(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管内への更なる導入のために、尿素水溶液の液体還元剤を気体と混合するための、前記還元剤のための調量モジュールであって、
案内管を備えた調量弁と、圧縮空気路と、混合室と、を備え、
前記還元剤のための前記案内管の出口開口部は、前記混合室内で、前記調量モジュールの中軸から離隔して配置され、
前記案内管は、開いた末端が槽形状に閉じており、側面に前記還元剤のための出口開口部を有することを特徴とする、調量モジュール。
【請求項２】
前記配置された出口開口部は、前記混合室の内壁の方向を向くことを特徴とする、請求項１に記載の調量モジュール。
【請求項３】
前記圧縮空気路の直径は、前記案内管の直径よりも小さいことを特徴とする、請求項１または２に記載の調量モジュール。
【請求項４】
前記案内管の前記直径は、前記圧縮空気路の前記直径よりも、少なくとも１．１倍大きいことを特徴とする、請求項３に記載の調量モジュール。
【請求項５】
前記圧縮空気路は中央で細くなることを特徴とする、請求項３又は４に記載の調量モジュール。
【請求項６】
前記圧縮空気路は、逆止弁を備えることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載の調量モジュール。
【請求項７】
前記逆止弁は、ばね荷重型ボール弁であることを特徴とする、請求項６に記載の調量モジュール。
【請求項８】
システムの停止時に、前記混合室が換気されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の調量モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気管への更なる導入のために、液体還元剤、特に尿素水溶液を気体、特に空気と混合するための、上記還元剤のための調量モジュールに関する。調量モジュールは、案内管を備えた調量弁と、圧縮空気路と、混合室とを備える。
【背景技術】
【０００２】
立法機関により要請される窒素酸化物の排出制限値によって、車両の場合、例えば、内燃機関の未処理の排出ガスに含まれる窒素酸化物の選択的触媒還元法（ＳＣＲ）を行う排気後処理装置が必要とされる。排気浄化のためのこのＳＣＲ方法は従来技術で公知である。
【０００３】
このような排気後処理装置の例が、国際公開第０２／０７９１６号明細書に開示されている。上記明細書では、調量モジュールにおいて、排気に導入される、還元剤、好適に尿素水溶液を利用して、調量弁を介して、液体還元剤、及び追加的に圧縮空気が混合室内へと運ばれる。混合室内では、還元剤−空気―混合物（Ｒｅｄｕｋｔｉｏｎｓｍｉｔｔｅｌ−Ｌｕｆｔ−Ｇｅｍｉｓｃｈ）が発生し、当該混合物が排気管内へと運ばれる。
【０００４】
調量モジュールは調量弁及び混合室を備え、その際に、混合室は通常、耐食鋼から成るハウジング内に配置され、当該ハウジング内では、弾性プラスチック、例えば、「フッ素シリコン」（“Ｆｌｕｏｒ−Ｓｉｌｉｋｏｎ”）から成るプロファイルガスケットが使用される。当該ガスケットは逆戻り弁として機能するため、圧縮空気は混合室に達しうるが、尿素水溶液は可能な限り圧縮空気内に達しえない。一方では、尿素水溶液の乾燥時に、圧縮空気管を詰まらせる可能性がある尿素結晶が析出されうるため、他方では、尿素水溶液が、起こりうるアンモニアの分離により、圧縮空気システム内の構成要素に対して強い腐食作用を及ぼしうるため、このような制限は不可欠である。
【０００５】
さらに、駆動中に、噴射された尿素水溶液によって、案内管の外側の出口領域に尿素結晶が形成されうる可能性がある。この尿素結晶は、尿素水溶液により再び融解することができる。この融解が行われない場合には、尿素結晶は引き続き、案内管に添ってプロファイルガスケットの方向に成長し、時間の経過と共に補正領域の基本的な構成要素を覆う可能性がある。これにより、システムの故障に繋がりうるほど、流入する空気に対する抵抗が高くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願の課題は、冒頭に挙げた形態の調量モジュールであって、案内管の外側での尿素の結晶化が防止される上記調量モジュールを更に発展させることである。それと共に、調量モジュールの信頼性及び寿命を向上させるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本課題は、本発明に基づいて、還元剤のための案内管の出口開口部が、混合室内で、調量モジュールの中軸から離隔して配置されることによって解決される。例えば、還元剤のための出口開口部は、混合室の内壁の近傍の、混合室底部の上方に存在し、及び／又は、混合室の内壁の近傍に存在する。これにより、噴射された尿素水溶液は、混合室の表面を可能な限り完全に濡らすことが可能であり、混合室の表面では、対応する付着力が作用しうる。本発明の根底には、装置の適切なジオメトリ（Ｇｅｏｍｅｔｒｉｅ）によって、連続的に又は少なくとも短い時間間隔で、尿素結晶が晶出しうる領域を尿素水溶液により濡らした状態に保つという構想がある。従って、少なくとも、案内管の開いた末端の出口開口部のクリティカルな（ｋｒｉｔｉｓｃｈ）領域内、及び、空気進入開口部のクリティカルな領域内での晶出は可能ではなく、場合により形成された結晶は迅速に再び融解される。晶出は、尿素水溶液の乾燥後に発生しうる。さらに、案内管の適切な構成及び調量モジュールの組み込み位置によって、混合室内の可能な限り大きな領域を、継続的に、少なくとも短い時間間隔で、尿素水溶液により濡らすことが可能である。従って、本発明は安価であり、調量モジュールの基本的な機能は変わらないため、当該調量モジュールの確実な駆動を保障する。特に、時間の経過に伴って混合室の容積がもはや結晶の形成により小さくなることはなく、及び／又は、プロファイルガスケットの機能がもはや結晶形成により損なわれることもないため、調量モジュールの寿命が上がる。
【０００８】
本発明にとって重要な特徴が更に以下の明細書及び図面において示され、当該特徴は、その都度明示的には示されないが、単独でも、様々な組み合わせにおいても本発明にとって重要でありうる。好適な発展形態は、従属請求項において示される。
【０００９】
案内管が少なくとも還元剤の出口の領域において、調量モジュールの中軸に対して曲がっている場合には、本発明にとって有利である。これにより、出口開口部は、混合室の内壁の近傍に位置付けられる。噴射される尿素水溶液が、例えば混合室底部で反射されることにより、混合室の全ての内面が濡らされる。このことは更に、案内管が、テフロン又は他のフッ素樹脂、即ち表面張力が非常に低い素材で製造されることによって、及び、案内管が、出口開口部に向かって円錐形状に広がって構成されることにより支援される。出口開口部を大きくすることによって、混合室のより大きな領域を、尿素水溶液により濡らすことが出来る。案内管を案内するためのブッシュが、表面張力が低いテフロン又は他のフッ素樹脂で構成される案内管と一緒に製造され、従って、クリープ過程による空気進入領域内への尿素水溶液の移動が効果的に防止される。ブッシュの内面及び／又は外面のみに、テフロン又は他のフッ素樹脂を張ることも可能である。
【００１０】
代替的に、案内管は開いた末端が槽形状に閉じており、側面に還元剤のための出口開口部を有する。ここでは、案内管の少なくとも１つの部分が混合室の内壁の方へと移動しており、配置された出口開口部が内壁の方向を向いているようにすることが可能である。調量モジュールにより噴射された尿素水溶液は、案内管の槽形状の末端において方向転換し、側面の出口開口部を介して混合室全体に渡って分散され、これにより混合室の表面が完全に濡れる。
【００１１】
混合室が、排気管内へと案内する調量管の直上に円錐形状に形成される場合には、これにより好適に、全ての尿素水溶液が常に混合室から調量管内へと流れ込みうることも保障される。
【００１２】
例えば調量モジュールの圧縮空気路内に、噴射された尿素水溶液が溜まることを防止するために、圧縮空気路の直径が案内管の直径よりも小さいことが提案される。案内管は、圧縮空気路の直径よりも少なくとも１．１倍大きくするべきである。その際にまた、圧縮空気路がさらに途中、例えば中央で細くなる場合も有利である。圧縮空気路は、一方では、気流のための抵抗が調量モジュールのシステム機能に悪影響を及ぼさず、他方では、空気路内に発生しうる結晶又は付着している尿素水溶液を吹き出すことが可能な程度に空気路内の気流が高くなるような、小さな直径を有して実現されるべきである。圧縮空気路内が細くなることにより、この効果は支援される。空気路がテフロン又は他のフッ素樹脂で製造される場合には、クリープ過程による空気進入領域内への尿素水溶液の移動が防止される。
【００１３】
調量モジュールの他の実施形態において、圧縮空気路が逆止弁、特に、ばね荷重型ボール弁（ｆｅｄｅｒｂｅｌａｓｔｅｔｅｓ  Ｋｕｇｅｌｖｅｎｔｉｌ）を備える場合には特に有利である。その際に、逆止弁は、調量モジュールのハウジング内の横の空気進入領域内に設けることが可能であり、システムの停止状態において、調量弁の内側と外部の圧縮空気システムとの間でのガス交換を防止するという役目を有する。その際に、空気進入部は、調量モジュールのねじ接合部の直上に配置することが可能であるため、好適に、逆止弁として作用するシールリップを備えた従来の一般的なプロファイルガスケットを省略することが出来る。さらに、散在する（ｄｉｓｋｒｅｔ）混合室を省略することもでき、又は、当該混合室は少なくとも非常に縮小することができる。なぜならば、尿素水溶液−空気−混合物（Ｈａｒｎｓｔｏｆｆ／Ｗａｓｓｅｒ−Ｌｕｆｔ−Ｇｅｍｉｓｃｈ）は、案内管の領域内でも形成されうるからである。これにより、調量モジュールの全長が著しく縮小され、より簡単な製造によっても更に製造コストが節約される。
【００１４】
本実施形態において、案内管がその内部に案内されるブッシュが、ねじ接合部まで尿素水溶液がかかって濡れないように当該ブッシュが実現される場合には、調量モジュールのハウジングのために、従来では一般的であるよりも安価な素材（例えば、アルミニウム合金又はプラスチック）を利用することが出来る。なぜならば、この素材は、反応性の高い（ａｇｇｒｅｓｓｉｖ）尿素水溶液に対する耐性を有する必要がないからである。このことによっても製造コストが低減される。
【００１５】
調量モジュール内での尿素水溶液の晶出の防止は、システムの停止時に混合室が換気される場合にさらに促進される。システムが停止している間に、調量弁と、尿素水溶液と調量モジュールとの間の管内に存在する換気弁とが、混合室の圧力を周囲圧力に下げるために十分な時間の間開放される。調量弁は、調量モジュールの外側に配置することも出来る。混合室の圧力を下げる際には、調量管内の残りの尿素水溶液が、案内管内へと圧縮され、調量弁を介して調量モジュールから遠ざけられる。このことは、調量モジュールを制御するためのソフトウェアを変更することによって達成されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
以下では、図面を用いて、本発明の実施例が例示的に解説される。
【図１】排気後処理装置を備えた内燃機関の概略図を示す。
【図２】第１の実施形態における本発明にかかる調量モジュールの断面図を示す。
【図３】第２の実施形態における本発明にかかる調量モジュールの断面図を示す。
【図４】第３の実施形態における本発明にかかる調量モジュールの断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１には、排気後処理装置３を備えた内燃機関１が非常に簡素化されて概略的に示されている。排気後処理装置３は、排気管５と、酸化触媒コンバータ７と、ＳＣＲ触媒コンバータ１１と、を備える。通常では酸化触媒コンバータ７の下流側に配置されるパティキュレートフィルタは示されていない。排気管５を通る排気の流れ方向は、矢印（符号なし）で示されている。
【００１８】
ＳＣＲ触媒コンバータ１１に、還元剤、例えば、尿素水溶液又は他の還元剤を供給するために、ＳＣＲ触媒コンバータ１１の上流の排気管５に、尿素水溶液のための噴霧管１３が配置される。噴霧管１３は、必要な際に、ＳＣＲ触媒コンバータ１１の上流で、圧縮空気を用いて、尿素水溶液を排気管５内へと噴射する。噴霧管１３は、調量管１４を介して調量モジュール１５と接続されている。さらに、調量モジュール１５には、圧縮空気生成ユニット１７又は圧縮空気タンクからの圧縮空気を供給するための圧力管１６が設けられる。
【００１９】
調量システム全体は、噴霧管１３、調量管１４、及び調量モジュール１５の他に、調量ポンプ１８と、尿素水溶液用の貯蔵タンク１９と、を有する。調量ポンプ１８と調量モジュール１５との間に、第１の管（還元剤供給管）２０が設けられる。調量システムは追加的に換気弁２１を備える。換気弁２１は、調量モジュール１５に組み込まれてもよい。貯蔵タンク１９と調量ポンプ１８との間には、第２の管２２が設けられる。
【００２０】
第１の管２０から、換気弁２１を備えた戻り管２３が分岐している。戻り管２３を介して、過剰な尿素水溶液が貯蔵タンク１９へと送り戻される。当然のことながら、戻り管２３は、調量モジュール１５又は調量ポンプ１８から分岐することも可能である。
【００２１】
完全なものとするために、排気システム内に配置されるセンサ、即ち、窒素酸化物センサ２５、並びに、温度センサ２４及び２７が示される。これらセンサ２４、２５及び２７は、信号線（符号なし）を介して内燃機関１の制御装置２９と接続される。制御装置２９は内燃機関１を制御し、調量システムの制御装置２６へとデータを送信し、及び、調量システムの制御装置２６からデータを受信する。制御装置２６からの信号線、及び、制御装置２６への信号線は、図１では点線で示されている。
【００２２】
図２は、本発明にかかる第１の実施形態の調量モジュール１５の縦断面図を示す。本発明にかかる調量モジュール１５は、基本的に、調量弁３１と、案内管３３と、混合室３５と、を備える。調量弁３１は、制御装置２６により制御される。但し、圧力により作動されるパッシブな（ｐａｓｓｉｖ）調量弁（図示せず）も使用される。調量弁３１は、図２の上方から、調量モジュール１５のハウジング３７内へとはめ込まれる。案内管３３は最初、調量弁３１の中軸３６に従った後に図２の左の方へと曲がり、従って、案内管３３の開いた末端は、混合室３５の内側の側壁の近傍で終わる。その際、案内管３３の直径は突然大きくなり、その後、流れ方向に再度、円錐形状に先へと広がっている。案内管３３はブッシュ３９の一部であり、テフロン又は他のフッ素樹脂で製造される。車両に調量モジュール１５が組み込まれた後に、当該調量モジュール１５は、好適に、案内管３３の曲がっている部分の中軸６３が基本的に鉛直方向に通るように位置決めされるべきである。
【００２３】
案内管３３は、調量弁の出口４１に当接する。案内管３３又はブッシュ３９は、ハウジング３７内のプロファイルガスケット（Ｐｒｏｆｉｌｄｉｃｈｔｕｎｇ）４５の中心孔内に存在し、その際に、案内管３３は、ブッシュ３９の一部と共に、プロファイルガスケット４５から混合室３５内へと突き出ている。
【００２４】
プロファイルガスケット４５の領域内には、空気・圧力管１６（図１参照）のための接続口４７が設けられる。プロファイルガスケット４５とハウジング３７との間には、流入する圧縮空気のための空気路４９が配置される。プロファイルガスケット４５は、図２では下方の末端に、弾性のシールリップ５１であって、空気路４９を閉鎖し、即ちハウジング３７の内側の表面に当接する上記シールリップ５１を有する。その際、シールリップ５１は、当該シールリップ５１が圧縮空気の流れ方向に抗して鋭角を有するように形成される。これにより、シールリップ５１は、逆止弁の機能を有する。シールシップ５１の後ろでは、空気路４９が、さらに混合室３５内へと通じている。空気路４９のこの領域は、中央が追加的に細くなっている。
【００２５】
ハウジング３７は、流れ方向においてねじ接合部５５により閉鎖される。シールリング（Ｄｉｃｈｔｒｉｎｇ）５７は、接続箇所の必要な密閉をもたらす。ねじ接合部５５は中央に孔５９を有し、この孔５９は、混合室３５の延長であり、図２の下方の末端が、尿素水溶液のための調量管６１へと通じている。
【００２６】
第１の実施形態（図２）における調量モジュール１５は、以下のように機能する。即ち、尿素水溶液は、貯蔵タンク１９から調量ポンプ１８を介して調量モジュール１５へと供給される。調量弁３１は、調量モジュール１５内の所望の量の尿素水溶液を調量する。噴射された尿素水溶液は、曲がっている案内管３３を介して、図２の混合室３５の左の隅に達する。尿素水溶液は、１．５〜５バールの圧力により案内管３３内へと噴射されるため、当該尿素水溶液は混合室３５の底部で反射し、従って、混合室３５の全ての内面が濡れる。これにより、場合により混合室３５内に存在する尿素結晶が再び融解される。
【００２７】
それと共に、圧縮空気が、圧力管１６を介して調量モジュール１５の接続部４７へと圧送される。圧縮空気は空気路４９内に達し、空気路４９と混合室３５との間の定められた圧力差を上回る際に、シールリップ５１を開放する。これにより、圧縮空気が混合室３５に達する。混合室３５では、圧縮空気と還元剤とが混ざり、調量管６１内へと達し、そこから排気管５内へと達する。
【００２８】
図３は、第２の実施形態における調量モジュール１５の断面図を示す。図３及び図４では、図２の調量モジュール１５の構成要素及び領域と機能的に同一である構成要素及び領域に同一の符号が付され、再度詳細には解説しない。図２の調量モジュール１５との基本的な違いは、案内管３３、特に、尿素水溶液のための出口開口部を備えた案内管３３の構成及びガイドである。案内管３３の、出口４１の方を向いた領域は、図２と同一に形成され、図２のようにブッシュ３９内に案内される。図３の案内管３３の下方の部分は、図２とは異なり、直径が下端の角部を曲がって（Ａｂｓａｔｚ）右へと拡大している。しかし、案内管３３は同じ方向に先へと延びている。即ち、この領域内では、調量モジュール１５の中軸３６に関して、案内管３３の下方の部分に非対称な構成が形成される。案内管３３の開いた末端は槽形状の閉鎖部６５により軸方向に閉じられるが、槽形状の閉鎖部６５の上方の側面に尿素水溶液のための出口開口部６７を有する。その際に、突起部６９として形成された、槽形状の閉鎖部６５の流出口は、ねじ接合部５５内の混合室３５の、円錐形状に延びる内壁に当接する。
【００２９】
第２の実施形態（図３）における調量モジュール１５は、以下のように機能する。即ち、尿素水溶液は、図２に記載されたのと同じ経路を介して案内管３３内に達する。その際に、尿素水溶液は最初に、案内管３３の狭い部分を通って、続いて、案内管３３の広い部分を通って流れ、案内管３３の開いた末端の槽形状の閉鎖部６５に達する。ここで、尿素水溶液は約１２０°方向転換され、続いて、出口開口部６７を通って混合室３５内に入る。高速での尿素水溶液の方向転換によって、混合室３５の全ての内面が濡れる。好適には、車両内で調量モジュール１５の組み込み位置を斜めにすることによって、尿素水溶液が混合室３５内へと流れ、槽形状の閉鎖部６５が常に空にされることが保障される（符号７１参照）。ここでは、図２に記載されたように、尿素水溶液が圧縮空気と混ぜられる。混合室３５の内壁が斜めに形成されることにより、さらに、圧縮空気が加えられた全ての尿素水溶液が、調量管６１内を通って排気管５内へと流れ込みうる。その際に、混合室３５の大きな領域も濡れる。
【００３０】
２つの実施形態は、混合室の大きな部分が恒常的に又は短い時間間隔で液体還元剤により塗らされるため、結晶の形成が抑制され、場合により存在する結晶が融解されうるという点で共通している。
【００３１】
図４は、第３の実施形態における調量モジュール１５の断面図を示している。ここで示される調量モジュール１５内では、プロファイルガスケット４５を省略することが出来る。なぜならば、空気路４９が更に調量管６１の方向に、即ち、調量モジュール１５からの尿素水溶液の出口へと動かされているからである。空気路４９内には、逆止弁７３が配置される。ガスケットを省略することによって、調量モジュール１５はより短い全長を有する。それ以外は、図４の実施形態は、図３の実施形態に対応する。
【００３２】
第３の実施形態（図４）における調量モジュール１５は、以下のように機能する。即ち、尿素水溶液は、図３に記載されたのと同じ経路を介して案内管３３内へと達し、その際に、図４の案内管３３の狭い部分が非常に短縮される。続いて、尿素水溶液は、案内管３３の開いた末端の、槽形状の閉鎖部６５に達する。圧縮空気は、圧縮空気接続部４７を介して空気路４９内へと達し、即ち、空気路４９内に配置された逆止弁７３は、空気進入方向に開いている。空気／尿素水溶液−混合物（Ｌｕｆｔ／Ｈａｒｎｓｔｏｆｆ−Ｗａｓｓｅｒ−Ｇｅｍｉｓｃｈ）が、槽形状の閉鎖部６５の領域内において、調量管６１へと至るまで形成される。全ての更なる別の工程は、図３に記載された工程と同一である。ここでは、逆止弁７３が、システムの停止状態において、調量弁３１の内側と外部の圧縮空気システム（図示せず）との間でのガス交換を防止する役目を有する。それ以外は、逆止弁７３は、図２及び図３の実施例におけるシールリップ５１のように作用する。調量モジュール１５内の圧縮比及び調量モジュール１５の調量も変わらない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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