JP6197364B2 - 排気ガス浄化システム及びその放熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼル車等の内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）等を浄化する排気ガス浄化システム及びその放熱方法に関する。

車両に搭載したディーゼルエンジン等の排気ガス通路に配置される排気ガスの後処理装置には，ＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する触媒として尿素水添加式選択還元型触媒装置(以下ＳＣＲ触媒装置)が使用されている。このＳＣＲ触媒装置は、尿素水インジェクタから排気ガス中に噴射した尿素水が、排気ガスと反応して分解して生成されるアンモニアを利用して、ＳＣＲ触媒の触媒作用によりＮＯｘを還元浄化する装置である。

このＳＣＲ触媒においては、現状では、図１２に示すように、エンジンから排出され、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガスの温度が低い場合（例えば、２００°Ｃ(ｄｅｇ.Ｃ)）以下）、または、排気ガスの温度が高い場合（例えば、４８０°Ｃ以上）に、ＮＯｘ浄化率は著しく低下する。このように現状のＳＣＲ触媒には、浄化率維持下限温度Ｔ１と浄化率維持上限温度Ｔ２との間の、活性が良好な温度域（図１２では、３００°Ｃ〜４５０°Ｃ付近）Ｒｔが存在する。そのため、エンジンの負荷が低く排気ガスの温度が低い場合だけでなく、エンジンの負荷が高く排気ガスの温度が高い場合でもＮＯｘ浄化率は低下することになる。

これに関連して、従来技術では、エンジンの暖気時やアイドリング運転時等の排気ガスが低温側の浄化率向上に注目が集まっており、例えば、尿素水から生成される固形物の堆積を抑制すると共に良好な排気ガス浄化率を確保可能にするために、排気通路の尿素水インジェクタとアンモニア還元型触媒の間に設けた屈曲部を二重管構造にして、その間に内部から外部への放熱を抑制する放熱抑制部材を備えた排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、最近では、エンジンの燃料消費率改善のためにエンジンの負荷が高い領域での運転頻度が多くなっており、エンジンが高負荷運転しているとき、すなわち、排気ガスの温度が高くなるような条件で、ＮＯｘ浄化率の低下を防ぐ技術の開発が重要となってきている。

例えば、エンジンの運転状態にかかわらずＮＯｘ触媒を高ＮＯｘ浄化率の温度域で使用できるようにするために、排気通路を第１通路と第２通路に分岐した後に合流させて、第１通路の途中に放熱効果を上げるために断面を円弧状にした排気冷却促進部を設ける、第１通路での排気ガス温度の低下を第２通路での排気ガス温度の低下よりも増大させて、排気ガス温度によって第１通路と第２通路を使い分ける内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、この内燃機関の排気浄化装置では、排気通路を分岐する必要がある上に、排気温センサ、第１排気切替弁、第２排気切替弁、及び、それらの制御が必要になるため装置が大型化し易く、制御も複雑化するという問題がある。

特開２０１０−３１７１８号公報 特開２００１−２１４７３４号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、排気ガス配管における放熱量を適正にして排気ガスの温度を浄化率の高い温度範囲の温度にすることにより、エンジンの軽負荷時においてもＮＯｘ浄化率を低下させることがなく、また、燃料消費率が良好であるエンジンの高負荷運転時においてもＮＯｘ浄化率を低下させることがなくて、燃料消費率の向上と排ガス性能の改善の両方を両立することができる排気ガス浄化システム及びその放熱方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気ガス通路でターボ式過給器のタービンの下流側に排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置を配置した排気ガス浄化システムにおいて、前記タービンと前記排気ガス浄化装置との間の排気ガス通路を放熱排気ガス配管で形成し、該放熱排気ガス配管に放熱表面積増加部材を設けて、前記内燃機関を定格出力で連続運転しているときに、前記放熱排気ガス配管部分の放熱表面積が、前記排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの温度を予め設定された浄化率維持上限温度以下にする最適放熱表面積になるように構成するとともに、前記放熱排気ガス配管を単管とし、前記放熱表面積増加部材の一部又は全部である第１放熱部材を前記放熱排気ガス配管の外壁に２つ設けて、この２つの第１放熱部材は、低温時には前記放熱排気ガス配管の周方向でその一部または全部で隣接し、高温時には前記放熱排気ガス配管の周方向で離間するように構成する。

この放熱表面積増加部材としては、例えば、放熱フィンや放熱板や放熱金網などを用いることができる。なお、この放熱排気ガス配管部分の放熱表面積は、常時、最適放熱表面積になっている必要は無く、内燃機関を定格出力で連続運転しているときに、最適放熱表面積になる構成であれば良い。つまり、放熱排気ガス配管部分が低温の時は、排気ガスの温度が低下し過ぎないように放熱表面積が小さく、放熱排気ガス配管部分が高温の時のみ、排気ガスの温度が上昇し過ぎないように放熱表面積が大きくなることが好ましい。

この構成によれば、放熱表面積増加部材の配置により、内燃機関を定格出力で連続運転しているときに、放熱排気ガス配管部分の放熱表面積が最適放熱表面積になるので、排気ガスの温度が高温になっても、排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの温度を予め設定された浄化率維持上限温度以下に維持でき、排気ガスの浄化効率を良好な状態に維持でき、排気ガスを効率よく浄化することができる。

また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記最適放熱表面積をＳ１(ｍ ² )として、このＳ１を、前記内燃機関を定格出力で運転したときに排出される排気ガス体積流量Ｖ（ｍ³／ｓ)を基にして、前記放熱排気ガス配管の断面積Ａを３０（ｍ／ｓ）≦Ｖ／Ａ≦７０（ｍ／ｓ）とすると共に、Ａ＝πＲ²、Ｃ＝２πＲとしたときに、４．５×Ｃ≦Ｓ１≦７．５×Ｃとして設定する。なお、この最適放熱表面積Ｓ１（ｍ²）は、放熱排気ガス配管の表面積も含む面積である。

ここで、排気ガス体積流量Ｖは、エンジン定格運転時に放熱排気ガス配管部分を通過する排気ガス体積流量（ｍ³）であり、３０（ｍ／ｓ）はエンジン定格運転時を想定した排気ガスの下限流速（ｍ／ｓ）であり、また、７０（ｍ／ｓ）はエンジン定格運転時を想定した排気ガスの上限流速（ｍ／ｓ）である。

この放熱排気ガス配管の断面積Ａ（ｍ²）を元に、排気ガス配管を円管したときの周囲長さＣ（Ｃ²＝（２πＲ）²＝４πＡ、Ｃ＝２√（πＡ））と、仮設定した配管長さＬ（ｍ）とから、円管の表面積Ｃ×Ｌ（ｍ²）を決定し、この円管の表面積Ｃ×Ｌ（ｍ²）を基準に、放熱表面積Ｓをパラメータにして変化させて熱計算を行い、排気ガスの温度に対する選択還元型触媒装置（ＳＣＲ触媒装置）の選択還元型触媒（ＳＣＲ触媒）のＮＯｘ浄化率を参照して、エンジン負荷に対する排気ガスのＮＯｘ浄化率を推定し、このＮＯｘ浄化率の推定結果から、この放熱排気ガス配管部分の最適な放熱表面積Ｓ１を算出し、４．５×Ｃ≦Ｓ１≦７．５×Ｃを得ている。

最適放熱表面積Ｓ１(ｍ²)を、「４．５×Ｃ」未満とすると、放熱排気ガス配管の部分における放熱量が不足し、選択還元型触媒装置に流入する排気ガスの温度が高くなり過ぎて、選択還元型触媒におけるＮＯｘ浄化率が低下する恐れが生じる。また、最適放熱表面積Ｓ１(ｍ²)を、「７．５×Ｃ」より大きくすると、放熱排気ガス配管の部分における放熱量が過大になり、選択還元型触媒に流入する排気ガスの温度が低くなり過ぎて、選択還元型触媒におけるＮＯｘ浄化率が低下する恐れが生じる。

つまり、高負荷運転時のＮＯｘ浄化率の低下を防ぐために、排気ガス配管の放熱量を大きくするが、過度な放熱は排気ガスの温度を低下させてしまうため、軽負荷時の浄化率を低下させる恐れがある。そこで、軽負荷時でも、高負荷時でも良好な温度範囲内の温度になって、軽負荷時でも高負荷時でも最適なＮＯｘ浄化率を維持できるような、放熱量を算出し、最適放熱表面積を設定した。

この構成によれば、放熱表面積増加部材を追加して、内燃機関を定格出力で連続運転しているときの放熱表面積が最適放熱表面積になるようにすることにより、排気ガス温度が高温になっても、排気ガスを放熱排気ガス配管部分の放熱で冷却でき、排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの温度を予め設定された浄化率維持上限温度以下に維持できるので、排気ガスの浄化効率が良好な状態で排気ガスを浄化することができる。

また、放熱板、放熱フィン等の第１放熱部材を溶接などで、放熱排気ガス配管に固定することで放熱排気ガス配管と第１放熱部材の間の熱伝導率を良好に維持して、効率的な放熱を行うことができる。

また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記放熱表面積増加部材の一部を、前記内燃機関を停止している状態では、前記放熱排気ガス配管と離間した状態になり、前記内燃機関を定格出力で連続運転している状態では、前記放熱排気ガス配管に当接している状態になる第２放熱部材で構成する。

この構成によれば、排気ガス温度が低く、放熱排気ガス配管の温度が低い、内燃機関を停止している状態では、放熱排気ガス配管と第２放熱部材の間が離間している状態であるので、この両者の間の熱伝導が無く、第２放熱部材からの熱放射量を小さくすることができる。従って、排気ガスの温度が低いときには、放熱排気ガス配管からの放熱量を著しく減少できる。これにより、排気ガスが低温の時の放熱量を少なくして、暖機時には早期に浄化率維持下限温度以上にすることができ、また、エンジンの負荷が小さく排気ガスの温度が低い場合でも、少ない燃費で浄化率維持下限温度以上に維持することができる。

一方、排気ガス温度が高く、放熱排気ガス配管の温度が高いときは、放熱排気ガス配管と第２放熱部材が熱膨張し、放熱排気ガス配管と第２放熱部材の間が当接している状態にあるので、この両者の間で熱伝導が生じる。そのため、第２放熱部材からの放熱量を大きくすることができ、排気ガス温度が高いときには、放熱排気ガス配管から放熱量を著しく増加でき、浄化率維持上限温度以下にすることができる。

つまり、放熱排気ガス配管と第２放熱部材の熱膨張を利用することにより、放熱排気ガス配管の温度の高低によって、第２放熱部材への熱伝導の有無を自動的に切り換えることができ、放熱排気ガス配管及びこの部分を通過する排気ガスの温度を浄化率が良好な温度範囲内に維持できるので、効率よく排気ガスを浄化できる。

なお、第２放熱部材と放熱排気ガス配管とが当接する面積を第２放熱部材の横断面積よりも大きい形状、例えば、Ｖ字形状又は半円形状などに形成すると、接触面が増加して、両者の間の熱伝導が良好に行われ易くなるので、より好ましい。

また、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記第１放熱部材を、温度によって形状が変化する材料で形成する。若しくは、上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記第２放熱部材を、温度によって形状が変化する材料で形成する。例えば、バイメタルや形状記憶合金などで、温度が上昇すると、バイメタルや形状記憶合金で形成した放熱板が開いて、表面積を２倍に増加したり、互いに向かい合っていた放熱板が曲がり、放熱面が互いに向かい合わなくなるようにしたりする。

この構成によれば、容易に、温度によって放熱表面積が大きく異なる第１放熱部材若しくは第２放熱部材を構成することができ、第１放熱部材若しくは第２放熱部材による放熱効果が温度上昇に従って大きくなるように構成することができる。

そして、上記のような目的を達成するための本発明の排気浄化システムの放熱方法は、内燃機関の排気ガス通路でターボ式過給器のタービンの下流側に排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置を配置した排気ガス浄化システムの放熱方法において、前記タービンと前記排気ガス浄化装置との間の排気ガス通路を形成する放熱排気ガス配管の放熱表面積を、前記内燃機関を定格出力で連続運転しているときに、予め設定された最適放熱表面積にして、前記排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの温度を予め設定された浄化率維持上限温度以下にするとともに、前記放熱排気ガス配管を単管とし、前記放熱排気ガス配管の外壁に放熱表面積増加部材である第１放熱部材を２つ設けて、この２つの第１放熱部材を、低温時には前記放熱排気ガス配管の周方向でその一部または全部で隣接し、高温時には前記放熱排気ガス配管の周方向で離間するようにして、前記第１放熱部材の表面積または熱放射量を変化させることを特徴とする方法である。

この方法によれば、内燃機関を定格出力で連続運転しているときに、放熱排気ガス配管部分の放熱表面積が最適放熱表面積になるので、排気ガス温度が高温になっても、排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの温度を予め設定された浄化率維持上限温度以下に維持でき、排気ガスの浄化効率が良好な状態で排気ガスを浄化することができる。

本発明に係る排気ガス浄化システム及びその放熱方法によれば、ターボチャージャのタービンと選択還元型触媒装置等の排気ガス浄化装置の間の排気ガス配管における放熱量を適正にして排気ガスの温度を浄化率の高い温度範囲の温度にすることにより、エンジンの軽負荷時においてもＮＯｘ浄化率を低下させることがなく、また、燃料消費率が良好であるエンジンの高負荷運転時においてもＮＯｘ浄化率を低下させることがなくて、燃料消費率の向上と排ガス性能の改善の両方を両立することができる。

本発明の実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。 放熱排気ガス配管の表面積の変化に対しての、エンジンの負荷とＮＯｘ浄化率との関係を模式的に示す図である。 図２における、放熱排気ガス配管の表面積の倍率１．５と倍率２．５の放熱表面積におけるエンジンの負荷とＮＯｘ浄化率との関係を模式的に示す図である。 放熱板で形成された放熱表面積増加部材の構成の一例を示す図である。 放熱板と放熱金網で形成された放熱表面積増加部材の構成の一例を示す図である。 放熱板で形成された第２放熱部材の構成の一例を示す図で、放熱排気ガス配管と離間した状態を示す図である。 図６の第２放熱部材が放熱排気ガス配管と当接した状態を示す図である。 バイメタル板で形成された第１放熱部材の構成の一例を示す図で、温度が低い状態を示す図である。 図８の第１放熱部材の温度が高い状態を示す図である。 バイメタル板で形成された第１放熱部材の構成の他の例を示す図で、温度が低い状態を示す図である。 図１０の第１放熱部材の温度が高い状態を示す図である。 ＳＣＲ触媒の温度とＮＯｘ浄化率の関係を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム及びその放熱方法について、図面を参照しながら説明する。ここでは、選択還元型触媒（ＳＣＲ触媒）を尿素水添加式選択還元型触媒（尿素ＳＣＲ触媒）とし、アンモニア系溶液を尿素水とする例で示すが、これに限定されず、炭化水素添加式選択還元型触媒（ＨＣ−ＳＣＲ触媒）等であってもよい。

図１に示すように、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム１は、ディーゼルエンジン等の内燃機関（以下、エンジンという）１０の排気ガスＧ中のＰＭ（粒子状物質）、ＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化する排気ガス浄化システムであり、エンジン１０の排気ガス通路１２でターボ式過給器１３のタービン１３ｔの下流側に排気ガスＧを浄化する排気ガス浄化装置３０を配置して構成される。

図１の構成では、エンジン１０の排気ガス通路１２に、エンジン本体１１に接続されている排気マニホールド１１ａ側から順に、ターボチャージャ（ターボ式過給器）１３のタービン１３ｔ、排気ガス浄化装置３０を配置する。この排気ガス浄化装置３０には、上流側から、前段酸化触媒（前段ＤＯＣ）３２、ＰＭ捕集フィルタ装置３３、尿素選択還元型触媒装置（以下、ＳＣＲ装置という）３４、後段酸化触媒（後段ＤＯＣ）３５が配置されている。このＳＣＲ装置３４の上流側にアンモニア系溶液供給装置である尿素噴射ノズル３１が配置される。

また、ＮＯｘ低減のためのＥＧＲを行うためにＥＧＲ通路１５が設けられ、排気ガスＧの一部であるＥＧＲガスＧｅを吸気マニホールド１１ｂに流して、吸気通路１４で吸入した空気Ａと共にエンジン１０のシリンダに供給する。

更に、この排気ガス浄化システム１には、ＳＣＲ装置３４の入口の排気ガスＧの温度Ｔｇを測定する温度センサ４１と、ＳＣＲ装置３４の下流側のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ濃度センサ４２と、ＰＭ捕集フィルタ装置３３の前後差圧ΔＰを測定する差圧センサ４３を備える。また、この温度センサ４１とＮＯｘ濃度センサ４２と差圧センサ４３の測定値を入力して、排気ガスＧの浄化を制御する排気ガス浄化制御装置４０が備えられる。

この排気ガス浄化制御装置４０は、通常、エンジン１０の運転全般を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれるエンジン制御装置（ＥＣＵ）５０で兼用される。即ち、排気ガス浄化制御装置４０はエンジン制御装置５０に組み込まれる。

この図１で例示した排気ガス浄化システム１では、排気ガスＧの温度Ｔｇが低温のときは、エンジン１０のシリンダ内燃焼噴射等により排気ガスＧの温度Ｔｇを高めて前段の酸化触媒装置の温度Ｔｄを活性化温度Ｔｄｃ以上にし、前段の酸化触媒装置の温度Ｔｄが活性化温度Ｔｄｃ以上になっていれば、この前段の酸化触媒装置で、排気ガスＧ中の一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）を酸化して、これらの酸化熱により排気ガスＧの温度Ｔｇを上昇させて、ＳＣＲ装置３４の温度ＴｓやＰＭ捕集フィルタ装置３３の温度Ｔｐを上昇させる。なお、排気ガスＧ中の一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）が不足する場合には、ポスト噴射等により排気ガスＧ中に炭化水素を供給する。

そして、ＳＣＲ装置３４の温度ＴｓがＳＣＲ触媒の活性化温度Ｔｓｃ以上であれば、ＮＯｘ濃度センサ４２で検出したＮＯｘ濃度がゼロになるように、尿素噴射ノズル３１から尿素水Ｆを排気ガス通路１２に供給し、この尿素水Ｆが分解して発生するアンモニアをＳＣＲ装置３４に供給して、ＮＯｘを還元浄化する。

また、ＰＭ捕集フィルタ３３では、排気ガスＧ中のＰＭ（微粒子物質）を捕集し、ＰＭ捕集フィルタ３３で捕集したＰＭが予め設定した堆積上限量以上になると、ポスト噴射等により排気ガスＧ中に炭化水素を供給して、この炭化水素を前段の酸化触媒装置で酸化して、この酸化熱により排気ガスＧを昇温し、ＰＭ捕集フィルタ３３の温度ＴｐをＰＭ燃焼温度Ｔｐｃ以上に上昇させて、捕集されたＰＭを燃焼除去してＰＭ捕集フィルタ装置３３を再生する。

また、後段の酸化触媒装置では、排気ガス浄化装置３０から流出してくる排気ガスＧ中の余剰のアンモニアを酸化して分解してアンモニアスリップを抑制し、また、排気ガスＧ中の炭化水素（ＨＣ）を酸化して、ＨＣスリップを抑制する。

そして、本発明においては、ターボチャージャ１３のタービン１３ｔと排気ガス浄化装置３０との間の排気ガス通路１２を放熱排気ガス配管１２Ａで形成し、この放熱排気ガス配管１２Ａに放熱表面積増加部材１２Ｂａ、１２Ｂｂを設ける。

そして、エンジン１０を定格出力で連続運転しているときに、放熱排気ガス配管１２Ａの部分の放熱表面積Ｓが、排気ガス浄化装置３０に流入する排気ガスＧの温度Ｔｇを予め設定された浄化率維持上限温度Ｔ２以下にする最適放熱表面積Ｓ１になるように構成する。言い換えれば、放熱排気ガス配管１２Ａに放熱表面積増加部材１２Ｂａ，１２Ｂｂを加えた構成において、放熱排気ガス配管１２Ａの表面積を含む全体の放熱表面積Ｓを最適放熱表面積Ｓ１にする。なお、この放熱表面積増加部材としては、例えば、放熱フィンや図４に示すような放熱板や図５に示すような放熱金網などを用いることもできる。

この最適放熱表面積Ｓ１(ｍ²)は、エンジン１０を定格出力で運転したときに排出される排気ガス体積流量Ｖ（ｍ³／ｓ)を基にして、エンジン定格運転時を想定した排気ガスの下限流速（ｍ／ｓ）を３０（ｍ／ｓ）とし、また、上限流速（ｍ／ｓ）を７０（ｍ／ｓ）とする。これにより、放熱排気ガス配管１２Ａの断面積Ａが３０（ｍ／ｓ）≦Ｖ／Ａ≦７０（ｍ／ｓ）になるように設定する。

さらに、この放熱排気ガス配管１２Ａの断面積Ａを元に、Ｃ（Ｃ²＝（２πＲ）²＝４πＡ、Ｃ＝２√（πＡ））を算出し、最適放熱表面積Ｓ１(ｍ²)を、４．５×Ｃ≦Ｓ１≦７．５×Ｃの範囲内に設定する。

この最適放熱表面積Ｓ１(ｍ²)の範囲は、以下のような考えで設定している。つまり、放熱排気ガス配管１２Ａを円管とした場合の半径をＲとすると、放熱排気ガス配管１２Ａの断面積Ａ(ｍ²)は、Ａ＝πＲ²となり、その外周Ｃ(ｍ)は、Ｃ＝２πＲとなる。言い換えれば、放熱排気ガス配管１２Ａの断面積Ａ(ｍ²)を元に、放熱排気ガス配管１２Ａを円管にしたときの周囲長さＣ（Ｃ²＝（２πＲ）²＝４πＡ、Ｃ＝２√（πＡ））(ｍ)を求める。

また、仮設定した配管長さＬ(ｍ)から、円管の表面積Ｃ×Ｌ(ｍ²)を決定し、この円管の表面積Ｃ×Ｌ(ｍ²)を基準に、放熱表面積Ｓをパラメータにして変化させて熱計算を行い、排気ガスＧの温度Ｔを算出し、この排気ガスＧの温度ＴからＳＣＲ触媒の浄化率を参照して、図２に示すように、エンジン負荷の変化量に対する排気ガスＧの浄化率を算出した。

図２では、現状の円管とした場合の排気管総面積１に対して、１．０倍〜５．０倍の表面積とした場合のエンジン負荷の変化量（横軸）に対する排気ガスＧの浄化率を縦軸に示す。この浄化率の推定結果から、排気管総面積１に対して，１．５〜２．５倍とすることで軽負荷でも高負荷でも良好な浄化率が得られることが分かったので、図３に示すように、この放熱排気ガス配管１２Ａ部分の最適な放熱表面積Ｓ１の範囲Ｒｓを抽出し、１．５倍〜２．５倍の表面積とした場合を選択して、４．５×Ｃ≦Ｓ１≦７．５×Ｃとしている。

これは、例えば、エンジン１０のタービン１３ｔの出口からＳＣＲ装置３４の入口までの放熱排気ガス配管１２Ａの長さＬを３．００ｍ、放熱排気ガス配管１２Ａの管直径を０．１０ｍ（１００ｍｍ）とすると、高さ０．０３ｍ（３０ｍｍ）、幅が０．０１ｍ（１０ｍｍ）の第１放熱部材１２Ｂａを放熱排気ガス配管１２Ａの長さＬに沿って１０枚設置すればよい試算となる。

なお、この放熱排気ガス配管１２Ａ部分の放熱表面積Ｓは、常時、最適放熱表面積Ｓ１になっている必要は無く、エンジン１０を定格出力で連続運転しているときに、最適放熱表面積Ｓ１になる構成であれば良い。また、エンジン１０を定格出力で連続運転しているときを、排気ガスＧの温度Ｔｇが高温になるときの基準の状態とすることで、最適放熱表面積Ｓ１の設定を容易にしている。

この放熱排気ガス配管１２Ａ部分の放熱表面積Ｓを、常時、最適放熱表面積Ｓ１とする構成としては、放熱表面積増加部材１２Ｂａ、１２Ｂｂの一部又は全部を放熱排気ガス配管１２Ａに固定して設けた第１放熱部材１２Ｂａで構成する。

この構成では、図４に示すように放熱板若しくは放熱フィンの第１放熱部材１２Ｂａを溶接などで、放熱排気ガス配管１２Ａに固定する。また、図５に示すように放熱金網の第１放熱部材１２Ｂａを溶接などで、放熱排気ガス配管１２Ａに固定する。これにより、放熱排気ガス配管１２Ａと第１放熱部材１２Ｂａの間の熱伝導率を良好に維持して、効率的な放熱を行うことができる。

また、放熱排気ガス配管１２Ａ部分の放熱表面積Ｓを、常時ではなく、エンジン１０を定格出力で連続運転して、放熱排気ガス配管１２Ａが予め設定した温度以上の高温になっているときに、最適放熱表面積Ｓ１になる構成としては、例えば、以下のような構成がある。

エンジン１０を停止している状態では、図６に示すように、放熱排気ガス配管１２Ａと離間した状態になり、エンジン１０を定格出力で連続運転している状態では、図７に示すように、放熱排気ガス配管１２Ａに当接している状態になる第２放熱部材１２Ｂｂで構成する。

この第２放熱部材１２Ｂｂは、排気ガスＧの温度が低く、放熱排気ガス配管１２Ａの温度が低いときは、図６に示すように、放熱排気ガス配管１２Ａと第２放熱部材１２Ｂｂの間が離間している状態であるので、この両者の間の熱伝導が無く、第２放熱部材１２Ｂｂからの熱放射量を小さくすることができる。従って、排気ガスＧの温度Ｔが低いときには、放熱排気ガス配管１２Ａ部分、即ち、放熱排気ガス配管１２Ａと第２放熱部材１２Ｂｂからの放熱量を著しく減少できる。

一方、排気ガスＧの温度Ｔが高く、放熱排気ガス配管１２Ａの温度が高いときは、放熱排気ガス配管１２Ａと第２放熱部材１２Ｂｂが熱膨張し、図７に示すように、放熱排気ガス配管１２Ａと第２放熱部材１２Ｂｂの間が当接している状態になるので、この両者の間で熱伝導が生じ、第２放熱部材１２Ｂｂからの放熱量を大きくすることができる。従って、排気ガスＧの温度Ｔが高いときには、放熱排気ガス配管１２Ａからの放熱量を著しく増加できる。

つまり、放熱排気ガス配管１２Ａと第２放熱部材１２Ｂｂの熱膨張を利用することにより、放熱排気ガス配管１２Ａの温度の高低によって、言い換えれば、排気ガスＧの温度Ｔの高低によって、第２放熱部材１２Ｂｂへの熱伝導の有無を自動的に切り換えることができる。その結果、放熱排気ガス配管１２Ａ及びこの放熱排気ガス配管１２Ａ内を通過する排気ガスＧの温度Ｔｇを、図１２に示すような浄化率が良好な温度範囲Ｒｔ内に維持して、効率よく排気ガスＧを浄化できる。

なお、図６に示すように、第２放熱部材１２Ｂｂが放熱排気ガス配管１２Ａに当接する部分は、接触面積Ａｃが第２放熱部材１２Ｂｂの横断面積Ａｂよりも大きくなる形状、例えば、Ｖ字形状や半円形状に形成することで接触面の面積Ａｃを増加させて、両者の間の熱伝導が大きくなるように構成することが、より好ましい。

また、放熱排気ガス配管１２Ａ部分の放熱表面積Ｓを、常時ではなく、エンジン１０を定格出力で連続運転して、放熱排気ガス配管１２Ａが予め設定した温度以上の高温になっているときに、最適放熱表面積Ｓ１になる別の構成としては、放熱排気ガス配管１２Ａに固定された第１放熱部材１２Ｂａ、若しくは、放熱排気ガス配管１２Ａが高温時に接触する第２放熱部材１２Ｂｂを、温度によって形状が変化する材料で形成する。

例えば、バイメタルや形状記憶合金などで、第１放熱部材１２Ｂａ、若しくは、第２放熱部材１２Ｂｂを形成し、温度が低いと、図８に示すように、バイメタルや形状記憶合金で形成した放熱部分Ｈ１が閉じて一枚となり、温度が上昇すると、図９に示すように、バイメタルや形状記憶合金で形成した放熱部分Ｈ１が開いて、二枚形状となり、放熱部分Ｈ１の表面積を２倍に増加するように構成する。

あるいは、温度が低いと、図１０に示すように、放熱部分Ｈ２は互いに向かい合っていて、全体としての熱放射量が小さいが、温度が高いと、図１１に示すように、放熱部分Ｈ２が曲がって、放熱部分Ｈ２の面が互いに向かい合わなくなって全体としての熱放射量が増加するように構成する。

これらの構成により、容易に、温度の高低によって放熱表面積Ｓ、若しくは、放熱量が大きく異なる第１放熱部材１２Ｂａ、若しくは、第２放熱部材１２Ｂｂを構成することができ、第１放熱部材１２Ｂａ、若しくは、第２放熱部材１２Ｂｂによる放熱効果が温度上昇に従って大きくなるように構成することができる。

上記の構成の排気ガス浄化システム１及びその放熱方法によれば、放熱表面積増加部材１２Ｂａ、１２Ｂｂの配置により、エンジン１０を定格出力で連続運転しているときに、放熱排気ガス配管１２Ａ部分の放熱表面積Ｓが最適放熱表面積Ｓ１になるので、排気ガスＧの温度Ｔが高温になっても、排気ガス浄化装置３０に流入する排気ガスＧの温度Ｔを予め設定された浄化率維持上限温度Ｔ２以下に維持でき、排気ガスＧの浄化効率が良好な状態で排気ガスＧを浄化することができる。

従って、ＳＣＲ装置３４における、エンジン１０の軽負荷時においてもＮＯｘ浄化率を低下させることがなく、また、燃料消費率が良好であるエンジン１０の高負荷運転時においてもＮＯｘ浄化率を低下させることがなくて、これにより燃料消費率が良好であるエンジン１０の高負荷運転時においても、ＮＯｘ浄化率が低下せず、燃料消費率の向上と排ガス性能の改善を両立することができる。

本発明の排気ガス浄化システム及びその放熱方法によれば、ターボチャージャのタービンと選択還元型触媒等の排気ガス浄化装置の間の排気ガス配管における放熱量を適正にして排気ガスの温度を浄化率の高い温度範囲の温度にすることにより、エンジンの軽負荷時においてもＮＯｘ浄化率を低下させることがなく、また、燃料消費率が良好であるエンジンの高負荷運転時においてもＮＯｘ浄化率を低下させることがなくて、燃料消費率の向上と排ガス性能の改善の両方を両立することができるので、自動車等に搭載した内燃機関等の排気ガス浄化システム及びその放熱方法として利用できる。

１ 排気ガス浄化システム
１０ エンジン(内燃機関）
１１ エンジン本体
１２ 排気ガス通路
１２Ａ 放熱排気ガス配管
１２Ｂａ 第１放熱部材（放熱表面積増加部材）
１２Ｂｂ 第２放熱部材（放熱表面積増加部材）
１３ ターボ式過給器
１３ｔ タービン
１５ ＥＧＲ通路
３０ 排気ガス浄化装置
３１ 尿素噴射ノズル
３２ 前段酸化触媒（前段ＤＯＣ）
３３ ＰＭ捕集フィルタ装置
３４ 尿素選択還元型ＮＯｘ触媒装置（ＳＣＲ装置）
３５ 後段酸化触媒（後段ＤＯＣ）
４０ 排気ガス浄化制御装置
４１ 温度センサ
４２ 濃度センサ
４３ 差圧センサ
５０ エンジン制御装置（ＥＣＵ）
Ａ 放熱排気ガス配管の断面積(ｍ²)
Ｃ 放熱排気ガス配管を円管とした場合の周囲長さ（Ｃ²＝（２πＲ）²＝４πＡ）(ｍ)
Ｌ 仮設定した配管長さ(ｍ)
Ｈ１、Ｈ２ 放熱部分
Ｇ 排気ガス
Ｒ 放熱排気ガス配管を円管とした場合の半径(ｍ)
Ｓ エンジンの定格出力での連続運転時の放熱排気ガス配管の部分の放熱表面積
Ｓ１ 最適放熱表面積
Ｖ 排気ガス体積流量（ｍ³／ｓ)

Claims (6)

1. 内燃機関の排気ガス通路でターボ式過給器のタービンの下流側に排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置を配置した排気ガス浄化システムにおいて、前記タービンと前記排気ガス浄化装置との間の排気ガス通路を放熱排気ガス配管で形成し、該放熱排気ガス配管に放熱表面積増加部材を設けて、前記内燃機関を定格出力で連続運転しているときに、前記放熱排気ガス配管部分の放熱表面積が、前記排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの温度を予め設定された浄化率維持上限温度以下にする最適放熱表面積になるように構成するとともに、
   前記放熱排気ガス配管を単管とし、前記放熱表面積増加部材の一部又は全部である第１放熱部材を前記放熱排気ガス配管の外壁に２つ設けて、この２つの第１放熱部材は、低温時には前記放熱排気ガス配管の周方向でその一部または全部で隣接し、高温時には前記放熱排気ガス配管の周方向で離間するように構成したことを特徴とする排気ガス浄化システム。
2. 前記最適放熱表面積をＳ１(ｍ ² )として、このＳ１を、前記内燃機関を定格出力で運転したときに排出される排気ガス体積流量Ｖ（ｍ³／ｓ)を基にして、前記放熱排気ガス配管の断面積Ａを３０（ｍ／ｓ）≦Ｖ／Ａ≦７０（ｍ／ｓ）とすると共に、Ａ＝πＲ²、Ｃ＝２πＲとしたときに、４．５×Ｃ≦Ｓ１≦７．５×Ｃとして設定することを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システム。
3. 前記放熱表面積増加部材の一部を、前記内燃機関を停止している状態では、前記放熱排気ガス配管と離間した状態になり、前記内燃機関を定格出力で連続運転している状態では、前記放熱排気ガス配管に当接している状態になる第２放熱部材で構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システム。
4. 前記第１放熱部材を、温度によって形状が変化する材料で形成したことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
5. 前記第２放熱部材を、温度によって形状が変化する材料で形成したことを特徴とする請求項３に記載の排気ガス浄化システム。
6. 内燃機関の排気ガス通路でターボ式過給器のタービンの下流側に排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置を配置した排気ガス浄化システムの放熱方法において、前記タービンと前記排気ガス浄化装置との間の排気ガス通路を形成する放熱排気ガス配管の放熱表面積を、前記内燃機関を定格出力で連続運転しているときに、予め設定された最適放熱表面積にして、前記排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの温度を予め設定された浄化率維持上限温度以下にするとともに、
   前記放熱排気ガス配管を単管とし、前記放熱排気ガス配管の外壁に放熱表面積増加部材である第１放熱部材を２つ設けて、この２つの第１放熱部材を、低温時には前記放熱排気ガス配管の周方向でその一部または全部で隣接し、高温時には前記放熱排気ガス配管の周方向で離間するようにして、前記第１放熱部材の表面積または熱放射量を変化させることを特徴とする排気ガス浄化システムの放熱方法。

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