JP4699478B2 - 添加剤を貯蔵するためのおよび添加剤をエンジン排気ガスに注入するためのシステム - Google Patents

Description

自動車の排気ガスの排出に関するユーロＩＶ基準の今度の発効で、ＮＯｘ（あるいは窒素酸化物）汚染制御装置を設置しなければならない。

ＮＯｘ排出を必要なレベルまで減じるために、殆どの自動車製造業者によって選ばれているシステムは、一般的に、尿素のような還元剤で、選択的な触媒反応を実施することにある（「尿素ＳＣＲ」あるいは尿素の分解によって排気ガスにその場で発生したアンモニアを用いる選択的触媒還元）。

このため、車両に、尿素溶液を収容するタンクと、排気ラインに注入されるべき尿素の量を一回分にまとめる装置とを、備える必要がある。一般的にこの目的に用いられる尿素水溶液（３２．５重量％の尿素との共融）は、−１１℃で凍結するので、凍結状態で始動するためには、溶液を排気ラインに注入するために、溶液を液化させる加熱装置を設ける必要がある。このような装置は、本出願人名義の係属出願の主題である。

更に、凍結する場合に、作動と再始動を容易にするためには、凍結の場合に凝固しがちな添加剤の液体付着物を取り除くために、尿素を搬送するラインを定期的にパージすることが有利である。特に、添加剤タンクとインジェクター（あるいは注入ライン）とを連結するラインをパージすることが有利である。これは、尿素ラインを加熱するための複雑な装置を用いるのを回避するのにも役立つ。

いくつかのシステムが、この目的のために、先行技術で提供されてきている。

かくして、米国特許第５８８４４７５号は、注入ラインが、添加剤タンクに近い部分およびインジェクターに近い部分で、それぞれ連続的なパージを受けるシステムを記載している。これは、この目的のために、一組の複雑でコストのかかるバルブを使用する。

国際公開第０３／０３３１１１号は、制御／バルブに関しては、より簡単であるが、注入ラインに存在するポンプ（および隣接するライン部分）を迂回することの欠点を有する、パージシステムを記載する。従って、このようなシステムは、信頼性がより低い。

本願の目的は、還元剤を貯蔵するためのおよび還元剤をエンジン排気ガスに注入するためのシステムであって、簡単で、効果的で、信頼性があり、所定温度以下の凍結の場合に、および／またはエンジンが作動を止める度毎に、単一ステップで注入ライン全体をパージするように設計されているシステムを提案することによって、これらの問題を解決することにある。

この目的のため、本発明は、添加剤を貯蔵するための、および添加剤を内燃エンジンの排気ガスに注入するためのシステムに関し、前記システムは、添加剤を貯蔵するためのタンクと、インジェクターと、添加剤をタンクから注入ラインを通じてインジェクターに搬送するポンプと、を備え、前記システムは更に、パージガスをインジェクターからタンクまで注入ライン全体の中を流れさせるのに適したパージ装置を備え、パージガスは、排気ガスからなる。

本発明に関連して関心のある添加剤は、好ましくは、内燃エンジンの排気ガス中に存在するＮＯｘを還元するのに適した還元剤である。これは、有利には、直接使用されるアンモニア（安全性と腐食の関連した欠点を有する）、あるいは、尿素のような前駆物質を用いて、排気ガスにその場で発生させた（それによって、前記の欠点を回避する）アンモニアである。本発明は、尿素で、特に尿素の水溶液で、良好な結果を得る。共融溶液（３２．５重量％の尿素を含む）が、適当である。

本発明は、排気ガスにＮＯｘを発生させやすい、どんな内燃エンジンにも適用することができる。これは、燃料戻しライン（すなわち、エンジンによって消費されなかった余分の燃料を燃料タンクに戻すライン）を有する、または有しないエンジンでもよい。これは、ディーゼルエンジン、特に、車両ディーゼルエンジン、特に好ましくは、貨物自動車のディーゼルエンジンに、有利に適用される。

本発明によるシステムは、添加剤を貯蔵するための少なくとも１つのタンクと、添加剤をエンジンの排気管に搬送するための少なくとも１つの注入ラインと、を備える。このラインは、その端部に添加剤を排気ガス中に注入するためのインジェクターを備える。貨物自動車エンジンの場合、このインジェクターは、有利には、添加剤を分散し、且つ注入するために、ブレーキ回路に利用できる圧縮空気を用いる。

本発明によるシステムは、更に、添加剤を添加剤タンクからインジェクターに搬送するポンプを備える。このポンプは、添加剤タンク内に配置されてもよいし（コンパクト、且つポンプについて組込みモジュールを形成する利点を有する）、あるいは、腐食環境であるならば、添加剤タンクの外に配置されてもよい。その構成材料は、好ましくは、耐食性金属（特に、特定等級のステンレス鋼およびアルミニウム）から選択される。銅の使用は、接続要素としてさえ、望ましくない。ポンプは、添加剤タンクの吸引点と呼ばれるポイントから、燃料を吸引する。このポイントは、吸引ラインと呼ばれるラインによってポンプに連結される。

本発明によれば、「注入ライン全体」は、実際のラインばかりでなく、ラインに配置され、且つ注入流れが横切る、いかなる要素／装置をも意味する。かくして、もしポンプが、添加剤タンクの外で注入ラインに配置されるならば、ポンプもまたパージされる（なぜならば、ポンプは注入ラインの一体部品を形成するからである。）

一方、タンク内に配置された、従って、注入ラインの直接の部品ではない要素は（たとえ注入ラインと連続して設置されていても）、本発明によるシステムでは、必ずしもパージされない、なぜならば、タンクは容易に加熱することができるからである（以下および上述の係属出願を参照せよ）。かくして、もしポンプが添加剤タンク内にあるならば、ポンプは、必ずしもパージされなくてもよい。

概して、本発明によるシステムは、所要量の添加剤を、排気ガスに注入するためのインジェクターに接続されたコンピュータ（特に、以下のパラメータに従う：ＮＯｘ排出および転換率；温度および圧力；エンジン速度および負荷；など）を備える。ポンプによって吐出され、インジェクターによって消費されない添加剤の量（コンピュータによる制御に従う）は、有利には、添加剤戻しラインと呼ばれるラインを経由して、添加剤タンクに戻される。このラインは、一般的に、圧力コントローラ（ポンプが吐出している間、ある瞬間にインジェクターの閉鎖のために、圧力が増加したときに、開く装置）を備える。このラインは、インジェクターかポンプ下流の、注入ラインの他のポイントのいずれかを、添加剤タンクに連結する。従って、タンクの外にあるポンプの場合、戻しラインも、少なくとも一部がタンクの外にある。添加剤タンク内に配置されたポンプの場合、好ましくはこのラインもタンク内にあり、それによってパージする必要を回避する（以下参照）。

添加剤戻しラインがタンクの外にある場合は、本発明の関連では、ラインもパージされるのが有利である（一方、もしラインがタンク内にあり、もしタンクを加熱することができるならば、パージは不要である。以下および上述の係属出願を参照せよ）。

本発明によるシステムは、最後に、パージガスを、ポンプと注入ライン全体を通じて、タンクからインジェクターに、あるいはインジェクターからタンクに流すのに適したパージ装置を備える。このパージは、一般的に、所定温度以下の凍結の場合に、および／またはエンジンが作動を止める度毎に、一般的に、上述のコンピュータによって開始される。

このような装置は、いかなる知られているタイプのものであってもよい。実際には、本発明の関連では、３つの特定の装置が適当である。
・圧縮空気タンクおよび圧縮空気を通すためのバルブを備えたパージライン
・あるいは、ポンプ（６）の流れを逆転させるためのスイッチ
・あるいは、適当な継手／ラインを用いて、同様の効果を生じさせる、４／２方バルブ（１４）

これらの装置の作動モードを、本発明の「方法」の態様で、以下に記載する。実際には、本発明の更なる目的は、上述したような装置を用いる方法を提供することにあることは、上記から明らかである。

その上、本発明は、更に、添加剤を貯蔵するための、および添加剤を内燃エンジンの排気管に注入するための方法に関し、前記方法は、本質的に、タンクに貯蔵された添加剤を、ポンプを用いて、注入ラインを経由して、インジェクターに搬送すること、および添加剤を、インジェクターを用いて排気管に注入すること、にあり、前記方法は、更に、インジェクターからタンクへの、ライン全体を通じるパージガスの流れによって、注入ラインをときどきパージすることにあり、パージガスは、排気ガスからなる。

上記を考慮すると、本方法は、添加剤が尿素水溶液である場合に、有利に用いられる。

本方法の第１の変形例によれば、パージガスは、圧縮空気タンクに連結されたパージラインに配置されたバルブを用いて、注入ラインへ入れられる圧縮空気である。この変形例は、圧縮空気を、その他の目的（例えば、貨物自動車において、しばしばそうである、ブレーキ回路）で車両に利用できるときに、有利に用いられる。この場合、圧縮空気圧は、もしあるならば、圧力コントローラの自重圧よりも高い。

この変形例によれば、パージの間、圧縮空気は、注入ライン全体をパージするために、直接、添加剤タンクの出口で（または中で）、インジェクターまで、注入ラインに注入される。従って、パージの間、圧縮空気およびパージされた添加剤を、排気ガスに注入するのを回避するために、インジェクターを閉じることは、有利である。従って、この場合、添加剤を運ぶ圧縮空気流を、添加剤タンクに戻す必要があるので、インジェクターを前記タンクに連結する戻しラインは、タンクの外にあることが必要である。従って、この変形例は、インジェクターからタンクへ直接延びる戻しライン、従って、全体的に（もしポンプがタンクの外に配置されるならば）あるいは部分的に（もしポンプがタンク内に配置されるならば）タンクの外にある戻しラインで有利に作動する。この場合、パージ状態の間、戻しラインによってタンクに戻された圧縮空気を取り除くために、タンク換気装置が、有利に用いられる。

この変形例では、有利には、ポンプは、所定の方向（添加剤供給方向）に吐出するように作動する、在来のポンプである。上で説明したように、このポンプは、もし、添加剤タンクの外にあるならば、圧縮空気によって横切られなければならない。従って、実際には、ポンプがタンクの外にあるときは、圧縮空気は、注入ライン全体をパージするように、ポンプの上流で、従って、ポンプの吸引ラインおよび好ましくは直接タンクの出口で（または中で）、注入される。従って、この場合、圧縮空気が直接添加剤タンクへ入るのを防止するために、吸引ラインに逆止め弁を設けることが好ましい。その結果、有利には、ポンプがタンクの外に配置されているとき、圧縮空気は、タンクおよび逆止め弁の下流に配置されている吸引ラインのある点で、ポンプの上流で注入される。もし、それとは逆に、ポンプがタンク内に配置されるならば、ポンプは必ずしもパージされる必要はなく、圧縮空気を、逆止め弁を使用せずに、ポンプの下流で注入することができる。

第２の変形例によれば、パージガスは、実際には、排気ラインを経由して適当な装置によって注入ラインに吸い込まれる、エンジン排気ガスあるいは周囲の空気からなる。もしポンプが、２つの反対方向に作動し、逆流を発生させるならば、この装置は、ポンプの流れを逆転させる効果を有する簡単なスイッチ、あるいは、ポンプの流れを逆転させるのと幾分同じ効果を有する（上流および下流点が、バルブによって逆転される）、通常モード（添加剤注入）では、ポンプの下流点をインジェクターに接続し、パージモードでは、インジェクターをポンプの上流点に接続する、４／２方バルブがよい。

この変形例（排気ガスを、パージを行うように注入ラインに入れる）によれば、インジェクターは、パージの間、明らかに開かれなければならない。その結果、この変形例では、もしあるならば、戻しラインは、もしインジェクターから始まるならば、パージされないことがある。

排気ガスは、一般的に、エンジンが動いている間、高温である：例えば、約６００〜７００℃の温度値があり得る。エンジンの停止後に、注入ラインがパージされる場合、例えば、注入ラインの劣化を防ぐために、エンジンが停止される瞬間と、排気ガスが吸い込まれる瞬間との間に遅れを認識することができる。

遅れは、排気ガスの温度が、劣化なしに注入ライン内の循環と両立する値まで、低下するように、選択される。

好ましくは、排気ガスの温度は、当業者に知られたいかなる方法によっても、制御され、調整される。

もしパージ装置が、逆方向に動くポンプからなるならば、もしあるならば、戻しラインは、実際には、わずかに、あるいは全くパージされない、なぜならば、ポンプは、排気ガスを、ポンプが配置された注入ラインへ流し、戻しラインには流さないようにする傾向があるからである。これは、この変形例では、もし必要ならば、戻しラインも、タンク内に配置することができ、かくして、ポンプを始動させる前に加熱することができるように、好ましくは、ポンプは、添加剤タンク内に配置されることを意味する（以下参照）。

一方、もし正しく連結された４／２方バルブが（上記で説明したように、添加剤注入モードで、ポンプの下流点をインジェクターに接続するために、および、パージモードで、インジェクターをポンプの上流点に接続するために）用いられるならば、ポンプは、本方法の操作を危うくすることなく、タンクの内か外のいずれかでもよい。実際には、ポンプがパージモードで戻しラインの出発点の上流にあるように、バルブを接続することは、排気ガスを戻しラインを通じて流すようにするのに十分である。しかしながら、もしポンプがタンクの外にあるならば、吸引ラインは、適切にパージされないことに留意すべきである。

本発明の関連では、「上流」および「下流」の用語は、流体流れの方向で考慮されねばならず、上流点は、定義により、このラインの下流点の前に配置されることに留意すべきである。

上記で説明したように、内燃エンジンの脱ＮＯｘ（窒素酸化物浄化）ユニットの作動および始動を容易にすることが、本発明の目的である。この目的のため、いかなる添加剤残留物も凍結するのを防止するために、作動中に、いつでも、温度があまりにも低くなる（例えば、−１０℃以下、好ましくは−５℃以下、あるいはより大きな安全のためには０℃以下）ときに、および系統的に、エンジンが作動を停止する度毎に、パージが開始されるのが有利である。

開始の観点に関して、タンク自体が凍結することが明らかに起こるかもしれない。この状況を是正するために、有利な変形例によれば、本発明によるシステムは、もし必要ならば、および、好ましくは、エンジンを始動した後、できる限り迅速に、添加剤タンクを解凍することのできる装置を備える。このような装置は、抵抗器、エンジン冷却回路のバイパス、あるいは高温燃料戻しのバイパス（直接注入エンジンの場合）であるのがよい。

後者の変形例は、いつでも適用できるときに好ましい。これは、エンジンから燃料タンクへの高温燃料戻しラインが、タンク中に存在する添加剤と熱接触し、エンジン排気ガスへの注入前に、加熱／解凍するのに適した、加熱セクションと呼ばれる少なくとも１つのセクションを備えることを確実にすることと均等である。加熱セクションは、少なくとも部分的にコイルの形態（曲がり、あるいは往復するループ）を有することが、特に有利である。特に好ましい形態では、このコイルは、添加剤吸入点を少なくとも部分的に囲む。コイルは、直線のステンレス鋼チューブあるいは波形のプラスチックチューブ（より経済的で、より広い熱交換領域を提供するが、より低い熱伝導率の欠点を有する）を用いて形成されるのがよい。コイルはまた、表面で加熱し、それによって腐食性あるいは悪臭のある蒸気が発生するのを回避するように、「活性な」部分（端部ではなく、実際のコイル）のみが、添加剤タンクの底に配置されるように、設計されるのがよい。

特に有利な変形例、上述の係属出願の主題によれば、もし温度センサによって検出された温度が、あまりに高い（閾値以上）ならば、加熱セクションは、短絡する。このセンサは、システムにおけるその他の機能、特に、上述のコンピュータと通信する、および添加剤測定の精度を改善するのにも役立つことができる。

加熱セクションを迂回することができるので、本発明のこの変形例によるシステムは、エンジンによって消費されなかった高温燃料を、タンクへ供給する前に、温度状態にかかわらず、容易に冷却するのに適している。この目的のためには、例えば、上述のバイパスラインに熱交換器を設けることが十分である。事実、もし添加剤温度が、温度センサの閾値よりも低いならば、燃料は、加熱セクション内を流れ、添加剤を加熱し、次いで冷えるであろう。もし、添加剤の温度が、この閾値温度を超えるならば、燃料は、バイパスライン内を流れ、ここで燃料を熱交換器によって冷却することができる。

本発明は、各々が異なる変形例に関する、図１から図４によって、限定されない方法で、図示される。図１は、パージガスが圧縮空気である変形例を示し、図２〜４は、パージガスが排気ガスからなるが、異なる方法で吸い込まれることからなる変形例を示す。これらの図面では、同一の数字は、同一の要素を示す。

図１は、３２．５重量％の尿素（共融）を含有する尿素水溶液を収容する添加剤タンク（１）と、タンク（１）から排気管（４）に配置されたインジェクター（３）まで延びる注入ライン（２）と、消費されなかった添加剤を添加剤タンク（１）に戻す戻しライン（５）と、を備える、本発明によるシステムの変形例を示す。注入ライン（２）は、タンク（１）と戻しラインの外側にあるポンプ（６）と、圧力コントローラ（７）と、を備える。このコントローラ（７）は、ダイヤフラムと、圧力が一定の値を超えない限りダイヤフラムを閉位置に保つバネと、を備える。

このシステムは、圧縮空気リザーバ（８）を含むパージ装置を備え、リザーバ（８）は、圧縮空気を、供給ライン（９）を経由して、インジェクター（３）に供給し、それによって添加剤を蒸発させるのに役に立つ。このリザーバ（８）は、コンピュータ（図示せず）がパージを開始するときに開くバルブ（１１）を備えた、パージライン（１０）を経由して、添加剤タンク（１）とも連通する。このラインは、添加剤タンク（１）内に配置された吸引ライン（１２）の一部にあるポンプの下流で終わる。吸引ライン（１２）のこの部分は、圧縮空気がタンク（１）に入るのを防ぐ、逆止め弁（１３）を備える。

通常の作動モード（添加剤注入）では、ポンプ（６）は、タンク（１）から注入ライン（２）を経由してインジェクター（３）に添加剤の流れを開始し、この添加剤は、ライン（９）によって搬送される圧縮空気を用いるインジェクターによって、排気ガスに注入される。インジェクター（３）によって消費されなかった余分の添加剤は、戻しライン（５）を経由して、圧力コントローラ（７）を通じて、タンクに戻される。パージの間、コンピュータは、バルブ（１１）を開き、圧縮空気は、ライン（１０）、次いでポンプ（６）を通じて注入ライン（２）に注入される。インジェクターが閉じられるとき、パージされた添加剤は、戻しライン（５）によって、タンク（１）に戻される。

図１ｂもまた、圧縮空気パージシステムに関するが、ポンプ（６）がタンク内に配置され、従って、パージによって迂回され、圧縮空気はポンプの下流に注入される。このシステムのその他の要素は、図１のものと同様である。

図２は、パージガスが、車両排気ガスからなり、タンク内に配置されるポンプ（６）が、パージに用いられる、変形例を示す。通常の作動モード（添加剤注入）では、ポンプ（６）は、タンク（１）から注入ライン（２）を経由してインジェクター（３）に添加剤の流れを開始し、余分は、タンク内に配置され、圧力コントローラ（７）を備えた戻しライン（５）を経由して、タンクに戻される。パージの間、ポンプは、インジェクター（３）からタンク（１）に排気ガスの流れを開始し、排気ガスは、パージされた添加剤をタンク（１）に同伴する。

図３と図４もまた、パージガスが車両排気ガスからなるが、流れの逆転が、今回は、４／２方バルブ（１４）によって引き起こされ、単一方向に流れを引き起こす、ここでは「通常の」ポンプである、ポンプ（６）によって引き起こされない、変形例を示す。添加剤注入モードでは、このバルブ（１４）は、一方では、ポイントＡとＢとを、他方では、ポイントＣとＤとをこの順序で（すなわち、添加剤の流れは、最初にポイントＡ、次いでポイントＢ、次いでポイントＣ、最後にポイントＤを通る）接続するのに役立つ。一方、パージモードでは、バルブは、ポイントＤとＢ、ＣとＡをそれぞれ、またこの順序で接続する。

これらの変形例の各々では、添加剤を収容しているタンク（１）の外の全てのライン／要素は、単一のステップで、圧縮空気リザーバ（８）と連通するバルブ（１１）を開くことによって（図１）、あるいは、ポンプ（６）の流れ方向を逆転させることによって（図２）、あるいは、４／２方バルブ（１４）の作動モードを逆転させることによって（図３、４）、パージされる。これらのシステムは、簡単で、効果的で、素早い。

本発明によるシステムの変形例を示す概略図である。 本発明によるシステムの別の変形例を示す概略図である。 本発明によるシステムの別の変形例を示す概略図である。 本発明によるシステムの別の変形例を示す概略図である。 本発明によるシステムの別の変形例を示す概略図である。

Claims (9)

1. 添加剤を貯蔵するための、および内燃エンジンの排気ガスに注入するためのシステムであって、
   前記システムは、添加剤を貯蔵するためのタンク（１）と、インジェクター（３）と、添加剤を注入ライン（２）を経由してタンク（１）からインジェクター（３）に搬送するためのポンプ（６）と、を備え、
   前記システムは、更に、パージガスを、インジェクター（３）からタンク（１）まで注入ライン（２）全体の中を流れさせるのに適したパージ装置を備え、
   パージガスはエンジン排気ガスからなる、
   ことを特徴とするシステム。
2. パージ装置は、
   ・ポンプ（６）の流れを逆転させるためのスイッチ、
   ・または、４／２方バルブ（１４）、
   を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. システムは、圧力コントローラ（７）を備え、且つポンプ（６）がタンク（１）の外に配置されるときは、タンク（１）の外に配置され、ポンプ（６）がタンク（１）内に配置されるときは、タンク（１）内に配置される、添加剤戻しライン（５）を備える、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
4. 添加剤を貯蔵するための、および内燃エンジンの排気管（４）に注入するための方法であって、
   前記方法は、実質的に、ポンプ（６）を用い、且つ注入ライン（２）を経由して、タンク（１）に貯蔵された添加剤をインジェクター（３）に搬送するステップと、
   添加剤を、インジェクター（３）を用いて排気管（４）に注入するステップと、にあり、
   前記方法は更に、インジェクター（３）からタンク（１）まで、ライン（２）全体の中のパージガスの流れによって、注入ライン（２）をときどきパージするステップにあり、
   パージガスは、エンジン排気ガスからなる、
   ことを特徴とする方法。
5. 添加剤は尿素水溶液である、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. エンジン排気ガスは、インジェクター（３）を開くことによって、且つポンプ（６）の流れを逆転させる効果を有するスイッチを作動することによって、注入ライン（２）に吸い込まれる、
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
7. エンジン排気ガスは、通常モード（添加剤注入）では、ポンプの下流点をインジェクターに接続し、パージモードでは、インジェクターをポンプの上流点に接続する、４／２方バルブ（１４）を切り替えることによって、注入ライン（２）に吸い込まれる、
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
8. 排気ガスの温度は、制御され、および／または調整される、ことを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 凍結の場合に、添加剤は、ポンプ（６）を始動する前に溶解され、添加剤の温度は、ポンプ（６）が動いている限り、所定範囲内に維持される、
   ことを特徴とする請求項４乃至８のいずれか１項に記載の方法。

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