JP5567510B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気を浄化するために、例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）などの排気浄化部材が用いられている。このような排気浄化部材は、活性を維持するために十分な温度を必要とする。そのため、排気通路における排気の流れ方向において排気浄化部材の上流側には、燃焼触媒などの燃焼補助部材が設けられている（特許文献１、２参照）。この燃焼補助部材は、さらに上流側に設けられた添加剤供給部から供給された燃料などの添加剤の燃焼を補助する。このように添加剤供給部から供給された添加剤を燃焼することにより、排気通路を流れる排気の温度が上昇し、排気浄化部材は排気によって活性を維持する温度に加熱される。

しかしながら、このような燃焼補助部材の下流側に設けられている排気浄化部材に加熱した排気を供給する場合、排気浄化部材の径方向に温度のばらつきが生じる。燃焼補助部材は、排気通路を流れる排気の抵抗を低減するために排気浄化部材に比較して小径に形成されている。そのため、排気通路の径方向において中心付近に燃焼補助部材を配置すると、この延長線上に位置する排気浄化部材の径方向中心付近は温度が上昇するものの、排気浄化部材の径方向外側は温度の上昇が鈍くなる。その結果、排気浄化部材は、径方向に温度の分布が生じる。このように、排気浄化部材に温度の分布が生じると、排気浄化部材の能力の低下を招いたり、温度の分布による熱応力によって排気浄化部材の破損を招くという問題がある。

特開２０１０−５９８８６号公報 特開２０１０−８４７１０号公報

そこで、本発明の目的は、排気浄化部材の温度の分布を低減することにより、排気浄化部材の能力の維持し、排気浄化部材の破損を低減する排気浄化装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、旋回力付与部材は、排気通路を形成する排気管部材と添加剤の燃焼を補助する燃焼補助部材との間に設けられている。旋回力付与部材は、燃焼補助部材の外周側における排気の流れに旋回力を付与する。そのため、燃焼補助部材の外周側を通過した排気は、燃焼補助部材の下流側すなわち排気浄化部材の上流側で旋回流を形成する。その結果、燃焼補助部材の外周側を通過した排気と燃焼補助部材における添加剤の燃焼によって生成した燃焼ガスとは、混合された後、排気浄化部材に流入する。これにより、排気浄化部材に流入する排気は温度の分布が小さくなり、排気によって加熱される排気浄化部材も径方向への温度分布が低減される。したがって、簡単な構造で排気浄化部材の能力を十分に維持することができるとともに、温度の分布にともなう排気浄化部材の破損を低減することができる。

また、請求項１記載の発明では、燃焼補助部材の外周側を通過する排気に旋回力を付与することにより、この外周側を通過した排気と燃焼によって生成した燃焼ガスとは容易に混合される。すなわち、排気の混合のために、燃焼補助部材と排気浄化部材との間に確保すべき距離は低減される。そのため、燃焼補助部材と排気浄化部材とは近接して配置され、排気通路の延長や排気管部材の大型化を招かない。したがって、小型化を図りつつ、排気浄化部材の温度の分布を小さくすることができる。

請求項２記載の発明では、補助リング部材は、径方向内側に燃焼補助部材を支持し、内周壁と燃焼補助部材との間に旋回力付与部材を有している。これにより、燃焼補助部材および旋回力付与部材は、補助リング部材とともに排気管部材と別体でユニット化される。そのため、燃焼補助部材および旋回力付与部材は、排気管部材への取り付けが容易になる。したがって、取り扱いおよび取り付けを容易にすることができる。

請求項１記載の発明では、旋回力付与部材は、径方向の内周側が燃焼補助部材との間に隙間を形成している。すなわち、旋回力付与部材は、燃焼補助部材と接していない。そのため、旋回力付与部材は、燃焼補助部材の影響を受けることなく設計の自由度が向上する。したがって、旋回流の形成能力を高めることができるので、排気浄化部材の温度の分布の低減を図ることができ、信頼性も高めることができる。

第１実施形態による排気浄化装置の構成を示す模式図 第１実施形態による排気浄化装置の要部を示す部分断面図 図２のIII−III線における断面を示す断面図 第２実施形態による排気浄化装置の図２に相当する図 図４のＶ−Ｖ線における断面を示す断面図 第３実施形態による排気浄化装置の図２に相当する図 図６のVII−VII線における断面を示す断面図 第４実施形態による排気浄化装置の図３に相当する断面図 第５実施形態による排気浄化装置を示す概略斜視図

以下、排気浄化装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１に示すように第１実施形態による排気浄化装置１０は、排気管部材１１、排気浄化部材１２、燃焼補助部材１３および旋回力付与部材１４を備えている。排気管部材１１は、内側に排気通路１５を形成している。排気管部材１１が形成する排気通路１５は、一方の端部が内燃機関１６に接続し、他方の端部が大気に開放されている。排気浄化部材１２および燃焼補助部材１３は、この排気管部材１１が形成する排気通路１５に設けられている。排気通路１５には、排気の温度を検出する温度センサ１７が設けられている。また、排気通路１５は、内燃機関１６と排気浄化部材１２との間の排気通路１５に、過給器２１のタービン２２が設けられている。過給器２１のタービン２２は、排気通路１５を流れる内燃機関１６の排気によって回転する。タービン２２の回転は、図示しないシャフトを経由して図示しない吸気通路に設けられている図示しないコンプレッサへ伝達される。これにより、吸気通路を経由して内燃機関１６に吸入される吸気は、コンプレッサによって圧縮される。内燃機関１６は、例えば軽油を燃料とするディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジンは、軽油に限らず、各種アルコール類、エーテル類あるいは生物由来の油脂など適用可能な任意の燃料を用いることができる。なお、内燃機関１６は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンやガスタービンエンジンであってもよい。

排気浄化部材１２は、例えばＤＯＣやＤＰＦなどのフィルタや触媒である。ＤＯＣは、排気に含まれる未燃焼の燃料や不完全燃焼によって生成する一酸化炭素などを酸化する。ＤＰＦは、排気に含まれるＰＭ（Particulate Matter）を捕集する。ＤＯＣおよびＤＰＦは、例えばセラミックスなどの多孔体で形成されている。ＤＯＣおよびＤＰＦは、多孔体の担体に例えば金属などの活性層をコーティングしてもよい。

燃焼補助部材１３は、排気通路１５における排気の流れ方向において排気浄化部材１２の上流側すなわち排気浄化部材１２の排気入口側に設けられている。この燃焼補助部材１３のさらに上流側には、添加剤噴射部２３が設けられている。添加剤噴射部２３は、例えば内燃機関１６の燃料などを添加剤として排気通路１５を流れる排気に噴射する。なお、添加剤は、内燃機関１６の燃料に限らない。燃焼補助部材１３は、添加剤噴射部２３から噴射された添加剤の燃焼を促す触媒である。燃焼補助部材１３で添加剤を燃焼させることにより、排気浄化部材１２に流入する排気の温度は上昇する。排気の温度が比較的高いとき、添加剤噴射部２３から排気に噴射された添加剤は、燃焼補助部材１３において燃焼し、排気浄化部材１２に流入する排気を加熱する。一方、排気の温度が比較的低いとき、添加剤噴射部２３から排気に噴射された添加剤は、燃焼補助部材１３において十分に燃焼しないことがある。そのため、添加剤噴射部２３と燃焼補助部材１３との間にグロープラグ２４を設けてもよい。グロープラグ２４は、図示しないバッテリからの電力によって発熱する。これにより、添加剤噴射部２３から噴射された添加剤は、一部がグロープラグ２４によって着火し、温度が上昇した状態で燃焼補助部材１３に流入する。これにより、燃焼補助部材１３の温度が上昇し、添加剤噴射部２３から噴射された添加剤の燃焼は促進される。

燃焼補助部材１３は、支持部材２５によって排気管部材１１が形成する排気通路１５に支持されている。支持部材２５は、図２および図３に示すように燃焼補助部材１３から放射状に周方向へ複数設けられている。支持部材２５は、排気管部材１１の径方向に伸びており、一方の端部が燃焼補助部材１３の外周壁３１に接続し、他方の端部が排気管部材１１の内周壁３２に接続している。これにより、燃焼補助部材１３は、排気管部材１１の内側に固定されている。

旋回力付与部材１４は、燃焼補助部材１３の外周側に径方向外側へ突出して設けられている。燃焼補助部材１３は、排気通路１５における排気の流れを妨げないように排気通路１５の内径に比較して小さな外径を有している。すなわち、燃焼補助部材１３は、外径を排気通路１５の内径よりも小さくすることにより、排気の抵抗を低減している。そのため、燃焼補助部材１３の外周壁３１と排気通路１５を形成する排気管部材１１の内周壁３２との間には、排気通路１５の一部となる隙間３３が形成されている。旋回力付与部材１４は、この燃焼補助部材１３の外周壁３１と排気管部材１１の内周壁３２との間の隙間３３に設けられている。旋回力付与部材１４は、フィン状であり、燃焼補助部材１３の軸方向において緩い螺旋状に形成されている。旋回力付与部材１４は、周方向において放射状に設けられている。具体的には、旋回力付与部材１４は、燃焼補助部材１３の周方向において支持部材２５の間に複数設けられている。旋回力付与部材１４は、燃焼補助部材１３の軸方向の全長にわたって形成してもよく、燃焼補助部材１３の軸方向の全長の一部に形成してもよい。

排気通路１５を流れる排気は、一部が燃焼補助部材１３を通過して、残部が燃焼補助部材１３の外周側すなわち隙間３３を通過して排気浄化部材１２へ流入する。燃焼補助部材１３に旋回力付与部材１４を設けることにより、隙間３３を通過する排気は、旋回力付与部材１４によって燃焼補助部材１３の外周側を周方向へ旋回する。これにより、隙間３３を通過する排気は、排気通路１５の軸を中心とした旋回力が付与される。

このように燃焼補助部材１３の外周側に旋回力付与部材１４を設けることにより、燃焼補助部材１３の外周側すなわち隙間３３を通過する排気は、排気通路１５の軸を中心とする旋回力が付与される。そのため、燃焼補助部材１３の外周側を通過する排気は、燃焼補助部材１３の出口側すなわち排気浄化部材１２の入口側で流れに乱れを生じる。その結果、燃焼補助部材１３を通過して添加剤の燃焼によって温度が上昇した排気は、燃焼補助部材１３の外周側の隙間３３を通過した排気と排気浄化部材１２の入口側で混合される。これにより、排気浄化部材１２へ流入する排気は、排気通路１５の径方向おいて温度が均一化され、排気浄化部材１２の径方向における温度の分布が小さくなる。

上述の排気浄化装置１０の作動について説明する。
内燃機関１６の始動直後あるいは低負荷での運転時のように排気の温度が低いとき、排気浄化装置１０は添加剤噴射部２３から添加剤を噴射しつつグロープラグ２４に通電する。このとき、排気の温度は、温度センサ１７によって検出される。そして、排気浄化装置１０は、排気の温度が例えば２５０℃以下であればグロープラグ２４に通電する。これにより、添加剤噴射部２３から噴射された添加剤は、一部がグロープラグ２４によって着火し、燃焼補助部材１３に流入する。その結果、添加剤噴射部２３から噴射された添加剤は、グロープラグ２４による着火、および燃焼補助部材１３による燃焼によって排気を加熱する。加熱された排気は、燃焼補助部材１３の外周側の隙間３３を通過した排気と混合され、排気浄化部材１２へ流入する。

一方、内燃機関１６の負荷が比較的大きな運転時のように排気の温度が比較的高いとき、排気浄化装置１０は添加剤噴射部２３から添加剤を噴射するとともに、グロープラグ２４への通電を停止する。排気浄化装置１０は、例えば排気の温度が２５０℃を超えているとき、グロープラグ２４への通電を停止する。これにより、添加剤噴射部２３から噴射された添加剤は、グロープラグ２４によって着火することなく、燃焼補助部材１３で自発的に燃焼する。そのため、排気は、燃焼補助部材１３における添加剤の燃焼によって加熱される。加熱された排気は、燃焼補助部材１３の外周側の隙間３３を通過した排気と混合され、排気浄化部材１２へ流入する。この場合、燃焼補助部材１３において一旦添加剤の燃焼が生じると、燃焼補助部材１３は活性を生じる温度に維持される。そのため、例えば燃焼補助部材１３に流入する排気の温度が１５０℃程度まで低下しても、燃焼補助部材１３はグロープラグ２４による着火を必要とすることなく添加剤の燃焼を維持する。
さらに、内燃機関１６の高負荷での運転時のように排気の温度が十分に高いとき、燃焼補助部材１３による排気の加熱は不要である。そのため、排気の温度が十分に高いとき、排気浄化装置１０は、添加剤噴射部２３からの添加剤の噴射を停止する。

以上説明した第１実施形態では、旋回力付与部材１４は、燃焼補助部材１３の外周側において隙間３３を通過する排気の流れに旋回力を付与する。そのため、燃焼補助部材１３の外周側を通過した排気は、燃焼補助部材１３の下流側すなわち排気浄化部材１２の上流側で旋回流を形成する。その結果、燃焼補助部材１３の外周側の隙間３３を通過した排気と燃焼補助部材１３における添加剤の燃焼によって生成した燃焼ガスとは、混合された後、排気浄化部材１２に流入する。これにより、排気浄化部材１２に流入する排気は温度の分布が小さくなり、排気によって加熱される排気浄化部材１２も径方向への温度分布が低減される。したがって、簡単な構造で排気浄化部材１２の能力を十分に維持することができるとともに、温度の分布にともなう排気浄化部材１２の破損を低減することができる。

また、第１実施形態では、燃焼補助部材１３の外周側の隙間３３を通過する排気に旋回力を付与することにより、隙間３３を通過した排気と燃焼によって生成した燃焼ガスとは容易に混合される。すなわち、排気の混合のために、燃焼補助部材１３と排気浄化部材１２との間に確保すべき距離は低減される。そのため、燃焼補助部材１３と排気浄化部材１２とは近接して配置することができ、排気通路１５の延長や排気管部材１１の大型化を招かない。したがって、小型化を図りつつ、排気浄化部材１２の温度の分布を小さくすることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による排気浄化装置を図４および図５に示す。
図４および図５に示すように第２実施形態の排気浄化装置１０の場合、旋回力付与部材１４は、燃焼補助部材１３の外周壁３１から径方向外側へ突出するとともに、外周側の端部が排気管部材１１の内周壁３２に接続している。すなわち、旋回力付与部材１４は、排気管部材１１の径方向において、内周側の端部が燃焼補助部材１３の外周壁３１に固定され、外周側の端部が排気管部材１１の内周壁３２に固定されている。これにより、旋回力付与部材１４は、燃焼補助部材１３を排気管部材１１が形成する排気通路１５の内側に支持している。すなわち、第２実施形態の場合、旋回力付与部材１４は、燃焼補助部材１３を支持する支持部材としても機能する。

第２実施形態では、旋回力付与部材１４は、外周側の端部が対向する排気管部材１１に固定されている。これにより、旋回力付与部材１４は、支持部材として燃焼補助部材１３を排気管部材１１の内周側に支持している。その結果、燃焼補助部材１３の外周側において燃焼補助部材１３と排気管部材１１との間に設けられる部品が低減される。したがって、排気は燃焼補助部材１３の外周側の隙間３３を通過しやすくなり、隙間３３を通過する排気の抵抗を低減することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による排気浄化装置を図６および図７に示す。
図６および図７に示すように第３実施形態の排気浄化装置１０の場合、旋回力付与部材１４は、例えば薄板状の部材や板ばねなどのように弾性変形可能な材料、すなわち「ばね」として機能する材料で形成されている。旋回力付与部材１４は、第２実施形態と同様に径方向の端部が燃焼補助部材１３および排気管部材１１に固定されている。そのため、排気管部材１１に支持されている燃焼補助部材１３は、内燃機関１６の運転や排気の圧力変化によって常に振動する。また、排気通路１５に設けられている燃焼補助部材１３は、温度が広範囲に変化するため、膨張や収縮によって寸法が変化する。このように振動ならびに膨張または収縮が繰り返されると、旋回力付与部材１４の径方向の両端部、すなわち他の部材との接続部分には応力が加わる。

第３実施形態では、燃焼補助部材１３を支持する旋回力付与部材１４を弾性変形可能な材料で形成することにより、振動や寸法変化にともなう燃焼補助部材１３と排気管部材１１との相対的な位置の変化は、旋回力付与部材１４の変形によって吸収される。そのため、旋回力付与部材１４の両端部、すなわち排気管部材１１および燃焼補助部材１３との接続部分に加わる応力は緩和される。したがって、燃焼補助部材１３を支持する旋回力付与部材１４の接続部分における信頼性を高めることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態による排気浄化装置を図８に示す。
図８に示すように第４実施形態の排気浄化装置１０の場合、旋回力付与部材１４は、一部が排気管部材１１のみに接続し、残部が燃焼補助部材１３および排気管部材１１の双方に接続している。すなわち、旋回力付与部材１４の一部は、排気管部材１１の径方向において外周側の端部のみが固定され、内周側の端部が固定されていない。具体的には、旋回力付与部材１４の一部は、径方向において外周側の端部が排気管部材１１の内周壁３２に固定されているものの、径方向において内周側の端部が燃焼補助部材１３の外周壁３１との間に隙間を形成している。これに対し、旋回力付与部材１４の残部は、支持部材を兼ねて燃焼補助部材１３および排気管部材１１の双方に固定されている。

このように第４実施形態では、旋回力付与部材１４の一部は、燃焼補助部材１３と接していない。そのため、旋回力付与部材１４は、燃焼補助部材１３の形状や寸法の影響を受けることなく設計の自由度が向上する。したがって、旋回流の形成能力を高めることができるので、排気浄化部材１２の温度の分布の低減を図ることができ、信頼性も高めることができる。
なお、図８には旋回力付与部材１４は、一部が燃焼補助部材１３の外周壁３１との間に隙間を形成する例について示している。しかし、燃焼補助部材１３を支持する支持部材を別途設けることにより、旋回力付与部材１４の全部が燃焼補助部材１３の外周壁３１との間に隙間を形成する構成としてもよい。

（第５実施形態）
第５実施形態による排気浄化装置を図９に示す。
図９に示すように第５実施形態による排気浄化装置１０は、補助リング部材５１を備えている。補助リング部材５１は、燃焼補助部材１３の外周側に設けられている。補助リング部材５１は、内周側に燃焼補助部材１３を支持している。燃焼補助部材１３は、第４実施形態と同様に、旋回力付与部材１４によって補助リング部材５１に支持されている。すなわち、旋回力付与部材１４の一部は、排気管部材１１の径方向において外周側の端部が補助リング部材５１の内周壁５２に固定され、径方向において内周側の端部が燃焼補助部材１３の外周壁３１との間に隙間を形成している。一方、旋回力付与部材１４の残部は、排気管部材１１の径方向において外周側の端部が補助リング部材５１の内周壁５２に固定されているとともに、径方向において内周側の端部が燃焼補助部材１３の外周壁３１に固定されている。これにより、旋回力付与部材１４の残部は、支持部材を兼ねている。第５実施形態の場合、上記の構成のように燃焼補助部材１３、旋回力付与部材１４および補助リング部材５１は、一体にユニット化されている。

第５実施形態の場合、燃焼補助部材１３および旋回力付与部材１４は、補助リング部材５１とともに排気管部材１１と別体でユニット化されている。そのため、燃焼補助部材１３および旋回力付与部材１４は、排気管部材１１への取り付けが容易になる。したがって、取り扱いおよび取り付けを容易にすることができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
例えば上述の説明では、各実施形態を個別に説明した。しかし、複数の実施形態を組み合わせて適用してもよい。例えば、第１実施形態、第２実施形態または第３実施形態の排気浄化装置１０を第５実施形態に組み合わせて、燃焼補助部材１３、旋回力付与部材１４および補助リング部材５１をユニット化してもよい。第１実施形態を第５実施形態に組み合わせる場合、旋回力付与部材１４の径方向外側の端部は補助リング部材５１の内周壁５２との間に隙間を形成するとともに、支持部材２５は補助リング部材５１の内周側に燃焼補助部材１３を支持する。また、第２実施形態または第３実施形態を第５実施形態に組み合わせる場合、旋回力付与部材１４の径方向外側の端部は補助リング部材５１の内周壁５２に固定される。さらに、第５実施形態において、燃焼補助部材１３は旋回力付与部材１４で支持するのではなく、旋回力付与部材１４とは別体の支持部材２５で補助リング部材５１に支持してもよい。

図面中、１０は排気浄化装置、１１は排気管部材、１２は排気浄化部材、１３は燃焼補助部材、１４は旋回力付与部材、１５は排気通路、１６は内燃機関、３３は隙間、５１は補助リング部材を示す。

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路を形成する排気管部材と、
   前記排気通路に設けられている排気浄化部材と、
   前記排気通路における排気の流れ方向において前記排気浄化部材の上流側に設けられ、前記排気通路に添加された添加剤の燃焼を補助する燃焼補助部材と、
   前記燃焼補助部材の外周側において、前記排気管部材との間に形成されている隙間に設けられ、前記燃焼補助部材の外周側における排気の流れに旋回力を付与する旋回力付与部材と、
   を備え、
   前記旋回力付与部材は、前記排気管部材の径方向において外周側の端部が固定され、内周側の端部が前記燃焼補助部材との間に隙間を形成して対向している排気浄化装置。
2. 前記排気管部材と別体に前記排気管部材が形成する前記排気通路へ挿入可能に設けられ、径方向内側に前記燃焼補助部材を支持するとともに、内周壁と前記燃焼補助部材との間に前記旋回力付与部材を有する補助リング部材をさらに備える請求項１記載の排気浄化装置。

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