JP4985976B2

JP4985976B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP4985976B2
Application number: JP2007332377A
Authority: JP
Inventors: 和人前原; 一雄古賀; 肇石井; 光高小島
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp; Mitsubishi Automotive Engineering Co Ltd
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-12-25
Also published as: JP2009156069A

Description

本発明は、触媒の反応に求められる燃料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。

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。
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内に、前段触媒と呼ばれる、酸化触媒や吸蔵型ＮＯｘ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つつある。

ところで、常に燃料添加弁を正常に機能させるためには、燃料添加弁の耐熱温度を超える使用を避けたり、噴射詰まりの要因となる燃料添加弁の先端部にデジポットが生成されるのを避けたりすることが求められる。
このためには、燃料添加弁を排気ガス流から遠ざけて、高温の排気ガスに、燃料が噴射する先端部が晒されないようにすることが有効である。そのため、排気ガス浄化装置では、特許文献１に開示されているように排気管に、別途、凹部や筒形部で形成される噴射通路を設けて、同噴射通路を通じて、燃料添加弁から燃料を排気管内へ噴射させる構造が提案されている。多くは、噴射通路は、一方の端が排気管内に開口し、他方の端に燃料添加弁が設置されていて、燃料添加弁から噴射された燃料を、排気管から離れた地点から排気管内へ噴射させる構造が用いられている。
特開２００４−４４４８３号公報

ところで、こうした排気管から遠ざけた地点から燃料を噴射する構造は、噴射通路が排気管に対して退避しているため、排気管を流れる排気ガスの流れが、噴射通路の内部までは波及しにくい。つまり、噴射通路内には澱んだ部分が生じやすい。このため、噴射通路に噴射された燃料は、噴射通路で止まりやすい。
したがって、噴射通路内に噴射された燃料は、蒸発することなく噴射通路の壁面に付着することが考えられ、付着した燃料がバインダーとなって、排気ガスに含まれる煤を噴射通路に付着させてしまう。

それ故、燃料添加弁から燃料が噴射される都度、煤が徐々に壁面に堆積して、煤で噴射通路内を塞ぐおそれがある。このため、触媒の反応に影響を与え、排気ガス浄化性能が維持できなくなるおそれがある。
そこで、本発明の目的は、噴射通路内における添加剤の堆積が抑えられる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、エンジンから排気された排気ガスを外部へ導く排気管と、排気管部内に収められた触媒と、触媒の排気上流側に位置し触媒に添加剤を供給する添加剤噴射弁と、一端側に添加剤噴射弁が設けられ、他端側が排気管に連通するとともに添加剤噴射弁から添加剤が噴射される噴射通路と、噴射通路内に、添加剤噴射弁から噴射された添加剤と干渉せずに、噴射通路の壁面を覆うように配設された、エンジンの運転によって発生するエンジン振動に共振する振動体とを具備した構成を採用した。
同構成によると、振動体の振動により、添加剤の噴射通路の各部への付着が抑えられる。これにより、添加剤噴射弁は、常に良好に噴射が行え、常に良好に排気ガス浄化性能が維持される。

請求項２に記載の発明は、エンジンから排気された排気ガスを外部へ導く排気管と、排気管部内に収められた触媒と、触媒の排気上流側に位置し触媒に添加剤を供給する添加剤噴射弁と、一端側に添加剤噴射弁が設けられ、他端側が排気管に連通するとともに添加剤噴射弁から添加剤が噴射される噴射通路と、噴射通路内に、添加剤噴射弁から噴射された添加剤と干渉せずに、噴射通路の壁面を覆うように配設された、通電により発熱可能で、かつエンジンの運転によって発生するエンジン振動に共振可能な放熱体と、排気管外に設けられ、放熱体へ通電させ放熱体を発熱させる通電回路とを具備した構成を採用した。つまり、添加剤を焼滅させる技術と、振動により、煤を付着しにくくする技術とを採用した。

請求項１の発明によれば、振動体を用いて、添加剤を付着しにくくするという簡単な構造で、添加剤の噴射通路の各部への付着を抑えることができる。それ故、添加剤が噴射通路内で堆積するのを防ぐことができる。
請求項２の発明によれば、添加剤を焼滅させる技術と、振動により、煤を付着しにくくする技術との複合により、一層、有効に、添加剤が噴射通路内に堆積するのを防ぐことができる。

以下、本発明の基礎となる技術を、図１および図２を用いて説明する。
図１はディーゼルエンジン（内燃機関）の排気系を示している。同図中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過給機、例えばターボチャージャを示している。

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、吸蔵型ＮＯｘ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（本願の排気管に相当）を構成している。

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Ｌ形に成形されていて、上部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、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、ディーゼルエンジンの排気側の直後の地点に、Ｌ形に屈曲した屈曲部１５ａを形成している。この屈曲部１５ａの直下となる地点に酸化触媒５が設置されている。

燃料添加弁２３（添加剤噴射弁）は、この酸化触媒５への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の外周側の壁部に設けられている。燃料添加弁２３は、燃料を噴射する燃料噴射部２３ａを先端部にもつ。この燃料添加弁２３が、台座２４を用いて、先端の燃料噴射部２３ａを屈曲部１５ａから退避させて据付けてある。この燃料添加弁２３の据付構造が図２に拡大して示されている。

燃料添加弁２３の据付構造を具体的に説明すると、台座２４は、例えば円柱形の台部材で構成してある。このうち台座２４の上部中央には、中段まで延びる弁取付孔２５が形成してある。下部中央には、弁取付孔２５の下端から、台部材の下端まで連続する円筒形の凹部２６が形成されている。また台座２４の下部の周縁部には、凹部２６を囲むようにフランジ２７が形成されている。台座２４は、このフランジ２７を、ガスケット１９ａを介して、屈曲部１５ａに形成されている弁取付口１９の開口縁部にねじ止めすることによって、屈曲部１５ａの外周部に固定してある。

燃料添加弁２３は、この台座２４の弁取付孔２５へ先端部を挿入し、本体部２３ｂを、押え部材（図示しない）で、台座２４の上面に押え付けることによって固定される。そして、燃料添加弁２３の先端部の燃料噴射部２３ａを凹部２６内に臨ませている。これにより、排気ガス流から遠ざけた地点から、酸化触媒５（触媒）の反応に求められる燃料（例えばディーゼルエンジンの燃料である軽油など）が、凹部２６を通じて、排気管部１５内へ噴射、すなわち酸化触媒５の入口端面へ向かって噴射されるようにしている。つまり、燃料添加弁２３を排気ガスの主流から遠ざけた位置に据付けることによって、燃料噴射部２３ａが高温の排気ガス流に晒されずに噴射が行えるようにしている。これで、燃料添加弁２３の耐熱温度が超過したり、燃料添加弁２３がデジポットを発生しやすい温度になったりするのを避けている。台座２４の内部には、さらに温度超過を抑えるために、冷却水路２８が形成されていて、燃料添加弁２３が冷却水で冷却される構造ともなっている（水冷）。

なお、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、この還元剤で吸蔵型NOX触媒８に吸蔵されたＮＯｘやＳＯｘを還元除去したり、同じく酸化触媒５の反応で得られる昇温により、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や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。

また噴射通路２６ａ内には、排気ガスに含まれる煤が噴射通路２６ａの壁面に付着するのを抑制する煤付着抑制部３０が設けられている。例えば煤付着抑制部３０には、放熱体３２を噴射通路２８内に配置し、放熱体３２から放熱される熱で、煤の乾燥させる構造が用いられている。

図２を参照して同構造を説明すると、放熱体３２は、高伝導性の部材、例えば鋼板製やアルミ製の薄板から、凹部２６の壁面を内側から覆う有底の筒形形状に形成してある。この放熱体３２は、例えば環状の止め部材３４によって弁取付口１９の開口縁部に固定され、放熱体３２の端面を凹部２６の端面に近接、放熱体３２の外周面を凹部２６の側面に近接させてある。また燃料噴射部２３ａと向き合う放熱体３２の端壁中央には、燃料噴射部２３ａから噴射される燃料を通過させるための貫通孔３５が形成され、凹部２６の内面を覆う放熱体３の内部を噴射通路２６ａとしている。これにより、燃料添加弁２３から噴射された燃料が、放熱体３２と干渉せずに、噴射通路２６ａを通じて、屈曲部１５ａ内（排気管内）へ噴射できるようにしている。

この放熱体３２へ熱を供給するには、例えばディーゼルエンジンの排気ガスの熱を供給する構造が用いられている。同構造には、図２に示されるように例えば放熱体３２の開口側の端部に環状のフランジ部３２ａを形成し、同フランジ部３２ａを、屈曲部１５ａ内（排気管内）で、屈曲部１５ａの外周側の壁面に沿って配置して、排気ガスの熱をフランジ部３２ａから取り込む構造が用いられている。つまり、フランジ部３２ａを受熱部３７として、屈曲部１５ａ内を流れる排気ガスの熱が、放熱体３２へ伝わり、放熱体３２の各部から放熱されるようにしている。これにより、放熱体３２や内部の噴射通路２６ａを高温に加熱し続けて、噴射通路２６ａ内で澱んでいる蒸発燃料をガス化させたり、蒸発燃料で粘着性がもたらせられた煤を乾燥させたりする。これで、煤が噴射通路２６ａへ付着するのが抑えられるようにしている。

すなわち、同作用について説明すると、ディーゼルエンジンの運転中、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、酸化触媒５、吸蔵型NOX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。
排気ガス中に含まれるＮＯｘやＳＯｘは、吸蔵型NOX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。

このとき、排気ガスの熱は、フランジ部３２ａ（受熱部３７）を通じて、有底の筒形の放熱体３２の各部へ伝わる。これにより、放熱体３２の各部はもちろん、放熱体３２から放熱される排気ガスの熱により、噴射通路２６ａの内部も高温に加熱される。
吸蔵されたＮＯｘまたはＳＯｘや捕集されたＰＭを除去する時期となり、燃料添加弁２３の燃料噴射部２３ａから、これらの除去のために燃料が噴射されたとする。

すると、燃料は、図１および図２に示されるように貫通孔３５、放熱体３２内（噴射通路２６ａ）を通じて、酸化触媒５の入口端面へ噴射される。αはその燃料の噴射流を示す。
ここで、噴射通路２６ａは、排気ガス流から退避した地点に形成されているので、排気ガスが流れにくく、澱みが生じやすい。この澱みのため、噴射通路２６ａ内で蒸発した燃料は、そのまま、噴射通路２６ａに止まり、同燃料がバインダーとなって、排気ガスに含まれる煤Ｐを周囲へ付着させようとする。

このとき、噴射通路２６ａは、噴射通路２６ａを囲むように設けた放熱体３２によって、排気ガスの熱を熱源に高温に加熱されているから、噴射通路２６ａの蒸発した燃料はガス化される。また蒸発燃料によって粘着性をもつ煤Ｐは、燃料成分が蒸発することにより、乾燥される。
この乾燥した煤Ｐは、蒸発燃料のバインダーとして機能が解消されているので、噴射通路２６ａの壁面には付着しにくい。このため、乾燥した煤Ｐは、落下して、排気管の内部、すなわち屈曲部１５ａ内へ至り、そのまま、屈曲部１５ａを流れる排気ガス流に導かれる。

したがって、煤Ｐの噴射通路２６ａの各部へ付着は抑えられ、煤Ｐが噴射通路２６ａで堆積するのを防ぐことができる。
それ故、燃料添加弁２３は、常に良好に燃料噴射を行うことができ、常に良好な排気ガス浄化性能を維持することができる。しかも、放熱体３２を用いて、煤Ｐを乾燥させる構造は、簡単な構造である。特に熱源部として、放熱体３２の一部を屈曲部１５ａ内に延長して、排気ガスの熱を取り入れる構造（受熱部３７）を採用すると、容易に、煤Ｐの乾燥に求められる熱を入手することができる。

そのうえ、放熱体３２には、凹部２６の内面を覆う形状、すなわち噴射通路２６ａを囲う形状を採用したので、噴射通路２６ａを迅速に高温にしやすい利点がある。
図３は、本発明の参考となる実施形態を示す。
同実施形態は、フランジ（受熱部）から排気ガスの熱を取り込む構造を用いたのではなく、放熱体３２自体を電気ヒーターとして機能させて、放熱体３２から熱が放熱（発熱）されるようにしたものである。

具体的には、図３に示されるように排気管外に通電回路４０を設け、この通電回路４０と放熱体３２とを接続して、通電回路４０から供給される電力で、放熱体３２を電気ヒーターとして機能させ、放熱体３２の各部から熱が放熱されるようにしたものである。
このようにして、蒸発燃料と付着した煤Ｐを乾燥させると、煤Ｐの噴射通路２６ａ内の各部における付着が抑えられ、同煤Ｐの堆積を防ぐことができる。なお、この場合には放熱体の温度をさらに上げて煤Ｐ自体を焼滅させてもよい。もちろん、図３中の二点鎖線に示されるようにフランジ３７（受熱部）から排気ガスの熱を取り込む構造を併用してもよい。

但し、図３において、発明の基礎となる技術の形態と同じ部分には、同一符号を付して、その説明を省略した。
図４および図５は、本発明の第１の実施形態を示す。
本実施形態は、熱的に煤Ｐの付着を解消した構造を用いたのではなく、振動によって煤Ｐの付着を解消した構造を用いたものである。

すなわち、本実施形態の煤付着抑制部３０は、放熱体の代わりに、例えば発明の基礎となる技術の形態で用いたのと略同じ外形をもつ振動体４５を用い、共振構造５０を用いて、振動体４５に振動を与える構造が用いられている。具体的には、振動体４５は、図５に示されるように例えばアルミ製や鋼板製の薄板から有底の筒形形状に形成されている。開口縁部にはフランジ４６が形成してある。このフランジ４６の基部には、例えば複数個所、切欠部４７が形成されていて、剛性が弱くなった基部部分を利用して、有底筒形の本体部４５ａをフランジ４６に対して、上下方向や左右方向に振れやすくしている。

共振構造５０には、図４に示されるようにフランジ４６を、フランジ２７、ガスケット１９ａ、弁取付口１９の開口縁部と共に固定して、本体部４５ａを振動可能に設置する構造が用いてある。つまり、振動体３４の本体部４５ａは、フランジ４６の基部を支点に振動可能となる。これにより、ディーゼルエンジンの運転によって発生するエンジン本体１の振動が、排気管部１５から振動体４５へ加わると、図４中の矢印方向ｘのように振動体４５の本体部４５ａは共振する。

このように振動体４５が振動すると、噴射通路２６ａ内で止まる煤Ｐは、振動体４５への付着が妨げられる。つまり、振動体４５の振動によっても、煤Ｐが噴射通路２６ａへ付着するのを抑えられる。
したがって、煤Ｐが噴射通路２６ａで堆積するのを防ぐことができる。しかも、振動体４５を用いた構造も、簡単である。そのうえ、振動体４５には、振動体４５の一部に剛性の弱い部分を形成して、エンジン本体１から加わる振動で、共振させる構造が採用してあるので、簡単な構造ですむ。

但し、図４および図５において、発明の基礎となる形態と同じ部分には、同一符号を付して、その説明を省略した。
図６は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、煤付着抑制部として、煤Ｐを乾燥させて、煤Ｐを付着しにくくする技術と、振動により、煤Ｐを付着しにくくする技術とを複合させた構造を用いた。

具体的には、本実施形態の煤付着抑制部３０は、例えば図４に示す共振可能な筒形の振動体４５に、通電回路６０を接続した構造を採用して、通電回路６０からの通電により、振動体４５が発熱されるようにしたものである。つまり、振動体４５は、エンジン本体１の振動によって共振されるだけでなく、通電がもたらす振動体４５の各部からの放熱により、噴射通路２６ａを加熱する。

すると、噴射通路２６ａでは、煤Ｐを乾燥させて振動により落とすという、２つの機能が相乗した作用が発生する。
したがって、煤Ｐを乾燥させる技術と、振動で煤Ｐの付着を避ける技術との複合により、一層、有効に、煤Ｐが噴射通路２６ａ内に堆積するのを防ぐことができる。もちろん、煤Ｐを乾燥させる技術には、図２や図３の二点鎖線で示されるようにフランジ（受熱部）を用いて熱を取り込む構造を用いても構わない。

但し、図６において、第１の実施形態と同じ部分には、同一符号を付して、その説明を省略した。
なお、本発明は上述したいずれの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。

また上述の実施形態では、屈曲部の直下流の触媒として酸化触媒を用い、その下流に吸蔵型NOX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、例えば屈曲部の直下流の触媒として吸蔵型NOX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、吸蔵型NOX触媒の上流に添加弁を設けた排気ガス浄化装置でも、屈曲部の直下流の触媒として吸蔵型NOX触媒を用い、その下流に吸蔵型NOX触媒、酸化触媒、パティキュレートフィルタを設け、吸蔵型NOX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。

さらに、上述した実施形態では、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。また、燃料添加弁２３の噴射形状としてはコーン状の他に偏平で扇状に拡がる添加剤噴射弁や複数の噴射孔より添加剤が噴射される添加剤噴射弁でもよい。

さらに、上述の実施形態では、噴射通路への堆積物として煤を用いて説明したが、排気ガス中または添加剤に含まれる物質であり、固体として堆積するものであれば適用できる。

本発明の基礎となる技術を説明する排気ガス浄化装置の一部断面した側面図。同装置の燃料添加弁が設置された部分を拡大して示す側断面図。本発明の参考となる実施形態に係る排気ガス浄化装置の要部を示す側断面図。本発明の第１の実施形態に係る排気ガス浄化装置の要部を示す側断面図。同装置の振動体の外観を示す斜視図。本発明の第２の実施形態に係る排気ガス浄化装置の要部を示す側断面図。

符号の説明

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（排気管）
２３燃料添加弁（添加剤噴射弁）
２６ａ燃料噴射路（噴射通路）
３２放熱体
３２ａフランジ部（受熱部）
３７受熱部（熱源部）
４０通電回路
４５振動体
５０共振構造
Ｐ煤

Claims

エンジンから排気された排気ガスを外部へ導く排気管と、
前記排気管部内に収められた触媒と、
前記触媒の排気上流側に位置し前記触媒に添加剤を供給する添加剤噴射弁と、
一端側に前記添加剤噴射弁が設けられ、他端側が前記排気管に連通するとともに前記添加剤噴射弁から添加剤が噴射される噴射通路と、
前記噴射通路内に、前記添加剤噴射弁から噴射された添加剤と干渉せずに、前記噴射通路の壁面を覆うように配設された、前記エンジンの運転によって発生するエンジン振動に共振する振動体と
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。
エンジンから排気された排気ガスを外部へ導く排気管と、
前記排気管部内に収められた触媒と、
前記触媒の排気上流側に位置し前記触媒に添加剤を供給する添加剤噴射弁と、
一端側に前記添加剤噴射弁が設けられ、他端側が前記排気管に連通するとともに前記添加剤噴射弁から添加剤が噴射される噴射通路と、
前記噴射通路内に、前記添加剤噴射弁から噴射された添加剤と干渉せずに、前記噴射通路の壁面を覆うように配設された、通電により発熱可能で、かつ前記エンジンの運転によって発生するエンジン振動に共振可能な放熱体と、
前記排気管外に設けられ、前記放熱体へ通電させ前記放熱体を発熱させる通電回路と
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。