JP2013540230A - 燃焼機関からの燃焼排ガスに液状媒体を導入する装置 - Google Patents

Abstract

混合導管２と、混合導管内に第１の排気渦を生じさせるための第１の流れ誘導手段３であって、第１の排気渦中の燃焼排ガスが混合導管内で下流へ移動する際に第１の回転方向に回転するように第１の排気渦を生じさせる第１の流れ誘導手段３と、第１の渦の中心の排気流において液状媒体内に導かれた燃焼排ガス中に微細に分割された噴霧の形態の液状媒体を噴射するための噴射手段５と、混合導管内に第１の渦と同心円状に且つ第１の渦の外側に第２の排気渦を生じさせるための第２の流れ誘導手段４であって、第２の渦中の燃焼排ガスが混合導管内で下流へ移動する際に第１の回転方向とは反対の第２の回転方向に回転するように第２の排気渦を生じさせる第２の流れ誘導手段４とを備える、燃焼機関からの燃焼排ガス中に液状媒体を導入する装置。

Description

本発明は、燃焼機関からの燃焼排ガスに液状媒体、例えば尿素を導入する、請求項１の前文に記載された装置に関するものである。

現行の排気浄化要求を満たすために、現在の自動車は通常、排気ラインに触媒を備えて、燃焼排ガスの環境上有害な成分を環境的に害のより少ない物質に変換する触媒変換を行なっている。触媒変換を効果的に達成するために用いられてきた方法として、触媒上流の燃焼排ガスへの還元剤を噴射する。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が、燃焼排ガスにより触媒へ運ばれて触媒の活性シート上に吸着され、その結果、触媒に還元性物質が集積する。次いで、集積した還元性物質は、排気物質と反応し、それにより排気物質を環境への影響のより少ない物質に変換できる。そのような還元触媒は、例えばＳＣＲ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ、選択触媒還元）タイプのものがある。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ＮＯ_ｘを削減する。ＳＣＲ触媒の場合、通常、尿素溶液の形態の還元剤が、触媒上流の燃焼排ガスへ噴射される。燃焼排ガスへの尿素の噴射によりアンモニアが形成され、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作用する。アンモニアは、触媒の活性シート上に吸着されることにより触媒に集積し、燃焼排ガス中に存在するＮＯ_ｘ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、噴射手段を介して、液状の尿素溶液の形態で排気ラインに噴射される。噴射手段はノズルを備え、尿素溶液は、このノズルを介して、微細に分割された噴霧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に高温になる。しかし、供給された尿素溶液の一部が気化されない状態で排気ラインの内壁面に接触して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の多い排気ラインは、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、すなわち定常動作条件で稼働される場合、排気流に顕著な変動が生じないため、燃焼排ガスへ噴射される尿素溶液は、実質的に、上記期間にわたって排気ラインの同一の領域に達する。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が形成され、次いでこの尿素溶液の膜が排気流に伴って移動する可能性がある。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。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。結果として尿素の層が十分に厚くなると、尿素とその分解生成物とが相互に反応して、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実質的に排気ラインの同一の領域に達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内で十分に拡散されることが望ましい。燃焼排ガス内での尿素溶液の良好な拡散は、尿素溶液の気化をも促進する。また、滴径が減少すると気化速度が上昇するので、噴射された尿素溶液ができるだけ小さな滴に分割されることが望ましい。

請求項１の前文に記載の装置は、国際公開第２００７／１１５７４８号で公知である。その公知の装置では、第１の排気流が、この第１の排気流中の燃焼排ガスが混合導管の中心線を中心として回転させられてそれにより混合導管内に排気渦がもたらされるように、混合導管内に導かれる。管状の噴射チャンバ内に液状媒体を噴射するための噴射手段が設けられ、それにより、噴射された媒体が、噴射チャンバを通過する第２の排気流に接触させられる。次いで、噴射チャンバ内で形成された、燃焼排ガスと噴射された媒体の混合物が、上記の排気渦の中心において混合導管内に導かれ、それにより燃焼排ガス内での液状媒体の良好な分布が得られる。

国際公開第２００７／１１５７４８号

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、上記の目的は、請求項１で定義された構成を有する装置によって達成される。

本発明による装置は、
燃焼排ガスが通過するように意図された混合導管と、
混合導管内に第１の排気渦を生じさせるための第１の流れ誘導手段であって、この第１の排気渦中の燃焼排ガスが混合導管内で下流へ移動する際に、燃焼排ガスを第１の回転方向で回転させるように構成された第１の流れ誘導手段と、
第１の排気渦の中心の排気流において、混合導管内に導かれた燃焼排ガス中に、微細に分割された噴霧形態の液状媒体を噴射するための噴射手段と、
混合導管内に第１の排気渦と同心円状に且つ第１の排気渦の外側に第２の排気渦を生じさせるための第２の流れ誘導手段であって、この第２の排気渦中の燃焼排ガスが混合導管内で下流へ移動する際に、燃焼排ガスを第１の回転方向とは反対の第２の回転方向で回転させるように構成された第２の流れ誘導手段とを備える。

第１の排気渦は、液状媒体が第２の排気渦と接触するように、液状媒体に半径方向外向きに遠心力を作用させるのに役立つ。第１の排気渦と第２の排気渦とが反対方向に回転することにより、それらが互いに接触するところに、非常に乱れた流れが形成される。この乱流は、燃焼排ガス内で液状媒体を拡散させることに役立つ。したがって、結果として生じる液状媒体の小滴は、導管のいずれかの壁面に達する機会を得る前に、混合導管内の燃焼排ガス内で十分に拡散されるので、上記の塊形成の虞それは排除されるか、又は少なくとも大幅に減少される。乱流は、液状媒体の滴を、より迅速に気化させるか、より小さな滴に分割することにも役立つ。

本発明の一具体例によれば、噴射手段は、混合導管の上流に配置された噴射チャンバ内に液状媒体を噴射するように構成される。このチャンバは、燃焼排ガスを通過させるように意図されており、噴射チャンバ内に受け入れられた燃焼排ガスが第１の排気渦の中心の排気流において混合導管内に導かれるように、混合導管に接続されている。噴射チャンバでは、液状媒体が混合導管内の渦に接触する前に、第１の量の燃焼排ガス内での液状媒体の最初の拡散が行われる。

本発明の別の具体例によれば、噴射チャンバは、ケーシングによって半径方向に境界が形成され、このケーシングには、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、これらの貫流開口を介して燃焼排ガスが噴射チャンバに入ることを可能にしている。ケーシングの開口を通る排気流は、噴射チャンバ内に噴射された媒体をチャンバの中心に向け、それにより媒体が噴射チャンバの壁面に達することが防止される。

本発明の別の具体例によれば、装置は、混合導管内に第２の排気渦と同心円状に且つ第２の排気渦の外側に第３の排気渦を生じさせるための第３の流れ誘導手段を備える。この第３の流れ誘導手段は、第３の排気渦中の燃焼排ガスが混合導管内で下流への移動する際に、燃焼排ガスを上記の第１の回転方向で回転させるように構成されている。第２の排気渦と第３の排気渦とが反対方向に回転することにより、それらが互いに接触するところに、非常に乱れた流れが形成される。この乱流は、燃焼排ガス中での液状媒体のさらなる拡散、及び滴のさらなる分割に貢献する。

本発明による装置の他の有利な構成は、独立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、実施例に基づいて本発明を以下により詳細に説明する。

本発明の第１の実施例による装置の縦断面概略図。 図１に記載の装置の混合導管の断面概略図。 図１に記載の装置の部品の斜視概略図。 本発明の第２の実施例による装置の縦断面概略図。 図４に記載の装置の混合導管の断面概略図。

図１及び図４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の２つの異なる実施例による装置１を示す。装置は、例えば、ＳＣＲ触媒の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触媒の上流の排気ライン内に配置されるか、又は、排気後処理デバイスの一部を形成する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できる。

装置１は、上流端で燃焼機関からの燃焼排ガスを受け入れて、燃焼排ガスを例えばＳＣＲ触媒の形態の排気後処理ユニットに向けて導くように意図された混合導管２を備える。したがって、混合導管２は、燃焼排ガスを通過させるように意図されている。

装置１は、混合導管２内に第１の排気渦Ｖ１（図２及び図５参照）を生じさせるための第１の流れ誘導手段３と、混合導管２内に第１の排気渦と同心円状に且つ第１の排気渦のすぐ外側に第２の排気渦Ｖ２（図２及び図５参照）を生じさせるための第２の流れ誘導手段４とをさらに備える。流れ誘導手段３は、第１の排気渦Ｖ１中の燃焼排ガスが混合導管内で下流へ移動する際に、それらの燃焼排ガスを第１の回転方向（図２に矢印Ｐ１で示す）で回転させるように構成されており、第２の流れ誘導手段４は、第２の排気渦Ｖ２中の燃焼排ガスが混合導管内で下流へ移動する際に、燃焼排ガスを上記の第１の回転方向とは反対の第２の回転方向（図２に矢印Ｐ２で示す）で回転させるように構成されている。したがって、２つの排気渦は、第１の排気渦Ｖ１中の燃焼排ガスが第２の排気渦Ｖ２の燃焼排ガスにぶつかるように反対方向に回転し、結果として排気渦間の境界領域に乱流が生じる。

装置１は、第１の排気渦Ｖ１の中心の排気流において混合導管２内に導かれた燃焼排ガス内に、微細に分割された噴霧の形態の加圧された液状媒体を噴射するための噴射手段５をさらに備える。噴射手段５は、例えば、噴射ノズルを備えることができる。

図１及び図４に示した実施例では、装置１は、混合導管２の上流に配置され且つ燃焼排ガスを通過させるように意図された噴射チャンバ６を備える。この噴射チャンバ６は、噴射チャンバ６内に受け入れられた燃焼排ガスが、第１の排気渦Ｖ１の中心の排気流において混合導管２内に導かれるように、混合導管２に接続されている。噴射手段５は、噴射チャンバ６内へ液状媒体を噴射するように構成されている。噴射チャンバ６は、ケーシング７によって半径方向に境界されており、このケーシング７には、その円周方向に分布された貫流開口８（図３参照）が設けられ、それにより、これらの開口８を介して燃焼排ガスを噴射チャンバ６に入れることを可能にしている。開口８は、ケーシングの中心線９の周囲に対称的に分布されている。各開口８は、例えば、図３に示したように、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。開口８は、他の代替的な形状をとることもある。図示した実施例では、ケーシング７は、噴射チャンバの下流端に向かって広がっている切頭円錐の形状をとる。

示した実施例では、噴射チャンバ６は、閉じた後端部１０、及び開いた前端部１１を有する。噴射チャンバ６は、その開いた前端部１１を介して、混合導管２に接続される。上記のケーシング７は、チャンバの後端部１０とその開いた前端部１１との間に延在する。噴射手段５は、チャンバの後端部１０の中心に配置されて、チャンバの開いた前端部１１に向けて液状媒体を噴射する。示した実施例では、噴射手段５は、噴射チャンバ６の後壁１０を介して噴射チャンバ６内に延在する。

流れ誘導手段３は、例えば、図３に示すように、円周上で互いに間隔を置いて配置された一連の第１の誘導フラップ（翼片）の形状をとることができる。示した実施例では、これらの誘導フラップ３は、ケーシング７の外側に配置されたカウル１４の第１の環状面１３上に配置されている。カウル１４は、ケーシング７の前端部に接続される。第１の環状面１３は、噴射チャンバの開いた前端部１１の周囲に延在する。誘導フラップ３は、第１の環状面の中心の周囲に均等に分布され、各誘導フラップ３は、第１の環状面１３において、それぞれの貫流開口１５をはさんで外方向に曲がって延在する。示した実施例では、第２の誘導手段４が、円周上で互いに間隔を置いて配置された一連の第２の誘導フラップの形状をとる。示した実施例では、これらの誘導フラップ４は、カウル１４の第２の環状面１７上に配置される。誘導フラップ４は、第２の環状面の中心の周囲に均等に分布され、各誘導フラップ４は、第２の環状面１７において、それぞれの貫流開口１８をはさんで外方向に曲がって延在する。示した実施例では、第１の誘導フラップ３は、反時計回りに曲げられているが、第２の誘導フラップ４は時計回りに曲げられている。第２の環状面１７は、第１の環状面１３と同心であり、第１の環状面１３の外径よりも大きい内径を有する。切頭円錐の形状の壁１９が、第１の環状面１３と第２の環状面１７との間に延在する。カウル１４は、その前端部２１において第２の環状面１７の外縁部に接続されている外壁２０をさらに有する。この外壁２０は、壁の前端部２１からその後端部２２に向かって上流に広がっている切頭円錐の形状を有する。

集合チャンバ２３が、ケーシング７とカウル１４との間に配置される。このチャンバ２３は、ケーシング７を包囲している。集合チャンバ２３は、排気ライン２５からの燃焼排ガスを受け入れるための入口２４を有し、ケーシングの開口８を介して噴射チャンバ６に接続され、それにより、これらの開口８を介して、燃焼排ガスを集合チャンバ２３から噴射チャンバ６内へ流すことを可能にしている。集合チャンバ２３は、カウルの開口１５、１８を介して混合導管２に接続され、それにより、これらの開口１５、１８を介して、燃焼排ガスを集合チャンバ２３から混合導管２に入れることを可能にしており、結果として、上記の排気渦Ｖ１、Ｖ２が生じる

示した実施例では、集合チャンバ２３を通過させずに燃焼排ガスを混合導管内へ導くために、混合導管２の上流にバイパス導管２６が設けられる。バイパス導管２６は、集合チャンバ２３を包囲し、また、カウル１４により集合チャンバ２３から区切られている。バイパス導管２６は、カウル１４を包囲してその外側の周囲に延在する。

集合チャンバの入口２４は、排気ライン２５を通過する燃焼排ガスの一部を迂回させて、それらの迂回された燃焼排ガスを集合チャンバ２３へ入れられるように構成されているが、バイパス・ライン２６は、排気ライン２５を通過する燃焼排ガスの別の部分を直接混合導管２内に導いてそこで上記の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５を介して噴射チャンバ６内に噴射された液状媒体の噴霧は、噴射チャンバ６において、この噴霧と実質的に対称な流れでケーシングの開口８を介して噴射チャンバに入ってくる燃焼排ガスと接触する。噴射チャンバ６に入ってくる燃焼排ガスは、上記の噴霧の液状媒体がケーシング７の内側に接触することを防ぎ、且つ、それらと一緒に液状媒体を混合導管２内へ運び、そこで、排気渦Ｖ１、Ｖ２と接触する液状媒体は、分割され、燃焼排ガス内に拡散され、その熱によって気化される。

図１及び図４に示した実施例では、装置１は、その上側からケーシング７を突出させている膨出部分２７を備える。集合チャンバ２３は、この膨出部分２７とケーシング７とカウル１４との間に形成される。この場合、集合チャンバの入口２４は環状であり、膨出部分２７を取り巻いて延在する。集合チャンバの入口２４の上流では、排気ライン２５が、膨出部分２７を取り巻いて延在する環状空間２８を有する。

図４及び図５に示した実施例では、装置１は、混合導管２内に第２の排気渦Ｖ２と同心円状に且つ第２の排気渦Ｖ２のすぐ外側に第３の排気渦Ｖ３を生じさせるための第３の流れ誘導手段３０をも備える。この第３の流れ誘導手段３０は、排気渦Ｖ３中の燃焼排ガスが混合導管２内で下流へ移動する際に、燃焼排ガスを上記の第１の回転方向で回転させるように構成されている。したがって、第２及び第３の排気渦Ｖ２、Ｖ３は、第２の渦Ｖ２中の燃焼排ガスが第３の渦Ｖ３中の燃焼排ガスにぶつかるように互いに反対方向に回転し、結果として、渦間の境界領域に乱流が生じる。第３の流れ誘導手段３０は、例えば、上記のタイプの誘導フラップの形状をとることができる。

必要に応じて、装置は、混合導管２内に、互いに同心円状に且つその外側に任意所望の数の排気渦を生じさせるための、さらなる流れ誘導手段を備えることができ、それにより、１つおきの渦が時計方向に回転し、その間の渦が反時計方向に回転するようにできる。

本発明による装置は、特に、大型自動車両、例えばバス、牽引車、又はトラックでの使用を対象としたものである。

本発明は、当然ながら上記の実施例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において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。例えば、流れ誘導手段３、４、３０は、上記のものとは異なって構成されてもよい。

Claims (8)

1. 燃焼機関からの燃焼排ガスに液状媒体、例えば尿素を導入する装置であって、
   燃焼排ガスが通過するように意図された混合導管（２）と、
   前記混合導管（２）内に第１の排気渦（Ｖ１）を生じさせるための第１の流れ誘導手段（３）であって、前記第１の排気渦の前記燃焼排ガスが前記混合導管内で下流へ移動する際に前記燃焼排ガスを第１の回転方向で回転させるように構成された、第１の流れ誘導手段（３）と、
   前記第１の排気渦（Ｖ１）の中心の排気流において前記混合導管（２）内に導かれた燃焼排ガスに微細に分割された噴霧の形態の前記液状媒体を噴射するための噴射手段（５）とを備える装置（１）において、
   前記装置（１）が、前記混合導管（２）内に前記第１の排気渦（Ｖ１）と同心円状に且つ前記第１の排気渦（Ｖ１）の外側に第２の排気渦（Ｖ２）を生じさせるための第２の流れ誘導手段（４）を備え、該第２の流れ誘導手段（４）は、前記第２の排気渦の前記燃焼排ガスが前記混合導管内で下流へ移動する際に、前記燃焼排ガスを前記第１の回転方向とは反対の第２の回転方向で回転させるように構成されていることを特徴とする、装置。
2. 前記装置（１）が、前記混合導管（２）の上流に配置された噴射チャンバ（６）を備え、前記噴射チャンバ（６）が、燃焼排ガスを通過させるように意図され、且つ前記噴射チャンバ（６）に受け入れられた前記燃焼排ガスが前記第１の排気渦（Ｖ１）の中心の排気流において前記混合導管（２）内に導かれるように前記混合導管（２）に接続され、
   前記噴射手段（５）が、前記噴射チャンバ（６）内へ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に記載された装置。
3. 前記噴射チャンバ（６）が、ケーシング（７）によって半径方向に境界が形成されており、前記ケーシング（７）には、円周方向に分布した貫流開口（８）が設けられ、それにより、該貫流開口（８）を介して燃焼排ガスが前記噴射チャンバ（６）に入るようになっていることを特徴とする、請求項２に記載された装置。
4. 前記ケーシングの貫流開口（８）が、前記ケーシングの中心線（９）の周囲に対称的に分布していることを特徴とする、請求項３に記載された装置。
5. 前記噴射チャンバ（６）が、後端部（１０）及び開いた前端部（１１）を有し、且つ、前記開いた前端部（１１）を介して前記混合導管（２）に接続されており、
   前記噴射手段（５）が、前記噴射チャンバの後端部（１０）の中心に配置され、且つ、前記チャンバの開いた前端部（１１）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３又は請求項４に記載された装置。
6. 前記第１の流れ誘導手段（３）が、円周上に互いに間隔を置いて配置された一連の第１の誘導フラップの形状であることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された装置。
7. 前記第２の流れ誘導手段（４）が、円周上に互いに間隔を置いて配置された一連の第２の誘導フラップの形状であることを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された装置。
8. 前記装置（１）が、前記混合導管（２）内に前記第２の排気渦（Ｖ２）と同心円状に且つ前記第２の排気渦（Ｖ２）の外側に第３の排気渦（Ｖ３）を生じさせるための第３の流れ誘導手段（３０）を備え、該第３の流れ誘導手段（３０）は、前記第３の排気渦の前記燃焼排ガスが前記混合導管内で下流へ移動する際に、前記燃焼排ガスを前記第１の回転方向で回転させるように構成されていることを特徴とする、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載された装置。

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