JP2009517210A - 選択的触媒還元用の多段システム - Google Patents

選択的触媒還元用の多段システム Download PDF

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Abstract

本発明の第１の態様は、酸化窒素の排出を制御する方法を含む。この方法は、ＮＯｘを含む排気ガスの流れ（１１）を生成するステップと、その排気ガスの流れを排気流路（１２）に供給するステップとを含むことができる。この方法は、さらに、アンモニアを、第１選択的触媒還元用触媒（１８）の上流側の位置点において排気流路に供給するステップを含むことができる。この場合、第１位置点において供給されるアンモニアの量は、第１位置点においてすべてのＮＯｘを還元するに必要なアンモニアの有効量の約９０％未満である。さらに、アンモニアを、第１選択的触媒還元用触媒の下流側でかつ第２選択的触媒還元用触媒（２２）の上流側の第２位置点において、排気流路に供給することができる。

Description

本発明は、全般的には排気ガスの浄化システムに関し、特に、複数の触媒を備えた選択的触媒還元システムに関する。
選択的触媒還元（ＳＣＲ）法は、エンジン、工場および発電装置における化石燃料動力システムからの窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出物を除去する方法を提供する。ＳＣＲにおいては、触媒が、排気中のアンモニアとＮＯｘとの間の反応を促進して水および窒素ガスを生成し、それによって排気ガスからＮＯｘを除去する。一般的に、排気ガスのアンモニアはＳＣＲ触媒の上流側で排気ガスの流れと混合される。アンモニアは、直接排気ガスの流れに供給するか、あるいは、適切な条件の下でアンモニアに転化し得る尿素として供給することができる。
潜在的に有害なアンモニアまたは尿素の放出を防止しながら排気ガスの流れからＮＯｘを的確に除去するために、ＮＯｘおよびアンモニアは通常ほぼ１対１の比で供給される。しかし、ＳＣＲシステムに流入するアンモニアおよびＮＯｘの量を一致させることは困難である場合が多い。さらに、この比が完全に合致したとしても、幾分かのＮＯｘは、不十分な混合、排気ガスの通過時間の短さあるいは最適ならざる触媒操作条件のために、還元されない可能性がある。従って、さらに良好なＮＯｘ除去を提供する改良型ＳＣＲシステムが必要である。
ＮＯｘ排出を制御する１つのシステムが、２００３年１２月１７日に出願された特許文献１に開示されている。特許文献１は多段のＮＯｘ還元システムを提供するものであり、このシステムは、異なる温度範囲で有効な複数の触媒で、それぞれに噴射器を付属した複数の触媒を含むことができる。
特許文献１のシステムは、ある種の用途に対しては適切なＮＯｘ排出制御を提供し得るが、いくつかの欠点を有する可能性もある。例えば、特許文献１のシステムは、還元剤の車載貯留を必要とするが、これはかなりの空間を必要とし、また危険でもある。さらに、特許文献１のシステムは、必要量以上の還元剤を使用することがあり、それによって、化学薬品を無駄に使用すると共に還元剤を環境に放出する可能性を有する。さらに、特許文献１のシステムは、ある種の用途には、最適のＮＯｘ排出制御を提供しない可能性がある。
国際公開第２００４／０５８６４２Ａ１号パンフレット
本発明は、先行技術のＮＯｘ排出制御システムの１つ以上の欠点の克服を目指す。
本発明の第１の態様は、酸化窒素の排出を制御する方法を含む。この方法は、ＮＯｘを含む排気ガスの流れを生成するステップと、その排気ガスの流れを排気流路に供給するステップとを含むことができる。この方法は、さらに、アンモニアを、第１選択的触媒還元用触媒の上流側の位置点において排気流路に供給するステップを含むことができる。この場合、第１位置点において供給されるアンモニアの量は、第１位置点においてすべてのＮＯｘを還元するに必要なアンモニアの有効量の約９０％未満である。さらに、アンモニアを、第１選択的触媒還元用触媒の下流側でかつ第２選択的触媒還元用触媒の上流側の第２位置点において、排気流路に供給することができる。
本発明の第２の態様は選択的触媒還元システムを含む。このシステムは、排気流路と、この排気流路と流体連通する第１選択的触媒還元用触媒と、この第１選択的触媒還元用触媒の下流側に配備されかつ排気流路と流体連通する第２選択的触媒還元用触媒とを備えることができる。このシステムは、さらに、第１選択的触媒還元用触媒および第２選択的触媒還元用触媒の少なくともいずれかの上流側の位置点において、アンモニアを排気流路に供給するように構成されるアンモニア生成システムを含むことができる。
本発明の第３の態様はＮＯｘ排出制御システムを含む。このシステムは、ＮＯｘ含有排気ガスの流れを生成するように構成されるエンジンと、そのＮＯｘ含有排気ガスの流れを受け入れるように構成される排気流路とを備えることができる。第１選択的触媒還元用触媒を排気流路と流体連通させ、第２選択的触媒還元用触媒を、第１選択的触媒還元用触媒の下流側に配備して排気流路と流体連通させることができる。アンモニア生成システムを、第１選択的触媒還元用触媒の上流側の第１位置点においてアンモニアを排気流路に供給するように構成することができる。制御ユニットを、エンジンが生成するＮＯｘの量およびアンモニア生成システムが供給するアンモニアの量を監視して、第１位置点において供給されるアンモニアの量と第１位置点におけるＮＯｘの量とを制御するように構成することができる。
次に、添付の図面に基づいて本発明を詳細に説明する。添付の図面は、本明細書に組み込まれてその一部を構成するものであって、本発明の実施例を示しており、明細書の記述と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。
図１は、実施例として開示される実施形態による、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム１６を含むエンジン１０および排気システム１４を示す。エンジン１０の内部における燃焼によって、ＮＯｘ含有排気ガスの流れ１１が生成され、その排気ガスの流れ１１は排気システム１４の排気流路１２に流入することができる。排気の流れ１１は、ＳＣＲシステム１６の触媒１８、２２に向かって下流側に流れることができる。
ＳＣＲシステム１６は、複数のＳＣＲ触媒１８、２２および複数のアンモニア供給システム２６、３０を含むことができる。図示のように、第１ＳＣＲ触媒１８および第２ＳＣＲ触媒２２は排気流路１２と流体連通することができ、第２ＳＣＲ触媒２２は第１ＳＣＲ触媒１８の下流側に配備することができる。さらに、第１アンモニア供給システム２６を、第１ＳＣＲ触媒１８の上流側の排気流路１２にアンモニアを供給するように構成することができ、第２アンモニア供給システム３０を、第１ＳＣＲ触媒１８の下流側でかつ第２ＳＣＲ触媒２２の上流側の排気流路１２にアンモニアを供給するように構成することができる。
ＳＣＲ触媒１８、２２は種々の異なるタイプの触媒を含むことができる。例えば、種々の異なる触媒基材、ウォッシュコート組成、および構造を選択することができる。特定の触媒のタイプは、コスト、所望運転温度範囲、使用中の予想生成ＮＯｘ量、および／または他の任意の適当な因子に基づいて選択することができる。さらに、第１ＳＣＲ触媒１８および第２ＳＣＲ触媒２２は異なるタイプの触媒を含むことができる。
アンモニア供給システム２６、３０は、種々の適切なアンモニア供給システムを含むことができる。例えば、図１に示すように、アンモニア供給システム２６、３０は２つの液体噴射器を含む。図示のように、この液体噴射器は、液体尿素を排気流路１２に供給するように構成することができ、その排気流路１２において液体尿素がアンモニアに転化される。別の実施形態においては、少なくとも１つのアンモニア供給システム２６、３０が、図２〜４に示すような車載のアンモニア生成システムを含むことができる。
アンモニア供給システム２６、３０は、アンモニアおよび／または尿素と排気ガスの流れ１１との混合を簡単に行うように構成することができる。例えば、アンモニア供給システム２６、３０は、排気流路１２の周縁に分布配置される噴射システムを含むことができる。代替的または追加的に、排気流路１２は他の適当な混合システムを含むことができる。例えば、排気流路１２は、１組以上の混合羽根２８、３２、格子、多孔プレナム（ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ ｐｌｅｎｕｍ）、またはアンモニアと排気ガス流れ１１との混合を簡単化する他の適切な構造を含むことができる。
いくつかの実施形態においては、第１アンモニア供給システム２６を、第１ＳＣＲ触媒１８においてすべてのＮＯｘを除去するに必要なアンモニアの有効量よりも少ない量のアンモニアを供給するように構成することができる。例えば、いくつかの実施形態においては、第１アンモニア供給システム２６を、アンモニアの有効量の約９０％未満、アンモニアの有効量の約８０％未満、アンモニアの有効量の約７０％未満、あるいは、アンモニアの有効量の約６０％未満の量を供給するように構成することができる。第１ＳＣＲ触媒１８におけるアンモニアの有効量よりも少ない量を用いることによって、アンモニアのほとんどまたはすべてがＮＯｘと反応することになろう。それによって、アンモニアの高価につく無駄な消費および／または放出が防止される。
アンモニアの有効量は、アンモニアがＮＯｘとのみ反応し、別の化学種に転化することがなくおよび／またはＮＯｘとの反応に利用不能になることはない場合に、排気ガス内のすべてのＮＯｘを還元するに必要なアンモニアの量であると見做すことができる。例えば、いくつかの実施形態においては、アンモニアの有効量は、排気ガス内のすべてのＮＯｘの還元に必要なアンモニアの化学量論的量になるであろう。この場合、アンモニア供給システム２６、３０を、すべてのＮＯｘの還元に必要なアンモニアの化学量論的量よりも少ない量を供給するように構成することができる。この実施形態は、ほぼすべてのアンモニアをＮＯｘとの反応に利用できる（すなわち、いずれのＮＯｘも他の化学種と反応せずおよび／または不活性化されず、あるいは反応に利用不能になることはない）場合に選択することができる。
排気ガスの流れ１１内のＮＯｘはいくつかのＮＯｘ種を含む場合があることに留意すべきである。通常、ＮＯｘ種は酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯ2）を含むことができる。従って、アンモニアの化学量論的量は、すべてのＮＯおよびＮＯ2を窒素および水に転化するに必要な量であると考えるべきである。さらに、尿素をアンモニア源として用いる場合は、供給されるアンモニア量は、供給される量の尿素から生成されるであろうアンモニアの量と見做すことができる。一般的には、尿素は、そのほとんどまたはすべてがアンモニアに転化する。しかし、冷涼な運転条件の下では、尿素からのアンモニア形成が遅くなることを予期することができる。
いくつかの実施形態においては、アンモニアの有効量を、すべてのＮＯｘの還元に必要なアンモニアの化学量論的量よりも多い量とすることができる。例えば、比較的高温（例えば５００℃より高温）においては、アンモニアの部分酸化がＳＣＲ触媒１８、２２において生起することがあり、それによって、アンモニアが他の化学物質に転化され、幾分かのアンモニアがＮＯｘの還元に無効になる場合がある。従って、アンモニアの酸化を補うために、ＳＣＲ触媒１８、２２の上流側に供給されるアンモニアの有効量をアンモニアの化学量論的量よりも多い量とすることができる。例えば、アンモニアの約１／３の酸化が生じるとすれば、アンモニアの有効量はアンモニアの化学量論的量の１５０％に等しくなるであろう。これが真であるのは、ＳＣＲ触媒１８、２２の上流側に供給されるアンモニアの２／３のみがＮＯｘとの反応に利用可能である（すなわち、１５０％の２／３が化学量論的量の１００％である）からである。さらに、アンモニアの有効量は、他の種々の条件によっても影響を受ける可能性がある。この条件としては、例えば、アンモニアと一時的にまたは恒久的に結合することがある他の反応性化学種および／または排気システムの成分の存在がある。
いくつかの実施形態においては、第２アンモニア供給システム３０も、第２ＳＣＲ触媒２２において残りのすべてのＮＯｘを除去するに必要なアンモニアの有効量よりも少ない量を供給するように構成することができる。例えば、いくつかの実施形態においては、第２アンモニア供給システム３０を、アンモニアの有効量の約９０％未満、アンモニアの有効量の約８０％未満、アンモニアの有効量の約７０％未満、あるいは、アンモニアの有効量の約６０％未満の量を供給するように構成することができる。
第２ＳＣＲ触媒２２におけるＮＯｘの量は、第１ＳＣＲ触媒１８におけるＮＯｘの量よりも大幅に少なくなっているであろうことに留意するべきである。例えば、アンモニアの有効量の８０％が第１アンモニア供給システム２６において供給され、第１ＳＣＲ触媒１８において９０％の転化率が達成されるとすると、ＮＯｘの７２％が第１触媒１８において除去（すなわち窒素および水に転化）されて、２８％が残ることになる。従って、第２触媒においては少ない量のアンモニアを供給することができる。例えば、アンモニアの有効量の８０％を再度添加するとすれば、第１アンモニア供給システム２６において供給した量の約２２％だけが必要になるであろう。いくつかの実施形態においては、アンモニアの有効量よりも少ない量を、第１供給システム２６および第２供給システム３０において供給することができる。別の実施形態においては、アンモニアの化学量論的量よりも少ない量が第１触媒１８の上流側に供給され、アンモニアのほぼ化学量論的量が第２触媒２２の上流側に供給されるであろう。
図示のように、ＳＣＲシステム１６は、２つの触媒１８、２２と２つのアンモニア供給システム２６、３０とを含む。しかし、任意の適切な個数の触媒および供給システムを用いることができる。例えば、いくつかの実施形態においては、３つの触媒および３つのアンモニア供給システムを直列に設けることができる。第３の触媒は、第２触媒２２の下流側に配備することができ、第３のアンモニア供給システムは、第２触媒２２の下流側でかつ第３触媒の上流側に配備することができる。ＮＯｘの相当部分が第１および第２触媒１６、２２において触媒還元によってすでに除去されるので、第３アンモニア供給システムによって供給されるアンモニアまたは尿素の量は、第１または第２アンモニア供給システム２６、３０のいずれかの供給量よりも少なくなるであろう。さらに、いくつかの実施形態においては、第３のアンモニア供給システムを、第３触媒において排気ガスの流れ内のすべての残留ＮＯｘを除去するに必要なアンモニアまたは尿素の有効量よりも少ない量を供給するように構成することができる。他の実施形態においては、アンモニアの有効量よりも少ない量が第１触媒１８および／または第２触媒２２の上流側で供給され、ほぼ有効量のアンモニアが第３触媒の上流側で供給される。
さらに、排気システム１４は、ＮＯｘの除去を簡単化するために、あるいは、あらゆる排気成分の排出を制御するために、付加的な触媒、フィルタ、または他の排気システム構成要素を含むことができる。例えば、図示のように、排気システム１４は上流側触媒３４を含む。上流側触媒３４は、例えば酸化触媒を含むことができる。この酸化触媒は、特定の化学物質の除去を簡単化することができ、および／または、ＳＣＲ触媒１８、２２におけるＮＯｘ除去を簡単化するような排気ガス流れの組成の生成を補助することができる。さらに、排気システム１４は、例えば三元触媒、添加剤供給システム、および／または粒子フィルタを含む他の任意の適切な排気システム構成要素を含むことができる。
エンジン１０および排気システム１４は、さらに、システムの運転を監視および／または制御することができる制御ユニット３８を含むことができる。いくつかの実施形態においては、制御ユニット３８は、エンジン１０が生成するＮＯｘの量を監視および／または制御することができる。制御ユニット３８は、車載コンピュータのような電気式の制御ユニットを含むことができる。しかし、任意の適切な制御ユニットを選ぶこともできる。例えば、制御ユニット３８は、アンモニア供給システム２６、３０が供給するアンモニアの量を制御するために機械操作に応答し得る機械作動の弁および／または切換器のシステムを含むことができる。
さらに、制御ユニット３８は、エンジン１０が生成するＮＯｘの量に基づいて、第１および／または第２アンモニア供給システム２６、３０がどれほどの量のアンモニアを供給するべきかを決定することができる。いくつかの実施形態においては、制御ユニット３８が、エンジンの既知のまたは測定されたパラメータに基づいて、どれほどの量のＮＯｘが生成されるかを推定する。推定されたＮＯｘ生成量に基づいて、適切な量のアンモニアが供給される。さらに、いくつかの実施形態においては、制御ユニット３８が、エンジン１０が生成するＮＯｘの量を制御することができる。例えば、エンジン１０が生成するＮＯｘの量は、空気対燃料蒸気比、温度、燃焼方式および／または他の任意の適切なエンジン運転パラメータを変化させることによって制御することができる。
別の実施形態においては、制御ユニット３８が、１つ以上の排気ガス監視器４２と連絡する。排気ガス監視器４２は、例えば、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、温度センサ、アンモニアセンサ、および／または、エンジン１０および排気システム１４内部の種々の位置におけるＮＯｘ濃度に関する情報を提供することができる他の任意の適切なセンサまたは監視器のような種々のセンサを含むことができる。制御ユニット３８は、センサ４２が提供する情報に基づいてアンモニア供給システム２６、３０の運転を制御することができ、それによって、排気流路１２へアンモニアを適量に供給し、アンモニアを無駄に消費しないＮＯｘ除去を可能にする。
いくつかの実施形態においては、エンジン１０の運転中にアンモニアを生成することが望ましい場合がある。例えば、トラックのような自動車の運転中にＳＣＲ運転用の十分な量のアンモニアまたは尿素を貯留することは、困難であるかあるいは費用が掛かり過ぎる可能性がある。従って、車載のアンモニア生成システムを用いてアンモニアを生成することが望ましい場合がある。
図２は、車載のアンモニア生成装置を備えた選択的触媒還元システムを含むエンジン１０および排気システム１４’を示す。図１の実施形態の場合と同様に、エンジン１０は、ＮＯｘ含有排気ガスの流れ１１を生成することができる。この排気ガスの流れ１１は排気流路に流入し、複数のＳＣＲ触媒１８、２２に向かって流れる。さらに、アンモニア生成システム４４を、第１ＳＣＲ触媒１８の上流側の位置点においてアンモニアを排気流路１２に供給するように構成することができ、アンモニア供給システム４６を、第１ＳＣＲ触媒１８の下流側でかつ第２ＳＣＲ触媒２２の上流側の位置点においてアンモニアを排気ガスの流れに供給するように構成することができる。さらに、付加的なアンモニア供給システムおよび触媒を設けることができる。
アンモニア生成システム４４は、任意の適切なアンモニア生成システムを含むことができる。アンモニアは、例えば、ＮＯｘのアンモニアへの触媒転化によって生成することができる。従って、アンモニア生成システム４４は、図示のように、ＮＯｘ源４８と、１つ以上のアンモニア生成触媒５２とを含むことができる。ＮＯｘ源４８は、ＮＯｘ含有ガスの流れを供給することができ、このＮＯｘ含有ガスの流れがアンモニア生成触媒５２を通って流れる。アンモニア生成触媒５２において生成されたアンモニアは、エンジン１０が生成するＮＯｘ含有排気ガスの流れ１１と混合され、それによって、ＮＯｘの触媒除去がＳＣＲ触媒１８、２２において生起可能になる。ＮＯｘ源４８は、例えば、燃料を燃焼してＮＯｘを生成するように構成される、単筒エンジンのようなエンジンを含むことができる。ＮＯｘ源４８は、バーナまたは貯留ＮＯｘ供給装置のような他の任意の適切なＮＯｘも含むことができる。
アンモニア生成触媒５２は、いくつかの適切なタイプの触媒から選択することができる。例えば、アンモニア生成触媒５２は種々の材料製のものとすることができる。１つの実施形態においては、アンモニア生成触媒５２は、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、銅、クロム、バナジウム、チタン、鉄またはセシウムの少なくとも１つを含むことができる。これらの材料の組合せを使用してもよい。触媒の材料は、コスト、使用燃料の種類、所望の空気対燃料蒸気比に基づいて、あるいは環境基準と合致させるために選択することができる。特定のタイプの触媒は、ＮＯｘからアンモニアへの転化効率制御用としても選択することができる。さらに、触媒を、ＮＯｘ源４８によって生成されるＮＯｘ量および／または選択された運転条件の下での触媒温度に基づいて選択することができる。
触媒の運転は、種々の異なる因子によって影響を受ける可能性がある。例えば、触媒の運転は、周囲の排気ガス中の他の化学物質の存在によって、触媒温度によって、および／または排気ガスの化学物質による汚染によって影響を受けることがある。本発明のいくつかの実施形態においては、アンモニア生成触媒５２の温度を、ＮＯｘ源４８が生成するＮＯｘ含有ガスの流れ５０を冷却することによって制御することができる。この冷却は、例えば、ターボチャージャ、ガス対空気冷却器またはガス対水冷却器のような冷却システム５６を用いて行われる。さらに、排気ガスの流れ１８内の他の化学種の存在を、ＮＯｘ源４８の運転を制御することによって制御することができる。このＮＯｘ源４８の運転の制御は、添加剤供給装置を用いて、あるいは、アンモニア生成触媒５２の上流側に配置される１つ以上の付加的な触媒６０を用いて行われる。
前記のように、排気システム１４’は、第１ＳＣＲ触媒１８の下流側でかつ第２ＳＣＲ触媒２２の上流側に配置されるアンモニア供給システム４６を含むことができる。図２に示すように、第２ＳＣＲ触媒２２は、液体尿素またはアンモニアを排気システムに供給する噴射器を含む。代替方式として、第２アンモニア供給システム４６は車載のアンモニア生成システムを含むことができる。例えば、図３は、車載のアンモニア生成システム４４’を備えたエンジン１０および排気システムの第２の実施形態を示す。図示のように、車載のアンモニア生成システム４４’は、ＮＯｘ源４８’およびアンモニア生成触媒５２’を含む。さらに、このシステムは、アンモニアを、第１ＳＣＲ触媒１８および第２ＳＣＲ触媒２２の上流側の２つの位置点に供給するように構成される２つの排気流路１００、１０４を含む。このシステムは、また、排気流路１００、１０４を通るアンモニアの流れを制御する弁システム９６を含む。代替的に、排気システムが、所望量のアンモニアを選択された排気システムの複数の位置点に供給するように構成される複数の車載アンモニア生成システムを含むこともできる。
いくつかの実施形態においては、単一のエンジンが、アンモニア生成用のＮＯｘ源および主要な作業機械動力源としての両者の役割を果たすことができる。例えば、図４は、実施例として開示されるさらに別の実施形態による、車載アンモニア生成装置を備えた選択的触媒還元システムを含むさらに別のエンジン１０’および排気システム１４’’を示す。単一エンジン１０’が、車載のアンモニア生成装置用のＮＯｘ源として、かつ機械の動力源として機能することができる。エンジン１０’は、第１シリンダ群６４および第２シリンダ群６８を含むことができる。第１シリンダ群６４は、アンモニア生成システム４４’’によるアンモニア生成に使用できる第１ＮＯｘ含有排気ガスの流れ７２を生成することができる。第２シリンダ群６８は第２ＮＯｘ含有排気ガスの流れ７６を生成する。第１シリンダ群６４および第２シリンダ群６８は、両者共、トラックのような作業機械の全エンジン出力に寄与することができる。
上記のように、第１シリンダ群６４および第２シリンダ群６８は単一エンジン１０’に配置することができる。図示のように、第１シリンダ群６４は単一のシリンダを含み、第２シリンダ群６８は３つのシリンダを含む。しかし、第１および第２のシリンダ群６４、６８は任意の適切な個数のシリンダを含むことができる。
第１シリンダ群６４および第２シリンダ群６８は異なる運転特性を有することができる。例えば、第１シリンダ群６４は、第２シリンダ群６８に対して、異なる空気対燃料比を有することができ、異なる燃焼方式を用いることができ、排気ガス添加剤供給装置を含むことができ、異なる圧縮比を有することができ、異なるシリンダ寸法を有することができ、異なる個数のシリンダを含むことができ、および／または、異なる温度で運転することができる。いくつかの実施形態においては、第１シリンダ群６４は、所与の燃料使用量に対してＮＯｘ生成を最大化するように構成することができ、それによって、アンモニア生成システム４４’’によるアンモニア生成を増大させる。
第２シリンダ群６８からのＮＯｘ含有排気ガスの流れ７６は排気流路８８に流入することができる。さらに、図示のように、車載のアンモニア生成システム４４’’が、アンモニアを、第１ＳＣＲ触媒１８の上流側で排気流路８８に供給するように構成される。さらに、アンモニア供給システム９２を、第１ＳＣＲ触媒１８の下流側でかつ第２ＳＣＲ触媒２２の上流側の位置点においてアンモニアを排気流路８８に供給するように構成することができる。別の実施形態においては、アンモニア生成システム４４’’を、排気の流れを制御するシステムを備えた分岐排気流路を用いて複数の位置点においてアンモニアを排気流路８８に供給するように構成することができる。代替方式として、複数のアンモニア生成システムを、第１ＳＣＲ触媒１８の上流側の位置点、および／または第２ＳＣＲ触媒２２の上流側でかつ第１ＳＣＲ触媒１８の下流側の位置点に使用することができる。
図２〜４に示すような車載のアンモニア生成システムを含むＳＣＲシステムは、制御ユニット３８によって制御することもできる点を注記しておかなければならない。図１を参照して述べたように、制御ユニット３８は、排気ガスの状態に関する情報、例えば温度、酸素濃度、ＮＯｘ濃度、および／またはアンモニア生成量を提供するように構成される複数の排気監視器４２と連絡することができる。
さらに、前記のように、車載のアンモニア生成システム４４、４４’、４４’’は、ＳＣＲ触媒１８、２２用のアンモニア供給システムとして機能することができる。本発明のいくつかの実施形態においては、車載のアンモニア生成システムを、排気システムの内部に選択された複数の位置点においてＮＯｘを除去するに必要なアンモニアの有効量よりも少ない量を供給するように構成することができる。例えば、図１を参照して述べたように、アンモニア生成システム４４、４４’、４４’’を、アンモニアの有効量の約９０％未満、アンモニアの有効量の約８０％未満、アンモニアの有効量の約７０％未満、あるいは、アンモニアの有効量の約６０％未満の量を供給するように構成することができる。
本発明は、ＳＣＲシステム用の多段噴射器を備えた排気ガス排出制御システムを提供する。このシステムは、ＳＣＲを必要とするすべての排気システムに有用と見ることができる。
ＳＣＲシステムは、高い燃料効率を維持しながらＮＯｘの排出を制御するための有効な方法を提供することができる。しかし、ＳＣＲシステムはアンモニアを必要とし、このアンモニアは、車載のアンモニア生成装置あるいはアンモニアまたは尿素の貯留装置によって供給することができる。アンモニアの車上での生成は、相当量の燃料および／または他の化学物質を消費する可能性があり、これはエンジン全体の燃料効率およびコストの有効性から差し引かれることになる。さらに、後に噴射のためのアンモニアまたは尿素の貯留は高い費用が掛かり、しかも危険である場合もある。さらに加えて、現時点では、高速道路走行車両による貯留および消費用の尿素またはアンモニアを供給する十分な施設が全く整っていない。
本発明のシステムは、単一触媒のＳＣＲシステムよりも高いＮＯｘ転化効率を提供することができる。一般的に、エンジンの運転の燃料効率を高めると高レベルのＮＯｘが生成するであろう。従って、多段ＳＣＲシステムによってＮＯｘの転化効率を高めると、適正なＮＯｘ排出レベルを維持しながらエンジンをより効率的に運転することが可能になるであろう。本発明のシステムは、エンジン運転の燃料コストを低減しながらＮＯｘ排出の良好な制御を提供することができる。
さらに、本発明のシステムは、ＳＣＲシステムによってＮＯｘ排出制御を改善する一方で、ＳＣＲ運転に必要なアンモニアまたは尿素の量を低減することもできる。このシステムは、２つ以上の直列のアンモニア供給システムおよびＳＣＲ触媒を有する多段のアンモニア供給および触媒システムを含む。ＳＣＲによるＮＯｘ還元は、アンモニアをＮＯｘ含有排気ガスの流れと混合する能力および／または触媒効率によって制限されることがあるので、本発明の少なくとも１つのアンモニア供給システムは、ＮＯｘ除去に必要なアンモニアの有効量よりも少ない量を供給するように構成することができる。それに続いて、１つ以上の下流側のアンモニア供給システムおよびＳＣＲ触媒が、付加的なＮＯｘを除去することになる。多段システムは、ほとんどの量のＮＯｘを、アンモニアまたは尿素を過剰に使用するリスクをほぼ回避して除去する能力を有する。これは、ＳＣＲの運転コストを最小化しながらＮＯｘ排出を良好に制御する方策を提供するであろう。
本発明の範囲から離れることなく、開示されたシステムおよび方法に種々の修正および変更を加え得ることは、当業者には明らかであろう。開示されたシステムおよび方法の他の実施形態は、ここに開示した実施形態の明細および実際を精査することによって当業者には明らかになるであろう。ここに述べた明細および実施例は事例としてのみ考慮されるべきことが意図されており、本発明の真の範囲は、特許請求の範囲およびその等価物によって示される。
実施例として開示される実施形態による、選択的触媒還元システムを含むエンジンおよび排気システムを示す図である。 実施例として開示される実施形態による、車載のアンモニア生成装置を備えた選択的触媒還元システムを含むエンジンおよび排気システムを示す図である。 実施例として開示される別の実施形態による、車載のアンモニア生成装置を備えた選択的触媒還元システムを含むエンジンおよび排気システムを示す図である。 実施例として開示されるさらに別の実施形態による、車載のアンモニア生成装置を備えた選択的触媒還元システムを含むエンジンおよび排気システムを示す図である。

Claims (10)

  1. 酸化窒素の排出を制御する方法であって、
    ＮＯｘを含む排気ガスの流れ（１１）を生成するステップと、
    排気ガスの流れを排気流路（１２）に供給するステップと、
    アンモニアを、第１選択的触媒還元用触媒（１８）の上流側の位置点において排気流路に供給するステップであって、第１位置点において供給されるアンモニアの量が、第１位置点においてすべてのＮＯｘを還元するに必要なアンモニアの有効量の約９０％未満であるステップと、
    アンモニアを、第１選択的触媒還元用触媒の下流側でかつ第２選択的触媒還元用触媒（２２）の上流側の第２位置点において排気流路に供給するステップと、
    を備える方法。
  2. 第１位置点において供給されるアンモニアの量が、第１位置点においてすべてのＮＯｘを還元するに必要なアンモニアの有効量の約８０％未満である、請求項１に記載の方法。
  3. アンモニアの少なくとも一部分を、車載のアンモニア生成システム（４４）を使用して生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  4. アンモニアの少なくとも一部分は、尿素を排気流路内に噴射することによって供給される、請求項１に記載の方法。
  5. 排気流路（１２）と、
    排気流路と流体連通する第１選択的触媒還元用触媒（１８）と、
    第１選択的触媒還元用触媒の下流側に配備されかつ排気流路と流体連通する第２選択的触媒還元用触媒（２２）と、
    第１選択的触媒還元用触媒および第２選択的触媒還元用触媒の少なくともいずれかの上流側の位置点において、アンモニアを排気流路に供給するように構成されるアンモニア生成システム（４４）と、
    を備える選択的触媒還元システム（１６）。
  6. アンモニア生成システムが、第１選択的触媒還元用触媒の上流側の第１位置点および第１選択的触媒還元用触媒の下流側の第２位置点において、アンモニアを排気流路に供給するように構成される、請求項５に記載のシステム。
  7. アンモニア生成システムが、第１位置点および第２位置点へのアンモニアの流れを制御する弁システムをさらに含む、請求項６に記載のシステム。
  8. アンモニア生成システムが、ＮＯｘ含有排気ガスの流れ（５０）を生成するように構成されるエンジンの少なくとも１つのシリンダを含む、請求項５に記載のシステム。
  9. アンモニア生成システムが、第１選択的触媒還元用触媒の上流側の位置点において、供給されるアンモニアの量が排気流路においてすべてのＮＯｘを還元するに必要なアンモニアの有効量の約９０％未満になるように、アンモニアを排気流路に供給するように構成される、請求項５に記載のシステム。
  10. 請求項５〜９のいずれか１項に記載の選択的触媒還元システムと、
    ＮＯｘ含有排気ガスの流れを生成するように構成されるエンジンと、
    エンジンが生成するＮＯｘの量およびアンモニア生成システムが供給するアンモニアの量を監視すると共に、第１位置点において供給されるアンモニアの量と第１位置点におけるＮＯｘの量とを制御して、アンモニアの量を第１位置点においてすべてのＮＯｘを還元するに必要なアンモニアの有効量の約９０％未満とするように構成される制御ユニット（３８）と、
    を備えるＮＯｘ排出制御システム。
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