JP6791802B2 - 内燃機関の排ガス後処理システムのための混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排ガス後処理システムのための混合装置に関する。

例えば発電所に用いられる静止型内燃機関の燃焼プロセスと、例えば船舶に用いられる非静止型内燃機関の燃焼プロセスと、では、窒素酸化物が作り出され、これら窒素酸化物は、概して、化石燃料、例えば炭、石炭、褐炭、鉱油又は重油の燃焼中に作り出される。この理由のために、排ガス後処理システムが、このような内燃機関に配置され、これら後処理システムは、内燃機関から出る排ガスの脱窒に特に役立つ。排ガス中の窒素酸化物を減少させるために、第一に、いわゆるＳＣＲ触媒コンバータが、実施から公知の排ガス後処理システムに用いられる。ＳＣＲ触媒コンバータでは、窒素酸化物の選択的触媒還元が行われ、この選択的触媒還元では、窒素酸化物の減少のために、アンモニア（ＮＨ_３）が還元剤として必要とされる。アンモニア又はアンモニア前駆物質、例えば尿素は、ＳＣＲ触媒コンバータの上流で、この目的のために液体形態で排ガス内に導入され、アンモニア又はアンモニア前駆物質が、ＳＣＲ触媒コンバータの上流で排ガスと完全に混合されることが重要である。このために、実施によれば、アンモニア又はアンモニア前駆物質の導入部とＳＣＲ触媒コンバータとの間には、比較的長い混合ループが必要とされる。従って、排ガス後処理システムのための混合装置であって、この混合装置を用いて、液体が、効果的に排ガス流れ内に導入されて排ガス流れと混ぜられることができ、すなわち特に比較的短い混合ループのみが利用可能であるときにさえ、液体が、効果的に排ガス流れ内に導入されて排ガス流れと混ぜられることができる、混合装置が必要とされている。

ここから始まって、本発明は、内燃機関の排ガス後処理システムのための新たなタイプの混合装置を作り出すという課題に基づいている。この課題は、請求項１に記載の内燃機関の排ガス後処理システムのための混合装置により解決される。本発明によれば、規定角度で取り付けられたプレート状要素を備える少なくとも１つのデバイスが、パイプ内に位置決めされ、１つ以上のデバイスの領域での排気が、まず、プレート状要素の接続領域に衝突し、その後、接続領域から排ガスの流れ方向において分岐するプレート状要素を介して導かれることができる。本発明は、液体を排ガス流れと特に効果的に混ぜることを可能にする。排ガス流れは、それぞれのデバイスのプレート状要素の領域の接続領域に衝突し、この結果として、乱流排ガス流れが引き起こされ、且つ排ガス流れ内に導入される液体ジェットが、排ガスと効果的に混ぜられることができる。

有利なさらなる発展によれば、１つ以上のデバイスの領域でのそれぞれのプレート状要素は、共通の支持軸に又は共通の支持軸を介して固定され、それぞれのデバイスが、それぞれの支持軸を介してパイプの壁部に固定され、支持軸が、液体を導くことに役立つように構成され、支持軸には、計量供給デバイスが配置され、液体が、プレート状要素の接続領域の下流において、計量供給デバイスを介して排ガス内に導入されることができる。これにより、液体が、特に効果的に排ガス流れ内に導入されて排ガス流れと混ぜられることができる。

有利なさらなる発展によれば、１つ以上のデバイスの領域でのそれぞれのプレート状要素が、４０°〜１６０°の間、好ましくは６０°〜１２０°の間、最も好ましくは７０°〜１１０°の間の角度を有する。それぞれのデバイスのプレート状要素のこの相対位置は、液体を排ガス流れと特に有利に混ぜることを可能にする。

さらに有利なさらなる発展によれば、混合装置が、複数のデバイスを備え、複数のデバイスが、排ガスの流れ方向において並んで位置決めされ、複数のデバイスが、規定角度で取り付けられたプレート状要素と、支持軸と、をそれぞれ備え、並んで位置決めされたデバイスの支持軸が、互いに対して平行に延在しておらず、且つ投影すると、特に４０°〜１５０°の間、好ましくは７０°〜１２０°の間、最も好ましくは８０°〜１００°の間の角度を有する。特に、混合装置において、プレート状要素を備える複数のデバイスが、流れ方向で見ると並んで位置決めされる場合、液体は、排ガス流れと特に有利に且つ効果的に混ぜられることができる。

さらに有利なさらなる発展によれば、混合装置は、１つ以上のデバイスの上流に位置決めされたバッフルプレートを備えている。特に、混合装置が、選択的なバッフルプレートを備える場合、排ガス流れと、排ガス流れ内に導入される液体と、を混ぜることは、さらに改善されることができる。

選択的に、１つ以上のデバイスの領域では、１つ以上のデバイスのプレート状要素及び／又はバッフルプレートは、触媒活性コーティングを有している。これは、排ガスの後処理を改善することに役立つ。

本発明の好ましいさらなる発展は、従属請求項及び以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態は、図面に限定されることなく図面を用いてより詳細に説明される。

内燃機関の排ガス後処理システムのための、本発明による混合装置の概略的な斜視図である。

本発明は、例えば発電所における静止型内燃機関用の又は船舶上で用いられる非静止型内燃機関用の、内燃機関の排ガス後処理システムのための混合装置に関する。特に、混合装置は、重油で運転される船舶のディーゼルエンジンでの排ガス後処理システムで用いられる。

本発明による混合装置は、液体を排ガス流れと混合させることに役立ち、液体として、特にアンモニア又はアンモニア前駆体、例えば尿素が、排ガス流れと混ぜられ、これにより、混合装置の下流に設置された排ガス後処理システムのＳＣＲ触媒コンバータ内で排ガスの窒素酸化物を効果的に減少させることを可能にする。

液体を排ガス流れと混合させるための本発明による混合装置１は、排ガス又は排ガス流れが導かれるパイプ２を備えている。図１の例示的な実施形態では、排ガスパイプ２は、断面が円形外形である。排ガス流れを導く排ガスパイプ２は、異なる外形とすることもできる。

少なくとも１つのデバイス３ａ，３ｂが、排ガス又は排ガス流れを導くパイプ２内に位置決めされており、デバイス３ａ，３ｂは、所定角度で取り付けられたプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂをそれぞれ備えている。示される例示的な実施形態では、２つのこのようなデバイス３ａ，３ｂは、排ガス又は排ガス流れの流れ方向６で見るとパイプ２内で並んで位置決めされ、従って、これらデバイス３ａ及び３ｂの各々は、プレート状要素４ａ及び５ａ並びに４ｂ及び５ｂをそれぞれ備えている。

流れ方向６でパイプ２を通って流れる排ガスは、まず、それぞれのデバイス３ａ及び３ｂの領域において、それぞれのデバイス３ａ及び３ｂのプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂそれぞれの接続領域７ａ及び７ｂそれぞれに衝突し、その後、それぞれの接続領域７ａ，７ｂから、排ガスの流れ方向において分岐するプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂそれぞれを介して導かれる。

示される本発明の好ましい例示的な実施形態では、それぞれのデバイス３ａ，３ｂは、２つのプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂをそれぞれ備え、プレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂは、円形セクションの形態の外形とされ、且つ直線縁部８ａ，９ａ及び８ｂ，９ｂをそれぞれ有し、円弧状縁部１０ａ，１１ａ及び１０ｂ，１１ｂをそれぞれ有する。デバイス３ａ，３ｂの各々の領域では、それぞれのプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂは、それぞれの接続領域７ａ，７ｂの形成を受けて直線縁部８ａ，９ａ及び８ｂ，９ｂの領域で互いに接続され、従って、排ガス流れは、まず、それぞれのデバイス３ａ，３ｂの領域において、それぞれのデバイス３ａ，３ｂのプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂそれぞれの相互接続型縁部８ａ，９ａ及び８ｂ，９ｂそれぞれに衝突する。それぞれのデバイス３ａ，３ｂの領域では、プレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂは、異なるサイズとされ、且つ／又は異なる外形とされ、且つ／又はパイプ２の長手軸に対して異なる取付角度を有することができる。さらに、凹所が、それぞれのデバイス３ａ，３ｂのプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂに導入されることができる。

すでに説明したように、プレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂは、接続セクション又は接続領域７ａ，７ｂの形成を受けてデバイス３ａ，３ｂの各々の領域において互いに接続され、それぞれのプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂは、この接続領域７ａ，７ｂから、パイプ２の流れ方向で見ると分岐し、すなわち、それぞれのデバイス３ａ，３ｂの領域で、それぞれのプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂが、４０°〜６０°の間、好ましくは６０°〜１２０°の間、最も好ましくは７０°〜１１０°の間の角度をそれぞれ有するように分岐する。

図１から、示されるデバイス３ａ，３ｂの各々の領域では、それぞれのプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂは、共通の支持軸１２ａ，１２ｂ上でもしくは共通の支持軸１２ａ，１２ｂを介してそれぞれ接続されるか、又は共通の支持軸１２ａ，１２ｂに固定され、それぞれのデバイス３ａ，３ｂは、それぞれの支持軸１２ａ，１２ｂを介してパイプ２の壁部に固定されることが、明らかである。ここで、それぞれの支持軸１２ａ，１２ｂは、パイプ２の長手軸を横断して、選択的には垂直に延在している。

それぞれのデバイス３ａ，３ｂの領域では、互いに接続された、プレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂそれぞれの縁部８ａ，９ａ及び８ｂ，９ｂそれぞれは、それぞれの支持軸１２ａ，１２ｂの長手中心軸上にはなく、むしろ、支持軸１２ａ，１２ｂの長手中心軸と平行にそれぞれの長手中心軸の上流で延在している。

本発明の有利なさらなる発展によれば、混合装置１の図１に示される少なくとも１つのデバイス３ａ，３ｂの少なくとも１つの支持軸１２ａ，１２ｂには、計量供給デバイスが配置されることが規定される。このケースでは、それぞれの支持軸１２ａ，１２ｂは、選択的には、排ガス流れと混合させられる液体を導くことに役立つパイプとして実現され、そして、計量供給デバイスは、それぞれの支持軸１２ａ，１２ｂに配置され続け、排ガス流れと混ぜ合わせられる液体は、それぞれの支持軸１２ａ，１２ｂを介して、プレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂそれぞれの接続領域７ａ及び７ｂそれぞれの下流で排ガス流内に導入され、特に噴射される。これにより、排ガスと混ぜられる液体は、特に有利に排ガス内に導入されて排ガス流と混ぜられる。

すでに説明したように、２つのプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂをそれぞれ備える２つのデバイス３ａ，３ｂが、図１に示される例示的な実施形態では、排ガスの流れ方向で見るとパイプ２内で並んで配置されている。

このようなデバイスが、１つだけ又は２つよりも多く、パイプ２内で並んで配置されてもよいことが指摘される。

特に、図１に示されるように、プレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂをそれぞれ有する複数のデバイス３ａ，３ｂが、排ガスの流れ方向６で見ると並んでパイプ２内に配置される場合、複数のデバイス３ａ，３ｂの支持軸１２ａ，１２ｂは、互いに平行に延在しておらず、むしろ、流れ方向６に投影して見ると、４０°〜６０°の間、好ましくは７０°〜１２０°の間、最も好ましくは８０°〜１００°の間の角度ａを有する。

図１に示される例示的な実施形態では、排ガスの流れ方向６で見るとパイプ２内で並んで位置決めされた２つのデバイス３ａ，３ｂは、互いに対して９０°だけオフセットされ、従って、支持軸１２ａ，１２ｂは、投影すると互いに対して９０°の角度を有する。

それぞれのデバイス３ａ，３ｂのプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂそれぞれは、流れを導くことを最適化するために、異なる外形とされ、且つ／又は異なるサイズとされ、且つ／又はパイプ２の長手軸に対して異なる取付角度を有し、且つ／又は凹所を有することができ、選択的に、特にＴｉＯ_２を含む触媒活性コーティングを有する。

これにより、ＮＨ_３＋ＣＯ_２への供給尿素の触媒作用が、排ガスがそれぞれのデバイス３ａ，３ｂの領域にすでにある状態で、すでに実行されることができ、この結果として、混合装置１の下流に設置された排ガス後処理デバイスの構成要素内、特にＳＣＲ触媒コンバータ内での後の排ガス後処理が、改善される。

図１に示されるように、複数のデバイス３ａ，３ｂが、パイプ２の流れ方向で見るとパイプ２内で並んで配置される場合、少なくとも１つの支持軸１２ａ，１２ｂが、排ガス内に導入される液体を導くことにも役立ち、そして、デバイスの少なくとも１つには、液体を排ガス流れ内に導入するための又は噴射するための対応する計量供給デバイスが配置される。

図１の例示的な実施形態では、これは、デバイス３ａの領域又はデバイス３ｂの領域の場合であるが、さらに、図１に示されるデバイス３ａ及び３ｂ双方に、すなわちデバイス３ａ及び３ｂの支持軸１２ａ，１２ｂに対応する計量供給デバイスを配置することが可能であり、そして、排ガス内に導入される液体は、デバイス３ａ，３ｂ双方の領域において排ガス流れ内に噴射される。

液体を供給することは、個別のパイプを介してもたらされることができ、支持軸１２から及び／又は接続領域７ａ，７ｂからの液体の放出距離、及び／又はバッフルプレートの中心点からバッフルプレートの下流の配置は：
０．１×ｃｏｓ（ａ／２）×バッフルプレートの長さ≦距離≦３×ｃｏｓ（ａ／２）×バッフルプレートの長さ
に従う。

混合装置１は、選択的に、示されないバッフルプレートを備えることができ、バッフルプレートは、１つ以上のデバイス３ａ，３ｂの上流に位置決めされている。バッフルプレートは、パイプ２の長手軸に基づいて、２０°〜６０°の間、好ましくは３０°〜５５°の間、さらに好ましくは４０°〜５０°の間の取付角度を有する。

バッフルプレートは、選択的にＴｉＯ_２を含む触媒活性コーティングを有することができる。

本発明による混合装置は、液体を排ガス流れと特に有利に混ぜることを可能にする。本発明による混合装置１は、パイプ２内にそれぞれ位置決めされた少なくとも１つのデバイス３ａ及び３ｂを備え、デバイス３ａ及び３ｂは、プレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂをそれぞれ備え、プレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂそれぞれは、互いに接続され、側面図で見ると、互いに対してＶのように位置決めされている。従って、排ガスパイプ２内に位置決めされたデバイス３ａ，３ｂは、Ｖプレート型混合デバイス３ａ，３ｂと説明することもできる。

これらデバイス３ａ，３ｂの各々は、選択的に、２つのプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂをそれぞれ備え、２つのプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂは、接続領域７ａ．７ｂの形成を受けて互いに接続され、排ガス流れは、まず、この接続領域７ａ，７ｂに衝突し、この接続領域７ａ，７ｂから、排ガスの流れ方向６において分岐するプレート状要素４ａ，５ａ及び４ｂ，５ｂそれぞれを介して導かれる。排ガスの流れ方向で見ると、液体は、それぞれのデバイス３ａ及び３ｂの選択的に接続領域７ａ，７ｂの下流で、選択的に計量供給デバイスを介してそれぞれ排ガス内に噴射され、計量供給デバイスは、それぞれのＶプレート型混合デバイス３ａ，３ｂの支持軸１２及び１２ｂそれぞれに配置される。

混合装置１は、シンプルな構成であって、Ｖプレート型混合デバイス３ａ，３ｂが、圧力の小規模のロスのみをもたらし、排ガス流れを液体と迅速に混ぜる複雑な流れ場を提供する、構成を有する。

１つ以上のＶプレート型混合デバイス３ａ，３ｂは、排ガス流れを導くパイプ２の外側縁部内への、排ガス内に導入される液体の巨視的な搬送をもたらす。１つ以上のＶプレート型混合デバイス３ａ，３ｂは、安定的な還流領域を発生させ、この結果として、混合ループ内で噴射される液体の滞留時間が延長される。要するに、混合ループは比較的短く実現されるにもかかわらず、液体を排ガス流れと良好に混ぜることが保証される。

１ 混合装置、２ パイプ、３ａ デバイス、３ｂ デバイス、４ａ プレート状要素、４ｂ プレート状要素、５ａ プレート状要素、５ｂ プレート状要素、６ 流れ方向、７ａ 接続領域、７ｂ 接続領域、８ａ 縁部、８ｂ 縁部、９ａ 縁部、９ｂ 縁部、１０ａ 縁部、１０ｂ 縁部、１１ａ 縁部、１１ｂ 縁部、１２ａ 支持軸、１２ｂ 支持軸

Claims (16)

1. 内燃機関の排ガス後処理システムのための、すなわち液体を排ガスと混合させるための混合装置（１）であって、
   前記排ガスが導かれるパイプ（２）を有する混合装置において、
   少なくとも１つのデバイス（３ａ；３ｂ）が、前記パイプ（２）内に位置決めされ、前記デバイス（３ａ；３ｂ）が、規定角度で取り付けられたプレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）を備え、１つ以上の前記デバイス（３ａ；３ｂ）の領域内での排ガスが、まず、前記プレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）の接続領域（７ａ；７ｂ）に衝突し、その後、前記接続領域（７ａ；７ｂ）から前記排ガスの流れ方向において分岐している前記プレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）を介して導かれることができ、
   １つ以上の前記デバイス（３ａ；３ｂ）の領域では、それぞれの前記プレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）が、共通の支持軸（１２ａ；１２ｂ）に又は共通の支持軸（１２ａ；１２ｂ）を介して固定され、それぞれの前記デバイス（３ａ；３ｂ）が、それぞれの前記支持軸（１２ａ；１２ｂ）を介して前記パイプ（２）の壁部に固定されており、
   １つ以上の前記デバイス（３ａ；３ｂ）の領域では、前記接続領域（７ａ；７ｂ）は、前記排ガスの流れ方向において前記支持軸（１２ａ；１２ｂ）の長手中心軸の上流に配置されていることを特徴とする混合装置。
2. 前記支持軸（１２ａ；１２ｂ）が、前記液体を導くことに役立つように構成され、
   前記支持軸（１２ａ；１２ｂ）には、計量供給デバイスが配置され、前記液体が、前記プレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）の前記接続領域（７ａ；７ｂ）の下流で、前記計量供給デバイスを介して前記排ガス内に導入されることができることを特徴とする請求項１に記載の混合装置。
3. １つ以上の前記デバイス（３ａ；３ｂ）の領域では、それぞれの前記プレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）が、４０°〜１６０°の間の角度（ａ）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の混合装置。
4. １つ以上の前記デバイス（３ａ；３ｂ）の領域では、前記プレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）が、直線縁部（８ａ，９ａ；８ｂ，９ｂ）と、円弧状縁部（１０ａ，１１ａ；１０ｂ，１１ｂ）と、を有する円形セクションの形態で形成され、それぞれの前記プレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）が、前記プレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）の前記直線縁部（８ａ，９ａ；８ｂ，９ｂ）の領域で互いに接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の混合装置。
5. １つ以上の前記デバイス（３ａ；３ｂ）の領域では、それぞれの前記プレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）が、異なるサイズとされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の混合装置。
6. １つ以上の前記デバイス（３ａ；３ｂ）の領域では、それぞれの前記プレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）が、前記パイプ（２）の長手軸に対して異なる取付角度を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の混合装置。
7. 前記混合装置が、前記排ガスの流れ方向で見ると並んで位置決めされた複数のデバイス（３ａ，３ｂ）を備え、前記複数のデバイス（３ａ，３ｂ）が、規定角度で取り付けられたプレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）と、支持軸（１２ａ，１２ｂ）と、をそれぞれ備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の混合装置。
8. 並んで位置決めされたデバイス（３ａ：３ｂ）の前記支持軸（１２ａ；１２ｂ）が、互いに平行に延在していないことを特徴とする請求項７に記載の混合装置。
9. 前記複数のデバイス（３ａ；３ｂ）のうちの少なくとも１つの前記支持軸（１２ａ；１２ｂ）には、計量供給デバイスが配置されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の混合装置。
10. １つ以上の前記デバイス（３ａ；３ｂ）の領域では、前記プレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）が、触媒活性コーティングを有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の混合装置。
11. １つ以上の前記デバイス（３ａ；３ｂ）の上流に位置決めされたバッフルプレートを備えていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の混合装置。
12. 前記バッフルプレートの取付角度が、２０°〜６０°の間であることを特徴とする請求項１１に記載の混合装置。
13. 前記バッフルプレートが、触媒活性コーティングを有することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の混合装置。
14. 前記排ガスが導かれる前記パイプ（２）が、断面が丸みを帯びて構成されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の混合装置。
15. 前記プレート状要素（４ａ，５ａ；４ｂ，５ｂ）には、凹所が存在していることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の混合装置。
16. 前記支持軸（１２ａ；１２ｂ）が、前記パイプの軸と交差していることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の混合装置。

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