JP5722444B2 - 内燃機関の排気ラインに還元体を噴射するための設備 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載される、燃焼機関の排気ラインに還元剤を噴射するための設備に関する。

今日、多くの燃焼機関および大多数のディーゼルエンジンは、ターボユニットを備えている。ターボユニットは、エンジンまでの吸気ライン中の空気を圧縮するコンプレッサを駆動する排気パワータービンを備える。したがって、空気は、エンジンの燃焼空間に正圧で供給される。したがって、大量の空気と燃料とをエンジンに供給し、そこで燃焼させることができる。したがって、ターボを備えるエンジンは、ターボのない同様のエンジンよりも著しく高いパワー出力を生成することができる。コンプレッサを駆動するためにタービンが排気ガスから抽出することができるパワーの量は、実質的に、タービンにおける排気ガスの圧力低下に関係している。

ディーゼルエンジンからの窒素酸化物の排出を低減する１つの方法は、ＳＣＲ（選択触媒還元）と呼ばれる技法を使用することである。これは、尿素溶液の形態の還元剤を、ディーゼルエンジンの排気ライン中で排気ガスに特定量で供給することに関する。尿素溶液が排気ライン中に噴霧されると、結果として細かく分離された溶液は高温の排気ガスとの接触によって気化し、それにより、アンモニアが形成される。次いで、アンモニアと排気ガスとの混合気はＳＣＲ触媒中を通して送られ、そこで、排気ガス中の窒素酸化物の窒素がアンモニアの窒素と反応して窒素ガスを形成する。窒素酸化物の酸素は、アンモニアの水素と反応して水を形成する。このようにして、排気ガス中の窒素酸化物は、触媒中で窒素ガスと水蒸気とに還元される。尿素を正しい量で適用すると、エンジンの窒素酸化物の排出を大幅に低減することができる。

いわゆるターボコンパウンドエンジンによって動力供給される車両は、ターボユニットのタービンの下流の排気ライン中に追加タービンを有する。追加タービンも、排気ガスからエネルギーを同様に抽出する。このエネルギーは、車両に追加のパワーを与えるために使用される。タービンは、ビスコクラッチを備えることができるトランスミッションを介して、抽出されたエネルギーをエンジンのドライブシャフトに伝達する。したがって、ターボコンパウンドエンジンの効率は、同様のターボエンジンよりもやや高い。したがって、ターボコンパウンドエンジンの排気ラインは２つのタービンを備えている。このようにすると、排気ガスの温度および圧力は、排気ライン中の２つの段階において低減される。ある特定の動作状況では、第２のタービンの下流の排気ガスの温度は、排気ライン中に噴射される尿素溶液を気化させるほど十分には高くない。

本発明の目的は、２つのタービンを備える排気ラインを有し、それにより、実質的にすべての動作状態において、還元剤の気化が可能になる燃焼機関の設備を提案することである。

この目的は、請求項１の特徴的部分に示される特徴によって区別される導入部に述べられている種類の設備を用いて達成される。本発明によれば、還元剤は、したがって、排気ライン中の、第１のタービンの下流かつ第２のタービンの上流の一箇所で噴射される。排気ガスは、タービン中で膨張すると圧力が低下し、温度が低下する。したがって、この場合、排気ガスは、還元剤が排気ライン中に噴射される前に、第１のタービンにおいて一度だけ温度を下げるステップを経る。したがって、実質的にすべての動作状態において、排気ガスの温度は、排気ライン中に噴射される還元剤を気化するために十分な高さとなる。還元剤は、有利にも、排気ライン中の高温の排気ガスによって急速に暖められ、気化するように細かく分離した状態で、噴射手段によって排気ライン中に噴射される。還元剤が気化した結果、有利にも、アンモニアが形成され、下流のＳＣＲ触媒において、アンモニアにより窒素酸化物がなくされる。

第２のタービンの上流で還元剤を噴射する点にさらなる利点がある。排気ガスのエネルギー量は、還元剤の圧力と温度とに関係する。１つのタービンでは、排気ガスの圧力におけるエネルギー量を利用することが可能である。気化は、還元剤を気体形態に変化させることを伴う。気体形態の物質は液体形態よりも大きい体積を占めるので、気化プロセスの結果、第２のタービンの上流で排気ライン中の圧力が増大する。したがって、より大きい圧力低下を利用して、排気ライン中の第２のタービンを駆動することができる。第２のタービンの上流で還元剤を添加することのさらなる利点は、回転しているタービンを使用して、アンモニアと排気ガスとを混合することができるということである。このようにすると、構成要素をまったく追加することなく、たとえば、アンモニアと排気ガスとの実質的に均質な混合気が効果的な方法で形成される。第２のタービンの下流ではなく、上流で還元剤を供給することは、たいていの場合、比較的少ないコストで行うことができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、本設備は、噴射手段の下流の一箇所に排気ラインに加水分解触媒を備えている。商標名ＡｄＢｌｕｅ（登録商標）の尿素溶液は、３２．５％の尿素と残存部分の水とを含む。ＡｄＢｌｕｅ（登録商標）が気化した結果、アンモニアとイソシアン酸と水蒸気とが形成される。加水分解触媒において、イソシアン酸は水と反応し、それにより、アンモニアが形成される。加水分解触媒は、排気ライン内の第２のタービンの上流の一箇所に置くことができる。したがって、イソシアン酸は、排気ラインにおいて第２のタービンの上流でアンモニアに変換される。したがって、第２のタービンにおいて、アンモニアと排気ガスとは実質的に均質の混合気を形成することができる。ＳＣＲ触媒は、排気ライン内の第２のタービンに比較的近い位置に置くことができる。

本発明の別の実施形態によれば、本設備は、排気ラインに噴射される尿素溶液の量を制御する制御ユニットを備える。制御ユニットは、特定のエンジンパラメータに関する情報を使用して、排気ガスの窒素酸化物含有量の最適な低減のために添加される必要がある還元剤の量を計算することができる。制御ユニットは、この目的のために好適なソフトウェアを備えるコンピュータなどとすることができる。本設備は、排気ライン中の、第１のタービンの下流かつ第２のタービンの上流の一箇所で排気ガスの温度を監視する第１の温度センサを備える。したがって、この温度センサは、尿素溶液が噴射される位置の近くの排気ガスの温度を検出する。この情報に基づいて、制御ユニットは、排気ガスの温度が計算された量の還元剤を気化させるために十分な高さであるかどうかを決定することができる。

本発明の別の実施形態によれば、排気ラインは、第１のタービンを通過させて排気ガスを送ることが可能である第１のバルブを備える第１のバイパスラインを備える。多くの場合、既存のそのようなバルブ（ウェイストゲート）を備えるバイパスラインがタービンの近くに既に存在する。タービンが過負荷にならないように、従来のそのようなバルブは、タービンにかかる負荷があまりにも大きくなったときに、排気ガスの一部がバイパスラインを通過できるようにする。この場合、制御ユニットは、排気ガスの温度に関する情報を第１の温度センサから受信するように適合することができ、また、排気ガスの温度が尿素溶液を気化させるためには低すぎるときに、排気ガスを第１のタービンを通過させて送るように第１のバルブを開くことができる。バルブを開くことができ、それにより、排気ガスの特定の部分が、第１のタービンを通過して送る。このようにすると、尿素溶液が噴射される領域において、排気ライン中の排気温度をより高くすることが可能である。そのようなバルブにより、排気ガスが、排気ライン中に噴射される尿素溶液を気化することが可能な温度に達することを実質的に継続して可能にする。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、本設備は、排気ライン中の第２のタービンの下流の一箇所において、前記排気ガスの温度を監視する第２の温度センサと、第２のタービンを通過させて排気ガス送ることが可能である第２のバルブを備える第２のバイパスラインとを備え、制御ユニットは、情報を第２の温度センサから受信し、排気ガスの温度が、ＳＣＲ触媒中で窒素酸化物の有利な還元が可能になるには低すぎるとき、排気ガスを第２のタービンを通過させて送るように第２のバルブを開くように適合される。ＳＣＲ触媒の最適な機能のために、排気ガスは、最も低い許容可能温度を上回らなければならない。ＳＣＲ触媒に達する排気ガスは、第１のタービンを通って膨張するときに第１の温度低下を、尿素溶液を気化するために使用されるときに第２の温度低下を、第２のタービンを通って膨張するときに第３の温度低下を受ける。常に、ＳＣＲ触媒に達している排気ガスが最も低い許容可能温度を下回るまで冷却され得るリスクがある。この温度低下が今にも生じそうであるという情報を第２の温度センサから受信した場合、制御ユニットは、排気ガスの少なくとも一部が第２のバイパスラインを通って送られ、それにより、第２のタービンを通過するように第２のバルブを開く。これにより、ＳＣＲ触媒において窒素酸化物の所望の削減が起こることができるようなレベルまで、排気ガスの温度を上げることが可能になる。

別の好ましい実施形態によれば、第１のタービンは、燃焼機関に送られる空気を圧縮するコンプレッサに接続されている。今日、大型車両のディーゼルエンジンは、実質的に常にターボユニットを備えている。したがって、排気ガスの圧力を利用して、エンジンに送られる空気を圧縮することができる。このようにすると、大量の空気と燃料とをエンジンに供給し、エンジン内で燃焼させることができる。第２のタービンは、トランスミッションを介してエンジンのシャフトに接続され、この場合、排気ガスの圧力は、第２のタービン中で吸収されることによって、車両に追加のパワーを提供するために利用される。このタイプのエンジンは、通常、ターボコンパウンドエンジンと呼ばれる。

添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について例として以下に説明する。

本発明の一実施形態による、燃焼機関の排気ラインに尿素溶液を噴射するための設備を示す図である。

図１は、ディーゼルエンジン１の形態の燃焼機関を示している。エンジン１は、大型車両に動力供給するように意図され得る。エンジン１のシリンダからの排気ガスは、排気マニホルド２を介して排気ライン３に送られる。排気ライン３は、タービン４とコンプレッサ５とを備えるターボユニットを備えている。タービン４は、排気ライン３中の排気ガスのエネルギーを、コンプレッサ５を駆動するための機械的仕事に変換するように意図される。タービンの周りにバイパスライン６が延びている。バルブ７を用いて、排気ガスをバイパスライン６中に送ることができ、したがってタービンを通過させることができる。コンプレッサ５は、吸気ライン８中を通過してディーゼルエンジン１まで送られる空気を圧縮するように意図される。圧縮された空気を冷却するために、吸気ライン８に給気冷却器９が設けられる。エンジン１は、排気ガスの再循環のための戻りライン１１を備えている。ＥＧＲバルブ１２は、排気ライン３から戻りライン１１を通して吸気ライン８へと送られる排気ガスの量を調整するように適合され、吸気ライン８において、再循環している排気ガスは、たとえば、混合手段１３によって空気と混合される。再循環している排気ガスは、空気ライン８中で空気と混合される前に、戻りライン１１の少なくとも１つのＥＧＲ冷却器１４において冷却される。空気と排気ガスとの混合気は、マニホルド１４を介してエンジン１のそれぞれの燃焼空間に送られる。

排気ライン３は、ここで、ＳＣＲ（選択触媒還元）として知られる方法による触媒排気浄化を備えている。これは、エンジンの排気ライン３中の排気ガスに尿素溶液の形態の還元剤を供給することに関する。尿素溶液はタンク１５に貯蔵され、ライン１６を介して排気ライン３に送られる。制御ユニット１７は、好適なソフトウェアを備えるコンピュータユニットとすることができ、ポンプ１８のアクティブ化によって尿素溶液の供給を制御する。ポンプ１８は、排気ライン３中に尿素溶液を噴射する噴射手段１９に尿素溶液を搬送する。噴射プロセスをブーストするために、図示されていない圧縮空気源を噴射手段１９に接続することができる。制御ユニット１７は、特定のエンジンパラメータに関する情報を使用して、排気ガスの窒素酸化物含有量の最適な低減のために添加される必要がある尿素溶液の量を計算することができる。供給された溶液は、排気ライン３中の排気ガスによって加熱され、それにより気化するように意図される。

尿素溶液は、排気ライン３のターボユニットのタービン４の下流かつ追加タービン２０の上流の一箇所において供給される。追加タービン２０は、ビスコクラッチ２３を備える概略的に図示されたトランスミッション２２によって、エンジン１の出力シャフト２１に接続されている。排気ライン３において排気ガスが追加タービン２０を通過して膨張した結果、出力シャフト２１のための追加の駆動パワーとして機能するように、上記トランスミッション２２を介して伝達されたパワーからエネルギーが抽出される。追加タービン２０の周りにバイパスライン２４が延びている。バルブ２５を用いて、バイパスライン２４を通して排気ガスを送ることができ、したがって、追加タービン２０を通過させることができる。温度センサ２６は、排気ライン３中のタービン４の下流かつ追加タービン２０の上流の一箇所において排気ガスの温度を検出する。加水分解触媒２７は、尿素溶液を噴射する噴射手段１９に比較的近い位置で、排気ライン３に載置される。加水分解触媒は、排気ライン３中の追加タービン２０の上流の一箇所に載置される。ＳＣＲ触媒２９は、排気ライン内の追加タービン２０の下流の一箇所に置かれる。温度センサ２８は、排気ガスの温度を監視するために、排気ライン３内の第２のタービン２０の下流かつＳＣＲ触媒２９の上流の一箇所に設けられる。したがって、温度センサ２８は、排気ガスがＳＣＲ触媒２９に送られる前の排気ガスの温度を監視する。

エンジン１の動作中、制御ユニット１７は、燃料、排気流れなどのエンジンパラメータに関する情報を実質的に連続して受信する。そのような情報に基づいて、制御ユニット１７は、排気ガスの窒素酸化物含有量の実質的に最適な還元のために添加する必要がある尿素溶液の量を計算することができる。制御ユニット１７は、計算された量の尿素溶液をポンプ１８を用いて供給し、ポンプ１８は、タンク１５からライン１６を介して噴射手段１９にその尿素溶液を搬送する。噴射手段１９は、追加タービン２０の上流の好適な混合距離において、計算された量の溶液を細かく分離された形態で排気ライン中に噴射する。混合距離の長さは、供給された溶液を追加タービン２０に達する前にすべて気化することができるような長さである。細かく分離された溶液は通常、排気ライン３中の高温の排気ガスによって急速に温められ、気化する。気化した溶液は初めに、アンモニアとイソシアン酸と水蒸気とを形成する。加水分解触媒２７中で、イソシアン酸は水蒸気と反応し、それにより、さらなるアンモニアが形成される。したがって、実質的には排気ガスとアンモニアと水蒸気との混合気が追加タービン２０に送られる。

尿素溶液は、気化するとき、液体状態よりも大きい体積を占める。その結果、排気ライン３中、追加タービン２０の上流において圧力が増大する。追加タービン２０の上流におけるこの圧力増加により、より大きい圧力低下を利用して追加タービン２０を駆動することを可能になる。したがって、追加タービン２０から出力シャフト２１に伝達される駆動パワーは、それに応じて増加する。アンモニアと排気ガスとは、追加タービン２０中で効果的に撹拌される。その結果、排気ライン３中、追加タービン２０の実質的に直ぐ下流において、アンモニアと排気ガスが実質的に均質に混合される。したがって、ＳＣＲ触媒２９は、排気ライン３の追加タービン２０の比較的近くに載置することができる。アンモニアと排気ガスとの混合気はＳＣＲ触媒２９を通って送られ、排気ガス中の窒素酸化物の窒素はアンモニアの窒素と反応し、その結果、窒素ガスが形成される。窒素酸化物の酸素はアンモニアの水素と反応し、その結果、水が形成される。このようにして、排気ガス中の窒素酸化物は、ＳＣＲ触媒２９において窒素ガスと水蒸気とに還元される。正しい量の尿素溶液を適用すると、エンジン１からの窒素酸化物の排出を大幅に低減させることができる。

エンジン１の動作中、制御ユニット１７は温度センサ２６から情報を受信する。センサ２６が、排気ガスの温度が排気ラインにおいて尿素溶液を気化するには低すぎることを示す場合、制御ユニット１７はバルブ７を開いて、排気ライン３中の排気ガスの少なくとも一部がタービン４を通過する。したがって、これらの排気ガスの温度は、タービン４においてまったく低下しない。したがって、実質的に全部の動作状態において、排気ガスの温度は、排気ライン３中に噴射された尿素溶液を気化するのに十分な高さとなり得る。エンジン１の動作中、制御ユニット１７は温度センサ２８からも情報を受信する。センサ２８が、ＳＣＲ触媒２９送られる排気ガスの温度が低すぎることを示す場合、制御ユニット７はバルブ２５を開き、それにより、排気ライン３中の排気ガスの少なくとも一部がバイパスライン２４を通して送られ、したがって、追加タービン２０を通過する。したがって、これらの排気ガスの温度は、追加タービン２０においてまったく低下しない。したがって、実質的に全部の動作状況において、排気ガスの温度は、所望の方法でＳＣＲ触媒中の化学反応が起こるのに十分な高さとなり得る。排気ガスが非常に低温であるとき、制御ユニット１７は、バルブ７とバルブ２５の両方を開くことができる。これにより、タービン４とタービン２０との間の排気ライン３において、尿素溶液を両方とも気化させる排気温度を維持することが可能になり、追加タービン２０の下流のＳＣＲ触媒の所望の機能が可能になる。

本発明は、上述した実施形態には制限されず、特許請求の範囲内の自由に変形させることができる。

Claims (8)

1. 燃焼機関（１）の排気ライン中に還元剤を噴射するための設備であって、前記エンジン（１）から排気ガスを引き出すための排気ライン（３）と、前記排気ライン（３）内に置かれた第１のタービン（４）と、前記排気ライン中の流れに意図された方向に対して、前記排気ライン内の前記第１のタービン（４）の下流の一箇所に置かれた第２のタービン（２０）と、前記排気ライン（３）中の温かい排気ガスによって暖められ、気化されてアンモニアを形成するように、前記排気ライン（３）中に還元剤を噴射する噴射手段（１９）と、形成されたアンモニアによって排気ガス中の窒素酸化物が還元されるＳＣＲ触媒（２９）とを備えており、ここで、前記噴射手段（１９）は、前記排気ライン（３）中の流れに意図された前記方向に対して、前記排気ライン内の、前記第１のタービン（４）の下流かつ前記第２のタービン（２０）の上流の一箇所に置かれているもので、本設備は、前記排気ライン（３）内の、前記噴射手段（１９）の下流かつ前記第２のタービン（２０）の上流の一箇所に置かれた加水分解触媒（２７）と、制御ユニット（１７）とを備えており、
   前記ＳＣＲ触媒（２９）が前記第２のタービン（２０）の下流に置かれていることと、本設備が、前記排気ライン（３）中の前記第２のタービン（２０）の下流の一箇所において前記排気ガスの温度を監視する第２の温度センサ（２８）と、排気ガスが前記第２のタービン（２０）を迂回することが可能である第２のバルブ（２５）を備える第２のバイパスライン（２４）とを備えており、前記制御ユニット（１７）が、前記第２の温度センサ（２８）から情報を受信して、前記ＳＣＲ触媒（２９）中で窒素酸化物の有利な還元が生じるには前記排気ガスの温度が低すぎるとき、排気ガスが前記第２のタービン（２０）を迂回するように前記第２のバルブ（２５）を開くこととを特徴とする設備。
2. 還元剤が尿素溶液であることを特徴とする、請求項１に記載の設備。
3. 前記制御ユニット（１７）が、前記排気ライン（３）中に噴射される還元剤の量を制御する、請求項１または２に記載の設備。
4. 前記第１のタービン（４）の下流かつ前記第２のタービン（２０）の上流の一箇所において排気ライン中の前記排気ガスの温度を監視する第１の温度センサ（２６）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の設備。
5. 前記排気ライン（３）が、排気ガスが前記第１のタービン（４）迂回することが可能である第１のバルブ（７）を備える第１のバイパスライン（６）を備えていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の設備。
6. 前記制御ユニット（１７）は、前記排気ガスの温度に関する情報を前記第１の温度センサ（２６）から受信し、前記排気ライン（３）における前記排気ガスの温度が前記還元剤を気化させるためには低すぎるときに、排気ガスが前記第１のタービン（４）を迂回するように前記第１のバルブ（７）を開くように構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の設備。
7. 前記第１のタービン（４）が、前記エンジン（１）に送られる空気を圧縮するコンプレッサ（５）に接続されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の設備。
8. 前記第２のタービン（２０）が、トランスミッション（２２）を介して前記エンジンのシャフト（２１）に接続されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の設備。

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