JP4712045B2 - 希薄燃焼型内燃機関で発生する排ガス中の窒素酸化物を還元するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に従った、希薄燃焼型内燃機関で発生する排ガス中の窒素酸化物を還元するシステムに、さらに、請求項１２に従った、希薄燃焼型内燃機関で発生する排ガス中の窒素酸化物を還元する方法に関する。特に、本発明は、希薄燃焼型内燃機関で発生する排ガス中の窒素酸化物を還元するシステム及び方法であって、還元剤を希薄ＮＯｘ触媒に噴射するようにしたシステム及び方法に関する。希薄ＮＯｘ触媒は、希薄燃焼状態においてＮＯｘを還元することができる触媒である。本発明に関連して使用することができる希薄ＮＯｘ触媒の例が、特許文献１、２及び３に示されている。

燃焼機関によって動く自動車からの排気ガス中の有害物質の排出を低減させるという要求が一般的にある。これらの物質は主に、汚染物質であると見なされ、酸化窒素化合物（ＮＯｘ）、炭化水素化合物（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の形をとる場合が多い。都会ではＮＯｘの役割は大きな問題であり、ヨーロッパ、北アメリカ及び日本では、このことが、排出法令の厳格化に反映されている。１９９７年、１５０を超える国々の指導者が、京都議定書に署名しており、この京都議定書には、二酸化炭素（ＣＯ_２）などの温室ガスをいかに低減させるかについての解決法が含まれる。車両からのＣＯ_２排出は、燃料消費量に関係があり、ディーゼル又は希薄燃焼型機関によって燃料消費量を低減できる可能性により、ＣＯ_２の排出を減少させることができる。重量トラックの燃料としてディーゼルをＤＭＥと取り替えることにより、重量トラックからのＮＯｘ及び粒子などの排出物を相当に低減することが可能である。しかしながら、燃料交換だけでは、ヨーロッパ及びアメリカでの将来の排出基準を達成することはできず、より抜本的且つ革新的な方法が必要である。従来の三元触媒は、希薄燃焼型機関からのＮＯｘの還元には効果がなく、数年にわたって希薄ＮＯｘ触媒（ＨＣ−ＳＣＲ）などのさまざまなタイプのＤｅＮＯｘ触媒が研究されてきた。既知の希薄ＮＯｘ触媒システムでは、還元剤としてディーゼル燃料などの炭化水素を使用することにより、排ガス中のＮＯｘを継続的に還元している。

排気ダクト内の触媒反応器は通常、触媒材料を担持している大きい表面積に排ガスが触れる場所である複数の流路を与えるマトリックス材料の幾つかのモノリシック体の１つとして構成される。触媒を適切に働かせるために、モノリシック体を通過する排ガスの流れは、モノリシック体の断面全体にわたってほぼ均一である流れ形状を有していなければならない。流れ形状という表現は、本文脈では、モノリシック体の断面全体にわたる単位面積当たりの質量流分布を表す。

希薄ＮＯｘ触媒では、触媒全体でＮＯｘを還元するために、還元剤が噴射される。還元剤の量は、還元すべきＮＯｘの量に比例するので、還元剤の質量流は好ましくは、排ガスの質量流と同じ流れ形状を有していなければならない。

既知の技術水準のシステムでは、モノリシック体の断面全体にわたって十分均一な質量流分布を有する流れ形状を得るように燃料を噴射することには問題があることがわかっている。したがって、還元剤を触媒体の断面全体により均一に分布させるために、従来技術のシステムでは、噴射器と触媒体との間で触媒体の前方に位置するミキサを使用することを提案している。しかしながら、ミキサの導入は、触媒装置全体での圧力低下を増加させ、それにより、内燃機関の効率を低下させるとともに、燃料消費量を増加させる。さらに、ミキサを設置した後でも、還元剤分布の制御が問題になることがわかっており、また、作動中の既知のシステムでは、還元剤濃度が局部的に増加する領域が発生することもわかっている。

還元剤濃度のこの局部的な変動を減少させようとするさらなる試みがなされてきた。噴射圧力を増加させることにより、還元剤を流路の断面全体により均一に分布させることが可能である。しかしながら、還元剤を十分均一に分布させるためには、従来の内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する既知の噴射システムと比較して、高い噴射圧力で作動する噴射器を使用しなければならない。高い噴射圧力での噴射は、許容できないほど機関の効率を低下させ、且つ燃料消費量を増加させる。

欧州特許第８３０２０１号明細書 米国特許第４９４６６５９号明細書 米国特許出願公開第２００３／００６９１２５号

本発明の目的は、希薄燃焼型内燃機関で発生する排ガス中の窒素酸化物を還元するシステムであって、モノリシック体の断面全体にわたる質量流の均一性を従来システムより向上させるシステムを提供することであり、この発明のシステムでは、高圧噴射システム及びミキサなどのエネルギー消費付属品を使用する必要性が減る。

本目的は、請求項１の特徴付け部分に従った、希薄燃焼型内燃機関で発生する排ガス中の窒素酸化物を還元するシステムによって達成される。還元剤としてジメチルエーテルを使用することにより、ジメチルエーテルは気体の形で供給されるか、噴射直後に気体の形に急速に変わるので、質量流形状の均一性が、ディーゼル燃料などの他の従来の還元剤を使用する場合と比較して増加するであろう。したがって、噴射器と触媒体との間にミキサを使用する必要性は低下するであろう。さらに、ジメチルエーテルは圧力タンク内に貯蔵されるので、ジメチルエーテルの噴射を、圧力タンクと排気管との間の圧力差によって促進することができる。圧力タンク内に貯蔵されているジメチルエーテルによって発生する圧力を使用できる可能性により、噴射システム内にポンプを設ける必要がなくなる。噴射の制御は、圧力タンクと噴射器との間の接続部を開閉する弁によって行われるであろう。

さらなる好適な実施形態が、従属請求項に定義されるであろう。

本発明の目的はまた、請求項１２に従った、希薄燃焼型内燃機関で発生する排ガス中の窒素酸化物を還元する方法によって達成される。

添付の図面を参照しながら、本発明の一実施形態を以下に詳細に説明する。

図１は、燃焼機関１０を示し、これに、内燃機関で発生する窒素酸化物を還元するシステム２０が取り付けられている。燃焼機関は、希薄燃焼型である、すなわち、燃焼室中に存在する燃料の量に対して過剰量の空気で燃焼が行われる。一般的に、ガソリン機関の場合、空気燃料比が１８を超え、ディーゼル機関の場合、空気燃料比が２２〜４０であり、ジメチルエーテル機関の場合、空気燃料比が約２０〜４０であろう。機関は、ジメチルエーテルを燃料として動作することが好ましい。機関は好ましくは、多シリンダ形式であって、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２を有し、そこで、複数のピストンが複数のシリンダ内に配置されて、往復運動するように取り付けられており、この直線運動が、機関内に配置されたクランク軸の回転運動に変換される。燃料噴射システム１３が、燃料を機関内に供給するように構成されている。燃料供給システムは好ましくは、機関のシリンダにジメチルエーテルを供給するように構成されている。燃料供給システムは、圧力タンク１４と、高圧ポンプ１５と、コモンレール噴射、ポート噴射又は直接噴射タイプなどでよい噴射手段１６とを有する。燃料噴射は、従来通りに内燃機関を制御するように構成されている制御装置１７によって制御される。

燃焼機関１０はさらに、排気マニホルド１８を有し、これに、窒素酸化物を還元する上記システム２０が配置される。窒素酸化物を還元するシステム２０は、排気マニホルド１８に接続された排気ダクト２２内に配置された希薄ＮＯｘ触媒２１を有する。希薄ＮＯｘ触媒は、特許文献１、２及び３に記載されているようなタイプのものでよい。好ましくは、希薄ＮＯｘ触媒の触媒材料は、銀アルミナコーティング、銅ゼオライト又は銀モデナイトからなる。

噴射器２３は、排気ダクト２２内で希薄ＮＯｘ触媒２１の上流側に配置されて、排気内に含まれる窒素酸化物の還元に使用される還元剤を噴射することができる。噴射器は、ジメチルエーテルを液体状態で加圧して貯蔵している圧力タンク１４に接続される。機関がジメチルエーテルを燃料として作動する場合、圧力タンク１４の形の共通貯蔵ユニットを、機関を推進する燃焼に必要な燃料用、及び還元剤として使用されるジメチルエーテル用に使用してもよい。噴射器２３からのジメチルエーテルの噴射は、圧力タンク１４及び噴射器２３間の通路を開閉する弁２４によって制御される。ジメチルエーテルは液体として加圧して貯蔵されるので、噴射は、圧力タンク１４と排気チャンネル内の圧力との間の圧力差だけによって推進されるであろう。好ましくは、噴射器は、ジメチルエーテルを気体の形で排気管内へ噴射するように構成される。したがって、室温において６バールで起きる液相及び気相間の相転移は、ジメチルエーテルが噴射器２３の噴射口を通過する前に起きるはずである。圧力タンク１４では、ジメチルエーテルを気体及び液体の両方の状態で収容するので、確実に、気相のジメチルエーテルだけが、制御弁２３に通じるダクト２５に入るようにすることができる。

ジメチルエーテルは気相で噴射されるので、噴射器２３と希薄ＮＯｘ触媒２１との間にミキサを配置する必要がないであろう。シリンダ容積が１０〜１５リットルの内燃機関に接続されるシステム内に設置されると、噴射器２３と希薄ＮＯｘ触媒２１との間の距離を３０ｃｍ未満、好ましくは２０ｃｍ未満に縮めることもできる。

図２には、本発明に従って、ジメチルエーテルを排気管２２内に噴射するようになっている噴射器２３が示されている。噴射器２３は、らせん部分２６を有し、１組の噴射口２７が、らせん２６の長さに沿って分散している。らせん部分２６は、排気ダクト２２を画定する壁を貫通する入口ダクト２８に接続されている。

上記組の噴射口は好ましくは、排気管の長手軸に沿った、噴射器がある場所での断面の半径方向の、上記組の噴射口の中で互いに最も離れた位置にある噴射口の間の距離（ｄ）、及び希薄ＮＯｘ触媒の同等半径（Ｒ）が、ｄ／Ｒ＞０．５の関係を満たすマトリックス状に配置される。噴射口を上記関係を満たすマトリックス状に分散させることにより、排気ダクト内にミキサを設ける必要なく、ジメチルエーテルの質量流の均一分布が達成される。好ましくは、６個より多い噴射口を使用すべきである。同等半径とは、さまざまな形を有することができる実際の触媒の断面積と同じ断面積を有する円の半径を意味する。

図３には、本発明に従った希薄燃焼型内燃機関で発生する排ガス中の窒素酸化物を還元する方法のフローチャートが示されている。第１方法ステップＳ１０において、希薄燃焼型内燃機関で発生した排ガスが、希薄燃焼型内燃機関の排気管に接続された希薄ＮＯｘ触媒に触れる。希薄ＮＯｘ触媒を排ガスに触れさせる間、ジメチルエーテルが、還元剤として圧力タンクから噴射器に供給され、ジメチルエーテルを上記希薄ＮＯｘ触媒の上流側に噴射し、それにより、第２方法ステップＳ２０で窒素酸化物を還元することができる。

ジメチルエーテルを噴射するステップにおいて、ジメチルエーテルの噴射は好ましくは、圧力タンク内に液体として貯蔵されているジメチルエーテルによって発生する圧力によって促進される。

好適な実施形態では、噴射器を圧力タンクに接続する導管内に弁が配置されている。弁は、流体通路を開閉することによってジメチルエーテルの噴射を制御し、それにより、弁が開放状態にあるとき、圧力タンク内の圧力が、排気管内へのジメチルエーテルの噴射を促進する。

好ましくは、ジメチルエーテルは、気体状態で排気管に噴射される。

希薄燃焼型機関で発生する窒素酸化物の還元を行うシステムを示す。 本発明に従った、ジメチルエーテルを排気管内へ噴射するようになっている噴射器を示す。 本発明による希薄燃焼型内燃機関で発生する排ガス中の窒素酸化物を還元する方法のフローチャートを示す。

Claims (15)

1. 希薄燃焼型内燃機関（１０）で発生する排ガス中の窒素酸化物を還元するシステム（２０）において、希薄燃焼型内燃機関（１０）の排気管（２２）に接続されるように配置された希薄ＮＯｘ触媒（２１）と、還元プロセスにおいて希薄ＮＯｘ触媒（２１）によって使用される還元剤を噴射するように構成された噴射器（２３）と、還元剤を収容している燃料タンク（１４）とを有し、前記燃料タンク（１４）は、還元剤としてジメチルエーテルを収容するようになっている圧力タンク（１４）であり、前記噴射器（２３）は、前記希薄ＮＯｘ触媒（２１）の上流側でジメチルエーテルを噴射するようになっている、システム（２０）であって、
   前記噴射器（２３）は、らせん形導管として構成されるとともに、該らせん方向に沿う複数の開口部が配列された１組の噴射口（２７）を有しており、該１組の噴射口（２７）は、噴射器がある場所での排気管の長手軸に直交する断面の半径方向の距離であって前記１組の噴射口の中で互いに最も離れた位置にある噴射口の間の距離（ｄ）、及び希薄ＮＯｘ触媒の同等半径（Ｒ）が、ｄ／Ｒ＞０．５の関係を満たすことを特徴とする、システム。
2. 前記１組の噴射口（２７）は、少なくとも６個の前記開口部が配列されて成ることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 圧力タンク（１４）は、ジメチルエーテルを液体として貯蔵するようになっており、それにより、圧力タンク（１４）内に貯蔵されているジメチルエーテルによって発生する圧力によって噴射が促進されることを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム。
4. 噴射器（２３）を圧力タンク（１４）に接続する導管内に弁（２４）が配置され、該弁（２４）は、ジメチルエーテルの噴射を制御するように構成されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記噴射器（２３）は、前記希薄ＮＯｘ触媒（２１）のすぐ上流側にあり、前記噴射器（２３）及び前記希薄ＮＯｘ触媒（２１）間にミキサが存在しないことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
6. 噴射器（２３）は、ジメチルエーテルを６００，０００パスカルより低い圧力で噴射するように構成されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
7. 希薄ＮＯｘ触媒（２１）の触媒材料は、銀アルミナコーティングからなることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
8. 希薄ＮＯｘ触媒（２１）の触媒材料は、銅ゼオライトからなることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
9. 希薄ＮＯｘ触媒（２１）の触媒材料は、銀モデナイトからなることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
10. システムは、排気管内への噴射前のジメチルエーテルの液体から気体への相転移を支援するように構成されることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム。
11. 希薄燃焼型内燃機関（１０）で発生する排ガス中の窒素酸化物を還元する方法であって、
    希薄燃焼型内燃機関（１０）で発生した排ガスを、希薄燃焼型内燃機関（１０）の排気管（２２）に接続された希薄ＮＯｘ触媒（２１）に触れさせるステップ（Ｓ１０）と、
    ジメチルエーテルを還元剤として圧力タンク（１４）から噴射器（２３）に供給するステップであって、前記噴射器（２３）は、らせん形導管として構成されるとともに、該らせん方向に沿う複数の開口部が配列された１組の噴射口（２７）を有しており、該１組の噴射口（２７）は、噴射器がある場所での排気管の長手軸に直交する断面の半径方向の距離であって前記１組の噴射口の中で互いに最も離れた位置にある噴射口の間の距離（ｄ）、及び希薄ＮＯｘ触媒の同等半径（Ｒ）が、ｄ／Ｒ＞０．５の関係を満たす、ステップ（Ｓ２０）と、
    前記希薄ＮＯｘ触媒（２１）の上流側にジメチルエーテルを噴射し、それにより、窒素酸化物を還元するステップと、
    を含む方法。
12. ジメチルエーテルの噴射は、圧力タンク（１４）内に液体として貯蔵されているジメチルエーテルによって発生する圧力によって促進されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 噴射器を圧力タンク（１４）に接続する導管内に弁（２４）が配置され、該弁は、流体通路の開閉によってジメチルエーテルの噴射を制御し、それにより、弁が開放状態にあるとき、圧力タンク内の圧力が、排気管内へのジメチルエーテルの噴射を促進することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 噴射器（２３）は、ジメチルエーテルを６００，０００パスカルより低い圧力で噴射することを特徴とする、請求項１１乃至１３のいずれかに記載の方法。
15. 排気管内への噴射前のジメチルエーテルの液体から気体への相転移を支援することを特徴とする、請求項１１乃至１４のいずれかに記載の方法。

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