JP4663330B2 - 熱機関の排気ガス領域内へのアンモニア注入方法および装置 - Google Patents

熱機関の排気ガス領域内へのアンモニア注入方法および装置 Download PDF

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Description

本発明は、熱機関の排気ガス領域内へアンモニアを注入するための方法、および該方法を実施するための装置に関する。
ＤＥ １０１ ３９ １４２ Ａ１に、排気ガス中に含まれている窒素酸化物ＮＯ及びＮＯ２を還元剤のアンモニアを用いて窒素Ｎ２へ還元する、ＮＯｘ排出ガスの低減のためにＳＣＲ触媒（選択還元触媒）が用いられている熱機関の排気ガス後処理システムが開示されている。このアンモニアは、加水分解触媒の中で尿素水溶液から得られる。流れの方向に見て、ＳＣＲ触媒の手前に配置されている加水分解触媒は、尿素水溶液の中に含まれている尿素を、水を用いてアンモニアと二酸化炭素へ変換する。正確な注入を保証するために、尿素水溶液の濃度を調べることが考えられている。
ＤＥ １０３ １６ １８４ Ａ１から、熱機関の排気ガス流の中へ尿素水溶液を注入するための方法が知られているが、この方法では、尿素水溶液が少なくとも一つの構成部分に送られて、該構成部分の温度に関する尺度が測定される。この温度に関する尺度が、尿素水溶液の凍結温度に対応している温度閾値と比較される。構成部分に対する機械的負荷をもたらす尿素水溶液の凍結の回数は、凍結サイクルカウンターによって測定される。前もって定められたカウンターの読みをオーバーすると、構成部分の点検のための診断の指示が出されることがある。熱機関のスイッチオフの後に起動される余動制御装置が備えられている場合には、当該構成部品が、熱機関のスイッチオフの後も尚、尿素水溶液で満たされているか否かをチェックすることができる。
アンモニアは、熱機関の排気ガス領域内へ吹き込まれる前に、外部アンモニア源の中で、例えばカルバミン酸アンモニウムから得ることができる。外部アンモニア源の中或いは加水分解触媒の中でのアンモニアの調製のためには、一定の温度領域の存在が前提条件となる。例えば、加水分解触媒の動作温度は１８０℃〜２５０℃の範囲内にある。それ故、熱機関のコールドスタートからの始動後は、ＳＣＲ触媒の中での還元反応のために必要なアンモニアは一般に未だ十分ではない。従って、この動作状態の下では、未だ効き目の無いＳＣＲ触媒のために高いＮＯｘ排出が行われてしまう。
本発明の課題は、できる限り少ないＮＯｘ排出の遵守を可能にする、熱機関の排気ガス領域内へのアンモニア注入方法および該方法を実施する装置を提供することである。
本発明によれば、ＳＣＲ触媒（選択還元触媒）を含んでいる、熱機関の排気ガス領域内へのアンモニア注入方法において、熱機関のスイッチオフの後で、アンモニアが熱機関の排気ガス領域内へ送り込まれる。
本発明は、ＳＣＲ触媒のアンモニア吸蔵能力を利用している。熱機関のスイッチオフの後、ＳＣＲ触媒が含まれている熱機関の排気ガス領域内にアンモニアが送り込まれる。この時点では熱機関の排気ガスはもう出なくなっており、このアンモニアはＳＣＲ触媒の中では最早必要ではないので蓄えられる。ＳＣＲ触媒のアンモニア吸蔵能力は低温の下では高温の下でよりも大きいので、ＳＣＲ触媒は、熱機関のスイッチオフ後の冷却期間の間は、熱機関の作動中に可能となるよりも、より多くのアンモニアを吸蔵することができる。
本発明によれば、ＳＣＲ触媒に、ＮＯｘの変換のために必要なアンモニアを熱機関の始動の後直ちに供給する。還元反応は、ＳＣＲ触媒の動作温度の到達と共に直ちに開始することができる。熱機関の排気ガス領域の外に配置されているアンモニア源は、この時点まで未だ動作準備ができていない。
本発明によれば、特に、アンモニア源が熱機関のスイッチオフの後で空にされることができるので、熱機関のスイッチオフされた状態の下では、装置全体の中にアンモニアが全く存在していないか或いは僅かな量しか存在していないという利点を持っている。この熱機関が自動車に搭載されている場合、停止された車の中に望ましくないアンモニアの加圧貯蔵は無くなる。
本発明によれば更に、有利な拡張例やその他の実施例が明らかとなる。
一実施例では、アンモニア注入弁が熱機関のスイッチオフの後で開くように制御される。何れにせよ、存在しているこのアンモニア注入弁は、これによってアンモニアの注入のために熱機関のスイッチオフの後も利用される。
一実施例では、熱機関のスイッチオフの際に、本発明に基づく方法のその後の諸ステップをスタートさせる、熱機関スイッチオフ信号が生成される。
一実施例では、圧縮空気をアンモニアに混ぜるための圧縮空気／アンモニア混合弁が制御される。この圧縮空気は、排気ガス流が無くなった後で、アンモニアがＳＣＲ触媒を貫流することを保証する。
一実施例では、アンモニア注入弁および／または圧縮空気／アンモニア混合弁が、熱機関のスイッチオフの後、前もって定められた時間の間制御される。アンモニア注入弁の開弁の時間を制限することによって、前もって定められた時間の経過後に、場合によっては尚アンモニア残留分を含んでいるシステムが閉じられることが保証される。
一拡張例では、アンモニア注入弁が時間の経過と共にますます広く開かれて行く。この手法によって、ＳＣＲ触媒の温度の低下と共に高まって行くアンモニア吸蔵能力を適切に活用することが可能となる。
一拡張例では、アンモニア注入弁が少なくとも一つのＮＯｘ信号に依存して制御される。この拡張例は、排気ガス領域内に送り込まれるアンモニアの量を、排気ガス領域内に含まれているＮＯｘに依存して適合させることを可能にする。このＮＯｘ信号は、熱機関の既知の特性値から計算するか或いは排気ガス領域中に配置されているＮＯｘセンサによって生成することができる。
一拡張例では、熱機関のスイッチオフの後で、圧縮空気がＳＣＲ触媒の上流側への圧縮空気導入を通じて直接排気ガス領域内へ送り込まれる。この手法によって、ＳＣＲ触媒の手前にあるアンモニアが熱機関のスイッチオフの後でＳＣＲ触媒の中へ到達することが保証される。
この方法の実施のための、本発明に基づく装置は、この方法を実現するために必要となる全ての構成部分を含んでいる。
この装置の一実施例では、アンモニアの調製のための熱分解或いは加水分解反応装置が提案されている。
この装置の一代替的実施例では、吸蔵材が備えられており、該吸蔵材からアンモニアが脱着される。
この装置のもう一つの代替的実施例では、アンモニアの調製のためのアンモニア合成装置が備えられている。
本発明に基づく装置の或る実施例では、システムダイナミクスの改善のために寄与する、アンモニア吸蔵装置が備えられている。
本発明によるその他の有利な拡張例と実施例は以下の説明から明らかとなる。
図は熱機関１０を示しており、該熱機関の中に、排気ガス領域１１、ＳＣＲ触媒１２、注入装置１３、及びＮＯｘセンサ１４が配置されている。ＮＯｘセンサ１４は、ＮＯｘ信号１５を排気ガス後処理制御装置１６に対して送り出す。排気ガス後処理制御装置１６は、開弁制御装置１７およびタイマー１８を含んでいる。
排気ガス後処理制御装置１６は、アンモニア源１９、および圧縮空気／アンモニア混合弁２０を制御する。排気ガス後処理制御装置１６に含まれている開弁制御装置１７は、アンモニア注入弁２１を制御する。
熱機関スイッチオフ信号２２は、排気ガス後処理制御装置１６にも余動制御装置２３にも送り込まれる。余動制御装置２３は排気ガス後処理制御装置１６に対して余動信号２４を送り出す。
アンモニア源１９は、第一のアンモニア導管２５を通してアンモニア注入弁２１と連結されている。第一のアンモニア導管２５にはアンモニア吸蔵装置２６が接続されている。アンモニア注入弁２１は、第二のアンモニア導管２７を通して圧縮空気／アンモニア混合弁２０と連結されており、該混合弁には更に、排気ガス後処理制御装置１６によって制御される圧縮空気源２８が接続されている。圧縮空気源２８は、排気ガス領域１１内に注入装置１３の上流側に配置されている圧縮空気注入装置２９と連結されている。圧縮空気／アンモニア混合弁２０は、排気ガス領域１１に配置された注入装置１３と連結されている。
本発明に基づく方法は次のように動作する。
熱機関１０の排気ガス領域内１１に配置されたＳＣＲ触媒１２は、熱機関１０の排気ガス中に含まれている酸化窒素ＮＯ及びＮＯ２を窒素Ｎ２へ還元する。ＳＣＲ触媒１２は、還元のためにアンモニアＮＨ３を必要とする。このアンモニアは、例えばカルバミン酸アンモニウムの熱分解を行うアンモニア源１９の中で調製される。カルバミン酸アンモニウムの熱分解の際には、熱分解反応装置の中にＮＨ３と共にＣＯ２が発生する。以下の説明では、アンモニア源１９の生成ガス流という用語は、単にＮＨ３だけを指すものとする。アンモニア源１９のもう一つの実現の手法に、吸蔵材の加熱の間の吸蔵材(例えば、金属塩化物)からのアンモニアの脱着がある。更に、アンモニア合成装置として作られたアンモニア源１９も可能である。
アンモニアの注入のために、開弁制御装置１７によって制御されるアンモニア注入弁２１が備えられている。注入は最も簡単なケースでも制御して行うことができる。好ましくは、実際に存在している運転状態の下での熱機関１０のＮＯｘ排出の制御或いは少なくとも考慮が行われる。ＮＯｘ排出は、例えば熱機関１０の既知の特性値に依存して計算することができる。そのために適した特性値としては、例えば回転数および／またはエアマス信号および／または燃料コントロール信号がある。これ等の信号は図中には示されていないセンサによって生成される。
熱機関１０のＮＯｘ排出を計算する代わりに、熱機関１０の排気ガス領域１１内に配置されたＮＯｘセンサ１４によるＮＯｘ排出の測定を考えることができる。ＮＯｘセンサ１４は、排気ガス後処理制御装置１６に対してＮＯｘ信号１５を送り出すので、排気ガス後処理制御装置１６の中に含まれている開弁制御装置１７は、アンモニア注入弁２１の開度を排気ガス中のＮＯｘ濃度に適合させることができる。上記の開度は、例えば開口部断面積を通じて設定することができる。時間制御可能な弁の場合には、この開度はパルス持続時間とパルス休止時間との比を通じて調節される。
アンモニア注入弁２１の後方でのアンモニアの圧力が排気ガス領域１１内の圧力に対して高い間は、第二のアンモニア導管２７は直接排気ガス領域１１内の注入装置１３へ導かれることができる。この注入装置１３は適当な形に作られた開口部であり、該開口部からアンモニアが排気ガス領域１１内へ流入し且つそこで排気ガスと十分に混合される。適切な圧力比を保証するために、また特に熱機関１０のスイッチオフの後で本発明に基づく方法を実施するために、オプションとして、圧縮空気を圧縮空気／アンモニア混合弁２０に対して送り込むか、或いは圧縮空気注入装置２９を通じて直接排気ガス領域１１内へ送り込む、圧縮空気源２８が用意されている。
十分なアンモニアの調製は、特別な実施例によれば、オプションとして用意されるアンモニア吸蔵装置２６の採用によって、熱機関１０の多くの運転状況の下で保証することができる。原理的にはこのアンモニア吸蔵装置２６は、熱機関１０が比較的長い時間にわたって運転停止される場合でも、アンモニアの調製を保証することができる。
周囲の大気中へのアンモニアの排出は望ましくない。何故なら、不快な刺激臭のあるアンモニアガスは有害であり、空気中に非常にわずかな濃度しかなくても感知されるからである。熱機関１０が、熱機関の長期的な運転停止段階が想定される自動車に搭載される場合には、アンモニアを圧力下で蓄えておくことは特に望ましくない。それ故、加圧されたアンモニアを導く全ての部分を熱機関１０の運転段階の終わりにアンモニア吸収器として働くＳＣＲ触媒の中へ空けてしまうことが望ましい。
アンモニア源１９の動作準備ができるまでは数分かかることがあり、この時間の間、アンモニア吸蔵装置２６が空であるか或いはそもそも装置自体が存在していない場合には、アンモニアを利用することはできない。この様な運転状態は一般に、スイッチオフ段階の後での熱機関１０の始動の際に発生する。
本発明は、ＳＣＲ触媒１２のアンモニア吸蔵能力を活用している。ＳＣＲ触媒１２が温度に依存したアンモニア吸蔵能力を備えているということは、理論的にも実験的にも証明することができる。この吸蔵能力は、温度が低くなればなる程高くなる。それ故、本発明に基づく方法によれば、熱機関１０のスイッチオフの後も、ＳＣＲ触媒１２を含んでいる排気ガス領域１１内へアンモニアが送り込まれる。
一つの簡単な実現方法は、アンモニア注入弁２１の開弁制御によって可能となる。
熱機関１０のスイッチオフによって熱機関スイッチオフ信号２２が出され、この信号が余動制御装置２３へ送られ、該余動制御装置が余動信号２４を排気ガス後処理制御装置１６に対して送り出す。この余動信号２４によって、排気ガス後処理制御装置１６の電源が、熱機関１０のスイッチオフ後も確保される。
特に有利なのは、上記のアンモニア吸蔵能力がＳＣＲ触媒１２の温度が下がると共に上昇するということである。熱機関１０のスイッチオフ並びにそれと結び付いている排気ガスの加熱作用の停止によって、ＳＣＲ触媒１２の冷却が熱機関１０のスイッチオフと共に始まる。
一実施例では、アンモニア注入弁２１は時間制御で或いは連続的に開弁される。好ましくはこのアンモニア注入弁２１は、時間が経つと共に大きく開かれて行く。この操作によって、ＳＣＲ触媒１２の後方でのアンモニア注入が無くとも、ＳＣＲ触媒１２のアンモニア吸蔵能力の上昇を適切に活用することができる。一実施例では、アンモニア注入弁２１が、開弁制御装置１７によって、タイマー１８によって定められた時間の間開弁するように制御される。定められた時間の経過後、このアンモニア注入弁２１は閉じられる。この操作によって、熱機関１０の排気ガス領域１１内へのアンモニアの送り込みの停止の後に、アンモニア供給システムが閉じられるということが保証される。
熱機関１０のスイッチオフの後、注入装置１３によって送り込まれたアンモニアをＳＣＲ触媒１２まで運んで行く、排気ガス領域１１中の排気ガスの流れが無くなる。圧縮空気は、圧縮空気／アンモニア混合弁２０の中でアンモニアに混ぜ合わせることができる。これによって、アンモニアがアンモニア注入弁２１と注入装置１３から吹き込まれるということが保証される。追加として或いは代わりの手法によれば、圧縮空気は、別の圧縮空気導管を通して、また圧縮空気注入装置２９を通して、注入装置１３の上流側で排気ガス領域１１内へ送り込まれることもできる。これによって、ＳＣＲ触媒１２の手前にあるアンモニアがＳＣＲ触媒１２へ到達するということが保証される。
熱機関の排気ガス領域の中へアンモニアを注入するための、本発明に基づく方法を実施する装置を示す。
符号の説明
１０…熱機関
１１…排気ガス領域
１２…ＳＣＲ触媒
１３…注入装置
１４…ＮＯｘセンサ
１５…Ｎｏｘ信号
１６…排気ガス後処理制御装置
１７…開弁制御装置
１８…タイマー
１９…アンモニア源
２０…圧縮空気／アンモニア混合弁
２１…アンモニア注入弁
２２…熱機関スイッチオフ信号
２３…余動制御装置
２４…余動信号
２５…第一のアンモニア導管
２６…アンモニア吸蔵装置
２７…第二のアンモニア導管
２８…圧縮空気源
２９…圧縮空気注入装置

Claims (9)

  1. 熱機関（１０）のスイッチオフの後に、アンモニアが、燃機関スイッチオフ信号（２２）の発生後に開かれるように制御されるアンモニア注入弁（２１）によって、熱機関(１０)の排気ガス領域内へ注入される、ＳＣＲ触媒（選択還元触媒）（１２）を含んでいる、熱機関（１０）の排気ガス領域(１１)内へのアンモニア注入方法において、
    アンモニア注入弁（２１）が、時間の経過に伴って、大きく開かれて行くことを特徴とするアンモニア注入方法。
  2. アンモニア注入弁（２１）が、前もって定められた時間の間、制御されることを特徴とする請求項１に記載のアンモニア注入方法。
  3. アンモニアが、アンモニア注入弁（２１）と圧縮空気源（２８）に接続された圧縮空気／アンモニア混合弁（２０）により、排気ガス領域（１２）内に注入されることを特徴とする請求項１に記載のアンモニア注入方法。
  4. 圧縮空気が、圧縮空気源（２８）に接続された圧縮空気注入装置（２９）により、ＳＣＲ触媒（１２）の上流側で直接排気ガス領域（１２）内に注入されることを特徴とする請求項１または３に記載のアンモニア注入方法。
  5. 圧縮空気／アンモニア混合弁（２０）が、アンモニアに対して圧縮空気を混ぜ込むために制御されることを特徴とする請求項３に記載のアンモニア注入方法。
  6. 請求項１ないし５のいずれかに記載のアンモニア注入方法を実施するためのアンモニア注入装置。
  7. アンモニアの調製のために、熱分解或いは加水分解反応器を備えていることを特徴とする請求項６に記載のアンモニア注入装置。
  8. アンモニア源（１９）として、アンモニアが脱着される吸蔵材を備えていることを特徴とする請求項６に記載のアンモニア注入装置。
  9. アンモニアの調製のために、アンモニア合成装置を備えていることを特徴とする請求項６に記載のアンモニア注入装置。
JP2005000629A 2004-01-08 2005-01-05 熱機関の排気ガス領域内へのアンモニア注入方法および装置 Expired - Fee Related JP4663330B2 (ja)

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