JP2009524765A - 内燃機関の排ガス中の窒素酸化物を還元するための装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関の排ガス中の窒素酸化物を還元するための装置は熱分解反応器（１０）を有する。前記熱分解反応器（１０）において、熱を供給することによって尿素をアンモニアとイソシアン酸とに変換する。本発明の有利な実施形態では、熱分解反応器（１０）は排ガス通路（２６）内部に配置され、流動方向で見て該熱分解反応器（１０）に前置接続された酸化触媒（３０）に熱結合されている。酸化触媒（３０）において行われる発熱反応によって、熱分解反応器（１０）の加熱が行われる。温度をさらに上昇するためには、燃料供給装置（４０）を介して燃料を酸化反応器（３０）に噴射することができる。燃料は酸化触媒（３０）において触媒燃焼する。

Description

本発明は、内燃機関の排ガス中の窒素酸化物を還元するための装置に関する。とりわけ本装置は自動車で使用されるのに適しており、とりわけディーゼルエンジンを備えた自動車で使用されるのに適している。

ＥＰ１３３８５６２に、アンモニアを生成するための方法および装置が記載されている。ここでは乾性の尿素を、電気加熱される反応器で、アンモニアとイソシアン酸とに分解する。イソシアン酸をアンモニアに加水分解するためには、前記反応器に加水分解触媒が後置される。これら熱分解反応器と加水分解反応器とは、ここでは１つのユニットに統合される。加水分解に必要な水は、比較的小さい排ガス流によって加水分解触媒へ供給される。この排ガス部分流は排ガス流から取り出され、次のように制限しなければならない。すなわち、内燃機関のいかなる運転状態でも、加水分解のために十分な水分量が得られるように制限しなければならない。付加的な排ガス量によって、熱分解反応器の冷却が引き起こされたり、ないしは付加的な加熱電力が必要とされたりすることがある。内燃機関の異なる運転領域において、適切な排ガス量を加水分解反応器に供給できるようにするためには、排ガス部分量が流れる取出管路に、調整可能な弁を設けるのが有利である。さらに、排ガス部分流を各内燃機関ごとに、定常的な走行状態および非定常的な走行状態すべてに適合しなければならない。このことにより、莫大なアプリケーションコストが生じる。排ガス部分流が過度に少ない場合、反応器から排ガス通路に続いている次のような管路、すなわち、該管路を通ってアンモニアと別の反応生成物とが排ガスに供給される管路に、短時間で堆積物が生じる。

さらに、ＥＰ１３３８５６２に記載された装置は、エンジンルーム内に相応の取り付けスペースを設けなければならないという欠点を有する。またこの装置では、熱分解反応器に直接後置接続しなければならない特別な加水分解反応器も必要である。ＥＰ１３３８５６２に記載された反応器の上記の欠点により、このような反応器が高価になってしまう。

さらに、アンモニアを液体尿素から生成するための装置が公知である。しかし、この装置は原理的に欠点を有するので、排ガス中の窒素酸化物を確実に還元するのは困難である。液体尿素システムの欠点にはたとえば、約−１１℃を下回る外気温度で尿素水溶液を凍結し、液体尿素システムを始動前に加熱しなければならないことが挙げられる。このことによってシステムコストが上昇し、システム機能が阻害される。この問題は、固体尿素システムの場合には生じない。さらに、固体尿素システムのコールドスタート特性は、液体尿素システムと比較して良好である。その理由は、固体尿素システムの場合には、尿素の熱分解は排ガス温度に依存せずに、別個に加熱される熱分解反応器において行われるからである。この熱分解反応器は、尿素の完全な熱分解に必要な最低温度により早く達することができる。

さらに、液体尿素システムは質量および所要スペースに関する要件に適合することができない。同等のアンモニア質量を生成するためには、たとえば小さい球形の固体尿素が必要とする貯蔵容量は尿素水溶液に対して約１／３のみであり、また、固体尿素が必要とする貯蔵質量も約１／３のみである。このことは、車両に必要とされる取り付けスペースおよび付加的質量、ないしは、尿素充填物を伴って走行しなければならない走行区間とに関して非常に重要である。

また、幾つかの材料に対する尿素水溶液の腐食特性と、数ヶ月で部分的な結晶形成が生じてシステム機能を妨害する傾向がある尿素水溶液の不安定性とから、別の欠点も生じる。このような理由から基本的には、液体尿素システムより固体尿素システムを使用する方が有利である。

本発明の課題は、内燃機関の排ガス中の窒素酸化物、とりわけ自動車内燃機関の排ガス中の窒素酸化物を還元するための装置のより簡単かつ低コストな構成を提供することである。

前記課題は本発明では、請求項１に記載の装置によって解決される。

窒素酸化物を還元するための本発明の装置は、固体尿素からアンモニアを生成するための熱分解反応器を有し、該熱分解反応器において、アンモニアを生成する固体物質から熱供給によってアンモニアが得られる。この固体物質は、固体状態の尿素である。しかし、別の適切な固体材料を使用することもできる。この固体尿素は、ここではとりわけペレットまたは小球中に含まれ、熱分解反応器に調量されるか、ないしは分離されて供給される。ＤＥ１０２５１４９８に、適切な調量装置が記載されている。本発明において固体尿素または別の適切な固体物質を使用する理由は、適切な貯蔵容器に貯蔵することが比較的簡単かつ確実であるからだ。熱分解反応器内に設けられた熱分解空間を加熱するため、熱分解反応器に加熱装置が接続されている。

本発明の重要な側面は、熱分解反応器が排ガス通路の内部および／または外部に配置されることである。このようにして１つの実施形態では、熱分解反応器は排ガス通路に直接隣接して配置される。このことは、排ガスの温度が熱分解反応器の加熱に使用されるという利点を有する。また別の実施形態では、熱分解反応器の一部分を排ガス通路内に突出させることができる。特に有利な実施形態では、熱分解反応器は排ガス通路内に完全に配置される。このことの利点は、加熱装置の必要な電力を低減できることである。というのも、有利には内燃機関のすべての運転状態で熱分解反応器を反応温度にするためには、加熱装置を１つの付加的な加熱装置とすればよいからである。

アンモニアが尿素から生成される際、副生成物としてイソシアン酸が生成される。このイソシアン酸は、加水分解によってアンモニアに変換することができる。したがって本発明では、熱分解反応器は流動方向で見て、排ガス通路に窒素還元のために配置された触媒より上流に配置される。触媒はとりわけＳＣＲ触媒である。したがって、熱分解反応器から流出したアンモニアと、場合によっては付加的に発生する別の反応生成物、とりわけイソシアン酸とは、一緒に排ガスとともに、ＳＣＲ触媒に流入する。排ガスによってＳＣＲ触媒へ、十分な量の水分が常に供給されることにより、該ＳＣＲ触媒において、アンモニアを生成するイソシアン酸の加水分解が行われる。したがって本発明では、ＳＲＣ触媒は付加的に加水分解反応器としても使用される。熱分解反応器に後置される別個の加水分解触媒は必要ない。熱分解生成物は、排ガス中に直接導入することができる。

熱分解反応器に加水分解触媒が後置されないことにより、熱分解反応器を簡単に、排ガス通路の直近に配置することができ、また、排ガス通路内部に配置することも可能である。加水分解触媒が組み込まれた公知の熱分解反応器は、このような配置には適していない。

特に有利には、熱分解反応器は穿孔を通って排ガス管内に挿入され、少なくとも部分的に該排ガス管内に突出される。この構成は、熱分解生成物と排ガス流とを可能な限り有効に混合するのに使用される。ここでは、エンジン排ガス自体の温度は幅広い運転領域で、熱分解反応器内部の温度レベルを格段に下回る。それゆえ、乱流の排ガス流動では、熱分解反応器が外部に配置される場合にはたとえばエンジンルーム内に設けられない熱分解反応器から排ガス中へ、強力な熱輸送が行われる。したがって必然的に、周辺を流れる排ガスによって熱分解反応器の特定の領域が冷却され、確実な熱分解を行うための熱的要件が常に満たされるとは限らなくなる。とりわけここで問題なのは、熱分解で発生したイソシアン酸がさらに化学反応することである。このような化学反応はとりわけ、熱分解反応器の内部領域の一部が３５０〜４００℃未満の温度まで冷却される場合に発生する。それゆえ、このような冷却を回避するためには、電気加熱と、熱分解反応器の異なる区域における加熱電力の分布との、特別に適合された構成を実施する必要がある。こうするためにはたとえば、加熱装置が熱分解反応器内において、排ガスによって比較的強力に冷却される場所でより高い加熱電力を供給することができる。

本発明の装置の別の利点に、熱分解反応器を排ガス通路の外部および／または内部に配置できるという利点がある。それゆえ、エンジンルーム内に相応のスペースを設ける必要はない。場合によっては、熱分解反応器を排ガス通路のバイパス管路に設けることもできる。

本発明では、ＥＰ１３３８５６２に記載されたように、加水分解反応器に供給するために正確な排ガス部分流を排ガス通路から取り出す必要はない。それゆえ、排ガス部分流を相応の運転状態に依存して制御するための適切な調整可能なバルブを設ける必要もない。

したがって、本発明の装置の構成は簡単であり、本発明の装置を内燃機関に問題なく適用することができる。このようにして、アンモニアを生成する物質を熱調製するための安価な装置、とりわけ尿素を熱調製するための安価な装置が提供される。

有利には、加熱装置は電気加熱装置である。このことの利点は、加熱装置を簡単に調整できることである。このことにより、熱分解空間内の温度を所要温度に正確に調整し、異なる運転状態で、熱分解に必要な温度を保証することができる。

１つの有利な実施形態では、熱分解反応器は排ガスの流動方向で見て、酸化触媒に後置されている。したがって、熱分解反応器は酸化触媒とＳＣＲ触媒との間に配置される。酸化触媒では基本的に、未燃焼の炭化水素および一酸化炭素の発熱酸化が行われる。したがって、熱分解反応器を流動方向で見て酸化触媒より下流に配置することは、該酸化触媒に発生した熱を熱分解反応器の加熱に使用できるという利点を有する。それゆえ有利には、熱分解反応器は酸化触媒の直近に配置される。このような構成で特に有利には、熱分解反応器は酸化触媒に熱結合される。とりわけ、熱分解反応器は酸化触媒に接触される。有利には、熱分解反応器の加熱面が酸化触媒に接触される。

本発明の別の有利な実施形態では、熱分解反応器は少なくとも部分的に、酸化触媒内に配置される。その際には酸化触媒は、少なくとも熱分解反応器の領域内では環形に形成され、該熱分解反応器を有利には該熱分解反応器の周縁に沿って包囲する。ここでは、熱分解反応器の良好な加熱を保証するため、熱分解反応器の加熱面は排ガスの流動方向に対して実質的に垂直に配置される。

酸化触媒で発生した熱によって熱分解反応器の加熱が行われる本発明の実施形態では、付加的な加熱装置を場合によっては省略することができる。とりわけ、有利には電気加熱装置であるこのような加熱装置は、比較的小さく構成することができる。このことにより、コストをさらに削減することができる。

電気加熱装置の他に付加的に、燃料供給装置を介して酸化触媒に燃料を供給することもできる。このことは酸化触媒で行われるので、熱分解反応器の加熱に使用可能な温度を上昇させる。とりわけ、この燃料供給は噴射ノズルによって行われる。この噴射ノズルは有利には、流動方向で見て酸化触媒より上流に配置される。噴射ノズルによって、燃料を所期のように酸化触媒に供給することができる。したがって、燃料供給装置は調整可能なバルブを有し、供給される燃料量が調整されるように構成するのが有利である。このようにして燃料供給を、熱分解空間内に存在する温度に依存して調整することができる。

有利には、燃料供給は酸化触媒の部分領域でのみ行われる。ここで有利には、前記酸化触媒の部分領域は、熱分解反応器に直接隣接する部分領域である。このことは、供給される燃料が実質的に完全に、熱分解反応器の加熱に使用されるという利点を有する。

特に有利なのは、酸化触媒がこの部分領域に、とりわけ触媒燃焼を容易化するように付加的コーティングを有することである。

イソシアン酸の加水分解は本発明ではＳＣＲ触媒で行われるので、有利には、熱分解反応器から流出される反応生成物が可能な限り均質に分布するのが有利である。こうするためには、熱分解反応器とＳＣＲ触媒との間に混合器を設けることができる。このことにより、熱分解反応器で生成されたすべての反応生成物が、ＳＣＲ触媒の入口面にわたって実質的に均質に分布されることが保証される。このことにより、排ガス中に含まれる窒素酸化物の可能な限り大きな割合が、ＳＣＲ触媒で減少されることが保証される。

以下で本発明を、有利な実施形態に基づいて、添付図面を参照して詳細に説明する。

図面：
図１ 熱分解反応器の概略図である。

図２ 本発明の装置の第１の実施形態の概略図である。

図３ 本発明の装置の第２の実施形態の概略図である。

図４ 本発明の装置の第３の実施形態の概略図である。

熱分解反応器１０は、１つの有利な実施形態ではケーシング１２を有し、このケーシング１２は実質的にコップ形であり、片側１４でオープンになっている。ケーシング内部には、加熱可能なエレメント１６が配置されている。これはたとえば、複数の通路１８を有し耐熱性の材料から成るボディである。とりわけ、加熱可能なエレメント１６は金属またはセラミックを有することができ、場合によっては金属またはセラミックをコーティングすることができる。加熱可能なエレメント１６は電気加熱装置１７を介して加熱することができる。

ケーシング１２内部と、とりわけ加熱可能なエレメント１６内部とに、熱分解空間２０が配置される。供給管路２２を介して、熱分解空間にアンモニアを生成するための物質を供給することができる。有利には、物質として尿素を供給する。尿素は固体であり、ペレットまたは小球２４として設けられる。小球２４は熱分解空間２０内で加熱される。これによって、反応生成物としてアンモニアとイソシアン酸とが生成される。これらの反応生成物は通路１８を通って、熱分解反応器の側１４の矢印２５の方向に流出する。

本発明の第１の実施形態（図２）では、とりわけ図１に相応して構成された熱分解反応器である熱分解反応器１０は、排ガス通路２６に配置される。図２に示された実施例では、熱分解反応器１０は部分的に排ガス通路１６内に突出し、熱分解反応器１０のオープンな表側１４は通路２６内部を向く。

流動方向２８で見て熱分解反応器１０より上流に、酸化触媒３０が配置されている。したがって、排ガスは酸化触媒３０を通って流れ、ここで酸化が行われる。酸化触媒は炭化水素酸化およびＣＯ酸化に使用され、また、ＳＣＲ触媒の低温活性の上昇のためのＮＯ_２形成にも使用される。加熱可能なエレメント１６（図１）に接続されるとりわけ電気加熱式の加熱装置は、比較的脆弱に構成することができる。このことにより、コストを削減することができる。排ガスは熱分解反応器１０に沿って流れ、これを加熱する。

熱分解空間２０内の温度を可能な限り一定に維持するためには、電気加熱装置１７は調整可能にされる。このことはとりわけ、異なる運転状態に依存して生じる排ガス温度は異なるので、有利である。

流動方向２８で見て熱分解反応器１０より下流に、混合器３２が排ガス通路２６に後置されている。この混合器によって排ガス流の混合が行われ、熱分解反応器から流出されたアンモニアと、流出されたイソシアン酸とが、排ガス流中で均質に分布される。このことの利点は、流動方向２８で見て混合器３２に後置されたＳＣＲ触媒３４に流入する混合物が実質的に均質になることである。このことにより、排ガス中の窒素酸化物の良好な低減が行われることが保証される。

第２の有利な実施形態（図３）において、同一の構成部分および同様の構成部分には同一の参照符号が付与されている。図３に示された実施形態が図２に示された実施形態と相違する点は、熱分解反応器１０が排ガス通路２６内に完全に配置されていることである。ここでは、熱分解反応器１０は図示のように、排ガス通路２６内の中間に配置されているが、排ガス通路２６の縁に配置することもできる。ここでは、熱分解反応器１０はたとえば排ガス通路２６内のウェブを介して保持されるか、または、排ガス通路２６の内壁に直接結合される。

第３の有利な実施形態（図４）においても、同一の構成部分および同様の構成部分には同一の参照符号が付与されている。この実施形態の特徴は、熱分解反応器１０は酸化触媒３０の外側３６に装着されていることである。したがって、ケーシング１２（図１）の一部とすることができる加熱面３８は、この外側３６に接触される。このことによって、酸化触媒３０で発生した熱が熱分解反応器１０へ良好に伝熱されるのが保証される。

有利には、流動方向２８で見て酸化触媒３０より上流に、燃料供給装置４０が設けられている。燃料供給装置４０は噴射ノズル４２を有する。この噴射ノズル４２によって、燃料を酸化触媒３０に噴射することができる。このことにより、酸化触媒３０において燃料の触媒燃焼が行われる。

酸化触媒３０に供給される燃料量を調整するために、燃料供給装置はさらに、とりわけ調整可能であるバルブ４４も有する。燃料供給装置４０の燃料管路４６は、燃料タンクに直接接続することができる。

有利には、燃料の噴射は酸化触媒３０の部分領域４８でのみ行われる。この部分領域４８は、流動方向２８で見て熱分解反応器１０の直ぐ上流に位置する酸化触媒３０の領域である。したがって熱は、流動方向に延在し加熱面３８に接する、酸化触媒３０のとりわけ円筒形の領域内で発生する。このことにより、熱分解反応器１０の加熱に使用できない酸化触媒３０の領域において熱が付加的に発生するのが回避される。

燃料を酸化触媒に噴射することは、触媒温度が１８０°を上回って初めて行うのが、目的に適っている。というのも、従来の燃料の噴射では、この温度から初めて活性が生じるからである。

熱分解反応器の概略図である。 本発明の装置の第１の実施形態の概略図である。 本発明の装置の第２の実施形態の概略図である。 本発明の装置の第３の実施形態の概略図である。

Claims (12)

1. 内燃機関の排ガス中の窒素酸化物を還元するための装置において、
   排ガス通路（２６）の内部および／または外側に配置された、固体尿素からアンモニアを生成するための熱分解反応器（１０）と、
   該熱分解反応器（１０）に熱結合された、該熱分解反応器（１０）の熱分解空間（２０）を加熱するための加熱装置（１７，４０）と、
   該排ガス通路（２６）内において、該排ガスの流動方向（２８）で見て該熱分解反応器（１０）に後置接続されたＳＣＲ触媒（３４）
   とを有し、
   該ＳＣＲ触媒（３４）内に、該アンモニアが場合によっては別の反応生成物とともに流入し、
   該ＳＣＲ触媒（３４）は付加的に加水分解触媒としても機能することを特徴とする装置。
2. 前記加熱装置（１７）は電気加熱装置として構成されている、請求項１記載の装置。
3. 酸化触媒（３０）が流動方向（２８）で見て前記熱分解反応器（１０）に前置接続されている、請求項１または２記載の装置。
4. 前記熱分解反応器（１０）は前記酸化触媒（３０）の直近に配置されることにより、該熱分解反応器の加熱は、該酸化触媒（３０）で発生した反応熱によって行われるように構成されている、請求項３記載の装置。
5. 前記熱分解反応器（１０）は前記酸化触媒（３０）に熱結合されている、請求項３または４記載の装置。
6. 前記熱分解反応器（１０）は少なくとも部分的に、前記酸化触媒（３０）内部に配置されている、請求項３から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 前記熱分解反応器（１０）は、排ガス流の流動方向（２８）に対して実質的に垂直に方向づけされた加熱面（３８）を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 前記加熱装置（４０）は、前記酸化触媒に燃料供給を行うための燃料供給装置（４０）を有する、請求項３から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 前記燃料供給装置（４０）は噴射ノズル（４２）を有し、
   該噴射ノズル（４２）はとりわけ、流動方向（２８）で見て前記酸化触媒（３０）より上流に配置されている、請求項８記載の装置。
10. 前記燃料供給は、前記酸化触媒（３０）の部分領域（４８）でのみ行われ、
    該部分領域（４８）は、有利には前記熱分解反応器（１０）に直接接する、請求項８または９記載の装置。
11. 前記酸化触媒（３０）は前記部分領域（４８）に付加的なコーティングを有する、請求項１０記載の装置。
12. 前記熱分解反応器（１０）と前記ＳＣＲ触媒（３４）との間に混合装置（３２）が設けられている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。

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