JPWO2010079847A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関の排気浄化装置に供給する添加剤を、排気中に均一に分散させる。上流側排気浄化装置と下流側排気浄化装置との間を、上流側排気浄化装置と下流側排気浄化装置の断面積よりも断面積が小さい排気管で接続し、上流側排気浄化装置の触媒の排気出口と排気管とを接続する接続通路部を備え、接続通路部を、上流側排気浄化装置の排気流れ方向中心軸線と、排気管の排気流れ方向中心軸線とが、一致しないように形成し、添加剤を排気通路内に噴射する噴射手段を、接続通路部に配置し、添加剤が、接続通路部の、対向する壁面に到達するように噴射する。

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という）や選択触媒還元脱硝装置（以下「ＳＣＲ装置」という）やＮＯｘ吸蔵還元触媒（以下「ＮＳＲ触媒」という）を備える内燃機関の排気浄化装置においては、ＤＰＦやＳＣＲ装置やＮＳＲ触媒の上流の排気通路内に、還元剤を添加する添加剤供給装置を配置し、ＤＰＦやＳＣＲ装置やＮＳＲ触媒において、添加剤供給装置から供給された添加剤と排気とを反応させ、排気浄化を行なうが、ＤＰＦやＳＣＲ装置やＮＳＲ触媒における添加剤のすり抜けを防止し、添加剤を有効に利用するために、添加剤を排気と十分混合し、また、添加剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させることが好ましい。
そこで、従来は、添加剤供給装置の下流であって、ＤＰＦやＳＣＲ装置やＮＳＲ触媒に対して上流側に、添加剤を排気と混合し、添加剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させるために、分散板を配置していた。しかし、分散板を配置する手段では、排気流れの圧損の上昇を避けることができない。
そこで、機関排気通路に設けられた排気浄化装置の上流側から、排気中の特定成分を浄化するための浄化剤を供給する内燃機関の排気浄化装置において、排気通路の断面積が徐々に縮小する傾斜部を設け、排気ガスが傾斜部を通過して収束する部位の近傍で、かつ、排気通路の中央部近傍に配設した噴射口から、排気通路の径方向に浄化剤を噴射することにより、浄化剤の拡散性を向上させる技術が、日本国特許公開２００７−２０５３０８号公報に開示されている。

日本国特許公開２００７−２０５３０８号公報の排気浄化装置では、排気ガスの流速が最大になる部位で、排気通路の中心部近傍から径方向に浄化剤を噴射するので、排気通路の内壁への浄化剤の付着も防止できるとしている。しかし、このような構成では、排気の流速が速い場合には、噴射した浄化剤が排気通路中央付近を流れる排気流に持ち去られ、拡散性が低下するおそれがある。
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に供給する添加剤を、排気中に均一に分散させる手段を提供することを目的としている。
請求項１に記載の発明によれば、機関排気通路に設けられた上流側排気浄化装置及び下流側排気浄化装置が、上流側排気浄化装置及び下流側排気浄化装置よりも断面積が小さい排気管で接続された、内燃機関の排気浄化装置において、上流側排気浄化装置と下流側排気浄化装置との間に設けられ、排気中の特定成分と反応する添加剤を排気通路内に噴射する噴射手段と、上流側排気浄化装置の触媒の排気出口と排気管とを接続する、接続通路部と、を備え、接続通路部を、上流側排気浄化装置の排気流れ方向中心軸線と、排気管の排気流れ方向中心軸線とが、一致しないように形成し、噴射手段を、接続通路部に配置し、添加剤を、接続通路部の対向する壁面に到達するように噴射し、添加剤を、排気と混合する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項１の発明では、ＤＰＦやＳＣＲ装置やＮＳＲ触媒の前段に上流側排気浄化装置を持つ系において、添加剤を、前段の上流側排気浄化装置の触媒と排気管との間に設けた、触媒から排気管への接続通路部の中に供給し、触媒から排気管への接続通路部の中で発生している強い旋回流を利用して、排気の圧損を発生させることなく、添加剤を排気中に混合・蒸発させる。触媒から排気管への接続通路部の内部は、排気管に比べて容量が大きいため、触媒から排気管への接続通路部を通過することによって、添加剤の蒸発が促進されるとともに、この接続通路部内の強い旋回流や、排気管との合流部で縮管される効果によって、添加剤が効果的に混合・蒸発される。
請求項２に記載の発明によれば、接続通路部が、上流側排気浄化装置の触媒の排気出口断面積から、徐々に通路断面積を縮小する通路部を備える、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項２の発明では、請求項１に記載した触媒から排気管への接続通路部の断面積が、徐々に縮小し、この場合に、徐々に縮小する通路部に、添加剤を供給し、触媒から排気管への接続通路部の中で発生している強い旋回流を利用して、排気の圧損を発生させることなく、添加剤を排気中に混合・蒸発させる。この場合にも、触媒から排気管への接続通路部の内部は、排気管に比べて容量が大きいため、触媒から排気管への接続通路部を通過することによって、添加剤の蒸発が促進されるとともに、この接続通路部内の強い旋回流や、排気管との合流部で縮管される効果によって、添加剤が効果的に混合・蒸発される。
請求項３に記載の発明によれば、上流側排気浄化装置を迂回し、接続通路部において合流するバイパス通路を備え、噴射手段が、合流部に向けて添加物を噴射する、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項３の発明では、上流側排気浄化装置を迂回して、接続通路部に合流するバイパス通路を備える場合において、合流部近傍に添加剤を添加し、合流による排気旋回流を利用して、添加剤と排気とを効果的に混合させる。この場合、添加剤の噴射手段へのすす詰まりを回避するためには、バイパス流れが接続通路部に流入する流れ方向に沿って添加剤を噴射すると、有利である。
請求項４に記載の発明によれば、下流側排気浄化装置が、尿素添加による選択触媒還元を行なう触媒を備え、噴射手段が、上流側排気浄化装置の触媒の下端部に向けて添加剤を噴射し、触媒の下端部に添加剤を衝突させる、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項４の発明では、下流側排気浄化装置が、尿素添加による選択触媒還元を行なう触媒を備える場合は、上流側の触媒に当たるように尿素を噴射しても、尿素が発熱することはないため、積極的に尿素を上流側の触媒に衝突させ、上流側の触媒床温を利用して、尿素の加水分解を促進させ、加水分解によって生成したアンモニアの排気への拡散性を向上させる。更に、尿素が上流側の触媒に衝突することによるミキシング効果によって、拡散性を向上させることができる。
請求項５に記載の発明によれば、噴射された添加剤の排気との混合を促進する分散板を、接続通路部内に設けた、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項５の発明では、触媒から排気管への接続通路部において添加剤を排気中に混合・蒸発させる場合に、接続通路部内に分散板を配置し、添加剤の排気中への混合を、更に促進させる。接続通路部内は流速が遅いため、分散板を配置しても、圧損の発生は小さい。そこで、接続通路部内で排気と添加剤との混合を促進して均一化を完了し、接続通路部下流の排気管長さを短縮することができる。
請求項６に記載の発明によれば、接続通路部を、排気管の排気流れ方向中心軸線が、上流側排気浄化装置の中心軸線と、平行でなくかつ交差しないように形成した、請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項６の発明では、接続通路部を、排気管の排気流れ方向中心軸線が、上流側排気浄化装置の中心軸線と平行でなく、かつ上流側排気浄化装置の中心軸線と交差しないように形成し、上流側の触媒から排気管への接続通路部の壁面に沿って２方向に分かれて発生する強い旋回流を、非対称にし、一方の旋回流の旋回距離を長くして、添加剤のミキシング効果をさらに向上させる。
請求項７に記載の発明によれば、添加剤の添加時の噴射量又は噴射間隔を制御する制御手段を備え、制御手段が、噴射された添加剤の排気通路壁面への付着面積と、壁面の温度又は排気温度とに基づき、噴射された添加剤が排気管内で液膜を生成しない噴射条件を決定し、上流側排気浄化装置の触媒の触媒床温を上昇させる、請求項１から６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、従来は、添加剤の噴射制御を、下流側排気浄化装置の触媒入口の排気ガス温度のみ考慮して行なってきたが、下流側排気浄化装置の触媒直前で添加剤が蒸発している場合であっても、添加剤の噴射手段直後の排気管には液膜が生成している可能性があり、添加剤溜りや、すすの堆積の原因となっている。そこで、液膜生成の主要因である、添加剤の付着面積、付着位置の壁温、添加剤の噴射量及び噴射間隔、を考慮して、添加剤の噴射手段直後の排気管に液膜を生成しないように、上流側排気浄化装置の触媒床温を上昇させる。
請求項８に記載の発明によれば、接続通路部の下流の排気管内の排気温度を測定する温度センサを備え、測定された排気温度を、噴射された添加剤の気化潜熱に基づいて補正し、上流側排気浄化装置の温度を求める、請求項１から７のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、排気温センサは、添加剤の付着による誤計測を防止し、かつ添加剤の気化潜熱の補正を精度良く行なうために、添加剤が確実に蒸発している、接続通路部の下流の排気管内に配置することが好ましい。そこで請求項８の発明では、温度センサを接続通路部の下流の排気管内に配置し、上流側排気浄化装置の温度を、測定された温度に対して添加剤の気化潜熱の補正を行なうことにより、求めることとしたものである。
請求項９に記載の発明によれば、添加剤を、接続通路部の対向する壁面の、排気管に向かう曲がり部を狙って噴射する、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
このようにすると、添加剤が接続通路部の壁面と広範囲に接触し、添加剤の排気中への混合・蒸発が良好に促進され、有利である。
各請求項に記載の発明によれば、内燃機関の排気浄化装置に供給する添加剤を、排気中に均一に分散させるという共通の効果を奏する。

図１の（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図であり、図２の（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、不具合を生じる実施形態の概略構成を説明する図であり、図３の（ａ）、（ｂ）は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用する場合に、避けるべき範囲を説明する図であり、図４の（ａ）は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図であり、（ｂ）は、不具合を生じる実施形態の概略構成を説明する図であり、図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図であり、図６は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図であり、図７は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、他の実施形態の概略構成を説明する図であり、図８は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図であり、図９の（ａ）は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図であり、（ｂ）は、本発明と異なる構成によって不具合を生じる場合を説明する図であり、図１０の（ａ）〜（ｉ）は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する上面図であり、図１１の（ａ）、（ｂ）は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、他の実施形態の概略構成を説明する図であり、図１２は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、別の実施形態の概略構成を説明する図であり、図１３は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、更に別の実施形態の概略構成を説明する図であり、図１４は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、更に別の実施形態の概略構成を説明する図であり、（ａ）は、図１０（ａ）と同一図であり、（ｂ）は、（ａ）と比較して、本実施形態の概略構成を説明する図であり、図１５は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、更に別の実施形態の概略構成を説明する図であり、図１６は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、更に別の実施形態の概略構成を説明するフローチャートであり、図１７は、図１６のフローチャートを補足する、説明図であり、図１８は、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、更に別の実施形態の概略構成を説明する図であり、（ａ）は、接続通路部２の断面方向から見た図であり、（ｂ）は、接続通路部２の斜め上方から見た斜視図である。

以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、複数の添付図面において、同一又は相当する部材には、同一の符号を付している。
図６と図７に、本発明による内燃機関の排気浄化装置の全体装置構成を示す。図６は、酸化触媒コンバータ（以下「ＣＣｏ」という）１１と、ＮＳＲ触媒１２と、ＤＰＦ２０とによって構成される内燃機関の排気浄化装置における実施形態であり、図７は、ＤＰＦ１３と、ＳＣＲ装置又はＮＳＲ触媒２０’とによって構成される内燃機関の排気浄化装置における実施形態である。本発明による内燃機関の排気浄化装置は、機関排気通路に設けられた上流側排気浄化装置１又は１’と、下流側排気浄化装置２０又は２０’と、上流側排気浄化装置１又は１’と下流側排気浄化装置２０又は２０’との間に設けられ、排気中の特定成分と反応する添加剤を排気通路内に噴射する噴射手段３と、を備える。上流側排気浄化装置１又は１’と下流側排気浄化装置２０又は２０’との間は、排気管７で接続されている。排気管７の断面積は、上流側排気浄化装置及び上流側排気浄化装置の断面積よりも小さい。この場合において、上流側排気浄化装置１又は１’の触媒１２又は１３の排気出口と排気管７とを接続する接続通路部２を設ける。
図８は、上述の、接続通路部２を説明する図であり、図８に示した上流側排気浄化装置の触媒１０は、図６又は図７の実施形態における上流側排気浄化装置１又は１’の触媒１２又は１３に相当する。すなわち、接続通路部２は、上流側排気浄化装置の触媒１０から流出する排気流れ方向中心軸線と、排気管７（図６、７参照）の排気流れ方向中心軸線とが、一致しないように形成されている。また。噴射手段３の噴射口は、接続通路部２に、添加剤を噴射するように配置され、噴射手段の噴射圧は、機関運転時において噴射された添加剤が、対向する接続通路壁面に到達する圧力に設定され、噴射された添加剤が、排気の旋回流に乗って有効に排気と混合されるように構成されている。
すなわち、ＤＰＦやＳＣＲ装置やＮＳＲ触媒の前段に上流側排気浄化装置を持つ系において、添加剤を、前段の上流側排気浄化装置の触媒１０と排気管７（図６、７参照）との間に設けた、触媒１０から排気管７への接続通路部２の中に供給し、触媒１０から排気管７への接続通路部２の中で発生している強い旋回流を利用して、排気の圧損を発生させることなく、添加剤を排気中に混合・蒸発させる。触媒１０から排気管７への接続通路部２の内部は、排気管７に比べて容量が大きいため、触媒１０から排気管７への接続通路部２を通過することによって、添加剤の蒸発が促進されるとともに、この接続通路部２内の強い旋回流や、排気管との合流部で縮管される効果によって、添加剤が効果的に混合・蒸発される。
この場合、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、接続通路部２は、上流側排気浄化装置の触媒１０の排気出口断面積から、徐々に通路断面積を縮小する通路部であることが好ましく、噴射手段３の噴射口は、排気通路断面積が徐々に縮小する通路部に、添加剤を噴射するように配置することが好ましい。
すなわち、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、触媒１０から排気管７への接続通路部２の断面積が徐々に縮小し、この、徐々に縮径する通路部に、添加剤を供給し、触媒１０から排気管７への接続通路部２の中で発生している強い旋回流を利用して、排気の圧損を発生させることなく、添加剤を排気中に混合・蒸発させる。この場合にも、触媒１０から排気管７への接続通路部２の内部は、排気管７に比べて容量が大きいため、触媒１０から排気管７への接続通路部２を通過することによって、添加剤の蒸発が促進されるとともに、この接続通路部２内の強い旋回流や、排気管との合流部で縮管される効果によって、添加剤が効果的に混合・蒸発される。
更に、噴射手段３の噴射圧は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、機関運転時において噴射された添加剤が、接続通路部２の対向する壁面に到達する圧力とすることが好ましい。
図２（ａ）、（ｂ）には、噴射圧が十分でない場合を示す。図２（ａ）は図１（ａ）と、図２（ｂ）は図１（ｂ）と、それぞれ噴射手段３の配置が対応しているが、噴射圧が十分でない図２（ａ）、（ｂ）の場合には、噴射された添加剤が、接続通路部２の中で発生している強い旋回流を利用することなく、排気管７に向って排出されてしまうので、添加剤を排気中に十分混合・蒸発させることができない。
すなわち、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、触媒１０の全体を流れる排気Ａのうち、接続通路部２から排気管に直接流出する流れＢが存在し、図２（ａ）、（ｂ）のように噴射圧が小さい場合には、噴射された添加剤は、流れＢに乗って流出してしまうため、排気と十分混合することができない。
この状況は、噴射方向についても言うことができる。すなわち、添加剤を図４（ａ）に示す噴射方向に噴射した場合には、添加剤を、接続通路部２の中で発生している強い旋回流を利用して、排気中に有効に混合・蒸発させることができるが、図４（ｂ）に示す噴射方向に噴射した場合には、噴射された添加剤は、流れＢに乗って排気管７に向って排出されてしまうので、排気と十分混合することができない。
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、噴射された添加剤が、接続通路２の、対向する壁面に到達する場合を説明する図である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、噴射方向と、接続通路部２内の流れの流れ方向とのなす角度をαとすると、接続通路２の対向する壁面に到達する場合の噴射圧力と角度αとの間には、図５（ｄ）のような関係がある。すなわち、角度αが小さいほど、言い換えれば、噴射方向が、接続通路部２内の排気流れ方向に逆らう方向であるほど、噴射圧は大きくしなければならない。また、排気ガス流量Ｇａに対する添加剤の供給量は決まっているため、図５（ｃ）に示すように、排気ガス流量Ｇａが大きくなれば、噴射圧も大きくしなければならない。したがって、排気ガス量Ｇａが決まると、図５（ｃ）から噴射圧が決まり、この噴射圧が得られるように、図５（ｄ）から噴射方向が決まる。すなわち、噴射口の取り付け方向が決まる。ただし、図５（ｃ）に示すように、処理される排気ガス量Ｇａには上限があるため、噴射手段３の噴射圧には上限があり、噴射手段３の噴射圧は、上限噴射圧以下に設定する。また、噴射方向と、接続通路部２内の流れの流れ方向とのなす角度をαが、９０度＜α＜１８０度の範囲になると、利用できる排気ガスの旋回距離が短くなり、添加剤が排気ガスに十分拡散しないまま流出し易くなるため、図５（ｅ）に示すように、噴霧角βを大きくして、添加剤の排気ガスへの混合・蒸発を促進することが好ましい。
上述の構成において、接続通路部２の上流には、触媒１０の存在が不可欠である。すなわち、図９（ａ）に示すように、接続通路部２の上流に触媒が存在する場合には、接続通路部２内に排気ガス流が広がり、流れＣを発生し、図８に示す良好な旋回流を生じるが、図９（ｂ）に示すように、接続通路部２の上流に触媒が存在しない場合には、接続通路部２内で、デッドボリュームＤを生じ、図８に示す良好な旋回流を発生させることができない。
図１０（ａ）〜（ｉ）は、接続通路部２内において添加剤を排気ガスに良好に混合する様々な実施形態を、接続通路部２の上面図で説明したものである。図１０（ａ）は、接続通路部２内における排気ガスの旋回流Ｅ−Ｅを示すもので、排気ガスは接続通路部２内で、互いに逆方向に向う２方向に分かれて旋回した後、出口４から排出され、排気管７（図６、７参照）へ向う。そこで、添加剤を噴射手段３から図１０（ｂ）のように噴射した場合には、添加剤は、旋回流Ｅ−Ｅに乗って、図１０（ｃ）のように拡散・混合する。また、接続通路部２内の直径方向に、図１０（ｄ）に示すようにパンチメタル５を挿入した場合には、添加剤は、図１０（ｃ）のようにパンチメタル５によって分散された後、旋回流Ｅ−Ｅに乗って、拡散・混合する。この場合、パンチメタルを、図示のように旋回流Ｅ−Ｅを左右対称に振り分ける直径方向に配置すると、排気ガスの中央流線は、パンチメタルと平行であるので、パンチメタル挿入による圧損の発生を回避することができる。更に、図１０（ｆ）に示すように、接続通路部２の形状を変形し、変形部に添加剤を噴射、衝突させた場合には、添加剤は、図１０（ｇ）のように拡散・混合する。ここで、添加剤を、接続通路部２の出口４に向けて噴射する場合には、図１０（ｂ）、（ｃ）のように拡散距離を十分にとることができないので、図１０（ｈ）のように大きい噴霧角で噴射し、図１０（ｉ）のように、互いに逆方向の旋回流Ｅ−Ｅに乗せ、その合流時の衝突を利用して拡散性を向上させる。
図１１（ａ）、（ｂ）は、上流側排気浄化装置を迂回し、接続通路部２に合流するバイパス通路５を備え、噴射手段３の噴射口を、合流部に向けて添加剤を噴射するように配置した、実施形態を示す。
すなわち、図１１（ａ）、（ｂ）では、上流側排気浄化装置を迂回して、接続通路部２に合流するバイパス通路５を備える場合において、合流部近傍に添加剤を添加し、合流による排気旋回流を利用して、添加剤と排気とを効果的に混合させる。この場合、添加剤の噴射手段へのすす詰まりを回避するためには、図１１（ａ）のように、バイパス流れが接続通路部２に流入する流れ方向に沿って添加剤を噴射すると、有利である。
下流側排気浄化装置が、図７の２０’のＳＣＲ装置のように、尿素添加による選択触媒還元を行なう触媒を備える場合には、噴射手段３の噴射口を、図１２のように、上流側排気浄化装置の触媒１０の下端部に向けて尿素を噴射し、触媒１０の下端部に尿素を衝突させるように配置すると有利である。
すなわち、図１２では、下流側排気浄化装置が、図７の２０’のＳＣＲ装置のように、尿素添加による選択触媒還元を行なう触媒を備える場合には、選択触媒還元に使用する尿素は、上流側の触媒１０に当たっても、発熱することがないため、積極的に尿素を上流側の触媒１０に衝突させ、上流側の触媒床温を利用して、尿素の加水分解を促進させ、加水分解によって発生したアンモニアの排気への拡散性を向上させる。更に、尿素が上流側の触媒１０に衝突することによるミキシング効果によって、拡散性を向上させることができる。
以上において、図１３に示すように、噴射された添加剤の排気との混合を促進する分散板６を、接続通路部２内に設け、添加剤の排気ガスへの拡散性を更に向上させることができる。
すなわち、触媒１０から排気管７（図６、７参照）への接続通路部２において添加剤を排気中に混合・蒸発させる場合に、接続通路部２内に分散板６を配置し、添加剤の排気中への混合を、更に促進させる。接続通路部２内は排気ガスの流速が比較的遅いため、分散板６を配置しても、圧損の発生は小さい。そこで、接続通路部２内で排気と添加剤との混合均一化を完了し、接続通路部２の下流の排気管７の長さを短縮することができる。
また、図１４（ｂ）に示すように、接続通路部２を、排気管７（図６、７参照）の排気流れ方向中心軸線が、上流側排気装置の中心軸線と平行でなく、かつ交差しないように形成すると、添加剤の排気ガスへの混合を更に促進することができる。
すなわち、図１４（ａ）では、接続通路部２の上面図において、旋回流Ｅ−Ｅが左右対称に旋回し、排気出口４から流出し、排気管７に流入する配置となっているが、図１４（ｂ）のように、排気管７（図６、７参照）の排気流れ方向中心軸線が、接続通路部２の中心を通らないように形成して、接続通路部２内の旋回流Ｅ−Ｅを非対称とし、一方の旋回流Ｅが接続通路部２内で十分旋回するように構成する。このようにして、上流側の触媒１０（図８参照）から排気管７への接続通路部２で発生する強い旋回流への、添加剤のミキシング効果を更に向上させることができる。
以上において、噴射手段３の添加剤の噴射は、添加時の噴射量又は噴射間隔を制御することによって行なうが、従来は、添加剤の噴射制御を、下流側排気浄化装置の触媒２０、２０’（図６、７参照）の入口の排気ガス温度のみ考慮して行なってきた。しかし、下流側排気浄化装置の触媒２０、２０’の直前で添加剤が蒸発している場合であっても、噴射手段３直後の排気管７には液膜が生成している可能性があり、添加剤溜りや、すすの堆積の原因となっている。そこで、液膜生成の主要因である、添加剤の付着面積、付着位置の壁温、添加剤の噴射量及び噴射間隔、を考慮して、添加剤の噴射手段３の直後の排気管７に液膜を生成しないように、上流側排気浄化装置１、１’の触媒１２、１３の床温を上昇させる。
上述の場合、図１５に示すように、噴射された添加剤の排気通路２の壁面への付着面積Ｓは、排気ガス流量Ｇａや添加位置によって異なるため、噴射された添加剤の到達する壁面の面積と、噴射時の排気ガス流量Ｇａとに基づき、添加剤の壁面への付着面積Ｓを求める運転マップを、あらかじめ噴射制御手段に備えておく。
以上による、添加剤の噴射量又は噴射間隔の制御のフローチャートを、図１６に示す。すなわち、ステップ１００で排気通路２の壁面への添加剤の付着面積Ｓを決定し、ステップ２００で排気通路２の壁面温度を決定する。壁面温度は、排気温センサの検出値から推定することができる。ステップ３００で、付着面積Ｓと壁面温度から、排気管７に液膜を生成しない、添加剤の最低添加間隔を決定し、この添加剤の最低添加間隔から、下流側排気浄化装置の触媒２０、２０’（図６、７参照）の目標床温Ｔを逆算する。ステップ４００に進み、目標床温Ｔが、下流側排気浄化装置の触媒２０、２０’の再生温度以下であれば、ステップ５００へ進み、触媒２０、２０’の再生温度以上になるまで上流側排気浄化装置１、１’の触媒１２、１３の床温を上昇させ、目標床温Ｔが、触媒２０、２０’の再生温度以上となった場合に、ステップ６００へ進んで、添加剤の噴射を開始する。
上述の制御において、排気ガス流量Ｇａが大きい場合には、図１７に示すように、添加剤が排気ガス流に衝突して微粒化する現象がある。すなわち、排気管７に液膜を生成しにくくなる。したがって、同一付着面積、同一壁温に対して、排気ガス流量Ｇａが大きいほど、添加剤の触媒への最低添加間隔が長くなり、上流側排気浄化装置１、１’の触媒１２、１３の床温が低くても、排気管７に液膜を生成しない。そこで、ステップ３００における添加剤の最低添加間隔の決定においては、排気ガス流量Ｇａに応じて、最低添加間隔の補正を行なうことが好ましい。
ところで、触媒床温は、従来、触媒下流に設置した排気温センサの検出値、すなわち触媒を通過した排気温度から推定していた。しかし、本発明においては、排気温センサを接続通路２内に設置すると、排気温センサに液体の添加剤が付着して誤計測する恐れがあり、また、接続通路２内では添加剤が完全に蒸発していないので、蒸発量がわからない。このため、触媒１２、１３の触媒床温を精度よく推定することができない。そこで、排気温センサは、接続通路部２よりも下流の排気管７に設置し、添加剤が排気ガス中に完全に蒸発した後の排気温度を測定し、液体の添加剤が完全に気体になった場合の気化潜熱に基づいて、触媒１２、１３の触媒床温を推定することが好ましい。
この場合、排気管７における排気温センサの設置位置が、接続通路部２から離れすぎると、放熱によって排気温が低下するため、排気温センサの設置位置は、接続通路部２に近いほうが好ましく、一実施例においては、接続通路部２の出口から０ｍｍ〜１５０ｍｍ下流への設置が良好である。
図１８は、接続通路部２内において添加剤を排気ガスに良好に混合する、更なる実施形態を説明したものであり、（ａ）は、接続通路部２の断面方向から見た図であり、（ｂ）は、接続通路部２の斜め上方から見た斜視図である。すなわち、この実施形態では、添加剤を噴射手段３から、接続通路部２の噴射手段３と対向する壁面の、排気管に向かう曲がり部を狙って噴射する。このようにすると、添加剤が接続通路部２の壁面と広範囲に接触し、添加剤の排気中への混合・蒸発が良好に促進され、有利である。

１、１’ 上流側排気浄化装置
２ 接続通路部
３ 添加剤噴射手段
４、４’ 排気出口穴
５ バイパス通路
６ 分散板
７ 排気管
１０ 触媒
１１ ＣＣｏ（酸化触媒コンバータ）
１２ ＮＳＲ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）
１３ ＤＰＦ
２０ ＤＰＦ
２０’ ＳＣＲ装置又はＮＳＲ触媒
Ａ 排気流線
Ｂ 排気管に直通するガス流れ
Ｃ 接続通路部に広がる排気流
Ｄ デッドボリューム
Ｅ 旋回流
Ｓ 燃料投影面積

【０００２】
設け、排気ガスが傾斜部を通過して収束する部位の近傍で、かつ、排気通路の中央部近傍に配設した噴射口から、排気通路の径方向に浄化剤を噴射することにより、浄化剤の拡散性を向上させる技術が、日本国特許公開２００７−２０５３０８号公報に開示されている。
発明の概要
日本国特許公開２００７−２０５３０８号公報の排気浄化装置では、排気ガスの流速が最大になる部位で、排気通路の中心部近傍から径方向に浄化剤を噴射するので、排気通路の内壁への浄化剤の付着も防止できるとしている。しかし、このような構成では、排気の流速が速い場合には、噴射した浄化剤が排気通路中央付近を流れる排気流に持ち去られ、拡散性が低下するおそれがある。
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に供給する添加剤を、排気中に均一に分散させる手段を提供することを目的としている。
請求項１に記載の発明によれば、機関排気通路に設けられた上流側排気浄化装置及び下流側排気浄化装置が、上流側排気浄化装置及び下流側排気浄化装置よりも断面積が小さい排気管で接続された、内燃機関の排気浄化装置において、上流側排気浄化装置と下流側排気浄化装置との間に設けられ、排気中の特定成分と反応する添加剤を排気通路内に噴射する噴射手段と、上流側排気浄化装置の触媒の排気出口と排気管とを接続する、接続通路部と、を備え、接続通路部を、上流側排気浄化装置の排気流れ方向中心軸線と、排気管の排気流れ方向中心軸線とが、一致しないように形成し、噴射手段を、接続通路部に配置し、添加剤を、上流側排気浄化装置からの排気流れを横断して接続通路部の対向する壁面に到達するように噴射し、添加剤を、排気と混合する、内燃機関の排気浄化装置が提供される

【０００３】
。
すなわち、請求項１の発明では、ＤＰＦやＳＣＲ装置やＮＳＲ触媒の前段に上流側排気浄化装置を持つ系において、添加剤を、前段の上流側排気浄化装置の触媒と排気管との間に設けた、触媒から排気管への接続通路部の中に供給し、触媒から排気管への接続通路部の中で発生している強い旋回流を利用して、排気の圧損を発生させることなく、添加剤を排気中に混合・蒸発させる。触媒から排気管への接続通路部の内部は、排気管に比べて容量が大きいため、触媒から排気管への接続通路部を通過することによって、添加剤の蒸発が促進されるとともに、この接続通路部内の強い旋回流や、排気管との合流部で縮管される効果によって、添加剤が効果的に混合・蒸発される。
請求項３に記載の発明によれば、機関排気通路に設けられた上流側排気浄化装置及び下流側排気浄化装置が、上流側排気浄化装置及び下流側排気浄化装置よりも断面積が小さい排気管で接続された、内燃機関の排気浄化装置において、上流側排気浄化装置と下流側排気浄化装置との間に設けられ、排気中の特定成分と反応する添加剤を排気通路内に噴射する噴射手段と、上流側排気浄化装置の触媒の排気出口と排気管とを接続する、接続通路部と、を備え、接続通路部を、上流側排気浄化装置の排気流れ方向中心軸線と、排気管の排気流れ方向中心軸線とが、一致しないように形成し、噴射手段を、接続通路部に配置し、更に、上流側排気浄化装置を迂回し、接続通路部において合流するバイパス通路を備え、噴射手段が、合流部に向けて添加物を噴射し、添加剤を、排気と混合する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項３の発明では、上流側排気浄化装置を迂回して、接続通路部に合流するバイパス通路を備える場合において、合流

【０００４】
部近傍に添加剤を添加し、合流による排気旋回流を利用して、添加剤と排気とを効果的に混合させる。この場合、添加剤の噴射手段へのすす詰まりを回避するためには、バイパス流れが接続通路部に流入する流れ方向に沿って添加剤を噴射すると、有利である。
請求項４に記載の発明によれば、機関排気通路に設けられた上流側排気浄化装置及び下流側排気浄化装置が、上流側排気浄化装置及び下流側排気浄化装置よりも断面積が小さい排気管で接続された、内燃機関の排気浄化装置において、上流側排気浄化装置と下流側排気浄化装置との間に設けられ、排気中の特定成分と反応する添加剤を排気通路内に噴射する噴射手段と、上流側排気浄化装置の触媒の排気出口と排気管とを接続する、接続通路部と、を備え、接続通路部を、上流側排気浄化装置の排気流れ方向中心軸線と、排気管の排気流れ方向中心軸線とが、一致しないように形成し、噴射手段を、接続通路部に配置し、更に、下流側排気浄化装置が、尿素添加による選択触媒還元を行なう触媒を備え、噴射手段が、上流側排気浄化装置の触媒の下端部に向けて添加剤を噴射し、触媒の下端部に添加剤を衝突させ、添加剤を、排気と混合する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項４の発明では、下流側排気浄化装置が、尿素添加による選択触媒還元を行なう触媒を備える場合は、上流側の触媒に当たるように尿素を噴射しても、尿素が発熱することはないため、積極的に尿素を上流側の触媒に衝突させ、上流側の触媒床温を利用して、尿素の加水分解を促進させ、加水分解によって生成したアンモニアの排気への拡散性を向上させる。更に、尿素が上流側の触媒に衝突することによるミキシング効果によって、拡散性を向上させることができる。
請求項５に記載の発明によれば、接続通路部が、上流側排気浄化

【０００５】
装置の触媒の排気出口断面積から、徐々に通路断面積を縮小する通路部を備える、請求項１、３から４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項５の発明では、請求項１、３から４のいずれか１項に記載した触媒から排気管への接続通路部の断面積が、徐々に縮小し、この場合に、徐々に縮小する通路部に、添加剤を供給し、触媒から排気管への接続通路部の中で発生している強い旋回流を利用して、排気の圧損を発生させることなく、添加剤を排気中に混合・蒸発させる。この場合にも、触媒から排気管への接続通路部の内部は、排気管に比べて容量が大きいため、触媒から排気管への接続通路部を通過することによって、添加剤の蒸発が促進されるとともに、この接続通路部内の強い旋回流や、排気管との合流部で縮管される効果によって、添加剤が効果的に混合・蒸発される。
請求項６に記載の発明によれば、噴射された添加剤の排気との混合を促進する分散板を、接続通路部内に設けた、請求項１、３から５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項６の発明では、触媒から排気管への接続通路部において添加剤を排気中に混合・蒸発させる場合に、接続通路部内に分散板を配置し、添加剤の排気中への混合を、更に促進させる。接続通路部内は流速が遅いため、分散板を配置しても、圧損の発生は小さい。そこで、接続通路部内で排気と添加剤との混合を促進して均一化を完了し、接続通路部下流の排気管長さを短縮することができる。
請求項７に記載の発明によれば、接続通路部を、排気管の排気流れ方向中心軸線が、上流側排気浄化装置の中心軸線と、平行でなくかつ交差しないように形成した、請求項１、３から６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。

【０００６】
すなわち、請求項７の発明では、接続通路部を、排気管の排気流れ方向中心軸線が、上流側排気浄化装置の中心軸線と平行でなく、かつ上流側排気浄化装置の中心軸線と交差しないように形成し、上流側の触媒から排気管への接続通路部の壁面に沿って２方向に分かれて発生する強い旋回流を、非対称にし、一方の旋回流の旋回距離を長くして、添加剤のミキシング効果をさらに向上させる。
請求項８に記載の発明によれば、添加剤の添加時の噴射量又は噴射間隔を制御する制御手段を備え、制御手段が、噴射された添加剤の排気通路壁面への付着面積と、壁面の温度又は排気温度とに基づき、噴射された添加剤が排気管内で液膜を生成しない噴射条件を決定し、上流側排気浄化装置の触媒の触媒床温を上昇させる、請求項１、３から７のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、従来は、添加剤の噴射制御を、下流側排気浄化装置の触媒入口の排気ガス温度のみ考慮して行なってきたが、下流側排気浄化装置の触媒直前で添加剤が蒸発している場合であっても、添加剤の噴射手段直後の排気管には液膜が生成している可能性があり、添加剤溜りや、すすの堆積の原因となっている。そこで、液膜生成の主要因である、添加剤の付着面積、付着位置の壁温、添加剤の噴射量及び噴射間隔、を考慮して、添加剤の噴射手段直後の排気管に液膜を生成しないように、上流側排気浄化装置の触媒床温を上昇させる。
請求項９に記載の発明によれば、接続通路部の下流の排気管内の排気温度を測定する温度センサを備え、測定された排気温度を、噴射された添加剤の気化潜熱に基づいて補正し、上流側排気浄化装置の温度を求める、請求項１、３から８のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、排気温センサは、添加剤の付着による誤計測を防止し、かつ添加剤の気化潜熱の補正を精度良く行なうために、添加剤が確実に蒸発している、接続通路部の下流の排気管内に配置することが好ましい。そこで請求項９の発明では、温度センサを接続通路部の下流の排気管内に配置し、上流側排気浄化装置の温度を、測定された温度に対して添加剤の気化潜熱の補正を行なうことにより、求めることとしたものである。
請求項１０に記載の発明によれば、添加剤を、接続通路部の対向する壁面の、排気管に向かう曲がり部を狙って噴射する、請求項１又は５に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
このようにすると、添加剤が接続通路部の壁面と広範囲に接触し、添加剤の排気中への混合・蒸発が良好に促進され、有利である。
各請求項に記載の発明によれば、内燃機関の排気浄化装置に供給する添加剤を、排気中に均一に分散させるという共通の効果を奏する。
図面の簡単な説明
図１の（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明を内燃機関の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図であり

【０００３】
。
すなわち、請求項１の発明では、ＤＰＦやＳＣＲ装置やＮＳＲ触媒の前段に上流側排気浄化装置を持つ系において、添加剤を、前段の上流側排気浄化装置の触媒と排気管との間に設けた、触媒から排気管への接続通路部の中に供給し、触媒から排気管への接続通路部の中で発生している強い旋回流を利用して、排気の圧損を発生させることなく、添加剤を排気中に混合・蒸発させる。触媒から排気管への接続通路部の内部は、排気管に比べて容量が大きいため、触媒から排気管への接続通路部を通過することによって、添加剤の蒸発が促進されるとともに、この接続通路部内の強い旋回流や、排気管との合流部で縮管される効果によって、添加剤が効果的に混合・蒸発される。
請求項３に記載の発明によれば、機関排気通路に設けられた上流側排気浄化装置及び下流側排気浄化装置が、上流側排気浄化装置及び下流側排気浄化装置よりも断面積が小さい排気管で接続された、内燃機関の排気浄化装置において、上流側排気浄化装置と下流側排気浄化装置との間に設けられ、排気中の特定成分と反応する添加剤を排気通路内に噴射する噴射手段と、上流側排気浄化装置の触媒の排気出口と排気管とを接続する、接続通路部と、を備え、接続通路部を、上流側排気浄化装置の排気流れ方向中心軸線と、排気管の排気流れ方向中心軸線とが、一致しないように形成し、噴射手段を、接続通路部に配置し、更に、上流側排気浄化装置を迂回し、接続通路部において合流するバイパス通路を備え、噴射手段が、接続通路部とバイパス通路との合流部に向けて添加剤を噴射し、添加剤を、排気と混合する、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
すなわち、請求項３の発明では、上流側排気浄化装置を迂回して、接続通路部に合流するバイパス通路を備える場合において、合流

【０００６】
すなわち、排気温センサは、添加剤の付着による誤計測を防止し、かつ添加剤の気化潜熱の補正を精度良く行なうために、添加剤が確実に蒸発している、接続通路部の下流の排気管内に配置することが好ましい。そこで請求項９の発明では、温度センサを接続通路部の下流の排気管内に配置し、上流側排気浄化装置の温度を、測定された温度に対して添加剤の気化潜熱の補正を行なうことにより、求めることとしたものである。
請求項１０に記載の発明によれば、添加剤を、接続通路部の対向する壁面の、排気管に向かう曲がり部を狙って噴射する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供され、
請求項１１に記載の発明によれば、接続通路部が、上流側排気浄化装置の触媒の排気出口断面積から、徐々に通路断面積を縮小する通路部を備え、添加剤を、接続通路部の対向する壁面の、排気管に向かう曲がり部を狙って噴射する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置が提供される。
このようにすると、添加剤が接続通路部の壁面と広範囲に接触し、添加剤の排気中への混合・蒸発が良好に促進され、有利である。
各請求項に記載の発明によれば、内燃機関の排気浄化装置に供給する添加剤を、排気中に均一に分散させるという共通の効果を奏する。
図面の簡単な説明
図１の（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明を内燃機関、の排気浄化装置に適用した場合の、実施形態の概略構成を説明する図であり

Claims (9)

1. 機関排気通路に設けられた上流側排気浄化装置及び下流側排気浄化装置が、前記上流側排気浄化装置及び前記下流側排気浄化装置よりも断面積が小さい排気管で接続された、内燃機関の排気浄化装置において、
   前記上流側排気浄化装置と前記下流側排気浄化装置との間に設けられ、排気中の特定成分と反応する添加剤を排気通路内に噴射する噴射手段と、
   前記上流側排気浄化装置の触媒の排気出口と前記排気管とを接続する、接続通路部と、
   を備え、
   前記接続通路部を、前記上流側排気浄化装置の排気流れ方向中心軸線と、前記排気管の排気流れ方向中心軸線とが、一致しないように形成し、
   前記噴射手段を、前記接続通路部に配置し、前記添加剤を、前記接続通路部の対向する壁面に到達するように噴射し、
   前記添加剤を、前記排気と混合する、
   内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記接続通路部が、前記上流側排気浄化装置の触媒の排気出口断面積から、徐々に通路断面積を縮小する通路部を備える、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記上流側排気浄化装置を迂回し、前記接続通路部において合流するバイパス通路を備え、前記噴射手段が、前記合流部に向けて前記添加物を噴射する、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記下流側排気浄化装置が、尿素添加による選択触媒還元を行なう触媒を備え、前記噴射手段が、前記上流側排気浄化装置の触媒の下端部に向けて前記添加剤を噴射し、前記触媒の下端部に前記添加剤を衝突させる、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 噴射された前記添加剤の前記排気との混合を促進する分散板を、前記接続通路部内に設けた、請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記接続通路部を、前記排気管の排気流れ方向中心軸線が、前記上流側排気浄化装置の中心軸線と、平行でなくかつ交差しないように形成した、請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記添加剤の添加時の噴射量又は噴射間隔を制御する制御手段を備え、前記制御手段が、噴射された前記添加剤の排気通路壁面への付着面積と、前記壁面の温度又は排気温度とに基づき、噴射された前記添加剤が前記排気管内で液膜を生成しない噴射条件を決定し、前記上流側排気浄化装置の触媒の触媒床温を上昇させる、請求項１から６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記接続通路部の下流の前記排気管内の排気温度を測定する温度センサを備え、前記測定された排気温度を、噴射された前記添加剤の気化潜熱に基づいて補正し、前記上流側排気浄化装置の温度を求める、請求項１から７のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記添加剤を、前記接続通路部の対向する壁面の、前記排気管に向かう曲がり部を狙って噴射する、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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