(57)【要約】【課題】  触媒表面における添加剤の局在化を抑制して触媒の排気浄化機能を向上させることのできる排気管及び排気浄化装置を提供する。【解決手段】    この排気管は、排気浄化触媒よりも上流に添加剤の供給される拡径部２０が形成されている。この排気管は、前記拡径部２０での排気の拡散を促進するように同拡径部２０に対して上流側の排気管１０が接続されてなる。【選択図】      図１
2007064073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気浄化触媒よりも上流に添加剤の供給される拡径部が形成された排気管において、
前記拡径部での排気の拡散を促進するように同拡径部に対して上流側の排気管が接続されてなる
ことを特徴とする排気管。
【請求項２】
前記上流側の排気管の中心軸と前記拡径部の中心軸とが捩れの関係をなす請求項１に記載の排気管。
【請求項３】
前記上流側の排気管の中心軸と前記拡径部の中心軸とが交差する請求項１に記載の排気管。
【請求項４】
前記上流側の排気管は、前記拡径部に対してその中心軸から偏倚した部分に接続されてなる請求項１に記載の排気管。
【請求項５】
前記上流側の排気管は、前記拡径部に設けられて前記添加剤を供給する添加弁に向けて接続されてなる請求項２〜４のいずれかに記載の排気管。
【請求項６】
前記上流側の排気管の内壁に排気の旋回流を生じさせるガイドが形成されてなる請求項１〜５のいずれかに記載の排気管。
【請求項７】
前記拡径部の内壁には排気の旋回流を生じさせるガイドが形成されてなる請求項１〜６のいずれかに記載の排気管。
【請求項８】
前記排気管は、排気のエネルギにより吸気を過給するターボチャージャを備えたエンジンに配設されてなる請求項１〜７のいずれかに記載の排気管。
【請求項９】
前記拡径部に設けられて前記添加剤を供給する添加弁と、同添加弁の下流側に配設される排気浄化触媒と、請求項１〜８のいずれかに記載の排気管とを備える排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は排気管及び排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等では、排気浄化用の触媒が配設された排気浄化部材を排気通路に備えているものがある。こうした触媒としては例えば、ＮＯｘ（窒素酸化物）を還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒等がある。このＮＯｘ吸蔵還元触媒は、酸化雰囲気において排気に含まれるＮＯｘを吸蔵し、還元雰囲気において吸蔵したＮＯｘを放出して窒素に還元する。具体的には、図９に示すように、触媒の配設位置よりも上流に形成された排気管１の拡径部２において、エンジンの燃料等の炭化水素系還元剤を添加弁４０から供給するようにしている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−５０１３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、排気の圧力が低い場合には還元剤と排気とが混合しにくいため、排気通路内に供給された還元剤が触媒表面において局在化する傾向がある。このため、触媒表面の還元剤が不十分な部分ではＮＯｘ浄化効率が低下することとなり、同触媒の機能を十分に発揮できないおそれがある。特に、排気通路にターボチャージャを備えるディーゼルエンジンでは、タービンを通過する際に排気の圧力が著しく低下するため、こうした問題が顕著なものとなっている。
【０００４】
なお、上記問題は、燃料等の還元剤が供給される排気管に限らず、その他の添加剤が供給される排気管にあっても概ね共通したものとなっている。
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、触媒表面における添加剤の局在化を抑制して触媒の排気浄化機能を向上させることのできる排気管及び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】
【０００５】
以下、上記目的を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、排気浄化触媒よりも上流に添加剤の供給される拡径部が形成された排気管において、前記拡径部での排気の拡散を促進するように同拡径部に対して上流側の排気管が接続されてなることをその要旨とする。
【０００６】
上記構成によれば、拡径部での排気の拡散が促進されるように拡径部に対して上流側の排気管が接続されているため、拡径部に供給される添加剤と排気との混合が促進される。その結果、触媒表面での添加剤の局在化を抑制することができるため、触媒の排気浄化機能を向上させることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記上流側の排気管の中心軸と前記拡径部の中心軸とが捩れの関係をなすことをその要旨とする。
上記構成によれば、上流側の排気管の中心軸と拡径部の中心軸とが捩れの関係をなすため、拡径部に排気の旋回流が生じるようになる。その結果、拡径部での排気の拡散がより促進されるため、触媒表面での還元剤の局在化を更に抑制することができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記上流側の排気管の中心軸と前記拡径部の中心軸とが交差することをその要旨とする。
上記構成によれば、上流側の排気管の中心軸と拡径部の中心軸とが交差するため、拡径部に導入された排気は拡径部の内壁に衝突するようになる。その結果、拡径部での排気の拡散がより促進されるため、触媒表面での還元剤の局在化を更に抑制することができる。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記上流側の排気管は、前記拡径部に対してその中心軸から偏倚した部分に接続されてなることをその要旨とする。
上記構成によれば、上流側の排気管は、拡径部に対してその中心軸から偏倚した部分に接続されているため、拡径部の周辺部まで排気が拡散するようになる。その結果、拡径部に供給される添加剤と排気との混合を促進することができる。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれかに記載の発明において、前記上流側の排気管は、前記拡径部に設けられて前記添加剤を供給する添加弁に向けて接続されてなることをその要旨とする。
【００１１】
上記構成によれば、上流側の排気管は、拡径部に設けられる添加弁に向けて接続されているため、添加弁に向かう排気によって添加剤が一層混合されるようになる。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記上流側の排気管の内壁に排気の旋回流を生じさせるガイドが形成されてなることをその要旨とする。
【００１２】
上記構成によれば、上流側の排気管の内壁に排気の旋回流を生じさせるガイドが形成されているため、旋回流が生じた状態で排気は拡径部に導入される。したがって、拡径部において排気が更に拡散するようになり、触媒表面での添加剤の局在化を一層抑制することができる。
【００１３】
また、請求項７に記載される発明によるように、拡径部において排気を更に拡散させる手段としては、排気の旋回流を生じさせるガイドを拡径部の内壁に形成するといった構成を採用することができる。
【００１４】
ターボチャージャを備えるエンジンは、燃焼室から排出された排気の圧力によってタービンを回転させ、タービンと同軸上に配設されたコンプレッサを回転させることにより吸入空気を圧縮する。このため、タービンを通過する際に排気の圧力が大きく低下することとなり、拡径部において供給される添加剤が排気と混合しにくい傾向にある。
【００１５】
この点、本発明によれば、拡径部に供給される添加剤と排気との混合が促進されるため、ターボチャージャを備えたエンジンであっても触媒表面での還元剤の局在化を抑制することができる。
【００１６】
本発明は、拡径部に設けられて添加剤を供給する添加弁と、添加弁の下流側に配設される排気浄化触媒とを備える排気浄化装置に適用して、上記作用効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態にかかる排気管及び排気浄化装置を、ディーゼルエンジンの排気通路に配設される排気管及び排気浄化装置に具体化したものについて、図１〜図３を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態におけるディーゼルエンジンは、排気のエネルギにより吸気を過給するターボチャージャを備えている。
【００１８】
図１は、本実施形態におけるディーゼルエンジンの排気通路の構成を概略的に示したブロック図である。
図１に示すように、ディーゼルエンジンの排気通路には、排気の上流側から下流側に向かって、排気管１０、拡径部２０、排気管１２、触媒部３０、排気管１４がそれぞれ接続されている。
【００１９】
触媒部３０の内部には、大気に放出される排気中の粒子状物質、すなわちＰＭ（Particulate Matter）の量やＮｏｘの量等を低減するＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx Reduction system）触媒が配設されている。
【００２０】
このＤＰＮＲ触媒は、多孔質セラミック構造体にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、多孔質の壁を通過する際に排気中のＰＭが捕集されるようになっている。
触媒部３０の排気上流側に設けられた排気管１２の内部には、空燃比センサ５０が配設されており、触媒部３０に導入される排気の酸素濃度から空燃比が検出されるとともに、同検出値が電子制御装置６０に対して出力される。
【００２１】
拡径部２０は、排気管１０，１２よりも外径及び内径の大きい円筒形状のものであり、その内部には排気通路内に燃料を添加する添加弁４０が配設されている。添加弁４０は拡径部２０の底部の中央に配設されている。
【００２２】
この添加弁４０には、燃料通路４６ａ，４６ｂを介して燃料ポンプ４２及び燃料タンク４４が配設されており、燃料ポンプ４２によって燃料タンク４４内の燃料が添加弁４０へ圧送される。
【００２３】
電子制御装置６０は、空燃比センサ５０が出力する検出値や冷却水の温度等の機関運転状態に基づいて拡径部２０内の排気に添加する燃料の添加時期や添加量を算出するとともに、これら算出値に基づいて燃料ポンプ４２及び添加弁４０を制御する。
【００２４】
図２は、排気管１０及び拡径部２０の拡大正面図である。
図２に示すように、拡径部２０の上流側の排気管１０は、排気管１０の中心軸Ｃ１０と拡径部２０の中心軸Ｃ２０とが交差するように配設されている。排気管１０は、拡径部２０の排気上流側端面のうち中心軸Ｃ２０よりも上側の部分、すなわち拡径部２０内において中心軸Ｃ２０に関して添加弁４０が配設される側と反対側の部分に添加弁４０に向けて接続されている。
【００２５】
図３は、図２のＡ方向から見た排気管１０及び拡径部２０の側面図を示している。
図３に示すように、排気管１０は拡径部２０に対してその中心軸Ｃ２０から偏倚した部分に接続されている。また、排気管１０は、同図３において拡径部２０の左右幅方向の中央に接続されている。
【００２６】
次に排気浄化装置の作用について、図４を参照して説明する。
ディーゼルエンジンの場合、排気の空燃比は通常リーンであるため、ＤＰＮＲ触媒のＮＯｘ吸蔵量が限界に達する前に、排気の空燃比をリッチにしてこれら触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元・放出する必要がある。
【００２７】
またＤＰＮＲ触媒では、捕集されたＰＭの堆積量が多くなると、同触媒での圧力損失が増大するため、機関運転状態等に悪影響を与えるほど圧力損失が増大する前に堆積したＰＭを燃焼させて減少させる、いわゆるＤＰＮＲ触媒の再生処理を行う必要がある。
【００２８】
更に、ＤＰＮＲ触媒では、ＮＯｘを吸蔵する他に、燃料や潤滑油に含まれる硫黄分から生成されるＳＯｘ（硫黄酸化物）も吸収してしまう性質がある。ここで、ＤＰＮＲ触媒の吸蔵量には限界があるため、このＳＯｘ吸収量が増大するとその分だけ吸蔵可能なＮＯｘ量が減少してしまうといった、いわゆるＳＯｘ被毒によるＮＯｘ浄化機能の低下現象が生じる。一方、ＤＰＮＲ触媒に吸収されたＳＯｘは、６００℃近い高温の還元雰囲気下において、同触媒から放出されることが知られており、このような条件下ではＤＰＮＲ触媒に吸収されたＳＯｘ量を減少させることができる。
【００２９】
そこで、電子制御装置６０は、
・機関運転状態等に基づいて推定されるＮＯｘ吸蔵量が所定値、すなわちＮＯｘ吸蔵量の限界値に達する前の設定値に達したとき
・機関運転状態や触媒部の上流側の排気圧及び下流側の排気圧の差等に基づいて推定されるＰＭ堆積量が所定値、すなわちＰＭ堆積量が機関運転状態等に悪影響を与える限界値に達する前の設定値に達したとき
・機関運転状態等に基づいて推定されるＳＯｘ吸収量が所定値、すなわちＳＯｘ吸収量がＮＯｘ吸蔵に悪影響を与える限界値に達する前の設定値に達したとき
に、添加弁４０による燃料供給を行うことで、ＮＯｘ還元処理、ＤＰＮＲ触媒再生処理、及びＳＯｘ被毒回復処理を実行する。このときに供給される燃料は、ＤＰＮＲ触媒に到達すると、ＮＯｘの還元剤、ＰＭの燃焼促進剤、及びＳＯｘの還元剤として作用する。このような処理により、ＤＰＮＲ触媒のＮＯｘ浄化機能は維持される。
【００３０】
図４は、拡径部２０内における排気の拡散度合と触媒のＮＯｘ浄化性能との関係を示したものである。すなわち、拡径部２０内において排気と添加燃料との混合度合とＮＯｘ浄化性能との関係を示している。
【００３１】
図４に示すように、拡径部２０内において排気と添加燃料との混合度合が高まるほど、触媒表面に添加燃料が一様に拡散することとなるためＮＯｘの浄化性能が向上する傾向がある。
【００３２】
本実施形態では、触媒表面に添加燃料が一様に拡散しているため、一部の添加燃料が触媒での反応に供されることなくそのまま触媒に付着してしまうことが抑制される。これにより、付着した添加燃料がバインダとなってＰＭ等を吸着し、触媒の目詰まりを生じさせることを抑制することができる。
【００３３】
更に、添加燃料が触媒表面に局在化することが抑制されるため、触媒表面での局所的な温度の過上昇が抑制されることとなる。
＜実施形態の作用効果＞
以上説明した本実施形態によれば、以下の作用効果が得られるようになる。
【００３４】
（１）拡径部２０での排気の拡散が促進されるように拡径部２０に対して上流側の排気管１０が接続されているため、拡径部２０に供給される添加剤と排気との混合が促進される。その結果、触媒表面での添加剤の局在化を抑制することができるため、触媒の排気浄化機能を向上させることができる。
【００３５】
（２）上流側の排気管１０の中心軸Ｃ１０と拡径部の中心軸Ｃ２０とが交差するため、拡径部２０に導入された排気は拡径部２０の内壁に衝突するようになる。その結果、拡径部２０での排気の拡散がより促進されるため、触媒表面での還元剤の局在化を更に抑制することができる。
【００３６】
（３）上流側の排気管１０は、拡径部２０に対してその中心軸Ｃ２０から偏倚した部分に接続されているため、拡径部２０の周辺部まで排気が拡散するようになる。その結果、拡径部２０に供給される添加剤と排気との混合を促進することができる。
【００３７】
（４）上流側の排気管１０は、拡径部２０に設けられる添加弁４０に向けて接続されているため、添加弁４０に向かう排気によって添加剤が一層混合されるようになる。
（５）ターボチャージャを備えるエンジンは、燃焼室から排出された排気の圧力によってタービンを回転させ、タービンと同軸上に配設されたコンプレッサを回転させることにより吸入空気を圧縮する。このため、タービンを通過する際に排気の圧力が大きく低下することとなり、拡径部２０において供給される添加剤が排気と混合しにくい傾向にある。
【００３８】
この点、本実施形態によれば、拡径部２０に供給される添加剤と排気との混合が促進されるため、ターボチャージャを備えたエンジンであっても触媒表面での還元剤の局在化を抑制することができる。
【００３９】
（６）拡径部２０と上流側の排気管１０との接続態様を変更するといった簡易な構成によって排気の拡散を促進することができる。
＜第２実施形態＞
本発明にかかる排気管及び排気浄化装置を具体化した第２実施形態について、図５〜７を参照して詳細に説明する。
【００４０】
本実施形態では、二系統の排気通路を備えるエンジンを採用しており、拡径部２０の排気上流側に二本の排気管１１０ａ，１１０ｂが接続される点及び排気管１１０ａ，１１０ｂ内に後述するガイド１２０が形成されている点が第１実施形態と大きく異なっている。なお、排気管１１０ａ，１１０ｂ及びその接続態様以外の構成は第１実施形態と同様のものを採用している。
【００４１】
図５は、排気管１１０ａ，１１０ｂ及び拡径部２０の拡大正面図である。
図５に示すように、排気管１１０ａは拡径部２０の排気上流側端面のうち中心軸Ｃ２０よりも上側の部分、すなわち拡径部２０内において中心軸Ｃ２０に関して添加弁４０が配設される側と反対側の部分に添加弁４０に向けて接続されている。
【００４２】
一方、排気管１１０ｂは拡径部２０の排気上流側端面のうち中心軸Ｃ２０よりも下側の部分、すなわち拡径部２０内において中心軸Ｃ２０に関して添加弁４０が配設される側と同じ側の部分に接続されている。
【００４３】
図６は、図５のＢ方向から見た排気管１１０ａ，１１０ｂ及び拡径部２０の側面図を示している。
図６に示すように、排気管１１０ａ，１１０ｂはそれぞれ拡径部２０の中心軸Ｃ２０から偏倚した部分に接続されており、排気管１１０ａの中心軸Ｃ１１０ａ及び排気管１１０ｂの中心軸Ｃ１１０ｂがそれぞれ拡径部２０の中心軸Ｃ２０と捩れの関係をなしている。
【００４４】
図７は、排気管１１０ａ及び拡径部２０の断面構造を拡大して示したものである。
図７に示すように、排気管１１０ａの内壁には排気の旋回流を生じさせるガイド１２０が形成されている。具体的には、排気管１１０ａの内壁は凹部１２０ａと凸部１２０ｂとが螺旋状に交互に形成されている。この排気管１１０ａの内壁の凹部１２０ａ及び凸部１２０ｂに沿って排気が流れることにより、排気の旋回流が生じるようになる。また排気管１１０ｂの内壁にも排気管１１０ａと同様のガイド１２０が形成されている。
【００４５】
＜実施形態の作用効果＞
以上説明した本実施形態によれば、以下の作用効果が得られるようになる。
（１）上流側の排気管１１０ａ，１１０ｂの中心軸Ｃ１１０ａ，Ｃ１１０ｂと拡径部２０の中心軸Ｃ２０とが捩れの関係をなすため、拡径部２０に排気の旋回流が生じるようになる。その結果、拡径部２０での排気の拡散がより促進されるため、触媒表面での還元剤の局在化を更に抑制することができる。
【００４６】
（２）上流側の排気管１１０ａは、拡径部２０に設けられる添加弁４０に向けて接続されているため、添加弁４０に向かう排気によって添加剤が一層混合されるようになる。
（３）上流側の排気管１１０ａ，１１０ｂは、拡径部２０に対してその中心軸Ｃ２０から偏倚した部分に接続されているため、拡径部２０の周辺部まで排気が拡散するようになる。その結果、拡径部２０に供給される添加剤と排気との混合を促進することができる。
【００４７】
（４）上流側の排気管１１０ａ，１１０ｂの内壁に排気の旋回流を生じさせるガイド１２０が形成されているため、旋回流が生じた状態で排気は拡径部２０に導入される。したがって、拡径部２０において排気が更に拡散するようになり、触媒表面での添加剤の局在化を一層抑制することができる。
【００４８】
なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、ターボチャージャを搭載したディーゼルエンジンに対して排気管１０，１１０ａ，１１０ｂ及び排気浄化装置を採用する構成を示したが、ターボチャージャを搭載しないディーゼルエンジンにこれらの構成を採用するようにしてもよい。またこうした構成をディーゼルエンジン以外のエンジンに採用するようにしてもよい。
【００４９】
・上記第２実施形態では、排気管１１０ａ，１１０ｂの内壁に排気の旋回流を生じさせるガイド１２０が形成されているといった構成を採用しているが、このようなガイドを拡径部２０の内壁に形成するようにしてもよい。
【００５０】
・上記第２実施形態で例示したガイド１２０は、排気管１１０ａ，１１０ｂの内壁に凹部１２０ａと凸部１２０ｂとが螺旋状に交互に形成されたものであるが、ガイド１２０の形状はこうしたものに限られるものではない。上流側の排気管の内壁に形成されて排気の旋回流を生じさせるものであればよい。
【００５１】
・上記第１実施形態では、図２，３に示すように、上流側の排気管１０が拡径部２０に設けられる添加弁４０に向けて接続され、上記第２実施形態では、図５，６に示すように、上流側の排気管１１０ａが拡径部２０に設けられる添加弁４０に向けて接続されている。しかしながら、上流側の排気管と拡径部２０との接続態様としては上流側の排気管を添加弁４０に向けないように接続してもよい。
【００５２】
・上流側の排気管１０，１１０ａ，１１０ｂが拡径部２０に対してその中心軸Ｃ２０から偏倚した部分に接続される場合の接続態様は、上記実施形態に例示したものに限られない。例えば、図８に示すように、上流側の排気管２１０の中心軸Ｃ２１０と拡径部２０の中心軸Ｃ２０とが平行であって、中心軸Ｃ２１０と中心軸Ｃ２０とが一致しないように接続してもよい。
【００５３】
・排気管１０，１１０ａ，１１０ｂと拡径部２０との接続態様は、上記実施形態にて例示した態様に限られるものではなく、拡径部２０での排気の拡散を促進するように同拡径部２０に対して上流側の排気管が接続されていればこの他の態様であってもよい。ただし、拡径部内での拡散を効果的に促進させるためには本発明の請求項２或いは請求項３の態様にて排気管と拡径部とを接続することが望ましい。
【００５４】
・上記実施形態では、拡径部２０の上流側の排気管１０，１１０ａ，１１０ｂの本数が１本の場合及び２本の場合についてそれぞれ説明したが、排気通路が３本以上ある場合には、拡径部２０に接続される排気管を３本以上にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる排気管及び排気浄化装置のブロック図。
【図２】同実施形態の排気管及び拡径部の拡大正面図。
【図３】図２のＡ方向から見た排気管及び拡径部の側面図。
【図４】排気の拡散度合とＮＯｘ浄化性能との関係を示すグラフ。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる排気管及び拡径部の拡大正面図。
【図６】図５のＢ方向から見た排気管及び拡径部の側面図。
【図７】同実施形態の排気管及び拡径部の拡大断面図。
【図８】本発明の排気管及び拡径部の接続態様の変形例を示す拡大正面図。
【図９】従来の排気管及び排気浄化装置のブロック図。
【符号の説明】
【００５６】
１，１０，１２，１４，１１０ａ，１１０ｂ，２１０…排気管、２，２０…拡径部、３０…触媒部、４０…添加弁、４２…燃料ポンプ、４４…燃料タンク、４６ａ，４６ｂ…燃料通路、５０…空燃比センサ、６０…電子制御装置、１２０…ガイド、１２０ａ…凹部、１２０ｂ…凸部。
【図１】
2007064073.tif 000003
【図２】
2007064073.tif 000004
【図３】
2007064073.tif 000005
【図４】
2007064073.tif 000006
【図５】
2007064073.tif 000007
【図６】
2007064073.tif 000008
【図７】
2007064073.tif 000009
【図８】
2007064073.tif 000010
【図９】
2007064073.tif 000011