JP2020510151A - コンパクトな選択的触媒還元システム - Google Patents

Abstract

ディーゼルエンジンからの排気ガスを処理するための選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムが、このようなシステムを組み立てる方法とともに、提供される。このシステムは、フレーム（１８）、ＳＣＲキャニスタ（４８）内に含まれる上流のＳＣＲ触媒（又はＳＣＲＦ）、およびアンモニア酸化キャニスタ（５６）内に含まれる下流のアンモニア酸化触媒（ＡＭＯｘ）を備える。ＳＣＲおよびアンモニア酸化キャニスタ（４８，５６）はそれぞれフレームに取り外し可能に取り付けられる。さらに、ＤＯＣ（１６）およびＤＥＦインジェクタをＳＣＲの前でフレームに取り外し可能に取り付けることができる。【選択図】 図１

Description

発明の分野
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中の窒素酸化物を処理する選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムに関する。より具体的には、本発明は、特に車両用のコンパクトなＳＣＲシステムである。

発明の背景
ＳＣＲシステムは周知であり、一般に、ディーゼルエンジンの排気ガスを処理するために、ディーゼルエンジンの排気システムに組み込まれる。そのようなシステムは、エンジンの排気通路内を流れる排気ガスへのディーゼル排気流体（ＤＥＦ）の注入を伴う。ＤＥＦは尿素を含有し、その尿素が排気通路内で加水分解および/または熱分解を受け、それによってアンモニアが生成される。アンモニアはＳＣＲ触媒に入り、そこで排気ガスと反応する。この反応において、排気ガス中に存在する窒素酸化物（ＮＯｘ）が排気通路から大気中に排出される前に窒素と水に変換される。

ＳＣＲシステムは、次の構成要素を含むことができる。
・炭化水素と一酸化炭素を酸化して二酸化炭素と水を生成し且つ窒素酸化物を酸化して二酸化窒素を生成する、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）；
・ＤＥＦを排気通路に注入する、ＤＥＦ注入ユニット及びインジェクタ；
・ＤＥＦ内の尿素を可能な限り効率的にアンモニアに変換するために、尿素を加水分解する、加水分解触媒；
・排気流中の粒子状物質を捕捉する、ＳＣＲ被覆フィルタ、またはディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）；
・現在排気通路内に存在するＮＯｘとアンモニアの反応を触媒して窒素と水を生成する、ＳＣＲ触媒；
・有意量のアンモニアが大気中に「漏洩」しないようにＳＣＲの下流の排気ガス中に残存するアンモニアを酸化する、アンモニア酸化（ＡＭＯｘ）触媒：

ＳＣＲシステムは、ＳＣＲ触媒およびＤＥＦ注入ユニットとともに、上記の他の構成要素の、全部ではないとしても、いくつかを含む。自動車用では、これは問題を引き起こす可能性があり、これらの構成要素及びそれらを接続する排気通路のサイズをスペースが貴重な車体（エンジン室/ルーム）の限られた空間内にパッケージ化することが困難になり得る。さらに、これらの構成要素は車両の寿命中に修理および/または交換する必要があり、これは、構成要素にアクセスし取り外すことが比較的容易でない場合、メンテナンス時間及び関連コストを増加する可能性がある。

このパッケージ化の問題に対する１つの解決策が特許文献１に提案されており、この解決策では、ＤＯＣとＤＰＦがＳＣＲ触媒と平行に配置され、これらの構成要素はマウント上に位置する。ＤＥＦ注入ユニットは、これらの２つの構成要素の対向端を接続する通路内に設けられる。この構成では、ＡＭＯｘ触媒が存在し得るが、上述の構成要素と一緒にパッケージ化されていない。

米国特許第８８２００５９号明細書

本発明の目的は、メンテナンスのために容易にアクセス可能でありながら、できるだけコンパクトなＳＣＲシステムを提供することにある。本発明のさらなる目的は、システム内の背圧の有害な増加なしに、排気ガスとＤＥＦ/アンモニアの最適な混合が達成されるＳＣＲシステムを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、ディーゼルエンジンからの排気ガスを処理するための選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムが提供される。このシステムは、フレーム、ＳＣＲキャニスタ内に含まれるＳＣＲ触媒、およびアンモニア酸化キャニスタ内に含まれるアンモニア酸化触媒を備える。ＳＣＲキャニスタおよびアンモニア酸化キャニスタはそれぞれ、フレームに取り外し可能に取り付けられる。

本発明の第２の態様によれば、車両のディーゼルエンジンからの排気ガスを処理するためのＳＣＲシステムを組み立てる方法が提供される。この方法は、フレームを提供するステップと、該フレームを車両に取り付けるステップを含む。ＳＣＲ触媒を含むＳＣＲキャニスタを前記フレームに取り外し可能に取り付けるとともに、排気入口に流体接続する。アンモニア酸化触媒を含むアンモニア酸化キャニスタを前記フレームに取り外し可能に取り付ける。前記アンモニア酸化キャニスタは、前記ＳＣＲキャニスタと排気出口に流体接続する。

ここで、本発明の好ましい実施形態をほんの一例として以下の図面を参照して説明する。

選択的接触還元（ＳＣＲ）システムの斜視図である。 このＳＣＲシステムの上面図である。 このＳＣＲシステムの左側面図である。 このＳＣＲシステムの右側面である。 このＳＣＲシステムの上面図である。

車両や作業機械などの自動車用途に適した選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムを図１−図５に示す。全体的に１０で示されるシステムは排気キャップ１２を含み、排気キャップ１２は使用時にディーゼルエンジン排気、多くの場合エンジン排気のターボチャージャー出口、に接続されるキャップ入口１１を有する。排気キャップ１２はキャップ出口１４も含み、キャップ出口１４はキャップ入口１１に対して実質的に９０度をなし、排気流を実質的に９０度曲げて排気流がその後ほぼ水平方向に進むようにする。キャップ出口１４は、キャップ入口１１の断面積よりも大きい断面積を有するため、排気流はキャップ１２を出るとき膨張する。

排気キャップ１２のすぐ下流に既知のタイプのディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）があり、該触媒は取り外し可能なＤＯＣキャニスタ１６内に収容されている。ＤＯＣキャニスタ１６はクレードルまたはフレーム１８によって支持され、保持ストラップ２０によってクレードルに取り付けられている。この説明において「水平」であるＳＣＲシステムの構成要素または排気流への言及は、クレードルが使用中に実質的に水平に位置する配置に関することに留意されたい。したがって、クレードルが実質的に水平に位置しない他のアプリケーションでは、「水平」はクレードルの平面に実質的に平行であると解釈されるべきである。

ＤＯＣキャニスタ１６を保持する２対のストラップ２０がある。１対の各ストラップ２０は、クレードル１８に固定された一端２２と、この対を構成する他のストラップの遊端に接続されるループ状遊端２４とを有する。各対のストラップ２０のループ状遊端２４は、既知のねじ付き固定装置２６を用いて互いに接続し、それによりストラップをキャニスタの周りに締め付けてキャニスタをクレードル１８に固定することができ、また必要なときにストラップを切り離して開き、キャニスタを取り外すことができる。

クレードル１８は、一対の後脚部または支持部２８、３０および前脚部または支持部３２で支持される。脚部または支持部２８、３０、３２のそれぞれは、クレードルを望ましくない振動から絶縁するために弾性上部取付け部３４を用いてクレードル１８に接続される。

ＤＯＣキャニスタ１６の下流にはほぼ水平な流路を維持しながら排気流を実質的に９０度曲げるエルボ３６がある。エルボ３６にはディーゼル排気流体（ＤＥＦ）注入ユニット３８が取り付けられ、該注入ユニット３８はインジェクタ（図示せず）を有し、ＤＥＦ源に接続可能であるため、排気流がエルボを通過するときに排気流にＤＥＦを注入することができる。ＤＥＦインジェクタはエルボの内部まで延びている。

エルボ３６の下流には、図３に最もよく示されるように、ハイドキャットキャニスタ４０内に含まれる加水分解触媒（「ハイドキャット」）がある。ハイドキャットキャニスタ４０は、ＤＯＣキャニスタ１６と同じ方法でクレードル１８に取り外し可能に取り付けられる。この好ましい実施形態では、ハイドキャットキャニスタ４０はエルボ３６に固定され、それにより、ハイドキャットキャニスタ、エルボおよびＤＥＦ注入ユニット３８は、単一の部品としてクレードル１８に着脱可能である。ミキサプレート（図示せず）は、ハイドキャットから放出される排気ガスとアンモニアの均一な混合を確実にするために、ハイドキャットキャニスタ４０内のハイドキャットの下流に配置してもよい。第１または上流エンドキャップ４２は、ハイドキャットからの排気流を受け取り、それをさらに実質的に９０度曲げるので、排気流は今やＤＯＣキャニスタ１６を通過する方向と反対の方向になる。第１エンドキャップ４２は、第１エンドキャップの入口４４および第１エンドキャップの出口４６を有し、これらは互いに実質的に９０度をなすそれぞれの流路を画定する。第１エンドキャップの出口４６は第１エンドキャップの入口４４の断面積よりも大きい断面積を有してよい。

第１エンドキャップの出口４６にＳＣＲキャニスタ４８が接続され、ＳＣＲキャニスタ４８は、ディーゼル微粒子フィルター（ＤＰＦ）とも呼ばれるＳＣＲ被覆フィルター（ＳＣＲＦ）と、ＳＣＲＦの下流に既知のタイプのＳＣＲ触媒とを含む。ＳＣＲキャニスタ４８はクレードル１８上にあり、ＤＯＣキャニスタ１６と実質的に平行である。ＳＣＲキャニスタ４８は、ＤＯＣキャニスタ１６と同様にストラップ２０および固定装置２６によってクレードル１８に取り外し可能に取り付けられる。

第２または下流エンドキャップ５０は、ＳＣＲキャニスタ４８の下流端に接続される。第２エンドキャップ５０は、第２エンドキャップの入口５２および第２エンドキャップの出口５４を有し、それらはそれぞれ実質的に互いに平行な流路を画定する。言い換えれば、第２エンドキャップ５０はＳＣＲキャニスタ４８を出た後で排気流を実質的に１８０度曲げる。第２エンドキャップの入口５２を第２エンドキャップの出口５４よりも大きい断面積にし、この出口の時点における流路の直径を小さくすることもできる。第２のエンドキャップ５０はまた、ＳＣＲ触媒の性能を監視するためにＳＣＲコントローラ（図示せず）で使用されるＮＯｘおよびアンモニアセンサ５５、５７を収容することもできる。

アンモニア酸化（ＡＭＯｘ）キャニスタ５６は、第２エンドキャップ５０の下流にあり、既知のタイプのＡＭＯｘ触媒を収容する。 ＡＭＯｘキャニスタ５６はクレードル１８上にＤＯＣキャニスタ１６とＳＣＲキャニスタ４８との間に取り付けられ、それらのキャニスタと実質的に平行に位置する。前述のキャニスタ１６、４８と同様に、ＡＭＯｘキャニスタ５６は、同じタイプのストラップ２０および固定装置２６を使用してクレードル１８に取り外し可能に取り付けられる。ＡＭＯｘキャニスタ５６は排気管６０と流体連通する排気出口５８を有し、排気管６０は排気ガス流をテールパイプ（図示せず）へ及び最終的に大気へ誘導する。

ＳＣＲシステム１０がディーゼルエンジン車両に搭載後にどのように動作するかをここで説明する。ディーゼルエンジンのターボチャージャー出口を出る排気ガスは、キャップ入口１１を介して排気キャップ１２に流入する。排気キャップ１２の形状と、キャップ入口１１とキャップ出口１４との間の排気流路の前述した断面積の増加とが、排気流を９０度曲げるよう作用し、また排気流がＤＯＣキャニスタ１６に向かって流れる際に排気流を膨張するよう作用する。排気ガスがＤＯＣキャニスタ１６内に含まれるＤＯＣ触媒中を流れる際に、ＤＯＣ触媒は排気ガス中の一酸化炭素と炭化水素を二酸化炭素と水蒸気に変換するとともに窒素酸化物の一部を二酸化窒素に変換する。

排気流はＤＯＣキャニスタ１６を通過した後エルボ３６に進む。排気流がエルボに沿って実質的に９０度曲がる際に、ＤＥＦ注入ユニット３８がＤＥＦを、ＳＣＲコントローラおよび該コントローラと通信する種々のセンサによって指示される流量で、排気流に注入する。ＤＥＦ注入ユニット３８のインジェクタは、エルボ３６の下流のハイドキャットキャニスタ４０内に含まれる加水分解触媒にＤＥＦを直接注入するように配置してもよい。水性尿素ＤＥＦの注入に続いて、排気ガスの熱により熱分解反応が起こり、それによりＤＥＦがアンモニア、イソシアン酸および水蒸気に変換される。水蒸気の存在によりハイドキャットがイソシアン酸を追加のアンモニアと二酸化炭素に変換することが可能になる。オプションとしてのミキサプレートが、排気流がハイドキャットキャニスタ４０を出て第１エンドキャップ４２に入る際に、アンモニアと排気ガスの均一な混合を保証する。

第１エンドキャップの入口４４および第1エンドキャップの出口４６の相対的な向きおよび断面積の変化により、第１エンドキャップ４２は排気流を実質的に９０度曲げるとともに、排気流がＳＣＲキャニスタ４８に入る際に排気流を膨張する。ＳＣＲキャニスタ４８では、排気流は最初にＳＣＲＦを通過し、そこで粒子状物質がＳＣＲＦにより捕捉される。ＳＣＲＦに捕捉された粒子状物質のレベルが特定の値を超えたと判断されたとき、捕捉された物質を除去するために、ＳＣＲＦは既知の方法で再生される。

排気ガスがＳＣＲ触媒中を流れると、その流れに存在するＮＯｘがアンモニアと反応し、それによってＮＯｘが窒素、水、および少量の二酸化炭素に変換される。次に、排気流は第２エンドキャップ５０に入り、第２エンドキャップの入口５２と第２エンドキャップの出口５４の相対的な向きと断面積の変化により、排気流は実質的に１８０度曲げられるとともにその流径はしだいに細くなるか縮小する。次いで、排気流はＡＭＯｘキャニスタ５６に入り、そこでＡＭＯｘ触媒が排気流内に残存するアンモニアを酸化してシステムから大気に漏出するアンモニアの量を制限する。

本発明は、主な構成要素が支持フレーム上に配置されたＳＣＲシステムを提供することによって、メンテナンスのために容易にアクセス可能であるとともに可能な限りコンパクトであるＳＣＲシステムを提供するものである。さらに、本発明は、ＳＣＲシステムのさまざまなキャニスタを排気通路エルボおよび/またはエンドキャップによって流体接続することによって、排気ガスとＤＥＦ/アンモニアの最適な混合がシステム内の背圧の有害な増加なしに達成されるコンパクトなＳＣＲシステムを提供するものである。

本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更および改善を組み込むことが可能である。

Claims (14)

1. ディーゼルエンジンからの排気ガスを処理するための選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムであって、該システムは、
   フレームと、
   ＳＣＲキャニスタ内に含まれるＳＣＲ触媒と、
   アンモニア酸化キャニスタ内に含まれるアンモニア酸化触媒と、
   を備え、
   前記ＳＣＲキャニスタおよび前記アンモニア酸化キャニスタはそれぞれ前記フレームに取り外し可能に取り付けられている、
   システム。
2. 前記ＳＣＲおよび前記アンモニア酸化キャニスタは前記フレーム上にあって互いに実質的に平行である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ＳＣＲキャニスタは前記ＳＣＲ触媒の上流に位置するＳＣＲ被覆粒子フィルタを含む、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記ＳＣＲキャニスタの上流に位置するディーゼル酸化キャニスタ内に含まれるディーゼル酸化触媒をさらに備え、前記ディーゼル酸化キャニスタは前記フレームに取り外し可能に取り付けられている、請求項１−３の何れかに記載のシステム。
5. 前記３つのキャニスタはすべて互いに平行であり、前記アンモニア酸化キャニスタは前記ディーゼル酸化キャニスタと前記ＳＣＲキャニスタとの間に位置する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記ディーゼル酸化触媒の上流にあって前記ディーゼルエンジンの出口に接続可能な排気キャップをさらに備え、前記排気キャップはキャップ入口およびキャップ出口を有し、前記キャップ出口は前記キャップ入口の断面積より大きい断面積を有する、請求項４又は５に記載のシステム。
7. インジェクタを有するディーゼル排気流体（ＤＥＦ）注入ユニットと、
   前記ＳＣＲ触媒の上流で前記排気ガスを実質的に９０度回曲げる排気通路エルボと、
   をさらに備え、
   前記インジェクタは前記排気通路エルボにＤＥＦを注入するように配置されている、請求項１−６の何れかに記載のシステム。
8. 前記ＳＣＲ触媒の上流に加水分解触媒をさらに備え、前記加水分解触媒は前記フレームに取り外し可能に取り付けられた加水分解触媒キャニスタ内に含まれている、請求項１−７の何れかに記載のシステム。
9. 前記加水分解キャニスタは該加水分解キャニスタの下流にミキサプレートも含む、請求項８に記載のシステム。
10. 前記加水分解触媒キャニスタは前記ＳＣＲキャニスタおよび前記アンモニア酸化キャニスタに対して実質的に直角に位置する、請求項８又は９に記載のシステム。
11. 前記ＳＣＲキャニスタの上流に上流エンドキャップをさらに備え、前記上流エンドキャップは前記排気流を前記加水分解キャニスタと前記ＳＣＲキャニスタとの間で実質的に９０度曲げ、前記上流エンドキャップは上流エンドキャップ入口および上流エンドキャップ出口を有し、前記上流エンドキャップ出口は前記上流エンドキャップ入口の断面積より大きい断面積を有する、請求項８−１０の何れかに記載のシステム。
12. 前記ＳＣＲキャニスタの下流に下流エンドキャップをさらに備え、前記下流エンドキャップは前記排気流を前記ＳＣＲキャニスタと前記アンモニア酸化キャニスタとの間で１８０度曲げ、前記下流エンドキャップは下流エンドキャップ入口および下流エンドキャップ出口を有し、前記下流エンドキャップ入口は前記下流エンドキャップ出口の断面積より大きい断面積を有する、請求項１−１１の何れかに記載のシステム。
13. 前記フレームは複数の脚部又は支持部で支持され、各脚部又は支持部は前記フレームに弾性防振部材で固定されている、請求項１−１２の何れかに記載のシステム。
14. 車両のディーゼルエンジンからの排気ガスを処理するための選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムを組み立てる方法であって、該方法は、
    フレームを用意するステップと、
    該フレームを車両に取り付けるステップと、
    ＳＣＲ触媒を含むＳＣＲキャニスタを前記フレームに取り外し可能に取り付け、且つ前記ＳＣＲキャニスタを排気入口に流体接続するステップと、
    アンモニア酸化触媒を含むアンモニア酸化キャニスタを前記フレームに取り外し可能に取り付けるステップと、
    前記アンモニア酸化キャニスタを前記ＳＣＲキャニスタ及び排気出口に流体接続するステップと、
    を備える、方法。

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