(57)【要約】【課題】ＮＯｘ触媒を支持する支持部材及びＮＯｘ触媒自体に尿素水（還元剤）が浸透することを抑制できる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置１００は、排気管１と、排気管１内に支持部材２を介して設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒３と、ＮＯｘ触媒３の上流側に位置する排気管１内に還元剤を添加する添加弁４と、を備え、排気管１は、添加弁４とＮＯｘ触媒３との間の位置に、添加弁４から添加された還元剤を堰き止めるように形成された曲がり部１０を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気が流通される排気管と、
前記排気管内に支持部材を介して設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒の上流側に位置する前記排気管内に還元剤を添加する添加弁と、を備え、
前記排気管は、前記添加弁と前記ＮＯｘ触媒との間の位置に、前記添加弁から添加された還元剤を堰き止めるように形成された曲がり部を有する
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記曲がり部は、排気流れ方向下流側に向かうにつれ上方に向かうと共に、高さ方向にＳ字状に曲がる上流側部分を有する
請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記曲がり部は、排気流れ方向下流側に向かうにつれ下方に向かうと共に、高さ方向にＳ字状に曲がる下流側部分を有する
請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記曲がり部の上流端に接続される上流側排気管と、前記曲がり部の下流端に接続される下流側排気管とが、同軸に配置される
請求項１〜３何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、選択還元型ＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、選択還元型ＮＯｘ触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置は、ＮＯｘ触媒の上流側に位置する排気管内に尿素水（還元剤）を添加する添加弁を備える。また、ＮＯｘ触媒は、緩衝材としての支持部材を介して排気管内に設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１６３２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の排気浄化装置においては、添加弁から添加された尿素水の一部が、排気管内の下面部に付着し、排気管の下流側へと流されることがある。この下流側に流された尿素水が支持部材に浸透した場合、その後、尿素水が結晶化することで支持部材が膨張してしまう。その結果、この膨張による応力により、ＮＯｘ触媒が破損する虞がある。
【０００５】
また、尿素水がＮＯｘ触媒に浸透した場合、その後、尿素水が結晶化することで、ＮＯｘ触媒自体が膨張して破損する可能性がある。
【０００６】
そこで、本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、ＮＯｘ触媒を支持する支持部材及びＮＯｘ触媒自体に尿素水が浸透することを抑制できる内燃機関の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】
【０００７】
本開示に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気が流通される排気管と、前記排気管内に支持部材を介して設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、前記ＮＯｘ触媒の上流側に位置する前記排気管内に還元剤を添加する添加弁と、を備え、前記排気管は、前記添加弁と前記ＮＯｘ触媒との間の位置に、前記添加弁から添加された還元剤を堰き止めるように形成された曲がり部を有することを特徴とする。
【０００８】
また、前記曲がり部は、排気流れ方向下流側に向かうにつれ上方に向かうと共に、高さ方向にＳ字状に曲がる上流側部分を有する。
【０００９】
また、前記曲がり部は、排気流れ方向下流側に向かうにつれ下方に向かうと共に、高さ方向にＳ字状に曲がる下流側部分を有する。
【００１０】
また、前記曲がり部の上流端に接続される上流側排気管と、前記曲がり部の下流端に接続される下流側排気管とが、同軸に配置される。
【発明の効果】
【００１１】
本開示に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ触媒を支持する支持部材及びＮＯｘ触媒自体に尿素水（還元剤）が浸透することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】内燃機関の排気浄化装置を示す概略構成図である。
【図２】図１に示した上流側部分の管軸を模式的に表した側面図である。
【図３】第１変形例を示す概略構成図である。
【図４】第２変形例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面に基づいて、本開示の実施形態を説明する。なお、下記の実施形態では、図中に示す上下前後左右の各方向は、排気浄化装置を搭載した車両（不図示）の上下前後の各方向に一致する。但し、これらの方向は、説明の便宜上定められたものに過ぎないものとする。また、本実施形態において、「水平方向」とは、排気浄化装置が車両に搭載されて使用されたときの水平方向を意味する。
【００１４】
本開示の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置について、図１に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る排気浄化装置１００を示す側面視概略構成図である。なお、白抜き矢印Ａは、排気管１内での排気の流れを示し、点線矢印Ｂ１〜Ｂ３は、排気管１内での尿素水の流れを示す。また、符号Ｃは、排気管１の管軸を示す。
【００１５】
図１に示すように、排気浄化装置１００は、内燃機関の排気が流通される排気管１と、排気管１内に支持部材２を介して設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒３と、ＮＯｘ触媒３の上流側に位置する排気管１内に尿素水（還元剤）を添加する添加弁４と、を備える。
【００１６】
図示しないが、内燃機関は、車両に搭載された多気筒の圧縮着火式内燃機関、すなわちディーゼルエンジンである。但し、内燃機関の用途、種類等は、任意であっても良く、例えば、ガソリンエンジンであっても良い。
【００１７】
排気管１は、添加弁４とＮＯｘ触媒３との間の位置に、添加弁４から添加された尿素水を堰き止めるように形成された曲がり部１０を有する。なお、本実施形態の曲がり部１０は、排気管１において、図中に示す一点鎖線Ｘ１からＸ５までの部分である。
【００１８】
また、排気管１は、曲がり部１０の上流端に接続される上流側排気管２０と、曲がり部１０の下流端に接続される下流側排気管としての触媒ケーシング３０と、を有する。図示しないが、これらの接続部分は、ボルト及びナットを用いてフランジ接続される。但し、これらの接続方法は、任意であって良く、例えば、溶接により接続されていても良い。
【００１９】
上流側排気管２０は、内燃機関の排気マニホールド（不図示）の下流側に接続される。また、上流側排気管２０の下流側端部２１は、排気流れ方向に沿って、上方から下方に向かって延び、その後Ｌ字状に折り曲げられて水平方向後方に延びている。但し、上流側排気管２０の下流側端部２１の向き及び形状は、任意であって良い。例えば、図示しないが、上流側排気管２０は、下流側端部２１の上流側から下流端にかけて、折り曲げられずに水平方向に直線状に延びていても良い。
【００２０】
上流側排気管２０の下流側端部２１の前側面部には、添加弁４を取り付けるための取付孔２２が形成される。但し、取付孔２２の位置は、任意であって良い。例えば、図示しないが、取付孔２２は、水平方向に延びる下流側端部２１の上面部に形成されていても良い。
【００２１】
本実施形態の添加弁４は、曲がり部１０の上流端と同軸に取付孔２２に挿入されて取り付けられ、矢印Ｂ１で示すように、曲がり部１０の上流端に向かって、尿素水を前方から後方に添加するように配置される。但し、添加弁４の向きは、任意であって良い。例えば、図示しないが、添加弁４は、曲がり部１０の上流端の軸方向に対して、斜め後方或いは垂直に取り付けられても良い。なお、図示しないが、添加弁４には、供給ラインを通じて尿素水タンクから尿素水が供給される。
【００２２】
添加弁４より更に下流側の下流側端部２１内には、添加弁４から添加された尿素水を排気と攪拌混合させて加水分解を促進させるミキサー装置５が設けられる。ミキサー装置５は、下流側端部２１の管軸Ｃに対して排気を周方向に旋回させるように配置された複数枚のフィン５ａを有する。但し、ミキサー装置５の形状は、任意であって良い。例えば、図示しないが、ミキサー装置５は、尿素水を半径方向に拡散させる拡散板を有していても良い。
【００２３】
触媒ケーシング３０は、上流側排気管２０及び曲がり部１０の後方にて水平方向後方に延びる。また、触媒ケーシング３０は、上流側排気管２０及び曲がり部１０よりも大きな内径を有し、支持部材２を介してＮＯｘ触媒３を内設する。
【００２４】
支持部材２は、触媒ケーシング３０の内周面とＮＯｘ触媒３の外周面との間に敷設された断熱緩衝材（マット）である。支持部材２は、ＮＯｘ触媒３に過大な外部応力が付加されるのを抑制すると共に、これらを断熱しつつ保護する。支持部材２の材料は任意であるが、例えば、耐熱性を備えた耐熱スポンジ等が用いられる。但し、支持部材２は液体、特に尿素水を浸透可能な材料により形成される。
【００２５】
周知のように、ＮＯｘ触媒３は、排ガス中の窒素酸化物ＮＯｘを浄化するための触媒であり、尿素水から加水分解されて生成されたアンモニア（ＮＨ3）によって、ＮＯｘを連続的に還元し得る。
【００２６】
本実施形態では、上流側排気管２０の下流端と、触媒ケーシング３０の上流端とが、同軸に配置されている。
【００２７】
曲がり部１０は、前後方向に延びる直線状の管（図１中の管軸Ｄを参照）の中間部分を上方に湾曲させたような形状を有し、全体として略Ω状もしくはハット状に形成される。
【００２８】
具体的には、曲がり部１０は、排気流れ方向下流側に向かうにつれ上方に向かう上流側部分１１（図１中、一点鎖線Ｘ１からＸ３までの部分）と、排気流れ方向下流側に向かうにつれ下方に向かう下流側部分１２（図１中、一点鎖線Ｘ３からＸ５までの部分）と、を有する。
【００２９】
上流側部分１１は、排気流れ方向において、上流側排気管２０の下流端から上方に湾曲される上流側第１部分１１ａ（図１中、一点鎖線Ｘ１からＸ２までの部分）と、上流側第１部分１１ａの下流端から後方に湾曲される上流側第２部分１１ｂ（図１中、一点鎖線Ｘ２からＸ３までの部分）と、を有する。
【００３０】
また、下流側部分１２は、排気流れ方向において、上流側部分１１の下流端から下方に湾曲される下流側第１部分１２ａ（図１中、一点鎖線Ｘ３からＸ４までの部分）と、下流側第１部分１２ａの下流端から後方に湾曲される下流側第２部分１２ｂ（図１中、一点鎖線Ｘ４からＸ５までの部分）と、を有する。
【００３１】
図２は、上流側部分１１の管軸Ｃを模式的に表した側面図である。図２に示すように、本実施形態の上流側部分１１は、排気流れ方向下流側に向かうにつれ上方に向かうと共に、高さ方向にＳ字状に曲がるように形成される。
【００３２】
より詳しくは、上流側第１部分１１ａは、曲率半径Ｒ１を有する滑らかな円弧状に形成される。また、上流側第２部分１１ｂは、曲率半径Ｒ２を有する滑らかな円弧状に形成される。これら上流側第１部分１１ａ及び上流側第２部分１１ｂは、互いの曲率半径Ｒ１，Ｒ２の中心が管軸Ｃに対して反対側に配置されるように、互いに反対向きに湾曲して形成される。
【００３３】
他方、図１に示すように、下流側部分１２は、排気流れ方向下流側に向かうにつれ下方に向かうと共に、高さ方向にＳ字状に曲がるように形成される。なお、本実施形態の下流側部分１２は、上流側部分１１と前後対称の形状を有するので、詳しい形状の説明は省略する。
【００３４】
また、本実施形態の曲がり部１０は、高さ方向の距離Ｈだけ上方に曲げられている。すなわち、図示例において、一点鎖線Ｘ３の位置は、Ｘ１及びＸ５の位置よりも距離Ｈだけ高い曲がり部１０の最高位置となる。また、一点鎖線Ｘ１及びＸ５の位置は、同じ高さの曲がり部１０の最低位置となる。
【００３５】
また、本実施形態における高さ方向の距離Ｈは、図１に示すように、上流側部分１１の上流端の上端Ｐ１よりも下流端の下端Ｐ２の方が距離ｈだけ高い位置になるように設定される。但し、図示しないが、この高さ方向の距離Ｈは、上流側部分１１の上流端の上端Ｐ１よりも下流端の下端Ｐ２の方が、例えば距離ｈだけ低い位置になるように設定されても良い。
【００３６】
次に、本実施形態に係る排気浄化装置１００の作用効果を説明する。
【００３７】
内燃機関においては、排気マニホールドから排出された排気は、排気管１を通じて大気へと放出される。
【００３８】
図１に示すように、排気浄化装置１００において、添加弁４は、取付孔２２の位置から曲がり部１０の上流端に向かって、尿素水を前方から後方に添加する。添加された尿素水は、ミキサー装置５によって排気と攪拌混合され、曲がり部１０内に導入される。この尿素水が混合された排気は、曲がり部１０内を管軸Ｃに沿って下流側に流れながら、触媒ケーシング３０内に流入する。この過程で、排気と混合された尿素水は、蒸発しつつ加水分解されてアンモニアを生成する。
【００３９】
触媒ケーシング３０内においては、アンモニアを含む排気がＮＯｘ触媒３を通過する。このとき、ＮＯｘ触媒３は、尿素水が加水分解されて生成されたアンモニアによって、ＮＯｘを還元して浄化する。
【００４０】
他方、添加弁４から添加された尿素水の一部は、液体状態のまま、触媒ケーシング３０より上流側の排気管１の下面部に付着する場合がある。
【００４１】
ここで、比較例として、仮に、添加弁４とＮＯｘ触媒３との間に位置する排気管１が、曲がり部１０を有しないで直線状である場合について検討する。
【００４２】
図示しないが、この比較例では、同軸に配置された上流側排気管２０の下流端と触媒ケーシング３０の上流端とが、水平方向に延びる直管によって接続されている。この場合、添加弁４から添加された尿素水は、この直管の下面部に付着し、排気の流れにより駆動されて触媒ケーシング３０に向かって下面部を流れる。そして、最終的にＮＯｘ触媒３の周囲の支持部材２、更にはＮＯｘ触媒３自体にまで到達する可能性がある。
【００４３】
この到達した尿素水が支持部材２に浸透した場合、例えば、その状態で排気の温度が上昇すると、支持部材２に浸透した尿素水が結晶化して支持部材２を膨張させる。その結果、支持部材２の膨張による応力により、ＮＯｘ触媒３が破損する虞がある。
【００４４】
また、尿素水がＮＯｘ触媒３に直接的もしくは支持部材２を介して間接的に浸透した場合、その後、ＮＯｘ触媒３内で尿素水が結晶化すると、ＮＯｘ触媒３自体が膨張して破損する虞がある。
【００４５】
これに対して、本実施形態であれば、図１に符号Ｕで示すように、曲がり部１０の上流側部分１１の下面部に付着して下流側に流れようとする尿素水が、斜め上後方に向かって傾斜する上流側部分１１の下面部自身により堰き止められる。
【００４６】
また、本実施形態であれば、矢印Ｂ２，Ｂ３で示すように、排気中で液体状態のまま下流側に流れようとする尿素水が、上流側部分１１の位置で上方に曲がろうとする際に、慣性力及び自重によって曲がり切れずに上流側部分１１の下面部で堰き止められる。
【００４７】
これにより、尿素水が液体状態のまま触媒ケーシング３０、ひいては支持部材２及びＮＯｘ触媒３にまで到達するのを抑制することが可能になり、その結果、支持部材２及びＮＯｘ触媒３への尿素水の浸透を抑制できる。そして、これら浸透した尿素水の結晶化に起因するＮＯｘ触媒３の破損を抑制ないし防止することができる。
【００４８】
また、本実施形態の曲がり部２０によれば、上記の比較例のような直管の場合に比べ、添加弁４とＮＯｘ触媒３との間の前後方向の距離を同じとしつつ、管長を長くすることができる。これにより、尿素水と排気との混合距離を長くして、尿素水の加水分解を更に促進できる。その結果、アンモニアを効率良く生成することが可能になるため、ＮＯｘ触媒３におけるＮＯｘ浄化率の向上に有利となる。
【００４９】
また、上流側部分１１及び下流側部分１２は、高さ方向にＳ字状に曲げて形成されており、滑らかな曲線状に形成される。これにより、尿素水を堰き止めつつも、排気抵抗の増加を抑制すること可能になる。その結果、内燃機関の燃費や排気浄化性能に有利となる。
【００５０】
また、堰き止められた尿素水Ｕは、一時的に上流側排気管２０及び上流側部分１１の下面部に溜められるが、内燃機関が高負荷運転状態になったときに、高温（例えば、５００℃以上）の排気によって十分に蒸発できるようになる。そのため、排気と十分に混合された状態で、下流側に送り出すことが可能になる。これにより、尿素水Ｕが溜まり続けて排気管１の下面部を腐食するのを抑制できる。
【００５１】
上述の基本実施形態は、以下のように変形することができる。なお、下記の説明においては、上記の基本実施形態と同一または対応する構成要素に同じ符号を用い、それらの詳細な説明は省略する。
【００５２】
（第１変形例）
図３は、第１変形例に係る排気浄化装置２００の概略構成図である。
【００５３】
図３に示すように、第１変形例の曲がり部１０は、前後方向に延びる直線状の管の中間部分を下方に湾曲させたような形状を有する。すなわち、本変形例の曲がり部１０は、基本実施形態の曲がり部１０を上下方向に反転させたような形状となっている。
【００５４】
具体的には、本変形例の曲がり部１０は、排気流れ方向下流側に向かうにつれ下方に向かうと共に、高さ方向にＳ字状に曲がる上流側部分１１（図１中、一点鎖線Ｘ１からＸ３までの部分）を有する。また、本変形例の曲がり部１０は、排気流れ方向下流側に向かうにつれ上方に向かうと共に、高さ方向にＳ字状に曲がる下流側部分１２（図１中、一点鎖線Ｘ３からＸ５までの部分）を有する。
【００５５】
本変形例の曲がり部１０では、排気流れ方向下流側に向かうにつれ上方に向かう下流側部分１２によって、添加弁４から添加された尿素水を堰き止めることができる。これにより、基本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
なお、図１及び図３で示すように、本変形例の排気浄化装置２００は、基本実施形態の排気浄化装置１００と比べて、曲がり部１０と路面との距離が近くなる。そのため、基本実施形態の排気浄化装置１００の方が、車両の低床化の点では有利である。
【００５７】
また、本変形例の曲がり部１０は、基本実施形態の曲がり部１０と比べて、堰き止められた尿素水Ｕから触媒ケーシング３０までの距離が短くなる。そのため、堰き止められた尿素水Ｕと排気との混合距離を長くするには、基本実施形態の排気浄化装置１００の方が有利である。
【００５８】
（第２変形例）
上記の基本実施形態及び第１変形例において、上流側部分１１及び下流側部分１２は、前後対称の形状でなくても良い。例えば、触媒ケーシング３０の上流端と上流側排気管２０の下流端とが異なる高さ位置にある場合、或いは同軸に配置されていない場合、上流側部分１２及び下流側部分１２の形状は、レイアウトに応じたそれぞれの曲げ形状とすることが可能である。
【００５９】
例えば、図４に示すように、触媒ケーシング３０の上流端が上流側排気管２０の下流端よりも高い位置にある場合の排気浄化装置３００では、下流側部分１２が水平方向に直線状に延びていても良い。また、図４の構成において、直線状に延びる下流側部分１２を省略し、上流側部分１１の下流端に触媒ケーシング３０の上流端を直接接続しても良い。
【００６０】
（第３変形例）
図示しないが、上記の基本実施形態及び各変形例のそれぞれの曲がり部１０のうち、少なくとも１種類の曲がり部１０が、排気流れ方向に連続して複数連結されていても良い。例えば、図１に示した基本実施形態の曲がり部１０が２つ連続して接続されていても良い。また、例えば、基本実施形態の曲がり部１０の下流端に、図３に示した第１変形例の曲がり部１０が接続されていても良い。また、図示しないが、上記の基本実施形態及び各変形例において、曲がり部１０は、上下方向だけでなく水平方向にも曲げられていて良い。こうすると更に曲がり部１０の管長を長くすることが可能になる。
【００６１】
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１  排気管
２  支持部材
３  ＮＯｘ触媒
４  添加弁
５  ミキサー装置
１０  曲がり部
１１  上流側部分
１２  下流側部分
１００  内燃機関の排気浄化装置
【図１】
2019167843.tif 000003
【図２】
2019167843.tif 000004
【図３】
2019167843.tif 000005
【図４】
2019167843.tif 000006