(57)【要約】【課題】本発明の根本的な課題は、排気ガス中への添加物の配給を改善すること、および添加物の蒸発量を増やすことである。【解決手段】全部で８つのガスガイドベーン８が設けられ、排気ガス混合管２の長手方向中心軸ＩＩの周囲に均等に配置されている。渦流発生装置７のガスガイドベーン８は、排気ガス流の下流側の端部に尖鋭部９が形成されている。尖鋭部９の先端１０は、ほぼ排気ガス流の方向Ｉを向いている。複数の尖鋭部９は、好ましくは１０ｍｍを上限とする長さを有し、約４ｍｍ〜約６ｍｍの間隔に形成されていることが好ましい。これらのガスガイドベーン８の長さ対ガスガイドベーン８の幅の比は、約１．５：１〜２：１であることが好ましい。こうして、所望の大きさで混合管２の断面を遮断し、同時に背圧を許容レベルとすることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスシステムに流動可能な添加物を配給する装置、特にはディーゼルエンジンの排気ガスシステムに水／尿素混合物を配給する装置であって、
特に所謂ＳＣＲ触媒コンバータより上流における排気路内に開口している噴射装置を備え、
排気路内において添加物が導入される領域に渦流発生装置（７）が配置されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
渦流発生装置（７）が少なくとも１つのガスガイドベーン（８）を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
渦流発生装置（７）が、タービンのような態様に配列された複数のガスガイドベーン（８）を含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
ガスガイドベーン（８）が排気ガス管（２）の壁（１３）によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
排気ガス管（２）の断面が、円形の断面、または特には六角形の形状であるような角度を有する断面であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
排気ガス管（２）が、他の排気ガス管（１１）内に滑り台座を使って配置されるとともに、エアギャップ（１２）を形成していることを特徴とする請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
ベーンの長さ対ベーンの幅の比が、約１．５：１〜約２：１であることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１つの衝突プレート（３）が、排気路内において噴射装置の開口部より上流に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの衝突プレート（３）が、噴射装置に対して９０°以外の角度に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
衝突プレート（３）が、排気ガス流の方向（Ｉ）に並行に配置されていることを特徴とする請求項８または９に記載の装置。
【請求項１１】
噴射装置が２つ以上の噴射ノズルを有し、それぞれの噴射ノズルに衝突プレート（３）の各々が関連していることを特徴とする請求項８または９に記載の装置。
【請求項１２】
衝突プレート（３）が互いに離間し、かつ排気ガス流の方向（Ｉ）に互いにずれて配置されていることを特徴とする請求項８〜１１に記載の装置。
【請求項１３】
添加剤用の管状のエバポレータが、噴射点より下流、特には渦流発生装置（７）より下流に設けられていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
エバポレータが、外側管および少なくとも１つの内側管を含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
エバポレータの管端部の直前に、わずかな膨張部が設けられていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の装置。
【請求項１６】
内燃機関の排気ガスシステムに流動可能な添加物を配給する装置、特にはディーゼルエンジンの排気ガスシステムに水／尿素混合物を配給する装置であって、
特に所謂ＳＣＲ触媒コンバータより上流における排気路内に開口している噴射装置を備え、
排気ガス路内に少なくとも１つの金属シート（３，８）が配置されている請求項１〜１５のいずれかに記載の装置であって、
排気ガス流の下流側の金属シート（３，８）の端部（５）が、先細り部分（６，９）を有することを特徴とする装置。
【請求項１７】
端部（５）が面取りされていることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
先端（１０）が排気ガス流の方向（Ｉ）を向いている歯（６，９）が端部（５）に形成されていることを特徴とする請求項１６または１７に記載の装置。
【請求項１９】
端部（５）が鋸歯の構造の形態に形成されていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
装置内に存在する少なくとも１つの金属シート（３，８）の表面が、構造化され、または穿孔されていることを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
表面にガラスビードが吹き付けられていることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
表面が格子で形成されていることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
少なくとも１つの衝突プレートおよび／または渦流発生装置および／または装置内で使用される他の金属シートが、フェライトのステンレススチールから構成されていることを特徴とする請求項１〜２２のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスシステムに流動可能な添加物を配給する装置に関し、詳しくは、特に所謂ＳＣＲ触媒転換装置（ＳＣＲ  ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）の上流における排気路内に開口している噴射装置を備えたディーゼルエンジンの排気ガスシステムに水／尿素混合物を配給する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガス規制が厳しくなっているので、排気ガス中の窒素酸化物を還元する必要がある。実用できるものとして知られているのは、選択的触媒還元法（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）と呼ばれる方法において、窒素酸化物を窒素および水に還元することからなる。この還元は、排気ガス中に噴射される還元剤を使用して、所謂ＳＣＲ触媒転換装置の内部で行われる。水／尿素混合物は、窒素酸化物と反応する尿素が排気ガス中で分解してアンモニアを生成することを目的として、特に使用される。このプロセスにおいて、排気ガスと還元剤とをできるだけ均一に混合し、できるだけ完全に蒸発させることにより、還元率を可能な限り大きくすることが重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の根本的な課題は、排気ガス中への添加物の配給を改善すること、および添加物の蒸発量を増やすことである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は、排気路内において添加物が導入される領域に、渦流発生装置を配置することにより解決される。これは、噴射された混合物が排気ガスとともに回転するように設定されるという利点があり、これによって、添加物と排気ガスとの混合が改善される。さらに、渦流発生装置内で、流れの偏りに生じる慣性の効果で液相が剥離することによって、まだ蒸発していない混合物がエバポレータの表面に供給される。こうして、蒸発していない混合物がＳＣＲ触媒転換装置に流入しないようにする。従って、蒸発がさらに改善される。
【０００５】
渦流発生装置は、特に少なくとも１つのガスガイドベーンを含み得る。これにより、適当な渦流を発生させることができると共に、ガイドベーンそのものがエバポレータの表面として機能するという利点を有する。これにより、蒸発能力を全体的にさらに向上させることができる。
【０００６】
複数のガスガイドベーンがタービンのように配置されていることが特に好ましい。これにより、特に適当な渦流を発生させる効果があると同時に、大きな蒸発表面を利用可能にする。タービンのような形態では、所望の大きさで排気ガス断面を遮断する効果が増すとともに、ベーンの長さと幅によって、排気背圧と混合力の比を最適化することができる。ベーンの長さ対ベーンの幅の比は、約１．５：１〜２：１であることが好ましい。
【０００７】
排気管の壁からガスガイドベーンを形成することは、技術的な製造の面から特に利点がある。これにより、材料が節約される。重量がさらに減り、操作上の強度が増す。加えて、ガスガイドベーンと、さもなければ存在する外側管と、の間で、ギャップが形成されることが避けられる。この排気管の断面は、円形の断面であるか、または特には六角形の形状であるような角度を有する断面である。
【０００８】
タービンを形成する排気管は、エアギャップを形成しつつ、外側の排気管内に滑り台座を使って配置されていることがさらに好ましい。エアギャップは、排気ガス管の急速な加熱に有効であり、滑り台座は、支持機能の必要がないので、ガスガイドベーンを形成する排気管を薄い壁で形成することができるという利点を有する。こうして、排気管を急速に加熱することができ、蒸発能力をさらに向上させることができる。
【０００９】
さらに本発明の実施例によると、排気路内において噴射装置の開口部の前に、少なくとも１つの衝突プレートが設けられる。噴射された水／尿素混合物は、衝突プレートによって扇状に拡散される。これにより、排気ガス流に混合物がさらに良好に配給され、一方では下流のＳＣＲ触媒転換装置に対して直接的に送られ、または、例えば、高温排気管自体で形成された後続のエバポレータ表面を経由して送られる。噴射された混合物がエバポレータの表面にさらに良好に配給されることにより、混合物の熱容量がさらに有効に利用され、エバポレータの反応が速くなる。同時に、衝突プレートはエバポレータの表面として機能し、これによって蒸発能力が向上する。
【００１０】
噴射装置に対して９０°以外の角度に衝突プレートを配置することにより、混合物の配給をさらに改善することができる。これにより、衝突プレートからはね返される混合物を、所望の方向、例えば、下流に位置するエバポレータの表面またはＳＣＲ触媒転換装置の方向に案内することができる。
【００１１】
衝突プレートは、排気ガス流の方向に並行に配置されていることが特に好ましい。これにより、一方で、排気ガス流ができるだけ妨害されないようにし、他方で、噴射される混合物が排気ガス流の中へ斜めに噴射されるような良好な配給をすることができる。
【００１２】
特に適当な装置としては、添加物の噴射用に２つ以上の噴射ノズル（例えば、３つまたは４つの噴射ノズル）が存在する。これに関連して、噴射ノズルの各々に、分離した衝突プレートを関連させることが有利であり、該衝突プレートの各々が、排気ガスの流れ方向に互いにずれて配置されていることが好ましい。このカスケードのような衝突プレートの配置によって、噴射された混合物が特に良好に配給される。
【００１３】
さらに本発明の実施例によると、噴射地点の後方、特には渦流発生装置の後方に、添加物用の管状のエバポレータが設けられる。この追加的なエバポレータによって、蒸発能力をさらに向上させることができる。これにより、ＳＣＲ触媒転換装置の前方で、なおも存在している添加物の液体部分を蒸発させることができるので、添加物の液体部分は触媒コンバータに入ることができない。
【００１４】
管状のエバポレータが外側管と少なくとも１つの内側管とを含む場合、更に利点がある。一方で、これにより、さらに大きなエバポレータ表面が利用可能となり、他方で、排気ガス流に存在する温度の階層構造を利用することができる。
【００１５】
エバポレータの管端部の直前に、わずかな膨張部を形成することができる。この膨張部は、なおも存在し得る添加物の液体部分を捕捉するように機能し、これによって、添加物の液体部分は、後続のＳＣＲ触媒コンバータに流入しない。膨張部に集められた液体部分は、そこでの管の熱によって、さらに長い時間、蒸発する。
【００１６】
さらに本発明の実施例によると、装置に存在する少なくとも１つの金属シートが、排気ガス流の下流側の端部に先細り部分を有する。この先細り部分は、本発明の有利な実施例によると、面取りにより形成することができる。この先細り部分は、金属シートの端部に形成される添加物の液滴を小さいままにしておくという利点を有する。すなわち、先細り部分であることから、排気ガスが金属シートの端部で液滴と一緒に流れ、液滴に作用することにより、液滴を金属シートから離す。このような先細り部分がなければ、金属シートから離れることが難しい大きな液滴が、金属シートの後流に生じ得る。
【００１７】
さらに本発明の有利な実施例によると、金属シートは、その端部に、排気ガス流の方向を向いている少なくとも１つの先端部を有する。これにより、さらに大きな液滴が形成されることがない。これに関連して、金属シートの端部が、鋸歯の構造の形態に形成されていることが特に好ましい。これに関連して、歯の間隔は、歯と歯の間に液滴がつかないくらいに広く選択するべきである。
【００１８】
装置のすべての金属シート（すなわち、特に、衝突金属シート、ガスガイドベーンの端部、またはガスガイドベーンおよび追加的なエバポレータ管を取り囲むような排気管）に、この形状の先細り部分を設けることができる。
【００１９】
本発明のさらなる実施例によると、装置の少なくとも１つの金属シートの表面が、構造化された形態または穿孔された形態に形成される。このような構造化または穿孔は、一方で、金属シートの表面を増やし、蒸発能力を向上させる。さらに、これにより、所謂ライデンフロスト効果（Ｌｅｉｄｅｎｆｒｏｓｔ  ｅｆｆｅｃｔ）（付着する液滴の下に形成された蒸気層が、金属シートから液滴を分離し、蒸発を妨げる効果）が抑制される。さらに、金属シートに存在する液滴は、機械的に寸法が縮小され、それによって蒸発能力が向上する。また、液滴が小さいほど金属シートに付着し易いので、金属シート上に液滴が長く留まり、蒸発時間が延びる。
【００２０】
表面の構造化に対しては、本発明の実施例によると、ガラスビードを吹き付けることができる。あるいは、表面に格子(ｇｒａｔｉｎｇ)を設けるか、または構造化された金属シートから表面を形成することができる。これにより、特に微細構造について、表面の所望の構造化がそれぞれ達成される。
【００２１】
さらに本発明の実施例によると、少なくとも１つの衝突プレート、渦流発生装置、および／または装置内で使用される他の金属シートがフェライトのステンレススチール（ｆｅｒｒｉｔｅ  ｓｔａｉｎｌｅｓｓ  ｓｔｅｅｌ）から形成される。フェライトのステンレススチールは、例えばオーステナイト系スチール（ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ  ｓｔｅｅｌ）より熱伝達率が高いという利点を有する。各要素の局所的な温度低下が少なくなり、添加物を急速に加熱することに有利に働く。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１〜図６に示される装置は、フランジ１が設けられた排気ガス混合管（ｇａｓ  ｍｉｘｉｎｇ  ｐｉｐｅ）２を含み、この排気ガス混合管は、排気ガス入口側で面取りされている。排気ガス混合管２の内部に４枚の衝突プレート３が設けられ、排気ガス流の方向Ｉと並行に、互いにほぼ同じ間隔に配置されている。衝突プレート３は、排気ガス混合管２の傾斜した排気ガス入口側４の面にほぼ沿って終端し、互いにほぼ同じ長さを有する。これにより、これらの衝突プレートは、特に図５に示されるように、排気ガス混合管２の内部に異なる距離まで延びている。最も高い位置にある衝突プレート３は、排気ガス混合管２のほぼ中央部で終端する。
【００２３】
衝突プレート３は、特に図６に示されるように、排気ガス流の下流側の端部５で面取りされている。この面取り部は、例えば０．２ｍｍまでの厚さに形成することができる。歯（ｔｅｅｔｈ）６の間隔は、約４ｍｍ〜約６ｍｍの間であることが好ましい。
【００２４】
渦流発生装置７は、排気ガス混合管２内において、排気ガス流の方向Ｉで見て衝突プレート３の下流に設けられている。この渦流発生装置７は、タービンのような態様に配置され形成されたガスガイドベーン８から構成されている。これは、ガスガイドベーン８が排気ガス混合管２の長手方向中心軸ＩＩから実質的に半径方向外側へ延びているが、排気ガス混合管２との接触ラインが螺旋状に延びるように、ガスガイドベーン８自体が曲げられていることを意味する。これにより、特に図４に示されるように、排気ガス混合管２の断面の大きな部分を遮断する。図示されるように、全部で８つのガスガイドベーン８が設けられ、これらは、排気ガス混合管２の長手方向中心軸ＩＩの周囲に均等に配置されている。
【００２５】
渦流発生装置７のガスガイドベーン８は、排気ガス流の下流側の端部に、尖鋭部９が形成されている。尖鋭部９の先端１０は、ほぼ排気ガス流の方向Ｉを向いている。これらの尖鋭部９は、好ましくは１０ｍｍまでの長さを有し、約４ｍｍ〜約６ｍｍの間隔で形成されていることが好ましい。これらのガスガイドベーン８の長さ対ガスガイドベーン８の幅の比は、約１．５：１〜２：１であることが好ましい。こうして、所望の大きさで混合管２の断面を封鎖し、同時に背圧を許容レベルとする。
【００２６】
図５に示されるように、図示される装置は、外側管１１の内部に配置することができる。外側管１１と排気ガス混合管２との間に、エアギャップ１２が形成されている。フランジ１は、外側管１１に固定されるように接続されている。これに対し、フランジ１と排気ガス混合管２との間には、滑り台座（ｓｌｉｄｉｎｇ  ｓｅａｔｉｎｇ）が存在する。
【００２７】
排気ガス混合管２より後方における外側管１１内に、排気ガス混合管２に加えてエバポレータ管（図示せず）を追加することができるが、このエバポレータ管は、特には外側管および少なくとも１つの内側管を含む。この追加的なエバポレータ管は、その下流端部の付近で、わずかに膨張していることが好ましい。
【００２８】
本発明による装置の構成要素（すなわち、特には衝突プレート３、ガスガイドベーン８および追加的なエバポレータ管であるが、これに排気ガス混合管２も含む）に、構造化された表面または穿孔された表面が形成されている。これらの表面は、例えば、ガラスビードを吹き付けて（ｇｌａｓｓ  ｂｅａｄ  ｂｌａｓｔｅｄ）形成することができ、または表面を格子で形成することができる。
【００２９】
本発明の装置は、以下のように動作する。
【００３０】
矢印Ｉで示される排気ガス流は、外側管１１に流入し、排気ガス混合管２内を通流する。これに関連して、排気ガス混合管２、衝突プレート３およびガスガイドベーン８は、排気ガスによって加熱される。排気ガス混合管２から排出する排気ガスは、続いてＳＣＲ触媒コンバータに流入する。ＳＣＲ触媒コンバータにおいて窒素酸化物の還元反応を生じさせるために、排気ガス混合管２の前方で、排気ガス流の方向Ｉに対して角度を有するように、水／尿素混合物が外側管１１の中へ噴射される。実施例においては、噴射装置（図示せず）は、４つの噴射ノズルを有し、各々の噴射ノズルは、衝突プレート３に関連している。これは、４つの噴射の各々が、衝突プレート３の１つに衝突し、衝突プレート３によってはね返され、拡散されることを意味する。これにより、噴射された混合物が排気ガス流の中に良好に配給される。衝突プレート３に衝突する混合物は、高温の衝突プレート３によってさらに加熱されるので、混合物は、既に蒸発し始めている。次に、混合物が排気ガス流とともに渦流発生装置７に流入し、この装置７内で、混合物を伴う排気ガスが排気ガス混合管２の長手方向中心軸の周囲を回転するように設定されている。これにより、排気ガスと水／尿素混合物とが十分に混合される。さらに、渦流発生装置７のガスガイドベーン８は、エバポレータの表面としても機能する。
【００３１】
排気ガス混合管２から排出された排気ガスは、外側管および１つまたは複数の内側管を含み得る追加的なエバポレータ管に選択的に流入する。この管内で、なおも存在し得る混合物の液体部分を蒸発させることができるので、気体になった還元剤のみがＳＣＲ触媒コンバータに流入する。このコンバータ内で、窒素酸化物が窒素および水に還元される。
【００３２】
本発明による装置の要素の構造化された表面または穿孔された表面によって、混合の自動化および配給がさらに改善される。これに加え、混合物の液滴が細かくされ、エバポレータの表面に長く留められる。他方で、混合物の液滴は、歯６を介して衝突プレート３の端部から、および歯９を介してガスガイドベーン８から容易に放出させることができる。また、蒸発させることが難しい大きな液滴が生じることを防ぐことができる。外側管１１内に排気ガス混合管２の滑り台座があることにより、排気ガス混合管２の壁を比較的薄く形成することができるので、排気ガス混合管２は、排気ガスによって急速に加熱される。これにより、エバポレータの効率が上昇する。
【００３３】
最後に、図７に本発明による装置の変形例が示されており、この装置においては、排気ガス混合管自体２によって渦流発生装置７が形成されている。この目的のために、排気ガス混合管２の管の壁１３に切り込み１４が設けられ、これらの切り込み１４は、排気ガス流の下流側から排気ガス混合管２の中へ案内される。これらの部分１４の領域において、管の壁１３は、各ケース内で内側へ曲げられ、複数のガイドベーン８がタービンのような態様に配置されるようになる。排気ガス混合管２は、図７では、六角形の形状の断面に形成され、切り込み１４の各々は、排気ガス混合管２の縁１５に沿って案内される。これにより、６つのガスガイドベーン８が形成された排気ガス混合管２を比較的簡単に製造することができる。この種の製造法によって、排気ガス混合管２に渦流発生装置７を一体に形成することができるので、ギャップは形成されない。この装置の動作は、図１〜６の変形例として同様に行われる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による装置のガス入口側の斜視図。
【図２】図１の装置のガス出口側の斜視図。
【図３】図１の装置のガス入口側の平面図。
【図４】図１の装置のガス出口側の平面図。
【図５】図３における装置の線Ｖ−Ｖに沿って切られた断面図。
【図６】図３における装置の線ＶＩ−ＶＩに沿って切られた断面図。
【図７】本発明による装置の変形例の斜視図。
【符号の説明】
【００３５】
１…フランジ
２…排気ガス混合管
３…衝突プレート
７…渦流発生装置
１１…外側管
１２…エアギャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008280999.tif 000005
【図４】
2008280999.tif 000006
【図５】
2008280999.tif 000007
【図６】
2008280999.tif 000008
【図７】
2008280999.tif 000009
【外国語明細書】
2008280999000001.pdf