JP5224265B2

JP5224265B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP5224265B2
Application number: JP2007280298A
Authority: JP
Inventors: 康子鈴木; 博昭藤田; 智平沼; 真一斎藤; 琢也北清; 周一羽田
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2027-10-29
Also published as: JP2009108724A

Description

本発明はエンジンの排気浄化装置に係り、詳しくは排気通路を流通する排ガスに還元剤を噴射してベンチュリ状のミキシング室を流通させて撹拌しながら下流側の後処理装置に供給するエンジンの排気浄化装置に関するものである。

近年の排ガス規制の強化に対応すべく、エンジンの排気通路には排気浄化装置を構成する様々な後処理装置が搭載されている。これらの後処理装置の中には還元剤の供給により浄化作用を発揮するものがあり、例えば選択還元型ＮＯx触媒は、アンモニア（ＮＨ_３）を還元剤として排ガス中のＮＯxを選択還元することから、アンモニアの生成のために尿素水溶液の供給を要し、吸蔵型ＮＯxは、吸蔵したＮＯxを放出還元するために未燃燃料等の還元剤の供給を要する。そして、これらの後処理装置の浄化作用を最大限に発揮させるには、後処理装置の各部位に均等に還元剤を供給することが必須条件であり、排ガス中に還元剤を均一に拡散させるために排気通路にベンチュリ状のミキシング室を設けた対策が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の技術は選択還元型ＮＯx触媒を対象としたものであるが、ＮＯx触媒の上流側の排気通路にミキシング室を形成し、そのミキシング室内の上流に設置した噴射ノズルから尿素水溶液を噴射して、尿素水溶液を含んだ排ガスをミキシング室により一旦絞ることにより排ガスへの尿素水溶液の拡散を促進している。
特開２００５−１０５９１４号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、ミキシング室の最小径に相当する絞り部からその直下流側の拡大部にかけて尿素水溶液が結晶化して堆積するという問題があった。
図７は特許文献１に記載された排気浄化装置のミキシング室の詳細を示す部分拡大断面図であるが、ミキシング室１３は、下流側に向けてコーン状に縮径する縮径部１３ａ、縮径部１３ａから最小径を保って下流側に連続する絞り部１３ｂ、及び絞り部１３ｂから下流側に向けてコーン状に拡径してＮＯx触媒１６を収容するケーシング１２に接続される拡径部１３ｃから構成されている。

ミキシング室１３内の中心部では排ガスがほぼ直線状に移送されるのに対し、ミキシング室１３内の外周部では縮径部１３ａ、絞り部１３ｂ及び拡径部１３ｃの内壁に沿いながら排ガスが移送される。外周部において、排ガスは自己の慣性力で内壁の形状変化に倣って瞬時に移送方向を変化できないことから、縮径部１３ａの内壁に沿って絞り部１３ｂに到達したときに内壁から剥離して渦や淀みを生じ、同じく絞り部１３ｂの内壁に沿って拡径部１３ｃに到達したときに内壁から剥離して渦や淀みを生じ、その後に排ガスは拡径部１３ｃの内壁に再付着するものの、ケーシング１２の入口で渦や淀みを生じて再び内壁から剥離する。

従って、縮径部１３ａと絞り部１３ｂとの境界、絞り部１３ｂと拡径部１３ｃとの境界、及び拡径部１３ｃとケーシング１２との境界には、それぞれ排ガスの剥離域Ａが形成される。このような排ガスの剥離域Ａでは、排ガスに含まれている尿素水溶液がミキシング室１３の内壁に付着した後に結晶化して堆積するため、次第にミキシング室１３の通路断面積が縮小し、排圧の増大によりエンジン性能が低下してしまうという問題があった。

また、ミキシング室１３の内壁への尿素水溶液の堆積分だけ実際のＮＯx触媒へのアンモニア供給量が低下することから、見かけ上のＮＯx触媒の浄化性能が低下してしまう問題もあり、さらに尿素水溶液がＮＯx触媒に付着して結晶化する際にＮＯx触媒が破壊される場合もあり、これらの点で改良の余地があった。
本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、その目的とするところは、ベンチュリ状をなすミキシング室の内壁への還元剤の堆積を抑制し、もって、排圧増大に起因するエンジン性能の低下を未然に防止できると共に、堆積による無駄な還元剤の消費を抑制して後処理装置に最大限の浄化性能を発揮させることができるエンジン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、請求項１の発明は、エンジンの排気通路に配設されて排気流通方向にほぼ同一径をなすケーシング内に収容され、還元剤の供給により上記エンジンの排ガスを浄化する後処理装置と、排気通路の後処理装置の上流側に設けられ、下流側に縮径する縮径部から最小径の絞り部を経て下流側に拡径する拡径部へと連続するベンチュリ状をなし、拡径部をケーシングの上流端に接続されたミキシング室と、ミキシング室内に還元剤を噴射する還元剤噴射手段とを備えたエンジンの排気浄化装置において、拡径部とケーシングとの境界を、排気流通方向に沿った所定曲率半径の断面形状に形成し、ケーシングの半径をＲ、拡径部とケーシングとの境界の曲率半径をｒ3としたときに、0.05≦ｒ3／Ｒ≦1.0を満足するものである。

従って、縮径部、絞り部及び拡径部で構成されてケーシングの上流端に接続されたミキシング室内は、縮径部と絞り部との境界、絞り部と拡径部との境界、及び拡径部とケーシングとの境界において排気流通方向への断面形状が急激に変化するが、拡径部とケーシングとの境界は排気流通方向に沿って所定曲率半径の断面形状に形成されているため、ミキシング室内の断面変化が緩やかとなる。

このため、拡径部とケーシングとの境界の箇所において、排ガスはミキシング室の内壁から剥離したり渦や淀みを生じたりすることなく断面形状に倣って移送方向を変更され、排ガスの剥離域の形成が未然に防止され、排ガスに含まれる還元剤の内壁への付着が最小限に抑制される。よって、結晶化した還元剤がミキシング室の内壁に堆積したときの通路断面積の縮小が抑制されると共に、堆積による無駄な還元剤の消費が抑制される。
また、拡径部とケーシングとの境界は、比ｒ3／Ｒが0.05〜1.0の範囲内となる曲率半径ｒ3の断面形状に形成される。図３に示すように、比ｒ3／Ｒが0.05以上のときには、排ガスの剥離状況と相関する絞り部の入口外周の排気流速Ｖが上限値Ｖ0未満となるため排ガスの剥離域の形成が抑制され、一方、比ｒ3／Ｒが1.0以下のときには、幾何学的な矛盾を生じることなくミキシング室を形成可能となり、これによりミキシング室内での排ガスの剥離域の形成が未然に防止される。

請求項２の発明は、請求項１において、拡径部とケーシングとの境界に加えて、絞り部と拡径部との境界が所定曲率半径の断面形状に形成され、絞り部と拡径部との境界の曲率半径を、拡径部とケーシングとの境界の曲率半径より大きくしたものである。
拡径部とケーシングとの境界に比較して絞り部と拡径部との境界では排気流速が高くて排ガスの剥離が発生し易いことから、より剥離を抑制する必要がある絞り部と拡径部との境界の曲率半径を、拡径部とケーシングとの境界の曲率半径より大きくすることにより、剥離域の形成による不具合を効果的に防止可能となる。

請求項３の発明は、請求項１において、拡径部とケーシングとの境界に加えて、絞り部と拡径部との境界が所定曲率半径の断面形状に形成され、ケーシングの半径をＲ、絞り部と拡径部との境界の曲率半径をｒ2、拡径部とケーシングとの境界の曲率半径をｒ3としたときに、0.07≦ｒ2／Ｒ≦1.0，0.05≦ｒ3／Ｒ≦1.0を満足するものである。

従って、絞り部と拡径部との境界は、比ｒ2／Ｒが0.07〜1.0の範囲内となる曲率半径ｒ1，ｒ2の断面形状に形成され、拡径部とケーシングとの境界は、比ｒ3／Ｒが0.05〜1.0の範囲内となる曲率半径ｒ3の断面形状に形成される。図３に示すように、比ｒ2／Ｒが0.07以上のときには、排ガスの剥離状況と相関する絞り部の入口外周の排気流速Ｖが上限値Ｖ0未満となるため排ガスの剥離域の形成が抑制され、比ｒ3／Ｒが0.05以上のときには、排ガスの剥離状況と相関する絞り部の入口外周の排気流速Ｖが上限値Ｖ0未満となるため排ガスの剥離域の形成が抑制され、一方、比ｒ1／Ｒ，ｒ3／Ｒが1.0以下のときには、幾何学的な矛盾を生じることなくミキシング室を形成可能となり、これによりミキシング室内での排ガスの剥離域の形成が未然に防止される。

以上説明したように請求項１の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、拡径部とケーシングとの境界を最適な曲率半径ｒ3の断面形状に形成することにより、拡径部とケーシングとの境界での排ガスの剥離域の形成を確実に防止できることから、拡径部とケーシングとの境界の箇所において、ベンチュリ状をなすミキシング室の内壁への還元剤の堆積を抑制し、もって、排圧増大に起因するエンジン性能の低下を未然に防止できると共に、堆積による無駄な還元剤の消費を抑制して後処理装置に最大限の浄化性能を発揮させることができる。
請求項２の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１に加えて、より排ガスが剥離し易い絞り部と拡径部との境界の曲率半径を、拡径部とケーシングとの境界の曲率半径より大きくすることにより、剥離域の形成による不具合を効果的に防止することができる。

請求項３の発明のエンジンの排気浄化装置によれば、請求項１に加えて、絞り部と拡径部との境界及び拡径部とケーシングとの境界を最適な曲率半径ｒ2，ｒ3の断面形状に形成することにより、それぞれの境界での排ガスの剥離域の形成を確実に防止することができる。

以下、本発明を排気通路に選択還元型のＮＯx触媒を備えたディーゼルエンジンの排気浄化装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図であり、エンジン１は直列６気筒機関として構成されている。エンジン１の各気筒には燃料噴射弁２が設けられ、各燃料噴射弁２は共通のコモンレール３から加圧燃料を供給され、機関の運転状態に応じたタイミングで開弁して各気筒の筒内に燃料を噴射する。

エンジン１の吸気側には吸気マニホールド４が装着され、吸気マニホールド４に接続された吸気通路５には、上流側よりエアクリーナ６、ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａ、インタクーラ８が設けられている。また、エンジン１の排気側には排気マニホールド９が装着され、排気マニホールド９には上記コンプレッサ７ａと同軸上に連結されたターボチャージャ７のタービン７ｂを介して排気通路１０が接続されている。

エンジン１の運転中においてエアクリーナ６を経て吸気通路５内に導入された吸気はターボチャージャ７のコンプレッサ７ａにより加圧された後にインタクーラ８、吸気マニホールド４を経て各気筒に分配され、各気筒の吸気行程で筒内に導入される。筒内では所定のタイミングで燃料噴射弁２から燃料が噴射されて圧縮上死点近傍で着火・燃焼し、燃焼後の排ガスは排気マニホールド９を経てタービン７ｂを回転駆動した後に排気通路１０を経て外部に排出される。

上記排気通路１０には本発明の排気浄化装置が設けられ、排気浄化装置は上流側ケーシング１１、下流側ケーシング１２、及び両ケーシング１１，１２間に形成されたミキシング室１３を備えている。上流側ケーシング１１内には上流側より前段酸化触媒１４及びＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１５が収容され、下流側ケーシング１２内には上流側より選択還元型ＮＯx触媒１６（後処理装置）及び後段酸化触媒１７が収容されている。

全体としてミキシング室１３は排ガス流通方向の中間を縮径させたベンチュリ状をなし、上流側ケーシング１１の後部から下流側に向けてコーン状に縮径する縮径部１３ａ、縮径部１３ａの最小径を保って下流側に連続する絞り部１３ｂ、及び絞り部１３ｂから下流側に向けてコーン状に拡径して下流側ケーシング１２の上流端に接続される拡径部１３ｃから構成されている。これらの上流側ケーシング１１、下流側ケーシング１２、ミキシング室１３の各部１３ａ〜１３ｃの排気流通方向と直交する断面形状は、全て円形状に設定されている。

ミキシング室１３の縮径部１３ａ内の最上流位置にはフィン装置１８が設けられている。詳細は説明しないがフィン装置１８は、スチール製の円形状をなすベース板１８ａをプレス成形することにより多数枚のフィン１８ｂが周方向に折曲されている。ベース板１８ａ上には各フィン１８ｂに対応して流通孔が貫設され、フィン装置１８はＤＰＦ１５からの排ガスを各流通孔を経て流通させると共に、流通直後に各フィン１８ｂにより排ガスの流通方向を変更して縮径部１３ａの下流側に旋回流を生起させる。縮径部１３ａのフィン装置１８の下流側には噴射ノズル１９（還元剤噴射手段）が配設されており、この噴射ノズル１９は縮径部１３ａの外周一側から中心に向けて延設され、その先端２４ａを縮径部１３ａの中心で排気下流側に指向させている。

噴射ノズル１９にはミキシング室１３の外周に設置された電磁弁２０を介して図示しない尿素タンクから所定圧の尿素水溶液が供給されており、電磁弁２０の開閉に応じて噴射ノズル１９の先端に貫設された図示しない噴射孔からミキシング室１３の外周に向けて放射状に尿素水溶液が噴射される。
一方、上記燃料噴射弁２及び噴射ノズル１９の電磁弁２０はＥＣＵ３１（電子コントロールユニット）に接続され、ＥＣＵ３１にはその他にもセンサ類やデバイス類が接続されている。例えばＥＣＵ３１は、エンジン回転速度Ｎe及びアクセル操作量θaccから図示しないマップに従って燃料噴射量を設定し、エンジン回転速度Ｎe及び燃料噴射量から図示しないマップに従って燃料噴射時期を設定し、これらの燃料噴射量及び燃料噴射時期に基づいて燃料噴射弁２を駆動制御してエンジン１を運転する。また、ＥＣＵ３１はＮＯx触媒１６上にアンモニア（ＮＨ_３）を供給してＮＯx浄化作用を発揮させるべく、ミキシング室１３の一側に設置した図示しない温度センサにより検出された排ガス温度に基づいて尿素水溶液の目標噴射量を決定し、目標噴射量に基づき電磁弁２０を駆動制御して噴射ノズル１９から尿素水溶液を噴射する。

エンジン１の運転中において、エンジン１から排出された排ガスは排気マニホールド９及び排気通路１０を経て上流側ケーシング１１内に導入され、前段酸化触媒１４を経てＤＰＦ１５を流通する際に含有しているパティキュレートを捕集される。その後、排ガスはミキシング室１３内に導入されてフィン装置１８により旋回流を生起し、この排ガス中に噴射ノズル１９から尿素水溶液が噴射される。排ガスは縮径部１３ａから絞り部１３ｂに移行する過程で次第に絞られることにより旋回半径を縮小して流速を速め、その後に絞り部１３ｂから拡径部１３ｃに移行する過程では旋回半径を次第に拡大しながら流速を低め、これにより尿素水溶液は排ガス中に拡散して排気熱及び排ガス中の水蒸気により加水分解されてアンモニアを生成する。そして、生成されたアンモニアによりＮＯX触媒１６上で排ガス中のＮＯxが無害なＮ_２に選択還元されてＮＯxの浄化が行われる一方、このときの余剰アンモニアが後段酸化触媒１７によりＮＯに酸化されて処理される。

［発明が解決しようとする課題］において説明したように、ミキシング室１３内を流通する過程で内壁との間に排ガスの剥離域が形成されると、尿素水溶液が内壁に堆積して不具合を生じることから、本実施形態では、その対策としてミキシング室１３の形状に工夫を講じており、以下、このミキシング室１３の形状について詳述する。
図２はミキシング室１３の詳細を示す部分拡大断面図である。

本実施形態では、排ガスの剥離現象がミキシング室１３内の排気流通方向への急激な断面変化に起因して発生するとの観点の基に、排ガスの剥離域が形成されるミキシング室１３内の縮径部１３ａと絞り部１３ｂとの境界（以下、第１境界部４１と称する）、絞り部１３ｂと拡径部１３ｃとの境界（以下、第２境界部４２と称する）、及び拡径部１３ｃと下流側ケーシング１２との境界（以下、第３境界部４３と称する）を、従来の単純な角部から排気流通方向に所定曲率半径をなす断面形状（即ち、断面Ｒ状）に変更している。なお、図２ではミキシング室１３の外周上の１点を示しているが、言うまでもなく、各境界部４１〜４３は外周上のどの箇所においても同一断面形状をなしている。

即ち、図７に示す特許文献１の従来技術では、第１から第３境界部４１〜４３に相当する箇所の断面形状が上流側と下流側との内壁をそのまま交差させた角部を形成しているため、これらの箇所でミキシング室１３内の排気流通方向への断面形状が急激に変化し、ミキシング室１３内の外周部で内壁に沿って移送される排ガスが断面形状の変化に倣って移送方向を変化できず、これが排ガスの剥離域が形成される要因となる。

これに対して本実施形態では、第１境界部４１については、縮径部１３ａと絞り部１３ｂとの内壁を交差させた角部をベースとして所定の曲率半径ｒ1の断面Ｒ状に形成され、第２境界部４２については、絞り部１３ｂと拡径部１３ｃとの内壁を交差させた角部をベースとして所定の曲率半径ｒ2の断面Ｒ状に形成され、第３境界部４３については、拡径部１３ｃと下流側ケーシング１２との内壁を交差させた角部をベースとして所定の曲率半径ｒ3の断面Ｒ状に形成されている。

本発明者は、各境界部４１〜４３の最適な曲率半径ｒ1〜ｒ3を決定すべく、シミュレーション試験を実施した。このシミュレーション試験では、各境界部の曲率半径ｒ1〜ｒ3を段階的に変更した解析モデルを設定し、各解析モデルにおける排ガスの剥離状況を求め、その排ガスの剥離状況から各境界部４１〜４３の最適な曲率半径ｒ1〜ｒ3を決定する手順で行われる。

最適な曲率半径ｒ1〜ｒ3はミキシング室１３の大きさに応じて変動することから、ＮＯx触媒１６の入口に相当する下流側ケーシング１２の半径Ｒを基準とした比ｒ1／Ｒ，ｒ2／Ｒ，ｒ3／Ｒを指標として各曲率半径ｒ1〜ｒ3を求めるものとしている。
また、排ガスの剥離状況は数値表現できないことから、剥離状況と相関する指標として排気流速Ｖに着目した。即ち、通路内を流れる流体特性の一つとして、通路内で流体が渦や淀みを生じて局所的に圧力低下すると、自ずと圧力低下を抑制するように排気流速が増加する現象が知られている。この現象は、上記境界部４１〜４３で形成される剥離域でも同様に発生し、剥離域での排ガスの渦や淀みによる圧力低下を抑制するように排気流速Ｖが増加する。従って、ミキシング室１３内の外周部で各剥離域を流通する排ガスの流速Ｖは各剥離域で発生する排ガスの剥離状況と相関し、ある排気流速Ｖ以下では各剥離域で排ガスの剥離が発生していないと見なすことができる。

ミキシング室１３内の外周部を流通する排ガスの流速Ｖは縮径部１３ａ、絞り部１３ｂ、拡径部１３ｃの通路断面積に応じて変化するが、何れの箇所であっても排ガスの剥離状況とは所定の相関関係が成立する。そこで、本実施形態では、絞り部１３ｂの入口外周の排気流速Ｖを指標として定め、この排気流速Ｖが排ガスの剥離が生じる虞がない値として設定された上限値Ｖ0未満に抑制できる範囲内で、各境界部４１〜４３の比ｒ1／Ｒ，ｒ2／Ｒ，ｒ3／Ｒ（即ち、曲率半径ｒ1〜ｒ3）を定めている。なお、排気流速Ｖは絞り部１３ｂの入口外周に限る必要はなく、例えば下流側ケーシングの入口外周の排気流速Ｖを指標としてもよい。

実際のシミュレーション試験では、何れか２つの境界部４１〜４３の曲率半径ｒ1〜ｒ3を適当な値に固定した上で、残りの一つの境界部４１〜４３の曲率半径ｒ1〜ｒ3を変化させて、曲率半径ｒ1〜ｒ3毎に絞り部１３ｂの入口の排気流速Ｖを求め、この作業を各境界部４１〜４３について実施する。
図３はシミュレーション試験から得られた各境界部４１〜４３での排ガスの剥離特性を示す図である。第１及び第２境界部４１，４２での排ガスの剥離特性は共通し、これに対して第３境界部４３の剥離特性は全体的には第１及び第２境界部４１，４２と近似するものの、より絞り部１３ｂの入口の排気流速Ｖが低い（剥離が発生し難い）傾向となっている。この相違は、第１及び第２境界部４１，４２がミキシング室１３内の最小径に相当する絞り部１３ｂに位置して排気流速Ｖが速いのに対し、第３境界部４３は最大径の下流側ケーシング１２の入口に位置して排気流速Ｖが遅いことから、排ガスの剥離が発生し難いためである。

なお、このように排ガスの剥離状況は排気流速Ｖの影響を受け、排気流速Ｖが高いほど排ガスの剥離域が生じ易いことから、シミュレーション試験はエンジン１の運転領域から求めた排気流速Ｖの上限付近を前提として実施されている。勿論、前提となる排気流速Ｖはこれに限ることはなく任意に変更可能である。
また、第１及び第２境界部４１，４２と第３境界部４３との何れにおいても、全体的な特性として、曲率半径ｒ1〜ｒ3（比ｒ1／Ｒ，ｒ2／Ｒ，ｒ3／Ｒ）の増加に伴って絞り部１３ｂの入口の排気流速Ｖが次第に低下し、それぞれの境界部４１〜４３での排ガスの剥離が次第に抑制されることが判る。この傾向は、各境界部４１〜４３の曲率半径ｒ1〜ｒ3が増加するほどミキシング室１３の内壁の排気流通方向への断面形状の変化が緩やかとなり、断面変化に倣って剥離を生じることなく排ガスが移送方向を変化し易くなるためと考えられる。

そして、この試験結果では、予め排ガスの剥離の虞がない排気流速Ｖの上限値としてＶ0が設定され、第１及び第２境界部４１，４２に関しては、絞り部１３ｂの入口の排気流速Ｖが上限値Ｖ0未満となる0.07が比ｒ1／Ｒ，ｒ2／Ｒの下限として導き出されている。また、第３境界部４３に関しては、上限値Ｖ0に基づきより小さな0.05が比ｒ3／Ｒの下限として導き出されている。

一方、図３の特性から明らかなように、排ガスの剥離の観点からは曲率半径ｒ1〜ｒ3の上限を制限する必要はなく、曲率半径ｒ1〜ｒ3の上限はミキシング室１３の形状に関する幾何学的な観点から定められる。この試験結果では、ミキシング室１３の全長（排気流通方向の長さ）がある程度長い解析モデルを設定していることから、下流側ケーシング１２の半径Ｒと同等の曲率半径ｒ1〜ｒ3で境界部４１〜４３を形成することも可能であり、このため第１及び第２境界部４１，４２と第３境界部４３との何れにおいても、比ｒ1／Ｒ，ｒ2／Ｒ，ｒ3／Ｒの上限として1.0が導き出されている。

なお、ミキシング室１３の全長が短い場合には、比ｒ1／Ｒ，ｒ2／Ｒ，ｒ3／Ｒの上限を1.0より適宜減少すればよい。
従って、第１及び第２境界部４１，４２に関しては、比ｒ1／Ｒ，ｒ2／Ｒが0.07〜1.0の範囲内となるように曲率半径ｒ1，ｒ2を設定すればよく、第３境界部４３に関しては、比ｒ3／Ｒが0.05〜1.0の範囲内となるように曲率半径ｒ3を設定すればよい。図２に示す本実施形態のミキシング室１３では、図３中にＡで示す比ｒ1／Ｒ〜ｒ3／Ｒを達成するように曲率半径ｒ1〜ｒ3を設定している。

従って、図２に破線で示すように、ミキシング室１３内の外周部において、縮径部１３ａの内壁に沿って第１境界部４１に到達した排ガスは、第１境界部４１の内壁から剥離することなくその断面形状に倣って移送方向を変更されて絞り部１３ｂに移送され、その後に絞り部１３ｂの内壁に沿って第２境界部４２に到達した排ガスは、第２境界部４２の内壁から剥離することなくその断面形状に倣って移送方向を変更されて拡径部１３ｃに移送される。さらに拡径部１３ｃの内壁に沿って第３境界部４３に到達した排ガスは、渦や淀みを生じることなく第３境界部４３の断面形状に倣って移送方向を変更されてＮＯx触媒１６に流入する。

結果として、何れの境界部４１〜４３でも排ガスの剥離域は形成されず、排ガスに含まれる尿素水溶液の内壁への付着が最小限に抑制される。よって、結晶化した尿素水溶液がミキシング室１３の内壁に堆積したときの通路断面積の縮小を抑制でき、もって排圧増大に要因するエンジン性能の低下を未然に防止することができる。
また、堆積による無駄な尿素水溶液の消費を抑制できるため、常に必要量の尿素水溶液ひいてはアンモニアをＮＯx触媒に供給でき、もってＮＯx触媒１６に最大限の浄化性能を発揮させることができる。

以上の作用効果は、シミュレーション試験で導き出した比ｒ1／Ｒ〜ｒ3／Ｒの範囲内となるように各境界部４１〜４３の曲率半径ｒ1〜ｒ3を設定すれば当然得られるものであり、図４，５に曲率半径ｒ1〜ｒ3の別の設定例を示す。
図４は、図３中にＢで示す比ｒ1／Ｒ〜ｒ3／Ｒを達成するように曲率半径ｒ1〜ｒ3を設定しており、図２に比較して各曲率半径ｒ1〜ｒ3は大幅に小さく形成されている。また、図５は、図３中にＣで示す比ｒ1／Ｒ〜ｒ3／Ｒを達成するように曲率半径ｒ1〜ｒ3を設定しており、図２に比較して各曲率半径ｒ1〜ｒ3は大幅に大きく形成されている。しかし、何れの場合も比ｒ1／Ｒ〜ｒ3／Ｒは下限として決定されている0.07及び0.05以上であるため、上記作用効果を十分に得ることができ、且つ、上限として決定されている1.0以下であるため、幾何学的な矛盾を生じることなくミキシング室１３を形成できる。

また、図６は図４の変形例であるが、拡径部１３ｃの内壁を曲率半径ｒ4でミキシング室１３の中心側に向けて湾曲させている。排気流速Ｖが高いときには第２境界部４２を通過後の排ガスが自己の慣性力で拡径部１３ｃの内壁から剥離する可能性があるが、拡径部１３ｃの湾曲により排ガスの剥離が抑制される。よって、図４のミキシング室１３に比較して排ガスの剥離を一層確実に防止することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、選択還元型ＮＯX触媒１６を備えたディーゼルエンジン１の排気浄化装置に具体化したが、還元剤の供給を要する後処理装置を備えたエンジンであればこれに限ることはない。例えば排ガス中のＮＯxを吸蔵する吸蔵型ＮＯx触媒を排気通路に備え、吸蔵したＮＯxをＮＯx触媒から放出還元するために、膨張行程や排気行程でのポスト噴射により還元剤として未燃燃料をＮＯx触媒上に供給するＮＯxパージを定期的に実行する必要があるエンジンに適用してもよい。この場合には図１においてＮＯx触媒１６を吸蔵型ＮＯx触媒に置換した構成となるが、ミキシング室１３の形状を上記実施形態と同様に設定することにより同様の作用効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、ミキシング室１３の第１から第３境界部４１〜４３を全て断面Ｒ状に形成したが、何れか１つまたは２つの境界部のみを断面Ｒ状に形成してもよい。上記したように第３境界部４３に比較して排気流速Ｖが高い第１及び第２境界部４１，４２を断面Ｒ状に形成することが、排ガスの剥離抑制のために効果的なため、何れか２つの境界部４１〜４３を断面Ｒ状に形成するときには第１及び第２境界部４１，４２を選択するのが効果的である。また、第１及び第２境界部４１，４２を比較した場合、排ガスが縮流し終えた縮流地点に位置する第１境界部４１より、排ガスが拡流し始める拡流地点に位置する第２境界部４２の方が排ガスの剥離は発生し易い。従って、何れか１つの境界部４１，４２を断面Ｒ状に形成するときには第２境界部４２を選択するのが効果的である。

また、上記実施形態では、ミキシング室１３内の縮径部１３ａに噴射ノズル１９を配設し、その噴射ノズル１９の上流側にフィン装置１８を配設したが、これらの配置に限ることはなく、例えばフィン装置１８を廃したり、或いは噴射ノズル１９を絞り部１３ｂ内に設けたりしてもよい。

実施形態のディーゼルエンジンの排気浄化装置を示す全体構成図である。実施形態のミキシング室の詳細を示す部分拡大断面図である。シミュレーション試験から得られた各境界部での排ガスの剥離特性を示す図である。曲率半径を小さく設定したミキシング室の別例を示す部分拡大断面図である。曲率半径を大きく設定したミキシング室の別例を示す部分拡大断面図である。拡径部の内壁を湾曲させたミキシング室の別例を示す部分拡大断面図である。特許文献１に記載された排気浄化装置のミキシング室の詳細を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１エンジン
１０排気通路
１２下流側ケーシング
１３ミキシング室
１３ａ縮径部
１３ｂ絞り部
１３ｃ拡径部
１６ＮＯx触媒（後処理装置）
１９噴射ノズル（還元剤噴射手段）
Ｒケーシング半径
ｒ1〜ｒ3 曲率半径

Claims

エンジンの排気通路に配設されて排気流通方向にほぼ同一径をなすケーシング内に収容され、還元剤の供給により上記エンジンの排ガスを浄化する後処理装置と、
上記排気通路の上記後処理装置の上流側に設けられ、下流側に縮径する縮径部から最小径の絞り部を経て下流側に拡径する拡径部へと連続するベンチュリ状をなし、上記拡径部を上記ケーシングの上流端に接続されたミキシング室と、
上記ミキシング室内に還元剤を噴射する還元剤噴射手段と
を備えたエンジンの排気浄化装置において、
上記拡径部とケーシングとの境界を、排気流通方向に沿った所定曲率半径の断面形状に形成し、
上記ケーシングの半径をＲ、上記拡径部とケーシングとの境界の曲率半径をｒ3としたときに、
0.05≦ｒ3／Ｒ≦1.0
を満足することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
上記拡径部とケーシングとの境界に加えて、上記絞り部と拡径部との境界が所定曲率半径の断面形状に形成され、上記絞り部と拡径部との境界の曲率半径を、上記拡径部とケーシングとの境界の曲率半径より大きくしたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
上記拡径部とケーシングとの境界に加えて、上記絞り部と拡径部との境界が所定曲率半径の断面形状に形成され、
上記ケーシングの半径をＲ、上記絞り部と拡径部との境界の曲率半径をｒ2、上記拡径部とケーシングとの境界の曲率半径をｒ3としたときに、
0.07≦ｒ2／Ｒ≦1.0
0.05≦ｒ3／Ｒ≦1.0
を満足することを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。