JP2009168013A - 排気浄化システムで使用される化学薬品用加熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、排気ガスの高温を尿素溶液を加熱するために利用する排気ガス処理装置用の尿素溶液加熱システムを提供する。
【解決手段】尿素溶液をトラックに駆動するディーゼルエンジンの排気系に注入するシステムは、尿素溶液を収容する供給タンクと、尿素溶液を供給タンクから排気部に移送し尿素溶液を触媒コンバータの上流の排気系内又は触媒コンバータ内に注入する尿素溶液搬送システムを備えている。尿素熱交換器及び排気熱交換器は、各々冷却液を受け入れるように構成される。尿素熱交換器は排気熱交換器を出る加熱された冷却液を受け入れるように構成され、熱を加熱された冷却液から供給タンク内の尿素溶液に伝達するよう構成される。排気熱交換器は、ディーゼルエンジンから冷却液を受け入れ、熱を排気ガスから冷却液に伝達するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼システムの排気、特に自動車の内燃機関の排気の排気ガス浄化装置に関する。また、本発明は、排気ガス浄化のため供給ラインを通して排気に導入される液体のためのリザーバの加熱システムに関する。

周知の排気ガス浄化装置では、排気ガスを化学的に浄化するため、燃焼中、液体をリザーバから供給ラインを通して取り出し、排気ガスに導入する。そのような方法が米国特許第5,884,475号明細書に開示されている。

排気ガスを処理するために液体（例えば尿素溶液）を排気ガスに導入して排気ガスの浄化を提供する加熱システム及び他の燃焼システムが知られている。しかしながら、使用に適した状態の液体を提供することは、長期の作動停止後、液体が過度の高粘性を有し又は凍るまで周囲の温度が下がる場合に問題となる。

内燃エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物のような汚染物質を減らす１つの周知の方法として、規制すなわち制御されたディーゼル触媒コンバータ（CDC）が知られている。この方法は、例えば、ディーゼルエンジン及び希薄燃焼運転エンジンのような酸素過多で運転される内燃エンジンに主として使用される。この方法は、米国特許第5,884,475号明細書及び米国特許第7,017,336号明細書に記載された選択接触還元法（SCR）に本質的に基づく。SCR法では、窒素酸化物が、アンモニアと共に選択触媒と接触させられ、触媒作用によって窒素と水に還元される。

自動車の排気を処理する場合、アンモニアを供給するために、水溶性の尿素溶液が窒素酸化物の触媒還元用の還元剤として自動車に通常、搭載される。、窒素酸化物の還元に必要な量のアンモニアが、水溶性尿素溶液から加水分解によって生成される。

水溶性尿素溶液は、濃度によって、或る温度で凍る。米国特許第5,884,475号明細書は、排気ガス浄化システムに導入される尿素の加熱方法を開示する、この方法では、尿素供給タンクを断熱しタンク内に加熱コイルを設けている。加熱コイルは、エンジンから冷却液を受け入れることができる。

本発明者は、尿素溶液を迅速に加熱する尿素溶液加熱・融解システムを提供することが有利であると認識した。

本発明は、排気ガスの高温を尿素溶液を加熱するために利用する排気ガス処理装置用の尿素溶液加熱システムを提供する。

例えば、本発明の実施形態では、尿素を加熱し及び/又は解かすシステムが提供され、このシステムはトラック駆動するディーゼルエンジンの排気系に尿素溶液を注入するシステムに使用される。尿素溶液注入用のシステムは、尿素溶液を収容する供給タンクと尿素溶液を供給タンクから排気部に移送し尿素溶液を選択接触還元コンバータの上流の排気系に注入する尿素溶液送出システムとを備えている。尿素側熱交換器及び排気側熱交換器は、各々が冷却液を受け入れるよう構成される。尿素側熱交換器は、排気側熱交換機を出る加熱された冷却液を受け入れるように構成され、加熱された冷却液から熱を供給タンク内の尿素溶液に伝達するよう構成されている。排気側熱交換器は、冷却液を受け入れ熱を排気ガスから冷却液に伝達するよう構成されている。

ADBLUEのような液体尿素溶液を使用するSCRシステムでは、この溶液が華氏１２度で凍り、この結果、冬期の運転では、凍った尿素溶液を排気系に注入す前に解かす必要がある。システムがエンジンスタート後すぐに排気ガス放出物を減らすために機能できるよう、尿素溶液をできるだけ速く解かすべきである。本発明は、トラックエンジンからの排気ガスによって制御可能に加熱されるトラック用車載尿素供給タンクを提供する。詳細にには、本発明は、熱を排気ガス流から伝達し、次いでこの熱を尿素側熱交換器を介して供給タンクに収容された尿素溶液に伝達する排気側熱交換器によって加熱される冷却液サーキットを提供する。

排気側熱交換機は、排気ガス導管の内側に設けられても、外側に設けられてもよい。尿素側熱交換器は、尿素タンクの内側に設けられても、外側に設けられてもよい。尿素側熱交換器は、尿素タンク内に配置されるのが好ましい。

いくつかの既存の尿素タンク加熱システムは、タンク内の尿素を暖めるために尿素タンクへの暖かい冷却液流を使用する。本発明の実施形態は、既存の装置の尿素タンクへの同じ冷却液ラインを再利用することもできる。

本発明の好ましい実施形態によれば、エンジン冷却液が複合尿素供給タンク内の凍った又は冷たい尿素溶液に圧送される前に、エンジン冷却液温度を上昇させる目的で、排気側熱交換器がターボチャージャー付きのディーゼルエンジンの排気系に備えられる。

本発明の実施形態は、
ａ）車両のディーゼルエンジンと、
ｂ）ディーゼル排気流内のNOx放出物を減らすためのSCR触媒と、
ｃ）SCR触媒内でNOｘ放出物を還元するためurea/NH3をSCR触媒に供給する尿素インジェクタと、
ｄ）液体尿素をインジェクタに提供するための尿素供給タンク及びラインと、
ｅ）エンジン排気部内の第１熱交換器と、
ｆ）排気部内の第１熱交換器へのエンジン冷却液流と、
ｇ）排気部内の第１熱交換器から尿素タンクへの加熱されたエンジン冷却液と、
ｈ）尿素タンク内でエンジン冷却液から尿素に熱伝達するための尿素タンク内の第２熱交換器とを備えている。

化学薬品供給タンクの化学薬品を加熱する例示の方法は、化学薬品は化学薬品供給タンクから小出しされ排気系に注入され排気ガスを処理するものであり、熱を排気ガスから流体に伝達するステップと、熱を流体から化学薬品供給タンクの化学薬品に伝達するステップとを備えている方法である。

この方法では、流体が化学薬品から隔離された熱伝達流体であるのがよい。

この方法では、化学薬品が尿素溶液からなるのがよい。

この方法は、排気系とトラック搭載の化学薬品供給タンクを備え、排気系はトラック用駆動システムの一部であるとよい。

この方法では、ディーゼルエンジンの作動中に、冷却液流体がディーゼルエンジンを通って循環され且つ尿素溶液が排気系に注入され、もし供給タンク内の尿素溶液の温度が約華氏１２度より低いならば、尿素溶液を排気系に注入する前に尿素溶液を加熱するのがよい。

本発明による排気ガス熱の使用は、単独エンジン加熱で使用されていた以前のシステムよりも、凍った尿素に大きな熱伝達を可能にする。本発明は、SCRシステムに使用する多くの装置で実施できる。例示の装置及び方法により、凍った尿素溶液への熱伝達の増大させ寒冷用SCRシステム性能を向上させることができる。

本発明の沢山の他の利益及び特徴は、以下の本発明の詳細な説明及び本発明の実施形態、特許請求の範囲及び添付図面から容易に明らかにされる。

本発明の尿素加熱システムを備えた典型的な尿素注入システムの概略図である。 本発明の尿素タンク加熱システムの概略図である。 図２と類似するがいくぶん異なるバルブ配置を示す概略図である。

本発明は、図面に示され且つ明細書に詳細に記述される多くの異なった形態の実施形態が可能である一方、本発明の特定の実施形態は、本開示が本発明の原理の例証として考慮され且つ本発明は例示された特定の実施形態に限定されない。

図１は、本発明の例示実施形態の尿素加熱システムに組み入れた尿素注入システム１０を概略的に示している。システム１０は、ディーゼルエンジントラックの動力装置に組み込まれる。尿素注入システム１０は、米国特許第5,884,475号明細書又は米国特許第7,017,336号明細書に記述されており、これらを本願に援用する。

例えばターボチャージャー付きディーゼルエンジンであるディーゼルエンジン１２は、排気導管１８を通り且つ触媒コンバータ２２のような排気ガス浄化装置を通って排出される排気ガス１５を生成する。排気ガスは、コンバータ２２を通過し、排気導管２４を通過し、排気系の残りの部品を通過し、そして大気に排出される。コンバータ２２は、ノズルすなわちスプレーヘッド２８を通って排気導管１８内又はコンバータ２２内にスプレされる尿素溶液２６を使用する化学的還元によって排気ガス中の窒素酸化物を減らすように化学的に構成される。

尿素溶液２６は、再補充可能な供給タンク３０に収容されている。尿素溶液２６は、尿素ポンプ３８につながった吸引導管３７を通って供給され、尿素ポンプ３８が溶液を供給ライン４０を通してノズル２８に圧送する。

本発明の例示の実施形態は、熱をタンク３０内の尿素溶液２６に伝達するよう配置された第１熱交換器７０と、熱を排気導管１８を通って流れる排気１５から伝達するよう配置された第２熱交換器７４とを備えている。熱交換器７０、７４は、それぞれコイル７０a、７４aを通るエンジン冷却液を受け入れる。

第１熱交換器コイル７０aは、タンク３０の内側に配置しても、外側に配置してもよい。第２熱交換器コイル７４aは、排気導管内に配置しても、排気導管１８を取り囲むように排気導管１８の外側に配置してもよい。熱交換器７４は、コンバータ２２の上流に配置してもよい。

図２は、本発明の冷却液の流れを示す図である。典型的にはエンジン１２によって回転駆動される冷却液ポンプ８０が、ラジエータ８２から冷却液導管８３、冷却液導管８４を通ってディーゼルエンジンに冷却液を圧送し、エンジンブロック及びシリンダヘッドを冷却する。冷却液の分岐した流れが、エンジン１２から冷却液導管８５を通って第２熱交換器７４に流れ、コイル７４a内の冷却液はここでエンジン１２からの高温排気によってさらに加熱される。

冷却液は、熱交換コイル７４aを出て、冷却液導管８６を通過して制御バルブ８８にまで流れる。制御バルブは、ソレノイドバルブのような電気的に作動する機械バルブでもよい。制御バルブ８８は、タンク３０内の尿素溶液２６の温度に基づいて、所定量の加熱冷却液をバイパス導管９０に流し、制御しながら熱交換器７０を迂回させ、尿素溶液の温度を制御し及び／又は尿素溶液の過熱を回避するように構成されている。尿素融解運転では、冷却液は、制御バルブ８８から冷却液導管９４を通ってコイル７０aに流れる。冷却液は、融解尿素溶液２６によって冷却され、次の冷却および循環のために、コイル７０aから冷却液導管９６を通って流れラジエータ８２に戻る。

例えば熱電対のような温度センサ８９が、尿素溶液の温度を検出し、対応する信号をコントローラ９１に送る。このコントローラは、専用のコントローラでも、車両エンジンの制御ユニットでもよい。尿素溶液の温度が過剰レベルまで上昇したときには、コントローラ９１が、電気信号のような制御信号をバルブ８８に送りバイパスを開く。電子的に制御されたバルブ８８ではなく、エンジンサーモスタットバルブのような、制御バルブ８８が尿素溶液温度に応答してバイパス導管９０を開閉する機械的に温度に応答するものでもよい。また、この変形例も、本発明に含まれる。

バルブ８８を、導管９０ではなく導管９４に配置し、導管９０を直径又は他の条件で制限し、バイパス導管９０を常に開とし、熱交換器に入る流れをバルブ８８で制御することも可能である。また、導管９０、９４の各々に制御バルブがあり、両制御バルブを、熱交換器７０を通る冷却液流が過剰量とならず確実に効果的な量とするように制御することも可能である。これらの両変形例も、本発明に含まれる。

図３に示すように、図２の制御バルブ８８を３方向制御バルブ１０８に置換し、バイパス導管９０を通る冷却液路を開く一方、熱交換器７０への冷却液路を同時に閉じることもできる。逆に、バイパス導管９０への冷却液路を閉じる一方、熱交換器７０への冷却液路を同時に開くように、バルブ１０８を作動させることもできる。

上述したように、本発明の思想及び範囲から外れることなく行なわれる多くの変更及び修正がある。ここに例示された特定の装置に関する限定は、意図又は推測されない。もちろん、特許請求の範囲内に属する全てのそのような修正は、特許請求の範囲によって保護される。

Claims (17)

1. 化学薬品注入による排気ガス処理に使用される化学薬品を収容する化学薬品供給タンクの加熱システムであって、
   排気系に注入できるように前記化学薬品を収容する供給タンクと、
   流体を受け入れ且つ前記流体から前記供給タンク内の前記化学薬品に熱を伝達する第１熱交換器と、
   前記流体を受け入れ且つ前記排気系から前記流体に熱を伝達する第２熱交換器と、
   前記流体を前記第２熱交換器から前記第１熱交換器に移動させるポンプとを備えている、
   ことを特徴とする加熱システム。
2. 前記第１熱交換器は、前記供給タンク内にチューブコイルを備えている、
   請求項１に記載の加熱システム。
3. 前記排気系は排気導管を備え、
   前記第２熱交換器は前記排気導管内にチューブコイルを備えている、
   請求項２に記載の加熱システム。
4. 前記化学薬品は尿素溶液からなり、
   前記排気系は触媒コンバータを備えている、
   請求項１に記載の加熱システム。
5. 前記流体はエンジン冷却液からなる、
   請求項１に記載の加熱システム。
6. 前記流体を制御可能な方法で前記第１熱交換器を迂回させるバイパス導管を備えている、
   請求項１に記載の加熱システム。
7. トラックに駆動するディーゼルエンジンの排気系に尿素溶液を注入するためのシステムであって、
   冷却液を前記ディーゼルエンジンの中へ、ディーゼルエンジンの中で、そしてディーゼルエンジンの外へ移動させる冷却液循環システムと、前記ディーゼルエンジンで生成された排気ガスを排出する排気系とを有するディーゼルエンジンであって、前記排気系は触媒コンバータと流体連通する排気導管を有するディーゼルエンジンと、
   尿素溶液を収容する供給タンクと、
   尿素溶液を前記供給タンクから前記排気系に移動させ、前記尿素溶液を前記触媒コンバータの上流の前記排気系内又は前記触媒コンバータ内に注入する尿素溶液搬送システムと、
   各々が冷却液を受け入れる第１熱交換器及び第２熱交換器とを備え、
   前記第１熱交換器は、前記第２熱交換器を出た冷却液を受け入れ、前記冷却液から前記供給タンク内の前記尿素溶液に熱を伝達し、
   前記第２熱交換器は、冷却液を受け入れ前記排気系からの前記冷却液に熱を伝達する、
   ことを特徴とするシステム。
8. 前記第１熱交換器は、前記供給タンク内に配置された第１チューブコイルを備え、
   前記第２熱交換器は、前記排気系内に配置された第２チューブコイルを備えている、
   請求項７に記載の加熱システム。
9. 前記冷却液を、前記第１熱交換器を制御可能に迂回させ、前記供給タンク内の前記尿素溶液の温度を制御するバイパス導管を備えている、
   請求項７に記載の加熱システム。
10. 化学薬品供給タンク内の化学薬品を加熱する方法であって、
    前記化学薬品は前記化学薬品供給タンクから小出しされ排気系に注入され排気ガスを処理するものであり、
    熱を排気ガスから流体に伝達するステップと、
    熱を前記化学薬品供給タンク内で前記流体から前記化学薬品に伝達するステップとを備えている、
    ことを特徴とする方法。
11. 前記流体が前記化学薬品から隔離された熱伝達流体である、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記化学薬品が尿素溶液からなる、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記排気系及び前記化学薬品供給タンクがトラックに搭載され、
    前記排気系は前記トラックの駆動システムの一部である、
    請求項１２に記載の方法。
14. トラックのディーゼルエンジンの排気ガスを処理する方法であって、
    前記ディーゼルエンジンの作動中に冷却液を前記ディーゼルエンジンを通して循環させるステップと、
    トラックの供給タンク内に尿素溶液を収容するステップと、
    前記ディーゼルエンジンの作動中に尿素溶液を前記排気系に注入するステップと、
    前記尿素溶液を前記排気系に注入する前に前記尿素溶液を加熱するステップと、を備え、
    前記尿素溶液は、前記ディーゼルエンジンの下流で排気系から前記冷却液流体を介して前記尿素溶液に熱を伝達することによって加熱される、
    ことを特徴とする方法。
15. 冷却液は、前記排気系と熱伝達連通した排気熱交換器を通って循環し、次いで前記供給タンク内の前記尿素溶液と熱伝達連通する尿素熱交換器を通って循環する、
    請求項１４に記載の方法。
16. 前記加熱ステップが、前記尿素溶液が華氏１２度よりも低い温度にならないように行われる、
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記加熱ステップは、前記冷却液流が前記供給タンク内で前記尿素溶液が過剰温度にならないように制御される、
    請求項１５に記載の方法。

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