JP6790746B2

JP6790746B2 - 内燃機関の排気系構造

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Publication number: JP6790746B2
Application number: JP2016220831A
Authority: JP
Inventors: 浩典猪股; 浩司夏目
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2036-11-11
Also published as: JP2018076854A

Description

本発明は、内燃機関の排気系構造に関する。

従来、内燃機関の排気系に設けられ、内燃機関から排出される排気ガス中の一酸化炭素及び未燃焼炭化水素等を除去する触媒と、排気ガス中の粒子状物質を除去するフィルタと、を備えた排気浄化装置が知られている。

特許文献１には、触媒（第１の排気浄化部）の下流側にフィルタ（第２の排気浄化部）を設けた排気浄化装置が開示されている。特許文献１に記載の排気浄化装置では、触媒と、フィルタとを互いの中心軸が一致するように直線状に配置するとともに、フィルタの径を触媒の径よりも大きくしている。こうすることで、フィルタの上流側端面の面積を増大させ、集塵能力を向上させている。

特開２０１４−１０５６６４号公報

ところで、排気浄化装置の排気浄化部（触媒、フィルタ等）を有効に活用するためには、排気ガスを排気浄化部に均等に流入させることが望まれる。

しかしながら、特許文献１に記載の排気浄化装置では、フィルタの上流側端面における外周寄りに排気ガスが流入し難く、フィルタを有効に活用することができないという問題があった。

本発明の目的は、第１の排気浄化部を通過した後の排気ガスを浄化する第２の排気浄化部を有効に活用することができる内燃機関の排気系構造を提供することである。

本発明に係る内燃機関の排気系構造は、内燃機関からの排気ガスを浄化する第１の排気浄化部と、前記第１の排気浄化部の下流側に設けられた第２の排気浄化部とを備え、前記第１の排気浄化部の第１の軸線は、前記第２の排気浄化部の第２の軸線に対して傾斜しており、前記第１の排気浄化部の横断面を前記第１の軸線方向に投影した場合に、前記第２の排気浄化部の上流側端面に投影される像の形状が、前記第２の排気浄化部の上流側端面の形状と同一であり、前記第１の排気浄化部の横断面形状及び前記第２の排気浄化部の上流側端面の形状は、楕円であり、前記楕円の長軸の延在方向は、前記第１の排気浄化部の軸線及び前記第２の排気浄化部の軸線を含む平面に対して傾斜している。

本発明の内燃機関の排気系構造によれば、第１の排気浄化部を通過した後の排気ガスを第２の排気浄化部に均等に流入させることができ、第２の排気浄化部を有効に活用することができる。

本発明の一実施形態に係る排気系を示す概略図図１の部分拡大図第１の変形例を示す模式図第２の変形例を示す模式図第３の変形例を示す模式図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は一例であり、本発明はこの実施形態により限定されるものではない。

図１は、本発明に係る排気系を示す概略図である。図２は、図１の部分拡大図である。なお、図１及び図２には、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸が描かれている。以下の説明では、図１及び図２における左右方向をＸ方向又は車両前後方向といい、右方向を「＋Ｘ方向」又は「車両前側」、左方向を「−Ｘ方向」又は「車両後側」という。また、図１及び図２における上下方向をＹ方向又は車両上下方向といい、上方向を「＋Ｙ方向」又は「車両上側」、下方向を「−Ｙ方向」又は「車両下側」という。さらに、図１及び図２において紙面に垂直な方向をＺ方向又は車両幅方向といい、手前方向を「＋Ｚ方向」又は「車両右側」、奥方向を「−Ｚ方向」又は「車両左側」という。また、排気通路を流れる排気ガスの流れ方向における上流側及び下流側を、単に「上流側」及び「下流側」という。

図１及び図２に示すように、排気系１は、エンジン２の車両右側に設けられた排気マニホールド３と、排気マニホールド３の集合部に連結されたターボ過給機４と、ターボ過給機４から延びる上流側排気通路５、後処理装置６、及び下流側排気通路７と、を備える。なお、本実施形態の場合、上記各部材を、エンジン２の車両右側に配置している。ただし、車両幅方向に関して、上記各部材のエンジン２に対する配置は、図示の構造に限定されるものではない。

ターボ過給機４の排気ガス出口４ａの方向（開放方向）、大きさ及び形状は、後処理装置６の形状、大きさ及び設置場所などに基づいて総合的に定められる。ここでは、排気ガス出口４ａの方向は、−Ｘ方向である。排気ガス出口４ａの形状は、一般的な円形状である。後処理装置６の設置場所は、ターボ過給機４の−Ｘ方向の位置に設定される。

上流側排気通路５は、中空管状の直線管８の内部空間により構成されている。直線管８は、内部空間に上流側開口部から流入した排気ガスを、直線管８の延在方向（つまり、軸８ａの方向）に沿って直線的に流通させて、下流側開口部から流出させる流路としての機能を有している。なお、本構成例の場合、軸８ａは、直線管８の中心軸に相当する。

直線管８の上流側端部は、排気ガス出口４ａに接続されている。一方、直線管８の下流側端部は、後処理装置６のケース１０（後述する）の上流側端部に固定されている。直線管８の延在方向（つまり、軸８ａの方向）、長さ、及び中空断面形状は、排気ガス出口４ａの方向、後処理装置６におけるＤＯＣ１１（後述する）の位置などに基づいて総合的に定められる。

なお、直線管８の中空断面形状とは、直線管８の内周面により画成される内部空間の横断面（軸８ａに直交する仮想平面に関する断面形状）をいう。換言すれば、直線管８の中空断面形状の外形（外周縁の形状）は、軸８ａに直交する仮想平面に関する直線管８の内周面の断面形状に一致する。

直線管８の延在方向は、例えば、ＤＯＣ１１の位置などに基づいて３次元的に傾けられる。ここでは、説明をわかりやすくするために、直線管８は、図１及び図２に示すように、排気ガス出口４ａと同じ−Ｘ方向に直線状に延ばされる。また、直線管８の中空断面形状は、排気ガス出口４ａの形状と同じ円形状である。

直線管８の延在方向及び中空断面形状を排気ガス出口４ａと同じ方向および形状とした理由は、ターボ過給機４から直線管８に流入した排気ガスの流速を、直線管８でなるべく低下させずに、高い状態に維持しつつＤＯＣ１１に流出させるためである。また、直線管８の長さは、ターボ過給機４とＤＯＣ１１との間の放熱を防止するために、また、排気ガスの流速の低下を抑えるために、なるべく短いことが望ましい。

上述のとおり、直線管８の下流側端部には、後処理装置６の上流側端部が接続されている。後処理装置６は、管状のケース１０に、排気ガスを浄化するためのＤＯＣ１１（本発明の「第１の排気浄化部」に対応）及びディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）１２（本発明の「第２の排気浄化部」に対応）が収容されてなる。

ケース１０は、上流側の第１ケース部１４と、下流側の第２ケース部１５とから構成される。ＤＯＣ１１は、第１ケース部１４に収容されている。第１ケース部１４は、ＤＯＣ１１の軸１１ａ（後述する）を中心とする管状をなす。また、ＤＰＦ１２は、第２ケース部１５に収容されている。第２ケース部１５は、ＤＰＦ１２の軸１２ａ（後述する）を中心とする管状をなす。図２に示すように、第２ケース部１５は、第１ケース部１４に対して屈曲している。ＤＯＣ１１と、ＤＰＦ１２との詳細な位置関係については後述する。

ＤＯＣ１１及びＤＰＦ１２は、無機質マット１３で第１ケース部１４及び第２ケース部１５に保持される（図２参照）。ＤＯＣ１１は、軸１１ａを有する柱状に形成される。なお、本実施形態の場合、軸１１ａは、ＤＯＣ１１の中心軸に相当する。軸１１ａは、ＤＯＣ１１の上流側端面１１ｂの面直方向に延在する。つまり、ＤＯＣ１１の横断面形状（軸１１ａに直交する仮想平面に関する断面形状）は、上流側端面１１ｂと同じ形状となる。

同じく、ＤＰＦ１２は、軸１２ａを有する柱状に形成される。なお、本実施形態の場合、軸１２ａは、ＤＰＦ１２の中心軸に相当する。軸１２ａは、ＤＰＦ１２の上流側端面１２ｂの面直方向に延在する。つまり、ＤＰＦ１２の横断面形状（軸１２ａに直交する仮想平面に関する断面形状）は、上流側端面１２ｂと同じ形状となる。

後処理装置６の設置場所は、上述したように、ターボ過給機４の−Ｘ方向の位置に設定されている。ここで、ＤＯＣ１１及びＤＰＦ１２は、設置場所を有効に利用するために、−Ｘ方向に直線的に配置されるのではなく、各軸１１ａ及び１２ａを、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向に対して３次元的に傾けるように配置される。各軸１１ａ及び１２ａの傾きについての詳細は後述する。

ＤＯＣ１１は、担体としての例えばアルミナに、酸化触媒としての例えば白金、酸化イリジウムまたは酸化コバルトが担持されている。ＤＯＣ１１は、排気ガス中に含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物などの未燃焼ガスを酸化する機能を有する。なお、ＤＯＣ１１の基本的構造及び機能については、従来から知られているＤＯＣと同様であるため、詳しい説明は省略する。

ＤＰＦ１２は、多孔質セラミックスの隔壁で区画された格子状の排気流路を形成する多数のセルを排気ガスの流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して構成されている。ＤＰＦ１２は、排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集する機能を有する。なお、ＤＰＦ１２の基本的構造及び機能については、従来から知られているＤＰＦと同様であるため、詳しい説明は省略する。

後処理装置６の下流側端部には、下流側排気通路７が接続されている。後処理装置６で浄化された排気ガスは、下流側排気通路７を通過して外部に導出される。下流側排気通路７における下流側は、−Ｘ方向へ直線状に延びており、排気ガスは、下流側排気通路７の後端から、車両後方へ向けて導出される。

次に、後処理装置６の構造の詳細について説明する。図２には、ＤＯＣ１１及びＤＰＦ１２を通過する排気ガスの流れが破線で示されている。また、図２には、軸８ａ方向から見た排気ガス出口４ａの形状（すなわち、直線管８の中空断面形状）としての円Ｐが示されている。

また、図２には、軸１１ａ方向から見たＤＯＣ１１の上流側端面１１ｂの外形としての楕円Ｑが示されている。なお、上述のとおり、ＤＯＣ１１の上流側端面１１ｂの形状は、ＤＯＣ１１の横断面形状と同じ形状である。そのため、楕円Ｑは、ＤＯＣ１１の横断面形状を示している。

さらに、図２には、軸１２ａ方向から見たＤＰＦ１２の上流側端面１２ｂの外形としての楕円Ｒが示されている。なお、上述のとおり、ＤＰＦ１２の上流側端面１２ｂの形状は、ＤＰＦ１２の横断面形状と同じ形状である。そのため、楕円Ｒは、ＤＰＦ１２の横断面形状を示している。

直線管８の軸８ａの方向は、上述するように−Ｘ方向である。ＤＯＣ１１の軸１１ａは、−Ｘ方向の軸８ａに対して３次元的に傾けられる。ここでは、説明をわかりやすくするために、図２に示すように、軸１１ａは、−Ｘ方向の軸８ａに対してＺ軸回り（反時計回り）にαだけ傾けられる。つまり、ＤＯＣ１１の上流側端面１１ｂは、軸８ａに対してＺ軸回り（時計回り）に（π／２−α）だけ傾けられる。

また、本実施形態において、ＤＯＣ１１の上流側端面１１ｂの形状である楕円Ｑは、直線管８の中空断面形状（ここでは、円Ｐ）を−Ｘ方向に投影した場合に、ＤＯＣ１１の上流側端面１１ｂに投影される像の形状と同一である。

ＤＰＦ１２の軸１２ａは、軸１１ａに対して３次元的に傾けられる。ここでは、説明をわかりやすくするために、図２に示すように、軸１２ａは、軸１１ａに対してＺ軸回り（反時計回り）にβだけ傾けられる。つまり、ＤＰＦ１２の上流側端面１２ｂは、軸１１ａに対してＺ軸回り（時計回り）に（π／２−β）だけ傾けられる。

また、ＤＰＦ１２の上流側端面１２ｂの形状である楕円Ｒは、ＤＯＣ１１の横断面形状（ここでは、楕円Ｑ）を軸１１ａの方向に投影した場合に、ＤＰＦ１２の上流側端面１１ｂに投影される像の形状と同一である。

＜本実施形態の効果＞
以上のように、本実施形態に係る内燃機関の排気系構造によれば、ＤＰＦ１２の上流側端面１２ｂの形状は、ＤＯＣ１１の横断面形状が軸１１ａの方向に投影された場合に、上流側端面１２ｂに投影される像の形状と同一である。これにより、ＤＰＦ１２の上流側端面１２ｂには、外周寄りの領域も含めて、ＤＯＣ１１からの排気ガスが均等に流入する。そのため、ＤＰＦ１２を有効に活用することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関の排気系構造によれば、ＤＰＦ１２を有効に活用することができるため、ＤＰＦ１２の浄化能力を上げることができる。また、ＤＰＦ１２の浄化能力が上げる分だけ、ＤＰＦ１２を小型化することが可能となる。また、ＤＰＦ１２を小型化した分だけ、排気系構造を省スペース化できるとともに、コストを低減することができる。

また、本実施の形態に係る内燃機関の排気系構造によれば、ＤＰＦ１２の上流側端面１２ｂがＤＯＣ１１の軸１１ａに対して傾けられる。これにより、ＤＯＣ１１を通過して直線的に流れる排気ガスがＤＰＦ１２の上流側端面１２ｂに均等に流入するため、ＤＯＣ１１からの排気ガスの流れ方向をＤＰＦ１２の上流側端面１２ｂの方向へ変更する変向手段を設けることなく、ＤＰＦ１２を有効に活用することができる。

さらに、本実施形態では、ＤＯＣ１１の上流側端面１１ｂの形状は、直線管８の中空断面形状が軸８ａの方向に投影された場合に、上流側端面１１ｂに投影される像の形状と同一である。これにより、ターボ過給機４の排気ガス出口４ａから流出した高速の排気ガスを、ＤＯＣ１１の上流側端面１１ｂに均一に流入させることができる。そのため、ＤＯＣ１１から流出する排気ガスも、流速が高く、均一な流れとなる。本実施形態によれば、ＤＯＣ１１から流出した、流速が高く、均一な流れの排気ガスを、ＤＰＦ１２の上流側端面１２ｂに均一に流入させることができる。

これにより、ＤＰＦ１２の浄化能力をさらに上げることができる。また、ＤＰＦ１２の浄化能力が上げる分だけ、ＤＰＦ１２をさらに小型化することが可能となる。また、ＤＰＦ１２を小型化した分だけ、さらに排気系構造を省スペース化できるとともに、コストを低減することができる。

＜変形例１＞
上述の実施形態では、ＤＯＣ１１の横断面形状及びＤＰＦ１２の横断面形状をともに楕円としたが、これに限定されない。例えば、図３に示すように、ＤＯＣ１１の横断面形状を円とし、ＤＰＦ１２の横断面形状を楕円としてもよい。

＜変形例２＞
また、ＤＯＣ１１の横断面形状及びＤＰＦ１２の横断面形状については、図４に示すように、ＤＯＣ１１の横断面形状を楕円とし、ＤＰＦ１２の横断面形状を円としてもよい。

＜変形例３＞
さらに、ＤＯＣ１１の横断面形状及びＤＰＦ１２の横断面形状については、図５に示すように、楕円形状の長軸の延在方向を、軸１１ａ及び軸１２ａを含む平面に対して傾斜させてもよい。

＜その他の変形例＞
なお、上記実施の形態では、直線管８が車両後側に延ばされたが、本発明はこれに限らず、例えば、後処理装置６の設置場所等に応じて、車両前側に延ばされてもよい。

また、上記実施の形態では、ＤＰＦ１２の上流側にＤＯＣ１１を設けたものを説明したが、これに限定されない。ＤＰＦ１２の上流側に、ＤＯＣ１１に代えて他の触媒としてのリーンＮＯｘトラップ触媒（ＬＮＴ）、選択接触還元触媒（ＳＣＲ）等、排気ガスを浄化する様々な触媒を設けても良いし、ＤＯＣ１１に加えて、他の触媒を設けるようにしてもよい。この構成に本発明を適用した場合に、ＬＮＴの上流側端面は、直線管８の軸８ａに対して所定角度で傾けられる。

また、上記実施の形態では、ＤＯＣ１１の軸１１ａを、ＤＯＣ１１の上流側端面１１ｂに対して面直方向に延びるものとし、ＤＯＣ１１の横断面形状を上流側端面１１ｂの形状と同一としたが、これに限定されない。上流側端面１１ｂを、ＤＯＣ１１の横断面に対して傾斜させるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、ＤＰＦ１２の軸１２ａを、ＤＰＦ１２の上流側端面１２ｂに対して面直方向に延びるものとし、ＤＰＦ１２の横断面形状を上流側端面１２ｂの形状と同一としたが、これに限定されない。上流側端面１２ｂを、ＤＰＦ１２の横断面に対して傾斜させるようにしてもよい。

本発明の内燃機関の排気系構造は、排気浄化部を有効に活用することが要求される排気ガスの後処理装置として有用である。

１排気系
２エンジン
３排気マニホールド
４ターボ過給機
４ａ排気ガス出口
５上流側排気通路
６後処理装置
７下流側排気通路
８直線管
８ａ、１１ａ、１２ａ軸
１０ケース
１１ＤＯＣ
１１ｂ、１２ｂ上流側端面
１２ＤＰＦ
１３無機質マット
１４第１ケース部
１５第２ケース部

Claims

内燃機関からの排気ガスを浄化する第１の排気浄化部と、前記第１の排気浄化部の下流側に設けられる第２の排気浄化部とを備え、
前記第１の排気浄化部の第１の軸線は、前記第２の排気浄化部の第２の軸線に対して傾斜しており、
前記第１の排気浄化部の横断面を前記第１の軸線方向に投影した場合に、前記第２の排気浄化部の上流側端面に投影される像の形状が、前記第２の排気浄化部の上流側端面の形状と同一であり、
前記第１の排気浄化部の横断面形状及び前記第２の排気浄化部の上流側端面の形状は、楕円であり、
前記楕円の長軸の延在方向は、前記第１の排気浄化部の軸線及び前記第２の排気浄化部の軸線を含む平面に対して傾斜している、
内燃機関の排気系構造。
前記第２の排気浄化部の横断面形状が、前記第２の排気浄化部の上流側端面の形状と同一である、
請求項１に記載の内燃機関の排気系構造。