JP6154185B2 - 排気攪拌装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気流路において排ガスを攪拌する排気攪拌装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中には、大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯ_x）が含まれている。こうした排ガスを浄化するための装置として、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction：選択触媒還元）方式の触媒を排気流路に設け、その上流側の排ガス中に尿素水を噴射する構成の排気浄化システムが知られている。排ガス中に噴射された尿素水は、排ガスの熱により加水分解し、加水分解により生じたアンモニア（ＮＨ₃）が排ガスとともに触媒へ供給される。排ガス中の窒素酸化物は、触媒においてアンモニアと反応し、還元浄化される。

ところで、この種の排気浄化システムとしては、触媒に流入する排ガスの分布に偏りを生じにくくするため、排気流路を流れる排ガスを旋回するように案内することで攪拌する排気攪拌装置が触媒の上流側に設けられた構成が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の排気攪拌装置（スタティックミキサ）は、本体部（環状体）と、本体部からその中心軸方向へ延びる複数の羽根（案内羽根）と、を備える。本体部の中心軸に沿った方向から見て、複数の羽根は、それぞれ幅が一定に近い形状であり、本体部の中心軸へ向かうにつれて密集する。

特開２０１３−２４４６号公報

しかしながら、前述した特許文献１に記載されているような排気攪拌装置では、排ガスの流れが排気流路における外周部に偏ってしまうという問題があった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、排気流路における排ガスの流れの偏りを抑制しつつ、排気流路を流れる排ガスを旋回するように案内する排気攪拌装置を提供することを目的としている。

本発明の排気攪拌装置は、排気流路を流れる排ガスを旋回するように案内する排気攪拌装置であって、排気流路を形成する流路部材の内面に固定される筒状の本体部と、前記本体部から、当該本体部の中心軸へ近づく方向であって排気流路の下流側へ向かう方向へ延びる複数の羽根が形成された案内部と、を備え、前記複数の羽根には、第１種の羽根と、前記第１種の羽根とは形状の異なる第２種の羽根と、が含まれ、前記案内部には、前記中心軸に沿った方向から見て前記羽根が存在しない部分である開口部が形成され、前記開口部は、前記中心軸に沿った方向から見て、前記中心軸を中心とする円周方向に沿った幅の合計値が、前記中心軸から離れるにつれて増大した後に減少する形状を含む。

例えば、本体部の中心軸に沿った方向から見て、複数の羽根のそれぞれの幅（中心軸を中心とする円周方向に沿った幅）が一定又は一定に近い形状の場合、開口部の幅の合計値は、中心軸から離れるほど増大する形状となる。このような形状では、排ガスの流れが排気流路における外周部に偏りやすくなってしまう。これに対し、本発明の排気攪拌装置では、開口部の幅の合計値が、中心軸から離れるにつれて増大した後に減少する形状を含むため、中心軸から離れるにつれて単に増大する形状と比較して、排ガスの流れが排気流路における外周部に偏ることを抑制することができる。したがって、排気流路における排ガスの流れの偏りを抑制しつつ、排気流路を流れる排ガスを旋回するように案内することができる。

また、上記構成において、前記複数の羽根は、前記中心軸に沿った方向から見て互いに重なり合わないように形成されていてもよい。このような構成によれば、本体部が筒状に形成された状態から、本体部の中心軸に沿ったプレス加工などにより、複数の羽根を所望の角度に折り曲げることにより製造することができる。

また、上記構成において、前記本体部及び前記案内部は、単一の金属板から形成されていてもよい。このような構成によれば、本体部及び案内部に対応する部分を有する単一の金属板を筒状に丸め、複数の羽根を折り曲げることにより製造することができる。また、前記本体部及び前記案内部は、複数の金属板（例えばテーラード材のように、複数の金属板を組み合わせたもの）から形成されていてもよい。例えば、板厚の異なる２種類の金属板から排気攪拌装置を形成するようにし、本体部を板厚の薄い金属板で形成し、案内部を板厚の厚い金属板で形成してもよい。この場合、羽根の剛性が高くなるため、変形しにくく、耐久性が向上する。

また、上記構成において、前記案内部には、Ｍ枚（Ｍは１以上の整数）の前記第１種の羽根と、前記第１種の羽根よりも短いＮ枚（Ｎは１以上の整数）の前記第２種の羽根と、が交互に配置されていてもよい。このような構成によれば、本体部の中心軸に沿った方向から見て、互いに隣り合う第１種の羽根により挟まれた部分（第２種の羽根がなければ開口部となる部分）の一部であって、本体部寄り（排気流路における外周部側）の部分が、第２種の羽根によって遮られる。したがって、開口部の幅の合計値が排気流路における外周部側において小さくなる形状を実現することができる。しかも、このような構成によれば、第１種の羽根による旋回流と第２種の羽根による旋回流とが生じることにより、排ガスの流れの偏りを抑制する効果を向上させることができる。

また、上記構成において、前記中心軸に沿った方向から見て、前記中心軸から半径Ｒの位置での前記第１種の羽根及び前記第２種の羽根の円周方向に沿った幅をそれぞれＷ１（Ｒ），Ｗ２（Ｒ）とし、Ｗ２（Ｒ）が０となるＲの最大値をＲｔとし、前記中心軸から半径Ｒの位置での前記合計値をＷｃ（Ｒ）とした場合、Ｒ１≦Ｒ≦Ｒ２の範囲（Ｒ１＜Ｒｔ，Ｒｔ＜Ｒ２）におけるＷｃ（Ｒ）は、Ｒ１≦Ｒ≦Ｒｔにおいては、Ｗｃ（Ｒ）＝２×π×Ｒ−Ｗ１（Ｒ）×Ｎと表され、Ｒの増加に伴い増加し、Ｒｔ＜Ｒ≦Ｒ２においては、Ｗｃ（Ｒ）＝２×π×Ｒ−（Ｗ１（Ｒ）＋Ｗ２（Ｒ））×Ｎと表され、Ｒの増加に伴い減少するようにしてもよい。このような構成によれば、第２種の羽根の先端よりも内側（中心軸側）と、第２種の羽根の先端よりも外側と、で開口部の幅の合計値Ｗｃ（Ｒ）の半径Ｒに対する変化度合いを異ならせることができる。その結果、排気流路における排ガスの流れの偏りを抑制することができる。

また、上記構成において、前記第１種の羽根の先端同士が接合されていてもよい。このような構成によれば、本体部における中心軸付近に形成された隙間から排ガスが通り抜けてしまうことを抑制することができる。

なお、本発明は、前述した排気攪拌装置の他、排気攪拌装置を構成要素とする排気浄化システム、排ガスの流れの偏りを抑制する方法など、種々の形態で実現することができる。

図１（Ａ）は実施形態の排気浄化システムの上面図、図１（Ｂ）は実施形態の排気浄化システムの側面図である。 図２（Ａ）は図１（Ａ）のIIＡ−IIＡ断面図、図２（Ｂ）は図１（Ｂ）のIIＢ−IIＢ断面図、図２（Ｃ）は図２（Ｂ）における一部の領域を強調した図である。 図３（Ａ）は実施形態の拡散板の斜視図、図３（Ｂ）は実施形態の拡散板をその中心軸に沿って排気流路の下流側となる方向から見た図である。 中心軸に沿った方向から見た拡散板の形状を説明するための図である。 図５（Ａ）は実施形態の拡散板の羽根の角度を示す図、図５（Ｂ）は従来の拡散板の羽根の角度を示す図である。 拡散板の製造方法を示す図である。 図７（Ａ）は解析モデルを示す図、図７（Ｂ）は比較例の拡散板による排ガスの流線を示す図、図７（Ｃ）は比較例の拡散板による触媒端面における排ガスの分布を示す図である。 図８（Ａ）は実施形態の構成による排ガスの流線を示す図、図８（Ｂ）は実施形態の構成による触媒端面における排ガスの分布を示す図である。 図９（Ａ）は第１の変形例の拡散板の斜視図、図９（Ｂ）は第１の変形例の拡散板をその中心軸に沿って排気流路の下流側となる方向から見た図である。 図１０（Ａ）は第２の変形例の拡散板の斜視図、図１０（Ｂ）は第２の変形例の拡散板をその中心軸に沿って排気流路の下流側となる方向から見た図である。 図１１（Ａ）は第３の変形例の拡散板の斜視図、図１１（Ｂ）は第３の変形例の拡散板をその中心軸に沿って排気流路の下流側となる方向から見た図である。 図１２（Ａ）は第４の変形例の拡散板の斜視図、図１２（Ｂ）は第４の変形例の拡散板をその中心軸に沿って排気流路の下流側となる方向から見た図である。 図１３（Ａ）は第５の変形例の拡散板の斜視図、図１３（Ｂ）は第５の変形例の拡散板をその中心軸に沿って排気流路の下流側となる方向から見た図である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．構成］
図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図２（Ａ）に示す排気浄化システム１は、自動車の内燃機関（例えばディーゼルエンジン）から排出された排ガスを浄化するためのものである。排気浄化システム１は、第１の流路部材２と、第２の流路部材３と、触媒４と、噴射装置５と、拡散板１０と、を備える。なお、以下の説明では、図２（Ａ）を基準に上下左右方向（鉛直方向及び水平方向）を表現するが、あくまでも説明の便宜上の表現であり、排気浄化システム１が設けられる向きは特に限定されない。

第１の流路部材２は、内燃機関から排出された排ガスを自動車の外部へ導くための排気流路の一部、具体的には触媒４へ至る排気流路を形成する。第１の流路部材２は、排気流路における上流側（図２（Ａ）でいう左側）から順に、第１の管部２Ａと、第２の管部２Ｂと、第３の管部２Ｃと、第４の管部２Ｄと、第５の管部２Ｅと、を備える。なお、これら第１〜第５の管部２Ａ〜２Ｅは、説明の便宜上の区分であり、第１の流路部材２を構成する部品の区分は特に限定されない。

第１の管部２Ａは、直線状の円管部である。
第３の管部２Ｃは、第１の管部２Ａと内径が同じ直線状の円管部である。ただし、第３の管部２Ｃは、排ガスの流れる方向が第１の管部２Ａと異なる。具体的には、第１の管部２Ａは、排ガスが斜め下方へ流れる流路を形成し、第３の管部２Ｃは、排ガスが水平方向へ流れる流路を形成する。このため、第１の管部２Ａと第３の管部２Ｃとは、側面視において円弧状に湾曲した形状の第２の管部２Ｂによって、なだらかに連結されている。

第２の管部２Ｂは、例えば２枚の外装を上下に貼り合わせて形成されている。第２の管部２Ｂによって形成された排気流路（第２の流路部材３が挿入された部分）は、図１（Ａ）に示すように、上面視で第１の管部２Ａ及び第３の管部２Ｃよりも幅方向（図１（Ａ）でいう上下方向）両側へ広がる（膨れる）ように拡張されている。ここでいう幅方向とは、第２の流路部材３の外面（具体的には上面）に衝突する排ガスの流れ方向（斜め下方向）である第１の方向と、第２の流路部材３の軸方向である第２の方向（水平方向）と、のいずれにも直交する方向のことである。また、第１の方向とは、第１の管部２Ａの中心軸線である第１の軸線Ｃ１に沿った方向であり、第２の方向とは、第３の管部２Ｃの中心軸線である第２の軸線Ｃ２に沿った方向である。なお、本実施形態では、第１の軸線Ｃ１と第２の軸線Ｃ２とが、互いに交差する位置関係にある。

第５の管部２Ｅは、第３の管部２Ｃと同軸の（第２の軸線Ｃ２を中心軸線とする）直線状の円管部である。ただし、第５の管部２Ｅは、第３の管部２Ｃの内径よりも外径が大きい円柱状の触媒４を収容するために、第３の管部２Ｃよりも内径が大きく形成されている。このため、第３の管部２Ｃと第５の管部２Ｅとは、排気流路の内径を徐々に拡大するための拡径流路を形成する円錐台状の円管部である第４の管部２Ｄによって、なだらかに連結されている。つまり、触媒４へ至る排気流路として、触媒４の上流側に拡径流路を有する排気流路が、第１の流路部材２によって形成されている。

第２の流路部材３は、噴射装置５により噴射された（排気流路外の小孔５Ａから拡散された）還元剤を触媒４よりも上流側の排気流路へ導く還元剤流路を形成する、いわゆるドージングパイプである。第２の流路部材３は、第３の管部２Ｃと同軸の（第２の軸線Ｃ２を中心軸線とする）円管部である。本実施形態では、第２の流路部材３は、排気流路へ向かって還元剤流路の内径が徐々に拡大された円錐台状に形成されており、噴射された還元剤が内面に直接当たりにくいように（腐食しにくいように）構成されている。第２の流路部材３は、第１の流路部材２における第２の管部２Ｂに接続されており、噴射装置５により噴射された還元剤は、第２の管部２Ｂ内を流れる排ガスと合流する。具体的には、第２の流路部材３は、第２の管部２Ｂの側壁を貫通して排気流路に突出するように（第２の流路部材３の先端が排気流路における中心部に位置するように）挿入されている。

前述したように、排気流路における第２の流路部材３が挿入された部分は、図１（Ａ）に示すように、上面視で幅方向両側へ広がるように拡張されている。このため、図２（Ｂ）に示すように、第１の流路部材２と第２の流路部材３との間に形成された排気流路は、上部よりも幅方向両側の側部の方が広く形成されている。したがって、第１の管部２Ａから流れてきた排ガスは、図２（Ｃ）に示す領域Ｒ（第２の流路部材３の幅方向両側に形成された領域）を回り込むように流れやすくなり、これにより、第２の流路部材３からの還元剤をすくい上げる流れが発生する。

触媒４は、窒素酸化物（ＮＯ_x）を還元する機能を有するＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction：選択触媒還元）方式の触媒であり、排気流路における拡径流路の下流側（具体的には第５の管部２Ｅ内）に設けられている。

噴射装置５は、液状の還元剤を噴射し、第２の流路部材３を介して、排気流路における拡散板１０よりも上流側（具体的には第２の管部２Ｂ内）へ還元剤を供給する供給装置として機能する。本実施形態では、還元剤として尿素水を噴射する。なお、厳密には、排ガス中に噴射された尿素水が、排ガスの熱により加水分解してアンモニア（ＮＨ₃）が生じ、こうして生じたアンモニアが還元剤として機能するが、加水分解前の状態（尿素水）についても還元剤と称する。

拡散板１０は、排気流路における拡径流路の上流側（第３の管部２Ｃ内）に設けられ、流入した排ガスを旋回（攪拌）するように案内することで拡径流路へ拡散するように流出させ、触媒４に流入する排ガスの偏りを抑制する（均一に近づける）排気攪拌装置である。拡散板１０は、金属製（例えばステンレス製）の部材であり、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、本体部１１と、案内部１２と、を備える。なお、矢印Ｆは、拡散板１０への流入位置における排ガスの流れ方向（第２の軸線Ｃ２に沿った方向）を示す。

本体部１１は、第１の流路部材２（具体的には第３の管部２Ｃ）の内周面に溶接等で接合固定される部分であり、第３の管部２Ｃの内径に対応した（例えば第３の管部２Ｃの内径と同じ又はやや小さい寸法の）外径の筒状に形成されている。本体部１１は、第３の管部２Ｃと同軸となるように（第２の軸線Ｃ２が中心軸線となるように）配置される。

案内部１２は、排ガスを旋回するように案内するための複数の羽根１２１，１２２を備える。複数の羽根１２１，１２２は、それぞれ、本体部１１における排気流路の下流側から、第２の軸線Ｃ２へ近づく方向であって排気流路の下流側へ向かう方向へ延びるように形成されている。複数の羽根１２１，１２２は、第２の軸線Ｃ２に沿った方向から見て互いに重なり合わないように形成されている（図３（Ｂ）参照）。

案内部１２には、第２の軸線Ｃ２に沿った方向から見て羽根１２１，１２２が存在しない部分である開口部１２３が形成される。開口部１２３は、第２の軸線Ｃ２に沿った方向から見て、第２の軸線Ｃ２を中心とする円周方向に沿った幅の合計値が、第２の軸線Ｃ２から離れるにつれて増大した後に減少する形状である。

具体的には、案内部１２は、４枚の第１種の羽根１２１と、第１種の羽根１２１よりも径方向に沿った長さが短い（換言すれば、第２の軸線Ｃ２から先端までの間隔が大きい）４枚の第２種の羽根１２２と、を備える。第１種の羽根１２１及び第２種の羽根１２２は、それぞれが等間隔に配置され、第１種の羽根１２１及び第２種の羽根１２２が１枚ずつ交互に配置されている。ここで、図４に示すように、第２の軸線Ｃ２に沿った方向から見て、第２の軸線Ｃ２から半径Ｒの位置での第１種の羽根１２１及び第２種の羽根１２２の円周方向に沿った幅をそれぞれＷ１（Ｒ），Ｗ２（Ｒ）とする。Ｗ１（Ｒ），Ｗ２（Ｒ）は、Ｒの関数である。本実施形態では、Ｗ１（Ｒ）はＲにほぼ比例する。つまり、第１種の羽根１２１は、Ｒ＝０を頂点とする概略三角形状に形成されている。一方、Ｗ２（Ｒ）が０となるＲの最大値（第２種の羽根１２２の頂点が位置する半径）をＲｔとすると、本実施形態では、Ｗ２（Ｒ）はＲ−Ｒｔにほぼ比例する。つまり、第２種の羽根１２２は、Ｒ＝Ｒｔを頂点とする概略三角形状に形成されている。

また、中心軸から半径Ｒの位置での開口部１２３の円周方向に沿った幅の合計値をＷｃ（Ｒ）とする。本実施形態では、第２種の羽根１２２は、一側においては第１種の羽根１２１に対してほぼ隙間なく隣接しており、他側において第１種の羽根１２１との間に開口部を形成する。このため、本実施形態では、４つの三角形状の開口部１２３が形成される。したがって、第２の軸線Ｃ２から半径Ｒの位置での各開口部１２３の円周方向に沿った幅をそれぞれＷｐ（Ｒ）とすると、Ｗｃ（Ｒ）＝Ｗｐ（Ｒ）×４と表される。Ｗｃ（Ｒ），Ｗｐ（Ｒ）は、Ｒの関数である。

また、第１種の羽根１２１の頂点が位置する半径をＲ１、Ｗｃ（Ｒ）＞０となるＲの最大値をＲ２とする。本実施形態では、Ｒ１はほぼ０であり、Ｒ２は本体部１１の内径にほぼ等しい。この場合、Ｒ１≦Ｒ≦Ｒ２の範囲（Ｒ１＜Ｒｔ，Ｒｔ＜Ｒ２）におけるＷｃ（Ｒ）は、Ｒの増加に伴い増加した後に減少する。具体的には、Ｒ１≦Ｒ≦Ｒｔにおいては、Ｗｃ（Ｒ）＝２×π×Ｒ−Ｗ１（Ｒ）×４と表され、Ｒの増加に伴い増加する。一方、Ｒｔ＜Ｒ≦Ｒ２においては、Ｗｃ（Ｒ）＝２×π×Ｒ−（Ｗ１（Ｒ）＋Ｗ２（Ｒ））×４と表され、Ｒの増加に伴い減少する。なお、πは円周率である。

また、図５（Ａ）に示すように、排ガスの流れ方向Ｆに対する羽根１２１，１２２の角度θ１は、従来の拡散板（例えば前述した特許文献１に記載の構成）の羽根の角度（図５（Ｂ）に例示する角度θ２）と比較して、大きく設計されている（θ１＞θ２）。つまり、本実施形態の拡散板１０では、羽根１２１，１２２が、従来の構成と比較して、排ガスの流れをより阻害しにくい角度に形成されている。

また、図６に示すように、拡散板１０（本体部１１及び案内部１２）は、単一の金属板１０Ｍから形成されている。具体的には、拡散板１０は、本体部１１及び案内部１２に対応する部分を有する単一の金属板１０Ｍに対し（Ｓ１）、複数の羽根１２１，１２２を所望の角度に折り曲げる加工を行った後（Ｓ２Ａ）、円筒状に丸める加工を行うことにより製造される（Ｓ３）。Ｓ１→Ｓ２Ａの加工は、例えば、金属板１０Ｍの板面に垂直な方向からのプレス加工により実現される。なお、本実施形態では、第１種の羽根１２１及び第２種の羽根１２２が同じ角度で折り曲げられる。

一方、これとは逆に、拡散板１０は、単一の金属板１０Ｍに対し（Ｓ１）、円筒状に丸める加工を行った後（Ｓ２Ｂ）、複数の羽根１２１，１２２を所望の角度に折り曲げる加工を行うことにより製造することも可能である（Ｓ３）。この場合、Ｓ２Ｂ→Ｓ３の加工は、本体部１１の中心軸に沿った方向からのプレス加工により実現される。なお、複数の羽根１２１，１２２が、本体部１１の中心軸に沿った方向から見て互いに重なり合う構成の場合、本体部１１の中心軸に沿った方向からのプレス加工は困難である。本実施形態では、複数の羽根１２１，１２２が、本体部１１の中心軸に沿った方向から見て互いに重なり合わない構成であるため、前述した２つの製造パターン（Ｓ１→Ｓ２Ａ→Ｓ３及びＳ１→Ｓ２Ｂ→Ｓ３）のいずれも採用することができる。

［２．作用］
次に、排気浄化システム１の作用について説明する。内燃機関から排出された排ガスは、排気流路によって拡散板１０へ導かれ、拡散板１０を通過した後に触媒４へ導かれる。一方、噴射装置５から噴射された還元剤は、還元剤流路によって排気流路の中心部まで導かれてから排ガスと合流する。

第２の流路部材３における排気流路に挿入された部分は、第１の管部２Ａから第２の管部２Ｂへ流れる排ガスのうち、第２の流路部材３の外面における上面に衝突した排ガスを、当該外面に沿って回り込むように案内する機能を有する。このため、第２の流路部材３から流れ出た還元剤がすくい上げられ、排気流路において分散される。そして、拡散板１０へ流入した排ガスは、拡散板１０により旋回するように案内されて拡径流路へ拡散するように流出し、偏りの抑制された状態で触媒４に流入する。

［３．効果］
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
［３Ａ］拡散板１０は、開口部１２３が、第２の軸線Ｃ２に沿った方向から見て、第２の軸線Ｃ２を中心とする円周方向に沿った幅の合計値が、第２の軸線Ｃ２から離れるにつれて増大した後に減少する形状である。したがって、拡散板１０によれば、排気流路における排ガスの流れの偏りを抑制しつつ、排気流路を流れる排ガスを旋回するように案内することができる。

すなわち、例えば前述した特許文献１に記載の構成のように、複数の羽根のそれぞれの幅が一定に近い形状の場合、開口部の幅の合計値は、第２の軸線Ｃ２から離れるほど増大する（つまり外周部において広い）形状となる。このような形状では、排ガスの流れが排気流路における外周部に偏りやすくなってしまう。これに対し、本実施形態の拡散板１０では、開口部１２３の幅の合計値が、第２の軸線Ｃ２から離れるにつれて増大した後に減少する形状であるため、第２の軸線Ｃ２から離れるにつれて単に増大する形状と比較して、排ガスの流れが排気流路における外周部に偏ることを抑制することができる。したがって、排気流路における排ガスの流れの偏りを抑制しつつ、排気流路を流れる排ガスを旋回するように案内することができる。

［３Ｂ］案内部１２には、第１種の羽根１２１と、第１種の羽根１２１よりも短い第２種の羽根１２２と、が１枚ずつ交互に配置されている（１枚の第１種の羽根１２１と１枚の第２種の羽根１２２とが交互に配置されている）。したがって、拡散板１０によれば、本体部１１の中心軸に沿った方向から見て、互いに隣り合う第１種の羽根１２１により挟まれた部分（第２種の羽根がなければ開口部となる部分）の一部が、第２種の羽根１２２によって遮られる。具体的には、第２種の羽根１２２は、第１種の羽根１２１よりも短いため、本体部１１寄り（排気流路における外周部側）の部分が遮られる。したがって、開口部１２３の幅の合計値が排気流路における外周部側において小さくなる形状を実現することができる。しかも、このような構成によれば、第１種の羽根１２１による旋回流と第２種の羽根１２２による旋回流とが生じることにより、排ガスの流れの偏りを抑制する効果を向上させることができる。

［３Ｃ］複数の羽根１２１，１２２は、第２の軸線Ｃ２に沿った方向から見て互いに重なり合わないように形成されている。したがって、拡散板１０によれば、本体部１１が筒状に形成された状態から、第２の軸線Ｃ２に沿ったプレス加工などにより、複数の羽根１２１，１２２を所望の角度に折り曲げることにより製造することができる。

［３Ｄ］本体部１１及び案内部１２は、単一の金属板１０Ｍから形成されている。したがって、拡散板１０によれば、本体部１１及び案内部１２に対応する部分を有する単一の金属板１０Ｍを筒状に丸め、複数の羽根１２１，１２２を折り曲げることにより製造することができる。

［３Ｅ］開口部１２３の幅の合計値Ｗｃ（Ｒ）は、Ｒ１≦Ｒ≦ＲｔにおいてはＲの増加に伴い増加し、Ｒｔ＜Ｒ≦Ｒ２においてはＲの増加に伴い減少する。したがって、拡散板１０によれば、第２種の羽根１２２の先端よりも内側（第２の軸線Ｃ２側）と、第２種の羽根１２２の先端よりも外側と、で開口部１２３の幅の合計値Ｗｃ（Ｒ）の半径Ｒに対する変化度合いを異ならせることができる。その結果、排気流路における排ガスの流れの偏りを抑制することができる。

［３Ｆ］拡散板１０は、羽根１２１，１２２が、従来の構成と比較して、排ガスの流れをより阻害しにくい角度に形成されている。したがって、拡散板１０によれば、圧力損失を小さくすることができる。特に、本実施形態のように、第２の流路部材３（ドージングパイプ）が排気流路に突出するように挿入された構成では、ドージングパイプが排気流路に突出していない構成と比較して、排気流路の圧力損失が大きくなる。この点、本実施形態の拡散板１０は、従来の拡散板と比較して圧力損失が小さいため、ドージングパイプが排気流路に突出した構成にも適している。

［４．シミュレーション結果］
次に、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析（数値流体力学解析）によるシミュレーション結果について説明する。なお、以下に説明する圧力損失及び一様性の検出箇所は、図７（Ａ）に示す解析モデルのとおりであり、圧力損失は拡散板１０Ａに対して上流側と下流側との差圧ΔＰを表し、一様性は触媒４の上流側端面（Ｄ−Ｄ断面）における排ガスの分布を表す。なお、図７（Ａ）に示す拡散板１０Ａとは、前述した特許文献１に記載の拡散板（以下「比較例の拡散板」という。）又は本実施形態の拡散板１０を意味する。

図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）に示すように、比較例の拡散板では、羽根が流れを遮りやすい角度に形成されているため、圧力損失が大きく、差圧ΔＰはＰ１であった。また、圧力損失が大きいため、流速が速く、旋回力が強い。加えて、開口部の実面積が外周部において広い。したがって、排ガスの流れが外周部に偏りやすく、触媒へ流入する排ガスの一様性を示す指標値（一様性が高いほど高くなる値）はＡ１であった。

一方、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、本実施形態の拡散板１０では、羽根が流れを遮りにくい角度に形成されているため、圧力損失が小さく、差圧ΔＰはＰ２（＜Ｐ１）であった。また、圧力損失が小さいため、流速が遅くなり、旋回力が抑えられる。加えて、開口部の実面積が外周部において狭い（半径方向の中央部付近において広い）。したがって、排ガスの流れが外周部に偏りにくく、触媒へ流入する排ガスの一様性を示す指標値（一様性が高いほど高くなる値）はＡ２（＞Ａ１）であった。つまり、本実施形態の拡散板１０によれば、比較例の拡散板よりも一様性を高めつつ、圧力損失を３５％削減することができる。

［５．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

［５Ａ］図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、第１種の羽根１２１及び第２種の羽根１２２の先端に丸みを持たせてもよい。このような構成によれば、上記実施形態の構成（図３（Ａ）及び図３（Ｂ））と比較して排気流路における中心軸付近の隙間が大きくなり、開口部１２３の全体としての面積が大きくなる分、圧力損失をより小さくすることができる。

［５Ｂ］図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すように、第１種の羽根１２１及び第２種の羽根１２２の間の隙間を大きくしてもよい。このような構成によれば、上記実施形態の構成（図３（Ａ）及び図３（Ｂ））と比較して開口部１２３の全体としての面積が大きくなる分、圧力損失をより小さくすることができる。

［５Ｃ］図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、第１種の羽根１２１の先端にねじれを形成してもよい。このような構成では、第１種の羽根１２１による旋回流を、上記実施形態の構成（図３（Ａ）及び図３（Ｂ））とは異ならせることができる。

［５Ｄ］第１種の羽根１２１及び第２種の羽根１２２は、概略三角形状に限定されるものではない。例えば図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示すように、第１種の羽根１２１の先端を切り落とした形状（概略台形状）としてもよい。このような構成では、上記実施形態の構成（図３（Ａ）及び図３（Ｂ））と比較して排気流路における中心軸付近の隙間が大きくなり、開口部１２３の全体としての面積が大きくなる分、圧力損失をより小さくすることができる。

［５Ｅ］第１種の羽根１２１及び第２種の羽根１２２は、折り曲げ角度が異なっていてもよい。このような構成によれば、第１種の羽根１２１による旋回流と第２種の羽根１２２による旋回流とを大きく異ならせて、排ガスの流れの偏りを一層抑制することが可能となる。

［５Ｆ］例えば図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示すように、第１種の羽根１２１の先端同士（矢印Ｃで示す箇所）を溶接等により接合（固定）してもよい。このような構成によれば、排気流路における中心軸付近に形成された隙間から排ガスが通り抜けてしまうことを抑制することができる。

［５Ｇ］上記実施形態では、第２種の羽根１２２は、本体部１１の中心軸から沿った方向から見て、両側に隣り合う２枚の第１種の羽根１２１のうちの一方へ偏った形状となっているが、これに限定されるものではなく、例えば偏りのない形状であってもよい。

［５Ｈ］第１種の羽根１２１と第２種の羽根１２２とは、１枚ずつ交互に配置されていることに限定されるものではなく、例えば、２枚の第１種の羽根１２１と２枚の第２種の羽根１２２とが交互に配置されるというように、複数枚ずつ交互に配置されてもよい。また、第１種の羽根１２１と第２種の羽根１２２とは、枚数が異なっていてもよい。例えば、１枚の第１種の羽根１２１と２枚の第２種の羽根１２２とが交互に配置されるというように、Ｍ枚の第１種の羽根１２１とＮ枚の第２種の羽根１２２とが交互に配置されてもよい。

［５Ｉ］羽根の種類は２種類に限定されるものではなく、例えば３種類以上としてもよい。
［５Ｊ］本体部１１の断面形状は円形に限定されるものではなく、例えば楕円状や多角形状などとしてもよい。

［５Ｋ］本体部１１及び案内部１２は、複数の金属板（例えばテーラード材のように、複数の金属板を組み合わせたもの）から形成されていてもよい。例えば、板厚の異なる２種類の金属板から拡散板１０を形成するようにし、本体部１１を板厚の薄い金属板で形成し、案内部１２を板厚の厚い金属板で形成してもよい。この場合、羽根１２１，１２２の剛性が高くなるため、変形しにくく、耐久性が向上する。

［５Ｌ］上記実施形態の排気流路及び還元剤流路はあくまでも一例であり、これに限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、第２の流路部材３が排気流路に突出する構成を前提として、第１の流路部材２における一部の断面形状を横長形状としているが、第２の流路部材３における少なくとも一部の断面形状を縦長形状としてもよい。また例えば、第２の流路部材３が排気流路に突出しない構成としてもよく、第１の流路部材２及び第２の流路部材３の断面形状をそれぞれ円形としてもよい。また例えば、第１の管部２Ａと第３の管部２Ｃとは、内径が異なっていてもよく、第３の管部２Ｃ、第５の管部２Ｅ及び第２の流路部材３は、同軸である必要はない。また例えば、排気流路は、拡径流路を有していることに限定されるものではなく、拡径流路を有していない排気流路であってもよい。

［５Ｍ］還元剤は、尿素水に限定されるものではなく、触媒における排ガスの浄化に寄与するものであればよい。また、本発明は、還元剤を用いる排気浄化システム以外の排気系に適用してもよい。

［５Ｎ］本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。

１…排気浄化システム、２…第１の流路部材、３…第２の流路部材、４…触媒、５…噴射装置、１０…拡散板、１１…本体部、１２…案内部、１２１…第１種の羽根、１２２…第２種の羽根、１２３…開口部、Ｃ１…第１の軸線、Ｃ２…第２の軸線。

Claims (8)

1. 排気流路を流れる排ガスを旋回するように案内する排気攪拌装置であって、
   排気流路を形成する流路部材の内面に固定される筒状の本体部と、
   前記本体部から、当該本体部の中心軸へ近づく方向であって排気流路の下流側へ向かう方向へ延びる複数の羽根が形成された案内部と、
   を備え、
   前記複数の羽根には、第１種の羽根と、前記第１種の羽根とは形状の異なる第２種の羽根と、が含まれ、
   前記案内部には、前記中心軸に沿った方向から見て前記羽根が存在しない部分である開口部が形成され、
   前記開口部は、前記中心軸に沿った方向から見て、前記中心軸を中心とする円周方向に沿った幅の合計値が、前記中心軸から離れるにつれて増大した後に減少する形状を含み、
   前記第１種の羽根の先端同士が接合されている
   ことを特徴とする排気攪拌装置。
2. 排気流路を流れる排ガスを旋回するように案内する排気攪拌装置であって、
   排気流路を形成する流路部材の内面に固定される筒状の本体部と、
   前記本体部から、当該本体部の中心軸へ近づく方向であって排気流路の下流側へ向かう方向へ延びる複数の羽根が形成された案内部と、
   を備え、
   前記複数の羽根には、第１種の羽根と、前記第１種の羽根とは形状の異なる第２種の羽根と、が含まれ、
   前記案内部には、前記中心軸に沿った方向から見て前記羽根が存在しない部分である開口部が形成され、
   前記開口部は、前記中心軸に沿った方向から見て、前記中心軸を中心とする円周方向に沿った幅の合計値が、前記中心軸から離れるにつれて増大した後に減少する形状を含み、
   前記中心軸に沿った方向から見て、前記第１種の羽根の先端が前記中心軸まで延びている
   ことを特徴とする排気攪拌装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の排気攪拌装置であって、
   前記案内部には、Ｍ枚（Ｍは１以上の整数）の前記第１種の羽根と、前記第１種の羽根よりも短いＮ枚（Ｎは１以上の整数）の前記第２種の羽根と、が交互に配置されている
   ことを特徴とする排気攪拌装置。
4. 請求項３に記載の排気攪拌装置であって、
   前記中心軸に沿った方向から見て、前記中心軸から半径Ｒの位置での前記第１種の羽根及び前記第２種の羽根の円周方向に沿った幅をそれぞれＷ１（Ｒ），Ｗ２（Ｒ）とし、Ｗ２（Ｒ）が０となるＲの最大値をＲｔとし、前記中心軸から半径Ｒの位置での前記合計値をＷｃ（Ｒ）とした場合、Ｒ１≦Ｒ≦Ｒ２の範囲（Ｒ１＜Ｒｔ，Ｒｔ＜Ｒ２）におけるＷｃ（Ｒ）は、
   Ｒ１≦Ｒ≦Ｒｔにおいては、Ｗｃ（Ｒ）＝２×π×Ｒ−Ｗ１（Ｒ）×Ｎと表され、Ｒの増加に伴い増加し、
   Ｒｔ＜Ｒ≦Ｒ２においては、Ｗｃ（Ｒ）＝２×π×Ｒ−（Ｗ１（Ｒ）＋Ｗ２（Ｒ））×Ｎと表され、Ｒの増加に伴い減少する
   ことを特徴とする排気攪拌装置。
5. 排気流路を流れる排ガスを旋回するように案内する排気攪拌装置であって、
   排気流路を形成する流路部材の内面に固定される筒状の本体部と、
   前記本体部から、当該本体部の中心軸へ近づく方向であって排気流路の下流側へ向かう方向へ延びる複数の羽根が形成された案内部と、
   を備え、
   前記複数の羽根には、第１種の羽根と、前記第１種の羽根とは形状の異なる第２種の羽根と、が含まれ、
   前記案内部には、前記中心軸に沿った方向から見て前記羽根が存在しない部分である開口部が形成され、
   前記開口部は、前記中心軸に沿った方向から見て、前記中心軸を中心とする円周方向に沿った幅の合計値が、前記中心軸から離れるにつれて増大した後に減少する形状を含み、
   前記案内部には、Ｍ枚（Ｍは１以上の整数）の前記第１種の羽根と、前記第１種の羽根よりも短いＮ枚（Ｎは１以上の整数）の前記第２種の羽根と、が交互に配置されており、
   前記中心軸に沿った方向から見て、前記中心軸から半径Ｒの位置での前記第１種の羽根及び前記第２種の羽根の円周方向に沿った幅をそれぞれＷ１（Ｒ），Ｗ２（Ｒ）とし、Ｗ２（Ｒ）が０となるＲの最大値をＲｔとし、前記中心軸から半径Ｒの位置での前記合計値をＷｃ（Ｒ）とした場合、Ｒ１≦Ｒ≦Ｒ２の範囲（Ｒ１＜Ｒｔ，Ｒｔ＜Ｒ２）におけるＷｃ（Ｒ）は、
   Ｒ１≦Ｒ≦Ｒｔにおいては、Ｗｃ（Ｒ）＝２×π×Ｒ−Ｗ１（Ｒ）×Ｎと表され、Ｒの増加に伴い増加し、
   Ｒｔ＜Ｒ≦Ｒ２においては、Ｗｃ（Ｒ）＝２×π×Ｒ−（Ｗ１（Ｒ）＋Ｗ２（Ｒ））×Ｎと表され、Ｒの増加に伴い減少し、
   前記Ｒ１は、前記第１種の羽根の頂点が位置する半径であって、ほぼ０である
   ことを特徴とする排気攪拌装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の排気攪拌装置であって、
   前記複数の羽根は、前記中心軸に沿った方向から見て互いに重なり合わないように形成されている
   ことを特徴とする排気攪拌装置。
7. 請求項６に記載の排気攪拌装置であって、
   前記本体部及び前記案内部は、単一の金属板から形成されている
   ことを特徴とする排気攪拌装置。
8. 請求項６に記載の排気攪拌装置であって、
   前記本体部及び前記案内部は、複数の金属板から形成されている
   ことを特徴とする排気攪拌装置。