JP7080679B2 - 内燃機関の添加剤分散システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気管内の排気ガス中に、排気ガスの浄化に用いるための添加剤を分散させる、内燃機関の添加剤分散システムに関する。

例えば内燃機関の１つであるディーゼルエンジンでは、排気浄化装置として、排気管の上流側から順に、酸化触媒、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、尿素ＳＣＲ（選択式還元触媒）が配置されている場合がある。酸化触媒は排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等を酸化させて無害化し、ＤＰＦは排気ガス中のスス等の粒子状物質を捕集し、尿素ＳＣＲは排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元させて無害化する。なお、ＤＰＦにて捕集した粒子状物質が所定量以上に達した場合は、燃料添加弁を用いて酸化触媒の上流側から排気管中に燃料（添加剤）を噴射して酸化触媒内で反応させて排気ガスの温度を強制的に上昇させて、高温となった排気ガスを用いてＤＰＦ内の粒子状物質を燃焼焼却させて除去している。また尿素ＳＣＲの還元処理を行う場合は、尿素水添加弁を用いて尿素ＳＣＲの上流側から排気管中に尿素水（添加剤）を噴射して尿素ＳＣＲ内にて還元処理を行っている。

排気ガス中の有害成分を効率よく無害化するためには、燃料添加弁から噴射された燃料（添加剤）を排気管内の排気ガス中に均一に分散させること、及び、尿素水添加弁から噴射された尿素水（添加剤）を排気管内の排気ガス中に均一に分散させること、が必要である。なお、燃料を排気ガス中に添加して分散させる方法としては、以下の（方法１）～（方法３）が考えられる。
（方法１）シリンダ内で燃焼後の排気ガス中に噴射する方法。
（方法２）シリンダからターボタービンまでの排気経路（排気マニホルド等）内で排気ガス中に噴射する方法。
（方法３）ターボタービンよりも下流側の排気経路内で排気ガス中に噴射する方法。

上記の（方法１）では、排気ガス中に添加剤が均一に分散されやすい利点を有しているが、シリンダ内に未燃焼燃料が付着してエンジンオイルが希釈化する場合があるという欠点を有している。また上記の（方法２）では、排気ガス中に添加剤が均一に分散されやすい利点を有しているが、ターボタービンに燃料が付着してタービン性能が低下する場合があるという欠点を有している。上記の（方法３）では、上記の（方法１）の欠点も（方法２）の欠点も回避できるという利点を有しているが、排気ガス中に添加剤を均一に分散しにくいという欠点を有している。上記の（方法３）において、添加弁から噴射された時点の添加剤は、粒子径が比較的大きく、排気ガス中に効率よく分散させることが困難である。そこで一般的には、排気管内に分散板を配置し、当該分散板に向けて添加剤を噴射して、添加剤を分散板に衝突させて微粒化することで、排気ガス中への添加剤の分散を促進させている。以下の特許文献１と特許文献２は、どちらも上記の（方法３）を用いており、排気管内に分散板を配置し、添加剤を分散板に衝突させて排気ガス中に添加剤を均一に分散させている。

例えば、特許文献１では、添加剤噴射装置（添加弁に相当）の近傍において、略水平な排気管内の中央部に、排気管の長手方向に延びる平面状の区画壁（分散板に相当）を配置して、排気管内をかまぼこ状の上方区画領域と下方区画領域の２つの領域に区画した、排気通路構造が開示されている。そして、添加剤噴射装置は、区画壁の上面に向けて、かつ、上流側から下流側に向けて区画壁に対して所定の傾斜角度となるように、添加剤を噴射している。添加剤噴射装置から噴射された添加剤は、上方区画領域内の排気ガスの流れを横切って区画壁の上面に衝突して微粒化されて上方区画領域内に分散され、さらに上方区画領域と下方区画領域が合流する合流部（区画壁の下流側の終端部以降）から、排気管内全体に分散されている。

また特許文献２では、噴射口（添加弁に相当）の近傍において、排気管内の中央部に、排気管の長手方向に延びる添加剤分散板を配置した、排気通路の添加剤分散板構造が開示されている。噴射口は、添加剤分散板の上面に向けて、かつ、上流側から下流側に向けて添加剤分散板に対して所定の傾斜角度となるように、添加剤を噴射している。添加剤分散板は、排気管の長手方向に沿って複数の板状部材が配置されて構成されている。各板状部材の長手方向は、排気管の長手方向に直交しており、各板状部材における下流側の縁部は、上流側の縁部よりも高くなるように配置されて傾斜面（衝突部）を有している。そして排気管の長手方向に隣り合う板状部材の間には、所定の隙間が設けられており、添加剤分散板の上面の側から下面の側へと連通する通路部が形成されている。噴射口から噴射された添加剤は、排気ガスの流れを横切って添加剤分散板の上面の各傾斜面（衝突部）に衝突して微粒化される。微粒化された添加剤の一部は、添加剤分散板の上面の側を流れる排気ガス中に分散され、微粒化された添加剤の残りは、添加剤分散板の通路部をとおって添加剤分散板の下面の側に流れ、添加剤分散板の下面の側を流れる排気ガス中に分散される。

特開２００９－１６２１２２号公報 特開２００９－６８４６０号公報

特許文献１及び特許文献２に記載の添加剤分散システムは、どちらも排気管内に分散板を有し、どちらの分散板も、排気管内の中央部に、排気管の長手方向に沿うように、配置されている。このため、排気管内を流れる排気ガスの流速が最も大きな領域（中央部）に分散板が配置されているので、排気ガスの圧損が懸念される。排気ガスの圧損は、内燃機関の出力及び燃費を低下させる要因となる。

また、特許文献１及び特許文献２に記載のいずれの添加剤分散システムも、添加弁から噴射した添加剤を、排気ガスの流速が最も大きな領域（排気管内の中央部）を横切らせて、この排気ガスの流速が最も大きな領域に配置された分散板に衝突させている。このため、内燃機関を高回転で運転して排気ガスの流速及び流量が非常に大きい場合、添加弁から噴射された添加剤の一部が、高速かつ大流量の排気ガスに流されて（運ばれて）分散板に衝突することなく分散板の下流まで流されてしまう可能性がある。この場合、分散板に衝突しなかった添加剤は、微粒化されずに粒径が比較的大きく、排気ガス中に適切に分散されない可能性がある。

本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、内燃機関の排気管内における排気ガスの圧損をより低減し、かつ、排気ガスの流速及び流量が大きくなっても、添加弁から噴射された添加剤を、適切に微粒化させて排気管内の排気ガス中に適切に分散させることができる、内燃機関の添加剤分散システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の発明は、排気浄化装置よりも上流側となる内燃機関の排気管内に添加剤を噴射する添加弁を有して、前記添加弁から噴射される添加剤を、前記排気管内を流れる排気ガス中に分散させる、内燃機関の添加剤分散システムであって、前記排気浄化装置よりも上流側となる前記排気管における長手方向の一部かつ周方向の一部の内壁周辺に、排気ガスの流速が周囲の排気ガスの流速よりも遅くなる流速遅延領域が形成されており、前記添加弁から噴射された添加剤が前記流速遅延領域内のみを通過して前記流速遅延領域内における前記排気管の内壁に衝突するように前記添加弁が配置されている、内燃機関の添加剤分散システムである。

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る内燃機関の添加剤分散システムであって、前記流速遅延領域は、前記排気浄化装置よりも上流側の前記排気管における長手方向の一部において排気ガスの流れる方向を変えるように前記排気管を曲げた曲げ部と、前記曲げ部の内周側かつ前記曲げ部の近傍の下流側の前記排気管内に設けられて、前記曲げ部の内周側かつ前記曲げ部の近傍の下流側を流れる排気ガスの流れを堰き止める堰部材と、にて、前記堰部材の近傍の下流側に形成されており、前記添加弁は、前記排気管における前記流速遅延領域に、自身から噴射された添加剤が前記流速遅延領域のみを通過して前記流速遅延領域内の前記排気管の内壁に衝突するように、設けられている、内燃機関の添加剤分散システムである。

次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明に係る内燃機関の添加剤分散システムであって、前記排気管は、２本の前記排気管が合流部にて１本の前記排気管にまとめられた後、１本にまとめられた前記排気管の下流側が前記排気浄化装置に接続されており、前記合流部は、２本の前記排気管における一方の前記排気管の途中に設定され、２本の前記排気管における他方の前記排気管の下流側の端部が接続されており、前記流速遅延領域は、他方の前記排気管における前記合流部の上流側の長手方向の一部において排気ガスの流れる方向を変えるように他方の前記排気管を曲げた曲げ部、にて、前記曲げ部の内周側かつ前記曲げ部の近傍の下流側に形成されており、前記添加弁は、他方の前記排気管における前記流速遅延領域に、自身から噴射された添加剤が前記流速遅延領域のみを通過して前記流速遅延領域内の他方の前記排気管の内壁に衝突するように、設けられている、内燃機関の添加剤分散システムである。

次に、本発明の第４の発明は、上記第３の発明に係る内燃機関の添加剤分散システムであって、他方の前記排気管における前記曲げ部は、前記合流部の近傍に形成されており、前記流速遅延領域は、前記曲げ部の内周側かつ前記曲げ部の近傍の下流側かつ前記合流部まで、に形成されている、内燃機関の添加剤分散システムである。

次に、本発明の第５の発明は、上記第３の発明または第４の発明に係る内燃機関の添加剤分散システムであって、排気ガスが流入される流入口と、流入された排気ガスを吐出する吐出口と、を有する２つのターボタービンを有し、２本の前記排気管におけるそれぞれの上流側は、それぞれの前記ターボタービンの前記吐出口に接続されている、内燃機関の添加剤分散システムである。

第１の発明によれば、流速遅延領域を、排気管の長手方向の一部、かつ、排気管の中央部ではなく排気管の周方向の一部の内壁周辺に形成している。従って、排気ガスの流速が最も大きい中央部を避け、かつ、分散板を用いないので、排気管内における排気ガスの圧損をより低減することができる。また、添加弁から噴射された添加剤を、流速遅延領域内のみを通過させて排気管の内壁に衝突させることで、添加剤が内壁に衝突することなく排気ガスに流されることを防止している。従って、排気ガスの流速及び流量が大きくなっても、添加剤を排気管の内壁に確実に衝突させることが可能であり、添加剤を適切に微粒化させて排気管内の排気ガス中に適切に分散させることができる。

第２の発明によれば、排気管が１本の場合において、排気ガスの圧損を抑制しつつ、曲げ部と堰部材にて流速遅延領域を適切かつ比較的容易に形成することができる。また、添加弁を、適切な位置に配置することができる。

第３の発明によれば、２本の排気管が合流部にて接続されて１本の排気管とされた排気管の場合において、排気ガスの圧損を抑制しつつ、曲げ部にて流速遅延領域を適切かつ比較的容易に形成することができる。また、添加弁を、適切な位置に配置することができる。

第４の発明によれば、添加弁から噴射された添加剤は、流速遅延領域内の排気管の内壁に衝突して微粒化されると、すぐに合流部に達する。そして微粒化された添加剤を、合流部にて、一方の排気管から流れてくる排気ガスと、他方の排気管から流れてくる排気ガスと、の双方の排気ガスにて攪拌し、１本にまとめられた排気管内に均一に分散させることができる。

第５の発明によれば、並列にターボタービンを有する内燃機関において、排気管内における排気ガスの圧損をより低減し、排気ガスの流速及び流量が大きくなっても、添加弁から噴射された添加剤を、適切に微粒化させて排気管内の排気ガス中に適切に分散させることが可能な、内燃機関の添加剤分散システムを実現することができる。

本発明の内燃機関の添加剤分散システムを適用した内燃機関の概略全体構成を説明する図である。 第１の実施の形態の添加剤分散システムの全体構成を説明する図であり、図１におけるＩＩ部の拡大図であって、２本の排気管における一方の排気管の途中の合流部に、他方の排気管を接続した排気管の場合において、流速遅延領域の位置と添加弁の位置等を説明する図である。 図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面図であり、添加弁から噴射される添加剤が排気管の内壁に衝突するまでの経路等を説明する図である。 図２におけるＩＶ－ＩＶ断面図であり、流速遅延領域内で微粒化された添加剤が、酸化触媒の直前の排気管内において均一に分散されている様子の例を説明する図である。 図２に対して、流速遅延領域から合流部までの距離が長い場合の比較例を説明する図である。 図５におけるＶＩ－ＶＩ断面図であり、添加弁から噴射される添加剤が排気管の内壁に衝突するまでの経路等を説明する図である。 図５におけるＶＩＩ－ＶＩＩ断面図であり、流速遅延領域内で微粒化された添加剤が、酸化触媒の直前の排気管内において偏って分散されている様子の例を説明する図である。 第２の実施の形態の添加剤分散システムの全体構成を説明する図であり、図１におけるＶＩＩＩ部の拡大図であって、排気管が１本の場合において、流速遅延領域の位置と添加弁の位置等を説明する図である。 図８におけるＩＸ－ＩＸ断面図であり、添加弁から噴射される添加剤が排気管の内壁に衝突するまでの経路等を説明する図である。 図８におけるＸ－Ｘ断面図であり、流速遅延領域内で微粒化された添加剤が、尿素ＳＣＲの直前の排気管内において均一に分散されている様子の例を説明する図である。

●［内燃機関１の概略全体構成（図１）］
以下に本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。まず図１を用いて、内燃機関１の概略全体構成について説明する。本実施の形態の説明では、内燃機関の例として、車両に搭載されたエンジン１０（例えばディーゼルエンジン）を用いて説明する。図１の例では、エンジン１０は、右バンク１０Ｒと左バンク１０Ｌを有する多気筒エンジンであり、右バンク１０Ｒには右ターボチャージャ２０Ｒが設けられ、左バンク１０Ｌには左ターボチャージャ２０Ｌが設けられている。以下、エンジン１０への吸気経路とエンジン１０からの排気経路を説明しながら、各部材等を説明する。

吸気管３１Ｒの下流側は、右ターボチャージャ２０Ｒの右コンプレッサ２２Ｒの吸入口に接続されている。右コンプレッサ２２Ｒの吐出口は、吸気管３２Ｒの上流側に接続されている。そして吸気管３２Ｒの下流側は、インタークーラ３０Ｃの吸入口に接続されている。右コンプレッサ２２Ｒは、排気ガスによって回転駆動される右タービン２１Ｒにて回転駆動され、吸気管３１Ｒから吸入した空気を圧縮して吸気管３２Ｒへと吐出する。なお、吸気管３１Ｌ、吸気管３２Ｌ、左ターボチャージャ２０Ｌ、左コンプレッサ２２Ｌ、左タービン２１Ｌも同様であり、これらについては説明を省略する。また、吸気管３１Ｒの上流側と吸気管３１Ｌの上流側は、１本にまとめられていてもよい。

インタークーラ３０Ｃは、吸気管３２Ｒと吸気管３２Ｌの合流部に設けられており、吸気管３２Ｒと吸気管３２Ｌからの圧縮された空気を冷却して酸素密度を向上させ、冷却した圧縮空気を吸気管３３に吐出する。吸気管３３の下流側は吸気マニホルド３４に接続されている。また吸気管３３には、電子スロットル装置６７が設けられている。

電子スロットル装置６７は、制御装置８０からの制御信号に基づいて吸気管３３の開度を調整するスロットルを有しており、吸気流量を調整する。制御装置８０は、スロットル開度検出手段（図示省略したスロットル開度センサ等）からの検出信号と目標スロットル開度に基づいて、電子スロットル装置６７に制御信号を出力して吸気管３３の開度を調整可能である。

また制御装置８０には、アクセルペダル踏込量検出手段５３からの検出信号が入力されている。アクセルペダル踏込量検出手段５３は、例えばアクセルペダル踏込角度センサであり、アクセルペダルに設けられている。制御装置８０は、アクセルペダル踏込量検出手段５３からの検出信号に基づいて、運転者によるアクセルペダルの踏込量（運転者の加速要求、減速要求）を検出することが可能である。

吸気マニホルド３４は、エンジン１０の右バンク１０Ｒの各気筒、左バンク１０Ｌの各気筒、のそれぞれに吸気を供給する。また吸気マニホルド３４には、排気マニホルド４１Ｒ、４１Ｌと配管３５を経由して排気ガスの一部を戻すＥＧＲ経路が接続されている。そして配管３５には、ＥＧＲクーラ４０Ｃ、ＥＧＲ弁６８が設けられている。

ＥＧＲクーラ４０Ｃは、配管３５における排気マニホルド４１Ｒ、４１Ｌの側である排気流入側から高温の排気ガスが流入され、配管３５における吸気マニホルド３４の側である排気流出側から冷却した排気ガスを吐出する。ＥＧＲクーラ４０Ｃには、冷却用のクーラントが供給されている。ＥＧＲクーラ４０Ｃは、いわゆる熱交換機であり、クーラントを用いて、流入された排気ガスを冷却して吐出する。

ＥＧＲ弁６８（ＥＧＲバルブ）は、配管３５におけるＥＧＲクーラ４０Ｃに近接する排気流入側または排気流出側に配設されており、制御装置８０からの制御信号に基づいて、配管３５の開度（すなわち、ＥＧＲ量）を調整する。

エンジン１０には、例えば、回転検出手段５２、クーラント温度検出手段５１等が設けられている。回転検出手段５２は、例えばエンジン１０のクランク軸の回転数や、クランク軸の回転角度（例えば各気筒の圧縮上死点タイミング）等を検出可能な回転角度センサである。制御装置８０は、回転検出手段５２からの検出信号に基づいて、エンジン１０のクランク軸の回転数や回転角度等を検出することが可能である。クーラント温度検出手段５１は、例えば、エンジン１０内を循環しているクーラントの温度を検出する温度センサである。制御装置８０は、クーラント温度検出手段５１からの検出信号に基づいて、エンジン１０内を循環しているクーラントの温度を検出することが可能である。

エンジン１０の右バンク１０Ｒの排気側には、排気マニホルド４１Ｒが接続されている。排気マニホルド４１Ｒの下流側は、排気管４２Ｒの上流側に接続されている。排気管４２Ｒの下流側は、右ターボチャージャ２０Ｒの右タービン２１Ｒの流入口に接続されている。右バンク１０Ｒの各気筒からの排気ガスは、排気マニホルド４１Ｒにてまとめられて排気管４２Ｒを経由して右タービン２１Ｒに導かれる。なお、左バンク１０Ｌ、排気マニホルド４１Ｌ、排気管４２Ｌ、左ターボチャージャ２０Ｌの左タービン２１Ｌも同様であり、これらについては説明を省略する。右タービン２１Ｒは、排気管４２Ｒから流入してくる排気ガスによって回転駆動され、直結された右コンプレッサ２２Ｒを回転駆動する。左タービン２１Ｌは、排気管４２Ｌから流入してくる排気ガスによって回転駆動され、直結された左コンプレッサ２２Ｌを回転駆動する。

また図１の例では、左タービン２１Ｌの流入口に接続された排気管４２Ｌには、排気管４２Ｌの開口と閉鎖を行う遮断弁６９が設けられている。また、排気管４２Ｒと排気管４２Ｌは、連通配管４２にて連通されている。制御装置８０は、エンジン１０の運転状態に応じて遮断弁６９を制御することで、運転状態に応じて左ターボチャージャ２０Ｌを有効化または無効化することができる。遮断弁６９が開口状態の場合、左バンク１０Ｌからの排気ガスは、排気管４２Ｌを経由して左タービン２１Ｌに導かれる。遮断弁６９が閉鎖状態の場合、左バンク１０Ｌからの排気ガスは、連通配管４２と排気管４２Ｒを経由して右タービン２１Ｒに導かれる。

右タービン２１Ｒの吐出口には、排気管４３Ｒ（他方の排気管に相当）の上流側が接続され、排気管４３Ｒの下流側は、合流部４３ＲＬにおいて排気管４３Ｌ（一方の排気管に相当）に接続されている。また左タービン２１Ｌの吐出口には、排気管４３Ｌの上流側が接続され、排気管４３Ｌの下流側は、酸化触媒７１の流入口に接続されている。排気管４３Ｌの途中には合流部４３ＲＬが設定されており、当該合流部４３ＲＬに、排気管４３Ｒの下流側の端部が接続されている。また、排気管４３Ｒにおける合流部４３ＲＬの近傍には、排気管内の排気ガス中に添加剤（この場合、燃料）を噴射する添加弁６１（この場合、燃料添加弁）が配置されている。また排気管４３Ｒにおける添加弁６１よりも少し上流側には、排気管４３Ｒを曲げた曲げ部４３ＲＭが形成されている。

酸化触媒７１の吐出口には、排気管４５の上流側が接続され、排気管４５の下流側は、ＤＰＦ７２（Diesel Particulate Filter）の流入口に接続されている。ＤＰＦ７２の吐出口には、排気管４６の上流側が接続され、排気管４６の下流側は、尿素ＳＣＲ７３の流入口に接続されている。また排気管４６には、排気管４６を曲げた曲げ部４６Ｍが形成されており、曲げ部４６Ｍの近傍の下流側には、堰部材６３が設けられており、堰部材６３の近傍の下流側には、排気管内の排気ガス中に添加剤（この場合、尿素水）を噴射する添加弁６２（この場合、尿素水添加弁）が配置されている。そして尿素ＳＣＲ７３の吐出口には、排気管４７の上流側が接続されている。

制御装置８０は、ＣＰＵ（制御手段８１）と記憶手段８２とを有し、記憶手段８２に記憶されたプログラムに従った処理を行う。制御手段８１は、上述した各種の検出手段等からの検出信号が入力されて、エンジン１０の運転状態を検出し、ＥＧＲ弁６８、遮断弁６９、電子スロットル装置６７、添加弁６１、添加弁６２等を駆動する制御信号を出力する。また制御手段８１へ検出信号を出力する検出手段、及び制御手段８１から制御されるアクチュエータは、図１の例に限定されず、種々の検出手段（圧力検出手段や排気温度検出手段等）や、種々のアクチュエータ（インジェクタや各種ランプ等）が有るが、これらについては図示及び説明を省略する。

酸化触媒７１（排気浄化装置の１つ）は、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）と炭化水素（ＨＣ）を酸化させて無害化する。ＤＰＦ７２（排気浄化装置の１つ）は、排気ガス中の粒子状物質が大気中に放出されないように捕集する。そして制御手段８１は、エンジン１０の運転状態等に基づいて、ＤＰＦ７２にて捕集した粒子状物質が所定量以上に達したと判定すると、添加弁６１から所定量の添加剤（この場合、燃料）を噴射して、酸化触媒７１内で排気ガスと燃料を反応させる。そして反応して高温となった排気ガスは、酸化触媒７１から吐出されてＤＰＦ７２内に流入し、ＤＰＦ７２内の粒子状物質を燃焼焼却させ、ＤＰＦ７２を再生する。また制御手段８１は、エンジン１０の運転状態等に基づいて、還元実施条件が成立したと判定すると、添加弁６２から所定量の添加剤（この場合、尿素水）を噴射して、尿素ＳＣＲ７３（排気浄化装置の１つ）内で排気ガスと尿素水を反応させて、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して無害化する。

ＤＰＦ７２内に捕集された粒子状物質を効率よく燃焼焼却させるためには、添加弁６１から排気管４３Ｒ内に噴射した添加剤（この場合、燃料）を、酸化触媒７１に到達するまでに、排気ガス中にほぼ均一に分散させる必要がある。また、尿素ＳＣＲ７３内にてＮＯｘを効率よく還元するためには、添加弁６２から排気管４６内に噴射した添加剤（この場合、尿素水）を、尿素ＳＣＲ７３に到達するまでに、排気ガス中にほぼ均一に分散させる必要がある。以降にて、添加剤分散システムの第１の実施の形態（添加弁６１及びその周囲に適用した添加剤分散システム）と、第２の実施の形態（添加弁６２及びその周囲に適用した添加剤分散システム）について説明する。

●［第１の実施の形態の添加剤分散システム（図２～図４）］
図２は、図１におけるＩＩ部の拡大図であり、図３は図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面を示し、図４は図２におけるＩＶ－ＩＶ断面を示している。図２に示すように、第１の実施の形態では、２本の排気管４３Ｌ、４３Ｒが、合流部４３ＲＬにて１本の排気管（合流部４３ＲＬよりも下流側の排気管４３Ｌ）にまとまられた後、１本にまとめられた排気管（合流部４３ＲＬよりも下流側の排気管４３Ｌ）の下流側が酸化触媒７１（排気浄化装置）に接続されている。合流部４３ＲＬは、２本の排気管４３Ｌ、４３Ｒにおける一方の排気管４３Ｌの途中に設定され、２本の排気管４３Ｌ、４３Ｒにおける他方の排気管４３Ｒの下流側の端部が接続されている。なお図１に示すように、一方の排気管４３Ｌの上流側は左タービン２１Ｌ（ターボタービンに相当）の吐出口に接続され、他方の排気管４３Ｒの上流側は右タービン２１Ｒ（ターボタービンに相当）の吐出口に接続されている。

酸化触媒７１（排気浄化装置）よりも上流側となる他方の排気管４３Ｒにおける長手方向の一部、かつ、周方向の一部、の内壁周辺には、排気ガスの流速が周囲の排気ガスの流速よりも遅くなる流速遅延領域９０Ａ（図２、図３においてハッチングにて示す領域）が形成されている。流速遅延領域９０Ａは、他方の排気管４３Ｒにおける合流部４３ＲＬの上流側の長手方向の一部において、排気ガスの流れる方向を変えるように他方の排気管４３Ｒを曲げた曲げ部４３ＲＭにて、曲げ部４３ＲＭの内周側、かつ、曲げ部４３ＲＭの近傍の下流側、に形成されている。図２に示すように、他方の排気管４３Ｒ内を流れる排気ガスは、点線にて示すように、流速遅延領域９０Ａを避けるように流れる。つまり、流速遅延領域９０Ａでは、排気ガスの流速が周囲の排気ガスの流速よりも遅くなり、排気ガスが淀む。なお、曲げ部４３ＲＭ及び添加弁６１は、遮断弁６９（図１参照）が設けられていない側の排気管に設けられている。

図２及び図３に示すように、添加弁６１（この場合、燃料添加弁）は、他方の排気管４３Ｒにおける流速遅延領域９０Ａに、自身から噴射された添加剤６１Ａ（この場合、燃料）が、流速遅延領域９０Ａのみを通過して流速遅延領域９０Ａ内の他方の排気管４３Ｒの内壁に衝突するように、設けられている。添加弁６１から噴射された添加剤６１Ａは、エンジンを高回転で運転して排気ガスが高速かつ大流量で流れても、高速かつ大流量の排気ガスの流れにさらされていないので、流速遅延領域９０Ａ内のみを通過して、流速遅延領域９０Ａ内の他方の排気管４３Ｒの内壁に確実に衝突する。そして衝突して微粒化された添加剤６１Ａは、合流部４３ＲＬへと流れ、一方の排気管４３Ｌの上流側から合流部４３ＲＬへと流れる排気ガス（図２中の一点鎖線にて示す排気ガス）と、他方の排気管４３Ｒの上流側から合流部４３ＲＬへと流れる排気ガス（図２中の点線にて示す排気ガス）にて攪拌される。そして攪拌された添加剤６１Ａ（微粒化された添加剤６１Ａ）は、酸化触媒７１に到達する直前には、図４に示すように、一方の排気管４３Ｌ内にてほぼ均一に分散される。

なお、他方の排気管４３Ｒにおける曲げ部４３ＲＭは、合流部４３ＲＬの近傍に設けられている。図２において、曲げ部４３ＲＭから合流部４３ＲＬまでの距離Ｌ１は、例えば約１０～１５［ｃｍ］程度の距離である。流速遅延領域９０Ａは、曲げ部４３ＲＭの内周側、かつ、曲げ部４３ＲＭの近傍の下流側、かつ、合流部４３ＲＬまで、に形成されている。このため、流速遅延領域９０Ａ内で微粒化された添加剤は、他方の排気管４３Ｒ内に分散される前に合流部４３ＲＬへと流れ、一方の排気管４３Ｌ内の排気ガスと他方の排気管４３Ｒ内の排気ガスにて攪拌される。これにより図４に示すように、合流部４３ＲＬよりも下流側の排気管４３Ｌ内には、微粒化された添加剤６１Ａが、ほぼ均一に分散される。

●［第１の実施の形態に対する比較例（図５～図７）］
図５は、図２に示す第１の実施の形態に対して、曲げ部２４３ＲＭから合流部２４３ＲＬまでの距離Ｌ２が長い場合の比較例を示している。距離Ｌ２は、例えば約７０～１００［ｃｍ］程度の距離である。なお図６は図５におけるＶＩ－ＶＩ断面を示し、図７は図５におけるＶＩＩ－ＶＩＩ断面を示している。図５及び図６に示す比較例は、図２及び図３に示す第１の実施の形態に対して、距離Ｌ２が長い点のみが異なる。距離Ｌ２が比較的長い場合、図７に示すように、添加剤２６１Ａの濃度が高い高濃度領域ＡＨと、添加剤２６１Ａの濃度が低い低濃度領域ＡＬと、が形成されてしまい、排気管２４３Ｌ内の排気ガス中に添加剤２６１Ａが均一に分散されないので、好ましくない。

距離Ｌ２が比較的長い場合、流速遅延領域２９０Ａから合流部２４３ＲＬまでの距離Ｌ３が長いため、流速遅延領域２９０Ａ内で微粒化された添加剤２６１Ａは、合流部２４３ＲＬに達するまでの間に、他方の排気管２４３Ｒ内の排気ガス中に分散される。そして添加剤２６１Ａが分散された排気ガス（排気管２４３Ｒからの排気ガス）と、添加剤２６１Ａを含まない排気ガス（排気管２４３Ｌからの排気ガス）が、合流部２４３ＲＬにて合流しても、添加剤は排気ガス中に均一に分散されず、図７に示すように、添加剤２６１Ａの濃度が高い高濃度領域ＡＨと、添加剤２６１Ａの濃度が低い低濃度領域ＡＬと、が形成されてしまう。従って、図２に示すように、曲げ部を合流部の近傍に設けることが好ましい。

●［第２の実施の形態の添加剤分散システム（図８～図１０）］
図８は、図１におけるＶＩＩＩ部の拡大図であり、図９は図８におけるＩＸ－ＩＸ断面を示し、図１０は図８におけるＸ－Ｘ断面を示している。図８に示すように、第２の実施の形態では、１本の排気管４６の下流側が尿素ＳＣＲ７３（排気浄化装置）に接続されている。

尿素ＳＣＲ７３（排気浄化装置）よりも上流側となる排気管４６における長手方向の一部、かつ、周方向の一部、の内壁周辺には、排気ガスの流速が周囲の排気ガスの流速よりも遅くなる流速遅延領域９０Ｂ（図８、図９においてハッチングにて示す領域）が形成されている。流速遅延領域９０Ｂは、排気管４６における長手方向の一部において、排気ガスの流れる方向を変えるように排気管４６を曲げた曲げ部４６Ｍと、曲げ部４６Ｍの内周側、かつ、曲げ部４６Ｍの近傍の下流側、を流れる排気ガスの流れを堰き止める堰部材６３と、にて堰部材６３の近傍の下流側に形成されている。図８に示すように、排気管４６内を流れる排気ガスは、点線にて示すように、流速遅延領域９０Ｂを避けるように流れる。つまり、流速遅延領域９０Ｂでは、排気ガスの流速が周囲の排気ガスの流速よりも遅くなり、排気ガスが淀む。図８において、曲げ部４６Ｍの上流側の排気管４６から堰部材６３までの距離Ｌ１１は、例えば数［ｃｍ］～１０［ｃｍ］程度の距離に設定されている。また、堰部材６３から流速遅延領域９０Ｂの下流側の端部までの距離Ｌ１２は、例えば１０～２０［ｃｍ］程度の距離である。

図８及び図９に示すように、添加弁６２（この場合、尿素水添加弁）は、排気管４６における流速遅延領域９０Ｂに、自身から噴射された添加剤６２Ａ（この場合、尿素水）が、流速遅延領域９０Ｂのみを通過して流速遅延領域９０Ｂ内の排気管４６の内壁に衝突するように、設けられている。添加弁６２から噴射された添加剤６２Ａは、エンジンを高回転で運転して排気ガスが高速かつ大流量で流れても、高速かつ大流量の排気ガスの流れにさらされていないので、流速遅延領域９０Ｂ内のみを通過して、流速遅延領域９０Ｂ内の排気管４６の内壁に確実に衝突する。そして衝突して微粒化された添加剤６２Ａは、排気管４６内を流れる排気ガスにて攪拌される。そして攪拌された添加剤６２Ａ（微粒化された添加剤６２Ａ）は、尿素ＳＣＲ７３に到達する直前には、図１０に示すように、排気管４６内にてほぼ均一に分散される。

第２の実施の形態では、曲げ部４６Ｍに加えて堰部材６３を設けることで、流速遅延領域９０Ｂを、より適切に形成することができる。なお堰部材６３のサイズは、シミュレーション等によって、適切なサイズに設定される。

●［本実施の形態による効果］
以上、本実施の形態にて説明した内燃機関の添加剤拡散システムでは、排気管における長手方向の一部、かつ、周方向の一部の内壁周辺に流速遅延領域を形成し、当該流速遅延領域内で添加剤を排気管内壁に衝突させて添加剤を微粒化している。従って、排気管内で排気ガスの流速が最も大きな排気管内の中央部に分散板を配置する場合と比較して、排気ガスの圧損をより低減することができる。さらに、添加剤を排気管の内壁に衝突させるので、排気管内に分散板を設ける必要が無い。また、添加弁から噴射した添加剤を、排気管内の一部の内壁近傍の流速遅延領域内のみを通過させて排気管の内壁に衝突させるので、排気ガスの流速及び流量が大きくなっても、添加剤が排気ガスに流されて排気管の内壁に衝突しないことを回避できる。

本発明の内燃機関の添加剤分散システムは、本実施の形態で説明した外観、構成、構造、形状等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。

また、本発明の内燃機関の添加剤分散システムを適用する対象制御システムは、図１の例に示すものに限定されず、種々の内燃機関に適用することが可能である。また添加剤は、燃料、尿素水に限定されるものではなく、排気管内の排気ガス中に均一に分散させることを所望する添加剤に適用することが可能である。また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。

１０ エンジン（内燃機関）
１０Ｒ 右バンク
１０Ｌ 左バンク
２０Ｒ 右ターボチャージャ
２０Ｌ 左ターボチャージャ
２１Ｒ 右タービン（ターボタービン）
２１Ｌ 左タービン（ターボタービン）
２２Ｒ 右コンプレッサ
２２Ｌ 左コンプレッサ
３０Ｃ インタークーラ
３１Ｒ、３１Ｌ、３２Ｒ、３２Ｌ、３３ 吸気管
３４ 吸気マニホルド
３５ 配管
４０Ｃ ＥＧＲクーラ
４１Ｒ、４１Ｌ 排気マニホルド
４２ 連通配管
４２Ｒ、４２Ｌ、４５、４６、４７ 排気管
４３Ｌ 排気管（一方の排気管）
４３Ｒ 排気管（他方の排気管）
４３ＲＬ 合流部
４３ＲＭ 曲げ部
４６Ｍ 曲げ部
５１ クーラント温度検出手段
５２ 回転検出手段
５３ アクセルペダル踏込量検出手段
６１、６２ 添加弁
６１Ａ、６２Ａ 添加剤
６３ 堰部材
６７ 電子スロットル装置
６８ ＥＧＲ弁（ＥＧＲバルブ）
６９ 遮断弁
７１ 酸化触媒
７２ ＤＰＦ
７３ 尿素ＳＣＲ
８０ 制御装置
８１ 制御手段
８２ 記憶手段
９０Ａ、９０Ｂ 流速遅延領域

Claims (3)

1. 排気浄化装置よりも上流側となる内燃機関の排気管内に添加剤を噴射する添加弁を有して、前記添加弁から噴射される添加剤を、前記排気管内を流れる排気ガス中に分散させる、内燃機関の添加剤分散システムであって、
   前記排気浄化装置よりも上流側となる前記排気管における長手方向の一部かつ周方向の一部の内壁周辺に、排気ガスの流速が周囲の排気ガスの流速よりも遅くなる流速遅延領域が形成されており、
   前記添加弁から噴射された添加剤が前記流速遅延領域内のみを通過して前記流速遅延領域内における前記排気管の内壁に衝突するように前記添加弁が配置されており、
   前記排気管は、２本の前記排気管が合流部にて１本の前記排気管にまとめられた後、１本にまとめられた前記排気管の下流側が前記排気浄化装置に接続されており、
   前記合流部は、２本の前記排気管における一方の前記排気管の途中に設定され、２本の前記排気管における他方の前記排気管の下流側の端部が接続されており、
   前記流速遅延領域は、
   他方の前記排気管における前記合流部の上流側の長手方向の一部において排気ガスの流れる方向を変えるように他方の前記排気管を曲げた曲げ部、
   にて、前記曲げ部の内周側かつ前記曲げ部の近傍の下流側に形成されており、
   前記添加弁は、
   他方の前記排気管における前記流速遅延領域に、自身から噴射された添加剤が前記流速遅延領域のみを通過して前記流速遅延領域内の他方の前記排気管の内壁に衝突するように、設けられている、
   内燃機関の添加剤分散システム。
2. 請求項１に記載の内燃機関の添加剤分散システムであって、
   他方の前記排気管における前記曲げ部は、前記合流部の近傍に形成されており、
   前記流速遅延領域は、前記曲げ部の内周側かつ前記曲げ部の近傍の下流側かつ前記合流部まで、に形成されている、
   内燃機関の添加剤分散システム。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の添加剤分散システムであって、
   排気ガスが流入される流入口と、流入された排気ガスを吐出する吐出口と、を有する２つのターボタービンを有し、
   ２本の前記排気管におけるそれぞれの上流側は、それぞれの前記ターボタービンの前記吐出口に接続されている、
   内燃機関の添加剤分散システム。
   
   

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