JP4930796B2

JP4930796B2 - 排気ガス浄化装置及びディーゼルエンジン用排気管

Info

Publication number: JP4930796B2
Application number: JP2008099781A
Authority: JP
Inventors: 悟新田; 亮千代島
Original assignee: Sango Co Ltd
Current assignee: Sango Co Ltd
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2028-03-10
Also published as: JP2009216074A

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関に装着される排気ガス浄化装置及びディーゼルエンジン用排気管に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関に装着される排気ガス浄化装置として、排気ガス中に含まれる粒子状物質（パティキュレート・マター、以下、ＰＭと称す）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと称す）や、酸化触媒担体や、あるいはＮＯｘ還元触媒担体等の排気ガス浄化体を、排気流路に備えるものが知られている。

そして、排気ガス浄化装置の浄化性能の向上を図るべく、排気ガス中に添加剤を供給することが行われている。例えば、ＤＰＦの上流側に酸化触媒担体が設けられた排気ガス浄化装置においては、軽油を添加剤として排気ガス中に供給し、添加剤と酸化触媒との酸化反応熱により排気ガスの温度を６００℃以上に上昇させ、ＤＰＦに捕集されたＰＭを焼失しＤＰＦを再生することが行われている。

また、ＮＯｘ還元触媒担体が設けられた排気ガス浄化装置においては、例えば、還元剤の機能を有する尿素水等の添加剤を排気ガス中に供給することにより、ＮＯｘ還元触媒担体に吸蔵されたＮＯｘを還元して排気ガスを浄化することが行われている。

ところで、上記のように排気ガス中に添加剤を供給する場合、添加剤を排気ガス中に拡散及び均一混合し、排気ガス浄化体の上流側端面に混合ガスを均一に流入させ、浄化性能を向上させることが行われている。例えば、特許文献１には、排気ガス浄化体（還元触媒）よりも上流側の排気流路に添加剤供給手段（噴射ノズル）を設け、更に添加剤供給手段よりも上流側の排気流路に、排気流路の軸を中心として螺旋状に排気ガスを旋回させる旋回流発生手段を設けた排気ガス浄化装置が提案されている。特許文献１によれば、排気ガスを予め旋回状態にしたところに添加剤を供給するため、添加剤と排気ガスの混合が促進される。

また、特許文献２には、複数の流体反転ベーンを、流体の流れ方向に対し傾斜させて互い違いに組合わせ、流路断面に櫛歯状に配置した流体混合器が提案されている。

しかしながら、特許文献１及び２に記載の排気ガス浄化装置では、旋回流発生手段や流体混合器の構造が複雑であるため、添加剤と排気ガスとの均一な混合を調整することが難しく、混合が不十分となるおそれがあり、また、複数のフィンやベーンにより排気ガスの圧力損失が増大するおそれがある。
特許第３８９２４５２号公報実開昭５３−１５３２７２号公報

本発明は上記問題に鑑み、排気ガス中への添加剤の拡散性及び混合性に優れる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、排気流路に排気ガス浄化体を備え、該排気ガス浄化体よりも上流側の前記排気流路に旋回流発生手段と添加剤供給手段を備える排気ガス浄化装置において、単一のプレートからなる前記旋回流発生手段を、前記排気流路の軸に対し傾斜し、かつ、該軸を含んで前記排気流路の内面に架設することにより２つの分割流路を前記旋回流発生手段の両側に形成し、前記添加剤供給手段からの添加剤の供給方向を、前記排気流路の軸直交断面視において前記プレートの長手方向に対し直交させた。

２番目の発明では、排気流路に排気ガス浄化体を備え、該排気ガス浄化体よりも上流側の前記排気流路に旋回流発生手段と添加剤供給手段を備え、単一のプレートからなる前記旋回流発生手段を、前記排気流路の軸に対し傾斜し、かつ、該軸を含んで前記排気流路の内面に架設することにより２つの分割流路を前記旋回流発生手段の両側に形成し、前記添加剤供給手段からの添加剤の供給方向を、前記排気流路の軸直交断面視において前記プレートの長手方向に対し直交させた排気ガス浄化装置を、排気管の途中に備えるディーゼルエンジン用排気管である。

本発明によれば、排気ガス中への添加剤の拡散性及び混合性に優れる排気ガス浄化装置及びディーゼルエンジン用排気管を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図、図２は図１におけるＡ−Ａ線断面図、図３は排気ガスの流れを示す概念図、図４は図３におけるＢ−Ｂ線断面図、図５は図４に対する比較図、図６は本発明の第２の実施形態に係る排気ガス浄化装置のＡ−Ａ線断面図、図７は本発明の第３の実施形態に係る排気ガス浄化装置のＡ−Ａ線断面図、図８は本発明の第４の実施形態に係る排気ガス浄化装置のＡ−Ａ線断面図、図９は本発明の第５の実施形態に係る排気ガス浄化装置のＡ−Ａ線断面図、図１０は本発明の第６の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図、図１１は本発明の第７の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図、図１２は本発明の第８の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図、図１３は本発明の第９の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図である。

排気ガス浄化装置１の構成について、図１及び図２を参照して説明する。酸化触媒担体２とＤＰＦ３からなる排気ガス浄化体４が、ワイヤメッシュやアルミナ製マット等の図示しない保持部材を介してケーシング５に内装されている。ケーシング５の上流側（図の左側）は、テーパ状のコーン５ａが形成されており、そこに管状の排気流路６が接続されている。そして、添加剤供給手段７が、排気流路６にその軸６ａへ向けて（求心方向に）設けられている。また、旋回流発生手段８が、添加剤供給手段７よりも上流側の排気流路６に内装されている。

排気ガス浄化装置１は、例えば、ディーゼルエンジン用排気管の途中に備えることができる。

旋回流発生手段８は、図１に示すように、排気流路６の軸６ａに対し角度θだけ傾斜し、かつ、図２に示すように、排気流路６の軸６ａを含んで内面６ｂに架設される平板かつ矩形で単一（１個）のプレート８で構成され、プレート８を内面６ｂに架設することにより２つの分割流路９，１０が、プレート８の両側に形成される。そして、角度θは、３０°以上４５°以下が望ましく、θが３０°よりも小さいと後述する旋回流が十分に発生されにくくなり、排気ガスと添加剤の混合が十分に行われないおそれがあり、また、プレート８の全長が長くなるため排気流路が長尺となる問題が生じる。一方、θが４５°よりも大きいと排気ガスの圧力損失が増大するおそれがある。また、プレート８の幅Ｗは、排気流路の直径Ｄの１／３程度が望ましく、幅Ｗが１／３よりも小さいと後述する旋回流が十分に発生されにくくなり、排気ガスと添加剤の混合が十分に行われないおそれがあり、１／３よりも大きいと排気ガスの圧力損失が増大するおそれがある。

添加剤供給手段７は、排気流路６に固定された添加弁や噴射ノズル等であり、図１に示すように、排気流路６を貫通しプレート８に対し軸６ａ方向下流側（図中の右側）に離間して配置されている。また、図２に示すように、添加剤供給手段７は、軸６ａ直交断面視においてプレート８の長手方向に対し直交して添加剤が供給（噴射）されるよう配置されている。なお、添加剤供給手段７をプレート８に対し軸６ａ方向下流側に離間して配置することにより、プレート８に添加剤が付着することを回避することができる。

次に、本実施形態における排気ガスの流れ及び添加剤の混合について、図３及び図４を参照して説明する。図示しないディーゼルエンジン等の内燃機関から排出された排気ガスＧは、排気流路６に導入され軸６ａに対し傾斜したプレート８に衝突すると、プレート８を境界とする分割流路９，１０へ分流した後、内面６ｂに沿った旋回流Ｇ１，Ｇ２となる。旋回流Ｇ１，Ｇ２は、分割流路９，１０を通過した後、排気流路６の中心面６ｃにおいて互いに衝突し、中心面６ｃを境界面とした２方向の旋回流となる。ここで、プレート８と内面６ｂとの距離が近い領域（図４の上側及び下側）においては、排気ガスＧは内面６ｂに沿った旋回流Ｇ１，Ｇ２に変化するが、距離が遠い領域（図４の中側）においては、排気ガスＧは内面６ｂまで到達する力が弱く、旋回流Ｇ１，Ｇ２の影響を受けて小さな渦流ｇの発生にとどまる（排気流路に沿って旋回できるほど力が強くない）。そして、旋回流Ｇ１，Ｇ２と渦流ｇが入り交じった複雑な流れの状態にある排気ガス中に添加剤を供給することにより、添加剤が排気ガスに衝突し拡散するとともに排気ガス中に均一に混合される。

次に、プレート８に対する添加剤供給手段７からの添加剤の供給方向と混合性との関係について、図４及び図５を参照して説明する。図４に示すように、排気流路６の軸６ａ直交断面視において、添加剤供給手段７からの添加剤の供給方向Ｆを、プレート８の長手方向に対し直交させると、添加剤が旋回流Ｇ１，Ｇ２に対し直交して衝突し、その衝突エネルギにより添加剤が均一に拡散及び混合される。

一方、図５に示すように、添加剤供給手段７からの添加剤の供給方向Ｆを、プレート８の長手方向に対し平行に設定すると、添加剤が旋回流Ｇ１，Ｇ２の流れに乗るため、添加剤の貫徹力が弱まりにくく、添加剤が領域Ｈに偏りやすくなり、均一に拡散及び混合されないおそれがある。この偏りは、特に内燃機関が高負荷状態にある時、すなわち、旋回流の流速が速い状態時に顕著となる。

したがって、添加剤供給手段７からの添加剤の供給方向Ｆを、プレート８の長手方向に対し直交させるのがよい。

図６は本発明の第２の実施形態に係る排気ガス浄化装置のＡ−Ａ線断面図である。尚、第１の実施形態と同一態様部分には同一符号を付してその説明は省略する。

プレート１８は、その長手方向中央部に膨出部１８ａが一体的に形成されている。膨出部１８ａの形状及び面積は、排気ガスと添加剤の目標とする混合性に応じ適宜設定される。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られるとともに、排気ガスと添加剤の混合性を調整し最適化することができる。

図７は本発明の第３の実施形態に係る排気ガス浄化装置のＡ−Ａ線断面図である。尚、第１の実施形態と同一態様部分には同一符号を付してその説明は省略する。

プレート２８は、その長手方向にくびれ部２８ａと膨出部２８ｂが連続して一体的に形成されている。くびれ部２８ａと膨出部２８ｂの位置や形状及び面積は、排気ガスと添加剤の目標とする混合性に応じ適宜設定される。

図８は本発明の第４の実施形態に係る排気ガス浄化装置のＡ−Ａ線断面図である。尚、第１の実施形態と同一態様部分には同一符号を付してその説明は省略する。

プレート３８は、その長手方向にテーパ状に形成されている。テーパ形状は、排気ガスと添加剤の目標とする混合性に応じ適宜設定される。

図９は本発明の第５の実施形態に係る排気ガス浄化装置のＡ−Ａ線断面図である。尚、第１の実施形態と同一態様部分には同一符号を付してその説明は省略する。

プレート４８には貫通孔４８ａが穿設されている。貫通孔４８ａの数や大きさ及び配置は、排気ガスと添加剤の目標とする混合性や、圧力損失の値に応じ適宜設定される。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られるとともに、排気ガスと添加剤の混合性及び圧力損失を調整し最適化することができる。

図１０は本発明の第６の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図である。尚、第１の実施形態と同一態様部分には同一符号を付してその説明は省略する。

排気ガス浄化装置１１は、屈曲部５８ａを有するとともに軸６ａを対称軸として全体がくの字に屈曲したプレート５８を備えるものである。

本実施形態によれば、旋回流が初期において軸６ａを境界として図中の上側と下側とで異なる流れとなり、排気ガスと添加剤の混合性に優れる。

図１１は本発明の第７の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図である。尚、第１の実施形態と同一態様部分には同一符号を付してその説明は省略する。

排気ガス浄化装置２１は、長手方向に湾曲したプレート６８を備えるものである。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られる。

図１２は本発明の第８の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図である。尚、第１の実施形態と同一態様部分には同一符号を付してその説明は省略する。

排気ガス浄化装置３１は、排気流路６の曲がり部６ｄにプレート７８を備えるものである。曲がり部６ｄにおける湾曲した軸６ａに対する接線を仮想軸６ｅとし、仮想軸６ｅに対し角度θ量、傾斜してプレート７８が配置される。

図１３は本発明の第９の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図である。尚、第１の実施形態と同一態様部分には同一符号を付してその説明は省略する。

排気ガス浄化装置４１は、添加剤供給手段７がプレート８よりも上流側の排気流路６に設けられている。添加剤供給手段７と排気ガス浄化装置４の距離、すなわち、混合経路長を稼ぐことができ、添加剤の混合が促進される。

以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に包含される。プレートの形状、傾斜角度θ、幅Ｗ、板厚等は、混合性及び圧力損失に応じて任意に設定すればよい。また、プレートは平板に限定されるものではなく、波状や３次元的に異なる複数の面で構成される板や、幅Ｗ方向に湾曲、屈曲、傾斜した板でも構わない。また、プレートは中心面６ｃに対し非対称形であったり、オフセット配置しても構わない。また、ＤＰＦは、フィルタ上に貴金属触媒、活性酸素放出剤を担持させＮＯｘを低減させる機能を有するものを採用してもよい。また、添加剤は、軽油、尿素水やその他の還元剤等、特に限定されるものではない。

本発明の第１の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図図１におけるＡ−Ａ線断面図本発明の第１の実施形態に係る排気ガス浄化装置における排気ガスの流れを示す概念図図３におけるＢ−Ｂ線断面図図４に対する比較図本発明の第２の実施形態に係る排気ガス浄化装置のＡ−Ａ線断面図本発明の第３の実施形態に係る排気ガス浄化装置のＡ−Ａ線断面図本発明の第４の実施形態に係る排気ガス浄化装置のＡ−Ａ線断面図本発明の第５の実施形態に係る排気ガス浄化装置のＡ−Ａ線断面図本発明の第６の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図本発明の第７の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図本発明の第８の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図本発明の第８の実施形態に係る排気ガス浄化装置の縦断面図

符号の説明

１，２１，３１排気ガス浄化装置
２酸化触媒担体
３ＤＰＦ
４排気ガス浄化体
５ケーシング
６排気流路
６ａ軸
６ｂ内面
６ｃ中心面
７添加剤供給手段
８，１８，２８，３８，４８，５８，６８，７８プレート（旋回流発生手段）
９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６分割流路

Claims

排気流路に排気ガス浄化体を備え、該排気ガス浄化体よりも上流側の前記排気流路に旋回流発生手段と添加剤供給手段を備える排気ガス浄化装置において、
単一のプレートからなる前記旋回流発生手段を、前記排気流路の軸に対し傾斜し、かつ、該軸を含んで前記排気流路の内面に架設することにより２つの分割流路を前記旋回流発生手段の両側に形成し、前記添加剤供給手段からの添加剤の供給方向を、前記排気流路の軸直交断面視において前記プレートの長手方向に対し直交させたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
排気流路に排気ガス浄化体を備え、該排気ガス浄化体よりも上流側の前記排気流路に旋回流発生手段と添加剤供給手段を備え、単一のプレートからなる前記旋回流発生手段を、前記排気流路の軸に対し傾斜し、かつ、該軸を含んで前記排気流路の内面に架設することにより２つの分割流路を前記旋回流発生手段の両側に形成し、前記添加剤供給手段からの添加剤の供給方向を、前記排気流路の軸直交断面視において前記プレートの長手方向に対し直交させた排気ガス浄化装置を、排気管の途中に備えることを特徴とするディーゼルエンジン用排気管。