JP5155728B2 - 混合及び／又は気化装置とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関、特に動力車両用のものの排気システムに用いられる混合及び／又は気化装置に関する。本発明はまた、かかる混合及び／又は気化装置の製造方法と、かかる混合及び／又は気化装置を装備した排気システムに関する。

内燃機関の排気システムでは、様々な理由により、排気流に液状抽出物を噴霧する必要が生じることがある。例えば、酸化触媒の下流側で発熱燃焼反応を引き起こすため、酸化触媒の上流側で排気流に燃料が噴射されることがある。同様に、SCR（selective catalytic reduction：選択接触還元）触媒コンバータの下流側で排気ガスに随伴する窒化ガスを減らすため、例えばアンモニアのような還元剤が排気流に噴霧されることがある。アンモニアに代え、尿素及び／又は尿素水溶液が排気流に噴射されることもある。すると加水反応により前記尿素水溶液からアンモニアと水が生成される。さらに、NOX貯蔵触媒を再生するため、NOX貯蔵触媒の上流側で排気流に燃料又は他の適当な還元剤が噴射されることもある。

液状態で排気ラインに噴射された前記抽出物の効力を改善する、及び／又は、発揮させるため、排気ガスへの混合過程で気化が大々的に行われ、これにより可能なかぎり均質な排気ガス−抽出物混合物が得られることが望ましい。そのようにするため、前記排気システムに混合及び／又は気化装置が装備されることがあり、それは、前記排気ラインの中で前記噴射装置の下流側に配置される。

前記噴射装置としてどのようなものが用いられるかによるが、前記抽出物は円錐パターンに広がる液体ジェットの形で導入されることがある。エンジン負荷が小さく排気ガス温度が低いと、低い排気ガス温度と低い流速が優勢になる。これにより前記液体ジェットが、前記混合及び／又は気化装置の対応構造を直撃することがある。前記混合及び／又は気化装置の設計によるが、前記液体ジェットが、前記混合及び／又は気化装置の対応構造を少なくとも部分的に障害無く通り抜け、排気ガス処理装置に液体状態のまま到達することがある。噴霧された液体は可能なかぎり均質な混合ガスの形でのみ排気ガス処理装置に到達すべきである。その結果、効力が低下し、破損のリスクを負うことになる。

本発明は、混合及び／若しくは気化装置の改良形態、並びに／又はそれを搭載した排気システム、並びに／又はその製造方法を提供するという課題に関わるものであり、特に、安価に製造できる点を特徴とする。加えて、改良された気化効果も望まれるところである。

かかる課題は、本発明の独立請求項の主題によって解決される。有利な実施形態は従属請求項の主題となっている。

本発明は、ただ１個の板金体から前記混合及び／又は気化装置を製造するという概念に基づくものであり、このため、筒状体から内側に向かって放射状に羽根が突き出すようにされる。これにより、前記混合及び／又は気化装置を比較的安価に製造することが可能になる。本発明によれば、前記羽根は、中央通路を開いたままにし、前記筒状体の軸線に対し一定角度をなすという形で配置され、整えられる。これにより、前記羽根の領域では流路抵抗が増し、ひねりが生まれ、同時に、中央通路の圧力は低下する。中央で前記排気流の加速を生じさせることが、これによって可能となる。中央での増加した流速は前記液体ジェットの気化を促進する。ここでは、前記中央通路の外側で放射状をなしている前記羽根を直撃するように前記液体ジェットを方向づけるということが、特に有利である。他の実施形態では、前記羽根の中で前記液体ジェットが直撃する領域を、軸線方向の見通しの悪さを備える設計とすることが、特に有利である。このため、前記羽根は、円周方向において互いに重なり合い、前記液体ジェットの衝撃を受ける、前記所望の見通しの悪さの領域が得られるように、整えられ、配置される。

本発明の他の重要な特徴及び利点は、従属請求項、図面、及び図面に基づく個々の形象の説明より明らかとなる。

前述の、あるいは後述する特徴は、ここに示された特定の組み合わせでのみ用いられるのではなく、本発明の範囲を逸脱しない限り、他の組み合わせでも、あるいは単独でも、用いられることは自明である。

本発明によると、安価に製造できる点を特徴とする、混合及び／若しくは気化装置の改良形態、並びに／又はそれを搭載した排気システム、並びに／又はその製造方法を提供することができる。

本発明の好ましい実施形態は、図面に描写され、以後の記述で一層詳細に説明される。同一の、又は同様の、又は機能的に等価の構成要素には同じ符号を付す。

模式図において、図１は大幅に簡略化した排気システムの基本構成図を示し、図２は混合及び／又は気化装置の軸線方向正面図であり、図３は図２と同様の軸線方向正面図であるが、逆の方向から見たものであり、図４は図２及び図３に示される混合及び／又は気化装置の斜視図であり、図５Ａは他の実施形態に係る図２と同様の正面図であり、図５Ｂは図５Ａと同様の正面図であるが、リング状領域が象徴的に示されているものであり、図６Ａは図５Ａの実施形態に係る図３と同様の正面図であり、図６Ｂは図６Ａと同様の正面図であるが、リング状領域が象徴的に示されているものであり、図７は図５及び図６の混合及び／又は気化装置の斜視図であり、図８Ａから図８Ｇは図２から図４による混合及び／又は気化装置の製造工程の一部として様々な状態の板金体を示す図であり、図９Ａから図９Ｄは図５から図７による混合及び／又は気化装置の様々な製造段階における板金体を示す図である。

図１によれば、内燃機関１―それは例えば動力車両に搭載される―は、新鮮なガス、好ましくは空気、を供給する新鮮ガスシステム２と、排気ガスを除去する排気システム３を備えている。かかる排気システム３は、前記内燃機関１の運転中に生成された排気ガスを前記内燃機関１から除去する排気ライン４を含む。前記排気システム３は、前記排気ライン４に配置された、少なくとも１個の排気ガス処理装置５を備えることができる。かかる排気ガス処理装置５は、例えば、酸化触媒、NOX貯蔵触媒、加水反応器、SCR触媒コンバータ、又は粒子フィルタであり得る。同様に、前述装置のいくつか、あるいはそれ以上を、共通ハウジングに、特にマフラーと組み合わせて、収容することができる。さらに前記排気システム３は、液状抽出物を前記排気ライン４に噴射するように設計された噴射装置６を備える。前記噴射装置６は、好ましくは、前記排気ライン４で前記排気ガス処理装置５の上流側に配置される。前記液状抽出物は、好ましくは燃料、特に前記内燃機関１がそれによって運転されるのと同じ燃料である。さらに、前記抽出物はアンモニア又は尿素及び／若しくは尿素水溶液であってもよい。燃料噴射のときは、前記噴射装置６のすぐ下流にある次の排気ガス処理装置５は、酸化触媒を作動温度まで加熱するか、前記酸化触媒の下流側に配置された粒子フィルタを再生温度まで加熱するかするため、燃料を熱に変換する酸化触媒であるのが好ましい。前記噴射装置６がアンモニア噴射用に設計されているときは、前記排気ガス処理装置５はSCR触媒コンバータであり得る。尿素又は尿素水溶液が噴霧されるときは、すぐ下流の前記排気ガス処理装置５は加水反応器又は加水触媒とし、尿素がアンモニアに変換されて下流側のSCR触媒コンバータに衝突するようにするのがよい。同様に、加水反応が起きるSCR触媒コンバータとして設計された排気ガス処理装置５が前記噴射装置６の直後に置かれてもよい。加えて、排気ガス処理装置５のすぐ上流側で前記排気ライン４に液状抽出物を噴射するものであれば、他のどのような概念のものも可能である。

図１によれば、抽出物の噴射のため、抽出物の流れが軸線方向に整列していることが好ましく、このことは、例えば、前記排気ライン４の対応箇所の曲げにより実現される。

排気ガスに噴射された前記液状抽出物をできるだけ速やかに、且つ完全に気化させ、前記気化した抽出物を排気ガスとできるだけ均質に混合するために、前記排気システム３には混合及び／又は気化装置７が装備されており、それは排気ライン４の中で前記噴射装置６の下流側、そして前記噴射装置６の次の前記排気ガス処理装置５の上流側又はその中のどちらにでも、配置される。

前記混合及び／又は気化装置７の好ましい実施形態は、以下、図２から図７を参照しつつ詳細に説明される。

図２から図７によれば、混合及び／又は気化装置７は筒状体８を含み、それは好ましくは筒形状、特に円筒形状とされる。前記筒状体８は、その軸線方向端に前記混合及び／又は気化装置７の構成要素でもある複数の羽根９を有する。前記羽根９は円周方向において互いに接近して配置され、前記筒状体８から内側に放射状に突き出している。前記羽根９は自由に通り抜けられる中央通路１０が残るような寸法となっている。さらに、前記羽根９は前記筒状体８の軸線方向に対し一定角度をなしている。言い換えれば、各羽根９は接近流に向かう縁と離脱流に向かう縁を有し、それらは円周方向において互いに間隔を有している。従って、前記各羽根９は前記軸線方向に対し一定角度をなす長手方向を備えた横断側面を有する。前記羽根９の迎角のため、前記気流には前記混合及び／又は気化装置７を通過する際にひねりが加えられる。

ここでは、前記筒状体８が前記羽根９の全てと共に単一の板金体１１から製造されること、つまりこの板金体１１の対応領域を成形して製造されるということが特に有利に働く。このように、混合及び／又は気化装置７は１枚の板金から製造された板金体である。

ここに示す好適実施形態では、前記羽根９は円周方向に互いに重なるよう、つまり前記中央通路１０を囲む、軸線方向に見通しの悪いリング状領域１２を形成するよう、整えられ、配置される。図２から図４の実施形態では、前記羽根９は、上述見通しの悪いリング状領域１２が前記筒状体８まで放射状に延びるように整えられ、配置される。従ってこの実施形態では、前記見通しの悪いリング状領域１２は、放射状の内側では前記中央通路１０が境界をなし、放射状の外側では前記筒状体８が境界をなすことになる。

かかる見通しの悪いリング状領域１２を整えるため、図２から図４の実施形態の前記羽根９は、それぞれ折り曲げ部１３で前記筒状体８から区切られて放射状をなし、その横断側面は前記筒状体８の軸線方向と本質的に直角に延びる平面内に位置する。これにより、隣り合う前記羽根９は前記中央通路１０から前記筒状体８まで互いに重なることができる。このように軸線方向において互いに重なることにより、前記リング状領域１２が前記軸線方向において所望の見通しの悪さを得ることになる。

図５から図７は前記混合及び／又は気化装置７の他の実施形態を示す。この実施形態では、前記羽根９は、互いに円周方向で近接する羽根９同士の間に、前記見通しの悪いリング状領域１２の外側において、軸線方向に遮るもののない隙間１４が形成されるように配置され、整えられる。これらの隙間１４は前記見通しの悪いリング状領域１２を取り巻くように円周方向に配置され、相対的な圧力降下を生じ、前記混合及び／又は気化装置７の流れ抵抗が減少するようにされている。軸線方向に見通しの悪い前記リング状領域１２は、本質的に、前記中央通路１０が境界をなし、放射方向に外側では、前記筒状体８まで延びるとともに前記隙間１４を含む他のリング状領域が境界をなす。

軸線方向に遮るもののない前記隙間１４を備えるこの設計は、好ましくは、前記羽根９が前記折り曲げ部１３で前記筒状体８から区切られて放射状をなし、その横断側面が軸線方向に直角に延びる平面に対し傾斜角をなす平面内にあるように構成することにより達成される。この傾斜角は、例えば２０°から７０°の間とすることができる。ここに示す例では、傾斜角は好ましくは約４５°とされている。

図２から図７の実施形態では、前記羽根９は、軸線方向に対する迎角が、各羽根９の放射方向に沿って変化するように設計されている。軸線方向における角度設定の変化は連続的であり、そのため前記羽根９にはひねりが生じる。同様に、迎角の変化が段階的に生じるようにすることもできる。この目的のため、各羽根９の部分的な領域を、各羽根９の残りの領域に対し少し角度をなすように曲げることができる。ここで、好ましい実施形態では、前記羽根９の迎角は、前記羽根９に沿って外側から内側へと放射方向で減少する。理想的なケースでは、前記羽根９は、放射方向に内側では、すなわち前記折り曲げ部から前記中央通路１０まででは、角度をなすようにされておらず、それらの横断側面は、軸線方向と本質的に平行な方向に延びる。最大の迎角は前記筒状体８の領域外で放射方向において存在する。この最大の迎角は、図５から図７に示す実施形態では、約４５°である。図２から図４に示す実施形態では、前記羽根９は放射方向外側では軸線方向に対して約９０°の角度に設定されている。

前記混合及び／又は気化装置７の耐久性を高めるため、円周方向で互いに近接する前記個別の羽根９は、放射方向外側において前記折り曲げ部１３のところで、丸め開口１５を介して、互いに区切られ、前記筒状体８から区切られている。これらの丸め開口１５は、例えば図８Ｃ、図８Ｄ、図９Ｃ、図９Ｄに見ることができる。丸め開口１５は板金体１１の内側の応力を軽減し、亀裂の危険を減らす。

前記混合及び／又は気化装置７を製造する好ましい方法を、図８と図９を参照しつつ以下詳細に説明する。

図８Ａによれば、それを成形して前記筒状体８と前記羽根９が形成される前記板金体１１は、出発状態では板金の本質的に平らな帯１６である。次いで図８Ｂによれば、この板金帯１６に切れ目１７が入れられる。前記切れ目１７は側面から始まるが、前記板金帯１６を突っ切る訳ではない。個別の前記切れ目１７は互いに平行に延び、前記板金帯１６の長手方向に対して傾斜している。前記板金帯１６の長手方向とは、それから形成される前記筒状体８の円周方向に他ならない。前記板金帯１６の長手方向は、図８Ａでは両方向矢印１８で象徴される。

図８Ｄに示すように、一つずつの前記切れ目１７の端に配置する形で前記丸め開口１５を前記板金帯１６に切り抜いてもよい。これにより、各切れ目の端で亀裂が生じる危険が軽減される。これに代わる方法として、図８Ｃに示すように、前記板金帯１６に最初に前記丸め開口１５を切り抜き、次いで図８Ｄに示すように、前記開口１５のところで終わりとなるように前記切れ目１７を形成することとしてもよい。同様に、前記板金帯１６に前記切れ目１７と前記開口１５を同時に、すなわち１回のパンチング作業で形成するようにすることも、基本的に可能である。

前記切れ目１７により、前記板金帯１６に、板金帯１６の長手方向１８に沿って隣り合わせに並ぶ形で複数の横断帯１９が形成される。これらの横断帯は前記切れ目１７によって互いに切り離されている。これらの横断帯１９は後で羽根９となるものであり、既にこの時点で前記切れ目１７により互いに切り離されている。図２から図４に示す実施形態の設計では、前記切れ目１７は前記板金帯１６の長手方向１８を横切って延びるように形成されている。

図８Ｅによれば、前記切り離された羽根９及び／又は横断帯１９は、それから各々、前記切れ目１７と直角に延びる折り曲げ軸２０の回りに折り曲げられ、板金帯１６の他の部分から、例えば直角に突き出すことになる。９０°よりも大きい、あるいは小さい折り曲げ角としてもよいことは言うまでもない。

図８Ｆによれば、前記の折り曲げられた、及び／又は湾曲せしめられた、切り離された羽根９及び／又は横断帯１９は、変化するピッチ角を備えるものであり、前記羽根９はこの目的のため連続的にねじられている。同様に、前記羽根９は少なくとも一部の領域で段階的にピッチ角が変化するものとしてもよい。

次いで図８Ｇによれば、前記板金帯１６は、前記筒状体８の軸線方向と平行に走る折り曲げ軸の回りに折り曲げられ、及び／又は、巻かれるか、丸められるかされて、前記板金帯１６の残りの部分で前記筒状体８を形成する。前記板金帯１６は、例えば突き合わせ溶接で溶接され、又は重なり領域で溶接される。同様に前記板金帯を固定するについては他の方法も考えられる。図８Ｇのように帯を丸めると、図２から図４に示す前記板金体１１が得られる。

図５から図７に示す実施形態の製造を可能にするため、図９Ａに示す前記板金帯１６は、図９Ｅのように、切れ目が前記板金帯１６の長手方向１８に対し９０°以下の角度で延びるように切れ目加工される。例えばここでは、前記切れ目１７は前記長手方向１８に対し約４５°の角度で延びる。同様に他の傾斜角も、すなわち２０°と７０°の間の角度も、考えられる。

前記傾いた切れ目１７は斜面を形成する。ここでもまた、図９Ｃに示すように、前記板金帯１６に前記丸め開口１５を、前記切れ目１７がこれらの丸め開口１５で終わるように、設けることができる。図８Ａから図８Ｇまでの製造手順を類推適用して、前記板金帯１６に前記切れ目１７と開口１５を、同時にでも、又はどのような順番にでも、導入できることは言うまでもない。

図９Ｄによれば、前記切り離された横断帯１９及び／又は羽根９は、各羽根９が前記切れ目の方向を横切って延びる折り曲げ軸２０の回りに折り曲げられる。

この実施形態では、折り曲げられた後に前記羽根９は既に前記筒状体８の軸線方向に関しピッチ角を有している。加えて、前記ピッチ角の流れは前記羽根９のそれぞれで異なる。すなわちひねりにより、又は前記ピッチ角の段階的変化により、すなわち前記羽根９の少なくとも所定領域を傾けることにより、異なる。このように成形された前記板金帯１６は、その後丸められ、前記筒状体８を形成する。

図１に示す排気システム３では、前記噴射装置６と前記混合及び／又は気化装置７は、好ましくは、前後して同軸関係に置かれ、前記噴射装置６により生成される抽出物の単一ジェット噴流又は複数ジェット噴流が前記混合及び／又は気化装置７の前記羽根９を前記中央通路１０の放射方向外側で直撃する。前記抽出物噴流は、前記羽根９の見通しの悪いリング状領域１２の中だけに当たるのが好ましい。各抽出物噴流が、前記通路１０の外側だけで、及び／又は前記見通しの悪いリング状領域１２の内側だけで、前記羽根９を直撃するように、適宜設計及び／又は調整を行う。

は、大幅に簡略化した排気システムの基本構成図である。 は、混合及び／又は気化装置の軸線方向正面図である。 は、図２と同様の軸線方向正面図であるが、逆の方向から見たものである。 は、図２及び図３に示される混合及び／又は気化装置の斜視図である。 は、他の実施形態に係る図２と同様の正面図である。 は、図５Ａと同様の正面図であるが、リング状領域が象徴的に示されているものである。 は、図５Ａの実施形態に係る図３と同様の正面図である。 は、図６Ａと同様の正面図であるが、リング状領域が象徴的に示されているものである。 は、図５及び図６の混合及び／又は気化装置の斜視図である。 は、図２から図４による混合及び／又は気化装置の製造工程の一部として様々な状態の板金体を示す図である。 は、図２から図４による混合及び／又は気化装置の製造工程の一部として様々な状態の板金体を示す図である。 は、図２から図４による混合及び／又は気化装置の製造工程の一部として様々な状態の板金体を示す図である。 は、図２から図４による混合及び／又は気化装置の製造工程の一部として様々な状態の板金体を示す図である。 は、図２から図４による混合及び／又は気化装置の製造工程の一部として様々な状態の板金体を示す図である。 は、図２から図４による混合及び／又は気化装置の製造工程の一部として様々な状態の板金体を示す図である。 は、図２から図４による混合及び／又は気化装置の製造工程の一部として様々な状態の板金体を示す図である。 は、図５から図７による混合及び／又は気化装置の様々な製造段階における板金体を示す図である。 は、図５から図７による混合及び／又は気化装置の様々な製造段階における板金体を示す図である。 は、図５から図７による混合及び／又は気化装置の様々な製造段階における板金体を示す図である。 は、図５から図７による混合及び／又は気化装置の様々な製造段階における板金体を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 新鮮ガスシステム
３ 排気システム
４ 排気ライン
５ 排気ガス処理装置
６ 噴射装置
７ 混合及び／又は気化装置
８ 筒状体
９ 羽根
１０ 中央通路
１１ 板金体
１２ 見通しの悪いリング状領域
１３ 折り曲げ部
１４ 隙間
１５ 丸め開口
１６ 板金帯
１７ 切れ目
１８ 板金帯１６の長手方向
１９ 横断帯
２０ 折り曲げ部

Claims (7)

1. 内燃機関（１）の排気システム（３）用の混合及び／又は気化装置であって、
   筒状体（８）を有し、この筒状体は軸線方向の一方の端に複数の羽根（９）が配置されており、これらの羽根は円周方向において相互に近接して配置され、内側に放射状に突き出し、遮るもののない中央通路（１０）を残す形になっており、
   前記羽根（９）は前記軸線方向に角度がつけられており、
   前記筒状体（８）は前記羽根（９）と共に単一の板金体（１１）を成形することで製造され、
   前記羽根（９）は前記円周方向において重なり合い、前記中心通路（１０）を囲む、前記軸線方向に見通しの悪いリング状領域（１２）を形成し、
   前記羽根（９）は、前記見通しの悪いリング状領域（１２）が前記筒状体（８）まで放射状に延びるように配置され、整えられており、
   前記羽根（９）は折り曲げ部（１３）で前記筒状体（８）から区切られ、前記羽根（９）の側面は前記軸線方向と直角に延びる平面内に位置し、
   隣り合う前記羽根（９）同士は、前記軸線方向から見て隙間無く重なっていることを特徴とする混合及び／又は気化装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、以下を特徴とするもの：
   円周方向で近接する前記羽根（９）は、放射方向外側において前記折り曲げ部（１３）のところで、丸め開口（１５）を介して、互いに区切られ、前記筒状体（８）から区切られる。
3. 請求項１または２に記載の装置であって、以下を特徴とするもの：
   前記板金体（１１）は、板金帯（１６）の長手方向（１８）に対し傾斜する平行な切れ目（１７）で前記羽根（９）が互いに切り離される板金帯（１６）であり、切り離された羽根（９）は、前記切れ目（１７）と直角に延びる折り曲げ軸（２０）の回りに折り曲げられる。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載された混合及び／又は気化装置（７）を製造する方法であって、
   平らな板金帯（１６）に、互いに平行に、且つ前記板金帯（１６）の長手方向（１８）に対し傾斜して延びる、横方向の切れ目（１７）が設けられ、
   前記切れ目（１７）により形成された横断帯（１９）は、前記各切れ目（１７）を横切って延びる折り曲げ軸（２０）の回りに、板金帯（１６）の他の部分から折り曲げられ、
   前記板金帯（１６）は、前記折り曲げられた横断帯（１９）が、放射状に内側を指す羽根（９）を形成し、前記板金帯（１６）の残りの部分が、円周方向に閉じた筒状体（８）を形成する。
5. 請求項４に記載の方法であって、以下を特徴とするもの：
   前記切れ目（１７）はそれぞれ丸い横断面を有する開口（１５）で終わり、これらの開口（１５）は、前、又は後、又は同時に、切り抜きで前記板金帯（１６）に導入される。
6. 内燃機関（１）の排気システムであって、
   排気ガスを前記内燃機関（１）から排出する排気ライン（４）を有し、
   液状抽出物を前記排気ライン（４）の中に噴霧するため、前記排気ライン（４）に配置された噴射装置（６）を有し、
   前記噴射装置（６）の下流側に配置された、請求項１〜３のいずれか１項に記載の混合及び／又は気化装置（７）を有する、
   排気システム。
7. 請求項６に記載の排気システムであって、以下を特徴とするもの：
   前記噴射装置（６）と前記混合及び／若しくは気化装置（７）は、前記噴射装置（６）が前記中央通路（１０）の放射方向外側で前記羽根（９）を直撃する抽出物の噴流を生成するように置かれ、並びに／又は
   前記噴射装置（６）と前記混合及び／若しくは気化装置（７）は、前記噴射装置（６）が前記見通しの悪いリング状領域（１２）の中だけで前記羽根（９）を直撃する抽出物の噴流を生成するように置かれる。

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