JP5596690B2 - ディーゼルエンジンのための排気ガス浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、特に、例えば、排気部分に配置される、酸化触媒コンバータ、還元剤注入装置、煤粒子分離器および還元触媒コンバータなどの排気ガス浄化構成要素から構成される、実用自動車のディーゼルエンジンのための排気ガス浄化システムに関する。

自動車内燃エンジンの排気ガス処理の分野において、基板要素に沿って内側から外側および／またはその逆に排気ガスの部分流を導くように、基板要素の構造に、配置される開口面および流れ誘導面を形成する微細構造を設けることが可能となるダクトを形成する構造化された基板要素（特に、金属製シートメタル箔、不織ワイヤなど、またはさらにセラミックプレート、押出成形物）を有する、ハニカム体として構築される触媒コンバータおよび煤粒子分離器を使用することが特に有益であることが証明されている。

ディーゼルエンジンの排気ガスの有害な構成物質を変換するために異なるプロセスが使用されている。例えば、煤を還元するために、いわゆる「ＣＲＴ」プロセスが使用されており、煤の変換は排気ガス中の二酸化窒素によって低温でさえも刺激される。同様に、いわゆるＳＣＲプロセスを使用することも可能であり、排気ガスに含まれる窒素酸化物は、還元剤（尿素、アンモニア）によって還元される。これらの方法の組み合わせもまた、すでに提案されている。この目的のために、生成される排気ガスの量のために、特に実用自動車において触媒コンバータを排気システムに配置することが必要であり、比較的大きな容積のコンバータを組み込む場合、空間的問題が生じ得る。

このことから、（例えば冷却開始後に）熱応答挙動を改良し、長期間にわたって最も高い可能性の排気ガス浄化率を得るために、記載される排気ガス浄化システムはさらに、改良するための室を有するという問題が生じる。さらに、関連する法的規制を満たすために、大きな容積の排気サイレンサーを提供する必要性を考慮して空間的条件を与えるために、排気ガス浄化システムを実用自動車のディーゼルエンジンに適合しようとする目的がある。

従って、本発明は、従来技術に関して明らかにされた問題を少なくとも部分的に解決する目的に基づく。特に実用自動車における、特にディーゼルエンジンのための排気ガス浄化システムの設計詳細を特定することを目的とし、これによって、単純かつ費用の低い設計であり、空間を節約する配置構成を可能にする、効率的な排気ガス浄化の配置構成を具現化することが可能となる。

この目的は、特許請求の範囲の請求項１の特徴による排気ガス浄化システムによって達成される。本発明のさらなる有利な実施形態は、従属請求項で特定される。従属請求項で個々に特定される特徴は、任意の所望の技術的に重要な方法で互いに組み合わされ、本発明の実施形態をさらに規定してもよいことが指摘される。さらに、特許請求の範囲で特定される特徴は、発明の詳細な説明においてより正確に与えられ、より詳細に説明され、本発明のさらに好ましい例示的な実施形態を提示する。

ディーゼルエンジンのための本発明による排気ガス浄化システムにおいて、少なくとも１つの酸化触媒コンバータ、還元剤注入装置および還元触媒コンバータが提供され、それらは、第１の端側に近接する第１の側方チャンバおよび第２の端側に近接する第２の側方チャンバを備えるハウジング内に一緒に配置される。ここで、以下の配置構成が順守される。
還元触媒コンバータが第１の側方チャンバに配置される。
酸化触媒コンバータが第２の側方チャンバの外側環状スペースに配置される。
還元剤注入装置が第２の側方チャンバの外側環状スペースの内側ダクトに対して向けられる。
少なくとも１つの排気ガス吸気口から少なくとも１つの排気ガス排出口までの排気ガスのための流路が、以下の構成要素：酸化触媒コンバータ、還元剤注入装置、還元触媒コンバータを通して提供される。

還元触媒コンバータは、好ましくは、特にセラミックのハニカム構造を備える、ＳＣＲ触媒コンバータである。還元触媒コンバータは、最終的に、窒素および水蒸気を形成するように、還元剤によって窒素酸化物を減少させるのに役立つ。

酸化触媒コンバータは、好ましくは、高純度の金属（例えば白金）でコーティングされた円環形状の金属性ハニカム体である。酸化触媒コンバータは、排気ガス中に含有される未燃焼の炭化水素および一酸化炭素を酸化して、水および二酸化炭素を形成し、排気ガス中に含有される窒素酸化物を酸化して、ＮＯ_２を形成するのに役立つ。

還元剤注入装置は、特に、流体、好ましくは液体を注入するのに役立つ。還元剤として、アンモニアおよび／またはアンモニア前駆体（尿素、ＡｄＢｌｕｅ）が考慮される。還元剤は、還元剤注入装置によって排気ガスに注入され、ここで、主に尿素が還元剤として注入され、適切な場合、還元剤分解装置において尿素は分解されてアンモニアを形成する。

従って、特に、排気部分に配置される、酸化触媒コンバータ、還元剤注入装置および還元触媒コンバータなどの排気ガス浄化構成要素を有する、実用自動車およびノンロード電動媒体のディーゼルエンジンのための排気ガス浄化システムも提案される。排気ガス浄化構成要素は、区画領域の周囲部のほぼ中心に配置される排気ガス吸気口を備えるハウジング内に配置される。この排気ガス吸気口から、排気ガスが、区画部から進んで環状チャンバに流れる。この環状チャンバは、ハウジングの終端壁（第２の端側）の方向に延在し、そのハウジングの終端壁の前の一定の距離で終端し、この環状チャンバ内に、流れが通過し得る酸化触媒コンバータが配置される。第２の端側の近接で、流れの偏向が起こり、排気ガスの適切な乱流が生じ、その中に還元剤が導入され得る。還元剤注入装置は、環状チャンバおよびダクトに対して同軸に配置され、第２の端側のハウジング終端壁を通して延在するので、還元剤は、同軸の管内に注入され得、同じ方向でダクトを流れる排気ガスと混合される。次いで、排気ガス還元剤混合物は、ハウジング内の区画部の下流に還元触媒コンバータを備える第１のチャンバを通過し、排気ガスが、還元触媒コンバータを流れると、それは選択的に還元される。

本発明による排気ガス浄化システムは、非常にコンパクトな設計であるので、エンジンに近接して有利に配置され得、それによって、排気ガスは、少ない程度までの冷却のみを有する排気ガス浄化システムに入る。これは、環状チャンバに配置される酸化触媒コンバータが排気ガスのさらなる冷却を防止するので、それらが高温で同軸のダクトに入り、迅速に蒸発され、排気ガスと混合するこのダクトに注入される還元剤の効果を増加させ、システムの中心部において、管によって形成される温かいダクトによって促進される。

ダクトが少なくとも１つの混合要素を備えて形成される排気ガス浄化システムも好ましい。

ダクトが少なくとも１つの煤粒子分離器を備えて形成される排気ガス浄化システムも好ましい。煤粒子分離器において、ディーゼルエンジンプロセスで生成される煤粒子が満たされ、酸化されて二酸化炭素を形成する。

さらに、ダクトが少なくとも１つの加水分解触媒コンバータを備えて形成されることも利点があるとみなされる。アンモニア前駆体のアンモニアへの変換はこの方法で支援され得る。

還元剤と排気ガスとの十分に完全な可能な混合を得るために、混合要素は、好ましくは、管に配置され、その混合要素は、管を満たす煤粒子分離器として設計されてもよい。（また）この煤粒子分離器は、還元剤を還元および／または加水分解するための触媒コーティングを有する。これに関して、ダクトは、（所定の流路に沿った）排気ガスの流れ方向において異なる領域を備えて形成されてもよいが、多数の上述の領域（一体成形の設計）の重ね合わせもまた可能である。

酸化触媒コンバータおよび／または煤粒子分離器および／または還元触媒コンバータには、好ましくは、ダクトを形成する構造化された基板要素が設けられ、基板要素のこの構造は、内側から外側および／またはその逆で基板要素に沿った排気ガスの部分的な流れを誘導するように配置される開口面および流れ誘導面を形成する微細構造を有する。このように、上述の構成要素の断面にわたる流速の均一化、部分的流れの完全な混合、および層流の分離が得られ、その結果として、排気ガス浄化システムの要素の有効性が大幅に向上する。

１つの改良において、少なくとも１つの排気ガス排出口は、還元剤触媒コンバータと第１の端側との間に配置されることが提案される。従って、排気ガス浄化システムのハウジングはさらに、還元触媒コンバータの下流に終端壁を有し、ガス排出口は、ハウジングの周囲にわたるその終端壁に、またはその終端壁に隣接して配置され得る。これにより、排気ガス浄化システムの構造的設計に関して大きな自由度が提供され、従って、理想的な方法で所定の空間的条件に適合され得る。

還元剤注入装置が酸化触媒コンバータに対して向けられることは利点があることも考慮される。つまり、これは内側ダクトに対する偏心配置が提供されることを意味するので、測定される還元剤の一部はまた、酸化触媒コンバータの側方壁（高純度の金属コーティングがここには提供されない）まで（排気ガスの流路に対して）通過することができる。酸化触媒コンバータにおける発熱反応の結果として、側方壁は通常、作動の間、非常に熱いので、液体還元剤がその表面と接触すると、急速な蒸発および／または熱分解が起こる。さらに、加水分解コーティングが、測定される還元剤に作用する酸化触媒コンバータの側方壁の領域において少なくとも部分的に提供され得る。この領域は特に、環状酸化触媒コンバータの環状部分として形成されてもよく、その環状部分は、好ましくは、還元剤に作用する酸化触媒コンバータの領域のみである。

排気ガス浄化システムの１つの改良において、第１の側方チャンバおよび第２の側方チャンバは、ダクトを形成する働きをする管を有する区画部によって分離されている。管はまた、例えば、環状酸化触媒コンバータの支持としての働きもする。管および区画部は、好ましくは、互いに溶接されるか、またはひとつながり（ワンピース）で提供される。

電気加熱器が酸化触媒コンバータまたは加水分解触媒コンバータの少なくとも上流に提供されるこのタイプの排気ガス浄化システムも提案される。つまり、これは、排気ガスが、酸化触媒コンバータおよび／または加水分解触媒コンバータに誘導される前に、最初に少なくとも１つの加熱器を流れることを意味する。加熱器として、好ましくは、電気的に加熱可能なハニカム構造から構成されるものが使用される。

断面図において本発明による排気ガス浄化システムを概略的に示す。

本発明およびその技術分野は、図１に基づいてより詳細に説明される。この図は、特に本発明の好ましい設計の変形例を示すが、本発明を限定するものではないことが指摘される。この図は、断面図において本発明による排気ガス浄化システムを概略的に示す。

図１に示す排気ガス浄化システムは、特に実用自動車のディーゼルエンジンのために設計される。実用自動車に要求される動力は高いが、燃料消費は可能な限り低くなければならない。ディーゼルエンジンの個々のシリンダ内で燃料を消費している間、最初に二酸化炭素および水蒸気が生成されるが、その燃焼は不完全であるので、未燃焼の炭化水素化合物、一酸化炭素、煤、および高い燃焼温度のために窒素酸化物が、排気ガス中に存在し、それらは、本発明による排気ガス浄化システムによって最大に可能な程度まで排気ガスから除去されなければならない。

図１によるディーゼルエンジン１は、排気管２を介して排気ガス浄化システムのハウジング５に接続される。排気管２は、区画部７（排気ガス吸気口２０）の領域のほぼ中央にあるハウジング５の周囲部を通して開口している。この区画部７は、ハウジング５に対して同軸である管１２を支持し、その管１２とハウジング５との間に環状チャンバ１１が形成される。区画部７は、ハウンジング５を、第１の端側１６に近接する第１の側方チャンバ１５と、第２の端側１８に近接する第２の側方チャンバ１７とに分離する。管１２は、ハウジング５の終端壁によって形成される、第２の端側１８から一定の距離離れた上流で終わり、ここで、矢印によって示される排気ガス（流路１４）は偏向されて、管１２の内側にダクト１９を通って反対方向に流れる。

環状チャンバ１１に配置されるのは、円形の環状加熱器２４であり、その直接下流に、酸化触媒コンバータ３があり、ここで、排気ガスの未燃焼のガス構成物質が酸化されて、水蒸気および二酸化炭素を形成する。さらに、排気ガス中の窒素酸化物の最も高い可能性のある画分が酸化されて、二酸化窒素（ＮＯ_２）を形成する。

第２の端側１８において管１２に対して同軸に配置されるのは、還元剤を、管１２を通って流れる排気ガスに注入する還元剤注入装置６である（適切な場合、酸化触媒コンバータ３の側方壁にも配置される）。この目的のために、供給システム２３、例えば、液体尿素水溶液を供給する、タンク、バルブ、ポンプなどが設けられる。

混合要素１０が、（ここで示すように）管１２に配置されてもよい。この混合要素は、還元剤と排気ガスの激しい混合を生じるのに役立つ。混合要素は、好ましくは、管１２を満たす煤粒子分離器８として設計され、適切な場合、混合要素はさらにまた、少なくとも部分的に、還元剤の還元および／または加水分解のための触媒コーティングを備える（適切な場合、加熱器の上流に加水分解触媒コンバータ１３が設けられる）。この還元剤は尿素から構成され、煤粒子分離器の触媒コーティングにより水蒸気およびアンモニア（ＮＨ_３）に***する。

排気ガス中に含有される煤粒子の最大可能な画分は、煤粒子分離器８に捕捉され、燃焼される。煤粒子分離器８から、排気ガスは、還元触媒コンバータ９を備える第１のチャンバ１５内に直接通り、ここで、還元剤が添加され、窒素酸化物が触媒的に還元されて、窒素および水蒸気を形成する。適切な場合、過剰なアンモニアのための捕捉装置（示さず）がまた、還元触媒コンバータ９の下流に接続されてもよい。還元触媒コンバータ９から出現する排気ガスは、排気ガス排出口２１を通ってハウジング５から出ていき、例示的な実施形態に示すように、第１の端側１６の終端壁に隣接するハウジング５の周囲部分に配置される、排気管４に流れる。空間的条件に応じて、排気ガス排出口２１はまた、例えばハウジング５に対して同軸のように、異なって配置されてもよい。

本発明は例示的な実施形態に限定されない。実際に、本発明の多くの改変が特許請求の範囲内で可能である。

１ ディーゼルエンジン
２ 第１の排気管
３ 酸化触媒コンバータ
４ 第２の排気管
５ ハウジング
６ 還元剤注入装置
７ 区画部
８ 煤粒子分離器
９ 還元触媒コンバータ
１０ 混合要素
１１ 環状スペース
１２ 管
１３ 加水分解触媒コンバータ
１４ 流路
１５ 第１の側方チャンバ
１６ 第１の端側
１７ 第２の側方チャンバ
１８ 第２の端側
１９ ダクト
２０ 排気ガス吸気口
２１ 排気ガス排出口
２２ 自動車
２３ 供給システム
２４ 加熱器

Claims (6)

1. 少なくとも１つの酸化触媒コンバータ（３）、還元剤注入装置（６）および還元触媒コンバータ（９）が提供され、それらが、第１の端側（１６）に近接する第１の側方チャンバ（１５）および第２の端側（１８）に近接する第２の側方チャンバ（１７）を備えるハウジング（５）内に一緒に配置される、ディーゼルエンジン（１）のための排気ガス浄化システムであって、
   前記第１の側方チャンバ（１５）および前記第２の側方チャンバ（１７）は、ダクト（１９）を形成する働きをする管（１２）を有する区画部（７）によって隔てられ、
   前記区画部（７）は、前記ハウジング（５）に対して同軸である前記管（１２）を支持し、前記管（１２）と前記ハウジング（５）との間に環状チャンバ（１１）が形成され、
   前記還元触媒コンバータ（９）は、前記第１の側方チャンバ（１５）に配置され、
   前記酸化触媒コンバータ（３）は、前記第２の側方チャンバ（１７）の前記環状チャンバ（１１）に配置され、
   前記還元剤注入装置（６）は、前記第２の端側（１８）において前記管（１２）に対して同軸に配置され、
   前記ダクト（１９）は、少なくとも１つの煤粒子分離器（８）を備えて形成され、
   少なくとも１つの排気ガス吸気口（２０）から少なくとも１つの排気ガス排出口（２１）までの排気ガスのための流路（１４）が、以下の構成要素：酸化触媒コンバータ（３）、還元剤注入装置（６）、煤粒子分離器（８）、還元触媒コンバータ（９）を通して提供される、排気ガス浄化システム。
2. 前記ダクト（１９）は、少なくとも１つの混合要素（１０）を備えて形成される、請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
3. 前記ダクト（１９）は、少なくとも１つの加水分解触媒コンバータ（１３）を備えて形成される、請求項１または２に記載の排気ガス浄化システム。
4. 前記少なくとも１つの排気ガス排出口（２１）は、前記還元触媒コンバータ（９）と前記第１の端側（１６）との間に配置される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化システム。
5. 前記還元剤注入装置（６）は、前記酸化触媒コンバータ（３）に対して向けられる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガス浄化システム。
6. 電気加熱器（２４）が、前記酸化触媒コンバータ（３）または前記加水分解触媒コンバータ（１３）の少なくとも上流に提供される、請求項３に記載の排気ガス浄化システム。
   

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