JP4461973B2

JP4461973B2 - ディーゼルエンジンの排気浄化システム

Info

Publication number: JP4461973B2
Application number: JP2004263348A
Authority: JP
Inventors: 伸治鴨下; 秀板橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: JP2006077691A

Description

本発明はディーゼルエンジンの排気浄化技術に関し、特に排気管の途中に燃料添加弁を設けて燃料を排気浄化用触媒に供給して機能維持を図るようにした排気浄化システムに関する。

ディーゼルエンジンの排気管の途中には排気浄化のため排気浄化用触媒を設けた排気浄化システムが採用されている。ここで使用される排気浄化用触媒として、例えば排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯｘを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯｘを放出して還元浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒が知られている。

ところが、上記ＮＯｘ吸蔵還元触媒はＮＯｘの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯｘを吸蔵できなくなる。そこで、このＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの酸素濃度を定期的に低下させて、吸蔵したＮＯｘを放出させて触媒機能の維持を図ることが必要である。

ガソリンエンジンの場合には運転空燃比（Ａ/Ｆ）を低下（リッチ空燃比で運転）させることにより、排気ガス中の酸素濃度を低下し且つ排気ガス中の未燃ＨＣ（炭化水素）やＣＯ等の還元成分を増加させてＮＯｘの放出を促すことができる。しかし、ディーゼルエンジンの場合には、リッチ空燃比で運転することが困難であるためにＮＯｘ吸蔵還元触媒からＮＯｘの放出を促すことが難しい。

そこで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒より上流側の排気管に燃料添加弁を配設し、この燃料添加弁からＮＯｘ吸蔵還元触媒に燃料を添加してＮＯｘの放出を促す技術が従来から提案されている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流側で排気ガス中に燃料を添加すると、燃料が高温の排気ガス中で熱分解されて多量の炭化水素を生成する。この炭化水素を還元剤としてＮＯｘ吸蔵還元触媒上で酸素と反応させることで、排気ガス中の酸素濃度を低下させてＮＯｘの放出を促すことができる。

また、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）の低減対策として、パティキュレートフィルタに担持させた酸化触媒やフロースルー型の酸化触媒といった排気浄化用触媒が排気管の途中に配備されている。このような酸化触媒を使用すれば、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートや排気ガス中のパティキュレートの酸化反応を促進して燃焼除去によりパティキュレートの低減化を図ることができる。

ところが、酸化触媒には活性温度領域があるため、活性下限温度を下まわるような排気温度での運転状態が続くと、酸化触媒が活性化せずパティキュレートを効率良く除去できない場合がある。このような場合にも、前述したと同様に酸化触媒の上流側に燃料添加弁を設けて排気ガス中に燃料を添加するという技術で対処できる。すなわち、添加した燃料を高温の排気ガス中で熱分解して多量の炭化水素を生成させ、この炭化水素を酸化触媒上で酸化反応させたときの反応熱により触媒床温度を上昇させることでパティキュレートを低減できる。

このように排気管の途中に設けられた排気浄化用触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒や酸化触媒、或いはこれらを担持したパティキュレートフィルタ）よりも上流側に燃料添加弁を配設して、燃料を添加すると排気浄化用触媒の機能維持を図ることができる。そして、燃料添加弁を排気浄化用触媒の上流に配置する改良技術が従来から複数提案されている。

なお、ディーゼルエンジンを搭載した乗用車では、排気マニホールド及びターボチャージャの直下で排気ガス温の高い所にスペースを確保して排気浄化用触媒を配置できる場合がある。この場合にはシリンダヘッドの排気ポートに燃料添加弁を配設して、排気ガス中に燃料を添加して排気浄化用触媒に供給できる。しかし、ディーゼルエンジンを搭載したトラック等の場合には、乗用車と同様の位置に排気浄化用触媒を設置するスペースを確保することが一般に困難である。そこで、ディーゼルエンジンを搭載したトラック等の場合は排気管途中に排気浄化用触媒を配置し、この排気浄化用触媒よりも上流側に燃料添加弁を配設して燃料添加を行うようにしている。例えば特許文献１は、このように搭載スペースの関係から排気管の途中に排気浄化用触媒を配置しているディーゼルエンジに適した排気浄化システムを開示している。

図４は、特許文献１の排気浄化システム１００について示した図ある。この排気浄化システム１００では、排気浄化用触媒（図示せず）より上流に位置する排気管１０１の湾曲部１０１ａの外側に、排気管１０１に沿うように燃料添加弁１０２を付設している。そして、燃料添加弁１０２のノズル１０３の先端部から湾曲部１０１ａより下流の排気管１０１に沿う方向に向け噴射空間１０４を形成している。この噴射空間１０４は排気管１０１から突出するように形成したボス部１０５に内に形成されている。この排気浄化システム１００は、噴射空間１０４を介して湾曲部１０１ａより下流の排気管１０１内の流路に燃料ＦＥを噴射する。この排気浄化システム１００は、排気管１０１に突出するように取付けたボス部１０５が燃料添加弁１０２の取付部となり、燃料添加弁１０２が排気ガスＥＧに晒されることがないので燃料添加弁の焼損やノズル１０３先端への燃料の焼付き等を防止できる。

特開２００４−１９７６３５号公報

特許文献１の排気浄化システム１００は、これ以前に提案されている排気浄化システムと比較すると燃料添加弁１０２の焼損やノズル１０３先端への燃料の焼付き等を防止できる構造を備えている。しかしながら、この排気浄化システム１００でも下記で指摘するような改善すべき課題がある。

排気浄化システム１００では、燃料添加弁１０２から添加燃料が排気ガスＥＧの流れに対して順方向（排気ガスＥＧの流れに沿う方向）に噴射するように構成されている。すなわち、図４で模式的に示すように排気ガスＥＧの流れる方向ＥＤに対して、添加噴射方向ＦＤが成す角度θが鋭角となるようにして燃料添加弁１０２から燃料ＦＥが噴射されている。このように排気ガスＥＧの流れ方向ＥＤに対し添加噴射方向ＦＤを順方向に設定しておくと、ディーゼルエンジンの運転条件が中高負荷域にあって排気ガス量が多く、また高温であるときに添加した燃料の霧化を促進しながら排気浄化用触媒に燃料を流入させることができる。

ところが、ディーゼルエンジンが低負荷域となっているときには、排気ガス流量が減少すると共に排気ガス温も低くなる。このような状況になると燃料添加弁１０２から排気管１０１内に噴射された燃料ＦＥが内壁面に付着する量が増加して、添加した燃料ＦＥが排気浄化用触媒まで到達し難くなる。燃料添加弁１０２から噴射される燃料ＦＥは触媒機能を維持するのに適量に設定されているので、その一部が排気浄化用触媒に到達しなくなるとエミッションや燃費の悪化を招来することになる。また、ディーゼルエンジンが低負荷域の運転から高負荷域の運転に急に変更されて排気ガス量が急増する状況などにおいては、排気管の内壁面に付着していた燃料が排気ガスの流れに乗って排気浄化用触媒に進入する。この場合には排気管内の熱を受けた高温の液滴となっている燃料が排気浄化用触媒内に入るので、多量の液滴燃料が触媒上で酸化反応して高温となり、触媒の熱劣化を誘発するという問題が発生する。

したがって、本発明の目的は、ディーゼルエンジンの運転状態に拘わらず添加燃料を安定に供給して排気浄化用触媒の機能維持を図ることができ、また排気浄化用触媒の熱劣化も抑制できる排気浄化システムを提供することである。

上記目的は、ディーゼルエンジンの排気管に排気浄化用触媒を配置すると共に該排気浄化用触媒より上流側で湾曲した前記排気管の外側部に燃料添加弁を配設し、該燃料添加弁から添加燃料を噴射して前記排気浄化用触媒に供給する排気浄化システムであって、前記燃料添加弁の燃料噴射方向を、前記排気管内の排気ガスの流れ方向に対向するように設定したディーゼルエンジンの排気浄化システムによって達成される。

本発明によると、燃料添加弁から噴射される燃料の燃料噴射方向が排気管内の排気ガスの流れ方向に対向して設定されているので、燃料噴射方向が順方向であった従来の場合とは異なり、排気ガスとの強い衝突により燃料の霧化が促進されるのでディーゼルエンジンが低負荷域であっても添加燃料を排気浄化用触媒に安定して供給できる。また、低負荷時などに排気管の内壁面に付着していた燃料が高負荷域の運転に急に変更されて壁面から離脱しても、燃料付着部位から排気浄化用触媒までの距離を長くとれるため、排気ガスとのミキシングで霧化が促進されるので触媒の熱劣化を抑制できる。

そして、前記燃料添加弁から噴射された前記添加燃料が付着する燃料付着部位よりも排気下流側にある前記排気管の内壁面に、内方に突出する突起を設けた構造を採用することがより好ましい。

本発明によると、ディーゼルエンジンの運転状態に拘わらず添加燃料を安定に供給して排気浄化用触媒の機能維持を図ることができ、また排気浄化用触媒の熱劣化も抑制できる排気浄化システムを提供できる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの排気浄化システム（以下、単に排気浄化システムと称する）について説明する。

図１は、実施例１の排気浄化システムが適用されているディーゼルエンジンについて示す図である。ディーゼルエンジン１は、ターボチャージャ３を搭載している。エアクリーナ４を介して導入される吸気ＮＡを吸気管５を介して前記ターボチャージャ３のコンプレッサ３ａへ導いて加圧し、その加圧された吸気ＮＡをインタークーラ６を介してディーゼルエンジン１の吸気マニホールド７に供給し、各気筒（図示せず）に分配するように形成されている。

また、このディーゼルエンジン１の各気筒から排気マニホールド８を介し排出された排気ガスＥＧは、排気管２を通して前記ターボチャージャ３のタービン３ｂへ送られ、このタービン３ｂを駆動した後に排出される。

このディーゼルエンジン１に適用されている排気浄化システムは、排気浄化装置１０と燃料添加弁２０とが含まれている。排気浄化装置１０はタービン３ｂを駆動した後の排気ガスＥＧを浄化してから機外へ排出するように、排気管２の所定位置に配設されている。燃料添加弁２０は排気ガスＥＧの流れる方向において排気浄化装置１０よりも上流側で排気管２が湾曲している湾曲部２ａの外側部に沿って固定されている。この燃料添加弁２０は前述した従来の燃料添加弁（図４参照）と同様に排気管２内を流れる排気ガスＥＧに晒されない位置に配設されており燃料添加弁２０の熱損やノズル先端への燃料の焼付き等を防止できるようになっている。

排気浄化装置１０の内部には、燃料を添加することによって機能維持（或いは再生）を図ることができる排気浄化用触媒１１が配設されている。このような再生型の触媒としては、例えば触媒再生型のパティキュレートフィルタ、ＮＯｘ還元触媒（選択還元型触媒）やＮＯｘ吸蔵還元触媒、パティキュレートフィルタにＮＯｘ吸蔵還元触媒を組み合わせた触媒、酸化触媒等を採用できる。

図２は、燃料添加弁２０が固定される排気管２の湾曲部２ａの周辺を拡大して示した図である。湾曲部２ａの曲がり方向での外側部に、排気管２の一部を外向きに突出させて形成した突起部２ｂが設けられている。このように形成した突起部２ｂ内の領域は排気ガスＥＧが通過する領域からはみ出す状態となる。よって、この突起部２ｂに燃料添加弁２０を配置することにより熱損や燃料の焼き付きを抑制できる。

突起部２ｂには排気管２の内部に添加燃料ＦＥを導入するための開口２ＨＬが形成されている。この開口２ＨＬに臨むようにして噴孔２２を備えたノズル部２１側を下にして（すなわち、基端側を上にして）燃料添加弁２０が固定されている。燃料添加弁２０を突起部２ｂに固定する構造については特に限定はない。図示している例では燃料添加弁２０を保持する保持部材（以下、燃料添加弁ホルダ）２５が突起部２ｂの所定位置に固定され、この燃料添加弁ホルダ２５に燃料添加弁２０が差し込まれている。燃料添加弁２０の基端部に燃料タンク（図示せず）等から導かれた燃料の一部が供給されており噴孔２２から燃料ＦＥが排気管２内に向けて噴射される

ここで、本排気浄化システムでは図示のように、上記燃料添加弁２０の燃料噴射方向ＦＤａが従来とは異なり排気ガスＥＧが流れる方向ＥＤと対向するように設定されている。なお、噴孔２２から噴射された燃料ＦＥは所定の広がりを持った噴霧形状を形成するが、図２では説明の便宜のため噴霧中心線（噴射された燃料の中心を通る線）を用いて燃料噴射方向ＦＤａを示している。また、図２では比較のため順方向に設定されていた従来の燃料噴射方向ＦＤｂを合わせて例示している。対応する部分を示すときに、本発明に係る部分には添え字ａ、従来技術に係る部分には添え字ｂを付して区別する。

本燃料浄化システムでは、燃料噴射方向ＦＤａが排気ガスＥＧの流れ方向ＥＤに対して対向するように設定されるので、燃料噴射方向ＦＤａが排気ガスＥＧの流れ方向ＥＤに対して成す角度θａが鈍角となる。このように燃料噴射方向ＦＤａを設定すると、燃料添加弁２０から噴射された燃料ＦＥが従来よりも排気ガスＥＧと強く衝突する状況が形成されて霧化が促進されるので、添加した燃料ＦＥが燃料浄化用触媒１１まで到達し易くなる。

また、排気ガスＥＧの流れ方向ＥＤに対する角度θｂが鋭角で順方向となる従来の燃料噴射方向ＦＤｂと比較すると、排気ガスＥＧの流れに対して燃料ＦＥが逆向きに近い状態で噴射されることになるので燃料浄化用触媒１１に到達するまでの距離及び時間が実質的に長くなる。そのため、本排気浄化システムでは燃料ＦＥが排気ガスＥＧとミキシングされる機会が増えるので、燃料ＦＥが霧化される条件が有利となる。よって、本システムでは燃料ＦＥの霧化が促進されるので、従来と比較して排気管２内に添加された燃料ＦＥが排気浄化用触媒１１に到達し易くなる。また、燃料ＦＥを順方向に噴射する従来の場合には、排気浄化用触媒１１の断面を広く活用するように拡散して噴霧する必要がある。しかし、本排気浄化システムでは排気ガスＥＧの流れと対向するように燃料ＦＥが噴射されることで強く衝突するので燃料ＦＥを少々柱状に噴射しても拡散を促進できる。よって、ノズル部２１の噴孔２２の加工精度を上げることなく拡散噴霧を促進できる。

そして、燃料ＦＥの燃料噴射方向ＦＤａを排気ガスＥＧの流れ方向ＥＤに対して対向するように設定したことによるメリットは、ディーゼルエンジン１が低負荷域での運転状態の時や運転状態が低負荷から高負荷へ急激に変化した場合に顕著に確認できる。この点を従来の燃料噴射方向をＦＤｂとの比較で説明する。ディーゼルエンジンの運転状態が低負荷域となっているときには、排気ガス流量が減少すると共に排気ガス温も低くなる。そのため、ディーゼルエンジン１が低負荷時には、排気管２の内壁面に噴射した燃料ＦＥが付着し易くなる。図２では内壁に付着した付着燃料を模式的にＡＤで示している。また、付着燃料ＡＤが付着する排気管２の燃料付着部位を２ＡＤで示している。

低負荷域での運転状態の場合にも、燃料ＦＥが排気ガスＥＧと従来よりも強く衝突する向きに噴射されるので、排気ガスＥＧとのミキシングにより霧化が促進される。よって、順方向に燃料ＦＥを噴射した場合と比較して排気管２の内壁面への燃料ＦＥの付着量を低減できる。

また、燃料ＦＥの噴射方向が上流方向に向くので燃料が付着する部分が図２で示すように燃料付着部位２ＡＤａとなり、これに対して順流の場合は下流の燃料付着部位２ＡＤｂとなる。ディーゼルエンジン１の運転状態が低負荷域から急に高負荷域に変更されたときには排気ガス量が急激に増大する。このときに付着燃料ＡＤが内壁面から離脱して排気浄化用触媒１１に向かって流れることになる。図示するように燃料噴射方向ＦＤｂとなる順方向では、燃料付着部位２ＡＤｂが排気浄化用触媒１１から近い位置となるので高温で液滴状態の燃料が排気浄化用触媒１１に進入して熱劣化を招くことになる。

一方、燃料噴射方向ＦＤａを排気ガスＥＧに対向させている場合には、燃料付着部位２ＡＤａが排気浄化用触媒１１から遠い位置となるので、液滴状態であった燃料が排気浄化用触媒１１に到達するまでに霧化され易い。よって、燃料ＦＥの燃料噴射方向ＦＤを排気ガスＥＧの流れ方向ＥＤに対して対向して設定する本システムによると、燃料噴射方向を順方向に設定した場合と比較して付着燃料ＡＤが霧化する条件が従来よりも有利となり、かつ付着燃料そのものが少ないため排気浄化用触媒１１の熱劣化を抑制できる。

図３は、実施例２の排気浄化システムについて排気管２の湾曲部２ａの周辺を拡大して示した図である。なお、実施例１と同様の部位には同一の符号を付すことで重複する説明を省略する。この排気浄化システムでは、燃料付着部位２ＡＤよりも下流側の位置で排気管２の内壁面から内方に突出させた環状突起３０が設けられている。この環状突起３０は排気管２の中央に向け下方に傾斜する状態で形成されている。このような環状突起３０を排気管２内に設けると、付着燃料ＡＤが内壁面から離脱したときに環状突起３０に衝突するので燃料ＦＥの霧化を促進できる。さらに環状突起３０は排気管２の中心に向いて傾斜しているので衝突後の燃料ＦＥが排気ガスＥＧの流れに乗ってミキシングされ易くなっている。

ディーゼルエンジン１が低負荷域から急に高負荷域に運転条件が変わったような場合には、排気ガスの流量が多くなるので付着していた燃料が内壁面から離脱し易くなる。環状突起３０を設けた構造を採用することで、実施例１で示す構成より更に添加燃料の霧化を促進できる。よって、液滴状態の燃料が排気浄化用触媒１１に進入することをより確実に抑制できる。なお、実施例２では排気管２の内壁面に環状突起３０を設ける例を示したが、環状とすることなく付着燃料ＡＤが付き易い部分に対応して内壁面の一部に突起を設けてもよい。

また、前述した実施例では排気管２の一部を外向きに突出させた突起部２ｂを設けて、この突起部２ｂの空間内に燃料添加弁２０のノズル部２１を配置する例を示した。しかし、燃料添加弁２０を配置する位置はこれに限るものではない。例えば図４で示している従来技術と同様に湾曲部２ａの外側部にボス部を設け、このボス部内に燃料添加弁２０全体を収容する構造を採用してもよい。

以上説明した排気浄化システムでは、燃料噴射方向が排気ガスの流れに対して対向するように設定されているので添加する燃料ＦＥの霧化を促進することで、排気浄化用触媒１１に添加燃料を安定して供給できるようになる。排気浄化用触媒１１の機能が安定して維持できるのでエミッションや燃費を向上させることができる。また、燃料付着部位２ＡＤａから排気浄化用触媒１１までの距離が従来よりも長いためディーゼルエンジンの運転状態が低負荷から高負荷に急変したような場合でも、燃料ＦＥの霧化を促進できるので排気浄化触媒１１の熱劣化を抑制できる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例１の排気浄化システムが適用されているディーゼルエンジンについて示す図である。燃料添加弁が固定される排気管の湾曲部の周辺を拡大して示した図である。実施例２の排気浄化システムについて排気管の湾曲部の周辺を拡大して示した図である。従来の排気浄化システムについて示した図ある。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
２排気管
２ａ排気管の湾曲部
１０排気浄化装置
１１排気浄化用触媒
２０燃料添加弁
３０環状突起
ＦＥ燃料（添加燃料）
ＦＤ添加噴射方向
ＥＧ排気ガス
ＥＤ排気ガスの流れ方向

Claims

ディーゼルエンジンの排気管に排気浄化用触媒を配置すると共に該排気浄化用触媒より上流側で湾曲した前記排気管の外側部に燃料添加弁を配設し、該燃料添加弁から添加燃料を噴射して前記排気浄化用触媒に供給する排気浄化システムであって、
前記燃料添加弁の燃料噴射方向を、前記排気管内の排気ガスの流れ方向に対向するように設定し、
前記燃料添加弁から噴射された前記添加燃料が付着する燃料付着部位よりも排気下流側にある前記排気管の内壁面から内方に突出するとともに、前記排気管の中央に向け下方に傾斜する状態で形成された突起を設けたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化システム。