JP7462730B2 - 排出ガスを後処理するための装置及び方法、並びにその利用 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排出ガスを後処理するための方法、当該方法における触媒蒸発器の使用、特に本発明における方法を実施するように構成されている、排出ガスを後処理するための装置、当該排出ガス後処理のための装置の使用に関する。

排出ガス後処理は、燃焼ガスが内燃機関の燃焼室から出た後に当該燃焼ガスを機械的方法、触媒的方法又は化学的方法で清浄化するための方法に用いられる用語である。選択的触媒還元（ＳＣＲ）技術を介して窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元するために、例えばアンモニアのような触媒や還元剤が利用される。窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元するために、尿素水溶液が注入され、さらに排出ガス管を通じて輸送される過程において、熱分解や加水分解によって、当該尿素溶液からアンモニアが生成される。炭化水素及び一酸化炭素を還元するためには、三元触媒が利用される。

触媒式排出ガス後処理の効果すなわち変換効率は、他の要因にも依存するが、動作温度に大きく依存する。約２５０℃を下回ると、事実上、何の反応も起こらない。これにより、現代の自動車両であっても、コールドスタート後の汚染物質排出量が多くなる。このような運転状態では、触媒が依然として動作温度に到達していないので、触媒による排出汚染物質の変換が不十分となる。

排出ガスの温度を急速に上昇させるための方法が幾つか存在する。例えば、触媒は、排出ガスシステムの内部の内燃機関の近傍に配設される。しかしながら、少なくともガソリンエンジンの場合には、このような配置は、例えば定格出力の近傍のような他の運転状態において温度が過剰に高くなるという危険を伴う。１０００℃の温度によって触媒が損なわれるからである。４００℃～８００℃の温度において、良好な変換効率と長い耐用年数とが得られる。代替的には、電気ヒータ又はやポスト噴射によって、内燃機関の内部及び／又は排出ガスシステムの内部において、排出ガスの温度を上昇させることができる。

しかしながら、これら手段は、コールドスタート後の燃料消費量をさらに増大させ、さらなる排出物を発生させるという弊害を有している。

ドイツ国特許出願公開第１０２０１５１２０１０６号明細書

従って、先行技術を端緒として、本発明は、低温で触媒変換を可能とする選択的触媒還元を含む場合がある排出ガス後処理を提供することを目的とする。

本発明では、排出ガスを後処理するための方法、特に窒素酸化物を除去するための方法が提案されており、当該方法は、
ａ）窒素酸化物を含有する生排出ガスを提供するステップと、
ｂ）窒素酸化物を含有する生排出ガスを触媒蒸発器に導入するステップと、
ｃ）変換された燃料を得るために、燃料を触媒蒸発器に導入するステップと、
ｄ）尿素を変換された燃料と混合するステップと、
ｅ）ステップｄ）に従って得られた混合体を排出ガス後処理システムに供給するステップと、
を含んでいる。

ステップｃ）の燃料の蒸発により、燃料の組成が変化する。特に、Ｈ_２及び／又はＣＯ及び／又は炭化水素、例えば１～１０個の炭素原子を有する短鎖炭化水素が生成され、本発明の幾つかの実施例では、１～５個の炭素原子を有する成分が主要部分（＞６６％）を構成している。

優位には、ステップｅ）において、尿素を蒸発及び変換（熱分解及び加水分解）するために、触媒蒸発の熱が利用される。当該方法は、特に排出ガスが窒素酸化物を含有する場合に利用される。この点において、制御システムが想定される。より多くの窒素酸化物が排出ガスに含まれている内燃機関マップポイント（engine map points）において、当該制御システムが接続されている。燃焼によって生成される窒素酸化物がほとんど存在しないか，又は許容量のである他の内燃機関マップポイントでは、当該制御システムは作動しない。当該制御システムが動作停止している場合には、空気及び排出ガスの供給が停止される。

窒素酸化物を含有する生排出ガスは、未処理の生排出ガスである場合がある。また、窒素酸化物を含有する生排出ガスは、例えば粒子フィルタ及び／又はディーゼル酸化触媒で処理された処理済の生排出ガスである場合もある。

ステップｂ）及びｃ）は、同時に実施可能とされる。ステップｅ）では、混合体は、排出ガス後処理システムに直接供給されるか、又は内燃機関から排出ガス後処理システムに至る排出ガス配管に当該還元剤を導入することによって排出ガス後処理システムに供給される。

本発明における方法は、それ自体既知の触媒蒸発技術に基づいて開発された。当該方法は、内燃機関からの窒素酸化物を含有する生排出ガス、液体燃料、及び尿素溶液を利用する。触媒蒸発器の内部において燃料を触媒変換することによって、当該排出ガス後処理システムにおいて熱が発生する。このように、エンジンの運転に依存しないシステムになっている。このようにして、内燃機関の動作、特に排出ガスの温度及び排出ガスの流量に依存しないで、尿素水溶液から還元剤が生成可能となる。さらに、本発明における方法は、適用された燃料から水素と例えばエテンのような炭化水素とを生成する。これらは、ＥＧＴのＳＣＲシステムのための付加反応物すなわち還元剤として利用される。

尿素溶液及び燃料の供給量は、それ自体既知の触媒蒸発器の運転で利用される通常量である。

触媒蒸発器に適用される窒素酸化物を含有する生排出ガスは、通常の内燃機関の排出ガスの一部である。すなわち、内燃機関の排出ガス流の一部は、ステップａ）において、触媒蒸発器に導入される窒素酸化物を含有する生排出ガスとして、分岐され提供される。このような分割は、排出ガス配管の内部の適宜駆動可能なフラップ又はスライドによって実現される。また、生排出ガスは、内燃機関から直接排出され、触媒蒸発器に供給される場合もある。

本発明における方法では、先行技術に基づく排出ガス流全体の加熱とは対照的に、優位には、窒素酸化物を含有する生排出ガスの小さい部分流のみを加熱すれば良い。また、燃料の変換によって、電気的に導入する必要がない熱をさらに発生させることができる。触媒変換では、触媒のみを加熱すれば良い。反応は、反応物の流れを変化させることによって制御可能とされる。

本発明における方法では、先行技術としてそれ自体既知の触媒蒸発器が利用可能とされる。当該既知の触媒蒸発器の動作原理は、当業者には既知である。本発明における方法で利用可能な触媒蒸発器は、詳細設計及び動作モードの全体に関して参照されている特許文献１に例示されている。

本発明における方法で利用される触媒蒸発器は、支持体に適用可能とされる触媒を有している。触媒を具備する支持体は、反応容器の内面と触媒表面との間に中間空間が形成されるように、反応容器の内部に配置されている。

触媒蒸発器の動作中には、例えば空気のような酸化剤を触媒側に供給しつつ、例えば液体燃料を触媒蒸発器の反応壁の内面に適用することができる。燃料の極一部が触媒を覆うように酸化し、当該過程で発生した熱によって燃料が完全に蒸発される。熱は、主に高温の触媒表面から燃料の表面に至る熱放射によって伝達される。ここで、燃料が適用された反応炉の壁の温度は、燃料自体の温度より低い。堆積物や付着物は形成されない。

ステップａ）において供給される窒素酸化物を含有する生排出ガスは、残留酸素を含んでいる。生排出ガス中に占める残留酸素の濃度が十分である場合には、当該残留酸素は、触媒蒸発器を動作させるための酸化剤として十分である。窒素酸化物を含有する生排出ガス中に占める残留酸素の濃度が低すぎる場合には、一の実施例では、ステップｃ）においてさらに酸化剤を触媒蒸発器に導入可能とされる。当該酸化剤は、生排出ガス中の残留酸素に対する追加の酸化剤である。このような酸化剤は、酸素又は酸素を含有する媒体、特に空気とされる。本発明では、酸化剤の量は、触媒蒸発器の内部に通常の酸化剤の量を実現するように選択される。空気は、外部環境からのものであり、任意には過給機によって充填される。

ステップｄ）に従って形成された混合体は、還元剤として水素（Ｈ_２）を含んでいる。さらに、ＮＨ_３、ＣＯ、及び例えばエテンのような炭化水素、並びにこれらの混合体を付加的に含んでいる場合がある。

反応物流れ、すなわち燃料、尿素溶液、及び窒素酸化物を含有する生排出ガス、並びに任意には酸化剤を変えることによって、内燃機関マップの動作点に従って還元剤それぞれを提供することができる。本発明における方法では、このような還元剤の提供が、ＳＣＲシステムの活性を高めるので、内燃機関の排出ガス中の窒素酸化物の還元を増加させる。当該利点は、低温の排出ガス後処理システムのコールドスタート時に、及び他の動作点において発揮される。

一の実施例では、排出ガス後処理システムは、例えば加水分解触媒のような熱分解及び加水分解装置と、選択的触媒還元（ＳＣＲ）のための装置とを備えている。このようなタイプの装置は、それ自体既知であるので、当業者には、その構造及び動作方法は知られている。本発明における方法については、熱分解及び加水分解装置とＳＣＲのための装置とを互いに別々のハウジングに据え付けることが優位であると判明した。このようにして、これら装置、特に加水分解装置は、本発明における方法において特に適切なポイントで利用可能となる。熱分解及び加水分解装置（加水分解触媒）は、部分排出ガス流又は主排出ガス流の中に配置されている。

幾つかの実施例では、尿素は、例えば尿素水溶液のような尿素溶液、特に３２．５％の尿素溶液の形態で利用可能とされる。当該尿素溶液は、排出ガス後処理システムに特に適している。

一の実施例では、排気システムの上流又は排気システムの内部において、尿素溶液が蒸発された燃料と混合される。本発明における方法では、ステップｄ）からの混合体が、排出ガス後処理システムに導入される。このことは、内燃機関を排出ガス後処理システムに接続している排気システムに当該混合体を導入することによって実施される。場合によっては蒸発されている尿素溶液は、排出ガスシステムへの供給の前に、及び／又は排出ガスシステムにおいて、蒸発燃料と混合される。

さらなる実施例では、ステップｄ）からの混合体が、最初に加水分解装置に供給された後に、当該加水分解装置から得られた生成物が、ＳＣＲ装置に供給される。

さらなる実施例では、場合によっては選択的触媒還元処理を含んでいる排出ガス後処理は、約１７０℃、約１８０℃、約１９０℃、又は約２００℃の温度で既に動作可能となっている。従って、このことは、本発明における方法では、排出ガス後処理が、既に開始可能とされ、先行技術に基づく温度より顕著に低い温度で実施可能とされることを意味する。

本発明における方法は、ＮＯｘ排出物を還元するためのＳＣＲシステムで動作する任意のタイプの内燃機関のＳＣＲシステムについて、窒素酸化物を変換させるために利用可能とされる。

さらに、本発明の主題は、詳細に上述した本発明における方法において、同様に詳細に上述した触媒蒸発器を利用することである。

さらに、本発明における方法によって得られる還元剤が提供される。製造方法及び組成物に関しては、上述の説明を参照されたい。特に、還元剤は、水素、特にエテンのような炭化水素、アンモニア、及び／又は一酸化炭素を含んでいる。

さらに、例えばＳＣＲを含んでいる、排出ガスを後処理するための装置について記載されており、当該装置は、
－触媒蒸発器、
－触媒蒸発器に至る生排出ガス供給配管であって、窒素酸化物を含有する生排出ガスを触媒蒸発器に導入するように構成されている生排出ガス供給配管、
－触媒蒸発器に至る燃料供給配管であって、燃料を触媒蒸発器に導入するように構成されている燃料供給配管、
－触媒蒸発器からの排出配管であって、蒸発された燃料を触媒蒸発器から排出するように構成されている排出配管、
－必要に応じて、尿素リザーバ、及び触媒蒸発器で得られた蒸発された燃料と尿素とを混合するための空間に接続されている尿素供給配管、並びに
－排出ガス後処理システム、
を備えている。

上記で使用した“構成されている（adapted）”との用語は、対応する配管が、当該対応する配管に供給される物質が悪影響を受けることなく案内されるように、すなわち、当該対応する配管が案内される物質に対して不活性であるように構成されていることを示している。さらに、“構成されている”との用語は、対応する配管が、供給されるべき物質を含むリザーバに接続されていることを示している。

本発明における装置は、本発明における上述の方法を実施するのに特に適している。従って、当該装置の設計の詳細及び動作も、本発明における方法の上記説明から理解されるものである。

一の実施例では、排出ガス後処理システムは、それ自体既知の加水分解装置と選択的触媒還元装置とを備えている。加水分解装置は、例えば加水分解触媒を備えている。選択的触媒還元装置は、例えば、選択的触媒還元触媒を備えている。この点において、加水分解装置と選択的触媒還元装置とは、互いに異なるハウジングに設けることができる。これにより、当該装置を本発明における装置の異なる位置に互いから独立して据え付けることができるが、依然として一貫した排出ガス処理を実施することができる。加水分解装置は、部分排出ガス流又は主排出ガス流の中に配置させることができる。

一の実施例では、本発明における装置は、尿素溶液を蒸発された燃料と混合する前に尿素溶液を蒸発させるように構成されている尿素蒸発器をさらに備えている。尿素溶液の蒸発及び触媒燃料の蒸発の利点は、機能の分離にある。このことは、尿素の蒸発について最先端技術を利用可能であることを意味する。これらが適合される必要は無いが、改良された還元剤が（尿素からの）ＮＨ_３及び（燃料からの）Ｈ_２／ＣＯ／エテンによって製造される。

一の実施例では、混合のための空間は、排出配管及び／又は排出ガスシステムとされる。

本発明における装置の一の実施例では、当該装置は、酸化剤を触媒蒸発器に導入するように構成されている触媒蒸発器に至る酸化剤供給配管をさらに備えている。例えば酸素や空気のような酸化剤のこのような供給は、生排出ガスが必要な残留酸素濃度を有していない場合に必要とされる。

さらに、本発明の主題は、選択的触媒還元を含む排出ガス後処理のための上述の装置を利用することである。

上述した装置は、簡便且つ費用対効果に優れた方法で、本発明における方法によって得られる利点を実現することができる。

本発明について、本発明の一般的概念を限定することなく、図面を参照しつつ、以下に詳述する。

本発明における排出ガス後処理システムの一の実施例についての概略図である。 本発明における排出ガス後処理システムの一の実施例についての概略図である。 例示的に利用可能な触媒蒸発器を表わす。 図２に表わす触媒蒸発器の動作原理を示す。

図１ａは、排出ガス後処理のための触媒蒸発器１を具備する装置の概略図である。触媒蒸発器１については、図３及び図４において以下に詳述する。例えばディーゼルエンジンのような内燃機関１０は、自動車両を運転するために、通常の方法で利用される。燃料及び空気は、内燃期間に供給される。その結果物である窒素酸化物を含有する生排出ガスが、排出ガスシステム９を通じて、内燃機関１０から排出される。内燃機関１０からの当該窒素酸化物を含有する生排出ガスは、排出ガス後処理装置８に供給される。排出ガス後処理装置８は、例えば加水分解触媒のような加水分解装置８１と、選択的触媒還元装置８２とを有している。加水分解装置８１と選択的触媒還元装置８２とは、別々のハウジングに配置されている。窒素酸化物を含有する生排出ガスの少なくとも一部は、排出ガスシステム９の上流において生排出ガス供給配管２を介して分岐され、触媒蒸発器１に供給される。燃料は、燃料リザーバ４から燃料供給配管３を介して、触媒蒸発器１に供給される。必要に応じて、例えば空気のような酸化剤が、酸化剤供給配管１３を介して、触媒蒸発器１に供給される。触媒蒸発器１において蒸発された燃料は、排出配管７を介して、触媒蒸発器１から排出される。尿素溶液は、尿素リザーバ５から尿素供給配管６を介して、排出配管７に導入される。排出配管７は、蒸発燃料と尿素とを混合するための混合空間１２として機能する。排出ガス後処理システム８の一部である加水分解装置８１は、ＳＣＲ装置８２とは別体とされる。加水分解装置８１は、混合空間１２の下流に且つ排出ガスシステム９の上流に配置されている一方、ＳＣＲ装置８２は、触媒蒸発器１からの混合体が排出ガスシステム９に供給された後の時点において排出ガスシステム９の下流側に配設されている。

図１ｂは、本発明における装置のさらなる実施例を表わす。当該実施例は、図１ａに表わす装置に対応しているが、加水分解装置８１が、排出ガスシステム（主排出ガス流）９に配置されている。

図２は、本発明における方法で使用される触媒蒸発器１を表わす。触媒蒸発器１は、金属メッシュ１１３に適用された触媒１１２を有している。触媒１１２として利用することができるが、従来技術として知られている金属メッシュ１１３としても利用することができる。触媒１１２を具備する金属メッシュ１１３は、反応容器１１４の内部に設けられている。全体を見渡すために、図２は、金属メッシュ１１３を具備する触媒１１２が反応容器１１４から引き出された状態を示す。金属メッシュ１１３を具備する触媒１１２が反応容器に押し込まれた場合には、中間空間が、反応容器１１４の内面１１５と触媒１１２の表面との間において金属メッシュ１１３に接触して形成される。

図３は、図２に表わす触媒蒸発器の動作モードを示す。燃料が反応容器１１４の下面に適用される一方、未処理の生排出ガスと必要に応じて付加的な酸化剤とが触媒側に供給される。燃料の極一部は触媒１１２を覆うように酸化し、当該プロセスで発生した熱は、燃料を完全に蒸発させるために利用される。主に触媒１１２の高温の表面から燃料膜の表面に向かう熱放射によって、熱は伝達される。本発明では、燃料が適用された反応容器１１４の壁は、燃料自体よりも低温である。従って、堆積物や包餡物が形成されない。

言うまでもなく、本発明は、図面に示された実施例に限定される訳ではない。従って、上述の説明は、限定的ではなく、制限的なものではなく、説明的なものとして捉えるべきである。特許請求の範囲に記載の特徴は、本発明の少なくとも１つの実施例に存在するものであることに留意すべきである。このことが、さらなる特徴の存在を排除することを意味する訳ではない。説明又は特許請求の範囲が“第１の”特徴及び“第２の”特徴を定義している場合には、このことは、順位付けを決定する訳ではなく、２つの類似する特徴を区別するために行われている。

１ 触媒蒸発器
２ 生排出ガス供給配管
３ 燃料供給配管
４ 燃料リザーバ
５ 尿素リザーバ
６ 尿素供給配管
７ 排出配管
８ 排出ガス後処理装置
９ 排出ガスシステム
１０ 内燃機関
１２ 混合空間
１３ 酸化剤供給配管
８１ 加水分解装置
８２ 選択的触媒還元装置（SCR装置）
１１２ 触媒
１１３ 金属メッシュ
１１４ 反応容器

Claims (13)

1. 排出ガスを後処理するための方法であって、
   ａ）窒素酸化物を含有する生排出ガスを準備するステップと、
   ｂ）前記窒素酸化物を含有する生排出ガスを触媒蒸発器に導入するステップと、
   ｃ）変換された燃料を得るために、前記触媒蒸発器に燃料を導入するステップと、
   ｄ）尿素を変換された燃料と混合するステップであって、前記変換された燃料が、Ｈ_２、ＣＯ、及び１～１０個の炭素原子を有する炭化水素を有し、前記変換された燃料の前記炭化水素の大部分が、１～５個の炭素原子を有する炭化水素である、前記ステップと、
   ｅ）ステップｄ）によって得られた混合体を排出ガス後処理システムに供給するステップと、
   を含んでいることを特徴とする方法。
2. ステップｃ）において、酸化剤が、前記触媒蒸発器にさらに導入されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記排出ガス後処理システムが、加水分解装置と選択的触媒還元装置とを備えていることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
4. 前記尿素が、尿素溶液の形態で利用されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記尿素と変換された燃料との混合が、排出ガスシステムの上流で又は前記排出ガスシステムの一部分の内部で実施されることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. ステップｄ）において得られた混合体が、加水分解装置に供給された後に、得られた生成物が、選択的触媒還元装置に供給されることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 排出ガス後処理が、約１７０℃以上の温度で実施されることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 排出ガス後処理装置において、
   触媒蒸発器と、
   前記触媒蒸発器に至る生排出ガス供給配管であって、窒素酸化物を含有する生排出ガスを前記触媒蒸発器に導入するように構成されている前記生排出ガス供給配管と、
   前記触媒蒸発器に至る燃料供給配管であって、燃料を前記触媒蒸発器に導入するように構成されている前記燃料供給配管と、
   前記触媒蒸発器からの排出配管であって、蒸発された燃料を前記触媒蒸発器から排出するように構成されている前記排出配管と、
   排出ガス後処理システムと、
   を含んでおり、
   前記触媒蒸発器が、変換された燃料を前記排出ガス後処理装置に供給するように構成されており、前記変換された燃料が、Ｈ_２、ＣＯ、及び１～１０個の炭素原子を有する炭化水素を有し、前記変換された燃料の前記炭化水素の大部分が、１～５個の炭素原子を有する炭化水素であることを特徴とする排出ガス後処理装置。
9. 前記排出ガス後処理装置が、尿素リザーバと、前記触媒蒸発器で得られた変換された燃料と尿素とを混合するための混合空間に接続されている尿素供給配管とを含んでいることを特徴とする請求項８に記載の排出ガス後処理装置。
10. 前記排出ガス後処理システムが、加水分解装置と選択的触媒還元装置とを備えていることを特徴とする請求項８又は９に記載の排出ガス後処理装置。
11. 前記加水分解装置と前記選択的触媒還元装置とが、互いから分離されたハウジングの内部に設けられていることを特徴とする請求項１０による排出ガス後処理装置。
12. 混合空間が、排出配管及び排出ガスシステムのうちいずれかであることを特徴とする請求項８～１１のいずれか一項に記載の排出ガス後処理装置。
13. 前記排出ガス後処理装置が、前記触媒蒸発器に至る酸化剤供給配管であって、酸化剤を前記触媒蒸発器に導入するように構成されている前記酸化剤供給配管を有していることを特徴とする請求項８～１２のいずれか一項に記載の排出ガス後処理装置。

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