(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジン（３）の排ガス流（２）の浄化のための装置（１）であって、
１つの排気ライン（４）を少なくとも有し、排ガス浄化のための構成要素（５）が前記１つの排気ライン（４）内に配置され、
前記構成要素（５）は、第１の端部側（６）および第２の端部側（７）を有し、
前記排ガス流（２）は、前記第１の端部側（６）から前記第２の端部側（７）へ、前記構成要素（５）を通して流れることができ、
反応剤（９）を前記排ガス流（２）に付与するための付与ユニット（８）が前記構成要素（５）の下流に提供され、
前記付与ユニット（８）は、最大で３０ｍｍの距離（１０）で、前記構成要素（５）の前記第２の端部側（７）から間隔を置いており、
供給された前記反応剤（９）の少なくとも一部は前記構成要素（５）の前記第２の端部側（７）に衝突し、
付与された前記反応剤（９）の少なくとも９０％が、前記構成要素（５）の前記第２の端部側（７）の表面（１６）と接触し、
前記構成要素（５）は、前記１つの排気ライン（４）の断面全体に亘る前記排ガス流（２）の均一化を、層流領域（１２）のような少なくとも前記構成要素（５）の下流の領域で持続させ、
前記付与ユニット（８）は、前記層流領域（１２）内において配置された、装置（１）。
【請求項２】
前記第２の端部側（７）は、球形である、請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
前記付与ユニット（８）は、排気ラインの直径（１４）の外側に配置される、請求項１または請求項２に記載の装置（１）。
【請求項４】
前記構成要素（５）は、前記第２の端部側（７）において、２００μｍより大きい直径を有する前記反応剤（９）の液滴（１７）の吸収能力を有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の装置（１）。
【請求項５】
内燃エンジン（３）の動作中に反応剤（９）を排気ライン（４）に付与するための方法であって、
付与ユニット（８）が、排ガス浄化のための構成要素（５）の下流であって、前記構成要素（５）の層流領域（１２）内において配置され、
所定量の前記反応剤（９）が、前記構成要素（５）の下流の第２の端部側（７）に分配され、
付与された前記反応剤（９）の少なくとも９０％が、前記構成要素（５）の前記第２の端部側（７）の表面（１６）と接触し、
前記１つの排気ライン（４）の断面全体に亘る排ガス流（２）の均一化が、前記構成要素（５）によって、前記層流領域（１２）のような少なくとも前記構成要素（５）の下流の領域で持続する、方法。
【請求項６】
前記反応剤（９）は、前記付与ユニット（８）の非対称の形状をしたノズル（２０）により、前記構成要素（５）の第２の端部側（７）に噴霧される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記付与ユニット（８）は、前記排気ラインの直径（１４）の外側に配置され、
前記第２の端部側（７）の面積（１５）の少なくとも９０％が前記反応剤（９）によって衝突される、請求項５または請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記構成要素（５）の前記第２の端部側（７）には、単位面積あたり均一に、反応剤（９）が衝突する、請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記排気ライン（４）へ付与される前記反応剤（９）の液滴（１７）の大きさが可変である、請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
最大の液滴（１７）と最小の液滴（１７）との比が少なくとも３：１である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記排気ライン（４）へ付与される前記反応剤（９）の液滴（１７）の速度が可変である、請求項５から請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
最高の速度と最低の速度との比は少なくとも３：１である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記反応剤（９）の付与は、前記付与ユニット（８）に加えられる付与圧力によって制御される、請求項５から請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンの排ガス流の浄化のための装置および方法に関し、ここで、反応剤は排ガス浄化のために構成要素の流出側へ噴霧される。
【背景技術】
【０００２】
内燃エンジン、特にディーゼルエンジンの排ガス浄化のための現在における従来のシステムには、排ガス浄化のための構成要素が排ガスラインに挿入されており、これらの構成要素は、正確に作動するために、反応剤を断続的に供給することを少なくとも必要とする。これらの構成要素は、特にＳＣＲ触媒コンバータを備え、純粋な形態で、または化合物の形態でアンモニア、例えば尿素溶液が、窒素酸化物の選択的還元のための還元剤としてそのＳＣＲ触媒コンバータへ供給される。さらに、そのような構成要素はまた酸化触媒排ガス浄化構成要素を備え、炭化水素化合物（燃料）が、排ガスを加熱するための反応剤としてその酸化触媒排ガス浄化構成要素に供給される。排ガス流のこうした加熱は、粒子フィルタの熱による煤の再生の間、または窒素酸化物を貯蔵する触媒コンバータの硫黄の再生に対して、提供される。
【０００３】
高度に効率的な排ガス浄化のために、排ガスラインの断面に亘って反応剤を、できる限り均一に分散させること、およびできる限り細かく噴霧化することを達成することが追求される。
【０００４】
排ガス流と反対の方向に反応剤を加えることによって、より細かくてより良い反応剤の分散が、排ガス流に対しての反応剤のより速い相対速度の結果として、達成される。この効果は、排ガス浄化のための構成要素の流出側に反応剤を衝突させることによってさらに支援される。なぜならば、反応剤の液滴を衝突させると、さらに噴霧化されることができるか、または、構成要素表面から排ガス流へと直接に蒸発可能だからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、従来技術に関して示された問題を少なくとも部分的に解決することであり、詳細には、排ガス流中の反応剤の分散が、できる限り均一に達成され、それにより反応剤の蒸発を改善する装置および方法を特定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、特許請求の範囲の請求項１の特徴に係る装置および特許請求の範囲の請求項４に係る方法により達成される。特許請求の範囲の従属の請求項は、本発明のさらなる有利な実施形態を特定する。従属の請求項において特定される特徴は、任意の所望の技術的に有意義な方法において互いに組み合わされてよく、かつ本発明のさらなる実施形態を規定してもよい。さらに、特許請求の範囲の請求項において特定される特徴は、明細書中において、さらに詳細に記載され、かつ説明され、ここで本発明のさらに好ましい実施形態が提示される。
【０００７】
ここで、この目的は、内燃エンジンの排ガス流の浄化のための装置によって達成され、この装置は、１つの排気ラインを少なくとも有し、排ガス浄化のための構成要素は１つの排気ライン内に配置され、構成要素は第１の端部側および第２の端部側を有し、排ガス流は、第１の端部側から第２の端部側へ、構成要素を通して流れることができ、反応剤を排ガス流に付与するための付与ユニットが構成要素の下流に提供され、付与ユニットは、最大で３０ｍｍの距離で、構成要素の第２の端部側から間隔を置いており、供給された反応剤の少なくとも一部は構成要素の第２の端部側に衝突する。
【０００８】
排ガス浄化のための構成要素は、反応剤および／または排ガスの少なくとも１つの成分の変換をもたらす触媒活性コーティング（特にウォッシュコートにおいて）を含む触媒コンバータ基板体を意味することが特に理解される。あるいは、またはそれに加えて、構成要素はまた、排ガス流中の粒子の濃度を低下させるために、粒子フィルタまたは粒子トラップの機能を担ってもよい。これは、複数の交互に閉じられる経路を備える閉じた粒子フィルタ（ｃｌｏｓｅｄ  ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｆｉｌｔｅｒ）、または、排ガスの一部が多孔性の媒体へと誘導される、固定具を用いたいわゆるパーシャルフローフィルタのいずれかであってもよい。触媒コンバータ基板体および粒子フィルタの両方が、特に、ハニカム体の形態で構築されてよく、セラミック製および／または金属製の本体は、流れが通過できる複数の空洞を有して形成される。金属製のハニカム体はまた、少なくとも部分的に構造化された金属箔だけでなく、超微細のワイヤ（不織）の層をも有してよい。
【０００９】
構成要素は、装置の動作中の排ガス流に逆らう方向を向く第１の端部側を有し、その結果、排ガスは、排気ラインを通して流れ、かつ第１の端部側を通して構成要素へと流れ、そして構成要素を通して、その構成要素の第２の端部側へと誘導される。構成要素を通して流れが通過した結果、特に、排気ラインの断面全体に亘って排ガスの流れが均一化し、特にハニカム体において以前に互いに少なくとも部分的に分離された個々の流れが再び排気ラインにおいて融合する前に、構成要素の下流にある少なくとも短い領域においてこの均一化が持続する。構成要素の流出側にある構成要素の第２の端部側と直接に近接してのみ生じる層流領域により、導入される反応剤の再生可能かつ調節可能な分散を可能にする。このことは、層流領域においては、導入される反応剤が渦を巻くことができ、それにより、排ガス流の相対速度の局所的な変動を生じさせる、排ガス流の乱流を殆ど生じさせない。層流領域の外側において、供給される反応剤の流れの挙動は、不均一に作用するので、予測できないものとなり、排ガス流の乱流により、不確定な形態で偏向される。
【００１０】
この理由のため、付与ユニットが、構成要素の第２の端部側から、最大で３０ｍｍの距離のところに、特に、最大で２０ｍｍの距離のところに、および好ましくは、最大で１５ｍｍの距離のところに配置される。ここで、その距離は、主な流れ方向において、構成要素の第２の端部側の最も遠い場所からの、付与ユニットまたはノズルの開口部の間隔として規定される。
【００１１】
付与ユニットの特別な構成（例えば、恒久的に開いているノズルまたは制御されたバルブを有してもよい）により、反応剤は排気ラインへ導入され、ここでノズルは、本出願に特有の方法において、略一定の流れの状態に適合されてよく、その結果、構成要素への反応剤の所望の均一な接触が、生じている動作状態下で得られる。特に、付与される反応剤は第２の端部側を過ぎた後では（実質的に）噴霧されず、（実質的に）その量全体が第２の端部側に達することもまたこのようにして得られる。衝突する反応剤の割合は、特に、自動車の装置の動作状態の下で、好ましくは、分配される量の９０％より多く、または、さらに９６％より多い。
【００１２】
さらに有利な実施形態において、第２の端部側は、球形（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ  ｓｈａｐｅ）であり、特に、窪んだ球形であるので、球形の第２の端部側に向かい合って配置された付与ユニットにより、第２の端部側の表面全体に亘って均一に反応剤を分散することができる。ここで、第２の端部側の球状の構成は、特に、付与ユニットの装置の方を向いて配置される。
【００１３】
さらに有利な実施形態によれば、第２の端部側は、排気ラインに対して傾斜するように形成され、この傾斜は、供給される反応剤の均一の分散が第２の端部側の領域全体において達成できるように、付与ユニットに対して配置される。構成要素の第２の端部側のこのような傾斜は、製造の観点においては、簡単な方法で実現可能であり、それゆえ好適に利用される。
【００１４】
この装置の改良によれば、付与ユニットは、排気ラインの直径の外側に配置され、特に、流れが（直接には）横断しない、排気ラインの部分的な領域に配置される。この部分的な領域は、例えば、排気ラインの円周の表面上に配置される円錐のハウジングとして形成され、この錐体は排気ラインの方向に開口しており、付与ユニットはその錐体のもう一方の端部に配置される。特に、付与ユニットはさらに、シールドプレートによって、排ガス流から少なくとも部分的にシールドされてよい。このように排ガス流の外側に付与ユニットを配置することにより、第１に、付与ユニットは、排ガス流中に存在する粒子によって汚染されず、それゆえ、少なくとも部分的には塞がれる状態とはなり得ず、第２に、部分的な領域における反応剤の噴霧円錐の均一な形状が可能となり、この噴霧円錐は、排ガス流の層流領域へと導入される。
【００１５】
１つに有利な実施形態において、付与ユニットは、排気ラインに対して、ある角度で配置され、その結果、反応剤は、排ガス流と反対の方向に導入されることが可能となり、かつ供給された反応剤の少なくとも一部が第２の端部側と衝突することが可能となる。
【００１６】
さらに、構成要素が、第２の端部側において、２００μｍよりも大きい直径を有する反応剤の液滴の吸収能力を有する装置が有利であると想定される。特に、反応剤が２００μｍ（マイクロメートル）よりも大きい直径の液滴を用いて付与される場合、排ガス浄化のための構成要素は、対応する吸収能力および／または貯蔵能力、例えば、第２の端部側に局所的に近接する、適切な多孔性を有するべきである。特に、セラミックの基板体、対応する多孔性コーティング（ウォッシュコート）および／または金属製で多孔性かつ不織である部分が想定される。液滴の直径と同程度の大きさの吸収および／または貯蔵能力は、好ましくは、液滴の体積の２倍である。この教示はまた、本明細書に記載された装置／方法とは関係なく、有利である場合もある。
【００１７】
本発明に関する、本発明に係る方法は、内燃エンジンの動作中に反応剤を排気ラインに付与するための方法であって、付与ユニットは排ガス浄化のための構成要素の下流であって、構成要素の層流領域において配置され、所定量の反応剤が、構成要素の第２の端部側に分配される。ここで、付与ユニットは、構成要素の層流領域内に配置される必要はなく、この層流領域は、排気ラインの直径の領域内にのみ存在し、かつ構成要素の第２の端部側と並んで配置される。実際には、付与ユニットはまた、層流領域に対して側方にオフセットされて配置されてよく、その結果、付与ユニットの噴霧円錐は、特に、流れが（直接には）横断しない部分的な領域に形成され、次いで、好ましくは、構成要素の層流領域においてのみ、とどまる。
【００１８】
本方法の１つの改良において、反応剤は、付与ユニットの非対称の形状をしたノズルにより、構成要素の第２の端部側に噴霧される。非対称をした形状のノズルは、それに対応して非対称の噴霧円錐を生成し、異なる量の反応剤の領域が、噴霧方向と垂直な平面において存在する。このように、特に、付与ユニットが排気ラインの直径の外側に配置される場合に、第２の端部側の異なる部分的な領域には、個々に規定された反応剤の量が提供可能であることが達成される。
【００１９】
本方法のさらに有利な改良において、付与ユニットは、排気ラインの直径の外側に配置され、第２の端部側の面積の少なくとも９０％に作用する。従って、付与ユニットは、好ましくは第２の端部側の面積全体が反応剤によって衝突されるように、第２の端部側に対して配置される。ここで、第２の端部側の面積は、構成要素の構造の端部にわたる平面（適切な場合には、湾曲状）として規定される。
【００２０】
本方法の特に有利な改良において、構成要素の第２の端部の表面は、均一の面積に対する付与で、反応剤が衝突する。これは、付与ユニットの噴霧円錐内に配置された構成要素の第２の端部側の部分的な領域の全てに、同量の反応剤が衝突することを特に意味する。反応剤のこの有利な分散は、排ガス流中の反応剤を均一に変換することを導き、その結果、排ガス流の最適な浄化が達成される。
【００２１】
本方法のさらなる実施形態において、付与される反応剤の少なくとも９０％が、構成要素の第２の端部側の表面と接触する。構成要素の表面は、構成要素の第２の端部側の領域および構成要素自体の表面の両方として規定される。付与される反応剤の少なくとも９０％が構成要素の第２の端部の表面と接触するため、できる限りこまかくなって反応剤の分散が、排ガス流中において得られ、反応剤の蒸発はそれゆえ改良される。
【００２２】
本方法の１つの改良において、排気ラインへ付与される反応剤の液滴の大きさは可変である。これは、付与ユニットのノズルが、排ガスの速度および反応剤の供給の速度に特に応じて、異なる大きさの液滴を生成することができることを特に意味する。さらに、付与ユニットの非対称に構成されたノズルによって、噴霧円錐内の液滴の大きさは、異なるようになされていてもよいので、その結果、反応剤は、構成要素の第２の端部側において、排ガス流の流れの状態に応じて、できるかぎり最も均一での面積に対する付与で堆積可能である。特に、構成要素の第２の端部側のさらに離れた領域に向けられる付与ユニットの噴霧円錐の領域内のこれらの液滴は、付与ユニットから第２の端部側までのわずかな短い距離を覆わなければならない液滴よりも、より大きい。
【００２３】
液滴の大きさは、排ガスの速度、付与ユニットの角度、および供給される反応剤の速度に応じて、特に選択されるべきである。液滴は、２００μｍ（マイクロメートル）よりも大きい直径（も／のみ）を有して生成されることが好ましく、これらの液滴は、約２０〜２５ｍ／ｓの排ガスの速度にて、構成要素の第２の端部側の、さらに離れた領域に到達することができる。この方法はまた、本装置および／または本方法の上述の実施形態とは関係なく実現されてもよい。別の方法において、より小さな液滴が用いられてもよい。
【００２４】
さらなる実施形態によれば、最大の液滴と最小の液滴との比が少なくとも３：１である。生成される最小の液滴は、付与ユニットに対してほんのわずかな間隔を有して配置された第２の端部側のそれらの領域に好ましくは供給され、他方で、最大の液滴、特に、少なくとも２００μｍ（マイクロメートル）の液滴の直径を有する液滴が、第２の端部側の離れた領域に供給される。
【００２５】
さらなる有利な実施形態において、排気ラインへ付与される反応剤の液滴の速度は可変である。ここでもまた、付与ユニットから離れている、構成要素の第２の端部側のそれらの領域に衝突する液滴の速度は、より速い液滴速度を有するべきである。特に、パラメータの液滴の大きさおよび液滴の速度の適合は、互いに連動され、適切な場合には組み合わされるべきである。
【００２６】
さらなる有利な実施形態において、液滴の最高の速度と最低の速度との比は少なくとも３：１である。
【００２７】
さらに、反応剤の付与は、付与ユニットに加えられる付与圧力によって制御されることが有利にも提供され得る。この結果として、反応剤の供給ライン中の圧力は、（ノズルのための（異なる）設定を変更する必要なく）適合されることが可能である。この目的のために、例えば、供給ライン中の適切な所望の付与圧力を設定するために、圧力制御バルブに対して、ポンプが搬送圧力を設定することが可能であり、かつ、バルブは、所望の量（液滴、速度）を排気ラインへと注入することが可能である。この方法はまた、上述の本装置および／または本方法に関係なく、実現されてもよい。
【００２８】
本発明に係る装置および／または本方法に係る発明は、特に、自動車において用いられるために提供され、適切な場合には、互いに組み合わされてもよい。
【００２９】
本装置および本方法は、好ましくは、液体の尿素水溶液を付与するのに役立ち、構成要素は、第２の端部側の１つの部分上に、少なくとも加水分解コーティン部を有する。
【００３０】
本発明および技術分野は、図面を元にして以下でさらに詳細に説明される。図面は、本発明の特に好ましい構成の変形を示すが、本発明はそれらに限定されないことが指摘される。また、同様の参照符号は、図面において同一の対象のために用いられる。図面において各々は概略的に示される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】自動車内における装置。
【図２】装置の第１の実施形態。
【図３】反応剤が導入される場合の装置の第１の実施形態。
【図４】球形の第２の端部側を有する、装置の第２の実施形態。
【図５】傾斜した第２の端部側を有する装置の第３の実施形態。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、内燃エンジン３および排ガス流２が流れる排気ライン４を有する自動車１８における装置１を示す。ここで、１つの構成要素５が排気ライン４内に配置され、この構成要素５は、上流の第１の端部側６、下流の第２の端部側７、および構成要素５の下流に配置された付与ユニット８を有する。この付与ユニット８は、供給ライン２５を介してポンプ２３およびタンク２４へ連結される。さらに、圧力制御バルブ２２もまた、供給ライン２５に連結されてもよく、ポンプ２３によって供給ライン２５内に提供される搬送圧力は、適切な場合、圧力制御バルブ２２によって付与圧力まで低減可能である。反応剤は次いで、供給ライン２５から、その付与圧力で、排気ライン４へと導入される。この目的のために、付与ユニット８が制御されるバルブで形成されており、これにより、所望の量の還元剤が所望の時間において排気ライン４へ運ばれる。
【００３３】
図２は排気ライン４中に配置された構成要素５を有する装置１を示し、ここで排ガス流２は、第１の端部側６を有する構成要素５を、第２の端部側７の方向に、第１の端部側６を通過する。第２の端部側７は、排気ライン４の断面積に略相当する面積１５を有する。構成要素５の下流において、層流領域１２が生成され、これは構成要素５の第２の端部側７から距離１０まで延びる。装置１が動作する間に常に存在するこの層流領域１２内に、反応剤を再生可能に導入することができ、その結果、表面１５への反応剤の均一の面積に対する付与（ｕｎｉｆｏｒｍ  ａｒｅａ  ｌｏａｄｉｎｇ）が達成可能である。反応剤のための付与ユニット８は、第２の端部側７から僅かな短い距離１０のところで配置され、その結果、特に、全ての量の反応剤は、層流領域１２を通過して構成要素５の第２の端部側７へと移動する。ここで、付与ユニット８は、排気ラインの直径１４の外側に配置され、かつ特に排ガス流２が横断しない、排気ライン４の部分的領域１１内において、ノズル２０を有して配置され、その結果、第１に、付与ユニット８は排ガス流２に含有される粒子で汚染されず、または損傷されず、第２に、噴霧円錐（ｓｐｒａｙ  ｃｏｎｅ）が、再生可能かつ特定可能なように形成可能である。
【００３４】
図３は排気ライン４における構成要素５を示し、排ガス流２は、第１の端部側６から第２の端部側７へ、装置１の構成要素５を通って流れる。構成要素５の下流に配置されている、反応剤９のための付与ユニット８は、排気ライン４へ噴霧円錐１３で噴霧し、この噴霧円錐１３は、構成要素５の面積１５をできる限り完全に覆う。ここで、液滴１７は噴霧円錐１３内に形成され、この液滴１７は、少なくとも、排ガス速度、第２の端部側７の壁領域と付与ユニット８との間隔、および付与ユニット８の角度１９に応じて、それらの大きさおよび速度に関して適合される。
【００３５】
図４は、構成要素５および第１の端部側６を有する装置１を示し、ここで第２の端部側７は、第２の端部側７への反応剤９のできる限り一定した面積に対する付与を可能にするように、付与ユニット８に対して球形の構成で提供される。付与ユニット８の噴霧円錐１３は、次いで、構成要素５の第２の端部側７への、できる限り均一の面積に対する付与を達成するように、非対称にされる必要がある。ここで、反応剤９は、第２の端部側７の最も外側の境界に衝突するだけでなく、構成要素５の表面１６と少なくとも部分的に接触して、その結果、反応剤９によって濡らされた表面１６は、第２の端部側７の端側領域１５よりも大きい。距離１０は、付与ユニット８と第２の端部側７との間の間隔として規定され、ここで距離１０は、層流領域１２中の排ガス流２の主な流れ方向において測定される。
【００３６】
図５は、装置１のさらに特定の有利な実施形態を示し、ここで構成要素５は傾斜角度２１で傾けられた第２の端部側７を有し、この傾斜角度により、付与ユニット８の噴霧円錐１３を用いて、構成要素５の面積１５へのできる限り一定の面積に対する付与が達成可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１  装置
２  排ガス流
３  内燃エンジン
４  排気ライン
５  構成要素
６  第１の端部側
７  第２の端部側
８  付与ユニット
９  反応剤
１０  距離
１１  部分的領域
１２  層流領域
１３  噴霧円錐
１４  排気ラインの直径
１５  面積
１６  表面
１７  液滴
１８  自動車
１９  角度
２０  ノズル
２１  傾斜角度
２２  圧力制御バルブ
２３  ポンプ
２４  タンク
２５  供給ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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