JP2008506881A - 排気放出削減用のハイブリッド触媒システム - Google Patents

Abstract

排気処理システムであり、ＬＮＴに続きＳＣＲリアクターを有する。合成ガスを用いて、ＬＮＴを再生させる。実施形態の一つでは、ＬＮＴと別にアンモニア源を設ける。他の実施形態では、一つ又は複数のＬＮＴと、ＬＮＴの下流の一つ又は複数のＳＣＲから合成ガスを提供する。制御方法についても説明している。この方法は、再生サイクルの開始時間、再生サイクルの終了時間、及び、ＬＮＴの再生中の還元剤の排出割合の一つ又は複数に関する。

Description

本発明は、内燃機関、特に、ディーゼルエンジンと希薄燃焼ガソリンエンジンに用いる汚染制御装置の分野に関する。

内燃機関を備えた自動車から放出されるＮＯ_X排出（エミッション）は、世界的に環境問題として認識されている。米国を含む複数の国では、長い間、自動車からのＮＯ_X排出を制限するように規制中である。そして、製造者や研究者達は、これら規制を満足させるためにかなりの努力を行っている。理論空熱混合気を用いる通常のガソリン駆動自動車では、三元触媒がＮＯ_X排出を制御できることが解っている。しかしながら、ディーゼル駆動自動車と、希薄燃焼ガソリンエンジンを備えた自動車では、三元触媒を効果的に用いるには、排気が酸素を過多に有していた。

そこで、上記ディーゼル駆動自動車と希薄燃焼ガソリンエンジンからのＮＯ_X排出を制御するため、様々な解決策が提案されている。あるアプローチの仕方では、エンジンに焦点を合わせている。そして、排気ガスを巡回させて、空熱混合気を均質化させる技術によって、ＮＯ_X排出を削減できるようにしている。しかしながら、この技術だけでは、ＮＯ_X排出をなくすことができない。そこで、他のアプローチの仕方では、自動車の排気からＮＯ_Xを除くようにしている。これらには、希薄燃焼ＮＯ_X触媒、希薄ＮＯ_Xトラップ（ＬＮＴ：Lean NO_X Trap）、及び選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）を用いることが含まれる。

希薄燃焼ＮＯ_X触媒は、酸素が豊富な状況下で、ＮＯ_Xの還元を促進する。但し、酸化雰囲気中でのＮＯ_Xの還元は困難である。また、所望の作用、持続性、及び操作温度範囲を有する希薄燃焼ＮＯ_X触媒を見つけることは困難なことが知られている。また、希薄燃焼ＮＯ_X触媒は、熱水的に不安定な傾向がある。また、比較的にわずかな使用の後、作用の喪失を顕著に生じさせることがある。通常、希薄燃焼ＮＯ_X触媒は、沸石ウォッシュコートを用いるが、これは、微環境を還元すると考えられている。また、ディーゼル燃料のような還元剤（reductant）を排気中に導入することは一般に必要とされており、３％又はこれ以上の燃料経済のペナルティーを導入している。現在、希薄燃焼触媒を用いた、ピークのＮＯ_Xの変換効率は、許容できない程小さなものである。

ＬＮＴは、ＮＯ_Xを還元するため、触媒と組合わされたＮＯ_X吸着装置（adsorbers）である。この吸着装置は、希薄排気からＮＯ_Xを取り除く。この吸着装置は、周期的に、還元環境（reducing environment）を導入することで、再生されている。還元環境中、触媒上で、ＮＯ_Xが脱着されて、還元されている。一般に、吸着装置は、アルカリ土類酸素吸着装置、例えばＢａＣＯ₃であり、触媒は、貴金属、例えばＲｕでもよい。

ＳＣＲは、アンモニアを用いたＮＯ_Xの還元を行う。この反作用は、酸化環境中でも生じる。ＮＯ_Xは、吸着物内に一時的に蓄えられることができ、又は、アンモニアを排気内に連続して供給することができる。ＳＣＲは、ＮＯ_Xの還元を９０％以上達成できるが、アンモニアや適当な先駆物を分配するための基盤が足りないことが懸念されている。また、ＳＣＲは、環境中にアンモニアを放つ可能性があることについても懸念されている。

特許文献１には、吸着装置を再生させる還元剤として、Ｈ₂とＣＯを含む、水素が豊富な合成ガスを用いる、ＬＮＴシステムが開示されている。この合成ガスは、プラズマコンバーター内で、ディーゼル燃料から生成されている。周期的に、吸着装置は、排気システムからオフラインにされて、合成ガスが供給されている。また、二重吸着装置システムについても開示されている。

特許文献２には、ＬＮＴとＳＣＲリアクターを連続して用いる、ハイブリッド排気処理システムが開示されている。ＳＣＲリアクターは、再生中にＬＮＴによって生成されたアンモニアを捕まえて、この捕まえたアンモニアを用いて、ＮＯ_X変換の度合いを増大させている。
米国特許第６,５６０,９５８号公報 米国特許第６,７３２,５０７号公報

そこで、従来、ディーゼルエンジンと希薄燃焼ガソリンエンジンの排気からＮＯ_Xを除くための、信頼性があり、手ごろで、効果的なシステムが長い間望まれていた。

以下、本発明の幾つかの特徴について基本的な理解が得られるように、簡単な要約を示す。尚、この要約は、本発明の完全な概要ではない。この要約の主な目的は、後述する詳細な説明に先立って、本発明の幾つかのコンセプトを簡略化された形で提供することにある。

本発明の特徴の一つは、ＮＯ_X吸着装置の下流にＳＣＲリアクターを設けた排気処理システムであって、燃料改質装置からの合成ガスを用いて、ＮＯ_X吸着装置を再生させるものに関する。好ましくは、ＮＯ_X吸着装置は触媒を有し、再生中にＮＯ_Xを還元するように機能する。燃料改質装置からの合成ガスによって、排気システム内に直接的に燃料を排出する場合と比べて、再生サイクルの効率を向上させている。ＳＣＲリアクターは、再生中に生成したアンモニアを捕まえて、このアンモニアを用いて希薄操作中にＮＯ_Xを還元することで、さらに変換を向上させている。

本発明の他の特徴は、ＬＮＴの下流にＳＣＲリアクターを設けて、ＬＮＴとは別にアンモニア源を設けた排気処理システムに関する。ＬＮＴは、幾らかのアンモニアを生成するが、別のアンモニア源によって、高いＮＯ_X変換を簡単に達成することができる。アンモニア要求は、純粋なＳＣＲシステムよりもかなり小さく、制御システムは、ＬＮＴを逃げる全てのＮＯ_Xよりも低く変換することを目標にすることで簡略化できる。実施形態の一つでは、アンモニア源は、部分的な排気流から引き抜かれるＮＯ_Xと、燃料改質装置から得られる合成ガスとの間の反作用からアンモニアを生成するアンモニアプラントを含む。

本発明のさらなる特徴は、第１と第２のＬＮＴを含み、一方又は他方のＬＮＴに排気を選択的に向けるために一つ又は複数の弁を含む排気システムに関する。このシステムはさらに、ＬＮＴの下流側に一つ又は複数のＳＣＲを含む。このシステムは、再生に関する燃料のペナルティーを減らすために用いることができ、また、ＬＮＴをより高い還元剤の濃度で、より長い残留時間で再生できるようにする。好適な実施形態では、ＬＮＴの排気流を統合して、酸化触媒に導く。この構成は、排気中に空気や他の酸素源を排出することなく、過度の還元剤を酸化することができる。

本発明のさらなる特徴は、上述のものを実行するために用いることができる装置に関する。この装置は、単一のハウジング内に第１と第２のＮＯ_X吸着装置を有し、さらに、一方又は他方の吸着装置内に排気を選択的に向せるために、一つ又は複数の弁を備える。この一つ又は複数の弁は、簡単なダンパーでもよい。本発明のこの特徴は、二重の吸着装置に基づく排気処理システムを実行するための、簡単で、コンパクトで、かつ経済的な方法を提供する。本発明の他の特徴は、付着物（よごれ）を緩和するため、酸化触媒とともに排気システム内の可動部をコーティングすることに関する。

本発明の他の特徴は、ＬＮＴ／ＳＣＲの排気処理システムの制御に関する。これら特徴の一つによると、ＬＮＴとＳＣＲリアクターの間のアンモニア濃度を測定して、再生サイクルの終了時を決定するために用いる。これら特徴の他のものでは、ＳＣＲリアクター内で吸着されるアンモニアの量の推定を保ち、この推定に基づいてＬＮＴの再生を選択的に開始させることで、ＬＮＴ内のアンモニアが消耗される前に再生を開始できるようにする。このことは、再生サイクル中にＮＯ_Xの進展（breakthrough）を減らしたり、防ぐことができる。本発明に関する特徴は、ＬＮＴとＳＣＲリアクターの間で測定されたＮＯ_Xの濃度に基づいて、選択的に再生を開始することを含む。本発明に関するさらなる特徴は、ＬＮＴ内で吸着されたＮＯ_Xの量の推定に基づいて再生を開始させることに関する。実施形態の一つでは、ＬＮＴがこのＮＯ_Xのストレージ能力より実質的に下回る点で再生サイクルを開始することにより、再生中にアンモニアに変換されるＮＯ_Xの部分を、ＬＮＴが飽和に近付くまで再生が延ばされる場合と比べて、実質的に増大させる。本発明に関するさらなる特徴では、再生中に還元剤が供給される割合より上でフィードバック制御を提供することに関する。再生時間を減らし、燃料ペナルティーを減らし、そして、ＬＮＴを逃げることができる還元剤の量の限界までアンモニアの生成を増大させるように、還元剤の供給割合を最大にすることができる。

上述した、また関連した目的を達成するため、以下の説明と添付した図には、本発明の特徴と実施について詳細に例示している。これらは、本発明の特徴を用いることができる様々な手段の幾つかを示したものである。本発明に関する他の特徴、長所及び新規な特色は、添付した図と合わせて、以下の本発明の詳細な説明を理解することで明らかになるであろう。

図１は、本発明の幾つかの特徴について説明するために、概略的に自動車１０を示している。この自動車１０は、内燃機関１１、希薄ＮＯ_Xトラップ（ＬＮＴ）１２、選択還元触媒（ＳＣＲ）リアクター１４、還元剤の源１３、オプションのアンモニアの源１５、及びセンサ１６−２０を含む。通常、自動車１０は、希薄排気を生じさせる。そして、ＬＮＴ１２は、希薄排気からＮＯ_Xを吸着する。時間が経つにつれて、還元剤の源１３から還元剤を排出することによって、排気は豊富になる。豊富な排気は、ＬＮＴ１２からＮＯ_Xを取り除くようにする。ＮＯ_Xの幾つかはＬＮＴを逃げ、幾つかはＮ₂に還元され、そして幾つかはＮＨ₃に還元される。

再生中にＬＮＴから逃げるＮＯ_Xと希薄操作中にＬＮＴによって吸着されないＮＯ_XはＳＣＲリアクター１４に流れる。ＳＣＲリアクター１４内では、ＮＯ_Xの幾つかは、ＮＨ₃との反作用によって還元される。このＮＨ₃は、ＬＮＴ１２内でつくられたＮＨ₃及び／又はオプションのアンモニア源１５から供給されるＮＨ₃でもよい。ＳＣＲリアクター１４はアンモニアと反作用して触媒作用を行い、一般に、過度のアンモニアを吸着して、蓄える性能を有する。センサ１６−２０は、通常、濃度を測定するが、選択的に備えられて、再生サイクルの開始時間、再生サイクルの終了時間、再生サイクル中の還元剤の供給割合、アンモニア源１５からのアンモニアの供給割合の一つ又は幾つかを、適宜、制御するために用いられる。さらなる制御情報は、通常、ＬＮＴ１２の温度、ＳＣＲリアクター１３の温度、及びエンジン制御装置（図示せず）から得られる幾つかの自動車の操作情報（例えば、速度やトルク）を含む。制御機能は、エンジン制御装置や、エンジン制御装置と通信する別の制御器によって実行することができる。

通常、自動車１０は、化石燃料、例えば、ディーゼル、ガソリン、天然ガス又はプロパンによって駆動される。燃料は、内燃機関１１内で燃焼されて、ＮＯ_Xを含む排気を生じさせる。ＮＯ_Xには、ＮＯ、ＮＯ₂、Ｎ₂Ｏ、及びＮ₂Ｏ₂が含まれる。一般に、排気は希薄であり、つまり、排気は、燃料に含まれる任意の炭化水素を燃焼するために必要とされる以上の酸素を実質的に含むことを意味する。通常、希薄排気は、３−５％の酸素を含む。

希薄ＮＯ_Xトラップ（ＬＮＴ）は、ＮＯ_X吸着層と触媒を含み、還元環境内でＮＯ_Xを効果的に還元する。一般に、触媒は、ＮＯ_X吸着層内に備えられるが、触媒は、選択的に、吸着層の下流の別の層に備えられてもよい。吸着層は、酸化（希薄）環境内でＮＯ_X用の吸着装置の効果的な量を含む。希薄ＮＯ_Xトラップを適当な温度範囲内に設ける場合、希薄ＮＯ_Xトラップは、還元環境内でＮＯ_Xを脱着及び／又は還元する。

吸着層は、任意の適当な吸着材料を含んでいてもよい。吸着材料の例として、分子篩（モレキュラーシーブ）が含まれるが、具体例として、沸石、アルミナ、シリカ、及び活性炭がある。さらなる例として、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢｅのようなアルカリ土類金属やＫやＣｅのようなアルカリ金属の酸化物、炭化物、及び水酸化物がある。さらなる例として、金属リン酸塩、例えば、チタニウムと酸化ジルコニウムのリン酸塩がある。

分子篩は、液晶構造を有する材料であり、内部に空洞を定め、標準的な大きなの孔を相互に連絡する。最も一般的な例として、沸石がある。沸石の有する液晶構造は、一般に、酸素結合とともに互いに対して四面体状に結合される原子に基づく。この原子は、通常、アルミニウムとシリコンであるが（アルミノ珪酸塩として与えられる）、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｂ、Ｂｅや他の原子により四面体構造を形成することは可能である。沸石の特性は、イオン交換、例えば、希土類元素やクロミウムを用いて修正することができる。好適な沸石は、一般に、希土類沸石とトムソン沸石を含む。希土類沸石は、ランタンのような希土類元素を用いて、広範囲で（例えば、少なくとも約５０％）又は完全にイオン交換された沸石である。ＬＮＴ用には、一般に、好適な吸着装置は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属であって、貴金属とともに酸素が付加されたものである。

吸着装置は、通常、バインダーと組合わされて、自立した構造に形成されるか、又は、不活性の基質上にコーティングされるように加えられる。バインダーは、例えば、クレー、珪酸塩、又はセメントでもよい。分子篩の液晶を結合するため、ポルトランドセメントを用いてもよい。一般に、吸着装置は、最小のバインダーを用いる時が最も効果的である。好ましくは、吸着層は、約３から約２０％のバインダーを含み、より好ましくは、約３から約１２％のバインダーで、さらに好ましくは、約３から約８％のバインダーを含む。

本発明に係る吸着装置と触媒層は、一般に、自動車の排気システムに用いられるのに適する。自動車の排気システムは、重量、寸法及び耐久性に基づく制限がある。例えば、自動車の排気システム用の吸着層は、自動車の操作中に生じる振動下で、デグラデーションに対し十分な耐性を有する必要がある。

吸着機能を有する層は、触媒機能のみを有する層と比べて、大きな傾向にある。全質量（マス）を限定するため、吸着層は、好ましくは、層の質量毎に吸着装置を大きく載せてる。好ましくは、吸着層は、重量のうち少なくとも約４０％の吸着装置を含む。吸着層の重量には、任意の不活性の基質と、任意のバインダーが含まれるが、ハウジングは含まれない。好ましくは、吸着層は、体積のうち少なくとも約２０％の吸着装置を含む。

吸着及び触媒の層は、オプションとして、加熱及び／又は冷却用の機構に備えられる。例えば、吸着及び脱着されたガス用に備えられた通路から流体隔離された熱交換通路に層を加えてもよい。暖かい又は冷たい流体は、熱交換通路を通って巡回して、吸着装置を加熱又は冷却する。冷却流体は、例えば、エンジン冷却液や周囲の空気でもよい。また、加熱流体は、例えば、アンモニア合成リアクター、燃料改質装置、又は吸着装置のような、暖かい排気や熱を生じさせる装置から熱を引出した流体や暖かい排気でもよい。他のオプションとして、電気抵抗による加熱がある。層が金属基質を含む場合、この金属基質を電気抵抗ヒーターとして用いることができる。また、層は、電気抵抗ヒーターとしてワイヤーに加えてもよい。

吸着装置や触媒の層は、任意の適当な構造を有することができる。適当な構造の例として、モノリス、パック層、レイヤスクリーニング等でもよい。パック層は、好ましくは、粒子を焼結したり、バインダーを用いて付着させるように、結合集団に形成される。層が吸着機能を有する場合、好ましくは、任意の厚い壁、大きな粒子、又は厚いコーティングは、マクロの有孔性の構造を有し、吸着作用が生じる所のマイクロな孔に対するアクセスを容易にする。マクロの有孔性の構造は、互いに焼結されたり、バインダーを用いて互いに結ばれた吸着装置の小さな粒子から、壁、粒子、又はコーティングを形成することで得ることができる。

好ましくは、ＮＯ_X吸着層は、典型的な吸着温度と排気の部分的な圧力で、ＮＯ_X形態を大容量で吸着できる。好ましくは、吸着装置は、典型的な吸着温度と１トールのＮＯ_X形態の部分的な圧力で、重量吸着のうち、少なくとも約３％のＮＯ_X形態を吸着でき、より好ましくは、重量吸着のうち、少なくとも約５％吸着でき、さらに好ましくは、重量吸着のうち、少なくとも約７％吸着できる。吸着装置の重量には、任意のバインダーや不活性の基質の重量は含まれない。

ＬＮＴ１２は、還元環境内で、ＮＯ_Xの還元剤用の触媒を含む。触媒は、例えば、一つ又は複数の貴金属、例えば、Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕ、グループVIIIの金属、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｎｉ、及びＣｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、又はＫでもよい。典型的な触媒は、ＰｔとＲｈを含むが、Ｎ₂上でＮＨ₃を生産するため、Ｒｈを還元したり、除去することが望ましい場合がある。効果的な操作温度は、一般に、約２００から約４５０℃の範囲内にある。Ｎ₂上でＮＨ₃を生産するため、低めの温度が望ましい場合がある。

還元剤の源１３は、任意の適当な還元剤を供給してもよい。適当な還元剤の例として、合成ガス、炭化水素、及び酸化された炭化水素が含まれる。合成ガスはＨ₂とＣＯを含む。還元剤は、内燃機関１１用の燃料でもよい。燃料は、排気内に排出されてもよい。選択的に、内燃機関１１は、還元剤を豊富に提供するように駆動されてもよい。

還元剤の源１３が内燃機関１１でない場合、通常、これは、例えば合成ガスのような簡単な炭化水素を生じさせる燃料改質装置である。簡単な燃料改質装置は、一般に、ＬＮＴ１２内のより複雑な炭化水素よりもより作用的である。燃料改質装置は、触媒改質装置、蒸気改質装置、オートサーマル改質装置、又はプラズマ改質装置でもよい。本発明の目的上、触媒改質装置は、例えば、Ｐｔ、Ｐｄのような酸化触媒や、ＭｎＯ₂のような遷移金属の酸化物でディーゼル燃料や希薄排気の供給を備えたものと比べて、ディーゼル燃料の完全な酸化物上で、ＣＯとＨ₂（合成ガス）と、小さな炭化水素を生成して、ＣＯ₂とＨ₂Ｏを生成するのに有利である。特に、比較的に多量のＨ₂を生成することが、触媒改質装置の顕著な特徴である。触媒改質装置の例は、Ａｌ、Ｍｇ、及びＮｉの酸化物を含むが、これらは、通常、ＣａＯ、Ｋ₂Ｏ、及びＣｅのような希土類元素の一つ又は複数と組合わされて、活性を増大させる。改質装置には、一般に、内燃機関１１用の燃料が供給される。また、改質装置には、例えば、空気や希薄排気のような酸素源が供給される。希薄排気は、排気システムの高圧部分、例えば、ターボチャージシステムに用いられるタービンの上流のマニホルド等から、引出すことができる。

燃料改質装置は、選択的に、排気流内に直接的に置かれることがある。図２を参照すると、ＬＮＴ１２の上流側に燃料改質装置３４を配置した自動車３０について概略的に示している。再生中、燃料源３５からの燃料は、排気内に排出される。ここでは、２つの可能な排出点が示されている。第１の排出点３２は、粒子フィルタ３１の上流にある。粒子フィルタ３１は、一般に酸化触媒を含み、燃料の一部を酸化する。第２の排出点３３は、粒子フィルタ３１の下流にある。選択的に、双方の排出点を用いてもよく、点３２での排出により過度の酸素を消費させ、点３３での排出によりＬＮＴ１２を再生するために十分な燃料を供給させてもよい。

ＳＣＲリアクターは、ＮＯ_XをＮＨ₃と反作用させて、希薄排気内でＮＯ_XをＮ₂に還元させる触媒を効果的な量で有するリアクターである。ＳＣＲ触媒の例として、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｄ、Ｍｏ、Ｗ、及びＣｅのような金属の酸化物、沸石、例えば、ＺＳＭ−５又はＺＳＭ−１１であり、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｚｎ、又はＰｔのカチオンのような金属イオンと置換されたもの、及び活性炭を含む。比較的に低めの温度、例えば、約２３０から約４５０℃の範囲内の温度で反作用を得ることができる。

アンモニア源１５を備える場合、これは、任意の適当なアンモニア源でもよい。このアンモニア源１５は、例えば、アンモニア、炭酸アンモニウム、又は尿素のリザーバーでもよい。アンモニアは、Ｈ₂とＮ₂から、又はＨ₂とＮＯ_Xからアンモニアを形成するアンモニアプラントによって、自動車１０上で生成することができる。Ｎ₂は空気から得ることができ、Ｈ₂は燃料改質装置から生成することができる。アンモニアは、この源が何であれ、選択的に一つ又は複数の吸着層、例えば、分子篩の吸着層内に蓄えることができ、そして必要に応じて脱着できる。

図３を参照すると、本発明の一つの特徴に従うアンモニアプラント１００を備えた自動車について概略的に示している。アンモニアプラント１００は、ＮＯ_X吸着装置１０１とアンモニア合成リアクター１０２を含む。吸着装置１０１は、内燃機関１１から部分的に排気流を受取る。一度、ＮＯ_X濃度が十分なレベルにまで増大すると、吸着装置１０１に還元剤が供給されて、アンモニアの生成を開始する。還元剤は、好ましくは、燃料改質装置１０３からの合成ガスである。還元剤は、吸着装置１０１から脱着を生じさせる。還元剤と脱着されたＮＯ_Xは、リアクター１０２内で反作用してアンモニアを生成する。選択的に、部分的な排気流は、アンモニア生成中に中断されて、これによって、実質的に酸素が自由な環境下でアンモニアの生成が行われるようにしてもよい。選択的に、吸着装置１０１は、適当な触媒を備えたＬＮＴである。また、選択的に、リアクター１０２は、吸着装置１０１と組合わされて、吸着装置１０１内で適当な触媒を分ける。

アンモニア合成用の適当な触媒には、貴金属、例えば、Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕ、グループVIIIの金属、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｎｉ、及びＣｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、又はＫが含まれる。例えば、ＡｕをＰｔ、Ｐｄ又はＲｕと組み合わせるように、触媒を組み合わせてもよい。触媒は、沸石、例えば、Ｙ沸石、ベータ沸石、モルデン沸石、及びＺＳＭ−５、又は、酸化金属、例えば、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＭｎＯ₂、及びＣｅＯ₂上で支持できる。酸素が自由な環境下で、低めの温度で、高い変換を可能にする好適な触媒は、酸化金属のサポート、特に、Ｆｅ₂Ｏ₃やＡｌ₂Ｏ₃のサポート上のＡｕである。高い変換は、約１５０から約３００℃の温度範囲で得ることができる。むしろ、又はこれに加えて、触媒、リアクター１０２は、アンモニアを生成する反作用を引き起こすように、プラズマ放出を提供してもよい。

アンモニア源１５は、非常に高いＮＯ_X変換を得る方法を可能にする。ＬＮＴ１２からのＮＯ_XとＮＨ₃の割合は、監視（モニタ）することができる。ＬＮＴ１２からのアンモニアの割合をＮＯ_Xの割合よりも少なくするため、アンモニア源１５は、ＳＣＲ１４内でＮＯ_XをＮ２に変換するために必要な追加のアンモニアを提供できる。ほとんどのＮＯ_Xは、ＬＮＴ１２内で既に変換されているため、実施形態の一つでは、還元剤の源１５は、ＬＮＴ１２から送られるＮＯ_Xの６０から９５％を変換することを目標に制御される。１００％を下回る変換を目標にすることで、アンモニアスリップを大幅に減らすことができる。過度のアンモニアが一時的に供給される場合、これは一般に、ＳＣＲ１４内で吸着により蓄えることができる。他の実施形態では、ＬＮＴ１２は、わずかなアンモニアを生成するように操作され、ＬＮＴ１２からのアンモニアの割合は測定される必要がない。

実施形態の一つでは、ＬＮＴ１２は、周期的に再生される。例えば、還元剤は、３０秒毎に、５秒間排出されてもよい。還元剤の排出には十分な還元剤を含み、残された十分な還元剤とともに全ての自由な酸素を消費させて、還元剤の目標濃度を提供できるようにする。自由な酸素の反作用は、ＬＮＴの前又はＬＮＴ内で行うことができる。実施形態の一つでは、酸素との反作用は、排気流内に備えられた燃料改質装置内で行われる。他の実施形態では、還元剤は、２つの部位で排出される。第１の部位は排気内に直接的に排出される燃料であって、過度の酸素を消費する。第２の部位は合成ガスであって、過度の酸素を消費するにはより効果的ではないが、ＮＯ_Xを還元するにはより効果的である。

ＬＮＴ１２が周期的に再生される場合、還元剤の排出割合の設定には、排気の流量（フローレート）とこの酸素農度を測定又は推定が含まれる。流量は、エンジンの操作状態から決定することができ、これは、通常、エンジンの制御装置によって監視されている。あるいは、流量は、エンジン１０に向う燃料の流量又は空気の流量の測定から決定することができる。排出される流れの割合を直接的に測定するため、センサを用いてもよい。排気内の酸素濃度は、エンジンの操作状態から推定してもよく、又は、酸素センサを用いて測定してもよい。

単に周期的な再生計画とは対称的に、本発明の幾つかの特徴では、再生サイクルの開始時間、再生サイクルの継続時間、再生サイクル中の還元剤の濃度のパラメーターの一つ又は複数に基づいて制御を行う。

再生サイクルの開始時間を決定する方法は、ＬＮＴをＳＣＲリアクターと組合わせた従来技術のシステムであって、ＳＣＲリアクターの下流でＮＯ_X濃度を測定することを含むものと同様に行うことができる。この濃度が目標レベルを上回ると、再生を開始する。

この方法を行う本発明の一つの特徴では、より速やかに再生を開始できる。本発明のこの特徴によると、ＳＣＲリアクター１４内で吸着により蓄えられるアンモニアの量の推定を保つことができる。蓄えられたアンモニアが目標レベルまで低下した時、再生を開始する。

再生中、ＮＯ_XはＬＮＴ１２から脱着される。特に、再生サイクルの第一部の間、このＮＯ_Xの幾つかは反作用することなくＬＮＴ１２から逃げる。ＳＣＲリアクター１４内のアンモニアが再生に先立って完全に激減すると、従来技術のように、逃げるＮＯ_Xが大気中に解放されることになる。しかしながら、本発明は、ＳＣＲ１５内にアンモニアが残されている時に再生を開始する。このアンモニアは、逃げるＮＯ_Xの全て又は一部を還元できる。

この制御システムの実行は、一般に、ＬＮＴ１２とＳＣＲリアクター１４の間で、アンモニアとＮＯ_X濃度を測定することを含む。ＳＣＲリアクター１４は、アンモニアを吸着する。ＳＣＲリアクター１４が飽和するまで、ＳＣＲリアクター１４内のアンモニアの量は、リアクター内に流入するアンモニアによって増大する。アンモニアの量は、ＮＯ_Xとの反作用によって減少する。この減少は、ＮＯ_X流量と比例し、選択的に、変換効率により修正される。

上記推定は、ＳＣＲリアクター１４の下流に置かれたセンサからのフィードバック制御によって更新（アップデート）できる。ＮＯ_Xの進展が検出される場合、吸着されたアンモニアの量をゼロにリセットできる。また、アンモニアスリップが検出される場合、吸着されたアンモニアは、ＳＣＲリアクター１４の飽和を反映する量にリセットできる。選択的に、ＮＯ_Xの進展又はアンモニアスリップが意図されずに生じた時は常に、ＳＣＲリアクター１４内でＮＯ_Xのアンモニアとの反作用の変換効率の要因を修正することができ、これによって、後に続くアンモニア濃度の推定をより正確に行うことができる。

実施形態の一つでは、再生時に吸着されたアンモニアは、前の再生サイクル中に観察されたアンモニアを上回るＮＯ_Xの過度を目標とされる。ＬＮＴ１２は、アンモニアよりもよりＮＯ_Xを排出する再生サイクルを開始することが予期される。再生が続くと、ＮＯ_Xの流量は減少すると予期され、アンモニアの流量は増大すると予期される。過度のＮＯ_Xは、サイクルの進展上で観察されたアンモニアを上回るＮＯ_Xの過度の最大堆積である。再生が開始される時のＳＣＲリアクター１４内のアンモニアの量は、この過度を減らすのに必要とされる量を目標とする。

本発明の他の特徴によると、再生サイクルは早めに開始されて、Ｎ₂よりもアンモニアに還元するＮＯ_Xの割合を増大させる。ＬＮＴがＮＯ_Xで飽和される時、比較的にわずかなアンモニアの生成が観察される。飽和されたＬＮＴ用の再生サイクルの進行中、ＬＮＴ内のＮＯ_Xの量が減少するにつれて、アンモニアの生成は増大する。飽和に先立って再生サイクルを開始すると、Ｎ₂のためにアンモニアの生成を増大できる。

この実施形態では、好ましくは、ＬＮＴ１２がＮＯ_Xと約５から約５０％で浸される時に再生が開始し、より好ましくは、ＮＯ_Xと約１０から約３０％で浸される時に開始する。この度合いは、排気内のＮＯ_Xの量の測定とＬＮＴ１２の吸着性能のモデルから推測することができる。この方法では、比較的に頻繁な再生サイクルになることができ、例えば、５５ｍｐｈの一定の割合で駆動されている、暖められた自動車では、平均して、毎１０秒又はこれ以下で生じることができる。実施形態の一つでは、アンモニアに変換される吸着されたＮＯ_Xの割合は、少なくとも約２０％である。他の実施形態では、この割合は、少なくとも約４０％である。

上述した制御方法を用いることで、ＬＮＴ１２から解放されるアンモニアの量は、ＬＮＴ１２を通るＮＯ_Xの量を越えることがある。この過度のアンモニアは、ＬＮＴ１２をバイパスする排気の流れを還元するために用いることができる。実施形態の一つでは、上述した仕方で制御されるＬＮＴ１２は、オプションのアンモニア源１５として用いられる。

他の実施形態では、ＬＮＴ１２によって解放される全アンモニアとＮＯ_Xの間の割合を制御するために再生の時間を定める。この割合は、１対１（化学量論比）に目標を定めてもよく、これによって、ＬＮＴ１２により生成されるアンモニアは、ＳＣＲリアクター１４を通るＮＯ_Xを還元するのに丁度十分になる。しかしながら、好ましくは、この割合はわずかに低く、これによって、アンモニアスリップを避けることができる。わずかなアンモニアの量は、好ましくは、化学量論量の約６０から約９５％である。また、この量は、ＳＣＲリアクター１４の構造、触媒ローディング、及び温度に基づき、効率要因によって減らすことができ、ＳＣＲリアクター１４に供給されるＮＯ_Xのかなりの割合は、適当なアンモニアが利用可能な時であっても、アンモニアと反作用しない場合がある。この目標の割合を得るために、フィードバック制御を用いることができる。特に、最終的な目的として、ＬＮＴ１２からのＮＯ_X排出とアンモニアの生成の間のバランスを形成するように、再生サイクルの間の時間を短くして、アンモニアの生成を増大させることは可能であり、また、この時間を増大させて、アンモニアの生成を減少させることは可能である。

本発明の他の特徴は、再生サイクルの終了時間を決定する方法に関する。従来技術では、再生サイクルは、固定時間にセットされていた。典型的に、ＬＮＴの吸着性能が知られており、かつ、ＬＮＴを再生するのに必要とされる還元剤の量は解っていると考えられているが、本発明のこの特徴によると、フィードバック制御を用いて、再生サイクルを終了する時間を決定する。好適な実施形態では、ＬＮＴ１２の下流のアンモニア濃度の測定に従って、再生サイクルを終了させる。

再生サイクルが進行するにつれて、ＬＮＴの下流のアンモニア濃度は、まず増大し、次に減少する。この再生サイクルは、アンモニア濃度曲線の任意の識別可能な点で終了することができる。最も好ましくは、再生サイクルは、アンモニア濃度がピークに続く目標値を下回る時に終了する。アンモニア濃度が下降するにつれて、未使用の還元剤が漸次的により一層ＬＮＴ１２を通ってスリップする。このため、目標値は、アンモニア生成を最大にすることと、還元剤のスリップを最小にすることの間の兼ね合いを考慮して、設計上選択される。

本発明のさらなる特徴は、還元剤が排出される際の割合を制御する方法に関する。従来技術では、還元剤の排出割合は、典型的に、特定の当量比を目標にしている。当量比は、エンジン１１に供給される空熱混合に基づき、化学量論比は１の当量比を有する。エンジン１１の下流の排気内に排出される追加の還元剤は、丁度エンジン１１に供給される当量比として把握される。

本発明のこの特徴によると、還元剤の排出割合は、還元剤の進展の限界を目標に最大にされる。一般に、当量比を増大させると、アンモニア生成割合を増大させて、再生時間を最小にする。還元剤が排気内に排出されると、再生時間を低減することは燃料ペナルティーを低減させる。再生中、排気内の自由酸素を消費するため、還元剤を供給しなくてはならない。この還元剤は、ＮＯ_Xを還元するために用いられる還元剤の過度にある。消費される酸素の全量は、再生サイクルの長さに基づく。再生サイクルが短くなると、還元されなくてはならない酸素のモル流れ（molar flow）はより小さくなる。

好適な実施形態では、還元剤の進展割合は、ＳＣＲリアクター１４の下流の酸化可能な形態のセンサによって決定される。全ての酸化可能な形態は、還元剤であると考えることができる。制御上、進展割合は、好ましくは、自由酸素を消費するために必要とされる排出割合の過度の排出割合の部分として表現される。例えば、自由酸素を消費するのに必要とされる量を上回る過度の排出割合を倍にする場合、進展割合だけを倍にし、還元剤の部分的な変換は全く減らす必要がない。実施形態の一つでは、自由酸素を消費するのに必要とされる量の過度の還元剤の約５０から約９５％の変換が得られるように、還元剤の排出割合を制御するが、他の実施形態では、約７０から約９０％までの変換で行う。

図４を参照すると、燃料ペナルティーを削減するために自動車１２０に用いられる二重の吸着システムを用いた他の方法が概略的に示されている。この自動車１２０は、希薄ＮＯ_XトラップＡ１２１、希薄ＮＯ_XトラップＢ１２２、還元剤の源１２３、少なくとも一つのＳＣＲリアクター１２４、及びオプションとしてディーゼル用酸化触媒１２５を有する。この例では、ＮＯ_XトラップＡ１２１及びＢ１２２からの流出は統合されて、単一のＳＣＲリアクター１２４と単一の酸化触媒１２５に供給される。但し、選択的に、流出を統合させず、別々に処理してもよい。弁１２６及び１２７は、選択的に、内燃機関１１からの排気を、希薄ＮＯ_XトラップＡ１２１及びＢ１２２のいずれか一方又は他方に向わせる。尚、この例では、２つの弁１２６及び１２７について示しているが、単一の三方向弁を用いることは可能である。

二重の吸着システムの長所の一つとして、還元剤は、排気内で自由酸素を消費するために無駄にされなくてもよい。他の長所では、還元剤は、排気によって希釈されなくてもよい。このことは、還元剤の濃度を増大させ、このため、これが反作用する効率も増大させる。さらなる長所では、ＬＮＴ Ａ１２１及びＢ１２２内での還元剤の持続時間を増大することができる。持続時間が排気の流量によって限定されないため、及び、ＬＮＴを再生するためにより時間を必要とするための双方の理由によって、持続時間を増大することができる。持続時間がより長くなる程、与えられた触媒の量での変換効率をより高めることができる。

さらなる長所は、ＬＮＴの流出が組合わされる場合に得ることができる。一つの長所では、ＬＮＴからの過度の還元剤と、ＳＣＲからのアンモニアスリップを、酸素を排出することなく、酸化触媒１２５によって減らすことができる。統合された流れを有しないシステムでは、再生中、ＬＮＴの排気の下流には、自由酸素がない。変換されていない炭化水素とＮＨ₃を酸化するため、空気を排出したり、他の酸素源を提供しなくてはならない。統合された流れでは、一般に、排気を供給することで、豊富な酸素が供給される。

統合された流れを可能にするため、還元剤の排出の圧力は、流れが統合する点での排気の圧力よりも上のレベルまで調整されなくてはならない。このことは、還元剤が合成ガスの場合であっても、さらなるポンプを用いることなく達成することができる。例えば、合成ガスは、排気システム内の高圧点から引出される排気と、共通のレールから引出される燃料から生成することができる。供給物は、高められた圧力で維持されながら、反作用できる。

図５を参照すると、２つの希薄ＮＯ_XトラップＡ２０１とＢ２０２を備えた装置２００について示している。排気用の弁は、ダンパー２０３をピボットさせることで提供される。ＬＮＴ Ａ２０１とＢ２０２の一方又は他方に還元剤を排出するため、排出ポート２０４と２０５を備えている。ＬＮＴ Ａ２０１とＢ２０２の流出は、バッフル装置２０６を流れた後で組合わされ、この装置は２つの流れの混合を促進するように構成されている。次に、排気は、ＳＣＲリアクター２０７とディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ）２０８を通って流れる。これら部品は全て、単一のハウジング２０９内に保持されている。また、制御用に、ＬＮＴ Ａ２０１とＢ２０２の流出を夫々サンプルするため、サンプルポート２１０と２１１を備えている。サンプルポートを用いるのではなく、ハウジング２０９の内部にセンサを配置してもよい。

本発明のさらなる特徴は、ダンパー２０３のような可動部、特にこのピボット機構に関して、付着物を緩和する方法に関する。本発明のこの特徴によると、可動部の表面に酸化触媒を備える。適当な酸化触媒として、貴金属、特にＰｔが含まれる。このコーティングによって、さもなければ、最終的には可動部に付着するように堆積するおそれがある、すすの酸化を助けることができる。

以上、幾つかの特徴、例、及び実施形態について、本発明について図示し、説明した。様々な特徴、例、又は実施形態の一つについてのみ、本発明の特定の特色について説明した箇所もあるが、この特色は、他の特徴、例、又は実施形態の一つ又は複数の特色と組合わされて、適当な応用で効果を有するようにされてもよい。

本発明は、ディーゼル及び希薄燃焼ガソリンエンジンからのＮＯ_Xの排出を制御するために用いることができる。

本発明の幾つかの特徴を説明するための自動車の概略図である。 本発明の一つの特徴に従う、自動車の概略図である。 本発明の他の特徴に従う、アンモニアプラントを備えた自動車の概略図である。 本発明のさらなる特徴に従う、２つのＬＮＴを備えた自動車の概略図である。 本発明のさらなる特徴に従う、単一のハウジング内に２つのＮＯ_X吸着装置を備えた装置を示した図である。

Claims (7)

1. ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）、ＳＣＲリアクター（１４）、アンモニア源（１５）を有する自動車の排気処理システムであって、
   前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）は、排気が希薄な時、排気を受取り、排気からＮＯ_Xを吸着するように構成されており、
   前記ＳＣＲリアクター（１４）は、再生中に前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）によって生成されたアンモニアを受取るように、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）の下流側に構成されており、
   前記アンモニア源（１５）は、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）とは別体であり、前記ＳＣＲリアクター（１４）に追加のアンモニアを供給するように構成されており、
   前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）内の大気が豊富な時、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）は、吸着されたＮＯ_Xの少なくとも一部をＮ２に還元することに適し、
   前記ＳＣＲリアクター（１４）は、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）を通る、又は脱着されたＮＯ_Xの少なくとも一部をアンモニアを用いて還元することに適することを特徴とする自動車の排気処理システム。
2. 前記アンモニア源は、炭酸アンモニウム又は尿素のリザーバーを構成することを特徴とする請求項１に記載の自動車の排気処理システム。
3. さらに、排気流と直線状に並ぶように構成された燃料改質装置を備えて、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）の再生中、過度の酸素を消費したり、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）に合成ガスを供給させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の自動車の排気処理システム。
4. ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）、管、燃料改質装置（３４）、アンモニアＳＣＲ触媒（１４）を有する排気処理システムであって、
   前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）は、希薄排気からのＮＯ_Xを吸着して、蓄えるように構成されており、
   前記管は、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）に排気を導くように構成されており、前記排気処理システムの通常の操作中、排気が前記管内を通り、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）に到達しなければならないようにし、
   前記燃料改質装置（３４）は、前記管内に配置されて、少なくとも前記管内を通過する排気のかたまりが、前記燃料改質装置（３４）も通過するようにし、
   前記アンモニアＳＣＲ触媒（１４）は、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）から脱着されたガスを受取るように構成されており、
   前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）は、再生中にアンモニアを生成するように機能し、前記ＳＣＲ触媒（１４）は、このように生成されたアンモニアを吸着するように機能し、
   前記ＳＣＲ触媒は、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）の再生直後の期間中に、前記吸着したアンモニアを用いてＮＯ_Xと触媒の反作用を行わせることで、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）を通るＮＯ_Xを還元させるように機能することを特徴とする排気処理システム。
5. 請求項４に記載の排気処理システムと、
   ディーゼルエンジン（１１）と、
   制御器と、を有する自動車であって、
   前記制御器は、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）がＮＯ_Xを効果的に取り除ける間、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）の再生を開始して、アンモニアに変換され得る吸着されたＮＯ_Xの部分が再生を延ばされた場合と比べて、再生中にアンモニアに変換され得る吸着されたＮＯ_Xの部分を増大させることを特徴とする自動車。
6. 前記排気処理システムは、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）上で吸着されたＮＯ_Xの少なくとも約４０％をアンモニアに変換するように操作されることを特徴とする請求項５に記載の自動車。
7. 請求項４に記載の排気処理システムと、
   ディーゼルエンジン（１１）と、
   制御器と、を有する自動車であって、
   前記制御器は、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）から解放されたアンモニアの量とＮＯ_Xの量の間の割合を目標に、前記ＮＯ_X吸着装置−触媒（１２）の再生を制御することを特徴とする自動車。
   

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