JP5237289B2 - 還元剤を含む気体流を生成するための方法および装置 - Google Patents
還元剤を含む気体流を生成するための方法および装置 Download PDFInfo
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Description
本発明の主題は、内燃機関の排気系において、少なくとも１つの還元剤を含む気体流を生成するための方法および装置である。
本方法および本装置は、好ましくは、例えば、自動車のような内燃機関の排気系において、窒素酸化物の選択的接触還元用の還元剤を供給するために使用することができる。
ここで、好ましい還元剤はアンモニア（ＮＨ３）であり、例えば、尿素に基づいて供給される。
ここで、好ましい還元剤はアンモニア（ＮＨ３）であり、例えば、尿素に基づいて供給される。
多くの国において、内燃機関排ガスの特定成分の排出が望まれていない。
該成分の排出を出来るだけ低く維持するため、多くの国において、内燃機関の運転中に順守しなければならない排出基準が適用される。
排ガスの望まれない成分の例は、窒素酸化物（ＮＯｘ）であり、その排出は、第１に、例えば、適切なエンジン設計と内燃機関の適切な運転のような内燃機関によって、第２に、排ガスの後処理によって低減させることができる。
内燃機関排ガス中の窒素酸化物の割合を低減させる１つの可能性は、選択的接触還元の使用であり、内燃機関排ガス中の窒素酸化物の少なくとも一部を、窒素酸化物に選択的に作用する還元剤を用いて変化させる。
該成分の排出を出来るだけ低く維持するため、多くの国において、内燃機関の運転中に順守しなければならない排出基準が適用される。
排ガスの望まれない成分の例は、窒素酸化物（ＮＯｘ）であり、その排出は、第１に、例えば、適切なエンジン設計と内燃機関の適切な運転のような内燃機関によって、第２に、排ガスの後処理によって低減させることができる。
内燃機関排ガス中の窒素酸化物の割合を低減させる１つの可能性は、選択的接触還元の使用であり、内燃機関排ガス中の窒素酸化物の少なくとも一部を、窒素酸化物に選択的に作用する還元剤を用いて変化させる。
還元剤の供給または提供のために、例えば、必要に応じて還元剤を生成させる尿素のような還元剤前駆体を使用することが多い。
ここで、還元剤は、内燃機関排ガス中の窒素酸化物の割合の動的関数として、可能な限り最も動的で効率的な仕方で供給されることが必要である。
ここで、還元剤は、内燃機関排ガス中の窒素酸化物の割合の動的関数として、可能な限り最も動的で効率的な仕方で供給されることが必要である。
このことから、本発明の目的は、還元剤を供給するための方法と装置を提案することに基づき、本方法は、効率的に調節して還元剤の効率的な供給を可能にする。
該目的は、独立請求項の特徴を有する方法と装置によって達成される。
各々の従属請求項は、有益な展開を目的とする。
各々の従属請求項は、有益な展開を目的とする。
内燃機関の排気系に還元剤含有気体流を供給するための本発明による方法は、
（Ａ）少なくとも１つの還元剤前駆体を供給する工程と、
（Ｂ）その少なくとも１つの還元剤前駆体を蒸発させて気体流を形成する工程と、
（Ｃ）その気体流を少なくとも部分的に少なくとも２５０℃の温度まで加熱する工程と、
（Ｄ）その気体流中の還元剤前駆体を少なくとも部分的に還元剤に変化させる工程と、
（Ｅ）その還元剤含有気体流を内燃機関の排ガスに添加する工程と、を含む。
（Ａ）少なくとも１つの還元剤前駆体を供給する工程と、
（Ｂ）その少なくとも１つの還元剤前駆体を蒸発させて気体流を形成する工程と、
（Ｃ）その気体流を少なくとも部分的に少なくとも２５０℃の温度まで加熱する工程と、
（Ｄ）その気体流中の還元剤前駆体を少なくとも部分的に還元剤に変化させる工程と、
（Ｅ）その還元剤含有気体流を内燃機関の排ガスに添加する工程と、を含む。
ここで、還元剤とは、とりわけ、選択的接触還元のための還元剤を意味し、その還元剤は、対応する方法を用いて、工程（Ｅ）の後に追従すると理解すべきである。
好ましい還元剤は、アンモニアである。
還元剤前駆体とは、反応して還元剤を生成することができる、または還元剤を発生することができる物質を意味すると理解すべきである。
少なくとも１つの還元剤前駆体の蒸発とは、とりわけ、その還元剤前駆体の完全な蒸発を意味すると理解すべきである。
還元剤前駆体の完全な蒸発とは、とりわけ、９０％を上回る、好ましくは９５％を上回る、特に好ましくは９８％を上回る還元剤前駆体が蒸発するといった蒸発を意味すると理解すべきである。
好ましい還元剤は、アンモニアである。
還元剤前駆体とは、反応して還元剤を生成することができる、または還元剤を発生することができる物質を意味すると理解すべきである。
少なくとも１つの還元剤前駆体の蒸発とは、とりわけ、その還元剤前駆体の完全な蒸発を意味すると理解すべきである。
還元剤前駆体の完全な蒸発とは、とりわけ、９０％を上回る、好ましくは９５％を上回る、特に好ましくは９８％を上回る還元剤前駆体が蒸発するといった蒸発を意味すると理解すべきである。
工程（Ａ）における少なくとも１つの還元剤前駆体の供給は、固体の還元剤前駆体の形態、または少なくとも１つの還元剤前駆体の溶液の形態のいずれかで行うことができる。
ここで、少なくとも１つの還元剤前駆体の供給は、好ましくは、水中の尿素の溶液の形態で行い、適切な場合、溶液の凝固点を低下させるさらなる還元剤前駆体または物質を添加する。
ここで、少なくとも１つの還元剤前駆体の供給は、好ましくは、水中の尿素の溶液の形態で行い、適切な場合、溶液の凝固点を低下させるさらなる還元剤前駆体または物質を添加する。
また、気体流の少なくとも部分的な加熱とは、とりわけ、加熱を先ず第１温度で行い、次いで、第２段階において第１温度よりも高い第２温度で行うような、多段加熱を意味すると理解すべきである。
本発明による手順の長所は、例えば、還元剤が排気系の外で発生することである。
このことは、還元剤の輸送が瞬間的な排ガス体積流量に依存しないため、大幅に改良された動力学を生み出す。
さらに、本発明による方法は、別個の輸送を有益に保証するが、この理由は、還元剤含有気体流の実際の輸送が、実質的に、蒸発とそれによって生じる体積変化によって起きるためである。
このことは、還元剤の輸送が瞬間的な排ガス体積流量に依存しないため、大幅に改良された動力学を生み出す。
さらに、本発明による方法は、別個の輸送を有益に保証するが、この理由は、還元剤含有気体流の実際の輸送が、実質的に、蒸発とそれによって生じる体積変化によって起きるためである。
本発明による方法の１つの有益な展開によると、工程（Ｄ）は、工程（Ｂ）と工程（Ｅ）との間の時間枠に行う。
とりわけ、工程（Ｄ）は、還元剤を生成する還元剤前駆体の少なくとも部分的な熱分解の形態で、工程（Ｃ）と少なくとも部分的に同時に行うことができる。
さらに、それに代えてまたは追加して、好ましくは、還元剤を生成する還元剤前駆体の少なくとも部分的な加水分解を排気系の外で、即ち、工程（Ｅ）の前に行うこともできる。
この目的のため、とりわけ、加水分解触媒コンバータを、排気ラインの外ではあるが、少なくとも１つの還元剤前駆体含有気体流によって横切られることができるように、形成することができる。
工程（Ｃ）におけるさらなる加熱のために、該触媒コンバータでの加水分解において、非常に効率的な制御と高レベルの変換効率が得られるが、この理由は、工程（Ｃ）において、加水分解触媒コンバータの着火温度以上の温度に好ましく到達するためである。
このため、供給される還元剤前駆体含有気体流は、加水分解触媒コンバータで冷却されない。
好ましくは、系の冷却開始段階の終了後に、加水分解触媒コンバータの、付加的に可能なさらなる加熱を省略することができる。
さらに、それに代えてまたは追加して、好ましくは、還元剤を生成する還元剤前駆体の少なくとも部分的な加水分解を排気系の外で、即ち、工程（Ｅ）の前に行うこともできる。
この目的のため、とりわけ、加水分解触媒コンバータを、排気ラインの外ではあるが、少なくとも１つの還元剤前駆体含有気体流によって横切られることができるように、形成することができる。
工程（Ｃ）におけるさらなる加熱のために、該触媒コンバータでの加水分解において、非常に効率的な制御と高レベルの変換効率が得られるが、この理由は、工程（Ｃ）において、加水分解触媒コンバータの着火温度以上の温度に好ましく到達するためである。
このため、供給される還元剤前駆体含有気体流は、加水分解触媒コンバータで冷却されない。
好ましくは、系の冷却開始段階の終了後に、加水分解触媒コンバータの、付加的に可能なさらなる加熱を省略することができる。
本発明による方法のさらに有益な展開によると、工程（Ｄ）は、
（ａ）還元剤前駆体の少なくとも部分的な加水分解プロセスと、
（ｂ）還元剤前駆体の少なくとも部分的な熱分解プロセスと、
の少なくとも１つを含む。
（ａ）還元剤前駆体の少なくとも部分的な加水分解プロセスと、
（ｂ）還元剤前駆体の少なくとも部分的な熱分解プロセスと、
の少なくとも１つを含む。
本発明による方法のさらに有益な展開によると、工程（Ｂ）は、１８０℃以下の温度で行う。
ここで、その温度が１４０℃から１７０℃までの範囲にあるように温度を制御することが特に好ましい。
また、工程（Ｂ）における温度が１４０℃から１５０℃までの範囲、好ましくは、１５３℃未満であるように本方法を実施することが好ましく、この理由は、このようにして本方法が実施されるならば、不都合な副生物の堆積が比較的少ないことが見出されているためである。
また、工程（Ｂ）における温度が１４０℃から１５０℃までの範囲、好ましくは、１５３℃未満であるように本方法を実施することが好ましく、この理由は、このようにして本方法が実施されるならば、不都合な副生物の堆積が比較的少ないことが見出されているためである。
本発明による方法のさらに有益な展開によると、工程（Ｃ）において、加熱は、２５０℃〜５５０℃の温度で行う。
とりわけ、３５０℃〜４５０℃の温度が特に有益であることが実証されており、この理由は、こうした温度範囲では、非常に僅かのみの堆積が、工程（Ｃ）を行うために使用される成分において観察されているためである。
本発明による方法のさらに有益な展開によると、工程（Ａ）は、
（ａ）工程（Ｂ）が行われるダクトの第１ゾーンの中に、水溶液の少なくとも１つの還元剤前駆体溶液を輸送手順と、
（ｂ）工程（Ｂ）が行われるダクトの第１ゾーンの中に、少なくとも１つの還元剤前駆体を含む少なくとも固体物質ストランドの部分を準連続的輸送手順と、
（ｃ）工程（Ｂ）が行われるダクトの第１ゾーンの中に、少なくとも１つの還元剤前駆体を含む少なくとも１つの固体物質粒子を添加手順と、の少なくとも１つを含む。
（ａ）工程（Ｂ）が行われるダクトの第１ゾーンの中に、水溶液の少なくとも１つの還元剤前駆体溶液を輸送手順と、
（ｂ）工程（Ｂ）が行われるダクトの第１ゾーンの中に、少なくとも１つの還元剤前駆体を含む少なくとも固体物質ストランドの部分を準連続的輸送手順と、
（ｃ）工程（Ｂ）が行われるダクトの第１ゾーンの中に、少なくとも１つの還元剤前駆体を含む少なくとも１つの固体物質粒子を添加手順と、の少なくとも１つを含む。
少なくとも１つの還元剤前駆体の溶液は、とりわけ水溶液、好ましくは尿素水溶液である。
こうした溶液は、商標「ＡｄＢｌｕｅ」として市販されている。
また、こうした溶液は、例えば、溶液の凝固点を低下させる添加剤をさらに含むこともできる。
こうした溶液は、商標「Ｄｅｎｏｘｉｕｍ」として商業的に入手可能であり、これは、尿素に加えて、ギ酸および／またはギ酸アンモニウムもまた含む。
輸送は、好ましくは、ポンプを用いて行うことができ、第１に、輸送は、薬注ポンプを用いて、第２に、通常のポンプと組み合わせた対応する薬注バルブを用いて行うことができる。
こうした溶液は、商標「ＡｄＢｌｕｅ」として市販されている。
また、こうした溶液は、例えば、溶液の凝固点を低下させる添加剤をさらに含むこともできる。
こうした溶液は、商標「Ｄｅｎｏｘｉｕｍ」として商業的に入手可能であり、これは、尿素に加えて、ギ酸および／またはギ酸アンモニウムもまた含む。
輸送は、好ましくは、ポンプを用いて行うことができ、第１に、輸送は、薬注ポンプを用いて、第２に、通常のポンプと組み合わせた対応する薬注バルブを用いて行うことができる。
準連続的輸送とは、固体物質の所定量を供給するのではなく、固体物質ストランドから溶出したある意味で現在必要な量を正確に供給することを意味すると理解すべきである。
変化（ｃ）において、固体物質粒子は、とりわけ溶融して蒸発するペレットまたは顆粒を意味すると理解すべきである。
変化（ｃ）において、固体物質粒子は、とりわけ溶融して蒸発するペレットまたは顆粒を意味すると理解すべきである。
本発明の説明の中で、ダクトとは、とりわけ、棒状の加熱素子を囲むケーシングまたはスリーブに形成されたダクトを意味すると理解すべきである。
それに代えてまたは追加して、ダクトは、適切な場合、熱導体とともに形成され、とりわけ螺旋状に巻回された毛細管を有することもできる。
また、ダクトは、とりわけ、連続的または不連続的に変化する横断面を有することもできる。
それに代えてまたは追加して、ダクトは、適切な場合、熱導体とともに形成され、とりわけ螺旋状に巻回された毛細管を有することもできる。
また、ダクトは、とりわけ、連続的または不連続的に変化する横断面を有することもできる。
還元剤前駆体とは、本発明の説明の中で、以下の物質の少なくとも１つを含む物質または物質混合物を意味すると理解すべきである。
（ａ）尿素（（ＮＨ２）２ＣＯ）
（ｂ）ギ酸アンモニウム（ＨＣＯＯＮＨ４）
（ｃ）カルバミン酸アンモニウム（Ｈ２ＮＣＯＯＮＨ４）
（ｄ）炭酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＣＯ３）
（ｅ）重炭酸アンモニウム（ＮＨ４ＨＣＯ３）
（ｆ）シュウ酸アンモニウム（（ＮＨ４）２（Ｃ２Ｏ４））
（ｇ）水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）
（ｈ）シアン酸（ＨＯＣＮ）
（ｉ）シアヌル酸（Ｃ３Ｈ３Ｎ３Ｏ３）
（ｊ）イソシアン酸（ＨＮＣＯ）
（ａ）尿素（（ＮＨ２）２ＣＯ）
（ｂ）ギ酸アンモニウム（ＨＣＯＯＮＨ４）
（ｃ）カルバミン酸アンモニウム（Ｈ２ＮＣＯＯＮＨ４）
（ｄ）炭酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＣＯ３）
（ｅ）重炭酸アンモニウム（ＮＨ４ＨＣＯ３）
（ｆ）シュウ酸アンモニウム（（ＮＨ４）２（Ｃ２Ｏ４））
（ｇ）水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）
（ｈ）シアン酸（ＨＯＣＮ）
（ｉ）シアヌル酸（Ｃ３Ｈ３Ｎ３Ｏ３）
（ｊ）イソシアン酸（ＨＮＣＯ）
また、還元剤前駆体は、上記に特定した物質の少なくとも１つの誘導体であることもできる。
本発明のさらなる態様によると、内燃機関の排ガス中に還元剤含有気体流を供給するための装置が提案され、この装置は、
（ｉ）還元剤前駆体を少なくとも部分的に蒸発させて気体流を生成させるための少なくとも１つの第１ゾーンおよびその気体流を少なくとも部分的に加熱するための少なくとも１つの第２ゾーンを備えた少なくとも１つのダクトに、少なくとも１つの還元剤前駆体を供給するための輸送手段と、
（ｉｉ）気体流中の還元剤前駆体を少なくとも１つの還元剤に変化させるための少なくとも１つの手段と、
（ｉｉｉ）第１ゾーンを第１温度に加熱して第２ゾーンを第２温度に加熱するための少なくとも１つの加熱素子と、を少なくとも含む。
（ｉ）還元剤前駆体を少なくとも部分的に蒸発させて気体流を生成させるための少なくとも１つの第１ゾーンおよびその気体流を少なくとも部分的に加熱するための少なくとも１つの第２ゾーンを備えた少なくとも１つのダクトに、少なくとも１つの還元剤前駆体を供給するための輸送手段と、
（ｉｉ）気体流中の還元剤前駆体を少なくとも１つの還元剤に変化させるための少なくとも１つの手段と、
（ｉｉｉ）第１ゾーンを第１温度に加熱して第２ゾーンを第２温度に加熱するための少なくとも１つの加熱素子と、を少なくとも含む。
ここで、第２温度は第１温度よりも高い。
第１温度は、好ましくは、１８０℃以下の範囲、好ましくは、１４０℃から１７０℃までの範囲、特に好ましくは、１４０℃から１５０℃までの範囲にあり、好ましくは、１５３℃未満である。
第２温度は、少なくとも２５０℃であり、とりわけ２５０℃から５５０℃までの範囲にあり、とりわけ３５０℃から４５０℃までの範囲にある。
第１温度は、好ましくは、１８０℃以下の範囲、好ましくは、１４０℃から１７０℃までの範囲、特に好ましくは、１４０℃から１５０℃までの範囲にあり、好ましくは、１５３℃未満である。
第２温度は、少なくとも２５０℃であり、とりわけ２５０℃から５５０℃までの範囲にあり、とりわけ３５０℃から４５０℃までの範囲にある。
ダクトは、好ましくは、少なくともその領域に、とりわけ第２ゾーンの領域に、還元剤を生成する還元剤前駆体、例えば、アンモニアを生成する尿素の加水分解を触媒する触媒コーティングを有する。
本発明による装置は、還元剤含有気体流の形態での還元剤の高度に動的な供給を有益に可能にし、形成されることができて還元剤前駆体を変化させる手段の少なくとも一部であり得るとりわけ加水分解触媒コンバータに使用される。
還元剤前駆体の加水分解を触媒して還元剤を生成させるコーティングは、とりわけ、触媒的活性物質としてＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、および／またはＺｒＯ２を有するコーティングであることができる。
還元剤前駆体の加水分解を触媒して還元剤を生成させるコーティングは、とりわけ、触媒的活性物質としてＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、および／またはＺｒＯ２を有するコーティングであることができる。
本発明による装置の１つの有益な展開によると、輸送手段は、
（ａ）少なくとも１つの還元剤前駆体溶液の流体における輸送手段と、
（ｂ）少なくとも１つの還元剤前駆体を含む固体物質の準連続的輸送手段と、
（ｃ）少なくとも１つの還元剤前駆体を含む固体物質の不連続的輸送手段と、の構成部分の少なくとも１つを備える。
（ａ）少なくとも１つの還元剤前駆体溶液の流体における輸送手段と、
（ｂ）少なくとも１つの還元剤前駆体を含む固体物質の準連続的輸送手段と、
（ｃ）少なくとも１つの還元剤前駆体を含む固体物質の不連続的輸送手段と、の構成部分の少なくとも１つを備える。
この説明において、準連続的輸送とは、例えば、非連続輸送における場合のように、固体物質の規定量を供給するのではなく、溶出して蒸発する還元剤の現在必要な量に対応する固体物質の割合を正確に意味すると理解すべきである。
本発明による装置のさらに有益な展開によると、還元剤前駆体を変化させるための手段は、少なくとも部分的に第２ゾーンに含まれる。
このことは、とりわけ、第２ゾーンが、少なくとも部分的領域に加水分解触媒コーティングを備えることを意味する。
本発明による装置のさらに有益な展開によると、少なくとも１つの加水分解触媒コンバータが形成される。
例えば、ダクトの第２ゾーンの領域における、還元剤を生成する還元剤前駆体の加水分解を触媒するコーティングに加え、ある別な領域に加水分解触媒コーティングを提供することもでき、あるいは、対応するコーティングまたは対応して内設された触媒活性中心を備えたハニカム体を提供することもできる。
ここで、還元剤を変化させるための手段は、一般に、ダクトの少なくとも第１ゾーンの下流に形成される。
ここで、還元剤を変化させるための手段は、一般に、ダクトの少なくとも第１ゾーンの下流に形成される。
さらに有益な展開によると、（ａ）第１ゾーン、（ｂ）第２ゾーンの少なくとも１つは、加熱可能なダクトを備える。
とりわけ、該加熱は、電気抵抗ヒータ、連続バーナによって、および／またはペルティエ素子によって提供することができる。
ここで、電気抵抗ヒータを使用することが好ましく、特に好ましくは、自己調節電気抵抗ヒータであり、これは、例えば、ＰＴＣ（正の温度係数）抵抗器を用いて実現することができる。
とりわけ、少なくとも２つの加熱ゾーンが提供され、その公称温度は、第１温度と第２温度に対応する。
即ち、公称温度は、対応する第１温度と第２温度が媒体中の第１ゾーンと第２ゾーンに存在するように選択される。
ここで、電気抵抗ヒータを使用することが好ましく、特に好ましくは、自己調節電気抵抗ヒータであり、これは、例えば、ＰＴＣ（正の温度係数）抵抗器を用いて実現することができる。
とりわけ、少なくとも２つの加熱ゾーンが提供され、その公称温度は、第１温度と第２温度に対応する。
即ち、公称温度は、対応する第１温度と第２温度が媒体中の第１ゾーンと第２ゾーンに存在するように選択される。
本発明による装置のさらに有益な展開によると、第１ゾーンと第２ゾーンは加熱可能なダクトの一部である。
運転において、第１ゾーンには、先ず、溶液のおよび／または固体物質として還元剤前駆体が供給され、その還元剤前駆体は、そこの第１ゾーンで蒸発する。
このようにして発生した気体は、次いで、ダクトの第２ゾーンを通って流れる。
このようにして発生した気体は、次いで、ダクトの第２ゾーンを通って流れる。
本発明による装置のさらに有益な展開によると、ダクトは、第１ゾーンの領域において、第２ゾーンの領域よりも小さい横断面を有する。
したがって、横断できる横断面は、第１ゾーンよりも第２ゾーンの領域の方が大きい。
このことは、関連する体積増加に伴って、還元剤前駆体の蒸発に許容幅を与える。
第１ゾーンの横断面に対する第２ゾーンの横断面の比は、とりわけ、１から３までの範囲にある。
第１ゾーンのダクト表面積に対する第２ゾーンのダクト表面積の比は、好ましくは、約０．３〜０．６、好ましくは、約０．５である。
第１ゾーンの表面は、好ましくは、０．４平方メートル、好ましくは、０．１平方メートル以下、特に好ましくは、０．０５平方メートル未満、例えば、とりわけ約０．０２平方メートルである。
第２ゾーンの表面積は、好ましくは、０．２平方メートル、好ましくは、０．０５平方メートル以下、特に好ましくは、０．０２５平方メートル未満、例えば、とりわけ約０．０１平方メートルである。
第１ゾーンに導入可能な最大電力密度は、最大限でも５０Ｗ／ｃｍ２（平方センチメートルあたりのワット）、好ましくは、１平方センチメートルあたり最大限でも５ワットである。
第２ゾーンに導入可能な最大電力密度は、最大限でも１平方センチメートルあたり５０ワット、好ましくは、１平方センチメートルあたり最大限でも１５ワットである。
これらのゾーンは、とりわけ、第２ゾーンに導入可能な最大電力密度に対する第１ゾーンに導入可能な最大電力密度の商が約３であるように構成される。
該値は、特に有益であることが実証されており、その理由は、ダクトの閉塞につながる可能性がある不都合な副生物の生成が、こうした値においては防止されるためである。
このことは、関連する体積増加に伴って、還元剤前駆体の蒸発に許容幅を与える。
第１ゾーンの横断面に対する第２ゾーンの横断面の比は、とりわけ、１から３までの範囲にある。
第１ゾーンのダクト表面積に対する第２ゾーンのダクト表面積の比は、好ましくは、約０．３〜０．６、好ましくは、約０．５である。
第１ゾーンの表面は、好ましくは、０．４平方メートル、好ましくは、０．１平方メートル以下、特に好ましくは、０．０５平方メートル未満、例えば、とりわけ約０．０２平方メートルである。
第２ゾーンの表面積は、好ましくは、０．２平方メートル、好ましくは、０．０５平方メートル以下、特に好ましくは、０．０２５平方メートル未満、例えば、とりわけ約０．０１平方メートルである。
第１ゾーンに導入可能な最大電力密度は、最大限でも５０Ｗ／ｃｍ２（平方センチメートルあたりのワット）、好ましくは、１平方センチメートルあたり最大限でも５ワットである。
第２ゾーンに導入可能な最大電力密度は、最大限でも１平方センチメートルあたり５０ワット、好ましくは、１平方センチメートルあたり最大限でも１５ワットである。
これらのゾーンは、とりわけ、第２ゾーンに導入可能な最大電力密度に対する第１ゾーンに導入可能な最大電力密度の商が約３であるように構成される。
該値は、特に有益であることが実証されており、その理由は、ダクトの閉塞につながる可能性がある不都合な副生物の生成が、こうした値においては防止されるためである。
本発明の基本的概念は、還元剤前駆体、とりわけ尿素水溶液の２段階加熱であり、尿素水溶液または還元剤前駆体の蒸発が、第１段階で生じ、蒸気のさらなる加熱が第２段階で生じ、場合により、還元剤前駆体の既に初期の部分的熱分解が還元剤を生成する。
還元剤前駆体の蒸発が生じる領域もしくは第１ゾーン、またはより一般的にはゾーンの長さは、蒸発させる還元剤前駆体の量に依存する。
蒸発させる還元剤前駆体の量が多いほど、蒸発が生じるゾーンがより長い。
２つのゾーンに分割される単一のダクトが提供されると、例えば、第１ゾーンの延長または短縮、および第２ゾーンの対応した短縮または延長をするように加熱素子を設計することが可能なため、先ず、第１ゾーンと第２ゾーンの長さを動的に適合させることができる。
ダクトを第１ゾーンと第２ゾーンに分割する別の代替策は、蒸発させる還元剤前駆体の特定の量について、第１ゾーンから第２ゾーンへの遷移が、還元剤前駆体の該量についての蒸発ゾーンの予想長さに対応する点で正確に起きるようにする。
とりわけ、該分割は、内燃機関の平均および／または高頻度負荷状態あるいは全負荷で生じることができる。
したがって、第１ゾーンと第２ゾーンの間の境界かこのように固定される第２の場合において、還元剤前駆体の蒸発は、適切な場合、第１ゾーンだけでなく、第２ゾーンでもまた生じる。
還元剤前駆体の蒸発が生じる領域もしくは第１ゾーン、またはより一般的にはゾーンの長さは、蒸発させる還元剤前駆体の量に依存する。
蒸発させる還元剤前駆体の量が多いほど、蒸発が生じるゾーンがより長い。
２つのゾーンに分割される単一のダクトが提供されると、例えば、第１ゾーンの延長または短縮、および第２ゾーンの対応した短縮または延長をするように加熱素子を設計することが可能なため、先ず、第１ゾーンと第２ゾーンの長さを動的に適合させることができる。
ダクトを第１ゾーンと第２ゾーンに分割する別の代替策は、蒸発させる還元剤前駆体の特定の量について、第１ゾーンから第２ゾーンへの遷移が、還元剤前駆体の該量についての蒸発ゾーンの予想長さに対応する点で正確に起きるようにする。
とりわけ、該分割は、内燃機関の平均および／または高頻度負荷状態あるいは全負荷で生じることができる。
したがって、第１ゾーンと第２ゾーンの間の境界かこのように固定される第２の場合において、還元剤前駆体の蒸発は、適切な場合、第１ゾーンだけでなく、第２ゾーンでもまた生じる。
本発明による方法について開示した詳細と長所は、本発明による装置にも同じ仕方で移行して適用することができる。
本発明による装置について開示した詳細と長所は、本発明による方法にも同じ仕方で移行して適用することができる。
本発明による装置について開示した詳細と長所は、本発明による方法にも同じ仕方で移行して適用することができる。
本発明は、添付の図面に基づいて更に詳細に説明され、本発明は例示的実施形態に制限されることなく、図面において詳細に開示される。
本発明による装置の第１実施例を示す斜視図である。
本発明による装置の第２実施例を示す図である。
本発明による装置の第３実施例を示す図である。
本発明による装置の第４実施態様を示す図である。
本発明による装置のダクトの詳細を示す図である。
図１は、還元剤含有気体流を供給するための本発明による装置１の第１の典型的な実施形態を概略で示す。
装置１は、ジャケット３に形成されたダクト２を備える。
該ジャケット３は、棒状の加熱素子４を囲む。
棒状の加熱素子４は、少なくとも１つの第１熱導体５と１つの第２熱導体６を有する。
第１ゾーン７は、第１熱導体５によって加熱することができ、第２ゾーン８は、第２熱導体６によって加熱することができる。
熱導体５、６は、好ましくは、例えば、ＰＴＣ導体のような自己調節する熱導体である。
また、スリーブ９が形成され、このスリーブ９は、矢印１０の方向に、装置の上に押し出される。
スリーブ９は、組み立てられた装置１において、第１ゾーン７と第２ゾーン８の間の境界にある狭窄１１を有する。
該狭窄１１は、スリーブ９を通る２つのゾーン７、８の間の熱交換を低下させる。
該熱交換を低下または防止するさらなる手段を提供することもできる。
装置１は、ジャケット３に形成されたダクト２を備える。
該ジャケット３は、棒状の加熱素子４を囲む。
棒状の加熱素子４は、少なくとも１つの第１熱導体５と１つの第２熱導体６を有する。
第１ゾーン７は、第１熱導体５によって加熱することができ、第２ゾーン８は、第２熱導体６によって加熱することができる。
熱導体５、６は、好ましくは、例えば、ＰＴＣ導体のような自己調節する熱導体である。
また、スリーブ９が形成され、このスリーブ９は、矢印１０の方向に、装置の上に押し出される。
スリーブ９は、組み立てられた装置１において、第１ゾーン７と第２ゾーン８の間の境界にある狭窄１１を有する。
該狭窄１１は、スリーブ９を通る２つのゾーン７、８の間の熱交換を低下させる。
該熱交換を低下または防止するさらなる手段を提供することもできる。
運転中、還元剤前駆体１２、好ましくは、尿素が、とりわけ尿素水溶液の形態でダクト２の中に添加され、好ましくは、第１ゾーン７のそこで完全に蒸発する。
次いで生成して少なくとも１つの還元剤前駆体を含む気体流が、次いで、ダクト２を通って前方に流れて加熱される。
とりわけ、該加熱は、とりわけ第２ゾーン８の領域で少なくとも部分的に生じる。
次いで、気体流１３がダクトを離れる。
装置１の設計と方法の実施に応じて、気体流１３は、熱分解によってとりわけ第２ゾーン８の領域で生成する、還元剤前駆体および／または還元剤を含む。
第１ゾーン７と第２ゾーン８の少なくとも部分的領域において、ダクト２は、加水分解触媒コーティング、即ち、還元剤を生成する還元剤前駆体の加水分解を触媒するコーティングを有することができる。
次いで生成して少なくとも１つの還元剤前駆体を含む気体流が、次いで、ダクト２を通って前方に流れて加熱される。
とりわけ、該加熱は、とりわけ第２ゾーン８の領域で少なくとも部分的に生じる。
次いで、気体流１３がダクトを離れる。
装置１の設計と方法の実施に応じて、気体流１３は、熱分解によってとりわけ第２ゾーン８の領域で生成する、還元剤前駆体および／または還元剤を含む。
第１ゾーン７と第２ゾーン８の少なくとも部分的領域において、ダクト２は、加水分解触媒コーティング、即ち、還元剤を生成する還元剤前駆体の加水分解を触媒するコーティングを有することができる。
図２は、内燃機関の排ガス中の窒素酸化物を選択的接触還元するための装置の一部としての本発明による装置１を示す。
装置１は、ここでもまた、第１ゾーン７と第２ゾーン８を有する。
ゾーン７、８は、第１ライン１５によって第１ゾーン７の対応する第１熱導体５に、第２ライン１６によって第２ゾーン８の第２熱導体６に接続可能な制御手段１４によって制御される加熱手段５、６（ここでは示さない）によって加熱される。
第１ゾーン７とともに第２ゾーン８の双方における加熱電力は、このように、互いに独立して調節され制御されることができる。
制御手段１４は、電圧源または電流源を同時に含んでもよい。
自己調節の第１熱導体５と第２熱導体６の場合において、制御手段１４を省略することができ、代わりに、各熱導体５、６に電流源または電圧源を単に提供することもできる。
装置１は、ここでもまた、第１ゾーン７と第２ゾーン８を有する。
ゾーン７、８は、第１ライン１５によって第１ゾーン７の対応する第１熱導体５に、第２ライン１６によって第２ゾーン８の第２熱導体６に接続可能な制御手段１４によって制御される加熱手段５、６（ここでは示さない）によって加熱される。
第１ゾーン７とともに第２ゾーン８の双方における加熱電力は、このように、互いに独立して調節され制御されることができる。
制御手段１４は、電圧源または電流源を同時に含んでもよい。
自己調節の第１熱導体５と第２熱導体６の場合において、制御手段１４を省略することができ、代わりに、各熱導体５、６に電流源または電圧源を単に提供することもできる。
少なくとも１つの還元剤前駆体を搬送する手段もまた提供され、この手段は、この典型的な実施形態において、溶液の還元剤前駆体溶液用の容器１８に加えてポンプ１９を備える。
ポンプ１９は、例えば、薬注ポンプであることができ、それを用い、各場合の規定量の溶液が、第１ゾーンに導入される。
また、ポンプ１９は、例えば、ダイアフラムポンプのような通常のポンプのように設計することもでき、そしてバルブ２０が有益に提供され、そのバルブ２０によって、第１ゾーン７への還元剤前駆体の溶液の供給が調節される。
バルブ２０は、第３ライン２１によって、制御手段１４に有益に接続することができる。
加水分解触媒コンバータ２２は、第２ゾーン８の下流に形成される。
運転の際、還元剤を生成させるための還元剤前駆体の少なくとも部分的な加水分解は、加水分解触媒コンバータ２２で生じる。
この仕方において、還元剤は、排気ライン２３の外側で生成する。
装置１で生成した還元剤含有気体流２４は、排気ライン２３に導入され、そこで該気体流２４は、内燃機関の排ガス流２５と混合される。
次いで、２つの気体流の混合物が、ＳＣＲ触媒コンバータ２６を通って流れ、排ガス流２５に含まれる窒素酸化物は、還元剤によって変換される。
ＮＯｘ含有率が低下した気体流は、次いで、ＳＣＲ触媒コンバータ２６を離れる。
ポンプ１９は、例えば、薬注ポンプであることができ、それを用い、各場合の規定量の溶液が、第１ゾーンに導入される。
また、ポンプ１９は、例えば、ダイアフラムポンプのような通常のポンプのように設計することもでき、そしてバルブ２０が有益に提供され、そのバルブ２０によって、第１ゾーン７への還元剤前駆体の溶液の供給が調節される。
バルブ２０は、第３ライン２１によって、制御手段１４に有益に接続することができる。
加水分解触媒コンバータ２２は、第２ゾーン８の下流に形成される。
運転の際、還元剤を生成させるための還元剤前駆体の少なくとも部分的な加水分解は、加水分解触媒コンバータ２２で生じる。
この仕方において、還元剤は、排気ライン２３の外側で生成する。
装置１で生成した還元剤含有気体流２４は、排気ライン２３に導入され、そこで該気体流２４は、内燃機関の排ガス流２５と混合される。
次いで、２つの気体流の混合物が、ＳＣＲ触媒コンバータ２６を通って流れ、排ガス流２５に含まれる窒素酸化物は、還元剤によって変換される。
ＮＯｘ含有率が低下した気体流は、次いで、ＳＣＲ触媒コンバータ２６を離れる。
図３は、本発明による装置１のさらなる典型的な実施形態を概略で示す。
ここでは、還元剤前駆体溶液を蒸発させる場合ではなく、その代わりに、固体物質２８としての少なくとも１つの還元剤前駆体の準連続的輸送手段２７が提供される。
ここで、ストランドのタイプの還元剤前駆体２８または還元剤前駆体を含む固体物質２８が、第１ゾーン７に圧入される。
これは、例えば、相応して制御可能な液圧シリンダ２９を用いて行われる。
還元剤前駆体２８は溶融し、第１加熱素子５を含む第１ゾーン７で、同時にまたはその後に蒸発する。
このようにして生成した蒸気は、第２加熱素子６によって加熱される第２ゾーン８でさらに加熱される。
さらに高い温度への加熱は、第３熱導体３０を備えた第３ゾーン３１で行われる。
次いで、生成した気体混合物は、加水分解触媒コンバータを通って流れる。
還元剤前駆体を含む固体物質２８の設計に応じて、水もまた加水分解触媒コンバータ２２に供給する必要があることがある。
これは、例えば、ある量の排ガス流を加水分解触媒コンバータの上流に導入することによって、あるいは、水、例えば、凝縮水の同時蒸発によって行ってもよい。
加水分解触媒コンバータ２２は、とりわけ、第１ゾーン７、第２ゾーン８、および第３ゾーン３１の温度が、アンモニアを生成する還元剤前駆体の実質的に完全な熱分解が生じるように選択されるならば、任意である。
ここでは、還元剤前駆体溶液を蒸発させる場合ではなく、その代わりに、固体物質２８としての少なくとも１つの還元剤前駆体の準連続的輸送手段２７が提供される。
ここで、ストランドのタイプの還元剤前駆体２８または還元剤前駆体を含む固体物質２８が、第１ゾーン７に圧入される。
これは、例えば、相応して制御可能な液圧シリンダ２９を用いて行われる。
還元剤前駆体２８は溶融し、第１加熱素子５を含む第１ゾーン７で、同時にまたはその後に蒸発する。
このようにして生成した蒸気は、第２加熱素子６によって加熱される第２ゾーン８でさらに加熱される。
さらに高い温度への加熱は、第３熱導体３０を備えた第３ゾーン３１で行われる。
次いで、生成した気体混合物は、加水分解触媒コンバータを通って流れる。
還元剤前駆体を含む固体物質２８の設計に応じて、水もまた加水分解触媒コンバータ２２に供給する必要があることがある。
これは、例えば、ある量の排ガス流を加水分解触媒コンバータの上流に導入することによって、あるいは、水、例えば、凝縮水の同時蒸発によって行ってもよい。
加水分解触媒コンバータ２２は、とりわけ、第１ゾーン７、第２ゾーン８、および第３ゾーン３１の温度が、アンモニアを生成する還元剤前駆体の実質的に完全な熱分解が生じるように選択されるならば、任意である。
本実施形態において、加水分解触媒コンバータ２２は、排気ライン２３に直接に直角にフランジ搭載される。
排気ライン２３に侵入した後、排ガス流２５は、次いで、還元剤の濃度を高められた後、ＳＣＲ触媒コンバータ２６を通って流れる。
ＳＣＲ触媒コンバータ２６の上流の排ガス流よりも窒素酸化物の含有率が低下した排ガス流は、次いで、ＳＣＲ触媒コンバータ２６を離れる。
排気ライン２３に侵入した後、排ガス流２５は、次いで、還元剤の濃度を高められた後、ＳＣＲ触媒コンバータ２６を通って流れる。
ＳＣＲ触媒コンバータ２６の上流の排ガス流よりも窒素酸化物の含有率が低下した排ガス流は、次いで、ＳＣＲ触媒コンバータ２６を離れる。
図４は、内燃機関の排ガス中の窒素酸化物の選択的接触還元用装置の一部としての、本発明による装置１のさらなる実施形態を示す。
上述の実施形態とは異なり、この典型的な実施形態は、還元剤前駆体を含む固体物質の非連続輸送のための手段３２を有する。
該手段３２は、例えば、尿素ペレットのような少なくとも１つの還元剤前駆体を含む固体物質の粒子３４が蓄えられた容器３３を備える。
分離装置３５が、容器３３と第１ゾーン７の間に形成され、その分離装置３５を用いて、運転中に、固体物質の粒子３４のみが第１ゾーン７に入ることを保証することができる。
この実施形態において、装置１は、場合により、さらなる供給ライン３６を有し、それを経由して水含有ガスが供給可能である。
該水含有ガスは、加水分解触媒コンバータ２２の加水分解を促進するために使用することができる。
上述の実施形態とは異なり、この典型的な実施形態は、還元剤前駆体を含む固体物質の非連続輸送のための手段３２を有する。
該手段３２は、例えば、尿素ペレットのような少なくとも１つの還元剤前駆体を含む固体物質の粒子３４が蓄えられた容器３３を備える。
分離装置３５が、容器３３と第１ゾーン７の間に形成され、その分離装置３５を用いて、運転中に、固体物質の粒子３４のみが第１ゾーン７に入ることを保証することができる。
この実施形態において、装置１は、場合により、さらなる供給ライン３６を有し、それを経由して水含有ガスが供給可能である。
該水含有ガスは、加水分解触媒コンバータ２２の加水分解を促進するために使用することができる。
図５は、ダクト２の詳細を概略で示す。
該ダクト２は、第１横断面を有する第１ゾーン７と第２横断面を有する第２ゾーン８を有する。
第２ゾーン８の横断面は、第１ゾーン７の横断面よりも大きい。
さらに、ダクト２は、ある種の衝突板として作用し、第１ゾーンでの不完全な蒸発から生じる液滴が第２ゾーン８を通過しないけれども、該液滴が嵌合３７に衝突することを保証する嵌合３７を備える。
一般に、第２ゾーン８における気体流の方向に、例えば、屈折、ダクト径の狭窄、嵌合などによって、少なくとも１つの変化を与えることが有益である。
該ダクト２は、第１横断面を有する第１ゾーン７と第２横断面を有する第２ゾーン８を有する。
第２ゾーン８の横断面は、第１ゾーン７の横断面よりも大きい。
さらに、ダクト２は、ある種の衝突板として作用し、第１ゾーンでの不完全な蒸発から生じる液滴が第２ゾーン８を通過しないけれども、該液滴が嵌合３７に衝突することを保証する嵌合３７を備える。
一般に、第２ゾーン８における気体流の方向に、例えば、屈折、ダクト径の狭窄、嵌合などによって、少なくとも１つの変化を与えることが有益である。
本発明による方法と本発明による装置１は、還元剤含有気体流１３の供給を有益に可能にし、その量は、簡単な仕方で制御することができ、例えば、とりわけ自動車のようなモバイルアプリケーションの排ガス系において生じることが多い状態の動的変化に適応することができる。
第１ゾーン７の温度が約１５０℃またはそれより若干低く保持され、一方、第２ゾーン８の温度が３００℃より高く保持されるようにして本方法が実施されることがとりわけ有益であると実証されている。
加水分解触媒コンバータ２２に蒸気の形態で還元剤前駆体を供給する結果、加水分解触媒コンバータ２２は、事実上、冷却を経過せず、本方法の実施が、ここでもまた有利に影響される。
第１ゾーン７の温度が約１５０℃またはそれより若干低く保持され、一方、第２ゾーン８の温度が３００℃より高く保持されるようにして本方法が実施されることがとりわけ有益であると実証されている。
加水分解触媒コンバータ２２に蒸気の形態で還元剤前駆体を供給する結果、加水分解触媒コンバータ２２は、事実上、冷却を経過せず、本方法の実施が、ここでもまた有利に影響される。
１ 還元剤含有気体流の供給装置
２ ダクト
３ ジャケット
４ 棒状加熱素子
５ 第１熱導体
６ 第２熱導体
７ 第１ゾーン
８ 第２ゾーン
９ スリーブ
１０ 矢印
１１ 狭窄
１２ 還元剤前駆体の水溶液
１３ 気体流
１４ 制御手段
１５ 第１ライン
１６ 第２ライン
１７ 少なくとも１つの還元剤前駆体の溶液を搬送する手段
１８ 容器
１９ ポンプ
２０ バルブ
２１ 第３ライン
２２ 加水分解触媒コンバータ
２３ 排気ライン
２４ 還元剤含有気体流
２５ 排ガス流
２６ ＳＣＲ解触媒コンバータ
２７ 固体物質としての少なくとも１つの還元剤前駆体の準連続的輸送手段
２８ 還元剤前駆体含有固体物質
２９ 液圧シリンダ
３０ 第３熱導体
３１ 第３ゾーン
３２ 固体物質として存在する還元剤前駆体の不連続的輸送手段
３３ 容器
３４ 還元剤前駆体含有固体物質の粒子
３５ 分離装置
３６ 供給ライン
３７ 嵌合
２ ダクト
３ ジャケット
４ 棒状加熱素子
５ 第１熱導体
６ 第２熱導体
７ 第１ゾーン
８ 第２ゾーン
９ スリーブ
１０ 矢印
１１ 狭窄
１２ 還元剤前駆体の水溶液
１３ 気体流
１４ 制御手段
１５ 第１ライン
１６ 第２ライン
１７ 少なくとも１つの還元剤前駆体の溶液を搬送する手段
１８ 容器
１９ ポンプ
２０ バルブ
２１ 第３ライン
２２ 加水分解触媒コンバータ
２３ 排気ライン
２４ 還元剤含有気体流
２５ 排ガス流
２６ ＳＣＲ解触媒コンバータ
２７ 固体物質としての少なくとも１つの還元剤前駆体の準連続的輸送手段
２８ 還元剤前駆体含有固体物質
２９ 液圧シリンダ
３０ 第３熱導体
３１ 第３ゾーン
３２ 固体物質として存在する還元剤前駆体の不連続的輸送手段
３３ 容器
３４ 還元剤前駆体含有固体物質の粒子
３５ 分離装置
３６ 供給ライン
３７ 嵌合
Claims (3)
- 内燃機関の排気系に還元剤含有気体流（２４）を供給するための方法であって、
（Ａ）互いに異なる温度で加熱可能な第１ゾーンおよび第２ゾーンに分割される単一のダクトに、少なくとも１つの還元剤前駆体（１２，２８，３４）を供給する工程と、
（Ｂ）前記第１ゾーンにて、前記少なくとも１つの還元剤前駆体（１２，２８，３４）を蒸発させて気体流（１３）を形成する工程と、
（Ｃ）前記第２ゾーンにて、前記気体流（１３）を少なくとも２５０℃の温度まで少なくとも部分的に加熱する工程と、
（Ｄ）前記第２ゾーンにて、前記気体流（１３）中の前記還元剤前駆体（１２，２８，３４）を少なくとも部分的に還元剤に変化させる工程と、
（Ｅ）前記還元剤含有気体流（２４）を前記内燃機関の排ガス（２５）に添加する工程とを含み、
工程（Ｄ）は、工程（Ｂ）と工程（Ｅ）との間の時間枠に行い、
工程（Ｄ）は、
（ａ）前記還元剤前駆体の少なくとも部分的な加水分解プロセス、および
（ｂ）前記還元剤前駆体の少なくとも部分的な熱分解プロセス、
のうちの少なくとも１つを含み、
工程（Ｂ）は、１８０℃以下の温度で行う、方法。 - 工程（Ｃ）において、加熱は２５０℃〜５５０℃の温度で行う、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 工程（Ａ）は、
（ａ）工程（Ｂ）が行われるダクト（２）の第１ゾーン（７）の中に、水溶液（１２）の少なくとも１つの還元剤前駆体溶液を輸送手順と、
（ｂ）工程（Ｂ）が行われるダクトの第１ゾーンの中に、少なくとも１つの還元剤前駆体を含む少なくとも固体物質ストランドの部分を準連続的輸送手順と、
（ｃ）工程（Ｂ）が行われるダクト（２）の第１ゾーン（７）の中に、少なくとも１つの還元剤前駆体を含む少なくとも１つの固体物質粒子（３４）を添加手順と、の少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
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