JP5984597B2

JP5984597B2 - 燃料添加構造

Info

Publication number: JP5984597B2
Application number: JP2012205235A
Authority: JP
Inventors: 敏明山崎
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2016-09-06
Anticipated expiration: 2032-09-19
Also published as: JP2014058927A

Description

本発明は、燃料添加弁により排気系路内を流れる排気ガスに燃料を添加するようにした燃料添加構造に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤分と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策として、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが行われている。

前記パティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。

そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常のディーゼルエンジンの運転状態にあっては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ないため、酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタが採用されている。

このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるが、斯かる触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがある。

そこで、パティキュレートフィルタの前段に再生用の酸化触媒を別途配置し、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流側の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタを積極的に強制再生することが行われている。

つまり、パティキュレートフィルタより上流側で添加された燃料が前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。

この種の燃料添加を実行するための具体的手段としては、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を追加することで排気ガス中に燃料を添加するのが一般的である。

ただし、このようにポスト噴射で燃料添加を行うと、燃料とエンジンオイルと煤分とＨＣガスとが高温高圧環境下で混ざり合うことでＨＣ重合が起こり易くなり、ＥＧＲクーラの出口等における急激な温度低下を伴う箇所でタール状の粘度の高い重合物が生成され、この重合物が吸気系や動弁系に悪影響を及ぼす虞れがあったため、ターボチャージャのタービンより下流の排気系路の途中に燃料添加弁を装備し、該燃料添加弁により燃料を排気系路内に直噴することで燃料添加を行うことも既に提案されている。

尚、本発明と同様に燃料添加弁により排気系路内を流れる排気ガスに燃料を添加するようにした燃料添加構造に関連する先行技術文献情報としては、例えば、下記の特許文献１等が既に存在している。

特開２０１１−２５２４３８号公報

しかしながら、前述の如き燃料添加弁による直噴方式を採用する場合、その噴射口を排気ガスの流れの上流側に向けてしまうと、煤分を含む排気ガスが前記噴射口に対し正面から勢い良く吹き付けて該噴射口が煤分により閉塞し易くなってしまうため、排気ガスの流れ方向に対し斜め下流側へ燃料を噴射するようにしているのが通常であるが、このように排気ガスの流れ方向に対し斜め下流側へ燃料を噴射すると、排気ガスの流れと同じ向きに燃料が噴射されることになって、該燃料が円滑に排気ガスの流れに乗って微細化や拡散が起こらないまま進んでしまい、燃料添加弁から添加した燃料の蒸発と分散が良好に進まないという問題があった。

しかも、排気系路を流れる排気ガスは、ターボチャージャのタービンで仕事をすることで大幅に温度低下してしまうので、特に軽負荷運転領域にあっては、排気系路を流れる排気ガスの温度が大幅に低下して添加燃料の蒸発が著しく滞り、その大半がミストの状態で酸化触媒に導かれることになって効率の良い酸化処理が望めなくなり、軽負荷運転領域での燃料添加弁による燃料添加を中止せざるを得なかった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、燃料添加弁からの添加燃料の蒸発と分散を従来より促進し得る燃料添加構造を提供し、軽負荷運転領域でも燃料添加弁による燃料添加を実現することを目的としている。

本発明は、ターボチャージャのタービン出口と排気管との間を接続するエキゾーストコネクタに排気ガスの流れ方向に対し斜め下流側へ燃料を噴射し得るように燃料添加弁を装備すると共に、前記エキゾーストコネクタ内に前記燃料添加弁からの噴射燃料を衝突させて上流側へ跳ね返すリフレクタを配設し、前記排気マニホールドと前記エキゾーストコネクタとの間を接続して前記排気マニホールド内の高温の排気ガスを前記リフレクタに向けて抜き出すバイパスラインを設け、該バイパスラインの流路を適宜に開閉し得るように構成したことを特徴とする燃料添加構造、に係るものである。
また、本発明は、ターボチャージャのタービン出口と排気管との間を接続するエキゾーストコネクタに排気ガスの流れ方向に対し斜め下流側へ燃料を噴射し得るように燃料添加弁を装備すると共に、前記エキゾーストコネクタ内に前記燃料添加弁からの噴射燃料を衝突させて上流側へ跳ね返すリフレクタを配設し、前記ターボチャージャのタービン入口と前記エキゾーストコネクタとの間を接続して前記タービン入口の高温の排気ガスを前記リフレクタに向けて抜き出すバイパスラインを設け、該バイパスラインの流路を適宜に開閉し得るように構成したことを特徴とする燃料添加構造、に係るものでもある。

而して、このようにすれば、燃料添加弁からの噴射燃料がエキゾーストコネクタ内でリフレクタに衝突して上流側へ跳ね返され、ターボチャージャのタービン出口から吐出される排気ガスの流れに対し対向流として混ざり、排気ガスの流れに正面からぶつかることで蒸発と分散が著しく促進される。

この結果、排気温度の低い軽負荷運転領域であっても、ある程度の添加燃料をＨＣガスとして良好に分散した状態で酸化触媒に導くことが可能となり、添加燃料の大半がミストの状態で酸化触媒に導かれてしまうような事態が未然に回避されるので、軽負荷運転領域でも燃料添加弁による燃料添加が実現されることになる。

しかも、バイパスラインの流路を開通して排気マニホールドやタービン入口からタービンを迂回させてエキゾーストコネクタに排気ガスを導き、前記タービンで仕事をして温度低下する前の高温の排気ガスをリフレクタに吹き付けて該リフレクタを予熱しておくことが可能となるので、燃料添加弁から噴射されて上流側へ跳ね返されないままリフレクタの表面に残る燃料の蒸発も促されることになる。

尚、バイパスラインを通して高温の排気ガスをエキゾーストコネクタに直接導き入れると、該エキゾーストコネクタ内の雰囲気温度が上がり、添加燃料の蒸発がより一層促進されることになる。

上記した本発明の燃料添加構造によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１、２に記載の発明によれば、燃料添加弁からの燃料をエキゾーストコネクタ内でリフレクタに衝突させて上流側へ跳ね返すことにより、ターボチャージャのタービン出口から吐出される排気ガスの流れに対し対向流として混ぜることができ、排気ガスの流れに正面からぶつけることで前記燃料の蒸発と分散を著しく促進することができるので、排気温度の低い軽負荷運転領域であっても、ある程度の添加燃料をＨＣガスとして良好に分散した状態で酸化触媒に導くことができ、添加燃料の大半がミストの状態で酸化触媒に導かれてしまうような事態を未然に回避することができて、軽負荷運転領域でも燃料添加弁による燃料添加を実現することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項１、２に記載の発明によれば、タービンを迂回させて導いた高温の排気ガスをリフレクタに吹き付けて該リフレクタを予熱しておくことができるので、燃料添加弁から噴射されて上流側へ跳ね返されないままリフレクタの表面に残る燃料の蒸発も促すことができ、しかも、高温の排気ガスを導き入れることでエキゾーストコネクタ内の雰囲気温度を上げることもできるので、添加燃料の蒸発をより一層促進することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す一部を切り欠いた概略図である。図１のバイパスバルブの具体的な構成の一例を示す断面図である。図１のバイパスバルブの具体的な構成の別の例を示す断面図である。本発明の他の形態例を示す一部を切り欠いた概略図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジンを示しており、図示しないエアクリーナから導いた吸気３が吸気管４を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気３’がインタクーラ（図示せず）へと送られて冷却され、吸気マニホールド（図示せず）を介しディーゼルエンジン１の各気筒に分配されるようにしてある。

一方、このディーゼルエンジン１の各気筒から排出された排気ガス５は、排気マニホールド６を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した後にエキゾーストコネクタ７を介し排気管８へと送り出されるようになっている。

ここで、ターボチャージャ２のタービン２ｂ出口と排気管８との間を接続しているエキゾーストコネクタ７には、排気ガス５の流れ方向に対し斜め下流側へ燃料Ｆを噴射し得るよう燃料添加弁９が装備されており、また、前記エキゾーストコネクタ７内には、前記燃料添加弁９からの噴射燃料Ｆを衝突させて上流側へ跳ね返すリフレクタ１０が配設されている。尚、この種のリフレクタ１０には、ＦＣ材（ねずみ鋳鉄）やＦＣＤ材（ダクタイル鋳鉄）等を用いると良い。

また、本形態例においては、排気マニホールド６とエキゾーストコネクタ７との間を接続して前記排気マニホールド６内の高温の排気ガス５をリフレクタ１０に向けて抜き出すバイパスライン１１が設けられており、該バイパスライン１１の途中には、流路を適宜に開閉し得るようバイパスバルブ１２が装備されている。

ここで、図１の図示にあっては、バイパスバルブ１２の構成を概略的に示しているが、例えば、図２に示す如く、バイパスライン１１の流路を閉じる弁体１３を、エアシリンダ１４により直接昇降して開閉するようにしたものや、図３に示す如く、バイパスライン１１の流路を閉じる弁体１３を、傾動軸１５を中心として傾動するレバー機構１６を介しエアシリンダ１４により間接的に開閉するようにしたものを用いることが可能である。

而して、以上のように燃料添加構造を構成すれば、燃料添加弁９からの噴射燃料Ｆがエキゾーストコネクタ７内でリフレクタ１０に衝突して上流側へ跳ね返され、ターボチャージャ２のタービン２ｂ出口から吐出される排気ガス５の流れに対し対向流として混ざり、排気ガス５の流れに正面からぶつかることで蒸発と分散が著しく促進される。

この結果、排気温度の低い軽負荷運転領域であっても、ある程度の添加燃料ＦをＨＣガスとして良好に分散した状態で酸化触媒に導くことが可能となり、添加燃料Ｆの大半がミストの状態で酸化触媒に導かれてしまうような事態が未然に回避されるので、軽負荷運転領域でも燃料添加弁９による燃料添加が実現されることになる。

また、バイパスライン１１の流路を開通して排気マニホールド６からタービン２ｂを迂回させてエキゾーストコネクタ７に排気ガス５を導き、前記タービン２ｂで仕事をして温度低下する前の高温の排気ガス５をリフレクタ１０に吹き付けて該リフレクタ１０を予熱しておくことが可能となるので、燃料添加弁９から噴射されて上流側へ跳ね返されないままリフレクタ１０の表面に残る燃料Ｆの蒸発も促されることになる。

尚、バイパスライン１１を通して高温の排気ガス５をエキゾーストコネクタ７に直接導き入れると、該エキゾーストコネクタ７内の雰囲気温度が上がり、添加燃料Ｆの蒸発がより一層促進されることにもなる。

以上に述べた通り、上記形態例によれば、燃料添加弁９からの燃料Ｆをエキゾーストコネクタ７内でリフレクタ１０に衝突させて上流側へ跳ね返すことにより、ターボチャージャ２のタービン２ｂ出口から吐出される排気ガス５の流れに対し対向流として混ぜることができ、排気ガス５の流れに正面からぶつけることで前記燃料Ｆの蒸発と分散を著しく促進することができるので、排気温度の低い軽負荷運転領域であっても、ある程度の添加燃料ＦをＨＣガスとして良好に分散した状態で酸化触媒に導くことができ、添加燃料Ｆの大半がミストの状態で酸化触媒に導かれてしまうような事態を未然に回避することができて、軽負荷運転領域でも燃料添加弁９による燃料添加を実現することができる。

また、排気マニホールド６からタービン２ｂを迂回させて導いた高温の排気ガス５をリフレクタ１０に吹き付けて該リフレクタ１０を予熱しておくことができるので、燃料添加弁９から噴射されて上流側へ跳ね返されないままリフレクタ１０の表面に残る燃料Ｆの蒸発も促すことができ、しかも、高温の排気ガス５を導き入れることでエキゾーストコネクタ７内の雰囲気温度を上げることもできるので、添加燃料Ｆの蒸発をより一層促進することができる。

図４は本発明の他の形態例を示すもので、先の図１の形態例で排気マニホールド６とエキゾーストコネクタ７との間をバイパスライン１１で接続していたことに替えて、ターボチャージャ２のタービン２ｂ入口との間をバイパスライン１１で接続するようにし、しかも、前記タービン２ｂ入口の高温の排気ガス５をリフレクタ１０に向けてストレートに抜き出し得るように前記バイパスライン１１を形成したものであり、該バイパスライン１１の途中には、流路を適宜に開閉し得るようバイパスバルブ１２が装備されている。

而して、このようにした場合にも、バイパスライン１１の流路を開通してターボチャージャ２のタービン２ｂ入口からタービン２ｂを迂回させてエキゾーストコネクタ７に排気ガス５を導き、前記タービン２ｂで仕事をして温度低下する前の高温の排気ガス５をリフレクタ１０に吹き付けて該リフレクタ１０を予熱しておくことが可能となるので、燃料添加弁９から噴射されて上流側へ跳ね返されないままリフレクタ１０の表面に残る燃料Ｆの蒸発も促されることになり、また、バイパスライン１１を通して高温の排気ガス５がエキゾーストコネクタ７に直接導き入れられることで該エキゾーストコネクタ７内の雰囲気温度が上がり、添加燃料Ｆの蒸発がより一層促進されることになる。

即ち、斯かる図４の形態例においても、ターボチャージャ２のタービン２ｂ入口からタービン２ｂを迂回させて導いた高温の排気ガス５をリフレクタ１０に吹き付けて該リフレクタ１０を予熱しておくことができるので、燃料添加弁９から噴射されて上流側へ跳ね返されないままリフレクタ１０の表面に残る燃料Ｆの蒸発も促すことができ、しかも、高温の排気ガス５を導き入れることでエキゾーストコネクタ７内の雰囲気温度を上げることもできるので、添加燃料Ｆの蒸発をより一層促進することができる。

尚、本発明の燃料添加構造は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、バイパスバルブの構成は図示例に限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

２ターボチャージャ
２ｂタービン
５排気ガス
６排気マニホールド
７エキゾーストコネクタ
８排気管
９燃料添加弁
１０リフレクタ
１１バイパスライン
１２バイパスバルブ
Ｆ燃料

Claims

ターボチャージャのタービン出口と排気管との間を接続するエキゾーストコネクタに排気ガスの流れ方向に対し斜め下流側へ燃料を噴射し得るように燃料添加弁を装備すると共に、前記エキゾーストコネクタ内に前記燃料添加弁からの噴射燃料を衝突させて上流側へ跳ね返すリフレクタを配設し、前記排気マニホールドと前記エキゾーストコネクタとの間を接続して前記排気マニホールド内の高温の排気ガスを前記リフレクタに向けて抜き出すバイパスラインを設け、該バイパスラインの流路を適宜に開閉し得るように構成したことを特徴とする燃料添加構造。
ターボチャージャのタービン出口と排気管との間を接続するエキゾーストコネクタに排気ガスの流れ方向に対し斜め下流側へ燃料を噴射し得るように燃料添加弁を装備すると共に、前記エキゾーストコネクタ内に前記燃料添加弁からの噴射燃料を衝突させて上流側へ跳ね返すリフレクタを配設し、前記ターボチャージャのタービン入口と前記エキゾーストコネクタとの間を接続して前記タービン入口の高温の排気ガスを前記リフレクタに向けて抜き出すバイパスラインを設け、該バイパスラインの流路を適宜に開閉し得るように構成したことを特徴とする燃料添加構造。