JP4646258B2 - 排ガスを後処理するための装置 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、内燃機関の排ガスを後処理するための装置、つまり排ガス中に導入されるべき反応媒体、特に還元剤を使用して、内燃機関の排ガスを後処理するための装置であって、反応媒体が、反応媒体容器から複数の管路を介して調量装置および／または導入個所にまで圧送されるようになっていて、該反応媒体が、導入個所で調量されて、内燃機関の、排ガスを案内する装置内に導入可能である形式のものに関する。

このような形式の装置は、ドイツ連邦共和国特許第１９９４６９０１号明細書に基づき公知である。この公知の装置では、排気管内に突入したドージング管、つまり調量管に絞りが配置されている。

発明の利点
請求項１の特徴部に記載の特徴を有する本発明による装置、つまり前記管路および／または反応媒体を案内する範囲の内壁における少なくとも１つの所定の個所に、正の邪魔輪郭を有する構造体が配置されていて、前記管路もしくは反応媒体を案内する範囲の内壁に沿って形成された、反応媒体の均一な流れが妨げられるようになっており、前記管路もしくは反応媒体を案内する範囲を通る反応媒体の全流れが、前記構造体によって絞られなくなるか、または僅かにしか絞られないようになっていることを特徴とする、排ガスを後処理するための装置には、従来のものに比べて次のような利点がある。すなわち、反応媒体もしくは結晶を形成する液体を互いにかつ搬送ガスと混合して、反応媒体の反応性成分の局所的な過飽和を阻止し、ひいては反応媒体の結晶化を回避することのできるような手段が簡単に提供される。別の利点としては、このときに管路もしくは反応媒体を案内する範囲を通る反応媒体の通流が損なわれないか、または極めて僅かにしか損なわれないことが挙げられる。有利には、この場合、晶出に基づいた流過横断面の狭小化が回避されるだけではなく、導入個所もしくは管路の目詰まりも回避される。狭小化が阻止されると、規定量の反応媒体を排ガスに供給するためにか、もしくは引き続き晶出を回避するために、反応媒体もしくは搬送ガスの搬送圧を高める必要がなくなる。調量システムは、運転パラメータにおいて実際に生じる変動に関して全体的に、より頑丈となる。特に、晶出を誘発させ、その結果、場合によってはシステム全体を麻痺させてしまう危険なしに、より小さな量の反応媒体、特に尿素水溶液が噴射可能であることも有利である。さらに、本発明による装置を用いると、将来的な排ガス基準、つまり反応媒体量の一層小さな公差を有する、一層微細に調整されなければならない調量を必要とする排ガス基準を満たすこともできる。さらに、部分目詰まりもしくは結晶形成および結晶再溶解の結果一層粘稠性となった反応媒体に基づいた量変動を減少させることができることも有利である。

請求項２以下に記載の手段により、請求項１に記載の排ガス後処理装置の有利な改良および改善が可能となる。

正の邪魔輪郭が導入個所の近傍に設けられていると特に有利である。このことは、いかなる時点でも反応媒体を排気路内に導入することができるようにするために、この導入個所の永続的な通過性を確保するので有利である。

邪魔体、たとえば螺旋体は、簡単に嵌込み可能な構成部分である。この構成部分はより大きな長さにわたっても管路に導入され得るので有利であり、ひいては長い管路区間を結晶化に対して保護することができる。

邪魔体が螺旋形状を有していると有利である。

前記構造体が段状に形成されていると有利である。

前記構造体が、前記管路もしくは反応媒体を案内する範囲に導入されたねじ山によって形成されていても有利である。

前記管路を通じて反応媒体を搬送しかつ／または前記管路もしくは反応媒体を案内する範囲を洗浄するためのガス、特に空気を供給するための手段が設けられていると有利である。

本発明の別の利点は、請求項２以下に記載の構成および明細書中で挙げられた構成から得られる。

図面
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。この場合、図１は排ガスを後処理するための装置の概略図であり、図２は螺旋体を備えた調量管の１実施例を示す断面図であり、図３はねじ山範囲を備えた調量管の別の実施例を示す断面図であり、図４は噴霧ヘッドを備えた調量管のさらに別の実施例を示す断面図であり、図５は噴霧ヘッドを備えた調量管のさらに別の実施例を示す断面図であり、図６は圧潰部を備えた調量管のさらに別の実施例を示す断面図である。

実施例の説明
図１には、排ガスを後処理するための装置が図示されている。符号１で尿素タンクが示されている。この尿素タンク１からは、３２．５％の尿素含量を有する尿素水溶液が、逆止弁２と、フィルタシーブとして形成されたフィルタ３とを備えた管路１ａ、たとえばホース管路を介して、フィードポンプ４によって吸い込まれて、別の逆止弁６を介してドージングバルブ、つまり調量弁７にまで圧送される。調量弁７は所要量の尿素水溶液を混合室８内へ調量する。場合によっては生じる尿素水溶液のオーバフロー量はプレッシャレギュレータ５と、さらに別の逆止弁１１とを介して戻し管路１２を通って尿素タンク１へ返送可能である。場合によっては必要となる、管路１ａの空気抜きは、空気抜き弁１０を備えた空気抜き循環路を介して実施可能となる。さらに符号２０で、圧縮空気容器が示されている。この圧縮空気容器２０からは、圧力制限器２１と、２ポート２位置弁２２と、逆止弁２３とを介して混合室８内に圧縮空気が導入可能となる。たとえばボール弁または平座弁として形成されていてよい逆止弁２３を設けることにより、混合室８から圧縮空気管路２４への還元剤−空気混合物の逆流を阻止することができる。これにより、圧縮空気管路２４と連通した圧縮空気搭載網の汚染の危険が、慣用のシステムに比べて著しく減じられている。

混合室８内では、圧縮空気によって尿素水溶液の負荷下にエーロゾルが形成される。このエーロゾルはエーロゾル管路２５と、排気管路内に突入したドージングパイプもしくは調量管６０とを介して触媒３０内に導入される。この場合、制御装置４０は、上位のエンジン制御装置からＣＡＮデータ線路４１を介して受信される信号と、圧力、温度もしくは充填面高さを測定するためのセンサ５０，５１，５２，５３，５４，５５からの信号とを受け取る。これらのセンサの機能形式は自体公知であるので、これに関する詳しい説明は省略する。制御装置４０はこれらの情報から、触媒３０を通流する排ガスに添加されるべき尿素ドージング量もしくは尿素調量量を算出する。

制御装置４０は前記電磁弁を用いて圧縮空気管路２４内の圧力を制御し、さらに尿素水溶液圧を監視する。制御装置４０は偏差および誤差を検知し、これらをメモリし、そして診断装置（図示しない）によって、たとえばＰＣにこれらの偏差および誤差を表示する。

図２には、図１に示した調量管６０の代わりに使用され得る特殊鋼から成る調量管６１の、排気管路（図示しない）に突入した部分が図示されている。矢印６２は反応媒体の流れ方向もしくは反応媒体−搬送ガス混合物、たとえば圧縮空気アシストされて調量管内に導入される尿素水溶液の流れ方向を示している。調量管は下流側の端部において特殊鋼から成る閉鎖栓体６４によってシールされている。この閉鎖栓体６４の上流側では、調量管の壁に、典型的に０．５ミリメートルの直径を有する、半径方向に向けられた８個の噴霧孔６３が配置されている。これらの噴霧孔６３は調量管６１の全周にわたって均一に分配されている。調量管６１は９０゜のベントもしくは曲げ部を有しているので、排気管の壁を直角に貫通した調量管は、排ガス流６６に対して平行に延びる区分６７を有している。一点鎖線の円で囲んだ部分の拡大図７００は調量管壁もしくは噴霧管壁７１０に沿って移動する液状の壁フィルムもしくは壁膜７２０を示しており、矢印７３０はこの壁膜７２０の流れ方向を示している。矢印７４０は、形成されたエーロゾルの流れ方向もしくは反応媒体の搬送および噴霧のために使用される圧縮空気の流れ方向を示している。調量管の前記区分６７には、特殊鋼から成るスパイラルもしくは螺旋体６５が導入されている。この螺旋体６５は、噴霧孔に前置された範囲、つまり噴霧孔６３の上流側に位置する範囲に延びている。螺旋体６５は０．１５ミリメートルの直径を有する特殊鋼線材から成っていて、この場合、調量管横断面に適合されたその円形状に相応して、その外面が螺旋状のラインに沿って調量管６１の内壁に連続的に接触している。螺旋体６５はこの場合、１つまたは複数の点で調量管内壁と溶接されている。

図１に示した配置形式では、エーロゾル管路２５においてエーロゾルを形成するための混合室８内での反応媒体と圧縮空気との混合の後に、液状の反応媒体壁膜が形成される。この反応媒体壁膜は調量管６１においても壁膜７２０として波形に前進し、そしてたとえば１ｍ／ｓの流速および１．５バールの空気圧において約１０マイクロメートルの厚さを有している。引き続き存在するエーロゾルの一部ならびに圧縮空気自体は（流れ方向７４０）調量管の中央部を前進する。尿素水溶液は最終的に噴霧孔６３を介して排ガス流６６に対して直交する方向で排気管路内に噴射される。流動する排ガスは、たとえば３５０℃の温度を有している。圧縮空気アシスト式のシステムの場合に調量管の中央部を流れる圧縮空気は、約６０℃にまで加熱される。その場合、形成される温度勾配はたとえば調量管の内壁において１１５℃の温度を生ぜしめる。調量管の内壁に沿って尿素水溶液から成る液状の壁膜が移動し、そして尿素水溶液の、直接に管壁に沿って移動する水成分は、何らかの防止手段を講じない限りは、調量管中央部を流れる空気流の乾燥作用により助成されて、高温の縁層から蒸発する恐れがある。すなわち、高温の縁層から水が蒸発すると、尿素水溶液中の尿素の過飽和が生じ、そして尿素の結晶化の危険が生じる。尿素の結晶化は流過横断面の狭小化、規定の尿素量を圧送するための所要の圧力増大、そして最終的には特に噴霧孔の目詰まりをも招く恐れがある。噴霧孔の目詰まりが生じると、これによって圧縮空気システムを介して供給された空気が調量弁７（図１）を介して管路１ａ内に押し込まれるので、管路１ａにおいても空気の乾燥作用により助成されて結晶化が生じる恐れがある。単位時間当たりの尿素水溶液の通流量を増大させることによって、結晶化を回避することができる。しかし、このことは調量精度への負担となる共に、高められた還元剤消費量を生ぜしめる。過剰調量時には、意図されていないアンモニアスリップが二次エミッションとして発生し、このようなアンモニアスリップは高い濃度の場合、健康を害する恐れがある。したがって、本発明によれば、調量管内にスパイラルもしくは螺旋体が、特に噴霧孔直前の範囲において導入されており、これによりこれらの噴霧孔も尿素の結晶化に対して保護されている。調量管の内壁に沿って前進する壁膜は規則的な間隔を置いて螺旋体に衝突し、このことは壁膜の混合もしくは巻上げ（Aufwirbelung）を生ぜしめる。螺旋体は正の邪魔輪郭（positiv. Stoerkontur）を備えた構造体であり、つまり調量管の対称軸線に向かって延びる壁プロファイルをもたらす。すなわち、螺旋体は管路横断面の僅かな狭小化に基づいて壁膜流を短い時間で調量管中心に向かって運動させ、ただしこの場合、実質的に反応媒体の全体流を絞ることはない。逆に巻上げによって、壁膜の、さしあたり調量管の内側範囲寄りに位置している、より冷たい区分も、外方へ向かって調量管の内壁の方向に転がされる。したがって、壁膜の、調量管の内壁に直接隣接した縁層は冷却され、水蒸発の危険、ひいては尿素過飽和の危険は減じられている。このことはやはり尿素もしくは反応媒体の晶出の危険の低減をもたらす。このような簡単な手段により、特に一層高い調量精度をも得ることができる。なぜならば、システム全体を麻痺させかつ排ガス脱硝を無効にする恐れのある、尿素過飽和および晶出の臨界的な範囲に到達することなしに、時間当たり一層小さな量の尿素水溶液しか圧送され得ないか、もしくは排ガス管路内に導入され得ないからである。

閉鎖栓体６４は選択的に、調量管と溶接されたプレス栓体として形成される代わりに、遊びを持って、つまり軽度に、製作時に調量管内に導入可能でかつ引き続きやはり調量管と溶接されるような栓体として形成されていてもよい。択一的には、螺旋体を遊びを持って調量管内に嵌め込むこともできる。その場合、螺旋体は走行中の慣性力により調量管内で往復運動し、こうして時間的に順次に種々の個所で壁膜の混合器として働くことができる。螺旋体を管路系全体に一貫して延びるように形成することもできるし、あるいは複数の螺旋体を相前後して互いに間隔を置いて、またはその端面が互いに突き合わされるように、調量管および／または管路もしくは反応媒体を案内する範囲に導入することもできる。

図３には、図１に示した調量管６０の代わりに使用され得る、特殊鋼から成る調量管７１の一部の本発明による構成が図示されている。図３には、上で説明した９０゜曲げ部の背後（下流側）に位置する調量管の下流側の端部、つまり排ガス流６６に対して平行に延びる調量管区分が図示されている。この調量管は外径８４を有していて、そして排ガス管路内に９０゜曲げ部の背後にまで進入する際に内径８３を有している。調量管の下流側の端部は、プレス栓体として形成されかつ調量管と溶接された、特殊鋼から成る閉鎖栓体６４によってガス密にかつ液密に閉鎖されている。噴霧孔６３は閉鎖栓体６４の直前で半径方向に調量管に導入されており、これにより調量管の内側範囲と、調量管の外部を流れる排ガスとの間に流れ接続が形成されている。調量管内部の円形の流過横断面は噴霧孔６３の上流側の範囲において軽度に狭小化されていて、この場合、流過横断面は内径８３よりも小さい内径８２を有する横断面にまで減じられている。この範囲は調量管に加工成形されたねじ山により形成されるので、内径８２はねじ山の内径により形成されている（仮想上ちょうどぴたりとねじ山内に差込み可能な、１つの円筒表面を形成する仮想包絡面の直径）。噴霧孔の下流側では、直接に閉鎖栓体６４が続いており、この閉鎖栓体６４は、残りの調量管横断面に比べて拡開された、調量管の内径８３よりも大きな直径７０を有する範囲を閉鎖している。ねじ山範囲８０は閉鎖栓体６４の、調量管の内室に面した側の閉鎖面から距離７５のところにまで延びている。外径８４は本実施例では４．１ミリメートルであり、内径８３は２．２ミリメートルであり、ねじ山範囲の内径８２は２．１ミリメートルであり、直径７０は２．５ミリメートルであり、距離７５は９ミリメートルである。

ねじ山範囲８０は調量管７１内で、正の邪魔輪郭を有する構造体を形成しており、この構造体は図２に示した、調量管の内壁に載着した螺旋体と同様に壁膜流動化をもたらし、ひいては尿素の結晶化を阻止するために寄与することができる。

図４には、本発明のさらに別の構成による調量管９１の一部が図示されている。この場合、図３に示した構成の場合と同じ構成要素または類似の構成要素には同じ符号が付与されており、これらの構成要素については再度の説明を省略する。図３に示した調量管７１と同様に、この調量管９１も正の邪魔輪郭を有する構造体を有している。この構造体は噴霧孔手前の長さ９８にわたって延びている。この構造体は調量管９１の噴霧ヘッド９３によって形成されている。この噴霧ヘッド９３は外径８４および内径８３を有する調量管９１の端部に装着されている。噴霧ヘッド９３は調量管９１の端面を閉鎖していて、半径方向に進出した噴霧孔６３を有している。これらの側方の噴霧孔６３には、調量管９１の内径８３よりも小さな直径９５を有する通路孔が前置されている。つまり、噴霧孔６３の上流側にこの通路孔が配置されている。この通路孔は調量管９１の内室を噴霧孔６３に接続している。噴霧ヘッド９３の外径９７は、１つの孔を介して噴霧ヘッド９３内に導入されている調量管９１の外径８４よりも大きく形成されているので、調量管９１の内室は段状に狭められて通路孔に移行している。本実施例では、外径８４が４．１ミリメートルであり、内径８３が２．１ミリメートルであり、長さ９８が０．５ミリメートルであり、孔直径９５が１．７ミリメートルであり、噴霧ヘッド９３の外径９７が６ミリメートルである。

噴霧孔に向かって運動する壁膜は調量管９１と噴霧ヘッド９３との間の移行部の範囲において、正の邪魔輪郭、つまり調量管９１の対称軸線に向かって延びる壁プロファイル（壁横断面）に衝突する。このような壁プロファイルは渦流付与および十分な混合のために寄与し、ひいては尿素結晶化を回避するために寄与する。

図５に示した調量管９１は図４に示した調量管に比べて択一的な、より細く形成された噴霧ヘッド１９３を有している。孔長さ９８は図４に示した実施例に比べて大きく形成されており、約５ミリメ―トルである。噴霧孔中心から噴霧ヘッド１９３の端面側の閉鎖部に対して計算された噴霧孔の間隔９９は約０．５ミリメートルである。噴霧ヘッド１９３の、調量管９１の下流側の端部が導入されている保持範囲１９４の反対側では、噴霧ヘッド１９３が、図４に示した構成とは異なり、長さ９８を有する孔範囲を有する、直径の減径された範囲へ移行している。

図４に示した噴霧ヘッドの場合と同様に、この場合にも、調量管９１の内室の下流側の端部と、噴霧ヘッド１９３の小径の孔範囲との間の段状の移行部により、正の邪魔輪郭を有する構造体が得られる。したがって、図５に示した調量管の内側プロファイルの作用は図４に示した構造体の場合と類似している。

図６には、調量管１２０のさらに別の変化形が示されている。この場合、調量管内部に設けられた圧潰部１３０により、正の邪魔輪郭が形成されている。この圧潰部１３０は閉鎖栓体１２１の直前に配置された噴霧孔６３から約５ミリメートルの間隔１３１を置いた個所で調量管壁に設けられている。この圧潰部１３０は調量管を規定の圧力下に挟み込むことによって形成されていて、調量管内部に凹みを生ぜしめる。圧潰部１３０はこの圧潰部１３０に衝突する壁膜に十分な渦流を付与して、壁膜の縁近傍範囲において、より低い温度を生ぜしめるので、圧潰部１３０も反応媒体、特に尿素の晶出を回避するために寄与することができる。

上記実施例において説明した、調量管に設けられた正の邪魔輪郭を有する構造体は別の管路範囲もしくは反応媒体を案内する別の範囲においても使用され得る。このような構造体は、調量管内に配置された拡開範囲、たとえば調量管の、調量孔の範囲で段状に増径された内径と組み合わせることもできる。邪魔体としての螺旋体の代わりに、絞り作用を有しない混合装置または僅かな絞り作用しか有しない混合装置、たとえば格子体または片側の端部で調量管壁に結合された線材もしくは金属薄板ストリップを使用することもできる。また、内側に位置する金属スリーブまたはリングも、正の邪魔輪郭を有する構造体を形成するために使用され得る。この正の邪魔輪郭には、下流側で負の邪魔輪郭を有する構造体、つまり拡開する流過横断面を有する構造体が続いている。さらに付加的に、結晶化を回避するための別の手段が設けられていてよい。たとえば管路もしくは調量管の内壁に、高められた表面粗さを有するゾーンを設けたり、調量管内壁にねじ山または銃身のような横方向溝または螺旋状の溝を設けることができる。本発明の使用は尿素水溶液の使用に限定されるものではなく、結晶化の危険、ひいては目詰まりの危険が生じるあらゆる種類の反応媒体のために有効である。反応媒体が搬送ガスなしに排気路内へ圧送されるような排ガス後処理装置も本発明により包含されている。この場合にも、拡開構造体を設けることにより、反応媒体もしくは反応媒体溶液の成分の蒸発を阻止することができ、したがって、特に既に調量が行われた後に、反応媒体を案内する範囲が、まだこの範囲に存在する反応媒体を駆出させるために、たとえば空気によって吹き出される段階、またはたとえば調量ポンプの後退運転または別のポンプの運転開始によって、まだ管路内に存在している反応媒体が吸い出されて、空気または吸い込まれた排ガスにより代えられる段階において、固有の反応性成分の晶出を阻止することができるので有利である。調量管の基本形状は前記９０゜曲げ部とは異なっていてもよく、この場合、調量管はたとえば斜めに延びて排気路内に突入しており、したがって、調量管の１区分を排ガスの流れ方向に対して平行に延在させるために９０゜よりも大きい角度または９０゜よりも小さい角度が設定されている。さらに、噴霧孔が噴霧管の端面側の閉鎖部に位置しているか、もしくは噴霧孔が排ガスの流れ方向に対して平行にまたは斜めに排ガスの流れ方向に対して相対的に鋭角の角度または鈍角の角度を持って位置調整されているような、調量管の実施態様も本発明により包含されている。択一的な別の構成では、調量管が排気管の壁に対して直角に排気管内に突入していて、噴霧孔を有する調量管区分が、排ガスの主流れ方向に対して相対的に０とは異なる角度を成して斜めに延びており、たとえば、調量管の鉛直な区分が上方から排気管に突入する場合には斜め下方に向かって延びている。

排ガスを後処理するための装置の概略図である。 螺旋体を備えた調量管の１実施例を示す断面図である。 ねじ山範囲を備えた調量管の別の実施例を示す断面図である。 噴霧ヘッドを備えた調量管のさらに別の実施例を示す断面図である。 噴霧ヘッドを備えた調量管のさらに別の実施例を示す断面図である 圧潰部を備えた調量管のさらに別の実施例を示す断面図である。

Claims (6)

1. 排ガス中に導入されるべき反応媒体を使用して、内燃機関の排ガスを後処理するための装置であって、反応媒体が、反応媒体容器（１）から管路（１ａ，２５）を介して調量装置（７）および／または導入個所（６３）にまで圧送されるようになっていて、該反応媒体が、導入個所で調量されて、内燃機関の、排ガスを案内する装置（３０）内に導入可能である形式のものにおいて、前記管路および／または反応媒体を案内する範囲の内壁における少なくとも１つの所定の個所に、前記管路および／または反応媒体を案内する範囲の対称軸線に向かって延びる壁プロファイルの形の正の邪魔輪郭を有する構造体（６５，８０，９３，１９３，１３０）が配置されていて、反応媒体の、前記管路もしくは反応媒体を案内する範囲の内壁に沿って形成された均一な流れが妨げられるようになっており、前記管路もしくは反応媒体を案内する範囲を通る反応媒体の全流れが、前記構造体によって絞られず、前記構造体が、前記管路（１ａ，２５）もしくは反応媒体を案内する範囲に導入された邪魔体（６５）によって形成されており、該邪魔体が螺旋形状を有していることを特徴とする、排ガスを後処理するための装置。
2. 前記管路が、排気管路に突入した調量管（６１，７１，９１，１２０）を有しており、該調量管（６１，７１，９１，１２０）が、少なくとも１つの調量開口の形の導入個所（６３）を有しており、該調量管内に前記構造体（６５，８０，９３，１９３，１３０）が設けられている、請求項１記載の装置。
3. 前記構造体が導入個所（６３）の近傍に設けられている、請求項１または２記載の装置。
4. 前記構造体が段状に形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 前記構造体が、前記管路もしくは反応媒体を案内する範囲に導入されたねじ山（１９３）によって形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記管路を通じて反応媒体を搬送しかつ／または前記管路もしくは反応媒体を案内する範囲を洗浄するためのガスを供給するための手段（２０，２１，２２，２３，２４）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。

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