JP2014505827A - 小型再生ユニット - Google Patents

Abstract

排気後処理装置の上流の場所において、エンジンからの排気ストリームの温度を制御するためのシステムは、エンジンからの排気ストリームを受け入れるように適合された主排気通路を含む。側方分岐部は、主排気通路に連通している。再生ユニットは、燃料を燃焼させるために、かつ、主排気通路を通って流れる排気を加熱するために、側方分岐部内に位置付けられている。イオンセンサーは、燃料燃焼の存在を示す信号を出力するように作動可能である。制御装置は、排気温度を上昇させるために再生ユニットを選択的に作動させる。制御装置は、イオンセンサーの信号に基づいて、再生ユニットへの燃料の供給を制御するように作動可能である。

Description

本開示は、概して、排気ガスを処理するためのシステムに関する。より具体的には、排気ガス温度を上昇させるための小型再生ユニットが述べられる。

内燃エンジンの運転中に大気に放出されるＮＯ_Xと粒子状物質との量を低減させようとして、多数の排気後処理デバイスが開発されてきた。ディーゼル燃焼プロセスが実行されるときに、排気後処理システムに対する要求がとりわけ生じる。ディーゼルエンジン排気のための典型的な後処理システムは、ディーゼル微粒子捕集フィルター（ＤＰＦ）と選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムと炭化水素（ＨＣ）インジェクターとディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）とのうちの１つまたは複数を含むことが可能である。

エンジンの運転中に、ＤＰＦが、エンジンによって放出された煤塵を捕捉し、粒子状物質（ＰＭ）の放出を低減させる。時間とともに、ＤＰＦは、負荷がかかる（loaded）ようになり、詰まり始める。ＤＰＦに捕捉された煤塵の定期的な再生または酸化が、適切な運転に必要である。ＤＰＦを再生させるために、比較的高い排気温度が、排気ストリームの中の十分な量の酸素と組み合わせられて、フィルターの中に捕捉された煤塵を酸化させるために必要とされる。

ＤＯＣは、熱を発生させて、煤塵が付着したＤＰＦを再生するために、典型的に使用されている。炭化水素（ＨＣ）が、特定の着火温度で、または、それを超える温度で、ＤＯＣの上にスプレーされると、ＨＣは酸化することとなる。この反応は、発熱性が高く、着火中に排気ガスが加熱される。加熱された排気ガスが、ＤＰＦを再生させるために使用される。

しかし、多くのエンジン運転条件の下で、排気ガスは、おおよそ３００℃のＤＯＣ着火温度を実現するには十分に高温ではない。そのため、ＤＰＦ再生は、受動的には起こらない。そのうえ、ＮＯ_X吸着器および選択的触媒還元システムは、典型的に、適切に作動するための最低限の排気温度を必要とする。

様々な後処理デバイスの上流で排気ストリームを加熱するために、バーナーが設けられることが可能である。既知のバーナーは、自動車で使用するために内燃エンジンの排気温度を上手く上昇させてきた。いくつかの相手先商標製品製造会社（Original Equipment Manufacturer）は、そのサイズとコストとに起因して、従来のバーナーの実行に抵抗してきた。そのうえ、ディーゼル機関車、定置式の発電所、船舶、およびその他を含む他の用途には、比較的大型のディーゼル圧縮エンジンが装備される可能性がある。大型のエンジンからの排気質量流量は、典型的にバーナーに提供される最大流量の１０倍よりも大きい可能性がある。増加した排気質量流量を担うためにバーナーのサイズを増加させることは可能であるかもしれないが、この解決策に関係するコストと重量と梱包との問題は、許容できない可能性がある。したがって、排気システムのコストと、重量と、サイズと、性能とに最小限に影響を与えながら、エンジンからの排気出力物の温度を上昇させるために、小型再生ユニットに対する要求が、当技術分野に存在する可能性がある。また、バーナーの使用に関係して、圧力降下および／または背圧に最小限に影響を与えることが望ましい可能性がある。

このセクションは、本開示の全般的な概要を提供しており、その完全な範囲、または、その特徴の全ての包括的な開示ではない。

排気後処理装置の上流の場所において、エンジンからの排気ストリームの温度を制御するためのシステムは、エンジンからの排気ストリームを受け入れるように適合された主排気通路を含む。側方分岐部（side branch）は、主排気通路に連通している。再生ユニットは、燃料を燃焼させるために、かつ、主排気通路を通って流れる排気を加熱するために、側方分岐部内に位置付けられている。イオンセンサーは、燃料燃焼の存在を示す信号を出力するように作動可能である。制御装置は、排気温度を上昇させるために再生ユニットを選択的に作動させる。制御装置は、イオンセンサーの信号に基づいて、再生ユニットへの燃料の供給を制御するように作動可能である。

排気後処理装置の上流の場所において、エンジンからの排気ストリームの温度を制御するために、システムが提供される。システムは、エンジンからの排気ストリームを受け入れるように適合された主排気通路を含む。有底の（blind）側方分岐部が、主排気通路に連通している。再生ユニットは、燃料を燃焼させるために、かつ、主排気通路を通って流れる排気を加熱するために、側方分岐部内に位置付けられている。再生ユニットが、側方分岐部の側壁部内に位置付けされて側方分岐部の側壁部から離隔されたハウジングと、ハウジングによって画定されたチャンバーの中へ燃料を噴射するためのノズルと、ハウジング内で燃料の燃焼を開始させるための点火装置とを含む。制御装置は、排気温度を上昇させるために再生ユニットを選択的に作動させる。

さらなる適用領域は、本明細書で提供されている説明から明らかになることとなる。この概要の中の説明および特定の例は、例示の目的のためだけであることが意図されており、本開示の範囲を限定することは意図されていない。

本明細書で説明されている図面は、例示の目的のためだけに、選択された実施形態であり、全ての可能性のある全ての実行例ではなく、本開示の範囲を限定することは意図されていない。

エンジンからの排気の温度を制御するためのシステムを示す概略図。 小型再生ユニットを含む、図１に示されている排気後処理システムの一部分の側断面図。 代替的な再生ユニットの断面図。 代替的な再生ユニットの断面図。 フローダイバーターを含むエンジン後処理システムの断面図。 フローダイバーターを含む後処理システムの斜視図。 別の代替的な再生ユニットの一部分の部分斜視図。 別の代替的な再生ユニットの断面図。 再生ユニットの代替的な入口管部分を示す斜視図。 再生ユニットの代替的な入口管部分を示す斜視図。 再生ユニットの代替的な入口管部分を示す斜視図。 再生ユニットの代替的な入口管部分を示す斜視図。 再生ユニットの代替的な入口管部分を示す斜視図。 別の代替的な排気後処理システムを示す断面図。

対応する参照数字は、図面のうちのいくつかの図を通して、対応する部品を示している。

ここで、例示的な実施形態が、添付の図面を参照して、より完全に説明されることとなる。

図１は、例示的なエンジン１２によって主排気通路１４に出力された排気を処理するための排気ガス後処理システム１０を示している。取り入れ口通路１６が、エンジン１２に連結され、そこに燃焼空気を提供する。ターボチャージャー１８は、排気ストリームの中に位置付けられた被駆動部材（図示せず）を含む。エンジン運転中に、排気ストリームが、被駆動部材を回転させ、エンジン１２の中に進入する前に圧縮空気を取り入れ口通路１６に提供する。

また、排気後処理システム１０は、小型再生ユニット２６も含み、小型再生ユニット２６は、ターボチャージャー１８の下流に、および、多数の排気後処理デバイスの上流に位置付けられている。図１に示されている例示的な後処理システムでは、後処理デバイスは、炭化水素インジェクター２８と、ディーゼル酸化触媒３０と、ディーゼル微粒子捕集フィルター３２とを含む。

再生ユニット２６は、システム１０の側方分岐部分３４内に位置付けられ、主排気通路１４と連通している。再生ユニット２６は、通路１４を通過する排気を、ＤＯＣ３０の効率を高め、かつ、ＤＰＦ３２の再生を可能にすることとなる上昇した温度に加熱するために使用することが可能である。

再生ユニット２６は、適切な燃料と酸素供給体（oxygenator）とを噴射するための１つまたは複数のインジェクター３６を含むことが可能である。燃料は、水素または炭化水素を含むことが可能である。インジェクター３６は、図１に示されているように、燃料と酸素供給体の両方を噴射する複合インジェクターとして構成することが可能であり、または、燃料と酸素供給体とのための別個のインジェクター（図１１）を含むことが可能である。制御モジュール３８が、任意の適切な（１つまたは複数の）処理装置、センサー、流量制御弁、電気コイルなどを使用して、インジェクター３６を通る流れと、第１の点火装置４２による燃料の点火とを監視および制御するために設けられている。

再生ユニット２６は、ハウジング５０を含み、ハウジング５０は、組み立てられた金属製コンポーネントの多数ピースのアッセンブリとして構成されている。ハウジング５０は、入口管５２と、円筒形状の本体５４と、出口管５６とを含む。入口ヘッダー５８は、入口管５２に固定されている。入口ヘッダー５８は、側方分岐部分３４に固定され、その端部のうちの１つを取り囲んでいる。また、他の単一ピースの、または多数ピースの入口アッセンブリも、本開示の範囲内にあるものとして考えられる。環状体積部６２が、側方分岐部分３４の内側表面６４とハウジング５０の外側表面との間のスペースに存在している。

インジェクター装着部６５が、入口管５２および／または入口ヘッダー５８に固定され、インジェクター３６のための取り付け機構を提供する。インジェクター３６のノズル部分６６が、入口管５２の中へ延在し、噴霧燃料が、本体５４の内側の円筒形状表面７０によって少なくとも部分的に画定された一次燃焼室６８内で噴射することが可能であるようになっている。インジェクター３６は、燃料入口部７２と空気入口部７４とを含む。燃料入口部７２は、燃料送達システム７６に連通しており、燃料送達システム７６は、燃料ライン８６によって相互接続された燃料タンク７８と、燃料フィルター８０と、燃料ポンプ８２と、燃料ブロック８４とを含む。燃料送達システム７６のコンポーネントの運転によって、インジェクター３６に炭化水素が選択的に提供される。

二次的空気システム９０は、二次的空気フィルター９２と、ＭＡＦセンサー９４とを含む。圧縮機９６は、二次的空気フィルター９２とＭＡＦセンサー９４とを通過させられた空気を受け入れている。圧縮機９６は、スーパーチャージャー、ターボチャージャー、または、スタンドアロン型の電動圧縮機のうちの一部を含むことが可能である。圧縮機９６からの出力物が、空気入口部７４に提供される。排気加熱が望まれるときは、燃料が、燃料入口部７２を介して噴射され、酸素供給体が、空気入口部７４を介して提供され、噴霧燃料のストリームを噴射する。第１の点火装置４２が、入口ヘッダー５８の下流において側方分岐部分３４に装着されており、インジェクター３６によって一次燃焼室６８内に提供された燃料を燃焼させるように作動可能である。

側方分岐部分３４は、実質的に３０度の角度Ａで排気通路１４に交差している。再生ユニット２６によって生成された火炎が、実質的に同じ角度で排気通路１４の中へ延在する。

細長い開口部１１０が、主排気通路１４を画定している配管１１２を通って延在している。本体５４と出口管５６との一部分が、排気通路１４内に位置付けられている。エンジン１２から提供された排気は、ハウジング５０に衝突し、再生ユニット２６の運転中に、それを冷却する。そのうえ、ハウジング５０は、通路１４内に最小限に入り込んでいるので、排気背圧も最小限に上昇させられる。また、側方分岐部分３４とインジェクター３６とが、配管１１２から、最小限に半径方向外向きに延在しているということも認識されるべきである。そのような配置によって、相手先商標製品製造会社が、車両の上に小型再生ユニットをより容易に組み込む（package）ことが可能になる。

本後処理システムでは、第１の点火装置４２は、コイル４６に連結されたイオンセンサー４４も含む。イオンセンサー４４は、燃焼室６８内に位置付けられた電極の形式であることが可能である。電圧が、イオンセンサーに加えられ、センサーから、ハウジング５０などのようなグランドへ、電場を作り出すことが可能である。電圧が加えられるとき、電場が、センサーからグランドへ放射状に広がる。自由イオンが場の中に存在する場合、小さいイオン電流が流れることが可能である。イオン電流の大きさは、イオンの濃度の指示値を提供する。制御モジュール３８が、イオンセンサー４４から信号を検出および受信し、火炎の存在または不在を決定する。また、イオンセンサー４４は、点火装置４２が汚れているかどうかも決定することが可能である。

汚れは、煤塵、油、または、他の汚染物質の堆積を通して、生じる可能性がある。点火装置４２が汚れると、適当な燃焼が生じない可能性がある。制御モジュール３８は、燃料入口部７２に燃料を、空気入口部７４に空気を、および、点火装置４２に電気エネルギーを供給するように、および、供給を停止するように、作動可能である。インジェクター３６に燃料と空気との供給を開始する前に、制御モジュール３８は、イオンセンサー４４から提供される信号を介して、点火装置４２が汚れているかどうかを決定する。点火装置が、運転の準備ができていると決定された場合には、制御モジュール３８は、エンジン速度、室温、車両速度、エンジン冷却剤温度、酸素含有量、質量空気流量、ディーゼル微粒子捕集フィルター３２を横断する圧力差、および、任意の数の他の車両パラメーターなどのような、多数のエンジンおよび車両の運転条件を計算することが可能である。制御モジュール３８が、排気ガス温度の上昇が望ましいと決定した場合には、燃料と二次的空気とが、インジェクター３６に提供される。コイル４６が、点火装置４２に電気エネルギーを供給し、一次燃焼室６８内で燃焼を開始させる。

また、制御モジュール３８は、燃焼の存在と、再生ユニット２６の下流の場所の通路１４内の排気ガスの温度とを含む、多数の他のパラメーターを評価し、インジェクター３６への燃料および空気の供給をいつ止めるかを決定することが可能である。例えば、制御モジュール３８は、再生ユニット２６、側方分岐部分３４、または、主通路１４内に配置された１つまたは複数の温度センサーから信号を受信し、再生ユニット２６を作動させることによって閉ループ制御を実施し、特定の場所において所望の温度を維持することが可能である。燃焼が不意に消えた場合には、制御モジュール３８は、燃料の供給を止める。また、他の制御方式も、本開示の範囲内にある。

図３は、側方分岐部分３４に連結された代替的な再生ユニット２６ａを示している。再生ユニット２６ａはハウジング５０の縮小された出口管部分または首細の（necked-down）出口管部分が除去されていること以外は、実質的に再生ユニット２６と同様である。そのため、同様なエレメントは、添え字「ａ」によって特定されることとなる。主本体部分５４ａは、出口開口部５３ａで終端する実質的に一定の直径を含む。

図４は、参照数字２６ｂで特定されている別の代替的な再生ユニットを示している。再生ユニット２６ｂは、長さＬが増加させられ、ハウジング５０ｂの大きい方の部分を排気通路１４内に位置付けさせていること以外は、実質的に再生ユニット２６と同様である。同様なエレメントは、添え字「ｂ」を含むこととなる。点火装置４２ｂの場所は、ノズル６６の端部から離れるように変更されている。

図５および図６は、小型再生ユニット２６の上流において配管１１２内に位置付けられたダイバータープレート１４０を含む、別の代替的な配置を示している。ダイバータープレート１４０は、それを通って延在するＤ字形状の開口部１４２を含む。ダイバータープレート１４０は、図５に示されているような角度で位置付けされており、通路１４を通って流れる排気に、ハウジング５０に向かって、および、ハウジング５０の周りを流れることを強いる。方向転換させられた排気流れは、再生ユニット２６から、配管１１２を通って流れる排気へ熱を伝達する。

図７は、参照数字２６ｃで特定されている別の代替的な再生ユニットの一部分を示している。再生ユニット２６ｃは、出口管５６ｃの長さが増加され、それを通って延在する複数の開口部１４４を含むこと以外は、実質的に再生ユニット２６と同様である。延長された出口管長さおよび開口部１４４は、燃焼火炎が、再生ユニット２６ｃの運転中に、適当に維持され、方向付けされることを確実にする。排気が通路１４を通って流れると、排気のうちのいくらかが、開口部１４４を通過し、混合効果を作り出し、より望ましい温度分布と、火炎安定性と、火炎品質とを結果として生じる。

図８は、参照数字２６ｄで特定されている別の代替的な再生ユニットを示している。再生ユニット２６ｄは、再生ユニット２６のコンポーネント、および、二次的燃焼室１４６を画定する追加的なハウジング部分１４５を含む。第２の点火装置１４８が、二次的燃焼室１４６の中へ延在している。複数の開口部１４９が、第２のハウジング１４５を通って延在し、排気ガスが二次的燃焼室１４６に進入することを可能にしている。高められた排気の加熱および混合は、再生ユニット２６ｄの使用により実現することが可能である。

図９〜図１３は、入口管５２の代わりに使用することが可能な代替的な入口管の構成を示している。修正された入口管のそれぞれは、端部壁１５２を通って延在する、円周方向に離隔された複数の開口部１５０を含む。開口部１５０は、排気ガスが通路１４を通って流れ、一次燃焼室６８に進入することを可能にする。開口部１５０を介して一次燃焼室６８の中へ酸素を提供することによって、圧縮機９６によってインジェクター３６に提供される二次的空気の圧力が、減少させられることが可能である。また、圧縮機９６のコストおよびサイズが、減少させられることが可能である。

図９に示されている入口管５２ｅは、一端部において端部壁１５２ｅに取り付けられた複数のフラップ１５６ｅを含む。フラップ１５６ｅは、開口部１５０ｅを通過するガスが旋回することを誘導するように配置されている。図１０は、フラップのない長方形形状の開口部１５０ｆを示している。図１１は、開口部１５０ｇの半径方向内側の範囲に取り付けられた複数のフラップ１５６ｇを示している。フラップ１５６ｇは、半径方向外向き方向に、排気流量に対して所定の角度で延在している。図１２は、複数の開口部１５０ｈと複数のフラップ１５６ｈとを有する別の代替的な入口管アッセンブリ５２ｈを参照している。フラップ１５６ｈは、半径方向内向きに延在している。

図１３は、互いに円周方向に離隔された複数の円形開口部１５０ｉを示している。開口部を部分的に閉鎖するフラップはない。図９〜図１３に示されている配置のそれぞれは、一次燃焼室６８内の流れの実質的に均一な分布を提供する。

また、開口部１５０を含む、説明された小型再生ユニット配置のうちの任意の１つが、図１４に示されているように、再配置された二次的空気入口部７４ｊを有するインジェクター３６ｊに装備され、比較的に低い圧力で環状体積部６２の中へ圧縮空気を噴射することが可能であるということが考えられる。前述のように、燃料入口部７２ｊが、一次燃焼室６８ｊ内に噴霧燃料を噴射するように位置付けられている。環状体積部６２ｊの中へ噴射された空気のいくらかは、開口部１５０ｉを通過し、二次的空気の残りの部分は、ハウジング５０ｊの外側表面の上を通過し、小型再生ユニット２６ｊを冷却する。

実施形態の上述の説明は、図解および説明の目的のために提供されてきた。それは、網羅的であること、または、本開示を限定することを意図していない。特定の実施形態の個々のエレメントまたは特徴は、全般的に、特定の実施形態に限定されないが、適用可能な場合は置き換え可能であり、具体的に示されるか、または説明されていないとしても、選択された実施形態の中で使用することが可能である。また、同じものが、多くの方式で変形させられることが可能である。そのような変形は、本開示からの離脱とみなされるべきではなく、全てのそのような修正例は、本開示の範囲内に含まれているというように意図されている。

Claims (20)

1. 排気後処理装置の上流の場所において、エンジンからの排気ストリームの温度を制御するためのシステムであって、
   前記エンジンからの前記排気ストリームを受け入れるように適合された主排気通路と、
   前記主排気通路に連通している側方分岐部と、
   燃料を燃焼させるために、かつ、前記主排気通路を通って流れる前記排気を加熱するために、前記側方分岐部内に位置付けられた再生ユニットと、
   燃料燃焼の存在を示す信号を出力するように作動可能なイオンセンサーと、
   前記排気温度を上昇させるために前記再生ユニットを選択的に作動させるための制御装置であって、前記イオンセンサーの信号に基づいて、前記再生ユニットへの燃料の供給を制御するように作動可能である、制御装置と
   を備える、システム。
2. 二次的酸素供給源を前記再生ユニットに供給することをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記再生ユニットが、一次燃焼室を画定するハウジングを含み、前記燃料と前記二次的酸素供給源とが、前記一次燃焼室に直接的に供給される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記ハウジングが、自由遠位端部において、縮小された直径の部分を含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ハウジングが、前記側方分岐部に支持された第１の端部と、支持されていない第２の端部とを含み、前記第１の端部が、前記排気ストリームの一部を受け入れるためにそれを通って延在する複数の開口部を含む、請求項３に記載のシステム。
6. 前記ハウジングが、前記ハウジングを冷却するために、前記主排気通路の中へ少なくとも部分的に延在する、請求項３に記載のシステム。
7. 前記再生ユニットが、一次燃焼室を画定するハウジングを含み、前記燃料が、前記一次燃焼室に直接的に供給され、前記二次的酸素供給源が、前記ハウジングの外部表面に供給され、前記ハウジングが、開口部を含み、前記二次的酸素供給源の一部が前記一次燃焼室に進入することを可能にする、請求項３に記載のシステム。
8. 前記システムが、前記再生ユニットの上流において前記主排気通路内に位置付けされたダイバータープレートをさらに含み、前記ダイバータープレートが、前記排気の流れを前記再生ユニットに向かって方向付けるために形状付けおよび位置付けされた開口部を含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記開口部が、実質的に文字Ｄのように形状付けされている、請求項８に記載のシステム。
10. 前記イオンセンサーの信号が、燃焼が予期せずに消えることを表すとき、前記制御装置が、前記燃料の供給を止める、請求項１に記載のシステム。
11. 前記側方分岐部が、実質的に３０度で前記主排気通路に交差する、請求項１に記載のシステム。
12. 前記側方分岐部が、排気を受け入れない前記主排気通路から離れて延在する遠位端部を有する、請求項１に記載のシステム。
13. 排気後処理装置の上流の場所において、エンジンからの排気ストリームの温度を制御するためのシステムであって、
    前記エンジンからの前記排気ストリームを受け入れるように適合された主排気通路と、
    前記主排気通路に連通している有底の側方分岐部と、
    燃料を燃焼させるために、かつ、前記主排気通路を通って流れる前記排気を加熱するために、前記側方分岐部内に位置付けられた再生ユニットであって、前記側方分岐部の側壁部内に位置付けされて前記側方分岐部の側壁部から離隔されたハウジングと、前記ハウジングによって画定されたチャンバーの中へ前記燃料を噴射するためのノズルと、前記ハウジング内で前記燃料の燃焼を開始させるための点火装置とを含む、再生ユニットと、
    前記排気温度を上昇させるために前記再生ユニットを選択的に作動させるための制御装置と
    を備える、システム。
14. 二次的酸素供給源を前記再生ユニットに供給することをさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記ハウジングが、自由遠位端部において、縮小された直径の部分を含む、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記ハウジングが、前記側方分岐部に支持された第１の端部と、支持されていない第２の端部とを含み、前記第１の端部が、前記排気ストリームの一部を受け入れるためにそれを通って延在する複数の開口部を含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記ハウジングが、前記ハウジングを冷却するために、前記主排気通路の中へ少なくとも部分的に延在する、請求項１３に記載のシステム。
18. 前記ハウジングと前記側壁部との間のゾーンに供給される二次的空気供給源をさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
19. 前記システムが、前記再生ユニットの上流において前記主排気通路内に位置付けされたダイバータープレートをさらに含み、前記ダイバータープレートが、前記排気の流れを前記再生ユニットに向かって方向付けるために形状付けおよび位置付けされた開口部を含む、請求項１３に記載のシステム。
20. 前記開口部が、実質的に文字Ｄのように形状付けされている、請求項１９に記載のシステム。