JP5534208B2

JP5534208B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP5534208B2
Application number: JP2010196644A
Authority: JP
Inventors: 川島　　一仁; 圭介田代; 正広津田; 賢治橋本; 希代香恒川
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-09-02
Also published as: JP2012052479A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、排気の流れを排気管内で均一にする構造に関する。

従来、ディーゼルエンジンの排気を浄化するための排気後処理装置として、ディーゼル酸化触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒、尿素還元式ＳＣＲ装置やディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）が用いられている。
その一例として、平板に波板を溶接した平波ペアを巻き回して触媒担体を製作し、あらかじめ当該触媒担体の平板に中心方向に突出するようにプレス加工してルーバを形成しておくことで、通過する排気に乱流を起こし触媒の活性を早くすることができる排ガス浄化用金属製触媒担体が開発されている（特許文献１）。

特開平７−２９３２３２号公報

このように、上記特許文献１の排ガス浄化用金属製触媒担体では、触媒担体にルーバを形成し触媒担体内で乱流を発生させ、排気管内の排気を均一にするようにしている。
しかしながら、排気管内の排気の流れは、排気管の内壁との摩擦抵抗により壁面に近づくほど排気の流速が遅くなり、排気管の中心部では排気の流量が増える。よって、中心部の排気の流量に対してルーバを通過できる排気の流量が少ないと、外周部に十分に排気を流入させることができず中心部と外周部とで排気の流れが均一化されないこととなる。

従って、上記特許文献１の排ガス浄化用金属製触媒担体を例えばＤＰＦに採用した場合、捕捉され堆積した微粒子状物資（パティキュレートマター、以下、ＰＭという）をＤＰＦへ流入する高温酸化雰囲気ガスにより燃焼除去する強制再生において、ＤＰＦ外周部に流入する高温酸化雰囲気ガスがＤＰＦ中心部に対して相対的に減少することにより、ＤＰＦ外周部の温度が中心部に対して相対的に低下するのでＰＭが完全に除去されず、ＤＰＦの詰まりの原因となり好ましいことではない。

また、尿素還元式ＳＣＲ装置では、装置内の触媒に流入する還元剤（尿素）が触媒内で不均一となることにより、触媒全体へ還元剤が行き届かずＮＯｘの還元性能が低下することとなり好ましいことではない。
本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気の流れを排気通路内で均一にすることができ、排気浄化性能を向上することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する排気浄化手段と、前記排気浄化手段の上流の前記排気通路内に設けられ、前記排気通路の排気流通方向に延びる複数の排気整流路が形成されるとともに、該排気通路の中心部から外周部へ前記排気を誘導する排気誘導手段とを備え、前記排気誘導手段は、前記排気整流路を区画する側壁に設けられた開口部を介して中心側の前記排気整流路から外側の前記排気整流路に排気を誘導する誘導部が複数備えられ、当該誘導部は前記排気通路の中心部から外周部に向かうにつれ単位面積当たりの前記開口部の開口面積が大きくなるように配置され、前記排気誘導手段は、排気流通方向の上流端から所定距離以降の下流では、下流方向に向かうにつれて前記排気通路の中心部から順に前記誘導部が減少するように形成されることを特徴とする。

また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１において、前記誘導部は、前記排気整流路を区画する側壁の一部が前記排気通路の中心部に向け突出するような切起し部と該切起し部の前記排気流通方向の上流側を開口し形成する導入部とを有することを特徴とする。

また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、請求項２において、前記排気誘導手段は、平板と波板とを重ね合わせ、更に該重ね合わせた平板と波板とを巻いて層状にして該平板と該波板との間に前記排気整流路が形成され、前記開口部は、少なくとも前記平板に設けられることを特徴とする。
また、請求項４の内燃機関の排気浄化装置では、請求項３において前記切起し部が前記平板に設けられ、前記開口部は、前記切起し部の形成にともなって形成されることを特徴とする。

また、請求項５の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記誘導部は、前記導入部の開口面積より前記開口部の開口面積の方が大きいことを特徴とする。
また、請求項６の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記排気誘導手段は、前記排気通路の中心部から外周部に向かうにつれ熱伝導率を低く、更に熱容量を大きくすることを特徴とする。

また、請求項７の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至６のいずれか１項において、前記排気誘導手段は、最外周部にセラミック系コート剤が被覆されることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、排気浄化手段の上流に排気通路の排気流通方向に延びる複数の排気整流路が形成され、排気整流路を区画する側壁に設けられた開口部を介して中心側の排気整流路から外側の排気整流路に排気を誘導する誘導部が複数備えられた排気誘導手段が設けられ、誘導部は排気通路の中心部から外周部に向かうにつれ単位面積当たりの開口面積が大きくなるように配置されている。

これにより、排気整流路に備えられた誘導部により、流速の速い排気通路中心部の排気を排気通路外周部に誘導することができる。
従って、排気の流れを排気通路内で均一にすることができるので、排気浄化性能を向上することができる。
また、誘導部を排気誘導手段の上流端から所定距離以降の下流では、下流方向に向かうにつれて排気通路の中心部から順に減少するように形成しており、下流部の排気は、下流部に誘導部を形成しても排気を外周部に向け誘導することができなく、不要な誘導部を形成することは排気の流れを妨げるので、誘導部を徐々に減少させることにより圧力損失を低減することができる。

また、請求項２の発明によれば、誘導部に排気整流路を区画する側壁の一部が排気通路の中心部に向け突出するような切起し部と切起し部の排気流通方向の上流側を開口し形成する導入部とを有しており、排気誘導通路を流れる排気を効率的に排気通路の外周部に誘導することができ、排気の流れを排気通路内で均一にすることができるので排気浄化性能を向上することができる。

また、請求項３の発明によれば、排気誘導手段が平板と波板とを重ね合わせて層状に巻いて形成され、中心部の排気整流路と外周部の排気整流路を区画する平板に開口部が設けられているので、排気通路中心部の排気を排気通路外周部に誘導することができる。さらに、平板の開口部の外周に波板の山部が巻きつけられたとしても、波板の山部は開口部に平面的に接するため開口部が閉塞されることなく排気を誘導することができる。

また、請求項４の発明によれば、開口部は、切起し部の形成にともなって形成されており、切起し部と開口部とが近接しているので、切起し部により案内された排気が効率よく開口部へ流入され外周部への誘導を促進することができる。
また、請求項５の発明によれば、開口部の開口面積は、切起し部の排気流通方向の上流側に設けられた導入部の開口面積より大きくしており、切起し部の導入部から導入した排気を誘導部より確実に排出することができるので圧力損失を低減することができる。

また、請求項６の発明によれば、平板及び波板を排気通路の中心部から外周部に向かうにつれ熱伝導率が低く、更に熱容量を大きくなるようにしており、排気通路の中心部の熱伝導率が高く排気通路の外周部の熱伝導率が低いので排気通路の外周部に排気通路の中心部を流れる排気の熱量を拡散し、更に排気通路の外周部の熱容量が大きいので排気通路の外周部で温度を保持することができ、排気浄化手段に流入する排気の温度を均一にすることができるので排気浄化性能を向上することができる。

また、請求項７の発明によれば、排気誘導手段の最外周部にセラミック系コート剤を被覆するようにしており、排気通路外周部の熱量の大気中への放出を抑制することができ、排気浄化手段に流入する排気の温度を均一にすることができるので排気浄化性能を向上することができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたエンジンの全体構成図である。本発明に係る内燃機関の排気浄化装置における排気誘導器の展開図である。図１のＡ−Ａ線における断面であり、排気誘導器の断面図である。図３のＢ−Ｂ線における断面図である。図４のＣ部の拡大であり、排気誘導部の拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
まずは、エンジン１の全体構成について説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたエンジン（内燃機関）１の全体構成図を示している。
エンジン１は、例えばコモンレール式直列多気筒のディーゼルエンジンである。エンジン１のシリンダヘッド２には、燃焼室３に臨んで電磁式の燃料噴射ノズル４が気筒毎に設けられている。各燃料噴射ノズル４は高圧パイプ５によりコモンレール６に接続されるとともに、コモンレール６は高圧パイプ７を介して高圧ポンプ８に接続されている。高圧ポンプ８は燃料タンク９に貯留された燃料（軽油）をコモンレール６に供給する機能を有しており、コモンレール６に供給された燃料は高圧の状態で蓄えられ、各燃料噴射ノズル４から燃焼室３内に噴射される。

シリンダヘッド２には、気筒毎に燃焼室３と連通する吸気ポート１０及び排気ポート１１がそれぞれ形成されており、吸気ポート１０には吸気管１２が、排気ポート１１には排気管（排気通路）１３が接続されている。また、シリンダヘッド２には、吸気ポート１０を開閉する吸気バルブ１４と、排気ポート１１を開閉する排気バルブ１５とが設けられている。

吸気管１２には、吸入空気量を調節する電磁式の吸気絞り弁１６が設けられている。
排気管１３と吸気管１２との間には、電磁開閉弁であるＥＧＲ弁１９を備えたＥＧＲ管１８が設けられている。ＥＧＲ管１８は、一端が排気ポート１１近傍で排気管１３に接続される一方、他端が吸気ポート１０近傍で吸気管１２に接続され、排気管１３と吸気管１２とを連通する。

排気管１３には、上流側から順番に、ディーゼル酸化触媒（以下、ＤＯＣという、強制再生手段）１９、排気誘導器（排気誘導手段）２０、ＤＰＦ（フィルタ）２１が連通するように設けられている。ＤＯＣ１９は、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されており、排気中のＣＯ及びＨＣを酸化させてＣＯ_２及びＨ_２Ｏに変換させるとともに、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成する機能を有する。

排気誘導器２０は、ＤＰＦ２１内に流入し、ＤＰＦ２１内に堆積したＰＭを酸化させる酸化剤の通過量の不均一を是正する機能を有する。詳細な構成については、後述する。
ＤＰＦ２１は、例えば、ハニカム担体の通路の上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖して、排気中のＰＭを捕集し、酸化剤によりＰＭを燃焼除去する機能を有しており、さらに、通路を形成する多孔質の壁にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒貴金属を担持して形成されている。

また、上記のようにＤＰＦ２１の上流にＤＯＣ１９が配置されていると、通常のエンジン運転時には、ＤＯＣ１９において生成されたＮＯ_２がＤＰＦ２１に流入し、ＤＰＦ２１に捕集され堆積しているＰＭ中の炭素成分である煤と反応してこれを酸化させる。酸化した煤はＣＯ_２となり、ＤＰＦ２１から除去され、これによりＤＰＦ２１が連続的に再生される（連続再生）。

一方、エンジン１の運転状況によっては、上記連続再生だけではＤＰＦ２１の再生が十分に行われない場合がある。そこで、ＤＰＦ２１におけるＰＭの堆積量に基づき、強制的にＰＭを燃焼除去させるようにもしている（強制再生）。
当該強制再生は、エンジン１の運転時における燃料の主噴射の後の例えば膨張行程以降に燃料のポスト噴射（副噴射）を行い、未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）を含んだ排気を排気管１３に排出させることによって行われる。排気中に混入された未燃燃料は、ＤＯＣ１９に流入して酸化され、酸化の反応熱によって排気温度を上昇させる。これにより、高温の排気が排気下流側のＤＰＦ２１に流入して当該ＤＰＦ２１に堆積したＰＭ中の煤を加熱し燃焼させ、ＤＰＦ２１を強制的に再生させることが可能である。

次に排気誘導器２０の構成について説明する。
図２は、本発明に係るエンジン１の排気浄化装置における排気誘導器２０の展開図を示す。図３は、図１のＡ−Ａ線における断面であり、排気誘導器２０をエンジン１の排気管１３中に配置した状態での断面図を示す。また、図４は図３のＢ−Ｂ線における断面図であり、排気誘導器２０をエンジン１の排気管１３中に配置した状態での断面図を示す。なお、図中矢印は排気の流れを示す。図５は図４のＣ部の拡大であり、切起し部２０ｈの拡大図を示す。

図２から図５に示すように、排気誘導器２０は、一端２０ｃが他端２０ｄに比べ板厚が薄く（ｔ1＜ｔ3）金属製で板厚の薄い平板２０ａと一端２０ｅが他端２０ｆに比べ板厚が薄く（ｔ2＜ｔ4）金属製で板厚の薄い波板２０ｂを重ね合わせ、更に板厚の薄い一端２０ｃ，２０ｅ側より他端２０ｄ，２０ｆに向け巻き回して、排気の流れを整える複数の排気整流路２０ｇを形成しつつ略円筒形状に形成される。平板２０ａには、複数の切起し部２０ｈが形成されている。切起し部２０ｈは、平板２０ａと波板２０ｂとを重ね合わせ巻き回した状態において中心に向け所定切起し角度（例えば、４５°以下）で突出するように形成される、また、切起し部２０ｈは、排気管１３内に配設された状態において上流側を開口するように上流側開口部（導入部）２０ｋが形成され、更に、径方向外側に貫通し径方向外側開口部（開口部）２０ｍが形成されるように、半分に切断したお椀状にプレス加工にて形成される。なお、上流側開口部２０ｋは、径方向外側開口部２０ｍより小さい開口面積で形成される。また、径方向外側開口部２０ｍは、排気管１３の中心部から外周部に向かうにつれ、開口面積が大きくなるように形成される。また、切起し部２０ｈは、排気誘導器２０の排気流れ方向の最上流部２０ｎから所定距離以降の下流では、下流に向かうにつれ排気管１３の中心部から順に設置個数が減少するように形成される。また、波板２０ｂには、平板２０ａと波板２０ｂとを重ね合わせ巻き回した状態において径方向外側開口部２０ｍが波板２０ｂで塞がれないように径方向外側開口部２０ｍに対応した位置に径方向外側開口部２０ｍの開口面積と同一或いはそれ以上の開口面積となるように逃げ穴である逃げ部２０ｊが形成される。

次に、このように構成される排気誘導器２０の機能を説明する。
図４に示すように、排気誘導器２０の上流より流入する排気が切起し部２０ｈの上流開口部２０ｋより流入し、径方向外側開口部２０ｍより排出され、排気は外周部に誘導される。更に、外周部に誘導された排気が下流側の切起し部２０ｈの上流側開口部２０ｋより流入し、径方向外側開口部２０ｍより排出され、排気は更に外周部に誘導される。

このように、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、排気誘導器２０の切起し部２０ｈにより流速の速い排気管１３の中心部の排気を排気管１３の外周部に誘導するようにしている。
これにより、ＤＰＦ２１に導入される排気の流量を均一にしているので、連続再生及び強制再生時には、ＤＰＦ２１の外周部も昇温させることができ、ＤＰＦ２１に堆積したＰＭを完全に燃焼除去することができる。よって、排気中のＰＭを確実に捕集することができ排気浄化性能を向上することができる。また、強制再生時には、ＤＰＦ２１へのＰＭの堆積を均一にできＤＰＦ２１へのＰＭの堆積を均一にできるので、過昇温を防止しＰＭの堆積が偏ることでの強制再生時間の長期化による潤滑油の燃料希釈を防止することもできる。

また、切起し部２０ｈは、排気誘導器２０の排気流れ方向の最上流部２０ｎから所定距離以降の下流では、下流方向に向かうにつれ排気管１３の中心部より外周部に向け徐々に形成しないようにしている。
これにより、切起し部２０ｈにて下流部の排気の排気管１３の外周部に誘導を抑制することができるので、切起し部２０ｈによる圧力損失を低減することができる。

また、切起し部２０ｈは、平板２０ａと波板２０ｂとを重ね合わせ巻き回した状態において中心側に向け所定切起し角度で突出するように形成している。
これにより、切起し部２０ｈでの排気の剥離を防止でき、排気の乱流を抑制することができるので圧力損失を低減することができる。
以上で発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の形態は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、ＤＯＣ１９とＤＰＦ２１の間に排気誘導器２０を設けているが、これに限定されるものではなく、排気中に尿素水（還元剤）を噴射する噴射ノズルと、尿素水とＮＯｘとを還元しＮＯｘを除去するＮＯｘ還元触媒との間に排気誘導器２０を設けても良い。この場合、噴射された尿素水を排気中に拡散させることができ、尿素水を均一にＮＯｘ還元触媒に供給することができるので排気中のＮＯｘを良好に還元浄化することができる。

また、排気誘導器２０の平板２０ａ及び波板２０ｂを重ね合わせ巻き回した状態において外周に行くほど板厚を厚くするようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、平板２０ａ及び波板２０ｂを重ね合わせ巻き回した状態において外周に行くほど熱伝導率が低く、更に熱容量が大きい金属を用いても良く、このような場合でも排気管１３の外周部に排気管１３の中心部を流れる排気の熱量を分散し、更に排気管１３の外周部で熱量を保持することが可能となる。従って、下流にＤＰＦ２１がある場合にはＤＰＦ２１に流入する排気の温度を均一にすることができるので強制再生時のＰＭの燃焼除去を完全にでき、更に過昇温を防止することができる。または、下流にＮＯｘ還元触媒を有する尿素還元式ＳＣＲ装置である場合にはＮＯｘ還元触媒に流入する排気温度を均一にすることができるのでＮＯｘ還元触媒でのＮＯｘの浄化性能を向上させることができる。

また、排気誘導器２０の最外周（最外周部）にセラミック系コート剤を被覆してもよく、この場合には排気誘導器２０から大気中への熱量の放出を抑制することができる。よって、下流にＤＰＦ２１がある場合にはＤＰＦ２１に流入する排気の温度を均一にすることが可能となるので強制再生時のＰＭの燃焼除去を完全にでき、更に過昇温を防止することができる。または、下流にＮＯｘ還元触媒を有する尿素還元式ＳＣＲ装置である場合にはＮＯｘ還元触媒に流入する排気温度を均一にすることができるのでＮＯｘ還元触媒でのＮＯｘの浄化性能を向上させることができる。

また、波板２０ｂには、平板２０ａと波板２０ｂとを重ね合わせ巻き回した状態において径方向外側開口部２０ｍが波板２０ｂで塞がれないように径方向外側開口部２０ｍに対応した位置に径方向外側開口部２０ｍの開口面積と同一或いはそれ以上の開口面積となるように逃げ部２０ｊを形成するようにしているが、これに限定されるものではなく、波板２０ｂに逃げ部２０ｊを形成しなくとも良い。この場合でも、波板２０ｂの山部の稜線が平板２０ａと接することとなり、仮に波板２０ｂの山部が径方向外側開口部２０ｍに対応する位置に巻き回しされ径方向外側開口部２０ｍが波板２０ｂの山部により塞がれるようになったとしても、径方向外側開口部２０ｍが完全に塞がれることはなく、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

また、平板２０ａに切起し部２０ｈを形成するようにしているが、これに限定されるものではなく、波板２０ｂに切起し部２０ｈを形成し、平板２０ａに波板２０ｂに形成した切起し部２０ｈより大きい開口面積の逃げ部２０ｊを形成するようにしても良く、この場合に於いても上記実施例と同様の効果を得ることができる。
また、径方向外側開口部２０ｍを排気管１３の中心部から外周部に向かうにつれ開口面積を大きくするように形成しているが、これに限定されるものではなく、開口面積は同一で径方向外側開口部２０ｍの個数を増やすようにしても良く、また、開口面積と個数を同時に増やしても良い。

１エンジン（内燃機関）
４燃料噴射ノズル（強制再生手段）
１９ＤＯＣ（強制再生手段）
２０排気誘導器（排気誘導手段）
２０ａ平板
２０ｂ波板
２０ｈ切起し部
２０ｋ上流側開口部（導入部）
２０ｍ径方向開口部（開口部）
２１ＤＰＦ（フィルタ）

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排気を浄化する排気浄化手段と、
前記排気浄化手段の上流の前記排気通路内に設けられ、前記排気通路の排気流通方向に延びる複数の排気整流路が形成されるとともに、該排気通路の中心部から外周部へ前記排気を誘導する排気誘導手段とを備え、
前記排気誘導手段は、前記排気整流路を区画する側壁に設けられた開口部を介して中心側の前記排気整流路から外側の前記排気整流路に排気を誘導する誘導部が複数備えられ、当該誘導部は前記排気通路の中心部から外周部に向かうにつれ単位面積当たりの前記開口部の開口面積が大きくなるように配置され、
前記排気誘導手段は、排気流通方向の上流端から所定距離以降の下流では、下流方向に向かうにつれて前記排気通路の中心部から順に前記誘導部が減少するように形成されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記誘導部は、前記排気整流路を区画する側壁の一部が前記排気通路の中心部に向け突出するような切起し部と該切起し部の前記排気流通方向の上流側を開口し形成する導入部とを有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。
前記排気誘導手段は、平板と波板とを重ね合わせ、更に該重ね合わせた平板と波板とを巻いて層状にして該平板と該波板との間に前記排気整流路が形成され、
前記開口部は、少なくとも前記平板に設けら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浄化装置。
前記切起し部が前記平板に設けられ、
前記開口部は、前記切起し部の形成にともなって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浄化装置。
前記誘導部は、前記導入部の開口面積より前記開口部の開口面積の方が大きいことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記排気誘導手段は、前記排気通路の中心部から外周部に向かうにつれ熱伝導率を低く、更に熱容量を大きくすることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記排気誘導手段は、最外周部にセラミック系コート剤が被覆されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。