(57)【要約】本発明は、触媒による排ガス処理の分野において使用可能な還元剤を貯蔵及び調量する装置であって、調量される還元剤を貯蔵するための貯蔵装置（１０）と、処理される排ガスに還元剤を供給するための調量装置（２０）と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、還元剤を貯蔵するための貯蔵装置（１０）が、外側の容器（１１）と、該容器内に交換可能に配置可能でかつ還元剤を収容しているカートリッジ（１２）とを有している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒による排ガス処理の分野において使用可能な還元剤を貯蔵及び調量する装置であって、調量される還元剤を貯蔵するための貯蔵装置（１０）と、処理される排ガスに還元剤を供給するための調量装置（２０）とが設けられている形式のものにおいて、還元剤を貯蔵するための貯蔵装置（１０）が、少なくとも１つの外側の容器（１１）と、該容器内に交換可能に配置可能でかつ還元剤を収容しているカートリッジ（１２）とを有していることを特徴とする、還元剤を貯蔵及び調量する装置。
【請求項２】
カートリッジが安全弁（１３）を有しており、該安全弁（１３）が、容器（１１）内における所定位置へのカートリッジ（１２）の導入時に自動的に開放可能である、請求項１記載の装置。
【請求項３】
容器（１１）及び／又はカートリッジ（１２）が圧力容器もしくは安全容器として形成されている、請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
カートリッジ（１２）に安全閉鎖体（１４）が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
容器（１１）がフラップ（１１ａ）を有しており、該フラップ（１１ａ）を用いてカートリッジ（１２）が容器内部における所定位置に固定可能である、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
容器（１１）及び／又はカートリッジ（１２）が加熱可能、特にエンジン冷却水を用いて負荷可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
貯蔵装置（１０）と調量装置（２０）とが、特に圧力センサ（３１）を用いて監視可能な管路（３０）を介して、還元剤を搬送するために互いに接続されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
調量装置（２０）がエンジン冷却水又はその他の冷媒特にディーゼル燃料を用いて、負荷可能である、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
外側の容器（１１）又はカートリッジ（１２）に減圧装置（１５）が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの過圧弁（１６）が貯蔵装置（１０）に組み込まれている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
過圧弁（１６）が少なくとも１つの外側の容器（１１）に組み込まれている、請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
カートリッジ（１２）が、該カートリッジの最大許容運転圧の超過時に、過剰の還元剤を排出するために過圧弁（１６）を介して管路（１００）と接続可能である、請求項１０又は１１記載の装置。
【請求項１３】
触媒による排ガス処理の分野において使用可能な還元剤を貯蔵及び調量する方法であって、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置を使用することを特徴とする、還元剤を貯蔵及び調量する方法。
【請求項１４】
還元剤として、処理される排ガスに直接噴射されるアンモニアを使用する、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
触媒による排ガス処理の分野において使用可能な還元剤を貯蔵する貯蔵装置であって、外側の容器（１１）と、該容器内に交換可能に配置可能でかつ還元剤を収容しているカートリッジ（１２）とが設けられていることを特徴とする、還元剤を貯蔵する貯蔵装置。
【請求項１６】
カートリッジが安全弁（１３）を有しており、該安全弁（１３）が、容器内における所定位置へのカートリッジの導入時に自動的に開放可能である、請求項１５記載の貯蔵装置。
【請求項１７】
容器（１１）及び／又はカートリッジ（１２）が圧力容器もしくは安全容器として形成されている、請求項１５又は１６記載の貯蔵装置。
【請求項１８】
カートリッジ（１２）に安全閉鎖体が設けられている、請求項１５から１７までのいずれか１項記載の貯蔵装置。
【請求項１９】
容器（１１）がフラップ（１１ａ）を有しており、該フラップ（１１ａ）を用いてカートリッジ（１２）が容器内部における所定位置に固定可能である、請求項１５から１８までのいずれか１項記載の貯蔵装置。
【請求項２０】
少なくとも１つの過圧弁（１６）が設けられている、請求項１５から１９までのいずれか１項記載の貯蔵装置。
【請求項２１】
過圧弁（１６）が少なくとも１つの外側の容器（１１）に組み込まれている、請求項２０記載の貯蔵装置。
【請求項２２】
カートリッジ（１２）が、該カートリッジの最大許容運転圧の超過時に、過剰の還元剤を排出するために過圧弁（１６）を介して管路（１００）と接続可能である、請求項２０又は２１記載の貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１もしくは１３の上位概念部に記載された形式の、還元剤を貯蔵及び調量する装置及び方法に関する。本発明はさらに、請求項１５の上位概念部に記載された形式の還元剤を貯蔵する貯蔵装置に関する。
【０００２】
従来の技術
最近益々低く設定される有害物質限界値の結果として、内燃機関の排ガスを後処理する装置及び方法が、数々開発されている。例えば、ＮＯＸコンバートのためのアンモニア含有の還元剤を使用する触媒コンバータ系を用いて、効果的な排ガス後処理系を得ることができる。
【０００３】
排ガス中におけるＮＯＸ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いる。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 Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ」）とアキュムレータ触媒コンバータ（Ｓｐｅｉｃｈｅｒｋａｔａｌｙｓａｔｏｒｅｎ）とに分けられる。ＳＣＲ触媒コンバータにおいては窒素酸化物が選択的に還元剤と反応する。ＮＯＸの還元は、触媒コンバータの温度作業領域において連続的に行われる。アンモニアは極めて高い選択性を備えた還元剤である。アンモニアは自動車において例えば尿素からゲットすることができ、これに対してアキュムレータ触媒コンバータは例えばＮＯＸを、硝酸塩として貯蔵し、そして周期的に、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。
【０００４】
ヨーロッパ特許公開第０３８１２３６号明細書に基づいて公知の系では、圧力空気を用いて尿素水溶液が窒素酸化物を除去するために、ディーゼル機関からの排ガスに調量供給される。しかしながらこの場合尿素水溶液は、まず初めに、付加的な化学的プロセスを介してアンモニアに変換されねばならず、これによってこの方法の効率は低下せしめられ、また不都合な二次生成物を排除することができない。
【０００５】
ＳＣＲ技術の分野においても同様に、炭酸アンモニウム又はアンモニア水のようなアンモニア含有の別の出発物質を使用することが知られている。しかしながらすべての公知の方法には、アンモニアはその取扱いが難しいことに基づいて直接的に使用されないという共通点がある。
【０００６】
アンモニア含有の出発物質を使用する場合における別の欠点としては、次のことが挙げられる。すなわちこの場合例えば質量に対して比較的小さな還元出力しか発生せず、場合によっては冬期における有用性が制限されることになり、これによって相応な付加的な処置が必要になる。
【０００７】
米国特許第８１２２９０９号明細書には、内燃機関からの有害物質を触媒によって還元する装置及び方法が開示されている。この明細書において特に記載されているように、この場合ＳＣＲ方法の分野においてアンモニアは排ガス中にもたらされて、触媒コンバータの投入接続下において窒素酸化物を反応させて窒素と水とを形成することができる。この公知の装置もしくは方法では、しかしながら、アンモニアが有害なガスであり、ＳＣＲ系におけるアンモニアの使用は大きなコストをもたらすことになる。
【０００８】
ゆえに本発明の課題は、可能な限りコストのかからない簡単な形式で、アンモニア又は今まで比較的取扱いの困難な他の還元剤の直接的な使用を、ＳＣＲ法の分野において可能にすることである。
【０００９】
この課題は、請求項１の特徴部に記載の装置及び請求項１３の特徴部に記載の方法によって解決される。
【００１０】
本発明により、ＳＣＲ法において還元剤として例えば純粋のアンモニアを使用できるようになることによって、従来汎用の装置もしくは方法に比べて高い効率を達成することができ、二次生成物を回避することができ、かつ質量に対する還元剤の出力を高めることができる。
【００１１】
本発明による解決策は、還元剤の極めてユーザフレンドリな貯蔵を可能にし、かつ簡単に実現できる補給管理を可能にする。
【００１２】
発明の利点
本発明による方法もしくは装置の別の有利な構成は、従属請求項に記載されている。
【００１３】
本発明による装置の有利な構成によれば、アンモニアが交換可能なカートリッジに貯えられており、カートリッジが安全弁を有していて、該安全弁が、カートリッジを取り囲むもしくは保持する容器内における所定位置へのカートリッジの導入時に自動的に開放可能である。このような安全弁を設けることによって、カートリッジの特に確実な使用もしくは特に簡単な交換が可能である。
【００１４】
本発明の別の有利な構成では、容器及び／又はカートリッジが圧力容器もしくは安全容器として形成されている。耐えなくてはならない典型的な圧力は、６０バール又はそれ以上であり、その結果相応な圧力容器を設けることによって、系の安全性が保証される。
【００１５】
さらにまた、安全弁に加えてカートリッジに安全閉鎖体を設けると有利なことが判明している。この安全閉鎖体は、容器への挿入前に手による回動によってロック解除された状態にもたらすことができ、この場合別の運動方向も考えられる。例えば容器へのカートリッジの導入時における自動的な回動も可能である。
【００１６】
本発明による装置の別の有利な構成では、容器がフラップを有しており、該フラップを用いてカートリッジが容器内部における所定位置に固定可能である。このようなフラップは、有利にはその内側に切欠きを備えて形成されており、この切欠きにカートリッジのグリップが進入可能である。このように構成されていると、フラップの開放時にカートリッジの特に簡単な導入もしくは引出しが可能である。
【００１７】
本発明の別の有利な構成では、容器及び／又はカートリッジが加熱可能、特にエンジン冷却水を用いて負荷可能である。例えば容器は、エンジン冷却水が送り込まれる中空の壁を備えて形成されていることができる。このように構成されていると例えば、カートリッジもしくはその内容物を適宜な温度、例えば６０℃、４０℃又は０℃に加熱する（一定の圧力状態を準備するためには６０℃の温度が有利である）ことができ、これによって、カートリッジと調量装置との間における還元剤特にアンモニアの搬送が助成され、この場合還元剤の少なくとも一部が加熱によってガス状の状態へと移行し、その結果ガス調量を実施することができる。しかしながらポジティブな圧力状態を生ぜしめるようなその他の温度も可能である。
【００１８】
本発明の別の有利な構成では、貯蔵装置と調量装置とが、特に圧力センサを用いて監視可能な管路を介して、還元剤を搬送するために互いに接続されている。還元剤の調量は液体調量又はガス調量、もしくは液体・ガス調量として実施することができる。圧力センサを用いて有利な形式で調節される一定の系圧、例えば１．８バールの系圧を、簡単に検査もしくは点検可能である。液体調量の場合には還元剤は、カートリッジもしくは容器内における圧力を有する液体として調量ユニットに達する。従って、調量量は存在する圧力に関連して修正されねばならない。圧力センサはこの系圧を監視するためにも使用することができる。
【００１９】
貯蔵装置と調量装置とを互いに接続する管路は、有利には二重壁に形成されていて、場合によっては断熱材によって満たされている。
【００２０】
本発明の別の有利な構成では、調量装置がエンジン冷却水を用いて負荷可能であり、つまり調量装置にエンジン冷却水を供給できるようになっている。この場合例えば、調量装置の枠内において使用される調量弁を、冷却水が流入可能な中空壁を備えて形成することができる。また択一的に調量装置を冷却手段を備えて形成することも可能であり、この冷却手段を用いて、調量装置が有利な形式で配置されている排ガス管からの過剰な熱伝達を補償もしくは相殺することができる。調量装置と排ガス管との間に断熱層が形成されていると、有利である。
【００２１】
本発明の別の有利な構成では、外側の容器又はカートリッジに減圧装置が設けられている。減圧装置は特に、カートリッジ内に液体として収容された還元剤を、少なくとも部分的に特には完全に、ガス状の状態に変換するのに適している。
また過圧弁が設けられていると有利であり、これによって、液体及び／又は気体の形で自動車内において連行される全アンモニアの突然の遊離を回避することができる。さもないと、特に事故に際して生命の危険が生じるおそれがある。これによって特に、アンモニアが濃縮された形で周囲環境に放たれる状況が回避され、さもないと、発火性の有害物質が集結して危険なことになってしまう。さらに、最大許容運転圧の超過に起因する圧力容器の破裂が確実に回避される。このような圧力上昇は、例えば火災によって許容可能な運転温度を超えて容器が加熱することによって、生じることがある。このような状況において還元剤が適正な時期に少量単位で過圧弁を介して排出されると、臨界的な圧力上昇は確実に回避され、容器の破裂が阻止される。
【００２２】
本発明による方法の有利な構成では、還元剤としてアンモニアが使用される。触媒による排ガス浄化の分野におけるアンモニアの使用は、特に効果的であるということが証明されている。本発明による方法によって、従来、車両における使用が危険と見なされていた物質を、安全に取り扱うことが可能になる。
【００２３】
次に図面を参照しながら本発明の有利な実施例を説明する。
【００２４】
図１は、本発明による装置の有利な実施例を示す断面図である。
【００２５】
本発明による装置の主要な３つの構成要素は、図示の実施例ではアンモニアである使用される還元剤を貯蔵する貯蔵装置（全体を符号１０で示す）と、使用される還元剤によって浄化もしくは処理される排ガスを供給する調量装置（符号２０で示す）と、貯蔵装置１０と調量装置２０とを互いに接続する圧力管路（符号３０で示す）とである。
【００２６】
貯蔵装置１０は外側の加熱可能な安全容器１１と、この安全容器１１内に導入可能でかつ交換可能なカートリッジ１２とを有している。安全容器１１は旋回可能な蓋１１ａを備えて形成されており、この蓋１１ａを用いて、導入されたカートリッジ１２は安全容器１１内において位置決め可能もしくは固定可能である。蓋もしくはフラップ１１ａは切欠き１１ｂを有しており、この切欠き１１ｂ内には、閉鎖された配置形式において安全の理由から、カートリッジ１２のグリップ１２ａが進入している。また同様に、容器内壁の相応な形状付与によって、容器内壁をカートリッジの案内及び軸方向における位置決めのために使用することも可能である。グリップ１２ａを用いて、安全容器１１に対するカートリッジ１２の導入・引出しを簡単に実施することができる。
【００２７】
安全容器１１は中空壁１１ｃを備えて形成されており、この中空壁１１ｃの中空室１１ｄ内には、約６０℃にカートリッジを加熱するためにエンジン冷却水を入れることができる。
【００２８】
カートリッジ１２は安全弁１３と安全閉鎖体１４とを備えて形成されている。安全容器１１へのカートリッジの導入前に、安全閉鎖体は例えば９０°回動によって手動式にロック解除可能である。安全弁の開放は、減圧装置１５として形成された安全容器１１の領域へのカートリッジの挿入時に自動的に行われる。
【００２９】
安全弁１３の開放によってアンモニアは、減圧装置１５と圧力管路３０とを介して調量装置２０へと流れることができる。調量装置２０は相応な制御装置２１を用いて制御可能である。調量装置２０は安全容器１１と同様に、中空壁２０ａを備えて形成されているので、調量装置２０にも冷却水を供給することができる。
【００３０】
減圧装置１５は、有利には部分的に液体の形でカートリッジ内に貯蔵された還元剤を、気体に変えることができるので、気体調量は簡単に実現可能である。減圧装置は圧力を減じるために働き、この際に液相から気相への本来の移行は、具体的な圧力及び温度変化によって行われる。完全を期すためにさらに付言すると、容器内には有利には常にガス状成分（ｅｉｎ ｇａｓｆｏｅｒｍｉｇｅｒ Ａｎｔｅｉｌ）が存在している。液体調量（図示せず）時に、還元剤は減圧装置を介することなしに、接続管路を介してタンク圧もしくはカートリッジ圧で調量ユニットに達する。このことに基づいて、調量量は存在する圧力に関連して修正されねばならない。この目的のために圧力管路３０は有利には、系圧を監視するための圧力センサ３１を用いて監視可能である。また同様に、系圧を調圧器を用いて一定に保つことも可能である。圧力管路は安全性のために二重壁構造を有し、かつ必要とあれば絶縁もしくは断熱されていることができる。
【００３１】
調量装置２０は、処理される排ガスが貫流する排ガス管４０に堅固に装着されている。調量装置はフレームに取り付けられていて、排ガス管に進入する短い調量管路を有していてもよい。このように構成されていると、熱による負荷を減じることができる。調量装置を用いて調量された還元剤は、吹き込み管４１を介して気体として排ガスに入れられる。
【００３２】
調量ユニットは有利には単数又は複数の調量弁から成っており、これらの調量弁は必要とあればエンジン冷却水によって冷却されることができ、排ガス管の熱に対して、断熱フランジ又は中間管を用いて切り離されることができる。
【００３３】
また必要とあらば、還元剤特にアンモニアと排ガスとの混合状態を改善するために、複数の調量弁及び吹き込み管を使用することが可能である。
【００３４】
調量弁２０と排ガス管４０との間に断熱体２３が設けられていると、調量弁を排ガス熱から断熱することができ、有利である。
【００３５】
周知のように、導入された還元剤ここではアンモニアを添加された排ガスは、触媒コンバータ４３に供給され、この触媒コンバータ４３において自体公知の触媒による排ガス処理を実施することができる。
【００３６】
本発明による方法及び本発明による方法を実施する装置を使用した場合における大きな利点としては、系構成部材の数を減少できることが挙げられる。本発明による装置は、還元剤のユーザーフレンドリーな貯蔵を可能にし、その結果アンモニアを準備するための補給管理（Ｌｏｇｉｓｔｉｋ）を簡単に実現することができる。本発明による装置は乗用車のためにも実用車のためにも使用可能であり、また改善された冬期有用性を提供する。さらにアンモニア発生時における副産物は生じない。さらにまた還元剤排出による故障のおそれもない。
【００３７】
本発明による貯蔵装置は、カートリッジと安全容器とから成る系として構成されている。安全容器は、安全性をさらに高めるために耐圧性に構成されていてもよい。安全容器は、既に述べたように、加熱式に構成されていても非加熱式に構成されていてもよいが、有利にはエンジン冷却水が加熱のために使用される。この場合にはカートリッジもしくは容器内における温度を付加的に調整することができる。
【００３８】
カートリッジの交換は次のようにして行われる。すなわち、有利には迅速閉鎖フラップとして構成されたフラップ１１ａが開放され、カートリッジ１２がグリップを用いて回動によってロック解除され、そして引き出される。同様にまた、カートリッジを相応な機構を用いて係止し、長手方向運動によって解除することも可能である。引出し時に安全弁１３は閉鎖する。次いで、交換カートリッジを挿入してロックすることができ、この際押込み時に安全弁１３は自動的に開放される。
【００３９】
最後にアンモニアを例にとって、種々異なった貯蔵可能性について述べる。ガス成分を含んだ液体アンモニアを準備する場合には、カートリッジ内における圧力は、カートリッジ内における温度の関数である蒸気圧に相当している。典型的な圧力範囲としては、−２０℃における１．９バール〜＋６０℃における２６．１バールを挙げることができる。
【００４０】
付加的な処置としては、カートリッジもしくは貯蔵装置を、例えばエンジン冷却水を用いて＋６０℃に加熱することが可能である。このような処置によって、カートリッジもしくは貯蔵装置内における圧力を一定に、例えば２６．１バールに調節することができる。
【００４１】
ガス成分を含まない液体アンモニアを貯蔵する場合には有利には、カートリッジとしてダイヤフラムアキュムレータ・タンクが使用される。この場合カートリッジ圧は蒸気圧よりも大きく、例えば４６バールの系圧においてアンモニアは８５℃の温度に到るまで液層に保たれる。
【００４２】
図２には貯蔵装置１０の択一的な別の実施例が示されている。図１に示された装置におけると同じ構成部材には、同一符号が付けられており、それについての説明は省く。貯蔵装置は安全弁もしくは過圧弁１６を有している。この過圧弁１６は安全容器１１内に組み込まれている。過圧弁１６は減圧装置１５の隣りに配置されていて、減圧装置１５に対して並列的に安全閉鎖体１４と結合されている。安全閉鎖体１４とは反対の側において、弁１６は管路１００と接続されており、この管路１００は触媒コンバータ４３の上流側において排ガス管４０に開口している（排ガス管４０への管路１００の接続部は図２には示されていない）。
【００４３】
カートリッジの内圧が外部からの加熱作用に基づいてカートリッジの最大運転圧を上回ると、過圧弁１６は開放する。そして流出するアンモニアは排ガス流に導入され、排ガス流において触媒コンバータの領域で、少なくとも部分的に燃焼することができる。このようにしてカートリッジもしくは安全容器のバーストもしくは破裂は、最大運転圧の超過に基づいて回避することができる。過圧弁を通して吐き出されたアンモニアに因る危険の可能性（Ｇｅｆａｅｈｒｄｕｎｇｓｐｏｔｅｎｔｉａｌ）は、容器の破壊に比べて低い。それというのは、蓄圧器内容物は徐々に空になり、ひいてはＮＨ３は周囲空気によってより薄く希釈されるからである。
【００４４】
安全容器内に設ける代わりに、過圧弁１６はカートリッジ自体に組み込まれていてもよい。択一的に、２つ又はそれ以上のまとめられた安全容器がそれぞれ１つのカートリッジを備えていてもよく、これらのカートリッジには付加的にそれぞれ過圧弁１６が設けられている。所属の管路１００はこの場合それぞれ別個に又は１つの集合管路を介して排ガス管４０に開口することができる。択一的に管路１００は単に戸外に延びていてもよく、このような場合には過剰のアンモニアは緊急事態を回避するために道路に廃棄させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による装置の有利な実施例を示す断面図である。
【図２】
本発明による装置における貯蔵装置の択一的な別の実施例を示す断面図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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2004538424.tif 000026
2004538424.tif 000027
2004538424.tif 000028
2004538424.tif 000029
2004538424.tif 000030