JP2010513773A - 流体注入および排気後処理装置のための混合システム - Google Patents

Abstract

【課題】流体注入および排気後処理装置のための混合システムを提供する。
【解決手段】
乗物排気後処理装置に二次流体を供給するためのシステムは、乗物排気流れの一部を受け入れるために連結された混合チャンバーを利用する。二次流体源が混合チャンバーに連結され、排気後処理装置の上流の中間排気流れ流路内に流体分配素子が配置されている。流体分配素子は、後処理装置の上流面へ向かう流体流れの事前設定パターンを提供する。
【選択図】

Description

本出願は、２００７年９月２７日に提出された米国ユーティリティー出願第１１／８６２，２９３号および２００６年１２月１４日に提出された米国仮出願第６０／８７４，９２１号の利益を請求し、それらは参照によってここに組み込まれる。

この開示は排気後処理装置に関する。特に、開示は、そのような装置による排出物の再生、酸化または還元に関係する。

この節の陳述は、この開示に関する背景情報を提供するにすぎず、先行技術を構成しなくてもない。

オンハイウェイディーゼルエンジン用の後処理システムは一般に、今度のモデル年には、ディーゼルパーティキュレートフィルター（ＤＰＦ）、ＮＯｘ吸着器（ＬＮＴ）および選択触媒還元（ＳＣＲ）システムを有するであろう。再生的酸化または還元流体（二次流体）が、これらの装置のおのおのに使用されている基板の適切な機能および／またはメンテナンスのために必要とされる。多くの適用において、ＤＰＦは、フィルター中に閉じ込められたすすの周期的再生または酸化のために、炭化水素（ＨＣ）たとえばディーゼル燃料の注入を必要とする。ＳＣＲシステムは、窒素排出物の酸化物の還元用の触媒の上流への還元剤（一般的に尿素）の注入を頼る。ＬＮＴは、超過ディーゼル燃料を排気ストリーム中に注入することにより一般に提供される、炭化水素または一酸化炭素の豊富な排気ガスを使用する周期的再生を必要とする。現在、これらの炭化水素燃料と尿素の注入のための共通慣行は、後処理装置の上流の排気パイプにそれらを注入することである。この注入は、注入流体の適切な混合、蒸発および／または加水分解を確実にするために、装置の上流に十分に遠くに離れた位置で、一般的に１０以上のパイプ直径の直線距離上流で行なわれなければならない。

従来方法の欠点は、ＳＣＲ、ＬＮＴおよび／またはＤＰＦシステムが制限空間中にパッケージにされなければならないか、共通ハウジング内で互いに連結されなければならないかのいずれかのときに生じる。注入流体の適切な混合、蒸発および／または加水分解に対して利用可能な排気パイプ長さの不十分さがあり得、または十分な排気パイプ長さの使用が後処理システムに対して受け入れがたい全体の戻り圧力をもたらす。パッケージ制約のため、注入、混合、蒸発および／または加水分解のために必要とされる排気パイプ経路中に配置される後処理コンポーネットもまたあり得、それは後処理装置の適切な機能と干渉するであろう。

したがって、好適な長さの排気パイプが入手可能でない場合に、注入二次流体の適切な混合、蒸発および／または加水分解を容易にする装置がこの分野に必要であると考えられる。

この教示は、乗物排気後処理装置に必要とされる二次流体の注入、混合、蒸発および／または加水分解を容易にするために必要な補助配管、代替パイプ経路選定および補助装置に向けられている。そのような二次流体は、たとえば、限定しないが、再生流体または酸化流体または還元流体である。

本発明のひとつの観点では、後処理装置に沿ったパイプが排気流れに平行に走っている。このパイプは、二次流体を必要とする装置基板の上流で、側面から後処理装置に入る。注入の前および最中、このパイプは圧縮空気が与えられて、それが排気流れに入る地点での圧力よりも高い圧力を達成し、二次流体の適切な混合、蒸発および／または加水分解に十分な流速を達成する。混合パイプが排気流れに入る地点において、バルブがパイプ中のこの正圧を維持する。このパイプ内に二次流体が注入され、バルブが必要に応じて開かれる。

この教示の第二の観点では、エンジンと後処理装置との間の主排気パイプに平行な一本以上のパイプが、タービン入口の上流で排気マニホールドまたはターボチャージャーを離れた位置から、注入二次流体を必要とするコンポーネントのわずかに上流で後処理システムの一点に走っている。

本教示の第三の観点では、排気後処理装置は、排気／二次流体のための混合チャンバーを備える装置基板を通って延びている中央チャンネルまたは流路が設けられている。

適用可能性のさらなる領域は、ここに提供される説明から明白になるであろう。説明および特定の実例は、例示の目的だけのために意図されたものであって、この開示の要旨を限定するために意図されたものではないと理解すべきである。

ここに説明される図面は、例示目的だけのためのものであり、どのような点においてもこの開示の要旨を限定するために意図されたものではない。

この教示の目的と特徴は、図面と関連して得られる詳細な説明の解釈から明白になるであろう。
図１は、本教示にしたがって用意された平行経路二次流体混合システムを有する、単一のハウジング内にさまざまな後処理装置を有する排気後処理システムの断面図である。 図２は、本開示の原理にしたがって用意された排気後処理システムの第一の代替実施形態の側面の部分断面図である。 図３は、本開示の原理にしたがって用意された排気後処理システムの第二の代替実施形態の部分断面図である； 図４Ａは、それぞれ、本開示の原理にしたがって用意された再生流体分配素子を描いている図３の後処理装置の透視側断面図である。 図４Ｂは、それぞれ、本開示の原理にしたがって用意された再生流体分配素子を描いている図３の後処理装置の透視端断面図である。 図５は、本開示の原理にしたがって用意された排気後処理システムの第三の実施形態の断面図である。 図６は、本開示の原理にしたがって用意された、その外シェルが除去された密閉混合チャンバーを備えた代替排気後処理装置の斜視図である。

続く説明は、現実の具体例としてのものにすぎず、この開示、出願または使用を限定するように意図されてはいない。

図１に関連して、排気後処理システム１００は、いくつかの素子を有する多目的排気後処理装置を有している。装置へのインプット排気が矢印１３０に示され、また、装置からのアウトプット排気が矢印１３２で示されている。多目的後処理装置は、第一のディーゼル酸化触媒またはＮＯｘ吸着器基板１０２ａと、選択触媒還元基板１０４と、第二のディーゼル酸化触媒またはＮＯｘ吸着器基板１０２ｂと、ディーゼルパーティキュレートフィルター基板１０６と、第三のディーゼル酸化触媒またはＮＯｘ吸着器基板１０２ｃとを備えている。これらの基板の各々は、下で論じられる二次流体分配素子を受け入れる目的のために基板間ギャップによって分離されている。

尿素混合チューブ１０６は、排気後処理装置に並んで排気流れに実質的に平行に走っていて、流路１０６のチャンバー１１６内での混合のためのインプット１０８において尿素および圧縮空気の組み合わせを受け取る。バルブ１２０ａは圧縮空気／尿素混合を、基板１０２ａと１０４の間に配置された、流路１０６から基板１０４のインプット面に来る二次流体を方向付けるための複数の放射状志向穴または開口部１２３を持っている第一の再生流体分配素子１２２ａに導入する。

炭化水素混合チューブ１１０もまた排気流れに実質的に平行に延びていて、流路１１０のチャンバー１１８中での混合のためのインプット１１２においてディーゼル燃料などの炭化水素と圧縮空気との混合物を受け取る。オプションで、グロープラグまたは他の補助過熱コンポーネント１１４が混合チャンバー１１８へ延びていてもよい。バルブ１２０ｂは、分配素子１２２ｂ中への排気と二次流体の混合物を計量するために使用される。流路１０６と１１０は、二次流体を必要とする特定の基板の上流で、側面から後処理装置に入る。注入の前および最中、これらのパイプは圧縮空気が付加的に与えられて、流体／排気混合物が装置を通って排気流れに入る地点での圧力よりも高い圧力を、二次流体の適切な混合、蒸発および／または加水分解に十分な流れで達成する。二次流体が排気流れを入る地点において、バルブがパイプ中のこの正圧を維持する。二次流体が注入され、バルブが必要に応じて開かれる。

これらの平行パイプは、空気と注入二次流体の混合物を排気後処理装置基板間チャンバー内にその基板のわずかに上流で、処理される基板の面全体に、必要とされる流れパターンを提供するように調整された一連の開口部に放出する。

二次流体の蒸発を援助する加熱装置、ＬＮＴおよび／またはＤＰＦの再生を支援するバーナー、および／または層流または乱流特性を作り出すまたは排気ガスと二次流体の混合を援助する装置を含め、他の補助装置がまたこの平行配管システムに組み込まれてもよい。あるいは、１０６と１１０などの流路は、後処理装置からの熱伝達が起こり、これにより空気／二次流体混合物の過熱を援助するような方法で、後処理装置ハウジングのシェルに物理的に取り付けられてもよい。

図２の実施形態では、排気後処理システム２００は、二次流体が注入される平行排気流れストリームを確立するための補助の配管を利用する。ディーゼルエンジン２０２は、ターボチャージャー２０６内に中身を移す排気マニホールド２０４を有している。そして排気は、排気パイプ２０８を介して後処理装置２２０の排気インプット２２２に運ばれる。流路２０８を通る排気の流れに実質的に平行に、排気を直接同様に排気マニホールド２０４から、またはオプションでターボチャージャー２０６から、後処理装置２２０の第二のインプット２２４に運ぶための流路２１０がある。注入器２１２は、インプット２２４において装置２２０への導入のための流路２１０を通って流れる排気ストリーム中に必要とされる二次流体を注入する。そして、この混合物は、後処理装置２２０の基板２２６を通って流れ、テイルパイプまたはさらなる排気パイプ２３０による受け入れのためにそのアウトプット２２８において出る。したがって、流路２１０は、排気マニホールド２０４上のある位置から、またはタービン入口の上流でターボチャージャー２０６から、注入二次流体を必要とする基板コンポーネントのわずかに上流の後処理システムのある点まで走っている。流路２１０は基板２２６のわずかに上流の圧力よりもはるかに高い圧力を有する位置から始まるので、流路２１０を通り注入器２１２を通過し流路２１０の混合距離を通る排気の流れが確実になるであろう。

図３に説明されるような別の可能な形態では、一本または複数本のパイプが排気ガスを、後処理基板を通る流れに平行な経路で運び、それを迂回し、二次流体の注入と適切な混合、蒸発および／または加水分解に十分な直径対長さ比を可能にする。排気後処理システム３００は、排気パイプ３０４とテイルパイプ３３２の間に位置する後処理装置３０６を有している。排気流れは矢印３０２によって示される。

排気は入口３０８において装置３０６に入りインプットチャンバー３１０に達する。チャンバー３１０から排気は、基板３２６を通って、また矢印３２２によって示されるように実質的平行流路３１２を通って二次流体を排気流れ中に注入するための注入器３１６を通過して流れる。この混合物は次に、装置３０６のチャンバー３１１内に流れ込み、そこで、基板３２８を通って、また、第二の平行パイプ３１４を通って戻って第二の注入器３１８を通過して流れる。混合物は、矢印３２４に示されるように、基板３２６の処理のためのチャンバー３１０に戻って流れる。この形態は必ずしもガスを高圧の領域から下圧の領域へ運ばなくてもよいので、補助ポンプ装置３２０は二次流体の適切な流れと適切な混合、蒸発および／または加水分解を容易にするためにシステム３００の一部に作ることができる。

図４Ａと４Ｂに関連して、図２と３の実施形態は共に、排気ガスと注入二次流体の混合物を、チャンバー外板に隣接するドーナツ形状または螺旋状リング４０２の一連の開口部を通して、処理される後処理基板コンポーネントのわずかに上流でチャンバー内に放出するであろう。注入が周期的（たとえばＬＮＴまたはＤＰＦ再生）にだけを必要とされる場合、一本または複数本の平行パイプを通る排気流れを開始および停止するために、ひとつ以上のバルブがシステム中に配置されてもよい。

これらの教示の原理にしたがって用意された排気後処理システムの第三の実施形態が図５に説明される。排気後処理システム５００は、後処理装置５１０のインプット５１８に入る排気ストリーム中に二次流体を注入するための注入器５０４を有するインプット排気パイプ５０２を有している。この実施形態では、混合チャンバーが、基板５１２を通って延びる混合流路５０８の受け入れのためのチャンネルを形成することによって、後処理装置５１０の内部に包含されている。図５に示された特定の装置では、装置５１０の排気出口５２０は排気入口と同じ端に配置されている。ターンアラウンドチャンバー５１６は、排気ガスと二次流体の混合を行ない、それを逆方向に反転させて、基板開口部を通って、それ自体そこからアウトプット５２０からの排除のためのアウトプットチャンバー５１４へ流れるようにする。

図５に示された後処理装置５１０の代案が図６に説明される。図６の装置では、チャンバーから後処理装置基板の前面に走る二本のパイプが後処理装置基板を通ってその後面へ通っている。これらのパイプのひとつは排気ガスを、触媒基板を通ってその後面（そこでは流れが反転して基板自体を通って戻って通過するであろう）へ運ぶ。第二のパイプはガスを、基板の前面から現れて方向を再び後方に反転した後、基板の内部チャンネルを通って戻って、第二の下流基板の前のチャンバーへ運ぶであろう。実例は、ＤＰＦに後続するＳＣＲシステムであるだろう。そこでは、各後処理装置の前に二次流体が注入され混合されなければならない。後処理コンポーネントを通る流れに平行な経路に排気ガスを運び、それを迂回し、注入のために十分な直径対長さ比と適切な混合、蒸発および／または加水分解を可能とすることによって、図６の装置は、そうでなければ実行不可能かもしれない状況下で二次流体の適切な導入を可能にする。再び、二次流体の注入が周期的にだけ必要とされる場合、排気流れから注入器を遮断するために、ひとつ以上のバルブがシステム中に配置されてもよい。

図６の装置６００は、排気パイプ６０２からの排気ガス流れを受け入れ、その流れは矢印６０４ａによって描かれている。排気インプット流路６０６は、第一のパーティション６０８によってその片側に規定されたインプット容積内に注入器６１０によって注入された二次流体と排気ガスのための第一の混合チャンバーを形成する。排気／二次流体混合物は次に、矢印６０４ｂによって示されるように流路６０６を下って第二のパーティション６１８によって規定された基板６１６の下流面にあるターンアラウンドチャンバーへ進む。排気／二次流体混合物は次に矢印６０４ｃ経由で基板６１６それ自体の構造を通って、図６に示されるようにパーティション６１８の左に配置されたさらなる後処理装置による下流での使用のために基板６１６を通って戻って第二の内部流路６１４を通って運ぶための排気ストリーム内にさらなる二次流体を第二の注入器６１２が注入する、基板６１６とパーティション６０８との間に規定された第二の注入領域へ戻って進む。排気／二次流体のこのアウトプット流れは矢印６０４ｄによって示される。

開示の原理にしたがって用意されたシステムは、処理システムのための覆いが小さく、後処理装置の組み合わせが共通ハウジングシェル内で互いに連結されるに違いないパッケージ利点をここに提供する。開示にしたがうシステムは同様に、二次流体の適切な混合、蒸発および／または加水分解を支持するには主排気パイプの長さが不十分である状況において構成の容易さを提供する。付加的に、そのようなシステムは、混合流路が、より良い直径対長さ比および／または主排気パイプよりもより直線的な経路で作ることができる場合に、より有効な混合および混合の均一性を提供する。さらに、処理される後処理コンポーネントの上流の領域内への二次流体濃厚ガスのための調整可能流入経路が提供される。最後に、本開示のシステムは、（より良い流れ均一性とより低いシステム戻り圧力のために）より大径の触媒基板の使用を可能にし、それは、多くの場合、互いに接近した基板の配置を必要とし、これにより、そうでなければ注入に好適であろう基板間のパイプ、エンドコーン、その他の長さを除去し、また、使用される二次流体との排気ストリームの適切な混合を必要とする。

発明は、例示のためだけに説明された実施形態と関連して説明された。発明は、適切に解釈された特許請求の範囲に関連して説明されるべきものである。

Claims (12)

1. 二次流体を乗物後処理装置に供給するためのシステムであって、
   混合チャンバー入口において排気流れの一部の受け入れのために連結された混合チャンバーと、
   前記混合チャンバーと流体連絡した二次流体源と、
   前記排気後処理装置の上流の主排気流れ流路内に配置され、前記混合チャンバーのアウトプットに連結された流体分配素子とを備え、前記流体分配素子が、前記後処理装置の上流面に向かう流体流れの事前設定パターンを提供するために働くシステム。
2. 前記混合チャンバーが前記主排気流れ流路から分離されている請求項１のシステム。
3. 前記混合チャンバーが、前記主排気流れ流路に実質的に平行に延びている流路を備えている請求項２のシステム。
4. 前記二次流体源から受け取られた二次流体を前記混合チャンバー内へ、圧力下で、注入するための二次流体注入器をさらに備えている請求項１のシステム。
5. 前記混合チャンバーの前記アウトプットに配置された、前記混合チャンバーと前記流体分配素子との間の流体連絡を選択的に許可および禁止するために働くバルブをさらに備えている請求項１のシステム。
6. 前記排気後処理装置がパーティキュレートフィルターを備えており、前記二次流体がフィルター再生流体を備えている請求項１のシステム。
7. 前記排気後処理装置が選択触媒還元触媒コンバーターを備えており、前記二次流体が還元剤を備えている請求項１のシステム。
8. 前記排気後処理装置が亜酸化窒素吸着器を備えており、前記二次流体がコンバーター基板再生流体を備えている請求項１のシステム。
9. 前記混合チャンバーが前記後処理装置のハウジング内に配置されている請求項１のシステム。
10. 前記混合チャンバーインプットが前記乗物の排気マニホールドに連結されている請求項３のシステム。
11. 前記流体分配素子は、前記事前設定パターンを提供するように、前記後処理装置の前記上流面に対して配置された一連の開口部を有している穴開き流路を備えている請求項１のシステム。
12. 前記穴開き流路がドーナツ形状である請求項１１のシステム。

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