JP5465189B2 - Ｓｃｒシステムを加熱する方法 - Google Patents

Description

本出願は、抵抗加熱素子を用いてＳＣＲシステムを加熱する方法に関すると共に、この方法の適用に好適なＳＣＲシステムにも関する。

車両および重量物積載車排気物に関する法制は、とりわけ、窒素酸化物ＮＯ_Ｘの大気中への放出の低減を規定する。この目的を達成するための１つの公知の方法は、一般にアンモニアといった還元剤を排気ラインに噴射することにより窒素酸化物の低減を達成するＳＣＲ（選択接触還元）法を使用することである。このアンモニアは、その濃度が共融濃度であり得るアンモニア前駆体溶液の熱分解から誘導され得る。このようなアンモニア前駆体は、一般的には尿素溶液である。

ＳＣＲ法では、最適な効率での燃焼中にエンジンにおいて生成される高レベルのＮＯ_Ｘは、エンジンから出る際に触媒で処理される。この処理では、きわめて高い品質の還元剤を、正確な濃度で使用しなければならない。それ故、この溶液は、正確に計量されると共に排気ガス流中に噴射され、そこで、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を窒素（Ｎ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）に変換する前に加水分解される。

これを行うために、添加剤（一般に尿素）溶液を含有するタンクと、また、所望の量の添加剤を計量し、排気ラインに噴射するための装置とを車両に装備させる必要がある。普通、ＳＣＲ装置は、添加剤タンクに加えて、噴射器、ポンプおよび尿素供給ラインを備えている。

排気ガスへの添加剤溶液の正確な計量を可能とするために、添加剤タンクに、レベルゲージ、温度センサ、品質センサ、抵抗加熱素子等などの部品を組み込むことは公知の方法である。（特許文献１）は、例えば、これらの種々の構成要素を、タンクの上壁に位置決めされているポンプの取付プレートの上に一緒にまとめることを提案している。

ＳＣＲ方法の始動の最中には、プレートは、添加剤タンクの取付プレートの上に一緒にまとめられた構成要素の劣化を生じさせる可能性がある温度の上昇に曝され得る。

米国特許第６，０６３，３５０号明細書

本発明は、この問題を解決することを目的とし、ＳＣＲ装置の周囲の温度の値およびタンク内の温度の値を考慮して、ＳＣＲシステムの供給ラインを加熱する装置および／もしくは尿素タンクを加熱する装置を起動させるかどうかを決定する、ならびに／または、ポンプをいつ始動させるかを決定するという考えに基づいている。

従って、本出願は、尿素を循環させる少なくとも１つのラインおよび前記ラインを加熱する装置を備える尿素ＳＣＲシステムを加熱する方法に関し、この方法は、周囲温度を計測可能な温度プローブを用い、この方法は、以下のステップを含む：
１．周囲温度Ｔａｍｂが計測され；
２．Ｔａｍｂが設定点値Ｔ１と比較され；
３．Ｔａｍｂ＜Ｔ１である場合、加熱装置が起動されると共にＴａｍｂが再度計測され；Ｔａｍｂが第２の設定点値Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１である）と比較され；Ｔａｍｂ≦Ｔ２である場合、加熱装置の起動が維持され；
４．Ｔａｍｂ＞Ｔ２である場合、加熱装置が停止されると共に、本方法の第１のステップに戻る。

本出願はまた、尿素タンク、タンク中の温度プローブおよび尿素噴射器を備える尿素ＳＣＲシステムのポンプを始動する方法に関し、この方法は、以下のステップを含む：
１．タンク中の温度Ｔｒｅｓが計測され；
２．ＥＰＡ時間が測定され；タイマーが始動され：
３．Ｔｒｅｓが再度計測され；
４．Ｔｒｅｓが設定点温度Ｔ３と比較されると共に、カウンターの値がＥＰＡと比較され；
５．Ｔｒｅｓ＜Ｔ３である場合であって、かつ、カウンターの値が＜ＥＰＡである場合、本方法は、上記のステップに進み；
６．ポンプが始動されると共に、ポンプ出口での圧力レベルが計測され；
７．圧力レベルが安定化されていると共に設定点レベルＰに対応している場合、噴射器が起動され；
８．圧力レベルが安定化されていないか、または、時間ｔ０後に設定点レベルＰに対応していない場合、ポンプは待機時間ｔ１の間停止され；本方法はステップ６に戻る。

本出願は、さらに、少なくとも尿素タンク、タンク中の温度プローブおよびタンクを加熱する装置を備える尿素ＳＣＲシステム中の前記タンクを加熱する方法に関し、この方法は、以下のステップを含む：
１．タンク中の温度Ｔｒｅｓが計測され；
２．Ｔｒｅｓが設定点値Ｔ４と比較され；
３．Ｔｒｅｓ＞Ｔ４である場合、本方法はステップ２に進み；
４．Ｔｒｅｓ＜Ｔ４である場合、加熱装置が起動され、タイマーが始動されると共に、タイマー値が計測され；タイマー値が値ｔ３未満である場合、本方法は、ステップ４に戻り；
５．加熱装置が停止されると共に、時間ｔ４後にタンク中の温度Ｔｒｅｓが計測され；Ｔｒｅｓが設定点温度Ｔ５未満である場合、本方法はステップ４に戻り；
６．本方法はステップ１に戻る。

「ＳＣＲシステム」という表記は、尿素を液体アンモニア前駆体として用いる、好ましくは車両の、内燃機関の排気ガスに由来するＮＯ_ｘの触媒還元のためのシステムを意味すると理解される。

「尿素」という用語は、尿素を含有する、いずれかの、一般に水性の溶液を意味すると理解される。本発明は、品質基準がある共融水／尿素溶液で良好な結果をもたらす：例えば、ＡｄＢｌｕｅ（登録商標）溶液（市販されている尿素の溶液）の場合、規格ＤＩＮ７００７０によれば、尿素含有量は３１．８％〜３３．２％（重量基準）（すなわち３２．５±０．７重量％）であり、従って、利用可能なアンモニア量は１８．０％〜１８．８％である。本発明はまた、同様に水溶液であり、商品名Ｄｅｎｏｘｉｕｍ（商標）で販売されている尿素／蟻酸アンモニウム混合物に適用され得、その１種である組成物（Ｄｅｎｏｘｉｕｍ−３０）は、ＡｄＢｌｕｅ（登録商標）溶液と等しい量のアンモニアを含有する。後者は、−３０℃からでしか凍結しない（−１１℃とは対照的に）という利点を有するが、ギ酸を放出する可能性に関連する腐食問題の欠点を有する。本発明は、共融水／尿素溶液との関連において特に有利である。

既述のとおり、ＳＣＲシステムは、一般に、尿素溶液を貯蔵するための少なくとも１つのタンクを備えると共に、これを排気ガスに供給するための、一般に、ポンプ、フィルタ、バルブ、導管（供給管および／または戻し管）などの能動的構成要素を備えているシステムをも備えている。

本発明の背景にある意図は、ＳＣＲシステムのいずれかの構成要素に対して汎用であり得ることである。本出願人による同時係属中の出願、欧州特許出願公開第２００８／０６２１８３号明細書の発明とも組み合わされ得、これもまた、尿素構成要素におけるオーバーヒートの問題に関し、従って、少なくとも２つの抵抗加熱素子（Ｒ１，Ｒ２）の使用を提案しており、この一方（Ｒ１）は、相当量の尿素と常に接触している構成要素の１つまたはいくつか（一部）の加熱が意図されていると共に、他方（Ｒ２）は、相当量の尿素と接触していない時もある構成要素の１つまたはいくつか（一部）の加熱が意図されており、これによれば、システムを凍結条件で始動させる場合、抵抗素子Ｒ１が起動されるが、抵抗素子Ｒ２は、その構成要素が実際に相当量の尿素と接触してからのみ起動される。オーバーヒートの問題は、Ｒ１の上部で未だ存在し得る。

この解決法の代わりに、いくつかの車製造業者は、タンクが加熱されなければならない所与の期間を特定しており、この期間は、ポンプを始動することが可能である最低限の液体量を提供するために実験的に決定されている。例として、以下の表は、タンクの内部に延びる可撓性ヒータと、より容易に出現し得（すなわち、尿素とは接触していない）、従って、オーバーヒートがより定期的に生じ得るタンクのゾーンに対応するヒータの上部に位置されている温度センサとを備える７．５Ｌの尿素タンクに対する実験データを挙げている。このタンクは、温度が−９℃の一定値に維持されているコールドチャンバに配置されている。可撓性ヒータは、一定の加熱出力で、連続的に、所与の規格によって確定される期間（この場合２０分間）の間作動される。実験の最中、ヒータの上方領域において１００℃のセーフガード温度（Ｔｓａｆ）にタンク中の温度（Ｔｃｐｔ）が達するために必要とした時間を計測した。ヒータの上方領域において２０分後に達成された最高温度（Ｔｍａｘ）もまた計測し、表は、この最高温度（Ｔｍａｘ）は、タンク中の低体積の尿素（すなわち、最初の２つのデータセット）について、１２０℃のオーバーヒート温度（Ｔｏｖｅｒ）を超え得ることを示す。尿素の体積が、タンクのほぼ全容量に相当する場合（すなわち、６．５Ｌの体積での最後のデータセット）、ヒータが尿素中にほとんど没しているためにオーバーヒートはない。

従って、このようなストラテジーはタンクのオーバーヒートをもたらすと共に、タンクおよび／またはその内部の構成要素に対していくらかの損傷を生じさせ得る。

本発明は、従来技術の加熱ストラテジーのこれらの問題を解決することを目的とする。

この目的のために、本発明は、尿素構成要素のほかに、温度センサおよび構成要素中の加熱装置を備えるＳＣＲシステムの前記構成要素を加熱する方法に関し、これによれば：
１．構成要素中の液体の温度（Ｔｃｐｔ）が測定されると共に、第１の設定点（Ｔ０）と比較され；
２．温度（Ｔｃｐｔ）が第１の設定点（Ｔ０）を超えている場合、ステップ１が繰り返され；
３．温度（Ｔｃｐｔ）が第１の設定点（Ｔ０）以下である場合、加熱装置が作動され；
４．加熱装置が作動されている時間が計測されると共に、この時間が時間ｔ１を超えた場合に加熱装置が停止され；
５．温度（Ｔｃｐｔ）が時間ｔ２後に測定されると共に、第２の設定点（Ｔ１であってＴ１＞Ｔ０である）と比較され；温度（Ｔｃｐｔ）が第２の設定点（Ｔ１）以下である場合には、加熱装置が作動されると共にステップ４が繰り返され；
６．温度（Ｔｃｐｔ）が第２の設定点（Ｔ１）を超えている場合、加熱装置が停止されると共にステップ１が繰り返される。

本発明は、ディーゼルエンジン、および、特に重量物積載車のディーゼルエンジンに有利に適用される。

本発明の方法によって加熱されることが可能である構成要素は、一般に、タンク、ライン、コネクタ等のような中空構成要素である。簡潔さのために、構成要素は、本明細書において以降、「タンク」と称することとし、従って、この用語は限定的ではない。

既に説明されているとおり、本発明が意図している液体は、温度が低閾値温度に達した場合に、凍結するかまたは固化（硬化固体）する可能性がある液体である。これは、例えば、水溶液であり得る。本発明が特に良好に適用される１種の液体は、尿素またはエンジンのＳＣＲシステムにおいて用いられることが可能である他の還元剤である。

好ましくは、構成要素を加熱する装置はまた可撓性ヒータである。

本発明によれば、加熱装置は、タンク中の温度（Ｔｃｐｔ）が第１の設定点（Ｔ０）未満である場合に作動される。第１の設定点（Ｔ０）が、先ず、タンク中の液体の凍結が防止されるよう選択される。上述のとおり、タンク中の液体は、−１１℃（共融３２．５重量％尿素溶液）の凝固点で凍結する尿素溶液であり得る。従って、第１の設定点（Ｔ０）は、液体の凝固点以上となると共に、特に、液体が固化し始める温度以上となるよう選択される。

しかしながら、溶液の凝固点は、溶液のエージングに関して、すなわち、溶液の濃度の変化に伴って高くなり得る。従って、本方法の好ましい変形例において、第１の設定点（Ｔ０）は、溶液のエージング後の尿素溶液の濃度に対応する凝固点以上となるよう選択される。

本発明による方法においては、タンク中の温度（Ｔｃｐｔ）が第２の設定点（Ｔ１）と比較され、ここで、Ｔ１＞Ｔ０である。第２の設定点（Ｔ１）は、タンク中の温度（Ｔｃｐｔ）が第２の設定点（Ｔ１）を超えている場合に、タンク中の溶液が解凍されるよう選択される。

タンク中の温度（Ｔｃｐｔ）は、タンク中の特定の位置（例えばタンク中の供給ゾーン）に配置されている温度センサによって計測され、従って、これは、タンクの他の箇所における溶液の温度を常に表すものではない。従って、第２の設定点（Ｔ１）は、溶液がタンク中のほとんどすべての箇所で確実に解凍されるよう選択されることが好ましい。

より好ましくは、第２の設定点（Ｔ１）はまた、エネルギー消費量が限定されるよう、および、ＳＣＲシステムにおける噴射のために最低限の体積の尿素が確実に解凍されるよう選択される。

本方法の特定の実施形態において、第２の設定点（Ｔ１）は、タンク中に存在する溶液の体積を考慮するよう判定され得る。

本発明による方法において、加熱装置は、時間ｔ１の間作動される。

上述のとおり、この方法は、タンクにおけるオーバーヒートを防止することを目的とする。オーバーヒートは、それより高温ではＳＣＲシステムの一部、および、特に構成要素が劣化し得るオーバーヒート温度（Ｔｏｖｅｒ）により特徴付けられることが可能である。オーバーヒート温度は、実験的に決定されることが可能である。

本発明の文脈において、時間ｔ１は、普通、加熱装置が作動されている時に、温度（Ｔｃｐｔ）がオーバーヒート温度（Ｔｏｖｅｒ）を超えるために必要な時間に相当する。時間ｔ１を判定するための１つの可能な方法は、タンク中の測定された体積の尿素溶液を特定の出力で、および、連続的に加熱して、タンク中の温度（Ｔｃｐｔ）がオーバーヒート温度（Ｔｏｖｅｒ）を超えた後の時間を計測することである。

好ましくは、時間ｔ１は、温度（Ｔｃｐｔ）がセーフガード温度（Ｔｓａｆ）を超えるために必要な時間に相当し、ここで、Ｔｓａｆ＜Ｔｏｖｅｒである。

本発明による方法において、温度（Ｔｃｐｔ）は、加熱装置が停止された瞬間から時間ｔ２が経過した後に測定される。時間ｔ２は、加熱が止められた後に温度（Ｔｃｐｔ）が安定化された値に達するまでの推測された時間に相当する。

本発明による方法において、ＳＣＲシステムの加熱はまた、凍結の場合には、システムの操作（車両が運転されている間）中にも調節されることが好ましい。好ましくは、この調節は、温度センサーの読取り値に応じて制御される単純なスイッチを用いて実施される。好ましくは、加熱装置は、単純なスイッチのＯＮ／ＯＦＦにより作動され、すなわち、スイッチがｏｎにされると加熱装置が作動され、および、スイッチがｏｆｆにされると加熱装置が停止される。

市販されているセンサーは、約１℃の精度を有している。従って、広い範囲（例えば少なくとも２℃）にわたって調節して、リレー（ＭＯＳＦＥＴリレー）のタイミングを外した起動を防止し、従って、その損耗を抑えることが有利である。特に、タンクは温度センサを備えていることが有利であり；ＳＣＲシステムの加熱は、温度センサによって制御されるスイッチを用いて、システムの通常の操作の最中に調節されることが有利であり；センサにより読み取られる温度が第１の設定点（Ｔ０）未満に低下したときにスイッチが加熱装置を時間ｔ１の間起動させることが有利であり、センサによるもたらされる温度は時間ｔ２後に読み取られることが有利であり、および、センサによって読み取られた温度が第２の設定点（Ｔ１）に達した／を超えた場合には、スイッチが加熱装置を停止させることが有利である。

以下の表は、上記の実験（従来技術ストラテジーを参照）に記載の尿素タンクであって、本発明による方法が適用されたものに対する実験データである。この方法によれば、ヒータは、作動時は１４Ｖの一定の電圧で電力供給されており；時間ｔ１およびｔ２は、それぞれ、６分および１分（前記の表におけるデータに基づく）に相当し、一方で、第１の設定点（Ｔ０）は−８℃（すなわち、尿素の共融溶液が固化し始める温度）に相当すると共に第２の設定点（Ｔ１）は−３℃に相当する。

この表において、実験は、タンク中の尿素の体積およびコールドチャンバの温度にかかわらず、オーバーヒート（すなわち、ＴｃｐｔはＴｏｖｅｒ、すなわちこの場合１２０℃を超えない）が観察されていないことを示す。しかも、ＳＣＲシステムにおける圧力の低下は観察されず、および、ＳＣＲシステムにおける尿素の噴射に利用可能な５バールの形成に必要な時間は規格より短い。

本発明が、添付の図１により非限定的に例示されている。

内燃機関の排気ガスに尿素を噴射するシステム（またはＳＣＲシステム）に適用された本発明の方法の好ましい一変形例のブロック図である。

方法（ステップ１）の初めでは、加熱装置はオフである。

システム制御装置がタンク中の温度（Ｔｃｐｔ）を計測し（ステップ２）、および、タンク中の液体の温度（Ｔｃｐｔ）が第１の設定点（Ｔ０）以下であるかどうか検証する（ステップ３）。

第１の設定点（Ｔ０）以下ではない場合（ＮまたはＮＯ）、制御装置は、温度（Ｔｃｐｔ）が第１の設定点（Ｔ０）以下であるかの検証を続ける（ステップ３とステップ２との間でのループ）。

第１の設定点（Ｔ０）以下である場合（ＹまたはＹＥＳ）、時間ｔ１の間加熱装置が作動されて（ステップ４）、その間タンクが加熱される。加熱装置の作動からの経過時間がステップ５で計測されると共に、本方法は、ステップ６で、経過時間がｔ１を超えているかを検査する。経過時間がｔ１を超えていない場合、本方法は、ステップ５を継続し、ステップ５とステップ６との間でのループが開始される。経過時間がｔ１を超えている場合、加熱装置が停止される（ステップ７）。加熱装置の停止時からの経過時間がステップ８で計測されると共に、本方法は、ステップ９で、経過時間がｔ２を超えているかを検査する。経過時間がｔ２を超えていない場合、本方法はステップ８を継続し、ステップ８とステップ９との間のループが開始される。経過時間がｔ２を超えている場合、本方法は、温度（Ｔｃｐｔ）が第２の設定点（Ｔ１）を超えているかを検証する（ステップ１０）。

時間ｔ１および時間ｔ２は、ＳＣＲシステムにおける構成要素のオーバーヒートが防止されると共に、特に、タンク中に含有される尿素の体積にかかわらず、タンク中の温度（Ｔｃｐｔ）が、セーフガード温度（例えば１００℃）またはオーバーヒート温度（例えば１２０℃）を超えることが防止されるよう、実験的に選択され得る。

温度（Ｔｃｐｔ）が第２の設定点（Ｔ１であってＴ１＞Ｔ０である）以下である場合、本方法はステップ４を継続すると共に、加熱装置が作動される。

温度（Ｔｃｐｔ）が第２の設定点（Ｔ１）を超えている場合、加熱装置は停止される（ステップ１１）と共に、本方法はステップ２を継続する。

Claims (7)

1. 尿素構成要素のほかに、温度センサ、構成要素中の加熱装置を備えるＳＣＲシステムの前記構成要素を加熱する方法であって：
   １．構成要素中の液体の温度（Ｔｃｐｔ）が測定されると共に、第１の設定点（Ｔ０）と比較され；
   ２．温度（Ｔｃｐｔ）が第１の設定点（Ｔ０）を超えている場合、ステップ１が繰り返され；
   ３．温度（Ｔｃｐｔ）が第１の設定点（Ｔ０）以下である場合、加熱装置が作動され、
   ４．加熱装置が作動されている時間が計測されると共に、この時間が時間ｔ１を超えた場合に加熱装置が停止され；
   ５．温度（Ｔｃｐｔ）が、加熱装置が停止された瞬間から時間ｔ２が経過した後に測定されると共に、第２の設定点（Ｔ１であってＴ１＞Ｔ０である）と比較され；温度（Ｔｃｐｔ）が第２の設定点（Ｔ１）以下である場合には、加熱装置が作動されると共にステップ４が繰り返され；
   ６．温度（Ｔｃｐｔ）が第２の設定点（Ｔ１）を超えている場合、加熱装置が停止されると共にステップ１が繰り返される
   方法。
2. 構成要素中の液体が尿素である、請求項１に記載の方法。
3. 構成要素がタンクである、請求項１または２に記載の方法。
4. 加熱装置が可撓性ヒータである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 第１の設定点（Ｔ０）が尿素の凝固点以上である、請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 第１の設定点（Ｔ０）が、尿素のエージング後の尿素の濃度に対応する凝固点以上である、請求項５に記載の方法。
7. 時間ｔ１が、温度（Ｔｃｐｔ）がセーフガード温度（Ｔｓａｆ）を超えるために必要な時間に相当し、ここで、Ｔｓａｆ＜Ｔｏｖｅｒであって、Ｔｏｖｅｒはオーバーヒート温度である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。

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