(57)【要約】【課題】排気通路に添加された燃料が排気から受ける悪影響を抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置１は、エキゾーストマニホルド５より下流に設けられたフィルタ２２と、エキゾーストマニホルド５に設けられエキゾーストマニホルド５内に燃料を添加可能な燃料添加弁２１と、エキゾーストマニホルド５内に設けられ、燃料添加弁２１が添加した燃料を下流に案内することができ、かつ、フィルタ２２よりも上流の所定位置まで延びる案内通路２０Ａと、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒毎に設けられた分岐部及び各分岐部が接続された集合部を有する排気通路を備えた内燃機関に適用され、
前記排気通路の前記集合部より下流に設けられた排気浄化手段と、
前記分岐部から前記集合部までの間に設けられ前記排気通路内に燃料を添加可能な燃料添加手段と、
前記排気通路内に設けられ、前記燃料添加手段が添加した燃料を下流に案内することができ、かつ、前記排気浄化手段よりも上流の所定位置まで延びる案内通路と、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】
前記排気通路には、前記分岐部から前記集合部までの前記排気通路内を内側通路と前記内側通路を囲む外側通路とに区分する管状部材が設けられ、
前記案内通路は、前記外側通路内に設けられている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記内燃機関は、前記分岐部と前記集合部とが一体化され、かつ、前記分岐部から前記集合部までの前記排気通路内を内側通路と前記内側通路を囲む外側通路とに区分する管状部材が設けられた二重構造のエキゾーストマニホルドを備え、
前記エキゾーストマニホルドの出口に前記所定位置が設定されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記排気通路には、前記集合部と前記排気浄化手段の間にターボ過給機のタービンが設けられ、
前記タービンの入口に前記所定位置が設定されている請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記案内通路には、前記管状部材から前記案内通路の内部に向かって突出した突部が設けられている請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記内燃機関は、前記所定位置よりも上流の前記排気通路から排気の一部を取り出して吸気通路へ導入する排気還流通路を備えている請求項１〜５のいず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】
本発明は、排気通路に設けられた排気浄化手段にその上流から燃料を添加する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多気筒内燃機関の各排気ポートから排気を導入する枝通路をまとめるエキゾーストマニホルドを有した排気通路の下流に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を設け、排気ポートに設置した燃料添加ノズルから燃料を添加してＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸収能力が飽和する前にＮＯｘを放出して還元する内燃機関の排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜４が存在する。
【０００３】
【特許文献１】特願２００２−０２１５３９号公報
【特許文献２】特開２００２−２５６８５４号公報
【特許文献３】特開２０００−３２０３２７号公報
【特許文献４】特開２００４−３０１０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような内燃機関の排気浄化装置において、燃料添加ノズルから排気通路内に添加された燃料は、エキゾーストマニホルドを経て下流の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に導かれる。エキゾーストマニホルドには、多気筒の各排気ポートから排気が導入されている。このため、添加された燃料は、エキゾーストマニホルドに導入された排気から悪影響を受けることがある。例えば、他の枝通路に導入された排気が燃料の添加された枝通路へ流入することにより、添加した燃料が逆流し、排気通路の下流に流れていかず、エキゾーストマニホルド内に滞留する現象が生じ得る。
【０００５】
そこで、本発明は、排気通路に添加された燃料が排気から受ける悪影響を抑制することができる内燃機関の排気浄化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】
【０００６】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、気筒毎に設けられた分岐部及び各分岐部が接続された集合部を有する排気通路を備えた内燃機関に適用され、前記排気通路の前記集合部より下流に設けられた排気浄化手段と、前記分岐部から前記集合部までの間に設けられ前記排気通路内に燃料を添加可能な燃料添加手段と、前記排気通路内に設けられ、前記燃料添加手段が添加した燃料を下流に案内することができ、かつ、前記排気浄化手段よりも上流の所定位置まで延びる案内通路と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
この排気浄化装置によれば、燃料添加手段から添加された燃料は、排気浄化手段の上流まで延びた案内通路により排気通路の下流に案内される。このため、添加された燃料が案内通路にて案内されている間には排気通路内を流れる排気の悪影響を受けることを防止できる。従って、燃料添加手段から添加された燃料が排気から受ける悪影響を抑制し、より確実に排気浄化手段まで燃料を導くことができる。
【０００８】
この態様において、前記排気通路には、前記分岐部から前記集合部までの前記排気通路内を内側通路と前記内側通路を囲む外側通路とに区分する管状部材が設けられ、前記案内通路は、前記外側通路内に設けられてもよい（請求項２）。この場合には、排気通路が内側通路と外側通路とに区分されて、その外側通路が断熱層や遮音層として機能するので、排気通路から周辺機器に及ぼす熱害及び騒音を防止できる。また、外側通路内の空間を案内通路として活用することができる。
【０００９】
本発明の排気浄化装置において、案内通路の延びる所定位置は、排気浄化装置の上流であればどこでもよい。例えば、前記内燃機関は、前記分岐部と前記集合部とが一体化され、かつ、前記分岐部から前記集合部までの前記排気通路内を内側通路と前記内側通路を囲む外側通路とに区分する管状部材が設けられた二重構造のエキゾーストマニホルドを備え、前記エキゾーストマニホルドの出口に前記所定位置が設定されてもよい（請求項３）。また、前記排気通路には、前記集合部と前記排気浄化手段の間にターボ過給機のタービンが設けられ、前記タービンの入口に前記所定位置が設定されてもよい（請求項４）。これらの態様により、排気からの悪影響をより確実に抑制することができる。
【００１０】
排気通路が管状部材により内側通路と外側通路とに区分されている場合、前記案内通路には、前記管状部材から前記案内通路の内部に向かって突出した突部が設けられていてもよい（請求項５）。この場合には、突部によって排気通路を通る排気と案内通路を通る燃料との間で熱交換を行うことができる。このため、案内通路内で燃料の蒸発が促進され、排気浄化手段を昇温させる性能が向上する。つまり、燃料の蒸発が促進されることにより排気浄化手段に燃料を行き渡らせることが容易になる。従って、所要の昇温性能を得るために添加すべき燃料量が少なくて済むので、燃費を向上させることができる。
【００１１】
本発明の排気浄化装置の一態様において、前記内燃機関は、前記所定位置よりも上流の前記排気通路から排気の一部を取り出して吸気通路へ導入する排気還流通路を備えてもよい（請求項６）。この態様によれば、添加された燃料は、確実に排気通路の下流に案内されるため、添加された燃料が排気還流通路に流入することを抑制することができる。添加された燃料が排気還流通路に流入するとその内部に燃料が付着して目詰まりを起こすことがある。また、添加した燃料が排気還流通路を経由して内燃機関の気筒まで導かれ気筒内で燃焼してしまうと必要以上にトルクの増大を招くことがある。この態様によれば、添加された燃料が排気還流通路に流入することを抑制できるため、その流入に伴う排気還流通路の詰まりや内燃機関のトルク変動等を防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、燃料添加手段から添加された燃料は、排気浄化手段の上流まで延びた案内通路により排気通路の下流に案内されるので、添加された燃料が案内通路にて案内されている間には排気通路内を流れる排気の悪影響を受けることを防止できる。従って、排気通路に添加された燃料が排気から受ける悪影響を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の形態）
図１は、本発明の第１形態に係る排気浄化装置が組み込まれた内燃機関を示している。排気浄化装置１は、車両に走行用動力源として搭載される内燃機関２に適用されるものである。内燃機関２は、４つの気筒３と、気筒３からの排気を導入するエキゾーストマニホルド５を有した排気通路４と、ターボ過給機６と、排気還流装置７と、を備えている。
【００１４】
気筒３の開口部は、シリンダヘッド８にて塞がれており、シリンダヘッド８には、気筒３に開口する排気ポート９が設けられている。また、シリンダヘッド８には、エキゾーストマニホルド５が接続されており、排気ポート９から排出される排気をエキゾーストマニホルド５によって集合させている。図１の＃１〜＃４は気筒番号を示しており、以下の説明では気筒番号を用いて気筒３を互いに区別する場合がある。
【００１５】
エキゾーストマニホルド５は、気筒３毎に一つずつ設けられた分岐部１０と、各分岐部１０が接続されて気筒３から分岐部１０に導入された排気を集合させる集合部１１とを備えている。図２は、図１におけるII−II線に関する断面模式図を示している。エキゾーストマニホルド５は、その内部通路（分岐部１０及び集合部１１）を内側通路１５と内側通路１５を囲む外側通路１６とに区分する管状部材１７が設けられた二重構造に形成されている。エキゾーストマニホルド５を二重構造とすることによりエキゾーストマニホルド５から周辺機器に及ぼす熱害及び騒音を防止することができる。また、＃４の気筒３に対応する分岐部１０には、その内側通路１５及び外側通路１６のそれぞれに、＃４の気筒３からの排気が導かれる。すなわち、この分岐部１０の内側通路１５及び外側通路１６のそれぞれが＃４の気筒３の排気ポート９（図１）に対して開口している。ただし、図示の形態では、外側通路１６の一部が排気ポート９に対して開口している。そして、＃４の気筒３からの排気を導入可能な外側通路１６には、エキゾーストマニホルド５の出口まで、管状部材１７から外側通路１６に突出した２つの壁１８で区分された案内通路２０Ａが設けられている。一方、＃１〜３の気筒３に対応する分岐部１０は、内側通路１５のみが排気ポート９に開口した状態でシリンダヘッド８に接続されている。そのため、＃１〜３の気筒３の排気ポート９から排出される排気は、エキゾーストマニホルド５の内側通路１５にのみ導入され、外側通路１６には導入されない。
【００１６】
排気浄化装置１は、エキゾーストマニホルド５に設けられた燃料添加手段としての燃料添加弁２１と、エキゾーストマニホルド５の下流の排気通路４に設けられた排気浄化手段としてのフィルタ２２と、案内通路２０Ａとを備えている。図２に示すように燃料添加弁２１は、エキゾーストマニホルド５の集合部１１に設けられており、その先端部は案内通路２０Ａ内に臨んでいる。これにより、燃料添加弁２１は、案内通路２０Ａに燃料を添加することができる。案内通路２０Ａに添加された燃料は、エキゾーストマニホルド５の出口まで案内通路２０Ａによって導かれる。
【００１７】
フィルタ２２は、排気通路４を流れる排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集する。しかし、フィルタ２２で捕集可能なＰＭの量には上限がある。そこで、燃料添加弁２１から添加された燃料を燃焼させることにより、フィルタ２２に捕集されているＰＭを燃焼させてＰＭの量を減少させる。従って、燃料添加弁２１から添加された燃料を燃焼させることによりフィルタ２２の捕集能力を回復させることができる。
【００１８】
上述のように排気浄化装置１は、燃料添加弁２１によって燃料をエキゾーストマニホルド５の外側通路１６に設けられた案内通路２０Ａに添加することができる。そして、燃料添加弁２１により案内通路２０Ａに添加された燃料は、案内通路２０Ａによって確実にエキゾーストマニホルド５の出口まで導かれる。従って、排気浄化装置１は燃料添加弁２１から添加した燃料を下流に案内する案内通路２０Ａを備えることによって、添加された燃料が排気から受ける悪影響を抑制し、より確実にフィルタ２２まで燃料を導くことができる。また、案内通路２０Ａは外側通路１６内の空間に設けられているため、エキゾーストマニホルド５の二重構造を活用することができる。
【００１９】
ターボ過給機６は、コンプレッサ６ａと、タービン６ｂとを備え、タービン６ｂが排気通路４のエキゾーストマニホルド５の出口に設けられている。タービン６ｂは、エキゾーストマニホルド５の出口から排出される排気により回転しタービン６ｂと連結してあるコンプレッサ６ａを作動させる。上述のように案内通路２０Ａは、エキゾーストマニホルド５の出口まで設けられている。また、エキゾーストマニホルド５の出口はタービン６ｂの入口に接続されている。従って、案内通路２０Ａは、タービン６ｂの入口まで延びている。
【００２０】
排気還流装置７は、＃１の気筒３に対応する分岐部１０と吸気通路３０とを接続する排気還流通路３１と、排気還流通路３１を通過する排気を冷却するクーラ３２と、吸気通路３０への排気の導入量を調整する弁３３とを備えている。排気還流装置７は、エキゾーストマニホルド５から排気の一部を取り出して吸気通路３０に還流させる装置である。
【００２１】
上述のように排気浄化装置１は、燃料添加弁２１によって燃料をエキゾーストマニホルド５の外側通路１６に設けられた案内通路２０Ａに添加することができる。そして、案内通路２０Ａに燃料を添加することにより、その燃料は案内通路２０Ａによって確実にエキゾーストマニホルド５の出口まで導かれる。従って、添加された燃料の排気還流通路３１への流入を抑制することができるため、その流入により生じる詰まりや内燃機関のトルク変動等を防止することができる。
【００２２】
（第２の形態）
次に、本発明の第２形態に係る排気浄化装置を説明する。図３は、本発明の第２形態に係る排気浄化装置が組み込まれた内燃機関を示している。この形態は、管状部材１７から案内通路２０Ｂの内部に向かって突出した突部としてのフィン４０が設けられていることを特徴とし、この特徴以外は第１形態と同一である。そのため、第１形態との共通部分の説明を省略する。フィン４０は、案内通路２０Ｂ内に先端部が臨んでいる燃料添加弁２１のその先端部より下流に４つ設けられている。図４は、図３におけるIV−IV線に関する断面模式図を示している。フィン４０は、案内通路２０Ｂに導入された排気の流れを妨げることのないように案内通路２０Ｂの長手方向に沿って延びている。フィン４０は、管状部材１７から突出しているため内側通路１５を流れる排気の熱を伝達し、熱交換機能を果たす。このため、案内通路２０Ｂ内を案内される燃料の蒸発が促進され、フィルタ２２を昇温させる性能が向上する。つまり、燃料の蒸発が促進されることによりフィルタ２２に燃料を行き渡らせることが容易になる。従って、所要の昇温性能を得るために添加すべき燃料量が少なくて済むので、燃費を向上させることができる。なお、突部としてのフィン４０は、一例にすぎない。突部は、管状部材１７から突出していればよく、形状や数が限定されるものではない。
【００２３】
本発明は、上記の各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。上記の各形態では、＃４の気筒３に対応する分岐部１０の外側通路１６の一部に案内通路２０Ａ、２０Ｂが設けられているが、これは一例にすぎない。例えば、＃４の気筒３に対応する分岐部１０の外側通路１６全体を案内通路２０Ａ、２０Ｂとして活用してもよい。また、案内通路２０Ａ、２０Ｂはいずれの分岐部１０に設けられてもよい。さらに、案内通路２０Ａ、２０Ｂは、管状部材１７から突出した２つの壁１８に区分される構成に限定されるものではなく、例えば、外側通路１６内に独立した管状部材（不図示）を設けることにより、その管状部材を案内通路として機能させることも可能である。また、エキゾーストマニホルド内に案内通路が設けられていればよく、エキゾーストマニホルドが二重構造に限定されるものではない。なお、内燃機関２が備える気筒も複数であればよく、４気筒に限定されるものではない。
【００２４】
また、排気浄化手段としてのフィルタ２２は、一例にすぎず、添加された燃料により排気浄化機能が回復するものであれば、種々のものを適用可能である。例えば、添加された燃料によって排気空燃比をリッチにすることにより、吸蔵したＮＯｘを放出させて窒素（Ｎ２）に還元するＮＯｘ還元や硫黄酸化物（ＳＯｘ）による被毒を回復させるＳ再生が行われる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が排気浄化手段として設けられていてもよい。また、このような吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が担持されてＮＯｘの浄化機能とＰＭの捕集機能とを兼備するフィルタが排気浄化手段として設けられていてもよい。
【００２５】
また、上記の各形態では、排気還流通路３１は、案内通路２０Ａ、２０Ｂが設けられた分岐部１０から離れた分岐部１０に接続されているが、この構成に限定されるものではない。添加された燃料が排気還流通路３１に流入することを案内通路２０Ａ、２０Ｂによって抑制できるため、排気還流通路３１はエキゾーストマニホルド５のどの位置に接続されてもよい。
【００２６】
上記の各形態では、ターボ過給機６及び排気還流装置７を備えた内燃機関２に本発明に係る排気浄化装置１を適用しているが、これらターボ過給機６及び排気還流装置７は必須の構成要素ではない。従って、ターボ過給機及び排気還流装置が設けられていない内燃機関に対して本発明を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１形態に係る排気浄化装置が組み込まれた内燃機関を示す図。
【図２】図１におけるII−II線に関する断面模式図。
【図３】本発明の第２形態に係る排気浄化装置が組み込まれた内燃機関を示す図。
【図４】図３におけるIV−IV線に関する断面模式図。
【符号の説明】
【００２８】
１  排気浄化装置
２  内燃機関
３  気筒
４  排気通路
５  エキゾーストマニホルド
６  ターボ過給機
６ｂ  タービン
１０  分岐部
１１  集合部
１５  内側通路
１６  外側通路
１７  管状部材
２０Ａ、２０Ｂ  案内通路
２１  燃料添加弁（燃料添加手段）
２２  フィルタ（排気浄化手段）
３０  吸気通路
３１  排気還流通路
４０  フィン（突部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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