(57)【要約】タンク（３６）から水を受け取る気泡式（あるいはその他の）加湿器（３５）内の加湿された吸入空気（１５）が、気化した（２３）ディーゼル燃料（２２）と共に水素発生器（２７）に送られ、（ａ）触媒コンバータ（３０）に供給される主流の排気（１８）と混合されるかあるいは（ｂ）一対のＮｏｘ吸着トラップ（３８、３９）を再生するのに使用される水素と一酸化炭素（（２８）を生成し、それにより窒素酸化物（Ｎｏｘ）を低減し、Ｎｏｘが０．４０グラム／ｂｈｐ／ｈｒ未満でありかつ非メタン炭化水素が０．２８グラム／ｂｈｐ／ｈｒ未満であることが可能であるシステム排気（３２）を供給する。その他の実施例では、加湿されていない空気を燃料と混合して均一系非触媒部分酸化器（２７）に送り、必要な水素と一酸化炭素を供給する。
2005530083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給源（１２）からの燃料と空気吸入口（１４、１５）からの空気とで作動し、排気管（１８）の中にエンジン排気を供給する炭化水素燃料内燃機関（１０）の排気（３２）の中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を改質物を用いて低減するためのシステムであって、
入口と出口とを有し、その出口において少なくとも水素を含む前記改質物の流れを供給する改質物手段と、
前記エンジン排気と前記改質物とを受け取り、ＮＯｘが減少したシステム排気（３２）を供給するように前記エンジン排気の中のＮＯｘを低減する手段（３０；３８、４４）と、
を備え、
前記改質物手段は、（ａ）水素発生器（２７）と水タンク（３６）とを含み、前記水素発生器が、その入口において前記供給源からの燃料と、前記タンクからの水分で加湿（３５）された前記空気吸入口からの空気（２６）とを受け取るか、あるいは（ｂ）均一系非触媒部分酸化器（４７）を含み、この酸化器（４７）が、その入口において前記供給源からの燃料と前記空気吸入口からの加湿されていない空気（２６）とを受け取るかであることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記低減手段の前記流出物は、多くても約０．４グラム／ｂｈｐ／ｈｒのＮＯｘしか含まないことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記低減手段の前記流出物は、多くても約０．２８グラム／ｂｈｐ／ｈｒの非メタン炭化水素しか含まないことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】
エンジン燃料が前記混合物に加えられる前に前記エンジン燃料を気化させるための熱交換器（２３）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記改質物手段は、空気を加湿する空気バブラー（３３）を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記空気バブラー（３５）は、前記タンク（３６）から分離されていることを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記空気バブラーから加湿された空気を受け取り、この加湿された空気を高温のエンジン排気で加熱する熱交換器（３９）をさらに備えることを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項８】
前記ＮＯｘ低減手段は、少なくとも一つのＮＯｘトラップ（３８、４４）を備え、各ＮＯｘトラップは交互に、前記排気の中のＮＯｘをトラップ（４０、４２）したり、前記改質物の流出流により再生（４１、４３）されたりすることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記ＮＯｘ低減手段は、ＮＯｘ還元触媒コンバータ（３０）を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記水素発生器は、自熱改質器、触媒部分酸化器、および均一系非触媒部分酸化器から選択されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
ＮＯｘを含有するエンジン排気（１８）を供給する炭化水素燃料エンジン（１０）を含むシステムの排気（３２）の中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を減少させるための装置であって、
改質物を生成する手段（２７）と、
ＮＯｘが減少したシステム排気（３２）を供給するように改質物の流れを用いて前記エンジン排気の中のＮＯｘを低減する手段（３０；３８、４４）と、
を備え、さらに、
水タンク（３６）、
を備え、
前記手段は、水素と一酸化炭素とを含む改質物の流れ（２８）を供給するように、（ａ）前記水タンクから得られる水分で加湿（３５）された空気と、（ｂ）エンジン燃料（１２）との混合物から改質物を生成することを特徴とする装置。
【請求項１２】
ＮＯｘを含有するエンジン排気（１８）を供給する炭化水素燃料エンジン（１０）を含むシステムの排気（３２）の中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を減少させる方法であって、
改質物を生成（２７）し、
ＮＯｘが減少したシステム排気（３２）を供給するように改質物の流れを用いて前記エンジン排気の中のＮＯｘを低減（３０；３８、４４）する、
ことを含み、さらに、
水素と一酸化炭素とを含む改質物の流れ（２８）を供給するように、（ａ）水タンク（３２；３６）から得られる水分により加湿された空気と、（ｂ）エンジン燃料（１２）との混合物から改質物を生成する、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記生成工程は、気化した（２３）燃料を含有する混合物を改質することを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記生成工程は、前記排気との熱交換（２３）により燃料を気化させることを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記生成工程は、前記水タンク（３６）から水を受け取る気泡式加湿器（３５）の中で空気を加湿することを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記生成工程は、前記水のための前記タンクとして機能する気泡式加湿器（３２）の中で空気を加湿することを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
ＮＯｘを低減する前記工程は、前記排気と前記流れ（２８）とを、同時にＮＯｘ還元触媒コンバータ（３０）に施すことを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１８】
ＮＯｘを低減する前記工程は、前記エンジン排気（４０、４２）と前記流れ（４１、４３）とを、別々に、少なくとも一つのＮＯｘトラップ（３８、４４）に交互に施すことを含むことを特徴とする請求項１２記載のシステム。
【請求項１９】
ＮＯｘを含有するエンジン排気（１８）を供給しかつ空気吸入口（１４、１５）を有する炭化水素燃料エンジン（１０）を含むシステムの排気（３２）の中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を減少させるための装置であって、
改質物を生成する手段（４７）と、
ＮＯｘが減少したシステム（３２）排気を供給するように改質物の流れを用いて前記エンジン排気の中のＮＯｘを低減する手段（３０；３８、４４）と、
を備え、
前記手段は、水素と一炭化酸素とを含む改質物の流れ（２８）を供給するように、前記空気吸入口からの加湿されていない空気（２６）とエンジン燃料（２５）とから改質物を生成するための均一系非触媒部分酸化器（４７）を含むことを特徴とする装置。
【請求項２０】
ＮＯｘを含有するエンジン排気（１８）を供給しかつ空気吸入口（１４、１５）を有する炭化水素燃料エンジン（１０）を含むシステムの排気（３２）の中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を減少させる方法であって、
改質物を生成し、
ＮＯｘが減少したシステム排気（３２）を供給するように改質物の流れを用いて（３０；３８、４４）前記エンジン排気の中のＮＯｘを低減する、
ことを含み、さらに、
水素と一炭化酸素とを含む改質物の流れ（２８）を供給するように、前記空気吸入口からの加湿されていない空気（２６）とエンジン燃料（２５）とから均一系非触媒部分酸化器（４７）の中で改質物を生成する、
ことを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素燃料内燃機関（ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなど）の排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）低減に関し、より詳しくは、触媒部分酸化器（ＣＰＯｘ）や非触媒（均一系）部分酸化器（ＰＯｘ）あるいは自熱式改質器（ＡＴＲ）などの水素発生器を用いて、触媒コンバータ内でＮＯｘを低減しあるいはＮＯｘトラップ吸着剤を再生する際に使用される水素および一酸化炭素を含有する流体を、エンジン燃料と、水および／または空気とから生成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国環境保護局（ＥＰＡ）は２００７年以降実施される車両内燃機関の排出条件を設定したが、そのディーゼルエンジンに対する条件の具体的な一例として、ＮＯｘおよび非メタン炭化水素がそれぞれ０．２０グラムｂｈｐ−ｈｒ未満、０．１４グラム／ｂｈｐ−ｈｒ未満に設定されている。これは、それぞれ４．０グラム／ｂｈｐ−ｈｒ、１．３グラム／ｂｈｐ−ｈｒである現在の規格からかけ離れている。従って、触媒コンバータを用いてかなりのＮＯｘ低減を行う必要がある。現在これらの抑制基準を十分に満たすことのできる触媒配合物はなく、新しい触媒配合物のコスト削減および高性能化を実現できるような、かなりの開発が必要とされるだろう。エンジン燃料を酸化してＮＯｘ低減を高める混合物を生成するための装置については、米国特許第５，４１２，９４６号、ＰＣＴ出願公開第ＷＯ０１／３４９５０号、および米国特許出願公開第２００１／４１１５３号にそれぞれ開示されている。
【０００３】
ＮＯｘを低減するための周知の方法の一つに、図１に示すようないわゆるＳＣＲ（選択的触媒還元）法と呼ばれるものがある。この方法によれば、炭化水素を燃料とするエンジン１０は、タンク１２から燃料ポンプ１３を介して燃料の供給を受け、ターボ圧縮機１４から空気吸入管路１５を介して空気の供給を受ける。タンク１６には尿素の水溶液が注入されている。尿素の溶液は、管１８内のエンジン排気とともに加水分解装置１７に導かれ、そこで排気の熱が尿素溶液を気体状のアンモニアに変換する。そしてアンモニアが選択的触媒コンバータ１９内で排気ガスの中のＮＯｘと反応し、ＮＯｘを窒素と水に変換し、システム排気２０の中のＮＯｘを低減する。問題は、燃料、特にディーゼル燃料やガソリンを得られる場所に尿素の溶液をすぐ使えるように供給する基盤がないことである。
【０００４】
同一出願人による２００２年５月３１日出願の同時係属米国特許出願番号第１０／１５９，３６９号では、触媒コンバータとＮＯｘ低減のための、あるいはＮＯｘトラップ吸着剤を再生するための水素を、エンジン排気から直接あるいは間接的に得られた水分を利用して生成する。上記のＮＯｘ低減技術は全て複雑であり、高価である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、窒素その他の無害な気体に変換するＮＯｘ低減技術の改良、ＥＰＡによる２００７年ＮＯｘ排出条件を満たすようなＮＯｘ低減の達成、ＮＯｘ低減に使用する水素を容易かつ安価に生成すること、また内燃機関排気ガス削減システムの中でそれに使用される水素を、水および／または空気の他にエンジンがすでに使用し得る燃料のみから生成することを含む。
【０００６】
本発明によれば、炭化水素燃料内燃機関の燃料タンクからの燃料とエンジンの空気吸入口からの空気が、（ａ）均一系非触媒部分酸化器を用いて、あるいは（ｂ）貯蔵された水およびエンジン排気の熱と共に水素発生器を用いて（この水素発生器は触媒部分酸化器、均一系非触媒部分酸化器、または自熱式改質器でよい）、水素と一酸化炭素とを含む改質物の流体を生成して、それを直接あるいはＮＯｘとその他の化合物との反応に続いて使用することにより、排気の中のＮＯｘを低減する。例えば、水素に富む流体を（ａ）ＮＯｘ還元触媒コンバータでの処理のために主要排気流体と混合してもよいし、（ｂ）排気の中のＮＯｘとＮＯｘトラップの中の吸着剤との反応により窒素を含有する化合物が形成された後で、ＮＯｘトラップの中の吸着剤を再生するために使用してもよい。加湿されていない空気（水分を含まない）が燃料と結合する場合、均一系で非触媒の部分酸化器が使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図２において、エンジン１０は空気吸入管路１５へ送り込む従来のターボ圧縮機１４と、炭化水素燃料タンク１２と、燃料ポンプ１３とを備える。燃料は一般に、ディーゼル燃料、ガソリン、天然ガス、液化石油ガス、あるいはプロパンでよい。燃料は管路２１を介してエンジンに供給され空気と燃焼されると共に、第二の管路２２によって気化式熱交換器２３を経由して管路２５上のミキサー２４に供給される。ミキサー２４は管路２６の中の加湿された空気を水素発生器２７に与える。水素発生器２７は触媒部分酸化器（ＣＰＯｘ）や非触媒（均一系）部分酸化器（ＰＯｘ）、あるいは自熱式改質器（ＡＴＲ）でよい。水素発生器内では、それがＣＰＯｘの場合、ＶＩＩＩ族の金属、好ましくはニッケル、コバルト、ロジウム、イリジウム、または白金を含む可能性のある発泡モノリスその他の形態の触媒が、炭化水素、水、および酸素と共に燃料を水素、ＣＯ、およびＣＯ2の混合物に変換する。この混合物は導管２８を介して管１８の中の排気と共にＮＯｘ還元触媒コンバータ３０に供給され、その流出物は管３２から通常周囲に排出される。コンバータ３０はディーゼルエンジンに通常使用されている種類のものであるが、それに含まれる触媒は異なるものでよい。コンバータ３０内では、水素、窒素酸化物、および一酸化炭素の排気は、主に窒素、水、および二酸化炭素と、微量の非メタン炭化水素および窒素酸化物に変換される。特定のエンジンを適切に調節し所望の性能範囲とすること（弁と、場合によっては検出器に応答する制御装置とを用いるが、これらは全て当業界では周知である）により、本発明ではＮＯｘを０．４０グラム／ｂｈｐ／ｈｒ、および非メタン炭化水素を０．２８グラム／ｂｈｐ／ｈｒまで低減することが可能である。
【０００８】
空気吸入口１５からの空気は熱交換器３４にて加熱され、その後適切な加湿器、例えばタンク３６から普通の水を受け取る空気バブラー３５に供給される。加湿された空気は、管路２６とミキサー２４を通って水素発生器２７に供給される前に、熱交換器３９でさらに加熱してもよい。
【０００９】
図２において、ＮＯｘは周知のコンバータで連続的に処理される。本発明によれば、ＮＯｘをより効果的に削減する方法の一つに、図３に示すような回収／再生が交代するサイクルで使用する吸着トラップを利用するものがある。
【００１０】
図３に示すように、一対のＮＯｘ吸着トラップ３８、４４は、対応する弁４０〜４３により、発生器２７からの水素含有ガスが通る導管２８か、あるいはエンジン排気が通る管１８の何れかに択一的に連結される。これらの弁は、吸着剤がＮＯｘによって飽和状態となるのに必要な時間よりも短い期間、トラップ３８、４４のうちの一方をエンジン排気が通ることができるように制御され、その後排気が他方のＮＯｘトラップを流れるように弁が切り替えられ、一方最初のＮＯｘトラップ内の吸着剤は発生器２７からの水素と一酸化炭素により再生される。例えば、あるサイクルにおいて弁４０、４３は開けられ弁４１と４２は閉められる。その次のサイクルでは弁４１と４２は開けられ弁４０と４３は閉められる。ＮＯｘトラップは、吸着剤として例えば炭酸バリウム（ＢａＣＯ3）を含んで良い。即ち、ディーゼル排気が炭酸バリウムによって吸着される場合、反応： 
２ＮＯｘ＋ＢａＣＯ3  →  Ｂａ（ＮＯ3）2＋ＣＯ2、
によって硝酸バリウムを生じる。そして、再生サイクルにおいて、硝酸バリウムは以下の： 
３Ｈ2＋２ＣＯ＋Ｂａ（ＮＯ3）2  →  ＢａＣＯ3＋Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2、
のように変換されて炭酸バリウムに戻される。
【００１１】
ＣＰＯｘ酸化器は、非常に小さく、すすや炭素を生成することなく低水蒸気炭素比かつ高ターンダウン比で作動できるため、水素発生器２７として好ましい。しかしながら、ディーゼルエンジンの排気には微粒子（すす）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれ、それらの物質は比較的短い期間でＣＰＯｘ触媒を不活性化する。従って、代わりに非触媒（均一系）部分酸化器を水素発生器２７として選択してもよい。生成される水素の割合はＣＰＯｘによって発生する水素の割合よりもごく僅かに少ない程度である。周知のようにこの酸化器は、簡単な点火プラグを使用することによって容易に作動を開始させることができる。またＰＯＸはＣＰＯｘよりも安価であり、Ｏ2／Ｃ比の制御についても知られており（エンジンのＯ2／燃料比に類似する）、より単純で、ＳＯｘやすすがそれに何ら影響を及ぼさず、そして水蒸気／Ｃ比制御についての問題も生じない。
【００１２】
ＰＯｘには反応を開始するための点火プラグが備えられるため、本発明の第二の様態によれば、追加加湿されていない周囲の空気の混合物、即ちここでは「加湿されていない空気」と定義されるものと燃料と共にＰＯｘを用いて、水素と一炭化酸素を生成してもよい。図４に示されるように、ターボ圧縮機１４からの空気吸入管路１５内の空気は熱交換器３９を通過し、管路２６を通ってミキサー２４にて加熱された燃料と混合される。これは、点火プラグ４８を有する均一系非触媒部分酸化器４７の入口にある。ＰＯｘ４７は、図２記載と同様の方法で管路２８内の改質物をコンバータ３０に供給する。
【００１３】
本発明のこの後半の様態において、均一系非触媒部分酸化器４７を使用して、図５に示すようなＮＯｘトラップ吸着剤を再生するための水素を供給してもよい。
【００１４】
上記の実施例では、燃料を水素発生に利用する前に燃料を加熱する。しかしながら、均一系非触媒部分酸化器の点火プラグはどのような温度でも処理を開始するので、均一系非触媒部分酸化器が使用されるたびに燃料を加熱する必要はない。
【００１５】
上記の実施例では、空気がバブラーに入る前に空気を加熱する。しかしながらターボ圧縮機から出る空気は高温で，通常およそ２１２°Ｆ（１００℃）〜３９０°Ｆ（２００℃）に達するため、望ましいならば熱交換器３４を省略してもよい。ＰＯｘ４７の点火プラグはどのような温度でも反応を開始できるので、望ましいならば図４および図５の熱交換器２３および３９を省略してもよい。必要ならば水を、好ましくは排気によって予熱してもよく、その場合は水タンク３６を介して水を沸騰させるか、あるいは熱交換器に送るか、あるいは望ましいならば電熱器を代わりに用いてもよい。
【００１６】
図２および図３の実施例において、水貯蔵タンク３６は空気バブラー３５から分離して設けてもよいが、部品や空間を節約したい場合は貯蔵タンクも含むバブラーに水を貯めるようにし、タンク３６を省略してもよい。本発明は、蒸発式板形加湿器や霧吹き器などの他の加湿器を用いて実施してよい。その場合は、水は車両の中に搭載される何らかの形状の適切なタンク内に貯蔵されなければならない。コンバータ３０やトラップ３８、４４により多くのＨ2が必要な場合は、水素発生器とコンバータあるいはトラップとの間に小型の水性ガスシフトコンバータを設けても良い。この場合のコンバータは、タンクからの水を用いてＣＯの一部のみをＨ2に変換する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術で知られる尿素溶液から分解されたアンモニアを用いたＮＯｘ低減の模式化された概略簡略図。
【図２】本発明の加湿する第一の実施例を組み込んだエンジンの模式化された概略簡略図。
【図３】本発明の加湿する第二の実施例を組み込んだエンジンの模式化された概略簡略図。
【図４】本発明の加湿しない第一の実施例を組み込んだエンジンの模式化された概略簡略図。
【図５】本発明の加湿しない第二の実施例を組み込んだエンジンの模式化された概略簡略図。
【図１】
2005530083.tif 000003
【図２】
2005530083.tif 000004
【図３】
2005530083.tif 000005
【図４】
2005530083.tif 000006
【図５】
2005530083.tif 000007
【国際調査報告】
2005530083.tif 000008
2005530083.tif 000009