(57)【要約】  エンジンからの排出を削減するための試薬注入システムは、試薬容器を備えている。加熱素子は、容器内に貯留された試薬に熱伝達可能に配置されている。交換チューブは、再循環する液体試薬を受け取る第１端部、および容器内に配置された第２開口端部を備えている。交換チューブは、該交換チューブの第１端部と第２端部との間で分岐した取出チューブを含む。取出チューブの終端部は、試薬の表面上方の蒸気ドーム内に配置されている。
2013545037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの排出を削減するための試薬注入システムであって、
試薬容器と、
前記容器内に貯留された試薬に対して熱伝達可能に配置された加熱素子と、
再循環する液体試薬を受け取る第１端部、および前記容器内に配置された第２開口端部を有する交換チューブとを備え、
前記交換チューブは、該交換チューブの前記第１端部と第２端部との間で分岐した取出チューブを含み、
前記取出チューブの終端部は、前記試薬の表面上方の蒸気ドーム内に配置されていることを特徴とする試薬注入システム。
【請求項２】
前記交換チューブは、横軸方向に広がる複数の開口部を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記交換チューブの前記第２端部は、前記加熱素子に近接していることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記取出チューブの前記終端部は、試薬の凍結した部分に、再循環する液体試薬を向かわせるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記交換チューブは、前記容器内の間隔を空けて分離した領域間の圧力を均等化する、前記容器を通る複数の通路を有していることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記加熱素子は、前記容器の底部に近接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記容器と流体伝達可能な供給配管を経由して、液体試薬を汲み出すポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
汲み出されて再循環する、前記エンジンの排気に注入されなかった試薬を、前記交換チューブの前記第１端部に供給する戻り配管をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記供給配管と前記戻り配管との接合部に配置された、前記エンジンの排気に試薬を注入する注入器をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記供給配管は、前記容器の底部に近接して配置された入口を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記加熱素子は、前記容器内において、前記交換チューブの前記第２端部と、前記入口との間に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
エンジンからの排出を削減するための試薬注入システムであって、
注入器と、
試薬容器と、
前記容器から液体試薬を汲み出すためのポンプと、
前記ポンプおよび前記注入器に接続された供給配管と、
前記注入器から前記容器に試薬を再循環させるための戻り配管と、
前記容器内に貯留された試薬に対して熱伝達可能に配置された加熱素子と、
前記再循環する液体試薬を受け取るために前記戻り配管に繋げられた第１端部、および前記容器内に配置された第２開口端部を有する交換チューブとを備え、
前記交換チューブは、該交換チューブの前記第１端部と第２端部との間で分岐した取出チューブを含み、
前記取出チューブの終端部は、前記試薬の表面上方の蒸気ドーム内に配置されていることを特徴とする試薬注入システム。
【請求項１３】
前記交換チューブは、軸方向に間隔を空けて分離した、横軸方向に広がる複数の開口部を含んでいることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記交換チューブの前記第２端部は、前記加熱素子に近接していることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記取出チューブの前記終端部は、前記交換チューブの外面に、再循環する液体試薬を向かわせるように配置されていることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記交換チューブは、前記容器内の間隔を空けて分離した領域間の圧力を均等化する、前記容器を通る複数の通路を有していることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記供給配管は、前記容器の底部に近接して配置された入口を含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記加熱素子は、前記容器内において、前記交換チューブの前記第２端部と、前記入口との間に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本開示は、排気ガス処理システムに関するものであり、特にエンジンからの排気流に試薬を注入するための注入システムに関する。
【０００２】
〔背景技術〕
本項は、本開示に関連する背景情報を提供するものであり、必ずしも先行技術であるとは限らない。
【０００３】
内燃機関は、有害な排気を、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）の形で排出する。内燃機関からのＮＯｘ排出を削減するために用いられる１つの方法として、選択触媒還元（ＳＣＲ）が知られている。ＳＣＲは、例えば、ディーゼルエンジンからのＮＯｘ排出を削減するために用いられる場合、エンジン燃料流量、ターボブースト圧または排出ＮＯｘ総流量によって測定される、排気ガス温度、エンジン回転数（ｒｐｍ）またはエンジン負荷のような、１つまたはそれ以上の選択的なエンジン動作パラメーターに関連して、エンジンの排気流に霧状の試薬を注入することを含む。試薬／排気ガスの混合物は、例えば、活性炭、或いは、プラチナ、バナジウムまたはタングステンのような金属といった触媒を含むリアクターを通り抜ける。これらの触媒は、試薬を伴うことでＮＯｘ濃度を削減することができる。
【０００４】
例えば水溶性尿素溶液といったディーゼル排出流体は、ディーゼルエンジン用のＳＣＲシステムにおいて有効な試薬として知られている。しかしながら、水溶性尿素溶液や他の試薬の使用には、不都合が生じ得る。水溶性尿素は、約−１１℃の凝固点を持つため、ある気候では、水溶性尿素は固体状に凍結する。そのため、排気処理システムの適切な動作を確保するために、１つまたはそれ以上の加熱部（ヒーター）を用いる必要がある。
【０００５】
すでに知られている配置の少なくとも１つにおいて、フランジ型加熱ユニットは、試薬タンク内に配置されている。容積中央部または中心部の液体試薬は、凍結した試薬を溶かすことによって得られる。動作のいくつかのモードにおいて、液体試薬は、完全に消費され、凍結した試薬が溶ける前にタンクから汲み出される。そのため、ポンプの空洞現象（pump cavitation）が生じる可能性があり、その結果、ポンプが損傷する。さらに、試薬が排気流に噴出されないため、車両は排気検査を通らない可能性がある。加熱素子に近接する空洞から液体試薬を汲み出すことは、空の空洞内に実質的な真空を形成する可能性がある。その結果、ポンプのまたは他の排気処理システムのコンポーネントが損傷する可能性がある。したがって、これらの懸念事項を解決するために改良された試薬注入システムを提供することは有益である。
【０００６】
〔概要〕
本項は、本開示の一般的な概要を提供するものであり、全ての範囲または全ての特徴を包括的に開示したものでない。
【０００７】
エンジンからの排出を削減するための試薬注入システムは、試薬容器を備えている。加熱素子は、容器内に貯留された試薬に熱伝達可能に配置されている。交換チューブ（interchange tube）は、再循環する液体試薬を受け取る第１端部、および容器内に配置された第２開口端部を備えている。交換チューブは、該交換チューブの第１端部と第２端部との間で分岐した取出チューブ（bleed-off tube）を備えている。取出チューブの終端部は、試薬の表面上方の蒸気ドーム（vapor dome）内に配置されている。
【０００８】
エンジンからの排出を削減する試薬注入システムは、注入器、試薬容器、および該容器から液体試薬を汲み出すためのポンプを備えている。供給配管は、ポンプと注入器とを接続する。戻り配管は、注入器から容器への試薬の再循環のために備えられる。加熱素子は、容器内に貯留された試薬に熱伝達可能に配置される。交換チューブは、再循環する液体試薬を受け取るため、戻り配管と繋がる第１端部を備えている。交換チューブの第２開口端部は、容器内に配置されている。交換チューブは、第１端部と第２番端部との間で分岐した取出チューブを備える。取出チューブの終端部は、試薬の表面上方の蒸気ドーム内に配置されている。
【０００９】
本明細書において提供される記述から、より広い範囲に適用可能であることが明確になるであろう。本概要における記述および具体例は、例示のみを目的とすることを意図しており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【００１０】
〔図面の簡単な説明〕
本明細書において記載されている図面は、特定の実施形態のみを例示することを目的とするものであり、全ての可能な実施を例示することを目的とするものではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【００１１】
図１は、試薬タンク正常化システムを含む排気処理システムを備える模範的な内燃機関の概略図を示す。
【００１２】
図２は、試薬タンク正常化システムの概略図を示す。
【００１３】
各図面を通じて、対応する参照番号は対応する部分を示す。
【００１４】
〔詳細な説明〕
以下、添付の図面を参照しつつ、実施例をより十分に記述する。
【００１５】
本説明では、ディーゼルエンジンおよびＮＯｘ排出の削減に関して記述するが、本説明はこれらに限定するものではない。例えば、ディーゼル、ガソリン、タービン、燃料電池、ジェットまたは放出流を排出する他のあらゆる動力源からの複数の排気流のうちのいずれか１つに関して本説明を適用することが可能である。さらに、本説明は、複数の望ましくない排出物のうちの１つの削減に関して適用されてもよい。例えば、ディーゼル粒子フィルターの再生用の炭化水素の注入も本説明の目的の範囲内である。付加的な記述として、２００８年１１月２１日に出願された同一出願人による米国特許公開第２００９／０１７９０８７ Ａ１号公報（名称「霧状の流体を注入するための方法および装置」）は、参照によりここに組み込まれることに留意すべきである。
【００１６】
図面に示すように、ディーゼルエンジン２１の排気から、ＮＯｘ排出を減らすための排気処理システム８が備えられている。図１では、システムの各要素間における実線は試薬のための流体配管を示し、破線は電気的接続を示している。本開示のシステムは、試薬を保持するための試薬タンク１０と、タンク１０からの試薬を供給するための供給モジュール１２とを備えていてもよい。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、またはその他のものであってもよく、或いは、これらの混合物または化合物であってもよい。また、１つまたはそれ以上の試薬がシステムにおいて利用可能であってもよく、単独でまたは組み合わせて用いられてもよい。タンク１０と供給モジュール１２とは、統合された試薬タンク／供給モジュールとして形成されていてもよい。また、システム８の一部として、電気的注入制御部１４、試薬注入器１６および排気システム１９が備えられる。排気システム１９は、少なくとも１つの触媒床１７へ排気流を供給する排気導管１８を備えている。
【００１７】
供給モジュール１２は、供給配管９を経由してタンク１０から試薬を供給するポンプ２２を備えていてもよい。（試薬タンク１０は、ポリプロピレン、エポキシコーティングされた炭素鋼、ＰＶＣまたはステンレス鋼であってもよく、用途（例えば、車両サイズ、車両の使用目的など）に応じたサイズであってもよい。所定の圧力設定値（例えば、約６０〜８０ｐｓｉの比較的低い圧力、または約６０〜１５０ｐｓｉのある実施形態における圧力）にシステムを維持するために圧力調整部（図示せず）が備えられていてもよく、この圧力調整部は、試薬注入器１６からの戻り配管３５に配置されてもよい。また、試薬注入器１６に繋がる供給配管９に、圧力センサーが備えられていてもよい。
【００１８】
必要とされる試薬量は、負荷、エンジン回転数（ＲＰＭ）、エンジンスピード、排気ガスの温度、排気ガスの流量、エンジン燃料の注入タイミング、所望のＮＯｘ削減量、気圧、相対湿度、ＥＧＲ率およびエンジン冷却水の温度に伴って変更してもよい。ＮＯｘセンサー、または計測器２５は、触媒床１７の下流に配置されている。ＮＯｘセンサー２５は、排出されるＮＯｘ含有量の示す信号を、注入制御部１４へ出力する動作を行う。エンジンの動作パラメーターの全てまたはいくつかは、エンジン／車両データバスを経由してエンジン制御ユニット２７から電気的注入制御部１４に供給されてもよい。電気的注入制御部１４は、エンジン制御ユニット２７の一部としても備えられていてもよい。排気ガスの温度、排気ガスの流量および排圧、並びに、他の車両動作パラメーターは、それぞれのセンサーによって計測されてもよい。
【００１９】
排気システム８はまた、凍結した試薬を溶かすため、または試薬の凍結を防ぐために、様々な凍結防止対策が講じられていてもよい。例えば、供給配管９と戻り配管３５とは、配管内で試薬が凍結しないことを確保するために加熱されていてもよい。例えば、供給配管９および戻り配管３５を取り囲み、且つ、供給配管９および戻り配管３５の全長に沿って伸びる電気的動力を備える覆いを用いてこれらの配管を加熱することなどが考えられる。
【００２０】
図２は、参照番号４０で特定された、別の凍結固防止サブシステムを描写している。より詳細には、サブシステム４０は、試薬タンク正常化システムと称することができる。正常化システム４０は、十分な量の液体試薬が供給配管９の入口４２に供給される状態が維持されることを確保ために機能する。供給配管９の入口４２に液体試薬が供給される間、ポンプ２２は空洞現象を生じることなく適切に動作する。もし、凍結したままの試薬が溶ける前に、液体試薬をタンク１０からポンプで汲み出した場合、入口４２はエアポケットに繋がった状態になる。ポンプ２２は空洞化し、所望のように排気に試薬が注入することができない。
【００２１】
正常化システム４０は、戻り配管３５と流体伝達可能な第１端部４８と、タンク１０内に配置された第２自由端部５０とを含む交換チューブ４６を備えている。交換チューブ４６は、地面に対して実質的に垂直に方向づけられており、タンク１０の上面５１を通過して、タンク内の半分を過ぎた距離（長さ）まで伸びている。第２端部５０は、タンク１０の下面または底面５４から離れている。交換チューブ４６はまた、交換チューブ４６の内部空間と繋がった第１端部６２と第２開口端部６４とを有する、取出チューブ（bleed-off tube）６０を備えている。交換チューブ４６は、軸方向に間隔を空けて分離した、横軸方向に広がる複数の開口部７２を含んでいる。開口部７２は、交換チューブ４６の内側の空間と外側の空間との間の流体伝達を可能にする。
【００２２】
寒い天候での動作では、試薬は固体状に凍結する可能性がある。凍結した試薬は、図２の参照番号６６で描写されている。第１蒸気ドーム６８は、試薬６６の上面７０上方に形成される。試薬タンク１０が”満杯”であるとき、第１蒸気ドーム６８はタンク１０の容積の約１１パーセントを構成する。第１蒸気ドーム６８は、液体試薬が固体に凍結したとき、試薬の体積増加を受け入れることを可能にする。さらに、凍結した試薬によって取出チューブ６０が詰まらないようにするために、取出チューブ６０は、試薬の液面を超えて、第１蒸気ドーム６８内に配置されている。
【００２３】
加熱素子７６は、タンク１０に収容された試薬に熱伝達可能に配置されている。加熱素子７６は、図２に示すように、底面５４に近接してタンク１０内に配置されていてもよい。それに代えて、加熱素子７６は、ポンプ２２と組み合わされて、供給モジュール１２を規定してもいてもよい。供給モジュールは、タンク１０から間隔を空けて配置されていてもよく、或いは、タンク１０と一体化して形成されていてもよい。
【００２４】
凍結した試薬を溶かすために、電気的エネルギーが加熱素子に供給される。エネルギーが試薬に伝達されるにしたがって、加熱素子７６の近傍に液体試薬の塊（volume）８０が形成される。ポンプ２２は、入口４２を経由して液体試薬８０を汲み出すことができる。また、ポンプ２２は、加圧した試薬を供給配管９および注入器１６に供給することができる。標準的な動作の間、汲み出された試薬のうち１〜２パーセントだけが、注入器１６を経由して排気流に注入される。残りの約９８パーセントの液体試薬は、戻り配管３５を経由して再循環する。
【００２５】
上述の通り、供給配管９および戻り配管３５は加熱されるため、試薬の温度は実質的に一定に保たれる。加圧された試薬は、交換チューブの第１端部４８に入り、タンク１０内へ流れ込みを始める。仮に、実質的に同じ量の凍結した試薬６６が存在している場合、戻り配管３５を貫流する加熱および加圧された液体試薬は、取出チューブ６０を伝わって通り、第２開口端部６４を抜け出る。取出チューブ６０および第２開口端部６４は、液体試薬の流れを、交換チューブ４６の外面に近接する表面７０に導くように方向づけられている。加熱された試薬の流れによって、凍結した試薬６６が溶け始める。同時に、加熱および加圧された試薬は、交換チューブ４６内の凍結した縦列の試薬に作用する。比較的短時間の間に、液体試薬の塊８０と、戻り配管３５を経由して戻った液体試薬との間に、流体伝達経路が規定される。交換チューブ４６内の凍結した縦列の試薬が溶けるにしたがって、開口部７２には、戻り配管３５から供給された液体試薬が流体伝達されるようになる。液体試薬は、開口部７２を通って流れ、さらに、交換チューブ４６の外面に近接する凍結した試薬の溶解を促進する。
【００２６】
ポンプによる汲み出し動作の間、液体試薬８０の表面８４の上方に第２蒸気ドーム８２が形成される。開口部７２および取出チューブ６０は、第１蒸気ドーム６８と第２蒸気ドーム８２との間の連通を可能にし、それらの圧力を均等化する。圧力安全弁８８は、第１蒸気ドーム６８と大気との間の連通を可能にする。したがって、第２蒸気ドーム８２内が真空となることを回避することができる。
【００２７】
上述の実施形態の記述は、図解および記述することを目的として提供されたものであり、網羅的および限定的に開示することを意図したものではない。特定の実施形態における個々の要素または特徴は、概して特定の実施形態に限定されず適用可能である。また、特定の実施形態における個々の要素または特徴は置き換えることができ、具体的に図示または説明していない選択された実施形態においても使用可能である。同様のことはまた、種々の方法によって変更することが可能である。このような変更は開示範囲から逸脱するものではなく、そのようなすべての改良品は開示範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、試薬タンク正常化システムを含む排気処理システムを備える模範的な内燃機関の概略図を示す。
【図２】図２は、試薬タンク正常化システムの概略図を示す。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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