JP2015507127A - 排気ガスシステム - Google Patents

Abstract

排気ガスシステム（１８）は、燃焼エンジン（１２）からの排気ガスを受け取るように構成される排気ガス流路（２６）と、その排気ガス流路（２６）の範囲内に配置される熱交換器（３２）と、その熱交換器（３２）に流体接続される還元剤の供給器（５０）であって、メタンを含む還元剤供給器（５０）とを含む。この排気ガスシステム（１８）は、また、熱交換器（３２）に流体接続される第１触媒であって、還元剤供給器（５０）から熱交換器（３２）を経由してメタンを受け取るように構成される第１触媒を含む。さらに、この排気ガスシステムは、排気ガス流路（２６）の範囲内に配置される第２触媒であって、燃焼エンジン（１２）から熱交換器（３２）を介して排気ガスを受け取るように構成される第２触媒を含む。この排気ガスシステムは、さらにまた、排気ガス流路（２６）の範囲内に配置される清浄化触媒であって、合同流れを受け取るように構成される清浄化触媒を含む。合同流れは、排気ガスと、第１触媒から流出するメタンとを含む。

Description

本開示は排気ガスシステムに関し、さらに具体的には、ＮＯ_Ｘを含む排気ガス成分を処理できる排気ガスシステムに関する。

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、および当分野で知られる他のエンジンを含む内燃機関は、固体、液体および気体成分の複雑な混合物を含有する排気ガスを排出する。例えば、排気ガスの気体成分は、窒素酸化物（「ＮＯ_Ｘ」）およびＣＯのような成分を含む場合があり、排気ガスの固体および／または液体成分は、可溶な有機成分、すす、および／または未燃焼の炭化水素を含む可能性がある。内燃機関によって排出される可溶な有機成分、すすおよび／または未燃焼の炭化水素は、まとめて、一般的に「粒子状物質（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒ）」と呼称される。

政府は、このようなエンジンから大気中に放出される排気ガスを、エンジンの種類、サイズおよび／またはクラスに基づいて規制する。この排気ガスの規制は、継続して厳しくなり続けているが、エンジンの製造メーカは、この規制に対応するために、通常、触媒排気ガス処理システムを利用している。このシステムにおいては、尿素またはアンモニアのような還元剤を、選択的触媒還元（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：「ＳＣＲ」）触媒の上流側で排気ガスの中に注入することができる。そうすると、ＳＣＲ触媒内部の触媒材料が、還元剤の存在の下で、排気ガスによって同伴されるＮＯ_Ｘを還元することができる。さらに、粒子フィルタが、排気ガスによって同伴される粒子状物質の一部分を捕捉することができる。

ＳＣＲ触媒の有効性は、排気ガス内に同伴されるＮＯ_Ｘを、Ｎ_２と、Ｏ_２およびＨ_２Ｏのような他の気体化学種とに転換する能力に基づく。ＳＣＲ触媒を所要の温度範囲内に維持することと、ＳＣＲ触媒に十分な濃度レベルのＮＯ_２を含む排気ガスの流れを供給することとが、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ転換効率の最大化に寄与する２つの因子である。

しかし、エンジンから排出される排気ガスは、通常、ＳＣＲ触媒の最適の温度範囲を遥かに超えた温度を有する。また、一般的に、このような排気ガスは、ＳＣＲ触媒による最適のＮＯ_Ｘ還元に必要な範囲より遥かに低い濃度レベルのＮＯ_２しか有しない。従って、排気ガス処理システムは、多くの場合、排気ガス中に相対的に豊富に存在するＮＯの酸化を支援するために、ＳＣＲ触媒の上流側に配置される酸化触媒を含んでいる。ＮＯを酸化することによって、ＳＣＲ触媒に流入する排気ガス中に存在するＮＯ_２の量が増大して、ＳＣＲ触媒によるＮＯ_Ｘ転換効率の最大化を支援することができる。

内燃機関のＮＯ_Ｘおよび粒子状物質の排出を制御する排気ガス処理システムの一事例が（特許文献１）に記載されている。（特許文献１）は、特に、酸化触媒と、酸化触媒の下流側に連結されるＳＣＲ触媒と、ＳＣＲ触媒の下流側に連結される粒子フィルタとを開示している。開示された酸化触媒は、ＳＣＲ触媒に流入するＮＯ_２の濃度レベルを増大させ、粒子フィルタは、排気ガスが大気に放散される前に、排気ガスから粒子を除去する。

（特許文献１）に開示されるシステムは、粒子状物質の除去と、排気ガスのＮＯ_Ｘ含有量の低減とを支援することができるが、（特許文献１）のシステムはいくつかの欠点を有する。例えば、排気ガスの温度および流量の動的特性のために、（特許文献１）において用いられるＳＣＲ触媒の運転を、その最適の温度およびＮＯ_２濃度レベルの範囲内に維持することが困難になる可能性がある。さらに、（特許文献１）において用いられるＳＣＲ触媒および粒子フィルタは、大型であり、保守点検時に取り外したり交換したりすることが厄介である。また、これらの構成要素のサイズのために、排気ガス処理システムを、例えば、空間が限られる車両または他の機械のエンジンルーム内においてパッケージ化することが難しい。さらに加えて、このような粒子フィルタは、種々の加熱装置を用いて、車載状態で頻繁に再生する必要がある。このような加熱装置は、使用するのが難しく、さらに、排気ガス処理システムのコストと複雑さとを増大させる。さらにまた、このような加熱装置によって粒子フィルタを能動的に再生するには、排気ガスを、酸化触媒およびＳＣＲ触媒に用いられる触媒材料に有害になり得る温度に加熱する必要がある。

米国特許第６，９２８，８０６号明細書

本開示の実施形態は上記の欠点を克服することを目指している。

本開示の例示的一実施形態において、排気ガスシステムが、燃焼エンジンからの排気ガスを受け取るように構成される排気ガス流路と、その排気ガス流路の範囲内に配置される熱交換器と、その熱交換器に流体接続される還元剤の供給器であって、メタンを含む還元剤供給器とを含む。この排気ガスシステムは、また、熱交換器に流体接続される第１触媒であって、還元剤供給器から熱交換器を経由してメタンを受け取るように構成される第１触媒を含む。さらに、この排気ガスシステムは、排気ガス流路の範囲内に配置される第２触媒であって、燃焼エンジンから熱交換器を介して排気ガスを受け取るように構成される第２触媒を含む。この排気ガスシステムは、さらにまた、排気ガス流路の範囲内に配置される清浄化触媒であって、合同流れを受け取るように構成される清浄化触媒をも含む。合同流れは、排気ガスと、第１触媒から流出するメタンとを含む。

本開示の別の例示的実施形態において、排気ガスシステムが、燃焼エンジンから受け入れた排気ガスの温度を約２５０℃〜約４００℃に低下させるように構成される熱交換器を含む。この排気ガスシステムは、その熱交換器に流体接続される第１触媒であって、その熱交換器によって加熱されたメタンを少なくとも部分酸化するように構成される第１触媒を含む。この排気ガスシステムは、さらに、第１触媒と並列に熱交換器に流体接続される第２触媒であって、排気ガスの成分を酸化するように構成される第２触媒を含む。この排気ガスシステムは、さらにまた、第１および第２触媒の下流側に配置される清浄化触媒を含む。この清浄化触媒は、合同流れの成分を低減するように構成される。合同流れは、排気ガスの酸化された成分と、少なくとも部分酸化されたメタンとを含む。

本開示のさらに別の例示的実施形態において、燃焼エンジンからの排気ガスの処理方法が、少なくとも約５００ｐｐｍのＮＯ_Ｘを含む排気ガスの温度を約２５０℃〜約４００℃に低下させるステップを含む。この方法は、さらに、排気ガス中のＮＯの少なくとも５０％をＮＯ_２に転換するステップと、メタンと空気との混合物を少なくとも部分酸化するステップと、少なくとも部分酸化された混合物の存在の下でＮＯ_２を還元するステップとを含む。

本開示の例示的一実施形態による動力システムの模式図である。 本開示の例示的一実施形態による排気ガスシステムの一部分の模式図である。 本開示の別の例示的実施形態による排気ガスシステムの一部分の模式図である。 排気ガス温度と、酸化触媒によって形成されるＮＯ_２の百分率との間の例示的関係を表すグラフである。

図１は例示的な動力システム１０を示す。本開示の目的のため、動力システム１０は、ディーゼル燃料が供給される内燃機関１２を含むものとして表現かつ記述されている。しかし、動力システム１０は、他の任意のタイプの燃焼エンジン、例えば、ガソリンエンジン、あるいは、圧縮または液化天然ガス、プロパン、またはメタンを燃焼する気体燃料駆動エンジンを含むことができると想定される。このような燃焼エンジン１２は、定置式であれまたは移動式であれ、任意の既知の車両または機械に接続することができる、および／または、それ以外に、既知の車両または機械に動力供給するように構成することができる。例えば、動力システム１０は、複数の燃料噴射器１５を経由して燃料が供給される複数の燃焼室１４を含むエンジン１２を含むことができる。エンジン１２は、任意個数の燃焼室１４を含み得ること、および、燃焼室１４は、「直列（ｉｎ−ｌｉｎｅ）」形態に、「Ｖ型」形態に、あるいは他の任意の従来型の形態に配置し得ることが想定される。

動力システム１０の内部には、複数の別個のサブシステムを含めることができる。例えば、動力システム１０は、空気誘引システム１６と、排気ガスシステム１８と、制御システム２０とを含むことができる。空気誘引システム１６は、エンジン１２の燃焼室１４の中に空気を送り込み、引き続く燃焼のために噴射器１５から噴射される燃料と混合する。排気ガスシステム１８は、燃焼の副生物質を大気に排出することができる。制御システム２０は、規制される成分の生成および／またはその大気への放出を低減するために、空気誘引システムおよび排気ガスシステム１６、１８の運転を調整することができる。

空気誘引システム１６は、協動して圧縮空気を調整し、それを燃焼室１４の中に導入する複数の構成要素を含むことができる。例えば、誘引システム１６は、１つ以上のコンプレッサ２４の下流側に位置する空気冷却器２２を含むことができる。コンプレッサ２４は、冷却器２２を通して導かれる流入空気を加圧するように接続することができる。動力システム１０への流入空気の流量を選択的に調整（すなわち制限）するために、コンプレッサ２４の上流側および／または下流側に、スロットル弁（図示されていない）を配置することができる。流入空気の流量を制限することによって、動力システム１０に流入する空気を低く抑えることができ、従って、動力システム１０の空気対燃料比を変えることができる。空気誘引システム１６は、上記以外の別の構成要素または追加的な構成要素、すなわち例えば、各燃焼室１４に関係する可変弁アクチュエータ、フィルタ構成要素、コンプレッサバイパス構成要素、および場合によっては、動力システム１０の空気対燃料比を変えるように選択的に制御することができる他の既知の構成要素を含み得ることが想定される。さらに、自然吸気エンジン１２を使用する場合は、コンプレッサ２４および／または冷却器２２を省略できることが想定される。

排気ガスシステム１８は、燃焼室１４から排出される排気ガスを処理してそれを大気に導く複数の構成要素を含むことができる。例えば、排気ガスシステム１８は、排気ガス流路２６と、排気ガス流路２６を流れる排気ガスによって駆動される１つ以上のタービン２８と、タービン２８の下流側の位置で、排気ガス流路２６に流体接続される複数の排気ガス処理装置、および／またはそれ以外に、排気ガス流路２６の範囲内に配置される複数の排気ガス処理装置とを含むことができる。排気ガスシステム１８は、上記以外の別の構成要素または追加的な構成要素、すなわち例えば、排気ガス再循環（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：ＥＧＲ）構成要素、バイパス構成要素、排気ガス圧縮または制限ブレーキ、減衰装置、および場合によっては、他の既知の構成要素を含み得ることが想定される。

各タービン２８は、燃焼室１４から排出される排気ガスを受け取るように配置することができ、かつ、ターボチャージャを形成する共通シャフト３０によって、空気誘引システム１６の１つ以上のコンプレッサ２４に接続することができる。エンジン１２から流出する高温の排気ガスがタービン２８を通って流動し、タービンの翼（図示されていない）に対して膨張する時に、タービン２８が回転し、接続されたコンプレッサ２４を駆動して流入空気を加圧することができる。一実施形態においては、タービン２８は、可変形状タービン（ｖａｒｉａｂｌｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｔｕｒｂｉｎｅ：ＶＧＴ）とすることができるか、あるいは、可変および固定形状タービンの組合せを含むことができる。ＶＧＴは、運転条件の範囲内で十分な給気圧を燃焼室１４に供給し得るようにするために、異なるアスペクト比を達成できるように調整可能な形状を有するタイプのターボチャージャである。タービン２８の流量範囲が変化すると、空気対燃料比、従って動力システム１０の性能も変化するであろう。場合によっては、代替方式として、電気的に制御されるウェイストゲートを備えたまたは備えない固定形状のターボチャージャを含むことができる。

排気ガスシステム１８の処理装置は、タービン２８から排気ガスを受け取り、それを触媒酸化し、触媒還元し、および／またはそれ以外に、排気ガスの成分を転換することができる。さらに、排気ガスシステム１８の処理装置は、排気ガスの温度を、所要に応じて上昇または低下させることができる。さらに別の例示的実施形態においては、排気ガスシステム１８の処理装置は、排気ガスの成分をろ過し、捕捉し、および／またはそれ以外に除去することができる。一例において、排気ガス処理装置は、熱交換器３２と、１対の酸化触媒３４、３６と、清浄化触媒３８とを含むことができる。排気ガス処理装置は、また、熱交換器３２に流体接続される還元剤供給器５０と、その還元剤供給器５０に流体接続される加圧装置５４とを含むことができる。加圧装置５４は、熱交換器３２にも流体接続することができ、また、熱交換器３２と還元剤供給器５０との間に配置される。

図１には示されていないが、例示的実施形態においては、排気ガス処理装置は、さらに、ワイヤメッシュ、セラミックハニカム、および／または粒子状物質を捕捉するように構成される他の類似の媒体からなる粒子フィルタを含むことができる。粒子状物質を含む排気ガスが粒子フィルタを通過する際、粒子状物質を媒体によって遮断して、排気ガスから除去することができる。代替方式として、図１〜３に示す例示的実施形態においては、このような粒子フィルタを省略して、排気ガスシステム１８のサイズ、コストおよび複雑性を縮減することができる。

還元剤供給器５０は、還元剤を液体または気体形態において保持するように構成されるタンクまたは他の類似の容器を含むことができる。還元剤供給器５０は、気体または液体の還元剤、最も一般的にはメタン、尿素、水／尿素混合物、アルコール、水素、あるいはアンモニア／尿素混合物を、熱交換器３２に選択的に送り込むように構成することができる。例えば、このような還元剤および／または混合物を、還元剤供給器５０の内部に加圧貯蔵して、適切な弁装置、制限器、流路、および／または他の既知の流量制御装置を通して、熱交換器３２に選択的に放出することができる。代わりの方式として、加圧装置５４を還元剤供給器５０および熱交換器３２に流体接続して、加圧された還元剤の熱交換器３２への供給を補助することができる。例示的一実施形態においては、加圧装置５４は、ポンプ、混合器、および／または、他の既知の加圧および／または流体混合装置を含むことができる。加圧装置５４は、還元剤および空気の所要の混合物を熱交換器３２に供給するように調整および／または制御することができ、かつ、混合物中の空気および還元剤の比を応答制御するように操作することができる。例えば、加圧装置５４は、メタンと空気との加圧された混合物を熱交換器３２に送り込むように制御することができ、その場合、混合物中の空気対メタン比を、加圧装置５４によって、応答的におよび／またはそれ以外に制御方式で変化させることができる。

熱交換器３２は、当分野で知られる任意の種類の流体温度調整装置および／または熱伝達装置を含むことができる。例えば、熱交換器３２は任意の既知の平行流れまたは直交流れの熱交換器を含むことができるが、この熱交換器は、排気ガス流路２６から受け取る排気ガスの温度を低下させるように、および／または、加圧装置５４および／または還元剤供給器５０から受け取る還元剤あるいは空気と還元剤との混合物の温度を上昇させるように構成される。例示的実施形態においては、熱交換器３２を、排気ガスの温度が酸化触媒３６の上流側において約２５０℃〜約４００℃に低下するように、寸法決定し、位置決定し、および／または構成することができる。熱交換器３２は、流体を混合することなく熱交換器３２を通る流体間の熱の伝達を最大化するように、例えば、シェルアンドチューブ式、プレート型、プレート・フィン型、断熱ホイール式の各種の熱交換器、および／または他の任意のタイプの熱交換器を含むことができる。

排気ガスシステム１８の第１酸化触媒３４は、熱交換器３２と清浄化触媒３８との間に配置することができる。第２酸化触媒３６は、熱交換器３２の下流側において第１酸化触媒３４と並列に流体接続することができる。酸化触媒３４、３６は、流れの中に含有される炭化水素、一酸化炭素、メタンおよび／または窒素酸化物を捕集し、吸収し、吸着し、および／または転換するのに有用な触媒材料を含むことができる。このような触媒材料には、通常、例えば、アルミニウム、白金、パラジウム、ロジウム、バリウム、セリウムのような１つ以上の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、またはそれらの組合せが含まれる。触媒材料は、排気ガスおよび／または還元剤の成分の捕集および／または転換用に利用できる表面積を最大化するように、酸化触媒３４、３６の内部に配置することができる。酸化触媒３４、３６は、例えば、セラミック、金属メッシュ、発泡体、または当分野で知られる他の任意の多孔質材料から作製されるそれぞれの基体４０、６４、６８（図２および図３）を含むことができ、触媒材料を、例えば、酸化触媒３４、３６の基体４０、６４、６８の上に配置することができる。酸化触媒３４、３６はほぼ同様のものとすることができるが、代替方式として、別個の酸化触媒３４、３６が、異なる触媒材料を含むことができ、あるいは、それぞれの酸化触媒３４、３６を排気ガスシステム１８内部における異なる流体の転換に最適化し得るように、異なる形状、サイズ、容量、流れのパターン、および／または他の形態を有することもできる。

酸化触媒３４は、例えば、熱交換器３２の下流側において還元剤を酸化するように構成することができる。例示的実施形態においては、酸化触媒３４を、流路４２を介して熱交換器３２および／または排気ガス流路２６に流体接続することができる。酸化触媒３４は、熱交換器３２を経由して酸化触媒３４に導かれるメタンおよび／またはメタンと空気との混合物の少なくとも部分的な酸化を補助するように構成することができる。例示的実施形態においては、熱交換器３２を経由して酸化触媒３４に供給される流体の温度を、熱交換器３２を同時に通過する排気ガスからの流体への正味の熱伝達によって高めることができる。例示的実施形態においては、酸化触媒３４を、清浄化触媒３８の上流側で酸化されるメタンの量を最大化するように構成することができ、かつ、前記のどの触媒材料も、メタンの酸化を促進するために用いることができる。例示的実施形態においては、この材料は、さらに、任意の既知の白金族金属、スピネル、ペロブスカイト、ゼオライト、金属酸化物、水酸化物、および／またはそれらの混合物を含むことができる。これらの材料を、例えば、アルミナ、シリカ、ＴｉＯ_Ｘ、硫酸セリア、ジルコニア、イットリア、ＷＯ_Ｘ、ＶＯ_Ｘ、および／または当分野で知られる他の固体超強酸から作製される基体４０の上に載せることができる。このような典型的なメタンの部分酸化反応によって、特に、ＣＯ、Ｈ_２、Ｎ_２およびＣＯ_２を生成することができる。例えば、酸化触媒３４は、メタンと空気との混合物を部分酸化して、約２８％〜約３０％のＣＯ、約２０％〜約２５％のＨ_２、約０．１％〜約０．５％のＣＯ_２、および残余のＮ_２を生成することができる。メタンと空気との混合物の部分酸化は吸熱反応であり、従って、この反応を、上記のように、熱交換器３２から混合物に伝達される熱の付加によって促進することができる。

一方、酸化触媒３６は、熱交換器３２の下流側において、排気ガスの１つ以上の成分、例えば、粒子状物質、炭化水素および／またはＣＯの酸化を補助することができる。また、酸化触媒３６は、排気ガスに含有されるＮＯを酸化して、それをＮＯ_２に転換するように構成することができる。すなわち、酸化触媒３６は、清浄化触媒３８の上流側における所要のＮＯ対ＮＯ_２比の実現を補助することができる。例示的実施形態においては、酸化触媒３６を、ＮＯ_２に転換されるＮＯの量を最大化するように構成することができる。これによって、酸化触媒３６から流出する触媒処理された排気ガスは、ＮＯより高いＮＯ_２の含有比率を有することができる。酸化触媒３４に関して上記に述べた任意の触媒材料を、ＮＯのＮＯ_２への酸化を促進するための酸化触媒３６に用いることができる。さらに、これらのどの材料も、例えば、アルミナ、シリカ、ＴｉＯ_Ｘ、硫酸セリア、ジルコニア、イットリア、ＷＯ_Ｘ、ＶＯ_Ｘ、および／または当分野で知られる他の固体超強酸から作製される酸化触媒３６の基体６４の上に載せることができる。図４のグラフに示されるように、このような触媒材料によって形成されるＮＯ_２の含有比率は、約２５０℃〜約４００℃の排気ガス温度において最大化することができる。例示的実施形態においては、酸化触媒３６を、排気ガス中のＮＯの少なくとも４０％をＮＯ_２に転換するように構成することができ、さらに別の例示的実施形態においては、酸化触媒３６を、排気ガス中のＮＯの少なくとも５０％をＮＯ_２に転換するように構成することができる。このような例示的実施形態においては、動力システム１０のエンジン１２を、高ＮＯ_Ｘ、低粒子状物質のモードで運転することができ、酸化触媒３６を通過する排気ガスは、少なくとも約５００ｐｐｍのＮＯ_Ｘを含むことができる。このような条件の下では、熱交換器３２は高ＮＯ_Ｘの排気ガスを約２５０℃〜約４００℃の温度に冷却して、酸化触媒３６によって、排気ガス中のＮＯの少なくとも５０％のＮＯ_２への転換を促進することができる。

図１に示すように、例示的実施形態においては、酸化触媒３６はハウジング６２の中に配置することができるが、これは、清浄化触媒３８のハウジング６３とは別個にかつその上流側に設けられる。このような例示的実施形態においては、酸化触媒３４から流出する少なくとも部分酸化されたメタンと空気との混合物を、清浄化触媒３８の上流側および／または酸化触媒３６の下流側において、第２触媒３６から流出する酸化された排気ガスと混合、および／またはその他の形で、合同することができる。特に、メタンと空気との混合物の部分酸化の副生物質は、流路４２を通って酸化触媒３４から流出し、酸化触媒３６の下流側で、排気ガス流路２６内のＮＯ、ＮＯ_２および他の触媒処理された排気ガスの成分と合同することができる。この合同した流れは、続いて、排気ガス流路２６を経由して清浄化触媒３８に流入することができる。

図２および図３に示すように、追加的な例示的実施形態においては、酸化触媒３６を、清浄化触媒３８と同じハウジング６２の内部に配置することができる。例えば、酸化触媒３６を、上記の合同流れが酸化触媒３６の上流側に形成されるように、清浄化触媒３８の上流側でかつ酸化触媒３４の下流側に配置することができる。この例示的実施形態においては、図２に示すように、酸化触媒３６の触媒材料を、ハウジング６２の内部において基体６４の上に配置することができ、清浄化触媒３８の触媒材料を、ハウジング６２の内部において別個のそれぞれの基体６６の上に配置することができる。代替方式として、図３に示すように、両触媒３６、３８の触媒材料を、ハウジング６２の内部において単一基体６８の上に配置することができる。このような例示的実施形態においては、触媒３６、３８の触媒材料を、基体６８の上に任意の好適な方式で配置することができる。例えば、各触媒３６、３８の触媒材料を、基体６８の上にウォッシュコート処理するかまたは溶射して、基体６８をこのような材料で部分的にまたは完全に被膜処理することができる。例示的実施形態においては、各触媒３６、３８の触媒材料を、別個の隣接するバンドまたは層として基体６８の上に配置することができる。このような例示的一実施形態が、図３に示される基体６８の部分的な模式図に表現されている。代わりの方式として、触媒３６、３８の触媒材料を、一緒に物理的に混合して、ほぼ一様な被膜として単一基体６８の上に配置することができる。

清浄化触媒３８は、排気ガス流路２６の範囲内に配置することができ、前記の合同流れを受け取るように構成することができる。例えば、清浄化触媒３８を、酸化触媒３４および／または酸化触媒３６の下流側に配置して、前記の合同流れを触媒酸化および／または触媒還元するように構成することができる。例示的実施形態においては、清浄化触媒３８は、前記の合同流れを、無害なおよび／または環境的に受け入れ可能な要素、特に、例えばＮ_２、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏのような要素に転換するように構成される酸化還元触媒を含むことができる。例えば、清浄化触媒３８を、酸化触媒３６から流出する排気ガスの未反応の成分と、酸化触媒３４をすり抜けることがあるメタンおよび／または他の還元剤とからなる合同流れの成分を、捕捉し、貯蔵し、および／または転換するように、構成することができる。このような例示的清浄化触媒３８は、前記の触媒材料のどれか、基体のどれかおよび／または基体材料のどれかを含むことができる。さらに、本明細書で用いる「酸化する（ｏｘｉｄｉｚｅ）」という用語は、元素または化合物が酸素を得る化学反応のことを言う。同様に、本明細書で用いる「還元する（ｒｅｄｕｃｅ）」という用語は、元素または化合物が酸素を失う化学反応のことを言う。従って、「酸化還元（ｒｅｄｏｘ）」反応の間は、酸化および還元の両者が、ほぼ同時におよび／または同じ触媒材料／基体の上で生起し得ることが理解される。例えば、清浄化触媒３８が酸化還元触媒を含む実施形態においては、清浄化触媒３８は、清浄化触媒の基体６６、６８の上で前記の合同流れの成分の酸化および還元の両者を促進することができる。清浄化触媒３８において生起するこのような酸化還元反応は、前記の合同流れを、特に、Ｎ_２、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏに転換することができる。

いくつかの運転条件においては、排気ガスに同伴されるＮＯ_Ｘのある量が、酸化触媒３６によってＮＯ_２に転換されない場合があることが理解される。このような条件としては、例えば、酸化触媒３６が、前記の最適なＮＯ_Ｘ転換温度範囲（約２５０℃〜約４００℃）を超えているかそれ未満である場合、および／または、酸化触媒の基体６４／６８のＮＯ_Ｘ転換部位のほぼすべてが占拠されている場合、が考えられる。さらに、酸化触媒３４によって酸化されなかったメタンと空気との混合物中のメタンが、酸化触媒３４の上で生起する部分酸化反応の副生物質と共に、酸化触媒３４から流出することがある。両触媒３４、３６から流出する流体は、清浄化触媒３８の上流側で混合し、この合同流れの成分は、清浄化触媒３８の上で反応して、特に、Ｎ_２、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏを形成することができる。

制御システム２０は、動力システム１０からの排気ガスの処理を、大気に放出する前に調整するように構成される構成要素を含むことができる。具体的には、制御システム２０は、１つ以上の排気ガスセンサー５６と、加圧装置５４と、噴射器１５とに連絡する制御器５２を含むことができる。１つ以上の排気ガスセンサー５６および／または他の入力装置からの入力に基づいて、制御器５２は次の各項目を決定することができる。すなわち、動力システム１０によって生成されるＮＯ_Ｘの量、熱交換器３２に送り込まれるべきメタンおよび／または他の還元剤の所要量、熱交換器３２に送り込まれるメタンと空気との混合物の所要の比、および／または他の類似の制御パラメータを決定することができる。制御器５２は、続いて、例えば、所要量のメタンおよび／または他の還元剤が酸化触媒３４に送り込まれるように、加圧装置５４の運転を調整することができる。例えば、酸化触媒３４に送り込まれるメタンの量および／またはメタンと空気との混合物の量は、合同流れの中に存在する部分酸化されたメタンの量を変えることができる。例示的実施形態においては、排気ガスセンサー５６は、ＮＯ_Ｘ、Ｏ_２、ＣＨ_４、ＣＯおよびまたはＨ_２の各センサー、あるいは当分野で知られる他の種類の流体センサーを含むことができる。排気ガスセンサー５６は、例えば、排気ガス流路２６の範囲内、および／またはそれ以外に酸化触媒３６の上流側に配置することができ、かつ、排気ガスのＮＯ_Ｘ濃度を表す信号を発生するように構成することができる。制御器５２は、排気ガスセンサー５６および加圧装置５４に連絡することができ、その信号に応答して加圧装置５４の運転を調整するように構成することができる。この調整は、酸化触媒３４に送り込まれるメタンの量および／またはメタンと空気との混合物の量を制御することができる。

さらに別の例示的一実施形態においては、排気ガスセンサー５６を、熱交換器３２の上流側および／または下流側において排気ガス流路２６を通過する排気ガスの温度に合致する信号を発生するように構成される温度センサーとすることができ、かつ、この信号を制御器５２に送達するように構成することができる。この例においては、信号が限界温度を超えた排気ガス温度に達すると、制御器５２が、酸化触媒３６の基体６４／６８の上に酸化物の層が形成された可能性があるという決定をなすことができる。制御器５２は、この信号に基づいて酸化触媒３６を保守点検する必要があると決定し、動力システム１０の運転者に、酸化触媒３６の保守点検作業が望ましいことを示す注意喚起を送信することができる。

さらに、排気ガスセンサー５６は、代替方式として、仮想センサーを具現化し得ることが想定される。仮想センサーは、動力システム１０、排気ガスシステム１８および／または排気ガスの１つ以上の既知または感知された運転パラメータに基づいて、モデル駆動型の推定値を生成することができる。例えば、既知の運転速度、負荷、温度、給気圧力、大気条件（湿度、圧力、温度）、および／または動力システム１０の他のパラメータに基づいて、排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を決定するモデルを参照することができる。同様に、動力システム１０の既知または推定されたＮＯ_Ｘ生成量、動力システム１０から流出する排気ガスの流量、および／または排気ガスの温度に基づいて、酸化物の層の形成を決定するモデルを参照することができる。その結果、排気ガスセンサー５６から制御器５２に送達される信号を、所要の場合には、直接測定値よりもむしろ計算されたおよび／または推定された値に基づくものとすることができる。所要の場合には、この仮想の感知機能を、別個の要素よりもむしろ、制御器５２によって遂行することができる。

制御器５２は、上記の種々の排気ガスセンサー５６から受け取る信号に応答して動力システム１０の運転を制御する手段を含む単一または複数のマイクロプロセッサ、現場プログラム可能ゲートアレイ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ：ＦＰＧＡ）、デジタル信号プロセッサ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ：ＤＳＰ）などとして具現化することができる。多数の商業的に利用可能なマイクロプロセッサを、制御器５２の機能を遂行するように構成することが可能である。制御器５２を、排気ガスには無関係の他の動力システム機能を制御するマイクロプロセッサとは別個のマイクロプロセッサとして容易に具現化できること、あるいは、制御器５２を、一般的な動力システムマイクロプロセッサと統合して、多数の動力システム機能および運転モードを制御することが可能であることを正しく理解するべきである。一般的な動力システムマイクロプロセッサと別個にする場合は、制御器５２を、データリンクまたは他の方法によって一般的な動力システムマイクロプロセッサに連絡することができる。制御器５２には、他の種々の既知の回路を関係付けることができるが、この種々の回路には、電源回路、信号調整回路、アクチュエータ駆動回路（すなわち、ソレノイド、モータまたは圧電アクチュエータへの電力供給回路）、通信回路、および他の適切な回路が含まれる。

本開示の排気ガスシステム１８は、環境に排気ガスを放出する任意の動力システム１０と共に用いることができる。このような排気ガスシステム１８を利用する動力システム１０は、採掘、建設、可動または定置式の動力発生装置、農業、および／または他の用途用として使用される機械の中に組み込むことができる。ここで、動力システム１０および排気ガスシステム１８の運転について説明する。

図１を参照すると、空気誘引システム１６は、空気または空気・燃料混合気を、後続の燃焼のために、動力システム１０の燃焼室１４の中に加圧して送り込むことができる。この燃料・空気混合気を動力システム１０のエンジン１２によって燃焼して、機械的な仕事の出力と、高温ガスおよび粒子状物質からなる排気ガスとを生成することができる。排気ガスは、例えば、ＮＯ_Ｘを含む可能性がある気体材料から構成される空気汚染物質の複雑な混合物を含むであろう。

燃焼プロセスによって生成される粒子状物質を実質的に低減するおよび／または除去するために、動力システム１０のエンジン１２を「高ＮＯ_Ｘ（ｈｉｇｈ ＮＯ_Ｘ）」の運転モードで運転することができる。この高ＮＯ_Ｘ運転モードにおいては、エンジン１２を、希薄燃料対空気混合気を燃焼するように操作することができ、それぞれの燃焼室１４の中への噴射器１５による噴射のタイミングを（それぞれの燃焼室１４の内部におけるピストンによる上死点通過の前または後のいずれかに）偏倚させることができ、エンジン１２に戻入される再循環排気ガスの量を低減することができ、および／または、他の既知のエンジン制御パラメータを変更することができる。この高ＮＯ_Ｘ運転の結果、排気ガスは少なくとも約５００ｐｐｍのＮＯ_Ｘを含むであろう。さらに、このような高ＮＯ_Ｘ運転の間の既知の燃料の燃焼において生成されるＮＯ_Ｘの量と、粒子状物質の量との間の逆の関係によって、排気ガス中の粒子状物質の量は、無視し得る程度および／または環境に受け入れ可能な範囲内になる。従って、高ＮＯ_Ｘ運転モードの間に生成される排気ガスから粒子状物質を除去するための粒子フィルタは不必要になる可能性があり、図１に示すように、排気ガスシステム１８から、このような粒子フィルタを省略することができるのである。

典型的な高ＮＯ_Ｘ排気ガスが燃焼室１４から流出すると、排気ガスを、排気ガス流路２６からタービン２８を通って熱交換器３２に導くことができる。排気ガスは、排気ガス流路２６内において熱交換器３２の上流側および／または下流側に配置される１つ以上の排気ガスセンサー５６の近傍を通過し、この１つ以上の排気ガスセンサー５６は、排気ガスの特性を表す信号を発生することができる。例えば、排気ガスセンサー５６は、熱交換器３２の上流側および／または酸化触媒３６の上流側において排気ガスのＮＯ_Ｘ濃度を表す信号を発生することができる。排気ガスセンサー５６は、この信号を、動力システム１０の構成要素の制御において処理および／または使用するために制御器５２に送達することができる。例えば、信号がＮＯ_Ｘ濃度の限界値を超えるＮＯ_Ｘ濃度を指示すると、制御器５２は、熱交換器３２に送り込まれるメタンまたは他の還元剤の量を増大するように、加圧装置５４を調整および／または制御することができる。一方、信号がＮＯ_Ｘ濃度の限界値未満のＮＯ_Ｘ濃度を指示すると、制御器５２は、熱交換器３２に送り込まれるメタンの量を減少するように、加圧装置５４を調整および／または制御することができる。

排気ガスは熱交換器３２を通過することができるが、一方、メタン、メタンと空気との混合物、および／または、他の還元剤または還元剤の混合物（本開示の以下の継続部分においては、記述を簡易にするためこれらを集合的に「メタン」と呼称する）の別個の流れが同時に熱交換器３２を通過する。上記のように、還元剤供給器５０から熱交換器に送り込まれるメタンの量、流量および／または圧力は、制御器５２によって、変えること、および／またはそれ以外に制御することができる。特に、制御器５２は、１つ以上の排気ガスセンサー５６から受け取る信号に応答して加圧装置５４の運転を調整し、熱交換器３２に送り込まれるメタンの量を、閉ループまたは開ループ方式で制御することができる。相対的に高温の排気ガスと相対的に低温のメタンとが熱交換器３２を同時に通過する際、熱が排気ガスからメタンに伝達され、それによって、排気ガスを約２５０℃〜約４００℃の温度に能動的に冷却することができる。この熱伝達によって、メタンの温度は上昇することができる。冷却された排気ガスは、熱交換器３２から酸化触媒３６に、矢印４８の方向に排気ガス流路２６を通って流れることができる。一方、加熱されたメタンは、熱交換器３２から酸化触媒３４に、矢印４４の方向に流路４２を通って流れることができる。

酸化触媒３６を通過する排気ガスの種々の成分を、酸化触媒３６の基体６４の上に配置される触媒材料によって酸化することができる。特に、酸化触媒３６は、高ＮＯ_Ｘ排気ガス中のＮＯの少なくとも４０％をＮＯ_２に転換することができ、例示的実施形態においては、酸化触媒３６は、排気ガス中のＮＯの少なくとも５０％をＮＯ_２に転換することができる。図４のグラフが示すように、酸化触媒３６によって形成されるＮＯ_２の百分率は排気ガスの温度に関係付けることができ、そのようなＮＯ_２形成は、冷却された排気ガスの温度が約２５０℃〜約４００℃になる時に最大化することができる。排気ガスは、矢印５８の方向において酸化触媒３６から流出することができる。

酸化触媒３４を通過する加熱されたメタンは、酸化触媒３４の基体４０の上に配置される触媒材料によって、少なくとも部分酸化され得る。メタンは酸化するのが難しい分子であることが知られているので、酸化触媒３４の触媒材料の上でのメタンの吸熱反応は、酸化触媒３４を通過するメタンを部分的にのみ酸化することができるだけである。例えば、酸化触媒３４を通過するメタンの約２５％〜約４０％のみが酸化されるだけである。前記のように、酸化触媒３４の上流側において熱交換器３２によってメタンを能動的に加熱することによって、この吸熱反応の効率を増大させることができる。メタンのこの部分酸化の副生物質は、ＣＯ、Ｈ_２、Ｎ_２およびＣＯ_２を含むことができ、これらの副生物質は、酸化触媒３４から、流路４２を通って矢印４６の方向に流出することができる。

図１に模式的に示されるように、これらの副生物質は、酸化触媒３６から流出する排気ガスと混合して、清浄化触媒３８の上流側で合同流れを形成することができ、この合同流れは、矢印６０の方向から清浄化触媒３８に流入することができる。一方、図２および図３の場合には、これらの副生物質を、酸化触媒３６および清浄化触媒３８の上流側で排気ガスと混合することができる。従って、このような実施形態においては、合同流れが、酸化触媒３６の上流側で形成され、この合同流れの中に存在するＮＯが酸化触媒３６によって酸化された後、酸化触媒３６から清浄化触媒３８に流入することができる。

図１を続けて参照すると、ＮＯ_２リッチな排気ガスの成分と、メタンの部分酸化反応の副生物質とを含有する合同流れを、清浄化触媒３８の上で反応させることができる。清浄化触媒３８の上で生起するこの反応は、合同流れの種々の成分の酸化反応と還元反応との両者を含み得ることが理解される。さらに、メタンの部分酸化反応の副生物質は、清浄化触媒３８の基体６６上に存在する触媒材料の上におけるこのような酸化反応および還元反応を促進し得ることが理解される。この反応は、特に、Ｎ_２、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏを生成することができ、これらの副生物質は、清浄化触媒３８から、排気ガス流路２６を通って矢印７０の方向に流出することができる。

種々の有利な態様を、開示された動力システム１０、排気ガスシステム１８、および／または排気ガスの処理方法に関係付けることができる。例えば、高ＮＯ_Ｘモードでエンジン１２を運転することは、燃焼の間に生成されかつエンジンの排気ガス内に同伴される粒子状物質を実質的に除去するという望ましい効果をもたらすことができる。従って、このような高ＮＯ_Ｘ運転を行うと、粒子フィルタと、通常そのフィルタに関わる能動的再生装置との必要性が排除される。その結果、本発明の排気ガスシステム１８は、粒子フィルタ技術を採用する従来型の排気ガスシステムより、格段にコンパクトであり、使用および保守管理に関する複雑さが少なく、かつ、安価であり得る。

さらに、高ＮＯ_Ｘモードでのエンジンの運転は、約５００ｐｐｍ以上の高いＮＯ_Ｘ濃度を有する燃焼排気ガスを生じることが知られている。既知の酸化触媒および／またはＳＣＲ触媒は、約２５０ｐｐｍ〜約３００ｐｐｍのＮＯ_Ｘを含有する通常の排気ガス排出物質を十分に清浄化し得るが、これらの既知の触媒は上記のような高いＮＯ_Ｘ濃度を有する排気ガスを清浄化することはできない。これに対して、排気ガスシステム１８の排気ガス冷却能力と、メタンの部分酸化能力と、合同流れの酸化還元能力とは、このような高ＮＯ_Ｘガスの無害な成分への安全かつ受け入れ可能な転換を促進する。特に、酸化触媒３６の上流側において高ＮＯ_Ｘの排気ガスを冷却することが、清浄化触媒３８における反応に利用可能なＮＯ_２を最大化させる。さらに加えて、メタンの部分酸化によって、清浄化触媒３８の上におけるＮＯ_２リッチな排気ガスのほぼ完全な転換を促進する副生物質が生成される。このような排気ガスのほぼ完全な転換は、還元剤としてメタンを使用しても、標準的なＳＣＲ技術によっては不可能である。

本開示のシステムに対して、本開示の範囲から逸脱することなく種々の変更および変化態様を加え得ることは、当業者には明らかであろう。例えば、本明細書において詳細には記述していないが、別の例示的実施形態において、熱交換器３２から流出する加熱されたメタンの一部分を、エンジン１２への注入用として、空気誘引システム１６に導くことができる。この加熱されたメタンをエンジン１２に供給することによって、特に、各燃焼室１４における燃焼効率を改善することができる。さらに別の例示的実施形態において、還元剤として尿素と空気との混合物を利用することができる。この実施形態においては、触媒３４は、当分野で知られる任意のタイプの尿素加水分解触媒であって、尿素／空気混合物を、次の例示的な式、すなわち、
Ｎ_２Ｈ_４ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→２ＮＨ_３＋ＣＯ_２
に従って転換するように構成される尿素加水分解触媒を含むことができる。

尿素加水分解触媒は、この例示的な部分酸化反応によって、気体のＮＨ_３を清浄化触媒３８に供給することができる。

本明細書の検討と、ここに開示されたシステムの実践とから、他の実施形態が当業者に明らかになるであろう。本明細書の記述および例示は例示用としてのみ考慮されるよう意図されており、本開示の真の範囲は、以下の請求項とその等価物とによって指示される。

Claims (10)

1. 燃焼エンジン（１２）からの排気ガスを受け取るように構成される排気ガス流路（２６）と、
   排気ガス流路（２６）の範囲内に配置される熱交換器（３２）と、
   熱交換器（３２）に流体接続される還元剤の供給器（５０）であって、メタンを含む還元剤供給器（５０）と、
   熱交換器（３２）に流体接続される第１触媒であって、還元剤供給器（５０）から熱交換器（３２）を経由してメタンを受け取るように構成される第１触媒と、
   排気ガス流路（２６）の範囲内に配置される第２触媒であって、燃焼エンジン（１２）から熱交換器（３２）を介して排気ガスを受け取るように構成される第２触媒と、
   排気ガス流路（２６）の範囲内に配置される清浄化触媒であって、排気ガスと、第１触媒から流出するメタンとを含む合同流れを受け取るように構成される清浄化触媒と、
   を含む排気ガスシステム（１８）。
2. 第１触媒が、還元剤供給器（５０）から受け取るメタンを少なくとも部分酸化するように構成される酸化触媒（３４）を含む、請求項１に記載の排気ガスシステム（１８）。
3. 還元剤供給器（５０）に流体接続される加圧装置（５４）であって、メタンと空気との加圧された混合物を熱交換器（３２）に送り込むように構成される加圧装置（５４）をさらに含む、請求項１に記載の排気ガスシステム（１８）。
4. 排気ガス流路（２６）内において第２触媒の上流側に配置される排気ガスセンサー（５６）であって、排気ガスのＮＯ_Ｘ濃度を表す信号を発生するように構成される排気ガスセンサー（５６）と、
   そのセンサーおよび加圧装置（５４）に連絡する制御器（５２）であって、信号に応答して加圧装置（５４）の運転を調整するように構成される制御器（５２）と、
   をさらに含む、請求項３に記載の排気ガスシステム（１８）。
5. 第２触媒が、排気ガス中のＮＯをＮＯ_２に転換するように構成される酸化触媒（３６）を含む、請求項１に記載の排気ガスシステム（１８）。
6. 清浄化触媒（３８）が、合同流れをＮ_２、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏに転換するように構成される酸化還元触媒を含む、請求項１に記載の排気ガスシステム（１８）。
7. 熱交換器（３２）が排気ガスを約２５０℃〜約４００℃の温度に冷却するように構成される、請求項１に記載の排気ガスシステム。
8. 排気ガスが少なくとも約５００ｐｐｍのＮＯ_Ｘを含む、請求項１に記載の排気ガスシステム（１８）。
9. 燃焼エンジン（１２）からの排気ガスの処理方法であって、
   少なくとも約５００ｐｐｍのＮＯ_Ｘを含む排気ガスの温度を約２５０℃〜約４００℃に低下させるステップと、
   排気ガス中のＮＯの少なくとも５０％をＮＯ_２に転換するステップと、
   メタンと空気との混合物を少なくとも部分酸化するステップと、
   少なくとも部分酸化された混合物の存在の下でＮＯ_２を還元するステップと、
   を含む方法。
10. 排気ガスのＮＯ_Ｘ濃度を決定するステップと、そのＮＯ_Ｘ濃度に基づいて、メタンと空気との混合物中の空気対メタン比を調整するステップとをさらに含む、請求項９に記載の方法。

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