JP6180593B2 - 自動車の排ガス中のＮＯｘ量低減システム - Google Patents

Description

本発明は、自動車の排ガス中のＮＯｘ量を低減させるＳＣＲ（選択的還元触媒）触媒システムに関する。

輸送に伴う汚染物質排出については、この３０年近く産業において主要な進展がなされてきた。４つの規制汚染物（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ粒子）についての排出制限がますます厳しくなってきているという事実は、特に大都市での大気の質が改善されてきたことを示す。

自動車使用のますますの増加は、これらの汚染物の排出を低減する努力をさらに推し進めるものである。従って、窒素酸化物（ＮＯｘ）の削減は、ユーロ６規制が有効となる２０１５年の予測される複雑な問題を残している。あらゆる走行条件下で非常に効果的な利用可能な汚染物制御技術を持つことが、輸送産業にとって主要な挑戦となっている。

第２にこの数年、燃料消費は、直接ＣＯ_２排出に関連するが、自動車産業にとって主要な懸念となってきている。従って、私用自動車のＣＯ_２排出について、欧州では２０１２年からの欧州濃度の規制が置かれる予定である。この制限は数十年にわたり規則的にますます厳しくなると予想されている。ＣＯ_２は従って、全輸送産業にとって新たな成長のための課題とされている。

局所的汚染（ＮＯｘ）の低減と燃料消費削減（ＣＯ_２）との二重の問題は特にディーゼル機関では難しい問題であり、というのはそこでの燃焼はリーン混合物では処理の困難なＮＯｘ放出を伴うからである。

この意味で、前記ＳＣＲ後処理技術は、物品輸送用及び私用自動車の両方に想定されることとなる。実際に、ＮＯｘ低減の高い効率は、前記エンジンを効率という点でその最適機能に位置づけることを可能にし、それにより高いＮＯｘ放出を前記ＳＣＲシステムで排ガス処理されることを可能にする、ということが示されている。

ＳＣＲ技術の１つの制約は、自動車に、窒素酸化物を還元するために必要な還元剤を装備する必要がある、ということである。重量物品輸送車のために現在採用されている前記システムは、前記還元剤として水溶液中の尿素を用いる。前記排ガスへ注入されて尿素は、排ガスの温度の影響で分解されてアンモニア（ＮＨ_３）となり特定の触媒上でＮＯｘを還元することを可能にする。

水溶液中の尿素の容器を装着することは、なおＳＣＲシステムについての高い制約となっている。現在開発中のこれに代わる方法は、塩の形で気体状アンモニアを貯蔵することである。この場合には、アンモニアは、特に塩化物型（ＭｇＣｌ_２、ＳｒＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＢａＣｌ_２、ＺｎＣｌ_２など）の塩を含む多孔性マトリクス中に化学複合体の形で貯蔵される。アンモニアは、前記マトリクスの温度及び／又は圧力を変更することで脱着され、次にＮＯｘ処理のために排ガス中に注入される。

熱機関内の燃焼からくる排気の後処理に関与する化学反応は触媒反応であり、これは排ガスの温度及び前記触媒含浸物に主に依存する。

しかし、前記自動車が動き始めるとき、前記排ガスの温度は、十分な触媒変換を与えるためには不十分である。従って、排ガスが、ＳＣＲによるＮＯｘ還元が有効になるある温度に到達する間のある長さの時間待つことが必要となる。図１は、欧州で認可されているサイクル（Ｎｅｗ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｃｙｃｌｅ：ＮＥＤＣ）における排ガス温度の典型的変化を示す。ＳＣＲ触媒で後処理され得られるＮＯｘ排出及びこの後処理の効率がまた示されている。従って、自動車が動きだすときは排ガスの温度は有効な触媒変換を保証するには十分ではなく、エンジンからの排出物は後処理されず、効率はゼロである。前記サイクルの際に温度は徐々に高くなっていき、次に後処理システムを「開始」することが可能になり、かつ触媒変換が効率的に行われ、効率は１００％に近づくこととなる。

本発明の目的は、従って、自動車の排ガス中のＮＯｘ量を低減させるため及び自動車が動き出す際に、前記触媒変換を最適化させるために必要な時間を短縮するために排ガスの温度上昇を促進するように構成された、システムを提供することである。

本発明によれば、この目的は、自動車の排ガス中のＮＯｘ量を低減するためのＳＣＲ触媒システムを用いて達成され、前記システムは：還元剤を含む貯蔵チャンバ；前記排ガスを前記還元剤で処理するためのＳＣＲ触媒；及び前記貯蔵チャンバから前記自動車の排ガス内に前記還元剤を注入するように構成される注入モジュールを含む。本発明の前記システムはまた：前記貯蔵チャンバと接続され、かつ前記貯蔵チャンバからの前記還元剤を吸着するための多孔性マトリクスを含む、少なくとも１つの熱交換装置；前記貯蔵チャンバの下流及び上流の、かつ前記交換装置に前記還元剤の追加を制御するように構成される、シャッタ又はインジェクタ、及び前記貯蔵チャンバと前記交換装置の間に設けられる弁、を含む。前記交換装置は、前記自動車の始動に続く第１の所謂開始期間の間、前記ＳＣＲ触媒の上流の自動車の排ガスへ熱エネルギーを移送するように構成される。前記シャッタ又はインジェクタは、前記開始期間の間に前記交換装置内の還元剤の流速を制御するように構成され、それにより前記交換装置の多孔性マトリクスによる還元剤の吸着が交換装置温度を上昇させる。前記シャッタ又はインジェクタはまた、次に、前記排ガスがある特定温度に到達すると直ぐに自動車が機能する間の所謂運転温度である間は閉じるように構成されえる。前記弁は、第１に、前記運転温度期間の間前記交換装置内の圧力を制御するように構成され、かつ第２に、前記交換装置内に含まれる還元剤を、前記交換装置内の圧力が前記貯蔵チャンバ内の圧力を超える場合に、前記貯蔵チャンバ内に送り込むように構成される。

本発明の好ましい実施態様では、前記貯蔵チャンバは第１の塩を含み、一方前記交換装置は第２の塩を含む。前記塩化金属塩化物であり、前記貯蔵チャンバ内に配置される前記第１の塩のアンモニア脱着エンタルピーが、前記交換装置に設けられる前記第２の塩の前記アンモニア脱着エンタルピーよりも小さくなるように選択される。

本発明の他の実施態様では、前記貯蔵チャンバが、前記第１の塩の代わりに還元剤として加圧アンモニアを含む。

本発明はまた、前記ＳＣＲ触媒システムを実施するための方法に関し、前記方法は次のステップ：
− 前記自動車が始動する場合前記弁を開き、それにより前記貯蔵チャンバ内に含まれる還元剤が、前記貯蔵チャンバと前記交換装置それぞれに存在する圧力差の効果により、前記交換装置内に気体形状で輸送され；
− 前記気体の温度が既定値に到達する際に前記弁を閉じ；
− 前記自動車の運転期間の間前記交換装置を、前記弁を通じて前記還元剤を放出することで再び前記貯蔵チャンバ内に導入する、ステップを含む。

本発明の構成は、以下例示として与えられ、なんら制限するものではないいくつかの実施態様を、添付の図面と共に理解することでより明瞭となる。

図１は、従来の脱汚染システムについてＮＥＤＣ（Ｎｅｗ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｃｙｃｌｅ）認可による、排ガスの触媒変換効率、ＮＯｘ放出及び温度を示す。 図２は、本発明の第１の実施態様による、排ガス中のＮＯｘ量低減のためのＳＣＲ触媒システムを示す。 図３は、本発明の第１の実施態様による、排ガス中のＮＯｘ量低減のためのＳＣＲ触媒システムを示す。 図４は、本発明の前記第１及び第２の実施態様のシステムのより詳細を示す。 図５は、クラペイロン式により前記システムの作用原理を示す。 図６は、ＮＥＤＣ認可サイクルによる排ガスラインでの前記熱交換装置の機能を示す。 図７は、第１の変形例により設けられる交換装置を持つ浄化装置を模式的に示す。 図８は、第２の変形例により設けられる交換装置を持つ浄化装置を模式的に示す。 図９は、前記交換装置周りに設けられるガス循環パイプを模式的に示す。

ここで提案するシステムでは、前記還元剤の貯蔵は、次のタイプの可逆的固体−気体反応に基づく：

ここで前記気体はアンモニアであり、前記固体は：ＭｇＣｌ_２、ＳｒＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＢａＣｌ_２、ＺｎＣｌ_２などの金属塩化物の無水塩である。

前記吸着（ｉ）及び脱着（ｉｉ）反応は完全に可逆的である。前記システムのアンモニア平衡は、所与の温度で、以下の式であるクラウジウス−クラペイロン式で決定され、

ここでΔＨｒはＮＨ_３の１モル当たりの脱着エンタルピー、ΔＳｒはＮＨ_３の１モル当たりの脱着エントロピーであり、Ｒは理想ガス定数である。

この式によると、これらの塩のアンモニア平衡圧力は温度に依存する。

図２に示される本発明の第１の実施態様によると、前記システムは２つの複合材料を含み、これらはそれぞれ、前記貯蔵チャンバ１及び前記交換装置２に設けられる。それぞれの複合材料は１以上の圧縮塩を含み、かつ好ましくは膨張黒鉛を含み、これはバインダとして作用しアンモニアを受け取るための多孔性マトリクスを得るためである。前記貯蔵チャンバ１に設けられる前記複合材料（以下「塩Ａ」とする）及び前記交換装置２に設けられる前記複合材料（以下「塩Ｂ」とする）は、塩Ａのアンモニア脱着エンタルピーが塩Ｂのアンモニア脱着エンタルピーよりも小さくなるように選択される。塩Ａは好ましくは、塩化バリウム（ＢａＣｌ_２）又は塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ_２）であり、塩Ｂは好ましくは塩化マンガン（ＭｎＣｌ_２）、塩化第１鉄（ＦｅＣｌ_２）又は塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）である。

図２を参照して、前記貯蔵チャンバ１はアンモニアを吸着及び脱着するための塩Ａを含み、塩Ａからアンモニアを脱着してアンモニアを第１のパイプ４を通じて、ＳＣＲ触媒５の上流の排ガス中に注入することが可能なようにするために、加熱部３で温度制御されるように構成される。前記加熱部３のエネルギー消費を制限するために、前記チャンバ１内の圧力は低圧に維持されることが必要であり、一方前記熱機関のＮＯｘ放出と整合するアンモニアの十分な流れを可能にする十分高い圧力である必要もある。この目的で、前記貯蔵チャンバ１は、供給モジュール６と接続され、このモジュールは前記エンジンコンピュータ８に接続される専用コンピュータ７により制御される。図４によると、前記供給モジュール６は、前記貯蔵チャンバ１の圧力又は温度を測定するための装置６ａ、さらにアンモニア計測装置６ｂも同様に含む。前記チャンバ１内で圧力又は温度測定装置６ａにより測定される圧力又は温度は既定の圧力又は温度と比較される。既定の圧力又は温度は、動的にある数のエンジン及び自動車パラメータを分析することで決定され、かかるパラメータには、例えば、各時点で放出されるＮＯｘ濃度（測定値及び／又はモデル値）、エンジン潤滑油温度、エンジン冷却液温度、ガス流内又は触媒もしくはフィルターチャネル内の排気における温度、自動車の速度、エンジン速度、エンジン負荷又はこれらのパラメータの組合わせである。
図２を参照して、熱交換装置２は、パイプ９で前記貯蔵チャンバ１と接続されており、１以上の追加の浄化装置１０の下流に酸化触媒又は３方触媒、及び適用可能であれば粒子フィルタの形で排ガス流内に設けられており、前記熱交換装置２はまた、アンモニア注入モジュール６ｃの下流及び前記ＳＲＣ触媒５の上流に設けられる。

図４を参照して、弁１１は前記貯蔵チャンバ１の下流及び前記交換装置２の上流のパイプ９上に設けられ、かつ前記コンピュータ７により制御されて前記交換装置２内にアンモニアの追加を制御するように構成される。本発明による前記ＳＲＣ触媒システムはまた、弁１２を含み、これは前記貯蔵チャンバ１と前記交換装置２の間に設けられている。

本発明によるＳＣＲ触媒システムの機能は２つの相に分けることができ（図６）、最初に前記自動車を始動させて始まる第１の始動相であり、前記排ガスが触媒変換が最適化される温度に到達するまで続く相（以下「始動期間」とする）、続いて自動車の第２の運転相であり、これは前記エンジンが停止するまで続く（以下「運転期間」とする）。

前記自動車が始動する際には、前記排ガスは比較的冷たい。これらの環境では、前記貯蔵チャンバの温度は前記交換装置２の温度と類似する。前記塩Ａ及びＢの異なる性質から、前記貯蔵チャンバ１内に圧力は前記交換装置２内の圧力よりも大きい。前記始動期間では、前記シャッタ１１は開き、それにより気体状アンモニアが前記チャンバ１から前記パイプ９を通って、前記交換装置２内に注入され、前記塩Ｂに吸着されるために送られる。この吸着は、クラウジウス−クラペイロン式に従い前記交換装置２内の温度を増加させ、熱伝導により前記排ガスが加熱されることとなる。

前記排ガスが、前記触媒変換が最適となる温度に到達すると直ぐに、前記弁１１は閉じる。前記排ガスの温度が約２５０℃又は以上となると前記交換装置２の温度を上昇させ、これにより前記交換装置内の圧力を増加させる。前記弁１２は、運転期間の間前記交換装置２の圧力を制御するために最初構成され、次に前記交換装置２からアンモニアを前記貯蔵チャンバ１へ戻すように構成される。従って、前記自動車の運転期間放出される排ガスの温度の効果の下で、交換装置２は積極的にアンモニアを空にしようとする。自動車の運転期間の間、本発明のシステムは完全に受動的方法で機能する。

エンジンが停止した場合、前記システムは徐々に外部温度へ戻る。この環境下で、前記貯蔵チャンバ１内に圧力は再び前記交換装置２内の圧力よりも大きくなる。前記シャッタ１１は、アンモニアガスを前記貯蔵チャンバ１内に閉じ込めるように閉じ位置に保持される。前記システムが再生され、自動車が次の始動を開始する際に機能する準備が整う。

図３に示される第２の実施態様では、追加の浄化装置１１が前記アンモニア注入モジュール６ｃの上流に設けられ、一方その部分のＳＣＲ触媒３は前記注入モジュールの下流に設けられる。

本発明の第２の応用では、前記計測装置は、特に前記貯蔵チャンバ１内部の圧力により前記交換装置２へ流れるアンモニアガスの流れを制御することを可能にする。前記インジェクタタイプの装置は次に、前記交換装置２内の圧力上昇プロフィルを調節し、従って前記排ガスに伝達される熱容量を調節することを可能にする。

変形例によれば、前記貯蔵チャンバ１は加圧アンモニアを、塩Ａの代わりに有し、一方前記交換装置２は、塩化バリウム（ＢａＣｌ_２）又は塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ_２）などの金属塩化物タイプの塩を含む。

本発明においては、前記排ガス加熱相の開始と終了、及びこの相での前記計測装置の開始プロフィルが、ある数のエンジンパラメータによりコンピュータ７により制御される。エンジン冷却水の温度、オイル温度、排ガス温度及び／又は現在と過去の運転条件が特に考慮され得る。この制御方法の較正を通じて、前記再生相は十分長く、エンジンが停止する前に完全に再生されるために加熱装置の十分高い温度であることを保証しなければならない。

前記の原理は、前記ＳＣＲ触媒５の上流の排ガスライン内に設けられる注入システムに最初に供給するための前記貯蔵チャンバ１と、次に前記交換装置２との間のアンモニアの優れた移送を提供し、これにより、金属塩化物中のＮＨ_３の化学吸着部分に付いた空調性質を用いることを可能にし、前記排ガス温度を制御することを可能にする。

本発明による交換装置２は好ましくは前記排ガスラインのできるだけ近くに設けられる。図７を参照して、前記交換装置２の多孔性マトリクスは前記ＳＣＲ触媒５の周りに設けられるか、他の全ての浄化装置１０の周りに設けられ、前記浄化装置５、１０及び前記交換装置２の多孔性マトリクスは容器１３内に閉じ込められる。図８に記載の他の構成では、チューブ１４が、異なる点で排ガスライン１４’周りに共軸で設けられ、前記交換装置２の多孔性マトリクスは前記排ガスライン１’と前記チューブ１４の間の空間に設けられる。

前記交換装置２の多孔性マトリクスはまた、前記種々の触媒スラブ周りに設けることができ、この配置はさらに、アンモニア移送なしで前記相の間を含めて前記排ガス部分を断熱する利点を持ち、即ち前記排ガス内部の最大熱量を含み従って外部への不要なエネルギー損失を最小化する。

ディーゼル機関では可能ないくつかの排ガスライン構成が存在し：
− 続いて、排ガス再循環回路（以下「ＥＧＲパイプ」）−タービン−酸化触媒（ディーゼル酸化触媒、以下「ＤＯＣ」）−粒子フィルター（ディーゼル粒子フィルタ、以下「ＤＰＦ」）−ＮＨ_３注入及びＳＣＲ触媒を含む構成、
− 続いて、ＥＧＲパイプ−タービン−ＤＯＣ−ＮＨ_３注入−ＳＣＲ触媒−ＤＰＦを含む構成、
− 続いて、ＥＧＲパイプ−タービン−ＤＯＣ−ＮＨ_３注入−ＳＣＲ触媒及び単一の基板上のＤＰＦを含む構成である。

前記３つの構成はまた、第２のＬＰ ＥＧＲパイプ接続を含み、これはここでは低圧（全てのディーゼル機関に存在するＨＰ「高圧」ＥＧＲと対比してＬＰ「低圧」ＥＧＲである）と参照され、前記ＤＰＦの下流に設けられる。

本発明による交換装置２は従って、前記構成及び目的により異なる点で設けられ得る。例えば、前記交換装置の活性化を促進するために前記タービンの上流の任意の点に設けられ、これは「ターボラグ」を制限して低エンジン回転数でのトルクを増加させる観点で設けられる。逆循環（これは交換装置２を空にし得る）は、温度が前記タービンにより許容される最大温度を超えるとなる場合に前記排ガスラインから熱を除くことが含まれ得る。

交換装置２はまた、前記ＤＯＣの下流に常に位置されるＳＣＲ触媒のプライミングを促進するために前記酸化触媒（ＤＯＣ）の上流の任意の点に設けられ得る。この位置はまた、前記粒子フィルタを再生する観点から前記触媒の活性化を促進するために影響を持ち得る。前記貯蔵容量は、熱回収が望まれる場合には前記相の間に満たされる必要がある。

前記交換装置２はまた、前記粒子フィルタの下流に設けることも可能であり、これは前記粒子フィルタの再生に関連して過剰加熱を防止するためであり、従って、ＳＲＣの触媒が前記フィルタの下流に位置する場合に発熱することから保護するためである。この場合、前記貯蔵チャンバ１は、過剰加熱を防止することが望まれる場合には空にする必要がある。

前記交換装置はまた、前記ＳＣＲ触媒含浸が、前記フィルタ材料内で発熱を防止するために前記フィルタに位置される場合には、ＤＰＦ基板のまわりに設けられることができる。

最後に前記交換装置は、前記流速を増加させる観点から、前記ＥＧＲ流の冷却を促進するために前記ＥＧＲパイプ（ＨＰ及びＢＰ）の周りに設けられ得る。この場合、前記貯蔵チャンバは、前記ＥＧＲを冷却することを望む場合には空にされる必要がある。

１ 貯蔵チャンバ
２ 熱交換装置
３ 加熱部
４ 第１のパイプ
６ 供給モジュール、６ａ 圧力又は温度測定装置、６ｂ アンモニア計測装置、６ｃ 注入モジュール
７ コンピュータ
８ エンジンコンピュータ
９ パイプ
１２ 弁

Claims (1)

1. 自動車の排ガス中のＮＯｘ量を低減するためのシステムであり、前記システムは：
   − 還元剤を含む貯蔵チャンバ；
   − 還元剤を投入した前記排ガスを処理するＳＣＲ（選択的接触還元）触媒；及び
   − 前記ＳＣＲ触媒の上流で、前記貯蔵チャンバからの前記還元剤を前記自動車の前記排ガス中に注入するように構成される注入モジュール；
   を含み、
   前記システムがまた：
   − 前記貯蔵チャンバへ接続され、かつ前記貯蔵チャンバからの前記還元剤を吸着するための多孔性マトリクスを含む少なくとも１つの熱交換装置；
   − 前記貯蔵チャンバの下流及び前記交換装置の上流であり、及び前記交換装置内への還元剤の添加を制御するように構成される、シャッタ又はインジェクタ；及び
   − 前記貯蔵チャンバと前記交換装置との間に設けられる弁；
   を含むことを特徴とし、及び
   − 前記交換装置が、前記自動車の始動に続く第１の所謂始動期間の間、前記ＳＣＲ触媒の上流に前記自動車の排ガスへ熱エネルギーを伝達するように構成され；
   − 前記シャッタ又はインジェクタが、前記始動期間の間前記交換装置内に還元剤の流速を制御するように構成され、それにより前記交換装置の前記多孔性マトリクスによる前記還元剤の吸着が交換装置の温度を上昇させ；
   − 前記シャッタ又はインジェクタは、前記排ガスが、触媒変換が最適である温度に到達すると直ぐに、前記自動車が機能する間の所謂運転温度期間の間閉じられるように構成され；及び
   − 前記弁は、最初、前記運転温度期間の間前記交換装置内の圧力を制御するように構成され、及び次に、前記交換装置内の圧力が前記貯蔵チャンバ内の圧力を超える場合に、前記交換装置内に含まれる前記還元剤を前記貯蔵チャンバへ移送するように構成される；システム。
   

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