(57)【要約】【課題】本発明は、排気浄化用触媒より上流の排気管に介装され、螺旋状の排気流路を有する混合器と、混合器より上流の排気又は混合器内の排気流路を流れる排気に還元剤を添加する添加弁と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気が混合器を流れる際の圧力損失を低減しつつ、排気と還元剤の混合を促進させることを課題とする。【解決手段】本発明に係わる内燃機関の排気浄化装置において、混合器は、排気管と同軸に配置される筒状のケーシングと、該ケーシング内に螺旋状の排気流路を画定する螺旋状の板材であって３６０度より大きな回転角度を有する板材と、を具備し、板材は、前記ケーシングの軸方向における位置が相違し且つ周方向における位置が重複する２箇所のうち、上流側に位置する箇所の径方向外側の部位及び下流側に位置する箇所の径方向内側の部位に形成された複数の貫通孔を有するようにした。【選択図】図２
2014190177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に配置された排気浄化用触媒と、
前記排気浄化用触媒より上流の排気管に介装され、螺旋状の排気流路を有する混合器と、
前記混合器より上流の排気管を流れる排気、又は前記混合器内の排気流路を流れる排気に還元剤を添加する添加弁と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記混合器は、筒状のケーシングと、該ケーシング内に螺旋状の排気流路を画定する螺旋状の板材であって３６０度より大きな回転角度を有する板材と、を具備し、
前記板材は、前記ケーシングの軸方向における位置が相違し且つ周方向における位置が重複する２箇所のそれぞれに設けられた貫通孔を有し、
前記２箇所のうち、排気の流れ方向の上流側に位置する箇所に設けられる貫通孔は、下流側に位置する箇所に設けられる貫通孔に比べ、径方向外側に配置されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１において、前記２箇所のうち、排気の流れ方向の上流側に位置する箇所に設けられる貫通孔の最も径方向内側の部位は、下流側に位置する箇所に設けられる貫通孔の最も径方向外側の部位に比べ、径方向外側に位置することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記添加弁は、前記板材の前記２箇所により画定された排気流路へ還元剤を噴射するように、前記ケーシングに取り付けられることを特徴とする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し、特に排気中に添加された還元剤と排気の混合を促進させる混合器を具備する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気浄化装置として、排気通路に配置された排気浄化用触媒と、排気浄化用触媒へ流入する排気に還元剤を添加させる添加装置と、を備えたものが知られている。この種の内燃機関の排気浄化装置としては、還元剤と排気の均一な混合を図るために、混合器を備えたものも提案されている。混合器としては、排気管と同軸に配置された筒状のケーシングと、ケーシング内に形成された螺旋状の流路と、ケーシングの周壁に取り付けられて前記流路へ還元剤を噴射する添加弁と、を備えた混合器が知られている（たとえば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０２１６５１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記した従来の混合器によれば、ケーシングの径方向の外側へ働く慣性力によって還元剤がケーシング内の周縁（内周面の近傍）に偏り易い。そのため、排気と還元剤が均質に混合されない可能性がある。これに対し、混合器における排気の旋回角度を大きくする（螺旋状の流路の長さを長くする）ことにより、排気と添加剤の均質混合を図る方法が考えられる。しかしながら、排気の旋回角度が大きくなると、排気が混合器を流れるときの圧力損失が大きくなるため、内燃機関に作用する背圧が高くなる可能性がある。
【０００５】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用触媒と、排気浄化用触媒より上流の排気管に介装され、螺旋状の排気流路を有する混合器と、混合器より上流の排気又は混合器内の排気流路を流れる排気に還元剤を添加する添加弁と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気が混合器を流れる際の圧力損失を低減しつつ、排気と還元剤の混合を促進させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記した課題を解決するために、内燃機関の排気管に配置された排気浄化用触媒と、前記排気浄化用触媒より上流の排気管に介装され、螺旋状の排気流路を有する混合器と、前記混合器より上流の排気管を流れる排気、又は前記混合器内の排気流路を流れる排気に還元剤を添加する添加弁と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記混合器は、螺旋状に旋回する排気の流れを発生させる手段に加え、該混合器の径方向外側から径方向内側へ向かう排気の流れを発生させる手段を有するようにした。
【０００７】
詳細には、本発明は、内燃機関の排気管に配置された排気浄化用触媒と、
前記排気浄化用触媒より上流の排気管に介装され、螺旋状の排気流路を有する混合器と、
前記混合器より上流の排気管を流れる排気、又は前記混合器内の排気流路を流れる排気に還元剤を添加する添加弁と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記混合器は、筒状のケーシングと、該ケーシング内に螺旋状の排気流路を画定するた
めの螺旋状の板材であって、３６０度より大きな回転角度を有する板材と、を具備し、
前記板材は、前記ケーシング内の軸方向における位置が相違し且つ周方向における位置が重複する２箇所にそれぞれ設けられた貫通孔を有し、
前記２箇所のうちの上流側に位置する箇所に設けられる貫通孔は、下流側に位置する箇所に設けられる貫通孔に比べ、径方向外側に配置されるようにした。
【０００８】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置において、内燃機関から排出された排気は、混合器より上流の排気管を経て混合器に流入する。混合器に流入した排気は、螺旋状の板材及びケーシングの内壁面によって画定された螺旋状の排気流路（以下、「螺旋流路」と称する）を流れる。すなわち、混合器に流入した排気は、螺旋状に旋回しながら流れる。
【０００９】
ここで、前記螺旋流路を流れる排気が還元剤を含んでいるときは、前記ケーシングの径方向内側から径方向外側へ働く慣性力（遠心力）によって排気中の還元剤がケーシング内の周縁（ケーシングの内壁面近傍）に偏る可能性がある。これに対し、螺旋流路の長さ（螺旋流路の回転角）を増加させることが考えられるが、排気が混合器を流れる際の圧力損失が増加するという背反が発生する。
【００１０】
これに対し、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、混合器のケーシングに内装される螺旋状の板材（以下、「螺旋板」と称する）の回転角度（言い換えると、螺旋流路の回転角度）を３６０度より大きくするとともに、該螺旋板においてケーシングの軸方向の位置が相違し且つ周方向の位置が重複する２箇所のそれぞれに貫通孔を設けるようにした。さらに、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、前記板材の２箇所のうち上流側に位置する箇所（以下、「第一箇所」と称する）に設けられる貫通孔を、下流側に位置する箇所（以下、「第二箇所」と称する）に設けられる貫通孔に比べ、径方向外側に配置するようにした。
【００１１】
ここで、螺旋板において、ケーシングの軸方向の位置が相違し且つ周方向の位置が重複する２箇所とは、ケーシングの軸方向において螺旋流路を介して対向する２箇所である。たとえば、螺旋板の回転角度が４８０度である場合は、該螺旋板のうち、回転角度にして０度から１２０度までの範囲が第一箇所になるとともに、３６０度から４８０度までの範囲が第二箇所になる。また、螺旋板の回転角度が５４０度である場合は、該螺旋板のうち、回転角度にして０度から１８０度までの範囲が第一箇所になるとともに、３６０度から５４０度までの範囲が第二箇所になる。
【００１２】
第一箇所と第二箇所のそれぞれに貫通孔が設けられるとともに、第一箇所の貫通孔が第二箇所の貫通孔より径方向外側に配置された場合は、第一箇所の貫通孔（以下、「第一貫通孔」と称する）を通り抜けた排気の少なくとも一部は、第二箇所の貫通孔（以下、「第二貫通孔」と称する）を通り抜ける。その結果、排気が混合器を流れる際の圧力損失が小さくなる。また、第一箇所と第二箇所によって画定された螺旋流路では、ケーシングの径方向外側から径方向内側へ向かう排気の流れが発生するため、排気中に含まれる還元剤がケーシング内の周縁に偏ることが抑制される。
【００１３】
したがって、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気が混合器を流れる際の圧力損失を低減しつつ、排気と還元剤の混合を促進させることができる。
【００１４】
なお、螺旋板の第一箇所と第二箇所によって画定された螺旋流路において、ケーシングの径方向外側から径方向内側へ向かう排気の流れをより確実に発生させることに着目すると、ケーシングの径方向における第一貫通孔の位置と第二貫通孔の位置は相違することが好ましい。すなわち、第一貫通孔において最も径方向内側に位置する部位は、第二貫通孔において最も径方向外側に位置する部位よりも径方向外側に位置することが好ましい。こ
のように第一貫通孔及び第二貫通孔が配置された場合は、第一箇所と第二箇所によって画定される螺旋流路においてケーシングの径方向外側から径方向内側へ向かう排気の流れをより確実に発生させることができ、以て還元剤の偏りをより確実に抑制することができる。
【００１５】
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置において、第一貫通孔と第二貫通孔の個数は、一つでもよく、又は二つ以上であってもよい。ここで、第一貫通孔又は第二貫通孔の少なくとも一方が一つ設けられる場合は、その貫通孔が板材（第一箇所又は第二箇所）の周方向へ延在するように形成（すなわち、円弧状に形成）されてもよい。
【００１６】
本発明の内燃機関の排気浄化装置において、添加弁は、第一箇所と第二箇所によって画定された螺旋流路内へ還元剤を噴射するように、前記ケーシングに取り付けられてもよい。このような構成によれば、添加弁から噴射された還元剤は、螺旋状に流れる排気と、ケーシングの径方向外側から径方向内側へ流れる排気とに分散されるため、排気中における還元剤の分散性が向上し、排気と還元剤がより均質に混合される。また、添加弁が混合器のケーシングに取り付けられると、排気浄化装置の車載性を向上させることもできる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用触媒と、排気浄化用触媒より上流の排気管に介装され、螺旋状の排気流路を有する混合器と、混合器より上流の排気又は混合器内の排気流路を流れる排気に還元剤を添加する添加弁と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、排気が混合器を流れる際の圧力損失を低減しつつ、排気と還元剤の混合を促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明を適用する内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。
【図２】混合器の構成を示す斜視図である。
【図３】螺旋板の回転角度と、排気が混合器を流れる際の圧力損失と、排気中における還元剤濃度の均質度合いとの関係を示す図である。
【図４】第一貫通孔及び第二貫通孔の配置を示す図である。
【図５】混合器内における排気の流れを示す第一の図である。
【図６】混合器内における排気の流れを示す第二の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２０】
図１は、本発明を適用する内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。図１において、内燃機関１には、排気管２が接続されている。排気管２の途中には、円筒形の触媒ケーシング３が配置されている。触媒ケーシング３は、選択還元型（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）を収容している。なお、触媒ケーシング３に収容される排気浄化用触
媒は、吸蔵還元型触媒であってもよく、選択還元型触媒又は吸蔵還元型触媒が担持されたパティキュレートフィルタであってもよい。要するに、排気浄化用触媒は、還元剤の存在下において排気を浄化することができる触媒であればよい。
【００２１】
触媒ケーシング３より上流の排気管２には、混合器４が設けられている。混合器４は、図２に示すように、排気管２と略同等の外径及び内径を有し、排気管２と同軸に配置された円筒形のケーシング４０を有している。ケーシング４０は、螺旋状に形成された板材（螺旋板）４１を内装している。螺旋板４１の長さは、該螺旋板４１の回転角度が３６０度
より大きくなる長さに設定される。なお、図１に示す例では、螺旋板４１の長さは、該螺旋板４１の回転角度が４８０度になる長さに設定されている。その場合、ケーシング４０の内部には、螺旋板４１とケーシング４０の内壁面とによって画定された螺旋状の流路（螺旋流路）４２が形成され、該螺旋流路４２の回転角度が４８０度になる。
【００２２】
ここで、前記ケーシング４０は、排気管２とは別体の部材で構成されてもよく、又は排気管２と一体に構成されてもよい（すなわち、排気管２の一部がケーシング４０を兼用してもよい）。排気管２の一部がケーシング４０を兼用する場合は、螺旋板４１を排気管２内に配置すればよい。また、ケーシング４０の外径及び内径は、車両に搭載可能な範囲において排気管２の外径及び内径より大きくされてもよい。
【００２３】
前記ケーシング４０の外周面には、筒状の噴射管４３の一端が接続されている。その際、噴射管４３の開口端は、螺旋流路４２のうちの回転角度が３６０度より大きくなる範囲であって、可能な限り上流に配置されることが望ましい。一方、噴射管４３の他端には、添加弁５が取り付けられている。添加弁５は、噴射管４３の内部から螺旋流路４２へ向けて還元剤を噴射する弁機構である。添加弁５から噴射される還元剤は、たとえば、アンモニア又はアンモニアの前駆体である。アンモニアの前駆体である還元剤としては、尿素やカルバミン酸アンモニウムなどの水溶液を用いることができる。添加弁５は、ポンプ５０を介してタンク５１と連通している。タンク５１は、還元剤を貯蔵するタンクである。ポンプ５０は、タンク５１に貯蔵されている還元剤を吸い上げるとともに、添加弁５へ向けて吐出するポンプである。
【００２４】
このように構成された混合器４において、該混合器４より上流の排気管２から該混合器４へ排気が流入すると、排気が螺旋流路４２に沿って螺旋状に旋回しながら流れる。その際、添加弁５から還元剤が噴射されると、該還元剤が噴射管４３を通って螺旋流路４２へ流入する。噴射管４３から螺旋流路４２へ流入した還元剤は、螺旋流路４２に沿って螺旋状に旋回しながら排気と混合される。ここで、混合器４が配置された場合は配置されない場合に比べ、還元剤が排気中に添加される位置から触媒ケーシング３までの経路が長くなるため、還元剤の添加位置と触媒ケーシング３との間の排気管２の長さが短い場合であっても、排気と還元剤の混合を促進させることができる。
【００２５】
ところで、前記した混合器４においては、ケーシング４０の径方向内側から径方向外側へ働く慣性力（遠心力）によって還元剤が径方向外側の範囲（ケーシング４０の内壁面近傍）に偏る可能性がある。これに対し、螺旋流路４２の長さ（螺旋流路４２の回転角）を増加させる方法が考えられるが、排気が混合器４を流れる際の圧力損失が増加する可能性がある。図３は、螺旋板４１の回転角度と、排気が混合器４を通過する際の圧力損失と、排気中における還元剤の濃度の均質度合いとの関係を示す図である。図２に示すように、螺旋板４１の回転角度が大きくなるほど、均質度合いが高くなるものの、圧力損失も大きくなるという背反が発生する。排気が混合器４を通過する際の圧力損失が大きくなると、排気効率の低下や背圧の上昇を招くとともに、内燃機関１の出力低下等を誘発する可能性がある。
【００２６】
そこで、本実施例の内燃機関の排気浄化装置は、ケーシング４０に内装される螺旋板４１の回転角度（螺旋流路の回転角度）を３６０度より大きくするとともに、該螺旋板４１においてケーシング４０の軸方向の位置が相違し且つ周方向の位置が重複する２箇所のそれぞれに貫通孔４１１ａ、４１２ａを設けるようにした。その際、排気の流れ方向において、前記２箇所のうちの上流側に位置する箇所（第一箇所）４１１に設けられる貫通孔（以下、「第一貫通孔」と称する）４１１ａは、前記２箇所のうちの下流側に位置する箇所（第二箇所）４１２に設けられる貫通孔（以下、「第二貫通孔」と称する）４１２ａに比べ、径方向外側に配置されるものとする。
【００２７】
ここで、本実施例の螺旋板４１の回転角度は５４０度であるため、第一箇所４１１は、回転角度において０度から１８０度までの範囲に含まれる領域である。一方、第二箇所４１２は、回転角度において３６０度から５４０度まで範囲に含まれる領域である。よって、図２、４に示すように、第一貫通孔４１１ａは、螺旋板４１の０度から３６０度までの範囲（第一箇所４１１）の径方向外側の部位に形成される。一方、第二貫通孔４１２ａは、螺旋板４１の３６０度から５４０度までの範囲（第二箇所４１２）の径方向内側の部位に形成される。
【００２８】
なお、第一貫通孔４１１ａの径方向の位置と、第二貫通孔４１２ａの径方向の位置とは相互に重複しないことが望ましい。すなわち、第一貫通孔４１１ａにおける径方向の最も内側に位置する部位は、第二貫通孔４１２ａにおける径方向の最も外側に位置する部位に比して、径方向外側に配置されるものとする。たとえば、図２、４に示すように、第一貫通孔４１１ａと第二貫通孔４１２ａがそれぞれ複数設けられる場合は、複数の第一貫通孔４１１ａのうち径方向の最も内側に位置する第一貫通孔４１１ａは、複数の第二貫通孔４１２ａのうち径方向の最も外側に位置する第二貫通孔４１２ａに比べ、径方向外側に配置されるものとする。
【００２９】
このように混合器４が構成されると、混合器４へ流入した排気の一部は、螺旋流路４２内を周方向に旋回しながら流れる。また、残りの排気は、図５に示すように、第一貫通孔４１１ａを通り抜け、第一箇所４１１と第二箇所４１２とケーシング４０の内壁面とに包囲された螺旋流路４２（以下、この部分の螺旋流路４２を「特定流路４２ａ」と称する）へ流入する。特定流路４２ａに流入した排気の一部は、該特定流路４２ａを周方向へ流れ、残りの排気は第二箇所４１２の第二貫通孔４１２ａへ流入する。よって、前記特定流路４２ａにおいては、図６に示すように、排気が周方向へ旋回する流れと、排気が径方向外側から径方向内側へ向かう流れが発生する。排気が径方向外側から径方向内側へ向かう流れが発生すると、添加弁５から噴射された還元剤が特定流路４２ａの周縁付近に偏ることが抑制され、排気中における還元剤の分散性（拡散性）を高めることができる。また、混合器４へ流入した排気の一部が第一貫通孔４１１ａ及び第二貫通孔４１２ａを通過して流れることができるため、排気が混合器４を通過する際の圧力損失を低く抑えることもできる。
【００３０】
したがって、本実施例の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気が混合器４を流れる際の圧力損失を低く抑えつつ、排気と還元剤の均質な混合を図ることができる。
【００３１】
なお、本実施例では、螺旋板４１の回転角度が５４０度に設定される例について述べたが、これに限られるものではなく、排気と還元剤の均質な混合が図る限りにおいて５４０度より小さい回転角度に設定されてもよく、或いは圧力損失の過剰な増加を招かない限りにおいて５４０度より大きな回転角度に設定されてもよい。
【００３２】
また、本実施例では、第一貫通孔４１１ａ及び第二貫通孔４１２ａは、比較的小径な丸形に形成される例について述べたが、それら第一貫通孔４１１ａ及び第二貫通孔４１２ａの大きさ、形状、或いは個数は、内燃機関１の仕様等によって適宜変更することができる。たとえば、第一貫通孔４１１ａ又は第二貫通孔４１２ａの少なくとも一方の個数が一つである場合は、その貫通孔の形状は周方向へ延在する円弧状に形成されてもよい。要するに、螺旋流路４２において径方向外側から径方向内側へ向かう流れが発生し、且つ、排気が混合器４を通過する際の圧力損失が著しく増加しない限りにおいて、第一貫通孔４１１ａ及び第二貫通孔４１２ａの形状、大きさ、或いは個数は適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１     内燃機関
２     排気管
３     触媒ケーシング
４     混合器
５     添加弁
４０   ケーシング
４１   螺旋板
４２   螺旋流路
４３   噴射管
５０   ポンプ
５１   タンク
４１１ 第一箇所
４１１ａ      第一貫通孔
４１２ 第二箇所
４１２ａ      第二貫通孔
【図１】
2014190177.tif 000003
【図２】
2014190177.tif 000004
【図３】
2014190177.tif 000005
【図４】
2014190177.tif 000006
【図５】
2014190177.tif 000007
【図６】
2014190177.tif 000008