JP6662906B2 - 一体型投与コーンを備える混合器 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年４月３０日出願の米国仮特許出願第６２／１５５，０２５号明細書に対する優先権を主張する、２０１５年６月１２日出願の米国特許出願第１４／７３７，５４６号明細書に対する優先権を主張する一部継続出願である、２０１６年４月１９日出願の米国特許出願第１５／１３２，４７３号明細書に対する優先権を主張する。

排気系は、エンジンによって生成された高温の排ガスを種々の排気系部品に導いて、エミッションを還元しかつ騒音を制御する。排気系は、選択触媒還元（ＳＣＲ）触媒の上流に、ディーゼル排気用流体（ＤＥＦ）または例えば尿素と水との溶液などの還元剤を注入する注入系を含む。ＳＣＲ触媒の上流に混合器が位置決めされて、エンジン排ガスと尿素変換生成物とを混合する。注入系は、排気ストリーム中に尿素を噴霧する投与器（ｄｏｓｅｒ）を含む。尿素は、ＳＣＲ触媒に到達する前に可能な限りアンモニア（ＮＨ₃）に変換される必要がある。したがって、液滴噴霧サイズは、この目的を達成するために重要な役割を果たす。

１つの公知の構成では、混合器は、投与器を受け入れる開口部を備える外側ハウジングを含む。この開口部にコーンが位置合わせされて、外側ハウジングの内部空洞内への噴霧領域を拡大させる。噴霧領域の拡大により、噴霧が排ガスストリーム中に入るときに、より大きい領域にわたって噴霧液滴をより徹底して分布させるのを容易にする。

産業界は、よりコンパクトな排気系を提供する方向へ向かっており、それにより、排気系の体積を減少させることになる。より大きいサイズの液滴を噴霧する系は、よりコンパクトな系構成において使用されるときに尿素の変換を十分にもたらすことができないことがあり得る。そのようなものとして、これらのよりコンパクトな構成には、より小さい液滴サイズの投与器が必要とされている。

液滴サイズが小さいほど接触表面積が大きくなることに起因して、アンモニアへの変換はより効果的となる。しかしながら、液滴が小さい投与器によって生成された噴霧は、再循環流に非常に敏感である。一般に、投与器の先端にある領域は、再循環流の渦を有する。この渦は、噴霧液滴を混合器の壁に向かっておよび投与器の先端上へ押し、堆積開始部位を生じる。コーンを利用する構成では、堆積開始部位がコーンの壁に見られた。これらの部位にある堆積物は、時間とともに蓄積して排気系の動作に悪影響を及ぼし得る。例えば、アンモニア均一性指数が低くなるか、混合器を通した圧力降下が大きくなるか、またはアクティブディーゼル排気微粒子フィルター（ＤＰＦ）再生中にアンモニアエミッションがピークになり得る。

例示された一実施形態では、車両の排気系用の混合器は、混合器中心軸を画定し、かつ上流端に入口と、下流端に出口とを有する混合器ハウジングを含む。上流バッフルは、ハウジング内において上流端にあり、かつエンジン排ガスを受け入れるように構成された少なくとも１つの入口開口部を含む。下流バッフルは、混合器ハウジング内において下流端にあり、それにより、下流バッフルは、上流バッフルから軸方向に離間されている。下流バッフルは、少なくとも１つの出口開口部を含む。ハウジング開口部は、混合器ハウジング内において上流バッフルと下流バッフルとの間の箇所に形成され、かつ投与器を受け入れるように構成される。コーンは、ハウジング開口部と位置合わせされたコーン出口開口部を有し、および延長部分は、コーンの幅広端から外側へ延在して、コーン出口開口部を取り囲む壁を提供する。

上記のさらなる実施形態では、投与器は、還元剤と排ガスとの混合物が混合器ハウジングを出るように、上流バッフルと下流バッフルとの間の領域に還元剤を噴霧するように構成され、混合物は、混合器ハウジングを出る前に少なくとも３６０度である回転流路を通して移動する。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、上流バッフルは、第１の部分と、第１の部分から混合器中心軸に沿った方向にオフセットされた第２の部分と、第１の部分から第２の部分へ移行する第３の部分とを含み、少なくとも１つの入口開口部は、少なくとも１つの主入口開口部および１つ以上の副入口開口部を含み；および下流バッフルは、第１の部分と、第１の部分から混合器中心軸に沿った方向にオフセットされた第２の部分と、第１の部分から第２の部分へ移行する第３の部分とを含み、少なくとも１つの出口開口部は、少なくとも１つの主出口開口部および１つ以上の副出口開口部を含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、混合器ハウジング内において下流バッフルの下流に延長プレートが位置決めされ、延長プレートは、少なくとも１つのプレートの主出口開口部を含み、それにより、上流バッフルと下流バッフルとの間の投与器軸における上流箇所から、プレートの主出口開口部の中心軸における下流箇所まで、混合物が少なくとも３９０度回転する。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、副入口開口部および副出口開口部の少なくとも一方がリップを含み、リップは、上流バッフルおよび下流バッフルのそれぞれ１つから離れる方に延在して、上流バッフルおよび下流バッフルのそれぞれ１つの材料厚さの少なくとも３倍であるリップ高さを画定する。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、上流バッフルの第１の部分は第１の平坦面を含み、第２の部分は、第１の平坦面よりも小さい第２の平坦面を含み、および第３の部分は、第１の平坦面から第２の平坦面へ移行するらせん面を含み、上流バッフルは、第１の平坦面と第２の平坦面との間に延在する垂直壁部分を含み、垂直壁部分は少なくとも１つの主入口開口部を含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、少なくとも１つの主入口開口部は、垂直壁部分に形成された少なくとも３つの入口開口部を含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、第１の平坦面は、上流バッフルの少なくとも半分を含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、１つ以上の副入口開口部は、上流バッフルの第１の平坦面内にのみ形成され、上流バッフルの残りの部分には副入口開口部がない。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、下流バッフルの第１の部分は第１の平坦面を含み、第２の部分は、第１の平坦面からオフセットされた第２の平坦面を含み、および第３の部分は、第１の平坦面から第２の平坦面へ移行するらせん面を含み、主出口開口部は、下流バッフルの第１の平坦面と第２の平坦面との間の垂直方向のオフセット区域内に形成された開放領域を含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、下流バッフルの少なくとも半分は、副出口開口部のない固体表面を有し、下流バッフルの固体表面は投与器軸と位置合わせされ、それにより、投与器によって画定された噴霧ゾーンは、いかなる副出口開口部に遭遇することもなく固体表面にわたって延在する。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、コーンは、入口開口部を備える狭小端と、狭小端から、出口開口部を提供する幅広端まで延在するテーパ付き本体部分とを有し、延長部分は、出口開口部を取り囲み、かつ混合器ハウジングの内周に沿って延在する。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、コーンは、入口開口部を備える狭小端と、狭小端から、出口開口部を提供する幅広端まで延在するテーパ付き本体部分とを有し、かつ上流バッフルと下流バッフルとの間に位置決めされた中板を含み、中板は、延長部分に取り付けられ、中板は、混合器中心軸付近に頂点を有しかつ外側ハウジングに向かう方向において半径方向外向きに広がる楔形状を含み、中板は、頂点から半径方向外向きに延在する第１の縁と、頂点から半径方向外向きに延在しかつ第１の縁から円周方向に離間された第２の縁と、第１の縁と第２の縁とを接続して楔形状を画定する外周縁とによって画定された平坦部分を含み、延長部分は、外周縁の少なくとも一部分に沿って中板に接続され、中板は、外周縁から外側へ延在するフランジ部分を含み、フランジ部分の縁は、延長部分に取り付けられる。

本出願のこれらのおよび他の特徴は、以下の本明細書および図面から最もよく理解され、下記は、図面の簡単な説明である。

本発明による混合器を備える排気系の一例を概略的に示す。 本発明による混合器の上流端の斜視図である。 図２Ａからの上流バッフルの斜視図である。 本発明による混合器の下流端の斜視図である。 コーン、マニホールドおよび中板を含む混合器の副集成部品の正面斜視図である。 図４Ａの副集成部品の後面斜視図である。 図４Ａの副集成部品の上面斜視図である。 混合器内に含まれる図４Ａの副集成部品の斜視図である。 混合器内壁と関連させたコーンの概略的な断面図である。 コーンおよび延長部分の別の例の斜視図である。 図７の実施形態およびマニホールドの斜視図である。 混合器内に含まれる図８の副集成部品の斜視図である。 本発明を組み込む混合器の別の実施形態の入口端側からの斜視図である。 図１０の混合器の出口端側からの斜視図である。 図２Ａに示す混合器のバッフルの断面図である。 図１０に示す混合器のバッフルの断面図である。 図１０の混合器の下流バッフルおよび副集成部品の斜視図である。 上流バッフルが取り外された状態の図１２の混合器の入口端側からの斜視図である。 延長プレートのない図１０の混合器の出口端側からの斜視図である。 延長プレートの第１の実施形態を備える図１０の混合器の出口端側からの斜視図である。 延長プレートの第２の実施形態を備える図１０の混合器の出口端側からの斜視図である。 図１５Ａの混合器用の回転流路を示す、図１５Ａの混合器の端面図である。 図１５Ｂの混合器用の回転流路を示す、図１５Ｂの混合器の端面図である。 図１５Ｃの混合器用の回転流路を示す、図１５Ｃの混合器の端面図である。 図１５Ｃに示すような線１７Ａ−１７Ａに沿って取った断面図である。 図１７Ａで特定される領域の拡大図である。 図１０の混合器の分解図である。 図１８Ａに示すような副集成部品および構成要素の分解図である。 図１８Ａの延長バッフル、下流バッフルおよびマウンティングリングの出口側からの分解図である。 図１８Ｃの延長バッフル、下流バッフルおよびマウンティングリングの出口側からの分解図である。

図１は、公知の通り、エンジン１２によって生成された高温の排ガスを種々の上流排気系部品１４に導いて、エミッションを還元しかつ騒音を制御する車両の排気系１０を示す。種々の上流排気系部品１４は、以下のうちの１つ以上を含み得る：管、フィルター、弁、触媒、マフラー等。

１つの例示的な構成では、上流排気系部品１４は、排ガスを、入口１８および出口２０を有するディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）１６へ向ける。ＤＯＣ１６の下流には、ディーゼル排気微粒子フィルター（ＤＰＦ）であり得る任意選択的な構成要素２１があり、これは、公知のように、排ガスからの汚染物質を除去するために使用される。一例では、構成要素２１は、ＤＰＦおよび任意選択的なＬ字接続部を備える排気管の後続部分であり得る。別の例では、構成要素２１は、任意選択的なＬ字接続部を備える排気管の一部分であり得る。ＤＯＣ１６および任意選択的な構成要素２１の下流には、入口２４および出口２６を有する選択触媒還元（ＳＣＲ）触媒２２がある。入口２４は、混合器出口面４４から離れて置かれ得る。この例では、排気系の管が排気流を触媒２２へ導く。出口２６は、排ガスを下流排気系部品２８へ伝える。任意選択的に、構成要素２２は、選択触媒還元機能および微粒子フィルター機能を果たすように構成される触媒を含み得る。種々の下流排気系部品２８は、以下のうちの１つ以上を含み得る：管、フィルター、弁、触媒、マフラー等。これらの上流部品１４および下流部品２８は、車両の適用例および利用可能な実装スペースに依存して、種々の異なる構成および組み合わせで装着され得る。

混合器３０は、ＤＯＣ１６または構成要素２１の出口２０から下流に、およびＳＣＲ触媒２２の入口２４の上流に位置決めされる。上流触媒および下流触媒は、直列、並列または任意の他の構成であり得る。混合器３０（直列構成で示すような）は、排ガスの渦または回転運動を生成するために使用される。注入系３２は、ガスまたは液体の還元剤、例えば尿素と水との溶液などをＳＣＲ触媒２２から上流側の排ガスストリーム中へ注入するために使用されて、混合器３０が注入された物質と排ガスとを徹底的に混合できるようにする。一例では、注入系３２は、流体供給装置３４と、投与器３６と、公知のような還元剤の注入を制御する制御装置３８とを含む。任意選択的に、構成要素３６は、ガス還元剤を導入する管であり得る。還元剤の注入を制御する制御装置３８の動作は公知であるため、さらに詳細には説明しない。

図２〜９において混合器３０を詳細に示す。図２Ａに示すように、混合器３０は、エンジン排ガスを受け入れるように構成された入口端４２、および渦巻いているエンジン排ガスと、尿素から変換された生成物との混合物をＳＣＲ触媒２２へ向ける出口端４４を有する混合器外側ハウジングを含む。さらに、混合器本体は、上流バッフル５０（図２Ａ〜２Ｂ）および下流バッフル５２（図３）を含み、これらは、外周壁５４によって取り囲まれている。上流バッフル５０は、排ガス流の渦巻きを開始させるように構成される。混合器３０はまた、混合器中心軸Ａの方へ内側に向く内周面５６（図５）を含む。

入口４２にある上流バッフル５０は、排ガスの大部分を受け入れることができる大きい入口開口部６０を含み得（例えば、大きい入口開口部６０は排気質量流量の６０％を受け入れる）、および入口開口部は、渦運動を開始させるように構成される。上流バッフル５０はまた、複数の送り穴、スロット、または追加的な入口開口部６２を含み、これらにより、排ガスを確実に最適に均質化させ、かつ背圧を低下させる。上流バッフル５０および複数の入口開口部６０、６２は協働して、排ガスが混合器３０の入口端４２に入ると、排ガスに対して渦運動を開始させる。

下流バッフル５２は、大きい出口開口部６４（図９）を含み、それを通って排ガスの大部分が出る。下流バッフル５２はまた、リップ６８によって取り囲まれた複数の追加的な出口開口部６６を含み、それを通って排ガスが出る。リップ６８は、尿素を混合器３０内に保ってＤＥＦ変換を増加させ、かつ混合性能を向上させる。リップ６８はまた、追加的な乱流を生成して混合性能をさらに向上させる。下流バッフル５２は、らせん状部分７０を含む。らせんの軸は、Ａで表す（図２）混合器の中心軸であり、らせん状部分７０の外周囲にはリム７２が形成されている。リム７２は上流方向に延在する。

大きい出口開口部６４は主出口開口部を含み、および他の出口開口部６６よりも大きい。らせん状部分７０は追加的な出口開口部６６を含む。らせん状部分７０は、上流端部分７４および下流端部分７８によって形成される。部分７４および７８は、混合器軸Ａ（図２Ａ）に対して垂直な平坦面部分を含み、それらの間にらせん状部分が延在する。下流端部分７８の平坦面と上流端部分７４の平坦面との間に壁８０が延在し、主出口開口部６４は壁８０内に形成される。

同様に、図２Ｂに示すように、上流バッフル５０はらせん状部分８２を含み、らせん状部分８２の外周囲にはリム８４が形成されている。大きい入口開口部６０は主入口開口部を含み、および他の入口開口部６２よりも大きいことができる。らせん状部分８２は追加的な入口開口部６２を含み、かつ上流端部分８８および下流端部分８６を有する。上流部分８８から下流部分８６まで壁９０が延在し、主入口開口部６０は壁９０内に形成される。

外周壁５４は、上流バッフル５０と下流バッフル５２との間の箇所に形成された開口部９２を含む。開口部９２は、投与器３６を受け入れるように構成される。図４Ａ〜４Ｃは、噴霧が所望の向きで排ガスストリームに導入されるようにする、混合器３０への投与器３６の装着を容易にするように開口部９２と位置合わせされる副集成部品９４を示す。副集成部品９４は、コーン９６、マニホールド９８、および中板１００を含む。コーン９６は、入口開口部９６ｂを有する狭小端９６ａと、出口開口部９６ｄを備える幅広端９６ｃとを有する。テーパ付き本体部分９６ｅが狭小端９６ａから幅広端９６ｃへ延在する。延長移行部分９６ｆがコーン９６の幅広端９６ｃから延在して、出口開口部９６ｄを取り囲む壁９６ｇを提供する。この延長移行部分９６ｆは、コーン９６のテーパ付き部分と壁９６ｇとの間に滑らかな移行をもたらして（図６の９６ｈに示すように）、この領域での堆積物の蓄積を減らす。

図４Ｂ〜４Ｃに最もよく示すように、マニホールド９８は、外周壁５４にある開口部９２と位置合わせされる投与開口部９８ｂを備えるインターフェース部分９８ａを含む。任意選択的に、１つ以上の取付アーム９８ｃがインターフェース部分９８ａからコーン９６の壁９６ｇに向かう方向に延在する。任意選択的に、１つ以上のフランジ９８ｄがインターフェース部分９８ａから壁９６ｇまたはフランジ１１２の方に延在する。アーム９８ｃおよびフランジ９８ｄは、所定の方法で配置されて、１つ以上のチャンバー９９を形成する。排気流は、チャンバー９９を通過し、かつ入口開口部９６ｂへ向けられる。コーン９６の入口開口部９６ｂは、投与開口部９８ｂと位置合わせされて、コーン９６の狭小端９６ａがマニホールド９８のインターフェース部分９８ａに嵌るようにする。

中板１００は、マニホールド９８およびコーン９６に取り付けられて、副集成部品９４を形成する。中板１００は、混合器中心軸Ａ付近に頂点１０２を有し、および外周壁５４に向かう方向において半径方向外向きに広がる。中板１００は、頂点１０２から半径方向外向きに延在する第１の縁１０６と、頂点１０２から半径方向外向きに延在しかつ第１の縁１０６から円周方向に離間された第２の縁１０８と、第１の縁１０６と第２の縁１０８とを接続して楔形状を画定する外周縁１１０とによって画定された平坦部分１０４を含む。第１の縁１０６は中板１００の入口側を含み、および第２の縁１０８は中板１００の出口側を含む。縁１０６および縁１０８によって画定される角度は７０度〜２７０度で変化し得る。平坦部分１０４は、縁１０８である出口側に隣接らせん状部分を有し得る。

一例では、中板１００は、外周縁１１０から上流方向に延在するフランジ部分１１２を含む。フランジ部分１１２は、外周縁１１０全体に沿っては延在しない。図４Ａに示すように、コーン９６の壁９６ｇは、フランジ部分１１２の１つの縁に取り付けられ（１１４において示すように）、かつまた外周縁１１０の一部分に沿って取り付けられ得る（１１６において示すように）。図４Ｂ〜４Ｃに示すように、マニホールド９８のフランジ９８ｄは、１つまたは複数の溶接部１１８によってコーン９６の壁部分９６ｇに、および１つまたは複数の溶接部１１９によって中板１００のフランジ部分１１２に取り付けられる。図４Ｃに示すように、マニホールド９８のアーム部分９８ｃは、溶接部１２０によってコーン９６の壁部分９６ｇに取り付けられ、副集成部品９４を形成する。

その後、図５に示すように、副集成部品９４は混合器３０内に配置されて、中板のフランジ部分１１２が下流バッフル５２のリム７２に溶接され得るか、または他の方法で取り付けられ得る。図示の通り、マニホールド９８のコーン９６およびインターフェース部分９８ａは、混合器３０の開口部９２内に入れ子にされる。図示の通り、開口部は、任意選択的に混合器中心軸Ａと交差しない投与器軸Ｄを画定する（図５）。

図４Ａおよび図５に最もよく示すように、壁部分９６ｇおよびコーン本体は、一体成形部品として一体的に形成される。延長移行部分９６ｆは、幅広端９６ｃにおけるコーン９６のテーパ付き部分の内表面１３０から壁９６ｇまで延在する（図６）。上述の通り、壁９６ｇは、混合器自体への滑らかな移行部９６ｈを提供して（図６）、ＤＥＦ堆積物形成のリスクを減少させる。さらに、この構成は、より単純な組立品を提供し、これは、製造時間を短縮しかつ製造コストを削減し、および混合器の全体的なロバストネスを高める。

図４〜６に示す例では、副集成部品９４は、コーン９６に取り付けられる別個の構成要素として中板１００を含む。図７〜９に示す別の例示的な実施形態では、コーン２００は、一体成形部品として中板２０２と一体的に形成され得る。コーン２００は、壁２０８を提供する出口開口部を取り囲む延長部分２１４を含む。そのため、この壁２０８は、円周壁部分２１０およびベースプレート部分２１２に一体化するように延在する。壁部分２１０は、形態がフランジ部分１１２と同様であり、およびベースプレート部分２１２は、図４Ａに示す、別個の中板の楔形状のプレート部分１０４と同様である。延長部分２１４は、コーン２００の内表面から壁２０８まで移行する。

コーン２００は、マニホールド９８と同様のマニホールド２２０に取り付けられる（図８）。そのため、図９に示すように、この副集成部品は混合器３０内に設置される。

これらの実施形態のための中板１００およびプレート部分２１２は、上流バッフル５０と下流バッフル５２との間に位置決めされて、主入口開口部６０から主出口開口部６４への直接的な流れを阻止する。このように阻止することにより、主入口開口部６０から出る排ガスを、主出口開口部６４から出る前に混合器中心軸Ａの周りで３６０度超だけ回転させて誘導する回転流路を提供する。この回転度の増大により、排ガス内で還元剤をより徹底的に混合させる。また、このより徹底的な混合は、軸Ａ方向に従って混合器の全軸方向長を長くする必要なく行われる。

したがって、本発明は、少なくとも３６０度の流路を可能にするコンパクトな混合器３０を提供して、液体還元剤が使用されるときに混合性能を向上させ、およびＤＥＦ変換を増強する。さらに、一体型投与コーン９６を提供することにより、コーン出口と混合器内壁との間のインターフェースに滑らかな移行部が設けられ、堆積物形成を減少させ、これによりさらに性能を向上させる。この性能の向上は、混合器の軸方向長を長くすることなくもたらされ、かつさらに背圧に悪影響を及ぼさない。例えば、この３６０〜４５０度の回転流路は、軸Ａによって画定される方向による全長が７〜１０インチの長さである混合器内に設けられる。

混合器２３０の別の例を図１０に示す。この例では、混合器２３０は、エンジン排ガスを受け入れるように構成された入口端２４２、および渦巻いているエンジン排ガスと、尿素から変換された生成物との混合物をＳＣＲ触媒２２へ向ける出口端２４４を有する混合器本体を含む。さらに、混合器本体は、上流バッフル２５０（図１０）および下流バッフル２５２（図１１）を含み、これらのバッフルは、リング状構造の外周壁２５４によって取り囲まれている。上流バッフル２５０は、排ガス流の渦巻きを開始させるように構成されている。リング状構造は内周面２５６も含む。

上流バッフル２５０は、上流端部分２８８および下流端部分２８６を有し、らせん状部分２８２が上流端部分２８８と下流端部分２８６との間を移行する。外側リム２８４が上流バッフル２５０の外周囲に形成されている。上流端部分２８８は、全体的に大きい平坦領域を提供し、および下流端部分２８６は、上流端部分２８８の平坦領域から軸Ａに沿った方向にオフセットされた全体的により小さい平坦領域を含む。らせん状部分２８２は、渦運動を促すために、オフセットされた２つの平坦領域間での移行表面を含む。

図示の例では、上流端部分２８８の平坦領域は、上流バッフル２５０の表面領域の少なくとも約１８０度、すなわち約半分含み、下流端部分２８６のらせん状部分２８２および平坦領域は、他方の１８０度、すなわちもう半分を含む。図２Ａに示す上流バッフル５０の実施形態に対応する図１２Ａは、図１０に示すような上流バッフル２５０に対応する図１２Ｂと比較され得る。図１２Ａの実施形態では、上流端８８の平坦部分は、図１２Ｂの実施形態の平坦部分よりも遥かに小さく、およびらせん状部分８２は、上流端８８から下流端８６まで移行するより漸進的なスロープを有する。少なくとも１８０度にわたって延在する平坦領域を有する図１２Ｂは、図１２Ａの実施形態よりも遥かに急なスロープを備えるらせん状部分２８２を有する。これにより、混合器２３０の混合領域内において垂直方向により多くの余裕をもたらす。

投与器軸Ｄは、図１２Ａおよび図１２Ｂの両方において示される。混合器３０の図１２Ａの実施形態では、バッフル５０および５２間に第１の垂直距離ＶＤ１がある。混合器２３０の図１２Ｂの実施形態では、バッフル２５０および２５２間に、第１の垂直距離ＶＤ１を上回る第２の垂直距離ＶＤ２がある。図１２Ａおよび図１２Ｂから、全体的に噴霧ゾーンＳＺ（図１１）の中心に対応する投与器軸Ｄは、軸Ｄが図１２Ｂの混合器２３０の上流バッフル２５０と交差するよりも遥かに早く混合器３０の上流バッフル５０と交差することが明らかである。これにより、図２Ａの混合器３０と比較してより多くの余裕があるため、混合器２３０への噴霧の浸透量が向上する。

上流バッフル２５０はまた、上流部分２８８から下流部分２８６まで延在する垂直壁２９０を含み、および垂直壁は、混合器２３０への主排ガス入口を有する。上流バッフル５０に１つの大きい主入口開口部６０を有する代わりに（図２Ａ）、この構成は、上流バッフル２５０の壁２９０に複数の主入口開口部２６０を含み、排ガスの大部分を受け入れる（例えば、主入口開口部２６０は排気質量流量の６０％を受け入れる）。上流バッフル２５０はまた、複数の副入口開口部２６２を含んで、排ガスを確実に最適に均質化させかつ背圧を低減させる。上流バッフル２５０および入口開口部２６０、２６２は協働して、排ガスが混合器２３０の入口端２４２に入るときに排ガスに渦運動を開始させる。

上述の通り、主入口開口部２６０は壁２９０内に形成される。上流端部分２８８の平坦領域は、追加的または副入口開口部２６２を含む。副入口開口部２６２は、主入口開口部と同じサイズおよび／または形状であり得るか、またはわずかに小さいことができ、および／または異なる形状を有することができる。一例では、バッフル部分２８２および下流端部分２８６の平坦領域は、副入口開口部を全く含まない、すなわち副入口開口部２６２は、上流端部分２８８の平坦領域にのみ形成される。

図１０に示す例では、単一の主入口開口部６０の代わりに使用される３つの主入口開口部２６０がある。適用例に応じて、２つの主入口開口部２６０のみ、または４つ以上の主入口開口部２６０が使用され得ることが理解されるべきである。一例では、主入口開口部２６０は、長尺状形状、例えばスロット形状を有し、第１の方向の大きい寸法はスロットの長さを画定し、および第２の方向の小さい寸法はスロットの高さを画定する。図示の例では、大きい寸法は、下流端部分２８６の平坦領域から上流端部分２８８の平坦領域の方へ向かう方向において壁２９０に沿って延在し得る。

図示の例では、主入口開口部２６０は同じサイズであり、および半径方向において壁２９０に沿って互いに離間されている。開口部２６０はまた、異なる構成の向きにされ、および異なるサイズを有し得る。単一の大きい入口開口部とは対照的に、複数の主入口開口部２６０を有することの１つの利点は、複数の入口開口部２６０が、噴霧に対して加えられる排ガスの力を減少させるのを促進し、それにより、内周面２７２に強制的に当たることになる噴霧量を減少させることである。

図１１に示すように、下流バッフル２５２は、大きい主出口開口部２６４を含み、それを通って大部分の排ガスが出る。下流バッフル２５２はまた、リップ２６８によって取り囲まれた１つ以上の副出口開口部２６６を含み、それを通って排ガスが出る。リップ２６８は、尿素を混合器２３０内に保ち、ＤＥＦ変換を増やし、および混合性能をさらに向上させるために追加的な乱流を生成する。

下流バッフル２５２は、上流端部分２７４および下流端部分２７８を有し、らせん状部分２７０が上流端部分２７４と下流端部分２７８との間を移行する。外側リム２７２が下流バッフル２５２の外周囲に形成される。上流端部分２７４は平坦領域を含み、らせん状部分２７０を介して下流端部分２７８にある平坦領域まで移行する。２つの平坦領域は、軸Ａに沿った方向において互いにオフセットされている。らせん状部分２７０は、オフセットされた２つの平坦領域間を移行する表面を含んで渦運動を促進する。下流バッフル２５２はまた、上流部分２７４から下流部分２７８まで延在する垂直壁２８０を含み、および下流バッフルは、副出口開口部２６６よりも大きい主出口開口部２６４を有する。図示の例では、主出口開口部２６４は、上流端部分２７４の平坦領域と下流端部分２７８の平坦領域との間の垂直方向のオフセット部内に形成された開放領域を含む。

図示の例では、下流バッフルの少なくとも１８０度、すなわち少なくとも半分は、固体表面を有する、すなわち副出口開口部２６６がない。下流バッフル２５２のこの固体表面が投与器軸Ｄと位置合わせされ、それにより、図１１に示すように、噴霧ゾーンＳＺがこの固体表面にわたって延在する。したがって、副開口部２６６は、主出口開口部２６４に隣接する下流端部分２７８に形成され、かつ噴霧ゾーンＳＺと重なり合わない。図示の例では、３つの副開口部２６６があり、それぞれ異なるサイズを有する。さらに、少なくとも１つの開口部はスロット形状であり、および少なくとも１つの開口部は円形形状である。しかしながら、形状およびサイズの種々の組み合わせが使用され得る。さらに、適用例に応じて、４つ以上または２つ以下の副開口部も使用され得ることが理解されるべきである。

図１０〜１１に示すような混合器２３０では、中板１００の平坦部分１０４（図４Ａ）は、もはやバッフル２５０および２５２間に位置決めされていない。その代わりに、図１３に示すように、コーンプレート３１６およびマニホールド３１８を含む副集成部品３１４は、図５〜６に示すような混合器３０のコーンプレート１１６およびマニホールド１１８と同様の方法で使用される。コーンプレート３１６は、混合器３０のフランジ部分１１２と同様の壁部分３１２を含むように修正される。

マニホールド３１８は、混合器３０に関して上述したものと同様の方法でコーンプレート３１６に取り付けられる。その後、副集成部品３１４は、コーンプレート３１６の円周縁に沿った第１の溶接部３２０および壁部分３１２に沿った第２の溶接部３２２により、下流バッフル２５２に取り付けられる。溶接しているインターフェースを示すが、例えば、ろう付けなどの他の取付方法も使用できることを理解されるべきである。

図１４に示すように、混合器２３０の外周壁２５４は、投与器３６を受け入れるための投与開口部２２４を備える投与器装着領域を含む。上流および下流バッフル２５０、２５２は、混合器２３０の長さに沿った軸方向において互いに離間されている。投与器３６用の投与開口部２２４は、上流バッフル２５０と下流バッフル２５２との間の領域に還元剤を噴霧するように位置決めされる。

噴霧と排ガスとの混合物が下流バッフル２５２の主出口開口部２６４を出るとき、混合物は延長バッフル３００に向けられる。したがって、延長バッフル３００は、混合器２３０内において出口または下流バッフル２５２の下流である箇所に配置される。この箇所に延長バッフル３００を使用することによって流れの分散を向上させ、かつ混合器３０と比較して混合器２３０により良好な性能を生じる。

図１５Ａは、延長バッフル３００のない混合器２３０の出口端側からの図を示す。図１５Ｂは、延長バッフル３００の第１の実施形態を示し、ここでは、バッフル３００は下流バッフル２５２と約９０度重なり合うように構成されている。図１５Ｃは、延長バッフル３００’の第２の実施形態を示し、ここでは、バッフル３００’は下流バッフルと約１８０度度重なり合うように構成されている。各実施形態では、延長バッフル３００、３００’は、ほぼ平坦なベース３００ａを含み、円周壁部分３００ｂ（図１８Ｃ〜Ｄ）がベース３００ａの外周縁から上流方向に延在している。

平坦なベース３００ａは楔形状を有し、これは、混合器中心軸Ａ付近に頂点または中心３００ｃを有し、かつ外周壁２５４に向かう方向において半径方向外向きに広がる。平坦なベース３００ａは、頂点３００ｃから半径方向外向きに延在する第１の縁３００ｄ、頂点３００ｃから半径方向外向きに延在しかつ第１の縁３００ｄから円周方向に離間された第２の縁３００ｅ、および第１の縁３００ｄと第２の縁３００ｅとを接続する外周縁３００ｆによって画定される。第１の縁３００ｄは、延長バッフル３００の入口側または上流側を含み、および第２の縁３００ｅは、延長バッフル３００の出口側または下流側を含む。図示の例では、縁３００ｄ、３００ｅによって画定された角度は約９０度である。しかしながら、角度は、適用例に依存して必要に応じて増減され得る。

上述の通り、円周壁部分３００ｂ（図１８Ｃ〜Ｄ）は、外周縁３００ｆから上流方向に延在する。放射状壁部分３００ｇ（図１８Ｃ〜Ｄ）は、平坦なベース３００ａの第２の縁３００ｅから上流方向に延在する。放射状壁部分３００ｇは、大きい主出口開口部３００ｈを含み、それを通って排ガスと還元剤との混合物の大部分が混合器２３０を出る。ベース３００ａは１つ以上の副出口開口部３００ｉを含み、これらのサイズは主出口開口部３００ｈよりも小さい。副出口開口部３００ｉは、円形形状、またはスロット形状、またはそれらの任意の組み合わせであり得る。他の形状および異なるサイズ構成も使用し得る。さらに、２つのスロット形状の開口部および１つの円形形状の開口部を図１５Ｂに示すが、任意の形状またはサイズの組み合わせのより少数または多数の開口部も適用例に依存して使用され得る。

図１５Ｃの延長バッフル３００’は、図１５Ｂのバッフル３００の延長バッフルと同様であるが、縁３００ｄ、３００ｅによって画定された角度は約１８０度まで大きくされている。角度は９０〜１８０度のいずれかに修正でき、かつまた適用例に依存して、必要に応じて１８０度よりも大きくまたは９０度よりも小さくできることが理解されるべきである。

図１６Ａは、下流バッフル２５２の主出口開口部２６４が投与器軸Ｄに関連して示された状態の混合器出口からの図を示す。矢印３０１によって示すように、上流の投与器軸Ｄの箇所から、下流の出口開口部２６４の中心軸３０３の箇所までは３６０度の回転を下回る（図１６Ａには約３００度の回転が示されている）。図１６Ｂおよび図１６Ｃの実施形態は、混合物が混合器２３０を出る前に著しく大きく回転するように提供される。

図１６Ｂは、混合器２３０からの出口と、図１５Ｂの延長バッフル３００構成用の投与器軸Ｄとの関係を示す。平坦なベース３００ａの上流または第１の縁３００ｄは、下流バッフル２５２の主出口開口部２６４の中心軸３０３に沿ってほぼ位置合わせされている。延長バッフル３００の主出口開口部３００ｈは中心軸３０５を画定している。矢印３０７によって示されるように、上流の投与器軸Ｄの箇所から下流の延長バッフル３００の出口開口部３００ｈの中心軸３０５の箇所まで約３９０度の回転があり、これは、図１６Ａに示す回転の量を著しく向上させている。図１６Ｃは、矢印３０９に示すように、さらに多く回転させるようにしており、ここでは、上流の投与器軸Ｄの箇所から下流の延長バッフル３００’の出口開口部３００ｈの中心軸３０５の箇所まで約４８０度の回転がある。

図１７Ａは、図１５Ｃの線１７Ａに沿って取られた断面図を示す。この断面図は、それぞれリップ３００ｊによって取り囲まれている、延長バッフル３００’の副開口部３００ｉを通って取られている。リップ３００ｊは、各開口部３００ｉを完全に取り囲み、かつ上流方向に延在している。図１７Ｂの拡大図に示すように、各リップ３００ｊは、ベース３００ａからリップ３００ｊの遠位端まで外側に延在するリップ高さＬＨを有する。各リップ３００ｊは材料厚さＭＴも有する。図示の例では、リップ高さＬＨは材料厚さＭＴの少なくとも３倍である。この関係により、リップが短いかまたはリップがない従来の構成と比較して、性能を向上させる。図１５Ｃに示すような延長バッフル３００’のリップの構成は、延長バッフル３００のリップ３００ｊにも使用され得ることが理解されるべきである。さらに、リップ高さが材料厚さの３倍であるという関係は、上流バッフル２５０および下流バッフル２５２の副開口部２６２、２６６のリップ２６８にも使用され得る。一例では、リップ３００ｊは、それぞれの開口部を完全に取り囲むように延在する。

図１８Ａ〜Ｄは、図１０〜１１および図１５Ｂに示す構成に対応する混合器２３０の分解図を示す。上流バッフル２５０および下流バッフル２５２は、投与開口部２２４を含むリング状構造３５０に装着される。コーンプレート３１６およびマニホールド３１８の副集成部品３１４は、投与開口部２２４に関連付けられる。図１８Ｂは、副集成部品３１４の分解図を示す。投与器３６用の取付板３１７がマニホールド３１８およびコーンプレート３１６組立品に取り付けられる。図１８Ｃ〜Ｄは、下流バッフル２５２および延長バッフル３００の分解図を示す。図１８Ａ〜Ｂに示すように、追加的なマウンティングリング３５４がこれらの構成要素を残りの組立品に対して固定するために使用され得る。

本発明は、混合性能およびＤＥＦ変換を向上させるために、３００〜４８０度またはそれを上回る流れ回転度を可能にするコンパクトな混合器を提供する。さらに、上述の通り、この性能の向上は、混合器の軸方向長を長くすることなくもたらされ、かつさらに背圧に悪影響を及ぼさない。例えば、この著しい回転の量は、全長が７〜１０インチである混合器内にもたらされる。

本発明の実施形態を開示してきたが、当業者は、いくつかの修正形態が本発明の範囲内に入ることを認識する。そのため、以下の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲および内容を決定するために検討されるべきである。

Claims (20)

1. 車両の排気系用の混合器であって、
   混合器中心軸を画定し、かつ上流端に入口と、下流端に出口とを有する混合器ハウジングと；
   前記混合器ハウジング内において前記上流端に位置決めされ、かつエンジン排ガスを受け入れるように構成された少なくとも１つの入口開口部を含む上流バッフルと；
   前記混合器ハウジング内において前記下流端に位置決めされ、それにより、前記混合器中心軸に沿った方向において前記上流バッフルから軸方向に離間され、少なくとも１つの出口開口部を含む下流バッフルと；
   前記混合器ハウジング内において前記上流バッフルと前記下流バッフルとの間の箇所に形成され、投与器軸を画定する投与器を受け入れるように構成されたハウジング開口部と；
   前記混合器への前記投与器の装着を容易にするように前記ハウジング開口部と位置合わせされる副集成部品であって、コーンおよびマニホールドを含む前記副集成部品とを含み、
   前記コーンは、一体成形部品として形成され、前記ハウジング開口部と位置合わせされたコーン出口開口部、狭小端から幅広端へ延在するテーパ付き本体部分および前記コーンの幅広端から延在する延長移行部分を有し、
   前記マニホールドは、前記ハウジング開口部と位置合わせされる投与開口部を備えるインターフェース部分を含み、１つ以上の取付アームが前記インターフェース部分から前記コーンの壁に向かう方向に延在し、１つ以上のフランジが前記インターフェース部分から前記コーンの前記壁の方に延在し、
   前記１つ以上のアームおよび前記１つ以上のフランジは、所定の方法で配置されて、エンジン排ガスが、前記投与開口部へ向けられるように成形された１つ以上のチャンバーを形成する、混合器。
2. 前記投与器は、還元剤と排ガスとの混合物が前記混合器ハウジングを出るように、前記上流バッフルと前記下流バッフルとの間の領域に還元剤を噴霧するように構成され、前記混合物は、前記混合器ハウジングから出る前に少なくとも３６０度の回転流路を通して移動する、請求項１に記載の混合器。
3. 前記上流バッフルは、第１の部分と、前記第１の部分から前記混合器中心軸に沿った方向にオフセットされた第２の部分と、前記第１の部分から前記第２の部分へ移行する第３の部分とを含み、前記少なくとも１つの入口開口部は、少なくとも１つの主入口開口部および１つ以上の副入口開口部を含み、および
   前記下流バッフルは、第１の部分と、前記第１の部分から前記混合器中心軸に沿った方向にオフセットされた第２の部分と、前記第１の部分から前記第２の部分へ移行する第３の部分とを含み、前記少なくとも１つの出口開口部は、少なくとも１つの主出口開口部および１つ以上の副出口開口部を含む、請求項２に記載の混合器。
4. 前記混合器ハウジング内において前記下流バッフルの下流に位置決めされた延長バッフルを含み、前記延長バッフルは、少なくとも１つの主出口開口部を含み、それにより、前記上流バッフルと前記下流バッフルとの間の前記投与器軸における上流箇所から、前記延長バッフルの主出口開口部の中心軸における下流箇所まで、前記混合物は少なくとも３９０度回転する、請求項３に記載の混合器。
5. 前記延長バッフルは、ベースの外周縁から上流方向に円周壁部分が延在するほぼ平坦なベースを含み、前記ベースは、前記混合器中心軸付近に中心を有し、かつ前記円周壁部分へ向かう方向に外側へ広がり、前記ベースは、前記中心から半径方向外向きに延在する第１の縁と、前記中心から半径方向外向きに延在しかつ前記第１の縁から円周方向に離間された第２の縁とによって画定されている、請求項４に記載の混合器。
6. 前記第１の縁と前記第２の縁との間に画定される角度は少なくとも９０度である、請求項５に記載の混合器。
7. 前記第１の縁と前記第２の縁との間に画定される角度は少なくとも１８０度であり、それにより、前記混合物は少なくとも４８０度回転する、請求項５に記載の混合器。
8. 前記第１の縁は、前記延長バッフルの入口側または上流側を含み、および前記第２の縁は、前記延長バッフルの出口側または下流側を含み、放射状壁部分は、前記平坦なベースの前記第２の縁から前記上流方向に延在し、前記放射状壁部分は前記延長バッフルの主出口開口部を含む、請求項５に記載の混合器。
9. 前記延長バッフルは、前記ベースに形成された少なくとも１つのバッフル副開口部を含み、前記バッフル副開口部は前記延長バッフルの主出口開口部よりも小さい、請求項８に記載の混合器。
10. 前記少なくとも１つのバッフル副開口部は、前記ベースから離れる方に延在するリップによって取り囲まれて、前記延長バッフルの材料厚さの少なくとも３倍であるリップ高さを画定する、請求項９に記載の混合器。
11. 前記延長バッフルの前記第１の縁は、前記混合器中心軸に沿った方向において前記下流バッフルの前記主出口開口部とほぼ位置合わせされる、請求項５に記載の混合器。
12. 前記副入口開口部および副出口開口部の少なくとも一方はリップを含み、前記リップは、前記上流バッフルおよび前記下流バッフルのそれぞれ１つから離れる方に延在して、前記上流バッフルおよび前記下流バッフルの前記それぞれ１つの材料厚さの少なくとも３倍であるリップ高さを画定する、請求項３に記載の混合器。
13. 前記上流バッフルの前記第１の部分は第１の平坦面を含み、前記第２の部分は、前記第１の平坦面よりも小さい第２の平坦面を含み、および前記第３の部分は、前記第１の平坦面から前記第２の平坦面へ移行するらせん面を含み、前記上流バッフルは、前記第１の平坦面と前記第２の平坦面との間に延在する垂直壁部分を含み、前記垂直壁部分は前記少なくとも１つの主入口開口部を含む、請求項３に記載の混合器。
14. 前記少なくとも１つの主入口開口部は、前記垂直壁部分に形成された少なくとも３つの入口開口部を含む、請求項１３に記載の混合器。
15. 前記第１の平坦面は、前記上流バッフルの少なくとも半分を含む、請求項１３に記載の混合器。
16. 前記１つ以上の副入口開口部は、前記上流バッフルの前記第１の平坦面内にのみ形成され、前記上流バッフルの残りの部分には副入口開口部がない、請求項１５に記載の混合器。
17. 前記下流バッフルの前記第１の部分は第１の平坦面を含み、前記第２の部分は、前記第１の平坦面からオフセットされた第２の平坦面を含み、および前記第３の部分は、前記第１の平坦面から前記第２の平坦面へ移行するらせん面を含み、前記主出口開口部は、前記下流バッフルの前記第１の平坦面と前記第２の平坦面との間の垂直方向のオフセット区域内に形成された開放領域を含む、請求項３に記載の混合器。
18. 前記下流バッフルの少なくとも半分は、副出口開口部のない固体表面を有し、前記下流バッフルの前記固体表面は前記投与器軸と位置合わせされ、それにより、前記投与器によって画定された噴霧ゾーンは、いかなる副出口開口部に遭遇することもなく前記固体表面にわたって延在する、請求項１７に記載の混合器。
19. 前記副集成部品は、前記上流バッフルと前記下流バッフルとの間に位置決めされた中板を更に含み、前記中板は、延長部分に取り付けられ、前記中板は、混合器中心軸付近に頂点を有しかつ前記外側ハウジングに向かう方向において半径方向外向きに広がる楔形状を含み、前記中板は、前記頂点から半径方向外向きに延在する第１の縁と、前記頂点から半径方向外向きに延在しかつ前記第１の縁から円周方向に離間された第２の縁と、前記第１の縁と前記第２の縁とを接続して前記楔形状を画定する外周縁とによって画定された平坦部分を含み、前記延長部分は、前記外周縁の少なくとも一部分に沿って前記中板に接続され、前記中板は、前記外周縁から外側へ延在するフランジ部分を含み、前記フランジ部分の縁は、前記延長部分に取り付けられる、請求項１に記載の混合器。
20. 延長部分は、前記混合器ハウジングの内周に沿って延在する、請求項１に記載の混合器。

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