(57)【要約】【課題】本発明は、広い空間をもつケーシングを活用して、還元剤と排ガスとが接触する機会を十分に確保しながら、還元剤と排ガスとの混合が行える内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】本発明は、ケーシング６内に、一端側からの排ガス流をケーシングの胴部内面に沿って小渦巻き流が連なるドーナツ状の渦巻き流βに変える気流生成室２５を設け、気流生成室の他端側の壁面に、中心側から胴部内面に生成されるドーナツ状の渦巻き流βへ向け、還元剤を広角的に噴霧する噴霧ノズル２０を設けた。つまり、ケーシングの胴部内面で渦巻く排ガスのドーナツ状の渦巻き流に、同渦巻き流の中心側から、還元剤を渦巻き流に向け噴霧することで、還元剤と排ガスとの混合が十分に行えるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排ガスを一端側から胴部を通じて他端側へ流通させ、出口部から浄化触媒へ導くケーシングを有し、前記浄化触媒の上流側から排ガス中に還元剤が噴霧される内燃機関の排気浄化装置であって、
前記ケーシング内には、一端側からの排ガス流を前記ケーシングの胴部内面に沿って小渦巻き流が連なるドーナツ状の渦巻き流に変える気流生成室が設けられ、
前記気流生成室の他端側の壁面には、中心側から前記胴部内面に生成されるドーナツ状の渦巻き流へ向け、前記浄化触媒の作動に要する還元剤を広角的に噴霧する噴霧ノズルが設けられる
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記気流生成室は、前記ケーシングの他端壁から内側の離れた地点に、中央に収束通孔を有する隔壁を設けて構成され、前記収束通路の通過で収束された排ガス流が他端壁との衝突で周囲に拡散することによって、前記隔壁と他端壁間の空間に、小渦巻き流が前記胴部内面に沿って連なるドーナツ状の渦巻き流を生成するものであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記噴霧ノズルは、前記気流生成室の他端側の壁面中央に噴霧部が配置され、当該噴霧部から前記還元剤を中空コーン状の噴霧形状で、前記噴霧部の周囲で生成されるドーナツ状の渦巻き流に向かって噴霧するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記ケーシングの出口部は、前記気流生成室のうち、渦巻き流を持続したまま排ガスが流出される地点に設けてあることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つ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、内燃機関から排出される排気ガスの浄化を行う内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン（内燃機関）の排気浄化装置には、内燃機関から排出された排ガス中に還元剤を噴射して浄化する構造がある。多くは、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）を収めた前段側のケーシングと、浄化触媒となる選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）を収めた後段側のケーシングとの間を通路でつなぎ、ＳＣＲ触媒の上流側から、噴霧ノズルで排ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴霧させる構造が用いられる。
【０００３】
ところで、噴霧ノズルから噴霧される尿素水溶液は、排ガスの排気熱、排ガス中の水蒸気により加水分解されるアンモニアを用いて、ＳＣＲ触媒でＮＯｘ還元作用を得て、排ガス中のＮＯｘを還元させる。そのため、還元剤たる尿素水溶液は、排ガスに十分に混合させて、ＳＣＲ触媒に均等にアンモニアを供給することが求められる。
そこで、排気浄化装置では、選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側に配置されている通路から、排ガスの流通方向に沿って尿素水溶液を噴霧する構造を用いて、尿素水溶液を排ガス中に混合させることが行われている（例えば特許文献１などを参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
ところが、同構造の噴霧ノズルは、通路方向に沿って尿素水溶液を噴射するため、通路内に収まる狭角の噴霧形状で、排ガス中に尿素水溶液を噴霧することが余儀なくされる。このため、排ガスと尿素水溶液が接触する機会が限られ、尿素水溶液は十分に排ガスと混合できないことがある。特に、通路の長さは、排気浄化装置のコンパクト化により抑える傾向にあるので、特許文献１に見られるように通路内で気流変化を生じさせる手段を講じても、尿素水溶液を排ガスに混合させるには限界があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、広い空間をもつケーシングを活用して、還元剤と排ガスとが接触する機会を十分に確保しながら、還元剤と排ガスとの混合が行える内燃機関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】
【０００７】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、ケーシング内に、一端側からの排ガス流をケーシングの胴部内面に沿って小渦巻き流が連なるドーナツ状の渦巻き流に変える気流生成室を設け、気流生成室の他端側の壁面に、中心側から胴部内面に生成されるドーナツ状の渦巻き流へ向け、還元剤を広角的に噴霧する噴霧ノズルを設けたことにある。
同構成によると、還元剤と排ガスとの混合は、ケーシングの胴部内面で渦巻く排ガスのドーナツ状の渦巻き流の中心側から、還元剤を渦巻き流に向け噴霧することで行われる。これにより、還元剤は、広いケーシング内で渦巻く排ガス流に十分に拡散され、還元剤と排ガスとが接触する機会が大幅に確保され、十分に還元剤と排ガスとが混合される。
【０００８】
請求項２の発明は、さらに簡単な構造でドーナツ状の渦巻き流が生成されるよう、気流生成室には、ケーシングの他端壁から内側の離れた地点に、中央に収束通孔を有する隔壁を設けて構成される構造を採用し、収束通路の通過で収束された排ガス流が他端壁との衝突で周囲に拡散することによって、隔壁と他端壁間の空間に、小渦巻き流が胴部内面に沿って連なるドーナツ状の渦巻き流を生成するものとした。
【０００９】
請求項３の発明は、一層、還元剤と排ガスとが混合されやすくなるよう、噴霧ノズルは、気流生成室の他端側の壁面中央に噴霧部を配置し、当該噴霧部から還元剤を中空コーン状の噴霧形状で、噴霧部の周囲で生成されるドーナツ状の渦巻き流に向かって噴霧するものとした。
請求項４の発明は、さらにケーシングから浄化触媒に至るまでの経路中でも還元剤と排ガスとの混合が持続するよう、ケーシングの出口部は、気流生成室のうち、渦巻き流を持続したまま排ガスが流出される地点に設けるものとした。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によれば、還元剤は、広いケーシング内でドーナツ状に渦巻く排ガス流に十分に拡散され、排ガスと還元剤とを接触する機会が大幅に増える。
それ故、還元剤は排ガスと十分に混合される。特にドーナツ状の渦巻き流は、ケーシングの胴部内の空間を最大限に利用して最大に生成される渦巻き流なので、十分に還元剤と排ガスとが接触する機会が与えられ、十分な混合成果が期待できる。
【００１１】
請求項２の発明によれば、中央に収束通孔を有する隔壁をケーシング内に設けるという簡単な構造で、ケーシング内にドーナツ状の渦巻き流を生成することができる。
請求項３の発明によれば、還元剤は、中空コーン状の噴霧形状で、ドーナツ状の渦巻き流へ噴霧されるので、噴霧された還元剤と排ガスとが接触する機会を多く確保でき、一層、排ガスと還元剤とを効果的に混合させることができる。
【００１２】
請求項４の発明によれば、排ガスは、渦巻き流を持続したまま、ケーシングの出口部から流出して、浄化触媒へ向かうので、浄化触媒に至る経路中でも、排ガスと還元剤との混合が続き、より一層、効果的に排ガスと還元剤とを混合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る排気浄化装置を示す一部切欠した斜視図。
【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図３】図１中のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図４】ドーナツ状の渦巻き流に対する還元剤の噴霧を説明するための斜視図。
【図５】本発明の第２の実施形態の要部を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を図１ないし図４に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１中１は、内燃機関としてのディーゼルエンジンを示している。このディーゼルエンジン１の排気管１ａには、同エンジン１から排出される排ガスを浄化する排気浄化装置２が設けられている。排気浄化装置２には、例えば前段側の浄化部３と後段側の浄化部１０を通路である連結パイプ１７で連結した構造が用いられている。
【００１５】
このうち浄化部３は、上流側（本願の一端側に相当）の端部に入口部４を有し、下流側の端部に出口部５を有する円筒形のケーシング６をもつ。入口部４がディーゼルエンジン１の排気管１ａに接続される。ケーシング６内には、排気ガス中のパティキュレートマター（以下、ＰＭという）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ７（以下、ＤＰＦ７という）が、同ＤＰＦ７を連続再生する前段酸化触媒８（前段触媒）と共に収められている。つまり、ＤＰＦ７の再生を行いながら、排ガス中からＰＭを取り除ける構造にしてある。
【００１６】
浄化部１０も、同様に上流側の端部に入口部１１を有し、下流側の端部に出口部１２を有する円筒形のケーシング１３をもつ。このうち入口部１１が、上記連結パイプ１７を介してケーシング６の出口部５に連結される。また出口部１２は大気開放側となる。ケーシング１３内には、本願の浄化触媒に相当するアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒１４（以下、ＳＣＲ触媒１４という）が、同ＳＣＲ触媒１４から流出したアンモニアを抑える後段酸化触媒１５（後段触媒）と共に収められている。
【００１７】
またＳＣＲ触媒１４の上流側には、排ガス中に、ＳＣＲ触媒１４の作動に要する還元剤、例えば尿素水溶液を噴霧するリキッドオンリ式の尿素水噴射ノズル２０（本願の噴霧ノズルに相当、以下、単に噴射ノズル２０という）が設けられる。つまり、噴霧された尿素水溶液（還元剤）が、排ガスの排気熱、排ガス中の水蒸気により加水分解することによって、ＳＣＲ触媒１４のＮＯｘ還元作用をもたらすアンモニアが生成されるようにしている。これにより、ディーゼルエンジン１から排出された排ガス中のＮＯｘは、ＳＣＲ触媒１４のＮＯｘ還元作用により浄化される。
【００１８】
ここで、ＮＯｘの浄化（ＮＯｘ還元作用による）に用いられる尿素水溶液は、排ガスに十分に混合させることが求められる。そのため、本実施形態では、ケーシング６内の空間を活用したミキサ部２１を採用している。具体的には、ここではＤＰＦ７の出口端に形成されている排気受け室２３を活用して、同受け室２３の一部に、ＤＰＦ７からの排ガス流を、ケーシング６の胴部６の内周面に沿って小渦巻き流が連なるドーナツ状の渦巻き流に変える気流生成室２５を形成し、噴射ノズル２０で同渦巻き流の中心側から尿素水溶液を噴霧させるミキサ構造が採用してある。図２および図３は、同ミキサ部２１の各断面が示されている（図１中のＡ−Ａ線に沿う断面図、断面Ｂ−Ｂ線に沿う断面図）。
【００１９】
詳しくは気流生成室２５は、図１〜図３に示されるように排気受け室２３のうち、ＤＰＦ７の出口端から所定に離れた下流側の地点に、排ガス流を収束させるための収束通孔、例えば円形の通孔２６を中央に有する隔壁２７を設けて、排気受け室２３を仕切り、下流側（出口側）に環状の扁平状な室を形成してなる。すなわち、扁平状の気流生成室２５は、図２に示されるようにＤＰＦ７の出口端から流出する排ガス流が出口部１５に至る間に、通孔２６による収束、同収束した排ガス流が端壁２７の中央部と衝突、同衝突によって排ガスが周囲に拡散、同拡散した排ガス流が渦巻くという挙動を生じさせ、排ガスの流通方向沿いに渦巻く小渦巻き流α（旋回流）を生成させる構造としてある。この通孔２６の周囲で渦巻く小渦巻き流α群が、胴部６ａの内周面に沿いに連なる形状の渦巻き流、すなわちドーナツ状の渦巻き流βとなる。
【００２０】
噴射ノズル２０は、図２に示されるように気流生成室２５を挟んで通孔２６とは反対側の壁面、ここでは端壁２７の中央に設けられている。噴射ノズル２０は、図示はしないが尿素水溶液を供給する尿素水溶液タンクや尿素水溶液ポンプなどで構成される尿素水供給部に接続されている。また噴射ノズル２０の先端部は、尿素水溶液を中空コーン状の噴霧形状ａで周囲に広角的に噴霧する噴霧部２０ａをもつ。この噴霧部２０ａは、生成される渦巻き流βの中心部に相当する、端壁２７の壁面中央から気流生成室２５に突き出ている。これで尿素水溶液は、噴霧部２０ａから同噴霧部２０ａの周囲で生成されるドーナツ状の渦巻き流βに向かって噴霧されるようにしてある。
【００２１】
尿素水溶液は、こうした胴部６ａの内周面上に形成されるドーナツ状の渦巻き流βと、中心側からドーナツ状の渦巻き流β各部に広角的に尿素水溶液を噴霧する構造との組み合わせから、ケーシング６の広い空間を用いて排ガス中に混合できるようにしている。
また連結パイプ１７と連通する出口部５は、気流生成室２５で生じた排ガスの渦巻き流αを持続したまま、流出する地点、例えば気流生成室２５の周壁のうち、気流生成室２５の中心を通る地点に形成されている。これにより、排ガスは、小渦巻き流α（旋回流）を持続させたまま、連結パイプ１７を通して、ＳＣＲ１４まで導けるようにしている。
【００２２】
こうしたミキサ構造によると、尿素水溶液は、ケーシング６内の広い領域に生成されるドーナツ状の渦巻き流βがもたらす拡散効果により、十分に排ガスと混合される。
すなわち、ドーナツ状の渦巻き流βは、図３および図４に示されるように通孔２６の通過で収束された排ガス流が、端壁２７の中央と衝突することで、気流生成室２５の周囲に拡散し、この拡散した排ガス流が通孔２６を通過する排ガス流を受けて、排ガス流通方向に渦巻くことで生ずる。詳しくはドーナツ状の渦巻き流βは、このとき気流生成室２５の周側に生ずる小渦巻き流α群がなす。
【００２３】
一方、尿素水溶液は、図１〜図３に示されるように噴霧部２０ａから、中空コーン状の噴霧形状ａで、ドーナツ状の渦巻き流βの中心側から、同渦巻き流βを形成している小渦巻き流αに向けて噴霧される。
すると、尿素水溶液は、胴部６ａ内側の広い空間を渦巻いている排ガス中に十分に拡散される。これにより、尿素水溶液は、排ガスと接触する機会を十分に確保しながら、排ガスと混合される。これで尿素水溶液は、排気ガスの排気熱や排ガス中の水蒸気により加水分解され、アンモニアとなる。続いて排ガスは、図３に示されるように渦巻き流αを持続したまま出口部５からＳＣＲ１４へ導かれ、一層、尿素水溶液の加水分解が進む。
【００２４】
したがって、ドーナツ状の渦巻き流βと広角的な噴霧とを組み合わせると、尿素水溶液と排ガスとが接触する機会が大幅に増やせるので、還元剤たる尿素水溶液と排ガスとを十分に混合させることができる。これにより、十分にアンモニアが生成され、ＳＣＲ１４を十分に機能させることができる。特にドーナツ状の渦巻き流βは、ケーシング６の胴部６ａ内の空間を最大限に利用して生成される渦巻き流なので、十分に尿素水溶液と排ガスとが接触する機会を確保され、十分な混合成果を期待することができる。
【００２５】
しかも、尿素水溶液は、噴霧部２０ａから中空コーン状の噴霧形状ａで、ドーナツ状の渦巻き流βへ噴霧するので、尿素水溶液と排ガスとが接触する機会を多く確保でき、一層、尿素水溶液と排ガスとを効果的に混合させることができる。そのうえ、出口部５は、渦巻き流αを持続したまま排ガスが流出される地点に設けたから、ケーシング６からＳＣＲ１４に至る経路を利用して、尿素水溶液と排ガスとの混合が持続でき、一層、効果的に尿素水溶液と排ガスとを混合させることができる。
【００２６】
特にこうした効果をもたらす気流生成室２５は、通孔２６を有する隔壁２７をケーシング６内に設置するだけでよく、簡単な構造ですむ。
図５は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、第１の実施形態のようにケーシング１３の出口部１２を単に気流生成室２５の周壁に形成したのではなく、気流生成室２５の周壁のうち、気流生成室２５の接線方向となる地点に形成したものである。
【００２７】
このようにしても、渦巻き流αを持続したまま排ガスを流出させることができ、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
但し、第２の実施形態において、第１の実施形態と同じ部分には同一符号を付してその説明を省略した。
なお、本発明は上述したいずれの実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。例えば上述したいずれの実施形態でも、気流生成室２５は、ケーシング６内を仕切るよう隔壁２７を設けただけの構造を挙げたが、ドーナツ状の渦巻き流が生成しやすくなるよう、例えば図２中の二点鎖線に示されるように気流生成室２５（環状の扁平状な室）の外周側の壁面に、円弧形のガイド面部３０を設けてもよい。また上述した実施形態は、ＤＰＦ７、前段酸化触媒８、ＳＣＲ１４、後段酸化触媒１５を用いた排気浄化装置に本発明を適用したものを挙げたが、これに限らず、他の触媒を用いて構成される排気浄化装置に適用してもよく、要は排ガス中に還元剤を噴霧する構造の排気浄化装置であればよい。
【符号の説明】
【００２８】
２  排気浄化装置
４  入口部
５  出口部
６  ケーシング
６ａ  胴部
１４  アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒（浄化触媒）
１７  連結パイプ（通路）
２０  尿素水噴射ノズル（噴霧ノズル）
２３  排気受け室
２３ａ  端壁（他端壁）
２５  気流生成室
２６  通孔（収束通孔）
２７  隔壁
α  小渦巻き流
β  ドーナツ状の渦巻き流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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