エンジンの排気浄化装置
【課題】排ガスが流通する際の圧損増大を未然に回避した上で、旋回流を生起したときの撹拌作用により排ガスと尿素水とを良好に混合して排ガス中に尿素水を十分に拡散・霧化できるエンジンの排気浄化装置を提供する。
【解決手段】上流側ケーシング１７内の上方に偏心した位置に連結パイプ２２を配置すると共に、上流側ケーシング１７の最下流箇所の下側に下側湾曲片２８ｂを配設し、連結パイプ２２の下側に形成された下側流路２９ｂに排ガスを通過させながら下側湾曲片２８ｂにより上方に案内することにより旋回流を生起させる。この旋回流を生起した排ガスを連結パイプ２２の孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを経て内部に導入し、連結パイプ２２内でも旋回流を生起させて排ガス中に尿素水を噴射する。
【解決手段】上流側ケーシング１７内の上方に偏心した位置に連結パイプ２２を配置すると共に、上流側ケーシング１７の最下流箇所の下側に下側湾曲片２８ｂを配設し、連結パイプ２２の下側に形成された下側流路２９ｂに排ガスを通過させながら下側湾曲片２８ｂにより上方に案内することにより旋回流を生起させる。この旋回流を生起した排ガスを連結パイプ２２の孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを経て内部に導入し、連結パイプ２２内でも旋回流を生起させて排ガス中に尿素水を噴射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの排気浄化装置に係り、詳しくは尿素水インジェクタから排気通路内に尿素水を噴射し、尿素水から生成されたアンモニア（ＮＨ3）を還元剤として下流側のアンモニア選択還元型ＮＯx触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）に供給する排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気中に含まれる汚染物質の１つであるＮＯx（窒素酸化物）を浄化するための排気浄化装置として、エンジンの排気通路にＳＣＲ触媒を配設し、還元剤としてアンモニアをＳＣＲ触媒に供給することによりＮＯxを還元して排気を浄化するようにした排気浄化装置が知られている。
【０００３】
このような排気浄化装置ではアンモニアをＳＣＲ触媒に供給するために、アンモニアに比べて取り扱いが容易な尿素水を排気中に供給するのが一般的である。尿素水の供給には尿素水インジェクタが用いられており、ＳＣＲ触媒より上流側の排気通路に尿素水インジェクタを設置して尿素水タンクから加圧した尿素水を供給し、尿素水インジェクタに内蔵した電磁弁の開閉に応じて排気通路内に尿素水を噴射している。ＳＣＲ触媒に良好なＮＯx浄化性能を発揮させるには、ＳＣＲ触媒の各部位に均一にアンモニアを供給する必要があり、そのためには、尿素水インジェクタから噴射した尿素水を排ガスと十分に混合して排ガス中に均一に拡散・霧化させることが重要となる。
【０００４】
このような課題に着目した技術として、特許文献１に記載のものを挙げることができる。当該特許文献１の技術では、円筒状をなす上流側ケーシングの一側面から他側面に貫通するように連結パイプの上流側端部を挿入して、他側面に露出した連結パイプの上流側端部に尿素水インジェクタを配設すると共に、ケーシング内で連結パイプの挿入部分に多数の孔を貫設している。連結パイプの下流側端部はＳＣＲ触媒を収容した下流側ケーシングに連結し、エンジンからの排ガスを上流側ケーシング内で連結パイプの各孔を経て内部に導入し、尿素水インジェクタから噴射された尿素水と混合しながら連結パイプ内を下流側ケーシングへと移送して、尿素水から生成されたアンモニアをＳＣＲ触媒に供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７４８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された従来の排気浄化装置では、連結パイプの各孔を経て内部に導入されて相互に衝突している排ガス中に尿素水を噴射することから、排ガスと尿素水との混合をかなり促進できるが、その撹拌作用は十分とまでは言えなかった。
即ち、従来の排気浄化装置において、排ガスと尿素水との撹拌作用が発揮されるのは、主に連結パイプの孔が形成された領域近傍、換言すると各孔を経て内部に導入された排ガスが互い衝突する領域近傍であり、それより下流側では排ガスと共に尿素水は下流側ケーシングへと移送されるものの、衝突による積極的な撹拌作用が得られないことから双方の混合もそれほど促進されない。
【０００７】
この現象は、例えば排気通路内に配設したフィンなどで排ガスに旋回流を生起して尿素水との混合を促進する方式の排気浄化装置とは対照的であり、旋回流を利用した場合には、旋回流が減衰しない限り移送中に排ガスと尿素水とが混合され続けるため、より高い撹拌作用が得られる。但し、上記特許文献１の［発明が解決しようとする課題］でも記載されているように、フィンを用いた方式は旋回流の生起のために排ガスの圧損が増大するという別の問題を生じた。
以上の理由により、特許文献１に記載された従来の排気浄化装置では、排ガスと尿素水との撹拌作用の点で今ひとつ改良の余地があり、従来から抜本的な対策が強く要望されていた。
【０００８】
本発明はこのような問題点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、排ガスが流通する際の圧損増大を未然に回避した上で、旋回流を生起したときの撹拌作用により排ガスと尿素水とを良好に混合して排ガス中に尿素水を十分に拡散・霧化でき、もって、ＳＣＲ触媒の各部位にアンモニアを均等に供給して良好なＮＯx浄化性能を達成することができるエンジンの排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、エンジンの排気通路に配設され、エンジンの排ガス流通方向に沿った略筒状をなす上流側ケーシングと、上流側ケーシングの近接位置に配設されて、アンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯxを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を収容した下流側ケーシングと、上流側端部が上流側ケーシングの一側面からケーシング内に挿入されると共に、下流側端部が下流側ケーシングに接続され、上流側端部の上流側ケーシング内への挿入部分の外周面に貫設された多数の孔を経て上流側ケーシング内の排ガスを内部に導入して下流側ケーシングに向けて案内する連結パイプと、連結パイプ内に尿素水を噴射する尿素水インジェクタとを備えたエンジンの排気浄化装置において、連結パイプの上流側端部が、上流側ケーシング内を流通する排ガスに旋回流を生起させるべく上流側ケーシング内での排ガス流通方向に対して略直交する方向に偏心して配置され、上流側ケーシング内の最下流箇所の少なくとも連結パイプの反偏心方向の位置に、旋回流を生起する方向に排ガスを案内するための湾曲面が形成されたものである。
【００１０】
従って、エンジンの排ガスは排気通路を経て上流側ケーシングに導入され、上流側ケーシング内で連結パイプの各孔を経て内部に導入され、尿素水インジェクタから噴射された尿素水と混合しながら連結パイプ内を下流側ケーシングへと移送され、移送中に尿素水から生成されるアンモニアがアンモニア選択還元型ＮＯx触媒のＮＯx浄化に利用される。
上流側ケーシング内での連結パイプの偏心配置により反偏心方向に広い流路が形成され、排ガスはこの流路を通過しながら湾曲面により案内されて連結パイプに到達し、その外周面の各孔を経て内部に導入される。結果として、上流側ケーシング内の排ガス流れは軸線に対して偏ったものとなり旋回流が生起される。そして、旋回流を生起した排ガスは連結パイプの各孔を経て内部に導入された後にも旋回流のベクトルを維持し、連結パイプ内でも旋回流を生起する。
【００１１】
従って、旋回流を生起している排ガス中に尿素水インジェクタから尿素水が噴射され、旋回流は減衰することなく連結パイプ内を下流側に向けて移送され、排ガスと尿素水とは長時間に亘って撹拌されて良好に混合される。その結果、尿素水が排ガス中に十分に拡散・霧化され、尿素水の加水分解により生成されたアンモニアがアンモニア選択還元型ＮＯx触媒の各部位に均等に供給される。
請求項２の発明は、請求項１において、連結パイプの挿入部分に貫設された孔が、上流側ケーシング内で旋回流を生起して連結パイプの外周面に到達する排ガスの内、連結パイプ内への導入により内部での旋回流の生起に貢献するベクトルを有する排ガスが到達する領域で有効開口面積を大とし、他の領域では有効開口面積を小としたものである。
【００１２】
従って、連結パイプの外周面には、連結パイプ内での旋回流の生起に貢献するベクトルを有する排ガスが到達する領域では孔の有効開口面積が大とされ、その他の領域では孔の有効開口面積が小とされるため、連結パイプ内には内部での旋回流の生起に貢献するベクトルを有する排ガスが優先的に導入される。その結果、上流側ケーシング内の旋回流と同方向の旋回流を連結パイプ内に良好に生起可能となる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または２において、連結パイプの上流側端部が、その全ての部分が上流側ケーシングの軸線よりも偏心方向に位置しているものである。
従って、連結パイプの上流側端部の全ての部分を上流側ケーシングの軸線よりも上方に位置させて広い流路を確保しているため、無理な排ガス流れにより圧損を生じることなく円滑に旋回流を形成可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように請求項１の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、上流側ケーシング内で連結パイプの上流側端部を偏心配置すると共に、上流側ケーシングの最下流箇所に排ガス案内用の湾曲面を形成し、上流側ケーシング内で生起した旋回流のベクトルを連結パイプの各孔を経て内部に導入後にも維持することにより、排ガス流通による圧損を増大させることなく連結パイプ内でも旋回流を生起させ、この旋回流により排ガスと尿素水とを長時間に亘って撹拌して良好に混合するようにしたため、尿素水を排ガス中に十分に拡散・霧化してアンモニア選択還元型ＮＯx触媒の各部位にアンモニアを均等に供給でき、もって良好なＮＯx浄化性能を達成することができる。
【００１５】
請求項２の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１に加えて、連結パイプに貫設した孔の有効開口面積の設定により、旋回流の生起の貢献するベクトルを有する排ガスを優先的に連結パイプ内に導入するようにしたため、連結パイプ内で良好な旋回流を生起することができる。
請求項３の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１または２に加えて、連結パイプの上流側端部の全ての部分を上流側ケーシングの軸線よりも上方に位置させて広い流路を確保することにより、無理な排ガス流れにより圧損を生じることなく円滑に旋回流を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。
【図２】上流側及び下流側ケーシングの接続部分を上方より見た部分拡大断面図である。
【図３】同じく接続部分を下方から見た部分拡大断面図である。
【図４】同じく接続部分を示す図２のIV−IV線断面図である。
【図５】連結パイプに形成した孔の領域を示す図４の模式図である。
【図６】排ガス流通状態を表す図２に対応する部分拡大断面図である。
【図７】先行技術の排ガスの流通状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化したディーゼルエンジンの排気浄化装置の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。本実施形態の排気浄化装置はトラックに搭載されており、図１ではトラックへの搭載状態と同様の配置でエンジン１及び排気浄化装置２を示すと共に、トラックの床下を部分的に示している。なお、以下の説明では、車両を主体として前後方向及び左右方向を規定する。
【００１８】
トラックはラダーフレームのシャシー構造が採用されている。ラダーフレームは、車体の前後方向全体に延設した左右一対のサイドレール３ａを複数のクロスメンバ３ｂ（一つのみ図示）により連結して構成され、このラダーフレーム上にエンジン１等のパワープラント、及び車体のキャビンや荷台３ｃ等が搭載されている。図１では、ラダーフレームの左右一対のサイドレール３ａが部分的に示されると共に、ラダーフレーム上に載置さられた荷台３ｃが二点鎖線で示され、この荷台３ｃ下側の床下に排気浄化装置２が設置されている。
【００１９】
エンジン１はラダーフレームの左右のサイドレール３ａ間に位置し、直列６気筒機関として構成されている。エンジン１の各気筒には燃料噴射弁４が設けられ、各燃料噴射弁４は共通のコモンレール５から加圧燃料を供給され、開弁に伴って対応する気筒の筒内に燃料を噴射する。
エンジン１の吸気側には吸気マニホールド６が装着され、吸気マニホールド６に接続された吸気通路７には、上流側よりエアクリーナ８、ターボチャージャ９のコンプレッサ９ａ、インタクーラ１０が設けられている。また、エンジン１の排気側には排気マニホールド１２が装着され、排気マニホールド１２には上記コンプレッサ９ａと同軸上に連結されたターボチャージャ９のタービン９ｂが接続されている。タービン９ｂには排気通路１３が接続され、排気通路１３に上記排気浄化装置２が設けられている。
【００２０】
一方、エンジン１の後部には変速機１５が結合され、変速機１５の出力軸にはプロペラシャフト１６の前端が連結されている。プロペラシャフト１６は車体の床下で左右のサイドレール３ａ間を後方に延設され、その後端は図示しないディファレンシャルギアを介して左右の後輪に接続されている。
上記排気通路１３は、車体の床下のプロペラシャフト１６と右側のサイドレール３ａとの間において後方に延設されている。一般的なトラックでは、そのまま排気通路１３が車体後部まで延設されて、排気通路１３上に排気浄化装置２の各構成部材が直列配置されるが、本実施形態のトラックでは荷台長さの関係で床下の前後スペースが十分でないため排気通路１３を右側に取り回して側方排気している。この排気通路１３の取り回しの関係で、排気通路１３上に設置された排気浄化装置２のレイアウトも変則的なものになっており、以下に詳述する。
【００２１】
プロペラシャフト１６と右側のサイドレール３ａとの間において、排気通路１３の後端には上流側ケーシング１７が接続されている。上流側ケーシング１７は前後方向（排ガスの流通方向）に沿った円筒状をなし、その内部の上流側には前段酸化触媒１８が配置され、下流側には排ガス中のＰＭ（パティキュレート・マター）を捕集するためのウォールフロー式のＤＰＦ（ディーセルパティキュレートフィルタ）１９が設置され、さらにＤＰＦ１９の下流側には混合室２０と称する空間が形成されている。なお、排気通路１３の上流側ケーシング１７の上流側位置には、後述するＤＰＦ１９の強制再生用の燃料噴射弁２１が設置されている。
【００２２】
図２は上流側及び下流側ケーシングの接続部分を上方より見た部分拡大断面図、図３は同じく接続部分を下方から見た部分拡大断面図、図４は同じく接続部分を示す図２のIV−IV線断面図、図５は連結パイプに形成した孔の領域を示す図４の模式図である。
図１，４に示すように、上流側ケーシング１７の混合室２０に対応する箇所には、上流側ケーシング１７を右側面（一側面）から左側面に貫通するように断面円形状をなす連結パイプ２２の上流側端部が配設されている。連結パイプ２２は排気通路１３の一部を構成するものであり、その径も排気通路１３と略等しく設定されている。上流側ケーシング１７に対する連結パイプ２２の貫通箇所は溶接されており、上流側ケーシング１７の外周面から露出する連結パイプ２２の左端には蓋体２２ｂが溶接され、これにより連結パイプ２２の上流側端部は閉鎖されている。
【００２３】
連結パイプ２２の上流側端部は上流側ケーシング１７内の上方（上流側ケーシング１７内での排ガス流通方向に対して略直交する方向）に偏心した位置に配設されている。より詳しくは、連結パイプ２２の全ての部分が円筒状をなす上流側ケーシング１７の軸線Ｌ0よりも上方に位置している。但し、これに限ることはなく、連結パイプ２２を下方に偏心配置したり、連結パイプ２２の下部が軸線Ｌ0よりも下方にはみ出すように配置したりしてもよい。
【００２４】
図２，３に示すように、連結パイプ２２の混合室２０内への露出部分（挿入部分）には、連結パイプ２２の内外を連通させる多数の孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃが貫設され、各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを介して混合室２０内と連結パイプ２２内とが相互に連通している。これらの孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃは大中小の３種の内径に分別され、連結パイプ２２の周方向の領域に応じて選択的に形成されている。
【００２５】
まず、説明の便宜上、図５に示すように連結パイプ２２を周方向に４等分し、後上側の領域をＡ、後下側の領域をＢ、前下側の領域をＣ、前上側の領域をＤと称する。領域Ａには最も小径の孔２２ａが形成され、領域Ｂには最も大径の孔２２ｂが形成され、領域Ｃには中間の内径の孔２２ｃが形成され、領域Ｄには孔が形成されていない。
各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃのピッチ（領域内の数でもある）は領域Ａ，Ｂ，Ｃで等しく設定されている。このため、各領域Ａ，Ｂ，Ｃにおける各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの有効開口面積（単位面積あたりの外周面に対して孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの面積が占める比率と定義する）は、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ａの順に小さくなり、さらに領域Ｄの有効開口面積は０であるため、領域Ｄが最も有効開口面積が小さいことになる。
【００２６】
また、各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの総開口面積は、連結パイプ２２の通路断面積より大きく設定されている。但し、総開口面積の設定は必ずしもこれに限ることはなく、各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを流通する際の圧損が許容できる範囲内なら、連結パイプ２２の通路断面積より小さく設定してもよい。
【００２７】
後に詳述するが、本実施形態では、連結パイプ２２の偏心配置により上流側ケーシング１７内で排ガスに旋回流を生起させ、この旋回流のベクトルを維持したまま連結パイプ２２の各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを経て内部に排ガスを導入することにより、連結パイプ２２内でも旋回流を生起させて尿素水との混合促進を図るものである。上流側ケーシング１７内で生起される旋回流は、連結パイプ２２の外周面の周方向の部位に応じて外周面に到達したときのベクトルが相違し、連結パイプ２２内への旋回流の導入により内部での旋回流の生起に貢献するベクトルも存在するし、内部での旋回流の生起に貢献せずに寧ろ妨害するベクトルも存在する。
【００２８】
上記した各領域Ａ〜Ｄにおける孔の設定（孔を備えない領域Ｄも含む）は、このような連結パイプ２２内での旋回流の生起に貢献するベクトルを有する排ガスを優先的に連結パイプ２２内に導入するように設定されている。即ち、領域Ｂには連結パイプ２２内での旋回流の生起に大きく貢献するベクトルの排ガスが到達し、領域Ｃ、領域Ａの順に到達する排ガスのベクトルは好ましくなくなり、領域Ｄには旋回流の生起を妨害するベクトルの排ガスが到達する。そこで、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ａの順に孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを縮小し、領域Ｄでは孔を形成していないのである。
【００２９】
本実施形態では、パンチング孔を打ち抜き加工したパンチングメタルを素材としている。即ち、上記のように各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃが配列されるようにパンチング孔を打ち抜き加工し、このパンチングメタルをパイプ状に成型して連結パイプ２２を製作している。この場合、一度の打ち抜き加工により全ての孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを形成できるため、製作工程数を減少させて製作費を低減できるという利点が得られる。
但し、連結パイプ２２の製作方法はこれに限ることはなく、例えば一般的な直管を連結パイプの形状に曲げ加工し、その後に各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを個別に穿設してもよい。
【００３０】
図４に示すように、上流側ケーシング１７の混合室２０内の最も後方箇所（以下、最下流箇所と称する）には、上側及び下側の隅部と対応するように上側湾曲片２８ａ及び下側湾曲片２８ｂ（湾曲面）が配設されている。これらの湾曲片２８ａ，２８ｂは、側面視において連結パイプ２２の外周面に倣った断面円弧状をなすように鋼板を湾曲形成して製作され、図示はしないが、円筒状をなす上流側ケーシング１７の内壁に対して周囲を隙間なく当接させて所定間隔でスポット溶接により固定されている。
そして、これらの湾曲片２８ａ，２８ｂが混合室２０内の上側及び下側の隅部を隠蔽することにより、混合室２０内の最下流箇所は、側面視において連結パイプ２２の下流側外周面を後斜め上方及び後斜め下方から取り囲む緩やかな湾曲面状をなしている。
【００３１】
結果として、連結パイプ２２と上側及び下側湾曲片２８ａ，２８ｂとの間には、それぞれ連結パイプ２２の外周面に倣って円弧状に湾曲する流路２９ａ，２９ｂが形成されているが、上記した連結パイプ２２の偏心配置により、連結パイプ２２と上側湾曲片２８ａとの間に形成された上側流路２９ａは極めて狭く、連結パイプ２２と下側湾曲片２８ｂとの間に形成された下側流路２９ｂは極めて広くて上流側ケーシング１７の下半分と略等しい断面積が確保されている。
【００３２】
一方、右側のサイドレール３ａを挟んだ上流側ケーシング１７の右方位置には、左右方向に延びる円筒状をなす下流側ケーシング２３が配設されている。上記連結パイプ２２の右端は上流側ケーシング１７の外周面から右方に突出し、サイドレール３ａの下方を潜って前方に湾曲形成されて下流側ケーシング２３の外周面の左側位置に溶接されている。
下流側ケーシング２３内の上流側（車両の左側）にはアンモニア（ＮＨ3）の供給により排ガス中のＮＯxを還元するＳＣＲ触媒２４（選択還元型ＮＯx触媒）が配置されると共に、下流側（車両の右側）には後段酸化触媒２５が設置されている。さらに後段酸化触媒２５の下流側には排出パイプ２６の一端が溶接され、排出パイプ２６の他端は左側に湾曲形成されて車体側方に開口している。
【００３３】
一方、上記連結パイプ２２の蓋体２２ｂには、連結パイプ２２の軸線Ｌ上に位置するように電磁式の尿素水インジェクタ２７が固定され、尿素水インジェクタ２７のノズル２７ａは蓋体２２ｂを貫通して連結パイプ２２内に挿入されている。尿素水インジェクタ２７は図示しないタンクから圧送される尿素水を還元剤として連結パイプ２２内に任意に噴射可能であり、その噴射方向は、連結パイプ２２の軸線Ｌに沿って下流側ケーシング２３側（下流側）に指向するように設定されている。
【００３４】
上記したエンジン１の各気筒の燃料噴射弁２、強制再生用の燃料噴射弁２１、尿素水インジェクタ２７等のデバイス類、及び図示しないセンサ類はＥＣＵ５１（電子コントロールユニット）に接続され、センサ類からの検出情報に基づいてＥＣＵ３１により駆動制御される。例えばＥＣＵ３１は機関回転速度や負荷等のエンジン１の運転状態に基づき、燃料噴射弁２の噴射量、噴射圧、噴射時期を制御してエンジン１を運転する。
【００３５】
エンジン１の運転中において、エンジン１から排出された排ガスは排気通路１３を経て上流側ケーシング１７内に導入され、前段酸化触媒１８及びＤＰＦ１９を通過した後に混合室２０内に移送され、連結パイプ２２の各孔２２ａを経て連結パイプ２２内に導入されて内部を流通して下流側ケーシング２３内に導入され、さらにＳＣＲ触媒２４及び後段酸化触媒２５を通過した後に排出パイプ２６を経て大気中に排出される。
このとき、ＤＰＦ１９では排ガス中のＰＭが捕集され、ＳＣＲ触媒２４では排ガス中のＮＯxが還元され、これらの作用により大気中への有害成分の排出が防止される。このような浄化作用をＤＰＦ１９及びＳＣＲ触媒２４に発揮させるために、ＥＣＵ３１はＤＰＦ１９については強制再生制御を実行し、ＳＣＲ触媒２４については尿素水インジェクタ２７による尿素水の供給制御を実行しており、以下、これらの制御について述べる。
【００３６】
ＰＭの捕集に伴ってＤＰＦ１９のＰＭ捕集量は次第に増加するが、捕集されたＰＭは、エンジン１が所定の運転状態（例えば、排ガス温度が比較的高い運転状態）のときに、前段酸化触媒１８上での酸化反応により排ガス中のＮＯから生成されたＮＯ2 を酸化剤として利用して連続的に焼却除去される。また、このようなＤＰＦ１９の連続再生作用が得られない運転状態が継続されると、ＤＰＦ１９でのＰＭ捕集量が次第に増加して許容量を越えてしまうため、このような状況を想定して、ＥＣＵ３１はエンジン１の運転状態から推定したＰＭ捕集量がＤＰＦ１９の許容量を越える以前に、ＤＰＦ１９上のＰＭを強制的に焼却除去する強制再生を実施する。
【００３７】
この強制再生には、排気通路１３上の燃料噴射弁２１が利用され、燃料噴射弁２１から未燃燃料を噴射して前段酸化触媒１８上に供給し、その酸化反応熱により下流側のＤＰＦ１９を昇温してＰＭを焼却除去する。なお、メイン噴射後の膨張行程または排気行程でのポスト噴射により前段酸化触媒１８上に未燃燃料を供給するようにしてもよい。
【００３８】
一方、ＥＣＵ３１はエンジン１の運転状態や尿素水インジェクタ２７近傍に設置された図示しない温度センサの検出値等に基づき、尿素水インジェクタ２７からの尿素水の噴射量を制御する。噴射された尿素水は排ガスと共に連結パイプ２２内を移送され、その過程で排気熱及び排ガス中の水蒸気により加水分解されてアンモニアを生成して下流側のＳＣＲ触媒２４上に移送され、ＳＣＲ触媒２４上でアンモニアを利用して排ガス中のＮＯxが無害なＮ2に還元される。なお、ＤＰＦ１９でのＰＭの燃焼で発生するＣＯやＳＣＲ触媒２４上での余剰アンモニアは後段酸化触媒２５により処理される。
【００３９】
次に、以上のように構成された本実施形態のディーゼルエンジン１の排気浄化装置の作用、特に上流側ケーシング１７内の排ガスを連結パイプ２２の各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを経て内部に導入する際の作用について説明する。
【００４０】
図６は排ガス流通状態を表す図２に対応する部分拡大断面図である。図４，６に示すように、排ガスは上流側ケーシング１７内でＤＰＦ１９を通過した後に混合室２０内に移送され、連結パイプ２２の各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを経て内部に導入される。上流側ケーシング１７内での連結パイプ２２の偏心配置により、上側流路２９ａは極めて狭いのに対し下側流路２９ｂは極めて広いため、ＤＰＦ１９を通過した排ガスのほとんどは下側流路２９ｂを通過した後、下側湾曲片２８ｂにより上方に向けて円滑に案内されて連結パイプ２２に到達し、その外周面の各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを経て内部に導入される。
【００４１】
即ち、混合室２０内の排ガス流れは軸線Ｌ0に対して偏ったものとなり、必然的に混合室２０内には下側流路２９ｂを通過しながら上方に巻き上がって連結パイプ２２の外周面に到達する旋回流（図４においては反時計回りの旋回流）が生起される。特に本実施形態では、連結パイプ２２の全ての部分を上流側ケーシング１７の軸線Ｌ0よりも上方に位置させることで、極めて広い下側流路２９ｂを確保しているため、無理な排ガス流れにより圧損を生じることなく円滑に旋回流が形成される。
【００４２】
連結パイプ２２の外周面に到達した排ガスには何れの孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃにも導入されない余剰分も発生するが、このような余剰排ガスは上側湾曲片２８ａの案内により上側流路２９ａを経て前方（上流側）に円滑に戻される。上側流路２９ａが閉塞されている場合には生起された旋回流が余剰排ガスにより妨害されてしまうが、この事態が未然に回避されて上流側ケーシング１７内では良好に旋回流が生起される。
なお、このように上側流路２９ａや上側湾曲片２８ａも有用な機能を果たすが、旋回流の生起に直接的に関わる下側流路２９ｂや下側湾曲片２８ｂほどは重要ではない。そこで、場合によっては上側流路２９ａと上側湾曲片２８ａとの何れか一方、或いは両方を省略してもよい。
【００４３】
以上の上流側ケーシング１７内での旋回流の生起により、連結パイプ２２の外周面の領域Ｂには、連結パイプ２２内での旋回流の生起に大きく貢献する好適なベクトルを有する排ガス、より具体的には、連結パイプ２２内で生起される旋回流のベクトルに近いベクトルを有する排ガスが到達し、この排ガスは領域Ｂに貫設された最も大径の孔２２ｂを経て大量に連結パイプ２２内に導入される。また、領域Ｃには、好適なベクトルよりもやや深い角度（連通パイプ２２の半径方向に近い角度）のベクトルを有する排ガスが到達し、この排ガスは領域Ｃに貫設された中間の内径の孔２２ｃを経て連結パイプ２２内に導入される。
【００４４】
また、領域Ａには、好適なベクトルよりもやや浅い角度（連通パイプ２２の接線方向に近い角度）のベクトルを有する排ガスが到達し、この排ガスは領域Ａに貫設された最も小径の孔２２ａを経て比較的少量が連結パイプ２２内に導入される。また、領域Ｄには、連結パイプ２２内での旋回流の生起を妨害するベクトルを有する排ガス、より具体的には、連結パイプ２２内で生起される旋回流のベクトルとは逆方向のベクトルを有する排ガスが到達するが、この排ガスは孔を備えない領域Ｄにより連結パイプ２２内への導入を阻止される。
【００４５】
以上の各領域Ａ〜Ｄにおける孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの設定により、連結パイプ２２内での旋回流の生起に貢献するベクトルを有する排ガスが優先的に連結パイプ２２内に導入される。その結果、図４，６図に矢印で示すように、連結パイプ２２内では、旋回流のベクトルを維持した排ガスにより上流側ケーシング１７内の旋回流と同方向の旋回流が良好に生起され、この排ガス中に尿素水インジェクタ２７から尿素水が噴射される。
【００４６】
旋回流を生起している排ガス中に噴射されることにより、尿素水は激しく撹拌されながら排ガスと良好に混合する。そして、排ガスは旋回流を減衰させることなく連結パイプ２２内を下流側に向けて移送され、下流側のＳＣＲ触媒２４に到達するまで旋回流による撹拌作用は継続されるため、排ガスと尿素水とは長時間に亘って撹拌されて良好に混合される。
結果として尿素水が排ガス中に十分に拡散・霧化され、尿素水の加水分解により生成されたアンモニアがＳＣＲ触媒２４の各部位に均等に供給される。よって、ＳＣＲ触媒２４によるＮＯx還元作用を最大限に発揮させて排ガス中に含まれるＮＯxを確実に浄化することができる。
【００４７】
一方、以上のように本実施形態では、上流側ケーシング１７内で旋回流を生起する排ガスを連結パイプ２２内に導入する過程で連結パイプ２２内に旋回流を生起させており、連結パイプ２２の各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを排ガスが流通する際に圧損はほとんど発生しない。
即ち、従来のようにフィンにより旋回流を生起する場合、旋回流を強めるためにフィン角度やフィン面積を増大させると圧損増大を引き起こしたが、本実施形態では、旋回流の強さは、例えば連結パイプ２２の偏心位置、湾曲片２８ａ，２８ｂの形状、各領域Ａ〜Ｄの孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの設定などの要件で定まり、必ずしも旋回流を強さと圧損増大とはトレードオフの関係にはならない。従って、排ガスが流通する際の圧損を増大させることなく、十分に強力な旋回流を生起して良好な撹拌作用を実現することができる。
【００４８】
また、フィンを用いた方式のみならず、先行技術として挙げた特許文献１の技術と比較しても圧損を低減することができる。図７は先行技術の排ガスの流通状態を示す断面図であるが、主に連結パイプ２２の上流側外周面の孔２２ａには排ガスが直接的に導入されるのに対し、下流側外周面の孔２２ａには最下流箇所の隅部で渦を生じながらＵターンした排ガスが間接的にしか導入されない。従って、上流側外周面の孔２２ａに排ガスが集中して圧損が増大してしまう。
【００４９】
これに対して本実施形態では、上流側ケーシング１７内で旋回流を生起することにより排ガス流量が均一化され、しかも、混合室２０内の隅部が湾曲片２８ａ，２８ｂで隠蔽されることにより渦の発生も抑制される。このため先行技術で問題となる排ガスの集中による圧損増大を未然に回避することができる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの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、ＳＣＲ触媒２４を備えたディーゼルエンジン１の排気浄化装置２に具体化したが、適用対象はこれに限ることはない。例えばガソリンエンジンでも希薄燃焼運転を想定してＳＣＲ触媒２４を備える場合があるため、このようなガソリンエンジンに適用してもよい。
【００５０】
また、上記実施形態では、上流側ケーシング１７内の最下流箇所に上側及び下側湾曲片２８ａ，２８ｂを別部材として配設したが、これに限ることはない。例えば、上流側ケーシング１７の最下流箇所を湾曲片２８ａ，２８ｂに相当する形状に形成してもよい。
また、上記実施形態では、孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの内径を変化させることにより各領域Ａ〜Ｃの有効開口面積を相違させたが、これに限ることはない。例えば全ての孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの内径を同一とした上で、孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの密集度合（即ち、単位面積あたりの孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの数）を相違させてもよい。また、孔２２ａの内径及び密集度合を共に相違させてもよい。
また、上記実施形態では、連結パイプの外周面を領域Ａ〜Ｄに分けて３種の孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを貫設したが、これに限ることはなく、上流側ケーシング１７内での旋回流の生起状況に応じて領域の分け方や孔の設定を任意に変更可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１ エンジン
１３ 排気通路
１７ 上流側ケーシング
２２ 連結パイプ
２２ａ,２２ｂ,２２ｃ 孔
２３ 下流側ケーシング
２４ ＳＣＲ触媒（アンモニア選択還元型ＮＯx触媒）
２７ 尿素水インジェクタ
２８ｂ 下側湾曲片（湾曲面）
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの排気浄化装置に係り、詳しくは尿素水インジェクタから排気通路内に尿素水を噴射し、尿素水から生成されたアンモニア（ＮＨ3）を還元剤として下流側のアンモニア選択還元型ＮＯx触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）に供給する排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気中に含まれる汚染物質の１つであるＮＯx（窒素酸化物）を浄化するための排気浄化装置として、エンジンの排気通路にＳＣＲ触媒を配設し、還元剤としてアンモニアをＳＣＲ触媒に供給することによりＮＯxを還元して排気を浄化するようにした排気浄化装置が知られている。
【０００３】
このような排気浄化装置ではアンモニアをＳＣＲ触媒に供給するために、アンモニアに比べて取り扱いが容易な尿素水を排気中に供給するのが一般的である。尿素水の供給には尿素水インジェクタが用いられており、ＳＣＲ触媒より上流側の排気通路に尿素水インジェクタを設置して尿素水タンクから加圧した尿素水を供給し、尿素水インジェクタに内蔵した電磁弁の開閉に応じて排気通路内に尿素水を噴射している。ＳＣＲ触媒に良好なＮＯx浄化性能を発揮させるには、ＳＣＲ触媒の各部位に均一にアンモニアを供給する必要があり、そのためには、尿素水インジェクタから噴射した尿素水を排ガスと十分に混合して排ガス中に均一に拡散・霧化させることが重要となる。
【０００４】
このような課題に着目した技術として、特許文献１に記載のものを挙げることができる。当該特許文献１の技術では、円筒状をなす上流側ケーシングの一側面から他側面に貫通するように連結パイプの上流側端部を挿入して、他側面に露出した連結パイプの上流側端部に尿素水インジェクタを配設すると共に、ケーシング内で連結パイプの挿入部分に多数の孔を貫設している。連結パイプの下流側端部はＳＣＲ触媒を収容した下流側ケーシングに連結し、エンジンからの排ガスを上流側ケーシング内で連結パイプの各孔を経て内部に導入し、尿素水インジェクタから噴射された尿素水と混合しながら連結パイプ内を下流側ケーシングへと移送して、尿素水から生成されたアンモニアをＳＣＲ触媒に供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７４８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された従来の排気浄化装置では、連結パイプの各孔を経て内部に導入されて相互に衝突している排ガス中に尿素水を噴射することから、排ガスと尿素水との混合をかなり促進できるが、その撹拌作用は十分とまでは言えなかった。
即ち、従来の排気浄化装置において、排ガスと尿素水との撹拌作用が発揮されるのは、主に連結パイプの孔が形成された領域近傍、換言すると各孔を経て内部に導入された排ガスが互い衝突する領域近傍であり、それより下流側では排ガスと共に尿素水は下流側ケーシングへと移送されるものの、衝突による積極的な撹拌作用が得られないことから双方の混合もそれほど促進されない。
【０００７】
この現象は、例えば排気通路内に配設したフィンなどで排ガスに旋回流を生起して尿素水との混合を促進する方式の排気浄化装置とは対照的であり、旋回流を利用した場合には、旋回流が減衰しない限り移送中に排ガスと尿素水とが混合され続けるため、より高い撹拌作用が得られる。但し、上記特許文献１の［発明が解決しようとする課題］でも記載されているように、フィンを用いた方式は旋回流の生起のために排ガスの圧損が増大するという別の問題を生じた。
以上の理由により、特許文献１に記載された従来の排気浄化装置では、排ガスと尿素水との撹拌作用の点で今ひとつ改良の余地があり、従来から抜本的な対策が強く要望されていた。
【０００８】
本発明はこのような問題点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、排ガスが流通する際の圧損増大を未然に回避した上で、旋回流を生起したときの撹拌作用により排ガスと尿素水とを良好に混合して排ガス中に尿素水を十分に拡散・霧化でき、もって、ＳＣＲ触媒の各部位にアンモニアを均等に供給して良好なＮＯx浄化性能を達成することができるエンジンの排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、エンジンの排気通路に配設され、エンジンの排ガス流通方向に沿った略筒状をなす上流側ケーシングと、上流側ケーシングの近接位置に配設されて、アンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯxを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を収容した下流側ケーシングと、上流側端部が上流側ケーシングの一側面からケーシング内に挿入されると共に、下流側端部が下流側ケーシングに接続され、上流側端部の上流側ケーシング内への挿入部分の外周面に貫設された多数の孔を経て上流側ケーシング内の排ガスを内部に導入して下流側ケーシングに向けて案内する連結パイプと、連結パイプ内に尿素水を噴射する尿素水インジェクタとを備えたエンジンの排気浄化装置において、連結パイプの上流側端部が、上流側ケーシング内を流通する排ガスに旋回流を生起させるべく上流側ケーシング内での排ガス流通方向に対して略直交する方向に偏心して配置され、上流側ケーシング内の最下流箇所の少なくとも連結パイプの反偏心方向の位置に、旋回流を生起する方向に排ガスを案内するための湾曲面が形成されたものである。
【００１０】
従って、エンジンの排ガスは排気通路を経て上流側ケーシングに導入され、上流側ケーシング内で連結パイプの各孔を経て内部に導入され、尿素水インジェクタから噴射された尿素水と混合しながら連結パイプ内を下流側ケーシングへと移送され、移送中に尿素水から生成されるアンモニアがアンモニア選択還元型ＮＯx触媒のＮＯx浄化に利用される。
上流側ケーシング内での連結パイプの偏心配置により反偏心方向に広い流路が形成され、排ガスはこの流路を通過しながら湾曲面により案内されて連結パイプに到達し、その外周面の各孔を経て内部に導入される。結果として、上流側ケーシング内の排ガス流れは軸線に対して偏ったものとなり旋回流が生起される。そして、旋回流を生起した排ガスは連結パイプの各孔を経て内部に導入された後にも旋回流のベクトルを維持し、連結パイプ内でも旋回流を生起する。
【００１１】
従って、旋回流を生起している排ガス中に尿素水インジェクタから尿素水が噴射され、旋回流は減衰することなく連結パイプ内を下流側に向けて移送され、排ガスと尿素水とは長時間に亘って撹拌されて良好に混合される。その結果、尿素水が排ガス中に十分に拡散・霧化され、尿素水の加水分解により生成されたアンモニアがアンモニア選択還元型ＮＯx触媒の各部位に均等に供給される。
請求項２の発明は、請求項１において、連結パイプの挿入部分に貫設された孔が、上流側ケーシング内で旋回流を生起して連結パイプの外周面に到達する排ガスの内、連結パイプ内への導入により内部での旋回流の生起に貢献するベクトルを有する排ガスが到達する領域で有効開口面積を大とし、他の領域では有効開口面積を小としたものである。
【００１２】
従って、連結パイプの外周面には、連結パイプ内での旋回流の生起に貢献するベクトルを有する排ガスが到達する領域では孔の有効開口面積が大とされ、その他の領域では孔の有効開口面積が小とされるため、連結パイプ内には内部での旋回流の生起に貢献するベクトルを有する排ガスが優先的に導入される。その結果、上流側ケーシング内の旋回流と同方向の旋回流を連結パイプ内に良好に生起可能となる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または２において、連結パイプの上流側端部が、その全ての部分が上流側ケーシングの軸線よりも偏心方向に位置しているものである。
従って、連結パイプの上流側端部の全ての部分を上流側ケーシングの軸線よりも上方に位置させて広い流路を確保しているため、無理な排ガス流れにより圧損を生じることなく円滑に旋回流を形成可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように請求項１の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、上流側ケーシング内で連結パイプの上流側端部を偏心配置すると共に、上流側ケーシングの最下流箇所に排ガス案内用の湾曲面を形成し、上流側ケーシング内で生起した旋回流のベクトルを連結パイプの各孔を経て内部に導入後にも維持することにより、排ガス流通による圧損を増大させることなく連結パイプ内でも旋回流を生起させ、この旋回流により排ガスと尿素水とを長時間に亘って撹拌して良好に混合するようにしたため、尿素水を排ガス中に十分に拡散・霧化してアンモニア選択還元型ＮＯx触媒の各部位にアンモニアを均等に供給でき、もって良好なＮＯx浄化性能を達成することができる。
【００１５】
請求項２の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１に加えて、連結パイプに貫設した孔の有効開口面積の設定により、旋回流の生起の貢献するベクトルを有する排ガスを優先的に連結パイプ内に導入するようにしたため、連結パイプ内で良好な旋回流を生起することができる。
請求項３の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１または２に加えて、連結パイプの上流側端部の全ての部分を上流側ケーシングの軸線よりも上方に位置させて広い流路を確保することにより、無理な排ガス流れにより圧損を生じることなく円滑に旋回流を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。
【図２】上流側及び下流側ケーシングの接続部分を上方より見た部分拡大断面図である。
【図３】同じく接続部分を下方から見た部分拡大断面図である。
【図４】同じく接続部分を示す図２のIV−IV線断面図である。
【図５】連結パイプに形成した孔の領域を示す図４の模式図である。
【図６】排ガス流通状態を表す図２に対応する部分拡大断面図である。
【図７】先行技術の排ガスの流通状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化したディーゼルエンジンの排気浄化装置の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。本実施形態の排気浄化装置はトラックに搭載されており、図１ではトラックへの搭載状態と同様の配置でエンジン１及び排気浄化装置２を示すと共に、トラックの床下を部分的に示している。なお、以下の説明では、車両を主体として前後方向及び左右方向を規定する。
【００１８】
トラックはラダーフレームのシャシー構造が採用されている。ラダーフレームは、車体の前後方向全体に延設した左右一対のサイドレール３ａを複数のクロスメンバ３ｂ（一つのみ図示）により連結して構成され、このラダーフレーム上にエンジン１等のパワープラント、及び車体のキャビンや荷台３ｃ等が搭載されている。図１では、ラダーフレームの左右一対のサイドレール３ａが部分的に示されると共に、ラダーフレーム上に載置さられた荷台３ｃが二点鎖線で示され、この荷台３ｃ下側の床下に排気浄化装置２が設置されている。
【００１９】
エンジン１はラダーフレームの左右のサイドレール３ａ間に位置し、直列６気筒機関として構成されている。エンジン１の各気筒には燃料噴射弁４が設けられ、各燃料噴射弁４は共通のコモンレール５から加圧燃料を供給され、開弁に伴って対応する気筒の筒内に燃料を噴射する。
エンジン１の吸気側には吸気マニホールド６が装着され、吸気マニホールド６に接続された吸気通路７には、上流側よりエアクリーナ８、ターボチャージャ９のコンプレッサ９ａ、インタクーラ１０が設けられている。また、エンジン１の排気側には排気マニホールド１２が装着され、排気マニホールド１２には上記コンプレッサ９ａと同軸上に連結されたターボチャージャ９のタービン９ｂが接続されている。タービン９ｂには排気通路１３が接続され、排気通路１３に上記排気浄化装置２が設けられている。
【００２０】
一方、エンジン１の後部には変速機１５が結合され、変速機１５の出力軸にはプロペラシャフト１６の前端が連結されている。プロペラシャフト１６は車体の床下で左右のサイドレール３ａ間を後方に延設され、その後端は図示しないディファレンシャルギアを介して左右の後輪に接続されている。
上記排気通路１３は、車体の床下のプロペラシャフト１６と右側のサイドレール３ａとの間において後方に延設されている。一般的なトラックでは、そのまま排気通路１３が車体後部まで延設されて、排気通路１３上に排気浄化装置２の各構成部材が直列配置されるが、本実施形態のトラックでは荷台長さの関係で床下の前後スペースが十分でないため排気通路１３を右側に取り回して側方排気している。この排気通路１３の取り回しの関係で、排気通路１３上に設置された排気浄化装置２のレイアウトも変則的なものになっており、以下に詳述する。
【００２１】
プロペラシャフト１６と右側のサイドレール３ａとの間において、排気通路１３の後端には上流側ケーシング１７が接続されている。上流側ケーシング１７は前後方向（排ガスの流通方向）に沿った円筒状をなし、その内部の上流側には前段酸化触媒１８が配置され、下流側には排ガス中のＰＭ（パティキュレート・マター）を捕集するためのウォールフロー式のＤＰＦ（ディーセルパティキュレートフィルタ）１９が設置され、さらにＤＰＦ１９の下流側には混合室２０と称する空間が形成されている。なお、排気通路１３の上流側ケーシング１７の上流側位置には、後述するＤＰＦ１９の強制再生用の燃料噴射弁２１が設置されている。
【００２２】
図２は上流側及び下流側ケーシングの接続部分を上方より見た部分拡大断面図、図３は同じく接続部分を下方から見た部分拡大断面図、図４は同じく接続部分を示す図２のIV−IV線断面図、図５は連結パイプに形成した孔の領域を示す図４の模式図である。
図１，４に示すように、上流側ケーシング１７の混合室２０に対応する箇所には、上流側ケーシング１７を右側面（一側面）から左側面に貫通するように断面円形状をなす連結パイプ２２の上流側端部が配設されている。連結パイプ２２は排気通路１３の一部を構成するものであり、その径も排気通路１３と略等しく設定されている。上流側ケーシング１７に対する連結パイプ２２の貫通箇所は溶接されており、上流側ケーシング１７の外周面から露出する連結パイプ２２の左端には蓋体２２ｂが溶接され、これにより連結パイプ２２の上流側端部は閉鎖されている。
【００２３】
連結パイプ２２の上流側端部は上流側ケーシング１７内の上方（上流側ケーシング１７内での排ガス流通方向に対して略直交する方向）に偏心した位置に配設されている。より詳しくは、連結パイプ２２の全ての部分が円筒状をなす上流側ケーシング１７の軸線Ｌ0よりも上方に位置している。但し、これに限ることはなく、連結パイプ２２を下方に偏心配置したり、連結パイプ２２の下部が軸線Ｌ0よりも下方にはみ出すように配置したりしてもよい。
【００２４】
図２，３に示すように、連結パイプ２２の混合室２０内への露出部分（挿入部分）には、連結パイプ２２の内外を連通させる多数の孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃが貫設され、各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを介して混合室２０内と連結パイプ２２内とが相互に連通している。これらの孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃは大中小の３種の内径に分別され、連結パイプ２２の周方向の領域に応じて選択的に形成されている。
【００２５】
まず、説明の便宜上、図５に示すように連結パイプ２２を周方向に４等分し、後上側の領域をＡ、後下側の領域をＢ、前下側の領域をＣ、前上側の領域をＤと称する。領域Ａには最も小径の孔２２ａが形成され、領域Ｂには最も大径の孔２２ｂが形成され、領域Ｃには中間の内径の孔２２ｃが形成され、領域Ｄには孔が形成されていない。
各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃのピッチ（領域内の数でもある）は領域Ａ，Ｂ，Ｃで等しく設定されている。このため、各領域Ａ，Ｂ，Ｃにおける各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの有効開口面積（単位面積あたりの外周面に対して孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの面積が占める比率と定義する）は、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ａの順に小さくなり、さらに領域Ｄの有効開口面積は０であるため、領域Ｄが最も有効開口面積が小さいことになる。
【００２６】
また、各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの総開口面積は、連結パイプ２２の通路断面積より大きく設定されている。但し、総開口面積の設定は必ずしもこれに限ることはなく、各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを流通する際の圧損が許容できる範囲内なら、連結パイプ２２の通路断面積より小さく設定してもよい。
【００２７】
後に詳述するが、本実施形態では、連結パイプ２２の偏心配置により上流側ケーシング１７内で排ガスに旋回流を生起させ、この旋回流のベクトルを維持したまま連結パイプ２２の各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを経て内部に排ガスを導入することにより、連結パイプ２２内でも旋回流を生起させて尿素水との混合促進を図るものである。上流側ケーシング１７内で生起される旋回流は、連結パイプ２２の外周面の周方向の部位に応じて外周面に到達したときのベクトルが相違し、連結パイプ２２内への旋回流の導入により内部での旋回流の生起に貢献するベクトルも存在するし、内部での旋回流の生起に貢献せずに寧ろ妨害するベクトルも存在する。
【００２８】
上記した各領域Ａ〜Ｄにおける孔の設定（孔を備えない領域Ｄも含む）は、このような連結パイプ２２内での旋回流の生起に貢献するベクトルを有する排ガスを優先的に連結パイプ２２内に導入するように設定されている。即ち、領域Ｂには連結パイプ２２内での旋回流の生起に大きく貢献するベクトルの排ガスが到達し、領域Ｃ、領域Ａの順に到達する排ガスのベクトルは好ましくなくなり、領域Ｄには旋回流の生起を妨害するベクトルの排ガスが到達する。そこで、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ａの順に孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを縮小し、領域Ｄでは孔を形成していないのである。
【００２９】
本実施形態では、パンチング孔を打ち抜き加工したパンチングメタルを素材としている。即ち、上記のように各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃが配列されるようにパンチング孔を打ち抜き加工し、このパンチングメタルをパイプ状に成型して連結パイプ２２を製作している。この場合、一度の打ち抜き加工により全ての孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを形成できるため、製作工程数を減少させて製作費を低減できるという利点が得られる。
但し、連結パイプ２２の製作方法はこれに限ることはなく、例えば一般的な直管を連結パイプの形状に曲げ加工し、その後に各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを個別に穿設してもよい。
【００３０】
図４に示すように、上流側ケーシング１７の混合室２０内の最も後方箇所（以下、最下流箇所と称する）には、上側及び下側の隅部と対応するように上側湾曲片２８ａ及び下側湾曲片２８ｂ（湾曲面）が配設されている。これらの湾曲片２８ａ，２８ｂは、側面視において連結パイプ２２の外周面に倣った断面円弧状をなすように鋼板を湾曲形成して製作され、図示はしないが、円筒状をなす上流側ケーシング１７の内壁に対して周囲を隙間なく当接させて所定間隔でスポット溶接により固定されている。
そして、これらの湾曲片２８ａ，２８ｂが混合室２０内の上側及び下側の隅部を隠蔽することにより、混合室２０内の最下流箇所は、側面視において連結パイプ２２の下流側外周面を後斜め上方及び後斜め下方から取り囲む緩やかな湾曲面状をなしている。
【００３１】
結果として、連結パイプ２２と上側及び下側湾曲片２８ａ，２８ｂとの間には、それぞれ連結パイプ２２の外周面に倣って円弧状に湾曲する流路２９ａ，２９ｂが形成されているが、上記した連結パイプ２２の偏心配置により、連結パイプ２２と上側湾曲片２８ａとの間に形成された上側流路２９ａは極めて狭く、連結パイプ２２と下側湾曲片２８ｂとの間に形成された下側流路２９ｂは極めて広くて上流側ケーシング１７の下半分と略等しい断面積が確保されている。
【００３２】
一方、右側のサイドレール３ａを挟んだ上流側ケーシング１７の右方位置には、左右方向に延びる円筒状をなす下流側ケーシング２３が配設されている。上記連結パイプ２２の右端は上流側ケーシング１７の外周面から右方に突出し、サイドレール３ａの下方を潜って前方に湾曲形成されて下流側ケーシング２３の外周面の左側位置に溶接されている。
下流側ケーシング２３内の上流側（車両の左側）にはアンモニア（ＮＨ3）の供給により排ガス中のＮＯxを還元するＳＣＲ触媒２４（選択還元型ＮＯx触媒）が配置されると共に、下流側（車両の右側）には後段酸化触媒２５が設置されている。さらに後段酸化触媒２５の下流側には排出パイプ２６の一端が溶接され、排出パイプ２６の他端は左側に湾曲形成されて車体側方に開口している。
【００３３】
一方、上記連結パイプ２２の蓋体２２ｂには、連結パイプ２２の軸線Ｌ上に位置するように電磁式の尿素水インジェクタ２７が固定され、尿素水インジェクタ２７のノズル２７ａは蓋体２２ｂを貫通して連結パイプ２２内に挿入されている。尿素水インジェクタ２７は図示しないタンクから圧送される尿素水を還元剤として連結パイプ２２内に任意に噴射可能であり、その噴射方向は、連結パイプ２２の軸線Ｌに沿って下流側ケーシング２３側（下流側）に指向するように設定されている。
【００３４】
上記したエンジン１の各気筒の燃料噴射弁２、強制再生用の燃料噴射弁２１、尿素水インジェクタ２７等のデバイス類、及び図示しないセンサ類はＥＣＵ５１（電子コントロールユニット）に接続され、センサ類からの検出情報に基づいてＥＣＵ３１により駆動制御される。例えばＥＣＵ３１は機関回転速度や負荷等のエンジン１の運転状態に基づき、燃料噴射弁２の噴射量、噴射圧、噴射時期を制御してエンジン１を運転する。
【００３５】
エンジン１の運転中において、エンジン１から排出された排ガスは排気通路１３を経て上流側ケーシング１７内に導入され、前段酸化触媒１８及びＤＰＦ１９を通過した後に混合室２０内に移送され、連結パイプ２２の各孔２２ａを経て連結パイプ２２内に導入されて内部を流通して下流側ケーシング２３内に導入され、さらにＳＣＲ触媒２４及び後段酸化触媒２５を通過した後に排出パイプ２６を経て大気中に排出される。
このとき、ＤＰＦ１９では排ガス中のＰＭが捕集され、ＳＣＲ触媒２４では排ガス中のＮＯxが還元され、これらの作用により大気中への有害成分の排出が防止される。このような浄化作用をＤＰＦ１９及びＳＣＲ触媒２４に発揮させるために、ＥＣＵ３１はＤＰＦ１９については強制再生制御を実行し、ＳＣＲ触媒２４については尿素水インジェクタ２７による尿素水の供給制御を実行しており、以下、これらの制御について述べる。
【００３６】
ＰＭの捕集に伴ってＤＰＦ１９のＰＭ捕集量は次第に増加するが、捕集されたＰＭは、エンジン１が所定の運転状態（例えば、排ガス温度が比較的高い運転状態）のときに、前段酸化触媒１８上での酸化反応により排ガス中のＮＯから生成されたＮＯ2 を酸化剤として利用して連続的に焼却除去される。また、このようなＤＰＦ１９の連続再生作用が得られない運転状態が継続されると、ＤＰＦ１９でのＰＭ捕集量が次第に増加して許容量を越えてしまうため、このような状況を想定して、ＥＣＵ３１はエンジン１の運転状態から推定したＰＭ捕集量がＤＰＦ１９の許容量を越える以前に、ＤＰＦ１９上のＰＭを強制的に焼却除去する強制再生を実施する。
【００３７】
この強制再生には、排気通路１３上の燃料噴射弁２１が利用され、燃料噴射弁２１から未燃燃料を噴射して前段酸化触媒１８上に供給し、その酸化反応熱により下流側のＤＰＦ１９を昇温してＰＭを焼却除去する。なお、メイン噴射後の膨張行程または排気行程でのポスト噴射により前段酸化触媒１８上に未燃燃料を供給するようにしてもよい。
【００３８】
一方、ＥＣＵ３１はエンジン１の運転状態や尿素水インジェクタ２７近傍に設置された図示しない温度センサの検出値等に基づき、尿素水インジェクタ２７からの尿素水の噴射量を制御する。噴射された尿素水は排ガスと共に連結パイプ２２内を移送され、その過程で排気熱及び排ガス中の水蒸気により加水分解されてアンモニアを生成して下流側のＳＣＲ触媒２４上に移送され、ＳＣＲ触媒２４上でアンモニアを利用して排ガス中のＮＯxが無害なＮ2に還元される。なお、ＤＰＦ１９でのＰＭの燃焼で発生するＣＯやＳＣＲ触媒２４上での余剰アンモニアは後段酸化触媒２５により処理される。
【００３９】
次に、以上のように構成された本実施形態のディーゼルエンジン１の排気浄化装置の作用、特に上流側ケーシング１７内の排ガスを連結パイプ２２の各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを経て内部に導入する際の作用について説明する。
【００４０】
図６は排ガス流通状態を表す図２に対応する部分拡大断面図である。図４，６に示すように、排ガスは上流側ケーシング１７内でＤＰＦ１９を通過した後に混合室２０内に移送され、連結パイプ２２の各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを経て内部に導入される。上流側ケーシング１７内での連結パイプ２２の偏心配置により、上側流路２９ａは極めて狭いのに対し下側流路２９ｂは極めて広いため、ＤＰＦ１９を通過した排ガスのほとんどは下側流路２９ｂを通過した後、下側湾曲片２８ｂにより上方に向けて円滑に案内されて連結パイプ２２に到達し、その外周面の各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを経て内部に導入される。
【００４１】
即ち、混合室２０内の排ガス流れは軸線Ｌ0に対して偏ったものとなり、必然的に混合室２０内には下側流路２９ｂを通過しながら上方に巻き上がって連結パイプ２２の外周面に到達する旋回流（図４においては反時計回りの旋回流）が生起される。特に本実施形態では、連結パイプ２２の全ての部分を上流側ケーシング１７の軸線Ｌ0よりも上方に位置させることで、極めて広い下側流路２９ｂを確保しているため、無理な排ガス流れにより圧損を生じることなく円滑に旋回流が形成される。
【００４２】
連結パイプ２２の外周面に到達した排ガスには何れの孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃにも導入されない余剰分も発生するが、このような余剰排ガスは上側湾曲片２８ａの案内により上側流路２９ａを経て前方（上流側）に円滑に戻される。上側流路２９ａが閉塞されている場合には生起された旋回流が余剰排ガスにより妨害されてしまうが、この事態が未然に回避されて上流側ケーシング１７内では良好に旋回流が生起される。
なお、このように上側流路２９ａや上側湾曲片２８ａも有用な機能を果たすが、旋回流の生起に直接的に関わる下側流路２９ｂや下側湾曲片２８ｂほどは重要ではない。そこで、場合によっては上側流路２９ａと上側湾曲片２８ａとの何れか一方、或いは両方を省略してもよい。
【００４３】
以上の上流側ケーシング１７内での旋回流の生起により、連結パイプ２２の外周面の領域Ｂには、連結パイプ２２内での旋回流の生起に大きく貢献する好適なベクトルを有する排ガス、より具体的には、連結パイプ２２内で生起される旋回流のベクトルに近いベクトルを有する排ガスが到達し、この排ガスは領域Ｂに貫設された最も大径の孔２２ｂを経て大量に連結パイプ２２内に導入される。また、領域Ｃには、好適なベクトルよりもやや深い角度（連通パイプ２２の半径方向に近い角度）のベクトルを有する排ガスが到達し、この排ガスは領域Ｃに貫設された中間の内径の孔２２ｃを経て連結パイプ２２内に導入される。
【００４４】
また、領域Ａには、好適なベクトルよりもやや浅い角度（連通パイプ２２の接線方向に近い角度）のベクトルを有する排ガスが到達し、この排ガスは領域Ａに貫設された最も小径の孔２２ａを経て比較的少量が連結パイプ２２内に導入される。また、領域Ｄには、連結パイプ２２内での旋回流の生起を妨害するベクトルを有する排ガス、より具体的には、連結パイプ２２内で生起される旋回流のベクトルとは逆方向のベクトルを有する排ガスが到達するが、この排ガスは孔を備えない領域Ｄにより連結パイプ２２内への導入を阻止される。
【００４５】
以上の各領域Ａ〜Ｄにおける孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの設定により、連結パイプ２２内での旋回流の生起に貢献するベクトルを有する排ガスが優先的に連結パイプ２２内に導入される。その結果、図４，６図に矢印で示すように、連結パイプ２２内では、旋回流のベクトルを維持した排ガスにより上流側ケーシング１７内の旋回流と同方向の旋回流が良好に生起され、この排ガス中に尿素水インジェクタ２７から尿素水が噴射される。
【００４６】
旋回流を生起している排ガス中に噴射されることにより、尿素水は激しく撹拌されながら排ガスと良好に混合する。そして、排ガスは旋回流を減衰させることなく連結パイプ２２内を下流側に向けて移送され、下流側のＳＣＲ触媒２４に到達するまで旋回流による撹拌作用は継続されるため、排ガスと尿素水とは長時間に亘って撹拌されて良好に混合される。
結果として尿素水が排ガス中に十分に拡散・霧化され、尿素水の加水分解により生成されたアンモニアがＳＣＲ触媒２４の各部位に均等に供給される。よって、ＳＣＲ触媒２４によるＮＯx還元作用を最大限に発揮させて排ガス中に含まれるＮＯxを確実に浄化することができる。
【００４７】
一方、以上のように本実施形態では、上流側ケーシング１７内で旋回流を生起する排ガスを連結パイプ２２内に導入する過程で連結パイプ２２内に旋回流を生起させており、連結パイプ２２の各孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを排ガスが流通する際に圧損はほとんど発生しない。
即ち、従来のようにフィンにより旋回流を生起する場合、旋回流を強めるためにフィン角度やフィン面積を増大させると圧損増大を引き起こしたが、本実施形態では、旋回流の強さは、例えば連結パイプ２２の偏心位置、湾曲片２８ａ，２８ｂの形状、各領域Ａ〜Ｄの孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの設定などの要件で定まり、必ずしも旋回流を強さと圧損増大とはトレードオフの関係にはならない。従って、排ガスが流通する際の圧損を増大させることなく、十分に強力な旋回流を生起して良好な撹拌作用を実現することができる。
【００４８】
また、フィンを用いた方式のみならず、先行技術として挙げた特許文献１の技術と比較しても圧損を低減することができる。図７は先行技術の排ガスの流通状態を示す断面図であるが、主に連結パイプ２２の上流側外周面の孔２２ａには排ガスが直接的に導入されるのに対し、下流側外周面の孔２２ａには最下流箇所の隅部で渦を生じながらＵターンした排ガスが間接的にしか導入されない。従って、上流側外周面の孔２２ａに排ガスが集中して圧損が増大してしまう。
【００４９】
これに対して本実施形態では、上流側ケーシング１７内で旋回流を生起することにより排ガス流量が均一化され、しかも、混合室２０内の隅部が湾曲片２８ａ，２８ｂで隠蔽されることにより渦の発生も抑制される。このため先行技術で問題となる排ガスの集中による圧損増大を未然に回避することができる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの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、ＳＣＲ触媒２４を備えたディーゼルエンジン１の排気浄化装置２に具体化したが、適用対象はこれに限ることはない。例えばガソリンエンジンでも希薄燃焼運転を想定してＳＣＲ触媒２４を備える場合があるため、このようなガソリンエンジンに適用してもよい。
【００５０】
また、上記実施形態では、上流側ケーシング１７内の最下流箇所に上側及び下側湾曲片２８ａ，２８ｂを別部材として配設したが、これに限ることはない。例えば、上流側ケーシング１７の最下流箇所を湾曲片２８ａ，２８ｂに相当する形状に形成してもよい。
また、上記実施形態では、孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの内径を変化させることにより各領域Ａ〜Ｃの有効開口面積を相違させたが、これに限ることはない。例えば全ての孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの内径を同一とした上で、孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの密集度合（即ち、単位面積あたりの孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃの数）を相違させてもよい。また、孔２２ａの内径及び密集度合を共に相違させてもよい。
また、上記実施形態では、連結パイプの外周面を領域Ａ〜Ｄに分けて３種の孔２２ａ,２２ｂ,２２ｃを貫設したが、これに限ることはなく、上流側ケーシング１７内での旋回流の生起状況に応じて領域の分け方や孔の設定を任意に変更可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１ エンジン
１３ 排気通路
１７ 上流側ケーシング
２２ 連結パイプ
２２ａ,２２ｂ,２２ｃ 孔
２３ 下流側ケーシング
２４ ＳＣＲ触媒（アンモニア選択還元型ＮＯx触媒）
２７ 尿素水インジェクタ
２８ｂ 下側湾曲片（湾曲面）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に配設され、該エンジンの排ガス流通方向に沿った略筒状をなす上流側ケーシングと、
上記上流側ケーシングの近接位置に配設されて、アンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯxを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を収容した下流側ケーシングと、
上流側端部が上記上流側ケーシングの一側面からケーシング内に挿入されると共に、下流側端部が上記下流側ケーシングに接続され、上記上流側端部の上流側ケーシング内への挿入部分の外周面に貫設された多数の孔を経て該上流側ケーシング内の排ガスを内部に導入して上記下流側ケーシングに向けて案内する連結パイプと、
上記連結パイプ内に尿素水を噴射する尿素水インジェクタと
を備えたエンジンの排気浄化装置において、
上記連結パイプの上流側端部は、上記上流側ケーシング内を流通する排ガスに旋回流を生起させるべく該上流側ケーシング内での排ガス流通方向に対して略直交する方向に偏心して配置され、
上記上流側ケーシング内の最下流箇所の少なくとも上記連結パイプの反偏心方向の位置には、上記旋回流を生起する方向に排ガスを案内するための湾曲面が形成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
上記連結パイプの挿入部分に貫設された孔は、上記上流側ケーシング内で旋回流を生起して上記連結パイプの外周面に到達する排ガスの内、該連結パイプ内への導入により内部での旋回流の生起に貢献するベクトルを有する排ガスが到達する領域で有効開口面積を大とし、他の領域では有効開口面積を小としたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
上記連結パイプの上流側端部は、その全ての部分が上記上流側ケーシングの軸線よりも偏心方向に位置していることを特徴とする請求項１または２記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項１】
エンジンの排気通路に配設され、該エンジンの排ガス流通方向に沿った略筒状をなす上流側ケーシングと、
上記上流側ケーシングの近接位置に配設されて、アンモニアを還元剤として排ガス中のＮＯxを選択還元するアンモニア選択還元型ＮＯx触媒を収容した下流側ケーシングと、
上流側端部が上記上流側ケーシングの一側面からケーシング内に挿入されると共に、下流側端部が上記下流側ケーシングに接続され、上記上流側端部の上流側ケーシング内への挿入部分の外周面に貫設された多数の孔を経て該上流側ケーシング内の排ガスを内部に導入して上記下流側ケーシングに向けて案内する連結パイプと、
上記連結パイプ内に尿素水を噴射する尿素水インジェクタと
を備えたエンジンの排気浄化装置において、
上記連結パイプの上流側端部は、上記上流側ケーシング内を流通する排ガスに旋回流を生起させるべく該上流側ケーシング内での排ガス流通方向に対して略直交する方向に偏心して配置され、
上記上流側ケーシング内の最下流箇所の少なくとも上記連結パイプの反偏心方向の位置には、上記旋回流を生起する方向に排ガスを案内するための湾曲面が形成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
上記連結パイプの挿入部分に貫設された孔は、上記上流側ケーシング内で旋回流を生起して上記連結パイプの外周面に到達する排ガスの内、該連結パイプ内への導入により内部での旋回流の生起に貢献するベクトルを有する排ガスが到達する領域で有効開口面積を大とし、他の領域では有効開口面積を小としたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
上記連結パイプの上流側端部は、その全ての部分が上記上流側ケーシングの軸線よりも偏心方向に位置していることを特徴とする請求項１または２記載のエンジンの排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−９９３９０（Ｐ２０１１−９９３９０Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５４８９１（Ｐ２００９−２５４８９１）
【出願日】平成２１年１１月６日（２００９．１１．６）
【出願人】（３０３００２１５８）三菱ふそうトラック・バス株式会社 (1,037)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月６日（２００９．１１．６）
【出願人】（３０３００２１５８）三菱ふそうトラック・バス株式会社 (1,037)
【Ｆターム（参考）】
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