JP5635705B2 - 還元体蒸発表面をペルチェ素子によって温める車両用の排気後処理装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、請求項1のプリアンブルに記載の車両用の排気後処理装置、及び請求項13のプリアンブルに記載の車両からの排気ガスの後処理方法に関する。
ディーゼル車、特に大型トラックなどの大型車両では、周囲に解放されるガスが高含有量の窒素酸化物を含有しないように、SCR法、すなわち窒素酸化物を選択的に還元する方法を使用して、車両の排気ガスを清浄にしている。
SCR法では、排気管内へ噴射される尿素溶液を、NOx還元剤として使用することができる。
尿素溶液を使用すると、低い排気温度では、噴射された還元剤が十分な速さで蒸発せず、その結果、排気システム内で析出物が形成されて圧力降下を招きうるという問題を引き起こすことがある。この問題は、噴射された還元剤が排気管内で蒸発するような高い排気温度を維持することによって解決される。
欧州特許第2078834号は、添加物が気化するような高い排気温度で排気ガスを清浄にする方法及びシステムについて記載しており、それによって排気ガスを温め、液体添加物の噴射を開始する前に必要な時間を短縮するが、これには大量のエネルギーを使用する必要がある。
米国特許出願第2005/0204733号は、熱電素子を使用して電気エネルギーを生成する装置について記載している。
SCR法では、排気管内へ噴射される気体のアンモニアを還元剤として使用することもできる。気体の還元剤を使用することで、還元剤が気体から液体又は固体に変換されるほど排気ガスが触媒に到達する前の排気温度が低くなった場合にのみ析出物が生じるため、排気管内の還元剤の析出物による問題が軽減される。
独国特許公開第102007058768号は、気体の還元剤、たとえばアンモニアを排気管内へ噴射する排気ガスの後処理装置及び方法について記載しており、還元剤を排気管内で噴射する前に還元剤を蒸発させるために、排気ガス内に存在するエネルギーが使用される。
本発明の目的は、車両用の排気後処理装置、及び車両からの排気ガスの後処理方法を提案することであり、この装置は、排気ガスの温度が低い場合でも動作することができる。
上記の目的は、本発明によれば、請求項1の特徴部分に記載の排気後処理装置、及び請求項13の特徴部分に記載の車両からの排気ガスの後処理方法によって実現される。排気管内の排気ガスへ液体還元剤を供給することによって、車両の排気ガス内に存在する窒素酸化物を還元するように適合された、請求項1の特徴部分に記載の車両用の排気後処理装置が、ペルチェ素子を備え、ペルチェ素子を用いて、排気ガスからの熱エネルギーを使用することによって排気管内の表面を局所的に温めて、表面に到達する液体還元剤を蒸発させるように適合されることを特徴とすること、及び排気管内の排気ガスへ液体還元剤を供給して排気ガス内に存在する窒素酸化物を還元することによる、請求項13の特徴部分に記載の車両からの排気ガスの後処理方法が、ペルチェ素子を備える排気後処理装置で、排気ガスからの熱エネルギーを使用することによって排気管内の表面を局所的に温めて、表面に到達する液体還元剤を蒸発させることを特徴とすることで、排気ガスの温度が低い場合でも、排気管内で還元剤の析出物の形成が回避されるという利点を実現する。さらなる利点は、ペルチェ素子が可動部分をもたず、したがって頑丈な構成を有することである。
本発明の一実施例によれば、ペルチェ素子の片側は、ペルチェ素子の片側で前記エネルギーを吸収することによって、排気ガスからの熱エネルギーをペルチェ素子の方へ転換するように適合され、ペルチェ素子の反対側は、熱エネルギーをペルチェ素子から排気管内の表面へ伝達することによって、排気管内の表面を局所的に温めるように適合され、それによって排気後処理装置がその動作のために適度な量のエネルギーのみを必要とするという利点を実現する。
本発明のさらなる実施例によれば、ペルチェ素子は、異なる半導電性金属から作られた少なくとも2つの電極を備え、1つおきの電極がN型であり、残りの電極がP型であり、これらの電極は、ペルチェ素子の片側からペルチェ素子の反対側へ延びるように構成され、導体を介して直流電流源に直列接続され、したがって、電気回路を閉じると、N型電極内の電子が電流とは反対の方向に移動し、P型電極内の正孔が電流の方向に移動し、電極はどちらも、ペルチェ素子の片側からの熱をペルチェ素子の反対側へそらし、それによって、たとえばペルチェ素子の所望の効果に応じて、排気後処理装置の構成を適合できるという利点を実現する。
本発明のさらなる実施例によれば、ペルチェ素子の熱エネルギー吸収側は、少なくとも部分的に排気管内又は排気管の外側近傍に位置することができ、ペルチェ素子の熱エネルギー吸収側は、排気ガスの流れ方向から見て、排気管内の排気ガスへ液体還元剤を供給する供給装置の下流又は上流に位置することができ、ペルチェ素子の熱エネルギー伝達側は、排気管の外側近傍又は少なくとも部分的に排気管内に位置することができ、排気管内で局所的に温められる表面は、ペルチェ素子の熱エネルギー伝達側のうち、排気管内に位置する表面、又は排気管の内側の表面とすることができ、排気ガスの流れ方向から見て、排気管内で液体還元剤の供給装置の下流に触媒を設けることができ、ペルチェ素子及び液体還元剤の供給を制御する制御ユニットを設けることができ、それによって、たとえば高い効率が優先するか、それとも簡単な構成で容易な組立てが優先するかに応じて、排気後処理装置の構成を適合できるという利点を実現する。
本発明のさらなる実施例によれば、ペルチェ素子の熱エネルギー吸収側を排気ガスによって温めることができ、
ペルチェ素子の両端に直流電流を印加することができ、
ペルチェ素子の熱エネルギー伝達側から排気管内の表面へ熱エネルギーを伝達することができ、
それによって排気後処理装置がその動作のために適度な量のエネルギーのみを必要とするという利点を実現する。
ペルチェ素子の両端に直流電流を印加することができ、
ペルチェ素子の熱エネルギー伝達側から排気管内の表面へ熱エネルギーを伝達することができ、
それによって排気後処理装置がその動作のために適度な量のエネルギーのみを必要とするという利点を実現する。
本発明について、添付の図面を参照してより詳細に以下に説明する。
図1は、本発明の第1の実施例による車両4用の排気後処理装置2を概略的に示し、装置2は、熱電冷却素子とも呼ばれるペルチェ素子6を備える。ペルチェ素子6自体は、異なる半導電性金属から作られた2つの電極8、10から構成される少なくとも1つの「熱電対」を備え、1つおきの電極8がN型であり、残りの電極10がP型であり、電極8、10は、ペルチェ素子6の片側28からペルチェ素子6の反対側30へ延びるように構成され、好ましくは銅から作られる導体12を介して直流電流源14に直列接続され、したがって、電気回路を閉じると、図に示すように、N型電極内の電子が電流とは反対の方向に移動し、P型電極内の正孔が電流の方向に移動し、電極はどちらも、ペルチェ素子6の片側28からの熱をペルチェ素子6の反対側30へ転換する。矢印22、24、26の方向へ電極8、10に直流電流を印加すると、ペルチェ素子6内に熱電効果が生じ、その結果、熱エネルギーが、ペルチェ素子6の片側28では吸収され、ペルチェ素子6の反対側30では伝達される。すなわちペルチェ素子6は、熱吸収側28と熱伝達側30とを有する。
排気後処理装置2はまた、排気ガス20内に存在する窒素酸化物を還元するための液体還元剤18を排気ガス20へ供給する供給装置16を備える。
一連の互い違いのN型及びP型電極の形で複数の「熱電対」を直列接続する結果、より強力なペルチェ素子が得られる。
このように、ペルチェ素子6は、排気ガス20からの熱エネルギーを転換し、ペルチェ素子6からの熱エネルギーを排気管32内の表面31へ転換することによって、この実施例によれば排気管32の内壁の一部である表面31を局所的に温めるように適合される。
したがって、排気後処理装置2は、排気管32内の排気ガス20へ液体還元剤18を供給することによって、車両4の排気ガス20内に存在する窒素酸化物を還元するように適合され、またペルチェ素子6を用いて、排気ガス20からの熱エネルギーを使用することによって排気管32内の表面31を局所的に温めて、表面31に到達する液体還元剤18を蒸発させるように適合され、それによって排気管内の還元剤の析出物の形成を防止する。
上記の熱ポンプを使用することで、たとえば噴射によって液体還元剤18が供給される排気管32内の表面31上で、還元剤18を蒸発させることができるように局所的に温度を増大させることが可能になる。
液体還元剤18は、NOx還元剤、たとえば尿素溶液などの液体のNOx還元剤、たとえば蒸留/イオン交換水中に32.5重量%の尿素を含有する「Ad Blue」(登録商標)という商品名で市販されている添加物である。
尿素溶液が使用される場合、排気管32内の表面31は、蒸発を確実にするために少なくとも約200℃の温度で保つ必要がある。
180℃を超える温度で排気ガスを有する排気管内に尿素溶液を供給することで、水は沸騰して蒸発し、次いで尿素は、いわゆる熱分解によって溶解して蒸発する。この段階では、(NH2)2CO⇒NH3+HNCOという反応によって、特にアンモニアの形成を伴う。
尿素の熱分解後、下流の触媒内で、又は400℃を超える温度で、
HNCO+H2O⇒NH3+CO2
という反応によって、加水分解が発生する。
HNCO+H2O⇒NH3+CO2
という反応によって、加水分解が発生する。
NH3は、
NH3+NOX⇒N2+H2O(xは様々な異なる値をとりうるため不平衡な式である)
という反応によって、NOXを還元する。
NH3+NOX⇒N2+H2O(xは様々な異なる値をとりうるため不平衡な式である)
という反応によって、NOXを還元する。
約−30℃でアンモニアの再凝結が発生するが、動作中の車両排気管内では重要な問題ではない。
どの還元剤を使用するか、及び排気管32内の排気ガスの温度に応じて、ペルチェ素子6及び液体還元剤18の供給を制御するために、少なくとも1つの制御ユニット34が設けられることが好ましく、これらの動作は必要なときのみ行われる。ペルチェ素子6と液体還元剤18の供給が別個の制御ユニットによって制御される場合、ペルチェ素子6を制御する制御ユニットが好ましくは液体還元剤18の供給を制御する制御ユニットに対する「従属ユニット」として働くように、これらの制御ユニットを同期させなければならない。排気ガス20が非常に冷たい場合、たとえば非常に低い外部温度での冷態始動直後には、ペルチェ素子6によって排気管32内の表面31を局所的に温めても、還元剤を気化させることができない場合があり、その場合、制御ユニット34は、排気管32における液体還元剤18の供給を阻止する。同様に、排気ガス20が非常に温かい場合、すなわち400℃より温かい場合、上記のように排気管32内の表面31を局所的に温めなくても、液体還元剤18は気化し、その場合、制御ユニット34はペルチェ素子6の動作を阻止する。制御ユニット34は、還元剤18が排気ガス20に確実に供給されるようにし、また、排気管32内の表面31に到達しない還元剤18が気化しうるほど排気温度が高いが、排気管32内の表面31に到達し、それによって表面31を冷却する還元剤18も気化するほどには高くない場合、ペルチェ素子6を確実に動作させる。この温度範囲は、どの還元剤を使用するかに応じて、制御ユニット34によって設定することができる。排気温度は、排気管32内の表面31に到達しない還元剤18が気化するのに十分なほど高くしなければならず、その温度は、様々な還元剤18によって異なる。排気管32内の表面31に到達し、それによって表面31を冷却する液体のNOx還元剤が、それにもかかわらず気化するのに必要な排気温度は、供給時の液体還元剤の温度、排気管の寸法、排気流の速度、液体還元剤が到達する領域の寸法などの様々な要因に依存する。排気ガスは通常、動作中は約200℃〜約700℃の温度とすることができる。
制御ユニットをもたない排気後処理装置を使用することも可能であるが、その場合、排気管の内側表面に析出物が形成され、その後温度が上昇すると焼損する。ペルチェ素子は、尿素を気化させる必要がないときでも機能するため、制御ユニットをもたない装置は得策でない。
この実施例によれば、ペルチェ素子6の熱吸収側28は排気管32内に位置し、したがって温かい排気ガス20がペルチェ素子6の熱吸収側28の表面36を通過し、ペルチェ素子6の熱吸収側28を温める。
この実施例による排気後処理装置2は、尿素溶液を還元剤として使用する例に基づき、ペルチェ素子6の動作中は以下の原理に従って機能する。
この実施例によるペルチェ素子6の熱伝達側30は、析出物のリスクがある排気管32の壁近傍、すなわち好ましくは供給装置16からの液体還元剤18が排気管の内側表面に到達する領域近傍、たとえば液体還元剤の供給装置16に対して中心に位置し、ペルチェ素子6の熱伝達側30は、排気管32内の表面31へ、この場合排気管の壁へ熱エネルギーを伝達し、それによって、ペルチェ素子6の熱伝達側30が排気管32に熱的に接触する結果、排気管の内側表面を局所的に温める。
上述の方法により、排気温度が適度な温度、たとえば約100〜300℃しかなくても、排気ガス内に存在する熱エネルギーを利用して還元剤18を実質上完全に気化させることが可能になる。上記のように排気管32内の表面31を局所的に温めなければ、適度な排気温度でこの表面31に到達する還元剤の一部が凝固し、場合によっては析出物を生じさせ、その結果、排気システム内で圧力降下を招くこともある。圧力降下の増大を使用して、析出物の蓄積を検出できることが好ましい。そのような析出物は、後に排気温度が非常に高くなった場合は確かに焼損するが、長期的に低い負荷及び安定した速度であった場合、たとえば平坦な地形で積み荷のない車両を駆動するとき、排気温度は長期間にわたって低いレベルのままであり、場合によっては析出物を生じさせる。逆に、たとえば電気又はディーゼル燃料又は熱ポンプによって排気流全体を温めると、上述のように排気ガス内に存在する熱エネルギーを利用するより、大量のエネルギーを消費するはずである。
排気管32内には、尿素の熱分解だけでなく上記の加水分解も生じるように、液体還元剤18の供給装置16の下流に触媒38を設けることが好ましい。この図は、いずれの場合も排気管32内の排気流の方向Aに対して、ペルチェ素子6の熱吸収側28の上流に触媒38を示すが、ペルチェ素子6の熱吸収側28の下流に位置することもできる。別法として、触媒をもたない排気後処理装置を使用することもできるが、これは周期的に析出物の蓄積を招くことがあるため、得策でない。
図2は、本発明の第2の実施例による車両4用の排気後処理装置2を概略的に示し、装置2はペルチェ素子6を備える。装置2はまた、排気ガス20内に存在する窒素酸化物を還元するための液体還元剤18を排気ガス20へ供給する供給装置16を備える。
図2に示す実施例は、この場合、ペルチェ素子6の熱吸収側28が排気管32の外側近傍にあり、可能な触媒38がペルチェ素子6の熱吸収側28の下流に設けられるという点で、図1を参照して説明したものとは異なる。しかし触媒38はまた、図1のように、ペルチェ素子6の熱吸収側28の上流に位置することもでき、又は別法として触媒をもたない排気後処理装置を使用することもできる。他の点では、たとえば可能な制御ユニットに関しては、図1に対する説明が図2でも当てはまる。
図3は、本発明の第3の実施例による車両4用の排気後処理装置2を概略的に示し、装置2はペルチェ素子6を備える。装置2も同様に、排気ガス20内に存在する窒素酸化物を還元するための液体還元剤18を排気ガス20へ供給する供給装置16を備える。
図3に示す実施例は、この場合、ペルチェ素子6の熱吸収側28が液体還元剤18を排気ガス20へ供給する供給装置16の上流に位置するという点で、図1に対して説明したものとは異なる。他の点では、たとえば可能な制御ユニットに関しては、図1に対する説明が図2に示す実施例にも当てはまるが、液体還元剤18を排気ガス20へ供給する供給装置16の下流には何らかの触媒38が位置しなければならない。
図4は、本発明の第4の実施例による車両4用の排気後処理装置2を概略的に示し、装置2はペルチェ素子6を備える。装置2も同様に、排気ガス20内に存在する窒素酸化物を還元するための液体還元剤18を排気ガス20へ供給する供給装置16を備える。
図4に示す実施例は、この場合、ペルチェ素子6の熱吸収側28がペルチェ素子6の熱伝達側30の上流で、排気管32の外側近傍に位置するという点で、図1に対して説明したものとは異なる。この実施例はさらに、ペルチェ素子6の熱伝達側30が少なくとも部分的に排気管32の内部に位置し、したがって排気管32内に局所的に温められた表面31を有するという点で、図1に対して説明したものとは異なる。他の点では、たとえば可能な制御ユニットに関しては、図1に対する説明が図2に示す実施例にも当てはまるが、液体還元剤18を排気ガス20へ供給する供給装置16の下流には何らかの触媒38が位置しなければならない。
液体還元剤18は、凍らないように十分なほど温かいまま保たれることが好ましく、「Ad Blue」(登録商標)の場合、約−11℃で凍るはずである。
図5及び図6は、排気ガスの後処理方法の例を示す。
図5は、本発明の一実施例による方法の概略的な流れ図であり、ここで使用される参照符号2、4、18、20、31、32は、図1〜図4のものである。車両からの排気ガスの後処理方法は、排気管32内の排気ガス20へ液体還元剤18を供給し、それによって車両4の排気ガス20内に存在する窒素酸化物を還元するステップ100によって行われ、ペルチェ素子6を備える排気後処理装置2で、排気ガス20からの熱エネルギーを使用することによって排気管32内の表面31を局所的に温めて、表面31に到達する液体還元剤18を蒸発させるステップ200も含み、それによって排気管内で還元剤の析出物の形成を防止する。
図6は、本発明のさらなる実施例による方法の概略的な流れ図であり、ここで使用される参照符号6、20、28、30、31、32は、図1〜図4のものである。図6の実施例は、図5のステップだけではなく、排気ガス20を使用してペルチェ素子6の熱吸収側28を温めるステップ110と、ペルチェ素子6の両端に直流電流を印加するステップ120と、ペルチェ素子6の熱伝達側30から排気管32内の表面31へ熱エネルギーを伝達するステップ200とを含む。
本発明は、記載の実施例に決して制限されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で自由に変更することができる。様々な実施例からの部分を組み合わせることができる。したがって、ペルチェ素子6の熱吸収側28は、排気管32の外側近傍又は少なくとも部分的に排気管32内に位置することができる。したがって、ペルチェ素子6の熱吸収側28は、排気ガス20の流れ方向から見て、排気管32内の排気ガス20へ液体還元剤18を供給する供給装置16の下流又は上流に位置することができるが、純粋に機能上は、液体還元剤18を供給する供給装置16の下流にペルチェ素子6の熱吸収側28を有することは、液体還元剤18を排気ガス20へ供給した後しか排気ガス20からのエネルギーが吸収されないことを意味するという点から、下流位置が得策であり、それによって、液体還元剤18の供給前の対応する排気温度の低下を回避する。排気温度の低下は、液体還元剤18の蒸発には不都合なはずである。このように、ペルチェ素子6の熱伝達側30は、排気管32の外側近傍又は少なくとも部分的に排気管32内に位置することができる。このように、温められる表面31は、排気管32の内側の一部、若しくはペルチェ素子6の熱伝達側30のうち、排気管32内に位置する表面、又はペルチェ素子6の熱伝達側30に熱伝導的に接触する排気管内の他の表面とすることができる。
Claims (12)
- 排気管(32)内の排気ガス(20)へ液体還元剤(18)を供給することによって、前記車両(4)の排気ガス(20)内に存在する窒素酸化物を還元するように適合された、車両(4)用の排気後処理装置(2)において、
ペルチェ素子(6)を備え、前記ペルチェ素子の片側の熱エネルギー吸収側(28)で熱エネルギーを吸収することによって、前記排気ガス(20)からの熱エネルギーを前記ペルチェ素子(6)へそらし、前記ペルチェ素子(6)の反対側の熱エネルギー伝達側(30)が、熱エネルギーを前記ペルチェ素子(6)から前記排気管(32)内の表面(31)へ伝達することによって、前記表面(31)を局所的に温めて、前記表面(31)に到達する液体還元剤(18)を蒸発させ、
それによって前記排気管内で還元剤の析出物の形成を回避するように適合され、前記ペルチェ素子(6)が直流電流源(14)に接続され、前記直流電流源(14)からの電流が、前記ペルチェ素子(6)の片側(28)からの前記熱を前記ペルチェ素子(6)の反対側(30)へそらすことを特徴とする排気後処理装置(2)。 - 前記ペルチェ素子(6)が、異なる半導電性金属から作られた少なくとも2つの電極(8、10)を備え、1つおきの電極(8)がN型であり、残りの電極(10)がP型であり、前記電極(8、10)が、前記ペルチェ素子(6)の片側(28)から前記ペルチェ素子(6)の反対側(30)へ延びるように構成され、導体(12)を介して前記直流電流源(14)に直列接続され、したがって、電気回路を閉じると、前記N型電極内の電子が電流とは反対の方向に移動し、前記P型電極内の正孔が前記電流の方向に移動し、前記電極はどちらも、前記ペルチェ素子(6)の片側(28)からの熱を前記ペルチェ素子(6)の反対側(30)へそらすことを特徴とする、請求項1に記載の排気後処理装置(2)。
- 前記液体還元剤(18)が尿素溶液であることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の排気後処理装置(2)。
- 前記ペルチェ素子(6)の前記熱エネルギー吸収側(28)が、少なくとも部分的に前記排気管(32)内に位置することを特徴とする、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の排気後処理装置(2)。
- 前記ペルチェ素子(6)の前記熱エネルギー吸収側(28)が、前記排気管(32)の外側近傍に位置することを特徴とする、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の排気後処理装置(2)。
- 前記ペルチェ素子(6)の前記熱エネルギー吸収側(28)が、前記排気ガス(20)の流れ方向から見て、前記排気管(32)内の前記排気ガス(20)へ液体還元剤(18)を供給する供給装置(16)の下流又は上流に位置することを特徴とする、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の排気後処理装置(2)。
- 前記ペルチェ素子(6)の前記熱エネルギー伝達側(30)が、前記排気管(32)の外側近傍に位置することを特徴とする、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の排気後処理装置(2)。
- 前記ペルチェ素子(6)の前記熱エネルギー伝達側(30)が、少なくとも部分的に前記排気管(32)内に位置することを特徴とする、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の排気後処理装置(2)。
- 前記排気管内で局所的に温められる前記表面(31)が、前記ペルチェ素子(6)の前記熱エネルギー伝達側(30)のうち、前記排気管(32)内に位置する表面であることを特徴とする、請求項8に記載の排気後処理装置(2)。
- 前記排気ガス(20)の流れ方向から見て、前記排気管(32)内で液体還元剤(18)を供給する前記供給装置(16)の下流に触媒(38)が設けられることを特徴とする、請求項1から請求項9までのいずれか一項に記載の排気後処理装置(2)。
- 前記ペルチェ素子(6)及び液体還元剤(18)の前記供給を制御する少なくとも1つの制御ユニット(34)が設けられることを特徴とする、請求項1から請求項10までのいずれか一項に記載の排気後処理装置(2)。
- 排気管(32)内の排気ガス(20)へ液体還元剤(18)を供給して、車両(4)の前記排気ガス(20)内に存在する窒素酸化物を還元するステップ(100)によって、前記車両からの排気ガスを後処理する方法であって、
ペルチェ素子(6)を備える排気後処理装置(2)で、前記排気ガス(20)からの熱エネルギーを使用することによって前記排気管(32)内の表面(31)を局所的に温めて、前記表面(31)に到達する液体還元剤(18)を蒸発させ、それによって前記排気管内で還元剤の析出物の形成を回避するステップ(200)と、
前記排気ガス(20)を使用して前記ペルチェ素子(6)の熱エネルギー吸収側(28)を温めるステップ(110)と、
前記ペルチェ素子(6)の両端に直流電流(A)を印加するステップ(120)と、
前記ペルチェ素子(6)の前記熱エネルギー伝達側(30)から前記排気管(32)内の表面(31)へ熱エネルギーを伝達するステップ(200)と
を含むことを特徴とする方法。
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