JP2013514486A - 尿素ベースの還元剤を排気ガス流へ投与する投与モジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼エンジンの、後処理システム（３０）、例えばＳＣＲ又はＳＣＲＴシステムに向かう排気ガス流に、尿素ベースの還元剤を投与するための投与モジュール（１）に関する。該モジュール（１）は、長軸（Ｘ）に沿って伸びる筐体（２０）と、排気ガスを運ぶための注入開口部（１９）とを備える。投与手段（５５）が、還元剤を投与するために供される。本発明によれば、注入開口部は環状であって、筐体（２０）の軸（Ｘ）に対して傾いているが、それは、排気ガス注入ジェット（ＡＪ）を発生させるためである。更に、投与手段は、筐体（２０）の内部に、筐体（２０）の軸（Ｘ）と同心の尿素ベースの還元剤スプレー（ＵＷＳ）を発生させるために設計される。

Description

本発明は、尿素ベースの還元剤（例えば、尿素の水溶液）を、燃焼エンジンから発生し、後処理システム（例えば、ＳＣＲ又はＳＣＲＴ装置）に向かう排気ガス流に投与する投与モジュールに関する。本発明による投与モジュールは、排気ガス流への還元剤の混合を改良し、その結果として後処理装置の触媒効率を高める。

周知のように、内燃エンジン、とりわけディーゼルエンジンの分野での問題は、ターボチャージャーが取り付けられていようがいまいが、燃焼の間、窒素酸化物が形成されることである。窒素酸化物は、エンジンの排気ガスと共に放出され、主な汚染物質の一つの典型である。窒素酸化物の放出を、約９０％まで減らすために、選択触媒還元（ＳＣＲ）装置が開発されてきた。微粒子排出物制限に応じて、これらのシステムは、微粒子トラップ（ＳＣＲＴシステム）を備え得る。

ＳＣＲ及びＳＣＲＴ装置の作用は、適切な触媒ユニットによって促進される、排気ガス内の窒素酸化物と特に還元剤として導入されるアンモニアとの間の反応に基づく。アンモニアは、通常は、アンモニアを解放することの出来る、好ましくは液体の反応剤の形態で導入されるが、それは適切な温度状況下で、又は、特定の触媒の作用によるものである。好ましい源は、通常は尿素水溶液であって、例えば、重量％が１０％から６０％の間であり、そこからアンモニアが加水分解によって得られる。

尿素は一般に、ＳＣＲ−ＳＣＲＴシステムの上流に位置する投与モジュールのなかで霧状にされる。図１及び図２は、投与モジュールのための従来型の配置の例である。とりわけ、図１が示すのは、ＳＣＲ触媒を備える排気ガスラインの部分、投与モジュール、及び投与モジュールとＳＣＲ触媒との間に割り込む混合装置である。該混合装置は、混合を促進し向上させる機能を有する。エンジンからの排気ガス流は、投与モジュールへと軸方向に導かれ、尿素溶液は、投与モジュールの筐体の中心線（軸）に位置する注入器によって、排気ガスの中に噴霧される。図２に示される周知の解決法では、尿素水溶液は、そうではなく、排気ガス流の方向に対して傾いた注入器によって投与モジュールの中に導かれている。言い変えれば、図２の解決法においては、還元剤が、投与モジュールの筐体の壁面の部分から横方向に注入されている。

図１においては、尿素ベースの還元剤（例えば尿素水溶液）に関する化学反応も示されている。スプレーによって、前記溶液が噴霧された後、以下の反応に従って、水の蒸発が開始する：
（ＮＨ_２）_２ＣＯ［含水］→（ＮＨ_２）_２ＣＯ［固体］＋６．９Ｈ_２Ｏ［気体］
水の蒸発の後、以下の反応に従って、尿素の分解が開始する：
（ＮＨ_２）_２ＣＯ［固体］→ＮＨ_３［気体］＋ＨＮＣＯ［気体］
ＨＮＣＯ［気体］＋Ｈ_２Ｏ→ＮＨ_３［気体］＋ＣＯ_２［気体］
図１及び図２の解決法で提案される注入方法には、多くの欠点が伴うことが分かった。とりわけ、前記方法は、尿素の完全な分解（図１のフェーズ３に関連する反応）及び、アンモニア（ＮＨ_３［気体］）と排気ガス（ＣＯ_２［気体］）との均一な混合を可能としない。不均一な混合は、不都合なことに、ＳＣＲシステムの効率を減少させる。

図１に示す解決法において、尿素の不完全な分解は、噴霧される滴の大きさが、ノズルの特性によって固定されるという事実と、排気ガス流が投与モジュールの筐体の内部に軸方向に導入されるという事実によるものである。結果として、噴霧（フェーズ１）の後に、更なる空気力学的な滴の微細化は起こらない。その代わり、図２の解決法においては、非対称の注入器の設置によって、投与モジュールの筐体内において尿素水溶液の霧の不均一な分散が発生し、そのため、最大可能ＮＯ_Ｘ変換速度が減少する。

そして、留意しなくてはならないのは、尿素水溶液の分解は、他の生産物、とりわけ、イソシアン酸の形成を起こすかもしれない、ということである。これは、排気システムの色々な部分（例えば、パイプ、デフレクタ、ＳＣＲ−ＳＣＲＴシステム）の上に、例えば液膜のような液体の被膜、又は、固体の被膜を形成しがちな反応性化合物である。これが生じるのは、反応剤溶液が、例えば、投与モジュール筐体の壁、又は、排気ガス管の壁のような冷たい表面に接触することによるものである。

図１及び図２で提案される配置、及び、他の周知技術は、不都合なスプレーと壁との強い相互作用を示す。結果として、周知の解決法は、投与モジュール筐体の側壁における、液体の被膜の形成を避けることができない。

したがって、本発明の主な目的は、尿素ベースの還元剤を、車両の燃焼エンジンから発生する排気ガス流に投与するための投与モジュールを供することであり、それは、上記の課題／欠点を克服することを可能とする。

この目的内において、本発明の第一の目的は、完全な尿素の分解と、アンモニアと排気ガスとの均一な混合を可能とする、尿素ベースの還元手段の投与モジュールを供することである。

本発明のもう一つの目的は、投与位置の下流において、還元剤と排気ガスシステムの冷たい壁（例えば、投与モジュールの壁及び排気ガス管の壁）との間の相互作用を避ける、排気ガス流への尿素ベースの還元剤を投与する装置を供することである。

信頼性が高く、優位性のあるコストで生産することが比較的簡単な投与モジュールをもたらすことは、本発明の最後の目的というわけではない。

これらの、及び、更なる目的は、本記述に不可欠な部分を構成する付随する請求項に記載の投与モジュールによってなされる。とりわけ、前記投与モジュールは、軸に沿って伸び、燃焼エンジンからの排気ガスを運ぶための注入開口部を備える筐体を備える。前記投与モジュールは、更に、前記筐体内に、尿素ベースの還元剤を投与するための投与手段も備える。本発明によれば、注入開口部は、環状であって、前記筐体の軸に対して傾いているが、それは、傾いた環状の注入ジェットを発生させるためである。投与手段は、前記筐体内部に、好ましくは筐体の軸に対して同心の尿素ベースの還元剤スプレーを発生させるように設計されている。

前記投与モジュールの前記投与手段は、好ましくは、筐体内部に、好ましくは軸方向に位置するノズルを備える。とりわけ、ノズルの位置は、前記尿素ベースの還元剤のスプレーの口の開いた円錐が、前記環状注入ジェットの注入方向に入射するものである。

本発明は、以下の詳細な説明から十分明確になるが、それには、単なる実例であって非限定的な例に示される方法によるものであり、該詳細な説明は、以下に付随する図面を参照して読まれるべきものである。

図１は、投与モジュールの従来型の配置図であって、該投与モジュールは、尿素ベースの還元剤を排気ガス流の流れる投与モジュールの筐体に投与するために用いられる。 図２は、投与モジュールの従来型の配置図であって、該投与モジュールは、尿素ベースの還元剤を排気ガス流の流れる投与モジュールに投与するために用いられる。 図３は、本発明による第一の投与モジュールを概略的に示した図である。 図４は、本発明による第一の投与モジュールを概略的に示した図である。 図５は、本発明による更なる投与モジュールを概略的に示した図である。

本発明は、車両の燃焼エンジン、例えばディーゼルエンジンから発生する排気ガス流に尿素ベースの還元剤を投与する投与モジュールに関する。本発明のために、「尿素ベースの還元剤」という表現により、尿素ベースの溶液、例えば、尿素水溶液が意味され、該溶液は、例えばＳＣＲ又はＳＣＲＴ装置のような後処理装置に向かう排気ガス流に投与又は注入されるアンモニアを発現させることが可能である。

本発明による投与モジュール１が備えるのは、軸Ｘ（長軸Ｘでも指示される）に沿って伸長する投与筐体２０である。この点で図３が示すのは、燃焼エンジンの排気ガスシステム２であって、該システムは、本発明による投与モジュール１を備える。とりわけ、該排気ガスシステム２は、混合装置２５の上流に位置する排気管４と投与モジュール２０とを備える。次に、混合装置２５は、例えばＳＣＲ又はＳＣＲＴ装置のような触媒装置３０の上流に位置する。図示されるように、投与モジュール筐体２０は、排気管４の一部であることが可能であり、好ましくは、円形の断面をもつことができる。本発明のために、「断面」という表現によって、筐体２０の軸Ｘに垂直な部分が意味される。

投与モジュール１が備えるのは、エンジンから前記投与筐体２０に向かう排気ガス流を運ぶための注入開口部９である。投与モジュール１は、更に、尿素ベースの還元剤を、筐体２０内の排気ガス流に投与するための投与手段も備える。

本発明によれば、注入開口部９は、環状であって、筐体２０の長軸Ｘに対して傾いており、それは、環状の傾いた注入ジェット（ＡＪで示される）を発生させるためである。言い換えれば、環状注入開口部９によって、排気ガスは環状に筐体２０に導入されるが、それは、前記軸Ｘに対して傾いた注入方向Ｙに従うものである。このようにして、注入排気ガス流は、長軸Ｘに対して垂直な環状要素と、長軸それ自身に平行な軸方向要素とを示す。

本発明によれば、投与手段は、筐体２０の内部に、投与筐体２０に入射する尿素ベースの還元剤スプレー（ＵＷＳで示される）を発生させるように設計されている。好ましくは、その口の開いた円錐が筐体２０の軸Ｘに対して同心となる還元剤スプレーを発生させるように、投与手段は設計されている。

このために、投与手段は、好ましくは、筐体２０の内部に位置するノズル５５を備え、該ノズルの位置は、尿素ベースの還元剤スプレーの円錐が、傾いた環状注入ジェットＡＪの注入方向Ｙに入射する位置である。好ましくは、ノズル５５の位置は軸方向の位置である。すなわち、ノズル５５は好ましくは筐体２０の軸Ｘの位置上にある。

ノズル５５の位置は、注入開口部９の位置関数の中で定まるが、それは、スプレーの半円錐の開口角βが、注入方向Ｙと筐体の軸Ｘとの間に規定される角度αに面するような位置である。図３及び４で示される解決法において、例えば、注入開口部９は、端部の横断壁１８の近くで投与筐体２０に通じ、ノズル５５は、当該壁それ自身の中央部に設置される。注入開口部９は傾いているので、注入方向Ｙと軸Ｘとの間に規定される角度αは、９０度よりも小さい。

図４が詳細に示すのは、噴霧された還元剤が環状注入ジェットＡＪに混合される、筐体２０の環状の範囲である。この範囲において、強い乱流が発生している。この乱流は、尿素ベースの還元剤の液滴蒸発を増加させ、その結果、それに続く尿素の粒子分解を促進する。このようにして、反応速度は、有利に増加する。

再び図４を参照すると、環状注入ジェットＡＪによって、スプレーの滴が、投与モジュール筐体２０の側壁２０Ｂに当たることが防がれる。実際、側壁２０Ｂに向かうスプレーの滴は、環状注入ジェットＡＪの注入方向Ｙによって、投与筐体２０の内側に向けてそらされる。このようにして、スプレーの滴は、投与筐体２０の（参照記号ＣＳで示される）中央空間に飛ぶことが可能となり、側壁２０Ｂに接触することはない。図４において、前記中央空間ＣＳは、点線Ｌ１で図示されている。この中央空間ＣＳの（Ｄ１で示される）直径の拡大は、環状ジェットＡＪの注入速度次第である。

本発明によれば、注入ジェットＡＪは、投与筐体モジュール２０の長軸Ｘに対して傾いており、その角度αは、３０°と１５０°の間を包含する。とりわけ、非常に意義深い結果が観察されたのは、前記角度αが３０°と９０°の間に包含され、還元剤スプレーが、始点の半分の角度βが５°から４０°の間に包含された際である。

図５が示すのは、投与モジュール１の異なる態様であって、該態様において、環状注入ジェットＡＪが、投与モジュール筐体２０の長軸Ｘに対し、９０°より大きな角度αだけ傾くように、注入開口部９は設計されている。とりわけ、この配置はノズル５５の近傍に被膜ができることを有利に避けることが観察された。

本発明が、上記の目的を達成することが示された。より詳しくは、尿素ベースの還元剤の当該投与方法が、アンモニアの完全な分解とその排気ガスとの均一な混合を可能とすることが示された。更に、当該方法は、投与筐体及び排気ガス管の内側表面に液膜を形成することも避ける。

ここで主題となっている発明の、多くの変更、修正、変形、他の使用及び利用は、その好適実施例を開示する当該明細書と付随する図面を考慮すれば、当業者にとって明白となるであろう。本発明の精神及び範囲から逸脱しない、そのような変更、修正、変形、他の使用及び利用の全ては、本発明の対象となるものと判断される。

更なる実施の詳細は記載されないが、それは、当業者であれば、上記記載の教示から始まる発明を実行することが可能であるためである。

１ 投与モジュール
２ 排気ガスシステム
４ 排気管
９ 注入開口部
１８ 横断壁
２０ 筐体
２０Ｂ 側壁
２５ 混合装置
３０ 後処理装置
５５ ノズル
ＡＪ 環状ジェット
ＣＳ 中央空間
ＵＷＳ 尿素ベースの還元剤スプレー
Ｘ 軸
Ｙ 注入方向

Claims (12)

1. 燃焼エンジンによって発生した排気ガスであって、後処理システム（３０）に向かう排気ガス流に対して、尿素ベースの還元剤を投与するための投与モジュール（１）であって、当該投与モジュール（１）は：
   −軸（Ｘ）に沿って伸びる筐体（２０）と；
   −前記排気ガス流を前記投与筐体（２０）に運ぶための注入開口部（９）と；
   −前記尿素ベースの還元剤を投与するための投与手段（５５）とを備え、
   前記注入開口部（９）は、傾いた環状の注入ジェット（ＡＪ）を発生させるために、環状であり且つ前記投与筐体（２０）の前記軸（Ｘ）に対して傾いており、前記投与手段は、前記筐体（２０）の内部に、尿素ベースの還元剤スプレー（ＵＷＳ）を発生させるために設計されていることを特徴とする、投与モジュール（１）。
2. 前記投与手段が、前記筐体（２０）の前記軸（Ｘ）に対して同心の尿素ベースの還元剤スプレー（ＵＷＳ）を発生させるように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の投与モジュール（１）。
3. 前記投与手段がノズル（５５）を備え、該ノズル（５５）は、前記投与筐体（２０）内に設置され、また、前記尿素ベースの還元剤のスプレー（ＵＷＳ）の口の開いた円錐が、前記環状注入ジェット（ＡＪ）の注入方向（Ｙ）に入射するように設置されていることを特徴とする、請求項２に記載の投与モジュール。
4. 前記ノズル（５５）の、前記注入開口部（９）に対する位置が、スプレーの円錐の開口角が、前記傾いた環状ジェット（ＡＪ）の注入方向（Ｙ）と前記筐体（２０）の軸（Ｘ）とがなす角度（α）に面するようにする位置であることを特徴とする、請求項３に記載の投与モジュール（１）。
5. 前記ノズル（５５）の前記位置が、軸の位置にあることを特徴とする、請求項３又は４に記載の投与モジュール（１）。
6. 前記傾いた環状ジェット（ＡＪ）の前記注入方向（Ｙ）が、前記モジュールの前記軸（Ｘ）に対して傾いており、その傾きの角度（α）が、３０°から１５０°の間にあることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の投与モジュール（１）。
7. 前記傾いた環状ジェット（ＡＪ）の前記注入方向（Ｙ）が、前記モジュールの前記軸（Ｘ）に対して傾いており、その傾きの角度（α）が、３０°から９０°の間にあることを特徴とする、請求項６に記載の投与モジュール（１）。
8. 前記投与手段の前記ノズル（５５）が、尿素ベースの還元剤スプレーを発生させるように設計されており、該スプレーの有する、半円錐の開口角（β）が５°から４０°の間にあることを特徴とする、請求項３乃至７のいずれか１項に記載の投与モジュール（１）。
9. 前記筐体が円形の断面を有することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の投与モジュール（１）。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の投与モジュール（１）を備える、車両の燃焼エンジンの排気ガスシステム（２）。
11. 前記排気ガスシステム（２）が、前記投与モジュール（１）の下流に位置する混合装置（２５）を備えることを特徴とする、請求項１０に記載の排気ガスシステム（２）。
12. 請求項１０又は１１に記載の排気ガスシステム（２）を備える車両。

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