JP4709906B2 - 排気ガス後処理装置 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の排気ガス後処理装置、すなわち内燃機関の排気系内で排気ガスを後処理するための排気ガス後処理装置であって、排気系に内燃機関の排気ガスのＮＯｘ成分を還元するための触媒が配置されており、さらに、排気管を介して触媒に還元剤を導入するための装置が設けられており、該装置が調量弁を有している形式のものに関する。

内燃機関の排気ガス中に含まれる窒素酸化物を減少させるために、空気過剰量を用いて運転されるような内燃機関では、選択触媒還元方法（ＳＣＲ）が有利であることが明らかになっている。この方法では、窒素酸化物がアンモニアと一緒に、選択式の触媒内で窒素と水に変換される。窒素酸化物の触媒変換のために必要となる還元剤は、アンモニアの代わりに尿素水溶液の形で車両に搭載運搬されている。この尿素水溶液から、尿素水水溶液の加熱分解および加水分解によって、それぞれ変換のために必要とされる量でアンモニアを遊離させることができる。この尿素水溶液は調量装置、特に調量弁によって排気管を介して還元触媒に導入される。排気ガスは、約７００℃の領域になり得る極めて高い温度を有することがある。このことは調量弁と還元剤とに対して耐久性と安定性に関して高い要求を課している。

公知従来技術により、高温の排気管に配置された調量弁を、冷却循環路により、たとえば冷却水もしくは還元剤を用いてアクティブに冷却することが知られている。しかし、この付加的なアクティブな冷却循環路は、大きな技術的および財政的な手間を伴う。

発明の利点
本発明による排気ガス後処理装置では、排気管が、調量弁への直接的な熱取込みを減少させ、かつ／または、調量弁からの高められた放熱を可能にするために形成されている。この場合、排気ガス後処理装置の熱に敏感な構成部分、特に調量弁または調量弁の弁先端部が排気ガスの熱流から保護され、ひいてはパッシブに冷却されるか、もしくは、熱が、熱に敏感な構成部分を負荷する場合には、熱ができるだけ迅速に導出され得ると有利である。アクティブな冷却循環路を提供することは、もはや必要でなくなるので好都合となり、これによって、排気ガス後処理装置は著しく簡単化される。

有利な改良形では、排気管がフランジを有している。このフランジには調量弁がフランジ締結されている。したがって、調量弁が排気管に直接に付設されなくなり、少しだけ外方にずらされている。フランジが、ある角度を有して側方に突出していると有利である。これによって、特に調量弁の、特に熱に敏感な弁先端部は排気ガス流から間隔を置いて配置されていて、直接の排気ガス流にはさらされなくなる。

特に有利な改良形では、調量弁から排気管内への還元剤の流入方向と、排気管内の排気ガス流方向との間に鋭角な角度が形成されている。したがって、調量弁は鋭角な角度、有利には４０°〜４５°の角度を成して排気管に排気ガス流方向で開口する。この場合、調量弁、特に弁先端部は直接的な熱負荷から保護され、それによって別のパッシブな冷却手段が提供されることが有利である。

排気管の弁近傍の領域で発生する、排気ガス流の再循環流が変向可能となるようにフランジが形成されていると好都合である。このためには、フランジが弁近傍の領域に、特別な形状付与部を有していると特に有利である。この場合、フランジは膨らみを持って形成されていてよい。この場合、湾曲部は特に外方に向かって膨出している。これによって再循環流はもはや直接に弁先端部分の方向に向けられておらず、フランジの形状付与部を介して変向され得るので、再循環流の主流が、強制的に弁先端部から遠ざけられるか、もしくはそらされる。高温の再循環流を弁先端部から遠ざけておくために、たとえばジオメトリ的なバリアの形のシールドエレメントが設けられていてもよい。シールドエレメントがつば状に弁先端部を全周にわたって取り囲んで形成されていると特に有利である。しかし他の適当なジオメトリ的な形状も可能である。

それにもかかわらず熱、たとえば再循環流の残留熱が、還元剤の流入方向とは逆方向に弁先端部を介して上方へ向かって調量弁内に弁コネクタの方向に進入する場合、弁ボディからできるだけ迅速な放熱を可能にする手段が設けられていてよい。この手段は調量弁から熱を引き取って、その熱を冷却体に引き渡すパッシブな冷却手段である。有利には、調量弁が少なくとも所定の範囲で高い熱伝導率を有する材料によって被覆されていてもよい。調量弁からの効率的で、かつ迅速な放熱を可能にするために、調量弁が弁スロート部で熱導出金属薄板によって被覆されていると特に有利である。弁スロート部に密に接触しているスリーブが配置されていてもよく、このスリーブは高い熱伝導率を有する材料、たとえば銅、銅撚り糸またはこれに類するもののような金属から成っている。グラファイトの使用も考えられる。

別のパッシブな冷却手段としては、フランジ自体が冷却されてもよい。これによりフランジに配置された調量弁へのできるだけ少ない熱伝達が得られる。有利には、調量弁もしくは調量弁の保持体に対する接触領域に面状の載着部が形成されていてよい。この載着部は熱導出性の材料から成るエレメント、たとえば熱導出金属薄板を面状に載置するために働くことができるので好都合である。特に熱導出金属薄板が、弁固定部分の高さでフランジの載着部に面状に配置されていてよい。熱導出金属薄板は、有利には大きな表面を有していて、熱を周囲に放出する。したがって、フランジは調量弁に対するインターフェイスにおいて冷却され得るので、フランジ側から調量弁への熱取込みは最初から減じられる。

調量弁を保持するための保持体が設けられている場合、保持体の少なくとも流入側に、低い熱伝導率を有する材料から成るエレメントが配置されていてよい。これによって、保持体を介して冷却体に到達する熱取込みを減少させることができるので有利である。このエレメントが、極めて小さい載着面を有するディスクとして形成されていると特に有利であり、このことは減じられた熱伝達をもたらす結果となる。保持体自体も、低い熱伝導率を有する材料、たとえばセラミックスから形成されていてよい。

別の有利な改良形では、調量弁が、少なくとも所定の範囲で保持体から間隔を置いて配置されていてよい。これによって保持体と、排熱ジャケット、たとえば調量弁を取り囲んでいる鋼ポットとの間にエアギャップが生じるので、保持体から弁先端部への熱取込みが行われ得なくなるので有利である。再循環流と熱取込みとによって生じた熱流は、冷却体内において初めて合流すると有利である。この場合、これらの熱流は、調量弁がもはや熱取込みによって損傷され得なくなるように弱められている。

ようするに本発明によるパッシブな冷却手段を用いると、調量弁の弁先端部を冷却するための有利なストラテジが提供され、この場合、簡単な手段を用いて廉価でかつ効果的な解決手段を得ることができる。

図面
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

本発明のさらに別の実施態様、観点および利点は、以下に図面につき説明する本発明の実施例に限定されることなしに、特許請求の範囲におけるその要約とは無関係に得られる。図１は、本発明による排気ガス後処理装置の有利な実施例を示す概略的な断面図であり、図２は、本発明による排気ガス後処理装置の、フランジの形の遮熱手段を示す詳細図であり、図３は、本発明の択一的な別の実施例を示す詳細図であり、図４は、調量弁スロート部に設けられた熱導出手段を示す詳細図であり、図５は、フランジに設けられた、別の熱導出手段を示す詳細図であり、図６は、本発明による排気ガス後処理装置のさらに別の熱導出手段の配置を示す詳細図である。

実施例の説明
図１には、内燃機関の排気系内で排気ガスを後処理するための本発明による排気ガス後処理装置の有利な実施例が概略的な断面図で図示されている。この排気系には内燃機関の排気ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）成分を還元するための触媒（図示しない）が配置されている。図２、図４、図５および図６には、それぞれ図１の詳細図が図示されている。図３には、フランジ１２の択一的な別の実施例が図示されている。図面では、同一の構成要素はそれぞれ同一の符号で表される。

還元剤は流入方向１３に沿ってドージングバルブもしくは調量弁１０の弁先端部２７を介して排気管１１内に導入される。排気管１１内には高温の排気ガス流が、排気ガス流方向１４に沿って流れている。排気管１１は調量弁１０への直接的な熱取込みが減じられ、かつ／または、調量弁１０からの高められた放熱が可能となるように形成されている。

排気管１１はフランジ１２を有している。このフランジ１２には、図２に示した詳細図からも判るように、調量弁１０がフランジ締結されている。これによって、調量弁１０の弁先端部２７は、排気管１１の外周面から間隔を置いて配置されているので、弁先端部２７は直接に排気ガス流内に配置されるのではなく、少しだけセットバックされて配置されている。したがって、弁先端部２７は高温の排気ガス流に直接にさらされなくなり、簡単にパッシブな冷却手段が提供される。調量弁１０の長手方向軸線２８は鋭角な角度１５を成して排気管軸線２９と交差している（図２）。特にこの鋭角な角度１５は排気管１１内への還元剤の流入方向１３と、排気管１１内の排気ガス流方向１４との間に形成されている。したがって、調量弁１０は排気管軸線２９に対して傾けられているので、排気ガス流方向１４で還元剤の供給が行われる。この手段によっても、弁先端部２７は直接に高温の排気ガス流にはさらされなくなる。

排気管１１の弁近傍の領域１７では排気ガス流の再循環流１６が発生する。この再循環流１６は、フランジ１２によって変向されて、フランジ１２の通常の構成の場合（図２）には、ほぼ流入方向１３とは逆向きに流れて、弁先端部２７を取り囲んで流れる。

これにより生じる弁先端部２７の加熱を回避するために、フランジ１２は、再循環流１６が弁先端部２７から離れる方向に変向可能となるように形成されていてよい。図３に示した詳細図からも判るように、フランジ１２は弁近傍の領域１７において膨らみを持って形成されていて、外方へ膨出された湾曲部３７を有している。これによって、再循環流１６は弁先端部２７からそらされる。このようなパッシブな冷却手段に対して択一的にまたは付加的に、調量弁１０、特に弁先端部２７を再循環流１６から保護するためのシールドエレメント１８が形成されていてよい。このシールドエレメント１８は図３に示したように保持体２４の部分エレメントとして形成されている。保持体２４内には調量弁１０が案内されて固定されている。シールドエレメント１８は特に流入方向１３に沿って、再循環流１６が発生する弁近傍の領域１７に突入している。シールドエレメント１８はつば状に形成されていて、弁先端部２７を再循環流１６からシールドする。シールドエレメント１８は横断面で見て尖鋭に形成されており、この場合、先端部３０が弁近傍の領域１７に突入している。

部分的には、再循環流１６または排気ガス流から弁先端部２７へ熱取込みが行われて、熱差に基づいて熱流が流入方向１３とは逆方向に調量弁１０を通って弁コネクタ（図示しない）にまで移動してしまうことは、阻止され得ない。図４の詳細図には、別のパッシブな冷却手段が図示されている。この冷却手段は調量弁１０から熱取込みを引き取って、冷却体３１に引き渡す。調量弁１０の弁ボディ３２と弁先端部２７との間の領域は、高い熱伝導率を有する材料、たとえば熱伝導金属薄板から成るジャケット１９によって被覆されている。冷却体３１への最適な放熱を保証するために、ジャケット１９は弁スロート部２０に特に密に接触していて、流入方向１３と反対の方向にホッパ状に拡開している。弁ボディ３２と、熱伝導金属薄板から形成されたジャケット１９との間のホッパ状の領域には、高い熱伝導率を有する材料から成るスリーブ３５が形成されている。このスリーブ３５はジャケット１９と作用結合して調量弁１０から冷却体３１への放熱を促進する。ジャケット１９が鋼で形成されている場合には、鋼ポット３３が形成される。

図５には、フランジ１２と調量弁１０との間の接触領域２２においてフランジ１２を冷却するための別のパッシブな手段が図示されている。特に、このパッシブな手段は、フランジに設けられた面状の載着部２３から形成されている。この載着部２３は、熱導出性の材料から成るエレメント、特に熱導出金属薄板２１を載置するために役立つ。熱導出金属薄板２１は面状の構成に基づいて大きな表面を有しており、これにより周囲への増幅された放熱が助成される。排出された熱流は矢印３８によって示されている。この手段によって、フランジ１２は調量弁１０に対するインターフェイスにおいて冷却されるので、フランジ側から調量弁１０への熱取込みは最初から減じられるか、もしくは最小限に抑えられる。

図６の詳細図には、調量弁１０への熱取込みを減少させるパッシブな冷却手段が図示されている。このパッシブな冷却手段は、エアギャップ３６によって形成される。このエアギャップ３６は、セラミックスから形成された保持体２４と鋼ポット３３との間に形成されている。エアギャップ３６は、調量弁１０のスリーブ３５が、少なくとも所定の範囲で保持体２４から間隔を置いて配置されていることによって形成されている。

付加的な手段としては、保持体２４の流入側２５に、低い熱伝導率を有する材料から成るエレメント２６が配置されている。特にこのエレメント２６は極めて小さな載着部を有するディスクの形に形成されており、このことは減じられた熱伝達をもたらす。したがって、保持体２４から弁先端部２７へ熱が流れないか、または小さな残留熱しか流れなくなる。熱流は冷却体３１において初めて合流し、これにより熱流は調量弁１０がもはや損傷され得なくなるように冷却される。

本発明による排気ガス後処理装置の有利な実施例を示す概略的な断面図である。 本発明による排気ガス後処理装置の、フランジの形の遮熱手段を示す詳細図である。 本発明の択一的な別の実施例を示す詳細図である。 調量弁スロート部に設けられた熱導出手段を示す詳細図である。 フランジに設けられた、別の熱導出手段を示す詳細図である。 本発明による排気ガス後処理装置のさらに別の熱導出手段の配置を示す詳細図である。

Claims (8)

1. 内燃機関の排気系内で排気ガスを後処理するための排気ガス後処理装置であって、排気系に内燃機関の排気ガスのＮＯｘ成分を還元するための触媒が配置されており、さらに、排気管（１１）を介して触媒に還元剤を導入するための装置が設けられており、該装置が調量弁（１０）を有しており、排気管（１１）が、調量弁（１０）への直接的な熱取込みを減少させ、かつ／または、調量弁（１０）からの高められた放熱を可能にするために形成されており、排気管（１１）が、フランジ（１２）を有しており、該フランジ（１２）に調量弁（１０）がフランジ締結されており、調量弁（１０）を保持するために、保持体（２４）が設けられている形式のものにおいて、フランジ（１２）が、組み付けられた状態で調量弁（１０）の前記保持体（２４）に対する接触領域（２２）に、熱導出性のエレメント（２１）を面状に受け止めるための載着部（２３）を形成していることを特徴とする、排気ガス後処理装置。
2. 排気管（１１）内への還元剤の流入方向（１３）と、排気管（１１）内での排気ガス流方向（１４）との間に鋭角の角度（１５）が形成されている、請求項１記載の排気ガス後処理装置。
3. 排気管（１１）の弁近傍の領域（１７）で発生する、排気ガス流の再循環流（１６）が変向可能となるようにフランジ（１２）が構成されている、請求項１または２記載の排気ガス後処理装置。
4. フランジ（１２）の、弁近傍の領域（１７）が、膨らみを持って形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の排気ガス後処理装置。
5. 調量弁（１０）を再循環流（１６）から保護するためのシールドエレメント（１８）が形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の排気ガス後処理装置。
6. 調量弁（１０）の少なくとも所定の範囲が、高い熱伝導率を有する材料から成るジャケット（１９）によって被覆されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の排気ガス後処理装置。
7. 前記保持体（２４）の少なくとも流入側（２５）に、低い熱伝導率を有する材料から成るエレメント（２６）が配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の排気ガス後処理装置。
8. 調量弁（１０）の前記ジャケット（１９）が、少なくとも所定の範囲で前記保持体（２４）から間隔を置いて配置されている、請求項６または７記載の排気ガス後処理装置。

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