JP2003532012A - 燃焼エンジンの排気ガスフローにおけるガス成分を還元するデバイスおよび方法 - Google Patents
燃焼エンジンの排気ガスフローにおけるガス成分を還元するデバイスおよび方法Info
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Abstract
Description
関する。このエンジンは、希薄空気/燃料混合気により動作するように適合され
、このエンジンからの排気ガスフローを運搬するための排気パイプを備える。本
発明は、特に、この排気ガスフロー内の有害な排気を還元することを意図する。
本発明は、さらに、ガス成分をこのように還元する方法、およびこのような還元
において利用されることが意図される分離ユニットに関する。
の有害物質の低排出が一般に要求される。この物質は、主に、窒素酸化物(NOx )、炭化水素化合物(HC)、および一酸化炭素(CO)の形態の汚染物質に
より構成される。従来のガソリンエンジンに関して、排気ガスは、排気システム
の一部をなし、これを通って排気ガスが誘導される排気触媒を用いて浄化される
。公知の、いわゆる3元触媒において、上述の有害化合物の大部分は、公知の触
媒反応により除去される。触媒の機能を最適化し、これがNOx、HCおよびC
Oを浄化する最適度を提供するように、エンジンは、化学量論的な空気/燃料混
合気、すなわち、λ=1である混合気により最高動作条件で動作される。
減することが一般に要求される。この目的のために、過去数年において、エンジ
ンのシリンダ内に新しいタイプの燃焼室を有するエンジンが開発された。これは
、特に、ますます希薄化する混合気(すなわち、λ=1)によりエンジンを動作
できるようにするためである。通常「希薄燃焼」エンジン(あるいは「DIエン
ジン」)、すなわち直接噴射オットーサイクルエンジンと呼ばれる、このような
エンジンにおいて、エンジン内のそれぞれの燃焼室は、供給された多量の燃料が
それぞれの点火プラグに集中され得るように構成される。この動作モードは、一
般に「階層化(stratified)」動作と呼ばれ、この動作モードは、低
トルクまたは中高トルクおよびエンジンのエンジン速度での連続動作中、超希薄
混合気、より厳密には、約λ=3までの混合気による動作を提供する。このよう
に、このタイプのエンジンでは、燃費量の相当な節約が得られる。エンジンは、
さらに、さらなる「均一」動作モードで、主に化学論理的混合(λ=1)または
比較的濃厚な混合気(λ<1)を用いて動作され得る。この動作モードは、通常
、比較的高いトルク、およびエンジンのエンジン速度を伴う駆動状態において用
いられる。
=1の場合に関連する酸素の余剰を有する排気ガス混合気に対応する。この結果
として、排気ガス中のNOx化合物を還元するために3元触媒が利用され得ない
(3元触媒が、化学両論的混合における最適浄化容量用に構成されているという
事実のため)。この場合、従って、NOx化合物を還元する他のデバイス、およ
び方法の必要が生じる。この必要は、さらに、例えば、ディーゼルエンジンに関
する場合等、酸素の余剰を用いて動作され、そこで動作中にNOx化合物が生成
される、他のタイプのエンジンとの関連で生じる。従って、この場合、NOx化
合物を還元する他のデバイスおよび方法が要求される。この要求は、さらに、例
えば、ディーゼルエンジンに関してそうであるように、余剰酸素を用いて動作さ
れ、動作中にNOx化合物が生成されるような、他のタイプのエンジンとの関連
で生じる。
には窒素酸化物吸着体(NOx吸着体、または「NOxトラップ」とも呼ばれる
)が設けられ得る。この吸着体は、それ自体公知の、燃焼エンジンからの排気ガ
ス中のNOx化合物を吸着するデバイスである。NOx吸着体は、従来の3元触
媒の補足物として利用され得、3元触媒の分離ユニットの上流部分、または3元
触媒の一体部分として、すなわち、3元触媒の触媒材料とともに利用され得る。
これが排気ガス中のNOx化合物を吸収(吸着)し、特定の期間の間、エンジン
が濃厚混合気を用いて動作される場合、NOxを放出(脱着)するように構成さ
れる。さらに、NOx吸着体は、NOx化合物だけを特定の限度まで吸着するこ
とができるという特性を有する。すなわち、この吸着体は、最終的に「満たされ
」、従って吸着の限度に達する。この状態で、NOx吸着体は再生されなければ
ならない。すなわち、NOx吸着体は、脱着して、蓄積されたNOx化合物を放
出するように促されなければならない。この場合、従来の3元触媒がNOx吸着
体の下流に設けられる場合、または、代替的に、3元触媒がNOx吸着体の一体
部分として形成される場合、後者が点火温度に達したならば、脱着されたNOx 化合物は3元触媒を用いて除去され得る。
間の間、すなわち約数秒間、比較的濃厚に生成されるという事実により、NOx 吸着体が再生され得る。実際には、この期間の間、エンジンは、上述の均一な動
作モードで動作され、従って、エンジンは、比較的濃厚な空気/燃料混合気を用
いて動作される。この「濃厚律動(rich pulse)」により、COおよ
びH2分子の余剰が生成される。この余剰は還元剤として機能し、その結果、以
下の式により、NOxと反応する。
Ox化合物の大部分は、窒素、二酸化炭素および水の分子に変換することにより
除去され得る。その後、エンジンは、再び、希薄動作にリセットされ得る。この
希薄動作により、NOx吸着体は、新たな再生が必要になるまで続く特定の期間
の間、NOx化合物を吸着する。
取得された還元剤を用いて還元される。すなわち、この還元剤は、エンジンが濃
厚状態において動作される短期間の間に生成される。さらに、従来技術によると
、NOxの再生が必要か否かに依存して、および他の点でエンジンの動作モード
に依存して、例えば、スロットルの適切な度合いの適用およびエンジン速度に依
存して、燃焼エンジンを均一モードと階層化動作との間で切り換えるための、適
切な計画を用いて制御ユニットが利用される。
能するが、特定の不利な点を有する。例えば、NOx吸着体を再生するための濃
厚排気ガス混合気を用いてエンジンを動作することが必要であるという事実は、
エンジンの動作モード、特に、濃厚動作と希薄動作との間の切り換えに関して、
正確に制御されることを必要とするということが留意され得る。さらに、再生に
より、燃料の余剰が濃厚律動中のエンジンに供給される。その結果、エンジンの
燃費が負に影響されることになる。
還元剤の大部分が、排気ガスフロー中に存在する酸素分子と反応することである
。従って、排気ガスフロー中のHC分子、H2分子またはCO分子は、排気ガス
中の酸素分子と大規模に反応するのではなく、排気ガス中の合物と反応し得、無
害なN2を形成する。これは、プロセスの効率を損なう。
態で、適切なガスフローに供給することである(いわゆるSCR技術)。この方
法に関する不利な点は、これがアンモニア/尿素の貯蔵および供給に関して特定
の配置を必要とし、この技術を用いるNOx還元は、特定の温度間隔の範囲内で
、より厳密には、約300〜500℃でのみ可能なことである。
ゆるEGRシステム(排気ガス再循環)を利用することであり、エンジンからの
排気ガスの特定の量がエンジンの吸気口に戻される。
の異なった大きさの空孔を有するゼオライト構造(いわゆる「二重空孔径(du
al pore size)」技術)を利用することである。この場合、例えば
、ゼオライト構造を通過するガスフロー中のNO分子は、小さいほうの空孔内で
NO2分子に変換され、その後、NO2分子は、大きいほうの空孔内で、例えば
、HC化合物等の還元剤と反応する。この場合、前に述べた反応によりN2、C
O2およびH2Oが形成される。
システム等、他のHCベースのシステムもNOx還元のために利用され得る。こ
のような構造において、HC化合物は、NOx化合物を含むガスフローが、この
構造を通過することが許可されるのと同時に供給され得る。これは、ガスフロー
中のNOx化合物を低減する。
Ox化合物の還元を改善することであり、これにより、上述の問題および不利な
点が除去される。この目的は、その典型的な特徴が添付の請求項1から明らかな
デバイス、およびその典型的な特徴が請求項11から明らかなデバイスにより達
成される。この目的は、さらに、その典型的な特徴が添付の請求項21から明ら
かな分離ユニットにより達成される。この目的は、さらに、その典型的な機能が
添付の請求項22から明らかな方法、およびその典型的な特徴が添付の請求項3
4から明らかな方法により達成される。
成分を還元するデバイスに関する。このデバイスは、希薄空気/燃料混合気によ
り動作するように適合され、エンジンからの排気ガスを運搬するための排気パイ
プを備える。このデバイスは、排気パイプに沿って配置される分離ユニットを備
え、この分離ユニットは、排気ガスフローからのガス成分が選択的に通過し、そ
の後で排気ガスフロー中の他のガス成分が通過することにより、排気ガスフロー
からガス成分を分離する材料の壁構造を備える。
物等の、適切なガス成分の触媒還元のために供給される。壁構造を用いると、排
気ガスフローからの適切なガス成分が選択的に通過し、その後で、排気ガスフロ
ー中の他のガス成分が流出する。この場合、ガス成分は、それが壁構造を通過し
た後(または通過中)に、触媒的に還元剤と反応する。このように、いくつもの
利点が得られる。第1に、この壁構造は、当該のエンジンの希薄動作中に、NOx 化合物の還元が連続的に起こり得るのと同時に、自動車の固有の燃料が還元剤
として用いられることを可能にすることが留意され得る。
は、還元剤が排気ガスフロー中のNOx分子と主に反応する(酸素分子と反応す
ることにより廃棄されるのではない)ことを意味する。このように、酸素との反
応が抑制されることは利点である。
なかった還元剤がエンジン内に導かれて戻され得るという事実と関連する。この
目的のために、分離ユニットは、エンジンの吸気口と接続された排気口を供える
。これは、燃費(例えば、NOx化合物を還元するための還元剤の消費)に正の
影響を与える。
らに、エンジンの取り入れ口側に戻され得る。
の代わりに、本発明は、この場合、分離ユニットにおける分離の後、ガス成分を
エンジンの吸気口に戻すために利用される。このように、戻されたガス成分が周
辺の大気中に発散されるのを防ぐ。
うに適合された燃焼エンジンの排気ガスフロー中の第1のガス成分を還元するデ
バイスに関する。このデバイスは、エンジンから排気ガスフローを運搬する排気
パイプを備える。このデバイスは、この排気パイプに沿って配置される分離ユニ
ットを備え、分離ユニットは、ある材料の壁構造を備え、この壁構造を用いて、
第2のガス成分が選択的に通過し、その後、排気ガス中の他のガス成分が通過す
ることにより、排気ガスフローから第2のガス化合物が分離される。この分離ユ
ニットは、コンジットを介してエンジンの吸気口と接続された排気口を備え、第
2のガス化合物は、排気ガスフローから分離された後、この吸気口に戻される。
離され得、エンジンの取入れ口側に戻され得る。これは、エンジン内に形成され
るNOx化合物の量を還元させることに貢献する。このように、本発明は、壁構
造において排気ガスから分離された水を戻す「選択的EGR機能」を提供する。
この配置に関する1つの利点は、NOx化合物を低減するために、エンジンに余
分な水が供給される必要がなく、代わりに、エンジンから出た、排気ガスフロー
中に存在する量の水が利用される。
プの燃焼エンジンとの関連で利用され得る。特に、(上述の分離ユニットを用い
て排気ガスから分離された)水がターボアグリゲートの1部を形成するコンプレ
ッサの点上流(point upstream)に戻され、この水は中間冷却器
により冷却されるという事実により、エンジンからのNOx化合物の放出がさら
に低減され得る。
に説明される。
は、「希薄燃焼」タイプ(DIエンジンとも呼ばれる)、すなわち直接噴射オッ
トーサイクルエンジンタイプの燃焼エンジン1と接続して配置され、ここで、燃
料のエンジン1への噴射は、エンジン1への異なった空気および燃料供給、なら
びに、燃料の噴射、および空気/燃料混合気の点火の期間が異なる、少なくとも
2つの動作モード用に適合される。より厳密には、エンジン1は、好適には、「
階層化」動作モードで設定され得るように適合される。ここで、供給される燃料
は、エンジンのそれぞれの燃焼室内で圧縮され、特定の所定の動作のケースの間
のエンジンは、約λ=3の非常に希薄な空気/燃料混合気により動作され得る。
階層化動作モードは、燃料がエンジン1に噴射され、燃料が部分的に(すなわち
、不均一に)空気と混合されるという事実に基づき、ここで、混合された燃料と
空気の小さな「雲」が形成される。この部分的混合気を取り囲んで、実質的に、
清潔な空気が存在する。このように、約λ=3の非常に希薄な混合気の点火が行
われ得る。
もに供給される。このようなエンジンを用いて、λ=1である理論混合物により
動作されるエンジンと比較して、かなりの燃料が節約される。さらに、エンジン
1は、好適には、特定の動作のケースの間に「均一」動作モードでエンジン1の
比較的高いトルクおよびエンジン速度に設定され得、理論混合物または比較的濃
厚な混合物は、エンジン1に供給される。この場合、この混合物(階層化動作モ
ードの場合とは逆に)は、実質的に、燃焼室内に均一に分散される。
、他の接続で、例えば、ディーゼルエンジン、および理論混合との関連で、酸素
の余剰により動作され得、NOx化合物を還元する需要がある、他のエンジンの
タイプと接続して用いられてもよい。しかしながら、以下において、本発明は、
ガソリンにより駆動されることが意図される「希薄燃焼」エンジンに関して説明
される。
さらに、エンジン1に複数の(例えば4個の)シリンダ3、および対応する数の
燃料噴射器4が設けられる。それぞれの噴射器4は、電気接続6を介して中央制
御ユニット5に接続される。制御ユニット5は、好適には、コンピュータベース
であり、公知の方法で、燃料タンク7からの燃料の各噴射器4への燃料供給を制
御するように適合される。従って、一定の時間毎に適合される空気/燃料混合気
がエンジン1に供給される。燃料は、燃料タンク7からコンジットを介して、そ
れぞれの噴射器4に供給される。さらに、燃料をそれぞれの噴射器4に供給する
ために、燃料タンク7と接続された燃料ポンプ9が設けられる。燃料ポンプ9は
、制御ユニット5により制御可能であり、この目的のために、さらなる電気接続
10を介して燃料ポンプ9に接続される。本実施形態によるエンジン1は、「多
点」噴射タイプにより形成される。ここで、公知の方法で、エンジンへの正しい
量の燃料が、制御ユニット5を用いる制御により、それぞれの噴射器4に個別に
供給され得る。
は、本発明によるエンジンシステムの主設計を示すに過ぎず、種々の数のシリン
ダおよび種々のシリンダ構成を有するエンジンにおいて利用され得ることに留意
されたい。
ように適合されるので、この混合気は、一定の時間毎に、一般的な(preva
iling)動作モードに適合される。エンジン1の制御は、実質的に公知の方
法で、エンジン1の動作モードおよび当該車両を反映する種々のパラメータに依
存して行われる。例えば、エンジンの制御は、適切な度合いのスロットルアプリ
ケーション、エンジン速度、エンジンに噴射される空気の量、および排気ガス中
の酸素濃度に依存して行われ得る。この目的のために、エンジン1に、例えば、
車両の加速ペダル(図示せず)用の位置指示計11、エンジン1のエンジン速度
を検出するエンジン速度指示計12、およびエンジン1に供給された空気の量を
検出する流量計13が設けられる。これらすべては、対応する電気接続14、1
5および16それぞれを介して制御ユニット5に接続される。さらに、システム
は、ガススロットル17を備える。このガススロットルは、好適には、電気的に
制御可能であり、このため、制御可能な移動モータ18が設けられ、このモータ
を用いて、ガススロットル17が特定の所望の位置にセットされ得、従って、適
切な動作モードに依存して、適切な量の空気がエンジン1の中に供給される。従
って、移動モータ18は、さらなる接続19を介して制御ユニット5に接続され
る。
リンダ3から導き出され、さらに、分岐パイプ20に接続される排気パイプ21
に導かれる。特定の分離ユニット22は、排気パイプ21に沿ってさらに下流に
設けられる。後述されることによって、分離ユニット22は、排気ガスフロー中
のNOx化合物を低減する間に利用されるように適合される。排気ガスフローは
、エンジン1から、排気パイプ21および分離ユニット22を通り、その後、さ
らに、大気中へ導き出される。
含む。好適には、センサ23は、線形ラムダプローブ(Lambda prob
e)タイプであり(しかしながら、代替的にバイナリプローブにより構成されて
もよい)、電気的接続24を介して制御ユニット5に接続される。好適には、セ
ンサ23は、排気パイプ21の中、分離ユニット22の上流に設けられる。それ
自体、公知の方法で、センサ23は、排気ガス中の酸素濃度に対応する信号を生
成するために利用される。この信号は、接続24を介して制御ユニット5に供給
され、エンジン1への空気/燃料混合気を制御するために利用される。
のNOx化合物の濃度を決定するために利用される表示器が設けられる。この目
的のために、NOxセンサ25は、排気パイプ21の中、分離ユニット22の下
流に設けられ、さらなる電気的接続26を介して制御ユニット5に接続される。
詳細に後述されることにより、排気ガス中のNOx化合物の濃度を連続的に検出
ことにより、制御ユニット5における還元剤の量を制御する可能性、すなわちN
Ox化合物のある一定の還元を連続的に制御する可能性が提供される。さらに、
NOxセンサ25により、NOx還元による作用を突き止め、システムの部分を
形成する部品の機能を制御する可能性が提供される。
上流に提供され得る。さらに、この場合、センサは、吸気口に供給されるべき還
元剤の量を制御するために利用され得る。さらなる代替手段により、2つのNOx センサが利用され得、この場合、分離ユニット22の正面および後に構成され
る。このように、分離ユニット22における変化の度合いを決定し、分離ユニッ
ト22の機能を制御するすばらしい機会が提供される。
動作中に、希薄排気ガス混合気(すなわち、λ=1)が生成され、排気パイプ2
1を通って流れ、分離ユニット22に到達する。これは、排気ガス中の酸素の大
量の余剰に対応し、最初に説明されたことによれば、これはエンジン1により生
成されるNOx化合物が3元触媒により除去されることを不可能にする。その代
わりに、エンジン1からの排気ガス中のNOx化合物を還元するために、本発明
による分離ユニット22に吸気口27が設けられる。これを通って、還元剤が分
離ユニット22の中に供給され得る。本実施形態によれば、この還元剤は、エン
ジン1から放出された排気ガスフローから別々に供給される。より厳密には、還
元剤は、車両固有の燃料から取得され、この場合、例えば、種々のHC化合物に
より構成される。この目的のために、吸気口27は、燃料タンク7からの燃料を
供給するためのコンジット28と接続される。さらに、コンジット28に沿って
、燃料を分離ユニット22内の還元剤として適切な形態に処理するために適合さ
れた特定の変換ユニット29が設けられる。より厳密には、変換ユニット29は
、燃料を液体から気体の形態に変換するための蒸発デバイスを備え得る。この気
体燃料は、次に、還元剤の形態で分離ユニット22に供給される。あるいは、変
換ユニット29は、燃料を分離ユニット22内の適切な還元剤に触媒改質するた
めの改質器を備え得る。さらに、変換ユニットは、例えば、分離ユニットに供給
される還元剤の圧力を調整するためのポンプ、および分離ユニット22への還元
剤のフローを制御するバルブ等の形態で、さらなる(図示せず)構成部品を適切
に備え得る。この場合、このようなさらなる構成部品は、上述の制御ユニット5
への接続(図示せず)を介して適切に制御可能である。
に、燃料は、ガソリンにより構成される。しかしながら、本発明は、このタイプ
の燃料に限定されず、例えば、ディーゼルエンジンにおいて利用されてもよい。
さらに、還元剤は、アルコール、メタノール、水素ガス、エタノールまたは純炭
化水素(式CxHyによる)等の他の物質により構成され得る。このような場合
、還元剤は、当該の還元剤用に特に意図される分離タンク(図1に図示せず)か
ら分離ユニット22に供給される。
ロー中のNOx化合物が排除される)において排気ガスフローと反応するように
、本発明は構成される。反応しなかった還元剤の量は、分離ユニット22内の排
気口30、および分離ユニット22をエンジン1の吸気口2に接続するさらなる
コンジット31を介して燃料タンク7に導かれる。このように、残った未使用の
すべての存在し得る還元剤が、失われる代わりにエンジン1に返される限り、本
発明による利点が得られる。還元剤とNOx化合物が還元した排気ガスフローと
の反応は、図2から詳細に明らかである。図2は、分離ユニット22の内部を拡
大し、そして一部が破断面である断面図である。分離ユニット22は、相互から
分離した複数の内壁32が設けられ、かつ、排気ガスフローが分離ユニット22
を通り、そして大気中に出ることが可能なように延長部を有するように構成され
る。好適には、壁32は、分離ユニット22の実質的に長手方向である延長部を
有するように構成される。壁32は、複数の分離した、長手方向のダクト33a
、33bを規定する。当該還元剤が1つおきにあるダクト33bに沿って導かれ
、還元剤が導かれるダクト33b間に配置されたダクト33aに沿って、排気ガ
スフローが導かれるように、ダクト33a、33bを設ける。この点に関して、
還元剤および排気ガスフローは、相互に対して実質的に対向する方向に導かれる
。
ために、キャリアガスを変換装置29に供給してもよいし、あるいは、コンジッ
ト28に直接供給してもよい。周囲大気から変換装置29へのこのような接続を
、図1で破線および参照符号28bを用いて示す。あるいは、接続は、分離ユニ
ット22に続くコンジット28に直接、接続し得る。実施形態による分離ユニッ
ト22がコンジット31を介してエンジン1の吸気口2に接続されているため、
吸気口2と分離ユニット22との間には圧力差がある。この圧力差により十分な
動作圧力が得られ、この動作圧力により、キャリアガスが燃料と共に分離ユニッ
ト22に効果的な様態で運ばれる。
、NOx化合物との反応の間に消費されると推定される還元剤の量のみが分離ユ
ニット22に供給されるように制御される。
ット22内の1つおきにあるダクトに沿って導かれる。この場合、さらなる矢印
35が示すように、排気ガスがエンジン1から中間ダクトに沿って導かれる。し
たがって、本発明によれば、排気ガスおよび還元剤は別個のダクトに沿って分離
ユニット22内に導かれる。
なるように、分離ユニット22内に適切に導かれる。しかし、本発明はこれに限
定されない。あるいは、還元剤は、排気ガスと実質的に同じ方向に沿って(すな
わち、排気ガスの流れる方向に対して現行の向きまたは逆向きで)分離ユニット
中に導かれ得る。好適には、この場合、NOx化合物の最低濃度が、還元剤の最
大濃度に合うように、還元剤は向流する様態で分離ユニット22内に導かれる。
2の長手方向の延長部と平行である板となるように構成されている。しかし、本
発明はこのような設計に限定されないが、壁は、例えば、複数の同心パイプによ
って規定され得る。これらのパイプの間には、上述のダクトに対応する隔たりが
規定される。さらなる代替は、分離ユニットをハニカム構造で押出しモノリスの
形態に設計する。この構造において、排気ガスフローおよび還元剤は1つおきに
あるダクトに供給される。第4の別の実施形態は、断面図で見た場合、実質的に
「S」のように折り畳まれたディスクとして分離ユニットを設計する。
施形態は、排気ガスおよび還元剤がダクト33a、33bに沿って分離ユニット
22中に供給される点に基づいていると言い得る。ダクト33a、33bは、相
互から分離し、かつ、壁構造を共に構成する複数の壁32の両側に設けられてい
る。フローに関して最適、かつ、正しい様態でエンジン1からの排気ガスフロー
を制御し、これにより、還元剤および排気ガスフローがそれぞれ、各壁32のい
ずれかの側面中に導かれ得るように壁32を設計する。
ガス成分が壁32中に拡散(すなわち、浸透)される点に関して、選択的な吸着
能力を有する材料からなる。好適には、壁32はゼオライトの材料からなる。ゼ
オライトの材料は、それ自体以前より公知のタイプの材料であり、これらのガス
成分中の分子サイズおよび分子の形状に関する差異に依存して、例えば、混合気
中の種々のガス成分を分離するために用いられ得る分子構造を含むという特性を
有する。具体的には、ゼオライトは、上述の選択的機能が提供される寸法の「空
孔」または「ダクト」が形成された結晶構造を含む。
スフロー中を酸素が通ることを相当防ぎつつ、NOx化合物が通ることを可能に
し得る。ゼオライト材料によりさらに、各壁32を介して還元剤が流れることが
可能になる。好適な実施形態によれば、ゼオライト材料の分子構造が、窒素酸化
物が比較的高い拡散速度で通り、一方、他のガス成分(例えば、酸素)が比較的
低い拡散速度で通ることが可能であるようにダクトの直径が約5オングストロー
ム(1オングストローム=10−10m)のサイズであるゼオライト材料が用い
られる。このようなゼオライト材料の一例はZSM−5である。しかし、本発明
はこの材料に限定されない。したがって、実施形態によれば、サイズに応じて分
子の分離が提供される。壁構造を介した運搬は分圧差によって維持される。キャ
リアガスを適切に用いると、壁構造を通過した分子を運搬し得る。ゼオライトは
、本発明による種々のサイズおよび形状の分子を分離するために用いられ得る材
料の一例にすぎない。適切な材料の別の例はいわゆるSAPO(シリコン、アル
ミニウム、リンおよび酸素)である。
かでない)各壁32の側面のうちの一方に沿って供給され、一方、排気ガスが排
気パイプ21から、対応する壁32の他方の側面に沿って供給されるものを本発
明が提供する点に留意されたい。この場合、壁32は膜構造を構成する。この膜
構造は、その材料特性によって、還元剤が導かれるダクト33aの方向で、高い
拡散速度で排気ガスフロー中をガス成分が通ることを可能にするように適合され
る。対応する様態で、壁32により、排気ガスフローが導かれるダクト33bの
方向で、高い拡散速度で排気ガスフロー中を還元剤が通ることが可能になる。一
方、各壁32を介した排気ガスフローからの酸素の拡散が相当制限されるように
なる。これは、酸素の拡散速度が相当低いことに対応する。酸素が各壁32を通
過する速度をこのような遅延は、壁32がゼオライト材料からなり、ダクト33
aからの還元剤のガス運搬、およびダクト33bからの排気ガスフローのガス運
搬が、ゼオライトの空孔構造を通るようにすることによって提供される。本発明
によれば、N2およびO2などの無極性ガス成分の運搬速度を遅くし、一方、極
性ガス成分の運搬速度を速くするように壁構造32の極性を修正することによっ
て、拡散能力に相当影響を与え得る。例えば、ゼオライトの構造において、アル
ミニウム(Al)をシリコン(Si)に交換することによって極性に影響を与え
得る。シリコンは四価であり、アルミニウムは三価である。この場合、シリコン
は対イオン(例えば、Na+またはH+)を必要とする。あるいは、対イオンは
銀(Ag+)によって構成され得る。さらに、ゼオライト中のSi/Alの関係
を変更し得る。さらに、小さい空孔を有し、空孔が約5オングストローム以下で
ある空孔構造を有するゼオライトを適切に用いる。
と比べて、NOx化合物と還元剤との反応の選択性を向上させる。このように、
排気ガスフロー中の酸素分子と反応させることによって、還元剤を不必要に浪費
しない限り、利点が得られる。
面図Aをさらに拡大した図である。したがって、図3において、各壁32中のN
Ox化合物の還元を略図で示す。本発明の基本原理は、壁32が、排気ガスフロ
ー中のNOx化合物と還元剤との反応の触媒としても機能する点である。この場
合、触媒反応は各壁32の表面層に対して、すなわち、対応する還元剤用のダク
ト33bの内方へと向けられた各壁32の表面層において実質的に起こる。図3
において、表面層は参照符号32bを用いて示す。各壁32を介して導かれるN
Ox化合物および各ダクト33bに沿って導かれる還元剤は表面層32b上に吸
着される。各排気ガスダクト33a中の酸素の、壁32を通る運搬速度が低くな
るように、上述の様態で材料を選択するため、(例えば)酸素が浸透する前にN
Ox化合物が選択的に浸透する。このように、酸素は表面層32b中の反応に関
与しない。還元剤の壁32を通る運搬速度も低いため、還元剤は非常に短い距離
32の内方へと拡散し、表面層32b中のNOx化合物と反応する。膜内で用い
られる反応は、 NOx+R→N2+CO2+H2O という関係に従う。但し、Rは当該還元剤であり、例えば、エンジン1の燃料中
のHC化合物によって構成される。適切な還元剤の他の例は、水素ガス(H2)
、一酸化炭素(CO)およびアンモニア(NH3)である。したがって、NOx 化合物が還元剤と反応して、無害な分子の窒素、二酸化炭素および水を形成する
ことが証明され得る。
代替として、触媒作用は、壁構造上に施された別個の触媒コーティングによって
提供され得る。したがって、この代替の溶液(図面には図示せず)中において、
この作用のために別個の表面層を用いる。
すなわち、排気ガスフロー中のすべてのガス成分と反応しなかった還元剤)は、
コンジット31を介してエンジンの取入れ口側に導かれることが示される。還元
剤は、分離ユニット22中に行き渡っている圧力に対して負である吸気口2内で
行き渡っている圧力によって運搬される。上述のキャリアガスコンジット28b
を用いる場合に、このプロセスが促進される。あるいは、ポンプデバイス(図示
せず)を用いると、還元剤を吸い込み、次いで、車のシリンダー中に残りの空気
および燃料と共に還元剤を供給し得る。
返さずに、残りの還元剤を導くことも可能である。
条件(エンジン1の関連負荷、エンジン速度および温度に関する)がいかにNOx 化合物を生成するかを記述した、格納されたテーブルを制御装置5に供給する
ことによって、分離ユニット22に供給される還元剤の量を制御するために用い
られ得る。テーブルを制御装置5に供給する場合、別個のNOxセンサは必要な
い。
ーに対する分離ユニット22の後の排気ガスフロー中のNOx化合物の量を検出
することによって、いかに効果的にNOxの還元が還元剤の特定のフローに関連
しているかを計算するように適合される。好適には、この場合、供給された還元
剤の量により、広がっているNOxの還元が調整され得る。したがって、排気ガ
ス中のNOx化合物の濃度を継続的に検出する制御装置5を用いることによって
、供給された還元剤の量を調整する可能性が提供される。
能性が提供される。この場合、これは、NOx化合物の関連した濃度を測定し、
かつ、エンジン1の種々の動作状態の間に特定の所定の制限値を比較する制御装
置5を用いることによって行われる。制限値が満たされない場合、不可欠な成分
のうちの1つに関して、所定のタイプのエラーがあることが証明され得る。この
ような場合、例えば、NOxの還元が正常に機能していないことを車両の運転手
に警告する警告灯の形態で、所定の表示の形態を生成するために、制御装置5を
用いてもよい。
に対して燃費が約10〜15%下がるという計算が示された。この燃費の見込み
から、約1%の装置が消え、これは、上述の還元剤を提供するために必要である
。したがって、以前より公知のエンジン構成に対して、9〜14%の燃費の純益
が提供される。さらに、本発明がディーゼルエンジンと共に用いられた場合、従
来のガソリンエンジンに対して燃料の節約が約30%下がることが証明されてい
る。
スの温度より低く、NOx化合物を還元させる本発明による方法は、排気ガスの
温度が相当低い間に特に効果的であることが証明されているため、偶然にも、本
発明はディーゼルエンジンで用いられることに特に適している。
実質的に図1に対応するが、還元剤のいかなる供給も含まない。さらに、図1に
も明らかであるコンポーネントに対しては、同じ参照符号を図4において用いる
ことに留意されたい。
なわち、コンジット31を介して)、分離ユニット22はエンジン1の吸気口2
に接続される。しかし、(コンジット31がエンジン1にすべての存在し得る未
使用の還元剤を返すために用いられる)図1による実施形態とは異なり、図4に
よる実施形態におけるコンジット31は、分離ユニット22によってエンジンの
排気ガスから分離されたNOx化合物を返すために用いられる。この場合、分離
ユニット22が排気ガス中の他のガス成分より前に、NOx化合物を選択的に通
す材料からできた壁構造を含む限り、NOx化合物の分離は、図2および図3に
関して上で説明した様態に対応する様態で行われる。したがって、図4による実
施形態において、還元剤は供給されないが、排気ガス中のNOx化合物は分離ユ
ニット22中の排気ガスから分離され、そして周囲大気に放出される代わりに、
コンジット31を介してエンジン1に返される。
からの空気用に用いられる。これは、この場合、分離ユニット22中に供給され
る。この場合、キャリアガスは、分離ユニット22によって分離されたNOx化
合物を、リターンコンジット31を介してエンジン1に導く。
用いられている。この第3の実施形態においても、還元剤はまったく供給されな
い。さらに、この第3の実施形態による分離ユニットは、エンジンからおよび分
離ユニット22を介して流れ出す排気ガス中に水の選択的通路を提供する材料で
できた壁構造が設けられる。これを目的として、壁構造中の材料は好適には、Z
SM−5によって構成され得るが、他の材料も可能である。
ことは、それ自体以前より公知である。特定の量の水が分離ユニット中の排気ガ
スフローから分離され、続いて、水を返すことが意図されたリターンコンジット
31を介して、エンジン1の空気吸気口2に返される限り、この原理はこの第3
の実施形態において用いられる。
化した主な図であり、これは、上述したものに実質的に対応するが、エンジン1
を意図している。エンジン1は、それ自体以前より公知のターボアグリゲート3
6が設けられており、次いで、排気ガスによって動作されるタービン37、およ
び流入する空気を圧縮するコンプレッサ38を含む。これを目的として、タービ
ン37およびコンプレッサ38を公知の様態で、共通軸39上に配置する。コン
プレッサ38はタービン37によって動作され、次いで、タービン37はエンジ
ン1から流れる排気ガスによって動作される。さらに、システムは、いわゆる「
インタークーラー」40を含む。インタークーラー40によって、コンプレッサ
38を介してエンジン1に供給される空気が冷却され得る。
介して、上述の対応するタイプの分離ユニット22に接続される。エンジン1か
らの排気ガスは、排気ガスタービン37を介して、そしてさらに分離ユニット2
2に供給される。上述した様態で、分離ユニット22は、流れる排気ガスから特
定の排気ガス成分(この場合、水)を分離するように適合される。実施形態によ
れば、分離ユニット22をエンジン1の吸気口2に接続するコンジット31を介
して、ターボアグリゲート36のコンプレッサ38の上流点にこの水が返される
。このように、水が排気ガスから分離され得、エンジン1の取入れ口に返され得
る。これは、エンジン内で形成されるNOx化合物の量が還元することにつなが
る。あるいは、コンプレッサ38の下流点にも水を返し得る。
本発明によって提供される。本発明において余分な水を加える必要はない。代わ
りに、排気ガス中に存在する量の水が用いられる。
体の場合、上述の冷却デバイス40によって向上した機能を提供する。冷却デバ
イス40は、この場合、水を冷却するために用いられて、次いで、水はエンジン
1に返される。エンジン1におけるNOx化合物の生成が原則的に還元し、吸気
口2に返される水の量が多くなることが証明され得る。特に、水が飽和した後に
は、飽和していない場合に比べてNOx生成の還元が多くなることが証明され得
る。
掲の特許請求の範囲の範囲内で変化し得る。例えば、ガソリンエンジンおよびデ
ィーゼルエンジンの両方、または排気ガス中の余分な酸素によって動作されるエ
ンジン内で、NOx化合物が還元することが望ましい他の用途において本発明を
用い得る。原則的に、ガスフロー中の特定のガス成分(例えば、一酸化炭素(C
O))が還元することが望ましい他の接続部にも本発明を適用し得る。
に(NOx吸着剤の再生用の)リッチなオペレーションをもはや必要としないた
め、これは有利な結果をもたらす。
の吸気口にNOx化合物および水を結合して返し得る。上述したタイプと実質的
に同じタイプの壁構造を有するが、NOx化合物および水の両方の選択的通路が
提供される様態で設計された分離ユニットを用いることによって、これを提供し
得る。壁構造中の適切に選択された材料特性(例えば、材料および空孔サイズに
関して)によってこれを実現し得る。例えば、異なる壁において異なる空孔サイ
ズを有するZSM−5のタイプの材料は、NOx化合物および水を同時に選択的
に分離するために用いられ得る。この場合、このような分離、およびエンジンの
吸気口へNOx化合物および水を続いて返すことによって、エンジン中のNOx 化合物の生成が還元される。
わされ得る。あるいは、分離ユニット22を、例えば、粒子フィルター、酸化触
媒または尿素ベースの後処理装置と組み合わしてもよい。
の形態のコンプレッサデバイス(図1および図4参照)を本発明に追加して、分
離された排気ガス成分を返すために用いられるキャリアガスの圧力を増加させ得
る。これは、種々のエンジンタイプで用いるように本発明を調整することに適し
てい得る。
スを本発明に追加し得る。例えば、この場合、キャリアガスコンジット28bに
沿って配置され得る、それ自体以前より公知の調節バルブによって、これを実現
し得る。この場合、このようなバルブは、適切に制御装置5に電気的に接続され
、かつ制御装置5によって制御可能である(図1および図4参照)。
る。
ある。
線図である。
Claims (35)
- 【請求項1】 希薄空気/燃料混合物によって動作するために適応された燃
焼エンジン(1)の排気ガスフローにおけるガス成分を還元し、該エンジン(1
)からの該排気ガスフローの輸送のための排気パイプ(21)を含むデバイスで
あって、 該デバイスは、該排気パイプ(21)に沿って配置された分離ユニット(22
)を含み、該分離ユニット(22)は、該排気ガスフロー内の他のガス成分より
も前に該ガス成分の選択的通過によって該ガスフローから該ガス成分の分離を付
与する材料の壁構造(32)を含むことを特徴とするデバイス。 - 【請求項2】 前記分離ユニット(22)は、前記壁構造(32)によって
前記入来排気ガスフローから分離された還元剤の供給のための吸気口(27)を
含み、該分離ユニット(22)は、該還元剤の供給によって該ガス成分の触媒還
元を付与することを特徴とする、請求項1に記載のデバイス。 - 【請求項3】 前記分離ユニット(22)の吸気口(27)は、コンジット
(28)を介して、前記エンジン(1)の一部を形成するタンク(7)に接続さ
れ、該エンジン(1)の常用燃料に対して意図され、前記還元剤は、該燃料から
得られることを特徴とする、請求項2に記載のデバイス。 - 【請求項4】 該分離ユニット(22)の吸気口(27)は、コンジットを
介して前記還元剤のための分離タンクに接続されることを特徴とする、請求項2
に記載のデバイス。 - 【請求項5】 前記分離ユニット(22)は、前記排気ガスフローに関連す
る前記還元剤の反電流に供給するために適応されることを特徴とする、請求項2
〜4のうちのいずれかに記載のデバイス。 - 【請求項6】 前記分離ユニット(22)は、該分離ユニット(22)から
排気されるガス成分および前記吸気口(2)に戻るガス成分と反応しない任意の
還元剤を供給するために、コンジット(31)を介して、該エンジン(1)の吸
気口(2)に接続された排気口(30)を含むことを特徴とする、請求項2〜5
のいずれかに記載のデバイス。 - 【請求項7】 前記吸気口(27)は、前記還元剤のためのキャリアガスと
して新鮮な空気において供給するためのさらなるコンジット(28b)に接続さ
れることを特徴とする、請求項6に記載のデバイス。 - 【請求項8】 前記分離ユニット(22)は、前記分離ガスフローからの分
離の後、前記吸気口(2)に前記ガス成分を戻すために、コンジット(31)を
介して前記エンジン(1)の吸気口(2)に接続される排気口(30)を含むこ
とを特徴とする、請求項1に記載のデバイス。 - 【請求項9】 前記吸気口(27)は、前記ガス成分のためのキャリアガス
として新鮮な空気に供給するためのさらなるコンジット(28b)に接続される
ことを特徴とする、請求項8に記載のデバイス。 - 【請求項10】 前記ガス成分は、前記排気ガスフローにおいて窒素の酸化
物(NOx化合物)によって構成されることを特徴とする、請求項1〜9のうち
のいずれかに記載のデバイス。 - 【請求項11】 希薄空気/ガス混合物によって動作するために適応された
燃焼エンジン(1)からの第1のガス成分を還元し、該エンジン(1)からの排
気ガスフローの輸送のための排気パイプ(21)を含むデバイスであって、 該デバイスは、該排気パイプ(21)に沿って配置された分離ユニット(22
)を含み、該分離ユニット(22)は、該排気ガスフローにおける他のガス成分
よりも前に第2のガス成分の選択的な通過によって該排気ガスフローから該第2
のガス成分の分離を付与する材料の壁構造(32)を含み、該分離ユニット(2
2)は、該排気ガスフローからの分離の後で吸気口(2)に該第2のガス成分を
戻すために、コンジット(31)を介して該エンジン(1)の吸気口(2)に接
続される排気口(30)を含むことを特徴とするデバイス。 - 【請求項12】 前記第2のガス成分は水によって構成されることを特徴と
する、請求項11に記載のデバイス。 - 【請求項13】 前記第1のガス成分は、前記排気ガスフローにおいて窒素
の酸化物(NOx化合物)によって構成されることを特徴とする、請求項11ま
たは12に記載のデバイス。 - 【請求項14】 前記エンジン(1)は、該エンジン(1)に供給された空
気の圧縮のために、排気ガスで動作するタービン(37)およびコンプレッサ(
38)を有するターボアグリゲート(36)に接続して設けられ、 前記コンジット(31)は、該コンプレッサ(38)の上流点に接続されるこ
とを特徴とする、請求項11〜13のうちのいずれかに記載のデバイス。 - 【請求項15】 前記エンジン(1)の機能は、制御ユニット(5)によっ
て制御可能であり、 該制御ユニット(5)は、該エンジン(1)の希薄動作の間に、前記還元剤の
実質的に連続的な供給に適応されることを特徴とする、請求項1〜14のうちの
いずれかに記載のデバイス。 - 【請求項16】 NOxセンサ(25)は、前記排気ガスフローにおけるN
Ox化合物の量の検出のために前記制御ユニット(5)に接続されることを特徴
とする、請求項15に記載のデバイス。 - 【請求項17】 前記制御ユニット(5)は、前記NOx化合物の量に応じ
て、前記還元剤の供給に適応されることに特徴とする、請求項16に記載のデバ
イス。 - 【請求項18】 前記NOxセンサ(25)は、前記NOx化合物の還元に
よる作用の分析中に利用されることを特徴とする、請求項16または17に記載
のデバイス。 - 【請求項19】 前記エンジン(1)は、「希薄燃焼」型のエンジンである
ことに特徴付けられる、請求項1〜18のうちのいずれかに記載のデバイス。 - 【請求項20】 前記エンジンは、ディーゼルエンジン型であることを特徴
とする、請求項1〜18のうちのいずれかに記載のデバイス。 - 【請求項21】 分離ユニット(22)は、壁構造(32)を構成し、該壁
構造(32)は、ガスフローにおいて他のガス成分の前に該ガスフローからのガ
ス成分の選択的な通過を提供する材料を含むことを特徴とする、ガスフローにお
けるガス成分を還元する分離ユニット(22)。 - 【請求項22】 希薄空気/燃料の混合による作用に適応され、エンジン(
1)から分離ユニット(22)へ排気ガスフローを供給する工程を含む、該燃焼
エンジン(1)の該排気ガスフローにおけるガス成分の量を還元する方法であっ
て、 該方法は、該排気ガスフローの他のガス成分の前に該ガス成分の選択的な通過
を提供する材料を構成する壁構造(32)の該排気ガスフローからの該ガス成分
の分離を備えることを特徴とする、方法。 - 【請求項23】 前記分離ユニット(22)の吸気口(27)への還元剤の
供給と、 該還元剤によって前記ガス成分の触媒による還元と を構成することを特徴とする方法であって、 該供給される還元剤は、前記壁構造(32)によって前記排気ガスフローから
分離される、 請求項22に記載の方法。 - 【請求項24】 前記還元剤の供給は、前記エンジン(1)の一部を形成し
、該エンジン(1)の常用燃料を目的として意図される、タンク(7)から生じ
、該還元剤は該燃料から生じることを特徴とする、請求項23に記載の方法。 - 【請求項25】 前記還元剤は、前記排気ガスフローに関連して基本的に向
流を、分離ユニット(22)を介して供給されることを特徴とする、請求項23
または24に記載の方法。 - 【請求項26】 前記ガス成分と反応しない還元剤は、前記分離ユニット(
22)から外へ供給され、前記エンジン(1)の吸気口(2)に戻されることを
特徴とする、請求項23〜25のうちのいずれかに記載の方法。 - 【請求項27】 前記還元剤は、該還元剤に対するキャリアガスとして外気
中に供給されることを特徴とする、請求項26に記載の方法。 - 【請求項28】 前記還元剤は、前記エンジン(1)の効率の良い希薄動作
中に基本的に途切れることなく分離ユニット(22)に供給されるということを
特徴とする、請求項23〜27のうちのいずれかに記載の方法。 - 【請求項29】 前記還元剤は、コンジット(31)を介して前記吸気口(
2)への前記ガス成分の向流を含んでいることを特徴とする、請求項22に記載
の方法。 - 【請求項30】 前記還元剤は、前記ガス成分に対するキャリアガスとして
外気中に供給する工程を含んでいることを特徴とする、請求項29に記載の方法
。 - 【請求項31】 前記ガス成分は、前記ガスフローにおける窒素酸化物(N
Ox化合物)によって構成され、前記排気ガスフローに該NOx化合物の量の検
出を含む、請求項23〜30のうちのいずれかにに記載の方法。 - 【請求項32】 前記還元剤の供給は、検出されたNOx化合物の量に依存
して生じることを特徴とする、請求項31に記載の方法。 - 【請求項33】 前記方法は、前記NOx化合物の還元による作用の分析を
含む、請求項31または32に記載の方法。 - 【請求項34】 希薄空気/燃料の混合による作用に適応され、燃焼エン
ジン(1)から分離ユニット(22)へ排気ガスフローを供給する工程を含む、
該燃焼エンジン(1)からの第1のガス成分の量を還元する方法であって、 該方法は、 該排気ガスフローの他のガス成分の前に第2のガス成分の選択的な通路を提供
する材料を含む、壁構造(32)の該排気ガスフローからの該第2のガス成分の
分離と、 該エンジン(1)の吸気口(2)に該第2のガス成分を戻すことと を包含することを特徴とする、方法。 - 【請求項35】 前記壁構造における前記第1のガス成分および前記第2の
ガス成分の分離であって、該壁構造は、前記ガスフローの他のガス成分の前に該
第1のガス成分および該第2のガス成分の選択的な通路を提供する材料を含む、
分離と、 前記エンジンの吸気口に該第1のガス成分および該第2のガス成分を戻すこと
と を包含することを特徴とする、請求項34に記載の方法。
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