JP4904281B2 - リーンバーン内燃エンジンのＮＯｘ還元用の還元剤計量システム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、燃焼排ガスを処理するシステムに関し、さらに詳細には、リーンバーン内燃エンジンでＮＯ_xを還元する装置およびシステムに関する。

ディーゼルエンジンは、燃料効率において優れた利点を提供することがよく知られており、集約的開発および更なる改良が行われている。しかしながら、窒素酸化物（ＮＯ_x）の排出量を制御することは、制御することで他の汚染物質の排出量を増加させるか、または燃料の経済性を低下させる傾向があるため、きわめて困難であることが判っている。規制が提案されるごとに、製造者には、良好な燃料経済性を達成するとともにＮＯ_xを還元するという更なる課題が与えられる。

ディーゼルエンジンの場合、ＮＯ_x還元は、典型的には、燃焼に影響を及ぼすエンジンの運転パラメータを変更することで達成してきた。エンジンの運転パラメータの中でも噴射タイミングは、ＮＯ_x排出量の制御で最も有力な因子の一つである。噴射タイミングを遅くすることによって、ＮＯ_x排出量の顕著な低減を達成することができる。噴射速度もＮＯ_x排出量に影響を及ぼし、速度の増加はＮＯ_x排出量の増加をもたらす。同様に、燃焼温度を上昇させる何らかの変化（圧縮比、燃料−空気比などの上昇）は、ＮＯ_x排出量を増加させる。排気再循環（ＥＧＲ）は、燃焼温度を低下させて、ＮＯ_x排出量を減少させるのに用いられる方法である。不都合なことに、排気再循環を用いると、ディーゼルエンジンでは微粒子の排出量が増加することから、再循環させることができる実用的な量は、約１５％に制限されている。

三元触媒は、ＮＯ_x排出量を低減するためにガソリンエンジンで広く使用されている。この触媒を効率的に使用するために、理論空燃比で又はその付近で、エンジンを運転する必要がある。ディーゼルエンジンは、酸素が豊富な条件下で運転されるため、全負荷時でも代表的なガソリンエンジンの排気触媒システムでは、ＮＯ_x還元に効果がない。リーンバーン非ディーゼルエンジンは、従来の三元触媒システムがＮＯ_x還元に効果がないことから、ＮＯ_x排出量の低減という同様の課題がある。本明細書で用いる用語「リーンバーン」は、炭化水素燃料を理論空燃比で燃焼するのに必要な量よりも高い酸素濃度（例えば酸素が少なくとも１重量％高い濃度）で運転することができるエンジンを含むことを意味する。そのようなエンジンは、例えば、機械または電気エネルギーへ直接的または間接的に変換するような熱を提供するために、炭化水素燃料を燃焼させる全ての燃焼器、すなわち、オットー、ディーゼル、およびタービン型の内燃エンジンはもちろんのこと、バーナーおよび炉も含む。

ディーゼルおよび他のリーンバーンエンジンにおいてＮＯ_xを還元する取り組みに、種々の触媒法および無触媒法があった。触媒還元法を利用する技術は、還元ガスの存在下で触媒床上に排ガスを通過させてＮＯ_xを窒素に変換することを本質的に含む。無触媒法は、選択的無触媒還元（ＳＮＣＲ）システムを含む。触媒法は、第４級触媒還元システム、炭化水素選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム、および尿素ＳＣＲシステムの使用を含む。第４級触媒は、一酸化窒素還元効率が低い（約１０％）ため、特に有効ではない。炭化水素ＳＣＲシステムは、燃料効率に対するペナルティが約３％であり、一酸化窒素還元効率が約３５％であることが知られている。尿素ＳＣＲシステムは、一酸化窒素還元効率が６５％を超えるであろう。このような事情から、尿素ＳＣＲシステムは業界から大きな関心を集めている。

ＳＣＲシステムは、固定発生源のＮＯ_x排出量を低減するために長年利用されてきた。ＳＣＲシステムはアンモニアを使用するので、その貯蔵および運搬に対して安全上の問題がある。尿素はアンモニアより安全であるが、尿素を固体状または液体状から活性を有する気体状に変換するのが困難であるために、多くのＳＣＲ方式、特に車載ＮＯ_x源には実際的でなかった。

エンジンの運転範囲に渡って有効であるＮＯ_x還元触媒が開発されてきた。車載用途での尿素の使用に関連するインフラストラクチャの問題はもちろんのこと、アンモニアブレークスルー（スリップ）の潜在的に危険なリスクにもかかわらず、アンモニアＳＣＲシステムは、より厳しいＮＯ_x排出量を満足するための車載用途の好ましい選択肢となってきた。これは最小の燃料消費による最大の出力のために燃焼プロセスを最適化する能力と相まって、アンモニアによって可能である、上述の高いＮＯ_x変換パーセンテージのためである。

ディーゼルエンジンのＮＯ_x排出量を低減するために、多くの研究が行われてきた。米国特許第４１８８３６４号明細書に開示されているように、ディーゼルまたは火花点火式エンジンの代表的な燃焼ガス流温度にてアンモニアをＮＯ_xと反応できるようにするために、ガス状アンモニアを燃焼ガス流中に燃焼ガス流中に、含有されたＮＯ_xの量に比例して混合し、次にガス状混合物を触媒リアクタに送ることが既知である。

ＳＣＲ制御システムに関して、米国特許第４４０３４７３号明細書は、アンモニアが燃焼ガス流に対して、燃料質量流量に対する事前選択比で、事前選択範囲内であるリアクタ内の燃焼ガス流の検知温度に反応して計量される、一酸化窒素排出量を低減するアンモニア／燃料比制御システムを提案している。

米国特許第５１１６５７９号明細書は、アンモニア比制御バルブを設定するために、吸気の湿度およびエンジン出力、吸気温度、燃料消費量および排気ガス温度の１個以上の運転パラメータを測定する。アンモニアのＮＯ_xに対するモル比は、アンモニアスリップを最小限に抑えるために１未満に設定される。

米国特許第５５２２２１８号明細書は、比較的大型のディーゼルエンジンで使用するための燃焼排気精製システムおよび方法を提案している。コンピュータ制御インジェクタは、ＮＯ_x還元液の量をエンジンから排気通路内に間欠的に噴射する。導入されると言われるＮＯ_x還元液の量は、所与のエンジン運転条件および排気温度に対して改善されたＮＯ_x還元速度を達成する量に相当する。コンピュータはエンジン運転条件および排気温度を周期的に検知して、噴射量を計算する。

制御システムに関して、特開昭５５−０９３９１７号公報は、排気ガス流量、排気ガス中の一酸化窒素濃度、排気ガス温度を脱窒素脱ＮＯ_x触媒の温度と共に検知する技法を提案している。これらのデータの使用により、そして一酸化窒素速度に従って、触媒温度に依存する触媒の触媒活性を考慮に入れて、排気ガス中への導入速度が計算および実施される。しかしながら他者によって、そのような方法は、特に正および負の突然の負荷変動の間に還元剤または一酸化窒素の漏れ（スリップ）を防止しないことが報告されている。

米国特許第５６２８１８６号明細書は、一酸化窒素を還元するための触媒コンバータを有する内燃エンジンの一酸化窒素含有排気ガス中への還元剤の制御導入のための方法および装置を提案している。該方法は、一酸化窒素速度を決定するために、触媒コンバータの排気ガスの、そして場合によりエンジンの、少なくとも１個の運転関連パラメータを検知することを含む。中間値は、一酸化窒素速度の関数として還元剤速度について決定される。中間値は、触媒コンバータによって脱着された還元剤の速度によって低下するか、または触媒コンバータによって吸着された還元剤の速度によって上昇する。該方法を実施するための装置は制御ユニットを含む。該制御ユニットは、触媒コンバータによって吸着された、または触媒コンバータによって脱着された還元剤の速度を考慮しながら、排気ガス中に導入される還元剤の速度をパラメータの関数として調整することを意図する。

炭化水素−、尿素−およびアンモニアベースのＳＣＲシステムの進歩にもかかわらず、今日までに開発された還元剤供給および制御システムは、すべてのエンジン運転条件下でＳＣＲシステムを制御するには複雑および／または非効率であることが判明している。この問題は、ＳＣＲシステムに対する一時的なＮＯ_x排出量の影響が考慮されるときに特に深刻である。認識できるように、エンジン速度および負荷の連続的な変化のために、単位時間に発生する一酸化窒素の量ならびに排気ガスの流量および温度は大きな変動を受ける。

尿素ベースＳＣＲシステムは炭化水素およびアンモニアベースシステムに勝る多くの利点を有するが、過渡条件下で単位時間に排気ガスに導入される還元剤の量を迅速に調整することは困難である。別の問題は、すべての過渡条件下で還元剤と排気ガスとの良好な混合を促進できないことにある。良好な混合を促進して、還元剤の量を迅速に調節できないことは、ＮＯ_x還元効率に大きな影響を及ぼし、アンモニアスリップを生じさせることがある。アンモニアは有毒であるためにアンモニアスリップは深刻な問題に相当し、約５ｐｐｍの濃度においてすら、アンモニアは人間にとってかなりの臭気負荷を示す。その理由で、アンモニアの漏れを回避する必要がある。

したがって、特に車載ディーゼルおよび他のリーンバーンエンジン用のＳＣＲシステムに関する問題に対処するために、安全で、経済的で、かつ効果的な還元剤供給システムへの要望がある。

これら事情に鑑み、本発明は、その一態様として、リーンバーン内燃エンジンの排気の後処理システムのために、還元剤計量システムを提供する。この還元剤計量システムは、
（ａ）計量システム用ハウジングと、
（ｂ）前記計量システム用ハウジング内に配置され、前記内燃エンジンに送られる気化した還元剤を計量するシステムと、
（ｃ）前記計量システム用ハウジング内に配置され、液体状の還元剤の噴霧流を前記リーンバーン内燃エンジンへ送るシステムと
を備え、前記気化した還元剤を計量する操作から、前記液体状の還元剤の噴霧流をリーンバーン内燃エンジンへ送る操作へと操作が移行するというものである。

別の態様として、前記還元剤計量システムは、液体の還元剤が流体連通する複数のキャピラリー流路と、この複数のキャピラリー流路に沿って配置された熱源とをさらに備える。熱源は、複数のキャピラリー流路内の液体の還元剤を加熱して、還元剤の気体流として送り出すのに十分な能力を有するものである。還元剤計量システムは、この還元剤の気体流を、還元触媒の上流側の排気流へ送るように運転するのが好ましい。

また別の態様として、リーンバーン内燃エンジンの排気流のＮＯ_x排出を抑制するシステムを提供する。このシステムは、
（ａ）第１端および第２端を有する排気通路であって、前記第１端が前記リーンバーン内燃エンジンの排気流の少なくとも一部と連通している排気通路と、
（ｂ）前記排気通路の前記第１端と前記第２端との間に配置された脱ＮＯ_x触媒と、
（ｃ）前記排気通路に取り付けられ、前記脱ＮＯ_x触媒の上流側に配置された還元剤計量システムであって、（ｉ）計量システム用ハウジングと、（ｉｉ）前記計量システム用ハウジング内に配置され、前記リーンバーン内燃エンジンへ送られる気化した還元剤を計量するシステムと、（ｉｉｉ）前記計量システム用ハウジング内に配置され、液体状の還元剤の噴霧流をリーンバーン内燃エンジンへ送るシステムとを備えた還元剤計量システムと、
（ｄ）前記還元剤計量システムと流体連通した還元剤の供給源と、
（ｅ）前記リーンバーン内燃エンジンの運転条件を割り出す手段と、
（ｆ）前記排気通路内の排気流の温度を測定する手段と、
（ｇ）前記運転条件割り出し手段、前記温度測定手段および前記還元剤計量システムと相互に通信を行うコンピュータであって、前記ＮＯ_x還元剤を前記排気通路内へ噴射して、前記計量システムを制御するコンピュータとを備えたものである。

更に別の態様として、ＮＯ_x排出抑制システムを有するリーンバーン内燃エンジンの排気通路を流れる排気流のＮＯ_x排出を抑制する方法を提供する。この方法は、
（ａ）前記リーンバーン内燃エンジンの運転範囲の一部での、そして排気温度の範囲での還元剤の計量のために最適化量を予め定めるステップと、
（ｂ）脱ＮＯ_x触媒を前記排気通路内に配置するステップと、
（ｃ）排気流の温度を測定するステップと、
（ｄ）前記エンジンの運転条件を割り出すステップと、
（ｅ）前記エンジンが完全に暖まった状態になったかを割り出すステップと、
（ｆ）前記予め定められた最適な量、前記測定した排気温度、および前記割り出されたリーンバーン内燃エンジンの運転条件に基づいて、次のサイクル期間の量をコンピュータで計算するステップと、
（ｇ）前記還元剤の最適な量を計量するステップと
を含み、前記還元剤の最適な量を計量するステップが、前記排気通路に取り付けられ、前記脱ＮＯ_x触媒の上流側に配置された還元剤計量システムを利用するものであって、この還元剤計量システムが、（ｉ）計量システム用ハウジングと、（ｉｉ）この計量システム用ハウジング内に配置され、前記リーンバーン内燃エンジンに送られる気化した還元剤を計量するシステムと、（ｉｉｉ）前記計量システム用ハウジング内に配置され、液体状の還元剤の噴霧流を前記リーンバーン内燃エンジンへ送るシステムとを備えるとともに、前記エンジンが完全に暖まった状態になったかを割り出すステップに応じて、前記気化した還元剤を計量する操作から、前記液体状の還元剤の噴霧流をリーンバーン内燃エンジンへ送る操作へと操作が移行するというものである。

更なる態様として、自動車を提供する。この自動車は、自動車本体内に設けられたリーンバーン内燃エンジンと、このリーンバーン内燃エンジンの排気流のＮＯ_x排出を抑制するシステムとを備え、このシステムは、第１端および第２端を有する排気通路であって、前記第１端がリーンバーン内燃エンジンの排気流の少なくとも一部と連通している排気通路と、この排気通路の第１端と第２端との間に配置された脱ＮＯ_x触媒と、前記排気通路に取り付けられ、前記脱ＮＯ_x触媒の上流側に配置された還元剤計量システムであって、計量システム用ハウジングと、この計量システム用ハウジング内に配置され、前記リーンバーン内燃エンジンへ送られる気化した還元剤を計量するシステムと、前記計量システム用ハウジング内に配置され、液体状の還元剤の噴霧流をリーンバーン内燃エンジンへ送るシステムとを備えた還元剤計量システムと、前記還元剤計量システムと流体連通した還元剤の供給源と、前記リーンバーン内燃エンジンの運転条件を割り出す手段と、前記排気通路内の排気流の温度を測定する手段と、前記運転条件割り出し手段、前記温度測定手段および前記還元剤計量システムと相互に通信を行うコンピュータであって、前記ＮＯ_x還元剤を前記排気通路内へ噴射して、前記計量システムを制御するコンピュータとを備えたものである。

各キャピラリー流路は、キャピラリーチューブ内に形成することができる。熱源は、抵抗発熱体または電流が流れることによって加熱する管の区間を含むことができる。還元剤供給は、加圧または非加圧の液体状の還元剤を流路に送るようにすることができる。還元剤計量システムは、空気と混合して、２５μｍ以下の平均液滴径を有するエアゾールを形成するように、還元剤の気体流を供給する。

以下、添付図面を参照して、例示である本発明の好ましい実施の形態を用いて、本発明をより詳細に説明する。

図１〜５に示す実施形態を参照する。図中、同じ符号は、全体を通じて同じ構成要素を示すために使用している。

本明細書で用いる用語「リーンバーン」は、炭化水素燃料を理論空燃比で燃焼するのに必要な量よりも高い酸素濃度（例えば酸素が少なくとも１重量％高い濃度）で運転することができるエンジンを含むことを意味する。そのようなエンジンは、例えば、機械または電気エネルギーへ直接的または間接的に変換するような熱を提供するために、炭化水素燃料を燃焼させる全ての燃焼器、すなわち、オットー、ディーゼル、およびタービン型の内燃エンジンはもちろんのこと、バーナーおよび炉も含む。

ディーゼルを含むリーンバーン内燃エンジンで利用される種類の尿素ベースＳＣＲシステムでは、尿素水溶液はＳＣＲ触媒の上流側の排気中に導入される。尿素水溶液中に存在する尿素は、アンモニアに熱分解して、ＮＯ_x排出を低減するためにＳＣＲ触媒の下流側までに使用される。従来の還元剤供給システムでは、尿素を熱分解して排気流との良好な混合を可能にするのに十分な滞留時間を排気流に提供することが、システム性能全体にとって重要である。

周知のように、尿素を気化および分解するのには、かなりの熱が必要である。十分なシステム性能を達成するためには、水溶液中に過剰な尿素を供給することがしばしば必要である。熱分解を促進するための高温排ガス流に対する要求の結果として、従来の尿素ベースシステムはコールドスタートおよびウォームアップの間はしばしば使用不可にせねばならない。本明細書で開示した還元剤計量システムでは、計量システムが水溶液中の尿素を熱分解温度のすぐ下のレベルまで加熱して、コールドスタートおよびウォームアップ期間中でも尿素分解が計量システムの下流側で迅速に起こるようにする。

スペース利用およびシステム実装の観点から、下流計量バルブを有するマルチキャピラリー還元剤計量システムは、本明細書で説明する尿素ベースＳＣＲシステムにおいて特に有用性を有する。マルチキャピラリー還元剤計量システムは複数のキャピラリー流路を有し、各キャピラリー流路は気化尿素が必要に応じて供給されるように水溶液中の尿素を加熱できる。好都合には、本明細書で開示するマルチキャピラリー還元剤計量システムは非常に短いウォームアップ期間を必要として、比較的低い電力レベルで動作する。

本明細書で提供する還元剤計量システム設計は特に、計量システム本体での許容される圧力降下を供給すること、許容される尿素流量を提供すること、短いウォームアップ時間を供給すること、負荷サイクルと尿素の気化流との間の線形関係および低い電力レベルで動作する能力を提供することを含む、複数の設計要件を満足することを目指している。

コールドスタートおよびウォームアップの間、キャピラリー還元剤計量システムは、ＳＣＲ触媒の上流で排気流中に気化した尿素を計量する。その迅速なウォームアップ特徴は、従来システムよりも早く高いシステム効率を達成させることができる。

本発明のシステムは、ガソリン直噴エンジン（ＧＤＩ）によっても利用できる。ＧＤＩエンジンでは、燃料が蒸発して、空気と混合して点火前に空気および気化燃料の予混合を形成する微噴霧スプレーとして、シリンダ内に直接噴射される。現在のＧＤＩエンジンは、従来の間接噴射エンジンに固有のポンプ損失を減少させるために、部分負荷にて層状給気を用いて動作する。層状給気火花点火式エンジンは通例、燃料経済性の改善および排出量の還元のためにリーンバーンエンジンとして運転される。好ましくは希薄混合気全体が燃焼チャンバ内で形成されるが、点火時にスパークプラグの近くで化学量論的に、または燃料がやや多めに制御される。それ故化学量論的部分は容易に点火され、これは次に残りの希薄混合気を点火する。

本明細書において開示される種類の還元剤噴射システムは、複数のキャピラリーサイズ流路を含み、還元剤はその中を流れて、ディーゼルエンジンなどのリーンバーン内燃エンジンの排気システム後処理システム内に噴射される。キャピラリーサイズ流路は、好ましくは２ｍｍ未満の、さらに好ましくは１ｍｍ未満の、そして最も好ましくは０．７５ｍｍ未満の水力直径を備えることができる。水力直径は、流体輸送要素を通じた流体流の計算に使用される。水力半径は、流体と接触した固体境界の周囲長（一般に「湿潤」周囲長と呼ばれる）で割った流体輸送要素の流量領域として定義される。円形断面の流体輸送要素の場合、該要素がいっぱいに流れている水力半径は（πＤ²／４）／πＤ＝Ｄ／４である。非円形流体輸送要素での流体流の場合、水力直径が使用される。水力半径の定義より、円形断面を有する流体運搬要素の直径は、その水力半径の４倍である。したがって水力直径は、水力半径の４倍として定義される。

キャピラリー流路に沿って熱を印加するとき、流路に入る液体還元剤は通路に沿って移動するときに蒸気に変換される。還元剤を蒸気としてキャピラリー流路を出て、蒸気は場合により、わずかな割合の気化されていない加熱された液体還元剤を含むことがある。発生する複雑な物理的効果のためにすべての条件下で１００％の気化を達成することは困難であるが、それにもかかわらず完全な気化が望ましい。沸点は圧力依存性であり、圧力はキャピラリー流路内で変化し得るので、これらの複雑な物理的効果は還元剤の沸点の変動を含む。それ故還元剤の大部分がキャピラリー流路内での加熱中に沸点に達すると考えられるが、液体還元剤の一部は完全に気化するのに十分なほど加熱されないことがあり、液体還元剤の一部が気化流体と共にキャピラリー流路の出口を通過するという結果がもたらされる。

パルス当りの還元剤の正確な量を計量するという観点から、蒸気形または液体形のどちらかである還元剤を計量することが非常に望ましい。当業者によって認識できるように、計量バルブの領域にて２相流が発生した場合、各パルスによって計量される還元剤の実際の量は、確認がことのほか困難であり、非常に変化しやすい。そのため過剰量の還元剤が計量されると、アンモニアスリップまたは低いＮＯ_x還元システム効率が生じることがある。

各キャピラリーサイズの流体通路は好ましくは、単層または多層の金属、セラミックまたはガラス体などのキャピラリー体内に形成される。各通路は入口および出口へ開いた通じる包囲容積を有し、入口および出口のどちらか、または両方はキャピラリー体の外側に開いているか、あるいは同じ体内または別の体内の別の通路に、あるいは取付具に連結されている。キャピラリー体の一部、例えば商標Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｉｃｋｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの登録商標）チューブで販売されているものなどの、ステンレス鋼またはニッケルクロム合金の区間を使用してヒータを形成できる。あるいはヒータはキャピラリー体の中または上に含まれる抵抗加熱材料の分離された層またはワイヤでもよい。各流体通路は、入口および出口へ開き、そこに流体が通過する包囲容積を含む任意の形状であり得る。各流体通路は任意の所望の断面を有することができ、好ましい断面は均一な直径の円である。他のキャピラリー流体通路断面は、三角形、正方形、長方形、楕円形などの非円形形状または他の形状を含み、流体通路の断面は均一である必要はない。キャピラリー流路が金属キャピラリーによって画定される場合、各チューブは０．０１〜３ｍｍ、好ましくは０．１〜１ｍｍ、最も好ましくは０．３〜０．７５ｍｍの内径を有することができる。あるいはキャピラリー流路は、８×１０^-5〜７ｍｍ²、好ましくは８×１０^-3〜８×１０^-1ｍｍ²、さらに好ましくは７×１０^-2〜４．５×１０^-1ｍｍ²であり得る通路の横断面積によって画定できる。マルチキャピラリー、各種の圧力、各種のキャピラリー長、キャピラリーに印加される熱量、および各種の断面積の多くの組合せが所与の用途に適合し得る。

液体還元剤は、少なくとも０．７ｋｇ−ｍ／ｓｅｃ（１０ｐｓｉｇ）、好ましくは少なくとも１．４ｋｇ−ｍ／ｓｅｃ（２０ｐｓｉｇ）の圧力下でキャピラリー流路に供給できる。各キャピラリー流路がステンレス鋼またはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）合金の内部によって画定される場合、該チューブは約０．０５１〜０．０７６ｃｍ（０．０２０〜０．０３０インチ）の内径および約２．５〜７．６ｃｍ（１〜３インチ）の長さを有することができる。還元剤は好ましくは、必要質量流量を達成するために、キャピラリー流路に７．０ｋｇ−ｍ／ｓｅｃ（１００ｐｓｉｇ）以下の圧力にて供給される。本明細書で述べる種類の２〜４本のキャピラリー流路を用いると、高いＳＣＲ触媒効率を確保するために気化還元剤の十分な流れを供給できる。各キャピラリーチューブは低い熱慣性を有するとして特徴付けられることが重要であるので、各キャピラリー流路は、還元剤を非常に迅速に、好ましくは２．０秒以内に、さらに好ましくは０．５秒以内に、最も好ましくは０．１秒以内に気化させるために所望の温度まで上昇させることができ、このことはエンジンウォームアップを含む用途で有益である。低い熱慣性は、例えばエンジン負荷の突然の変化に対するＳＣＲ排気後処理システムの反応性を改善することによって、エンジンの通常運転中にも利点を提供する。

本明細書で述べる低い熱慣性キャピラリー流路を通じて還元剤を計量するために、先端部からの蒸気流を調節するのに有効なバルブ機構が必要である。本明細書で検討するキャピラリー流路の小さい熱質量のために、蒸気流を調節するのに使用されるバルブ機構は、ウォームアップ時間および有効性が損なわれないように、加熱されたシステムに最小限の熱質量を印加するように設計する必要がある。同様に気化還元剤が接触時に再凝結して、ＳＣＲ排気後処理システムの性能を脅かさないように、還元剤によって湿った表面積を最小化する必要がある。好都合には、キャピラリー流路を通じた蒸気流パスは能動的に加熱されるため、作用流体はバルブと接触するようになったときに蒸気相中にある。バルブ自体は能動的に加熱されないことが好ましい。

図１を参照すると、液体の還元剤の供給源Ｒから供給される液体還元剤を気化するための還元剤計量システム１００が模式的に示されている。還元剤計量システム１００は、還元剤計量システム用ハウジング１８０と、この還元剤計量システム用ハウジング１８０内に配置され、リーンバーン内燃エンジンの排気後処理システムへ送られる気化した還元剤を計量するシステム５０（図３を参照）と、この気化した還元剤を計量するシステム５０の下流側に配置された液体還元剤の噴霧流を送るシステム７０とを備えている。液体還元剤の噴霧流を送るシステム７０は、液体還元剤をその中に供給して、それを計量するために、上流側に位置する気化還元剤を計量するシステム５０に依存する。液体運転モードでは、気化還元剤を計量するシステム５０内で気化は発生しない。これは排気システム内では有効な様式で十分に達成されるからである。

還元剤計量システム１００は、気化した還元剤を計量する操作から、液体の還元剤の噴霧流を送る操作に、操作を移行することができる。還元剤計量システム１００は、還元剤Ｒの入口１９０および出口１９２を有する。本発明の実施にて有効性を有する計量システムの形の詳細は、２００４年５月２４日に出願した米国特許出願第１０／８４１，７１８号に示され、その内容は開示される全てについて本明細書の一部をなすものとする。１本以上のキャピラリー流路の上流に位置決めされた計量バルブを有する計量システムの形式が、２００２年５月１０日に出願した米国特許出願第１０／１４３，４３５号で開示された設計のように、本発明の実施での使用に望ましい場合、その内容は開示される全てについて本明細書の一部をなすものとする。

エンジンが低温のときに気化を達成するために、図２に示すように、加熱のために計量システムへ供給される電力を最小化することと、関連するウォームアップ時間を最短化することとの間にトレードオフが存在する。認識されるように、還元剤計量システムを加熱するために利用できる電力は利用可能なバッテリ電力に制限される。図２に示すように、初期加熱期間中の所要電力は、より迅速な加熱時間にとってさえトレードオフされ得る。例えば３０．６ｋｇ−ｍ／ｓｅｃ（３００Ｗ）の始動電力は還元剤計量システムを約１６０ｍｓ後に目標温度まで上昇させる。

図１を再び参照すると、還元剤計量システム１００は還元剤の気化流を生成可能であり、気化流は空気中で凝結して、普通、エアゾールと呼ばれる気化還元剤、液滴、および空気の混合物を形成する。１５０〜２００μｍザウター平均粒径（ＳＭＤ）の範囲の液滴より成るスプレーを送る、ディーゼル排気後処理システムで利用される従来の供給システムと比較して、本明細書で開示される還元剤計量システムによって生成されるエアゾールは、５０μｍＳＭＤ未満の、好ましくは２５μｍＳＭＤ未満の、なおさらに好ましくは１５μｍＳＭＤ未満の平均液滴径を有する。

従来の還元剤供給システムと本明細書で開示される還元剤計量システムとの液滴径分布の差は、コールドスタートおよびウォームアップ状態の間に特に重要である。特に還元剤を計量するために従来の供給システムを使用すると、比較的低温の排気システム成分が高レベルの還元剤の使用を必要とするので、十分な量の分量が、尿素ベースシステムの場合には望ましくないアンモニアスリップを引き起こすか、または還元剤インジェクタを全く使用不能にする。反対に、本明細書で開示される計量システムによって生成された気化還元剤および還元剤の微小液滴は、より容易にアンモニアに分解するので、過度に高いレベルの還元剤にて運転する必要がなくなり、アンモニアスリップのリスクを冒さずに済む。ブレークスルーの排除は、本明細書で開示される還元剤計量システムの使用によってもたらされるより正確な制御と組合されて、従来の排気後処理システムを利用するエンジンによって生成される排出量と比較して、コールドスタートＮＯ_x排出量の大幅な低減をもたらすことができる。

還元剤は計量システムに、７．０ｋｇ−ｍ／ｓｅｃ（１００ｐｓｉｇ）未満の、好ましくは４．９ｋｇ−ｍ／ｓｅｃ（７０ｐｓｉｇ）未満の、さらに好ましくは４．２ｋｇ−ｍ／ｓｅｃ（６０ｐｓｉｇ）未満の、なおさらに好ましくは３．２ｋｇ−ｍ／ｓｅｃ（４５ｐｓｉｇ）未満の圧力にて供給できる。気化還元剤が周囲温度にて空気中で凝結するときに、この計量システムが、サイズがおおよそ２〜３０μｍＳＭＤの範囲に渡り、平均液滴径が約５〜１５μｍＳＭＤであるエアゾール液滴の分布を形成する気化還元剤を生成することが示されている。迅速およびほぼ完全な気化を達成するために好ましい液滴径は、約２５μｍ未満である。この結果は、約３０．６〜４０．８ｋｇ−ｍ／ｓｅｃ（３００〜４００Ｗ）、例えば電力２０．４ｋｇ−ｍ／ｓｅｃ（２００Ｗ）をキャピラリー束に印加することによって達成できる。チューブをその長さに沿って加熱するための代案は、流路の周囲に位置決めされた電気コイルなどによる誘導加熱を含むことができ、排気システムが通常の運転温度に達した後に、排気ガス自体が還元剤の適正な分解を提供するために十分な熱を供給できる。ある期間の後に、多くはエンジン始動から約６０秒未満で、キャピラリーを加熱するために使用される電力を遮断して、液体噴射を開始させることができる。

ここで図３を参照すると、好ましい形式に従った、リーンバーン内燃エンジンの排気からのＮＯ_xレベルの還元のためのシステム２００が、ディーゼルエンジンなどのリーンバーン内燃エンジン２１２と連結して示されている。排気は排気通路２１１を介してエンジン２１２を出て、下流へ触媒コンバータ２１３まで流れて、出口２１４を出る。触媒コンバータ２１３は、好都合にはＺＳＭ−５などのゼオライト触媒、貴金属ベース触媒、またはその組合せである脱ＮＯ_x触媒を含む。当業者によって認識されるように、周知の種類の酸化触媒を含むことも望ましく、酸化触媒は脱ＮＯ_x触媒の下流に位置決めされる。当業者によってまた認識されるように、リーンバーンディーゼルエンジンの場合、脱ＮＯ_x触媒と酸化触媒との間への三元触媒の包含は、排気が脱ＮＯ_x触媒を通過した後に存在する望ましくない窒素化合物の還元を補助できる。

排気ガスがエンジン２１２を出るとき、還元剤、特に水中尿素ブレンドの量が還元剤計量システム１００の使用によって排気通路２１１内へ計量される。好ましい水中尿素還元剤の使用は、脱ＮＯ_x触媒の後に測定されるように、ＮＯ_x化合物の９０％超の還元を可能にする。次に排気ガスは、未燃焼炭化水素のレベルを低下させるように作用する酸化触媒（図示せず）を通過する。

運転にあたり、還元剤計量システム１００は水中尿素ブレンドの最適化量を導入し、その量は排気温度およびエンジン２１２の運転条件に依存する。「最適化量」とは、アンモニアブレークスルーまたはスリップを被ることなく、所与の排気温度および運転条件で最大の総ＮＯ_x還元を生じる量を意味する。これは還元剤計量システム１００を制御する能力を有するコンピュータ２１６を利用することによって実現される。コンピュータ２１６はワイヤハーネス２２１を使用して操作可能に連結される。コンピュータ２１６は温度センサ２２２によって排気温度を周期的に決定して、センサ２２３によってエンジン２１２の運転条件を監視する。認識されるように自動車用途では、コンピュータ２１６が車両の運転条件、例えばエンジンｒｐｍ、エンジン負荷および車両速度を周期的に決定することがしばしば望ましい。

上で示したように、水中尿素ブレンドは本発明の実施での使用に好ましい。しかしながら当業者によって理解されるように、任意の適切なＮＯ_x還元剤も利用できる。好ましくは、水中尿素ブレンドはタンク２２６に格納されて、コンジット２２７を通じて還元剤計量システム１００に送られる。ポンプ２３０は還元剤をコンジット２２７に送り、同時に圧力調整器２３１は、還元剤計量システム１００に対する流体圧を予め定めたレベルで維持する。還元剤は還元剤計量システム１００へ進む途中でフィルタ２２８を通過して、その一部はシステム２００の運転中に、調整器２３１を通じて再循環されてタンク２２６に戻る。

排気のＮＯ_x濃度がエンジン運転条件の関数であることが既知であるが、これらの変数の関係は、エンジン間で変化することが既知である。加えてＮＯ_x還元を引き起こす化学反応は、排気温度に対して感受性であり、関係は非線形であることが既知である。結果として、所与のエンジンの経験データを収集して、コンピュータ２１６内のメモリ位置へ続いて格納することが好ましい。それ故アルゴリズムを使用して、コンピュータ２１６は、検知した排気温度およびエンジン運転条件に基づく最適化量に対応するために、還元剤計量システム１００の還元剤の量を周期的に調整できる。

次に経験データはパルス幅および負荷サイクル値に変換される。このようにしてコンピュータ２１６はエンジンの運転条件を検知して、排気温度を測定し、メモリに格納されたルックアップテーブルから最適化されたパルス幅および負荷サイクルを決定する。一部の用途では、経験データをコンピュータがルックアップの代わりとして利用する数式に変換することも望ましい。そのような場合には、パルス幅および負荷サイクルは、検知したエンジン運転条件および排気温度を利用する関数を使用して計算される。

運転にあたり、コンピュータはエンジンが始動しているかどうか、エンジンが暖かいかどうかを判定する。エンジンがクラッキングしているか、暖かくない場合、コンピュータは還元剤計量システム１００のキャピラリー流路の加熱を開始する。次にコンピュータはエンジン運転条件をエンジンセンサ２２３から読み取り、排気温度を温度センサ２２２から読み取り、最適化された噴射量を上述のように計算する。噴射量がゼロより大きい場合、ポンプが作動される。ポンプが作動している場合、コンピュータは還元剤計量システムに還元剤の最適化量を噴射するように命令する。

その内容が本明細書の一部をなすものとする２００２年１０月３１日に出願した米国特許出願第１０／２８４，１８０号に開示されているように、キャピラリー流路の抵抗は、測定抵抗の低温キャピラリー流路抵抗に対する目標比（Ｒ／Ｒ₀）を維持するために、フィードバック測定値として使用されて、キャピラリー流路に対する適切な調整を電力で決定する。この技法は、高品質の蒸気がコールドスタートおよびウォームアップ期間を通じて排気流中に噴射されるために使用する場合に特に好都合である。前の時間ステップでのキャピラリー流路の抵抗が現在の時間ステップでキャピラリー流路に供給される電力に対する有限修正の基準として使用されるＰＩＤコントローラを使用して、アナログ制御アルゴリズムを採用できる。そのようなアナログ制御方法によって、キャピラリー流路に供給される電力は、ゼロから最大許容値までの範囲全体におよび得る。しかしながら理想的には、キャピラリー流路への電力は、制御アルゴリズムが突然の変化に効果的に反応できるように、利用可能な電力よりも著しく小さくなる。完全に暖まった運転のために、キャピラリーは加熱されないままとされ、還元剤計量システムは従来の計量バルブそっくりに機能する。

実験室ベンチ試験は、マイクロダイアフラムポンプシステムによって一定圧にて以下で述べるキャピラリーに供給された２０％尿素および８０％水のブレンドを使用して実施した。ピーク液滴径および液滴径分布は、Ｍａｌｖｅｒｎによって製造されたＳｐｒａｙ−Ｔｅｃｈレーザ回折システムを使用して測定した。液滴径はザウター平均粒径（ＳＭＤ）で与えられる。ＳＭＤは、その表面対体積比がスプレー全体の表面対体積比と等しい液滴の直径であり、質量移動特徴に関連している。

本目的は、本明細書で検討する種類の加熱したキャピラリーを使用して、尿素２０％および水８０％の溶液のエアゾール化の実現可能性を判定することであった。尿素溶液は、３５ゲージ外部チップを備えた長さ３５ｍｍのキャピラリーを通じて、１０μｌ／秒の体積流量にてポンプ供給された。

図４は、５秒間のエアゾール発生時間について、キャピラリーヒータ調整の間に得られた試験結果を示す。各抵抗標的について３回の実験を実施した。尿素は、加熱されたキャピラリーの下流に位置決めされたフィルタ要素を使用して回収した。フィルタによって回収された尿素は、１．３３〜１．８４ｋｇ−ｍ／ｓｅｃ（１３〜１８Ｗ）の電力範囲に渡って計量された量の８８％〜９９％の範囲であり、システムの高いエアゾール化効率を示した。全回収量は計量された量のパーセントとして、試験された電力範囲に渡って９５．７％〜１１４．９％の範囲であった。結果は図４の低い標準偏差によって示されるように、非常に再現性であった。加えて２０％尿素濃度レベルではキャピラリーの目詰まりの徴候はなかった。

図５は、空気流量３０Ｉｐｍで運転した１０ステージＭＯＵＤＩカスケードインパクタを使用して測定した尿素エアゾールの粒径分布を示す。１．７３ｋｇ−ｍ／ｓｅｃ（１７Ｗ）の電力にてインパクタ測定を３回行った。全尿素回収量は８９％〜９１％の範囲であり、良好な質量平衡および正確な粒径分布測定値を示した。尿素ＭＭＡＤおよびＧＳＤの平均標準偏差値はそれぞれ３．６（０．０６）μｍおよび１．５（０．０２）であった。粒径分布は図５に示すように二峰性であった。

本発明を図面および上の説明で詳細に例示および説明したが、開示した実施形態は例示的であり、限定する性質のものではない。本発明の範囲内に含まれるすべての変更および改良は、保護されることが望ましい。

還元剤計量システムの一実施形態を示す模式図である。 計量システムへ供給される電力を最小化することと、各種の加熱質量での計量システムに関連するウォームアップ時間を最短化することとの間のトレードオフを示すグラフである。 ＮＯ_x還元システムの一実施形態を示す模式図である。 ２０％尿素水溶液のキャピラリーヒータ調整結果を示す。 ２０％尿素水溶液の粒径分布を示す。

Claims (14)

1. リーンバーン内燃エンジンに送る還元剤の量を計量するシステムであって、
   （ａ）計量システム用ハウジングと、
   （ｂ）前記計量システム用ハウジング内に配置され、前記内燃エンジンに送られる気化した還元剤を計量するシステムであって、
   （ｉ）前記計量システム用ハウジング内に取り付けられ、それぞれ入口端および出口端を有する複数のキャピラリー流路と、
   （ｉｉ）前記複数のキャピラリー流路に沿って配置されており、前記複数のキャピラリー流路内の還元剤を加熱して、液体状態から気体状態に変化させるとともに、この気化した還元剤を前記各キャピラリー流路の出口端から送り出す熱源と
   （ｉｉｉ）前記計量システム用ハウジング内に配置され、前記複数のキャピラリー流路の前記出口端に隣接したバルブと
   を備えたシステムと、
   （ｃ）前記計量システム用ハウジング内に配置され、液体状の還元剤の噴霧流を前記リーンバーン内燃エンジンへ送るシステムと
   を備え、前記気化した還元剤を計量する操作から、前記液体状の還元剤の噴霧流をリーンバーン内燃エンジンへ送る操作へと操作が移行する還元剤計量システム。
2. 前記バルブが、前記複数のキャピラリー流路の前記出口端の下流側に配置されている請求項１に記載の還元剤計量システム。
3. 前記液体状の還元剤の噴霧流を内燃エンジンに送るシステムが、複数のオリフィスを有するオリフィスプレートを備えた請求項１又は２に記載の還元剤計量システム。
4. 本還元剤計量システムが、前記気化した還元剤を計量する操作から前記液体状の還元剤の噴霧流を送る操作に移行するときに、前記気化した還元剤を計量するシステムのバルブが、前記液体状の還元剤を計量するように動作する請求項１〜３のいずれか一項に記載の還元剤計量システム。
5. 前記熱源が抵抗ヒータを含む請求項２〜４のいずれか一項に記載の還元剤計量システム。
6. 前記還元剤が尿素を含む請求項１〜５のいずれか一項に記載の還元剤計量システム。
7. 前記還元剤が尿素と水の混合物である請求項１〜６のいずれか一項に記載の還元剤計量システム。
8. 前記還元剤が尿素２０容量％と水８０容量％の混合物である請求項１〜７のいずれか一項に記載の還元剤計量システム。
9. リーンバーン内燃エンジンの排気流のＮＯ_x排出を低減するシステムであって、
   （ａ）第１端および第２端を有する排気通路であって、前記第１端が前記リーンバーン内燃エンジンの排気流の少なくとも一部と連通している排気通路と、
   （ｂ）前記排気通路の前記第１端と前記第２端との間に配置された脱ＮＯ_x触媒と、
   （ｃ）前記排気通路に取り付けられ、前記脱ＮＯ_x触媒の上流側に配置された還元剤計量システムであって、
   （ｉ）計量システム用ハウジングと、
   （ｉｉ）前記計量システム用ハウジング内に配置され、前記リーンバーン内燃エンジンへ送られる気化した還元剤を計量するシステムであって、（１）前記計量システム用ハウジング内に取り付けられ、入口端および出口端を有する複数のキャピラリー流路と、（２）前記複数のキャピラリー流路の各々に沿って配置されており、前記複数のキャピラリー流路内の各還元剤を加熱して、液体状態から気体状態に変化させるとともに、この気化した還元剤を前記複数のキャピラリー流路の各出口端から送り出す熱源と、（３）前記計量システム用ハウジング内に配置され、前記複数のキャピラリー流路の前記出口端に隣接したバルブとを備えたシステムと、
   （ｉｉｉ）前記計量システム用ハウジング内に配置され、液体状の還元剤の噴霧流をリーンバーン内燃エンジンへ送るシステムとを備えた還元剤計量システムと、
   （ｄ）前記還元剤計量システムと流体連通した還元剤の供給源と、
   （ｅ）前記リーンバーン内燃エンジンの運転条件を割り出す手段と、
   （ｆ）前記排気通路内の排気流の温度を測定する手段と、
   （ｇ）前記運転条件割り出し手段、前記温度測定手段および前記還元剤計量システムと相互に通信を行うコンピュータであって、前記ＮＯ_x還元剤を前記排気通路内へ噴射して、前記計量システムを制御するコンピュータと
   を備えたＮＯ_x排出抑制システム。
10. 前記バルブが前記複数のキャピラリー流路の前記出口端の下流側に配置されている請求項９に記載のＮＯ_x排出抑制システム。
11. ＮＯ_x排出抑制システムを有するリーンバーン内燃エンジンの排気通路を流れる排気流のＮＯ_x排出を抑制する方法であって、
    （ａ）前記リーンバーン内燃エンジンの運転範囲の一部での、そして排気温度の範囲での還元剤の計量のために最適化量を予め定めるステップと、
    （ｂ）脱ＮＯ_x触媒を前記排気通路内に配置するステップと、
    （ｃ）排気流の温度を測定するステップと、
    （ｄ）前記エンジンの運転条件を割り出すステップと、
    （ｅ）前記エンジンが完全に暖まった状態になったかを割り出すステップと、
    （ｆ）前記予め定められた最適な量、前記測定した排気温度、および前記割り出されたリーンバーン内燃エンジンの運転条件に基づいて、次のサイクル期間の量をコンピュータで計算するステップと、
    （ｇ）前記還元剤の最適な量を計量するステップと
    を含み、
    前記還元剤の最適な量を計量するステップが、前記排気通路に取り付けられ、前記脱ＮＯ_x触媒の上流側に配置された還元剤計量システムを利用するものであって、この還元剤計量システムが、
    （ｉ）計量システム用ハウジングと、
    （ｉｉ）この計量システム用ハウジング内に配置され、前記リーンバーン内燃エンジンに送られる気化した還元剤を計量するシステムと、
    （ｉｉｉ）前記計量システム用ハウジング内に配置され、液体状の還元剤の噴霧流を前記リーンバーン内燃エンジンへ送るシステムとを備えるとともに、
    前記エンジンが完全に暖まった状態になったかを割り出すステップに応じて、前記気化した還元剤を計量する操作から、前記液体状の還元剤の噴霧流をリーンバーン内燃エンジンへ送る操作へと操作が移行し、気化した還元剤を計量する前記システムが、（１）前記計量システム用ハウジング内に取り付けられ、入口端および出口端を有する複数のキャピラリー流路と、（２）前記複数のキャピラリー流路の各々に沿って配置されており、前記複数のキャピラリー流路内の各還元剤を加熱して、液体状態から気体状態に変化させるとともに、この気化した還元剤を前記複数のキャピラリー流路の各出口端から送り出す熱源と、（３）前記計量システム用ハウジング内に配置され、前記複数のキャピラリー流路の前記出口端に隣接したバルブとを備えたＮＯ_x排出抑制方法。
12. 前記最適な量は、用いるリーンバーン内燃エンジンから経験的に予め定める請求項１１に記載のＮＯ_x排出抑制方法。
13. （ｈ）前記コンピュータで計算するステップで用いるコンピュータのメモリに、前記予め定めた最適な量を格納するステップをさらに含む請求項１１又は１２に記載のＮＯ_x排出抑制方法。
14. 前記コンピュータで計算するステップが、
    （ｉ）前記メモリにアクセスするステップと、
    （ｉｉ）前記測定した排気温度および前記割り出した内燃機関の運転条件に対応する最も近い最適な量を選択するステップと、
    （ｉｉｉ）前記還元剤計量システムを制御して、前記最適な量の還元剤を前記排気流に送るステップと
    を含む請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のＮＯ_x排出抑制方法。

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