JP2006501390A - 内燃エンジンの改善された排気制御のためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、米国特許出願番号60/337,023(2001年12月3日出願、および発明の名称「内燃エンジンの改善された排気制御のためのデバイスおよび方法」)に対して優先権を主張し、そして、これは、本明細書においてその全体が参照として援用される。
本発明は、概して、内燃(「IC」)エンジン、より詳細には、窒素酸化物(「NOX」)排気を生成するICエンジンの性能および排気制御の改善のためのデバイス、システムおよび方法に関する。本発明はさらに、概して、排気制御システム、触媒反応システムおよび燃料処理に関する。
大気の品質を改善する努力は、政府が発行した厳しい排気制御および規制へとつながった。過去30年よりも長く、火花点火ガソリンエンジンからの許容される排気は、実質的に減少してきた。排気を減少させる努力を伴う緊張のもと、燃料効率を増大させるための一般的な希望が存在する。これは、特に、ディーゼルエンジンにとって問題である。ディーゼルエンジンは、非常に効率的であるが、しばしば、NOXおよび粒子物質(「PM」)の両方の非常に高い排気が生成する。実際、ガソリン火花点火エンジン規制に適合させるために、最近のディーゼルエンジンからの排気は、特定のエンジン型に依存して、約10倍〜約50倍減少されねばならない。
本発明は、NSR技術を可能にするシステムおよびプロセスを提供することによってこの必要性を満たす。このようにして、NSR技術を伴うディーゼルおよび他の希薄燃焼エンジンの大規模な商業使用が容易にされる。ついで、このことは、石油の節約および温室ガス放出の減少を支援するとともに、他方で、厳格な環境規制に適合することを確実とする。
1つの局面では、本発明がICエンジンの、特に、NSR(新排出源査定評価)触媒を装備した希薄燃焼型エンジンの性能および排気制御の向上のためのシステムを提供する。本明細書において「NSR触媒」という場合、それはNOxの吸着触媒システムを有するすべてのシステムがそれに従って具現化されていると理解されるべきである。ここで図面を参照するが、すべての図面を通して、同様の数字は同様の要素を示すものであることを示し、図1に典型的なNSR触媒の動作を図示する。
燃料プロセッサへの燃料流量が所望の当量比になるように制御された場合、等式3に示されるように、燃料流量もまた、排気ガス(EO2)中のO2濃度、および燃料プロセッサ(Req)の動作の所望の当量比の関数である。
排気ガス中のO2濃度は、排気ガス中に配置されたセンサを用いて測定され得る。
同様に、センサを排気ガス中で用いるのではなく、排気酸素レベルまたは排気NOxレベルを計算することが所望され得る。なぜなら、このようなセンサは高価であり、十分な耐久性を有し得ないからである。排気中のO2またはNOxの濃度は、エンジン燃料流量(Efuel)、エンジンrpm(Erpm)、エンジン出力トルク(Etorque)、ターボチャージャ過給圧(Eboost)、エンジンEGRフロー(EEGR)等の1つ以上のエンジン動作パラメータ、ならびに他の可能なエンジンパラメータから推定され得る。この排気O2濃度は、等式5に示されるように決定され、同様に、等式6に示されるように、排気NOx濃度についても同様に決定され得る。
ENOx=f(Efuel,Erpm,Etorque,Eboost,EEGR,等) 等式6
等式5および等式6を等式3に代入することによって、燃料プロセッサ燃料レートは、エンジンパラメータから計算または推定され得る。
モノリス触媒を、Dalla Bettaらによる米国特許第5,259,754号に記載されるように調製した。三塩化ロジウムを脱イオン水中で約0.18gRh/ccの濃度で溶解し、その後、約75m2/gの表面積を有する酸化ジルコニウムパウダーを撹拌しながら加えた。その後、混合液を撹拌している間、水中20%の水酸化アンモニウムの溶液をpH8になるように加えた。この混合液は、その後、気化および乾燥させ、その結果生じたパウダーを700℃で10時間空中で焼成した。最終的なロジウム濃度は、最終的な触媒に対して5.5重量%Rhであった。Rh/ZrO2触媒を水と20%の酢酸ジルコニウム溶液の10重量%とでスラリー化して、固体が約30%のスラリーを形成した。
実施例1からの触媒を、ガス供給、および、質量分析計定量的トレーサ(quantitative tracer)としての、空気、窒素およびヘリウム用の質量流量計、電気ヒータ、水用のエアアシストスプレイヤ、ディーゼル燃料用の第2のエアアシストスプレイヤ、ならびに触媒の上流のスタティックミキサーを備える流通反応装置内に配置した。触媒を直径50mmの絶縁部分に備え、触媒の上流および下流に熱電対温度センサを備えた。質量分析計のサンプリングプローブを触媒排気口の約50cm下流に配置した。空気、窒素、および水の流量を調節して、5%H2O、8%O2、0.3%Heおよび、残りがN2の組成を有する、800SLPM(毎分標準リットル)で流れる混合物を形成した。その後、電気ヒータを用いてこの混合物を370℃に加熱した。実施された試験の結果を図8に提供した。
図9は、水素パルスの生成の別の例を示す。この例において用いられる触媒を、金属フォイルに1.2mmのチャネル高さを有するように波形を付けたことを除いて、実施例1と同様の態様で調製した。空気、窒素、および水の流量を調節して、8%H2O、5%O2、0.3%Heおよび、残りがN2の組成を有する、200SLPM(毎分標準リットル)で流れる混合物を形成した。その後、電気ヒータを用いてこの混合物を300℃に加熱した。グラフAは、体積パーセントの濃度単位に変換されたH2およびCO2の質量分析計信号を示す。グラフBは、2つの熱電対によって測定された、触媒906の排気口、および、この排気口904から1インチのところにある触媒の内部の温度を示す。グラフCは、制御系統によってセットされた燃料流量をg/分で示す。2630秒に等しい時間に、燃料を1.8gm/分の流量でオンにした。この燃料を触媒上で燃焼させた。そして、触媒の吸気口の近傍の熱電対は急速に低下した。この燃料を、触媒上で燃焼させ、触媒吸気口の近傍の熱電対は急速に低下した。2635秒で、燃料流量は、6.5g/分に増加し、グラフBにおける熱電対の温度によって示されるように、より早いレートの温度上昇を提供した。グラフAにおける900によって示されるように、質量分析計によって測定した、CO2が直後に発生したことによって、この燃焼の発生を確認した。2642秒に等しい時間に、燃料流量は、さらに10g/分に増加して、グラフCにおける908で示されるように、多燃料排気を生成した。その直後、質量分析計によって測定され、かつグラフAにおける902で示されるようにH2が発生した。2650秒に等しい時間に、燃料流量を終了した。CO2およびH2レベルが急速に低減した。
可能な脱硫酸サイクルを示すために実施例1の触媒を用いた。空気、窒素、および水の流量を調節して、8%H2O、8%CO2;7%O2、0.3%Heおよび、残りがN2の組成を有する、500SLPM(毎分標準リットル)で流れる混合物を形成した。その後、電気ヒータを用いてこの混合物を250℃に加熱した。図10に示されるように、約325秒で、燃料をオンにして、燃料プロセッサの温度を上昇させ、500〜600℃の排気口ガス温度を発生させた。この高いガスの温度は、短時間の後に、下流のNSRトラップ触媒を500〜600℃に加熱する。NSR触媒が脱硫酸するための所望の温度である場合、排気O2レベルが低下し、燃料プロセッサへの燃料の流量が増加(図10において375秒)し、1よりも大きい当量比を取得し、かつ、H2およびCOを発生させてNSR触媒を脱硫酸した。その結果、この還元条件が長期間の間維持され得るか、または、H2およびCOを含む還元パルスは、この例に示されるように脈動し得る。パルス間で、低レベルの燃料が燃料プロセッサの温度およびNSR触媒の温度を維持するために燃料プロセッサに供給される。NSR触媒が完全に脱硫酸された場合、燃料処理触媒への燃料をオフにし、燃料プロセッサからの排気口ガスの温度は急速に低下する。
この実施例は、燃料プロセッサの直列の下流における熱質量の効果を示す。図3と同じ触媒を用いた。モノリシック熱抵抗を0.100インチ厚さの100mm幅の金属フォイルから構成し、約1.5mmの高さおよび約550gの重量のチャネルを有する一体構造を形成するように波形が付けられた。この熱抵抗を実施例3の燃料プロセッサ触媒のすぐ下流に配置し、熱電対は、燃料プロセッサ触媒の上流、すなわち、燃料プロセッサ触媒と、熱質量との間、ならびに熱質量の下流のガス温度をモニタリングした。空気、窒素、および水の流量を調節して、8%H2O、8%CO2;7%O2、0.3%Heおよび、残りがN2の組成を有する、600SLPM(毎分標準リットル)で流れる混合物を形成した。図11に示されるように、50ヘルツの周波数で約50%のデューティサイクルで動作するパルスタイプのインジェクタを用いて、燃料を20g/分で10分間導入した。曲線1100は、リフォーマの下流で測定された温度を表し、曲線1102は、熱抵抗の下流の排気の温度を表す。748秒で、燃料を導入した。リフォーマから出たガスの温度は、749秒で上昇し始め、560秒で最高576℃に達した(燃料流量は、758秒で停止した)。同時に、熱抵抗の温度は極めてゆっくりと上昇し、熱容量が比較的大きいために781秒で445℃に達した。これは、燃料プロセッサを576℃に加熱している間(ここで、燃料プロセッサは、必要とされる還元H2およびCOを生成する)、熱質量はガス流量の温度を緩和し、これにより、この温度は、310℃から約445℃に上昇した(135度上昇しただけである)。この低いガスの温度は短期間上昇し、下流のNSR触媒の温度が著しく上昇することを防ぐ。
Claims (62)
- 過剰のO2を含む排気流において、NOXを還元させるためのシステムであって、該システムは:
NSR触媒;
該NSR触媒の上流位置に配置される燃料プロセッサであって、入り口と、出口と、少なくとも1つの触媒とを含む、燃料プロセッサ;および
該燃料プロセッサ触媒の上流に配置される少なくとも1つの燃料注入口を備え、ここで、
燃料は、該燃料注入口に注入され、そして該燃料プロセッサ触媒上で反応して、該燃料プロセッサ触媒の少なくとも一部の温度を迅速に上昇させ、そしてこれにより、該燃料の少なくとも一部は、H2およびCOに変換される、
システム。 - 前記燃料プロセッサの熱容量より大きな熱容量を有する熱質量をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記熱質量の少なくとも一部は、PMフィルター、前記燃料プロセッサ、前記NSR触媒、該燃料プロセッサの熱容量よりも大きな熱容量を有するモノリシック構造物、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項2に記載のシステム。
- 前記熱質量の少なくとも一部は、PMフィルターであり、そして該熱質量の少なくとも一部は、前記燃料プロセッサの熱容量よりも大きな熱容量を有するモノリシック構造物である、請求項3に記載のシステム。
- 燃料プレヒーターをさらに備え、該燃料プレヒーターは、前記燃料プロセッサの上流であり、そして前記燃料注入口の下流である位置に配置される、請求項1に記載のシステム。
- 燃料気化器をさらに備え、該燃料気化器は、前記燃料プロセッサの上流であり、そして前記燃料注入口の下流にある位置に配置される、請求項1に記載のシステム。
- ミキサをさらに備え、該ミキサは、前記燃料プロセッサの上流であり、そして前記燃料注入口の下流にある位置に配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記ミキサは、静止ミキサである、請求項7に記載のシステム。
- 前記ミキサは、一本のパイプを備え、該一本のパイプは、5より大きなL/D比率を有する、請求項7に記載のシステム。
- 前記ミキサの少なくとも一部は、ワニスまたは炭素質の沈着物を酸化する能力を有する触媒でコーティングされる、請求項7に記載のシステム。
- 一本のパイプをさらに備え、該パイプは、前記燃料プロセッサの上流であり、そして前記燃料注入口の下流にある位置に配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記一本のパイプは、ワニスまたは炭素質の沈着物を酸化する能力を有する触媒でコーティングされる、請求項11に記載のシステム。
- コントロールシステムをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記コントロールシステムは、前記燃料の流速を測定および調節する、請求項13に記載のシステム。
- 前記燃料プロセッサの前記少なくとも1つの触媒は、モノリシックな触媒である、請求項1に記載のシステム。
- 前記モノリシックな触媒は、セラミックスおよび金属からなる群より選択される材料から構築される、請求項15に記載のシステム。
- 前記モノリシックな触媒は、10ミクロン〜500ミクロンの範囲の壁厚を有する、請求項15に記載のシステム。
- 前記燃料プロセッサは、少なくとも2つの触媒を含み、少なくとも1つの触媒が改質触媒であり、そして少なくとも1つの触媒が酸化触媒である、請求項1に記載のシステム。
- 前記酸化触媒は、元素周期表のVI族、VII族、VII族およびIB族からなる群より選択される元素、ならびにそれらの組み合わせを含む、請求項18に記載のシステム。
- 前記酸化触媒は、Pd、Pt、Ir、Rh、Cu、Co、Fe、Ni、Ir、Cr、Moおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される元素を含む、請求項19に記載のシステム。
- 前記改質触媒は、Ni、Rh、Pd、Ptおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される元素を含む、請求項19に記載のシステム。
- 前記少なくとも2つの触媒は、直列で存在する、請求項18に記載のシステム。
- 前記少なくとも2つの触媒は、並列で存在する、請求項18に記載のシステム。
- 前記NSR触媒および前記燃料プロセッサは、単一の収容構造物中に配置されない、請求項1に記載のシステム。
- 前記NSR触媒および前記燃料プロセッサは、単一の収容構造物内に配置される、請求項1に記載のシステム。
- NSR触媒吸着剤を再生する方法であって、該方法は:
酸素を含むエンジン排気流を提供する工程;
燃料プロセッサの上流の位置に燃料を注入する工程であって、該燃料プロセッサは、入り口、出口および少なくとも1つの触媒を備える、工程;
該燃料と該排気流とを必要に応じて混合する工程;
該少なくとも1つの燃料プロセッサ触媒内で該燃料と排気流との混合物を反応させて、COおよびH2を含む還元ガス混合物を生成する工程;
吸着剤を有するNSR触媒中に該還元ガス混合物を導入する工程であって、該吸着剤は、該還元ガス混合物の導入により再生される、
方法。 - 前記排気流は、圧縮点火エンジン排気および希薄燃焼火花点火されるエンジン排気からなる群より選択される、請求項26に記載の方法。
- 前記燃料は、炭化水素を含む、請求項26に記載の方法。
- 前記燃料は、ガソリンおよびディーゼル燃料からなる群より選択される、請求項28に記載の方法。
- 前記燃料は、前記燃料注入口に注入される前に気化される、請求項26に記載の方法。
- 前記燃料は、1より大きな当量比で前記燃料注入口に注入される、請求項26に記載の方法。
- 前記燃料は、約2と約5との間の当量比で前記燃料注入口に注入される、請求項31に記載の方法。
- 前記燃料プロセッサ触媒の少なくとも一部は、少なくとも500℃にまで加熱される、請求項26に記載の方法。
- 前記触媒の少なくとも一部を500℃にまで加熱するに必要とされる時間は、10秒未満である、請求項33に記載の方法。
- 前記NSR触媒は、約1.2と約7との間の当量比で前記燃料プロセッサを操作することによって再生される、請求項26に記載の方法。
- 前記NSR触媒は、約2と約5との間の当量比で前記燃料プロセッサを操作することによって再生される、請求項35に記載の方法。
- 前記排気流における前記酸素濃度は、6%未満である、請求項26に記載の方法。
- 前記還元ガス混合物を前記NSR触媒に導入する前記工程は、前記NSR触媒吸着剤の周期的な脱硫酸をさらに容易にする、請求項26に記載の方法。
- コントロールシステムの使用をさらに包含する、請求項26に記載の方法。
- 前記燃料プロセッサは、少なくとも2つの触媒を含み、少なくとも1つの触媒は、改質触媒であり、そして少なくとも1つの触媒は、酸化触媒であり、請求項26に記載の方法。
- 前記燃料は、間欠的に注入される、請求項26に記載の方法。
- エンジン排気流を用いて使用するための燃料プロセッサユニットであって、以下:
酸素を含むエンジン排気流を受けるための入り口;
出口;
少なくとも1つの触媒;および
少なくとも1つの燃料注入口を備え、
該燃料注入口は、該触媒の上流の位置に配置され、そして、該触媒中への燃料の注入を容易にして、その結果、該燃料の少なくとも一部が該触媒の上で反応して、該触媒の少なくとも一部の温度を迅速に上昇させ、そして該燃料の少なくとも一部がH2およびCOに変換される、
燃料プロセッサユニット。 - 前記排気流は、圧縮点火エンジン排気および希薄燃焼火花点火されるエンジン排気からなる群より選択される、請求項42に記載の燃料プロセッサユニット。
- 前記触媒の少なくとも一部は、少なくとも500℃にまで加熱される、請求項42に記載の燃料プロセッサユニット。
- 前記触媒の少なくとも一部を500℃にまで加熱するに必要な時間は、10秒未満である、請求項44に記載の燃料プロセッサユニット。
- さらにミキサをそなえ、該ミキサは、前記燃料注入口の下流で、かつ、前記触媒の上流に配置される、請求項42に記載の燃料プロセッサユニット。
- 前記ミキサは、静止ミキサおよび一本のパイプからなる群より選択される、請求項46に記載の燃料プロセッサユニット。
- さらに少なくとも2つの触媒を含み、少なくとも1つの触媒が改質触媒であり、そして少なくとも1つの触媒が酸化触媒である、請求項42に記載の燃料プロセッサユニット。
- 前記酸化触媒は、元素周期表のVI族、VII族、VII族およびIB族からなる群より選択される元素、ならびにそれらの組み合わせを含む、請求項48に記載の燃料プロセッサユニット。
- 前記酸化触媒は、Pd、Pt、Ir、Rh、Cu、Co、Fe、Ni、Ir、Cr、Moおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される元素を含む、請求項49に記載の燃料プロセッサ。
- 前記改質触媒は、Ni、Rh、Pd、Ptおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される元素を含む、請求項49に記載の燃料プロセッサ。
- 前記少なくとも2つの触媒は、直列で存在する、請求項48に記載の燃料プロセッサ。
- 前記少なくとも2つの触媒は、並列で存在する、請求項48に記載の燃料プロセッサ。
- 前記燃料プロセッサ中への燃料の流れを開始させる工程;
前記燃料流速を調整する工程;
前記燃料流速を、前記NSR触媒が再生されるまで維持する工程;および
該燃料流を終結させる工程、
を包含する、請求項1に記載のシステムの制御の方法。 - 燃料の前記注入を開始する工程;
前記エンジン排気流の酸素濃度を減少させる工程;
前記燃料の流速を調整する工程;
該燃料の流速を、前記NSR触媒の吸着剤が再生されるまで維持する工程;および
該燃料流を終結させる工程、
を包含する、請求項26に記載の方法を制御する方法。 - 燃料の前記注入を開始する工程および前記エンジン排気流の酸素濃度を減少する工程が同時に生じる、請求項55に記載の方法。
- 燃料の前記注入は、変数を制御することによって制御され、該変数は、前記排気流内の所望の配置における温度、該排気流内の所望の位置での酸素濃度、該排気流内の所望の配置でのNOX濃度、排気流の総速度、およびエンジン操作パラメータからなる群より選択される、請求項26に記載の方法を制御する方法。
- 前記エンジン操作パラメータは、rpm、トルク、ターボチャージャーブースト、EGR弁設定およびエンジン気流からなる群よりさらに選択される、請求項57に記載の方法。
- 前記NSR触媒の前記NOX飽和レベルを見積もることによって、請求項23に記載の方法を制御する方法。
- 前記飽和レベルは、前記NSR触媒の下流のNOXセンサを用いて見積もられる、請求項59に記載の方法。
- 前記飽和レベルは、前記エンジンを用いて生成されるNOXの総量を見積もるエンジン操作パラメータを用いて見積もられる、請求項59に記載の方法。
- 前記NSR触媒が、所定の飽和レベルであると見積もられるときに請求項23に記載の方法が開始される、請求項59に記載の方法。
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