(57)【要約】【課題】排気ガス浄化装置が略Ｕターン状に形成されていても、排気ガス中への還元剤の拡散性及び混合性に優れることを目的とする。【解決手段】パティキュレートフィルタ２が内装される直管状の上流側排気ガス流路１０と、ＮＯｘ還元触媒担体４が内装される直管状の下流側排気ガス流路２０と、上流側排気ガス流路１０と下流側排気ガス流路２０を略Ｕターン状に連通し還元剤の供給手段３４を有するミキサ部３０とを備え、上流側排気ガス流路１０と下流側排気ガス流路２０を含む平面Ｆに対し排気ガスの流れを交差させる変流手段３１ｂ，３１ｃ，３２ｂ，３２ｃがミキサ部３０内に設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パティキュレートフィルタが内装される直管状の上流側排気ガス流路と、ＮＯｘ還元触媒担体が内装される直管状の下流側排気ガス流路と、前記上流側排気ガス流路と前記下流側排気ガス流路を略Ｕターン状に連通し還元剤の供給手段を有するミキサ部とを備え、前記上流側排気ガス流路と前記下流側排気ガス流路を含む平面に対し排気ガスの流れを交差させる変流手段が前記ミキサ部内に設けられていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記変流手段は、排気ガスを案内する一対の湾曲壁部及び湾曲開口部で構成され、前記湾曲壁部及び前記湾曲開口部は、前記平面に対し鉛直方向で相互にずれて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記湾曲壁部と前記湾曲開口部が、筒状に一体形成されていることを特徴とする請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記供給手段が、前記上流側排気ガス流路から流出する排気ガスと対向するように設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関に装着される排気ガス浄化装置に係り、ディーゼルパティキュレートフィルタと、窒素酸化物を低減するＮＯｘ還元触媒担体とを備える排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  ディーゼルエンジン等の内燃機関に用いられる排気ガス浄化装置として、排気ガス中に含まれるパティキュレート（粒子状物質）を捕集するために、排気管の途中にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦと称す）を設けたものや、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘと称す）の量を低減するために、ＮＯｘ還元触媒担体を設けたものが知られている。【０００３】  近年、排気ガスの浄化規制の強化に伴い、ＤＰＦとＮＯｘ還元触媒担体の両者を備えた排気ガス浄化装置が出現しており、特許文献１には、排気ガスの上流側にＤＰＦが配置され、下流側にＮＯｘ還元触媒担体が配置され、両者を連通室により連通させ排気ガス浄化装置全体をコ字状に形成してコンパクト化し、車両への搭載性を高めた排気ガス浄化装置が提案されている。また、ＮＯｘの浄化効率を良好にするために、ＮＯｘ還元触媒として尿素脱硝触媒を用いるとともに還元剤たる尿素を排気ガス中へ供給する構成と、尿素の供給部を連通室内におけるＤＰＦの排気ガス出口近傍部に設定し、連通室内にフローガイドや多孔板を設ける構成が、特許文献１に記載されている。【０００４】  また、特許文献２には、還元剤を排気ガス中に均等に拡散させる複数枚の分散板を備えたミキサを有する排気ガス浄化装置が提案されている。【０００５】  上記特許文献２に記載の排気ガス浄化装置では、図７に示すように、排気管１００とミキサ１０１とが直線状に配置されているので、分散板１０２によって排気ガスＧを２次元的に蛇行させることにより、還元剤が排気ガス中に均等に拡散及び混合され、十分な排気ガス浄化性能が得られる。【０００６】  しかしながら、特許文献１に記載の排気ガス浄化装置のように、排気ガス浄化装置全体が略Ｕターン状に形成されている場合、図８に示すように、流量によって排気ガスＧが連通室２００（Ｕターン部）内において偏流するため、上記特許文献２のような２次元的な排気ガスの蛇行を適用したとしても還元剤が排気ガス中に均一に拡散及び混合され難く、排気ガス浄化性能の低下が懸念される。
【特許文献１】特開２００５−１５５４０４号公報
【特許文献２】特開２００６−９６０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  本発明は上記問題に鑑み、排気ガス浄化装置が略Ｕターン状に形成されていても、排気ガス中への還元剤の拡散性及び混合性に優れる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  請求項１の発明によれば、パティキュレートフィルタが内装される直管状の上流側排気ガス流路と、ＮＯｘ還元触媒担体が内装される直管状の下流側排気ガス流路と、前記上流側排気ガス流路と前記下流側排気ガス流路を略Ｕターン状に連通し還元剤の供給手段を有するミキサ部とを備え、前記上流側排気ガス流路と前記下流側排気ガス流路を含む平面に対し排気ガスの流れを交差させる変流手段が前記ミキサ部内に設けられていることを特徴とする排気ガス浄化装置が提供される。【００１０】  請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記変流手段は、排気ガスを案内する一対の湾曲壁部及び湾曲開口部で構成され、前記湾曲壁部及び前記湾曲開口部は、前記平面に対し鉛直方向で相互にずれて設けられている、排気ガス浄化装置が提供される。【００１１】  請求項３の発明によれば、請求項２の発明において、前記湾曲壁部と前記湾曲開口部が、筒状に一体形成されている、排気ガス浄化装置が提供される。【００１２】  請求項４の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれかの発明において、前記供給手段が、前記上流側排気ガス流路から流出する排気ガスと対向するように設けられている、排気ガス浄化装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】  本発明によれば、排気ガス中への還元剤の拡散性及び混合性に優れるＵターン状の排気ガス浄化装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施例に係る排気ガス浄化装置を示す一部平断面図、図２は本発明の第１実施例に係るミキサ部の斜視図、図３は本発明の第１実施例に係るミキサ部の図１におけるＡ−Ａ線断面図、図４は本発明の第２実施例に係るミキサ部の図１におけるＡ−Ａ線断面図、図５は本発明の第３実施例に係るミキサ部の図１におけるＡ−Ａ線断面図、図６は本発明の第４実施例に係るミキサ部の図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【実施例１】
【００１５】  図１乃至図３は本発明の第１実施例に係る排気ガス浄化装置を示すものである。排気ガス浄化装置１は、ＤＰＦ２がワイヤメッシュやアルミナ製マット等の保持部材３を介して内装される直管状の上流側排気ガス流路１０と、ＮＯｘ還元触媒担体４が保持部材３を介して内装される直管状の下流側排気ガス流路２０と、上流側排気ガス流路１０と下流側排気ガス流路２０とを略Ｕターン状に連通するよう、接続フランジ５を介して両排気ガス流路に接続されるミキサ部３０とを備えている。接続フランジ５，５同士は、例えば、図示しないボルト及びナット等により締結され、着脱可能となっている。そして、上流側排気ガス流路１０の上流側端部（図１の右端）には、図示しない排気管や排気マニホールドやターボ過給機等の排気系装置が接続フランジ６を介して接続される。また、下流側排気ガス流路２０の下流端部（図１の右端）には、図示しない排気管や消音器等の排気系装置が接続フランジ７を介して接続される。【００１６】  上流側排気ガス流路１０に内装されるＤＰＦ２は、例えば、コージェライト等の多孔質材料を使用しハニカム構造に形成されたものであり、排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するものである。捕集されたパティキュレートは、排気ガス自身の熱による燃焼や酸化触媒担体８の触媒反応熱によって焼失される。あるいは、ＤＰＦ上に貴金属触媒や活性酸素放出剤を担持させ、パティキュレートを酸化除去させてもよい（例えば、特許第３５９３３０５号公報参照）。【００１７】  そして、上流側排気ガス流路１０内におけるＤＰＦ２の上流側（図１の右側）には、例えば、排気ガス中のＮＯを酸化したり、ＣＯ，ＨＣを低減させる酸化触媒担体８が保持部材３を介して内装されている。尚、酸化触媒担体８を、上流側排気ガス流路１０に内装せずに上流側排気ガス流路１０とは別の図示しない筒状部材に内装し、接続フランジ６を介して上流側排気ガス流路１０に接続する構造（別体構造）としても構わない。【００１８】  下流側排気ガス流路２０に内装されるＮＯｘ還元触媒担体４は、例えば、選択還元型触媒担体（通称、ＳＣＲ触媒担体）が用いられ、この触媒は、下記の化学反応式に示すように、先ず排気ガス中に噴射された還元剤たる尿素水が、排気ガスの熱により加水分解されアンモニアを生成し、次にアンモニアによりＮＯｘを還元して排気ガスを浄化するものである。
（ＮＨ２）２・ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋２ＮＨ３
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ【００１９】  そして、下流側排気ガス流路２０内におけるＮＯｘ還元触媒４の後流側（図１の右側）には、例えば、余剰のアンモニアを酸化処理して無害化させる酸化触媒担体９が保持部材３を介して内装されている。尚、酸化触媒担体９を、下流側排気ガス流路２０に内装せずに下流側排気ガス流路２０とは別の図示しない筒状部材に内装し、接続フランジ７を介して下流側排気ガス流路２０に接続する構造としても構わない。【００２０】  ミキサ部３０は、一方の接続フランジ５を介して上流側排気ガス流路１０に接続される排気ガス流入部３１と、他方の接続フランジ５を介して下流側排気ガス流路２０に接続される排気ガス流出部３２と、排気ガス流入部３１と排気ガス流出部３２とを連通させる連通室３３とから構成される。【００２１】  排気ガス流入部３１は、図２及び図３に示すように、有底筒状体であり、底部に相当する壁部３１ａと、筒部に相当する湾曲壁部３１ｂとからなる。そして、湾曲壁部３１ｂの壁面には略１／４円周分の湾曲開口部３１ｃが形成されており、すなわち、変流手段たる湾曲壁部３１ｂと湾曲開口部３１ｃが筒状に一体形成されている。【００２２】  壁部３１ａは、上流側排気ガス流路１０から流出する排気ガスの方向Ｂと直角な面となっており、この面に還元剤の供給部（孔）３１ｄが形成されている。この供給部３１ｄに還元剤の供給手段たる供給ノズル３４がＢと対向して取付けられている。【００２３】  排気ガス流入部３１の製造方法は、例えば、湾曲開口部３１ｃに相当する開口を予め切り欠いた金属板を筒状に曲げた後、金属板の周縁同士を合わせて溶接し、湾曲壁部３１ｂと湾曲開口部３１ｃが一体成形された筒体を用意する。次にこの筒体に金属性の円板からなる壁部３１ａを溶接して製造される。あるいは、金属板をプレス加工やスピニング加工等により壁部３１ａと湾曲壁部３１ｂとを一体成形した後、湾曲開口部３１ｃを切り欠いて形成してもよい。一体成形することにより、部品点数の少数化、ひいては製造コストが低減される。【００２４】  排気ガス流出部３２は、上記の排気ガス流入部３１に対し、供給部及び供給ノズルを有さないことを除いて実質同一の構成であり、壁部３２ａと湾曲壁部３２ｂとからなり、湾曲壁部３２ｂの壁面には略１／４円周分の湾曲開口部３２ｃが形成されており、すなわち、変流手段たる湾曲壁部３２ｂと湾曲開口部３２ｃが筒状に一体形成されている。【００２５】  尚、図１に示すように、排気ガス流入部３１の全長Ｌ１，直径Ｄ１と、排気ガス流出部３２の全長Ｌ２，直径Ｄ２との関係は、Ｌ１＜Ｌ２，Ｄ１＝Ｄ２に設定されているが、排気ガスの浄化性能、車両搭載性、ミキサ部の生産性等により任意に設定すればよい。Ｌ１＞Ｌ２，Ｄ１＝Ｄ２に設定してもよいし、例えば、Ｌ１＝Ｌ２，Ｄ１＝Ｄ２に設定すると、湾曲壁部３１ｂと湾曲壁部３２ｂを共通の部品とすることができ（厳密には、湾曲開口部３１ｃと湾曲開口部３２ｃの形状も等しくする）、ミキサ部の生産性を向上させることができる。【００２６】  そして、排気ガス流入部３１と排気ガス流出部３２を略平行に配置し、端部が略半円状に形成された筒状の連通室３３を排気ガス流入部３１と排気ガ��流出部３２の間に介在させて固定することにより、ミキサ部３０が構成される。【００２７】  具体的には、図３に示すように、一対の湾曲壁部３１ｂ，３２ｂが上流側排気ガス流路１０の中心軸１０ａと下流側排気ガス流路２０の中心軸２０ａを含む仮想平面Ｆに対し鉛直方向で相互にずれて設けられるとともに、一対の湾曲開口部３１ｃ，３２ｃが上流側排気ガス流路１０の中心軸１０ａと下流側排気ガス流路２０の中心軸２０ａを含む仮想平面Ｆに対し鉛直方向で相互にずれて設けられる。そして、連通室３３の一端部３３ａが湾曲壁部３１ｂの略１／４円周分及び湾曲開口部３１ｃを覆い、他端部３３ｂが湾曲壁部３２ｂの略１／４円周分及び湾曲開口部３２ｃを覆うことにより、ミキサ部３０が構成される。【００２８】  本実施形態の排気ガス浄化装置１内を流れる排気ガスは、図１の矢印Ｂに示すように、先ず酸化触媒担体８及びＤＰＦ２が内装される上流側排気ガス流路１０内を流れることにより、排気ガス中のＮＯの酸化及びＣＯ，ＨＣが低減されるとともにパティキュレートの除去が行われる。次に排気ガスは、矢印Ｃに示すように、ミキサ部３０内を流れる。この際に供給ノズル３４から供給される還元剤が排気ガス中に拡散及び混合される。これについての詳細は後述する。次に還元剤が混合された排気ガスは、図１の矢印Ｄに示すように、ＮＯｘ還元触媒（選択還元型触媒担体）４及び酸化触媒担体８が内装される下流側排気ガス流路２０内へ流入し、排気ガス中のＮＯｘが還元されるとともに余剰のアンモニアが浄化される。【００２９】  次に、ミキサ部３０内を通過する排気ガスの流れの様子と、還元剤の拡散及び混合について説明する。図２に示すように、上流側排気ガス流路１０から排出された排気ガスが排気ガス流入部３１に流入すると（矢印Ｂ）、還元剤たる尿素水が壁部３１ａに形成された供給部（孔）３１ｄから排気ガス流入部３１内へ噴射される（矢印Ｅ）。このとき、排気ガスの流入方向（矢印Ｂ）と尿素水の噴射方向（矢印Ｅ）とが略対向しているため、両者が正面衝突し、排気ガスと尿素水とが良好に拡散される。そして、拡散した排気ガスは壁部３１ａに衝突し、排気ガスと尿素水とが更に拡散及び混合される。次に拡散した排気ガスは、湾曲壁部３１ｂに沿ってスムーズに湾曲開口部３１ｃへ案内され、湾曲開口部３１ｃを通って連通室３３へ流入する。このとき、排気ガスの流速が高められているので拡散性がよい。次に連通室３３内にて拡散した排気ガスは、湾曲開口部３２ｃを通って排気ガス流出部３２へ流入する（矢印Ｃ）。排気ガス（矢印Ｃ）は、図１及び図３に示すように、上流側排気ガス流路１０の中心軸１０ａと下流側排気ガス流路２０の中心軸２０ａを含む仮想平面Ｆに対し交差して流れる、すなわち、仮想平面Ｆに沿って２次元的に流れていた排気ガス（矢印Ｂ）が仮想平面Ｆに交差する３次元的な流れ（矢印Ｃ）に強制的に変化されるため、流れ方向が大きく変化し、排気ガス浄化装置全体がＵターン形状であるが故に生じる排気ガスの偏流に対しても、還元剤が排気ガス中に十分に拡散及び混合される。そして、排気ガス流出部３２へ流入された排気ガスは、湾曲壁部３２ｂに衝突し、湾曲壁部３２ｂに沿って拡散される。以上のようにして、排��ガスが衝突と拡散を繰り返すことにより、還元剤が排気ガス中に均一に混合され、選択還元型触媒担体の浄化性能を十分発揮させることができる。【００３０】  尚、本実施例では壁部及び開口部が湾曲しているが、ストレート状であっても構わないし、湾曲とストレートの複合形状であっても構わないが、ストレート状であると排気抵抗が上昇する傾向があり、その点に留意して適宜設定しなければならない。【００３１】  本実施形態によれば、ミキサ部が一対の湾曲壁部及び一対の湾曲開口部で構成されていることにより、ミキサ部の生産性及びコンパクト性に優れる。また、排気ガスが、一方の湾曲開口部から他方の湾曲開口部へ蛇行するとともに湾曲壁部に沿っスムーズに流れることとなり、排気ガスの蛇行により還元剤の拡散性及び混合性に優れるとともに、排気ガスのスムーズな流れにより圧力損失を低減することができる。
【実施例２】
【００３２】  図４は本発明の第２実施例に係る排気ガス浄化装置を示すものであり、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。本実施例は上記実施例１記載のミキサ部に対し湾曲開口部の開口面積を小さくしたものである。【００３３】  ミキサ部４０は、排気ガス流入部４１と、排気ガス流出部４２と、排気ガス流入部４１と排気ガス流出部４２とを連通させる連通室４３とから構成される。【００３４】  排気ガス流入部４１は、有底筒状体であり、底部に相当する壁部４１ａと、筒部に相当する湾曲壁部４１ｂとからなり、湾曲壁部４１ｂの壁面には１／４円周分よりも小さい湾曲開口部４１ｃが形成されている。また、排気ガス流出部４２は、排気ガス流入部４１と同一の構成であり、底部に相当する壁部４２ａと、筒部に相当する湾曲壁部４２ｂとからなり、湾曲壁部４２ｂの壁面には１／４円周分よりも小さい湾曲開口部４２ｃが形成されている。したがって、湾曲壁部４１ｂと湾曲壁部４２ｂはオーバラップ部４４を有している。【００３５】  オーバラップ部４４は、還元剤の拡散性及び排気ガスの圧力損失に与える影響が大きく、オーバラップ部４４が長いほど、排気ガスの蛇行経路が長くなるとともに湾曲壁部の面積が増加（排気ガスが湾曲壁部に衝突する頻度が増加）し、還元剤の拡散性及び混合性が向上する。しかし、その反面、排気ガスの圧力損失が増加する傾向がある。したがって、オーバラップ部４４の長さは、還元剤の拡散性及び排気ガスの圧力損失を考慮して設定する。
【実施例３】
【００３６】  図５は本発明の第３実施例に係る排気ガス浄化装置を示すものであり、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。本実施例は上記実施例１記載の連通室にガイド部材を設けたものである。【００３７】  ミキサ部５０は、上記実施例１のミキサ部３０と同様、排気ガス流入部３１と、排気ガス流出部３２と、連通室３３とから構成されており、本実施形態では湾曲開口部３１ｃ及び湾曲開口部３２ｃの近傍から連通室３３の内壁へ繋がる湾曲したガイド部材５１及び凸状の整流部材５４を更に設けたものである。したがって、拡散した排気ガスは、湾曲開口部３１ｃから湾曲開口部３２ｃへガイド部材５１によりスムーズに案内されて流れることとなり、排気ガスの圧力損失を低減することができる。しかし、ガイド部材５１により案内された排気ガスは、排気ガス流出部３２内において湾曲壁部３２ｂの壁面に沿って流れる螺旋流に変化し、この螺旋流が後続する下流側排気流路２０へ流入されるため、ＮＯｘ還元触媒担体４の中心部を流れる排気ガス流量は、ＮＯｘ還元触媒担体４の遠心部を流れる排気ガス流量よりも少なくなり、排気ガス浄化性能が十分に発揮されないおそれがある。したがって、ＮＯｘ還元触媒担体４の上流側、例えば、図１に示すように、排気ガス流出部２０内にドーナツ状の整流板５３を設け、排気ガスをＮＯｘ還元触媒４の中心部へ指向させてもよい。あるいは、図示しないが、排気ガス流出部３２の少なくとも一部を縮径して整流板５３の代替としても構わない。【００３８】  尚、ガイド部材５１を設けることにより、ミキサ部５０内に排気ガスが入り込まないデッドスペース５２が形成されるが、デッドスペース５２は、ガイド部材５１が存在しない場合であっても、元々排気ガスが積極的に入り込む部位ではないため、還元剤の拡散性に及ぼす影響は少ない。
【実施例４】
【００３９】  図６は本発明の第４実施例に係る排気ガス浄化装置を示すものであり、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。本実施例は上記実施例１記載の排気ガス流入部及び排気ガス流出部を一部角断面としたものである。【００４０】  ミキサ部６０は、外形が一部角断面に形成された排気ガス流入部６１及び排気ガス流出部６２を有し、その他の構成は上記実施例１と同様である。一部角断面とすることにより実施例１の円断面の場合と比較してミキサ部の容積を稼ぐことができ、還元剤の拡散性及び混合性が向上する。外形は図６に限定されるものではなく、その他の多角形でもよい。【００４１】  以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に包含される。例えば、湾曲壁部と湾曲開口部とを別体に形成してもよい。また、一対の湾曲壁部及び一対の湾曲開口部は湾曲さえしていれば、それぞれが異なる形状であっても構わない。また、上記実施形態においては湾曲開口部は湾曲した四角形であるが、湾曲した長円や楕円等であっても構わない。また、還元剤の供給部は、還元剤の拡散及び混合が安定して行われる位置であれば、排気ガス流入部のどの位置に設けても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は本発明の第１実施例に係る排気ガス浄化装置を示す一部平断面図
【図２】本発明の第１実施例に係るミキサ部の斜視図
【図３】本発明の第１実施例に係るミキサ部の図１におけるＡ−Ａ線断面図
【図４】本発明の第２実施例に係るミキサ部の図１におけるＡ−Ａ線断面図
【図５】本発明の第３実施例に係るミキサ部の図１におけるＡ−Ａ線断面図
【図６】本発明の第４実施例に係るミキサ部の図１におけるＡ−Ａ線断面図
【図７】従来の排気ガス浄化装置における排気ガスの流れを示す概念図
【図８】他の従来の排気ガス浄化装置における排気ガスの流れを示す概念図
【符号の説明】
【００４３】１  排気ガス浄化装置
２  ＤＰＦ
４  ＮＯｘ還元触媒担体
８，９  酸化触媒担体
１０  上流側排気ガス流路
２０  下流側排気ガス流路
３０，４０，５０，６０  ミキサ部
３１，４１，６１  排気ガス流入部
３２，４２，６２  排気ガス流出部
３１ａ，３２ａ，４１ａ，４２ａ  壁部
３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂ  湾曲壁部（変流手段）
３１ｃ，３２ｃ，４１ｃ，４２ｃ  湾曲開口部（変流手段）
３１ｄ，４１ｄ  供給部（供給手段）
３３，４３  連通室
３４  供給ノズル（供給手段）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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