JPH11512165A - 内燃機関の排気ガス内の窒素酸化物の削減方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、排気ガス（ａ）並びにその中に圧縮空気（ｄ）によって噴射される反応剤（ｒ）が触媒（２１）に導かれるような内燃機関（２）の排気ガス（ａ）内の窒素酸化物の削減方法および装置に関する。その内燃機関（２）には圧縮済み空気（ｌ′）を導入するための圧縮機（８）が付設され、圧縮済み空気（ｌ′）の一部を分岐して、反応剤（ｒ）を噴射するための圧縮空気（ｄ）として利用する処置が講じられている。噴射された反応剖（ｒ）は浄化すべき排気ガス（ａ）と一緒に触媒（２１）に導かれ、この触媒（２１）は特に選択触媒反応に基づいて窒素酸化物を削減する。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関の排気ガス内の窒素酸化物の削減方法および装置 本発明は、排気ガス並びにその中に圧縮空気によって噴射される反応剤が触媒 に導かれるような内燃機関の排気ガス内の窒素酸化物の削減方法に関する。本発 明は更に、排気ガス並びに圧縮空気によって排気ガス内に噴射すべき反応剤が導 入される触媒および反応剤を噴射するためのスプレイ装置を備えた内燃機関の排 気ガス内の窒素酸化物の削減装置に関する。 内燃機関の排気ガス内に含まれる有毒物質、特に窒素酸化物を減少するために 、調整式あるいは制御式ディーゼル触媒（ＧＤＫ）の原理が有利であることが判 明している。この原理は特に例えばディーゼルエンジンあるいは希薄混合気エン ジンのような過剰空気で運転される内燃機関に採用される。主に選択触媒還元法 （ＳＣＲ）を基礎とするこの原理はいままでに例えばドイツ特許出願公開第４３ １０９２６Ａ１号明細書、ドイツ特許出願公開第４３１５２７８Ａ１号明細書お よびヨーロッパ特許第０６１７１９９Ｂ１号明細書のような多数の刊行物で知ら れている。ＳＣＲ法の場合、窒素酸化物はアンモニアと共に選択触媒に接触し、 そこで窒素と水に変換される。 アンモニアの使用に伴う問題、即ち毒性および悪臭のために、ＧＤＫ装置を装 備した内燃機関においてアンモニアはそれ自体で自動車に搭載できない。窒素酸 化物を触媒転換するために必要な反応剤は従って水様の尿素溶液などの形で自動 車に搭載される。この水様溶液から加水分解によって、窒素酸化物の変換にとっ て必要な量のアンモニアが作られる。例えば発電所の排気管系における静止形燃 焼ガス・浄化装置の場合には純粋なアンモニアあるいはアンモニア水が使用され る。 ドイツ特許出願公開第４４１７２３８Ａ１号明細書によれば、トラック用ディ ーゼルエンジンの排気管を直ぐ横で円筒状入口室に近づけ、この入口室の中に漏 斗形に形成された孔開き板金を配置することが考慮されている。その漏斗のくび れた個所に噴射弁が設けられ、この噴射弁を介して水様の尿素溶液が漏斗の内部 室に噴射される。このようにして入口室の全横断面にわたって排気ガス内に尿素 溶液が均一に分配される。入口室には加水分解形触媒、ＤｅＮＯｘ（脱窒素酸化 物）触媒および場合によっては酸化触媒が続いている。 ヨーロッパ特許出願公開第０５８６９１３Ａ２号明細書に記載されている方式 は上述の方式とは異なっている。噴霧すべき媒体即ち水様の尿素溶液を有害物質 を含んでいる排気ガス流の中に入れる前に十分に霧化するために、混合装置ある いは前混合室が設けられている。媒体および空気のような圧縮ガスは互いに密に 混合するため即ち分散を生じさせるためにこの前混合室の中に導入される。前混 合室は混合管あるいは配管を介して噴霧ノズルに接続され、この噴霧ノズル自体 は排気ガス流の中に配置されている。この前混合および吹込みによって水様の溶 液を良好に排気ガス流の中に良好に分散できる。その場合、圧縮空気の利用は高 温の排気ガス流内に存在する噴霧ノズルの冷却作用をも生じさせる。 噴射および吹込みにとって必要な圧縮空気は一般に、特に別個に用意しなけれ ばならない特殊の圧縮機で発生されている。 本発明の課題は、冒頭に述べた形式の排気ガス浄化方法および装置を、圧縮空 気を噴射するための特別な圧縮機が要らなくても済むように改良することにある 。 本発明によればこの方法に関する課題は、排気ガス並びにその中に圧縮空気に よって噴射される反応剤が触媒に導かれるような内燃機関の排気ガス内の窒素酸 化物の削減方法において、内燃機関が圧縮機で圧縮された空気を供給され、圧縮 済み空気の一部が分岐されて反応剤を噴射するための圧縮空気として利用される ことによって解決される。 これは次のようにも言い換えられる。即ち本発明の方法は、過給式内燃機関に おいて還元剤を噴射するために必要な圧縮空気が内燃機関に導入される圧縮済み 空気から分岐されることによって特徴づけられる。その場合過給は、例えば歯車 装置あるいはベルト伝動装置あるいは他の方式で駆動される任意に形成された機 械式過給機で行われる。 特に圧縮機は排気ガスを供給されるタービンで駆動され、その際圧縮機および タービンは特に排気駆動過給機を形成する。 上述の実施態様に比べて有利な変形例として、圧縮機は内燃機関によって直接 駆動され、即ちこの圧縮機は自動車技術の慣用語における「コンプレッサ」であ る。 排気ガスが触媒に到達する前に、反応剤は排気ガス内に均一に分配されると有 利である。このようにして、反応剤と排気ガス内に含まれる窒素酸化物との完全 な転換が達成され、反応剤およびそれにより生ずる誘導生成物の周囲への放出が 避けられる。 同様に有利なことに、反応剤はこれが排気ガスに混合された後でアンモニアを 形成しながら分解する物質を含み、その際アンモニアが触媒において窒素酸化物 と反応する。この種の物質は例えば尿素である。尿素はアンモニアと異なり毒性 もなければ他の不快性もなく、簡単に特に特別な安全処置なしに水様溶液の形で 自動車に搭載できる。 装置に関する課題は、本発明によれば排気ガス並びに圧縮空気によって排気ガ ス内に噴射すべき反応剤が導入される触媒および反応剤を噴射するためのスプレ イ装置を備えた内燃機関の排気ガス内の窒素酸化物の削減装置において、 ａ）内燃機関に圧縮済み空気を発生し案内するための圧縮機が付設され、その際 圧縮機と内燃機関との間に圧縮済み空気の一部を分岐する分岐個所が設けられ、 ｂ）圧縮済み空気の一部が反応剤を噴射するための圧縮空気として使用されるよ うに、分岐個所がスプレイ装置に接続されている ことによって解決される。 本発明の装置の主な利点は本発明に基づく方法の説明および後述する有利な実 施例の説明から理解できる。 好適には、分岐個所は圧縮機から内燃機関に通じる圧縮機配管において内燃機 関の直ぐそばに置かれている。 圧縮機はこの圧縮機に加えて内燃機関の排気ガスを供給されるタービンを含ん でいる排気駆動過給機に属しているか、あるいは圧縮機は機械式駆動装置を介し て内燃機関に接続されている。 更に好適には、圧縮機と内燃機関との間に圧縮済み空気を冷却するための過給 空気冷却器が設けられ、この過給空気冷却器と内燃機関との間に分岐個所が配置 されている。これによって反応剤を噴射するために、過給空気冷却器で冷却され た空気が用意される。従って特に、スプレイ装置内であるいはスプレイ装置の前 で反応剤の望ましくない分解が生ずることが避けられる。これは反応剤として尿 素が使用されるときに特に価値がある。 好適には装置内における触媒は、窒素酸化物と還元剤特にアンモニアとの選択 触媒反応を生ずるために形成され、その際還元剤は上述した種々の反応剤自体で なければ、この反応剤の誘導生成物でもない。 以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。各図において同一部品 には同一符号が付されている。 図１は排気駆動過給機付き内燃機関に接続されている排気ガス浄化装置の概略 構成図、 図２は機械式過給機付き内燃機関に接続されている排気ガス浄化装置の概略構 成図、および 図３は排気駆動過給機と過給圧調整器とを備えた内燃機関に接続されている排 気ガス浄化装置の概略構成図である。 図１およびこの図１と多くの点で一致している図３において、内燃機関２例え ばディーゼルエンジンは排気駆動過給機４を備えている。燃料ｆが供給される内 燃機関２は負荷６例えば自動車あるいは定置機械を駆動する。排気駆動過給機４ は互いに軸１２によって結合されている圧縮機８およびタービン１０を有してい る。内燃機関２は特に過給空気冷却器として形成される入口タンク１４および出 口タンク１６を有している。（詳細に図示していない）ＳＣＲ触媒２１とスプレ イ装置２２とを有する排気ガス浄化装置は運転中に内燃機関２から放出される排 気ガスａを浄化するために使用する（ＤｅＮＯｘ浄化）。 運転中に圧縮機８で吸引された空気ｌは圧縮済み空気ｌ′として排出され、入 口タンク１４を介して内燃機関２に導入される。そこで生ずる排気ガスａは出口 タンク１６を介して圧縮機８を駆動するために使用するタービン１０に到達する 。タービン１０から排出された排気ガスａはＳＣＲ法でＤｅＮＯｘ浄化するため に排気ガス浄化装置２０に導入される。この排気ガス浄化装置には浄化すべき排 気ガスａと並んで、スプレイ装置２２において圧縮空気ｄによって噴霧あるいは 噴射された反応剤ｒ特にここでは水様の尿素も導入される。浄化済み排気ガスａ は 出口２３例えば排気管を通して排出される。 ここではもともと存在する圧縮機８で圧縮された空気ｌ′の一部が圧縮機配管 ２４において詳しくは入口タンク１４の出口で分岐個所２６によって分岐され、 配管２８を介して圧縮空気ｄとしてスプレイ装置２２に導かれ、これによって反 応剤ｒを噴射するために利用されることが重要である。従って反応剤ｒを噴射す るための特別な圧縮機は不要である。分岐個所２６はここでは圧縮機配管２４の 内燃機関２への入口の直ぐそばに置かれている。 図２の実施例において排気駆動過給機４の代わりに機械式過給機３０が設けら れている。この機械式過給機は内燃機関２で発生されたエネルギーを圧縮機８を 駆動するために利用するために伝達装置あるいは歯車装置３２を有している。ほ かの駆動部は図１における駆動部とほぼ同じであるので、その重複説明は省く。 ここでも分岐個所２６は圧縮機８詳しくは過給空気冷却器１４の後ろと過給式内 燃機関２との間に設けられている。そして分岐個所２６を介して圧縮機８で圧縮 された空気ｌ′の一部が分岐される。ここでも圧縮済み空気ｌ′の分岐された部 分流が反応剤ｒを噴射するための圧縮空気ｄとして使用されるように、分岐個所 ２６は配管２８を介してスプレイ装置２２に接続されている。ここでも特別な圧 縮機は必要とされず、むしろ過給にとって必要なもともと存在する圧縮機８が利 用される。 図３における実施例も同様に、圧縮機８とタービン１０とを備えた排気駆動過 給機４を介して圧縮済み空気ｌ′を供給され、その排気ガスａが同様にタービン １０の後ろで排気ガス浄化装置２０に到達されるような内燃機関２を有している 。その構造および機能は図１における実施例にほとんど相応し、従って図１につ いての説明は図３にも適用される。特別な点として図３は、内燃機関２に供給さ れる圧縮済み空気ｌ′の圧力を制限するために利用される圧縮機配管２４に組み 込まれた過給圧調整器４０を示している。この過給圧調整器４０の利用は自動車 における内燃機関２に対して、特に頻繁に変動する負荷のもとで運転しなければ ならない内燃機関２に対して広く普及している。最も簡単な場合に過給圧調整器 ４０は図３に示されているようにばね荷重形の弁から成り、余分な空気をタービ ン１０の下流の排気ガスａに導入するブロー管４１を備えている。排気ガス浄化 装 置２０におけるスプレイ装置２２に対してできるだけ高い圧力の圧縮空気が利用 できるようにするために、分岐個所２６は圧縮機８と過給圧調整器４０との間に 設けられている。従ってスプレイ装置２２に導入すべき圧縮済み空気の部分流に 対して過給圧調整器４０は作用せず、それにより圧縮済み空気の分岐部分流はそ れが圧縮機８から出されたときの圧力をほぼ有している。なお過給圧調整器４０ の利用は排気駆動過給機４に関連した利用に限定されるものではなく、過給圧調 整器４０は勿論図２から分かるように内燃機関２で直接駆動される圧縮機８に関 連しても利用できる。 追加的な特徴として図３には、分岐個所２６から排気ガス浄化装置２０に通じ る配管２８における圧力調整器５０が示されている。この圧力調整器５０も吹き 出された空気をタービン１０の下流の排気ガスａに導くブロー管５１を有してい る。圧力調整器５０は圧縮済み空気ｌ′の分岐部分流がスプレイ装置２２に到達 する圧力を自動的に調整でき、これによってスプレイ装置２２の安定運転に貢献 する。なお図３に示されているようなブロー管４１、５１を必ずしも使用する必 要はなく、圧力調整器４０、５０の作用は考え得るあらゆる方法で行うことがで きる。図３の実施例の他の形態において、例えば図１および図２の実施例に設け られているような過給空気冷却器１４が設けられる。これは例えば圧縮機８と分 岐個所２６との間に配置されるが、勿論他の配置構造でもよい。 本発明は排気ガス浄化装置を内燃機関に導入すべき空気を圧縮するための圧縮 機と特に有利に組み合わせている。これは僅かな費用しか必要とせず、内燃機関 の排気ガスから窒素酸化物を有効に除去することを保証する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０２ Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０２Ｚ (72)発明者 シエツプフエ、デトレフ ドイツ連邦共和国 デー−93173 ウエン ツエンバツハ ワーゼンシユテツター ヴ エーク ９アー (72)発明者 アハライトナー、エルウイン ドイツ連邦共和国 デー−93051 レーゲ ンスブルク ハダマールシユトラーセ 30 (72)発明者 トスト、ライナー ドイツ連邦共和国 デー−90427 ニユル ンベルク ブレツターガルテンシユトラー セ 27

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．排気ガス（ａ）並びにその中に圧縮空気（ｄ）によって噴射される反応剤（ ｒ）が触媒（２１）に導かれるような内燃機関（２）の排気ガス（ａ）内の窒素 酸化物の削減方法において、内燃機関（２）が圧縮機（８）で圧縮された空気（ ｌ′）を供給され、圧縮済み空気（ｌ′）の一部が分岐されて反応剤（ｒ）を噴 射するための圧縮空気（ｄ）として利用されることを特徴とする内燃機関の排気 ガス内の窒素酸化物の削減方法。 ２．圧縮機（８）が排気ガス（ａ）を供給されるタービン（１０）で駆動される 請求項１記載の方法。 ３．圧縮機（８）が内燃機関（２）によって直接駆動される請求項１記載の方法 。 ４．排気ガス（ａ）が触媒（２１）に到達する前に、反応剤（ｒ）が排気ガス（ ａ）内に均一に分配される請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。 ５．反応剤（ｒ）が排気ガス（ａ）に混合された後でアンモニアを形成しながら 分解する物質を含み、そのアンモニアが触媒（２１）において窒素酸化物と反応 することを特徴とする請求項４記載の方法。 ６．排気ガス（ａ）並びに圧縮空気（ｄ）によって排気ガス（ａ）内に噴射すべ き反応剤（ｒ）が導入される触媒（２１）および反応剤（ｒ）を噴射するための スプレイ装置（２２）を備えた内燃機関（２）の排気ガス（ａ）内の窒素酸化物 の削減装置において、 ａ）内燃機関（２）に圧縮済み空気（ｌ′）を発生し案内するための圧縮機（８ ）が付設され、その際圧縮機（８）と内燃機関（２）との間に圧縮済み空気（ｌ ′）の一部を分岐する分岐個所（２６）が設けられ、 ｂ）圧縮済み空気（ｌ′）の一部が反応剤（ｒ）を噴射するための圧縮空気（ｄ ） として使用されるように、分岐個所（２６）がスプレイ装置（２２）に接続され ている、 ことを特徴とする内燃機関の排気ガス内の窒素酸化物の削減装置。 ７．分岐個所（２６）が圧縮機（８）から内燃機関（２）に通じる圧縮機配管（ ２４）において内燃機関（２）の直ぐそばに置かれていることを特徴とする請求 項６記載の装置。 ８．圧縮機（８）が排気駆動過給機（４）に属していることを特徴とする請求項 ６又は７記載の装置。 ９．圧縮機（８）が機械式駆動装置（３０）を介して内燃機関（２）に接続され ていることを特徴とする請求項６又は７記載の装置。 １０．圧縮機（８）と内燃機関（２）との間に圧縮済み空気（ｌ′）を冷却する ための過給空気冷却器（１４）が設けられ、この過給空気冷却器（１４）と内燃 機関（２）との間に分岐個所（２６）が配置さていることを特徴とする請求項６ ないし９のいずれか１つに記載の装置。 １１．触媒（２１）が窒素酸化物と還元剤特にアンモニアとの選択触媒反応を生 ずるために形成されていることを特徴とする請求項６ないし１０のいずれか１つ に記載の装置。