JP2013534985A

JP2013534985A - 内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するためのアッセンブリ及び方法

Info

Publication number: JP2013534985A
Application number: JP2013507925A
Authority: JP
Inventors: ゲーレット，ジョゼフ・ビー; パノラ，ロバート・エイ; ローザー，ランソン
Original assignee: テコジェン，インコーポレーテッド
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2013-09-09
Also published as: CN103154451B; KR101434373B1; AU2010352022B2; CA2790314C; US9121326B2; NZ602200A; SG184348A1; MX2012012110A; AU2010352022A1; BR112012024840A2; CR20120533A; US20110265451A1; BR112012024840B1; JP2017122457A; JP6356281B2; US20140196438A1; CN103154451A; CA2790314A1; NI201200158A; US8578704B2

Abstract

内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するためのアッセンブリ及び方法であって、排気ガスは第１ステージ触媒コンバータにおいて実行される。第１ステージ触媒コンバータ出力の第１部分は冷却され、第１ステージ触媒コンバータ出力の第２部分は冷却されない。冷却された及び冷却されていない排気ガスは一体化されて第２ステージ触媒コンバータに導かれる。空気は、（１）冷却ガスと共にその接合点前の冷却されていない排気ガス及び（２）その接合点後の組み合わされた冷却された及び冷却されていない排気ガスの、選択された一方の中に注入される。
【選択図】図４

Description

関連出願への参照
本出願は、Joseph B. Gehret、Robert A. Panora及びRanson Roserの名前で２０１０年４月２８日付で提出された米国仮特許出願６１／３４３３９２の優先権を主張する。

技術分野
本発明は、内燃機関の排気の治療に関し、より具体的には、内燃機関、特に火花点火ガス燃料内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減に関する。

ガス燃料で作動される火花点火（ＳＩ）内燃（ＩＣ）機関は、燃焼室において少量の望ましくない化学化合物を生じ、その化学化合物は、高温（華氏８００−１２５０度）で機関から排気される。メタンや他の軽質炭化水素を主成分とする燃料については、一般的に規制される化学物質は、窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ_２、又は一般的にＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）である。窒素酸化物は、窒素（Ｎ_２）及び空気の主成分は、両方がエンジン燃焼室で高温高圧にさらされている場合に酸素（Ｏ_２）及び空気の他の主成分と反応したときに形成される。他方、一酸化炭素は、完全に酸素と反応するための燃料の欠乏の結果であり、二酸化炭素（ＣＯ_２）の形成を生じる。ＣＯ及びＮＯｘは、それらの規制値が現在の技術の限界での又は以下での多くの地理学的地域の設定にあるので、問題のある汚染物質である。

厳しい規制地域では、メタンリッチ燃料（天然ガス、バイオ燃料、埋め立てガスなど）によって燃料を供給されたＳＩ／ＩＣエンジンからの排出を制御するための現在の実施は、規制によって必要とされる程度までそのような化学物質を排除するためにエンジン排気ダクトのシステムを取り入れることである。（１０００ｂｈｐ未満の）小型のエンジンに対しては、共通の後処理システムは、単段の触媒である。これらの小型システムでは、エンジンから出る燃焼生成物は、触媒モノリス（貴金属コーティングを施したハニカム構造）を通じて強制され、触媒モノリスは、望ましい酸化と還元反応：
ＮＯｘはＮ_２＋Ｏ_２を生じる
ＣＯ＋Ｏ_２はＣＯ_２を生じる
を促進する。

窒素酸化物は、両方とも良性である窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）の気体に還元され、一酸化炭素（ＣＯ）は、完全に酸化され、同様に非有害で規制されない二酸化炭素（ＣＯ_２）を形成する。

現在の触媒に基づく排気システムは、上述の反応の変換効率を最大化するために、エンジンの動作パラメータの非常に正確な制御に依存する。具体的には、触媒コンバータ内のこのような反応を通じたＮＯｘ及びＣＯの同時排気は、空気と燃料の混合に対しエンジンの燃焼プロセスの正確な動作領域を必要とする。これは、典型的なＳＩ／ＩＣエンジンに対して図１に示される。図示のように、濃混合気は、ＣＯが高いが触媒の外に低いＮＯｘを生じ、薄混合気は、ＮＯｘが高いが低いＣＯを生じる。図１から、ＮＯｘ及びＣＯの同時浄化は、エンジン空気／燃料比（ＡＦＲ）が化学量的空気／燃料比付近の狭い領域で正確に制御されることを必要とすることが明らかである。両方の規制される汚染物質の適合性は、燃焼化学量論が図１のＡ点とＢ点の内側に維持されるときに維持できるだけである。許容燃焼混合は、ますます厳しい排気基準を達成するために、エンジン空気／燃料比が狭い範囲内に制御されることを必要とする。

図１をさらに参照すると、単一又は複数の三元触媒（ＴＷＣ）を備えたＳＩ／ＩＣエンジンからのＡＦＲの関数として代表的なエンジンの排気量が示されている。ＣＯ及びＮＯｘに対する規制限界を満たすことは、エンジンＡＦＲが図１のＡ点とＢ点との間のほぼ化学量的ＡＦＲを示す帯域に維持されることを必要とする。

米国及び他の場所でのほとんどのアプリケーションで動作する定常ＳＩ／ＩＣエンジンは、ますます制御される許容可能なＣＯ及びＮＯｘ排気に対して高く規制される。最も顕著なのは、カリフォルニア州大気資源局（ＣＡＲＢ）は、現在、熱電併給（ＣＨＰ）アプリケーションのための２００７標準の一部として０．０７ｌｂ／ＭＷｈ及び０．１ｌｂ／ＭＷｈのＣＯの制限を推奨する。最低６０％の全体的なシステムの効率を維持すると共に２７％の電気効率を想定するために熱回収クレジットを適用して、排気ガス中の実際の濃度の条件で述べられた排気制限は、３．７ＰＰＭのＮＯｘ及び８．９ＰＰＭのＣＯである。本明細書中に使用されるように、“ＰＰＭ”は、標準的な空気希釈率（１５％の酸素換算）に補正された量による百万分の一を意味する。南岸大気管理局（ＳＣＡＱＭＤ）の管轄下にある南カリフォルニアの地域は、ＣＡＲＢの制限に近い値にＣＯ排出量を抑制しながら、ＮＯｘに対して“ＣＡＲＢ２００７”基準を採用している。カリフォルニア州の他の地域は、同様に同じような基準を採用し、国の他の地域は、ＣＡＲＢ２００７基準に近い規制を段階的に導入している（例えば、マサチューセッツ州、ニューヨーク州、ニュージャージー州）。

より新しい規格への準拠は、ＣＯ及びＮＯｘの両方に対する触媒の極めて高い変換効率を必要とする。特大変換モノリスが、空気／燃料混合の制御の極端な精度に加えて必要とされる。

図２は、ＡＦＲコントローラが定常状態（非ディザリング）のＡＦＲ制御によって維持するプレ触媒の狭帯域加熱排気ガス酸素センサのミリボルト（ｍＶ）出力によって示された、ＣＡＲＢ２００７に準拠するように寸法づけられたＴＷＣシステムを利用する標準的なエンジン（モデルTecoDrive 7400）に必要な定常状態のＡＦＲ制御精度を示す。図２に示されるように、エンジン燃焼混合（空燃比）は、排気ダクト内の標準ラムダセンサからの信号が６８０乃至６９４ｍＶに維持されるときにだけ規制制限に対する触媒性能を許容する。この範囲を超えると、職場を出るＣＯ濃度は８．９ＰＰＭのＳＣＡＱＭＤ制限を超え、この範囲を下回ると、ＮＯｘは、３．７ＰＰＭ制限を急速に超える。図２に示された制限は、燃料の熱含量の６０％が電力又は回収された熱エネルギーとして意図的に使用されるように、エンジンの熱回収のためのクレジットを有するＣＡＲＢ２００７の制限である。コンプライアンスを維持するためには、燃料混合物に対する燃焼空気が図示の例に対して１４ｍＶの帯域内に維持されなければならない。

ＣＯ及びＮＯｘの双方からの許容排気を達成するために、エンジン動作のための制御帯域を拡張するための可能な方法は、触媒システムの二段階がはっきりと異なる化学雰囲気中にそれぞれ動作するようにシステムを変更することである。初期の触媒システムは、一般的に、中間段の空気注入を有する二段設計を使用した。この時代では、両方ではないが、専用の触媒モノリス酸化または還元が採用された。後に、多目的として、単段触媒（ＴＷＣ）が開発され、これらは支配的なスタイルとなった。初期の二段階システムは、厳しくない基準のもとで首尾よい定常ガス燃料のＳＩ／ＩＣエンジンに採用された。おそらく、二段階のシステムで発生するＮＯｘの改善問題は、以前の時代に存在していたが、その時点で規制制限に対して重要ではなかった。

図３は、上述の構成を示す。図示のように、二つの触媒ステージは、連続して排気システムに配置される。空気が、ステージ１（ＣＡＴ１）とステージ２（ＣＡＴ２）との間で排気流に入れられ、完全に混合される。エンジンの空燃比は、第１ステージにおける効果的なＮＯｘの除去を容易にするように維持される。エンジンＡＦＲが非常に大きなメリットである濃い側での許容動作ウィンドウの外にあっても、排気に注入された空気は、ＣＯ_２へのＣＯの酸化の方に偏向された第２触媒ステージでの酸化環境を生じる。

二段階システムを利用したテストは、空気注入を有する二段階方式は効果がないだけでなく触媒性能に実際に有害であることが実証された。二段階システムからのＮＯｘ排気は、共通点のある再巣及び触媒材料ローディングの単ステージシステムよりも概ね高いことが判明した。この驚くべき結果は、機構が、ＮＯｘが第２ステージで形成され、酸素が濃い環境によって作られ、化学反応、すなわち、高温及び触媒材料の存在度に伝導する条件で結合されるように存在することが示された。

従って、本発明の目的は、火花点火ガスを燃料とした内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物や一酸化炭素を徹底的かつ確実的に除去するためのアッセンブリ及び方法を提供することである。

考慮中の上記及び他の目的に関し、本発明の特徴は、低温で触媒コンバータの第２ステージに入るガスを提供することによって、火花点火ガスを燃料とした内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を効果的に低減するためのアッセンブリ及び方法の提供である。

本発明によれば、第２触媒コンバータのステージ１に入るガスは、通常エンジンを出る非常に高い温度（華氏８００−１２５０度）から低い値までにステージ１の直後に冷却される。中間温度又は温度間の範囲は、望ましい化学反応（ＣＯ及び炭化水素の除去）を提供し、そして、ＮＯｘの生成のために望ましくないもの以上に高く好まれる。これは、ガスが熱再利用プロセスで冷却されるので、熱及び電力（ＣＨＰ）アプリケーションを組み合わせることで特に実行可能なアプローチであるとみなされる。ＣＨＰアプリケーションでこれを行うことは、（１）冷却ステージがステージ間で冷却するために方向づけされること及び（２）冷却効果が良好な温度範囲内に存在するように変更されること、だけを必要とする。

様々な新規な構造、部品の組み合わせ及び方法ステップの詳細を含む、本発明の上記及び他の特徴は、添付の図面を参照しながらより具体的に説明され、及び特許請求の範囲において示されるであろう。

本発明を具体化する特定のアッセンブリ及び方法が図面で示されるだけであるが、本発明の限定ではないことを理解されるであろう。本発明の原理及び特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく様々な多くの実施形態で用いられることができる。

本発明の例示的な実施形態が示される添付の図面が参照され、その図面からその新規な特徴及び利点が明らかになるであろう。

図１は、精密に制御された空気／燃料比を与えられた許容範囲内及び許容範囲を超えた、エンジン排気ガス中に存在する窒素酸化物と一酸化炭素との従来技術の関係を示す図である。図２は、三元触媒を使用して、標準的なエンジンに必要な先行技術の定常空気／燃料比の制御の精度を示す図である。図３は、中間ステージの空気注入を有する従来技術の二段触媒システム先行技術の概略図である。図４は、本発明の実施形態による、エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するアッセンブリ及び方法の概略図である。図４Ａは、代替的なアッセンブリの概略図である。図５は、以下に説明する試験１の結果を示す図である。図６は、図５に似た図であるが、図４のアッセンブリの使用における窒素酸化物及び一酸化炭素の著しく異なりかつ大幅に改善された低減を示す。図７は、空燃比制御装置の不均等でさえ、本発明のアッセンブリ及び方法は、低排出ガスとエンジン空燃比の偏位のための大きな許容度を提供することを示す図である。図８は、内燃エンジンの窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素の排気を低減するさらなるアッセンブリ及び方法の概略図である。図８Ａは、さらなる代替的なアッセンブリの概略図である。

中間ステージの冷却を有する２ステージシステムの試験が図４に示された装置を使用して行われた。図４に示されるように、エンジン排気ガスは、エンジン２０を出て、そして、排気ガス導管２２によって、少なくとも一つ好ましくは二つの触媒コンバータであるＣａｔ１及びＣａｔ２を有する触媒コンバータ第１ステージ２４に送られる。ＮＯｘの除去に対して第１ステージ２４の高性能を達成するために、二つの触媒要素が一つに変えることもできる。単一の触媒コンバータ要素は、第１ステージ２４のわずかに妥協された性能を有する開示されたシステムに対して十分に作動する。

エンジン２０からの燃焼ガスは、通常のエンジン排気温度（約華氏１２００度）で第１ステージ２４に入り、その後、排気流は、二つの流れ２６、２８に流出される。一方の流れ２６は、冷却手段３０を通過するときに、あるいは、気化させて流れの温度を実質的に減少させるのに適した注入された冷却媒体に支配された導管を通過するときに、約華氏２８０度まで冷却される。他方の流れ２８は、冷却コイル３０を迂回し、空気注入器３２からの空気の制御された量で注入される。二つの流れ２６、２８は、ジャンクション３４で再び結合し、その後、第２の触媒ステージ（Ｃａｔ２）４６に管で送られる。排気ガスの冷却の程度は、温度調整バルブ３６で調整されることができる。

三つの試験が、開示された発明を実証するこの装置で行われ、試験は以下に要約される。
試験１
最初の実験では、エンジン２０は、高出力（１５６馬力及び２５００ｒｐｍ）で作動され、天然ガスを燃料とされる。温度調整バルブ３６は、ほとんどのガスが冷却コイル３０を迂回されるように設定された。一様な定常状態エンジン運転の下、触媒２４のステージ１のＮＯｘ還元を優遇する条件で固定されたエンジンＡＦＲで、図５に概略された実験が開始された。

最初の２００秒間で、中間ステージの空気注入なしで、排気ガスシステムのＮＯｘ、ＣＯ及びＯ_２の濃度及び中間ステージ排気温度（“Ｔｍｉｘ”）は、ポートＳ１で測定された（図４）。この時間枠では、Ｓ１でのサンプリングで、ＮＯｘの排気は、十分に遵守制限以下であったが、ＣＯ値は、遵守していなかった。さらに、中間ステージ排気温度は、予想通り（約華氏８００度）高かったが、Ｏ_２濃度は、ほぼ化学量論的な動作を示すゼロに非常に近かった。２００秒時点での、開始するための空気注入準備では、サンプルポートは、第２ステージ（Ｃａｔ２）直後にＳ２まで移送された（図４）。予想されたように、第２ステージ後に測定されたＣＯ及びＮＯｘの濃度は、付加の触媒要素の利益で適度に低かった。

５０２秒時点では、ポートＳ２でのＯ_２濃度の段階的な変化によって図５に明白に示されるように中間ステージの空気注入が開始された。ＣＯは、ほぼゼロまで直ちに減少されたが、ＮＯｘのレベルは急激に増加し、本発明の恩恵を受けずに過去に取得した残念な結果を実証した。

空気注入は、８００秒、１１００秒及び１４００秒時点で段階的に増加されると、ＮＯｘはわずかに改善されたが、非常に非遵守のままであった。１６６０秒時点では、エンジン排気の変化が、濃い値まで行われ、それは、ＮＯｘの排気を単に悪くした。

１９５０秒時点では、空気注入が中断され、単一のステージまでプロセスを本質的に戻した。濃いＡＦＲで単一のステージシステムをとして動作するこの最終の時間区分では、ＮＯｘ濃度は、低くなるように測定されたが、ＣＯは、高いことが判明し、予期される結果であった（図１参照）。

試験２
第２の実験では、より低い“Ｔｍｉｘ”値（華氏４００度の範囲）を達成するために増加された中間ステージ冷却を有して、試験１が繰り返された。図６に示されたその結果は、著しく異なっていた。空気の注入が５５０秒で開始されると、ＮＯｘ濃度は、０．５ＰＰＭからおよそ値の半分まで減少し、同様に、ＣＯも十分に遵守制限以下の濃度まで減少された。コンプライアンステストは、試験２(図６)に見られるように過度でない限り許容される短期的なスパイクを持つ拡張区間でとられた平均時刻に基づいた。

より高い温度での排出量に実質的に負の効果を持つ空気注入は、中間ステージ冷却が実質的に増加されたときにプロセスを改選する上で非常に有効であった。ＮＯｘの低減が予期されておらず、プロセスの非常に重要な利点であることは重要である。

試験３
第３の試験では、システムは、ほぼ最適な性能、すなわち主要な燃焼空気の約１％に等しい空気注入で約華氏５２０度まで冷却する中間ステージを提供する定常状態に最初に調整された。次に、エンジンの空燃比のコントローラが、プロセスの許容度を不調整に決めるために濃い燃料と希薄燃料の双方とも、定常状態の動作点を変えるように段階的に調整された。図７に示された結果は、単一のステージの触媒システムのコンプライアンスウィンドウを倍増する、６６０ｍＶから６９２ｍＶよりも大きい値までのラムダセンサ読み取り値と正常に準拠したことを示した。

従って、新規なアッセンブリ及び方法は、定常状態（非ディザリング）の燃料制御に基づく空燃比でエンジンの偏位のために低い排気及び大きな許容度の双方を提供する。同じ現象と結論は、後の触媒排気酸素またはラムダセンサによって測定されるように、ＡＦＲコンプライアンスウィンドウの増加で、燃料制御戦略をディザリングするのに適用可能である。

従って、内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するために、図４に示されたアッセンブリ１０が本発明によって提供された。アッセンブリは、内燃エンジン２０に接続すると共に内燃エンジン２０から延びる排気ガス収容端部を有する第１排気導管２２と、第１排気導管２２の分配端と連通する第１ステージ触媒コンバータ手段２４と、第１排気導管２２から受けたエンジン排気ガスの第１部分を冷却するための第１ステージ触媒コンバータ手段２４に配置された冷却コイル３０などの冷却手段とを備える。

アッセンブリは、さらに、第１ステージ触媒コンバータ手段２４からのエンジン排気ガスの冷却された第１部分流れ２６の動きを容易にするための第１出口導管２７と、第１ステージ触媒コンバータ手段２４から受けたエンジン排気の第２の流れ２８の動きを容易にするための第２の出口導管２９と、空気注入器３２からの空気を受け取ると共にエンジン排気ガスの第２部分を冷却するために第２出口導管２９と連通する空気注入導管３７と、第１出口導管２７及び空気注入導管３７と連通する第２排気ガス導管３３と、第２排気ガス導管３３と連通すると共に排気放出出口４８を有する第２ステージ触媒コンバータ４６と、を含む。第１出口導管２７は、温度調整バルブ３６が選択的に設けられることができる。

図４のアッセンブリの動作では、エンジン２０からの排気ガスは、第１排気導管２２を通り、そして、排気ガスの一部分２６が冷却されて第１出口導管２７を通過される第１ステージ触媒コンバータ手段２４の中に通る。排気ガスの第２部分２８は、実質的に冷却されず、第２出口導管２９を通過される。

空気注入器３２は、空気を第２の出口導管２９の中に注入する。排気の第２の流れ２８の熱い排気ガス及び注入された空気は、空気注入導管３７を通って進み、排気ガスの冷却された流れ２６と合流し、第２ステージ触媒コンバータ４６まで進んで、出口４８でそこから出る。

内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するためのアッセンブリの代替的な実施形態１５がさらに提供され、代替的なアッセンブリ１５が図８に示され、内燃エンジン２０に接続されると共に内燃エンジン２０から延びる排気ガス収容端部５２を有する第１排気導管５０と、第１排気導管５０の分配端５６と連通する第１ステージ触媒コンバータ手段５４と、第１ステージ触媒コンバータ手段５４から受けたエンジン排気ガスの第１部分６０を冷却するための第１ステージ触媒コンバータ手段５４と連通する冷却手段５８と、冷却手段５８から延びる、冷却された排気ガスのための導管６２と、を備える。

アッセンブリは、さらに、第１ステージ触媒コンバータ手段５４の出口及び冷却された排気ガスのための導管６２と連通する冷却手段バイパス６４を含む。
第２ステージ触媒コンバータ手段６６は、冷却された排気導管６２及び冷却手段バイパス導管６４と連通する。空気注入導管６８は、冷却された排気導管６２と連通する。排気出口７０は、第２ステージ触媒コンバータ手段６６から延びる。

図８のアッセンブリの動作では、エンジン２０からの排気ガスは、第１ステージ触媒コンバータ手段５４に流れる。第１ステージ触媒コンバータ手段５４から出る排気ガスの第１部分は、冷却手段５８に導かれる。第１ステージ触媒コンバータ手段５４から出る排気ガスの第２部分は、冷却手段５８を出る冷却された排気導管６２と接合する冷却手段バイパス導管６４に入る。冷却手段５８及びバイパス導管６４からの組み合わされた排気ガスは、混合バルブ７２で組み合わされ、茎注入器３２からの空気の注入を受け、第２ステージ触媒コンバータ手段６６に導かれ、そこから、排気ガスが窒素酸化物及び一酸化炭素を大幅に低減された状態で出口７０を通って排出される。

さらに図４に示されたアッセンブリ１０と関連して内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するための方法が提供される。その方法は、エンジン排気ガスを第１ステージ触媒コンバータ手段２４に搬送するステップと、第１ステージ触媒コンバータ手段２４のエンジンの排気ガスの第１部分を冷却すると共に、第１排気ガス出口導管２７を通った触媒コンバータからの冷却された第１部分を除去するステップと、第２排気ガス出口導管２９を通った触媒コンバータ２４からのエンジンの排気ガスの冷却されていない部分を除去するステップと、空気を第２出口導管２９の中に注入するステップと、エンジンの排気ガスの冷却されていない第２部分及び注入された空気を、空気注入導管３７を通じて第１排気ガス出口導管２７まで搬送し、空気注入導管３７のエンジンの排気ガスの冷却された第１部分と接合するステップと、を備える。

その方法は、さらに、排気ガス導管３３の排気ガスを第２ステージ触媒コンバータ４６に導くことと、第２ステージ触媒コンバータ４６からの排気ガスを放出することとを備え、それによって、少ない窒素酸化物及び少ない一酸化炭素の含有量のエンジン排気ガスを提供する。

さらに図８に示されたアッセンブリ１５と関連して内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するための方法が提供される。
その方法は、エンジン排気ガスを第１ステージ触媒コンバータ手段５４に搬送すると共にステップと、第１ステージ触媒コンバータ手段５４からのエンジンの排気ガスの一部分を冷却手段５８に及び第１ステージ触媒コンバータ手段５４からのエンジンの排気ガスの一部分を冷却手段バイパス６４に搬送するステップと、冷却手段５８及び冷却手段バイパス６４からの排気ガスを冷却排気導管６２で混合するステップと、空気注入導管６８を通じて冷却排気導管６２に空気を注入するステップと、冷却手段５８、冷却手段バイパス６４及び空気注入導管６８からの排気ガスを第２ステージ触媒コンバータ６６に導くステップと、出口７０を通じてこのように処理されたエンジン排気ガスを排出するステップとを備え、それによって、少ない窒素酸化物及び少ない一酸化炭素の含有量のエンジン排気ガスを提供する。

本発明のさらなる特徴によれば、火花点火ガスを燃料とする内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するための方法が提供される。その方法は、エンジン２０からの排気ガスを第１ステージ触媒コンバータ手段２４、５４に導くステップと、排気出力の第１部分を、第１ステージ触媒コンバータ手段２４、５４から冷却手段３０、５８までそしてそこから冷却排気導管２６、６２まで導くステップと、排気出力の第２部分を、第１ステージ触媒コンバータ手段２４、５４から冷却されていない排気ガス導管２８、６４まで導くステップと、排気ガスの第１部分及び第２部分を一体化にし、一体化された第１部分及び第２部分を第２触媒コンバータ４６、６６に導き、空気を、（１）冷却されていない排気ガスの導管２９及び（２）その一体化の後に一体化された冷却された排気ガスと冷却されていない排気ガス、の選択された一方の中に注入するステップと、を備える。

負荷が安定しており、冷却に使用される液体が安定した速度に維持される条件で使用されるための図４のシステムの代替的な実施形態１６では、図４Ａの実施形態は、図４に示された熱い排気ガス出口導管２９及び注入導管３７を必要とせずに提供され動作されることができる。

同様に、図８Ａに示されるように排気バイパス６４及び混合バルブ７２がアッセンブリから削除された代替的な実施形態１８（図８Ａ）は、安定した負荷と安定した速度で維持されたシステムにおいて排気の所望の低下を達成することができる。

従って、図４Ａに示された図４のアッセンブリの代替的な実施形態は、排気導管２２、気化構成の冷却手段３０、出口導管２７、排気ガス導管３３、空気を排気ガス導管３３の中に注入するために配置された空気注入器３２、第２ステージ触媒コネクタ手段４６、及びその出口４８を備える。

図４Ａに示されたアッセンブリを用いて内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するための方法は、内燃エンジンからの排気ガスを第１ステージ触媒コンバータ手段に導くステップと、第１ステージ触媒コンバータ手段からの排気ガスを水冷し、冷却された排気ガスを第２ステージ触媒コンバータ手段の方に導くステップと、空気を冷却された排気ガスの中に注入するステップと、空気で冷却された排気ガスを第２ステージ触媒コンバータ手段の中に導くステップと、そこから排気ガスを排出するステップと、を備える。

図８Ａの代替的な実施形態は、図８に示されたものと同じアッセンブリを備えるが、排気バイパス６４及び混合バルブ７２を不要とする。すなわち、そのアッセンブリは、排気導管５２、冷却手段と連通する第１ステージ触媒コネクタ手段５４、コイル又は冷却気化施設を有する冷却手段５８を備える。アッセンブリは、さらに、冷却手段５８から出力ライン６２の中に空気を注入するための空気注入手段３２と、処理した排気ガスのための出口７０を有する第２ステージ触媒コンバータ手段６６を含む。

図８Ａに示されたアッセンブリを用いて内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するための方法は、内燃エンジンからの排気ガスを第１触媒コンバータ手段に導くステップと、第１触媒コンバータ手段からの排気ガスを冷却するステップと、冷却された排気ガスの中に空気を注入するステップと、第２ステージ触媒コネクタ手段の中に冷却された排気ガスを導くステップと、第２触媒コンバータ手段から排気ガスを排出するステップと、を備える。
本発明は、本明細書中に開示された及び／又は図面に示された特定の構成及び方法のステップに限定されるものでなく、特許請求の範囲の範囲内においてあらゆる変更または同等のものを備えることを理解すべきである。

Claims

内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するためのアッセンブリであって、
内燃エンジンに接続すると共に内燃エンジンから延びる排気ガス収容端部を有する第１排気導管と、
第１排気導管の分配端と連通する第１ステージ触媒コンバータ手段と、
第１排気導管から受けたエンジン排気ガスの第１部分を冷却するための第１ステージ触媒コンバータ手段に配置された冷却手段と、
第１ステージ触媒コンバータ手段からのエンジン排気ガスの冷却された第１部分流れの動きを容易にするための第１出口導管と、
第１ステージ触媒コンバータ手段から受けたエンジン排気ガスの第２部分の動きを容易にするための第２の出口導管と、
エンジン排気の第２部分を冷却するために第２出口導管と連通する空気注入導管と、
第１出口導管及び空気注入導管と連通する第２排気ガス導管と、
第２排気ガス導管と連通すると共に排気放出出口を有する第２ステージ触媒コンバータと、を備える、アッセンブリ。
請求項１記載のアッセンブリにおいて、
第１ステージ触媒コンバータ手段は、複数の触媒コンバータからなる、アッセンブリ。
請求項１記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、中間を冷却するためのコイルからなる、アッセンブリ。
請求項１記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、冷却中間注入手段からなり、冷却中間注入手段は、エンジン排気ガスの第１部分の温度を減少するために気化させるようになっている、アッセンブリ。
請求項３記載のアッセンブリにおいて、
コイルは、約華氏２８０度までエンジン排気ガスの第１部分の温度を減少するようになっている、アッセンブリ。
請求項１記載のアッセンブリにおいて、
第１出口導管は、温度調整バルブが提供される、アッセンブリ。
内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するためのアッセンブリであって、
内燃エンジンに接続すると共に内燃エンジンから延びる排気ガス収容端部を有する第１排気導管と、
第１排気導管の分配端と連通する第１ステージ触媒コンバータ手段と、
第１排気導管から受けたエンジン排気ガスの第１部分を冷却するための第１ステージ触媒コンバータ手段に配置された冷却手段と、
冷却手段から延びる冷却された排気ガスのための導管と、
第１ステージ触媒コンバータ手段及び冷却された排気ガスのための導管と連通する冷却手段バイパスと、
冷却された排気ガスのための導管及び冷却手段バイパス導管と連通する第２ステージ触媒コンバータ手段と、
冷却された排気ガスのための導管と連通する空気注入導管と、
第２ステージ触媒コンバータ手段から延びる排気出口と、を備える、アッセンブリ。
請求項７記載のアッセンブリにおいて、
第１ステージ触媒コンバータ手段は、複数の触媒コンバータからなる、アッセンブリ。
請求項７記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、中間を冷却するためのコイルからなる、アッセンブリ。
請求項７記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、冷却中間注入手段からなり、冷却中間注入手段は、エンジン排気ガスの第１部分の温度を減少するために気化させるようになっている、アッセンブリ。
請求項７記載のアッセンブリにおいて、
冷却された排気ガスのための導管及び冷却手段バイパス導管の接合部近傍に配置された混合バルブを更に備える、アッセンブリ。
内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するための方法であって、
エンジンからの排気ガスを第１ステージ触媒コンバータ手段に搬送するステップと、
第１ステージ触媒コンバータ手段から冷却手段、冷却手段から冷却された排気ガス導管までエンジンの排気出力の第１部分を導くステップと、
第１ステージ触媒コンバータ手段から冷却されていない排気ガス導管までエンジンの排気出力の第２部分を導くステップと、
排気ガスの第１部分及び第２部分を一体化にし、一体化された第１部分及び第２部分を第２触媒コンバータに導くステップと、
空気を、（１）冷却されていない排気ガスの導管及び（２）その一体化の後に一体化された冷却された排気ガスと冷却されていない排気ガス、の選択された一方の中に注入するステップと、を備える、方法。
内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するための方法であって、
エンジン排気ガスを第１ステージ触媒コンバータ手段に搬送するステップと、
第１ステージ触媒コンバータ手段のエンジン排気ガスの一部分を冷却すると共に、第１ステージ触媒コンバータ手段からの冷却された第１部分を第１出口導管を通じて除去するステップと、
第１ステージ触媒コンバータ手段からのエンジン排気ガスの冷却されていない第２部分を第２出口導管を通じて除去するステップと、
空気を第２出口導管の中に注入するステップと、
エンジン排気ガスの冷却されていない第２部分及び注入された空気を第２排気ガス出口導管まで搬送して、第２排気ガス出口導管においてエンジン排気ガスの冷却された第１部分を結合するステップと、
第２排気ガス出口導管の排気ガスを第２ステージ触媒コンバータ手段まで導くステップと、
第２ステージ触媒コンバータ手段から排気ガスを排出するステップと、を備え、
それによって、少ない窒素酸化物及び少ない一酸化炭素の含有量のエンジン排気ガスを提供する、方法。
内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するための方法であって、
エンジン排気ガスを第１ステージ触媒コンバータ手段に搬送するステップと、
第１ステージ触媒コンバータ手段からのエンジンの排気ガスの一部分を冷却手段に及び第１ステージ触媒コンバータ手段からのエンジンの排気ガスの一部分を冷却手段バイパスに搬送するステップと、
冷却手段及び冷却手段バイパスからの排気ガスを冷却排気導管で混合するステップと、
冷却排気導管に空気を注入するステップと、
冷却手段、冷却手段バイパスからの排気ガス及び注入された空気を第２ステージ触媒コンバータに導くステップと、
第２ステージ触媒コンバータからのエンジン排気ガスを排出するステップとを備え、
それによって、少ない窒素酸化物及び少ない一酸化炭素の含有量のエンジン排気ガスを提供する、方法。
内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するためのアッセンブリであって、
内燃エンジンに接続すると共に内燃エンジンから延びる排気ガス収容端部を有する第１排気導管と、
第１排気導管の分配端と連通する第１ステージ触媒コンバータ手段と、
第１ステージ触媒コンバータ手段からのエンジン排気ガスの動きを容易にするための出口導管と、
出口導管のエンジン排気ガスを冷却するための冷却手段と、
エンジン排気ガスを冷却するために出口導管と連通する空気注入導管と、
出口導管と連通すると共に排気ガス排出出口を有する第２ステージ触媒コンバータ手段と、を備える、アッセンブリ。
請求項１５記載のアッセンブリにおいて、
第１ステージ触媒コンバータ手段は、複数の触媒コンバータからなる、アッセンブリ。
請求項１５記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、中間を冷却するためのコイルからなる、アッセンブリ。
請求項１５記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、冷却中間注入手段からなり、冷却中間注入手段は、出口導管のエンジン排気ガスの温度を減少するために気化させるようになっている、アッセンブリ。
内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するためのアッセンブリであって、
内燃エンジンに接続すると共に内燃エンジンから延びる排気ガス収容端部を有する第１排気導管と、
第１排気導管の分配端と連通する第１ステージ触媒コンバータ手段と、
第１排気導管から受けたエンジン排気ガスの第１部分を冷却するための第１ステージ触媒コンバータ手段と連通する冷却手段と、
冷却手段から延びる冷却された排気ガスのための導管と、
冷却された排気ガスのための導管と連通する空気注入導管と、
冷却された排気ガスのための導管と連通する第２ステージ触媒コンバータと、
第２ステージ触媒コンバータから延びる排気ガス出口と、を備える、アッセンブリ。
請求項１９記載のアッセンブリにおいて、
第１ステージ触媒コンバータ手段は、複数の触媒コンバータからなる、アッセンブリ。
請求項１９記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、冷却中間注入手段からなり、冷却中間注入手段は、エンジン排気ガスの温度を減少するために気化させるようになっている、アッセンブリ。
内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するための方法であって、
エンジン排気ガスを第１ステージ触媒コンバータ手段に搬送するステップと、
第１ステージ触媒コンバータ手段からの冷却された排気ガスを出口導管を通じて除去するステップと、
出口導管のエンジン排気ガスを冷却するステップと、
空気を出口導管の中に注入するステップと、
出口導管のエンジン排気ガスを第２ステージ触媒コンバータに導くステップと、
第２ステージ触媒コンバータからの排気ガスを排出するステップと、を備え、
それによって、少ない窒素酸化物及び少ない一酸化炭素の含有量のエンジン排気ガスを提供する、方法。
内燃エンジンの排気ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を低減するための方法であって、
エンジン排気ガスを第１ステージ触媒コンバータ手段に搬送するステップと、
第１ステージ触媒コンバータ手段からのエンジン排気ガスを冷却手段に搬送するステップと、
冷却手段から冷却された排気ガスのための導管まで排気ガスを導くステップと、
空気を冷却された排気ガスのための導管の中に注入するステップと、
冷却手段からの排気ガス及び注入された空気を第２ステージ触媒コンバータ手段に搬送するステップと、
第２ステージ触媒コンバータからの排気ガスを排出するステップと、を備え、
それによって、少ない窒素酸化物及び少ない一酸化炭素の含有量のエンジン排気ガスを提供する、方法。