JP5349576B2 - 還元剤水溶液ミキシング装置及び排気ガス後処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、還元剤水溶液ミキシング装置、特に、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒との間においてフィルタと並列に配置され、排気ガス中に還元剤水溶液を添加するための還元剤水溶液ミキシング装置に関する。また、本発明は、以上の還元剤水溶液ミキシング装置を備えた排気ガス後処理装置に関する。

エンジンの排気ガスには窒素酸化物（NOｘ）が含まれている。この窒素酸化物が大気中に放出されるのを抑えるために、排気経路の途中に排気ガス後処理装置が設けられている。この排気ガス後処理装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、フィルタの排気下流側に配置され排気ガス中に尿素水溶液を添加する尿素水溶液ミキシング装置と、このミキシング装置のさらに下流側に配置され排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、を備えている。
以上の排気ガス後処理装置における尿素水溶液ミキシング装置は、排気管内に還元剤としての尿素水溶液を噴射するインジェクタを有している。インジェクタから排気管内に噴射された尿素水溶液は排気ガスと混合され、排気下流側の還元触媒に供給される。ここでは、まず、排気ガスによって尿素水溶液が熱分解されてアンモニアが得られる。そして、還元触媒では、このアンモニアを還元剤として用い、排気ガス中の窒素酸化物が還元浄化される。

このような装置においては、尿素水溶液を熱分解してアンモニアを得るために十分な反応時間が必要になり、そのためにはインジェクタと還元触媒との間に長い距離を確保する必要がある。この距離が短い場合には、排気管内に噴射された尿素水溶液は排気ガスと十分に混合されず、その一部が、外気によって冷やされた排気管の内壁に付着し、液滴となってしまう。このような排気管の内壁に付着した尿素水溶液は分解されにくい。したがって、還元触媒に供給されるアンモニアが不足するおそれがある。また、排気管の内壁で液滴となった尿素水溶液は結晶化して内壁に堆積する場合がある。

そこで、特許文献１及び２に示されるように、インジェクタの排気下流側において、排気管の内部に内管を設けて二重管構造とし、内管の内部に尿素水溶液を噴射するようにした装置が提供されている。ここでは、内管の外周部には排気ガスが流れるので、この排気ガスによって内管が加熱され、内管の内壁に尿素水溶液が液滴として付着するのを抑えることができる。

特表２００８−５０９３２８号公報 WO２００６/０２５１１０ Ａ１

特許文献１及び２に示されるように、内管の中心部において、排気流に沿った方向に尿素水溶液を噴射するためには、エアと尿素水溶液とを混合して噴射するタイプのインジェクタが必要になる。

ここで、近年、作業用車両の分野では、エア源としてのコンプレッサを廃止することが望まれている。したがって、インジェクタについても、エアを混合せずに、尿素水溶液のみを直接噴射する、いわゆるエアレスタイプのインジェクタが用いられる場合が多い。このようなエアレスタイプのインジェクタでは、特許文献１及び２に示されるように、内管の中央部に排気流に沿って尿素水溶液を噴射することはできない。

そこで、エアレスタイプのインジェクタを用いる場合は、内管が配置された二重管構造の排気上流側にエルボ管を設け、このエルボ管の湾曲部の外側にインジェクタを配置することが考えられる。このような配置では、インジェクタの噴出口が内管の入口部開口と対向することになり、インジェクタから内管に向けて、かつ排気流に沿って尿素水溶液を噴射することができる。

しかし、エルボ管の湾曲部にインジェクタを設けた場合、インジェクタの噴出口と内管の入口部とが離れてしまうので、インジェクタから噴射された尿素水溶液を効率よく内管に流入させることは困難である。また、このような構成を採用した場合、インジェクタから噴射された尿素水溶液は、エルボ管の上流側から流れてくる排気ガスの勢いによってエルボ管の内壁側に押されることになる。エルボ管は外気によって冷やされているので、エルボ管の内壁に衝突した尿素水溶液は液滴として付着するおそれがある。

本発明の課題は、尿素水溶液等の還元剤水溶液のみを排気管内に直接噴射するインジェクタを使用した還元剤水溶液ミキシング装置において、インジェクタから噴射された還元剤水溶液を効率よく内管に導くことができ、またインジェクタが装着された部分の排気管の内壁に還元剤水溶液が付着するのを抑えることにある。

第１発明に係る還元剤水溶液ミキシング装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒との間に配置され、排気ガス中に還元剤水溶液を添加するための装置であって、排気管と、インジェクタと、内管と、筒状の案内部材と、を備えている。排気管は、湾曲部を有するエルボ部と、エルボ部の排気下流側に設けられた直線部と、を有する。インジェクタは、エルボ部の湾曲部外側に設けられ、空気が混合されていない還元剤水溶液のみを直線部に向かってエルボ部内部に噴射する。内管は、インジェクタの排気下流側に、排気上流側の入口部開口がインジェクタに対向しかつ外周面が直線部の内壁との間に間隔をあけて配置され、内部及び外周部を排気ガスが流通可能である。筒状の案内部材はインジェクタから噴射された還元剤水溶液を内管に導く。

この装置では、上流側から流れてきた排気ガスは、エルボ部を介して内管が設けられた直線部に流入する。エルボ部では、内管に向かってインジェクタから還元剤水溶液が噴射される。この噴射された還元剤水溶液は案内部材に案内されて内管に導かれる。

ここでは、インジェクタから噴射された還元剤水溶液を、効率よく内管に導くことができる。したがって、還元剤水溶液がエルボ部の内壁に付着するのを抑えることができる。

第２発明に係る還元剤水溶液ミキシング装置は、第１発明の装置において、案内部材は、インジェクタから噴射される還元剤水溶液の周囲を覆うように配置され、外周面に複数の開口を有するミキシングパイプである。

ここでは、エルボ部に流れてきた排気ガスは、ミキシングパイプの外周面の開口を通過してミキシングパイプの内部に流入する。ミキシングパイプの内部には、インジェクタから還元剤水溶液が噴射されており、したがってミキシングパイプの内部において排気ガスと還元剤水溶液とが混合される。このミキシングパイプで混合された排気ガス及び還元剤水溶液は、下流側の内管に流入する。内管は外周部を流れる排気ガスによって加熱されており、内管の内壁に還元剤水溶液が付着しても、蒸発してアンモニアに変換される。このため、排気管及び内管の内壁に還元剤水溶液が付着するのを抑えることができる。

第３発明に係る還元剤水溶液ミキシング装置は、第２発明の装置において、ミキシングパイプは、排気流下流側の出口部が排気管の内壁との間に間隔を有するように配置されている。そして、出口部と排気管の内壁との間には、ミキシングパイプの外周部の排気ガスを内管に導く流通部が形成されている。

ここで、排気管の内部にミキシングパイプや内管等の部材を配置する場合、流路抵抗が大きくならないようにする必要がある。排気ガスがミキシングパイプを通過する際の流路抵抗が大きくなると、エンジンの背圧が高くなり、燃費の悪化につながる。

そこでこの第３発明では、ミキシングパイプの出口部と排気管の内壁との間に間隔を確保し、ミキシングパイプの外周部の排気ガスを内管に導く流通部が形成されている。このような構成では、排気管の流路抵抗が小さくなり、エンジンの背圧が抑えられ、燃費の悪化を防止できる。

第４発明に係る還元剤水溶液ミキシング装置は、第３発明の装置において、ミキシングパイプは、出口部とは逆側の端部がエルボ部の直線部と対向する壁に支持されている。

このようなミキシングパイプの支持構造では、ミキシングパイプの出口部近傍を排気管に対して支持する必要がない。すなわち、ミキシングパイプの出口部と排気管内壁との間の流通部に、排気ガスの流通を妨げる部材を設ける必要がない。したがって、排気管の流路抵抗をより小さくすることができる。

第５発明に係る還元剤水溶液ミキシング装置は、第２から第４発明のいずれかの装置において、ミキシングパイプの複数の開口は、ミキシングパイプの円周方向の一部の角度領域にのみ形成されている。

ここでは、ミキシングパイプの開口は外周面のうちの一部にのみ形成されているので、この開口を通過して内部に取り込まれた排気ガスは、一定の流れを形成することになる。したがって、この排気ガスの流れによって、排気ガスと還元剤水溶液の混合及び還元剤水溶液の分解が促進される。

第６発明に係る還元剤水溶液ミキシング装置は、第５発明の装置において、ミキシングパイプの複数の開口は、ミキシングパイプの外周を、９０°間隔で円周方向に順に第１領域、第２領域、第３領域、第４領域に４等分した場合、第１領域及び第３領域にのみ、あるいは第２領域及び第４領域にのみ形成されている。

ここでは、第５発明と同様に、ミキシングパイプ内部の排気ガスは一定の流れを形成するので、排気ガスと還元剤水溶液の混合及び還元剤水溶液の分解が促進される。

第７発明に係る還元剤水溶液ミキシング装置は、第２から第６発明のいずれかの装置において、内管の入口部の内径はミキシングパイプの出口部の内径より大きい。

ここでは、ミキシングパイプの内部で混合された排気ガスと還元剤水溶液とが内管にス
ムーズに流れ込む。また、ミキシングパイプの外周の流通部を通過した排気ガスも内管に流れ込みやすくなる。

第８発明に係る還元剤水溶液ミキシング装置は、第７発明の装置において、ミキシングパイプ及び内管は、ミキシングパイプの出口部開口と内管の入口部開口がインジェクタの噴射角度範囲を内包するように配置されている。

ここでは、ミキシングパイプの出口部開口が、噴射された還元剤水溶液の拡散範囲より広くなるので、噴射された還元剤水溶液がミキシングパイプの内壁に直接衝突するのが防止される。したがって、ミキシングパイプの内壁に還元剤水溶液が液滴として付着するのを抑えることができる。また、内管の入口部の開口が還元剤水溶液の拡散範囲より広いので、噴射された還元剤水溶液を効率良く内管内部に取り込むことができる。

第９発明に係る還元剤水溶液ミキシング装置は、第１から第８発明のいずれかの装置において、排気流に沿った方向の１個所で、内管の外周部の円周方向の複数箇所を排気管に支持するための支持部を有する支持部材をさらに備えている。そして、支持部材と内管の外周面との間の支持部以外の領域は排気ガスが流通可能であり、内管の外周面には開口が形成されていない。

ここでは、内管の外周部が支持部材の支持部によって排気管に支持されている。そして、内管外周において、支持部以外の領域を排気ガスがスムーズに流れる。また、内管の外周面には開口が形成されていないので、内管外周を十分な量の排気ガスが流れることになり、内管は効率良く加熱される。

第１０発明に係る還元剤水溶液ミキシング装置は、第１から第８発明のいずれかの装置において、内管の出口部を排気管に支持するとともに、内管の外周面と排気管の内壁との間の排気ガスの流通を規制する支持部材をさらに備えている。そして、内管の出口部の外周面には、複数の開口が形成されている。

ここでは、内管の出口部は支持部材によって排気ガスの流通が規制される。したがって、内管外周部の排気ガスは、出口部近傍で、内管の外周面の開口を通して内部に流れ込む。このため、内管の出口部分で排気ガスと還元剤水溶液とがさらに混合される。このため、還元剤水溶液の分解がより促進される。

第１１発明に係る還元剤水溶液ミキシング装置は、第２から第１０発明のいずれかの装置において、ミキシングパイプと内管とは同軸に配置されている。

ここでは、ミキシングパイプで混合された排気ガスと還元剤水溶液とがスムーズに内管に流れ込む。
第１２発明に係る排気ガス後処理装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、フィルタの排気下流側においてフィルタと並列に配置された第１から第１１発明のいずれかの還元剤水溶液ミキシング装置と、還元剤水溶液ミキシング装置の排気下流側に配置され排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、を備えている。
第１３発明に係る排気ガス後処理装置は、第１１発明の装置において、還元触媒は還元剤水溶液ミキシング装置と並列に配置されている。

以上のような本発明では、還元剤水溶液のみを排気管内に直接噴射するインジェクタを使用した還元剤水溶液ミキシング装置において、インジェクタから噴射された還元剤水溶液を効率よく内管に導くことができ、またインジェクタが装着された部分の排気管の内壁に還元剤水溶液が付着するのを抑えることができる。

本発明の一実施形態による排気ガス後処理装置の構成図。 本発明の一実施形態による尿素水溶液ミキシング装置の断面構成図。 フランジの正面図。 ミキシングパイプ及びその取付構造を示す図。 図４の右側面図。 インジェクタの噴射角度、ミキシングパイプ、及び内管の配置を説明するための図。 排気管内の排気ガスの流れを示す図。 ミキシングパイプ内部の排気ガスの流れを示す図。 本発明の他の実施形態の図２に相当する図。 本発明のさらに他の実施形態によるミキシングパイプを示す図。

［全体構成］
図１は本発明の一実施形態による排気ガス後処理装置１の構成図である。この排気ガス後処理装置１は、排気上流側（以下、単に「上流側」と記す）から順に、ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ（Diesel particulate filter：以下、「ＤＰＦ」と記す）１Ａと、尿素水溶液ミキシング装置１Ｂと、窒素酸化物還元触媒（以下、「ＳＣＲ」と記す）１Ｃと、を備えている。これらの各装置は、図示しないディーゼルエンジンから排気マニホールドを介して排出される排気ガスが流通する排気管の途中に設けられている。

ＤＰＦ１Ａは、排気ガス中の粒子状物質を捕集するものであり、ケース４Ａの内部に収納されている。

尿素水溶液ミキシング装置１Ｂは、排気ガス中に還元剤としての尿素水溶液を添加するものである。添加された尿素水溶液は加水分解されてアンモニアとなり、アンモニアは排気ガスとともに接続管２を介してＳＣＲ１Ｃに供給される。なお、尿素水溶液ミキシング装置１Ｂについては、後に詳細に説明する。

ＳＣＲ１Ｃは、尿素水溶液ミキシング装置１Ｂからのアンモニアが還元剤として使用されて、排気ガス中の窒素酸化物が還元浄化される。このＳＣＲ１Ｃはケース４Ｃの内部に収納されている。

ＤＰＦ１Ａを収納するケース４Ａ、尿素水溶液ミキシング装置１Ｂ、及びＳＣＲ１Ｃを収納するケース４Ｃは、それぞれ並列に配置されている。そして、ケース４Ａの排気下流側（以下、単に「下流側」と記す）の端部と尿素水溶液ミキシング装置１Ｂの上流側端部とが連結され、尿素水溶液ミキシング装置１Ｂの下流側端部とケース４Ｃの上流側端部とが、湾曲する接続管２によって接続されている。

以上のように、ケース４Ａ、尿素水溶液ミキシング装置１Ｂ、及びケース４Ｃは、Ｓ字状に配置され、全体としてコンパクトな排気ガス後処理装置が構成されている。なお、ケース４Ａ内部において、ＤＰＦ１Ａの上流側に、排気ガス中の未燃燃料分を酸化処理する酸化触媒を設けてもよい。また、ケース４Ｃ内部において、ＳＣＲ１Ｃの下流側に、余剰のアンモニアを酸化処理するアンモニア低減触媒を設けてもよい。

［尿素水溶液ミキシング装置］
図２に本発明の一実施形態による尿素水溶液ミキシング装置１Ｂの構成を示している。尿素水溶液ミキシング装置１Ｂは、前述のように、ＤＰＦ１ＡとＳＣＲ１Ｃとの間に配置されている。なお、図１では、尿素水溶液ミキシング装置１Ｂの下流側に接続された接続管２も含めて示している。

尿素水溶液ミキシング装置１Ｂは、排気管４Ｂと、尿素水溶液を噴射するインジェクタ５と、ミキシングパイプ６と、内管７と、を有している。

［排気管］
排気管４Ｂは、排気上流側（以下、単に「上流側」と記す）に配置されたエルボ部１０と、エルボ部１０の下流側に配置された直線部１１と、を有している。エルボ部１０及び直線部１１はともに円筒状に形成されている。

エルボ部１０は、図２で示すｘ方向（上流側において排気ガスが流れる方向）から流れてきた排気ガスをｘ方向と直交するｙ方向に流すための接続管である。エルボ部１０は湾曲部１０ａを有している。湾曲部１０ａの外側部分には、ｘ方向に沿った平面で形成された取付部１０ｂが形成されている。すなわち、取付部１０ｂは直線部１１の入口部開口と対向している。また、エルボ部１０の上流側端部及び下流側端部には、それぞれ接続用のフランジ部１０ｃ，１０ｄが形成されている。なお、各フランジ部１０ｃ，１０ｄには、接続用のボルトが装着される孔が形成されている。

直線部１１はｙ方向に沿って延びる直線状の管である。直線部１１の上流側端部には接続及び支持用のフランジ（支持部材）１２が溶接され、下流側端部には接続管２を接続するための環状のアダプタ１３が溶接されている。

フランジ１２は、図３に示すように、矩形状のプレート部材である。フランジ１２の４つの角部には、エルボ部１０のフランジ部１０ｄと接続するためのボルトが装着される孔１２ａが形成されている。また、フランジ１２の中央部には、直線部１１の内径と同径の孔１２ｂが形成されている。さらに、この孔１２ｂに外周側から中心部に向かって突出するように、４つの同じ形状の支持突起１２ｃが設けられている。４つの支持突起１２ｃは等角度間隔で配置されている。

このようなフランジ１２をボルトによってエルボ部１０のフランジ部１０ｄに固定することにより、エルボ部１０と直線部１１とが連結される。

［インジェクタ］
インジェクタ５は、エルボ部１０の湾曲部１０ａの外側部分において、ミキシングパイプ６とともに取付部１０ｂに装着されている。この取付構造の詳細は後述する。インジェクタ５は、先端の噴出口から尿素水溶液のみをエアと混合することなく直線部１１に向かってミキシングパイプ６の内部に噴射する。この実施形態に用いられるインジェクタ５は、噴射角度が２５°であり、このインジェクタ５の噴出口の中心は、排気管４Ｂの直線部１１の中心軸ＣＬの延長線上に位置している。

［ミキシングパイプ］
ミキシングパイプ６は、このミキシングパイプ６をエルボ部１０に固定するための部材等とサブユニット化されている。このサブユニットを図４及び図５に示す。なお、図５は図４の右側面図である。

ミキシングパイプ６は、円筒状であり、中心軸は直線部１１の中心軸ＣＬと同軸である。ミキシングパイプ６は、エルボ部１０においてインジェクタ５からの尿素水溶液が内部に噴射される位置に配置されている。すなわち、ミキシングパイプ６はインジェクタ５から噴射される尿素水溶液の周囲を覆うように配置されている。ミキシングパイプ６の外表面には、複数の開口６ａが形成されている。この複数の開口６ａは、図５に示すように、ミキシングパイプ６の外周を、９０°間隔で円周方向に順に第１領域Ａ、第２領域Ｂ、第３領域Ｃ、第４領域Ｄに４等分した場合、第２領域Ｂ及び第４領域Ｄにのみ形成されている。

ミキシングパイプ６の出口部と逆側の上流側端部（図２及び図４において左側の端部）には、第１プレート１５が溶接により固定されている。第１プレート１５は、図５に示すように、外形が各辺に曲線部を有する概略三角形状であり、パイプ固定部１５ａと、装着部１５ｂと、案内部１５ｃと、を有している。パイプ固定部１５ａにはミキシングパイプ６の端部が溶接により固定されている。装着部１５ｂは、パイプ固定部１５ａの外周側においてパイプ固定部１５ａと段違いで形成され、エルボ部１０の取付部１０ｂにボルトにより取り付けられる。また、案内部１５ｃは、パイプ固定部１５ａの中央部に形成されており、パイプ固定部１５ａから外側に離れるにしたがって小径となるテーパ状に形成されている。なお、案内部１５ｃのパイプ固定部１５ａと逆側の端部には開口が形成されている。

第１プレート１５のミキシングパイプ６と逆側には、凹部１５ｄが形成されている。この凹部１５ｄに第２プレート１６が嵌め込まれて溶接により固定されている。第２プレート１６は、円板状であり、中央部にインジェクタ５の噴出口が配置される孔１６ａが形成されている。また、第２プレート１６には、複数のネジ孔１６ｂが形成されており、このネジ孔１６ｂを介してインジェクタ５が第２プレート１６に支持されている。

［内管］
内管７は、図２及び図３に示すように、円筒状に形成され、外周面はフランジ１２の支持突起１２ｃの先端によって支持されており、これらは溶接されて固定されている。これにより、内管７は、ミキシングパイプ６の下流側において、直線部１１の内壁との間に間隔をあけて配置されている。すなわち、内管７と直線部１１によって二重管が形成されている。また、内管７の内径はミキシングパイプ６の外径よりも大きく、内管７はミキシングパイプ６の出口部から所定の距離離れて配置されている。

なお、内管７の外周面には開口やスリット等は形成されていない。したがって、内管７の外周部と内周部との間で排気ガスが流通することはない。

［各構成部材の配置について］
図６を用いて、インジェクタ５（尿素水溶液の噴射角度）と、ミキシングパイプ６と、内管７と、エルボ部１０及び直線部１１を含む排気管４Ｂとの位置関係を詳細に説明する。ここで、前述のように、ミキシングパイプ６と内管７とは同軸上に配置されており、インジェクタ５の噴出口は、これらの中心軸ＣＬの延長線上に位置しており、内管７の入口部開口と対向している。

まず、ミキシングパイプ６の出口部（下流側端部で、図６において右側端部）とエルボ部１０の内壁との間には間隔が存在している。ミキシングパイプ６は出口部と逆側の端部でのみエルボ部１０に支持されているので、この空間にはミキシングパイプ６を支持するための部材は設けられていない。すなわち、排気ガスの流通を妨げる部材等が存在しない環状の流通部２０が形成されている。したがって、上流側から流れてきた排気ガスは、この流通部２０を介して、ミキシングパイプ６の内部を通過せずに内管７側に流通することが可能である。

また、ミキシングパイプ６の出口部と内管７の入口部との間にはｙ方向に所定の間隔Ｌが設けられている。しかも、内管７の入口部の内径ｄｉはミキシングパイプ６の出口部の内径ｄｍより大きい。

以上のような配置及び寸法関係によって、インジェクタ５の噴射角度範囲（図６の角度α（本実施形態では２５°）の内側の範囲）は、ミキシングパイプ６の出口部開口と内管７の入口部開口よりも狭い範囲となっている。すなわち、ミキシングパイプ６の出口部開口と内管７の入口部開口は、インジェクタ５の噴射角度範囲を内包している。

［動作］
エンジンの稼働時には、排気ガスが排気マニホールドを介して排気管に排出される。この排気ガスは、エルボ部１０に流れてくる。エルボ部１０に流入してきた排気ガスは、図７の矢印Ｇ１で示すように、ミキシングパイプ６の外周面の開口６ａを通過してミキシングパイプ６の内部に流入する。また、排気ガスは、図７の矢印Ｇ２で示すように、ミキシングパイプ６の外周面とエルボ部１０の内壁との間に形成された流通部２０を通過して内管７に導かれる。

一方、インジェクタ５からは尿素水溶液がミキシングパイプ６の内部に向かって噴射される。このとき、尿素水溶液が噴射される範囲は、ミキシングパイプ６の中心軸を中心とした２５°の範囲である。

ここで、上流側からの排気ガスは、尿素水溶液が噴射された領域に向かって流れてくる。しかし、尿素水溶液はミキシングパイプ６の内部に向かって噴射され、排気ガスはミキシングパイプ６の開口６ａを通過して内部に流れ込むので、噴射された尿素水溶液は排気ガスによって影響を受けにくい。このため、ミキシングパイプ６に対向するエルボ部１０の内壁（特に図７の領域１０ｅ）に尿素水溶液が付着するのが抑えられる。

また、排気ガスがミキシングパイプ６の開口６ａを通過して内部に流れ込む際に、開口６ａが第２領域Ｂと第４領域Ｄにしか形成されていないので、これらの開口６ａを通過した排気ガスは、ミキシングパイプ６の内部で図８に示すような旋回流となる。この排気ガスの旋回流によって、排気ガスと尿素水溶液との混合が促進され、尿素水溶液の微細化が促進されることになる。

以上のようにして、内管７には、ミキシングパイプ６で尿素水溶液が添加された排気ガス及び流通部２０を通過した排気ガスが流入する。内管７の外周部、すなわち内管７の外周面と排気管４Ｂの内壁との間の空間には、主に流通部２０を通過した排気ガスが下流側に向かって流れ、これにより内管７は加熱される。また、内管７の内部では、尿素水溶液は排気ガスの熱及び排気ガス中の水蒸気によって加水分解されてアンモニアとなる。

ここで、尿素水溶液が内管７の内壁に付着するが、前述のように、内管７はその外周部を通過する排気ガスによって加熱されているので、反応が促進されて、内管７への尿素水溶液の付着が抑えられる。

以上のようにして生成されたアンモニアは、排気ガスとともにＳＣＲに供給される。そして、この還元触媒においては、アンモニアが還元剤として使用されて、排気ガス中の窒素酸化物が還元浄化される。

［特徴］
（１）尿素水溶液はミキシングパイプ６の内部に噴射され、排気ガスはミキシングパイプ６の開口６ａを通過してミキシングパイプ６の内部に流入する。したがって、尿素水溶液がエルボ部１０の内壁に付着するのが抑えられる。

（２）ミキシングパイプ６の開口６ａは外周面の一部の領域にのみ形成されているので、開口６ａを通過してミキシングパイプ６の内部に流入した排気ガスは旋回流となる。この排気ガスの旋回流によって、インジェクタ５から噴射された尿素水溶液が良好に分散されてミキシングパイプの内部で微細化が促進される。したがって、排気ガスと尿素水溶液とが均一に混合される。

（３）尿素水溶液が添加された排気ガスは、排気ガスによって加熱された内管７を通過するので、尿素水溶液が内管７の内壁に付着し、堆積するのを抑えることができる。

（４）ミキシングパイプ６の出口部の外周部には流通部２０が形成されており、上流側から流れてきた排気ガスは、ミキシングパイプ６に流入するとともに、この流通部２０を通過して内管７に導かれる。したがって、排気管４Ｂ内における排気ガスの流路抵抗が小さくなり、エンジンの背圧が抑えられる。

（５）ミキシングパイプ６は、出口部と逆側の端部のみでエルボ部１０に支持されており、出口部外周の流通部２０には排気ガスの流れを妨げる部材等が存在しない。したがって、排気管４Ｂ内部の流路抵抗をより小さくすることができる。

（６）ミキシングパイプ６の出口部と内管７の入口部との間には排気流に沿った方向に所定の間隔が設けられ、内管７の入口部はミキシングパイプ６の出口部の径より大きい。さらに、ミキシングパイプ６の出口部開口と内管７の入口部開口がインジェクタ５から噴射される尿素水溶液の噴射角度範囲を内包している。したがって、排気ガスが内管７に流れ込みやすく、しかもインジェクタ５から噴射された尿素水溶液がミキシングパイプ６の内壁に直接衝突するのが防止され、また、噴射された尿素水溶液を効率良く内管７の内部に取り込むことができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

（ａ）図９に別の実施形態を示す。この図９に示す実施形態は、内管及びその支持構造と、排気管のエルボ部と直線部の接続構造のみが先の実施形態と異なり、他の構成は先の実施形態と同様である。

この実施形態における排気管２４は、エルボ部２５と直線部２６とから構成されている。エルボ部２５は、直線部２６との接続部の構造が異なっているが、他の構成は先の実施形態のエルボ部１０と同様である。直線部２６は、上流側の端部に、上流側に行くにしたがって径が拡がるフランジ部２６ａを有している。エルボ部２５の下流側の端部には、環状の部材やガスケットからなるフランジユニット２７が設けられている。そして、直線部２６のフランジ部２６ａがエルボ部２５のフランジユニット２７に連結されている。また、直線部２６の排気流に沿った長手方向のほぼ中間部には、内周側に凹む４つの支持用凹部２６ｂが形成されている。

内管３０は、円筒状に形成され、長手方向のほぼ中間部の外周面が直線部２６の４つの支持用凹部２６ｂに当接している。また、内管３０の出口側端部の外周面が、環状の支持部材３１によって直線部２６に支持されている。支持部材３１は内管３０の出口側端部の外周面にスポット溶接により固定されている。したがって、内管３０の外周を流れる排気ガスは、この支持部材３１によって流れが規制される。なお、ここでの「規制」とは、内管３０の外周部を流れるすべての排気ガスを遮断する場合と、少量の排気ガスの通過を許容する場合とを含む。

また、内管３０の出口側の端部には、支持部材３１が設けられている領域を除いて上流側に所定の範囲にわたって、開口３０ａが形成されている。

このような実施形態では、内管３０の外周部を流れる排気ガスは、内管３０を加熱した後、支持部材３１によってその流れが規制される。そして、支持部材３１によって遮断された排気ガスは、内管３０の開口３０ａを通過して内管３０の内部に導かれる。そして、内管３０の出口部分で、再度尿素水溶液と混合される。

このような実施形態では、先の実施形態と同様の作用効果に加えて、排気ガスと尿素水溶液とをより効率良く混合させることができる。

（ｂ）ミキシングパイプの形状、開口が形成される領域は、前記実施形態に限定されない。

例えば、図１０に示すように、ミキシングパイプ６’の形状を、噴射方向の下流側に向かって径が大きくなるようなテーパ状にしてもよい。この場合は、インジェクタ５から噴射された尿素水溶液がミキシングパイプ６’の内壁に付着するのを抑えることができる。

また、前記実施形態では、図５に示すように、ミキシングパイプ６の第２領域Ｂ及び第４領域Ｄに開口６ａを形成したが、互いに対向する第１領域Ａ及び第３領域Ｃに開口を形成してもよい。さらに、４つの領域のうちの１つの領域にのみ開口を形成してもよい。開口が形成される各領域は９０°の範囲に限定されない。例えば、９０°未満の角度、あるいは９０°を越える角度の範囲にわたる領域に開口を形成してもよい。

（ｃ）前記実施形態では、還元剤として尿素水溶液を用いたが、他の還元剤を用いる場合でも本発明を同様に適用することができる。

１ 排気ガス後処理装置
１Ａ ＤＰＦ
１Ｂ 尿素水溶液ミキシング装置
１Ｃ ＳＣＲ
４，２４ 排気管
５ インジェクタ
６，６’ ミキシングパイプ
６ａ 開口
７，３０ 内管
３０ａ 内管の開口
１０，２５ エルボ部
１０ａ 湾曲部
１１，２６ 直線部
１２ フランジ（支持部材）
１２ｃ 支持突起
２０ 流通部
２６ｂ 支持用凹部
Ｂ，Ｄ 開口６ａが形成された領域

Claims (13)

1. 排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒との間に配置され、排気ガス中に還元剤水溶液を添加するための還元剤水溶液ミキシング装置であって、
   湾曲部を有するエルボ部と、前記エルボ部の排気下流側に設けられた直線部と、を有する排気管と、
   前記エルボ部の湾曲部外側に設けられ、空気が混合されていない還元剤水溶液のみを前記直線部に向かって前記エルボ部内部に噴射するインジェクタと、
   前記インジェクタの排気下流側に、排気上流側の入口部開口が前記インジェクタに対向しかつ外周面が前記直線部の内壁との間に間隔をあけて配置され、内部及び外周部を排気ガスが流通可能な内管と、
   前記インジェクタから噴射された還元剤水溶液を前記内管に導くための筒状の案内部材と、
   を備えた還元剤水溶液ミキシング装置。
2. 前記案内部材は、前記インジェクタから噴射される還元剤水溶液の周囲を覆うように配置され、外周面に複数の開口を有するミキシングパイプである、請求項１に記載の還元剤水溶液ミキシング装置。
3. 前記ミキシングパイプは、排気下流側の出口部が前記排気管の内壁との間に間隔を有するように配置され、
   前記出口部と前記排気管の内壁との間には、前記ミキシングパイプの外周部の排気ガスを前記内管に導く流通部が形成されている、
   請求項２に記載の還元剤水溶液ミキシング装置。
4. 前記ミキシングパイプは、前記出口部とは逆側の端部が前記エルボ部の前記直線部と対向する壁に固定されている、請求項３に記載の還元剤水溶液ミキシング装置。
5. 前記ミキシングパイプの複数の開口は、前記ミキシングパイプの円周方向の一部の角度領域にのみ形成されている、請求項２から４のいずれかに記載の還元剤水溶液ミキシング装置。
6. 前記ミキシングパイプの複数の開口は、前記ミキシングパイプの外周を、９０°間隔で円周方向に順に第１領域、第２領域、第３領域、第４領域に４等分した場合、第１領域及び第３領域にのみ、あるいは第２領域及び第４領域にのみ形成されている、請求項５に記載の還元剤水溶液ミキシング装置。
7. 前記内管の入口部の内径は前記ミキシングパイプの出口部の内径より大きい、請求項２から６のいずれかに記載の還元剤水溶液ミキシング装置。
8. 前記ミキシングパイプ及び前記内管は、前記ミキシングパイプの出口部開口と前記内管の入口部開口が前記インジェクタの噴射角度範囲を内包するように配置されている、請求項７に記載の還元剤水溶液ミキシング装置。
9. 排気流に沿った方向の１個所で、前記内管の外周部の円周方向の複数箇所を前記排気管に支持するための支持部を有する支持部材をさらに備え、
   前記支持部材と前記内管の外周面との間の前記支持部以外の領域は排気ガスが流通可能であり、
   前記内管の外周面には開口が形成されていない、
   請求項１から８のいずれかに記載の還元剤水溶液ミキシング装置。
10. 前記内管の出口部を前記排気管に支持するとともに、前記内管の外周面と前記排気管の内壁との間の排気ガスの流通を規制する支持部材をさらに備え、
    前記内管の出口部の外周面には、複数の開口が形成されている、
    請求項１から８のいずれかに記載の還元剤水溶液ミキシング装置。
11. 前記ミキシングパイプと前記内管とは同軸に配置されている、請求項２から１０のいずれかに記載の還元剤水溶液ミキシング装置。
12. 排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタと、
    前記フィルタの排気下流側において、前記フィルタと並列に配置された請求項１から１１のいずれかに記載の還元剤水溶液ミキシング装置と、
    前記還元剤水溶液ミキシング装置の排気下流側に配置され、排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化する還元触媒と、
    を備えた排気ガス後処理装置。
13. 前記還元触媒は前記還元剤水溶液ミキシング装置と並列に配置されている、請求項１２に記載の排気ガス後処理装置。

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