JP2006519952A

JP2006519952A - 内燃機関の排気系統に組み込まれた還元型触媒コンバータにアンモニアを供給する装置

Info

Publication number: JP2006519952A
Application number: JP2006502601A
Authority: JP
Inventors: ヘルマン−ヨーゼフシュルテ，; ヨヘンコル，; フランツクラフト，
Original assignee: ハーヨットエスファールツォイクテクニックゲーエムベーハーウントコーカーゲー
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2006-08-31
Also published as: US20050274108A1; BRPI0406498A; EP1594595A1; DE20308348U1; ES2335766T3; DE502004010291D1; EP1594595B1; WO2004073840A1; KR20050100693A

Abstract

本発明は、内燃機関とくにディーゼルエンジンの排気系統に組み込まれた還元型触媒コンバータに気相のアンモニアＮＨ３を供給する装置に関する。この装置は、熱供給下でＮＨ３を遊離する前駆物質３、３’、３”たとえばカルバミン酸アンモニウムを貯蔵する容器であって、出口側が供給管１２を経由して排気系統に接続されている容器を備え、さらにＮＨ３前駆物質３、３’、３”の熱分解によるＮＨ_３遊離を生じるためのヒータ４を備える。本装置にとって決定的事項は次の通り。本装置１、３０は、容器２、３１、３１’内に配置されて制御ユニットに接続された電気ヒータ４を備える。容器２内にはヒータ４とＮＨ３前駆物質３、３’、３”とが配置されている。しかもこの両者は、熱分解によってＮＨ３を遊離するためのＮＨ３前駆物質３、３’、３”の加熱が、ヒータ４の加熱された少なくとも１つの表面６からＮＨ３前駆物質３、３’、３”への直接の熱移動によって行われるように配置されている。

Description

本発明は、内燃機関とくにディーゼルエンジンの排気系統に組み込まれた還元型触媒コンバータに気相アンモニアを供給する装置であって、出口側が供給管を介して排気系統に接続され、熱供給下でＮＨ_３を遊離する前駆物質たとえばカルバミン酸アンモニウムを貯蔵する容器を備え、さらに、熱分解によりＮＨ_３前駆物質のＮＨ_３遊離を生じるためのヒータを備える装置に関するものである。

一酸化炭素（ＣＯ）、粒子状物質、炭化水素（ＨＣ）とならんで、とくに窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）は、環境に危険なものとして直接排出される主たる有害物質である。これらの物質は、内燃機関とくにディーゼルエンジンを運転する際に生じる。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排ガスでは酸素が過剰であるため使用できない。この理由から、ディーゼルエンジンにおける窒素酸化物排出の還元のため、ＳＣＲ触媒コンバータ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ−Ｋａｔａｌｙｓａｔｏｒ；選択式還元型触媒コンバータ）が開発された。このコンバータでは、供給された還元剤すなわちアンモニア（ＮＨ_３）を用いて、排出窒素酸化物を大気本来のＮ_２とＨ_２Ｏに還元する。

気相アンモニアを自動車の内燃機関の排気系統に供給するこの種の装置は、ＤＥ１９７２０２０９Ｃ１から知られている。この脱窒装置は、気密かつ耐圧性のコンバータを備える。このコンバータには、熱分解によりＮＨ_３を遊離する物質、または熱分解によりＮＨ_３を遊離する物質混合物、いわゆるＮＨ_３前駆物質、が存在する。この物質にはたとえばカルバミン酸アンモニウムを想定することができる。このコンバータは、供給管を経由してディーゼルエンジン排気系統に接続され、この供給管は、排ガスの流れる方向に見てＳＣＲ触媒コンバータの入口の前で排気系統に流れ込む。配量装置としては、制御ユニットで作動されるパルス弁を設けているので、定められたエンジン動作特性値に応じて、必要な量のＮＨ_３を排ガス流に吹き込むことができる。このコンバータ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熱コイルに囲まれている。このヒータは、供給管と排出管を経由して、ディーゼルエンジンの冷却水循環に組み込まれている。

たとえばＮＨ_３前駆物質として用いられるカルバミン酸アンモニウムを加熱することにより、この物質はＮＨ_３とＣＯ_２に分解する。このガス混合物は、相応の内部圧力が形成されるまで耐圧性の反応容器に集められる。反応容器中にある特定の内部圧力が得られると平衡状態が生じるので、カルバミン酸アンモニウムはそれ以上分解されない。このエンジンのヒータを通過する冷却水の温度は通常８０〜１００℃であるが、このエンジンが運転条件下にあるとき、反応容器内は平衡状態に対応する圧力、すなわち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を動的に運転する場合に排ガス流に吹き込むため、充分な量のＮＨ_３を供給できるように、コンバータを同時に反応ガス貯蔵装置としても用い、特定の量の反応ガスないしその中に含まれるＮＨ_３を貯蔵する。

したがって先に知られているこのシステムは、次の原理で動作する。すなわちコンバータにある程度の量のＮＨ_３をある程度の圧力の下に貯蔵し、この量の中から、そのときどきに排ガスを脱窒するのに必要な量のＮＨ_３を採取して、排気系統に入れるという原理である。ＮＨ_３を圧力容器に入れて同伴するのに比べて、この先に知られているシステムが有利なのは、そこに存在するＮＨ_３が、圧力容器で同伴される量より相対的に少なくてすむからである。

さらには、ＮＯ_ｘ還元のためＮＨ_３前駆物質からのＮＨ_３遊離を、「ジャスト・イン・タイム」で行う装置が知られている。この装置はたとえばＤＥ３４２２１７５Ａ１から知られている。ＮＨ_３の生成はＮＨ_３前駆物質を加熱して行い、この場合、エンジンのそのときどきの負荷状態に応じて必要な量だけのＮＨ_３を生じる。ＤＥ３４２２１７５Ａ１では、そのときどきに必要なＮＨ_３量の配量を、加熱出力の制御によって行う。ＮＨ_３前駆物質の貯蔵は、この従来の技術によれば、加熱可能な分解スペースに後置された容器で行い、このスペースでＮＨ_３前駆物質の熱分解を行う。この分解スペースの出口側は、供給管を経由して、内燃機関の排気系統に接続されている。ヒータとしては、電気抵抗ヒータまたは赤外線放射器が提案されている。

たしかにこの先に知られた装置は、定置型の設備に、すなわち一般的に負荷変動が少なく、負荷変動があるとしても前もって指定された負荷変動が加えられるだけであるような設備に用いるには適している。移動性のある分野での使用、たとえば商用車や乗用車での使用には、この先に知られた技術の使用は合目的でない。なぜならばこのシステムの反応時間が遅すぎて、このシステムは、道路交通における予期できない、そして次々と迅速に生じるエンジン負荷変動に対応するには緩慢過ぎる。しかもこのエンジン負荷変動にはＮＯ_ｘ排出量の変動がともなうからである。この場合ある特定の時点でエンジン運転状態を検出し、そこからある特定のＮＨ_３配量を計算したら、まずＮＨ_３ガス混合物を生成するため、ＮＨ_３を遊離する物質を分解スペースに供給し、そこで加熱しなければならない。しかし道路交通とくに都市交通においては、エンジンは恒常的な、しかも予知できない負荷変動にさらされるので、最終的に供給されるＮＨ_３量は、それまでの間に変化したエンジン運転状態に適合されていない。供給されるＮＨ_３が少なすぎれば、それによるＮＯ_ｘ還元も実行が制限される。供給されるＮＨ_３が多すぎれば、酸化されていないＮＨ_３が触媒コンバータから流れ出る。

上記の背景技術を出発点として、本発明の課題は、冒頭に挙げた装置を次のように発展させることである。すなわち、内燃機関の排気系統に組み込まれた還元型触媒コンバータに供給するため、必要とされるＮＨ_３配量を気相で、この装置により準備できるようにすること、そして、この装置をとくに内燃機関を動的に運転する場合の使用に適するものとすることである。

この課題は、冒頭に挙げた種類の装置であって、容器内に設けられて制御ユニットに接続された電気ヒータを備え、容器内でヒータとＮＨ_３前駆物質が、熱分解によってＮＨ_３遊離するためのＮＨ_３前駆物質の加熱が、加熱された少なくとも１つのヒータ表面からＮＨ_３前駆物質への直接の熱移動によって行われるように配置される装置によって解決される。

この装置は、ＮＨ_３前駆物質とヒータを１つの容器内にまとめ、両者が相互に直接接触する配置とする。これによりこのシステムは基本的に１つの閉じたシステムとなり、ＮＨ_３前駆物質の加熱は連続流瞬間湯沸し器の原理によるものではなくなる。このヒータはたとえば電気抵抗によるヒータであって、そのヒータ要素、たとえばヒータプレートがＮＨ_３前駆物質に直接接触するものとすることができる。このＮＨ_３前駆物質は基本的に液体であっても固体であってもよい。しかし実用上の理由から、固体のＮＨ_３前駆物質を用いるのが好ましい。この固体の物質は成形体とし、その端面がヒータのヒータ要素に接触するものとすることができる。

ヒータまたはそのヒータ要素からその隣接するＮＨ_３前駆物質に、直接に熱移動が行われることによって、内燃機関のそのときどきの運転状態に応じて、ＮＨ_３を含む反応ガス量を短時間で供給し、こうして燃焼の際に生じる窒素酸化物を、還元型触媒コンバータで還元することができる。直接熱移動の結果として、たとえばＮＨ_３前駆物質をヒータ要素の表面に直接隣接させることによって、ヒータ要素に隣接するＮＨ_３前駆物質の領域が迅速に加熱されるだけではない。この領域の加熱を、わずかなエネルギー消費で行うこともできる。

このような装置を用いれば、そのときどきに必要な量の反応ガスないしはＮＨ_３をジャスト・イン・タイムで生成することができるので、負荷状態に応じて、そのときどきに必要なＮＨ_３量を供給できる。この装置を用いる場合、還元型触媒コンバータのＮＨ_３貯蔵能力を、次のような形で活用することができる。すなわち、内燃機関たとえばディーゼルエンジンを運転する場合、還元型触媒コンバータのＮＨ_３装入量が検出されて、それがある１つのレベルに維持されるようにする。このレベルとは、負荷が大きく飛躍して変動しても、そのとき生じる窒素酸化物を脱窒するに十分な量のＮＨ_３が供給され、この場合この制御方法では、ＮＨ_３装入に対する還元型触媒コンバータの貯蔵能力と、ＮＨ_３を発生する装置の遅反応性とが、特性値として考慮される。したがって還元型触媒コンバータのＮＨ_３貯蔵能力を活用することにより、ＮＨ_３を発生するための前記の装置は、その応答挙動が基本的にさらに短いものを設計することができる。なぜならばＮＨ_３ピーク需要を、還元型触媒コンバータ内に貯蔵されたＮＨ_３によっても、カバーできるようになるからである。

電気ヒータを設けることが合目的なのは、このヒータの応答挙動が速いからだけではなく、作動も簡単だからである。この目的でこのヒータを制御ユニットに接続し、制御ユニットを介してヒータを作動するものとする。この作動は、たとえばオン／オフスイッチングおよび／またはヒータ出力の調節によって行うことができる。

ＮＨ_３のこのようなジャスト・イン・タイム生成は、安全関連の要件からも求められる。気相で存在するＮＨ_３の量が最小限に抑えられるからである。

ＮＨ_３前駆物質が固体、たとえば棒状の成形体として容器内に収められている場合、１つのピストンがこの成形体に対して、ヒータ要素表面の方向にある程度の加圧力を加えるのが合目的である。そうすれば、この装置のいかなる運転状態においても、またこの装置を自動車に用いる場合、通行しにくいような走行区間であっても、ＮＨ_３前駆物質とヒータ要素表面との接触が確保される。このようなコンセプトの場合、この容器を、１つのピストンによって、互いに気密に分離された２つの容器部分に分けるのが合目的である。一方の容器部分には、ＮＨ_３前駆物質がヒータとともに存在する。１つの実施例では、他方の容器部分を、必要なないしは所望の加圧圧力を供給する外付け装置に接続し、これによりたとえばこの容器部分に圧力を加える。この外付け装置は外付けの圧力貯蔵装置とすることができ、たとえば窒素バネの種類に従って形成する。圧縮空気システムを備える自動車、たとえば圧縮空気ブレーキを持つ貨物自動車に本装置が車載されている場合、後者の容器部分をこの圧縮空気システムに接続することができる。この圧縮空気系統のコンプレッサを介して、必要な圧力を供給する。場合によっては、圧縮空気系統と後者の容器部分との間に減圧弁を設けることができる。基本的に、上記容器部分を油圧システムに接続して、所望の加圧圧力をこの油圧システムを介して供給することができる。同様に、正圧のかかっている媒体、たとえば窒素をこの容器部分に充填して、必要な加圧圧力をこの容器部分自体から供給することもできる。ガススペースとして応答する容器部分には、たとえば窒素充填による圧力が存在する。この圧力に対して、他方の容器部分に含まれるカルバミン酸アンモニウムの消費量と、それにともなう体積減少とから、評価を加えることができる。カルバミン酸アンモニウムの消費は、ガススペースの増大と圧力減少とを生じる。この圧力減少は、ガススペースの体積増加と、カルバミン酸アンモニウムが消費される場合はカルバミン酸アンモニウムを収める他方の容器部分の体積減少に比例する。

好ましい方法として、成形体として用いられるＮＨ_３前駆物質に対する圧力を、機械的方法によって加えることもできる。たとえばパンタグラフ機構駆動装置またはスピンドル駆動装置を設け、この容器を２つの容器部分に分離するピストンに、直接にまたは加圧板を介して作用することができる。このような加圧装置を駆動するアクチュエータは、容器外部に設けるのが合目的であり、取り外し可能なカップリングを介して加圧装置と連結される。合目的な方法としてこの駆動を、セルフロック式の伝動装置、たとえばスピンドル駆動装置を介して行って、パンタグラフ機構を駆動する。このような機械的加圧システムを用いる場合、ピストンと加圧装置との間に圧力センサを設け、検出された圧力を介して、このような機械的加圧装置のアクチュエータを作動することができる。

容器を前記２つの容器部分に分離するピストンとしては、ベローズピストンを用いるのが合目的である。その利点は、とくに両者容器部分間が気密であることと取り扱いやすいことである。

このヒータは、合目的な方法としてヒータ要素としてのヒータプレートが、ＮＨ_３前駆物質に、好ましくは成形体の同前駆物質に接触するものとする。このヒータプレートは流路および／または流路状の凹みを備える。ヒータ運転の際に形成された反応ガスは、これらを経由して、ヒータ要素と成形体の間の接触面から流出することができる。この種の流路または流路状の凹みは基本的には不要である。なぜならば、熱分解によって形成されたＮＨ_３を含む反応ガスは、熱分解の際に生じた圧力だけで、発生箇所から流出する傾向があるからである。しかし時には結果として、熱分解の際にＮＨ_３前駆物質成形体が、加圧装置によって生じる逆圧によっては、短時間ながらヒータ要素の表面から持ち上げられることがある。したがって流路および／または流路状の凹みを設け、熱分解によって形成された反応ガスを、この通路を経由して発生個所から排出するのは合目的である。

もう１つの実施形態では、ヒータ要素たとえばヒータプレートの表面が、固体ＮＨ_３前駆物質側にエンボス状構造を設けるものとする。ヒータ要素で多数の凸部をなすエンボスは、ヒータ要素が最初に加熱されると、それに接触するＮＨ_３前駆物質表面に食い込む。そしてＮＨ_３前駆物質への熱移動の際に働く表面積を拡大し、同時に成形体として存在するＮＨ_３前駆物質をヒータ要素の面に固定することができる。

通常ヒータを運転する際には、熱分解によって遊離したＮＨ_３を排気系統に送り込むため、容器の出口は開かれている。そのため熱分解の際に生じたガス圧力と、排ガス流中の圧力との間には、少なからぬ圧力勾配が存在する。この圧力差は、熱分解によって形成された反応ガスをその発生個所から自動的に排出するのに、有利に作用する。

上記の装置は加熱可能な表面を少なくとも１つ持つヒータを備える。たとえばこの表面を、上記に説明したように、ヒータプレートとして形成することができる。１つの発展形では、このヒータに複数の加熱可能な表面を設け、それら表面に専用のＮＨ_３前駆物質成形体を１つずつ割り当てる。このようなヒータの加熱可能な表面は、一緒にまたは互いに独立して作動可能なものとすることができる。もう１つの発展形では、この装置に合計複数の容器を設け、それら容器はそれぞれ専用のヒータを備えることを意図する。そしてこのヒータを一緒に、かつ／またはカスケードとして運転できるものとする。互いに独立して作動可能なヒータを複数用いる場合、または互いに独立して作動可能なヒータ要素を複数持つヒータを１つ用いる場合、大量のＮＨ_３生成の制御を、動的なエンジン負荷状況に適合させることができる。

上記の装置の容器は、容器を開くためのつなぎ目を備えるのが合目的である。容器中に好ましくは固体として含まれるＮＨ_３前駆物質を消費した後、この容器を開き、新しいＮＨ_３前駆物質を充填し、再び密封できるものとする。このような容器は、再使用システムで用いるのにも適している。その場合容器は１つの閉じたシステムを形成し、そこから流出するのは、ＮＨ_３を含む反応ガスだけとなる。しかも流出するのは、排気系統につながる供給管に、容器がカップリングを介して接続されている場合だけである。したがってこのような実施形態の場合いかなる時点でも、ユーザがＮＨ_３の流出にさらされることはない。容器を交換容器として形成するというコンセプトが意図される場合、容器が簡単には開かず、特定のツールによってのみ開くように、両者容器部分の結合部を形成するのが合目的である。これはたとえばクランプリングまたは相応の縁曲げによって行うことができる。この縁曲げによって、各容器部分の互いに結合されるべき両者のフランジが、形状的把握により結合されるものとする。そうすれば容器の開放と再充填は工場で行われることになり、これには、容器が常温まで冷えてから開放できるという利点がともなう。自動車が使用中、または運転温度にあっても、この自動車に対して容器を問題なく交換できる。補助的なカップリング部品を結合するだけで接続できるからである。カップリング部品は、とくにソレノイドバルブが容器内に組み込まれている場合、まったく圧力のない状態で接続できる。さらにはソレノイドバルブを容器の一体化部品として形成することもできる。

下記に添付の図面を引用しながら実施例を用いて本発明を説明する。

図１では、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型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、参照番号１を付す。この装置１は、ＮＨ_３前駆物質の熱分解によりアンモニア（ＮＨ_３）を生じる容器２を備える。図示の実施例の場合、カルバミン酸アンモニウム成形体３、３’、３”を、ＮＨ_３前駆物質として用いている。カルバミン酸アンモニウム成形体３、３’、３”はディスク状の物体であって、粉末状カルバミン酸アンモニウムのプレス成形によって、図示の形状となっている。このカルバミン酸アンモニウム成形体３、３’、３”は丸い断面を持つ。容器２の中には３つのカルバミン酸アンモニウム成形体３、３’、３”が配置され、最も下に位置するカルバミン酸アンモニウム３は、すでにある程度の量が消費されている。容器２の中にはヒータが配置され、このヒータ全体に参照番号４を付す。ヒータ４は電気抵抗ヒータであって、図１ではこのヒータのうち、ヒータプレート５の断面を模式的に、そして電気系統構成部品を省略して示す。図１に示すヒータプレート５の上面は、この実施例の場合、ヒータによって加熱可能ないし加熱済みの表面６である。この表面６の上に最も下に位置するカルバミン酸アンモニウム成形体の下面が載っているが、この成形体が３、３’または３”のいずれであるかは、装置１の運転によってどのくらいのカルバミン酸アンモニウムが消費されているかによる。ヒータプレート５は、ここには詳細を示さない方法で、接続ケーブル７およびコネクタ８を介して、やはりここには詳細を示さない方法により、制御ユニットに接続されている。制御ユニットを介してヒータ４は作動され、この作動は、同期されたオン／オフスイッチングおよび／または出力調節によって行うことができる。

ヒータ装置４のヒータプレート５は、このプレートを貫通する流路Ｋを多数備え、合目的な方法としてこの流路は断面を円形とする。複数の流路Ｋはそれぞれがリング構造であって、全体としてヒータプレート５の流路Ｋは、互いに同心円状に配置された複数のリング構造として配置されている。それに加えてヒータプレート５の上面６には、半径方向に伸びる流路状のくぼみＫＶが施されている。流路Ｋと流路状のくぼみＫＶは、ヒータプレート５の上面６と容器２の出口領域９とを接続する通路として用いられる。容器２の出口領域９では、装置１の運転によって生じた反応ガスを容器２からここで取り出すことができる。したがって出口領域９には、容器２の本来の出口１０も設けられている。出口１０は、バヨネットカップリング１１を介して供給管１２に接続され、この供給管は、排気系統の流れ方向に見て還元型触媒コンバータの前で、ディーゼルエンジンの排気系統に合流する。バヨネットカップリング１１は、そこで両方のカップリング部品１３、１３’が基本的に気密に密封されるカップリングとする。これらカップリング部品は、両方のカップリング部品１３、１３’が、正しく気密に互いに連結されてはじめて開く。供給管１２には、ソレノイドバルブ１４が組み込まれている。このソレノイドバルブは、図示の実施例の場合、熱分解によって形成された反応ガスの流れ方向に見て、カップリング１１の後ろに配置されている。

容器２の中にはベローズピストン１５が配置され、このベローズピストンは、容器内部を第１の容器部分１６と第２の容器部分１７とに区分する。このベローズピストン１５によって両者容器部分１６、１７は互いに気密に分離されている。第１の容器部分１６には、ヒータ４とカルバミン酸アンモニウム成形体３、３’、３”、出口１０がある。他方の容器部分１７にはその全体に参照番号１８を付した加圧装置が含まれ、この加圧装置によってカルバミン酸アンモニウム成形体３、３’、３”は、ヒータ４の表面６に向かって圧力を加えられる。これは次の目的に用いられる。すなわち、最も下に位置するカルバミン酸アンモニウム３の下面に、ある程度の初期応力をかけて、ヒータ４の上面６に接触させる。これにより、必要な量の還元剤（ＮＨ_３）を供給する装置１の反応性を支援する。図１の実施例の場合、機械的に動作する装置を加圧装置１８として用いている。この装置は、ねじ付きスピンドル２０で駆動可能なパンタグラフ機構１９を備える。ねじ付きスピンドル２０を介する駆動装置によってスピンドルドライブが形成され、この駆動装置はセルフロック式である。したがって戻り運動は、このねじ付きスピンドル２０に相応の駆動を行うことによってのみ可能である。パンタグラフ機構１９は、そのねじ付きスピンドル２０の反対側末端に加圧板２１を備え、この加圧板は、ベローズピストン１５の背面に、したがって上に位置するカルバミン酸アンモニウム３’の上面に押し付けられる。ねじ付きスピンドル２０は容器２から一部が出ていて、取り外し可能なカップリング２２を介してアクチュエータである電動機２３に接続されている。電動機２３はここには詳細を示さない方法により制御ユニットに接続され、加圧装置１８を動作させるための電動機２３の作動は、この制御ユニットを介して行われる。この制御ユニットは、ヒータ４を作動するのに用いられるのと同一の制御ユニットとすることもできる。ねじ付きスピンドル２０が容器２から出ている開口部は、同時に容器部分１７の通気にも用いられる。

ヒータ４の上面６と、そのときどきに最も下に位置するカルバミン酸アンモニウム成形体３、３’、３”との間で、加圧圧力をいつも等しく設定できるよう、加圧装置１８は、加圧装置１８を介して加えられる圧力を検出する手段を備える。これはたとえば電動機２３の特性値、たとえばその電流消費を評価することにより行うことができる。同様に、加圧板２１とベローズピストン１５背面との間に圧力センサを設けて、加圧装置１８がカルバミン酸アンモニウム成形体３、３’、３”に加える圧力を検出することもできる。このような圧力センサのアウトプット信号が、電動機２３を作動する制御ユニットに作用するので、検出されたその時点の圧力に応じて電動機を作動することができる。

容器２は、図示の実施例の場合、複数の部分からなっており、上部のカバー部分２４、円筒形の中央部分２５、出口側の部分２６を含む。中央部分２５は、各１個のフランジ結合部により、カバー部分２４および下側部分２６と結合されている。中央部分２５とカバー部分２４の結合部を密封するためにベローズピストン１５の末端が用いられ、この末端は、互いに向かい合うフランジ面の間にはめ込まれ、保持されている。中央部分２５とカバー部分２４との結合部は、クランプリング２７によって密封されている。中央部分２５と下部部分２６との結合部も同様な構造であるが、ここでは互いに向かい合うフランジ面を密封するためシールリング２８が用いられている。この結合部もまた、クランプリング２９によって気密に密封されている。クランプリング２７、２９は、簡単には開くことができない設計になっている。容器２の開放を装置１のユーザが行うことは、予定されていない。容器２は交換容器として構想されている。容器２に含まれるカルバミン酸アンモニウムを消費した後は、この容器を取り外して、充填済みのものと交換する。容器取り外しは、バヨネットカップリング１１、カップリング２２を取り外して、装置１の自動車側構成部品からコネクタ８を引き抜くことにより行う。

加圧装置１８は、図示した実施例の場合、ヒータ４を正しくポジショニングして容器部分１６中に保持するためにも用いられる。ヒータ４は、容器２中でヒータプレート５を心合わせするため、そして容器２の下端とヒータプレートの間に間隔を取るため、ピンＺを備える。このピンは、ヒータの表面６の反対側、および半径方向に配置する。表面６の反対側に成形されたピンＺは、出口領域９を形成するために用いられ、この出口領域は、流路Ｋおよび流路状のくぼみＫＶから導かれた反応ガスのコレクタとして用いられる。加圧装置１８からカルバミン酸アンモニウム成形体３、３、３”に加えられた圧力によって、ヒータプレート５も同様に図示のポジションに保持される。容器２の下部部分２６内側には、ヒータプレート５に接して凹みＮが施され、半径方向に突出するピンＺの１本がこの凹みと噛み合って、差し込みの際の印とし、ねじれないよう固定する。図１はこのことを示す。

ディーゼルエンジンを運転する場合、直接または間接的方法で、排ガスのＮＯ_ｘ含有量を測定する。その数値に応じて、装置１を介して特定量のＮＨ_３を、熱分解によって形成された反応ガスの一部として、還元型触媒コンバータの前で排気系統に送り込む。これは排ガス流に含まれる窒素酸化物が、還元に充分な量のＮＨ_３を得られるようにするためである。装置１が運転されていない間は、ソレノイドバルブ１４が閉じている。必要なＮＨ_３を得るため、カルバミン酸アンモニウムを熱分解するヒータ４を作動するとともに、ソレノイドバルブ１４が開かれる。ヒータ４は次のように設計されている。すなわち、ヒータ要素５の上面６が迅速に、合目的な方法としてはほとんど自然発生的に運転温度に達し、その結果、加圧装置１８の圧力下で、カルバミン酸アンモニウム成形体３のうち上面６に接触するカルバミン酸アンモニウムが（図１参照）、熱分解されるように設計されている。この熱分解の結果、下部の容器部分１６に圧力が形成される。バヨネットカップリング１１とソレノイドバルブ１４が開いていることによって、容器部分１６と排気系統が直接に接続されているので、排気系統に対して圧力差が存在する。その結果、表面６で形成される反応ガスは、流路Ｋと流路状のくぼみＫＶで得られた通路に支援されて、コレクタとして用いられる容器２の出口側領域９に、そして出口１０を通って排気系統に流出することができる。形成された反応ガスの排出に必要な通路を設計することにより、形成される逆圧は可能な限り小さく抑えられる。これはたとえば流れ断面積を相応の大きさとすることにより達成される。

したがって上記の方法の場合、形成された反応ガスは、貯蔵されることなく排気系統に供給される。同様に、ヒータ４に通電することにより開始される熱分解によって、下部の容器部分１６に圧力が形成されることはない。ソレノイドバルブ１４は、ヒータ４をスイッチオフして初めて閉じられる。

カルバミン酸アンモニウム成形体３の下面がヒータプレート５の上面６に直接隣接することにより、カルバミン酸アンモニウムの非常に迅速な加熱が得られる。なぜならばただ１つの熱移動、しかもヒータ要素５からカルバミン酸アンモニウムへの熱移動さえ確保すればよいからである。この熱移動は、加圧装置１８から供給された加圧圧力によって促進され、この圧力によって、カルバミン酸アンモニウム３の下面がヒータプレート５の上面６に接触する。この結果、カルバミン酸アンモニウム３の平滑な下面が、ヒータプレート５の上面６に常に接することにもなる。成形体３、３’、３”の製造時の表面粗さ、またはその後日の取り扱いの際に生じた表面粗さがあっても、ヒータ４の運転時に、これらの不規則な表面がヒータプレート５の上面６と接触するとき、平滑化される。

カルバミン酸アンモニウムが、ヒータプレート４の上面６や排出されるガスに接して熱分解される結果、加圧装置１８によって当初供給された加圧圧力が減少する。このカルバミン酸アンモニウム消費は、たとえば加圧プレート１６とベローズピストン１５背面との間の圧力センサによって検出できる。こうして圧力降下が検出されると、所望の加圧圧力が再び生じるまで、ねじ付きスピンドル２０を駆動するため、そしてパンタグラフ機構１９を広げるため、電動機２３を作動する。図示の実施例における加圧装置１８によれば、この加圧装置に変位センサを組み合わせ、このセンサを介して容器２におけるその時点のカルバミン酸アンモニウム貯蔵量を推定することができる。この目的で個別のセンサを用いることができるが、変位した距離を算出するため、電動機の特性値を評価して変位を把握することもできる。電動機２３が整流直流モータであれば、直流リプルの検出（ｒｉｐｐｅｌｃｏｕｎｔｉｎｇ）を介して、加圧板２１の変位測定ないし位置特定を行うことができる。

図２は、図１の装置がカルバミン酸アンモニウム貯蔵量を大幅に消費したものを示す。カルバミン酸アンモニウム成形体３、３’は消費済みである。ここではカルバミン酸アンモニウム成形体３”の残余がヒータプレート５の上面６に接触している。パンタグラフ機構１９は大きく繰り出されているが、依然として所望の加圧圧力を、カルバミン酸アンモニウム成形体３”の背面に加えている。

装置１の容器２は、その自動車に割り当てられた交換ステーションに収められている。この場合本装置の容器と自動車側構成部品との間の各つなぎ目は、次のように構想されている。すなわち、容器２を差し込み、ないしそのようなステーションから取り出すとき、必要な連結および／または供給管が、自動的に取り付けないしライン形成されるように考えられている。

図３は、本発明対象物のもう１つの実施例である。ディーゼルエンジンの排気系統に組み込まれた還元型触媒コンバータにアンモニアを供給するこの装置３０の場合、２つの容器３１、３１’が設けられ、それぞれにおいてカルバミン酸アンモニウムの熱分解が行われる。容器３１、３１’は、基本的に上記実施例で説明した容器２と同様な構造である。容器２と異なるのは、容器３１、３１’の場合それぞれヒータに対向する容器部分が、この装置３０を用いる貨物自動車の圧縮空気システムに接続されている点である。この圧縮空気システムは、図３では参照番号３２を付す。圧縮空気システム３２には、必要な空気圧をシステム内に供給するコンプレッサも属している。この圧縮空気システムを経由して、この後部の容器部分は空気圧を加えられ、この空気圧が、カルバミン酸アンモニウムと、ヒータ要素のカルバミン酸アンモニウム側との間に加圧圧力を供給する。この容器部分は、圧縮空気システム３２の圧縮空気タンクに接続されるのが合目的である。

装置３０の場合、２つの容器３１、３１’が用いられ、これらはいずれも専用のヒータを備える。両者容器３１、３１’のヒータは互いに独立して作動でき、したがって個別にも、一緒にも、またはさまざまに出力を変えて作動することができる。そしてディーゼルエンジンのある特定の負荷状態の場合、とくに負荷変動が早い場合でも、ＮＨ_３需要に適切に対処できる。この目的のため、これらヒータを１つの共通な制御ユニットに接続する。

図４はもう１つの実施形態における容器３３を示す。この容器は基本的に装置１の容器２と同様な構造である。したがって同じ要素には同じ参照番号を付す。容器３３が装置１の容器２と異なるのは、ベローズピストン３４が、容器３３の出口３５の領域に保持されている点である。容器３３はただ１つのつなぎ目を備え、このつなぎ目によって容器３３は２つの容器部分３６および３７に区分される。このコンセプトの利点は、容器２に残るスペースが最小限に減少することと、容器２がつなぎ目を基本的にただ１つだけ備えればよいことである。これにより容器内では、容器２が温度降下するとき形成済みの反応ガスがカルバミン酸アンモニウムを再形成する可能性があるスペースも最小限に減少する。

図３の装置３０の代わりに、次のような装置も構想することができる。すなわち容器をただ１つだけ使用し、容器のヒータは、２つの互いに対向する加熱面を持つヒータプレートをただ１つだけ、あるいは互いに独立して作動可能な２つの個別のヒータプレートを備えるものとする。加熱されたそれぞれの表面に、カルバミン酸アンモニウムから必要に応じて所望の加圧圧力を加えるため、この容器は２つのピストンを備え、このピストンはベローズピストンとするのが合目的である。

上記の装置の一部として容器を２つまたはそれ以上設ける場合の利点は、必要なＮＨ_３のピーク需要に対処できるだけでなく、とくに自動車内で利用できる取り付けスペースをこの方法により有効に活用できることである。容器が交換容器である場合、これら交換容器は、容器を複数使用しても当然小型かつ軽量なので、基本的に取り扱いが簡単になる。

上記の加圧装置、すなわち機械的に作用するパンタグラフ機構の代わりに、やはりその他の装置を使用することもできる。たとえばスピンドル、とくにテレスコープスピンドルなどである。

ここには図示しないもう１つの実施例では、ソレノイドバルブが容器に割り当てられ、ヒータとの熱伝導的結合が維持される。この実施形態の場合、ヒータの運転中にヒータから供給される熱が活用される。したがって、運転停止中に反応ガス混合物がカルバミン酸アンモニウムを再形成して、ソレノイドバルブに沈着しても、それをあらためて熱分解するので、ソレノイドバルブの操作性はいかなる場合も確保される。

自動車ディーゼルエンジン排気系統に組み込まれた還元型触媒コンバータにアンモニア（ＮＨ_３）を供給するもう１つの装置３８を、図５に示す。装置３８は、上記の装置１、３０と同様に動作する。その際ＮＨ_３前駆物質３９に加圧するため、ベローズピストン４０によって分離された容器部分４１が、圧縮空気供給装置Ｄに接続されている。前駆物質３９のそば、ピストン４０のこちら側にヒータを設け、やはりこのヒータ全体に参照番号４２を付す。ヒータ４２は輻射加熱装置を備える。この輻射加熱装置は、図示の実施例の場合、３つの個別のヒータ要素４３、４３’、４３”から構成されている。これらヒータ要素はそれぞれ１つのアルキメデス螺旋を描き、互いに重なり合って配置されている。ヒータ４２の個別のヒータ要素４３、４３’、４３”は互いに独立して作動できるので、その時々に通電されているヒータ要素４３、４３’、４３”の個数に応じて、生成される熱出力および／または加熱段階の経過を制御することができる。ヒータ４２は、装置３８において参照番号４４を付した容器の下部容器部分に設けられる。ヒータ要素４３、４３’、４３”の下には断熱材４５がある。輻射加熱装置より上、かつそれより少し離れて、ヒータ４２のその他の部分であるヒータプレート４６が設けられている。ヒータプレート４６は、図示の実施例の場合、透明なガラスセラミック素材からなるものとし、この素材はヒータ４２から生じた熱輻射線を透過する。ヒータプレート４６のカルバミン酸アンモニウム成形体３９側は、表面構造がエンボス状に処理されている。ヒータプレート４６には、容器下端に向けて管片４７が成形されている。この管片は接続流路４８を囲んでいる。この接続流路４８は、その全体に４９と付け番号された供給管に接続されている。また接続流路４８は、供給管４９の一部を形成する。

図５は、装置３８と、とくにカルバミン酸アンモニウム成形体３９を収めた容器４４とが、初回運転開始前にある状態を示す。したがってカルバミン酸アンモニウム成形体３９の下端面が、ヒータプレート４６の上面であるエンボス構造に接触している。ヒータ４２を作動して装置３８を初回運転開始した後、カルバミン酸アンモニウム成形体３９の端面のうちある程度の量が熱分解された状態となる。その結果、エンボスはカルバミン酸アンモニウム成形体３９に押し込まれ、これを固定する。

ヒータ４２は次のように設計されている。すなわち、ヒータプレート４６のカルバミン酸アンモニウム成形体３９側に生じる温度は最高でも、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ないし反応ガス混合物の熱分解温度に、達しないようになっている。これはたとえばガラスセラミックのヒータプレート４６によって行うことができる。したがってヒータ４２の場合、輻射加熱の利点は、反応が迅速であり、それにともないカルバミン酸アンモニウムの自然発生的分解が行われることであるが、これらの利点に加えて、たとえば接触加熱を用いる際のヒータの利点が得られる。

供給管４９にはバルブ５０が組み込まれている。図５はバルブ５０が開位置にある状態を示す。バルブ５０は可動要素としてペルティエ要素５１を備え、アクチュエータ５２を介してこの要素を開位置とすることができる。アクチュエータ５２はたとえば電磁石とすることができる。ペルティエ要素５１を動かせば、圧縮バネ５３に蓄えられたエネルギーによって、バルブ５０を図６に示す閉位置とすることができる。このペルティエ要素５１はその表面５４が、バルブ５０のバルブ面とアクチュエータとを形成する。ダイヤフラム５５は、図５に示すバルブ５０の開位置において、バルブスペース５６を広範囲に密封する。

バルブ５０が開位置にあるとき、熱分解によってペルティエ要素５１で形成された反応ガスは、バルブスペース５６を通って次の供給管４９に流れ、形成された反応ガス混合物はこの供給管によって排気系統に供給される。バルブ５０が図６のように閉じているとき、同時にペルティエ要素５１ではその上面５４を冷却するために流れを通す。接続流路４８を密封するシール５７−弁座−にペルティエ要素５１の上面５４が接触することによって、そして冷却により生じる凝結器効果によって、供給管の２つの枝にある反応ガスが、低温となった上面５４に導かれる。この上面はこの状況のときコールドトラップとして働く。したがってこれらの管は、ヒータ４２がスイッチオフされた後、このコールドトラップによって開放される。その結果、形成済みの反応ガスが供給管４９内でカルバミン酸アンモニウムを再形成する危険が、大幅に防止される。バルブ５０を開放するとき、または開放する直前、ペルティエ要素５１に、次のように流れを通す。すなわちこの要素がヒータ要素として働くことによって、コールドトラップ機能により形成されたカルバミン酸アンモニウムが分解し、そしてバルブ５０が正しく機能し、動くことができ、よく働くようにする。

カルバミン酸アンモニウムは、上記の装置を運転するのに好ましいＮＨ_３前駆物質である。カルバミン酸アンモニウム使用の利点は、この物質の熱分解が、７０℃を超える温度ですでにかなりの程度行われることである。熱分解温度がこのように比較的低いことは次のような利点がある。すなわち、装置を運転開始するとき、容器の出口領域、および／または供給管、および／または供給管に組み込まれたバルブなどで、カルバミン酸アンモニウムが再形成されることがある。合目的な方法として上記より高い温度に加熱された反応ガスによれば、再形成されたカルバミン酸アンモニウムは熱分解、溶解される。このような方法で、反応ガス供給に必要な通路が洗浄、開放される。

本発明の上記説明から次のことが明らかである。すなわち、上記の装置を用いれば、最小限のハードウェアコストで、ＮＨ_３前駆物質から、とくにカルバミン酸アンモニウムからＮＨ_３のジャスト・イン・タイム生成が可能である。これは次のような量でも可能である。すなわち、内燃機関たとえばディーゼルエンジンが、長時間にわたって全負荷で運転されるときでも、還元型触媒コンバータで有効な窒素酸化物の還元を行うことができるような量である。この装置を運転する際に有利な方法として、還元剤（ＮＨ_３）に対する還元型触媒コンバータの貯蔵能力を活用することができる。

内燃機関の排気系統に組み込まれた還元型触媒コンバータにアンモニアを供給する装置を示す図である。一部断面図をともなう模式図。本装置に属する容器が第１の動作ポジションにあるとき。図１の装置であるが、容器がその後の動作位置にあるものを示す図である。図１と同様な装置であるが、もう１つの実施例を示す図である。図１と同様な装置であるが、もう１つの実施例による容器を備える図である。内燃機関の排気系統に組み込まれた還元型触媒コンバータにアンモニアを供給するもう１つの装置を示す図である。一部断面図をともなう模式図。開位置にあるバルブを後置する。図５のバルブが閉位置にある場合を示す図である。

符号の説明

１装置
２容器
３、３’、３” カルバミン酸アンモニウム成形体
４ヒータ
５ヒータプレート
６表面
７接続ケーブル
８コネクタ
９出口領域
１０出口
１１バヨネットカップリング
１２供給管
１３、１３’ カップリング部品
１４ソレノイドバルブ
１５ベローズピストン
１６第１の容器部分
１７第２の容器部分
１８加圧装置
１９パンタグラフ機構
２０ねじ付きスピンドル
２１加圧板
２２カップリング
２３電動機
２４カバー部分
２５中央部分
２６部分
２７クランプリング
２８シールリング
２９クランプリング
３０装置
３１、３１’ 容器
３２圧縮空気システム
３３容器
３４ベローズピストン
３５出口
３６容器部分
３７容器部分
３８装置
３９カルバミン酸アンモニウム成形体
４０ベローズピストン
４１容器部分
４２ヒータ
４３、４３’、４３” ヒータ要素
４４容器
４５断熱材
４６ヒータプレート
４７管片
４８接続流路
４９供給管
５０バルブ
５１ペルティエ要素
５２アクチュエータ
５３圧縮バネ
５４上面
５５ダイヤフラム
５６バルブスペース
５７シールリング
Ｄ圧縮空気供給装置
Ｋ流路
ＫＶ流路状のくぼみ
Ｎ凹み
Ｚピン

Claims

内燃機関とくにディーゼルエンジンの排気系統に組み込まれた還元型触媒コンバータに気相のアンモニア（ＮＨ_３）を供給する装置において、出口側が供給管（１２、４９）を経由して排気系統に接続され、熱供給下でＮＨ_３を遊離する前駆物質（３、３’、３”；３９）たとえばカルバミン酸アンモニウムを貯蔵する容器を備え、さらにＮＨ_３前駆物質（３、３’、３”；３９）の熱分解によるＮＨ_３遊離を生じるためのヒータ（４、４２）を備える装置であって、装置（１、３０、３８）が、容器（２；３１、３１’；３３；４４）内に配置されて制御ユニットに接続された電気ヒータ（４、４２）を備えること、および、前記容器（２、４４）内で前記ヒータ（４、４２）と前記ＮＨ_３前駆物質（３、３’、３”；３１；３９）とが、熱分解によってＮＨ_３を遊離するための前記ＮＨ_３前駆物質（３、３’、３”；３９）の加熱が、前記ヒータ（４、４２）の加熱された少なくとも１つの表面（６）から前記ＮＨ_３前駆物質（３、３’、３”；３３；３９）への直接の熱移動によって行われるように配置されていることを特徴とする、装置。
前記容器（２、４４）中に含まれるＮＨ_３前駆物質は、固体、とくに棒状の成形体（３、３’、３”；３３；３９）であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
前記固体が圧力を受けながら、前記ヒータ（４、４２）の加熱された少なくとも一方の表面（６）に接触することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
前記容器（２）がピストンによって、互いに気密に分離された２つの容器部分（１６、１７）に区分され、一方の容器部分（１６）には前記ＮＨ_３前駆物質（３、３’、３”）および前記ヒータ（４）が、他方の容器部分（１７）には前記ＮＨ_３前駆物質（３、３’、３”）に機械的に作用するように設計された加圧装置（１８）が配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
加圧装置（１８）を駆動するアクチュエータ、たとえば電動機（２３）が、前記容器（２）の外部に配置され、取り外し可能なカップリング（２２）を介して、前記容器（２）内に設けられた加圧装置（１８）に接続されていることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
前記容器（３３、４４）がピストンによって、互いに気密に分離された２つの容器部分（１６、１７）に区分され、一方の容器部分（１６）には前記ＮＨ_３前駆物質（３、３’、３”；３９）および前記ヒータ（４、４２）が配置され、他方の容器部分には圧力のかかったガス、たとえば窒素が充填されていることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
ピストンがベローズピストン（１５）であることを特徴とする、請求項４から６に記載の装置。
前記ヒータ（４、４２）が、前記容器（２、３３、４４）の前記連結管（１２、４９）につながる出口の領域に設けられたヒータプレート（５；４６）を備え、該ヒータプレートに前記ＮＨ_３前駆物質（３、３’、３”；３９）の表面（６）が接触することを特徴とする、請求項１から７の一項に記載の装置。
前記ヒータ（４２）のヒータプレート（４６）において前記ＮＨ_３前駆物質（３９）とは反対側に、電気的な輻射加熱装置（４３、４３’、４３”）が配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
前記ヒータプレート（４６）において前記ＮＨ_３前駆物質（３９）の側にエンボス状の表面構造を設けることを特徴とする、請求項８または９に記載の装置。
前記ヒータプレート（４６）が透明または半透明なガラスセラミック素材からなることを特徴とする、請求項９または１０に記載の装置。
前記容器（２、４４）はその内容物とともに、装置（１、３８）のその他の構成部品から取り外し可能であり、前記容器（２）の出口はカップリング（１３）によって前記供給管（１２、４９）に接続されていることを特徴とする、請求項１から１１の一項に記載の装置。
ヒータが複数の互いに独立して作動可能なヒータ要素を備えること、および、いずれのヒータ要素にも専用のＮＨ_３前駆物質貯蔵物が割り当てられていることとを特徴とする、請求項１から１２の一項に記載の装置。
装置（３０）が複数の容器（３１、３１’）を備え、これら容器はいずれもヒータを１つずつ持つことを特徴とする、請求項１から１３の一項に記載の装置。
作動可能なバルブ（５０）が前記供給管（４９）に組み込まれていることを特徴とする、請求項１から１４の一項に記載の装置。
前記バルブ（５０）において固定された弁座（５７）と共同作用する可動的なバルブ面（５４）が、ペルティエ要素（５１）の熱交換面であることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。