(57)【要約】【課題】排気の流れ方向に対向して液体を添加する添加弁と、添加弁からの液体が衝突可能な位置に設けられた排気管部材と、を備える排気浄化装置において、排気流量が少ない場合に排気管部材で跳ね返った液体が添加弁に付着するのを抑える。【解決手段】以下の条件が満たされるように添加弁や排気管部材を排気管に設置する。（１）添加弁の液体添加孔の位置を、排気管部材の規制面の排気流れ方向における上流端部Ｘよりも排気流れ方向の下流側にする（２）上流端部Ｘの位置を、排気管に排気が流れていない場合に添加弁からの液体が排気管部材の衝突面に形成する液体衝突領域よりも排気流れ方向の下流側にする（３）排気管部材を添加弁側から見た場合において、添加弁からの液体の添加方向を、上流端部Ｘを含み排気流れ方向に平行な面に対して規制面側に傾斜させる【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気管に設けられた排気浄化触媒と、
前記排気管に設けられ、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向の上流側、かつ、前記排気流れ方向に対向して液体を添加する添加弁と、
前記排気管の内周面に設けられ、前記添加弁からの液体が衝突する排気管部材と、
を備え、
前記排気管部材は、
前記排気流れ方向に沿って設けられ、前記添加弁からの液体が衝突する衝突面と、
前記排気流れ方向に沿って設けられると共に前記衝突面に対して略垂直方向から前記衝突面に接続され、前記衝突面への衝突後における液体の流れ方向を規制する規制面と、
を備え、
前記添加弁の液体添加孔は、前記規制面の前記排気流れ方向における上流端部よりも前記排気流れ方向の下流側に位置し、
前記上流端部は、前記排気管に排気が流れていない場合に前記添加弁からの液体が前記衝突面に形成する液体衝突領域よりも前記排気流れ方向の下流側に位置し、
前記排気管部材を前記添加弁側から見た場合、前記添加弁からの液体の添加方向が、前記上流端部を含み前記排気流れ方向に平行な面に対して前記規制面側に傾斜している
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００８−１２８０４６号公報には、ターボチャージャと排気浄化触媒の間に添加弁を備える内燃機関の排気浄化装置が開示されている。排気浄化触媒は、添加弁からの液体（軽油）を利用して排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する。添加弁は、排気の流れ方向に対向し、かつ、ターボチャージャの排出口に向けて添加液を添加する。この排出口付近では、排気の流れが旋回流となっている。そのため、上記添加態様によれば、添加弁からの液体と排気の混合を促進して排気浄化触媒でのＮＯｘの還元率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１２８０４６号公報
【特許文献２】特許第５９７７３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
添加弁からの液体が衝突可能な位置に排気管部材を設けることを考える。このような排気管部材によれば、衝突に伴って液体を微粒化させて排気中に分散させることができる。したがって、添加弁からの液体と排気の混合を促進することができる。つまり、このような排気管部材によれば、ターボチャージャの排出口に向けた添加の有無に関係なく、添加弁からの液体と排気の混合を促進することができる。
【０００５】
ただし、添加弁よりも上流側に排気管部材を設けた場合、排気管部材で跳ね返った液体の一部が添加弁に向かう。ここで、排気流量が多い場合、この一部の液体は、排気によって添加弁よりも下流側に運ばれる。一方、排気流量が少ない場合、この一部の液体は跳ね返り方向に進み、添加弁に付着する。そして、添加弁に付着した液体が固化すると、デポジットとして堆積し、添加動作に影響を及ぼす。
【０００６】
本発明は、上述した課題の少なくとも１つに鑑みてなされたものであり、排気の流れ方向に対向して液体を添加する添加弁と、添加弁からの液体が衝突可能な位置に設けられた排気管部材と、を備える排気浄化装置において、排気流量が少ない場合に排気管部材で跳ね返った液体が添加弁に付着するのを抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するための内燃機関の排気浄化装置であり、次の特徴を有する。
前記排気浄化装置は、排気浄化触媒と、添加弁と、排気管部材と、を備えている。
前記排気浄化触媒は、排気管に設けられている。
前記添加弁は、排気管に設けられている。前記添加弁は、前記排気浄化触媒よりも排気流れ方向の上流側、かつ、前記排気流れ方向に対向して液体を添加する。
前記排気管部材は、前記排気管の内周面に設けられている。前記排気管部材には、前記添加弁からの液体が衝突する。
前記排気管部材は、衝突面と、規制面と、を備える。
前記衝突面は、前記排気流れ方向に沿って設けられる。前記衝突面には、前記添加弁からの液体が衝突する。
前記規制面は、前記排気流れ方向に沿って設けられると共に前記衝突面に対して略垂直方向から前記衝突面に接続される。前記規制面は、前記衝突面への衝突後における液体の流れ方向を規制する。
前記添加弁の液体添加孔は、前記規制面の前記排気流れ方向における上流端部よりも前記排気流れ方向の下流側に位置する。
前記上流端部は、前記排気管に排気が流れていない場合に前記添加弁からの液体が前記衝突面に形成する液体衝突領域よりも前記排気流れ方向の下流側に位置する。
前記排気管部材を前記添加弁側から見た場合、前記添加弁からの液体の添加方向は、前記上流端部を含み前記排気流れ方向に平行な面に対して前記規制面側に傾斜している。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、添加弁からの液体を衝突面に衝突させて排気中に分散させることができる。また、衝突後の液体の流れ方向を規制面によって規制することができる。そのため、排気流量が少ない場合には、排気管の内周面と規制面の間に衝突後の液体を流すことが可能になる。したがって、排気流量が少ない場合には、衝突後の液体が添加弁に付着するのを抑えることができる。一方、排気流量が多い場合には、排気管の中央と規制面の間に衝突後の液体を流すことが可能になる。したがって、排気流量が多い場合には、排気管を流れる排気と液体の混合を促進できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気浄化装置の構成を説明する図である。
【図２】図１に示した曲り部周辺の構成を説明する図である。
【図３】図１に示した曲り部周辺の構成を説明する図である。
【図４】図１に示した添加弁からの液体の流れ方向を説明する図である。
【図５】排気流量が多い場合に添加弁から添加された液体の流れの一例を示した図である。
【図６】排気管部材を備えない排気浄化装置における、排気流量が多い場合に添加弁から添加された液体の流れの一例を示した図である。
【図７】比較用の排気管部材における問題点を説明する図である。
【図８】比較用の排気管部材における問題点を説明する図である。
【図９】排気管の直線部の内周面に排気管部材を設置するときの排気浄化装置の構成を説明する図である。
【図１０】排気管の直線部の内周面に排気管部材を設置するときの排気浄化装置の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１１】
１．排気浄化装置の構成の説明
図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を説明する図である。図１に示す排気浄化装置１は、ツインターボ型のディーゼルエンジン（図示しない）からの排気を浄化するための装置である。図１に示す排気管１０は、プライマリターボ（図示しない）に接続されており、排気管１２はセカンダリターボ（図示しない）に接続されている。排気管１０と排気管１２は下流側で合流している。なお、本明細書における「上流側」および「下流側」は、排気流れ方向を基準とする。この「排気流れ方向」は、典型的には、排気管１０や排気管１２の中心軸の延在方向と平行となる。
【００１２】
排気管１０と排気管１２の合流部よりも下流側には、排気浄化触媒１４が配置されている。排気浄化触媒１４は、例えば、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＮＯｘ吸着還元触媒などから構成される。ＤＯＣは、排気に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）や一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して、水（Ｈ２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）や二酸化窒素（ＮＯ２）に変換する。ＤＰＦは、排気に含まれる微粒子を捕集する。ＮＯｘ吸着還元触媒は、酸化雰囲気においてＮＯｘを吸蔵し、ＨＣを含む還元雰囲気においてＮＯｘを放出して窒素（Ｎ２）に還元する。
【００１３】
別の例として、排気浄化触媒１４は、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒から構成される。尿素ＳＣＲ触媒は、アンモニア（ＮＨ３）を含む還元雰囲気においてＮＯｘをＮ２に還元する。
【００１４】
排気管１０および排気管１２は、その途中で大きく屈曲している。排気管１０の曲り部１６には、添加弁（後述）を備えるポート１８が設けられている。曲り部１６の内部には、排気管部材３０が設けられている。
【００１５】
図２および図３は、曲り部１６周辺の構成を説明する図である。図２は、図１に示した位置Ａにおいて排気管１０を切断し、この位置Ａから排気浄化装置１を見た図に相当する。図３は、図１に示した破線領域Ｂの拡大図に相当する。図３は、図１に示したポート１８側から排気管部材３０を見た図でもある。
【００１６】
図２に示すように、ポート１８は曲り部１６の外側に設けられている。添加弁２０は、排気管１０内に液体（例えば、軽油、尿素水、アンモニア水など）を添加する。図３に示すように、添加弁２０からの液体の添加方向は、下流側から上流側に向いている。つまり、液体の添加方向は、排気流れ方向に対向している。ただし、液体の添加方向は排気流れ方向と並行ではなく、排気流れ方向に対して傾いている。
【００１７】
２．排気管部材３０の説明
図２および図３に示すように、添加弁２０からの液体の添加方向の先には、排気管部材３０が設置されている。排気管部材３０は、添加弁２０からの液体を微粒化して排気中に分散させる。排気管部材３０は、衝突面３２と、規制面３４と、支持面３６と、を備えている。
【００１８】
衝突面３２は、添加弁２０からの液体の衝突を受ける面である。衝突面３２は、排気流れ方向（図２に示すＹ軸方向）に沿って設けられる。衝突面３２には添加弁２０の液体添加孔（図示しない）が対向している。この液体添加孔から噴射された液体は、衝突面３２に衝突することで微粒化し、周囲に拡散する。衝突面３２における液体の衝突領域Ｃは、排気流量が多くなるにつれて下流側に拡大する。衝突面３２のサイズは、衝突領域Ｃのこのような拡大を考慮して設計されている。
【００１９】
規制面３４は、衝突面３２に衝突した後の液体の流れ方向を規制する面である。規制面３４は、衝突面３２同様、排気流れ方向に沿って設けられる。ただし、衝突面３２が図２に示すＸ−Ｙ平面の方向に設けられるのに対し、規制面３４は同図に示すＹ−Ｚ平面の方向に設けられる。規制面３４と衝突面３２は、略垂直に接続されている。ここでいう「略垂直」とは、厳密に９０°でなくてもよいことを意味している。略垂直とは、例えば、９０±１５°である。
【００２０】
図３に示すように、排気流れ方向における規制面３４のサイズは、同方向における衝突面３２のサイズよりも小さい。より具体的に、規制面３４の上流端部３４ａは、衝突面３２の上流端部３２ａよりも下流側に位置している。この理由は、衝突面３２よりも小さいサイズの規制面３４を用いることで、衝突面３２に衝突した後の液体の流れ方向を、排気流量に応じて変えるためである。この流れ方向の変更の詳細については後述する。
【００２１】
支持面３６は、排気管部材３０を曲り部１６の内周面に支持する面である。支持面３６は、曲り部１６の内周面および規制面３４に接続されている。支持面３６は、衝突面３２同様、排気流れ方向に沿って設けられる。また、支持面３６は、衝突面３２同様、図２に示すＸ−Ｙ平面の方向に設けられる。ただし、図２に示すように、支持面３６は、衝突面３２よりも添加弁２０に近い側に位置している。より具体的に、衝突面３２が曲り部１６の中央に近い側に位置するのに対し、支持面３６はこの中央よりも添加弁２０に近い側に位置する。
【００２２】
３．規制面３４による液体の流れ方向の変更について
図４は、添加弁２０からの液体の流れ方向を説明する図である。図４には、排気流量が多い場合の流れ方向(i)と、排気流量が少ない場合の流れ方向(ii)と、が矢印で描かれている。図２および図３で説明したように、添加弁２０からの液体は、衝突面３２に衝突して周囲に拡散する。ただし、排気管１０には排気が流れていることから、衝突後の液体は下流側に流される。
【００２３】
ここで、排気流量が多い場合は、衝突後の液体に排気流れ方向に大きな力が作用する。そのため、衝突後の液体は、上流端部３４ａよりも下流側において進行方向を変える。そして、進行方向を変えた液体は、規制面３４に沿って流れる。つまり、衝突後の液体は、規制面３４よりも曲り部１６の中心部側を流れる（図４(i)）。反対に、排気流量が少ない場合は、排気流れ方向に作用する力が小さくなる。そのため、衝突後の液体は、上流端部３４ａよりも上流側に到達し、ここで進行方向を変える。つまり、衝突後の液体は、規制面３４よりも曲り部１６の内周面側を流れる（図４(ii)）。なお、図４(ii)に示す矢印が途中で実践から破線に変わっているのは、支持面３６の下方に液体が通過していることを表している。
【００２４】
４．排気浄化装置１による効果
４．１  高排気流量時における液体の分散性の確保
図５は、(i)排気流量が多い場合に添加弁から添加された液体の流れの一例を示した図である。図４で説明したように、(i)排気流量が多い場合は、衝突後の液体が曲り部１６の中央を流れる。そのため、排気管部材３０よりも下流側においても排気管１０の中央に液体を流し続け、ここを流れる排気との混合を促進できる。特に、排気浄化装置１によれば、図５に示すように、排気管１２に液体を逆流させてここを流れる排気との混合をも促進できる。
【００２５】
図６は、排気管部材３０を備えない排気浄化装置２における、(i)排気流量が多い場合に添加弁から添加された液体の流れの一例を示した図である。図５を図６と比較すると分かるように、排気管部材３０が無い場合は、添加弁２０からの液体が排気流れ方向に作用する大きな力によって流される。そのため、排気管１０の内周面に沿うように液体が流れてしまい、ここを流れる排気との混合が不十分となる。
【００２６】
なお、図４で説明したように、本実施の形態に係る排気浄化装置１では、低排気流量時に添加弁２０からの液体が排気管１０の内周面側を流れる。しかし、低排気流量時は高排気流量時に比べて排気流速が遅くなるので、液体の分散性がある程度確保される。つまり、低排気流量時は、高排気流量時に比べて液体の分散性が問題にならない。
【００２７】
４．２  排気管部材の設置による圧力損失の低減
図７は、排気管部材４０を曲り部１６に設けた場合の問題点を説明する図である。この排気管部材４０は、添加弁２０からの液体の衝突を受ける面を少なくとも有する。また、排気管部材４０は、排気流れ方向に対して垂直な方向（図７に示すＸ−Ｚ平面の方向）に設けられている。図７に矢印で示すように、排気管部材４０によれば、添加弁２０からの液体を微粒化して排気中に分散させることができる。ただし、排気管部材４０を用いると、曲り部１６を流れる排気の流れが排気管部材４０によって阻害されてしまう。
【００２８】
この点、排気浄化装置１によれば、図２で説明したように、衝突面３２、規制面３４および支持面３６の全てが排気流れ方向に沿って設けられる。したがって、曲り部１６を流れる排気の流れが排気管部材３０の設置によって阻害されるのを抑えることができる。
【００２９】
４．３  低排気流量時における液体の添加弁２０への付着の抑制
図８は、排気管部材４２を曲り部１６に設けた場合の問題点を説明する図である。この排気管部材４２は、添加弁２０からの液体の衝突を受ける面を少なくとも有する。また、排気管部材４２は、排気流れ方向（図８に示すＸ−Ｙ平面の方向）に沿って設けられている。排気管部材４２のこのような設置によれば、図７で説明した圧力損失の問題を軽減できる。
【００３０】
しかし、図８に矢印で示すように、排気管部材４２を用いると、ここに衝突した液体の一部が添加弁２０側に跳ね返ってしまう。そして、衝突後の液体に作用する力が小さい低排気流量時には、添加弁２０側に跳ね返った液体がポート１８に流入し、添加弁２０に付着してしまう。
【００３１】
この点、排気浄化装置１によれば、図４で説明したように、低排気流量時に添加弁２０からの液体を排気管１０の内周面側に流すことができる。そのため、衝突面３２に衝突した液体が添加弁２０側に跳ね返るのを抑えることができる。したがって、添加弁２０からの液体がここに付着するのを抑えることができる。
【００３２】
特に、排気浄化装置１によれば、衝突面３２よりも添加弁２０に近い側に支持面３６が位置している。そのため、排気管１０の内周面側に流した液体が、規制面３４を越えて排気管１０の中央に流入するのを抑えることもできる。よって、添加弁２０からの液体がここに付着するのを確実に抑えることができる。
【００３３】
５．その他の実施の形態
上記実施の形態に係る排気浄化装置は、次のように変形することもできる。
【００３４】
５．１  変形例１
上記実施の形態に係る排気浄化装置は、ツインターボ型のディーゼルエンジンを前提とした。しかし、シングルターボ型のディーゼルエンジンを前提としてもよいし、自然吸気型のディーゼルエンジンを前提としてもよい。更には、ガソリンエンジンを前提としてもよい。なお、ガソリンエンジンを前提とする場合は、エンジンの仕様に応じて排気浄化触媒の構成を適宜変更することが望ましい。
【００３５】
５．２  変形例２
上記実施の形態に係る排気浄化装置では、排気管部材３０が曲り部１６の内周面に設置された。しかし、曲り部１６以外の排気管１０の内周面に排気管部材３０を設置してもよい。図９および図１０は、排気管１０の直線部の内周面に排気管部材を設置するときの排気浄化装置の構成を説明する図である。図１０は、図９の装置構成における添加弁２０からの液体の流れ方向を説明する図でもある。なお、これらの図では、説明の便宜上、曲り部１６以外の排気管１０を「直線部５０」として説明する。また、これらの図では、排気浄化触媒が省略されている。
【００３６】
図９および図１０に示すように、直線部５０の内周面には、排気管部材６０が設置されている。排気管部材６０は、衝突面６２と、規制面６４と、支持面６６と、を備えている。これらの面は、上述した衝突面３２、規制面３４および支持面３６と同様に、排気流れ方向に沿って設けられている。また、これらの面の配置関係は、上述した衝突面３２、規制面３４および支持面３６の配置関係と同一である。また、これらの面の機能は、上述した衝突面３２、規制面３４および支持面３６の機能と同一である。
【００３７】
また、衝突面６２と規制面６４の大小関係も、上述した衝突面３２と規制面３４の大小関係と同一である。より具体的に、より具体的に、規制面６４の上流端部６４ａは、衝突面６２の上流端部６２ａよりも下流側に位置している。
【００３８】
また、上記実施の形態に係る排気浄化装置同様、図９および図１０に示す排気浄化装置では、添加弁２０からの液体の添加方向が排気流れ方向に対して傾いている。図９および図１０に示す衝突領域Ｃ０は、排気流量がゼロの場合（つまり、直線部５０に排気が流れていない場合）において添加弁２０から液体を添加したときに、衝突面６２に形成される液体の衝突領域に相当する。この衝突領域Ｃ０は、上流端部６４ａよりも上流側に位置している。
【００３９】
上記実施の形態に係る排気浄化装置では、曲り部１６の内周面に排気管部材３０が設置されていた。そのため、低排気流量時には曲り部１６の内周面側まで到達した液体を、この内周面と規制面３４との間に容易に流すことができた（図４(ii)参照）。この点、図９および図１０に示す排気浄化装置では、上流端部６４ａよりも上流側に衝突領域Ｃ０が形成されるよう、添加弁２０の設置箇所や添加弁２０からの燃料の添加方向が調整されている。このような設計を行うことで、低排気流量時に上記実施の形態と同様の液体の流れを生じさせることができる（図１０(ii)参照）。
【００４０】
なお、既に説明したように、衝突領域Ｃ（図３参照）は、排気流量が多くなるにつれて下流側に拡大する。したがって、高排気流量時においても、上記実施の形態と同様の液体の流れを生じさせることができる（図１０(i)参照）。
【００４１】
以上をまとめると、以下の条件が満たされるように添加弁や排気管部材を設置することで、図４や図１０で説明した流れと同様の液体の流れを生じさせることができる。
（１）添加弁の液体添加孔の位置を、排気管部材の規制面の排気流れ方向における上流端部Ｘよりも排気流れ方向の下流側にする
（２）上流端部Ｘの位置を、排気管に排気が流れていない場合に添加弁からの液体が排気管部材の衝突面に形成する液体衝突領域（つまり、衝突領域Ｃ０）よりも排気流れ方向の下流側にする
（３）排気管部材を添加弁側から見た場合において、添加弁からの液体の添加方向を、上流端部Ｘを含み排気流れ方向に平行な面に対して規制面側に傾斜させる
【符号の説明】
【００４２】
１、２    排気浄化装置
１０、１２    排気管
１４    排気浄化触媒
１６    曲り部
１８    ポート
２０    添加弁
３０、４０、４２、６０    排気管部材
３２、６２    衝突面
３４、６４    規制面
３６、６６    支持面
３２ａ、３４ａ、６２ａ、６４ａ  上流端部
５０    直線部
【図１】
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【図２】
2020016215.tif 000004
【図３】
2020016215.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020016215.tif 000009
【図８】
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【図９】
2020016215.tif 000011
【図１０】
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