(57)【要約】      （修正有）【課題】排気流速の速い領域とその反対側の遅い領域とが排気通路に存在する場合、排気浄化装置の触媒の再生時に再生処理剤を排気中に均一に分散させる。【解決手段】本発明による排気浄化装置は、排気流速の速い領域ＺFおよびその反対側の遅い領域ＺSを有する上流側排気管２３が連結される上流側開口３０ａを有するケース３０と、ケースの内部に収容される触媒２９と、触媒の再生時に排気通路２３ａに再生処理剤３１を噴射するための噴射弁３２とを具え、排気通路の中心軸線Ｃ1と、この排気通路の中心軸線と交差し、かつ噴射弁から噴射される再生処理剤の噴射方向に沿った軸線Ｃ2とを含む面内において、上流側排気管の下流側開口端２３ｂから触媒の上流側の端面２９ａまでの距離Ｌが、排気流速が速い領域側の上流側排気管の下流側開口端よりも、排気流速が遅い領域側の上流側排気管の下流側開口端ほど長く設定されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路の中央部よりも排気流速の速い領域およびその反対側の遅い領域を有する上流側排気管が連結される上流側開口ならびに下流側排気管が連結される下流側開口を有するケースと、
このケースの内部に収容される触媒と、
前記排気流速の遅い領域に臨むように配され、前記触媒の再生時に前記排気流速の速い領域に向けて前記排気通路に再生処理剤を噴射するための噴射弁と
を具えた排気浄化装置であって、
前記排気通路の中心軸線と、この排気通路の中心軸線と交差し、かつ前記噴射弁から噴射される前記再生処理剤の噴射方向に沿った軸線とを含む面内において、
前記上流側排気管の下流側開口端から前記触媒の上流側の端面までの距離が、前記排気流速が速い領域側の前記排気管の開口端よりも、前記排気流速が遅い領域側の前記排気管の開口端ほど長く設定されていることを特徴とする排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関から排出される排気に関して環境への影響をできるだけ少なくするため、排気に含まれる有害成分を捕捉または吸着したり、あるいは無害化する排気浄化装置を内燃機関の排気通路に組み込んだものが知られている。特に、排気に含まれる窒素酸化物を無害化するものとして、選択触媒還元方式（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）の触媒と、このＳＣＲ触媒の再生時に排気通路に尿素水を噴射する還元剤噴射弁とを用いた排気浄化装置が提案されている。
【０００３】
このような排気浄化装置においては、尿素水を排気中に均一に分散させてＳＣＲ触媒へと供給することが望まれており、そのための種々の手法が特許文献１〜３などで提案されている。より具体的には、特許文献１では尿素水を排気通路の上流側に向けて噴射させており、特許文献２では排気通路に排気の流れに乱流を形成させる遮蔽板を設けており、特許文献３では排気通路に加熱板を配し、この加熱板に向けて尿素水を噴射させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０８７６１号公報
【特許文献２】特開２００８−２９１６８８号公報
【特許文献３】特開２００８−０５１０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２に開示された方法では、排気通路に配される遮蔽板や加熱板が排気通路の圧力損失を増大させてしまい、特に特許文献２では加熱板を加熱するためのエネルギーを必要とし、燃費の悪化を招く。
【０００６】
また、特許文献２，３に開示された方法では、排気の流速が遅くなるような運転状態の場合、尿素水を排気中に均一に分散させることが困難である。また、還元剤噴射弁から噴射された尿素水の一部が液滴となって排気管の内壁や遮蔽板の表面に付着し、デボジット化する可能性がある。特に、排気通路が屈曲している場合、曲率半径の小さい側の屈曲部分を通過する排気の流速よりも、曲率半径の大きい側の屈曲部分を通過する排気の流速が流体力学的に遅くなる傾向を持つ。このような個所では、排気と尿素水との混合を円滑に行うことができなくなり、曲率半径の大きい側の屈曲部分およびこれに続く下流側の排気管の内壁に尿素水の液滴が付着しやすい。従って、触媒に流入する直前の排気通路が屈曲している場合、触媒を収容するケースに接続する排気管の開口端の全周から、尿素水を均一に触媒に向けて供給することが困難となる。
【０００７】
このような不具合は、上述したようなＳＣＲ触媒に供給される尿素水に限らず、ＤＯＣ(Diesel Oxidation Catalyst)や触媒化ＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)を再生する際、排気管の内壁に沿って排気の流速分布が異なる排気通路に燃料を供給する場合にも当てはまる。
【０００８】
本発明の目的は、遮蔽板や加熱板を排気通路に組み込むことなく、また排気浄化装置の直前の排気通路が屈曲していても、尿素水や燃料などの再生処理剤を排気管の開口端の全周から均一に触媒に向けて供給することができる排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による排気浄化装置は、排気通路の中央部よりも排気流速の速い領域およびその反対側の遅い領域を有する上流側排気管が連結される上流側開口ならびに下流側排気管が連結される下流側開口を有するケースと、このケースの内部に収容される触媒と、前記排気流速の遅い領域に臨むように配され、前記触媒の再生時に前記排気流速の速い領域に向けて前記排気通路に再生処理剤を噴射するための噴射弁とを具え、前記排気通路の中心軸線と、この排気通路の中心軸線と交差し、かつ前記噴射弁から噴射される前記再生処理剤の噴射方向に沿った軸線とを含む面内において、前記上流側排気管の下流側開口端から前記触媒の上流側の端面までの距離が、前記排気流速が速い領域側の前記上流側排気管の下流側開口端よりも、前記排気流速が遅い領域側の前記上流側排気管の下流側開口端ほど長く設定されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明においては、上流側排気管の下流側開口端が触媒の上流側端面に対して傾斜し、排気流速が遅い領域側の上流側排気管の下流側開口端ほど触媒の上流側端面との距離が近くなっている。このため、再生時に噴射弁から排気流速の速い領域に向けて排気通路に再生処理剤が噴射されると、排気流速が速い領域側の上流側排気管の壁面に付着した再生処理剤は、その下流側開口端へ向けて流下する。そして、排気流速が遅い領域側の上流側排気管の壁面側へと次第に回り込み、その下流側開口端の全周からほぼ均一に触媒へと供給されることとなる。
【００１１】
本発明による排気浄化装置において、上流側排気管は、曲管部およびこの曲管部の下流側に続く直管部を含み、排気流速の速い領域は、曲率半径が最も小さい曲管部の部分を含み、排気流速の遅い領域は、曲率半径が最も大きな曲管部の部分を含むことができる。
【００１２】
ケースは、上流側開口と触媒の上流側の端面とを隔てるように、上流側開口から下流側に向けて拡がるテーパー部をさらに有し、上流側排気管の下流側開口端がテーパー部で囲まれた空間に突出しているものであってよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の排気浄化装置によると、排気通路に噴射される再生処理剤は、その下流側開口端へと流下する過程で、排気流速が遅い領域側の排気管の下流側開口端側へと回り込み、下流側開口端のほぼ全周から均一に再生処理剤を触媒に向けて供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による排気浄化装置を圧縮点火方式の内燃機関に組み込んだ一実施形態におけるエンジンシステムの概念図である。
【図２】図１に示した実施形態における主要部の制御ブロック図である。
【図３】図１中の矢視III部を抽出拡大した破断断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明による排気浄化装置を圧縮点火方式の内燃機関に組み込んだ一実施形態について、図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、対象となる内燃機関に要求される特性に応じて構成を適宜変更することが可能である。例えば、ガソリンやアルコールまたはＬＮＧ（液化天然ガス）などを燃料としてこれを点火プラグにて着火させる火花点火方式の内燃機関に対しても本発明は有効である。
【００１６】
本実施形態におけるエンジンシステムの概念を図１に示し、このエンジンシステムにおける制御ブロックを図２に示し、その排気浄化装置の一部を抽出拡大して図３に示す。なお、図１ではエンジン１０の吸排気のための動弁機構や消音器の他に、エンジン１０の円滑な運転のために必要とされる各種センサー類などもその一部を便宜的に省略している。
【００１７】
本実施形態におけるエンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１０ａ内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火方式の多気筒内燃機関である。燃焼室１０ａにそれぞれ臨む吸気ポート１２ａおよび排気ポート１２ｂが形成されたシリンダーヘッド１２には、吸気ポート１２ａを開閉する吸気弁１３ａおよび排気ポート１２ｂを開閉する排気弁１３ｂを含む図示しない動弁機構が組み込まれている。先の燃料噴射弁１１もこのシリンダーヘッド１２に組み込まれている。
【００１８】
燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に供給される燃料の噴射量および噴射時期は、運転者によるアクセルペダル１４の踏み込み量を含む車両の運転状態に基づいてＥＣＵ(Engine Control Unit)１５により制御される。アクセルペダル１４の踏み込み量は、アクセル開度センサー１６により検出され、その検出情報がＥＣＵ１５に出力される。
【００１９】
本実施形態におけるＥＣＵ１５は、アクセル開度センサー１６や後述する各種センサー類などからの情報に基づき、車両およびエンジン１０の運転状態を判定する運転状態判定部１５ａと、燃料噴射設定部１５ｂと、燃料噴射弁駆動部１５ｃとを有する。
【００２０】
燃料噴射設定部１５ｂは、運転状態判定部１５ａにて判定した車両の運転状態に基づき、エンジン１０の駆動トルク、つまり燃料噴射弁１１からの燃料噴射量と、その噴射時期などを設定する。ＥＣＵ１５の燃料噴射弁駆動部１５ｃは、この燃料噴射設定部１５ｂにて設定された燃料噴射量に対応した燃料が設定された噴射時期に噴射されるように、燃料噴射弁１１を駆動する。
【００２１】
吸気ポート１２ａに連通するようにシリンダーヘッド１２に連結されて吸気ポート１２ａと共に吸気通路１７ａを画成する吸気管１７には、スロットルアクチュエーター１８を介して吸気通路１７ａの開度を調整するためのスロットル弁１９が組み込まれている。このスロットル弁１９の開度、すなわちスロットル開度は、アクセル開度センサー１６によって検出されるアクセルペダル１４の踏み込み量や車両の運転状態に基づき、ＥＣＵ１５のスロットル開度設定部１５ｄにて設定される。そして、このスロットル開度設定部１５ｄにて設定された開度となるように、ＥＣＵ１５のスロットル弁駆動部１５ｅがスロットルアクチュエーター１８を介してスロットル弁１９の駆動を行う。
【００２２】
スロットル弁１９よりも上流側の吸気通路１７ａには、ここを流れる吸気流量を検出してこれをＥＣＵ１５に出力するエアーフローメーター２０が設けられている。
【００２３】
ピストン２１ａが往復動するシリンダーブロック４１には、連接棒２１ｂを介してピストン２１ａが連結されるクランク軸２１ｃの回転位相、つまりクランク角を検出してこれをＥＣＵ１５に出力するクランク角センサー２２が取り付けられている。ＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａは、このクランク角センサー２２からの情報に基づいてクランク軸２１ｃの回転位相やエンジン回転速度の他に、車両の走行速度などを実時間で把握する。
【００２４】
排気ポート１２ｂに連通するようにシリンダーヘッド１２に連結される排気管２３は、排気ポート１２ｂと共に排気通路２３ａを画成する。本実施形態のエンジンシステムには、ＥＧＲ装置２４と、排気タービン式過給機（以下、単に過給機と記述する）２５と、排気浄化装置２６とがさらに組み込まれている。
【００２５】
ＥＧＲ装置２４は、排気通路２３ａを流れる排気の一部を吸気通路１７ａに導き、排気に含まれるＮＯX、すなわち窒素酸化物の発生量を抑制する。このＥＧＲ装置２４は、ＥＧＲ通路２７ａを画成するＥＧＲ管２７と、このＥＧＲ管２７に設けられてＥＧＲ通路２７ａを流れる排気の流量を制御するＥＧＲ制御弁２８とを具えている。ＥＧＲ管２７は、シリンダーヘッド１２と過給機２５のタービン２５ａとの間の排気通路２３ａに一端が連通すると共に他端がスロットル弁１９とシリンダーヘッド１２との間の吸気通路１７ａに連通している。
【００２６】
本実施形態では、エンジン１０を搭載した車両が予め設定されたＥＧＲ運転領域にあることをＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａが判定した場合、この時の車両の運転状態に応じてＥＧＲ制御弁２８の開度がＥＣＵ１５のＥＧＲ量設定部１５ｆにて設定される。ＥＣＵ１５のＥＧＲ制御弁駆動部１５ｇは、ＥＧＲ制御弁２８をＥＧＲ量設定部１５ｆにて設定された開度に制御し、それ以外の場合は基本的にＥＧＲ通路２７ａを塞いで閉じた状態にＥＧＲ制御弁２８を駆動する。
【００２７】
過給機２５は、排気通路２３ａを流れる排気の運動エネルギーを利用して燃焼室１０ａへの過給を行い、吸気密度を高め、吸気流量を増加させるためのものである。この過給機２５は、排気通路２３ａに組み込まれたタービン２５ａと、このタービン２５ａと一体に回転するコンプレッサー２５ｂとで主要部が構成されている。コンプレッサー２５ｂは、スロットル弁１９とエアーフローメーター２０との間の吸気通路１７ａに組み込まれている。過給機２５のコンプレッサー２５ｂとスロットル弁１９との間の吸気通路１７ａには、高温の排気にさらされるタービン２５ａ側からの伝熱によりコンプレッサー２５ｂを介して加熱される吸気温を低下させるためのインタークーラー２５ｃが組み込まれている。
【００２８】
燃焼室１０ａ内での混合気の燃焼により生成する窒素酸化物や微粒子（パティキュレート）などの有害物質を無害化するための排気浄化装置２６は、過給機２５のタービン２５ａよりも下流側の排気通路２３ａにつながっている。本実施形態における排気浄化装置２６は、排気浄化エレメントとしての触媒２９と、この触媒２９を収容するためのケース３０と、再生処理剤３１を噴射するための再生処理剤噴射弁３２とを含む。触媒２９として、ＤＯＣおよび触媒化ＤＰＦや、ＳＣＲフィルターなどを採用し得るが、これらに限定されない。例えば、触媒化ＤＰＦおよびＳＣＲフィルターを排気通路に直列に配することも可能であり、触媒化ＤＰＦに対しては再生処理剤３１として燃料を使用し、ＳＣＲフィルターに対しては尿素などの還元剤を使用することができる。
【００２９】
以下、便宜的にケース３０よりも上流側、すなわちエンジン１０の排気ポート１２ｂに対してケース３０よりも近い側の排気管２３を上流側排気管２３と記述し、ケース３０よりも下流側、すなわちエンジン１０の排気ポート１２ｂに対してケース３０よりも遠い側を下流側排気管３３と記述する。本実施形態における上流側排気管２３は、図示しない車体下部のレイアウトに従い、所定の曲率を持つ曲管部２３Ｃとこの曲管部２３Ｃに続く短尺の直管部２３Ｓとを含み、直管部２３Ｓの下流端は、ケース３０に形成された上流側開口３０ａに接続している。ケース３０は、上流側開口３０ａと触媒２９の上流側の端面２９ａとを隔てるように、上流側開口３０ａから下流側に向けて拡がるテーパー部３０ｂと、下流側排気管３３が連結される下流側開口３０ｃとを有し、触媒２９は、緩衝材３４を介してケース３０内に収容される。本実施形態では、上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂがテーパー部３０ｂで囲まれた空間３０ｄに突出している。排気通路２３ａの中央部よりも排気流速の遅い領域ＺSは、排気通路２３ａの中央部よりも排気流速の速い領域ＺFの反対側にあり、曲管部２３Ｃの曲率半径ｒが最も大きい部分を含む。
【００３０】
排気流速の遅い領域ＺSに臨むように上流側排気管２３の直管部２３Ｓに取り付けられる再生処理剤噴射弁３２は、触媒２９の再生時に排気流速の速い領域ＺFに向けて上流側排気管２３により画成される排気通路２３ａに再生処理剤３１を噴射するが、これに限定されない。この再生処理剤噴射弁３２は、基本的な構成が通常の燃料噴射弁１１と同じであり、通電時間を制御することによって、任意の量の再生処理剤３１を任意の時間間隔で排気通路２３ａにパルス状に供給することができるようになっている。触媒２９の再生処理を行う必要が生じた場合、再生処理剤噴射弁３２から排気通路２３ａに供給される１回あたりの再生処理剤３１の量は、車両の運転状態に基づいてＥＣＵ１５の再生処理剤噴射設定部１５ｈにより設定される。ＥＣＵ１５の再生処理剤噴射弁駆動部１５ｉは、再生処理剤噴射設定部１５ｈにて設定された量の再生処理剤３１が再生処理剤噴射弁３２から噴射されるように、再生処理剤噴射弁３２の作動を制御する。
【００３１】
ＥＣＵ１５は、アクセル開度センサー１６，エアーフローメーター２０，クランク角センサー２２などからの検出情報に基づき、エンジン１０の運転状態を把握する。そして、予め設定されたプログラムに従って円滑なエンジン１０の運転がなされるように、燃料噴射弁１１，スロットルアクチュエーター１８，ＥＧＲ制御弁２８，再生処理剤噴射弁３２などの作動を制御する。
【００３２】
上流側排気管２３によって画成される排気通路２３ａの中心軸線Ｃ1と、この排気通路２３ａの中心軸線Ｃ1と交差し、かつ再生処理剤噴射弁３２から噴射される再生処理剤３１の噴射方向に沿った軸線Ｃ2とを含む面内において、上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂから触媒２９の上流側の端面２９ａまでの距離Ｌは、再生処理剤噴射弁３２が取り付けられた側の上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂよりも、再生処理剤噴射弁３２が取り付けられた側と反対側の上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂほど長く設定されている。換言すると、上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂは、排気通路２３ａの中心軸線Ｃ1に対し、排気流速の速い領域ＺF側から排気流速の遅い領域ＺS側へと傾斜した状態となっている。
【００３３】
従って、触媒２９の再生時に再生処理剤噴射弁３２から排気流速の速い領域ＺFに向けて排気通路２３ａに再生処理剤３１が噴射されると、この排気通路２３ａを流れる排気と再生処理剤３１の霧滴とが混合した状態で上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂから触媒２９へと供給される。再生処理剤噴射弁３２から噴射された再生処理剤３１の霧滴の一部は、排気流速の速い領域ＺFにある上流側排気管２３の内壁に付着し、その一部がさらに気化して排気と共に触媒２９へと導かれる。排気流速の速い領域ＺFにある上流側排気管２３の内壁に付着した再生処理剤３１の残りの液滴は、排気の流れに沿って排気流速の速い領域ＺFにある上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂへと移動し、その流動過程で一部が蒸発し、排気と混合して触媒２９へと導かれる。そして、排気流速の速い領域ＺFにある上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂに達した再生処理剤３１の液滴は、排気の流動方向に対して傾斜した下流側開口端２３ｂを伝い、排気流速の遅い領域ＺS側の下流側開口端２３ｂへと流動する。その流動過程で、再生処理剤３１の液滴の一部が上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂから排気と共に触媒２９へと吹き飛ばされる。このようにして、上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂのほぼ全周から再生処理剤３１が排気と共に触媒２９へと供給され、触媒２９の再生が行われる。
【００３４】
排気の流速が遅い場合、再生処理剤噴射弁３２から噴射された再生処理剤３１が排気流速の遅い領域ＺS側の上流側排気管２３の内壁に付着する割合が多くなる。しかしながら、排気流速の速い領域ＺFにある上流側排気管２３の内壁に付着した再生処理剤３１の液滴は、上述した排気の流れと上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂの傾斜作用により、最終的に排気流速の遅い領域ＺS側の下流側開口端２３ｂへと流動する。従って、上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂのほぼ全周から再生処理剤３１を触媒２９に向けて均一に吹き飛ばすことができる。
【００３５】
なお、上述した実施形態では、排気浄化装置２６のケース３０の上流側開口３０ａに対して排気流速の速い領域ＺF側の上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂが接するように接続しているが、これに限定されない。図３中の二点鎖線で示すように、上流側排気管２３がケース３０の上流側開口３０ａを完全に貫通するように、下流側開口端２３ｂをケース３０のテーパー部３０ｂで囲まれた空間３０ｄに突出させるようにしてもよい。何れにしろ、上流側排気管２３の下流側開口端２３ｂから触媒２９の上流側の端面２９ａまでの距離Ｌが適切となるように、ケース３０に対する触媒２９の位置を規定する必要がある。
【００３６】
このように、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のない構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
【符号の説明】
【００３７】
２３ａ  排気通路
２３ｂ  下流側開口端
２３Ｃ  曲管部
２３Ｓ  直管部
２６  排気浄化装置
２９  触媒
２９ａ  触媒の上流側の端面
３０  ケース
３０ａ  上流側開口
３０ｃ  下流側開口
３１  再生処理剤
３２  再生処理剤噴射弁
Ｃ1  排気通路の中心軸線
Ｃ2  再生処理剤噴射弁から噴射される再生処理剤の噴射方向に沿った軸線
Ｌ  上流側排気管の下流側開口端から触媒の上流側の端面までの距離
ｒ  曲管部の曲率半径
ＺF  排気流速の速い領域
ＺS  排気流速の遅い領域
【図１】
2018132041.tif 000003
【図２】
2018132041.tif 000004
【図３】
2018132041.tif 000005