特開 2024-165366 排気浄化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024165366

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】排気浄化装置

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/36 20060101AFI20241121BHJP

   F01N 3/24 20060101ALI20241121BHJP

【ＦＩ】

F01N3/36 C

F01N3/24 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023081511

(22)【出願日】2023-05-17

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】下笠 宏周

【テーマコード（参考）】

3G091

【Ｆターム（参考）】

3G091AA02

3G091AA18

3G091AB02

3G091AB13

3G091BA07

3G091CA18

3G091CA27

(57)【要約】

【課題】燃料添加弁を長寿命化することが可能な排気浄化装置、を提供することである。
【解決手段】排気浄化装置は、排気通路４００を形成する排気管４１０と、噴射口６２０が設けられた先端部６１０を有し、噴射口６２０から燃料を噴射する燃料添加弁６００とを備える。排気管４１０は、排気通路４００に連通する連通路４６０を形成し、先端部６１０が接続される壁部４３０を有する。排気浄化装置は、先端部６１０と対向する基端部７１０ｋを有し、連通路４６０に配置され、基端部７１０ｋから排気通路４００に向けて筒状に延びる筒部材７００をさらに備える。筒部材７００によって、連通路４６０内には、噴射口６２０が開口し、噴射口６２０から噴射された燃料が流れる内側空間４６０Ｐと、基端部７１０ｋにおいて内側空間４６０Ｐと遮断され、内側空間４６０Ｐの外側に配置される外側空間４６０Ｑとが区画形成される。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンからの排気ガスが流れる排気通路を形成する排気管と、
噴射口が設けられた先端部を有し、前記噴射口から前記排気通路に向けて燃料を噴射する燃料添加弁とを備え、
前記排気管は、前記排気通路に連通する連通路を形成し、前記先端部が接続される壁部を有し、さらに、
前記先端部と対向する基端部を有し、前記連通路に配置され、前記基端部から前記排気通路に向けて筒状に延びる筒部材を備え、
前記筒部材によって、前記連通路内には、前記噴射口が開口し、前記噴射口から噴射された燃料が流れる内側空間と、前記基端部において前記内側空間と遮断され、前記内側空間の外側に配置される外側空間とが区画形成される、排気浄化装置。

【請求項2】

前記排気管は、前記排気通路に設けられ、前記内側空間からの燃料が衝突する燃料分散板をさらに有する、請求項１に記載の排気浄化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、排気浄化装置に関する。

【背景技術】

【0002】

たとえば、特開２０２１－１１６７６２号公報（特許文献１）には、排気通路と、排気通路に向けて燃料を噴射する燃料添加弁と、排気通路と連通するとともに、燃料添加弁から噴射される燃料が通過する噴射通路を形成する円筒状の内壁部と、内壁部の径方向外側に配置され、内壁部と協働して排気通路を流れる排気ガスを噴射通路における燃料添加弁側の領域に導入する導入通路を形成する外壁部とを備える排気浄化装置が開示されている。外壁部の上端位置は、内壁部の上端位置よりも高い。

【0003】

また、特開２０１３－２３９８号公報（特許文献２）、特開２０１１－１５７８２５号公報（特許文献３）、特開２０１４－２３４８１５号公報（特許文献４）および特開２００９－２０９８０４号公報（特許文献５）にも、排気浄化装置の各種の構造が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１１６７６２号公報

【特許文献2】特開２０１３－２３９８号公報

【特許文献3】特開２０１１－１５７８２５号公報

【特許文献4】特開２０１４－２３４８１５号公報

【特許文献5】特開２００９－２０９８０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述の特許文献１に開示されるように、排気通路内に向けて還元剤としての燃料を噴射する燃料添加弁を備えた排気浄化装置が知られている。このような排気浄化装置において、排気通路内を流れる高温の排気ガスが、旋回流となって燃料添加弁の先端部に到達する現象が起こり得る。この場合、先端部に設けられた燃料の噴射口でデポジットの生成が促進され、燃料添加弁の寿命が短くなる懸念が生じる。

【0006】

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、燃料添加弁を長寿命化することが可能な排気浄化装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

［１］エンジンからの排気ガスが流れる排気通路を形成する排気管と、噴射口が設けられた先端部を有し、上記噴射口から上記排気通路に向けて燃料を噴射する燃料添加弁とを備え、上記排気管は、上記排気通路に連通する連通路を形成し、上記先端部が接続される壁部を有し、さらに、上記先端部と対向する基端部を有し、上記連通路に配置され、上記基端部から上記排気通路に向けて筒状に延びる筒部材を備え、上記筒部材によって、上記連通路内には、上記噴射口が開口し、上記噴射口から噴射された燃料が流れる内側空間と、上記基端部において上記内側空間と遮断され、上記内側空間の外側に配置される外側空間とが区画形成される、排気浄化装置。

【0008】

このように構成された排気浄化装置では、排気通路を流れる排気ガスが連通路に進入し、旋回流となって壁部の内壁に沿って流れる。この場合に、筒部材により、燃料添加弁の噴射口が開口する内側空間と、排気ガスの旋回流が流れる外側空間とを区画することによって、排気ガスが噴射口に向かうことを抑制できる。これにより、噴射口におけるデポジットの生成を抑え、燃料添加弁を長寿命化することができる。

【0009】

［２］上記排気管は、上記排気通路に設けられ、上記内側空間からの燃料が衝突する燃料分散板をさらに有する、［１］に記載の排気浄化装置。

【0010】

このように構成された排気浄化装置によれば、燃料分散板によって、排気通路における排気ガスの主流から連通路が隔てられる。これにより、連通路に対する排気ガスの進入を抑制して、噴射口におけるデポジットの生成をより効果的に抑えることができる。

【発明の効果】

【0011】

以上に説明したように、この発明に従えば、燃料添加弁を長寿命化することが可能な排気浄化装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】この発明の実施の形態における排気浄化装置が搭載される車両の吸排気系統を模式的に示す図である。

【図2】図１中の燃料添加弁と、その周辺の排気通路とを示す図である。

【図3】図２中の矢印ＩＩＩに示す方向に見た燃料添加弁と、その周辺の排気通路とを示す断面図である。

【図4】図３中の２点鎖線ＩＶで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。

【図5】比較例における排気浄化装置を示す断面図である。

【図6】実施例における排気ガスの流速分布を示す図である。

【図7】比較例における排気ガスの流速分布を示す図である。

【図8】図６中の実施例および図７中の比較例における燃料添加弁の先端部のガス流速と、燃料添加弁の先端部の温度との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

【0014】

図１は、この発明の実施の形態における排気浄化装置が搭載される車両の吸排気系統を模式的に示す図である。

【0015】

図１を参照して、本実施の形態における排気浄化装置１は、車両に搭載されている。排気浄化装置１は、エンジン３００を有する。エンジン３００は、車両の走行用動力源として設けられている。代表的な例として、エンジン３００は、ディーゼルエンジンである。エアクリーナ１００を通過した空気は、吸気通路２００を通じてエンジン３００に供給される。

【0016】

排気浄化装置１は、排気管４１０と、排気浄化ユニット５００と、燃料添加弁６００とをさらに有する。排気管４１０は、エンジン３００に接続されている。排気管４１０は、排気通路４００を形成している。排気通路４００には、エンジン３００からの排気ガスが流れる。

【0017】

排気浄化ユニット５００は、排気管４１０の経路上に設けられている。排気管４１０は、エンジン３００および排気浄化ユニット５００の間で延びている。排気浄化ユニット５００は、たとえば、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）およびＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）を含む。

【0018】

燃料添加弁６００は、排気浄化ユニット５００よりも、排気管４１０における排気ガス流れの上流側に設けられている。燃料添加弁６００は、排気通路４００に向けて燃料を噴射する。燃料添加弁６００により排気ガスに添加される燃料は、主として、ＤＰＦの再生のための還元剤として使用される。

【0019】

図２は、図１中の燃料添加弁と、その周辺の排気通路とを示す図である。図３は、図２中の矢印ＩＩＩに示す方向に見た燃料添加弁と、その周辺の排気通路とを示す断面図である。

【0020】

図２および図３を参照して、燃料添加弁６００は、仮想上の直線である中心軸６５０を中心に延びる筒体からなる。燃料添加弁６００は、先端部６１０を有する。先端部６１０は、中心軸６５０の軸方向における燃料添加弁６００の一方端部に対応する部分である。

【0021】

先端部６１０には、噴射口６２０が設けられている。噴射口６２０は、中心軸６５０の軸上で開口している。燃料添加弁６００は、噴射口６２０から燃料Ｆを噴射する。噴射口６２０からの燃料Ｆの噴射方向は、中心軸６５０の軸方向である。噴射口６２０から噴射された燃料Ｆは、中心軸６５０の半径方向外側に向けて放射状に広がりながら、中心軸６５０の軸方向に進行する。

【0022】

排気管４１０は、壁部４３０を有する。壁部４３０は、排気管４１０において筒状に突出し、その突出する先で開口する形状をなしている。壁部４３０には、先端部６１０が接続されている。先端部６１０は、壁部４３０の開口端に接続されている。

【0023】

壁部４３０は、連通路４６０を形成している。連通路４６０は、中心軸６５０を中心に円柱状に延びる空間である。壁部４３０は、内壁４３５（後出の図４を参照）を有する。連通路４６０は、内壁４３５により規定されている。連通路４６０は、排気通路４００に連通している。中心軸６５０の軸方向における連通路４６０の一方端部が、排気通路４００に連通している。噴射口６２０は、中心軸６５０の軸方向における連通路４６０の他方端部で開口している。噴射口６２０の開口面積は、中心軸６５０に直交する平面により切断された場合の連通路４６０の開口面積よりも小さい。

【0024】

排気浄化装置１は、燃料分散板４２０をさらに有する。燃料分散板４２０は、排気通路４００に設けられている。燃料分散板４２０は、たとえば、鋳造により排気管４１０に一体的に成形されている。

【0025】

燃料分散板４２０は、中心軸６５０の軸方向において、噴射口６２０と対向するように設けられている。噴射口６２０から噴射された燃料Ｆは、燃料分散板４２０と衝突する。燃料Ｆが燃料分散板４２０と衝突することにより、燃料Ｆが微粒化される。これにより、還元剤としての燃料Ｆの分散が促進され、還元剤を排気ガス中に均一に分散させることができる。

【0026】

排気通路４００は、燃料分散板４２０によって、第１通路４００Ａと、第２通路４００Ｂとに区画されている。第１通路４００Ａは、第２通路４００Ｂの上側に位置している。第１通路４００Ａは、排気ガス流れの上流側において、入口部４２１を通じて第２通路４００Ｂと連通し、排気ガス流れの下流側において、出口部４２２を通じて第２通路４００Ｂと連通している。

【0027】

第２通路４００Ｂを流れる排気ガスの主流の一部が、矢印Ａに示されるように、入口部４２１を通じて第１通路４００Ａに流入する。燃料Ｆは、第２通路４００Ｂを流れる排気ガスに向けて噴射される。第１通路４００Ａを流れる排気ガスは、矢印Ｂに示されるように、出口部４２２を通じて第１通路４００Ａに流出する。

【0028】

燃料分散板４２０は、排気ガス流れの上流側（入口部４２１）から排気ガス流れの下流側（出口部４２２）に向かって、下側に傾斜するように設けられている。入口部４２１および出口部４２２は、たとえば、略楕円状の断面形状を有する。入口部４２１の開口面積は、出口部４２２の開口面積よりも小さい。第２通路４００Ｂから第１通路４００Ａへの排気ガスの流入方向（矢印Ａに示す方向）は、第１通路４００Ａから第２通路４００Ｂへの排気ガスの流出方向（矢印Ｂに示す方向）と交差する方向である。

【0029】

入口部４２１よりも排気ガス流れの下流側であって、燃料添加弁６００よりも排気ガス流れの上流側の第１通路４００Ａには、壁部（不図示）がさらに設けられてもよい。壁部は、第１通路４００Ａの流路面積を縮小させるように、第１通路４００Ａの内方に向かって設けられる。

【0030】

図４は、図３中の２点鎖線ＩＶで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。図２から図４を参照して、排気浄化装置１は、筒部材７００をさらに有する。筒部材７００は、先端部６１０から筒状に延びている。筒部材７００は、金属製である。筒部材７００は、壁部４３０に対して着脱可能に設けられている。

【0031】

筒部材７００は、円筒部７１０と、装着部７２０とを有する。円筒部７１０は、円筒形状を有する。円筒部７１０は、中心軸６５０を中心としてその軸方向に円筒状に延びている。中心軸６５０を中心とする円筒部７１０の直径は、中心軸６５０の軸方向における位置に拘わらず一定である。

【0032】

筒部材７００（円筒部７１０）は、基端部７１０ｋと、先端部７１０ｊとを有する。円筒部７１０は、基端部７１０ｋおよび先端部７１０ｊの間で円筒状に延びている。基端部７１０ｋは、先端部６１０と対向している。基端部７１０ｋは、中心軸６５０の軸方向において、先端部６１０と当接している。先端部７１０ｊは、排気通路４００および連通路４６０の境界に位置している。先端部７１０ｊは、排気通路４００（第１通路４００Ａ）に位置してもよいし、連通路４６０に位置してもよい。

【0033】

装着部７２０は、円筒部７１０の基端部７１０ｋに接続されている。装着部７２０は、壁部４３０の開口端の内側に圧入されている。

【0034】

連通路４６０内には、筒部材７００（円筒部７１０）によって、内側空間４６０Ｐと、外側空間４６０Ｑとが区画形成されている。噴射口６２０は、内側空間４６０Ｐに開口している。内側空間４６０Ｐには、噴射口６２０から噴射された燃料Ｆが流れる。外側空間４６０Ｑは、基端部７１０ｋにおいて、内側空間４６０Ｐと遮断されている。外側空間４６０Ｑは、内側空間４６０Ｐの外側に配置されている。

【0035】

内側空間４６０Ｐは、中心軸６５０を中心に円柱状に延びる空間である。中心軸６５０に直交する平面による切断された場合の内側空間４６０Ｐの開口面積は、中心軸６５０に直交する平面による切断された場合の連通路４６０の開口面積よりも小さい。中心軸６５０に直交する平面による切断された場合の内側空間４６０Ｐの開口面積は、噴射口６２０の開口面積よりも大きい。

【0036】

噴射口６２０から噴射された燃料Ｆは、内側空間４６０Ｐを通って、排気通路４００（第１通路４００Ａ）に向かう。噴射口６２０から噴射され、中心軸６５０の軸方向に進行する燃料Ｆは、筒部材７００（円筒部７１０）と干渉しないことが好ましい。

【0037】

外側空間４６０Ｑは、中心軸６５０の半径方向において、円筒部７１０と、壁部４３０の内壁４３５との間に規定され、中心軸６５０の軸方向に延びるリング状の空間である。外側空間４６０Ｑは、内側空間４６０Ｐに対して中心軸６５０の半径方向外側に配置されている。基端部７１０ｋが中心軸６５０の軸方向において先端部６１０に当接することによって、外側空間４６０Ｑは、基端部７１０ｋにおいて、内側空間４６０Ｐと遮断されている。

【0038】

図５は、比較例における排気浄化装置を示す断面図である。図５には、図３に対応する排気浄化措置の断面が示されている。図５を参照して、本変形例では、連通路４６０に、図３中の筒部材７００が設けられていない。

【0039】

このような構成において、排気通路４００（第１通路４００Ａ）を流れる排気ガスが、連通路４６０に進入し、中心軸６５０を中心とする旋回流Ｓとなって壁部４３０の内壁４３５に沿って流れる。排気ガスの旋回流Ｓが先端部６１０に達することによって、先端部６１０が高温となり、噴射口６２０にデポジットが生成される現象が生じる。

【0040】

図４を参照して、これに対して、本実施の形態では、筒部材７００によって、連通路４６０内に、噴射口６２０が開口する内側空間４６０Ｐと、基端部７１０ｋにおいて内側空間４６０Ｐと遮断され、内側空間４６０Ｐの外側に配置される外側空間４６０Ｑとが区画されている。このような構成によれば、排気ガスは、主に外側空間４６０Ｑに進入して、中心軸６５０を中心とする旋回流Ｓとなる。これにより、高温の排気ガスが、内側空間４６０Ｐで開口する噴射口６２０に向かうことを抑制して、噴射口６２０におけるデポジットの生成を抑えることができる。結果、燃料添加弁６００の長寿命化を図ることができる。

【0041】

また、本実施の形態では、排気通路４００に、排気ガスにおける燃料の分散を促進させるための燃料分散板４２０が設けられている。このような構成により、連通路４６０が連通する第１通路４００Ａが、排気ガスの主流が流れる第２通路４００Ｂから隔てられるため、連通路４６０に進入する排気ガスの量を抑制できる。これにより、噴射口６２０におけるデポジットの生成をさらに効果的に抑えることができる。

【0042】

図６は、実施例における排気ガスの流速分布を示す図である。図７は、比較例における排気ガスの流速分布を示す図である。図８は、図６中の実施例および図７中の比較例における燃料添加弁の先端部のガス流速と、燃料添加弁の先端部の温度との関係を示すグラフである。

【0043】

図６中の実施例では、筒部材７００を設け、図７中の比較例では、筒部材７００を設けなかった。実施例および比較例において、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析により、排気通路４００（第１通路４００Ａ）および連通路４６０における排気ガスの流速分布を算出した。

【0044】

なお、図６中の実施例では、筒部材７００（円筒部７１０）の基端部７１０ｋが、中心軸６５０の半径方向外側に向けて広がる鍔形状を有する。中心軸６５０の軸方向における先端部６１０および基端部７１０ｋの間には、隙間が設けられている。基端部７１０ｋの外周縁が壁部４３０の内壁４３５に嵌合されることによって、外側空間４６０Ｑは、基端部７１０ｋにおいて、内側空間４６０Ｐと遮断されている。

【0045】

図８に示されるように、連通路４６０に筒部材７００を設置することによって、先端部６１０における排気ガスの速度を低減させるとともに、先端部６１０の温度を低下させることができた。

【0046】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0047】

１ 排気浄化装置、１００ エアクリーナ、２００ 吸気通路、３００ エンジン、４００ 排気通路、４００Ａ 第１通路、４００Ｂ 第２通路、４１０ 排気管、４２０ 燃料分散板、４２１ 入口部、４２２ 出口部、４３０ 壁部、４３５ 内壁、４６０ 連通路、４６０Ｐ 内側空間、４６０Ｑ 外側空間、５００ 排気浄化ユニット、６００ 燃料添加弁、６１０，７１０ｊ 先端部、６２０ 噴射口、６５０ 中心軸、７００ 筒部材、７１０ 円筒部、７１０ｋ 基端部、７２０ 装着部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】