JPH08177467A - 自己着火式の内燃機関の排ガスを後処理するための装置 - Google Patents

自己着火式の内燃機関の排ガスを後処理するための装置

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JPH08177467A
JPH08177467A JP7263048A JP26304895A JPH08177467A JP H08177467 A JPH08177467 A JP H08177467A JP 7263048 A JP7263048 A JP 7263048A JP 26304895 A JP26304895 A JP 26304895A JP H08177467 A JPH08177467 A JP H08177467A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 還元剤と排ガスとの十分な混合と、良好な分
配とを確実に保証する。 【構成】 後置された還元触媒１１の効率を促進する目
的で、燃料が調量弁２３を介して調量されて、蒸発器２
６を介して排ガスシステムに導入される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自己着火式の内燃
機関の排ガスを後処理するための装置であって、排ガス
捕集システムが設けられており、該排ガス捕集システム
に、内燃機関の排ガスのＮＯX成分を還元するための還
元触媒が配置されており、電気制御式の弁が設けられて
おり、該弁が、内燃機関および触媒の種々の運転パラメ
ータにおける排ガス中のＮＯX含量の、特性曲線図にメ
モりされた値に関連して、前記還元触媒に供給された排
ガスの流れに還元剤を調量して導入するための調量装置
として働き、さらに、導入したい還元剤を調製するため
の装置が設けられている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】自己着火式の内燃機関の排ガスは、高い
空気過剰量で運転されるという事実に基づき、高いＮＯ
X放出の傾向を呈する。このＮＯX放出は特に燃焼室への
直接噴射の行なわれる直接噴射式の内燃機関において顕
著に生じる。このＮＯX放出を低減させるためには、相
応する還元触媒を用いてＮＯX還元を実施する手段が存
在している。このためには、たとえばゼオライトを主体
とした触媒が適している。自己着火式の内燃機関の別の
問題は、比較的低い排ガス温度にある。この比較的低い
排ガス温度はこのような触媒の還元機能の始動を困難に
する。このような還元プロセスを促進するためには、排
ガスシステムを、排ガスを加熱するバーナに接続するこ
とも既に提案されている。還元プロセスを促進するため
には、既に冒頭で述べた形式の装置が提案されている。
【０００３】文献「シャードシュトッフレドゥツィーレ
ン・ウント・クラフトシュトッフフェアブラウホ・フォ
ン・ＰＫＷ−フェアブレヌングスモトーレン（Ｓｃｈａ
ｄｓｔｏｆｆｒｅｄｕｚｉｅｒｕｎｇ ｕｎｄ Ｋｒａ
ｆｔｓｔｏｆｆｖｅｒｂｒａｕｃｈ ｖｏｎ ＰＫＷ−
Ｖｅｒｂｒｅｎｎｕｎｇｓｍｏｔｏｒｅｎ）」（Ｆ．Ｓ
ｃｈａｅｆｅｒおよびＲ．Ｖａｎ Ｂａｓｓｈｕｙｓｅ
ｎ著、第１１５頁、出版社Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌ
ａｇ）に基づき公知のこのような装置では、還元剤とし
て水溶液中の尿素が使用される。この水溶液は触媒の上
流側で排ガスシステムに供給される。この尿素の調量は
電磁弁を用いて行なわれるので、極めて手間がかかる。
この電磁弁は排ガスシステムの範囲で高い運転温度にさ
らされており、したがって粘着の傾向がある。内燃機関
の１作業サイクル当たり１．５ｍｇの範囲の少量を調量
するために前記電磁弁を準備しかつ制御することは、極
めて手間がかかる。特に、この電磁弁によって送出され
る尿素を調量するためには、圧縮空気の準備が必要とな
る。この圧縮空気は一方では調量された尿素を排ガスシ
ステムに搬送し、他方では尿素リザーバタンクを電磁弁
での噴射のために必要となる圧力にもたらす目的で圧力
形成のために使用される。調量を正確に行なうために
は、この圧力が制御されなければならない。さらに、電
磁弁における圧力降下は、遅くとも触媒において、熱作
用と相まった尿素化合物の分解により排ガス中のＮＯX
成分の所望の還元のために必要となるＮＨ3排ガスが生
成するように、尿素の微細分配された調製を保証しなけ
ればならない。
【０００４】上記公知の装置は、極めて手間がかかり、
しかも還元過程をも確実に実施するために高い排ガス温
度を前提条件としている。尿素が過剰調量され、しかも
触媒における運転前提条件が満たされていないと、尿素
もしくはアンニモニアが完全に変換されず、ひいては放
出成分として環境を汚染してしまう危険が生じる。
【０００５】さらに欧州特許出願公開５０３８８２号明
細書に基づき、還元剤としてＨＣ、つまり燃料を使用す
ることが知られている。この燃料はゼオライト構造のＮ
ＯX還元触媒の上流側で内燃機関の排ガスシステムに、
触媒温度によって制御されて導入される。この場合に調
量は間欠的に行なわれ、しかもこの場合、触媒温度の上
昇時にこのＨＣがＮＯXの変換のために提供されるよう
にするために、ＨＣは触媒の多孔質構造内に中間貯えさ
れていると望ましい。この公知の装置は、既に上で説明
した電磁弁の不都合な使用、ひいては不都合な手間とい
う欠点の他に、導入されるＨＣ量がＮＯX成分の変換を
直接に実施できるのではなく、触媒においてはじめて調
製されなければならないという欠点をも持っている。こ
の公知の手段は、周知のように高い排ガス温度を有する
火花点火式の内燃機関における使用においてはまだ実現
可能と思われるが、しかし自己着火式の内燃機関の比較
的冷たい排ガスにおいては、このような手段では不十分
である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
で述べた形式の装置を改良して、還元剤と排ガスとの十
分な混合と、良好な分配とが確実に保証されているよう
な装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、還元剤を調製するための装置が、
蒸発装置として形成されており、該蒸発装置によって還
元剤が蒸発させられて、蒸気の形で排ガス流に導入され
るようにした。
【０００８】
【発明の効果】本発明による装置は、従来のものに比べ
て次のような利点を持っている。すなわち、間欠的に電
気制御される弁が使用されるにもかかわらず、連続的に
還元剤が排ガス中に導入される。しかも還元剤は既に蒸
気の形で導入されるので、排ガスとの十分な混合および
良好な分配が確実に保証されるようになる。これによっ
て、後置された還元触媒では最適な反応が得られる。
【０００９】請求項２に記載の多孔質体の使用では、こ
のような蒸発器の特に有利な構成が得られる。このよう
な多孔質体は焼結構造体として既に高い温度領域におけ
る大量生産品で幅広く使用されているので、本発明によ
る手段の使用は問題なく実現され得る。電気制御される
弁に課される要求は極めて少ないので、既に市販されて
いる弁、たとえば約数バールの運転圧でのガソリン噴射
のための噴射弁を使用することができる。この場合、弁
のサイクル内での所要の供給量のために出口横断面が十
分に小さくなるように配慮するだけで済む。
【００１０】加熱装置としては、請求項２〜請求項４に
記載しように、中空体に突入しかつ中空体の内室を十分
に埋める公知の、電気加熱されるグローピンが使用され
ると有利である。このようなグローピンは自己着火式の
内燃機関のための始動補助として公知のグロープラグで
あって、大量生産品として入手可能であり、ひいては本
発明による装置の廉価な構成を可能にする。請求項５に
記載したように、グローピンが交換可能であると有利で
ある。この目的のためには、請求項７に記載したように
グローピンが結合ベースに挿入可能であると有利であ
る。この結合ベースを介して、請求項６に記載の構成に
より焼結部分として形成された中空体が、内燃機関の排
ガス導出部分の壁に結合される。この場合にも、還元剤
として燃料が使用されると特に有利である。この燃料は
既に対応するディーゼル内燃機関において提供されてお
り、燃焼によって一方では触媒温度を高めて、イオンを
提供する。このイオンによってＮＯX成分の還元は触媒
において有効に行なうことができる。さらに、請求項９
に記載したように、付加的に排ガス加熱装置が設けられ
ると有利である。この排ガス加熱装置によって、特にま
だ冷たい内燃機関の始動時に、還元触媒の有効使用まで
にかかる時間を著しく短縮させることができる。請求項
１０および請求項１１に記載したように、まだ燃焼可能
な全ての排ガス成分を完全に変換するために、触媒反応
器に酸化触媒が後置される。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面につき詳しく説明する。
【００１２】図面には、内燃機関に関して自己着火式の
内燃機関のシリンダ１の一部の断面図が示されている。
この実施例は、間接的な噴射の行なわれる自己着火式の
内燃機関に関するものである。すなわち、燃料は噴射弁
２を介して、内燃機関ピストン３によって直接に制限さ
れた主燃焼室４に直接に噴射されるのではなく、この主
燃焼室４に前置された渦流室５に噴射される訳である。
この渦流室５はオーバフロー通路６を介して主燃焼室４
に接続されている。始動補助手段としては、この渦流室
５に突入したグロープラグ７が設けられている。噴射さ
れた燃料と空気との、渦流室５と主燃焼室４とにおいて
燃焼された成分は、内燃機関ピストン３の膨張行程の終
了後に排出行程によってエキゾーストバルブ８を介して
排ガス通路９に導入される。排ガス通路９は一般に排気
マニホルドとしてまとめられており、この排気マニホル
ドは各１つの機関シリンダから導出された複数の通路か
ら成っている。この排気マニホルドは１つの集合管に移
行しており、この集合管は単数または複数のラインを介
して環境大気に通じている。図示の実施例では、この排
ガス集合管に還元触媒１１が配置されている。この還元
触媒１１には、破線で示したように酸化触媒１２と、場
合によっては内燃機関の排気装置の汎用の消音装置とが
後置されている。
【００１３】各シリンダ毎の噴射弁２への燃料供給は、
燃料噴射ポンプ１４によって行なわれる。この燃料噴射
ポンプ１４は燃料リザーバタンク１５から燃料を受け取
って、噴射導管１６を介して、高圧にもたらされた燃料
を調量し、各噴射弁２に交互に燃料を供給する。個々の
噴射弁２の漏れ燃料は漏れ導管１７を介して燃料リザー
バタンク１５に再び戻される。
【００１４】燃料噴射ポンプ１４は燃料リザーバタンク
１５から内部吸込室に燃料を圧送するためにプレフィー
ドポンプ（図示しない）に接続されている。この場合、
通常では、この吸込室において回転数に関連して制御さ
れる燃料圧が維持され、これにより回転数に関連した機
能が制御される。この吸込室圧を制御するためのオーバ
フロー圧はオーバフロー導管１９を介して一般には無圧
で燃料リザーバタンク１５に戻る。しかしこの実施例で
は、オーバフロー導管１９に圧力調整器２０が接続され
ている。この圧力調整器２０はたとえば０．３バールに
調節することができるので、この圧力調整器２０の上流
側では０．３バールの供給圧が提供される。この圧力は
燃料導管２１を介して、電気的に制御される調量弁２３
に供給される。この調量弁２３は、運転パラメータ、た
とえば負荷ＱKおよび回転数ｎに関連して制御装置２２
によって制御されて、燃料を還元剤として蒸発器２６に
供給する。この蒸発器２６は還元触媒１１の上流側で排
ガス通路９に装着されている。この蒸発器２６の構造は
図２に詳細に示されている。このためには、排ガス通路
９の壁にねじ込みスリーブ２８が設けられており、この
ねじ込みスリーブ２８には、結合ベース２９が密にねじ
込み可能である。この結合ベース２９には、中空体３０
が挿入されており、この中空体３０は排ガス通路９内の
排ガス流に突入している。
【００１５】この中空体３０は多孔質で耐熱性の壁を有
していて、たとえば焼結材料、焼結青銅またはセラミッ
クスから成っていてよい。この壁は内部に盲孔３１を有
しており、この盲孔３１には、この盲孔３１に同形状で
嵌合するようにグローピン３２が加熱装置として突入し
ている。このグローピン３２は回転対称的に形成された
中空体３０に対して同軸的に、排ガス通路の外側から結
合ベース２９のスリーブ部分３４にねじ込まれている。
この場合、盲孔３１とグローピン３２との間に残った内
室は、排ガス通路９の外側で外部に対して密に閉鎖され
ている。盲孔３１には、さらに接続導管３５が開口して
いる。この接続導管３５は調量弁２３から延びていて、
調量弁２３から送出された還元剤、つまりディーゼル燃
料を、盲孔３１内に残った中空室に導入する。
【００１６】グローピン３２の加熱は制御導線３６を介
して制御装置２２から行なわれる。
【００１７】触媒１１は還元触媒として形成されてい
て、内燃機関の排ガス中のＮＯX 成分を還元するために
働く。この内燃機関は自己着火式の内燃機関である。こ
のような内燃機関は周知のように、かなりの空気過剰量
で運転され、この燃焼方法に基づき排ガス中にかなりの
量のＮＯX成分を有している。このＮＯX成分は、図示の
渦流室燃焼法で作動する内燃機関において既にかなり多
く、また主燃焼室４に直接に燃料を噴射する直接噴射式
の内燃機関に場合にはさらに多くなる。まだ排ガス中に
も存在し、ひいては排ガス中の極めて少量のＣＯ成分を
生ぜしめる高い空気過剰量に基づき、このＣＯを用いて
有効に実施したいＮＯX 成分の還元は満足し得る程度に
得ることはできない。これに加えて、自己着火式の内燃
機関の排ガスは、火花点火式の内燃機関に比べて著しく
低い温度しか有しないことも不都合となる。このような
低い温度は後置された触媒の始動特性や、この触媒の高
い効率を著しく困難にする。この欠点は還元剤の導入に
よって回避される。導入された燃料は触媒中での還元を
有効に可能にする。それと同時に、触媒中で燃料の熱変
換も行なわれ、このことは触媒の作動温度を高めて、そ
の効率を改善する。このためには、効率を高める目的
で、導入された還元剤が微細に分配されて、迅速に変換
可能に排ガス中に流入することが必要である。さらに、
重要となるのは、特に有効な排ガス除毒のために必要と
なる所要量の還元剤が導入されることである。制御装置
２２を介して前制御される電気制御式の調量弁２３によ
って、負荷および回転数から求められた排ガス容量に応
じて、その都度必要となる還元剤量が導入され、この場
合、さらに排ガスおよび／または触媒の温度Ｔも考慮さ
れる。
【００１８】この場合に還元剤として使用される燃料の
十分な調製は、前記調量弁２３によって燃料量が制御さ
れた後に蒸発器２６によって行なわれる。蒸発器２６
は、中空体３０の多孔質壁を通って排ガスに流入する蒸
気状の燃料だけしか送出しない。この中空体３０は排ガ
スによって加熱されるが、特に内燃機関の始動段階にお
いて、蒸発過程を行なうためには排ガス温度が低すぎる
場合は、グローピン３２によっても加熱される。加熱の
制御は同じく前記パラメータに関連して行なわれるの
で、排ガス中に蒸気状の所要量の燃料が連続的に供給さ
れることが保証されている。
【００１９】調量弁２３には、いずれにせよ内燃機関の
運転のために必要とされる、燃料噴射ポンプ１４の燃料
循環路から燃料が供給されると有利である。このとき
に、圧力調整器２０によって、大きな過剰手間をかける
ことなく所要の低い圧力が提供される。調量弁２３は単
純に低圧噴射弁であってよい。この低圧噴射弁は流出開
口を唯一つの孔に減少させることによって容易に改良す
ることができ、また大量生産部品として廉価に提供され
る。グローピンは同じく廉価に使用可能である大量生産
部品である。還元の効率を高めるために働き、しかも過
剰量のＨＣが放出物として環境に放出されてしまうこと
を回避する前記制御に基づき、還元触媒を作動させるた
めには、極めて僅かな過剰燃料消費しか必要とならな
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置を備えた自己着火式の内燃機
関の燃料供給システムの概略図である。
【図２】還元剤を処理するための中空体の断面図であ
る。
【符号の説明】
１ シリンダ、 ２ 噴射弁、 ３ 内燃機関ピスト
ン、 ４ 主燃焼室、５ 渦流室、 ６ オーバフロー
通路、 ７ グローブラグ、 ８ エキゾーストバル
ブ、 ９ 排ガス通路、 １１ 還元触媒、 １２ 酸
化触媒、 １４燃料噴射ポンプ、 １５ 燃料リザーバ
タンク、 １６ 噴射導管、 １７ 漏れ導管、 １９
オーバフロー導管、 ２０ 圧力調整器、 ２１ 燃
料導管、２２ 制御装置、 ２３ 調量弁、 ２６ 蒸
発器、 ２８ ねじ込みスリーブ、 ２９ 結合ベー
ス、 ３０ 中空体、 ３１ 盲孔、 ３２ グローピ
ン、 ３４ スリー部分、 ３５ 接続導管、 ３６
制御導線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フーベルト デトリング ドイツ連邦共和国 ヴァイプリンゲン ビ ルデッカーシュトラーセ ３ (72)発明者 ハインツ シュツッツェンベルガー ドイツ連邦共和国 ファイヒンゲン シュ ヴァーブシュトラーセ 19−２

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 自己着火式の内燃機関の排ガスを後処理
    するための装置であって、排ガス捕集システム（９）が
    設けられており、該排ガス捕集システム（９）に、内燃
    機関の排ガスのＮＯX成分を還元するための還元触媒
    （１１）が配置されており、電気制御式の弁（２３）が
    設けられており、該弁（２３）が、内燃機関および触媒
    の種々の運転パラメータにおける排ガス中のＮＯX含量
    の、特性曲線図にメモりされた値に関連して、前記還元
    触媒（１１）に供給された排ガスの流れに還元剤を調量
    して導入するための調量装置として働き、さらに、導入
    したい還元剤を調製するための装置（２６）が設けられ
    ている形式のものにおいて、還元剤を調製するための装
    置が、蒸発装置として形成されており、該蒸発装置によ
    って還元剤が蒸発させられて、蒸気の形で排ガス流に導
    入されることを特徴とする、自己着火式の内燃機関の排
    ガスを後処理するための装置。
  2. 【請求項２】 前記蒸発装置が、排ガス流に突入した中
    空体（３０）として形成されており、該中空体（３０）
    の内室（３１）が、多孔質の壁によって排ガス流から隔
    離されており、前記内室（３１）に還元剤が導入される
    ようになっており、さらに加熱装置（３２）が設けられ
    ており、該加熱装置（３２）によって還元剤が蒸発温度
    にまで加熱される、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記加熱装置として、前記内室（３１）
    に突入した加熱体（３２）が設けられている、請求項２
    記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記中空体（３０）の内壁が、小さな間
    隔をおいて前記加熱体（３２）を取り囲んでいる、請求
    項３記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記加熱体が、電気的に加熱されたグロ
    ーピン（３２）として形成されている、請求項４記載の
    装置。
  6. 【請求項６】 前記グローピン（３２）が固定装置（２
    ９，３４）に交換可能に結合されている、請求項５記載
    の装置。
  7. 【請求項７】 前記多孔質の壁が焼結部分として形成さ
    れている、請求項６記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記中空体（３０）が結合ベース（２
    ９）を介して、排ガス捕集システム（９）の壁に結合さ
    れており、該排ガス捕集システム（９）に前記グローピ
    ン（３２）が前記結合ベース（２９）と共にねじ込み可
    能である、請求項７記載の装置。
  9. 【請求項９】 還元剤として燃料が使用されている、請
    求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
  10. 【請求項１０】 触媒の下流側で排ガス捕集システム
    に、排ガスを後酸化するための酸化装置（１２）が設け
    られている、請求項１から９までのいずれか１項記載の
    装置。
  11. 【請求項１１】 排ガスを後酸化するための前記酸化装
    置が酸化触媒（１２）として形成されている、請求項１
    ０記載の装置。
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