(57)【要約】本発明は、特にディーゼルエンジン用の排気ガス後処理システムに関する。排気ガス後処理システムは、排気ガス微粒子フィルタ（３）、排気ガス微粒子フィルタの下流側に接続される窒素酸化物還元触媒（７、８）、及び還元剤供給装置（１７）を有する。本発明によれば、排気ガス微粒子フィルタ（３）は、フィルタボデーの中へ実質的に半径方向に排気ガスが流入し、ろ過された排気ガスのためのフィルタ内側区域（２６）を有し、フィルタ内側区域から軸方向に排気ガスを流出する多孔性の円筒状フィルタボデーの形態で具体化される。還元剤は、還元剤供給装置（１７）によってフィルタ内側区域（２６）の中に供給される。本発明は、自動車、より詳しくは商業用車両に使用することができる。
2006504026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス微粒子フィルタ（３）と、排気ガスの流れ方向において、前記排気ガス微粒子フィルタ（３）の下流側に接続される窒素酸化物還元触媒コンバータ（７、８）と、還元剤を添加する装置（１７）と、を有する特にディーゼルエンジン用の排気ガス後処理システムであって、
前記排気ガス微粒子フィルタ（３）が、フィルタボデーの中へ実質的に半径方向に排気ガスが流入し、ろ過された排気ガスのためのフィルタ内側区域（２６）を有し、前記フィルタ内側区域（２６）から軸方向に排気ガスが流出する多孔性の円筒状フィルタボデーとして設計され、
還元剤が、還元剤を添加する前記装置（１７）を経由して前記フィルタ内側区域（２６）の中に添加される
ことを特徴とする排気ガス後処理システム。
【請求項２】
前記フィルタボデーが、対に組み合わせた多孔性のフィルタープレート・リング（４）によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス後処理システム。
【請求項３】
前記排気ガス微粒子フィルタ（３）と前記窒素酸化物還元触媒コンバータ（７、８）が、共通ハウジング（２）内に取付けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス後処理システム。
【請求項４】
ろ過された排気ガスを前記窒素酸化物還元触媒コンバータ（７、８）へ送る流れ案内手段が設けられ、前記流れ案内手段が、前記フィルタボデーの前記フィルタ内側区域（２６）から通じる収集マニホルド（６）を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。
【請求項５】
触媒コンバータ要素（１５、１６）が、前記収集マニホルド（６）内に取付けられることを特徴とする請求項４に記載の排気ガス後処理システム。
【請求項６】
前記窒素酸化物還元触媒コンバータ（７、８）が、収集マニホルドに対して軸方向に並列にかつ隣接して取付けられることを特徴とする請求項４又は５に記載の排気ガス後処理システム。
【請求項７】
酸化触媒コンバータ（５、２４、２５）が、排気ガスの流れ方向において、前記排気ガス微粒子フィルタ（３）の上流側に接続されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。
【請求項８】
前記排気ガス微粒子フィルタ（３）と前記酸化触媒コンバータ（５、２４、２５）が、共通ハウジング（２）内に取付けられることを特徴とする請求項７に記載の排気ガス後処理システム。
【請求項９】
ろ過された排気ガスの部分流れを還元剤添加の上流側で分岐するために、及び、ろ過された排気ガスの当該部分流れをディーゼルエンジンに再循環させるために、前記フィルタ内側区域（２６）から通じる排気ガス再循環管路が設けられることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文の特徴を有する特にディーゼルエンジン用の排気ガス後処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１は、排気ガス微粒子フィルタ及びＳＣＲ触媒コンバータを有する排気ガス後処理システムを記載している。この排気ガス微粒子フィルタ及びＳＣＲ触媒コンバータは、排気ガス後処理システムのハウジング内に取付けられ、それとともに構造上のユニットを形成している。窒素酸化物の選択的接触還元用の還元剤としての尿素が、排気ガス微粒子フィルタに並列にハウジング内に取付けられ、かつそこを経由して流れるろ過された排気ガスを有する特別な管要素の中に注入され、そして尿素はＳＣＲ触媒コンバータに供給される。ハウジングには、仕切りによって互いに分離され、反射チャンバ及び／又は吸収チャンバとして働く複数のチャンバがあり、それによって消音作用が生じる。
【特許文献１】独国特許出願公開第１００  ４２  ５４２  Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、総合的な排気ガス浄化を達成できる排気ガス後処理システムであって、構造的に単純でかつ小型の構成であり、最適な消音のために使用することができる排気ガス後処理システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を有する排気ガス後処理システムによって達成される。
【０００５】
本発明によれば、排気ガス微粒子フィルタは、そのフィルタボデーの中へ実質的に半径方向に排気ガスが流入し、ろ過された排気ガスのためのフィルタ内側区域を有し、そのフィルタ内側区域から軸方向に排気ガスが流出する多孔性の円筒状フィルタボデーとして形成され、還元剤を添加する装置によってフィルタ内側区域の中に添加される還元剤用の設備がある。
【０００６】
フィルタボデーは、多孔性シリンダー壁を有する円筒状中空ボデーとして設計され、ろ過された排気ガスが、フィルタ内側区域から一方の軸方向に流出できるように構成されることが好ましい。ここでは、フィルタ内側区域は、流出側フィルタボデー末端の上流側で、ろ過された排気ガスにより充満され得る体積を有する領域を意味するものと理解されるべきである。フィルタボデーの壁材料は、デプスフィルタ又は表層フィルタとして作用することができ、ろ過作用を有し、かつ排気ガスに耐え得る所望の多孔性材料、例えば金属発泡体又はセラミック発泡体などから形成してもよい。さらに、それに追加として、材料の外側に、内側に、又は多孔内部に触媒被覆を設けてもよい。
【０００７】
適切な窒素酸化物還元触媒コンバータは、適切な還元剤によって窒素酸化物の還元を触媒することができるいずれかの触媒コンバータである。使用する還元剤は、窒素酸化物還元活性を有する適宜の試薬でよい。窒素酸化物還元触媒コンバータは、五酸化バナジウムに基づいて標準のＳＣＲ触媒コンバータとして設計されるのが好ましく、したがって、還元剤は、アンモニア、又はアンモニアが放出され得る液体である。使用する還元剤は、水溶性尿素溶液であることが好ましい。したがって、還元剤を添加する装置は、噴射ノズルとして設計されるのが好ましい。
【０００８】
微粒子フィルタと下流側の窒素酸化物還元触媒コンバータは、別々のハウジング又は共通ハウジング内に取付けてもよい。
【０００９】
フィルタボデーの内側区域へ還元剤を添加することにより、スペースをとらない、ガス通路が短い構造的解決策が得られる。これは、還元剤を添加する前の排気ガスの冷却を防ぎ、還元剤の調製にとって、例えばアンモニアの放出にとって、又は蒸発にとって有利な熱的条件が得られる。さらに、フィルタ内側区域への還元剤の添加により、排気ガス中における還元剤の良好な均一分布及び均質化が達成される。
【００１０】
本発明の一形態では、フィルタボデーは、対に組み合わせた多孔性のフィルタープレート・リングによって形成される。フィルタボデーは、平坦な環状焼結金属フィルタープレートから形成されることが好ましく、フィルタープレートは、それらの外側周囲に沿いに、かつそれらの内側のリング周囲に沿いに、互い違いに及び対になって例えば溶接継目によって、互いに固定的に接合される。フィルタボデーは、一端部に封止されたエンドプレートを有し、一方、他端部に環状気密構造のエンドプレートが取付けられることが好ましく、ろ過された排気ガスは、この環状のエンドプレートの開口部から軸方向に流出することができる。フィルタープレート・リングは任意の所望の形状でよいが、しかし、それは中央部に中心穴を有するおおよその円であることが好ましい。これにより、長手方向断面から見たとき、大体ジグザクの形になる外形を有するアコーディオンにほぼ同じ形状の円筒状フィルタボデーが製作される。これは、大きいフィルタ表面積、及び低い圧力損失、並びに高い消音作用によって特徴づけられる。これにより、排気ガス後処理システムにおいて、いかなる別の構造上の消音処置を実質的に不要にすることが可能になる。
【００１１】
本発明の別の形態では、窒素酸化物還元触媒コンバータ及び微粒子フィルタは、共通ハウジング内に取付けられる。これにより、複合した排気ガス接続管の必要性が回避され、排気ガス後処理システムの小型構造体が製作される。特に、焼結金属フィルターリングから構成される排気ガス微粒子フィルタの場合、その消音作用の故に、排気ガス浄化機能を有する排気ガス・マフラーが、この構造体によって実現される。
【００１２】
本発明の別の形態では、ろ過された排気ガスを窒素酸化物還元触媒コンバータへ送る流れ案内手段があり、その流れ案内手段は、フィルタボデーのフィルタ内側区域から通じる収集マニホルドを含む。フィルタボデーが焼結金属フィルターリングから構成される場合、収集マニホルドは、排気ガスを集めてそれを送ることに加えて、機械的安定性を増大させる働きもする。個々のフィルタープレート・リングは、収集マニホルド上で支持することができる。フィルタ内側区域では、収集マニホルドは、排気ガス入口用の穿孔された壁を有することが好ましい。窒素酸化物還元触媒コンバータ及び微粒子フィルタが共通ハウジング内に取付けられる場合、さらに、１つ以上の仕切り壁をハウジング内に適切に取付けることが可能であり、その仕切りによって、ハウジングはチャンバに分割される。この場合、仕切りは、同様に、ろ過された排気ガスを窒素酸化物還元触媒コンバータへ送る流れ案内手段としての働きをするか、又は、排気ガス流れの経路をハウジング内部の他のある方向へ定め、同時に逆混合を防ぐ働きをする。
【００１３】
本発明の別の形態では、触媒コンバータ要素は、収集マニホルド内に取付けられる。このタイプの触媒コンバータ要素は、排気ガスの流れ方向に見て、フィルタ内側区域の好ましくは還元剤が添加される位置のすぐ下流側か、又はさらに下流側に取付けてもよい。尿素が還元剤として使用される場合、それは、アンモニアの放出を促進する加水分解触媒コンバータとして設計されことが好ましい。本発明による触媒コンバータ要素の構成により、特に小型のかつスペースをとらない全体構造が製作される。
【００１４】
本発明の別の形態では、窒素酸化物還元触媒コンバータは、収集マニホルドに対して軸方向に並列にかつ隣接して取付けられる。この型式の構成では、窒素酸化物還元触媒コンバータは、１つ以上の触媒コンバータ部を含んでもよい。窒素酸化物還元触媒コンバータが複数部構造の場合、個々の触媒コンバータ部が収集マニホルドのまわりに軸方向に並列に取付けられることが好ましい。この実施形態は、スペースをとらないやり方で窒素酸化物還元触媒コンバータの容積を増加させることが可能になる。
【００１５】
本発明の別の形態では、酸化触媒コンバータが、排気ガスの流れ方向に見て、排気ガス微粒子フィルタの上流側に接続される。これは、別々のハウジング内、又は、排気ガス微粒子フィルタが取付けられるハウジング内の別々の触媒コンバータ要素によって、実現することができる。例えば、炭化水素を酸化させるため、又は一酸化窒素を酸化させて二酸化窒素を形成するため、酸化触媒コンバータが使用される。後者により、微粒子フィルタの再生動作が改善される。
【００１６】
本発明の別の形態では、排気ガス微粒子フィルタ及び酸化触媒コンバータは、共通ハウジング内に取付けられる。この構成により、特に小型の構造ユニットが製作される。
【００１７】
本発明の別の形態では、ろ過された排気ガスの部分流れを還元剤添加の上流側で分岐するために、及び、ろ過された排気ガスのこの部分流れをディーゼルエンジンに再循環させるために、フィルタ内側区域から通じる排気ガス再循環管路が設けられる。この処置の結果は、排気ガス再循環管路において還元剤を含まないろ過された排気ガスが、ディーゼルエンジンに供給されることである。これは、再循環排気ガスと接触する成分の凝縮を防ぐ。
【００１８】
以下に、図及び対応する実施例に基づく本発明のより詳細な説明を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明による排気ガス浄化システムの一実施例に係る長手方向断面を概略的に示す。この場合、このシステムは、微粒子フィルタ３、及び、２個のハニカム・モノリス７、８を含むＳＣＲ触媒コンバータを含み、ハニカム・モノリスは、入口管１及び流出管９を有する共通ハウジング２内に取付けられる。収集マニホルド６、及び仕切り１８、１９、２０、２１が、排気ガスの経路を定めるために、ハウジング２内に設けられる。排気ガス浄化システムが機能を果たす方法について、矢印で概略的に示す排気ガス流路の記載に関連して以下に説明される。
【００２０】
ディーゼルエンジン（図示せず）からの排気ガスは、入口管１を経由してハウジング２の流入チャンバ１０の中に流入する。仕切り１８は、微粒子フィルタ３が取付けられる微粒子ろ過チャンバ１１から流入チャンバ１０を分離する。その周囲に沿って、仕切り１８は、ハウジング２に接合されるが、しかし、それは、穴の形をした開口部を有し、好ましくはその端部区域に沿ってリング状に取付けられる。これらの開口部は、流入チャンバ１０に流れ込む排気ガスが微粒子ろ過チャンバ１１の中に入ることを可能にする。仕切り１９は、微粒子ろ過チャンバ１１の他端側の範囲を決め、ろ過されてない排気ガスが、ハウジングのさらに下流側に配置された部分に前方移動するのを防ぐ。
【００２１】
微粒子フィルタ３は、個々のフィルターリングから構成され、そのうち、代表例として、参照番号を有する１つのフィルタ・リング４が与えられている。個々のフィルターリングは、中心穴を有する焼結金属フィルタープレートとして設計され、例えば、それらの外側周囲に沿いに、かつそれらの内側のリング周囲に沿いに、互い違い側の及び対にした溶接継目によって、互いに固定的に接合される。これにより、外側及び内側フィルタ・ポケットを有する形のアコーディオンのようなフィルタボデーが形成される。フィルタボデーの末端側フィルタ・リングは、ガス漏れしない仕方でそれぞれの仕切り１８、１９の周囲すべてに接合される。したがって、微粒子ろ過チャンバ１１に入った排気ガスは、フィルタボデーのフィルターリングを経由してフィルタ内側区域２６の中に前方流入し、排気ガス中に含まれる微粒子は、このプロセスでろ過除去される。したがって、排気ガス流れの主方向は、フィルタボデーの外側の区域からその内側の区域２６への半径方向に流れる。
【００２２】
フィルタ内側区域２６で、ろ過された排気ガスは、収集マニホルド６によって受け入れられ、収集マニホルドは、フィルタボデー内部のその横方向表面上に穿孔を有して設計される。収集マニホルド６は、好ましくはその全長の大部分にわたって焼結金属フィルタ・プレートの穴と同じ断面を有し、その結果として、焼結金属フィルタープレートは、フィルタボデーの内部では、収集マニホルドの周囲すべてでリングの形で収集マニホルド６に支持され、フィルタボデーの高い機械的安定性が得られる。
【００２３】
周囲のガス漏れしない接続で、収集マニホルド６は、微粒子ろ過チャンバ１１から、一方の側では仕切り１８を介して、他方の側では仕切り１９、２０、２１を介して、それぞれ、流入チャンバ１０の中へ、及び第１の転流チャンバ１４の中へ経路を定められる。流入チャンバ１０の区域では、還元剤を添加する装置が、ガス漏れしない仕方で収集マニホルド６に接続される。この装置は、図１では尿素水溶液用の供給管路１７として概略的に示されているだけであり、この供給管路は、対応する末端で絞られている収集マニホルド６の中に経路を定められる。還元剤としての尿素水溶液は、目標を定めかつ要求に従う仕方で供給管路１７を経由してフィルタ内側区域２６に注入することができるが、しかし、ここではさらに詳細には示されない。尿素水溶液の注入は、圧縮空気によって補助されることが好ましい。供給管路１７の末端区域では、収集マニホルド６は、流れ方向に向かって外側へ広がっており、フィルタ内側区域２６に供給される還元剤の良好な均一分布が得られる。還元剤の分布を、例えばそれを渦を巻かせることによってさらに改善するために、収集マニホルド６は、円錐形に絞られている末端区域に、流入チャンバ１０からの少量のろ過されてない排気ガスが収集マニホルド６に入るのを可能にする穴（図示せず）を設けてもよい。これにより、収集マニホルド６の上流側区域で、ろ過された排気ガスに添加される還元剤のさらに改善された混合が得られる。
【００２４】
添加された還元剤を調製するために、及び／又は、添加された尿素からのアンモニアの放出を改善するために、適切な触媒コンバータを収集マニホルド６内に取付けることが可能である。この場合、この触媒コンバータは、尿素の分解及びアンモニアの放出を促進する加水分解触媒として作用する触媒コンバータ・ディスク１５及び１６によって具体化される。加水分解触媒は、原則として、収集マニホルド６内において、尿素添加の下流側の適宜の所望の位置に取付けてもよいが、しかし、第１の触媒コンバータ部分１５を尿素添加のすぐ下流側に取付け、第２の触媒コンバータ部分１６を収集マニホルド６の末端区域に取付けることが好ましい。この場合、加水分解触媒は、尿素の分解をさらに改善するために、それを完全に又は部分的に電気的に加熱できるように設計してもよい。
【００２５】
還元剤と混合した排気ガスは、収集マニホルド６を経由して、それが第１の転流チャンバ１４に到達するまで移動し、転流チャンバでは、それは、収集マニホルド６の末端側開口部から出てくる。そこから、それは、窒素酸化物還元触媒コンバータに供給される。この場合、後者は、２個の円筒状のＳＣＲ触媒コンバータ・モノリス７、８によって実現され、ＳＣＲ触媒コンバータ・モノリスは、収集マニホルド６に対して軸方向に並列にかつ隣接して取付けられる。しかし、もちろん、収集マニホルド６のまわりに適合させて触媒コンバータ部をさらに取付けることもまた可能である。それらの入口側末端で、ＳＣＲ触媒コンバータ７、８は、周囲すべてを封止する仕方で仕切り２１の対応する開口部を貫通する。したがって、その周囲に沿って固定されかつガス漏れしない仕方でハウジング２に接合される仕切り２１は、一方で、排気ガス又は排気ガス／還元剤混合物の流れ案内手段として働き、他方で、ＳＣＲ触媒コンバータ７、８及び収集マニホルド６の機械的なホルダーとして働く。それらの出口側末端で、ＳＣＲ触媒コンバータ７、８は、仕切り２０の対応する開口部を貫通するが、但し、ここでは、ＳＣＲ触媒コンバータ７、８は、必ずしもガス漏れしない仕方で仕切り２０の対応する開口部の中に適合させる必要はない。
【００２６】
ＳＣＲ触媒コンバータ７、８を通過して、窒素酸化物の除去により浄化された排気ガスは、ＳＣＲ触媒コンバータ７、８から、仕切り１９、２０によって横方向に範囲を定められる第２の転流チャンバに出てくる。仕切り１９は、微粒子ろ過チャンバ１１に関してガス漏れしない閉止状態を形成する一方で、仕切り２０は部分的に穿孔された構造であるので、浄化された排気ガスは、その流れ方向を変えた後、穿孔された仕切り２０を経由して流出チャンバ１３の中に前方移動する。
【００２７】
流出チャンバ１３内の排気ガスは、流出管９によって受け入れられ、この排気ガスは、そこから仕切り２１及びハウジング２の壁を経由して、ハウジング２から出る経路を定められ、その結果、排気ガスがハウジング２から出てくる。流出管９は、好ましくはその入口側末端区域が穿孔された構造であり、穿孔されたエンドプレートが設けられる。これは、仕切り１８及び２０の穿孔のように、消音に貢献する。
【００２８】
したがって、記載した実施例では、構造的に単純でかつ小型の構成である排気ガス後処理システムが形成され、総合的な排気ガス浄化、及び、加えて、特に効果的な消音が達成される。
【００２９】
本発明による排気ガス後処理システムの浄化作用は、追加の触媒機能を加えることによって、さらに改善することができる。これは、例えば、フィルターリングの流入側又は流出側表面に塗布される触媒的に活性な被覆からなってもよい。しかしまた、触媒機能を、焼結材料がそれ自体で触媒活性を有する焼結材料フィルターリングによって実現してもよい。さらに、触媒機能を、酸化触媒作用を有するプレート要素によって、例えばフィルタボデーに固着して、実現することが可能である。図１は、このタイプの複数の触媒プレート要素の可能な代表例として、環状構造の単一の触媒プレート要素５を例示する。この触媒プレート要素５は、フィルタボデーの外側区域の中へ半径方向に延在する。フィルタボデーを、独国特許出願公開第１００  ３５  ５４４  Ａ１号明細書の記載に従って設計し、触媒的に活性なプレート要素を設けることが好ましい。
【００３０】
図２は、本発明による排気ガス後処理システムのさらに有利な実施例を例示する。この場合、図２に示した構成の要素が図１に示した部分に対応する要素は、同じ参照番号によって示される。
【００３１】
図２に例示した排気ガス後処理システムは、事実上酸化触媒コンバータを有するという理由で、図１に例示したシステムと異なり、この場合、排気ガス後処理システムは、排気ガスの流れ方向に見て、微粒子フィルタ３の上流側に接続される２個のハニカム・モノリス２４、２５を含む。このようにするために、図１に例示した実施例と比較して、中間チャンバ２３がハウジング２に加えられる。中間チャンバ２３は、仕切り２２によって、流入チャンバ１０を微粒子ろ過チャンバ１１から分離する。仕切り２２は、供給管路１７がガス漏れしない仕方で貫通する開口部、及び、触媒コンバータ・ボデー２４、２５が周囲すべてで封止されるようにそれらを受け入れる開口部を有し、この仕切り２２はさらに、流入チャンバ１０を中間チャンバ２３からガス漏れしない仕方で分離する。したがって、入口管１を経由してハウジング２の流入チャンバ１０に流れ込む排気ガスは、触媒コンバータ・ボデー２４、２５を経由して中間チャンバ２３の中に出ていき、その後、排気ガスは微粒子ろ過チャンバ１１の中に供給される。その結果、排気ガスは、それがろ過される前に、酸化の触媒処理を受け、その処理の間に、排気ガス中の炭化水素又は一酸化炭素などの酸化し得る成分の含量が低減される。さらに、排気ガス中に含まれる一酸化窒素を酸化して二酸化窒素を形成することができ、それによってフィルタボデーに堆積した炭素微粒子の燃焼除去が容易になる。この実施例は、図１に例示した実施例のフィルタボデーに固着される酸化の触媒作用を有するプレート要素を不要にすることを可能にする。
【００３２】
汚染物質のエミッションに対するなお別の改善が、排気ガス再循環によって達成することができる。このようにするために、還元剤添加の上流側でフィルタ内側区域２６の中に開口する排気ガス再循環管路（図示せず）が、ハウジング２からの経路を定められ、エンジンの吸気管システムに接続される。このようにして、ろ過された排気ガスを、いかなる還元剤もなしでエンジンに再循環することができる。記載した排気ガス再循環は、もちろん、図１に示した実施例及び図２に示した実施例の両方で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による排気ガス浄化システムの実施形態に係る概略断面説明図である。
【図２】本発明による排気ガス浄化システムの別の実施形態に係る概略断面説明図である。
【図１】
2006504026.tif 000003
【図２】
2006504026.tif 000004
【国際調査報告】
2006504026.tif 000005
2006504026.tif 000006
2006504026.tif 000007
2006504026.tif 000008
2006504026.tif 000009
2006504026.tif 000010