(57)【要約】【課題】あらゆる条件下で、ノズルの閉塞による中断を生じないで、かつガス内での噴射流体のきわめて均一な分配が達成されるように噴射すべきである。【解決手段】方法と装置は分やノズルによって高温のガス流内に流体を均一に噴射する。この噴射ノズルは、ノズルヘッドと供給内管と外側ケーシング管とを備え、この外側ケーシング管は供給内管から離隔して供給内管を同心的に取り囲んでいる。供給内管とノズルヘッドを経て流体を通過させ、供給内管と外側ケーシング管の間の環状空間の少なくとも一部に断熱材を設けることによって供給内管の中の流体の温度を維持する。更に、ノズルヘッドの出口端部を施栓し、ノズルヘッドの出口端部に隣接してノズルヘッドに設けられた或る数のノズル穴を経て流体を噴射することにより、供給内管とノズルの内側の流体の流れを一定に維持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルヘッドと供給内管と外側ケーシング管とを備え、この外側ケーシング管が供給内管から離隔して供給内管を同心的に取り囲んでいる噴射ノズルによって、高温のガス流内に流体を均一に噴射するための方法において、
供給内管とノズルヘッドを経て流体を通過させ、供給内管と外側ケーシング管の間の環状空間の少なくとも一部に断熱材を設けることによって供給内管の中の流体の温度を維持し、
ノズルヘッドの出口端部を施栓し、ノズルヘッドの出口端部に隣接してノズルヘッドに設けられた或る数のノズル穴を経て流体を噴射することにより、供給内管とノズルヘッドの内側の流体の流れを一定に維持し、
ガス流の流れ方向に対してほぼ直角の方向にかつガス流通路の中心軸線に隣接して、ノズル穴から流体を噴射し、
ノズルヘッドに隣接する領域内の外側ケーシング管を円錐状に細くすることにより、ガス流内に噴射される流体を均一に分配することを特徴とする方法。
【請求項２】
ガス流がディーゼルエンジンからの排ガス流であり、流体が２０〜５０重量％、好ましくは３０〜３５重量％の尿素を含む水溶液であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
水溶液が圧縮された空気によってノズルヘッドに送出されることを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法で使用される噴射ノズルにおいて、流体用供給内管に接続されたノズルヘッドを備え、供給内管が外側ケーシング管によって離隔して同心的に取り囲まれ、
供給内管と外側ケーシング管との間の空間の少なくとも一部に、断熱材料が充填され、  外側ケーシング管がノズルヘッドに隣接する領域において供給内管の外壁に隣接するまで円錐状に細くなっており、
ノズルヘッドがプラグによって出口端部を施栓され、
ノズルヘッドがそのプラグに隣接した領域に、等間隔をおいて配置された或る数のノズル穴を有することを特徴とする噴射ノズル。
【請求項５】
ノズルヘッドの外径と内径の大きさが供給内管の外径と内径の大きさと同じであることを特徴とする、請求項４記載の噴射ノズル。
【請求項６】
ノズルヘッドが供給内管とノズル穴の間に９０°の曲がり部を有する管であることを特徴とする、請求項４記載の噴射ノズル。
【請求項７】
断熱材料がセラミックコンパウンドであることを特徴とする、請求項４記載の噴射ノズル。
【請求項８】
外側ケーシング管の円錐状に細く形成された部分の内面が３０°の角度を有することを特徴とする、請求項４記載の噴射ノズル。
【請求項９】
供給内管が６ｍｍの外径と１．５ｍｍの壁厚を有し、外側ケーシング管が２５ｍｍの外径と１．２２ｍｍの壁厚を有し、ノズルヘッドが等間隔をおいて配置された、０．５５ｍｍの直径を有する４個のノズル穴または等間隔をおいて配置された、０．３９ｍｍの直径を有する８個のノズル穴を有することを特徴とする、請求項４記載の噴射ノズル。
【請求項１０】
曲がり部とノズル穴の間のノズルヘッドの直線部分の長さが５ｍｍであることを特徴とする、請求項６記載の噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルによるガス内への流体の噴射に関する。本発明は特に、高温ガス内への溶液の噴射に関する。この場合、本発明の或る特別な用途は、ディーゼルエンジンの排ガスからのＮＯx除去に関連する。
【背景技術】
【０００２】
ノズルは一方の流体を他方の流体に噴射するために広く使用され、エンジン排ガスからのＮＯx除去に関連して使用されている。
【０００３】
Hofmann氏等の特許出願の特許文献１には、車両の排ガスへの尿素溶液と空気の混合物の噴射が開示されている。この混合物は排気管の壁に近接する排気管内部で排気管に噴射される。従って、溶液はガスに内に噴霧される前に高温になりすぎない。噴射される液体の分配は、排気管の横断面で見ると、均一ではない。
【０００４】
特許文献２では伊東恒明氏が他の排ガス浄化システムを開示している。この場合にも、窒素酸化物は車両の排ガスに噴射される尿素溶液によって還元される。噴射ノズルは排気管の壁を経て挿入され、内面から短い距離しか延びていない。これは均一でない流れの形を生じる。
【０００５】
特許文献３では、Kupper氏等が燃料用噴射ノズルを開示している。この噴射ノズルは同軸の２つの管を備え、この管はその間に断熱材を充填する狭い空間を有する。外管は、コークスが形成される温度以下に燃料を保つために、ノズルのチップの周りにフードを形成している。燃料は内管とフードの両方を通って１つの穴からノズルと同軸方向に噴射される。
【０００６】
他のガス浄化方法が特許文献４においてZauderer氏によって開示されている。石炭燃焼ボイラの煙道ガス内の窒素酸化物の含有量は、溶解した尿素またはアンモニアを含む、空気噴霧水滴を噴射することによって減少する。水滴は最適に温度で噴射され、水滴の大きさはこの温度でノズル構造によって調節される。
【０００７】
しかしながら、これらのノズルは閉塞する傾向があり、どの噴射も、噴射材料のきわめて均一な分配を保証しない。
【特許文献１】国際出願公開第９６／３６７９７号パンフレット
【特許文献２】特開２００１−１５２８３１号公報
【特許文献３】米国特許第４，５０２，１９６号明細書
【特許文献４】米国特許第６，０４８，５１０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の概要的な課題は、安定していて良好に分配される噴射を達成する、塩の水溶液を噴射するための方法とノズルを提供することである。ノズルの閉塞による中断を生じないで、あらゆる条件下で噴射できるようにすべきである。同時に、ガス内での噴射流体のきわめて均一な分配が達成されるように噴射すべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に従ってノズルが設計されると、尿素溶液が車両からの排ガスに噴射され、排ガス中にきわめて均一に分配される。本発明のノズルはノズルを閉塞せずに長期間作動する。
【００１０】
本発明による方法と装置は、噴射ノズルによって高温のガス流内に流体を均一に噴射する。この噴射ノズルは、ノズルヘッドと供給内管と外側ケーシング管とを備え、この外側ケーシング管が供給内管から離隔して供給内管を同心的に取り囲んでいる。供給内管とノズルヘッドを経て流体を通過させ、供給内管と外側ケーシング管の間の環状空間の少なくとも一部に断熱材を設けることによって供給内管の中の流体の温度を維持し、ノズルヘッドの出口端部を施栓し、ノズルヘッドの出口端部に隣接してノズルヘッドに設けられた或る数のノズル穴を経て流体を噴射することにより、供給内管とノズルの内側の流体の流れを一定に維持し、ガス流の流れ方向に対してほぼ直角の方向にかつガス流通路の中心軸線に隣接して、ノズル穴から流体を噴射し、ノズルヘッドに隣接する領域内の外側ケーシング管を円錐状に細くすることにより、ガス流に噴射される流体を均一に分配する。
【００１１】
好ましい断熱材料はセラミックであり、このセラミック材料の薄い層によって形成され、有機質粘結剤を用いて所望な形に巻かれている。
【００１２】
供給内管は外側ケーシング管の端部と供給内管の端部の間に９０°の曲がり部を備えていてもよい。
【００１３】
流体は空気と尿素の水溶液との混合物であってもよい。この場合、尿素を２０〜５０重量％、好ましくは３０〜３５重量％、とりわけ３２．５重量％含んでいる。
【００１４】
本発明は特に、高温のディーゼル排ガスに噴射される尿素水溶液を均一に分配するために有効である。この場合、水が沸騰して尿素結晶化を生じるかもしれない。本発明は特に大型のバンやトラックにおいて有利でる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
ディーゼルエンジン駆動の車両では、燃焼によって或る量の余剰空気が生じる。その結果、排ガス中に窒素酸化物NOxが生成される。この窒素酸化物は重大な環境汚染をもたらす。
【００１６】
NOxはアンモニアNH3によって還元することができる。しかし、このアンモニアは車両に貯蔵することが困難である。従って、尿素水溶液H2NCONNH2が還元剤として使用される。
【００１７】
尿素が噴射および高温排ガスと混合されて分解するときに、次の反応式に従ってアンモニアが生成される。
【００１８】
H2NCONNH2 ＋ H2O  →  2 NH3 ＋CO2 
尿素は、温度が200°Ｃを超えるときにのみ、完全に分解する。従って、200°Ｃは尿素を排ガスに噴射することができる最低温度である。    
【００１９】
排ガスと還元剤であるアンモニアとの混合物は触媒を通過し、この触媒において窒素酸化物である一酸化窒素NOと二酸化窒素NO2がアンモニアと反応し、次の反応式に従って窒素と水を生成する。
【００２０】
4 NO ＋ 4 NH3 ＋ O2 →  4 N2 ＋ 6 H2O      および
6 NO2 ＋ 8 NH3  →  7 N2 ＋ 12 H2O  
普通の運転中、排ガスは高温であり、同時に噴射ノズルの内側の尿素溶液が水の蒸発温度を超えないことが重要である。この蒸発温度を超えると、尿素の結晶化および噴射ノズルの閉塞が生じる。
【００２１】
本発明は更に、尿素の結晶化を生じないで、高温排ガスへの尿素溶液と空気の混合物を噴射するためのノズルを提供する。噴射ノズルは外側ケーシング管と、同軸の供給内管と、この２つの管の間の環状空間内に設けられた断熱材料を備えている。これにより、高温排ガスが尿素水溶液を水蒸発温度および尿素結晶化温度まで高めることが防止される。
【００２２】
出口領域において、供給内管はプラグを有するノズルヘッドを備えている。プラグのすぐ近くに、ノズル穴が設けられている。これにより、供給内管の全容積を水溶液が流れ、“死空間”の発生が回避される。さもなければ、死空間が発生して加熱され、尿素結晶化を生じる。プラグは供給内管の洗浄のために取り外し可能である。
【００２３】
このノズルチップの設計によって、溶液はノズル軸線に対して直角に流出することができ、固体尿素の形成やノズルの閉塞が生じる危険なしに、良好に分配される。
【００２４】
尿素溶液と空気の混合物がノズル穴を通って流出するや否や、エアゾールが形成される。高温排ガスがエアゾールを加熱すると、尿素はアンモニアに変換され、アンモニアはノズルの下流に設置された触媒を介して、排ガス中の窒素酸化物を窒素に還元する。
【００２５】
触媒が排気管の拡大部分の横断面領域全体内に設置されているので、排気管内での尿素またはアンモニアの均一な分配が、窒素酸化物の変換にとってきわめて重要である。
【００２６】
本発明の実施および設計は、図の次の説明によって一層明らかになるであろう。
【００２７】
本発明の好ましい一実施の形態が図１に開示されている。図１には、真っ直ぐな噴射ノズルが示してある。ノズルはノズルヘッド１と、外側ケーシング管２と、同軸の供給内管３を備えている。管の間の環状空間には、断熱材料４が充填されている。断熱材料４は環状固体として形成され、内管３と外管２の間に装着されている。
【００２８】
ノズルヘッド１の端部は平らな端部を有するねじ５である。平らな端部のすぐ近くにおいて、ノズル穴６が穿設されている。このノズル穴は流れを生じないノズル容積を除去する。外管は端部に円錐部分７を有する。この円錐部分の細い部分はノズルヘッド１に隣接したところで内管３に近接している。尿素溶液と空気の混合物８は内管３を通って流れ、低温を維持する。この低温では水が蒸発せず、尿素が結晶化しない。混合物８はノズル穴６から流出する。このノズル穴においてエアゾールが形成される。高温排ガス内で尿素溶液がアンモニアと二酸化炭素に変換される。
【００２９】
本発明の他の有利な実施の形態が図２に示してある。この実施の形態はノズルヘッドを除いて上記の噴射ノズルに一致している。このノズルヘッドは９０°の曲がり部１０を備えている。この曲がり部とノズル穴６の間の５ｍｍが真っ直ぐである。
【００３０】
好ましい設置方法が図３に示してある。９０°の曲がり部を有するノズルが排気管１１の壁を通って直角に挿入され、チップが排ガス流れ方向に向き、排気管１１の中央に同軸に設置されている。これにより、尿素溶液はノズル穴６から排ガス流れ方向に対して直角に排ガス流れの中央に流出する。その結果、尿素溶液がきわめて良好に分配される。
【００３１】
尿素水溶液は、ノズル穴６から噴射されるときに、アンモニアと二酸化炭素に変換される。このアンモニアおよび二酸化炭素と排ガスは触媒１２へ流れる。触媒において、アンモニアは窒素酸化物を窒素と水に変換する。触媒による最適変換は排気管内でのアンモニアの適切な分配によってのみ達成される。
【００３２】
図４は、噴射ノズルが４つのノズル穴を備えているときの、ノズル穴の位置を示している。ノズル穴が垂直方向から４５°の角度で穿孔されていると、噴射ノズルの垂直部分は、噴射ノズルの背後から来る排ガス流を乱さない。
【００３３】
本発明は特に、上記の有毒ガスが発生するディーゼルエンジン駆動の船舶、列車、バン、大型トラック等において適用される。上記の有毒ガスは大気を汚染しないようにするために除去しなければならない。上記有毒ガスが生き物、動物および建物にとって有害であるので、益々多くの国においてこの有毒ガスの除去が政府によって要求される。
実施例
噴射ノズルの寸法は排気管内でアンモニアの均一な分配を達成するために重要である。      
【００３４】
本発明の有利な一つの実施例は次のような寸法で製作される。この寸法は以下のような空気と溶液の流れまたは消費に対応し、これらのデータはディーゼルエンジンで駆動される普通のバンでの本発明の使用に相当している。
【００３５】
エンジンが運転されると、２０Ｎｌ／分の空気流が妥当である。尿素溶液消費は排ガス中のＮＯx含有量に合わせて調節される。しかし、７．５ｌ／時間の流れが標準的である。尿素水溶液は２０〜５０重量％、好ましくは３０〜３５重量％、とりわけ３２．５重量％の尿素を有する。
【００３６】
噴射ノズルの内管は６ｍｍの外径と１．５ｍｍの壁厚を有し、外管は２５ｍｍの外径と１．２２ｍｍの壁厚を有し、両管の間にセラミック材料が装着されている。ノズルは４個の穴を有し、この穴はそれぞれ０．５５ｍｍの直径を有し、等間隔をおいて配置されている。異なる流れのために、穴の数と大きさが調節され、しばしば０．３９ｍｍの直径を有する８個の穴が使用される。
【００３７】
本発明の特別な実施例では、円錐部分７の内面は３０°の角度を有し、円錐部分の長さは４４．４ｍｍである。これらの寸法は排ガス内で還元剤をきわめて良好に分配することが実証された。
【００３８】
管の間の空間内の断熱材料はセラミック材料である。このセラミック材料は所望な形に巻かれ、有機質粘結剤によって形を保っている。このセラミック材料はデンマーク国、トロゼのKeramax a/s社から“Isovac”の名前で市販されている。
【００３９】
この断熱材料以外では、ノズルのための適当な材料はステンレススチールＳＳ３１６である。
試験結果
本発明のノズルは、尿素水溶液を使用するときにきわめて有効であることが実証された。この尿素水溶液は高温の排ガス、特に窒素酸化物を含むディーゼル排ガス内に噴射される。
【００４０】
尿素選択接触還元システムは、４Ｌで１５０ｈｐのディーゼルエンジンを備えたバスで実地試験するために２００３年９月に設置された。尿素を噴射するために使用されるノズルは実地試験開始時には、断熱をしない管であった。バスはロンドン市の交通で実際の条件で運転された。
【００４１】
２営業日の短い期間の後で、システムは作動しなくなった。その理由は尿素によるノズルの目詰まりであった。
【００４２】
ノズルが機械的に洗浄され、システムが再び使用可能になった。
【００４３】
２日以上の後で、ノズルは再び尿素残留物によって完全に目詰まりした。
【００４４】
慣用のノズルが、噴射管の周りに断熱材を有する、本発明による本出願人のノズルと置き換えられた。
【００４５】
システムは目詰まりの問題を生じないで全体で５か月間稼働した。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による真っ直ぐなノズルの断面図である。
【図２】９０°の曲がり部を有する本発明によるノズルの断面図である。
【図３】本発明によるノズルを備えた排気管の断面図である。
【図４】９０°の曲がり部を有する本発明によるノズルの前側区間を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１                ノズルヘッド
２                外側ケーシング管
３                供給内管
４                断熱材料
５                スクリュー（プラグ）
６                ノズル穴
７                円錐状部分
８                尿素溶液と空気の混合物
１０              曲がり部
１１              排気管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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