JP5239764B2 - エンジンの排気系構造 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気系構造に関するものである。

従来より、窒素酸化物（ＮＯｘ），一酸化炭素（ＣＯ）およびパティキュレートマター（Particulate Matter; 以下、単にＰＭという）といった、ディーゼルエンジンからの排ガスに含まれる有害物質を除去することで、排ガスを浄化する技術が種々開発されている。
その一例として、以下の特許文献１においては、同文献の図１に示されるように、ノズル（２）から排気通路（７）内へ燃料を噴射する技術が挙げられる。

この特許文献１の技術では、同文献の図２に開示されるように、排気通路（７）において膨出部（１）が形成されている。そして、このノズル（２）は膨出部（１）の中央部付近に設けられている。
また、同文献の図３に開示されるように、ノズル（２）からの燃料噴射方向は、図２および図３中矢印（Ｃ）として示されるように、膨出部（１）の内周面（１ａ）に沿って生じた排気流れ（Ｂ）に向かうように設定されている。
特開２００７−２４７５９１号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、ノズル（２）から噴射された燃料は、排気流れ（Ｂ）に向けて噴射されるものの、膨出部（１）の内周面（１ａ）に付着する可能性があり、排ガス性能を十分に向上させることが出来ないおそれがある。
もちろん、この特許文献１の技術によっても、排ガスを浄化するという効果を得ることは出来ようが、近年、環境保護の観点から、排ガス性能のさらなる向上が強く求められている。

他方、図３に、本発明のエンジンの排気系構造を創作する過程で創作された構造（試作構造）を示す。なお、この図３に示す構造を、以下、試作構造１００という。
この試作構造１００においては、略Ｙ字形状に形成された排気接続管１０１が設けられている。
また、この排気接続管１０１における一方の入口１０２には、エンジン（図示略）に備えられたターボチャージャ（図示略）の排気出口（図示略）が接続されている。

また、この排気接続管１０１における他方の入口１０３には、この排気接続管１０１内に燃料を噴射するインジェクタ１０４が設けられている。
そして、この排気接続管１０１における出口１０５には、排気通路１０６が接続されている。
また、この排気通路１０６内には、酸化触媒１０７が設けられ、さらに、この酸化触媒１０７の下方にＮＯｘトラップ触媒１０８が配設されている。

そして、排気接続管１０６内に、インジェクタ１０４から燃料を噴射することで、酸化触媒１０７およびＮＯｘトラップ触媒１０８へは、比較的多くの燃料成分を含む排ガスを流入させることが出来るようになっている。これにより、酸化触媒１０７での酸化を促進するとともに、ＮＯｘトラップ触媒１０８で吸蔵されたＮＯｘ成分を、これらの酸化触媒１０７およびＮＯｘトラップ触媒１０８から放出させる（いわゆる、ＮＯｘパージを実行する）ことが出来るようになっているのである。

ここで、インジェクタ１０４から噴射された燃料は、排気接続管１０１の壁面に付着させないようにすることが好ましい。このため、インジェクタ１０４は、噴射した燃料の噴霧が拡散する過程で壁面に付着しないような貫徹力に設定されている。
しかしながら、噴射燃料の貫徹力を確保すると、インジェクタ１０４から噴射された燃料と排ガスとが排気接続管１０６内で十分に撹拌されず、酸化触媒１０７およびＮＯｘトラップ触媒１０８の一部へ直接的に流入してしまう事態が生じる。

換言すれば、インジェクタ１０４から噴射された燃料が十分に拡散されず、酸化触媒１０７およびＮＯｘトラップ触媒１０８の全体をバランスよく通過させることが出来ない。このため、酸化触媒１０７およびＮＯｘトラップ触媒１０８の全体として排ガスの浄化を効率よく行なうことが出来ないという事態を招くのである。
さらに、酸化触媒１０７の一部へ直接的に流入した燃料は、その後、酸化触媒１０７内で気化することになる。このとき、燃料の気化熱により、酸化触媒１０７の温度を部分的に低くしてしまうこととなり、排ガスの浄化効率がさらに低下してしまう。

他方、酸化触媒１０７およびＮＯｘトラップ触媒１０８の一部分に、高濃度の燃料成分を含む排ガス、即ち、極めてリッチ雰囲気の排ガスが流れる領域（図３中符号Ｆａ参照）、或いは、気化しなかった燃料が液体のまま流れる領域（同じく図３中符号Ｆａ参照）では、部分的に激しい化学反応が生じ、酸化触媒１０７およびＮＯｘトラップ触媒１０８で温度分布の偏りが生じるのである。

この点、図４および図５（Ａ）〜（Ｃ）を用いて改めて説明する。
ここで、図４は、酸化触媒１０７またはＮＯｘトラップ触媒１０８の水平断面（図３中、符号ＣＳ１，ＣＳ２およびＣＳ３参照）を上方から見た場合を示すものである。また、この図４中、Ｐ１〜Ｐ５で示す部分のうち、部分Ｐ１および部分Ｐ２において、極めてリッチ雰囲気の排ガスが流れた、或いは、気化しなかった燃料が液体のまま流れたものとする。

また、図５（Ａ）は、図３に示す酸化触媒１０７の第１水平断面ＣＳ１における温度を示し、図５（Ｂ）は、図３に示す酸化触媒１０７の第２水平断面ＣＳ２における温度を示し、図５（Ｃ）は、図３に示すＮＯｘトラップ触媒１０８の第３水平断面ＣＳ３における温度を示す。
図５（Ａ）で示すように、酸化触媒１０７の第１水平断面ＣＳ１における部分Ｐ１（一点鎖線参照）および部分Ｐ２（二点鎖線参照）は、酸化触媒１０７に付着した燃料の気化熱によって、局所的に冷却されていることが分かる。

これに対して、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）で示すように、酸化触媒１０７の第２水平断面ＣＳ２およびＮＯｘトラップ触媒１０８の第３水平断面ＣＳ３においては、部分Ｐ１（一点鎖線参照）および部分Ｐ２（二点鎖線参照）が、燃料成分が酸化することによって生じる熱（反応熱）によって、局所的に熱せられていることが分かる。
このように、酸化触媒１０７およびＮＯｘトラップ触媒１０８における温度分布の偏りは、これらの酸化触媒１０７およびＮＯｘトラップ触媒１０８の全体に、リッチ雰囲気の排ガスがバランスよく供給されないことに起因して生じる。このため、酸化触媒１０７およびＮＯｘトラップ触媒１０８による排ガスの浄化効率が低下し、排ガス性能を向上させることが困難になるのである。

本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、排ガス性能のさらなる向上を図り環境保護に寄与することが出来る、エンジンの排気系構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のエンジンの排気系構造（請求項１）は、エンジンに接続された排気管中に燃料を噴射する燃料噴射装置と、該エンジンと該排気管との間に設けられたターボチャージャと、該ターボチャージャに近接して設けられ、該排気管の内径よりも小さな内径を有し且つ該排気管中に設けられた内管と、該内管と該排気管との間に排ガスが流入する隙間を形成しながら該排気管に対して該内管を支持する支持部材と、該内管に穿設され該燃料噴射装置から噴射された燃料を該内管の内周面に導入する燃料導入穴とを備え、該支持部材は、該内管内周面において該燃料導入穴を通じて導入された該燃料が噴射される被噴射部分を避けながら該排気管に対して該内管を支持し、該燃料噴射装置による燃料噴射方向と該内管の中心とを所定距離オフセットさせ、噴射された該燃料を該ターボチャージャで生じる旋回流と同じ方向に該内管内で旋回させるように設定させたことを特徴としている。

また、請求項２記載の本発明のエンジンの排気系構造は、請求項１記載の内容において、該内管よりも下流側における該排気管には該エンジンからの排ガスを浄化する排気触媒が設けられていることを特徴としている。

本発明のエンジンの排気系構造によれば、燃料を比較的多く含む排ガスが、排気管中の一部に偏って流れる事態が生じることを防ぐことが可能となり、排ガス性能を向上させ、環境保護に寄与することが出来ることが出来る。また、内管と排気管との間に隙間があり、支持部材は燃料噴射装置から噴射された燃料を避けて内管を支えていることから、気化熱による内管の冷却効果は、排気管自体に及びにくくすることが出来る。また、内管の内周面において燃料の旋回流を生成し易くすることが出来、燃料が排ガスと良好に攪拌される。（請求項１）
また、ターボチャージャの下流側に生成される排ガスの旋回流と、内管の内周面において生成される燃料の旋回流とを同方向にしたことで、排ガスと燃料との撹拌をより促進することが出来る。（請求項１）
また、排気管の下流側に触媒を設けた場合であっても、この触媒の一部に比較的多くの燃料が偏って流れ込む事態が生じることを防ぐことが出来る。（請求項２）

以下、図面により、本発明の一実施形態に係るエンジンの排気系構造について説明すると、図１はその全体構成を示す模式図、図２はその要部構成を示す模式図であって、図１のII−II矢視断面を示すものである。
図１および図２に示すように、車両１０に搭載されたディーゼルエンジン（エンジン）１１には、ターボチャージャ１２が備えられている。

また、このターボチャージャ１２の出口１３には、第１排気管（排気管）１４の入口１５が接続されている。なお、以下、“上流”または“下流”といった表現を用いるが、これらは、ディーゼルエンジン１１から排出された排ガスの流れを基準とするものである。
ターボチャージャ１２は、図示しないタービン−コンプレッサを有し、ディーゼルエンジン１１から排出された排ガスによりこのタービン−コンプレッサを回転させることで、ディーゼルエンジン１１の吸気過給を行なうことが出来るようになっている。

第１排気管１４は、略Ｌ字型の形状に形成された円筒形状の部品であり、その出口１６には第２排気管（排気通路）１７の入口１８が接続されている。
さらに、この第１排気管１４の出口１６には、パンチングメタル１９が設けられている。このパンチングメタル１９は、複数の穴部が形成された金属板であって、これらの穴部を排ガスが通過する際に、排ガスの流れを乱すことが出来るようになっている。

また、この第１排気管１４は、入口１５近傍の内径Ｄ１よりも、出口１８近傍の内径Ｄ３の方が大きくなるように形成されている。つまり、この第１排気管１４における排ガス流路面積は、入口内径Ｄ１から出口内径１８の間で、徐々に大きくなるように設定されている。
第２排気管１７には、酸化触媒（排気触媒）２１が設けられるとともに、この酸化触媒２１の下流側で且つこの酸化触媒２１の下方にはＮＯｘトラップ触媒（排気触媒）２２が設けられている。

これらのうち、酸化触媒２１は、ディーゼルエンジン１１に近接して設けられ、ディーゼルエンジン１１から排出された排ガスを比較的高温のまま、この酸化触媒２１に流入させることが出来るようになっている。また、この酸化触媒２１は、白金（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ）といった貴金属を含んでおり、これらの貴金属によって、排ガスに含まれる酸化炭素（ＣＯ）と炭化水素（ＨＣ）とを酸化し、二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ_２Ｏ）とに化学変化させることで、排ガスを浄化することが出来るようになっている。

ＮＯｘトラップ触媒２２は、ＮＯｘ吸蔵材としてアルカリ金属（例えば、バリウム（Ｂａ））を含んでおり、これにより、排ガス中のＮＯｘを吸蔵することが出来るようになっている。また、このＮＯｘ吸蔵材は、排ガスがリーン雰囲気にある場合に排ガス中のＮＯｘ成分を吸蔵し、一方、排ガスがリッチ雰囲気にある場合に吸蔵したＮＯｘを排ガス中に放出することが出来るようになっている。

また、このＮＯｘトラップ触媒２２のＮＯｘ吸蔵材には、燃料に含まれる硫黄成分と酸素との反応生成物である硫黄酸化物（ＳＯｘ）がＮＯxの代わりに吸蔵されてしまう場合もある。このＮＯｘトラップ触媒２２に吸蔵されてしまったＳＯｘを、ＮＯｘトラップ触媒２２から放出するためには、ＮＯｘの場合と同様に、排ガスをリッチ雰囲気にすればよい。

なお、ＮＯｘトラップ触媒２２に吸蔵されたＮＯｘをＮＯｘトラップ触媒２２から放出させる制御をＮＯｘパージといい、ＮＯｘトラップ触媒２２に吸蔵されたＳＯｘをＮＯｘトラップ触媒２２から放出させる制御をＳパージという。
そして、第１排気管１４の入口１５の近傍には、内管２３が設けられている。
この内管２３は、第１排気管１４の入口内径Ｄ１よりも小さな内径Ｄ２を有するように形成されている。

また、この内管２３は、図２に示すように、４つの支持部材２４を介して第１排気管１４の内周面１４Ａに対して支持されている。これらの支持部材２４は、金属製の部品であって、内管２３と第１排気管１４との間に介装されている。そして、この支持部材２４の一端が内管２３の外周面２３Ａに溶接され、その他端が第１排気管１４の内周面１４Ａに対して溶接されている。これにより、内管２３の外周面２３Ａと第１排気管１４の内周面１４Ａとの間に隙間Ｇを形成することが出来るようになっている。

そして、この隙間Ｇには、ディーゼルエンジン１１に設けられたターボチャージャ１２から排出された排ガスの主流Ａ１の一部が、副流Ａ２として流入することが出来るようになっている。
さらに、この内管２３には、燃料導入穴２５が穿設されている。この燃料導入穴２５は、第１排気管１４の入口１５の近傍に設けられたインジェクタ（燃料噴射装置）２６から噴射された燃料（図１中符号Ｆ参照）を、内管２３の内周面２３Ｂに導入する穴部である。

また、この燃料導入穴２５には、燃料通路２７が接続されている。この燃料通路２７は、インジェクタ２６による燃料の噴射方向Ｃ_２６と同じ方向に延在する円筒状の部品である。また、この燃料通路２７の上端には、フランジ２８が形成されている。
また、上述の支持部材２４は、それぞれ、内管２３の内周面（内管内周面）２３Ｂにおいて、被噴射部分Ｐｆを避けるように設けられている。ここで、内管内周面２３Ｂにおける被噴射部分Ｐｆとは、燃料通路２７および燃料導入穴２５を通じて導入された燃料（図１中符号Ｆ参照）が当たる部分である。つまり、インジェクタ２６から噴射された燃料は、まず、この内管２３の内周面２３Ｂにおける被噴射部分Ｐｆに衝突するようになっている。

もっとも、支持部材２４は、この被噴射部分Ｐｆを避けるように設けられているので、内管内周面２３Ｂに付着した燃料の気化熱により、この内管２３が冷却されたとしても、その冷却効果が、外管、即ち、第１排気管１４自体に及びにくくすることが出来るようになっている。
また、図２に示すように、インジェクタ２６による燃料噴射方向Ｃ_２６と、内管２３の中心Ｃ_２３とが、所定距離Ｌ_１オフセットするように設定されている。これにより、インジェクタ２６によって噴射された燃料は、概ね、内管２３の内周面２３Ｂに沿って流れることとなり、内管２３の内周面２３Ｂにおいて燃料の旋回流（図２中、矢印Ｆｒ参照）を生成し易くすることが出来るようになっている。なお、オフセットする方向は、燃料の旋回流がターボチャージャ１２で生じる旋回流と同じ方向となるように設定する。

本発明の一実施形態に係るエンジンの排気系構造は上述のように構成されているので、以下のような作用および効果を奏する。
インジェクタ２６が、第１排気管１４中に燃料を噴射すると、この燃料は、燃料通路２７および燃料導入穴２５を通じて内管２３の内周面２３Ｂに導入される。
そして、内管２３中に導入された燃料は、内管２３の内周面２３Ｂを沿って旋回流を形成し、このときに、ディーゼルエンジン１１のターボチャージャ１２から排出された排ガスと良好に撹拌される。

また、内管２３と第１排気管１４との間には、支持部材２４により、隙間Ｇが形成されている。したがって、内管２３に付着した燃料が気化する際に、内管２３が冷却されたとしても、第１排気管１４自体が直接的に冷却されることを防ぐことが可能である。このため、第１排気管１４のみならず、この第１排気管１４と接続された第２排気管１７の温度が低下することも抑制することが出来る。

また、排ガスと燃料との撹拌は、第１排気管１４の入口内径Ｄ１よりも小さな内径Ｄ２を有する内管２３の内部において行われる。つまり、内管２３を第１排気管１４内に設けることで、第１排気管１４中における排ガス流路面積が絞られた部分において、排ガスと燃料との撹拌が行なわれることが出来るようになっている。
また、この第１排気管１４における排ガス流路面積は、入口内径Ｄ１から出口内径１８の間で、徐々に大きくなるように設定されているので、燃料と排ガスとを拡散させながら且つ撹拌させることが出来る（図１中矢印Ａ４およびＡ５参照）。

したがって、燃料を比較的多く含む排ガスが、第１排気管１４中および第２排気管１７中の一部に偏って流れる事態が生じることを防ぐことが可能となり、排ガス性能を向上させ、環境保護に寄与することが出来る。
また、内管２３内で燃料と排ガスとが良好に攪拌されることで、内管２３の下流側に酸化触媒２１やＮＯｘトラップ触媒２２が設けられているが、これらの酸化触媒２１およびＮＯｘトラップ触媒２２の一部に、比較的多くの燃料が偏って流れ込む事態が生じることを防ぐことが出来る。

これにより、酸化触媒２１やＮＯｘトラップ触媒２２の一部が局所的に反応することを防ぎ、酸化触媒２１やＮＯｘトラップ触媒２２の全体を効率よく用いて排ガス浄化を行なうことが出来る。
つまり、排ガスと燃料との撹拌を良好に行なうことで、燃料の噴射量を必要最小限に抑制しながら、排ガス空燃比のバランスを保ちつつ、酸化触媒２１やＮＯｘトラップ触媒２２の全体にリッチ化された排ガスを流入させることが出来る。したがって、ＮＯｘパージやＳパージを実行した際に、ＮＯｘトラップ触媒２２から効率よくＮＯｘやＳＯｘをパージさせることが可能となる。

また、図２に示すように、支持部材２４は、被噴射部分Ｐｆを避けた位置において、内管２３を第１排気管１４に対して支持している。これにより、内管２３の内周面２３Ｂに付着した燃料の気化熱による内管２３の冷却効果が、第１排気管１４およびこの第１排気管１４に接続された第２排気管１７に及びにくくすることが出来る。
これにより、酸化触媒２１やＮＯｘトラップ触媒２２に流れ込む排ガスの温度が低下することを抑制し、これらの酸化触媒２１やＮＯｘトラップ触媒２２を早期に活性化させることが可能となる。したがって、ディーゼルエンジン１１の温度が低い場合（例えば、冷態始動時）においても、酸化触媒２１やＮＯｘトラップ触媒２２による排ガス浄化を速やかに開始することが出来る。

また、図２に示すように、インジェクタ２６による燃料噴射方向Ｃ_２６と内管２３の中心Ｃ_２３とが、所定距離Ｌ_１オフセットするように設定されている。これにより、内管２３の内周面２３Ｂにおいて、インジェクタ２６から噴射された燃料が旋回流（図２中矢印Ｆｒ参照）を生成し易くすることが出来る。
また、図１に示すように、ディーゼルエンジン１１と第１排気管１４との間にはターボチャージャ１２が設けられている。そして、内管２３は、このターボチャージャ１２に近接するように第１排気管１４内に設けられている。

これにより、ターボチャージャ１２のタービン−コンプレッサ（図示略）が作動することで生成された、ターボチャージャ１２の下流側に生成される排ガスの旋回流（図１中矢印Ａ３参照）と、内管２３の内周面２３Ｂにおいて生成される燃料の旋回流（図２中矢印Ｆｒ参照）とを同じ方向とすることにより、噴射された燃料が偏ることなく酸化触媒２１に満遍なく供給される。

また、図１に示すように、第１排気管１４の出口１６には、パンチングメタル（乱流生成手段）１９が設けられている。そして、パンチングメタル１９の穴部を排ガスが通過する際に、排ガスの流れを乱すことが可能になり、排ガスと燃料との攪拌をさらに促進させることが出来る。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが出来る。その一例を以下に示す。

上述の実施形態においては、酸化触媒２１およびＮＯｘトラップ触媒２２が排気触媒として用いられている場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、これらの酸化触媒２１およびＮＯｘトラップ触媒２２だけでなく、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒やＨＣトラップ触媒などを様々なバリエーションで組み合わせて用いるようにしても良い。

また、上述の実施形態においては、酸化触媒２１およびＮＯｘトラップ触媒２２の２つの排気触媒を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されるものではなく、排気触媒の数に制限はない。
また、上述の実施形態においては、第１排気管１４の出口１６にパンチングメタル１９が設けられた場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、このパンチングメタル１９に換えて、第１排気管１４の内周面１４Ａに突起部（図示略）を形成してもよい。つまり、この突起部（乱流生成手段）により、排ガスの流れを乱すことが可能になり、排ガスと燃料との攪拌をさらに促進させることが出来る。

また、上述の実施形態においては、ディーゼルエンジン１１を例にとって説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ディーゼルエンジン１１に換えて、ガソリンエンジンを用いても良い。
また、上述の実施形態においては、支持部材２４の一端が内管２３の外周面２３Ａに溶接され、その他端が第１排気管１４の内周面１４Ａに対して溶接されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、溶接に換えて圧入といった手法も採用し得る。

本発明の一実施形態に係るエンジンの排気系構造の全体構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの排気系構造の要部構成を示す模式的な断面図であって、図１のII−II矢視断面を模式的に示すものである。 本発明の一実施形態に係るエンジンの排気系構造を創作する過程で創作された構造（試作構造）を示す模式図である。 （Ａ）は図３中符号ＣＳ１で示す箇所に対応する模式的な水平断面図であり、（Ｂ）は図３中符号ＣＳ２で示す箇所に対応する模式的な水平断面図であり、（Ｃ）は図３中符号ＣＳ３で示す箇所に対応する模式的な水平断面図である。 （Ａ）は図３中符号ＣＳ１で示す箇所における温度を模式的に示すグラフであり、（Ｂ）は図３中符号ＣＳ２で示す箇所における温度を模式的に示すグラフであり、（Ｃ）は図３中符号ＣＳ３で示す箇所における温度を模式的に示すグラフである。

符号の説明

１１ ディーゼルエンジン（エンジン）
１２ ターボチャージャ（過給器）
１４ 第１排気管（排気管）
１７ 第２排気管（排気管）
２１ 酸化触媒（排気触媒）
２２ ＮＯｘトラップ触媒（排気触媒）
２３ 内管
２４ 支持部材
２５ 燃料導入穴
２６ 排気インジェクタ（燃料噴射装置）
Ｄ１ 入口内径（排気管の内径）
Ｄ２ 内管の内径
Ｃ_２３ 内管の中心
Ｇ 隙間
Ｐｆ 被噴射部分
Ｌ_１ オフセット距離

Claims (2)

1. エンジンに接続された排気管中に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
   該エンジンと該排気管との間に設けられたターボチャージャと、
   該ターボチャージャに近接して設けられ、該排気管の内径よりも小さな内径を有し且つ該排気管中に設けられた内管と、
   該内管と該排気管との間に排ガスが流入する隙間を形成しながら該排気管に対して該内管を支持する支持部材と、
   該内管に穿設され該燃料噴射装置から噴射された燃料を該内管の内周面に導入する燃料導入穴とを備え、
   該支持部材は、該内管内周面において該燃料導入穴を通じて導入された該燃料が噴射される被噴射部分を避けながら該排気管に対して該内管を支持し、
   該燃料噴射装置による燃料噴射方向と該内管の中心とを所定距離オフセットさせ、噴射された該燃料を該ターボチャージャで生じる旋回流と同じ方向に該内管内で旋回させるように設定させた
   ことを特徴とする、エンジンの排気系構造。
2. 該内管よりも下流側における該排気管には該エンジンからの排ガスを浄化する排気触媒が設けられている
   ことを特徴とする、請求項１記載のエンジンの排気系構造。

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