JP2013133805A - 混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】添加弁から噴霧された還元剤を微粒化して排気下流側に導くことができる混合装置を提供する。
【解決手段】混合装置を構成する羽根３１には、該羽根３１の表面３４に沿って排気上流側から排気下流側に向けて流動する排気中の尿素水を捕捉する捕捉部４０が設けられている。この捕捉部４０に捕捉された尿素水は、捕捉空間４１と捕捉部４０よりも排気下流側の空間とを連通するスリット４３を介して微粒化して排気下流側に通過する。
【選択図】図３

Description

本発明は、液状の還元剤を内燃機関の排気管内に噴霧する添加弁よりも同排気管の下流側に設けられ、排気と還元剤とを混合して排気下流側の排気浄化触媒に導く混合装置に関する。

内燃機関には、排気に含まれる窒化酸化物（ＮＯ_ｘ）を水及び窒素に還元して浄化する排気浄化装置が設けられている。こうした排気浄化装置では、排気管内に尿素水といった液状の還元剤を添加弁から噴霧し、その還元剤を添加弁よりも排気下流側に配設された還元型の排気浄化触媒に供給するようにしている。また、こうした排気浄化装置には、排気管内において添加弁と排気浄化触媒との間に排気と還元剤とを混合させるための混合装置が設けられている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の混合装置は、排気管内での排気の流動方向に直交する仮想平面内で、その中心から排気管の内壁の周方向に同一方向への傾斜をもって配列される複数の羽根を備えている。また、仮想平面の中心を含む領域は、排気の流動抵抗となる羽根が配置されない低圧領域となっている。そして、排気管内を流動する排気の一部はこの低圧領域を通って上流側から下流側に導かれ、残りは周方向において互いに隣り合う羽根同士の間を通って上流側から下流側に導かれる。

排気に混合された尿素水の水分は排気からの受熱によって蒸発する。すると、尿素水に含まれる尿素と水蒸気との加水分解反応によりアンモニアガス（還元ガス）が発生する。こうしたアンモニアガスは、排気と共に排気下流側に流動して排気浄化触媒に取り込まれる。その結果、排気浄化触媒では、排気に含まれる窒化酸化物がアンモニアガスによって水及び窒素に還元される。

特開２０１１−１１１９２７号公報

ところで、添加弁から噴霧された尿素水は、粒子状になって排気と共に排気下流側に流動する。排気と共に流動する粒子のうち、径の大きい粒子は、径の小さい粒子と比較して、これに含まれる水分を完全に蒸発させるのに長い時間を要する。そのため、径の大きい粒子は、その水分が十分に蒸発せずに不均一な状態で排気浄化触媒に取り込まれるおそれがある。

このように水分が十分に蒸発しない状態で尿素水が排気浄化触媒に取り込まれると、その不均一性のため、これが排気浄化触媒における窒化酸化物の還元効率を低下させる要因となる。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものである。その目的は、添加弁から噴霧された還元剤を微粒化して排気下流側に導くことができる混合装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
混合装置にかかる請求項１に記載の発明は、液状の還元剤を内燃機関の排気管内に噴霧する添加弁よりも該排気管の下流側に設けられ、前記排気管内での排気の流動方向に直交する仮想平面内で、その中心から前記排気管の内壁の周方向に同一方向への傾斜をもって配列される複数の羽根を備えた混合装置において、前記各羽根の少なくとも一つの羽根には、該羽根の表面に沿って排気上流側から排気下流側に向けて流動する排気中の還元剤を捕捉する捕捉部が設けられ、前記捕捉部には、該捕捉部によって捕捉された還元剤が滞留する空間と同捕捉部よりも排気下流側の空間とを連通し、同捕捉部に捕捉された還元剤を微粒化して排気下流側に通過させる連通部が設けれていることを要旨とする。

添加弁から噴霧された還元剤の粒子を含む排気が、混合装置において各羽根が配置される領域を通過すると、混合装置の排気下流側には旋回流が発生する。ここで、上記構成では、各羽根の少なくとも一つの羽根には、その表面に沿って排気上流側から排気下流側に向けて流動する排気の流動を妨げるような捕捉部が設けられていると共に、捕捉部によって捕捉された還元剤が滞留する空間と捕捉部よりも排気下流側の空間とを連通する連通部が設けられている。そのため、捕捉部を有する羽根の表面に沿って排気上流側から排気下流側に向けて流動する排気は、捕捉部を避けるように排気下流側に流動する。

ここで、排気と共に流動する還元剤の粒子のうち、径の大きい粒子に作用する慣性力は、径の小さい粒子に作用する慣性力よりも大きい。そのため、捕捉部を避けるように排気の流動方向が変わっても、排気と共に羽根の表面に沿って流動する径の大きい粒子の一部は、捕捉部を避けることができないために該捕捉部にて捕捉されるようになる。

なお、捕捉部には排気が衝突して一時的に滞留するため、捕捉部の圧力は該捕捉部よりも排気下流側の空間と比較して高くなる。そのため、捕捉部によって捕捉された還元剤はその圧力差により排気などの気体と共に連通部から排気下流側に放出される。このとき、連通部からは、還元剤が微粒化された状態で排気下流側に放出されるようになる。これにより、排気管内において混合装置よりも下流側に配置される排気浄化触媒に、還元剤が多量の水分を含んだ状態で取り込まれることが抑制され、排気に含まれる窒化酸化物の還元効率を向上させることができるようになる。

また、混合装置にかかる請求項２に記載の発明は、液状の還元剤を内燃機関の排気管内に噴霧する添加弁よりも該排気管の下流側に設けられ、前記排気管内での排気の流動方向に直交する仮想平面内で、その中心から前記排気管の内壁の周方向に同一方向への傾斜をもって配列される複数の羽根を備えた混合装置において、前記各羽根のうち少なくとも一つの羽根の表面には、前記仮想平面の中心から離れる方向に沿うと共に、前記表面に沿って流動する排気の流動方向に交差する交差面を有する捕捉部が設けられ、前記捕捉部には、前記交差面を挟んで排気の上流側と下流側とを連通する連通部が形成されてなることを要旨とする。

上記構成では、各羽根の少なくとも一つの羽根の表面側には、仮想平面の中心から離れる方向に沿う交差面を有する捕捉部が設けられている。そのため、捕捉部を有する羽根の表面に沿って排気上流側から排気下流側に向けて流動する排気の流動方向は、捕捉部を避けるために変更される。しかし、上述したように、捕捉部を避けるように排気の流動方向が変わっても、排気と共に羽根の表面に沿って流動する径の大きい粒子の一部は、捕捉部を避けることができないために該捕捉部に捕捉される。そのため、交差面よりも排気上流側の空間には、還元剤を含む流体が一時的に滞留することになる。これにより、交差面よりも排気上流側の空間の圧力は、交差面よりも排気下流側の空間の圧力よりも高圧となる。

そして、この圧力差により、捕捉部に捕捉された還元剤は、排気などの気体と共に連通部から微粒化された状態で排気下流側に放出されるようになる。したがって、排気管内において混合装置よりも下流側に配置される排気浄化触媒に、還元剤が多量の水分を含んだ状態で取り込まれることが抑制され、排気に含まれる窒化酸化物の還元効率を向上させることができるようになる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の混合装置において、前記捕捉部は、前記羽根の排気下流側の端部に設けられてなることを要旨とする。
上記構成では、捕捉部を羽根の排気下流側の端部に設けることにより、捕捉部を羽根の排気下流側の端部以外の部分に設けた場合と比較して、捕捉部を有する羽根の表面に沿って排気が流動する距離が長くなる。そのため、羽根の表面に沿って排気が流動する距離が長くなる分、混合装置の排気下流側により強い旋回流を発生させることが可能となる。

また、上記仮想平面の中心を含む領域には、排気の流動抵抗となる羽根が存在していないため、上記領域に排気上流側から流入する排気は、流速がほぼ維持された状態で該領域を排気下流側に通過する。一方、複数の羽根が位置する領域を排気上流から流入する排気の流速は、各羽根が流動抵抗として機能してしまうために遅くなる。そのため、仮想平面の中心を含む領域を通過する排気の通過速度は、複数の羽根が位置する領域を通過する排気の通過速度よりも速い。その結果、排気が混合装置を通過する場合には、仮想平面の中心を含む領域の圧力のほうが複数の羽根が位置する領域の圧力よりも低圧となる。これにより、複数の羽根が位置する領域では、仮想平面の中心を含む領域に吹き寄せられるような流れも発生する。

そのため、羽根の排気下流側の端部においては、上記仮想平面の中心側の端部に、羽根に付着した還元剤の液滴が集まるようになる。そして、羽根の排気下流側の端部における上記仮想平面の中心側の端部では、液滴が大きく成長してしまう。仮に羽根の排気下流側の端部以外の部分に捕捉部を設けたとすると、大きく成長した液滴が、羽根から排気下流側に吹き飛ばされても、当該液滴は、その粒径が大きいため、水分が十分に蒸発しない状態で排気浄化触媒に取り込まれるおそれがある。

この点、本発明では、羽根の排気下流側の端部に捕捉部が設けられているため、羽根の排気下流側の端部における上記仮想平面の中心側の端部で集まった還元剤は、連通部を介して排気下流側に放出されるようになる。すなわち、羽根の排気下流側の端部における上記仮想平面の中心側の端部で集まった還元剤が、連通部から微粒化して放出されるようになる。そのため、排気管内において混合装置よりも下流側に配置される排気浄化触媒に、還元剤が多量の水分を含んだ状態で取り込まれることが抑制され、排気に含まれる窒化酸化物の還元効率を向上させることができるようになる。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の混合装置において、前記捕捉部は、前記羽根の表面に対向する対向面と、該表面と対向面との間に介在する捕捉空間とを有しており、前記捕捉空間は、前記交差面よりも排気下流側の空間と前記連通部を介して連通していることを要旨とする。

上記構成によれば、捕捉空間内に還元剤を滞留させることにより、捕捉部で捕捉した還元剤の多くを、連通部から微粒化して排気下流側に放出させることができる。したがって、排気管内において混合装置よりも下流側に配置される排気浄化触媒に、還元剤が多量の水分を含んだ状態で取り込まれることが抑制され、排気に含まれる窒化酸化物の還元効率を向上させることができるようになる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のうち何れか一項に記載の混合装置において、前記羽根は、板材によって構成されており、前記捕捉部は、前記羽根の一部を曲げ成形することで設けられてなることを要旨とする。

上記構成では、捕捉部を、羽根を構成する板材とは別部材で構成する場合と比較して、捕捉部を羽根に取り付ける工程が省略される分、混合装置の製造に要する工数を低減させることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のうち何れか一項に記載の混合装置において、前記捕捉部及び前記連通部は、前記複数の羽根の全てに設けられてなることを要旨とする。

上記構成によれば、一部の羽根にのみ捕捉部及び連通部を設ける場合と比較して、還元剤の粒子の微粒化に貢献することができる。そのため、排気管内において混合装置よりも下流側に配置される排気浄化触媒に、還元剤が多量の水分を含んだ状態で取り込まれることが抑制され、排気に含まれる窒化酸化物の還元効率を向上させることが可能となる。

連通部は、請求項７に記載されるように、前記羽根における前記仮想平面の中心側の端部から、該仮想平面の中心から離れる方向に延びるスリットとしたり、請求項８に記載されるように、前記羽根を貫通する貫通孔としたりすることができる。

さらに、こうした貫通孔を３つ以上設ける構成においては、請求項９に記載されるように、隣接する貫通孔の各間隔が、前記仮想平面の中心に近い位置ほど狭く設定されることが好ましい。このように構成すると、捕捉部を有する羽根においては、還元剤が集まりやすいと推定される仮想平面の中心に近い位置ほど多くの貫通孔が形成される。そのため、捕捉部で捕捉された還元剤を、効率良く排気下流側に微粒化して放出することできるようになる。

本発明の一実施形態の混合装置を備える排気浄化装置を示す模式図。 本発明の混合装置の一実施形態を示す平面図。 図２における３−３線矢視断面図。 羽根の形状を示す斜視図。 羽根の表面に沿って排気が流動する際の作用を説明する模式図。 別の実施形態における羽根の形状を示す斜視図。 他の別の実施形態における羽根の形状を示す斜視図。 更なる別の実施形態における羽根の形状を示す斜視図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図５に従って説明する。なお、本実施形態においては、図１における上下方向が「重力方向」と一致するものとする。
図１に示すように、内燃機関の排気管１１は、図１における左上から右斜め下方に延びる第１の排気流路１２と、該第１の排気流路１２の下流端から図１における右方に延びる第２の排気流路１３とを備えている。こうした排気管１１内を流動する排気に含まれる窒化酸化物（ＮＯ_ｘ）は、排気浄化装置２０によって浄化される。

排気浄化装置２０には、排気管１１内に液状の還元剤である尿素水を排気下流側（図１では右方側）に噴霧する添加弁２１と、貯留タンク２２に貯留される尿素水を添加弁２１に供給すべく作動する供給ポンプ２３とが設けられている。添加弁２１は、第２の排気流路１３の上流端１３ａに設けられている。

なお、第２の排気流路１３の上流部分には、第１の排気流路１２から図１における右斜め下方に向けて排気が流入する。そのため、第２の排気流路１３の上流端１３ａに設けられた添加弁２１から噴霧された尿素水の粒子の径が小さい場合、排気管１１内における尿素水の分布が、第１の排気流路１２から第２の排気流路１３に流入した排気によって、図１における下方に偏ってしまうおそれがある。

そこで、本実施形態では、排気に添加される尿素水からなる各粒子の平均粒子径が大きくなるように、添加弁２１から尿素水が噴霧される。これにより、噴霧される尿素水の慣徹力が大きくなり、第１の排気流路１２から第２の排気流路１３の上流部分に流入する排気によって排気管１１内における尿素水の分布が図１における下側に偏ることが抑制される。すなわち、第２の排気流路１３内では、その中心線１３ｂを中心に尿素水が満遍なく広がるようになる。

排気管１１内における添加弁２１の排気下流側には、排気上流側から排気下流側（図１では左側から右側）に向けて流動する排気と、添加弁２１によって噴霧された尿素水とを混合させる混合装置２５が設けられている。この混合装置２５は、添加弁２１によって噴霧された尿素水が分散される領域を広くする機能も有している。

排気に混合された尿素水に含まれる水分は、排気管１１内を共に流動する排気からの受熱によって蒸発する。すると、水分の蒸発によって生じた水蒸気と尿素水に含まれる尿素との加水分解反応により、還元ガスとしてのアンモニアガスが発生する。このように発生したアンモニアガスは、排気と共に排気下流側に流動する。

排気管１１における混合装置２５よりも排気下流側には、排気及びアンモニアガスを取り込む還元型の排気浄化触媒２７が設けられている。そして、この排気浄化触媒２７に取り込まれた排気に含まれる窒素化合物が、該排気と共に排気浄化触媒２７に取り込まれたアンモニアガスによって水と窒素とに還元される。

次に、本実施形態の混合装置２５について説明する。なお、図２は、混合装置２５を排気上流側から見た場合の概略の平面図である。また、図３における一点鎖線は、排気管１１内での排気の流動方向に直交する仮想平面内に平行な線である。

図２に示すように、混合装置２５には、第２の排気流路１３の中心線１３ｂを中心とする略円筒形状をなす本体部３０が設けられている。この本体部３０は、その外周側に設けられた図示しないフランジを介して排気管１１に取り付けられている。また、本体部３０からは、複数の羽根３１が内側に突出している。

本実施形態では、本体部３０及び各羽根３１は、長方形状をなす板材によって構成されている。すなわち、板材の短手方向における一端側には、該短手方向に対して交差する斜状の切込みがほぼ等間隔に複数形成される。そして、板材の長手方向における一端部と他端部とを重ねると共に、複数の切込みによって生じた短冊状の部位を内側に折り曲げることにより、円筒形状の本体部３０と、複数の羽根３１とが形成される。

こうした各羽根３１は、図２及び図３に示すように、排気管１１内での排気の流動方向に直交する仮想平面（図２では、紙面と平行な平面）内で、その中心５０から排気管１１の内壁１１ａ（図２では二点鎖線で示す。）の周方向に同一方向への所定角度αをもって傾斜して配列されている。そのため、羽根３１の周方向における一端部は、羽根３１の周方向における他端部よりも排気上流側に位置する上流端部３２となっており、羽根３１の周方向における他端部は、羽根３１の周方向における一端部よりも排気下流側に位置する下流端部３３となっている。そして、羽根３１の表面３４は、排気管１１内における排気の流動方向に対して傾斜している。

そして、混合装置２５において各羽根３１が設けられた領域（以下、「外側領域５１」という。）を排気が通過する場合、当該排気は、羽根３１の表面３４によって流動方向が変更され、該表面３４に沿って上流側から下流側に向けて流動する。その結果、排気管１１内における混合装置２５の排気下流側には、中心線１３ｂを中心とする排気の旋回流が発生する。

また、図２に示すように、混合装置２５の中央には、各羽根３１の先端３１ａによって包囲されると共に、上記仮想平面の中心５０を含む低圧領域５２が形成されている。この低圧領域５２には、排気の流動抵抗となる羽根３１が存在していない。そのため、低圧領域５２を排気上流側から排気下流側に通過する排気の通過速度は、外側領域５１を排気上流側から排気下流側に通過する排気の通過速度よりも速くなる。そして、混合装置２５の排気下流側には、低圧領域５２を通過する排気によって、排気上流側から排気下流側に向かう流れが発生する。その結果、外側領域５１を排気が通過することにより生成された旋回流と、低圧領域５２を排気が通過することにより生成される流れとによって、排気と該排気と共に流動する尿素水との混合が促進される。

次に、羽根３１の構成について説明する。
図３及び図４に示すように、板状をなす羽根３１の下流端部３３には、該下流端部３３の延びる方向に沿うように構成された捕捉部４０が設けられている。この捕捉部４０は、羽根３１の排気下流側の部位（羽根３１の一部）を表面３４側に曲げ成形することにより形成されている。具体的には、羽根３１の排気下流側の部位を表面３４側に湾曲させることにより、羽根３１の排気下流側には、羽根３１の表面３４に沿って排気上流側から排気下流側に流動する排気の流動方向と交差する交差面４０ａと、羽根３１の表面３４に対向する対向面４０ｂとを有する捕捉部４０が形成されている。こうした捕捉部４０が設けられることにより、羽根３１の表面３４と対向面４０ｂとの間に捕捉空間４１が設けられる。この捕捉空間４１には、排気上流側に開口する開口部４２を介して尿素水などが流入するようになっている。

また、捕捉部４０において排気の流動方向における下流端には、交差面４０ａに開口する連通部としてのスリット４３が形成されている。このスリット４３は、捕捉部４０の低圧領域５２側の端部４０ｃ（上記仮想平面の中心側の端部）から離れる方向に延びている。こうしたスリット４３により、交差面４０ａの排気上流側の空間である捕捉部４０の捕捉空間４１が、捕捉部４０の排気下流側の空間５３と連通する。

なお、スリット４３は、捕捉部４０に捕捉された尿素水を微粒化して排気下流側に放出させる機能を有している。こうしたスリット４３の幅寸法Ｈは、該スリット４３から放出された尿素水の微粒子に含まれる水分の大部分、望ましくは全部が、排気浄化触媒２７に取り込まれる前に完全に蒸発するように、設定されている。

次に、本実施形態の混合装置２５の作用について図５を参照して説明する。
排気管１１内を流動する排気の一部は混合装置２５の中央に設けられた低圧領域５２内を通過する一方、残りは外側領域５１を通過する。このようにして混合装置２５を排気上流側から排気下流側に通過する排気には、添加弁２１から噴霧された尿素水が添加されている。

外側領域５１に流入した排気の流動方向は、羽根３１の表面３４によって変更される。その結果、図５に示すように、排気は、羽根３１の表面３４に沿って排気上流側から排気下流側に向けて流動する。このとき、排気に含まれる尿素水の粒子の一部（特に、径の大きい粒子の一部）は、慣性力が大きいため、排気の流動方向の変更に追随できずに羽根３１の表面３４に衝突して付着する。そして、表面３４に付着した粒子は、表面３４に沿って流動する排気の流れによって、表面３４上を排気上流側から排気下流側に向けて移動する。なお、表面３４に付着した粒子に含まれる水分は、羽根３１からの受熱などによって徐々に蒸発する。その結果、羽根３１の表面３４上では、該表面３４に付着した尿素水に含まれる尿素の加水分解によってアンモニアガスが発生する。こうしたアンモニアガスは、羽根３１の表面３４に沿って流動する排気と共に流動する。そして、羽根３１の表面３４に沿って流動する排気は、羽根３１の下流端部３３の近傍に達すると、捕捉部４０を避けるように流動する。

ここで、排気には、径の大小が異なる多数の粒子が含まれている。こうした各粒子のうち、径の小さい粒子（以下、「小粒子６０Ｂ」ともいう。）の慣性力は、質量が小さい分、径の大きい粒子（以下、「大粒子６０Ａ」ともいう。）の慣性力よりも小さい。そのため、羽根３１の表面３４に沿って流動する排気に含まれる小粒子６０Ｂの流動方向は、大粒子６０Ａと比較して、捕捉部４０を避けるような排気の流動方向の変化に伴って速やかに変更される。その結果、羽根３１の表面３４に沿って流動する排気に含まれる小粒子６０Ｂの大部分は、捕捉部４０に捕捉されることなく、混合装置２５を通過して排気浄化触媒２７に向けて流動する。ただし、一部の小粒子６０Ｂは、開口部４２を介して捕捉部４０に捕捉される。

そして、捕捉部４０に捕捉されずに混合装置２５を通過した小粒子６０Ｂは、排気浄化触媒２７に向かう過程で、共に流動する排気から受熱される。その結果、粒子に含まれる水分が徐々に蒸発し、当該水蒸気と粒子に含まれる尿素との加水分解反応によって、アンモニアガスが発生する。こうしたアンモニアガスは、排気と共に排気浄化触媒２７に取り込まれる。

一方、上述したように、大粒子６０Ａの慣性力は、小粒子６０Ｂの慣性力よりも大きい。そのため、羽根３１の表面３４に沿って流動する排気に含まれる大粒子６０Ａの流動方向は、小粒子６０Ｂと比較して、捕捉部４０を避けるために排気の流動方向が変化しても変更されにくい。そのため、羽根３１の表面３４に沿って流動する排気に含まれる大粒子６０Ａの大部分は、捕捉部４０の内部に開口部４２から流入される。

そして、捕捉部４０に捕捉された尿素水は、捕捉空間４１に一時的に滞留することになる。このとき、捕捉空間４１内に滞留する尿素水は、排気によって高温となった羽根３１などから受熱するため、該尿素水に含まれる水分は徐々に蒸発する。すると、捕捉空間４１では、内部で生じた水蒸気と、滞留する尿素水に含まれる尿素との加水分解反応によって、アンモニアガスが発生する。

すなわち、捕捉空間４１には、開口部４２を介して流入した尿素水、該尿素水と共に開口部４２を介して流入した排気、及び捕捉空間４１で発生したアンモニアガスなどを含む流体が滞留することになる。こうした流体の滞留により、捕捉空間４１の圧力は高圧となっている。これに対し、捕捉部４０の排気下流側の空間５３には排気管１１内を流動する排気が流入しにくいため、捕捉部４０の排気下流側の空間５３は捕捉空間４１よりも低圧の空間となっている。

そして、捕捉空間４１に滞留する上記流体は、交差面４０ａを挟んで排気の上流側と下流側との間に発生する圧力差によって、スリット４３から排気下流側に放出される。すなわち、捕捉空間４１に滞留する尿素水は、排気やアンモニアガスなどの気体と共にスリット４３から排気下流側に放出される。そのため、スリット４３からは、尿素水が微粒化された状態で放出される。

このようにスリット４３から放出された尿素水の微粒子６０Ｃは、捕捉部４０に捕捉された大粒子６０Ａと比較して質量が十分に小さい。そのため、微粒子６０Ｃは、大粒子６０Ａと比較して、排気浄化触媒２７に取り込まれる前までに十分に蒸発しやすい。このように水分が蒸発しきる粒子に含まれる尿素は排気管１１内の水蒸気と加水分解する。そして、この反応によって発生したアンモニアガスは、排気と共に排気浄化触媒２７に取り込まれる。そのため、混合装置２５から排気浄化触媒２７に向けて流動する各粒子の平均粒子径が小さくなることにより、排気浄化触媒２７に取り込まれるアンモニアガスの量が多くなる。

また、混合装置２５の排気下流側には、外側領域５１を通過した排気によって旋回流が発生する。こうした旋回流に乗って流動する粒子には、遠心力が作用している。粒子に作用する遠心力は、粒子の質量が多いほど大きい。そのため、径の大きい粒子は、該粒子に作用する遠心力によって径方向外側に飛ばされ、排気管１１の内壁１１ａに付着しやすい。

排気管１１の温度は、排気管１１外の環境温度に応じた温度となっている。そのため、環境温度が非常に低い場合、排気管１１に付着した尿素水は、該排気管１１によって冷却される。この場合、排気管１１に付着した尿素水に含まれる水分が蒸発しにくいため、当該尿素水からはアンモニアガスが生じにくい。すなわち、排気管１１の内壁１１ａに付着する尿素水が多いほど、アンモニアガスの発生量が少なくなる。

この点、本実施形態では、混合装置２５の各羽根３１に、スリット４３を有する捕捉部４０を設けたことにより、混合装置２５を通過した排気に含まれる各粒子の平均粒子径が小さくなっている。そのため、径の大きい粒子が少なくなる分、排気管１１に付着する尿素水の量が少なくなる。その結果、排気管１１内でのアンモニアガスの発生量が多くなり、排気浄化触媒２７に取り込まれるアンモニアガスの取り込み量が多くなる。

そして、このように排気浄化触媒２７に取り込まれたアンモニアガスによって、排気浄化触媒２７においては、排気に含まれる窒化酸化物が水と窒素に還元される。
以上説明したように、本実施形態では、以下に示す効果を得ることができる。

（１）本実施形態では、羽根３１の表面３４に沿って排気上流側から排気下流側に流動する排気に添加された尿素水からなる粒子のうち、大粒子６０Ａの大部分は羽根３１に設けられた捕捉部４０に捕捉される。そして、捕捉部４０に捕捉された尿素水は、スリット４３から排気下流側に微粒化されて放出される。そのため、スリット４３から放出された尿素水の微粒子６０Ｃに含まれる水分は、大粒子６０Ａと比較して蒸発しやすい。その結果、混合装置２５から排気浄化触媒２７に向かう排気と共に流動する各粒子の平均粒子径が小さくなる分、排気管１１内でのアンモニアガスの発生量が多くなる。したがって、混合装置２５で尿素水からなる粒子の微粒化を行うことにより、排気浄化触媒２７に取り込まれるアンモニアガスの量を多くすることができ、排気に含まれる窒化酸化物の還元効率を向上させることができるようになる。

（２）また、羽根３１にスリット４３を設けることにより、排気の旋回流によって流動する粒子の平均粒子径が小さくなる。そのため、混合装置２５の排気下流側に発生する排気の旋回流によって排気管１１の内壁１１ａに付着する尿素水の量が少なくなる。その結果、排気管１１内でのアンモニガスの発生量が増える。したがって、排気浄化触媒２７に取り込まれるアンモニアガスの量が多くなり、排気に含まれる窒化酸化物の還元効率を向上させることができるようになる。

（３）仮に捕捉部４０に対向面４０ｂを設けなかったとすると、捕捉部４０で捕捉した尿素水の一部がスリット４３を介することなく排気下流側に漏れ出る可能性がある。こうした漏れ出た尿素水からなる粒子の径は大きい可能性があり、当該漏れ出た尿素水は、水分が十分に蒸発しない状態で排気浄化触媒２７に取り込まれるおそれがある。

これに対し、本実施形態では、捕捉部４０を羽根３１の表面３４に対向する対向面４０ｂを有した構成とすることで、捕捉部４０によって捕捉した尿素水を捕捉空間４１に滞留させることができる。これにより、捕捉部４０で捕捉した尿素水の多くを、スリット４３から微粒化して排気下流側に放出させることができる。したがって、混合装置２５で尿素水からなる粒子の微粒化を行うことにより、排気浄化触媒２７に取り込まれるアンモニアガスの量を多くすることができ、排気に含まれる窒化酸化物の還元効率を向上させることができるようになる。

（４）本実施形態では、捕捉部４０は、羽根３１の下流端部３３に設けられている。そのため、捕捉部４０を、羽根３１の下流端部３３以外の位置に設ける場合と比較して、排気が羽根３１の表面３４に沿って流動する距離が長くなる分、混合装置２５の排気下流側で発生する排気の旋回流が乱れにくくなる。その結果、尿素水と排気とを適切に混合させることができ、排気浄化触媒２７でのアンモニアガスの取り込み量の分布のばらつきが抑制される。したがって、排気浄化触媒２７での窒化酸化物の還元効率を向上させることができるようになる。

また、低圧領域５２には、排気の流動抵抗となる羽根３１が存在していないため、低圧領域５２に排気上流側から流入する排気は、流速がほぼ維持された状態で該低圧領域５２を排気下流側に通過する。一方、外側領域５１を排気上流から流入する排気の流速は、各羽根３１が流動抵抗として機能してしまうために遅くなる。そのため、低圧領域５２を通過する排気の通過速度は、外側領域５１を通過する排気の通過速度よりも速い。その結果、排気が混合装置２５を通過する場合には、低圧領域５２の圧力のほうが外側領域５１となる。これにより、外側領域５１では、低圧領域５２に吹き寄せられるような流れも発生する。

そのため、羽根３１の下流端部３３においては、低圧領域５２側の端部に、羽根に付着した尿素水からなる液滴が集まるようになる。すなわち、羽根３１の下流端部３３における低圧領域５２側の端部で、液滴が大きく成長するおそれがある。仮に羽根３１の下流端部３３以外の部分に捕捉部４０を設けたとすると、大きく成長した液滴が、羽根３１から排気下流側に吹き飛ばされるおそれがある。この場合、この液滴は、その粒径が大きいため、水分が十分に蒸発しない状態で排気浄化触媒２７に取り込まれるおそれがある。

この点、本実施形態では、羽根３１の下流端部３３に捕捉部４０が設けられているため、羽根３１の下流端部３３における低圧領域５２側の端部で集まった尿素水は、スリット４３を介して排気下流側に放出されるようになる。すなわち、羽根３１の下流端部３３における低圧領域５２側の端部で大きく成長した液滴は、スリット４３から微粒化して放出されるようになる。その結果、捕捉部４０に捕捉された尿素水の微粒化が効率良く行われ、排気管１１内でのアンモニガスの発生量が増えることになる。そのため、排気浄化触媒２７に取り込まれるアンモニアガスの量が多くなり、排気に含まれる窒化酸化物の還元効率を向上させることができるようになる。

（５）本実施形態では、全ての羽根３１に捕捉部４０を設けることにより、混合装置２５から排気浄化触媒２７に向かう粒子の平均粒子径を小さくすることができる。そのため、排気の流動方向の変化によって排気管１１内での尿素水の分布が一部に偏らないように、添加弁２１からは径の大きい粒子が多くなるように尿素水を噴射させることができる。そのため、排気管１１内における尿素水の分布のばらつきを抑制することができる。

なお、実施形態は以下のような別の実施形態に変更してもよい。
・実施形態において、連通部は、図６に示すように、捕捉部４０を貫通する少なくとも３つの貫通孔７０を含んだ構成であってもよい。このとき、低圧領域５２に近い位置ほど、互いに隣り合う貫通孔７０同士の間隔を狭くすることが好ましい。このように構成すると、捕捉空間４１で尿素水が集まりやすいと推定される低圧領域５２に近い位置に、多くの貫通孔７０を設けることができるため、捕捉部４０で捕捉された尿素水を速やかに排気下流側に微細化して放出させることができるようになる。

もちろん、低圧領域５２に近い位置であっても遠い位置であっても、一定間隔おきに貫通孔７０を設けてもよい。また、反対に、低圧領域から遠い位置ほど、互いに隣り合う貫通孔７０同士の間隔を狭くしてもよい。

また、複数の貫通孔７０を、羽根３１の表面３４から離れる方向に沿って設けてもよい。このとき、交差面４０ａに開口する貫通孔７０が少なくとも１つが設けられているのであれば、対向面４０ｂに開口する貫通孔７０を設けてもよい。

・また、連通部を構成する貫通孔は、羽根３１の延びる方向に沿って延びる長孔であってもよい。この場合、連通部を、一つの長孔のみで構成してもよい。また、連通部は、２つの貫通孔を含んだ構成であってもよい。

・連通部は、スリット４３と、貫通孔７０とを共に含んだ構成であってもよい。この場合、図７に示すように、羽根３１の延びる方向において、低圧領域５２に近い位置にスリット４３を設け、低圧領域５２から遠い位置に貫通孔７０を設けてもよい。また、スリット４３のその幅方向における両側に、貫通孔７０を設けてもよい。

・羽根３１には、図７に示すように、平面状の交差面４０１を有する捕捉部４００を設けてもよい。この場合、捕捉部４００の交差面４０１と羽根３１の表面３４とのなす角度θを、「０°」よりも大きく且つ「１８０°」よりも小さい角度であれば、任意の角度（例えば、９０°）に設定してもよい。特に、角度θが「０°」よりも大きく且つ「９０°」未満である場合、交差面４０１が、羽根３１の表面３４との間に捕捉空間を介在させる対向面としても機能する。また、角度θが「９０°」以上であって且つ「１８０°」未満である場合、捕捉部４００は、交差面を有さない構成となる。このように構成しても、排気と共に流動する尿素水の一部を捕捉部４００で捕捉することができる。

また、捕捉部の羽根３１の表面３４に直交する方向の長さ、即ち捕捉部４０の高さを、羽根３１の延びる方向における位置毎に異ならせてもよい。例えば、図８に示すように、捕捉部４１０の高さＬを、低圧領域５２から離れるに従って徐々に低くしてもよい。また、捕捉部は、羽根３１の延びる方向における一部分にのみ設けてもよい。

・羽根３１とは別の部材を、当該羽根３１に溶接などで取り付けることにより、捕捉部を構成してもよい。この場合、捕捉部は、羽根３１の排気上流側の端部以外の位置であれば、羽根３１の排気下流側の端部ではなくてもよい。すなわち、捕捉部を、羽根３１の排気上流側の端部と排気下流側の端部との間であれば任意の位置に設けてもよい。

・排気に対する流動抵抗となる羽根３１が存在しない低圧領域５２を、排気管１１の中央から偏心した位置に設けてもよい。この場合、上記仮想平面の中心５０は、第２の排気流路１３の中心線１３ｂと異なる位置に位置することになる。

・全ての羽根３１のうち少なくとも一つの羽根３１にのみ捕捉部４０を設けてもよい。例えば、捕捉部４０を備える羽根３１と、捕捉部４０を備えない羽根とを、周方向に交互に配置してもよい。

・各羽根３１を、本体部３０とは別部材で構成してもよい。この場合、各羽根３１は、本体部３０に溶接などによって取り付けられる。
・実施形態において、液状の還元剤は、尿素水の他、アンモニア水溶液、炭化水素水溶液、ディーゼル燃料やガソリン燃料などの内燃機関の燃料であってもよい。

１１…排気管、１１ａ…内壁、２０…排気浄化装置、２１…添加弁、２５…混合装置、３１…羽根、３３…排気下流側の端部としての下流端部、３４…表面、４０，４００，４１０…捕捉部、４０ａ，４０１…交差面、４０ｂ…対向面、４０ｃ…捕捉部の低圧領域側の端部（仮想平面の中心側の端部）、４１…捕捉空間、４３…連通部を構成するスリット、５０…仮想平面の中心、５３…捕捉部の排気下流側の空間、７０…連通部を構成する貫通孔。

Claims (9)

1. 液状の還元剤を内燃機関の排気管内に噴霧する添加弁よりも該排気管の下流側に設けられ、前記排気管内での排気の流動方向に直交する仮想平面内で、その中心から前記排気管の内壁の周方向に同一方向への傾斜をもって配列される複数の羽根を備えた混合装置において、
   前記各羽根の少なくとも一つの羽根には、該羽根の表面に沿って排気上流側から排気下流側に向けて流動する排気中の還元剤を捕捉する捕捉部が設けられ、
   前記捕捉部には、該捕捉部によって捕捉された還元剤が滞留する空間と同捕捉部よりも排気下流側の空間とを連通し、同捕捉部に捕捉された還元剤を微粒化して排気下流側に通過させる連通部が設けられていることを特徴とする混合装置。
2. 液状の還元剤を内燃機関の排気管内に噴霧する添加弁よりも該排気管の下流側に設けられ、前記排気管内での排気の流動方向に直交する仮想平面内で、その中心から前記排気管の内壁の周方向に同一方向への傾斜をもって配列される複数の羽根を備えた混合装置において、
   前記各羽根のうち少なくとも一つの羽根の表面には、前記仮想平面の中心から離れる方向に沿うと共に、前記表面に沿って流動する排気の流動方向に交差する交差面を有する捕捉部が設けられ、
   前記捕捉部には、前記交差面を挟んで排気の上流側と下流側とを連通する連通部が形成されてなることを特徴とする混合装置。
3. 前記捕捉部は、前記羽根の排気下流側の端部に設けられてなる請求項１又は請求項２に記載の混合装置。
4. 前記捕捉部は、前記羽根の表面に対向する対向面と、該表面と対向面との間に介在する捕捉空間とを有しており、
   前記捕捉空間は、前記交差面よりも排気下流側の空間と前記連通部を介して連通している請求項２に記載の混合装置。
5. 前記羽根は、板材によって構成されており、
   前記捕捉部は、前記羽根の一部を曲げ成形することで設けられてなる請求項１〜請求項４のうち何れか一項に記載の混合装置。
6. 前記捕捉部及び前記連通部は、前記複数の羽根の全てに設けられてなる請求項１〜請求項５のうち何れか一項に記載の混合装置。
7. 前記連通部は、前記羽根における前記仮想平面の中心側の端部から、該仮想平面の中心から離れる方向に延びるスリットを含む請求項１〜請求項６のうち何れか一項に記載の混合装置。
8. 前記連通部は、前記羽根を貫通する貫通孔を含む請求項１〜請求項７のうち何れか一項に記載の混合装置。
9. 前記連通部は、前記羽根を貫通する少なくとも３つの前記貫通孔を含み、隣接する貫通孔の各間隔は、前記仮想平面の中心に近い位置ほど狭く設定されてなる請求項８に記載の混合装置。