JP6766555B2 - 排気内噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は排気内噴射装置に係り、特に、内燃機関から排出された排気ガス内に燃料を噴射するための排気内噴射装置に関する。

内燃機関から排出された排気ガス内に燃料を噴射するための排気内噴射装置が知られている。この装置は、主に、装置より下流側のパティキュレートフィルタや吸蔵還元型ＮＯｘ触媒等の後処理装置を再生するために燃料を噴射する。装置は、排気通路内に臨んで設置された燃料噴射ノズルを備える。

特開２００９−１１５０５７号公報

排気通路内に臨む燃料噴射ノズルの先端部が、排気ガスから熱を受けて高温になる問題がある。ノズル先端部が過度に高温状態に陥ると、炭化した燃料（デポジット）が噴孔内に詰まり、燃料噴射が阻害される虞がある。よってノズル先端部の温度上昇を可能な限り抑制するのが望ましい。

このため一般的には、排気通路内に凹部を設け、この凹部に臨ませてノズル先端部を配置している。こうすると、排気通路内の排気ガスがノズル先端部に直接当たるのを抑制し、ノズル先端部が受ける熱量すなわち被熱量を低減できる。

しかし、凹部の開口端部かつ主流流れ方向上流側端部の位置で排気ガス主流から剥離した剥離流が、凹部内に進入し、ノズル先端部に直接当たることがある。こうなるとノズル先端部の被熱量が多くなり、上述の噴孔詰まりが生じる虞がある。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、燃料噴射ノズルの先端部の被熱量を抑制することができる排気内噴射装置を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
内燃機関から排出された排気ガスの主流が流される主通路と、
前記主通路に開口して連通された凹部と、
前記凹部に開口して連通された取付穴と、
前記取付穴に挿入して取り付けられた燃料噴射ノズルと、
を備え、
前記凹部は少なくとも、主通路側に形成された円筒壁と、前記円筒壁および前記取付穴の間に形成された絞り壁とによって画成され、
前記凹部の開口端部かつ主流上流端部の位置で前記主流から剥離した剥離流に基づき、前記円筒壁の内側に旋回流を生成させ、前記旋回流が前記取付穴に向かうのを前記絞り壁によって抑制するように構成された
ことを特徴とする排気内噴射装置が提供される。

好ましくは、前記絞り壁は、前記円筒壁によって画成される前記凹部の断面積を、前記取付穴に向かうにつれ縮小するように形成されている。

好ましくは、前記絞り壁は、前記取付穴に向かうにつれ縮径する鶴首状に形成されている。

好ましくは、前記排気内噴射装置は、前記凹部に隣接してその主流上流側に配置され、前記主通路内に向かって突出する凸部をさらに備える。

好ましくは、前記凹部は、前記円筒壁の主通路側に形成されたアール面壁によっても画成される。

好ましくは、前記主通路が曲がり通路を有し、前記凹部が前記曲がり通路の外側コーナー部に配置される。

好ましくは、前記主通路、前記凹部および前記取付穴が、鋳造品である排気アダプタに形成される。

本発明によれば、燃料噴射ノズルの先端部の被熱量を抑制することができるという、優れた効果が発揮される。

本実施形態に係る排気内噴射装置の全体を示す断面図である。 本実施形態に係る排気内噴射装置の要部を拡大して示す断面図である。 本実施形態の作用を説明するための断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

本発明の実施形態に係る排気内噴射装置は、車両に搭載された車両動力源としての圧縮着火式内燃機関すなわちディーゼルエンジンに適用される。車両はトラック等の大型車両であるが、車両の種類、形式、用途等に特に限定はなく、例えば乗用車等の小型車両であってもよい。また必要に応じて内燃機関の種類も変更できる。例えばエンジンはガソリンエンジンであってもよい。排気内噴射装置は、エンジンから排出された排気ガス内に燃料を噴射するための装置である。

図１に、本実施形態に係る排気内噴射装置の全体を示す。また図２には排気内噴射装置の要部を拡大して示す。以下の説明において、上下左右等の各方向は、便宜上、図示する実施形態の図示する配置に関してのみ言及されるものとする。車載レイアウト等に応じて図示する配置が変更され、実際の各方向が図示する方向と異なる場合があることに留意されたい。

本実施形態の排気内噴射装置は、エンジン（図示せず）から排出された排気ガスの主流Ｆ１が流される主通路１と、主通路１に開口して連通された凹部２と、凹部２に開口して連通された取付穴３と、取付穴３に挿入して取り付けられたインジェクタもしくは燃料噴射ノズル４とを備える。

本実施形態において、主通路１、凹部２および取付穴３は排気アダプタ５に形成される。排気アダプタ５は、鉄等の金属材料から鋳造される鋳造品である。排気アダプタ５に主通路１等を形成したので、これらの形状自由度を高められる。また排気アダプタ５に取付穴３を形成したので、燃料噴射ノズル４の熱を熱容量の大きい排気アダプタ５に逃がして燃料噴射ノズル４の温度上昇を抑制できる。

排気アダプタ５は、エンジンの排気系に設けられる。本実施形態において、排気アダプタ５の上流側には排気ブレーキバルブ６が接続され、排気アダプタ５の下流側には排気管７が接続される。排気ブレーキバルブ６の上流側にはターボチャージャ（図示せず）のタービンが設けられる。排気管７の下流側には排気ガスを浄化するための複数の後処理装置（図示せず）が設けられる。複数の後処理装置は、それぞれ上流側から順に配置された酸化触媒、パティキュレートフィルタ（ＤＰＦという）、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲという）およびアンモニア酸化触媒からなる。

このように本実施形態の燃料噴射ノズル４はタービンの下流側かつ後処理装置の上流側に設置される。しかしながらその設置位置は必要に応じて変更可能である。

酸化触媒は、排気ガス中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して浄化すると共に、このときの反応熱で排気ガスを加熱昇温し、また排気中のＮＯをＮＯ₂に酸化する。ＤＰＦは、所謂連続再生式の触媒付きＤＰＦからなり、排気中に含まれる煤等の粒子状物質（ＰＭ）を捕集すると共に、捕集したＰＭを連続的に燃焼除去する。ＳＣＲは、その上流側で添加された尿素水に起因するアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元する。アンモニア酸化触媒は、ＳＣＲから排出された余剰アンモニアを酸化して浄化する。

周知のように、ＤＰＦにおけるＰＭ堆積量が所定量を超えたとき、その堆積ＰＭを強制的に燃焼除去してＰＭ捕集能を回復させるフィルタ再生が行われる。このフィルタ再生の際、燃料噴射ノズル４から燃料が噴射される。するとこの燃料が酸化触媒により燃焼され、酸化触媒から高温かつリッチな排気ガスが排出される。この高温リッチの排気ガスがＤＰＦに供給されてＤＰＦ内の堆積ＰＭが燃焼除去される。

なお、ＳＣＲの代わりに吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＬＮＴという）を設けた場合、ＬＮＴに吸蔵されたＮＯｘおよび硫黄成分を定期的に除去するＬＮＴ再生が行われる。このＬＮＴ再生の際にも燃料噴射ノズル４から燃料が噴射される。

排気アダプタ５の上流端部には上流端フランジ８が一体に設けられ、これに排気ブレーキバルブ６の下流端部がボルト等の締結具により固定される。排気アダプタ５の下流端部には下流端フランジ９が一体に設けられる。排気管７の上流端部には排気管フランジ１０が溶接により一体的に固定されている。排気管フランジ１０は下流端フランジ９にボルト等の締結具により固定される。排気アダプタ５の下流端部には主通路１の下流端部を画成する筒部１１が形成され、筒部１１が排気管７内に嵌合挿入されるようになっている。

主通路１は、概ね上方から下方に向かって延び、かつ、下方に向かうにつれ左側に緩やかに曲がるよう湾曲されている。より詳細には、主通路１は、その上端ないし上流端から所定距離下方ないし下流側まで延びる上流直線区間Ｌ１と、上流直線区間Ｌ１の終端から下方に向かうにつれ左側に曲がる曲がり区間Ｌ２と、曲がり区間Ｌ２の終端から主通路１の下端ないし下流端まで左斜め下に延びる下流直線区間Ｌ３とに区分される。上流直線区間Ｌ１と下流直線区間Ｌ３に直線状通路が形成され、曲がり区間Ｌ２に曲がり通路が形成される。主通路１はその中心軸Ｃに沿って延び、その中心軸Ｃに垂直な断面形状は基本的に円形とされる。主通路１は主通路内壁１２によって画成されている。

凹部２は、主通路１の側部、より具体的には、曲がり区間Ｌ２に形成された曲がり通路の外側コーナー部すなわち右側側部に配置される。取付穴３は、反主通路側（主通路１に対する離間側、図の右側）における凹部２の閉止端に開口されている。燃料噴射ノズル４は、噴霧軸Ｓを中心にこれに沿って、かつ所定の噴霧角θを以て、凹部２内ひいては主通路１内へと燃料を円錐状に噴射するように構成および配置されている。噴射された燃料噴霧Ｂが主通路１および凹部２の内壁に直接接触せぬよう、噴霧軸Ｓ、噴霧角θおよび噴霧貫徹力が設定されている。直接接触が生じると、その接触箇所で燃料が炭化し、通路面積を減少させる等の不具合を生じさせるからである。噴霧軸Ｓと主通路中心軸Ｃは、鋭角の所定角度αを以て交差する。

本実施形態の場合、凹部２、取付穴３および燃料噴射ノズル４は、噴霧軸Ｓと同軸に配置されている。但し取付穴３および燃料噴射ノズル４は、噴霧軸Ｓと必ずしも同軸でなくてもよく、噴霧軸Ｓに対し傾斜されていても構わない。凹部２も、燃料噴霧Ｂの直接接触が生じない範囲内で、噴霧軸Ｓに対し僅かに傾斜されていても構わない。取付穴３は段付き形状とされ、最も主通路側（主通路１に対する近接側、図の左側）に位置された先端穴１３と、先端穴１３の反主通路側に形成された段差状拡径穴１４とを有する。

先端穴１３は、一定の内径と所定長さとを有する。先端穴１３に、燃料噴射ノズル４の先端部（ノズル先端部という）１５が密着して嵌合挿入され、ノズル先端部１５の熱を排気アダプタ５に直接逃がすようになっている。ノズル先端部１５も一定の外径と所定長さとを有する。排気アダプタ５の内部には、冷媒が貯留される冷却穴１６が、先端穴１３の外周側を取り囲むように形成されている。本実施形態の冷媒はエンジン冷却水である。冷却穴１６には図示しない入口および出口が設けられ、冷却穴１６内の冷却水が常時連続的に交換されるようになっている。こうしてノズル先端部１５は冷却水により冷却されることとなる。

段差状拡径穴１４には、燃料噴射ノズル４の基端部が密着固定されている。この密着固定部分と、先端穴１３およびノズル先端部１５の密着嵌合部分とにより、主通路１からの排気ガス漏れが確実に防止される。

本実施形態の排気内噴射装置は、凸部１７をさらに備える。凸部１７は、凹部２に隣接してその主流流れ方向上流側（主流上流側という）に配置され、主通路１内に向かって突出する。なお参考までに、仮想線Ｅにより、凸部１７が無いと仮定した場合の主通路１の断面形状を示す。

凸部１７も、曲がり区間Ｌ２の外側コーナー部に配置されている。凸部１７は、曲がり区間Ｌ２の開始点から主通路１内に向かって直線的に延びるような断面形状もしくは傾斜面形状を有し、仮想線Ｅと共に略三角形の断面を規定するような断面形状を有する。この凸部１７の、最も主通路１内側かつ主流流れ方向下流側（主流下流側という）に位置する頂部から、凹部２が開始するようになっている。

図２に、凹部２付近の詳細を示す。図示するように、ノズル先端部１５の先端面１８には周知のサック部１９が突出形成されている。このサック部１９の先端に、燃料の噴射口である噴孔（図示せず）が形成される。本実施形態では燃料噴射ノズル４が一つの噴孔を有するシングルホール式であるが、複数の噴孔を有するマルチホール式であってもよい。サック部１９の先端位置、すなわち噴孔の出口位置は、先端穴１３の先端位置１３Ａに合わせられている。

凹部２は少なくとも、主通路側に形成された円筒壁２１と、円筒壁２１および取付穴３（具体的には先端穴１３）の間に形成された絞り壁２２とによって画成される。本実施形態の場合、凹部２は、最も主通路側に配置されたアール面壁２３と、アール面壁２３の反主通路側に隣接して配置された円筒壁２１と、円筒壁２１の反主通路側に隣接して配置された絞り壁２２とによって画成される。絞り壁２２の反主通路側に隣接して先端穴１３が配置されている。アール面壁２３は位置ａから位置ｂまでの区間、円筒壁２１は位置ｂから位置ｃまでの区間、絞り壁２２は位置ｃから位置ｄまでの区間で表される。位置ｄに先端穴１３の先端位置１３Ａがある。

円筒壁２１は、噴霧軸Ｓを中心とした円筒形状または略円筒形状とされる。本実施形態では、円筒壁２１の下端縁２１Ａが噴霧軸Ｓに平行とされる一方、円筒壁２１の上端縁２１Ｂは、反主通路側に向かうにつれ半径が小さくなるよう極僅かに傾斜されている。しかしながら、円筒壁２１の上端縁２１Ｂも噴霧軸Ｓに平行であってもよい。

絞り壁２２は、円筒壁２１によって画成される凹部２の断面積（噴霧軸Ｓに垂直な断面の面積）を、先端穴１３に向かうにつれ縮小するように形成されている。本実施形態の場合、絞り壁２２は、先端穴１３に向かうにつれ縮径する鶴首状に形成されている。すなわち絞り壁２２は、位置ｃから反主通路側に向かうにつれ急激にかつアール状に縮径方向に曲がる第１アール面部２４と、位置ｄから主通路側に向かうにつれ急激にかつアール状に拡径方向に曲がる第２アール面部２５と、これら第１アール面部２４および第２アール面部２５を直線的に繋ぐ円錐面部２６とを有する。第２アール面部２５の反主通路側端部は接線状に先端穴１３に接続する。

アール面壁２３は、主通路１に開口する凹部２の開口端部を形成する。凹部２の上端部は、主流流れ方向上流側の端部（主流上流端部という）であり、凹部２の下端部は、主流流れ方向下流側の端部（主流下流端部という）である。アール面壁２３の主流上流端部２３Ａは、凸部１７の頂部と円筒壁２１を滑らかに接続する。アール面壁２３の主流下流端部２３Ｂも、その下方の主通路内壁１２と円筒壁２１を滑らかに接続する。アール面壁２３の主流上流端部２３Ａは主流下流端部２３Ｂよりも小さい曲率半径と、噴霧軸Ｓ方向の長さとを有する。

次に、本実施形態の作用を説明する。

図１に示すように、排気ガスの主流Ｆ１は、矢示の如く、概ね中心軸Ｃの方向に沿って主通路１内を上方から下方へと流れる。他方、曲がり区間Ｌ２の外側コーナー部では、主流Ｆ１が凸部１７により積極的に主通路側（左側）ないし中心軸Ｃ側に案内される。これにより主流Ｆ１が凹部２から遠ざかるように案内され、主流Ｆ１の凹部２内の進入、さらにはノズル先端部１５への到達を抑制することができる。

他方、図３に示すように、凸部１７の壁面に沿った主流Ｆ１の流れは、アール面壁２３に差し掛かった時点で凸部１７から剥離し、凹部２内に巻き込むように向かう剥離流Ｆ２を生成させる。この剥離流Ｆ２は、アール面壁２３および円筒壁２１の少なくとも一方に衝突し、反射され、円筒壁２１の内側に、噴霧軸Ｓを中心として旋回する旋回流Ｆ３を生成させる。このように旋回流Ｆ３は剥離流Ｆ２に基づき生成される。

しかし、円筒壁２１の反主通路側（右側）には、凹部２の断面積を比較的急激に縮小する絞り壁２２がある。この絞り壁２２は、旋回流Ｆ３が先端穴１３、ひいてはノズル先端部１５に向かうのを抑制する。その結果、絞り壁２２の内側では、旋回流Ｆ３が実質的に生じないか、または生じたとしても小程度である。旋回流Ｆ３が生じたとしても、その流速は、円筒壁２１内の旋回流Ｆ３に比べて非常に低速である。

従って、ノズル先端部１５、より詳細には凹部２内に臨みかつ噴孔を有するノズル先端面１８のサック部１９には、高温の旋回流Ｆ３が直接当たらないか、または当たったとしてもその流量は大幅に制限される。ノズル先端部１５が排気ガスから受ける熱は、直接伝達によるものよりもむしろ輻射によるものが支配的と考えられる。従って、ノズル先端部１５が高温の排気ガスから単位時間当たりに受ける熱量すなわち被熱量を抑制することができる。そして、ノズル先端部１５の温度上昇を抑制し、炭化燃料による噴孔詰まりを抑制することが可能である。

このように本実施形態の排気内噴射装置は、円筒壁２１の内側に生成された旋回流Ｆ３が取付穴３に向かうのを、絞り壁２２によって抑制するように構成されている。このため、ノズル先端部１５の被熱量を効果的に抑制することができる。

なお、ノズル先端部１５の温度が過度に上昇すると、サック部１９の内側のシート部と、これに対し離反着座可能な針弁との硬度が低下し、これらの摩耗が生じる虞がある。しかし本実施形態によれば、ノズル先端部１５の温度上昇を抑制できるので、こうした摩耗をも抑制することが可能である。

また、燃料噴射ノズル４から噴射された燃料が、ノズル先端部１５の近傍箇所における凹部内壁に付着し、これが炭化して堆積し、噴射不良や噴孔詰まりの原因となることがある。

しかし、本実施形態によれば、噴孔出口直後に位置する絞り壁２２の内側領域のガス流速が遅いため、そのガス流の影響を受け難く、その内側領域をスムーズに通過させて燃料を噴射することができる。従って、ノズル先端部１５の近傍箇所における燃料の付着および炭化、ならびにこれに伴う噴射不良や噴孔詰まりを抑制することができる。

また、仮に従来構造のように排気ガスの主流がノズル先端部に到達しやすい構成だと、その主流に含まれる煤もノズル先端部およびその近傍箇所に付着堆積しやすく、噴孔詰まりの原因となる。しかし、本実施形態の場合だと、主流Ｆ１から由来した旋回流Ｆ３がノズル先端部１５およびその近傍の絞り壁２２の内側領域に到達し難いため、そうした煤の付着堆積も抑制できる。

なお、燃料噴射ノズル４の位置をより反主通路側の位置に変更することによってもノズル先端部１５の被熱量を抑制できるが、こうすると、燃料噴霧が凹部２内壁に衝突し、適切な燃料噴射を行えなくなる可能性がある。本実施形態では、燃料噴射ノズル４の位置をできるだけ凹部２に近づけつつ、ノズル先端部１５の被熱量を抑制できるので、燃料噴霧衝突と被熱量抑制との同時解決が可能である。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は以下のような他の実施形態も可能である。

（１）絞り壁の形状は、鶴首状に限定されず、前記同様の作用効果を生ずる他の形状とすることができる。例えば絞り壁を、凹部中心側に全周突出するリング状突出壁を有するもの、あるいは段差状もしくは階段状に縮径するものなどとしてもよい。

（２）主通路、凹部および取付穴は、必ずしも排気アダプタに形成されたものでなくてもよい。例えば、主通路を排気管で形成し、凹部および取付穴を別体の鋳造部品に形成し、これら排気管と鋳造部品を溶接またはボルト止め等により互いに固定してもよい。主通路、凹部および取付穴の全てを管材により形成し、これらを全て溶接等により一体化してもよい。

（３）可能であれば凸部を省略してもよい。また、凹部が開口する主通路を、曲がり通路ではなく、直線状通路で形成してもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 主通路
２ 凹部
３ 取付穴
４ 燃料噴射ノズル
５ 排気アダプタ
１７ 凸部
２１ 円筒壁
２２ 絞り壁
２３ アール面壁
Ｆ１ 主流
Ｆ２ 剥離流
Ｆ３ 旋回流

Claims (7)

1. 内燃機関から排出された排気ガスの主流が流される主通路と、
   前記主通路に開口して連通された凹部と、
   前記凹部に開口して連通された取付穴と、
   前記取付穴に挿入して取り付けられた燃料噴射ノズルと、
   を備え、
   前記凹部は少なくとも、主通路側に形成された円筒壁と、前記円筒壁および前記取付穴の間に形成された絞り壁とによって画成され、
   前記凹部の開口端部かつ主流上流端部の位置で前記主流から剥離した剥離流に基づき、前記円筒壁の内側に旋回流を生成させ、前記旋回流が前記取付穴に向かうのを前記絞り壁によって抑制するように構成された
   ことを特徴とする排気内噴射装置。
2. 前記絞り壁は、前記円筒壁によって画成される前記凹部の断面積を、前記取付穴に向かうにつれ縮小するように形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気内噴射装置。
3. 前記絞り壁は、前記取付穴に向かうにつれ縮径する鶴首状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の排気内噴射装置。
4. 前記凹部に隣接してその主流上流側に配置され、前記主通路内に向かって突出する凸部をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気内噴射装置。
5. 前記凹部は、前記円筒壁の主通路側に形成されたアール面壁によっても画成される
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気内噴射装置。
6. 前記主通路が曲がり通路を有し、前記凹部が前記曲がり通路の外側コーナー部に配置される
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の排気内噴射装置。
7. 前記主通路、前記凹部および前記取付穴が、鋳造品である排気アダプタに形成される
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の排気内噴射装置。

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