JP6356281B2 - 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 - Google Patents
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Description
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。
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。
NOxはN2+O2を生じる
CO+O2はCO2を生じる
を促進する。
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。
第2の実験では、より低い“Tmix”値(477.6K(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。
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544.3K(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。
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。
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手段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。
びその出口48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。
[形態1] 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受取端部を有する第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。
[形態2] 形態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手段からなる、アッセンブリ。[形態3] 形態1記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、冷却媒体を冷却するためのコイルからなる、アッセンブリ。
[形態4] 形態1記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、冷却媒体注入手段からなり、冷却媒体注入手段は、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。
[形態5] 形態3記載のアッセンブリにおいて、
コイルは、約410.9K(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。
[形態6] 形態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。
[形態7] 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受取端部を有する第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、
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導管と、
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。
[形態8] 形態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手段からなる、アッセンブリ。[形態9] 形態7記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、冷却媒体を冷却するためのコイルからなる、アッセンブリ。
[形態10] 形態7記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、冷却媒体注入手段からなり、冷却媒体注入手段は、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。
[形態11] 形態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。
[形態12] 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触媒コンバータ手段に導くステップと、
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。
[形態13] 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。
[形態14] 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手段に導くステップと、
第2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。
[形態15] 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受取端部を有する第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。
[形態16] 形態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手段からなる、アッセンブリ。[形態17] 形態15記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、冷却媒体を冷却するためのコイルからなる、アッセンブリ。
[形態18] 形態15記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、冷却媒体注入手段からなり、冷却媒体注入手段は、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。
[形態19] 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受取端部を有する第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手段と、
第2ステージ触媒コンバータ手段から延びる排気ガス出口と、を備える、アッセンブリ。
[形態20] 形態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手段からなる、アッセンブリ。[形態21] 形態19記載のアッセンブリにおいて、
冷却手段は、冷却媒体注入手段からなり、冷却媒体注入手段は、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。
[形態22] 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手段に導くステップと、
第2ステージ触媒コンバータ手段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。
[形態23] 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手段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。
Claims (8)
- 火花点火型ガスを燃料とする内燃エンジン(20)からの排気物を減少するための触媒システムを作動する方法であって、
前記エンジンがリッチな空気/燃料比(AFR)状態で作動して、426.6−676.6℃(800−1250°F)の温度である第1の排気ガスを生成するように空気/燃料比(AFR)を制御し、
第1ステージ触媒コンバータ室に前記第1の排気ガスを通過させて、NOxをN2及びO2に還元することによりNOx含有量を最小にし、
前記第1ステージ触媒コンバータ室から出てきた排気ガスを、中間ステージの冷却室に通過させ、前記中間ステージの冷却室は、
(a) ガス温度を制御された温度Tmix=198.8−271.1℃(390−520°F)に調整するように使用される、冷却手段(30)及び冷却バイパス手段(64)と、
(b) 酸素含有量を0.25−1.0%に増加させる、二次空気注入手段と、
を有するものであり、
前記中間ステージの冷却室から出てきた排気ガスを、前記制御された温度Tmixで作動する触媒を含む第2ステージ触媒コンバータ室に通過させて、COをCO2に酸化することによって、排気ガスのNOx含有量を増加させることなくCO含有量を最小にする、各工程を備える、方法。 - 前記エンジン(20)は、熱電併給(CHP)の用途における定常エンジンである、請求項1に記載の方法。
- Tmix=198.8−215.6℃(390−420°F)である、請求項2に記載の方法。
- 前記空気/燃料比(AFR)を制御は、エンジンの空燃比のコントローラを使用して提供される、請求項2に記載の方法。
- 前記ガス燃料は、天然ガスである、請求項4に記載の方法。
- 前記第1ステージ触媒コンバータ室を出たNOxの排気濃度は、O 2 濃度15%で換算した値である3.7ppmより低く、前記第2ステージ触媒コンバータ室を出たCOの排気濃度は、O 2 濃度15%で換算した値である8.9ppmより低く、前記排気濃度は、拡張区間に亘って取られた時間平均データに基づいている、請求項2に記載の方法。
- 前記中間ステージの冷却室で排気ガスを水冷する工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記冷却手段と流体連通する温度調整バルブ(36)を更に備え、前記温度調整バルブは、排気ガスの冷却の度合を調整するために設けられる、請求項1に記載の方法。
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