の触媒としてＮＯｘトラップ触媒を用い、その下流にパティキュレートフィルタを設け、ＮＯｘトラップ触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置でも、屈曲部の直下流の触媒としてＮＯｘトラップ触媒を用い、その下流にＮＯｘトラップ触媒、酸化触媒、パティキュレートフィルタを設け、ＮＯｘトラップ触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置や添加剤噴射弁の直下流に選択還元型触媒やパティキュレートフィルタを設けた排気ガス浄化装置などでもよい。

また、一実施形態では、触媒の直上流に屈曲部を設け、屈曲部から仕切壁が延びているが、触媒の直上流がストレートな排気管部分、例えば屈曲部と触媒上流端との間に形成されるストレート部分に仕切壁を設けても良い。
さらに、上述した一実施形態では、添加剤として燃料を用いて説明したが、触媒に供給するものであれば何でもよく、例えば添加剤としての軽油，ガソリン，エタノール，ジメチルエーテル，天然ガス，プロパンガス，尿素，アンモニア，水素，一酸化炭素などでもよい。また、添加剤以外の物質でもよく、例えば触媒冷却のための空気，窒素，二酸化炭素などや，パティキュレートフィルタに捕集した煤の燃焼除去を促進させるための空気やセリアなどでもよい。また、燃料添加弁２３の噴射形状としてはコーン状の他に偏平で扇状に拡がる添加剤噴射弁や複数の噴射孔より添加剤が噴射される添加剤噴射弁でもよい。

本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の構造を示す一部断面した側面図。 排気ガスの低流量時における燃料の噴射状態を説明する一部断面した側面図。 排気ガスの高流量時における燃料の噴射状態を説明する一部断面した側面図。

符号の説明

１ エンジン本体
３ 排気ガス浄化装置
５ 酸化触媒（触媒）
１５ 排気管部
１５ａ 屈曲部
２３ 燃料添加弁（添加剤噴射弁）
３０ 滞留制御体（添加剤滞留体）
３３ 駆動装置

Claims (3)

1. エンジンから排気された排気ガスを外部へ導く排気管部と、
   前記排気管部内に収められた触媒と、
   前記触媒から直上流の排気管部分に設けられ、前記触媒へ添加剤を供給する添加剤噴射弁と、
   前記触媒と前記添加剤噴射弁との間に設けられ、前記添加剤噴射弁から噴射された添加剤の噴射領域に位置する添加剤滞留体とを備え、
   前記添加剤滞留体は、前記エンジンの運転状態に応じて添加剤を受ける面積を変更可能で、前記添加剤噴射弁から噴射された添加剤の拡散を可能とした添加剤拡散姿勢と、前記添加剤拡散姿勢より添加剤を受ける面積が減少し添加剤の噴射領域で排気ガスとの衝突により渦流を発生可能とした渦流発生姿勢とに切換可能であり、かつエンジンから排気される排気ガスの排気ガスが低温のときは、前記渦流発生姿勢に切換わり、エンジンから排気される排気ガスが高温のときは、前記添加剤拡散姿勢に切換わる
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 前記滞留制御体は、壁状部材から構成され、
   前記壁状部材が、前記渦流発生姿勢のときは、添加剤噴射弁から噴射される添加剤の噴射流にならう向きに切換わり、前記添加剤拡散姿勢のときは、前記噴射流を遮る向きに切換わる
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
3. 前記排気管部は、途中に屈曲部を有し、
   前記触媒は、前記屈曲部の直下流部分の排気管部分内に収められ、
   前記添加剤噴射弁は、前記屈曲部の外周側に配置されて、当該屈曲部の外周側から前記触媒に指向して添加剤が噴射される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。

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