(57)【要約】【課題】本発明が解決すべき課題は、ＨＷＬを適切に前処理することによって、アンモニア生成のための尿素処理および加水分解を改善した内燃機関の排気ガス後処理方法を提供するさとにある。【解決手段】少なくとも１つの排気ガス後処理装置と、少なくとも１つの尿素水溶液タンク（ＨＷＬＴ）３とを有する、少なくとも１つの排気ガスラインを有する内燃機関において、上記ＨＷＬＴがエンジンの近傍に配置されていることを特徴とする内燃機関。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの排気ガス後処理装置と、少なくとも１つの尿素水溶液タンク（ＨＷＬＴ）とを有する少なくとも１つの排気ガスラインを含む内燃機関において、
ＨＷＬ熱交換器（１４）がエンジンの近傍に配置されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
上記ＨＷＬ熱交換器（ＨＷＷＴ）（１４）が内燃機関のクランク室の冷却水を導く領域内にある請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
排気ガスラインが少なくとも１つのＤＯＣ（５）を備えている請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
排気ガスライン（２）がＳＤＰＦ（６）を備えている請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
排気ガスライン（２）が少なくとも１つのＳＣＲ（７）を備えている請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項６】
排気ガスライン（２）が少なくとも１つのＡＳＣ（８）を備えている請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項７】
排気ガスライン（２）が少なくとも１つのＮＯXセンサ（９）を備えている請求項の１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項８】
ＨＷＷＴ（１４）がシリンダヘッド（１０）に接触して配置されるか、シリンダヘッド（１０）内に配置されている請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項９】
ＨＷＷＴ（１４）が基本的に二重壁排気ガス管（１１）内に配置されている請求項１〜８のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１０】
ＨＷＬ投与弁が排気ガスターボチャージャの直後にある請求項１〜９のいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも１つの加熱要素を有する還元剤供給システムの制御方法は例えば特許文献１（独国特許第１０３４８８００号公報）に開示されている。この供給システムは上流側で尿素選択接触還元（selective catalytic reduction、ＳＣＲ）触媒装置に結合されている。この特許では還元剤供給システムの還元剤エアアシスト噴射で加熱要素を介して空気と還元剤の気化混合物が形成され、この混合物がＳＣＲ触媒に入る排気ガス混合物中へ導かれる。還元剤としては尿素水溶液が使用される。尿素水溶液（ＨＷＬ）および空気に対する混合ユニットと加熱要素／気化ユニットとを含む還元剤供給システム全体がエンジン出口の下流側で排気ガスの導管内のＳＣＲ触媒の下流側で合流する。ＷＨＬ・空気混合物の気化のために必要な熱量は１２Ｖのバッテリ電流を利用して作られる。
【０００３】
特許文献２（独国特許第１０２００７０２９６７４号公報）には内燃機関の排気ガス設備の酸素を含むガス流内の窒素酸化物を低下させるためのモジュールが開示されている。このモジュールは窒素酸化物と酸素を導くガス配管内に配置されたＳＣＲ触媒と、アンモニア前駆体を含む溶液をアンモニア溶液に変換する変換反応器と、変換反応器に後接続された独立部品として作られたＳＣＲ触媒の上流側でガス配管内に導入する前のアンモニア溶液を気化する気化ユニットとを有する。この特許ではアンモニア前駆体を含む溶液（主として尿素水溶液）のアンモニア溶液への変換はマイクロ波を使用して行われる。独立した部品として作られたアンモニア溶液用気化ユニットの前に、気化に必要なエネルギーを少なくするために、例えば排気ガスリサイクルの熱を利用してアンモニア溶液を加熱する熱交換器を前方に接続できる。気化器自体は電気的な加熱要素を使用する。
【０００４】
特許文献３（独国特許第１０２００７０４２８３６号公報）は、アンモニアを遊離する溶液、例えば尿素水溶液を使用して自動車の排気ガスを後処理するための装置を開示している。この装置は液体を貯蔵するための貯蔵容器を含み、液体の温度を調節するための温度調節装置を備えている。この温度調節装置は液体を冷却するために自動車の冷却循環系に組み込まれる。この冷却循環系は内燃エンジンの冷却循環系であっても、空調設備循環系であってもよい。温度調節装置は独立した部品として作られる。温度調節装置を用いて液体を加熱することで液体の凍結が防止され、また、液体が有利な温度レベルに加熱されて特に良好な排気ガス浄化が行われる。
【０００５】
特許文献４（独国特許第１０２００９００９５３８号公報）には、内燃エンジンの排気ガスシステムに対する液体添加剤、主として尿素水溶液の温度を調整するシステムが開示されている。このシステムの特徴は添加剤と、冷却剤設備、特に空調設備の冷却材循環との間で熱交換する手段にある。
【０００６】
特許文献５（独国特許第１０２００７０１１１８４号公報）に記載の技術は、内燃エンジン、特にディーゼルエンジンの排出含有物をさらに低下させ、しかも、排気ガス処理に必要な構造空間を最小化するという課題を解決するために開発されたものである。この課題を解決するために、この特許では内燃エンジンへ排気ガスをリサイクルするための自動車内燃エンジンの排気ガスを冷却する熱交換器が冷却のために少なくとも１つの第１流体が貫流する少なくとも１つの第１流動チャネルと、冷却すべき少なくとも１つの第２流体が貫流する少なくとも１つの第２流動チャネルとを備え、少なくとも１つの第１流体チャネルと少なくとも１つの２流体チャネルとを収容するためのハウジングを備えている。このハウジングは熱交換器に第２流体を流入させるための少なくとも１つの流入部分と、熱交換器から第２流体を流出させるための少なくとも１つの流出部分とを備えている。この特許の特徴は上記熱交換器が液体の尿素溶液を少なくともアンモニアガス中へ移行させるための少なくとも１つの装置を有する点にある。
【０００７】
特許文献６（国際公開第２０１２／０２２６８７号公報）は、還元剤用の少なくとも１つの貯蔵器と還元剤用の少なくとも１つの供給装置とを有する排気ガス後処理装置の運転方法を開示している。この特許の方法は以下の各段階を含む：すなわち、（ａ）少なくとも１つの貯蔵器の充填レベルを検査する段階と、（ｂ）現状の排気ガスの質量流量を検査する段階と、（ｃ）少なくとも１つの貯蔵器の充填レベルが最低充填レベルを下回りかつ排気ガスの質量流量が低負荷域になった場合に還元剤を供給する段階。その一つの実施形態では、段階（ｃ）で少なくとも１つアクションすなわち少なくとも排気ガス質量流量または還元剤を加熱するアクションと、還元剤を供給するアクションとが実施される。この場合、還元剤への熱供給は外部の電気ヒータで行うことができる。
【０００８】
特許文献７（独国特許第１０２００９０２５１３５号公報）には、熱エネルギーを取り入れるための少なくとも１つの第１帯域と第２帯域とを通って延びた尿素水溶液の給送チャネルを備えた、尿素水溶液の気化装置が開示されている。この特許では上記２つの帯域は互いに独立して加熱可能であり、給送チャネルは第２帯域の第２入口領域に蛇行進行部を備え、その後に直線進行部を備えている。尿素水溶液は第１帯域で１００〜１８０℃の温度に予熱され、第２帯域で４２０〜４９０℃の温度で気化する。
【０００９】
特許文献８（独国特許第１０２００８０１２０８７号公報）には、尿素水溶液からアンモニアを含むガス流を生成するための気化ユニットが開示されている。この気化ユニットも独立した部品として作られている。
【００１０】
従来の工業的エンジンは一般に特許文献９（欧州特許第１０５４７２２Ｂ号公報）をベースにした触媒活性排気ガス後処理（ＡＮＢ）システムまたは「ＳＣＲＴ（登録商標）システム」とよばれるシステムを有している。これは現行の（最終第４次／欧州ステージＩＶおよびそれ以降の）排出ガス規制を守るために、ＳＣＲ／ＡＳＣ触媒より前に尿素水溶液（ＨＷＬ）を投与するＤＯＣ／（ｃ）ＤＰＦ＋ＳＣＲ／ＡＳＣ構成で運転される。
【００１１】
このＡＮＢシステムでは、必要な除去効率で作業できるようにするために２３０℃以上の最低排気ガス温度と触媒運転温度が必要である。
【００１２】
低負荷運転状態では必要な最低排気ガス温度はエンジンの熱的対応策（例えばエンジンのスロットリング）によってのみ与えることができる。これに必要な排気ガス温度を作るために排気ガス中に与えるエネルギーは駆動ラインから取り出される。そのためエンジンの駆動効率が低下し、燃料消費が増加し、それに伴ってＣＯ2排出量が増加する。
【００１３】
密閉式ディーゼル微粒子フィルタの再生は燃料消費に対して大きなマイナスの影響を与える。フィルタ内に沈積したカーボンを制御し、燃焼させるためには約６００℃が必要である。そのためには通常は受動的な再生に加えて、付加的な燃料の後噴射を必要とする。それによって生じる未燃焼炭化水素のＤＯＣによる発熱反応等の能動的な措置または例えば特許文献１０（欧州特許第２１７７７２８Ａ号公報）または特許文献１１（欧州特許第２１９２２７９Ａ号公報または特許文献１２（国際公開第２０１０／１３９４２９号公報）をベッスにした燃料を用いて運転されるバーナー等の能動的再生措置を必要とする。
【００１４】
ＳＣＲシステムを運転するためには一般に還元剤として３２．５％の尿素を含む尿素水溶液が使用される。これからアンモニアを遊離させるためには先ず６７．５％の水を気化させ、さらに尿素をアンモニアとＣＯ2に加水分解しなければならない。
【００１５】
現在のＳＣＲシステムで還元剤のアンモニアを生成するのに必要な尿素水溶液（尿素水溶液ＨＷＬ、商品名ＡｄＢｌｕｅ（登録商標））は、温度調節されていない液体状態でＳＣＲ触媒の流入側で排気ガス中に噴射される。ＨＷＬを完全に気相へ移行させかつアンモニアへ（定量的に）遊離させる（尿素処理）に必要な熱量は高温の排気ガスを使って用意しなければならない。
【００１６】
しかし、特に低負荷運転時において排気ガス内に存在する熱量は、排気ガス中に存在する窒素酸化物を完全に還元するのに必要な噴射尿素水溶液（ＨＷＬ）を完全に処理するには不十分な場合がある。その結果、排気ガス設備内に尿素およびイソシアン酸、シアヌル酸、メラミン等の尿素二次製品の沈積物（結晶）が生成する。この該沈積物は排気ガス設備を完全閉塞させる危険性がある。さらに、窒素酸化物の還元に必要な化学量論量のアンモニア量を完全に用意できないため、ＳＣＲ反応で収量ロスが生じる可能性もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】独国特許第１０３４８８００号公報
【特許文献２】独国特許第１０２００７０２９６７４号公報
【特許文献３】独国特許第１０２００７０４２８３６号公報
【特許文献４】独国特許第１０２００９００９５３８号公報
【特許文献５】独国特許第１０２００７０１１１８４号公報
【特許文献６】国際公開第２０１２／０２２６８７号公報
【特許文献７】独国特許第１０２００９０２５１３５号公報
【特許文献８】独国特許第１０２００８０１２０８７号公報
【特許文献９】欧州特許第１０５４７２２Ｂ号公報
【特許文献１０】欧州特許第２１７７７２８Ａ号公報
【特許文献１１】欧州特許第２１９２２７９Ａ号公報
【特許文献１２】国際公開第２０１０／１３９４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明が解決しようとする課題は、ＨＷＬを適切に前処理することによって、障害となる結晶化を起こさない完全なＳＣＲ変換を低負荷運転時でも保証する十分なアンモニアの生成が可能な、アンモニア生成のための尿素処理および加水分解をさらに改善することである。
しかも、この課題を費用のかかる追加部材の導入、例えば排気ガス設備やエンジン周囲における熱交換器、加熱装置、予熱プラグ等の部材の導入を避けて解決しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の課題は、少なくとも１つの排気ガス後処理装置と、少なくとも１つの尿素水溶液タンク（ＨＷＬＴ）とを有する少なくとも１つの排気ガスラインを含む内燃機関において、上記ＨＷＬＴをエンジン近傍に配置することによって解決される。
【００２０】
この課題はさらに、上記装置を運転する方法によって解決される。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の有利な一つの形態の工業用エンジンはＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）＋ＳＤＰＦ（ＳＣＲ活性化コーティングディーゼル微粒子フィルタ）＋ＳＣＲ（選択的接触還元触媒）／ＡＳＣ（アンモニアスリップ触媒）の構成を有するＡＮＢ（排ガス後処理）システムを備えている。本発明は、尿素水溶液噴射の代りに、エンジンに取り付けられたＮＨ3発生器での尿素処理と、ＳＤＰＦの前の（場合によっては付加的なＳＣＲ／ＡＳＣ前の）排気ガス中へのアンモニア噴射と、ＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタ（ＳＤＰＦ）に対する受動的再生コンセプトとを行う。
【００２２】
カーボン再生率が不十分な場合に、サービスインターバル外でいわゆる「緊急停止再生」を実施することができるように、微粒子フィルタの付加的な停止再生を、ＳＤＰＦに関わる排気背圧の監視と同様にサービスの枠内で行う。
【００２３】
ＳＣＲ触媒容積を微粒子フィルタへ（部分的に）一体化することで従来のシステムに比べてＡＮＢシステムを縮小できる。その結果、寒冷時始動後のＡＮＢシステムの加熱特性が改善され、排気ガス設備に関わる熱損失が明確に減少する。加えて設置空間を小さくできるという利点が得られる。微粒子フィルタに一体化可能なＳＣＲ容積が不十分な場合には、全耐用期間（８０００運転時間）に渡ってシステム全体で９７％以上のＮＯX変換率を保証するために、必要に応じてＳＣＲ触媒を使用し、排気ガスの流動方向で微粒子フィルタの後方に配置する。
【００２４】
尿素をアンモニアへ処理する工程を排気ガス設備の外部へ移し、アンモニアをＡＮＢシステムへ直接噴射することによって、還元剤の噴射に対する温度下限値を明確に２００〜２３０℃以下に下げることができる。
【００２５】
この噴射温度下限値はＳＣＲ触媒の作業温度域の範囲内にある。また、低温度の運転で排気ガス設備を完全な閉塞させる危険性のある尿素および尿素の不完全分解で生じるイソシアン酸、シアヌル酸またはメラミン等の尿素二次製品の結晶化の危険性がなくなる。尿素のアンモニアへの不完全分解による脱窒効率の限界も存在しない。低負荷運転時における不完全な尿素分解を補償するための還元剤の過剰投与も不要である。ＡＳＣの削減、および／または、ＡＳＣなしで（許容される）時間平均における１０Ｖｐｐｍのアンモニア二次噴射を完全に回避できる。
【００２６】
本発明の有利な別の実施形態は従属請求項に記載されている。
【００２７】
受動的フィルタ再生コンセプトによるＳＣＲ触媒活性化微粒子フィルタを導入することで沈積したカーボン粒子のＮＯ2による下記のいわゆる「ＣＲＴ反応」＝酸化でカーボンを燃焼できる。
ＣＲＴ（登録商標）反応：
Ｃn＋２ｎＮＯ2→ｎＣＯ2＋２ｎＮＯ
【００２８】
このＣＲＴ（登録商標）反応はＳＣＲ反応と競合関係にある。ＳＣＲ反応に関しては異なる反応速度（ＲＧ）で進行する３つの反応メカニズムが存在する。
【００２９】
標準ＳＣＲ：４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ（中ＲＧ）
高速ＳＣＲ：ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ（高ＲＧ）
低速ＳＣＲ：６ＮＯ2＋８ＮＨ3→７Ｎ2＋１２Ｈ2Ｏ（低ＲＧ）
【００３０】
微粒子フィルタを受動的再生するためのカーボン燃焼に対して十分な量のＮＯ2を使用できるようにするために、前置されたＤＯＣは３５０〜３７５℃の排気ガス温度での運転時において、ＮＯX中のＮＯ2比率を５０％以上にしなければならない。「低速ＳＣＲ反応」よりも「ＣＲＴ（登録商標）反応」が速く進行する場合、過剰ＮＯ2をカーボン燃焼に対して使用でき、その結果、受動的微粒子フィルタ再生が保証される。
【００３１】
約３００℃以上のＤＯＣ運転温度では動力学的制御範囲を外れる。その場合には触媒を用いて生成可能な排気ガス中のＮＯ2濃度は最早触媒性能のみに依存せず、熱力学的な平衡位置に依存する。４００℃以上の温度でＮＯX中のＮＯ2濃度を５０％以上にすることは最早不可能である。
【００３２】
[表１]
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【００３３】
２５０℃から既にＮＯ2によるカーボン酸化が始まる。３００℃から運転信頼性のより高い微粒子フィルタの受動的再生が可能になる（下記非特許文献１）。
【非特許文献１】Ｃ．ハーゲリューケン（C. Hageluken）等共著、「自動車排気ガス触媒、第２版（Autoabgaskatalysatoren 2.Aufl.）」専門出版社、２００５年、１０２頁
【００３４】
この境界条件下に、ＳＣＲ反応とＣＲＴ（登録商標）反応との間の競合関係において運用できる十分に高いＮＯ2濃度が用意される。
【００３５】
ＤＯＣによって用意できるＮＯ2の量が、ＳＣＲ反応とカーボン再生との間の競合状態を生産的に解決するのに十分でない場合に、微粒子フィルタの十分な受動的再生を保証するためには、ＳＣＲ触媒活性化フィルタの除窒効率が投与した還元剤の量によって制限される可能性がある。この場合に対して別の形態では全体システムの９７％以上の必要な脱窒効率を保証するために、（追加の）ＳＣＲ触媒の前に尿素水溶液（ＨＷＬ）を投与する第２の投与部が後設置される。
【００３６】
還元剤としてＨＷＬの代りにアンモニアが投与されることによって、排気ガス温度における分解の必要性はなくなる。ガス状のＮＨ3を排気ガスへ投与する試みは、ＳＰＤＦ／触媒へ入る前に可能な限り短い経路長さにおいてＮＨ3／排気ガス混合物の均質性を得ることを保証するために行われる。
【００３７】
以下、本発明および技術的な環境を添付の図面を参照して説明するが、本発明が下記の実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明方法を実施するための装置の好ましい実施例の概念図。
【図２】内燃機関のクランク室中に一体化させたＨＷＬ熱交換器を示す概念図。
【実施例】
【００３９】
［図１］は排気ガスライン２と尿素水溶液タンク３とを有する内燃機関１を示している。排気ガスライン２中には、排気ガスの流方向においてＤＯＣ５とＳＤＰＦ６の間に、ＮＯXセンサ９と、ＨＷＬ熱交換器１４から供給されるＨＷＬを供給する取込装置とが配置されている。上記のＨＷＬ熱交換器１４はＳＤＰＦ６とＳＣＲ７との間のＨＷＬ取込装置にも供給できる。排気ガスの流動方向においてＳＣＲ７の後方には、アンモニアスリップ触媒（ＡＳＣ）８が存在している。排気ガスライン２の末端にもＮＯXセンサ９が配置されている。
変形実施例では、上記ＨＷＬ熱交換器１４は、基本的に２つのＮＯXセンサを備えた二重壁の排気ガス管１１の内部に配置されている。この場合、一方のＮＯXセンサ９がＤＯＣ５とＳＰＤＦ６の間に配置され、他方のＮＯXセンサ９はＡＳＣ８の後方に配置される。
【００４０】
［図２］は内燃機関１のクランク室を示し、その冷却循環系またはウォータジャケット１３とＨＷＬ熱交換器１４とは一体化されている。ＨＷＬは尿素水溶液タンク３中に存在し、この尿素水溶液タンク３は内燃機関の領域内に配置されている。ＨＷＬは、液体尿素給送ポンプ１２を用いて冷却水が循環する内燃機関１のクランク室領域へ送られる。ＨＷＬ熱交換器１４はこのクランク室領域内にあって、クランク室によってＨＷＬが加熱される。図示していない別の形態では、ＨＷＬ熱交換器１４は内燃機関１のシリンダヘッドに配置される。
加熱されたＨＷＬは、液体尿素給送ポンプ１２によってＨＷＬ熱交換器１４から噴射装置１５へ送り出される。噴射装置１５を出たＨＷＬは排気ガス配管内の混合区間１６に達し、ここでＨＷＬが再加熱される。
【符号の説明】
【００４１】
ＡｄＢｌｕｅ  ３２．５％尿素水溶液
ＡＮＢ  排ガス後処理
ＡＳＣ  アンモニアスリップ触媒
ＣＳＦ  排ガス成分酸化コーティング微粒子フィルタ
ＤＯＣ  ディーゼル酸化触媒
ＤＰＦ  ディーゼル微粒子フィルタ
ＮＨ3  アンモニア
ＮＯX  エンジン燃焼において生成される窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ2、Ｎ2Ｏ等）の総量
ＳＣＲ  選択的接触還元触媒
ＳＤＰＦ  ＳＣＲ活性化コーティングディーゼル微粒子フィルタ
【００４２】
１  内燃機関
２  排気ガスライン
３  尿素水溶液タンク
４  ＮＨ3発生器
５  ＤＯＣ
６  ＳＤＰＦ
７  ＳＣＲ
８  ＡＳＣ
９  ＮＯXセンサ
１０  シリンダヘッド
１１  二重壁排気ガス管
１２  液体尿素給送ポンプ
１３  ウォータジャケット
１４  ＨＷＬ熱交換器
１５  投与装置
１６  排気ガス配管
【図１】
2015152010.tif 000004
【図２】
2015152010.tif 000005
【外国語明細書】
2015152010000001.pdf