(57)【要約】本発明は、選択的触媒還元剤の品質をモニターするための方法、特にＮＨ３生成剤、例えば尿素溶液、の品質をモニターするための方法に関する。本発明の方法は、加熱後にＮＨ３を形成する任意の選択的触媒還元剤の当量ＮＨ３濃度の決定を可能にする。次いで、ＮＯｘ低下を最適にするために、注入される剤の量が、測定された当量ＮＨ３濃度に対して調節され得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスのＮＯｘ減少において使用される選択的触媒還元剤の品質をモニターする方法において、下記の工程：
既知量の選択的触媒還元剤をチャンバー中に注入すること、
チャンバー中の上記量の還元剤を転化してＮＨ３を形成すること、および
ＮＨ３の量をＮＨ３センサーによって測定すること
を行うことによって選択的触媒還元剤の当量ＮＨ３濃度を決定することを含む方法。
【請求項２】
上記チャンバーがＮＯｘを本質的に含まない、請求項１記載の方法。
【請求項３】
チャンバーがパージされる工程が続いて行われる、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
選択的触媒還元剤の当量ＮＨ３濃度を使用して、排気ガス流中に注入される選択的触媒還元剤の量を調節する工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
チャンバー中への選択的触媒還元剤の注入がフラッシュ蒸発である、請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
選択的触媒還元剤が尿素を含む、請求項１〜５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
形成されたＮＨ３の量を測定する工程が、エンジンの開始直後に行われまたはエンジンが作動している間に複数回行われる、請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記チャンバー中で形成されたＮＨ３が前記排気ガス中に注入される、請求項１〜７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
チャンバーの温度が３６０℃より高く、好ましくは４００℃より高い、請求項１〜８のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、選択的触媒還元剤の品質をモニターする方法に関し、特に、ＮＨ３生成試薬、例えば尿素溶液、の品質をモニターする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料内燃機関、特にディーゼルエンジン、の環境に対する害をより少なくするために、有害な排気を少なくするための新しい技術が開発されている。特にディーゼルエンジンは、多量のＮＯｘの原因である。これらの排気を少なくするためのほとんどの技術は、排気ガスの後処理に基づく。
【０００３】
ＮＯｘ放出を少なくするための見込みのある技術は、いわゆる接触触媒還元（ＳＣＲ）法である。この技術への基本的アプローチは、排気ガス中にアンモニアまたは尿素を注入してＮＯｘを窒素および水に転化することである。この転化はしばしば、触媒の助けによって達成される。尿素はアンモニアよりも選択される。なぜならば、アンモニアは有害であり、かつ取扱いが困難であるからである。尿素は、下記反応に従ってＮＨ３に分解され得る。
【０００４】
【化１】
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【０００５】
次いで、排気ガスからのＮＯｘが、環境に対して無害であるＮ２およびＨ２Ｏが形成されるように、ＮＨ３によって還元される。ＮＯｘのこの還元は、酸素の存在下で生じ得る。次の反応が生じると考えられる。
【０００６】
【化２】
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【０００７】
反応（２）が通常の条件下での優勢な反応であるが、反応（５）はより好ましい反応である。反応（５）のために必要とされる余分のＮＯ２は、ディーゼル酸化触媒を使用することによって得られ得る。
【０００８】
これらの反応式から、注入される尿素の量が十分に制御されるべきであるということになる。注入された尿素の量が少なすぎるならば、ＮＯｘは転化されるが全部ではなく、その結果、排気ガスはＮＯｘを含む。他方、注入された尿素の過剰分は、危険なＮＨ３の形成および放出を招く。
【０００９】
従来、注入される選択的触媒還元剤の量を制御するための試みが行われている。例えば、米国特許US-A-5968464、US-A-6679051、US-A-2003/0033799およびUS-A-5540047、およびMoosら（Sensors and Actuators B2002, 83,181-189）がＳＣＲシステムを記載している。上記システムでは、触媒の下流の排気流中に選択的触媒還元剤が注入され、触媒の上流の排気ガス流中のＮＨ３の量が測定されて、予め決められた量のＮＯｘを多量のＮＨ３スリップ（slip）を有することなく転化するために必要とされるＮＨ３の量に関する閉回路制御が行われる。
【００１０】
ＳＣＲシステムに適用される標準的な選択的触媒還元剤はAdBlue（商品名）である。これは、３２．５重量％水性尿素溶液である。しかし、種々の尿素濃度を有する他の選択的触媒還元剤も知られている。さらに、AdBlue（商品名）の凍結点（−１１℃）よりも低い凍結点を有する選択的触媒還元剤が開発されている。例えば、Denoxium（商品名）は、尿素とギ酸アンモニウムとの混合物を含み、それによって、凍結点を−３０℃に低下させている。これらの種々の選択的触媒還元剤は全て、異なる当量ＮＨ３濃度を有するので、それらは、最適な触媒的ＮＯｘ還元を有するために排気における異なる投入を必要とする。
【００１１】
本発明者らはさらに、還元剤を排気ガス流に注入することは環境のために有益な効果を有し得、このことは、還元剤の注入を用いるシステムの使用を法律によって強制するための良好な根拠であり得るが、実際には、そのようなシステムは不当に変更され得、または完全に機能不全にすらされ得ることを理解した最初であると信じる。この種の悪用は、完全に仮説に基づくというものではない。なぜならば、エンジンの使用者は一般に、還元剤のストックを適正レベルに保つために、そのための直接の利益を何ら理解することなく、支払いをしなければならないであろうからである。悪用は例えば、尿素溶液を希釈することまたは尿素溶液の代わりに水を使用することを包含し、それによって、尿素の濃度がかなり低められ、またはゼロにすらなるであろう。これは、視覚検査では容易には気付かれないであろう。ＳＣＲが成功裡に実施されるべきであるならば、選択的触媒還元剤の品質をモニターする信頼できるシステムを有することが重要である。
【００１２】
国際公開WO-A-00/75643は、最適なＮＯｘ転化を有するために、注入される尿素の量を調整する方法を記載している。上記方法は、蛍光的に標識された選択的触媒還元剤に基づき、それによってＮＨ３の当量濃度が決定され得る。この方法の不利な点は、前処理において選択的触媒還元剤に蛍光トレーサーが適用されなければならないこと、および言及された有機蛍光トレーサーが高温に対して敏感であることを包含する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、上述した欠点および不利な点を少なくとも部分的に克服するところの、選択的触媒還元剤の品質をモニターする方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に従えば、この目的は、選択的触媒還元剤の品質をモニターすることによって達成される。したがって、第一の局面では、本発明は、下記の工程、
既知量の選択接触還元剤をチャンバーに注入すること、
上記チャンバー中の上記量の剤を転化してＮＨ３を形成すること、および
ＮＨ３の量をＮＨ３センサーによって測定すること
を行うことによって選択的触媒還元剤の当量ＮＨ３濃度を決定することを含む、選択的触媒還元剤の品質をモニターする方法に関する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の方法は、熱分解および／または加水分解によってＮＨ３を形成する任意の選択的触媒還元剤の当量ＮＨ３濃度を決定することを可能にする。次いで、ＮＯｘ還元を最適にするために、注入される剤の量が、測定された当量ＮＨ３濃度に対して調節され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、固定量の剤をプロセスチャンバーに注入するための配置を模式的に示す図である。
【図２】図２は、固定量の剤をプロセスチャンバーに注入するための別の実施態様の配置におけるポジション１を模式的に示す図である。
【図３】図３は、図２の実施態様の配置におけるポジション２を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
有利には、選択的触媒還元剤は前処理に付される必要がなく、タンクに直接適用され得る。
【００１８】
好ましくは、選択的触媒還元剤が尿素を含む。
【００１９】
本発明によれば、少量の選択的触媒還元剤が、小さいプロセスチャンバーに注入される。好ましくは、上記プロセスチャンバーが本質的にＮＯｘを含まない。なぜならば、ＮＯｘの存在が、選択的触媒還元剤の当量ＮＨ３濃度の決定を妨げ得るからである。各バッチ中で同じ量の剤がチャンバー中で転化されるように剤の量が固定されるとき、有利である。これは、例えば、選択的触媒還元剤で満たされた容器から固定体積を押しやることにより可能である。上記体積は、プロセスチャンバー中に直接押しやられ得る。
【００２０】
図１〜３は、固定量の剤をプロセスチャンバーに注入するための適する配置を模式的に示す。図１の実施態様では、これは、剤で満たされたシリンダを通って移動するピストンを使用して得られる。
【００２１】
固定量の選択的触媒還元剤をプロセスチャンバーに注入することは、選択的触媒還元剤で満たされた容器をプロセスチャンバーと連結する閉じたシェル中にノッチ付き円形体を備えることによっても得られ得る。この実施態様は、図２および３に示される。ノッチが容器の方へ回転されると、ノッチが固定量の剤で満たされる。次いで、ノッチがプロセスチャンバーと向かい合うように円形体が回転されると、固定量の選択的触媒還元剤がプロセスチャンバー中に放出される。
【００２２】
もちろん、他のシステムも、固定体積の選択的触媒還元剤をプロセスチャンバーに注入するために設計され得る。チャンバーに注入される剤の量は変わり得、プロセスチャンバーの大きさ、ＮＨ３センサーの検出範囲、車の型（例えば、大型（トラック）、中型（バン）または小型（自動車））などの要因に依存する。本発明はまた、特定エンジン、例えばブルドーザー、ショベル、発電機などにも適用され得る。小型エンジンの場合には、チャンバーの大きさが好ましくは１ｃｍ３より小さく、典型的には０．０１〜０．５ｃｍ３である。大型エンジンの場合には、上記大きさが１ｄｍ３と大きく、例えば０．１〜０．５ｄｍ３であり得る。
【００２３】
注入される量の下限も、ＮＨ３センサーの感度によって決定される。
【００２４】
表１は、例として、種々のプロセスチャンバー容積およびＮＨ３センサーのための典型的な検出限界を挙げる。これらの寸法および濃度は、本発明に従って使用され得る。剤溶液（すなわち、水性３２．５重量％AdBlue溶液）の必要な体積および対応する小滴直径も同様に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
プロセスチャンバーにおいて、選択的触媒還元剤がＮＨ３およびＣＯ２に、好ましくは本質的に完全に、転化される。３６０℃より下の温度では、尿素が分解されるときにＨＮＣＯが副生物として形成され得る。さらに、尿素がゆっくり加熱されるならば、望ましくない重合が起こり得る。したがって、尿素の分解を助けるための触媒が使用されないならば、注入された量の選択的触媒還元剤ができるだけ素早く３６０℃より上の温度にもたらされることが好ましい。これは、例えば、チャンバー中へ注入された体積を３６０℃より上の温度でフラッシュ蒸発させることにより達成され得る。例えば、固定された体積が、注入される前のチャンバーにおける圧力よりも高い圧力にもたらされ得る。３６０℃より上の温度では、形成されたかもしれないＨＮＣＯもＮＨ３およびＣＯ２に転化される。好ましくは、プロセスチャンバーにおける温度が、触媒の不存在下で４００℃より高い。
【００２７】
低い温度、特に３６０℃より下の温度、でＨＮＣＯの完全な転化を達成するために、加水分解触媒、例えばゼオライトまたはバナジウム、が使用され得る。
【００２８】
ＳＣＲ剤の転化を改善するために、固体触媒、例えば貴金属ベースの触媒および／またはゼオライトまたはアルミナベースの触媒、またはそれらの組合せ、が反応チャンバーにおいて適用され得る。
【００２９】
プロセスチャンバーにおける転化は、大気圧よりほんの少し上の圧力、例えば約１〜１．１ａｔｍ、で行われ得る。
【００３０】
チャンバーの大きさと相容性である任意の型のＮＨ３センサーが使用され得る。センサーがＮＨ３に関して選択的であることが好ましい。なぜならば、そうでなければ、当量ＮＨ３濃度においてエラーが生じ得るからである。ＮＨ３センサーは例えば、固体状態ＮＨ３センサー、半導体ＮＨ３センサー、電気化学的ＮＨ３センサー、電界効果ＮＨ３センサー、交差選択性によってＮＨ３を検出するために使用されるＮＯｘセンサー、または従来公知の任意の他の選択的ＮＨ３センサーであり得る。センサーが熱感受性であるならば（例えば、固体状態、半導体および電気化学的センサーを含む）、形成される気体は、別個のチャンバー中に移動され得、そこで、測定されるために冷却され得る。
【００３１】
固定量の選択的触媒還元剤がプロセスチャンバー中で転化され、そしてＮＨ３濃度が評価された後、チャンバーは、残渣が次のバッチに影響を及ぼさないように洗浄され得る。これは、ガス、例えば空気または排気ガス、を高められた圧力でプロセスチャンバー中にフラッシュすることにより行われ得る。フラッシュガスは、上記ガスが加圧下で加熱によってもたらされるところの第二の大きいチャンバー中に存在していてもよい。次いで、ガスがプロセスチャンバーから出ることができるように、プロセスチャンバー中のバルブが開けられる。次いで、加圧下のフラッシュガスがプロセスチャンバーに入り、そしてそれを洗浄することができるように、上記大きいチャンバーおよびプロセスチャンバーが連結される。
【００３２】
プロセスチャンバーからの流出物は、ＮＨ３がＮＯｘと慣用のやり方で反応し得るところの排気ガス流中に供給され得る。
【００３３】
本発明の方法は、任意の時点で、例えばエンジン開始の直後またはエンジンが作動している間に複数回、行われ得る。典型的なサンプリング回数は広く変わり得、例えばエンジン開始前の１回およびエンジン開始後の１回での測定により１回の比較チェックがなされ得る。あるいは、上記回数が、１時間または１分につき数回であり得る。還元剤の流れの実際の制御が望ましいならば、典型的な回数は、０．１〜１０ｓ−１、例えば１ｓ−１であり得る。
【００３４】
別の実施態様では、選択的触媒還元剤の測定された当量ＮＨ３濃度を使用して、ＮＯｘ放出を減少させるための排気中に注入される剤の量を調節する。これは、測定された当量ＮＨ３濃度が、標準尿素溶液、例えばAdBlue（商品名）、の当量ＮＨ３濃度と比較され、そして注入量がそれに従って計算されるところの標準アルゴリズムによって行われ得る。次いで、計算された注入量が実際の注入量と比較され、そしてＮＯｘの減少に対する選択的触媒還元剤の量を最適にするように注入が調整され得る。これは、例えば、国際公開WO-A-02/33232に記載された方法によって達成され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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