JP2001521091A - 燃焼機関の排気システムにおけるNOx蓄積器の温度範囲を制御するための方法および装置 - Google Patents
燃焼機関の排気システムにおけるNOx蓄積器の温度範囲を制御するための方法および装置Info
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Abstract
Description
ム内でNOx貯蔵器の温度範囲を調整するための方法および装置に関する。この
発明は特に、未燃焼炭化水素、一酸化炭素および酸化窒素のような、排気ガス内
に存在する物質を取除くようにディーゼルまたはリーン・バーンエンジン内の排
気ガスの流れを浄化するために用いられ得る。
たため、内燃機関の排気ガスに含まれ、有害であるとされる排気ガス成分をなお
一層削減することが必要である。通常、現在の自動車には、一酸化炭素(CO)
、未燃焼炭化水素(HC)および窒素酸化物(NOx)を無害な成分へと転化す
る三元触媒が用いられている。
内燃機関の排気ガス作用が、酸素プローブを用いて排気ガス内の残留酸素含有量
を判断し、触媒での温度プロファイルを判断し、触媒作用の間に解放される熱の
量を判断することによって導き出され得ると説明している。
。したがって、内燃機関の排気管内に触媒を設けることが必要である。これはた
とえばEP 0 628 134 B1から公知である。さらに、EP 0 4
85 179から、コールドスタート段階の間に生じ、下流の触媒の動作準備が
整ったときに再び放出される未燃焼炭化水素の貯蔵のために吸収器を用いること
が公知である。
内燃機関の排気ガスからの酸化窒素の削減は静止システムの場合は尿素を用いて
よく行なわれる。
用内燃機関においては不可能である。特に商用車に関する場合、再冷却された排
気ガスによって排気ガス再循環を行なうことが公知である。水の注入によってN
Ox排出を削減することも公知である。さらに、始めにNOx貯蔵器の中間に貯
蔵することによってNOx排出を削減することも公知であり、NOx貯蔵器から
は、それらが次に未燃焼炭化水素との制御された反応によって窒素に還元され、
すなわち、酸素がそれによってNOx成分から抽出される。
0℃から約500℃であり、新しいコーティングによってたとえば700℃まで
上限の温度を高めることが目的とされる。現在では、800℃の最高温度を超え
るとNOx貯蔵器が損傷を受け、したがってこのような温度はあらゆる状況にお
いて避けられなければならない。このようなNOx貯蔵器は排気システム内の、
概して第1の触媒の下流に配置される。第1の触媒において起こる反応、特に炭
化水素と酸素との反応は発熱を伴うものであるので、排気ガスが触媒において浄
化されている間に熱の流れが排気ガスに与えられる。NOx貯蔵器は約150℃
の温度でのみ、その最低動作温度に達するので、特にこのような排気ガス浄化シ
ステムのコールドスタート作用を鑑みて、NOx貯蔵器を第1の触媒の下流でで
きるだけ近くに配置することが望ましい。第1の触媒において起こる発熱反応の
間に内燃機関が最大負荷モードであるとき、触媒の下流は1000℃程度かそれ
よりも高いかもしれない排気ガス温度に達する。この最大負荷条件の下では、N
Ox貯蔵器を第1の触媒の下流でできるだけ遠く配置して、この最大負荷条件の
下でもNOx貯蔵器の温度が約800℃を超えないことを確実とするのが望まし
い。この2つの条件は互いに対立する。
ンにおいて、内燃機関の全負荷条件の下で未燃焼炭化水素、一酸化炭素および酸
化窒素のような排気ガス中に存在する物質をできるだけ除去して、排気システム
内に配置されるNOx貯蔵器への熱的な損傷を回避し、コールドスタートの後に
急速な動作準備を確実とする方法および装置を提供することである。
4に記載される特徴を有する排気ガス触媒システムとによって達成される。好ま
しい展開がそれぞれの従属請求項に明記される。
。この発明に従うと、この方法において、NOx吸収器としても示されるNOx
貯蔵器の上流で排気ガスの流れから、内燃機関の動作状態の関数として熱交換器
によって熱の流れが放出される。熱交換器は特に、少なくとも約150℃に達す
るNOx貯蔵器の動作温度を急速に達成するのを助けるために、コールドスター
ト段階の間には動作しない。排気管内に配置される第1の触媒の発熱反応の効果
が内燃機関の負荷の増大とともに高まれば高まるほど、熱の流れを放出するため
に必要な、NOx貯蔵器の上流に配置された熱交換器の冷却能力が高まり、それ
によって、NOx貯蔵器の温度が800℃を超えない、および/または予め定め
られ得る温度範囲内にあることが内燃機関の動作全体にわたって確実となる。内
燃機関における排気ガスの流れを浄化するためのこの発明に従う方法は動作の確
実性またはNOx貯蔵器の寿命の延長のために役立つ。その結果、排気ガスの流
れの確実な浄化が内燃機関の負荷範囲全体にわたって達成される。熱交換器は一
般に、純粋にその設計のために、低温で少量の熱を放出し、高温で大量の熱を放
出する(たとえば、本質的に放熱に基づく熱交換)ように設計され得る。しかし
ながら、代替的にまたは付加的に、付加的な手段によって放熱を制御または調整
することも可能である。
ルギーの少なくとも一部が第1の触媒の上流または下流で排気ガスの流れから熱
の流れとして放出される。NOx貯蔵器の上流で熱の流れとして放出されるエネ
ルギー部分は、この場合、従来の機能の約150℃から約500℃の温度範囲に
、またはNOx貯蔵器の800℃の最高温度に依存する。
合、熱の流れの2段階放出は、NOx貯蔵器の上流で一方が他方の背後に配置さ
れる2つの熱交換器か、または第1の触媒の上流の熱交換器と第1の触媒とNO
x貯蔵器との間の熱交換器とによって行なわれ得る。特に流れが内燃機関の下流
で直接的に放出される場合、排気ガスの出口温度は、特に内燃機関が高い負荷を
受けている場合にNOx貯蔵器の上流に配置される第1の触媒の下流で制御され
た態様で下げられてもよい。
収され、触媒酸化が行なわれる。しかしながら、初めはNOxのみがNOx貯蔵
器に吸収され、たとえばNOx貯蔵器を再生するために必要な、ある状況では排
気管へと付加的に導入される未燃焼炭化水素が外部、すなわちNOx貯蔵器の下
流にある第2の触媒において酸化されることも可能である。
囲である。
ような場合においてもターボチャージャから吹き出される。したがって、この空
気は排気管の強制的な冷却のために特に有利に用いられ得る。
整された態様で放出される。この場合、調整変数は、NOx貯蔵器が確実にNO
xを吸収するだけでなく損傷を受けずに動作する、すなわち熱的に過度の負荷を
受けない、NOx貯蔵器の温度範囲である。約150℃から約500℃のNOx
貯蔵器の動作温度範囲で放出される熱の量の調整は、たとえば熱の流れを放出す
る冷却剤の量が調整されることに基づいて対応の熱電対によって決定されるそれ
ぞれの動作温度によってそれ自体公知の態様で同時に調整され得る。いずれにせ
よ、熱放出の増加は800℃の最高温度の超過を避けるためである。
の発明のさらなる局面に従うと、NOx貯蔵器が約150℃のその最低動作温度
に達するまで、内燃機関はコールドスタートの間ラムダ≦1の空気/燃料比で動
作する。特に内燃機関は豊富であるが少なくとも化学量論的動作範囲において動
作するので、NOx貯蔵器の上流に配置された第1の触媒の動作温度を急速に高
めるのに十分な未燃焼炭化水素が排気ガス中に存在する。第1の触媒の動作温度
が急速に上昇するため、少なくとも約150℃のNOx貯蔵器の動作温度は次に
比較的早く達成される。好ましくは、NOx貯蔵器はNOxを貯蔵し、未燃焼炭
化水素を酸化する。
またはリーン・バーンエンジンのために用いられる排気ガス触媒システムは少な
くとも各場合に排気管およびNOx貯蔵器内に配置された第1の触媒を有する。
この発明に従うと、少なくとも1つの熱交換器がNOx貯蔵器の上流で排気管内
に配置され、熱の流れは内燃機関のそれぞれの動作状態の関数として熱交換器に
よって放出される。
換器は第1の触媒とNOx貯蔵器との間に配置される。特に、第1の触媒とNO
x貯蔵器との間に配置された熱交換器によって、NOx貯蔵器が約800℃の限
界温度を超える熱的負荷を経験する状況を避けることが可能である。
の間に配置される。NOx貯蔵器の上流での排気システムからの熱の流れの放出
は結果としてより柔軟に行なわれ得る。熱交換器が各場合に内燃機関と触媒との
間、触媒とNOx貯蔵器との間に配置されれば、2段階の熱放出が達成される。
1つの熱交換器だけが内燃機関と触媒との間でNOx貯蔵器の上流に配置されれ
ば、この融通性は幾分低下する。しかしながら、このような構成が採用されるあ
らゆる場合において、NOx貯蔵器が熱的に過度に負荷をかけられない、すなわ
ちその温度が800℃より下に保たれるように、触媒の温度が低下され得る。し
かしながら、同時に、ある状況、特に内燃機関がより高い負荷の下にある場合、
未燃焼炭化水素のすべてがもはや十分には酸化されることができず、したがって
、流れ方向でNOx貯蔵器の下流に、対応して効果的なさらなる三元触媒を設け
ることが必要かもしれない。
合に三元触媒として設計される。しかしながら、好ましい例示的実施例に従うと
、NOx貯蔵器および第2の触媒が一体化されることも可能である。これはたと
えばNOx貯蔵器が三元コーティングを有する場合に実現可能となる。このよう
な場合、NOx貯蔵器は一方ではNOxを吸収し、他方では酸化触媒として作用
し、吸収されたNOxは炭化水素と直接的に反応する。
5kWから50kWの範囲である。特により高い冷却能力を達成するためには、
効率の高い熱交換器が必要とされる。たとえば、この発明のさらなる例示的実施
例に従うと、熱交換器は向流型熱交換器として設計される。好ましくは、この向
流型熱交換器は二重壁チューブまたはリブ付きチューブとして設計される。その
内部では排気ガスが流れ、二重壁構造によって形成されたケーシング内では、冷
却剤が排気ガスの流れ方向に逆らって流れる。好ましくは、冷却剤は強制された
流れとして熱交換器を流れる水または空気である。しかしながら、個々の構成要
素間の簡単なリブ付きチューブか、または移動する車の気流において効果的に冷
却される適切な大きさのラインでさえもこの発明に従う熱交換器として役立つこ
とができることも指摘され得る。
を用いることも特に有利である。
よって再生され得る。すなわち、NOx貯蔵器内で起る未燃焼炭化水素の酸化に
よって、貯蔵されているNOxが酸素の供給源として役立ち、したがって、窒素
、水およびCO2がNOx貯蔵器から現われる。NOxがこのようにNOx貯蔵 器から「放出」された後、NOx貯蔵器は内燃機関からの排気ガスにおいて運ば
れるNOxを吸収するためのそのもともとの能力を回復する。再生のために与え
られる量の炭化水素がNOx貯蔵器に達するよう、第1の触媒が酸素のために低
い容量しか有さず、炭化水素がそこでそれまでに酸化されず、その結果事実上使
用されると有利である。
施例により詳細にここで説明する。
機関1から、第1の触媒2および第2の触媒6が配置される排気管5へと移動す
る。NOxと貯蔵器4が2つの触媒2、6の間に配置される。熱交換器3が排気
管5内で第1の触媒2とNOx貯蔵器4との間に配置される。排気ガスが内燃機
関1から排気管5を経て第1の触媒に移動すると、未燃焼炭化酸素および一酸化
炭素の酸化が、たとえば付加的に取付けられた加熱手段(図示せず)によって行
なわれ得る第1の触媒2の動作温度の達成後に発熱反応において行なわれる。発
熱反応が第1の触媒2において起った結果として、エネルギーが排気ガスの流れ
に与えられ、その結果、排気ガスの流れの温度が上昇する。内燃機関が高い負荷
を受けている場合、約1000℃以上の動作温度が第1の触媒2の下流出口にお
いて起る。排気ライン内で第1の触媒2の下流に配置されたNOx貯蔵器4の最
高温度が約800℃であり、その機能する能力が約150℃から約500℃の範
囲であるので、このように高い温度の排気ガスの流れはNOx貯蔵器4の時期尚
早の破壊または不調におそらくつながり、その結果、環境的に有害なNOxが排
気ガスの流れから除去できないであろう。この理由のため、熱交換器3が第1の
触媒2とNOx貯蔵器4との間に設けられ、熱交換器3によって、特に内燃機関
が高い負荷を受けている場合に、熱の流れWの、負荷に依存する放出が行なわれ
得る。原則として、このような熱交換器は、コールドスタート性能に対する欠点
を伴わない限り、第1の触媒2の上流に配置されてもよい。
れる熱エネルギー次第では、したがって、第1の触媒2を出る排気ガスの流れの
温度次第では、熱の流れWの調整された放出が行なわれ、したがってNOx貯蔵
器の温度が望ましい範囲にとどまることが確実となる。排気ガスの流れから抽出
された熱エネルギーは加熱などの目的のために車において用いられ得る。これに
対応して高い動作温度では第1の触媒2が比較的高い割合の、排気ガスの流れに
含まれる未燃焼炭化水素とそこに含まれる一酸化炭素とを既に酸化しているので
、概して、NOx貯蔵器4に貯蔵されているNOxとの反応のために十分な量の
未燃焼炭化水素はもはや存在しない。したがって、特に動作条件によっては付加
的にNOx貯蔵器4の上流の排気管5へと未燃焼炭化水素を時々注入することが
必要である。できる限り完全な排気ガスの浄化もあらゆる動作条件下で行なわれ
ることを確実とするために、第2の触媒6もまたNOx貯蔵器4の下流に設けら
れ、第2の触媒6は付加的に導入された未燃焼炭化水素を酸化し、結果として本
質的に浄化された排気ガスを与える。
この排気ガス触媒システムでは、排気ガスの流れが内燃機関1から排気ライン5
へと導かれ、排気ライン5には、2つの熱交換器3、8と、第1の触媒2と、三
元触媒コーティングが与えられたNOx貯蔵器7とが配置される。第1の熱交換
器3は図1の例示的実施例に対応してここでもまた触媒2とNOx貯蔵器7との
間に配置される。この熱交換器3によって、内燃機関1のそれぞれの動作負荷ま
たはそれぞれの動作状態に従って、規定された熱の流れW2を排気ガスの流れか
ら放出することができる。加えて、さらなる熱交換器8が内燃機関1と触媒2と
の間に設けられ、それによって、付加的な熱の流れW1が排気ガスの流れから放
出され得る。しかしながら、この結果として、触媒2の入口温度が低下し、その
結果、適切な場合そこで起る発熱反応もまた遅められる。したがって、触媒2か
らの出口の温度が図1に従う例示的実施例の場合よりも低い。したがって、両方
の熱交換器3、8が動作する動作状況では、熱交換器3において放出される熱の
流れW2が図1に従う例示的実施例におけるよりも少ない。いずれにせよ、熱交
換器3、8はNOx貯蔵器7へ入る排気ガスの流れの最高温度を下げて、NOx
貯蔵器7の予め規定可能な温度範囲が維持されることを確実とするのに役立つ。
貯蔵器に貯蔵されるNOxと完全には反応せず、未燃焼状態でNOx貯蔵器7を
出るかもしれないので、三元触媒コーティングと一体的にNOx貯蔵器7が設け
られる。この三元触媒コーティングは図1に従う主触媒6と同じように作用する
が、排気ガス浄化システムのために必要となる別個の部品がより少ないという利
点を有する。
状態に適合させる融通性が、図1に従うわずか1つの熱交換器3を有する例示的
実施例に比較して著しく高められる。
ジャ9を含んでもよい。排気ガスは、周囲の空気がそこで圧縮されて内燃機関1
へと導かれるようにこのターボチャージャ9を駆動する。この場合、余分な空気
が通常の方法で吹出されるので、この発明に従うと、この空気はたとえば付加的
な熱交換器8の逆流における排気管5の強制的な冷却のために有利に利用され得
る。
囲を簡単かつ効果的に維持することを可能とし、その結果、排気ガス浄化の質が
さまざまな動作条件下で確実とされる。
す。
す。
Claims (25)
- 【請求項1】 内燃機関(1)における、排気管(5)内に運ばれる排気ガ
スの流れを浄化するためにNOx貯蔵器(4;7)の温度範囲を調整するための
方法であって、内燃機関(1)の動作状態の関数としてNOx貯蔵器(4)の上
流で排気ガスの流れから放出される熱の流れ(W;W1,W2)は、NOx貯蔵
器(4;7)の最高負荷温度が確実に超えられない、および/または予め規定可
能な温度範囲が本質的に維持されるようにされる、方法。 - 【請求項2】 排気ガスに含まれる熱エネルギーの少なくとも一部が第1の
触媒(2)の上流および/または下流で排気ガスの流れから熱の流れ(W)とし
て放出される、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 熱の流れ(W1,W2)は2段階で排気ガスの流れから放出
される、請求項1または2に記載の方法。 - 【請求項4】 熱の流れ(W1,W2)は第1の触媒(2)の上流および下
流で排気ガスの流れから放出される、請求項3に記載の方法。 - 【請求項5】 NOx貯蔵器(4;7)はNOxを貯蔵し、酸化触媒として
作用する、請求項1から4の1つに記載の方法。 - 【請求項6】 放出された熱の流れ(W;W1,W2)は5kWから50k
Wである、請求項1から5の1つに記載の方法。 - 【請求項7】 内燃機関(1)に割当てられた排気ガスターボチャージャ(
9)からの吹出された空気がNOx貯蔵器の上流で排気管(5)の強制的な冷却
のために利用される、請求項1から6の1つに記載の方法。 - 【請求項8】 熱の流れ(W;W1,W2)は調整された態様で放出され、
用いられる調整変数は内燃機関(1)の負荷の関数としてNOx貯蔵器(4;7
)の温度の予め規定可能な範囲である、請求項1から7の1つに記載の方法。 - 【請求項9】 NOx貯蔵器(4:7)の温度の予め規定可能な範囲は約1
50℃のより低い温度と700℃、好ましくは500℃のより高い温度とによっ
て形成される、請求項1から8の1つに記載の方法。 - 【請求項10】 内燃機関(1)は、NOx貯蔵器(4;7)が約150℃
のその最低動作温度に達するまで、ラムダ≦1の空気/燃料比で動作させられる
、請求項1から9の1つに記載の方法。 - 【請求項11】 内燃機関における排気ガスの流れを浄化するためにNOx
貯蔵器(4;7)の温度範囲を調整するための方法であって、内燃機関(1)は
、少なくともNOx貯蔵器(4;7)がその最低動作温度に達するまでラムダ≦
1の空気/燃料比で動作させられる、方法。 - 【請求項12】 最低動作温度は150℃である、請求項11に記載の方法
。 - 【請求項13】 NOx貯蔵器(4;7)はNOxを貯蔵し、酸化触媒とし
て作用する、請求項11または12に記載の方法。 - 【請求項14】 排気管(5)内に各場合に少なくとも1つの第1の触媒(
2)およびNOx貯蔵器(4;7)を有する、特にディーゼルまたはリーン・バ
ーンエンジンのための、請求項1から10の1つに記載の方法を実行するための
排気ガス触媒システムであって、少なくとも1つの熱交換器(3;8)が排気管
内でNOx貯蔵器(4;7)の上流に配置されることを特徴とする、システム。 - 【請求項15】 NOx貯蔵器(4;7)が第1の触媒(2)と第2の触媒
(6)との間に配置され、熱交換器(3)が第1の触媒(2)の上流か、または
第1の触媒(2)とNOx貯蔵器(4;7)との間に配置されることを特徴とす
る、請求項14に記載の排気ガス触媒システム。 - 【請求項16】 付加的な熱交換器(8)が内燃機関(1)と第1の触媒(
2)との間に配置されることを特徴とする、請求項15に記載の排気ガス触媒シ
ステム。 - 【請求項17】 第1の触媒(2)および第2の触媒(6)が各場合に三元
触媒として設計され、第1の触媒(2)は好ましくは非常に低い酸素貯蔵容量を
有することを特徴とする、請求項14から16の1つに記載の排気ガス触媒シス
テム。 - 【請求項18】 NOx貯蔵器(4;7)および第2の触媒(6)は一体化
されることを特徴とする、請求項15から17の1つに記載の排気ガス触媒シス
テム。 - 【請求項19】 NOx貯蔵器(4;7)は触媒三元コーティングを有する
ことを特徴とする、請求項14から18の1つの記載の排気ガス触媒システム。 - 【請求項20】 熱交換器(3;8)は5kWから50kWの冷却能力を有
することを特徴とする、請求項14から19の1つに記載の排気ガス触媒システ
ム。 - 【請求項21】 熱交換器(3;8)は向流型熱交換器として設計される、
請求項14から20の1つに記載の排気ガス触媒システム。 - 【請求項22】 熱交換器(3;8)は二重壁チューブとして設計され、排
気ガスがその内部を流れ、冷却剤が二重壁によって形成されたケーシング内を流
れることを特徴とする、請求項21に記載の排気ガス触媒システム。 - 【請求項23】 熱交換器(3;8)は排気管(5)のリブ付きチューブと
して設計された部分であり、冷却剤が前記部分のまわりを流れることを特徴とす
る、請求項14から21の1つに記載の排気ガス触媒システム。 - 【請求項24】 冷却剤は水または空気であり、強制された流れとして熱交
換器(3;8)を流れる、請求項22または23に記載の排気ガス触媒システム
。 - 【請求項25】 内燃機関(1)に割当てられた排気ガスターボチャージャ
(9)からの吹出された空気が熱交換器(3;8)を流れることを特徴とする、
請求項24に記載の排気ガス触媒システム。
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20090911 |