(57)【要約】【課題】還元剤と排気とを十分に撹拌させるとともに排気通路の圧損を抑え、排気浄化性能と内燃機関の出力性能とを両立させる。【解決手段】エンジンの排気管２に配設され、尿素水を噴射する還元剤噴射弁と、当該噴射された還元剤と排気中の窒素酸化物とを触媒還元反応させて排気を浄化するＳＣＲ触媒とを有し、エンジンの運転状態に基づいて還元剤噴射弁からの還元剤の噴射を制御するエンジンの排気浄化装置において、排気管２のＳＣＲ触媒の上流に配設され、該排気管２を通過する排気に旋回流を発生させるミキサー１０を備え、ミキサー１０は、排気管２内の排気の流通方向に対する角度が変更可能なフィン２２を備えて構成され、還元剤噴射弁から尿素水が噴射されるときに旋回流を発生させ、尿素水の噴射が停止されるときに旋回流が停止するように、エンジンの運転状態に基づいてフィン２２の排気流通方向に対する角度を変更させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配設され、添加剤を供給する添加剤供給弁と、当該供給された添加剤と排気中の排気成分とを反応させて排気を浄化する浄化触媒と、前記排気通路内の前記浄化触媒の上流に配設され、該排気通路を通過する排気に旋回流を発生させる旋回流発生手段と、を有し、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記添加剤供給弁からの添加剤の供給を制御する内燃機関の排気浄化装置において、
前記旋回流発生手段は、前記排気通路内の排気流通方向に対する角度が変更可能な羽根を備えて構成され、
前記添加剤供給弁から添加剤が供給される内燃機関の運転状態であるときに旋回流が発生し、前記添加剤供給弁からの添加剤の供給が停止される内燃機関の運転状態であるときに旋回流の発生が抑制されるように、前記旋回流発生手段の羽根の前記排気流通方向に対する角度を変更させる角度変更手段を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記角度変更手段は、前記羽根の前記排気の流通方向に対する角度を変更させるアクチュエータと、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記アクチュエータの作動制御をする制御手段と、を備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記内燃機関が所定の高負荷高回転状態であるときに、添加剤の供給が停止されるように前記添加剤供給弁を制御するとともに、旋回流発生手段によって排気への旋回流の発生が抑制されるように前記アクチュエータを作動制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記浄化触媒は、前記添加剤を保持する機能を有し、
前記制御手段は、前記内燃機関が所定の低負荷低回転状態であるときに、添加剤が断続的に供給されるように前記添加剤供給弁を制御するとともに、旋回流発生手段によって排気に旋回流が発生するように前記アクチュエータを作動制御することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記角度可変手段は、前記羽根の前後の排気圧差に応じて前記羽根の角度が可変するように前記羽根を付勢する付勢手段により構成されていること特徴とする請求項１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】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、詳しくは排気中に還元剤を噴射供給して混合させ、触媒にて排気中の排気成分を浄化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の排気浄化装置として、尿素水を用いた尿素還元式ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction：選択的触媒還元）装置が採用されている。尿素還元式ＳＣＲ装置は、排気通路に設けた還元剤噴射弁から還元剤である尿素水を噴射して排気と混合させ、尿素水と排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を還元触媒（浄化触媒）にて触媒還元反応させることにより窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）に分解し無害化する。
【０００３】
このような尿素還元式ＳＣＲ装置では、ＮＯｘの分解効率を向上させるには、排気と尿素水を十分に混合させることが重要である。
そこで、還元剤噴射弁の直下流に尿素水を排気中に分散撹拌させるために、ミキサーを備える技術が開発されている。ミキサーは、例えば排気流れに対して斜めに角度を付けた複数枚のフィンからなり、通過する排気に旋回流を発生させることで、還元剤噴射弁から噴射した噴霧状の尿素水を排気とともに撹拌させる（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１のように排気通路にミキサーを設けると、排気通路の一部を塞ぐこととなるので、排気の流れが阻害され、常時圧損が上昇してしまう。このように排気通路での圧損が上昇すると、内燃機関の出力性能や燃費性能が低下してしまい、特に高負荷時において出力低下が問題となってしまう。
本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、還元剤と排気の混合を促進させるミキサーを備えた内燃機関の排気浄化装置において、還元剤と排気とを十分に撹拌させるとともに排気通路の圧損を抑え、排気浄化性能と内燃機関の出力性能とを両立させ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】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置は、添加剤を供給する添加剤供給弁と、当該供給された添加剤と排気中の排気成分とを反応させて排気を浄化する浄化触媒と、排気通路内の浄化触媒の上流に配設され、該排気通路を通過する排気に旋回流を発生させる旋回流発生手段と、を有し、内燃機関の運転状態に基づいて添加剤供給弁からの添加剤の供給を制御する内燃機関の排気浄化装置において、旋回流発生手段は、排気通路内の排気流通方向に対する角度が変更可能な羽根を備えて構成され、添加剤供給弁から添加剤が供給される内燃機関の運転状態であるときに旋回流が発生し、添加剤供給弁からの添加剤の供給が停止される内燃機関の運転状態であるときに旋回流の発生が抑制されるように、旋回流発生手段の羽根の排気流通方向に対する角度を変更させる角度変更手段を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１において、羽根の排気の流通方向に対する角度を変更させるアクチュエータと、内燃機関の運転状態に基づいてアクチュエータの作動制御をする制御手段と、を備えて構成されることを特徴とする。
また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置は、請求項２において、内燃機関が所定の高負荷高回転状態であるときに、添加剤の供給が停止されるように添加剤供給弁を制御するとともに、旋回流発生手段によって排気への旋回流の発生が抑制されるようにアクチュエータを作動制御することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４の内燃機関の排気浄化装置は、請求項２または３において、浄化触媒は、添加剤を保持する機能を有し、制御手段は、内燃機関が所定の低負荷低回転状態であるときに、添加剤が断続的に供給されるように添加剤供給弁を制御するとともに、旋回流発生手段によって排気に旋回流が発生するようにアクチュエータを作動制御することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項５の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１において、角度可変手段は、羽根の前後の排気圧差に応じて羽根の角度が可変するように羽根を付勢する付勢手段により構成されていること特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によれば、角度変更手段により旋回流発生手段の羽根の排気の流通方向に対する角度が変更されるので、旋回流の発生量を可変させることができる。
そして、添加剤供給弁から添加剤が供給される内燃機関の運転状態であるときには、旋回流が発生するので、添加剤と排気とが撹拌混合され、浄化触媒における触媒反応を促進させて排気を良好に浄化させることができる。
【００１１】
また、添加剤供給弁からの添加剤の供給が停止される内燃機関の運転状態であるときには、旋回流の発生が抑制されるので、排気の圧損を抑制することができ、内燃機関の出力性能を向上させることができる。よって、内燃機関の運転状態に基づき添加剤の供給の有無に対応して旋回流発生手段による旋回流の発生が適切に制御され、排気浄化性能と出力性能とを両立させることが可能となる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、旋回流発生手段の羽根の角度を変更するアクチュエータと、アクチュエータの作動制御をする制御手段とにより、内燃機関の運転状態に応じて旋回流発生手段の羽根の排気の流通方向に対する角度を変更させる角度変更手段を容易に実現させることができる。
請求項３の発明によれば、内燃機関が所定の高負荷高回転運転状態であるときに、添加剤が供給されず、排気への旋回流の発生が抑制されるので、排気抵抗が抑制される。したがって、所定の高負荷高回転運転時では、添加剤を用いた排気浄化性能は得られないものの、排気抵抗が抑制されることで、内燃機関の出力性能を高く得ることが可能となる。
【００１３】
請求項４の発明によれば、内燃機関が所定の低負荷低回転状態であるときに添加剤が供給されるとともに、排気に旋回流が発生するので、排気と添加剤とを撹拌させることができ、浄化触媒における触媒還元反応を促進させることができる。また、浄化触媒が添加剤を保持する機能を有しているので、添加剤が断続的に供給されても浄化触媒における触媒反応を連続的に作用させることができる。したがって、内燃機関が所定の低負荷低回転状態であるときに、排気浄化性能を確保しつつ添加剤の消費を抑えることが可能となる。
【００１４】
請求項５の発明によれば、羽根の前後の排気圧差に応じて羽根の角度が可変するように羽根を付勢する付勢手段により角度可変手段が構成されることで、簡単な構成で内燃機関の運転状態に応じて羽根の排気の流通方向に対する角度を変更させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の排気系の概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るミキサーの構造を示し、通常時の状態を示し、（Ａ）は排気上流側から見た正面図、（Ｂ）は右側面図である。
【図３】第１実施形態に係るミキサーの開作動時の構造を示し、（Ａ）は排気上流側から見た正面図、（Ｂ）は右側面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るミキサーの構造を示し、（Ａ）は排気上流側から見た正面図、（Ｂ）は右側面図である。
【図５】第２実施形態に係るミキサーの開作動時の状態を示し、（Ａ）は排気上流側から見た正面図、（Ｂ）は右側面図である。
【図６】第２実施形態に係るミキサーのフィンＡＳＳＹの構造を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は左側面図である。
【図７】第２実施形態に係るミキサーのフィンＡＳＳＹの開作動時の状態を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は左側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
本実施形態では、ディーゼルエンジンに本発明の排気浄化装置が適用されている。
本実施形態のディーゼルエンジン(以下、エンジン１という)の排気通路である排気管２には、上流側から順番に、排気中の炭化水素を酸化させる酸化触媒３、排気中のＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集するＤＰＦ４（Diesel Particulate Filter：ディーゼルパティキュレートフィルタ）、及び尿素ＳＣＲシステム５が設けられている。
【００１７】
尿素ＳＣＲシステム５は、排気中に還元剤（添加剤）として尿素水を噴射供給する還元剤噴射弁６（添加剤供給弁）と、還元剤噴射弁６から噴射する尿素水を貯留する尿素水タンク７と、還元剤噴射弁６の下流側の排気通路に設けられたＳＣＲ触媒８（浄化触媒）と、ＳＣＲ触媒８の下流側に設けられた酸化触媒９と、還元剤噴射弁６とＳＣＲ触媒８との間の排気管２に設けられたミキサー１０（旋回流発生手段）と、ミキサー１０及び還元剤噴射弁６を作動制御するＳＣＲコントロールユニット１１（制御手段）とにより構成されている。
【００１８】
ＳＣＲ触媒８は、尿素水から発生したアンモニアにより排気中のＮＯxを窒素と水に分解する機能を有する。
ＳＣＲ触媒８の下流側に設けられた酸化触媒９は、ＳＣＲ触媒８から流出した余剰のアンモニアを酸化させ、無害物質に変換する機能を有する。
ＳＣＲコントロールユニット１１は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成され、エンジン回転速度、燃料噴射量等のエンジン１の運転情報をエンジンコントロールユニット１２より入力し、エンジン１の運転状態に応じて還元剤噴射弁６を制御する。詳しくは、ＳＣＲコントロールユニット１１は、エンジン１が高回転高負荷時には尿素水の噴射を停止させ、それ以外のエンジン運転時には尿素水が噴射されるように還元剤噴射弁６を制御する。また、ＳＣＲコントロールユニット１１は、エンジン１の運転状態に応じて、ミキサー１０に備えられた後述するアクチュエータ２１を作動制御する。なお、ＳＣＲコントロールユニット１１及びアクチュエータ２１が本発明の角度変更手段に該当する。
【００１９】
次に、図２及び図３を用いて本発明の第１実施形態に係るミキサー１０の構造について説明する。
図２は、通常時における本発明の第１実施形態のミキサー１０の構造を示し、（Ａ）は排気上流側から見た正面図、（Ｂ）は右側面図である。図３は、開作動時における第１実施形態のミキサー１０の構造を示し、（Ａ）は排気上流側から見た正面図、（Ｂ）は右側面図である。
【００２０】
図２、３に示すように、ミキサー１０は、８枚の長方形板状のフィン２２（羽根）を排気管内に、排気管の軸線方向と垂直な略同一平面上で、周方向に４５度ずつずらし放射状に配置して構成されている。
各フィン２２の長手方向端部には径方向外方に延びるシャフト２３が設けられ、このシャフト２３が排気管２の周壁に回転可能に支持されており、フィン２２の排気流れに対する角度が変更可能に構成されている。各シャフト２３の端部は排気管２の周壁から外方に突出しており、この突出部先端にピニオンギヤ２４が夫々固定されている。排気管２の外方には、円環形状のリングギヤ２５が排気管２の周りを揺動可能に設けられている。このリングギヤ２５は各ピニオンギヤ２４と噛み合い、かさ歯車を構成している。そして、リングギヤ２５を排気管２の周りで揺動させると、全てのフィン２２が同時に夫々のシャフト２４周りに回転する構成になっている。リングギヤ２５はアクチュエータ２１によりプッシュロッド２６を介して揺動可能であって、アクチュエータ２１を作動させることで、全てのフィン２２が排気管の軸線方向（排気流れ方向）に対して、４５度と平行との間で揺動するように構成されている。
【００２１】
図２に示すように、フィン２２が排気管２の軸線方向に対して４５度に位置すると、このミキサー１０を通過する排気がフィン２２に沿って排気管２の軸線方向に対して斜めに導かれ、排気に旋回流を発生させる。
一方、図３に示すように、フィン２２が排気管２の軸線方向に対して平行に位置すると、排気に旋回流が発生せずに、排気流路面積が最大限確保される。
【００２２】
ＳＣＲコントロールユニット１１は、通常、図２に示すように、フィン２２が排気管の軸線方向に対して４５度に位置するようにアクチュエータ２１を作動制御する。一方、エンジン１が所定の高負荷高回転状態であるとき、即ち高出力を必要とするときには、図３に示すように、フィン２２が排気管２の軸線方向に対して平行になるようにアクチュエータ２１を作動制御する。ＳＣＲコントロールユニット１１では、このエンジン運転状態による判別を、あらかじめ記憶したマップを用いて判別すればよく、所定の高負荷高回転運転状態を排気浄化性能を必要とせず出力性能を優先させるようなエンジン運転状態に設定すればよい。
【００２３】
以上のように制御することで、エンジン１が高負荷高回転ではない通常運転時では、図２のようにフィン２２を傾けてミキサー１０を通過する排気に旋回流を発生させることにより、還元剤噴射弁６から噴射された噴霧状の尿素水と排気とを撹拌させて十分に混合させることができ、ＳＣＲ触媒８におけるＮＯxの浄化効率を向上させることができる。特に、低負荷低回転状態では排気浄化性能が強く求められているので、本実施形態のように設定することでこの要求に十分に対応することができる。
【００２４】
また、高負荷高回転状態では、尿素水の噴射が停止されるとともに、図３に示すようにフィン２２を平行に設定し排気管２内の排気流路面積を極力確保することで、ミキサー１０を通過する際の排気の圧損を低下させることができる。よって、エンジン１の出力低下を抑えることができる。
したがって、本実施形態ではエンジン１の運転状態に応じて適切にフィン２２の角度を制御し、排気浄化性能と出力性能との両立を可能にすることができる。
【００２５】
なお、フィン２２の角度は、図２及び図３に示す２段階に変更可能に設定するだけではなく、連続的に変更させてもよい。連続的に変更させることで、エンジン１の運転状態に応じてより適切にフィン２２の角度を設定することができ、排気浄化性能と出力性能とをより高いレベルで両立させることができる。
また、上記実施形態において、エンジン１が所定の低負荷低回転状態、例えばアイドリング状態であるときに、尿素水を断続的に噴射させ、高負荷高回転及び低負荷低回転以外に通常運転時において尿素水を連続的に噴射させるよう還元剤噴射弁６を制御してもよい。このようにすれば、低負荷低回転時に尿素水の消費量を減らすことができる。この場合、ＳＣＲ触媒８が尿素水から発生するアンモニアを保持する機能を有していれば、尿素水の供給が断続的であっても、ＳＣＲ触媒８での排気浄化機能を連続的に機能させることができる。
【００２６】
次に、図４〜図７を用いて本発明の第２の実施形態を説明する。
図４は、通常時における本発明の第２の実施形態のミキサー３０の構造を示し、（Ａ）は排気上流側から見た正面図、（Ｂ）は右側面図である。図５は、開作動時における第２実施形態のミキサー３０の構造を示し、（Ａ）は排気上流側から見た正面図、（Ｂ）は右側面図である。
【００２７】
図６及び図７は、フィンＡＳＳＹ３１の構造を示す。図６は、通常時におけるフィンＡＳＳＹ３１の状態を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は左側面図である。図７は、開作動時におけるフィンＡＳＳＹ３１の状態を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は左側面図である。
本実施形態のミキサー３０は、アクチュエータを用いずに排気圧によりフィン２２の角度を可変させるものである。
【００２８】
図４、５に示すように、ミキサー３０は、排気管２内に２枚のフィン３２を有するフィンＡＳＳＹ３１を４個備えて構成されている。
フィンＡＳＳＹ３１は、図６、７に示すように、シャフト３３の両端部に夫々略直方形板状のフィン３２が回転可能に支持され、この１組のフィン３２の間に当該フィン３２を互いに逆回転方向に付勢させるスプリング３４（付勢手段）が設けられて構成されている。フィン３２は、その長辺側の１辺がシャフト３３に支持されている。
【００２９】
４個のフィンＡＳＳＹ３１は、いずれもシャフト３３の中央が排気管２の軸心を通過し、排気管２の軸線方向に垂直な平面上で４５度ずつずらして配置されている。
したがって、排気管２内には合計８枚のフィン３２が放射状に並べられており、通常、フィン３２は排気管２の軸線方向に対して排気下流側に４５度傾くように支持されている。このようにフィン３２が傾くことで、上記実施形態１と同様に、通過する排気に旋回流を発生させる。
【００３０】
フィン３２の上流側の圧力が下流側の圧力より所定以上高くなったときに、フィン３２はスプリング３４の付勢力を超えて排気下流側に揺動する。フィン３２は、排気管２の軸線方向と水平になるまで揺動可能であり、このとき排気の流路面積が最大となる。エンジン１が高出力運転を行なうことで、排気圧が上昇するので、所定の排気圧に到達したらフィン３２が排気下流側に揺動して排気の流路面積が最大となるようにスプリング３４の付勢力を設定することで、本実施形態では、排気圧により自動的にフィン３２が揺動することとなる。よって、本実施形態では、アクチュエータを必要とせず簡単な構成で、第１の実施形態と同様に、通常運転時ではフィン３２を傾けてミキサー３０を通過する排気に旋回流を発生させることができるとともに、排気圧が上昇する高負荷高回転運転時では排気の圧損を低下させることができる。これにより、本実施形態では、簡単な構成で排気浄化性能と出力性能の両立を可能にすることができる。
【００３１】
以上で発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の形態は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、フィン２２、３２の数やその大きさ、通常運転時の設定傾斜角等は、所望の撹拌が可能なように適宜設定すればよい。
また、還元剤噴射弁６の下流側の排気通路に設けられた触媒はＳＣＲ触媒に限定するものではなく、酸化触媒、窒素酸化物吸蔵触媒、触媒付きフィルタなど排気成分の浄化において添加剤の供給が要求される排気浄化手段であれば他に変えてもよい。それにともない、還元剤噴射弁６から噴射する還元剤も尿素水に限定するものではなく、燃料やアンモニア、二次エア等でもよい。しかしながら、尿素水のように比較的気化し難い還元剤を使用した場合に、本発明は特に有効である。
【符号の説明】
【００３２】
１  エンジン
２  排気管
６    還元剤噴射弁
８    ＳＣＲ触媒
１０、３０  ミキサー
１１  ＳＣＲコントロールユニット
２１  アクチュエータ
２２、３２  フィン
３４  スプリング
【図１】
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【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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【図７】
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