JP2006242190A - 自動車からの排気煙を処理するための噴射装置 - Google Patents

自動車からの排気煙を処理するための噴射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】
【解決手段】 触媒コンバータにて排気煙の成分と反応する成分を含有する液体の分散体を断続的な制御された脈動期間、燃焼機関の排気煙中に噴射する噴射装置において、
保持するハウジングと、
第一のチャンバと、
液体を第一のチャンバ内に供給する手段と、
液体を第一のチャンバから圧力渦巻型霧化器内に圧送し、該渦巻型霧化器にて液体が分散されるようにする圧送手段とを備え、上記渦巻型霧化器は、分散体を排気マニホルド内に導く出口ノズルを備え、排気煙は、触媒コンバータにて変換される前に、該排気マニホルドを通じて導かれるようになっており、液体が渦巻型霧化器内に噴霧される脈動期間が約１ないし約１０００ミリ秒となるように制御されるべく圧送手段を制御する手段を更に備える上記噴射装置、また、液体の分散体を燃焼機関の排気煙中に噴射する方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、活性な成分の分散体を排気煙、特に、燃焼機関、特に、ディーゼルエンジンからの排気煙中に噴射して排気煙から望ましくない成分、特に、窒素酸化物の濃度を触媒により減少させる噴射装置に関する。
燃焼機関、特に、例えば、トラック、乗用車のような自動車及びオートバイにてディーゼル燃焼機関から窒素酸化物の排出分を顕著に減少させることが益々要求されている。排気煙中の窒素酸化物の量は、選択還元触媒（ＳＣＲ）により減少させることができ、この場合、排気煙は水溶性尿素溶液と共に触媒コンバータ上に導かれる。コンバータにて、窒素酸化物が尿素溶液と反応して低毒性の化合物とすることは、触媒を介して行われる。最も効率的な変換を実現するため、水溶性尿素溶液を排気煙中に微細に分散させることが必要となる。効率的な変換に必要とされる尿素溶液の量は、車の運転状況に依存する。このため、尿素溶液は、断続的に且つ僅かな添加量にて排気煙中に噴射され、このためには、正確に且つ均質に添加し且つ、再現可能に脈動させることが必要である。
窒素酸化物の濃度を減少させるためＳＣＲを使用する一般的な排気処理システムにおいて、必要な量の水溶性尿素溶液は、貯蔵タンクから圧送され且つ、特定の圧力にて噴射弁により排気煙中に導入される。窒素酸化物の効率的な変換が実現されるようにするため、水溶性尿素溶液は、該溶液が排気煙と交わるとき、微細に分散させなければならない。従来技術の噴射弁において、尿素溶液中に圧縮空気を導入することにより、水溶性尿素溶液の分散が実現される微細な分散体を形成することができる。圧縮した空気を使用することは、コストがかかり、更に、追加的な構成要素及び噴射弁の特定の形態を使用することを必要とする。
その他の装置は、分散体を発生させるため、オリフィス板又は金属隔膜を使用することにより、圧縮した空気を使用することを避ける。こられの装置において、尿素溶液は、オリフィス板又は隔膜を通して高圧にて供給され、分散体が形成される。
この解決策には幾つかの不利益な点が関係する。オリフィス板又は金属隔膜を使用して、微細な分散体を発生させるためには、比較的高い圧力を付与する必要がある。その結果、噴射弁を製造する材料は、これらの圧力に耐えなければならない。このため、プラスチック又はゴムで出来た構成要素のような経済的な材料を使用することができない。これに反して、噴射弁又はその構成要素を製造するため、例えば、スチールのような高価な材料が必要となるであろう。更に、オリフィス板又は隔膜を使用することは、必要とされる圧力を実現することができるように噴射弁が比較的大きい内部容積を有する必要がある。このことは、同様に、装置の製造コストを増すことになる。更に、ＳＣＲを使用して排気煙中の窒素酸化物を触媒により変換するため使用される標準的な尿素溶液は６５％までの水を含む。高含水量のため、尿素溶液は低温度にて凍結する。溶液の凍結は効率に大きく影響し、噴射装置の構成要素を損傷させることさえもある。噴射弁の容積を減少させることは、溶液の早期の凍結を回避する１つの方法である。
本発明の１つの目的は、液体の微細な分散体を燃焼機関、特に、ディーゼル燃焼機関の排気煙中に噴射するに、構造的に簡単で且つ経済的な装置を提供することである。
本発明の別の目的は、液体の微細な分散体を燃焼機関、特に、ディーゼル燃焼機関の排気煙中に噴射するに、分散体を短い脈動期間にて断続的に噴射することを許容する装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、液体の微細な分散体を燃焼機関、特に、ディーゼル燃焼機関の排気煙の流れ中に噴射するに、低圧、すなわち１００ｋＰａ（１バール）以上であるが、１０００ｋＰａ（１０バール）以下、好ましくは、５００ｋＰａ（５バール）以下にて作動し、装置の製造に低廉な材料（プラスチック及びゴムのような）を使用することを許容する装置を提供することである。
本発明の１つの目的はまた、液体の微細な分散体を燃焼機関、特に、ディーゼル燃焼機関の排気煙中に噴射するに、液体が少量にて断続的に噴射されるようにする方法を提供することである。
本発明の１つの目的はまた、液体の微細な分散体を燃焼機関、特に、ディーゼル燃焼機関の排気煙中に噴射する方法を提供するに、装置は、溶液の早期の凍結を回避し得るよう減少した内部容積（すなわち、供給手段から液体を受容し、また、そこから液体が分散チャンバ内に供給されて、該分散チャンバ内で分散されるようにするチャンバの減少した容積）を有するようにすることである。
本発明は、液体の微細な分散体を燃焼機関、特に、ディーゼル燃焼機関からの排気煙中に噴射する装置及び方法を提供する。
従って、第一の実施の形態において、本発明は、液体の微細な分散体を燃焼機関の排気煙中に噴射する装置であって、液体、特に、水溶性尿素溶液を供給する手段と、液体を分散されるようにする圧力渦巻型霧化器内に向けて送る圧送手段と、排気煙が触媒コンバータ上に導かれる前に、それを通って分散体が排気マニホルド内に供給される出口とを備える上記装置を包含するものである。該装置は、液体が圧力渦巻型霧化器内に断続的に且つ再現可能に脈動状態にて供給され、圧力渦巻型霧化器内に供給される液体のドーズ量を正確に計量することができるように圧送手段を制御する手段を更に備えている。圧力渦巻型霧化器は、液体を再度、適正な圧力及び幾何学的形態にて出口の前で軸方向経路を通じて導く前に、液体を接線方向経路を通して導くことにより、分散体が形成されることを可能とする。
本発明に従った圧力渦巻型霧化器は、液体専用システムである、すなわち、分散体は、例えば、圧縮空気のような第二の流体媒体を追加せずに形成される。かかる液体専用圧力渦巻型霧化器は、既知であるが、恒久的又は比較的長い脈動期間の応用にのみ使用されてきた。適切な液体専用圧力渦巻型霧化器の一例は図２に示されている。
短い脈動期間、正確なドーズ量及び比較的低い作動圧力が必要とされるであろう適用例に圧力渦巻型霧化器を使用することが可能であることが驚くべきことに判った。
圧力渦巻型霧化器及び出口ノズルを除いて、例えば、圧送手段、制御手段、ハウジング、作動手段及びそれらの適宜な形態物をもつ、噴射装置の適宜な構成要素の例は、米国特許明細書ＵＳ２００４／０１０３６４１ Ａ１号に開示されており、それらはまた、本発明に従った装置にて使用することができる。米国特許明細書ＵＳ２００４／０１０３６４１ Ａ１号の内容は、参照することにより、本明細書に含められる。
噴射すべき液体は、燃焼機関の排気煙中の有害な成分に対する触媒変換を実現するため必要であろう任意の水溶性ニュートン液体とすることができる。このように、本発明は、ＳＣＲによる窒素酸化物の還元用ではなくて、気体流中に分散体を添加することを必要とする他の触媒変換システム用の装置とすることも考えられる。
本発明に従った１つの好ましい液体は、水溶性尿素溶液である。
排気煙の有毒成分は、任意の有毒成分でよいが、好ましくは、窒素酸化物、好ましくは、一酸化窒素酸化物と二酸化窒素酸化物との混合体である。排気煙の処理は、窒素酸化物の濃度を減少させるステップを備えることが好ましい。触媒コンバータは、当該技術にて既知の触媒還元コンバータである。本発明は、また、排気煙中の望ましくない成分、好ましくは、有毒な成分を還元するため液体が断続的に添加されるその他の触媒コンバータとすることも考えられる。
排気煙中への分散した液体の噴射は、断続的な期間にて行われる。典型的な期間は、１ないし１０００ミリ秒、好ましくは、１０ないし１００ミリ秒である。
圧力渦巻型霧化器内に噴射される液体の量は、典型的に、約０．１ないし約１０ミリｇ／ミリ秒、好ましくは、約０．１ないし約２ミリｇ／ミリ秒、より好ましくは、約０．５ないし約１．５ミリｇ／ミリ秒である。
排気煙中への分散した液体の量は、典型的に、約０．１ないし約１０ミリｇ／ミリ秒、好ましくは、約０．１ないし約２ミリｇ／ミリ秒、より好ましくは、約０．５ないし約１．５ミリｇ／ミリ秒である。
作動圧力、すなわち、液体が圧力渦巻型霧化器内に供給されるときの圧力は、典型的に、１００ｋＰａ（１バール）以上ないし約２０００ｋＰａ（２０バール）、好ましくは、約２００ｋＰａ（２バール）ないし約６００ｋＰａ（６バール）以下、好ましくは、約５００ｋＰａ（５バール）以下である。
液体を分散手段、すなわち圧力渦巻型霧化器内に噴射し又はその液体の微細な分散体を得るため、必要な圧力程度を減少させることにより、例えば、ゴム、プラスチック、ゴム管、プラスチック管のような、噴射装置をコスト効果的に製造することを可能とする材料を使用することができる。また、より小さい寸法の圧送手段及びこれらの圧力手段を備えるチャンバを製造することも可能である。このように、装置又はその構成要素の１つ又はより多くをより低廉な材料にて形成し、また、構成要素又は装置の全体さえも寸法又は容積の点にて減少させることができる。好ましくは、本発明による装置の次の構成要素、すなわち、圧送手段、圧送手段の少なくとも１つの構成要素、圧力渦巻型霧化器、圧力渦巻型霧化器の少なくとも１つの構成要素、液体供給手段、液体供給手段の少なくとも１つの構成要素、管、密封手段、ハウジングの少なくとも１つは、プラスチックにて出来ている。
本発明は、また、自動車における燃焼機関からの排気煙中の窒素酸化物の濃度を減少させる方法であり、
（ｉ）少なくとも別の反応性成分の存在下にて窒素酸化物を窒素酸化物よりも人間に対して低毒性の成分に変換する選択触媒還元コンバータ上に排気煙を導くステップであって、他の反応性成分が該反応性成分を含有する溶液の分散体として添加されるようにしたステップと、
（ｉｉ）制御された量にて且つ制御された脈動期間、反応性成分を含む溶液を圧力渦巻型霧化器内に圧送することにより分散体を形成するステップと、
（ｉｉｉ）分散体が触媒コンバータと接触する前に、分散体を排気煙の流れ中に導くステップとを備える、上記窒素酸化物の濃度を減少させる方法にも関する。
装置に関して記載した事柄は、本発明の過程のステップに、特に、脈動期間、作動圧力及び噴射し又は分散される液体の量にも当て嵌まる。
図１には、排ガスを処理するため分散体を排気煙の流れ中に噴射する装置の１つの実施の形態における一部が示されている。分散体（この場合、水溶性尿素溶液の分散体）は、弁噴霧ノズル１を介して排気マニホルド（図示せず）内に噴射される。分散体は、弁座２内にてアダプタ板２３に着座する圧力渦巻型霧化器２５内にて発生される。マニホルド（図示せず）は、水溶性尿素分散体の存在下にて窒素酸化物を選択触媒還元する触媒コンバータを保持している。
液体（この場合、水溶性尿素溶液）は、ハウジング７に接続された供給手段６を介して第一のチャンバ４内に供給される。この図面には、１つの供給手段のみが示されているが、幾つかの供給手段を使用することも意図している。液体は、既に混合体として第一のチャンバ内に導入することができるが、本発明は、幾つかの液体をチャンバ内に導入し、該チャンバ内にて混合が生じるようにすることも意図している。第一のチャンバ内には、圧送手段として機能するピストン５がある。該ピストンは、閉じた位置にてアダプタ板２３に対して押し付けられる。アダプタ板は、図３に示されており、また、液体を圧力渦巻型霧化器２５内に最適に移送する。アダプタ板の使用は、選択可能であり、これに代えて、最適な液体の移送が生じるよう圧力渦巻型霧化器の形態としてもよい。
ピストンの位置（すなわち、開いた位置又は閉じた位置）は、例えば、ばねを介してピストンに作用可能な１つ又はより多数の制御装置（図示せず）により制御される。再現可能で且つ正確な脈動、すなわちピストンが圧力渦巻型霧化器から後退し且つ該霧化器に向けて動くときの周期及び速度（圧力渦巻型霧化器内にて液体を噴射し且つ、分散体を排気煙内にそれぞれ噴射することになる）を可能とする任意の既知の制御装置（例えば、圧電要素、磁気要素又は電磁要素、多分、伝動要素と組み合されるもの）を使用することができる。開いた位置において、ピストンは、（例えば、磁気又は電磁吸引力によるような適宜な制御装置により）ばねに対して押すことができる。ピストンをばねに対して押す力が停止したならば（同様に制御装置により）、ピストンは、ばねの張力によりアダプタ板及び圧力渦巻型霧化器に向けてそれぞれ駆動され、供給手段を通して第一のチャンバ内に噴射された液体を圧力渦巻型霧化器内に強制的に送る。
図１に示した装置は、装置から液体が漏洩しないことを保証する各種の密封構成要素を更に備えている。
図２には、圧力渦巻型霧化器の１つの実施の形態が示されている。液体は、供給部分の供給通路を介して霧化器内に導入される。供給流路に対して垂直に流路を導く入口通路部分に液体が達したとき、接線方向エネルギに液体に追加される。渦巻型チャンバ内にて流路は次に、再度、出口部分に達したとき、入口通路の流路に対して垂直に変化する。接線方向エネルギの発生の結果、液体専用システム内にて、すなわち、圧縮空気を追加し又は別の流体媒体が存在せずに分散体が形成されることになる。図２に示した圧力渦巻型霧化器は、特定の実施の形態のみを示すものである。液体専用システムに対し任意の既知の適宜な圧力渦巻型霧化器を使用することができる。これらの圧力渦巻型霧化器は、単一の鋳型から製造された一体的な構造体とし又は幾つかの材料及び構成要素から製造された複合的構造体とすることもできる。図面に示したものと相違する圧力渦巻型霧化器の幾何学的形態も適切であり、例えば、接線方向経路を平坦な通路の湾曲部分にて形成することもできる。図２の霧化器内に示した４つの通路以上の通路を設けることもできる。
図３には、頂部から見た入口通路断面（左側）に隣接する頂部から見たアダプタ板（右側）が示されている。
図４には、図１に示した装置の形状の弁座内にある、図２に示した圧力渦巻型霧化器の実施の形態が示されている。弁座は、液体がアダプタ板を通って圧力渦巻型霧化器内に流れるのを許容する開口を有している。
本発明に従った噴射装置の１つの実施の形態における一部分を示す軸方向断面図である。 適宜な圧力渦巻型霧化器の１つの実施の形態を示す図である。頂部にて、圧力渦巻型霧化器の断面（その側部から見たとき）が示され、左側底部にて、頂部から見たときの供給部分が示され、右側底部にて、頂部から見たときの入口部分が示されている。 図２の圧力渦巻型霧化器の供給部分（左側）及びアダプタ板（右側）を示す図である。 図１に示した装置内に組み込まれた圧力渦巻型霧化器の拡大断面図である。
符号の説明
１ 弁噴霧ノズル
２ 弁座
４ 第一のチャンバ
５ ピストン
６ 供給手段
７ ハウジング
２３ アダプタ板
２５ 圧力渦巻型霧化器

Claims (26)

  1. 触媒コンバータにて排気煙の成分と反応する成分を含有する液体の分散体を断続的な制御された脈動期間、燃焼機関の排気煙中に噴射する噴射装置において、
    ハウジングと、
    第一のチャンバと、
    液体を第一のチャンバ内に供給する手段と、
    液体を第一のチャンバから圧力渦巻型霧化器内に圧送し、該渦巻型霧化器にて液体が分散されるようにする圧送手段とを備え、前記霧化器は、そこから分散体が排気マニホルド内に供給され、排気煙は、触媒コンバータにて変換される前に、該排気マニホルドを通じて導かれるようになっており、
    液体が渦巻型霧化器内に噴霧される脈動期間が約１ないし約１０００ミリ秒となるように制御されるべく圧送手段を制御する手段を更に備える、噴射装置。
  2. 請求項１に記載の装置において、脈動期間は約１０ないし約１００ミリ秒である、装置。
  3. 請求項１に記載の装置において、脈動期間の間、約０．１ないし約５ｍｇ／ミリ秒の液体が分散される、装置。
  4. 請求項１に記載の装置において、脈動期間の間、約０．５ないし約１．５ｍｇ／ミリ秒の液体が分散される、装置。
  5. 請求項１に記載の装置において、液体は、約０．１ないし約１．５ｍｇ／ミリ秒の量にて分散される、装置。
  6. 請求項１に記載の装置において、圧力渦巻型霧化器はアダプタ板を介して第一のチャンバに接続される、装置。
  7. 請求項１に記載の装置において、液体は、約１２０ｋＰａ（１．２バール）ないし約６００ｋＰａ（６バール）の圧力にて圧力渦巻型霧化器内に供給される、装置。
  8. 請求項１に記載の装置において、液体は、約１２０ｋＰａ（１．２バール）ないし約５００ｋＰａ（５バール）の圧力にて圧力渦巻型霧化器内に供給される、装置。
  9. 触媒コンバータにて排気煙の成分と反応する成分を含有する液体の分散体を断続的な制御された脈動期間、燃焼機関の排気煙中に噴射する噴射装置において、
    ハウジングと、
    第一のチャンバと、
    液体を第一のチャンバ内に供給する手段と、
    液体を第一のチャンバから圧力渦巻型霧化器内に圧送し、該渦巻型霧化器にて液体が分散されるようにする圧送手段とを備え、前記渦巻型霧化器は、分散体を排気マニホルド内に導く出口ノズルを備え、排気煙は、触媒コンバータにて変換される前に、該排気マニホルドを通じて導かれるようになっており、
    分散体が排気煙中に噴霧される脈動期間が約１ないし約１０００ミリ秒となるように圧送手段を制御する手段を更に備える、噴射装置。
  10. 請求項９記載の装置において、脈動期間は約１０ないし約１００ミリ秒である、装置。
  11. 請求項９に記載の装置において、脈動期間の間、約０．１ないし約５ｍｇ／ミリ秒の液体が分散される、装置。
  12. 請求項９に記載の装置において、脈動期間の間、約０．５ないし約１．５ｍｇ／ミリ秒の液体が分散される、装置。
  13. 請求項９に記載の装置において、液体は、約０．１ないし約１．５ｍｇ／ミリ秒の量にて分散される、装置。
  14. 請求項９に記載の装置において、圧力渦巻型霧化器はアダプタ板を介して第一のチャンバに接続される、装置。
  15. 請求項９に記載の装置において、液体は、約１２０ｋＰａ（１．２バール）ないし約６００ｋＰａ（６バール）の圧力にて圧力渦巻型霧化器内に供給される、装置。
  16. 請求項９に記載の装置において、液体は、約１２０ｋＰａ（１．２バール）ないし約５００ｋＰａ（５バール）の圧力にて圧力渦巻型霧化器内に供給される、装置。
  17. 液体の微細な分散体を断続的な脈動期間、燃焼機関の排気煙中に噴射する方法において、
    溶液を圧力渦巻型霧化器を通して約１ないし約１０００ミリ秒の制御された脈動期間、圧送するステップを備える。方法。
  18. 請求項１７に記載の方法において、液体は水溶性尿素溶液である、方法。
  19. 請求項１７に記載の方法において、液体は水溶性溶液であり、脈動期間の間、前記溶液が約０．１ないし約５ｍｇ／ミリ秒、圧力渦巻型霧化器を通して圧送される、方法。
  20. 請求項１７に記載の方法において、液体は水溶性溶液であり、脈動期間の間、前記溶液が約０．１ないし約１ｍｇ／ミリ秒、圧力渦巻型霧化器を通して圧送される、方法。
  21. 自動車における内燃機関の排気煙中に含まれる窒素酸化物の濃度を減少させる方法において、
    （ｉ）少なくとも別の反応性成分の存在下にて窒素酸化物を窒素酸化物よりも人間に対して低毒性の成分に変換する選択還元触媒コンバータ上に排気煙を導くステップであって、他の反応性成分が該反応性成分を包含する溶液の分散体として追加されるようにしたステップと、
    （ｉｉ）制御された量にて且つ制御された脈動期間、反応性成分を含む溶液を圧力渦巻型霧化器内に圧送することにより分散体を形成するステップと、
    （ｉｉｉ）分散体が触媒コンバータと接触する前に、分散体を排気煙の流れ中に導くステップとを備える、窒素酸化物の濃度を減少させる方法。
  22. 請求項２１に記載の方法において、圧力渦巻型霧化器内に圧送される液体の量は、約０．１ないし約５ｍｇ／ミリ秒の脈動期間である、方法。
  23. 請求項２１に記載の方法において、圧力渦巻型霧化器内に圧送される液体の量は、約０．５ないし約１．５ｍｇ／ミリ秒の脈動期間である、方法。
  24. 請求項２１に記載の方法において、脈動期間は約１ないし約１０００ミリ秒である、方法。
  25. 請求項２１に記載の方法において、脈動期間は約１０ないし約１００ミリ秒である、方法。
  26. 請求項２１に記載の方法において、液体は、約１２０ｋＰａ（１．２バール）ないし約６００ｋＰａ（６バール）の作動圧力にて圧力渦巻型霧化器内に圧送される、方法。
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