JP4460458B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車用内燃機関の排気ガスの有害物質を転換するための排気ガス浄化装置に関する。この排気ガス浄化装置は少なくとも1つの還元剤供給装置と少なくとも1つの触媒コンバータと少なくとも1つのフィルタ要素とを備えた少なくとも1つの排気ガス管を有している。そのような排気ガス浄化装置は特に自動車分野におけるディーゼルエンジンからの排気ガスを浄化するために使用される。
内燃機関(例えばディーゼルエンジンおよびオットーエンジン)における炭化水素の燃焼時に、主燃焼生成物である二酸化炭素および水蒸気のほかに、一部望ましくない副生成物も発生する。それは特にすす粒子および窒素酸化物である。窒素酸化物の分量は燃焼のプロセス指令(温度、タイミングなど)のほかに燃焼混合気の空燃比にも左右される。空気過少(濃い混合気)の場合、排気ガスは比較的多くの二酸化炭素および炭化水素を含み、空気過剰(薄い混合気)の場合、二酸化炭素および炭化水素がほとんど完全に酸化される。排気ガス内での窒素酸化物の含有量は、僅かに薄い混合気組成の範囲において最大になる。しかしこの範囲に内燃機関、特にオットーエンジンにおいても最良の比燃料消費が位置している。即ち特にオットーエンジンが最良の低い燃料消費に設定されているとき、排気ガス内に高いNOx濃度も存在する。
内燃機関の排気ガス内のNOx含有量を低減するために、例えば欧州特許出願公開第0487886号明細書によって、尿素と還元触媒とを利用した酸素含有排気ガス内の選択触媒NOx還元法(SCR=Selective Catalytic Reduction)が知られている。尿素は触媒コンバータである還元触媒に接触する前に、量的にアンモニアおよび二酸化炭素の形に加水分解される。尿素の利用は、自動車へのアンモニアの搭載および安全処置を必要とするタンクでのアンモニアの用意が回避されるという利点を有する。還元剤として尿素を利用する場合、触媒コンバータの上流で尿素を直接噴射した際、望ましくない反応生成物が生ずるという問題がある。
この問題を解消するために、独国特許出願公開第4203807号明細書で、窒素酸化物の触媒還元装置が提案されている。その装置は、触媒コンバータと、この触媒コンバータの前に配置された気化器に液体尿素を細かく噴射する供給装置とを有している。
その気化器は流れ混合器の形に形成され、これによって尿素の分解効率が高められるようにされている。流れ混合器として形成され以下において「混合器」と呼ばれる気化器は、独国特許出願公開第4203807号明細書に基づいて好適に、混合器の内部に渦流並びに半径方向および/または接線方向の流れ成分が惹き起こされ、これによって排気ガスから尿素溶液への熱伝達ができるだけ速やかに申し分なく実行されるように形成されている。さらに、尿素溶液並びにそれから生ずる気体が、混合器およびその混合器の後ろに配置された加水分解コンバータの横断面全体にわたって比較的一様に分配される。
特にディーゼルエンジンの場合、窒素酸化物の転換のほかに、粒子放出量の減少も前提として存在する。このために、異なった構想の多くの粒子トラップが知られ、それらの粒子トラップは連続再生方式(CRT=Continuous Regeneration Trap)あるいは不連続再生方式で再生される。添加剤および特殊被覆による化学的相互作用に加えて、排気ガス浄化装置内におけるフィルタ要素の確実な再生が常に問題となる。貫流すべき通路壁における微粒子の堆積増加が、粒子トラップの前における排気ガスの動圧を次第に高め、エンジン出力に不利に作用するので、粒子トラップの再生が必要とされる。その再生は、例えば粒子トラップないしはその中に集められた粒子を、すす粒子が気体成分に転換されるように、間欠的に瞬時に加熱する過程を含んでいる。もっともそれによる粒子トラップの大きな熱的負荷はその寿命に不利に作用する。損耗を比較的速めるこの不連続式加熱再生方式を回避するために、連続再生方式(CRT)が開発されている。その方式において、粒子は200℃より高い温度でNO2による酸化によって燃焼される。このために必要なNO2は例えば粒子トラップの上流に配置された酸化触媒コンバータによって発生される。しかしこれを正にディーゼル燃料の自動車に利用する場合、通常は空気過剰であるので、所望の二酸化窒素(NO2)に転換されるために不十分な量の一酸化窒素(NO)しか排気ガス内に存在しないという問題がある。そのために従来、排気ガス浄化装置において粒子トラップの連続再生が行われることが保証されない。
上述の点から出発して本発明の課題は、単純に構成され、窒素酸化物および粒子の放出量が効果的に減少される自動車用内燃機関の排気ガス内の有害物質を転換するための排気ガス浄化装置を提供することにある。
この課題は請求項1に記載の特徴を有する排気ガス浄化装置によって解決される。本発明に基づく排気ガス浄化装置の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。これらの実施態様は、有害物質の減少を一層向上するために、個々にあるいは相互に組み合わせて排気ガス浄化装置に組み入れられる。
本発明に基づく排気ガス浄化装置は、還元剤供給装置がフィルタ要素の前で排気ガス管に接続され、触媒コンバータが排気ガスの流れ方向においてフィルタ要素の後に接続されていることを特徴としている。触媒コンバータは、好適には、選択触媒反応を促進する触媒活性被覆(SCR触媒、例えば五酸化バナジウム)を有している。
公知の多くの排気ガス浄化装置は排気ガス内の有害物質を転換するために種々の多くの構成要素を使用しているが、これに対して、本発明に基づく排気ガス浄化装置によれば、その内部に3つの構成要素しか存在しない単純な構成によって、有害物質の転換に関して意外に良好な結果が得られる。これは技術的経費のかかる多くの実験で確認されている。本発明に基づく排気ガス浄化装置の意外に良好な効果は、(特に片側が閉じられた通路を備えた)フィルタ要素の前で早くも、添加された還元剤が良好に分配されるような乱流を惹き起こす動圧が生ずることに起因している。比較実験の結果、有害物質を転換するための他の構成要素(例えば触媒体、吸収体など)は僅かな動圧しか惹き起こさず、このために、そこでは同じように良好な結果が得られないことが分かっている。追加的に混合器を使用するだけで排気ガス内において還元剤の同様に良好な分配が得られる。もっともその混合器は唯一の機能つまり還元剤の分配作用しか有していない。これに対して、フィルタ要素は、排気ガス内に含まれる(例えばすす(煤)、硫酸塩などのような)浮動微粒子を捕捉ないしは転換する責務をも果たす。
本発明に基づく排気ガス浄化装置の他の実施態様において、還元剤供給装置は固形尿素を排気ガス管に入れるための搬送装置である。これは、液状および/またはガス状尿素がノズルあるいは弁によって入れられるのではなく、固形尿素から成る粒子が排気ガス流に上流で即ちフィルタ要素の前で添加されることを意味する。尿素粒子は好適には0.1mm〜1.3mmの大きさを有し、フィルタ要素の前の比較的近くで(例えば30cm以上、特に10cm以上離れずに)排気ガス流と接触される。フィルタ要素の前に形成された動圧ないしはそこに存在する乱流の結果、尿素粒子の分配が生ずる。しかも追加的に、尿素粒子がフィルタ要素の部分範囲に付着ないしは沈着する効果が生ずる。その結果、尿素粒子および除去すべき粒子は(正にこれらがほぼ同じ粒子サイズを有する場合)、フィルタ要素の同じ空洞内ないしは同じ表面に付着し、これによって、例えばすす粒子を転換するための特に良好な前提が作られる。フィルタ要素がSCR触媒層で被覆されていると特に有利である。
フィルタ要素が複数の円板状の特に金属ハニカム体を有していると特に有利である。その円板形状は、ハニカム体の軸方向長がその直径よりかなり小さいことにより生ずる。複数(特に3〜6枚)の円板状ハニカム体を排気ガスの流れ方向に連続的に配置することによって、ハニカム体間に隙間が形成され、それらの隙間が排気ガス流の乱流発生に関して積極的に作用する。なおこの点について、ハニカム体の内部における比較的短い流れ経路後(約2cm流れた後)にほぼ層流が生ずることに注目されたい。それとは逆に、うず流に対して、特にハニカム体への排気ガスの流入(ないしはその前に生ずる動圧)、および排気ガス出口側の縁で層流が再び剥がれるので流路からの排気ガスの流出が重要である。
このフィルタ要素の有利な実施態様において、少なくとも1つの金属ハニカム体が少なくとも部分的に構造化された薄板を備え、その薄板が少なくとも部分的にミクロ構造を有している。即ちこのミクロ構造によって、ハニカム体の内部においてないしは通路の軸方向長にわたって層流が生ずることを防止するようにされている。ここでミクロ構造とは、例えば隆起部、開口、羽根、流れ案内面、突起、剥ぎ取り縁などを意味する。ミクロ構造は特に、これが通路直径に比べて小さく、特に通路横断面積の60%以下しか占めない。
フィルタ要素が金属であり被覆されていないと特に有利である。フィルタ要素は流路内に、好適に渦流領域、沈静領域および/または死領域を発生する構造を有している。この構造はフィルタ要素が開いているように形成されねばならない。フィルタ要素は、このフィルタ要素を基本的に粒子が完全に通過でき、詳しくは、本来除去すべき粒子より大きな粒子も通過できるとき、「開放形」と呼ばれる。これによって、そのようなフィルタ要素自体は、運転中にたとえ粒子が凝集しても閉塞されない。フィルタ要素の「開放度」の適当な測定方法は、例えば、どんな直径の球状粒子までそのフィルタを流動できるかを検査することにある。ここでの用途の場合、特に直径が0.1mmであるかそれより大きい球がなお通過できるとき、好適に0.2mmより大きな直径の粒子が通過できるとき、フィルタは「開いている」。これは、(片側が交互に閉鎖された通路を備えた)従来のフィルタ装置のような閉塞されないフィルタ要素を簡単に製造でき容易に再生できるという利点を有する。そのような「開放形」フィルタ要素は、例えば独国実用新案第20117873号明細書、独国実用新案第20117659号明細書、国際公開第02/00326号パンフレット、国際公開第01/92692号パンフレット、国際公開第01/80978号パンフレットで知られている。これらの明細書の開示内容は従って本発明の明細書の対象に完全に組み入れられる。
それでも事情によっては、所定の用途分野において還元剤の追加的な微細分布を保証することが必要とされる。このために、排気ガスの流れ方向においてフィルタ要素の上流および/または下流に少なくとも1つの混合器が配置され、この混合器が好適に還元剤供給装置の下流に置かれていることが提案される。混合器が還元剤供給装置の前つまり上流に配置されている結果、還元剤供給装置に導入された排気ガスは渦巻きにされる。(固形、液状および/またはガス状)還元剤を導入すると、直ちにその渦巻きが発生し、排気ガスとの比較的良好な混合が行われる。他の場合、混合器がフィルタ要素の後に接続され、この混合器はフィルタ要素による予混合のためにかなり短くおよび/または小さな容積で形成できる。後者の形態は例えばSCR触媒コンバータで使用される触媒活性物質について利点がある。それにもかかわらず、フィルタ要素全体および短縮された混合器においてかなり小さな圧力損失しか記録されない。
また、少なくとも1つの混合器が耐熱材料から成り被覆されていないことが提案される。耐熱材料として例えばクロム含有鋼箔および/またはアルミニウム含有鋼箔が使用可能である。この材料が被覆されていないことによって、混合器はまず唯一の主機能を果たし、つまり、還元剤と排気ガスとの混合作用を果たし、比較的安価に製造できる。
その代わりに、少なくとも1つの混合器が耐熱材料から成り、加水分解を促進する被覆を有していることが提案される。気化および加水分解を十分に加速し、望ましくない副生成物の発生を防止するために、尿素と接触するあらゆる部品、特に混合器の通路壁は、微細な無機酸化物で被覆されている。無機酸化物は900℃までの温度において排気ガスに耐え、その多孔質構造は数1000時間の運転にわたって安定を維持する。従って、二酸化チタン、二酸化けい素、二酸化ジルコニウムおよび/またはH−ゼオライトと、酸化アルミニウムとの混合物が好適に使用される。
その代わりに、少なくとも1つの混合器が耐熱材料から成り、選択触媒反応に適した被覆を有していることが提案される。混合器が、加水分解並びに選択触媒反応を促進する触媒活性被覆を有していると特に有利である。そのために特に、H−ゼオライトを含む金属酸化物混合体が提案され、これによって、後置接続されたSCR触媒コンバータがその容積ないしはその触媒活性表面積について10〜30%減少されるという利点が生ずる。
本発明の他の実施態様において、少なくとも1つの混合器が少なくとも部分的に構造化された薄板を有し、この薄板は排気ガスが貫流できる開いた通路を形成するように配置されている。その「開放形」混合器の形成において基本的に、既にフィルタ要素について上述したのと同じ基準が採用されねばならない。その点については先の説明を参照されたい。
フィルタ要素を利用する際に基本的にその再生が大きな問題となる。従って、還元剤供給装置の上流に加熱要素を配置することが提案される。その加熱要素は、下流に置かれたフィルタ要素の再生を保証する温度に排気ガスを連続的あるいは不連続的に加熱する責務を有している。そのために必要な温度は主に使用される触媒被覆および/または転換すべき粒子に左右される。加熱要素として特に電圧源を備えた金属ハニカム体が適している。これは大きな動的負荷下でも短時間に排気ガスを顕著に温度上昇させる。
また、触媒コンバータが少なくとも1つの円錐状ハニカム構造物を有していることが提案される。SCR触媒を備えたこの触媒コンバータは、通常、窒素酸化物をほぼ完全に転換するために比較的大きな表面積を必要とする。この理由から、触媒コンバータを省スペースで乗用車のエンジン近くの範囲ないしは床下範囲に配置することが特に重要である。円錐状ハニカム構造物の利用は、排気ガス管の入口短管ないしは出口短管の利用を可能にし、これによって排気ガス管のそれらの部分も同様に触媒反応に活用される。
本発明の他の実施態様において、還元剤供給装置の上流に、排気ガスの酸化を促進する触媒担体が配置され、この触媒担体の後に加熱要素が接続され、この加熱要素が好適に触媒担体と共に1つの構造ユニットを形成している。
以下において図を参照して本発明に基づく排気ガス浄化装置の他の詳細および利点を説明する。なお、図示された実施例は特に本発明の優れた構成を示す。本発明はこの構成に限定されない。
図1は排気ガス浄化装置の構成を概略的に示し、
図2は触媒担体と加熱要素とから成る構造ユニットを示し、
図3は混合器のハニカム体を概略的に示し、
図4はフィルタ要素の詳細図を示す。
図1には、自動車用内燃機関2の排気ガスの有害物質を転換するための排気ガス浄化装置1が概略的に示されている。図示された実施例は転換のために使用される構成要素の複数の特別な形態を示し、上述した利点は個別に実現できる。排気ガスの流れ方向7において、内燃機関2にまず前置触媒コンバータ17が続き、この前置触媒コンバータ17は好適にエンジンの後に比較的近くで接続されている。前置触媒コンバータ17は特に低温始動過程で有害物質の転換を開始する機能を果たす。これは内燃機関2から放出された排気ガスが比較的高温であるために可能である。
前置触媒コンバータ17の後に、触媒担体16と加熱要素14とから成る構造ユニットが接続されている。この構造ユニットは図2を参照して後述する。
加熱要素14の下流で、フィルタ要素5の前すなわち上流で、還元剤供給装置3によって、窒素酸化物を還元するための還元剤、特に固形尿素が排気ガス管6に導入される。フィルタ要素5はここでは多数の円板状の特に金属ハニカム体で表されている。図示された実施例において、フィルタ要素5の上流だけでなく、追加的にフィルタ要素5の下流にも、(例えば液状および/またはガス状の)還元剤を導入する還元剤供給装置3が設けられている。還元剤を加えられた排気ガスは続いて混合器11に流入し、この混合器11は排気ガス内に還元剤液滴ないしは還元剤粒子を細かく分配させる。そのように処理された排気ガスは触媒コンバータ4に流入し、この触媒コンバータ4は排気ガス入口側に円錐状ハニカム構造物15を有している。排気ガス内の有害物質は触媒コンバータ4によって転換される。これはSCR法の経路で転換される窒素酸化物に対して特に適用される。
図2には、触媒担体16と加熱要素14とから成る構造ユニットが概略的に断面図で示されている。それらの構成要素の配置は、加熱要素14が排気ガスの流れ方向7に見て触媒担体16の後に接続されているように選択されている。触媒担体16は外被管18を有し、この外被管18の内部に多数の薄板9が配置されている。これらの薄板9は、排気ガスが貫流できる通路13を形成するように構造化され、および/または互いに絡み合わされている。
触媒担体16の下流側端面に加熱要素14が取り付けられている。このためにピン19が使われ、このピン19は触媒担体16の外被管18の外側に設けられ、あるいは触媒担体16の内部範囲まで延びている。加熱要素14が電気加熱されることから、ピン19は触媒担体16との電気接触を防止する絶縁体20を設けられている。図示された加熱要素14も同様に排気ガスが貫流できる通路13を形成する多数の薄板9を有し、これらの薄板9は好適に、排気ガスの流れ方向7に対して平行に配置されている。排気ガス管6は給電のために接続部21を有し、この接続部21を通して電極22が電気絶縁して貫通している。電極22を介して加熱要素14に直流電流あるいは交流電流が供給される。
図3には、ミクロ構造10を有しハニカム体8を形成する薄板9の一部が示されている。薄板9ないしはハニカム構造8のそのような構成は特に混合器11として使用できる。ミクロ構造10は還元剤と排気ガスとの緊密な混合ないしは混入を保証する例えば多数の開口23および案内面27を有している。薄板9は被覆12を有し、この被覆12は混合器11の使用目的に応じてないしは排気ガス浄化装置におけるその位置に応じて種々に選択される。ミクロ構造10は主に流れ方向7に流れる排気ガスないしは還元剤が横方向24および/または半径方向25にも転向されるように配置されている。
図4にはフィルタ要素5の詳細が示されている。このフィルタ要素5は、排気ガスが貫流できる通路13を形成する少なくとも部分的に構造化された多数の薄板9を有している。排気ガスは多くの粒子28を含み、この粒子28は排気ガスの流れ方向7に対してほぼ平行な飛行軌道26に沿って飛翔する。ミクロ構造10ないしは案内面27によって、粒子28が中間板29に向けて転向される。中間板29は盲金属板9としても形成できるが、ここでは繊維30から成る中間板29が示されている。この繊維30から成る中間板29は好適に選択触媒反応を促進する被覆を有している。中間板29が低い多孔質率(約50%)を有するとき、案内面27は好適に小さくされ、これによって、一方では排気ガス流からすす(煤)ないしは粒子28が除去され、他方では還元剤−排気ガス混合物がフィルタ要素5をほとんど支障なしに貫流することが保証される。またフィルタ層ないしは繊維を備えた中間板29を大きな透過率にすることができ、即ち特に75〜90%の範囲の多孔質率にすることができる。その結果、細かく分散された還元剤微粒子がそのような中間板を通過でき、ないしは、そこに良好に付着でき、従って、被覆された中間板29自体で、あるいは下流に置かれたSCR触媒コンバータにおいてもその触媒作用を発揮する。
ここで提案された排気ガス浄化装置は、比較的安価な製造費で特に高い変換率を有する点で優れている。特にこの構想は既存の排気ガス浄化装置に容易に組み入れることができる。
排気ガス浄化装置の概略構成図 触媒担体と加熱要素とから成る構造ユニットの断面図 混合器のハニカム体の部分斜視図 フィルタ要素の詳細図
符号の説明
1 排気ガス浄化装置
2 内燃機関
3 還元剤供給装置
4 触媒コンバータ
5 フィルタ要素
6 排気ガス管
7 流れ方向
8 ハニカム体
9 薄板
10 ミクロ構造
11 混合器
12 被覆
13 通路
14 加熱要素
15 ハニカム構造物
16 触媒担体
17 前置触媒コンバータ
18 外被管
19 ピン
20 絶縁体
21 接続部
22 電極
23 開口
24 横方向
25 半径方向
26 飛行軌道
27 案内面
28 粒子
29 中間板
30 繊維

Claims (12)

  1. 少なくとも1つの還元剤供給装置(3)と、触媒コンバータ(4)と、フィルタ要素(5)と、排気ガス管(6)とを備え、自動車用内燃機関(2)の排気ガスの有害物質を転換するための排気ガス浄化装置(1)において、還元剤供給装置(3)がフィルタ要素(5)の前で排気ガス管(6)に接続され、触媒コンバータ(4)が排気ガスの流れ方向(7)においてフィルタ要素(5)の後に接続され、還元剤供給装置(3)の上流に排気ガスの酸化を促進する触媒担体(16)が配置され、還元剤供給装置(3)の上流でかつ触媒担体(16)の後に電気加熱要素(14)が配置されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
  2. 還元剤供給装置(3)が固形尿素を排気ガス管(6)に入れるための搬送装置であることを特徴とする請求項1記載の排気ガス浄化装置。
  3. フィルタ要素(5)が複数の円板状の金属ハニカム体(8)を含んでいることを特徴とする請求項1又は2記載の排気ガス浄化装置。
  4. 金属ハニカム体(8)が少なくとも部分的に構造化された薄板(9)を備え、その薄板(9)が少なくとも部分的にミクロ構造(10)を有していることを特徴とする請求項3記載の排気ガス浄化装置。
  5. フィルタ要素(5)が金属であり被覆されていないことを特徴とする請求項1乃至4の1つに記載の排気ガス浄化装置。
  6. 排気ガスの流れ方向(7)においてフィルタ要素(5)の上流および/または下流に少なくとも1つの混合器(11)が配置され、この混合器(11)が還元剤供給装置(3)の下流に置かれていることを特徴とする請求項1乃至5の1つに記載の排気ガス浄化装置。
  7. 少なくとも1つの混合器(11)が耐熱材料から成り、被覆されていないことを特徴とする請求項6記載の排気ガス浄化装置。
  8. 少なくとも1つの混合器(11)が耐熱材料から成り、加水分解を促進する被覆(12)を有していることを特徴とする請求項6記載の排気ガス浄化装置。
  9. 少なくとも1つの混合器(11)が耐熱材料から成り、選択触媒反応(SCR)に適した被覆(12)を有していることを特徴とする請求項6記載の排気ガス浄化装置。
  10. 少なくとも1つの混合器(11)が少なくとも部分的に構造化された薄板(9)を有し、この薄板(9)は排気ガスが貫流できる開いた通路(13)を形成するように配置されていることを特徴とする請求項6乃至9の1つに記載の排気ガス浄化装置。
  11. 触媒コンバータ(4)が少なくとも1つの円錐状ハニカム構造物(15)を有していることを特徴とする請求項1乃至10の1つに記載の排気ガス浄化装置。
  12. 電気加熱要素(14)が触媒担体(16)と共に1つの構造ユニットを形成していることを特徴とする請求項1乃至11の1つに記載の排気ガス浄化装置。
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