JP2018109406A - 排ガス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関用の排ガス装置において、噴射される反応剤と排ガスとの十分な混合を行う。【解決手段】排ガス装置であって、排ガスが排ガス主流れ方向Ａに通流可能な排ガス流チャネル１４と、排ガス流チャネルの反応剤噴射領域１６において反応剤を反応剤主噴射方向Ｒに噴射する反応剤噴射装置１８と、を備え、反応剤主噴射方向Ｒと排ガス主流れ方向Ａとが、前記反応剤噴射領域１６において、相互に非平行でありかつ非直交である。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用の排ガス装置に関する。

特にディーゼル内燃機関に関して使用される排ガス装置において、ますます厳格化される有害物質放出量、特に窒素酸化物放出量の法的要求を満たすことを保証するために、この種の排ガス装置において流れる排ガスに、反応剤、たとえば尿素水溶液が噴射される。反応剤噴射領域の下流側に配置されたＳＣＲ触媒装置において、選択触媒還元を用いて、排ガス中に含まれる窒素酸化物は、反応剤に含まれるアンモニアと反応して、水および窒素が生成される。

本発明の課題は、排ガス流チャネルの反応剤噴射領域において噴射される反応剤と、排ガス流チャネル内で流れる排ガスとの効率的な蒸発および十分な混合が達成される、内燃機関用の排ガス装置を提供することである。

本発明によれば、この課題は、内燃機関用の排ガス装置であって、排ガスが排ガス主流れ方向に通流可能な排ガス流チャネルと、排ガス流チャネルの反応剤噴射領域において反応剤を反応剤主噴射方向に噴射する反応剤噴射装置と、を備え、反応剤主噴射方向と排ガス主流れ方向とが、反応剤噴射領域において、相互に非平行でありかつ非直交である、排ガス装置により解決される。

このような反応剤主噴射方向により、排ガス流チャネル内で排ガス流をほとんど損ねることなく、噴射される反応剤を排ガス流チャネルのほとんど全ての横断面領域に至らしめることが可能で、反応剤をそこで排ガスと十分に混合することができる、ということが保証される。

この場合、排ガス流をできるだけ損ねないために、反応剤主噴射方向と排ガス主流れ方向とが、反応剤噴射領域において、相互に鋭角を成しており、この場合、好適には、反応剤主噴射方向と排ガス主流れ方向とは、反応剤噴射領域において、相互に２０°〜７０°、好適には４０°〜６０°の範囲の角度を成している、ことが提案される。

一般的にインジェクタとも称される反応剤噴射装置により噴射された反応剤は、概してスプレーまたは滴の形で排ガス流チャネルの反応剤噴射領域に達する。この場合、反応剤と、排ガス流チャネル内で流れる排ガスとの効率的で十分な混合を達成するために、反応剤噴射領域に、反応剤噴射装置を用いて噴射された反応剤で濡らすことができる複数の反応剤捕集面を有する反応剤捕集装置が設けられている、ことがさらに提案される。反応剤で濡らすことができ、排ガス流内に位置する反応剤捕集面を、排ガス自体により加温することができ、したがって、反応剤捕集面に衝突するまたは反応剤捕集面を濡らす反応剤の蒸発を促進することができる。たとえば内燃機関の始動時に、または比較的小さな負荷での運転時に、反応剤捕集面が比較的低い温度を有するとき、反応剤捕集面は、跳返り面として働き、跳返り面により、これに衝突するまたはこれを濡らす反応剤が跳ね返され、したがって同様に効率的に反応剤捕集面を流過する排ガスと混合される。この場合、少なくとも２つの、好適には全ての反応剤捕集面は、相互に少なくとも部分的に平行であってもよい。

反応剤捕集面を提供するために、反応剤捕集装置は、少なくとも１つの反応剤捕集面を有する少なくとも１つの反応剤捕集面要素を含んでよい。

容易に総面積が比較的大きな反応剤捕集面を提供するために、少なくとも１つの反応剤捕集面要素が波形に形成されている、ことが提案される。

さらに、少なくとも２つの反応剤捕集面要素が、相互に内入れ子式に配置されていると、比較的小さな構造スペースで、総面積が大きな反応剤捕集面を提供することができる。

反応剤捕集装置の安定した保持のために、少なくとも１つの反応剤捕集面要素が、排ガス流管に、好適には溶接により固定されている、ことが提案される。

この場合、少なくとも１つの反応剤捕集面要素が、１つの別の反応剤捕集面要素に、好適には溶接により固定されていることにより、簡単であるもかかわらずコンパクトな構造を実現することができる。特に、１つの反応剤捕集面要素が、排ガス流管に固定されており、少なくとも１つの別の反応剤捕集面要素が、１つの反応剤捕集面要素に支持されているようにしてもよい。

反応剤捕集装置の提供により排ガス流チャネル内で排ガス流をほとんど損ねないように、少なくとも１つの、好適には各々の反応剤捕集面が、反応剤噴射領域の範囲において、ほぼ排ガス主流れ方向の方向に延在している、ことが提案される。

この場合、特に反応剤噴射領域が排ガス流チャネルの湾曲領域に位置するとき、少なくとも１つの、好適には各々反応剤捕集面が、少なくとも部分的に湾曲しているようにしてもよい。したがって、反応剤捕集面は、反応剤噴射領域において排ガス流を変向するための流れ案内面としても働く。

少なくとも２つの反応剤捕集面が、排ガス主流れ方向に対してほぼ横向きに相並んで配置されていると、排ガス流は、それぞれ相並んで配置された２つの反応剤捕集面の間に制限された複数の部分に分けることができ、この場合、排ガス流のこれらの各々の部分において、排ガスと、それぞれの反応剤捕集面の領域において変向されたまたは蒸発した反応剤との十分な混合を行うことができる。したがって、排ガス流チャネルを取り囲む、特に燃焼運転の始動段階では比較的低温の排ガス流管の壁部に反応剤の大部分が衝突することを、十分に阻止することができる。

反応剤と、排ガス流チャネル内で流れる排ガスとの混合をさらに改善可能にするために、少なくとも２つの反応剤捕集面が、反応剤噴射領域において、排ガス主流れ方向に相前後して配置されている、ことが提案される。

さらに、反応剤捕集面の濡らしを改善するために、少なくとも２つの反応剤捕集面が、反応剤噴射領域において、排ガス主流れ方向とは逆向きに上流側へ相互にそれぞれ異なる延伸長さを有するようにしてもよい。したがって、特に、反応剤捕集面が、排ガス主流れ方向に対して横向きに相並んで位置するとき、相並んで位置する反応剤捕集面が、相互に完全に覆わず、したがって、１つの面が別の面を噴射された反応剤に対して遮蔽しないことを保証することができる。

次に、本発明を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

内燃機関用の排ガス装置の一部の原理図である。 図１に対応する、排ガス装置の択一的な１つの態様を示す図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って断面した、図１の排ガス装置の横断面図である。 排ガス装置の択一的な１つの態様の、図３に対応する横断面図である。 排ガス装置の択一的な別の１つの態様の、図３に対応する横断面図である。 排ガス装置の択一的な別の１つの態様の、図３に対応する横断面図である。

図１には、内燃機関用の排ガス装置１０の一部が示されている。排ガス装置１０は、１つまたは複数の部分から構成された排ガス流管１２を有し、排ガス流管１２内に、排ガス主流れ方向Ａに排ガスが通流可能な排ガス流チャネル１４が形成されている。もちろんたとえば乱流または排ガス流管１２の屈曲領域により生じる、排ガス主流れ方向Ａからの排ガスの流れ方向の局所的なずれが生じ得ることに留意されたい。

概して符号１６が付された、排ガス流チャネル１４の反応剤噴射領域において、反応剤噴射装置１８を用いて、反応剤が、排ガス流チャネル１４内で排ガス主流れ方向Ａに流れる排ガスに噴射される。反応剤は、反応剤噴射装置１８から反応剤主噴射方向Ｒに放出され、反応剤噴射領域１６においてほぼ円錐状噴霧として拡散する。

円錐状噴霧のほぼ中心線であってもよい反応剤主噴射方向と、排ガス主流れ方向Ａとは、反応剤噴射領域１６において、相互に鋭角を成していて、つまり相互に非平行でありかつ相互に非直交でもある。好適には、この角度は、２０°〜７０°の範囲にある。

反応剤噴射領域１６には、反応剤捕集装置２２が設けられており、反応剤捕集装置２２は、複数の反応剤捕集面２４を提供する。反応剤捕集面２４は、ほぼ排ガス主流れ方向Ａに延在し、つまりこれに対してほぼ平行であるので、排ガス流チャネル１４内での排ガス流への不都合な影響が回避される。反応剤捕集面２４が排ガス主流れ方向Ａに対してほぼ平行に位置するので、反応剤捕集面２４は、反応剤主噴射方向Ｒに対して同様に実質的な鋭角を有する。図１に示されているように、反応剤噴射装置１８から反応剤噴射領域１６へ噴射される反応剤は、反応剤捕集装置２２の、相互にほぼ平行に位置する反応剤捕集面２４に衝突する。したがって、反応剤がこれらの反応剤捕集面２４を濡らすことができる。反応剤捕集面または反応剤捕集面を提供する以下に詳しく説明する反応剤捕集面要素を、両側で、排ガス流チャネル１４内で流れる排ガスが流過するので、反応剤捕集面要素は、排ガス流により比較的素早く加温され、したがって反応剤捕集面２４を濡らす反応剤の、排ガスへの蒸発が促進され、これにより、反応剤と、反応剤捕集面２４の間を通って流れ、これにより層状に分けられた排ガス流との効率的な混合が達成される。さらに、反応剤噴射領域１６に配置された反応剤捕集面２４が、排ガス流管１２の壁部２６を、反応剤噴射領域１６に噴射された反応剤から遮蔽するので、反応剤が概して高温の排ガス流の内側領域に留まり、そこで排ガスと混合されることが保証されている。特に反応剤捕集面２４を提供する反応剤捕集面要素がまだ比較的低い温度を有するとき、反応剤捕集面要素は、これに衝突するまたはこれを濡らす反応剤のための跳返り要素として用いられ、これにより反応剤と排ガス流チャネル１４内で流れる排ガスとの混合が同様に改善される。

図１から看取されるように、反応剤噴射領域１６において排ガス主流れ方向Ａに対して横向きに相並んで位置する複数の反応剤捕集面は、排ガス主流れ方向Ａで相互に異なる延伸長さを有し、特に上流側の領域では相互に完全には重畳しない。したがって、反応剤捕集面２４が、相互に、鋭角を成して反応剤捕集面２４へ向けて噴射された反応剤の衝突に対して遮蔽しないことが保証されている。この場合、有利な配置によれば、排ガス主流れ方向Ａに対して横向きに反応剤噴射装置１８の最も近くに位置するように位置決めされた反応剤捕集面２４が、つまり図１において最も右側に位置決めされた反応剤捕集面２４が、最も下流側に位置決めされている、または始端している一方、排ガス主流れ方向Ａに対して横向きに反応剤噴射装置１８から最も離れて位置決めされた反応剤捕集面２４は、最も上流側に配置されている、または始端している。

図２は、排ガス装置１０の１つの態様を示しており、この態様では、反応剤噴射領域１６は、排ガス流管１２または排ガス流管１２内に形成された排ガス流チャネル１４の屈曲領域２８に位置決めされている。この態様でも、反応剤噴射領域１６における排ガス主流れ方向Ａと、反応剤主噴射方向Ｒとは、相互に、前述の値範囲内にあってもよい実質的な鋭角を有する。

反応剤捕集装置２２の反応剤捕集面２４または反応剤捕集面２４を有する反応剤捕集面要素は、排ガス流管１２の角度付けられた構成に合わせて屈曲して構成されているので、反応剤捕集面２４または反応剤捕集面要素は、追加的に、反応剤噴射領域１６において排ガス流を変向するためにも役立つ。反応剤捕集面要素によりもたらされるこのような変向に基づき、反応剤捕集装置２２の領域に増強された渦流が形成される。この渦流は、排ガスと、反応剤捕集面２４において蒸発したまたは跳ね返った反応剤との十分な混合をさらに改善する。

図３は、波形の形態で構成された反応剤捕集面要素３０を有する反応剤捕集装置２２の１つの態様を示している。波頂部３２の領域で、反応剤捕集面要素３０は、好適には溶接により、たとえば抵抗溶接により、好適には車両に組み込まれた排ガス装置１０では排ガス流管１２の高さ方向で上側の領域において、排ガス流管１２の壁部２６に固定されている。このようにして、排ガス流管１２の壁部２６に反応剤捕集面要素３０が接合された領域で、反応剤の滞留を回避することができる。反応剤捕集面要素３０の別の頂部領域３４は、好適には排ガス流管１２の壁部２６と接触していないので、反応剤捕集面要素３０は、圧迫または変形の可能性がなく、排ガス流内で伸張することができる。

図３に示された反応剤捕集面要素３０は、全体で４つの、反応剤噴射装置１８に面する反応剤捕集面２４を提供する。もちろんこれより多数の波形部が存在する場合には、より多数のこのような反応剤捕集面２４を提供してもよい。このように波形に構成されたより多数の反応剤捕集面要素３０が、排ガス主流れ方向Ａに対して横向きに相並んで位置するように配置されてもよい、または排ガス主流れ方向Ａに相前後して配置されてもよい。排ガス主流れ方向に対して横向き相並んで位置するように設けられた、かつ／または排ガス主流れ方向に相前後して位置するように配置された反応剤捕集面の数、および排ガス主流れ方向における、または壁部２６に固定された領域から出発して排ガス流チャネル１４に突出する反応剤捕集面２４の延伸長さの程度を、それぞれの排ガス装置１０において必要な反応剤噴射量に応じて選択してもよい。排ガス主流れ方向Ａに対して横向きまたは排ガス主流れ方向Ａの反応剤捕集面２４の伸張が短くなるにつれ、反応剤捕集面２４がもたらす反応剤蒸発がよりわずかになり、反応剤捕集面２４が、衝突する反応剤を跳ね返す跳返し要素としてもより強い機能を有し、このようにして、反応剤は、排ガス流チャネル１４内で流れる排ガスとより強く十分に混合される。

反応剤捕集装置２２の択一的な１つの態様が、図４に示されている。この構成では、反応剤捕集装置２２は、相互に入れ子式に配置されたたとえば４つの反応剤捕集面要素３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを有する。反応剤捕集面要素３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、略Ｕ字形の横断面を有し、それぞれのＵ字形脚部の自由端部の領域において、排ガス流管１２の壁部２６にたとえば溶接により固定されている。排ガス主流れ方向Ａに対して横向きに反応剤噴射装置１８に面する側で、４つの反応剤捕集面要素３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄが、それぞれ１つの反応剤捕集面２４を有する。

図５に示された反応剤捕集装置２２の態様は、３つの反応剤捕集面要素３０ａ，３０ｂ，３０ｃを有し、反応剤捕集面要素３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、横断面でここでも略Ｕ字形に形成されていて、排ガス主流れ方向Ａに対して横向きに反応剤噴射装置１８に面する側で、それぞれ１つの反応剤捕集面２４を提供する。反応剤噴射装置１８の最も近くに位置するように位置決めされた反応剤捕集面要素３０ａは、そのＵ字形脚部の自由端部領域で、次に続く反応剤捕集面要素３０ｂの反応剤捕集面２４ａの領域においてたとえば溶接により固定されている。この反応剤捕集面要素３０ｂは、Ｕ字形脚部の自由端部領域で、反応剤捕集面要素３０ｃの反応剤捕集面２４の領域において反応剤捕集面要素３０ｃに固定されている。したがって、両方の反応剤捕集面要素３０ａ，３０ｂは、そのＵ字形脚部でもって排ガス流管１２の壁部２６に固定された反応剤捕集面要素３０ｃを介して壁部２６に支持されている。

図６に示された態様では、反応剤捕集装置２２は、４つの反応剤捕集面要素３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを有する。略Ｕ字形の構成で提供された反応剤捕集面要素３０ａは、そのＵ字形脚部の自由端部領域で、排ガス流管１２の壁部２６に固定されていて、反応剤噴射装置１８の最も近くに位置するように位置決めされた反応剤捕集面２４を提供する。反応剤捕集面要素３０ａのＵ字形輪郭の内側に、排ガス主流れ方向Ａに対して横向きに、３つの反応剤捕集面要素３０ｂ，３０ｃ，３０ｄが、好適には相互に一定の間隔を置いて配置されており、この場合、これらの反応剤捕集面要素３０ｂ，３０ｃ，３０ｄも、Ｕ字形の構成を有してもよく、それぞれのＵ字形脚部の領域で、たとえば溶接により反応剤捕集面要素３０ａに接合されてもよく、したがって、反応剤捕集面要素３０ａを介して壁部２６に支持されてもよい。図４に示された態様の場合と同様に、図６の態様でも、反応剤捕集面要素３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、相互に入れ子式に配置されている。

図３〜図６に関して上述した反応剤捕集装置２２の全ての態様では、実質的に多板状に形成された反応剤捕集面要素３０または３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、好適には金属薄板材料から成形されている。全ての態様において、反応剤捕集装置２２は、上流側の領域において、図１および図２において認められるそれぞれの反応剤捕集面２４のオフセットまたはずらした始端部を有する。

本発明に則して設定された、排ガス主流れ方向Ａと反応剤主噴射方向Ｒとの間の鋭角と、有利には反応剤噴射領域１６に位置する反応剤捕集面２４とにより、排ガス流チャネル１４の横断面にわたってほぼ均一な反応剤蒸発または反応剤の跳返りがもたらされるので、横断面にわたってほぼ均一に反応剤を排ガス流チャネル１４内で流れる排ガスと混合することもでき、しかも特に冷間始動状態または低負荷であって相応に有害物質排出量のわずかな運転状態でも混合することができる。これにより、排ガスと反応剤との効率的で十分な混合が保証され、これに則した、反応剤噴射領域１６の下流側に位置するＳＣＲ触媒装置における選択触媒還元の効率的な実行も保証される。

最後に、もちろん排ガス流管１２だけではなく反応剤捕集装置２２の特に横断面形状が、図示の横断面形状とは異なってもよいことに留意されたい。特に排ガス案内管１２は、略円形の横断面形状を有してもよい。

Claims (16)

1. 内燃機関用の排ガス装置であって、
   排ガスが排ガス主流れ方向（Ａ）に通流可能な排ガス流チャネル（１４）と、
   前記排ガス流チャネル（１４）の反応剤噴射領域（１６）において反応剤を反応剤主噴射方向（Ｒ）に噴射する反応剤噴射装置（１８）と、
   を備え、
   前記反応剤主噴射方向（Ｒ）と前記排ガス主流れ方向（Ａ）とが、前記反応剤噴射領域（１６）において、相互に非平行でありかつ非直交である、排ガス装置。
2. 前記反応剤主噴射方向（Ｒ）と前記排ガス主流れ方向（Ａ）とは、前記反応剤噴射領域（１６）において、相互に鋭角を成していることを特徴とする、請求項１記載の排ガス装置。
3. 前記反応剤主噴射方向（Ｒ）と前記排ガス主流れ方向（Ａ）とは、前記反応剤噴射領域（１６）において、相互に２０°〜７０°、好適には４０°〜６０°の範囲の角度を成していることを特徴とする、請求項２記載の排ガス装置。
4. 前記反応剤噴射領域（１６）には、前記反応剤噴射装置（１８）を用いて噴射される反応剤で濡らすことができる複数の反応剤捕集面（２４）を有する反応剤捕集装置（２２）が設けられていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の排ガス装置。
5. 少なくとも２つの、好適には全ての前記反応剤捕集面（２４）が、相互に少なくとも部分的に平行であることを特徴とする、請求項４記載の排ガス装置。
6. 前記反応剤捕集装置（２２）は、少なくとも１つの反応剤捕集面（２４）を有する少なくとも１つの反応剤捕集面要素（３０；３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）を含むことを特徴とする、請求項４または５記載の排ガス装置。
7. 少なくとも１つの前記反応剤捕集面要素（３０）が、波形に形成されていることを特徴とする、請求項６記載の排ガス装置。
8. 少なくとも２つの前記反応剤捕集面要素（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）が、相互に入れ子式に配置されていることを特徴とする、請求項６または７記載の排ガス装置。
9. 少なくとも１つの前記反応剤捕集面要素（３０；３０ａ；３０ｃ）が、排ガス流管（１２）に、好適には溶接により固定されていることを特徴とする、請求項６から８までのいずれか１項記載の排ガス装置。
10. 少なくとも１つの前記反応剤捕集面要素（３０ｂ；３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）が、別の前記反応剤捕集面要素（３０ｃ；３０ａ）に、好適には溶接により固定されていることを特徴とする、請求項６から９までのいずれか１項記載の排ガス装置。
11. １つの前記反応剤捕集面要素（３０ｃ；３０ａ）が、前記排ガス流管（１２）に固定されており、少なくとも１つの別の前記反応剤捕集面要素（３０ａ，３０ｂ；３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）が、前記１つの反応剤捕集面要素（３０ｃ；３０ａ）に支持されていることを特徴とする、請求項９を引用する請求項１０記載の排ガス装置。
12. 少なくとも１つの、好適には各々の前記反応剤捕集面（２４）が、前記反応剤噴射領域（１６）の領域において、ほぼ前記排ガス主流れ方向（Ａ）の方向に延在していることを特徴とする、請求項４から１１までのいずれか１項記載の排ガス装置。
13. 少なくとも１つの、好適には各々の前記反応剤捕集面（２４）が、少なくとも部分的に湾曲していることを特徴とする、請求項４から１２までのいずれか１項記載の排ガス装置。
14. 少なくとも２つの前記反応剤捕集面（２４）が、前記排ガス主流れ方向（Ａ）に対してほぼ横向きに相並んで配置されていることを特徴とする、請求項４から１３までのいずれか１項記載の排ガス装置。
15. 少なくとも２つの前記反応剤捕集面（２４）が、前記反応剤噴射領域（１６）において、前記排ガス主流れ方向（Ａ）に相前後して配置されていることを特徴とする、請求項４から１４までのいずれか１項記載の排ガス装置。
16. 少なくとも２つの前記反応剤捕集面（２４）が、前記反応剤噴射領域（１６）において、前記排ガス主流れ方向（Ａ）とは逆向きに上流側の方向に相互にそれぞれ異なる延伸長さを有することを特徴とする、請求項４から１５までのいずれか１項記載の排ガス装置。

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