(57)【要約】  【解決手段】  火花点火内燃機関を有する自動車の排出ガスを低減するシステムおよび方法が提供される。前記排出ガスの温度が設定点温度より低い場合は、当該排出ガスが第１段階の触媒コンバーターから第２段階の触媒コンバーターへと通過する際、当該排出ガスの酸素濃度が高められる。前記排出ガスの酸素含有量が高められると、窒素酸化物を再生成することなく（またはわずかな再生成で）、前記第２段階の触媒コンバーターにおける一酸化炭素および／あるいは炭化水素の除去効率が向上する。当該排出ガスの温度が前記設定点温度より高い場合、前記排出ガスの酸素濃度は高められない。  【選択図】      図２
2019513930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
三元触媒を含む第１の触媒コンバーターであって、自動車内の過濃燃焼火花点火内燃機関により生成された排出ガスを受け取る、第１の触媒コンバーターと、
前記第１の触媒コンバーターと流体連通した第２の触媒コンバーターと、
前記第１の触媒コンバーターから前記第２の触媒コンバーターまで延在する導管と、
前記導管と流体連通した空気噴射装置と、
前記空気噴射装置と電気的に通信可能なコントローラであって、前記空気噴射装置は、前記排出ガスの温度が温度設定点より低い場合、前記導管に空気を注入する、コントローラと
を有する装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、前記温度設定点は、４００゜Ｆ〜６５０゜Ｆである装置。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、前記温度設定点は、５５０゜Ｆ〜６００゜Ｆである装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、さらに、
前記導管に内設された熱電対を有し、当該熱電対は前記コントローラと電気的に通信可能である装置。
【請求項５】
請求項１記載の装置において、さらに、
前記空気噴射装置の入口ポートと前記第２の触媒コンバーターとの間で前記導管に内設された酸素センサーを有し、当該酸素センサーは前記コントローラと電気的に通信可能である装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、前記コントローラは、前記排出ガスの温度が前記温度設定点より高い場合、信号を送信して前記空気噴射装置を停止するものである装置。
【請求項７】
装置であって、
三元触媒を含む第１の触媒コンバーターであって、自動車内の過濃燃焼火花点火内燃機関により生成された排出ガスを受け取る、第１の触媒コンバーターと、
前記第１の触媒コンバーターと流体連通した第２の触媒コンバーターと、
前記第１の触媒コンバーターから前記第２の触媒コンバーターまで延在する導管と、
前記導管に連結されたバルブと、
前記バルブと電気的に通信可能なコントローラであって、前記バルブは、前記排出ガスの温度が温度設定点より低い場合、前記導管に空気が入れるようにする、コントローラと
を有する装置。
【請求項８】
請求項７記載の装置において、前記温度設定点は、４００゜Ｆ〜６５０゜Ｆである装置。
【請求項９】
請求項８記載の装置において、前記温度設定点は、５５０゜Ｆ〜６００゜Ｆである装置。
【請求項１０】
請求項７記載の装置において、さらに、
前記導管に内設された熱電対を有し、当該熱電対は前記コントローラと電気的に通信可能である装置。
【請求項１１】
請求項７記載の装置において、さらに、
前記バルブと前記第２の触媒コンバーターとの間で前記導管に内設された酸素センサーを有し、当該酸素センサーは前記コントローラと電気的に通信可能である装置。
【請求項１２】
請求項７記載の装置において、前記コントローラは、前記排出ガスの温度が前記温度設定点より高い場合、信号を送信して前記バルブを閉じるものである装置。
【請求項１３】
請求項７記載の装置において、前記バルブは電磁弁である装置。
【請求項１４】
請求項７記載の装置において、前記バルブはスロットルバルブである装置。
【請求項１５】
自動車からの排出ガスを低減する方法であって、
前記自動車内の火花点火内燃機関から排出ガスを生じる工程であって、前記機関は、過濃燃焼空燃比（ｒｉｃｈ−ｂｕｒｎ  ａｉｒ−ｆｕｅｌ  ｒａｔｉｏ：ＡＦＲ）で動作する、工程と、
第１の三元触媒を含む第１の触媒コンバーターに前記排出ガスを通過させる工程であって、前記第１の触媒コンバーターは、前記排出ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）と、一酸化炭素（ＣＯ）と、炭化水素（ＣｘＨｙ）化合物との第１の濃度を低減する、工程と、
第２の三元触媒を含む第２の触媒コンバーターに前記排出ガスを通過させる工程であって、前記第２の触媒コンバーターは、前記排出ガス中のＣＯおよびＣｘＨｙの第２の濃度を低減し、前記第２の触媒コンバーターは、前記第１の触媒コンバーターの下流に設けられる、工程と、
排出ガス温度が設定点温度より低い場合、空気噴射装置またはバルブにより、前記排出ガスが前記第１の触媒コンバーターから前記第２の触媒コンバーターまで延在する導管を通過する際、前記排出ガスに空気を追加する工程と、
前記排出ガス温度が前記設定点温度より高い場合、前記空気の追加を停止する工程と
を有する方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法において、さらに、
前記第１および第２の触媒コンバーター間に設けられた熱電対で前記排出ガスの温度を測定する工程を有するものである方法。
【請求項１７】
請求項１５記載の方法において、さらに、
前記空気噴射装置の下流かつ前記第２の触媒コンバーターの上流に設けられた前記酸素センサーで前記排出ガスの酸素含有量を測定する工程を有するものである方法。
【請求項１８】
請求項１５記載の方法において、前記設定点温度は、４００゜Ｆ〜６５０゜Ｆである方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法において、前記設定点温度は、５５０゜Ｆ〜６００゜Ｆである方法。
【請求項２０】
請求項１５記載の方法において、さらに、
前記排出ガス温度が前記設定点温度より低い場合、空気の追加を繰り返す工程を有するものである方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は自動車の排出ガス制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排出ガスは、環境に有害な排出ガスを最小限に保つため厳しく規制されている。自動車の排出ガスは、処理を行わないと、汚染物質のレベルが米国環境保護庁および諸州の規定する排出基準をはるかに超えてしまう。規制対象である主な汚染物質としては、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、および未燃炭化水素（ＣｘＨｙ）などがある。
【０００３】
これらの基準を満たすため、自動車には排気処理システムが含まれ、これには一般に２段階の触媒コンバーターが含まれる。そのような排気処理システムの例を図１に示しており、これは先行技術に係る自動車１０のアンダーボディのブロック図である。前記自動車１０は、エンジン１００と、第１の触媒コンバーター１１０と、第２の触媒コンバーター１２０と、マフラー１３０とを含み、これらはパイプまたは導管１４０を通じて互いに流体連通している。動作時、前記エンジン１００は排出ガスを生じ、この排出ガスは導管１４０を通じてまず触媒コンバーター１１０、第２の触媒コンバーター１２０、マフラー１３０に移動したのち、テールパイプ１５０から出る。前記第１の触媒コンバーター１１０は、当業界において「ライトオフ」触媒コンバーターとして知られており、エンジン１００の近くに設けられ、エンジン１００が低温（例えば、６００゜Ｆ未満）であるとき、例えば低温でのエンジン作動中に排出ガスを処理する。前記第２の触媒コンバーター１２０は、当業界において「アンダーボディ」触媒コンバーターとして知られており、当該自動車１０のパッセンジャーコンパートメント（乗員区画）下に、エンジン１００からさらに離れて設けられる。この第２の触媒コンバーター１２０は、通常、前記エンジン１００が加熱する（例えば、６５０゜Ｆを超える）まで、有意に排気処理に寄与せず、この加熱は通常、前記エンジン１００に負荷がかかってから起こる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
既存の排出ガス制御システムの問題は、一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＣｘＨｙ）の排出量、例えば不完全燃焼した燃料からの排出量が、排気温度の低いとき、例えばエンジンをコールドスタートしたあとの暖機運転中に高いことである。コールドスタート後、エンジンおよび排気の温度上昇中に、ＣＯおよびＣｘＨｙ化合物をより効果的に処理する排出ガス制御システムを有することが望ましい。  
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下の説明および図面は、本開示の一定の例示的な実施態様を詳しく説明するものであり、それらの実施態様は、本開示の種々の原理を実現できるいくつかの例示的な態様を示している。ただし、それらの具体例は、数多く考えられる本開示の実施形態をすべて網羅しているわけではない。本開示の他の目的、利点、および新規性のある特徴は、以下の本開示の詳細な説明に記載しており、前記図面と併せて考慮すべきである。
【０００６】
一態様において、本発明は装置を対象とする。前記装置は、三元触媒を含む第１の触媒コンバーターを含み、この第１の触媒コンバーターは、自動車内の過濃燃焼火花点火内燃機関により生成された排出ガスを受け取る。前記装置は、前記第１の触媒コンバーターと流体連通した第２の触媒コンバーターも含む。前記装置は、前記第１の触媒コンバーターから前記第２の触媒コンバーターまで延在する導管も含む。前記装置は、前記導管と流体連通した空気噴射装置も含む。前記装置は、前記空気噴射装置と電気的に通信可能なコントローラも含み、前記空気噴射装置は、前記排出ガスの温度が温度設定点より低い場合、前記導管に空気を注入する。
【０００７】
別の態様において、本発明は装置を対象とする。前記装置は、三元触媒を含む第１の触媒コンバーターを含み、この第１の触媒コンバーターは、自動車内の過濃燃焼火花点火内燃機関により生成された排出ガスを受け取る。前記装置は、前記第１の触媒コンバーターと流体連通した第２の触媒コンバーターも含む。前記装置は、前記第１の触媒コンバーターから前記第２の触媒コンバーターまで延在する導管も含む。前記装置は、前記導管に連結されたバルブも含む。前記装置は、前記バルブと電気的に通信可能なコントローラも含み、前記バルブは、前記排出ガスの温度が温度設定点より低い場合、前記導管に空気が入れるようにする。
【０００８】
別の態様において、本発明は、自動車からの排出ガスを低減する方法を対象とする。前記方法は、前記自動車内の火花点火内燃機関から排出ガスを生じる工程を含み、前記機関は、過濃燃焼空燃比（ｒｉｃｈ−ｂｕｒｎ  ａｉｒ−ｆｕｅｌ  ｒａｔｉｏ：ＡＦＲ）で動作する。前記方法は、第１の三元触媒を含む第１の触媒コンバーターに前記排出ガスを通過させる工程も含み、前記第１の触媒コンバーターは、前記排出ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）化合物と、一酸化炭素（ＣＯ）と、炭化水素（ＣｘＨｙ）との濃度を低減する。前記方法は、第２の三元触媒を含む第２の触媒コンバーターに前記排出ガスを通過させる工程も含み、前記第２の触媒コンバーターは、前記排出ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＣｘＨｙ）の第２の濃度を低減し、前記第２の触媒コンバーターは、前記第１の触媒コンバーターの下流に設けられる。前記方法は、排出ガス温度が設定点温度より低い場合、空気噴射装置またはバルブにより、前記排出ガスが前記第１の触媒コンバーターから前記第２の触媒コンバーターまで延在する導管を通過する際、前記排出ガスに空気を追加する工程も含む。前記方法は、前記排出ガス温度が前記設定点温度より高い場合、前記空気の追加を停止する工程も含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の性質および利点をより完全に理解するため、添付の図面を参照して以下の好適な実施形態に関する詳細な説明を参照する。添付の図面は以下のとおりである。
【図１】図１は、先行技術に係る自動車のアンダーボディのブロック図である。
【図２】図２は、１若しくはそれ以上の実施形態に係る排出ガス制御システムのブロック図である。
【図３】図３は、１若しくはそれ以上の実施形態に係る排出ガス制御システムのブロック図である。
【図４】図４は、例示的な自動車エンジンの排気温度を例示したグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、１若しくはそれ以上の実施形態に係るマイクロプロセッサベース・コントローラにより出力されるデジタル制御信号を例示したグラフである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第１および第２の触媒コンバーター間で前記導管またはパイプに入る空気または酸素の流量を例示したグラフであり、この流量は図５Ａに例示した前記制御信号に対応する。
【図６Ａ】図６Ａは、１若しくはそれ以上の代替実施形態に係るマイクロプロセッサベース・コントローラにより出力されるデジタル制御信号を例示したグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａに例示したデジタル制御信号に対応する空気または酸素の流量を例示するグラフである。
【図７】図７は、１若しくはそれ以上の実施形態に係る排気温度および空気流量を例示したグラフである。
【図８】図８は、１若しくはそれ以上の実施形態に基づいて測定された酸素濃度および空気流量を例示したグラフである。
【図９】図９は、１若しくはそれ以上の実施形態に基づいて測定された酸素濃度および空気流量を例示したグラフである。
【図１０】図１０は、１若しくはそれ以上の実施形態に基づいて自動車における排出ガスを低減する方法を例示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
自動車のコールドスタート後の暖機運転中は、排気温度が設定点温度に達するまで、空気または酸素が排気流に混入する。空気または酸素は、第１段階の触媒コンバーターと第２段階の触媒コンバーター間に混入する。排気中の酸素濃度が増加する結果、排気温度が前記設定点温度より低いと、第２段階の触媒コンバーターで起こる酸化反応の効果は高まる。例えば、排気中の酸素濃度が高められると、排気流からの一酸化炭素および／あるいは未燃または不完全燃焼炭化水素の除去効率が向上する場合がある。
【００１１】
排気温度が前記設定点温度に達すると、その設定点温度を超える温度では生じるが前記設定点温度より低い温度では生じない（またはわずかしか生じない）窒素酸化物の再生成を防ぐため、空気または酸素源はオフにされる。
【００１２】
図２は、１若しくはそれ以上の実施形態に係る排出ガス制御システム２０のブロック図である。この排出ガス制御システム２０は、自動車、例えば上述の自動車１０に導入できる。この排出ガス制御システム２０は、第１の触媒コンバーター２１０と、第２の触媒コンバーター２２０と、マフラー２３０と、空気噴射装置（エアインジェクター）２６０と、コントローラ２７０とを含む。前記第１および第２の触媒コンバーター２１０、２２０は、１若しくはそれ以上の白金族金属（ｐｌａｔｉｎｕｍ  ｇｒｏｕｐ  ｍｅｔａｌｓ、ＰＧＭｓ）、例えばＰｔ、Ｐｄ、および／またはＲｈを有する触媒を含むことができる。一部の実施形態において、第１および第２の触媒コンバーター２１０、２２０の一方または双方は、当該技術分野で公知の三元触媒（ｔｈｒｅｅ−ｗａｙ  ｃａｔａｌｙｓｔ、ＴＷＣ）を含む。
【００１３】
動作時、エンジン２００は運転者により始動される。前記エンジン２００は、過濃燃焼の空燃比（ａｉｒ−ｆｕｅｌ  ｒａｔｉｏ：ＡＦＲ）（すなわち、化学量論ＡＦＲ以下）で動作できる。一部の実施形態において、ガソリンの化学量論ＡＦＲは１４．６４：１（質量比）である。化学量論ＡＦＲは、燃料のタイプに応じて異なる。例えば、化学量論ＡＦＲは、燃料がエタノールを含む場合に低くなる。その一例として、Ｅ８５燃料（８５％エタノール、１５％ガソリン）は約９．８：１の化学量論ＡＦＲを有することができる。エンジンが過濃燃焼で動作する場合、排気の酸素含有量は最低限または実質的にゼロとなる。例えば、酸素含有量は、約０．１体積％またはそれ未満、約０．０５体積％またはそれ未満、および／または約０．０２５体積％またはそれ未満になることがある。
【００１４】
前記エンジン２００が直近に動作していなかった場合、そのエンジン２００および前記排出ガス制御システム２０は、各々の温度が周囲温度または略周囲温度でコールドスタートする。例えば、周囲温度は、自動車の地理的な位置および季節に応じて約０゜Ｆ〜約９０゜Ｆとなる。前記エンジン２００が始動すると排気流が生じ、その排気流は導管２４０を通じて送られ、第１の触媒コンバーター２１０と、第２の触媒コンバーター２２０と、マフラー２３０と、テールパイプ２５０とを通過する。
【００１５】
マイクロプロセッサベースのコントローラ２７０は、エンジン２００が始動したことを示す信号を当該エンジン２００から受け取る。前記信号の受信後、コントローラ２７０は、第２の触媒コンバーター２２０の温度を決定する。例えば、コントローラ２７０は、第２の触媒コンバーター２２０内に若しくはそれに近接して配置された熱電対または他の温度感受性装置への信号を送信できる。前記熱電対は、前記信号に応答して当該熱電対が測定した現在の温度を表す信号を送信し、その温度は第２の触媒コンバーター２２０の現在の温度に対応する。あるいは、前記熱電対は、現在の温度を表す信号を、例えば定期的（例えば、毎５秒）または非定期的に自動送信できる。
【００１６】
前記コントローラ２７０は、前記熱電対からの前記信号を受信して、前記測定された温度を決定する。前記コントローラは、次いで前記測定された温度を、前記コントローラのメモリに格納された温度設定点と比較する。その設定点温度は、約４００゜Ｆ〜約６５０゜Ｆの範囲にでき、これは約４２５゜Ｆ、約４５０゜Ｆ、約４７５゜Ｆ、約５００゜Ｆ、約５２５゜Ｆ、約５５０゜Ｆ、約５７５゜Ｆ、約６００゜Ｆ、および約６２５゜Ｆを含む。本明細書における「約」（ａｂｏｕｔ）とは、該当する値の±１０％をいう。
【００１７】
前記測定された温度が前記温度設定点より低い場合、前記コントローラ２７０は制御信号を空気噴射装置２６０に送信し、第１および第２の触媒コンバーター２１０、２２０間の導管２４０に空気を注入するよう前記空気噴射装置２６０に要求する。前記制御信号は、前記空気噴射装置２６０の設定に関する詳細、例えば要求された空気流出力も提供する。前記測定された温度が前記温度設定点より高い場合、前記コントローラ２７０は空気噴射装置２６０に停止信号を送信して、導管２４０への空気注入を停止するよう空気噴射装置２６０に要求する。空気噴射装置２６０は、それ以前に空気を注入していない場合、前記停止信号に応答して何のアクションも行わない。一部の実施形態において、空気噴射装置２６０は、コントローラ２７０から前記コマンドまたは要求を受信した後、確認応答メッセージをコントローラ２７０に送信する。
【００１８】
定期的または非定期的に、前記コントローラ２７０は、前記熱電対により測定された温度を再確認したのち、新たな温度測定値を前記温度設定点と比較する。その新たな温度が前記温度設定点よりまだ低い場合、前記コントローラ２７０は引き続き空気噴射装置２６０に信号を送信して、導管２４０に空気を注入するよう空気噴射装置２６０に要求する。一部の実施形態において、前記コントローラは、前記測定された温度および／または前記測定された温度と前記温度設定点の差の関数として、より小さい若しくは大きい体積の空気を導管２４０に注入するよう前記空気噴射装置２６０に要求する。
【００１９】
上記の追加態様または代替態様では、１若しくはそれ以上の熱電対または同様な装置を、エンジン２００内に若しくはそれに近接して、第１の触媒コンバーター２１０内に若しくはそれに近接して、導管２４０内に若しくはそれに近接して、および／またはマフラー２３０内に若しくはそれに近接して設けることができる。これら熱電対のいずれかまたは全部はコントローラ２７０と通信可能にでき、コントローラ２７０は第２の触媒コンバーター２２０の温度測定用にこれらを代用できる。
【００２０】
第２の触媒コンバーター２２０の温度が前記温度設定点より低いときに、第１の触媒コンバーター２１０の下流および第２の触媒コンバーター２２０の上流にある排気に空気（特に酸素）を加えると、第２の触媒コンバーター２２０のＣＯおよびＣｘＨｙ化合物に関する除去効率が改善され、ＮＯｘ化合物も再生成されない（またはＮＯｘがわずかしか再生成されない）。ただし、第２の触媒コンバーター２２０の温度が前記温度設定点より高いときに、第２の触媒コンバーター２２０の上流で空気を加えると、望ましくないＮＯｘ化合物の再生成が生じ、排出ガス制御基準への不適合という結果を招くおそれがある。段階間冷却および空気注入を使って同様な利点をもたらす多段排出ガス制御に関する詳細は、本出願人に付与された米国特許第８，５７８，７０４号「Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  Ｎｉｔｒｏｇｅｎ  Ｏｘｉｄｅｓ，  Ｃａｒｂｏｎ  Ｍｏｎｏｘｉｄｅ  ａｎｄ  Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ  ｉｎ  Ｅｘｈａｕｓｔｓ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ」（内燃機関の排出ガス中の窒素酸化物、一酸化炭素、および炭化水素を削減するアセンブリおよび方法）に開示されており、これはこの参照により本明細書に組み込まれる。
【００２１】
一部の実施形態では、酸素センサーが空気噴射装置２６０下流の導管２４０に内設される。この酸素センサーは、空気が導管２４０に注入された後の排出ガスの酸素含有量を測定でき、これをコントローラ２７０がフィードバックとして使用することができる。例えば、コントローラ２７０は、前記測定された酸素含有量を最小および最大酸素含有量と比較できる。例えば、前記最小酸素含有量は、約０．５体積％〜約１．０体積％または約０．７５体積％とできる。前記最大酸素含有量は、約１．０体積％〜約２．０体積％または約１．５体積％とできる。
【００２２】
このフィードバックに応答し、コントローラ２７０は空気噴射装置２６０により注入される空気の体積を調節でき、これは例えば当該空気噴射装置２６０が効果的なデューティサイクルを有するよう当該空気噴射装置をすばやくオフおよびオンにして行える。あるいは、コントローラ２７０は、空気噴射装置２６０の電源または出力を調節できる。
【００２３】
一部の実施形態では、バルブ２６５を導管２４０および空気噴射装置２６０に連結できる。例えば、バルブ２６５、例えばスロットルバルブを、例えばコントローラ２７０からの信号に応答して調節し、空気噴射装置２６０から導管２４０に入る空気の体積を制御できる。あるいは、バルブ２６５は、例えばコントローラ２７０からの信号に応答して調節可能な電磁弁としてもよく、これにより空気が導管２４０に入り若しくは入らないようにして、例えば効果的なデューティサイクルを提供できる。
【００２４】
一代替実施形態では、空気噴射装置２６０を外し、前記バルブ２６５により周囲の空気が第１および第２の触媒コンバーター２１０、２２０間で導管２４０に入れるようにする。前記バルブ２６５は、上述のようにスロットルバルブまたは電磁弁であってよい。前記バルブ２６５は、コントローラ２７０と電気的に通信可能にできる。当業者であれば、他種のバルブも当該システムに組み込めることが理解できるであろう。
【００２５】
一部の実施形態では、前記第１および第２の触媒コンバーター２１０、２２０間に冷却装置を配置できる。この冷却装置は、排気温度を調節してできるだけ長く設定点温度を未満に保つよう構成できる。排気温度が前記設定点温度より低い場合、前記排出ガス制御システムは、一部の実施形態で、より効率的にＣＯおよび／またはＣｘＨｙの排出を低減できる。前記冷却装置は、熱交換器、冷却コイル、水噴射装置、気化冷却器、および／または、排出ガスを冷却するとともに発電できる熱電発電機（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：ＴＥＧ）を含むことができる。前記ＴＥＧは、前記排気温度とは独立して動作でき、例えば発電して自動車の１若しくはそれ以上の構成要素に給電し（例えば、ステレオ、シートヒーターなど）、および／またはバッテリーにエネルギーを蓄積する。自動車に組み込まれたＴＥＧの例は、２０１５年１１月２０日付で出願された米国特許出願第１４／９４７，７２６号「Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｅｘｈａｕｓｔ  ｏｆ  Ｖｅｈｉｃｌｅｓ  ａｎｄ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ」（自動車の排出ガスの排出を低減し発電するシステムおよび方法）に見ることができ、これはこの参照により本明細書に組み込まれる。この'７２６出願は、本願の出願人と同じ出願人による。
【００２６】
図３は、１若しくはそれ以上の実施形態に係る排出ガス制御システム３０のブロック図である。この排出ガス制御システム３０は、自動車、例えば上述の自動車１０に導入できる。この排出ガス制御システム３０は、第１の触媒コンバーター３１０ａ、３１０ｂ（一般には、第１の触媒コンバーター３１０）と、第２の触媒コンバーター３２０と、マフラー３３０と、バルブ３６５と、空気噴射装置（エアインジェクター）３６５と、コントローラ３７０とを含む。排出ガス制御システム３０の前記構成要素は、前記排出ガス制御システムに関して上述した構成要素と同じであっても、実質的に同じであってもよい。
【００２７】
図３に例示したように、エンジン３００はＶ型エンジンである。エンジン２００と同様、Ｖ型エンジン３００は過濃燃焼方式のＡＦＲで動作できる。一般に、このタイプのエンジンの排気システムは、少なくとも２つの並列「ライトオフ」触媒コンバーター３１０をエンジン３００に近接して含む。図示していないが、排出ガス制御システム３０は、付加的な第１の触媒コンバーター３１０を含むことができる。第１の触媒コンバーター３１０は、それに対応する数のシリンダー（気筒）と流体連通させることができる。例えば、エンジン３００が４つのシリンダーを有する場合、第１の触媒コンバーター３１０ａ、３１０ｂは、それぞれ２つのシリンダーと流体連通し（それらから排出ガスを受け取る）。同様に、６シリンダー（気筒）エンジンの場合、第１の触媒コンバーター３１０ａ、３１０ｂは、それぞれ３つのシリンダーと流体連通する。あるいは、付加的な第１の触媒コンバーター３１０ｃ（図示せず）を含めると、各触媒コンバーター３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃは、２つのシリンダーと流体連通することになる。他の種々の構成も可能であり、例えば一方の触媒コンバーター３１０ａを３つのシリンダーと流体連通させる一方、他方の触媒コンバーター３１０ｂを１つのシリンダーと流体連通させることもできる。あるいは、前記第１の触媒コンバーター３１０はエンジン３００と流体連通したマニホールドを通じて連結でき、そのマニホールドから前記第１の触媒コンバーター３１０へ排気を分配できる。
【００２８】
前記第１の触媒コンバーター３１０ａ、３１０ｂの各々の出力導管またはパイプは、第２の導管またはパイプ３４０と合流する。第２の導管３４０は、第２の触媒コンバーター３２０およびマフラー３３０を通じてテールパイプ３５０へと延びる。バルブ３６５は、第２の導管３４０において第１の触媒コンバーター３１０ａ、３１０ｂおよび第２の触媒コンバーター３２０の間に設けられる。あるいは、バルブ３６５は、第１の触媒コンバーター３１０ａおよび／または３１０ｂの出口導管に設けることができる。バルブ３６５は、電磁弁、スロットルバルブ、バタフライバルブ、または他種のバルブであってよい。動作時、コントローラ３７０は、バルブ３６５に制御信号を送信してバルブ３６５が開き若しくは閉じるようにする。一部の実施形態では、前記制御信号により、例えばスロットルまたはバタフライバルブにより、どの程度バルブ３６５が開き若しくは閉じるかが指定される。
【００２９】
上記のように、コントローラ３７０は、第２の触媒コンバーター３２０の温度（または上述のように第２の触媒コンバーター３２０の温度を示す他の温度測定値）が閾値より低いとき、導管３４０に空気を入れて排気中の酸素含有量を増やすよう構成される。前記コントローラ３７０は、第２の触媒コンバーター３２０、導管３４０、または上述のように排出ガス制御システム３０内の他の位置に内設された１若しくはそれ以上の熱電対を使って、第２の触媒コンバーター３２０の温度を決定できる。１若しくはそれ以上の酸素センサーを導管３４０のバルブ３６５と第２の触媒コンバーター３２０間に内設すると、排出ガス・空気混合物の酸素濃度を測定できる。コントローラ３７０は、前記酸素センサーからの情報を、バルブ３６５制御用のフィードバックとして使用できる。
【００３０】
一部の実施形態において、バルブ３６５は、バルブ３６５を経て導管３４０へと空気を強制送出または送出する空気噴射装置、エアポンプ、送風機、ファン、または他の装置に連結される。コントローラ３７０は、バルブ３６５への前記制御信号のほか、前記空気噴射装置・送風機・ファンなどに制御信号を送信できる。
【００３１】
エンジン（例えば、エンジン２００または３００）は、コールドスタートで時間０に始動すると、低温、例えば約１００゜Ｆ〜約２００゜Ｆの排気を生じるが、これは当該エンジンがほぼ周囲温度で始動するためである。周囲温度は、季節および時刻に応じて、例えば氷点下から約１００゜Ｆ若しくはそれ以上までと異なる。グラフ４０の便宜上、コールドスタートでの排気は１５０゜Ｆとしている。エンジンがしばらく作動すると（負荷の有無にかかわらず）、その排出ガスは約１，２００゜Ｆの定常温度に達する。
【００３２】
上記のように、空気または酸素は、排気流の温度が設定点温度、例えば約４００゜Ｆ〜約６５０゜Ｆの範囲より低い場合、第１および第２の触媒コンバーター段階間で排気流に導入される。グラフでは、この設定点４２５を便宜的に６００゜Ｆとしている。すなわち、空気または酸素は、時間０から、排出ガスが前記設定点温度４２５に到達する時間に対応する時間ｔｓｐまでの間、第１および第２の触媒コンバーター段階間で排気流に加えられる。
【００３３】
図５Ａは、１若しくはそれ以上の実施形態に係る上記の噴射装置２６０またはバルブ３６５用マイクロプロセッサベース・コントローラにより出力されるデジタル制御信号５００を例示したグラフ５０である。グラフ５０に示すように、前記制御信号は、コールドスタート（時間０）から、排気が前記設定点温度４２５に達するｔｓｐまで、１に設定される。ｔｓｐの後、前記制御信号は０に設定される。前記噴射装置２６０またはバルブ３６５は、デジタル１に対応した制御信号を受信すると、第１および第２の触媒コンバーター段階間で空気が前記導管に入れるようにし、これを空気を注入するか前記バルブを開くかのどちらか一方により行う。前記噴射装置２６０またはバルブ３６５は、デジタル０に対応した制御信号を受信すると、空気が前記導管に入らないよう空気噴射を停止する。
【００３４】
図５Ｂは、第１および第２の触媒コンバーター間で前記導管またはパイプに入る空気または酸素の流量５５０を例示したグラフ５５であり、この流量は図５Ａに例示した前記制御信号に対応する。グラフ５５に示すように、前記流量５５０は、ｔｓｐまで０から定常流量へと増加し、ｔｓｐから低下する。
【００３５】
図６Ａは、１若しくはそれ以上の代替実施形態に係る上記の噴射装置２６０またはバルブ３６５用マイクロプロセッサベース・コントローラにより出力されるデジタル制御信号６００を例示したグラフ６０である。グラフ６０に示すように、前記制御信号は、コールドスタートから、前記制御信号が０に設定されるｔ１まで、１に設定される。上述のように、前記コントローラは、酸素含有量が所定の体積あたり濃度（例えば、約５％〜約１０％）を超えると、例えばエンジン効率を改善するため、空気流を停止できる。酸素含有量がｔ２で前記所定の濃度を下回ると、前記コントローラは前記制御信号を１に戻す。この工程は、排気がｔｓｐで前記設定点温度４２５に加温されるまで続く。
【００３６】
図６Ｂは、デジタル制御信号６００の値に対応した空気または酸素の流量６５０を例示するグラフ６５である。グラフ６５に示すように、前記流量６５０は、ｔ１まで０から定常流量へと増加し、ｔ１から低下する。この流量は、バルブを閉じ若しくは前記空気噴射装置を停止する際の遅延時間により、ｔ１直後のｔ１′に停止する。この工程はｔｓｐまで続く。
【００３７】
図７は、１若しくはそれ以上の実施形態に係る排気温度および空気流量を例示したグラフ７０である。図示したように、排気温度７００は時間０のコールドスタート（例えば、約１５０゜Ｆの温度）から、時間とともに約１，２００゜Ｆの定常温度へと上昇する。この排気温度７００は、ｔｓｐで６００゜Ｆの設定点温度７２５に達する。また、グラフ７０は、空気流量７５０も排気温度の関数として例示している。図７に示すように、この空気流量７５０は、前記排気温度７００が１００゜Ｆ未満の場合、低い（１０単位、例えばＣＦＭｓ未満）。前記空気流量７５０は、排気温度７００が１００゜Ｆ〜２００゜Ｆの範囲で、１０単位から２０単位へと線形に増加する。
【００３８】
前記排気温度７００が２００゜Ｆに達すると、前記空気流量７５０は、排気温度７００が３００゜Ｆ〜６００゜Ｆの範囲で、最大流量１１０単位まで急激に増加する。前記排気温度７００がｔｓｐで前記設定点温度７２５である６００゜Ｆに達すると、前記空気流量７５０は、前記バルブ、空気噴射装置、または他の装置がｔｓｐで閉じ若しくは閉まるとともに、０まで急激に低下する。
【００３９】
上記のように、前記設定点温度７２５は他の値、例えば約４００゜Ｆ〜約６５０゜Ｆ、約４５０゜Ｆ〜約６００゜Ｆ、約５００゜Ｆ〜約５００゜Ｆ、約５５０゜Ｆ〜約６００゜Ｆとしてもよい。言うまでもなく、種々の空気流量プロファイルも使用でき、例えば前記設定点温度まで時間の関数として流量が線形増加するようにもできる。当業者であれば、本開示の範囲内で付加的な流量プロファイルが可能であることが理解されるであろう。例えば、前記空気流量は、時間０で最大値（例えば、１１０単位）にして、前記排気温度７００がｔｓｐで前記設定点温度７２５である６００゜Ｆに達するまで、その流量で保たれるよう設定できる。
【００４０】
図８は、１若しくはそれ以上の実施形態に係る測定された酸素濃度８１０および空気流量８５０を例示したグラフ８０である。前記測定された酸素濃度８１０は、前記バルブ、空気流噴射装置、または前記第１および第２段階の触媒コンバーター間で排気流に空気を導入する他の装置の下流排気における酸素濃度（体積％）を表す。酸素センサーまたは他の装置は、前記排気中の酸素濃度を測定できる。コントローラは、前記排気の酸素濃度測定値を表す（例えば、電圧として）信号を前記酸素センサーから受信する。前記排気の前記測定された酸素濃度８１０が閾値酸素濃度８２０（例えば、０．５体積％）より低い場合、前記コントローラは、前記バルブ（または前記空気流噴射装置をオンにする）を開いて前記排気流に空気を導入する。前記バルブが開くと、前記空気流量８５０は高い流量へと急激に増加し（例えば、９０単位、例えばＣＦＭｓ）、前記酸素濃度８１０を上昇させる。前記測定された酸素濃度８１０が最大酸素濃度設定点８３０（例えば、２．０体積％）に達するまで前記バルブは開いた状態を保ち（または前記空気流噴射装置はオン状態を保ち）、前記最大酸素濃度設定点８３０に達した時点で前記コントローラは、少なくとも部分的に前記バルブを閉じ（または前記空気流噴射装置をオフにし、またはその流量を下げ）て、前記排気流に入る空気量を低減する（例えば、約２０単位、例えばＣＦＭｓの流量まで）。前記測定された酸素濃度８１０が前記閾値酸素濃度８２０を下回るまで、前記バルブは少なくとも部分的に閉じた状態を保つ（または前記空気流噴射装置は低い設定を保つなど）。このサイクルは、上述のように、前記排気温度が前記設定点温度を超えるまで繰り返され、前記排気温度が前記設定点温度を超えた時点で、空気が導入されなくなる。このサイクルは、前記排気温度が前記設定点温度を下回ると再開可能である。
【００４１】
図９は、１若しくはそれ以上の実施形態に係る測定された酸素濃度９１０および空気流量９５０を例示したグラフ９０である。グラフ８０と対照的に、グラフ９０は、空気流量９５０が、例えば電磁弁により、すばやくオンおよびオフにされることを例示している。この前記流量の高速のオンおよびオフは、約５０％の効果的なデューティサイクルと見なすことができる。この空気流量９５０の高速変動の結果、酸素濃度９１０は１．０％を中央とした正弦波のように見える。前記空気流量９５０の高速変動は、前記酸素濃度９１０の変動を、例えばグラフ８０と比べて、軽減できる。
【００４２】
図１０は、１若しくはそれ以上の実施形態に基づいて自動車における排出ガスを低減する方法を例示したフローチャート１０００である。この方法は、火花点火内燃機関、例えばガソリンエンジンを含んだ自動車のエンジンを始動する工程１０１０を含む。この方法は、前記エンジンが過濃燃焼方式で動作するようＡＦＲを制御する工程１０２０も含む。一般に、過濃燃焼エンジンは、燃料の完全燃焼に必要な化学量論ＡＦＲまたはそれ未満のＡＦＲで動作する。一部の実施形態において、ガソリンの化学量論ＡＦＲは１４．６４：１（質量比）である。そのため、過濃燃焼エンジンは、１４．６４：１またはそれ未満のＡＦＲ、例えば約１４：１、約１３．５：１、約１３：１、または以上の任意の２値間の任意の値または範囲を有することができる。上記のように、前記化学量論ＡＦＲは、ガソリンとエタノールのブレンド、例えばＥ８５の場合、低くなる。エンジンが過濃燃焼で動作する場合、排気の酸素含有量は最低限または実質的にゼロとなる。例えば、前記排気の酸素含有量は、約０．１体積％またはそれ未満、約０．０５体積％またはそれ未満、および／または約０．０２５体積％またはそれ未満になることがある。一部の実施形態において、前記エンジンは、少なくとも一時的に（例えば、アイドリング中）リーンバーン（希薄燃焼）方式で（すなわち、化学量論ＡＦＲ、例えば約１５：１を超えるＡＦＲで）動作する。ＡＦＲは、酸素センサー、エンジン制御ユニット（ｅｎｇｉｎｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ：ＥＣＵ）、および／または当該技術分野で公知の空燃比計を使って制御できる。
【００４３】
工程１０３０において、前記過濃燃焼中のエンジンからの排出ガスは、パイプまたは導管を通過し、三元触媒を含むことのできる第１段階の触媒コンバーターに送られる。この第１段階の触媒コンバーターは、前記排気中のＮＯｘ、ＣＯ、およびＣｘＨｙ化合物の一部または実質的に全部を酸化還元反応により除去して、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、およびＯ２を形成することができる。一部の実施形態では、２若しくはそれ以上の第１段階の触媒コンバーターが並列構成され、その各触媒コンバーターはエンジンから生じた排出ガスの一部を受け取る。
【００４４】
工程１０４０では、マイクロプロセッサベースのコントローラが前記排気の温度を決定する。その温度は、自動車の排出ガス制御システムに内設された熱電対または類似装置により決定できる。例えば、前記熱電対は、前記エンジンの出口付近で当該エンジンと前記第１段階の触媒コンバーター間の導管内、前記第１段階の触媒コンバーターまたはその付近、または前記第１および第２段階の触媒コンバーター間の導管内に配置できる。一部の実施形態では、１より多くの熱電対を自動車の排出ガス制御システムに内設でき、前記コントローラが前記熱電対の平均測定値を取得する。前記熱電対は前記コントローラと電気的に通信可能であり、当該熱電対が測定した温度を表す信号（例えば、電圧）を出力する。前記コントローラは、前記熱電対からの前記信号を温度測定値に変換する。
【００４５】
工程１０５０では、前記コントローラが前記測定された温度を、前記マイクロプロセッサと通信可能なメモリに格納された設定点温度と比較する。前記設定点温度は、約４００゜Ｆ〜約６５０゜Ｆ、約４５０゜Ｆ〜約６００゜Ｆ、約５００゜Ｆ〜約５００゜Ｆ、約５５０゜Ｆ〜約６００゜Ｆにできる。
【００４６】
前記測定された温度が前記温度設定点より低い場合、前記コントローラは制御信号を送信して、前記排気が前記第２段階の触媒コンバーターを通過する前に、当該排気の酸素含有量を増加させる（１０６０）。前記制御信号は、前記第１および第２の触媒コンバーター間に延在する導管またはパイプ上のバルブに送信できる。例えば、この制御信号で電磁弁を開いて空気が前記導管またはパイプを通過できるようにできる。別の例では、前記制御信号により、アクチュエータにスロットルまたはバタフライバルブを全開位置または一部開いた位置まで開かせることができる。前記スロットルまたはバタフライバルブの位置は、前記測定された温度、前記排気流量、および／または前記導管またはパイプ内で前記排気が及ぼす圧力に、少なくとも部分的に基づくようにできる。別の例では、前記制御信号により、空気噴射装置、エアポンプ、送風機、ファン、または他の装置が、前記第１および第２段階の触媒コンバーター間の導管またはパイプへと空気を強制送出または送出するようにできる。バルブは、前記空気噴射装置または他の装置と、前記導管またはパイプとの間に配置できる。前記空気噴射装置または他の装置の設定は、上述のように、前記測定された温度、前記排気流量、および／または前記導管またはパイプ内で前記排気が及ぼす圧力に、少なくとも部分的に基づくようにできる。前記空気噴射装置または他の装置は、単一スピードまたは設定、あるいは可変スピードまたは設定を有することができる。例えば、単一スピードまたは設定の空気噴射装置は、オンまたはオフにしかできない。可変スピードまたは設定の空気噴射装置は、種々の空気の流量を提供する。
【００４７】
一部の実施形態において、酸素センサーは、前記第１および第２段階の触媒コンバーター間の前記導管またはパイプにおいて前記バルブまたは空気噴射装置入口の下流に配置される。当該酸素センサーは、前記排気流に空気を加えた後の排気中の酸素含有量を測定できる。前記コントローラは、前記測定された酸素含有量をフィードバックとして使い、前記排気に加える空気の量を調節できる。例えば、前記コントローラは、所定の範囲内、例えば約０．５体積％〜約２．０体積％に酸素濃度を維持できる。
【００４８】
前記排気の酸素含有量を高めたのち、本方法は工程１０７０へと進み、前記酸素を加えた排気が前記第２段階の触媒コンバーターを通過する。第２段階の触媒コンバーターは、上述のようにＴＷＣすなわち三元触媒を含むことができる。この第２段階の触媒コンバーターは、前記排気中の一酸化炭素（ＣＯ）および未燃炭化水素（ＣｘＨｙ）の一部または実質的に全部を酸化還元反応により除去して、二酸化炭素および水を形成することができる。一部の実施形態では、２若しくはそれ以上の第２段階の触媒コンバーターが並列構成され、その各触媒コンバーターは前記酸素を加えた排気の一部を受け取る。前記排気の温度は前記設定点温度より低い（例えば、約４００゜Ｆより低い）ため、前記排気に酸素を加えると、ＣＯおよびＣｘＨｙの酸化反応を改善でき、結果として上述のようにＮＯｘ化合物を再生成することなく（またはわずかな再生成で）ＣＯおよびＣｘＨｙの排出量を低減できる。
【００４９】
前記測定された温度が前記温度設定点より高い場合、前記コントローラは制御信号を送信して、前記排気の酸素含有量の増加を停止する（１０８０）。前記制御信号では、前記バルブを閉じ、および／または前記空気噴射装置または他の装置を停止させることができる。ただし、例えばそれ以前の排気温度測定値が前記設定点温度より高かったことにより、前記排気に空気が加えられない場合、前記バルブはすでに閉じており、および／または前記空気噴射装置または他の装置はすでに停止されているため、前記コントローラは何の動作も行う必要はない。あるいは、前記コントローラは、それ以前の排気温度測定値が前記設定点温度より高かった場合でも、前記制御信号を送信する。
【００５０】
酸素または空気流が停止されたのち（またはそれ以前の排気温度測定値が前記設定点温度より高かったため何の動作も必要ない場合）、前記排気は、上述のように、前記第２段階の触媒コンバーターを通過する（１０７０）。前記設定点温度を超える温度では、前記第２段階の触媒コンバーターは、酸素濃度を高めることなく、ＣＯおよびＣｘＨｙ化合物を効率的に除去できる。前記排気温度が前記設定点温度より高いとき前記排気に酸素が加えられた場合は、前記第２段階の触媒コンバーターがＮＯｘ化合物の濃度を高めてしまい、当該自動車が排出基準に適合できない場合がある。
【００５１】
そのため、以上から、自動車の排気が前記第１および第２段階の触媒コンバーター間を通過する際に前記排気に酸素を加えると（空気または他の酸素源により）、前記排気温度が設定点温度より低い場合は、汚染物質である窒素酸化物を再生成することなく（またはわずかな再生成で）前記第２段階の触媒コンバーターにおける一酸化炭素および／または未燃炭化水素の除去を改善できることがわかる。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成31年3月14日(2019.3.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
これらの基準を満たすため、自動車には排気処理システムが含まれ、これには一般に２段階の触媒コンバーターが含まれる。そのような排気処理システムの例を図１に示しており、これは先行技術に係る自動車１０のアンダーボディのブロック図である。前記自動車１０は、エンジン１００と、第１の触媒コンバーター１１０と、第２の触媒コンバーター１２０と、マフラー１３０とを含み、これらはパイプまたは導管１４０を通じて互いに流体連通している。動作時、前記エンジン１００は排出ガスを生じ、この排出ガスは導管１４０を通じてまず触媒コンバーター１１０、第２の触媒コンバーター１２０、マフラー１３０に移動したのち、テールパイプ１５０から出る。前記第１の触媒コンバーター１１０は、当業界において「ライトオフ」触媒コンバーターとして知られており、エンジン１００の近くに設けられ、エンジン１００が低温（例えば、６００゜Ｆ未満）であるとき、例えば低温でのエンジン作動中に排出ガスを処理する。前記第２の触媒コンバーター１２０は、当業界において「アンダーボディ」触媒コンバーターとして知られており、当該自動車１０のパッセンジャーコンパートメント（乗員区画）下に、エンジン１００からさらに離れて設けられる。この第２の触媒コンバーター１２０は、通常、前記エンジン１００が加熱する（例えば、６５０゜Ｆを超える）まで、有意に排気処理に寄与せず、この加熱は通常、前記エンジン１００に負荷がかかってから起こる。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１）  米国特許出願公開第２０１５／０２９２３８３号明細書
（特許文献２）  米国特許第６，７２２，１２５号明細書
（特許文献３）  米国特許第３，８９６，６１６号明細書
（特許文献４）  米国特許第４，１３４，２６２号明細書
（特許文献５）  米国特許第５，２３５，９５６号明細書
（特許文献６）  米国特許第６，１２２，９１０号明細書
（特許文献７）  米国特許第５，９７９，１５７号明細書
（特許文献８）  米国特許第８，６８３，７８６号明細書
（特許文献９）  米国特許出願公開第２００６／０２８３１７９号明細書
【国際調査報告】
2019513930.tif 000015