JP2010163988A - 内燃機関の排気構造 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関１の排気の流れを制御可能とする排気構造において、比較的簡単な構成で、排気の分散作用の向上と圧力損失の低減とを高次元で両立可能とする。
【解決手段】排気攪拌装置２０は、排気通路７内で円周方向に並べて配置されかつ排気通路７の中心線Ｐ₂に対して円周方向に捩じられた形状の多数の捩れ円錐パイプ２２を有する。多数の捩れ円錐パイプ２２内を排気が通過すると、排気が旋回されて流出される。また、多数の捩れ円錐パイプ２２で囲まれる内径側空間から排出される排気流と、前記旋回流とが衝突することによって、排気通路７の全域に分散されるので、排気が効率良く攪拌される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気を制御可能とする排気構造に関する。また、本発明は、内燃機関の排気通路に排気浄化装置や添加剤供給装置が設けられる排気構造に関する。

従来から、車両等に搭載される内燃機関において、排気を浄化するために、排気通路に触媒を設けている（例えば特許文献１，２参照。）。

特許文献１に係る従来例では、内燃機関の排気通路Ｅ１，Ｅ２に、触媒Ａ２を設け、この触媒Ａ２の排気導入口側に整流体Ｂを設けている。この整流体Ｂについては、この特許文献１の図２に示されているように、多数の中空細管１を円周方向に並べた構成になっている。

特許文献２に係る従来例では、内燃機関の排気通路に、触媒３，２３を設け、この触媒３，２３の排気導入側に整流体４，２４を設けている。この整流体４，２４としては、この特許文献２の図２および図９に示されているように、多数の円錐台形流路モジュール９１を円周方向に並べた構成になっている。円錐台形流路モジュール９１は、その小径側開口が排気流れ方向の上流側に配置されることによって排気流入口とされている。

ところで、内燃機関からの排気中には、窒素酸化物（ＮＯｘ）等が含まれている。ここで、前記内燃機関とは、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンも含む。参考までに、いわゆる筒内直接噴射方式のガソリンエンジンの場合には、運転条件によって排気中にＮＯｘが含まれる。

従来から、内燃機関からの排気中のＮＯｘを減少させるために、内燃機関の排気通路に、還元剤供給装置と選択還元触媒とを設置することが知られている（例えば特許文献３，４参照。）。

選択還元触媒は、酸素共存下でも選択的にＮＯｘを還元剤と反応させる性質を備えている。還元剤供給装置は、選択還元触媒の上流側に必要量の還元剤を供給する。還元剤供給装置により供給された還元剤を選択還元触媒上で排気ガス中のＮＯｘと還元反応させることにより、ＮＯｘの排出濃度が低減される。

特許文献３に係る従来例では、図１に示されているように、内燃機関の排気通路１に、還元剤供給装置（尿素水溶液噴射装置）３，４，５と触媒コンバータ（ＮＯｘ選択還元触媒）７とを設けているとともに、還元剤供給装置３，４，５と触媒コンバータ７との間に、排気流れ方向上流側から順に、混合器２とディフューザ６とを設けている。なお、還元剤供給装置３，４，５から供給された還元剤（尿素）は、触媒コンバータ７に一旦吸着し、吸着した尿素が加水分解することでアンモニアが生じる。このアンモニアが還元剤となって排気中のＮＯｘが還元される。

この特許文献３に係る従来例において、混合器２は、排気が貫流する多数の通路９を有し、また、ディフューザ６は、排気が貫流する多数の通路２１を有する。これら混合器２の通路９とディフューザ６の通路２１は、多数の板金を層状に組み合わせることで構成されている。

ディフューザ６の通路２１は、段落番号００２８に記載されているように、排気流れ方向に横断面積を増大するようになっている。また、ディフューザ６の通路２１を形成する板金１９，２０は、図６に示されているように、螺旋形状に形成されている。

特許文献４に係る従来例では、図１に示されているように、内燃機関１の排気通路１１に、燃料ノズル（還元剤供給装置）１４とＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元触媒）１５とを設けているとともに、燃料ノズル１４の上流に攪拌装置１３を設けている。ＮＯｘ触媒１５は、主として酸素（Ｏ₂）の存在する酸化雰囲気でＮＯｘを吸蔵し、主としてＨＣ，ＣＯの存在する還元雰囲気中でＮＯｘを放出、還元する機能を有する。また、ＮＯｘ触媒１５に吸蔵されたＮＯｘを効率良くパージするために、燃料ノズル１４から燃料を供給するようにしている。

この特許文献４に係る従来例において、攪拌装置１３は、図５に示されているように、２つのベーン２３，２３で構成されており、このベーン２３，２３で排気を旋回させることにより、燃料ノズル１４から供給される燃料を排気と混合するものである。ベーン２３は、鋼板を螺旋形状に湾曲したものである。

特開平８−３１２３４０号公報 特表平２−５０２１１０号公報 特表２００３−５０７６１２号公報 特開２００６−１８３５０８号公報

上記特許文献１〜４に係る従来例では、排気を拡散させて触媒に導入することが可能であるものの、さらなる改良の余地がある。

また、特許文献３に係る従来例では、混合器２の通路９を形成する多数の板金を層状に組み合わせるようにしているが、そのような組み合わせの作業は手間がかかり、製造コストが嵩むことが懸念される。また、ディフューザ６の通路２１を形成する板金１９，２０を螺旋形状に形成しているが、この場合も、製造に手間がかかり、製造コストが嵩むことが懸念される。

また、特許文献４に係る従来例では、その段落番号００３０に記載されているように、攪拌装置１３としてのベーン２３の形状を精密に特定する必要があり、その製造や加工が面倒で手間がかかり、製造コストが嵩むことが懸念される。

このような事情に鑑み、本発明は、内燃機関の排気の流れを制御可能とする排気構造において、比較的簡単な構成で、排気の分散作用の向上と圧力損失の低減とを高次元で両立可能とすることを目的としている。

本発明に係る内燃機関の排気構造は、内燃機関の排気通路に排気の流れを攪拌する排気攪拌装置が設けられ、この排気攪拌装置は、排気通路内で円周方向に並べて配置されかつ前記排気通路の中心線に対して円周方向に捩じられた形状の多数の捩れ円錐パイプを有する、ことを特徴としている。

この構成によれば、内燃機関の運転に伴い排気通路に排出される排気の流れが排気攪拌装置により旋回されるようになる。これにより、排気の旋回流によって排気が排気通路の径方向に広がるようになる。

特に、捩れ円錐パイプの小径側開口を排気流れ方向の下流側に配置して排気流出口にすると、排気が捩れ円錐パイプを通過することで加速されて流出されるようになり、旋回流がより遠くまで持続するようになる。

一方、捩れ円錐パイプの大径側開口を排気流れ方向の下流側に配置して排気流出口にすると、各捩れ円錐パイプの大径側開口から排気が流出された直後に排気がそれぞれ拡散されつつ、旋回されるようになる。そのために、排気の旋回流が排気通路の径方向に広がりやすくなる。

しかも、捩れ円錐パイプが、排気の流れに直交する面を備えていないので、排気の圧力損失が小さなものとなり、内燃機関の背圧が増大することを抑制または防止することが可能になる。

このように、排気攪拌装置について、多数の捩れ円錐パイプを備える構成とすることによって、排気の分散作用の向上と圧力損失の低減とを高次元で両立することが可能になる。

好ましくは、前記多数の捩れ円錐パイプは、それらの内径側に排気を貫流させるための空間を作るように配置される。

この構成によれば、内径側空間を直線的に通過する排気貫流と、前記各捩れ円錐パイプを通過して生起される排気旋回流とが衝突することにより、排気が排気通路の広域に分散されるようになる。

好ましくは、前記排気攪拌装置は、前記多数の捩れ円錐パイプを覆った状態で固定するカバーをさらに有し、この排気攪拌装置を前記排気通路に設置する際に、前記カバーが前記排気通路の途中に、当該カバーの中心線と排気通路の中心線とを一致させるようにするとともに連ねるような状態で接続される。

このようなユニット化された排気攪拌装置であれば、排気通路に対して比較的容易に設置することが可能になり、設置コストを安く抑えるうえで有利となる。

好ましくは、前記排気通路には、排気浄化装置が設けられるとともに、この排気浄化装置の上流側に浄化作用を高めるための添加剤を供給する添加剤供給装置が設けられ、前記排気攪拌装置は、前記排気通路において前記添加剤供給装置の上流側または下流側に設置される。

この構成によれば、内燃機関の運転に伴い排気通路に排出される排気の流れが排気攪拌装置により旋回されることになって排気が排気通路の径方向に広がるようになるので、この排気が、排気通路内に供給される添加剤を排気通路の径方向広域に分散させるように作用する。

これにより、添加剤が排気浄化装置の流入口の径方向全域から流入しやすくなり、そのために、排気浄化装置の径方向ならびに長手方向における広範囲に添加剤が付着しやすくなる。これにより、排気浄化装置による浄化作用が向上するようになる。

ところで、参考までに、前記排気浄化装置は、例えばＮＯｘ選択還元触媒を含む構成とされ、前記添加剤供給装置は、例えば還元剤供給装置を含む構成とされる。

ＮＯｘ選択還元触媒は、周知のように酸素共存下でも選択的に排気中のＮＯｘを還元剤（添加剤）と反応させてＮＯｘから酸素（Ｏ₂）を取り除き窒素（Ｎ）に戻す還元作用を行う性質を有している。このＮＯｘ選択還元触媒は、一般的に、ＳＣＲ触媒と呼ばれるもので、ＳＣＲは、Selective Catalytic Reductionの略である。

還元剤供給装置は、ＮＯｘ選択還元触媒の排気流入側に還元剤（または添加剤）としての尿素水溶液を供給するものである。この尿素水溶液は、排気通路内の排気熱により加水分解されてアンモニア（ＮＨ₃）を容易に発生する。この発生したアンモニアは、ＮＯｘ選択還元触媒において排気中のＮＯｘと反応して、水（Ｈ₂Ｏ）と無害な窒素（Ｎ）とに分解される。

この場合、前記排気の旋回流が還元剤（尿素水溶液）を広域に拡散させてＮＯｘ選択還元触媒内に流入させるように作用し、それによってＮＯｘ選択還元触媒の径方向ならびに長手方向における広範囲に付着するようになる。これにより、ＮＯｘ選択還元触媒による反応が広範囲で生起されるようになるから、浄化作用が高まるようになり、ひいてはＮＯｘ選択還元触媒からのＮＯｘ通過量や還元剤通過量を低減するうえで有利となる。

なお、排気攪拌装置における多数の円錐パイプの配置関係については、以下のように特定することが可能である。

まず、前記多数の捩れ円錐パイプは、それらの大径側開口が排気流れ方向の上流側に配置される。この場合には、捩れ円錐パイプの小径側開口が排気流出口となるので、排気が捩れ円錐パイプを通過することで加速されて流出されるようになり、旋回流による排気分散作用が、より遠くまで持続するようになる。

また、前記多数の捩れ円錐パイプは、それらの小径側開口が排気流れ方向の上流側に配置される。この場合には、各捩れ円錐パイプの大径側開口が排気流出口となるので、当該大径側開口からの排気の圧力が流出直後に解放されることになって排気が排気通路内で径方向に拡散されるようになる。

さらに、前記多数の捩れ円錐パイプのうちの一部は、それらの大径側開口が排気流れ方向の上流側に配置され、また、前記多数の捩れ円錐パイプのうちの残りは、それらの小径側開口が排気流れ方向の上流側に配置される。この場合には、大径側開口を排気流出口とした捩れ円錐パイプは、その大径側開口からの排気の圧力が流出直後に解放されることになって排気が排気通路内で径方向に拡散されるようになる。その一方で、小径側開口を排気流出口とした捩れ円錐パイプは、その小径側開口からの排気が加速されて旋回されるようになる。これらの相乗作用によって、排気が効率良く攪拌されることになる。

本発明によれば、内燃機関の排気の流れを制御可能とする排気構造において、比較的簡単な構成で、排気の分散作用の向上と圧力損失の低減とを高次元で両立することが可能になる。

また、本発明は、排気通路に排気浄化装置が設けられるとともに、この排気浄化装置の上流側に浄化作用を高めるための添加剤を供給する添加剤供給装置が設けられる構成において、排気攪拌装置により旋回分散される排気が、添加物を広域に拡散させて排気浄化装置の径方向ならびに長手方向における広範囲に付着させるように作用するから、浄化効率を高めることが可能になる。

本発明に係る内燃機関の排気構造の一実施形態を示す側面図であり、図５の矢印Ａで示す領域に排気攪拌装置を設置した例である。 図１の排気攪拌装置の内部を透過して示す斜視図である。 図２の排気攪拌装置をカバーの小径側開口から見た図である。 図２の排気攪拌装置を平面的に展開して模式的に示す図である。 本発明に係る内燃機関の排気構造の適用対象となる内燃機関および吸排気系の一例を示す概略構成図である。 本発明に係る内燃機関の排気構造の他実施形態を示す側面図であり、図５の矢印Ｂで示す領域に排気攪拌装置を設置した例である。 本発明に係る内燃機関の排気構造のさらに他実施形態を示す側面図であり、図５の矢印Ｃで示す領域に排気攪拌装置を設置した例である。 本発明に係る内燃機関の排気構造に用いる排気攪拌装置の他実施形態で、排気攪拌装置の内部を透過して示す斜視図である。 図８の排気攪拌装置を排気流れ方向の下流側から見た図である。 図８の排気攪拌装置を平面的に展開して模式的に示す図である。 本発明に係る内燃機関の排気構造に用いる排気攪拌装置のさらに他実施形態で、排気攪拌装置の内部を透過して示す斜視図である。 図１１の排気攪拌装置を排気流れ方向の下流側から見た図である。 図１１の排気攪拌装置を平面的に展開して模式的に示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図４に本発明の一実施形態を示している。ここでまず、図５を参照して、本発明に係る内燃機関の排気構造を適用した内燃機関の概略構成を説明する。

図５に示す内燃機関１は、例えば筒内直接噴射型の直列四気筒ディーゼルエンジンとされている。この内燃機関１には、インテークマニホールド２、エキゾーストマニホールド３、ターボチャージャ（過給機）４、インタークーラ５、ＥＧＲ装置６等が装備されている。

この内燃機関１は、インテークマニホールド２を含む吸気系から吸入される空気が燃焼室（図示省略）に供給されるとともに、燃焼室に燃料噴射弁（図示省略）から燃料を直接噴射し、適宜のタイミングで燃焼させるようになっており、燃焼後の排気がエキゾーストマニホールド３およびマフラー７を含む排気通路から排出される。

エキゾーストマニホールド３に連結されるマフラー７には、排気浄化装置が設けられている。

この実施形態での排気浄化装置は、主として、酸化触媒８、パティキュレートフィルタ９、ＮＯｘ選択還元触媒１０、還元剤供給装置１１を含んで構成されている。マフラー７において、排気流れ方向上流側から順に、酸化触媒８と、パティキュレートフィルタ９と、ＮＯｘ選択還元触媒１０とが配置されている。

酸化触媒８は、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化して浄化する。パティキュレートフィルタ９は、排気通路としてのマフラー７を通過する排気中に含まれるＰＭを主として捕集する。ＰＭは、Particulate Matterの略であり、カーボンを主成分とする粒子状物質のことである。

このパティキュレートフィルタ９としては、例えば一般的に公知のＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＤＰＲ（Diesel Particulate active Reduction system）あるいはＤＰＮＲ（Diesel Particulate−NOx Reduction system）等とすることが可能である。

なお、ＤＰＦは、多孔質部材を設けた構成とされている。また、ＤＰＲは、例えば多孔質セラミックからなるハニカム構造体に酸化触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とするもの）を担持させた構成である。

ＤＰＮＲは、前記ＤＰＲの機能に加えて窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去することが可能なものであり、例えば多孔質セラミック構造体に酸化触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とするもの）とＮＯｘ吸蔵還元触媒とを担持させたものである。このＤＰＮＲは、排気ガス中のＰＭを多孔質の壁を通過する際に捕集され、また、排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯｘは還元・放出される。

また、パティキュレートフィルタ９の上流側に酸化触媒８を設置しているのは、パティキュレートフィルタ９を効率良く再生可能とするためである。つまり、酸化触媒８の上流側で排気中に燃料（ＨＣ）を添加すると、この燃料が酸化触媒８で酸化反応されることになり、その反応熱で昇温した排気でパティキュレートフィルタ９の触媒床温度が昇温されるようになり、これによってパティキュレートフィルタ９に蓄積したＰＭが燃焼除去されるのである。

ＮＯｘ選択還元触媒１０は、周知のように酸素共存下でも選択的に排気中のＮＯｘを還元剤（添加剤）と反応させてＮＯｘから酸素（Ｏ₂）を取り除き窒素（Ｎ）に戻す還元作用を行う性質を有している。このＮＯｘ選択還元触媒１０は、ＳＣＲ触媒と呼ばれるもので、ＳＣＲは、Selective Catalytic Reductionの略である。

還元剤供給装置１１は、ＮＯｘ選択還元触媒１０の排気流入側に還元剤（または添加剤）としての尿素水溶液を供給するものであり、噴射ノズル１２と、尿素水溶液を貯留するタンク１３と、タンク１３から尿素水溶液を噴射ノズル１２へ供給するためのポンプ１４とを含んでいる。

噴射ノズル１２は、マフラー７の周壁部に斜め姿勢で取り付けられていて、この噴射ノズル１２から尿素水溶液をマフラー７内の排気流れ方向に対し斜め下流側へ向けて噴射するようになっている。

この噴射ノズル１２からマフラー７内に噴射供給された尿素水溶液は、マフラー７内の排気熱により加水分解されてアンモニア（ＮＨ₃）を容易に発生する。この発生したアンモニアは、ＮＯｘ選択還元触媒１０において排気中のＮＯｘと反応して、水（Ｈ₂Ｏ）と無害な窒素（Ｎ）とに分解される。

なお、還元剤供給装置１１により供給する還元剤（添加剤）としては、尿素水溶液の他に、アンモニア水溶液や炭化水素水溶液等とすることも可能である。

なお、マフラー７においてパティキュレートフィルタ９と噴射ノズル１２との間、およびＮＯｘ選択還元触媒１０の下流側には、それぞれＮＯｘセンサ１５，１６が設けられている。上流側のＮＯｘセンサ１５を、前段ＮＯｘセンサと呼び、また、下流側のＮＯｘセンサ１６を後段ＮＯｘセンサと呼ぶことにする。

前段ＮＯｘセンサ１５は、ＮＯｘ選択還元触媒１０に流入する排気中のＮＯｘ濃度に対応する電気信号を出力するものである。この前段ＮＯｘセンサ１５からの出力は、図示していない電子制御装置（ＥＣＵ）により、ＮＯｘ選択還元触媒１０によるＮＯｘ分解作用を適正とするように、還元剤供給装置１１による尿素水溶液の噴射供給量をフィードフォワード制御するのに利用される。

後段ＮＯｘセンサ１６は、ＮＯｘ選択還元触媒１０を通過した排気中のＮＯｘ濃度に対応する電気信号を出力するものである。この後段ＮＯｘセンサ１６からの出力は、図示していない電子制御装置（ＥＣＵ）により、ＮＯｘ選択還元触媒１０によるＮＯｘ分解作用を補正するために、還元剤供給装置１１による尿素水溶液の噴射供給量をフィードバック制御するのに利用される。

次に、図１から図４を参照して、この実施形態において本発明の特徴を適用した部分を詳細に説明する。

この実施形態では、排気通路であるマフラー７においてパティキュレートフィルタ９と前段ＮＯｘセンサ１５との間の領域に、排気攪拌装置２０が設けられている。

排気攪拌装置２０は、排気と噴射ノズル１２から噴射された尿素水溶液とを効率良くかつ万遍なく混合させるためのものである。

具体的に、排気攪拌装置２０は、カバー２１内に多数の捩れ円錐パイプ２２・・・を円周方向に並べて配置した状態で固定した構成になっている。

カバー２１は、中空の円錐台形状とされている。このカバー２１は、その中心線Ｐ₁がマフラー７の中心線Ｐ₂と一致するようにかつ連なるような状態でマフラー７に接続されている。

なお、カバー２１の大径側開口が排気流れ方向の上流側に配置されることによって排気流入側とされており、また、カバー２１の小径側開口が排気流れ方向の下流側に配置されることによって排気流出側とされている。このようなカバー２１をマフラー７に連続的に接続するために、マフラー７においてパティキュレートフィルタ９とＮＯｘ選択還元触媒１０との間の領域については、大小のパイプを組み合わせた構造にしている。

捩れ円錐パイプ２２は、カバー２１の中心線Ｐ₁あるいはマフラー７の中心線Ｐ₂に対して円周方向に捩じられた形状になっている。その捩れの度合いは、任意である。また、多数の捩れ円錐パイプ２２は、それらの内径側に内径側に排気を貫流させるための空間２３を作るように配置されている。この空間２３は、カバー２１の中心線Ｐ₁に沿って貫通している。

次に、排気攪拌装置２０の作用について説明する。

つまり、内燃機関１の運転に伴い内燃機関１からエキゾーストマニホールド３を経てマフラー７へ排出される排気は、酸化触媒８、パティキュレートフィルタ９ならびにＮＯｘ選択還元触媒１０により浄化される。

ここで、パティキュレートフィルタ９からＮＯｘ選択還元触媒１０に排気が流入する際には、その排気に対し、還元剤供給装置１１により噴射供給される還元剤としての尿素水溶液の粒子が混合される。このように尿素水溶液の粒子が混合された排気がＮＯｘ選択還元触媒１０に流入することで、ＮＯｘ選択還元触媒１０による排気中のＮＯｘの分解作用が高められる。

このとき、ＮＯｘ選択還元触媒１０の上流側に設置してある排気攪拌装置２０に排気が流入すると、排気が多数の捩れ円錐パイプ２２内を通過することにより旋回されて流出される。さらに、カバー２１において多数の捩れ円錐パイプ２２で囲まれる内径側空間２３からもカバー２１の中心線Ｐ₁に沿って直線的に貫流される。これらの排気旋回流と排気貫流とが衝突することによって、排気がマフラー７の広域に分散される。

そして、還元剤供給装置１１により尿素水溶液は、前記のように排気攪拌装置２０によってマフラー７の広域に分散された排気に対して噴射供給されるので、マフラー７内の排気全体に尿素水溶液の粒子が拡散されるようになる。つまり、尿素水溶液の粒子がマフラー７内の広域に万遍なく行き届くようになる。

このように排気全体に拡散された尿素水溶液の粒子がＮＯｘ選択還元触媒１０内に流入することになるので、ＮＯｘ選択還元触媒１０の内部における前記粒子の吸着分布が大きく広がるようになる。

しかも、捩れ円錐パイプ２２の小径側開口を排気流れ方向の下流側に配置しているので、排気が捩れ円錐パイプ２２を通過することで加速されて流出されるようになり、旋回流による排気分散作用が、より遠くまで持続するようになる。

このようなことから、ＮＯｘ選択還元触媒１０によるＮＯｘの分解作用が高められることになり、ＮＯｘ選択還元触媒１０を通過する排気中のＮＯｘ濃度が低減されるようになるとともに、アンモニアが排出されるアンモニアスリップ量も低減されるようになる。このことは、後段ＮＯｘセンサ１６の出力に基づいて尿素水溶液の噴射量をフィードバック制御する際の補正量を小さくするうえで有利となる。

ところで、排気攪拌装置２０を通過する排気のうち、カバー２１の中心寄りの内径側空間２３を通過する排気貫流については圧力損失がほとんど発生しないが、多数の捩れ円錐パイプ２２内を通過する排気旋回流については、捩れ円錐パイプ２２で排気進行方向が曲げられることに伴い圧力損失が多少発生すると考えられる。

しかしながら、捩れ円錐パイプ２２が、排気の流れに直交する面を備えていないこと、また、捩れ円錐パイプ２２の小径側開口を排気流出口にしていることに伴う排気加速作用が得られることとの相乗作用によって、圧力損失が軽減される。したがって、排気攪拌装置１３を設けたことによる排気の圧力損失の増大を抑制または防止することが可能になり、内燃機関１の背圧上昇を抑制または防止することが可能になる。

このように、排気攪拌装置２０について、多数の捩れ円錐パイプ２２を備える構成とすることによって、排気の分散作用の向上と圧力損失の低減とを高次元で両立することが可能になる。

しかも、上述したように排気攪拌装置２０は、カバー２１内に多数の捩れ円錐パイプ２２を固定してユニット化しているから、マフラー７の任意位置に対して容易に設置することが可能になる等、設置コストを安く抑えるうえで有利となる。

次に、排気攪拌装置２０の設置場所は、任意であるが、前記の他に、例えば図６および図７に示すような場所に変更することが可能である。

まず、図６に示す例では、排気攪拌装置２０を、排気通路としてのマフラー７において還元剤供給装置１１の噴射ノズル１２とＮＯｘ選択還元触媒１０との間の領域に設置している。

一般的に、ＮＯｘ選択還元触媒１０の排気流入側には、マフラー７との接続性を高めるために、排気流れ方向の上流側から下流側へ向けて漸次大径とされるディフューザ１０ａが設けられている。また、ＮＯｘ選択還元触媒１０の排気流出側には、マフラー７との接続性を高めるために、排気流れ方向の上流側から下流側へ向けて漸次小径とされるコンフューザ１０ｂが設けられている。

ここでは、前記のディフューザ１０ａの位置に、排気攪拌装置２０を設置している。このようにすれば、図１から図４に示す実施形態のように、マフラー７を大小のパイプの組み合わせとする必要がない。

但し、この例で用いる排気攪拌装置２０は、図１から図４に示す実施形態と全く同じ構成にしているものの、その設置の向きが逆向きにされている。

この例の場合、排気攪拌装置２０における各捩れ円錐パイプ２２の大径側開口が排気流れ方向の下流側に位置するために、還元剤供給装置１１により噴射された尿素水溶液が各捩れ円錐パイプ２２の小径側開口から流入することになる。

そして、各捩れ円錐パイプ２２の大径側開口から尿素水溶液が混合された排気が流出されると、その流出直後に排気圧力が解放されることによって排気中において尿素水溶液の粒子が径方向に拡散されつつ、旋回されるようになって、効率良く攪拌される。

このように排気全域に攪拌された尿素水溶液の粒子がＮＯｘ選択還元触媒１０内に流入するようになるので、ＮＯｘ選択還元触媒１０の内部における前記粒子の吸着分布が可及的に大きく広がるようになる。これにより、ＮＯｘ選択還元触媒１０による分解作用が高められることになり、ＮＯｘ選択還元触媒１０を通過する排気中のＮＯｘ濃度が低減されるようになる。

また、図７に示す例では、排気攪拌装置２０を、排気通路としてのマフラー７においてＮＯｘ選択還元触媒１０と後段ＮＯｘセンサ１６との間の領域に設置している。

一般的に、ＮＯｘ選択還元触媒１０の排気流入側には、マフラー７との接続性を高めるために、排気流れ方向の上流側から下流側へ向けて漸次大径とされるディフューザ１０ａが設けられている。また、ＮＯｘ選択還元触媒１０の排気流出側には、マフラー７との接続性を高めるために、排気流れ方向の上流側から下流側へ向けて漸次小径とされるコンフューザ１０ｂが設けられている。

ここでは、前記のコンフューザ１０ｂの位置に、排気攪拌装置２０を設置している。このようにすれば、図１から図４に示す実施形態のように、マフラー７を大小のパイプの組み合わせとする必要がない。

この例で用いる排気攪拌装置２０は、図１から図４に示す実施形態と全く同じ構成にしている。

この例の場合、ＮＯｘ選択還元触媒１０から流出する排気が、各捩れ円錐パイプ２２の大径側開口から流入し、小径側開口から流出されることになる。この各捩れ円錐パイプ２２内を通過する過程では、排気が加速されつつ、旋回されるようになる。

これにより、ＮＯｘ選択還元触媒１０を通過するＮＯｘも排気中に万遍なく分散されるので、後段ＮＯｘセンサ１６による検出出力の信頼性が向上する結果となる。したがって、この後段ＮＯｘセンサ１６の検出出力を用いるフィードバック制御がより正確に行えるようになり、好ましい。

なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲で包含されるすべての変形や応用が可能である。以下で例を挙げる。

（１）上記各実施形態で例示した内燃機関１は、ターボチャージャ４およびＥＧＲ装置６を装備したものを例に挙げているが、それらのいずれか一方または両方を無くしたものであっても本発明を適用できる。

（２）上記各実施形態では、排気流れ方向の上流側から順に、酸化触媒８と、パティキュレートフィルタ９と、ＮＯｘ選択還元触媒１０とを配置した例を挙げているが、本発明は、これに限定されず、図示していないが、例えば排気流れ方向上流側から順に、ＮＯｘ選択還元触媒１０と、酸化触媒８と、パティキュレートフィルタ９とを配置することが可能である。

この場合も、排気攪拌装置２０の設置場所は、ＮＯｘ選択還元触媒１０を基準として、図１、図６あるいは図７に示したように適宜に決定することができる。

（３）上記各実施形態に示した排気攪拌装置２０は、例えば図８から図１０に示すような構成とすることも可能である。

つまり、この例の排気攪拌装置２０では、多数の捩れ円錐パイプ２２のうちの半分が、それらの大径側開口を排気流れ方向の上流側に位置させるように配置され、また、残り半分が、それらの小径側開口を排気流れ方向の上流側に位置させるように配置されている。言い換えると、カバー２１内の円周方向に多数の捩れ円錐パイプ２２が円周方向交互に反対向きに配置されている。

そして、ここでの排気攪拌装置２０においては、カバー２１を図１から図４に示す実施形態で示したような円錐台形状とせずに円筒形にしている。さらに、多数の捩れ円錐パイプ２２の内径側に、図１から図４に示す実施形態で示したような空間２３の代わりに、ストレートな円筒パイプ２４が取り付けられている。

この場合、前記したいろいろな実施形態と同様に、捩れ円錐パイプ２２により排気を旋回させる作用が得られる。その他に、大径側開口を排気流出口にした半数の捩れ円錐パイプ２２は、その大径側開口からの排気の圧力が流出直後に解放されることになって排気がマフラー７内で径方向に拡散されるようになる。その一方で、小径側開口を排気流出口にした半数の捩れ円錐パイプ２２は、その小径側開口からの排気が加速されて旋回されるようになる。これらの相乗作用によって、排気が効率良く攪拌されることになる。

（４）上記各実施形態に示した排気攪拌装置２０は、例えば図１１から図１３に示すような構成とすることも可能である。

つまり、この例で示す排気攪拌装置２０は、捩れていない形状の多数の円錐パイプ２２Ａが用いられている。そのうえで、上記（３）の例と同様に多数の円錐パイプ２２Ａのうちの半分が、それらの大径側開口を排気流れ方向の上流側に位置させるように配置され、また、残り半分が、それらの小径側開口を排気流れ方向の上流側に位置させるように配置されている。言い換えると、カバー２１内の円周方向に多数の円錐パイプ２２Ａが円周方向交互に反対向きに配置されている。

そして、ここでの排気攪拌装置２０においては、カバー２１を図１から図４に示す実施形態で示したような円錐台形状とせずに円筒形にしている。さらに、多数の円錐パイプ２２Ａの内径側に、図１から図４に示す実施形態で示したような空間２３の代わりに、ストレートな円筒パイプ２４が取り付けられている。

この例の排気攪拌装置２０では、上記各実施形態での排気旋回作用は得られない。しかし、大径側開口を排気流出口にした半数の円錐パイプ２２Ａは、その大径側開口からの排気の圧力が流出直後に解放されることになって排気がマフラー７内で径方向に拡散されるようになる。その一方で、小径側開口を排気流出口にした半数の捩れ円錐パイプ２２Ａは、その小径側開口からの排気が加速されて旋回されるようになる。これらの相乗作用によって、排気が効率良く攪拌されることになる。

１ 内燃機関
２ インテークマニホールド
３ エキゾーストマニホールド（排気通路の一構成要素）
７ マフラー（排気通路の一構成要素）
８ 酸化触媒
９ パティキュレートフィルタ
１０ ＮＯｘ選択還元触媒
１１ 還元剤供給装置
１２ 噴射ノズル
１５ 前段ＮＯｘセンサ
１６ 後段ＮＯｘセンサ
２０ 排気攪拌装置
２１ カバー
２２ 捩れ円錐パイプ
２３ 内径側空間
Ｐ₁ カバーの中心線
Ｐ₂ マフラーの中心線

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に排気の流れを攪拌する排気攪拌装置が設けられ、この排気攪拌装置は、排気通路内で円周方向に並べて配置されかつ前記排気通路の中心線に対して円周方向に捩じられた形状の多数の捩れ円錐パイプを有する、ことを特徴とする内燃機関の排気構造。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気構造において、
   前記多数の捩れ円錐パイプは、それらの内径側に排気を貫流させる空間を作るように配置される、ことを特徴とする内燃機関の排気構造。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の排気構造において、
   前記排気攪拌装置は、前記多数の捩れ円錐パイプを覆った状態で固定するカバーをさらに有し、
   この排気攪拌装置を前記排気通路に設置する際に、前記カバーが前記排気通路の途中に、当該カバーの中心線と排気通路の中心線とを一致させるようにするとともに連ねるような状態で接続される、ことを特徴とする内燃機関の排気構造。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気構造において、
   前記排気通路には、排気浄化装置が設けられるとともに、この排気浄化装置の上流側に浄化作用を高めるための添加剤を供給する添加剤供給装置が設けられ、
   前記排気攪拌装置は、前記排気通路において前記添加剤供給装置の上流側または下流側に設置される、ことを特徴とする内燃機関の排気構造。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気構造において、
   前記多数の捩れ円錐パイプは、それらの大径側開口が排気流れ方向の上流側に配置される、ことを特徴とする内燃機関の排気構造。
6. 請求項１から４のいずれか１つに記載の内燃機関の排気構造において、
   前記多数の捩れ円錐パイプのうちの一部は、その大径側開口が排気流れ方向の上流側に配置され、また、前記多数の捩れ円錐パイプのうちの残りは、その小径側開口が排気流れ方向の上流側に配置される、ことを特徴とする内燃機関の排気構造。

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