JP2015152009A - ディーゼルエンジン排気ガスの浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率が改善されたディーゼルエンジン排気ガスの浄化方法を提供する。
【解決手段】浄化すべき排気ガスを排気ガスラインのディーゼル酸化触媒（ＤＯ（Ｃ）に通して、ガス状の残存炭化水素（Ｈ（Ｃ）を酸化し、一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ₂）に酸化し、排気ガス中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へ少なくとも部分的に酸化する。
【選択図】図１

Description

本発明はディーゼルエンジン排気ガスの浄化方法に関するものである。

新世代のエンジンはストローク体積当りの出力が次第に大きくなっている。その結果として、低出力時に排気ガス温度が低くなり、それによってエンジンから離れて配置されているＳＣＲ触媒を有する「旧来の」排気ガス後処理システムでは安定した運転が最早保証されない可能性がある。

特に、低負荷域で排気ガス中へ温度調整されていない尿素水溶液（ＨＷＬ）を噴射した場合、尿素および尿素二次化合物が結晶化し、沈積するのを避けるのが難しい。こうして生成した沈積物は低負荷域での連続運転時に排気ガス設備を閉塞させ、機器を故障させる危険がある。また、十分な排気ガス温度になっていない排気ガス中で、尿素水溶液（ＨＷＬ）が本来の還元剤であるアンモニアまで完全分解されないと、低負荷域での尿素選択接触還元（selective catalytic reduction、ＳＣＲ）システムの十分な脱窒能力が保証されなくなる可能性がある。

そのため、例えば特許文献１（欧州特許第１０５４７２２Ｂ号公報）に記載のシステムのような従来技術をベースにした現在の排気ガス後処理システムでは、十分な脱窒率を得るためにＳＣＲ触媒の容積を大きくしなければならないが、一般に構造空間が限定されているためＳＣＲ触媒の容積を大きくすることは不可能または困難である。

さらに、新型エンジンでは粒子数の上限値も制限される。しかし、密閉式壁流フィルタを導入しないとこの上限値を満たすことは不可能である。

特許文献２（独国特許第１０３４８８００号公報）には、少なくとも１つの加熱要素を有する還元剤供給システムの制御方法が開示されている。この還元剤供給システムは上流側でＳＣＲ触媒に結合されている。この特許では還元剤供給システムの還元剤エアアシスト噴射で加熱要素を介して空気と還元剤の気化混合物が形成され、この混合物がＳＣＲ触媒に入る排気ガス混合物中へ導かれる。還元剤としては尿素水溶液が使用される。ＨＷＬおよび空気に対する混合ユニットと加熱要素／気化ユニットとを含む還元剤供給システム全体がエンジン出口の下流側で排気ガスの導管内のＳＣＲ触媒の下流側で合流する。ＷＨＬ・空気混合物の気化のために必要な熱量は１２Ｖのバッテリ電流を利用して作られる。

特許文献３（独国特許第１０２００７０２９６７４号公報）には内燃機関の排気ガス設備の酸素を含むガス流内の窒素酸化物を低下させるためのモジュールが開示されている。このモジュールは窒素酸化物と酸素を導くガス配管内に配置されたＳＣＲ触媒と、アンモニア前駆体を含む溶液をアンモニア溶液に変換する変換反応器と、変換反応器に後接続された独立部品として作られたＳＣＲ触媒の上流側でガス配管内に導入する前のアンモニア溶液を気化する気化ユニットとを有する。この特許ではアンモニア前駆体を含む溶液（主として尿素水溶液）のアンモニア溶液への変換はマイクロ波を使用して行われる。独立した部品として作られたアンモニア溶液用気化ユニットの前に、気化に必要なエネルギーを少なくするために、例えば排気ガスリサイクルの熱を利用してアンモニア溶液を加熱する熱交換器を前方に接続できる。気化器自体は電気的な加熱要素を使用する。

特許文献４（独国特許第１０２００７０４２８３６号公報）は、アンモニアを遊離する溶液、例えば尿素水溶液を使用して自動車の排気ガスを後処理するための装置を開示している。この装置は液体を貯蔵するための貯蔵容器を含み、液体の温度を調節するための温度調節装置を備えている。この温度調節装置は液体を冷却するために自動車の冷却循環系に組み込まれる。この冷却循環系は内燃エンジンの冷却循環系であっても、空調設備循環系であってもよい。温度調節装置は独立した部品として作られる。温度調節装置を用いて液体を加熱することで液体の凍結が防止され、また、液体が有利な温度レベルに加熱されて特に良好な排気ガス浄化が行われる。

特許文献５（独国特許第１０２００９００９５３８号公報）には、内燃エンジンの排気ガスシステムに対する液体添加剤、主として尿素水溶液の温度を調整するシステムが開示されている。このシステムの特徴は添加剤と、冷却剤設備、特に空調設備の冷却材循環との間で熱交換する手段にある。

特許文献６（独国特許第１０２００７０１１１８４号公報）に記載の技術は、内燃エンジン、特にディーゼルエンジンの排出含有物をさらに低下させ、しかも、排気ガス処理に必要な構造空間を最小化するという課題を解決するために開発されたものである。この課題を解決するために、この特許では内燃エンジンへ排気ガスをリサイクルするための自動車内燃エンジンの排気ガスを冷却する熱交換器が冷却のために少なくとも１つの第１流体が貫流する少なくとも１つの第１流動チャネルと、冷却すべき少なくとも１つの第２流体が貫流する少なくとも１つの第２流動チャネルとを備え、少なくとも１つの第１流体チャネルと少なくとも１つの２流体チャネルとを収容するためのハウジングを備えている。このハウジングは熱交換器に第２流体を流入させるための少なくとも１つの流入部分と、熱交換器から第２流体を流出させるための少なくとも１つの流出部分とを備えている。この特許の特徴は上記熱交換器が液体の尿素溶液を少なくともアンモニアガス中へ移行させるための少なくとも１つの装置を有する点にある。

特許文献７（国際特許第２０１２／０２２６８７号公報）は、還元剤用の少なくとも１つの貯蔵器と還元剤用の少なくとも１つの供給装置とを有する排気ガス後処理装置の運転方法を開示している。この特許の方法は以下の各段階を含む：すなわち、（ａ）少なくとも１つの貯蔵器の充填レベルを検査する段階と、（ｂ）現状の排気ガスの質量流量を検査する段階と、（ｃ）少なくとも１つの貯蔵器の充填レベルが最低充填レベルを下回りかつ排気ガスの質量流量が低負荷域になった場合に還元剤を供給する段階。その一つの実施形態では、段階（ｃ）で少なくとも１つアクションすなわち少なくとも排気ガス質量流量または還元剤を加熱するアクションと、還元剤を供給するアクションとが実施される。この場合、還元剤への熱供給は外部の電気ヒータで行うことができる。

特許文献８（独国特許第１０２００９０２５１３５号公報）には、熱エネルギーを取り入れるための少なくとも１つの第１帯域と第２帯域とを通って延びた尿素水溶液の給送チャネルを備えた、尿素水溶液の気化装置が開示されている。この特許では上記２つの帯域は互いに独立して加熱可能であり、給送チャネルは第２帯域の第２入口領域に蛇行進行部を備え、その後に直線進行部を備えている。尿素水溶液は第１帯域で１００〜１８０℃の温度に予熱され、第２帯域で４２０〜４９０℃の温度で気化する。

特許文献９（独国特許第１０２００８０１２０８７号公報）には、尿素水溶液からアンモニアを含むガス流を生成するための気化ユニットが開示されている。この気化ユニットも独立した部品として作られている。

従来技術をベースにした工業用エンジンは一般に特許文献１をベースにした触媒活性排気ガス後処理（ＡＮＢ）システムまたは「ＳＣＲＴ（登録商標）システム」とよばれるシステムを有している。これは現行の（最終第４次／欧州ステージＩＶおよびそれ以降の）排出ガス規制を守るために、ＳＣＲ／ＡＳＣ触媒より前に尿素水溶液（ＨＷＬ）を投与するＤＯＣ／（ｃ）ＤＰＦ＋ＳＣＲ／ＡＳＣ構成で運転される。

このＡＮＢシステムでは、必要な除去効率で作業できるようにするために２３０℃以上の最低排気ガス温度と触媒運転温度が必要である。

低負荷運転状態では必要な最低排気ガス温度はエンジンの熱的対応策（例えばエンジンのスロットリング）によってのみ与えることができる。これに必要な排気ガス温度を作るために排気ガス中に与えるエネルギーは駆動ラインから取り出される。そのためエンジンの駆動効率が低下し、燃料消費が増加し、それに伴ってＣＯ₂排出量が増加する。

密閉式ディーゼル微粒子フィルタの再生は燃料消費に対して大きなマイナスの影響を与える。フィルタ内に沈積したカーボンを制御し、燃焼させるためには約６００℃が必要である。そのためには通常は受動的な再生に加えて、付加的な燃料の後噴射を必要とする。それによって生じる未燃焼炭化水素のＤＯＣによる発熱反応等の能動的な措置または例えば特許文献１０（欧州特許第２１７７７２８Ａ号公報）、特許文献１１（欧州特許第２１９２２７９Ａ号公報）または特許文献１２（国際特許第２０１０／１３９４２９号公報）をベ―スにした燃料を用いて運転されるバーナー等の能動的再生措置を必要とする。

ＳＣＲシステムを運転するためには一般に還元剤として３２．５％の尿素を含む尿素水溶液が使用される。これからアンモニアを遊離させるためには先ず６７．５％の水を気化させ、さらに尿素をアンモニアとＣＯ₂に加水分解しなければならない。

現在のＳＣＲシステムで還元剤のアンモニアを生成するのに必要な尿素水溶液（尿素水溶液ＨＷＬ、商品名ＡｄＢｌｕｅ（登録商標））は、温度調節されていない液体状態でＳＣＲ触媒の流入側で排気ガス中に噴射される。ＨＷＬを完全に気相へ移行させかつアンモニアへ（定量的に）遊離させる（尿素処理）に必要な熱量は高温の排気ガスを使って用意しなければならない。

しかし、特に低負荷運転時において排気ガス内に存在する熱量は、排気ガス中に存在する窒素酸化物を完全に還元するのに必要な噴射尿素水溶液（ＨＷＬ）を完全に処理するには不十分な場合がある。その結果、排気ガス設備内に尿素およびイソシアン酸、シアヌル酸、メラミン等の尿素二次製品の沈積物（結晶）が生成する。この該沈積物は排気ガス設備を完全閉塞させる危険性がある。さらに、窒素酸化物の還元に必要な化学量論量のアンモニア量を完全に用意できないため、ＳＣＲ反応で収量ロスが生じる可能性もある。

欧州特許第１０５４７２２Ｂ号公報 独国特許第１０３４８８００号公報 独国特許第１０２００７０２９６７４号公報 独国特許第１０２００７０４２８３６号公報 独国特許第１０２００９００９５３８号公報 独国特許第１０２００７０１１１８４号公報 国際特許第２０１２／０２２６８７号公報 独国特許第１０２００９０２５１３５号公報 独国特許第１０２００８０１２０８７号公報 欧州特許第２１７７７２８Ａ号公報 欧州特許第２１９２２７９Ａ号公報 国際特許第２０１０／１３９４２９号公報

本発明が解決しようとする課題は、低負荷域での内燃機関を運転する時の上記の従来法の欠点がなく、しかも、全システムのコスト効率を可能最大限に改善できる、エネルギー効率に優れたディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法を提供することにある。

上記の課題は、以下の（ａ）〜（ｄ）の段階を含むディーゼルエンジン排気ガス浄化方法によって解決される。
（ａ）浄化すべき排気ガスをディーゼル酸化触媒（ＤＯ（Ｃ）に通して、ガス状の残存炭化水素（ＨＣ）を酸化し、一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ₂）に酸化し、排気ガス中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へ少なくとも部分的に酸化する段階、
（ｂ）段階（ａ）で得られた排気ガス中へ、エンジン中での事前調整によって８０〜９０℃に加熱された尿素水溶液（ＨＷＬ）を添加し、加熱分解および加水分解によって添加した尿素からアンモニアを遊離させる段階、
（ｃ）段階（ｂ）で得られた排気ガスをＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタ（ＳＤＰＦ）へ通して、排気ガス中に含まれる微粒子と排気ガスに含まれる窒素酸化物とを減少させる段階、
（ｄ）段階（ｃ）で得られた排気ガスをアンモニア酸化触媒（ＡＳ（Ｃ）へ通して残留アンモニアを減少させる段階。

エンジン中での尿素水溶液の上記事前調整は下記特許文献１３に開示の装置を用いて行うのが好ましい。
独国特許第１０２０１４００１８７９．２号公報

上記事前調整された（すなわち８０〜９０℃の温度に予熱された）尿素水溶液（ＨＷＬ）の排気ガスライン中への投与によって、従来の投与方法における排気ガス温度（２００〜２３０℃）よりも低い排気ガス温度（１８０〜２００℃）での投与が可能になる。ＨＷＬをアンモニアへ分解するために従来システムで与える熱エネルギーを少なくできる。この利点を投与下限温度の低下させる代りにＳＤＰＦの前またはＳＣＲ触媒の前の混合区間の短縮に利用することもできる。

エンジンでタービンの下流側に配置される排気ガス後処理システムは、ＤＯＣと、ＨＷＬ投与装置と、ＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタ（ＳＤＰＦ）と、アンモニア酸化触媒と、オプションとしてＳＤＰＦとアンモニア酸化触媒（アンモニアスリップ触媒ＡＳＣとも称する）に配置される第２のＳＣＲ触媒とを含む。

ＳＣＲ触媒容積を微粒子フィルタへ（部分的に）一体化することで従来のシステムに比べてＡＮＢシステムを縮小できる。その結果、寒冷時始動後のＡＮＢシステムの加熱特性が改善され、排気ガス設備に関わる熱損失が明確に減少する。加えて設置空間を小さくできるという利点が得られる。微粒子フィルタに一体化可能なＳＣＲ容積が不十分な場合には、全耐用期間（８０００運転時間）に渡ってシステム全体で９７％以上のＮＯ_X変換率を保証するために、必要に応じてＳＣＲ触媒を使用し、排気ガスの流動方向で微粒子フィルタの後方に配置する。

本発明方法は、後で説明するＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタ（ＳＤＰＦ）に対する受動的な再生コンセプトを含むのが特に好ましい。サービスインターバル外でカーボン再生率が不十分な場合に、いわゆる緊急停止再生を実施することができるように、微粒子フィルタの付加的な停止再生がＳＤＰＦに関わる排気背圧の監視と同様にサービスの枠内で行われる。

本発明方法の特に好ましい形態では、ＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタ（ＳＤＰＦ）は受動的フィルタ再生コンセプトによって運転される。これは、本発明方法の第１段階でＳＤＰＦの流入側に配置されたＤＯＣで生成されるＮＯ₂によって沈積カーボン微粒子の酸化が行われる下記のいわゆるＣＲＴ（登録商標）反応に基づく沈積カーボンの燃焼を含む。

ＣＲＴ（登録商標）反応：
Ｃ_n＋２ｎＮＯ₂→ｎＣＯ２＋２ｎＮＯ
このＣＲＴ（登録商標）反応はＳＣＲ反応と競合関係にある。ＳＣＲ反応に関しては異なる反応速度（ＲＧ）で進行する３つの反応メカニズムが存在する。

標準ＳＣＲ：４ＮＯ＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ（中ＲＧ）
高速ＳＣＲ：ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ（高ＲＧ）
低速ＳＣＲ：６ＮＯ₂＋８ＮＨ₃→７Ｎ₂＋１２Ｈ₂Ｏ（低ＲＧ）

微粒子フィルタを受動的再生するためのカーボン燃焼に対して十分な量のＮＯ₂を使用できるようにするために、前置されたＤＯＣは３５０〜３７５℃の排気ガス温度での運転時において、ＮＯ_X中のＮＯ₂比率を５０％以上にしなければならない。「低速ＳＣＲ反応」よりも「ＣＲＴ（登録商標）反応」が速く進行する場合、過剰ＮＯ₂をカーボン燃焼に対して使用でき、その結果、受動的微粒子フィルタ再生が保証される。

約３００℃以上のＤＯＣ運転温度では動力学的制御範囲を外れる。その場合には触媒を用いて生成可能な排気ガス中のＮＯ₂濃度は最早触媒性能のみに依存せず、熱力学的な平衡位置に依存する。４００℃以上の温度でＮＯ_X中のＮＯ₂濃度を５０％以上にすることは最早不可能である。

２５０℃から既にＮＯ₂によるカーボン酸化が始まる。３００℃から運転信頼性のより高い微粒子フィルタの受動的再生が可能になる（下記非特許文献１）。
Ｃ．ハーゲリューケン（C. Hageluken）等共著、「自動車排気ガス触媒、第２版（Autoabgaskatalysatoren 2.Aufl.）」専門出版社、２００５年、１０２頁

この境界条件下に、ＳＣＲ反応とＣＲＴ（登録商標）反応との間の競合関係において運用できる十分に高いＮＯ₂濃度が用意される。

ＤＯＣによって用意できるＮＯ₂の量が、ＳＣＲ反応とカーボン再生との間の競合状態を生産的に解決するのに十分でない場合に、微粒子フィルタの十分な受動的再生を保証するためには、ＳＣＲ触媒活性化フィルタの除窒効率が投与した還元剤の量によって制限される可能性がある。この場合に対して別の形態では尿素水溶液（ＨＷＬ）を投与する第２の投与部が後設置される。（追加の）ＳＣＲ触媒の前に備えられる。全体システムの９７％以上の必要な脱窒効率を保証するために、この第２の投与部を用いて事前調整された（すなわち８０〜９０℃に加熱された）尿素水溶液（ＨＷＬ）を段階（ｃ）で得られた排気ガスに供給する。

別の有利な形態では、ＤＯＣ＋ＳＤＰＦ＋ＳＣＲ／ＡＳＣの構成を有するＡＮＢシステムを有する工業用エンジンが提供される。ここでは浄化すべき排気ガスに尿素水溶液を投与する装置の代りに、ガス状のアンモニアを投与する装置が使用される。この形態では、尿素のアンモニアへの分解はエンジンに装着された反応器中で行われ、この反応器に尿素水溶液が遊離した形で供給され、触媒法における尿素のイソシアン酸とアンモニアへの加熱分解と、それに続いて、得られたイソシアン酸のアンモニアとＣＯ₂への加水分解とによって、排気ガス設備における支配的な運転条件に依存しないで尿素のアンモニアへの処理が実施される。

アンモニアへの尿素処理を排気ガス設備の外部へ移し、ＡＮＢシステムへアンモニアを直接投与することによって、還元剤の投与に対する温度下限値は明確に２００〜２３０℃以下に、好ましくは１２０〜１８０℃の範囲の温度に下げることができる。

上記の投与温度下限値の制限はＳＣＲ触媒の作業温度域の範囲内にある。ガス状のアンモニアを投与することによって、尿素および尿素の不完全な分解で得られ、非常に低い運転温度で排気ガス設備を完全に閉塞させる危険性のあるイソシアン酸、シアヌル酸またはメラミン等の尿素二次製品の結晶化の危険がなくなる。さらに、この方法ではアンモニアへの不完全な尿素分解による脱窒効率の限界は存在しない。低負荷時における不完全な尿素分解を補償するための還元剤の過剰投与は不要である。ＡＳＣの削減、および／または、ＡＳＣなしで（許容される）時間平均で１０容量ｐｐｍのアンモニアの二次噴射を完全回避できる。

以下、本発明および技術的な環境を添付の図面を参照して説明するが、本発明が下記の実施例に限定されるものではない。

本発明方法を実施するための装置の好ましい実施例の概念図。 内燃機関のクランク室中に一体化させたＨＷＬ熱交換器を示す概念図。

［図１］は排気ガスライン２と尿素水溶液タンク３とを有する内燃機関１を示している。排気ガスライン２中には、排気ガスの流方向においてＤＯＣ５とＳＤＰＦ６の間に、ＮＯ_Xセンサ９と、ＨＷＬ熱交換器１４から供給されるＨＷＬを供給する取込装置とが配置されている。上記のＨＷＬ熱交換器１４はＳＤＰＦ６とＳＣＲ７との間のＨＷＬ取込装置にも供給できる。排気ガスの流動方向においてＳＣＲ７の後方には、アンモニアスリップ触媒（ＡＳＣ）８が存在している。排気ガスライン２の末端にもＮＯ_Xセンサ９が配置されている。
変形実施例では、上記ＨＷＬ熱交換器１４は、基本的に２つのＮＯ_Xセンサを備えた二重壁の排気ガス管１１の内部に配置されている。この場合、一方のＮＯ_Xセンサ９がＤＯＣ５とＳＰＤＦ６の間に配置され、他方のＮＯ_Xセンサ９はＡＳＣ８の後方に配置される。

［図２］は内燃機関１のクランク室を示し、その冷却循環系またはウォータジャケット１３とＨＷＬ熱交換器１４とは一体化されている。ＨＷＬは尿素水溶液タンク３中に存在し、この尿素水溶液タンク３は内燃機関の領域内に配置されている。ＨＷＬは、液体尿素給送ポンプ１２を用いて冷却水が循環する内燃機関１のクランク室領域へ送られる。ＨＷＬ熱交換器１４はこのクランク室領域内にあって、クランク室によってＨＷＬが加熱される。図示していない別の形態では、ＨＷＬ熱交換器１４は内燃機関１のシリンダヘッドに配置される。
加熱されたＨＷＬは、液体尿素給送ポンプ１２によってＨＷＬ熱交換器１４から噴射装置１５へ送り出される。噴射装置１５を出たＨＷＬは排気ガス配管内の混合区間１６に達し、ここでＨＷＬが再加熱される。

必要な場合、ＳＣＲコーティング微粒子フィルタとアンモニア酸化触媒との間に別のＳＣＲ触媒容積を組み込むこともできる。この場合、ＡＳＣは下流帯域としてＳＣＲ触媒上に塗布される。微粒子フィルタ内へのＳＣＲ触媒容積の（部分的）一体化による排気ガス後処理システムによって全体として必要な設置空間は特許文献１４に記載の従来のシステムよりも明らかに小さくなる。
欧州特許第１０５４７６６Ｂ号公報

排気ガスライン内への事前調整されたＨＷＬの投与（噴射）は、従来の投与方法よりも低い排気ガス温度での投与を可能にするだけではなく、ＨＷＬのアンモニアへの処理に従来システムより少ない熱エネルギーしか必要としないので、この投与下限温度の非低下といし利点を混合区間の短縮に利用することができる。

従来のシステム、特に乗用車用のＳＣＲコーティングフィルタを有するシステムは一般に能動的に再生される。すなわち、例えば燃料後噴射とフィルタに予め設置されたディーゼル酸化触媒により生じる炭化水素の発熱性酸化とが用いられる。本発明方法では微粒子フィルタの受動的再生を行われなければならない。そのために、微粒子フィルタ前の排気ガス中に十分な量のＮＯ₂が必要である。従って、予め設置される酸化触媒は高いＮＯ酸化率を備える必要があり、それによってＳＣＲコーティング微粒子フィルタ前の排気ガス中のＮＯ₂／ＮＯ_X比は０．５以上になる。この場合、ＳＣＲコーティング微粒子フィルタ前の排気ガス中の比が１：１であるＮＯ₂のみがＳＣＲ反応（「高速ＳＣＲ」の異なる反応速度に注意！！）において反応することから始まる。それ以上に存在するＮＯ₂の部分がＣＲＴ（登録商標）効果に基づくカーボン燃焼に使用できる。

変形形態では、最適運転温度が低い場合に、ＳＣＲコーティング微粒子フィルタと下流側のＳＣＲ／ＡＳＣとの間に第２のＨＷＬ投与府を配置するのが有利である。この場合、受動的再生を保証するために、ＳＣＲコーティング微粒子フィルタの前に準化学量論的な量の還元剤を供給する。第２のＨＷＬ噴射に基づいて後置されたＳＣＲ／ＡＳＣ触媒で残りの脱窒が行われる。

選択的接触還元（selective catalytic reduction、ＳＣＲ）の概念は、燃焼設備、ごみ焼却設備、ガスタービン、工業設備およびエンジンの排気ガス中の窒素酸化物の還元技術を意味する。ＳＣＲ触媒における化学的な反応は選択的であり、窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ₂）が優先的に還元され、その一方、望ましくない副反応（例えば二酸化硫黄の三酸化硫黄への酸化等）は十分に抑制される。

この反応の進行にはアンモニア（ＮＨ₃）を必要とし、このアンモニアは排気ガスに混合した尿素水溶液から遊離される。反応生成物は水（Ｈ₂Ｏ）と窒素（Ｎ₂）である。化学的に見ればこの反応はアンモニアによって窒素酸化物を窒素と平衡化させることである。
その触媒には幾つかの種類があり、その１つの種類は基本的に二酸化チタン、五酸化バナジウム、二酸化タングステンで構成され、別の種類はゼオライトを使用する。

本発明方法では、ＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタを使用して、ＳＣＲ触媒容積の少なくとも一部を微粒子フィルタ容積と一体化する。

さらに、本発明方法では、尿素水溶液の事前調整のための装置として例えば空冷式内燃機関の冷却フィンのような高温エンジン部品をもちいることで尿素水溶液（ＨＷＬ）の事前調整を行う。別の有利な形態では、ＨＷＬの事前調整または調整を高エネルギーの冷却流動および／または潤滑剤流の領域で行う。

ＳＣＲ法は車両技術においてディーゼル車両の窒素酸化物の排出量を低下させるために使用される。この技術を使用することで商用車は欧州Ｖ規制を満たすことができ、農機機械は第３ｂ次規制を満たすことができ、乗用車は非常に厳しい米国ＢＩＮ５排出ガス規制と欧州６規制を満たすことができる。この技術は排出ガス規制のＵＳ最終第４次および欧州ステージＩＶを満たすためにも使用される。

排気ガス設備では、ＳＣＲ反応に必要なアンモニアはそのまま直接（すなわち純粋な形で）使用されるのではなく、３２．５％の尿素水溶液から生成される。ＨＷＬの組成はドイツ工業規格（ＤＩＮ）７００７０で定められている。この尿素水溶液は、ＳＣＲ触媒の前に設けた例えば噴射ポンプまたは噴射器を用いて排気ガスライン中に噴射される。尿素水溶液から加熱分解と加水分解反応によってアンモニアとＣＯ₂が生じる。こうして生成されたアンモニアはＳＣＲ触媒において適切な温度で排気ガス中の窒素酸化物と反応する。噴射される尿素の量は、エンジンの窒素酸化物排出量と、エンジンの瞬間的な回転数および回転トルクとに依存する。尿素水溶液の消費量はエンジンの生排出量に依存し、使用するディーゼル燃料の量の約２％から８％である。従って、適切なタンク容量を備えられなければならない。高いＮＯ_X減少率を達成するために、尿素水溶液（ＡｄＢｌｕｅ（登録商標））をエンジンの窒素酸化物排出量に対して適切な比率で投与することが必要である。ＳＣＲ触媒は一定限度までＮＨ₃を蓄えることができるので、噴射量はＮＯ_X放出量の平均値に対応していなければならない。噴射量が少な過ぎる場合、窒素酸化物減少の効率は低下し、尿素の噴射量か過剰な場合には、形成されたアンモニアがＮＯ_Xと反応せずに環鏡中に漏れ出る可能性がある。アンモニアは刺激臭を持ち、極めて低濃度でも知覚されるので、過剰投与されると車両の近傍に迷惑な臭気がする。この臭いの問題はＳＣＲ触媒の後ろに酸化触媒を設けることで解決できる。それによってアンモニアを過剰投与されたときにＮＨ₃を再び窒素と水に変える。いわゆるアンモニアスリップを防ぐ別の方法は触媒を多数並べて一定の貯蔵機能を備えることである。

加熱分解は化学反応であり、この反応では出発物質は加熱によって複数の生成物に分解される。熱的な分解（熱分解）とは異なり、加熱分解は限定された生成物または反応性の中間段階を適切に実現するために使用される。

加水分解では水を用いて化学的結合を分解する。一般的に尿素の加熱分解は下記であり：
（ＮＨ₂）₂ＣＯ→ＮＨ₃＋ＨＮＣＯ（イソシアン酸）
得られたイソシアン酸の加水分解は下記である：
ＨＮＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＮＨ₃＋ＣＯ₂
窒素酸化物の還元は下記である：
４ＮＨ₃＋４ＮＯ＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ（標準ＳＣＲ）
２ＮＨ₃＋ＮＯ＋ＮＯ₂→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ（高速ＳＣＲ）
４ＮＨ₃＋３ＮＯ₂→３．５Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ（低速ＳＣＲ）
窒素酸化物の減少がエンジン燃焼を変化させずに行われ、それによってディーゼルエンジンの極めて良好な効率が得られる。

ＡｄＢｌｕｅ ３２．５％尿素水溶液
ＡＮＢ 排ガス後処理
ＡＳＣ アンモニアスリップ触媒またはアンモニア酸化触媒
ＣＲＴ 連続再生式トラップ
ＣＳＦ 排気ガス成分酸化コーティング微粒子フィルタ
ＤＯＣ ディーゼル酸化触媒
ＤＰＦ ディーゼル微粒子フィルタ
ＮＨ₃ アンモニア
ＮＯ_X エンジン燃焼において生成される窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ₂、Ｎ₂Ｏ等）の総量
ＲＧ 反応速度
ＳＣＲ 選択的接触還元触媒
ＳＤＰＦ ＳＣＲ活性化コーティングディーゼル微粒子フィルタまたはＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタ

１ 内燃機関
２ 排気ガスライン
３ 尿素水溶液タンク
５ ＤＯＣ
６ ＳＤＰＦ
７ ＳＣＲ
８ ＡＳＣ
９ ＮＯ_Xセンサ
１０ シリンダヘッド
１１ 二重壁排気ガス管
１２ 液体尿素給送ポンプ
１３ クランク室のウォータジャケット
１４ 熱交換器、螺旋熱交換器、管束熱交換器
１５ 噴射装置
１６ 混合区間

Claims (7)

1. 下記の（ａ）〜（ｄ）の段階を有する、ディーゼルエンジン排気ガスの浄化方法：
   （ａ）浄化すべき排気ガスをディーゼル酸化触媒（ＤＯ（Ｃ）に通してガス状の残存炭化水素（Ｈ（Ｃ）を酸化し、一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ₂）に酸化し、排気ガス中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）へ少なくとも部分的に酸化する段階、
   （ｂ）段階（ａ）で得られた排気ガス中へ、エンジンによって事前調整された８０〜９０℃に加熱された尿素水溶液（ＨＷＬ）を添加して、加熱分解および加水分解により、添加した尿素からアンモニアを遊離させる段階、
   （ｃ）段階（ｂ）で得られた排気ガスをＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタ（ＳＤＰＦ）へ通して、排気ガス中に含まれる微粒子と排気ガス中に含まれる窒素酸化物を減少させる段階、
   （ｄ）段階（ｃ）で得られた排気ガスをアンモニア酸化触媒（ＡＳＣ）へ通して残留アンモニアを減少させる段階。
2. 段階（ｄ）で選択的アンモニア酸化触媒（ＡＳＣ）へ通す前に、段階（ｃ）で得られた排気ガスをＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタとＡＳＣとの間に配置された追加のＳＣＲ触媒に通す請求項１に記載の方法。
3. 段階（ａ）で得られた排気ガス中のＮＯ_Xに対する段階（ａ）で生成されるＮＯ₂の割合が５０％以上である請求項１に記載の方法。
4. ＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタ（ＳＤＰＦ）が受動的な再生コンセプトによって運転される請求項１または２に記載の方法。
5. ＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタ（ＳＤＰＦ）内に沈積するカーボン微粒子の酸化の少なくとも一部を段階（ａ）で生成されたＮＯ₂によって行う請求項４に記載の方法。
6. ＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタとその後に配置される追加のＳＣＲ触媒との間で、段階（ｃ）で得られた排気ガス中に、上記の事前調整された８０〜９０℃に加熱された尿素水溶液（ＨＷＬ）を供給する第２の投与部を有する請求項２に記載の方法。
7. ＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタの除窒効率が、段階（ｃ）で供給される尿素水溶液の量によって限定される請求項６に記載の方法。

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