JP2004509276A - 還元剤を調量する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、還元剤、特に尿素もしくは尿素・水溶液を調量する装置であって、排ガス特にディーゼル機関の排ガスから窒素酸化物を除去するための触媒コンバータ（３０）に、還元剤を供給するための手段が設けられている形式のものに関する。このような形式の装置において、本発明では、前記手段が、調量ポンプ（４，４ａ；８０，４ａ）を有しており、該調量ポンプの後ろにオリフィス装置（８ａ，７１）が接続されていて、該オリフィス装置を通して供給を行うことができ、そして調量ポンプとオリフィス装置との間に、還元剤の供給を調整する別のエレメントはなんら配置されていない。このような配置形式によって、コンパクトな構造形式を得ることができ、さらに摩耗に対して敏感な構成成分を省くことができる。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載された、還元剤を調量する装置、特に触媒コンバータによる排ガス後処理の領域における、尿素もしくは尿素・水溶液を調量する装置に関する。
【０００２】
排ガス中におけるＮＯ_Ｘ成分の減少を達成するために、特にディーゼル機関のためには還元型触媒コンバータが開発されており、この還元型触媒コンバータは通常、いわゆるＳＣＲ触媒コンバータ（英語「Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｋｔｉｏｎ」）とアキュムレータ触媒コンバータ（Ｓｐｅｉｃｈｅｒ−Ｋａｔａｌｙｓａｔｏｒｅｎ）とに分けられる。いわゆるＳＣＲ触媒コンバータは、尿素及び／又はアンモニア還元剤供給によって再生され、これに対していわゆるアキュムレータ触媒コンバータは、いわゆる排ガスリッチ相（Ａｂｇａｓｆｅｔｔｐｈａｓｅｎ）において連行される内燃機関燃料の炭化水素によって再生される。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願第１９９４６９００．８号明細書に開示された装置は、例えばディーゼル機関からの排ガス中における窒素酸化物を除去するために、尿素を還元剤として調量添加する。そのためにフィードポンプ及び調量弁が設けられている。調量弁として使用される汎用の２ポート２位置方向切換え弁は、排ガス管路系に直接取り付けるためには、熱耐性が不十分であり、かつ圧力空気による助成によって運転されねばならない。
【０００４】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載のように構成された本発明による調量装置には、公知のものに比べて次のような利点がある。すなわち本発明による調量装置では、もはや噴射弁は不要である。それというのは特にステップモータによって駆動可能な調量ポンプが、還元剤の調量とフィードとを実行するからである。調量装置の数少ない構成部材数と構造寸法の小型化とによって、組立ての手間及びコストが減じられ、コンパクトな構造形式が得られ、製造コスト及び系コストが安価になる。構成成分が少数であるということは、シール箇所が少数であるということを意味し、ひいては漏れに関して高い運転確実性を意味する。誤差に関連する構成部材の数が少ないということは、調量精度の上昇をも意味する。例えば逆止弁のようなばね負荷された接着に対して敏感な構成成分は省くことができる。オリフィス装置は、調量装置のコンパクトな構造にもかかわらず、調量された液体のスプレ形成もしくは霧化を保証する。調量装置はさらに圧力空気による助成なしに運転することができる。
【０００５】
請求項１記載の調量装置の別の有利な構成は、請求項２以下に記載されている。高温耐性の材料、特にセラミックから成るポンプエレメント及び／又はオリフィスエレメントを使用すると、調量装置を例えばトラックの排ガス装置に直接取り付けるもしくは排ガス装置内に直接組込みことができるので、特に有利である。
【０００６】
図面
次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【０００７】
図１は、水タンクと尿素タンクと触媒コンバータとを備えた調量装置を示す図である。
【０００８】
図２は、空気供給のための手段を備えていない、別の実施例による調量装置を示す図である。
【０００９】
図３は、本発明のさらに別の実施例を示す図である。
【００１０】
実施例の記載
図１には符号１で尿素タンクが示されており、この尿素タンク１からは尿素・水溶液が、逆止弁２とフィルタシブとして形成されたフィルタ３とを備えた尿素管路１ａを介して、調量ポンプ４によって吸い出されて、混合室８のピンホールオリフィス（Ｌｏｃｈｂｌｅｎｄｅ）８ａに圧送される。ポンプ４はステップモータ４ａを介して回転数もしくは回転角制御されている。圧力空気タンク２０からは圧力空気が、フィルタシブ２１、２ポート２位置方向切換え弁２２、絞り２３及び逆止弁２４を備えた圧力空気管路２ａを介して、混合室８にもたらされる。混合室８からはエーロゾル管路２５が触媒コンバータ３０の入口領域７０に通じており、この触媒コンバータ３０は入口領域の向こう側に排ガス供給部２９を有し、かつ反対側に排ガス出口３１を有している。尿素タンク１はレベルセンサ５２と温度センサ５１とを備えている。温度センサ５３，５４は触媒コンバータ３０の入口もしくは出口における排ガスの温度を測定する。さらに２ポート２位置方向切換え弁２２と絞り２３との間には、圧力センサ５５が設けられている。温度センサ５６は金属製のケーシングブロック４１の温度を測定し、このケーシングブロック４１には、符号４１で示された２点鎖線で囲まれた構成成分が配置もしくは組み込まれている。ケーシングブロック４１にはさらに制御装置４０が設けられており、この制御装置４０はセンサ５０〜５６及び、調量ポンプ４の制御モータ４ａと電気接続されている。ケーシングブロック４１はアース接続されていて、制御装置４０は、ケーシングブロック４１の電位を基準電位として受け取っている。ＣＡＮデータライン（ＣＡＮは英語表現の「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ」の略である）３９を介して制御装置４０は、電圧供給部及びその他の電子的な構成成分、特に機関制御装置と接続されている。
【００１１】
調量ポンプ４は、必要な尿素水溶液をピンホールオリフィス８ａを通して混合室８内に調量供給する。混合室８内において、尿素水溶液に圧力空気が加えられて、エーロゾル及び壁膜が生ぜしめられ、このエーロゾルもしくは壁膜はエーロゾル管路２５を介して触媒コンバータ３０内にもたらされる。制御装置４０は、上位の機関制御装置からＣＡＮデータライン３９を介して送られる機関運転状態に関するデータと、自体公知でありゆえにここでは詳説しない圧力センサ、温度センサもしくはレベルセンサ５１〜５６からの信号とを得る。制御装置４０はセンサ情報及び機関制御装置からの情報に基づいて、触媒コンバータ３０を貫流する排ガスに加えるべき尿素調量量を算出する。制御装置４０は調量ポンプ４及び２ポート２位置方向切換え弁２２を用いて、そのために必要な尿素・水溶液圧もしくは圧力空気管路内における圧力を調整する。つまり尿素の調量は、調量ポンプを用いてピンホールオリフィスを貫いてのみ行われる。調量ポンプとオリフィス装置との間には、還元剤供給を調整する別のエレメント、例えば調量弁は配置されていないので、調量ポンプは、尿素・水溶液の容量的な調量（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｓｃｈｅ Ｚｕｍｅｓｓｕｎｇ）の機能を引き受け、ピンホールオリフィスは混合室内における尿素・水溶液の霧化を助成する。
【００１２】
ピンホールオリフィス８ａは空間的に調量ポンプ４の近傍に配置されており、その結果ポンプの圧力側における逆止弁は、ピンホールオリフィス８ａによって液体用の管路が空になることを阻止する。調量ポンプ４とピンホールオリフィス８ａとの間の間隔が大きい場合又は、スリット制御される調量ポンプ（逆止弁なし）を使用する場合には、ピンホールオリフィス８ａの直線に配置されていて図１には示されていない逆止弁によって、ピンホールオリフィス８ａを通して管路が空になることを阻止することができる。
【００１３】
択一的に調量装置を、圧力空気による助成なしに、つまり構成部材２０〜２４を省いて、使用することもできる。
【００１４】
択一的にまた、調量ポンプとオリフィス装置（Ｂｌｅｎｄｅｎａｎｏｒｄｎｕｎｇ）との間に、所定の最低圧以上で初めて流れ方向において開放する逆止弁を配置することも可能であり、この結果ポンプの停止時に絞りを通して管路が空になることを、阻止することができる。
【００１５】
別の択一的な構成では、絞りオリフィス（Ｄｒｏｓｓｅｌｂｌｅｎｄｅ）が弁として形成されており、その結果ピンホールオリフィスの直径を変化させることができる。
【００１６】
さらに調量ポンプとオリフィス装置との間に圧力センサが設けられていてのよく、この圧力センサは管路圧に関する情報を制御装置４０に送り、この制御装置４０自体はこの情報を調量ポンプを制御するために利用することができる。
【００１７】
別の変化態様では、調量ポンプとオリフィス装置との間に電気作動式の遮断弁が設けられている。
【００１８】
さらに、調量ポンプとオリフィス装置との間に２ポート２位置方向切換え弁を配置することも可能であり、この２ポート２位置方向切換え弁を介して尿素管路を空気抜きすることができる。また２ポート２位置方向切換え弁を介して、調量ポンプとオリフィス装置との間における管路に、尿素タンクに通じる戻し管路を連結することも可能であり、このようになっていると、場合によっては生じる過圧を消滅させることができる。
【００１９】
図２には図１におけると同様に符号１で尿素タンクが示されており、この尿素タンク１からは尿素・水溶液が、フィルタシブとして形成されたフィルタ３を備えた尿素管路１ａを介して、調量ポンプ４によって吸い出されて、触媒コンバータ３０の入口領域７０の絞りオリフィス７１に圧送される。ポンプ４ははステップモータ４ａを介して回転数制御されている。ポンプ４は絞りオリフィスと一緒に入口領域７０に固定されている。
【００２０】
触媒コンバータ３０は入口領域の向こう側に排ガス供給部２９を有し、かつ反対側に排ガス出口３１を有している。尿素タンク１はレベルセンサ５２と温度センサ５１とを備えている。温度センサ５３，５４は触媒コンバータ３０の入口もしくは出口における排ガスの温度を測定する。電子制御装置４０はセンサ５１，５２，５４及び調量ポンプ４の制御モータ４ａと電気接続されている。ＣＡＮデータライン（ＣＡＮは英語表現の「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ」の略である）３９を介して制御装置４０は、自動車における電圧供給部及びその他の電子的な構成成分、特に機関制御装置と接続されている。
【００２１】
制御装置４０は図１に示された実施例同様、上位の機関制御装置からＣＡＮデータライン３９を介して送られる機関運転状態に関するデータと、温度センサもしくはレベルセンサ５１〜５４からの信号とを得る。制御装置４０は、センサ情報及び機関制御装置からの情報に基づいて尿素調量量を算出して、調量ポンプ４を用いて必要な尿素・水溶液圧を調整する。調量ポンプ４は、制御装置４０によって制御されるステップモータ４ａによって駆動されて、調量された必要な尿素・水溶液を絞りオリフィス７１を通して、直接、入口領域７０内にもたらす。絞りオリフィス７１は混合室内におけるこの溶液の霧化を助成する。
【００２２】
図３には、図２に示された調量ポンプ４に相当するスリット制御される調量ポンプ４を、択一的な触媒コンバータの円筒形に形成された入口領域７０′にどのように固定するかが示されている。調量ポンプは円筒形の出口通路８３を介して入口領域と接続されており、入口領域の側における出口通路の端部には絞りオリフィス７１が配置されている。調量ポンプ８０はさらに入口通路８４を介して、図２に示された尿素タンク１と同様の尿素タンク１に通じる尿素管路と接続されている。ポンプ４のコア部材はセラミック材料製の円筒形の行程ピストン８１であり、この行程ピストン８１はぴったりと嵌合してセラミックシリンダ８２の内部に回転可能に支承されている。行程ピストンは切欠き８５を有している。例えばセラミックピストン及びセラミックシリンダのための材料としては、酸化アルミニウム又は酸化ジルコンのような酸化物が使用される。
【００２３】
回転するセラミックピストン８１は還元剤を調量するために周期的な行程運動を実施する。行程運動は調量ポンプの軸方向において行われる。入口通路８４から流出通路８３内への材料搬送は、切欠き８５が通路８３，８４の高さを占めている場合に行われる。切欠き８５は次のように寸法設定されている。すなわちこの場合、切欠き８５が入口通路に向かい合っている場合に、この入口通路から切欠きに還元剤を満たすことができ、切欠きは１／４回転中、捉えた還元剤を完全に取り囲み、ピストンは両通路を互いに対して完全にシールすべく切り離しており、さらに１／４回転した時に、切欠きを用いて搬送された容量が出口通路に引き渡されるようになっている。調量は、セラミックシリンダ内におけるセラミックピストンの回転数及び／又は角速度を介して、及び／又は行程運動の制御を介して行われる。出口通路８３内に流出する液体は、最終的に絞りオリフィス７１を介して、触媒コンバータの入口領域７０′内に達する。
【００２４】
調量ポンプ８０の停止時にピンホールオリフィス７１を通して、液体を満たされた管路８３が空になることを回避するために、付加的にピンホールオリフィス７１の直前に、貫流方向において開放する逆止弁（図３には図示せず）を配置することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
水タンクと尿素タンクと触媒コンバータとを備えた調量装置を示す図である。
【図２】
空気供給のための手段を備えていない、別の実施例による調量装置を示す図である。
【図３】
本発明のさらに別の実施例を示す図である。

Claims (13)

1. 還元剤、特に尿素もしくは尿素・水溶液を調量する装置であって、排ガス特にディーゼル機関の排ガスから窒素酸化物を除去するための触媒コンバータ（３０）に、還元剤を供給するための手段が設けられている形式のものにおいて、前記手段が、調量ポンプ（４，４ａ；８０，４ａ）を有しており、該調量ポンプの後ろに、還元剤を霧化するためにオリフィス装置（８ａ，７１）が接続されていて、該オリフィス装置を通して供給を行うことができ、しかも調量がもっぱら調量ポンプを用いて行われることを特徴とする、還元剤を調量する装置。
2. 調量ポンプ（４，４ａ；８０，４ａ）がステップモータ（４ａ）を用いて制御可能である、請求項１記載の装置。
3. 調量ポンプがスリット制御されて作動する、請求項１又は２記載の装置。
4. 調量ポンプ（８０）のポンプヘッド（８１，８２）が、熱に対して高い耐性を有する材料、特にセラミックから構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. オリフィス装置（８ａ；７１）が、熱に対して高い耐性を有する材料、特にセラミックから構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. オリフィス装置が、触媒コンバータ（３０）の入口領域（７０）に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. オリフィス装置が絞りオリフィス（７１）である、請求項６記載の装置。
8. オリフィス装置が混合室（８）に配置されており、その結果還元剤をエーロゾル形成のために混合室内にもたらすことができる、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
9. オリフィス装置がピンホールオリフィスである、請求項８記載の装置。
10. エーロゾルがエーロゾル管路（２５）を介して、触媒コンバータ（３０）の入口領域（７０）内に導入可能である、請求項８又は９記載の装置。
11. 混合室（８）内に調量された空気を供給するための手段（２０，２１，２２，２３，２４，５５）が設けられている、請求項８から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 調量ポンプ（４，４ａ；８０，４ａ）が、ＣＡＮデータライン（３９）と接続可能な制御装置（４０）に接続されており、その結果制御装置が、幾つかのセンサ（５１，５２，５３，５４，５５，５６）の電気信号及び、ＣＡＮデータラインに接続された装置、特に機関制御装置の電気信号を利用して、制御可能である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 調量ポンプとオリフィス装置との間に逆止弁が配置されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置。