JP5457444B2 - 尿素水溶液登算方式を作動するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体反応物質（特に、液体尿素水溶液）を排気システムに提供するための装置を作動するための方法に関する。そこにおいて、装置は、接続ラインを介して互いに接続される少なくとも１つのタンクおよび噴射ノズルを有する。接続ラインはまた、反応物質を搬送するためのポンプを含む。そしてさらに、ポンプと噴射ノズルとの間には、接続ラインからタンクへの制御可能な戻りラインが設けられる。本発明は、自動車において提供される注入システムにおいて、特に用いられる。

特にディーゼル機関のような移動内燃機関の排気ガスの浄化のために、排気ガス中に含まれる窒素酸化物を減らすために、選択的な触媒反応（ＳＣＲ）のための触媒コンバータを提供することは、知られている。前記触媒コンバータ（一般に、対応する触媒的活性コーティングを有するハニカム形状の触媒コンバータ基板本体を含む）では、排気ガス中に含まれる窒素酸化物は、反応して、元素の窒素を形成するために減少する。このプロセスは、反応物質または還元剤（例えば、尿素および／またはアンモニア）を排気ガスに加えることによって、特に動機づけされてもよい。尿素が排気システムに導入される場合、前記尿素は、熱い排気ガスとの接触の結果として、直接熱分解されることができて、これにより、所望のアンモニアガスを発生することができる。しかしながら、尿素が、尿素の加水分解のための触媒コンバータ全体に伝導されることも可能である。そうすると、アンモニアへの尿素の変換は、触媒的に動機づけされた方法で行われる。このように提供されるアンモニアは、それから、排気ガスと完全に混合されて、ＳＣＲ触媒コンバータの基板本体内に流れる。

上記の方法から、還元剤または反応物質の添加量は、現状とともに正確に調和させなければならないことが浮かび上がる。それは、排気ガス中に現在存在する汚染物質を、さらにはＳＣＲ触媒コンバータの反応度をも、特に考慮に入れるのに必要である。排気ガス汚染物質の所望の変換が必要な範囲に行われないような、少なすぎる反応物質が添加される状況も、回避されなければならない。反応物質の多すぎる量の添加も、その反応物質がそれから変換されずにＳＣＲ触媒コンバータを通って同様に流れることができるので、望ましくなく、したがって、前記反応物質が環境に消散される危険性がある。この理由のために、所望の時刻に予め定められた量の反応物質を厳密に薬注することを確実にする対策が、望まれる。

本明細書で記述される装置において、（フレキシブル）ラインのポンプによって、反応物質リザーバは、例えば３バール（０．３ＭＰａ）以上または少なくとも７バール（０．７ＭＰａ）または１０バール（１ＭＰａ）でさえの特に高圧で、形成される。所望の時刻で、噴射ノズルはそれから開かれる。そこにおいて、噴射量は、それから、噴射ノズルの開き時間および接続ラインの圧力から決定される。このことから、この極めて簡単に構成されたシステムが、搬送ラインにおける含有物、不純物および他の妨害に、同様に影響されることは明白である。

それを出発点として、先行技術に関して強調される課題を少なくとも部分的に解決することが、本発明の目的である。特に、再生可能な状況が噴射ノズルへの接続ラインにおいて確実にされるべく、そして、所望のシステムのオペレーション中における特に簡単でかつ迅速な回復が、そのシステムで障害が検出されている場合には可能であるように、特徴づけることは、探求される。これは、反応物質のガス含有または部分的凍結領域の回避または除去に、特に関係がある。

前記目的は、請求項１の特徴による方法によって達成される。この方法の特に好適な構造異型および、この方法を実施するための自動車の実施形態は、従属項において特徴づけられる。請求項において個々に特徴づけられる特徴が、任意の所望の技術的に意味がある方法と互いに組み合わせられて、本発明のさらなる構造異型を形成してもよい点に留意する必要がある。特に図に関連する記述は、本発明をさらに説明して、追加的な例示的実施形態を特徴づける。

本発明によるオペレーション方式は、排気システムに液体反応物質を提供するための装置に関係がある。この装置は、接続ラインを介して互いに接続される少なくとも１つのタンクおよび噴射ノズルを含む。そこにおいて、さらにその接続ラインは、反応物質を搬送するためのポンプを含み、そして、ポンプと噴射ノズルとの間には、接続ラインからタンクまで制御可能な戻りラインが設けられる。装置はまた、噴射ノズル、ポンプおよび戻りラインのオペレーションを制御するコントローラを含む。方法は、反応物質が、制御可能な戻りラインを介して間欠的に循環されるのみであることを特徴とする。

戻りラインは、所定の時間に開かれおよび／または閉じられることが可能なバルブを介して、接続ラインに一般に接続される点にここでは留意する必要がある。戻りラインは、従来は、添加プロセスが終了する状況において、噴射ノズルとポンプとの間における接続ラインの圧力の解放を可能にするために用いられる。ポンプによって高圧で接続ラインに供給された反応物質は、それから、戻りラインを介してタンク内に流れることができる。その結果、装置の運転停止の後、反応物質は、大気圧に実質的に対応する圧力で、接続ライン内に存在する。このことは、装置が凍結する場合には、反応物質が膨張すること、特に、例えば尿素水溶液について予想されるべき１１％の量が増加すること、を可能にする。

ここでは、戻りラインは、間欠的な循環のために使われる。このことは、バルブが開かれて、そして、ポンプがタンクから反応物質を戻りラインに、したがってタンク内へと搬送することを特に意味する。循環が終了するときに、戻りラインは再び閉じられて、そして、噴射ノズルの上流側の圧力は、所望の値に復帰する。そうすると、その後にのみ、制御された噴射が可能である状況が再び存在する。したがって、噴射（注入）は、循環段階においては実行できない。

循環の目的は、停止または、好適でない作動条件の期間の間、接続ラインにおいて発生するガス含有、および／または、液体反応物質が、接続ラインにおける反応物質のまだ部分的凍結領域を過ぎて流れるおよび／または摩擦の結果としての、それらの流動化、を特に除去することである。前記循環の後の所望の結果は、接続ラインに再び存在する反応物質の実質的に均一の密度に向かい、したがって、噴射ノズルの上流側で所望の圧力状況を直接設定することを可能にすることに向かう。

この点について、装置が、制御可能な戻りラインを介してタンクからタンク内へ反応物質を搬送するのに要する時間の、少なくとも２倍の時間に対応する搬送時間間隔の間、反応物質が循環されることは、特に有利である。このことは、接続ラインが、タンクから新たに抽出される反応物質によって、少なくとも２度勢いよく流される（ｆｌｕｓｈｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈ）ことを意味する。

装置が、制御可能な戻りラインを介してタンクからタンク内へ反応物質を搬送するのに要する時間の、最大でも５倍の時間に対応する搬送時間間隔の間、反応物質が循環されることもまた、有利である。このことは、この種の循環の実行が、頻繁過ぎてはならないこと、すなわち、ここでは、勢いよく流される（ｆｌｕｓｈｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈ）のが５度に制限されること、を特に意味する。５度の勢いよく流される（ｆｌｕｓｈｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈ）ことにともなって、大部分の場合における障害は除去されて、そしてさらに、比較的大きい時間量およびエネルギーは、すでに費やされた。

方法の一実施形態において、反応物質の循環は、反応物質内の少なくとも固形物またはガスを識別するための手段を用いて始動される。少なくとも固形物またはガスを識別するための手段は、センサ（特に圧力センサ）を含み、そしてそれは、接続ラインのおよび／または噴射ノズルの直接上流での、圧力を決定することができる。このことは、噴射（注入）段階の間の圧力プロファイルが、前記手段によって監視されて、そして予想される圧力変化と比較されることを特に意味する。噴射ノズルの作用する出口圧力および所定の開き時間の場合に、予想される圧力レベルに達っしないことが確認される場合、これは、ガス含有および／または固形物が反応物質中に存在することを特に示してもよい。したがって、この種の固形物および／またはガスが反応物質中に識別されている場合には、循環を始動することがそれから必要である。そしてそれは、コントローラによって直接行われてもよい。

さらにまた、タンク状態変数を識別するための手段を使用するオペレーションの開始時に、反応物質の循環が始動されることは、有利であるともみなされる。このことは、タンクにおける充填レベルを決定することができる特定のセンサを意味する。本明細書で記述される装置は、タンク充填プロセスの間、すなわち新規な反応物質がタンクに導入されるとき、特に感度が高い。ガス含有などが形をなすことは、この種のプロセスの間、特に可能である。したがって、循環のタンク状態変数を識別するための手段によって、タンク充填プロセスがちょうど行われたことが検出される場合、循環は、装置のオペレーションの開始時に直接始動される。

反応物質が、噴射（注入）のために運ばれるときよりも増加した搬送速度によって循環されるという点で、この方法は、好ましくは改良されてもよい。このことは、搬送圧力が、閉じた噴射ノズルの方向において作られる段階の間よりも、循環段階の間に、ポンプが、それぞれ増加した搬送速度および搬送頻度によって作動することを、特に意味する。ポンプのそれぞれ高い搬送速度および搬送頻度は、反応物質中のガスまたは固体の含有の分解を同様に進める。

液体尿素水溶液が運ばれる場合、この方法は特に好ましい。このことは、液体尿素水溶液が、噴射ノズルを介して排気システム中に添加されることを特に意味する。尿素水溶液は、製品名ＡｄＢｌｕｅでも広く知られる。

本発明は、内燃機関と、液体反応物質のための噴射ノズルが、排気ガスの流れ方向におけるＳＣＲ触媒コンバータの上流側に位置する排気システムと、を有し、さらに、以下のコンポーネントを備える少なくとも１つの装置、を有する自動車に用いられることが、特に好ましい：
液体反応物質のためのタンク、
制御可能な噴射ノズル、
タンクおよび噴射ノズルを互いに接続する接続ライン、
タンクから噴射ノズルまで反応物質を搬送するためのポンプ、
バルブによって制御されることができて、そして、ポンプと噴射ノズルとの間の接続ラインをタンクに接続する戻りライン、
噴射ノズル、ポンプおよび戻りラインの制御された作動のためのコントローラであって、本発明によって本明細書で記述されるタイプの方法を実施するために構成されるコントローラ。

この自動車は、特に実用車、すなわち、例えばバス、重量物運搬車、トラクタ等である。本発明は、ディーゼル機関の形態における内燃機関において特に用いられる。

本発明およびその技術分野は、図面に基づいて以下にさらに詳細に説明される。図面は、本発明の特に好適な設計異型を示す点に留意する必要がある。そしてそれに、本発明はしかしながら制限されない。
図１は、装置を有する自動車の概略図である。

図１は、装置１を有する自動車１０を概略的に示す。図１の左側の部分には、隣接する排気システム３を有する（例えばディーゼルエンジンの形態の）内燃機関１１を示す。内燃機関１１において発生される排気ガスは、流れ方向１２に流れて、この場合は例えば最初に酸化触媒コンバータ１５を通過する。装置１の噴射ノズル５は、下流に位置する排気システム３のその部分の中に突出する。排気システム３のそこに導入される反応物質は、熱い排気ガスの結果として、少なくとも部分的に熱分解される。尿素の完全転化のために、熱い排気ガを噴射される液体とさらに混合して、そしてこれにより、熱分解をさらに支援するミキサ１６を設けることは、オプションとして可能である。流れ方向１２においてその下流には、（任意に適切な場合）加水分解触媒コンバータ１７が設けられる。そこにおいて、残留する尿素構成物質は、アンモニアに変換される。このようにして発生されるアンモニアは、排気ガスとともにＳＣＲ触媒コンバータ１３に最後に影響を与える。そこにおいて、窒素酸化物は、選択的に減少する。

図の右側の部分には、装置１を概略的に示し、この装置は、タンク４の右上に示されている反応物質２を有するタンク４を備える。反応物質２として、尿素水溶液が特に使用される。接続ライン６は、タンク４から噴射ノズル５までつながる。接続ライン６は、タンク４とポンプ７との間の部分において、ヒータ１９（例えば加熱可能なホース）を備えて形成される。ポンプ７とタンク４との間には、追加的なフィルタ２０が設けられ、それには、タンク４からのいかなる不純物も保持される。ポンプ７と噴射ノズル５との間には、装置１のオペレーションの間、高圧をともなって定期的に作動される、接続ライン６のその一部分が形成される。ここでは、接続ライン６の圧力を決定するためのセンサ１８も、噴射ノズル５とポンプ７との間に設けられる。同様に、接続ライン６の前記領域には、制御可能なバルブ１４が設けられ、これによって、反応物質２は、噴射ノズル５とポンプ７との間の部分から接続ライン６を離れて、そして、戻りライン８を介してタンク４の中へと流れることができる。バルブ１４は、従来どおり、装置が停止するときに、接続ライン６から圧力を解放するために用いられ、あるいは、本発明による方法の循環のために用いられる。

コントローラ９およびセンサ１８によって、ガスキャビティおよび／または冷凍尿素水溶液が接続ライン６内に、特に噴射ノズル５とポンプ７との間の部分に存在することが確認される場合、バルブ１４は開かれて、そして反応物質は、タンク４からフィルタ２０を介して、接続ライン６を通してポンプ７に、そこから先はバルブ１４に、そして戻りライン８を介して、タンク４の中へと運ばれる。接続ライン６が２〜５回勢いよく流される（ｆｌｕｓｈｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈ）まで、前記循環は、実行されることが好ましい。バルブ１４は、それから再び閉じる。そして、所望の圧力は、ポンプ７によって噴射ノズル５の上流側で高まる。前記プロセスは、コントローラ９によって制御される。そしてそれは、したがって、噴射ノズル、バルブ１４、センサ１８およびポンプ７と通信する。

最後に、ここで図示されるシステムからのわずかな逸脱は、ここで提案されるオペレーション方式から遠ざけないことも、指摘されなければならない。特に、例えば、変化するポンプ７および噴射バルブ５間の位置によって、センサ１８の位置、バルブ１４の位置、または戻りライン８の位置は、修正されてもよい。コントローラは、さらなるセンサ（例えば、タンクおよび／または内燃機関と相互に作用するセンサ）と通信してもよく、これにより、本明細書に記載の構成要素のための制御信号を生成してもよい。

いずれにしても、方法は、信頼性の高いオペレーションおよび、排気システム内への反応物質の厳密な供給または薬注を確実にすることが、したがって、自動車のオペレーションの間、環境への汚染物質の排出が少ないことが、本明細書で特徴づけられる。

１…装置
２…反応物質
３…排気システム
４…タンク
５…噴射ノズル
６…接続ライン
７…ポンプ
８…戻りライン
９…コントローラ
１０…自動車
１１…内燃機関
１２…流れ方向
１３…ＳＣＲ触媒コンバータ
１４…バルブ
１５…酸化触媒コンバータ
１６…ミキサ
１７…加水分解触媒コンバータ
１８…センサ
１９…ヒータ
２０…フィルタ

Claims (4)

1. 排気システム（３）に液体反応物質（２）を提供するための装置（１）を作動する方法であって、前記装置（１）は、接続ライン（６）を介して互いに接続される少なくとも１つのタンク（４）および噴射ノズル（５）を有し、前記接続ライン（６）は、前記反応物質（２）を搬送するためのポンプ（７）を含み、前記ポンプ（７）と前記噴射ノズル（５）との間に、前記接続ライン（６）から前記タンク（４）への制御可能な戻りライン（８）が設けられ、前記装置（１）は、前記噴射ノズル（５）、前記ポンプ（７）および前記戻りライン（８）のオペレーションを制御するコントローラ（９）をさらに有し、前記噴射ノズル（５）の開放時間および前記接続ライン（６）内の圧力から噴射量が決定され、前記反応物質（２）は、前記制御可能な戻りライン（８）を介して間欠的に循環のみ行われ、
   前記反応物質（２）は、前記装置（１）が、前記制御可能な戻りライン（８）を介して前記タンク（４）から当該タンク（４）内へ反応物質（２）を搬送するのに要する時間の、少なくとも２倍の時間に対応する搬送時間間隔の間、循環され、
   前記反応物質（２）は、前記装置（１）が、前記制御可能な戻りライン（８）を介して前記タンク（４）から当該タンク（４）内へ反応物質（２）を搬送するのに要する時間の、最大でも５倍の時間に対応する搬送時間間隔の間、循環されて、前記循環の後、前記接続ライン（６）内には実質的に均一な濃度の反応物質が存在し、前記噴射ノズル（５）の上流には所望の圧力が設定されることができ、
   前記反応物質の循環は、タンクの充填レベルを識別するための手段を用いるオペレーションの開始時に、前記反応物質（２）内の少なくとも固形物またはガスを識別するための手段を用いて始動される、
   方法。
2. 前記反応物質（２）は、それが噴射（注入）のために運ばれる時よりも増加した搬送速度によって循環させられる、請求項１に記載の方法。
3. 液体尿素水溶液が運ばれる、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記接続ライン（６）は、前記反応物質（２）を加熱するためのヒータ（１９）を含み、
   前記タンク（４）から前記ポンプ（７）によって搬送される前記反応物質（２）は、前記ヒータ（１９）により加熱され得る、請求項１に記載の方法。
   

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