(57)【要約】  ジーゼル又は他の圧縮点火エンジンに使用され、粒子状及びガス状汚染物質を除去する排気ガス浄化システム。本システムは、汚染物質が触媒エレメントと接触する前に排気ガスの粒子状汚染物質を焼却するのに十分なレベルまで排気ガスを加熱する触媒コンバータアセンブリと、触媒コンバータアセンブリ内の排気ガス排気口に連通し該アセンブリから排出される排気ガスの温度を約１００°Ｆに下げる複数のガス冷却エレメントとを含み、冷却された排気ガスが更に燃焼されるようにエンジンに案内される。
2007507662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジーゼル又は他の圧縮点火エンジン用排気ガス浄化システムに使用され、粒子状及びガス状汚染物質を除去する触媒コンバータアセンブリであって、
排気ガス吸気口及び排気ガス排気口を有するハウジングと、
前記ハウジング内の前記吸気口と前記排気口との間に配置された触媒エレメントであって、前記吸気口にエンジン排気ガスを連通させることで該排気ガスが前記ハウジング内の前記触媒エレメントを通過する触媒エレメントと、
前記ハウジングに組み合わされ、排気ガスと前記触媒エレメントとの触媒反応を起こさせるのに十分な温度であって排気ガス中の粒子状汚染物質が前記触媒エレメントに接触する前に該粒子状汚染物質を焼却するのに十分な温度に、前記ハウジングを通過する排気ガス流を前記吸気口と前記触媒エレメントとの間で加熱する加熱アセンブリと、
を備えた触媒コンバータアセンブリ。
【請求項２】
前記加熱アセンブリは、前記加熱エレメントの効率を高めるために、排気ガス中のガス状汚染物質を燃やし、前記吸気口と前記触媒エレメントとの間の前記ハウジング内での温度を上げる１以上の火炎を前記ハウジング内で供給することを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項３】
前記触媒エレメントは、パラジウムを含有するペレットを有することを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項４】
前記加熱アセンブリは、前記排気ガスを少なくとも約５７５°Ｆの温度に加熱することを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項５】
前記加熱アセンブリは、前記排気ガスを少なくとも約７５０°Ｆの温度に加熱することを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項６】
前記加熱アセンブリは、前記排気ガス吸気口と前記触媒エレメントとの間で前記ハウジングの内部と連通する複数の小通路を有する有孔部材からなる赤外線発熱エレメント、前記通路を介して前記ハウジングの前記内部と連通する燃料加圧源及び前記赤外線発熱エレメントに隣接配置され前記通路を通過した燃料に点火するためのイグナイタを含むことを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項７】
前記燃料はプロパンを有し、前記イグナイタはスパークプラグと該スパークプラグを作動させる手段とを含むことを特徴とする請求項６に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項８】
前記通路が赤外線波形を生成するように構成されたことを特徴とする請求項６に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項９】
前記ハウジングは前記排気ガス吸気口と前記触媒エレメントとの間に燃焼チャンバを有し、前記加熱アセンブリは、混合チャンバと、前記混合チャンバと前記燃焼チャンバとの間に配置された有孔部材のブロックであって、該有孔部材が前記混合チャンバを前記燃焼チャンバに連通させる複数の通路を有するブロックと、燃料加圧源を前記混合チャンバに連通させるための燃料導入口と、エア加圧源を前記混合チャンバに連通させるためのエア導入口と、前記混合チャンバに前記エア及び／又は燃料供給量を調整するためのコントローラと、前記有孔部材のブロックに隣接して前記ハウジング内に配置され、前記ブロックを介して前記混合チャンバから前記燃焼チャンバに流入する燃料及び空気の混合物に点火するためのイグナイタとを有し、前記燃料チャンバ内の温度が少なくとも５７５°Ｆの温度に加熱されることを特徴とする請求項１に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項１０】
前記加熱アセンブリは、前記ハウジングの前記内部を少なくとも約５７５°Ｆの温度に加熱することを特徴とする請求項６に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項１１】
前記加熱アセンブリは、前記ハウジングの前記内部を少なくとも約７５０°Ｆの温度に加熱することを特徴とする請求項６に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項１２】
前記触媒エレメントは、パラジウムを含有するペレットを有することを特徴とする請求項６に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項１３】
前記燃焼チャンバ内の前記温度が前記加熱アセンブリにより少なくとも約７５０°Ｆに昇温させられることを特徴とする請求項９に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項１４】
前記有孔部材がセラミックであり、前記触媒エレメントがパラジウムを含有するペレットを有することを特徴とする請求項９に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項１５】
前記加熱アセンブリは、前記加熱アセンブリの効率を高めるために、排気ガス中のガス状汚染物質を燃やし、前記吸気口と前記触媒エレメントとの間の前記ハウジング内での温度を上げる１以上の火炎を前記燃焼アセンブリ内で供給することを特徴とする請求項９に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項１６】
前記コントローラは、エンジンに動作的に連動するように構成されており、エンジンの動作条件の変更に応じて前記混合チャンバにエア及び／又は燃料供給量を変動させることで、前記燃焼チャンバ内の温度が前記動作条件に対応して変動可能なことを特徴とする請求項９に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項１７】
前記有孔部材がセラミックであることを特徴とする請求項９に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項１８】
前記通路が赤外線波形を生成するように構成されたことを特徴とする請求項９に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項１９】
前記有孔部材がセラミックであり、前記通路が赤外線波形を生成するように構成されたことを特徴とする請求項９に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項２０】
前記触媒エレメントは、パラジウム酸化物を含有するペレットを有することを特徴とする請求項１０に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項２１】
前記燃焼チャンバ内の前記温度が前記加熱アセンブリにより少なくとも約７５０°Ｆに昇温させられることを特徴とする請求項１５に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項２２】
ジーゼル又は他の圧縮点火エンジン用排気ガス浄化システムに使用され、粒子状及びガス状汚染物質を除去する触媒コンバータアセンブリであって、
排気ガス吸気口及び排気ガス排気口を有するハウジングと、
パラジウムを有し、前記ハウジング内の前記吸気口と前記排気口との間に配置され前記ハウジングを横切るように広げられた酸化触媒エレメントであって、前記吸気口にエンジン排気ガスを連通させることで該排気ガスが前記ハウジング内の前記酸化触媒エレメントを通過する酸化触媒エレメントと、
前記ハウジングに組み合わされ、前記ハウジング内で１以上の火炎を供給して、前記吸気口と前記触媒エレメントとの間で排気ガス中のガス状汚染物質を燃やし、排気ガスと前記触媒エレメントとの触媒反応を起こさせるのに十分な温度であって排気ガス中の粒子状汚染物質が前記触媒エレメントに接触する前に該粒子状汚染物質を焼却するのに十分な温度に前記吸気口と前記触媒エレメントとの間の排気ガスを加熱する加熱アセンブリと、
を備えた触媒コンバータアセンブリ。
【請求項２３】
前記加熱アセンブリは、前記排気ガス吸気口と前記触媒エレメントとの間で前記ハウジングの内部と連通する複数の小通路を有する有孔部材からなる赤外線発熱エレメント、前記通路を介して前記ハウジングの前記内部と連通する燃料加圧源及び前記赤外線発熱エレメントに隣接配置され前記通路を通過した燃料に点火するためのイグナイタを含むことを特徴とする請求項２２に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項２４】
前記ハウジングは前記排気ガス吸気口と前記触媒エレメントとの間に燃焼チャンバを有し、前記加熱アセンブリは、混合チャンバと、前記混合チャンバと前記燃焼チャンバとの間に配置されたセラミック部材のブロックであって、該セラミック部材が前記混合チャンバを前記燃焼チャンバに連通させる複数の通路を有するブロックと、燃料加圧源を前記混合チャンバに連通させるための燃料導入口と、エア加圧源を前記混合チャンバに連通させるためのエア導入口と、前記混合チャンバに前記エア及び／又は燃料供給量を調整するためのコントローラと、前記セラミックブロックに隣接して前記ハウジング内に配置され、前記ブロックを介して前記混合チャンバから前記燃焼チャンバに流入する燃料及び空気の混合物に点火するためのイグナイタとを有し、前記燃料チャンバ内の温度が少なくとも５７５°Ｆの温度に加熱されることを特徴とする請求項２２に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項２５】
前記イグナイタはスパークプラグと該スパークプラグを作動させる手段とを含むことを特徴とする請求項２２に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項２６】
前記燃料はプロパンを有し、前記イグナイタはスパークプラグと該スパークプラグを作動させる手段とを含むことを特徴とする請求項２３に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項２７】
前記有孔部材がセラミックであることを特徴とする請求項２３に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項２８】
前記燃焼チャンバ内の前記温度が前記加熱アセンブリにより少なくとも約７５０°Ｆに昇温させられることを特徴とする請求項２４に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項２９】
前記コントローラは、エンジンに動作的に連動するように構成されており、エンジンの動作条件の変更に応じて前記混合チャンバにエア及び／又は燃料供給量を変動させることで、前記燃焼チャンバ内の温度が前記動作条件に対応して変動可能なことを特徴とする請求項２４に記載の触媒コンバータアセンブリ。
【請求項３０】
ジーゼル又は他の圧縮点火エンジンに使用され、粒子状及びガス状汚染物質を除去する排気ガス浄化システムであって、
排気ガス吸気口及び排気ガス排気口を有するハウジングと、前記ハウジング内の前記吸気口と前記排気口との間に配置された酸化触媒エレメントであって前記吸気口にエンジン排気ガスを連通させることで該排気ガスが前記ハウジング内の前記酸化触媒エレメントを通過し前記排気ガス排気口から外部に排出される酸化触媒エレメントと、前記ハウジングに組み合わされ、排気ガスと前記触媒エレメントとの触媒反応を起こさせるのに十分な温度であって排気ガス中の粒子状汚染物質が前記触媒エレメントに接触する前に該粒子状汚染物質を焼却するのに十分な温度に前記ハウジングを通過する排気ガスを前記吸気口と前記触媒エレメントとの間で加熱する加熱アセンブリと含む触媒コンバータアセンブリと、
第１の導管と、
前記第１の導管を介して前記触媒コンバータアセンブリの前記ハウジング内の排気ガス排気口に連通し、前記触媒コンバータアセンブリ内の前記排気ガス排気口を通過した排気ガスの温度を約１００°Ｆに下げる複数のガス冷却エレメントと、
前記ガス冷却エレメントに連通し、冷却された排気ガスを燃焼させるために前記冷却エレメントからエンジンに案内する第２の導管と、
を備えた排気ガス浄化システム。
【請求項３１】
前記第２の導管に連通し、前記第２の導管に算出されたエア量を注入してエンジンに向けて前記第２の導管を通過する排気ガスの酸素レベルを高めるバルブアセンブリと、前記バルブアセンブリに動作的に連結され、注入されるエア量を調整するためのレギュレータとを含む請求項３０に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３２】
１以上の前記ガス冷却デバイスが、通過する排気ガスを膨張させて該排気ガスを冷却し水蒸気を凝結させると共に、凝結した水蒸気用のコレクタと、前記システムから前記凝結した水蒸気を導出する導管とを含むことを特徴とする請求項３０に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３３】
前記加熱アセンブリは、前記加熱エレメントの効率を高めるために、排気ガス中のガス状汚染物質を燃やし、前記吸気口と前記触媒エレメントとの間の前記ハウジング内での温度を上げる１以上の火炎を前記ハウジング内で供給することを特徴とする請求項３０に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３４】
前記酸化触媒エレメントは、パラジウムを含有するペレットを有することを特徴とする請求項３０に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３５】
前記加熱アセンブリは、前記排気ガス吸気口と前記触媒エレメントとの間で前記ハウジングの内部と連通する複数の小通路を有する有孔部材からなる赤外線発熱エレメント、前記通路を介して前記ハウジングの前記内部と連通する燃料加圧源及び前記赤外線発熱エレメントに隣接配置され前記通路を通過した燃料に点火するためのイグナイタを含むことを特徴とする請求項３０に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３６】
前記イグナイタはスパークプラグと該スパークプラグを作動させる手段とを含むことを特徴とする請求項３０に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３７】
前記燃料はプロパンを有し、前記イグナイタはスパークプラグと該スパークプラグを作動させる手段とを含むことを特徴とする請求項３０に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３８】
前記有孔部材がセラミックであることを特徴とする請求項３０に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３９】
前記酸化触媒エレメントは、パラジウムを含有するペレットのベッドを有することを特徴とする請求項３３に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４０】
前記酸化触媒エレメントは、パラジウムを含有するペレットのベッドを有することを特徴とする請求項３５に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４１】
ジーゼル又は他の圧縮点火エンジンに使用され、粒子状及びガス状汚染物質を除去する排気ガス浄化システムであって、
排気ガス吸気口及び排気ガス排気口を有するハウジングと、前記ハウジング内の前記吸気口と前記排気口との間に配置された酸化触媒エレメントであって前記吸気口にエンジン排気ガスを連通させることで該排気ガスが前記ハウジング内の前記酸化触媒エレメントを通過し前記排気ガス排気口から外部に排出される酸化触媒エレメントと、前記ハウジングに組み合わされ、排気ガスと前記触媒エレメントとの触媒反応を起こさせるのに十分な温度であって排気ガス中の粒子状汚染物質が前記触媒エレメントに接触する前に該粒子状汚染物質を焼却するのに十分な温度に前記ハウジングを通過する排気ガスを前記吸気口と前記触媒エレメントとの間で加熱する加熱アセンブリと含む触媒コンバータアセンブリと、
前記触媒コンバータアセンブリの前記ハウジングの排気ガス排気口に連通し、通過する排気ガスの温度を下げる第１のガス冷却エレメントと、
前記第１のガス冷却エレメントに連通し、前記触媒コンバータアセンブリの前記排気ガス排気口から排出される排気ガスを更に冷却する第２の冷却エレメントと、
前記第２のガス冷却エレメントに連通し、通過する排気ガスを更に冷却する第３の冷却エレメントと、
前記冷却エレメントの２つに間に配置され該２つの冷却エレメントに連通し、排気ガスからガス状及び粒子状汚染物質を除去するフィルタエレメントと、
前記冷却エレメント又はフィルタエレメントの１つに連通し、冷却及び濾過された排気ガスを燃焼させるためにエンジンに案内する導管と、
を備えた排気ガス浄化システム。
【請求項４２】
前記導管に連通し、前記導管に算出されたエア量を注入してエンジンに向けて前記導管を通過する排気ガスの酸素レベルを高めるバルブアセンブリと、前記バルブアセンブリに動作的に連結され、注入されるエア量を調整するためのレギュレータとを含む請求項４１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４３】
１以上の前記ガス冷却エレメントが、通過する排気ガスを膨張させて該排気ガスを冷却し水蒸気を凝結させると共に、凝結した水蒸気用のコレクタと、前記システムから前記凝結した水蒸気を導出する導管とを含むことを特徴とする請求項４１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４４】
前記加熱アセンブリは、前記加熱エレメントの効率を高めるために、排気ガス中のガス状汚染物質を燃やし、前記吸気口と前記触媒エレメントとの間の前記ハウジング内での温度を上げる１以上の火炎を前記ハウジング内で供給することを特徴とする請求項４１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４５】
前記触媒エレメントは、パラジウムを含有するペレットを有することを特徴とする請求項４１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４６】
前記加熱エレメントは、前記排気ガスを少なくとも約５７５°Ｆの温度に加熱することを特徴とする請求項４１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４７】
前記加熱エレメントは、前記排気ガスを少なくとも約７５０°Ｆの温度に加熱することを特徴とする請求項４１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４８】
前記第１の冷却エレメントは、複数のコイルを形成する細長い金属製管状部材を有することを特徴とする請求項４１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４９】
前記加熱アセンブリは、前記排気ガス吸気口と前記触媒エレメントとの間で前記ハウジングの内部と連通する複数の小通路を有する有孔部材からなる赤外線発熱エレメント、前記通路を介して前記ハウジングの前記内部と連通する燃料加圧源及び前記赤外線発熱エレメントに隣接配置され前記通路を通過した燃料に点火するためのイグナイタを含むことを特徴とする請求項４１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５０】
前記イグナイタはスパークプラグと該スパークプラグを作動させる手段とを含むことを特徴とする請求項４１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５１】
前記酸化触媒エレメントは、パラジウムを含有するペレットを有することを特徴とする請求項４４に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５２】
前記第２の冷却エレメントは、導入口及び排出口を有し内部に冷却液を収容するハウジングを有しており、前記管状部材は前記導入口を介して前記冷却液まで延出されており、前記排出口は前記第３の冷却エレメントに連通していることを特徴とする請求項４８に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５３】
前記加熱エレメントは、前記排気ガスを少なくとも約５７５°Ｆの温度に加熱することを特徴とする請求項４９に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５４】
前記加熱エレメントは、前記排気ガスを少なくとも約７５０°Ｆの温度に加熱することを特徴とする請求項４９に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５５】
前記有孔部材がセラミックであることを特徴とする請求項４９に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５６】
前記通路が赤外線波形を生成するように構成されたことを特徴とする請求項４９に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５７】
前記第１の冷却エレメントの前記管状部材が前記第２の冷却エレメント内の前記液内に配置された延出端と、該延出端の近傍に配置され前記管状部材を通過して前記冷却液内に排気ガスを放出するための複数の開口とを有し、前記ハウジングの前記導入口が前記管状部材に密閉結合されていることを特徴とする請求項５２に記載の排気ガス浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【関連記載】
【０００１】
本願は、２００２年１２月２０日に出願された合衆国仮特許出願番号６０／４３５，４１２号の優先権の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は従来のジーゼルエンジン用のエンジン排気ガス浄化システムに関し、排気ガス流中で粒子状物質、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び他の汚染ガスを実質的に減少させるシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ジーゼルエンジンは、ガソリン動力エンジンより実質的に大きな粒子状物質や有害ガスを含有する汚染排気ガスを排出するものとして知られている。ジーゼルエンジン及びガソリンを燃料とした内燃機関エンジンの両者では、排気ガスの品質を改良するために、多くの開発がなされてきたが、多くのジーゼルエンジンでは触媒コンバータの使用による利点を享受できていない。触媒コンバータは、排気ガス中の炭化水素、窒素酸化物及び他のガスをより単純な成分に分解してより汚れのない排気とする。しかしながら、ジーゼルエンジンに使用される場合には、触媒反応を阻害する粒子状残留物が表面に形成されるため、触媒コンバータが急速に機能しなくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この残留物の問題が克服できれば、触媒コンバータがジーゼルエンジンに有効に使用可能となり、ジーゼルエンジンにおける排気ガス対策の遅れを実質的に改善することができる。本発明はその結果を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
概略として、本発明はジーゼルエンジン用の排気ガス浄化システムであり、排気ガスは、酸化触媒ベッドに突き当たる前に、排気ガスを約５００°Ｆから７５０°Ｆの温度に昇温させて煤塵、炭化水素、アルデヒド及び他のガス等の粒子状物質及び他の可燃性物質の殆どを燃やして実質的に焼却する加熱エレメントを通過する。加熱エレメントには、近傍エアをイオン化し、ガス状燃料、好ましくはプロパン及びエアの混合物からなる燃料、に点火するスパークプラグが用いられ、そのガス状燃料は、赤外線熱を生成するために、加圧されることで有孔セラミックブロックを介して導入され、セラミックブロックの表面に沿ってエンジン排気ガス中の可燃ガスへの点火を容易にする複数のオープンフレーム（はだか火）を供給し、可燃ガスの燃焼による追加の熱が他の排気ガスの構成成分の燃焼を支援する。次いで、加熱された排気ガスが酸化触媒ベッド上を通過し、ガソリン駆動自動車における従来の触媒コンバータでの使用の場合と同様に分解される。加熱エレメントにより排気ガスに供給される熱量は変動する条件により変動するが、一般に、ジーゼルエンジンの排気ガスの熱はそれ自体、触媒機能を支援するには不十分であるため、触媒機能を支援するのに十分な温度で触媒ベッドを継続的に維持する十分な温度を供給する。本発明の触媒チャンバから排出されるガスは酸素リッチであり、実質的に汚染物質が減少したレベルで大気に排出することが可能である。しかしながら、処理済み排気ガスが実質的に排気ガスを冷却する一連の冷却器及び収集器（コレクタ）に導入され、ガス流に含まれる水蒸気を凝結させ水及び汚染物質を除去する密閉系内で排気ガスが実質的に維持されることがより好ましい。次いで、冷却及び浄化されたガスがジーゼルエンジンの取入口に戻される。
【０００６】
エンジンの高負荷状態や可変スピード駆動中には、冷却浄化された排気ガスに酸素を増大させることで燃焼を支援する必要がある。従って、処理済み排気ガスに周囲エアを補給する吸気及び排気バルブがエンジンのエア取入口の上流側に配置され、大気に排気ガスの相応量が排気される。更に、燃焼が支援可能なように再導入された排気ガスの酸素含有量を調整することで、エンジン内の燃焼温度を約２１００°Ｆ以下に維持して実質的にＮＯＸ（窒素酸化物）の形成及び排出を排除することができる。
【０００７】
本発明の主目的はジーゼルエンジンの排気ガス中の汚染物質を減少させるシステムを提供することである。本願発明におけるこの目的及び他の目的並びに利点は添付図面と関連した以下の詳細な説明から明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、特にジーゼルエンジン１２への使用に適合した本発明の排気ガス浄化システム１０について説明する。本発明は他の圧縮点火エンジンにも適用可能であるが、現時点でジーゼルエンジンが本発明の主適用範囲のため、以下の説明ではジーゼルエンジンついて説明する。しかしながら、本発明がこれに制限されるものではない。
【０００９】
図１に示すように、エンジン１２からの排気ガスは、導管１４を介して触媒コンバータアセンブリ１６に導かれる。アセンブリ１６の好ましい実施形態は、図２に概略的に詳細に示されている。図２に示すように、アセンブリ１６は、その上流端に位置する排気ガス吸気口２０と、その下流端に位置する排気ガス排気口２２とを有するハウジング１８を含んでいる。触媒ベッド２４は、従来の触媒コンバータと同様に、ハウジング１８内にハウジング１８横切るように広げられて（延びて）配置されている。本発明では異なるタイプの触媒コンバータを用いてもよいが、触媒ベッド２４は、後述する試験結果を出したもので、酸化パラジウム（直径約３ｍｍ）を含有する小ペレットからなり、概ね１９７５年から１９９３年にジェネラルモーターズ（General Motors）の自動車の触媒コンバータに使用されていたものである。
【００１０】
混合チャンバ２６は、その下に配置されており、好ましくはセラミック材質で形成された有孔ブロック２８を介してハウジング１８の内部エリアの上流部と連通している。ブロック２８には、ガスが燃焼し平板の赤外線スペースヒータのタイプのものが用いられている。特に、本発明で有効に用いられるセラミックブロック２８は、厚さ約１．５インチ、長さ約８インチ、幅約４インチで、グレインジャ（Grainger）カタログ３９４の商品番号２Ｅ３９２として特定され、ミシガン州ウォーレンに所在するデトロイト  レイディアント  プロダクス社（Detroit Radiant Products Company）製のポータブルヒータ、型式番号Ｐ−１６Ｔに用いられたものを使用した。ブロック２８は、混合チャンバ２６からハウジング１８の上流内部として定義される燃焼チャンバ３０にガスの比較的均一な通過を許容するために、その中に多数の小さなハニカム状の通路を有している。ブロック２８は、その中に延出されたガス通路を有し又は形成され、混合チャンバへの火炎の移転を防止するように構成された他の耐火（炎）性（flame-resistant）部材で構成されていてもよく、ブロック２８内でセラミック部材により赤外線波形を生成するように構成されていることがより好ましい。
【００１１】
新鮮なエア及び燃料、好ましくはプロパンの加圧源が、それぞれ導管３２及び３４を介して混合チャンバ２６に連通している。天然ガス及び他の燃料を用いてもよい。点火（イグナイタ）装置３６、好ましくは電気的に作動するスパークプラグが、セラミックブロック２８に隣接して燃焼チャンバ３０内に設けられている。燃料とエアとが混合チャンバ２６に導入され、その混合ガスがセラミックブロックを通過して燃焼チャンバ３０に導入され次第、イグナイタ３６が作動することで、混合チャンバの底部で燃料及びエアの混合物が点火し、セラミックブロックを白熱させてハウジング１８内で燃焼チャンバ３０に赤外線熱を放射する。点火装置でのスパークプラグの使用により隣接エアがイオン化されるが、後述するように、このことが炭化水素の減少に役立つと考えられ、プロパン又は他の燃料を混合チャンバに供給することを定期的に遮断することを許容している。
【００１２】
混合チャンバへの及び混合チャンバからのエア及び燃料の供給量は、チャンバ３０内の温度を調整するために、需要量／コントロールメカニズム３７により調整されることが好ましい。これにより、エンジン始動前に触媒活性温度又は触媒活性温度より若干高い温度にチャンバ３０を昇温させることができ、その後、必要に応じて、動作条件の変更に応じてその温度を変動させることができる。例えば、エンジン駆動に対応して一旦触媒コンバータアセンブリ１６が作動し触媒が活性化すると、セラミックブロック２８で火炎を維持しアセンブリ１６がエンジン排気ガスの汚染を効果的に遮断するため、混合チャンバへのプロパンの継続供給は必要なくなる。最近のよりクリーンな燃焼ジーゼルエンジンでは、燃焼チャンバ内の火炎を維持するために、混合チャンバへはプロパン流量を少なくても定期的に供給する必要がある。特定の条件及び／又は適用下では、一旦チャンバが触媒反応を活性化する温度まで昇温すると、火炎を維持する必要はない。約７５０°Ｆ以上の温度で触媒反応に排気ガス中の汚染物質を十分供給すると、プロパンがパラジウム触媒により窒素酸化物と反応するため、非点火プロパンが触媒ベッドに導かれ窒素酸化物（NOX）を低減させる。また、非点火プロパンの導入により火炎なしで触媒反応を維持することが補助される。メタン又はブタン等の他の類似の燃料を用いてもよい。
【００１３】
触媒反応を始動させるために約７５０°Ｆの最小温度が必要であるが、当然、使用される触媒に依存し、上述したヒータ構成は燃焼チャンバ３０内の温度を約７５０°Ｆ以上の好ましいレベルまで効果的に昇温させる。このヒータ構成は、孔が形成されエアとプロパンとの混合物が流れるセラミックブロック２８の近傍の燃焼チャンバの下端内では多数の小さな火炎も供給する。これらの火炎は、効率的かつ有効な熱源であるばかりでなく、高度な耐風性を有しており、このため、そこを急速に通過する排気ガスにより容易には消えることがない。チャンバ３０内での火炎の結合及び生成された熱により、排気ガス流のアルデヒド及びアルコールを燃やして追加的な熱を生成し、酸化触媒ベッド２４に排気ガスが突き当たる前に、煤塵、炭化水素や他のガス等の排気ガス中の汚染物質及び他の可燃性物質の殆どを焼却する。この結果、ジーゼル排気ガスが従来の触媒コンバータに導入される場合のように触媒ベッドが粒子状残留物で塞がれることもない。
【００１４】
加熱された排気ガスが触媒ベッド２４を通過することに従い従来の触媒反応が生じ、反応表面での温度を１０００°Ｆを越える温度に昇温させ、排気ガス中の燃焼していない炭化水素及び窒素酸化物をより単純な非汚染成分に分解する。次いで、浄化された排気ガスが排気口２２を介してアセンブリ１６から排出される。本発明では他の加熱エレメントを使用できることは明らかであるが、上述したエレメントは、燃焼チャンバ内で所望の熱を効果的に供給し、排気ガス中のアルデヒド及びアルコールへの点火を容易にする耐風性火炎を供給する構成を有しており、セラミックブロック２８は火炎を混合チャンバ２６に引き戻すことを効果的に防止している。
【００１５】
キャタピラ／アリソンカタログＮｏ．３４０８６の２４，５００ポンドＣＶＷシャーシに８．２リットル、Ｖ−８ジーゼルエンジンを有する１９８６年シボレーシリーズ６０フラットベッド（平台）トラックを使用して、処理済み排気ガスに対する以下の読取値が、アイドル及びフルスロットル条件下で図１に示した触媒コンバータアセンブリ１６の下流の密閉系（a closed system）の点Ａに相当する位置で、開放系（an open system）で記録された。
【００１６】
【表１】
2007507662.tif 000003
【００１７】
以下の読取値は図１の点Ｂでの未処理ジーゼル排気ガスと試験が行われた場所の周囲のエアとを測定したものである。
【００１８】
【表２】
2007507662.tif 000004
【００１９】
このように、上記データから処理済みジーゼル排気ガスが未処理排気ガスよりかなり改善されており、周囲エアの汚染物質含有量とも遜色ないことが分かる。更に、浄化された排気ガスの酸素含有量は、未処理排気ガスが１２％〜１４％であるのに対し、１５％〜１９％の範囲にある。
【００２０】
排気口２２で触媒コンバータアセンブリ１６から排出される排気ガスは実質的な改善を表しているが、酸素リッチガスは大気に排出する必要はない。処理済み排気ガスが冷却導管３８を介して水フィルタ４０に導出される実質的に密閉された浄化システム１０（図１参照）内で維持されるか大幅に維持されることがより好ましい。導管３８は、複数のコイル４２、閉鎖端４４及び端４４に近傍であって導管３８を介して水フィルタ４０内に処理済みの排気ガスを放出するための複数のガス排出開口４６を有する薄い金属管で形成されるようにしてもよい。排気ガス排出開口は、システム１０全体の実質的な圧力低下を招かないように、導管３８の断面積と概ね等しい排出面積を集合的に有するサイズであることが好ましい。冷却導管３８の大きさのパラメータは適用に応じて変動する。（図１及び３に示された）一例では、導管３８が、触媒コンバータアセンブリと水フィルタ４０との間で６つの１６インチ直径のコイル４２となるように、直径約１．５インチ、直線長さ約２０フィートのスチール管で形成されている。
【００２１】
水フィルタ４０は冷却導管３８の下流側端部がその中を通過する開口５０が形成されたハウジング４８を有している。ハウジングの上部端に近接して、濾過された排気ガスを導管５６を介して冷却器（a cooler）５４に導くためのガス排出口５２が設けられている。管状シール５８が水フィルタのハウジング４８により冷却導管３８の周りに施されており、両者間には気密シールが施されている。冷却導管３８の下流側端が延びているハウジング４８の下部は、水４９、好ましくは比較的少量の酸化鉄を含有した水４９で満たされている。処理済み排気ガスが冷却導管３８を通過しガス排出開口４６を介して導管から排出されに従い、ガスは、水フィルタ４０内の水及び酸化鉄の中を上方に向かう泡となる。ガスが多くの開口４６から排出されるので、開放端の管とは反対に、ガスと水及び酸化鉄との表面接触面積が十分に増加し、濾過のプロセスを高めることができる。ガスが通過して導管５６に導かれるまでに、水中で水中の酸化鉄が効果的にガスの硫黄成分を捕捉する。冷却器５４の下部端には凝結した水蒸気を冷却器５４から水フィルタ４０に戻すための導管６０が設けられている。導管６０には、水フィルタ４０から冷却器５４への流体流れを防止するためのアンチサイフォン弁６２が含まれている。
【００２２】
冷却器５４は従来のラジエータタイプのものであり、そこを通過する排気ガスを膨張させそこに用いられた多数のラジエータフィン（不図示）を介して放熱させる結果として排気ガスの更なる冷却を図るものである。そして、冷却されたガスは冷却器５４を通過して導管６４を介して水分離器（a water trap separator）６４内に案内される。水分離器６６は下端に水ドレイン（排水口）６８と上端にガス排出口７０を有する中空パイプで構成することができる。冷却ガスが導管６４から水分離器６４に案内されると、ガスは更に膨張し、ガスを付加的に冷却して残りの水蒸気を凝結させる。凝結ドレイン管７２は、分離器６６の排水口を、導管６０を介して水フィルタ４０の下部に連通させている。排出口７０を介して水分離器６６から排出され次第、排気ガスは導管７４を介して、排気ガスを更に冷却し残りの水分を抽出する第２の冷却器７６に導かれる。冷却器７６から、導管７８を介してガスはジーゼルエンジン１２のエア取入口８０に導かれる。
【００２３】
処理済みの排気ガスが触媒コンバータアセンブリ１６からシステム１０の残りの部分に導入されるので、排気ガスの温度は約１０００°Ｆ〜１５００°Ｆから約１００°Ｆに下げられ、酸素リッチの冷却ガスを密閉系のジーゼルエンジンに有効に再導入することができ、大気への汚染物質の排気を最小限に止めることができる。しかしながら、本発明のシステム１０で浄化された排気ガスは約１８％の酸素含有量を未だ有しているものの、高負荷下でのジーゼルエンジン駆動や可変スピード条件では約２０％の酸素含有量となるまでエア取り入れが要求されるため、そのような駆動条件では、エンジンのエア取入口に導入する前に、追加の外部エアで排気供給量を増大させることでエンジンの燃焼を支援する必要がある。このため、システム１０にはバルブ機構８２が設けられており、これによって、エンジンエア取入口の上流側で補助的な周囲エアが排気ガスに導入され、必要に応じて、排気が大気に開放されるが、その量は追加エアの量と同一でも同一でなくてもよい。上述したように、そのような排気エアは本発明により実質的に浄化されている。動力を必要としないアイドル状態では、システムは完全な密閉状態でうまく作動させることができ、ほぼ全ての浄化排気ガスがエンジンのエア取入口に戻される。しかしながら、不思議なことに、実質的な密閉系では、上述したように、大気に排出された排気汚染物質の総量が、従来のシステムで排出された未処理の排気ガスの量と比較して、少なくとも約９９％まで減少していることが見出された。このように、排気ガスにおけるそのような減少量により、大気に放出されるＣＯ、ＣＯ２及び他の汚染物質の総量が本発明では実質的に減少する。
【００２４】
システム１０では、変動するエンジンの酸素需要量に応じて取入及び排出バルブ機構８２を調整するためコンピュータ化されたコントローラ８４が用いられる。バルブ機構８２を介して導入される追加酸素を燃焼が継続できるレベルまで最小限とするようにバルブコントローラ８４を用いることで、エンジン１２の温度を約２１００°Ｆ以下のレベルに維持することができ、このことが排気ガス中のＮＯＸの形成を防止ないし実質的に制限し、更にシステムの効率を高めることができる。ＮＯＸが約０−４０ｐｐｍのレベルまで減少したことが観察された。
【００２５】
上述したシステム１０は本発明の好ましい実施の形態を具現したものであるが、燃焼していない炭素粒子、水及び他のガスを捕捉すると共に、上述したように密閉系ないし実質的に密閉系で排気ガスを効率的にリサイクルできるように排気ガスの温度を下げるために、他のフィルタ／冷却器の組み合わせを本発明の浄化システムに採用するようにしてもよい。例えば、図４には修正したシステムが例示されており、このシステムでは、排気ガスは、触媒コンバータアセンブリ１６から上述した実施形態の冷却器５４及び５７と同様の構成を有する冷却器１５４に導入されており、冷却器１５４から導管１５７を介して凝結液／コレクタ（収集器）１５５に導入される。凝結液／コレクタ１５５は排気ガスから冷却器１５４より除去された凝結液を収集し、コンピュータでコントロールされるエアバルブ１８２を介してガスをジーゼルエンジンのエア取入口に導入する。凝結液／コレクタ１５５で収集された凝結液及び粒子状物質は逆浸透又は他のメカニカルフィルタ１５９に導入されて、システム内に残留した液体及び粒子状物質を除去するために分離及び収集され、そこを通過するガスが導管１６３を介して導管１６１に導かれエンジンエア取入口に導入される。この排気ガスループにおいて１以上の追加の冷却器及びコレクタを用いるようにしてもよい。この冷却及びフィルタリングプロセスにおいて、触媒コンバータアセンブリ１６からのガス流を冷却し不燃粒子状物質、水蒸気及び他のガス状汚染物質を除去する他の修正実施形態も採用できることは云うまでもない。添付の特許請求の範囲内においてそれら及び他の変更及び修正された態様も本発明の範囲と考えるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のジーゼルエンジン排気ガス浄化システムの好ましい実施形態の概略図である。
【図２】本発明の触媒コンバータアセンブリの好ましい実施形態の概略図である。
【図３】本発明の排気ガス浄化システムの一部の部分拡大概略図であり、排気ガスの冷却及び濾過を示す。
【図４】本発明のエンジン浄化システムの代替実施形態の概略図である。
【図１】
2007507662.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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