(57)【要約】【課題】尿素水からアンモニアへの転化を従来より効率良く行わせる。【解決手段】排気ガス１中に含まれるＮＯxをアンモニアと反応せしめる選択還元型触媒４と、これより上流で排気ガス１中に尿素水を添加するインジェクタ８（尿素水添加手段）と、該インジェクタ８から選択還元型触媒４までの間を繋ぐミキシングパイプ７Ｂと、該ミキシングパイプ７Ｂの入側端部に対し接線方向から排気ガス１を導入してミキシングパイプ７Ｂ内に排気ガス１の旋回流を形成するミキサ構造１５とを備え、排気ガス１の旋回流に対しインジェクタ８により尿素水を添加して混合させるようにした尿素水ミキシング構造に関し、ミキシングパイプ７Ｂの内周面に該ミキシングパイプ７Ｂの中心軸と同心の螺旋軌道を成すようにスパイラルレール１６を敷設し、該スパイラルレール１６の螺旋軌道が排気ガス１の旋回流に対応するように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中に含まれるＮＯxをアンモニアと反応せしめる選択還元型触媒と、該選択還元型触媒より上流で排気ガス中に尿素水を添加する尿素水添加手段と、該尿素水添加手段から前記選択還元型触媒までの間を繋ぐミキシングパイプと、該ミキシングパイプの入側端部に対し接線方向から排気ガスを導入して前記ミキシングパイプ内に排気ガスの旋回流を形成するミキサ構造とを備え、該ミキサ構造による排気ガスの旋回流に対し前記尿素水添加手段により尿素水を添加して混合させるようにした尿素水ミキシング構造において、前記ミキシングパイプの内周面に該ミキシングパイプの中心軸と同心の螺旋軌道を成すようにスパイラルレールを敷設し、該スパイラルレールの螺旋軌道が前記排気ガスの旋回流に対応するように構成したことを特徴とする尿素水ミキシング構造。
【請求項２】
ミキシングパイプの入側端部の円周方向適宜位置に形成された開口部と、該開口部に対し排気ガスを前記入側端部の接線方向から導入せしめるよう設けられたガイドフィンとによりミキサ構造を構成したことを特徴とする請求項１に記載の尿素水ミキシング構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、尿素水ミキシング構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、排気管の途中に排気ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタを備えると共に、該パティキュレートフィルタの下流側に酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る選択還元型触媒を備え、該選択還元型触媒と前記パティキュレートフィルタとの間に還元剤として尿素水を添加してパティキュレートとＮＯxの同時低減を図ることが提案されている。
【０００３】
この場合、選択還元型触媒への尿素水の添加は、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒との間で行われることになるため、排気ガス中に添加された尿素水がアンモニアと炭酸ガスに熱分解されるまでの十分な反応時間を確保しようとすれば、尿素水の添加位置から選択還元型触媒までの距離を長くする必要があるが、パティキュレートフィルタと選択還元型触媒とを十分な距離を隔てて離間配置させてしまうと、車両への搭載性が著しく損なわれてしまう。
【０００４】
このため、本発明と同じ出願人により図３に示す如きコンパクトな排気浄化装置（下記の特許文献１を参照）が既に提案されており、ここに図示している排気浄化装置では、エンジンからの排気ガス１が流通する排気管２の途中に、排気ガス１中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ３と、該パティキュレートフィルタ３の下流側に酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒４とをケーシング５，６により夫々抱持して並列に配置し、パティキュレートフィルタ３の出側端部と選択還元型触媒４の入側端部との間をＳ字構造の連絡流路７により接続し、パティキュレートフィルタ３の出側端部から排出された排気ガス１が逆向きに折り返されて隣の選択還元型触媒４の入側端部に導入されるようになっている。
【０００５】
ここで、前記連絡流路７は、パティキュレートフィルタ３の出側端部を包囲し且つ該出側端部から出た直後の排気ガス１を略直角な向きに方向転換させつつ集合せしめるガス集合室７Ａと、該ガス集合室７Ａで集められた排気ガス１をパティキュレートフィルタ３の排気流れと逆向きに抜き出すミキシングパイプ７Ｂと、該ミキシングパイプ７Ｂにより導かれた排気ガス１を略直角な向きに方向転換させつつ分散せしめ且つその分散された排気ガス１を選択還元型触媒４の入側端部に導入し得るよう該入側端部を包囲するガス分散室７ＣとによりＳ字構造を成すように構成されており、前記ミキシングパイプ７Ｂの入側端部の中心位置には、該ミキシングパイプ７Ｂ内に尿素水を添加するためのインジェクタ８が前記ミキシングパイプ７Ｂの出側端部側へ向けて装備されている。
【０００６】
尚、ここに図示している例では、パティキュレートフィルタ３が抱持されているケーシング５内の前段に、排気ガス１中の未燃燃料分を酸化処理する酸化触媒９が装備されており、また、選択還元型触媒４が抱持されているケーシング６内の後段には、余剰のアンモニアを酸化処理するアンモニア低減触媒１０が装備されている。
【０００７】
そして、このような構成を採用すれば、パティキュレートフィルタ３により排気ガス１中のパティキュレートが捕集されると共に、その下流側のミキシングパイプ７Ｂの途中でインジェクタ８から尿素水が排気ガス１中に添加されてアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、選択還元型触媒４上で排気ガス１中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化される結果、排気ガス１中のパティキュレートとＮＯxの同時低減が図られることになる。
【０００８】
この際、パティキュレートフィルタ３の出側端部から排出された排気ガス１が連絡流路７により逆向きに折り返されてから隣の選択還元型触媒４の入側端部に導入されるようになっているので、尿素水の添加位置から選択還元型触媒４までの距離が長く確保され、尿素水からアンモニアが生成されるのに十分な反応時間が確保される。
【０００９】
しかも、パティキュレートフィルタ３と選択還元型触媒４とが並列に配置され、これらパティキュレートフィルタ３と選択還元型触媒４との間に沿うように連絡流路７が配置されているので、その全体構成がコンパクトなものとなって車両への搭載性が大幅に向上されることになる。
【００１０】
そして、下記の特許文献１にも開示されている通り、インジェクタ８により尿素水が添加される箇所には、図４及び図５に詳細を示す如き円筒状のミキシングパイプ７Ｂにおける入側端部の開口部１１に対しガス集合室７Ａからの排気ガス１をガイドフィン１２，１３，１４により接線方向から導入せしめ、これにより排気ガス１に旋回流（スワール）を与えるミキサ構造１５が採用されており、この旋回流の中心にインジェクタ８から尿素水の添加を行うことで該尿素水の排気ガス１に対する混合性を高めてアンモニアへの転化を促すようにしてある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−１９６３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、このように排気ガス１に旋回流を与えることで該排気ガス１に対する尿素水の混合性を高めることには成功したが、いくら尿素水の混合性を高めても、期待されていたほど効率良く尿素水からアンモニアへの転化が進まないことが本発明者らの鋭意研究により確かめられており、尿素水からアンモニアへの転化を更に効率良く進めるにあたっては、尿素水の気化を積極的に促進してアンモニア生成の実質的な化学反応を進める必要があるとの結論に到ったが、その具体的な解決手段については未だ創案されていないのが実情である。
【００１３】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、尿素水からアンモニアへの転化を従来より効率良く行わせることが可能な尿素水ミキシング構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、排気ガス中に含まれるＮＯxをアンモニアと反応せしめる選択還元型触媒と、該選択還元型触媒より上流で排気ガス中に尿素水を添加する尿素水添加手段と、該尿素水添加手段から前記選択還元型触媒までの間を繋ぐミキシングパイプと、該ミキシングパイプの入側端部に対し接線方向から排気ガスを導入して前記ミキシングパイプ内に排気ガスの旋回流を形成するミキサ構造とを備え、該ミキサ構造による排気ガスの旋回流に対し前記尿素水添加手段により尿素水を添加して混合させるようにした尿素水ミキシング構造において、前記ミキシングパイプの内周面に該ミキシングパイプの中心軸と同心の螺旋軌道を成すようにスパイラルレールを敷設し、該スパイラルレールの螺旋軌道が前記排気ガスの旋回流に対応するように構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
而して、このように構成すれば、ミキサ構造によりミキシングパイプの入側端部に対し接線方向から排気ガスが導入されて前記ミキシングパイプ内に旋回流が形成されるので、この旋回流に対し尿素水添加手段により尿素水を添加すると、該尿素水の排気ガスに対する混合性が著しく向上されると共に、排気ガスの流れが螺旋軌道に沿う流れとなることで尿素水の移動距離が増えて反応時間が長く確保される。
【００１６】
この際、排気ガスの旋回流は、ミキシングパイプの内周面にあるスパイラルレールに沿って流れるので、排気ガスに常時晒されて高温化しているスパイラルレールに対し尿素水のミストが繰り返し高い頻度で接触して効果的な受熱が成され、これにより尿素水の気化が著しく促進されてアンモニアへの転化が従来より効率良く行われる。
【００１７】
即ち、ミキシングパイプの内周面にスパイラルレールが敷設されることで受熱面積の増加が図られる一方、本来のミキシングパイプの全長分より大幅に長い螺旋軌道に沿い十分な時間をかけて流れる間に尿素水のミストが繰り返しスパイラルレールと接触することで受熱時間も長く確保されるので、尿素水の気化が著しく促進されてアンモニアへの転化が進むことになる。
【００１８】
また、スパイラルレールの螺旋軌道が排気ガスの旋回流に対応するように構成されているので、このようなスパイラルレールの敷設は、排気ガスの旋回流を維持させることにも寄与することになり、ミキシングパイプの入側端部でミキサ構造により形成された排気ガスの旋回流の勢いが衰えないように保たれることになる。
【００１９】
尚、ミキサ構造により形成される排気ガスの旋回流は、排気ガスの流量が増減しても旋回速度が変わるだけで同じ螺旋軌道上を旋回することになるため、スパイラルレールの螺旋軌道が排気ガスの旋回流に対応するように構成されていれば、スパイラルレールの敷設による圧力損失の増加は軽微に抑えられることになる。
【００２０】
また、本発明においては、ミキシングパイプの入側端部の円周方向適宜位置に形成された開口部と、該開口部に対し排気ガスを前記入側端部の接線方向から導入せしめるよう設けられたガイドフィンとによりミキサ構造を構成することが好ましく、このようにすれば、ミキシングパイプの入側端部における開口部に対し排気ガスがガイドフィンにより接線方向から導入されることで旋回流が効果的に形成されることになる。
【発明の効果】
【００２１】
上記した本発明の尿素水ミキシング構造によれば、ミキサ構造によりミキシングパイプ内に形成した排気ガスの旋回流に対し尿素水添加手段で尿素水を添加し、該尿素水のミストを含む旋回流をスパイラルレールに沿わせて流すことにより、既に排気ガスの流れに晒されて高温化しているスパイラルレールに対し尿素水のミストを繰り返し高い頻度で接触させて効果的に受熱させることができるので、尿素水の気化を著しく促進してアンモニアへの転化を従来より効率良く行わせることができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す一部を切り欠いた概略図である。
【図２】図１の要部を拡大して示す斜視図である。
【図３】従来例を示す一部を切り欠いた概略図である。
【図４】図３の要部の詳細を示す断面図である。
【図５】図３の要部を拡大して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２４】
図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例においては、前述した図３〜図５のものと略同様に構成した排気浄化装置に適用するための尿素水ミキシング構造として、パティキュレートフィルタ３の出側端部と選択還元型触媒４の入側端部との間を接続するＳ字構造の連絡流路７のミキシングパイプ７Ｂの内周面に、該ミキシングパイプ７Ｂの中心軸と同心の螺旋軌道を成すようにスパイラルレール１６が敷設されており、該スパイラルレール１６の螺旋軌道は、ミキサ構造１５により形成される排気ガス１の旋回流（スワール）に対応するように構成されている。
【００２５】
ここで、前記スパイラルレール１６は、例えば、耐食性の高いステンレス製のアングル材により製作することが可能であり、この種のアングル材の一方の面をミキシングパイプ７Ｂの内周面に沿う取付面とし且つ他方の面を起立面として全体を螺旋状に成形し、半割りにしたミキシングパイプ７Ｂで挟み込むようにして配置すれば良い。
【００２６】
ただし、ミキシングパイプ７Ｂの内周面にスパイラルレール１６を敷設するにあたっては、必ずしも前述の製作方法を採用しなければならないということではなく、スパイラルレール１６についても、必ずしもアングル材から製作することに限定されないことは勿論である。
【００２７】
また、先の図３〜図５で詳細を説明した通り、ミキシングパイプ７Ｂの入側端部の中心位置には、該ミキシングパイプ７Ｂ内に尿素水を添加するためのインジェクタ８（尿素水添加手段）が前記ミキシングパイプ７Ｂの出側端部側へ向けて装備されており、前記インジェクタ８により尿素水が添加される箇所には、円筒状のミキシングパイプ７Ｂにおける入側端部の開口部１１に対しガス集合室７Ａからの排気ガス１をガイドフィン１２，１３，１４により接線方向から導入せしめ、これにより排気ガス１に旋回流を与えるミキサ構造１５が採用されている。
【００２８】
而して、このように尿素水ミキシング構造を構成すれば、ミキシングパイプ７Ｂの入側端部における開口部１１に対し排気ガス１がガイドフィン１２，１３，１４により接線方向から導入されることで旋回流が効果的に形成されるので、この旋回流に対しインジェクタ８により尿素水を添加すると、該尿素水の排気ガス１に対する混合性が著しく向上されると共に、排気ガス１の流れが螺旋軌道に沿う流れとなることで尿素水の移動距離が増えて反応時間が長く確保される。
【００２９】
この際、排気ガス１の旋回流は、ミキシングパイプ７Ｂの内周面にあるスパイラルレール１６に沿って流れるので、排気ガス１に常時晒されて高温化しているスパイラルレール１６に対し尿素水のミストが繰り返し高い頻度で接触して効果的な受熱が成され、これにより尿素水の気化が著しく促進されてアンモニアへの転化が従来より効率良く行われる。
【００３０】
即ち、ミキシングパイプ７Ｂの内周面にスパイラルレール１６が敷設されることで受熱面積の増加が図られる一方、本来のミキシングパイプ７Ｂの全長分より大幅に長い螺旋軌道に沿い十分な時間をかけて流れる間に尿素水のミストが繰り返しスパイラルレール１６と接触することで受熱時間も長く確保されるので、尿素水の気化が著しく促進されてアンモニアへの転化が進むことになる。
【００３１】
また、スパイラルレール１６の螺旋軌道が排気ガス１の旋回流に対応するように構成されているので、このようなスパイラルレール１６の敷設は、排気ガス１の旋回流を維持させることにも寄与することになり、ミキシングパイプ７Ｂの入側端部でミキサ構造１５により形成された排気ガス１の旋回流の勢いが衰えないように保たれることになる。
【００３２】
尚、ミキサ構造１５により形成される排気ガス１の旋回流は、排気ガス１の流量が増減しても旋回速度が変わるだけで同じ螺旋軌道上を旋回することになるため、スパイラルレール１６の螺旋軌道が排気ガス１の旋回流に対応するように構成されていれば、スパイラルレール１６の敷設による圧力損失の増加は軽微に抑えられることになる。
【００３３】
従って、上記形態例によれば、ミキサ構造１５によりミキシングパイプ７Ｂ内に形成した排気ガス１の旋回流に対しインジェクタ８で尿素水を添加し、該尿素水のミストを含む旋回流をスパイラルレール１６に沿わせて流すことにより、既に排気ガス１の流れに晒されて高温化しているスパイラルレール１６に対し尿素水のミストを繰り返し高い頻度で接触させて効果的に受熱させることができるので、尿素水の気化を著しく促進してアンモニアへの転化を従来より効率良く行わせることができる。
【００３４】
ここで、補足して説明しておくと、本形態例におけるスパイラルレール１６に替えて、ミキシングパイプ７Ｂの外周面側を溝状に凹ませることで反転形状としてスパイラル突起を形成したとしても、このようなスパイラル突起の形成は、放熱面を増加してしまうことでもあるので、本形態例のスパイラルレール１６のように別部品としてミキシングパイプ７Ｂの内周面に敷設することで排気ガス１に常時晒して高温化しておけるようにしたものと同じ受熱効果を得ることはできない。
【００３５】
尚、本発明の尿素水ミキシング構造は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図示ではパティキュレートフィルタと選択還元型触媒とを並列に配置した場合における選択還元型触媒の入側に適用した場合を例示しているが、尿素水添加手段から選択還元型触媒までの間をミキシングパイプで繋ぐようにした構成が採用されていれば、図示とは異なる様々なレイアウトの排気浄化装置について適用することが可能であること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００３６】
１  排気ガス
４  選択還元型触媒
７Ｂ  ミキシングパイプ
８  インジェクタ（尿素水添加手段）
１１  開口部
１２  ガイドフィン
１３  ガイドフィン
１４  ガイドフィン
１５  ミキサ構造
１６  スパイラルレール
【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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