(57)【要約】【課題】本発明は、添加剤噴射弁と触媒間で混合に必要な距離が確保されなくとも、十分に添加剤と排気ガスとを混合させることが可能な内燃機関の排気ガス浄化装置を提供する。【解決手段】本発明の内燃機関の排気ガス浄化装置は、添加剤噴射弁２３から噴射された添加剤の噴射流αと排気ガスとが衝突する位置Ｘから上流の排気管部分内に、当該排気管部分内を流れる排気ガスの排気ガス流を、添加剤の噴射流αの両側へ向かせる流れに変える変更体３０を設けた。同構成により、噴射された添加剤の噴射流αへ向かう排気ガスは、変更体３０によって、噴射流αの両側へ向かう流れに変えられるから、排気ガスは、噴射流αの側方からそれぞれ衝突するという、正面のみならず、両側といった多くの場所で、添加剤と急速に混合する機会が与えられ、添加剤と十分に混合する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから排気された排気ガスを外部へ導く排気管部と、
前記排気管内に収められた触媒と、
前記触媒の上流の排気管部分に設けられ、前記触媒に添加剤を供給する添加剤噴射弁と、
前記添加剤噴射弁から噴射された添加剤の噴射流と排気ガスが衝突する位置から上流の排気管部分内に設けられ、当該排気管部分内を流れる排気ガスの排気ガス流を、前記添加剤の噴射流の両側へ向かせる流れに変える変更体と
を具備したことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記変更体は、
前記排気管部分内に、当該排気管部分内で形成される排気ガス通路を前記噴射流の軸線を境に分けるように設けられ、前記排気ガス通路の排気ガス流を前記噴射流の両側へ振り分ける柱状の本体と、
この本体の両側面にそれぞれ形成され、分けた排気ガス流をそれぞれ前記噴射流の側方から衝突させる向きに誘導する翼形面と
を有し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ガス浄化装置。
【請求項３】
前記本体は、前記排気管部分の上流側に頂部が向き、下流側に辺部が向く三角形状の断面を有し、かつ前記下流側に向く辺部の面を、前記噴射流に対し、該噴射流の基端側から該噴射流の先端に向かいにしたがい、漸次、広くした三角柱状部材から構成され、
前記翼形面は、この三角柱状部材の両側の面に形成される
ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記三角柱状部材は、排気ガスが流れる方向の長さ寸法が、前記噴射流の基端側で短く、該噴射流の先端側へ向かうにしたがい長くして構成され、
前記翼形面は、この三角柱状部材の両側の面の全体に一様に形成される
ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒に添加剤の噴射を行う構造をもつ内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン車（車両）の排気ガスの浄化には、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）やＰＭ（パティキュレートマター）の大気への放出を防ぐために、吸蔵型ＮＯｘ触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒やパティキュレートフィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）などを組み合わせた排気ガス浄化装置が用いられる。
【０００３】
こうした排気ガス浄化装置には、エンジンから排気された排気ガスを外部へ排気する排気管部内に、前段触媒と呼ばれる、酸化触媒やＮＯｘトラップ触媒や選択還元型ＮＯｘ触媒などの触媒を設け、触媒の上流側、例えば酸化触媒の上流に、該触媒の反応に求められる燃料を噴射する燃料添加弁（還元剤を添加するもの）などを設けた構造が採用される。
このような排気ガス浄化装置において、前段触媒を効率よく反応させるためには、前段触媒へ燃料が流入する前に、噴射された燃料と排気ガスとを十分に混合させることが重要である。
【０００４】
このためには、燃料添加弁から触媒までの区間において、十分な燃料の飛翔距離を確保することが求められる。
しかし、最近のようにエンジンの冷態時の浄化効率を高めるため、エンジンの排気側の近くに触媒を配置するようになると、十分な燃料の混合をもたらす飛翔距離が確保し難い。
【０００５】
具体的には、エンジンの排気側の近くに触媒を配置する場合、エンジンルームを考慮して、特許文献１に開示されているようにエンジン本体の排気直後に屈曲部を形成し、屈曲部の直下流に、触媒を収める領域を確保し、この領域に触媒を収めるという工夫を採用しないと、限られたエンジンルームでは、できるだけエンジン本体に近付けて触媒を配置するのは難しい。燃料添加弁は、この触媒の上流に設置するため、多くは、特許文献１のように屈曲部から触媒へ燃料を噴射することが余儀なくされる。
【０００６】
このため、エンジンの近くに触媒を配置する排気ガス浄化装置だと、レイアウト上、燃料添加弁と触媒との間で、燃料と排気ガスとを十分に混合させる距離を確保するのは難い。
その対策として、特許文献２に開示されているような排気管部から離れた地点に燃料添加弁を配置して、遠ざけた地点から触媒へ燃料を噴射させる構造が提案されている。
【特許文献１】特開２００５−１２７２６０号公報
【特許文献２】特開２００４−  ４４４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、排気管部から遠ざけて燃料添加弁を据付け、燃料添加弁と触媒との間の距離を稼ぐためには、かなり遠くまで延びる燃料噴射路（噴射燃料が通過する通路）が必要になる。このため、エンジンルームやエンジン本体の周囲の制約などから、十分な距離を確保するのは難しい。しかも、同燃料噴射路は、排気管部から退避するために、内部は澱みやすく、燃料と排気ガスとの混合が良好に行われないという問題もあり、依然、触媒に流入する前に、燃料と排気ガスとを十分に混合させることは難しい。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、添加剤噴射弁と触媒間で混合に必要な距離が確保されなくとも、十分に添加剤と排気ガスとを混合させることを可能にした内燃機関の排気ガス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】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、添加剤噴射弁から噴射された添加剤の噴射流と排気ガスとが衝突する位置から上流の排気管部分内に、当該排気管部分内を流れる排気ガスの排気ガス流を、添加剤の噴射流の両側へ向かせる流れに変える変更体を設けた。
同構成により、噴射された添加剤の噴射流へ向かう排気ガスは、変更体によって、噴射流の両側へ向かう流れに変えられるから、噴射された添加剤には、側方からそれぞれ排気ガスが衝突するといった、正面のみならず、両側といった多くの場所で、添加剤と急速に混合する機会が与えられる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、さらに簡単な構造で、排気ガス流の向きが変えられるよう、変更体には、排気管部分内に、当該排気管部分内で形成される排気ガス通路を噴射流の軸線を境に分けるように設けた、排気ガス通路の排気ガス流を噴射流の両側へ振り分ける柱状の本体と、同本体の両側面にそれぞれ形成された、振り分けた排気ガス流をそれぞれ噴射流の側方から衝突させる向きに誘導する翼形面とを組み合わせた構成を採用した。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、さらに、コーン状の噴射流の全体に排気ガスが有効に衝突し得るよう、柱状の本体には、排気管部分の上流側に頂部が向き、下流側に辺部が向く三角形状の断面を有し、かつ下流側に向く辺部側の面を、噴射流に対し、噴射流の基端側から噴射流の先端に向かいにしたがい、漸次、広くした三角柱状部材を用い、翼形面は、この三角柱状部材の両側の面に形成される構成として、コーン状の噴射流の形状にならう衝突流が得られるようにした。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、さらにコーン状の噴射流との混合に適した衝突流が安定して得られるよう、三角柱状部材は、排気ガスが流れる方向の長さ寸法を、噴射流の基端側で短く、噴射流の先端側へ向かうにしたがい長くし、翼形面は、この三角柱状部材の両側の面の全体に一様に形成される構成にして、コーン状の噴射流の両側へ向かう衝突流が一様に形成されるようにした。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、変更体により、噴射された添加剤の噴射流には、側方からそれぞれ排気ガスが衝突するという、正面のみならず、両側といった多くの場所で、添加剤と急速に混合する機会が与えられる。
それ故、添加剤添加弁から噴射された添加剤は、たとえ添加剤噴射弁と触媒間で混合に必要な距離が確保されなくとも、添加剤は、触媒に流入される前に、十分に排気ガスと混合させることができる。この結果、触媒の機能を十分に発揮させることができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、さらに変更体は、柱状の本体と、同本体の両側面の翼形面とを組み合わせた簡単な構造で、排気ガス流の向きを変えることができる。
請求項３の発明によれば、さらに、排気管部分の下流側に向く辺部側の面を噴射流の基端側から先端に向かうにしたがい広くした三角柱状部材の本体の採用により、添加剤の噴射流の両側へ向かう衝突流は、噴射流の全体に有効に供給され、効果的に噴射流の添加剤と排気ガスとを混合させることができる。
【００１５】
請求項４の発明によれば、噴射流の形状に合わせた一様な翼形面が実現されるから、噴射流の両側へ向かう衝突流を一様に形成することができ、安定した添加剤と排気ガスとの混合が約束できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を図１〜図３に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は内燃機関、例えばディーゼルエンジンの排気系を示し、図２および図３はそれぞれ変更体が設置された部位を示している。
図１中１は、ディーゼルエンジンのエンジン本体、１ａは同エンジン本体１のエキゾーストマニホールド（一部しか図示せず）、２はそのエキゾーストマニホールド１ａの出口に接続されたターボチャージャを示す。
【００１７】
ターボチャージャ２の排気出口には、排気ガス浄化装置３が設けられている。この排気ガス浄化装置３には、例えば、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵し、定期的に吸蔵したＮＯｘを還元除去するＮＯｘ除去系３ａと、ＰＭ（パティキュレートマター）を捕集するＰＭ捕集系３ｂとを組み合わせた装置が用いられている。
例えば、ＮＯｘ除去系３ａには、ターボチャージャ１ａの排気出口から、下方へ向うように連結された、前段触媒となる酸化触媒５（本願の触媒に相当）が内蔵された触媒コンバータ６と、同触媒コンバータ６の後に横方向に連結された、ＮＯｘトラップ触媒８が内蔵された触媒コンバータ９と、後述する酸化触媒５へ触媒反応用の燃料を供給する燃料添加弁２３（本願の添加剤噴射弁に相当）とを組み合わせた構成が用いられている。また捕集系３ｂには、触媒コンバータ９に、パティキュレートフィルタ１１が内蔵された触媒コンバータ１２を連結した構成が用いられている。これらの触媒コンバータ６，９，１２や同コンバータ間をつなぐ接続部１３などから、ディーゼルエンジン（エンジン本体１）から排気された排気ガスを外部へ導く排気管部１５を構成している。そして、この排気管部１５の内部で形成される通路を排気ガス通路１６としている。
【００１８】
このうち触媒コンバータ６の酸化触媒５を収容している縦筒形のハウジング１７は、例えば上部側がほぼＬ形に成形されていて、上側のターボチャージャ２と接続される入口部１７ａを横向きに配置させている。なお、下側の触媒コンバータ９と連通する出口部１７ｂは、下向きの配置となっている。このハウジング１７により、排気管部１５のうちのディーゼルエンジンの排気側の直後となる地点に、ほぼＬ形に屈曲した屈曲部１５ａを形成している。酸化触媒５は、この屈曲部１５ａの直下の地点（ディーゼルエンジンの排気側に近い地点）に収めてある。
【００１９】
燃料添加弁２３は、この酸化触媒５へ、触媒反応に求められる燃料の噴射を果たすために、酸化触媒５の直上の地点、例えば屈曲部１５ａの外周部に設けられている。この燃料添加弁２３は、燃料を噴射する燃料噴射部を先端部にもつ。屈曲部１５ａの出口側からは、屈曲部１５ａから離れる方向、すなわち外側へ延びる筒形部２４が分岐されている。燃料添加弁２３は、この筒形部２４の先端部に、取付フランジ２４ａおよび台座２５を用いて設置されている。これにより、燃料添加弁２３の先端部の燃料噴射部を、筒形部２４の内部空間で形成される燃料噴射路に臨ませている。筒形部２４は、屈曲部１５ａの曲がり方向とは反対側へ傾いていて、同姿勢にて、燃料添加弁２３から燃料が、酸化触媒５（触媒）へ向けて噴射されるようにしている。
【００２０】
燃料添加弁２３から噴射される燃料は、酸化触媒５の反応により還元剤を生成し、この還元剤でＮＯｘトラップ触媒８に吸蔵されたＮＯｘ及びＳＯｘを還元除去したり、同じく酸化触媒５の反応で得た熱により、パティキュレートフィルタ１１で捕集したＰＭを燃焼除去したりするのに用いるものである。そのため、燃料添加弁２３は、ディーゼルエンジンを制御する制御部、例えばＥＣＵ（図示しない）によって、ディーゼルエンジンの運転中、ＮＯｘ及びＳＯｘの還元除去、ＰＭの燃焼除去といった、触媒反応が求められるときに燃料が噴射されるようになっている。
【００２１】
一方、屈曲部１５ａの出口側には、上記変更体であるところのガス流制御体３０が収められている。詳しくはガス流制御体３０は、燃料添加弁２３から噴射された燃料の噴射流αと屈曲部１５ａの出口側を通過する排気ガスの排気ガス流とが衝突する位置Ｘから上流、ここでは位置Ｘから直上流の地点となる排気管部分内に設けられている。
このガス流制御体３０にて、排気管部分内を流れる排気ガスの排気ガス流を、噴射された燃料の噴射流αの両側へ向かせるようにしている。このガス流制御体３０には、図３に拡大して示されるような柱状の部材、例えば三角柱状部材で構成した構造が用いられている。
【００２２】
すなわち、ガス流制御体３０について説明すると、３１はガス流制御体３０の本体である。本体３１には、噴射流αの軸線に沿って延びる、ほぼ二等辺三角形状の断面をもつ柱状の部材が用いられている。この本体３１が、図２に示されるように排気管部分内の中央で、頂角部３１ａ（頂部）側が上流に向き、反対側の辺部３１ｂが下流に向くように設置してあり、該排気管部分内の排気ガス通路を、噴射流αの軸線を境に左右両側に分けている。つまり、三角柱状の本体３１により、排気ガス通路２６を流れる排気ガスが、噴射流αと衝突する位置Ｘの直上流の地点から、噴射流αの左右両側へ振り分けられるようにしている。
【００２３】
本体３１の両側の面（分けた通路に臨む面）には、それぞれ翼形面３２が形成されている。翼形面３２，３２は、いずれも図２および図３に示されるように本体１から離れる排気ガス流を、燃料の噴射流αを両側から挟み込む流れにコントロールする翼面形状で形成されている。つまり、翼形面３２，３２により、振り分けた排気ガス流れが、それぞれ燃料の噴射流αの側方へ向かう向きに誘導される。これにて、噴射流αの側方から衝突する衝突流ａが得られるようにしている。
【００２４】
特に本体３１は、図３にも示されるように辺部３１ｂ側の面３１ｃが、噴射される燃料の噴射流αのコーン状にならい、噴射流αの基端側から先端部に向かうにしたがって、漸次、広くしてある。これにより、コーン状の基端側の小断面形状部分に対しては、その小断面形状部分に適した衝突流ａが得られ、コーン状の先端側の大断面形状部分に対しては、その大断面形状に適した衝突流ａが得られる構造にしている。つまり、コーン状の噴射流αの全体形状に適した衝突流αが得られるようにしている。図３中のＡは、面３１ｃにおける噴射流基端側の最も狭い幅寸法を示し、同じくＢは、同じく噴射流先端側の最も広い幅寸法を示している。
【００２５】
また本体３１は、図３にも示されるように排気ガスが流れる方向の長さ寸法が、燃料の噴射流αの基端側で短く、噴射流の先端側へ向かうにしたがい長くしてある。この本体３１の両側の面の全体には一様に上記翼形面３２が形成されていて、コーン状の噴射流αの形状に合わせた一様な翼面形状が実現される。この翼形面３２により、コーン状の噴射流αに対して、一様の衝突流αが形成されるようにしている。図３中のＣは、本体３１の排気ガス流通方向長さのうち、噴射流基端側の最も短い長さ寸法を示し、Ｄは、同じく噴射流先端側の最も長い長さ法を示している。
【００２６】
つぎに、このように構成された排気ガス浄化装置３の作用を説明する。
今、ディーゼルエンジンが運転中であるとする。このとき、ディーゼルエンジンから排気された排気ガスは、エキゾーストマニホールド１ａ、ターボチャージャ２、屈曲部１５ａ、ガス流制御体３０、酸化触媒５、ＮＯｘトラップ触媒８およびパティキュレートフィルタ１１を通じて、外気へ排気される。
【００２７】
この際、排気ガス中に含まれるＮＯｘ及びＳＯｘは、ＮＯｘトラップ触媒８に吸蔵され、同じくＰＭは、パティキュレートフィルタ１１により捕集される。
ここで、吸蔵されたＮＯｘ及びＳＯｘや捕集されたＰＭを除去する時期となり、燃料添加弁２３が作動したとする。
これにより、燃料添加弁２３からは、ＮＯｘやＳＯｘやＰＭを除去するための燃料が、筒形部２４内を通じて、図１に示されるように酸化触媒５へ噴射される。
【００２８】
このとき、ガス流制御体３０を通過する排気ガス流は、三角柱形状の本体３１により、噴射流αの両側に振り分けられる。さらに振り分けた排気ガス流は、図２および図３に示されるように翼形面３２により、噴射した燃料の噴射流αの両側を挟み込む流れに誘導される。これにより、噴射流αの側方へ向かう衝突流ａが生成される。
この衝突流ａにより、燃料の衝突流αには、正面から排気ガスが衝突するだけでなく、両側からもそれぞれ排気ガスが衝突する。すると、噴射流αの軸心を取り囲む複数箇所で、燃料と排気ガスとの混合が行われる。
【００２９】
これにより、噴射された燃料は、正面のみならず、両側といった多くの場所で、排気ガスと急速に混合する機会が与えられる。これで、燃料は、排気ガスと十分に混合する。この混合した燃料と排気ガスが、酸化触媒５へ供給される。
したがって、ガス流制御体３０の設置により、噴射された燃料と排気ガスとを混合させる機会を、噴射流αを取り囲む、正面、両側といった数多く場所で確保できるから、たとえ燃料添加弁２３と酸化触媒５間で混合に必要な距離が確保されなくとも、酸化触媒５（触媒）に流入される前に、十分に排気ガスと燃料とを混合させることができる。この結果、酸化触媒５の機能を十分に発揮させることができる。特にガス流制御体３０には、柱状の本体３０と、同本体３０の両側面の翼形面３１とを組み合わせた構造を用いたので、簡単な構造で、流路抵抗を抑制しつつ、排気ガス流の向きを変えることができる。
【００３０】
しかも、ガス流制御体３０の本体３１には、噴射流αの基端側から先端に向かうにしたがい面３１ｃを広くした三角柱状部材を用いたことにより、コーン状の噴射流αの全体と衝突する衝突流ａが得られるから、コーン状の噴射流αの全体に有効に排気ガスを供給することができ、効果的に噴射流αの燃料と排気ガス流の排気ガスとを混合させることができる。特に本体３０の排気ガス流通方向の長さ寸法を、噴射流αの基端側で短く、噴射流αの先端側へ向かうにしたがい長くすると、本体３０の両側面の全体には、噴射流αの形状に合わせた一様な特性の翼形面３２が形成できるから、コーン状の噴射流αの両側へ向かう衝突流αが一様になる。このため、常に安定した燃料と排気ガスとの混合ができる。
【００３１】
なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば一実施形態では、屈曲部が形成された排気管部を用いた排気ガス浄化装置を挙げたが、これに限らず、屈曲部が無い排気管部を用いた排気ガス浄化装置にも、本発明を適用してもよい。また一実施形態では、前段触媒として酸化触媒を用い、その下流にＮＯｘトラップ触媒、パティキュレートフィルタを設けた排ガス浄化装置に本発明を適用した例を挙げたが、これに限らず、他の浄化方式の排気ガス浄化装置、例えば前段触媒としてＮＯｘトラップ触媒を用い、その下流にパティキュレートフィルタを設け、ＮＯｘトラップ触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置でも、前段触媒としてＮＯｘトラップ触媒を用い、その下流にＮＯｘトラップ触媒、酸化触媒、パティキュレートフィルタを設け、ＮＯｘトラップ触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置や添加剤噴射弁の直下流に選択還元型触媒やパティキュレートフィルタを設けた排気ガス浄化装置などに本発明を適用しても構わない。
【００３２】
さらに、上述した一実施形態では、添加剤として燃料を用いて説明したが、触媒に供給するものであれば何でもよく、例えば還元剤としての軽油，ガソリン，エタノール，ジメチルエーテル，天然ガス，プロパンガス，尿素，アンモニア，水素，一酸化炭素などでもよい。また、還元剤以外の物質でもよく、例えば触媒冷却のための空気，窒素，二酸化炭素などや，パティキュレートフィルタに捕集した煤の燃焼除去を促進させるための空気やセリアなどでもよい。
【００３３】
また、上述した一実施形態では、燃料添加弁２３の噴射形状としてコーン状を用いて説明したが、偏平で扇状に拡がる添加剤噴射弁でもよい。この場合、噴射面が大きい扇状に広がる面に排ガスを衝突させるような構造とすることで同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置を示す斜視図。
【図２】同装置の変更体が設置された排気管部分の平断面図。
【図３】同変更体の構造を、同変更体によって流れの向きが変えられた排気ガスの挙動と共に示す斜視図。
【符号の説明】
【００３５】
１  エンジン本体
３  排気ガス浄化装置
５  酸化触媒（触媒）
１５  排気管部
２３  燃料添加弁（添加剤噴射弁）
３０  ガス流制御体（変更体）
３１  本体
３１ａ  頂角部（頂部）
３１ｂ  辺部
３２  翼形面
Ｘ  衝突位置
ａ  衝突流
α  噴射流
【図１】
2009156076.tif 000003
【図２】
2009156076.tif 000004
【図３】
2009156076.tif 000005