(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に配設され、還元剤を供給されて浄化作用を奏する後処理装置と、
上記後処理装置の上流側の上記排気通路内に還元剤を噴射する還元剤噴射手段と、
ベース板上に周方向に複数のフィンとスポーク部とを交互に列設し、各フィンの周方向の一側に位置するスポーク部を起点として、他側のスポーク部及びベース板の外周側のリム部から各フィンを分断して折曲し、該ベース板を上記後処理装置の上流側の上記排気通路内に上流側と下流側とを区画するように配設して、該ベース板の上記リム部を上記排気通路内に溶接し、上記フィンの折曲により上記ベース板上に開口した流通孔を経て排ガスを流通させながら上記フィンにより流通方向を変更して撹拌する撹拌手段とを備え、
上記撹拌手段は、上記各フィンを挟んで隣接するスポーク部の間の領域内に上記リム部と上記排気通路との溶接部が位置設定されると共に、少なくとも上記スポーク部に対応する上記リム部の外周側に、該リム部の外周側への撓みを許容する間隙が形成されたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
上記撹拌手段は、折曲により上記ベース板から離間した上記各フィンの最外周側の基端近傍を上記リム部に対して連結する連結部を備えたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
上記ベース板の周方向において上記連結部と上記溶接部とが離間したことを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
上記ベース板の周方向において上記連結部と上記溶接部とがオーバラップしたことを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
上記溶接部は、上記隣接するスポーク部の間の中央を含む領域に位置設定されたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
上記排気通路は、上流側又は下流側に位置する別の排気通路に対して接続されるフランジを備え、
上記ベース板のリム部は、上記排気通路のフランジに対して上記溶接部を介して固定されたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの排気浄化装置に係り、詳しくは排気通路に設けた撹拌手段により排ガスを撹拌しながら、還元剤噴射手段から噴射した還元剤を排ガス中に拡散させて下流側の後処理装置に供給する排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の還元剤を利用して排ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置としては、例えばＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯx触媒）を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。
当該特許文献１の技術は、エンジンの排気通路に上流側より酸化触媒及びＳＣＲ触媒を配設し、酸化触媒とＳＣＲ触媒との間を接続する排気管内に還元剤として尿素水を噴射する噴射ノズルを配置すると共に、排気管内の噴射ノズルの上流側にフィン装置を配設している。フィン装置はスチール製の円盤形状をなすベース板をプレス成型して製作しており、このベース板を排気管内に上流側と下流側とに区画するように配設している。ベース板上には軸線を中心とした複数枚のフィンを下流側に所定角度で折曲形成すると共に、ベース板上に各フィンに対応する形状の流通孔を形成し、各流通孔を通過した排ガスを各フィンの傾斜に倣って案内して排ガスに旋回流を生起させ、この旋回流により噴射ノズルから噴射された尿素水を排ガス中に拡散させている。
【０００３】
このように構成された排気浄化装置では、フィン装置のベース板に排ガスの圧力が常に作用することから排気管内でベース板を強固に固定する必要があり、例えばベース板の外周を所定間隔で排気管内に溶接している。図１３は特許文献１のフィン装置を排気上流側より見た部分拡大図であるが、この例では、排気管に形成したフランジ１３ａの箇所にフィン装置１０１を配設し、各フィン２３を支持するスポーク部２４の外周端に対応する位置でベース板２２の外周をフランジ１３ａに溶接（溶接ビード３２）している。
【特許文献１】特開２００６−２９２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、排気浄化装置はエンジン運転時に排ガスの熱を受けて冷態時から大幅に温度上昇するが、その到達温度は排気浄化装置を構成する各部材によって異なる。例えば酸化触媒やＳＣＲ触媒を収容するケーシングは、外気と接して冷却される上に設置場所によっては走行風に晒されることから温度上昇が少ないのに対し、内部に収容された酸化触媒やＳＣＲ触媒は外気による冷却作用を受けないため温度上昇はより著しく、この場合の温度格差は、触媒を活性温度に保持する上で好ましい現象と言える。
【０００５】
しかしながら、これと同様の傾向が上記排気管とフィン装置についても発生し、外気に冷却される排気管の到達温度は比較的低いが、内部のフィン装置の到達温度は遥かに高い。特に図１３に示す構成では、冷却面積が大きなフランジ１３ａが外気により温度上昇がさらに抑制されるため、フランジ１３ａとフィン装置１０１との温度格差がより拡大されてしまう。また、フィン装置１０１の上流側に排ガス中のパティキュレートを捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を配置した場合も、ＤＰＦに未燃燃料を供給してパティキュレートを焼却する強制再生時には、昇温されたＤＰＦの熱を受けて下流側のフィン装置１０１も温度上昇することから、両者の温度格差がより拡大されてしまう。
【０００６】
一例として、排気管のフランジ１３ａにフィン装置１０１を配設したレイアウトでＤＰＦを強制再生しているとき、フランジ１３ａの温度が３００〜４００℃程度であるのに対し、内部のフィン装置１０１は６００℃程度まで温度上昇する。このような温度格差に起因して、フランジ１３ａとフィン装置１０１との熱膨張は著しく相違することになる。排気浄化装置の外殻を形成する排気管やフランジ１３ａに比較して、排ガス流れを変更するフィン装置１０１を形成する鋼板は薄く剛性も低いことから、フィン装置１０１は外周を排気管やフランジ１３ａにより拘束されながら熱膨張することになり、その応力はフィン装置１０１の中心部等に集中して所謂熱応力によりフィン装置１０１が破損するという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気通路内に固定されたフィン装置が温度変化に起因した熱応力により破損する事態を未然に防止することができるエンジン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】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、エンジンの排気通路に配設され、還元剤を供給されて浄化作用を奏する後処理装置と、後処理装置の上流側の排気通路内に還元剤を噴射する還元剤噴射手段と、ベース板上に周方向に複数のフィンとスポーク部とを交互に列設し、各フィンの周方向の一側に位置するスポーク部を起点として、他側のスポーク部及びベース板の外周側のリム部から各フィンを分断して折曲し、ベース板を後処理装置の上流側の排気通路内に上流側と下流側とを区画するように配設して、ベース板の上記リム部を排気通路内に溶接し、フィンの折曲によりベース板上に開口した流通孔を経て排ガスを流通させながらフィンにより流通方向を変更して撹拌する撹拌手段とを備え、撹拌手段が、フィンを挟んで隣接するスポーク部の間の領域内にリム部と排気通路との溶接部が位置設定されると共に、少なくともスポーク部に対応するリム部の外周側に、リム部の外周側への撓みを許容する間隙が形成されたものである。
【０００９】
従って、エンジンの排ガスは排気通路を経て撹拌手段に到達し、撹拌手段の流通孔を経て下流側に流通しながらフィンにより流通方向を変更されて撹拌され、これにより噴射手段から噴射された還元剤が排ガス中に良好に拡散されて後処理装置による排ガスの浄化に利用される。
排ガスの熱を受けて排気浄化装置は温度上昇するが、外気で冷却される排気通路と排気通路内に収容されて外気の冷却作用を受けない撹拌手段との間には大きな温度格差が生じ、両者の熱膨張の相違に起因して、排気通路により外周を拘束された撹拌手段は熱応力の影響を受ける。このとき、撹拌手段の各フィンと共にスポーク部が半径方向に延びるが、撹拌手段を排気通路内に固定する溶接部が隣接するスポーク部の間に位置していることからスポーク部の外周端が溶接部と対応せず、且つ、スポーク部に対応するリム部の外周側に間隙が形成されているため、スポーク部からの押圧を受けて間隙の範囲内でリム部が外周側に撓んでスポーク部の熱膨張を吸収し、結果として反力を受けたスポーク部によるベース板の中心部への応力集中が緩和される。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１において、撹拌手段が、折曲によりベース板から離間した各フィンの最外周側の基端近傍をリム部に対して連結する連結部を備えたものである。
従って、ベース板のスポーク部に対してフィンは片持ち支持されており、排ガスを案内する際の反力によりフィンの基端には応力が集中するが、フィンの最外周側の基端近傍が連結部を介してリム部に連結されていることから、この箇所の応力が緩和されて破損が未然に防止される。また、連結部によりフィンの最外周側の基端近傍がリム部に連結されていることから、ベース板上からのフィンの支持は単なる片持ち支持に比較して強固なものとなり、それに伴ってフィンの固有振動数が増加する。このため、エンジンの上限回転速度でも排ガスの脈動周波数はフィンの固有振動数に到達せず、フィンの共振による破損が未然に防止される。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２において、ベース板の周方向において連結部と溶接部とが離間したものである。
従って、連結部と溶接部とが周方向にオーバラップせずに離間しているため、排ガスの熱によりスポーク部が半径方向に延びたときのリム部の外周側への撓みが溶接部により妨げられる虞がほとんどない。よって、熱応力、排ガス案内時のフィンの応力、固有振動数に関する特性の内、特に熱応力に関する特性が顕著に改善される。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項２において、ベース板の周方向において連結部と溶接部とがオーバラップしたものである。
従って、連結部と溶接部とが周方向にオーバラップしているため、排ガスの熱によりスポーク部が半径方向に延びたときのリム部の外周側への撓みが溶接部により若干妨げられるものの、フィン装置の剛性は増加する。よって、熱応力、排ガス案内時のフィンの応力、固有振動数に関する特性の内、特にフィンの応力、固有振動数に関する特性が顕著に改善される。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１において、溶接部が、隣接するスポーク部の間の中央を含む領域に位置設定されたものである。
従って、隣接するスポーク部の間の中央を含む領域に溶接部を位置させることにより、リム部が容易に外周側に撓んでスポーク部の熱膨張を効果的に吸収可能となる。
請求項６の発明は、請求項１において、排気通路が、上流側又は下流側に位置する別の排気通路に対して接続されるフランジを備え、ベース板のリム部が、排気通路のフランジに対して溶接部を介して固定されたものである。
【００１４】
従って、別の排気通路に対して排気通路のフランジの接続を切り離した状態で、フランジに撹拌手段を容易に溶接可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように請求項１の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、撹拌手段の隣接するスポーク部の間に排気通路内に対する溶接部を位置させて、スポーク部の外周端が溶接部に対応しないようにし、且つ、スポーク部に対応するリム部の外周側に間隙を形成したため、リム部の撓みによりスポーク部の熱膨張を吸収してベース板の中心部への応力集中を緩和でき、もって、排気通路内に固定された撹拌手段が温度変化に起因した熱応力により破損する事態を未然に防止することができる。
【００１６】
請求項２の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１に加えて、各フィンに連結部を設けたため、排ガスを案内する際に撹拌手段のフィンに生じる応力を低減できると共に、排ガスの脈動周波数がフィンの固有振動数と一致したときの共振を未然に回避でき、これらの要因によるフィンの破損を防止することができる。
請求項３の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項２に加えて、連結部と溶接部とを離間させることにより、特に熱応力に関する特性を顕著に改善して、この要因によるフィン装置の破損を未然に防止することができる。
【００１７】
請求項４の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項２に加えて、連結部と溶接部とをオーバラップさせることにより、特にフィンの応力、固有振動数に関する特性を顕著に改善して、この要因によるフィン装置の破損を未然に防止することができる。
請求項５の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１に加えて、リム部を容易に撓ませてベース板の中心部への応力集中を確実に緩和することができる。
【００１８】
請求項６の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１に加えて、排気通路に対する撹拌手段の溶接作業を容易に実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［第１実施形態］
以下、本発明をディーゼルエンジンの排気浄化装置に具体化した第１実施形態を説明する。
図１は本実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図であり、エンジン１は４サイクル直列６気筒機関として構成されている。エンジン１の各気筒には燃料噴射弁２が設けられ、各燃料噴射弁２は共通のコモンレール３から加圧燃料を供給され、機関の運転状態に応じたタイミングで開弁して各気筒の筒内に燃料を噴射する。
【００２０】
エンジン１の吸気側には吸気マニホールド４が装着され、吸気マニホールド４に接続された吸気通路５には、上流側よりエアクリーナ６、ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａ、インタクーラ８が設けられている。また、エンジン１の排気側には排気マニホールド９が装着され、排気マニホールド９には上記コンプレッサ７ａと同軸上に連結されたターボチャージャ７のタービン７ｂを介して排気通路１０が接続されている。
【００２１】
エンジン１の運転中においてエアクリーナ６を経て吸気通路５内に導入された吸気はターボチャージャ７のコンプレッサ７ａにより加圧された後にインタクーラ８、吸気マニホールド４を経て各気筒に分配され、各気筒の吸気行程で筒内に導入される。筒内では所定のタイミングで燃料噴射弁２から燃料が噴射されて圧縮上死点近傍で着火・燃焼し、燃焼後の排ガスは排気マニホールド９を経てタービン７ｂを回転駆動した後に排気通路１０を経て外部に排出される。
【００２２】
上記排気通路１０には本発明の排気浄化装置が設けられ、排気浄化装置は上流側ケーシング１１、下流側ケーシング１２、及び両ケーシング１１，１２間に配設されたミキシング室１３を備えている。上流側ケーシング１１内には上流側より前段酸化触媒１４及びＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１５が収容され、下流側ケーシング１２内には上流側よりＳＣＲ触媒（選択還元型ＮＯx触媒であり、本発明の後処理装置）１６及び後段酸化触媒１７が収容されている。
【００２３】
全体としてミキシング室１３は排気流通方向の中間部を縮径させたベンチュリ状をなし、上流側ケーシング１１の下流端から下流側に向けてテーパ状に縮径した後に、再びテーパ状に拡径して下流側ケーシング１２の上流端に連続している。ミキシング室１３内の最上流位置にはフィン装置１８（撹拌手段）が設けられており、このフィン装置１８の詳細については後述する。
【００２４】
ミキシング室１３内のフィン装置１８の下流側には噴射ノズル１９（還元剤噴射手段）が配設されており、この噴射ノズル１９はミキシング室１３の外周一側から中心に向けて延設され、その先端１９ａをミキシング室１３の中心で排気下流側に指向させている。噴射ノズル１９にはミキシング室１３の外周に設置された電磁弁２０を介して図示しない尿素タンクから所定圧の尿素水が供給されており、電磁弁２０の開閉に応じて噴射ノズル１９の先端１９ａに貫設された噴射孔からミキシング室１３の外周に向けて放射状に尿素水が噴射される。詳細は説明しないが、噴射ノズル１９の電磁弁２０や上記エンジン１の燃料噴射弁２等は、図示しない制御装置により駆動制御されるようになっている。
【００２５】
図２はフィン装置１８とミキシング室１３とを排気下流側より見た分解斜視図、図３は同じくフィン装置１８とミキシング室１３とを排気上流側より見た組立斜視図である。
図１に示すように、上流側ケーシング１１の下流端とミキシング室１３の上流端との間はフランジ１１ａ，１３ａを介して接続され、同様にミキシング室１３の下流端と下流側ケーシング１２の上流端との間もフランジ１３ｂ，１２ａを介して接続されている。図３ではミキシング室１３の上流側のフランジ１３ａを示しているが、フランジ１３ａは周方向に列設された多数のボルト孔１３ｃを利用して図示しないボルト及びナットで相手側のフランジ１１ａに接続され、他のフランジ１３ｂ，１２ａについても同様の接続構造を採っている。
【００２６】
上記フィン装置１８は、板厚ｔのスチール製のベース板２２をプレス成型して製作され、全体として円盤形状をなしている。ベース板２２上は周方向に等分されて、扇状をなす複数枚のフィン２３がベース板２２の軸線を中心として周方向に列設されており、各フィン２３の間にはベース板２２の半径方向に延設されたスポーク部２４が形成されている。各スポーク部２４の外端は、所定幅の環状をなしてベース板２２の外周を形作るリム部２５に接続され、各スポーク部２４の内端はベース板２２の中心において相互に接続されている。なお、各スポーク部２４の内端はベース板２２の中心と完全に一致せずに若干偏心しており、これに伴って各フィン２３の内周側もベース板２２の中心に対して偏心している。但し、これに限ることはなく、各スポーク部２４の内端をベース板２２の中心に完全に一致させてもよい。
【００２７】
各フィン２３はベース板２２の周方向の一側に位置するスポーク部２４と連続し、他側のスポーク部２４及び外周側のリム部２５に対してはプレス成形時に分断されている。各フィン２３はプレス成型時に一側のスポーク部２４を起点として他側をベース板２２上より離間させるように排気下流側に向けて同一角度で折曲形成され、各フィン２３のベース板２２に対する角度はα（図２に示す）に設定されている。各フィン２３の折曲に伴ってベース板２２上には各フィン２３の形状に対応する扇状の流通孔２６が形成され、これらの流通孔２６を介して上流側ケーシング１１内とミキシング室１３内とが相互に連通している。
【００２８】
図４はフィン装置１８を排気上流側より見た部分拡大図、図５は溶接ビードの詳細を示す図４のV−V線断面図である。
図３〜５に示すように、ミキシング室１３の上流側のフランジ１３ａには、ミキシング室１３の軸線を中心として上記フィン装置１８の外径より若干大きな内径の環状段差部３１が形成されており、環状段差部３１の深さはフィン装置１８のベース板２２の板厚と略一致している。フィン装置１８のベース板２２は、ミキシング室１３の上流端の開口部を閉鎖するように環状段差部３１内に配設され、ベース板２２のリム部２５の外周と環状段差部３１の内周との間には全周において僅かな間隙Ｓが形成されている。
【００２９】
フィン装置１８のリム部２５は、各スポーク部２４の略中央に相当する８箇所の位置でミキシング室１３のフランジ１３ａに対して溶接されている。このようにミキシング室１３の上流端に相当するフランジ１３ａの位置にフィン装置１８を配設しているのは、排気浄化装置の製造時においてフィン装置１８の溶接作業を容易に実施すること、及びその後の定期的なメンテナンス時においてフィン装置１８の点検を容易に実施することを目的としたものである。
【００３０】
フィン装置１８の溶接箇所をより詳述すると、図４，５に示すように、各箇所の溶接ビード３２（溶接部）の幅Ｂは、フィン装置１８のリム部２５から環状段差部３１を介してミキシング室１３のフランジ１３ａまで及ぶように設定され、各溶接ビード３２は、ベース板２２のリム部の外周と環状段差部３１の内周との間隙Ｓを埋めた状態で、環状段差部３１内にフィン装置１８を固定している。
【００３１】
また、フィン装置１８の周方向における各溶接ビード３２の中央位置は、対応するフィン２３の一側に位置するスポーク部２４（フィン基端側のスポーク部２４）からフィン装置１８の軸線Ｃを中心として角度βの位置に設定され、各箇所の溶接ビード３２の長さＬ１は、角度βに基づく中央位置を基準として周方向の両側に等寸法ずつ振り分けた周方向寸法として設定されている。本実施形態では、溶接ビード３２の幅がＢに設定され、角度βが２２．５°に設定され、溶接ビード３２の長さＬ１が両側に１０mmずつ振り分けた２０mmに設定されている。結果としてフィン装置１８のリム部２５は、隣接するスポーク部２４間の略中央位置（換言すれば、スポーク部２４間の中央を含む領域）で溶接ビード３２によりフランジ１３ａの環状段差部３１に固定されており、溶接ビード３２の位置以外のリム部２５の箇所は、環状段差部３１の内周に対し間隙Ｓを介して離間している。
【００３２】
次に、以上のように構成されたエンジン１の排気浄化装置の作用を説明する。
エンジン１から排出された排ガスは排気マニホールド９、ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａ、及び排気通路１０を経て上流側ケーシング１１内に導入され、前段酸化触媒１４及びＤＰＦ１５を経て流通する際に、含有しているパティキュレートをＤＰＦ１５に捕集される。その後、排ガスはフィン装置１８の各流通孔２６に分岐しながら流通してミキシング室１３内に導入され、各流通孔２６を流通した直後にフィン２３に衝突してフィン角度αに倣って流通方向を変更される。その結果、ミキシング室１３内において排ガスはミキシング室１３の軸線Ｃを中心とした旋回流を生起し、その排ガス中に噴射ノズル１９から尿素水が噴射される。排ガスによる旋回流はミキシング室１３の断面積変化に倣って一旦縮小した後に再び拡大し、これにより尿素水が排ガス中に良好に拡散される。ミキシング室１３内での移送中に尿素水は排気熱及び排ガス中の水蒸気により加水分解されてＮＨ３を生成し、生成されたＮＨ３によりＳＣＲ触媒１６上では排ガス中のＮＯxが無害なＮ２に還元されてＮＯxの浄化が行われる一方、このときの余剰ＮＨ3が後段酸化触媒１７によりＮＯに酸化されて処理される。
【００３３】
ところで、［発明が解決しようとする課題］でも述べたように、排気浄化装置はエンジン運転時に排ガスの熱を受けて冷態時から大幅に温度上昇し、外気で冷却されるミキシング室１３とミキシング室１３内に収容されて外気の冷却作用を受けないフィン装置１８との間には大きな温度格差が生じ、両者の熱膨張の相違に起因して、ミキシング室１３により外周を拘束されたフィン装置１８は熱応力の影響を受ける。特に本実施形態では、冷却面積が大きなミキシング室１３のフランジ１３ａにフィン装置１８を配設しているため、フランジ１３ａの温度がより低温側に移行し、一方、フィン装置１８の上流側にＤＰＦ１５を配置していることから、ＤＰＦ１５に未燃燃料を供給してパティキュレートを焼却する強制再生時には、昇温されたＤＰＦ１５の熱を受けて下流側のフィン装置１８の温度がより高温側に移行し、これらの要因によりフランジ１３ａとフィン装置１８との温度格差が拡大されて、熱応力によるフィン装置１８の破損の懸念はより高まる。
【００３４】
本発明者は、フィン装置１８の熱応力の発生状況がベース板２２の外周の溶接ビード３２の位置に応じて変化することに着目した。即ち、図１３に示す特許文献１の技術では、排気通路のフランジ１３ａに対してフィン装置１０１を強固に固定すべきとの観点の基に、ベース板２２の半径方向の強度を保持しているスポーク部２４に対応する位置に溶接ビード３２を位置設定している。排ガスの熱によるフィン装置１０１の膨張は、半径方向に列設された各フィン２３と共にスポーク部２４が半径方向に延びることにより発生するが、このような溶接位置では、各スポーク部２４の外周端が溶接ビード３２を介して直接的にフランジ１３ａの環状段差部３１の内周を押圧することになり、その反力を受けたスポーク部２４を介してベース板２２の中心部に応力が集中することによりフィン装置１０１が破損に至ってしまう。
【００３５】
このような現象を回避するには、各スポーク部２４がフランジ１３ａの環状段差部３１の内周を直接的に押圧するのを防止する必要がある。そこで、本実施形態では、上記したようにベース板２２のリム部２５の外周と環状段差部３１の内周との間に間隙Ｓを形成した上で、隣接するスポーク部２４間の略中央位置でフィン装置１８のリム部２５とフランジ１３ａの環状段差部３１とを連結するように、溶接ビード３２の位置を設定した。この構成によりフィン装置１８のリム部２５は、各スポーク２４から最も離間した位置で溶接ビード３２によりフランジ１３ａの環状段差部３１に固定されることになり、溶接ビード３２の位置以外のリム部２５の箇所は、環状段差部３１の内周に対し間隙Ｓを介して離間している。
【００３６】
従って、排ガスの熱により各フィン２３と共にスポーク部２４が半径方向に延びたときには、スポーク部２４からの押圧を受けてリム部２５と環状段差部３１との間隙Ｓの範囲内でリム部２５が外周側に撓んでスポーク部２４の熱膨張を吸収し、結果として反力を受けたスポーク部２４によるベース板２２の中心部への応力集中が緩和され、この応力集中によるフィン装置１８の破損を未然に防止することができる。特に、本実施形態では、隣接するスポーク２４間の略中央位置に溶接ビード３２が位置しているため、スポーク部２４からの押圧を受けたときにリム部２５が容易に撓んでスポーク部２４の熱膨張を効果的に吸収するため、ベース板２２の中心部への応力集中を確実に緩和することができる。
【００３７】
本発明者は、以上の溶接ビード３２の位置設定による効果を検証すべく、スポーク部２４に対応する位置に溶接ビード３２を設定した特許文献１のフィン装置１０１と、隣接するスポーク部２４間の略中央位置に溶接ビード３２を設定した本実施形態のフィン装置１８とを、解析モデルに基づいて比較するシミュレーション試験を実施した。これらのフィン装置１８，１０１の仕様及び試験結果を表１にまとめて示し、試験結果を比較したグラフを図６に示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表１及び図６では、特許文献１のフィン装置１０１を「従来技術」として示し、本実施形態のフィン装置１８を「実施形態１」として示し、両者の仕様上の相違は、溶接ビード３２の位置設定のみである。なお、「実施形態２，３」は第２及び第３実施形態として後述する。
【００４０】
熱応力とは、フィン装置１８，１０１のベース板２２が熱膨張したときに中心部に発生する応力を意味し、固有振動数とは、フィン２３の１次の固有振動数を意味し、面圧応力とは、排ガス案内時の反力によりフィン２３の最外周側の基端近傍に発生する応力を意味する。シミュレーション試験により得られる熱応力及び面圧応力の単位はMPaであり、固有振動数の単位はHzであるが、表１及び図６では、従来技術を１００としたときの各実施形態の割合として示している。
【００４１】
表１及び図６に示すように、従来技術に比較して実施形態１では、ベース板２２の中心部の熱応力が大幅に低減されている。この試験結果からも、リム部２５の撓みによりスポーク部２４の膨張が吸収されてベース板２２の中心部への応力集中が緩和される現象が裏付けられる。
ところで、表１及び図６を参照すると、従来技術に比較して実施形態１では、フィン２３の固有振動数に関して若干減少し、面圧による応力に関しては若干増加している。固有振動数はフィン装置１８，１０１のフィン２３の共振に関わる指標であり、フィン装置１８，１０１に作用する排ガスの脈動周波数がフィン２３の固有振動数と一致すると、共振によりフィン２３が破損する懸念が生じることから、フィン２３の固有振動数は高いことが望ましい。
【００４２】
また、面圧による応力は、フィン装置１８，１０１の各フィン２３が排ガスを案内する際の反力に起因するものであり、上記のように各フィン２３の最外周側の基端近傍に発生する。当然ながらフィン２３の破損を防止するには、面圧応力は低いことが望ましい。
固有振動数や面圧応力を単体で比較して直ちにフィン２３の破損要因になると即断することはできないが、本実施形態では、従来技術から溶接ビード３２を位置変更したことで熱応力に関しては格段に有利になったものの、固有振動数や面圧応力の面では若干不利な傾向がある。そこで、この不具合を解消する対策を講じた実施形態として、以下に第２実施形態を説明する。
［第２実施形態］
本実施形態の排気浄化装置の全体的な構成は図１に示す第１実施形態のものと同一であり、相違点は、フィン装置１８の構成にある。そこで、共通する構成の箇所は同一部材番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に述べる。
【００４３】
図７は本実施形態のフィン装置１８とミキシング室１３とを排気下流側より見た分解斜視図、図８は同じくフィン装置１８とミキシング室１３とを排気上流側より見た組立斜視図、図９はフィン装置１８を排気上流側より見た部分拡大図、図１０は連結部の詳細を示す図９のＡ矢視図、図１１は同じく連結部の詳細を示す図９のXI−XI線断面図である。
第１実施形態と同じく、ベース板２２で各フィン２３を折曲させるために、図５に示すように各フィン２３は外周側のリム部２５に対して分断されているが、本実施形態では、特に図９〜１１に示すように、各フィン２３の最外周側における基端側（スポーク部２４に近い側）では、所定長さＬ２（周方向寸法）に亘ってフィン２３の外周とリム部２５の内周とが連結部４１を介して相互に連結されている。この連結部４１はベース板２２をプレス成形する際に、フィン２３とリム部２５とを分断することなくプレス型の相対移動に伴って引延し方向に塑性変形させることにより形成したものである。但し、連結部４１の形成方法はこれに限ることはなく、例えば、フィン２３の外周とリム部２５の内周との間隙Ｓに長さＬ２に亘って別部材の板片を溶接して形成してもよい。
【００４４】
本実施形態では、連結部４１の長さＬ２が３０mmに設定されている。また、第１実施形態と同じく、溶接ビード位置を示す角度βが２２．５°に設定され、溶接ビード３２の長さＬ１が２０mmに設定され、溶接ビード３２の幅がＢに設定されている。これらの相互関係により、本実施形態では図９に示すように、連結部４１と溶接ビード３２とが周方向にオーバラップせずに距離Ｌ３（周方向寸法）だけ相互に離間している。本実施形態では距離Ｌ３として５．２mmが設定され、結果として溶接ビード３２の長さＬ１を基準とすると距離Ｌ３は２６％の比率に設定されている。
【００４５】
以上のように構成された本実施形態の排気浄化装置では、間隙Ｓの形成及び溶接ビード３２の位置設定は第１実施形態と相違することがないことから、排ガスの熱によるスポーク部２４の膨張をリム部２５の撓みにより吸収してベース板２２の応力集中を緩和できるという熱応力に関する作用効果は第１実施形態と同様に達成できる。
加えて、各フィン２３に設けた連結部４１により、以下の作用効果が奏される。
【００４６】
排ガスを案内する際の反力による応力は、ベース板２２のスポーク部２４から片持ち支持されたフィン２３の基端近傍に集中しており、扇状のフィン２３は外周側ほど多くの排ガスを案内して大きな反力を受けることから、特にフィン２３の最外周側の基端近傍に応力が集中し、この箇所が破損する可能性が高い。本実施形態では、このフィン２３の最外周側の基端近傍に相当する領域を、長さＬに亘って連結部４１を介してリム部２５の内周に連結している。よって、この箇所の応力を大幅に緩和してフィン装置１８の破損を未然に防止することができる。
【００４７】
また、スポーク部２４から片持ち支持されたフィン２３の剛性は本来低く、必然的に固有振動数もかなり低いものであるが、連結部４１を介してフィン２３をリム部２５に連結することにより、ベース板２２上からのフィン２３の支持は単なる片持ち支持に比較してより強固なものとなり、それに伴ってフィン２３の固有振動数が増加する。特に扇状をなすフィン２３では排ガスの脈動を受けたときに最外周側が最も撓み易いが、この最外周側を連結部４１によりリム部２５と連結していることから、フィン２３の剛性と共に固有振動数が効率的に増加する。従って、エンジン１の上限回転速度でもフィン装置１８に作用する排ガスの脈動周波数はフィン２３の固有振動数に到達せず、結果として共振によるフィン２３の破損を未然に防止することができる。
【００４８】
表１及び図６では、本実施形態のフィン装置１８の仕様及び試験結果を「実施形態２」として示しており、上記のように連結部４１の長さＬ２が３０mmに設定され、連結部４１と溶接ビード３２とがオーバラップ無しの位置関係に設定されている。第１実施形態に比較して本実施形態では熱応力が若干増加するものの、固有振動数が大幅に増加すると共に面圧応力も大幅に減少している。この試験結果からも、上記連結部４１の形成によるフィン２３の固有振動数の増加作用及び面圧応力の減少作用が裏付けられる。
【００４９】
特に本実施形態では、連結部４１と溶接ビード３２とがオーバラップしていないため、排ガスの熱によりスポーク部２４が半径方向に延びたときに、リム部２５の外周側への撓みが連結部４１を介して溶接ビード部３２に妨げられる虞はほとんどない。試験結果からも明らかであるが、結果として熱応力に関する特性をほとんど悪化させることなく、固有振動数及び面圧応力に関する特性を大幅に改善できる。熱応力、固有振動数、面圧応力の何れの特性を重視するかによって結論は異なるが、第１実施形態と比較すると、トータルとしてのフィン装置１８の破損防止効果を格段に向上することができる。
【００５０】
ところで、連結部４１の作用効果に関して、大略的には連結部４１が長いほど排ガスの案内時にフィン２３に生じる応力が低下すると共に、フィン２３の固有振動数が増加して共振の可能性が減少する。但し、応力については、連結部４１が長いほど応力集中が緩和されて好ましいだけであるのに対し、固有振動数については、エンジン１の全回転域でフィン２３の共振を防止するために、少なくとも上限回転速度での排ガスの脈動周波数よりもフィン２３の固有振動数を高く設定する必要があり、明確な目標値が存在する。そこで、例えば本実施形態では、固有振動数が以下の手順で設定される。
【００５１】
まず、本実施形態のエンジン１は４サイクル直列６気筒機関であることから、その上限回転速度を２５００rpmとすると、上限回転速度における排ガスの脈動周波数Ｎ（Hz）は、次式より導き出される。
Ｎ＝２５００/６０×６/２＝１２６
即ち、この場合、フィン装置１８のフィン２３は最大で１２６Hzの排ガスの脈動を受けることになる。そこで、連結部４１の長さ誤差等を考慮した余裕分を見込んで１５０Hz以上にフィン２３の固有振動数の目標値を設定する。そして、連結部４１を種々の長さに変更した試験を実施した結果、この固有振動数の目標値を達成する連結部４１の長さＬ２として３０mmが割り出されたものである。
【００５２】
但し、連結部４１の長さは、このような固有振動数の観点から必ずしも設定する必要はなく、例えばフィン２３の基端近傍の最外周側に発生する応力を指標として設定してもよい。
一方、本実施形態では第１実施形態に対してフィン装置１８に連結部４１を追加しているが、この連結部４１の形成はフィン２３の破損防止作用を奏するものの、排ガスの流れに対する影響に関しては、フィン２３の最外周側において若干流れを妨げるに過ぎない。フィン２３の最外周側での排ガスの流通状況は旋回流の生起にほとんど関係ないことから、連結部４１を備えない場合と同様に旋回流を生起できる。例えばフィン２３の周方向の開口部に連結部４１を形成した場合には、排ガスの流れが連結部４１により大きく妨害されて十分な旋回流を生起できなくなることは明らかであるが、このような弊害を発生することなく、フィン装置１８の本来の排ガス撹拌作用を達成できると共に、連結部４１の形成が圧損の増加にも繋がらないことから、エンジン性能の低下を引き起こす要因にもならない。
【００５３】
加えて、本実施形態では、フィン装置１８のプレス成型時に同時に連結部４１を形成している。従って、フィン装置１８の製造工程を簡略化して製造コストを低減できると共に、塑性変形により形成された連結部４１は、例えばベース板２２に別部材の板片を溶接した場合のような溶接剥離等のトラブルも発生しないため、その信頼性が高いという利点もある。
【００５４】
ところで、本実施形態では、連結部４１と溶接ビード３２とをオーバラップ無しの位置関係に設定したが、これらの連結部４１と溶接ビード３２との位置関係を変更することにより、フィン装置１８の熱応力、固有振動数、面圧応力に関する特性を変更可能である。そこで、連結部４１と溶接ビード３２とをオーバラップさせた実施形態として、以下に第３実施形態を説明する。
［第３実施形態］
上記のように第２実施形態に対する本実施形態の相違点は、連結部４１と溶接ビード３２との位置関係を変更したことにあり、その他の点は同一構成である。そこで、共通する構成の箇所は同一部材番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に述べる。
【００５５】
図１２は本実施形態のフィン装置１８を排気上流側より見た部分拡大図である。
連結部４１と溶接ビード３２とをオーバラップさせるために、本実施形態では溶接ビード位置を示す角度βが第２実施形態の２２．５°から１５°に変更されている。この設定により溶接ビード３２が連結部４１に接近し、結果として周方向において連結部４１と溶接ビード３２とが距離Ｌ４（周方向寸法）だけ相互にオーバラップしている。本実施形態では距離Ｌ４として１０．７５mmが設定され、結果として溶接ビード３２の長さＬ１を基準とすると距離Ｌ４は５４％の比率に設定されている。
【００５６】
以上のように構成された本実施形態の排気浄化装置では、第２実施形態とは異なり連結部４１と溶接ビード３２とが周方向にオーバラップしているため、周方向のオーバラップ領域では、ベース板２２の中心部から外周側に向けて、フィン２３、連結部４１、リム部２５及び溶接ビード３２が連続することになる。この要因は、排ガスの熱によりスポーク部２４が半径方向に延びたときのリム部２５の外周側への撓みを若干妨げる方向に影響して熱応力の面では多少不利になるものの、フィン装置１８の剛性増加により固有振動数及び面圧応力の面では有利となる。
【００５７】
表１及び図６では、本実施形態のフィン装置１８の仕様及び試験結果を「実施形態３」として示しているが、この試験結果からも、第２実施形態に比較して、熱応力に関する特性が若干悪化するのと引き換えに、固有振動数及び面圧応力に関する特性が改善されていることが判る。このように第２実施形態と本実施形態とでは熱応力、固有振動数、面圧応力の各特性について相違はあるが、第１実施形態に比較すればフィン装置１８の破損防止効果を格段に向上できる。よって、何れの要因を重視するかに応じて、連結部４１と溶接ビード３２とのオーバラップの有無を決定すればよい。
【００５８】
特に表１及び図６から明らかなように、連結部４１と溶接ビード３２との離間距離Ｌ３を５．２mmに設定した第２実施形態、及び連結部４１と溶接ビード３２とオーバラップ距離Ｌ４を１０．７５mmに設定した第３実施形態において、際だった熱応力、固有振動数、面圧応力の各特性が得られていることを鑑みると、双方の実施形態の間で連結部４１と溶接ビード３２との位置関係を設定することが望ましい。具体的には、溶接ビード３２の長さＬ１を基準とした比率で表現すると、連結部４１と溶接ビード３２との離間距離Ｌ３の上限を２６％とし、連結部４１と溶接ビード３２とオーバラップ距離Ｌ４の上限を５４％とし、その範囲内（当然ながら、離間もオーバラップもしないＬ３＝Ｌ４＝０の場合も含む）で連結部４１と溶接ビード３２との位置関係を設定すればよい。
【００５９】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ＮＯx浄化用にＳＣＲ触媒１６を備えたディーゼルエンジン１の排気浄化装置に具体化したが、還元剤の供給を要する後処理装置を備えたエンジンであればこれに限ることはなく、例えばガソリンエンジンに適用してもよい。
また、例えば排ガス中のＮＯxを吸蔵する吸蔵型ＮＯx触媒を排気通路に備え、吸蔵したＮＯxをＮＯx触媒から放出還元するために、還元剤として燃料を排気通路内に噴射するＮＯxパージを定期的に実行する必要があるエンジンに適用してもよい。この場合には図１においてＳＣＲ触媒１６を吸蔵型ＮＯx触媒に置換し、噴射ノズル１９から尿素水に代えて燃料を噴射する構成となるが、溶接ビード３２の位置設定による作用効果は上記実施形態と同様に得られる。
【００６０】
また、上記実施形態では、全ての隣接するスポーク部２４の間に１箇所ずつ溶接ビード３２を設けたが、これに限る必要はなく、例えば隣接するスポーク部２４の間に一つおきに溶接ビード３２を設けてもよいし、各スポーク部２４の間に２箇所ずつ溶接ビード３２を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態のフィン装置とミキシング室とを排気下流側より見た分解斜視図である。
【図３】同じくフィン装置とミキシング室とを排気上流側より見た組立斜視図である。
【図４】フィン装置を排気上流側より見た部分拡大図である。
【図５】溶接ビードの詳細を示す図４のV-V線断面図である。
【図６】従来技術及び実施形態のフィン装置の仕様及び試験結果をまとめたグラフである。
【図７】第２実施形態のフィン装置とミキシング室とを排気下流側より見た分解斜視図である。
【図８】同じくフィン装置とミキシング室とを排気上流側より見た組立斜視図である。
【図９】フィン装置を排気上流側より見た部分拡大図である。
【図１０】連結部の詳細を示す図９のＡ矢視図である。
【図１１】同じく連結部の詳細を示す図９のXI−XI線断面図である。
【図１２】第３実施形態のフィン装置を排気上流側より見た部分拡大図である。
【図１３】従来技術のフィン装置を排気上流側より見た部分拡大図である。
【符号の説明】
【００６２】
１      エンジン
１２    下流側ケーシング（排気通路）
１３    ミキシング室（排気通路）
１３ａ  フランジ
１６    ＳＣＲ触媒（後処理装置）
１８    フィン装置（撹拌手段）
１９    噴射ノズル（還元剤噴射手段）
２２    ベース板
２３    フィン
２４    スポーク部
２５    リム部
２６    流通孔
３２    溶接ビード（溶接部）
４１    連結部
Ｓ      間隙
【図１】
0004787817.tif 000003
【図２】
0004787817.tif 000004
【図３】
0004787817.tif 000005
【図４】
0004787817.tif 000006
【図５】
0004787817.tif 000007
【図６】
0004787817.tif 000008
【図７】
0004787817.tif 000009
【図８】
0004787817.tif 000010
【図９】
0004787817.tif 000011
【図１０】
0004787817.tif 000012
【図１１】
0004787817.tif 000013
【図１２】
0004787817.tif 000014
【図１３】
0004787817.tif 000015