JP2012530214A - 排気ガス混合室における混合システム - Google Patents

Abstract

本発明は、排気ガス後処理装置の混合システムに関し、前記システムは、排気ガスが流れ方向（ＦＤ）に流れることができる混合室（２）と、噴射方向（ＩＤ）に従って、前記混合室（２）内に液体を噴射するように設計されたノズル（５）と、噴射入口（４）から下流で、前記混合室（２）内に位置する蒸発装置（８）とを含み、前記混合室（２）に噴射される液体の流れの大部分が、排気ガスの流量とは関係なく、前記蒸発装置（８）にぶつかるように、前記ノズル（５）と前記蒸発装置（８）は、互いに対して可動である。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、液体と熱エンジンの排気ガスとの混合を改善するために設計された混合システムであって、液体の固体付着物も防ぐ混合システムに関する。例えば、本発明をディーゼルエンジンの排気混合室で用いることができ、混合室では、排気ガスの後処理のために尿素の水溶液又は燃料が噴射される。

内燃機関における燃料の燃焼で形成される排気ガスは、ある割合の望ましくない物質、例えば、酸化窒素（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＨＣ）、すすなどを含みうる。

従って、大気汚染を軽減するために、車両には、排気ガス中の望ましくない物質を処理する様々な後処理システムが備えられている。

一般的な排気ガス後処理は、いわゆる選択的触媒還元（ＳＣＲ）である。アンモニアを還元剤として添加した排気ガスは、特定の触媒コンバータにおいて処理され、酸化窒素が、いずれも無毒物質である水と窒素に変換される。アンモニアが水溶液中の尿素の形態で導入され、加水分解によって水溶液からアンモニアが得られる。尿素は、一般に触媒コンバータの排気ガス上流で噴霧される。そのために、尿素噴射ノズルが、触媒コンバータから排気管路上流に取り付けられている。

このタイプの排気ガス処理に伴う問題は、アンモニアに変換される前に、尿素が結晶化する可能性があることである。具体的には、排気パイプ内のノズルから噴霧される尿素の水溶液は、排気ガス流の方向に対して傾斜を成す方向で、排気パイプの壁で、その内側に、例えば、噴射点の反対側に、固体付着物を形成する傾向がある。その結果、排気パイプの横断面は次第に小さくなるため、エンジン効率が低下し、長期にわたってエンジン操作を大きく損なう恐れがある。

排気後処理システムの別の例は、排気ガスに含まれる未燃粒子を除去するディーゼル粒子フィルターを含む。このフィルターは、最終的に粒子で目詰まりすることから、随時再生する必要がある。再生を促進するためには、燃料を排気管路中に噴射して酸化することにより、フィルター中に捕捉された粒子が酸化される温度まで排気ガス温度を上昇させることが多い。この場合にも、燃料の凝縮に関する問題が発生する可能性がある。

いずれの場合も、液体による排気パイプの目詰まり又は損傷の問題の他に、蒸発していない液体を所望の目的に利用できないという問題があり、後処理又は再生工程の効率に影響しうる。

特許文献１から、排気管路内に設置された蒸発装置に液体を噴射するシステムが知られている。それでも、特に排気ガス流量が変動するために、あらゆるエンジン動作条件下で効率的に作動するシステムを設計するのは難しいことがわかっている。

従って、排気ガスを運搬し、これを混合する混合室中に液体を噴射するためのシステムを改善する余地があることは明らかである。

仏国実用新案証公開第２，９００，４３９号明細書 仏国特許発明第２，８９１，３０５号明細書

本発明の目的は、従来の混合システムで生じる欠点を解消でき、特に、噴射された液体が混合室表面に付着物を形成するのを防ぐ、あるいは少なくとも制限する、改善された混合システムを提供することである。

この目的のために、本発明は、排気ガス後処理装置の混合システムであって、
−排気ガスが流れ方向（ＦＤ）に流れることができる混合室（２）と、
−噴射方向（ＩＤ）に従って、混合室壁に設けられた噴射入口（４）から、混合室（２）内に液体を噴射するように設計されたノズル（５）と、
−噴射入口（４）から下流で、混合室（２）内に位置する蒸発装置（８）とを含み、
−混合室（２）に噴射される液体の流れの大部分が、排気ガスの流量とは関係なく蒸発装置（８）にぶつかるように、ノズル（５）と蒸発装置（８）は、互いに対して可動であることを特徴とする、混合システム。

従って、本発明の混合システムでは、液体は、正常な動作条件の範囲内で、第１液体の流量がどうあれ、混合室壁ではなく、蒸発装置に主にぶつかる。その結果、実質的に固体付着物が混合室壁に形成する可能性は全くないか、ほとんどないため、混合室の目詰まりが解消される。さらに、このような混合システムでは、蒸発装置は、液体を蒸発させるので、液体が蒸発装置上で結晶化したり、該装置を目詰まりさせたりするのを防ぐ。

好ましくは、蒸発装置は、乱流を発生して、噴射された液体と排気ガスの混合を高めるように設計される。あるいは、乱流発生装置、若しくは混合装置は、個別の要素であってもよく、これは、噴射入口から上流又は下流のいずれかに配置できる。

本発明の実施において、蒸発装置は、混合室軸と略直交するプレートで、液体が通過できる複数の孔を設けたプレートを含む。

好ましくは、蒸発装置は、熱伝導性材料を含む。

本発明の混合システムは、蒸発装置又はノズルに対するノズル及び／又は蒸発装置の位置をそれぞれ制御できる制御手段をさらに含んでもよい。

その他の考えられる特徴は、
−制御手段は、蒸発装置及び／又はノズルを動かすための可動部材に作用する排気ガス推力を有する受動手段を含み、
−制御手段は、蒸発装置及び／又はノズルを動かすための可動部材に作用するアクチュエータを有する能動手段を含み、
−制御手段は、排気ガス推力又はアクチュエータに抵抗して阻止するバイアス手段を含み、
−蒸発装置は、排気ガス流量が増加すると、混合室内で下流に移動するように設計されており、
−蒸発装置は、排気ガス推力の作用下で、バイアス手段に対して、混合室内で下流に移動するように設計され、バイアス手段は、混合室に対して上流に、蒸発装置を移動させることを目的とするものであり、上記の構成で、ノズルに対する蒸発装置の位置は、排気ガス流量に応じて自動的に調節され、
−蒸発装置は、混合室内部に配置され、かつ混合室軸と略平行な軸を有する内側ダクトを含み、また、内側ダクトを実質的に横断するように延びる主な蒸発部分を含み、
−略円筒形の空間が、内側ダクトと混合室との間に設けられて、少量の排気ガスが該空間を通じて流れることを可能にし、これによって、排気ガスが高温のとき、内側ダクトを排気ガスによって容易に加熱でき、
−内側ダクトが、排気ガス推力の作用下で、混合室内で下流に移動するように設計され、バイアス手段は、混合室に対して上流に蒸発装置を移動させることを目的とするものであり、
−内側ダクトが、内側ダクトの上流縁から内側に向かって突出する環状カラーを有し、排気ガス推力は、環状カラーに作用するものであり、
−開口部が内側ダクト壁に設けられて、開口部を通じて内側ダクト内部の液体の噴射を可能にし、
−ノズルが、噴射入口で混合室に対するほぼ接平面に平行で、かつ混合室軸に対し直交する軸を中心として、混合室に対して旋回することができ、これによって、流れ方向と噴射方向が可変の角度（α）を形成するようにし、
−制御手段がノズルを旋回させ、排気ガス流量が増加すると、流れ方向と噴射方向との間の角度（α）が大きくなるようにし、このような場合、排気ガスにより導かれる噴射液体が、蒸発装置に向けられるように、ノズルの傾斜位置を調節することができ、
−液体は、尿素の水溶液、又は燃料を含み、
−蒸発装置は、熱伝導性材料である。

上記及びその他の特徴並びに利点は、本発明の混合システムの非制限的な実施例、実施形態として示す、添付の図面を参照しながら、以下の説明を読むことにより明らかになるであろう。

本発明の複数の実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面を参照して読むことでより明瞭に理解されよう。しかし、本発明は、開示される特定の実施形態に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態の混合システムの概略的断面図であり、噴射ノズルと蒸発装置を備えた排気パイプを示す。 より高い流量の排気ガスを有する、図１の混合システムを示す。 本発明の第２実施形態の混合システムの概略的断面図であり、噴射ノズルと蒸発装置を備えた排気パイプを示す。 より高い流量の排気ガスを有する、図３の混合システムを示す。

図面に示すように、混合システム１は混合室に組み込まれ、混合室は軸３を有するパイプ２であってよい。排気ガスである第１液体は、パイプ軸３に略平行の流れ方向ＦＤに従ってパイプ２内を流れる（乱流を発生するように設計された混合装置から上流）。ここで、パイプ２は、エンジン、典型的にはディーゼルエンジンの排気管であり、第１液体は、上記エンジンから来る排気ガスである。

パイプ２は、その周囲壁に設けられた噴射入口４を有する。ノズル５は、噴射入口４を介して、かつ噴射方向ＩＤに沿って、パイプ２内に第２液体を噴射し、これによって、噴霧６を形成するように設計されている。図示の実施形態では、第２液体は、尿素の水溶液のような液体であり、供給管７によってノズル５に供給される。噴射方向ＩＤは、第２液体が（特に、第１液体によって導かれる場合）さらに下流に流れる方向がどのようであれ、第２液体をノズル出口に噴射する方向である。

混合システム１はさらに、噴射入口４から下流で、パイプ２内に配置された蒸発装置８を含む。蒸発装置８は、例えば、パイプセクション内に延びる主な蒸発部分を含み、これは、パイプ軸３に対し略直交するプレート９の形態であってよく、プレートには液体が通過できる孔１０が設けられている。蒸発装置８は、好ましくは、高い熱伝導率の材料、例えば金属、又は１Ｗ／（ｍ．Ｋ）より高い熱伝導率、好ましくは１０Ｗ／（ｍ．Ｋ）より高い熱伝導率を有する任意の材料で作製される。その結果、高温排気ガスによって加熱することができ、蒸発装置に接触する液体を蒸発させることができる。

図示の実施形態では、蒸発装置８はまた混合装置としても作動する。すなわち、該装置は、排気ガス（第１液体）と尿素（噴射された第２液体）の混合を改善する乱流を発生する。別の実施形態（図示なし）では、混合システムは、個別の混合装置を含む。

本発明の第１実施形態について、図１及び図２を参照しながら説明する。

第１実施形態によれば、主な蒸発部分９以外に、パイプ２内に略同軸方向に配置された内側ダクト１１を含む蒸発装置が設けられる。内側ダクト１１は、パイプ２の内径よりやや小さい外径を有し、略円筒状の空間１２が、内側ダクト１１とパイプ２との間に形成されて、該空間を通じて少量の排気ガスが流れて通過することができる。

内側ダクト１１は、ダクト１１の上流縁１４から内側に向けて突出する環状カラー１３を有する。内側ダクト１１並びに環状カラー１３は、薄い金属から作製されたものでよい。

内側ダクト１１は、円筒状空間１２内に配置される圧縮コイルばね１５によってパイプ２に可動に結合しており、ばね１５は、内側ダクト１１と連結した上流端１６と、パイプ２に連結した下流端１７を有する。ばね１５は、パイプ２に対して上流に内側ダクト１１を動かす傾向がある。排気ガスがパイプ２内を流れる場合には、環状カラー１３及び主な蒸発部分９に対するガスの圧力は、蒸発装置８全体を下へと押すことによって、ばね１５をその解放状態から圧縮状態へと圧縮する。

開口部１８を内側ダクト壁に設け、開口部１８は、パイプ２に対する内側ダクト１１の位置がどうあれ、少なくとも内側ダクトが妨げとなりうる位置については、噴射入口４と向き合うのに十分大きい。従って、パイプ２に対して固定されたノズル５は、パイプ２に対する内側ダクト１１の位置がどうあれ、噴射入口４と開口部１８を通して内側ダクト１１内部に第２液体を噴射できる。この実施形態においては、噴射方向ＩＤは不変で、すなわち流れ方向ＦＤに対して一定角度を形成することに留意されたい。

さらに、上記装置の主な蒸発部分８が、開口部１８の下流で、内側ダクト１１の内部に固定されている。

この構成では、排気ガスの流量が第１値（図１）から、より高い第２値（図２）に増加すると、蒸発装置に対する、特に環状カラー１３に対する排気ガス推力が増大し、パイプ２に対してさらに下流に内側ダクト１１を押す。その結果、蒸発装置８は、ノズル５に対して下流に移動する。また、排気ガス流量が増加すると、噴射液体の噴霧６に、より顕著な偏向も起こる。従って、蒸発装置８の下流への移動と、噴霧６の下流での偏向との組み合わせによって、噴射された液体の流量の大部分が確実に蒸発装置８にぶつかる。

反対に、排気ガスの流量が減少すると、蒸発装置に対する排気ガスの圧力が低下し、ばね１５は、内側ダクト１１をパイプ２に対して上流に戻す傾向がある。こうして、蒸発装置８は、ノズル５に近づくことになる。同時に、噴射された液体に対する排気ガスの偏向作用が低下し、第２液体の噴霧６は、パイプ軸３に対する傾斜が小さくなる。これら２つの作用の組み合わせにより、噴射される第２液体の流れの大部分が確実に蒸発装置８にぶつかる。

結論として、排気ガスの流量がどのようであれ、すなわちエンジン動作条件がどのようであれ、噴射液体は、噴射入口４の反対側の内側ダクト壁ではなく、主に蒸発装置８にぶつかる。従って、固体付着物が内側ダクト壁に形成される可能性はほとんどない。さらに、蒸発装置８は、排気ガスによって加熱されることから、第２液体が該装置上で結晶化するのを防ぐ。

この実施形態では、可動部材、本発明では環状カラー及び主な蒸発部分８に作用する排気ガス推力は、一方向における蒸発装置を移動させる受動的制御手段を形成する。金属、弾性又はガス動力のいずれか任意のばねの形態であってよく、排気ガス推力に抵抗して阻止するバイアス手段は、別の方向に蒸発装置を移動させる制御手段を形成する。

上記の受動手段は、蒸発装置の空気力学的抵抗及びバイアス手段の力の慎重な初期較正を必要とする。他方で、受動手段は、電子制御を一切必要としない。

本発明の第２実施形態について、図３及び図４を参照しながら説明する。

本実施形態によれば、内側ダクトは設けられていない。蒸発装置８は、パイプ２内部に固定され、ノズル５は、パイプ２に対して旋回することができ、これによって、排気ガス流量が高くなるにつれ、パイプ軸３に対してますます傾斜が大きくなる噴射方向ＩＤに沿って液体を噴射する。実際に、低流量とは、排気ガスによる第２液体の噴霧６の偏向が小さいことを意味する。従って、第２液体が蒸発装置８に向かうように、傾斜の小さい噴射方向ＩＤに沿って第２液体を噴射する必要がある。

ノズル５の旋回軸２０は、噴射入口４でパイプ２に対してほぼ接平面で、かつパイプ軸３に対し略直交する平面と平行である。流れ方向ＦＤと噴射方向ＩＤとの間の角度αは、能動制御手段２１によって調節でき、該手段はアクチュエータを含んでもよい。能動制御手段は、第１液体流量が増加すると、角度αも増大するように、ノズル５を旋回させるのに適したパルスモータを含んでもよい。例えば、角度αは、排気ガス流量に応じて、約３５°〜約８０°までの範囲である。

この構成で、排気ガスの流量が第１値（図３）からより高い第２値（図４）まで増加するとき、制御手段２１は、流れ方向ＦＤと噴射方向ＩＤとの間の角度αが増大するように、ノズル５を旋回させる。また、排気ガス流量が増加すると、噴射される第２液体の噴霧６に、より顕著な偏向も起こる。従って、噴射方向ＩＤの上流への傾斜と、噴霧６のより顕著な偏向との組み合わせによって、噴射液体の流れの大部分が、蒸発装置８にぶつかり、該装置が、本実施例では、ノズル５に対して軸方向に移動しないことが確実になる。

反対に、排気ガスの流量が減少すると、制御手段２１は、角度αが減少するように、ノズル５を旋回させる。言い換えれば、第２液体がさらに下流に噴射される。同時に、噴射された第２液体への排気ガスの偏向作用は低下し、第２液体の噴霧６のパイプ軸３に対する傾きは小さくなる。こうした２つの作用が組み合わさって、噴射された第２液体のほぼ全流量が、蒸発装置８にぶつかることが確実になる。

本実施例では、上記アクチュエータは、両方向にノズルを動かすことができる二方向アクチュエータである。また、一方向アクチュエータであってもよく、アクチュエータに抵抗して阻止し、ノズルを反対方向に戻すバイアス手段を伴う。

結論として、第１液体の流量がどうあれ、すなわちエンジン動作条件がどうあれ、噴射される第２液体は、噴射入口４とは反対側で、内側ダクト壁ではなく、主に蒸発装置８にぶつかる。従って、内側ダクト壁には固体付着物が形成される可能性はほとんどない。さらに、蒸発装置８は、排気ガスによって加熱されるため、第２液体がその上で結晶化するのを防ぐ。

勿論、本発明は、非制限的な例として上述した実施形態に限定されるわけでなく、反対に、これら実施形態をすべて包含するものである。

例えば、ノズルと蒸発装置の一方だけが可動であるのではなく、例えば、蒸発装置に直接到達する噴射液体の大部分を得られるようにする動作条件範囲を広げる目的で、両方とも可動であってもよい。

また、ノズルの運動を制御する受動制御手段及び／又は蒸発装置の運動を制御する能動制御手段を備えてもよく、あるいは、完全に受動のシステム又は完全に能動のシステムを備えることも可能である。

能動制御手段であるアクチュエータは、電気モータ、又は油圧若しくは空気圧により駆動されるアクチュエータであってよい。

いずれの場合にも、活性手段は、好ましくは電子的に制御される。こうした電子制御は、１つ又は複数の動作条件、例えば、排気ガス流量、圧力及び温度、エンジン負荷、エンジン回転数、液体噴射流量及び圧力などを考慮に入れて、ノズル及び／又は蒸発装置の最も適切な位置を決定する。

上述の実施形態では、本発明の混合システムは管状排気パイプ内に設置され、パイプは混合室を形成する。該システムは、エンジンの排気管路内に含まれるあらゆる種類の混合室、例えば、特許文献２に記載されている、いわゆるスワールボックスに組み込むことができる。

また、ノズル及び／又は蒸発装置の運動は、前述したものとは異なってもよい。例えば、ノズルの運動は、流れ方向又は噴射方向のいずれかに沿った線形運動であってもよいし、あるいは、線形及び回転要素を含む組合せ運動であってもよい。

混合システムは、具体的には、排気ガスの流れに液体を噴射するのに好適であり、特に、噴射方向と主な流れ方向が平行でない場合に適している。

Claims (16)

1. 排気ガス後処理装置の混合システムであって、
   −排気ガスが流れ方向（ＦＤ）に流れることができる混合室（２）と、
   −噴射方向（ＩＤ）に従って、前記混合室（２）内に液体を噴射するように設計されたノズル（５）と、
   −噴射入口（４）から下流で、前記混合室（２）内に位置する蒸発装置（８）とを含み、
   前記混合室（２）に噴射される液体の流れの大部分が、排気ガスの流量とは関係なく、前記蒸発装置（８）にぶつかるように、前記ノズル（５）と前記蒸発装置（８）は、互いに対して可動である、
   ことを特徴とする混合システム。
2. 前記蒸発装置（８）又は前記ノズル（５）に対する該ノズル（５）及び／又は該蒸発装置（８）の位置をそれぞれ制御できる制御手段（１３、２１）を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の混合システム。
3. 前記制御手段が、前記蒸発装置及び／又は前記ノズルを動かすための可動部材に作用する前記排気ガス推力を有する受動手段を含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載の混合システム。
4. 前記制御手段が、前記蒸発装置及び／又は前記ノズルを動かすための可動部材に作用するアクチュエータを有する能動手段を含む、
   ことを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の混合システム。
5. 前記制御手段が、前記排気ガス推力又は前記アクチュエータに抵抗して阻止するバイアス手段を含む、
   ことを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の混合システム。
6. 前記蒸発装置は、前記排気ガス流量が増加すると、前記混合室内で下流に移動するように設計される、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の混合システム。
7. 前記蒸発装置（８）が、排気ガス推力の作用下で、前記バイアス手段に対して、前記混合室内で下流に移動するように設計され、前記バイアス手段（１５）は、前記混合室（２）に対して上流に、前記蒸発装置を移動させることを目的とするものであることを特徴とする、請求項３、５又は６に記載の混合システム。
8. 前記蒸発装置が、前記混合室（２）内部に配置され、かつ前記混合室軸（３）と略平行な軸を有する内側ダクト（１１）を含み、また、該内側ダクトを実質的に横断して延びる主な蒸発部分を含む、
   ことを特徴とする請求項６又は７に記載の混合システム。
9. 略円筒形の空間（１２）が、前記内側ダクト（１１）と前記混合室（２）との間に設けられて、少量の排気ガスが該空間（１２）を通して流れることを可能にする、
   ことを特徴とする請求項８に記載の混合システム。
10. 前記内側ダクト（１１）が、前記排気ガス推力の作用下で、前記混合室内で下流に移動するように設計され、前記バイアス手段（１５）は、前記混合室（２）に対して上流に前記蒸発装置を移動させることを目的とする、
    ことを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の混合システム。
11. 前記内側ダクト（１１）が、該内側ダクト（１１）の上流縁（１４）から内側に向かって突出する環状カラー（１３）を有し、前記排気ガス推力は、該環状カラー（１３）に作用する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の混合システム。
12. 開口部（１８）が前記内側ダクト壁に設けられて、該開口部を通して該内側ダクト（１１）内部の液体の噴射を可能にする、
    ことを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の混合システム。
13. 前記ノズル（５）が、前記噴射入口（４）で前記混合室（２）に対するほぼ接平面に平行で、かつ前記混合室軸（３）に対し直交する軸（２０）を中心として、前記混合室（２）に対して旋回することができ、これによって、前記流れ方向（ＦＤ）と前記噴射方向（ＩＤ）が、可変の角度（α）を形成する、
    ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の混合システム。
14. 前記制御手段（２１）が前記ノズル（５）を旋回させ、これによって、排気ガス流量が増加すると、前記流れ方向（ＦＤ）と前記噴射方向（ＩＤ）との間の角度（α）が大きくなるように設計される、
    ことを特徴とする請求項２〜１３のいずれか１項に記載の混合システム。
15. 前記液体が、尿素の水溶液又は燃料である、
    ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の混合システム。
16. 前記蒸発装置（８）が熱伝導性材料を含む、
    ことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の混合システム。

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