JP5629678B2 - ＮＯｘの排気ガスを清浄化するためのＳＣＲシステム - Google Patents

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Description

本出願は、2008年3月28日に出願され、参考として本出願に組み込まれる米国仮特許出願第61/040,215号に対する優先権を主張する。
本発明は、ＮＯｘの排気ガスを清浄化するためのＳＣＲシステムに関する。
車両からの排気ガスに対する基準の現在の進展により、特にトラック(重量物運搬車)において、ＮＯｘ(すなわち窒素酸化物)汚染抑制用の装置が適所に設置されなければならなくなっている。
要求される値にＮＯｘ排出物を低減させるために大部分の車両製造業者によって使用されるシステムは、一般に、尿素のような還元剤で選択的な触媒反応(尿素の分解によって排気ガス中においてその場で発生されるアンモニアを使用する「尿素ＳＣＲ」または選択的触媒還元)を実行することにある。
このことを実行するために、尿素溶液を収容するタンクと、排気ライン内に噴射されるべき尿素量を計量するための装置と、タンクから噴射器に尿素溶液を供給するための装置とを車両に備えることが必要であった。一般に、この供給装置はポンプを備える。
例えば燃料噴射のような車両の他の流体噴射システムの場合と同じように、タンクを離れる添加剤に含有され得る粒子からポンプを保護すること、および(計量がポンプおよび／または噴射器によって直接実行されない場合)計量装置と、噴射器とを、ポンプによって発生される摩耗粒子による汚染から保護することが好ましい。
最初の問題は、古典的に、タンクとポンプとの間にフィルタを置くことによって解決される。第２の問題について、特許文献１は、所定の形状の自己洗浄フィルタをポンプと計量装置との間に挿入することによる燃料噴射システムのケースにおいてこの問題を解決することを提案している。このフィルタは、濾過された燃料流れを計量装置に供給し、かつ、バイパス弁を通して主フィルタの上流の位置に戻される粒子含有燃料流れを供給する。このようなシステムは、戻りラインを含み、かつ噴射されるべき流体が常に同一の方向に循環するシステムでのみ動作する。
しかし、ＳＣＲに一般に使用される尿素水溶液(３２.５重量％の尿素の共融の水／尿素)は−１１℃で凍結し、したがって、加熱装置(凍結条件で噴射できるために溶液を液化させるため)のみならず、凍結の場合に凝固しがちな添加剤の液体沈殿物をラインから取り除くために、尿素を搬送するラインを定期的にパージすることを可能とするためにパージシステムも設けることが必要である。
このようなパージを実行するために有効な方法は、本出願人名義の特許出願(特許文献２参照)に記載されている。この方法では、噴射器からタンクへ噴射ライン全体を通してパージガスを流すために適したパージ装置を使用し、このパージ装置は、
・圧縮空気タンク、および前記ラインを通して圧縮空気を通過させるための弁を備えたパージライン、
・またはポンプ(６)の流れを逆転させるためのスイッチ、
・または適切な継手／ラインを用いて同様の効果を生じさせる４／２方向弁(１４)
から成る。
最後の２つの代替例は、追加の圧縮ガスタンクを含まないので好ましい。これらの実施形態のパージガスは、実際にエンジン排気ガスおよび／または周囲空気から成り、適切な装置によって排気ラインを介して噴射ラインに吸い込まれる。ポンプが２つの反対方向に作動して、逆流を発生できる場合、この装置は、ポンプの流れを逆転させる効果を有する簡単なスイッチであってもよい。標準ポンプでは、パージ装置は、通常モード(添加剤噴射)では、ポンプの下流点を噴射器に接続し、パージモードでは、噴射器をポンプの上流点に接続する４／２方向弁であってもよく、これはポンプの流れを逆転させるのと幾分同様の効果を有する(上流点および下流点は弁によって逆転される)。
特許文献２のシステムがパージモードで作動しているとき、二次フィルタ(すなわち、噴射器に一般に存在する(噴射器に一体化された)二次フィルタおよび／または上述の特許文献１に記載されているような追加の二次フィルタ)に捕捉された粒子は、ポンプに引き戻され、一次フィルタにトラップされる。次に、ポンプが再び供給モードに入ると、粒子が二次フィルタ等に達するまで、これらの粒子は再びポンプに引き戻される。これはポンプに対する追加の摩耗および損傷を引き起こす。
米国特許第6,125,826号明細書 国際公開第2006/064028号パンフレット
本発明は、ガス(例えば排気ガスおよび／または空気)によって(噴射器からタンクまで)完全にパージされることができるＳＣＲシステムを提供することによって、また供給モードおよびパージモードでそれぞれポンプを通して粒子を循環させることなしに、当該の問題を解決することを目的とし、前記システムは、添加剤の戻りを意味するシステムおよび戻りなしのシステムの両方について有効である。
本発明によれば、当該の問題は、一次フィルタと二次フィルタとの間のどこかに粒子トラップを置くことによって解決される。
したがって、本発明は、添加剤を貯蔵するためのタンクと、噴射器と、噴射ラインを介してタンクから噴射器に添加剤を搬送するためのポンプと、タンクとポンプとの間の噴射ラインに配置された一次フィルタと、同じく噴射ラインに、しかしポンプと噴射器との間に配置された二次フィルタとを備えるＳＣＲシステムであって、両方のフィルタの間に配置された粒子トラップをさらに備えるＳＣＲシステムに関する。
上に説明したように、粒子トラップの役割は、供給モードおよびパージモードのポンプの寿命の間に、トラップされなければポンプ内を循環するであろう摩耗粒子と、同様に元々あったデブリ粒子とをトラップすることである。
本発明に関連して関心のある添加剤は、内燃機関の排気ガスに存在するＮＯｘを低減するために適切な還元剤である。添加剤は、直接使用されるアンモニア(安全性および腐食について関連の欠点を有する)、あるいは尿素のような前駆物質を使用して排気ガスにその場で発生される(それによって、上記の欠点を回避する)アンモニアであることが有利である。本発明は、尿素により、特に尿素の水溶液により良好な結果が得られる。共融水溶液(３２.５重量％の尿素を含む)が適切である。
本発明は、排気ガス内にＮＯｘを発生させやすい任意の内燃機関に適用することができる。それは、燃料戻りライン(すなわち、エンジンによって消費されなかった余分の燃料を燃料タンクに戻すライン)を有するかまたは有しないエンジンであり得る。本発明は、ディーゼルエンジン、特に車両ディーゼルエンジン、特に好ましくは貨物自動車のディーゼルエンジンに適用されることが有利である。
本発明によるシステムは、添加剤を貯蔵するための少なくとも１つのタンクと、添加剤をエンジンの排気管に搬送するための少なくとも１つの噴射ラインとを備える。このラインは、その端部において添加剤を排気ガス内に噴射するための噴射器を備える。
本発明によるシステムは、添加剤を添加剤タンクから噴射器に搬送するためのポンプをさらに備える。このポンプは、添加剤タンクの内側に配置してもよく(ポンプと共に組み込まれるコンパクトなモジュールを形成する利点を有する)、あるいは腐食環境である場合、添加剤タンクの外側に配置してもよい。ポンプの構成材料は、耐食性金属(特にある等級のステンレス鋼および陽極酸化アルミニウム)から選択されることが好ましい。銅の使用は、接続要素であっても望ましくない。
このポンプは、一般に、電気モータ(好ましくはポンプ専用であり、すなわち、ポンプを駆動するためにのみ使用され、他の機能を行使しない)によって駆動される。好ましくは、ポンプは歯車ポンプである。ポンプは、一般に、ステータおよびロータを備える。ポンプは、２つの反対の回転方向に作動できることが好ましく、一方は、一般に、液体を噴射ラインに供給することに対応し、他方は、一般に、噴射ラインのパージに対応する。
本発明によるシステムの噴射器は、いわゆる「アクティブ」噴射器(すなわち、計量機能を含む)であってもよく、あるいは当該噴射器は、他の装置(例えば圧力調整器に連結されたポンプそれ自体の配量弁)によって計量されるある量の添加剤を単に噴射する(蒸発する)「パッシブ」噴射器であってもよい。
通常、本発明によるシステムは、噴射器および／または計量装置に接続されかつ必要量の添加剤を排気ガス内に噴射することを可能にする制御ユニットを備える(必要量は、特に、次のパラメータ、すなわちＮＯｘのエミッションレベルおよび変換度、温度および圧力、エンジン速度および負荷等、および選択的に、溶液の品質(老化状態)に左右される)。
ある場合には、ポンプによって供給される添加剤全体の流れが排気ガス内に噴射されず、そのあと未噴射の部分は再循環されなければならない。このような過剰流れは、ある種類の「アクティブ」噴射器(例えば米国特許第5,976,475号明細書に記載)を冷却するために使用してもよい。同様に、本出願人名義の出願仏国特許第06/06425号に記載され、パッシブ噴射器に結合された計量弁および圧力調整器の使用を含むシステムにおけるような正確な計量制御が必要であるかもしれない。
本発明のシステムは、タンクを離れる添加剤に含まれることがあり、またタンクを損傷するかまたは詰まらせる可能性がある粒子から前記ポンプを保護するために、ポンプの上流に配置された一次フィルタを備える。任意の種類のフィルタを一次フィルタとして使用してもよい。好ましくは、前記フィルタは、紙、プラスチック繊維・・・であり得る平坦、円筒状・・・であり得るフィルタ媒体を備える。好ましくは、前記フィルタは、デプス媒体(すなわち、所定の密度／多孔率を有する繊維質材料の段状構造)であり、さらにより好ましくは、勾配密度デプス媒体(すなわち増加する密度のデプス媒体、すなわち減少する密度のデプス媒体)である。大容量の勾配密度デプス媒体の種類は、フィルタ要素の機能を強化して、送りまたはパージモードで汚染物質を保持することができ、したがって、好ましい。このようなフィルタ媒体は、KussからStrataPore(商標)ＨＣＧＤという商品名で販売されている。好ましいミクロン範囲の従来の積層紙または織成要素を使用することができるが、それらは、デプス媒体のような汚染物質を保持する本質的な能力で劣る。
一次フィルタは、タンクとポンプと「の間に」配置され、このことは、(本発明の枠内で)前記フィルタがタンクまたはポンプに一体化される例を含むことを意味する。実際に、本出願人名義の国際公開第2007/141312号パンフレットに記載されているように、前記フィルタおよびポンプは、添加剤タンクに浸漬されるフランジに有利に一体化することが可能である。その場合、噴射ラインの部分も前記フランジに一体化される。
本発明のシステムはまた、ポンプを含む一次フィルタと噴射器との間に配置された噴射ラインの部分によって発生された可能性がある粒子から前記噴射器を保護するために、噴射器の上流に配置された二次フィルタを備える(実際にポンプと噴射器と「の間に」、上記と同一の意味を有する)。これらの粒子は、摩耗粒子またはポンプに最初に呼び水を差したときに離れた元々あったデブリ粒子であり得る。
商業的な噴射器の大部分は、実際に、本発明によるシステムの二次フィルタとして機能し得る組込み式のフィルタまたはストレーナを含む。
本発明によるシステムの重要な要素は、一次フィルタと二次フィルタと「の間の」(常に同一の意味で)粒子トラップの存在である。本発明の粒子トラップは、粒子をトラップし、すなわち、装置を通して流れる液体添加剤から粒子を分離し、また例えば前記流れが反転された場合に粒子が液体流れに引き戻されることを防止するように適切な形状を(少なくとも装置の一部分に)有する装置であることが好ましい。好ましくは、粒子トラップは、１００μｍ以上、さらにより好ましくは７０μｍ以上、さらに４０μｍ以上の直径を有する粒子をトラップすることができる(この理由は、一般に、粒子トラップの仕様よりも大きな粒子がトラップされた場合に噴射器ストレーナが決して遮断されないように、噴射器ストレーナが粒子トラップの仕様に適合するからである)。
粒子トラップに優れた結果をもたらすジオメトリ／形状は蛇行路にあり、蛇行路は液体が蛇行路を通してなお流れることができる間に粒子を流路から流出させる。この実施形態によれば、粒子は、通常の吸引流れが回復されるときに粒子が流路に再び入ることを許容しない特徴部またはプロフィールにトラップされる。したがって、このようなトラップは、粒子を１つの流れ方向にトラップすることにおいてのみ有効である。
上に説明したように、本発明が解決しようとする問題は、ポンプ内で循環する、すなわち、パージモードで二次フィルタから引き戻される粒子に関係するので、前記トラップがパージモードで開始されること、すなわち、二次フィルタから有効に引き戻される粒子をトラップすることが好ましい。
組み立てるべき部品の数を低減するために、粒子トラップは、システムの他の部分に一体化されることが好ましい。二次フィルタは、一般に、商業的な噴射器の部分であるので、部分一体化を実行する最も容易な方法は、粒子トラップを一次フィルタに一体化することである(すなわち、粒子フィルタをフィルタ内部にまたはフィルタの上に、さらに例えば粒子フィルタのカートリッジと同様に、粒子フィルタをフィルタの一部と少なくとも部分的に成形することである)。さらに、この一次フィルタには、一般に、凍結の場合に一次フィルタを解凍するための加熱要素が設けられるので、粒子トラップをフィルタに一体化することにより、追加の加熱要素に頼ることなしに前記トラップが同様に解凍されることが可能になる。また最後に、フィルタは、一般に、修理品目として交換される選択を有するので、粒子トラップ内部にトラップされた汚染物質を同時に取り除くことができるであろう。
上に説明したように、本発明のシステムは、噴射ライン全体をパージすることができるように、ガス(例えば排気ガスおよび／または空気)がパージモードで噴射器を通過するＳＣＲシステムに特に有効である。本発明によれば、「噴射ライン全体」とは、実際のラインのみならず、噴射ライン全体に配置されかつ例えばポンプのように噴射流れによって横断される任意の要素／装置も意味する。
添加剤戻りラインがある場合、本発明の関連で、同様に添加剤戻りラインをパージすることが有利である。
本発明によるシステムは、システムをパージするために適切な装置を備えることが好ましく、この装置は、
・ポンプの流れを反転させるためのスイッチ、
・または適切な継手／ラインを使用して同様の効果を生成する４／２方向の弁であることが有利である。
凍結の場合のシステムの始動に関し、タンクそれ自体の凍結が明らかに起きる可能性がある。この状態を是正するために、有利な変形例によれば、本発明によるシステムは、必要ならば、また好ましくはエンジンの始動後に可能な限り急速に添加剤タンクの少なくとも一部を解凍できる装置を備える。このような装置は、加熱器(例えば抵抗型)、エンジン冷却回路のバイパス、または高温燃料戻り(直接噴射エンジンの場合)のバイパスであってもよい。好ましくは、このような装置は、上述のような浸漬されたフランジに、さらにより好ましくは、前記フランジに一体化された液体リザーバに一体化された加熱器である(液体リザーバにより少量の液体がトラップされ、この液体リザーバ内でポンプが実際に添加剤を吸い込む)。
本発明は、図１と図２によって非限定的に示される。
本発明の好ましい実施形態によるＳＣＲの概略図である。 システムの一部の詳細図である。
図１に示したＳＣＲシステムは、尿素タンク(１)を備え、このタンクから、ポンプ(３)と、一体化した一次フィルタ(２)／粒子トラップ(２')ユニットとを使用して、噴射ライン(５)を通して噴射器(４)に尿素を供給することができる。供給方向およびパージ方向は、噴射ライン(５)に対し平行の上方矢印および下方矢印でそれぞれ示されている。
このようなＳＣＲシステムは、オプションの構成要素(点線)のような戻りライン(６)を備えることが可能であり、この戻りラインについては、再び、供給方向およびパージ方向(同一)が前記ライン(６)に対し平行の矢印で描写されている。
一体化されたフィルタ／トラップユニット(２＋２')の部分がより詳細に図２に示されている。
このユニットは、ケーシング(Ｃ)に挿入される円筒状のフィルタ媒体(２)を備え、このフィルタ媒体については、一部分のみが示されている(すなわち、成形された端部キャップ、円筒状の外殻は示されていない)。フィルタケーシング(Ｃ)は、粒子トラップ(２')の少なくとも一部を組み込み、この粒子トラップは、実際には、ケーシング(Ｃ)の端部キャップと共に成形された特徴部によって画定された蛇行路である。この図では、前記粒子トラップ(２')の２つの異なる形状(一方は左側、他方は右側)が、一例として示されている。
尿素は、供給モードで円周方向に(シリンダの外側から内側に)フィルタ媒体(２)に入り、中央で(矢印Ｆで図示)フィルタ媒体を離れる。パージモードでは、正確に反対のことが行われ、尿素は、矢印Ｐで示したように中央に入り、円筒状のフィルタ媒体(２)を通して円周方向に流出する。
このフィルタ媒体(２)は、２０μｍ未満の粒子のみが媒体を両方向に通過し得るようなものである。したがって、パージモードが作動されるとき、より大きな粒子が媒体(２)の内面に留まり、これによって、順方向の流れが戻るときに当該粒子はポンプ(２)を通過して戻ることができる。粒子トラップ(２')は、粒子を流出させ、流路(矢印で図示)からトラップすることによってそのことを防止する。
１ 尿素タンク
２ フィルタ媒体
２' 粒子トラップ
３ ポンプ
４ 噴射器
５ 噴射ライン
６ 戻りライン
Ｃ ケーシング

Claims (10)

  1. 添加剤を貯蔵するためのタンクと、噴射器と、噴射ラインを介して前記タンクから前記噴射器に添加剤を搬送するためのポンプと、前記タンクと前記ポンプとの間の前記噴射ラインに配置された一次フィルタと、同じく前記噴射ラインに、しかし前記ポンプと前記噴射器との間に配置された二次フィルタとを備えるＳＣＲシステムであって、両方のフィルタの間に配置された粒子トラップをさらに備え、
    前記ＳＣＲシステムの流れを前記噴射器から前記タンクへ反転させることによって、前記ＳＣＲシステムをパージするためのパージ装置をさらに備えるＳＣＲシステム。
  2. 前記ポンプが、２つの反対の回転方向に作動できる歯車ポンプであることを特徴とする請求項１に記載のＳＣＲシステム。
  3. 前記二次フィルタが、前記噴射器に一体化されたストレーナであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＳＣＲシステム。
  4. 前記粒子トラップが、蛇行路を有する装置であり、前記蛇行路を有する前記装置は液体が蛇行路を通ってなお流れることができる間に前記蛇行路の流れから粒子を流出させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のＳＣＲシステム。
  5. 前記粒子トラップが、前記噴射器から前記タンクに流れるように前記添加剤の流れが反転されるとき、前記二次フィルタから引き戻される粒子のみをトラップすることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のＳＣＲシステム。
  6. 前記粒子トラップが前記一次フィルタに一体化されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のＳＣＲシステム。
  7. 前記パージ装置が、前記ポンプの流れを反転させるためのスイッチであるか、または継手／ラインを使用して前記ポンプの流れを反転させるための４／２方向の弁であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のＳＣＲシステム。
  8. 前記タンクを前記ポンプに接続する添加剤戻りラインであって、添加剤戻りライン自体をパージすることができる、添加剤戻りラインを備えることを特徴とする請求項７に記載のＳＣＲシステム。
  9. 凍結の場合に前記添加剤タンクの少なくとも一部を解凍することができる装置を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のＳＣＲシステム。
  10. ヒータが、前記添加剤タンク内に浸漬されたフランジの部分である液体リザーバに一体化されることを特徴とする請求項９に記載のＳＣＲシステム。
JP2011501206A 2008-03-28 2009-03-25 ＮＯｘの排気ガスを清浄化するためのＳＣＲシステム Expired - Fee Related JP5629678B2 (ja)

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