JP2008545085A - 内燃機関排出ガス流中のパティキュレート割合および酸化窒素割合を減らすための方法および相応する排出ガス精製ユニット - Google Patents

Abstract

内燃機関排出ガス流中のパティキュレート割合および酸化窒素割合を減らすための本発明に係る方法は以下のステップを含む：１．１）排出ガス流（１１）中に還元剤が提供され、１．２）還元剤を含む排出ガス流（１１）にパティキュレート濾過が施され、次に１．３）排出ガス流（１１）中の酸化窒素の少なくとも一部の選択接触還元が行われる。本発明に係る方法および本発明に係る排出ガス処理ユニットは、有利なことに、排出ガス中のパティキュレートおよび酸化窒素の割合を同時に減らすことを可能とする。還元剤として特にアンモニアが利用される。アンモニア含有ガス流をパティキュレートフィルタ（３）に通すことによって有利なことにパティキュレートフィルタ（３）の再生が促進される。本発明に係る方法および本発明に係る装置は、先行技術から公知の相応するシステムと比較して、同じ転換率において一層僅かな燃料超過消費量で間に合わせることができ、同時に、利用される構造空間を減らすことができる。
【選択図】 図６

Description

本発明の対象は、内燃機関排出ガス流中のパティキュレート割合および酸化窒素割合を減らすための方法および相応する排出ガス精製ユニットである。本発明に係る方法および本発明に係る排出ガス精製ユニットは好ましくは自動車の排気系統において利用することができる。

内燃機関内で燃料は酸化転換される。特にここでは炭化水素含有燃料が相応する燃焼生成物へと転換される。その際に発生する数多くの排出ガス成分は一部が望ましくないものである。望ましくない排出ガス成分の許容排出量を制限する規則が世界中で多くの国にある。特にディーゼルエンジンの場合に排出ガス中に発生するパティキュレート濃度および酸化窒素濃度は多くの国において規制値を守るために減らさねばならない。

内燃機関の排出ガス中に含まれたパティキュレートは通例、炭素を含む。これらのパティキュレートはふつうパティキュレートフィルタにおいて捕集される。一方で、交互に閉鎖された通路を有する例えばセラミック押出製品等の閉鎖型パティキュレートフィルタシステムがあり、パティキュレートフィルタを流通時に排出ガスは２つの通路の間にある多孔質壁を流通しなければならず、この壁内でパティキュレートは少なくとも一部が保持される。そして開放型パティキュレートフィルタシステムがある。

開放型フィルタシステムは例えば国際公開第０１／０９２６９２号パンフレットまたは国際公開第０２／００３２６号パンフレットに述べられている。これは排出ガスにとって流通可能な通路を含むシステムであり、その壁は、少なくとも一部で流体にとって流通可能な例えば繊維層または相応する多孔質焼結金属部材等のコンポーネントで少なくとも一部が形成される。好ましくは、例えば通路を限定する壁の一部に他の部材が構成されており、これらの壁は排出ガス流を多孔質通路壁へと誘導する。その際、排出ガス流の少なくとも一部を多孔質壁へと案内する圧力差によって多孔質壁でパティキュレートの少なくとも一部の析出が起きる。

開放型システムは、閉鎖型システムとは異なりパティキュレートフィルタを流通する排出ガス流が壁を流通しなければならないのでなく、この壁が流通させることができるので開放型と称される。すなわち、２つの通路の間の壁のすべての孔がパティキュレートによって既に閉塞されている場合、閉鎖型フィルタにおいてこの通路はもはや流通させることができない。しかし開放型フィルタではこのような状況のとき通路の流通が可能である。

酸化窒素は通例、選択接触還元によって分子窒素へと転換される。このような選択接触還元は通例、選択的に酸化窒素に反応する還元剤の利用を必要とする。このような還元剤は例えばアンモニア（ＮＨ₃）である。

所要の還元剤は例えば排気系統内で還元剤前駆体から製造することができ、還元剤前駆体は還元剤に変換できる物質および／またはそれから還元剤を分離させることのできる物質である。好ましい分離の可能性は還元剤前駆体の加熱分解、熱分解および／または加水分解を含み、これらはそれぞれ触媒で支援することができる。還元剤アンモニアの考えられる還元剤前駆体は例えば尿素（（ＮＨ₂）₂ＣＯ）を含む。還元剤アンモニアの考えられる別の還元剤前駆体はシアヌール酸またはイソシアン酸、そしてカルバミン酸アンモニウムである。

還元剤前駆体は、選択接触還元の実施前に、還元剤が発生しまたは遊離するように処理されねばならない。例えば、還元剤前駆体はこのため加水分解または加熱分解することができる。こうして発生する還元剤は、次に排出ガス流と混合され、相応に構成されたＳＣＲ触媒（ＳＣＲ、Selective Catalytic Reduction、選択接触還元）を流通時に酸化窒素を分子窒素と水とに転換する。

R. Allansson、P.G. Blakeman、G.R. Chandler、C.A. Maloney、A.P. Walker、J.P. Warren、J.E. Thoss、「将来の排出規制を遵守することへの自己再生パティキュレートフィルタシステム（ＣＲＴ）およびＳＣＲＴの利用」、第２１回ウィーン国際エンジンシンポジウム、H.P. Lenz（編）VDI-Fortschritt-Berichte、双書１２、４２０号、第２巻、３４３‐３５５頁、２０００年により、パティキュレートフィルタとＳＣＲ触媒とからなるシステムが公知である。パティキュレートフィルタはＳＣＲ触媒の上流側に構成されており、尿素溶液はパティキュレートフィルタとＳＣＲ触媒との間でシステムに注入される。このパティキュレートフィルタは、交互に閉鎖された通路を有するセラミックパティキュレートフィルタである。このシステムは作動時、下流側のＳＣＲ触媒によって、高まった排気背圧を有する。

国際出願公開第００／４２３０２号パンフレットによりやはり公知のシステムではパティキュレートフィルタが蓄積被覆を有し、この蓄積被覆は酸化窒素を沈積させることもできる。このパティキュレートフィルタは還元剤としてのアンモニアを流通させることができる。しかしながらここでは選択接触還元が行われず、酸化窒素の転換はなお改善の余地がある。

開放型パティキュレートフィルタとそれに続く還元剤添加部とＳＣＲ触媒とからなる通常のシステムは確かに改善された値の排気背圧を有するが、しかしこのシステムはそのパティキュレート転換に関してさらになお改善することができる。

そこで本発明の課題は、酸化窒素およびパティキュレートの高い転換率を有する、排出ガス流中のパティキュレート割合および酸化窒素割合を減らすための方法および装置を提案することである。

この課題は、内燃機関排出ガス流中のパティキュレート割合および酸化窒素割合を減らすための方法であって、
１．１）排出ガス流（１１）中に還元剤が提供され、
１．２）還元剤を含む排出ガス流（１１）にパティキュレート濾過が施され、次に
１．３）排出ガス流（１１）中の酸化窒素の少なくとも一部の選択接触還元が行われる方法と、流通方向（５）を有する排出ガス精製ユニット（１）であって、
９．１）還元剤添加部（２）；
９．２）パティキュレートフィルタ（３）；および
９．３）酸化窒素（ＮＯ_X）を選択接触還元するための還元触媒（４）；
を含み、還元剤添加部（２）が、排出ガス精製ユニット（１）を流通するガス流に、酸化窒素（ＮＯ_X）を還元するための還元剤を添加するのに適しているものにおいて、コンポーネント９．１）、９．２）、９．３）をガス流が流通方向（５）で順次流通できるように、コンポーネントが互いに結合されていることを特徴とする排出ガス精製ユニットによって解決される。有利な諸構成は各従属請求項の対象である。

内燃機関排出ガス流中のパティキュレート割合および酸化窒素割合を減らすための本発明に係る方法は、以下のステップを含む：
１．１）排出ガス流中に還元剤が提供され、
１．２）還元剤を含む排出ガス流にパティキュレート濾過が施され、次に
１．３）排出ガス流中の酸化窒素（ＮＯ_X）の少なくとも一部の選択接触還元が行われる。

先行技術から知られている従来のシステムとは異なり、ここでは一方でパティキュレート割合の低減と他方で酸化窒素割合の低減が別々に検討されるのではない。むしろ両方の操作が組合せられ、１．２）によりパティキュレート濾過が行われるときには既に１．１）により排出ガス流は還元剤を含んでいる。そのことが有利であるのは、特に、酸化窒素（ＮＯ_X）の選択接触還元用還元剤としてアンモニア（ＮＨ₃）が利用される場合である。

パティキュレート濾過中に温度が概ね２００℃未満であると、パティキュレートの析出と並行して二酸化窒素（ＮＯ₂）はアンモニア（ＮＨ₃）で硝酸アンモニウム（ＮＨ₄ＮＯ₃）、分子窒素（Ｎ₂）および水（Ｈ₂Ｏ）へと非触媒反応が行われる：
２ＮＯ₂+２ＮＨ₃→ＮＨ₄ＮＯ₃＋Ｎ₂＋Ｈ₂Ｏ
こうして発生した硝酸アンモニウムが概ね２００℃超に加熱されると、硝酸アンモニウムはアンモニアと硝酸（ＨＮＯ₃）とに解離する：
ＮＨ₄ＮＯ₃←→ＮＨ₃＋ＨＮＯ₃
硝酸は煤の態様の炭素用の強力な酸化剤であり、次式により煤を酸化する：
４ＨＮＯ₃＋３Ｃ→４ＮＯ＋３ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ

従って還元剤のアンモニアは有利なことにパティキュレートフィルタの連続再生に利用される。その際、排出ガス流のアンモニア割合が減少せず、排出ガスのアンモニア割合すべてが相応するＳＣＲ触媒内でステップ１．３）における酸化窒素の選択接触還元に利用可能である。むしろアンモニアはここでは反応仲介剤として働き、硝酸および窒素への二酸化窒素の不均化を促進する。これに関連して、パティキュレート濾過１．２）の前に、場合によっては還元剤の添加１．１）の前にも、例えば相応に構成された酸化触媒で一酸化窒素（ＮＯ）から二酸化窒素（ＮＯ₂）への酸化を行うと有利なことがある。これにより、排出ガス中の酸化窒素に占める二酸化窒素の相対割合は連続的に高められる。

さらに本発明に係る方法は、有利なことに、概ね２００℃超の温度において意外なことに二酸化窒素による炭素の酸化が還元剤アンモニアの存在によって妨げられないことを利用する。むしろ炭素の転換が起き、従ってパティキュレートフィルタの再生は炭素でのアンモニアの化学吸着によってさらになお高まる。化学吸着されたアンモニアは酸化剤に対する炭素の反応性を高める。

それゆえに、本発明に係る方法は、パティキュレート濾過１．２）が行われるパティキュレートフィルタの再生を有利なことに改善することを可能とする。本発明によれば、沈積したパティキュレートの転換によって相応するパティキュレートフィルタを再生するための付加的再生の可能性を設けておくことができる。これに属すのは、特に、それ以降で炭素と例えば残留酸素との反応が起きる温度超にパティキュレートフィルタを少なくとも短時間加熱可能とする手段を提供することである。

つまり本発明に係る方法は、排出ガスの酸化窒素割合を同時に減らしながらパティキュレート転換率の向上を可能とする。

特に、方法ステップ１．２）の枠内で排出ガスと還元剤との混合も行われ、これにより還元剤の‐後続の選択接触反応においてＮＯ_Xの転換を妨げる‐房状体は、完全にまたは部分的に溶解される。（窒素含有）還元剤でＮＯ_Xの選択接触還元を実施する際の特別なプロセス技術的困難はＳＣＲ触媒の前で排出ガス流中に還元剤の均一分布が要請されることにある。本発明により相応に製造可能な極力均一な還元剤分布は有利なことに酸化窒素の極力均一な転換を可能とし、こうして従来のシステムに比較して酸化窒素の転換率を高める。

本発明に係る方法の有利な１構成によれば、パティキュレート濾過１．２）がパティキュレートフィルタ内で行われる。

ここではパティキュレートフィルタが一方で閉鎖型システムを具現しており、そこでは多孔質壁を備えた少なくとも１つの流れ通路が設けられており、流れ通路が排出ガスを連続的に流通させることができるのでなく、むしろ排出ガスがすべて通路の壁を通過しなければならないように流れ通路は形成されている。これを行うことができるのは、例えば複数の流れ通路を備えた構造の場合、通路が交互に入口側および出口側で閉鎖されていることによってである。他方で、少なくとも１つの連続的流れ通路が構成された開放型パティキュレートフィルタシステムを設けることができる。この発明の枠内で連続的流れ通路とは特に閉鎖されていない通路のことであり、つまり通路をガスが流通できるだけでなく、壁の内部または表面に付着していない固体粒子も基本的に通路を横切ることができる。少なくとも１つのこのような連続的流れ通路を有するフィルタはいわゆる開放型フィルタと称することができる。開放型フィルタは、利点として、フィルタにパティキュレートがごく大量に付着した場合でもフィルタ内の背圧が強く上昇することがなく、つまりフィルタがいわば閉塞することがない。そのことは、連続作動時、閉鎖型システムに比べて決定的利点である。開放型システムはさらに、排気背圧が過度に上昇しない利点を有する。

さらに、パティキュレートフィルタを流通する排出ガスが還元剤を含む方法が好ましい。好ましくは、還元剤はパティキュレートフィルタの再生、すなわち沈積した炭素の反応を促進することができる。有利には、還元剤が窒素および水素含有化合物、特にアンモニアを含む。

特に或る通路から少なくとも１つの隣接通路への排出ガスの横方向流れを可能とするパティキュレートフィルタの構成によって排出ガスと還元剤との極力良好な混合が行われるように、パティキュレートフィルタは特に構成されている。そのことは、例えば、通路壁に開口部を構成することによって可能とすることができる。

本発明に係る方法の他の有利な１構成によれば、還元剤が少なくとも一部はオンボードで少なくとも１つのガス状の出発材料から生成される。

すなわち還元剤は、自動車のオンボードで携行される例えば還元剤前駆体の付加的貯蔵物から生成されるのでなく、むしろガス状の出発材料から生成される。ガス状の出発材料とは、特に、空気および／または任意混合比の排出ガスでもある。窒素または酸素の選択的または付加的添加も基本的に可能である。

特に、還元剤または還元剤前駆体は熱プラズマによって生成することができ、またはその生成を促進することができる。特に、アンモニアは独国特許出願公開第１０２５８１８５号明細書に述べられたように生成することができる。この刊行物の開示内容は、副流中のプラズマ発生器と相応する還元触媒とによるアンモニアの生成に関して、さらに特にプラズマ発生器の相応する構成とプラズマ発生器の相応する作動とに関連して、全内容が本発明の開示内容に一緒に採り入れられる。

本発明に係る方法の他の有利な１構成によれば、還元剤はオンボードで少なくとも一部が還元剤前駆体から生成される。

還元剤前駆体として特別好ましくは尿素を利用することができる。尿素はここでは固体として、または尿素水溶液の態様でも添加することができる。その場合、還元剤の提供１．１）は尿素のアンモニアへの熱分解、加熱分解および／または加水分解も含む。

ガス状の出発材料と携行した非ガス状の還元剤前駆体とからのオンボード生成は、好ましくは組合せて構成することもできる。ガス状の出発材料からのアンモニアのオンボード生成を、酸化窒素を転換するための一定のベース負荷をカバーするのに利用することが可能である一方、還元剤前駆体から生成される還元剤は、転換されねばならない酸化窒素濃度のピークをカバーするのに利用することができる。アンモニアが還元剤として利用される場合、還元剤前駆体は特に固体尿素または尿素水溶液の態様で携行することができる。

本発明の他の態様により提案されるのは、流通方向を有する排出ガス精製ユニットである。本発明に係る排出ガス精製ユニットは、
９．１）還元剤添加部；
９．２）パティキュレートフィルタ；および
９．３）酸化窒素（ＮＯ_X）を選択接触還元するための還元触媒を含む。

排出ガス精製ユニットは特に本発明に係る方法を転換することができる。還元剤添加部９．１）は、排出ガス精製ユニットを流通するガス流に、酸化窒素（ＮＯ_X）を還元するための還元剤を添加するのに適している。本発明によれば、コンポーネント９．１）、９．２）、９．３）をガス流が流通方向で順次流通できるように、コンポーネント９．１）、９．２）、９．３）は互いに結合されている。

本発明によれば、還元剤添加部９．１）を通して添加しまたはそこに添加することのできる還元剤がパティキュレートフィルタ９．２）を流通する。作動時、こうしてパティキュレートフィルタ９．２）の連続再生を還元剤によって有利なことに促進することができる。これが該当するのは、特に、還元剤としてアンモニア（ＮＨ₃）が利用される場合である。ここで上記反応が起きる。さらに、炭素でのアンモニアの化学吸着のゆえにパティキュレートフィルタの再生がさらに著しく改善される。特にパティキュレートフィルタ９．２）と還元触媒９．３）が１つの部材内で組合せられる場合、２つのコンポーネントのそれぞれが個々に実施される場合よりも著しく少ない構造空間が特に自動車内で必要とされる。

パティキュレートフィルタ９．２）は、特に、そこを流通するガスが混合されるように構成しておくことができる。作動時、パティキュレートフィルタ９．２）を流通する還元剤を含む排出ガスはこうして極力均質化することができ、還元触媒９．３）内で酸化窒素の極力均一な転換がこうして可能となる。本発明に係る方法の代わりに例えば相応するＳＣＲ被覆を備えたパティキュレートフィルタを還元剤含有排出ガスが流通する場合、パティキュレートフィルタの再生用に必要な二酸化窒素はパティキュレートフィルタの捕集領域においてＳＣＲ被覆によって既に転換され、この二酸化窒素は下流側でもはや再生用に利用できなくなるであろう。この理由からも、本発明に係る方法は有利である。

本発明に係る排出ガス精製ユニットの有利な１構成によれば、還元剤添加部９．１）は還元剤前駆体用装入装置と熱分解、加熱分解および／または加水分解ユニットとを含む。

還元剤前駆体としてここでは好ましくは尿素、カルバミン酸アンモニウム、イソシアン酸および／またはシアヌール酸を利用することができ、その際特別好ましいことに尿素の利用は特に固体尿素または尿素水溶液の態様で可能である。

加水分解ユニットとして特に、相応に被覆された触媒担持体を使用することができ、この触媒担持体は還元剤前駆体の加水分解を促進する被覆を有する。加熱分解ユニットまたは熱分解ユニットは相応に必要とされる熱を特に排出ガス自体から得ることができ、つまり還元剤前駆体の加熱分解は排出ガスが還元剤前駆体を相応する加熱分解温度より上の温度に加熱することによって行われる。さらに、例えば電気加熱式ハニカム体等の加熱構造体も含むことのできる他の加熱分解ユニットを選択的にまたは付加的に利用することができる。

本発明に係る排出ガス精製ユニットの他の有利な１構成によれば、還元剤添加部９．１）は、排出ガス精製ユニット内で少なくとも１つのガス状の出発材料から還元剤を生成するのに適した還元剤発生器を含む。

特にアンモニア等の還元剤のこのようなオンボード生成は、好ましくは、相応に構成されかつ作動可能なプラズマ発生器を備えたシステムに含めることができる。プラズマ発生器を含む相応するアンモニア発生器に関しては独国特許出願公開第１０２５８１８５号明細書を参照するよう指示し、その開示内容は特にプラズマ発生器の構成および作動、電極の構成、そして副経路内の構成に関連して本発明の開示内容に一緒に採り入れられる。

還元剤として特にアンモニアを利用することができる。

還元剤触媒９．３）の下流側に酸化触媒を設けた構成の排出ガス精製ユニットが特別好ましい。特に、還元触媒９．３）の初端に還元触媒被覆を前側部分領域に、また酸化触媒被覆を後側領域に含むハニカム体を構成しておくことができる。下流側の酸化触媒は特に遮断触媒として役立ち、場合によっては還元剤、特にアンモニアの破過分を酸化し、こうして大気中へのアンモニアの進出を効果的に防止する。

パティキュレートフィルタ９．２）と還元触媒９．３）が１つの部材内に構成された構成の排出ガス精製ユニットが好ましい。このため、相応に構成されたハニカム体はその下流側領域に還元触媒被覆を備えて形成することができる。下流側酸化触媒を同じ担体上に一体化することはやはり本発明に係るものであり、有利に可能である。

本発明に係る排出ガス精製ユニットの他の有利な１構成によれば、パティキュレートフィルタ９．２）が少なくとも１つの連続的流れ通路を含む。

連続的流れ通路とは、ここでは特に、閉鎖されていない通路のことである。つまりこのような通路をガスが流通できるだけでなく、固体パティキュレートも基本的に、多孔質壁に付着したままとなることなくこの通路を横断可能である。特に、ガスが通路壁体の１つを流通する必要もなしにこのガスが連続的流れ通路を流通することが可能となる。従って、連続的流れ通路は、流れ通路の全長にわたってゼロとはならない幾何学的流れ横断面を有する。少なくとも１つのこのような連続的流れ通路を有するフィルタは特に開放型フィルタと称される。

本発明に係る排出ガス精製ユニットの他の有利な１構成によれば、パティキュレートフィルタ９．２）が少なくとも１つの金属層を含む。これに関連して、少なくとも一部で多孔質の少なくとも１つの金属層と少なくとも一部で板層として構成される少なくとも１つの層とをパティキュレートフィルタ９．２）が含むことが特別好ましい。

その際特別好ましい１構成では、実質平滑な層と少なくとも一部で構造化された層とでハニカム体が構成されている。好ましい１実施形態によれば、実質平滑な層は少なくとも一部で、流体にとって流通可能な材料で構成される。特に、この層の第１領域は少なくとも一部で流通可能な材料で形成しておくことができる一方、長手方向でそれに続く第２領域は例えば薄板等の流体にとって流通可能でない材料で形成されている。少なくとも一部で構造化された層は例えば波形板箔を含むことができる。少なくとも一部で流体にとって流通可能な層、または相応に少なくとも一部で流体にとって流通可能な材料とは、特に繊維材料、その際織製繊維材料、非織製繊維材料、そして例えば粒子および／または繊維の焼結によって製造することのできる多孔質焼結金属要素のことである。こうして第１領域にパティキュレートフィルタ、第２領域にＳＣＲ触媒を含むハニカム体を製造することができる。その際好ましくはフィルタ領域の平滑層は、特別好ましくは被覆されていない多孔質材料で形成され、平滑層のＳＣＲ触媒領域は相応に被覆された板箔で形成される。平滑層の多孔質材料に対向して、波形層の第１領域には相応する構造化が設けられており、この構造化により、ハニカム体を流通する排出ガスは平滑な多孔質層へと誘導されることになる。ここには、流れの相応する局所方向転換を引き起こす開口部および相応する案内構造体も設けることができる。構造化層のＳＣＲ触媒領域には、少なくとも一部で構造化された層の基本的構造化振幅よりも小さな構造化振幅を有する微細構造化を特に構成することもできる。特にこの領域では両方の層種にも、つまり少なくとも一部で構造化された層にも実質平滑な層にも開口部を設け、特にこの領域内の少なくとも一部で構造化された層の構造化繰返し長よりも寸法の大きい開口部も設けることができる。こうして既に存在する通路の他に、複数の通路から排出ガスがそこに流入しまたそこから排出ガスが複数の通路へと流入できる空間となるいわゆるキャビティも形成される。特別有利なことに、これらのキャビティ内で流れの渦化が生じる。ガス流れの横方向分布を行うことができ、さらに、ハニカム体を流通するガス流の混合と渦化が起きるので、転換されるべき物質と触媒被覆表面との接触が改善される。還元触媒９．３）として利用できるハニカム体の一部はさらに、成端部として、アンモニアの破過を防止するための遮断触媒としての相応する酸化触媒被覆を含むことができる。

本発明に係る排出ガス精製ユニットの他の有利な１構成によれば、パティキュレートフィルタ９．２）および／または還元触媒９．３）は、
‐少なくとも一部で構造化された少なくとも１つの層および場合によっては少なくとも１つの実質平滑な層から、または
‐少なくとも一部で構造化された少なくとも１つの層および場合によっては少なくとも１つの実質平滑な層を積み重ね、少なくとも１つの積重ね体を捩じることによって
構成される。

これに関連して少なくとも一部で構造化された層とは、平らな形状から、実質平滑な層とあるいは別のまたは同じ少なくとも一部で構造化された層と協動して連続的構造体、例えば後の担持体の通路を形成するような構造体とされた層のことである。特に、層の構造化とはこの層の巻取りまたは捩りのことではない。少なくとも一部で構造化された層とは、少なくとも部分領域に相応する構造化を含む層のことである。実質平滑な層とは構造化を含むことのできる層のことであるが、しかしこの構造化はその振幅が、少なくとも一部で構造化された層の構造体よりも著しく小さい。このようないわゆる微細構造化は特に通路の伸長方向にではなく、これに対して或る角度で延ばすことができ、これらの微細構造体はハニカム体を流通するガスの混合向上を促進し、特に層状境界流の形成も防止する。

層とはここでは特に金属層、好ましくは板箔、繊維マット、多孔質焼結層、これらのうち少なくとも２つの要素の組合せのことである。これら要素の組合せとは特に、例えば第１長さ領域では例えば繊維層または相応する焼結素材等の多孔質材料からなり、第２長さ領域では接合技術的方法、特に抵抗溶接法またはろう接法によって互いに結合された板箔からなる層も理解される。積重ね体の捩りは同一方向または逆方向で行うことができる。ここに述べるハニカム体は特に好ましくは開放型フィルタを構成するのに利用することができる。

本発明に係る排出ガス精製ユニットの他の有利な１構成によれば、流通方向でパティキュレートフィルタ９．２）の上流側に第２酸化触媒が構成されている。この酸化触媒は、特に、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へと酸化するのに利用することができ、従って酸化窒素に占める二酸化窒素の相対濃度を増大させることができる。この二酸化窒素は有利には例えばＣＲＴ法（Continuous Regeneration Trap、連続再生パティキュレートトラップ）の枠内で利用することができる。その際、特に上記反応が経過し得る。

このようなシステムは、利点として、先行技術により公知の不連続再生プロセスにおけるように他の試薬を携行する必要がないかまたはパティキュレートフィルタの加熱に燃料を利用する必要がないかのいずれかである。従って、そのようなシステムと比較して燃料消費量が低下する。

それに加えて、先行技術により公知の方法および装置、特に還元剤前駆体の添加部と引き続き還元剤へのその分解部または転換部、または例えば上でプラズマ発生器に基づいて述べたようなオンボード還元剤発生部も、還元剤添加部９．１）として利用することができる。還元剤前駆体とは、ここでは特に、還元剤へと反応する物質または還元剤を放出できる物質のことである。還元剤の分離は例えば加熱分解または加水分解で行うことができる。加熱分解および／または加水分解でアンモニアを還元剤として遊離できる還元剤前駆体として好ましくは尿素が利用される。尿素は特に固体粒子の態様および／または尿素水溶液の態様で添加される。その場合、本発明に係る方法のステップ１．１）もしくは相応する還元剤添加部９．１）は、尿素の少なくとも一部をアンモニアへと加水分解および／または加熱分解するための手段を含む。他の還元剤前駆体は、好ましくはカルバミン酸アンモニウム、イソシアン酸およびシアヌール酸である。

本発明に係る方法に関連して上で開示された詳細および諸利点は本発明に係る排出ガス精製ユニットに応用可能かつ転用可能である。そのことは、本発明に係る排出ガス精製ユニットの枠内で開示された詳細についても妥当し、これらの詳細は本発明に係る方法に同様に応用可能かつ転用可能である。

以下、添付図面に基づいて本発明を詳しく説明するが、そこに述べられた実施例および諸利点に本発明は限定されるものでない。

図１が略示する排出ガス精製ユニット１は還元剤添加部２と、パティキュレートフィルタ３と、酸化窒素（ＮＯ_X）をＳＣＲ（selective catalytic reduction、選択接触還元）法によって還元するための還元触媒４とを含む。排出ガス精製ユニット１は優先的流通方向５を有する。還元剤添加部２とパティキュレートフィルタ３と還元触媒４が図１では別々の部材として実施されているが、しかしそれらは少なくとも一部では単一の部材内に一緒に構成しておくこともできる。そのことは特にパティキュレートフィルタ３と還元触媒４との組合せに妥当する。本発明によれば還元剤添加部２とパティキュレートフィルタ３と還元触媒は、流通方向５においてガス流がまず還元剤添加部２、次にパティキュレートフィルタ３、そして次に還元触媒４を流れることができるように互いに結合されている。特に本発明に係る配置は、パティキュレートフィルタ３が還元剤含有ガスを流通可能であることを保証する。作動時、排出ガス精製ユニット１は、内燃機関から進出する排出ガスがまず還元剤添加部２を流通するように配置されている。

還元剤添加部２は例えば、排出ガス流中の還元剤、好ましくはアンモニア（ＮＨ₃）を例えば尿素等の還元剤前駆体から生成する手段とすることができる。このため還元剤添加部２は相応に構成された（図示しない）手段を有し、この手段によって一方で還元剤前駆体を添加することができ、他方で還元剤前駆体からの還元剤の分離または生成を保証することができる。例えばここでは固体の態様の還元剤前駆体として尿素の添加を行うことができ、相応する加水分解触媒で尿素の加熱分解および／または加水分解を行うことができる。さらに、尿素は尿素水溶液の態様でも加水分解触媒に直接与えることができる。

さらに、還元剤、好ましくは窒素および水素含有試薬、特別好ましくはアンモニアは、少なくとも１つのガス状の出発材料から排出ガス精製ユニット１内で直接にオンボードで生成することもできる。このため還元剤添加部は例えば副流中にプラズマ発生器を含むことができ、このプラズマ発生器によって副流中に特に一酸化窒素含有ガス流が生成され、このガス流の酸化窒素は還元蓄積被覆を備えたハニカム体で化学吸着され、亜硝酸塩または硝酸塩として蓄積される。その後、水素含有ガス流でもってこの亜硝酸塩および硝酸塩との反応を行ってアンモニアとすることができる。

流通方向５で還元剤添加部２の下流側にパティキュレートフィルタ３が構成されている。パティキュレートフィルタは、特に、少なくとも１つの連続的流れ通路を有する開放型パティキュレートフィルタ２として構成しておくことができる。

パティキュレートフィルタ２は、特に、相応に構成されたハニカム体を含むことができる。その際、図２に示すように少なくとも一部で流体にとって流通可能な実質平滑な層６と少なくとも一部で構造化された層７とで構成された構成が好ましい。図２は相応するパティキュレートフィルタ３の一部を略示している。パティキュレートフィルタ３は、少なくとも一部で流体にとって流通可能な実質平滑な少なくとも１つの層６と少なくとも一部で構造化された少なくとも１つの層７とを巻付けることによって、またはそのような層６、７を積み重ね、引き続き少なくとも１つのそのような積重ね体を捩じることによって形成される。少なくとも一部で構造化された層７の構造体８は、少なくとも一部で流体にとって流通可能な実質平滑な層６と一緒に、流体にとって流通可能な流れ通路９を形成する。これらの流れ通路９は連続している。すなわち、これら通路の横断面はパティキュレートフィルタ３のいずれの個所でも完全に閉塞されてはいない。パティキュレート１０を含む排出ガス流１１がパティキュレートフィルタ３を流通する。少なくとも一部で構造化された層７の開口部１２および案内翼１３によって排出ガス流１１は、少なくとも一部で流体にとって流通可能な実質平滑な層６へと誘導される。ここで、少なくとも一部で流体にとって流通可能な材料６内でパティキュレート１０の少なくとも一部が堆積することになる。開口部１２および案内翼１３を構成すると、少なくとも一部で流体にとって流通可能な実質平滑な層６によって圧力勾配が生じ、この圧力勾配はこの層を通して排出ガス流１１を引き起こす。

少なくとも一部で流体にとって流通可能な層とは、少なくとも一部が金属製で少なくとも部分領域が多孔質である層のことである。これは特に織製または非織製の金属繊維層とすることができ、または粉末または繊維も相応に焼結することによって多孔性を達成される相応に構成された金属焼結層とすることもできる。少なくとも一部で構造化された層７は特に、薄い板箔から製造することもできる。

開口部１２および案内翼１３は、或る流れ通路９から隣接流れ通路９への排出ガス流１１の方向転換を可能とする。そのことから特に、パティキュレートフィルタ３を流通する排出ガスの混合、従って排出ガス中で還元剤の極力均一な分布ももたらされる。

図３はパティキュレートフィルタ３の他の例を略示している。排出ガス流１１は案内翼１３および開口部１２によって、少なくとも一部で流体にとって流通可能な実質平滑な層６へと誘導される。開口部１２と案内翼１３は、少なくとも一部で構造化された層７に構成されている。少なくとも一部で構造化されたこれらの層７が実質波形の構造体８を有し、この構造体は流体にとって流通可能な流れ通路９用の実質平滑な層６で形成される。少なくとも一部で流体にとって流通可能な実質平滑な層６が流入側に補強領域１４を有し、この補強領域は好ましくは板箔で形成されている。この板箔は、少なくとも一部で流体にとって流通可能な実質平滑な層６に取付けられ、または少なくとも一部で流体にとって流通可能な実質平滑な層６の相応する部分を包み込む。結合は特に接合技術的方法によって、例えば相応する溶接法、好ましくは抵抗溶接法によって、または硬ろう結合によって達成することができる。補強領域１４は、有利なことに、少なくとも一部で流体にとって流通可能な実質平滑な層の縁が排出ガス流１１の脈動性に基づいてほつれるのを防止することができる。特に補強領域１４が一酸化窒素から二酸化窒素への酸化を触媒する第２酸化触媒３５を含むように、補強領域１４は有利には触媒活性被覆を備えておくことができる。二酸化窒素は炭素用の酸化剤であり、パティキュレートフィルタ３の上流側にある個別のハニカム体上にも構成しておくことのできる第２酸化触媒３５によってパティキュレートフィルタ３の再生はパティキュレート中の炭素の強められた酸化で促進される。

開口部１２と案内翼１３はさらに、特に、パティキュレートフィルタ３を流通する排出ガス流１１中で還元剤の極力均一な分布をもたらす。

図１から読取ることができるように、流通方向５でパティキュレートフィルタ３の下流側に還元触媒４が構成されており、この還元触媒は酸化窒素（ＮＯ、ＮＯ₂）の分子窒素への選択接触還元を行うことができるように構成されかつ特に被覆されている。この還元触媒４は、好ましくは、流体にとって流通可能な空洞を含むハニカム体である。これは特に、例えば市販の相応に押出成形されたセラミックモノリシックとすることができる。さらに、例えば少なくとも一部で構造化された少なくとも１つの層と実質平滑な少なくとも１つの金属層とを一緒に巻付けることによって、または少なくとも一部で構造化された少なくとも１つの金属層と場合によっては少なくとも１つの実質平滑な層とから積重ね体を積み重ね、これら積重ね体の少なくとも１つを捩じってハニカム体とすることによって、ハニカム体は実質平滑な層と少なくとも一部で構造化された金属層とで構成しておくことができる。還元触媒４が含む被覆は酸化窒素の選択還元を触媒する作用を有する。特に、二酸化チタン（アナタース）を担持したバナジウム‐タングステン混合酸化物被覆、または金属交換ゼオライトを含む被覆を設けることができる。ここでは特に鉄ゼオライトとすることができる。金属交換ゼオライトは、好ましくは、Ｘ型、Ｙ型、ＺＳＭ‐５型またはＺＳＭ‐１１型ゼオライトである。

図４は考えられる還元触媒４の１例の一部を示す。還元触媒４が含むハニカム体は実質平滑な層１５と少なくとも一部で構造化された層７とを含む。この流れ通路９内の排出ガス流は矢印１１で示唆されている。実質平滑な層１５が有する開口部１２は、突出領域のない平滑層に凹部として形成されている。実質平滑なこの穿孔層１５が、切欠き部１６を有する少なくとも一部で構造化された層７に対向している。開口部１２と切欠き部１６との協動によって達成される排出ガス流１１の良好な混合は、ここには図示しないが層７、１５上に構成される被覆と協動して酸化窒素の良好な転換をもたらす。開口部１２と切欠き部１６とによってさらに、隣接通路の間で排出ガスの交換を生じることができる。

図２乃至図４は好ましい実施形態であり、パティキュレートフィルタ３と還元触媒４は別の態様に構成しておくこともできる。

図５は部材１７を略示している。この部材１７は担持体である。部材１７は、本実施例において流通方向５で３つの領域を含むように構成されている。流通方向５で最初の領域１８はパティキュレートフィルタ３を含む。このパティキュレートフィルタ３は、好ましくは開放型に構成され、特別好ましくは図３または図４に細部図で示したように構成されている。流通方向５で第１領域１８に続いて構成された第２領域１９は還元触媒４として役立つ。この領域は、特に、図４に示すように構成されている。選択的に、流通方向５で第２領域１９に続いて構成される第３領域２０は酸化触媒２１を含む。部材１７は、好ましくは、少なくとも一部で構造化された層７と実質平滑な層６、１５とから構成されている。その場合、
特に各層６、７、１５は上記例に相応する領域を有し、これらの領域は部材１７の形成後に領域１８、１９、２０に一致する。例えば、第１領域１８に対応する部分領域に構造体８を有する構造化層を構成しておくことができ、この層は被覆されておらず、開口部１２と案内構造体１３とを有する。他方でこの層は第２領域１９に対応する部分領域が被覆されており、切欠き部１６を有する。同様に、実質平滑な層６は第１領域１８に対応する領域が流体にとって流通可能な材料６で構成され、未被覆である一方、第２部分領域１９に相当する部分領域は相応に構成され特に開口部１２を備えた板箔で構成されている。そのような場合、平滑層は第１領域１８では未被覆とすることができる一方、第２領域１９には相応する被覆が構成されている。

そのような部材１７は、図６に示すように有利には、本発明により、相応する還元剤添加部２と一緒に構成しておくことができる。

図６が略示する排出ガス処理ユニット１は還元剤添加部２を含む。還元剤添加部２が加水分解触媒２２と装入装置２３とを含み、この装入装置によって流通方向５で加水分解触媒２２の上流側で還元剤前駆体を添加することができる。排出ガス精製ユニット１の作動時、加水分解触媒２２の活性開始温度または「ライトオフ（Ｌｉｇｈｔ−Ｏｆｆ）」温度に到達後、還元剤前駆体の加水分解が起きる。好ましくは還元剤前駆体として尿素が利用される。この尿素は装入装置２３によって尿素水溶液の態様または固体の態様で添加することができる。加水分解触媒２２で尿素の加熱分解および／または加水分解が起きる。その際、尿素（（ＮＨ₂）₂ＣＯ）は水（Ｈ₂Ｏ）でアンモニア（ＮＨ₃）と二酸化炭素（ＣＯ₂）とに転換される。このために必要な水はふつう内燃機関の排出ガス中に副生成物として含まれている。従って、加水分解触媒２２から進出する排出ガス流は還元剤、好ましくはアンモニアを含む。その場合、アンモニアまたは還元剤を含むこの排出ガス流はまず、部材１７の一部たるパティキュレートフィルタ３を流通する。ここでは、上記と同様に、既存のアンモニアによって煤パティキュレートの転換向上が起きる。好ましくは還元剤添加部２の上流側に構成しておくことのできる酸化触媒で一酸化窒素が二酸化窒素へと転換される。パティキュレートフィルタ３内で、排出ガス中に含まれた炭素を含むパティキュレートは相応する濾過要素、好ましくは上記と同様に流れ通路９の多孔質壁領域または高多孔質壁領域に堆積する。

パティキュレートフィルタ３の流通後、依然としてアンモニアを含む排出ガス流は、やはり部材１７の一領域たる還元触媒４を流通する。ここでは、排出ガス中に存在する酸化窒素（ＮＯ_X）は還元剤で分子窒素および水へと例えば以下の如く選択接触還元される：
ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ
図６の実施例において酸化触媒２１は部材１７の一部でなく、その下流側に設けられている。このため個別の酸化触媒２１が構成されている。

図７は還元剤添加部２の他の実施例を略示している。この還元剤添加部２は還元剤発生器３４を含む。還元剤発生器３４はプラズマ発生器２４を含む。このプラズマ発生器２４は窒素および酸素を含むガス流を作動ガスとして作動される。プラズマ発生器２４は特に独国特許出願公開第１０２５８１８５号明細書に述べられたように構成されかつ作動され、その開示内容はプラズマ発生器の構成およびプラズマ発生器の作動に関して本発明の開示内容に採り入れられる。

プラズマ発生器２４から進出するのは一酸化窒素含有ガス流２５である。それに続いて第１ガス経路２６と第２ガス経路２７が構成されている。これらのガス経路２６、２７は交互に流通させることができる。第１ガス経路２６が第１蓄積還元要素２８を含む一方、第２ガス経路２７は第２蓄積還元要素２９を含む。これらの蓄積還元要素２８、２９はそれぞれ、酸化窒素、好ましくは一酸化窒素の化学吸着が可能となるよう構成され、特にそのような被覆を備えている。その際、蓄積は亜硝酸塩および硝酸塩の態様で起きる。ところで亜硝酸塩および硝酸塩を含む蓄積還元要素２８、２９が水素含有ガス流を流通させると、水素が亜硝酸塩および硝酸塩をアンモニアへと還元する。こうしてアンモニア含有ガス流を提供することができる。このようなアンモニア含有ガス流を提供する目的のため、水素含有ガス流３０は蓄積還元要素２８、２９内に通すことができる。そのような水素含有ガス流３０が特に含むことのできる分解ガスまたは合成ガスは改質器によって燃料および／または炭化水素から製造される。これは特に部分酸化によって行われる。

還元剤添加部２の作動時、一酸化窒素含有ガス２５は第１ガス経路２６または第２ガス経路２７のいずれかを流通する。この一酸化窒素含有ガス流２５が第１ガス経路２６を流通する限り、第１蓄積還元要素２８内では一酸化窒素含有ガス流２５中に含まれた酸化窒素の化学吸着が起きる。同時に第２ガス経路２７を水素含有ガス３０が流通し、少なくとも部分的に充填された第２蓄積還元要素２９において亜硝酸塩および硝酸塩が反応してアンモニアとなる。従って、アンモニア含有ガス流３１がそれぞれ同時に発生させられる一方、それぞれ他方のガス経路では同時に、一般に酸素を含有する排出ガス流３２が生成されて放出される。

アンモニア含有ガス流３１は次に本発明によれば還元剤としてパティキュレートフィルタ３、後に還元触媒４に供給される。廃ガス流３２は場合によってはなお酸化触媒を介して排出ガス管路へと案内することができる。各ガス流の誘導は、相応に制御および／または調節される弁３３を介して行われる。

本発明に係る方法および本発明に係る排出ガス処理ユニットは、有利なことに、排出ガス中のパティキュレートおよび酸化窒素の割合を同時に減らすことを可能とする。還元剤として特にアンモニアが利用される。アンモニア含有ガス流をパティキュレートフィルタ３に通すことによって有利なことにパティキュレートフィルタ３の再生が促進される。本発明に係る方法および本発明に係る装置は、先行技術から公知の相応するシステムと比較して、同じ転換率において一層僅かな燃料超過消費量で間に合わせることができ、同時に、利用される構造空間を減らすことができる。

本発明に係る装置の第１実施例の略図である。 パティキュレートフィルタの略細部図である。 パティキュレートフィルタの略細部図である。 還元触媒の略細部図である。 パティキュレートフィルタと還元触媒と酸化触媒とを含む部材の略図である。 本発明の第２実施例の略図である。 還元剤添加部の１例の略図である。

符号の説明

１ 排出ガス精製ユニット
２ 還元剤添加部
３ パティキュレートフィルタ
４ 還元触媒
５ 流通方向
６ 少なくとも一部で流体にとって流通可能な実質平滑な層
７ 少なくとも一部で構造化された層
８ 構造体
９ 流れ通路
１０ パティキュレート
１１ 排出ガス流
１２ 開口部
１３ 案内構造体
１４ 補強領域
１５ 実質平滑な層
１６ 切欠き部
１７ 部材
１８ 第１領域
１９ 第２領域
２０ 第３領域
２１ 酸化触媒
２２ 加水分解触媒
２３ 装入装置
２４ プラズマ発生器
２５ 一酸化窒素含有ガス流
２６ 第１ガス経路
２７ 第２ガス経路
２８ 第１蓄積還元要素
２９ 第２蓄積還元要素
３０ 水素含有ガス流
３１ アンモニア含有ガス流
３２ 廃ガス流
３３ 弁
３４ 還元剤発生器
３５ 第２酸化触媒

Claims (19)

1. 内燃機関排出ガス流中のパティキュレート割合および酸化窒素割合を減らすための方法であって、
   １．１）排出ガス流（１１）中に還元剤が提供され、
   １．２）還元剤を含む排出ガス流（１１）にパティキュレート濾過が施され、次に
   １．３）排出ガス流（１１）中の酸化窒素の少なくとも一部の選択接触還元が行われる方法。
2. パティキュレート濾過１．２）がパティキュレートフィルタ（３）内で行われる請求項１記載の方法。
3. 還元剤が窒素および水素含有化合物を含む請求項１及び２のいずれか１つに記載の方法。
4. 還元剤がアンモニアを含む請求項３記載の方法。
5. 還元剤が少なくとも一部はオンボードで少なくとも１つのガス状の出発材料から生成される請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の方法。
6. 出発材料として、
   ６．１）酸素；
   ６．２）窒素；
   ６．３）空気；および
   ６．４）排出ガス；
   上記気体の少なくとも１つが利用される請求項５記載の方法。
7. 還元剤がオンボードで少なくとも一部は還元剤前駆体から生成される請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の方法。
8. 還元剤前駆体として尿素が利用される請求項７記載の方法。
9. 流通方向（５）を有する排出ガス精製ユニット（１）であって、
   ９．１）還元剤添加部（２）；
   ９．２）パティキュレートフィルタ（３）；および
   ９．３）酸化窒素（ＮＯ_X）を選択接触還元するための還元触媒（４）；
   を含み、還元剤添加部（２）が、排出ガス精製ユニット（１）を流通するガス流に、酸化窒素（ＮＯ_X）を還元するための還元剤を添加するのに適しているものにおいて、コンポーネント９．１）、９．２）、９．３）をガス流が流通方向（５）で順次流通できるように、コンポーネントが互いに結合されていることを特徴とする排出ガス精製ユニット。
10. 還元剤添加部（２）が還元剤前駆体用装入装置（２３）と熱分解、加熱分解および／または加水分解ユニット（２２）とを含む請求項９記載の排出ガス精製ユニット（１）。
11. 還元剤添加部（２）が、排出ガス精製ユニット（１）内で少なくとも１つのガス状の出発材料から還元剤を生成するのに適した還元剤発生器（３４）を含む請求項９または１０記載の排出ガス精製ユニット。
12. 還元剤がアンモニアである請求項９乃至１１のいずれか１つに記載の排出ガス精製ユニット。
13. 還元触媒（４）の下流側に酸化触媒（２１）が設けられている請求項９乃至１２のいずれか１つに記載の排出ガス精製ユニット。
14. パティキュレートフィルタ（３）と還元触媒（４）が１つの部材（１７）内に構成されている請求項９乃至１３のいずれか１つに記載の排出ガス精製ユニット。
15. パティキュレートフィルタ（３）が少なくとも１つの連続的流れ通路（９）を含む請求項９乃至１４のいずれか１つに記載の排出ガス精製ユニット。
16. パティキュレートフィルタ（３）が少なくとも１つの金属層（６、７、１５）を含む請求項９乃至１５のいずれか１つに記載の排出ガス精製ユニット。
17. パティキュレートフィルタ（３）が、少なくとも一部で多孔質の少なくとも１つの金属層（６）と少なくとも一部で板層として構成される少なくとも１つの層（７）とを含む請求項１６記載の排出ガス精製ユニット。
18. パティキュレートフィルタ（３）および／または還元触媒（４）が、
    ‐少なくとも一部で構造化された少なくとも１つの層（７）および場合によっては少なくとも１つの実質平滑な層（６、１５）を巻付けることによって、または
    ‐少なくとも一部で構造化された少なくとも１つの層（７）および場合によっては少なくとも１つの実質平滑な層（６、１５）を積み重ね、少なくとも１つの積重ね体を捩じることによって構成されている請求項１６または１７記載の排出ガス精製ユニット。
19. 流通方向でパティキュレートフィルタ（３）の上流側に、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へと酸化するための第２酸化触媒（３５）が構成されている請求項９乃至１８のいずれか１つに記載の排出ガス精製ユニット。

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