JP2010025112A - 排気システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃焼機関の排気システムの効率を向上させる。
【解決手段】少なくとも１つの排気ダクト特に排気パイプ（１）を有するとともに、この排気ダクト（１）の下流側に、酸化触媒、ＳＣＲ触媒またはディーゼルパティキュレートフィルタを有する燃焼機関用の排気システムにおいて、下流に設けられたガス処理装置の効率を向上させるために、排気ダクト（１）に、該排気ダクト（１）の断面よりも小さな断面を有する少なくとも１つの二次流れダクト特に二次流れパイプを設け、この二次流れダクトが、実際の排気ガス流とは異なる流れとなるように排気ガス流の一部に強制的な案内を与える。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの排気ダクト特に排気パイプと、該排気ダクトの下流に配置される酸化触媒、ＳＣＲ触媒またはディーゼルパティキュレートフィルタなどの排気ガス処理装置と、を備える燃焼機関の排気システムに関する。
燃焼機関が大気中に排出する排気ガスには、種々の汚染物質が含まれている。汚染物質の排出を低減するために、排気ガスを後処理する種々の装置が開発されている。例えば、有害なガス状物質を無害な成分に変換するために触媒が用いられ、また、好ましくない固体粒子の捕集のためにパティキュレートフィルタが用いられる。ディーゼルエンジンの排気系では、例えば、酸化触媒およびその下流に配置されるパティキュレートフィルタを設けることができる。排気ガス流に含まれるすす状粒子（スート）は、パティキュレートフィルタに捕集され、かつここに蓄えられる。所定の量となると、排気ガスの排出が過度に妨げられることがないように、捕集されたスートをパティキュレートフィルタから除去する必要がある。この処理は、再生と呼ばれる。
パティキュレートフィルタの再生は、特には、スートを焼却することによって行われ、再生のためには、パティキュレートフィルタについての最低温度が要求される。しかし、排気ガスの温度は、燃焼機関のすべての作動状態において十分に高いわけではない。従って、排気系にさらにバーナを設け、このバーナによって、パティキュレートフィルタに含まれるすすを焼却できるほどに、排気ガスの温度を上昇させることが知られている。さらに、排気ガスに燃料を噴射し、燃料を噴射されたこの排気ガスが、酸化触媒において発熱反応を起こし、これによって、該排気ガスを加熱することも知られている。しかし、酸化触媒における燃料の発熱反応は、いわゆるライトオフ（着火）温度よりも低温では生じないので、これについての排気ガスの最低温度も要求される。
さらに、いわゆる選択的触媒反応（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅａｔｉｏｎ）として、排気ガス中に含まれる窒素酸化物を窒素と水に分解して低減させるために、窒素酸化物触媒が使用される。従って、これらの触媒は、ＳＣＲ触媒と呼ばれる。これに関し、選択的触媒反応を実現するために、排気ガス中に還元剤を噴射することが必要である。この目的のために、特に水／尿素混合物が使用され、この混合物中の尿素は、排気ガス中でアンモニアに分解し、このアンモニアは、酸化窒素と反応する。
本発明の根本の課題は、排気ガスの浄化効果に関して、冒頭に挙げた型式の排気システムを向上させることである。特には、排気装置の効率を向上させることである。
この課題は、冒頭に挙げた型式の排気システムを用いて解決することができる。すなわち、排気ダクト内に、該排気ダクトの断面よりも小さな断面を有する少なくとも１つの二次流れダクト特に二次流れパイプを設け、この二次流れダクトが、実際の排気ガス流とは別の流れとなるように排気ガス流の一部に強制的な案内を与える。
本発明は、排気ダクト中の排気ガスが、排気ダクトの断面に亘って異なる特性を有するという認識に基づいている。排気ガスは、特に排気ダクトの周縁領域よりも中央領域においてずっと高温になっている。強制的な案内を与えることによって、高温の排気ガスを中央から外周側へ移動させることを実現することができる。これは、例えば、燃料噴射点または還元剤噴射点などの投入点が、排気ダクトに設けられている場合に有利である。従って、少なくとも１つの二次流れダクトが上記投入点まで案内されていることが好ましく、その場合に、その二次流れ流路内への投入がなされる。これにより、燃料または還元剤が、排気ガスのうちの二次流れに投入されるが、このときの二次流れの温度は、周縁部の排気ガス流よりもずっと高温である。二次流れダクトがない場合には、この周縁部が投入点の領域となる。この二次流れにおける温度上昇は、また、還元剤の投入について利点がある。
この強制的案内のさらなる利点としては、この一部のガス流を、さらに、排気ダクトの外周側の周縁領域から内周側に向かって案内できるということである。このことは、例えば、後続の装置、例えば排気ガス流を混合して均一な温度分布にする下流の装置、に送る流れを中央寄りにするために重要である。
少なくとも１つの二次流れダクトを通した強制案内のさらなる利点としては、この流れの案内は、燃焼機関の作動状態（特には、その燃焼機関の負荷レベル）に依存しないということである。
本発明の好ましい実施例によると、複数の二次流れダクトを備えている。これにより、強制的案内の効果を増幅させることができる。これに関して、複数の二次流れダクトを、用途に応じて排気ダクトの直径に亘って均等に或いは不均等に分布させることができる。
本発明のさらなる実施例によると、排気ガス流方向に１つまたは複数の枝分かれを有する１つまたは複数の二次流れダクトが形成され得る。この枝分かれによって、排気ガス流をさらに分岐させることができる。これによって、一方では、排気ガス流を均一化することができ、他方では、後続の装置例えば下流の混合器に対して、排気ガス流をさらに直接的に整列させることができる。
さらには、１つまたは複数の二次流れダクトに、特には燃料または還元剤などの添加剤の投入点よりも上流に、旋回手段を配置することができる。この旋回器によって排気ガスが混合され、これにより、添加剤の効果が高められる。
さらには、尿素などの液体添加物の蒸発器要素が、１つまたは複数の二次流れダクト内に、特にはそのような添加物の投入点よりも下流に配置されている場合、特定の用途に対してさらに有利となる。こうして、排気ガス流中の添加剤をさらに細かく分散させることができる。
この強制的な案内は、少なくとも１つの二次流れダクトの出口端部を、主排気ガス流の方向に対して傾けることによって、さらに変化させることができる。特には、下流の装置に対して良好に流れるようにすることができる。
渦プレートや旋回装置などの乱流発生装置を、少なくとも１つの二次流れダクトの出口端部に設けることにより、この混合をさらに発達させることができる。こうして、排気ガス流の混合をさらに高めることができ、添加剤の効果をさらに高めることができる。これにより、排気ガス温度をさらに均等に近づけることができる。
本発明の排気システムの一部を示す長手方向の断面図。 図１の内部の斜視図。 本発明の排気システムの実施例の一部を示す長手方向の断面図。 図３の内部の斜視図。
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、排気ガス流入側２および排気ガス流出側３を有する排気システムの排気パイプ１の一部を示す。図１に示す本発明の排気システムの部分は、該排気システムにおける所望のあらゆる位置に設けることができるが、好ましくは、酸化触媒、ＳＣＲ触媒またはディーゼルパティキュレートフィルタなどの排気ガス処理装置の上流に配置される。
図１に示す排気パイプ部１の内側に、４つの二次流れパイプ４が配置されており、これらの二次流れパイプ４の排気ガス入口開口５は、排気パイプ１の断面の中央領域に配置される。図１に見られるように、二次流れパイプ４は、二次流れパイプ４の入口開口５から径方向外側に向かって曲げられており、各々の壁６が、排気パイプ１の内壁７と、接触領域８において接触するように構成されている。さらに、この二次流れパイプ４は、接触領域８から、排気パイプ１の断面の中央領域まで戻るように曲げられており、この中央領域において、二次流れパイプ４の出口開口９を有する。
燃料または還元剤（尿素など）の噴射点などの添加剤投入点が、二次流れパイプ４の排気パイプ１との接触領域８に設けられる。この噴射の様子は、星形の実線１０によって示されている。
特に図２から理解されるように、二次流れパイプ４の出口端部９に、枝分かれパイプ１１が挿入されている。この枝分かれパイプ１１は、この実施例においては、１つの入口開口１２と２つの出口開口１３を有するＹ字形パイプの形態に形成されている。図１に示すように、Ｙ字形パイプ１１における２つの部分パイプ１４は、その入口開口１２から出口開口１３まで、壁１５によって分断することができる。
混合器１６が、排気パイプ１内において、排気ガス流から離れた二次流れパイプ４の側に配置されている。上記の混合器は、ジェットエンジンなどに使用されるジェットノズル混合器の様式に構成されており、これは、欧州特許第１４５１４６１（Ｂ１）号明細書に記載されている。排気パイプ１内の排気ガス流は、混合器１６によって排気パイプ１の断面に亘って混合され、その結果、特に排気ガス流の中央領域と周縁領域との間で、異なる温度が相殺される。これに関し、図２に見られるように、二次流れパイプ４における枝分かれパイプ１１の出口開口１３は、該出口開口１３が理想的に混合器１６の混合面１７上に向かって入射するように配置されている。これにより、排気ガス流の特に良好な混合が実現される。
冒頭に説明したように、矢印Ｉに従って排気パイプ１内を流れている排気ガス流の一部が、二次流れパイプ４によって強制的に案内される。この一部のガス流は、まず投入点８まで案内され、この投入点８において、二次ガス流に添加剤が投入される。この一部の排気ガス流は、これらの投入点８から排気パイプ１の中央領域まで戻るように案内され、下流の混合器１６に対して理想的に整列させられる。これに関し、この整列は、上記のように、枝分かれパイプ１１によって助長される。こうして、均質でかつ添加剤がよく分散された排気ガス流が、排気ガス流の下流側に配置された混合器の側に現れる。次に、この排気ガス流は、特には、酸化触媒、ＳＣＲ触媒またはディーゼルパティキュレートフィルタに供給される。この下流の排気ガス処理における高い効果は、排気ガス流と添加剤との良好な混合によるものである。
図３および図４に示す実施例は、二次流れパイプ４に関しては、図１の実施例と概ね一致するものである。図３および図４における二次流れパイプ４もまた、排気ガス入口開口５から、まず径方向外側に向かって排気パイプ１との接触領域８まで曲げられ、さらに接触領域８から案内されて径方向内側に向かって排気ガス出口開口９まで戻るように、同様に曲げられている。図１および図２の実施例とは異なり、図３および図４の実施例においては、各々が４つの出口開口１９を有する枝分かれパイプ１８が排気ガス出口開口９に挿入されている。枝分かれパイプ１８の出口開口１９は、排気パイプ１の断面全体に現れる排気ガス流の分散および混合ができるだけ均一となるように、配置されている。枝分かれパイプ１８を通過した排気ガス流のこの分散および混合を行うことによって、この実施例においては、下流の混合器を除くことができる。
第２の実施例における作動は、第１の実施例における作動に対応する。ここでもまた、排気ガス流の一部が、二次流れパイプ４の入口開口５から径方向外側に向かって、添加剤が投入される領域まで強制的に案内され、さらにその領域から径方向内側に戻るように案内され、その中央領域から、排気ガス流は、枝分かれパイプ１８を介して分散される。分散され、かつ添加剤と混合された排気ガス流は、次に、下流の排気ガス処理装置に対して供給することができる。
本発明の排気システムによって、高い効率での改善された排気ガス処理を行うことができる。
１…排気パイプ
４…二次流れパイプ
１１…枝分かれパイプ
１６…混合器
１７…混合面
Ｉ…排気ガス流の向き

Claims (12)

  1. 少なくとも１つの排気ダクト特に排気パイプ（１）を有するとともに、上記排気ダクト（１）の下流に、酸化触媒、ＳＣＲ触媒またはディーゼルパティキュレートフィルタなどの排気ガス処理装置を有する燃焼機関用の排気システムにおいて、
    上記排気ダクト（１）に、上記排気ダクト（１）の断面よりも小さな断面を有する少なくとも１つの二次流れダクト特に二次流れパイプ（４）を設け、この二次流れダクト（４）が、実際の排気ガス流とは別の流れとなるように排気ガス流の一部に強制的な案内を与えることを特徴とする排気システム。
  2. 一部の排気ガス流が、上記排気ダクト（１）の中央領域から径方向外側に向かって案内されるように、上記二次流れダクト（４）が構成かつ配置されることを特徴とする請求項１に記載の排気システム。
  3. 一部の排気ガス流が、上記排気ダクト（１）の中央領域まで径方向内側に向かって案内されるように、上記二次流れダクト（４）が構成かつ配置されることを特徴とする請求項１および２のいずれかに記載の排気システム。
  4. 一部の排気ガス流が、周縁の投入点（８）特に燃料または還元剤の噴射点、あるいはバーナまで案内されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排気システム。
  5. 上記排気ガスを混合する装置（１６）特にいわゆるジェットノズル混合器が、上記二次流れダクト（４）の排気ガス下流側に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の排気システム。
  6. 複数の二次流れダクト（４）が、上記排気ダクト（１）の断面に亘って均等な分布で配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の排気システム。
  7. 複数の二次流れダクト（４）が、上記排気ダクト（１）の断面に亘って不均等な分布で配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の排気システム。
  8. １つまたは複数の二次流れダクト（４）が、排気ガス流方向（Ｉ）において、１つまたは複数の枝分かれを有するように形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の排気システム。
  9. 旋回手段が、１つまたは複数の二次流れダクト（４）に、特には燃料または還元剤などの添加剤の投入点（８）よりも上流に配置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の排気システム。
  10. 尿素などの液体添加剤の蒸発器要素が、１つまたは複数の流れダクト（４）に、特には該添加剤の投入点（８）よりも下流に配置されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の排気システム。
  11. 少なくとも１つの二次流れダクト（４）の出口端部（９）が、主排気ガス流の方向（Ｉ）に向けて傾けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の排気システム。
  12. 渦プレート、旋回装置などの乱流発生装置が、少なくとも１つの二次流れダクト（４）の出口端部（１３，１９）に設けられることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の排気システム。
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