JP2016507692A - 混合チャンバ - Google Patents

Abstract

本発明は、流れ断面Ｓ１２を有するとともに中央入口軸Ｍ１２を有する排気ガス用の入口開口１２を有し、且つ、前記入口開口１２の下流に配設された、流れ断面Ｓ１３を有するとともに中央出口軸Ｍ１３を有する排気ガス用の出口開口１３を有している、単一部品又は複数部品のハウジング１１を備え、添加物を内燃機関の排気システム内で混合させるための混合チャンバ１に関する。流れガイド要素２が、前記ハウジング１１内において前記２つの開口１２、１３の間に配設されており、前記流れガイド要素２は管状であって、管軸Ｋ２を有する少なくとも１つの管体２０を形成しており、前記管体は１つの注入口（２２）と１つの排出口（２３）とを有し、全ての排気ガス流が、前記注入口２２を経由して、管軸Ｋ２に平行な流れ方向Ｓにおいて、排出口断面Ａ２３を有する前記排出口２３へとガイドされ、前記流れ方向Ｓは、前記中央出口軸Ｍ１３に対して２０?乃至８０?の間の角度ａだけ傾いている。混合チャンバ１は、基板表面全体に亘る排気ガスと添加物との改良された混合分散を達成すると同時に添加物の堆積を回避する、削減された全体長さを有する混合チャンバとして設計及び配設されている。下流基板４１が、中央出口軸Ｍ１３において前記排出口２３に隣接して設けられ、前記下流基板４１は、前記排出口断面（Ａ２３）に一致する基板断面（Ｓ２３）を有している。

Description

本発明は、内燃機関の排気システム内で添加物を混合するための混合チャンバであって、単一部品又は複数部品のハウジングを備えた混合チャンバに関する。この目的のために、ハウジングは、流れ断面を有するとともに中央入口軸を有する排気ガス用の入口開口と、入口開口の下流に配設された、流れ断面を有するとともに中央出口軸を有する排気ガス用の出口開口と、を有している。流れガイド要素が、ハウジング内において２つの開口の間に配設されている。流れガイド要素は管状であって、管軸の方向に延びる少なくとも１つの管体を有している。この管体は管体壁を有している。管体壁は、１つの注入口と１つの排出口を少なくとも有している。全ての排気ガス流が、注入口を経由して、管軸に対して平行な流れ方向に、排出口断面を有する排出口へとガイドされる。流れ方向は、中央出口軸に対して２０°乃至８０°の間の角度ａだけ傾いている。

ＵＳ ２０１０／０００５７９０ Ａ１は、排気ガス流を４０°乃至５０°の角度で主流れ方向から偏向させる管状流れ要素を記載している。この内部で、排気ガス流は添加物と混合される。流れ要素の壁は、流れ方向において連続的に穿孔されているため、排気ガス流は流れ要素を壁の全面に亘って貫通する。

ＪＰ２００９ ０３０５６０ Ａは、複数のコンバータが流れガイド要素に配設された混合装置を開示している。これらのコンバータは添加物の混合に寄与する。

ＵＳ ２０１１／００９４２６ Ａ１は、添加物が平行な排気ガス流れに対して注入される注入装置を記載している。

ＤＥ １１ ２０１０ ００２ ５８９ Ｔ５は、２つのモノリス（基板）の間に配設された混合チャンバを既に記載している。この混合チャンバは、排気系の内部を循環する排気ガスを処理することを目的として、モノリスの間に配設されている。混合チャンバは、排気ガス流を通流させるために、殻体により形成されるとともに中央軸を取り囲む管体を有している。管体は中央軸に沿って混合チャンバより少なくとも２０％長い。

本発明の目的は、基板表面全体に亘る排気ガスと添加物との改良された混合分散を達成すると同時に添加物の堆積を回避する、削減された全体長さを有する混合チャンバを設計及び準備することである。

その目的は、下流基板が中央出口軸の方向において排出口に隣接して設けられ、下流基板が排出口断面に一致する基板断面を有している本発明によって達成される。排出口断面と基板断面とは、最大で８％だけ互いに異なっている。

したがって、全ての流れ成分が、流れガイド要素によって、出口開口に対する角度で略同一の流れ方向において、混合チャンバの外へ案内されるように、入口開口に流入する排気ガスの全ての流れ成分が、流れガイド要素によって偏向され、下流基板は出口開口に隣接して配設されている。排気ガスは、出口開口の流れ断面全面に亘って分散されるため、同様に排気ガスは下流基板の断面全面に亘って分散される。したがって、下流基板は、その全端面に亘って、流れ方向に略平行な流れ成分の角度を付けた流れにさらされ、このことは、添加物が比較的大きな堆積物を形成することなく、混合チャンバに導入された添加物の非常に良好な分散を実現する。当業者にとって、流れ方向に略平行とは、主流れ方向として規定された流れ方向から最大で５°乃至８°の偏位を意味していることが理解されるであろう。角度ａは、好適には５５°乃至７５°の間である。６５°の角度において、ガンマ単位で０．９より大きい基板の濡れが得られた。

この点に関して、排出口が、中央出口軸に対して直角に延びる排出口断面を有し、この排出口断面が出口開口の流れ断面より最大で２０％小さければ有利となり得る。流れガイド要素は、全ての流れ成分をひとつに集めてそれらを出口開口の方向に向けさせ、添加物は、流れガイド要素において排気ガス流に添加される。

管体壁が、流れに関して、排出口断面を介して下流基板に直接的に又は間接的に接続されており、管体壁及び／又は下流基板の間の距離が最大で８ｍｍであるという事実により、有利な効果が達成される。

この目的のために、流れガイド要素が、管軸の方向において上流に且つ排出口に対向して、注入口断面を有する注入口を有しており、この注入口断面の寸法は排出口断面より１０％乃至７０％小さいことが有利である。下流基板及び上流基板の各液圧断面への適合に加えて、注入口断面の縮小された寸法が、管体の注入口で始まる管体内への排気ガス流の加速を実現し得て、そのことの結果として、注入口の領域において導入される添加物がより良く混合されるとともに、その液滴寸法が縮小される。

特に、管体が、中央出口軸において始まる管軸に沿って、正弦ａで入口開口の中央半径を割った商の少なくとも７０％に一致（対応）する長さ、すなわちＬ２≧Ｒ１２／ｓｉｎ ａとなる長さを有していれば有利である。したがって、流れガイド要素は、中央入口軸の方向において排気ガスの流れ断面を殆ど又は完全に閉鎖して、排気ガスが流れガイド要素に流入する前に、最初にこの排気ガスの方向を軸方向から径方向に変えさせる。

上流基板の断面積が入口開口の流れ断面より最大分（ある最大量だけ）小さい場合、管体は正弦ａで基板の中央半径を割った商に少なくとも一致（対応）する縮小された長さ、すなわちＬ２≧Ｒ５１／ｓｉｎ ａとなる長さを有している。

この場合、ハウジングが、中央入口軸に対する径方向に流れ断面を越えて突出するドームを有していれば有利である。このドームは少なくとも部分的に管体を形成しているか、又は管体が少なくとも部分的にこのドーム内に突出している。最も外側の流れ成分でも径方向に偏向され得るようにするために、ドームはハウジングの残りの部分の径方向境界の外側に容積を形成している。

本発明に関して、注入装置が流れ方向において注入口の上流の管体に配設されており、混合チャンバに注入された添加物を混合するための１つ以上の混合要素が注入口に隣接して及び／又は管体内に配設されているということが特に重要であろう。注入口が、管体を流れる際に排気ガスが渦を巻くような単独の開口により形成されているか、複数のスロットにより形成されているか、又は穿孔により形成されているかにかかわらず、注入装置の下流に配設される混合要素が設けられる。

本発明の設計及び配置に関連して、注入装置がドーム又は流れガイド要素に配設されていれば有利であろう。注入装置は、添加物を流れガイド要素に注入方向において導入する。注入方向は、管軸に対して最大で９０°の角度を付けられる。管軸に対して角度を付け得ることにより、添加物は排気ガスの流れ方向に又はそうでなければこの反対方向に注入され得る。

排気システムの他の部品への組み合わせに関して、上流基板を有する上流コンバータハウジングが入口開口の上流に設けられ、上流基板が流れに関して、注入口に接続されていれば有利である。このような配置は、上流基板が触媒として設計されるとともに下流基板が粒子フィルタとして設計されている場合に特に有利である。

排気ガス流の添加物への混合について記載された基本的な原理は、配向に関して大きく変化し得る。したがって、中央入口軸と中央出口軸とは、平行に、又は互いに対して同軸に、又は１０°乃至１７０°の間の角度ｂをなして互いに交差して配設されることが可能である。この点に関する実施例は、図面の説明において示されるであろう。

このような多用途性により、入口開口と出口開口は、中央入口軸の方向において一方が他方の背後に配設されるか、又は中央入口軸に対して径方向に少なくとも部分的に互いに隣接して配設されることが有利である。これにより、また上述の角度の変化により、様々な設置状態への適合が保証される。最後に、入口開口の流れ断面が、出口開口の流れ断面に比較して異なる寸法であれば有利であろう。

考えられ得る最良の混合について、管体の半径が注入口から排出口に向かって連続的に増加していれば有利である。この点に関して、管体が管体壁によって取り囲まれており、流れ方向において注入口の下流の管体壁又は流れ方向の注入口が閉鎖されているか、又は穿孔を有さないか、又は穿孔されていれば有利である。排出口断面に比較して管体の注入口の断面が比較的小さいことにより、管体内への流量が増加する。このため、管体へその入口において注入された添加物の混合が改良される。次いで下流基板の断面に一致する断面に対する管体断面の寸法の増加が、基板全体に亘る混合物の分散を実現する。全ての流れ又は排気ガス流の成分の偏向が、閉鎖された管体壁によって達成される。この場合、注入口及び排出口は、流れガイド要素の開口のみを形成する。管体の穿孔、特に入口開口に向かって配向された管体の側面に設けられた穿孔は、渦流の生成や、中央入口軸の方向において管体のすぐ上流でハウジングの下方３分の１の部分に排気ガス流が集積してしまうことを防ぐ。

混合チャンバについて述べた利点により、この混合チャンバを内燃機関用のシステムを共に構成する様々な排気システムと組み合わせることが可能となる。

更に、ハウジング及び下流コンバータハウジング及び／又は上流コンバータハウジングが、単一部品又は複数部品の共通部品を形成していれば有利であろう。

更には、混合要素が１つ以上の混合ステージを有する静的ミキサとして設計されていれば有利であろう。

また、混合チャンバ又は流れガイド要素又はそれらの部品が、排気ガスに面する側において、少なくとも部分的に触媒でコーティングされていれば有利であろう。

本発明の更なる利点や詳細は、請求項及び詳細な説明において説明されるとともに、以下の図面に示されている。
図１は、角度を付けた注入方向における実施例と出口側の基板の断面図を示す。 図２は、同軸の注入方向における実施例と出口及び入口の両側の基板の断面図を示す。 図３は、幾何学的関係の概略図を示す。 図４は、断面Ａ‐Ａ’に沿った流れ方向とは反対の方向での断面図を示す。 図５は、スロット形状の注入口を備えた流れガイド要素における混合要素を有する実施例を示す。 図６は、円錐形状の流れガイド要素を有する実施例を示す。 図７は、穿孔流れガイド要素を有する実施例を示す。 図８は、互いに平行に且つ互いからオフセットされて配設された基板を有する実施例を示す。 図９は、互いに角度をなして配設された基板を有する実施例を示す。 図１０は、互いに平行に且つ径方向において互いに隣接して配設された基板を有する実施例を示す。

図１及び２は、入口開口１２と出口開口１３とを有するハウジング１１を備える混合チャンバ１を示す。入口開口１２と出口開口１３は、中央入口軸Ｍ１２と中央出口軸Ｍ１３に対して同軸状に配設されている。

入口開口１２と出口開口１３との間に配設された管状流れガイド要素２が、入口開口１２を介して進入した排気ガス流を、中央入口軸Ｍ１２に沿う軸方向から径方向へと偏向させる。なぜならば、流れガイド要素２は、出口開口１３に向かう軸方向流れ断面Ｓ１２を遮断するからである。

この目的のために、流れガイド要素２は、管体壁２１を有する管体２０として設計されている。その排出口２３は、上流コンバータハウジング５に取付けられた上流基板５１に隣接している。径方向に偏向された後、排気ガス流は注入口２２を経由して管体２０の内部へとガイドされ、６５°の角度ａにおいて出口開口１３を出て下流基板４１の端面へと向かうようにガイドされる。

全ての流れ成分が、管体２０の端部において、管軸Ｋ２と平行な流れ方向Ｓにできるだけ実質的に配向されるように、管体２０或いは流れガイド要素２は一定の長さＬ２を有しており、これにより最も外側の流れ成分であっても径方向外方に偏向される。

径方向に偏向された排気ガス流は、入口開口１２を径方向に越えて突出しているハウジング１１の一部により形成されているドーム１４内で集まる。流れガイド要素２の注入口２２は、ドーム１４に配設されている。注入口２２は、管体壁２１における１つ以上の開口によって形成されている。これらの開口の総体は、注入口断面Ｅ２２（図４）に対応している。実施形態により、開口にブレード又はベーンが設けられ、管軸Ｋ２の周囲に渦流を生成させる。注入方向Ｅにおいて添加物を注入するための注入装置６が、注入口２２の領域においてドーム１４に設けられている。

図１に示す実施例によれば、添加物は、管軸Ｋ２方向における管体２０内で注入方向Ｅから偏向される。注入口２２は、注入口断面Ｅ２２を有している。注入口２２（注入口断面Ｅ２２）の内部に静的混合要素３が配設されており、注入口２２（注入口断面Ｅ２２）を介して添加物が注入される。

図２に示す実施例によれば、注入方向Ｅと管軸Ｋ２は、同軸又は少なくとも平行である。図２において、上流コンバータハウジング５がハウジング１１において流れガイド要素２の上流に配設されるとともに、基板がこのコンバータハウジングに取り付けられている。

２つのコンバータハウジング４、５は、入口開口１２と出口開口１３とにおいてハウジング１１に挿入されている。基板４１、５１は、入口開口１２の中央入口軸Ｍ１２と出口開口１３の中央出口軸１３に対して同軸に配設されている。

必要な長さＬ２の決定法が図３の概略図に示されている。全ての排気ガス流又は各流れ成分が入口開口１２に進入した後に径方向に偏向され得るように、管体２０の管体壁２１は、入口開口１の半径Ｒ１２又は上流基板５１の半径Ｒ５１より大きい程度にて、径方向に中央入口軸Ｍ１２を超えて突出している。管軸Ｋ２が中央出口軸Ｍ１３に対してなす角度ａを考慮すると、長さＬ２は、少なくとも正弦ａで基板４１の中央半径Ｒ５１を割った商より大きくなくてはならない。上流コンバータハウジング５の直径が上流基板５１の直径に対してどのようにふるまうか、又はいかなる幾何的構造が適用されるかによって、長さＬ２が正弦ａで入口開口１２の中央半径Ｒ１２を割った商より大きくなることが、十分となり得る。

図４に、基板５１が図示されていない、図２の断面Ａ‐Ａ’が示され、湾曲した管体壁２１が示されている。管体壁２１は、中央出口軸Ｍ１３の方向において排出口２３にその排出口断面Ａ２３の全面に亘って接近している。この場合、排出口断面Ａ２３の半径が、下流基板４１の半径Ｒ４１に一致している。注入口２２を形成する開口の総体が、注入口断面Ｅ２２に対応している。

図５は、混合要素３が管体２０において入口開口１２の下流に配設されている実施例を示す。入口開口１２は格子状に構成されており、管体壁２１のサブ領域は、ブレードのような態様でフラップとして、径方向内方又は外方に曲げられている。

図６において、開口が円錐形状になっている。図７において、スロットの代わりに穿孔Ｐが注入口２２として設けられている。このような穿孔の総体が対応する注入口断面Ｅ２２を形成している。

このような混合原理によれば、２つの基板４１、５１は様々な位置に配設され得る。図８において、２つの基板４１、５１は、軸方向に平行な態様で配設されており、これにより中央入口軸Ｍ１２と中央出口軸Ｍ１３は互いに平行に配設されている。図９において、２つの基板中央軸は互いに対して３０°の角度ｂをなして配設されている。角度ｂは０°乃至１８０°の間で変化し得る。０°の場合は、図１及び２に示した実施例に相当する。１８０°の場合は、図１０に示す実施例に相当する。

Claims (15)

1. 添加物を内燃機関の排気システム内で混合させるための混合チャンバ（１）であって、
   ａ）流れ断面（Ｓ１２）を有するとともに中央入口軸（Ｍ１２）を有する排気ガス用の入口開口（１２）を有し、且つ、前記入口開口（１２）の下流に配設された、流れ断面（Ｓ１３）を有するとともに中央出口軸（Ｍ１３）を有する排気ガス用の出口開口（１３）を有している、単一部品又は複数部品のハウジング（１１）と、
   ｂ）前記ハウジング（１１）内において前記２つの開口（１２、１３）の間に配設されている流れガイド要素（２）と、を備え、
   ｃ）前記流れガイド要素（２）は管状であって、管軸（Ｋ２）を有する少なくとも１つの管体（２０）を形成しており、前記管体は管体壁（２１）を有するとともに、１つの注入口（２２）と１つの排出口（２３）とを少なくとも有し、全ての排気ガス流が、前記注入口（２２）を経由して、管軸（Ｋ２）に平行な流れ方向（Ｓ）において、排出口断面（Ａ２３）を有する前記排出口（２３）へとガイドされ、
   ｄ）前記流れ方向（Ｓ）は、前記中央出口軸（Ｍ１３）に対して２０°乃至８０°の間の角度ａだけ傾いており、
   下流基板（４１）が、中央出口軸（Ｍ１３）の方向において前記排出口（２３）に隣接して設けられ、
   前記下流基板（４１）は、前記排出口断面（Ａ２３）に一致する基板断面（Ｓ２３）を有している、
   ことを特徴とする混合チャンバ。
2. 前記排出口断面（Ａ２３）は、前記中央出口軸（Ｍ１３）に対して直角に延びており、
   前記排出口断面（Ａ２３）は、前記出口開口（１３）の前記流れ断面（Ｓ１３）より最大で２０％小さい、
   ことを特徴とする請求項１に記載のチャンバ。
3. 前記管体壁（２１）は、流れに関して、前記排出口断面（Ａ２３）を介して前記下流基板（４１）に直接的に又は間接的に接続されており、
   前記管体壁（２１）及び／又は前記下流基板（４１）の間の距離は、最大で８ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項２に記載のチャンバ（１）。
4. 前記流れガイド要素（２）は、前記管軸（Ｋ２）の方向において上流に且つ前記排出口（２３）に対向して、注入口断面（Ｅ２２）を有する注入口（Ｅ２２）を有しており、
   前記注入口断面（Ｅ２２）の寸法は、前記排出口断面（Ａ２３）より１０％乃至７０％小さい、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の混合チャンバ（１）。
5. 前記管体（２）は、前記中央出口軸（Ｍ１３）において始まる前記管軸（Ｋ２）に沿って、正弦ａで前記入口開口（１２）の中央半径（Ｒ１２）を割った商の少なくとも７０％に一致する長さ（Ｌ２）を有している、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の混合チャンバ（１）。
6. 基板（５１）が入口開口（１２）の上流に設けられ、
   前記管体（２）は、前記中央出口軸（Ｍ１３）において始まる前記管軸（Ｋ２）に沿って、正弦ａで基板（５１）の中央半径（５１）を割った商に少なくとも一致する長さ、すなわちＬ２≧Ｒ５１／ｓｉｎ ａとなる長さを有している、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の混合チャンバ（１）。
7. 前記ハウジング（１１）は、前記流れ断面（Ｓ１２、Ｓ１３）を越えて前記中央入口軸（Ｍ１２）に対して半径方向に突出するドーム（１４）を有しており、
   前記ドームは、少なくとも部分的に前記管体（２）を形成しているか、又は前記管体（２）が少なくとも部分的に前記ドーム内に突出している、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の混合チャンバ（１）。
8. 注入装置（６）が、前記流れ方向において前記注入口（２２）の上流の前記管体（２）に配設されており、
   前記混合チャンバ（１）に注入された添加物を混合するための１つ以上の混合要素（３）が、前記注入口（２２）に隣接して及び／又は前記管体（２）内に配設されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の混合チャンバ（１）。
9. 注入装置（６）が前記ドーム（１４）又は前記流れガイド要素（２）に配設されており、
   前記注入装置は、添加物を前記流れガイド要素（２）に注入方向（Ｅ）において導入し、
   前記注入方向（Ｅ）は、前記管軸（Ｋ２）に対して最大で９０°の角度を付けられている、
   ことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の混合チャンバ（１）。
10. 前記上流基板（５１）を有する上流コンバータハウジング（５）が、前記入口開口（１２）の上流に設けられており、
    前記上流基板（５１）は、流れに関して前記注入口（２２）に接続されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の混合チャンバ（１）。
11. 前記中央入口軸（Ｍ１２）と前記中央出口軸（Ｍ１３）は、平行に、又は互いに対して同軸に、又は１０°乃至１７０°の間の角度ｂをなして互いに交差して配設されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の混合チャンバ（１）。
12. 前記入口開口（１２）と前記出口開口（１３）は、前記中央入口軸（Ｍ１２）の方向において一方が他方の背後に配設されるか、又は前記中央入口軸（Ｍ１２）に対して径方向に少なくとも部分的に互いに隣接して配設されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至１１に記載の混合チャンバ（１）。
13. 前記管体の半径（Ｒ２）が、前記注入口（２２）から前記排出口（２３）に向かって連続的に増加しており、
    前記管体（２０）は、管体壁（２１）によって取り囲まれており、
    前記流れ方向において前記注入口（２２）の下流の前記管体壁（２１）は、閉鎖されている、又は穿孔を有さない、又は穿孔されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の混合チャンバ（１）。
14. 請求項１乃至１３のいずれかに記載の混合チャンバ（１）と、内燃機関用の排気システムと、からなるシステム。
15. 管体構造を有する基板（４１）であって、中央出口軸（Ｍ１３）の方向に配設された基板（４１）全体に亘って排気ガスと添加物との混合流を流すための方法において、
    全ての排気ガスと添加物の前記混合流が、流れ方向において前記基板（４１）に直接的にガイドされ、
    前記流れ方向は、前記中央出口軸（Ｍ１３）から２０°乃至８０°の間、好適には３５°乃至５５°の間の角度ａだけ傾いている、ことを特徴とする方法。

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