JP3677094B2 - 自己着火式の内燃機関の排ガスを後処理するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自己着火式の内燃機関の排ガスを後処理するための装置であって、排ガス捕集システムが設けられており、該排ガス捕集システムに、内燃機関の排ガスのＮＯ_X成分を還元するための還元触媒が配置されており、電気制御式の弁が設けられており、該弁が、内燃機関および触媒の種々の運転パラメータにおける排ガス中のＮＯ_X含量の、特性曲線図にメモりされた値に関連して、前記還元触媒に供給された排ガスの流れに還元剤を調量して導入するための調量装置として働き、さらに、導入したい還元剤を調製するための装置が設けられている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自己着火式の内燃機関の排ガスは、高い空気過剰量で運転されるという事実に基づき、高いＮＯ_X放出の傾向を呈する。このＮＯ_X放出は特に燃焼室への直接噴射の行なわれる直接噴射式の内燃機関において顕著に生じる。このＮＯ_X放出を低減させるためには、相応する還元触媒を用いてＮＯ_X還元を実施する手段が存在している。このためには、たとえばゼオライトを主体とした触媒が適している。自己着火式の内燃機関の別の問題は、比較的低い排ガス温度にある。この比較的低い排ガス温度はこのような触媒の還元機能の始動を困難にする。このような還元プロセスを促進するためには、排ガスシステムを、排ガスを加熱するバーナに接続することも既に提案されている。還元プロセスを促進するためには、既に冒頭で述べた形式の装置が提案されている。
【０００３】
文献「シャードシュトッフレドゥツィーレン・ウント・クラフトシュトッフフェアブラウホ・フォン・ＰＫＷ−フェアブレヌングスモトーレン（Ｓｃｈａｄｓｔｏｆｆｒｅｄｕｚｉｅｒｕｎｇ ｕｎｄ Ｋｒａｆｔｓｔｏｆｆｖｅｒｂｒａｕｃｈ ｖｏｎ ＰＫＷ−Ｖｅｒｂｒｅｎｎｕｎｇｓｍｏｔｏｒｅｎ）」（Ｆ．ＳｃｈａｅｆｅｒおよびＲ．Ｖａｎ Ｂａｓｓｈｕｙｓｅｎ著、第１１５頁、出版社Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ）に基づき公知のこのような装置では、還元剤として水溶液中の尿素が使用される。この水溶液は触媒の上流側で排ガスシステムに供給される。この尿素の調量は電磁弁を用いて行なわれるので、極めて手間がかかる。この電磁弁は排ガスシステムの範囲で高い運転温度にさらされており、したがって粘着の傾向がある。内燃機関の１作業サイクル当たり１．５ｍｇの範囲の少量を調量するために前記電磁弁を準備しかつ制御することは、極めて手間がかかる。特に、この電磁弁によって送出される尿素を調量するためには、圧縮空気の準備が必要となる。この圧縮空気は一方では調量された尿素を排ガスシステムに搬送し、他方では尿素リザーバタンクを電磁弁での噴射のために必要となる圧力にもたらす目的で圧力形成のために使用される。調量を正確に行なうためには、この圧力が制御されなければならない。さらに、電磁弁における圧力降下は、遅くとも触媒において、熱作用と相まった尿素化合物の分解により排ガス中のＮＯ_X成分の所望の還元のために必要となるＮＨ₃排ガスが生成するように、尿素の微細分配された調製を保証しなければならない。
【０００４】
上記公知の装置は、極めて手間がかかり、しかも還元過程をも確実に実施するために高い排ガス温度を前提条件としている。尿素が過剰調量され、しかも触媒における運転前提条件が満たされていないと、尿素もしくはアンニモニアが完全に変換されず、ひいては放出成分として環境を汚染してしまう危険が生じる。
【０００５】
さらに欧州特許出願公開５０３８８２号明細書に基づき、還元剤としてＨＣ、つまり燃料を使用することが知られている。この燃料はゼオライト構造のＮＯ_X還元触媒の上流側で内燃機関の排ガスシステムに、触媒温度によって制御されて導入される。この場合に調量は間欠的に行なわれ、しかもこの場合、触媒温度の上昇時にこのＨＣがＮＯ_Xの変換のために提供されるようにするために、ＨＣは触媒の多孔質構造内に中間貯えされていると望ましい。この公知の装置は、既に上で説明した電磁弁の不都合な使用、ひいては不都合な手間という欠点の他に、導入されるＨＣ量がＮＯ_X成分の変換を直接に実施できるのではなく、触媒においてはじめて調製されなければならないという欠点をも持っている。この公知の手段は、周知のように高い排ガス温度を有する火花点火式の内燃機関における使用においてはまだ実現可能と思われるが、しかし自己着火式の内燃機関の比較的冷たい排ガスにおいては、このような手段では不十分である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の装置を改良して、還元剤と排ガスとの十分な混合と、良好な分配とが確実に保証されているような装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、還元剤を調製するための装置が、蒸発装置として形成されており、該蒸発装置によって還元剤が蒸発させられて、蒸気の形で排ガス流に導入されるようにした。
【０００８】
【発明の効果】
本発明による装置は、従来のものに比べて次のような利点を持っている。すなわち、間欠的に電気制御される弁が使用されるにもかかわらず、連続的に還元剤が排ガス中に導入される。しかも還元剤は既に蒸気の形で導入されるので、排ガスとの十分な混合および良好な分配が確実に保証されるようになる。これによって、後置された還元触媒では最適な反応が得られる。
【０００９】
請求項２に記載の多孔質体の使用では、このような蒸発器の特に有利な構成が得られる。このような多孔質体は焼結構造体として既に高い温度領域における大量生産品で幅広く使用されているので、本発明による手段の使用は問題なく実現され得る。電気制御される弁に課される要求は極めて少ないので、既に市販されている弁、たとえば約数バールの運転圧でのガソリン噴射のための噴射弁を使用することができる。この場合、弁のサイクル内での所要の供給量のために出口横断面が十分に小さくなるように配慮するだけで済む。
【００１０】
加熱装置としては、請求項２〜請求項４に記載しように、中空体に突入しかつ中空体の内室を十分に埋める公知の、電気加熱されるグローピンが使用されると有利である。このようなグローピンは自己着火式の内燃機関のための始動補助として公知のグロープラグであって、大量生産品として入手可能であり、ひいては本発明による装置の廉価な構成を可能にする。請求項５に記載したように、グローピンが交換可能であると有利である。この目的のためには、請求項７に記載したようにグローピンが結合ベースに挿入可能であると有利である。この結合ベースを介して、請求項６に記載の構成により焼結部分として形成された中空体が、内燃機関の排ガス導出部分の壁に結合される。この場合にも、還元剤として燃料が使用されると特に有利である。この燃料は既に対応するディーゼル内燃機関において提供されており、燃焼によって一方では触媒温度を高めて、イオンを提供する。このイオンによってＮＯ_X成分の還元は触媒において有効に行なうことができる。さらに、請求項９に記載したように、付加的に排ガス加熱装置が設けられると有利である。この排ガス加熱装置によって、特にまだ冷たい内燃機関の始動時に、還元触媒の有効使用までにかかる時間を著しく短縮させることができる。請求項１０および請求項１１に記載したように、まだ燃焼可能な全ての排ガス成分を完全に変換するために、触媒反応器に酸化触媒が後置される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００１２】
図面には、内燃機関に関して自己着火式の内燃機関のシリンダ１の一部の断面図が示されている。この実施例は、間接的な噴射の行なわれる自己着火式の内燃機関に関するものである。すなわち、燃料は噴射弁２を介して、内燃機関ピストン３によって直接に制限された主燃焼室４に直接に噴射されるのではなく、この主燃焼室４に前置された渦流室５に噴射される訳である。この渦流室５はオーバフロー通路６を介して主燃焼室４に接続されている。始動補助手段としては、この渦流室５に突入したグロープラグ７が設けられている。噴射された燃料と空気との、渦流室５と主燃焼室４とにおいて燃焼された成分は、内燃機関ピストン３の膨張行程の終了後に排出行程によってエキゾーストバルブ８を介して排ガス通路９に導入される。排ガス通路９は一般に排気マニホルドとしてまとめられており、この排気マニホルドは各１つの機関シリンダから導出された複数の通路から成っている。この排気マニホルドは１つの集合管に移行しており、この集合管は単数または複数のラインを介して環境大気に通じている。図示の実施例では、この排ガス集合管に還元触媒１１が配置されている。この還元触媒１１には、破線で示したように酸化触媒１２と、場合によっては内燃機関の排気装置の汎用の消音装置とが後置されている。
【００１３】
各シリンダ毎の噴射弁２への燃料供給は、燃料噴射ポンプ１４によって行なわれる。この燃料噴射ポンプ１４は燃料リザーバタンク１５から燃料を受け取って、噴射導管１６を介して、高圧にもたらされた燃料を調量し、各噴射弁２に交互に燃料を供給する。個々の噴射弁２の漏れ燃料は漏れ導管１７を介して燃料リザーバタンク１５に再び戻される。
【００１４】
燃料噴射ポンプ１４は燃料リザーバタンク１５から内部吸込室に燃料を圧送するためにプレフィードポンプ（図示しない）に接続されている。この場合、通常では、この吸込室において回転数に関連して制御される燃料圧が維持され、これにより回転数に関連した機能が制御される。この吸込室圧を制御するためのオーバフロー圧はオーバフロー導管１９を介して一般には無圧で燃料リザーバタンク１５に戻る。しかしこの実施例では、オーバフロー導管１９に圧力調整器２０が接続されている。この圧力調整器２０はたとえば０．３バールに調節することができるので、この圧力調整器２０の上流側では０．３バールの供給圧が提供される。この圧力は燃料導管２１を介して、電気的に制御される調量弁２３に供給される。この調量弁２３は、運転パラメータ、たとえば負荷Ｑ_Kおよび回転数ｎに関連して制御装置２２によって制御されて、燃料を還元剤として蒸発器２６に供給する。この蒸発器２６は還元触媒１１の上流側で排ガス通路９に装着されている。この蒸発器２６の構造は図２に詳細に示されている。このためには、排ガス通路９の壁にねじ込みスリーブ２８が設けられており、このねじ込みスリーブ２８には、結合ベース２９が密にねじ込み可能である。この結合ベース２９には、中空体３０が挿入されており、この中空体３０は排ガス通路９内の排ガス流に突入している。
【００１５】
この中空体３０は多孔質で耐熱性の壁を有していて、たとえば焼結材料、焼結青銅またはセラミックスから成っていてよい。この壁は内部に盲孔３１を有しており、この盲孔３１には、この盲孔３１に同形状で嵌合するようにグローピン３２が加熱装置として突入している。このグローピン３２は回転対称的に形成された中空体３０に対して同軸的に、排ガス通路の外側から結合ベース２９のスリーブ部分３４にねじ込まれている。この場合、盲孔３１とグローピン３２との間に残った内室は、排ガス通路９の外側で外部に対して密に閉鎖されている。盲孔３１には、さらに接続導管３５が開口している。この接続導管３５は調量弁２３から延びていて、調量弁２３から送出された還元剤、つまりディーゼル燃料を、盲孔３１内に残った中空室に導入する。
【００１６】
グローピン３２の加熱は制御導線３６を介して制御装置２２から行なわれる。
【００１７】
触媒１１は還元触媒として形成されていて、内燃機関の排ガス中のＮＯ_X 成分を還元するために働く。この内燃機関は自己着火式の内燃機関である。このような内燃機関は周知のように、かなりの空気過剰量で運転され、この燃焼方法に基づき排ガス中にかなりの量のＮＯ_X成分を有している。このＮＯ_X成分は、図示の渦流室燃焼法で作動する内燃機関において既にかなり多く、また主燃焼室４に直接に燃料を噴射する直接噴射式の内燃機関に場合にはさらに多くなる。まだ排ガス中にも存在し、ひいては排ガス中の極めて少量のＣＯ成分を生ぜしめる高い空気過剰量に基づき、このＣＯを用いて有効に実施したいＮＯ_X 成分の還元は満足し得る程度に得ることはできない。これに加えて、自己着火式の内燃機関の排ガスは、火花点火式の内燃機関に比べて著しく低い温度しか有しないことも不都合となる。このような低い温度は後置された触媒の始動特性や、この触媒の高い効率を著しく困難にする。この欠点は還元剤の導入によって回避される。導入された燃料は触媒中での還元を有効に可能にする。それと同時に、触媒中で燃料の熱変換も行なわれ、このことは触媒の作動温度を高めて、その効率を改善する。このためには、効率を高める目的で、導入された還元剤が微細に分配されて、迅速に変換可能に排ガス中に流入することが必要である。さらに、重要となるのは、特に有効な排ガス除毒のために必要となる所要量の還元剤が導入されることである。制御装置２２を介して前制御される電気制御式の調量弁２３によって、負荷および回転数から求められた排ガス容量に応じて、その都度必要となる還元剤量が導入され、この場合、さらに排ガスおよび／または触媒の温度Ｔも考慮される。
【００１８】
この場合に還元剤として使用される燃料の十分な調製は、前記調量弁２３によって燃料量が制御された後に蒸発器２６によって行なわれる。蒸発器２６は、中空体３０の多孔質壁を通って排ガスに流入する蒸気状の燃料だけしか送出しない。この中空体３０は排ガスによって加熱されるが、特に内燃機関の始動段階において、蒸発過程を行なうためには排ガス温度が低すぎる場合は、グローピン３２によっても加熱される。加熱の制御は同じく前記パラメータに関連して行なわれるので、排ガス中に蒸気状の所要量の燃料が連続的に供給されることが保証されている。
【００１９】
調量弁２３には、いずれにせよ内燃機関の運転のために必要とされる、燃料噴射ポンプ１４の燃料循環路から燃料が供給されると有利である。このときに、圧力調整器２０によって、大きな過剰手間をかけることなく所要の低い圧力が提供される。調量弁２３は単純に低圧噴射弁であってよい。この低圧噴射弁は流出開口を唯一つの孔に減少させることによって容易に改良することができ、また大量生産部品として廉価に提供される。グローピンは同じく廉価に使用可能である大量生産部品である。還元の効率を高めるために働き、しかも過剰量のＨＣが放出物として環境に放出されてしまうことを回避する前記制御に基づき、還元触媒を作動させるためには、極めて僅かな過剰燃料消費しか必要とならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置を備えた自己着火式の内燃機関の燃料供給システムの概略図である。
【図２】還元剤を処理するための中空体の断面図である。
【符号の説明】
１ シリンダ、 ２ 噴射弁、 ３ 内燃機関ピストン、 ４ 主燃焼室、 ５ 渦流室、 ６ オーバフロー通路、 ７ グローブラグ、 ８ エキゾーストバルブ、 ９ 排ガス通路、 １１ 還元触媒、 １２ 酸化触媒、 １４ 燃料噴射ポンプ、 １５ 燃料リザーバタンク、 １６ 噴射導管、 １７ 漏れ導管、 １９ オーバフロー導管、 ２０ 圧力調整器、 ２１ 燃料導管、２２ 制御装置、 ２３ 調量弁、 ２６ 蒸発器、 ２８ ねじ込みスリーブ、 ２９ 結合ベース、 ３０ 中空体、 ３１ 盲孔、 ３２ グローピン、 ３４ スリー部分、 ３５ 接続導管、 ３６ 制御導線

Claims (11)

1. 自己着火式の内燃機関の排ガスを後処理するための装置であって、排ガス捕集システム（９）が設けられており、該排ガス捕集システム（９）に、内燃機関の排ガスのＮＯ_ｘ成分を還元するための還元触媒（１１）が配置されており、電気制御式の弁（２３）が設けられており、該弁（２３）が、内燃機関および触媒の種々の運転パラメータにおける排ガス中のＮＯ_ｘ含量の、特性曲線図にメモリされた値に関連して、前記還元触媒（１１）に供給された排ガスの流れに還元剤を調量して導入するための調量装置として働き、さらに、導入したい還元剤を調製するための装置（２６）が設けられている形式のものにおいて、還元剤を調製するための装置が、蒸発装置として形成されており、該蒸発装置によって、前記電気制御式の弁（２３）により前もって調量された還元剤が蒸発させられて、蒸気の形で排ガス流に導入されることを特徴とする、自己着火式の内燃機関の排ガスを後処理するための装置。
2. 前記蒸発装置が、排ガス流に突入した中空体（３０）として形成されており、該中空体（３０）の内室（３１）が、多孔質の壁によって排ガス流から隔離されており、前記内室（３１）に還元剤が導入されるようになっており、さらに加熱装置（３２）が設けられており、該加熱装置（３２）によって還元剤が蒸発温度にまで加熱される、請求項１記載の装置。
3. 前記加熱装置として、前記内室（３１）に突入した加熱体（３２）が設けられている、請求項２記載の装置。
4. 前記中空体（３０）の内壁が、小さな間隔をおいて前記加熱体（３２）を取り囲んでいる、請求項３記載の装置。
5. 前記加熱体が、電気的に加熱されたグローピン（３２）として形成されている、請求項４記載の装置。
6. 前記グローピン（３２）が固定装置（２９，３４）に交換可能に結合されている、請求項５記載の装置。
7. 前記多孔質の壁が焼結部分として形成されている、請求項６記載の装置。
8. 前記中空体（３０）が結合ベース（２９）を介して、排ガス捕集システム（９）の壁に結合されており、該排ガス捕集システム（９）に前記グローピン（３２）が前記結合ベース（２９）と共にねじ込み可能である、請求項７記載の装置。
9. 還元剤として燃料が使用されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 触媒の下流側で排ガス捕集システムに、排ガスを後酸化するための酸化装置（１２）が設けられている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 排ガスを後酸化するための前記酸化装置が酸化触媒（１２）として形成されている、請求項１０記載の装置。

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