JP2010533254A - 少なくとも一つの粒子凝集器の再生方法、及び排出ガス後処理システムを有する自動車 - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車（４）の内燃機関（３）の排出ガス後処理システム（２）の少なくとも一つの粒子凝集器（１）を再生する方法であって、前記内燃機関（３）は、少なくとも一つの動作フェーズにおいて、前記少なくとも一つの粒子凝集器（１）の炭素含有粒子（５）の変換を確実にするために十分な二酸化窒素（ＮＯ_２）の比率が、排出ガスにおいて直接生成されるように、動作する、方法。本発明はさらに、かかる方法を実行するために好適な自動車を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車内燃機関の排出ガス後処理システムの少なくとも一つの粒子凝集器の再生方法に関する。本発明は、また、内燃機関と、少なくとも一つの連続的に再生可能な粒子凝集器で形成された排出ガス後処理システムとを有する自動車に関する。この限りおいて、本発明は、より詳細には、例えば、ディーゼルエンジンなどの移動用内燃機関からの煤煙粒子の除去に関する。

排出ガス流に取り込まれた炭素を含む粒子は、加熱して燃焼させる、又は、排出ガス後処理システムでも生成される二酸化窒素（ＮＯ_２）によって変換することができることが知られている。この目的のため、取り込まれた粒子を少なくとも一時的に捕獲して蓄積する、粒子凝集器、例えば、フィルタ、粒子分離器などが知られている。熱再生時、粒子凝集器は、排出ガスに取り込まれた酸素と炭素との変換が開始する範囲（例えば、８００°Ｃを上回る）まで加熱される。この目的のため、例えば、熱エネルギーのソースとして、燃焼器、発熱体、電気的に加熱可能なフィルタ、又は炭化水素の発熱変換を考慮することができる。反対に、いわゆる、連続的再生変換（いわゆるＣＲＴ処理）は、低温度、例えば、４００°Ｃを下回る温度での二酸化窒素を用いた炭素含有粒子の変換に基づく。この目的のため、エンジンによって生成された排出ガスを、酸化触媒コンバータを介して導き、煤煙粒子の変換のために十分な二酸化窒素を提供できるように、排出ガスに既に取り込まれた酸化窒素を酸化する。二酸化窒素は炭素との親和性が高いため、二酸化窒素が煤煙粒子と接触すると、二酸化炭素と窒素が規則的に生成される。

既知の方法と装置では、需要に対応する、受動的な再生可能粒子凝集器（ＣＲＴ）の場合、酸化被膜が粒子凝集器の上流、又は粒子凝集器に直接形成される。この被膜は、しばしば、プラチナを含み、高価であり、場合によっては、追加の排出ガス後処理装置を必要とするため、排出ガス処理システムを一層複雑にしていた。

以上の問題に鑑み、本発明は、上述の従来技術で明確にされた課題を少なくとも部分的に解決することを目的とする。特に、状況に応じた受動的再生を行うことができる、少なくとも一つの粒子凝集器を再生する、実用的で費用効果的な方法を提供することを目的とする。さらに、小粒子（例えば、平均直径が最大で５００ナノメートル）の場合に低い圧力低下と、特に高い有効性により特徴づけられる、かかる方法に好適な装置を提供することを目的とする。

これらの目的は、請求項１に記載の特徴の方法によって、及び、請求項１０に記載の自動車によって達成される。本発明のさらなる実施の形態は、従属請求項で定義される。特許請求の範囲に個別に列挙した特徴は、所望の技術的に意味ある方法で組み合わせることができ、本発明のさらなる実施の形態を明確にする。記載は、特に、図面と併せて、本発明の典型的な実施の形態を説明する。

自動車の内燃機関の排出ガス後処理システムの少なくとも一つの粒子凝集器を再生する本発明の方法では、前記内燃機関は、少なくとも一つの動作フェーズにおいて、前記少なくとも一つの粒子凝集器の炭素含有粒子の変換を確実にするために十分な比率の二酸化窒素（ＮＯ_２）が、排出ガスにおいて直接生成されるように、動作する。

ここで、熱再生は行われず、炭素含有粒子からの変換は４００℃を下回る温度、又は３００℃を下回る温度ででも行われる。粒子凝集器は、基本的に、フィルタ、粒子分離器、又は、粒子を一時的に捕獲するための同様の簡単な機器によって構成することができる。当該内燃機関は、主に過剰空気で燃焼を行う、例えば、いわゆるディーゼルエンジン又はいわゆる希薄燃焼エンジンなどの希薄燃焼エンジンが好ましい。換言すると、内燃機関は、例えば、低負荷の状態などの、少なくともある動作フェーズ（再生フェーズ）で動作して、十分に高い比率の二酸化窒素を内燃機関によって直接生成することを提案する。「再生フェーズ」とは、粒子凝集器の中の粒子の量が、特に、少なくとも２０重量％まで、適当であれば、少なくとも４０重量％、又は少なくとも80重量％まで減少する時間間隔を意味する。内燃機関を相応に制御することを可能とする個別の機構について、以下、詳細に説明する。これに関連して、まず、内燃機関自体を、粒子凝集器の再生のための酸化窒素源として使用することができるので、例えば、上流の酸化触媒コンバータなどの追加の酸化窒素源を不要とすることができる。

ここで、本方法は、好ましくは、内燃機関が存在する全ての二酸化窒素（ＮＯ_２）の比率を、存在する酸化窒素（ＮＯ_ｘ）の全体の２５体積％〜６０体積％の範囲となるようにすることが好ましい。このため、内燃機関の燃焼室の状態は、特に、生成される酸化窒素全体に対する二酸化窒素の比率が、特に３０体積％、又は４５体積％を上回る重要な範囲に達するように設定する（これらの比率は、必要な場合、同様にモル％として考慮することもできる）。これは、具体的には、粒子凝集器（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ）の再生が行われている動作フェーズにおける酸化窒素比率に関する。本明細書では、２５体積％を動作フェーズの下限、及び／又は、平均値と考えることができる。内燃機関によって依然として十分な動力を生成できるように、二酸化窒素の比率が、略６０体積％を超えないことが好ましい。

本方法の一つの改良によると、少なくとも一つの粒子凝集器まで、内燃機関のみが二酸化窒素（ＮＯ_２）を活発に生成する構成を提案する。換言すると、これは特に、内燃機関と対象とする粒子凝集器との間で、排出ガス後処理システムが二酸化窒素で排出ガスを濃縮する手段又は処置を有さないことを意味する。したがって、本方法と装置は、特に単純な設計で、粒子凝集器の目標とする再生を、内燃機関の対応する動作によって調整することができる。対応する活発で、著しい二酸化窒素生成を実現するためにしばしば好適ではないが、排出ガス自体の中の酸化還元処理は、当然、防止することはできない。

さらに、本方法は、内燃機関に再循環される排出ガス流の比率が動作フェーズにおいて増加するように改良できる。この目的のため、排出ガス後処理システムは、例えば、いわゆる排出ガス再循環（ＥＧＲ）を備えて構成され、内燃機関によって生成される排出ガスが、特に、少なくとも一つの粒子凝集器に到達する前に、かかる排出ガスが（部分的に）内燃機関に再び供給されるようになっている。排出ガス再循環レートを目標をもって増加させることによって、排出ガスの二酸化窒素の比率が増加し、本明細書が提案する再生を促進することができる。再循環される流れのレートは、好ましくは、６０体積％までの範囲、特に、２０体積％〜５０体積％迄の範囲である。

本方法の一つの改良によると、内燃機関の燃焼室温度は、動作フェーズにおいて低下する。従来、高い比率の二酸化窒素が比較的低温で実行される燃焼処理で排出ガスに生成されることが認められている。具体的には、この目的のため、燃焼室温度を、ピークの燃焼温度が４５０℃より低い範囲となるように調整する。

さらに、上述の可能性に代えて、あるいは加えて、燃焼機関のチャージ圧力が動作フェーズにおいて増加することも、有利であると考えられる。この場合、排出ガス後処理システムは、例えば、排出ガスターボ過給機を有して形成され、結果として吸気流が圧縮される。チャージ圧力、いわゆる内燃機関の燃焼室、燃料空気混合気の圧力は、従来、３０〜５０バールの範囲である。再生フェーズでは、特に、従来の調整されたチャージ圧力に対してチャージ圧力が、例えば、少なくとも１５％、必要な場合は、２５％増加する。チャージ圧力の増加によって、燃焼室のピーク燃焼温度は影響され、したがって、酸化窒素の形成も影響される。

内燃機関の酸素含有量を動作フェーズにおいて増加させることもできる。したがって、燃焼を、例えば、さらに大きな過剰空気で行うことができる。このようにして、燃料空気混合気中の酸素含有量を、例えば、少なくとも１％の値、特に、ラムダ値が１．０５〜１．１１（それぞれ、酸素が略１％と２％の酸素）の範囲に増加させることができる。いわゆる燃焼空気比率（ラムダ値）とは、完全燃焼のために必要な、必要最小限の化学量論的空気量ｍ_{（ＡＩＲ，ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）}に対する実際に燃焼可能な空気量ｍ_{（ＡＩＲ，ａｃｔｕａｌ）}とする。これもまた、特に一時的に、所望の二酸化窒素の生成に影響を与える。

配設された粒子凝集器の容積を小さくしながら、同時に炭素含有粒子の変換を効率的にするため、内燃機関は、大部分の平均直径を最大で２００ナノメータ[ｎｍ]とする炭素含有粒子が、前記排出ガスで生成されるように動作する構成を提案する。内燃機関は極めて好ましくは、平均直径が最大で１００ナノメートルとなるように動作する。これは基本的に、粒子凝集器を再生する動作フェーズ（再生フェーズ）に相当しない内燃機関の動作状態にも適用する。極小粒子は、特に好ましくは、提供される二酸化窒素と変換され、二酸化炭素と元素窒素となる。かかるサイズの粒子を提供するため、特に、燃焼室の排出口と排出ラインを、ここに記載する限界値を超えるサイズまで粒子が過剰に凝集することのないように調整する必要がある。

排出ガスの活性温度の上昇は、少なくとも前記動作フェーズで行われる構成も提案する。これは特に、排出ガス後処理システムの排出ガスは追加の加熱手段と接触して、かかる排出ガスが、少なくとも、粒子と接触して変換される際には、ＣＲＴ処理を十分に実行するための通常温度となるようにする。加熱手段は、特に（被膜のない）（電動式）加熱体、熱交換器などを含む。排出ガス後処理システムの一酸化窒素の酸化を改善するための、排出ガスに目標とする又は調整した（非触媒及び／又は触媒）温度増加を行うコンセプトは、一般的に、ＣＲＴ処理を実行する大きな利点があるため、場合によっては、本明細書に記載する本明細書に係る方法から独立した場合であっても、望ましい。

本発明のさらなる態様によると、内燃機関と、少なくとも一つの連続的に再生可能な粒子凝集器によって形成された排出ガス後処理システムと、を有する自動車であって、内燃機関が少なくとも一つの粒子凝集器までの唯一の作動する二酸化窒素（ＮＯ_２）源であり、少なくとも一つの粒子凝集器がバイパス流フィルタ（セミフィルタ（semi-filter）とも呼ばれる）である、自動車が提案される。

ここで提案する自動車は、特に、本明細書で説明する本発明に係る方法に従って、少なくとも一つの粒子凝集器の非熱的再生が所望の動作フェーズで行えるように動作することができる。ここで提案する自動車は、特に、構成が単純な排出ガス後処理システムによって特徴付けられ、対応する内燃機関の制御は、粒子凝集器の閉塞、それによる粒子凝集器全体の圧力上昇を防止する、粒子凝集器の信頼性のある再生を実現する。

唯一の（排他的に）作動する酸化窒素源としての内燃機関の構成については、基本的に上述の説明を参照する。ここで提案する粒子凝集器について、粒子凝集器は、バイパス流フィルタを有する。この種のバイパス流フィルタは、排出ガスのための複数の流路を提供する特徴を有する。排出ガスは（理論的には）、フィルタ材料と接触する、あるいは、フィルタ材料を貫流することなく、粒子凝集器を貫流する可能性を有する。この目的のため、バイパス流フィルタは、例えば、少なくとも部分的に非通気性（ｇａｓ−ｉｍｐｅｒｍｅａｂｌｅ）の材料から生成され、必要な場合は、フィルタ媒体を含むことができる、管路の壁部で形成されたハニカム体で構成することができる。非通気性材料（好ましくは、金属薄板膜）は、隆起部とガイド羽根から形成され、少なくとも部分的に管路を閉鎖（又は偏向）させるため、管路壁部（又はフィルタ媒体）に向かう排出ガス流の少なくとも一部を偏向させる。ここで、隆起部は、どのポイントでも、管路を完全に閉鎖しないように形成されるため、隆起部を超えて流れる第２の流れを形成する。この種のバイパス流フィルタの一つの形態については、例えば、ＷＯ０１／８０９７８Ａ１号又はＷＯ０２／００３２６Ａ１号を参照されたい。

自動車の好ましい実施の形態の変形例によると、少なくとも一つの粒子凝集器は、排出ガスの流れ方向に、少なくとも一つの第１のゾーンと第２のゾーンとを有し、第２のゾーンは下流の端部側まで延在し、第２のゾーンは、酸化触媒コンバータを有する。これは、特に、粒子凝集器を、軸方向に、粒子凝集器の全断面にわたって延在する少なくとも二つのゾーンに分割することができ、粒子凝集器の下流端部に延在する下流のゾーンに酸化触媒コンバータが配設されることを意味する。ここで、第１のゾーンは、好ましくは、触媒不活性で、すなわち、例えば、被膜がない。酸化触媒コンバータは、例えば、貴金属ドーピングによる従来のウォッシュコート被膜で形成することができる。

本発明及び技術分野について、図面を参照してより詳細に説明する。図面は、本発明の好ましい実施の形態を示すものであって、本発明を限定するものではないことに留意されたい。

第１の実施の形態に係る自動車の排出ガス後処理システムを示す図である。 内燃機関の動作時における二酸化窒素濃度の可能なプロフィールを示す図である。 有利な粒子凝集器の構造を示す図である。 さらなる実施の形態の粒子凝集器の断面図である。

本発明によれば、

図１は、本書で説明する本方法を実行するために、基本的に好適な、自動車４の内燃機関３の排出ガス後処理システム２の一つの可能性な構成の概略図である。自動車４は、まず第一に、供給された燃料と空気の混合気を燃焼して、排出ガスを排出ライン１９を介して大気に放出する、複数の燃焼室２１を有する。

ここに示す排出ガス後処理システム２は、流れ方向７に対して内燃機関３の下流に、排出ガス流の一部を制御された手法で内燃機関３の燃焼室２１に再び供給することができるように排出ガス再循環への分岐部１２を有している。また、図示のように、流れ方向７に対してさらに下流に、粒子凝集器１を有する。さらに下流にはターボ過給機１３が続く。排出ガス１３がこのターボ過給機１３を貫流すると、同時にタービンが駆動され、このタービンによって、吸気路２０を介して内燃機関３に供給される空気量は圧縮される。

排出ガスが、流れ方向７に排出ライン１９を貫流して、例えば、自動車４の底面部分に流れると、排出ガスに、さらなる排出ガス後処理部２４によってさらに汚染物質の処理が行われる。図示の場合では、排出ガス流は流れ方向７に酸化触媒コンバータ１１、フィルタ２２、ＳＣＲ触媒コンバータ２３（酸化窒素の選択的触媒還元用）を貫流し、排出ガスは、ＳＣＲ触媒コンバータ２３の上流で、対応する還元剤付加手段２５によって導入される還元剤と混合される。このようにして純化されて変換された排出ガスは、最後に排出ライン１９を介して周囲環境に流れる。

ここで図示する排出ガス後処理システム２の構造体は、特に、内燃機関３によって選択的に供給される二酸化窒素を対象とする、粒子凝集器１の不連続で選択的な再生処理を可能とする。

図２に一例として、粒子凝集器の再生のために内燃機関によって生成された排出ガスの二酸化窒素濃度の様々なプロフィールの概略を示す。ここで、横座標３０は、時間を表し、縦座標３１は、大凡の酸化窒素濃度を表す。

第１のプロフィール２６に注目すると、二酸化窒素濃度が、内燃機関３の動作時に、所定の再生領域２８をほとんど下回っていることがわかる。粒子凝集器の再生がまさに実行中である場合、排出ガスの二酸化窒素濃度は再生フェーズ２９又は内燃機関の動作フェーズによって調整され、その濃度は再生領域２８の中となる。内燃機関の要求が変化する（例えば、動力要求、負荷範囲など）、又は粒子凝集器の再生が終了すると、内燃機関３は再び、排出ガス中の二酸化窒素比率を比較的低くして動作することができる。このため、不連続で所定の、及び／又は、算出した時間、粒子凝集器は非熱的な再生を実行することができる。

さらに、排出ガス中の二酸化窒素比率を基本的に調整して、かかる比率が一定の間隔、及び／又は、特に、点線で図示する第２のプロフィール２７の示すように、恒常的に、再生領域２８の範囲内となるようにすることもできる。

図３に、変形実施の形態の粒子凝集器１の詳細を示す。粒子凝集器１は、管路１６が流れ方向７、又は、粒子凝集器１の対応する軸に沿って延在して形成されるように、金属不織布からなる略平坦な極細電線層１５と、その間に設けられた構造化された金属箔１４によって形成される。この管路１６の内部には、金属箔１４のガイド面３２によって形成された管路狭窄部１７が設けられており、管路狭窄部１７によって、極細電線層１５に向かう排出ガス流は（部分的に）偏向する。ここで、管路狭窄部１７、又はガイド面３２は、管路１６が完全に閉鎖することなく、むしろ、第２の流れ３３が残ることができるように形成される。ガイド面３２が金属箔１４から隆起しているため、隣接する管路１６への排出ガスの経路となる経路開口１８が形成される。

さらに、図３に示すように、二酸化窒素（ＮＯ_２）、炭素（Ｃ）、酸素（ＮＯ_２）を含む排出ガスは、粒子凝集器１に入り、そこで、二酸化窒素とともに含まれる、炭素含有粒子５の変換を開始し、一酸化窒素（ＮＯ）、窒素（Ｎ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、酸素（Ｏ_２）が最終的に粒子凝集器１に再び残るようにする。粒子凝集器によって、酸化窒素と煤煙粒子の反応の確率は大幅に向上し、排出ガスの圧力損失を低くしながら、比較的高い変換レートを実現でき、粒子凝集器の閉塞も信頼性をもって防止できる。

図４に、流れ方向７に、最初に、第１のゾーン８、続いて、後端部側１０まで延在する第２のゾーン９を有する、粒子凝集器１を示す。粒子凝集器１は、その全長にわたって平坦な極細電線層１５と、構造化された金属箔１４とによって形成され、金属箔１４は、隣接する管路１６において、交互に（対向して配置された）先細の管路狭窄部１７を形成する。管路狭窄部１７は、同時に、第２の流れ３３が起こるようにして、排出ガスの一部が極細電線層１５に向かうように誘導する。このようにして、好ましくは、２００ｎｍを下回る直径６を有する、粒子５は、粒子凝集器１の壁部（又は極細電線層）の中に、又は上に蓄積され、供給される二酸化窒素によって変換される。ここで、第１のゾーン８は、酸化活性被膜を有しておらず、第２のゾーン８は、対応して設けられた酸化触媒コンバータ１１によって、新たな酸化窒素を再び生成し、後部部分のその場所で、粒子凝集器の再生を行う。

当然のことながら、ここで提案したシステムには、本書で説明した本発明の趣旨から直接的に逸脱しない限りにおいて、様々な変形を実行することができる。粒子凝集器１を、例えば、ターボ過給機１３の下流に配置することもできるが、例えば、他の粒子凝集器を用いることもできる。下流の排出ガス後処理部２４も、所望の方法で組み合わせ、あるいは、追加することもできる。さらに、本発明は、また、いくつかの他の内燃機関、例えば、直接噴射式火花点火エンジンなどとも用いることができる。

１ 粒子凝集器
２ 排出ガス後処理システム
３ 内燃機関
４ 自動車
５ 粒子
６ 直径
７ 流れ方向
８ 第１のゾーン
９ 第２のゾーン
１０ 端部側
１１ 酸化触媒コンバータ
１２ 排出ガス再循環部
１３ ターボ過給機
１４ 金属箔
１５ 極細電線層
１６ 管路
１７ 管路狭窄部
１８ 経路開口
１９ 排出ライン
２０ 吸気路
２１ 燃焼室
２２ フィルタ
２３ ＳＣＲ触媒コンバータ
２４ 排出ガス後処理部
２５ 還元剤付加
２６ 第１のプロフィール
２７ 第２のプロフィール
２８ 再生領域
２９ 再生フェーズ
３０ 横座標
３１ 縦座標
３２ ガイド面
３３ 第２の流れ

Claims (11)

1. 自動車（４）の内燃機関（３）の排出ガス後処理システム（２）の少なくとも一つの粒子凝集器（１）を再生する方法であって、
   前記内燃機関（３）は、少なくとも一つの動作フェーズにおいて、
   前記少なくとも一つの粒子凝集器（１）の炭素含有粒子（５）の変換を確実にするために十分な比率の二酸化窒素（ＮＯ_２）が、排出ガスにおいて直接生成されるように、動作する、方法。
2. 前記内燃機関（３）は、前記二酸化窒素（ＮＯ_２）の比率を、存在する酸化窒素（ＮＯ_ｘ）の全体の２５体積％〜６０体積％の範囲となるようにする、請求項１記載の方法。
3. 前記少なくとも一つの粒子凝集器（１）まで、前記内燃機関（３）のみが二酸化窒素（ＮＯ_２）を活発に生成する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記内燃機関（３）に再循環される排出ガス流の比率は、動作フェーズにおいて増加する、請求項１から３迄の何れかに記載の方法。
5. 前記内燃機関（３）の燃焼室温度は、動作フェーズにおいて低下する、請求項１から４迄の何れかに記載の方法。
6. 前記内燃機関（３）のチャージ圧力は、動作フェーズにおいて増加する、請求項１から５迄の何れかに記載の方法。
7. 酸素含有量は、前記動作フェーズにおいて増加する、請求項１から６迄の何れかに記載の方法。
8. 前記内燃機関（３）は、大部分の平均直径（６）を最大で２００ナノメータとする、炭素含有粒子（５）が、前記排出ガスで生成されるように動作する、請求項１から７迄の何れかに記載の方法。
9. 前記排出ガスの活性温度の上昇は、少なくとも前記動作フェーズで行われる、請求項１から８迄の何れかに記載の方法。
10. 内燃機関（３）と、少なくとも一つの連続的に再生可能な粒子凝集器（１）によって形成された排出ガス後処理システム（２）と、を有する自動車（４）であって、
    前記内燃機関（３）が前記少なくとも一つの粒子凝集器（１）までの唯一の作動する二酸化窒素（ＮＯ_２）源であり、前記少なくとも一つの粒子凝集器（１）がバイパス流フィルタである、自動車（４）。
11. 前記少なくとも一つの粒子凝集器（１）は、排出ガスの流れ方向（７）に、少なくとも一つの第１のゾーン（８）と第２のゾーン（９）とを有し、
    前記第２のゾーン（９）は下流の端部側（１０）まで延在し、前記第２のゾーン（９）は、酸化触媒コンバータ（１１）を有する、請求項１０記載の自動車（４）。
    
    
    

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