JP2013540225A - 燃焼機関からの燃焼排ガス中に液状媒体を導入するための装置 - Google Patents

Abstract

燃焼機関からの燃焼排ガス中に液状媒体を導入するための装置であって、噴射チャンバ３内へ液状媒体を噴射するための噴射手段７と、噴射チャンバを取り囲むケーシング８と、混合導管６と、ケーシングを取り囲み、ケーシングの貫流開口を介して噴射チャンバに連通されている、集合チャンバ１０と、集合チャンバ及び噴射チャンバを通過させることなく混合導管内へ燃焼排ガスを導くためのバイパス導管１２とを備える。集合チャンバの入口１１は、燃焼排ガスの一部を迂回させ、それにより、迂回された燃焼排ガスを集合チャンバ内へ流れさせ、そこから貫流開口を介して噴射チャンバ内へ流れさせ、その後で混合導管内へ流れさせるように構成されており、一方で、バイパス導管は、燃焼排ガスの別の部分を混合導管内へ導き、それにより、その燃焼排ガスの別の部分を混合導管内で迂回された燃焼排ガスと混合させるように構成されている。

Description

本発明は、燃焼機関からの燃焼排ガス中に液状媒体、例えば尿素を導入するための、請求項１の導入部分に記載の装置に関する。

現行の排気浄化要求を満たすために、今日の自動車は、通常、排気ライン内に触媒を備えて、燃焼排ガスの環境上有害な成分を環境上より害の少ない物質にする触媒変換を生じさせる。効果的な触媒変換を達成するために用いられてきた方法は、触媒上流の燃焼排ガス中への還元剤の噴射に基づいている。還元剤の一部を形成する又は還元剤によって形成される還元性物質は、燃焼排ガスにより触媒内へ運ばれて触媒内の活性シート上に吸着され、結果として触媒内に還元性物質が集積することになる。次いで、集積した還元性物質は、排気物質と反応し、それによって排気物質を無害物質に変換することができる。そのような還元触媒は、例えばＳＣＲ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ、選択触媒還元）タイプのものとされうる。以下このタイプの触媒を、ＳＣＲ触媒と呼ぶ。ＳＣＲ触媒は、燃焼排ガス中のＮＯｘを還元する。あるＳＣＲ触媒の場合、尿素溶液の形態の還元剤が、通常、触媒上流の燃焼排ガス中へ噴射される。燃焼排ガス中への尿素の噴射によりアンモニアの形成がもたらされ、次いでこのアンモニアがＳＣＲ触媒での触媒変換に役立つ還元性物質として働く。アンモニアは、触媒内の活性シート上に吸着されることにより触媒内に集積し、燃焼排ガス中に存在するＮＯｘは、触媒内の活性シート上で集積したアンモニアを含む触媒と接触すると、窒素ガス及び水に変換される。

尿素が還元剤として使用される場合、尿素は、液状の尿素溶液の形態で噴射手段を介して排気ライン内へ噴射される。噴射手段はノズルを備え、このノズルを介して、尿素溶液は微粉化されたスプレーの形態で、加圧されて噴射手段内へ噴射される。ディーゼル機関の多くの動作状態において、燃焼排ガスは、尿素溶液を気化させてアンモニアを形成させるのに十分なほどの高温になる。しかし、供給された尿素溶液の一部が気化されていない状態で排気ラインの内壁面に接触し且つそれに付着することは、避け難い。周囲空気と接触しそれによって冷却されることが多い排気ラインは、排気ライン内の燃焼排ガスよりも低温になる。燃焼機関が、ある期間にわたって一様な方法で稼働される、すなわち、定常動作条件で稼働される場合、排気流において顕著な変動は生じず、したがって、燃焼排ガス内へ噴射される尿素溶液は、前記期間を通して排気ラインの実質的に同一の領域に接触することになる。比較的低温の尿素溶液は、排気ラインのその領域に局部的な温度低下をもたらす可能性があり、それにより、その領域に尿素溶液の膜の形成がもたらされ、次いでこの尿素溶液の膜が排気流に同伴される可能性がある。この膜が排気ライン内である距離を移動すると、尿素溶液中の水は、高温の燃焼排ガスの影響を受け、沸騰して蒸発することになる。固体の尿素が残り、排気ライン内の熱によってゆっくりと気化される。固体の尿素の供給が気化を上回る場合、固体の尿素は排気ライン内に集積することになる。結果として生じる尿素の層が十分に厚くなると、尿素とその分解生成物が相互に反応して、尿素塊として知られている尿素を基礎とした原始的な高分子を形成する。そのような尿素塊は、時間とともに排気ラインを詰まらせる可能性がある。

したがって、噴射された尿素溶液が排気ラインの同一の領域に実質的に接触することが妨げられるように、噴射された尿素溶液が燃焼排ガス中で十分に拡散されることが望ましい。

また、燃焼排ガス中での尿素溶液の良好な拡散は、尿素溶液の気化を促進する。

請求項１の導入部分に記載の装置は、ＷＯ２００９／０１２８８５Ａ１ですでに知られている。その知られている装置では、噴射手段は、管状ケーシング内の空間内へ液状媒体を噴射し、それにより、ケーシングの周囲を取り巻いて分布された貫流開口を介して前記空間へ流入する燃焼排ガスと、噴射された媒体とを接触させるように、構成されている。したがって、ケーシング内に形成された、燃焼排ガスと噴射された媒体の混合物は、そこから混合導管内へ導かれる。また、燃焼排ガスは、噴射された媒体が混合導管の壁に接触するのを妨げる排気流を前記壁に沿って生成するために、ケーシングの前端を取り巻いて分布された開口を介して混合導管内へ流される。

ＷＯ２００９／０１２８８５Ａ１

本発明の目的は、上述のタイプの装置と比較して少なくとも幾つかの態様で利点をもたらす構成を有する装置を得るために、上述のタイプの装置のさらなる発展を提案することである。

本発明によれば、前記目的は、請求項１で定義される特徴を提供する装置によって達成される。

本発明による装置は、
− 燃焼排ガスを通過させることを意図したラインと、
− 開前端を有する噴射チャンバと、
− 噴射チャンバ内へ液状媒体を噴射するための噴射手段と、
− 径方向に噴射チャンバの輪郭を示し、その周囲を取り巻いて分布された貫流開口が設けられている、ケーシングと、
− ラインの一部分を形成する混合導管であって、噴射された液状媒体がその中で気化されるように意図されており、噴射チャンバがその開前端を介して混合導管に連通されている、混合導管と、
− 噴射チャンバの上流に配置された集合チャンバであって、集合チャンバは、前記ケーシングの少なくとも一部分を取り囲み、燃焼排ガスを受け入れるための入口を有し、ケーシングの前記貫流開口を介して噴射チャンバに連通されており、それにより、集合チャンバの中に受け入れられた燃焼排ガスをそれらの開口を介して噴射チャンバ内へ入れることを可能にしている、集合チャンバと、
− 集合チャンバ及び噴射チャンバを通過させることなく燃焼排ガスを混合導管内へ導くための、バイパス導管とを備える。

集合チャンバの入口は、ラインを通過する燃焼排ガスの一部を迂回させ、それにより、この迂回された燃焼排ガスを集合チャンバ内へ流れさせ、そこから前記貫流開口を介して噴射チャンバ内へ流れさせ、その後で噴射チャンバの開前端を介して混合導管内へ流れさせるように構成されており、一方でバイパス導管は、ラインを通過する燃焼排ガスの別の部分を混合導管内へ導き、それにより、その燃焼排ガスの別の部分を混合導管内で前記迂回された燃焼排ガスと混合させるように構成されている。

ケーシングの貫流開口を通過させるために、排気流の一部のみを集合チャンバへ迂回させることにより、前記開口を、集合チャンバ及び噴射チャンバを通過せずにバイパス導管を介して混合導管内へ直接導かれる排気流の部分の圧力に顕著に影響を及ぼすことなしに、迂回させた排気流の部分を圧縮する寸法とすることが可能になる。したがって、集合チャンバ内の燃焼排ガスによって蓄積される圧力上昇は、排気ライン内の燃焼排ガスの全背圧に対して限定的にしか寄与しない。集合チャンバ内に集積する燃焼排ガスに対して圧力上昇を加えることにより、噴射チャンバ内への燃焼排ガスの流れが、個々の貫流開口間で実質的に一様に分布されるようにすることが可能になる。したがって、これらの開口がケーシングの周方向に一様に分布することにより、噴射チャンバの中心線を中心として実質的に対称的な形で、噴射チャンバ内への燃焼排ガスの流入を実現することができる。したがって、噴射チャンバの壁面及び噴射チャンバに最も近い領域にある混合導管の壁面への接触が妨げられるように、微粉化された媒体を噴射チャンバの中心へ向けて吹き付けることが可能になる。その結果、液状媒体の小滴は、混合導管のいずれかの壁面に接触する機会を得る前に、混合導管内の燃焼排ガス中に十分に拡散され、それにより、上述のような塊が形成される恐れは排除されるか、又は少なくとも大幅に減少される。

本発明の一実施形態によれば、集合チャンバの入口は、ラインを通過する燃焼排ガスの１０〜２０％を集合チャンバへ迂回させるように寸法付けされている。このことは、集合チャンバへ迂回される排気流が、バイパス導管を介して混合導管内へ直接導かれる主流と比較して、比較的少ないことを意味する。したがって、集合チャンバ内の燃焼排ガス中に蓄積する圧力上昇は、排気ライン内の燃焼排ガスの全背圧にごくわずかにしか寄与しない。高い背圧はより多くの燃料消費を伴うので、排気ライン内の全背圧をできる限り低く保つことが一般に望ましい。

全排気流のうちのわずかな部分のみを集合チャンバへ迂回させることの別の利点は、全排気流に変動がある場合に、集合チャンバ内への排気流が限られた範囲でのみ変動することである。このことは、ケーシングの貫流開口を介して噴射チャンバ内へ導かれた燃焼排ガスが、様々な動作条件において、噴射された液状媒体に対して実質的に同一の効果を有し、したがって、噴射された液状媒体に所望される効果が多種多様な動作条件において達成されるということを意味する。

本発明の別の実施形態によれば、バイパス導管は、集合チャンバを取り囲み、また、集合チャンバとバイパス導管の間に配置されたカウルにより、集合チャンバから区切られている。このことにより、小型で場所を取らない装置の構成が可能となる。

本発明による装置の他の有利な特徴は、従属請求項及び以下に記載の説明によって示される。

添付の図面を参照しながら、実施形態に基づいて本発明を以下により詳細に説明する。

本発明の一実施形態による装置の概略縦断面図である。 図１に記載の装置の部品の概略斜視図である。

図１は、燃焼機関からの燃焼排ガスに液状媒体を導入するための、本発明による装置１を示している。装置は、例えば、ＳＣＲ触媒上流の排気ライン内へ尿素又はアンモニアの形態の液状還元剤を導入するために、ＳＣＲ触媒上流の排気ライン内に配置するか、又は、排気後処理デバイスの一部分を形成するＳＣＲ触媒の上流に尿素又はアンモニアの形態の液状還元剤を導入するために、排気後処理デバイス内に配置することができる。

装置１は、燃焼機関からの燃焼排ガスを受け入れてそれを例えばＳＣＲ触媒の形態の排気後処理ユニットの方へ導くことを意図した、ライン２を備える。装置１は、閉後端４及び開前端５を有する噴射チャンバ３をさらに備える。噴射チャンバ３は、その開前端５を介して、ライン２の一部分を形成し且つ噴射チャンバ３の下流に配置された、混合導管６に接続されている。液状媒体を噴射するための噴射手段７が、噴射チャンバの開前端５に向けて液状媒体を噴射するために、噴射チャンバの後端４の中心に配置されている。示されている例では、噴射手段７は、噴射チャンバ３の後端４を介して、噴射チャンバ３内へ延在している。例えば噴射ノズルを備えることができる噴射手段７は、加圧された液状媒体を微粉化されたスプレーの形態で噴射チャンバ３内へ噴射するように構成されている。

噴射チャンバ３は、噴射チャンバの後端４と開前端５の間に延在するケーシング８によって、放射状に区切られている。このケーシング８は、ケーシングの周方向に分布された貫流開口９（図２参照）を備える。貫流開口９は、ケーシングの中心線１８を中心として対称的に分布されている。各開口９は、例えば図２に示されているように、ケーシングの軸線方向に延在するスリットの形状をとることができる。しかし、開口９は、他の代替的な形状をとることもできる。示された実施形態では、ケーシング８は、噴射チャンバの後端４から開前端５に向かって広がる切頭円錐の形状をとっている。

集合チャンバ１０が、噴射チャンバ３の上流に配置されている。この集合チャンバ１０は、ケーシング８の少なくとも一部分を取り囲む。図１に示されている実施形態では、集合チャンバ１０は、ケーシング８の全体を取り囲む。集合チャンバ１０は、ライン２からの燃焼排ガスを受け入れるための入口１１を有し、且つ、ケーシングの貫流開口９を介して噴射チャンバ３に連通されており、それにより、集合チャンバ１０に受け入れられた燃焼排ガスをそれらの開口９を介して噴射チャンバ３へ入れることを可能にしている。ケーシングの開口９の総合横断面積は、有利には集合チャンバの入口１１の横断面積よりも小さく、集合チャンバ１０へ迂回された燃焼排ガスが集合チャンバにおいて圧力上昇するようになっている。

集合チャンバ１０及び噴射チャンバ３を通過させることなく燃焼排ガスを混合導管内へ導くために、混合導管６上流のライン２内にバイパス導管１２が配置されている。バイパス導管１２は、集合チャンバ１０を取り囲み、且つ、集合チャンバとバイパス導管の間に配置されたカウル１３により集合チャンバ１０から区切られている。示されている実施形態では、カウル１３は、その前端１４からその後端１５に向かって広がる切頭円錐の形状をとっている。バイパス導管１２は、カウル１３を取り囲み、カウル１３の外側に沿って延在している。示されている実施形態では、カウル１３の前端１４は、ケーシング８の前端に接続されている。

集合チャンバの入口１１は、ライン２を通過する燃焼排ガスの一部を迂回させ、それにより、それらの迂回された燃焼排ガスを集合チャンバ１０内へ流れさせ、そこからケーシング８の貫流開口９を介して噴射チャンバ３内へ流れさせ、その後で噴射チャンバの開前端５を介して混合導管６内へ流れさせるように構成されており、一方で、バイパス導管１２は、ライン２を通過する燃焼排ガスの別の部分を混合導管６内へ直接導き、それにより、その燃焼排ガスの別の部分を混合導管内で前記迂回された燃焼排ガスと混合させるように構成されている。噴射手段７を介して噴射チャンバ３内へ噴射された液状媒体のスプレーは、噴射チャンバ３において、前記スプレーの周りに実質的に対称な流れでケーシングの開口９を介して噴射チャンバ内へ流れる燃焼排ガスと接触する。噴射チャンバ３内へ流れる燃焼排ガスは、前記スプレー中の液状媒体がケーシング８の内側に接触するのを防ぎ、また、それらと共に液状媒体を混合導管６内へ運ぶ。その混合導管６において、液状媒体は燃焼排ガス中に拡散され、それらの熱によって気化される。

集合チャンバ１０の入口１１は、ライン２を通過する燃焼排ガスの５〜５０％、好ましくは１０〜２０％を集合チャンバへ迂回させるように、有利に寸法付けされる。

図１に示されている実施形態では、装置１は、膨出部分１６を備え、膨出部分１６は、ライン２内へ延在し且つその上側から突出するケーシング８を有する。集合チャンバ１０は、この膨出部分１６とケーシング８とカウル１３との間に形成されている。この場合、集合チャンバの入口１１は環状であり、膨出部分１６を取り巻いて延在する。集合チャンバの入口１１の上流では、ライン２は、膨出部分１６を取り巻いて延在する環状空間１７を有する。

本発明による装置は、例えばバス、トラクタ・ユニット、又はトラックといった大型自動車での使用に特に意図されている。

本発明は、当然ながら上述の実施形態に限られるものでは決してない。なぜなら、その修正形態に対する様々な可能性は、添付の特許請求の範囲で定義されているような本発明の基本概念から逸脱させることなしに、当業者には自明であろうと思われるためである。

Claims (11)

1. 燃焼機関からの燃焼排ガス中に、液状媒体、例えば尿素を導入するための装置であって、前記装置（１）は、
   燃焼排ガスを通過させることを意図したライン（２）と、
   開前端（５）を有する噴射チャンバ（３）と、
   前記噴射チャンバ（３）内へ前記液状媒体を噴射するための噴射手段（７）と、
   前記噴射チャンバ（３）を径方向に区切り、その周囲を取り巻いて分布された貫流開口（９）が設けられている、ケーシング（８）と、
   前記ライン（２）の一部分を形成する混合導管（６）であって、前記混合導管（６）に前記噴射チャンバ（３）がその開前端（５）を介して連通されている、混合導管（６）と、
   前記噴射チャンバ（３）の上流に配置された集合チャンバ（１０）であって、前記集合チャンバ（１０）は、前記ケーシング（８）の少なくとも一部分を取り囲み、燃焼排ガスを受け入れるための入口（１１）を有し、前記ケーシングの前記開口（９）を介して前記噴射チャンバ（３）に連通されており、それにより、前記集合チャンバ（１０）の中に受け入れられた前記燃焼排ガスを、前記開口（９）を介して前記噴射チャンバ（３）内へ入れることを可能にしている、集合チャンバ（１０）と、
   を備える装置において、
   前記集合チャンバ（１０）及び前記噴射チャンバ（３）を通過させることなく燃焼排ガスを前記混合導管内へ導くために、前記混合導管（６）上流の前記ライン（２）内にバイパス導管（１２）が配置されていること、及び、
   前記集合チャンバの前記入口（１１）が、前記ライン（２）を通過する前記燃焼排ガスの一部を迂回させ、それにより、この迂回された燃焼排ガスを前記集合チャンバ（１０）内へ流れさせ、そこから前記開口（９）を介して前記噴射チャンバ（３）内へ流れさせ、その後で前記噴射チャンバの前記開前端（５）を介して前記混合導管（６）内へ流れさせるように構成されており、一方で前記バイパス導管（１２）が、前記ライン（２）を通過する前記燃焼排ガスの別の部分を前記混合導管（６）内へ導き、それにより、前記燃焼排ガスの別の部分を前記混合導管（６）内で前記迂回された燃焼排ガスと混合させるように構成されていることを特徴とする、装置。
2. 前記集合チャンバ（１０）の前記入口（１１）が、前記ライン（２）を通過する前記燃焼排ガスの５〜５０％を前記集合チャンバへ迂回させるように寸法付けされていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記集合チャンバ（１０）の前記入口（１１）が、前記ライン（２）を通過する前記燃焼排ガスの１０〜２０％を前記集合チャンバへ迂回させるように寸法付けされていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記ケーシングの前記開口（９）の総合横断面積が、前記集合チャンバの前記入口（１１）の横断面積より小さく、それにより、前記集合チャンバ（１０）へ迂回された前記燃焼排ガスが、前記集合チャンバ（１０）内で圧力上昇することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の装置。
5. 前記ケーシング（８）が、前記噴射チャンバの前記後端（４）から前記噴射チャンバの前記開前端（５）に向かって広がる切頭円錐の形状をとっていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の装置。
6. 前記ケーシングの前記貫流開口（９）が、前記ケーシングの中心線（１８）を中心として対称的に分布されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の装置。
7. 前記噴射手段（７）が、前記噴射チャンバの前記後端（４）の中心に配置され、前記噴射チャンバの前記開前端（５）に向けて前記液状媒体を噴射するように構成されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の装置。
8. 前記バイパス導管（１２）が、前記集合チャンバ（１０）を取り囲み、且つ、前記集合チャンバと前記バイパス導管の間に配置されたカウル（１３）により前記集合チャンバ（１０）から区切られていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の装置。
9. 前記装置（１）が膨出部分（１６）を備え、前記膨出部分（１６）は、前記ライン（２）内へ延在し、且つその上側から突出する前記ケーシング（８）を有すること、及び、
   前記集合チャンバ（１０）が、前記突出部分（１６）と、前記ケーシング（８）と、前記ケーシングを取り囲む前記カウル（１３）との間に形成されていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記集合チャンバの前記入口（１１）が、環状であり、且つ前記膨出部分（１６）を取り巻いて延在していることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 前記カウル（１３）が、その前端（１４）から上流のその後端（１５）に向かって広がる切頭円錐の形状をとっていることを特徴とする、請求項８から１０までのいずれか一項に記載の装置。

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