JP2009114934A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、還元剤を噴射するためのノズルの詰まりを抑制できる技術を提供する。
【解決手段】タービン羽根５５を有するターボチャージャ５と、該タービン羽根５５よりも下流側で且つ該タービン羽根５５に隣接して設けられ還元剤を供給する還元剤供給手段７と、を備える。タービン５を冷却するための熱媒体により還元剤供給手段７をも冷却することにより、該還元剤供給手段７の温度上昇を抑制し、以て還元剤の蒸発を抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ターボチャージャよりも上流側の排気通路へ還元剤を供給し、該還元剤と排気とをターボチャージャにて攪拌させることにより該還元剤の霧化を促進する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、還元剤を噴射するノズルが高温の排気に晒されることにより、該ノズルが詰まる虞がある。また、排気通路等にノズルを設置すると装置が大型化したり、組み付けるときに時間がかかったりする虞がある。
特表２００６−５２６１０２号公報 特開２００５−７６５３０号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、還元剤を噴射するためのノズルの詰まりを抑制できる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、
タービン羽根を有するターボチャージャと、
前記タービン羽根よりも下流側で且つ該タービン羽根に隣接して設けられ還元剤を供給する還元剤供給手段と、
を備えることを特徴とする。

ここで、ターボチャージャには、冷却のための熱媒体（例えば冷却水または潤滑油）が循環している。このターボチャージャに還元剤供給手段を隣接させることにより、該還元剤供給手段の熱を熱媒体へ逃がすことができる。これにより、還元剤供給手段の温度上昇を抑制することができるため、例えば還元剤を噴射するためのノズルの詰まりを抑制することができる。

また、タービン羽根よりも下流側で且つ該タービン羽根に隣接して設けるので、該タービン羽根による排気の乱れを利用して還元剤の分散や蒸発を促進することができる。

すなわち、隣接とは、還元剤供給手段の冷却が可能な範囲であっても良く、排気の乱れ等により還元剤の分散や蒸発を促進し得る範囲であっても良い。

つまり、本発明においては、前記ターボチャージャへ熱媒体を循環させて該ターボチャージャを冷却する冷却手段を備え、該冷却手段により前記還元剤供給手段を冷却することができる。

また、本発明においては、前記還元剤供給手段は、前記ターボチャージャと一体化されていてもよい。

つまり、モジュール化されていても良い。このようにすることで、ターボチャージャを
冷却するための冷却系統へ還元剤供給手段をより近づけることができるため、より温度を低下させることができる。そのため、詰まりをより抑制することができる。また、還元剤供給手段を別途冷却する必要がなくなるため、冷却系の簡略化が可能となる。さらに、車両への組み付けが容易となる。

本発明においては、前記還元剤供給手段は、還元剤の少なくとも一部をタービン羽根に向けて供給することができる。

つまり、還元剤がターボ羽根に衝突することにより、還元剤をより広い範囲へ分散させることができる。

本発明においては、前記還元剤供給手段は、タービン羽根から排出される排気の下流方向または排気の流れに対して垂直方向へ還元剤を供給することができる。

つまり、ターボチャージャから排出される排気は、タービン羽根の回転により渦を巻いているため、乱れが大きい。この渦の中へ還元剤を供給することにより、還元剤をより広い範囲へ分散させることができる。また、排気の下流方向または排気の流れに対して垂直方向へ還元剤を供給するため、還元剤供給手段に還元剤が再度付着することを抑制したり、例えば噴射ノズルに排気中の煤が流入したりすることを抑制できる。

本発明によれば、還元剤を噴射するためのノズルの詰まりを抑制できる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関１とその吸・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。

内燃機関１には、吸気通路３及び排気通路４が接続されている。また、本実施例による内燃機関１はターボチャージャ５を備えている。このターボチャージャ５は、コンプレッサハウジング５１、タービンハウジング５２、及びセンタハウジング５３を備えて構成されている。コンプレッサハウジング５１は吸気通路３の途中に設けられ、該コンプレッサハウジング５１の内部は吸気通路３の一部を構成している。また、タービンハウジング５２は排気通路４の途中に設けられ、該タービンハウジング５２の内部は排気通路４の一部を構成している。そして、コンプレッサハウジング５１とタービンハウジング５２とは、センタハウジング５３を介して連結されている。

タービンハウジング５２よりも下流の排気通路には、吸蔵還元型ＮＯx触媒６（以下、
ＮＯx触媒６という。）が設けられている。このＮＯx触媒６は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低く且つ還元剤が存在
するときは吸蔵していたＮＯxを還元する機能を有する。

ターボチャージャ５には、冷却水を供給するための冷却水パイプ１０が２本接続されている。冷却水パイプ１０の一方は、内燃機関１に備わる冷却水ポンプ１１に接続されている。そして、内燃機関１の冷却水が冷却水ポンプ１１から一方の冷却水パイプ１０へ吐出される。この冷却水は、ターボチャージャ５を通過した後に、他方の冷却水パイプを流れ
て内燃機関１に戻る。

次に、ターボチャージャ５の具体的な構成について図２に基づいて説明する。ここで、図２はターボチャージャ５の構成を示す断面図である。

コンプレッサハウジング５１内には複数の羽根を持つコンプレッサ羽根５４が備えられ、タービンハウジング５２内には複数の羽根を持つタービン羽根５５が備えられている。コンプレッサ羽根５４とタービン羽根５５とは、ロータシャフト５６を介して連結されている。

タービンハウジング５２内には、タービン羽根５５の外周を包囲する渦巻き状のスクロール室５７が形成されている。また、ロータシャフト５６の軸方向でタービン羽根５５よりも外側には、排気の出口である排出通路５８が形成されている。

このように構成されたターボチャージャ５では、排気がスクロール室５７からタービン羽根５５を通過して、排出通路５８へと抜ける。

そして、タービン羽根５５よりも下流のタービンハウジング５２には、排気中に還元剤たる燃料（軽油）を噴射する燃料添加弁７を備えている。この燃料添加弁７は排出通路５８内へ燃料を噴射し、排気の空燃比を低下させる。なお、本実施例においては燃料添加弁７が、本発明における還元剤供給手段に相当する。

そして、ＮＯx触媒６に吸蔵されているＮＯxの還元時には、燃料添加弁７から燃料を添加することにより、ＮＯx触媒６に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期でスパイク
的（短時間）にリッチとする、所謂リッチスパイク制御を実行する。

そして、ターボチャージャ５には、内燃機関１の冷却水を循環させるための水路５９が形成されている。この水路を流れる冷却水によりターボチャージャ５が冷却される。この水路５９は、燃料添加弁７の周りにも形成されており、該燃料添加弁７（特に噴孔のある先端部）も冷却水により冷却される。このようにして燃料添加弁７が冷却されるため、燃料添加弁７の噴孔内の燃料の蒸発を抑制することができるので、該噴孔が詰まることを抑制できる。なお、本実施例においては水路５９が、本発明における冷却手段に相当する。また、冷却水の代わりに、潤滑油を用いてターボチャージャ及び燃料添加弁７を冷却しても良い。

本実施例では、燃料添加弁７をタービンハウジング５２に取り付ける構造について説明したが、燃料添加弁７をタービンハウジング５２に一体化させてもよい。つまり、タービンハウジング５２自体が燃料を供給しても良い。また、タービンハウジング５２と隣接する排気通路４へ燃料添加弁７を取り付けても良い。この場合、タービンハウジング５２を循環する冷却水で燃料添加弁７を冷却することができる位置に該燃料添加弁７を取り付ける。

また、本実施例では、燃料添加弁７から噴射された燃料がタービン羽根５５に到達するように燃料添加弁７の取付位置および噴霧方向を設定している。このようにすることで、回転しているタービン羽根５５へ燃料を衝突させることができるため、燃料の蒸発を促進させることができる。また、より広い範囲へ燃料を分散させることができる。

なお、図３に示すように、燃料添加弁７から噴射された燃料が、タービン羽根５５から流出直後の渦を巻いた排気中に到達するように、燃料添加弁７の取り付け位置および噴霧方向を設定してもよい。この場合、タービン羽根５５から排出される排気の下流方向また
は排気の流れに対して垂直方向へ燃料を噴射する。

つまり、タービン羽根５５の回転により、その下流では旋回流が生じているため、この旋回流の中に燃料を噴射することで、燃料の蒸発を促進させることができ、また、より広い範囲へ燃料を分散させることができる。さらに、燃料添加弁７の噴孔を排気の下流側へ向けることができるため、噴射した燃料が燃料添加弁７へ付着することや、排気中の煤等が噴孔から入り込むことを抑制できる。

なお、図４に示すように、燃料添加弁７よりも下流で且つＮＯx触媒６よりも上流の排
気通路４に、燃料添加弁７から噴射される燃料を改質させる酸化触媒８を備えていても良い。この酸化触媒８は、燃料を酸化させてＮＯx触媒６の温度を上昇させるための触媒と
してもよい。酸化触媒８の外径は、排気通路４の内径よりも小さくする。さらに、排出通路５８には、酸化触媒８へ排気を導くための誘導通路９が設けられている。この誘導通路９の外径と酸化触媒８の外径とが等しくなるように、該誘導通路９及び酸化触媒８が形成されている。また、燃料添加弁７から噴射された燃料の少なくとも一部が誘導通路９内を流通するように、該燃料添加弁７の設置位置及び噴射方向を設定する。誘導通路９内に燃料添加弁７の噴孔が臨むように該燃料添加弁７を取り付けても良い。

このようにすることで、タービン羽根５５から流出する排気の一部が誘導通路９を介して酸化触媒８へ流入する。そして、燃料が酸化触媒８を通過することにより該燃料が改質されるため、ＮＯx触媒６において燃料の反応を促進させることができる。これにより、
ＮＯxの還元を速やかに完了させたり、より少ない燃料でＮＯxの還元を完了させたりできる。また、タービン羽根５５からの旋回流に向けて燃料を噴射したり、タービン羽根５５へ到達するように燃料を噴射したりすることにより、燃料の霧化を促進させることができるので、酸化触媒８において燃料が改質され易い。

なお、酸化触媒８は、タービンハウジング５２に一体化されていても良く、該タービンハウジング５２に隣接する排気通路４に設けられていても良い。また、誘導通路９は、タービンハウジング５２に一体化されていても良く、該タービンハウジング５２に隣接する排気通路４に設けられていても良い。さらに、酸化触媒８は、酸化能力を有する他の触媒であっても良い。

以上説明したように本実施例によれば、燃料を広い範囲に分散させることができるため、該燃料の反応を促進させることができる。また、燃料添加弁７をターボチャージャ５に取り付けることにより、該ターボチャージャ５を冷却するための冷却水で燃料添加弁７を冷却することができる。これにより、燃料添加弁７の詰まりを抑制すると共に、排気系の小型化が可能となる。また、ターボチャージャ５と燃料添加弁７とを一体化することにより、車両への組み付けが容易となる。さらに、排気通路４へ燃料添加弁７を取り付けるための構造が必要でなくなる。

さらに、タービン羽根５５を通過した直後の排気は温度が高い。すなわち、タービン羽根５５からＮＯx触媒６までの間の排気通路４において熱が放出されるため、排気の温度
が低下するが、タービン羽根５５を通過した直後の排気は温度が高いため、燃料の蒸発を促進させることができる。

実施例に係る内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。 ターボチャージャの構成を示す断面図である。 他のターボチャージャの構成を示す断面図である。 燃料添加弁よりも下流に酸化触媒を備えていているときの排気系の断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ ターボチャージャ
６ 吸蔵還元型ＮＯx触媒
７ 燃料添加弁
８ 酸化触媒
９ 誘導通路
１０ 冷却水パイプ
１１ 冷却水ポンプ
５１ コンプレッサハウジング
５２ タービンハウジング
５３ センタハウジング
５４ コンプレッサ羽根
５５ タービン羽根
５６ ロータシャフト
５７ スクロール室
５８ 排出通路
５９ 水路

Claims (5)

1. タービン羽根を有するターボチャージャと、
   前記タービン羽根よりも下流側で且つ該タービン羽根に隣接して設けられ還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ターボチャージャへ熱媒体を循環させて該ターボチャージャを冷却する冷却手段を備え、該冷却手段により前記還元剤供給手段を冷却することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記還元剤供給手段は、前記ターボチャージャと一体化されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記還元剤供給手段は、還元剤の少なくとも一部をタービン羽根に向けて供給することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記還元剤供給手段は、タービン羽根から排出される排気の下流方向または排気の流れに対して垂直方向へ還元剤を供給することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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