(57)【要約】【課題】内燃機関の排気通路に噴射ノズルを設けて排気ガス中に燃料を直接噴射する排気管内直接噴射システムにおいて、噴射ノズルの先端部への排気ガスの流入を回避することで、噴射ノズルの先端部における、未燃の燃料と煤との混合によるラッカー化を防止して、先端部のカーボン詰まりの進行を抑制できる排気管内直接噴射システム及び内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関の排気管１０に噴射ノズル２０を設けて排気ガスＧ中に燃料Ｆを直接噴射する排気管内直接噴射システム１、１Ａにおいて、噴射ノズル２０と排気管１０の壁面１１との間に、一端側が排気管１０に開口し、他端側に噴射ノズル２０が配置される排気ガス滞留空間部３０、３０Ａを設けて構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に噴射ノズルを設けて排気ガス中に燃料を直接噴射する排気管内直接噴射システムにおいて、
前記噴射ノズルと前記排気管の壁面との間に、一端側が前記排気管に開口し、他端側に前記噴射ノズルが配置される排気ガス滞留空間部を設けたことを特徴とする排気管内直接噴射システム。
【請求項２】
前記排気ガス滞留空間部を、前記噴射ノズルが配置される部位を頂点とする錐体形状に形成すると共に、
前記排気ガス滞留空間部の前記排気管に対する開口部の面積をＳとし、前記排気ガス滞留空間部の頂点と前記開口部の面積中心との距離をＬとした場合に、Ｓ＝（π／４）×Ｄ×Ｄの関係を満たすＤに対して、Ｌを、１．０×Ｄ以上でかつ２．０×Ｄ以下とすると共に、前記噴射ノズルの先端位置と前記開口部の前記面積中心との距離Ｌｂを、０．９×Ｌ以上でかつＬ以下とした請求項１に記載の排気管内直接噴射システム。
【請求項３】
前記排気ガス滞留空間部を、前記開口部の近傍に設けたくびれ部と、該くびれ部と前記噴射ノズルの前記先端部が配置される部位との間に設けた、仮想球体を内包できる大きさの滞留室を有して形成すると共に、
前記くびれ部の最小断面積をＳｃとし、前記仮想球体の直径をＤｓとした場合に、Ｓｃ＝（π／４）×Ｄｃ×Ｄｃの関係を満たすＤｃに対して、Ｄｓを、１．５×Ｄｃ以上でかつ２．５×Ｄｃ以下とした請求項１に記載の排気管内直接噴射システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気管内直接噴射システムを備えたことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気通路に設けた噴射ノズルの先端部における、未燃の燃料と排気ガス中の煤との混合によるラッカー化を防止して、先端部のカーボン詰まりの進行を抑制できる排気管内直接噴射システム及び内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ディーゼルエンジン等の内燃機関を搭載している車両では、内燃機関から排出される排気ガスに含有されるＰＭ（微粒子状物質）やＮＯｘ（窒素酸化物）、ＨＣ（炭化水素）等を除去すべく、酸化触媒装置、微粒子捕集装置、リーンＮＯｘトラップ触媒装置、及び、選択還元型触媒（ＳＣＲ触媒）装置等を組み合わせて備えた排気ガス浄化装置が設けられる。
【０００３】
これらの内、微粒子捕集装置、リーンＮＯｘトラップ触媒装置等では、微粒子捕集装置の捕集したＰＭの燃焼除去のためのＰＭ再生、リーンＮＯｘトラップ触媒のＮＯｘ吸蔵能力の回復のためのＮＯｘ再生のために、排気ガス中に燃料などの炭化水素を一時的に供給することが行われている。この排気ガス中に炭化水素を供給するために、シリンダ内燃料噴射におけるポスト噴射や燃料を排気管内に直接噴射する排気管内直接噴射等の方法が採られている。
【０００４】
この排気管内直接噴射では、排気通路の壁面の一部に噴射ノズルを装着している。この噴射ノズルの装着に際しては、噴射ノズルの先端部が高温の排気ガスに晒されて温度上昇すると、噴射ノズルの先端部に付着した未燃の燃料がカーボン化して、目詰りが発生するので、これにより、燃料の噴射流量が低下して、再生が未完了となってしまうという問題が発生する。
【０００５】
この目詰り防止のために、従来技術の排気管内直接噴射システムでは、排気ガスが通過する排気管に、外方に向かって湾曲して膨出する膨出部を設けて、この膨出部に還元剤噴射弁を取り付けて、噴射ノズルの先端部が高温の排気ガスに触れて温度上昇するのを回避したり、定期的に噴射ノズルの清浄をおこなって、燃料噴射量の過度の低下を防止したり、燃料の噴射後にエアーを噴射して、先端の燃料残りをなくして、カーボンの堆積を防止したりする方法が採られている。つまり、噴射ノズルの先端部の温度上昇の防止のために、噴射ノズルの先端部を排気ガスの通路から引っ込めたレイアウトを採用している。
【０００６】
これに関連して、排気ガスが通過する排気管に、外方に向かって湾曲して膨出する膨出部を設け、この膨出部に還元剤噴射弁を取り付けると共に、この膨出部に対して排気上流側の排気管の内部に短尺な環状部材を設け、この環状部材の排気下流側を膨出部の排気上流側に突出させることで、膨出部の排気上流側を環状部材の突出部分によって覆ってこれにより、高温の排気ガスが膨出部の内周面に回り込んでしまうのを防止する排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、この排気ガス浄化装置の場合には、環状部材の挿入作業が必要となり、還元剤噴射弁（噴射ノズル）の取り付け位置によっては、この挿入作業が難しくなる場合がるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−８４７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この噴射ノズルの目詰りに関連して、本発明者は、実験などにより、噴射ノズルの目詰りは、噴射ノズルの先端部の未燃の燃料が高温のもとでカーボン化することだけに原因があるのでなく、低温でも噴射ノズルの先端部の噴射孔の部分に未燃状態の燃料分と、排気ガス中の煤分とが付着して混合することによりラッカー化し、これが折り重なることにより、走行時間と共に先端部の噴射孔のカーボン詰まりが進行し、そのため、噴射ノズルの先端側の温度上昇を防ぐだけでは不十分で、噴射ノズルの先端部が新たな排気ガスに接触することを避ける必要があるとの知見を得た。
【００１０】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気通路に噴射ノズルを設けて排気ガス中に燃料を直接噴射する排気管内直接噴射システムにおいて、噴射ノズルの先端部への排気ガスの流入を回避することで、噴射ノズルの先端部における、未燃の燃料と煤との混合によるラッカー化を防止して、先端部のカーボン詰まりの進行を抑制できる排気管内直接噴射システム及び内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明の排気管内直接噴射システムは、内燃機関の排気管に噴射ノズルを設けて排気ガス中に燃料を直接噴射する排気管内直接噴射システムにおいて、前記噴射ノズルと前記排気管の壁面との間に、一端側が前記排気管に開口し、他端側に前記噴射ノズルが配置される排気ガス滞留空間部を設けて構成される。
【００１２】
この構成によれば、噴射ノズルを排気ガス滞留空間部の開口部と反対側に配置したので、排気管を流れる排気ガスが開口部から排気ガス滞留空間部に流入しても、噴射ノズルの先端部の近傍では、排気ガスの流速が略ゼロとなるため、新たな排気ガスが噴射ノズルの先端部に流入することを回避でき、噴射ノズルの先端部への排気ガスの接触量を著しく低減することができる。
【００１３】
これにより、噴射ノズルの先端部に付着した未燃の燃料と、排気ガスに含まれる煤との混合を回避でき、この混合によるラッカー化の進行を防止できるので、カーボン詰まりの進行を抑制することができる。
【００１４】
また、上記の排気管内直接噴射システムにおいて、前記排気ガス滞留空間部を、前記噴射ノズルが配置される部位を頂点とする錐体形状に形成すると共に、前記排気ガス滞留空間部の前記排気管に対する開口部の面積をＳとし、前記排気ガス滞留空間部の頂点と前記開口部の面積中心との距離をＬとした場合に、Ｓ＝（π／４）×Ｄ×Ｄの関係を満たす見掛けの直径Ｄに対して、Ｌを、１．０×Ｄ以上でかつ２．０×Ｄ以下とすると共に、前記噴射ノズルの先端位置と前記開口部の前記面積中心との距離Ｌｂを、０．９×Ｌ以上でかつＬ以下として構成される。なお、この錐体形状としては、円錐形状、楕円錐形状、多角錐形状などがある。また、錐体形状と排気管の壁面とが交わる部分に丸めや面とりがある場合は、この丸めや面取りを無視して、開口部の面積としては錐体形状と排気管の壁面との交線で囲まれた面積とする。
【００１５】
この構成によれば、数値シミュレーションなどにより、排気ガス滞留空間部の頂点側の排気ガスの流速が著しく低下することが確認できるので、噴射ノズルが配置される部位における排気ガスの入れ替わり量が少なくなり、新たな排気ガスが噴射ノズルの先端部に流入することを回避でき、噴射ノズルの先端部への排気ガスの接触量を著しく低減することができる。
【００１６】
また、上記の排気管内直接噴射システムにおいて、前記排気ガス滞留空間部を、前記開口部の近傍に設けたくびれ部と、該くびれ部と前記噴射ノズルの前記先端部が配置される部位との間に設けた、仮想球体を内包できる大きさの滞留室を有して形成すると共に、前記くびれ部の最小断面積をＳｃとし、前記仮想球体の直径をＤｓとした場合に、Ｓｃ＝（π／４）×Ｄｃ×Ｄｃの関係を満たす見掛けの直径Ｄｃに対して、Ｄｓを、１．５×Ｄｃ以上でかつ２．５×Ｄｃ以下として構成される。
【００１７】
この構成によれば、数値シミュレーションなどにより、排気ガス滞留空間部の開口部と反対側の排気ガスの流速が著しく低下することが確認できるので、噴射ノズルが配置される、この開口部と反対側の部位における排気ガスの入れ替わり量が少なくなり、新たな排気ガスが噴射ノズルの先端部に流入することを回避でき、噴射ノズルの先端部への排気ガスの接触量を著しく低減することができる。
【００１８】
そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の構成の排気管内直接噴射システムを備えて構成され、上記の排気管内直接噴射システムと同様な効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の排気管内直接噴射システム及び内燃機関によれば、内燃機関の排気管に噴射ノズルを設けて排気ガス中に燃料を直接噴射する排気管内直接噴射システムにおいて、噴射ノズルと排気管の壁面との間に排気ガス滞留空間部を設けて、噴射ノズルを排気ガス滞留空間部の開口部と反対側に配置したので、排気管を流れる排気ガスが開口部から排気ガス滞留空間部に流入しても、噴射ノズルの先端部の近傍では、排気ガスの流速が略ゼロとなるため、新たな排気ガスが噴射ノズルの先端部に流入することを回避でき、噴射ノズルの先端部への排気ガスの接触量を著しく低減することができる。
【００２０】
これにより、噴射ノズルの先端部に付着した未燃の燃料と、排気ガスに含まれる煤との混合を回避でき、この混合によるラッカー化の進行を防止できるので、カーボン詰まりの進行を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の排気管内直接噴射システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】図１の錐形状の排気ガス滞留空間部の近傍（点線部）を示す部分拡大図である。
【図３】本発明に係る第２の実施の形態の排気管内直接噴射システムを模式的に示す図である。
【図４】図３の仮想球体を内包できる大きさの滞留室を有する排気ガス滞留空間部の近傍（点線部）を示す部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る実施の形態の排気管内直接噴射システム及び内燃機関について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１〜図４に示すように、この第１及び第２の実施の形態の排気管内直接噴射システム１、１Ａは、内燃機関の排気管１０に噴射ノズル２０を設けて排気ガスＧ中に燃料Ｆを直接噴射するシステムであり、噴射ノズル２０と排気管１０の壁面１１との間に、一端側が排気管１０に開口し、他端側に噴射ノズル２０が配置される排気ガス滞留空間部３０、３０Ａを設けて構成される。
【００２４】
つまり、排気管１０における噴射ノズル２０を備えた部分の壁面１１を、その周辺の排気管１０の壁面１１より排気管１０の外側に凸形状に形成して、この凸形状の部分３０、３０Ａの奥側に燃料噴射ノズル２０の噴射孔がある先端部２１を配設して、この先端部２１の周辺の排気ガスＧの流速が略ゼロとなるように構成する。
【００２５】
そして、第１の実施の形態の排気管内直接噴射システム１は、図１に示すように、排気ガス滞留空間部３０を円錐形状、楕円錐形状、多角錐形状などの錐体形状に形成する。この排気ガス滞留空間部３０の頂点側を、噴射ノズル２０が配置される部位とする、
それと共に、図２に示すように、排気ガス滞留空間部３０の排気管１０に対する開口部３１の面積をＳとする。この場合に錐体形状と排気管１０の壁面１１とが交わる部分に丸めや面とりがあるときは、この丸めや面取りを無視して、開口部３１の面積Ｓとしては錐体形状と排気管１０の壁面１１との交線で囲まれた面積とする。
【００２６】
そして、排気ガス滞留空間部３０の頂点Ｐａと開口部３１の面積中心Ｐｃとの距離をＬとした場合に、Ｓ＝（π／４）×Ｄ×Ｄの関係を満たす見掛けの直径Ｄに対して、Ｌを、１．０×Ｄ以上でかつ２．０×Ｄ以下とすると共に、噴射ノズル２０の先端位置Ｐｂと開口部３１の面積中心Ｐｃとの距離Ｌｂを、０．９×Ｌ以上でかつＬ以下として構成する。つまり、０．９×Ｌ≦Ｌｂ≦Ｌとする。
【００２７】
なお、この開口部３１の大きさは、噴射ノズル２０から噴射される燃料Ｆが接触しない大きさとし、開口部３１に燃料Ｆが付着するのを避ける。つまり、排気ガス滞留空間部３０の形状を、噴射ノズル２０から噴射される燃料Ｆの円錐形状を包含できる形状とする。言い換えれば、開口部３１の面積Ｓと距離Ｌとの関係は、噴射ノズル２０の燃料の噴射形状によって制限を受ける。そして、面積Ｓと距離Ｌ、Ｌｂの大きさは、数値計算シミュレーションや実験などにより、噴射ノズル２０の先端位置Ｐｂにおける排気ガスＧの流速を考慮して、上記の関係を満たすように設定される。
【００２８】
また、第２の実施の形態の排気管内直接噴射システム１Ａは、図３に示すように、排気ガス滞留空間部３０Ａを、開口部３１の近傍に設けたくびれ部３２と、このくびれ部３２と噴射ノズル２０の先端部２１が配置される部位との間に設けた、仮想球体（クロスハッチング部分）４０を内包できる大きさの滞留室３３を有して形成する。
【００２９】
それと共に、図４に示すように、くびれ部３２の最小断面積をＳｃとし、仮想球体４０の直径をＤｓとした場合に、Ｓｃ＝（π／４）×Ｄｃ×Ｄｃの関係を満たす見掛けの直径Ｄｃに対して、仮想球体４０の直径Ｄｓを、１．５×Ｄｃ以上でかつ２．５×Ｄｃ以下として構成する。つまり、１．５×Ｄｃ≦Ｄｓ≦２．５×Ｄｃとする。
【００３０】
また、噴射ノズル２０の先端位置Ｐｂとくびれ部３２の最小断面積中心Ｐｄとの距離Ｌｄと、このくびれ部３２の大きさとの関係に関しては、噴射ノズル２０から噴射される燃料Ｆがくびれ部３２の壁面に接触しないようにして、くびれ部３２に燃料Ｆが付着するのを避ける。つまり、排気ガス滞留空間部３０Ａの形状を、くびれ部３２を含めて、噴射ノズル２０から噴射される燃料Ｆの円錐形状を包含できる形状とする。言い換えれば、くびれ部３２の最小断面積Ｓｃと距離Ｌｄの関係は、噴射ノズル２０の燃料の噴射形状によって制限を受ける。そして、面積Ｓｃと距離Ｌｄの大きさは、数値計算シミュレーションや実験などにより、噴射ノズル２０の先端位置Ｐｂにおける排気ガスＧの流速を考慮して設定される。
【００３１】
これらの排気ガス滞留空間部３０、３０Ａの構成によれば、数値シミュレーションなどにより、排気ガス滞留空間部３０、３０Ａの開口部と反対側の部位の排気ガスＧの流速が著しく低下することが確認できるので、噴射ノズル２０が配置される部位における排気ガスＧの入れ替わり量が少なくなり、新たな排気ガスＧが噴射ノズル２０の先端部２１に流入することを回避でき、噴射ノズル２０の先端部２１への排気ガスＧの接触量を著しく低減することができる。
【００３２】
そして、本発明の実施の形態の内燃機関は、上記の第１又は第２の実施の形態の排気管内直接噴射システム１（または１Ａ）を備えて構成される。
【００３３】
従って、上記の構成の排気管内直接噴射システム１、１Ａ及び内燃機関によれば、噴射ノズル２０を排気ガス滞留空間部３０，３０Ａの開口部３１と反対側に配置したので、排気管１０を流れる排気ガスＧが開口部３１から排気ガス滞留空間部３０、３０Ａに流入しても、噴射ノズル２０の先端部２１の近傍では、排気ガスＧの流速が略ゼロとなるため、新たな排気ガスＧが噴射ノズル２０の先端部２１に流入することを回避でき、噴射ノズル２０の先端部２１への排気ガスＧの接触量を著しく低減することができる。
【００３４】
よって、噴射ノズル２０の先端部２１に付着した未燃の燃料Ｆと、排気ガスＧに含まれる煤との混合を回避でき、この混合によるラッカー化の進行を防止できるので、カーボン詰まりの進行を抑制することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１、１Ａ  排気管内直接噴射システム
１０  排気管
１１  排気管の壁面
２０  噴射ノズル
２１  噴射ノズルの先端部
３０、３０Ａ  排気ガス滞留空間部
３１  開口部
３２  くびれ部
３３  滞留室
４０  仮想球体
Ｄ、Ｄｃ  見掛けの直径
Ｄｓ  仮想球体の直径
Ｆ  燃料
Ｇ  排気ガス
Ｌ  排気ガス滞留空間部の頂点と排気ガス滞留空間部の頂点との距離
Ｌｂ  噴射ノズルの先端位置と開口部の面積中心との距離
Ｐａ  排気ガス滞留空間部の頂点
Ｐｂ  噴射ノズルの先端位置
Ｐｃ  開口部の面積中心
Ｓ  開口部の面積
Ｓｃ  くびれ部の最小断面積
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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