(57)【要約】【課題】圧損の小さい低コストの簡易な構成で、容易に温度分布の均一化を図る。【解決手段】排気システムは、エンジンから排出された排気ガスに含まれる粒子状物質２０を捕集するパティキュレートフィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタ１０）と、パティキュレートフィルタの上流に設けられ、触媒を介した酸化反応によって排気ガスを昇温する酸化触媒（ディーゼル酸化触媒９）と、酸化触媒の上流に設けられ、酸化触媒が酸化活性温度となるように、昇温した気体を排気ガスに導入するバーナ装置７と、バーナ装置の下流かつ酸化触媒の上流に設けられ、排気ガスの流れに沿って、流路断面積を拡大した後、流路断面積を縮小する攪拌部８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから排出された排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタの上流に設けられ、触媒を介した酸化反応によって前記排気ガスを昇温する酸化触媒と、
前記酸化触媒の上流に設けられ、該酸化触媒が酸化活性温度となるように、昇温した気体を前記排気ガスに導入するバーナ装置と、
前記バーナ装置の下流かつ前記酸化触媒の上流に設けられ、前記排気ガスの流れに沿って、流路断面積を拡大した後、該流路断面積を縮小する攪拌部と、
を備えることを特徴とする排気システム。
【請求項２】
前記攪拌部から流出する前記排気ガスの流出方向は、該攪拌部に流入する排気ガスの流入方向と異なることを特徴とする請求項１に記載の排気システム。
【請求項３】
前記攪拌部は、直方体で形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の排気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気流路を流れる排気ガスに、バーナ装置で昇温された気体を混合し、酸化触媒の酸化を助勢する排気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンからの排気ガス中において、さらに燃料を燃焼させる場合がある。例えば、ディーゼルエンジンにおける、排気ガスに含まれる煤等の粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を除去するパティキュレートフィルタの再生処理等がそれに該当する（例えば、特許文献１）。
【０００３】
かかる再生処理においては、排気ガスを酸化触媒で昇温している。このような酸化触媒を活性温度まで迅速に上昇させるため、空気を別途ヒータで昇温して排気ガスに導入したり（例えば、特許文献２）、排気流路中に燃料を噴射する（例えば、特許文献３、４）技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２２２９１３号公報
【特許文献２】特開２００５−３２０８８０号公報
【特許文献３】特開２００７−１５４７７２号公報
【特許文献４】特開平８−２６０９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
酸化触媒の昇温を補助する熱源としては、上述したヒータや燃料噴射機構の他、排気ガスに混合する気体を昇温するバーナ装置等がある。いずれも、排気ガスの一部を昇温したり、別途昇温した気体を排気ガスに混合する構成なので、その流路断面において温度分布が偏り不均一になる。
【０００６】
このとき、熱源の下流にスワラや邪魔板等を設けて温度分布を均一にすることも考えられるが、構造が複雑であり、圧損や製造コストの増大を招くこととなる。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑み、圧損の小さい低コストの簡易な構成で、容易に温度分布の均一化を図ることが可能な排気システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の排気システムは、エンジンから排出された排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの上流に設けられ、触媒を介した酸化反応によって排気ガスを昇温する酸化触媒と、酸化触媒の上流に設けられ、酸化触媒が酸化活性温度となるように、昇温した気体を排気ガスに導入するバーナ装置と、バーナ装置の下流かつ酸化触媒の上流に設けられ、排気ガスの流れに沿って、流路断面積を拡大した後、流路断面積を縮小する攪拌部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
攪拌部から流出する排気ガスの流出方向は、攪拌部に流入する排気ガスの流入方向と異なってもよい。
【００１０】
攪拌部は、直方体で形成されてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、圧損の小さい低コストの簡易な構成（攪拌部）で、ミキシング効果を高め、容易に温度分布の均一化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ディーゼルエンジンの排気システムを説明するための説明図である。
【図２】バーナ装置の構造を説明するための説明図である。
【図３】エンジンのアイドル時における必要空気量を比較した説明図である。
【図４】攪拌部の構造を説明するための横断面図である。
【図５】攪拌部の他の構造を説明するための横断面図である。
【図６】攪拌部のさらに他の構造を説明するための横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１４】
（排気システム）
図１は、ディーゼルエンジン１の排気システムを説明するための説明図である。図１（ａ）に示すように、ディーゼルエンジン１はレシプロエンジンであり、具体的に、ピストンによってシリンダ内の空気を圧縮して高温高圧化するとともに、燃料タンク２に蓄えられた、軽油、重油等の燃料を燃料ポンプ３や噴射ポンプ４で昇圧して、その高温高圧化された空気中に噴射することで爆発を起こさせ、その爆発によって生じるエネルギーを動力に変える。過給機５は、ディーゼルエンジン１の排気ガスのエネルギーでタービンを回転し、吸気を圧縮して吸気圧を高めることでエンジン出力を向上させる装置である。
【００１５】
排気流路６は、ディーゼルエンジン１の排気口から排出された排気ガスを外部に排出するための配管で構成され、その流路には、上流側から順に、バーナ装置７、攪拌部８、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）９、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）１０が設けられている。排気システムは、バーナ装置７、攪拌部８、酸化触媒としてのディーゼル酸化触媒９と、パティキュレートフィルタとしてのディーゼルパティキュレートフィルタ１０とを含んで構成される。以下、ディーゼルパティキュレートフィルタ１０、ディーゼル酸化触媒９、バーナ装置７、攪拌部８の順に説明する。
【００１６】
（ディーゼルパティキュレートフィルタ１０）
ディーゼルパティキュレートフィルタ１０は、図１（ｂ）の縦断面図に示すように、セラミックや金属をハニカム構造に形成した多孔体１０ａで構成される。そして、ディーゼルパティキュレートフィルタ１０は、ディーゼルエンジン１の排気ガス（図１（ｂ）中矢印で示す）に含まれる、例えば１０ミクロン以上の大きさの粒子状物質２０を捕集し、排気ガスから粒子状物質２０を分離する。このように粒子状物質２０が分離された排気ガスは外部に放出される。このとき、ディーゼルパティキュレートフィルタ１０に粒子状物質２０が堆積し過ぎると多孔体１０ａが目詰まりを起こすことがある。目詰まりは排気圧の上昇を招き燃費の悪化や出力低下につながる。そこで以下のディーゼル酸化触媒９が設けられている。
【００１７】
（ディーゼル酸化触媒９）
ディーゼル酸化触媒９は、ディーゼルパティキュレートフィルタ１０の上流に設けられ、例えばプラチナ、パラジウム等の触媒で構成される。そして、ディーゼルエンジン１の排気ガス中に含まれる酸素を利用し、未燃の燃料を触媒燃焼（触媒を介した酸化）させることによって排気ガスを昇温する。昇温された排気ガスは、下流のディーゼルパティキュレートフィルタ１０に流れ、ディーゼルパティキュレートフィルタ１０に堆積した粒子状物質２０を燃焼して二酸化炭素として排気させ、ディーゼルパティキュレートフィルタ１０の目詰まりを解消する。かかる一連の処理を本実施形態ではフィルタ再生処理という。
【００１８】
このようなフィルタ再生処理は、ディーゼルパティキュレートフィルタ１０の目詰まりが所定の閾値を超えたことを契機とし、その目詰まりがある程度解消されるまで、所望するタイミングで所望する時間実行されるバッチ処理である。しかし、ディーゼル酸化触媒９は、ディーゼルエンジン１の始動時や低負荷時には、排気ガスの温度が低く酸化が促進される活性温度に達していないことがあり、排気ガスを昇温できず、その下流に位置するディーゼルパティキュレートフィルタ１０において、所望するタイミングでフィルタ再生処理を行うことができない場合がある。そこで、本実施形態では、以下のバーナ装置７を設けている。
【００１９】
（バーナ装置７）
図２は、バーナ装置７の構造を説明するための説明図である。本実施形態では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図２に示す通り定義している。バーナ装置７は、気体を昇温し、ディーゼルエンジン１の排気口から排出された排気ガスに加えて、排気ガスの温度を高める。こうして、ディーゼル酸化触媒９の昇温を助勢することができる。すなわち、所望するタイミングでディーゼル酸化触媒９を活性温度に昇温してフィルタ再生処理を行うことが可能となる。
【００２０】
バーナ装置７の具体的な構成を説明すると、バーナ装置７の外壁５０は、例えば、矩形の筒状に形成され、Ｚ軸に沿った方向の下方端部が排気流路６と連通し、上方端部が閉塞されている。外壁５０の内部には、外壁５０内部をＸ軸方向に区画する第１仕切部材５２が配される。第１仕切部材５２は、例えば、矩形の板材で構成され、その外周側面のうち３つの側面が外壁５０の閉塞面およびＹ軸方向の内周面に固定され、他の１の側面が排気流路６に突出している。かかる外壁５０と第１仕切部材５２によって流入路５４が形成される。流入路５４は、排気流路６に対して開口しており、排気流路６に突出した第１仕切部材５２によって、排気流路６に流れる排気ガスの一部（例えば２０％程度）が流入路５４に流入する。
【００２１】
外壁５０内部の第１仕切部材５２で区画された空間のうち、Ｘ軸方向の下流側に位置する空間は、さらに、第２仕切部材５６によってＺ軸方向に区画される。第２仕切部材５６は、例えば、矩形の板材で構成され、外周側面が第１仕切部材５２と外壁５０の内周面とに固定されている。第２仕切部材５６で仕切られたＺ軸上方の空間は火炎を生成するための一次燃焼室５８であり、Ｚ軸下方の空間は燃焼を促進させるための二次燃焼室６０である。
【００２２】
気体供給部６２は、例えば、エアポンプで構成され、一次燃焼室５８に排気ガスとは別の気体、本実施形態においては空気を供給し、一次燃焼室５８内における火炎の生成を助ける。気体供給部６２は、エアポンプに限らず、ファン、コンプレッサ等で構成されてもよい。ここで、第１仕切部材５２には、流入路５４から一次燃焼室５８へ貫通する孔５２ａが設けられており、当該孔５２ａによって一次燃焼室５８に空気が導かれる。かかる孔５２ａは、空気の流量を制限する役割も担う。
【００２３】
ただし、一次燃焼室５８に空気のみを導入するとなると、ある程度、空気を昇温しなければならず、また、火炎の生成に要する空気の絶対量が増大する。そこで、本実施形態においては、上記のように排気流路６から流入路５４に排気ガスの一部を流入させ、空気との混合気（以下、単に空気混合気という。）を生成する。そして、かかる空気混合気を一次燃焼室５８に導入する。
【００２４】
図３は、ディーゼルエンジン１のアイドル時における必要空気量を比較した説明図である。図３を参照して理解できるように、排気ガスを利用せず空気のみを導入した場合と比較して、空気に排気ガスを混合すると各エンジン回転数において必要空気量が少なくて済む。
【００２５】
図２に戻って、第１仕切部材５２には、流入路５４から二次燃焼室６０へ貫通する孔５２ｂが設けられており、当該孔５２ｂによって二次燃焼室６０に排気ガスが導かれる。かかる孔５２ｂは、二次燃焼室６０に導く排気ガスの流量を制限する役割も担う。
【００２６】
さらに、第２仕切部材５６には、一次燃焼室５８から二次燃焼室６０へ貫通する孔５６ａが設けられており、当該孔５６ａによって一次燃焼室５８で燃焼された空気混合気が二次燃焼室６０に導かれる。かかる孔５６ａは、空気混合気の流量を制限する役割も担う。こうして、一次燃焼室５８および二次燃焼室６０における空気混合気の流速が抑制されるため、一次燃焼室５８においては、着火性および保炎性が向上し、二次燃焼室６０においては、火炎燃焼を開始可能な温度域および酸素濃度域を拡大できる。
【００２７】
一次燃料供給部７０（燃料供給部）は、例えばノズルを有するインジェクタ等の燃料噴射装置で構成され、一次燃焼室５８に燃料を霧状にして供給する。着火部７２は、例えばグロープラグ等の着火装置で構成され、燃料の着火温度以上に加熱されて、着火部７２の熱で気化した燃料と空気混合気を着火する。
【００２８】
燃料保持部７２ａは、着火部７２近傍、例えば、着火部７２の一端を覆う位置に配置され、例えば、金網、焼結金属、金属繊維、ガラス布、セラミック多孔体、セラミックファイバ、軽石等の多孔体で形成され、孔５２ａから空気混合気が導かれるとともに、一次燃料供給部７０から供給された燃料が燃焼されるまで、当該燃料を一時的に保持する。ここで、燃料保持部７２ａは、多孔体として形成された触媒であってもよい。
【００２９】
邪魔板７４は、例えば矩形の板材で構成され、一端が外壁５０の閉塞面に固定され、他端側が孔５２ａに対向する位置に配される。邪魔板７４は、孔５２ａを通って一次燃焼室５８へ流入する空気混合気が、着火部７２に直接衝突する流れを防ぐ。かかる構成により、着火部７２付近の空気混合気の流速を抑制でき、着火性が向上する。
【００３０】
二次燃料供給部７６は、一次燃料供給部７０同様、例えばインジェクタ等の燃料噴射装置で構成され、二次燃焼室６０内に燃料を霧状にして供給する。二次燃焼室６０内では、一次燃焼室５８で発生した種火を増幅するために、二次燃料供給部７６によってさらに燃料が噴射され、排気ガスを巻き込みながら空気混合気の燃焼を促進する。
【００３１】
そして、昇温後の高温の空気混合気は、排気流路６に流出し、当該バーナ装置７に流入しなかった排気ガスと混ざり合うことで排気ガスの温度を高める。こうして、ディーゼル酸化触媒９を活性温度に昇温し、ディーゼルパティキュレートフィルタ１０においてフィルタ再生処理を行うことが可能となる。
【００３２】
しかし、本実施形態においては、バーナ装置７が排気流路６に対して垂直に立設しているので、昇温された気体は、排気流路６内の排気ガスの流れに対して、外側の一方向（図２においてはＺ方向）から略垂直に流入することになる。したがって、排気流路６の流路断面において温度分布が偏り不均一になる。そこで、本実施形態では、以下の攪拌部８を設けている。
【００３３】
（攪拌部８）
図４は、攪拌部８の構造を説明するための横断面図である。攪拌部８は、バーナ装置７の下流かつディーゼル酸化触媒９の上流に、排気流路６の一部として形成され、排気ガスの流れに沿って、排気流路６の流路断面積を拡大した後、その流路断面積を縮小する。換言すれば、攪拌部８における流路断面積は、その直前の排気流路６の流路断面積やその直後の排気流路６の流路断面積より大きい。ここでは、排気流路６として円筒管を想定しているので、攪拌部８の直径ｄ１は、その直前の排気流路６の直径ｄ２やその直後の排気流路６の直径ｄ３より大きくなる。
【００３４】
図４中矢印で示した、バーナ装置７を経由していない排気ガスと、バーナ装置７で昇温された気体との混合気（以下、単に排気混合気という。）は、攪拌部８の流路断面積が拡大する位置８ａにおいて急激に減速するとともに、その流路方向が不均一となる。こうして、攪拌部８の内部８ｂにおいて、排気混合気が攪拌されて均一化する。また、排気混合気は、攪拌部８の流路断面積が縮小する位置８ｃにおいて急激に増速するとともに、その流路断面積が絞られ、排気混合気がさらに均一化される。
【００３５】
かかる攪拌部８は、スワラや邪魔板等と比較して圧損が小さく、構成も簡易であることから製造コストも抑制できる。したがって、圧損の小さい低コストの簡易な構成で、ミキシング効果を高め、容易に温度分布の均一化を図ることが可能となる。
【００３６】
図５は、攪拌部の他の構造を説明するための横断面図である。ここでは、攪拌部１８の側面１８ａを湾曲させて、図５に矢印で示すように、攪拌部１８に流入する排気混合気の流入方向と、攪拌部１８から流出する排気混合気の流出方向とを異ならせている（流入方向と流出方向とが直線上に位置しない、または、平行となっていない）。
【００３７】
ここでは、攪拌部１８の流路断面積が拡大する位置１８ｂで減速した排気混合気がさらに湾曲する側面１８ａに衝突、攪拌されて、温度分布の均一化が促進される。
【００３８】
図６は、攪拌部のさらに他の構造を説明するための横断面図である。ここでは、攪拌部２８が、例えば、その全面が排気流路６の流路断面より面積の大きい直方体で形成され、任意の面から排気混合気を流入させ、その面と垂直の位置関係にある面から排気混合気を流出させる。
【００３９】
したがって、図６に矢印で示すように、攪拌部２８に流入する排気混合気の流入方向と、攪拌部２８から流出する排気混合気の流出方向とが垂直の位置関係となり、攪拌部２８の流路断面積が拡大する位置２８ａで減速した排気混合気がその対向面２８ｂに衝突、攪拌されて、温度分布の均一化が促進される。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態の排気システムによれば、圧損が小さく、コストを抑制できる簡易な攪拌部８の構成で、ミキシング効果を高め、容易に温度分布の均一化を図ることが可能となる。
【００４１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４２】
例えば、上述した実施形態では、バーナ装置として、排気ガスの一部を空気とともに昇温し、バーナ装置に還元する構成を述べたが、排気流路６内において、排気ガスを直接燃焼する構成等、様々な昇温態様を採用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、排気流路を流れる排気ガスに、バーナ装置で昇温された気体を混合し、酸化触媒の酸化を助勢する排気システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１     …ディーゼルエンジン（エンジン）
６     …排気流路
７     …バーナ装置
８、１８、２８     …攪拌部
９     …ディーゼル酸化触媒（酸化触媒）
１０   …ディーゼルパティキュレートフィルタ（パティキュレートフィルタ）
２０   …粒子状物質
【図１】
2014047689.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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