JP2007501357A - 第１の相から第２の相に転移された還元剤を導く供給管から、第１の相に復帰した還元剤を除去する装置 - Google Patents

Abstract

第１の相から第２の相に転移された還元剤を導き、第２の相にある還元剤をディーゼルエンジンの排気系統に組み込まれたＳＣＲ−触媒コンバータに供給するための供給管１０から、第１の相に復帰した還元剤を除く装置を提供する。当該装置は、第２の相にある還元剤を計量供給するバルブ１２として与えられる。固定されたバルブシート、またはこの固定されたバルブシートと協働してバルブ１２の閉位置でバルブシートに当接する可動型のバルブ面１６が、供給管１０内のクールトラップを形成するために、制御ユニットによって作動可能な凝縮器要素として機能する。このバルブシートまたはバルブ面として形成された凝縮器要素、あるいはこの要素を補完するバルブ要素は、制御ユニットによって作動され加熱される。

Description

本願発明は、第１の相から第２の相に転移された還元剤を導き、第２の相にある還元剤をディーゼルエンジンの排気系統に組み込まれたＳＣＲ−触媒コンバータに供給するための供給管から、第１の相に復帰した還元剤を除去する装置に関する。

内燃機関、特にディーゼルエンジンを運転する際に発生し、直接放出されて環境に危険をもたらす一次有害物質には、一酸化炭素（ＣＯ）、粒子状物質や炭化水素（ＨＣ）の他に、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）がある。ガソリンエンジンやガスエンジンに用いられる三元触媒コンバータは、ディーゼルエンジンの排ガスが酸素過剰なので、使用することができない。この理由から、ディーゼルエンジンによる窒素酸化物の排出を低減させるために、選択的に動作するＳＣＲ−触媒コンバータ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ−触媒コンバータ）が開発された。この触媒コンバータでは、還元剤すなわちアンモニア（ＮＨ_３）を供給し、排出される窒素酸化物を還元して、空気中に本来存在するＮ_２およびＨ_２Ｏを発生させる。

自動車の内燃機関の排気系統に気相アンモニアを供給する装置は、ＤＥ１９７２０２０９Ｃ１号明細書により知られている。この装置は気密で耐圧性の供給機構を備え、この供給機構には、熱分解によりＮＨ_３を分離する物質、または熱分解によりＮＨ_３を分離する物質の混合物―いわゆるＮＨ_３前駆物質―が収容されている。このＮＨ_３前駆物質としては、たとえば固体として存在するカルバミン酸アンモニウムを用いることが可能である。供給機構は、供給管を介してディーゼルエンジンの排気系統と結合され、この供給管は、排ガスの流れの方向に見てＳＣＲ−触媒コンバータの入り口側の前で、排気系統に連結する。計量供給装置として、制御ユニットによって作動されるパルスバルブが設けられているので、エンジン運転パラメータに応じて、必要な量のＮＨ_３を排ガス流に吹き込むことが可能である。供給機構は主として耐圧性の反応容器からなり、この反応容器はヒータの加熱蛇管により囲まれている。ヒータは、供給管と排出管を介して、ディーゼルエンジンの冷却水循環系に組み込まれている。

ＮＨ_３前駆物質として用いられる例えばカルバミン酸アンモニウムは、加熱されると、ＮＨ_３とＣＯ_２とに分解する。これにより、還元剤は、この場合は固相である第１の相から、この場合は気相である第２の相に転移される。この気体混合物は耐圧性の反応容器に集められ、それに応じた内圧を形成する。反応容器が特定の内圧に達すると平衡状態が生じるので、それ以上カルバミン酸アンモニウムは分解しない。ヒータを貫流する冷却水の温度が通常８０〜１００℃というエンジン運転条件下では、平衡状態に応じた圧力が反応容器内を支配する。この圧力は、カルバミン酸アンモニウムの場合約３〜４ｂａｒである。ディーゼルエンジンが駆動されるとき、排ガス流に吹き込むのに十分な量のＮＨ_３が得られるように、この供給機構を反応ガスリザーバとしても用い、ある特定量の反応ガスまたはその中に含まれるＮＨ_３を還元剤として貯蔵する。

この反応容器は、通常、排気系統とある程度の間隔を置いて設けられる。供給系統内部において温度が低下するとき、用いられたＮＨ_３前駆物質に応じて、反応ガス混合物がふたたび固体の形態相（固相）に復帰する可能性があることがわかっている。不利なケースでは、これが供給系統を詰まらせる原因となる。同様なことが、供給系統内部に配置されたバルブ、例えば計量供給装置として既に述べたパルスバルブについても当てはまる。例えばカルバミン酸アンモニウム等の幾つかの還元剤をこの供給管、特にその中に組み込まれたパルスバルブに加えることは、内燃機関を運転停止する際において過度に問題となるわけではない。なぜならば、供給管、特に１つまたは複数のバルブに沈着したＮＨ_３前駆物質は、あらためて運転開始する際に温度が上昇すると再び分解するので、供給管および１つまたは複数のバルブはその後開放されるからである。供給管があらためて動作開始するのを加速するために、供給管とその中に組み込まれたバルブとを加熱することが、既に提案されている。供給系統全体とその中に組み込まれたパルスバルブとを加熱するこの種のヒータを実現するに際しては、反応容器と排気系統との間隔が大きく影響する。

上記の背景技術を鑑みて、本願発明の課題は、供給管内におけるＮＨ_３前駆物質の再形成という上記の問題に対処する装置を提案することである。

本願発明では、第２の相にある還元剤を計量供給する以下に記載するようなバルブを有する装置を提供することにより、この課題を解決する。すなわち、本願発明に係るバルブでは、固定されたバルブシート、またはこの固定されたバルブシートと協働する可動型のバルブ面を、制御ユニットによって作動可能な凝縮器要素として機能させる。このバルブ面は、バルブの閉位置でバルブシートに密着する。また、この凝縮器要素は、供給管内にクールトラップを形成するように作動させることも可能である。そして、バルブシートまたはバルブ面として形成されている凝縮器要素、またはこの凝縮器要素を補完するバルブ要素は、制御要素によって作動され加熱できるものとする。

計量供給バルブとして形成されているこの装置は、クールトラップを形成する凝縮器要素を備える。この凝縮器要素は、制御装置に接続されている。そして、内燃機関が運転停止されるとき、かつ／またはバルブが閉じられるとき、それに応じて作動されて操作される。凝縮器要素の起動は、その他の運転パラメータ、たとえばバルブおよび／または供給管のその時点の温度に関連付けて実行することが可能である。凝縮器要素を起動することによって、その温度が下がり、クールトラップが形成される。その結果として、第２の相にある還元剤が、凝縮器要素の環境内で第１の相に（例えばカルバミン酸アンモニウムを用いる場合）、または中間相に復帰する。このプロセスでは、特にクールトラップの周囲にあり、かつ第２の相にある還元剤も、クールトラップに引き寄せられて、同様に第１の相または中間相に復帰する。この作用によって、供給管並びに供給管に組み込まれたバルブやカップリング等から、これら機械要素に存在する第２の相にある還元剤が、凝縮器要素によって形成されたクールトラップに引き寄せられる。このような作用に基づいて、供給管内の所定の部位において、第２の相にある還元剤が集められて元の相に復帰する。供給管をあらためて作動させて、内燃機関の排気系統に組み込まれたＳＣＲ−触媒コンバータに還元剤を供給するには、対応する加熱を行って、第１の相または中間相に復帰した還元剤を凝縮器要素の領域から除くだけでよい。このために、バルブもヒータを備えるように構成される。凝縮器要素の作動によってバルブ内で元の相に復帰した還元剤をヒータにより加熱することで、あらためて第２の相に転移させ、内燃機関の排気系統に組み込まれたＳＣＲ−触媒コンバータにこの還元剤を供給する。

合目的的な方法として、凝縮器要素を、バルブシートに、あるいは固定されたバルブシートと協働する可動型のバルブ面に割り当てるものとする。ヒータは、このバルブ要素に、または補完するバルブ要素に割り当てられる。

この装置の利点は、この装置が同時に計量供給バルブとして形成されていることである。

好ましい実施形態として、バルブの可動型バルブ面が加熱可能な凝縮器要素として機能するように構成されるものとする。これにより、バルブの可動型バルブ面は、クールトラップの形成にも、復帰した還元剤の分解にも用いることが可能である。合目的的な方法として、その作動態様に応じて、冷却も加熱も可能である１つまたは複数のペルチェ素子を使用する。この場合、可動型のバルブ面自体が、１つまたは複数のペルチェ素子の熱交換表面であるのが好適である。

合目的的な実施形態として、固定されたバルブシートが２つの互いに隣接する接続口を備え、これらの接続口は可動型のバルブ面によって一緒に閉じることができるものとする。凝縮器要素として機能するバルブ面は、バルブの閉位置で両方の接続口を閉じ、それぞれの接続口周りにクールトラップを形成することになる。これにより、各供給系統内に存在する第２の相にある還元剤を、特に効果的に引き寄せることが可能となる。一方の接続口は、還元剤または還元剤前駆物質を貯蔵する容器に接続される。バルブの他方の接続口は、排気系統に接続される。

上述の方法は、特に以下に記載されるような供給管に用いるのに適している。すなわち、気相の還元剤が流れる供給管であって、この還元剤は熱分解により固相で存在するＮＨ_３前駆物質から分離して得られたものである。これには、特にカルバミン酸アンモニウムがＮＨ_３前駆物質として適する。この装置は、尿素（Ｕｒｅａ）をＮＨ_３前駆物質として用いるシステムについても、使用することが可能である。

以下に、本願発明を添付の図面を参照しながら実施例により説明する。

自動車ディーゼルエンジンの排気系統に組み込まれた還元触媒コンバータにアンモニア（ＮＨ_３）を供給する装置全体に、図１では参照番号１を付する。この装置１は、ＮＨ_３前駆物質を熱分解してアンモニア（ＮＨ_３）を生成するための容器２を備える。図示の実施例の場合、ＮＨ_３前駆物質としてカルバミン酸アンモニウムケーキ３を用いる。このカルバミン酸アンモニウムケーキ３は、円筒状に形成され、粉末状のカルバミン酸アンモニウムを圧縮することによって図示のような形態をとる。このカルバミン酸アンモニウムケーキ３は、丸い断面を有する。ヒータ４が、その全体に対向するように、容器２内に設けられている。ヒータ４は、輻射線式ヒータである。

この輻射線式ヒータは、図示の実施例では、それぞれアルキメデス螺旋形状の、互いに入り組んで配置された３つの独立したヒータ要素５、５’、５”から形成される。ヒータ４の個々のヒータ要素５、５’、５”は、互いに独立して作動できるので、その時々に通電されるヒータ要素５、５’、５”の個数に応じて、得られる熱出力および／または加熱段階の推移を制御することが可能となる。ヒータ４は、容器２の下側部分に設置される。ヒータ要素５、５’、５”より下側には、断熱材６が設けられている。この輻射線式ヒータより上側には、わずかな間隔をとって、ヒータ４のもう１つの部分としてヒータプレート７が設置されている。このヒータプレート７は、図示の実施例では、透明なガラスセラミック素材から成る。この素材は、ヒータ４から生じる熱線に対して透明である。ヒータプレート７のカルバミン酸アンモニウムケーキ３を向く側の表面には、複数の突起が形成されている。ヒータプレート７には、容器２の下側末端方向に向けて管材８が連接されている。この管材８は、接続流路９を囲んでいる。この接続流路９は、全体に参照番号１０を付した供給管に接続されている。この接続流路９は、供給管１０の一部を形成する。

図１は、装置１と、特に容器２を示す。この容器は、初回運転開始前にカルバミン酸アンモニウムケーキ３をその内部に収容する。供給管１０は開放されているから、カルバミン酸アンモニウムケーキ３の底面部は、ヒータプレート７の突起構造の上面に接触する。ヒータ４の作動による装置１の最初の運転開始後、カルバミン酸アンモニウムケーキ３の底面部がある程度熱分解する。これにより、ヒータプレート７の突起は、カルバミン酸アンモニウムケーキ３に押し込まれて、カルバミン酸アンモニウムケーキ３を固定する。

ヒータ４は、以下に記載されるように設計されている。すなわち、ヒータプレート７においてカルバミン酸アンモニウムケーキ３を向く側に生じる温度は、最大でもカルバミン酸アンモニウムの熱分解の際に生じる反応ガスまたは反応ガス混合物の分解温度よりも低くなるように構成されている。このような特性は、ガラスセラミック製のヒータプレート７によって効果的に実現される。したがって、ヒータ４については、迅速な反応性とそれにともなうカルバミン酸アンモニウムの自然分解という輻射線式ヒータの利点を得るとともに、ヒータプレート７と組み合わせることで例えば接触式ヒータを採用した際に得られるヒータの利点をも得ることができる。

容器２には、ベローズピストン１１が設けられる。これにより、容器内部は、第１の容器部分と第２の容器部分とに区分される。ベローズピストン１１によって、両方の容器部分は互いに気密に分離される。第１の容器部分には、ヒータ４およびカルバミン酸アンモニウムケーキ３、並びに接続流路９として与えられる出口部が設けられている。第２の容器部分は、圧縮空気システムＤに接続されている。圧縮空気システムＤには、このシステムにおいて必要となる空気圧を得るためのコンプレッサが付属している。このシステムを介して第２の容器部分に対して圧力が形成され、こうしてカルバミン酸アンモニウムケーキ３とヒータプレート７表面との間に、所望の押圧力を印加することが可能となる。

容器２には、固体の形態で存在するカルバミン酸アンモニウムケーキ３が、ＮＨ_３前駆物質として貯蔵されている。ヒータ４に通電すると、ヒータプレート７に接触しているカルバミン酸アンモニウムが熱分解されるので、ＮＨ_３前駆物質は第２の相、すなわち気相に転移される。この気体の還元剤は、接続流路９および供給管１０を経由して、排気系統またはＳＣＲ−触媒コンバータに供給される。

供給管１０には、バルブ１２が組み込まれている。バルブ１２は、図１では開位置の状態が示されている。バルブ１２は、可動要素としてペルチェ素子１３を備える。このペルチェ素子１３は、アクチュエータ１４を作動することで開位置に配置することが可能である。アクチュエータ１４としては、例えば電磁石を用いることができる。圧縮ばね１５に蓄積された弾性エネルギーでペルチェ素子１３を変位させることにより、バルブ１２を図２に示される閉位置に配置することが可能である。ペルチェ素子１３の表面１６は、可動型のバルブ面として機能し、バルブ１２のアクチュエータを形成する。ダイヤフラム１７は、バルブ室１８を広範囲に密閉する。

バルブ１２の開位置では、容器２における熱分解によって形成された反応ガスが、バルブ室１８を通って、バルブ１２と排気系統とを結合する供給管１０に流れて、気体の還元剤をＳＣＲ−触媒コンバータに供給する。図２に示されるように、バルブ１２を閉じると、同時にペルチェ素子１３が通電されて、この素子の熱交換表面１６が冷却される。ペルチェ素子１３の表面１６は、接続流路９に割り当てられた接続口と、バルブ１２を排気系統に接続する接続口とに接触する。これら両方の接続口は、表面１６によって形成されるバルブ面に対して、シール１９により密閉され、凝縮器効果により冷却される。上記の接触により、両側の供給管１０内に存在する還元剤ガスは、低温の表面１６に引き寄せられ、この状態で表面１６はクールトラップとして機能する。これにより、ヒータ４の停止後において供給管１０内は還元剤が希薄な状態となるので、供給管１０内の還元剤がカルバミン酸アンモニウムに復帰する危険性は大幅に低減される。バルブ１２を開く際、あるいは開く直前には、ペルチェ素子１３が通電される。ペルチェ素子１３がヒータ要素として機能するので、クールトラップ機能の結果形成されたカルバミン酸アンモニウムが迅速に分解される。これに続いて、バルブ１２が作動可能となり、アンモニア供給装置が作動可能となる。

図示の実施例の場合、バルブ１２において、バルブシートとそのシール１９とから構成される２つの出口開口部が、互いに並んで配置されている。したがって、この実施形態の場合、両方の出口開口部は、可動型のバルブ面として機能するペルチェ素子１３の表面１６によって同時に密閉される。クールトラップ機能を得るためのペルチェ素子１３への通電は、バルブ１２が閉じた直後に行うのが好適である。

カルバミン酸アンモニウムは、本装置を運転するうえで好適なＮＨ_３前駆物質である。カルバミン酸アンモニウムを用いることの利点は、温度が７０℃を超えれば、熱分解が充分なレベルで開始されることである。熱分解温度がこのように比較的低いことには、次のような利点がある。既にバルブのクールトラップ機能によって集められたカルバミン酸アンモニウムを、比較的低い温度で、すなわちわずかなエネルギーによりこれを分解してあらためて反応ガス中に放出し、第１の相に復帰したカルバミン酸アンモニウムをバルブから除去することができるという利点である。

内燃機関の排気系統に組み込まれたＳＣＲ−触媒コンバータに還元剤としてアンモニアを供給する装置を示す図である。 閉位置にある図１のバルブを示す図である。

符号の説明

１ 装置
２ 容器
３ カルバミン酸アンモニウムケーキ
４ ヒータ
５ ヒータ要素
６ 断熱材
７ ヒータプレート
８ 管材
９ 接続流路
１０ 供給管
１１ ベローズピストン
１２ バルブ
１３ ペルチェ素子
１４ アクチュエータ
１５ 圧縮バネ
１６ 表面
１７ ダイヤフラム
１８ バルブ室
１９ シール
Ｄ 圧縮空気システム

Claims (7)

1. 第１の相から第２の相に転移された還元剤を導き、第２の相にある還元剤をディーゼルエンジンの排気系統に組み込まれたＳＣＲ−触媒コンバータに供給するための供給管（１０）から、第１の相に復帰した還元剤を除く装置において、該装置が、第２の相にある還元剤を計量供給するバルブ（１２）であり、固定されたバルブシート、または該固定されたバルブシートと協働してバルブ（１２）の閉位置でバルブシートに当接する可動型のバルブ面（１６）が、供給管（１０）内にクールトラップを形成するために制御ユニットによって作動可能な凝縮器要素として機能し、前記バルブシートまたはバルブ面として形成された凝縮器要素、あるいはこの要素を補完するバルブ要素が、制御ユニットによって作動可能および加熱可能であることを特徴とする装置。
2. バルブの可動型バルブ面（１６）が、加熱可能な凝縮器要素として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 可動型のバルブ面（１６）が、１つまたは複数のペルチェ素子（１３）の熱交換表面によって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 固定されたバルブシートが、互いに隣接する２つの接続口を備え、一方の接続口は還元剤または還元剤前駆物質を貯蔵して還元剤を第２の相に転移させる容器に接続され、他方の接続口は排気系統に接続されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の装置。
5. バルブ（１２）の閉位置で、バルブシートの両方の接続口が、可動型のバルブ面（１６）によって密閉されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 熱供給の下でＮＨ_３を分離するとともに、ＮＨ_３分離後に温度が降下すると反応ガスまたは反応ガス混合物が固相に復帰して成る前駆物質（３）を貯蔵して、バルブ（１２）の一方の開口部に接続される容器（２）を有し、該容器（２）には、前駆物質（３）の熱分解によるＮＨ_３の分離を生じさせるためのヒータ（４）が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の装置。
7. 容器（２）内に貯蔵されているＮＨ_３前駆物質が、カルバミン酸アンモニウムケーキ（３）であることを特徴とする請求項６に記載の装置。

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