JP2015508469A - 内燃機関の排気ガスシステムおよび内燃機関の排気ガスに添加される還元剤を調合するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は内燃機関の排気ガスシステムおよび内燃機関の排気ガス中に添加される還元剤を調合するための方法に関する。本発明の排気ガスシステムは、第１の円筒状排気ガス導管区間（２）を備える還元剤調合区間（１）を有し、この第１の円筒状排気ガス導管区間はほぼ直角に、第２の排気ガス導管区間（３）のシリンダジャケット面内の開口部（８）を介して、第２の排気ガス導管区間（３）に流入し、この場合、この開口部（８）前の、第１の排気ガス導管区間（２）に、排気ガス中に還元剤を加えるためのインジェクションユニット（４）が配置されている。
本発明では、第２の排気ガス導管区間（３）のシリンダジャケット面内の開口部（８）が、第２の排気ガス導管区間（３）の長手方向の伸長方向に、その横方向に対するよりも、より大きな伸長を有する。
本発明に基づく方法のため、第２の排気ガス導管区間（３）内に、回転する排気ガス流が形成されるようになっている。

Description

本発明は内燃機関の排気ガスシステムに関し、この排気ガスシステムは、排気ガス誘導のために第１の円筒状排気ガス導管区間および第２の円筒状排気ガス導管区間を有し、この場合、還元剤が添加された排気ガスが、第１の排気ガス導管区間から第２の排気ガス導管区間へと輸送される。さらに本発明は、内燃機関の排気ガスシステム内に添加される還元剤を調合するための方法に関する。

排気ガス後処理のために、ミネラルオイル燃料または尿素水溶液のような、元来の状態が液体状の還元剤が、燃焼機関の排気ガス内にしばしば添加される。この場合、液体の状態で加えられる還元剤の調合について、均一な分配の達成、および気化に関する問題が生じる。さらに、尿素水溶液の場合には、加水分解および／または熱分解によって、選択触媒還元脱硝装置に必要なアンモニアが尿素から遊離するという問題がある。このような問題を解決するためには、既に、調合区間、混合器および加水分解触媒を備えた排気ガスシステムのバリエーションが数多く提案されている。多数の解決方法の提案にもかかわらず、詳細には液体の状態で排気ガス内に加えられる還元剤の調合に関して、前述の意味で、さらに改善の余地がある。

したがって、本発明の課題は、内燃機関の排気ガス中に加えられる還元剤を、できる限り良好に調合することを可能にする装置および方法を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する排気ガスシステム、および請求項１０の特徴を有する方法によって解決される。

本発明の排気ガスシステムは、排気ガスを誘導するために、第１の円筒状排気ガス導管区間および第２の円筒状排気ガス導管区間を有する。この場合、第１の排気ガス導管区間には、第１の排気ガス導管区間を通って流れる排気ガス中に還元剤を加えるためのインジェクションユニットが配置されている。第２の排気ガス導管区間は、シリンダジャケット面、閉鎖されている第１の端部および開放されている第２の端部、および閉鎖されている端部に隣接するシリンダジャケット面内の開口部を備えている。第１の排気ガス導管区間の開放されている端部は第２の排気ガス導管区間と形状一致で連結され、第１の排気ガス導管区間の開放されている端部から流出する排気ガスが、第２の排気ガス導管区間の長手方向の伸長に対して少なくともほぼ直角の方向で、第２の排気ガス導管区間のシリンダジャケット面内の開口部を介して、第２の排気ガス導管区間に流入することができるようにされている。このようにして、第１の排気ガス導管区間が第２の排気ガス導管区間と接続する部位に隣接してで、還元剤が添加された排気ガスの主流の方向の少なくともほぼ９０°の方向転換が生じ、これによって排気ガスの渦巻形成と、還元剤の排気ガスへの良好な混合が得られる。第２の排気ガス導管区間のシリンダジャケット面内の開口部は、第２の排気ガス導管区間の長手方向の伸長方向に、長手方向の伸長に対する横方向に比べて、より大きな伸長を有する。この開口部は、楕円形ないしは長円形であることが好ましい。しかし、シリンダジャケット面内にほぼ四角形の切り欠き部を設けることも可能である。この場合、長手方向の伸長は、横方向の伸長に比べて、約１．５から４倍の大きさであることが好ましい。この実施形態の結果として、第２の排気ガス導管区間内での排気ガス渦巻の特に安定した回転が可能になる。さらに、こうして第２の排気ガス導管区間を短く実施し、もしくは、これに続く排気ガス浄化ユニットまでの導管長さを短くすることによって、短い還元剤調合区間を備えた小型の排気ガスシステムの構造形状が可能になる。渦巻形成の結果として、またこれを条件とする混合の結果として、有利な仕方で、還元剤調合区間において、排気ガスに添加された還元剤を分配するための個別の混合器を用いないでおくことが可能になり、またこの混合器によって引き起こされる圧力低下を回避することが可能になる。このインジェクションユニットは、好ましくは液体として提供される還元剤が、細かく霧状化されて排気ガス内に噴射されるか、ないしは注入されるように形成されていることが望ましい。

第１の排気ガス導管区間の開放された端部の縁輪郭は、第２の排気ガス導管区間のシリンダジャケット面の開口部の縁輪郭に対応しており、これらの２つの排気ガス導管区間は、たとえば溶接によって形状一致で接続されており、この輪郭に沿って接続されている。第１の排気ガス導管区間は、好ましくは第２の排気ガス導管区間のシリンダジャケット面上で終端しており、したがって第２の排気ガス導管区間の内部空間には突出しない。第２の排気ガス導管区間のシリンダジャケット面内の開口部は、境界に直接接しているか、または好ましくは数ミリメートルという僅かな距離で、第２の排気ガス導管区間の終端側の閉鎖部に接して配置されている。これによって流れの死角が回避される。第２の排気ガス導管区間をその第１の端部で閉鎖するためには、導管横断面を覆う、詳細には平らに形成された端部カバーを設けることができ、この端部カバーの法線方向は、第２の排気ガス導管区間の円筒軸方向と同じ方向を向いている。第１の排気ガス導管区間および第２の排気ガス導管区間の横断面は、少なくともそれらの連結部位領域では、ほぼ同じであるが、この際には、違いが１．５倍未満であることが好ましい。第２の排気ガス導管区間の開放された端部から流出する排気ガスは、ＳＣＲ触媒、加水分解触媒、酸化分解触媒、窒素酸化物貯蔵触媒または微粒子フィルタのような、触媒作用排気ガス浄化ユニットに導かれることが好ましい。

本発明の実施形態において、インジェクションユニットは、第１の排気ガス導管区間と第２の排気ガス導管区間との連結部位から僅かに距離を取った上流側に配置されている。この距離は、好ましくは、排気ガス導管区間のうちの１つの直径より小さく、詳細には、その直径の２分の１または３分の１より小さい。このようにして、還元剤調合区間の構造容積、もしくは還元剤を調合するために還元剤を搬送する導管の長さを、特に短く保つことができる。

本発明のさらなる形態では、第１の排気ガス導管区間と第２の排気ガス導管区間との連結部位から僅かに距離を取った上流側で、第１の排気ガス導管区間内に、少なくとも１つの平板形状のバッフルプレートが配置され、これに対して、インジェクションユニットによって第１の排気ガス導管区間内に加えられる還元剤が衝突する。この場合に、平板形状のバッフルプレートは、気化構成要素として作用する。好ましくは小さい水滴の形で存在する液体状の還元剤を気化させるために必要な熱エネルギーは、好ましくは、流れ込む排気ガスとの熱交換によって取り入れられる。ただし、バッフルプレートの独立した加熱を準備することも可能である。還元剤水滴が加熱されたバッフルプレートに衝突することによって、還元剤の少なくとも部分的な気化、および付加的には、衝突する還元剤水滴の大きさがさらなに小さくなる。これによって、排気ガス内での還元剤の分配は、主として水滴の形で存在する還元剤と比べて、改善する。さらに、気化過程は、排気ガスからの熱伝導だけの場合に比べて改善された、衝突した還元剤への気化プレートからの熱伝導によって、改善される。すでにバッフルプレート上で、少なくとも部分的には還元剤が気化する結果として、還元剤調合区間のさらなる短縮が可能になる。このバッフルプレートは、好ましくは、第２の排気ガス導管区間のシリンダジャケット面内で、開口部の直上ないしは開口部の直前に配置されている。バッフルプレートの、第２の排気ガス導管区間の方に向いた端部を、たとえば開口部面内に配置するか、または第１の排気ガス導管区間の方向に数ミリメートルずれて配置することは可能であるが、ただし、このずれは、たかだか数センチメートルにとどめることが好ましい。このバッフルプレートは、平面状の、または表面積を拡大する隆起を備えた金属板として形成することができる。さらに、この金属板は、間隙または穿孔を設けて実施することができ、尿素分解を促進するか、または表面付着物形成を低下させるような、例えばチタンダイオキシドからなるコーティングを備えているか、または粗面化されていることができる。

さらなる好ましい実施形態では、バッフルプレートは、少なくともほぼ平面状に形成されており、この場合、バッフルプレートの平面の法線ベクトルは、少なくとも排気ガス流方向に対してほぼ直角に方向付けられている。したがって、排気ガス流方向の方向ベクトルは、ほぼバッフルプレートの平面内にある。これによって、流れに対する抗力を低くすることが可能になる。好ましくは、法線ベクトルの方向は、第２の排気ガス導管区間のシリンダジャケット面の開口部領域で、少なくとも第２の排気ガス導管区間の円筒軸方向に対してほぼ平行に向けられている。

本発明のさらなる形態において複数のバッフルプレートが設けられる場合には、インジェクションユニットによって排気ガス内にもたらされる還元剤の気化率は、さらに高くなる。これらのバッフルプレートは、好ましくは、相互に平行に方向付けられており、詳細には、一列に並んで前後に、第２の排気ガス導管区間のシリンダジャケット面内の開口部上に配置されている。第２の排気ガス導管区間のシリンダジャケット面内の開口部の大きさに応じて、２つから８つのバッフルプレートを設けることができる。好ましくは、４つのバッフルプレートが設けられている。インジェクションユニットから放射された還元剤の噴霧円錐に対して、これらのバッフルプレートは、各々が少なくとも部分的に噴霧円錐によって捉えられ、これによって還元剤の気化に貢献することができるように配置されている。このため、さらに、好ましくは、バッフルプレートの平面的な伸長が、さまざまな大きさで選択される。これに関連して、特に好ましいことは、インジェクションユニットからの距離が増すに従って、バッフルプレートの面が大きくなることである。この実施形態では、平面法線の方向から見て、１つのバッフルプレートは、隣接した次のバッフルプレートの表面領域の一部を覆うだけである。

本発明のさらなる実施形態では、第１の排気ガス導管区間の円筒軸は、第２の排気ガス導管区間との連結部位領域で、第２の排気ガス導管区間の横断面の中心領域に方向付けられている。したがって、還元剤で強化された排気ガスの、第２の排気ガス導管区間内への供給は、第２の排気ガス導管区間のいわば中央で行われる。この実施形態の結果として、第２の排気ガス導管区間の中では、対向方向に回転する２つの排気ガス流渦巻が形成される。こうして、還元剤を排気ガス内で特に良好に混合することが可能になる。さらに、実際の排気ガス流路は、第２の排気ガス導管区間の幾何学的長さに比べて、より長くなる。こうして、排気ガス内に残った還元剤水滴の気化が改善される。還元剤が尿素である場合には、その加水分解もしくは熱分解もまた改善される。

本発明のさらなる実施形態において、第２の排気ガス導管区間が、シリンダジャケット面の開口部の領域で、楕円形の横断面形状を有している場合には、排気ガス内での還元剤の分配は、さらに改善される。この場合には、上面図ではそれぞれがほぼ円形をした、２つの対向する排気ガス流渦巻が形成される。その結果として、排気ガス流渦巻は、特に安定している。

本発明のさらなる実施形態では、第１の排気ガス導管区間の円筒軸が、第２の排気ガス導管区間との連結部位の領域で、第２の排気ガス導管区間の横断面の中心よりも外側の領域に方向付けられている。これにより、排気ガスは、中心よりも外側の方向で、詳細には、第２の排気ガス導管区間に対してほぼ接線方向で、第２の排気ガス導管区間内に導かれる。第２の排気ガス導管区間の、開口部領域では、そのために好ましくは円状の断面形状が設けられており、この断面形状との関連で、ほぼ全ての横断面を捉える排気ガス流渦巻の形成が可能になる。

内燃機関の排気ガスシステムの第１の排気ガス導管区間内に加えられる還元剤を調合するための本発明の方法は、加えられる還元剤が、第１の排気ガス導管区間内に配置された気化装置上で少なくとも部分的に気化し、それに続いて内燃機関の排気ガスと共に、１つの方向で、第２の排気ガス導管区間のシリンダジャケット面の、第２の排気ガス導管区間の軸方向に対して少なくともほぼ直角に方向付けられた開口部を通って、第２の排気ガス導管区間内に流入し、その場合、第２の排気ガス導管区間内には、回転する排気ガス流が形成されるようになっている。気化装置によって可能となる、少なくとも部分的な気化の結果として、第２の排気ガス導管区間内へ排気ガスが供給された後の渦巻形成に関連して、特に良好な還元剤の調合を達成することができる。この場合には、還元剤調合区間の導管長さを短く保つことができ、小型の構造形状が可能になる。

この方法の実施形態では、気化装置として複数の気化プレートが設けられ、還元剤は、全ての気化プレートに衝突するようにして第１の排気ガス導管区間内へ噴射される。これによって還元剤の気化が改善され、還元剤が気化プレートの法線方向に対して最大の鋭角で第１の排気ガス導管区間内へ噴射される場合には、特に高い気化率が達成される。このように、還元剤は、少なくともほぼ直角に気化プレートに衝突し、それによって気化プレート表面が良好に濡れるような仕方で噴射される。噴射される還元剤が気化プレートに衝突する角度は、好ましくは、気化プレートの法線方向に対して４５度未満である。

さらに、好ましくは、この方法のさらなる実施形態で、還元剤が排気ガス流に対して少なくともほぼ直角に第１の排気ガス導管区間内に噴射される。

この方法のさらなる実施形態において、第２の排気ガス導管区間内に流入する排気ガスは、第２の排気ガス導管区間の軸方向から見て、２つの、逆方向に回転する渦巻を形成する。これによって、特に効果の高い、均一な、還元剤の排気ガスへの混合が達成される。望ましくは、安定した渦巻が形成され、この渦巻きが、好ましくは、渦巻混合区間の後に続く排気ガス浄化装置構成要素の入口側に達するまで、もしくは、必要に応じて設けられるハウジング流入ファネルの入口側に達するまで、少なくとも部分的には維持される。このことは、詳細には、第２の排気ガス導管区間の楕円形の横断面形状によって、少なくともほぼ円形をした、２つの逆対向に回転する渦巻が形成されるようになるときに達成される。

本発明のさらなる利点、特徴および詳細は、好ましい実施例の下記の説明、および図面にもとづいて与えられる。前記の説明で言及された特徴および特徴の組み合わせ、ならびに下記の図面の説明で言及され、および／または図面内でのみ示されている特徴および特徴の組み合わせは、それぞれの場合に説明されている組み合わせに限らず、他の組み合わせまたは単独でも、本発明の範囲から逸脱することなく使用可能である。

本発明の排気ガスシステムの、還元剤調合区間を形成する部分区間の概略図である。 図１の還元剤調合区間内での排気ガス流パターンの概略図である。 図１に類似した、本発明の排気ガスシステムの、還元剤調合区間を形成する部分区間の、さらなる有利な実施形態の概略図である。 本発明の排気ガスシステムの、還元剤調合区間を形成する部分区間の、さらなる有利な実施形態の概略図である。 本発明の排気ガスシステムのバッフルプレートのための有利な実施形態である。 還元剤調合区間と連結された排気ガス後処置構成要素を備える、本発明の排気ガスシステムの部分区間図である。

図１で概略的に説明された、本発明の排気ガスシステムの部分図は、排気ガスシステム内に添加されるべき還元剤のための、還元剤調合区間１を形成する。この還元剤調合区間１は、第１の円筒状排気ガス導管区間２を備えており、この排気ガス導管区間は、その排出側の開放された端部９で、第２の円筒状排気ガス導管区間３に合流する。この合流部は、第２の排気ガス導管区間３のシリンダジャケット面内の開口部８上に配置されている。この合流部では、第１の排気ガス導管区間２が、その開放された端部９で、合流部の縁輪郭に沿って、鈍角に、また形状一致および材料一致で、第２の排気ガス導管区間３のシリンダジャケット面の開口部８の輪郭と連結されている。

ここでは、第１の排気ガス導管区間２の断面図と、第２の排気ガス導管区間３の断面図は、両方とも、流入部位置では楕円形ないしは長円形の形をしている。それに応じて、開口部８も楕円形ないしは長円形の形を備えており、この場合、長円形に形作られた開口部８の長軸は、第２の排気ガス導管区間３の円筒軸１２に平行に向けられている。したがって、長円形の開口部８のより長い伸長ａは、第２の排気ガス導管区間３の円筒軸１２の方向に延び、第１の排気ガス導管区間２と第２の排気ガス導管区間３の接続部における第１の排気ガス導管区間２のより長い伸長であり、これに対して直角に向けられた横方向の伸長ｂよりも大きい。この場合、ａ／ｂの比は、好ましくは、１．５と４の間の領域内にある。

第１の排気ガス導管区間２の、第２の排気ガス導管区間３への少なくともほぼ直角な流入部に対応して、長円形の開口部８の比較的短い軸であり、もしくは流入位置での第１の排気ガス導管区間２の長円形の開口部８の比較的短い軸である軸ｂは、第２の長円形の排気ガス導管区間３の横断面の比較的長い軸ｄに対して、少なくともほぼ平行に向けられている。したがって、第２の排気ガス導管区間３の長円形の横断面の比較的短い軸ｃは、流入部において、第１の排気ガス導管区間２の円筒軸１１に対して平行に向けられている。第２の排気ガス導管区間３の横断面の比較的長い軸ｄと横断面の比較的短い軸ｃとの比ｄ／ｃは、好ましくは、１．５から２の間の領域にある。この場合、開口部８の比較的短い横断距離ｂは、好ましくは、第２の排気ガス導管区間３の横断面の比較的短い軸ｃよりも小さい。内燃機関の排気量が約１．６リットルから３．５リットルの領域については、横断面の比較的短い軸ｃは、好ましくは、３０ｍｍから１００ｍｍまでの領域で選択される。

ここに示されていない内燃機関、特にディーゼルエンジンの排気ガスは、同じく図１には示されていない排気ガス浄化ユニット、好ましくは酸化分解触媒から流出し、第１の排気ガス導管区間２内に流入し、第１の排気ガス導管区間２内を貫流する。第１の排気ガス導管区間２の円筒軸１１に対して少なくともほぼ平行な排気ガス流方向は、ここでは破線の矢印５で示されている。この排気ガスは、第１の排気ガス導管区間２を貫流する際に、還元剤によって、好ましくはアンモニアの分解能を有する物質の溶液によって調合される。下記の説明では、一般性を制限することなく、この還元剤が尿素水溶液、略してＨＷＬ、であることが前提される。ＨＷＬによる排気ガスの調合は、インジェクションユニット４を用いた噴射を介して行われ、このインジェクションユニットは、第１の排気ガス導管区間２が第２の排気ガス導管区間３内へ流入する流入口の近傍で、第１の排気ガス導管区間２に配置されている。インジェクションユニット４と、排気ガス導管区間２、３の連結部位との間隔は、好ましくは、第１の排気ガス導管区間２の比較的長い横断面寸法ａに比べて明らかに短く、特に好ましくは、第１の排気ガス導管区間２の比較的短い横断面寸法ｂに比べて短い。

噴射された還元剤は、破線で示された矢印が示しているように、気化プレートとして働くバッフルプレート１０に衝突し、このバッフルプレートは、第２の排気ガス導管区間３のシリンダジャケット面内の開口部８の上方に配置されている。気化された、または気化プレートから跳ね返った液体状の還元剤は、排気ガス流に捉えられ、排気ガス流とともに運ばれる。還元剤の噴射および気化の特性、ならびにバッフルプレートの形態、配列および機能については、下記の説明でさらに詳細に取り扱われる。

ＨＷＬが加えられた排気ガスは、その次に第２の排気ガス導管区間３の円筒軸１２方向に対して本質的に垂直方向で、開口部８を介して第２の排気ガス導管区間内に流入する。第２の排気ガス導管区間３内に流入した排気ガスは、この排気ガス導管区間の中を貫流案内され、開放された端部７から流出する。この開放された端部では、図示されていない排気ガス浄化装置構成要素が、好ましくは流入ファネルを介して、第２の排気ガス導管区間３と連結されている。この排気ガス浄化装置構成要素は、好ましくは、触媒作用および／またはろ過作用を有する構成部品である。第２の排気ガス導管区間３の開放された端部７には、好ましくは、ハウジングが接続されており、このハウジングの中に微粒子フィルタが収納されている。

第２の排気ガス導管区間３は、開放された端部７の反対側に、閉鎖された端部６を有する。そのためには、例えば平らなキャップを溶接することができる。したがって、第１の排気ガス導管区間２から、第２の排気ガス導管区間３のシリンダジャケット面の中の開口部８を通り、第２の排気ガス導管区間２に流入する排気ガスは、その主流の方向について、ほぼ９０°方向転換される。好ましくは、方向転換された排気ガスの主流に対して、流れの上流側にある開口部８の端部が、閉鎖された端部６に直接隣接するか、または、少なくともこの閉鎖された端部６の近傍に配置されている。これにより、第２の排気ガス導管区間３の閉鎖された端部６で、流れの死角が形成されることは回避される。

第２の排気ガス導管区間３内に流入する排気ガスは、第２の排気ガス導管区間３の内壁の開口部８に対向する領域に衝突し、方向転換される。この際に、詳細には、ダクト横断面形状が楕円形である結果として、破線矢印５’で示されているように、２つの逆方向に回転する渦巻が発生する。２つの逆方向に回転する排気ガス渦巻の形成は、還元剤の調合に関して特別に有利であることが証明されている。この際に、一方では、場合によっては主に小さな水滴として存在する液状の還元剤、および特にすでに気化している還元剤の、均一な分配が改善される。他方では、渦巻の形成によって、ＨＷＬの気化が著しく改善される。最終的には、熱分解および／または加水分解によるアンモニアの遊離が改善される。さらに、開口部８に対向するダクト内壁に排気ガスが衝突することによって、排気ガス内に存在する水滴の分割がさらに進み、これによって、その後の気化が容易になる。ダクト内壁が濡れた場合には、この濡れたダクト壁がさらに気化面として働き、これによってＨＷＬの気化がさらに改善される。

二重渦巻の形成を明確にするために、図２では、計算による流動シミュレーションにもとづく流動図が示されている。この流動図は、第２の排気ガス導管区間３の円筒軸１２の方向で、還元剤調合区間１の部分図の上面図内に、流束を示している。この図から分かるように、第２の排気ガス導管区間３の中では、ほぼ楕円形の横断面の各々の焦点周囲を逆方向に回転する２つの渦巻流が形成され、これらの渦巻流は、直径が小さくなるにつれて理想的な円形に近づいていく。発明者によって確認されているとおり、望ましい渦巻の安定性を考慮すれば、渦巻がほぼ円形に形成されている場合が有利である。これは特に、第２の排気ガス導管区間３の長円形の横断面の比較的長い軸ｄが、比較的短い軸ｃに比べて、ほぼ２倍の大きさであることによって達成される。図２に示されているように、第１の排気ガス導管区間２の比較的短い横断面寸法ｂを、２つの排気ガス導管区間２、３が連結している部位からの距離が離れれば離れるほど、大きくすることも可能である。このような仕方で、場合によっては、接続される排気ガス浄化装置構成要素のために備えられている流入ファネルの、比較的大きな寸法に向かって、連続的な移行を達成することができる。もちろん、このことは、類似の仕方で、他の横断面寸法ａ、ｃ、ｄにも当てはまる。

できる限り円形に近い排気ガス渦巻流を形成するためには、概略的に図３に示されているように、２つの隣り合った円形部分に対応する、第２の排気ガス導管区間３の横断面を選択することも可能である。一般的には、第２の排気ガス導管区間３の中での優勢な排気ガス流と関連して、二重渦巻が形成され、この二重渦巻が２００ｍｍ以上の、好ましくは３００ｍｍ以上の導管長さに沿って、少なくともほぼこの長さに近くまで維持されるように、排気ガス導管区間２、３の横断面寸法が選択される。いずれにせよ、二重渦巻は、好ましくは、その後に続く排気ガス浄化構成要素の１つに、または、このために設けられている排気ガス流入ファネルに達成するまで維持されるように準備されている。発生した渦巻構造が崩れるのをできる限り遅くするために、横断面寸法は、少なくとも第２の排気ガス導管区間３内の排気ガス入口領域では、排気ガスのねじれ数が各々の渦巻の少なくとも０．３に達するように選択されることが準備されている。詳細には、排気ガス導管区間２、３の横断面寸法ａ、ｂ、ｃ、ｄは、内燃機関の排気量に応じて、入口ねじれ数が少なくとも０．３に達するように実施することができる。

上記の説明による、還元剤調合区間１の実施形態の有利点は、場合によっては、排気ガス導管区間２、３の横断面形状を変形させ、流れの状態を変更することによっても達成することができる。ただし、この場合には、ねじれを形成する特性を本質的に同じままで保つことが必要である。この意味で、同様に好ましい実施形態が図４に示されており、この場合には、下記の説明では、上記で説明した実施形態に比べて、本質的な違いだけを取り扱う。

図４に示した、本発明の排気ガスシステムの還元剤調合区間１のさらなる有利な実施形態は、図１に示した実施形態に比べて、第１の排気ガス導管区間２から第２の排気ガス導管区間３内への、接線方向の排気ガス誘導が、本質的に異なる。このために、第１の排気ガス導管区間２は、第２の排気ガス導管区間３に対して中心よりも外側に取付けられている。したがって、第２の排気ガス導管区間３内に流入する排気ガスは、第２の排気ガス導管区間３の横断面の中心領域に向けられるのではなく、中心からずれた領域に向けられる。これによって、ＨＷＬが添加された排気ガスは、第２の排気ガス導管区間３に対して、ほぼ接線上で、第２の排気ガス導管区間内へ流入する。

この実施形態では、第２の排気ガス導管区間３は、１つの円形の断面を有しており、このため二重渦巻に代わって、図示されているように１つの単純な渦巻が形成される。第２の排気ガス導管区間３の直径Ｄは、好ましくは、図１に示されている楕円形の実施形態の横断面寸法ｃおよびｄの領域内に位置する。典型的な自家用車エンジンの大きさでは、この直径は、好ましくは、３０ｍｍから１５０ｍｍの領域にある。

さらに、第１の排気ガス導管区間の断面形状は、ここでは方形に選択されている。この場合、図１の実施形態で行われた寸法の数値、ならびに第２の排気ガス導管区間３内に形成される排気ガス渦巻の、渦巻強さに関する数値は、相変わらず有効である。排気ガス導管区間２、３の連結部位における、第１の排気ガス導管区間２の断面図の比較的長い辺ａは、好ましくは、第２の排気ガス導管区間の直径Ｄに比べて、少なくとも同じ大きさであるように選択される。ａ／Ｄの比が１．５から３の領域にあることが特に好ましい。図１の実施形態の場合にも、第１の排気ガス導管区間の横断面を方形にすることができることは自明である。

下記の説明では、第１の排気ガス導管区間２と第２の排気ガス導管区間３の連結部位の上流側に設けられている、本発明に添って設けられた気化装置を取り扱う。そのためには、図１を参照するが、この場合、説明は、図４に例示した還元剤調合区間１の実施形態についても同様に当てはまる。

気化装置は、少なくとも１つの、ただし好ましくは８つまでのバッフルプレート１０を備えている。図１では、単なる例として、３個のバッフルプレート１０が示されているにすぎない。気化プレートとしても機能を果たすバッフルプレート１０は、平面な金属板として形成されており、その法線方向は、少なくとも第１の排気ガス導管区間２の円筒軸１１に対してほぼ直角であり、したがって、排気ガス流方向に向けられている。このバッフルプレート１０は、好ましくは、相互に等間隔に配置されている。このように流れに有利な方向に向けられている結果、平行構成要素１０が流れに対して引き起こす抗力は皆無であるか、または、無視できる程度のものである。バッフルプレート１０の下流側端部は、好ましくは、第２の排気ガス導管区間３のシリンダジャケット面内の開口部８と同じ面にあるか、または、排気ガス流方向に向かって数ミリメートルだけずれた位置に取り付けられている。バッフルプレート１０の上流側端部は、本質的に、第１の排気ガス導管区間２上に配置されているインジェクションユニット４の高さにある。この場合、インジェクションユニット４は、このインジェクションユニットがＨＷＬを円筒軸１１に対してほぼ直角に噴射できるように配置されている。ただし、噴射方向が僅かに排気ガス流方向に傾斜していることはあり得る。したがって、インジェクションユニット４から噴射されたＨＷＬは、バッフルプレート平面の法線方向に対してほぼ直角に、あるいは、せいぜい鋭角に、バッフルプレート１０に衝突する。

バッフルプレート１０上に生じるＨＷＬの水滴は、バッフルプレート１０の温度に応じて、再びこのバッフルプレートから飛び散るか、または、このバッフルプレートの表面を濡らし、その後に気化する。これらの２つの過程は、排気ガス内でのＨＷＬの分配を補助する。バッフルプレート１０上に生じた水滴が飛び散るのは、主に、バッフルプレート１０の温度がライデンフロスト効果温度以上である時である。この場合、飛び散る水滴の大きさは、衝突する水滴に比べて小さくなり、これによって水滴の分配が改善される。そのうえ、ＨＷＬで強化された排気ガスをさらに搬送する際には、水滴が第２の排気ガス導管区間３の開口部８に対向しているダクト壁にさらに衝突する。この場合、水滴はさらに小さくなって飛び散り、もしくは、排気ガスに加えられたＨＷＬの一部がさらに気化する結果になる。

バッフルプレート１０は、バッフルプレート１０上でのＨＷＬの調合を可能な限り最適化するために、全てのバッフルプレート１０および好ましくはインジェクションユニット４に対向して位置する第１の排気ガス導管区間２の内壁も、少なくとも部分的には噴射ないしは噴霧円錐によって捉えられ、また濡らされるように実施されるか、もしくはインジェクションユニット４の吹付け方向に対して配置されている。このためには、排気ガス流方向から見て、バッフルプレート１０が、インジェクションユニット４からのバッフルプレート１０の距離が大きくなるにつれて、その上流側および／または下流側の端部が、排気ガス流方向に関連してずれるように、互いにずれて配置されていることが有利である。インジェクションユニット４からのバッフルプレート１０の距離が大きくなるにつれて、バッフルプレートの長さが、すなわち、バッフルプレート１０の排気ガス流方向および／または対向する方向への広がりが、大きくなるように準備されていることができる。このような有利な梯形配置の例は、図５ａで概略的に示されている。図５ａで示されているように、バッフルプレート１０の面の大きさが、インジェクションユニット４からのバッフルプレート１０の距離が大きくなるにつれて同じく大きくなるように準備されていることができる。このようにして、インジェクションユニット４からさらに離れた位置でバッフルプレート１０に衝突する、噴射されたＨＷＬの部分は増大し、これによって、詳細には、「後方の」バッフルプレート１０の調合効果が改善される。図５ａに示されているように、排気ガス流方向、または逆方向へのバッフルプレート１０の幅の拡大も、少なくとも一部の領域では準備されることができる。本発明に従って排気ガス渦巻形成の前に設けられ、バッフルプレート１０によって決定的に援助される、噴射されたＨＷＬの気化に関連して、さらに示唆されるべきは、インジェクションユニット４に対向する第１の排気ガス導管区間２の内壁が、噴射ないしは噴霧円錐によって捉えられまた濡らされるように実施されていることが好ましいということである。こうして、ダクト内壁の濡らされた面は、付加的な気化面として働き、その場合には、ここでも衝突する液体水滴の飛び散りが生じ得る。

バッフルプレート１０の気化作用のさらなる改善は、その表面がノッチを有する場合に達成することができる。図５ｂには、穴の空いた実施形態が例として示されている。図５ｃでは、スリット形状が概略的に示されている。この場合、バッフルプレート面のノッチが、総面積の約５％から約５０％を占める場合が有利である。さらに、バッフルプレートの表面形状形成が、いぼ状突起の形状で準備されることも可能である。付加的に、または代替として、粗面化および／またはコーティングも可能である。表面の粗さは、５μｍから５０μｍまでの値の領域内にあることが好ましい。コーティングとしては、尿素の熱分解および／または加水分解を補助するための触媒のコーティングを設けることができる。付加的に、または代替として、尿素分解生成物の堆積に関して、被膜層形成に抗して作用する、コーティングを設けることができる。

還元剤調合区間１では、詳細には、噴射および気化と、渦巻形成に関連した後続する流れの方向転換との、相乗作用的な共働効果によって、非常に効率の良い還元剤調合が可能になる。ＨＷＬを還元剤として使用する場合、効率が良いアンモニアの遊離が、短いダクト長さで、同時に非常に良好な均一な配分を伴って達成される。さらにこの還元剤調合区間１は、流れに対する特に低い抗力を特徴とする。例えば、排気ガスへＨＷＬを添加する以前、および詳細には、その後の静的混合器のような、混合またはねじれ形成のための付加的な構成要素を省略することができる。これゆえに、示されまた説明されたように形成されている還元剤調合区間１は、複雑な構成であっても、特に小型化された本発明の排気ガスシステムの実施を可能にする。このため、複雑な構成の排気ガスシステムでも、排気ガス浄化に有効な構成要素に関して、完全にまたは少なくともその大部分を車両のエンジンルーム内に収納することが可能である。これによって、詳細には、エンジンブロックの側方への配置は、排気ガス浄化システムの温度的特徴に関連して、さらにまた利点を得ることができる。下記の説明では、これを、図６を参照にして取り扱う。

図６には、小型化された排気ガス後処理システムが示されており、このシステムは、還元剤調合区間１を介して相互に連結されている、排気ガス後処理構成要素のための、２つのハウジング１３、１８を備える。ここでは、上流側のハウジング１３内に、酸化分解触媒が配置されている。下流側のハウジング１８は、前後して、微粒子フィルタと、僅かな距離を持ってこれに加えてＳＣＲ触媒が配置されており、この場合、微粒子フィルタは、好ましくは、ＳＣＲ触媒コーティングが施されている。上流側のハウジング１３の排気ガス流入ファネル１５は、図示されていないディーエンジンゼルの排気ガスを受け取り、このために、好ましくは、やはり図示されていない排気ターボチャージャの出口と連結されている。酸化分解触媒で処理された排気ガスは、ハウジング１３からハウジング流出ファネル１４を介して還元剤調合区間１の第１の排気ガス導管区間２に導かれる。第１の排気ガス導管区間２内では、接続部１６上に設けられている、図６には示されていない、インジェクションユニットを介して、ＨＷＬが排気ガス内に噴射される。上記で説明された、特に有効な調合によって、尿素を含む、ないしはアンモニアを含む排気ガスをハウジング１８へ供給する回路は、特に短く実施されることができる。図から分かるように、第１の排気ガス導管区間２から第２の排気ガス導管区間３への移行の際の、前述の排気ガスの約９０°の方向転換は、特に小型化された排気ガス後処理システムの構造形状を可能にする。熱および圧力損失は最小限となり、このことは特に効率のよい排気ガス浄化を可能にする。図６に示されているように、上流側のハウジング１３が少なくともほぼ鉛直に向けられており、また直接その後に続き、および還元剤調合区間１を介してハウジング１３と連結されている下流側のハウジング１８が少なくともほぼ水平に向けられて取り付けられている、本発明の排気ガスシステムの形態は、特に有利でありまた小型化であることが証明された。特に、下流側のハウジング１８が、少なくとも部分的に、上流側のハウジング１３と同一の測地高さに取り付けられている配列は、特に小型化であり、また空間を節約する。ハウジング１８の中央軸が、ハウジング１３の下流側端部と少なくともほぼ同じ、またはそれよりも高い測地高さであることは特に好ましい。

Claims (14)

1. 排気ガスを誘導するために、第１の円筒状排気ガス導管区間（２）および第２の円筒状排気ガス導管区間（３）を有する、内燃機関のための排気ガスシステムであって、
   前記第１の排気ガス導管区間（２）には、前記第１の排気ガス導管区間（２）を通って流れる排気ガス中に還元剤を加えるためのインジェクションユニット（４）が配置されており、
   前記第２の排気ガス導管区間（３）は、シリンダジャケット面、閉鎖されている第１の端部（６）および開放されている第２の端部（７）、および前記閉鎖されている端部（６）に隣接する前記シリンダジャケット面内の開口部（８）を有し、
   前記第１の排気ガス導管区間（２）の開放されている端部（９）が前記第２の排気ガス導管区間（３）と形状一致で連結され、前記第１の排気ガス導管区間（２）の開放されている前記端部（９）から流出する排気ガスが、前記第２の排気ガス導管区間（３）の長手方向の伸長に対して、少なくともほぼ直角の方向で、前記第２の排気ガス導管区間（３）の前記シリンダジャケット面内の前記開口部（８）を介して、前記第２の排気ガス導管区間（３）に流入することができるようにされており、
   前記第２の排気ガス導管区間（３）の前記シリンダジャケット面内の前記開口部（８）が、前記第２の排気ガス導管区間（３）の長手方向の伸長方向に、その横方向に対するよりも、より大きな伸長を有する、内燃機関のための排気ガスシステム。
2. 前記インジェクションユニット（４）が、前記第１の排気ガス導管区間（２）と前記第２の排気ガス導管区間（３）との連結部位から僅かに距離を取った上流側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の排気ガスシステム。
3. 前記第１の排気ガス導管区間（２）と前記第２の排気ガス導管区間（３）との連結部位から僅かに距離を取った上流側で、前記第１の排気ガス導管区間（２）内に、少なくとも１つの平板形状のバッフルプレート（１０）が配置され、前記インジェクションユニット（４）によって前記第１の排気ガス導管区間（２）内に加えられる還元剤が前記バッフルプレートに衝突するものであることを特徴とする、請求項１または２に記載の排気ガスシステム。
4. 前記少なくとも１つのバッフルプレート（１０）が、少なくともほぼ平面状に形成されており、前記バッフルプレートの平面の法線ベクトルは、少なくとも排気ガス流方向に対してほぼ直角に方向付けられていることを特徴とする、請求項３に記載の排気ガスシステム。
5. 複数のバッフルプレート（１０）が設けられていることを特徴とする、請求項３または４に記載の排気ガスシステム。
6. 前記第１の排気ガス導管区間（２）の円筒軸（１１）は、前記第２の排気ガス導管区間（３）との連結部位領域で、前記第２の排気ガス導管区間（３）の横断面の中心領域に方向付けられていることを特徴とする、請求項１から５のうちのいずれか一項に記載の排気ガスシステム。
7. 前記第２の排気ガス導管区間（３）が、前記シリンダジャケット面の前記開口部（８）の領域で、楕円形の横断面形状を有していることを特徴とする、請求項６に記載の排気ガスシステム。
8. 前記第１の排気ガス導管区間（２）の円筒軸（１１）が、前記第２の排気ガス導管区間（３）との連結部位領域で、前記第２の排気ガス導管区間（３）の横断面の中央よりも外側の領域に方向付けられていることを特徴とする、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の排気ガスシステム。
9. 前記第２の排気ガス導管区間（２）が、前記シリンダジャケット面の前記開口部（８）の領域で少なくともほぼ円形の断面形状を有していることを特徴とする、請求項８に記載の排気ガスシステム。
10. 内燃機関の排気ガスシステムの第１の排気ガス導管区間（２）内に加えられる還元剤を調合するための方法であって、前記加えられる還元剤が、前記第１の排気ガス導管区間（２）内に配置された気化装置で、少なくとも部分的に気化し、それに続いて内燃機関の排気ガスと共に、第２の排気ガス導管区間（３）のシリンダジャケット面の開口部（８）を通って、第２の排気ガス導管区間（３）の軸方向に対して少なくともほぼ直角に方向付けられた方向で、前記第２の排気ガス導管区間（３）内に流入し、前記第２の排気ガス導管区間（３）内に、回転する排気ガス流が形成される、方法。
11. 前記気化装置として複数の気化プレート（１０）が設けられ、前記還元剤は、全ての気化プレート（１０）に衝突するように前記第１の排気ガス導管区間（２）内へ噴射されること特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記還元剤が、前記気化プレート（１０）の法線方向に対して最大の鋭角で前記第１の排気ガス導管区間（２）内へ噴射されること特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記還元剤が、排気ガス流に対して少なくともほぼ直角に前記第１の排気ガス導管区間（２）内に噴射されることを特徴とする、請求項１０〜１２のうちのいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第２の排気ガス導管区間（３）内に流入する排気ガスが、前記第２の排気ガス導管区間（３）の軸方向から見て、２つの、逆方向に回転する渦巻を形成することを特徴とする、請求項１０〜１３のうちのいずれか一項に記載の方法。
    

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