JP2008536044A - 尿素と空気を混合するための混合デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、好ましくは水である液体に好ましくは溶解された尿素と、好ましくは空気であるガスとを混合するための混合デバイス（1）を提供する。好ましくは、本混合デバイスは、尿素およびガスを混合デバイス（4）の混合チャンバー（20）に別々に供給するための尿素注入口（10）およびガス注入口（12）、ならびに尿素とガスの混合物を混合チャンバー（20）から排出するための排出口（14）を備える。これらの注入口（10、12）および排出口（14）は好ましくは流れ方向の伸長を有してよく、かつ好ましくは混合チャンバー（20）内に延びる。該排出口（14）は好ましくは混合チャンバー（20）を起点とする。好ましくは、混合チャンバーに空気を供給するための少なくともガス注入口（12）は、該注入口の選択された表面上の尿素結晶の沈着が実質的に（典型的には沈着結晶が注入口を詰まらせないという意味で）または完全に回避されるように設計される。

Description

本発明は、尿素を空気と混合すること、および空気と尿素の混合物を燃焼エンジン、特にディーゼル燃料エンジンの排気システムに導入することに関する。

本発明によると、水などの液体に溶解された尿素が加圧空気と混合された場合に結晶化し得ることが見出された。これは多くの場合、尿素と空気を混合するために使用される混合デバイスを詰まらせ、混合を実行することを不可能にする。前記結晶が気流の上流方向に（実に高速で）成長することもまた見出された。

本発明の目的はしたがって、詰まりを最小化するまたは回避するデバイスを提供することである。

本発明の広範な局面によると、好ましくは水である液体に好ましくは溶解された尿素と、好ましくは空気であるガスとを混合するための混合デバイスが提供される。好ましくは、本混合デバイスは、尿素およびガスを混合デバイスの混合チャンバーに別々に供給するための尿素注入口およびガス注入口、ならびに尿素とガスの混合物を混合チャンバーから排出するための排出口を備える。好ましくは、これらの注入口および排出口は流れ方向の伸長を有してよく、好ましくは混合チャンバー内に延びており、該排出口は好ましくは混合チャンバーを起点とする。好ましくは、混合チャンバーに空気を供給するための少なくともガス注入口が、該注入口の選択された表面上での尿素結晶の沈着が実質的に（典型的には沈着結晶が注入口を詰まらせないという意味で）または完全に回避されるように設計される。添付の特許請求の範囲および好ましい態様の説明から明らかであるように、これは、好ましくは詰まりが回避される程度まで、選択された表面上に結晶が沈着できないように、これらの表面を平滑に成形するかまたは付着防止性（non stick）の材料を使用することにより提供されうる。あるいは、またはそれらとの組み合わせで、ガス注入口は、選択された表面上に沈着した結晶が、混合デバイスの使用中に、例えば混合中に除去されるように設計され得る。

本発明によると、結晶成長の詰まりの影響を排除するための複数の異なる態様が示唆されており、その詳細な説明は、本発明の好ましい態様の様々な詳細を概説する添付の断面図および添付の特許請求の範囲で見出すことができる。

本記載が水に溶解された尿素と空気との混合に焦点を当てていたとしても、本発明が、さらに他の材料が混合されかつ結晶の形成による詰まりが起こるまたは起こり得る筋書きにも適用可能でありかつこれらを包含することに留意すべきである。

以下において、本発明、および特にその好ましい態様が、添付の図面と関連して説明される。

図1において、燃焼エンジン100を含むシステムは、好ましくはディーゼル原理、尿素溶液（AdBlueという商品名で公知）を保持するタンク101、および触媒システム（図面中、SCRとして示す）102に従って動作する。エンジンの排気は、排気用配管により触媒システムに連結され、これは尿素溶液を保持するタンクに連結される。本システムはさらに、NOXガスの環境への放出を最小限にするために、排気ガスと反応するように液体尿素を排気システムに供給するための定量ユニット104を含む。本定量ユニットは典型的に、液体尿素を加圧空気と混合するための混合デバイスであるかまたはそのような混合デバイスを備え、かつコンプレッサー105は好ましくは加圧空気を提供する。

エンジンから出る排気ガス103は、窒素酸化物を含む。図1の106を参照すると、排気ガスが触媒システムに入る前には、このガスは、アンモニア、水蒸気、および窒素酸化物を含む。排気ガスが触媒システム（図1の107）に入った後には、このガスは、通常環境に放出される窒素および水を含む。

本発明の好ましい態様の多くにおいて、エンジンはトラックのディーゼルエンジンであり、これらの態様において、トラックは、ブレーキおよび/またはサスペンションシステム等のためのコンプレッサーを備え、かつこのような態様は、このコンプレッサーにより加圧空気を提供する。尿素がブレーキおよび/またはサスペンションシステムに入ることを回避するために、尿素を空気と混合するための混合デバイスに供給される空気は、通常、混合デバイスにしか空気が入れないように一方向バルブ（示さず）を通して提供される。この機能は、トラックの走行中（さらに尿素が混合される）および尿素の流動のない停車中の両方において重要である。

尿素と加圧空気とを混合するための混合デバイスにおける尿素結晶の形成が本デバイスを詰まらせて、本デバイスによる混合の実行を不可能にすることが見出されている。結晶は、加圧ガスの流れの中へと上流方向に成長する傾向がある。これらの問題は、以下の一つまたは複数の特性を単独でまたは組み合わせて含むように混合デバイスを設計することによって、本発明により解決されている。

1. 機械的動作、典型的にはバルブの往復運動。バルブのこの運動は二種類の動作を含み得るが、第一に、結晶が、典型的には空気であるガスの流れおよび/または尿素の流れによって、バルブおよび/または混合デバイスを通じてバルブから押し流されるように、バルブのバルブシートへの衝突によって結晶を砕く。第二に、バルブおよび/または混合デバイスを通じた流体の流れによって結晶が押し流されるように、バルブの運動により誘導される振動によってバルブまたは混合デバイスの表面に位置する結晶を緩める。

2. 混合デバイスの流路、特に空気を尿素と混合するための混合チャンバー内に空気を導く流路は、テフロンなどの付着防止性の材料から製造されるかまたはこのような材料によりコーティングされる。結晶が形成される場合、付着防止性の表面は結晶が表面に付着することを防止し、それによって混合デバイスから押し流す。

3. 混合デバイスを通る流体の流れが尿素結晶を押し流すことができるように、混合デバイスまたは少なくともその一部は、尿素結晶を溶解させるために加熱される。

4. 予想される形成された尿素結晶が浸漬され、それによって溶解されて洗い流されるように、混合チャンバーへの尿素注入口および空気注入口は、尿素が空気注入口の周りの領域を急激に流れるよう配置されうる。

一つまたは複数のこれらの方法を具体化する以下の異なる態様が、詳細に開示される。

図2において、本発明の混合デバイス1の第一の態様が示される。本混合デバイス1は、ハウジング2を備える。ハウジング2は単独の一体型ユニットとして示されているが、図6に示されるように、複数の部品を含み得る。混合デバイス1は、さらに以下の二つの注入口を備える：混合デバイスへの尿素注入用の注入口10および加圧空気注入用の注入口12。混合デバイスはまた、それを通じて空気と尿素の混合物が混合デバイスを出て、排気システムに入る、排出口14を備える。

混合デバイス内において、次の二つのバルブが配置される：混合チャンバー20内への尿素の流れを制御するためのバルブ16および空気の流れを制御するためのバルブ18。混合デバイスは、バルブ18が加圧された場合に往復運動を生じ、それによって、空気を混合チャンバー20に入れるバルブの少なくとも近傍に形成されうる全ての結晶が破壊されるように、設計される。バルブ16は、空気が導入される場所の上流に故意に配置される。この理由は、結晶が多少形成された場合に、湿った尿素の流れがこれらの形成された結晶を溶解させる傾向があるためである。図2の混合デバイスはしたがって、二つの手段、すなわちバルブ18の往復運動により導入される振動、および空気が尿素の流れに導入される場所の下流配置によって、バルブおよび/または混合チャンバーを詰まらせ得る結晶の沈着を防止する。

本発明の別の態様の以下の説明において、詳細が異なり得るとしても、類似の参照は類似の部分に関して用いられる。

図3A〜Bにおいて、混合デバイス1の第二の態様が開示される。本混合デバイスは、混合チャンバー20を収容しているハウジング2を備える。ハウジング2は単独の一体型ユニットとして示されているが、図6に示されるように、複数の部品を含み得る。

尿素注入口10は、尿素を尿素容器（示さず）から混合チャンバーに供給するために、混合デバイス1内に配置される。それに対応して、空気注入口12は、加圧空気を圧力源（示さず）から混合チャンバー20に供給するために、混合デバイス1内に配置される。好ましくは、バルブ16は混合チャンバーに対して尿素注入口10に配置される。好ましくは、本態様における尿素注入口10は、混合チャンバー20に対して中心部に配置される。好ましくは、混合チャンバーはほぼ円筒形であり、円筒形混合チャンバー20の長手方向軸が本質的に水平位置にあるように配置される。

排出口14は、混合チャンバー20を排気パイプに連結し、尿素/空気混合物を混合デバイス1から供給して燃焼エンジンから排気するために、混合チャンバーから配置される。好ましくは、空気注入口12および排出口14は、これらが円筒形混合チャンバー20壁面で正反対に位置するように、および、空気注入口が該壁上部に、排出口14が該壁の下側にあるように配置される。チャンバー20の上端に配置された空気注入口12は、注入口12の領域の結晶の蓄積を低減させる。

パージを向上させるため、混合チャンバー20に入る空気がチャンバー20内でサイクロン運動させられるように、空気注入口12が配置される。これは、図3Bから分かるように、この注入口12の長手方向軸が混合チャンバー20の円筒壁に対して本質的に接線方向に位置するように少なくとも一つの空気注入口流路が長手方向軸に配置されることによって、達成される。混合チャンバー内における空気のサイクロン運動は、可能性のある結晶形成を浸漬（およびそれによって溶解）して機械的に流し去るように、湿った尿素を混合チャンバー全体に急激に流すので、混合チャンバー20内における結晶形成の可能性を低減させる。

空気注入口12、および任意で混合チャンバー20の内壁の一部または全体は、好ましくは、例えばPTFEなどの付着防止性の材料から形成されるかまたはこのような材料でコーティングされる。このようにして、結晶形成の危険性は低下する。

エンジンが止まり、尿素混合物の排気への追加がもはや必要でない場合、結晶形成物質の存在が空気注入口12から遠ざけられるように、混合物排出口14が混合チャンバー20の低い高さに位置するので、尿素注入口バルブ16の前方に混合チャンバー20を形成する空隙が排水される。

図4において、第三の態様が開示される。またこの態様において、混合デバイス1は、尿素および空気を別々に注入するための二つの注入口10および12、混合された尿素および空気の排出口14のための排出口14、ならびにハウジング2内に配置される混合チャンバー20を備える。このハウジング2は、図2および3と同じく、単独の一体型ユニットとして示されているが、図10に示されるように、複数の部品を備え得る。

混合デバイス1はまた、尿素および空気を別々に送達するための二つのバルブ16および18を備える。バルブ16は従来のバルブであってもよいが、バルブ18は結晶の成長を防止または制限するように設計される。バルブ18は、小さな貫通部または開口部19をその中心に有する、平らな部材18aを備える。この平らな部材18は、注入口12における圧力が所与の閾値を下回る場合に隣接部材18bに接する。注入口12における圧力が所与の圧力を超える場合、平らな部材18は外側に湾曲し、それによってその中心に設けられた小さな貫通部が露出して、そこを空気の流れが通過することを可能にする。図4において、隣接部材18bに接している状態の、すなわち空気注入口12における圧力が上記の閾値を下回っている状態の平らな部材18aが示されている。

平らな部材18aは円盤状でもよく、孔/開口部19の厚さを薄くすると結晶形成のための固体表面が提供されないので、開口部19における結晶形成の危険性を低下させるために、好ましくは、例えばほぼ0.1mm程度と非常に薄い。圧力の変化に応じた平らな部材の屈曲は、平らな部材上の結晶形成を緩める。この平らな部材は、好ましくはステンレス鋼シートプレートに刻印されこれから打ち抜かれる。これは例えばテフロンなどの付着防止性の材料でコーティングしても、またはコーティングしなくてもよい。

結晶形成が開口部19を詰まらせる場合、平らな部材18aの屈曲が起こるまで平らな部材18aに対して圧力差が生まれ、このようにして結晶形成が緩み、それによって結晶を流し去ることができる。

平らな部材18aは、この部材にかかるある圧力差において開き、他の、より低い圧力差において閉じるように、例えば1.3 barで開き、0.8 barで閉じるように、形成してもよい。それによって、圧力源から伝えられる圧力の変動により、および例えばエンジン状態によって誘導される平らな部材の排気パイプ側にかかる圧力の変動により自然に起こる、平らな部材18aにかかる圧力差の変化による平らな部材18aの定期的な開閉が止む。

尿素が重力により空気注入口12上を流れ、したがって平らな部材18a上に形成した結晶を浸漬して溶解するように、好ましくは、尿素注入口10は、混合チャンバー20内の空気注入口12の上の混合チャンバー20の上端に配置される。

エンジンが止まり、尿素混合物の排気への追加がもはや必要でない場合、結晶形成物質の存在が空気注入口12から遠ざけられるように、混合物排出口14が混合チャンバー20の低い高さに位置するので、混合チャンバー20を形成する空隙は排水される。

特にディーゼル燃焼エンジンである燃焼エンジンの排気ガスへの、尿素添加の全体的な概念を示す。 本発明に従って空気を尿素と混合するための混合デバイスの、好ましい態様の断面図を示す。 図3A〜3Bは、空気を尿素と混合するための混合デバイスの、他の態様の断面図を示す。 空気を尿素と混合するための混合デバイスの、さらに他の態様の断面図を示す。 図2に示す態様の詳細な断面図を示す。 図6A〜6Cは、図5に示す態様の断面図、詳細な断面図、および分解組立図を示す。 図3に示す態様の詳細な断面図を示す。 図8A〜8Cは、図7に示す態様の断面図、詳細な断面図、および分解組立図を示す。 図4に示す態様の詳細な断面図を示す。 図10A〜10Cは、図9に示す態様の断面図、詳細な断面図、および分解組立図を示す。

Claims (25)

1. 好ましくは水である液体に好ましくは溶解された尿素と、好ましくは空気であるガスとを混合するための混合デバイスであって、該混合デバイスが、尿素およびガスを該混合デバイスの混合チャンバー内に別々に供給するための尿素注入口およびガス注入口、ならびに尿素とガスの混合物を混合チャンバーから排出するための排出口を備え、該注入口の選択された表面上の尿素結晶の沈着が回避され、かつ/または該表面上に沈着した結晶が、混合デバイスの使用中に該表面上から除去されるように、混合チャンバーに空気を供給するための少なくともガス注入口が設計される、混合デバイス。
2. ガス注入口にバルブをさらに備える、請求項1記載の混合デバイス。
3. ガス注入口の選択された表面上の結晶の除去がガス注入口に備えられたバルブによって提供され、該バルブが、混合デバイス中に沈着した尿素結晶、特にバルブから混合チャンバーへの排出口中および/または排出口近傍に沈着した尿素結晶を緩めるために往復運動を実行するよう適合化される、請求項2記載の混合デバイス。
4. バルブにかかる圧力差が予め選択された閾値を超えた場合にバルブが開いてガスの混合チャンバーへの流入を可能にするように、バルブが、スプリング手段によりバルブシートに対して偏らせたピストンを備える、請求項2または3記載の混合デバイス。
5. ピストンが連続的にシートに着いたりシートから離れたりするように、スプリング手段が、ガスがバルブを通って流れる場合にピストンの往復運動を誘導するよう適合化される、請求項4記載の混合デバイス。
6. バルブが貫通部を有する平らな部材を備え、かつ、ガス注入口の密閉を提供するために、該平らな部材にかかる圧力差が第一の予め選択された閾値を下回る場合に該平らな部材が該貫通部近傍の注入口中の上流部材に接し、かつ、貫通部を通じた混合チャンバーへの空気の流入を可能にするために、該平らな部材にかかる圧力差が第二の予め選択された閾値を上回る場合は該平らな部材は該上流部材に接しない、請求項2記載の混合デバイス。
7. 平らな部材が連続的に上流部材に着いたり上流部材から離れたりするように、該平らな部材が、ガスが貫通部を通って流れる場合に上流部材方向への往復運動を誘導するよう適合化される、請求項6記載の混合デバイス。
8. 尿素注入口が混合チャンバー内に延びている位置の下流で、ガス注入口が混合チャンバー内に延びている、前記請求項のいずれか一項記載の混合デバイス。
9. ガス注入口表面への結晶の沈着を回避するために、該ガス注入口表面の少なくとも一部が平滑であるおよび/または付着防止性（non-sticking）である、前記請求項のいずれか一項記載の混合デバイス。
10. 平滑性が研磨および/またはコーティングにより提供される、請求項9記載の混合デバイス。
11. コーティングがテフロンコーティング(PTFE)形態であるか、またはデバイスの少なくとも一部がテフロン(PTFE)製である、請求項10記載の混合デバイス。
12. 平滑な表面の一部が混合チャンバーに流入する開口部である、請求項9〜11のいずれか一項記載の混合デバイス。
13. 渦が発生するまたは増幅される様式で、開口部がガス流を混合チャンバー内に導く、請求項12記載の混合デバイス。
14. 混合チャンバー表面への結晶の沈着を回避するために、該混合チャンバー表面の少なくとも一部が平滑であるおよび/または付着防止性である、前記請求項のいずれか一項記載の混合デバイス。
15. ガス注入口の少なくとも一部および/または混合チャンバーの一部を、132℃を上回る温度、好ましくは140℃を上回る温度、特に尿素結晶の融点を上回る温度まで加熱する手段をさらに備えた混合デバイスであって、該加熱手段が好ましくは永久的または定期的な加熱に適合化される、前記請求項のいずれか一項記載の混合デバイス。
16. 加熱手段が、ガス注入口が混合チャンバー内に延びている領域の加熱に適合化される、請求項15記載の混合デバイス。
17. 加熱手段が、電流を印加した場合に熱を発生させる電気素子を含む、請求項15または16記載の混合デバイス。
18. 加熱手段がPTC素子を含む、請求項17記載の混合デバイス。
19. 液化尿素を計量して液化尿素を尿素注入口に注入するための定量ポンプをさらに備える、前記請求項のいずれか一項記載の混合デバイス。
20. 加圧ガスをガス注入口に供給するための空気供給源をさらに備える、前記請求項のいずれか一項記載の混合デバイス。
21. 混合デバイスの排出口がエンジンの排気システムに連結される、請求項19または20記載の混合デバイスを備えるエンジン。
22. ディーゼルエンジンである、請求項21記載のエンジン。
23. 測定・制御ユニットをさらに備えるエンジンであって、該測定・制御ユニットが、排気ガスの温度、RPM、および/または燃料消費などの、生じたエンジン出力に関してエンジンの特性を測定し、かつ、該測定・制御ユニットが排気ガスに添加する尿素の量を決定して、それに応じて定量ポンプを制御する、請求項21または22記載のエンジン。
24. 請求項21〜23のいずれか一項記載のエンジンを備える、車両。
25. 空気供給源が、混合デバイス以外にも加圧空気を供給する空気コンプレッサーである、請求項24記載の車両。

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