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

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 Download PDF

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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(699.8K−949.8K(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、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)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)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)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+Oを生じる
CO+OはCO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)及び酸素(O)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)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、触媒コンバータ手段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“CARB 2007”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手段の第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触媒コンバータ手段のステージ1に入るガスは、通常エンジンを出る非常に高い温度(699.8K−949.8K(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手段であるCat1及びCat2を有する触媒コンバータ手段第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922K(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410.9K(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699.8K(約華氏800度))高かったが、O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(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。

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。

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受取端部を有する第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手段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手段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受取端部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、空気注入器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手段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手段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手段46に導くことと、第2ステージ触媒コンバータ手段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。

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触媒コンバータ手段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。
[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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. Tmix=198.8−215.6℃(390−420°F)である、請求項2に記載の方法。
  4. 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。
  5. 前記ガス燃料は、天然ガスである、請求項4に記載の方法。
  6. 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、 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、 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。
  7. 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。
  8. 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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