JP2013540944A - 燃焼機関からの排出ガス中に液体媒体を導入するための装置 - Google Patents

Abstract

燃焼機関からの排出ガス中に液体媒体を導入するための装置であって、混合ダクト２と、混合ダクト内に液体媒体を注入するための注入手段４と、混合ダクトの上流に配置された吸入ダクト６とを備える装置。吸入ダクトは、環状断面を有する第１のダクト・セクション１４と、環状断面を有し、第１のダクト・セクションの下流に配置され、混合ダクトを囲む第２のダクト・セクション１５とを備える。第１のダクト・セクションは、第２のダクト・セクションを囲む。この流れ反転セクション１８は、第１のダクト・セクションの環状排出口１６を第２のダクト・セクションの環状吸入口１７に連結するためのものであり、吸入ダクトを流れる排出ガスの流れ方向を反転させるように構成され、これにより、吸入ダクトを流れる排出ガスは、第１のダクト・セクション内の排出ガスの流れ方向とは逆の方向に第２のダクト・セクションを通って流される。

Description

本発明は、燃焼機関からの排出ガス中に、例えば尿素などの液体媒体を導入するための、請求項１のプリアンブルに記載の装置に関する。

世間に広まっている排ガスの浄化要件を満たすために、現行の自動車は、通常、排気ライン内に触媒を備えることにより、排出ガスの環境有害成分を環境的に有害性のより低い物質へと触媒転化する。効果的な触媒転化を実現するために使用されている方法は、触媒の上流の排出ガス中に還元剤を注入することを基礎にしている。還元剤の一部を形成する、又は還元剤により形成される、還元物質は、排出ガスにより触媒中に運ばれ、触媒中の活性シートにおいて吸着されて、その結果、触媒中に還元物質が蓄積される。次いで、蓄積された還元物質は、排気物質と反応し、それにより排気物質を環境的な影響がより低い物質へと転化することができる。かかる還元触媒は、例えばＳＣＲ（選択性触媒還元）タイプのものであってもよい。このタイプの触媒は、以降においてはＳＣＲ触媒と呼ぶ。ＳＣＲ触媒は、排出ガス中のＮＯ_Ｘを還元する。ＳＣＲ触媒の場合には、通常、尿素溶液の形態の還元剤が、触媒の上流において排出ガス中に注入される。排出ガス中に尿素を注入することにより、後にＳＣＲ触媒における触媒転化を支援する還元物質としての役割を果たすことになるアンモニアが形成される。アンモニアは、触媒中の活性シートにおいて吸着されることにより触媒中に蓄積され、排出ガス中に存在するＮＯ_Ｘは、触媒中の活性シート上に蓄積されたアンモニアと触媒中において接触状態になると、窒素ガス及び水へと転化される。

尿素が還元剤として使用される場合には、尿素は、注入手段により液体尿素溶液の形態で排気ライン中に注入される。この注入手段は、ノズルを備え、このノズルにより、尿素溶液は、加圧下において注入手段内に微粉化された噴霧液の形態で注入される。ディーゼル・エンジンの多くの作動状態において、排出ガスは、尿素溶液を気化させてアンモニアを形成することが可能となるのに十分な高温にある。しかし、供給された尿素溶液の一部が、排気ラインの内側壁部表面と接触状態になり、非気化状態においてこの内側壁部表面に付着状態になるのを回避することは困難である。しばしば周囲空気と接触状態にあり、周囲空気により冷却される排気ラインは、排気ライン内の排出ガスよりも低い温度にある。燃焼機関が、ある期間にわたって一定の態様で、すなわち定常状態作動条件にある間に作動される場合には、排気流中に認識されるほどの変化は生じず、したがって排出ガス中に注入された尿素溶液は、前記期間の全体にわたって排気ラインの実質的に同一の領域に到達する。比較的冷温の尿素溶液は、排気ラインのその領域において温度の局所的低下を引き起こす場合があり、これにより、尿素溶液膜がこの領域に形成され、この膜が後に排気流により同伴される場合がある。この膜が、排気ライン内においてある距離だけ移動した場合には、尿素溶液中の水は、高温の排出ガスの影響下において沸騰して蒸発することとなる。固体の尿素が残り、排気ライン内においてこの熱によりゆっくりと気化されることになる。固体尿素の供給量が、気化量よりも多い場合には、固体尿素は、排気ライン内に蓄積されることになる。結果的に残る尿素層が十分な厚さに達すると、尿素及びその分解生成物が相互に反応して、尿素塊として知られている尿素ベースの原始的なポリマーが形成される。かかる尿素塊は、時間の経過と共に排気ラインを閉塞させる場合がある。

したがって、注入される尿素溶液は、排気ラインの実質的に同一の領域に到達するのが防止されるように、排出ガス中において十分に拡散されることが望ましい。また排出ガス中における尿素溶液の良好な拡散により、尿素溶液の気化が促進される。

空間的な理由から、通常は、自動車の燃焼機関と排気排出口との間に直線状の排気ラインを有することができない。したがって、通常は、排出ガスは、注入された尿素溶液と混合されて気化されることとなる混合ダクトに到達する前に、１つ又は複数のパイプ・ベンドを通過する。排出ガスがパイプ・ベンドを通過することにより、流れ方向に対して垂直な面において見た場合の排気流の分布が傾斜分布となる。注入される尿素溶液の噴霧液をこのような傾斜分布の排気流と接触状態にすることにより、排出ガス中における尿素溶液の拡散が阻害され、また同時に、尿素溶液が混合ダクト内の実質的に同一の壁部領域に到達するリスクが上昇する。

本発明の目的は、例えば尿素などの液体媒体が、燃焼機関からの排出ガス中に注入される混合ダクト内における、上述の傾斜分布排気流の問題に対して解決策を提案することである。

本発明によれば、前記目的は、請求項１に規定される特徴を有する装置により達成される。

本発明による装置は、
− 排出ガスを中に流すように意図された混合ダクトと、
− 混合ダクトの上流端部の中心において、混合ダクト内に液体媒体を注入するための注入手段と、
− 混合ダクトの上流に配置された吸入ダクトであって、吸入ダクトは、排出ガスを受け入れるための吸入口を上流端部に有し、混合ダクトに排出ガスを送達するために、混合ダクトの上流端部への排出口を下流端部に有する、吸入ダクトと
を備える。この吸入ダクトは、第１のダクト・セクションと、第２のダクト・セクションとを備え、第１のダクト・セクションは、環状断面を有し、環状排出口をその下流端部に有しており、第２のダクト・セクションは、環状断面を有し、第１のダクト・セクションの下流に配置され、混合ダクトを囲んでいる。第２のダクト・セクションは、その下流端部を介して吸入ダクトの排出口に連結され、その上流端部に環状吸入口を有する。第１のダクト・セクションは、第２のダクト・セクションを囲む。吸入ダクトは、流れ反転セクションをさらに備え、流れ反転セクションは、第１のダクト・セクションの環状排出口を第２のダクト・セクションの環状吸入口に連結するためのものであり、吸入ダクトを通って流れる排出ガスの流れ方向を反転させるように構成され、これにより、吸入ダクトを通って流れる排出ガスは、第１のダクト・セクション内の排出ガスの流れ方向とは逆の方向において第２のダクト・セクションを通って流される。

吸入ダクトの前述の第１のダクト・セクション及び第２のダクト・セクションは、排出ガスが混合ダクト内に放出される前に通過する回転対称ラビリンスを形成する。排出ガスが、吸入ダクトのこれらのダクト・セクションを通過する際に、排気流の傾斜分布は、時間をかけて一様な状態になり、混合ダクトの断面において見た場合に実質的に均一に分布する流れで、これらの排出ガスが混合ダクト内に送られ得るようになっている。これにより、混合ダクト内に注入される液体媒体の噴霧液の周囲に実質的に均一に分布する排気流を実現することが可能となり、その結果、排出ガス中における液体媒体の良好な拡散が得られると同時に、この媒体が注入手段に最も近い領域の混合ダクトの壁部表面に到達するのが防止される。結果として、液体媒体の小さな液滴は、混合ダクトの任意の壁部表面に到達する機会を得る前に、混合ダクト内の排出ガス中において十分に拡散され、それにより先述の塊の形成リスクが解消されるか又は少なくとも大幅に低下する。吸入ダクトの前記ダクト・セクションが、相互の周囲に外部に延在し、混合ダクトの周囲に外部に延在することにより、この装置は、コンパクト且つ省スペースの構成を有することも可能となる。

本発明の一実施形態によれば、混合ダクトは、管状壁部により半径方向において境界を画定され、吸入ダクトの前記第２のダクト・セクションは、この管状壁部の外部に沿って延在する。吸入ダクトのこの第２のダクト・セクションを通って流れる排出ガスは、この管状壁部に対して熱を伝達し、管状壁部の内側は、混合ダクトの内側壁部表面としての役割を果たす。これは、混合ダクトのこの内側壁部表面の冷却に作用し、それにより、注入された媒体が気化する前にこの内側壁部表面に付着状態になるのが妨げられる。

本発明による装置の他の有利な特徴は、独立請求項及び以下に示す説明により示される。

以下、添付の図面を参照とする実施形態の例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。

本発明の一実施形態による装置の概略長手方向断面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。

図１は、燃焼機関からの排出ガス中に液体媒体を導入するための本発明による装置１を示す。この装置は、例えば、ＳＣＲ触媒の上流において排気ライン内に尿素若しくはアンモニアの形態の液体還元剤を導入するために、ＳＣＲ触媒の上流において排気ライン中に配置されてもよく、又は排気後処理デバイスの一部を形成するＳＣＲ触媒の上流において尿素若しくはアンモニアの形態の液体還元剤を導入するために、排気後処理デバイス内に配置されてもよい。

装置１は、上流端部３において燃焼機関からの排出ガスを受け入れ、例えばＳＣＲ触媒の形態などの排気後処理ユニットの方向にこの排出ガスを送るように意図された、混合ダクト２を備える。したがって、混合ダクト２は、排出ガスを中に流すように意図される。

装置１は、加圧下において微粉化された噴霧液の形態の液体媒体を、混合ダクトの上流端部３の中心にて混合ダクト２内に注入するように構成された注入手段４をさらに備える。この注入手段４は、例えば注入ノズルを備えてもよい。注入手段４は、有利には混合ダクトの上流端部３の中心に配置され、図１に図示するように、混合ダクトの下流端部の方向に液体媒体を注入するように構成される。

排出ガスは、吸入ダクト６を経由して、混合ダクト２内に通じる。吸入ダクト６は、混合ダクトの上流に配置され、ライン９から排出ガスを受け入れるための環状吸入口８を、吸入ダクト６の上流端部７に有し、混合ダクトに排出ガスを送達するために混合ダクトの上流端部３に通じる排出口１１を、吸入ダクト６の下流端部１０に有する。吸入ダクトの排出口１１は、環状であり、混合ダクトの中心線１２の周囲に延在する。吸入ダクトの排出口１１は、混合ダクトの中心線１２の周囲に延在する環状ガイド表面１３に通じる。このガイド表面１３は、吸入ダクト６から受け入れた排出ガスを混合ダクトの下流端部の方向に流すように、丸められている。

吸入ダクト６は、第１のダクト・セクション１４を備え、第１のダクト・セクション１４は、環状断面を有し、下流端部に環状排出口１６を有する。また、吸入ダクト６は、第２のダクト・セクション１５を備え、第２のダクト・セクション１５は、環状断面を有し、第１のダクト・セクション１４の下流に配置され、混合ダクト２を囲む。第２のダクト・セクション１５は、下流端部を介して、吸入ダクトの排出口１１に連結され、上流端部に環状吸入口１７を有する。第１のダクト・セクション１４は、第２のダクト・セクション１５を囲み、第２のダクト・セクション１５と同心状である。また、ダクト・セクション１４、１５は、混合ダクト２と同心状である。

第１のダクト・セクション１４の環状排出口１６は、流れ反転セクション１８を介して、第２のダクト・セクション１５の環状吸入口１７に連結され、流れ反転セクション１８は、吸入ダクトの一部を形成し、吸入ダクト６を通って流れる排出ガスの流れ方向を反転させるように構成されている。これにより、吸入ダクト６を通って流れる排出ガスは、第１のダクト・セクション１４内の排出ガスの流れ方向とは反対の方向に、及び、混合ダクト２内の排出ガスの流れ方向とは反対の方向に、第２のダクト・セクション１５を通して流される。流れ反転セクション１８は、第１のダクト・セクションの排出口１６から受け入れた排出ガスを第２のダクト・セクションの吸入口１７の方向に流すように丸められた環状ガイド表面１９を有する。

混合ダクト２は、管状壁部２０により半径方向において境界を画定される。吸入ダクトの第２のダクト・セクション１５は、管状壁部２０の外部に沿って延在する。吸入ダクトの第１のダクト・セクション１４及び第２のダクト・セクション１５は、管状隔壁部２１により相互に仕切られ、第１のダクト・セクション１４は、管状壁部２２により半径方向の外方において境界を画定される。図示する実施形態においては、ガイド表面１３は、この隔壁部２１の連続部分であり、ガイド表面１９は、管状壁部２０、２２の間に延在する。

注入手段４により混合ダクト２内に注入される液体媒体の噴霧液は、混合ダクト内において、吸入ダクトの排出口１１を通り混合ダクト２内に流入する排出ガスと接触状態になり、また、この排出ガスは、この噴霧液の周囲において実質的に対称的な流れを成す。混合ダクト２内に流入する排出ガスにより、前記噴霧液中の液体媒体は、注入手段４に最も近い領域の混合ダクトの壁部と接触状態になるのを防止され、混合ダクト２内において下流に排出ガスと共に液体媒体が運ばれる。混合ダクト２内においてこの排出ガスが下流に移動する際に、液体媒体は、排出ガス中において拡散し、排出ガスの熱により気化される。

本発明による装置は、例えばバス、トラクター車両、又はトラックなど、特に大型自動車において使用するように意図されている。

当然ながら、本発明は、上述の実施形態に限定されない。なぜならば、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の基本的な概念から逸脱する必要を伴うことなく、これらの実施形態の修正形態についての多くの可能性が、当分野の当業者には明らかになり得るからである。

Claims (10)

1. 燃焼機関からの排出ガス中に、例えば尿素などの液体媒体を導入するための装置であって、前記装置は、
   排出ガスを中に流すように意図された混合ダクト（２）と、
   前記混合ダクト（２）の上流端部（３）の中心において、前記混合ダクト内に前記液体媒体を注入するための注入手段（４）と、
   前記混合ダクト（２）の上流に配置された吸入ダクト（６）であって、前記吸入ダクト（６）は、排出ガスを受け入れるための吸入口（８）を上流端部（７）に有し、前記混合ダクトに排出ガスを送達するために、前記混合ダクト（２）の上流端部（３）への排出口（１１）を下流端部（１０）に有する、吸入ダクト（６）と
   を備える、装置（１）において、
   前記吸入ダクト（６）は、第１のダクト・セクション（１４）を備え、前記第１のダクト・セクション（１４）は、環状断面を有し、環状排出口（１６）を下流端部に有しており、
   前記吸入ダクト（６）は、第２のダクト・セクション（１５）を備え、前記第２のダクト・セクション（１５）は、環状断面を有し、前記第１のダクト・セクション（１４）の下流に配置され、前記混合ダクト（２）を囲み、下流端部を介して前記吸入ダクトの前記排出口（１１）に連結され、上流端部に環状吸入口（１７）を有しており、
   前記第１のダクト・セクション（１４）は、前記第２のダクト・セクション（１５）を囲み、
   前記吸入ダクト（６）は、流れ反転セクション（１８）をさらに備え、前記流れ反転セクション（１８）は、前記第１のダクト・セクション（１４）の前記環状排出口（１６）を前記第２のダクト・セクション（１５）の前記環状吸入口（１７）に連結するためのものであり、前記吸入ダクト（６）を通って流れる前記排出ガスの流れ方向を反転させるように構成され、これにより、前記排出ガスは、前記第１のダクト・セクション（１４）内の前記排出ガスの流れ方向とは逆の方向に前記第２のダクト・セクション（１５）を通って流される、
   ことを特徴とする、装置。
2. 前記混合ダクト（２）は、管状壁部（２０）により半径方向において境界を画定され、前記吸入ダクトの前記第２のダクト・セクション（１５）は、この管状壁部（２０）の外部に沿って延在することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記吸入ダクトの前記第１のダクト・セクション（１４）及び前記第２のダクト・セクション（１５）は、管状分離壁部（２１）により相互に仕切られることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記吸入ダクトの前記吸入口（１１）は、環状であり、前記混合ダクトの中心線（１２）の周囲に延在することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の装置。
5. 前記吸入ダクトの前記排出口（１１）は、前記混合ダクトの中心線（１２）の周囲に延在し、前記吸入ダクト（６）から受け入れた前記排出ガスを前記混合ダクトの前記下流端部の方向に流すように丸められた、環状ガイド表面（１３）に通じることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記吸入ダクトの前記吸入口（８）は、環状であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の装置。
7. 前記注入手段（４）は、前記混合ダクトの前記上流端部（３）の中心に配置され、前記混合ダクトの前記下流端部の方向に前記液体媒体を注入するように構成されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の装置。
8. 前記流れ反転セクション（１８）は、前記第１のダクト・セクションの前記排出口（１６）から受け入れた前記排出ガスを前記第２のダクト・セクションの前記吸入口（１７）の方向に流すように丸められた環状ガイド表面（１９）を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の装置。
9. 前記第１のダクト・セクション（１４）及び前記第２のダクト・セクション（１５）は、同心状であることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の装置。
10. 前記第２のダクト・セクション（１５）及び前記混合ダクト（２）は、同心状であることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載の装置。
    

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