JP6423780B2 - ミキサ、排気浄化装置及びミキサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ミキサ、排気浄化装置及びミキサの製造方法に関する。

従来、内燃機関の排気通路にＮＯｘ浄化触媒を設け、排気通路の上流から還元剤、例えば尿素水を噴射して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、排気通路内を流通する排気と、噴射された還元剤とを混合するためのミキサが排気通路内に設けられる。

ここで、従来の一般的なミキサ２０の構成を図６に示し、ミキサ２０を備える排気浄化装置１の構成を図７及び図８に示す。
図６に示すように、ミキサ２０は、外側リング２１と、羽根部材２３と、溶接部２４と、を備える。外側リング２１は、羽根部材２３をミキサ２０内に固定すると共に、その外周面を利用して排気管２内にミキサ２０を嵌合する。羽根部材２３は、ミキサ２０内に複数枚設置され、排気管２内に旋回流を発生させる。溶接部２４は、外側リング２１と羽根部材２３との当接部分を羽根部材２３毎に溶接することにより形成される。このミキサ２０は、図７及び図８に示すように排気管２（具体的には排気通路の内壁３）に嵌合される。

図７及び図８に示す排気浄化装置１は排気管２内において、還元剤噴射部１０と、ミキサ２０と、図示しないＮＯｘ浄化触媒部と、を備える。
還元剤噴射部１０は、図示しない還元剤タンク、還元剤供給路１１及び還元剤噴射ノズル１２からなり、還元剤供給路１１から供給される尿素水は、還元剤噴射ノズル１２によりミキサ２０の羽根部材２３に向けて噴射される。これにより、排気管２内の上流より流れてくる排気と、尿素水とは、混合しながらミキサ２０へ流入する。その後、ミキサ２０によって発生する旋回流により、排気と、尿素水とは一層混ざり合いながらＮＯｘ浄化触媒部へと運ばれる。

ここで、羽根部材２３は排気によって高温化されているため、羽根部材２３に衝突した尿素水の液滴は一層微粒化される。羽根部材２３を有したミキサ２０を排気浄化装置１に適用することにより、排気と尿素水とを高効率に混合することができる（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−１１１９２７号公報

ところでミキサは、通常、排気通路の内壁に嵌合されて接合されるため、ミキサの外周面の表面は、可能な限り凹凸の無い状態にする必要がある。そのため、複数の羽根部材は、外側リングの内部において羽根部材毎に外側リングとの接合（溶接）を行うことから、当該作業は手間と労力を要するものであった。

一方で、溶接部は尿素水の噴射により生じるアンモニアガスの流路である排気通路内に露出しているため、当該溶接部は直接、アンモニアガスに曝される。溶接部は本来的に腐食し易いため、上記アンモニアガスによって腐食を起こし、ミキサの劣化を早める要因となっていた。

また、溶接部が排気通路の内部で突出して存在することから、かかる溶接部を起点として尿素が析出する不具合が生じていた（図８参照）。この析出物は配管詰まりを生じさせる可能性があるうえ、ミキサの上流側と下流側での差圧による内燃機関の出力悪化や、析出物の高温溶解によるアンモニアガスの大量発生を招く恐れがあった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、生産効率を向上でき、アンモニアガスによる腐食の防止及び尿素の析出を抑制できるミキサ、排気浄化装置及びミキサの製造方法を提供することにある。

（１） 本発明は、内燃機関の排気通路（例えば、後述の排気管２）に設けられ、還元剤と排気とを混合して拡散するためのミキサ（例えば、後述のミキサ１２０）であって、排気通路の内周面（例えば、後述の排気管の内壁３）に嵌合して排気通路に接合される円筒状の外側リング（例えば、後述の外側リング１２１）と、少なくともその軸方向において一端側が外周リングに重複して前記外側リングの内側に配置される円筒状の内側リング（例えば、後述の内側リング１２２）と、少なくともその軸方向の一端側が外側リングの内側に配置されると共に他端側が前記内側リングの内側に配置され、当該他端側における径方向外側端部（例えば、後述の径方向外側端部１２３ａ）が内側リングに形成された貫通孔（例えば、後述の貫通孔１２２ａ）を貫通した状態で配置される複数の羽根部材（例えば、後述の羽根部材１２３）と、外側リングと内側リングの重複部に配置され、複数の羽根部材の径方向側端部、内側リング及び外側リングが合わせて接合されることで形成される接合部（例えば、後述の接合部１２４）と、を備えるミキサを提供する。

（１）の発明によれば、外側リングと、内側リングと、複数の羽根部材と、接合部と、を備えたミキサであって、この接合部は羽根部材の径方向外側端部、内側リング及び外側リングが合わせて接合されることによって形成される。この接合部では、羽根部材の径方向外側端部が、内側リングに形成された貫通孔を貫通した状態となっていることから、本発明では、この内側リングを貫通した径方向外側端部を、内側リングの外周上で接合できる。
そのため、本発明は、ミキサ内に複数の羽根部材の固定を行うに際し、従来のミキサ内部という狭い空間において外側リングと、羽根部材との接合を行う必要が無い。特に、本発明は、従来のミキサ内での接合作業を省くことにより、従来よりもミキサ本体の生産効率を飛躍的に向上させることができる。

また、本発明の接合部は内側リングの外周（ミキサの外周の一部）に形成されているため、この接合部は排気通路に直接、曝されることはない。そのため、本発明の接合部によれば、アンモニアによる腐食の発生を防止し、ミキサの劣化を防ぐことができる。更に、ミキサ内部での尿素の析出を抑制することができる。

また、上述のように本発明によれば、接合部の形成時に、外側リングの外周面の表面上に凹凸は形成されない。そのため、本発明のミキサは排気通路の内壁に強固に固着させることが可能であり、本発明のミキサを排気浄化装置のミキサとして適用することができる。
更に、本発明のミキサを備える排気浄化装置は尿素の析出を抑制することができることから、配管詰まりによる内燃機関の出力悪化や、析出物の高温溶解によるアンモニアの大量発生を防ぐことができる。

（２） （１）の発明における接合部は溶接により形成されることが好ましい。

（２）の発明によれば、ミキサの外側での溶接作業を可能としているため、従来のようなミキサ内での接合作業を行う必要がない。本発明のミキサは上記接合部の形成により溶接作業を効率的に実行できる。
更に、本発明によれば接合部の溶接によって、径方向外側端部は接合部に溶かし込んでいる。そのためミキサに対して羽根部材を一層強固に固定できる。
これにより、（１）の発明の効果がより確実に奏される。

（３） （１）又は（２）の発明の接合部は円環状に形成されることが好ましい。

（３）の発明によれば、内側リングの外周面に沿って円環状に接合することで、従来の一点ずつの接合作業に比べて接合に係る時間を短縮化でき、ミキサの生産効率を一層向上させることができる。これにより、（１）又は（２）の発明の効果がより確実に奏される。

（４） （１）〜（３）いずれかのミキサを排気通路内に備える内燃機関の排気浄化装置であって、ミキサよりも上流側の排気通路内に配置され、排気通路内に還元剤を噴射する還元剤噴射部（例えば後述の還元剤噴射部１０）と、ミキサよりも下流側の排気通路内に配置され、排気通路を流通する排気中のＮＯｘを還元剤により還元して浄化するＮＯｘ浄化触媒部（例えば後述のＮＯｘ浄化触媒部３０）と、を備える排気浄化装置を提供する。

（４）の発明によれば、上流の還元剤噴射部より、ミキサにむけて還元剤が噴射され、その後、還元剤は微粒化した状態で、ミキサにより発生した旋回流によってＮＯｘ浄化触媒部へと運ばれるため、従来と同様にミキサを備えた排気浄化装置を提供できる。
そして、この排気浄化装置のミキサの接合部は、ミキサ内部に存在していないことから、排気通路内のアンモニアによる腐食を受けることが無く、腐食によるミキサの劣化を防ぐことができる。また、尿素の析出も抑制することができる。この尿素の析出の抑制により、配管詰まりによる内燃機関の出力悪化や、析出物の高温溶解によるアンモニアの大量発生を防ぐことができる。

（５） （１）〜（３）いずれかのミキサの製造方法であって、複数の羽根部材の軸方向の他端側における径方向外側端部を、内側リングの貫通孔に内側から貫通させ、複数の羽根部材を内側リングに組付ける組付け工程と、複数の羽根部材が組付けられた内側リングを、その軸方向の一端側から、前記内側リングの貫通孔の位置まで前記外側リング内に挿入する挿入工程と、貫通孔から外側に突出する複数の羽根部材の径方向外側端部、内側リング及び外側リングを合わせて接合する接合工程と、を有するミキサの製造方法を提供する。

（５）の発明によれば、組付け工程において、複数の羽根部材の軸方向の他端側における径方向外側端部を、内側リングの貫通孔に内側から貫通させ、複数の羽根部材を内側リングに組付ける。また、挿入工程では、複数の羽根部材が組付けられた内側リングを、その軸方向の一端側から、前記内側リングの貫通孔の位置まで前記外側リング内に挿入する。その後、接合工程において内側リング及び外側リングを合わせて接合する。
従来のミキサは、内側から貫通する径方向外側端部及び内側リングを有していないため、ミキサ内という狭い空間ないで羽根部材と外側リングとを接合していた。それに対して、本発明の製造方法によれば、径方向外側端部、内側リング及び外側リングより形成される接合部を内側リングの外周面に形成することにより、ミキサ内に羽根部材を固定している。これにより、本発明は従来よりも生産効率の高いミキサを製造できる。

本発明によれば、生産効率を向上でき、アンモニアガスによる腐食の防止及び尿素の析出を抑制できるミキサ、排気浄化装置及びミキサの製造方法を提供できる。

本実施形態の排気浄化装置１の構成を示す斜視図である。 本実施形態のミキサ１２０の斜視図である。 本実施形態のミキサ１２０の製造方法を説明するための図である。 本実施形態の排気浄化装置１の構成要部を示す断面斜視図である。 本実施形態の排気浄化装置１の動作を説明するための図である。 従来のミキサ２０の構成を示す図である。 従来の排気浄化装置１の構成要部を示す断面斜視図である。 従来の排気浄化装置１の動作を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態の排気浄化装置１の構成を示す斜視図である。この排気浄化装置１は内燃機関（ディーゼルエンジン）からの排気系に設けられている。排気浄化装置１は排気管２内に還元剤噴射部１０と、ミキサ１２０と、ＮＯｘ浄化触媒部３０と、を備える。

還元剤噴射部１０は、ミキサ１２０よりも上流側の排気管２内に設置され、排気管２内に還元剤を噴射し、ＮＯｘ浄化触媒部３０に対してＮＨ_３の元となる尿素水を供給する。この還元剤噴射部１０は、図示しない還元剤供給タンクと、還元剤供給路１１と、還元剤噴射ノズル１２とを備える。
還元剤供給タンクには尿素水が貯蔵されており、図示しない還元剤ポンプ及び還元剤供給路１１を介して、還元剤噴射ノズル１２の先端部から、排気管２に尿素水が噴射される。また、還元剤噴射ノズル１２は、噴射する尿素水が後述のミキサ１２０の羽根部材１２３に衝突するように設けられており、これにより噴射ノズル１２より噴射された尿素水の液滴は、ミキサ１２０の羽根部材１２３に衝突して微粒化される。

ＮＯｘ浄化触媒部３０は、上記還元剤噴射部１０によって供給される尿素水が加水分解されることにより生成されるＮＨ_３を捕捉する部材であり、公知のＳＣＲ（選択還元式）触媒の製造方法によって製造される。ＮＯｘ浄化触媒部３０は、捕捉又は供給されたＮＨ_３を用いて排気中のＮＯｘを還元浄化する。
そして、本実施形態の排気浄化装置１は、後述するミキサ１２０の外周面を排気管２の内壁３に固着させることで製造される。

次に、本実施形態のミキサ１２０の構成について図２を用いて説明する。
図２は本実施形態のミキサ１２０の斜視図である。ここで、ミキサ１２０は外側リング１２１と、内側リング１２２と、複数の羽根部材１２３と、接合部１２４と、を備える。

外側リング１２１は、排気管２の内周面に嵌合して排気管２に接合される円筒状の部材である。

内側リング１２２は、羽根部材１２３を組み付けるための部材であり、少なくともその軸方向において一端側が前記外側リング１２１に重複して前記外側リング１２１の内側に配置される円筒状の部材である。また、内側リング１２２の外周部の大きさは外側リング１２１の内周に嵌合するように設けられている。

羽根部材１２３は、排気管２内において旋回流を発生させ、少なくともその軸方向の一端側が外側リング１２１の内側に配置されると共に、羽根部材１２３の他端側は内側リング１２２の内側に配置され、当該他端側における径方向外側端部１２３ａが内側リング１２２に形成された貫通孔１２２ａを貫通した状態で配置される部材である。
また、羽根部材１２３は図２に示すように、羽根部材１２３の上部の端面から下部の端面にかけて、例えば時計まわりに捻りを加えた湾曲面を有している。これによりミキサ１２０の下部より、旋回流を発生させることができる。

接合部１２４は、外側リング１２１と内側リング１２２の重複部に配置され、複数の羽根部材の径方向外側端部１２３ａ、内側リング１２２及び外側リング１２１が合わせて接合されることで形成される。特に、この接合部１２４は上記羽根部材１２３の径方向外側端部１２３ａを溶かし込むようにして、内側リング１２２の外周面上に形成されるため、ミキサ１２０内部にて羽根部材１２３を接合する必要は無い。

次に、本実施形態のミキサ１２０の製造方法について図３を用いて説明する。
ここで、図３は本実施形態のミキサ１２０の製造方法を説明するための図である。
本実施形態のミキサ１２０の製造方法は組付け工程と、挿入工程と、接合工程を有する。以下、各工程について詳しく説明する。

［組付け工程］
図３の（ａ）に示す組付け工程は、複数の羽根部材１２３の軸方向の他端側における径方向外側端部１２３ａを、内側リング１２２の貫通孔１２２ａに内側から貫通させ、複数の羽根部材１２３を内側リング１２２に組付ける。
これにより、複数の羽根部材１２３は、少なくともその軸方向の一端側が前記外側リング１２１の内側に配置されると共に他端側が内側リング１２２の内側に配置され、当該他端側における径方向外側端部１２３ａは内側リング１２２に形成された貫通孔１２２ａを貫通した状態で配置することができる。

［挿入工程］
図３の（ｂ）に示す挿入工程は、複数の羽根部材１２３が組み付けられた内側リング１２２を、その軸方向の一端側から、内側リング１２２の貫通孔１２２ａの位置まで外側リング１２１内に挿入する。
これにより、内側リング１２２は、軸方向において、その一端側が外側リング１２１に重複する形で、外側リング１２１の内側に配置される。

［組付け工程］
図３の（ｃ）に示す接合工程は、貫通孔１２２ａから外側に突出する複数の羽根部材１２３の径方向外側端部１２３ａ、内側リング１２２及び外側リング１２１を合わせて接合する。
これにより、外側リング１２１と内側リング１２２の重複部に配置され、且つ複数の羽根部材１２３の径方向外側端部１２３ａ、内側リング１２２及び外側リング１２１が合わせて接合された、接合部１２４が形成される。

そして、本実施形態において、外側リング１２１、内側リング１２２及び径方向外側端部１２３ａとは、当該内側リング１２２の外周面に沿った状態で円環状に溶接が行われる。このとき、径方向外側端部１２３ａは溶接部１２４として、一緒に溶かし込まれる。
これにより、外側リング１２１、内側リング１２２及び径方向外側端部１２３ａが溶接部１２４により、一体となったミキサ１２０を得る。

本実施形態のミキサ１２０は、概略以上のように構成され、従来のミキサ２０のようにその内部において外側リング２１と、羽根部材２３とを接合する作業を必要としない。また、本発明の接合部１２４は内側リング１２２の外周に形成されていることから、例えば、内側リングの外周上において円環状に接合作業を行うことができ、従来よりもその生産効率を飛躍的に向上させることができる。
また、接合部１２４は、ミキサ１２０内部に存在しておらず、排気管２に直接、曝されることがない。即ち、従来、排気管２内に発生するアンモニアにより生じていた接合部２４の腐食を、防止することができる。これにより、ミキサ１２０自体の劣化を防ぐことができる。更に、この構成によって、ミキサ１２０内部での尿素の析出も抑制することができる。
また、溶接作業は内側リング１２２の外周上で行われるため、外側リング１２１の外周面の表面上はこの溶接による影響を受けることがない。そのため、本発明のミキサ１２０は排気管２の内壁３に強固に固着させることが可能である。

次に、本実施形態のミキサ１２０を備える排気浄化装置１の動作について、図４及び図５を参照しながら説明する。
図４は本実施形態の排気浄化装置１の構成要部を示す断面斜視図であり、図５は本実施形態の排気浄化装置１の動作を説明するための図である。図４及び図５に示すように、本実施形態の排気浄化装置１は、ミキサ１２０の外周面を排気管２の内壁３に固着させることで製造される。
上流側に存在するエンジンにおいてリーン燃焼が実行されることで、エンジンからは多量のＮＯｘを含む排気が排出される。エンジンからの排気は、排気管２の内壁３を流通してミキサ１２０を通過し、ＮＯｘ浄化触媒部３０に流入する。流入した排気中に含まれるＮＯｘは、ＮＯｘ浄化触媒部３０により補足される。

次いで、ＮＯｘ浄化触媒部３０におけるＮＯｘ補足量が所定量を超えたときに、還元剤噴射ノズル１２の噴射孔より、尿素水がミキサ１２０の羽根部材１２３に向けて噴射される。噴射された尿素水の液滴が、排気により加熱された羽根部材１２３に衝突する。
羽根部材１２３に衝突した尿素水の液滴は、微粒化及び蒸発が促進されると共に、羽根部材１２３によって発生する旋回流によって、上流から流れ込む排気と、更に混合される。

図５に示すように、本実施形態のミキサ１２０の外部（内側リング１２２の外周）に接合部１２４が形成されていることから、排気及び微粒化した尿素水は、流れに乗って、接合部１２４の影響を受けることなくミキサ１２０内を流通する。
その後、ミキサ１２０の下流に生じた旋回流によって、排気と、尿素水とはより均一に混合されながら、ＮＯｘ浄化触媒部３０に流入する。尿素水は排気中で加水分解されてＮＨ_３となり、生成したＮＨ_３はＮＯｘ浄化触媒部３０に補足される。排気中のＮＯｘは、補足又は供給されたＮＨ_３を還元剤として、ＮＯｘ浄化触媒部３０により還元浄化される。

次に、本実施形態の排気浄化装置１の効果について説明する。
本実施形態によれば、ミキサ１２０の外部（内側リング１２２の外周面）で接合部１２４を形成している。即ち、図５に示したように、従来の一般的なミキサ２０は、外側リング２１と羽根部材２３とを接合部２４で固定する構造にしているのに対して、本実施形態では、羽根部材１２３をミキサ１２０の外部にて溶接が可能であり、ミキサ１２０内部にて溶接を行う必要が無い。このため、本実施形態の排気浄化装置１は従来の排気浄化装置１に比べて生産効率が高い。
それと同時に、従来のミキサ２０に対して、本実施形態のミキサ１２０内部には、アンモニアの腐食を受け、且つ尿素水の析出物を生じ得るような接合部１２４がもとから存在していない。これによって、本実施形態の発明では、アンモニアによる腐食が原因の接合部１２４の劣化を防止し、且つ尿素の析出を抑制することができる。このため、析出物による溶接部の腐食や、配管詰まりによる内燃機関の出力悪化、析出物の高温溶解によるアンモニアの大量発生を防ぐことができる。

なお、上記の実施形態では各部材の接合に溶接を用いたが、本発明はこれに限定されず、ロウ付け等、通常実施される接合手法を、接合部１２４の形成に適用できる。
また、上記の実施形態では接合部１２４の溶接時に円環状に行うことを説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、内側リング１２２上の径方向外側端部１２３ａの貫通している部分等、内側リング１２２上で、部分的な溶接も適用できる。

上記の実施形態では２枚の羽根を連結部にて、つなぎ合わせたものを使用したが、本発明はこれに限定されず、１枚羽根からなる羽根部材、若しくは通常ミキサに使用され得る羽根部材であれば適宣用いることが可能である。
また、上記の実施形態では羽根部材の形状を、羽根部材の上部の端面から下部の端面にかけて、所定の曲率で湾曲した構造としているが、本発明はこれに限定されず、旋回流を生じさせる構造であればいずれも使用できる。例えば、らせん形状の羽根の端部に径方向外側端部を設けたもの等を、羽根部材として、適宣用いることができる。

１…排気浄化装置
２…排気管（排気通路）
３…排気管の内壁
１０…還元剤噴射部
２０、１２０…ミキサ
２１、１２１…外側リング
１２２…内側リング
１２２ａ…貫通孔
２３、１２３…羽根部材
１２３ａ…径方向外側端部
２４、１２４…接合部（溶接部）
３０…ＮＯｘ浄化触媒部

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤と排気とを混合して拡散するためのミキサであって、
   前記排気通路の内周面に嵌合して前記排気通路に接合される円筒状の外側リングと、
   少なくともその軸方向において一端側が前記外側リングに重複して前記外側リングの内側に配置される円筒状の内側リングと、
   少なくともその軸方向の一端側が前記外側リングの内側に配置されると共に他端側が前記内側リングの内側に配置され、当該他端側における径方向外側端部が前記内側リングに形成された貫通孔を貫通した状態で配置される複数の羽根部材と、
   前記外側リングと前記内側リングの重複部に配置され、前記複数の羽根部材の前記径方向外側端部、前記内側リング及び前記外側リングが合わせて接合されることで形成される接合部と、を備えるミキサ。
2. 前記接合部は、溶接により形成される請求項１に記載のミキサ。
3. 前記接合部は、円環状に形成される請求項１又は２に記載のミキサ。
4. 請求項１から３いずれかに記載のミキサを前記排気通路内に備える内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記ミキサよりも上流側の排気通路内に配置され、前記排気通路内に還元剤を噴射する還元剤噴射部と、
   前記ミキサよりも下流側の排気通路内に配置され、排気通路を流通する排気中のＮＯｘを前記還元剤により還元して浄化するＮＯｘ浄化触媒部と、を備える排気浄化装置。
5. 請求項１から３いずれかに記載のミキサの製造方法であって、
   前記複数の羽根部材の軸方向の他端側における径方向外側端部を、前記内側リングの貫通孔に内側から貫通させ、前記複数の羽根部材を前記内側リングに組付ける組付け工程と、
   前記複数の羽根部材が組み付けられた内側リングを、その軸方向の一端側から、前記内側リングの貫通孔の位置まで前記外側リング内に挿入する挿入工程と、
   前記貫通孔から外側に突出する前記複数の羽部部材の前記径方向外側端部、前記内側リング及び前記外側リングを合わせて接合する接合工程と、を有するミキサの製造方法。

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