(57)【要約】  本発明は、選択的触媒還元コーティングを具備する第１触媒（２００）の上流に位置する第１還元剤インジェクタ（２１０）を含む、圧縮点火エンジン（１１０）からの酸化窒素排出レベルを低減するための選択的触媒還元システム（１００）に関するものである。第２還元剤インジェクタ（３１０）は前記第１触媒の下流に位置しており、第２触媒（３００）は前記第２還元剤インジェクタの下流に配置されており、選択的触媒還元コーティングを具備している。【選択図】図１
2009540212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択的触媒還元コーティングを具備する第１触媒（２００）の上流に位置する第１還元剤インジェクタ（２１０）を含む、圧縮点火エンジン（１１０）からの酸化窒素排出レベルを低減するための選択的触媒還元システム（１００）であって、
第１触媒（２００）の下流に位置する第２還元剤インジェクタ（３１０）、及び、
第２還元剤インジェクタ（３１０）の下流に配置されるとともに、選択的触媒還元コーティングを具備する第２触媒（３００）を含むことを特徴とする、選択的触媒還元システム。
【請求項２】
前記第１触媒（２００）は、圧縮点火（ＣＩ）燃焼によって形成された微粒子を捕捉するフィルタ機能部を具備する、請求項１に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項３】
前記第１触媒（２００）は、交互に閉鎖及び開放された上端部及び下端部をそれぞれ有する複数の細長状セル（２６０）を含み、ガス流は、前記セルを構成するセル壁（２６０ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を通過させられ、さらに、選択的触媒還元コーティングは、前記壁（２６０ａ、ｂ、ｃ、ｄ）のいずれか一方または両方にコーティングされる、請求項２に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項４】
酸化触媒コーティングが、前記セル壁（２６０ａ、ｂ、ｃ、ｄ）の上流側にコーティングされる、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項５】
排気ガス中の酸化窒素及び／またはアンモニアの存在を感知するセンサ（２１０、３１０）をさらに含む、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項６】
前記センサ（２１０、３１０）は、それぞれ前記第１触媒（２００）の下流及び前記第２触媒（３００）の下流に配置される、請求項５に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項７】
手段（４００）が、選択的触媒還元システム（１００）に具備された構成要素（２１０、２００、３００、３１０）のいずれかよりも上流に位置されており、前記手段は、選択的触媒還元システム（１００）の温度と、ひいてはパフォーマンス画面とを管理するよう構築される、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項８】
前記手段（４００）は、排気圧力調整器である、請求項７に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項９】
選択的触媒還元コーティングを具備する第１触媒（２００）の上流に位置する第１還元剤インジェクタ（２１０）と、
前記第１触媒（２００）の下流に位置する第２還元剤インジェクタ（３１０）と、さらに、
前記第２還元剤インジェクタ（３１０）の下流に配置され、選択的触媒還元コーティングを具備する第２触媒（３００）と、
を含む排気システムを具備した圧縮点火エンジン（１１０）からの酸化窒素排出を低減するための方法であって、
ａ．第１触媒（２００）の上流における排気流の酸化窒素含有量を予測するステップと、
ｂ．前記予測に基づいて、前記第１触媒の上流に噴射するべき還元剤量を算出するステップと、
ｃ．第１触媒の上流に前記予測した量の還元剤を噴射するステップと、
ｄ．前記第１触媒（２００）の下流及び前記第２触媒（３００）の上流における排気流の残留酸化窒素レベルを測定するステップと、
ｅ．前記残留酸化窒素レベルの測定に従って、還元剤の噴射量を調節するステップと、
ｆ．前記第２触媒の上流における残留酸化窒素レベルに基づいて、前記第２触媒の上流に噴射するべき還元剤量を予測するステップと、
ｇ．前記第２触媒（３００）の下流における酸化窒素レベルを測定するステップと、
ｈ．前記酸化窒素レベルの測定に従って、前記第２触媒（３００）の上流の還元剤の噴射量を調節するステップと、
を含む、酸化窒素の排出を低減する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、選択的触媒還元コーティングを具備する第１触媒の上流において位置する第１還元剤インジェクタを含む、圧縮点火エンジンからの酸化窒素の排出レベルを低減するための選択的触媒還元システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼機関の技術において、少なくとも１９７０年代初頭以来、排気ガスに対する関心が高まってきた。ＳＩ（火花点火）エンジンに関して、１９７０年代中盤に三元触媒が市販されてからというもの、その排気ガスが問題視されることは殆どなかった。
【０００３】
ところが、ＣＩ（圧縮点火）エンジンに関しては、事情がやや複雑である。というのも、ＣＩエンジンは、酸化窒素（ＮＯＸ）及び微粒子（スス）の排出レベルが本質的に高いからである。すなわち、ＣＩエンジンのエンジン燃焼特性に起因して、大量の空気がシリンダ内に流入し、その後圧縮される。次に、圧縮された空気に、エンジン負荷に応じた可変量の燃料が噴射される。噴射された燃料は、空気圧縮に伴う高温によって自発着火する。
【０００４】
噴射された燃料は、拡散燃焼される。すなわち、燃焼速度は、噴射燃料と圧縮空気との混合比率によってある程度制御される。燃料が濃厚な区域ではススが形成されるとともに、高温且つＮＯＸ形成に十分な酸素が残留する燃焼区域ではＮＯＸが形成される。
【０００５】
ＣＩエンジンの排気ガス中のＮＯＸを低減するための排気後処理に関する１つの障害は、上述したように、燃料噴射に先立って大量の空気がシリンダ内に流入することに起因する酸素が存在するということである。従って、シリンダには常に、噴射された燃料全ての消耗に必要な空気量に比して過剰の空気が存在する。排気ガス中に過剰な空気が存在すると、ＮＯＸ排出を低減させるための標準的な三元触媒が使えなくなる。
【０００６】
スス（または微粒子）もまた、ＣＩエンジンの大きな問題であるが、上述したように、ススは、燃料が濃厚な燃焼区域で形成される。燃料噴射圧力を高くすることによって、燃料液滴を小さく形成できることから、スス形成を大幅に低減できるものの、許容可能な噴射圧力の高さには設計限界がある。
【０００７】
ＣＩエンジンのＮＯＸ形成を低減するための種々の方法があるが、最も一般的なのは、噴射タイミングを遅延させる方法である。噴射タイミングの遅延によって、最高燃焼温度が低くなり、その結果、ＮＯＸ形成を減少できる。しかし、このようなＮＯＸ低減方法は、幾つかの深刻な問題を伴う。すなわち、噴射タイミングの遅延による燃料消費の増加とスス形成との両方である。
【０００８】
ＮＯＸ排出を低減する効果的な方法の一つとして、ＳＣＲ（選択的触媒還元）による排気後処理システムの使用が挙げられる。通常のＳＣＲシステムは、例えば、ゼオライト、Ｖ−酸化物（例えば、Ｖ２Ｏ５）、Ｃｕ−ゼオライト、Ｆｅ−ゼオライト、またはＳＣＲに好適なその他任意の公知材料でコーティングされた基板を含む。ＳＣＲシステムは、ＳＩエンジン用の三元触媒とは異なり、排気ガスのみで構築される環境下では稼働できないため、（例えば還元剤などの）何らかの添加剤を排気ガスに添加しなければならない。そのような一般的な添加剤としては、炭化水素や水素は勿論、尿素、すなわち（ＮＨ２）２ＣＯが挙げられる。
【０００９】
ＳＣＲにおける触媒効率は、走行サイクルに関係するが、約６５〜８０パーセントに限られており、その機能はススの存在によって大幅に損なわれる。
【００１０】
スス排出物の排気後処理にはフィルタを使用するが、かかるフィルタは、エンジンの負荷状態に応じた可変の間隔で再生されなければならない。かかる再生の多くは、例えば燃料噴射の極端な遅延、後噴射、流入空気の制限、または任意のその他適切な手段などのあらゆる手段による、排気ガス温度の上昇を意味する。排気ガス温度の上昇によって、フィルタに捕捉されたスス粒子が「燃焼消耗」する。すなわち、排気ガス中の酸素と反応して、二酸化炭素と水が形成される。しかし、再生シーケンス毎に、燃料効率に悪影響が及ぶ。
【００１１】
ＮＯＸ排出に関する現在及び将来の法律においては実質的に、燃料噴射の遅延と、ＳＣＲシステムと、ススフィルタとを組み合わせることが必要となるであろう。その結果、燃料消費が激しくなり、それに伴って温室効果が助長されるとともに運転コストが悪化するという「悪循環」に繋がる。
【００１２】
ＮＯＸ排気後処理を改善できれば、この悪循環を断ち切ることができるはずである。すなわち、燃料消費が最少となるよう燃料噴射タイミングを設定できれば、スス形成が低減され、より容易にＮＯＸを低減できるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って本発明の目的は、高いＮＯＸ変換率を達成できる、排気ガス後処理システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、第１触媒の下流に位置する第２還元剤インジェクタと、第２還元剤インジェクタの下流に配置されるとともに選択的触媒還元コーティングを具備する第２触媒とによって、上述およびその他の問題点を解決するものである。
【００１５】
本発明の一実施形態において、第１触媒は、ＣＩ燃焼によって形成された微粒子を捕捉するフィルタ機能部を含む。この実施形態において、第１触媒は、交互に閉鎖及び開放された上端部及び下端部をそれぞれ有する複数の細長状セルを含むことができる。この場合、排気ガス流は、セルを構成するセル壁を通過させられるとともに、選択的触媒還元コーティングは、壁のいずれか一方または両方にコーティングされる。
【００１６】
酸化能力を有する本発明にかかるシステムをさらに提供するために、酸化触媒コーティングを、セル壁の上流側に施すこともできる。
【００１７】
還元剤インジェクタによって噴射される還元剤量の微細調整のために、排気ガス中の酸化窒素及び／またはアンモニアの存在を感知するセンサを、排気ガス流内に配設してもよい。微細調整の一実施形態は、フィルタ機能部の下流及び第２触媒の下流のそれぞれにセンサを配置するステップを含む。他の実施形態は、第２ＳＣＲ触媒の下流に１つだけ配置される、ＮＯＸまたはＮＨ３用のセンサを具備する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、添付図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。
【００１９】
図１に、本発明にかかる触媒システム１００の概路図を示す。触媒システム１００は、エンジン１１０の排気システムに連結されており、第１触媒２００、第２触媒３００、及び排気圧力調整器（ＥＰＧ）４００を含む。なお、第１触媒２００の設計の詳細は後述する。また、第１還元剤インジェクタ２１０及び第２還元剤インジェクタ３１０はそれぞれ、第１触媒２００の上流及び第２触媒３００の上流にそれぞれ取り付けられる。還元剤は、例えば尿素、炭化水素、水素、または還元性を有するその他任意の適切な種類であってよい。ＮＯＸ−及び／またはＮＨ３センサ２２０，３２０は、第１触媒２００及び第２触媒３００の下流にそれぞれ取り付けられる。代替的に、第１ＮＯＸ−及び／またはＮＨ３センサ２２０は、省略可能である。
【００２０】
触媒２００及び３００の両方は、いわゆるＳＣＲ（選択的触媒還元）触媒であり、その機能は、当業者に周知であるとともに上述の背景技術において簡単に説明された。しかし、触媒２００はさらに、ＣＩエンジンから放出される微粒子を濾過するためのフィルタ機能部を具備する。そのような触媒は基本的に、フィルタ機能とＳＣＲ触媒として機能の両方が得られるよう、ＳＣＲコーティングが施された微粒子フィルタとして設計される。ＳＣＲコーティングは、フィルタの上流側及びフィルタの下流側のいずれか一方または両方に設けることができ、ＳＣＲ触媒として機能する任意の適切なコーティングであってよい。
【００２１】
図２ａに、第１触媒２００を構成するＳＣＲコーティングフィルタ手段２５０の部分平面図を示し、図２ｂには、フィルタ手段２５０の同じ部分の側断面図を示す。フィルタ手段２５０は、複数の細長状フィルタセル２６０を含み、それぞれのフィルタセルは、４つの壁２６０ａ，ｂ，ｃ，ｄと上流面２６５または下流面２７０の一方とによって画定され、１つおきに各セルは上流面を具備し、上流面に隣り合うセルは下流面を具備する。
【００２２】
壁２６０ａ，ｂ，ｃ，ｄは、エンジンの燃焼によって放出される微粒子を捕捉できるよう、十分に小さな孔径を有する多孔性材料製である。フィルタ機能によって基本的に、濾過されていない排気ガスは、開放された上流端部を有するフィルタセルに流入すると、セルの壁を介して、開放された下流端部を有するセルを通り、その後、下流開放端部を介してフィルタ手段から抜け出す。以下、開放上流端部を具備したセルに面する壁２６０ａ，ｂ，ｃ，ｄの表面を「上流壁面」と称し、その他方の壁面を「下流壁面」と称する。上述のようなフィルタシステムは、しばしば「壁式フロースルー（ｗａｌｌ−ｔｈｒｏｕｇｈ−ｆｌｏｗ）」フィルタと称される。
【００２３】
本発明によると、セルの上流壁面と下流壁面のうちのいずれか一方または両方には、ＳＣＲコーティングが施されるが、これによって、第１触媒は二つの機能を有することができる。すなわち、ＮＯＸ排出低減のための、微粒子の濾過機能、及びＮＯＸと還元剤とをＳＣＲ反応させる機能である。そのような二つの機能は、製造コスト面で有利であることは勿論、ＳＣＲ反応がフィルタに堆積した微粒子の燃焼消耗を助けることによって、フィルタ再生の周期が長くなり、最も好ましくはフィルタ再生が不要となるという、さらなる利点も有する。
【００２４】
壁２６０ａ，ｂ，ｃ，ｄの上流壁面と下流壁面のそれぞれに、異なるＳＣＲコーティングを使用してもよい。というのも、異なるＳＣＲコーティングにはそれぞれ、その性能を最大限に発揮できる温度領域があるからである。従って、広い温度範囲を有する触媒を得ることができる。
【００２５】
ある状況下において排気温度の調節が必要な場合、排気圧力調整器４００によって排気温度の調節が可能である。排気温度を上昇させるには、当業者に周知のように、高い排気圧力でエンジンを作動させる。しかし、燃料消費の面では、できるだけ低い排気圧力でエンジンを作動することが常に最も有利である。
【００２６】
本発明の他の実施形態では、上流壁面及び下流壁面のうちのいずれか一方に、酸化触媒コーティングが施されている。このコーティングは、排気ガス中に含まれうる燃料成分、すなわち炭化水素を酸化させる。そして、この酸化によって排気温度が上昇し、大気中への炭化水素の排出が低減する。本発明によると、酸化触媒コーティングが施されていない壁面には、ＳＣＲコーティングが施されている。酸化触媒コーティングの例としては、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、またはイリジウム（Ｉｒ）などの様々な貴金属、卑金属酸化物、或いはこれらの混合物等が挙げられる。
【００２７】
フィルタ孔に堆積した微粒子を燃焼消耗するには、場合によって、一定の期間、排気温度を上昇させる必要がある。この排気温度の上昇は例えば、燃料噴射タイミングの遅延、後噴射、流入空気の制限、可変バルブの作動、排気ガス再循環などの数多くの方法、或いは、当業者に公知のその他任意の方法によって、可能である。
【００２８】
酸化触媒の使用による排気ガス温度の上昇は、酸化触媒の上流側の排気ガス流に燃料を噴射することによって可能である。この燃料は酸化触媒上で触媒燃焼し、その結果、酸化触媒の下流の排気温度が上昇する。触媒２００において微粒子を最も効果的に燃焼消耗するには、セル壁２６０ａ，ｂ，ｃ，ｄの上流壁面に触媒コーティングを施すことが好ましい。
【００２９】
勿論、第１触媒２００の上流に、別の酸化触媒を取り付けて使用することも可能である。また、噴射された還元剤の排出を制限するよう、触媒３００の下流に触媒浄化機能部を設置し使用することは、あらゆるＳＣＲシステムにおいて通例的であるので、図示を省略する。さらに、第１触媒２００は、壁式フロースルーフィルタよりも低い濾過効率を有するフィルタ基板で構成されてもよい。
【００３０】
第２触媒３００は、第１触媒２００と類似であるが、より従来的に触媒設計されることが好ましい。
【００３１】
本発明のさらに別の実施形態において、第１触媒２００及び第２触媒３００は両方とも、従来設計によるものである。かかる場合、微粒子フィルタ（図示せず）をこの２つの触媒の上流に取り付ける必要がある。この実施形態における微粒子フィルタは、上述の方法のうちいずれかを用いて再生される必要がある。
【００３２】
２つの還元剤インジェクタ２１０，３１０は、制御装置（Ｃ）によって、排気ガスに噴射する還元剤量が制御される。また、制御装置（Ｃ）はＮＯＸ形成モデルから、エンジン負荷、エンジン速度、流入空気温度、充電圧力、及びＮＯＸ形成が依存するその他エンジンパラメータなどのパラメータに基づいたデータ入力を得る。ＮＯＸ形成モデルによって、第１触媒２００及び第２触媒３００において十分なＮＯＸ変換を得るために必要な還元剤量を大まかに推測することができる。
【００３３】
また、ＮＯＸ／ＮＨ３センサ２２０，３２０からの情報を用いて、排気ガスに噴射される還元剤量をより細密に制御することが、または、特に還元剤が尿素またはアンモニアである場合に、排気ガスに噴射される還元剤量を微細調整することができる。本発明の一実施形態において、ＮＯＸセンサとＮＨ３センサの両方を組み合わせて使用してよい。それによって、ＮＯＸレベルとＮＨ３のレベルの両方を監視できるようになるので、安全性が向上する。例えば、ＮＯＸセンサが排気ガスに異常に高いＮＯＸ含量を感知すると、通常は制御装置（Ｃ）が大量の還元剤の噴射を指示するところであるが、ＮＨ３センサを設置することによって、排気ガス中の（排気ガスに噴射された還元剤に由来する）多量のＮＨ３の存在が信号伝達され、制御装置（Ｃ）は、排気ガスに噴射する還元剤量を修正することができるようになる。勿論、ＮＯＸ及びＮＨ３センサからの数値が矛盾する場合は、制御装置（Ｃ）は、その旨をドライバーに通知するか、または、そのような故障表示を後にサービスステーションで読み出せるよう、内蔵型の診断ボックス（図示せず）に保存する必要がある。
【００３４】
以上、ＣＩエンジン用ＮＯＸ還元システムの例示的な実施形態を説明した。触媒システムの効率化によって、本発明による触媒システムは、燃料効率を高めるとともにススの排出を低減するよう、最適なＣＩエンジンの運転を可能にする。というのも、かかる最適化によって、ＮＯＸ排出を効果的に低減できるからである。
【００３５】
以上、本発明の例示的な実施形態を説明したが、当業者には理解できるように、上述の実施形態から多くの変形例を作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明にかかる触媒システムの概路図である。
【図２Ａ】触媒として使用可能なフィルタ手段の部分平面図である。
【図２Ｂ】図２ａに示すフィルタ手段の側断面図である。
【図１】
2009540212.tif 000003
【図２Ａ】
2009540212.tif 000004
【図２Ｂ】
2009540212.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成19年12月12日(2007.12.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択的触媒還元コーティングを具備する第１触媒（２００）の上流に位置する第１還元剤インジェクタ（２１０）を含む、圧縮点火エンジン（１１０）からの酸化窒素排出レベルを低減するための選択的触媒還元システム（１００）であって、
第１触媒（２００）の下流に位置する第２還元剤インジェクタ（３１０）、及び、
第２還元剤インジェクタ（３１０）の下流に配置されるとともに、選択的触媒還元コーティングを具備する第２触媒（３００）を含み、
前記第１触媒（２００）は、圧縮点火（ＣＩ）燃焼によって形成された微粒子を捕捉するフィルタ機能部を具備することを特徴とする、選択的触媒還元システム。
【請求項２】
前記第１触媒（２００）は、交互に閉鎖及び開放された上端部及び下端部をそれぞれ有する複数の細長状セル（２６０）を含み、ガス流は、前記セルを構成するセル壁（２６０ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を通過させられ、さらに、選択的触媒還元コーティングは、前記壁（２６０ａ、ｂ、ｃ、ｄ）のいずれか一方または両方にコーティングされる、請求項１に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項３】
酸化触媒コーティングが、前記セル壁（２６０ａ、ｂ、ｃ、ｄ）の上流側にコーティングされる、請求項１または２に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項４】
排気ガス中の酸化窒素及び／またはアンモニアの存在を感知するセンサ（２１０、３１０）をさらに含む、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項５】
前記センサ（２１０、３１０）は、それぞれ前記第１触媒（２００）の下流及び前記第２触媒（３００）の下流に配置される、請求項４に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項６】
手段（４００）が、選択的触媒還元システム（１００）に具備された構成要素（２１０、２００、３００、３１０）のいずれかよりも上流に位置されており、前記手段は、選択的触媒還元システム（１００）の温度と、ひいてはパフォーマンス画面とを管理するよう構築される、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項７】
前記手段（４００）は、排気圧力調整器である、請求項６に記載の選択的触媒還元システム。
【請求項８】
選択的触媒還元コーティングを具備する第１触媒（２００）の上流に位置する第１還元剤インジェクタ（２１０）と、
前記第１触媒（２００）の下流に位置する第２還元剤インジェクタ（３１０）と、さらに、
前記第２還元剤インジェクタ（３１０）の下流に配置され、選択的触媒還元コーティングを具備する第２触媒（３００）と、
を含む排気システムを具備した圧縮点火エンジン（１１０）からの酸化窒素排出を低減するための方法であって、
ａ．第１触媒（２００）に配設されたフィルタ機能部で微粒子を捕捉するステップと、
ｂ．第１触媒（２００）の上流における排気流の酸化窒素含有量を予測するステップと、
ｃ．前記予測に基づいて、前記第１触媒の上流に噴射するべき還元剤量を算出するステップと、
ｄ．第１触媒の上流に前記予測した量の還元剤を噴射するステップと、
ｅ．前記第１触媒（２００）の下流及び前記第２触媒（３００）の上流における排気流の残留酸化窒素レベルを測定するステップと、
ｆ．前記残留酸化窒素レベルの測定に従って、還元剤の噴射量を調節するステップと、
ｇ．前記第２触媒の上流における残留酸化窒素レベルに基づいて、前記第２触媒の上流に噴射するべき還元剤量を予測するステップと、
ｈ．前記第２触媒（３００）の下流における酸化窒素レベルを測定するステップと、
ｉ．前記酸化窒素レベルの測定に従って、前記第２触媒（３００）の上流の還元剤の噴射量を調節するステップと、
を含む、酸化窒素の排出を低減する方法。
【国際調査報告】
2009540212.tif 000006
2009540212.tif 000007
2009540212.tif 000008
2009540212.tif 000009