JP2010506079A - 還元剤前駆体を提供するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、窒素酸化物の選択的接触還元に使用可能な還元剤前駆体を供給する方法および装置１に関する。
【解決手段】還元剤前駆体を供給するための本発明による方法は、（Ａ）周囲圧力を超える保存圧力の少なくとも１つの還元剤前駆体を含む蒸気（７）雰囲気を形成するために、壁（２）で区切られて還元剤前駆体の溶液（４）で少なくとも部分的に満たされた準閉鎖の蒸発器体積（３）を、溶液の蒸発温度を超える保存温度まで加熱する工程と、（Ｂ）要求に応じ、保存圧力と周囲圧力との間の圧力差を利用して蒸気（７）を抜き出す工程と、を含むことを特徴とする方法。本発明による方法および装置（１）は、以後容易に測定することを可能にし、蒸気（７）と抜き出しライン（８）との間の圧力勾配のために、他のいかなる搬送手段もない、少なくとも１つの還元剤前駆体を含有する蒸気（７）が必要とされ、加水分解触媒（１３）に測定される。
【選択図】図１

Description

本発明の主題は、還元剤前駆体、とりわけ尿素を供給するための方法および装置である。
本発明の実施の好ましい分野は、自動車分野における選択的接触還元（ＳＣＲ）のための還元剤を発生させる還元剤前駆体の搬送である。

内燃機関の排ガスは、環境へのその排出が望ましくない物質を含む。
多くの国において、排ガス中の特定物質に関し、内燃機関の排出が順守しなければならない制限値がある。
該物質には、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）も挙げられ、その排出は、多くの国において、法律的に規定された制限値によって制限される。
該制限値を順守して窒素酸化物排出の低減を広く可能にするために、第１に、内燃機関の手段を使用し、第２に、排ガスの後処理手段を使用することができる。
排ガスの後処理手段に関し、例えば、窒素酸化物に選択的に作用するアンモニア（ＮＨ_３）のような還元剤を用いた窒素酸化物の選択的接触還元が、特に効果的であることが実証されている。
貯蔵されるのは、還元剤そのものではなく、例えば、還元剤のアンモニアのための尿素のような還元剤前駆体であることが多い。
還元剤前駆体とは、還元剤を発生可能なまたは反応して還元剤を生成可能な物質を意味すると理解すべきである。
これは、多くは、熱分解および／または対応して生じる加水分解触媒コンバータ上の加水分解によって生じる。
熱分解および／または加水分解のための還元剤前駆体の供給には、問題があることが多い。

このことから、本発明の基本とする目的は、還元剤前駆体を供給するための簡単な方法および簡単な装置を提案することである。

該問題は、独立請求項の特徴を有する方法および装置によって解決される。
従属請求項は、有益な改良を目的とする。

還元剤前駆体を供給するための本発明による方法は、（Ａ）周囲圧力を超える保存圧力の少なくとも１つの還元剤前駆体を含む蒸気雰囲気を形成するために、壁で区切られて少なくとも１つの還元剤前駆体の溶液で少なくとも部分的に満たされた準閉鎖の蒸発器体積を、溶液の蒸発温度を超える保存温度まで加熱する工程と、（Ｂ）要求に応じ、保存圧力と周囲圧力との間の圧力差を利用して蒸気を抜き出す工程とを含む。

準閉鎖の蒸発器体積とは、基本的に流れの通過はないが特定量の溶液が静的に蓄えられる体積を意味すると理解すべきである。
また、準閉鎖の蒸発器体積とは、とりわけ、開口によって形成される蒸発器体積を区切る壁表面が僅かな割合に過ぎないことを意味すると理解すべきである。
このように、準閉鎖の蒸発器体積とは、とりわけ、少なくとも９０％の表面が閉鎖した蒸発器体積を意味すると理解すべきである。
準閉鎖の蒸発器体積を区切る壁表面の少なくとも９５％の値が、ここでは好ましい。
該開口は、とりわけ、蒸気の抜き出しの間または溶液の供給の間にのみ開口して、それ以外は閉鎖するようにして、残りの開口は、とりわけ、閉鎖することができる。
保存温度とは、とりわけ、溶液の温度を意味すると理解すべきである。
適切な場合、蒸発器体積の壁温度は、溶液が保存温度にあるようにして、その保存温度よりも若干高くしてもよい。
本発明の説明の中で、蒸気とは、少なくとも１つの還元剤前駆体を含む、溶液の蒸発によって発生したガスを意味すると理解すべきである。

準閉鎖の蒸発器体積は、保存温度に加熱している間に、液体上の蒸気と液体の間に熱力学的平行が生じる効果を有する。
設計に応じて、即ち、とりわけ、蒸発器体積の体積に応じかつ温度に応じて、所定の保存圧力が設定され、蒸発器体積の設計によって、該保存圧力が周囲圧力より高いように保証される。
保存圧力とは、とりわけ、準閉鎖蒸発器体積の開口が閉じたときまたは所与の条件下の平衡圧力にあるときの蒸気圧力である。

本発明による方法によって、非常に簡単な仕方で、還元剤前駆体を、提供され得る加水分解触媒コンバータに投与することができる。
ここで、蒸発器体積と周囲との間の圧力勾配が、投与と搬送のために用いられる。

要求に応じた抜き出しとは、とりわけ、窒素酸化物の選択的接触還元に必要な量の還元剤を含む蒸気の正確な量が抜き出されることを意味すると理解すべきである。
抜き出しは、とりわけ、対応して設計されたバルブを作動することによって実現される。

本発明による方法の１つの有益な改良によると、少なくとも１つの還元剤前駆体の溶液が、要求に応じて、蒸発器体積に供給される。
このことは、とりわけ、蒸発器体積の充填レベル、即ち、液体レベルの位置が監視されることを意味することができ、予め定められる限界値を下回る場合、例えば、蒸発器体積が、より多くの溶液をポンプによって補給される。
とりわけ、現在導入されて測定されている加熱パワーが所定の限界値より高いならば、溶液をポンプ輸送しないこともでき、この理由は、エネルギーが蒸発のために必要であり、そのエネルギーが新たに導入される溶液を加熱するために利用できないためである。

本発明による方法のさらに有益な改良によると、保存温度は、１４０℃〜１８０℃である。

ここで、本方法の実施に特に好ましくは、保存温度が１５３℃未満、好ましくは、１５０℃未満に設定される。
該温度は、尿素の別な生成物への二次反応が事実上観察されていないため、特に有益であることが実証されている。
静的な場合、即ち、開口が閉鎖されたときの保存圧力は、好ましくは、３バール〜１０バール（０．３〜１ＭＰａ）の範囲、好ましくは、４〜６バール（０．４〜０．６ＭＰａ）、特に好ましくは、約５バール（０．５ＭＰａ）である。

本発明による方法のさらに有益な改良によると、蒸気は、工程（Ｂ）の後に加熱される。

このような方法においては、とりわけ、流れが蒸発器体積の下流の加水分解触媒コンバータを通過するとき、該加水分解触媒コンバータの冷却が生じないようにすることができ、ここで、加水分解触媒コンバータの温度が着火温度を下回らないことを常に保証する仕方で、工程（Ｂ）の後に蒸気が加熱される温度が対応して選択されるまたは調節されるならば、加水分解触媒コンバータの加熱を行わなくてもよい。
ここで、蒸気は２５０℃から５５０℃までの温度に加熱することが特に有益であり、特に好ましくは、３５０℃〜４５０℃の温度である。

本発明のさらなる態様によると、還元剤前駆体を供給するための装置が提案され、本装置は、壁で区切られて少なくとも１つの還元剤前駆体の溶液を充填することができる準閉鎖の蒸発器体積を備え、壁を少なくとも１つの加熱手段によって少なくとも部分的に加熱することができ、蒸発器体積に存在する溶液を蒸発させることができ、抜き出し開口が形成され、そこを通って、少なくとも１つの還元剤前駆体を含む蒸気を抜き出すことができる。

本発明による装置は、抜き出し開口を開閉することにより、例えば、下流に形成された加水分解触媒コンバータに、圧力勾配を利用した簡単な仕方で、還元剤前駆体を投与することを特に有益に可能とする。
本発明による装置は、とりわけ、本発明による方法を実施するために使用することができる。

この関係において、抜き出し開口、または抜き出し開口の下流に位置する抜き出しラインが、例えば、対応して設計されたバルブを用いて可逆的に閉鎖可能であれば、特に有益であることが実証されている。
該バルブは、好ましくは、加熱手段もまた作動可能な制御ユニットを用いて制御と作動をすることができる。

本発明による装置のさらに有益な改良によると、溶液の供給のための供給開口が設けられる。

該供給開口は、とりわけ、溶液が中に投与されると、抜き出し開口が開いたとしても、蒸発器体積の蒸発がなければ、抜き出し開口を通って該溶液が直接離れることができないように設計される。

本発明による装置のさらに有益な改良によると、供給開口には、溶液が供給される方向に供給ベクトルを付与すことができ、一方、抜き出し開口には、ガスを抜き出すことができる方向に抜き出しベクトルを付与すことができ、抜き出しベクトルと供給ベクトルとは、互いの関係で、鋭角、直角、または鈍角を囲む。

本発明による装置のさらに有益な改良によると、加熱手段は、調節温度が１４０℃から１８０℃までの範囲にある少なくとも１つの自己調節性電気抵抗ヒータを備える。

自己調節性抵抗ヒータとは、とりわけ、チタン酸塩セラミックから製造することができるＰＴＣ（正の温度係数）抵抗器をとりわけ意味すると理解すべきである。
該タイプの自己調節性抵抗ヒータは、調節温度を有し、該温度から逸脱した場合、抵抗ヒータに変化が生じる。
このため、自己調節する加熱を実現することができる。
系の閉塞を回避するため、調節温度は、好ましくは、保存温度が１５３℃未満、好ましくは、１５０℃未満になるように選択され、とりわけ、１４５℃〜１５０℃の範囲が好ましい。

本出願の説明の中で、還元剤前駆体とは、とりわけ、以下の物質の少なくとも１つおよび該物質の誘導体を意味すると理解すべきである。
（ａ）尿素（（ＮＨ_２）_２ＣＯ）
（ｂ）ギ酸アンモニウム（ＨＣＯＯＮＨ_４）
（ｃ）カルバミン酸アンモニウム（Ｈ_２ＮＣＯＯＮＨ_４）
（ｄ）炭酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３）
（ｅ）重炭酸アンモニウム（ＮＨ_４ＨＣＯ_３）
（ｆ）シュウ酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２（Ｃ_２Ｏ_４））
（ｇ）水酸化アンモニウム（ＮＨ_４ＯＨ）
（ｈ）シアン酸（ＨＯＣＮ）
（ｉ）シアヌル酸（Ｃ_３Ｈ_３Ｎ_３Ｏ_３）
（ｊ）イソシアン酸（ＨＮＣＯ）

方法について本発明の説明の中で開示した詳細は、本発明による装置にも同じ仕方で移行して適用することができる。
本発明による装置について本発明の説明の中で開示した詳細は、本発明による方法にも同じ仕方で移行して適用することができる。

本発明は、添付の図面に基づいて更に詳細に示され、本発明は例示的実施形態に制限されることなく、図面において詳細に開示される。
本発明による装置の第１の例示的実施形態を示す図である。 本発明による装置の第２の例示的実施形態を示す図である。 本発明による装置の第３の例示的実施形態を示す図である。

図１は、還元剤前駆体を供給するための装置１を概略的に示す。
装置１は、壁２によって区切られた準閉鎖の蒸発器体積３を備える。
蒸発器体積３は、少なくとも１つの還元剤前駆体、とりわけ尿素、適切な場合、ギ酸アンモニウムの溶液４で、少なくとも部分的に満たされる。
壁２は、ここでは電気抵抗ヒータの接続ワイヤとして示されている少なくとも１つの加熱手段５によって、少なくとも部分的に加熱することができる。
閉鎖可能な抜き出し開口６が、壁２に形成され、その抜き出し開口６を通して、溶液４の上で発生して図中に対応する点で示されている蒸気７を抜き出すことができる。
ここで、運転中、壁２および／または蒸発器体積３は、保存温度に加熱され、蒸気７は、周囲圧力よりも高い、例えば、抜き出し開口６に接続された抜き出しライン８の圧力よりも高い保存圧力にある。

この第１の典型的な実施形態において、供給開口９もまた設けられ、この供給開口９は、可逆的で活性化可能な仕方で閉鎖させることができる。
該供給開口９には、溶液４が供給される方向を表示する供給ベクトル１０が付与される。
さらに、抜き出し開口６には、蒸気を抜き出すことができる方向を特定する抜き出しベクトル１０が付与される。
抜き出しベクトルと供給ベクトルは、この典型的な実施形態において、鋭角または鈍角を囲む。
言い換えると、抜き出しベクトル１１と供給ベクトル１０のベクトル積はゼロではない。
このことは、導入された溶液４が、蒸発せずに抜き出し開口６を直接通って蒸発器体積３を離れることができないことを保証する。
この例において、抜き出し開口６は、抜き出しバルブ１２を用いて、可逆的に閉鎖させることができる。
抜き出しバルブ１２の活性化により、還元剤前駆体または少なくとも１つの還元剤前駆体を含む蒸気７を、下流に形成された加水分解触媒コンバータ１３に投与することができる。
充填プロセスは、供給開口９を可逆的に閉鎖する供給バルブ１４を用いて制御または調節することができる。
供給されるとき、溶液４は、容器１６から供給開口９を通って蒸発器体積３まで溶液４を搬送するポンプ１５を用いて搬送される。

還元剤を生成する還元剤前駆体の少なくとも部分的な加水分解が、加水分解触媒コンバータ１３で生じ、ここで、対応する還元剤を含む気体流を、ＳＣＲ触媒コンバータ１７の上流の排気ライン１８に導入することができる。
排気ライン１８に対する加水分解触媒コンバータ１３の供給または接続は、案内板１９の流れの陰にある。
該案内板１９によって、排気ガスが加水分解触媒コンバータ１３に侵入することを効果的に防ぐことができる。
このようにして、排気ライン１８を通って流れる排ガス流２０が、ＳＣＲ触媒コンバータ１７において、加水分解触媒コンバータ１３を離れる還元剤を用いた窒素酸化物の選択的接触還元によって、その窒素酸化物の割合の低減を受けることができる。
還元剤前駆体の少なくとも部分的な熱分解が、蒸発器体積３そのもので、または蒸発器体積３の下流に位置するさらなる加熱段階で、生じてもよい。

蒸発器体積３への溶液４の供給は、溶液レベル２１を監視することによって行われる。
溶液レベル２１が、所定の最小値を下回ると、溶液４が蒸発器体積３の中に供給される。

図２は、本発明による装置の第２の典型的な実施形態を示し、図１と同じ部分には同じ参照記号を与え、図１に関する説明と同じ言及がなされる。
第１の典型的な実施形態と対照的に、ここでは容器１６が設けられず、事実上、蒸発器体積３が還元剤前駆体の溶液の全容器を構成するようにして、全容器が加熱される。
該蒸発器体積３は、例えば、交換可能に設計されてもよく、充填プロセスの代わりに、カートリッジを交換することが必要なだけである。
ここで、抜き出しバルブ１２は、抜き出し開口６の出口に直接形成されるのではなく、抜き出しライン８の下流に形成される場合もある。
このようにして、蒸発器体積３は、抜き出しバルブ１２の中にまたは同じ側に位置する抜き出しライン８の体積によって拡大される。
図２による実施形態は、さらなる容器１６とポンプ１５を省略できるといった長所を有する。

図３は、本発明による装置１の第３の典型的な実施形態を概略的に示す。
第１の典型的な実施形態と対照的に、ここでは第２加熱手段２２が形成され、その第２加熱手段２２によって、蒸気７をさらに加熱することができる。
ここで、蒸気７は、２５０℃〜５５０℃の温度に加熱することが好ましい。
このことは、加水分解触媒コンバータ１３が、蒸気７によって冷却されることができず、適切な場合、還元剤を生成する還元剤前駆体の少なくとも部分的な熱分解が生じるといった結果を有する。

本発明は、とりわけ、窒素酸化物の選択的接触還元に使用可能な還元剤前駆体を供給する方法および装置１を提供する。
本発明による方法および本発明による装置１は、少なくとも１つの還元剤前駆体を含む蒸気７を加水分解触媒コンバータ１３に投与することに関し、蒸気７と抜き出しライン８との間に圧力勾配が存在することから、さらなる搬送手段を省略することができるため、簡単な仕方で投与を行うことを可能にする。

１ 還元剤前駆体の供給装置
２ 壁
３ 蒸発器体積
４ 溶液
５ 加熱手段
６ 抜き出し開口
７ 蒸気
８ 抜き出しライン
９ 供給開口
１０ 供給ベクトル
１１ 抜き出しベクトル
１２ 抜き出しバルブ
１３ 加水分解触媒コンバータ
１４ 供給バルブ
１５ ポンプ
１６ 容器
１７ ＳＣＲ触媒コンバータ
１８ 排気ライン
１９ 案内板
２０ 排ガス流
２１ 溶液レベル
２２ 第２加熱手段

Claims (10)

1. （Ａ）周囲圧力を超える保存圧力の少なくとも１つの還元剤前駆体を含む蒸気（７）雰囲気を形成するために、壁（２）で区切られて少なくとも１つの還元剤前駆体（３）の溶液で少なくとも部分的に満たされた準閉鎖の蒸発器体積を、溶液の蒸発温度を超える保存温度まで加熱する工程と、
   （Ｂ）保存圧力と周囲圧力との間の圧力差を利用して蒸気（７）を抜き出す工程と、を含むことを特徴とする方法。
2. 少なくとも１つの還元剤前駆体の溶液（４）が、要求に応じて、蒸発器体積（３）に供給される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記保存温度は、１４０℃〜１８０℃である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記蒸気（７）は、工程（Ｂ）の後に加熱される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の方法。
5. 前記壁（２）は、均等に加熱される、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の方法。
6. 還元剤前駆体を提供するための装置（１）であって、
   装置は、壁（２）で区切られて少なくとも１つの還元剤前駆体の溶液（４）を充填することができる準閉鎖の蒸発器体積（３）を備え、
   壁（２）を少なくとも１つの加熱手段（５）によって少なくとも部分的に加熱することができ、蒸発器体積（３）に存在する溶液（４）を蒸発させることができ、抜き出し開口（６）が形成され、そこを通って、少なくとも１つの還元剤前駆体を含む蒸気（７）を抜き出す、ことを特徴とする装置（１）。
7. 前記抜き出し開口（６）が可逆的に閉鎖可能である、ことを特徴とする請求項６に記載の装置（１）。
8. 前記溶液（４）の供給のための供給開口（９）が設けられる、ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の装置（１）。
9. 供給開口（９）には、溶液（４）が供給される方向に供給ベクトル（１０）を付与し、
   抜き出し開口（６）には、前記蒸気（７）を抜き出すことができる方向に抜き出しベクトル（１１）を付与し、
   前記抜き出しベクトル（１１）と前記供給ベクトル（１０）は、互いの関係で、鋭角、直角、または鈍角を囲む、ことを特徴とする請求項８に記載の装置（１）。
10. 前記加熱手段は、調節温度が１４０℃から１６０℃までの範囲にある少なくとも１つの自己調節性電気抵抗ヒータを備える、ことを特徴とする請求項６〜９のいずれか１つに記載の装置（１）。
    

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