JP2019532208A - 特に内燃機関における排気ガスの汚染除去設備とその設備を使用する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、排気管（１０）を流れる、特に内燃機関からの排気ガスの汚染を除去するための設備であって、窒素酸化物（ＮＯｘ）の選択的触媒還元のための少なくとも１つの触媒手段と、少なくとも１つの微粒子除去手段と、少なくとも１つの還元剤を含むメインタンク（２６）と、還元剤を排気管に供給するための手段（２０）と、を含む設備に関する。本発明によれば、この設備は還元剤に添加剤を添加する手段（３０）を含む。

Description

本発明は、特に自動車用の、とりわけ内燃機関からの排気ガスの汚染除去のための設備と、それを使用する方法に関する。より具体的には、本発明は、特に自動車のディーゼル型内燃機関の排気ガスに含まれる汚染物質を処理するための方法に関する。しかし、本発明は、気体燃料またはガソリンで作動する機関、特にリーン条件で作動する機関などの火花点火式機関のためのかかる方法を除外するものではない。

よく知られているように、このような機関からの排気ガスは、未燃焼炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素、より一般にはＮＯｘと呼ばれる窒素酸化物（ＮＯ及びＮＯ₂）、微粒子などの多くの汚染物質を含んでいる。高温且つ酸素の存在下で生じる燃焼からＮＯｘの排出が生じることは幅広く認められている。一般に、これらの条件は使用する燃料に拘らず、どのようなタイプの燃焼においても該当する。より具体的には、リーン条件で作動する内燃機関は、排気ガス成分中の酸素の存在のために処理が困難なＮＯｘ排出物を生成する。

ところで、ＮＯｘの排出は、ＮＯｘ、特にＮＯ₂が人間の健康に直接的に有害な影響を及ぼすこと、さらにＮＯｘが対流圏でのオゾンの二次的な形成を通して人間の健康に間接的に有害な影響を及ぼすことから、大きな問題を伴う。排出基準を順守し、且つ環境及び人間の健康を守るために、排気ガスを大気放出する前にこれらの汚染物質を処理することが必要になってきている。一般によく知られているように、このことは、機関の排気管を流れる排気ガスの汚染を除去するための処理によって実現される。従って、リーン条件で作動する機関からの未燃焼炭化水素及び一酸化炭素を処理するため、排気管上には酸化触媒などの触媒手段が配置されている。

特に、ディーゼル機関からの排気ガスについては、排気ガス中に存在する微粒子を捕獲し除去し、それによってその大気放出を防止するための微粒子フィルターが、この管上に配置されているのが有利である。このフィルターは、詰まりを防止するため、フィルターが保持する微粒子を燃焼させることによって定期的に再生することが必要である。この再生操作は主にフィルター温度を上昇させることからなり、その温度上昇は、機関を高負荷で使用しているときに自発的に起きるか、または燃焼によって発生する還元性化学種若しくは機関制御で開始される排気中への直接注入で生じる還元性化学種をフィルターの上流に配置されている触媒で発熱酸化させることによって生じさせることができる。

再生フェーズを促進するために再生添加剤を使用することができる。微粒子フィルターの再生のための添加剤は、微粒子フィルターの連続的な再生現象を促進することによって微粒子フィルターの能動的再生の期間の間隔を伸ばすか、または微粒子フィルターの能動的再生フェーズでのすすの燃焼を加速させることによって当該フェーズにおける燃料消費を抑えることができるあらゆる添加剤、及び／または、排気時の温度条件及びガス組成がこの能動的再生に対して好適であるときに多量のすすを燃焼させる機会を最大化することができるあらゆる添加剤、または、これらの２つの利点を組み合わせたものを意味する。

単純化のため、以降では再生フェーズの促進だけについて述べるが、それによって本発明の範囲が限定されるものではない。ＮＯｘ排出物についていえば、排気ガスは他の触媒手段、特にＳＣＲ（選択的触媒還元）型の触媒も通る。このＳＣＲ触媒は、還元剤の作用を通して、ＮＯｘを窒素に選択的に還元することができる。この還元剤は一般にＳＣＲ触媒の上流に注入される。還元剤は、アンモニア、分解によってアンモニアを発生させる尿素等の化合物、または含酸素若しくは非含酸素の炭化水素、例えば、エタノールなどであってよい。

現在、ＮＯｘ汚染除去のための最も一般な技術の一つはアンモニアを用いたＳＣＲ触媒である。このアンモニアは、液体の形態で注入される前駆体を分解することによって間接的に得られ、欧州では「ＡｄＢｌｕｅ」の名称でよく知られる、一般に３２．５質量％の尿素水溶液である。従って、尿素溶液は、ＳＣＲ触媒の上流で排気管に注入される。この溶液に含まれる水は、排気ガス温度の効果の下で急速に蒸発させられ、その後それぞれの尿素分子は、２段階で２つのアンモニア分子に分解する。

仏国特許出願公開第３０２９８００号明細書により詳細に説明されているように、排気ガス汚染除去システムは、微粒子フィルターと選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒とを組み合わせた（これらは場合によっては、ＳＣＲ触媒化フィルターまたはＳＣＲＦフィルターと呼ばれる単一のエレメントに統合される）汚染除去手段を含む排気管と、微粒子フィルター再生のための添加剤と上記汚染除去手段に存在するＮＯｘの除去のための還元剤との混合物を含む単一のタンクと、この混合物をＳＣＲ触媒またはＳＣＲＦフィルターの上流に供給するインジェクタと、を含む。

このシステムは満足のいくものであるが、些細とはいえない問題を伴う。実際には、上記文献に記載されているシステムは、微粒子フィルター再生のための添加剤とＮＯｘ除去のための還元剤との混合物を含む単一のタンクの使用に限定されており、混合物は、タンクに供給される前に車両の外部で準備される。従って、車両のユーザーまたは整備担当者は、ＮＯｘ除去のための還元剤と微粒子フィルター再生のための添加剤の両者を含む流体をこのタンクに充填または再充填するか、適切な比率でこれらの２つの物質を自身で混合しなければならない。両方の機能を組み合わせたこの混合物、及び水溶液媒体に溶解可能な微粒子フィルター再生のための添加剤は、現在の流通網の弱さのために市場での入手可能性が制限される可能性のある物質である。一方、ＳＣＲ触媒還元剤、特に、ＡｄＢｌｕｅを供給する流通網はすでに発達しており、次の５年で強化されることが予想されている。

本発明は、車両外ではなく、車両上で直接、添加剤を還元剤に添加することを可能にする方法によって、上述の欠点を克服することを目的とする。これによって、幅広く流通しているＮＯｘ除去のための還元剤をタンクに初期充填することが可能となり、従って、整備が困難な並列する流通網の使用を回避するという利益が得られる。

従って、本発明は、排気管を流れる、特に内燃機関からの排気ガスの汚染を除去するための設備であって、窒素酸化物の選択的触媒還元のための少なくとも１つの触媒手段と、少なくとも１つの微粒子除去手段と、少なくとも１つの還元剤を含むメインタンクと、前記還元剤を前記排気管に供給するための１つまたは複数の手段と、を含む設備に関し、前記設備は還元剤に添加剤を添加する手段を含むことを特徴とする。

添加剤を添加する手段は添加回路を含んでいてよい。

添加回路はメインタンクに接続された少なくとも１つの添加タンクを含んでいてよい。

添加タンクは少なくとも１つの添加剤を含んでいてよい。

添加回路は少なくとも１つの添加剤ポンピング・調量手段を含んでいてよい。

添加剤は、前記微粒子除去手段の再生フェーズを促進する物質、前記還元剤の噴霧を改善するための物質、前記還元剤の凝固点を低下させるための物質、若しくは前記還元剤の匂いを消すための物質、またはこれらの物質の少なくとも２つの組み合わせであってよい。

還元剤はアンモニアまたはアンモニア前駆体化合物を含んでいてよい。

還元剤は含酸素または非含酸素の炭化水素であってよい。

本発明はまた、上述の排気ガス汚染除去設備を使用する方法に関し、方法は、
−メインタンクに前記還元剤を充填することと、
−メインタンクに含まれる前記還元剤に添加剤を加えることと、
を有することを特徴とする。

還元剤に、少なくとも１つの添加タンクに含まれる少なくとも１つの添加剤が添加されることができる。

還元剤に、前記メインタンクに直接供給される固体形態の少なくとも１つの添加剤が添加されることができる。

還元剤に、前記メインタンクに直接供給される固体形態の少なくとも１つの添加剤が、より具体的にはこのタンクの頸部を通して添加されることができる。

還元剤に、前記メインタンクに直接供給される液体形態の少なくとも１つの添加剤が添加されることができる。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明による方法を用いる設備を示す唯一の添付図を参照して、非限定的な例として示す以下の説明を読むことによって明らかとなろう。

本発明による方法を用いる設備を示す図である。

この排気ガス汚染除去処理設備は、例えば自動車の内燃機関１２から排気ガスを搬送する排気管１０を含む。内燃機関はディーゼル機関を意味するが、このことは、ガソリン、ガス、または他の任意の燃料で作動する機関等、他のすべての内燃機関を除外するものではない。唯一の図からよく分かる通り、排気管１０は、機関１２から開放空気への排出部である出口部１４へと向かう排気ガスの流通方向に沿って、排気ガスに存在する微粒子の捕獲及び除去のための少なくとも１つの手段と、同じくこのガスに含まれるＮＯｘの還元のための少なくとも１つの手段と、を含む。これらの手段は、ＳＣＲ触媒化フィルターまたはＳＣＲＦフィルター１６としてよりよく知られる単一エレメントに統合されているのが有利である。ただし、このことは必須ではなく、図示されているような一例に過ぎない。

このＳＣＲＦフィルターは、排気ガスが触媒化フィルターを通過する前に排気ガスに含まれる未燃焼炭化水素と一酸化炭素を処理するための酸化触媒１８の下流に配置されているのが好ましい。この酸化触媒は、ＳＣＲ触媒の変換効率を最大化するために、排気ガスに含まれる一酸化窒素と二酸化窒素の比を調節することも目的としている。

排気管は、ＮＯｘ除去のための還元剤と微粒子再生のための添加剤との混合物を配送する手段を含む。この配送手段は、例えば、ＳＣＲＦフィルターの上流に配置されたインジェクタ２０の形態をとることができる。還元剤を排気ガスで均質化するための装置２１が、インジェクタとＳＣＲＦフィルターとの間に位置しているのが好ましい。

一般によく知られているように、排気管はさらに、ＳＣＲＦフィルターの入口出口間の差圧を測定する手段２２を含む。これによって、ＳＣＲＦフィルターが微粒子によって詰まる速度を知ることが可能となる。排気管はそれ自体公知の態様で、排気管の上、より具体的には触媒化フィルターの入口に配置され、この管を流れる排気ガスの温度を常時知ることが可能な温度検出器（図示せず）を保持している。あるいは、この管を流れる排気ガスの温度を常時推定することが可能なロジック及び／またはコンピューター手段が設けられてもよい。この管はさらに、触媒化フィルターの出口に配置され、フィルターから流出するＮＯｘの量を常時知ることが可能なＮＯｘ検出器（図示せず）を含んでいてもよい。この管はさらに、触媒化フィルターの入口に配置され、フィルターに流入するＮＯｘの量を常時知ることが可能なＮＯｘ検出器（図示せず）を含んでいてもよい。同様に、ＮＯｘのこれらの量を常時推定することが可能なロジック及び／またはコンピューター手段が設けられてもよい。

インジェクタ２０によって排気管へ供給される混合物は、このインジェクタをこの混合物を含むメインタンク２６に接続する管２４を通して搬送される。混合物は、ポンプ２８等のポンピング手段の効果の下で、メインタンクとインジェクタとの間を流通する。このメインタンクは、最初は還元剤、すなわちアンモニアまたは分解によってアンモニアを発生させる尿素等の化合物を含んでいる。非限定的な例として、このアンモニアは、液体の形態で排気管に注入される前駆体を分解することによって間接的に得られ、欧州では「ＡｄＢｌｕｅ」の名称でよく知られる、一般に３２．５質量％の尿素水溶液である。単純化のため、以下の残りの説明では「還元剤」という総称が使用されるが、これは、還元剤とこの還元剤の前駆体とを包含している。

このメインタンクの内容物は、還元剤の充填後毎に、還元剤に添加剤を添加する手段によって完成される。この添加剤は、微粒子フィルターの再生を促進する物質、還元剤の噴霧を改善するための物質、還元剤の凝固点を低下させるための物質、還元剤の匂いを消すための物質、またはこれらの物質のうちの少なくとも２つの組み合わせであってよい。一実施形態によれば、添加剤は、微粒子フィルターの再生を促進する物質を含んでいてよい。この場合、添加剤は、金属酸化物であってよい。好ましくは、添加剤は、微粒子フィルターの再生を促進する物質と、
−還元剤の噴霧を改善するための物質
−還元剤の凝固点を低下させるための物質
−匂いを消すための物質
から選択される少なくとも１つの添加剤と、の組み合わせとすることができる。添加剤に加えて、添加手段及び／またはタンク２６は、還元剤分解の副生成物からの堆積物の形成を制限または抑制することを可能にする物質を含むことが可能である。このタイプの物質は有機物質であってよい。

唯一の図に図示されている例として、タンク２６は、添加回路３０を含む添加手段に接続されている。この回路は、添加管３４によってメインタンクに接続された少なくとも１つの添加タンク３２を含んでいる。同様に、この添加タンクからタンクへ添加剤を送るために、調量ポンプ等の添加剤のポンピング・調量手段３６が管上に設けられている。添加回路は、上記の列挙された１つまたは複数の添加剤を有する添加タンク、またはそれぞれが異なる添加剤を含むいくつかの添加タンクを含むことができる。当然のことながら、「タンク」という用語は、特に合成ポリマーまたは天然ポリマーを含む材料で作られた、硬質容器または可撓性袋などのあらゆる流体容器を包含する。

従って、メインタンク２６に還元剤を充填した後、添加調量ポンプ３６を起動することにより、添加管３４を介して所望の量の添加剤をメインタンクに供給し、このようにして、インジェクタを通して排気管に送られる混合物が生成される。メインタンクに加えられる添加剤の量は、経済的な理由と汚染除去システムの作動不良または潜在的な汚染の制限という両方の目的のために、供給される添加剤の量を最小化することによって所望の効果を得ることを可能にする目標添加剤濃度によって決定される。当然のことながら、一方では還元剤の充填レベルを、他方では添加剤の充填レベルを知ることが可能な検出器等の任意の手段をメインタンクに設けることは、当業者の想到する範囲内のことである。

従って、この解決策により、工場において充填されていた微粒子フィルターの再生添加剤のために、特定のタンクが使用されることになる。しかも、この添加剤の消費量は還元剤と比較して限られていることから、このタンクの必要充填頻度ははるかに少ない。そのうえ、添加はオペレーターの介在なく半自動的に行われるため、この解決策ははるかに信頼性の高い設備を提供するという利点をもたらす。

図示しない変形例では、添加手段は、メインタンクに直接、より具体的にはこのタンクの頸部を通してメインタンクに供給される、液体または固体の形態の１つまたは複数の添加剤を含んでいる。同様に図示しない他の変形例では、添加は、１つまたは複数の（固体または液体の）添加剤を含むカプセルの穴を通して行われ、それによって、このまたはこれらの添加剤を、還元剤を含むメインタンクに、より具体的にはこのタンクの頸部を通して放出することができる。

本発明は上述の例に限定されず、本発明は、他の微粒子捕獲・除去手段とＮＯｘ低減手段のあらゆる実施形態を包含する。特に、唯一の図における一体形成されたＳＣＲＦフィルターは、ＳＣＲ触媒の後段に微粒子フィルターが配置された少なくとも２つの排気ガス処理手段に置換することができる。この構成では、インジェクタ２０はＳＣＲ触媒の上流に配置される。他方、この手段の一つは、微粒子フィルターの後段に触媒が配置され、インジェクタが微粒子フィルターの上流に配置されたものであってもよい。

Claims (13)

1. 排気管（１０）を流れる、特に内燃機関からの排気ガスの汚染を除去するための設備であって、窒素酸化物（ＮＯｘ）の選択的触媒還元のための少なくとも１つの触媒手段と、少なくとも１つの微粒子除去手段と、少なくとも１つの還元剤を含むメインタンク（２６）と、前記還元剤を前記排気管に供給するための１つまたは複数の手段（２０）と、を含む設備において、
   前記設備は還元剤に添加剤を添加する手段（３０）を含み、添加剤は、前記微粒子除去手段の再生フェーズを促進する物質、前記還元剤の噴霧を改善するための物質、前記還元剤の凝固点を低下させるための物質、若しくは前記還元剤の匂いを消すための物質、またはこれらの物質の少なくとも２つの組み合わせであることを特徴とする設備。
2. 前記添加剤を添加する手段は添加回路（３０）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の排気ガス汚染除去設備。
3. 添加回路（３０）はメインタンク（２６）に接続された少なくとも１つの添加タンク（３２）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の排気ガス汚染除去設備。
4. 添加タンク（３２）は少なくとも１つの添加剤を含むことを特徴とする、請求項２または３に記載の排気ガス汚染除去設備。
5. 添加回路（３０）は少なくとも１つの添加剤ポンピング・調量手段（３６）を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の排気ガス汚染除去設備。
6. 前記添加剤は前記微粒子除去手段の前記再生フェーズを促進する物質を含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の排気ガス汚染除去設備。
7. 前記還元剤はアンモニアまたはアンモニア前駆体化合物を含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の排気ガス汚染除去設備。
8. 前記還元剤は含酸素または非含酸素の炭化水素であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の排気ガス汚染除去設備。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の排気ガス汚染除去設備を使用する方法において、
   −メインタンク（２６）に前記還元剤を充填することと、
   −メインタンク（２６）に含まれる前記還元剤に添加剤を加えることと、
   を有することを特徴とする方法。
10. 前記還元剤に、少なくとも１つの添加タンク（３２）に含まれる少なくとも１つの添加剤が添加されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記還元剤に、前記メインタンクに直接供給される固体形態の少なくとも１つの添加剤が添加されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
12. 前記還元剤に、前記メインタンク（２６）に直接供給される液体形態の少なくとも１つの添加剤が添加されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
13. 前記還元剤に、タンク（２６）に供給される前に穴が開けられたカプセルに含まれる、少なくとも１つの添加剤が添加されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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