(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられ、その排気通路に較べ大径に形成されたケーシングに内蔵される排気浄化触媒と、
前記ケーシングに流れ込む排気ガス中に還元剤を供給して排気浄化触媒の排気浄化作用を促す還元剤供給手段と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記ケーシングは、前記排気浄化触媒の端面を除いてその周囲を覆うケーシング本体と、
前記排気浄化触媒の排気上流側端面を臨むケーシング本体の開口端に設けられ、排気通路に較べて大径の室内空間を形成することで、その容積変化に伴う気流の乱れによって還元剤混じりの排気ガスを排気浄化触媒の排気上流側にて撹拌および拡散させつつ排気浄化触媒に導く還元剤撹拌室と、
前記還元剤撹拌室と前記排気浄化触媒との間に配置され、複数の穿孔が設けられた隔壁と、
前記還元剤攪拌室と排気通路との接続部から前記還元剤攪拌室内へ突出し、排気通路から前記還元剤攪拌室へ排気ガスを導入する筒体と、
前記筒体の側壁に設けられた複数の穿孔と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記排気浄化触媒の排気上流側端面を臨むケーシング本体の開口端と、前記還元剤撹拌室と、を着脱自在に連結する連結部を備え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】
前記還元剤撹拌室は、排気通路との接続部を含み前記ケーシング本体の開口端に略対向して還元剤撹拌室の一壁面を形成する蓋体と、その蓋体から前記ケーシングの開口端に至る壁面を形成する周壁と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記還元剤撹拌室の内方において、その排気通路の接続部から排気浄化触媒の端面に至る軸線上には、排気通路から排気浄化触媒の端面に向かって流れ込む還元剤混じりの排気ガスを隔てることで、その還元剤混じりの排気ガスを還元剤撹拌室の外周に向かって拡散
させる拡散部材が設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記拡散部材は、前記排気浄化装置の排気上流側端面から離間して配置されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記筒体は、前記排気通路に対して着脱自在に設けられることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記還元供給手段にて還元剤たる機関燃料を供給し、その機関燃料を燃料として排気ガス中の微粒子を着火燃焼させるフィルタを、前記排気浄化触媒に替えて備えることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、より詳細には、機関運転時に排出される微粒子や窒素酸化物（ＮＯｘ）等を浄化する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関に代表される希薄燃焼式内燃機関では、煤等の微粒子や窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を低減するため種々の対策が講じられている。この対策の一つに、例えば、特開平２０００−１８０２４号公報に開示された排気浄化技術がある。
【０００３】
同公報に開示された排気浄化技術によれば、排気通路に設けられるリーンＮＯｘ触媒と、そのリーンＮＯｘ触媒に流れ込む排気ガス中に還元剤たる機関燃料を添加することでリーンＮＯｘ触媒の排気浄化作用を促進させる還元剤添加装置と、を備えて排気浄化装置を構成している。
【０００４】
なお、リーンＮＯｘ触媒は、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を主として浄化する排気浄化触媒である。より詳しくは、流入排気ガスの酸素濃度が高いときにその排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸蔵し、流入排気ガスの酸素濃度が低いときすなわちリーンＮＯｘ触媒に流れ込む排気ガスの空燃比が低いときにその吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯｘ）を、二酸化窒素（ＮＯ2）や一酸化窒素（ＮＯ）の形で排気ガス中に還元・放出し、排気ガス中に含まれている未燃燃料成分（ＣＯ、ＨＣ）と酸化反応させることで無害な水蒸気（Ｈ2Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ2）に浄化する排気浄化作用を備えている。
【０００５】
一方の還元剤添加装置は、通常、酸素過剰雰囲気下で機関燃料が行われる希薄燃焼式内燃機関において、その排気ガス中に還元剤たる機関燃料を添加することで酸素濃度の低下を促すと同時に未燃燃料成分たる炭化水素（機関燃料：ＨＣ）をリーンＮＯｘ触媒に供給して上記の排気浄化作用を促進させるものである。
【０００６】
また、近年では、リーンＮＯｘ触媒に代え、新たに排気ガス中の微粒子（例えば、煤）をも排気浄化対象とする所謂「パティキュレートフィルタ」の採用が主流となりつつある。
【０００７】
このパティキュレートフィルタは、ウォールフロー型に形成されたフィルタ上にＮＯｘ吸蔵剤（リーンＮＯｘ触媒）を兼ねる活性化酸素放出剤を担持して構成される排気浄化触媒の一種であり、リーンＮＯｘ触媒同様、パティキュレートフィルタに流れ込む排気ガス中の酸素濃度を変化させることで、活性化酸素の放出が促され、その活性化酸素の酸化力にて微粒子を強制的に酸化燃焼せしめ、輝炎を発することなく微粒子を浄化する排気浄化作用を有している。
【０００８】
このようにリーンＮＯｘ触媒やパティキュレートフィルタ等に代表される排気浄化触媒を排気通路に備える排気浄化装置においては、還元剤の添加が非常に有効であり、還元剤を添加することによって、その各々の有する排気浄化作用が積極的に促進される。すなわち、還元剤の添加と排気浄化触媒との間には密接な関係があり、還元剤添加装置にて供給した還元剤をいかに有効に作用させるかによって、排気浄化触媒の排気浄化率が決定されるといってもよい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者等の鋭意研究によれば、上記したパティキュレートフィルタ、及びリーンＮＯｘ触媒等に代表される排気浄化触媒、並びにその排気浄化作用を促す還元剤添加装置を備えた排気浄化装置について、幾つかの改善すべき点が見出された。
【００１０】
まず、改善すべき点の一つに、排気浄化触媒を収容するケーシング構造の不具合に起因した排気浄化率の低下がある。
【００１１】
通常、排気浄化触媒１０１は、図８に示されるように内燃機関の排気量との兼ね合いすなわち圧損の低減を図るために、ある程度の容量を必要とし、その容量を確保すべくケーシング１００の内径Ｌ2は、排気管１０２の内径Ｌ1に対し大径になっている。
【００１２】
このため、還元剤添加装置にて添加した還元剤は、排気管１０２を通じて排気浄化触媒１０１の中央に集中して流れ込む傾向にあり(図中矢印Ｘ参照)、排気浄化触媒全体に対し効率よく供給されていなかった。すなわち、還元剤の流れ込み量が少ない排気浄化触媒の外周部１０１ａでは、排気浄化作用の働きが緩慢になり、本来の排気浄化能を十分に発揮していなかった。
【００１３】
また、還元剤の添加時には、触媒物質の反応によって排気浄化触媒１０１の床温度が上昇するため、上記したケーシング構造では、その都合上、排気浄化触媒１０１の中央のみが過剰に昇温して熱劣化を引き起こす場合も想定される。従って、従来では排気浄化触媒中央の局所的な熱劣化を回避すべく還元剤の添加量を制限する必要があり、この点においても排気浄化率の低下を招いていた。
【００１４】
また、上記のごとく近年の排気浄化装置は、還元剤混じりの排気ガスを排気浄化触媒に流し込むことで、排気浄化率を高めている。したがって、現在の主流である酸化触媒や三元触媒に較べて排気浄化時の床温度（反応温度）は高く、上記した熱劣化などが懸念される条件下での使用を余儀なくされている。
【００１５】
このためケーシング１００が非分解式であると、目視による劣化の点検や、経年劣化に伴う排気浄化触媒１０１の交換等において不具合が生じる。
なお、一部の三元触媒では、ペレット状（粒状）の担体に触媒物質を担持させ、ケーシング腹部に設けた交換用の開口からその排気浄化触媒たるペレット状の担体を交換可能としているが、煤等の捕集・浄化を目的とするパティキュレートフィルタ等では、その機能上、ウォールフロー型などに形成せざるえず、この点においても分解整備性の向上は望まれる。
【００１６】
本発明は、上記の技術的背景を考慮しなされたもので、さらなる排気浄化率の向上や、分解整備性の向上などを図れるケーシングを備えた内燃機関の排気浄化装置を提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記した技術的課題を解決するため、本発明では、以下の構成とした。
すなわち、内燃機関の排気通路に設けられ、その排気通路に較べ大径に形成されたケーシングに内蔵される排気浄化触媒と、前記ケーシングに流れ込む排気ガス中に還元剤を供給して排気浄化触媒の排気浄化作用を促す還元剤供給手段と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記ケーシングは、前記排気浄化触媒の端面を除いてその周囲を覆うケーシング本体と、前記排気浄化触媒の排気上流側端面を臨むケーシング本体の開口端に設けられ、排気通路に較べて大径の室内空間を形成することで、その容積変化に伴う気流の乱れによって還元剤混じりの排気ガスを排気浄化触媒の排気上流側にて撹拌および拡散させつつ排気浄化触媒に導く還元剤撹拌室と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
このように構成された本発明によれば、還元剤供給手段にて供給した還元剤は、排気ガスと共に還元剤撹拌室内に流れ込み、還元剤撹拌室内の容積変化に起因した気流の乱れによって排気ガスと均一に撹拌される。また、還元剤撹拌室は、排気浄化触媒の排気上流側端面を臨むケーシング本体の開口端に設けられるため、還元剤撹拌室内にて均質化された還元剤混じりの排気ガスは、還元剤撹拌室の容積変化に起因して拡散され、排気浄化触媒の端面全域に行き渡る。従って、排気浄化触媒の広範囲で排気浄化作用が促進される。また、同時に、排気浄化触媒に対する還元剤の局所的な流れ込みが抑制され、排気浄化触媒の局所的な温度上昇が回避される。よって、還元剤の供給量を減らすことなく、排気浄化触媒の容量に応じた必要量の還元剤を適切に供給できる。
【００１９】
すなわち、本構成によれば、排気浄化触媒全域での排気浄化と、必要量の還元剤を適切に供給できるといった点などにより相乗効果が引き出され、以て、大幅な排気浄化率の向上に寄与できる。
【００２０】
また、本発明では、前記排気浄化触媒の排気上流側端面を臨むケーシング本体の開口端と、前記還元剤撹拌室と、を着脱自在に連結する連結部を備える構成としてもよい。
【００２１】
すなわち、連結部を設け、ケーシング本体と還元剤撹拌室との境界上でケーシングを分解可能としている。つまり、排気浄化触媒の排気上流側端面を臨むように分解可能とすることで、目視による端面の劣化点検を容易にする。また、ハニカム状の担体にて排気浄化触媒を構成した場合には、ケーシング本体を分解することなく、ケーシング本体の開口端側に排気浄化触媒を引き出せるため、経年劣化等に伴う排気浄化触媒の交換も容易になる。
【００２２】
また、前記還元剤撹拌室に関し、前記還元剤撹拌室は、排気通路との接続部を含み前記ケーシング本体の開口端に略対向して還元剤撹拌室の一壁面を形成する蓋体と、その蓋体から前記ケーシングの開口端に至る壁面を形成する周壁と、を備える構成としてもよい。
【００２３】
すなわち、本来のケーシング構造であれば、排気ガスの流れをスムースにするため排気通路の管径を徐々に拡大してケーシング本体に繋げる構成とするところ、本構成では、蓋体と周壁の少なくとも２面を含み還元剤撹拌室を形成することで、その還元剤撹拌室の外周に亘りに気流の淀みを生じさせる角部を形成し、その角部にて排気通路から排気浄化触媒に至る過程での気流の乱れを積極的に促進させている。
【００２４】
また、還元剤撹拌室と前記排気浄化触媒との間には、それら還元剤撹拌室と排気浄化触媒とを隔てる隔壁が設けられ、さらに、その隔壁には、複数の穿孔が設けられている構成としてもよい。
【００２５】
この場合、上記した種々の構成による還元剤の拡散や撹拌に加え、還元剤撹拌室の内圧変化に伴う撹拌効率の向上が図られる。また、還元剤混じりの排気ガスは、隔壁に設けられる複数の穿孔を通過してパティキュレートフィルタに流れ込むため、隔壁の構造によっても還元剤の拡散が図られる。
【００２６】
また、前記還元剤撹拌室の内方において、その排気通路の接続部から排気浄化触媒の端面に至る軸線上には、排気通路から排気浄化触媒の端面に向かって流れ込む還元剤混じりの排気ガスを隔てることで、その還元剤混じりの排気ガスを還元剤撹拌室の外周に向かって拡散させる拡散部材が設けられている構成としてもよい。
【００２７】
すなわち、還元剤撹拌室内での気流の乱れに起因した還元剤と排気ガスとの撹拌の前段として、拡散部材にて還元剤と排気ガスとを還元剤撹拌室内の外周に向かって積極的に拡散させる。また、排気通路を通じて流れ込む還元剤混じりの排気ガスには慣性が働くため、その排気ガスの流れを拡散部材にて隔てることで、排気浄化触媒に対する還元剤の局所的な流れ込みを抑制する。なお、拡散部材の形状は、板状、円錐形など、種々の形状を選択できる。
【００２８】
また、前記拡散部材は、前記排気浄化触媒の端面から離間して配置するのが望ましい。
【００２９】
すなわち、排気浄化装置の端面に対し、ある程度の距離を置いて拡散部材を配置すれば、その拡散部材の背後にも気流の乱れが生じる。このため還元剤と排気ガスとの撹拌が促進される。また、拡散部材の裏面側に面する排気浄化触媒の端面にも還元剤を十分に供給できる。
【００３０】
また、前記還元剤撹拌室と排気通路との接続部には、排気通路に連通する排気ガス導入用の筒体が接続され、
前記筒体の側壁には、複数の穿孔が設けられると共に、さらに筒体の排気下流側開口端は、前記拡散部材にて閉塞されている構成としてもよい。
【００３１】
本構成では、排気ガス導入用の筒体に還元剤および排気ガスが流れ込む。筒体に流れ込んだ排気ガス及び還元剤は、筒体の側壁に形成された穿孔を通じて還元剤撹拌室の径方向に拡散（分散）される。すなわち、この過程では、筒体によって還元剤と排気ガスとが均一な割合で還元剤撹拌室の径方向に拡散される。
還元剤撹拌室内に拡散した還元剤混じりの排気ガスは、筒体から還元剤撹拌室に至る際の容積変化に起因した気流の乱れによって、均一に撹拌される。更に、還元剤攪拌室内に筒体が突出しているため、筒体の周囲において圧力低下が生じて気流の乱れが促進される。すなわち、この過程では、容積変化や還元剤撹拌室内の圧力分布の偏りによって、還元剤と排気ガスとが撹拌されることとなる。
続いて、還元剤撹拌室内にて撹拌された還元剤混じりの排気ガスは、隔壁に形成された穿孔を通じて、排気浄化触媒の上流側端面全域に対し均等に供給される。なお、隔壁は、その穿孔による還元剤の拡散に加え、還元剤撹拌室内の気流の乱れを促進させる作用も有する。すなわち、排気浄化触媒へ流れ込もうとする還元剤混じりの排気ガスは、一部、隔壁にぶつかり、還元剤撹拌室内にて再度撹拌されることとなる。
このようにケーシングがケーシング本体、還元剤撹拌室、筒体、及び隔壁を備えて構成されると、上記した３つの過程を経て還元剤の拡散と撹拌が行われるため、排気浄化触媒の上流側端面全域に対して還元剤が均一に流れ込むこととなる。
その結果、排気浄化触媒全域での排気浄化が可能となり、排気浄化率を大幅に向上させる。また同時に、排気浄化触媒に対する還元剤の局所的な流れ込みが防止されるため、排気浄化触媒の局所的な温度上昇が回避される。
したがって、還元剤の供給量を減らすことなく、排気浄化触媒の容量に見合った必要量の還元剤を適切に供給することが可能となる。
【００３２】
また、前記筒体は、前記排気通路に対して着脱自在に設けるのが望ましい。
この構成では、各種内燃機関の排気量や、出力特性に合わせて、筒体の交換が可能となる。また、筒体のメンテナンス性も向上する。
【００３３】
また、前記還元供給手段にて還元剤たる機関燃料を供給し、その機関燃料を燃料として排気ガス中の微粒子を着火燃焼させるフィルタを、前記排気浄化触媒に替えて備える構成とすることもできる。
【００３４】
すなわち、本構成では還元剤として機関燃料を供給し、さらに、排気浄化触媒に替えて周知のフィルタ（ＤＰＦ：ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）をケーシング内に収容している。したがって、機関燃料の流入に伴い、フィルタ上に捕集された微粒子は着火し、ついには輝炎を発してフィルタ上で燃え尽きる。なお、本構成においても、還元剤の拡散・撹拌は重要であり、上記した種々の形態をとることで、排気浄化率が向上する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る排気浄化装置の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３６】
まず、本実施の形態では、ディーゼル機関等に代表される希薄燃焼式内燃機関１の排気系に触媒コンバータ５０、及び還元剤添加装置２０を備えて内燃機関の排気浄化装置１０を構成している。
【００３７】
触媒コンバータ５０は、ケーシング４０、及びそのケーシング４０内に設けられるパティキュレートフィルタ５０ａ、酸化触媒５０ｂを備え、機関本体から排出される排気ガス中の有害物質を浄化せしめる排気浄化能を有する。
【００３８】
ケーシング４０に内蔵されるパティキュレートフィルタ５０ａは、排気ガス中に含まれる煤などの微粒子を主として浄化せしめる排気浄化作用を備えている。より詳しくは、活性化酸素放出剤を担持したフィルタ基材５８を備え、そのフィルタ基材５８に捕集した微粒子を活性化酸素の酸化力にて酸化燃焼せしめることで除去（浄化）する排気浄化作用を備えている。
【００３９】
フィルタ基材５８単体は、図２に示されるようにコージライトのような多孔質材料から形成されたハニカム形状をなし、互いに平行をなして延びる複数個の流路５５，５６を備えている。より具体的には、下流端が栓５５ａにより閉塞された排気ガス流入通路５５と、上流端が栓５６ａにより閉塞された排気ガス流出通路５６と、を備え、各排気ガス流入通路５５及び排気ガス流出通路５６は薄肉の隔壁５７を介して該フィルタ基材５８における縦方向及び横方向に並んで配置されている。
【００４０】
また、隔壁５７の表面および内部の細孔には、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）等によって形成された担体の層が設けられ、担体上には、白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒の他、周囲に過剰酸素が存在するとその過剰酸素を吸蔵し、逆に酸素濃度が低下すると、その吸蔵した酸素を活性酸素の形で放出する活性酸素放出剤が担持されている。
【００４１】
なお、活性酸素放出剤としては、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）のようなアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類、およびセリウム（Ｃｅ）、錫（Ｓｎ）のような遷移金属から選ばれた少なくとも一つを用いるとよい。
【００４２】
また、好ましくはカルシウム（Ｃａ）よりもイオン化傾向の高いアルカリ金属又はアルカリ土類金属、即ちカリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）などを用いるとよい。
【００４３】
このように構成されたパティキュレートフィルタ５０ａでは、まず、排気ガス流入通路５５→隔壁５７→排気ガス流出通路５６の順に排気ガスが流れ（図２矢印ａ）、排気ガス中に含まれる煤などの微粒子は、その隔壁５７を通過する過程で隔壁５７の表面及び内部に捕集される。そして、隔壁５７に捕集された微粒子は、隔壁５７（フィルタ基材）に流れ込む排気ガスの酸素濃度を複数回に亘り変化させることで増加する活性化酸素によって酸化せしめられ、ついには輝炎を発することなく燃え尽きてフィルタ基材５８上から除去される。
【００４４】
また、一方の酸化触媒５０ｂは、排気ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の未燃燃焼成分を主として浄化せしめる排気浄化能を備えている。より詳しくは、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等を担体とし、その担体上にパラジウム（Ｐｂ）、又はパラジウム（Ｐｂ）＋白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒を担持してなり、排気ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）を無害な水蒸気（Ｈ2Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ2）に浄化する排気浄化作用を備えている。
【００４５】
ところで、本実施の形態に示すディーゼル機関等の希薄燃焼式内燃機関１では、通常、酸素過剰雰囲気下のもと機関燃料が行われている。このため機関燃料に伴い排出される排気ガスの酸素濃度は、上記したパティキュレートフィルタ５０ａの排気浄化作用を促す迄に低下する機会は殆どなく、パティキュレートフィルタ５０ａのみでは、その排気浄化作用が緩慢になる。
【００４６】
そこで、本実施の形態では、上述のごとく還元剤添加装置２０を排気系に備え、排気ガス中に還元剤たる機関燃料（炭化水素：ＨＣ）を噴射供給することで、排気ガスの酸素濃度を低下させ、上記の排気浄化作用を促進させている。
【００４７】
この還元剤添加装置２０は、触媒コンバータ５０上流の排気管１１に取り付けられた還元剤添加弁２１、および還元剤添加弁２１の開閉を制御する電子制御ユニット２２（ＥＣＵ）等にて構成されている。還元剤添加弁２１は、電気式の開閉弁であり、電子制御ユニット２２に準備される還元剤供給プログラムのもと、適切量の還元剤を適宜のタイミングで排気ガス中に供給している。
【００４８】
また、電子制御ユニット２２は、触媒コンバータ５０の下流に設けられた空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）２３の出力、およびパティキュレートフィルタ５０ａの排気上流側および排気下流側に設けられた排気ガス温度センサ２４ａ，２４ｂの出力、機関運転中に入力される各種運転履歴などに基づき、還元剤の添加量や添加タイミングを算出し、その算出した添加量および添加タイミングに基づき、還元剤添加弁２１の開閉を制御している。すなわち、本実施の形態では、還元剤添加装置２０及び電子制御ユニット２２等にて還元剤供給手段が構成されている。
【００４９】
ところで、パティキュレートフィルタ５０ａは、通常、内燃機関の排気量との兼ね合い、すなわち圧損の低減を図るためにある程度の容量を必要とし、その容量を確保すべくケーシング４０の内径は、排気管１１の内径に対し大径になっている。
【００５０】
このため、還元剤添加装置２０にて供給した還元剤は、パティキュレートフィルタ５０ａの中央に集中して流れ込む傾向にある。すなわち、パティキュレートフィルタ５０ａの全体に対して還元剤が効率よく供給されず、還元剤の流れ込みが少ないパティキュレートフィルタ５０ａの外周部では、排気浄化作用の働きが緩慢になる。
【００５１】
そこで本実施の形態では、パティキュレートフィルタ５０ａおよび酸化触媒５０ｂを収容するケーシング４０の排気上流側に還元剤撹拌室６０を連結し、その還元剤撹拌室６０内にて還元剤を拡散・撹拌させた後にパティキュレートフィルタ５０ａに導くことで排気浄化率の向上を図っている。
【００５２】
以下、還元剤撹拌室６０の説明を含み各種排気浄化触媒５０ａ，５０ｂを収容するケーシング４０の詳細な構造、およびケーシング４０内での還元剤の拡散・撹拌過程ついて説明する。
【００５３】
ケーシング４０は、図３に示されるように、パティキュレートフィルタ５０ａの端面を除きその周囲を覆うケーシング本体４１と、パティキュレートフィルタ５０ａの排気上流側端面を臨むケーシング本体４１の開口端４１ａに連結され、排気管１１に較べて大径の室内空間を形成することで、その容積変化に伴う気流の乱れによって還元剤混じりの排気ガスをパティキュレートフィルタ５０ａの排気上流側にて撹拌および拡散させつつパティキュレートフィルタ５０ａに導く還元剤撹拌室６０と、を備えて構成されている。
【００５４】
ケーシング本体４１は、パティキュレートフィルタ５０ａの容量を確保すべく、排気管１１の内径に対し大径に形成された円筒のスチール管等にて構成され、その内部には、排気上流側からパティキュレートフィルタ５０ａ、酸化触媒５０ｂの順に排気浄化触媒が収容されている。
【００５５】
なお、酸化触媒５０ｂの容量は、パティキュレートフィルタ５０ａに較べて十分に小さく、本実施の形態では、パティキュレートフィルタ５０ａと共に上記したケーシング本体４１内に収容することで、酸化触媒５０ｂ用のケーシング４０を省略している。また、ケーシング本体４１の排気下流は、図示しない消音器に至る排気管１１に接続している。なお、図３中４２は、排気管１１との接続部に相当するフランジである。
【００５６】
一方、ケーシング本体４１の開口端４１ａに連結する還元剤撹拌室６０は、図３に示されるようにパティキュレートフィルタ５０ａの端面を臨むケーシング本体４１の開口端４１ａに対向して配設される円形の蓋体６１と、その蓋体６１からケーシング本体４１の開口端４１ａに至る周壁６２と、を備え、機関本体から延びる排気管１１は、蓋体６１中央に設けられる排気導入パイプ６３を介して還元剤撹拌室６０に接続されている。
【００５７】
なお、蓋体６１の直径は、ケーシング本体４１の口径と同径であり、ケーシング４０の外観形状は、図１に示されるように還元剤撹拌室６０からケーシング本体４１に至る円筒形をなすこととなる。つまり、排気導入パイプ６３の周囲に還元剤撹拌室６０が形成される。また、換言すれば、排気管１１との接続部周囲に排気管１１に較べ大径の室内空間を有する還元剤撹拌室６０が形成されることとなる。
【００５８】
また、還元剤撹拌室６０の固定に関し、還元剤撹拌室６０は、フランジ６５を介してケーシング本体４１にボルト・ナット（図示せず）等を用いて着脱自在に設けられている。すなわち、還元剤撹拌室６０とケーシング本体４１とは、そのフランジ６５にて分解可能であり、分解時には、パティキュレートフィルタ５０ａの端面全体が外部に露出することとなる。また、本実施の形態では、フランジ６５にて本発明に係る連結部が構成されている。
【００５９】
また、還元剤撹拌室６０の内方に設けられる排気導入パイプ６３は、排気ガス及び還元剤の導入時に、その還元剤混じりの排気ガスを還元剤撹拌室６０の径方向に向かって積極的に拡散（分散）させるためのものである。
【００６０】
より詳しくは、図３に示されるように、フランジ６３ａを介して排気管１１に接続するパイプを蓋体６１に差し込み固定し、さらに、その先端を板状部材６３ｂにて閉蓋すると共にそのパイプ先端の周囲（側壁６３ｃ）に複数の穿孔６３ｄを設けて排気導入パイプ６３を構成している。
【００６１】
なお、還元剤撹拌室６０内に突出した排気導入パイプ６３の先端長は、還元剤撹拌室６０の奥行きに較べて十分短く、排気導入パイプ６３の先端からパティキュレートフィルタ５０ａの端面に至る距離は、十分に保たれている。また、排気導入パイプ６３の側壁６３ｃに形成される穿孔６３ｄの配置、数、直径および形状等は、内燃機関の排気量や、出力特性などを加味して決定されている。また、本実施の形態では、上記した排気導入パイプ６３の先端に設けられる板状部材６３ｂによって本発明でいう拡散部材が構成されている。
【００６２】
また、還元剤撹拌室６０の内方には、上記した排気導入パイプ６３に加え、還元剤撹拌室６０とパティキュレートフィルタ５０ａとを隔てる隔壁６４が設けられている。
【００６３】
隔壁６４は、図３に示されるように還元剤撹拌室６０の周壁６２内面側に溶接固定される円形の板であり、その表面には、複数の穿孔６４ａが設けられている。なお、穿孔６４ａの数や配置等も、上記した排気導入パイプ６３と同様、内燃機関の排気量や、出力特性などを加味して設計されている。
【００６４】
このように本実施の形態では、ケーシング本体４１、還元剤撹拌室６０、および排気導入パイプ６３、隔壁６４等を備えてケーシング４０を構成している。
【００６５】
続いて、上記した各種構成を踏まえ、ケーシング４０内での還元剤の拡散・撹拌作用について説明する。
まず、還元剤添加装置２０から供給された還元剤は、内燃機関１から排出される排気ガスと共に排気管１１内を流下し、排気導入パイプ６３を通じて還元剤撹拌室６０内に流れ込む。また、排気導入パイプ６３の先端は板状部材６３ｂにて閉蓋されているため、還元剤混じりの排気ガスは、排気導入パイプ６３からパティキュレートフィルタ５０ａの端面に至る軸線上に配置された板状部材６３ｂに一旦にぶつかり、排気導入パイプ６３の側壁６３ｃに形成された穿孔６３ｄを通じて還元剤撹拌室６０の径方向に拡散（分散）されることとなる。すなわち、この過程では、排気導入パイプ６３によって還元剤と排気ガスとが均一な割合で還元剤撹拌室６０の径方向に拡散される。
【００６６】
続いて、還元剤撹拌室６０内に拡散した還元剤混じりの排気ガスは、排気管１１から還元剤撹拌室６０に至る際の容積変化に起因した気流の乱れによって、均一に撹拌される。なお、本実施の形態では、蓋体６１及び周壁６２の二壁面にて還元剤撹拌室６０の室内空間を形成しており、上記した容積変化に起因した気流の乱れに加え、その二壁面が交わる角部６６の圧力低下によっても気流の乱れが形成される。また、同様にして、排気導入パイプ６３の先端に設けられる板状部材６３ｂの裏面側においても圧力低下が生じ、気流の乱れが促進される。すなわち、この過程では、容積変化や還元剤撹拌室６０内の圧力分布の偏りによって、還元剤と排気ガスとが積極的に撹拌されることとなる。
【００６７】
続いて、還元剤撹拌室６０内にて撹拌された還元剤混じりの排気ガスは、隔壁６４に形成された穿孔６４ａを通じて、パティキュレートフィルタ５０ａの端面全域に対しバランス良く供給される。なお、隔壁６４は、その穿孔６４ａによる還元剤の拡散に加え、上記した還元剤撹拌室６０内の気流の乱れを促進させる作用も有する。すなわち、パティキュレートフィルタ５０ａに対して流れ込もうとする還元剤混じりの排気ガスは、一部、隔壁６４にぶつかり、再度、還元剤撹拌室６０内にて撹拌されることとなる。
【００６８】
このように本実施の形態に示すケーシング４０では、計３つの過程を経て還元剤の拡散と撹拌が行われるため、パティキュレートフィルタ５０ａの端面全域に対して均一な濃度で排気ガスが流れ込むこととなる。よって、パティキュレートフィルタ５０ａ全域での排気浄化が可能となり、排気浄化率を大幅に向上させる。また同時に、パティキュレートフィルタ５０ａに対する還元剤の局所的な流れ込みが防止され、パティキュレートフィルタ５０ａの局所的な温度上昇が回避される。したがって、還元剤の供給量を減らすことなく、パティキュレートフィルタ５０ａの容量に見合った必要量の還元剤を適切に供給できる。
【００６９】
すなわち、本ケーシング構造によれば、パティキュレートフィルタ５０ａ全体での排気浄化と、必要量の還元剤を適切に供給できるといった点により相乗効果が引き出され、以て、大幅な排気浄化率の向上を達成できる。
【００７０】
また、本実施の形態に示すケーシング４０の分解整備性について説明すると、本実施形態では、フランジ６５にて還元剤撹拌室６０とケーシング本体４１とを分割できる。このため、その分解状態（還元剤撹拌室６０を取り外した状態）では、ケーシング本体４１の開口端４１ａにパティキュレートフィルタ５０ａの端面全てが露出することとなる。
【００７１】
したがって、パティキュレートフィルタ５０ａの目視点検や、パティキュレートフィルタ５０ａを手前側に引き出しての交換が可能となる。また、還元剤撹拌室６０内に付着する微粒子の除去や、排気導入パイプ６３の清掃等も可能であり、このようにパティキュレートフィルタ５０ａの排気上流側に分割線を有するように分解可能な構成とすれば、後のメンテナンスが容易になる。
【００７２】
また、本実施の形態では、上述のごとくケーシング４０内にて還元剤混じりの排気ガスの拡散、及び撹拌が促されるため、排気ガスの音響エネルギーが減衰され、排気音の低減が図られるといった効果も奏する。
【００７３】
また、上記した種々の構成は、あくまでも本発明に係る一実施例であり、その詳細は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で変更可能である。
【００７４】
例えば、排気導入パイプ６３の形状変更例として、図４〜図７に示される形状をその一例として例示できる。なお、図４、及び図５、図６は、排気導入パイプ６３の先端のみを構成する部材であり、フランジ６３ｅを介して排気導入パイプ６３の先端に着脱自在に設けられる。
【００７５】
また、各図について説明すれば、図４に示す例では、側壁６３ｃに形成する穿孔６３ｄをスリットにて構成している。また、図５に示す例では、側壁６３ｃをメッシュ状にすることで穿孔６３ｄを構成している。また、図６に示す例では、排気導入パイプ６３を閉塞する板状部材６３ｂにおいて、その中央を排気上流側に起伏させ、且つ側壁６３ｃを大きく切り欠いて開口を形成し排気ガス及び還元剤の拡散性を向上させている。
【００７６】
また、図７は、側壁６３ｃに設けられる穿孔６３ｄの形状変形例であり、側壁６３ｃに対し斜度をもって穿孔６３ｄを形成することで、還元剤及び排気ガスの拡散性を向上させている。なお、穿孔６３ｄの傾斜方向は、パイプ６３の周方向であってもよく、また、パイプ６３の前後方向であってもよい。また、穿孔６３ｄに代えて切り越し形状としてもよい。
【００７７】
また、上記した実施形態では、図３に示されるように周壁６２と蓋体６１とを合わせて直角の角部６６を形成しているが、必ずしもその必要はなく、例えば、角部６６において、鈍角、又は鋭角となるように周壁６２及び蓋体６１を合わせてもよい。
【００７８】
また、上記では排気管１１を含み、ケーシング４０や排気導入パイプ６３等を円筒形のスチール管等にて構成しているが、それらは必ずしも円筒形である必要はなく、例えば、断面四角形、断面楕円形等、その形状は種々選択可能である。すなわち、本発明で、「大径」、「径」といった記載は、必ずしも円を基準とするものではなく、その各々の形状に応じた太さを意図するものである。
【００７９】
また、上記ではディーゼル機関を例に挙げ実施形態を説明したが、上記したケーシング構造等、種々の構成は、機関運転時において煤や窒素酸化物（ＮＯｘ）等を排出する内燃機関に全般に対し広く適用可能なものである。
【００８０】
また、上記では還元剤を供給するにあたり、還元剤添加弁２１を排気管１１に設けて還元剤の供給を実施しているが、必ずしもその必要はなく、例えば、排気マニーホールドに還元剤添加弁を配置して還元剤を供給する装置構成などとしてもよい。また、還元剤添加弁を介しての還元剤供給によらず、気筒内に副噴射を実施することで排気ガス中に還元剤を供給する周知の還元剤供給技術によっても本発明に係る還元剤供給手段を構成できる。
【００８１】
また、本実施の形態では、ケーシング本体４１にパティキュレートフィルタ５０ａを内蔵して触媒コンバータを構成しているが、パティキュレートフィルタ５０ａに替え、周知の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒や、選択還元型ＮＯｘ触媒を収容した場合においても上記同様の作用や効果が得られる。
【００８２】
また、上記では、パティキュレートフィルタ５０ａ、酸化触媒５０ｂの順に排気浄化触媒を収容しているが、必ずしもその必要はなく、例えば、排気上流側に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を配置し、排気下流側にパティキュレートフィルタ５０ａを配置する組み合わせや、排気上流側に酸化触媒５０ｂ、排気下流側にパティキュレートフィルタ５０ａを配置する組み合わせなど、還元剤の供給によって排気浄化作用が促進される排気浄化触媒を含む構成であれば、その順序、排気浄化触媒の種類など、種々選択可能である。
【００８３】
また、本実施の形態では、触媒物質担持型のパティキュレートフィルタ５０ａを採用しているが、パティキュレートフィルタ５０ａに流れ込む還元剤を燃料として、フィルタ上の微粒子を着火燃焼して焼き切る触媒無担持型のパティキュレートフィルタ、所謂「ＤＰＦ：ディーゼル・パティキュレート・フィルタ」においても本発明のケーシング構造は有用である。
【００８４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、還元剤の供給手段を含み構成される排気浄化装置におけるさらなる排気浄化率の向上や、分解整備性の向上などを図れるケーシングを備えた内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る排気浄化装置の概略構成図。
【図２】本実施形態に係るパティキュレートフィルタの内部構造を示す図。
【図３】本実施形態に係るケーシングの内部構造を示す図。
【図４】本実施形態に係る排気導入パイプの先端形状に関し、その変更例を示す図。
【図５】本実施形態に係る排気導入パイプの先端形状に関し、その変更例を示す図。
【図６】本実施形態に係る排気導入パイプの先端形状に関し、その変更例を示す図。
【図７】本実施形態に係る排気導入パイプの先端形状に関し、その変更例を示す図。
【図８】従来のケーシング構造を示す図。
【符号の説明】
１  内燃機関
１０  排気浄化装置
１１  排気管
２０  還元剤添加装置
２１  還元剤添加弁
２２  電子制御ユニット
２４ａ  排気ガス温度センサ
４０  ケーシング
４１  ケーシング本体
４１ａ  ケーシング本体の開口端
４２  フランジ
５０  触媒コンバータ
５０ａ  パティキュレートフィルタ
５０ｂ  酸化触媒
５５  排気ガス流入通路
５５ａ  栓
５６  排気ガス流出通路
５６ａ  栓
５７  隔壁
５８  フィルタ基材
６０  還元剤撹拌室
６１  蓋体
６２  周壁
６３  排気導入パイプ
６３ａ  フランジ
６３ｂ  板状部材
６３ｃ  側壁
６３ｄ  穿孔
６３ｅ  フランジ
６４  隔壁
６４ａ  穿孔
６５  フランジ
６６  角部
１００  ケーシング
１０１  排気浄化触媒
１０１ａ  排気浄化触媒の外周部
１０２  排気管
Ｌ1   排気管の内径
Ｌ2   ケーシングの内径
【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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