JP2003507612A - 内燃機関の排気ガスの窒素酸化物削減装置 - Google Patents

内燃機関の排気ガスの窒素酸化物削減装置

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Abstract

(57)【要約】 内燃機関の窒素酸化物を含む排気ガスを触媒還元するために、一端が内燃機関の少なくとも１つの排気ガス出口に接続される排気ガス導管（１）を有する装置が提案される。排気ガス導管（１）の中に供給装置（３）によって還元剤（特に尿素）が供給される。この本発明に基づく装置は、排気ガス導管（１）の中に排気ガスの流れ方向において還元剤の供給口の下流に配置されている少なくとも１つの混合器（２）を有している。この混合器（２）は流体が貫流できる多数の通路（９）を有している。混合器（２）に少なくとも１つの触媒コンバータ（７）が後置されている。混合器（２）と触媒コンバータ（７）との間に少なくとも１つのディフューザ（６）が設けられ、このディフューザ（６）は、流れ方向に断面積が増大し排気ガスが貫流できる多数の通路（２１）を有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、内燃機関の低温排気ガス内における窒素酸化物（ＮＯｘ）の触媒還
元装置に関する。
【０００２】 内燃機関（例えばディーゼルエンジンあるいはガソリンエンジン）において炭
化水素が燃焼する際、主燃焼生成物、即ち二酸化炭素および水蒸気のほかに、一
部望ましくない副生成物も生ずる。それは例えば窒素酸化物である。窒素酸化物
の分量は、燃焼過程のほかに、空燃比によっても左右される。過少空気の場合、
排気ガスは比較的多くの二酸化炭素および炭化水素を含み、過剰空気の場合、二
酸化炭素および炭化水素はほとんど完全に酸化される。排気ガス内における窒素
酸化物の含量は、弱希薄混合組成の範囲において最大値となる。しかしこの範囲
には、内燃機関（特にガソリンエンジン）にとって最良の燃料消費率も存在して
いる。即ち特にガソリンエンジンが最良の低い燃料消費率に設定されたとき、排
気ガス内のＮＯｘ濃度は高くなる。
【０００３】 内燃機関の排気ガス内のＮＯｘ含有量を減少させるために、例えばヨーロッパ
特許出願公開第０４８７８８６号明細書によって、酸素含有排気ガス内のＮＯｘ
を尿素と還元触媒を利用して選択触媒還元することが知られている。尿素は、触
媒コンバータである還元触媒と接触する前に、定量的にアンモニアと二酸化炭素
に加水分解される。尿素の利用は、自動車におけるアンモニアの搭載と、相応し
た安全処置を講じなければならないアンモニアの供給とが避けられる、という利
点を有する。
【０００４】 還元剤として尿素を利用する場合、触媒コンバータの直前で尿素を注入する際
に望ましくない反応生成物が生ずるという問題がある。即ち、尿素が熱分解する
際に固形物が生ずる。
【０００５】 この問題を解決するために、ドイツ特許出願公開第４２０３８０７号明細書に
おいて、内燃機関の窒素酸化物を含む排気ガスの触媒還元装置が提案されている
。その装置は触媒コンバータと還元剤供給装置を有し、還元剤供給装置は、液状
尿素を触媒コンバータの前に配置された蒸発器に細かく吹き付ける。
【０００６】 その蒸発器は流れ混合器の形に形成され、これによって、尿素の分解効率が高
められるようにされている。流れ混合器として形成され以下において「混合器」
と呼ぶ蒸発器は、ドイツ特許出願公開第４２０３８０７号明細書において特に、
混合器の内部に渦流および半径方向流れ成分及び／又は接線方向流れ成分がひき
起こされるように形成されている。これによって、尿素溶液への熱伝達ができる
だけ迅速に且つ申し分なく実施される。また、蒸発器およびその下流に配置され
た加水分解触媒の全横断面にわたって、尿素溶液およびそれから生ずる気体がで
きるだけ一様に分布される。
【０００７】 加水分解触媒から出る内燃機関の排気ガスとアンモニアと二酸化炭素とを含む
流体が、触媒コンバータに導かれる。この触媒コンバータ内において特に窒素酸
化物の還元が行われる。
【０００８】 本発明の課題は、内燃機関の窒素酸化物を含む排気ガスの触媒還元装置の効率
をもっと高めることにある。
【０００９】 この課題は、請求項１に記載の特徴事項を有する本発明に基づく内燃機関の窒
素酸化物（ＮＯｘ）を含む排気ガスの触媒還元装置によって解決される。本発明
の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。
【００１０】 本発明に基づく内燃機関の窒素酸化物を含む排気ガスの触媒還元装置は、一端
が内燃機関の少なくとも１つの排気ガス出口に接続される排気ガス導管を有して
いる。この排気ガス導管の中に還元剤（特に尿素）を供給する還元剤供給装置が
設けられている。更にこの触媒還元装置は、流体が貫流できる多数の通路を有し
排気ガスの流れ方向において還元剤の供給口の下流に配置された少なくとも１つ
の混合器を有している。この少なくとも１つの混合器に少なくとも１つの触媒コ
ンバータが後置されている。本発明に基づく装置は、混合器と触媒コンバータと
の間に少なくとも１つのディフューザが設けられ、このディフューザが、流れ方
向に断面積が増大し排気ガスが貫流できる多数の通路を有していることを特徴と
している。
【００１１】 触媒還元装置をこのように本発明に基づいて形成することによって、少なくと
も１つの混合器から出る内燃機関の排気ガスと還元剤の分解生成物（特にアンモ
ニアおよび二酸化炭素）とを含む流体は、触媒コンバータに一様に導かれる。こ
れによって、触媒コンバータはその全横断面にわたって比較的一様に貫流され、
従って触媒コンバータは全体が一様に利用される。
【００１２】 流れ方向に断面積が増大し排気ガスが貫流できる多数の通路を有するディフュ
ーザによって、流体は触媒コンバータの入口全面にわたって極めて一様に分布す
る。その場合、ディフューザの圧力損失は比較的小さい。
【００１３】 本発明の有利な実施態様において、ディフューザの入口における流れ断面積は
、少なくとも混合器の出口における流れ断面積に一致している。これによって、
混合器とディフューザとの間の移行範囲における圧力損失は比較的小さくなる。
【００１４】 本発明の他の有利な実施態様において、ディフューザは入口において、混合器
のセル密度に一致したセル密度を有している。これによって圧力損失が避けられ
る。
【００１５】 本発明の更に他の有利な実施態様において、ディフューザの入口における個々
の通路の横断面形状は、混合器の出口における個々の通路の横断面形状に一致し
ている。好適には、ディフューザの入口における個々の通路の少なくとも一部が
、混合器の出口における個々の通路の一部と一致している。混合器およびディフ
ューザをこのように形成し配置することによって、混合器の通路はディフューザ
の通路に円滑に移行する。これによって、ディフューザと混合器との間の移行範
囲における圧力損失は一層減少する。
【００１６】 尿素と排気ガスとの混合を一層向上させるために、ディフューザの通路を混合
器の出口側における通路に対してずらすことが提案される。これによって、混合
器の通路から出る流れは、ディフューザの入口において複数の部分流に分割され
る。この部分流は混合器から出る別の流れから分割された別の部分流と混合され
る。
【００１７】 ディフューザの内部における通路は流れ方向に拡大しているので、ディフュー
ザの内部において流速が減少して、流速と拡散速度との比が拡散速度の方向に変
わるために、ディフューザはその通路内において流体を混合させる作用をする。
【００１８】 本発明に基づく装置は、好適には、平形板金と波形板金を互いに重ね合わせて
構成された少なくとも１つのスタックと外被とによって形成されているディフュ
ーザを有している。このディフューザの形成は、国際公開第８９／０２９７８号
パンフレットあるいは国際公開第９３／２０３３９号パンフレットで知られてい
るディフューザの形成に応じて行われる。これらの刊行物の内容も本発明の説明
内容に含まれる。
【００１９】 流体の混合をより一層向上させるために、本発明に基づいて、ディフューザの
通路の少なくとも一部を流れ技術的に接続することが提案される。
【００２０】 ディフューザの通路は通路壁で画成されている。好適には、その通路壁の少な
くとも一部は開口を有している。特に、その開口の少なくとも一部に、通路壁に
対して傾斜して延びる案内面を付設することが提案される。この案内面によって
、或る通路からその隣の通路への流れの転向が達成される。
【００２１】 ディフューザ内で流体が半径方向において非常に迅速に混合されるようにする
ために、波形板金間に少なくとも部分的に網状に形成された平形板金を設けるこ
とが提案される。その平形板金はエクスパンデッドメタルで形成される。
【００２２】 本発明の他の有利な実施態様において、ディフューザは混合器のほぼ直ぐ後ろ
に配置されている。
【００２３】 以下において図に示した実施例を参照して本発明の一層の詳細および利点を説
明する。
【００２４】 図１には、内燃機関のＮＯｘ（窒素酸化物）を含む排気ガスを触媒還元するた
めの装置が概略的に示されている。この装置は、一端が内燃機関（図示せず）の
少なくとも１つの排気ガス出口に接続される排気ガス導管１を有している。この
排気ガス導管１の内部における排気ガスの流れ方向は矢印で示されている。
【００２５】 供給装置３によって還元剤（特に尿素）が排気ガス導管に供給される。この供
給装置は排気ガス導管内に突出している供給管４を有している。供給管４の先端
にノズル（特に噴霧ノズル）が配置されている。
【００２６】 排気ガス導管１の内部に混合器２が配置されている。この混合器２は排気ガス
の流れ方向に見て還元剤供給装置の下流に配置されている。ノズル５は、還元剤
を排気ガスの中にその流れ方向に噴射ないし噴霧するように向けられている。
【００２７】 混合器２は流体が貫流できる多数の通路９を有している。
【００２８】 混合器２に直接ディフューザ６が続いていることが、図１に示されている。デ
ィフューザ６は排気ガスで貫流される多数の通路２１を有し、これらの通路２１
は流れ方向に横断面積が増大している。
【００２９】 ディフューザ６に触媒コンバータ７が後置されている。この触媒コンバータ７
は互いに間隔を隔てて配置される複数の部分コンバータで形成することもできる
。
【００３０】 図２には、混合器の実施例が概略的に縦断面図で示されている。この混合器２
は、排気ガスが貫流できる通路９を画成する少なくとも部分範囲が構造化された
多数の板金で形成されている。通路９の少なくとも一部に開口１０が設けられて
いる。その開口１０に混合器２の長手軸線に対して傾斜して延びる案内面が付属
されている。混合器２は外側を外被管８で画成されれている。排気ガス導管１内
を流れる排気ガスは一般に放物線状の流れ分布を有しているので、すべての通路
９は一様な体積流を有していない。図２に概略的に示された案内面１１の分布に
よって、大きな体積流の内部通路から、その外側に隣接して位置する小さな体積
流の外部通路に向けて、再三にわたって部分流が転向される。これによって、流
れ分布が一様にされ、従って流体内に含まれる成分も一様にされる。
【００３１】 そのような流れの分割はハニカム体によって達成される。このハニカム体の少
なくとも外側領域は、図３に示されているように、平形板金１３と波形板金１４
を互い違いに重ね合わせてほぼインボリュート曲線状に曲げられた板金層から成
っている。図３における矢印によって、流れが開口および案内面によって再三に
わたって部分的に、外側に隣接して位置する通路９に分岐されることが示されて
いる。これによって、内側から外側にわたって体積流が一様にされ、従って流体
の混合も達成される。
【００３２】 図４には、混合器２の異なった実施例が概略的に縦断面図で示されている。混
合器２は開口１０および案内面１１を有している。混合器２によって特に流れが
良好に混合される。混合器２は外被管８内に配置された金属ハニカム体によって
形成されている。混合器２はほぼ放物線状の流れ分布１２で貫流される。この混
合器２は多数の通路９を有している。
【００３３】 案内面１１は、混合器２の或る部分範囲において、体積流の部分流が内側から
外側に転向され、一方別の部分範囲において、特に混合器２の下部に矢印によっ
て概略的に示されているように、体積流が外側から内側に転向されるように向け
られている。
【００３４】 図５における混合器２の正面図を参照して、混合器２がＳ状に曲げられた板金
層によって形成されていることが分かる。混合器２はスタックの形に重ね合わさ
れた多数の平形板金１３と波形板金１４を有している。そのスタックの両端は逆
向きに絡み合わされている。案内面１１および開口１０は波形板金１４にその種
々のフランク（波の側面）に形成され、種々の向きに向けられている。従って例
えば、互いに隣接する２つの通路層９ａ、９ｂにおいて、異なった向きの部分流
が分岐される。
【００３５】 図６には、ディフューザ６の実施例が概略的に斜視図で示されている。ディフ
ューザ６は中心軸線１６に関して円錐状に形成されている。これは円錐状外被１
７を有している。外被１７の内部に、Ｓ状に絡み合わされたスタック１８が配置
されている。このスタック１８は平形板金１９と波形板金２０とから成っている
。平形板金１９および波形板金２０は、流れ方向に横断面積が増大する通路２１
を画成している。
【００３６】 そのようなディフューザの製造および形状については、国際公開第９３／２０
３３９号パンフレットを参照されたい。
【００３７】 図７には、ディフューザ６の異なった実施例が示されている。このディフュー
ザ６はスタック１８を中に配置した外被１７によって形成されている。ディフュ
ーザ６は円錐状に形成されている。２２は流体の入口、２３は流体の出口である
。スタック１８は外被１７の内部に環状鍔２４によって保持されている。この鍔
２４は外被１７の縁曲げによって作られる。ディフューザ６の入口２２に形成さ
れ軸線方向に延びているフランジ２５によって、ディフューザ６は混合器２に結
合される。
【００３８】 ディフューザ６を同時に、流体が半径方向及び／又は接線方向に流れることが
できる流れ混合器として使用したい場合、スタック１８を、波形板金間に閉鎖平
形板金が配置されないように形成することが提案される。スタック１８を強固に
するために、図８に示されているように、入口２２及び／又は出口２３において
隣接する波形板金１４間に帯板２６を配置することが提案される。この帯板はデ
ィフューザ６の軸線方向長さの一部にわたってしか延びていない。図８に示され
た板金１４は波の山２７と谷２８とを備えた波を有している。波の山２７を軸線
方向に見たとき、波の山２７が流れ分割器として作用する少なくとも１つの変形
加工部２９を有していることが分かる。この変形加工部２９において流体流が隣
の波の谷２８に向けて転向されることが描かれている。波の山は変形加工部２９
の上流側の場所３０に開口が設けられている。これによって、流体は場所２２で
流入して開口３０を通って流出し、変形加工部２９に沿って流れる。
【００３９】 すべての波の山２７あるいは選定された複数の波の山２７に、そのような変形
加工部２９および開口３０が設けられる。軸線方向において各波の山にそれぞれ
複数の変形加工部および開口を連続して配置することができる。
【００４０】 図８には更に、波の谷２８に開口３２付きのエンボス加工部３１が形成されて
いることが示されている。ディフューザのこのような形成によって、円周方向に
おける混合並びに半径方向における混合が達成される。
【００４１】 図９には、平形板金１９および波形板金２０の異なった形状が示されている。
その平形板金１９は網状に形成されている。好適には、平形板金１９はエクスパ
ンデッドメタルである。
【００４２】 波形板金２０はスリット３４を有している。このスリット３４は概略的に示さ
れている。好適には、スリット３４は波の山２７のフランク（側面）に形成され
ている。波形板金２０に複数のスリット３４を連続して形成することができる。
【００４３】 スリット３４は部分的に２つの舌片３５、３６によって画成されている。それ
らの舌片３５、３６は波形板金２０の平面から曲げ起こされている。これによっ
て、隣り合う通路２１間に横流れを生じさせる流れ案内面が生ずる。これによっ
て、ディフューザ６の円周方向における混合が達成される。半径方向における混
合は網状に形成された平形板金１９によって得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 内燃機関の窒素酸化物を含む排気ガスの触媒還元装置の概略断面図
【図２】 混合器の縦断面図
【図３】 スパイラル状に延びる板金層を備えた混合器の正面図
【図４】 流れが或る部分範囲で外側に、別の部分範囲で内側に転向される混合器の縦断
面図
【図５】 Ｓ状板金層を備えた混合器の正面図
【図６】 ディフューザの実施例の斜視図
【図７】 ディフューザの異なった実施例の断面図
【図８】 混合器ないしはディフューザに適用されるような板金層の実施例の部分斜視図
【図９】 混合器用ないしはディフューザ用の波形板金と平形板金の異なった実施例の部
分斜視図。
【符号の説明】
１ 排気ガス導管 ２ 混合器 ３ 供給装置 ４ 配管 ５ ノズル ６ ディフューザ ７ 触媒コンバータ ８ 外被管 ９、９ａ、９ｂ 通路 １０ 開口 １１ 案内面 １２ 流れ分布 １３ 平形板金 １４ 波形板金 １５ 案内面 １６ 中心軸線 １７ 外被 １８ スタック １９ 平形板金 ２０ 波形板金 ２１ 通路 ２２ 入口 ２３ 出口 ２４ 鍔 ２５ フランジ ２６ 帯板 ２７ 波の山 ２８ 波の谷 ２９ 変形加工部 ３０ 開口 ３１ エンボス加工部 ３２ 開口 ３４ スリット ３５、３６ 舌片
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ， ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，Ｋ Ｇ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ， ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，Ｓ Ｅ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ， ＺＷ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一端が内燃機関の少なくとも１つの排気ガス出口に接続され
    る排気ガス導管（１）と、この排気ガス導管（１）の中に還元剤、特に尿素を供
    給する供給装置（３）と、流体が貫流できる多数の通路（９、９ａ、９ｂ）を有
    し排気ガスの流れ方向において還元剤の供給口の下流に配置された少なくとも１
    つの混合器（２）と、この少なくとも１つの混合器（２）に後置された少なくと
    も１つの触媒コンバータ（７）とを備えた内燃機関の窒素酸化物（ＮＯｘ）を含
    む排気ガスの触媒還元装置において、混合器（２）と触媒コンバータ（７）との
    間に少なくとも１つのディフューザ（６）が設けられ、このディフューザ（６）
    が、流れ方向に断面積が増大し排気ガスが貫流できる多数の通路（２１）を有し
    ていることを特徴とする内燃機関の窒素酸化物を含む排気ガスの触媒還元装置。
  2. 【請求項２】 ディフューザ（６）の入口（２２）における流れ断面積が、
    少なくとも混合器（２）の出口における流れ断面積に一致していることを特徴と
    する請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 ディフューザ（６）が入口（２２）において、混合器（２）
    のセル密度に一致したセル密度を有していることを特徴とする請求項２記載の装
    置。
  4. 【請求項４】 ディフューザ（６）の入口（２２）における個々の通路（２
    １）の横断面形状が、混合器（２）の出口における個々の通路の横断面形状に一
    致していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の装置。
  5. 【請求項５】 ディフューザ（６）の入口（２２）における個々の通路（２
    １）の少なくとも一部が、混合器（２）の出口における個々の通路の一部と一致
    していることを特徴とする請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】 ディフューザ（６）が、平形板金（１９）と波形板金（２０
    ）を互いに重ね合わせて構成された少なくとも１つのスタック（１８）と外被（
    １７）とによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載
    の装置。
  7. 【請求項７】 ディフューザ（６）の通路（２１）の少なくとも一部が、流
    れ技術的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の装置
    。
  8. 【請求項８】 通路（２１）が通路壁で画成され、その通路壁の少なくとも
    一部に開口（３０、３２、３４）が設けられ、その開口（３０、３２、３４）の
    少なくとも一部に、通路壁に対して傾斜して延びる案内面（２９、３５、３６）
    が付設されていることを特徴とする請求項７記載の装置。
  9. 【請求項９】 平形板金（１９）が少なくとも部分的に網状に形成されてい
    ることを特徴とする請求項７又は８記載の装置。
  10. 【請求項１０】 平形板金（１９）がエクスパンデッドメタルで形成されて
    いることを特徴とする請求項９記載の装置。
  11. 【請求項１１】 ディフューザ（６）が混合器（２）のほぼ直ぐ後ろに配置
    されていることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の装置。
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