JP2013002337A

JP2013002337A - 排気ガス後処理装置

Info

Publication number: JP2013002337A
Application number: JP2011133297A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Maeda; 昭一前田; Masanori Hatta; 真範八田; Shintaro Kawasaki; 信太郎川崎; Toru Sasaya; 亨笹谷; Atsushi Kidokoro; 敦城所; Sakutaro Hoshi; 作太郎星
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2013-01-07

Abstract

【課題】還元触媒に対して還元剤を均一な分布状態で供給することを実現した排気ガス後処理装置を提供することを目的とする。
【解決手段】排気管２には、尿素水を噴射する噴射ノズル４と、尿素水から生成されるアンモニアを用いて排気ガスに含まれるＮＯｘを浄化するＳＣＲ触媒５とが設けられている。また、噴射ノズル４とＳＣＲ触媒５との間には、通過する排気ガスの流れを所定の角度α傾かせるミキサー６が配置されており、ミキサー６とＳＣＲ触媒５とが下流側配管部１３とテーパ配管部１４とを介して順次接続されている。下流側配管部の内径Ｄ、長さＬとすると、長さＬは角度α及び内径Ｄに応じて規定されており、Ｄ／２×cotα≦Ｌ≦３／２×Ｄ×cotαを満たすように設定される。
【選択図】図２

Description

この発明は排気ガス後処理装置に係り、特に還元剤及び還元触媒を用いてディーゼルエンジンの排気ガスを浄化する装置の構成に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化する排気ガス後処理装置の一例として、尿素水を還元剤として排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する尿素選択還元システム（尿素ＳＣＲシステム）が挙げられる。例えば特許文献１に記載されているように、尿素ＳＣＲシステムは、排気管に設けられた還元触媒であるＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒の上流側で排気管内に尿素水を噴射する噴霧ノズルとを備えている。ＳＣＲ触媒は、排気管内に噴射された尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ_３）と排気ガスに含まれるＮＯｘとを反応させ、無害な窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とに還元する触媒である。

ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの還元効率を向上するためには、ＳＣＲ触媒に対してアンモニアを均一な分布状態で供給することが必要となる。そのため、特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムでは、排気ガスと尿素水とを混合して尿素水の分布を均一にするための攪拌部材を噴霧ノズルとＳＣＲ触媒との間に設けている。攪拌部材は、通過する排気ガスの流れを変化させる複数の旋回翼を有しており、これらの旋回翼で排気ガスに旋回流を与えることによって尿素水が分散される。また、攪拌部材とＳＣＲ触媒との間の距離は排気管の直径に対する比率で規定されており、上記の距離を排気管の直径の１．８倍〜６．３倍とすることにより、アンモニアの分布状態が均一になるとしている。

特開２００９−１０８７２６号公報

上述したように、特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムは、攪拌部材とＳＣＲ触媒との間の距離を排気管の直径に応じて規定したものである。ここで、特許文献１における排気管は、攪拌部材が設けられた小径部とＳＣＲ触媒が収容された大径部とをテーパ状の接続部を介して接続したものとなっており、このような場合、攪拌部材と接続部との間の距離には最適値がある。

具体的に説明すると、攪拌部材を通過する排気ガスには、小径部内において径方向外側に向かう流れが旋回翼によって与えられる。しかしながら、小径部の内周面に衝突した排気ガスは再び軸方向に沿って流れるようになるため、小径部の径方向外側に向かう排気ガスの流れは、小径部内を流通するうちに軸方向に沿った流れによって徐々に打ち消される。つまり、攪拌部材と接続部との間の距離が長すぎる場合、小径部の軸方向に沿った方向の流れが強くなりすぎるため、接続部に流入した排気ガスの流れがテーパ形状に沿って拡散されず、ＳＣＲ触媒の中央部近辺のみにアンモニアが供給されてしまうという問題が生じる。

また、通常、攪拌部材を通過した排気ガスが小径部の内周面に衝突すると、小径部の内部にはその周方向に沿った排気ガスの流れが生じ、この流れによって尿素水が排気ガス中に分散される。つまり、攪拌部材と接続部との距離が短すぎる場合、尿素水が均一に分散される前に排気ガスが小径部を通過してしまうため、ＳＣＲ触媒に対してアンモニアを均一な分布状態で供給することができないという問題が生じる。すなわち、特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムは、接続部のテーパ形状を考慮に入れて小径部の長さを規定したものではないため、ＳＣＲ触媒に供給されるアンモニアの分布状態が均一にならない場合があるという問題点を有していた。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、還元触媒に対して還元剤を均一な分布状態で供給することを実現した排気ガス後処理装置を提供することを目的とする。

この発明に係る排気ガス後処理装置は、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管と、排気管の内部に還元剤を噴射する還元剤噴射装置と、還元剤噴射装置の下流側に配置され、排気ガスと還元剤とを反応させて排気ガスを浄化する還元触媒と、互いに平行となるように配列されるとともに通過する排気ガスの流れを互いに逆向きとなる所定の角度に傾かせる複数の第１のフィン及び複数の第２のフィンを有し、還元剤噴射装置と還元触媒との間に配置される混合部材とを備え、混合部材と還元触媒とを、直線状に延びるストレート配管部、及び上流側から下流側に向かって広くなるように形成されたテーパ配管部を順次介して接続した排気ガス後処理装置において、角度をα、ストレート配管部の内径をＤ、ストレート配管部の長さをＬとしたときに、
Ｄ／２×cotα≦Ｌ≦３／２×Ｄ×cotα
を満たすことを特徴とするものである。

排気ガス中の還元剤を還元触媒に対して均一な分布状態で供給するためには、ストレート配管部を通過した排気ガスをテーパ配管部内で拡散させることが必要となる。また、そのためには、テーパ配管部内に流入する排気ガスに対し、テーパ配管部の勾配に沿った流れを与えることが有効である。そこで、本発明者らは、第１及び第２のフィンを有する混合部材を排気管に設け、これらのフィンが排気ガスの流れを傾かせる角度αと、ストレート配管部の内径Ｄとに応じて、ストレート配管部の長さＬを規定することに想到した。

混合部材の第１及び第２のフィンを通過した後にストレート配管部の内周面に衝突した排気ガスは、ストレート配管部の軸方向に沿って流れるようになる。ここで、排気ガスがストレート配管部の内周面に衝突するタイミングは通過するフィンの位置に応じて様々であるため、混合部材の下流側には、軸方向に沿った排気ガスの流れと角度α傾いた排気ガスの流れとが混在する。また、このような状態において軸方向に沿って進む排気ガスの流れは、軸方向に対して傾いた排気ガスの流れを打ち消して流れの角度αを徐々に減少させる。すなわち、上記の角度α、内径Ｄ及び距離Ｌに応じて、テーパ配管部内に流入する排気ガスの流れに所定の傾きを与えることが可能となっており、これらの変数が上記の条件式を満たす場合に、テーパ配管部の勾配に沿った流れが生じることが実験的にも確認された。したがって、この発明に係る排気ガス後処理装置によれば、還元触媒に対して還元剤を均一な分布状態で供給することが可能となる。

混合部材には、複数の第１のフィンが配列された列と複数の第２のフィンが配列された列とが一列ずつ交互に配置されてもよい。ストレート配管部内において、互いに異なる方向への排気ガスの流れが交互に隣り合って生じるため、還元剤が効率よく排気ガス中に分散される。
また、ストレート配管部は円筒状であってもよい。ストレート配管部の内周面に衝突した排気ガスに対して周方向に沿った流れが与えられるため、還元剤がさらに効率よく排気ガス中に分散される。

テーパ配管部が広がる勾配は、第１及び第２のフィンが排気ガスの流れを傾かせる角度αより小さくてもよい。
また、第１及び第２のフィンが排気ガスの流れを変化させる角度αは４５°であってもよい。

この発明によれば、排気ガス後処理装置において、還元触媒に対して還元剤を均一な分布状態で供給することが可能となる。

この発明の実施の形態に係る排気ガス後処理装置の構成を示す概略図である。実施の形態に係る排気ガス後処理装置における要部の構成を概略的に示す断面側面図である。実施の形態に係る排気ガス後処理装置における混合部材を概略的に示す斜視図であり、（ａ）は排気ガスの流通方向における下流側から見た斜視図、（ｂ）は上流側から見た斜視図である。実施の形態に係る排気ガス後処理装置においてストレート配管部の内部に生じる排気ガスの流れを説明するための概略図である。実施の形態に係る排気ガス後処理装置においてストレート配管部及びテーパ配管部の内部に生じる排気ガスの流れを説明するための概略図である。実施の形態に係る排気ガス後処理装置に関し、ストレート配管部の長さを変化させた場合におけるＣＶ値の推移を示すグラフである。

以下に、この発明の実施の形態について添付図に基づいて説明する。
図１に、この実施の形態に係る排気ガス後処理装置を備えたディーゼルエンジンの排気系の構成を概略的に示す。
内燃機関であるディーゼルエンジン１には排気管２が接続されており、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが、ディーゼルエンジン１側を上流側として排気管２の内部を流通する。排気管２の途中には、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）等を酸化する酸化触媒３が設けられている。また、酸化触媒３の下流側には、還元剤である尿素水を排気管２の内部に噴射する噴射ノズル４が設けられている。

噴射ノズル４の下流側には、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するためのＳＣＲ触媒５が設けられている。また、噴射ノズル４とＳＣＲ触媒５との間には、噴射ノズル４から噴射された尿素水を排気ガスに混合するための混合部材であるミキサー６が設けられている。ＳＣＲ触媒５は、噴射ノズル４が噴射した尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ_３）と排気ガスとを反応させてＮＯｘを浄化する触媒であり、噴射ノズル４及びＳＣＲ触媒５は、この実施の形態に係る排気ガス後処理装置において還元剤噴射装置及び還元触媒を構成する。尚、図示はされていないが、ＳＣＲ触媒５の下流側には、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタ、未反応のままＳＣＲ触媒５を通過したアンモニアを除去するスリップ触媒、排気音を低減するためのマフラ等が順次接続されている。

ここで、排気管２を図示しない車両の下部に沿わせるため、排気管２は酸化触媒３の上流側にある湾曲部２ａと下流側にある湾曲部２ｂとでそれぞれ湾曲されており、湾曲部２ｂから下流側にある排気管２が車両の下部に沿って略水平に延びている。また、排気管２と酸化触媒３との接続のため、湾曲部２ａと酸化触媒３との間、酸化触媒３と湾曲部２ｂとの間はそれぞれテーパ状に形成されており、排気管２は、酸化触媒３から湾曲部２ｂに向かってテーパ状に細くなった後、ミキサー６に向かって同一径のまま直線状に延びている。尚、噴射ノズル４は、湾曲部２ｂの上流側直前となる位置に配置されており、ミキサー６に向かって尿素水を噴射可能となっている。

噴射ノズル４には、尿素水を内部に貯留する尿素水タンク４ａと、尿素水タンク４ａ内の尿素水を噴射ノズル４に供給する尿素水添加システム４ｂとが接続管４ｃを介して接続されている。また、ＳＣＲ触媒５の上流側及び下流側には、排気ガスに含まれるＮＯｘの量を検知するＮＯｘセンサ７ａ及びＮＯｘセンサ７ｂが設けられている。尿素水添加システム４ｂ及びＮＯｘセンサ７ａ、７ｂは、ディーゼルエンジン１及び排気ガス後処理装置の動作を制御するＥＣＵ８に電気的に接続されている。ＥＣＵ８は、ＮＯｘセンサ７ａ、７ｂが検知したＮＯｘの量に基づいて尿素水の噴射量や噴射時期を決定するとともに、それに基づく信号を尿素水添加システム４ｂに出力し、噴射ノズル４による尿素水の噴射を制御する。

次に、ミキサー６及びその周辺の構成について、図２、３を用いて詳細に説明する。尚、以下の説明の便宜上、排気ガス後処理装置における上下方向及び前後方向を図２に示す各矢印によって規定する。
図２に示すように、ミキサー６は略円板形状を有する部材であって、湾曲部２ｂから下流側に向かって延びる排気管２の途中に、矢印Ａで示される排気ガスの流通方向に対して垂直となるように設けられている。また、ミキサー６の前面には、平板状の３つの分散部材１１ａ〜１１ｃが固定されており、排気ガスの流通方向に対して平行となるように上流側に向かって延びている。すなわち分散部材１１ａ〜１１ｃがミキサー６に隣接して配置されている。尚、分散部材１１ａ〜１１ｃは、噴射ノズル４によって噴射された尿素水Ｆを衝突させるための部材であり、排気ガスの流通方向に沿った長さは互いに異なるものとなっている。噴射ノズル４から噴射された尿素水Ｆは、これらの分散部材１１ａ〜１１ｃに衝突することによって微粒化され、排気管２の内部に分散される。

ミキサー６が位置する部位において、排気管２は、同一径を有する円筒状の上流側配管部１２と下流側配管部１３とに分割されており、これらの間にミキサー６の外周部が保持されている。また、ミキサー６の下流側に位置するＳＣＲ触媒５の直径は下流側配管部１３の直径より大きくなっており、下流側配管部１３とＳＣＲ触媒５とが、上流側から下流側に向かってテーパ状に広がるように形成されたテーパ配管部１４を介して接続されている。すなわち、ミキサー６とＳＣＲ触媒５とは、直線状に延びる下流側配管部１３とテーパ配管部１４とを順次介して接続されており、下流側配管部１３は、この実施の形態に係る排気ガス後処理装置におけるストレート配管部を構成している。

図３（ａ）に示すように、ミキサー６において排気管２の内部に位置する部位には、一部が繋がった台形状の切り込みを折り曲げることによって複数の第１のフィン２１と複数の第２のフィン２２とが形成されている。第１のフィン２１及び第２のフィン２２は、互いに逆向きとなる方向に折り曲げられており、第１のフィン２１は、その先端部が斜め上方側を向くように折り曲げられている。一方、第２のフィン２２は、その先端部が斜め下方側を向くように折り曲げられている。また、これらのフィン２１、２２を形成することにより、ミキサー６には前面側から後面側に貫通する複数の開口部２３が形成され、ミキサー６の上流側から流れてきた排気ガスが開口部２３を通って下流側に流通可能となっている。また、本実施の形態に係るミキサー６では、各開口部２３に対応してその上流側に矩形状パイプ部材２４（図３ｂ参照）が配置されており、分散部材１１ａ〜１１ｃを通過した排気ガスが、矩形状パイプ部材２４を介してそのまま開口部２３を通るようになっている。

上述したように、第１のフィン２１及び第２のフィン２２が折り曲げられた方向は互いに逆向きとなっているが、その角度は共通の角度α（図２参照）となっている。すなわち、ミキサー６は、ミキサー６を通過する前の排気ガスの流れ（図２の矢印Ａ参照）を、第１のフィン２１及び第２のフィン２２によって互いに逆向きとなる上下方向に角度α傾かせるものである。また、これらのフィン２１、２２の配置は、複数の第１のフィン２１を上下方向に沿って配列した列と、複数の第２のフィン２２を上下方向に沿って配列した列とを、互いに平行となるように一列ずつ交互に配置したものとなっている。尚、図３（ｂ）に示すように、ミキサー６の前面６ａには、前方側に突出する一対の支持部６ｂが接合されており、これらの支持部６ｂによって分散部材１１ａ〜１１ｃの両側部が支持されている。

図２に戻って、ミキサー６において第１のフィン２１及び第２のフィン２２が折り曲げられた角度α、すなわちこれらのフィン２１、２２が排気ガスの流れを傾かせる角度αは４５°に設定されている。また、ミキサー６とテーパ配管部１４とを接続する下流側配管部１３の内径Ｄは６６ｍｍに設定されている。このように角度α＝４５°、内径Ｄ＝６６ｍｍと設定された排気ガス後処理装置において、下流側配管部１３の長さＬは角度α及び内径Ｄに応じて規定されており、下記の（１）式を満たすように設定される。
Ｄ／２×cotα≦Ｌ≦３／２×Ｄ×cotα・・・（１）
つまり、α＝４５°、内径Ｄ＝６６ｍｍである場合、長さＬの範囲は、３３（ｍｍ）≦Ｌ≦９９（ｍｍ）となる。

また、上記の角度αが４５°である場合、すなわち、上記（１）式のcotα＝１となる場合、下流側配管部１３の長さＬは、結局、下記の（２）式を満たすように設定される。
２／Ｄ≦Ｌ≦３／２×Ｄ・・・（２）
この実施の形態に係る排気ガス後処理装置において、下流側配管部１３の長さＬは、上記（１）式及び（２）式を満たす４３ｍｍに設定されている。尚、テーパ配管部１４が下流側に向かって広がる勾配、すなわち下流側配管部１３の軸方向に対してテーパ配管部１４が広がる角度βは、上記の角度α＝４５°より小さい角度となっている。

次に、この発明の実施の形態に係る排気ガス後処理装置の動作について説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１の運転が開始されると、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが排気管２の内部を流通して酸化触媒３を通過する。酸化触媒３は、通過する排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）等を酸化するとともに、一酸化窒素（ＮＯ）の一部を二酸化窒素（ＮＯ_２）に酸化する。また、ディーゼルエンジン１の運転が開始されると、ＥＣＵ８は、尿素水添加システム４ｂに信号を出力して噴射ノズル４による尿素水の噴射を開始させる。尚、ＮＯｘセンサ７ａ、７ｂは、ＳＣＲ触媒５の上流側及び下流側におけるＮＯｘの濃度を随時検知しており、これらの検知結果に基づいて、ＥＣＵ８による噴射ノズル４の動作の制御が行われる。

図２に示すように、酸化触媒３を通過した排気ガスの流れは湾曲部２ｂで湾曲され、次いで、矢印Ａで示されるように上流側配管部１２の軸方向に沿って流通してミキサー６を通過する。また、噴射ノズル４から噴射された尿素水Ｆは、ミキサー６の前面に設けられた分散部材１１ａ〜１１ｃに衝突することによって微粒化され、排気ガス中に分散されてミキサー６を通過する。排気ガス中に分散された尿素水は、下流側に流れていく過程において排気ガスの熱で加水分解され、それによって生成されたアンモニアが排気ガスに混合された状態でＳＣＲ触媒５に供給される。また、分散部材１１ａ〜１１ｃは、これらを通過する排気ガスの熱によって加熱されているため、衝突する尿素水Ｆの加水分解をより促進することが可能となっている。

ミキサー６を通過した排気ガス及びアンモニアがＳＣＲ触媒５に供給されると、ＳＣＲ触媒５はアンモニアと排気ガスとを反応させ、排気ガスに含まれるＮＯｘを無害な窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とに還元することによって排気ガスを浄化する。次いで、ＳＣＲ触媒５を通過した排気ガスは、ＳＣＲ触媒５の下流側に設けられた図示しないフィルタ通過し、その際に排気ガスに含まれる粒子状物質が除去される。また、未反応のままＳＣＲ触媒５を通過して余剰分となったアンモニアが排気ガスに含まれている場合、フィルタの下流側に設けられた図示しないスリップ触媒が余剰分となったアンモニアを除去する。スリップ触媒を通過した排気ガスは、図示しないマフラの内部で騒音を低減された後、大気中に放出される。

以上のように排気ガスを浄化する排気ガス後処理装置において、ＳＣＲ触媒５によるＮＯｘの還元を効率よく行うためには、ＳＣＲ触媒５の全面に対してアンモニアを均一な分布状態で供給することが必要となる。そのためには、排気ガス中にアンモニアを均一に分散させること、及び排気ガスをテーパ配管部１４内で拡散させることが必要となる。ここで、図３（ａ）に示されているように、ミキサー６の第１のフィン２１及び第２のフィン２２は互いに逆向きとなる上下方向に折り曲げられており、通過する排気ガスの流れを上下方向に傾かせる。また、これらのフィン２１、２２の配置は、複数の第１のフィン２１を上下方向に沿って配列した列と、複数の第２のフィン２２を上下方向に沿って配列した列とを、互いに平行となるように一列ずつ交互に配置したものとなっている。

したがって、図４に示すように、ミキサー６（図２参照）の下流側にある下流側配管部１３の内部には、第１のフィン２１からなる列によって上方側に傾けられた排気ガスの流れ（矢印Ｂ１参照）と、第２のフィン２２からなる列によって下方側に傾けられた排気ガスの流れ（矢印Ｂ２参照）とが１列ずつ交互に隣り合って生じた状態となっている。また、下流側配管部１３は円筒状であるため、下流側配管部１３の内周面１３ａに衝突した排気ガスには、下流側配管部１３の周方向に沿った流れ（矢印Ｂ３参照）が与えられた状態となっている。つまり、ミキサー６を通過して下流側配管部１３に流入した排気ガスのうち、内周面１３ａに衝突した排気ガスには、軸方向に対して垂直となる断面内を循環するような流れが与えられており、それにより、下流側配管部１３内を流通する排気ガスに対し、アンモニアが効率よく分散される。

また、図５に示すように、ミキサー６を通過した排気ガスには、第１のフィン２１及び第２のフィン２２によって上下方向に角度α傾いた流れがそれぞれ与えられるが、矢印Ｃ１で示されるように、下流側配管部１３の内周面１３ａに衝突した排気ガスは、下流側配管部１３の軸方向に沿って直進するようになる。ここで、第１のフィン２１及び第２のフィン２２を通過した排気ガスが下流側配管部１３の内周面１３ａに衝突するタイミングは、これらのフィン２１、２２の位置に応じて様々であり、下流側配管部１３の内部には、その軸方向に沿った排気ガスの流れと、角度α傾いた排気ガスの流れとが混在している。

具体的に説明すると、第１のフィン２１の場合、最も上方側に位置する第１のフィン２１を通過した排気ガスが最も早いタイミングで内周面１３ａに衝突し（矢印Ｃ１参照）、第１のフィン２１の位置が下方側になるにつれて衝突のタイミングが遅くなる（矢印Ｃ２参照）。また、第１のフィン２１の位置がさらに下方側になると、通過した排気ガスは内周面１３ａに衝突することなく、テーパ配管部１４内に直接流入する方向（矢印Ｃ３参照）に流れる。尚、第２のフィン２２の場合も、方向が逆向きとなること以外は同様である。したがって、下流側配管部１３の軸方向に沿った排気ガスの流れ（矢印Ｃ１、Ｃ２参照）は、軸方向に対して傾いた排気ガスの流れ（矢印Ｃ３参照）と衝突し、その流れの角度αを徐々に減少させる（矢印Ｃ４参照）。

すなわち、下流側配管部１３を通過してテーパ配管部１４内に流入する排気ガスの流れの角度は、第１のフィン２１及び第２のフィン２２が排気ガスの流れを傾ける角度α、下流側配管部１３の内径Ｄ及び距離Ｌ（図２参照）に応じたものとなっており、これらが上述の（１）、（２）式を満たす場合、軸方向に沿った排気ガスの流れ（矢印Ｃ１、Ｃ２）と軸方向に対して傾いた排気ガスの流れ（矢印Ｃ３）とがバランスする。尚、角度βは角度αより小さい角度であるため、下流側配管部１３を通過した排気ガスに、テーパ配管部１４の勾配の角度βにほぼ沿った流れが与えられる。したがって、下流側配管部１３内で排気ガス中に分散されたアンモニアがテーパ配管部１４の勾配に沿って拡散されるため、ＳＣＲ触媒５に対してアンモニアを均一な分布状態で供給することが可能となる。尚、角度βが角度αより大きいと、矢印Ｃ４の流れがテーパ配管部１４の内壁面から大きく剥離し、ＮＯｘセンサ７ａの精度にも影響が出てくる。

ここで、角度αを４５°、内径Ｄを６６ｍｍとし、長さＬを変化させた場合において、ＳＣＲ触媒５に供給されるアンモニアの分布状態の推移、いわゆる面内均一性の推移を計測した結果を図６に示す。尚、排気ガスの流量は５２（ｇ／ｓ）、排気ガスの温度は４２３（℃）とした。この場合、本発明に係る排気ガス後処理装置によれば、長さＬの好適な範囲は、
３３（ｍｍ）≦Ｌ≦９９（ｍｍ）
であり、このような範囲であれば、ＣＶ値を１０％未満にすることが可能である。尚、図６は、下流側配管部１３の長さＬを横軸とし、面内均一性を示す指標の１つであるＣＶ値（変動係数：標準偏差を平均で割った数×１００）を縦軸としたグラフである。また、ＣＶ値は、ＳＣＲ触媒５に供給されるアンモニアの分布状態が均一となる場合にゼロとなり、分布状態が不均一になるにつれて上昇するものである。

図６に示されるように、下流側配管部１３の長さＬが約３０（ｍｍ）を下回ると、ＣＶ値が急激に高くなる。これは、下流側配管部１３の長さＬが短すぎるため、下流側配管部１３の内部においてアンモニアが十分に分散される前に、排気ガスがテーパ配管部１４内に流入するためである。つまり、軸方向に対して傾いた排気ガスの流れ（図５の矢印Ｃ３）が強くなり過ぎ、分散が不十分となる。一方、下流側配管部１３の長さＬが約５０（ｍｍ）を超えると、長さＬの増加に伴ってＣＶ値も徐々に高くなる。これは、長さＬの増加に伴って下流側配管部１３の軸方向に沿った方向の流れ（図５の矢印Ｃ１、Ｃ２）が強くなりすぎるため、テーパ配管部１４に流入した排気ガスがテーパ形状に沿って拡散されず、そのまま直進してＳＣＲ触媒５の中央部近辺のみに供給されてしまうためである。このように、角度α、内径Ｄ及び長さＬが上述の（１）式及び（２）式を満たす場合、ＳＣＲ触媒５に対してアンモニアが均一な分布状態で供給されることが図６からも確認できる。
尚、排気ガスの流量や流速が変化した場合も、図５に示される矢印Ｃ１〜Ｃ４等の流れの流量や流速がそれぞれ同じ割合で変化するので、その結果は図６に示されるものと同じ傾向となる。

以上に述べたように、ミキサー６とＳＣＲ触媒５とを下流側配管部１３及びテーパ配管部１４を順次介して接続した排気ガス後処理装置において、ミキサー６の第１のフィン２１及び第２のフィン２２が通過する排気ガスの流れを傾ける角度をα、下流側配管部１３の内径をＤ、長さをＬとしたときに、
Ｄ／２×cotα≦Ｌ≦３／２×Ｄ×cotα
を満たすように構成したので、下流側配管部１３を通過してテーパ配管部１４に流入した排気ガスに対し、テーパ配管部１４の勾配に沿った流れを生じさせることができる。したがって、排気ガス後処理装置において、ＳＣＲ触媒５に対してアンモニアを均一な分布状態で供給することが可能となる。

ミキサー６において、複数の第１のフィン２１が配列された列と複数の第２のフィン２２が配列された列とを一列ずつ交互に配置したので、下流側配管部１３の内部において、互いに異なる方向への排気ガスの流れが交互に隣り合って生じ、アンモニアが効率よく排気ガス中に分散される。
また、下流側配管部１３は円筒状であるため、ミキサー６を通過して下流側配管部１３の内周面１３ａに衝突した排気ガスに周方向に沿った流れが与えられ、アンモニアがさらに効率よく排気ガス中に分散される。

本実施の形態において、ミキサーの前面には平板状の３つの分散部材が設けられたが、この構成に限定するものではない。分散部材の形状や数及び設置位置は、噴射ノズルとミキサーとの位置関係に応じて適宜変更され得るものであり、例えば、１つの分散部材をミキサーから離間して配置し、排気管の内周面で支持することも可能である。また、本発明は分散部材を設けることに限定するものでもなく、例えば噴射ノズルがミキサーの全面に対して尿素水を噴射可能であれば、ミキサーのみによって尿素水が十分に分散されるため、分散部材を省略することも可能である。

本実施の形態において、ミキサーの第１のフィン及び第２のフィンは一列ずつ交互となるように配置されたが、これらのフィンの配置を限定するものではない。第１及び第２のフィンは、通過する排気ガスの流れの角度を変更可能であればよいため、例えば、第１のフィンの列と第２のフィンの列とを２列ずつ交互に配置することや、その他の配置とすることも可能である。

１ディーゼルエンジン（内燃機関）、２排気管、４噴射ノズル（還元剤噴射装置）、５ＳＣＲ触媒（還元触媒）、６ミキサー（混合部材）、１３下流側配管部（ストレート配管部）、１４テーパ配管部、２１第１のフィン、２２第２のフィン。

Claims

内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管と、
前記排気管の内部に還元剤を噴射する還元剤噴射装置と、
前記還元剤噴射装置の下流側に配置され、前記排気ガスと前記還元剤とを反応させて前記排気ガスを浄化する還元触媒と、
互いに平行となるように配列されるとともに通過する前記排気ガスの流れを互いに逆向きとなる所定の角度に傾かせる複数の第１のフィン及び複数の第２のフィンを有し、前記還元剤噴射装置と前記還元触媒との間に配置される混合部材と
を備え、
前記混合部材と前記還元触媒とを、直線状に延びるストレート配管部、及び上流側から下流側に向かって広くなるように形成されたテーパ配管部を順次介して接続した排気ガス後処理装置において、
前記角度をα、前記ストレート配管部の内径をＤ、前記ストレート配管部の長さをＬとしたときに、
Ｄ／２×cotα≦Ｌ≦３／２×Ｄ×cotα
を満たすことを特徴とする排気ガス後処理装置。
前記混合部材には、複数の前記第１のフィンが配列された列と複数の前記第２のフィンが配列された列とが一列ずつ交互に配置される請求項１に記載の排気ガス後処理装置。
前記ストレート配管部は円筒状である請求項１または２に記載の排気ガス後処理装置。
前記テーパ配管部が広がる勾配は、前記角度αより小さい請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス後処理装置。
前記角度αは４５°である請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガス後処理装置。