JP2006009802A - フィルタシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 フィルタシステムを提供する。
【解決手段】 フィルタシステムが複数のフィルタ区間を含み、複数のフィルタ区間のそれぞれが流れの一部を受け入れる。各フィルタ区間には、第１のフィルタ、第２のフィルタ、および第１と第２のフィルタの間に配置される吸収材料、並びに、第１と第２のフィルタの間に配置される少なくとも１つの分散機構が含まれる。その少なくとも１つの分散機構は、フィルタシステムに流体を供給する際に助けとなる。
【選択図】 図２

Description

本明細書は、一般にフィルタシステムに関し、より詳しくは、再生機能を有するフィルタシステムに関する。

当分野で知られているディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、天然ガスエンジン、および他のエンジンを含めて、エンジンは、空気汚染物質の複雑な混合物を排出する可能性がある。空気汚染物質は、粒子状物質、窒素酸化物（「ＮＯｘ」）、および硫黄化合物を含めて、ガスおよび固体物質からなる場合がある。

環境への懸念が高まったため、排気ガス排出基準は、年を追ってますます厳しくなってきた。エンジンから放出される汚染物質の量は、エンジンの型式、サイズ、および／または種類に依存して規制される場合がある。環境に排出される粒子状物質およびＮＯｘの規制に従うために、エンジン製造業者が実施してきた一つの方法は、エンジンの排気ガス流れから、これらの汚染物質をフィルタで除去することであった。しかし、フィルタを長期間使用することは、汚染物質がフィルタの構成要素に蓄積する原因となる場合があり、それによってフィルタ機能およびエンジン性能の低下が引き起こされる。

フィルタ性能を改善する一つの方法は、フィルタ再生を実施するものである。例えば、キャンベル（Ｃａｍｐｂｅｌｌ）らの（特許文献１）は、再生機能を有する触媒フィルタシステムを使用して、エンジン排気ガスからの窒素酸化物（ＮＯｘ）並びにＳＯ_２およびＨ_２Ｓなどのガス状の硫黄化合物を除去する方法および装置を記載している。（特許文献１）の触媒フィルタシステムは、希薄燃焼内燃機関に使用するために設計され、並列に取り付けられる２つの同じ触媒区画を含んでなる。それぞれの触媒区画には、硫黄選択触媒およびＮＯｘ選択触媒が含まれる。排気ガス流れは、第１の触媒区画を経由して導かれて、排気ガス流れから硫黄およびＮＯｘを除去し、一方、第２の触媒区画は、再生プロセスを受ける。再生プロセスの際、還元剤を含むガスは、第２の触媒区画を、通常の流れ方向に対し反対の方向に通過する。このガスは、ＮＯｘおよび硫黄選択触媒を経由して流れ、再生によってその上に集められた窒素および硫黄化合物を脱着させる。この逆流方向では、このガスは、硫黄選択触媒の前にＮＯｘ選択触媒と接触する。

（特許文献１）の触媒フィルタシステムは、環境に放出されるＮＯｘの量を低減することができるが、再生の間、第２の触媒区画のＮＯｘ吸収体上に硫黄が集まるのを回避するために、このフィルタシステムは、排気ガス流れをろ過するための別の触媒区画が必要になる。第２の触媒区画を組み込むことは、フィルタシステムの全体コストをかなり増大させるおそれがあり、システムの必要空間を二倍にするおそれがある。

国際公開第０１／５１１７８号パンフレット

本発明の開示されたフィルタシステムは、上述の課題の１つもしくはそれ以上を克服することを目的とする。

本明細書の一実施形態では、フィルタシステムには、複数のフィルタ区間が含まれ、複数のフィルタ区間のそれぞれが、流れの一部を受け入れる。各フィルタ区間には、第１のフィルタ、第２のフィルタ、および第１と第２のフィルタの間に配置される吸収材料、並びに、第１と第２のフィルタの間に配置される少なくとも１つの分散機構であって、流体をフィルタシステムに供給する際に助けとなる少なくとも１つの分散機構が含まれる。

本明細書の別の実施形態では、内燃機関のフィルタシステムには、第１の硫黄トラップ、第２の硫黄トラップ、および第１と第２の硫黄トラップの間に配置されるＮＯｘ吸収体が含まれる。

本明細書のさらに別の実施形態では、内燃機関のフィルタシステムを再生させる方法には、フィルタ構成要素を経由する流れを与えることによって、エンジン排気ガス成分を集めるステップと、フィルタ構成要素の下流側で、エンジン排気ガスのろ過された流れを検知するステップと、集められた成分をフィルタシステムから除去することを助けるために、フィルタ構成要素の上流側で、還元体をエンジン排気ガスの中に注入するステップとが含まれる。

本明細書のさらに他の実施形態では、内燃機関のエンジン排気ガスの流れから成分を除去する方法には、フィルタシステムを経由する通常流路の間、ＮＯｘ吸収体の上流側の第１の硫黄トラップで、エンジン排気ガス成分を除去するステップと、フィルタシステムを経由する逆向き流路の間、ＮＯｘ吸収体の上流側の第２の硫黄トラップで、エンジン排気ガス成分を除去するステップとが含まれる。

本明細書のさらなる実施形態では、フィルタシステムには、複数のフィルタ区間であって、複数のフィルタ区間のそれぞれが流れの一部を受け入れ、かつ、各フィルタ区間が、第１のフィルタ部と第２のフィルタ部を有する第１のフィルタ、および第２のフィルタを含む複数のフィルタ区間、並びに、第１と第２のフィルタの間に配置される少なくとも１つの分散機構であって、流体をフィルタシステムに供給する際に助けとなる少なくとも１つの分散機構が含まれる。

本明細書の例示的な実施形態は、添付図面に例示される。可能な場合は、同じまたは類似のパーツを指すために、同じ参照番号が図の全体にわたって使用される。

図１は、フィルタシステム１２の例示的な実施形態を有する内燃機関１０、例えばディーゼルエンジンを例示する。エンジン１０は、エンジン１０の排気ガス流れをフィルタシステム１２の入口１６に接続する排気マニフォルド１４を含むことができる。制御装置１８は、１つもしくはそれ以上の交信回線２０を介して、フィルタシステム１２の１つもしくはそれ以上の構成要素と通信することができる。改質器４７もまた、改質器管路４９を介して、フィルタシステム１２の１つもしくはそれ以上の構成要素と連通することができる。還元体供給装置２２は、還元体管路２３を経由して改質器４７に、および／または、直接還元体管路２４を経由して、フィルタシステム１２の１つもしくはそれ以上の構成要素に直接に流体接続することができる。エンジン１０はまた、排気マニフォルド１４に接続されるターボ（図示せず）を含むことができる。かかる実施形態では、フィルタシステム１２の入口１６は、ターボの出口に接続することができる。

図２に示すように、フィルタシステム１２は、いくつかの区間を含むことができ、エンジン１０からの排気ガス流れは、そこを経由して流れることができる。本明細書の一実施形態では、フィルタシステム１２は、第１の区間３０、第２の区間３２、第３の区間３４、および第４の区間３６を含むことができる。各区間３０、３２、３４、３６は、１つもしくはそれ以上の隔離仕切り３８によって分離することができる。図２は４つの区間３０、３２、３４、３６だけを示しているが、本明細書のフィルタシステム１２は、排気ガス流れから微粒子、灰分、またはその他の物質を除去するのに有用な区間はいくつでも含むことができる。区間３０、３２、３４、３６は、水平に（図２に示すように）、垂直に、放射状に、螺旋状に、または排気ガス流れから物質を除去するのに有用な他の任意の形状に取り付けることができる。

図２に示すように、区間３０、３２、３４、３６のそれぞれは、第１および第２の硫黄トラップ４０、４２の間に配置されるＮＯｘ吸収体４４を含むことができる。ＮＯｘ吸収体４４は、当分野で知られている任意の種類のＮＯｘ吸収体でよい。ＮＯｘ吸収体４４は、窒素酸化物を貯蔵する能力のある触媒材料を含むことができる。かかる材料は、例えば、アルミニウム、白金、ロジウム、バリウム、セリウム、および／またはアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、あるいはそれらの組合せを含むことができる。この触媒材料は、ＮＯｘ吸収に利用できる表面積を最大にするように、ＮＯｘ吸収体４４内に位置することができる。これらの触媒材料は、ＮＯｘ吸収体４４の基材上に配置することができる。基材構造は、例えば、当分野で知られているハニカム、メッシュ、または他の任意の構造を含むことができる。ＮＯｘ吸収体４４は、任意の従来の手段によってフィルタシステム１２のハウジング２６に接続することができる。

第１および第２の硫黄トラップ４０、４２は、当分野で知られている任意の型式の硫黄トラップとすることができ、これらに制限されないが、亜鉛、ニッケル、銅、マグネシウム、マンガン、カリウム、アルミナ、セリア、シリカ、または、排気ガス流れから硫黄もしくは硫黄化合物を吸収および／または吸着する能力のある他の材料などの材料を含むことができる。これらの材料により、ＮＯｘ吸収体４４の硫黄パージ特性より優れた硫黄パージ特性を得ることができる。例えば、硫黄がたまたまＮＯｘ吸収体４４に到達して、その中に集められた場合、その硫黄は、非常に高い温度でＮＯｘ吸収体４４の触媒材料からパージできるだけである。かかる高い温度でパージすることは、触媒材料を急速に劣化させ、フィルタシステム１２の寿命を短くするおそれがある。しかし、硫黄トラップ４０、４２に使用される材料は、もっと低い温度で硫黄をパージすることができる。このような低い温度でパージすることは、触媒およびフィルタシステム１２の使用可能な寿命を延ばすことができる。

ＮＯｘ吸収体４４と同様に、触媒材料は、硫黄吸収に利用できる表面積を最大にするように、硫黄トラップ４０、４２内に位置することができる。かかる構造は、例えば、当分野で知られているハニカム、メッシュ、または他の任意の構造を含むことができる。硫黄トラップ４０、４２は、任意の従来の手段によって、フィルタシステム１２のハウジング２６に接続することができる。

図２に示すように、第１の硫黄トラップ４０は、ＮＯｘ吸収体４４を、通常の流動状態の間、排気ガス流れ内に含まれる硫黄または硫黄化合物を受け入れることから遮蔽するように、かかる通常の流動状態の間、ＮＯｘ吸収体４４の上流側に配置することができる。第２の硫黄トラップ４２は、ＮＯｘ吸収体４４を、再生および／または逆向きの排気ガス流動状態の間、排気ガス流れ内に含まれる硫黄または硫黄化合物を受け入れることから遮蔽するように、ＮＯｘ吸収体４４の下流側に配置することができる。第１および第２の硫黄トラップ４０、４２は、フィルタシステム１２が使用される用途に応じて、同じ型式のトラップでもよく、または、異なる型式のトラップでもよい。例えば、本明細書のいくつかの実施形態では、フィルタシステム１２を経由する流れは、再生の短い時間の間、逆向きにするだけでよい。かかる実施形態では、フィルタシステム１２の全体のサイズおよび費用を低減するために、ＮＯｘ吸収体４４の下流側に、より小さい、またはより費用のかからない第２の硫黄トラップ４２を使用することが有利な場合がある。

図２に示すように、各区間３０、３２、３４、３６は、１つもしくはそれ以上のノズル４６、再生弁５０、粒子状物質フィルタ６０、および熱供給装置６２をさらに含むことができる。ノズル４６は、図２に示すように、第１および第２の硫黄トラップ４０、４２の間に配置することができる。用語「ノズル」４６は、本明細書で使用されるとき、任意の分散機構、または、それに供給されるガスの流れもしくは流体を分配することができる他の機構として定義される。ノズル４６は、例えば、燃料噴射器、ポート流れ噴射器、または、制御された方法で区間３０、３２、３４、３６の断面両端間に還元体を分布させることができる任意の型式のノズルとすることができる。ノズル４６は、例えば、フィルタシステム１２のハウジング２６に接続するか、あるいは、ＮＯｘ吸収体４４、または硫黄トラップ４０、４２のうちの１つのいずれかに直接接続することができる。この接続は、当分野で知られている任意の従来の接続装置によって行うことができる。

還元体は、原料のままのディーゼル燃料、改質されたディーゼル燃料、一酸化炭素、水素、炭化水素ガス、改質ガソリン、またはその任意の組合せとすることができる。還元体はまた、当分野で知られている他の任意の還元剤とすることができること、および、使用されるノズル４６の型式は、使用する還元体の種類に依存するものであることが理解されよう。また、還元体は流体でもよいことが理解されよう。本明細書で使用されるとき、用語「流体」は、液体またはガス状態の物質として定義することができる。

還元体のいくつかの種類はまた、当分野で知られているキャリヤガスからなることができる。このキャリヤガスは、非ガス状の還元体、例えば、液体ディーゼル燃料が還元体として使用される場合、必要になるものである。かかる実施形態では、キャリヤガスは、ディーゼル燃料と混合され、触媒を経由してディーゼル油を運ぶことになる。

ノズル４６には、いくつかの異なる供給源からの還元体を供給することができる。例えば、図１に略図で例示されるように、フィルタシステム１２は、改質器管路４９を経由して改質器４７に流体接続することができる。後でさらに詳細に議論されるように、改質器４７は、ノズル４６に供給される還元体を部分的に酸化できるものでよい。改質器４７は、例えば、プラズマ燃料油改質器を含めて、当分野で知られている任意の型式の改質器とすることができ、ノズル４６に還元体を供給することができる。本明細書のフィルタシステム１２とともに使用できる異なる型式のプラズマ燃料油改質器には、ミシガン州トロイ（Ｔｒｏｙ）のアーヴィン・メリター（Ａｒｖｉｎ Ｍｅｒｉｔｏｒ）、または、コネティカット州サウスウィンザー（Ｓｏｕｔｈ Ｗｉｎｄｓｏｒ）のハイドロジェン・ソースＬＬＣ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｏｕｒｃｅ ＬＬＣ）が製造するものが含まれる。あるいは、ディーゼル燃料が再生プロセスの還元体として使用される場合、改質器４７は省略することができる。かかる実施形態では、ノズル４６には、還元体を、還元体供給装置２２から、直接還元体管路２４を経由して、直接供給することができる。

再び図２を参照すると、各区間３０、３２、３４、３６に配置される再生弁５０は、例えば、ポペット弁、バタフライ弁、または、当分野で知られている他の任意の型式の制御可能なフロー弁とすることができる。各再生弁５０は、その対応する区間３０、３２、３４、３６を経由する流れを制御できるものでよい。各再生弁５０は、区間３０、３２、３４、３６を経由する流れが、完全に制限された流れから完全に制限されない流れまでの任意の範囲で可能になるように、制御可能に配置することができる。この弁５０は、当分野で知られている任意の従来の接続装置によって、フィルタシステム１２のハウジング２６に、または、フィルタシステム１２の区間３０、３２、３４、３６に直接接続することができる。各再生弁５０は、例えば、ソレノイド（図示せず）または当分野で知られている他の作動装置によって、作動させるかまたはそうでない場合には制御してもよい。

この作動装置は、制御装置１８（図１）から、制御信号を受け取ることができる。制御装置１８は、例えば、電子制御モジュール（「ＥＣＭ」）、中央処理装置、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、または当分野で知られている他の任意の制御装置とすることができる。制御装置１８は、例えば、フィルタシステム・センサ４８（以下にさらに詳細に記載される）およびエンジン・センサ（図示せず）を含めて、様々な供給源からの入力を受信することができる。エンジン・センサは、これらに限定されるものではないが、速度、負荷、温度、および位置検出器を含むことができる。制御装置１８は、これらの入力を使用して、前もって設定されたアルゴリズムに基づいて制御信号を形成することができる。制御信号は、交信回線２０（図１）を渡って、制御装置１８から各再生弁５０へ、または各作動装置へ発信することができる。したがって、フィルタシステム１２の各区間３０、３２、３４、３６を経由する流れは、独立して制御することができる。

再び図２を参照すると、本明細書の一実施形態では、粒子状物質フィルタ６０は、通常流れの間、ＮＯｘ吸収体４４の上流側に配置することができ、流れがＮＯｘ吸収体４４に到達する前に、排気ガス流れから粒子状物質を抽出するように配置することができる。粒子状物質フィルタ６０には、例えば、セラミック基材、金属メッシュ、発泡体、または当分野で知られている他の任意の多孔性材料が含まれ得る。これらの材料は、粒子状物質フィルタ６０内に、例えばハニカム構造体を形成して、微粒子の除去を促進することができる。微粒子は、例えば、すすの場合がある。

いくつかの実施形態では、フィルタシステム１２は、粒子状物質フィルタ６０を含まない場合があることが理解されよう。図２ａに示した実施形態などの他の実施形態では、粒子状物質フィルタ６０は、例えば、ＮＯｘ吸収体４４の下流側に、または各区間３０、３２、３４、３６内のそれに対応する他の任意の位置に配置される場合がある。

本明細書の他の実施形態では、粒子状物質フィルタ６０は、流れに含まれる硫黄および／または窒素の酸化物を集め、吸収し、吸着し、および／または貯蔵するのに有用な触媒材料を含むことができる。かかる触媒材料は、上述の触媒材料と同じかまたは類似のものでよい。これらの触媒材料は、任意の従来の手段、例えば、被覆またはスプレ塗装によって、粒子状物質フィルタ６０に添加することができ、粒子状物質フィルタ６０に、その材料を部分的にまたは完全に被覆することができる。例えば、図２ｂに示すように、粒子状物質フィルタ６０ａは、硫黄トラップ部分４０ａとＮＯｘ吸収体部分４４ａを含むことができる。この硫黄トラップ部分４０ａは、通常の流動状態の間、流れがＮＯｘ吸収体部分４４ａに到達する前に、排気ガス流れに含まれる硫黄または硫黄化合物を貯蔵および／または吸収できるものでよい。こうした流動状態は、以下にさらに詳細に説明される。本実施形態では、図２の実施形態の第１の硫黄トラップ４０およびＮＯｘ吸収体４４は、省略することができる。

さらに別の実施形態では、粒子状物質フィルタ６０は、流れに含まれる硫黄酸化物を集め、吸収し、吸着し、および／または貯蔵するのに有用な触媒材料を含むことができ、上述のものと同じまたは類似の触媒材料を含むことができる。例えば、図２ｃに示すように、粒子状物質フィルタ６０ｂは、排気ガス流れから硫黄または硫黄化合物を吸収することができる硫黄トラップ部分４２ｂを含むことができる。硫黄トラップ部分４２ｂは、逆向きの流動状態において、流れがＮＯｘ吸収体４４に到達する前に、排気ガス流れに含まれる硫黄または硫黄化合物を貯蔵および／または吸収できるものでよい。かかる流動状態は、以下にさらに詳細に説明される。本実施形態では、図２の実施形態の第２の硫黄トラップ４２は、省略することができる。

図２に示すように、フィルタシステム１２は、微粒子の再生を助けることができる少なくとも１つの熱供給装置６２をさらに含むことができる。熱供給装置６２は、その対応する区間の構成要素を再生させるのを助けるため、区間３０、３２、３４、３６のそれぞれに取り付けることができる。熱供給装置６２は、例えば、電気ヒータ、燃料油燃焼バーナー、点火プラグ、または当分野で知られている他の任意の熱供給装置とすることができる。あるいは、フィルタシステム１２は、熱供給装置６２を含まず、しかしその代わりに、各区間に存在する還元体と酸化体の間で起こる発熱性再生反応を利用して熱を供給してもよい。

フィルタシステム１２はまた、フィルタシステム１２内の流れ方向を制御するように配置される１つもしくはそれ以上の弁機構５１を含むことができる。弁機構５１は、例えば、ロータリー式弁機構、または、当分野で知られている流れを導くことができる他の任意の型式の弁機構とすることができる。弁機構５１は、フィルタシステム１２を経由する流れを逆向きにするように配置することができ、流れの反転を促進するためにいくつかのフロー弁を含むことができる。例えば、本明細書の一実施形態では、弁機構５１は、第１、第２、第３、および第４のフロー弁５２、５４、５６、および５８を含むことができる。弁機構５１は、フィルタシステム１２を経由する流れを逆向きにするのに有用な弁はいくつでも含み得ることが理解されよう。弁機構５１は、１つもしくはそれ以上のモータ（図示せず）、ソレノイド、または、弁機構５１の要素を個別にまたは集団的に作動させる当分野で知られている他の装置を含み得ることがやはり理解されよう。各弁５２、５４、５６、５８を作動させるために使用する装置は、使用する弁の型式、および、本明細書のフィルタシステム１２が使用される用途に依存するだろう。これらの装置は、交信回線２０を渡って送信される制御装置１８からの命令を受信し、かつ応答することができる。

再生弁５０に関して上述したように、弁機構５１のフロー弁５２、５４、５６、５８は、例えば、バタフライ弁、ポペット弁、または当分野で知られている制御可能な他の任意の型式の弁とすることができ、任意の従来の接続装置によって、流れの反転を促進する位置で、フィルタシステム１２のハウジング２６に接続することができる。

フィルタシステム１２は、少なくとも１つのセンサ４８をさらに含むことができる。このセンサ４８は、例えば、ＮＯｘセンサ、酸素センサ、温度センサ、またはガス流れの特性を検知することができる他のセンサとすることができる。この少なくとも１つのセンサ４８は、複数の機能を有してもよい。例えば、流れ中のＮＯｘの存在および量を検出することに加えて、ＮＯｘセンサ４８はまた、その流れの空燃比を測定できるものでもよい。他の実施形態では、酸素センサ４８を、空燃比を判断するのに使用することができ、ＮＯｘセンサと併せて、またはその代わりに、使用することができる。

センサ４８は、センサのサイズ、形状、型式、および機能に応じて、フィルタシステム１２中のどこにでも、またはそれに適切に配置することができる。例えば、図２に示すように、センサ４８は、フィルタシステム１２の出口２８、またはシステム１２のさらに下流側に配置することができる。あるいは、２つ以上のセンサ４８を使用することができ、その場合には、センサ４８を、フィルタシステム１２の各区間３０、３２、３４、３６のＮＯｘ吸収体４４の下流側に、またはＮＯｘ吸収体４４の構造体内に配置することができる。この少なくとも１つのセンサ４８は、任意の従来の手段によって、ハウジング２６に、またはフィルタシステム１２の区間３０、３２、３４、３６に接続することができる。

開示したフィルタシステム１２は、排気ガス流れからの汚染物質の除去が要求される、当分野で知られている任意の装置に使用することができる。かかる装置は、例えば、ディーゼルエンジン、ガソリン・タービンエンジン、希薄混合気燃焼エンジン、または他の内燃機関、あるいは、当分野で知られている炉を含むことができる。したがって、開示したフィルタシステム１２は、任意の作業機械、路上走行車、または当分野で知られている路上外走行車に使用することができる。さて、フィルタシステム１２の動作を詳細に説明する。

図３は、本明細書の実施形態によるフィルタシステム１２の通常の流動状態を例示する。通常の流動状態の下で、エンジン１０（図１）からの排気ガスは、フィルタシステム１２の入口１６に入り、通常流れの矢印６４に対応する方向に流れるように導かれる。図３に示すように、第１および第２のフロー弁５２、５４は閉位置にあり、第３および第４のフロー弁５６、５８は開位置にあり、排気ガスの通常流れを促進する。排気ガスの一部は、フィルタシステム１２の各区間３０、３２、３４、３６に流れることができ、この一部の排気ガスは、それぞれの区間３０、３２、３４、３６の各構成要素を通過し、その後これら区間を出る。例えば、第１の区間３０を経由して流れる一部の排気ガスは、粒子状物質フィルタ６０を経由して流れることができ、それによって、排気ガスに含まれる粒子状物質の少なくとも一部が除去される。粒子状物質フィルタ６０は、例えば、機械式集塵、湿式スクラビング、電気集塵、ろ過、または当分野で知られている他の任意の方法によって、排気ガス流れからすすおよび他の粒子状物質を除去することができる。

次いで、この一部の排気ガスは、第１の硫黄トラップ４０を経由して流れることができ、それによって、排気ガスによって運ばれる硫黄の少なくとも一部が除去される。通常の流動状態の間、第１の硫黄トラップ４０によって、実質的に全ての硫黄を除去することができ、その後、排気ガスはＮＯｘ吸収体４４に到達する。

次いで、この一部の排気ガスは、ＮＯｘ吸収体４４を経由して流れることができる。ＮＯｘ吸収体４４は、そこを通過する排気ガス流れから、ＮＯｘの少なくとも一部を除去することができる。次いで、この一部の排気ガスは、熱供給装置６２（例えば電気ヒータ）およびノズル４６を通過することができ、その後、それは第２の硫黄トラップ４２を経由して通過する。これらの要素６２、４６を通過する際、この排気ガスは、それらのすぐ近くを、それらを超えて、またはそれらを経由して通過することができる。これらの要素６２、４６が区間３０内に配置される方法に関係なく、要素６２、４６は、ＮＯｘ吸収体４４から第２の硫黄トラップ４２までの排気ガス流れ、またはその逆の流れを制限することはないことが理解されよう。

図２ａの実施形態などの実施形態では、通常の流動状態において、一部の排気ガスは、第１の硫黄トラップ４０、ＮＯｘ吸収体４４、および第２の硫黄トラップ４２を経由して流れることができ、その後、粒子状物質フィルタ６０を通過することが理解されよう。一方、図２ｂの実施形態では、通常の流動状態において、この一部は、まず、粒子状物質フィルタ６０ａの硫黄トラップ部分４０ａ、およびＮＯｘ吸収体部４４ａを経由して流れることができ、その後、第２の硫黄トラップ４２を通過する。図２ｃに示される実施形態では、通常の流動状態において、この一部は、第１の硫黄トラップ４０、およびＮＯｘ吸収体４４を経由して流れることができ、その後、粒子状物質フィルタ６０ｂの硫黄トラップ部分４２ｂを経由して流れる。これらの各実施形態では、通常の流動状態において、排気ガスの一部はまた、上述したように、ノズル４６および／または熱供給装置６２を通過することができる。

それぞれの区間３０、３２、３４、３６を出ると、排気ガス流れの一部は、通常流れの矢印６６に対応する方向に移動することができる。図３に示すように、第４のフロー弁５８は開位置にあり、排気ガス流れの一部が、区間３０、３２、３４、３６を出ることが可能になる。この排気ガスは、出口２８を経由してフィルタシステム１２を出ることができ、センサ４８は、フィルタシステム１２を出る流れの少なくとも１つのパラメータを検知することができる。このパラメータは、例えば、ろ過後に、フィルタシステム１２によって放出されるＮＯｘの百万分率、温度、空燃比、またはこれらのパラメータの組合せとすることができる。センサ４８は、これらの検知したパラメータに対応する信号を制御装置１８に送信することができる。制御装置は、信号中の情報を評価することができる。

エンジン１０が運転されたとき、ＮＯｘ吸収体４４は、エンジン１０の排気ガス中のＮＯｘを、その触媒材料に化学的に結合することができる。しかし、これらの触媒上のＮＯｘ貯蔵サイトの数は限られたものである。これらのサイトがＮＯｘによってより多く占められるほど、ＮＯｘ吸収体のＮＯｘ貯蔵能力は低下するだろう。この飽和過程は、例えば、エンジン１０の型式、運転条件、および使用した燃料油の種類に応じて、およそ数分かかるだろう。

制御装置１８は、センサ４８から送信される情報を使用して、アルゴリズムまたは前もって設定された他の判定基準と併せて、ＮＯｘ吸収体４４が飽和したか、および再生を必要とするかを判断することができる。一旦この飽和点に到達すると、制御装置１８は、適切な信号をフロー弁５２、５４、５６、５８に送信することができる。これらの信号は、フィルタシステム１２を経由するエンジン排気ガスの流れを逆向きにするように、弁５２、５４、５６、５８の位置を変えることができ、それによって再生プロセスが始まる。この逆向きになった流動状態は、図４に例示される。制御装置１８のアルゴリズムは、この判定の助けとなることができ、出口２８で検知されたＮＯｘ粒子の量、および記憶されている各区間３０、３２、３４、３６の再生の履歴または回数を入力として使用することができる。代わりに（上記したように）、各区間３０、３２、３４、３６の各ＮＯｘ吸収体４４の下流側で放出されたＮＯｘの百万分率を検出するために、センサを、各区間３０、３２、３４、３６の出口に配置することができる。次いで、制御装置１８は、このデータを使用して、再生計画を定めることができる。

図４に示す逆向きの流動状態では、第１および第２のフロー弁５２、５４は開位置にあり、一方、第３および第４のフロー弁５６、５８は閉位置にあり、それによって排気ガスが、入口１６から、逆向き流れの矢印６８、７２に対応する方向に流れるように導かれる。逆向きの流動状態の間、第２の硫黄トラップ４２は、ＮＯｘ吸収体４４の上流側にあることになり、排気ガスによって運ばれる実質的に全ての硫黄は、排気ガスがＮＯｘ吸収体４４に到達する前に、第２の硫黄トラップ４２によって除去することができる。上述のように、通常の流動状態の下では、第２の硫黄トラップ４２は、第１の硫黄トラップ４０が存在するため、排気ガスによって運ばれる硫黄のうちのごく少量だけを集める。

逆向きの流動状態の間、要求された区間３０、３２、３４、３６への流れは、その区間に配置された再生弁５０によって、少なくとも部分的に制限することができる。各再生弁５０は、特定の状況では、要求された区間３０、３２、３４、３６への流れを完全に遮断できるものであることが理解されよう。この要求された区間は、再生すべき区間３０、３２、３４、３６に対応させることができる。例えば、要求された第１の区間３０を再生させるため、制御装置１８は、第１の区間３０に配置される再生弁５０に信号を送信することができ、それによって弁５０が部分的に閉じられる。図４が示すように、再生弁５０が部分的に閉じた位置にある間、排気ガス流れの制限された一部だけが、引き続き第１の区間３０を通過することができる。流れを制限することは、ＮＯｘ吸収体内で酸素不足の運転条件をつくる際に助けとなり得る。後述するように、かかる運転条件は、再生によって触媒材料からＮＯｘを除去するのに必要な場合がある。第１の区間３０を経由する全体の流れは、弁位置の結果として低減されるが、第１の区間３０を通過する流れは、区間３０を経由してなお還元体を運ぶことができ、かつ、その区間３０の再生の間、酸素の供給源になり得る。

酸素不足の運転条件をつくるため、ノズル４６を作動させて、要求された区間の排気ガス流れの中に還元体を注入することができる。これらの還元体は、改質器４７（図１）によって、ノズル４６に供給することができる。改質器４７は、空気源（図示せず）から導入された空気中に含まれる酸素を用いて、還元体を部分的に酸化させることができる。この酸化プロセスを通じて、改質器４７は、精製された、またはより効果的な還元体を製造することができる。これらの精製された還元体の化学的構成は、改質器４７に供給される還元体の種類に依存することになり、例えば、ガス状態の一酸化炭素または水素とすることができる。次いで、改質器４７は、これらの精製された還元体を、フィルタシステム１２の各区間３０、３２、３４、３６のノズル４６に供給することになる。

上記のように、ディーゼル燃料が還元体として使用される場合、燃料は、改質器４７で部分的に酸化せずに、直接還元体管路２４を経由してノズル４６に直接供給することができる。あるいは、改質器４７は、ノズル４６が燃料を注入する前に、部分的に燃料を酸化させることができる。還元体として改質してないディーゼル燃料を使用すると、より高い再生温度が必要になる可能性がある。しかし、ディーゼル燃料が、注入される前に、改質器４７によって部分的に酸化される場合、ＮＯｘ吸収体４４は、より低い温度で再生することができる。

注入される還元体は、第１の区間を経由して移動する排気ガス流れの制限された一部によって運ぶことができ、排気ガス流れを受け入れるＮＯｘ吸収体４４の表面全体に実質的に均一に分散させることができる。還元体の導入は、排気ガス流れをリッチにすることができ、ＮＯｘ吸収体４４を再生させて、その上に集められたＮＯｘの少なくとも一部を窒素に転化することができる。このリッチな排気ガス流れは、図４の矢印７０により例示されている。このリッチな排気ガス流れ７０はまた、第１の硫黄トラップ４０を再生させて、集められた硫黄を放出させることができる。ＮＯｘ吸収体４４と硫黄トラップ４０の両方の再生は、熱供給装置６２を用いずに、達成することができる。

あるいは、再生の間、熱供給装置６２を作動させて、第１の区間３０の温度を上げることができ、それによって再生プロセスが助けられる。制御装置は、排気ガスの検知された温度、硫黄トラップ４０、４２の検知された温度、ＮＯｘ吸収体４４の検知された温度、フィルタシステムの検知された性能または流れ、あるいは、当分野で知られている他の任意の適切な判定基準に基づいて、熱供給装置６２を作動させるべきかを判断することができる。熱供給装置６２が、ノズル４６によって注入される還元体を強熱するように設定された場合、制限された排気ガス流れの少なくとも一部は、強熱するために、酸素を供給することが必要になる場合がある。熱供給装置６２は、区間３０、３２、３４、３６内の温度を、還元体強熱またはＮＯｘ吸収体４４の再生のために適宜の適切な温度まで上げることができる。熱供給装置はまた、粒子状物質フィルタ６０を再生させるために使用することができる。

第１の区間３０の再生プロセスにより、区間３０の実質的にクリーンなＮＯｘ吸収体４４および第１の硫黄トラップ４０を得ることができ、一方、区間３０の第２の硫黄トラップ４２は、硫黄を貯蔵し始めることができる。このプロセスは、１分未満かかるだろう。第１の区間３０が再生されている間、矢印６８および矢印７２で示すように、排気ガス流れは、フィルタシステム１２の他の区間３２、３４、３６を経由して、依然として移動できることが理解されよう。

再生プロセスの間、粒子状物質フィルタ６０は、当分野で知られている適宜のプロセスによって洗浄できることがやはり理解されよう。例えば、粒子状物質フィルタ６０内のセラミック基材または他の構造体が一旦飽和したなら、構造体に電流を充電することによって、この基材を加熱することができる。この電流により、華氏約６００〜約７００°Ｆの範囲になるように構造体の温度を上げることができる。再生プロセスの間の区間３０を経由する排気ガス流れを限定することは、粒子状物質フィルタ６０の温度の立上りの際に助けとなる。適切な温度で、微粒子は基材から燃焼除去され、粒子状物質フィルタ６０から放出される。あるいは、粒子状物質フィルタ６０を、微粒子がＮＯｘと反応することによるプロセスで洗浄することができる。かかる連続式再生トラップ（「ＣＲＴ」）は、当分野で知られており、微粒子を燃焼除去するのに酸化触媒が必要になる。

図５に示すように、一旦区間３０、３２、３４、３６のうちの１つを再生したなら、このプロセスは、他の区間のうちの１つで始めることができ、その後に、フィルタシステム１２は通常の流動状態に戻る。フィルタシステム１２が逆向きの流動状態にある間、区間３０、３２、３４、３６のそれぞれを再生することができ、または、別の方法として、区間３０、３２、３４、３６のうちの全部ではないいくつかを再生することができる。上述のように、制御装置１８は、いくつかの変数を考慮したアルゴリズムに基づいて、区間３０、３２、３４、３６のうちいずれを再生させるべきかを判断することができる。一旦要求された区間３０、３２、３４、３６が再生されたなら、フィルタシステム１２は、図３に例示した通常の流動状態に戻ることができる。

フィルタシステム１２を経由する排気ガス流れを繰り返し逆向きにした後、各区間３０、３２、３４、３６の第２の硫黄トラップ４２は、集められた硫黄で飽和する可能性がある。ＮＯｘ吸収体４４に関して上記したプロセスとほぼ同じプロセスにおいて、制御装置１８は、第２の硫黄トラップ４２のうちのいずれが洗浄を必要とするかを判断することができ、要求された区間を経由する排気ガス流れを少なくとも部分的に制限することによって、１つもしくはそれ以上の区間３０、３２、３４、３６で脱硫酸化プロセスを開始させることができる。

例えば、要求された第１の区間３０に関して図６に示すように、フィルタシステム１２が通常の流動状態の下で運転されている間、第２の硫黄トラップ４２を脱硫酸化するために、再生弁５０は、第１の区間３０を経由する流れを少なくとも部分的に制限することができる。還元体を注入するようにノズル４６を作動させて、矢印７１で示すように、第２の硫黄トラップ４２と接触する排気ガスをリッチにすることができる。このリッチな排気ガスにより、第２の硫黄トラップ４２が、集めた硫黄を放出するようになり、クリーンな第２の硫黄トラップ４２が得られる。第２の硫黄トラップ４２の脱硫酸化の間、流れが逆向きになることができないので、第１の硫黄トラップ４０は、脱硫酸化プロセスの間、ＮＯｘ吸収体４４を硫黄および硫黄化合物から引き続き遮蔽することができる。残りの区間３２、３４、３６それぞれの第２の硫黄トラップ４２は、実質的に同じプロセスによって脱硫酸化することができる。それぞれの再生弁５０は、それぞれの第２の硫黄トラップ４２の脱硫酸化の後、完全に開けることができる。逆向きの流動状態および／または図４−６に例示した実施形態の再生プロセスは、図２ａ−２ｃの実施形態においても存在できることが理解されよう。

開示されたフィルタシステムのその他の実施形態は、明細書の考察から当業者に明らかであろう。例えば、酸素不足の条件をつくるために、エンジン１０の排気ガス流れの中に還元体を注入する代わりに、燃焼室のエンジン燃料の主噴射継続時間を増加させることによって、または、燃料後噴射を追加することによって、排気ガス流れの酸素レベルを低減することができる。これにより、エンジン１０内のほとんどの酸素が、注入された燃料と反応することが可能になり、燃焼後、余剰燃料が得られる。その結果、酸素と比較して、比較的高い百分率の還元体が排気ガス中に存在し、再生を促進することになる。

加えて、フィルタシステム１２は、各区間３０、３２、３４、３６のノズル４６の下流側に第２の熱供給装置を含むことができる。第２の熱供給装置は、第２の硫黄トラップ４２の脱硫酸化の助けとなることができる。フィルタシステム１２はまた、排気ガス分配装置プレナム、または、区間３０、３２、３４、３６のそれぞれの全体に均一に排気ガス流れを分配できる他の装置を含むことができる。明細書および実施例は例示にすぎないとみなされるべきであり、正当な発明の範囲は、特許請求の範囲によって示されることが意図される。

本明細書の例示的な実施形態によるフィルタシステムを有するエンジンの概略説明図である。 本明細書の例示的な実施形態によるフィルタシステムの正面からみた概略説明図である。 本明細書の例示的な別の実施形態によるフィルタシステムの正面からみた概略説明図である。 本明細書の例示的なさらに別の実施形態によるフィルタシステムの正面からみた概略説明図である。 本明細書の例示的なさらに別の実施形態によるフィルタシステムの正面からみた概略説明図である。 通常の流動状態にある図２のフィルタシステムの正面からみた概略説明図である。 逆向きの流動状態にある図２のフィルタシステムの正面からみた概略説明図である。 逆向きの流動状態にある図２のフィルタシステムの正面からみた別の概略説明図である。 通常の流動状態にある図２のフィルタシステムの正面からみた別の概略説明図である。

符号の説明

１０ エンジン
１２ フィルタシステム
１４ 排気マニフォルド
１６ フィルタシステム入口
１８ 制御装置
２０ 交信回線
２２ 還元体供給装置
２３ 還元体管路
２４ 直接還元体管路
２６ フィルタシステム・ハウジング
２８ フィルタシステム出口
３０ 第１の区間
３２ 第２の区間
３４ 第３の区間
３６ 第４の区間
３８ 隔離仕切り
４０ 第１の硫黄トラップ
４０ａ 硫黄トラップ部分
４２ 第２の硫黄トラップ
４２ｂ 硫黄トラップ部分
４４ ＮＯｘ吸収体
４４ａ ＮＯｘ吸収体部分
４６ ノズル
４７ 改質器
４８ センサ
４９ 改質器管路
５０ 再生弁
５１ 弁機構
５２ 第１のフロー弁
５４ 第２のフロー弁
５６ 第３のフロー弁
５８ 第４のフロー弁
６０ 粒子状物質フィルタ
６０ａ 粒子状物質フィルタ
６０ｂ 粒子状物質フィルタ
６２ 熱供給装置
６４ 通常流入の矢印
６６ 通常流出の矢印
６８ 逆向き流入の矢印
７０ リッチ流れの矢印
７１ リッチ流れの矢印
７２ 逆向き流出の矢印

Claims (10)

1. 複数のフィルタ区間であって、複数のフィルタ区間のそれぞれが流れの一部を受け入れ、かつ、各フィルタ区間が、
   第１のフィルタ、
   第２のフィルタ、および
   第１と第２のフィルタの間に配置される吸収材料、
   を含んでなる複数のフィルタ区間と、
   第１と第２のフィルタの間に配置される少なくとも１つの分散機構であって、流体をフィルタシステムに供給する際に助けとなる少なくとも１つの分散機構と
   を含んでなる、フィルタシステム。
2. フィルタ区間の少なくとも１つを経由する流れを逆向きにするように構成される少なくとも１つの弁機構をさらに含む、請求項１に記載のフィルタシステム。
3. フィルタシステムが通常の流動状態にある場合、第１のフィルタが吸収材料の上流側にあり、フィルタシステムが逆向きの流動状態にある場合、第２のフィルタが吸収材料の上流側にある、請求項２に記載のフィルタシステム。
4. 少なくとも１つの弁機構が複数の弁を含む、請求項２に記載のフィルタシステム。
5. 第１および第２のフィルタが硫黄トラップである、請求項１に記載のフィルタシステム。
6. 吸収材料がＮＯｘ吸収体である、請求項１に記載のフィルタシステム。
7. 複数のフィルタ区間のそれぞれが、それぞれのフィルタ区間を経由する流れを制御可能に制限するように構成される少なくとも１つの流量制御弁をさらに含む、請求項１に記載のフィルタシステム。
8. 少なくとも１つの分散機構が、第１と第２のフィルタの間で流体を注入するように構成されるノズルを含む、請求項１に記載のフィルタシステム。
9. ノズルと流体連通し、かつ、ノズルによって注入される流体を部分的に酸化するように構成される改質器をさらに含む、請求項８に記載のフィルタシステム。
10. フィルタ構成要素を経由する流れを与えることによってエンジン排気ガス成分を集めるステップと、
    フィルタ構成要素の下流側で、エンジン排気ガスのろ過された流れを検知するステップと、
    集められた成分をフィルタシステムから除去することを助けるために、フィルタ構成要素の上流側で、エンジン排気ガスの中に還元体を注入するステップと
    を含んでなる、内燃機関のフィルタシステムを再生する方法。
    

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