(57)【要約】【課題】燃費の改善とプレ酸化触媒の良好な活性の確保を実現し得る排気昇温装置を提供する。【解決手段】ターボチャージャ１のタービン２出口に備えたプレ酸化触媒４の上流側に燃料を添加し、その添加燃料が前記プレ酸化触媒４上で酸化反応した時の反応熱により排気ガス５を昇温するようにした排気昇温装置に関し、前記タービン２出口の排気管３に形成した拡管部１１に排気ガス５の主流と対向するよう分流管１２を挿入し、該分流管１２の先端部に前記プレ酸化触媒４を収容させて該プレ酸化触媒４を前記拡管部１１の内壁から離間させた状態で支持し、前記拡管部１１から突き出した前記分流管１２の基端部１２ａと前記拡管部１１の出口部１１ａとを合流させて該拡管部１１の出口部１１ａをエンジン６の運転状況に応じ適宜に開閉し得るよう構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャのタービン出口に備えたプレ酸化触媒の上流側に燃料を添加し、その添加燃料が前記プレ酸化触媒上で酸化反応した時の反応熱により排気ガスを昇温するようにした排気昇温装置であって、前記タービン出口の排気管に形成した拡管部に排気ガスの主流と対向するよう分流管を挿入し、該分流管の先端部に前記プレ酸化触媒を収容させて該プレ酸化触媒を前記拡管部の内壁から離間させた状態で支持し、前記拡管部から突き出した前記分流管の基端部と前記拡管部の出口部とを合流させて該拡管部の出口部をエンジンの運転状況に応じ適宜に開閉し得るよう構成したことを特徴とする排気昇温装置。
【請求項２】
タービン出口の排気管を屈曲させ且つその屈曲部分の後半に拡管部を形成し、該拡管部における前記屈曲部分の曲がり方向外周側に分流管を配置すると共に、前記屈曲部分の曲がり方向内周側に拡管部の出口部を配置したことを特徴とする請求項１に記載の排気昇温装置。
【請求項３】
拡管部の出口部よりも分流管の基端部の方が相対的に小さな流路断面積となるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気昇温装置。
【請求項４】
プレ酸化触媒とタービンとの間に燃料添加弁を配置し、該燃料添加弁により燃料を添加し得るよう構成したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気昇温装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャのタービン出口にプレ酸化触媒を備え、該プレ酸化触媒上で添加燃料を酸化反応させて反応熱により排気ガスを昇温するようにした排気昇温装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが以前より行われている。
【０００３】
この種のパティキュレートフィルタは、コージェライトなどのセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。
【０００４】
そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ない。
【０００５】
この為、例えばアルミナに白金を担持させたものに適宜な量のセリウムなどの希土類元素を添加して成る酸化触媒を一体的にパティキュレートフィルタに担持させ、該パティキュレートフィルタ内に捕集されたパティキュレートの酸化反応を前記酸化触媒により促進して着火温度を低下せしめ、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去できるようにしている。
【０００６】
ただし、このようにした場合であっても、排気温度の低い運転状況では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがあり、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階でパティキュレートフィルタを強制的に加熱して捕集済みパティキュレートを焼却する必要がある。
【０００７】
より具体的には、パティキュレートフィルタの前段にフロースルー型の酸化触媒を備えると共に、該酸化触媒より上流側に燃料を添加するようにし、その添加燃料をパティキュレートフィルタの前段の酸化触媒で酸化反応させ、その反応熱により昇温した排気ガスをパティキュレートフィルタへと導入して触媒床温度を上げてパティキュレートを燃やし尽くし、パティキュレートフィルタの再生化を図るようにしている。
【０００８】
斯かるパティキュレートフィルタの強制再生を行う場合、アイドリング停車時を含む軽負荷時にあっては、排気温度が低すぎて酸化触媒の活性が十分に高まらないため、図４に示す如く、ターボチャージャ１のタービン２出口に接続された排気管３の途中にプレ酸化触媒４を配置しておき、該プレ酸化触媒４をタービン２から出たばかりの未だ温度低下してない高温の排気ガス５により昇温して活性状態とし、エンジン６側でポスト噴射（圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続く非着火のタイミングで行われる噴射）を追加して燃料添加を実施し、その添加燃料を前記プレ酸化触媒４で酸化反応させることで排気温度を上昇させるようにしている。
【０００９】
ここで、図４中における符号の７は前記ターボチャージャ１のコンプレッサを示し、吸気管８を通して導かれた吸気９が前記コンプレッサ７にて加圧され、その加圧された吸気９’がインタクーラ（図示せず）へと送られて冷却された後、吸気マニホールド（図示せず）を介し前記エンジン６の各気筒に分配され、該エンジン６の各気筒から排出された排気ガス５が、排気マニホールド１０を介し前記タービン２へと送られるようになっている。
【００１０】
尚、この種のプレ酸化触媒を用いた排気昇温装置に関しては、本発明と同じ出願人による下記の特許文献１でも説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１４−１３４１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、斯かる従来構造にあっては、タービン２出口に配置されるプレ酸化触媒４により全ての運転状況で圧力損失が生じ、これに伴いエンジン６側でのポンピングロスが増加して燃費が悪くなるという課題があり、また、プレ酸化触媒４の熱が排気管３の内壁へ熱伝導されて連続的に外気へ放熱されてしまい、この無用な放熱によりプレ酸化触媒４の良好な活性が損なわれる虞れもあった。
【００１３】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、燃費の改善とプレ酸化触媒の良好な活性の確保を実現し得る排気昇温装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、ターボチャージャのタービン出口に備えたプレ酸化触媒の上流側に燃料を添加し、その添加燃料が前記プレ酸化触媒上で酸化反応した時の反応熱により排気ガスを昇温するようにした排気昇温装置であって、前記タービン出口の排気管に形成した拡管部に排気ガスの主流と対向するよう分流管を挿入し、該分流管の先端部に前記プレ酸化触媒を収容させて該プレ酸化触媒を前記拡管部の内壁から離間させた状態で支持し、前記拡管部から突き出した前記分流管の基端部と前記拡管部の出口部とを合流させて該拡管部の出口部をエンジンの運転状況に応じ適宜に開閉し得るよう構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
而して、このようにした場合、既に排気ガスが必要温度に達している運転状況で拡管部の出口部を開けておくと、プレ酸化触媒が通過抵抗となる分流管を通らずに大半の排気ガスが通り易い拡管部の出口部へ流れることで圧力損失が大幅に低減され、これにより排気昇温の不要な運転状況におけるポンピングロスが低減されて燃費の顕著な改善が図られることになり、他方、排気ガスを昇温する必要がある運転状況で前記拡管部の出口部を閉めて前記プレ酸化触媒の上流側に燃料を添加すると、排気ガスの全量が分流管に流れて前記プレ酸化触媒上で添加燃料が酸化反応し、その反応熱により排気ガスが昇温されることになる。
【００１６】
この際、プレ酸化触媒が拡管部の内壁から離間した状態で支持されていることにより、前記プレ酸化触媒から前記拡管部の内壁への直接的な熱伝導が遮断され、前記プレ酸化触媒の熱が連続的に外気へ放熱されてしまうことが阻止されると共に、前記プレ酸化触媒の周囲が常にタービンを出たばかりの高温の排気ガスに晒されているので、前記プレ酸化触媒が高温状態のまま安定して保温されて良好な活性が確保されることになる。
【００１７】
また、本発明をより具体的に実施するにあたっては、タービン出口の排気管を屈曲させ且つその屈曲部分の後半に拡管部を形成し、該拡管部における前記屈曲部分の曲がり方向外周側に分流管を配置すると共に、前記屈曲部分の曲がり方向内周側に拡管部の出口部を配置することが好ましい。
【００１８】
このようにすれば、タービン出口の排気管における屈曲部分で排気ガスの流れが曲げられることで前記屈曲部分の曲がり方向外周側に排気ガスの流れが偏り、自ずから排気ガスの主流が分流管に対向するように流れ、前記拡管部の出口部を開けた際にプレ酸化触媒の周囲が確実に排気ガスの主流に晒されて熱を受け易くなると共に、前記拡管部の出口部を閉じた際に排気ガスが分流管に導入され易くなる。
【００１９】
更に、本発明においては、拡管部の出口部よりも分流管の基端部の方が相対的に小さな流路断面積となるように構成すると良く、このようにすれば、拡管部の出口部を閉じて排気ガスの全量を分流管に流した際に、プレ酸化触媒の通過抵抗が増えるだけでなく流路断面積が絞り込まれることによっても圧力損失が増えてエンジン側におけるポンピングロスが大幅に増加し、これにより低下するトルクを補うよう燃料噴射量が増加されて排気温度が更に上昇される。
【００２０】
また、本発明においては、プレ酸化触媒とタービンとの間に燃料添加弁を配置し、該燃料添加弁により燃料を添加し得るよう構成することが好ましく、このようにすれば、エンジン側でのポスト噴射等による燃料添加を極力回避して、添加燃料の一部がオイルパンに流れ落ちることによるオイルの希釈を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
上記した本発明の排気昇温装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００２２】
（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、排気ガスを昇温する必要がある運転状況の時だけ排気ガスの全量をプレ酸化触媒に通して排気昇温を行うようにしているので、これ以外の運転状況では前記プレ酸化触媒を迂回させて流すことで圧力損失の大幅な低減化を図ることができて燃費を著しく改善でき、しかも、前記プレ酸化触媒を拡管部の内壁から離間させた状態で支持することで前記プレ酸化触媒から前記拡管部の内壁への直接的な熱伝導を遮断し、前記プレ酸化触媒の熱が連続的に外気へ放熱されてしまうことを阻止することができ、しかも、前記プレ酸化触媒の周囲を常にタービンを出たばかりの高温の排気ガスに晒して効率良く加熱することもできるので、前記プレ酸化触媒を高温状態のまま安定して保温することができて良好な活性を確保することができる。
【００２３】
（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、タービン出口の排気管における屈曲部分で排気ガスの流れを曲げて前記屈曲部分の曲がり方向外周側に排気ガスの流れを偏らせることができ、拡管部の出口部を開けた際にプレ酸化触媒の周囲を確実に排気ガスの主流に晒して熱を受け易くすることができると共に、前記拡管部の出口部を閉じた際に排気ガスを分流管に導入し易くすることができる。
【００２４】
（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、エンジン側におけるポンピングロスを大幅に増加させることができ、これにより低下するトルクを補うよう燃料噴射量が増加されることで排気温度を更に上昇させることができ、より効果的な排気ガスの昇温を図ることができる。
【００２５】
（ＩＶ）本発明の請求項４に記載の発明によれば、プレ酸化触媒の上流側に燃料添加弁により燃料を添加することができるので、エンジン側でのポスト噴射等による燃料添加を極力回避することができ、添加燃料の一部がオイルパンに流れ落ちることによるオイルの希釈を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の拡管部の出口部を開けた状態を示す概略図である。
【図３】本発明の別の形態例を示す概略図である。
【図４】従来例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２８】
図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、ここに図示している例では、ターボチャージャ１におけるタービン２出口の排気管３に、相対的に他の部位よりも流路断面積を大きくした拡管部１１が形成されており、該拡管部１１には、前記タービン２からの排気ガス５の主流と対向するよう分流管１２が挿入されており、該分流管１２の先端部には、プレ酸化触媒４が収容されて前記拡管部１１の内壁から離間させた状態で支持されるようにしてある。
【００２９】
そして、前記拡管部１１から突き出した前記分流管１２の基端部１２ａと前記拡管部１１の出口部１１ａとが合流されて前記排気管３の下流側部分を構成するようにしてあり、前記拡管部１１の出口部１１ａには、該出口部１１ａを前記エンジン６の運転状況に応じ適宜に開閉し得るようバタフライバルブ１３が開閉装置として装備され、電動アクチュエータ１４（エアシリンダとすることも可能）により前記バタフライバルブ１３がレバー機構１５を介し傾動操作されるようになっている。
【００３０】
ここで、前記タービン２出口に接続される排気管３は、前記タービン２出口の直後で略直角に屈曲しており、その屈曲部分の後半に前記拡管部１１が形成されるようになっていて、該拡管部１１における前記屈曲部分の曲がり方向外周側に分流管１２が配置され、前記屈曲部分の曲がり方向内周側に前記拡管部１１の出口部１１ａが配置されるようにしてあり、しかも、前記拡管部１１の出口部１１ａよりも前記分流管１２の基端部１２ａの方が相対的に小さな流路断面積となるようにしてある。
【００３１】
また、特に本形態例にあっては、前記排気管３の屈曲部分の前半に、管内から管外に向けて窪む噴霧ポケット１６を介し燃料添加弁１７が排気ガス５の流れ方向に対し斜め下流側へ燃料を噴射し得るよう装備されていると共に、該燃料添加弁１７からの噴射燃料を衝突させて上流側へ跳ね返すリフレクタ１８が配設されており、結果的に前記燃料添加弁１７からの噴射燃料が排気ガス５の流れに対向して噴射されるようにしてある。
【００３２】
尚、前記リフレクタ１８は、前記排気管３の内壁に配設されていて、排気ガス５の主流を遮らないようにしてあり、上流側へ跳ね返される噴射燃料が排気ガス５の主流に対向するように角度調整されている。
【００３３】
而して、図１に示す如く、既に排気ガス５が必要温度に達している運転状況で拡管部１１の出口部１１ａを開けておくと、プレ酸化触媒４が通過抵抗となる分流管１２を通らずに大半の排気ガス５が通り易い拡管部１１の出口部１１ａへ流れることで圧力損失が大幅に低減され、これにより排気昇温の不要な運転状況におけるポンピングロスが低減されて燃費の顕著な改善が図られることになり、図２に示す如く、排気ガス５を昇温する必要がある運転状況で前記拡管部１１の出口部１１ａを閉めて前記プレ酸化触媒４の上流側に燃料を添加すると、排気ガス５の全量が分流管１２に流れて前記プレ酸化触媒４上で添加燃料が酸化反応し、その反応熱により排気ガス５が昇温されることになる。
【００３４】
この際、プレ酸化触媒４が拡管部１１の内壁から離間した状態で支持されていることにより、前記プレ酸化触媒４から前記拡管部１１の内壁への直接的な熱伝導が遮断され、前記プレ酸化触媒４の熱が連続的に外気へ放熱されてしまうことが阻止されると共に、前記プレ酸化触媒４の周囲が常にタービン２を出たばかりの高温の排気ガス５に晒されているので、前記プレ酸化触媒４が高温状態のまま安定して保温されて良好な活性が確保されることになる。
【００３５】
また、タービン２出口の排気管３における屈曲部分で排気ガス５の流れが曲げられることで前記屈曲部分の曲がり方向外周側に排気ガス５の流れが偏り、自ずから排気ガス５の主流が分流管１２に対向するように流れ、前記拡管部１１の出口部１１ａを開けた際にプレ酸化触媒４の周囲が確実に排気ガス５の主流に晒されて熱を受け易くなると共に、前記拡管部１１の出口部１１ａを閉じた際に排気ガス５が分流管１２に導入され易くなる。
【００３６】
更に、拡管部１１の出口部１１ａよりも分流管１２の基端部１２ａの方が相対的に小さな流路断面積となるように構成しているので、拡管部１１の出口部１１ａを閉じて排気ガス５の全量を分流管１２に流した際に、プレ酸化触媒４の通過抵抗が増えるだけでなく流路断面積が絞り込まれることによっても圧力損失が増えてエンジン６側におけるポンピングロスが大幅に増加し、これにより低下するトルクを補うよう燃料噴射量が増加されて排気温度が更に上昇される。
【００３７】
また、プレ酸化触媒４とタービン２との間に燃料添加弁１７を配置し、該燃料添加弁１７により燃料を添加し得るようにしているので、エンジン６側でのポスト噴射等による燃料添加を極力回避して、添加燃料の一部がオイルパンに流れ落ちることによるオイルの希釈を抑制することが可能となる。
【００３８】
特に本形態例の場合は、燃料添加弁１７から噴射される燃料がリフレクタ１８に衝突して上流側へ跳ね返され、ターボチャージャ１のタービン２出口から吐出される排気ガス５の流れに対し対向流として混ざり、排気ガス５の流れに正面からぶつかることで蒸発と分散が著しく促進される結果、添加燃料をＨＣガスとして良好に分散した状態でプレ酸化触媒４に導くことが可能となる。
【００３９】
従って、上記形態例によれば、排気ガス５を昇温する必要がある運転状況の時だけ排気ガス５の全量をプレ酸化触媒４に通して排気昇温を行うようにしているので、これ以外の運転状況では前記プレ酸化触媒４を迂回させて流すことで圧力損失の大幅な低減化を図ることができて燃費を著しく改善でき、しかも、前記プレ酸化触媒４を拡管部１１の内壁から離間させた状態で支持することで前記プレ酸化触媒４から前記拡管部１１の内壁への直接的な熱伝導を遮断し、前記プレ酸化触媒４の熱が連続的に外気へ放熱されてしまうことを阻止することができ、更には、前記プレ酸化触媒４の周囲を常にタービン２を出たばかりの高温の排気ガス５に晒して効率良く加熱することもできるので、前記プレ酸化触媒４を高温状態のまま安定して保温することができて良好な活性を確保することができる。
【００４０】
また、図３は本発明の別の形態例を示すもので、分流管１２の基端部１２ａにもバタフライバルブ１３’を追加し、該バタフライバルブ１３’を拡管部１１の出口部１１ａにおけるバタフライバルブ１３と同軸上に支持することで両者が連動して交互に開閉するようにしたものである。
【００４１】
このようにすれば、前記拡管部１１の出口部１１ａの開放時に前記分流管１２の基端部１２ａをバタフライバルブ１３’で閉止することが可能となり、前記拡管部１１の出口部１１ａへ排気ガス５の全量を確実に導くことが可能となるので、圧力損失をより一層低減することができる。
【００４２】
尚、本発明の排気昇温装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、拡管部の出口部を開閉するための開閉装置としてバタフライバルブ以外の手段を用いても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４３】
１      ターボチャージャ
２      タービン
３      排気管
４      プレ酸化触媒
５      排気ガス
６      エンジン
１１    拡管部
１１ａ  出口部
１２    分流管
１２ａ  基端部
１７    燃料添加弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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