(57)【要約】排出ガス通路内で排出ガスを処理する選択的触媒還元システムを提供する。システムは，尿素をアンモニアに変換するための第１触媒（３０）を備え，第１触媒（３０）は排出通路内に配置され，上流面（３１）及び下流面（３３）を有する。上流面（３１）は，前記通路（１０）を通る軸線方向流路（Ａ）に対して直角である。システムは，アンモニアの存在下でＮＯｘを窒素ガス及び水に変換するための第２触媒（４０）を備え，第２触媒（４０）は前記通路（１０）内で第１触媒（３０）の下流側に配置される。第１触媒（３０）の上流側にディーゼル排出流体（ＤＥＦ）の投与ユニット（５０）が配置され，この投与ユニット（５０）は，第１触媒（３０）の上流面（３１）にＤＥＦを触接噴射するように配置されたノズル（５６）を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排出ガス通路内で排出ガスを処理する選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムであって：
・尿素をアンモニアに変換するための第１触媒であって，該第１触媒は排出通路内に配置され，上流面及び下流面を有し，前記上流面は，前記通路を通る軸線方向流路に対して直角である，第１触媒；
・アンモニアの存在下でＮＯｘを窒素ガス及び水に変換するための第２触媒であって，該第２触媒は前記通路内で第１触媒の下流側に配置されている，第２触媒；並びに
・第１触媒の上流側に配置されているディーゼル排出流体（ＤＥＦ）の投与ユニットであって，該投与ユニットは，ＤＥＦを前記第１触媒の上流面に触接噴射するように配置されたノズルを備える，投与ユニット；
を備える，システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって，前記第１触媒が，通気性を有する金属基体を備える，システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって，前記第１触媒が，通気性を有するセラミックス基体を備える，システム。
【請求項４】
請求項２又は３に記載のシステムであって，前記基体が，加水分解触媒で被覆されている，システム。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載のシステムであって，前記ノズルが，前記通路を通る軸線方向流路と同軸である，システム。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載のシステムであって，前記通路内で前記第１触媒の下流側に配置される排出ガスミキサを更に備える，システム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムであって，前記排出ガスミキサが前記第１触媒の下流面に密着結合されている，システム。
【請求項８】
排出ガス通路内で排出ガスを処理する方法であって：
・尿素をアンモニアに変換するための，上流面及び下流面を有する第１触媒を，前記上流面が前記通路を通る軸線方向流路に対して直角となるように前記通路内に配置するステップ；
・アンモニアの存在下でＮＯｘを窒素ガス及び水に変換するための第２触媒を，前記通路内で前記第１触媒の下流側に配置するステップ；
・第１触媒の上流側に，ノズルを備えるディーゼル排出流体（ＤＥＦ）の投与ユニットを配置するステップ；並びに
・前記ノズルからＤＥＦを前記第１触媒の上流面に触接噴射するステップ；
を備える，方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって，前記第１触媒が，通気性を有する金属基体を備える，方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法であって，前記第１触媒が，通気性を有するセラミックス基体を備える，方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の方法であって，前記基体を加水分解触媒で被覆するステップを更に備える，方法。
【請求項１２】
請求項８〜１１の何れか一項に記載の方法であって，前記第１ノズルを配置するステップにおいて，前記ノズルを，前記通路を通る軸線方向流路に対して前記ノズルが同軸となるように配置する，方法。
【請求項１３】
請求項８〜１２の何れか一項に記載の方法であって，前記第１触媒の上流面が第１表面エリアを有し，前記ノズルによりＤＥＦを，前記第１表面エリアの少なくとも５０％に相当する前記上流面の第２表面エリアにＤＥＦスプレーが入射するように噴射する，方法。
【請求項１４】
請求項８〜１３の何れか一項に記載の方法であって，前記通路内で前記第１触媒の下流側に排出ガスミキサを配置するステップを更に備える，方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって，排出ガスミキサを配置するステップにおいて，前記排出ガスミキサが前記第１触媒の下流面に密着結合する，方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，内燃機関の分野に関連しており，特に，ディーゼルエンジンの排出ガスを処理するための改良された選択的触媒還元（ＳＣＲ）システム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＳＣＲシステムは，典型的には，排出ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）をアンモニアの存在下で窒素ガス及び水に変換するＳＣＲ触媒を使用している。アンモニアは，典型的には，尿素水（通常はディーゼル排出流体又はＤＥＦとして知られている）を排出流に噴射することにより得られ，その場合に尿素は，排出通路内で加水分解及び／又は熱分解を生じることによりアンモニアを生成する。アンモニアはＳＣＲ触媒に通されて排出ガスと反応し，その際に排出ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を排出通路から大気中に放出される前に窒素及び水に変換する。
【０００３】
ＤＥＦのアンモニアへの変換を助長又は加速させるために，排出通路内でＳＣＲ触媒の上流側に追加的な触媒を設けることは既知である。この追加的な触媒は，加水分解触媒で構成することができ，その場合にＤＥＦは，排出流中に噴射され，触媒に流入して加水分解反応を生じ，これによりＤＥＦがアンモニアに変換された後，ＳＣＲ触媒の下流側に流出して上述したＮＯｘの変換を行う。代替的に，ＳＣＲ触媒の上流側にインパクションミキサを配置し，そのインパクションミキサにより，蒸発，熱分解及び加水分解を生じさせる表面を提供することもできる。
【０００４】
インパクションミキサの使用に付随する一つの欠点は，高いＤＥＦ投入率及び／又は低い排出ガス温度や流量の場合に，ミキサの局所的な冷却が生じ得ることである。これは，ミキサの制約された表面積と相まって，ミキサ上における液体の集積や，その後の尿素からアンモニアへの変換反応の阻害につながりかねない。更に，この阻害によって中間的な副産物反応が生じ，これによりミキサ上や下流側排出ガス管系内に尿素が堆積するリスクが高まる。
【０００５】
この問題に対する一つの解決策が米国特許出願公開第２００９／０３２４４５３号明細書（特許文献１）において提案されている。すなわち，特許文献１は，上流側に配置された熱分解触媒及び／又は加水分解触媒が，軸線方向の流れ方向に対して２０°〜７０°の角度をなす上流側面を有するＳＣＲ触媒システムを開示している。この配置の目的は，ＤＥＦインジェクタと，触媒の上流側面との間隔を減少させ，尿素からアンモニアへの変換が改善されるように触媒を使用することである。この配置の一つの欠点は，この目的のために傾斜面を有する触媒を特別に調製する必要のあること，あるいは通常の触媒を切断して傾斜面を形成する必要のあることである。いずれにせよ，これにより製造コストが高まる。加えて，触媒の傾斜面は触媒内におけるセル全長の少なくとも３０〜５０％に亘って延在する場合があり，これにより排出システム内における不所望の背圧増加を生じさせかねない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０３２４４５３号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明の課題は，上述した欠点の少なくとも１つを除去又は軽減することである。
【０００８】
第１の態様において，本発明は，排出ガス通路内で排出ガスを処理する選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムを提供する。このシステムは：
・尿素をアンモニアに変換するための第１触媒であって，該第１触媒は排出通路内に配置され，上流面及び下流面を有し，前記上流面は，前記通路を通る軸線方向流路に対して直角である第１触媒；
・アンモニアの存在下でＮＯｘを窒素ガス及び水に変換するための第２触媒であって，前記通路内で第１触媒の下流側に配置されている第２触媒；並びに
・第１触媒の上流側に配置されているディーゼル排出流体（ＤＥＦ）の投与ユニットであって，ＤＥＦを前記第１触媒の上流面に触接噴射するように配置されたノズルを備える投与ユニット；
を備える。
【０００９】
第２の態様において，本発明は，排出ガス通路内で排出ガスを処理する方法を提供する。この方法は：
・尿素をアンモニアに変換するための，上流面及び下流面を有する第１触媒を，前記上流面が前記通路を通る軸線方向流路に対して直角となるように前記通路内に配置するステップ；
・アンモニアの存在下でＮＯｘを窒素ガス及び水に変換するための第２触媒を，前記通路内で前記第１触媒の下流側に配置するステップ；
・第１触媒の上流側に，ノズルを備えるディーゼル排出流体（ＤＥＦ）の投与ユニットを配置するステップ；並びに
・前記ノズルからＤＥＦを前記第１触媒の上流面に触接噴射するステップ；
を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
以下，本発明の好適な実施形態を，あくまでも例示として，添付図面を参照しながら記載する。
【図１】選択的触媒還元システムの第１実施形態を示す断面図である。
【図２】選択的触媒還元システムの第２実施形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は，車両の排出管又は排出通路に配置される選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムの第１実施形態における中核的部品の断面図である。排出ガスは，車両のディーゼルエンジンから排出テールパイプ（いずれも図示せず）に向けて矢印Ｅ，で示す方向に，そしてテールパイプから大気中に流出する。排出ガスは，先ず，図１に示すＳＣＲシステムの部品に到達する前に既知の酸化触媒を通過し，システムとテールパイプとの間に配置された既知のアンモニアスリップ触媒を通過する。しかしながら，これら何れの部品も図示されておらず，また，本発明の対象とするＳＣＲシステムにおける中核的部品を構成するものではない。
【００１２】
ＳＣＲシステムは，全体が酸素法数字２０で表されており，尿素をアンモニアに変換するための第１触媒３０を備える。第１触媒３０は，通気性基体を備え，この基体は，好適には気体の長手方向に延在する複数のセルを有する。基体は，好適には１平方インチ当たりセルが少なくとも５０個のセル密度を有する。通気性基体は，例えばステンレス鋼等の金属製基体で構成することができ，あるいはコージエライト等のセラミックス製基体で構成することができる。触媒基体は，被覆の施されない構造とすることができる。この場合に基体は，尿素内における熱分解（thermolysis）反応及び／又は熱分解（pyrolysis）反応を容易とするインパクション装置として効果的に作用する。代替的に，基体は，尿素内における加水分解反応を促進する既知形式の加水分解触媒コーティング又はウォッシュコートで被覆することもできる。
【００１３】
第１触媒３０は，通路１０内に配置され，上流面３１及び下流面３３を有する。上流面３１は，通路１０を通る軸線方向流路Ａに対して略直角である。換言すれば，通路１０内における第１触媒３０の位置において，上流面３１は，通路の内壁１２に対して略垂直である。
【００１４】
システム２０は，アンモニアの存在下で窒素ガス及び水に変換するための第２触媒４０を更に備える。第２触媒４０は，既知形式のＳＣＲ触媒で構成することができ，その直ぐ上流側に特定のフィルタ（図示せず）を含むことができる。第２触媒４０は，通路10内で第１触媒３０の下流側に配置される。
【００１５】
第１触媒３０の上流側には，ディーゼル排出流体（ＤＥＦ）投与ユニット５０が配置される。投与ユニット５０は，当該ユニットによる投与率を制御するためのコントローラ又はＥＣＵ５２を備え，共有ＤＥＦを収めたリザーバ５４に接続される。投与ユニットは，リザーバ５４に接続されるノズル５６も備え，そのノズルは，ＤＥＦを第１触媒３０の上流面３１に対して直接的に噴射するように配置される。この文脈において「直接的」との用語は，ＤＥＦ液滴５８のスプレーがノズル５６から通路１０内に噴射される際，液滴が第１触媒に到達する前に蒸発してしまうのとは対照的に，第１触媒の上流面に衝突又は入射することを意味するものである。
【００１６】
システム２０は，排出ミキサ６０を更に備えることができる。この排出ミキサは，流れが第２触媒４０内まで下流側に移行する際に，乱流を生じさせて流れを方向付けることにより，排出ガス及びアンモニアの徹底的な混合を行うためのベーン６２を含む。排出ミキサ６０は，通路１０内で第１触媒３０の下流側に配置され，好適には第１触媒における下流面３３に密接結合される。ここに「密接結合」とは，ミキサ６０が下流面３３に取付けられ，あるいは下流面に対して少なくとも直近（１００ｍｍ以内）に配置されることを意味する。
【００１７】
図２は，全体が参照数字２０’で表された，車両の排出管又は排出通路に配置される選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムの第２実施形態における中核的部品の断面図である。システムの第２実施形態は，第１実施形態に対して大部分の部品が共通である。共通の部品は，先に使用したと同一の参照数字で表され，改めて記載するには及ばないものである。
【００１８】
第１実施形態及び第２実施形態の相違点は，ＤＥＦ投与ユニット５０におけるノズル５６’の配置に関するものである。第２実施形態でも，ノズル５６’は，ＤＥＦを第１触媒３０の上流面３１に直接的に噴射するように配置される。しかしながら，本実施形態におけるノズル５６’は，軸線方向流路Ａと略同軸となる位置を形成するものではない。換言すれば，ノズル５６’は，軸線方向流路Ａと略同軸の中心軸線Ｎを有する。従って，第２実施形態においてＤＥＦ液滴のスプレー５８’は，第１触媒における側部に対する傾斜位置からとは対照的に，第１触媒における上流面３１の直前位置からノズル５６’を離れる。ノズル５６’先端部及び上流面３１間の距離は，ノズル先端部を離れるＤＥＦのスプレー円錐角と比例する。ノズル先端部は，好適には上流面から１２５〜１７５ｍｍの位置にあり，スプレー円錐角は３０〜６０°である。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
次に，図１及び２に示すＳＣＲシステムの部品を参照して，排出通路内で排出ガスを処理する方法について説明する。本方法は，尿素をアンモニアに変換するための第１触媒３０を通路１０内に配置するステップと，ＮＯｘをアンモニアの存在下で窒素ガス及び水に変換するための第２触媒４０を通路内で第１触媒３０の下流側に配置するステップと，を備える。本方法は，加水分解コーティング又はウォッシュコートを使用して，第１触媒の通気性基体にコーティングを施すステップも含むことができる。ＤＥＦ投与ユニット５０は，第１触媒の上流側に配置し，図２に示すように配置すればＤＥＦノズルを軸線方向流路Ａと略同軸とすることができる。好適には，ノズル５６，５６’は，ＤＥＦスプレー５８，５８’が第１触媒３０における上流面３１の表面積Ｓ１に入射するように配置する。ＤＥＦスプレー５８，５８’によりカバーされる表面積Ｓ１は，好適には，上流面３１の表面積Ｓ１の少なくとも５０％とする。
【００２０】
好適には，ＤＥＦスプレー５８，５８’は，ザウタ平均粒径が５０μｍ未満の液滴を含むことができる。スプレー５８，５８’は，好適には円錐状に形成する。この場合，上流面３１上の任意の点に衝突するピークスプレー質量流束は，衝突スプレー質量流束の９５％を含む面積に亘って測定したときに，上流面３１に衝突する平均質量流束の２．５倍を超えない。
【００２１】
排出ガスが方向Ｅに流れる際に，ＤＥＦ投与ユニット５０はＤＥＦをノズル５６，５６’から噴射し，ＤＥＦの液滴５８，５８’が第１触媒３０の上流面３１上に直接的に噴霧される。第１触媒を構成する通気性基体が加水分解コーティングで被覆されていなければ，基体に達した尿素は，尿素がアンモニアに変換されるように熱分解（thermolysis）反応又は熱分解（pyrolysis）反応を生じる。他方，基体が加水分解コーティングで被覆されていれば，尿素は加水分解反応を生じ，アンモニアに変換される。
【００２２】
すると，第１触媒の下流面３３から排出されるアンモニア及び排出ガスが排出ミキサ６０に流出し，ここでミキサのベーン６２が流れを旋回させ，又はガイドすることにより，アンモニア及び排出ガスを第２触媒に流入するに先立って徹底的に混合する。第２触媒において，排出ガス中に含まれるＮＯｘが，アンモニアの存在下で窒素ガス及び水に変換される。これらの無害な窒素ガス及び水成分は，排出テールパイプから大気中に放出される。
【００２３】
ＤＥＦを第１触媒の上流面に直接的に噴射することにより，システムにおける尿素からアンモニアへの変換率は，ＤＥＦを排出ガス流に単位噴射するだけの場合よりも改善される。これは，第１触媒の上流側における退出通路のない編へのＤＥＦ堆積層の形成リスクを軽減するものでもある。触媒の上流面がＤＥＦを当該面に直接的に噴霧するインパクション表面として作用する実施形態において，ＤＥＦ液滴は衝突に際して分断され，触媒上における液体の生成や，その結果として生じ得る当該表面の不所望の冷却のリスクが軽減される。任意的な加水分解触媒コーティングが第１触媒の基体上に施される場合には，ＤＥＦの所望の蒸発が更に強化される。
【００２４】
更に，通路及び軸線方向ガス流に対して垂直な触媒上流面へのこの直接的な噴射により，上流面が軸線方向流れに対して傾斜している触媒を製造するための追加的な製造ステップが不要となる。上流面が垂直な触媒を使用すれば，触媒におけるセルの少なくとも一部分の長さに起因して通路内に追加的な背圧が生成されることはない。
【００２５】
第１触媒の下流側における任意的な流れミキサは，単にアンモニア及び排出ガスの混合を行うにとどまるものではない。追加的に，ミキサの表面が第１触媒の下流面から蒸発せずに排出されるＤＥＦスプレー液滴のための二次的な蒸発箇所としても作用するものである。
【００２６】
特許請求の範囲に記載した本発明の範囲を逸脱することなく，修正及び改良を行うことができる。
【図１】
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【図２】
2020513080.tif 000004
【国際調査報告】
2020513080.tif 000005
2020513080.tif 000006