JP2018150895A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒の端面に還元剤を一様に供給する排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置１０は、排気管２０と、排気を浄化する触媒１１と、還元剤を添加する添加弁部１３と、添加弁部１３から噴射された還元剤を分散させる分散部１２と、を備えている。排気管２０は、触媒１１と分散部１２が配置されている下流部２１と、上流部２２と、湾曲部２３とを、備えている。添加弁部１３は、噴射開口部１４が分散部１２を指向するように湾曲部２３に設けられている。湾曲部２３には、先端５０Ｂが湾曲内周壁２８を指向する案内壁５０が突設されている。案内壁５０は、先端５０Ｂが基端５０Ａよりも排気上流側に位置するように設けられているとともに、湾曲内周側の壁面が凹曲面５１をなすように反っている。案内壁５０の先端５０Ｂは、噴射開口部１４よりも下流部２１側であって湾曲外周壁２４側に位置している。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置に関する。

排気を浄化する触媒と、触媒に還元剤を添加する添加弁を排気管に備えた内燃機関の排気浄化装置が知られている。特許文献１に開示されている排気浄化装置では、排気管は、触媒が配置される下流部において管の中心軸が延びる下流方向と、触媒が配置される部位よりも上流部において管の中心軸が延びる上流方向とが異なっている。排気管は、それら下流方向と上流方向とが交差する部位で湾曲しており、湾曲した湾曲部に添加弁が配設されている。そして、排気管の下流部であって触媒よりも上流側には分散板が配設され、この分散板によって、添加弁から噴射された還元剤が触媒に向けて分散される。

特開２０１６‐１８６２７７号公報

特許文献１に開示されている排気浄化装置では、添加弁は、その噴射孔が分散板を指向するように排気管の湾曲部に固定されている。ただし、排気管の湾曲部は、排気管において排気の流れが変更される部位であるため、湾曲部を流れる排気は、湾曲外周側の壁面を指向する傾向にある。このため、排気管の湾曲態様や排気の流量によっては、湾曲部を流れる排気の影響を添加弁から噴射された還元剤が受けることで、還元剤が分散板の一部分に偏って噴きつけられてしまい、触媒の端面に到達する還元剤が一様に分散されにくいという問題があった。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するための排気浄化装置は、内燃機関の排気通路を形成する排気管と、排気を浄化する触媒と、還元剤を添加する添加弁部と、該添加弁部から噴射された還元剤を分散させる分散部と、を備える排気浄化装置であって、前記排気管は、前記触媒が配置されており直線状に延伸している下流部と、該下流部よりも排気上流側であって前記下流部の延伸方向と交差するように直線状に延伸している上流部と、前記下流部の延伸方向と前記上流部の延伸方向とが交差している部分で円弧状に湾曲している湾曲部とを、備え、前記分散部は、前記下流部に設けられており、前記添加弁部は、還元剤の噴射開口部が前記分散部を指向するように前記湾曲部に設けられており、前記湾曲部には該湾曲部の湾曲外周側の壁面を基端とし先端が前記湾曲部の湾曲内周側の壁面を指向する案内壁が突設されていて、前記案内壁は、その先端が基端よりも排気上流側に位置するように設けられているとともに、湾曲内周側の壁面が凹曲面をなすように反っていて、前記噴射開口部よりも前記下流部側に前記案内壁の先端が位置しており、前記噴射開口部の前記下流部側の端部から該噴射開口部の中心軸線方向に沿って伸びるいずれの仮想直線よりも湾曲外周側に前記案内壁の先端が位置していることをその要旨とする。

湾曲した排気管では、湾曲部を通過する排気に作用する遠心力と、湾曲部の湾曲内周側と湾曲外周側との間の圧力差とに起因して、排気の主流と交差する方向に循環する渦が発生することがある。上記構成によれば、湾曲部の下流部側において生じた渦を案内壁によって案内することができる。すなわち、案内壁の凹曲面によって、分散部よりも排気上流側において、下流部側から上流部側に向かうとともに湾曲外周側から湾曲内周側に向かう排気の流れが形成される。こうした渦の流れによって、湾曲外周側の壁面を指向する傾向にある排気の主流を湾曲内周側に誘導することができる。また、添加弁部から噴射された還元剤も、案内壁に案内される渦の流れによって湾曲内周側に誘導されるようになる。すなわち、噴射された還元剤が排気の流れの影響を受けて湾曲外周側の壁面に衝突してしまうことが抑制され、分散部の一部分にのみ還元剤が供給されてしまうことが抑制される。

排気浄化装置の一実施形態について、その断面構造を示す図。 同実施形態にかかる排気浄化装置を流れる排気を模式的に示す図。

以下、排気浄化装置の一実施形態について、図１を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関の排気浄化装置１０は、排気中に含まれるＮＯｘを選択的に還元する触媒１１を排気管２０に備えている。触媒１１は、排気通路を形成する排気管２０のうち下流部２１に配設されている。排気管２０の下流部２１は、内燃機関が搭載されている車両の下方に位置するように配設されている。下流部２１は、直線状に延伸されており、下流部２１の中心軸Ｃ１が水平方向と平行になるように搭載されている。

排気管２０の下流部２１において、触媒１１よりも排気上流側には、後述する添加弁１７から噴射された還元剤を分散させるための分散部１２が配設されている。図１には、分散部１２の中心部１２Ａを示している。中心部１２Ａは、下流部２１の中心軸Ｃ１上に位置している。分散部１２は、短冊状の複数の分散板が排気管２０の内壁から中心軸Ｃ１側に延設されて構成されている。

排気管２０は、下流部２１よりも排気上流側に、下流部２１における中心軸Ｃ１の延伸方向と交差するように延伸している上流部２２を有している。上流部２２は、上流部２２の中心軸Ｃ２が排気上流側から下流側にかけて下り傾斜になるように直線状に延伸されている。

排気管２０において、下流部２１の中心軸Ｃ１と上流部２２の中心軸Ｃ２とが交差する部分には、湾曲部２３が設けられている。湾曲部２３の中心軸は、上流部２２の下流側端部から下流部２１の上流側端部に向かって円弧状に湾曲している。湾曲部２３のうち湾曲外周側の壁面である湾曲外周壁２４には、孔２５が形成されている。孔２５には、添加弁部１３が挿入されている。添加弁部１３には、還元剤としての尿素水を触媒１１に供給する添加弁１７が設けられている。添加弁部１３は、排気管２０に挿入されている接続部１５と、添加弁１７を覆っている放熱部１６を有している。放熱部１６には、放熱フィン１６Ａが設けられている。添加弁１７は、添加弁部１３を介して排気管２０の湾曲部２３に固定されている。添加弁部１３の接続部１５において湾曲部２３側に位置する噴射開口部１４は、湾曲部２３の内部に突出している。添加弁１７の噴射孔１７Ａは、放熱部１６における接続部１５側の端部に位置している。添加弁１７の噴射孔１７Ａは、分散部１２を指向している。添加弁部１３は、添加弁部１３における接続部１５の延伸方向である中心軸Ｃ３が、下流部２１の延伸方向である中心軸Ｃ１と一致するように配設されている。

湾曲部２３の湾曲外周壁２４において、孔２５よりも排気上流側には、緩勾配部２７が形成されている。緩勾配部２７の傾斜勾配は、中心軸Ｃ１に対する中心軸Ｃ２の傾斜勾配よりも緩やかになっている。

排気管２０には、湾曲部２３の湾曲外周壁２４に基端５０Ａが位置する案内壁５０が突設されている。案内壁５０は、先端５０Ｂが基端５０Ａよりも排気上流側に位置するように設けられている。案内壁５０の先端５０Ｂは、湾曲部２３のうち湾曲内周側の壁面である湾曲内周壁２８を指向している。案内壁５０の先端５０Ｂは、噴射開口部１４よりも下流部２１側に位置している。

ここで、湾曲部２３の内部に突出している噴射開口部１４の中心軸線である中心軸Ｃ３の延伸方向に沿って、噴射開口部１４の下流部２１側の端部から仮想直線を伸ばしたとき、当該端部のうち最も湾曲外周壁２４側から伸びる仮想直線を仮想直線Ｌ１として図１に示している。案内壁５０の先端５０Ｂは、仮想直線Ｌ１よりも湾曲外周壁２４側に位置している。すなわち、案内壁５０の先端５０Ｂは、噴射開口部１４の端部から伸びるいずれの仮想直線よりも湾曲外周壁２４側に位置している。

また、案内壁５０は、湾曲内周側の壁面が凹曲面５１をなしている。すなわち、案内壁５０は、下流部２１側に反っている。案内壁５０における湾曲外周側の壁面である背面５２は、湾曲外周壁２４と離間している。背面５２と湾曲外周壁２４とが離間している間隔は、先端５０Ｂ側ほど大きくなっている。案内壁５０が設けられていることによって、先端５０Ｂの位置における湾曲部２３の通路断面積において案内壁５０よりも湾曲内周側の部分は、基端５０Ａの位置における湾曲部２３の通路断面積よりも小さくなっている。なお、噴射開口部１４は、案内壁５０の先端５０Ｂと緩勾配部２７の下流端２７Ａとを結ぶ仮想線Ｌ２よりも湾曲外周壁２４側に位置している。

次に本実施形態にかかる排気浄化装置１０の作用とともに、その効果について説明する。
排気浄化装置１０が備える排気管２０のように湾曲している排気管では、湾曲部２３において排気の主流と交差する方向に循環する渦が生じることがある。より詳しくは、湾曲部２３を通過する排気の遠心力によって湾曲内周側から湾曲外周側に向かって生じる流れと、遠心力によって生じた流れに伴って湾曲外周側に押し流された排気が排気管２０の壁面側において湾曲外周側から湾曲内周側に押し流される流れが生じる。排気浄化装置１０によれば、この渦を案内壁５０によって湾曲内周側に誘導することができる。

図２には、発生する渦として、渦Ｓ１と、渦Ｓ１よりも上流部２２側に生じる渦Ｓ２とを例示している。案内壁５０が凹曲面５１をなすように反っているため、渦Ｓ２は渦Ｓ１よりも湾曲内周側に押し上げられる。上流部２２から湾曲部２３に流入した排気の主流は、渦Ｓ１や渦Ｓ２として例示される流れによって、図２に示す排気の主流Ｓ３のように湾曲内周側に誘導される。すなわち、排気浄化装置１０によれば、排気の主流Ｓ３が分散部１２の中心部１２Ａを指向するように排気を誘導することができる。これによって、排気が湾曲外周壁２４に衝突することが抑制される。

また、湾曲部２３を通過する排気は、湾曲部２３において下流部２１側で湾曲内周壁２８から剥離しやすいが、排気浄化装置１０によれば、排気を湾曲内周側に押し上げることができるため、排気の主流Ｓ３に例示したように排気を分散部１２の中心部１２Ａ付近に導きやすくなる。

さらに、上流部２２から湾曲部２３に流入して湾曲外周側を流れる排気は、緩勾配部２７に衝突して剥離するとともに、案内壁５０に誘導された渦によって湾曲内周側に押し上げられて下流部２１側に流れる。このため、案内壁５０の先端５０Ｂと緩勾配部２７の下流端２７Ａとを結ぶ仮想線Ｌ２を基準として湾曲内周側と湾曲外周側とでは、排気の流れが異なる。すなわち、仮想線Ｌ２よりも湾曲外周側の領域では、気体が流動しにくく、排気の流れに急激な変化が生じにくい。こうした領域に噴射開口部１４が配設されていることによって、添加弁１７が排気の流れに曝されにくくなり、排気の熱が添加弁１７に伝達することによる添加弁１７の先端温度の上昇を抑制することができる。添加弁１７の先端温度が過度に上昇すると還元剤に由来するデポジットが噴射孔１７Ａの周辺に堆積する虞があるが、添加弁１７の先端温度の上昇を抑制することができる排気浄化装置１０によれば、添加弁１７の先端にデポジットが堆積してしまうことを抑制することができる。

排気浄化装置１０によれば、排気の主流Ｓ３が渦によって誘導される。したがって、排気管２０を流れる排気流量が増加したとしても湾曲部２３を流れる排気は、湾曲外周壁２４を指向しにくくなる。これによって、排気の流量によらず一様に分散させた還元剤を触媒１１の端面に到達させることができる。

さらに、排気浄化装置１０によれば、排気が分散部１２の中心部１２Ａを指向するように誘導されるため、添加弁１７から噴射された還元剤が排気に押し流されて湾曲外周壁２４に付着してしまうことが抑制される。さらに、案内壁５０に誘導された渦によって、添加弁１７から噴射された還元剤を湾曲内周側に押し上げることができる。これによって、分散部１２の中心部１２Ａを指向する排気の流れに沿って還元剤が流れやすくなり、分散部１２によって還元剤が分散されやすくなる。また、噴射された還元剤が渦や排気の主流と交差しやすいため、分散部１２よりも排気上流側において還元剤が粒子の細かい噴霧になりやすい。これによって、還元剤がより分散されやすくなる。すなわち、触媒１１の端面に到達する還元剤が一様に分散されやすくなる。

また、案内壁５０の先端５０Ｂは、仮想直線Ｌ１よりも湾曲外周壁２４側に位置している。これによって、添加弁１７から噴射されて下流部２１側に流れる還元剤が案内壁５０によって遮られることが抑制される。すなわち、案内壁５０に還元剤が付着してしまうことを抑制できる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、分散部１２として分散板を例示した。分散部１２としては、触媒１１に供給される還元剤を分散させることのできる構成を備えていればよい。例えば、排気管２０における通路断面の全体に亘って設けられている格子状の板を採用することもできる。

・下流部２１の中心軸Ｃ１と接続部１５の中心軸Ｃ３は、必ずしも一致していなくてもよい。添加弁部１３に設けられている添加弁１７の噴射孔１７Ａが分散部１２を指向していればよい。

・案内壁５０の基端５０Ａは、湾曲部２３において噴射開口部１４よりも下流部２１側に位置していればよい。
・案内壁５０は、湾曲内周側の壁面が凹曲面５１をなすように反っており、先端５０Ｂが湾曲内周壁２８を指向しているならば、図示した形状に限られるものではない。例えば、案内壁５０の背面５２と湾曲外周壁２４とが離間している間隔を変更することができる。また、先端５０Ｂが噴射開口部１４よりも下流部２１側であって湾曲外周壁２４側に位置しているのであれば、基端５０Ａから先端５０Ｂまでの長さを変更することもできる。

１０…排気浄化装置、１１…触媒、１２…分散部、１２Ａ…中心部、１３…添加弁部、１４…噴射開口部、１５…接続部、１６…放熱部、１６Ａ…放熱フィン、１７…添加弁、１７Ａ…噴射孔、２０…排気管、２１…下流部、２２…上流部、２３…湾曲部、２４…湾曲外周壁、２５…孔、２７…緩勾配部、２７Ａ…下流端、２８…湾曲内周壁、５０…案内壁、５０Ａ…基端、５０Ｂ…先端、５１…凹曲面、５２…背面。

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路を形成する排気管と、排気を浄化する触媒と、還元剤を添加する添加弁部と、該添加弁部から噴射された還元剤を分散させる分散部と、を備える排気浄化装置であって、
   前記排気管は、前記触媒が配置されており直線状に延伸している下流部と、該下流部よりも排気上流側であって前記下流部の延伸方向と交差するように直線状に延伸している上流部と、前記下流部の延伸方向と前記上流部の延伸方向とが交差している部分で円弧状に湾曲している湾曲部とを、備え、
   前記分散部は、前記下流部に設けられており、前記添加弁部は、還元剤の噴射開口部が前記分散部を指向するように前記湾曲部に設けられており、
   前記湾曲部には該湾曲部の湾曲外周側の壁面を基端とし先端が前記湾曲部の湾曲内周側の壁面を指向する案内壁が突設されていて、前記案内壁は、その先端が基端よりも排気上流側に位置するように設けられているとともに、湾曲内周側の壁面が凹曲面をなすように反っていて、前記噴射開口部よりも前記下流部側に前記案内壁の先端が位置しており、前記噴射開口部の前記下流部側の端部から該噴射開口部の中心軸線方向に沿って伸びるいずれの仮想直線よりも湾曲外周側に前記案内壁の先端が位置している排気浄化装置。