(57)【要約】【課題】排気中の添加剤の濃度を均一にする。【解決手段】内燃機関の排気通路２において、排気の流れを、螺旋状に流れる螺旋流と、該螺旋流の中心において排気通路２の中心軸方向に進む直進流と、に分ける攪拌手段１を備える。螺旋流により添加剤が排気通路の壁面側に偏ったとしても、直進流によって運ばれる添加剤により、排気通路の中心軸側の添加剤の濃度を高める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路において、排気の流れを、螺旋状に流れる螺旋流と、該螺旋流の中心において前記排気通路の中心軸方向に進む直進流と、に分ける攪拌手段を備える内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記攪拌手段は、前記排気通路と中心軸が同軸の通路と、該排気通路と中心軸が同軸の通路よりも前記排気通路の壁面側に設けられる螺旋状の通路と、を備える請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記螺旋状の通路と、前記排気通路と中心軸が同軸の通路と、を連通する連通路を備える請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記排気通路と中心軸が同軸の通路内において前記連通路と対向する位置の該排気通路と中心軸が同軸の通路の壁面を、該連通路と対向していない位置の該排気通路と中心軸が同軸の通路の壁面よりも、該排気通路と中心軸が同軸の通路の中心軸側に突出させる請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記連通路を、前記螺旋状の通路に沿って螺旋状に配置する請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記螺旋状の通路に添加剤を供給する供給装置を備える請求項３から５の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記排気通路の中心軸を通る面による前記螺旋状の通路の断面形状が曲率を持つ請求項２から６の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記螺旋状の通路の外壁と、前記排気通路の内壁と、の間に空間を設ける請求項２から７の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記螺旋状の通路の内壁に触媒を備える請求項７または８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記螺旋状の通路の内壁に凹凸を形成する請求項７から９の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
前記螺旋状の通路において、前記添加剤を前記排気通路と中心軸が同軸の通路に導く案内手段を備える請求項２から１０の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気中に還元剤または酸化剤などの添加剤を噴射することがある。この添加剤は、下流の触媒などへ到達する前に、触媒の半径方向に均一に分散することが望ましい。これに対し、内燃機関からの排気に旋回流を発生させるためのプレートを排気管内に設ける技術が知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照。）。
【０００３】
しかし、旋回流が発生すると、遠心力により添加剤が外側に偏るため、排気管の中心軸付近では添加剤の濃度が低くなり得る。これにより、下流の触媒などに流入する排気中の添加剤濃度が排気管の半径方向で不均一になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０７１２４０号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／１４６２８５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気中の添加剤の濃度を均一にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明では、
内燃機関の排気通路において、排気の流れを、螺旋状に流れる螺旋流と、該螺旋流の中心において前記排気通路の中心軸方向に進む直進流と、に分ける攪拌手段を備える。
【０００７】
螺旋流は、螺旋状に回転しながら下流へ進む排気の流れである。また、直進流は、排気通路の下流側へ向かって直進する排気の流れである。ここで、螺旋流のみを発生させる場合には、遠心力により添加剤が排気通路の壁面側に偏ってしまう。これに対して、排気通路の中心軸付近において直進流を発生させることにより、該直進流で運ばれる添加剤は排気通路の中心軸付近をそのまま進む。このため、攪拌手段よりも下流の排気通路の中心軸付近の添加剤の濃度を高めることができる。したがって、添加剤の濃度をより均一に近付けることができる。
【０００８】
本発明においては、前記攪拌手段は、前記排気通路と中心軸が同軸の通路と、該排気通路と中心軸が同軸の通路よりも前記排気通路の壁面側に設けられる螺旋状の通路と、を備えることができる。
【０００９】
排気通路と中心軸が同軸の通路により、中心軸に沿った排気の流れを発生させることができる。また、螺旋状の通路により螺旋流を生じさせることができる。例えば管などの中空の円筒形の部材により排気通路と中心軸が同軸の通路を形成してもよいが、螺旋状の通路を排気通路の中心軸付近には設けないようにし、該螺旋状の通路を設けない箇所を排気通路と中心軸が同軸の通路とすることもできる。
【００１０】
本発明においては、前記螺旋状の通路と、前記排気通路と中心軸が同軸の通路と、を連
通する連通路を備えることができる。
【００１１】
そうすると、螺旋状の通路から排気通路と中心軸が同軸の通路へ添加剤を導入することができる。また、排気通路と中心軸が同軸の通路に導入された添加剤は、螺旋状の通路へは戻り難い。このため、排気通路の中心軸付近の添加剤の濃度を高めることができる。なお、連通路を設ければ、排気通路と中心軸が同軸の通路の上流側の端部は閉塞していてもよい。
【００１２】
本発明においては、前記排気通路と中心軸が同軸の通路内において前記連通路と対向する位置の該排気通路と中心軸が同軸の通路の壁面を、該連通路と対向していない位置の該排気通路と中心軸が同軸の通路の壁面よりも、該排気通路と中心軸が同軸の通路の中心軸側に突出させることができる。
【００１３】
これにより、連通路が設けられている箇所において絞りが形成されるので、排気通路と中心軸が同軸の通路の圧力が相対的に低下し、螺旋状の通路から排気通路と中心軸が同軸の通路に排気が流入しやすくなる。これにより、より多くの添加剤を排気通路と中心軸が同軸の通路側に導入することができる。
【００１４】
本発明においては、前記連通路を、前記螺旋状の通路に沿って螺旋状に配置することができる。
【００１５】
そうすると、排気通路と中心軸が同軸の通路の中心軸側に突出した箇所も、排気通路と中心軸が同軸の通路内に螺旋状に配置される。これにより、排気通路と中心軸が同軸の通路の壁面側において、螺旋流が発生するので、添加剤の分散や拡散を促進させることができる。
【００１６】
本発明においては、前記螺旋状の通路に添加剤を供給する供給装置を備えることができる。
【００１７】
螺旋状の通路に添加剤を供給しても、排気通路と中心軸が同軸の通路にも添加剤の一部が導入されるので、排気通路の中心軸付近の添加剤の濃度を高めることができる。また、螺旋状の通路に添加剤を供給することにより、螺旋状の通路においても添加剤の分散及び拡散を促進させることができる。
【００１８】
本発明においては、前記排気通路の中心軸を通る面による前記螺旋状の通路の断面形状が曲率を持っていてもよい。
【００１９】
すなわち、断面形状が曲線となるように、螺旋状の通路の壁面が曲面により構成される。そうすると、螺旋状の通路を流通する排気が、曲面に沿って進み易くなるので、排気通路と中心軸が同軸の通路から排気通路の壁面側に向かう排気の流れ、及び、排気通路の壁面側から排気通路と中心軸が同軸の通路に向かう排気の流れを生じさせることができる。このため、添加剤の分散及び拡散を促進させると共に、排気通路と中心軸が同軸の通路へ添加剤を導入することができる。したがって、排気中の添加剤の濃度をより均一に近付けることができる。
【００２０】
本発明においては、前記螺旋状の通路の外壁と、前記排気通路の内壁と、の間に空間を設けることができる。
【００２１】
この空間により断熱効果が得られるため、排気の温度が低下することを抑制できる。これにより、添加剤の気化や反応を促進させることができる。
【００２２】
本発明においては、前記螺旋状の通路の内壁に触媒を備えることができる。
【００２３】
そうすると、添加剤の分解を促進させることができる。
【００２４】
本発明においては、前記螺旋状の通路の内壁に凹凸を形成することができる。
【００２５】
そうすると、螺旋状の通路の内壁の表面積が増加するため、添加剤の気化を促進させることができる。また、排気の乱れが発生するため、添加剤の分散及び拡散を促進させることができる。
【００２６】
本発明においては、前記螺旋状の通路において、前記添加剤を前記排気通路と中心軸が同軸の通路に導く案内手段を備えることができる。
【００２７】
そうすると、排気通路と中心軸が同軸の通路に、より多くの添加剤を導入することができるため、添加剤の濃度をより均一に近付けることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、排気中の添加剤の濃度を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施例１に係るミキサの斜視図である。
【図２】実施例１に係るミキサを排気通路の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。
【図３】ミキサよりも上流側に添加弁３を設けた場合の、ミキサの斜視図である。
【図４】管の上流端が閉塞しているミキサを、排気通路の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。
【図５】管を設けないミキサを、排気通路の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。
【図６】実施例２に係るミキサを排気通路の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。
【図７】実施例３に係るミキサを排気通路の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。
【図８】管における連通路と絞りとの関係を示した図である。
【図９】実施例４に係るミキサを排気通路の中心軸と直交する面で切断したときの断面図である。
【図１０】実施例４に係るミキサを排気通路の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。
【図１１】実施例４に係る他のミキサを排気通路の中心軸と直交する面で切断したときの断面図である。
【図１２】実施例４に係る他のミキサを排気通路の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００３１】
＜実施例１＞
図１は、本実施例に係るミキサの斜視図である。本実例に係るミキサ１は、内燃機関の排気通路２に設けられている。また、図２は、本実施例に係るミキサ１を排気通路２の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。なお、実施例においてはミキサ１が、本発明における攪拌手段に相当する。
【００３２】
本実施例に係るミキサ１は、例えば排気を浄化するために設けられる触媒よりも上流側に設けられる。触媒は、添加剤を供給することにより、温度が上昇したり、排気を浄化したり、または浄化能力が回復したりする触媒である。触媒には、吸蔵還元型ＮＯx触媒、
選択還元型ＮＯx触媒、三元触媒、酸化触媒、加水分解触媒などを例示できる。また、触
媒は、酸化機能を有する触媒としてもよい。さらに、粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを備え、該パティキュレートフィルタを触媒の担体としてもよい。また、パティキュレートフィルタよりも上流に触媒を配置してもよい。添加剤は、還元剤または酸化剤としてもよい。
【００３３】
ミキサ１は、排気通路２内において該排気通路２の中心軸と同軸になるように形成され排気通路２の内径よりも小さな外径を有する管１１と、管１１の周りに設けられ管１１と排気通路２の内壁との間において排気通路２の中心軸を中心として螺旋状に配置される螺旋プレート１２と、を備えて構成されている。
【００３４】
管１１は、中空の円筒形の部材であり、上流端及び下流端が開口しており、内部を排気が流通する。すなわち、管１１により、直線状の通路（以下、直線通路１１ａという。）が形成される。また、螺旋プレート１２も上流端及び下流端が開口しており、該螺旋プレート１２に衝突した排気の一部は、該螺旋プレート１２に沿って螺旋状に流れる。すなわち、螺旋プレート１２により、螺旋状の通路（以下、螺旋通路１２ａという。）が形成される。なお、図１及び図２における矢印は、排気の流れる方向を示している。なお、本実施例においては、管１１により直線状の通路を形成しているが、ミキサ１を排気通路２の屈曲部に設ける場合には、該排気通路２の屈曲に合わせて管１１が屈曲していてもよい。そして、本実施例においては直線通路１１ａが、本発明における排気通路と中心軸が同軸の通路に相当する。
【００３５】
このように、本実施例に係るミキサ１は、直線通路１１ａの周りに螺旋通路１２ａが形成されている。
【００３６】
管１１には、貫通孔である連通路１３が１つ以上設けられている。この連通路１３により、直線通路１１ａ内と、螺旋通路１２ａ内と、が連通される。
【００３７】
また、ミキサ１には、螺旋通路１２ａに向かって添加剤を噴射する添加弁３が設けられている。なお、添加弁３は、ミキサ１よりも上流側に設けることもできる。ここで、図３は、ミキサ１よりも上流側に添加弁３を設けた場合の、ミキサ１の斜視図である。なお、本実施例においては添加弁３が、本発明における供給装置に相当する。
【００３８】
このように構成されたミキサ１においては、排気通路２の中心軸付近を流れる排気が、直線通路１１ａに流入する。直線通路１１ａに流入した排気のほとんどは、直線的に下流へと流れる。一方、排気通路２の壁面側を流れる排気が、螺旋通路１２ａに流入する。螺旋通路１２ａに流入した排気は、直線通路１１ａの周りを回転しつつ下流へと流れる。
【００３９】
そして、添加弁３から螺旋通路１２ａへ噴射された添加剤の一部は、連通路１３を通って直線通路１１ａに流入する。直線通路１１ａに流入した添加剤の大部分は、直線通路１１ａ内を下流側へ向けて流れてミキサ１から流出する。このため、ミキサ１よりも下流の排気通路２の中心軸付近の添加剤の濃度を高めることができる。また、螺旋通路１２ａを
流れた添加剤は、該螺旋通路１２ａ内において攪拌されるが、排気通路２の壁面側に偏って螺旋通路１２ａから流出する。しかし、螺旋通路１２ａにおいて添加剤が排気通路２の壁面側に偏ったとしても、排気通路２の中心軸付近にも添加剤が存在するため、ミキサ１よりも下流側では、直線通路１１ａを設けていない場合よりも、添加剤の濃度が均一に近づく。
【００４０】
なお、直線通路１１ａの上流端が、閉塞していてもよい。ここで、図４は、管１１の上流端が閉塞しているミキサ１を、排気通路２の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。このように、直線通路１１ａが上流側端部で閉塞していたとしても、連通路１３を通って、排気及び添加剤が螺旋通路１２ａから直線通路１１ａへ流入するため、添加剤を含んだ排気が直線通路１１ａ内を流通する。これにより、排気通路２の中心軸付近の添加剤濃度を高めることができるため、添加剤の濃度が均一に近づく。
【００４１】
また、管１１を設けなくてもよい。ここで、図５は、管１１を設けないミキサ１を、排気通路２の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。管１１を設けなくても、ミキサ１の中心軸付近に螺旋プレート１２を設けないようにすれば、ミキサ１の中心軸付近では、該ミキサ１の上流端から下流端にかけて排気を遮る部材が存在しないので、排気を直線的に流すことができる。このように、直線状の空間を設けるように螺旋プレート１２を形成することで、直線通路１１ａを形成することができる。この場合にも、直線通路１１ａと螺旋通路１２ａとの間には排気を遮る部材が存在しないため、直線通路１１ａと螺旋通路１２ａとが連通路１３で連通していると考えることができる。このような構成によっても、添加剤の一部が直線通路１１ａに流入するため、排気通路２の中心軸付近の添加剤の濃度を高めることができる。
【００４２】
なお、連通路１３の形状、位置、個数や、添加弁３による添加剤の噴射方向、管１１の直径、螺旋プレート１２の形状などは、実験またはシミュレーション等により最適化することができる。また、連通路１３は、螺旋通路１２ａに沿って、螺旋状に形成してもよい。また、例えば、直線通路１１ａの通路断面積を比較的大きくすると、螺旋流による添加剤の攪拌の効果が小さくなるので、ミキサ１よりも下流において添加剤が不均一になり易くなる。一方、直線通路１１ａの通路断面積が、螺旋通路１２ａの通路断面積よりも小さくなるように両通路を形成することにより、添加剤の濃度をより均一にするができる。
【００４３】
＜実施例２＞
図６は、本実施例に係るミキサ１を排気通路２の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。本実施例では、実施例１と比較して、螺旋通路１２ａの形状が異なる。本実施例では、螺旋プレート１２に沿って螺旋管１４を備え、該螺旋管１４により螺旋通路１２ａが形成される。螺旋管１４は、螺旋プレート１２、排気通路２の内壁、管１１で囲まれる空間内に設けられている。図６に示すように、螺旋管１４の一部は管１１と接しており、この接している箇所において連通路１３が形成されている。連通路１３は、管１１の内部と、螺旋管１４の内部と、を連通するように設けられる。螺旋管１４は、排気通路２の中心軸を通る面による断面形状が曲率を持つように形成されている。すなわち、螺旋管１４の断面は、連通路１３の上流側端部において管１１に接続されて、そこから排気通路２の壁面側へ向かって伸びた後、曲率を持って排気通路２の下流側へ曲がり、さらに、曲率を持って排気通路２の中心軸側へ戻るように伸びて、連通路１３の下流側端部において管１１に接続される。
【００４４】
また、螺旋管１４と排気通路２の内壁面とには距離があり、空間１５が形成されている。この空間１５内には排気が流通しないように、少なくとも上流側端部が閉塞されている。空間１５は、空気の層としてもよく、断熱材が設けられる断熱層としてもよい。また、空間１５内に螺旋管１４を保持する部材を設けてもよい。
【００４５】
このように構成されたミキサ１では、図６の矢印で示されるように、螺旋管１４内において、該螺旋管１４に沿って排気が流れる。この排気の流れは、螺旋管１４内を排気通路２の上流側と下流側とで循環する循環流となる。この循環流により、添加剤の分散を促進させることができる。また、循環流により、直線通路１１ａへの添加剤の導入を促進させることができる。
【００４６】
なお、本実施例においては、螺旋管１４の内壁面に触媒を塗布してもよい。例えば、ミキサ１よりも下流にアンモニアを還元剤とする選択還元型ＮＯｘ触媒を備え、添加弁３から尿素水を噴射させる場合には、尿素からアンモニアへの分解を促進させる触媒を、螺旋管１４の内壁面に塗布してもよい。このように尿素の分解を促進させることにより、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。また、螺旋管１４の内壁面にメッシュ、グロメット、ディンプルなどの凹凸を形成してもよい。これにより、表面積を大きくすると共に、排気の乱れを促進することができる。特に、遠心力で添加剤が壁面に接触している時間が長いミキサ１においては、効果が大きい。
【００４７】
＜実施例３＞
図７は、本実施例に係るミキサ１を排気通路２の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。本実施例では、管１１の内壁面であって連通路１３に対向する位置に、絞り１６を設けている。また、図８は、管１１における連通路１３と絞り１６との関係を示した図である。実線が連通路１３を示し、破線が絞り１６を示している。
【００４８】
本実施例では、螺旋通路１２ａに沿って連通路１３を螺旋状に設けている。また、連通路１３に対向する位置に、絞り１６を螺旋状に設けている。なお、本実施例では、図８に示すように、連通路１３及び絞り１６を連続した螺旋状に形成しているが、断続的に形成してもよい。
【００４９】
このように構成されたミキサ１では、管１１の内壁面側において排気が絞り１６に沿って進むため、管１１の内部においても螺旋流が発生する。これにより、添加剤の拡散及び分散を促進させることができる。
【００５０】
＜実施例４＞
図９は、本実施例に係るミキサ１を排気通路２の中心軸と直交する面で切断したときの断面図である。また、図１０は、本実施例に係るミキサ１を排気通路２の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。本実施例では、螺旋通路１２ａに噴射された添加剤を連通路１３に導く案内板１７を設けている。なお、本実施例においては案内板１７が、本発明に係る案内手段に相当する。
【００５１】
案内板１７は、添加弁３から噴射された添加剤が通る位置に設けられている。そして、添加剤の一部が、案内板１７に沿って進んだ後に、連通路１３へ導入されるように、該案内板１７の形状や位置が決定される。なお、図９及び図１０における案内板１７は、排気の進行方向に向かって凸になる曲率を持っているが、この曲率は無くてもよい。
【００５２】
このように構成されたミキサ１では、直線通路１１ａにより多くの添加剤を導入することができるため、排気通路２の中心軸付近の添加剤の濃度を高めることができる。
【００５３】
また、案内板１７を設ける代わりに、螺旋プレート１２の一部を凹形状または凸形状に形成し、添加剤を該凹形状または凸形状に沿って進ませることで、該添加剤を連通路１３へ導入してもよい。この場合、凹形状又は凸形状が、本発明に係る案内手段に相当する。
【００５４】
図１１は、本実施例に係る他のミキサ１を排気通路２の中心軸と直交する面で切断したときの断面図である。また、図１２は、本実施例に係る他のミキサ１を排気通路２の中心軸を通る面で切断したときの断面図である。図１１及び図１２に係るミキサ１では、螺旋プレート１２を排気通路２の下流側へ向かって凹ませて、凹部１８を形成している。これにより、螺旋プレート１２において段差が生じるため、該段差に沿って添加剤が進む。なお、凹部１８は、添加弁３から噴射された添加剤が通る位置に設けられている。添加剤の一部が、凹部１８に沿って進んだ後に、連通路１３へ導入されるように、該凹部１８の形状や位置が決定される。
【００５５】
このように構成されたミキサ１によっても、直線通路１１ａにより多くの添加剤を導入することができるため、排気通路２の中心軸付近の添加剤の濃度を高めることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１     ミキサ
２     排気通路
３     添加弁
１１   管
１１ａ 直線通路
１２   螺旋プレート
１２ａ 螺旋通路
１３   連通路
１４   螺旋管
１５   空間
１６   絞り
１７   案内板
１８   凹部
【図１】
2014224467.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014224467.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014224467.tif 000009
【図８】
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【図９】
2014224467.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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