JP6942621B2 - 排ガス後処理システムのための混合装置、排ガス後処理システム及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、排ガス後処理システムのための混合装置と、内燃機関の排ガス後処理システムと、排ガス後処理システムを有する内燃機関と、に関する。

例えば発電所において用いられるような固定された内燃機関における燃焼プロセス、及び、例えば船舶において用いられるような固定されていない内燃機関における燃焼プロセスでは、窒素酸化物が発生し、これらの窒素酸化物は、典型的には、石炭、瀝青炭、褐炭、石油、重油、又は、ディーゼル燃料のような硫黄を含有する、化石燃料の燃焼に際して発生する。従って、このような内燃機関には、内燃機関から排出される排ガスの浄化、特に脱窒に用いられる排ガス後処理システムが配設されている。

排ガス中の窒素酸化物を還元するために、実践から知られた排ガス後処理システムでは、まず、いわゆるＳＣＲ触媒コンバータが使用される。ＳＣＲ触媒コンバータでは、窒素酸化物の選択的接触還元が行われ、窒素酸化物の還元のために、還元剤としてアンモニア（ＮＨ_３）が必要とされる。このために、尿素等のアンモニア前駆物質は、ＳＣＲ触媒コンバータの上流で、液体の形状において排ガスに導入され、アンモニア前駆物質は、ＳＣＲ触媒コンバータの上流において、排ガスと混合され、分解されて還元剤を生成する。このために、実践によると、アンモニア前駆物質の導入装置とＳＣＲ触媒コンバータとの間に、混合及び分解区間が設けられている。

特許文献１からは、ミックスボックスと表記された、内燃機関の排ガス後処理システムのための混合装置が知られており、当該混合装置は、排ガス流に添加剤を混入するために用いられる。当該混合装置は、排ガス及び添加剤のための混合チャンバを供給するハウジングを有しており、当該ハウジングは、流入側に、排ガスをハウジングに導入することが可能である供給導管のための流入接続部を有しており、流入側の向かい側の流出側には、排ガス及び当該排ガスと混合された添加剤をハウジングから排出することが可能である排出導管のための流出接続部を有している。流入接続部又は供給導管の長手軸、及び、流出接続部又は排出導管の長手軸は、互いに対してずらされており、互いに対して平行に延在している。ハウジングは、噴射ノズルとして構成された、添加剤を排ガスに導入するための導入装置を受容しており、当該導入装置は、ハウジングの流入側の、流出接続部の長手軸の領域に配置されている。

ＳＣＲ触媒コンバータを含む、実践から知られた排ガス後処理システムによって、排ガス後処理、特に窒素酸化物の削減は、すでに成功裏に実施可能ではあるが、排ガス後処理システムをさらに改善する必要が存在する。特に、構造が小型化された場合に、低騒音かつ効果的な排ガス後処理を可能にする必要が存在する。

独国特許発明第１０２０１５１０３３０３号明細書

このような必要性を基点として、本発明の課題は、構造が小型化された場合に、低騒音かつ効果的な排ガス後処理を可能にするような、排ガス後処理システムのための新型の混合装置と、排ガス後処理システムと、排ガス後処理システムを有する内燃機関と、を創出することにある。

本課題は、請求項１に記載の混合装置によって解決される。

本発明によると、混合装置のハウジングは、混合チャンバと消音器とを供給しており、当該ハウジングは、流入側に、排ガスをハウジングに導入することが可能である供給導管のための流入接続部を有しており、当該ハウジングは、流入側の向かい側の流出側に、排ガス及び当該排ガスと混合された還元剤をハウジングから排出することが可能である排出導管のための流出接続部を有しており、流入接続部の長手軸及び流出接続部の長手軸は、互いに対してずらされており、互いに対して平行に、又は、直角に延在しており、ハウジングは、還元剤の前駆物質を排ガスに導入するための導入装置を受容しており、当該導入装置は、流入側において、流出接続部の長手軸の領域に配置されており、ハウジングの流入側と流出側との間のハウジングの長さと、従って、混合チャンバの長さとは、流入接続部又は供給導管の直径の少なくとも１．９倍かつ最大で７倍であり、ハウジングの流入側と流出側との間に延在するハウジングの壁の間におけるハウジングの幅は、流入接続部又は供給導管の直径の最大で３倍である。本発明に係る混合装置は、小型な寸法において、アンモニア前駆物質と排ガスとの効果的な混合と、従って、効果的な排ガス後処理と、を可能にする。混合チャンバを供給する混合装置のハウジングは、排ガス後処理をさらに低騒音で行うために、さらに、消音器を供給する。小型化された構造において、低騒音かつ効果的な排ガス後処理が可能になる。

好ましくは、ハウジングの長さは、流入接続部又は供給導管の直径の少なくとも２．２倍、好ましくは少なくとも３．３倍である。ハウジングの幅は、流入接続部又は供給導管の直径の最大で２．５倍、好ましくは最大で１．８倍である。この特徴によって、小型な寸法において、効果的かつ低騒音な排ガス後処理が可能になる。

有利なさらなる発展形態によると、流出接続部又は排出導管の直径の大きさは、流出接続部の領域における流速が、最大で７０ｍ／秒、好ましくは最大で６０ｍ／秒、特に好ましくは少なくとも５０ｍ／秒になるように設定されている。この特徴は、特に、騒音をさらに減少させるために資するものである。

別の有利なさらなる発展形態によると、ハウジングの高さは、流入接続部の長手軸と流出接続部の長手軸とのオフセットが、流入接続部又は供給導管の直径の少なくとも１倍、好ましくは少なくとも１．５倍、特に好ましくは少なくとも２倍になるように設定されている。この特徴も、効果的かつ低騒音な排ガス後処理と同時に、小型な構造を供給するために資するものである。

本発明に係る排ガス後処理システムは、請求項８に規定されている。本発明に係る内燃機関は、請求項１５に規定されている。

本発明の好ましいさらなる発展形態は、従属請求項及び以下の説明から明らかになる。本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明するが、それに限定されるものではない。その際、示されているのは以下の図面である：

本発明に係る排ガス後処理システム及び本発明に係る混合装置を有する、本発明に係る内燃機関の斜視図である。 図１に係る内燃機関の側面図である。 本発明に係る混合装置の領域における、図１の細部を示す側面図である。 図３の細部を示す上面図である。 排ガス浄化装置の領域における、図１の細部を示す斜視図である。

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と、当該混合装置を有する排ガス後処理システムと、当該排ガス後処理システムを有する内燃機関と、に関する。

図１及び図２は、内燃機関１０の好ましい実施形態を、異なる図面で示しており、内燃機関１０は、複数のシリンダ１２を備えたエンジンブロック１１を有しており、シリンダ１２は、図示された実施例では、２つのシリンダバンク１３、１４を構成している。さらに、内燃機関１０は、シリンダ１２から排出された排ガスの排ガス後処理に用いられる排ガス後処理システム１５を有している。

図１及び図２に示された内燃機関では、各シリンダバンク１３、１４に、それぞれ少なくとも１つの排ガスターボチャージャ１５又は１６が配設されており、シリンダバンク１３、１４それぞれのシリンダ１２から排出された排ガスは、まず排ガスターボチャージャ１５、１６それぞれのタービンを通るように誘導され、それによって、排ガスターボチャージャ１５、１６それぞれのタービン内において排ガスが膨張し、その際にエネルギーが得られる。この、排ガスターボチャージャ１５又は１６それぞれのタービン内で得られたエネルギーは、排ガスターボチャージャ１５、１６それぞれの圧縮機内で、内燃機関に供給されるべき過給空気を圧縮するために用いられる。

排ガスターボチャージャ１５、１６それぞれ、すなわちそのタービン、から排出される排ガスは、次に、排ガス後処理システム１７の別のアセンブリを通るように、すなわち混合装置１８、１９及び排ガス浄化装置２０、２１を通るように誘導される。

図１及び図２に示された、内燃機関１０の好ましい実施例では、各シリンダバンク１３、１４に、それぞれ個別の混合装置１８又は１９、及び、それぞれ個別の排ガス浄化装置２０、２１が配設されており、個別の混合装置１８、１９及び個別の排ガス浄化装置２０、２１を通るように誘導される両方のシリンダバンク１３、１４の排ガスは、排ガス浄化装置２０、２１の下流において合流し、共通の煙突２２を通じて周囲に排出される。

図１及び図２からは、排ガスターボチャージャ１５、１６それぞれと混合装置１８、１９それぞれとの間に延在する排ガス導管２３又は２４が、最大で１８０°、好ましくは最大で１５０°、特に好ましくは最大で１２０°の方向転換を有していることが認識できる。

シリンダバンク１３、１４のターボチャージャ１６、１７から排出された排ガスは、シリンダ１２と混合装置１８、１９との間に延在する排ガス導管２３、２４を通り、垂直の流れ方向から水平の流れ方向へと約９０°の方向転換をそれぞれ一回行い、必要に応じて、その後、水平の流れ方向において、それぞれ少なくとも一回、最大で６０°、好ましくは最大で３０°の方向転換を行い、それによって、排ガスが、排ガスターボチャージャ１６、１７から混合装置１８、１９に供給される。

図１及び図２では、混合装置１８、１９それぞれと排ガス浄化装置２０、２１それぞれとの間に、さらなる排ガス導管２５、２６が延在している。具体的には、図１及び図２の好ましい実施例では、これらの、混合装置１８、１９それぞれと排ガス浄化装置２０、２１それぞれとの間に延在する排ガス導管２５、２６は、方向転換を行っていないが、代替的に、最大で１００°、好ましくは最大で６０°、特に好ましくは最大で３０°の方向転換を有する。

排ガス導管２５及び２６の長さは、有利には、混合装置１８、１９と排ガス浄化装置２０、２１との間に、点火周波数又はそのモードに関してλ／４の運転時間が生じるように設定されている。この態様によって、当該周波数を意図的に減衰させることができる。

図３及び図４は、排ガス後処理システム１５の混合装置１８、１９の細部を示しており、当該混合装置は、ＳＣＲ排ガス後処理のための還元剤の前駆物質を排ガスと混合するため、つまり尿素等のアンモニア前駆物質を排ガスと混合するために用いられる装置である。

混合装置１８又は１９は、ハウジング２７を有しており、ハウジング２７は、一方では混合チャンバを、他方では消音器を供給しており、つまり、図１及び図２の内燃機関では、境界値よりも高い周波数の吸音のために設計された前消音器を供給している。

ハウジング２７は、流入側２８に、供給導管、すなわち排ガス導管２３又は２４のための流入接続部２９を有している。流入側２８の流入接続部２９を通じて、排ガスは、混合装置１８、１９のハウジングに導入され得る。さらに、ハウジング２７は、流入側２８の向かい側の流出側３０に、排出導管、すなわち排ガス導管２５、２６のための流出接続部３１を有しており、流出接続部３１を通じて、ハウジング２７から、排ガス及び当該排ガスと混合された還元剤が排出され得る。流入接続部２９又は供給導管それぞれの長手中心軸３２と、流出接続部３１それぞれ又は排出導管２５又は２６それぞれの長手中心軸３３とは、ΔＸの分だけ互いに対してずらされており、互いに対して平行に延在している。

ハウジング２７は、流入側２８で、導入装置３４を有しており、当該導入装置は、ＳＣＲ還元剤の前駆物質を排ガスに導入するために用いられ、当該導入装置３４は、好ましくは噴射ノズルとして構成されており、当該噴射ノズルは、流入側２８において、流出接続部３１の長手軸３３の領域に配置されているか、又は、当該長手軸３３上に配置されている。

混合装置１８又は１９のハウジング２７は、ハウジング２７の流入側２８と流出側３０との間に、長さｌを有しており、当該長さｌは、流入接続部２９又は流入接続部２９に接続された供給導管の直径、すなわち流入接続部２９の領域における排ガス導管２３又は２４の直径の、少なくとも１．９倍かつ最大で７倍である。流入側２８と流出側３０との間に延在する壁、すなわちハウジング２７の側壁３５、３６の間のハウジング２７の幅ｂは、流入接続部２９の直径の最大で３倍、好ましくは最大で２．５倍、特に好ましくは最大で１．８倍である。好ましくは、ハウジングの長さｌは、流入接続部２９の直径の少なくとも２．２倍、特に好ましくは少なくとも３倍、かつ、最大で７倍である。これらのパラメータを用いて、構造が小型化された場合に、ＳＣＲ還元剤の前駆物質と排ガスとの効果的な混合と、分解と、従って最終的には効果的な排ガス後処理と、が保証され得る。

すでに述べたように、その際、ハウジング２７は、混合チャンバとしてだけではなく、所定の境界値よりも高い周波数を減衰するための前消音器としても機能する。吸音は、ハウジング２７内に少なくとも１つの吸音チャンバが形成されており、当該吸音チャンバが、ヘルムホルツ共鳴器又はλ／４共鳴器又は吸収共鳴器又は反射消音器を構成することによってもたらされる。

ハウジング２７の底面３７と上面３８との間のハウジング２７の高さｈは、流入接続部２９の長手軸３２と流出接続部３１の長手軸３３との間のオフセットΔＸが、流入接続部２９の直径の少なくとも１倍、好ましくは少なくとも１．５倍、特に好ましくは少なくとも２倍になるように設定されている。これらの特徴も、構造が小型化され、騒音の発生が減少した場合に、効果的な排ガス後処理を供給するために用いられる。

特に、流入接続部２９の直径と、場合によって流出接続部３１の直径とは、少なくとも１６０ｍｍ、好ましくは少なくとも１９０ｍｍ、特に好ましくは少なくとも２００ｍｍであると規定されている。特に有利なさらなる形態によると、流出接続部３１の直径は、排ガスの流速が、流出接続部３１の領域において、最大で７０ｍ／秒、好ましくは最大で６０ｍ／秒、特に好ましくは最大で５０ｍ／秒になるように設定されると規定されている。それによって、流れが雑音を生じさせることが回避され、低騒音の排ガス後処理が保証され得る。

流入接続部２９及び流出接続部３１には、穴又はスリットが設けられた管が入り込んでおり、それによって、流入接続部２９の領域では、この穴又はスリットが設けられた管を通じて、排ガスがハウジング２７に流入し、流出接続部３１の領域では、対応する穴又はスリットが設けられた管を通じて、排ガスがハウジングから流出する。この横断面の亀裂を通じて、混合装置は、反射消音器として機能し、それによって、さらなる騒音の削減が実現し得る。これらのそれぞれ設けられた穴又はスリットの開口部の自由な横断面は、流入接続部２９の自由な横断面の最大で２０％、好ましくは最大で１０％、極めて好ましくは最大で５％である。

すでに述べたように、混合装置１８、１９は、一方では、ＳＣＲ還元剤の前駆物質を排ガスと混合するために、他方では、境界値よりも大きい周波数に関する前消音器を供給するために用いられる。図１及び図２の実施例では、混合装置１８、１９を通る排ガスは、排ガスと混合され、排ガス中に分解された還元剤と共に、排ガス導管２５、２６を通じて、排ガス浄化装置２０又は２１それぞれに供給可能であり、排ガス浄化装置２０、２１それぞれは、ハウジング３９を有しており、ハウジング３９は、一方では、少なくとも１つのＳＣＲ触媒コンバータ４０を受容するための反応チャンバを構成し、さらに、主消音器を供給している。このような主消音器は、境界値を下回る周波数の吸音が可能であるように設計されている。

図５は、排ガス浄化装置２０、２１の詳細部分を示しており、図５では、好ましくは全部で４つのＳＣＲ触媒コンバータ４０が、排ガス浄化装置２０、２１のハウジング３９内に受容されており、当該ＳＣＲ触媒コンバータは、互いに対して平行に配置されており、円形の横断面を有している。２つ又は３つのＳＣＲ触媒コンバータ４０が、排ガス浄化装置２０、２１のハウジング３９内に受容されていても良い。

主消音器を供給するために、ハウジング２９は、やはり少なくとも１つの吸音チャンバを有しており、当該吸音チャンバは、ヘルムホルツ共鳴器又はλ／４共鳴器又は吸収共鳴器又は反射消音器を構成している。排ガス浄化装置２０、２１のハウジング３９内の吸音チャンバは、好ましくは、互いに対して平行に延在するＳＣＲ触媒コンバータ４０の間に形成されている。

混合装置１８、１９の吸音チャンバの設計を通じて、混合装置１８、１９では、排ガス浄化装置２０、２１によって供給される主消音器の挿入損失の、少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％、特に好ましくは少なくとも３０％の挿入損失が設定される。その際、挿入損失の算定は、ＩＳＯ１１８２０に従って行われる。

好ましくは、混合装置１８又は１９のハウジング２７の流入側２８と、排ガス浄化装置２０、２１のハウジング３９内に受容された１つ又は各ＳＣＲ触媒コンバータ４０の流入端面との間の間隔が、混合装置１８、１９のハウジング２７の流入接続部２９の直径の、少なくとも３倍、好ましくは少なくとも４倍、特に好ましくは少なくとも７倍であることが規定されている。この間隔は、混合装置１８又は１９のハウジング２７の長さｌによって、及び、混合装置１８、１９と排ガス浄化装置２０、２１との間に延在する排ガス導管２５又は２６の長さによって決定される。

場合によっては、排ガス導管２５、２６を完全に省略することが可能であり、その場合、混合装置１８、１９それぞれのハウジング２７の流出接続部３１は、排ガス浄化装置２０、２１それぞれのハウジング３９の対応する流入接続部に直接接続されている。

混合装置１８、１９内には、好ましくは、どのような種類の触媒コンバータも配置されていない。排ガス導管２５、２６を完全に省略した場合、触媒コンバータは、状況に応じて、混合装置１８、１９の領域内に突出して延在することが可能であり、混合装置１８、１９の容積の最大で１０％を占めている。

１０ 内燃機関
１１ エンジンブロック
１２ シリンダ
１３ シリンダバンク
１４ シリンダバンク
１５ 排ガス後処理システム
１６ 排ガスターボチャージャ
１７ 排ガスターボチャージャ
１８ 混合装置
１９ 混合装置
２０ 排ガス浄化装置
２１ 排ガス浄化装置
２２ 煙突
２３ 排ガス導管
２４ 排ガス導管
２５ 排ガス導管
２６ 排ガス導管
２７ ハウジング
２８ 流入側
２９ 流入接続部
３０ 流出側
３１ 流出接続部
３２ 長手軸
３３ 長手軸
３４ 導入装置
３５ 側壁
３６ 側壁
３７ 底面
３８ 上面
３９ ハウジング
４０ ＳＣＲ触媒コンバータ

Claims (13)

1. 内燃機関（１０）のための排ガス後処理システム（１５）であって、
   排ガス浄化装置（２０、２１）であって、そのハウジング（３９）が、少なくとも１つのＳＣＲ触媒コンバータ（４０）を受容するための反応チャンバと主消音器とを提供している、排ガス浄化装置（２０、２１）と、
   前記排ガス浄化装置（２０、２１）の上流に配置された、還元剤の前駆物質を混合するための混合装置（１８、１９）であって、そのハウジング（２７）が、混合チャンバと前消音器とを供給する混合装置（１８、１９）と、
   を有し、
   前記混合装置（１８、１９）は、内燃機関のＳＣＲ排ガス後処理システムのための混合装置（１８、１９）、すなわち、還元剤の前駆物質を排ガスと混合するための混合装置（１８、１９）であって、ハウジング（２７）が設けられており、
   前記ハウジング（２７）は、混合チャンバと消音器とを提供しており、
   前記ハウジング（２７）は、流入側（２８）に、排ガスを前記ハウジング（１７）に導入することが可能である供給導管のための流入接続部（２９）を有しており、
   前記ハウジング（２７）は、前記流入側（２８）の向かい側の流出側（３０）に、排ガス及び前記排ガスと混合された還元剤を前記ハウジング（２７）から排出することが可能である排出導管のための流出接続部（３１）を有しており、前記流入接続部（２９）及び前記流出接続部（３１）の長手軸（３２、３３）は、互いに対してオフセットされており、互いに対して平行に、又は、直角に延在しており、
   前記ハウジング（２７）は、前記還元剤の前駆物質を前記排ガスに導入するための導入装置（３４）を受容しており、前記導入装置は、前記流入側（２８）において、前記流出接続部（３１）の前記長手軸（３３）の領域に配置されており、
   前記ハウジング（２７）の前記流入側（２８）と前記流出側（３０）との間の前記ハウジング（２７）の長さ、従って、前記混合チャンバの長さは、前記流入接続部（２９）又は前記供給導管の直径の少なくとも１．９倍、かつ、最大で７倍であり、
   前記ハウジング（２７）の前記流入側（２８）と前記流出側（３０）との間に延在する前記ハウジング（２７）の側壁（３５、３６）の間における前記ハウジング（２７）の幅ｂは、前記流入接続部（２９）又は前記供給導管の直径の最大で３倍であり、
   前記主消音器が、境界値を下回る周波数を、前記混合装置（１８、１９）よりも良好に吸音すること、及び／又は、前記前消音器が、境界値よりも大きい周波数を、前記主消音器よりも良好に吸音することを特徴とする、排ガス後処理システム（１５）。
2. 前記前消音器の挿入損失が、前記主消音器の挿入損失の少なくとも１０％であることを特徴とする、請求項１に記載の排ガス後処理システム。
3. 前記混合装置（１８、１９）の前記ハウジング（２７）の流入側と、１つ又は各ＳＣＲ触媒コンバータ（４０）の流入端面との間の間隔が、前記流入接続部（２９）又は前記供給導管の直径の、少なくとも３倍であることを特徴とする、請求項１または２に記載の排ガス後処理システム。
4. 前記混合装置（１８、１９）と前記排ガス浄化装置（２０、２１）との間に延在する排ガス導管（２５、２６）が、方向転換を行わないことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。
5. 前記混合装置（１８、１９）と前記排ガス浄化装置（２０、２１）との間に延在する排ガス導管（２５、２６）が、最大で１００°の方向転換を行うことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。
6. ターボチャージャと前記混合装置（１８、１９）との間に延在する排ガス導管（２３、２４）が、最大で１８０°の方向転換を行うことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。
7. 前記ハウジング（２７）の長さが、前記流入接続部（２９）又は前記供給導管の直径の少なくとも２．２倍であ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排ガス後処理システム。
8. 前記ハウジング（２７）の幅が、前記流入接続部（２９）又は前記供給導管の直径の最大で２．５倍であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。
9. 前記流入接続部（２９）又は前記供給導管の直径が、少なくとも１６０ｍｍであることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。
10. 前記流出接続部（３１）又は前記排出導管の直径の大きさが、前記流出接続部（３１）の領域における前記排ガスの流速が、最大で７０ｍ／秒になるように設定され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排ガス後処理システム。
11. 前記ハウジング（２７）の高さが、前記流入接続部（２９）の長手軸（３２）と前記流出接続部（３１）の長手軸（３３）とのオフセットが、前記流入接続部（２９）又は前記供給導管の直径の少なくとも１倍になるように設定され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排ガス後処理システム。
12. 前記ハウジングによって構成される消音器が、ヘルムホルツ共鳴器又はλ／４共鳴器又は吸収共鳴器又は反射消音器として構成されていることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。
13. 穴又はスリットが設けられた管が、前記流入接続部（２９）から、及び／又は、前記流出接続部（３１）内へ入り込んで延在しており、それによって、前記流入接続部（２９）の領域では、穴又はスリットが設けられた前記管を通じて、前記排ガスが前記ハウジング（２７）に流入し、前記流出接続部（３１）の領域では、対応する穴又はスリットが設けられた前記管を通じて、前記排ガスが前記ハウジングから流出すること、及び、それぞれ設けられた穴又はスリットの開口部の自由な横断面は、前記流入接続部（２９）の自由な横断面の最大で２０％であることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。

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