JP2006503208A - 内燃機関の排ガス浄化装置及び内燃機関の排ガス浄化法 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関、特に自己着火装置及び／又は燃料直接噴射装置を備えた内燃機関の排ガスを浄化するための排ガス浄化装置において、内燃機関の排ガス通路内に配置された少なくとも１つの酸化触媒と、該酸化触媒の下流側に配置された少なくとも１つの排ガス選択還元触媒装置とが設けられている形式のものに関する。
少なくとも１つの酸化触媒（４）に、内燃機関（２）の排ガス流（３２）に還元剤（６１）を供給するための供給装置（６）が組み込まれている。
更に本発明は、内燃機関（２）の排ガスを浄化するための、対応する方法に関する。

Description

本発明は、選択還元触媒装置を備えた内燃機関の排ガス浄化装置に関する。更に本発明は、排ガス流を選択還元触媒装置を通して案内する内燃機関の排ガス浄化法に関する。

背景技術
特にディーゼルエンジン及びガソリン直接噴射装置を備えた内燃機関によって放出されるような、酸素の豊富な排ガス中の窒素酸化物成分を減少させるためには、還元剤を排ガス路に導入することが公知である。還元剤としては、例えばガスとして排ガス流内にもたらすことのできるＮＨ_３が適している。このいわゆる選択還元触媒（ＳＣＲ，“ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ”）では、アンモニアが排ガス中に含まれる窒素酸化物と相俟って選択的に窒素分子及び水に変換される。但し、純粋なアンモニアガスは、その有毒性に基づいて自動車における使用には適していない。公知の方法では、還元剤として尿素水溶液が使用される。この場合、尿素の加熱分解と、触媒を用いた引き続く加水分解とによって初めて、本来の還元剤であるアンモニアが遊離される。

公知のＳＣＲシステムは、約２５０℃未満の排ガス温度では不十分な活性を有している。酸化触媒の前置は、一方では不活性作用を有する炭化水素成分を減少するために役立ち且つ他方ではＮＯをＮＯ_２に酸化させるために役立つ。このことは、全体として約２００℃以上の排ガス温度においてＮＯ_ｘ変換の著しい増大をもたらす。約１８０℃未満では、当該システムは尿素のＮＨ_３への比較的長い分解時間に基づいて、不十分な活性しか提供しない。しかし、特に乗用車に使用した場合は、前記のような低い排ガス温度を有する位相が比較的頻繁に生じ、このことは、いわゆるＭＶＥＧテストサイクルにおける１８０℃未満の平均触媒温度が明示している。

ＳＣＲ触媒における還元剤の良好な分散を保証するためには、場合によっては混合装置を有する約４０ｃｍの混合区間が設けられていてよい。排ガス浄化装置のためのこのような混合装置は、比較的古いドイツ連邦共和国特許第１０１３１８０３．０号明細書に記載されている。この場合、排ガス管内に配置された混合体はガス衝突面及び噴流衝突面を有しているので、内燃機関から流出する排ガスをガス衝突面に当て、排ガス流に対して横方向で供給可能な還元剤を噴流衝突面に当てることができる。

発明の利点
内燃機関の排ガスを浄化するための排ガス浄化装置では、内燃機関の排ガス通路内に配置された少なくとも１つの酸化触媒及びこの酸化触媒の下流側に配置された少なくとも１つの選択還元触媒装置（ＳＣＲ触媒）が設けられている。本発明では、少なくとも１つの酸化触媒に組み込まれた、内燃機関の排ガス流に還元剤を供給するための供給装置が設けられている。本発明による排ガス浄化装置を用いて、特にディーゼルエンジン若しくは燃料直接噴射装置を備えたガソリンエンジンの比較的酸素の豊富な排ガスから、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を効果的に除去することができる。本発明により、排ガス浄化システムの構成長さを著しく減少させることが可能であり、この場合、同時に排ガス流内での還元剤の良好な変換が保証されている。ＳＣＲ触媒において還元剤を良好に分散させるために一般に必要な約４０ｃｍの混合区間は、システム内に不都合な圧力低下が発生すること無しに著しく減少され得る。ＳＣＲ触媒は、一般に必要な長い混合区間の省略に基づいて必ずしも車両のアンダボデー領域に組み込まれる必要はなく、場合によっては内燃機関の排ガス出口付近へ移動可能である。このようにして、有利には浄化作用に影響を及ぼす、排ガス浄化装置内のより好適な温度特性が得られる。

本発明の構成では、供給装置が還元剤を噴霧するためのノズルを有している。還元剤はノズルによって、有利には直接に酸化触媒内に供給される。この目的のためには、酸化触媒の切欠き若しくは穿孔が不可欠である。それというのも、還元剤はできるだけ酸化触媒と接触しないのが望ましいからである。さもないと、窒素分子、二酸化窒素又は一酸化窒素への不都合な酸化が行われる恐れがある。

本発明の構成では、供給装置に後置された混合装置が、排ガス流内で還元剤をより良好に分散させるために設けられている。このようにして、還元剤の排ガス流との更に良好な混合延いては後続のＳＣＲ触媒における排ガスの更に良好な浄化作用が得られる。

ノズル口は、選択的に酸化触媒内でほぼ中央に又は偏心的に配置されていてよい。ノズルによる偏心的な供給は、例えば側方旋回によって行われるので、排ガス流との良好な混合が保証されている。エンジン付近での触媒の使用が不可能であるか、若しくはＨＣエミッション及びＣＯエミッションの削減が十分ではない場合、酸化触媒は選択的にその全長にわたってではなく、ノズルによる供給位置の下流側でのみ切り欠かれていてよい。これにより、エンジン付近の酸化触媒無しでも炭化水素及び一酸化炭素は十分に酸化される。付加的に、炭化水素及び一酸化炭素の酸化によって生じる酸化触媒の発熱によって、熱的な還元剤処理が得られる。

本発明による構成では、内部に還元剤のための供給装置が組み込まれた少なくとも１つの酸化触媒が第１のケーシングを有しており、この第１のケーシングに続く第２のケーシングを選択還元触媒装置が有している。両ケーシング間には、有利には接続管が設けられており、この接続管は車両構成の周辺条件に応じてそれぞれ異なる長さを有していてよい。但し有利には、排ガス流が選択還元触媒装置に到達する前に冷却されるのをなるべく防止するために、接続管はできるだけ短く構成されている。ＳＣＲ触媒の浄化作用は、約３００℃の温度において初めて満足の行くオーダに達する。

択一的な構成では、少なくとも１つの酸化触媒と選択還元触媒装置とが共通のケーシングを有している。これにより、還元剤を供給された排ガス流が、ＳＣＲ触媒における変換及びＮＯ_ｘ還元のための理想的な温度を有しているということが保証される。両コンポーネントの構成ユニットは、全体としてコンパクトな構成及び好適な排ガス浄化作用のために役立つ。

本発明の有利な構成では、少なくとも１つの酸化触媒の上流の内燃機関の排ガス流内に、少なくとも１つの別の酸化触媒が配置されている。少なくとも１つの酸化触媒は、有利には内燃機関の燃焼室のすぐ近くに配置されており且つ例えば内燃機関の各燃焼室の各排ガス出口にそれぞれ接した別の酸化触媒内に設けられていてよい。このようにして、ＳＣＲ触媒を炭化水素及び一酸化炭素による被覆から概ね保護することができる。シリンダヘッド触媒又はプレターボチャージャ触媒（Ｖｏｒｔｕｒｂｏｌａｄｅｒｋａｔａｌｙｓａｔｏｒ）と呼ぶこともできるエンジン付近の付加的な酸化触媒は、排ガス中に含まれる炭化水素及び一酸化炭素を概ね変換するために働き、延いてはＳＣＲ触媒の浄化作用を著しく改善する。

一次触媒は、有利にはターボチャージャの排ガスタービンの上流に配置されていてよい。

還元剤としては、有利には例えばＨＷＬ、アンモニアカルバメート、アンモニアガス等の、あらゆるアンモニア含有物質若しくはアンモニア分解物質が考慮される。

排ガス流を排ガス通路内に配置された少なくとも１つの酸化触媒及びこの酸化触媒に後置された少なくとも１つの選択還元触媒装置（ＳＣＲ触媒）とを通して案内する、内燃機関、特に自己着火装置及び／又は燃料直接噴射装置を有する内燃機関の排ガスを浄化するための方法において、本発明では、少なくとも１つの酸化触媒内で排ガス流に還元剤を供給する。触媒区間の始端部で還元剤をノズルによって供給することにより、従来必要とされた混合区間は省かれる。混合区間無しでも、後続のＳＣＲ触媒の最適な供給が保証される。それというのも、還元剤が排ガス装置の両遷移漏斗を通過することによって理想的に排ガス流と混合されるからである。これにより、システムの構成長さを著しく減少させて、触媒の加熱を促進することが可能になる。更に、これによりＳＣＲ触媒を比較的エンジンの近くに組み込むことが可能になるので、触媒を場合によってはエンジンルームに収納することができ、迅速な作動温度の到達に比較的不都合な車両のアンダボデー領域内の組込み位置を懸念する必要がなくなる。

当該方法の１形態では、還元剤の供給及び／又は噴霧を、酸化触媒内でほぼ中央又は選択的に偏心的に配置された、酸化触媒における還元剤の細かい分散のために働くノズルによって行う。この場合、還元剤の処理装置はバイパス流装置若しくは部分流装置に対応する。ノズル供給部のノズルコーンは、従来公知のシステムにおけるよりも著しく小さく保持することができ、このことは触媒内で進行する反応にとって有利である。ノズルによる供給位置はエンジンに著しく近く、これにより、還元剤はＳＣＲ触媒における加水分解のために、予めより良好に条件付けられる。このことは、特に低い触媒温度の場合に著しく重要であってよい。更に、最適な設計においては酸化触媒のサイズが調量箇所の切欠きに基づいてやや小さくなり、このことは低い排ガス速度に関連した３００℃の温度の場合に極端に高度なＮＯ_２成分の発生の危険を低下させる。これに対して、やや小さな構成サイズが冷間始動若しくは低い触媒温度（小さなエンジン負荷）において、ＮＯ_２成分にネガティブな影響を及ぼすことはほとんどない。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には、新鮮ガス２２を供給するための吸気通路２１と、内部に排ガス浄化エレメントの配置された排ガス通路２９とを備えた内燃機関２が概略的に示されている。吸気通路２１内にはインタクーラ２３が配置されているが、このインタクーラは必ずしも必要ではない。更に、オプションの排ガス戻しシステム２４が吸気通路２１と排ガス通路２９との間に設けられている。当該の内燃機関はターボチャージャ２５を有しており、このターボチャージャ２５は排ガスタービン２６を排ガス通路内に有している。この排ガスタービン２６は、軸２７を介して吸気通路２１内の圧縮器２８と結合されている。内燃機関２の各燃焼室の出口はそれぞれ排気通路３０を有しており、これらの排気通路３０は後続のマニホールド３１において、共通の排ガス通路２９にまとめられる。

排ガスタービン２６の下流側の排ガス通路２９内には酸化触媒４が設けられており、この酸化触媒４には選択還元触媒装置８が後置されている。この選択還元触媒装置は、以下ＳＣＲ触媒とも呼ぶ。酸化触媒４とＳＣＲ触媒８との間には接続管４４が設けられており、この接続管４４は場合によっては省くこともできるので（図６参照）、酸化触媒４及びＳＣＲ触媒８は共通のケーシングに収納されていてよい。有害物質によって汚染された排ガス流３２は、ＳＣＲ触媒から概ね浄化された排ガス１２として流出し、次いで有利にはマフラを通過して、その後外部に導出される。

酸化触媒４とＳＣＲ触媒８とから成る図示の装置は、部分的にＶＲシステムとも呼ばれる。この場合、“Ｖ”は一次触媒を指しており、“Ｒ”はＳＣＲ触媒を指している。一次触媒若しくは酸化触媒では、次の酸化反応が行われる：
ＮＯ＋１／２Ｏ_２→ＮＯ_２
ＳＣＲ触媒には、場合によっては尿素分解触媒（“Ｈ”）が前置されていてもよく、この尿素分解触媒では以下の反応が進行する：
（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→２ＮＨ_３＋ＣＯ_２
ＳＣＲ触媒（“Ｒ”）自体においては、次の選択還元触媒反応が行われる：
２ＮＨ_３＋ＮＯ＋ＮＯ_２→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ
ＳＣＲ触媒には選択的に別の酸化触媒（“Ｏ”）が後置されていてよく、この別の酸化触媒では次の反応が行われる：
２ＮＨ_３＋３／２Ｏ_２→Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ

酸化触媒によって変更されたシステムは、一般にＶＨＲＯシステムと呼ばれ、これは個々のコンポーネントを順に表している。この場合、充填された尿素の分解を促進しようとする“Ｈ”触媒の使用はオプションと見なされる。それというのも、この課題はＳＣＲ触媒によって引き受けることができるからである。ＮＨ_３遮断触媒として働く酸化触媒（“Ｏ”）をＳＣＲ触媒の下流側で使用することもオプションである。これに関連して本発明を、前記のＶＨＲＯシステム用コンポーネントが選択的に補充可能な、簡略化されたＶＲシステムに基づいて説明する。

酸化触媒４内には、排ガス流３２に還元剤６１を供給するための供給装置６が設けられており、この供給装置６を以下で図２〜図６に基づいて詳しく説明する。

図２に示した本発明による排ガス浄化装置の第１実施例では、酸化触媒４内のほぼ中央の位置にノズル６２が配置されており、このノズル６２によって還元剤６１が酸化触媒４内に噴霧され、このようにして排ガス流３２に供給される。ノズル６２の下流側のノズルコーン内又はこのノズルコーンのやや下流側には混合装置６３が設けられていてよいが、この混合装置６３も選択的に省くことができる。接続管４４を通過した後に排ガスはＳＣＲ触媒８に流入し、このＳＣＲ触媒８ではＮＨ_３及び水の添加に基づいて、窒素酸化物の窒素分子への変換が行われる。

図３には、ノズル６２の配置形式の択一的な実施例が示されており、この場合、ノズル６２は酸化触媒４内で偏心的に位置している。混合装置６３もやはり酸化触媒４内で偏心的に位置しており、その結果、排ガス流３２内での還元剤６１の良好な混合が行われる。

図４に示した本発明による排ガス浄化装置の別の択一的な構成では、内燃機関２の排気通路３０内に、それぞれ個別の酸化触媒が配置されており、この場合、これらの酸化触媒を第２の酸化触媒４２と呼ぶ。これらの第２の酸化触媒４２は「シリンダヘッド触媒」又は「プレターボチャージャ触媒」として公知であり且つＳＣＲ触媒８を炭化水素及び一酸化炭素による被覆から概ね保護するために役立つ。第１の酸化触媒４１の中央に配置されたノズル６２を備えた供給装置６の配置形式は、図２に示した実施例にほぼ対応している。

図５には、図４に示した実施例で設けられたような、内燃機関２の排気通路３０内の第２の酸化触媒４２の配置形式と同じ配置形式が示されている。ノズル６２を備えた供給装置６及びオプションの混合装置の偏心的な配置形式は、図３に示した実施例に対応している。

図１から図５に示した実施例では、それぞれ第１の酸化触媒４；４１は接続管４４によってＳＣＲ触媒８のケーシング８１から分離されたケーシング４３内に配置されている。図６に示した排ガス浄化装置の実施例では統合されたケーシング１０が示されており、このケーシング１０内には排ガス流に沿って第１の酸化触媒４１が配置されており且つこの第１の酸化触媒４１にはＳＣＲ触媒８が後置されている。この構成は、とりわけコンパクトな排ガス浄化装置を生ぜしめ、更にこの排ガス浄化装置は、極めて効果的な排ガス浄化を生ぜしめる。それというのも、接続管が省かれたことによって排ガスが高い温度レベルであり続けるからである。この実施例では、内燃機関の排気通路３０内に設けられた第２の酸化触媒は、統合されたケーシング１０と一緒に選択的に省かれてもよい（図２及び図３参照）。

排ガス通路内の排ガス後処理ユニットを備えた内燃機関の概略図である。 本発明による排ガス浄化装置の１実施例を示した図である。 本発明による排ガス浄化装置の１実施例を示した図である。 本発明による排ガス浄化装置の１実施例を示した図である。 本発明による排ガス浄化装置の１実施例を示した図である。 本発明による排ガス浄化装置の１実施例を示した図である。

Claims (16)

1. 内燃機関、特に自己着火装置及び／又は燃料直接噴射装置を備えた内燃機関の排ガスを浄化するための排ガス浄化装置において、内燃機関の排ガス通路内に配置された少なくとも１つの酸化触媒と、該酸化触媒の下流側に配置された少なくとも１つの排ガス選択還元触媒装置とが設けられている形式のものにおいて、
   少なくとも１つの酸化触媒（４）に、内燃機関（２）の排ガス流（３２）に還元剤（６１）を供給するための供給装置（６）が組み込まれていることを特徴とする、内燃機関の排ガス浄化装置。
2. 前記供給装置（６）が還元剤（６１）を噴霧するためのノズル（６２）を有している、請求項１記載の排ガス浄化装置。
3. 供給装置（６）に後置された、排ガス流（３２）内で還元剤（６１）を分散させるための混合装置（６３）が設けられている、請求項１又は２記載の排ガス浄化装置。
4. ノズル（６２）のノズル口が酸化触媒（４）のほぼ中央に配置されている、請求項２又は３記載の排ガス浄化装置。
5. ノズル（６２）のノズル口が酸化触媒（４）の外縁域に配置されている、請求項２又は３記載の排ガス浄化装置。
6. 内部に供給装置（６）の組み込まれた少なくとも１つの酸化触媒（４）が第１のケーシング（４３）を有しており、この第１のケーシングに続く第２のケーシング（８１）を選択還元触媒装置（８）が有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の排ガス浄化装置。
7. 少なくとも１つの酸化触媒（４）と選択還元触媒装置（８）とが共通のケーシング（１０）を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の排ガス浄化装置。
8. 少なくとも１つの酸化触媒（４）の上流側で、内燃機関（２）の排ガス流（３２）内に少なくとも１つの別の酸化触媒（４１）が配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の排ガス浄化装置。
9. 少なくとも１つの別の酸化触媒（４１）が、内燃機関（２）の燃焼室のすぐ近くに配置されている、請求項８記載の排ガス浄化装置。
10. 少なくとも１つの別の酸化触媒（４１）が、それぞれ内燃機関（２）の各燃焼室の排ガス出口（２９）に設けられている、請求項８又は９記載の排ガス浄化装置。
11. 内燃機関、特に自己着火装置及び／又は燃料直接噴射装置を備えた内燃機関の排ガスを浄化するための方法であって、排ガス流を排ガス通路内に配置された少なくとも１つの酸化触媒と、該酸化触媒に後置された少なくとも１つの選択還元触媒装置とを通して案内する形式のものにおいて、
    少なくとも１つの酸化触媒（４）内で排ガス流（３２）に還元剤（６１）を供給することを特徴とする、内燃機関の排ガス浄化法。
12. ノズル（６２）を用いて還元剤（６１）を供給し且つ／又は噴霧する、請求項１１記載の方法。
13. 酸化触媒（４）内のほぼ中央で還元剤（６１）を供給する、請求項１１又は１２記載の方法。
14. 酸化触媒（４）内で偏心的に還元剤（６１）を供給する、請求項１１又は１２記載の方法。
15. 排ガス流（３２）を、第１の酸化触媒（４）の上流側の少なくとも１つの別の酸化触媒（４１）を通して案内する、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 排ガス流（３２）を、内燃機関（２）の燃焼室の直後の各排ガス通路（２９）内に設けられた少なくとも１つの別の酸化触媒（４１）を通して案内する、請求項１１から１５までのいずれか１項記載の方法。

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