JP5975217B2 - 排気管の継手構造 - Google Patents

Description

本発明は、添加剤を添加する添加剤添加部を有する管体と、還元型触媒を有する管体との相互を連結する排気管の継手構造に関する。

ディーゼルエンジンを搭載した自動車（車両）の多くは、車体前部のエンジンルームにディーゼルエンジンを配置し、ディーゼルエンジンから延びる排気管を、エンジンルームから車体の床下を通して、車両後部へ延ばしている。この排気管にディーゼルエンジンから排気される排気ガスを浄化する排気浄化装置を設けている。近時では、排気ガス中に添加剤を添加して浄化することが行われている。多くは、排気管の上流側に、ＨＣ、ＣＯやＰＭ（パティキュレートマター）などの対策として、酸化触媒やディーゼルパティキュレートフィルタを設ける。その下流側にＮＯｘの対策として、還元型触媒、例えば選択還元型ＮＯｘ触媒を設け、この選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側に、排気ガス中に添加剤、例えば尿素水溶液を噴射させるインジェクタ（添加剤添加部）を設け、尿素水溶液の噴射でアンモニア（還元剤）を生成し、同アンモニアを用いて排気ガス中に含まれるＮＯｘを選択還元型ＮＯｘ触媒で無害な成分（窒素）に還元することが行われている。

ところで、還元型触媒は、振動の影響を受けやすい部品である。このため、エンジンのロールやエンジンからの振動が、選択還元型ＮＯｘ触媒に伝わらないよう、選択還元型ＮＯｘ触媒から上流の排気管部分に、振動を吸収する継手、多くは球面継手を介装することが行われている。球面継手の多くは、気密性を確保しながら相対角度変位を可能とするために、一対のフランジを、分割した上・下流側の排気管部分（第１，２管体）の端部に設け、フランジ間に環状のシール部材を介在させて、上・下流側の排気管部分間を相対角度変位可能に連結する構造が用いられる。

球面継手は、効果的にエンジンからの変位が吸収されるよう、配管のストレート部（真っ直ぐな部分）に据付ける。しかし、排気管は、車体に搭載されている各種機器を避けて配管されたり、排気浄化を制御する各種機器や排気ガス還流を実施するための各種機器が取り付くなどするため、球面継手の据付けに適したストレート部は少ない。
このため、近時では、尿素水溶液を噴射するインジェクタと選択還元型ＮＯｘ触媒との間で確保されるストレート部分（尿素水溶液と排気ガスとを混合させる領域）に、球面継手を設けることが進められている。

ところが、球面継手の、シール部材が有るフランジ間は、排気管内に晒される部分である。このため、尿素水溶液（添加剤）や同尿素水溶液の添加で生成されるアンモニア（還元剤）が、シール部材やフランジに触れることがある。アンモニアはアルカリ性が強いため、シール部材やフランジを腐食させてしまう問題がある。しかも、シール部材周辺の段部は流れが滞りやすくなるため、シール部材やシール部材周辺の段部には、尿素水溶液が付着しやすく、デポジットが生じやすい。デポジットは堆積しやすいので、堆積するデポジットで球面継手の機能が損なわれ、エンジンのロールやエンジンの振動を吸収できなくなるおそれがある。

エンジンの排気管で用いられている球面継手を見る限り、特許文献１に開示されているような遮熱の目的で筒形部材を、排気ガス流入先の管体端を延ばしたり、特許文献２に開示されているようなシール部材を挟み込む面を形成するために管体端を先細にしたりする構造が提案されているだけである。

実開平 ５− ３６０２０号公報 特開平１１−１０３７２０号公報

このため、引用文献１，２には、尿素水溶液やアンモニアが、シール部材やフランジへ触れるのを回避しようとする技術は見られなく、添加された添加剤や生成された還元剤から、シール部材やフランジを保護するものはなかった。
そこで、本発明の目的は、添加された添加剤や生成された還元剤から、シール部材やフランジを保護することができる排気管の継手構造を提供することにある。

本発明は、連結される第１管体と第２管体の端部のうち、排気ガスの流出する前記第１管体の端部を、当該第１管体の端から第２管体の端側へ延ばし、延ばした第１管体の先端部に、先端径を縮めるテーパ形状のノズル形状部を形成し、ノズル形状部の先端部に、ノズル形状部の端から径を拡げながら外側（周囲）に向かう返し部を有し、前記ノズル形状部の先端部を第２管体の端内に差し込ませたことにある。
好ましくは、第１管体は、前記エンジンからの排気ガス中に添加剤を添加する添加剤添加部を備えることとした。

好ましくは、還元剤は尿素水溶液であり、還元型触媒は、尿素水溶液の噴射により生成されるアンモニアを用いて排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元する選択還元型触媒であることとした。

本発明によれば、第１管体から第２管体の端へ延びる端部分により、シール部材を含むフランジ間が遮蔽される。さらにノズル形状部から流出する高速の排気ガス流により、ノズル形状部の周囲には排気ガスを下流に向かわせる流れが誘起される。つまり、第１管体のから延ばした端部分にて、添加された添加剤や生成された還元剤がフランジ間へ進入するのを防ぎ、ノズル形状部のもたらす高速の排気ガス流により、ノズル形状部の先端部と第２管体の内面との間の隙間へ排気ガスが進入するのを防ぐ。それ故、添加された添加剤や生成された還元剤は、シール部材やフランジに触れずにすむ。そのうえ、ノズル形状部の先端部に返し部を形成することにより、排気ガス流が変動しても、排気ガスがノズル形状部の先端部と第２管体の内面との間から進入するのを防ぐことができる。

したがって、添加される添加剤や生成される還元剤から、シール部材やフランジを保護することができ、常に円滑な継手の動き（相対角度変位）が確保できる。
しかも、第１管体は、エンジンからの排気ガス中に添加剤を添加する添加剤添加部を備える構造は、還元型触媒に対して還元剤が供給しやすいものの（排気管噴射式）、フランジ間へのデポジット堆積が表れやすくなるが、第１管体のノズル形状部を第２管体の端内へ差し込む構造により、デポジットの堆積を防ぐことができ、還元剤供給容易性とデポジット堆積抑制とを両立できる。

特に、還元剤として尿素水溶液を用い、還元型触媒として尿素水溶液の噴射で生成されるアンモニアを用いて排ガス中のＮＯｘを還元する選択還元型触媒を用いた構造には、有効である。

本発明の参考となる実施形態の排気管の継手構造を、排気浄化装置と共に示す断面図。 同継手構造の主要部分を拡大して示す断面図。 本発明の一実施形態の要部を示す断面図。

以下、本発明を図１および図２に示す、参考となる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の排気系を示している。同排気系を説明すると、図中１は、車体のエンジンルーム内（いずれも図示しない）に据付けられるディーゼルエンジン、３はターボ過給機（過給機）を示す。
ディーゼルエンジン１は、ピストン５を往復動可能に収めたシリンダ７、同シリンダ７の頭部に開口する吸・排気ポート９，１１、同吸・排ポート９，１１を開閉する吸・排気バルブ９ａ，１１ａ、吸・排気ポート９，１１とつながる吸・排気マニホルド１２，１５、シリンダ７の頭部へ燃料を噴射する燃料噴射弁１７などを有して構成される。

ターボ過給機３は、タービン部１９と同タービン部１９と同軸につながるコンプレッサ部２１とを有して構成される。タービン部１１の入口１９ａは、ディーゼルエンジン１の排気マニホルド１５に接続される。タービン部１９の出口１９ｂは、排気管１３が接続される。ちなみに排気管１３は、エンジンルームから車体（いずれも図示しない）の床下を通じて、車体後部へ延びる。

コンプレッサ部２１の入口２１ａは、エアクリーナ（図示しない）へ至る上流側の吸気管２５ａに接続される。コンプレッサ部２１の出口２１ｂは、下流側の吸気管２５ｂを介して、ディーゼルエンジン１の吸気マニホルド１２に接続され、過給した吸気がディーゼルエンジン１へ供給されるようにしている。
ターボ過給機３から延びる排気管１３には、排気ガス浄化装置２７が設けられる。排気ガス浄化装置２７は、ターボ過給機３近くの上流排気管部分に設けた、ＨＣ、ＣＯやＰＭ（パティキュレートマター）などを浄化するフィルタユニット２９と、その下流側の排気管部分に設けたＮＯｘを浄化する浄化機器３１とを有して構成される。フィルタユニット２９は、ケーシング１６内に酸化触媒３５やディーゼルパティキュレートフィルタ３７などを収めて構成され、排気ガス中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質）の捕集、排気ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯなど酸化を行う。

浄化機器３１は、フィルタユニット２９からの下流側の排気管部分に設けた還元型触媒、例えば選択還元型ＮＯｘ触媒３９と、この選択還元型ＮＯｘ触媒３９の上流側に、ストレート部ａを挟んで設けた、排気ガス中に添加剤、例えば尿素水溶液を噴射させるインジェクタ４１（本願の添加剤添加部に相当）とを組み合わせた構造が用いられる。つまり、尿素水溶液の排気ガス中への噴射にて、アンモニア（還元剤）が生成され、同アンモニアによる選択還元型ＮＯＸ触媒３９でのＮＯｘ還元作用により、排気ガスに含まれるＮＯｘが無害な成分（窒素）に還元される。

このインジェクタ４１と選択還元型ＮＯＸ触媒３９との間で確保されているストレート部分ａ（尿素水溶液と排気ガスとを混合させる領域を形成）の途中には、エンジン側からのロールや振動を吸収する継手構造が介装されている。この継手構造には、例えば球面継手４３が用いられている。つまり、尿素水溶液と排気ガスとを混合させる領域を利用して、球面継手４３を設けている。この球面継手４３の各部の構造が図２に示されている。

すなわち、球面継手４３は、排気管１３を、ストレート部分ａの途中で分割した上流側の排気管部分１３ａ（本願の第１管体に相当）と、下流側の排気管部分１３ｂ（本願の第２管体に相当）とを連結する部品である。具体的には、図２に示されるように球面継手４３は、向き合うように配置された排気管部分１３ａ，１３ｂ（上・下流側の管体）の各端部の外周部に取着されたフランジ４５ａ，４５ｂと、排気管部分１３ａ（上流側）の外周端部に設けた環状のシール部材４７と、フランジ４５ｂの基端側の板面に形成された円弧曲面部４６と、シール部材４７を、フランジ４５ａの基端側の板面とフランジ部４５ｂの基端側の円弧曲面部４６とで挟み付ける圧接機構４９とを組み合わせて構成される。さらに述べれば、圧接機構４９は、複数のボルト・ナット部材５１，５３でフランジ４５ａ，４５ｂ間を変位可能につなぎ、スプリング部材５５でフランジ４５ａ，４５ｂを接近する方向へ付勢して、フランジ４５ａ，４５ｂでシール部材３５を圧接させる構造が用いられている。つまり、上流側の排気管部分１３ａと下流側の排気管部分１３ｂ間を相対角度変位可能に気密に連結して、上流側の排気管部分１３ａから伝わるエンジンロールやエンジン振動を、フランジ４５ａ，４５ｂ間の変位で逃がしたり吸収したりして、下流側の排気管部分１３ｂへ伝わるのを抑える構造にしている。ちなみに、排気管部分１３ａと下流側の排気管部分１３ｂは同径である。

通常、球面継手４３でつなぐ上流側の排気管部分１３ａの端部は、シール部材４７の配置される地点までしかない（シール部材４７を据付けるだけ）。このため、フランジ４５ａ，４５ｂ間は排気管１３内に晒される。
ところが、球面継手４３は、尿素水溶液からアンモニアを生成するのに必要とされるストレート部ａの途中、すなわち尿素水溶液と排気ガスとを混合させる流路の途中に配置されるため、アルカリ性の強いアンモニアの付着により、シール部材４７やフランジ４５ａ，４５ｂを腐食させたり、還元剤を生成する尿素水溶液がシール部材４７やシール部材４７周辺の段部に付着してデポジットを生じさせたりして、球面継手４３の機能を損なわせるおそれがある。

こうした点を改善する工夫が施されている。
これは、上流側の排気管部分１３ａの端部を延ばした構造を用いて、尿素水やアンモニアが球面継手４３の継ぎ目（シール部材４７、フランジ４５ａ，４５ｂ）に触れるのを防ぐようにしたものである。具体的には、図２に示されるように上流側の排気管部分１３ａ（排気ガスが流出する側）の端部は、排気管部分１３ａの端から連続して、相手側の下流側の排気管部分１３ｂ（排気ガスが流入する側）の端内へ先端が差し込まれる地点まで直線状に延びている。この排気管部分１３の端部分から、シール部材４７を含むフランジ４５ａ，４５ｂ間を、内側から遮蔽する遮蔽筒部５７を形成している。排気管部分１３ａの延びた先端部分（遮蔽筒部５７端）は、先端径を縮める形状、具体的には先端に向かうにしたがい径寸法が小さくなるテーパ形状に形成され、ノズル形状部５９を形成している。ノズル形状部５９の先端部（径の最も小さい部分）が、排気管部分１３ｂの端内に差し込まれている。このノズル形状部５９により、排気管部分１３ａから流出される排気ガスの流速を速めて、下流の排気管部分１３ｂへ流入させるようにしている。この高速の排気ガス流で、ノズル形状部５９の周囲に、下流に向かわせる流れを誘起させ、ノズル形状部５９と排気管部分１３ｂとの間の隙間δへ排気ガスが進入するのを断つ構造にしている。遮蔽筒部５７やノズル形状部５９は、排気管部分１３と一体でなく、別体な部材から構成してもよい。

つぎに、このように構成された継手構造の作用について説明すると、図１，２に示されるようにフィルタユニット２９から流出する排気ガスは、上流側の排気管部分１３ａ、遮蔽筒部５７、ノズル形状部５９を流れる。そして、排気ガスは、ノズル形状部５９から、高速のガス流となって、下流側の排気管部分１３ｂへ流出され、外部へ向かう。
この際、上流のインジェクタ４１から、添加剤である尿素水溶液を排気ガスへ噴射させると、尿素水溶液が排気ガスと混じる。具体的には、ストレート部ａの領域を排気ガスが流れる間で、添加された尿素水溶液が排気ガスと十分に混じり合い、選択還元型ＮＯＸ触媒３９の還元剤であるアンモニアを生成する。続く選択還元型ＮＯＸ触媒３９にて、アンモニアを用いたＮＯｘ還元作用により、排気ガス中に含まれるＮＯｘを無害な成分（窒素）に還元する。

このとき、シール部材４７を含むフランジ４５ａ，４５ｂ間は、上・下流側の排気管部分１３ａ，１３ｂの端間に配置されている、排気管部分１３ａの端部分（遮蔽筒部材５７）やノズル形状部５９によって、内側から遮られているから、排気ガス中の尿素水溶液やアンモニアは、フランジ４５ａ，４５ｂ間へ進入しない。またノズル形状部５９から流出する高速の排気ガス流は、図２中の矢印に示されるようにノズル形状部５９の周囲に、下流に向かせる流れを誘起させるから、排気ガス中の尿素水溶液やアンモニアが、ノズル形状部４７の先端部と下流の排気管部材１３ｂの内面との間の隙間δへ進入するのを抑えられる。つまり、尿素水溶液やアンモニアは、フランジ４５ａ，４５ｂに進入しにくくなる（回り込み抑制）。

これにより、排気ガス中の尿素水溶液（添加剤）やアンモニア（還元剤）が、球面継手４３の継ぎ目部をなすシール部材４７やフランジ４５ａ，４５ｂと触れるのを防ぐ。それ故、シール部材４７やフランジ４５ａ，４５ｂを腐食させたり、シール部材４７やシール部材４７周辺の段部などにデポジットが生成されたりするのを防ぐことができる。
したがって、尿素水溶液（添加剤）やアンモニア（還元剤）から、シール部材４７やフランジ４５ａ、４５ｂを保護することができ、常に球面継手４３は、円滑な動き（相対角度変位）が約束できる。

しかも、上流側の排気管部分１３ａにインジェクタ４１を設けて、排気ガス中に添加剤を添加する排気管噴射式は、選択還元型ＮＯｘ触媒３９に対して尿素水溶液を供給しやすいものの、フランジ４５ａ，４５ｂ間へのデポジット堆積が表れやすくなるが、ノズル形状部５９を下流の排気管部分１３ｂの端内へ差し込む構造により、デポジットの堆積を防ぐことができるので、尿素水溶液（還元剤）の供給容易性とデポジット堆積抑制との両立を図ることができる。

特に、還元剤として尿素水溶液を用い、還元型触媒として選択還元型触媒３９を用いて、排気ガスを浄化する構造には、有効である。
図３は、本発明の一実施形態を示す。
本実施形態は、参考となる実施形態を活用したもので、ノズル形状部５９の先端部に、最小径となる端から、反対に径を拡げながら外側（周囲）に向かう筒状の返し部６１を形成したものである。

このように返し部６１を形成したことにより、ディーゼルエンジン１の運転中、排気ガス流が変動しても、返し部６１で、排気ガスが、ノズル形状部４１の先端部と排気管部材４５ｂの内面との間（隙間）から進入するのを防げるので、一層、効果的に尿素水溶液（添加剤）やアンモニア（還元剤）からシール部材４７やフランジ４５ａ，４５ｂを護ることができる。

図３において、参考となる実施形態と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略した。
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可変して実施しても構わない。

１ ディーゼルエンジン
１３ 排気管
１３ａ 上流側の排気管部分（第１管体）
１３ｂ 下流側の排気管部分（第２管体）
３９ 選択還元型ＮＯｘ触媒（還元型触媒）
４１ インジェクタ（添加剤添加部）
４３ 球面継手（継手）
４５ａ、４５ｂ フランジ
４７ シール部材
５７ 遮蔽筒部（第１管体の端から延びた部分）
５９ ノズル形状部
６１ 返し部

Claims (3)

1. エンジンからの排気ガス及び添加剤が流入される第１管体と、同第１管体と互いに開口が向き合うように配置され、前記第１管体からの排気ガスを受け入れるとともに、前記添加剤により排気ガスを還元する還元型触媒を有する第２管体とを有し、
   前記第１，２管体の向き合う各端部を、各端部に設けたフランジ、当該フランジ間に設けたシール部材を介して相対角度変位可能に連結する排気管の継手構造であって、
   前記向き合う第１管体と第２管体の端部のうち、前記排気ガスの流出する前記第１管体の端部を、当該第１管体の端から前記第２管体の端側へ延ばし、
   前記延ばした第１管体の先端部に、先端径を縮めるテーパ形状のノズル形状部を形成し、
   前記ノズル形状部の先端部に、当該ノズル形状部の端から径を拡げながら外側に向かう返し部を有し、
   前記ノズル形状部の先端部を前記第２管体の端内に差し込ませてなる
   ことを特徴とする排気管の継手構造。
2. 前記第１管体は、前記エンジンからの排気ガス中に添加剤を添加する添加剤添加部を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気管の継手構造。
3. 前記還元剤は尿素水溶液であり、
   前記還元型触媒は、前記尿素水溶液の噴射により生成されるアンモニアを用いて排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元する選択還元型触媒であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排気管の継手構造。

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