JP4870411B2 - フィルタ脱硫酸化システム及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、一般にフィルタシステム、より詳しくは、車載フィルタ脱硫酸化の技術に関する。

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、および当技術分野で知られている他のエンジンを含めて、エンジンは、大気汚染物質の複雑な混合物を排出するおそれがある。大気汚染物質は、粒子状物質、窒素酸化物（「ＮＯｘ」）、および硫黄化合物を含めて、ガス状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、排気物質基準は年を追ってますます厳しくなった。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、大きさ、および／または種別に応じて規制されることがある。環境に排出される粒子状物質、ＮＯｘ、および硫黄化合物の規制に従うために、エンジン製造業者によって実施される１つの方法は、エンジンの排気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、これらのフィルタを長期間使用すると、汚染物質がフィルタの構成要素に蓄積する原因となり、それによってフィルタ機能およびエンジン性能が低下する原因となるおそれがある。例えば、いくつかのエンジン排気システムは、排気流れからＮＯｘを除去する際に有用な１つもしくはそれ以上のＮＯｘ吸着装置を含むことがある。ＮＯｘを吸蔵することに加えて、ＮＯｘ吸着装置触媒のアルカリ金属、アルカリ土類金属、および／または希土類金属はまた、硫黄化合物を吸蔵することができる。このプロセスの際、排気流れ中に存在する硫黄が酸化され、その結果得られるイオンは、ＮＯｘ吸着装置触媒の金属に吸着して安定な硫酸塩を形成する。これらの硫酸塩は、触媒の金属に対して硝酸塩より大きい結合親和力を有し、時間の経過に伴い、ＮＯｘ吸着装置内のＮＯｘ吸着用に利用できるサイトの数を低下させ、それによってＮＯｘ吸着装置の実効性が低下することになる。したがって、ＮＯｘ吸着装置の性能を改善するために、その中に吸蔵されている硫黄化合物を定期的にパージすることが必要な場合がある。硫黄化合物をＮＯｘ吸着装置から除去するプロセスは、本明細書では「脱硫酸化」ということにする。

一つの脱硫酸化方法では、ディーゼル燃料油などの還元体を排気流れ中に高温度で噴射することを含むことができる。例えば、ラロー（Ｌａｒｏｏ）らに付与された（特許文献１）は、硫酸塩を、燃料濃厚環境にあるＮＯｘ吸着装置から脱着させる方法および装置を記載している。（特許文献１）のシステムには、２つの排気流れ区間が含まれ、それぞれがＮＯｘ吸着装置および微粒子フィルタを含んでいる。脱硫酸化を必要とする区間（「脱硫酸化区間」）のＮＯｘ吸着装置において、一旦所望の脱硫酸化温度に到達すると、この脱硫酸化区間が排気流れに対して閉じられ、排気流れの全ては非脱硫酸化区間を通過する。次いで、還元体が、脱硫酸化区間の微粒子フィルタの中に噴霧され、この噴射は、所望の空燃比（「ラムダ」）を維持するように制御される。ＮＯｘ吸着装置触媒の温度が、硫黄がそこから放出されるのに伴い最適の脱硫酸化温度未満に低下した場合、前と同様に、排気流れが脱硫酸化区間に入るのが可能になり、微粒子フィルタを経由して発熱反応を開始する。次いで、放出された熱は、ＮＯｘ吸着装置に対流で伝達され、その温度を上げる。

（特許文献１）のフィルタシステムは、ＮＯｘ吸着装置から硫黄を除去する際の助けとなることができるが、（特許文献１）の方法では、脱硫酸化の間、エンジン排気ガスを脱硫酸化区間を経由して連続的に通過させず、また、排気流速を変化させることによって脱硫酸化温度を能動的に制御することもない。その代わりに、脱硫酸化区間は、ＮＯｘ吸着装置において所望の脱硫酸化温度に到達したとき、排気流れに対して閉じられる。その結果、（特許文献１）の方法は、可変的な脱硫酸化温度を提供し、それは、硫黄放出の間、最適の脱硫酸化温度未満に低下するおそれがある。さらに、開示された脱硫酸化プロセスは、そのプロセス中に形成される高温度および脱硫酸化区間を経由する排気流れの不存在のため、システムの一部を劣化させるおそれがある。

米国特許第６，７７９，３３９号明細書

本開示のフィルタシステムは、上述の課題の１つまたは複数を克服することを目的とする。

本開示の一実施形態では、エンジンのフィルタシステムから硫黄を除去する方法は、脱硫酸化の間、排気流れをフィルタシステムの脱硫酸化区間を経由して連続的に通過させることを含む。本方法はまた、排気流れの少なくとも１つの特性を検知すること、および、脱硫酸化の間、この検知に応答して排気流れの流速を修正することを含む。

本開示の別の実施形態では、エンジン・フィルタシステムのＮＯｘ吸着装置から硫黄を除去する方法は、ＮＯｘ吸着装置を所望の温度まで加熱すること、および、ＮＯｘ吸着装置の上流側の排気流れの中に還元体を噴射することを含む。本方法は、脱硫酸化の間、所望の温度を実質的に一定に保持することをさらに含む。

本開示のさらに別の実施形態では、脱硫酸化機能を有するフィルタシステムには、第１の区間および第２の区間が含まれる。この区間のうちの少なくとも１つは、排気流れの一部を、エンジンからそれぞれの区間を経由して導くように構成された弁機構を含む。この弁機構は、脱硫酸化の間、検出された温度に応答してその一部の流速を修正する。

図１は、例示的な実施形態のフィルタシステム１２を有するディーゼルエンジンなどの内燃機関１０を例示する。エンジン１０は、エンジン１０の排気流れをフィルタシステム１２に接続するエンジン排気マニホルド１４を有することができる。制御装置１８は、１つまたは複数の通信回線２０によって、フィルタシステム１２の１つまたは複数の構成要素およびエンジン１０と通信することができる。

図１に示すように、フィルタシステム１２は、エンジン１０からの排気流れがそこを経由して流れることができる複数の区間を含むことができる。本開示の例示的な実施形態では、フィルタシステム１２は、第１の区間１６および第２の区間２２を含むことができる。図１は２つの区間１６、２２だけを示すが、フィルタシステム１２は、排気流れから汚染物質を除去する際に有用な区間をいくつでも含むことができる。区間１６、２２は、排気流れから汚染物質を除去する際に有用などんな形状または大きさであってもよく、例えば、第１および第２の区間１６、２２を制御可能に流体接続できる追加の流路（図示せず）を含むことができる。区間１６、２２のそれぞれは、ＮＯｘ吸着装置３０の上流側に配置される弁機構２４を含むことができる。区間１６、２２のそれぞれはまた、ＮＯｘ吸着装置３０と弁機構２４との間に配置される酸素抽気組立体２５を含むことができる。以下にさらに詳細に議論されるように、酸素抽気組立体２５は、少なくとも１つのノズル２６および酸化触媒２８を含むことができ、区間１６、２２のそれぞれは、少なくとも１つのセンサ３２を含むことができる。特に明記しない限り、この開示の間、フィルタシステム１２の１つの区間が参照される。システム１２の他の区間のそれぞれには、共通の参照番号によって示されるように、同じもしくは類似した部品および構成要素が含まれることが理解されよう。

ＮＯｘ吸着装置３０は、当技術分野で知られているいかなる形式のＮＯｘ吸着装置であってもよい。ＮＯｘ吸着装置３０は、窒素の酸化物をそれらの外部表面上に集めることができる触媒材料を含むことができる。かかる材料としては、例えば、アルミニウム、白金、ラジウム、バリウム、セリウム、または他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、あるいは希土類金属を含むことができる。触媒材料は、ＮＯｘ吸着に利用できる表面積を最大にするようにＮＯｘ吸着装置３０内に位置することができる。かかる構成は、例えば、ハニカム、メッシュ、または当技術分野で知られている他の任意の構成を含むことができる。それぞれのＮＯｘ吸着装置３０は、区間１６、２２を経由する排気流れに対して実質的に垂直に、それぞれの区間１６、２２内に配置することができる。

酸素抽気組立体２５は、酸化触媒２８および少なくとも１つのノズル２６を含むことができる。酸化触媒２８は、炭化水素を酸素と反応させるのに有用な例えば白金または他の貴金属などの触媒材料を含むことができる。約２５０℃を超える温度で上述した触媒材料の存在下に酸素が還元体と化合するとき、かかる反応が起こる。この還元体は、原料のディーゼル燃料油、改質されたディーゼル燃料油、炭化水素ガス、改質ガソリン、または当技術分野で知られている他の任意の還元物質とすることができる。また、還元体のいくつかの種類は、当技術分野で知られているキャリヤーガスからなることができることが理解されよう。例えば、液体ディーゼル燃料油などの非ガス状の還元体がこの還元体として使用される場合、このキャリヤーガスが必要となる場合がある。かかる実施形態では、キャリヤーガスはディーゼル燃料油と混合され、ディーゼル油を触媒を経由して運ぶことができる。

酸化触媒２８は、例えば、触媒化ディーゼル油粒子状物質フィルタ、または酸化機能を有する他の任意の装置とすることができることが理解されよう。例えば、一実施形態では、酸化触媒２８は、セラミック基板、金属性メッシュ、発泡体、または当技術分野で知られている他の任意の多孔性材料を含むことができる。これらの材料は、例えば、酸化触媒２８内に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、すすである場合がある。

ノズル２６は、図１に示すように、酸化触媒２８の上流側に配置することができる。用語「ノズル」は、本明細書で使用されるとき、任意の分散機構、または、そこに供給されるガスまたは流体の流れを分注できる他の機構として定義される。ノズル２６は、例えば、燃料噴射器、ポート流れ噴射器、または、区間１６、２２の断面両端間に還元体を制御された方法で分配できる任意の形式の構造体とすることができる。使用されるノズル２６の型式は、使用される還元体の種類に依存することがあり、ノズル２６には、相当数の様々な供給源から還元体を供給することができる。例えば、フィルタシステム１２は、ノズル２６に供給される還元体を部分的に酸化できる改質器（図示せず）をさらに含むことができ、または、代わりに、ノズル２６には、ディーゼル燃料油または他の還元体を、還元体供給ポンプ（図示せず）または他の加圧装置から直接供給することができる。

図１ａに示すように、本開示の一実施形態では、抽気組立体２５は、当技術分野で知られている慣用のバーナーを含むことができる。かかる実施形態では、ノズル２６を発火源２７と一緒にして、ＮＯｘ吸着装置３０の上流側に噴射された還元体の酸化を促進することができる。かかる実施形態では、酸化触媒２８を省略することができる。

図１に示すように、弁機構２４は、フィルタシステム１２のそれぞれの区間１６、２２を経由する排気の流れを制御するように配置することができる。弁機構２４は、例えば、任意の範囲の流れがそれぞれの区間１６、２２を通過するのを可能にできる流量制御弁を含むことができる。例えば、それぞれの流量制御弁は、区間１６、２２を経由する任意の範囲の流れを、流れを完全に制限することから流れを完全に制限しないことまで可能になるように、制御可能に配置することができる。弁機構２４は、１つまたは複数のモータ（図示せず）、ソレノイド、あるいは、弁機構２４の構成要素を駆動するための他の任意の電気装置、空気装置、油圧装置、または当技術分野で知られている他の装置をさらに含むことができる。これらの装置は、通信回線２０両端間に送られる制御装置１８からの命令を受信し、かつ、これに応答することができる。

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、ラップトップコンピュータ、または当技術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３２（以下にさらに詳細に記載される）、および１つまたは複数のエンジン・センサ３４を含めて、様々な発生源からの入力信号を受信することができる。エンジン・センサ３４は、これらに限定されないが、速度、負荷、温度、走行時間、および位置検出器を含むことができる。制御装置１８は、これらの入力信号を使用して、予め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、制御装置１８から弁機構２４のそれぞれの駆動装置までの通信回線２０両端間に伝送することができる。したがって、区間１６、２２のそれぞれを経由する流れは、独立して制御することができる。この制御信号はまた、ノズル２６のそれぞれに伝達され、噴射の流速、体積、および／または所要時間を制御することができる。

フィルタシステム１２のそれぞれの区間１６、２２は、少なくとも１つのセンサ３２をさらに含むことができる。このセンサ３２は、例えば、ＮＯｘセンサ、酸素センサ、温度センサ、および／またはガス状の流れの特性を検知できる他のセンサとすることができる。少なくとも１つのセンサ３２は、複数の機能を有することができる。例えば、流れの中のＮＯｘの存在および量を検出することに加えて、ＮＯｘセンサ３２はまた、ラムダ、温度、流速、および／または流れに関連する他の変数を測定することができる。それぞれのセンサ３２は、通信回線２０によって制御装置１８と通信することができる。センサ３２は、センサの大きさ、形状、種類、および機能に応じて、それぞれの区間１６、２２内、またはそこに対してどこでも配置することができる。例えば、図１が例示するように、センサ３２は、ＮＯｘ吸着装置３０の下流側に配置することができる。あるいは、それぞれの区間１６、２２において、２つ以上のセンサ３２を使用することができる。かかる実施形態では、センサ３２の少なくとも１つは、ＮＯｘ吸着装置の下流側に配置することができ、他のセンサ３２の少なくとも１つは、例えば、酸素抽気組立体２５とＮＯｘ吸着装置３０との間に配置することができる。

開示したフィルタシステム１２は、排気流れからのＮＯｘ除去が所望される当技術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。かかる装置には、例えば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、タービンエンジン、希薄燃焼エンジン、または他の内燃機関、あるいは、当技術分野で知られている炉が含まれ得る。したがって、開示したフィルタシステム１２は、例えば、任意の作業機械、路上走行車、または当技術分野で知られている路上外走行車に連結して使用することができる。フィルタシステム１２の運転は、これから詳細に説明される。

通常のエンジン運転条件下で、エンジン１０からの排気は、エンジン排気マニホルド１４を出て、流れの一部は、フィルタシステム１２のそれぞれの区間１６、２２に入る。その一部は、それぞれの区間１６、２２のそれぞれの構成要素を通過し、その後この区間を出る。それぞれの区間１６、２２の流量制御弁２４は、全開の位置にある。ＮＯｘ吸着装置３０は、そこを通過する排気流れから少なくとも一部のＮＯｘを除去することができる。加えて、センサ３２は、フィルタシステム１２を出る流れの少なくとも１つの特性を検知することができる。この流れ特性は、例えば、ＮＯｘ吸着装置３０によるろ過後のフィルタシステム１２のそれぞれの区間１６、２２から放出されるＮＯｘの百万分率、温度、ラムダ、流速、区間１６、２２の１つまたは複数の構成要素の間の圧力差、あるいはこれらの特性の組合せとすることができる。センサ３２は、これらの検知された特性に関係づけられる信号を制御装置１８に送ることができ、制御装置１８は、信号中の情報を評価することができる。制御装置１８はまた、１つまたは複数のエンジン・センサ３４から送られる信号を受信し、かつ評価することができる。これらのエンジン・センサ信号は、例えば、エンジン負荷、温度、走行時間、および／またはクランク軸位置などの、検知されたエンジン・パラメータに関係づけることができる。それぞれの区間１６、２２を出ると、流れの一部が一緒になって、単一のろ過された排気流れを形成することができる。

エンジン１０が運転されるとき、エンジン１０の排気ガス中のＮＯｘは、ＮＯｘ吸着装置３０の触媒材料に化学的に結合することができる。しかし、ＮＯｘ吸着装置３０の大きさに起因して、これらの触媒上のＮＯｘ吸蔵サイトの数が制限されるおそれがあり、エンジン１０の潤滑油および燃料油中に含まれる硫黄もまた、そこに結合することができる。これらのサイトが、例えば、ＳＯ₂、ＳＯ₃、および／またはＨ₂Ｓなどの化合物によってより多く占められるようになると、ＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸着装置の能力が、例えば、エンジン１０の型式、走行条件、および使用される燃料油の種類に応じて低下するおそれがある。したがって、あるエンジン運転時間（例えば約５０〜１００時間）の後、ＮＯｘ吸着装置３０は、脱硫酸化が必要になる可能性がある。

以下にさらに詳細に議論されるように、慣用の脱硫酸化プロセスによってＮＯｘ吸着装置３０の触媒材料から硫黄化合物を除去するためには、２つの条件が満たされなければならない：
１）ＮＯｘ吸着装置３０は、約５００℃〜約８００℃の範囲内の温度にさらされなければならないこと、および
２）空気対燃料の正規化した比（ラムダ）が１未満でなければならないこと。
例えば、試験を通じて、約０．９の触媒ラムダ（噴射器２６の下流側で測定される）、および約７５０℃の脱硫酸化温度が、ＮＯｘ吸着装置３０を効果的に脱着させ得ることが確定されている。ＮＯｘ吸着装置温度を上げる第１の条件に関して、これは、ＮＯｘ吸着装置３０の上流側に配置される酸化触媒２８全体に発熱反応を引き起こすことによって達成される。かかる発熱反応は、２つの条件を必要とする：
１）酸化触媒２８を約２５０℃の活性化温度に加熱すること、および
２）酸素の存在下にその中に配置されている金属を還元体にさらすこと。
１未満のラムダを維持する第２の条件（濃厚な排気環境）に関して、これは、ＮＯｘ吸着装置３０の上流側で還元体を、空気対燃料の所望の比に到達するまで単に噴射することによって達成することができる。還元体の噴射が排気流れを希薄から濃厚へ移行させるので、脱硫酸化の間、少なくとも排気流速を還元体流速と連動して変化させることによって、所望のラムダおよび所望の脱硫酸化温度の両方を実質的に一定に保持することができる。したがって、還元体を噴射したこと（それによって１未満の触媒ラムダが達成される）に原因があると考えられる温度上昇は、脱硫酸化の間の脱硫酸化区間を経由する排気流速を低下させることによって相殺することができる。

運転中、制御装置１８は、センサ３２および／またはエンジン・センサ３４から送られた情報を、アルゴリズムまたは他の予め設定された判定基準と併せて使用して、ＮＯｘ吸着装置３０が硫黄化合物で飽和したかどうか、および脱硫酸化を必要とするかどうかを判断することができる。例えば、このアルゴリズムは、エンジン１０の走行時間、エンジン負荷、エンジン回転速度、エンジン温度、および／または他の任意のエンジン制御パラメータに基づいて、エンジンによって生成されるＮＯｘの量を決定することができる。それぞれのＮＯｘ吸着装置３０によって放出されるＮＯｘの百万分率を測定し、ＮＯｘ吸着装置３０の周知の再生計画と連動させることによって、制御装置１８は、触媒材料に吸蔵された硫黄の量を決定することができる。

一旦制御装置１８がＮＯｘ吸着装置３０を脱着させる必要があると判断すると、制御装置１８は、酸化触媒２８をその活性化温度まで加熱するのを制御する。この「活性化温度」は、本明細書では、酸素が酸化触媒２８の材料の存在下に還元体と発熱的に反応し始めることになる温度として定義される。この温度は、一般に約２００℃〜約２５０℃の範囲であり、大部分の還元体の燃焼温度に比べてはるかに低くすることができる。一旦酸化触媒２８がその活性化温度に到達すると、酸素は、酸化触媒２８の材料の表面上で排気流れ中に存在する還元体と発熱的に反応し始める。この発熱反応は、ＮＯｘ吸着装置３０を所望の脱硫酸化温度まで加熱するのに十分なエネルギーを生成するように制御することができる。本明細書で使用されるとき、用語「脱硫酸化温度」は、脱硫酸化の間のＮＯｘ吸着装置３０の温度として定義される。ＮＯｘ吸着装置３０は、排気流れが酸化触媒２８からＮＯｘ吸着装置３０まで移動するとき、対流を通じて加熱され、脱硫酸化温度は、例えば、脱硫酸化の間のＮＯｘ吸着装置３０の下流側の排気流れの温度を検知することによって定めることができる。上記したように、この所望の脱硫酸化温度は、約５００℃〜約８００℃の範囲である。

制御装置１８は、センサ３２を利用して、ＮＯｘ吸着装置３０の下流側の排気流れの検出された温度に基づいて酸化触媒２８のおよその温度を検出することができる。あるいは、フィルタシステム１２は、酸化触媒２８に極めて接近させてその温度を検知するように構成した追加のセンサを含むことができる。

酸化触媒２８の温度が所望の活性化温度未満である状況において、酸化触媒２８をその活性化温度まで加熱するために、制御装置１８は、生成する排気ガス温度を上げるようにエンジン１０を制御することができる。したがって、酸化触媒２８の温度は、排気ガスの温度が上がるのにつれ、単純な対流を通じてその活性化温度まで上昇することになる。排気ガスの温度を上げるのに使用できる例示的なエンジン方策には、例えば、エンジン・スロットリング、エンジン負荷の増加、ウエストゲート、および吸気弁駆動が含まれる。これらのプロセスのそれぞれはまた、エンジン燃焼を多少効率よくすることによって、制御装置１８が、エンジン外（ｅｎｇｉｎｅ−ｏｕｔ）ラムダを能動的に制御するのを可能にできる。本明細書で使用されるとき、用語「エンジン外ラムダ」は、排気ガスがエンジン１０の排気マニホルド１４を出るときの正規化された空気対燃料の比として定義される。エンジン外ラムダは、触媒ラムダとは異なることがある。さらに、排気流れ内に含まれる還元体が燃焼除去される結果として、触媒ラムダは変化しないこと、および、触媒ラムダは、この予め加熱する工程中は希薄（１を超える）であることが理解されよう。

エンジン１０が高負荷の下で長時間運転されている状況では、酸化触媒２８の温度は、すでに所望の活性化温度以上である場合がある。かかる状況では、上述のエンジン方策は必要にならないだろう。酸化触媒２８の代わりにバーナーが使用される本開示の実施形態では、予め加熱する工程を省略することができる。

一旦酸化触媒２８が所望の活性化温度に到達すると、制御装置１８は、ＮＯｘ吸着装置３０を上述の所望の脱硫酸化温度まで加熱するように、フィルタシステム１２の構成要素を制御することができる。フィルタシステム１２の区間１６、２２を脱着するのに必要になる合計時間を短縮するためには、ＮＯｘ吸着装置３０をできるだけ迅速にかつ均一に加熱することが望ましいだろう。希薄排気流れ（１を超えるラムダ）にすることが、この迅速かつ均一な加熱の助けとなるだろう。ＮＯｘ吸着装置３０は、対流および輻射を通じて脱硫酸化温度まで加熱できることが理解されよう。例えば、制御装置１８は、還元体を、酸化触媒２８の上流側で所望の還元体流速で所望の時間長さ噴射するようにノズル２６を制御することができる。制御装置１８はまた、脱硫酸化区間を経由する排気流れの流速を制御することができる。酸化触媒での発熱反応によって熱が放出されるにつれ、排気流れは、対流によりこの熱の少なくとも一部をＮＯｘ吸着装置３０に伝達することができる。

ＮＯｘ吸着装置３０を加熱するための還元体の所望の流速は、制御装置１８内の１つまたは複数の前もって設定したフィードフォワード制御アルゴリズムによって制御することができる。制御装置１８は、例えば、エンジン・センサ３４によって検知されたデータをアルゴリズムに入力することができる。かかるデータには、これらに限定されないが、エンジン回転速度、エンジン負荷、エンジン走行時間、および／またはエンジン温度の情報を含むことができる。次いで、制御装置１８は、最も短い時間で所望の脱硫酸化温度に到達するのに必要な流速を算出することができる。この計算は、エンジン１０の型式および大きさ、並びに、酸化触媒２８およびＮＯｘ吸着装置３０の特性に依存するだろう。あるいは、ＮＯｘ吸着装置３０の下流側のセンサ３２からのフィードバックをアルゴリズム入力として使用して、還元体の流速を制御することができる。例えば、センサ３２は、排気流れ温度、排気流速、および／または当技術分野で知られている他の任意の排気流れ特性を測定することができる。これらの特性は、例えば、ＮＯｘ吸着装置３０の温度に関係づけることができる。同様に、センサ３２からのフィードフォワード制御アルゴリズムまたはフィードバックを通じてのいずれかによって、噴射の所要時間もまた制御することができる。

ＮＯｘ吸着装置３０を加熱するための脱硫酸化区間を経由する所望の排気流速は、それぞれの区間の弁機構２４を操作することによって制御することができる。通常、ＮＯｘ吸着装置３０が所望の脱硫酸化温度まで加熱される間、弁機構２４は全開の位置のままである。制御装置１８は、ＮＯｘ吸着装置３０の温度をできるだけ速く脱硫酸化温度まで上げるように、脱硫酸化区間を経由する排気流速を最大にすることができる。

しかし、ＮＯｘ吸着装置３０を所望の脱硫酸化温度に加熱するとき、フィルタシステム条件もまた、ＮＯｘ吸着装置３０の上流側で噴射された還元体の実質的に全てが酸化され得るように制御することができる。例えば、噴射された還元体が酸化触媒２８で完全に酸化されることを確実にするため、脱硫酸化区間を経由する排気の流速を制限することができる。制御装置１８は、脱硫酸化区間の弁機構２４を少なくとも部分的に閉じることによって排気流速を制限することができる。排気流速を制限すると、酸化触媒２８内の排気流れの滞留時間を増加させることができ、それによって、噴射された還元体に、そこで反応するためのより多くの時間が与えられ、かつ、還元体に含まれる炭化水素が、希薄運転条件にあるＮＯｘ吸着装置３０に全く到達できないことが確実にされる。酸化触媒２８でのこの完全酸化は、ＮＯｘ吸着装置３０の触媒材料上で還元体微粒子が酸素と反応することによって引き起こされる局所化された高温度をなくす際に助けとなり、かつ、時間の経過に伴う触媒材料劣化の量を低減することができる。完全酸化の結果として、ＮＯｘ吸着装置３０は、酸化触媒２８と実質的に同じ温度になり得る。ある状況では、少量の還元体がＮＯｘ吸着装置３０に移動してそこで反応するおそれがあることが理解されよう。かかる状況では、ＮＯｘ吸着装置３０は、酸化触媒２８に比べてわずかに高い温度になるだろう。例えば、かかる状況では、ＮＯｘ吸着装置３０は、還元体の発熱反応のため、酸化触媒２８に比べて約５０℃高温になることがある。

一旦ＮＯｘ吸着装置３０が所望の脱硫酸化温度に到達すると、制御装置１８は、噴射器２４によって噴射される還元体の流速を増加させ、脱硫酸化区間を経由する排気ガスの濃厚流れを生成し、約０．９の触媒ラムダを得ることができる。所望の脱硫酸化温度および触媒ラムダが得られたとき、ＮＯｘ吸着装置３０で脱硫酸化を始めることができる。

脱硫酸化の間、発熱酸化反応が酸化触媒２８で起こる。一旦脱硫酸化区間を経由する流れが濃厚にされると、部分酸化反応により、一酸化炭素および水素が生成する。生成した一酸化炭素および水素は、例えば、ＮＯｘ吸着装置触媒材料から硫黄化合物を脱硫酸化温度で除去する際に助けとなることができる。

ＮＯｘ吸着装置３０の下流側のセンサ３２は、例えば、放出された硫黄または硫黄化合物の量、触媒ラムダ、および排気流れの温度を測定することができ、かつ、かかる情報を含む信号を制御装置１８に送ることができる。制御装置１８は、硫黄放出情報を使用して、脱硫酸化プロセスの必要な所要時間を決定することができる。あるいは、制御装置１８は、上述の１つまたは複数の予め設定されたフィードフォワード制御アルゴリズムに基づいて、必要な所要時間を算出することができる。加えて、制御装置１８は、ラムダおよび温度情報を使用して、実質的に一定の触媒ラムダおよび脱硫酸化温度を維持するため、例えば、脱硫酸化の間のエンジン外ラムダ、排気流速、および／または還元体流速を修正することができる。

排気流れが希薄から濃厚に制御されるとき、０．９の所望の脱硫酸化ラムダを得ることに付随する温度上昇により、フィルタシステム１２の構成要素が激しく損傷される場合がある。例えば、理論上の計算では、排気流れに還元体を噴射することによって酸化触媒活性化温度で触媒ラムダを１．５から０．９に低下させると、約８００℃の温度上昇になる場合があることが示されている。したがって、部分酸化反応が酸化触媒２８で起こるとき、脱硫酸化の間の脱硫酸化温度を実質的に一定に保持するためには、生成される熱が、脱硫酸化区間を冷却することによって相殺されなければならない。これを達成するため、制御装置１８は、触媒ラムダを約０．９で一定に、およびＮＯｘ吸着装置温度を約７５０℃で一定に保持するように、例えば、エンジン外ラムダ、噴射される還元体の流速、および／または脱硫酸化区間を経由する排気流速を制御することができる。これらの変数は、脱硫酸化の間の触媒ラムダおよびＮＯｘ吸着装置温度を一定に保持するように、任意のエンジン運転範囲の全域で制御することができる。エンジン１０の少なくとも一部の排気流れが、脱硫酸化の全体にわたって脱硫酸化区間を経由して連続的に流れることが理解されよう。制御装置１８は、この連続的な流れを促進するため部分的に開いたままであるように、脱硫酸化区間の弁機構２４を制御する。

エンジン外ラムダは、上述の相当数のエンジン方策によって能動的に制御することができる。これらの方策のそれぞれは、排気流れ中に存在する酸素の濃度を低減する際に有用な場合があり、それによってエンジン外ラムダが低下する。しかし、そうする際、これらの方策は、エンジン１０の効率を悪くする場合がある。したがって、典型的なエンジン外ラムダは約２．０とすることができるが、エンジン性能に悪影響を及ぼさないで、エンジン制御方策だけによって０．９の所望の脱硫酸化ラムダを得ることは可能ではないだろう。

その代わりに、上述したエンジン方策と併せて、噴射される還元体の流速を増加させることができ、それに対応して脱硫酸化区間の排気流速を低下させて、所望の脱硫酸化ラムダを得ることができる。脱硫酸化区間の排気流速が低下するにつれて、排気システムから外れた対流および輻射に起因してＮＯｘ吸着装置温度が低下することになり、触媒ラムダは低下することになることが理解されよう。還元体流速が増加するにつれて、触媒ラムダが低下することがやはり理解されよう。しかし、濃厚環境では、ＮＯｘ吸着装置温度は、脱硫酸化区間の排気流速に依存する場合があり、以前の触媒ラムダに依存して増加または低下する場合がある。例えば、脱硫酸化区間の排気流速が増加した場合、ＮＯｘ吸着装置温度もまた上昇する場合があり、したがって、触媒ラムダを一定に保持するため、燃料油流速を増加させる場合がある。したがって、脱硫酸化区間の排気流速を増減することによって、および、それに応じて燃料油流速を増減することによって、制御装置１８は、ＮＯｘ吸着装置温度を制御しながら所望の脱硫酸化レベルで触媒ラムダを一定に保持することができる。

上記方法に加えて、脱硫酸化温度はまた、触媒ラムダを上記０．９より小さい値に低下させることによって制御できることが理解されよう。本開示の例示的な実施形態では、触媒ラムダは、脱硫酸化区間を経由する還元体の流れを増加させることによって、０．５まで低下させることができる。かかる実施形態では、還元体は、当技術分野で知られている吸熱性水蒸気改質反応によって、脱硫酸化温度を低下させることができる。かかる反応では、還元体はＨ₂Ｏと化合して、例えば、ＣＯおよびＨ₂を形成することができる。

一旦脱硫酸化が完了すると、制御装置１８は、還元体の噴射を停止するようにノズル２６を制御し、ＮＯｘ吸着装置３０が冷却されるのを可能にするだろう。濃厚環境において脱硫酸化プロセスが起こるので、脱硫酸化が完了した後、還元体微粒子は、ＮＯｘ吸着装置３０の触媒材料に残留することになる。したがって、ＮＯｘ吸着装置３０への損傷を防止するため、脱硫酸化区間を経由する流れは、この冷却工程の間最小にされる。例えば、脱硫酸化の直後、弁機構２４は、エンジン１０からの排気をゆっくり供給するように制御することができる。したがって、酸素は、脱硫酸化区間のＮＯｘ吸着装置３０とゆっくり接触し、その中に存在する還元体微粒子を燃焼し始めることになる。制御装置１８は、還元体微粒子の発熱性燃焼によって生み出される熱と、対流および輻射によるＮＯｘ吸着装置３０の冷却との釣合いをとる。

あるいは、制御装置１８は、弁機構２４を、約２分間閉じたままにとどまるように制御することができ、その時間の間、排気流れの全てが、非脱硫酸化区間を経由して移動することができ、かつ、ＮＯｘ吸着装置３０が冷却されるのが可能になるだろう。次いで、脱硫酸化区間を経由する排気流れを、一定または階段的な方法で漸増することができる。一旦脱硫酸化区間が冷却され、かつ排気流れに対して全開になると、フィルタシステム１２の別の区間１６、２２において、脱硫酸化プロセスを始めることができる。

上記で説明したように、および図２に示したように、開示した方法の実施形態には、フィルタシステム１２からデータを収集すること（工程３６）を含むことができる。このデータは、エンジン・センサ３４および／またはセンサ３２を使用して収集することができる。このデータは、制御装置１８に送られて、少なくとも１つの予め設定されたアルゴリズムに入力され、脱硫酸化が必要かどうかを判断することができる（工程３８）。脱硫酸化が必要ない場合（工程３８：Ｎｏ）、データ収集を続けることができる（工程３６）。脱硫酸化が必要な場合（工程３８：Ｙｅｓ）、制御装置１８は、相当数のエンジン方策を使用して、酸化触媒２８を所望の活性化温度まで加熱することができる（工程４０）。一旦活性化温度に到達すると、制御装置１８は、フィルタシステム１２の構成要素を、ＮＯｘ吸着装置を所望の脱硫酸化温度まで加熱するように制御することができる（工程４２）。上記のように、この加熱は、酸化触媒２８での発熱性酸化反応の結果とすることができる。脱硫酸化区間の弁機構２４および／またはノズル２６は、この反応を促進するように制御することができる。

一旦脱硫酸化温度がＮＯｘ吸着装置３０で達成されると、制御装置は、還元体の噴射を、所望の脱硫酸化ラムダが得られるように制御することができる（工程４４）。このラムダは、濃厚流れ環境の表示になることができ、約０．９とすることができる。これらの条件で、脱硫酸化区間において脱硫酸化を始めることができる。

センサ３２、３４は、データを収集し続けることができ（工程４６）、脱硫酸化の間、制御装置１８にデータを送ることができる。制御装置１８は、データを上述のアルゴリズムに入力して、脱硫酸化の間の触媒ラムダおよび脱硫酸化温度を一定に保持するために、例えば、フィルタシステムのパラメータのどれかを修正するかどうかを判断することができる。これらの変数を一定に保持するため、制御装置１８は、脱硫酸化の間のエンジン外ラムダ、還元体流速、および／または排気流速の修正を制御することができる（工程４８）。制御装置１８はまた、このデータを使用して脱硫酸化が完了したかどうか（工程５０）を判断することができる。脱硫酸化が完了していない場合（工程５０：Ｎｏ）、データ収集を続けることができる（工程４６）。脱硫酸化が完了した場合、制御装置１８は、ＮＯｘ吸着装置３０の冷却を制御することができる（工程５２）。

ここに開示した本発明の明細書および実施を考察することから、本開示のその他の実施形態は当業者に明白であろう。例えば、フィルタシステム１２は、ＮＯｘ吸着装置３０から放出された硫黄化合物を酸化するように構成した浄化触媒をさらに含むことができる。この浄化触媒は、区間１６、２２の下流側に配置することができ、硫黄化合物を酸化する際の助けとするために、区間１６、２２のうちの少なくとも１つから酸素の供給を受け入れるように構成することができる。

明細書および実施例は代表例にすぎないとみなされるべきであり、本発明の正当な範囲は特許請求の範囲によって示されることを意図している。

本開示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。 エンジンおよび図１のフィルタシステムの別の概略説明図である。 例示的な脱硫酸化方法のフローチャートである。

符号の説明

１０ エンジン
１２ フィルタシステム
１４ エンジン排気マニホルド
１６ 第１の区間
１８ 制御装置
２０ 通信回線
２２ 第２の区間
２４ 弁機構
２５ 酸素抽気組立体
２６ ノズル
２７ 発火源
２８ 酸化触媒
３０ ＮＯｘ吸着装置
３２ センサ
３４ エンジン・センサ
３６ 工程−データ収集
３８ 工程−脱硫酸化が必要かどうかの判断
４０ 工程−所望の活性化温度まで酸化触媒を加熱
４２ 工程−所望の脱硫酸化温度までＮＯｘ吸着装置を加熱
４４ 工程−所望の触媒ラムダを達成
４６ 工程−データ収集
４８ 工程−エンジン外ラムダ、還元体流速、および／または排気流速の修正
５０ 工程−脱硫酸化が完了したかどうかの判断
５２ 工程−ＮＯｘ吸着装置の冷却

Claims (4)

1. 脱硫酸化の間、排気流れをフィルタシステムの脱硫酸化区間を経由して連続的に通過させる工程と、
   排気流れの少なくとも１つの特性を検知する工程と、
   排気流れの中に還元体の流れを入れる工程と、
   脱硫酸化の間、前記検知に応答して、所望の脱硫酸化温度が実質的に一定に維持されるように排気流れの流速を修正する工程と、
   を含み、前記流速を修正する工程は、弁機構によって排気流れの流速を制限することにより、前記脱硫酸化区間の上流側に存在する酸化触媒による還元体の酸化を増大させる工程を含み、前記弁機構は前記酸化触媒よりも上流側に設けられる、エンジンのフィルタシステムから硫黄を除去する方法。
2. 脱硫酸化の間、所望の触媒ラムダを維持する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. ＮＯｘ吸着装置を所望の温度まで加熱する工程と、
   ＮＯｘ吸着装置の上流側の排気流れの中に還元体を噴射する工程と、
   脱硫酸化の間、前記排気流れの流速を修正することによって、所望の温度を実質的に一定に保持する工程と、
   を含み、前記所定温度を一定に保持する工程は、弁機構によって排気流れの流速を制限することにより、前記ＮＯｘ吸着装置の上流側に存在する酸化触媒による還元体の酸化を増大させる工程を含み、前記弁機構は前記酸化触媒よりも上流側に設けられる、エンジン・フィルタシステムのＮＯｘ吸着装置から硫黄を除去する方法。
4. 第１の区間および
   第２の区間を含み、
   これらの区間のうちの少なくとも１つが、排気流れの一部をエンジンからそれぞれの区間を経由して導くように構成された弁機構を含み、
   前記弁機構が、脱硫酸化の間、検出された温度に応答して、所望の脱硫酸化温度が実質的に一定に維持されるように前記排気流れの一部の流速を修正し、前記弁機構による流速の修正には、排気流れの流速を制限することにより、排気流れの中に噴射された還元体の酸化触媒による酸化を増大させることが含まれ、前記弁機構は前記酸化触媒よりも上流側に設けられる、脱硫酸化機能を有するフィルタシステム。

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