JP6076841B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。詳しくは、内燃機関の排気通路内に供給された還元剤と排気とを混合するミキサを備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、内燃機関（以下、「エンジン」ともいう。）の排気管内に選択還元触媒を設け、選択還元触媒の上流側の排気管から還元剤を供給することにより、ＮＯｘを浄化する技術が知られている。この技術では、通常、排気管内を流通する排気と、供給された還元剤とを混合するためのミキサが排気管内に設けられる。具体的には、例えば排気管の上流側にミキサを設け、このミキサにより旋回流を発生させることで、ＮＨ_３ガス等の還元剤と排気とを混合させる技術が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

ところで、エンジンは車両前方のエンジンルーム内に設けられ、排気管は、エンジンの排気ポートから延び、車両の床下に沿って車両の後方端部に至る。従って、排気管は、その構造上、エンジンルーム内のエンジン区間と、エンジンルーム外の床下区間とに分けられる。エンジン区間内は、エンジンからこの区間に至る排気管を流通する排気の放熱が小さく、また高温のエンジンまでの距離が短くエンジンの熱によって暖められることから、比較的高温に維持される。
ところが、エンジンルーム内には、エンジンの他、吸気系や燃料噴射系の各種装置が配置される。加えて、粒子状物質を捕集するフィルタが、捕集した粒子状物質を燃焼除去する再生処理を適宜行う必要性から、エネルギー効率が有利になるようにエンジン区間内に優先的に配置される。従って、選択還元触媒は、配置の自由度が高い床下区間内に配置される場合が多い。

しかしながら、床下区間内は、エンジン区間からこの区間に至る排気管を流通する排気の放熱が大きく、またエンジンまでの距離が長くエンジンの熱によって暖められないことから、エンジン区間よりも低温に維持される。このため、選択還元触媒の温度がＮＯｘを還元するのに適した温度に達しない場合がある。
そこで、フィルタに選択還元触媒を担持させたうえで、このフィルタをエンジン区間内に配置することが考えられる。これにより、狭いエンジン区間内を有効に利用できるとともに、選択還元触媒に流入する排気の温度が選択還元触媒の活性温度域に早期に到達するため、ＮＯｘ浄化率を改善できる。また、車両の床下に配置する排気系の各種装置が廃止され、コストを低減できる。

特開２００９−１２１３９６号公報 特開２０１０−７１２４０号公報

しかしながら、選択還元触媒を狭いエンジン区間内に配置した場合には、選択還元触媒とその上流側に設けられるミキサとの距離を十分に確保できない。そのため、上流側のミキサで排気の流れを形成し、還元剤と排気とを均一に混合させる技術は従来から多数あるものの、より近距離で還元剤と排気とを均一に混合させるためには、更なる改善の余地がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来よりも近距離で還元剤と排気とを均一に混合できる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン）の排気通路（例えば、後述の排気管１１）に設けられ、当該排気通路内に還元剤を供給する還元剤供給手段（例えば、後述のインジェクタ２０）と、当該還元剤供給手段よりも下流側の排気通路に設けられ、前記還元剤供給手段により供給された還元剤により排気を浄化する排気浄化手段（例えば、後述の下流触媒コンバータ４）と、前記還元剤供給手段と前記排気浄化手段の間の排気通路に設けられ、前記還元剤供給手段により供給された還元剤と排気とを混合するミキサ（例えば、後述のミキサ３）と、を備える内燃機関の排気浄化装置（例えば、後述の排気浄化装置１０）であって、前記ミキサは、下流側に向かうに従い拡径する無底で中空の略円錐形状を有する第１部材（例えば、後述の第１部材３１）と、当該第１部材の内側に前記第１部材の内壁面との間に隙間を有して設けられ、下流側に向かうに従い拡径する無底で中空の、前記第１部材よりも直径が小さい略円錐形状を有する第２部材（例えば、後述の第２部材３２）と、を備え、前記第１部材及び前記第２部材は、互いに同一軸線（例えば、後述の軸線Ｘ）上に設けられるとともに、各頂点部には貫通孔（例えば、後述の貫通孔３１０，３２０）が形成され、前記還元剤供給手段は、前記軸線上から前記貫通孔を介して還元剤を供給することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置を提供する。

本発明では、いずれも下流側に向かうに従い拡径する無底で中空の略円錐形状を有し、互いに直径が異なる第１部材及び第２部材により、ミキサを構成する。具体的には、第１部材よりも直径が小さい第２部材を、第１部材の内側に第１部材の内壁面との間に隙間を設けて配置し、互いに同一軸線上となるように両部材を配置する。さらには、両部材の各頂点部に貫通孔を形成し、軸線上からこれら貫通孔を介して、還元剤を供給する。
これにより、各頂点部に形成された貫通孔を介して供給された還元剤は、略円錐形状の第１部材及び第２部材を通って下流側に流入する排気によって、排気中への拡散が促進される。従って、この発明によれば、従来よりも近距離で還元剤と排気とを均一に混合できる。

前記第２部材の側面部には、少なくとも１つの貫通孔（例えば、後述の貫通孔３２１）が形成されていることが好ましい。

この発明では、内側に配置された第２部材の側面部に、少なくとも１つの貫通孔を形成する。これにより、各頂点部を介して供給された還元剤は、第２部材の側面部に形成された貫通孔から流入する排気によって、排気中への拡散が促進される。従って、この発明によれば、従来よりも近距離で還元剤と排気をより均一に混合できる。
また、第２部材の側面部に貫通孔を形成することで、圧損をより低減することもできる。

前記第１部材の側面部には、少なくとも１つの貫通孔（例えば、後述の貫通孔３１１，３１２）が形成されていることが好ましい。

この発明では、外側に配置された第１部材の側面部に、少なくとも１つの貫通孔を形成する。これにより、各頂点部を介して供給された還元剤は、第１部材の側面部に形成された貫通孔から流入し、第２部材を通って下流側に流入する排気によって、排気中への拡散が促進される。従って、この発明によれば、従来よりも近距離で還元剤と排気をより均一に混合できる。
また、第１部材の側面部に貫通孔を形成することで、圧損をより低減することもできる。

前記第２部材の側面部に形成された貫通孔と、前記第１部材の側面部に形成された貫通孔は、前記軸線方向の下流側から見たときに互いに円周方向にずれて配置されていることが好ましい。

この発明では、第２部材の側面部に形成した貫通孔と、第１部材の側面部に形成した貫通孔が、軸線方向の下流側から見たときに互いに円周方向にずれて配置されるように、両部材を配置する。
ここで、第２部材の側面部に形成した貫通孔と第１部材の側面部に形成した貫通孔が、軸線方向に沿った直線上にある場合には、排気が当該直線上に流れてしまう結果、両部材間への排気の流入を促進できず、両部材の側面部に貫通孔を設けたことによる還元剤の拡散促進効果が十分に得られない。これに対して、この発明によれば、両部材の側面部に形成した貫通孔同士が、軸線方向の下流側から見たときに互いに円周方向にずれているため、両部材間への排気の流入を促進できる。従って、排気中への還元剤の拡散を促進でき、従来よりも近距離で還元剤と排気とを均一に混合できる。

前記第１部材の側面部に形成された貫通孔には、前記軸線方向の下流側から見たときに前記第２部材と重ならない位置に形成された貫通孔（例えば、後述の貫通孔３１２）が含まれることが好ましい。

この発明では、外側に配置される第１部材の側面部の貫通孔を、軸線方向の下流側から見たときに第２部材と重ならない位置にも形成する。これにより、両部材間に流入した排気を、第２部材と重ならない位置に形成された第１部材の側面部の貫通孔から流入する排気によって、排気通路の径方向中央に指向させることができる。従って、この発明によれば、排気中に均一に混合された還元剤を、下流側の排気浄化手段に効率良く供給できる。

前記還元剤供給手段は、複数箇所に還元剤を供給するように構成されており、少なくとも前記第２部材の内側と、前記第１部材と前記第２部材の隙間に還元剤を供給することが好ましい。

この発明では、少なくとも、第２部材の内側と、第１部材と第２部材の隙間に還元剤を供給する。これにより、軸線上から各頂点部の貫通孔を介して、少なくとも第２部材の内側と両部材の隙間に還元剤を供給できるため、排気中への還元剤の拡散を促進でき、従来よりも近距離で還元剤と排気をより均一に混合できる。

前記還元剤供給手段は、複数箇所に還元剤を供給するように構成されており、少なくとも前記第２部材の内側と前記第１部材の外側に還元剤を供給し、前記第１部材の外周先端部には、前記排気通路の内壁面又は前記第１部材及び第２部材を収容するケース部材（例えば、後述のケース部材３３の筒状部３３３）の内壁面との間に隙間が形成されていることが好ましい。

この発明では、少なくとも、第２部材の内側と第１部材の外側に還元剤を供給する。また、第１部材の外周先端部には、排気通路の内壁面又は第１部材及び第２部材を収容するケース部材の内壁面との間に隙間を形成する。これにより、軸線上から各頂点部の貫通孔を介して、少なくとも第２部材の内側と第１部材の外側に還元剤を供給できるため、排気中への還元剤の拡散を促進でき、従来よりも近距離で還元剤と排気をより均一に混合できる。

前記第２部材の頂点部に形成された貫通孔の径は、前記第１部材の頂点部に形成された貫通孔の径よりも小さいことが好ましい。

この発明では、第１部材の頂点部に形成する貫通孔の径よりも、第２部材の頂点部に形成する貫通孔の径を小さく設定する。これにより、軸線上から供給される還元剤の一部を、両部材の隙間に効率良く供給できる。従って、この発明によれば、排気中への還元剤の拡散をより促進でき、従来よりも近距離で還元剤と排気をより均一に混合できる。

前記還元剤供給手段は、前記第１部材の頂点部より上流側から前記第２部材の頂点部より下流側まで前記軸線方向に沿って延設され、前記第１部材及び前記第２部材の各頂点に形成された各貫通孔に挿通される還元剤供給管（例えば、後述の第２供給管２２）を含んで構成され、前記還元剤供給管は、前記軸線方向に複数の還元剤噴射口を有し、前記還元剤噴射口は、前記第１部材の外側に還元剤を噴射する第１噴射口（例えば、後述の第１噴射口２２１）と、前記第１部材と前記第２部材の隙間に還元剤を噴射する第２噴射口（例えば、後述の第２噴射口２２２）と、前記第２部材の内側に還元剤を噴射する第３噴射口（例えば、後述の第３噴射口２２３）と、を含んで構成されることが好ましい。

この発明では、第１部材の頂点部より上流側から第２部材の頂点部より下流側まで軸線方向に沿って延びる還元剤供給管を設け、この還元剤供給管を、両部材の各頂点に形成された各貫通孔に挿通させる。また、この還元剤供給管に、第１部材の外側に還元剤を噴射する第１噴射口と、両部材の隙間に還元剤を噴射する第２噴射口と、第２部材の内側に還元剤を噴射する第３噴射口と、を設ける。
これにより、第２部材の内側、両部材の隙間及び第１部材の外側に還元剤を供給でき、供給された還元剤を、略円錐形状の両部材を通って下流側に流入する排気によって排気中に効率良く拡散できる。従って、この発明によれば、従来よりも近距離で還元剤と排気とをより均一に混合できる。

前記還元剤は、ＮＨ_３ガス又は液体還元剤に気体を混入したものであることが好ましい。

この発明では、還元剤として、ＮＨ_３ガス又は液体還元剤に気体を混入したものを用いる。これにより、ガス状の還元剤をミキサに供給することで、上述の効果が確実に奏される。

本発明によれば、従来よりも近距離で還元剤と排気とを均一に混合できる内燃機関の排気浄化装置を提供する

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。 上記実施形態に係るミキサ及びインジェクタの斜視図である。 上記実施形態に係るミキサ及びインジェクタを軸線方向の下流側から見た図である。 上記実施形態に係るミキサ及びインジェクタを軸線方向の上流側から見た図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 上記実施形態に係るインジェクタの構成を示す断面図であり、（ａ）が図５のＢ−Ｂ線断面図であり、（ｂ）が図５のＣ−Ｃ線断面図であり、（ｃ）が図５のＤ−Ｄ線断面図である。 上記実施形態に係るミキサにおける排気及び還元剤の流れを示す図である。 本発明の第２実施形態に係るミキサ及びインジェクタの構成とその排気及び還元剤の流れを示す図である。 比較例１に係るミキサ及びインジェクタの斜視図である。 比較例２に係るミキサ及びインジェクタの斜視図である。 実施例１、比較例１及び比較例２のＵＩ値を示す図である。 実施例１及び比較例２の排気流量と背圧との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、第２実施形態の説明において、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。本実施形態に係る排気浄化装置１０は、排気管１１のうち、車両前方のエンジンルーム内、即ちエンジン区間内に設けられる。また、排気浄化装置１０は、リーンバーン運転方式のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンの排気浄化装置として好ましく用いられる。

図１に示すように、排気浄化装置１０は、上流側から順に、上流触媒コンバータ１と、還元剤供給装置２と、ミキサ３と、下流触媒コンバータ４と、を備える。排気浄化装置１０の上流側の排気管１１は、エンジンの排気ポートから延びる排気マニホルドに接続される。

上流触媒コンバータ１は、フロースルー型のハニカム支持体に、酸化触媒が担持されて構成される。エンジンから排出された排気に含まれるＨＣやＣＯは、この上流触媒コンバータ１を通過する過程で酸化触媒により酸化される。また、排気に含まれるＮＯも、上流触媒コンバータ１を通過する過程でＮＯ_２に酸化される。エンジン区間内における排気に含まれるＮＯｘのほとんどはＮＯであり、ＮＯ_２はほとんど含まれていない。このため、上流触媒コンバータ１でＮＯを酸化しＮＯ_２を生成することにより、後述する下流触媒コンバータ４に流入する排気のＮＯ_２／ＮＯｘ比を、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化性能が最適化される約０．５まで上昇させることができる。

還元剤供給装置２は、後述するミキサ３の上流側から、還元剤としてのＮＨ_３ガスを供給するインジェクタ２０を備える。インジェクタ２０については、後段で詳述する。
なお、還元剤供給装置２は、ＮＨ_３ガスの代わりに、尿素水等の液体還元剤に気体を混入したものを供給するように構成されてもよい。

ミキサ３は、上述の還元剤供給装置２により供給されたＮＨ_３ガス等の還元剤と排気と混合させることで、後述の下流触媒コンバータ４に対して均一に排気中に混合された還元剤を供給する。ミキサ３については、後段で詳述する。

下流触媒コンバータ４は、多孔質壁で区画形成された複数のセルが上流側と下流側とで互い違いに目封じされたウォールフロー型のハニカム支持体の各セル内に、選択還元触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という。）が担持されてなる選択還元触媒付フィルタ（以下、「ＳＣＲＦ」という。）から構成される。
エンジンから排出された排気に含まれる粒子状物質（以下、「ＰＭ」という）は、ＳＣＲＦの多孔質壁の細孔を通過する過程で捕集される。ＳＣＲＦにＰＭが堆積すると、背圧が増加し、燃費が悪化するおそれがある。そこで、ＳＣＲＦのＰＭ堆積量が所定量を超えた場合には、ＳＣＲＦを約６００℃程度まで昇温することにより、ＳＣＲＦに捕集されたＰＭを燃焼除去するフィルタ再生処理が適宜実行される。

ＳＣＲＦに担持されるＳＣＲ触媒は、ＮＨ_３が存在する雰囲気下で、排気中のＮＯｘを選択的に還元する。具体的には、上述の還元剤供給装置２からＮＨ_３ガスが供給されると、下記反応式（１）〜（３）の反応が進行することで、排気中のＮＯｘを選択的に還元する。
［化１］
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ ・・・反応式（１）
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ ・・・反応式（２）
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ ・・・反応式（３）

また、ＳＣＲ触媒は、ＮＨ_３で排気中のＮＯｘを還元する機能を有するとともに、ＮＨ_３を所定の量だけ貯蔵（ストレージ）する機能も有する。ＳＣＲ触媒のＮＨ_３ストレージ量が、ストレージ可能な最大量である最大ＮＨ_３ストレージ量を超えると、その下流へＮＨ_３がスリップする。このようにしてＳＣＲ触媒に貯蔵されたＮＨ_３は、還元剤供給装置２から供給されたＮＨ_３と合わせて、排気中のＮＯｘの還元に適宜消費される。

以下、本実施形態に係るミキサ３及びインジェクタ２０について、詳しく説明する。
図２は、本実施形態に係るミキサ３及びインジェクタ２０の斜視図である。上述したように、ミキサ３及びインジェクタ２０は、上流触媒コンバータ１と下流触媒コンバータ４の間に設けられる。インジェクタ２０から供給された還元剤のＮＨ_３ガスは、ミキサ３により排気と均一に混合される。

図２に示すように、ミキサ３は、第１部材３１と、第２部材３２と、ケース部材３３と、を含んで構成される。
第１部材３１は、下流側に向かうに従い拡径し、無底で中空の略円錐形状を有する傘状の部材である。第１部材３１は、後述する第２部材３２の外側に配置され、第１部材の外周先端部は、第２部材３２の外周先端部よりも下流側に配置される。
第１部材３１の頂点部には、後述するインジェクタ２０が挿通される貫通孔が形成されている。

第２部材３２は、第１部材３１と同様に、下流側に向かうに従い拡径し、無底で中空の略円錐形状を有する傘状の部材である。第２部材３２は、第１部材３１と略相似形であり、その直径は第１部材３１よりも小さい。第２部材３２は、第１部材３１と同一軸線Ｘ上に配置されるとともに、第１部材３１の内側に第１部材３１の内壁面との間に隙間を有して配置される。
第２部材３２の頂点部には、第１部材３１と同様に、後述するインジェクタ２０が挿通される貫通孔が形成されている。なお、第２部材３２の頂点部に形成された貫通孔と、第１部材３１の頂点部に形成された貫通孔は、径が同一である。

ケース部材３３は、ミキサ３を排気管１１内に固定するためのものである。ケース部材３３は、上流側に設けられた第１円環状部３３１と、下流側に設けられ第１円環状部３３１よりも大径の第２円環状部３３２と、これら円環状部を連結し第１円環状部３３１から第２円環状部３３２に向かうに従い拡径する筒状部３３３と、から構成される。
ただし、ケース部材３３は必須の構成ではなく、ケース部材を介さずに第１部材３１及び第２部材を直接、排気管１１内に設けてもよい。

インジェクタ２０は、上述の第１円環状部３３１内に軸線Ｘに対して垂直に設けられた第１供給管２１と、第１供給管２１から軸線Ｘ方向の下流側に延びて設けられた第２供給管２２と、を含んで構成される。インジェクタ２０の第２供給管２２は、上述の第１部材３１及び第２部材３２の各頂点部に形成された貫通孔に挿通されている。
なお本実施形態では、インジェクタ２０の第２供給管２２は、上述の第１部材３１及び第２部材３２の各頂点部に形成された貫通孔に嵌合しているが、これに限定されず、隙間を設けて挿通されていてもよい。

図３は、本実施形態に係るミキサ３及びインジェクタ２０を軸線Ｘ方向の下流側から見た図である。また、図４は、本実施形態に係るミキサ３及びインジェクタ２０を軸線Ｘ方向の上流側から見た図である。
これら図３及び図４に示すように、外側に配置される第１部材３１の側面部には、第２部材３２と重なる位置に円周方向に９０度間隔で配置された４つの貫通孔３１１と、第２部材３２に重ならない位置に円周方向に９０度間隔で配置された４つの貫通孔３１２と、が形成される。これら貫通孔３１１と貫通孔３１２は、それぞれ、円周方向の位置が互いに同一となるように形成される。

また、図３及び図４に示すように、内側に配置される第２部材３２の側面部には、円周方向に９０度間隔で配置された４つの貫通孔３２１が形成される。第２部材３２は、これら貫通孔３２１が、それぞれ、上述の第１部材３１の側面部に各４つずつ形成された貫通孔３１１，３１２に対して、円周方向に４５度ずれるように配置される。

図５は、図３のＡ−Ａ線断面図である。図５に示すように、第１円環状部３３１内に軸線Ｘに対して垂直に設けられたインジェクタ２０の第１供給管２１は、第１部材３１の頂点部よりも上流側に配置される。このため、第１供給管２１から軸線Ｘ方向の下流側に延びて設けられた第２供給管２２は、第１部材３１の頂点部よりも上流側から設けられ、第２部材３２の頂点部よりも下流側まで延びている。

第２供給管２２には、軸線Ｘ方向に複数の還元剤噴射口としての第１噴射口、第２噴射口及び第３噴射口が形成されており、第２供給管２２の先端は閉塞されている。このため、還元剤は、第１部材３１及び第２部材３２の各頂点部に形成された貫通孔を介して、より具体的には当該貫通孔に挿通される第２供給管２２を介して、複数の還元剤噴射口から排気中に供給される。

図６は、インジェクタ２０の構成を示す断面図であり、（ａ）が図５のＢ−Ｂ線断面図であり、（ｂ）が図５のＣ−Ｃ線断面図であり、（ｃ）が図５のＤ−Ｄ線断面図である。図６（ａ）に示すように、第２供給管２２のうち第１部材３１の頂点部よりも上流側の位置には、断面視で円周方向に１２０度間隔で配置された３つの噴射口からなる第１噴射口２２１が形成される。これらの第１噴射口２２１から、第１部材３１の外側に還元剤が噴射される。
なお、図５に示すように、第１部材３１の外周先端部には、ケース部材３３を構成する筒状部３３３の内壁面との間に隙間が形成され、第１部材３１の外側に噴射された還元剤がこの隙間からも下流側に流れるようになっている。

また、図６（ｂ）に示すように、第２供給管２２のうち第１部材３１と第２部材３２の位置には、断面視で円周方向に１２０度間隔で配置された３つの噴射口からなる第２噴射口２２２が形成される。これらの第２噴射口２２２は、上述の第１噴射口２２１に対して、断面視で円周方向に６０度ずれて形成される。これらの第２噴射口２２２から、第１部材３１と第２部材３２の隙間に還元剤が噴射される。より詳しくは、第１部材３１の内壁面に向けて、これらの第２噴射口２２２から還元剤が噴射される。

また、図６（ｃ）に示すように、第２供給管２２のうち第２部材３２の頂点部よりも下流側の位置には、断面視で円周方向に９０度間隔で配置された４つの噴射口からなる第３噴射口２２３が形成される。これらの第３噴射口２２３から、第２部材３２の内側に還元剤が噴射される。より詳しくは、第２部材３２の内壁面に向けて、これらの第３噴射口２２３から還元剤が噴射される。
なお、これらの第３噴射口２２３は、上述の第１噴射口２２１及び第２噴射口２２２よりも大径に形成される。これにより、より多くの還元剤が、これらの第３噴射口２２３から第２部材３２の内側に噴射されるようになっている。

以上の構成を備えるミキサ３における排気及び還元剤の流れについて、図７を参照しながら説明する。
図７は、本実施形態に係るミキサ３における排気及び還元剤の流れを示す断面図である。ここで、図７は、図５と同様に図３のＡ−Ａ線断面図である。また、図７において、実線矢印は排気の流れ方向を模式的に示しており、破線矢印は還元剤の流れ方向を模式的に示している。

先ず、図７に実線矢印で示すように、上流側からミキサ３に流入する排気は、第１部材３１の外壁面上に沿って流れる。このとき、第１噴射口２２１から第１部材３１の外側に噴射された還元剤は、第１部材３１の外壁面上に沿って流れる排気と混合される。
還元剤が混合された排気の一部は、第１部材３１の側面部に各４つずつ形成された貫通孔３１１，３１２を通過して、第１部材３１と第２部材３２との間の隙間に流入する。また、第１部材３１の外壁面上に沿って流れ、第１部材３１の外周先端部にまで達した排気は、当該外周先端部とケース部材３３を構成する筒状部３３３の内壁面との間に形成された隙間を通って、下流側へと流れる。

次いで、第２噴射口２２２から第１部材３１と第２部材３２との間の隙間に噴射された還元剤は、貫通孔３１１，３１２を通過して第１部材３１と第２部材３２との間の隙間に流入した排気と混合される。このようにしてさらに還元剤が混合された排気は、第２部材３２の外壁面上に沿って流れ、その一部は、第２部材３２の側面部に形成された４つの貫通孔３２１を通過して、第２部材３２の内側に流入する。また、第２部材３２の外壁面上に沿って流れ、第２部材３２の外周先端部にまで達した排気は、当該外周先端部から下流側へと流れる。

次いで、第３噴射口２２３から第２部材３２の内側に噴射された還元剤は、貫通孔３２１を通過して第２部材３２の内側に流入した排気と混合される。このとき、還元剤の流れは、貫通孔３２１を通過して第２部材３２の内側に流入した排気によって、排気管１１の径方向の中央部に指向される。

以上の構成を備える本実施形態に係る排気浄化装置によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、いずれも下流側に向かうに従い拡径する無底で中空の略円錐形状を有し、互いに直径が異なる第１部材３１及び第２部材３２により、ミキサ３を構成した。具体的には、第１部材３１よりも直径が小さい第２部材３２を、第１部材３１の内側に第１部材３１の内壁面との間に隙間を設けて配置し、互いに同一軸線Ｘ上となるように両部材を配置した。さらには、両部材の各頂点部に貫通孔を形成し、軸線Ｘ上からこれら貫通孔を介して、還元剤を供給した。
これにより、各頂点部に形成された貫通孔を介して供給された還元剤は、略円錐形状の第１部材３１及び第２部材３２を通って下流側に流入する排気によって、排気中への拡散が促進される。従って、本実施形態によれば、従来よりも近距離で還元剤と排気とを均一に混合できる。

本実施形態では、内側に配置された第２部材３２の側面部に、４つの貫通孔３２１を形成した。これにより、各頂点部を介して供給された還元剤は、第２部材３２の側面部に形成された４つの貫通孔３２１から流入する排気によって、排気中への拡散が促進される。従って、本実施形態によれば、従来よりも近距離で還元剤と排気をより均一に混合できる。また、第２部材３２の側面部に４つの貫通孔３２１を形成することで、圧損をより低減することもできる。

本実施形態では、外側に配置された第１部材３１の側面部に、４つの貫通孔３１１と４つの貫通孔３１２を形成した。これにより、各頂点部を介して供給された還元剤は、第１部材３１の側面部に形成された貫通孔３１１，３１２から流入し、第２部材３２を通って下流側に流入する排気によって、排気中への拡散が促進される。従って、本実施形態によれば、従来よりも近距離で還元剤と排気をより均一に混合できる。また、第１部材３１の側面部に貫通孔３１１，３１２を形成することで、圧損をより低減することもできる。

また本実施形態では、第２部材３２の側面部に形成した貫通孔３２１と、第１部材３１の側面部に形成した貫通孔３１１，３１２が、軸線Ｘ方向の下流側から見たときに互いに円周方向にずれて配置されるように、両部材を配置した。
ここで、第２部材３２の側面部に形成した貫通孔３２１と第１部材３１の側面部に形成した貫通孔３１１，３１２が、軸線Ｘ方向に沿った直線上にある場合には、排気が当該直線上に流れてしまう結果、両部材間への排気の流入を促進できず、両部材の側面部に貫通孔を設けたことによる還元剤の拡散促進効果が十分に得られない。これに対して、本実施形態によれば、両部材の側面部に形成した貫通孔同士が、軸線Ｘ方向の下流側から見たときに互いに円周方向にずれているため、両部材間への排気の流入を促進できる。従って、排気中への還元剤の拡散を促進でき、従来よりも近距離で還元剤と排気とを均一に混合できる。

また本実施形態では、外側に配置される第１部材３１の側面部の貫通孔３１２を、軸線Ｘ方向の下流側から見たときに第２部材３２と重ならない位置にも形成する。これにより、両部材間に流入した排気を、第２部材３２と重ならない位置に形成された第１部材３１の側面部の貫通孔３１２から流入する排気によって、排気管１１の径方向中央に指向させることができる。従って、本実施形態によれば、排気中に均一に混合された還元剤を、下流側の排気浄化手段に効率良く供給できる。

また本実施形態では、第２部材３２の内側と、第１部材３１と第２部材３２の隙間と、第１部材の外側に還元剤を供給した。また、第１部材３１の外周先端部には、第１部材３１及び第２部材３２を収容するケース部材３３の筒状部３３３の内壁面との間に隙間を形成した。
これにより、軸線Ｘ上から各頂点部の貫通孔を介して、第２部材３２の内側、両部材の隙間及び第１部材３１の外側に還元剤を供給できるため、排気中への還元剤の拡散を促進でき、従来よりも近距離で還元剤と排気をより均一に混合できる。

また本実施形態では、第１部材３１の頂点部より上流側から第２部材３２の頂点部より下流側まで軸線Ｘ方向に沿って延びる第２供給管２２を設け、この第２供給管２２を、両部材の各頂点に形成された各貫通孔に挿通させた。また、この第２供給管２２に、第１部材３１の外側に還元剤を噴射する第１噴射口２２１と、両部材の隙間に還元剤を噴射する第２噴射口２２２と、第２部材３２の内側に還元剤を噴射する第３噴射口２２３と、を設けた。
これにより、第２部材３２の内側、両部材の隙間及び第１部材３１の外側に還元剤を供給でき、供給された還元剤を、略円錐形状の両部材を通って下流側に流入する排気によって排気中に効率良く拡散できる。従って、本実施形態によれば、従来よりも近距離で還元剤と排気とをより均一に混合できる。

また本実施形態では、還元剤として、ＮＨ_３ガス又は液体還元剤に気体を混入したものを用いた。これにより、ガス状の還元剤をミキサに供給することで、上述の効果が確実に奏される。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る排気浄化装置１０Ａは、ミキサ３Ａの構成とインジェクタ２０Ａの構成が第１実施形態と異なる以外は、同一の構成である。
図８は、本発明の第２実施形態に係るミキサ３Ａ及びインジェクタ２０Ａの構成とその排気及び還元剤の流れを示す図である。ここで、図８は、図５及び図７と同様の方向で切断した断面図である。また、図８において、実線矢印は排気の流れ方向を模式的に示しており、破線矢印は還元剤の流れ方向を模式的に示している。

図８に示すように、本実施形態では、インジェクタ２０Ａの第２供給管２２Ａの構成が第１実施形態と相違する。具体的には、第２供給管２２Ａは、第１部材３１の頂点部よりも上流側の位置までしか延びていない。即ち、第１部材３１の頂点部に形成された貫通孔３１０と、第２部材３２Ａの頂点部に形成された貫通孔３２０Ａには、第２供給管２２Ａが挿通されておらず、これら貫通孔３１０，３２０Ａは露出している。
また、インジェクタ２０Ａの先端は開口しており、この開口部２２０から軸線Ｘ方向の下流側に向かって還元剤が噴射される。

また、ミキサ３Ａの第２部材３２の構成が第１実施形態と相違する。具体的には、第２部材３２の頂点部に形成された貫通孔３２０Ａが、第１実施形態よりも小径に形成されている。これにより、第１部材３１の頂点部に形成された貫通孔３１０から流入した還元剤の一部が、第２部材３２の外壁面上に沿って流れるように規制される。

以上の構成を備えるミキサ３Ａにおける排気及び還元剤の流れについて、図８を参照しながら説明する。
先ず、図８に実線矢印で示すように、上流側からミキサ３Ａに流入する排気は、第１部材３１の外壁面上に沿って流れる。このとき、第２供給管２２Ａの先端の開口部２２０から噴射された還元剤は、第１部材３１の頂点部に形成された貫通孔３１０を通過する他、一部は第１部材３１の外壁面上に沿って排気とともに流れ、混合される。
還元剤が混合された排気の一部は、第１部材３１の側面部に各４つずつ形成された貫通孔３１１，３１２を通過して、第１部材３１と第２部材３２との間の隙間に流入する。また、第１部材３１の外壁面上に沿って流れ、第１部材３１の外周先端部にまで達した排気は、当該外周先端部とケース部材３３を構成する筒状部３３３の内壁面との間に形成された隙間を通って、下流側へと流れる。

次いで、第１部材３１の頂点部に形成された貫通孔３１０を通過した還元剤は、第２部材３２の頂点部に形成された貫通孔３２０Ａを通過する他、一部は第２部材３２の外壁面上に沿って流れ、第１部材３１の側面部に形成された貫通孔３１１，３１２を通過した排気と混合される。このとき、第２部材３２の頂点部に形成された貫通孔３２０Ａは、第１部材３１の頂点部に形成された貫通孔３１０よりも小径であるため、より多くの還元剤が第２部材３２の外壁面上に沿う方向に指向される。
第２部材３２の外壁面上に沿って流れる排気の一部は、第２部材３２の側面部に形成された４つの貫通孔３２１を通過して、第２部材３２の内側に流入する。また、第２部材３２の外壁面上に沿って流れ、第２部材３２の外周先端部にまで達した排気は、当該外周先端部から下流側へと流れる。

次いで、第２部材３２の頂点部に形成された貫通孔３２０Ａを通過した還元剤は、貫通孔３２１を通過して第２部材３２の内側に流入した排気と混合される。このとき、還元剤の流れは、貫通孔３２１を通過して第２部材３２の内側に流入した排気によって、排気管１１の径方向の中央部に指向される。

以上の構成を備える第２実施形態に係る排気浄化装置１０Ａによれば、第１実施形態に係る排気浄化装置１０と同様の効果が奏される。特に、第１部材３１の頂点部に形成する貫通孔の径よりも、第２部材３２の頂点部に形成する貫通孔の径を小さく設定することで、軸線Ｘ上から供給される還元剤の一部を、両部材の隙間に効率良く供給できる。従って、排気中への還元剤の拡散をより促進でき、従来よりも近距離で還元剤と排気をより均一に混合できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、第１部材３１の側面部及び第２部材３２の側面部に形成する各貫通孔の数や配置は、適宜変更可能である。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

［実施例１］
上述の第１実施形態に係る排気浄化装置を作製した。

［比較例１］
図９に示すような比較例１に係るミキサ３Ｂ及びインジェクタ２０Ｂを備える排気浄化装置を作製した。比較例１に係るミキサ３Ｂは、下流側に向かうに従い拡径する筒状のケース部材３３Ｂと、当該ケース部材３３Ｂ内にインジェクタ２０Ｂにより固定された４つのフィン３１Ｂと、を備える。４つのフィン３１Ｂは、隣接するフィン同士の長手方向が直交するように設けられ、それぞれ、長手方向の略中央部で下流側に向かって屈曲された形状を有する。
インジェクタ２０Ｂは、排気管の径方向に延び互いに直交する２本の供給管から構成され、各供給管の先端部が各フィン３１Ｂに接続される。また、各供給管の先端部には、下流側に向かって開口する噴射口が形成され、これら噴射口から還元剤が噴射されるようになっている。

［比較例２］
図１０に示すような比較例２に係るミキサ３Ｃ及びインジェクタ２０Ｃを備える排気浄化装置を作製した。比較例２に係るミキサ３Ｃは、略ひし形の形状を排気の流れ方向に直交する折り軸で下流側に向かって折り曲げた形状を有するフィン３１Ｃを備える。このフィン３１Ｃには、複数のスリット３２Ｃが形成される。
また、インジェクタ２０Ｃは、上述の折り軸上に設けられ、折り軸の略中央部からフィン３１Ｃに接続される供給管から構成される。供給管の先端部は開口しており、この開口部からフィン３１Ｃの内側に還元剤が噴射されるようになっている。

［評価］
実施例１及び比較１、２で作製した各排気浄化装置を、ディーゼルエンジン区間の排気管内に配置し、所定の運転条件下で排気を流入させるとともに、所定量の還元剤を供給したときのＵＩ値を測定した。ここで、ＵＩ値とは、流れの均一性の指標として用いられるものであり、下記の数式（１）による計算により求めた。
［数１］

ＵＩ＝１−Σ｛｜Ｖｉ−Ｖａｖｅ｜×Ｓｉ／（２×Ｖａｖｅ×Ｓ）｝・・・数式（１）

上記数式（１）において、Ｖｉは流路断面を分割した各エリアにおける流速（ＮＨ_３濃度）を表し、Ｖａｖｅは、流路断面全体における平均流速（断面ＮＨ_３濃度）を表す。また、Ｓｉは各エリアの面積を表し、Ｓは流路断面の総面積を表す。

図１１は、実施例１、比較例１及び比較例２のＵＩ値を示す図である。図１１においてＲＰ１はインジェクタの先端部から最も近い位置を意味しており、ＲＰ２、ＲＰ３の順にインジェクタの先端部から遠ざかっていくことを意味する。
図１１に示すように、インジェクタの先端部から近距離であるＲＰ１のみならず、ＲＰ２及びＲＰ３いずれにおいても、実施例１は比較例１、２に比べて高いＵＩ値が得られることが分かった。この結果から、本発明に係る排気浄化装置によれば、従来よりも近距離で還元剤と排気とを均一に混合できることが確認された。

また、実施例１と比較例２について、排気流量と背圧との関係を調べた。図１２は、実施例１及び比較例２の排気流量と背圧との関係を示す図である。
図１２に示すように、比較例２では、フィン３１Ｃがその構造上、排気の流れを妨げ易い形状であるため、排気流量が大きくなるに従い、背圧が非常に高くなる。これに対して実施例１では、排気流量を大きくしても背圧はほとんど高くならないことが分かった。この結果から、本発明の排気浄化装置によれば、従来よりも圧損を低減できることが確認された。

１…上流触媒コンバータ
２…還元剤供給装置（還元剤供給手段）
３…ミキサ
４…下流触媒コンバータ（排気浄化手段）
１０…排気浄化装置
１１…排気管（排気通路）
２０…インジェクタ（還元剤供給手段）
２２…第２供給管（還元剤供給管）
３１…第１部材
３２…第２部材
３３…ケース部材
２２１…第１噴射口
２２２…第２噴射口
２２３…第３噴射口
３１０…貫通孔（第１部材の頂点部に形成された貫通孔）
３１１，３１２…貫通孔（第１部材の側面に形成された貫通孔）
３２１…貫通孔（第２部材の側面に形成された貫通孔）
３２０…貫通孔（第２部材の頂点部に形成された貫通孔）

Claims (10)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、当該排気通路内に還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   当該還元剤供給手段よりも下流側の排気通路に設けられ、前記還元剤供給手段により供給された還元剤により排気を浄化する排気浄化手段と、
   前記還元剤供給手段と前記排気浄化手段の間の排気通路に設けられ、前記還元剤供給手段により供給された還元剤と排気とを混合するミキサと、を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記ミキサは、下流側に向かうに従い拡径する無底で中空の略円錐形状を有する第１部材と、当該第１部材の内側に前記第１部材の内壁面との間に隙間を有して設けられ、下流側に向かうに従い拡径する無底で中空の、前記第１部材よりも直径が小さい略円錐形状を有する第２部材と、を備え、
   前記第１部材及び前記第２部材は、互いに同一軸線上に設けられるとともに、各頂点部には貫通孔が形成され、
   前記第１部材の頂点部に形成された貫通孔と、前記第２部材の頂点部に形成された貫通孔は、前記軸線方向の位置が異なっており、
   前記還元剤供給手段は、前記軸線上から前記貫通孔を介して還元剤を供給し、
   前記還元剤供給手段による還元剤の供給位置は、前記第２部材の頂点部に形成された貫通孔よりも上流に少なくともあることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記第２部材の側面部には、少なくとも１つの貫通孔が形成されてい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。
3. 前記第１部材の側面部には、少なくとも１つの貫通孔が形成されてい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。
4. 前記第２部材の側面部に形成された貫通孔と、前記第１部材の側面部に形成された貫通孔は、前記軸線方向の下流側から見たときに互いに円周方向にずれて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記第１部材の側面部に形成された貫通孔には、前記軸線方向の下流側から見たときに前記第２部材と重ならない位置に形成された貫通孔が含まれることを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記還元剤供給手段は、複数箇所に還元剤を供給するように構成されており、少なくとも前記第２部材の内側と、前記第１部材と前記第２部材の隙間に還元剤を供給することを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記還元剤供給手段は、複数箇所に還元剤を供給するように構成されており、少なくとも前記第２部材の内側と前記第１部材の外側に還元剤を供給し、
   前記第１部材の外周先端部には、前記排気通路の内壁面又は前記第１部材及び第２部材を収容するケース部材の内壁面との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記第２部材の頂点部に形成された貫通孔の径は、前記第１部材の頂点部に形成された貫通孔の径よりも小さいことを特徴とする請求項１から７いずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 前記還元剤供給手段は、前記第１部材の頂点部より上流側から前記第２部材の頂点部より下流側まで前記軸線方向に沿って延設され、前記第１部材及び前記第２部材の各頂点に形成された各貫通孔に挿通される還元剤供給管を含んで構成され、
   前記還元剤供給管は、前記軸線方向に複数の還元剤噴射口を有し、
   前記還元剤噴射口は、前記第１部材の外側に還元剤を噴射する第１噴射口と、前記第１部材と前記第２部材の隙間に還元剤を噴射する第２噴射口と、前記第２部材の内側に還元剤を噴射する第３噴射口と、を含んで構成されることを特徴とする請求項２から８いずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
10. 前記還元剤は、ＮＨ_３ガス又は液体還元剤に気体を混入したものであることを特徴とする請求項１から９いずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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