JP4404775B2 - 内燃機関の排気ガスを後処理する方法並びに装置 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の上位概念部に記載された形式の、内燃機関の排気ガスを後処理する方法もしくは装置に関する。ドイツ連邦共和国特許第１９９３５９２０号明細書に基づいて公知のこのような形式の方法もしくは装置では、−１１℃における尿素・水溶液の凝固を回避するために、還元剤タンク内に加熱管が設けられており、その結果２０℃よりも低い還元剤温度では還元剤の加熱を行うことができる。

発明の利点
独立請求項の特徴部に記載のように構成された本発明による方法もしくは装置には、公知のものに対して次のような利点がある。すなわち本発明による方法もしくは装置では、補助剤の変換反応、特に分解反応を所望のように使用しながら、液体の凝固点降下を達成することができ、しかもこの場合、時間的な手段において、液体系の問題になるような温度上昇を甘受する必要がない。外気温が低い場合でも、もはや再加熱を常に行う必要はない。それというのは、低温時においても所望の化学的変換の後では、変換反応に基づいて発生した物質の濃度が液体内において十分に高い場合には、もはや凍結することはなく、ヒータを運転する必要がないからである。

独立請求項に記載の方法もしくは装置の別の有利な構成は、従属請求項に記載されている。

化学的変換を、タンクもしくは管路内に存在する液体容積の部分領域において実施すると、特に有利である。このようにすると、液体の平均温度をさほど高めることなしに、液体に物質を効果的に富ませることができる。

簡単な方法では、尿素からアンモニアへの所望の分解を利用することができ、このようにすると、低い外気温時にかかわらず、かつ時間的及び空間的な手段において液体の温度がほとんど上昇しないにもかかわらず、凍結のおそれ、ひいては管路やその他の系構成部材の損傷のおそれを、回避することができる。

本発明のその他の利点は、従属請求項及び明細書に記載された構成から得られる。

図面
次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。

図１は、内燃機関の排気ガス中における窒素酸化物を選択触媒還元するための装置を示す概略図である。

実施例の記載
図１に示された排気ガス管路９は、内燃機関、特に自動車のディーゼル内燃機関の排気ガス管路である。排気ガス１６は内燃機関から排気ガス管路９を通って流れ、さらに、排気ガス管路９と接続された尿素・水溶液管路（ＨＷＬ管路）８を通過し、最終的に、排気ガス中に含まれた窒素酸化物を選択触媒還元する触媒コンバータ（図示せず）に達する。ＳＣＲ触媒コンバータ（「ＳＣＲ」＝「selective catalytic reduction」）の後ろで排気ガスは、例えば別の触媒コンバータ装置及び／又はマフラのような別の装置（図示せず）を介して外に流出する。ＨＷＬ管路８は、排気ガス管路に開口する領域とは反対側の端部において、尿素・水溶液タンク１０と接続されている。このタンク１０と排気ガス管路９との間において管路８にはポンプ６が配置されていて、このポンプ６と排気ガス管路９との間には、タイミング制御可能な調量弁７が配置されている。タンク１０内には、例えば重量パーセント３２.５％の尿素を含む尿素・水溶液（ＨＷＬ）が収容されている。図示の実施例ではタンクの下部領域に存在するタンク１０の部分容積１３には、電気式のヒータ３が設けられており、部分容積におけるＨＷＬを加熱するための電気出力の供給は、Ｐ_ＥＬで略示されている。電気式のヒータコイルとして形成されたヒータ３は、上方にタンクにおける尿素・水溶液の表面に向かって、タンクの側部領域に固定された制限エレメント２によって制限されている。この制限は、タンクにおける液体の主要な加熱もしくは温度上昇が行われ得る領域を画成するために働く。制限エレメントに対して横方向にかつ該制限エレメントに隣接して、温度センサ４とアンモニアセンサ５とが配置されており、これによって、加熱可能な部分容積における温度とアンモニア濃度とを測定することができる。尿素・水溶液の液面レベルの上に、図示されていない閉鎖装置によって閉鎖可能なタンク１０は、過圧弁１１を備えており、この過圧弁１１を介して余剰のガス圧は後置の洗浄ボトル１２を介して逃げることができる。さらに電気式の制御装置１４が設けられており、この制御装置１４は特に、排気ガス路への尿素・水溶液の調量の自体公知の関数を、内燃機関もしくは排気ガス路における測定後に供給される内燃機関もしくは排気ガスパラメータに関連して計算する。さらに制御装置１４は、温度信号４ａを評価するために温度センサ４と接続され、かつアンモニア濃度信号５ａを評価するためにアンモニアセンサ５と接続されている。制御信号ライン３ａを介しては例えば図示されていない出力トランジスタ回路が、電気式のヒータ３の電気加熱出力を調整するために制御されることができる。

ポンプもしくは調量弁７は、制御装置１４に接続された制御ライン（図示せず）を介して制御され、これによって自体公知の形式で排気ガス１６に、調量されて尿素・水溶液が供給され、その結果後続の脱硝触媒コンバータにおいて、排気ガス中に含まれた窒素酸化物の還元を、選択触媒還元（ＳＣＲ）の方法で達成することができる。この場合排気ガス路において、排気ガス路に供給された尿素・水溶液からアンモニアが獲得され、このアンモニアはＳＣＲ触媒コンバータにおいて窒素酸化物と反応して選択的に窒素と水に分解される。排気ガス路の領域において尿素・水溶液をアンモニアに完全に変換することに加えて、本発明では、タンク１と管路８とポンプ６と調量弁７とから成る尿素・水溶液系の部分領域において、尿素からアンモニアへの時間的に制限された部分的な分解反応が行われるようになっており、この場合タンク１０の部分容積１３において尿素・水溶液は、６０℃を越える範囲における分解温度に加熱される。電気式のヒータの運転時間の延長及び加熱出力は、制御装置１４を用いて、部分容積１３において測定された温度もしくはアンモニア濃度値に関連して制御される。この熱供給は、０℃〜−１１℃、有利には−５℃〜−１０℃の範囲における臨界温度に達した場合もしくは該臨界温度を下回った場合に、行われる。この際に留意すべきことは、尿素・水溶液系の全液体容積において十分に高いアンモニア濃度を保証することであり、これにより十分な凝固点降下を達成することができ、その結果、温度が再び臨界値未満に下がった場合でも、新たな加熱を回避することが可能になる。しかしながらアンモニア濃度が、十分な凝固点降下がもはや保証されないほどに低下した場合には、臨界温度値を下回った場合に、再び加熱されねばならない。アンモニア濃度はこの場合通常、７〜２０％の範囲において上下するので、凝固点降下は１０Ｋ〜５０Ｋの範囲になる。特に、尿素・水溶液におけるアンモニアの容積を約７〜１５容量パーセントの値に調節すると、尿素・水溶液の凝固点を−１１℃から−２０℃〜−３０℃に降下させることができ、有利である。尿素・水溶液の温度は時間及び空間的な手段において、５Ｋ〜５０Ｋだけ高められ、タンク内における圧力は僅かしか上昇しない。尿素・水溶液からアンモニアが逃げることに基づいて場合によっては生じる過圧は、過圧弁１１を通して吹き出される。過圧が外部に達する前に、ガスは洗浄ボトル１２を通過し、この洗浄ボトル１２によって、ガスに含まれたアンモニアを逃げるガスから除去することができ、ひいては、流出したアンモニアによって環境に不都合な影響を与えるおそれを最小にすることができる。１ｌの水には７００ｌまでのアンモニアを溶かすことができる。図示の実施例ではタンク容積は６０ｌなので、周囲圧においてタンク容積の１０倍の純水アンモニアを、洗浄ボトル１２に含有されている１ｌの水に溶かすことが可能である。洗浄ボトル１２における水の状態は、図示されていない装置によって監視されるか、又は規則的な間隔をおいて（例えばタンク充てんの決められた数の後で）交換される。

択一的な実施形態では、過圧はタンク１０から周囲空気に逃がされず、排気ガス管路へと逃がされる。このようにすると、場合によっては洗浄ボトル１２を通過するアンモニアをＳＣＲ触媒コンバータにおいて無害にすることができ、環境汚染を回避するための付加的な安全性を保証することができる。凝固点降下を目的として尿素・水溶液系の領域において尿素からアンモニアに所望のように分解する方法は、改善された実施形態では、外気温の付加的な測定を行い、これによって凝固点降下を、必要な場合にだけつまり外気温が低い場合、特に氷点下の場合にだけ、活性化させることができる。尿素・水溶液容量の部分領域の加熱もしくは、尿素・水溶液系の部分領域における尿素からアンモニアへの分解の促しもしくは励起は、タンクとは異なった系部分において行うことも可能である。また、尿素・水溶液によって冷却される噴射弁を調量弁７として使用する場合に、尿素・水溶液の冷却媒体流を強く絞ることが可能であり、これによって冷却媒体として使用される尿素・水溶液は所望のように、尿素分解を促すために加熱される。この場合アンモニアセンサはタンク内に残して置くことができ、これに対して温度センサは冷却媒体流内に配置されている。この図示されていない択一的な実施形態、つまり尿素・水溶液を、排気ガス路の近傍に配置された調量弁を、冷却媒体流の絞りの実施下で、冷却するための冷却媒体としても使用する、という実施形態は、絞りが調節可能であることによって、特に測定された尿素・水溶液の温度値もしくは測定されたアンモニア濃度値に関連して調節可能であることによって、さらに改善されることができる。さらに別の実施形態では過圧弁１１は、系における規定された圧力上昇が調節され得るように構成されており、このように構成されていると、系内における尿素とアンモニアとの間における化学的なバランスを、ガスであるアンモニアに向かってさらにシフトさせることが可能である。択一的に、タンク１０の部分領域又は排気ガス管路８の部分領域において尿素・水溶液を局部的に加熱するために、パーキングヒータ系（Standheizungssystem）を使用することも可能であり、このようにすると、特に、分解反応の励起を長時間にわたる停止時間において、つまり機関停止時に行いたい場合に、車両バッテリの負荷を軽減することができる。方法もしくは系はさらに別の実施形態では、次のように設計もしくは改善されることができる。すなわちこの場合、温度勾配の発生に基づいて、系内における物質交換（Stoffaustausch）を特に加熱された部分領域と残りのタンク領域との間において良好に行うことができ、これによって比較的短い時間において、局部的な熱供給により全体として、全尿素・水溶液を処理することができ、もしくは系全体における発生したアンモニアの迅速な分配を保証することができる。系がこのような対流を助成するように構成されていればいるほど、エネルギ需要は僅かになる。それというのは、発生したアンモニアは素早く系内において分配されて溶融状態を保つからであり、しかも水溶液から直ちに逃げること、ひいては凝固点降下のために利用できなくなることはないからである。

内燃機関の排気ガス中における窒素酸化物を選択触媒還元するための装置を示す概略図である。

Claims (13)

1. 内燃機関の排気ガスを後処理する方法であって、後処理のために補助剤として液体を使用する方法において、液体の温度が臨界値を下回った場合に、少なくとも時々、液体の凝固点を降下させる物質への補助剤の一部の化学的変換を促すことを特徴とする、内燃機関の排気ガスを後処理する方法。
2. 補助剤を排気ガスに導入する前に、補助剤の変換を行う、請求項１記載の方法。
3. 液体をタンクから取り出し、管路を介して排気ガスへと導き、この際に、タンクもしくは管路内に存在する液体容積の部分領域において、十分な量の物質が液体容積において分配され得るように、化学的変換を促し、これにより均一な凝固点降下を達成する、請求項１又は２記載の方法。
4. 化学的変換を熱供給によって促す、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 熱供給を行う時間に、液体の部分領域を６０℃を越える温度に加熱する、請求項３又は４記載の方法。
6. 熱供給が空間的な分配に基づいて時間の経過において、液体容積の僅かな温度上昇しか引き起こさない、請求項４又は５記載の方法。
7. 温度上昇が、５ケルビン〜５０ケルビンの間の範囲である、請求項６記載の方法。
8. 凝固点が１０〜３０ケルビンだけ降下される、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 液体における物質の濃度及び液体の温度又はそのいずれか一方を測定し、化学的変換を促す強さもしくは時間を、物質の濃度及び温度又はそのいずれか一方に関連して調節する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 濃度の測定もしくは温度の測定を、部分領域において行う、請求項９記載の方法。
11. 物質が、液体に可溶性のガスである、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 液体として尿素・水溶液を使用し、物質がアンモニアである、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
13. 内燃機関の排気ガスを後処理する装置であって、液体（１）が後処理のための補助剤として使用される形式のものにおいて、液体の凝固点を降下させる物質への補助剤の一部の化学的変換を、少なくとも時々促すための手段（２，３，４，５，３ａ，４ａ，５ａ，１４）が設けられており、該手段は、液体の温度が臨界値を下回った場合に変換が行われ得るように、配置もしくは構成されていることを特徴とする、内燃機関の排気ガスを後処理する装置。

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