(57)【要約】      （修正有）【課題】窒素酸化物吸蔵還元（ＮＳＲ）排気制御システムを装着した内燃エンジンの性能および排気制御を改善するシステムを提供する。【解決手段】本システムは、ＮＳＲ触媒２０６、ＮＳＲ触媒の上流に配置された燃料プロセッサ２００、および少なくとも１つの燃料注入口２０８を備える。燃料プロセッサ２００は、燃料を還元ガス混合物（ＣＯおよびＨ２を含む）に変換する。還元ガス混合物は、次いで、ＮＳＲ触媒２０６に送られ、そこでそれはＮＳＲ吸着剤を再生し、ＮＯｘを窒素に還元し、そして必要に応じてＮＳＲ触媒を周期的に脱硫酸する。燃料プロセッサ２００は、１つ以上の触媒（これは、燃焼、部分的酸化、および／または改質のような反応を促進し、そしてエンジン排気流に存在する過剰な酸素の消費を助ける）を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
６〜１５％のＯ２を含む排気流を生成するように作動するディーゼルエンジン；
該排気流を処理するように構成された窒素酸化物吸蔵還元触媒；
該窒素酸化物吸蔵還元触媒の上流位置で該排気流内に配置された燃料プロセッサであって、入口と、出口と、少なくとも１つの触媒とを含む燃料プロセッサ；および、
該燃料プロセッサの触媒の上流で該排気流内に燃料を注入するように構成された少なくとも１つの燃料注入口を備え、ここで、
該燃料プロセッサの少なくとも一部は、該少なくとも１つの燃料注入口を通って該排気流に注入される燃料を反応させるように適合されており、そして該反応の結果として、迅速な加熱を起こすように適合されており；そして、
該燃料プロセッサは、第一触媒セクションおよび第二触媒セクションを備え、該第一触媒セクションは１０〜１００ミクロンの壁厚を有するモノリス構造物であり、該注入された燃料の一部を酸素と反応させて、熱、ＣＯ２、およびＨ２Ｏを生成するように適合されており、そして該第二触媒セクションは、該注入された燃料の別の部分をＨ２Ｏと反応させて、Ｈ２およびＣＯを生成するように適合されている、ディーゼルエンジンのシステム。
【請求項２】
前記燃料プロセッサの熱容量より大きな熱容量を有する熱質量をさらに備え、該熱質量は、該燃料プロセッサより下流であるが、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒より上流に位置する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記熱質量の少なくとも一部は、ディーゼル粒子状物質フィルターを除く粒子状物質フィルター、前記燃料プロセッサ、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒、前記燃料プロセッサの熱容量よりも大きな熱容量を有するモノリス構造物、および、それらの組み合わせからなる群より選択される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記熱質量の少なくとも一部は、金属製のモノリス構造物である、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
燃料プレヒーターをさらに備え、該燃料プレヒーターは、前記燃料プロセッサの上流であり、そして前記燃料注入口の下流である位置に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
燃料気化器をさらに備え、該燃料気化器は、前記燃料プロセッサの上流であり、そして前記燃料注入口の下流にある位置に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
ミキサをさらに備え、該ミキサは、前記燃料プロセッサの上流であり、そして前記燃料注入口の下流にある位置に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ミキサは、静止ミキサである、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記ミキサは、一本のパイプを備え、該一本のパイプは、５より大きな長さ対直径の比率を有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ミキサの少なくとも一部は、ワニスまたは炭素質の沈着物を酸化する能力を有する触媒でコーティングされる、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
一本のパイプをさらに備え、該パイプは、前記燃料プロセッサの上流であり、そして前記燃料注入口の下流にある位置に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記一本のパイプは、ワニスまたは炭素質の沈着物を酸化する能力を有する触媒でコーティングされる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
コントロールシステムをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記コントロールシステムは、前記燃料の流速を測定および調節する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第一触媒セクションおよび第二触媒セクションは、１つのモノリス基板上の２種のコーティングによって形成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記燃料プロセッサは、前記窒素酸化物吸蔵還元触媒に入る全ての排気を処理するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第一触媒セクションは、２５０℃の温度のリーン状態下で排気流中のディーゼル燃料の酸化に触媒作用を及ぼすために有効な濃度であって、前記第二触媒セクション中のパラジウムの濃度より大きい濃度のパラジウムを含有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第二触媒セクションは、６００℃の温度で前記排気流内のディーゼル燃料の流れの改質に触媒作用を及ぼすために有効な濃度であって、前記第一触媒セクション中のロジウムの濃度より大きい濃度のロジウムを含有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも２つの触媒セクションは、直列で存在する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記少なくとも２つの触媒セクションは、並列で存在する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記窒素酸化物吸蔵還元触媒および前記燃料プロセッサは、単一の収容構造物中に配置されない、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記窒素酸化物吸蔵還元触媒および前記燃料プロセッサは、単一の収容構造物内に配置される、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本願は、米国特許出願番号６０／３３７，０２３（２００１年１２月３日出願、および発明の名称「内燃エンジンの改善された排気制御のためのデバイスおよび方法」）に対して優先権を主張し、そして、これは、本明細書においてその全体が参照として援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、概して、内燃（「ＩＣ」）エンジン、より詳細には、窒素酸化物（「ＮＯＸ」）排気を生成するＩＣエンジンの性能および排気制御の改善のためのデバイスおよびシステムに関する。本発明はさらに、概して、排気制御システム、触媒反応システムおよび燃料処理に関する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
大気の品質を改善する努力は、政府が発行した厳しい排気制御および規制へとつながった。過去３０年よりも長く、火花点火ガソリンエンジンからの許容される排気は、実質的に減少してきた。排気を減少させる努力を伴う緊張のもと、燃料効率を増大させるための一般的な希望が存在する。これは、特に、ディーゼルエンジンにとって問題である。ディーゼルエンジンは、非常に効率的であるが、しばしば、ＮＯＸおよび粒子状物質（「ＰＭ」）の両方の非常に高い排気が生成する。実際、ガソリン火花点火エンジン規制に適合させるために、最近のディーゼルエンジンからの排気は、特定のエンジン型に依存して、約１０倍〜約５０倍減少されねばならない。
【０００４】
希薄燃焼（ｌｅａｎ−ｂｕｒｎ）エンジンは、火花点火（「ＳＩ」）エンジンおよび圧縮点火（「ＣＩ」）エンジンの両方を含む。従来のＳＩエンジンと比較して、希薄燃焼ＳＩエンジンは、２０〜２５％のより高い燃料の節約を提供し、他方、ＣＩエンジンは、５０〜１００％のより高い燃料の節約を提供する。ＣＩエンジンは、激務に耐え得る乗り物において米国中において広く使用されており、そして軽い役務のための乗り物におけるその使用が増えると予測される。ＣＩエンジンもまた、旅客の乗り物、軽貨物トラックおよび重量トラック、ならびに発電機において世界の多くの場所で広く使用されている。
【０００５】
現在、自動車の排気制御は、多くが、三元触媒技術に依存する。三元触媒技術は、一酸化炭素（「ＣＯ」）の排気、未燃焼炭化水素（「ＵＨＣ」）およびＮＯＸの排気を還元する。この技術は、理論空燃費、またはほぼ理論空燃費で作動する通常のガソリンエンジンにとって非常に有効であり得る。しかし、三元触媒技術は、概して、希薄燃焼（ｌｅａｎ−ｂｕｒｎ）エンジンに適していない。希薄燃焼エンジンは、非常に大過剰の酸素を含む、全体に非常に燃料分の薄い排気混合物を生成する。これは、排気中の過剰の酸素は、ＮＯＸの還元を妨害するからである。これは、希薄燃焼エンジンおよびＴＷＣベースの排気制御技術の両方にとって主要な制限である。例えば、希薄燃焼ディーゼルエンジンの場合において、排気制御システムは、約６〜１５％の過剰酸素を含む排気流からＮＯＸおよびＰＭを取り除かねばならない。
【０００６】
従って、多くの技術は、希薄燃焼エンジンの排気から、ＮＯＸを取り除く問題に取り組むべき探究してきた。１つのそのような技術は、ＮＯＸ吸蔵還元（ｓｔｏｒａｇｅ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）（「ＮＳＲ」またはＮＳＲ型）システムを利用する。この技術は、科学文献中に記載されており、そして一般的に当該分野において周知である。例えば、この技術の記載は、Ｓ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，ＣＡＴＴＥＣＨ，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．２，ｐｐ．１０２−１０９，２０００およびその中で引用される参考文献（これらは、すべて、その全体が本明細書において参考として援用される）において見いだされ得る。
【０００７】
その文献中に記載されるように、代表的なＮＳＲ触媒は、吸着剤−触媒系を有し、可逆的なＮＯＸ吸蔵または捕捉およびＮＯＸの還元の二重機能を提供する。そのＮＳＲ触媒の１つの成分は、気流中のＮＯＸと反応して、ＮＯＸを酸化条件または排気流を過剰のＯ２を含む条件下で捕捉する。この成分は、その排気流が還元性にされるとき、すなわち、過剰の還元種を含むようにされるとき、ＮＯＸが放出されるように選択される。ＮＳＲ触媒はまた、ＮＯＸ還元触媒を含み、この触媒は、還元剤とともに還元条件下でＮＯＸと反応して非汚染性のＮ２を生成する。排気流が還元性にされるとき、ＮＯＸが放出され、そしてこのＮＯＸがＮＯＸ還元触媒における還元種と反応してＮ２を生成する。吸着剤−触媒系の１つの例は、Ｐｔ／Ｒｈ／Ｂａ／ＴｉＯ２／ＺｒＯ２／γ−Ａｌ２Ｏ３系である。この系は、日本における乗り物において商業的に使用されてきている。
【０００８】
ＮＳＲ触媒の多くの利点は、燃料効率のよい希薄燃焼ＩＣエンジンとのその適合性および有効性；その商業的な受容性；アンモニアも尿素も還元剤として使用する必要がないこと；および理想的な条件において操作されるときの高いＮＯＸ変換を得るその能力である。例えば、９０−１００％のＮＯＸの変換が、還元剤としてディーゼル燃料を使用した理想的条件下でディーゼルエンジンの試験において達成されている。
【０００９】
しかし、ＮＳＲ技術は、いくつかの重大な欠点および限界をもまた有している。ＮＳＲ触媒の再生の間、ＮＳＲ触媒の環境は、捕捉されたＮＯＸをＮ２に変換するためおよびその触媒を再生するためにリッチにされねばならない。その排気における還元環境がエンジン操作をリーンからリッチへと改変することによって得られるべきである場合、エンジンサイクルは、それが操作するように設計されていなかった領域において操作することになる。例えば、大気の取り込みの間スロットルなしで通常作動するディーゼルエンジンは、今度は、豊富な条件（ｒｅｇｉｍｅ）へと大気／燃料比率を変更するためにスロットルを必要とする。さらに、このことは、迅速かつかなり頻繁に、約２〜２０分毎になされねばならない。
【００１０】
燃料は、排気流へと注入され得、そして酸素を消費するため、かつ還元環境を生成するための両方のためにＮＳＲ触媒の上または上流の酸化触媒の上で燃焼され得る。この高い排気温度において、このことは、妥当な再生サイクルおよびＮＯＸ変換効率を与えてきた。しかし、低い負荷および低い排気温度において、この手順は、うまく機能しない。なぜなら、触媒がディーゼル燃料と十分反応性ではないからである。さらに、生成された高温は、ＮＳＲ触媒を、所望されない高温へと駆動し得る。
【００１１】
ＮＳＲ技術の別の欠点は、ＮＳＲ吸着剤が代表的に硫黄に対して非常に感受性があることである。ＮＯＸ吸着剤材料は、燃料に含まれる硫黄酸化物と反応してサルフェートを生成し得る（例えば、Ｓ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，ＣＡＴＴＥＣＨ，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．２，ｐｐ．１０２−１０９，２０００；Ｋ．Ｙａｍａｚａｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｃａｔａｌｙｓｉｓ  Ｂ．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏｓ．３  ａｎｄ  ４，ｐｐ．４５９−４６８，２００１およびそこにおいて引用される参考文献に記載される、これらの文献は、本明細書においてその全体が参考として援用される）。これらのサルフェートは、容易に分解せず、そして徐々に、ＮＯＸ吸着剤を不活性のサルフェートに変換していき、その捕捉効率を減少させる。低硫燃料（例えば、１５ｐｐｍの範囲内）を用いる場合でさえ、ＮＳＲ触媒は、そのＮＯＸ捕捉効率が顕著に減少するまでに約５００〜１０００ビヒクルマイル（ｖｅｈｉｃｌｅ  ｍｉｌｅ）しかもたない。現在および予見可能な排気規制によって要求される１５０，０００〜４００，０００マイルほどもつＮＳＲ触媒を生成するために、ＮＳＲユニットは、産業界において好都合に利用されるにははるかに大きすぎるように設計されねばならない。ＮＳＲ触媒ユニットが５００℃〜６５０℃の温度での還元雰囲気における処理によって脱硫酸（ｄｅｓｕｌｆａｔｅｄ）され得ることが見いだされたが、この環境を、ＮＳＲ捕捉ユニットそのもの内で生成するような様式でエンジンを作動することは非常に困難である。
【００１２】
排気への直接注入によってディーゼル燃料を還元剤として使用することは、１５０℃〜２５０℃の排気流温度では非常に有効であるとはいえない。この温度は、ディーゼルエンジンの操作サイクルのかなりの部分（アイドリングおよび低い負荷を含む）を網羅する。高いＮＯＸ変換が高い入口温度において（例えば、２５０℃〜３００℃またはそれを超える範囲）ディーゼル還元剤を用いて可能であり得るが、これらの温度はしばしば、ディーゼル還元剤はこの温度を有用なアプローチとするために十分に広い範囲の操作条件にわたって入手可能ではない。他の還元剤（例えば、水素、一酸化炭素、アルコールおよびいくつかの低分子量炭化水素（例えば、プロピレン）は、低い温度でより反応性であり、そしてよりよい還元能力を、より広い範囲の操作条件内で提供し得る。しかし、これらの材料の使用は、その乗り物にさらなる燃料源を有させることを必要とし、顕著なインフラおよび設計の問題ならびにコストの増大を提示する。これらの欠点および限界は、ＮＳＲ技術の広い商用および受容を大いに阻んできた。
【００１３】
公開されたＰＣＴ特許出願ＷＯ０１／０３４９５０Ａ１（Ｈ．Ｓ．Ｈｗａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．、これは、本明細書において参考としてその全体が援用される）は、ＮＳＲ触媒の再生の改善に対する１つのアプローチを示す。この出願は、その排気システムに対して外側のシステムにおいて燃料および大気を受け取り、そしてそれを触媒上で処理して部分的に反応した燃料ならびにおそらくいくつかのＨ２およびＣＯの混合物を生成する燃料プロセッサユニットを記載する。次いで、部分的に反応した燃料混合物は、ＮＳＲ触媒再生の必要が生じる場合に、上記排気流に注入される。
【００１４】
しかし、このアプローチは、いくつかの欠点を有する。第一に、このプロセッサは、還元剤を生成することに限定され、これは、排気中の酸素レベルの減少を支援しない。さらに、このデバイスは、最適なＮＳＲ触媒再生または脱硫酸のいずれをも容易にするために十分高い排気温度を提供し得ない。さらに、このデバイスが間欠的にのみ使用されるべき場合、燃料および大気は、間欠的に作動しなければならない。これは、非常に難しい。なぜなら、燃料プロセッサが適切に機能するように高温を維持しなければならないからである。アイドリングまたは低い負荷の操作の間、ＮＳＲ触媒は、最適な燃料経済のために１０〜２０分おきに１回のみ再生され得る。さらに、燃料プロセッサが非常に長い期間高温に維持されねばならないことから、必要でないときにさえ、エネルギー消費が顕著に増大し、そして燃料経済が有害に影響を受ける。最後に、部分的に処理された燃料であるＨ２およびＣＯは、連続的に生成され得ることから、それらは、再生サイクルのために必要とされるまで保存されねばならない。このことは、システム設計全体を複雑にする。従って、現在入手可能なＮＳＲシステムの欠点および限界を克服し得、そして同時に現在の排気および燃料効率問題に対する実用的な解決策を提供するためのシステムおよびデバイスのための多大なる必要性が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
（本発明の簡単な要旨）
本発明は、ＮＳＲ技術を可能にするシステムおよびプロセスを提供することによってこの必要性を満たす。このようにして、ＮＳＲ技術を伴うディーゼルおよび他の希薄燃焼エンジンの大規模な商業使用が容易にされる。ついで、このことは、石油の節約および温室ガス放出の減少を支援するとともに、他方で、厳格な環境規制に適合することを確実とする。
【００１６】
従って、本発明の目的は、ＮＳＲまたはＮＳＲ型の排気制御システムを装着した希薄燃焼ＩＣエンジンの性能および排気における改善を提供することである。ＮＳＲシステムを用いた使用に適した温度で燃料（例えば、ディーゼルまたはガソリン）をＣＯおよびＨ２を含む還元ガス混合物へと変換する能力を有するデバイスを提供することがさらなる目的である。ＮＯＸ吸着剤を再生する能力、ＮＯＸを窒素へと還元する能力および周期的にＮＳＲ型の排気制御システム触媒の脱硫酸をする能力を有する還元ガス混合物を提供することがさらに別の目的である。ディーゼル燃料よりも効率的であるＮＯＸ還元剤および吸着剤−触媒脱硫酸剤を提供することがなおさらなる目的である。ＩＣエンジンを、間欠的な希薄／豊富燃焼モードではなく、連続的な希薄燃焼モードで操作されることを可能にすることがなおさらなる目的である。これらおよび他の目的ならびに利点は、本明細書の以下に示される説明および添付の図面から明白である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
１つの局面において、本発明は、ＮＳＲ触媒、燃料プロセッサおよび少なくとも１つの燃料注入口を備える、過剰酸素を含む排気流において、ＮＯＸを還元するためのシステムを提供することによってこれらの目的を満たす。この燃料プロセッサは、ＮＳＲ触媒の上流位置に配置され、そして入口、出口および少なくとも１つの触媒を備える。燃料は、この燃料注入口に注入され、そして燃料プロセッサ触媒の上で反応して、その燃料プロセッサ触媒の少なくとも一部の温度を迅速に上昇させ、そしてその少なくとも一部がＨ２およびＣＯに変換される。
【００１８】
いくつかのバリエーションにおいて、このシステムは、燃料プロセッサの熱容量よりも高い熱容量を有する熱質量（ｔｈｅｒｍａｌ  ｍａｓｓ）をさらに備える。この熱質量は、例えば、ＰＭフィルター、モノリス構造物であり得、あるいはＮＳＲ触媒もしくは燃料プロセッサの部分であり得る。このシステムは、必要に応じて、燃料プレヒーター、燃料気化器、ミキサおよびコントロールシステムを備え得る。
【００１９】
別の局面において、本発明は、ＮＳＲ触媒吸着剤を再生するための方法を提供することによってこれらの目的を満たす。この方法は、エンジンからの排気流を提供する工程、燃料プロセッサの上流位置へと燃料を注入する工程、必要に応じて、この燃料をその排気流と混合する工程、この燃料および排気流の混合物を、その燃料プロセッサ内で反応させて、ＣＯおよびＨ２を含む還元ガス混合物を生成させる工程、ならびにその還元ガス混合物をＮＯＸトラップへと導入する工程を包含し、それによって、吸着剤が、その還元ガス混合物の導入によって再生される。
【００２０】
１つのバリエーションにおいて、上記燃料は、注入前に気化される。別のバリエーションにおいて、上記燃料は、１より大きな当量比で注入される。別のバリエーションにおいて、上記燃料は、ガソリンまたはディーゼル燃料のいずれかであり得る。さらに別のバリエーションにおいて、上記触媒の少なくとも一部は、少なくとも５００℃にまで加熱される。
【００２１】
別の局面において、本発明は、ＮＳＲシステムとともに使用するための燃料プロセッサユニットを提供することによってこれらの目的を満たす。このユニットは、入口、出口、少なくとも１つの触媒および少なくとも１つの燃料注入口を備える。この燃料注入口は、上記触媒の上流位置に配置され、そして燃料のその触媒への注入を容易にする。その燃料の少なくとも一部は、その触媒上で反応して、その触媒の少なくとも一部の温度を迅速に上昇させ、そしてその燃料の少なくとも一部を、Ｈ２およびＣＯへと変換する。いくつかのバリエーションにおいて、この燃料プロセッサユニットは、ミキサまたはさらなる触媒をさらに備える。
【００２２】
なおさらに別の局面において、本発明は、本発明のシステムとともに使用するための制御戦略を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
本発明の上記および他の局面は、添付の図面とともに、詳細な説明を参照することによって最もよく理解される。
【図１】図１は、例示的なＮＳＲシステムにおけるＮＯＸ吸着および還元を示す。
【図２】図２は、ＮＳＲシステムの上流に燃料プロセッサが配置される、本発明のシステムの１つのバリエーションを例示する。
【図３】図３は、本発明の燃料プロセッサの１つのバリエーションを例示する。ここで、その燃料プロセッサは、単一の触媒を含む。
【図４】図４は、本発明に従って燃料プロセッサを操作する１つの方法を例示する時間ベースのグラフを提供する。
【図５】図５は、本発明の１つのバリエーションを例示する。ここで、燃料プロセッサは、直列で２つの触媒を含む。
【図６】図６は、本発明の１つのバリエーションを例示する。ここで、燃料プロセッサは、並列で２つの触媒を含む。
【図７】図７は、異なる熱質量を有する、燃料プロセッサのための熱的応答曲線の例示的なセットを提供する。
【図８】図８は、本発明を用いた、迅速な加熱およびＨ２の生成を示す試験結果を提供する。
【図９】図９は、代替の燃料およびエンジンのスケジュールを伴う、本発明を用いた迅速な加熱およびＨ２の生成を示す試験結果を提供する。
【図１０】図１０は、本発明の燃料プロセッサを用いた１つの可能な脱硫酸スキームを用いた試験結果を提供する。
【図１１】図１１は、燃料プロセッサの下流に熱質量を含むシステムを伴う、本発明を用いた、迅速な加熱ならびにＨ２およびＣＯの生成を示す試験結果を提供する。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
(本発明の詳細な説明)
１つの局面では、本発明がＩＣエンジンの、特に、ＮＳＲ（ＮＯＸ吸蔵還元型）触媒を装備した希薄燃焼型エンジンの性能および排気制御の向上のためのシステムを提供する。本明細書において「ＮＳＲ触媒」という場合、それはＮＯＸの吸着触媒システムを有するすべてのシステムがそれに従って具現化されていると理解されるべきである。ここで図面を参照するが、すべての図面を通して、同様の数字は同様の要素を示すものであることを示し、図１に典型的なＮＳＲ触媒の動作を図示する。
【００２５】
図１に示すように、吸着サイクル１００の間に排気ガスが触媒を通じて流れるとき、余剰酸素の存在下でＮＯＸが吸着剤によって吸着される。曲線１０２によって示すように、ＮＲＳ触媒は、吸着の効率が非常に良いように設計され得、排気流からＮＯＸがほぼ完全に吸着される。ＮＳＲ触媒は典型的には排気ユニットの中に設置されるキャニスタを含み、そこから排気ガスが流れ得る。典型的な触媒は、その表面または壁にコーティングされた吸着成分および触媒成分を有するハニカム状のモノリス構造物である。
【００２６】
ＮＳＲ触媒の中の吸着剤がＮＯＸで飽和状態になると、完全に吸着する度合いが少なくなり、曲線１０４に示すようにＮＯＸトラップに存在するＮＯＸのレベルが増加し始める。この時点で、排気流の組成が酸化状態から還元状態に変化し、還元サイクル１０６が始まる。その後、還元剤が導入され、曲線１０８によって示すように、酸素レベルがゼロまで減少する。
【００２７】
還元環境では、ＮＯＸが吸着剤から脱着され、ＮＯＸトラップの触媒成分によって窒素に還元される。一般的に、この反応は十分に速く起きるので還元サイクル１０６は比較的短時間であるが、同時に、ＮＯＸの吸着能力が相当の割合で再生されるように十分な時間を取り得る。排気組成はそこで通常の酸化状態に戻り、このすべてのサイクルが繰り返される。典型的には、吸着サイクル１００が、高負荷下では１〜５分、低負荷下またはアイドリング時にはおそらく２０分間いずれの場所においても続く。再生―還元サイクル１０６は、ＮＳＲ触媒の再生に必要な時間に応じて、典型的には１〜１０秒およびおそらくそれ以上長く続く。
【００２８】
再生―還元のための還元ガス組成は、追加の燃料を、燃焼の後半（つまり、パワーストロークの終盤の間、または排気ストロークの間）にエンジンシリンダに噴射するか、またはＮＳＲシステムの上流の排気管に直接噴射するかのいずれかによって得られる。この技術の、全体的なＮＯＸの変換性能または除去性能は、吸着触媒システムの再生―還元性能に影響される。したがって、再生サイクルが不十分な場合、次の吸着サイクルも不十分であり、排気に存在するＮＯＸのレベルは概して非常に高い。
【００２９】
今度は図２を参照すると、本発明のシステムの一般的な概略図が示される。そこに図示するように、燃料プロセッサ２００がエンジン２０４とＮＳＲシステム２０６との間で排気管２０２に沿った位置に設置され得る。このように、排気流がまず燃料プロセッサ２００を通り、その後ＮＳＲシステム２０６を通って流れる。燃料プロセッサ２００は、ＮＳＲシステム２０６と共に単一ハウジング構造の中に設置されてもよいし、設置されなくてもよい。以下でさらに詳細に説明するように、１つの改変例では、ＮＳＲシステム２０６のＮＳＲ吸着を定期的に再生するように、燃料プロセッサ２００が間欠的に動作される。ＮＳＲ吸着を再生する際、燃料２０８が燃料プロセッサ２００に噴射され得るか、燃料プロセッサ２００の上流の位置に噴射され得るか、燃料プロセッサユニット２００および燃料プロセッサユニットの上流の位置の両方に直接噴射され得る。
【００３０】
図３に示すように、１つの改変例では、燃料プロセッサ２００が少なくとも１つの触媒を含む。そこに図示するように、燃料プロセッサ２００が入口３００、出口３０２、および少なくとも１つの触媒３０８を含む。少なくとも１つの燃料噴射口３０４およびオプションミキサー３０６が燃料プロセッサの上流の位置に設置される。さらに、燃料プロセッサ２００が、燃料プレヒーター、燃料気化器、空気または追加の燃料（図示せず）の導入のための二次噴射口、および制御システム（図示せず）をさらに含む。
【００３１】
図３に図示するように、燃料プロセッサ２００が排気ガス混合物３１０を受け取るための入口３００を含む。燃料噴射口３０４が燃料プロセッサ２００の上流の位置に設置され、そこで燃料を受け取る。燃料は、口３０４に噴射された後、燃料プロセッサ２００に入り、排気ガス混合物３１０と化合する。口３０４に噴射される燃料は、蒸気、液体またはその２つの組み合わせの形式を取り得る。噴射される燃料が液体の場合、そのいくらかまたは全ては、熱い排気ガス混合物と接触すると気化し得る。混ざり合うことでこの気化は一層加速され得る。したがって、排気ガス混合物３１０および噴射される燃料はオプションミキサー３０６を通って進み得る。ミキサー３０６はガスの混合を促進しかつ液体粒の気化を助けるのに適する任意のものであり得る。
【００３２】
この混合物は、十分に均質であるのでその結果生じる当量比（Φ）は任意の所望限度内であり、ここでこの当量比は燃料濃度であって、この燃料濃度は、ガス混合物に混ざっている全ての酸素と完全に反応してＣＯ２およびＨ２Ｏを形成するために必要な理論的燃料濃度によって除算されたものである。例えば、排気がＮＯＸトラップに入る前に、排気の酸素濃度をゼロに減らすために燃料プロセッサが使用される場合には、混合のレベルが、要求される混合当量比を決める。ミキサーが、触媒の入口で＋／−１０％の均一性の混合物を生成する場合、１．１の当量比を与えるために燃料が追加され得、触媒における最低当量比を１．０とする。同様に、豊富にＨ２およびＣＯを生成するために動作している燃料プロセッサの部分では、混合物の均一性は、必要な改質性の性能を得るために要求される当量比および要求される温度によっておそらく決定される。一般的に、＋／−２０％の混合均一性が望ましいが、さらに望ましいのは＋／−１０％であり、もっとも望ましいのは＋／−６％である。
【００３３】
１つの改変例では、成分を混合して比較的均一な流れにする、静的な（つまり、動く部品がなにもない）、直列系のミキサーが使用される。この改変例では、ガス流成分の流れを変えることによってミキサーが機能を発揮し、それにより、吸込流の混合を起こす。種々の形式の静的ミキサーが市販されており、それらを使用し得る。例えば、静的ミキサーの１つの形式は、流れをいくつかの部分に分割する交差チャネルのアレイを有し、それらの部分がその後再配置され結合される。他の形式のミキサーはスワーラー（ｓｗｉｒｌｅｒ）および逆回転スワーラーを含み、それらが渦流をガス混合物に分与する。このスワーラーは一方方向に回転する部分とその逆方向に回転する別の部分とを有し得る。パイプ部がまたミキサーとして使用され得る。例えば、５より大きい長さ／内径（Ｌ／Ｄｉ）の比を有する直線のパイプ部または屈曲したパイプ部が使用され得る。
【００３４】
あるいは、このミキサーはファン、タービン、または音響エネルギー入力デバイスなどの動く部品を有し得、それらがガス流内で乱流または混合を引き起こす。しかし、動く部品は消耗し点検が必要となり得、かつより大きなエネルギーの入力を必要とし得るので、このようなミキサーはあまり望ましくない。混合効率における任意の改善についての評価は、非静的混合物に、余分な設計上の複雑さおよびエネルギー消費を許容するほど十分な利点があるかどうかを判断する前に行われるべきである。
【００３５】
さらに、特に、燃料が高分子量を有し熱分解しやすい場合は、ワニスまたは炭素質被膜物が噴霧燃料との接触によってミキサーの部品上に形成される可能性がある。ワニスは、ディーゼル燃料の部分熱分解によって形成される炭化水素様の被膜である。ミキサーの部品はそれらのワニスまたは炭素質被膜物を酸化する能力のある触媒を用いてコーティングされ得る。このようにして、常時クリーニングまたはセルフクリーニングのオーブンのように、触媒が被膜物を防ぐかまたは除去する。
【００３６】
１つの改変例では、燃料噴射口がミキサーとして使用され得る。１つの改変例では、排気管の中で、その燃料噴射口が燃料プロセッサの上流に設置され、排気管の長さがガス混合物を均一に混合するために使用される。この機能を果たすために必要なパイプの長さ部分は一般的にパイプの直径の１０倍と考えられる。この噴射口は、さらに燃料と空気とを混合するために排気管の屈曲部の上流に設置され得る。いくつかの例では、燃料と空気とを触媒へ導入する前に、それらを迅速にまたは短距離で混合することが望ましい。これは、（例えばディーゼル燃料などの）重燃料は熱分解または分解してワニスまたはその他の被膜物を生成しやすく、それが今度はシステムの劣化につながり得るからである。別の改変例では、エンジンの燃料噴射口がミキサーとして使用される。
【００３７】
この燃料および排気の混合物は、次に反応のために触媒３０８に流入する。当該分野では周知のプロセスによって、残りの燃料が水と反応して一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ２）を形成する間に、燃料の一部分が酸素と反応する。Ｈ２およびＣＯは、次に、触媒３０８から流出し、出口３０２を通って燃料プロセッサの外に出る。図２に示すように、Ｈ２およびＣＯは、次に、下流のＮＳＲシステム２０６へと流れ得る。ガス混合物が、Ｈ２および、ほとんどまたは全く酸素を含まないＣＯ還元ガス混合物を含むので、ＮＳＲユニットが急速に効果的に再生される。この再生サイクルの完了で、燃料プロセッサへの燃料の流れが終了し、このシステムは吸着モードに戻る。
【００３８】
触媒３０８は、１つの触媒ユニットを含み得るかまたは直列するいくつかの触媒を含み得る。例えば、第１の触媒は主に、触媒構成物を有する燃焼触媒として設計され、この触媒構成物は、いくらかの燃料と酸素とで反応して二酸化炭素および水となり熱を生成するために選択される。触媒ユニット間に噴射される余剰燃料および／または燃料は次に第２の触媒ユニットへと進みそこで余剰燃料が水および二酸化炭素と反応してＣＯおよびＨ２となる。この第２の触媒は主に例えば改質（ｒｅｆｏｒｍ）触媒として設計され得る。あるいは、１つの触媒が酸化のための入口部と改質のための出口部とを有するように設計され得る。このように、１つの触媒が２つの別々の触媒ユニットとして効果的に機能するように提供される。
【００３９】
触媒３０８が、高表面積耐熱支持体と組み合わされる活性触媒としての１つ以上の金属または酸化物を含み、それらの多くは炭化水素を酸化するために当該分野では周知である。この触媒は、一般的に高表面積支持体と活性触媒要素との混合物を含むポーラスコーティングであるウォッシュコートとして適用され得る。あるいは、そのコーティングは、第２の酸化物部分、または、炭化水素または炭素の酸化に反応する酸化物の混合物を有する多孔性構造の支持体を含み得る。そのコーティングは任意の数のプロセスを用いて適用され得る。例えば、プラズマ溶射、化学蒸着法、電気メッキ、無電解メッキ、（液体中に触媒粒子の懸濁液を含む）噴霧可能なゾルの応用を用いて、またはスラリーの中に部品を浸すことによって適用され得る。本発明で使用され得る触媒の構成物の１つの例がＤａｌｌａ  Ｂｅｔｔａらによる米国特許第５，２３２，３５７号に記載されており、米国特許第５，２３２，３５７号はその全体を本明細書で参照のため援用する。
【００４０】
燃料プロセッサで使用される燃料はそのユニットと互換性があれば任意の燃料であり得る。例えば、エンジンに使用される燃料と同じ種類のものであり得る。燃料がディーゼルまたはガソリンなどの液体の場合、排気ガス混合物が燃料を完全に気化させるのに十分に高熱でないこともあり得る。これらの状況下では、混合物の温度が十分に上げられて、燃料のある部分が、触媒を通って進む排気流の中の酸素と反応を引き起こし、それによって触媒の温度を上昇させる。燃料プロセッサ触媒３０８の温度が上昇するにつれ、残りの液体燃料が触媒内で気化され得る。
【００４１】
あるいは、噴射時に一層たやすく気化されるように燃料が予熱され得る。オプションの燃料ヒーターが、燃料プロセッサユニット自体の内部かまたはその上流の所望の位置のいずれか任意の好都合の場所に配置され得る。燃料は、再生サイクルの期間中、連続噴射または間欠噴射のいずれも行われ得る。連続燃料噴射の場合、燃料の流れの速度および期間が燃料量を制御する。間欠燃料噴射の場合、パルス周波数およびパルス量が燃料量を制御する。噴射される燃料の量は、一般的に、排気流に混合している余剰酸素の全てと反応して、要求される量の還元ガス混合物（ＣＯおよびＨ２）をＮＳＲシステムの動作温度において生成するために十分である。この燃料量は１より大きい当量比に対応する。
【００４２】
一般的に高負荷時は１〜５分間、低負荷時およびアイドリング時にはそれより長く続く、ＮＯＸ吸着相の間は一般的に燃料が噴射されない。その後、ＮＯＸの再生―還元相の間、約１〜１０秒の間、燃料が再び噴射され、エンジンが動作されてＮＯＸが生成されている限り、そのサイクルが繰り返される。燃料噴射の量とタイミングとは燃料プロセッサ制御システムによって任意選択的に制御され得、それはエンジン管理システムまたはエンジン制御ユニットとリンクしているかまたはその一部であり得る。
【００４３】
Ｈ２およびＣＯ還元剤は数多くの反応によって形成され得る。１つの改変例では、触媒の温度を約５００〜７００℃に上げるために燃料の一部分が燃やされ、残りの燃料が、排気流の中のあるいは燃料の燃焼によって形成される、Ｈ２ＯおよびＣＯ２と反応して、所望のＨ２およびＣＯを製造する。あるいは、燃料、Ｏ２、Ｈ２ＯおよびＣＯ２が同時に触媒に反応して所望のＨ２およびＣＯを生産する。
【００４４】
燃料プロセッサはいくつかの任意のモードで動作し得る。例えば１つの動作モードを図４に示す。そこに示すように、再生サイクル４００は熱上昇相Ａおよび還元相Ｂとからなる。エンジンからの酸素濃度４０２、燃料プロセッサ４０４への燃料の流れ、燃料プロセッサ４０６で生成されるＣＯとＨ２、および燃料プロセッサ触媒４０８の温度が示される。熱上昇相Ａの開始時、燃料が燃料プロセッサに４１０によって示される速度で噴射される。これが、曲線４０８で示すように、所望の温度に燃料プロセッサ触媒を熱する。
【００４５】
燃料プロセッサ触媒の温度が所望のレベルに達したとき、エンジンへの空気の流れを一部絞ることによって燃料の流れが増加し４１２、酸素レベル４０２が減少する。酸素濃度の減少と燃料濃度の増加の組み合わせが、燃料プロセッサ触媒の全体的な混合物を濃厚に、つまり、１より大きい当量比を有するようにし、曲線４０６で示すようにＣＯおよびＨ２が製造される。ＮＳＲシステム内のＮＯＸトラップが完全に再生されるとき、プロセッサへの燃料の投入が終了し、エンジンの絞りが再開される。このサイクルの１つの利点は、燃料消費の最小化である。さらに、エンジンはＣＯおよびＨ２が生成される期間中にのみ絞られるので、エンジン性能および運転性における任意の負の効果が最小化される。
【００４６】
別の動作手順もまた可能である。例えば、燃料プロセッサへの燃料の流れが還元剤の生成に要求されるレベルにまで即座に上げられ得る。その後、燃料プロセッサが適切な温度になったとき、ＣＯおよびＨ２の総合的な還元混合物を生成するために、エンジンが絞られ得る。燃料燃焼がより高いので、これが燃料プロセッサ触媒の燃料のより速い温度上昇を容易にし得る。しかし、触媒のオーバーヒートおよびそれによる非活性化を避けるために、特定の手立てが取られるべきである。
【００４７】
再生サイクルの間、燃料プロセッサからのガス流の出口は、触媒３０８をバイパスし得る酸素も含めて、酸素がない状態となる。これは、酸素が還元ガス混合物と混合してＮＳＲ触媒と反応し、したがって再生プロセスの効率を減らすからである。さらに、エンジン動作手順は多くの形式を取り得る。排気の酸素濃度を減らすためにエンジンを絞るよりも、排気ガス再循環システム（「ＥＧＲ」）の流れが増加され得、したがって、排気の酸素レベルの低下を引き起こす。あるいは、エンジン燃料インジェクタによってエンジンに噴射される燃料の量が増加され得る。さらに、これらの方法および他の方法の組み合わせが排気の酸素レベルを下げるために使用され得る。
【００４８】
１つの改変例では、燃料プロセッサが直列の触媒を含む。この改変例では、図５に示すように、酸化触媒が改質触媒の上流に配置される。そこに示すように、燃料プロセッサユニット２００が改質触媒５０２の上流の酸化触媒５００を含む。排気ガス流が、入口５０４を通って燃料リフォーマへ入り、ミキサー５０６、酸化触媒５００、第２ミキサー５０８、改質触媒５０２を通って進み、その後出口５１０から出る。
【００４９】
この改変例では、燃料が燃料インジェクタ５１２を介して噴射され得、改質触媒５０２を熱するために酸化触媒５００と反応させられ得る。改質触媒５０２に対する燃料／空気の比をさらに増やしてＣＯおよびＨ２の生成が起こり得るように、所望する任意の回数、燃料が燃料インジェクタ５１４を介して噴射され得る。この改変例の１つの利点は酸化触媒および改質触媒の機能が分かれていることである。このようにして、各触媒がそれぞれの機能を非常に効率良く行う。
【００５０】
例えば、動作中、余剰酸素が一定の条件の（当量比が１．０より低い）下で動作し、それによって炭素または炭化水素の高活性および低堆積を容易にするように酸化触媒が構成され得る。さらに、改質触媒５０２への燃料の供給が、燃料インジェクタ５１４の近傍で１つ以上のインジェクタを介して別々に行われ得るので、一旦改質触媒の温度がその最適レベルに達すると、燃料が追加され得る。さらに、別々の酸化触媒を有することで、エンジンの近くに配置され得、それによってより高温の排気ガスでの動作を容易にする。これが今度はアイドリングおよび低い環境条件におけるよりよい動作を提供する助けとなる。
【００５１】
この改変例における２つの直列の触媒は幾通りもの構成を有し得る。例えば、触媒が互いに離れて設置され得、かつ別々の上流インジェクタおよびミキサーを有し得る。あるいは、２つの触媒が１つのユニット内に設置され得る。１つのユニット内に設置される触媒を有することは各システムを簡単に再
製させ得る利点を有し、したがって製造における利益を提供する。
【００５２】
別の改変例では、図６に示すように、触媒が平行である。排気ガスは口６００を通って入る。燃料は、次に、燃料インジェクタ６０２を介して噴射されるが、燃料インジェクタ６０２で燃料はミキサー６０４によって排気ガスと混合される。燃料および排気混合物は次に触媒６０６および出口６０８を通って進む。排気混合物の一部は通路６１２を通り、次に触媒６１４を通って進み、共通の出口６０８に進む。触媒６０６は酸化触媒であり、触媒６１４は、改質触媒、または燃焼と、別個の燃料インジェクタ６１０を有する改質触媒との組み合わせである。
【００５３】
この改変例では、燃料が最初に燃料インジェクタ６１０に追加され、それが改質触媒６１４を熱して所望の温度にする。触媒６１４の温度が所望の範囲内でかつ還元混合物が要求されているとき、インジェクタ６０２を介して、１．０に近い当量比で燃料が噴射される。これは主な排気流の中の酸素を消費する。任意選択的に、触媒６１４での混合物の当量比を１．０以上にしてＣＯおよびＨ２を生成するために、インジェクタ６１０を介して、追加の燃料が追加される。なお、触媒６１４における混合物の当量比は、インジェクタ６０２を通して燃料が噴射されるときに増加することに留意されたい。これは、燃料が触媒６１４へ流れる排気流の一部分と混合されて、触媒６１４における燃料組成を、インジェクタ６０２および６１０からの当量比の合計にするからである。
【００５４】
システム全体設計は、任意の数の方法で改変され得る。例えば、システムは、インジェクタ６０２からの燃料が、触媒６１４へ進む排気流と混合されないように改変され得る。もしくは、触媒は、もう一方の触媒から分離された位置に配置され得る。例えば、触媒は、別個のユニットに配置され得、かつ、別個の燃料インジェクタおよびミキサを有し得る。
【００５５】
図６に示される並列構成の１つの利点は、燃料を近くのセクションにのみ添加することによって、改質触媒が高温で予備加熱され得ることである。触媒６０６と比較して、触媒６１４のサイズが小さく、かつ、触媒６１４を通る排気流のフラクションが小さい場合、所望の改質温度まで改質触媒６１４を加熱するために利用される燃料の量は、最小化される。また、非常に小さい熱質量を有する触媒６１４が設計され得ることにより、加熱が迅速に行われ、さらに燃料消費が少なくなる。
【００５６】
一方、下流のＮＳＲシステム触媒は、高すぎる温度にまで加熱されないことが望ましい。なぜなら、過熱は、触媒に損傷を与えるか、または、その触媒を吸着に望ましい動作温度外で駆動し得るからである。これは、触媒６０６の熱質量を増大させることによって実現され得、それにより、メインの排気流から酸素を取り除くため燃料がインジェクタ６０２に添加されたとき、触媒６０６からの出射ガス流はゆっくりと増加する。もしくは、熱質量は、燃料プロセッサ出口流からの熱を吸収し、ＮＳＲシステムに入る前のガス流の温度を低下させるように、燃料プロセッサユニットの下流に配置されてもよい。
【００５７】
本発明の触媒は、任意の適切な材料から構成され得る。例えば、触媒は、コンテナ内のペレットまたはビーズから構成されてもよく、または、モノリス型ハチの巣ユニットであってもよい。媒体の振動がペレットまたはビーズ材料の磨耗およびロスを生じさせ得るので、モノリス型ハチの巣ユニットが望ましい。さらに、モノリス型ユニットでは、通常、流れる排気流の圧力降下がより低い。任意のモノリスが利用され得る。例えば、モノリスは、セラミックであってもよいし、金属であってもよいし、あるいは、様々なセルサイズおよび形状を有していてもよい。セルサイズおよび形状の決定は、所望の表面積および圧力降下、ならびに、関連する熱および質量伝達係数に依存する。例えば、燃料プロセッサ触媒は、迅速に加熱され得るように熱容量が小さいことが望ましい。同様に、システム全体の圧力降下全体が、動作に妨害を与えないか、または、エンジンの効率を低下させないように、燃料プロセッサ触媒は、圧力降下が小さいことが望ましい。
【００５８】
モノリス構造が触媒基板に利用される場合、その外側または壁の表面は、触媒の層によりコーティングされ得る。このウォッシュコートは、アルミナまたはジルコニアのような多孔性不活性酸化物を含み得、大きく露出した表面積を有する。この酸化物の担体は、所望の機能に依存して、酸化または改質に対して活性であるさらなる成分を含み得る。本発明とともに利用する様々なモノリス型触媒の調製および合成は、本明細書中でその全体を参照として援用するＤａｌｌａ  Ｂｅｔｔａらに対する米国特許第５，１８３，４０１号、第５，２５９，７５４号および第５，５１２，２５０号に記載される。
【００５９】
酸化触媒は、炭化水素を酸化することができる任意の触媒を含み得る。例えば、酸化触媒は、元素周期表のＶＩ、ＶＩＩ、ＶＩＩＩおよびＩＢ族のうちの任意のものから選択される元素であり得る。より活性のある触媒元素は、群Ｐｄ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｉｒ、ＣｒおよびＭｏから選択され得る。いくつかの例では、Ｐｄ，Ｐｔ、Ｒｈ、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉを利用することがより望ましい。これらは、別個に、または、組み合わせて利用され得、さらに、実際の利用では、元素または酸化物として存在し得る。
【００６０】
望ましい酸化触媒の１つの特性は、酸化触媒が非常に低温で良好な触媒活性を有することである。このように、酸化は、システム設計の改変なく、低排気温度で開始し得る。この特性は、多くの場合、点火温度、または、排気中の燃料および酸素が反応を開始する温度と呼ばれる。これは、通常、温度が２５０℃より低いこと、より一般的には、１５０℃より低いことが必要とされる。
【００６１】
酸化触媒は、アルミニウム酸化物、シリコン酸化物、ジルコニウム酸化物または混合物およびその組み合わせ、あるいは、さらなる成分または元素を有する混合物またはその組み合わせを含む担体に堆積し得る。例としては、セリウムジルコニウム酸化物混合物または固体溶液、シリカアルミナ、Ｃａ、Ｂａ、ＳｉまたはＬａ安定化アルミナ、ならびに、当該分野で周知の他の担体である。分子量の大きいディーゼル燃料は、高温で熱分解する傾向を有するので、触媒はまた、炭化水素燃料のスチームクラッキングに対して活性である触媒成分を含み得る。可能な添加剤は、カルシウム酸化物、バリウム酸化物、他のアルカリまたはアルカリ土類酸化物、ならびに、希土類酸化物のような基本酸化物を含み得る。触媒は、アルミナまたはジルコニアのような多孔質担体内にＰｄ、Ｐｔまたは任意の他の活性触媒を浸透させることによって生成され得る。メタルローディングは、０．１〜２０重量％の範囲、より望ましくは、１〜１０重量％の範囲であり得る。本発明とともに利用され得るいくつかの例示的な触媒は、その全体を本明細書中で参照として援用するＢｅｔｔａらへの米国特許第５，２３２，３５７号に記載される触媒を含む。
【００６２】
同様に、改質触媒は、添加された活性成分を有する表面積の大きい担体を利用し得る。例えば、改質触媒は、成分Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔを含み得る。触媒は、通常の効率のよい（ｌｅａｎ）酸化条件下で安定し続け、かつ、燃料の添加に極めて迅速に応答することが可能であるように選択され得、それにより、Ｈ２とＣＯとが改質される。この点では、多孔質酸化物担体上にサポートされたＰｔ、ＰｄおよびＲｈを利用することが望ましい。
【００６３】
例えば、通常の改質触媒は、多孔質ジルコニウム酸化物基板上にサポートされた１重量％のＲｈを含み得る。これは、ロジウムトリクロライドを水中に溶解させ、表面積の広い（例えば、１５〜１５０ｍ２／ｇの範囲）固体ジルコニウム酸化物基板上に溶液を浸透させることによって達成され得る。ロジウム濃度は、通常、全ウォッシュコート触媒固体の０．１〜２０重量％の範囲にあり得る。より一般的には、ロジウム濃度は、全ウォッシュコートローディングの１〜１０重量％の範囲にあり得る。ウォッシュコートは、１〜５０ｍｇ／ｃｍ２のローディング厚、より一般的には、５〜１５ｍｇ／ｃｍ２の範囲で、モノリス型ハチの巣構造の内部通路上でコーティングされ得る。ＰｄまたはＰｔ触媒は、同様の態様で調製され得る。
【００６４】
酸化および改質触媒は、酸化および改質成分の両方をウォッシュコートで結合することによって、同じモノリス型ユニットに結合され得る。例えば、活性酸化触媒Ｐｄおよび活性改質触媒Ｒｈは、ジルコニア担体上で結合され得、酸素と燃料とを反応させる酸化活性と、残りの燃料をＣＯおよびＨ２に改質するために必要な改質活性を有する触媒を形成する。もしくは、Ｒｈ成分は、モノリス基板上でコーティングされ、か焼きまたは固定され得る。別個に、Ｐｄは、表面積の大きい担体上でコーティングされ、か焼きまたは固定されてもよい。これらの触媒は、Ｐｄ／Ｒｈ触媒を形成するように一緒に混合されてもよいし、さらに、その後、この混合された触媒は、モノリス基板上でコーティングされてもよい。
【００６５】
ある変形では、システム動作を制御することに役立ち、特に、燃料プロセッサとＮＯＸトラップ触媒との間の温度を緩和することに役立つように、熱質量を利用し得る。これは、燃料プロセッサの最適な動作温度範囲が非常に高くなり得る一方で、ＮＳＲシステムの最適な動作温度範囲は非常に高くなり得ないので、重要であり得る。なぜならば、ＮＯＸトラップ触媒は、高温で不活性化され得るからである。本発明とともに利用する任意の数の熱質量構成が可能であり、任意の数の熱質量が利用され得る。
【００６６】
ある変形では、燃料プロセッサ触媒自体の熱質量は、選択的に制御される。例えば、触媒は、可能な限り少ない燃料を消費するように、可能な限り高速に加熱することが望ましい。これは、通常、燃料プロセッサ触媒の熱質量が比較的小さくなるように、燃料プロセッサ触媒の熱質量を制御することに関する。別の変形では、熱質量は、燃料プロセッサの下流に配置され得、ＮＳＲシステムの過熱の防止に役立つように、燃料プロセッサが放出する熱を吸収する。この熱質量は、燃料プロセッサとＮＳＲシステムとの間に配置されるＰＭフィルタ、または、スストラップであってもよく、別個の熱質量成分であってもよい。ススまたはＰＭフィルタが、熱質量のように、燃料プロセッサとＮＳＲシステムとの間に配置される場合、ＮＳＲシステムは、一定の温度に維持され得る。この設計の１つの利点は、燃料プロセッサによって生成される熱が、炭素のススを焼き払うことに役立つことによって、微粒子トラップを加熱および再生することに利用され得ることである。
【００６７】
熱質量は、任意の適切な材料から生成され得る。例えば、熱質量は、セラミックであってもよいし、金属であってもよい。熱質量は、システム全体にわたる圧力降下がシステム動作を妨げないことを保証するために、高い熱容量および低い圧力降下を有し得る。熱質量の最適な範囲は、少なくともガス流速度および所望の温度上昇の関数であり、したがって、選択的に制御され得る。別の変形では、ＮＳＲシステム自体は、高い熱容量を有するように設計され得る。
【００６８】
図７は、燃料および空気の混合物の燃焼の間の、触媒の加熱のコンピュータシミュレーションの結果を提供する。以下のことが前提とされた。必要とされるエネルギー放出は、ディーゼル燃料の完全燃焼のためのものであった。燃焼エネルギーを利用して、触媒を介して流れるガスの混合物を加熱し、触媒自体を加熱した。ガスと触媒との間には良好な熱伝達が存在した。ガス流速度は、媒体にサイズ合わせされた触媒ユニットとしては通常のものであった。図７に示されるように、触媒ユニットは、燃料がオンにされるとすぐに、高速に加熱された。１００ミクロンの金属モノリス壁の厚さでは、触媒ユニットは、約１２秒で４５０℃に達した。５０ミクロンの壁の厚さでは、触媒ユニットは、約６秒で４５０℃に達し、２５ミクロンの壁の厚さでは、触媒ユニットは、約３秒で４５０℃に達した。したがって、高速加熱のためには、結果として生じる熱質量が小さくなる小さな壁の厚さが望ましい。しかし、壁の厚さまたは熱質量の選択に影響を与え得る他の設計上の配慮が存在し得ることに留意されたい。これらは、触媒の機械的耐久性および金属の酸化に対する抵抗性を含み得る。
【００６９】
金属モノリス型改質触媒ユニットの通常の壁の厚さは、１０〜２００ミクロンの範囲にあり、より一般的には、２５〜５０ミクロンである。図６の並列構成の酸化触媒ユニットあるいは直列構成の熱質量は、実質的にはより厚くてもよく、一般的には５０〜５００ミクロンであり、より一般的には１００〜２００ミクロンである。さらに、上述されたように、水素を迅速に生成するために改質触媒を高速に加熱することが望ましい一方で、酸化触媒の加熱が高速すぎることは望ましくない。なぜなら、これは、下流のＮＳＲ触媒を加熱し過ぎるからである。
【００７０】
別の局面では、本発明は、ＮＯＸトラップの脱硫酸を容易にする。エンジン燃料中の硫黄は、排気システムにおいて硫黄酸化物、すなわち、ＳＯ２またはＳＯ３を生成する。これらの硫黄酸化物（「ＳＯＸ」）は、硫酸塩を形成するようにトラップの成分と反応し得、硫酸塩は、ＮＳＲシステムを不活性化し得る。燃料中の硫黄の通常のレベルは比較的低く、トラップを不活性にすることはどこでも数日から数週間（１００〜１０００マイルのエンジンの利用に対応する）かかり、このトラップはこれより長く作用することができなければならない。本発明のシステムは、このように、トラップを脱硫酸するために利用され得る。ある変形では、これは、５００〜８００℃の範囲の温度を有する出口ガス流を生成するように、燃料プロセッサの酸化部分を動作させることによって達成され得る。これは、５００〜７００℃の範囲の温度まで下流のＮＳＲシステムを加熱する。
【００７１】
ＮＳＲシステムが所望の温度にある場合、燃料プロセッサまでの燃料流およびエンジンスロットルは、Ｈ２およびＣＯを生成し、燃料プロセッサから出る酸素濃度を０まで低減するように調節され得る。この低減されたガスの混合物は、不活性化させた硫酸塩および他の種を分解することによって、ＮＯｘトラップを再生させる。この熱い低減されたガスの混合物は、再生が完了するまで維持され得る。ある変形では、ＮＳＲシステムの再生温度範囲は、通常、約１００〜８００℃であり、より一般的には、５００〜７００℃である。さらに、Ｈ２およびＣＯ還元剤は、連続する長い低減パルスとして、または、多くの短いパルスとして再生するために、ＮＳＲ触媒に供給され得る。
【００７２】
ある変形では、制御プロセッサまたは制御システムを利用して、本発明の様々な局面を制御し得る。任意の数の制御戦略が利用され得る。例えば、ＮＯＸ出力を負荷またはスピード等の所与のエンジン動作条件に対してマッピングする制御システムを利用し得る。このように、ＮＳＲトラップによって収集されるＮＯＸを推定し得、トラップが容量に達した際に、ＮＯｘ再生サイクルが開始され得る。もしくは、ＮＯＸセンサは、ＮＳＲトラップの下流に配置され得る。このように、センサが、ＮＯＸトラップが容量に達したことを感知すると（例えば、突飛なＮＯＸレベルを計測することによって）、再生サイクルが開始され得る。
【００７３】
同様に、制御システムを利用して、任意のまたは全てのシステム温度をモニタリングおよび制御し得る。制御され得る例示的な温度は、入口および出口ガス混合物温度、燃料入力温度、および触媒温度を含む。例えば、リフォーマ触媒温度は、触媒の出口の近傍に配置された熱電対または他の温度感知デバイスを介してモニタリングおよび制御され得る。
【００７４】
同様の態様で、燃料プロセッサの出口における温度は、熱電対を利用して計測およびモニタリングされ得る。温度は、燃料プロセッサまでの燃料流を調節しつつ、排気の酸素レベルを一定のままにしておくことによって制御され得る。もしくは、温度は、燃料プロセッサまでの燃料流を一定に保ちつつ、酸素レベルを調節することによって、例えば、エンジンを絞ることによって、制御され得る。さらに別の代替例は、燃料プロセッサまでの燃料流およびＯ２レベルの両方を調節することである。これは、システムが燃料プロセッサ出口温度および当量比の両方を制御することを可能にする。このように、Ｈ２およびＣＯのレベルが効果的に制御され得る。
【００７５】
燃料プロセッサ温度は、出口のガス温度を計測することによって、または、触媒自体の実際の温度を計測することによってモニタリングされ得る。燃料プロセッサユニットによる燃料の使用を最小化するために、可燃性センサあるいはＨ２またはＣＯセンサが、ＮＳＲトラップユニットの下流に配置され、Ｈ２およびＣＯ還元剤のブレイクスルーを感知し得る。これは、続いて、制御システムに再生サイクルを停止する信号を送る。
【００７６】
燃料プロセッサユニットを利用して、ＮＳＲトラップユニットを脱硫酸する場合、燃料プロセッサユニットの出口における温度を計測して、耐久性を保証する動作温度を制限することが望ましい。さらに、ＮＳＲトラップユニットの出口における温度を計測して、ＮＳＲユニットが再生のための所望の温度にあることを保証し得る。さらに、燃料プロセッサユニットの温度を変化させて、適切な脱硫酸のための所望のＮＳＲユニットの温度を達成し得る。
【００７７】
制御システムを利用して、当量比を制御し得る。例えば、Ｈ２およびＣＯが燃料プロセッサリフォーマによって生成される場合、リフォーマ触媒（改質触媒）への入口における当量比は、燃料流を変化させることによってか、または、エンジンへの気流を絞ることによって制御され得る。より詳細には、通常の動作エンジンの気流では、Ｈ２およびＣＯに燃料をリフォーム（改質）するために必要とされる範囲内に温度がおさまるまで、燃料がリフォーマ触媒に添加され得る。この点では、エンジン気流を絞り、排気の気流およびＯ２濃度を低減し得る。これは、触媒における当量比を増加させ、触媒を豊富な領域に駆動して、Ｈ２およびＣＯを生成する。さらに、リフォーマまでの燃料流を調節して当量比を調節するか、または、エンジンスロットルおよび燃料流の両方を調節して所望のリフォーマ当量比を達成することが可能である。
【００７８】
リフォーマおよび酸化触媒における当量比は、エンジンＲＰＭおよびスロットル設定（エンジン気流を提供する）、エンジン燃料流、ならびに、燃料プロセッサ燃料流（単数または複数）を含む、多くのエンジンパラメータから計算され得る。もしくは、排気Ｏ２レベルは、燃料プロセッサの上流の排気におけるＯ２センサを利用して計測され、かつ、燃料プロセッサ燃料流と結合され、当量比を計算し得る。
【００７９】
具体的に利用され得る１つの例示的制御戦略は、以下のステップを包含する。（１）通常の動作条件下（例えば、約８〜１５％Ｏ２）で燃料を添加して、燃料プロセッサ触媒を動作温度まで加熱するステップ、（２）排気の酸素濃度が４〜６％の間になるようにエンジンを調節するステップ、（３）所望の当量比を達成するように燃料を調節するステップ（例えば、排気ガス再循環によってか、または、摂取空気をエンジンまで絞ることによって）、（４）当量比＞１（例えば、２〜５の範囲）が達成されるように燃料流速度を増加させるか、または、燃料流速度が既に十分に高い場合は、排気Ｏ２を低下させるステップ、（５）ＮＯＸトラップが再生されるまで条件を維持するステップ、（６）燃料をオフにして、通常のエンジン動作を再開させるステップである。
【００８０】
具体的に利用され得る別の例示的制御戦略は、以下のステップを包含する。（１）燃料流を燃料プロセッサへ出発させ、同時に、エンジン排気Ｏ２を低下させるステップ、（２）所望の当量比を達成するように、燃料プロセッサが所望の温度に達した後に燃料流速度を調節するステップ、（３）ＮＯＸトラップが再生されるまで燃料流を維持するステップ、（４）燃料をオフにして、通常のエンジン動作を復旧させるステップである。
【００８１】
上述の２つの特定の戦略のどちらかと組み合わせて、エンジン動作条件を変化させることにより、燃料プロセッサへの排気温度を調節し得る。例えば、燃料プロセッサの入口における排気温度が低すぎて、燃料と排気Ｏ２との間の反応を達成することができない場合、エンジン動作は、排気温度を増加させるように変化し得る。可能なエンジンの変化は、エンジン摂取空気を減少させること、ＥＧＲの量を増加させること、または、ターボチャージャをバイパスすることを含む。同様に、温度計測を利用して、排気ガス温度を制御し得る。例えば、燃料プロセッサの入口または出口における温度は、排気ガス温度のインジケータとして計測および利用され得る。このように、排気温度は、制御され得る。
【００８２】
本発明とともに利用する制御戦略に基づくモデルは、以下のように利用され得る。ＮＳＲ触媒システムの燃料の経済性を最大化するために、ＮＳＲ  ＮＯＸ吸着剤が高い飽和レベルに達した場合にのみ、再生サイクルが実行され得る。これは、再生の頻度および再生に関連する燃料コストを最小化することに役立つ。触媒の準備テストから、または、制御されたエンジンテストから、例えばＮＯＸのモル（ＭＬＮＯｘ）のＮＳＲ  ＮＯＸ吸着剤の最大ローディングが判定され得る。ＮＳＲ触媒の実際の利用の間、ＮＯＸのＮＳＲ触媒への全流量は、排気流に位置するＮＯＸセンサを利用して、触媒入口におけるＮＯＸ濃度の計測から推定され得る。この排気ＮＯＸ濃度（ＣＮＯｘ）を、数学的関数の排気流速度（Ｆｅｘｈ）と組み合わせて、式１を時間（ｔ）について積分することにより、ＮＳＲ触媒を通って流れるＮＯＸの総量（ＬＮＯｘ）を計算し得る。
【００８３】
ＬＮＯｘ＝ｆ（ＣＮＯｘ，Ｆｅｘｈ，ｔ）＝Σｔｆ（ＣＮＯｘ，Ｆｅｘｈ）    等式１
ＬＮＯｘ値がＬＭＮＯｘ値のプリセットされたわずかな値に達すると、再循環サイクルが開始され得る。例えば、ＮＯＸ飽和レベルが８０％未満である場合、ＮＳＲ触媒によって所望のＮＯＸ制御が達成され得ることを立証するために予備試験が用いられ得る。この場合、ＬＮＯｘがＭＬＮＯｘの８０％である場合に再循環サイクルが開始する。再循環が開始された場合のＬＮＯｘ対ＭＬＮＯｘの比が、ＮＯＸ吸着期間の間の平均排気温度、ＮＯＸ生成のレート、平均エンジン負荷、またはＮＳＲ触媒ＮＯＸ吸着剤の容量に影響を及ぼし得る他のパラメータの関数であり得ることに留意されたい。さらに、ＮＳＲ吸着剤は、時間の経過とともに劣化し得るので、ＭＬＮＯｘは、エンジン作動時間、車両走行距離、または、さらに、エンジンが生成した積分された全ＮＯＸ等の全触媒動作時間の関数であり得る。さらに、後述されるように、排気ＮＯＸ濃度および排気流量および他のパラメータは、エンジン動作パラメータから推定され得る。
【００８４】
燃料プロセッサの燃料流量は、所望の熱発生レートまたは所望の当量比を与えるように制御され得る。第１の場合、燃料流量（Ｆｆｕｅｌ）は、燃料プロセッサ吸気口（ＴＦＰ，ｉｎ）の排気温度、全排気流量（Ｆｅｘｈ）、ならびに、燃料プロセッサ触媒質量、燃料燃焼の加熱および熱の所望のレート、エンジンタイプ、触媒サイズ等によって異なり得る燃料および他のシステム定数（ＳＣ）といったいくつかの固定パラメータの関数であり得る。この関数関係は、等式２に示される。
【００８５】
Ｆｆｕｅｌ＝ｆ（ＴＦＰ，ｉｎ，Ｆｅｘｈ，ＳＣ）    等式２
燃料プロセッサへの燃料流量が所望の当量比になるように制御された場合、等式３に示されるように、燃料流量もまた、排気ガス（ＥＯ２）中のＯ２濃度、および燃料プロセッサ（Ｒｅｑ）の動作の所望の当量比の関数である。
【００８６】
Ｆｆｕｅｌ＝ｆ（ＴＦＰ，ｉｎ，Ｆｅｘｈ，ＳＣ，ＥＯ２，Ｒｅｑ）    等式３
排気ガス中のＯ２濃度は、排気ガス中に配置されたセンサを用いて測定され得る。
【００８７】
あるいは、等式１〜等式３におけるパラメータは、エンジンの動作パラメータから計算および推定され得る。例えば、排気流量は、エンジン制御系統の一部分として測定され得るエンジン吸気口エア流量の関数であり得る。あるいは、排気流量は、エンジンｒｐｍおよびターボチャージャ過給圧等の特定のエンジンパラメータから計算され得る。従って、等式４に示されるように、排気流量は、エンジンｒｐｍ（Ｅｒｐｍ）およびエンジンターボチャージャ過給圧（Ｅｂｏｏｓｔ）の関数として表現され得る。排気流量のより正確な推定を引き出す必要に応じて、他のエンジンパラメータが含まれてもよい。
【００８８】
Ｆｅｘｈ＝ｆ（Ｅｒｐｍ，Ｅｂｏｏｓｔ）    等式４
同様に、センサを排気ガス中で用いるのではなく、排気酸素レベルまたは排気ＮＯＸレベルを計算することが所望され得る。なぜなら、このようなセンサは高価であり、十分な耐久性を有し得ないからである。排気中のＯ２またはＮＯＸの濃度は、エンジン燃料流量（Ｅｆｕｅｌ）、エンジンｒｐｍ（Ｅｒｐｍ）、エンジン出力トルク（Ｅｔｏｒｑｕｅ）、ターボチャージャ過給圧（Ｅｂｏｏｓｔ）、エンジンＥＧＲフロー（ＥＥＧＲ）等の１つ以上のエンジン動作パラメータ、ならびに他の可能なエンジンパラメータから推定され得る。この排気Ｏ２濃度は等式５に示されるように決定され、同様に、等式６に示されるように排気ＮＯＸ濃度についても同様に決定され得る。
【００８９】
ＥＯ２＝ｆ（Ｅｆｕｅｌ，Ｅｒｐｍ，Ｅｔｏｒｑｕｅ，Ｅｂｏｏｓｔ，ＥＥＧＲ，等）    等式５
ＥＮＯｘ＝ｆ（Ｅｆｕｅｌ，Ｅｒｐｍ，Ｅｔｏｒｑｕｅ，Ｅｂｏｏｓｔ，ＥＥＧＲ，等）    等式６
等式５および等式６を等式３に代入することによって、燃料プロセッサ燃料レートは、エンジンパラメータから計算または推定され得る。
【００９０】
上述の制御方法は、エンジンまたは排気系統制御ニットにおいて数学的表現の形態であり得るか、または、これらの表現は、１つ以上の多次元テーブル、いわゆるルックアップテーブルに圧縮されて、エンジン制御ユニットに格納され得る。燃料プロセッサ当量比、燃料プロセッサがリッチモードで動作される時間の長さ、燃料プロセッサの動作温度、および燃料プロセッサの他の局面等の他のシステム変数が類似の態様で決定され得る。上述の制御方法を用いる際に、任意の数のセンサ、マイクロプロセッサ、燃料流量レギュレータ、およびスロットルレギュレータが用いられ得、これらのすべては、当業者に周知である。本発明は、以下の非限定的実施例を参照してさらに理解され得る。
【００９１】
（実施例１）
モノリス触媒を、Ｄａｌｌａ  Ｂｅｔｔａらによる米国特許第５，２５９，７５４号に記載されるように調製した。三塩化ロジウムを脱イオン水中で約０．１８ｇＲｈ／ｃｃの濃度で溶解し、その後、約７５ｍ２／ｇの表面積を有する酸化ジルコニウムパウダーを撹拌しながら加えた。その後、混合液を撹拌している間、水中２０％の水酸化アンモニウムの溶液をｐＨ８になるように加えた。この混合液は、その後、気化および乾燥させ、その結果生じたパウダーを７００℃で１０時間空中で焼成した。最終的なロジウム濃度は、最終的な触媒に対して５．５重量％Ｒｈであった。Ｒｈ／ＺｒＯ２触媒を水と２０％の酢酸ジルコニウム溶液の１０重量％とでスラリー化して、固体が約３０％のスラリーを形成した。
【００９２】
厚さ０．０５０ｍｍで幅７５ｍｍで３ｍの長さを有するＫａｗａｓａｋｉ  Ｓｔｅｅｌ  Ｃｏｍｐａｎｙから販売されるＲｉｖｅｒ  Ｌｉｔｅ２０−５Ｓｒのストリップの７５ｍｍ幅にわたってＶ字型チャネルを形成し、このＶ字型チャネルをヘリングボンパターンにする。このフォイルを９００℃で１０時間空中で処理して、表面上に酸化アルミニウムの層を形成した。その後、約６ｍｇ／ｃｍ２の塗布量のＲｈ／ＺｒＯ２スラリーをフォイルの両面に吹き付けた。その後、コーティングされた触媒を７００℃でさらに１０時間空中で焼成した。その後、フォイル部分を２つに折り畳み、圧延して、開いた長手方向のチャネルを有する非ネスティングスパイラルロール（ｎｏｎ−ｎｅｓｔｉｎｇ  ｓｐｉｒａｌ  ｒｏｌｌ）を形成した。最終的な触媒は、直径５０ｍｍを有し、約１７ｇの薄め塗膜を含んだ。
【００９３】
（実施例２）
実施例１からの触媒を、ガス供給、および、質量分析計定量的トレーサ（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  ｔｒａｃｅｒ）としての、空気、窒素およびヘリウム用の質量流量計、電気ヒータ、水用のエアアシストスプレイヤ、ディーゼル燃料用の第２のエアアシストスプレイヤ、ならびに触媒の上流のスタティックミキサーを備える流通反応装置内に配置した。触媒を直径５０ｍｍの絶縁部分に備え、触媒の上流および下流に熱電対温度センサを備えた。質量分析計のサンプリングプローブを触媒排気口の約５０ｃｍ下流に配置した。空気、窒素、および水の流量を調節して、５％Ｈ２Ｏ、８％Ｏ２、０．３％Ｈｅおよび、残りがＮ２の組成を有する、８００ＳＬＰＭ（毎分標準リットル）で流れる混合物を形成した。その後、電気ヒータを用いてこの混合物を３７０℃に加熱した。実施された試験の結果を図８に提供した。
【００９４】
図８Ａは、体積パーセントの濃度単位に変換されたＨ２およびＣＯ２の質量分析計信号を示す。図８Ｂは、排気口面にわたって異なった位置にある触媒のすぐ下流に配置された熱電対によって測定された触媒の排気口におけるガスの温度を示す。図８Ｃは、制御系統によりセットされたＯ２濃度をパーセントで、および、燃料流量をｇ／分で示す。２９８秒に等しい時間に燃料を１０ｇｍ／分流量でオンにした。この燃料を触媒上で燃焼し、図８Ｂにおける３つの熱電対の温度で示されるように、触媒温度は急速に上昇した。図８Ａに示されるように、質量分析計によって測定した、ＣＯ２が直後に発生したことによって、この燃焼の発生を確認した。３０９秒に等しい時間に、空気流量を低減し、これにより、図８Ｃに示されるように、触媒への吸気口における酸素濃度を８％から４％に低減し、燃料流量を１０ｇ／分から３０ｇ／分に増加させた。その直後、質量分析計によって測定すると、図８Ａに示されるようにＨ２が発生した。３２５秒の等しい時間に、燃料流量を終了し、酸素レベルを８％に戻した。ＣＯ２およびＨ２レベルは急速に低減した。
【００９５】
これらのデータは、モノリス触媒が、ディーゼル燃料からＨ２およびＣＯを急速に発生させるように設計され得ること、触媒ユニットの加熱が１０秒未満のうちに生じ得、かつ、Ｈ２およびＣＯ等の所望の還元剤が３〜４秒以内に非常に急速に生成し得ることを示す。全循環プロセスは約２５秒で終了した。
【００９６】
（実施例３）
図９は、水素パルスの生成の別の例を示す。この例において用いられる触媒を、金属フォイルに１．２ｍｍのチャネル高さを有するように波形を付けたことを除いて、実施例１と同様の態様で調製した。空気、窒素、および水の流量を調節して、８％Ｈ２Ｏ、５％Ｏ２、０．３％Ｈｅおよび、残りがＮ２の組成を有する、２００ＳＬＰＭ（毎分標準リットル）で流れる混合物を形成した。その後、電気ヒータを用いてこの混合物を３００℃に加熱した。グラフＡは、体積パーセントの濃度単位に変換されたＨ２およびＣＯ２の質量分析計信号を示す。グラフＢは、２つの熱電対によって測定された、触媒９０６の排気口、および、この排気口９０４から１インチのところにある触媒の内部の温度を示す。グラフＣは、制御系統によってセットされた燃料流量をｇ／分で示す。２６３０秒に等しい時間に、燃料を１．８ｇｍ／分の流量でオンにした。この燃料を触媒上で燃焼させた。そして、触媒の吸気口の近傍の熱電対は急速に低下した。この燃料を、触媒上で燃焼させ、触媒吸気口の近傍の熱電対は急速に低下した。２６３５秒で、燃料流量は、６．５ｇ／分に増加し、グラフＢにおける熱電対の温度によって示されるように、より早いレートの温度上昇を提供した。グラフＡにおける９００によって示されるように、質量分析計によって測定した、ＣＯ２が直後に発生したことによって、この燃焼の発生を確認した。２６４２秒に等しい時間に、燃料流量は、さらに１０ｇ／分に増加して、グラフＣにおける９０８で示されるように、多燃料排気を生成した。その直後、質量分析計によって測定され、かつグラフＡにおける９０２で示されるようにＨ２が発生した。２６５０秒に等しい時間に、燃料流量を終了した。ＣＯ２およびＨ２レベルが急速に低減した。
【００９７】
（実施例４）
可能な脱硫酸サイクルを示すために実施例１の触媒を用いた。空気、窒素、および水の流量を調節して、８％Ｈ２Ｏ、８％ＣＯ２；７％Ｏ２、０．３％Ｈｅおよび、残りがＮ２の組成を有する、５００ＳＬＰＭ（毎分標準リットル）で流れる混合物を形成した。その後、電気ヒータを用いてこの混合物を２５０℃に加熱した。図１０に示されるように、約３２５秒で、燃料をオンにして、燃料プロセッサの温度を上昇させ、５００〜６００℃の排気口ガス温度を発生させた。この高いガスの温度は、短時間の後に、下流のＮＳＲトラップ触媒を５００〜６００℃に加熱する。ＮＳＲ触媒が脱硫酸するための所望の温度である場合、排気Ｏ２レベルが低下し、燃料プロセッサへの燃料の流量が増加（図１０において３７５秒）し、１よりも大きい当量比を取得し、かつ、Ｈ２およびＣＯを発生させてＮＳＲ触媒を脱硫酸した。その結果、この還元条件が長期間の間維持され得るか、または、Ｈ２およびＣＯを含む還元パルスは、この例に示されるように脈動し得る。パルス間で、低レベルの燃料が燃料プロセッサの温度およびＮＳＲ触媒の温度を維持するために燃料プロセッサに供給される。ＮＳＲ触媒が完全に脱硫酸された場合、燃料処理触媒への燃料をオフにし、燃料プロセッサからの排気口ガスの温度は急速に低下する。
【００９８】
（実施例５）
この実施例は、燃料プロセッサの直列の下流における熱質量の効果を示す。図３と同じ触媒を用いた。モノリシック熱抵抗を０．１００インチ厚さの１００ｍｍ幅の金属フォイルから構成し、約１．５ｍｍの高さおよび約５５０ｇの重量のチャネルを有する一体構造を形成するように波形が付けられた。この熱抵抗を実施例３の燃料プロセッサ触媒のすぐ下流に配置し、熱電対は、燃料プロセッサ触媒の上流、すなわち、燃料プロセッサ触媒と、熱質量との間、ならびに熱質量の下流のガス温度をモニタリングした。空気、窒素、および水の流量を調節して、８％Ｈ２Ｏ、８％ＣＯ２；７％Ｏ２、０．３％Ｈｅおよび、残りがＮ２の組成を有する、６００ＳＬＰＭ（毎分標準リットル）で流れる混合物を形成した。図１１に示されるように、５０ヘルツの周波数で約５０％のデューティサイクルで動作するパルスタイプのインジェクタを用いて、燃料を２０ｇ／分で１０分間導入した。曲線１１００は、リフォーマの下流で測定された温度を表し、曲線１１０２は、熱抵抗の下流の排気の温度を表す。７４８秒で、燃料を導入した。リフォーマから出たガスの温度は、７４９秒で上昇し始め、７６０秒で最高５７６℃に達した（燃料流量は、７５８秒で停止した）。同時に、熱抵抗の温度は極めてゆっくりと上昇し、熱容量が比較的大きいために７８１秒で４４５℃に達した。これは、燃料プロセッサを５７６℃に加熱している間（ここで、燃料プロセッサは、必要とされる還元Ｈ２およびＣＯを生成する）、熱質量はガス
流量の温度を緩和し、これにより、この温度は、３１０℃から約４４５℃に上昇した（１３５度上昇しただけである）。この低いガスの温度は短期間上昇し、下流のＮＳＲ触媒の温度が著しく上昇することを防ぐ。
【００９９】
本発明の例示的変形が記載されたが、種々の変更および改変が本発明から逸脱することなく行われ得ることが当業者に明らかである。添付の請求項の範囲は、本発明の実質的範囲および意図の範囲内に入るすべてのこのような変更および改変を含むことが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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