説明

内燃エンジンからの排気気体に含まれている汚染物質を処理する手段を通して流れる排気気体の温度を制御する装置と方法

【課題】内燃エンジンの動作条件によらずに排気気体の浄化処理を実現するように排気気体を必要な温度にする簡単で経済的な装置を提供する。
【解決手段】内燃エンジン(10)の排気ライン(20)を循環している排気気体の温度を制御する方法であって、排気ライン(20)は、排気気体に含まれている汚染物質を処理する汚染物質処理手段(30)と、汚染物質処理手段(30)を通して流れる排気気体を冷却または加熱する熱交換手段(32)と、を有しており、流体循環用の閉じた回路(34)の蒸発器(38)を熱交換手段(32)として使用することを特徴とする、排気気体の温度を制御する方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃エンジン、特にディーゼル型式の内燃エンジンからの排気気体に含まれている汚染物質を処理する手段を通して流れる排気気体の温度を制御する方法と装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ユーロ6などの環境標準に準拠し、これらの標準の厳格化に対応するために、排気気体に含まれているこれらの汚染物質、特に窒素酸化物(NOとNO)、より一般的にはNOxと呼ばれる汚染物質は、大気中に排出される前に処理されなければならない。
【0003】
そのため、一般に知られているように、汚染物質処理装置は乗り物の排気ラインに設置されている。
【0004】
排気ラインは、排気マニフォールドから、排気気体の排気ラインに沿った循環の方向に、排気気体に含まれている未燃焼炭化水素(HC)と一酸化炭素(CO)とを酸化によって処理することを目的としている3重効果触媒と呼ばれる三元触媒と、NOxを処理するSCR(選択還元)触媒と、を有している。
【0005】
このSCR触媒は還元剤の作用によってNOxを窒素に選択的に還元できるようにしている。触媒の上流に通常噴射されるこの還元剤は、炭化水素、水素、一酸化炭素、アンモニア、または尿素などの分解によってアンモニアを発生する化合物、とすることができる。
【0006】
そのような装置について発生する問題は、SCR触媒は300℃から500℃の範囲の動作温度を有していることである。
【0007】
排気気体の温度を常に細かく制御することは不可能であるが、それは排気気体の温度がエンジンの動作点に大きく依存しているからである。したがって、特に高いエンジン負荷において、排気気体の温度が500℃をはるかに超えることがある。この高温は、一方では、触媒がそのNOx還元機能を発揮できなくし、他方では、この触媒の成分物質と触媒が有している複数の触媒相との少なくとも一方の劣化につながることがある。
【0008】
排気気体がSCR触媒に進入する前に排気気体を冷却するために熱交換手段を排気ラインのSCR触媒の上流に配置することが公知である。
【0009】
そのため、エンジン冷却流体が流れている冷却器が排気ラインに配置されている。この冷却器によって排気気体に含まれている熱を吸収し、それによってこの気体の温度が触媒の動作温度の範囲の上限値を超えないように気体の温度を制御することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、上記技術には、排気気体によって加熱される冷却流体の温度が上昇するという課題がある。この流体は、インタークーラを通してエンジンと当該エンジンの他の補器の冷却にも使用されるため、インタークーラの容量を増加させる必要がある。インタークーラのための空間が制限されている場合、この冷却流体を必要な温度にするためにインタークーラを追加する必要がある。これは、コストを非常に高くし、エンジンの冷却回路を複雑にする結果につながる。
【0011】
さらに、排気気体の温度が触媒の円滑な動作を実現するために必要な温度よりも低い場合、特にエンジンの始動時または停止後には、NOxを含んでいる排気気体は触媒によって処理されず、汚染物質と共に大気中に排出される。
【0012】
本発明の目的は、内燃エンジンの動作条件によらずに排気気体の浄化処理を実現するように、排気気体を必要な温度にする簡単で経済的な装置によって前述の課題を解消することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明は、内燃エンジンの排気ラインを循環している排気気体の温度を制御する方法であって、排気ラインが、排気気体に含まれている汚染物質を処理する手段と、汚染物質処理手段を通して流れる排気気体を冷却または加熱する熱交換手段と、を有している方法に関する。
【0014】
本方法は、高温の流体が排気気体を加熱するように高温の流体を蒸発器に供給することを含んでいてもよい。
【0015】
本方法は、回路に接続された流体貯蔵手段に収容されている高温の流体を使用することを含んでいてもよい。
【0016】
本方法は、貯蔵手段がバイパスラインによって蒸発器に接続されるようになっていてもよい。
【0017】
本発明は、内燃エンジンの排気ラインを循環している排気気体の温度を制御する装置であって、排気ラインは、排気気体に含まれている汚染物質を処理する手段と、汚染物質処理手段を通して流れる排気気体を冷却または加熱する可逆熱交換手段と、を有しており、可逆熱交換手段は流体循環用の閉じた回路の蒸発器である装置にも関する。
【0018】
回路は流体貯蔵タンクを有していてもよい。
【0019】
タンクは断熱タンクであってもよい。
【0020】
タンクは流体加熱手段を有していてもよい。
【0021】
回路は、流体がタンクから蒸発器に流入できるようにするバイパスラインを有していてもよい。
【0022】
バイパスラインは絞り手段を備えていてもよい。
【0023】
可逆熱交換手段は、少なくとも1つの熱電対(thermo pile)を有していてもよい。
【0024】
この熱電対は、排気気体を加熱するときに電力を当該熱電対に供給する蓄電池に接続されていてもよい。
【0025】
汚染物質処理手段は、選択還元触媒を有していてもよい。
【0026】
本発明のその他の特徴と利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例による以降の説明を読むことで明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】内燃エンジンからの排気気体の温度を制御する本発明の装置を示す図である。
【図2】図1の装置の一部のより詳細な図である。
【図3】図1に示す装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
図1に示すように、内燃エンジン10、特にディーゼル型式の内燃エンジン10は、少なくとも1つのシリンダ12と、吸気マニフォールド14と、排気ライン20の入口18へ送る前にシリンダ12内での燃料混合気の燃焼に起因する排気気体を集めることができるようにする排気マニフォールド16と、を有している。
【0029】
図1において、排気ライン20は、排気気体の循環の方向において排気ライン20の入口18から出口(矢印22で表している。)へ向けて、排気気体の入口18のできるだけ近くに配置されている三元酸化触媒24と、それに続いて、SCR触媒30の入口面28に対向して配置されている還元剤、ここでは尿素用の噴射器26と、を有している。この排気ライン20は、SCR触媒30の入口面28と対向してSCR触媒30の近くに収容されている排気気体の温度検出器31も有している。この検出器31に、内燃エンジンが通常備えている計算機を組み合わせることにより、SCR触媒30に進入する排気気体の温度を知ることができる。
【0030】
図1から解るように、SCR触媒30の入口面28に到達する排気気体の温度を制御するように、2つの触媒24、30の間に可逆熱交換器32が設けられている。この熱交換器32は三元触媒より下流で温度検出器31の上流に配置されていることが好ましい。
【0031】
この熱交換器32は、排気気体の温度がSCR触媒30の通常の動作範囲、通常約300℃から約500℃の間となるように、排気気体を冷却したり加熱したりできる。
【0032】
より具体的には、図2に示すように、この熱交換32は、流体循環用の閉回路34、より具体的にはランキンサイクル形の回路の一部を構成している。
【0033】
回路34は、回路34内を時計回り(矢印A)に循環している作動流体、本明細書では水を循環および圧縮させる手段36を有している。圧縮器と呼ばれる当該手段36は、この水を圧縮でき、電気モータ(不図示)などの任意の公知の手段によって回転駆動されることが好ましい。
【0034】
回路34は、圧縮器36の後に、圧縮された蒸気の状態で流出する圧縮された水が横切る熱交換手段38、ここでは蒸発器を有している。
【0035】
この蒸発器38は、2つの触媒24,30の間に挟まれた排気ライン20の一部分40、好ましくは噴射器26および検出器31より上流の排気ライン20の一部分40を循環している排気気体を冷却または加熱できるように配置されている。
【0036】
当業者は、排気気体を使用して可能な最適な熱交換を実現するように、蒸発器38を排気ラインの一部分40に直接的または間接的に接続する任意の可能な構成を考えても良い。
【0037】
回路34は、蒸発器38の後に、蒸発器38から高圧に圧縮された蒸気を受け取る膨脹器42を有しており、蒸気はそこから低圧力の膨脹した蒸気の状態で流れる。
【0038】
膨脹器42は、たとえば、ロータが蒸気によって回転駆動される膨脹タービンとすることができる。このロータは、回収されたメカニカルエネルギーを、例えば電気エネルギーのような他のエネルギーに変換できるようにする装置、例えば発電機などに接続されていることが好ましい。
【0039】
回路34は、膨脹した低圧蒸気を膨脹器42から受け取る冷却交換器44、つまり凝縮器も有しており、蒸気は凝縮器44の出口で液体の水に変化している。凝縮器44は、たとえば図1において、雰囲気温度にある外部の空気であることが有利な冷却流体が吹き抜ける。
【0040】
作動流体が複数の矢印で示している方向に液体または気体の状態で循環するように、流体循環ラインによって、回路34のさまざまな要素を連続して接続することができる。より正確には、回路34は、圧縮器36と蒸発器38との間のライン46、蒸発器38と膨脹器42との間のライン48、膨脹器42と凝縮器44との間のライン50、および凝縮器44と圧縮器36との間のライン52を有している。
【0041】
さらに回路34は、蒸発器38と膨脹器42との間のライン48上を起点として、凝縮器44と圧縮器36との間のライン52上を終点とするバイパスライン54を有している。さらに、断熱タンク56が、蒸発器38とバイパスライン54の起点との間のライン48上で終わっている接続ライン58によって、ライン48に接続されていることが好ましい。バイパスライン54および接続ライン58とは、それぞれ、弁60および62のように、ライン54,58内で流体の循環を制御できるようにする絞り手段を有している。
【0042】
ライン54と58および弁60と62を伴うタンク56は、一部分40内を循環している排気気体を加熱するために蒸発器38の冷却器機能を熱発生機能に切り換えるように、この蒸発器38に対して熱交換の可逆性を実現させる。
【0043】
エンジンが動作しているときに、(検出器31に付属している)計算機は、SCR触媒30の円滑な動作を実現するために、排気気体の温度が高すぎる(約500℃を超えている)か不十分である(約300℃未満)かを評価することができる。
【0044】
温度が高すぎる場合、回路34は、排気ライン20の一部分40を循環している気体と蒸発器38との間の熱交換を実現しながら、この部分40を循環している排気気体を冷却するように始動する。
【0045】
より正確には、弁60,62がライン54,58に対して閉じた状態にあって、水は圧縮器36の影響下で回路を図に対して時計回り(矢印A)に循環する。圧縮器36を離れた圧縮された水はライン46内を循環して、蒸発器38にたどり着く。それから、この圧縮された水は、排気気体に含まれており蒸発器38に伝導した熱を集めながら、蒸発器38を通して流れる。この熱の作用の元で、気体の温度は低下し、水は加熱され、したがって水は高温の圧縮された蒸気の状態で蒸発器38を離れる。それから蒸気はエネルギーを膨脹器42に伝達させながら膨脹器42を通して流れる。ライン50を通して膨脹器42を離れた膨脹した蒸気は、凝縮器44を通して流れ、凝縮器44を液体の水の状態で離れる。この液体の水は、圧縮するための圧縮器36までライン52を通して運ばれる。
【0046】
したがって、回路34は、SCR触媒30の入口面28に到達する排気気体の温度が触媒30の動作に必要な温度にある間、動作状態のままである。
【0047】
回路34が停止する直前に、蒸発器38を離れた蒸気が、高温に維持された断熱貯蔵タンク56に供給されるように、接続ライン58の弁60が開いている位置に切り換えられる。
【0048】
それから、この弁60は、タンク56が蒸気で満たされるとすぐに閉じた位置に設定される。
【0049】
逆に、排気気体の温度がSCR触媒30の動作に不十分な場合、特にエンジンの始動時には、弁60,62はライン58,54に対して開いている位置に設定され、圧縮器36が始動する。
【0050】
この構成において、タンク56内に収容されている高温の蒸気がタンク56から接続ライン58と通して排出され、ライン48に供給される。圧縮器36の影響の元で、この蒸気は、図1の矢印A’に示すように時計回りに循環する。
【0051】
このように、蒸気は、ライン48の一部を循環し、蒸気が圧縮器の入口に到達する前にバイパスライン54を循環する。この蒸気は、圧縮器36を離れて蒸発器38に流入する。したがって、蒸発器38は、排気気体に含まれている熱を集めるという初期の機能を反転させる。より正確には、蒸発器38は、蒸気に含まれている熱を、排気ライン20の一部分40を循環している排気気体に与える熱発生器になる。これによって、気体を熱交換で加熱することができる。これにより、気体を急速に加熱し、SCR触媒の動作に対して適切な排気気体の温度を得るために必要な時間を著しく短縮することができる。
【0052】
これらのラインの閉じている位置において、蒸気が凝縮器44に流入できないように、追加の弁64(図1に点線で示している)を、ライン50または52上に設けることが好ましい。
【0053】
もちろん、この追加の弁64は、回路34が排気気体の冷却に使用される状態においては、ライン50または52に対して開いた位置にある。
【0054】
このように、閉回路34の単純なレイアウトによって、同じ蒸発器38を使用して排気気体を冷却したり、加熱したりすることができる。
【0055】
もちろん、本発明の範囲から逸脱することなく、断熱タンク56の代わりに、加熱抵抗、バーナーなどの、流体を加熱する手段を備えたタンクを使用することができる。
【0056】
図3は、SCR触媒30の入口面28に到達する排気気体の温度を制御するように、2つの触媒24,30の間に設けられた可逆熱交換装置32の変形例を示している。
【0057】
この装置32は三元触媒24とSCR触媒30との間の排気ライン20の一部分40上に配置されている1つまたは一連の熱電対66を有している。
【0058】
一般に、この熱電対60によって、排気気体に含まれている熱エネルギーを回収し、特にゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である。それから熱エネルギーは2つの導体70を通して蓄電池68に貯蔵される。
【0059】
もちろん、図1に示しているように、当業者は、排気気体を使用して可能な最適な熱交換を実現するように、この熱電対60を排気ラインの一部分40に直接的または間接的に接続する全ての可能な構成を考慮しても良い。
【0060】
排気気体の温度が高すぎる(約500℃を超える)場合、熱電対は、この気体に含まれている熱を集めることによって、ライン20の一部分40を循環している気体と熱電対60との間の熱交換を実現するように作動する。そのため、排気気体は冷却され、熱電対60は、排気気体流に含まれている熱エネルギーを、蓄電池68に保存するための電気エネルギーに変えるように熱エネルギーを集める。
【0061】
いったん排気気体の温度が安定すると、熱電対60の動作を停止することができる。
【0062】
逆に、排気気体の温度がSCR触媒30を動作させるのに必要な最小の閾値よりも低い場合、蓄電池68によって熱電対66に電力が供給される。
【0063】
この電力供給は、熱電対66を加熱する効果がある。それから熱電対66は、その熱を、排気ライン20の一部分40を循環している排気気体に伝達する。
【0064】
同様に、排気気体の温度が所望の値に到達すると、排気気体の加熱を停止するように熱電対66への電力の供給が停止される。
【0065】
熱電対66の熱交換の可逆性のおかげで、排気気体の温度がSCR触媒30の通常の動作範囲にあるように、排気気体を冷却または加熱することができる。
【符号の説明】
【0066】
10 内燃エンジン
12 シリンダ
14 吸気マニフォールド
16 排気マニフォールド
18 排気ラインの入口
20 排気ライン
22 排気ラインの出口
24 三元酸化触媒
26 噴射器
28 SCR触媒の入口面
30 SCR触媒(汚染物質処理手段)
31 排気気体の温度検出器
32 熱交換器
34 流体循環用の閉回路
36 圧縮器
38 蒸発器(熱交換手段)
40 蒸発器が配置されている排気ラインの部分
42 膨脹器
44 凝縮器
46、48、50、52 回路のライン
54 バイパスライン
56 タンク(流体貯蔵手段)
58 接続ライン
60,62 弁(絞り手段)
64 追加の弁
66 熱電対
68 蓄電池
70 導体

【特許請求の範囲】
【請求項1】
内燃エンジン(10)の排気ライン(20)を循環している排気気体の温度を制御する方法であって、前記排気ライン(20)は、前記排気気体に含まれている汚染物質を処理する汚染物質処理手段(30)と、前記汚染物質処理手段(30)を通して流れる前記排気気体を冷却または加熱する熱交換手段(32)と、を有しており、前記熱交換手段(32)として、流体循環用の閉じた回路(34)の蒸発器(38)を使用することを特徴とする方法。
【請求項2】
高温の流体が前記排気気体を加熱するように前記高温の流体を前記蒸発器に供給することを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記回路に接続された流体貯蔵手段(56)に収容されている高温の流体を使用することを含む、請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記貯蔵手段(56)をバイパスライン(54)によって前記蒸発器(38)に接続することを含む、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
【請求項5】
内燃エンジン(10)の排気ライン(20)を循環している排気気体の温度を制御する装置であって、前記排気ライン(20)は、前記排気気体に含まれている汚染物質を処理する汚染物質処理手段(30)と、前記汚染物質処理手段を通して流れる前記排気気体を冷却または加熱する可逆熱交換手段(32)と、を有しており、前記可逆熱交換手段(32)は、流体循環用の閉じた回路(34)の蒸発器(38)であることを特徴とする装置。
【請求項6】
前記回路(34)は高温の流体用の貯蔵タンク(56)を有している、請求項5に記載の装置。
【請求項7】
前記タンクは断熱タンクである、請求項6に記載の装置。
【請求項8】
前記タンク(56)は流体加熱手段を有している、請求項6または7に記載の装置。
【請求項9】
前記回路(34)は、前記流体を前記タンクから前記蒸発器(38)へ流すことができるようにするバイパスライン(54)を有している、請求項5から8のいずれか1項に記載の装置。
【請求項10】
前記バイパスライン(54)は絞り手段(62)を支持している、請求項9に記載の装置。
【請求項11】
前記汚染物質処理手段は選択還元触媒(30)を有している、請求項5に記載の装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2012−122482(P2012−122482A)
【公開日】平成24年6月28日(2012.6.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−268816(P2011−268816)
【出願日】平成23年12月8日(2011.12.8)
【出願人】(591007826)イエフペ エネルジ ヌヴェル (261)
【氏名又は名称原語表記】IFP ENERGIES NOUVELLES
【Fターム(参考)】