JP2007509282A - ＮＯｘトラップ及び／又はディーゼルエンジンへの合成ガスの断続使用 - Google Patents

ＮＯｘトラップ及び／又はディーゼルエンジンへの合成ガスの断続使用 Download PDF

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Abstract

触媒部分酸化剤（３０）が、バルブ（３４）で供給するＮＯｘトラップ（３５）などの合成ガスを断続的に使用する装置に、合成ガス（水素と一酸化炭素）を短期間与える。合成ガスが使用されていないターンダウン時は、ＣＰＯの出力はエンジンガスリサイクル（ＥＧＲ）システム（４３〜４６）を介してエンジン（１２）の吸気口（１３）に方向を向けられるか（３３）、又は単にＣＰＯを暖かくかつ低減状態にしておいてすぐに再始動できるように、ＣＰＯに加えられる燃料（１９）と排気（２３）の量が削減される（２４、２６；５９、６０）。合成ガスがＮＯｘトラップにより使用されていないターンダウン時に、小型ＣＰＯ（６２）が合成ガスと熱を大型ＣＰＯ（３０）に与えることもできる。

Description

この発明は、内燃機関を有する乗物において、例えばＮＯｘトラップ中での吸着物質の再生などの断続利用のために、（ａ）合成ガスを消費装置（ＮＯｘトラップなど）からエンジンの吸気口に方向転換すること、（ｂ）単に合成ガス生成器を暖かく維持するように合成ガス生成器の取り入れを削減すること、又は（ｃ）連続的に作動する小型ＣＰＯを使用して主ＣＰＯを暖かく保つのに十分なだけ供給し、すぐに再始動できるようにすることにより、合成的に生成された水素、一酸化炭素及び他のガスの混合物（以下、合成ガス）を断続使用することに関する。
内燃機関を有する乗物では、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を削減するために、ＮＯｘトラップ中の吸着物質の再生など種々の方法にて使用できる水素、一酸化炭素のガス混合物（以下、合成ガスという）を製造することが知られている。ＮＯｘトラップの再生に使用するためにエンジン燃料、エンジン排気及び空気から合成ガスを生成することは、同時係属の米国特許出願第１０／２４３，１０５号（２００２年９月１３日出願）に開示されている。しかしながら、一般に吸着物質は、８０〜１００秒のオーダーの間排気中のＮＯｘを吸収できるが、完全に再生するのに５〜１０秒のオーダーかかる。このようなシステムの別の例が、同時係属の共有の米国特許出願第１０／３０９，７１２号（２００２年１２月４日出願）に記載されている。
典型的な合成ガス生成器は、液化炭化水素燃料を改質できる触媒部分酸化剤（以下ＣＰＯという）を含み得る。合成ガスが必要とされるとき、ＣＰＯはほんの数秒内で有効量の合成ガスを生成するために一定温度以上になければならない。このためには、ＣＰＯは加熱されたままにしておかねばならず、そうでなければ、頻繁にＣＰＯを始動及び停止するという大変な課題が持ち上がる。ＣＰＯの始動と停止には、重要で複雑な制御機器が必要なので、システムの費用が高くなる。さらに、始動の際には、ＣＰＯ中の触媒は局所的に危険な酸素／炭素比になる可能性があり、このことがＣＰＯ触媒を溶融又は損傷させるかもしれない。
ＣＰＯを単に動作条件のままにしておいて合成ガスを廃棄することもできるが、このことにより著しい燃料の損失が生じ、エンジンシステムの全体の効率が許容できないほど低くなる。
米国特許出願第１０／２４３，１０５号 米国特許出願第１０／３０９，７１２号
本発明の目的としては、合成ガスをＮＯｘトラップに与える際のＣＰＯの改善された利用；ＮＯｘトラップの再生のための合成ガスの効率的な生成；乗物中での合成ガスのより簡単な製造；断続使用のための合成ガスの効率的な生成；並びに乗物の内燃機関、特にトラックのディーゼルエンジンについての全体効率及び清浄作動の改善が挙げられる。
この発明は、合成ガスが必要とされないサイクルのターンダウン期間中に、ＣＰＯが暖かく保持されるならば、非常に簡単な制御機器により１又は２秒内で容易に再始動できるという認識に部分的に基づいている。本発明は、合成ガスなどの水素に富んだガスを内燃機関の燃料取入れ口に加えると、混合物の燃焼性が増すことで、より良い炎の前線が作られて壁の湿潤とエンジンのＮＯｘ放出が低減されるという認識に部分的に基づいている。
本発明によると、例えばＮＯｘトラップの吸収剤物質の再生のために合成ガスが必要とされていない期間中に、全体システムにおける合成ガス生成器の構成が、（ａ）エンジン内での燃焼を改善するために、生成した合成ガスをエンジンガスリサイクル（ＥＧＲ）ストリームを介してエンジンの燃料入口に方向転換すること、又は（ｂ）単に１又は２秒以内に再始動するのに十分な暖かさにＣＰＯを維持するように、ＣＰＯへの燃料及びその他の入力を削減することにより変更される。
第１の実施態様では、合成ガスがその主要な用途、例えばＮＯｘトラップの再生に必要とされていない間、合成ガスがＥＧＲに方向転換される。本発明の別の実施態様では、燃料及び排気の量は、合成ガスが必要とされない期間、大きく削減される。本発明の第３の実施態様では、削減された量の燃料と排気が混合され、連続作動する小型ＣＰＯに加えられる。この小型ＣＰＯの出力が、合成ガスをＮＯｘトラップに供給する主ＣＰＯに加えられる。小型ＣＰＯの出力は、容易に点火される燃料だけでなく熱を与えるので、動作温度に近接して維持することが非常に簡単となる。
図１を参照すると、エンジンシステム１１は、管路１３で燃料と空気との混合物を受け取る内燃機関１２を備える。一般に管路１７の空気はターボチャージャにより供給され、その空気の圧力はバルブ１８により適切に調節される。燃料は燃料ポンプ２０から管路１９に供給される。管路２３のエンジン排気は、管路１９から固定開口部２６を介して送られる燃料と共に、固定開口部２４を介して静的混合器２５に供給される。管路２９の静的混合器の出力は、主ＣＰＯ３０に加えられ、このＣＰＯ３０が水素、一酸化炭素及びその他のガスからなるガス混合物を生成するが、これらすべて慣用のものであり、本発明には関連しない。管路３１のＣＰＯの出力は、二方向バルブ３３に加えられるが、以下で説明するようにさらに多くの選択ができるバルブでもよい。
管路２３の排気はまた、合成ガスを利用する装置、例えば一対のＮＯｘトラップ３５に送るための１組のバルブ３４にも供給される。この装置は、上記米国特許出願第１０／２４３，１０５号に開示されたようなものでよく、エンジンのＮＯｘ放出を低減するためのＮＯｘ吸着物質として例えば炭酸バリウムを使用できる。管路３８にあるバルブ３４へのもう一方の入力は、二方向バルブ３３の一方の設定により供給される。よって、一方のＮＯｘトラップの吸収剤物質が再生されている短時間の間（一般に５〜１０秒）、二方向バルブ３３は、コントローラ４０からの信号３９により有効量の合成ガスをバルブ３４に供給するようにされる。この場合、有効量とは、ＮＯｘトラップを再生するのに必要な量である。コントローラ４０は、ＮＯｘトラップの各々が交互により長い期間（一般には８０〜１００秒のオーダー）ＮＯｘを吸着し、次により短い期間（一般に５〜１０秒のオーダー）合成ガスにより再生されるように、信号４１によりバルブ３４を交互に切り替える。
合成ガスが必要とされていないとき、コントローラ４０は、合成ガスをＥＧＲ管路４３に与えるように信号３９を介して二方向バルブ３３を設定する。ＥＧＲ管路４３は、従来型のＥＧＲバルブ４４を介して排気管路２３から排気を受け入れる。ＥＧＲガスは熱交換器４５で冷却され、別の従来型のＥＧＲバルブ４６に送られ、それからエンジン１２内での燃焼のため管路１３中の空気／燃料の混合物と混合される。ＥＧＲ要素４３〜４６は従来型のものである。
図１の装置では、エンジン１２が通常運転中は連続的に有効量又は適量の合成ガスを供給するように、ＣＰＯはその定格容量にて機能できる。ＣＰＯの出力は、二者択一的に、ＮＯｘトラップ３５に提供されるか、又はエンジン１２の吸気口１３に方向を向けられる。合成ガスはエンジンの動作を改善し、その不要なエミッションを削減するので、合成ガスを生成するのに用いられる燃料の量によって全体のエンジンシステムの許容できないほどの効率の損失は生じない。（通常のエンジン動作中）ＣＰＯを連続的に作動させることにより、ＣＰＯは非常に効率的に作動し、それにより全体のシステム効率が改善される。
図２の本発明の別の実施態様では、ＮＯｘトラップを再生する合成ガスが必要とされていない間、合成ガスの方向を変えない。代わりに、ＣＰＯへの取り入れが厳しく削減される。固定開口部２４、２６（図１）と静的混合物２５の代わりに、１対のソレノイドバルブ５０、５１が用いられる。バルブ５０、５１が開いているとき、必要とされる量の排気と燃料が、ＣＰＯ３０の混合セクション５２に供給され、ＣＰＯがＮＯｘトラップ３５を再生する有効量の合成ガスを製造する。図２では、ＣＰＯからの出力管路３１は、バルブ３４の入力管路に直接連結されている。
ＮＯｘトラップが合成ガスを必要としていないとき、バルブ５０、５１はコントローラ４０からの信号５３により閉鎖され、その結果、排気と燃料の主要な流れはもはやＣＰＯ３０には供給されない。代わりに、ＣＰＯは、静的混合器５６により供給される管路５５中の少量の混合物に頼らなければならず、この静的混合器５６は、限定量の排気と限定量の燃料をそれぞれ固定開口部５９、６０を介して受け入れる。各サイクルのターンダウン（非再生）期間中にＣＰＯに供給される排気及び燃料の量は、ターンダウン中に微量の合成ガスのみを製造しつつターンダウンの終了後直ちに再始動できる低減環境にＣＰＯ３０を維持するのに十分な暖かさにＣＰＯ３０を保持するような高温の合成ガスを供給するだけで十分である。サイクルのターンダウン期間中に生成された少量の合成ガスは、再生の完了後でさえＮＯｘトラップに通される。
よって、制御機器は、単に主要入口バルブの開閉を要求するだけなので簡単であり、また、サイクルのターンダウン期間中に相対的に少しの燃料が固定開口部６０を通って利用されるので、かなりの節約ができる。
図３の実施態様は、静的混合器５６の出力を管路５５で受け入れる小型ＣＰＯ６２が設けられていることを除いて、図２のものと同じである。管路６３の小型ＣＰＯの出力は、ＣＰＯ３０の混合セクション５２に供給される。小型ＣＰＯの使用により、熱と合成ガスの両方をＣＰＯ３０に供給するので、使用燃料を少なくでき、大型ＣＰＯ３０を高温に保つと共に低減環境を維持する。これらすべてにより、危険なＯ２Ｃストイキオメトリー（stochiometry）範囲を通る危険性なしに容易に大型ＣＰＯ３０の再始動が可能となる。この実施態様では、バルブ５９及び６０はエンジン作動中は通じたままなので、小型ＣＰＯは連続的に作動する。小型ＣＰＯを設けると全体の装置コストがいくぶん追加されるが、サイクルのターンダウン期間中に主ＣＰＯの温度を維持するのに用いられる燃料の節約は、期間全体でかなりなものになり得る。
合成ガスは、微粒子フィルターの再生及び／又はＮＯｘトラップ吸収剤の脱硫のために排気触媒を素早く加熱するのに使用できる。この場合、バルブ３３（図１）は三方向バルブとし得る。
上記実施態様では、エンジン１２はディーゼル燃料で作動する。本発明がガソリンエンジンと共に用いられるならば、ＣＰＯの入口にて混合物に空気を加えてガソリン排気中の少量の酸素を補うこともできる。
ＣＰＯの出力をＮＯｘトラップからエンジンの燃料入口に方向転換させるエンジンシステムの概略図である。 ＣＰＯの出力が必要とされていない間、ＣＰＯに加えられる燃料及び排気の量が著しく削減されるエンジンシステムの概略図である。 ＣＰＯの出力が必要とされていない間、著しく削減された量の燃料と排気が、小型ＣＰＯに加えられ、該小型ＣＰＯが熱と水素を主ＣＰＯに与えて暖かく保持し低減環境を維持するエンジンシステムの概略図である。
符号の説明
１１ エンジンシステム
１２ 内燃機関
２０ 燃料ポンプ
２５ 静的混合器
３０ 主ＣＰＯ
３３ 二方向バルブ
３４ バルブセット
３５ ＮＯｘトラップ
４０ コントローラ
４５ 熱交換器
６２ 小型ＣＰＯ

Claims (4)

  1. 水素と一酸化炭素を含んだ内部生成された混合物（以下「合成ガス」という）を断続的に使用する補助システム（３５）を備え燃料（２０）で作動する内燃機関システム（１１）において、
    少なくとも前記補助システムに対して適量の合成ガスを改質装置（３０）で生成すること、及び
    第２期間を散在させた第１期間中に前記適量の前記合成ガスを前記補助システムに周期的に与えること（３３、３４、４０）を含む方法であって、
    前記第２期間中に、（ａ）前記適量の合成ガスのうち少量のみを生成するように、生成する前記合成ガスの量を削減するか（４０、５０）、又は（ｂ）前記合成ガスを前記エンジンの燃料入口（４３）に方向転換するか（３３、４０）、又は（ｃ）連続作動する小型ＣＰＯ（６２）により生成された少量の合成ガスを前記改質装置に供給することを特徴とする方法。
  2. 窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」で示す）を有する排気（２３）を、水素と一酸化炭素を含む内部生成される混合物（以下「合成ガス」という）で周期的に再成される吸着物質を有するＮＯｘトラップ集合体（３５）に供給し、燃料（２０）で作動する内燃機関システム（１１）において、前記ＮＯｘトラップに、合成ガスを供給する方法であって、
    第１に、少なくとも前記ＮＯｘトラップ集合体中の吸着物質を再生するのに有効な量だけ前記排気及び前記燃料から合成ガスを改質装置（３０）で生成するステップ；及び
    第２に、第１期間より約８〜２０倍長い第２期間を散在させた５〜１０秒長のオーダーの第１期間の間、少なくとも前記有効量の前記合成ガスを前記ＮＯｘトラップ集合体に周期的に与えるステップ（３３、３４、４０）を含み、
    第３に、（ａ）前記合成ガスを前記ＮＯｘトラップ集合体から前記エンジンの入口（４３）に方向転換し（３３、４０）、又は（ｂ）前記有効量の合成ガスのうち少量のみを生成するように、前記合成ガスを生成するのに用いられる前記燃料及び前記排気の量を削減し（４０、５０、５１）、又は（ｃ）連続作動する小型ＣＰＯ（６２）により生成された少量の合成ガスを前記改質装置に供給することにより、前記第２期間中に前記第１ステップ又は前記第２ステップを変更することを特徴とする方法。
  3. 水素と一酸化炭素を含んだ混合物（以下「合成ガス」という）を生成する装置であって、
    合成ガスにより周期的に再生される吸着物質を有する窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」で示す）トラップ集合体（３５）；
    ＮＯｘを有する排気（２３）を前記ＮＯｘトラップ集合体に供給し、かつ燃料（２０）で作動する内燃機関システム（１２）；
    前記ＮＯｘトラップ集合体中の吸着物質を再生するのに有効な量だけ前記排気及び前記燃料から合成ガスを生成する第１手段（３０）；及び
    第１期間より約８〜２０倍長い第２期間を散在させた、５〜１０秒長のオーダーの第１期間の間、少なくとも前記有効量の前記合成ガスを前記ＮＯｘトラップ集合体に周期的に与える第２手段（３３、３４、４０）を含み、
    （ａ）前記合成ガスを前記ＮＯｘトラップ集合体から前記エンジンの入口（４３）に方向変換すること（３３、４０）、又は（ｂ）前記有効量の合成ガスのうち少量だけ生成するように、前記合成ガスを生成するのに用いられる前記燃料及び前記排気の量を削減すること（４０、５０、５１）、又は（ｃ）連続作動する小型ＣＰＯ（６２）により生成された少量の合成ガスを前記改質装置に供給することのいずれかによって、前記第２期間中、前記第１手段又は前記第２手段の動作を変更する第３手段を特徴とする装置。
  4. 前記ＮＯｘトラップ集合体中の吸着物質が炭酸バリウムを含む、請求項３に記載の装置。

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