排気ガス後処理装置
【課題】湾曲部を含む排気管内において還元剤を排気ガスに対して均一に分散させつつ、小型化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の湾曲部２ａの下流側には、噴射ノズル５から噴射された尿素水を還元剤として排気ガスに含まれるＮＯｘを浄化するＳＣＲ触媒４が設けられている。また、湾曲部２ａとＳＣＲ触媒４との間には、噴射ノズル５から噴射された尿素水を排気管２内に分散させるための分散部材２１〜２３と、分散された尿素水を排気ガスに混合するミキサー３１とが設けられている。噴射ノズル５は、分散部材２１〜２３の上流側である部位であり、且つ湾曲部２ａにおける外周側に位置する部位に配置されており、噴射した尿素水を分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａに直接衝突させることが可能となっている。
【解決手段】排気管２の湾曲部２ａの下流側には、噴射ノズル５から噴射された尿素水を還元剤として排気ガスに含まれるＮＯｘを浄化するＳＣＲ触媒４が設けられている。また、湾曲部２ａとＳＣＲ触媒４との間には、噴射ノズル５から噴射された尿素水を排気管２内に分散させるための分散部材２１〜２３と、分散された尿素水を排気ガスに混合するミキサー３１とが設けられている。噴射ノズル５は、分散部材２１〜２３の上流側である部位であり、且つ湾曲部２ａにおける外周側に位置する部位に配置されており、噴射した尿素水を分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａに直接衝突させることが可能となっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
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と、還元触媒の上流側で排気管内に尿素水を噴射する還元剤噴射装置とを備えている。還元触媒は、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（ＮＨ３）と排気ガスに含まれるＮＯｘとを反応させ、無害な窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに還元するものであり、この還元を効率よく行うためには、還元触媒に対して尿素水を均一な分布状態で供給することが必要となる。
【０００３】
また、特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムは、排気ガスと尿素水とを混合して尿素水の分布状態を均一とするためのミキサーユニットを備えている。ミキサーユニットは、還元剤噴射装置と還元触媒との間に設けられたプレート状の部材であって、排気ガス及び尿素水が流通する複数の通路と、各通路の出口側に形成されたフィン部とを有している。還元剤噴射装置は、尿素水をミキサープレートに向かって噴射するようになっており、ミキサープレートに衝突して微粒化した尿素水が排気管内に分散される。分散された尿素水は、排気ガスとともにミキサープレートの各通路を通過し、次いで、各フィン部が発生させる乱流によって排気ガスに混合されてから還元触媒に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のミキサープレート単体で尿素水を均一に分散させるためには、還元剤噴射装置から噴射される尿素水をミキサーユニットの全面に対して衝突させる必要がある。しかしながら、通常、還元剤噴射装置は尿素水を円錐状に噴射するため、尿素水をミキサーユニットの全面に衝突させるためには、尿素水の噴射範囲が十分に広がるように、還元剤噴射装置とミキサーユニットとの間に距離をとる必要がある。すなわち、特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムでは、ミキサーユニットの上流側の排気管を短くすることができず、装置全体を小型化することが困難であるという問題点を有していた。
【０００６】
また、通常、排気管は車両に搭載する際のレイアウト上の問題により、還元触媒の上流側等の複数個所で湾曲していることが一般的となっている。このような場合、特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水の噴射範囲を広げるために所望される距離を還元剤噴射装置とミキサーユニットとの間にとることができない場合がある。すなわち、排気管がミキサーユニットの上流側に湾曲部を含んでいる場合、特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムでは尿素水をミキサーユニットの全面に衝突させることができず、尿素水を均一に分散させることが困難になるという問題点を有していた。
【０００７】
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、湾曲部を含む排気管内において還元剤を排気ガスに対して均一に分散させつつ、小型化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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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る排気ガスが流通するとともに、排気ガスが流通する方向を湾曲させる湾曲部を有する排気管と、排気管の内部に還元剤を噴射する還元剤供給装置と、還元剤供給装置及び湾曲部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を備えた排気ガス後処理装置において、湾曲部と還元触媒との間に配置され、一方の面が湾曲部における外周側を向くように設けられた板状の分散部材と、分散部材と還元触媒との間に配置され、排気ガスと還元剤とを混合する混合手段とをさらに備え、還元剤噴射装置は、分散部材の上流側の部位であり、且つ分散部材の一方の面に向かって還元剤を噴射可能な部位に配置されることを特徴とするものである。
【０００９】
湾曲部と還元触媒との間に分散部材を設けるとともに、分散部材に向かって還元剤を噴射可能な部位に還元剤供給装置を配置したので、分散部材に衝突することによって微粒化された還元剤が排気管内に分散される。また、分散部材と還元触媒との間に混合手段を設けたので、分散部材に衝突して分散された還元剤は、混合手段によって排気ガスと混合されて還元触媒に供給される。つまり、分散部材によって還元剤を予め分散することができるため、還元剤を混合手段に向かって直接噴射する場合のように、還元剤の噴射範囲を広げるために還元剤供給装置と混合手段との間の距離を大きくとる必要がない。
【００１０】
また、分散部材に到達する排気ガスは、湾曲部に沿って湾曲しながら流通してくるため、通常、分散部材の一方の面、すなわち湾曲部における外周側を向いた面の周辺には、排気ガスの流れが生じにくい状態となる。ここで、還元剤噴射装置は分散部材の上記の面に向かって上流側から還元剤を噴射するため、噴射された還元剤の流れは、湾曲しながら流れる排気ガスを斜めに横切って分散部材の上記の面に衝突するものとなる。つまり、還元剤供給装置から噴射された還元剤の流れにより、この面の周辺に排気ガスの流れを生じさせることができるため、分散部材に衝突した還元剤を効率よく分散させることができる。以上より、湾曲部を含む排気管を有する排気ガス後処理装置において、還元剤を排気ガスに対して均一に分散させつつ、小型化することが可能となる。
【００１１】
分散部材と混合手段とが隣接して配置されてもよい。分散部材と混合手段との間の距離が短くなるため、排気ガス後処理装置をさらに小型化することが可能となる。また、分散部材によって分散された還元剤が直ちに混合手段を通過するため、還元剤を効率よく排気ガスに混合することが可能となる。ここで隣接とは、分散部材と混合手段とが一体的に形成されているものだけでなく、別部品でも実質、分散部材と混合手段との間で排気ガス流れが変わらない距離の範囲で離れている場合も含み、例えば、排気管の直径に対して１０％以下の距離だけ離れているものを含む。
排気管は、直線状に延びるとともに分散部材及び混合手段が配置されるストレート配管部を湾曲部と還元触媒との間に有しており、分散部材は、ストレート配管部の軸方向に対して平行に延びてもよい。圧力損失を上げることなく、混合手段に還元剤を供給することが可能となる。ここで平行とは、厳密に平行でなくてもよく、圧力損失が無視できる程度の角度を含むものとする。
また、分散部材は複数であってもよい。より多くの還元剤を分散部材に衝突させることができるため、さらに効率よく還元剤を分散させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、湾曲部を含む排気管を有する排気ガス後処理装置において、排気ガスに対して還元剤を均一に分散させつつ、小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】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図である。
【図３】実施の形態に係る排気ガス後処理装置における分散部材及び混合手段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。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図５】実施の形態に係る排気ガス後処理装置における排気ガスの流れを説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための還元触媒であるＳＣＲ触媒４が設けられている。
【００１５】
ＳＣＲ触媒４は、排気ガスに添加される還元剤である尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ３）と排気ガスとを反応させてＮＯｘを浄化する触媒であって、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間には、排気管２の内部に尿素水を噴射する還元剤供給装置としての噴射ノズル５が設けられている。噴射ノズル５には、尿素水を内部に貯留する尿素水タンク６と、尿素水タンク６内の尿素水を噴射ノズル５に供給する尿素水添加システム７とが、接続管８を介して接続されている。また、尿素水添加システム７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ＥＣＵ９に電気的に接続されている。
【００１６】
ＳＣＲ触媒４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１１及びＮＯｘセンサ１２が設けられており、これらのＮＯｘセンサ１１、１２がＥＣＵ９に電気的に接続されている。ＥＣＵ９は、ＮＯｘセンサ１１、１２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７に出力し、噴射ノズル５による尿素水の噴射を制御する。尚、図示はされていないが、ＳＣＲ触媒４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４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。
【００１７】
ここで、排気管２は、図示しない車両に搭載する際のレイアウト上の問題により複数箇所で湾曲されており、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間に湾曲部２ａを有している。さらに具体的に説明すると、排気管２は、酸化触媒３から下流側に向かってテーパ状に細くなってから湾曲部２ａで湾曲され、次いで、直線状に延びるストレート配管部２ｂ、及びテーパ配管部２ｃを順次介してＳＣＲ触媒４に接続されている。すなわち、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスは、ＳＣＲ触媒４を通過した後、その流れの方向を湾曲部２ａによって湾曲され、次いで、ストレート配管部２ｂ及びテーパ配管部２ｃを順次通過してＳＣＲ触媒４に供給されるようになっている。尚、図１は、鉛直方向における上方側から排気管２を見た図であり、排気管２が横方向に湾曲された様子を示すものであるが、排気管２は横方向以外のあらゆる方向に湾曲し得る。
【００１８】
以上のように構成されるディーゼルエンジン１の排気系において、排気管２の湾曲部２ａとＳＣＲ触媒４との間に位置するストレート配管部２ｂの内部には、噴射ノズル５から噴射された尿素水を微粒化して排気管２内に分散させるための３つの分散部材２１〜２３と、分散部材２１〜２３によって分散された尿素水を排気ガスに混合するための混合手段であるミキサー３１とが設けられている。以下に、分散部材２１〜２３、ミキサー３１及びこれらの周辺の構成について、図２〜図４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左右方向と、排気管２の湾曲部２ａにおける外周側及び内周側とを、図２に示す各矢印によって規定する。
【００１９】
図２に示すように、分散部材２１〜２３は、ストレート配管部２ｂの内部に左右方向に沿って並べられた平板状の部材であって、ストレート配管部２ｂの軸方向に沿って平行に延びるように設けられている。また、ストレート配管部２ｂの軸方向に沿った分散部材２１〜２３の長さは互いに異なっており、右側にある分散部材２１から左側にある分散部材２３に向かって、すなわち湾曲部２ａにおける外周側にある分散部材２１から内周側にある分散部材２３に向かって、さらに言い換えると噴射ノズル５との間の距離が遠くなるにつれて、順次長くなるように形成されている。
【００２０】
さらに、分散部材２１〜２３は、これらの一方の面である表面２１ａ〜２３ａが湾曲部２ａにおける外周側を向くように設けられている。また、噴射ノズル５は、湾曲部２ａの上流側直前、すなわち分散部材２１〜２３の上流側の部位であり、且つ湾曲部２ａにおける外周側となる部位に配置されており、一点鎖線で示される尿素水Ｆを、分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａに向かって噴射可能となっている。
【００２１】
ミキサー３１は、分散部材２１〜２３の下流側の端部に隣接して配置された略円板状の部材であって、ストレート配管部２ｂ内を排気ガスが流通する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３１が位置する部位において、ストレート配管部２ｂは上流側配管２ｄと下流側配管２ｅとに分割されており、これらの間にミキサー３１の外周部が保持されている。
【００２２】
図３（ａ）に示されるように、ミキサー３１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フィン部３２が形成されている。また、ミキサー３１は、各フィン部３２を折り曲げることによって形成された複数の開口部３３を有しており、ミキサー３１の上流側から流れてきた排気ガスが、これらの開口部３３を通って下流側に流れるようになっている。また、本実施の形態に係るミキサー３１では、各開口部３３に対応してその上流側に矩形状パイプ部材３５（図３ｂ参照）が配置されており、分散部材２１〜２３を通過した排気ガスが、矩形状パイプ部材３５を介してそのまま開口部３３を通るようになっている。
【００２３】
尚、フィン部３２は、その先端部が図３において右側方向に折り曲げられた列と左側方向に折り曲げられた列とが交互に並ぶように形成されている。つまり、ミキサー３１は、フィン部３２を通過する排気ガスの流れを互いに異なる方向に傾かせることによって乱流を発生させ、それにより、通過する流体を混合する装置である。また、図３（ｂ）に示すように、ミキサー３１の上流側の表面３１ａには、上流側に突出する一対の支持部３４が接合されており、これらの支持部３４によって分散部材２１の両側部が支持されている。
【００２４】
ここで、分散部材２１〜２３が位置する部位におけるストレート配管部２ｂの断面を図４に示す。尚、図４の噴射ノズル５は、本来であれば図４には示されない部位に配置されているが、説明の便宜上、同一の断面内に示したものである。図４に示すように、分散部材２１〜２３は、ストレート配管部２ｂの内周面にほぼ当接する幅をそれぞれ有しており、ストレート配管部２ｂの内部が、分散部材の２１の図４上右側にある領域Ｒ１、分散部材２１と分散部材２２との間にある領域Ｒ２、分散部材２２と分散部材２３との間にある領域Ｒ３、分散部材２３の左側にある領域Ｒ４に区画されている。尚、図４断面内で見た場合、噴射ノズル５は、分散部材２１〜２３に対して尿素水Ｆを垂直に噴射している。
【００２５】
すなわち、噴射ノズル５から噴射された尿素水Ｆは、分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａに衝突することによって領域Ｒ１〜Ｒ３内で分散されるが、領域Ｒ４内には流入しないようになっている。一方、ＳＣＲ触媒４及び湾曲部２ａ（図２参照）を通過した排気ガスの流れは、領域Ｒ１〜Ｒ４の全てを通過するように分散部材２１〜２３によって分けられる。また、分散部材２１〜２３が排気ガスの流れを分ける方向は、ミキサー３１のフィン部３２が排気ガスの流れを傾かせる方向（図２、３参照）に対応している。
【００２６】
ここで、図２を用いて上述したように、分散部材２１〜２３とミキサー３１とは隣接しているため、分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａに衝突して分散された尿素水が、排気ガスの流れによってすぐにミキサー３１に供給されるようになっている。一方、分散部材２１〜２３を用いずにミキサー３１のみによって尿素水を分散させようとする場合、排気ガス中の尿素水の分布を均一にするには、ミキサー３１の全面に対して尿素水を衝突させることが必要となる。しかしながら、噴射ノズル５から噴射された尿素水Ｆをミキサー３１の全面に対して衝突させるためには、尿素水の噴射範囲がミキサー３１の全面に広がるように、噴射ノズル５とミキサー３１との間に距離を取ること、すなわちストレート配管部２ｂを長くすることが必要となる。
【００２７】
つまり、本発明における排気ガス後処理装置は、噴射ノズル５が噴射した尿素水を分散部材２１〜２３に直接衝突させて分散させることによって噴射ノズル５とミキサー３１との間の距離を短縮するものであり、その距離は、分散部材２１〜２３とミキサー３１とを隣接させることによってさらに短縮されている。それに伴い、酸化触媒３（図１参照）とＳＣＲ触媒４との間の距離も短縮されるため、排気ガス後処理装置を小型化して車両への搭載性を向上することが可能となる。また、装置が小型化されることにより、排気ガスがＳＣＲ触媒４に到達するまでの温度低下が抑制されるため、ＳＣＲ触媒４によるＮＯｘの浄化を効率よく行うことが可能となっている。
【００２８】
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、排気管２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）等を酸化すると同時に、一酸化窒素（ＮＯ）の一部を二酸化窒素（ＮＯ２）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、ＥＣＵ９は、尿素水添加システム７に信号を出力し、噴射ノズル５による尿素水の噴射を開始させる。尚、ＮＯｘセンサ１１、１２は、ＳＣＲ触媒４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、ＥＣＵ９による噴射ノズル５の動作の制御が行われる。
【００２９】
図２に示すように、酸化触媒３を通過した排気ガスは、排気管２の湾曲部２ａを通過してストレート配管部２ｂ内に流入し、分散部材２１〜２３によって区画された領域Ｒ１〜Ｒ４を流通する。また、噴射ノズル５から噴射された尿素水Ｆは、分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａに衝突することによって微粒化され、微粒化された尿素水が領域Ｒ１〜Ｒ３（図４参照）を流通する排気ガス中に分散される。尚、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で排気ガスの熱によって加水分解され、それにより、アンモニアが生成される。また、分散部材２１〜２３は、排気管２の内部を流通する排気ガスの熱で効率的に加熱されており、その熱によって尿素水の加水分解をさらに促進している。
【００３０】
ここで、図５に示すように、分散部材２１〜２３は湾曲部２ａの下流側に配置されているため、矢印Ａ１〜Ａ３で示されるように、分散部材２１〜２３に到達する排気ガスも湾曲しながら流通してくる状態となっている。このような場合、通常、表面２１ａ〜２３ａの周辺において点線で示される領域Ｒ１１〜Ｒ１３には排気ガスの流れが回り込みにくいため、表面２１ａ〜２３ａに衝突して微粒化された尿素水が分散されにくい状態となる。
【００３１】
しかしながら、噴射ノズル５は、表面２１ａ〜２３ａに向かって上流側から尿素水Ｆを噴射するため、噴射された尿素水Ｆの流れは、矢印Ｂ１〜Ｂ３で示されるように、矢印Ａ１〜Ａ３で示される排気ガスの流れを斜めに横切って表面２１ａ〜２３ａに衝突するものとなる。つまり、分散部材２１〜２３の上流側に湾曲部２ａがあっても、噴射ノズル５が噴射した尿素水Ｆの流れを利用して領域Ｒ１１〜Ｒ１３に排気ガスの流れを生じさせることができるため、表面２１ａ〜２３ａに衝突した尿素水を効率よくストレート配管部２ｂ内に分散させることが可能となっている。つまり、湾曲部２ａの下流側に配置された分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａには、排気ガスの流れが回り込みにくいため、普通に尿素水Ｆを当てただけでは分散性が悪い。本実施の形態では、表面２１ａ〜２３ａに向かって上流側から尿素水Ｆを噴射して排気ガスの流れを補助するため、分散性がよい。
また、湾曲部２ａの外周側は、内周側に比べて排気ガスの流れが強いため、図４の右側（すなわち外周側）の領域Ｒ１に分散部材が無くても尿素水が分散されやすい。したがって、尿素水を均一に分散するには、分散部材２１〜２３は図４のように中央から左側（すなわち内周側）に配置するとよい。
また、湾曲部２ａの外周側は内周側に比べて搭載スペースに余裕があるため、噴射ノズル５を配置するのに都合がよい。
【００３２】
また、分散部材２１〜２３は、ストレート配管部２ｂの内周面にほぼ当接する幅をそれぞれ有しており（図４参照）、噴射ノズル５から最も遠い領域Ｒ４には尿素水が供給されないため、ストレート配管部２ｂの内周面に付着する尿素水の量が低減された状態となる。ここで、ストレート配管部２ｂは、その内部を流通する排気ガスによって加熱されるが、その外周面は外気で冷却されるため、例えばディーゼルエンジン１（図１参照）の始動直後等におけるストレート配管部２ｂの温度は、排気ガスの温度に対して低温となる。
【００３３】
このような状態でストレート配管部２ｂの内周面に尿素水が付着すると加水分解が起こらず、尿素水の水分が気化して尿素が残留し、残留した尿素がストレート配管部２ｂの内周面に付着する尿素水の量の内周面に堆積することがある。また、堆積した尿素はＳＣＲ触媒４（図２参照）には届かないため、本来必要となる量のアンモニアがＳＣＲ触媒４に供給されず、尿素水の添加量を増やすことが必要となる。
【００３４】
しかしながら、本発明による排気ガス後処理装置では、噴射ノズル５から噴射された尿素水が供給されない領域Ｒ４を区画することにより、ストレート配管部２ｂの内周面に付着する尿素水の量を低減したので、噴射された尿素水の大部分をＳＣＲ触媒に供給することが可能となっている。また、分散部材２１〜２３は、排気管２に比較して排気ガスの流通方向に対して短く、熱容量が少ないため、排気ガスにより加熱されやすくなっている。したがって、排気管２の温度が低いことに起因して、分散部材２１〜２３に付着した尿素水からのアンモニアの生成が妨げられることはない。
【００３５】
図２に戻って、分散部材２１とミキサー３１とは隣接して配置されているため、領域Ｒ１〜Ｒ３で分散された尿素水は、排気ガスの流れによってすぐにミキサー３１に供給される。一方、領域Ｒ４内を流通する排気ガスは、尿素水Ｆを添加されることなく、そのままミキサーに供給される。領域Ｒ１〜Ｒ３から流れてきた排気ガス及び尿素水と、領域Ｒ４から流れてきた排気ガスとは、ミキサー３１の複数のフィン部３２を通過する際に発生する乱流によって混合され、それにより、排気ガスに対して尿素水が均一に混合された状態となる。
【００３６】
このようにミキサー３１を通過した排気ガス及びアンモニアがＳＣＲ触媒４に供給されると、ＳＣＲ触媒４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（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに還元する。尚、分散部材２１〜２３は平板状の部材であり、且つストレート配管部２ｂの軸方向に対して平行に延びているため、排気ガスの圧力損失を増大させることなくＮＯｘの浄化を行うことができる。
【００３７】
ＳＣＲ触媒４を通過した排気ガスは、ＳＣＲ触媒４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４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。
【００３８】
以上に述べたように、排気管２の湾曲部２ａとＳＣＲ触媒４との間に分散部材２１〜２３を設けるとともに、分散部材２１〜２３に向かって尿素水を噴射可能な部位に噴射ノズル５を配置したので、分散部材２１〜２３に衝突することによって微粒化された尿素水が排気管２内に分散される。また、分散部材２１〜２３とＳＣＲ触媒４との間にミキサー３１を設けたので、分散部材２１〜２３に衝突して分散された尿素水は、ミキサー３１によって排気ガスと混合されてＳＣＲ触媒４に供給される。つまり、分散部材２１〜２３によって尿素水を予め分散することができるため、尿素水をミキサー３１に向かって直接噴射する場合のように、尿素水の噴射範囲を広げるために噴射ノズル５とミキサー３１との間の距離を大きくとる必要がない。
【００３９】
また、分散部材２１〜２３に到達する排気ガスは、湾曲部２ａに沿って湾曲しながら流通してくるため、通常、分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａの周辺の領域Ｒ１１〜Ｒ１３には、排気ガスの流れが生じにくい状態となる。ここで、噴射ノズル５は表面２１ａ〜２３ａに向かって上流側から尿素水を噴射するため、噴射された尿素水の流れは、湾曲しながら流れる排気ガスを斜めに横切って表面２１ａ〜２３ａに衝突するものとなる。つまり、噴射ノズル５から噴射された尿素水の流れにより、領域Ｒ１１〜Ｒ３１に排気ガスの流れを生じさせることができるため、分散部材２１〜２３に衝突した尿素水を効率よく分散させることができる。したがって、湾曲部２ａを含む排気管２を有する排気ガス後処理装置において、尿素水を排気ガスに対して均一に分散させつつ、小型化することが可能となる。
【００４０】
分散部材２１〜２３とミキサー３１とを隣接して配置してこれらの間の距離を短くしたので、排気ガス後処理装置をさらに小型化することが可能となる。また、分散部材２１〜２３によって分散された尿素水が直ちにミキサー３１を通過するため、尿素水を効率よく排気ガスに混合することが可能となる。
また、分散部材２１〜２３及びミキサー３１を直線状に延びるストレート配管部２ｂに設け、分散部材２１〜２３がストレート配管部２ｂの軸方向に沿って伸びるようにしたので、圧力損失を上げることなく、ミキサー３１に尿素水を供給することが可能となる。
さらに、排気ガス後処理装置が複数の分散部材２１〜２３を備えるように構成したので、より多くの尿素水を分散部材２１〜２３に衝突させることができ、効率よく尿素水が分散される。
【００４１】
本実施の形態に係る排気ガス装置は、３つの分散部材を備えたものとして構成されたが、分散部材の数を３つに限定するものではない。分散板の数は、例えば湾曲部の位置や排気管の内径等、主にレイアウト上の要因に応じて適宜変更し得るものであり、分散部材を単一の部材とすることを含め、３つ以外の数に変更することが可能である。
また、本実施の形態において分散部材とミキサーとは隣接して配置されたが、これらを離間して配置することも可能である。分散部材とミキサーとが離間することによって排気管の長さは増加するが、ミキサーの上流側で尿素水を予め分散させることができるという効果は、変わらずに得ることができる。
【００４２】
本実施の形態における各分散部材互いに異なる長さを有し、噴射ノズルとの距離が遠い位置に最も長い分散部材が配置されたが、このような構成に限定するものではない。噴射ノズルから噴射される尿素水を分散させることが可能であればよいため、レイアウト上の要因により、全ての分散部材が同一の長さを有する場合や、噴射ノズルとの距離が近くなるにつれて分散部材の長さが長くなる場合もある。
また、本実施の形態における各分散部材は、排気管の内周面にほぼ当接する幅を有するように構成されたが、内周面から離間するように構成し、ミキサーのみによって支持することも可能である。この場合、外気と接触していることにより比較的温度が低い排気管と離間しているため、分散部材の温度を高温に保って尿素水の加水分解を促進することが可能となる。
また、本実施の形態におけるミキサー３１は、開口部３３に対応して矩形状パイプ部材３５を有するように構成されたが、矩形状パイプ部材３５を省略して構成することも可能である。また、ミキサー３１と分散部材２１〜２３とが離れて配置されていてもよいが、分散部材２１〜２３を通過した排気ガスが、実質そのまま開口部３３を通る程度に、ミキサー３１と分散部材２１〜２３とが隣接配置されていれば、制御された排気ガスの流れでミキサー３１へ排気ガスを導けるので、分散性の向上が期待でき、また小型化も出来るため、より好ましい。
【符号の説明】
【００４３】
１ ディーゼルエンジン（内燃機関）、２ 排気管、２ａ 湾曲部、２ｂ ストレート配管部、４ ＳＣＲ触媒（還元触媒）、５ 噴射ノズル（還元剤供給装置）、２１，２２，２３ 分散部材、２１ａ，２２ａ，２３ａ 表面（分散部材の一方の面）、３１ ミキサー（混合手段）。
【技術分野】
【０００１】
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構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
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と、還元触媒の上流側で排気管内に尿素水を噴射する還元剤噴射装置とを備えている。還元触媒は、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（ＮＨ３）と排気ガスに含まれるＮＯｘとを反応させ、無害な窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに還元するものであり、この還元を効率よく行うためには、還元触媒に対して尿素水を均一な分布状態で供給することが必要となる。
【０００３】
また、特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムは、排気ガスと尿素水とを混合して尿素水の分布状態を均一とするためのミキサーユニットを備えている。ミキサーユニットは、還元剤噴射装置と還元触媒との間に設けられたプレート状の部材であって、排気ガス及び尿素水が流通する複数の通路と、各通路の出口側に形成されたフィン部とを有している。還元剤噴射装置は、尿素水をミキサープレートに向かって噴射するようになっており、ミキサープレートに衝突して微粒化した尿素水が排気管内に分散される。分散された尿素水は、排気ガスとともにミキサープレートの各通路を通過し、次いで、各フィン部が発生させる乱流によって排気ガスに混合されてから還元触媒に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のミキサープレート単体で尿素水を均一に分散させるためには、還元剤噴射装置から噴射される尿素水をミキサーユニットの全面に対して衝突させる必要がある。しかしながら、通常、還元剤噴射装置は尿素水を円錐状に噴射するため、尿素水をミキサーユニットの全面に衝突させるためには、尿素水の噴射範囲が十分に広がるように、還元剤噴射装置とミキサーユニットとの間に距離をとる必要がある。すなわち、特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムでは、ミキサーユニットの上流側の排気管を短くすることができず、装置全体を小型化することが困難であるという問題点を有していた。
【０００６】
また、通常、排気管は車両に搭載する際のレイアウト上の問題により、還元触媒の上流側等の複数個所で湾曲していることが一般的となっている。このような場合、特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水の噴射範囲を広げるために所望される距離を還元剤噴射装置とミキサーユニットとの間にとることができない場合がある。すなわち、排気管がミキサーユニットの上流側に湾曲部を含んでいる場合、特許文献１に記載の尿素ＳＣＲシステムでは尿素水をミキサーユニットの全面に衝突させることができず、尿素水を均一に分散させることが困難になるという問題点を有していた。
【０００７】
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、湾曲部を含む排気管内において還元剤を排気ガスに対して均一に分散させつつ、小型化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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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る排気ガスが流通するとともに、排気ガスが流通する方向を湾曲させる湾曲部を有する排気管と、排気管の内部に還元剤を噴射する還元剤供給装置と、還元剤供給装置及び湾曲部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を備えた排気ガス後処理装置において、湾曲部と還元触媒との間に配置され、一方の面が湾曲部における外周側を向くように設けられた板状の分散部材と、分散部材と還元触媒との間に配置され、排気ガスと還元剤とを混合する混合手段とをさらに備え、還元剤噴射装置は、分散部材の上流側の部位であり、且つ分散部材の一方の面に向かって還元剤を噴射可能な部位に配置されることを特徴とするものである。
【０００９】
湾曲部と還元触媒との間に分散部材を設けるとともに、分散部材に向かって還元剤を噴射可能な部位に還元剤供給装置を配置したので、分散部材に衝突することによって微粒化された還元剤が排気管内に分散される。また、分散部材と還元触媒との間に混合手段を設けたので、分散部材に衝突して分散された還元剤は、混合手段によって排気ガスと混合されて還元触媒に供給される。つまり、分散部材によって還元剤を予め分散することができるため、還元剤を混合手段に向かって直接噴射する場合のように、還元剤の噴射範囲を広げるために還元剤供給装置と混合手段との間の距離を大きくとる必要がない。
【００１０】
また、分散部材に到達する排気ガスは、湾曲部に沿って湾曲しながら流通してくるため、通常、分散部材の一方の面、すなわち湾曲部における外周側を向いた面の周辺には、排気ガスの流れが生じにくい状態となる。ここで、還元剤噴射装置は分散部材の上記の面に向かって上流側から還元剤を噴射するため、噴射された還元剤の流れは、湾曲しながら流れる排気ガスを斜めに横切って分散部材の上記の面に衝突するものとなる。つまり、還元剤供給装置から噴射された還元剤の流れにより、この面の周辺に排気ガスの流れを生じさせることができるため、分散部材に衝突した還元剤を効率よく分散させることができる。以上より、湾曲部を含む排気管を有する排気ガス後処理装置において、還元剤を排気ガスに対して均一に分散させつつ、小型化することが可能となる。
【００１１】
分散部材と混合手段とが隣接して配置されてもよい。分散部材と混合手段との間の距離が短くなるため、排気ガス後処理装置をさらに小型化することが可能となる。また、分散部材によって分散された還元剤が直ちに混合手段を通過するため、還元剤を効率よく排気ガスに混合することが可能となる。ここで隣接とは、分散部材と混合手段とが一体的に形成されているものだけでなく、別部品でも実質、分散部材と混合手段との間で排気ガス流れが変わらない距離の範囲で離れている場合も含み、例えば、排気管の直径に対して１０％以下の距離だけ離れているものを含む。
排気管は、直線状に延びるとともに分散部材及び混合手段が配置されるストレート配管部を湾曲部と還元触媒との間に有しており、分散部材は、ストレート配管部の軸方向に対して平行に延びてもよい。圧力損失を上げることなく、混合手段に還元剤を供給することが可能となる。ここで平行とは、厳密に平行でなくてもよく、圧力損失が無視できる程度の角度を含むものとする。
また、分散部材は複数であってもよい。より多くの還元剤を分散部材に衝突させることができるため、さらに効率よく還元剤を分散させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、湾曲部を含む排気管を有する排気ガス後処理装置において、排気ガスに対して還元剤を均一に分散させつつ、小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】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図である。
【図３】実施の形態に係る排気ガス後処理装置における分散部材及び混合手段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。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図５】実施の形態に係る排気ガス後処理装置における排気ガスの流れを説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための還元触媒であるＳＣＲ触媒４が設けられている。
【００１５】
ＳＣＲ触媒４は、排気ガスに添加される還元剤である尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ３）と排気ガスとを反応させてＮＯｘを浄化する触媒であって、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間には、排気管２の内部に尿素水を噴射する還元剤供給装置としての噴射ノズル５が設けられている。噴射ノズル５には、尿素水を内部に貯留する尿素水タンク６と、尿素水タンク６内の尿素水を噴射ノズル５に供給する尿素水添加システム７とが、接続管８を介して接続されている。また、尿素水添加システム７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ＥＣＵ９に電気的に接続されている。
【００１６】
ＳＣＲ触媒４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１１及びＮＯｘセンサ１２が設けられており、これらのＮＯｘセンサ１１、１２がＥＣＵ９に電気的に接続されている。ＥＣＵ９は、ＮＯｘセンサ１１、１２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７に出力し、噴射ノズル５による尿素水の噴射を制御する。尚、図示はされていないが、ＳＣＲ触媒４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４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。
【００１７】
ここで、排気管２は、図示しない車両に搭載する際のレイアウト上の問題により複数箇所で湾曲されており、酸化触媒３とＳＣＲ触媒４との間に湾曲部２ａを有している。さらに具体的に説明すると、排気管２は、酸化触媒３から下流側に向かってテーパ状に細くなってから湾曲部２ａで湾曲され、次いで、直線状に延びるストレート配管部２ｂ、及びテーパ配管部２ｃを順次介してＳＣＲ触媒４に接続されている。すなわち、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスは、ＳＣＲ触媒４を通過した後、その流れの方向を湾曲部２ａによって湾曲され、次いで、ストレート配管部２ｂ及びテーパ配管部２ｃを順次通過してＳＣＲ触媒４に供給されるようになっている。尚、図１は、鉛直方向における上方側から排気管２を見た図であり、排気管２が横方向に湾曲された様子を示すものであるが、排気管２は横方向以外のあらゆる方向に湾曲し得る。
【００１８】
以上のように構成されるディーゼルエンジン１の排気系において、排気管２の湾曲部２ａとＳＣＲ触媒４との間に位置するストレート配管部２ｂの内部には、噴射ノズル５から噴射された尿素水を微粒化して排気管２内に分散させるための３つの分散部材２１〜２３と、分散部材２１〜２３によって分散された尿素水を排気ガスに混合するための混合手段であるミキサー３１とが設けられている。以下に、分散部材２１〜２３、ミキサー３１及びこれらの周辺の構成について、図２〜図４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左右方向と、排気管２の湾曲部２ａにおける外周側及び内周側とを、図２に示す各矢印によって規定する。
【００１９】
図２に示すように、分散部材２１〜２３は、ストレート配管部２ｂの内部に左右方向に沿って並べられた平板状の部材であって、ストレート配管部２ｂの軸方向に沿って平行に延びるように設けられている。また、ストレート配管部２ｂの軸方向に沿った分散部材２１〜２３の長さは互いに異なっており、右側にある分散部材２１から左側にある分散部材２３に向かって、すなわち湾曲部２ａにおける外周側にある分散部材２１から内周側にある分散部材２３に向かって、さらに言い換えると噴射ノズル５との間の距離が遠くなるにつれて、順次長くなるように形成されている。
【００２０】
さらに、分散部材２１〜２３は、これらの一方の面である表面２１ａ〜２３ａが湾曲部２ａにおける外周側を向くように設けられている。また、噴射ノズル５は、湾曲部２ａの上流側直前、すなわち分散部材２１〜２３の上流側の部位であり、且つ湾曲部２ａにおける外周側となる部位に配置されており、一点鎖線で示される尿素水Ｆを、分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａに向かって噴射可能となっている。
【００２１】
ミキサー３１は、分散部材２１〜２３の下流側の端部に隣接して配置された略円板状の部材であって、ストレート配管部２ｂ内を排気ガスが流通する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３１が位置する部位において、ストレート配管部２ｂは上流側配管２ｄと下流側配管２ｅとに分割されており、これらの間にミキサー３１の外周部が保持されている。
【００２２】
図３（ａ）に示されるように、ミキサー３１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フィン部３２が形成されている。また、ミキサー３１は、各フィン部３２を折り曲げることによって形成された複数の開口部３３を有しており、ミキサー３１の上流側から流れてきた排気ガスが、これらの開口部３３を通って下流側に流れるようになっている。また、本実施の形態に係るミキサー３１では、各開口部３３に対応してその上流側に矩形状パイプ部材３５（図３ｂ参照）が配置されており、分散部材２１〜２３を通過した排気ガスが、矩形状パイプ部材３５を介してそのまま開口部３３を通るようになっている。
【００２３】
尚、フィン部３２は、その先端部が図３において右側方向に折り曲げられた列と左側方向に折り曲げられた列とが交互に並ぶように形成されている。つまり、ミキサー３１は、フィン部３２を通過する排気ガスの流れを互いに異なる方向に傾かせることによって乱流を発生させ、それにより、通過する流体を混合する装置である。また、図３（ｂ）に示すように、ミキサー３１の上流側の表面３１ａには、上流側に突出する一対の支持部３４が接合されており、これらの支持部３４によって分散部材２１の両側部が支持されている。
【００２４】
ここで、分散部材２１〜２３が位置する部位におけるストレート配管部２ｂの断面を図４に示す。尚、図４の噴射ノズル５は、本来であれば図４には示されない部位に配置されているが、説明の便宜上、同一の断面内に示したものである。図４に示すように、分散部材２１〜２３は、ストレート配管部２ｂの内周面にほぼ当接する幅をそれぞれ有しており、ストレート配管部２ｂの内部が、分散部材の２１の図４上右側にある領域Ｒ１、分散部材２１と分散部材２２との間にある領域Ｒ２、分散部材２２と分散部材２３との間にある領域Ｒ３、分散部材２３の左側にある領域Ｒ４に区画されている。尚、図４断面内で見た場合、噴射ノズル５は、分散部材２１〜２３に対して尿素水Ｆを垂直に噴射している。
【００２５】
すなわち、噴射ノズル５から噴射された尿素水Ｆは、分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａに衝突することによって領域Ｒ１〜Ｒ３内で分散されるが、領域Ｒ４内には流入しないようになっている。一方、ＳＣＲ触媒４及び湾曲部２ａ（図２参照）を通過した排気ガスの流れは、領域Ｒ１〜Ｒ４の全てを通過するように分散部材２１〜２３によって分けられる。また、分散部材２１〜２３が排気ガスの流れを分ける方向は、ミキサー３１のフィン部３２が排気ガスの流れを傾かせる方向（図２、３参照）に対応している。
【００２６】
ここで、図２を用いて上述したように、分散部材２１〜２３とミキサー３１とは隣接しているため、分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａに衝突して分散された尿素水が、排気ガスの流れによってすぐにミキサー３１に供給されるようになっている。一方、分散部材２１〜２３を用いずにミキサー３１のみによって尿素水を分散させようとする場合、排気ガス中の尿素水の分布を均一にするには、ミキサー３１の全面に対して尿素水を衝突させることが必要となる。しかしながら、噴射ノズル５から噴射された尿素水Ｆをミキサー３１の全面に対して衝突させるためには、尿素水の噴射範囲がミキサー３１の全面に広がるように、噴射ノズル５とミキサー３１との間に距離を取ること、すなわちストレート配管部２ｂを長くすることが必要となる。
【００２７】
つまり、本発明における排気ガス後処理装置は、噴射ノズル５が噴射した尿素水を分散部材２１〜２３に直接衝突させて分散させることによって噴射ノズル５とミキサー３１との間の距離を短縮するものであり、その距離は、分散部材２１〜２３とミキサー３１とを隣接させることによってさらに短縮されている。それに伴い、酸化触媒３（図１参照）とＳＣＲ触媒４との間の距離も短縮されるため、排気ガス後処理装置を小型化して車両への搭載性を向上することが可能となる。また、装置が小型化されることにより、排気ガスがＳＣＲ触媒４に到達するまでの温度低下が抑制されるため、ＳＣＲ触媒４によるＮＯｘの浄化を効率よく行うことが可能となっている。
【００２８】
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、排気管２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）等を酸化すると同時に、一酸化窒素（ＮＯ）の一部を二酸化窒素（ＮＯ２）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、ＥＣＵ９は、尿素水添加システム７に信号を出力し、噴射ノズル５による尿素水の噴射を開始させる。尚、ＮＯｘセンサ１１、１２は、ＳＣＲ触媒４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、ＥＣＵ９による噴射ノズル５の動作の制御が行われる。
【００２９】
図２に示すように、酸化触媒３を通過した排気ガスは、排気管２の湾曲部２ａを通過してストレート配管部２ｂ内に流入し、分散部材２１〜２３によって区画された領域Ｒ１〜Ｒ４を流通する。また、噴射ノズル５から噴射された尿素水Ｆは、分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａに衝突することによって微粒化され、微粒化された尿素水が領域Ｒ１〜Ｒ３（図４参照）を流通する排気ガス中に分散される。尚、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で排気ガスの熱によって加水分解され、それにより、アンモニアが生成される。また、分散部材２１〜２３は、排気管２の内部を流通する排気ガスの熱で効率的に加熱されており、その熱によって尿素水の加水分解をさらに促進している。
【００３０】
ここで、図５に示すように、分散部材２１〜２３は湾曲部２ａの下流側に配置されているため、矢印Ａ１〜Ａ３で示されるように、分散部材２１〜２３に到達する排気ガスも湾曲しながら流通してくる状態となっている。このような場合、通常、表面２１ａ〜２３ａの周辺において点線で示される領域Ｒ１１〜Ｒ１３には排気ガスの流れが回り込みにくいため、表面２１ａ〜２３ａに衝突して微粒化された尿素水が分散されにくい状態となる。
【００３１】
しかしながら、噴射ノズル５は、表面２１ａ〜２３ａに向かって上流側から尿素水Ｆを噴射するため、噴射された尿素水Ｆの流れは、矢印Ｂ１〜Ｂ３で示されるように、矢印Ａ１〜Ａ３で示される排気ガスの流れを斜めに横切って表面２１ａ〜２３ａに衝突するものとなる。つまり、分散部材２１〜２３の上流側に湾曲部２ａがあっても、噴射ノズル５が噴射した尿素水Ｆの流れを利用して領域Ｒ１１〜Ｒ１３に排気ガスの流れを生じさせることができるため、表面２１ａ〜２３ａに衝突した尿素水を効率よくストレート配管部２ｂ内に分散させることが可能となっている。つまり、湾曲部２ａの下流側に配置された分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａには、排気ガスの流れが回り込みにくいため、普通に尿素水Ｆを当てただけでは分散性が悪い。本実施の形態では、表面２１ａ〜２３ａに向かって上流側から尿素水Ｆを噴射して排気ガスの流れを補助するため、分散性がよい。
また、湾曲部２ａの外周側は、内周側に比べて排気ガスの流れが強いため、図４の右側（すなわち外周側）の領域Ｒ１に分散部材が無くても尿素水が分散されやすい。したがって、尿素水を均一に分散するには、分散部材２１〜２３は図４のように中央から左側（すなわち内周側）に配置するとよい。
また、湾曲部２ａの外周側は内周側に比べて搭載スペースに余裕があるため、噴射ノズル５を配置するのに都合がよい。
【００３２】
また、分散部材２１〜２３は、ストレート配管部２ｂの内周面にほぼ当接する幅をそれぞれ有しており（図４参照）、噴射ノズル５から最も遠い領域Ｒ４には尿素水が供給されないため、ストレート配管部２ｂの内周面に付着する尿素水の量が低減された状態となる。ここで、ストレート配管部２ｂは、その内部を流通する排気ガスによって加熱されるが、その外周面は外気で冷却されるため、例えばディーゼルエンジン１（図１参照）の始動直後等におけるストレート配管部２ｂの温度は、排気ガスの温度に対して低温となる。
【００３３】
このような状態でストレート配管部２ｂの内周面に尿素水が付着すると加水分解が起こらず、尿素水の水分が気化して尿素が残留し、残留した尿素がストレート配管部２ｂの内周面に付着する尿素水の量の内周面に堆積することがある。また、堆積した尿素はＳＣＲ触媒４（図２参照）には届かないため、本来必要となる量のアンモニアがＳＣＲ触媒４に供給されず、尿素水の添加量を増やすことが必要となる。
【００３４】
しかしながら、本発明による排気ガス後処理装置では、噴射ノズル５から噴射された尿素水が供給されない領域Ｒ４を区画することにより、ストレート配管部２ｂの内周面に付着する尿素水の量を低減したので、噴射された尿素水の大部分をＳＣＲ触媒に供給することが可能となっている。また、分散部材２１〜２３は、排気管２に比較して排気ガスの流通方向に対して短く、熱容量が少ないため、排気ガスにより加熱されやすくなっている。したがって、排気管２の温度が低いことに起因して、分散部材２１〜２３に付着した尿素水からのアンモニアの生成が妨げられることはない。
【００３５】
図２に戻って、分散部材２１とミキサー３１とは隣接して配置されているため、領域Ｒ１〜Ｒ３で分散された尿素水は、排気ガスの流れによってすぐにミキサー３１に供給される。一方、領域Ｒ４内を流通する排気ガスは、尿素水Ｆを添加されることなく、そのままミキサーに供給される。領域Ｒ１〜Ｒ３から流れてきた排気ガス及び尿素水と、領域Ｒ４から流れてきた排気ガスとは、ミキサー３１の複数のフィン部３２を通過する際に発生する乱流によって混合され、それにより、排気ガスに対して尿素水が均一に混合された状態となる。
【００３６】
このようにミキサー３１を通過した排気ガス及びアンモニアがＳＣＲ触媒４に供給されると、ＳＣＲ触媒４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（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに還元する。尚、分散部材２１〜２３は平板状の部材であり、且つストレート配管部２ｂの軸方向に対して平行に延びているため、排気ガスの圧力損失を増大させることなくＮＯｘの浄化を行うことができる。
【００３７】
ＳＣＲ触媒４を通過した排気ガスは、ＳＣＲ触媒４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４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。
【００３８】
以上に述べたように、排気管２の湾曲部２ａとＳＣＲ触媒４との間に分散部材２１〜２３を設けるとともに、分散部材２１〜２３に向かって尿素水を噴射可能な部位に噴射ノズル５を配置したので、分散部材２１〜２３に衝突することによって微粒化された尿素水が排気管２内に分散される。また、分散部材２１〜２３とＳＣＲ触媒４との間にミキサー３１を設けたので、分散部材２１〜２３に衝突して分散された尿素水は、ミキサー３１によって排気ガスと混合されてＳＣＲ触媒４に供給される。つまり、分散部材２１〜２３によって尿素水を予め分散することができるため、尿素水をミキサー３１に向かって直接噴射する場合のように、尿素水の噴射範囲を広げるために噴射ノズル５とミキサー３１との間の距離を大きくとる必要がない。
【００３９】
また、分散部材２１〜２３に到達する排気ガスは、湾曲部２ａに沿って湾曲しながら流通してくるため、通常、分散部材２１〜２３の表面２１ａ〜２３ａの周辺の領域Ｒ１１〜Ｒ１３には、排気ガスの流れが生じにくい状態となる。ここで、噴射ノズル５は表面２１ａ〜２３ａに向かって上流側から尿素水を噴射するため、噴射された尿素水の流れは、湾曲しながら流れる排気ガスを斜めに横切って表面２１ａ〜２３ａに衝突するものとなる。つまり、噴射ノズル５から噴射された尿素水の流れにより、領域Ｒ１１〜Ｒ３１に排気ガスの流れを生じさせることができるため、分散部材２１〜２３に衝突した尿素水を効率よく分散させることができる。したがって、湾曲部２ａを含む排気管２を有する排気ガス後処理装置において、尿素水を排気ガスに対して均一に分散させつつ、小型化することが可能となる。
【００４０】
分散部材２１〜２３とミキサー３１とを隣接して配置してこれらの間の距離を短くしたので、排気ガス後処理装置をさらに小型化することが可能となる。また、分散部材２１〜２３によって分散された尿素水が直ちにミキサー３１を通過するため、尿素水を効率よく排気ガスに混合することが可能となる。
また、分散部材２１〜２３及びミキサー３１を直線状に延びるストレート配管部２ｂに設け、分散部材２１〜２３がストレート配管部２ｂの軸方向に沿って伸びるようにしたので、圧力損失を上げることなく、ミキサー３１に尿素水を供給することが可能となる。
さらに、排気ガス後処理装置が複数の分散部材２１〜２３を備えるように構成したので、より多くの尿素水を分散部材２１〜２３に衝突させることができ、効率よく尿素水が分散される。
【００４１】
本実施の形態に係る排気ガス装置は、３つの分散部材を備えたものとして構成されたが、分散部材の数を３つに限定するものではない。分散板の数は、例えば湾曲部の位置や排気管の内径等、主にレイアウト上の要因に応じて適宜変更し得るものであり、分散部材を単一の部材とすることを含め、３つ以外の数に変更することが可能である。
また、本実施の形態において分散部材とミキサーとは隣接して配置されたが、これらを離間して配置することも可能である。分散部材とミキサーとが離間することによって排気管の長さは増加するが、ミキサーの上流側で尿素水を予め分散させることができるという効果は、変わらずに得ることができる。
【００４２】
本実施の形態における各分散部材互いに異なる長さを有し、噴射ノズルとの距離が遠い位置に最も長い分散部材が配置されたが、このような構成に限定するものではない。噴射ノズルから噴射される尿素水を分散させることが可能であればよいため、レイアウト上の要因により、全ての分散部材が同一の長さを有する場合や、噴射ノズルとの距離が近くなるにつれて分散部材の長さが長くなる場合もある。
また、本実施の形態における各分散部材は、排気管の内周面にほぼ当接する幅を有するように構成されたが、内周面から離間するように構成し、ミキサーのみによって支持することも可能である。この場合、外気と接触していることにより比較的温度が低い排気管と離間しているため、分散部材の温度を高温に保って尿素水の加水分解を促進することが可能となる。
また、本実施の形態におけるミキサー３１は、開口部３３に対応して矩形状パイプ部材３５を有するように構成されたが、矩形状パイプ部材３５を省略して構成することも可能である。また、ミキサー３１と分散部材２１〜２３とが離れて配置されていてもよいが、分散部材２１〜２３を通過した排気ガスが、実質そのまま開口部３３を通る程度に、ミキサー３１と分散部材２１〜２３とが隣接配置されていれば、制御された排気ガスの流れでミキサー３１へ排気ガスを導けるので、分散性の向上が期待でき、また小型化も出来るため、より好ましい。
【符号の説明】
【００４３】
１ ディーゼルエンジン（内燃機関）、２ 排気管、２ａ 湾曲部、２ｂ ストレート配管部、４ ＳＣＲ触媒（還元触媒）、５ 噴射ノズル（還元剤供給装置）、２１，２２，２３ 分散部材、２１ａ，２２ａ，２３ａ 表面（分散部材の一方の面）、３１ ミキサー（混合手段）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排気ガスが流通するとともに、前記排気ガスが流通する方向を湾曲させる湾曲部を有する排気管と、
前記排気管の内部に還元剤を噴射する還元剤供給装置と、
前記還元剤供給装置及び前記湾曲部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
を備えた排気ガス後処理装置において、
前記湾曲部と前記還元触媒との間に配置され、一方の面が前記湾曲部における外周側を向くように設けられた板状の分散部材と、
前記分散部材と前記還元触媒との間に配置され、前記排気ガスと前記還元剤とを混合する混合手段と
をさらに備え、
前記還元剤噴射装置は、前記分散部材の上流側の部位であり、且つ前記分散部材の前記一方の面に向かって前記還元剤を噴射可能な部位に配置されることを特徴とする排気ガス後処理装置。
【請求項２】
前記分散部材と前記混合手段とが隣接して配置される請求項１に記載の排気ガス後処理装置。
【請求項３】
前記排気管は、直線状に延びるとともに前記分散部材及び前記混合手段が配置されるストレート配管部を前記湾曲部と前記還元触媒との間に有しており、
前記分散部材は、前記ストレート配管部の軸方向に対して平行に延びる請求項１または２に記載の排気ガス後処理装置。
【請求項４】
前記分散部材は複数である請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス後処理装置。
【請求項１】
内燃機関から排出される排気ガスが流通するとともに、前記排気ガスが流通する方向を湾曲させる湾曲部を有する排気管と、
前記排気管の内部に還元剤を噴射する還元剤供給装置と、
前記還元剤供給装置及び前記湾曲部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
を備えた排気ガス後処理装置において、
前記湾曲部と前記還元触媒との間に配置され、一方の面が前記湾曲部における外周側を向くように設けられた板状の分散部材と、
前記分散部材と前記還元触媒との間に配置され、前記排気ガスと前記還元剤とを混合する混合手段と
をさらに備え、
前記還元剤噴射装置は、前記分散部材の上流側の部位であり、且つ前記分散部材の前記一方の面に向かって前記還元剤を噴射可能な部位に配置されることを特徴とする排気ガス後処理装置。
【請求項２】
前記分散部材と前記混合手段とが隣接して配置される請求項１に記載の排気ガス後処理装置。
【請求項３】
前記排気管は、直線状に延びるとともに前記分散部材及び前記混合手段が配置されるストレート配管部を前記湾曲部と前記還元触媒との間に有しており、
前記分散部材は、前記ストレート配管部の軸方向に対して平行に延びる請求項１または２に記載の排気ガス後処理装置。
【請求項４】
前記分散部材は複数である請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス後処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−２３３５（Ｐ２０１３−２３３５Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３３２９５（Ｐ２０１１−１３３２９５）
【出願日】平成２３年６月１５日（２０１１．６．１５）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１５日（２０１１．６．１５）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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