JP5383648B2

JP5383648B2 - 低温尿素噴射法

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Publication number: JP5383648B2
Application number: JP2010500325A
Authority: JP
Inventors: カブリエルクレアン，
Original assignee: プジョーシトロエンオートモビルエスアー
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2028-03-10
Also published as: JP2010522305A; US20100050597A1; EP2122133B1; FR2914013A1; WO2008129184A1; EP2122133A1

Description

本発明は、エンジンの排気ライン内に尿素を噴射する方法に関し、より詳細には、ディーゼル型自動車内に設置されたエンジンに関する。

ディーゼル型車両のエンジン内では、気化燃料が燃焼することにより、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）、又は亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）などの気体を生み出す。

窒素酸化物（ＮＯｘ）の名で一般に知られているこれらの気体は、人間の健康にとって危険であるだけでなく、都市に光化学スモッグを発生させ、温室効果を高めることにより地球温暖化の原因となるため、環境にとっても危険である。したがって、大気中に放出される前に、車両内部でこれらの気体を破壊するための解決策を提供する必要がある。さらに、車両内でのこれらの気体の処理は、様々な規準によって厳しく規制されている。

大気中に排気する前に、これらの窒素酸化物を化学的に破壊するために、ＳＣＲとして知られる還元工程、即ち選択的触媒還元を行うことが検討されてきた。

このために、様々な還元剤を用いることが可能である。

還元剤として、ハイドロカーボンを用いるという第１の可能な方法は、現在の気化燃料の価格のため高コストとなると同時に、車両のエンジンから排出されるとき二酸化炭素放出の増加を招くため汚染源になるという、二重の不都合を有する。

これらの不都合を是正するために、還元剤として尿素を用いる多くの解決策が提案された。実際、尿素はアンモニアを含んでおり、それがＳＣＲ触媒中の窒素酸化物と反応して全く無害な二窒素を形成する。これらの解決策の大部分は、尿素の噴射を液体の形で実施する。噴射は、排気ライン内で、１８０℃を上回る温度で行われる。

この温度での尿素のアンモニアへの分解は完全で、ほぼ瞬間的であり、そのため例えば２０ｇ／時程度の比較的高い噴射量を用いることができる。この分解速度は、一部には、尿素の熱力学的安定性及び噴射尿素の液滴の大きさによる。

純粋アンモニアの代わりに尿素を用いる選択は、アンモニアが有毒で腐食性のある気体であるために、従来の車両内にこのような気体を安全に貯蔵するタンクを準備するのはコストがかかり、厄介であることの結果である。一方、尿素は水溶液の形で貯蔵することができ、そのため排気ライン内でより容易な貯蔵及び噴射が可能となる。

液体尿素を用いた窒素酸化物の還元では、連続する複数の化学反応を利用する。

排気ライン内に噴射された尿素溶液は、最初に水が蒸発し、したがって微粒子の形態の固体尿素が形成される。

この反応は、以下の化学方程式で表現される。
ＮＨ２−ＣＯ−ＮＨ２（水溶液）−＞ＮＨ２−ＣＯ−ＮＨ２（固体）（方程式１）

一般的に、固体尿素は、この蒸発に続いて１８０℃以上の周囲気体の高温の影響下で熱分解する。この熱分解により、以下の反応中に気体アンモニア及びイソシアン酸が発生する。
ＮＨ２−ＣＯ−ＮＨ２（固体）−＞ＮＨ３（気体）＋ＨＮＣＯ（気体）（方程式２）

還元工程の最終ステップは、イソシアン酸の加水分解により気体アンモニア及び二酸化炭素が形成されることから成る。
ＨＮＣＯ（気体）＋Ｈ２Ｏ（気体）−＞ＮＨ３（気体）＋ＣＯ２（気体）（方程式３）

１８０℃未満では、熱分解による尿素粒子の分解速度は尿素の部分重合の速度よりも遅い。したがって、尿素粒子はビウレットに変化する。ビウレットは、１８０℃を上回る温度又は１８０℃を下回る温度で酸性部位を含むいかなる触媒表面上でも昇華によって迅速に分解する。二つの形態のビウレットの分解は、全体的に以下の反応によって記述することができる。
Ｈ２ＮＣＯＮＨＣＯＮＨ２（固体）＋２×Ｈ２Ｏ（気体）−＞ＮＨ３（気体）＋ＣＯ２（気体）（方程式４）

しかし、軽車両では、排気ライン内の温度は、特に車両の減速もしくは頻繁な停止、又は都市での長時間の低速運転のため、一般に１８０℃を下回ることが確認されている。

排気ライン内に噴射される尿素の温度が１８０℃を下回ると、もはや完全分解は起こらず、高濃度での尿素の完全重合、及びＳＣＲ触媒表面上又は排気ラインの内壁上での白色固体の形成が見られる。

実際、先に説明したとおり、方程式２で表される固体尿素の熱分解ステップは、排気ガスが高温であることによって生じる。低温である場合、シアメリド固体ポリマーの生成が見られる。
ＮＨ２−ＣＯ−ＮＨ２（固体）−＞ＨＮＣＯｘ（固体ポリマー）（方程式５）

この反応は、触媒表面上に高濃度で堆積する尿素の一部にしか起こらず、他の部分は先に述べたとおり熱分解する。固体ポリマーの生成は、気相熱分解又は触媒表面上での触媒分解による尿素分解が、触媒表面上への尿素の堆積反応よりも遅いときに起こる。

この場合、触媒表面はポリマーで覆われていて、アンモニアはもはや窒素酸化物と接触せず、そのため後者の還元が不可能となる。ビウレットの分解速度は、温度の関数として遅くなる。一方、尿素の重合速度は、尿素又はビウレット分子の局所濃度に依存する。したがって、濃度が高くなるほど、特に低温では重合のリスクが高くなる。

さらに、排気ライン内の様々な要素上に堆積した重合化固体を破壊するには、温度を約４５０℃の値まで上げる必要がある。しかし、触媒をいつもこのような高い温度に保持すると、還元化学反応の実施に不可欠な触媒の活性ゾーンが破壊される危険がある。

したがって、ＳＣＲ触媒表面上での尿素の堆積及び重合化のリスクを抑制するための一つの解決策は、温度の関数として排気ライン内に噴射される尿素の量を制御するものである。

したがって、本発明は、あらゆる温度、特に低温で実施できる尿素噴射法を提案することにより、これらの不都合を是正することを目的とする。

より正確には、本発明は、エンジンの排気ライン内に尿素を噴射する方法であって、ＳＣＲと呼ばれる選択的触媒還元反応中にアンモニアを含む尿素を使用して、エンジンから放出された窒素酸化物を化学的に還元する方法に関する。噴射は、反応が起こる触媒の上流で行われ、この方法は、
−エンジンの排気ライン内の温度を測定するステップ、
−すべての可能な動作温度の値についての、温度と尿素の噴射量との間の既知の関係から、噴射する尿素の量を決定するステップ、及び
−エンジンの排気ライン内で決定された量の尿素を噴射するステップ
を含む。

このような方法により、排気ガスの温度の関数として、極めて安全に、すなわち窒素酸化物の有害な破壊をもたらしかねない重合のリスクなしに、噴射できる尿素量を決定することができる。

したがって、温度が１８０℃未満の場合、尿素を噴射することはできるが、すべての噴射尿素がアンモニアに分解され、重合が起こらないように、低い濃度で噴射する。

本発明による方法により、排気ライン内の温度にかかわらず、重合のリスクなしに排気ライン内に噴射できる尿素量を決定することができる。この尿素量は、排気ライン内で記録されうる温度範囲に亘る、気体の温度と尿素量との関係を用いて決定される。

この関係は、多項方程式、グラフ、又は対応表など数学的関係の形で表すことができる。

これらのデータは、例えば、プロセッサのメモリに記録され、様々なステップを実施するための方法がこのプロセッサに呼び出される。

このようなデータは、排気ラインごとに異なるので、好ましくは実験的に決定する。実際、これらのデータは、エンジンの種類、噴射に用いられる技術の種類、あるいは触媒の種類及び大きさなど、このラインを構成する様々な要素の物理的特性に依存する。

尿素量の計算に用いられるデータは、実験的に決定されるが、排気ライン内で変動するパラメータによって計算が狂ったことが明らかになることがある。したがって、この方法の間に計算された数量の補正を準備しておくこともしばしば有用である。

このために、いくつかの実施形態では、本方法は、触媒の入口で窒素酸化物量を測定し、最終的尿素量を決定するステップでこの測定値を用いるステップを含む。

同様に、いくつかの実施形態では、本方法は、触媒の出口でアンモニア量を測定し、この測定値を用いて尿素の噴射量を決定するステップを含む。実際、触媒の出口に過剰な尿素量が存在することが確認された場合、車両外部への有害なガスの放出が起こらないように、直ちに介入しなければならない。

一変形例では、本発明による方法は、下記の一つ又は複数のステップも含む。
−温度に基づいて噴射可能な最大尿素量を決定し、この最大量と、計算された又は排気ライン内で測定された他の少なくとも一つのパラメータとの関数として、噴射量を決定するステップ、
−ＳＣＲ触媒中に存在するアンモニア量を計算し、この計算値を用いて尿素の噴射量を決定するステップ、
−尿素の噴射量を決定するために、マッピングなど、本方法の実施に用いられるプロセッサのメモリに記録された、所定のデータを用いるステップ。

本発明はまた、エンジンの排気ライン内に尿素を噴射するためのシステムであって、ＳＣＲと呼ばれる選択的触媒還元反応中にアンモニアを含む尿素を使用することにより、エンジンから放出された窒素酸化物を化学的に還元するシステムに関し、このシステムは、
−還元反応の部位となる触媒、
−排気ライン内の気体の温度を測定する装置、
−可能なすべての動作温度の値についての温度と尿素の噴射量との間の既知の関係から、触媒中に噴射する尿素の量を計算する装置、及び
−触媒の上流にあり、決定された尿素量を噴射するための、尿素タンク及び尿素インジェクタ
を備える。

次に、他の長所及び特徴を明らかにするため、方法の複数の実施形態を説明する。この説明は、添付図面を用いて非限定的に行われる。

ＭＶＥＧサイクルなど既知の動作サイクルで、車両エンジン内に存在する特定のパラメータの変化を示す。液体尿素インジェクタを装備した車両の排気ラインを示す。尿素量を温度と関連付ける多項関係を示すグラフである。様々な尿素噴射法の機能図である。窒素酸化物の変換率を温度の関数として示す。

図１では、正規化された動作サイクルＭＶＥＧでの、自動車エンジン内で測定された様々なパラメータを示している。このサイクルは、現在、ヨーロッパで車両の認可に用いられている。

図１は、それぞれ、車両の速度（曲線１１）、エンジンから放出される窒素酸化物の量（曲線１２）、温度（曲線１３）の、時間変化を表す３つの曲線を示している。

ＭＶＥＧサイクルによる車両の動作は、車両の一連の加速及び減速を意味する。したがって、エンジン内の温度が時間とともに上昇していく傾向があっても、この上昇は頻繁な減速によって抑制される。

したがって、サイクル開始後９００秒間は、温度は間欠的にしか１８０℃を超えないことが確認できる。なお、このような温度が、重合なしで尿素がアンモニアに完全に分解することを保証するために必要であることは、先に説明した。

その結果、尿素によって窒素酸化物を還元する従来の方法は、軽車両には実行不可能であることは、このグラフを見れば明らかである。したがって、低温での尿素噴射が可能な本発明による方法を用いる必要がある。

この方法の有利な実施形態は、図２に示されるような排気ライン内で行われる。

この図は、一酸化窒素ＮＯ及び二酸化窒素ＮＯ_２を放出する車両１のエンジンを示す。このエンジンの出口に、排気ガスのＮＯ_２／ＮＯ率を上昇さることにより、その後の、選択的還元触媒３中での窒素酸化物の還元を向上させる酸化触媒２が配置されている。

処理された排気ガスは、最後に大気中に戻す前に、粒子フィルタ４を通過する。

本方法の実施を可能にするために、排気ラインの様々な要素が、車両のオンボードコンピュータ５によって管理される。したがって、例えば、コンピュータ５は装置７によって記録された気体の温度に基づいて、メモリに記録された実験データを用いて、インジェクタ６によって排気ライン内に噴射しなければならない尿素量を決定する能力を有する。尿素はタンク８に貯蔵される。

加えて、排気ラインは、それぞれＳＣＲ触媒３の上流及び下流にある気体量を測定できる、二つの気体検知器９及び１０を装備している。一実施例では、コンピュータ５は、システム内への尿素の噴射を指令するために、これら二つの検知器から供給された測定値を用いる。

コンピュータ５のメモリに格納される所定のデータは、マッピング、表、又は他のあらゆるデータ集合体の形にすることができる。

例えば、尿素の噴射量と温度の関係を、以下の多項関係によってモデル化することができる。
Ｙ＝７Ｅ^−０６ｘ^３＋０．００８２ｘ^２−２．５９３４ｘ＋１８２．２

この関係は、１００〜２００℃の温度について、図３にグラフで表されている。このように、車両のコンピュータは、排気ライン内の気体温度の値がわかると、例えばＡｄＢｌｕｅなどの液体添加剤の形で噴射する尿素の量を決定するために、この関係を用いることができる。この数量は、ここではｍＬ／時で表されている。

本発明による噴射法をよりよく理解するために、ここでは排気ガスの温度に応じて区別される、３つの車両動作段階について説明する。

ゾーンＡは、１２０℃未満の温度に対応する。このような値では、排気ライン内に尿素を噴射する必要はないことが確認されており、これは以下の複数の理由による。
−まず、これらの温度では、尿素の気化は比較的困難であり、そのため通常なら尿素粒子の生成をもたらす、必要な最初の化学反応の実施が難しい。
−加えて、ＳＣＲ触媒は、一般に１２０℃未満では活性になることができず、したがって尿素のアンモニアへの分解の部位にはなりえない。さらに、ＳＣＲ触媒がすでにその細孔に貯蔵されているアンモニアを含んでいる場合も、窒素酸化物の還元はこのような低温では不可能である。

その結果、この車両動作ゾーンでは、いかなる尿素噴射も行われない。

ゾーンＣは、１８０℃より高い温度に対応する。この温度では、尿素のアンモニアへの完全でほぼ即時の分解が見られることは先に説明した。その結果、この動作ゾーンでは、エンジンから放出された窒素酸化物を還元するために、尿素を排気ライン内に必要なだけ噴射することが可能である。

本発明による方法の特異性は、１２０〜１８０℃の間の温度に対応する動作ゾーンＢに現れる。実際、この温度範囲では、気相分解に対応する加水分解反応（方程式３）は起こり得ない。その結果、尿素のアンモニアへの分解は完全ではなく、したがって噴射アンモニアの濃度を制限するのが適切である。

この濃度計算を可能にする関係は、図３のゾーンＢに示されたとおりである。この関係は、インジェクタ、排気ライン、又は例えば汚染除去用の触媒など、複数のエンジン構成要素に依存するので、エンジンの種類ごとに決定しなければならない。

本発明を有利に実施するために、例えば、自動車のオンボードコンピュータ内に設置されたプロセッサを用いることもできる。このプロセッサは、排気ライン内に噴射しなければならない尿素量を決定するために、計算又は測定された所定の様々なパラメータを用いることができる。これら様々なパラメータの働きを図４に示す。

この図には、プロセッサ２０が示されている。このプロセッサは、温度測定装置２１と連絡している。この温度測定装置２１は、有利な実施形態では、サーモカップル、すなわち二つの接合部で接合された２種の金属を含み、二つの接合部間の温度差に応じた電位差を発生させる装置である。したがって、電位差を温度差に関連付けることを可能にするには、温度の関数としてのサーモカップルの応答を知っておく必要がある。この応答は、例えば、プロセッサのメモリに保存して、本方法のステップ中に利用することができる。

このように、測定された温度とプロセッサのメモリに記録されたデータ２２から、最初に、温度の関数として排気ライン内で極めて安全に噴射できる最大尿素量を決定することができる。データ２２は、例えば、一つ又は複数のマッピングの形である。

次に、最大尿素量、ＳＣＲ触媒中にすでに貯蔵されているアンモニア量、窒素酸化物の還元反応によって実際に消費されるアンモニア量、温度、及び速度の関数として、エンジンから発生したすべての窒素酸化物を破壊するために実際に噴射する必要がある尿素量を決定する。

アンモニア量は、エンジンから発生した窒素酸化物量の関数として、計算機２３によって計算され、検知器２４を介して測定される。

このために、計算機は以下の公式で表される、アンモニア消費の反応率を用いる。
反応率＝ｋ．Ａ．（−Ｅａ／ＲＴ）．［Ａ］^ｘ［Ｂ］^ｙ［Ｃ］^ｚ
ここで、
−Ｋは定数、
−Ａは指数因子、
−ＡＥは活性化エネルギー
−Ｒは完全気体の定数、
−Ｔは温度、
−Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれｘ、ｙ、ｚを次数とする反応中の化学種の濃度である。

最終的に決定された量の尿素が、インジェクタ２５を介して排気ライン内に噴射される。

図５は、ＳＣＲ触媒中でのこのアンモニア消費の変化を表し、温度、及び二酸化窒素と一酸化窒素の比の関数として、窒素酸化物の変換百分率を示している。

触媒中にすでに存在するアンモニア量は、それ以前に噴射された尿素量、還元反応によって消費された尿素量、触媒の貯蔵容量などのパラメータの関数として計算される。

この貯蔵容量は、例えば、触媒のこれまでの使用期間に応じて実験的に決定される。また、触媒の種類、例えば、触媒に使用されるのは細孔構造であるか、大容量の触媒であるか、又は無孔の触媒であるかによっても異なる。

窒素酸化物の還元に用いるアンモニアは、液相、気相、又は固相などいかなる相で存在することもできる。しかし、本出願に記載されているように、好ましくは、ＡｄＢｌｕｅなどの添加剤、すなわち３２．５％の尿素水溶液を用いる。大容量タンクを備える従来のディーゼル車両では、ＡｄＢｌｕｅの噴射流量は、一般に２０から４０リットル／時である。尿素噴射頻度は、１〜１００Ｈｚであり、好ましくは１０Ｈｚの頻度を用いる。

Claims

エンジン（１）の排気ライン内であって、ＳＣＲと呼ばれる選択的触媒反応にアンモニアを含む尿素を使用してエンジン（１）から放出された窒素酸化物を化学的に還元し、反応を起こす触媒（３）の上流への尿素の噴射を制御する方法において、
エンジンの排気ライン内の気体の温度を測定するステップ（７）と、
前記測定された温度が噴射された尿素がアンモニアに完全に分解される最低温度以上であれば、前記方法は更に、
噴射される尿素がアンモニアに完全に分解される場合の完全分解時最大尿素噴射量を求めるステップと、
触媒（３）の入口で窒素酸化物量を測定するステップ（９）と、
触媒（３）の出口でアンモニア量を測定するステップ（１０）と、
前記触媒（３）の入口で測定された窒素酸化物量と既に噴射された尿素量とを含むパラメータの関数として、触媒（３）中に存在するアンモニア量を求めるステップと、
完全分解時最大尿素噴射量と触媒（３）中に存在するアンモニア量と窒素酸化物の還元反応によって実際に消費されるアンモニア量と触媒（３）の出口で測定されたアンモニア量とを含むパラメータの関数として、完全分解時の尿素の噴射量を決定するステップと、
決定された噴射量の尿素を、エンジンの排気ライン内であって触媒の上流に噴射するステップと、
を備え、
前記測定された温度が触媒（３）の活性温度以上かつ噴射された尿素がアンモニアに完全に分解される最低温度未満であれば、前記方法は更に、
前記測定された温度と、エンジンの特性に関連するデータとに基づいて、完全分解時の尿素の最大噴射量に対して制限して、アンモニアに分解され、したがって重合のリスクなしにエンジンの排気ライン内に噴射される非完全分解時最大尿素量を求めるステップと、
触媒（３）の入口で窒素酸化物量を測定するステップ（９）と、
触媒（３）の出口でアンモニア量を測定するステップ（１０）と、
前記触媒（３）の入口で測定された窒素酸化物量と既に噴射された尿素量とを含むパラメータの関数として、触媒（３）中に存在するアンモニア量を求めるステップと、
非完全分解時最大尿素噴射量と触媒（３）中に存在するアンモニア量と窒素酸化物の還元反応によって実際に消費されるアンモニア量と触媒（３）の出口で測定されたアンモニア量とを含むパラメータの関数として、非完全分解時の尿素の噴射量を決定するステップと、
決定された噴射量の尿素を、エンジンの排気ライン内であって触媒の上流に噴射するステップと、
を備える方法。
前記測定された温度が触媒（３）の活性温度未満であれば、エンジンの排気ラインへの尿素の噴射を禁止する、請求項１に記載の方法。
前記触媒の活性温度は摂氏１２０度であり、前記噴射される尿素がアンモニアに完全に分解される最低温度は摂氏１８０度である、請求項１又は２に記載の方法。
エンジン（１）の排気ライン内への尿素の噴射を制御するためのシステムであって、
ＳＣＲと呼ばれる選択的触媒還元反応にアンモニアを含む尿素を使用して、エンジンから放出される窒素酸化物を化学的に還元し、前記システムが、
還元反応の部位となる触媒（３）と、
排気ライン内の気体の温度を測定する装置（７）と、
触媒（３）の入口で窒素酸化物量を測定する手段（９）と、
触媒（３）の出口でアンモニア量を測定する手段（１０）と、
尿素の噴射量を決定する装置（５）であって、
前記測定された温度が噴射された尿素がアンモニアに完全に分解される最低温度以上であれば、
噴射される尿素がアンモニアに完全に分解される場合の完全分解時最大尿素噴射量を求め、
前記触媒（３）の入口で測定された窒素酸化物量と既に噴射された尿素量とを含むパラメータの関数として、触媒（３）中に存在するアンモニア量を求め、
完全分解時最大尿素噴射量と触媒中に存在するアンモニア量と窒素酸化物の還元反応によって実際に消費されるアンモニア量と触媒（３）の出口で測定されたアンモニア量とを含むパラメータの関数として、完全分解時の尿素の噴射量を決定し、
前記測定された温度が触媒（３）の活性温度以上かつ噴射された尿素がアンモニアに完全に分解される最低温度未満であれば、
前記測定された温度と、エンジンの特性に関連するデータとに基づいて、完全分解時の尿素の最大噴射量に対して制限して、アンモニアに分解され、したがって重合のリスクなしにエンジンの排気ライン内に噴射される非完全分解時最大尿素量を求め、
前記触媒（３）の入口で測定された窒素酸化物量と既に噴射された尿素量とを含むパラメータの関数として、触媒（３）中に存在するアンモニア量を求め、
非完全分解時最大尿素噴射量と触媒（３）中に存在するアンモニア量と窒素酸化物の還元反応によって実際に消費されるアンモニア量と触媒（３）の出口で測定されたアンモニア量とを含むパラメータの関数として、非完全分解時の尿素の噴射量を決定する、装置（５）と、
前記決定された噴射量の尿素を触媒（３）の上流に噴射するように構成された尿素タンク（８）及び尿素インジェクタ（６）と、
を備えるシステム。