JP6790287B2 - 排ガスシステム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排ガスを後処理するための排ガスシステムであって、排ガスが通流可能な環状触媒を備えており、環状触媒は、流入箇所と流出箇所とを有しており、環状触媒は、管状の第１の流路区間と環状の第２の流路区間とをさらに有しており、流路区間は、互いに同心に位置決めされていて相前後して通流可能であり、第１の流路区間は、半径方向外側で第２の流路区間によって取り囲まれている、排ガスシステムに関する。

排ガス後処理システムでは、汚染物質排出に対する、特に窒素酸化物に関する法的に予め定められた限界値を遵守するために、新しい技術が使用される。この目的のために、例えば、窒素酸化物の化学的還元のための尿素水溶液（商品名：ＡｄＢｌｕｅ）の注入が挙げられる。この尿素水溶液は、例えば、約６７％の脱塩水に約３３％の純粋な尿素が溶解された割合を有している。尿素水溶液の熱分解と加水分解とにより、アンモニアが生成され、このアンモニアが排ガス中の窒素酸化物と反応し、窒素と水蒸気に変換される。

尿素水溶液に結合したアンモニアを遊離させるために、溶液を気化させる必要がある。この目的のために、十分に高いシステム温度が必要になり、さらに、尿素水溶液または既に気化したアンモニアを、通流する排ガスと混合するための十分に長い流路区間が必要になる。

従来技術から公知の排ガス後処理システムの欠点は、気化区間と混合区間とが最適に構成されていないことであり、これにより、特に排ガス温度が低い場合に、排ガス後処理の起動の際に、または所定の変換率に達するまでに遅延が生じる。これは、特に、液状の尿素溶液を迅速に気化可能にし、まだ液状の形態で排ガス流によって飛沫同伴されないようにし、最終的に排ガスシステム内に沈殿させないように、あるいは周辺環境に漏出させないようにすることを確実に行うために、尿素水溶液の調量供給が、最低温度以上になってから初めて行われることにある。

それゆえ、本発明の課題は、特に迅速な加熱が可能であり、ひいては特に早期の調量供給が許容され、それによって上流側の内燃機関の始動直後に既に尿素水溶液の調量供給が可能になる排ガスシステムを提供することにある。

排ガスシステムに関する上記課題は、請求項１の特徴を有する排ガスシステムによって解決される。

本発明の一実施例は、内燃機関の排ガスを後処理するための排ガスシステムであって、排ガスが通流可能な環状触媒を備えており、環状触媒は、流入箇所と流出箇所とを有しており、環状触媒は、管状の第１の流路区間と環状の第２の流路区間とをさらに有しており、流路区間は、互いに同心に位置決めされていて相前後して通流可能であり、第１の流路区間は、半径方向外側で第２の流路区間によって取り囲まれている、排ガスシステムに関し、半径方向に管が外側から第２の流路区間を通って延びており、管は環状触媒内に開口し、管は、少なくとも内側の第１の流路区間内までの半径方向延在部を有している。

環状触媒は、特にエンジン近傍の取り付けに対して特に有利である。なぜなら、所要の構造空間が僅かであると同時に迅速かつ効果的な加熱が可能だからである。２つの環状流路により、排ガスの向きを変えることなく、従来の触媒の場合よりも実質的に倍の長さの流路区間が達成される。

好適には、半径方向内側にある流路区間は流入箇所に接続され、これにより、排ガスは、第１の流路区間を介して環状触媒に流入することができる。第１の流路区間の軸方向の通流の後で、排ガスは１８０度向きを変えられ、半径方向外側にある、第１の流路区間を取り囲む環状の第２の流路区間に流入する。第２の流路区間の、第１の流路区間内の通流方向とは逆の軸方向の通流の後で、排ガスは、半径方向に環状触媒から流出するかまたは排ガスを最終的に環状触媒から導出する通路に流れ込む。これらの流路区間内には、排出物の放出をできるだけ僅かに抑えるために、通流する排ガスをろ過および化学的に置換するフィルタ本体またはさらなる触媒が配置されてもよい。

管は、第２の流路区間を外側に向かって画定する壁部を貫通して環状触媒の内側に延びる。この場合、この管は、半径方向において、少なくとも第２の流路区間を貫通して半径方向中央にある第１の流路区間内まで突出する。この管内には、インジェクタを介して尿素水溶液を調量供給可能である。尿素水溶液は、結果として、管内に拡散し、管の開口端部に向けて環状触媒内に流入可能である。

管は、管の周りを流れる排ガスによって加熱され、これによって、熱分解と加水分解とが促進される。特に、尿素水溶液が管の壁部と直接接触する箇所では、尿素水溶液の気化を特に有利に行うことができる。管の半径方向の延在部の変更により、この気化区間を変更することができる。

気化した尿素水溶液は、最終的に管のインジェクタとは反対側から出て、排ガス流に流れ込む。管が環状触媒内にどれくらい長く延在しているかに依存して、気化した尿素溶液は、第１の流路区間または第２の流路区間に流れ込み、そこで、気化した尿素溶液が排ガスと混合され、排ガス中に含まれる窒素酸化物の窒素と水への置換が引き起こされる。

特に好適には、環状触媒の第１の軸方向端部領域の排ガスは、流入箇所を通って半径方向内側の第１の流路区間に流入可能であり、環状触媒の流入箇所とは反対側の第２の軸方向端部領域の排ガスは、流れの向きを変えることによって半径方向外側の第２の流路区間に流入可能であり、第２の流路区間には、排ガスは、半径方向内側の第１の流路区間の通流方向とは逆向きに第１の軸方向端部領域まで戻るように流入可能であり、第１の軸方向端部領域の排ガスは、流出箇所に通じる通路に流入可能である。

第１および第２の流路区間は、それぞれ環状触媒の軸方向に延在している。半径方向内側の第１の流路区間は、管によって形成されている。半径方向外側の第２の流路区間は環状であり、少なくとも広い部分で半径方向内側の第１の流路区間を取り囲んでいる。第１の流路区間の流入箇所とは反対側の軸方向端部領域には、カバー状の構造部が配置されており、このカバー状の構造部は、半径方向外側の第２の流路区間内への排ガス流の向きを変えるために用いられる。

流入箇所も有している軸方向端部領域では、半径方向で環状触媒の外壁に流出箇所が配置されており、流出箇所を通って排ガスは、環状触媒から流出可能である。好適な実施形態では、第１および／または第２の流路区間に対して完全にまたは部分的に平行に延在しかつ代替的な流出箇所に通じる、軸方向に延びる通路内への流出は、第２の流路区間から半径方向への排ガスの迂回によっても行うことができる。

また好適には、尿素水溶液を半径方向で管内に調量供給することができる。それに沿って管自体も延在する半径方向に沿って管内に調量供給することは、できるだけ広い接触面を尿素水溶液のために提供すると同時に、管内部での尿素水溶液のできるだけ最適な伝播を達成するのに好適である。尿素水溶液が、排ガスによって加熱された管壁部により多く接触し、尿素水溶液が管内へより細かく分散されるほど、尿素水溶液の熱分解と加水分解とが起こりやすくなる。

好適な実施例は、管が、半径方向内側の第１の流路区間を通って半径方向外側の第２の流路区間まで貫通する半径方向延在部を有することを特徴としている。これは、管のできるだけ長い区間の周囲を、第１の流路区間からの排ガスと第２の流路区間からの排ガスとが流れるために有利であり、これによって管内の温度ができるだけ高く維持され、さらに迅速で完全な気化が可能になる。

また好適には、管は、円錐状に先細になる断面を有している。これは、尿素水溶液または気化した尿素溶液の通流を集中させ、できるだけ適確に環状触媒内に放出させるために有利である。

さらに好適には、管は、環状触媒の軸方向端部領域に配置され、そこでの排ガスは、流入箇所を通って環状触媒に流入可能である。これは、管をできるだけ早く排ガスに接触させ、それによって排ガスのできるだけ高い温度を有効活用するために有利である。さらなる加熱手段が設けられていない限り、内燃機関から環状触媒までの流路区間の長さの増加に伴い、環状触媒での排ガスの温度は連続的に低下する。尿素水溶液の気化を実施できるようにするためには所定の最低温度が必要であるため、利用可能な熱をできるだけ有効利用すると有利である。それゆえ、好適には、尿素水溶液の調量供給は、内燃機関のできるだけ近傍で行われる。尿素水溶液の気化のための最低温度に達する時点が早ければ早いほど、尿素溶液の調量供給の開始時点も早くなり、これによって初めて窒素酸化物の還元が特に効果的に達成される。基本的に、排ガス温度に関する調量供給の位置は、尿素水溶液の気化のための気化要素の位置ほど重要ではない。本発明による実施形態において管によって形成される気化要素は、何よりも迅速な加熱を受けるはずである。

さらに好適には、管の内周面および／または外側面は、表面拡大要素を有している。

これは、管の壁部と尿素水溶液との間で熱を伝達することのできるできるだけ大きな表面を形成するために有利である。特に好適には、例えば、尿素水溶液の通流にプラスの影響を与えると同時に表面積を増加させる凹凸、フィン、または他のガイド要素を設けることができる。

表面を拡大させるこれらの要素は、できるだけ効果的な熱伝達を形成するために、管の内側に設けられてもよいし、管の外側に設けられてもよい。

また合目的的には、管は、自身の内周面および／または自身の外側面が構造化されて形成されており、かつ／またはコーティングされている。特に、筋または溝などの微細構造部は、熱伝達を改善するための表面積の増加に有利に使用することができる。また、例えば、外側で排ガスの乱流を形成し、内側で尿素水溶液の乱流を形成するのに役立つ構造部も有利であり、これにより、より多くの熱量を伝達することも可能になる。

さらに、管の外側および／または内側にコーティングを施してもよい。ここでは、例えばセラミックコーティングまたは金属コーティングを設けることができ、これらも同様に熱伝達を改善する。これらの層は、例えば公知の方法の支援のもとで、管の表面に被着させることができる。

さらに好適には、第１の流路区間の排ガスと第２の流路区間の排ガスとがその周囲を流れることができる第３の流路区間が管によって形成される。これは、完全な熱分解および加水分解の実行によって尿素水溶液の十分な気化を可能にするための、できるだけ長い尿素水溶液のための固有の流路区間を達成するために有利である。したがって初めて、好適に完全に気化した尿素溶液が第３の流路区間から環状触媒の他の流路区間の１つに流出する。

さらに合目的的には、加水分解触媒が管に組み込まれている。加水分解触媒は、気化の第２部である加水分解を促進し、それによって尿素溶液の完全な気化をより迅速に達成するために特に有利である。これは、結果として、排ガス流中の窒素酸化物の置換にも有利に働き、これによって排ガス中の排出物を大幅に削減することができる。

また好適には、流入箇所に排ガスターボチャージャが前置されており、この場合、排ガスターボチャージャから流出する排ガスは、流入箇所を通って環状触媒に流入可能である。特に、環状触媒のエンジンに非常に近い配置構成では、管の迅速な加熱、ひいては尿素溶液の非常に迅速な気化を達成することができる。それゆえ、排ガスターボチャージャ直後の環状触媒の配置構成は有利である。

本発明の好適な発展構成は、従属請求項および以下の図面の説明に記載されている。

以下では、本発明を実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。

環状の第２の流路区間によって取り囲まれた中央に延びる管状の第１の流路区間が描写され、尿素水溶液を調量供給できる管が外部から第２および第１の流路区間を通って延びている、本発明による環状触媒の断面図 視線を第１の流路区間における流入箇所に向けた場合に、外部から環状の第２の流路区間の外壁を通って環状触媒内に延びかつ管状の第１の流路区間を半径方向に貫通する管を特に良好に見ることができる、図１の環状触媒の側面図

図１は、環状触媒１を示している。この環状触媒１は、管状の第１の流路区間２を有しており、第１の流路区間２には、流入箇所３を通って排ガスを供給することができる。排ガスは、管状の第１の流路区間２に沿って軸方向４に通流可能であり、さらにこの排ガスは、流入箇所３とは反対側の軸方向端部領域５において、ハウジング６によって１８０度向きを変えられ、環状の第２の流路区間７に流れ込む。環状の第２の流路区間７では、排ガスは、軸方向４とは逆向きに軸方向８に沿って、流入箇所３を有する軸方向端部領域９まで流れる。この軸方向端部領域９では、排ガスは、半径方向に沿って通路１０に流出することができる。この通路１０は、少なくとも部分的に流路区間２，７に対して平行に延びている。この通路１０を介して、排ガスは、さらなる排ガス後処理コンポーネントに供給される。

図１の実施例では、通路１０は、軸方向端部領域５に流出箇所１１を有しており、この流出箇所１１は、環状触媒１から半径方向への排ガスの流出を可能にする。また、排ガスが第２の流路区間７から通路１０に流れ込む箇所も、流出箇所と呼ぶことができる。

さらに、図１には管１２が示されており、この管１２は、環状の第２の流路区間７を外側に向かって画定するハウジング壁部を貫通し、さらに半径方向に第２の流路区間７と第１の流路区間２とを貫通して延び、通路１０への半径方向移行部に隣接する第２の流路区間７の下方領域に開口している。

環状触媒１の外側には、調量モジュール１３が配置されており、この調量モジュール１３は、尿素水溶液を管１２内に調量供給するために用いられる。調量モジュール１３のインジェクタは、尿素水溶液が環状触媒１の半径方向および管１２の軸方向で管１２内に調量供給されるように、管１２内に突出している。

環状触媒１の流入箇所３を通って流入する排ガスは、軸方向４で、管１２の周囲を流れる。ここでは、流入する排ガスからの熱エネルギーが管１２の壁部に伝達されることによって、管１２の加熱が行われる。排ガスからの熱を管１２に、ひいては管１２内に調量供給される尿素水溶液に伝達することにより、熱分解および加水分解が促進され、これによって尿素水溶液が気化し、そこでは気体状のアンモニアと二酸化炭素とが生じる。このアンモニアは、結果として排ガス中の窒素酸化物と反応して窒素と水に還元される。

したがって、管１２は、尿素水溶液のための気化区間として用いられる。環状触媒１の流入側における管１２の好適な配置構成により、排ガスは高温で管１２に衝突し、これによって管１２の特に迅速な加熱が生じ、ひいては尿素水溶液の迅速な気化が生じる。特に、環状触媒１の、内燃機関のすぐ近くの配置構成、例えば排ガスターボチャージャ後方の配置構成は、排ガスが、環状触媒１に流入して管１２に衝突する前に急速に冷却されないことに寄与する。これにより、最低温度に到達した後で初めて開始可能である、尿素水溶液の調量供給の起動までの時間をできるだけ短くすることが達成される。これは、より迅速で完全な排ガス後処理につながり、したがって、特に冷間時始動の際でも、排ガス中の排出物のより迅速な減少につながる。

管１２は、図１の実施例では、第１の流路区間２を完全に貫通して延びており、そのため、尿素溶液は、第１の流路区間２には流入しない。管１２は、第２の流路区間７に開口しており、そのため、尿素溶液は、ここでは排ガス流に流れ込み、排ガス流と飛沫同伴される。それゆえ、生成されたアンモニアと、排ガス中の窒素酸化物との間の反応は、管１２の下流で、実質的には通路１０内で発生する。

代替的な実施形態では、管はまた第１の流路区間に開口してもよく、あるいはこの流路区間に少なくとも１つの第１の出口を有していてもよい。これは、第１の流路区間内の排ガス流への尿素溶液の流出を可能にする。また、調量供給箇所の領域に、第２の流路区間から管内への排ガスの流入を可能にする開口部を設けることも可能である。これは、尿素溶液と排ガスとの混合を促進し、尿素溶液の排ガス流への排出速度を高めることになる。

図１では、管１２は、滑らかな壁部を有しており、調量供給箇所から円錐状に先細になる管１２として示されている。代替的な実施形態では、管の断面が異なるように構成されてもよい。また、管の壁部が、表面拡大および／またはコーティングのための構造部を有することも可能である。また、図１において、垂線から僅かに変位して延びている管が、異なる方向に向けられてもよい。この場合、特に好適には、気化した尿素溶液ができるだけ残留物を残さずに飛沫同伴されてできるだけ最良に排ガス流内に分散されるように、気化した尿素溶液を排ガス流に移送するために、管は、環状触媒の流出箇所に向けられている。

図２は、環状触媒１の側面図を示す。図２では、管１２が環状触媒１の内部で垂線に対して傾斜して延び、それによって、管１２の開口部が、第２の流路区間７から通路１０内への流れ込み箇所の方向に向いていることが認識できる。

第１の流路区間２の通流方向４に沿った環状触媒の図面に対応する図２の図面では、管１２が第１の流路区間２をどのように横切り、流入箇所３の前をどのように延びて、流入する排ガスが管１２の周囲を流れるようになっているのかが良好に認識できる。

環状触媒１の内部の流路区間には、排ガス後処理のための様々なハニカム体、フィルタまたは他の装置が配置されていてもよい。

図１および図２に示した実施例は、特に、限定を意味する特徴を有しているわけではなく、本発明の考察の明確化に用いられる。

Claims (11)

1. 内燃機関の排ガスを後処理する排ガスシステムであって、
   排ガスが通流可能な環状触媒（１）を備えており、
   前記環状触媒（１）は、流入箇所（３）と流出箇所（１１）とを有しており、前記環状触媒（１）は、管状の第１の流路区間（２）と環状の第２の流路区間（７）とをさらに有しており、前記流路区間（２，７）は、互いに同心に位置決めされていて相前後して通流可能であり、
   前記第１の流路区間（２）は、半径方向外側で前記第２の流路区間（７）によって取り囲まれている、排ガスシステムにおいて、
   半径方向に管（１２）が外側から前記第２の流路区間（７）を通って延びており、
   前記管（１２）は、前記環状触媒（１）内に開口し、前記管（１２）は、少なくとも内側の前記第１の流路区間（２）内までの半径方向延在部を有していることを特徴とする、排ガスシステム。
2. 前記環状触媒（１）の第１の軸方向端部領域（９）の排ガスは、前記流入箇所（３）を通って半径方向内側の前記第１の流路区間（２）に流入可能であり、前記環状触媒（１）の前記流入箇所（３）とは反対側の第２の軸方向端部領域（５）の排ガスは、流れの向きを変えることによって半径方向外側の前記第２の流路区間（７）に流入可能であり、該第２の流路区間（７）には、排ガスは、半径方向内側の前記第１の流路区間（２）の通流方向（４）とは逆向きに前記第１の軸方向端部領域（９）まで戻るように流入可能であり、前記第１の軸方向端部領域（９）の排ガスは、流出箇所（１１）に通じる通路（１０）に流入可能である、請求項１記載の排ガスシステム。
3. 尿素水溶液を、半径方向で前記管（１２）内へ調量供給可能である、請求項１または２記載の排ガスシステム。
4. 前記管（１２）は、半径方向内側の前記第１の流路区間（２）を通って半径方向外側の前記第２の流路区間（７）まで貫通する半径方向延在部を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の排ガスシステム。
5. 前記管（１２）は、円錐状に先細になる断面を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の排ガスシステム。
6. 前記管（１２）は、前記環状触媒（１）の前記軸方向端部領域（９）に配置されており、該軸方向端部領域（９）での排ガスは、前記流入箇所（３）を通って前記環状触媒（１）に流入可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載の排ガスシステム。
7. 前記管（１２）の内周面および／または外側面が、表面積を拡大させる要素を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の排ガスシステム。
8. 前記管（１２）は、熱伝達を改善するために、自身の内周面および／または自身の外側面が構造化されて形成され、かつ／またはコーティングされている、請求項１から７までのいずれか１項記載の排ガスシステム。
9. 前記管（１２）により、前記第１の流路区間（２）の排ガスと前記第２の流路区間（７）の排ガスとがその周囲を流れることができる第３の流路区間が形成される、請求項１から８までのいずれか１項記載の排ガスシステム。
10. 前記管（１２）に、加水分解触媒が組み込まれている、請求項１から９までのいずれか１項記載の排ガスシステム。
11. 前記流入箇所（３）に排ガスターボチャージャが前置されており、該排ガスターボチャージャから流出する排ガスが、前記流入箇所（３）を通って前記環状触媒（１）に流入可能である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の排ガスシステム。

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