(57)【要約】  エンジンからの排気物を低減するための排気ガス処理システムは、エンジンから排気処理装置に排気流を供給するように構成された排気管路を含む。インジェクタは、開口から排気流へと試薬を噴射する。渦ブレーカは、上記開口を通って延びる円筒状スリーブを有するマウントと、上記円筒状スリーブ内に配置されるとともに取り付けられたフレアチューブとを含む。窓が上記円筒状スリーブの上流側部分を通って延び、上記フレアチューブを排気流に晒す。上記スリーブは上記窓と流体的に連通する下流側開口を含む。
2013543561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの排気物を低減するための排気ガス処理システムであって、
排気処理装置と、
開口を含み、エンジンから排気処理装置に排気流を供給するように構成された排気管路と、
上記開口から排気流へと試薬を噴射するためのインジェクタと、
上記開口を通って延びる円筒状スリーブを有するマウントと、上記円筒状スリーブ内に配置されるとともに取り付けられたフレアチューブとを含み、窓が上記円筒状スリーブの上流側部分を通って延びて上記フレアチューブを排気流に晒し、上記スリーブは上記窓と流体的に連通する下流側開口を含む渦ブレーカと、
を備えるシステム。
【請求項２】
上記フレアチューブは、上記スリーブから離して配置された自由端部を含み、この自由端部を越えて上記排気流の一部が流れる、
請求項１の排気ガス処理システム。
【請求項３】
上記インジェクタは、上記スリーブおよび上記フレアチューブを通して試薬を噴射するように動作可能である、
請求項２の排気ガス処理システム。
【請求項４】
上記フレアチューブの上記自由端部は、実質的な円柱形状を含む、
請求項２の排気ガス処理システム。
【請求項５】
上記フレアチューブのフレア端部は、上記自由端部の反対側に配置され、上記チューブの最大外径部分を含む、
請求項４の排気ガス処理システム。
【請求項６】
上記フレア端部の外径は、上記スリーブの内径よりも大きい、
請求項５の排気ガス処理システム。
【請求項７】
上記窓および上記フレアチューブの露出部分は、排気流を第１および第２の通路に導くスクープとして機能する、
請求項１の排気ガス処理システム。
【請求項８】
上記第１の通路は、上記窓から、上記フレアチューブの外表面に沿って、上記下流側開口へと延びる、
請求項７の排気ガス処理システム。
【請求項９】
上記第２の通路は、上記窓から、上記チューブの外表面を横切り、上記チューブの上記自由端部で反対方向に向きを変え、上記チューブを通って上記チューブの上記フレア端部に延びる、
請求項８の排気ガス処理システム。
【請求項１０】
上記渦ブレーカは、上記排気流を変化させて、上記排気流に試薬を噴霧するとともに上記マウントの近傍の試薬付着物を最小化する、
請求項１の排気ガス処理システム。
【請求項１１】
排気管路と、排気流に試薬を噴射するためのインジェクタとを含む排気ガス処理システムのための排気ガス流渦ブレーカであって、
上記排気流およびフランジ内に配置されるように構成された円筒状スリーブを含み、上記管路に上記インジェクタを取り付けるように構成されたマウントと、
上記スリーブに取り付けられたフレア端部と、上記スリーブから離して配置された自由端部とを有し、上記円筒状スリーブ内に配置され、窓が上記円筒状スリーブの上流側部分を通って延びて上記フレア端部を排気流に晒し、上記スリーブは下流側開口をさらに含む、チューブと、
上記窓と上記下流側開口との間に延び、上記排気流を受ける第１の通路と、
上記窓から、上記チューブの外表面を横切り、上記チューブの上記自由端部で反対方向に向きを変え、上記チューブを通って上記フレア端部に延び、上記排気流を受ける第２の通路と、
を備える渦ブレーカ。
【請求項１２】
上記フランジは、上記管路に取り付けられるように構成された、
請求項１１の排気ガス流渦ブレーカ。
【請求項１３】
上記フレアチューブの上記自由端部は、実質的な円柱形状を含む、
請求項１１の排気ガス流渦ブレーカ。
【請求項１４】
上記チューブのフレア端部は、上記チューブの最大外径部分を含む、
請求項１３の排気ガス流渦ブレーカ。
【請求項１５】
上記フレア端部の外径は、上記スリーブの内径よりも大きい、
請求項１４の排気ガス流渦ブレーカ。
【請求項１６】
上記窓および上記フレアチューブの露出部分は、排気流を上記第１および第２の通路に導くスクープとして機能する、
請求項１１の排気ガス流渦ブレーカ。
【請求項１７】
上記第２の通路は、上記チューブの上記自由端部の全ての円周を含む、
請求項１１の排気ガス流渦ブレーカ。
【請求項１８】
上記第１および第２の通路は、互いに連通している、
請求項１１の排気ガス流渦ブレーカ。
【請求項１９】
上記第２の通路は、上記チューブの上記自由端部から離して上記自由端部と同軸で配置されたトーラス状の表面を含む、
請求項１１の排気ガス流渦ブレーカ。
【発明の詳細な説明】
【発明の概要】
【０００１】
分野
本開示は、インジェクタシステムに関し、特に試薬をエンジンからの排気流に噴射するためのインジェクタシステムに関する。
【０００２】
背景
本セクションは、本開示に関連する背景情報を提供するが、この情報は必ずしも先行技術ではない。
【０００３】
希薄燃焼エンジンは、燃料の完全燃焼に必要な量を超える十分な酸素にて動作することにより、改善された燃料効率を提供する。そのようなエンジンは、“希薄”あるいは“希薄混合気”を燃料とすると言われている。しかしながら、この燃料経済性の増加は、具体的には窒素酸化物（ＮＯｘ）の形である好ましくない汚染排気によって相殺される。
【０００４】
希薄燃焼内燃エンジンからＮＯｘ排気物を減らすために用いられる１つの方法として、選択接触還元（ＳＣＲ）が知られている。例えばディーゼルエンジンからＮＯｘ排気物を減らすために用いられるＳＣＲは、排気ガス温度、エンジン燃料流量にて計測されるエンジン負荷あるいはエンジンｒｐｍ、ターボブースト圧あるいは排気ＮＯｘ質量流量のような、１又はより多数の選択されたエンジン運転パラメータに関連した、エンジンの排気流への細分化された試薬の噴射を伴う。試薬／排気ガス混合気は、触媒を含む反応装置を通過する。触媒は、試薬の存在の下にＮＯｘ濃度を減らすことが可能な、例えば活性炭、あるいは、プラチナ、バナジウムあるいはタングステンのような金属である。
【０００５】
尿素水溶液は、ディーゼルエンジンに対するＳＣＲシステムにおける効果的な試薬として知られている。しかしながら、そのような尿素水溶液や他の試薬の使用は、不利益を含み得る。尿素には高い腐食性があり、例えば排気ガス流に尿素混合気を噴射するために用いられるインジェクタのようなＳＣＲシステムの機械部品を侵食する。尿素は、ディーゼル排気システムにて稀に生じるような高温に長時間晒されることにより凝固する傾向がある。固化された尿素は、典型的にはインジェクタに見られる出口オリフィス開口や狭い通路に蓄積するかもしれない。固化された尿素は、インジェクタの可動部を妨げるとともにあらゆる開口を塞ぎ、インジェクタを使用不可能にする。固化された尿素は、システムにおける背圧および排気減少の問題を引き起こすかもしれない。この懸念は、試薬がＮＯｘを減らす代わりに付着物を生成するために存在する。
【０００６】
いくつかの現在のインジェクタシステムは、インジェクタを排気管から所定距離に位置決めする取付方法を含む。いくつかのインジェクタ取付方法は、“ドッグハウス”あるいは“スタンドオフ”型に関連する。この取付方法は、インジェクタの取り付け場所および試薬出口オリフィスあるいはその近辺に、再循環渦および冷却スポットをもたらし得る。
【０００７】
尿素の噴射に際し、取り付け領域において低下した温度および再循環渦は、取り付け領域を塞ぎ、排気ガス流に突き出す試薬付着物をもたらし得る。
【０００８】
加えて、もし試薬混合気が最終的に細分化されなければ、試薬付着物が触媒反応装置に形成され、触媒の働きを抑制し、それによってＳＣＲシステムの有効性が減少する。高い噴射圧は、尿素混合気の不十分な細分化の問題を最小化する一つの方法である。しかしながら、高い噴射圧は、排気流への噴霧煙の超過浸透をしばしばもたらし、インジェクタの反対にある排気管の内表面に噴霧煙を衝突させる。超過浸透は、尿素混合気の非効率な使用をもたらし、車両が低減されたＮＯｘ排気物にて運転できる範囲を狭める。限られた量の試薬のみが車両にて搬送でき、この搬送物は車両範囲を効率よく最大限化するために使用され、試薬の補充の必要性を減らすべきである。
【０００９】
さらに、試薬は弱い滑剤であるかもしれない。この特性は、インジェクタの可動部に悪影響を及ぼし、インジェクタにおいて相対的に動く部分間の格別な嵌め合い、隙間、および耐性の採用が必要となる。いくつかの試薬は、漏出する強い傾向を有する。この特性は、合わせ面に悪影響を及ぼし、多くの場所において強化された密閉材が必要となる。
【００１０】
試薬の付着物を最小化するとともにインジェクタ部品の寿命を延ばす、希薄燃焼エンジンの排気流に試薬を噴射するための装置および方法を提供することは有利であり得る。本開示における装置および方法は、前述の、あるいは他の長所を提供する。
【００１１】
概要
このセクションは、本開示の概要を提供する。このセクションは、本開示の全ての範囲あるいは特徴に関する包括的な開示ではない。
【００１２】
エンジンからの排気物を減らす排気ガス処理システムは、エンジンから排気処理装置へ排気流を供給するように構成された排気管路を含む。インジェクタは、開口から排気流へと試薬を噴射する。渦ブレーカは、上記開口を通って延びる円筒状スリーブを有するマウントと、上記円筒状スリーブ内に配置されるとともに取り付けられたフレアチューブとを含む。窓が上記円筒状スリーブの上流側部分を通って延び、上記フレアチューブを排気流に晒す。上記スリーブは上記窓と流体的に連通する下流側開口を含む。
【００１３】
排気ガス流渦ブレーカは、排気ガス処理システムに対して設けられる。
【００１４】
上記排気ガス処理システムは、エンジンから排気処理装置に排気流を供給する排気管路と、排気流に試薬を噴射するためのインジェクタとを含む。上記渦ブレーカは、上記インジェクタを上記管路に取り付けるように構成されたマウントを備える。上記マウントは、排気流およびフランジ内に配置されるように構成された円筒状スリーブを含む。チューブは、上記スリーブに取り付けられたフレア端部と、上記スリーブから離して配置された自由端部とを有する。窓が上記円筒状スリーブの上流側部分を通って延びて上記フレア端部を排気流に晒す。上記スリーブは、下流側開口をさらに含む。第１の通路は、上記窓と上記下流側開口との間に延び、上記排気流を受ける。第２の通路は、上記窓から、上記チューブの外表面を横切り、上記チューブの上記自由端部で反対方向に向きを変え、上記チューブを通って上記フレア端部に延び、上記排気流を受ける。
【００１５】
さらなる応用分野は、以下に提供される説明から明らかになる。この概要における説明および特定の例は、例示を目的とするものであって、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
以下に説明される図面は選択された実施形態の例示のみを目的とし、考えられる実施態様の全てではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【図１】図１は、本開示に係るインンジェクタ配置を用いた排気コントロールシステムを備える代表的な内燃エンジンの概略図を示す。
【図２】図２は、排気ガス処理装置の斜視図である。
【図３】図３は、図２に示された装置の断面図である。
【図４】図４は、排気ガス処理装置の排気渦ブレーカ部分の斜視図である。
【図５】図５は、排気ガス処理装置の排気渦ブレーカ部分の上面図である。
【図６】図６は、排気ガス処理装置の排気渦ブレーカ部分の側面図である。
【図７】図７は、排気ガス処理装置のアダプタの斜視図である。
【図８】図８は、排気渦ブレーカおよびアダプタの断面図である。
【図９】図９は、渦ブレーカを通る排気流の速度分布モデルである。
【００１７】
各図のいくつかの範囲において、同一の符号は同一の部分を示す。  
詳細な説明
添付図面を参照して、実施形態の例をより詳細に説明する。
【００１８】
本開示はディーゼルエンジンおよびＮＯｘ排気物の削減に関して説明するが、本開示は、限定的でない例として、ディーゼル、ガソリン、タービン、燃料電池、噴射式あるいは排気流を出力するあらゆる他の動力源のような多数の排気流のいずれかに関して使用されてもよい。さらに、本開示は、多数の好ましくない排気物のいずれかに関して使用されてもよい。例えば、ディーゼル微粒子除去装置の再生のための炭化水素の噴射も、本開示の範囲に含まれる。追記として、“Method And Apparatus For Injecting Atomized Fluids”のタイトルで同一出願人により2008年11月21日に提出された米国特許出願公開第2009/0179087A1が着目されるべきであり、この文献は参照によって本開示に組み込まれる。
【００１９】
図面の参照とともに、ディーゼルエンジン２１の排気からＮＯｘ排気物を低減するための汚染制御システム８が提供される。図１において、システムの要素間の実線は試薬の流線を表し、破線は電気的な接続を表す。本開示に係るシステムは、試薬を貯留するための試薬タンク１０と、試薬をタンク１０から搬送するための搬送モジュール１２とを含んでもよい。試薬は、尿素溶液、炭化水素、アルキルエステル、アルコール、有機化合物、水などであってもよく、それらの組み合わせあるいは混合であってもよい。１またはより多数の試薬がシステムにおいて使用可能であり、それらが単独あるいは組み合わせて使用されてもよい。タンク１０および搬送モジュール１２は、統合された試薬タンク／搬送モジュールを形成してもよい。また、システム８の一部として、電子噴出コントローラ１４と、試薬インジェクタ１６と、排気システム１９とが設けられる。排気システム１９は、排気流を触媒床１７に供給する排気管路１８を含む。
【００２０】
搬送モジュール１２は、タンク１０から供給配管９を介して試薬を供給するポンプを備えてもよい。試薬タンク１０は、ポリプロピレン、エポキシ樹脂塗装炭素鋼、ＰＶＣ、あるいはステンレス鋼であってもよく、上記出願に係る大きさであってもよい（例えば、車両サイズ、車両の使用意図など）。圧力調節器（図示されず）がシステムを所定の圧力設定点（例えば、約６０−８０psiの比較的低い圧力、あるいはいくつかの実施形態においては約６０−１５０psiの圧力）に保つために設けられ、当該圧力調節器は試薬インジェクタ１６からの戻り配管３５に配置される。圧力センサが試薬インジェクタ１６に繋がる供給配管９に設けられてもよい。システムは、凍結した試薬を解凍し、あるいは試薬を凍結から防ぐための種々の凍結防止方策を取り入れてもよい。システムの動作において、インンジェクタが試薬を排気ガスに放出するか否かに関わらず、インジェクタを冷却するとともに試薬が低温に保たれるようにインジェクタにおける試薬の滞留時間を最小化するために、試薬はタンク１０および試薬インジェクタ１６の間で連続的に循環されてもよい。
【００２１】
連続的な試薬の循環は、エンジン排気システムにおいて生じ得る３００℃から６５０℃の高温に晒されると固化し易い含水尿素のような温度感受性試薬に関しては、必要であり得る。
【００２２】
さらに、試薬の固化が確実に防止されるように、試薬混合物を１４０℃以下、好ましくは５℃から９５℃のより低い動作範囲に保つことが望ましいかもしれない。固化された試薬は、仮に形成を許したならば、インジェクタの開口部や可動部を妨害するかもしれない。
【００２３】
必要な試薬の量は、負荷、エンジンＲＰＭ、エンジン速度、排気ガス温度、排気ガス流量、エンジン燃料噴射タイミング、望まれるＮＯｘ低減、気圧、相対湿度、ＥＧＲレート、および、エンジン冷媒温度によって変わるかもしれない。ＮＯｘセンサあるいは計測器２５は、触媒床１７の下流に配置される。ＮＯｘセンサ２５は、排気ＮＯｘ含有量を示す信号をエンジンコントロールユニット２７に出力するように動作可能である。全てあるいはいくつかのエンジン動作パラメータが、エンジン／車両データバスを介して、エンジンコントロールユニット２７から試薬電子噴射コントローラ１４に供給されてもよい。試薬電子噴射コントローラ１４は、エンジンコントロールユニット２７の一部として含まれてもよい。排気ガス温度、排気ガス流量および排気背圧、さらには他の車両動作パラメータは、それぞれのセンサによって計測されてもよい。
【００２４】
図２−図８を参照し、排気ガス処理アセンブリ１００が、排気管路１８およびインジェクタ１６を含んで形成される。排気管路１８は、排気通路１０４を形成する実質的に円筒状のチューブ１０２を含む。円筒状チューブ１０２は、内表面１０６および外表面１０８を含む。
【００２５】
インジェクタ１６は、軸方向に移動可能なバルブ部材１５４を受ける円筒状のチャンバ１５２を形成する本体１５０を含む。本体１５０は、噴射試薬の排出場所としての出口オリフィス１５６を含む。バルブ台座１４６が出口オリフィス１５６の近傍に形成され、選択的にバルブ部材１５４と嵌め合って排気ガス流路への試薬噴射を制御する。バルブ部材１５４は、試薬噴射１５８の軸に沿って移動可能である。
【００２６】
アダプタ１５９は、本体１５０に取り付けられ、放射状に外に向かって延びるフランジ１６０を含む。渦ブレーカ１６２は、フランジ１６０および外表面１０８の間に差し込まれてもよい。クランプ（図示されず）あるいはいくつかの他の適した連結装置がフランジ１６０と渦ブレーカ１６２をチューブ１０２に取り付ける。
【００２７】
渦ブレーカ１６２は、フレアチューブ１７２に取り付けられたマウント１７０を含む。
【００２８】
マウント１７０は、フランジ１７６に取り付けられた実質的に円筒形状の中空本体１７４を含む。穴１７８は本体１７４と同じくフランジ１７６を通って広がり、内部の実質的に円筒形状の表面１８０によって形成される。本体１７４は、外部の円筒形状の表面１８２を含む。
【００２９】
窓１８４は、フランジ１７６と反対側の本体１７４の端部に設けられる。窓１８４は、第１の軸方向延在面１８６と第２の軸方向延在面１８８とで形成される。円周に延びる端面１９０は、第１の軸方向延在面１８６と第２の軸方向延在面１８８とを相互に連結する。円周端面１９０は、本体１７４の終端面１９２からオフセットしている。端面１９０は、全体として端面１９２と平行する曲面であると考えられる。より具体的には、端面１９０は、第１の軸方向延在面１８６と第２の軸方向延在面１８８との間の円周中点における高さ１９６が最大となるように僅かに反っている。
【００３０】
好ましくは、フレアチューブ１７２は、外表面２００および内表面２０２を有する薄壁の金属部材として構成される。表面２００，２０２は、放物線状、円錐形、あるいはいくつかの他の幾何学的形状を有する末広がりの表面として形成されてもよい。フレアチューブ１７２は、第１の自由端部２０４および第２の端部２０６を含む。フレアチューブ１７２は、フレアチューブ１７２の端部２０６が端面１９２を超えて軸方向に極僅かに突出するように、穴１７８内に配置される。第２の端部２０６において、外表面２００は、外に向かって放射状に広がり、穴１７８よりも僅かに大きい最大直径を形成する。そのため、フレアチューブ１７２が穴１７８に挿入された際に、端面１９２の内縁部がフレアチューブ１７２の表面２００と嵌め合う。フレアチューブ１７２は、溶接のような適当な処理によってこの場所においてマウント１７０に取り付けられる。自由端部２０４を含むフレアチューブ１７２の残りの部分は、マウント１７０から離して配置される。
【００３１】
フレアチューブ１７２がマウント１７０に一度取り付けられると、フレアチューブ１７２と本体１７４の一部が取り除かれる。切削あるいは研磨処理は、本体１７４の一部とフレアチューブ１７２の一部を効率的に取り除き、開口２１０を形成する。表面２００のテーパ形状および穴１７８の円筒形状によって、通気路２１２が形成される。通気路２１２は、窓１８４から、外表面２００に沿って開口２１０に繋がる。
【００３２】
図３に示されるように、渦ブレーカ１６２は、排気管路１８を通って流れる排気流において、窓１８４が上流に位置し、開口２１０が下流に位置するように方向付けられる。窓１８４は、窓１８４の上流位置における排気流にフレアチューブ１７２の一部を晒す。フレアチューブ１７２がその長さの大部分において円筒チューブ１０２から離して配置されているために、窓１８４および外表面２００は、排気流の一部を渦ブレーカ１６２に導くスクープとして作用する。排気流の一部は、通気路２１２に沿って進む（図４および図５）。排気流の他の部分は、参照符号２１３にて示された第２の通路を流れる（図９）。
【００３３】
図８において最も良く示されたように、アダプタ１５９は、フランジ１６０からボア１７８へと軸方向に延びるボス２１４を含む。穴２１６は、ボス２１４を通って延び、噴射試薬の排気通路１０４への流入を可能とする。半トロイダル表面２１８がボス２１４の下方に形成され、通路２１３を形成すべく自由端部２０４から間隔が空けられている。通路２１３は、窓１８４から、外表面２００に沿って、第１の端部２０４で反対方向に向きを変え、内表面２０２を横切り、第２の端部２０６へと達する。通路２１３は、第１の端部２０４の全ての円周に沿って広がる。
【００３４】
エンジン２１の運転に際して、燃焼が排気管路１８を通る排気流を生む。電子コントローラ１４が試薬の噴射が生じるべきと判定したとき、軸方向に移動可能なバルブ部材１５４は、加圧された尿素が出口オリフィス１５６から穴２１６およびフレアチューブ１７２を経て排気流路に噴射されるように移動する。
【００３５】
図９は、渦ブレーカ１６２の使用に伴う噴射試薬および排気流の速度分布を示す。同図に示された速度分布に基づくと、インジェクタ１６によって供給された試薬がアダプタ１５９およびマウント１７０を通して噴射され、フレアチューブ１７２を通って下方に流れる排気流に乗ることが分かる。渦ブレーカ１６２の形状に基づくと、試薬と排気ガスとの完全な混合が生じ、マウント１７０および出口オリフィス１５６あるいはその近辺における付着物を最小化する。
【００３６】
上述の実施形態の説明は、図示および説明を目的として与えられたものである。網羅的であること、あるいは開示を限定することは意図されていない。個々の要素あるいは特定の実施形態の特徴は、概してその特定の実施形態に限定されず、適用可能であれば、明示あるいは記述されていないとしても、それらは置換可能であり、選び出された実施形態にて使用されることもできる。同様の構成が様々な態様に変形されてもよい。
【００３７】
そのようなバリエーションは、開示から離れたものとみなされるものではなく、全てのそのような修正は、開示の範囲に含まれることを意図している。
【図１】
2013543561.tif 000003
【図２】
2013543561.tif 000004
【図３】
2013543561.tif 000005
【図４】
2013543561.tif 000006
【図５】
2013543561.tif 000007
【図６】
2013543561.tif 000008
【図７】
2013543561.tif 000009
【図８】
2013543561.tif 000010
【図９】
2013543561.tif 000011
【国際調査報告】
2013543561.tif 000012
2013543561.tif 000013