(57)【要約】  本発明は、窒素酸化物保存−還元（「ＮＳＲ」）排ガス制御システムが装備されている内燃機関エンジンの性能と排ガス制御とを改良するシステムおよび方法を提供する。該システムは、ＮＳＲ  触媒（２０６）と、ＮＳＲ  触媒の上流に配置された燃料装置（２００）と、少なくとも１つの燃料注入口（２０８）とを備える。該燃料装置（２００）は燃料をＣＯとＨ２とを含む還元ガス混合物に変換する。次いで、還元ガス混合物は、ＮＳＲ触媒（２０６）に供給され、そこでＮＳＲ吸着剤を再生し、ＮＯを還元して窒素とし，場合によっては、ＮＳＲ触媒を周期的に脱硫酸化する。燃料装置（２００）は、１以上の触媒（３０８）を備え、燃焼、部分酸化および／または改質などの反応を促進し、消費  エンジン排気流中に存在する過剰酸素の消費を助ける。本発明の方法は、パルス化された燃料の流れを使用してＮＳＲ触媒吸着剤の再生を提供する。制御方法もまた、提供する。
2007514090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＳＲ触媒吸着剤を再生する方法であって、
酸素を含むエンジン排気流を供給するステップと、
炭化水素燃料の注入を燃料装置の上流位置へパルスで送り出すステップであって、該燃料装置は入口と、出口と、少なくとも１つの触媒とを備えるステップと、
状況に応じて、排気流と燃料とを混合するステップと、
燃料と排気流との混合物を該少なくとも１つの燃料装置内の触媒と反応させ、ＣＯとＨ２とを含む還元ガス混合物を生成するステップと、
該還元ガス混合物を、吸着剤を有するＮＳＲ触媒に導入するステップと、
を含み、
こうすることによって該吸着剤を該還元ガス混合物の導入によって再生する方法。
【請求項２】
前記炭化水素燃料の注入をパルスで送るステップが、約２個〜約１０個のパルスを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
各パルスが、約０．１〜約２．０秒持続する請求項２記載の方法。
【請求項４】
各パルスの間の時間が、触媒が約５００℃〜約７００℃の間の温度で残留するように選択される請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記排気流が、圧縮着火エンジン排ガスおよびリーンバーン火花着火エンジン排ガスからなる群から選ばれる請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記燃料が、ガソリンおよびディーゼル燃料からなる群から選択される請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記燃料が、燃料注入口へ注入される前に気化される請求項１記載の方法。
【請求項８】
燃料装置触媒の少なくとも一部が、少なくとも５００℃に加熱される請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記排気流中の前記酸素の濃度が、２０％未満である請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記酸素濃度が、８〜１５％の範囲内である請求項９記載の方法。
【請求項１１】
さらに制御システムの使用を含む請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料装置が、少なくとも２つの触媒と、少なくとも１つの改質触媒である触媒と、少なくとも１つの酸化触媒である触媒とを含む請求項１記載の方法。
【請求項１３】
さらに、燃料を燃料装置の上流の位置へ注入することによって、燃料装置触媒を少なくとも５００℃の温度に予熱するステップを含む請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料を注入することによって燃料装置触媒を予熱するステップが、燃料の注入をパルスで送り出すことを含む請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
過剰のＯ２を含む排気流中でＮＯｘを還元するシステムであって、
ＮＳＲ触媒と、
該ＮＳＲ触媒の上流の位置に配置された、入口と、出口と、少なくとも１つの触媒と、硫黄捕獲材とを含む燃料装置と、
燃料装置触媒の上流に配置された少なくとも１つの燃料注入口と、
を含み、
燃料が燃料注入口へ注入され、燃料装置触媒上で反応し、該燃料装置触媒の少なくとも一部の温度を素早く上昇させ、
こうすることによって、該燃料の少なくとも一部をＨ２およびＣＯに変換するシステム。
【請求項１６】
前記硫黄捕獲材が、燃料装置の出口に配置された触媒バンドである請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記硫黄捕獲材が、前記少なくとも１つの燃料装置触媒とは異なった触媒であって、該触媒は、前記少なくとも１つの燃料装置触媒の下流の位置に配置される請求項１５記載のシステム。
【請求項１８】
さらに、燃料装置の熱容量より多い熱容量を持つサーマルマスを含む請求項１５記載のシステム。
【請求項１９】
前記サーマルマスの少なくとも一部が、ＰＭフィルター、前記燃料装置、前記ＮＳＲ触媒、前記燃料装置の熱容量より多い熱容量を持つ一体構造体およびこれらの組合せからなる群から選ばれる請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記サーマルマスの少なくとも一部がＰＭフィルターであり、かつ前記サーマルマスの少なくとも一部が燃料装置の熱量量より多い熱容量を持つ一体構造物である請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
さらに燃料予熱器を含み、該燃料予熱器は、前記燃料装置の上流であって、前記燃料注入口の下流の位置に配置された請求項１５記載のシステム。
【請求項２２】
さらに燃料気化器を含み、該燃料気化器は、前記燃料装置の上流であって、前記燃料注入口の下流の位置に配置された請求項１５記載のシステム。
【請求項２３】
さらに撹拌器を含み、該撹拌器は、前記燃料装置の上流であって、前記燃料注入口の下流の位置に配置された請求項１５記載のシステム。
【請求項２４】
前記撹拌器が、静的撹拌器である請求項２３記載のシステム。
【請求項２５】
前記撹拌器がパイプを含み、該パイプのＬ／Ｄ比が５を超える請求項２４記載のシステム。
【請求項２６】
前記撹拌器の少なくとも一部が、ワニスまたは炭化水素沈着物を酸化しうる触媒で被覆された請求項２５記載のシステム。
【請求項２７】
さらにパイプを含み、該パイプは、前記燃料装置の上流であって、前記燃料注入口の下流の位置に配置された請求項１５記載のシステム。
【請求項２８】
前記パイプが、ワニスまたは炭化水素沈着物を酸化しうる触媒で被覆された請求項２７記載のシステム。
【請求項２９】
さらに制御システムを含む請求項１５記載のシステム。
【請求項３０】
前記制御システムが、前記燃料流量を計測し、調整する請求項２９記載のシステム
【請求項３１】
前記燃料装置の前記少なくとも１つの触媒が、一体触媒である請求項１５記載のシステム。
【請求項３２】
前記一体触媒が、セラミックおよび金属からなる群から選ばれる材料で構成される請求項３１記載のシステム。
【請求項３３】
前記一体触媒が、１０〜５００ミクロンの範囲の壁厚を有する請求項３１記載のシステム。
【請求項３４】
前記燃料装置が、少なくとも２つの触媒を有し、そのうち、少なくとも１つの触媒が改質触媒で、かつ少なくとも１つの触媒が酸化触媒である請求項１５記載のシステム。
【請求項３５】
前記酸化触媒が、元素の周期表のＶＩ、ＶＩＩ、ＶＩＩおよびＩＢ属、およびこれらの組合せからなる群から選ばれる元素を含む請求項３４記載のシステム。
【請求項３６】
前記酸化触媒が、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｍｏおよびこれらの組合せからなる群から選ばれる元素を含む請求項３５記載のシステム。
【請求項３７】
前記改質触媒が、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔおよびこれらの組合せからなる群から選ばれる元素を含む請求項３４記載のシステム。
【請求項３８】
前記少なくとも２つの触媒が直列である請求項３４記載のシステム。
【請求項３９】
前記少なくとも２つの触媒が並列である請求項３４記載のシステム。
【請求項４０】
前記ＮＳＲ触媒と燃料装置とが、単一ハウジング構造体内に配置されない請求項１５記載のシステム。
【請求項４１】
前記ＮＳＲ触媒と燃料装置とが、単一ハウジング構造体内に配置される請求項１５記載のシステム。
【請求項４２】
エンジン排気流とともに使用される燃料処理装置であって、
酸素を含むエンジン排気流を受け取る入口と、
出口と、
少なくとも１つの触媒と、
硫黄捕獲材と
少なくとも１つの燃料注入口と
を含み、
前記燃料注入口は、前記触媒の上流の位置に配置され、前記触媒への燃料の注入を促進して、前記燃料の少なくとも一部を前記触媒上で反応させ、前記触媒の少なくとも一部の温度を素早く上昇させ、前記燃料の少なくとも一部をＨ２およびＣＯに変換する燃料処理装置。
【請求項４３】
前記硫黄捕獲材が、前記燃料装置の出口に配置された触媒バンドである請求項４２記載の燃料装置。
【請求項４４】
前記硫黄捕獲材が、前記少なくとも１つの燃料装置触媒とは異なる触媒であって、前記少なくとも１つの燃料装置触媒の下流の位置に配置される請求項４２記載の燃料装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許出願第１０／３０９，９３６号（２００２年１２月３日出願）への優先権を主張し、この米国特許出願第１０／３０９，９３６号は、米国特許出願第６０／３３７，０２３号（２００１年１２月３日出願）への優先権を主張する。本出願は、さらに、米国特許出願第６０／４２６，６０４号（２００２年１１月５日出願）への優先権を主張する。これらの出願の各々は、その全体が本明細書中に参考として援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、概して、内燃機関（「ＩＣ」）エンジンに関し、特に、窒素酸化物（「ＮＯＸ」）排出物を生成するＩＣエンジンの性能と排出物制御を改善する装置、システム、および方法に関する。さらに本発明は、概して、排出物制御システム、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）
大気環境を改善する取り組みは、政府発行の厳格な排出物管理と規制に至っている。過去３０年の間、火花着火ガソリンエンジンからの排出物で許容されるものは、大幅に減ってきている。排出物を減らす取り組みとの緊張の中で、一般的な要望として、燃料効率の増加がある。これは特にディーゼルエンジンにおける問題点であり、該エンジンは非常に効率的ではあるものの、しばしばＮＯｘと粒子状物質（「ＰＭ」）の両方の排出物を非常に多く生成する。実際、ガソリン火花着火エンジン規制に準拠するために、現在のディーゼルエンジンからの排出物は、特定のエンジンの型に応じて約１０から５０のファクターまで減らされなければならない。
【０００４】
リーンバーンエンジンには火花着火（「ＳＩ」）エンジンと圧縮着火（「ＣＩ」）エンジンの両方がある。従来のＳＩエンジンと比べて、リーンバーンＳＩエンジンは２０〜２５％の燃料節約を提供し、一方ＣＩエンジンは５０〜１００％の燃費節約を提供する。ＣＩエンジンは合衆国中で大型車両に広く用いられており、その用途は小型車両にも成長することが期待されている。ＣＩエンジンも世界の大部分で旅客車両、小型ならびに大型トラック、および電気発電機に広く使用されている。
【０００５】
現在、自動車の排出物制御は、三元触媒技術、すなわち一酸化炭素（「ＣＯ」）、未燃炭化水素（「ＵＨＣ」）およびＮＯｘの排出物を減らす技術に大きく基礎を置いている。この技術は、化学量論的なまたは化学量論的に近い空気／燃料比で操作される、通常のガソリンエンジンには極めて有効でありえる。しかし、三元触媒技術は、一般的に大過剰の酸素を含む非常に希薄で総括的な排ガス混合物を生成するリーンバーンエンジンには適さない。これは、排ガス中の過剰の酸素がＮＯｘの還元を妨げているからであり、リーンバーンエンジンとＴＷＣに基礎を置く排出物制御技術との両方の主要な限界である。たとえば、リーンバーンディーゼルエンジンの場合、排出物制御システムは約６〜１５％過剰酸素を含む排気流からＮＯｘとＰＭとを除かなければならない。
【０００６】
したがって、多くの技術がリーンバーンエンジンの排ガスからＮＯｘを取り除く問題に対処するために検討されている。そのような技術のひとつとして、ＮＯｘ保存−還元（「ＮＳＲ」あるいはＮＳＲ−型）システムを利用するものがある。この技術は科学文献のいたるところに記載され、業界では一般的によく知られている。たとえば、この技術の記載は、Ｓ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，ＣＡＴＴＥＣＨ，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．２，ｐｐ．１０２−１０９，２０００にあり、ここで挙げられている参考文献は全てそっくりそのまま、参考として本明細書に組み込まれる。
【０００７】
そこに記載のように、典型的なＮＳＲ触媒は吸着型触媒システムであり、可逆的なＮＯｘ保存または捕獲とＮＯｘ還元の二元機能を提供する。ＮＳＲ触媒の１成分は、ガス気流中のＮＯｘと反応し、酸化条件下または排気流が過剰Ｏ２を含む条件下でＮＯｘを捕獲する。この成分は、排気流が還元されている状態、すなわち過剰の還元種を含む状態になった時、ＮＯｘを放出するように選択される。ＮＳＲ触媒はまた、還元条件下でＮＯｘを還元剤と反応させ、無公害Ｎ２を形成するＮＯｘ還元触媒も含む。排気流が還元状態になると、ＮＯｘが放出され、このＮＯｘがＮＯｘ還元触媒上の還元種と反応し、Ｎ２を形成する。吸着型触媒システムの一例として、日本で車両に商業的に使用されているＰｔ／Ｒｈ／Ｂａ／ＴｉＯ２／ＺｒＯ２／γ−Ａ１２Ｏ３システムがある。
【０００８】
ＮＳＲ触媒の主な利点は、互換性があり、省燃費リーンバーンＩＣエンジンに関して効果的であること、商業的に受け入れられていること、還元剤としてアンモニアや尿素の使用を必要としないこと、典型的な条件で運転した時、高ＮＯｘ変換率を得る能力があることである。たとえば、ディーゼル燃料油を還元剤として使用する典型的な条件下でのディーゼルエンジンテストにおいて、９０〜１００％のＮＯｘ変換率に到達している。
【０００９】
しかし同時に、ＮＳＲ技術にはある重大な問題点と限界もある。ＮＳＲ触媒の再生の間、ＮＳＲ触媒の環境は、捕獲したＮＯｘをＮ２に変換し触媒を再生するためにリッチにしておかなければならない。エンジンの運転を希薄な状態からリッチへ変更することによって、排ガス中の還元する環境を得るとすると、エンジンサイクルは、運転が意図されていない範囲で運転することになるであろう。たとえば、通常空気取入口上にはスロットルなしで運転されるディーゼルエンジンが、今やスロットルを必要とし、空気／燃料比をリッチ体制へ追いやる。さらに、これは素早くそして約２〜２０分毎と結構頻繁に行わなければならないであろう。
【００１０】
酸素を消費しかつ還元する環境を作り出すために、燃料は排気流へ注入され、ＮＳＲ触媒上で燃焼されてもよいし、上流酸化触媒上で燃焼させてもよい。高排ガス温度でこれが見られ、妥当な再生サイクルとＮＯＸ変換効率が得られる。しかし、低負荷および低排ガス温度では、触媒がディーゼル燃料と充分に反応しないので、この工程はうまく働かない。さらに、作り出された高温が、ＮＳＲ触媒を望ましくない高温に追いやるということもありえる。
【００１１】
ＮＳＲ技術の他の問題点は、ＮＳＲ吸着剤は通常、硫黄に対して非常に敏感であることである。ＮＯＸ吸着剤材料は、燃料中に含まれる硫黄酸化物と反応し、硫酸塩を形成しうる。たとえば、Ｓ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，ＣＡＴＴＥＣＨ，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．２，ｐｐ．１０２−１０９，２０００；Ｋ．Ｙａｍａｚａｋｉら，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｃａｔａｌｙｓｉｓ  Ｂ：Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏｓ．３、４，ｐｐ．４５９−４６８，２００１に記載されており、ここで挙げられている参考文献は全てそっくりそのまま、参考として本明細書に組み込まれる。これらの硫酸塩は容易に分解せず、ゆっくりとＮＯｘ吸着剤を不活性硫酸塩に変換し、その捕獲効率を低減していく。低硫黄燃料（たとえば１５ｐｐｍの範囲内）でさえ、ＮＳＲ触媒は、そのＮＯｘ捕獲効率が大きく低減するまで約５００〜１０００車両マイルしか持続しない。現行そして将来予測される排出物規制によって求められる、１５０，０００〜４００，０００マイルを持続するＮＳＲ触媒を製造するためには、ＮＳＲユニットを、あまりに大きく設計しなくてはならず、業界内で便利に活用されないであろう。ＮＳＲ触媒ユニットは、還元雰囲気中、５００〜６５０℃の温度で処理することによって脱硫酸化できることは発見されているものの、ＮＳＲトラップユニットそのものの中でこの環境を作り出すような方法でエンジンを運転することは非常に難しい。
【００１２】
排ガス中に直接注入することでディーゼル燃料を還元剤としての使用することは、アイドリングおよび低負荷を始めとするディーゼルエンジンの運転サイクルの重要な部分をカバーする、排気流温度１５０〜２５０℃においてあまり効果的ではない。高い入口温度（たとえば、２５０〜３００℃またはそれを超える範囲）でディーゼル還元剤を使用すれば、高いＮＯｘ変換率が可能かもしれないが、これらの温度は、これを有用なアプローチにするための運転条件の充分に広い領域を超えて、たいてい得ることはできない。水素、一酸化炭素、アルコール類および低分子量炭化水素のいくつか（たとえば、プロピレン）のような他の還元剤は、低温でより反応性があり、運転条件のより広い範囲でより優れた還元能力を提供するかもしれない。しかし、これらの材料を使用すると、車両に追加の燃料源を備えることが必要となり、コストの増大とともに、重大な構造基盤と設計関連の問題を引き起こす。これらの問題点および限界は、ＮＳＲ技術の広範な商業的用途と受入れに大きな妨げとなっている。
【００１３】
公開されたＰＣＴ特許出願ＷＯ０１／３４９５９ＡｌでＨ．Ｓ．Ｈｗａｎｇらは、ＮＳＲ触媒の再生の改良に関する１つのアプローチを示しおり、これは全てそっくりそのまま、参考として本明細書に組み込まれる。この出願は、燃料と空気を受け取り、それを触媒上で処理して排ガスシステムのすぐ外側にあるシステム内に部分的に反応した燃料と場合によりＨ２およびＣＯのいくらかとの混合物を得る燃料処理装置を記載する。部分的に反応した燃料の混合物は、次いで、ＮＳＲ触媒再生の必要が生じた時に排気流に注入される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、このアプローチにはいくつかの問題点がある。まず、装置は還元剤を製造することに限定され、排ガス中の酸素レベルを減らす支援とはならない。また、この装置は、最適なＮＳＲ触媒再生あるいは脱硫酸化を促進するために、充分に高い排ガス温度を提供することができない。さらに、もし該装置が断続的にだけ使用されるとすれば、燃料および空気も断続的に作動されなければならない。燃料装置は特性を機能させるよう高温に保たれているため、これは非常に難しいかもしれない。アイドリングまたは低負荷運転中、ＮＳＲ触媒は最適な燃費経済性のために、１０〜２０分毎に１回しか再生しないかもしれない。さらに、燃料装置は、たとえ必要でなくても、長時間高温に保たれなければならないため、エネルギー消費がかなり増え、燃費経済性に悪影響がある。最後に、部分的に処理された燃料、Ｈ２およびＣＯは連続的に生成されるので、再生サイクルが必要とするまで、これらを保存しておかなければならない。これはシステム設計全体を複雑にする。したがって、大きな必要性が、現在出回っているＮＳＲシステムの問題点および限界を克服することができ、同時に現在の排出物および燃料効率に関する問題点に実用的な解決法を提供することができる方法および装置に残っている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（発明の要旨）
本発明は、ＮＳＲ技術を可能にするシステムおよび方法を提供することによって、この要求を満たす。この方法で、ＮＳＲ技術を持つディーゼルおよび他のリーンバーンエンジンの大規模な商業的用途を促進する。これは、厳しい環境規制の遵守を確保するとともに、石油を節約し、温室効果の原因となるガスや排出物を減らす支援となる。
【００１６】
したがって、本発明の目的は、ＮＳＲ型またはＮＳＲ型の排ガス制御システムが付いているリーンバーンＩＣエンジンの性能と排出物とに関して改良を提供することである。本発明のさらなる目的は、ＮＳＲシステムを含む用途に合う温度で、ディーゼルやガソリンなどの燃料を、ＣＯおよびＨ２を含む還元ガス混合物に変換することができる装置を提供することである。本発明のさらなる他の目的は、ＮＯｘを窒素に還元するＮＯｘ吸着剤を再生することができ、ＮＳＲ型排ガス制御システム触媒を周期的に脱硫酸化することができる還元ガス混合物を提供することである。本発明のさらなる他の目的は、ＮＯＸ還元剤およびディーゼル燃料より効率的な吸着型触媒脱硫酸化剤を提供することである。本発明のさらなる他の目的は、断続的な希薄／リッチ燃焼モードというより連続的な希薄燃焼モードにおいてＩＣエンジンを運転可能にすることである。これらおよび他の目的と利点は、本明細書のこれからの説明および添付の図面から明らかになるであろう。
【００１７】
１つの態様では、本発明は、過剰酸素を含む排気流中のＮＯｘを還元するシステムであって、ＮＳＲ触媒と、燃料装置と、少なくとも１つの燃料注入口とを備えるシステムを提供することによって、これらの目的を達成する。前記燃料装置は、ＮＳＲ触媒の下流の位置に配置され、入口と、出口と、少なくとも１つの触媒とを備える。或る変型では、燃料装置がさらに硫黄捕獲剤を含む。
【００１８】
燃料は燃料注入口に注入され、燃料装置触媒上で反応し、燃料装置触媒の少なくとも一部の温度をすばやく上昇させ、その少なくとも一部をＨ２およびＣＯに変換する。或る変型では、燃料の注入をパルスで行う。他の変型では、燃料を燃料装置に注入して、燃料装置触媒を予熱する。
【００１９】
或る変型では、システムはさらに、燃料装置より大きな熱容量を有するサーマルマスを備える。サーマルマスは、たとえば、ＰＭフィルター、一体構造物でもよく、またはＮＳＲ触媒あるいは燃料装置の一部であってもよい。システムは、場合によっては、燃料予熱器、燃料気化器、撹拌器および制御システムを備えてもよい。
【００２０】
他の態様では、ＮＳＲ触媒吸着剤を再生する方法であって、排気流をエンジンから供給するステップと、燃料を燃料装置の下流位置に注入するステップと、場合によっては、前記排気流と前記燃料とを混合するステップと、前記燃料と前記排気流との混合物を前記燃料装置内で反応させ、ＣＯおよびＨ２を含むガス混合物を生成するステップと、該ガス混合物をＮＯｘトラップに導入するステップとを含み、吸着剤を前記還元ガス混合物の導入によって再生する方法を提供することによって、これらの目的を達成する。
【００２１】
１つの変型では、燃料は注入する前に気化する。他の変型では、燃料は１を超える当量比で注入される。他の変型では、燃料は、ガソリンでもよいしディーゼル燃料でもよい。さらに他の変型では、触媒の少なくとも一部が、少なくとも５００℃に加熱される。
【００２２】
他の態様で、本発明は、ＮＳＲシステムを伴う用途用の燃料処理装置であって、入口と、出口と、少なくとも１つの触媒と、少なくとも１つの燃料注入口とを含む燃料処理装置を提供することによって、これらの目的を達成する。該燃料注入口は触媒の下流位置に配置され、触媒への燃料の注入を促進する。燃料の少なくとも一部が触媒上で反応し、触媒の少なくとも一部の温度をすばやく上昇し、燃料の少なくとも一部をＨ２およびＣＯに変換する。或る変型では、燃料処理装置は、さらに撹拌器または追加の触媒を備える。
【００２３】
さらに他の態様では、本発明は、本発明のシステムおよび方法を伴う用途のための制御方針を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の前述のおよび他の態様は、詳細な説明とともに添付の図面を参照して、最もよく評価されるであろう。
【００２５】
（発明の詳細な説明）
１つの態様で、本発明は、ＩＣエンジンの性能と排ガス制御とを改良するシステムを提供し、特に、ＮＳＲ触媒が装備されている装備されているリーンバーンエンジンを提供する。本明細書で「ＮＳＲ触媒」と記載されている場合、ＮＯｘ吸着型触媒システムを有する全てのシステムを具現化していると理解されるべきである。図面を参照して、全図面を通して同じ数字は同じ要素を示す。典型的なＮＳＲ触媒の稼動を図１に示す。
【００２６】
そこに示すように、排ガスは、吸着サイクル１００の間、触媒中を流れるので、ＮＯｘは過剰酸素の存在下で吸着剤によって吸着される。ＮＳＲ触媒は吸着が非常に効率的になるように設計されており、曲線１０２によって示されているように、排気流からＮＯｘの吸着がほぼ完璧に行われる。ＮＳＲ触媒は、通常、排ガスユニット内にキャニスターがあり、排気ガスはそれを通じて流れることができる。一般的な触媒は、表面や壁に塗布された造物吸着剤および触媒成分を有する一体構造物のような、ハニカム状である。
【００２７】
ＮＳＲ触媒中の吸着剤がＮＯｘで飽和され始めると、吸着が完全でなくなり始め、ＮＯｘ捕獲を終了させるＮＯＸレベルが、曲線１０４によって示されるように、増加し始める。この時点で、排気流の組成は酸化状態から還元状態へ変化し、還元サイクル１０６が始まる。次いで、還元剤が導入され、酸素レベルは、曲線１０８に示されるように、０まで還元される。
【００２８】
還元環境でＮＯＸは吸着剤から脱離し、ＮＯｘトラップの触媒成分によって還元されて窒素になる。この反応は、一般的に、還元サイクル１０６が比較的短くなるのに充分な速度で起こると同時に、ＮＯｘ吸着触媒の重要な部分が再生するのに充分な時間が与えられる。次いで、排ガス組成は、正常な酸化条件に戻り、全サイクルは繰り返される。通常は、吸着サイクル１００は、いずれにしても高負荷で１〜５分持続し、低負荷またはアイドリングで２０分持続し得る。再生−還元サイクル１０６は、通常、１〜１０秒持続し、ＮＳＲ触媒を再生するために必要とされる時間に応じて、これより長くなる可能性がある。
【００２９】
再生−還元用の還元ガス組成は、過剰の燃料を、燃焼の後期（たとえば、パワーストロークの最終の間、または排ガスストロークの間）、エンジンシリンダーに注入するか、または直接ＮＳＲシステムの上流の排ガスパイプに注入することによって得られる。この技術の全ＮＯＸ変換率または除去性能は、吸着型触媒システムの再生−還元性能によって影響される。したがって、もし再生サイクルに効果がなければ、それに続く吸着サイクルも効果がなく、排出を終了させるＮＯＸレベルは、通常非常に高い。
【００３０】
次に図２に移る。ここには、本発明の通常のシステムの概略図が示されている。ここで記載されているように、燃料装置２００は、エンジン２０４とＮＳＲシステム２０６との間に排ガスパイプ２０２に沿った位置に配置されていてもよい。このように、排気流は、先ず燃料装置２００を通り、次いでＮＳＲシステム２０６中に流れていく。燃料装置２００は、ＮＳＲシステム２０６とともに１つのハウジング構造体中に配置されてもよいし、されなくてもよい。１つの変型では、後段でさらに詳しく説明するように、燃料装置２００は断続的に稼動され、ＮＳＲシステム２０６のＮＳＲ吸着剤を周期的に再生する。吸着剤を再生している時、燃料２０８は燃料装置２００に注入してもよいし、燃料装置２００の上流の位置に注入してもよいし、直接、燃料処理装置２００およびその上流位置の両方に注入してもよい。
【００３１】
１つの変型では、燃料装置２００は、図３に示すように、少なくとも１つの触媒を備える。図に説明的に示すように、燃料装置２００は、入口３００と、出口３０２と、少なくとも１つの触媒３０８とを備える。少なくとも１つの燃料注入口３０４と、場合によっては撹拌器３０６とが、燃料装置の上流の位置に配置されている。さらに、燃料装置２００は、燃料予熱器、燃料気化器、空気または追加の燃料（図示せず）を導入するための第２注入口および制御システム（図示せず）を備えてもよい。
【００３２】
図３に説明的に示すように、燃料装置２００は排ガス混合物３１０を受け取るための入口３００を備える。燃料注入口３０４は、燃料を受け取るために、燃料装置２００の上流位置に配置されている。燃料を口３０４に注入した後、燃料は燃料装置２００に入り、排ガス混合物３１０と混合される。口３０４へ注入する燃料は、蒸気の形態でもよいし、液体の形態でもよいし、またその２つの組合せであってもよい。もし注入燃料が液体である場合、熱い、排ガス混合物と接触した時、そのいくらかあるいは全部が気化してもよい。混合はこの気化によってさらに促進される。このようにして、排ガス混合物３１０および注入された燃料は、任意の撹拌器３０６の中を通り抜ける。撹拌器３０６は、ガスの混合を促進し、液滴の気化を支援するどのような撹拌器であってもよい。
【００３３】
混合物は、得られた当量比（φ）が所望の限界内になるように、充分に均一であってもよい。ここで当量比は、燃料濃度を、ガス混合物中に存在する全酸素が充分に反応しＣＯ２とＨ２Ｏとになるのに必要な理論燃料濃度で割ったものである。たとえば、もし燃料装置を、トラップに入る前に排ガス中の酸素濃度を減らし、ゼロにするために使用するのであれば、混合のレベルは、必要とされる混合物当量比を決定する。もし撹拌器が、＋／−１０％の触媒入口で均一に混合物を生成するなら、燃料が加えられ、触媒での最低当量比が１．０になるように、当量比１．１としてもよい。同様に、リッチで運転してＨ２およびＣＯを生成する燃料装置の一部のために、混合物の均一性は必要な改質性能を得るために要求される当量比と要求される温度とによって決定されがちである。通常、混合物の均一性は、＋／−２０％が望ましく、＋／−１０％がさらに望ましく、＋／−６％が最も望ましい。
【００３４】
１つの変型では、成分を混合し、比較的均質な気流とする、静的（たとえば、可動部を有しない）インライン撹拌器が用いられる。該変型では、撹拌器は、ガス気流成分の流れを変えることによって作用し、これによって入口気流の混合を起こす。種々の静的撹拌器が市販されており、それを使用してもよい。たとえば、静的撹拌器の１つの型は、気流を部分に分ける交差溝の列を有し、分けられた部分は、位置を変えられ、組み合わされる。撹拌器の他の型は、旋回翼と、旋回翼を回転する計測器とを供える。これらは、ガス混合物を旋回させ、ガス混合物にする。旋回翼は、１方向に回転する部分を有してもよいし、反対の方向に回転する他の部分を有してもよい。パイプ部が、撹拌器として使用されてもよい。たとえば、５を超える長さ／内径比（Ｌ／Ｄｉ）をもつ直管部またはベントパイプ部を使用してもよい。
【００３５】
あるいは、撹拌器は、気流内で乱流や混合を引き起こす、ファン、タービンまたは音響エネルギー入力装置のような可動部を有してもよい。しかし、そのような撹拌器は、可動部が使い古され点検を必要とし、また、より大きなエネルギー入力を必要とするので、あまり望ましくないかもしれない。混合効率におけるどのような改良の評価も、非静止混合物が、複雑な追加設計およびエネルギー消費量に容認するのに充分都合がよいかどうかを決定する前になされるべきである。
【００３６】
さらに、特に燃料が高分子で熱分解しやすい場合、噴霧された燃料と接触して、撹拌器の一部にワニスまたは炭素質沈着物が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塗料のような炭化水素である。撹拌器の一部に、これらのワニスや炭素質沈着物を酸化しうる触媒を塗布してもよい。このように、触媒は、連続クリーニングや自洗式のオーブンのように沈着物を防いだり、取り除いたりする。
【００３７】
１つの変型では、燃料注入口を撹拌器として使用してもよい。１つの変型では、燃料注入口排ガスパイプ中の燃料装置の上流に配置し、排ガスパイプの長さを、ガス混合物を均一に混合するために使用してもよい。この機能を実行するために必要な区域のパイプ長さは、一般的にパイプの直径の１０倍と考えられている。注入口は、また、排ガスパイプ中の屈曲部の上流に配置され、燃料と空気とを混合してもよい。ある場合は、燃料と空気を距離で素早く、あるいはそれらを触媒に導入する前の短い距離で混合するのが望ましいこともある。これは重燃料（たとえば、ディーゼル燃料）が熱分解あるいは分解を起こし、ワニスまたは他の沈着物を生成しやすいためであり、これが次いでシステムの劣化へとつなげることとなる。他の変型では、エンジンの燃料注入口が撹拌器として使用される。
【００３８】
燃料および排ガスの混合物は、次いで、反応触媒３０８へ流される。業界でよく知られた方法によって、残留燃料が水と反応して一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）とを形成しながら、燃料の一部が酸素と反応する。該Ｈ２およびＣＯは次いで出口３０２を経由して、触媒３０８および燃料装置から流しだされる。該Ｈ２およびＣＯは次いで下流へ流され、図２に示すＮＳＲシステム２０６に流される。ガス混合物は、酸素を少量あるいは含まない、Ｈ２およびＣＯ還元ガス混合物を含むので、ＮＳＲユニットは素早く効率的に再生するであろう。この再生サイクルの完了で、燃料装置への燃料流れが止められ、該システムは吸着モードに戻る。
【００３９】
触媒３０８は単一触媒ユニットで構成されていてもよいし、数個の触媒が直列で並んでいてもよい。たとえば、第１触媒は、主として、燃料と酸素とのいくらかと反応するように選択された触媒組成をもつ燃焼触媒として設計され、二酸化炭素と水を形成し、熱を発生してもよい。触媒ユニットの間に注入された過剰の燃料および／または燃料は、次いで、第２触媒ユニットへ移動し、そこで過剰の燃料は水と二酸化炭素と反応し、ＣＯとＨ２を形成することができる。この第２触媒は、たとえば、主に改質触媒として設計することができる。あるいは、単一触媒は、酸化用の入口区域と改質用の出口区域とを持つように設計することができる。このようにして、単一触媒は、２分離型触媒ユニットとして効果的な機能を提供する。
【００４０】
触媒３０８は、高い表面積を持つ耐火性担体と組み合わせた１以上の金属または酸化物を活性触媒として含んでいてもよく、該触媒の多くは炭化水素の酸化で業界においてよく知られている。該触媒は、ウォッシュコート、つまり通常、高い表面積を持つ担体と活性触媒要素との混合物を含む多孔性被覆剤として用いられてもよい。あるいは、被覆剤は、第２酸化物分あるいは炭化水素または炭素の酸化に活性な酸化物の混合物を持つ多孔性構造を有する担体を含んでもよい。被覆剤は、多くの方法を使用して塗布される。たとえば、プラズマ火炎溶射、化学気相蒸着、電気めっき、化学めっき、噴霧可能なゾル（触媒粒子が液体に懸濁したものを含む）の塗布、あるいはスラリーに該当箇所を浸漬しての塗布などによって塗布されてもよい。本発明で使用してもよい触媒組成の一例として、米国特許第５，２３２，３５７号にＤａｌｌａ  Ｂｅｔｔａらによって記載されたものが挙げられ、これは全てそっくりそのまま、参考として本明細書に組み込まれる。
【００４１】
燃料装置で使用される燃料は、前記ユニットと相容性があれば、どのような燃料でも使用できる。たとえば、エンジンで使用される燃料と同じタイプのものを使用してもよい。燃料がディーゼル燃料やガソリンのような液体の場合、排ガス混合物は燃料を完全に気化するほど熱くはないかもしれない。このような環境においては、混合物の温度を充分に上げて、燃料の一部を、触媒中を通過する排気流中の酸素と反応するようにし、それによって、触媒温度を上げてもよい。燃料装置触媒３０８の温度が上がれば、残留液体燃料は触媒中で気化するかもしれない。
【００４２】
あるいは、燃料を予熱して、注入時により容易に気化させるようにしてもよい。燃料加熱器を、任意で、都合のよい位置、燃料処理装置の中あるいはその上流の望ましい位置のどのような場所に置いてもよい。燃料は、再生サイクルの持続時間に、連続的あるいは断続的に注入してもよい。連続燃料注入の場合、燃料流れの速度および持続時間は燃料の量を制御する。間欠的燃料注入の場合、パルス周波数およびパルスの容量が燃料の量を制御する。
【００４３】
酸素のレベルの高いガス流中で本発明の方法を使用する場合、燃料パルシングの使用は好都合であり得る。図１２に示すように、燃料は、燃料装置触媒を予熱して所望の温度１２０２にするために、先ず、１２００で燃料装置に注入される。燃料装置触媒は、たとえば、５００℃（±５０℃）から７００℃（±５０℃）、もっとも頻繁には６００℃（±５０℃）の温度範囲に予熱される。燃料は次いでパルス手段１２０４によって注入され、Ｈ２とＣＯのパルス１２０６を生成、次いでこれを使用してＮＳＲユニットを再生する。パルスの持続時間はどのようなものでもよいが、燃料装置触媒時間を連続的なパルスの間で冷却できるくらいの短い時間であるべきである。もし燃料パルスが長すぎると、すっかり燃焼した時、高レベルの酸素が大きな熱放出を起こすため、触媒がオーバーヒートするかもしれない。
【００４４】
パルス数もどのようなでも使用してもよく、たとえば、１〜２０個のパルス、またはそれ以上、もっとも多くは５〜１０個のパルスを使用する。図１２は、触媒の予熱のための燃料の長パルス、次いで、下流のＮＳＲ触媒を再生するための、６個のＨ２／ＣＯ１２０６のパルスを生成するための、６個の長パルスを示す。同様に、各パルスの長さも、パルスが連続している間触媒温度を高く保てるが、触媒をオーバーヒートするぐらい高くならないように選択される。たとえば、パルスは１つの長さで０．１〜約２秒がとれる。さらに、パルスの間隔は、エンジン操作のモード、燃料処理触媒の設計および処理される排ガスの流速に応じて変更してよい。流速がより低ければ触媒はよりゆっくり冷却されるので、排ガスの流速の遅い、１分あたりの回転数が低いエンジンでは、パルスはさらに離れることもできる。パルスは０．５秒〜２０秒の間隔である。排ガスの流速がより速い、１分あたりの回転数がより高いエンジンでは、パルスはより近づき、０．１〜３秒の間隔である。これは、電子的に制御され、２００Ｈｚまでの周波数に制御された燃料注入を可能にする、加圧型燃料インジェクターの使用によって実現できることが多い。
【００４５】
一般的に、パルス稼動のこの方法は、燃料装置触媒をオーバーヒートすることなく、使用される排気流中の酸素レベルをより高くすることができる。たとえば、この稼動方法は、５〜２０％の酸素を含む排気流で使用され、８（±２％）〜１５％（±２％）の酸素を含む排ガスさらに頻繁に使用される。触媒は、オーバーヒートを避けるために、リッチ燃料のパルス間で冷却される。
【００４６】
注入される燃料の量は、通常は、排気流中に存在する過剰酸素の全てと反応するに充分で、システムの稼動温度でガス混合物（ＣＯとＨ２）を還元するのに必要とする量を生み出す量である。燃料のこの量は、１を超える当量比（φ）に相当する。
【００４７】
燃料は、通常高負荷で１〜５分、低負荷またはアイドリングでそれより長く持続するＮＯｘ吸着位相の間は、一般的に注入されない。次いで燃料はＮＯｘ再生−還元位相の間、約１〜１０秒間再び注入され、該サイクルが、エンジンが作動しＮＯｘを生成する限り、繰り返される。燃料注入の量およびタイミングは、エンジン管理システムあるいはエンジン制御ユニット、またはこれらの一部に連結している燃料装置制御システムによって、状況に応じて制御される。
【００４８】
Ｈ２およびＣＯ還元剤は、種々の反応によって形成できる。１つの変型では、燃料の一部を燃焼させて触媒温度を約５００〜７００℃に上げ、残留燃料を排気流中のまたは燃料燃焼によって形成されたＨ２ＯおよびＣＯ２に反応させて所望のＨ２およびＣＯを生成する。あるいは、燃料、Ｏ２、Ｈ２ＯおよびＣＯ２を同時に触媒上で反応させて所望のＨ２およびＣＯを得ることもできる。
【００４９】
燃料装置は数種のいかなるモードにおいても稼動させることができる。稼動の１モードを例として図４に示す。そこに示すように、再生サイクル４００は、温度上昇位相Ａと還元位相Ｂとからなる。エンジンからの酸素濃度４０２、燃料装置への燃料流れ４０４、燃料装置によって生成されたＣＯおよびＨ２４０６、燃料装置触媒の温度４０８が示されている。温度上昇位相Ａの開始で、燃料は、４１０で示される速度で燃料装置へ注入される。これが燃料装置触媒を曲線４０８で示す所望の温度に加熱する。
【００５０】
燃料装置触媒の温度が所望のレベルに達した時、燃料の流れ４１２は増し、酸素レベル４０２はエンジンへの空気流を部分的に抑制することによって減少する。酸素濃度の減少と燃料濃度の増加との組合せによって、燃料装置触媒がリッチになり、すなわち１を超える当量比となり、全体の混合が起こり、曲線４０６に示すように、ＣＯとＨ２が生成する。ＮＳＲシステム内のＮＯｘトラップが完全に再生したとき、装置への燃料投入が止められ、エンジンスロットルが再び開く。このサイクルの１つの利点として、燃料消費を最小限に抑えることがある。さらに、エンジンはＣＯとＨ２とが生成する間だけ抑えられるので、エンジン性能および運転性能に関する悪影響は最小限に抑える。
【００５１】
代替運転方法もまた可能である。たとえば、燃料装置への燃料の流れを、還元剤生成に必要なレベルまで直ちに上げることができる。次いで、燃料装置が適切な温度に達した時、エンジンが抑制され、ＣＯとＨ２の総合的な還元混合物を生成する。これは、燃料燃焼の量がより多いので、燃料装置触媒の燃料加熱をより速く促進する。しかし、触媒のオーバーヒート、それによって起こる触媒の不活性化を避けるために、特別の注意が払われるべきである。
【００５２】
再生サイクルの間、燃料装置からの出口気流は、触媒３０８を迂回する酸素を始めとして、酸素を含まない。該酸素は、還元ガス混合物と混合し、ＮＳＲ触媒上で反応し、そのため、再生過程の効果を下げてしまうことになるからである。さらに、エンジン運転方法は多くの形態を取り得る。エンジンを抑制して排ガス酸素濃度を減少させるというよりむしろ、排ガス再循環システム（「ＥＧＲ」）の流れを増加させることができ、このようにして、排ガス酸素レベルの減少を起こすことができる。あるいは、エンジン燃料インジェクターによってエンジンへ注入される燃料の量を増加することもできる。さらに、これらの方法、または他の方法を組み合わせて使用し、排ガスの酸素レベルを減少させることもできる。
【００５３】
１つの変型では、燃料装置は直列の触媒を含む。この変型では、図５に示すように、酸化触媒を改質触媒の上流の位置に置く。そこに示すように、燃料処理装置２００は、改質触媒５０２の上流に酸化触媒５００を含む。排ガスの流れは、入口５０４を通り、燃料改質装置に入り、撹拌器５０６、酸化触媒５００、第２撹拌器５０８、改質触媒５０２を通り、出口５１０へ通り抜ける。
【００５４】
この変型では、燃料を、燃料インジェクター５１２を介して注入し、酸化触媒５００上で反応させ、改質触媒５０２を加熱してもよい。また、所望の如何なる時間にでも、燃料／空気比をさらに増加させために、燃料インジェクター５１４を介して燃料を改質触媒５０２に注入して改質を起こし、ＣＯとＨ２とを生成することができる。この変型の１つの利点は、酸化および改質触媒の機能を分けるところにある。この方法で、各触媒の機能を非常に効率的に実行してもよい。
【００５５】
たとえば、運転中、酸化触媒を、過剰酸素（当量比が１．０未満）の一定した条件下で稼動し、それによって高活性および炭素または炭化水素の沈着物を低くすることを助長するように、構成することができる。さらに、改質触媒５０２には、１以上のインジェクターを介して燃料インジェクター５１４の近くの位置に別に燃料が供給されてもよいので、改質触媒の温度が最適レベルに達した時点で、燃料を加えることができる。さらに、別の酸化触媒を持つことは、その位置をエンジンに近づけることが可能となり、それによってより高い排ガス温度で運転を促進する。これは、言い換えると、アイドリングおよび低い周囲条件でより優れた運転を提供することを支援する。
【００５６】
この変型における直列する２つの触媒は、かなり多数の構成を有していてもよい。たとえば触媒は、互いに離れた位置に配置され、別の上流インジェクターおよび撹拌器を持っていてもよい。あるいは、該２つの触媒は単一のユニット内に配置されてもよい。単一のユニット内に配置された触媒を持つことは、各システムを簡単に複製可能にするでき、従って製造上の利点を提供するという点で有利である。
【００５７】
他の変型では、図６に示すように、触媒を並列に置く。排ガスは口６００を通って入る。燃料は、燃料インジェクター６０２を介して注入され、次いで、そこで撹拌器６０４によって排ガスと混合される。燃料と排ガスの混合物は、次いで、触媒６０６および出口６０８を通過する。排ガス混合物の一部は、通路６１２を通り、触媒６１４中を通過し、共通の出口６０８へ行く。触媒６０６は、酸化触媒であり、触媒６１４は違う燃料インジェクター６１０を持つ、改質触媒または燃焼および改質触媒の組合せである。
【００５８】
この変型では、燃料が、先ず、改質触媒６１４を所望の温度に加熱する燃料インジェクター６１０に加えられる。触媒６１４の温度が所望の範囲内になり、還元混合物が必要とされた場合、燃料がインジェクター６０２を通して１．０に近い当量比で注入される。これが主排気流中の酸素を消費する。場合によっては、インジェクター６１０を介して追加の燃料を加え、上記の触媒６１４での混合物の当量比を、１．０を超える値とし、ＣＯとＨ２を生成させてもよい。燃料がインジェクター６０２を介して注入されると、触媒６１４での混合物の当量比は増加することに注意すべきである。これは、燃料が触媒６１４に流れる排気流の一部と混合し、触媒６１４での燃料組成がインジェクター６０２と６１０からの当量比の合計となるからである。
【００５９】
全システム設計は、多くの方法によって変更されてもよい。たとえば、該システムは、インジェクター６０２からの燃料を触媒６１４へ進む排気流と混合しないように変更されてもよい。あるいは、触媒はもう一方から離れた位置に配置されてもよい。たとえば、それらは、別々のユニット内に配置され、別々の燃料インジェクターと撹拌器とを持ってもよい。
【００６０】
図６に示す並列構造の利点の１つとして、燃料を該区域のそばにのみ適用することによって、改質触媒を予熱できることがある。触媒６１４のサイズが触媒６０６と比べて小さく、６１４の中を通る排気流の分留が６０６と比べて小さい場合は、改質触媒６１４を所望の改質温度に加熱するために使用される燃料の量は最小限に抑えられるかもしれない。また、加熱が急速に起こり、さらに燃料消費を最小限にするように、非常に小さなサーマルマスを持つ触媒６１４を設計することができる。
【００６１】
一方、高温によって触媒が傷み、触媒の吸着力が所望の稼動範囲から逸脱することになるので、下流のＮＳＲシステム触媒は温度があまり高くないほうが望ましいかもしれない。これは、燃料をインジェクター６０２に加え、酸素を主排気流から取り除く時、触媒および６０６からの出口ガスがゆっくり上がるように、触媒６０６のサーマルマスを増加させることによって到達される。あるいは、サーマルマスを燃料処理装置の下流に置いて、燃料装置の出口の流れから熱を吸収し、ガス流の温度をＮＳＲシステムに入る前に低くしてもよい。
【００６２】
他の代替構造として、サイクルが薄いかまたは捕獲期の間、排気流が燃料処理装置を迂回することができるバイパスを持つものがある。これは、熱い燃料装置触媒の冷却から排気流を回避するもので、燃料をあまり必要とせず、燃料装置触媒を５００℃を超す温度に戻す。これは、燃料装置およびＮＳＲ触媒の稼動と相まって燃料の不利な条件を減らす。バイパスは、排ガスを燃料装置システム周辺に流すパイプまたはダクト、排気流を、燃料装置触媒内を通してまたは燃料装置触媒の周辺に導くダンパー用のバルブを備えてもよい。
【００６３】
本発明の触媒は、適切などのような材料で構成されてもよい。たとえば、容器内のペレットやビーズ、一体構造のハニカム型ユニットであってもよい。車両の振動はペレットあるいはビーズの摩耗および損失を起こすので、一体ハニカム型ユニットが望ましい。さらに、一体ユニットは、通常、流れる排気流に対しより低い圧力低下を持つ。どのような一体構造のものも使用してよい。たとえば、セラミックであってもよいし、金属であってもよい。また、種々のセルサイズおよび形であってよい。セルサイズおよび形は、所望の表面積と圧力低下、さらに適切な熱および物質移動係数に応じて決定される。たとえば、燃料装置触媒は低い熱容量を持ち、素早く加熱できるのが望ましい。同様に、燃料装置触媒は低い圧力低下を持ち、全システムの全体的な圧力低下が運転の邪魔になったりエンジンの効率の低減になったりしないようにするのが望ましい。
【００６４】
一体構造物を触媒の担体として使用する場合、その外側または壁表面に触媒の層を塗布してもよい。このウォッシュコートは、アルミナ、ジルコニアなどの多孔性不活性酸化物を含み、高度に露出した表面積を持つ。この酸化物担体は、所望される機能に応じて、酸化または改質に活性な追加の成分を含んでもよい。本発明で使用するための種々の一体触媒の製造および組成が米国特許第５，１８３，４０１号、５，２５９，７５４号および５，５１２，２５０にＤａｌｌａ  Ｂｅｔｔａらによって記載され、これらはそれぞれ全てそっくりそのまま、参考として本明細書に組み込まれる。
【００６５】
酸化触媒は、炭化水素を酸化し得るものであればどのような触媒を含んでもよい。たとえば、酸化触媒は、元素周期表のＶＩ、ＶＩＩ、ＶＩＩＩおよびＩＢ属から選択される元素を含んでもよい。さらに活性な触媒元素として、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｉｒ、ＣｒおよびＭｏからなる群から選ばれるものがある。ある場合は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉを使用するのがより望ましい。これらは、実際の使用では、別々にあるいは組み合わせて、また、元素としてあるいは酸化物として存在してもよい。
【００６６】
酸化触媒の望ましい１つの特性として、非常に低い温度でも優れた触媒活性を持つことが挙げられる。このようにして、システム設計の変更をすることなく、酸化を低い排ガス温度で始動することができる。この特性は、着火温度または排ガス中の燃料および酸素が反応を始める温度と言われることが多い。これは通常、２５０℃未満、一層典型的には１５０℃未満が必要とされる。
【００６７】
酸化触媒は、アルミニウム酸化物、ケイ素酸化物、ジルコニウム酸化物、これらの混合物あるいは組合せ、これらと追加の成分あるいは元素との混合物あるいは組合せを含む担体上に堆積している。たとえば、セリウムおよびジルコニウムの酸化物の混合物または固溶体、シリカ・アルミナ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｉ、Ｌａ安定化アルミナ、さらに業界でよく知られている他の担体が挙げられる。高分子量のディーゼル燃料は、高温で熱分解する傾向があるので、触媒は、また炭化水素燃料の水蒸気分解に活性のある触媒成分を含んでもよい。有力な添加物として、カルシウム酸化物、バリウム酸化物、その他アルカリまたはアルカリ土類酸化物のような塩基性酸化物および希土類酸化物を含んでいるものがある。触媒は、Ｐｄ、Ｐｔまたは他の活性触媒をアルミナやジルコニアのような多孔性担体内に含浸させることによって造ることができる。金属充填物の範囲は０．１〜２０重量％、さらに望ましくは１〜１０重量％である。本発明で使用してもよい、いくつかの実例となる触媒として、米国特許第５，２３２，３５７号にＢｅｔｔａらによって記載されているものが挙げられ、これは全てそっくりそのまま、参考として本明細書に組み込まれる。
【００６８】
改質触媒は、同様に、活性成分が加えられた高表面積担体を使用してもよい。たとえば、改質触媒として、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ成分が含まれる。触媒は、正常な希薄酸化条件下、安定に残存し、燃料の添加に非常に素早く応答し、それによってＨ２およびＣＯが改質できるように選択される。この点で、多孔性酸化物担体上にサポートされたＰｔ、ＰｄおよびＲｈを使用するのが望ましい。
【００６９】
たとえば、典型的な改質触媒は、多孔性ジルコニウム酸化物担体上に担持された１重量％のＲｈを含む。これは、三塩化ロジウムを水に溶解し、得られた溶液を高表面積（たとえば、１５〜１５０ｍ２／ｇの範囲）の固体ジルコニウム酸化物担体に含浸させて得る。ロジウムの濃度は、通常、ウォッシュコート触媒（固体）の合計の０．１〜２０重量％の範囲内である。さらに一般的には、ロジウムの濃度は、ウォッシュコートの総充填物の１〜１０％の範囲である。ウォッシュコートは、一体ハニカム構造体の内部溝に充填厚１〜５０ｍｇ／ｃｍ２の範囲、さらに一般的には５〜１５ｍｇ／ｃｍ２の範囲で塗布されてもよい。ＰｄまたはＰｔ触媒を同じ方法で製造してもよい。
【００７０】
酸化および改質触媒は、ウォッシュコート中に酸化成分と改質成分とを一体化ことによって、同じ一体ユニット中に一体かしてもよい。たとえば、活性酸化触媒Ｐｄと活性改質触媒Ｒｈは、ジルコニア担体上で一体化され、燃料を酸素と反応させる酸化活性と、残留燃料をＣＯとＨ２に改質するのに必要な改質活性とを持つ触媒を形成してもよい。あるいは、Ｒｈ成分は、一体担体上に塗布されて、焼成されあるいは固着されてもよい。また別に、Ｐｄは、高表面積の担体上に塗布されて、焼成されあるいは固着されてもよい。これらの触媒は、互いに混合して、Ｐｄ／Ｒｈ触媒を形成し、この混合触媒を次いで一体担体に塗布してもよい。
【００７１】
１つの変型では、サーマルマスが使用され、システム稼動の制御を支援し、特に、燃料装置とＮＯｘ捕獲触媒との間の温度を抑えるのを支援する。これは、燃料装置の最適稼動温度範囲は非常に高いが、ＮＳＲシステムの最適稼動温度範囲はそうではないので、大切なことである。すなわち、ＮＯｘ捕獲触媒は高温では不活性化されるかもしれないからである。本発明で使用の使用に関して、かなりの数のサーマルマス構造使用可能で、また、かなりの数のサーマルマスが使用されてもよい。
【００７２】
１つの変型で、燃料装置触媒自身のサーマルマスは、選択的に制御される。たとえば、触媒はできるだけ速く加熱され、燃料はできるだけ少なく消費されるのが望ましい。これは通常、燃料装置触媒のサーマルマスを制御することを含み、比較的小さい。他の変型で、サーマルマスは、燃料装置の下流に配置され、ＮＳＲシステムの過熱を阻止する手助けをするために、熱を吸収するしそれを放出する。このサーマルマスとしては、燃料装置とＮＳＲシステムとの間に設置されるＰＭフィルターまたはスストラップ、またはセパレートサーマルマスコンポーネントがある。ススまたはＰＭフィルターが燃料装置とＮＳＲシステムとの間にサーマルマスとして設置された場合、ＮＳＲシステムは、一定の温度に保たれる。この設計の１つの利点は、燃料装置によって発生した熱を、炭素質のススを焼き払う支援をすることによって、粒子状トラップを加熱し再生するために使用されることである。
【００７３】
サーマルマスは適切などのような材質で造られてもよい。たとえば、セラミックでも、金属でもよい。システム全体に渡る圧力低下がシステムの稼動を妨害しないことを補償するために、高い熱容量と低い圧力低下を持つことができる。サーマルマスの最適な範囲は、少なくともガスの流速と所望の温度上昇の機能であり、したがって、選択的に制御される。他の変型では、ＮＳＲそれ自身が高サーマルマスを有して設計されてもよい。
【００７４】
図７に、燃料と空気との混合物の燃焼の間の触媒加熱のコンピューターシュミレーションの結果を示す。これは、下記の条件でなされた。すなわち、ディーゼル燃料の完全な燃焼のために必要なエネルギーを放出し、燃焼のエネルギーが、触媒中に流れ込むガス混合物を加熱するために使用されて触媒自身を加熱し、ガスと触媒との間に良好な熱伝達があり、ガス流速は、車両用のサイズの触媒ユニットに典型的なものとした。図７に示すように、触媒ユニットは、一旦燃料に火がつくと、早急に加熱される。１００ミクロン厚の金属製の一体壁では、触媒ユニットは、約１２秒以内で４５０℃に達する。５０ミクロン厚の壁では、約６秒以内で４５０℃に達し、２５ミクロン厚の壁では、約３秒で４５０℃に達する。したがって、早急な加熱のためには、結果的として低いサーマルマスを有する薄い壁厚が望ましい。しかし、壁厚やサーマルマスの選択に影響を与える他の設計面への配慮もあることに気をつけるべきである。これらとして、触媒の機械的な耐久性および金属酸化に対する耐性が挙げられる。
【００７５】
金属一体改質触媒ユニットの典型的な壁厚は、１０〜２００ミクロン、さらに典型的には２５〜５０ミクロンの範囲である。図６の平列構造における酸化触媒ユニットまたは直列のサーマルマス構造では、かなり厚く、通常、５０〜５００ミクロン、より典型的には１００〜２００ミクロンである。さらに、上記したように、改質  触媒を急速に加熱させて水素を直ちに発生させることは望ましいかもれないが、酸化  触媒をあまりに急速に加熱させると、下流のＮＳＲ触媒がオーバーヒートこともあるので、望ましくない場合が多い。
【００７６】
他の態様では、本発明は、ＮＯｘトラップの脱硫酸化を促進にする。エンジン燃料中の硫黄は、排ガスシステム中でＳＯ２やＳＯ３の硫黄酸化物を生成する。これらの硫黄酸化物（「ＳＯＸ」）は、トラップの成分と反応して、硫酸塩を形成し、これが次に、ＮＳＲシステムを不活性化する可能性がある。普通、燃料中の硫黄レベルは比較的低いが、どこでも、数日から数週間（エンジン使用量で１００〜１０００マイルに相当）トラップの不活性化を発揮させると、捕獲はこれよりはるかに長く作動できるに違いない。本発明のシステムおよび方法は、このようにトラップを脱硫酸化するためにも使用できる。
【００７７】
１つの変型では、これは燃料装置の少なくとも一部に硫黄捕獲材料を導入することによって到達できる。たとえば、硫黄捕獲材料を燃料装置触媒の成分として含んでもよい。この硫黄捕獲材料は、エンジン排ガス中のＳＯ２やＳＯ３を触媒の下流に到着する前に捕獲し、したがって触媒の不活性化を阻止する。
【００７８】
しかし、もし硫黄捕獲材料燃料装置と組み合わせて使用されると、燃料装置は、おそらく飽和するだろう。もしこれが起これば、実用的な運転を続けることを確保するために、燃料装置は再生されるべきである。この再生は、たとえば、燃料が燃料装置へ注入されるリッチサイクルの間になされる。燃料装置触媒が高温に加熱され、混合物がリッチになる時、捕獲されたＳＯ２およびＳＯ３はどれも排気流中へ放出され、燃料装置から出て行く。放出された硫黄はリッチ位相の間にＮＳＲ触媒を通り抜けるので、ＮＳＲ触媒を汚染することはない。
【００７９】
硫黄捕獲材料は、多くの方法で、燃料装置触媒に導入することができる。たとえば、流れるガス流の最も近く側でも、触媒担体壁に最も近い側でもどちらにでも設置でき、触媒層中に均一に分散させることもできるし、別の層として含ませることもできる。硫黄捕獲材料は、また、燃料装置によって発生したＨ２およびＣＯに暴露される燃料装置触媒の出口端に配置されるバンドであってもよい。硫黄捕獲材料は、また、燃料装置触媒の下流に設置される別の触媒ユニットであってもよい。硫黄捕獲材料が、燃料装置触媒の出口に配置された触媒バンド、または燃料装置触媒の下流にある別の触媒であることが最も好ましいことが多い。
【００８０】
他の変型では、システムの脱硫酸化を燃料装置の酸化部を作動することによって達成し、５００〜８００℃の範囲の温度の出口ガス気流を生成する。これが、次いで、ＮＳＲシステムの下流を５００〜７００℃の範囲の温度に加熱する。
【００８１】
ＮＳＲシステムが所望の温度である時、燃料装置への燃料の流れおよびエンジンスロットルは、Ｈ２およびＣＯを生成し、燃料装置から出る酸素濃度を０に減少するように調整される。この還元ガス混合物は、次いで、不活性化を起こした硫酸塩および他の種を分解することによって、ＮＯｘトラップを再生する。この熱い還元ガス混合物は、再生が完了するまで維持されることができる。１つの変型では、ＮＳＲシステムの再生温度範囲は、通常、約１００〜８００℃、より典型的には約５００〜７００℃である。さらに、Ｈ２およびＣＯの還元剤は、連続した長い還元パルスとして、または数多くの短いパルスとして再生用のＮＳＲ触媒に供給することができる。
【００８２】
１つの変型では、制御装置または制御システムは、本発明の種々の態様を制御するために用いられる。多くの制御方法が採用される。たとえば、制御システムは、ＮＯｘ産出量対負荷や速度などの所定のエンジン稼動条件をマップするために用いられる。このようにして、ＮＳＲトラップによって集められたＮＯｘを評価し、トラップが限度用量に達したとき、ＮＯｘ再生サイクルを起動する。あるいは、ＮＯｘセンサーがＮＳＲトラップの下流に設置されてもよい。この方法で、センサーが、ＮＯｘトラップが限度用量に達した（たとえば、ブレイクスルーＮＯｘレベルを測定することにより）と感知すると、再生サイクルが起動する。
【００８３】
同様に、制御システムは、あらゆるあるいは全システム温度をモニターし制御するために使用される。制御される温度の実例として、入口および出口のガス混合物の温度、燃料投入温度および触媒温度が挙げられる。たとえば、改質装置触媒温度は触媒の出口近くに設置された熱電温度計または他の温度感知装置によって、モニターされ、制御される。
【００８４】
類似した方法では、熱電温度計を使用して燃料装置の出口の温度を測定、モニターする。温度は、排ガス中の酸素レベルを一定に保ちながら、燃料装置への燃料の流れを調整することによって制御されてもよい。あるいは、温度は、たとえば、エンジンを絞って酸素レベルを調整しながら、燃料装置への燃料の流れを一定に保つことによって制御されてもよい。さらに別の方法では、燃料装置への燃料の流れとＯ２レベルの両方を調整する。これは、システムに燃料装置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。このようにして、Ｈ２とＣＯのレベルは効果的に制御される。
【００８５】
燃料装置の温度は、出口のガス温度を測定することによって、あるいは触媒自身の実際の温度を測定することによってモニターする。燃料処理装置によって燃料量を最小にするために、燃焼センサーまたはＨ２あるいはＣＯセンサーをＮＳＲトラップユニットの下流に設置してＨ２およびＣＯ還元剤のブレークスルーを感知する。これは次に制御システムに信号を送り、再生サイクルを止める。
【００８６】
もし燃料処理装置を、ＮＳＲトラップユニットを脱硫酸化のために使用するなら、燃料処理装置の出口の温度を測定し、耐久性を補償するために稼動温度を限定するのが望ましい。また、ＮＳＲトラップユニットの出口の温度は、ＮＳＲユニットが再生に望ましい温度であることを確保するために測定される。さらに、燃料処理装置の温度は、適した脱硫酸化のためにＮＳＲユニットの望ましい温度を得るために調整される。
【００８７】
制御システムは、また当量比を制御するために使用される。たとえば、Ｈ２およびＣＯを燃料装置改質装置によって生成する場合、改質装置触媒への入口の当量比は、燃料の流れを変更することによって、またはエンジンへの空気の流れを絞ることによって制御することができる。さらに詳しくは、正常な運転でのエンジン空気流では、燃料をＨ２とＣＯに改質するために必要な温度範囲内になるまで、燃料は改質装置触媒に加えられる。この時点で、エンジン空気流は絞られ、空気流と排ガス中のＯ２濃度は抑えられる。次に触媒で当量比を増加し、リッチ範囲に入り、Ｈ２およびＣＯを生成する。また、改質装置への燃料の流れを調整して当量比を調整する、あるいはエンジンスロットルと燃料の流れの両方を調整して所望の改質装置当量比を得ることも可能である。
【００８８】
改質装置と酸化触媒での当量比は、エンジンＲＰＭおよびスロットルの設定（これは次にエンジン空気流を提供する）、エンジン燃料流れ、燃料装置燃料の流れを始めとする多くのエンジンの変数から計算することができる。あるいは、排出Ｏ２レベルは、燃料装置の排ガス上流中にあるＯ２センサーを使用して測定することができ、燃料装置燃料流れと組み合わせて、当量比を計算することができる。
【００８９】
具体的に使用される１つの制御方法は、以下のステップを含む。
（１）正常な運転条件下（たとえば、約８〜１５％Ｏ２）で燃料を加え、燃料装置触媒を運転温度まで加熱するステップ、（２）排ガス中の酸素濃度が４％と６％との間になるようにエンジンを調整するステップ、（３）燃料を調整して所望の当量比に到達するステップ（たとえば、排ガス再循環またはエンジンへの吸気を絞り込むことによる）、（４）燃料流速を増加して（２〜５の範囲内）当量比＞１を得る、または燃料の流速がすでに充分高ければ、排出Ｏ２を減少するステップ、（５）ＮＯＸトラップが再生するまで状態を保つステップ、（６）燃料を止め、正常なエンジン運転を再開するステップ。
【００９０】
また、具体的に使用される他の制御方法は、以下のステップを含む。
（１）燃料装置への燃料流れを開始し、同時にエンジン排気Ｏ２を低下させるステップ、（２）燃料装置が所望の温度に達した後、燃料流速を調整して所望の当量比を得るステップ、（３）ＮＯｘトラップが再生するまで燃料流れを維持するステップ、（４）燃料を止め、正常なエンジン運転を再開するステップ。
【００９１】
上記した２つの具体的な方法のどちらかとの組合せにおいて、燃料装置への排ガスは、エンジンの運転条件を変更することによって調整することができる。たとえば、燃料装置の入口での排ガスが低すぎて燃料と排出Ｏ２との間で反応が起こらない場合、エンジンの運転を、排ガス温度が上がるように変更することができる。可能なエンジンの変更として、エンジン吸気を下げる、ＥＧＲの量を増加させる、あるいはターボチャージャーを迂回することが挙げられる。同様に、温度測定も排ガス温度を制御するために使用される。たとえば、燃料装置の入口または出口の温度が測定され、排ガス温度の指標として使用される。このようにして、排ガス温度は制御することができる。
【００９２】
本発明の用途の制御方法をベースとするモデルとして、以下のような使用がある。ＮＳＲ触媒システムの燃費経済性を最小限にするため、再生サイクルは、ＮＳＲＮＯｘ吸着剤が飽和の高レベルに達した時にのみ作動しうる。これは、再生の回数と、該再生に伴う燃料コストを最小限にすることを支援する。触媒のリング試験または制御されたエンジン試験から、ＮＳＲＮＯｘ吸着剤の最高負荷を、たとえば、ＮＯｘ（ＭＬＮＯＸ）のモル数として決定してもよい。ＮＳＲ触媒の実際の使用の間、ＮＳＲ触媒へのＮＯｘの総流動は、排気流中に配置されたＮＯｘセンサーを使用した、触媒入口のＮＯｘ濃度の測定から評価する。この排出ＮＯｘ濃度（ＣＮＯＸ）は、数字関数における排ガス流速（Ｆｅｘｈ）と組合せて、ＮＳＲ触媒（ＬＮｏＸ）を通って流れるＮＯＸの総量を時間（ｔ）の積分によって計算することができる（式１）
ＬＮＯｘ＝ｆ（ＣＮＯｘ，Ｆｅｘｈ，ｔ）＝Σｔ・ｆ（ＣＮＯｘ，Ｆｅｘｈ）  式１
ＬＮＯｘの値がＬＭＮＯｘの値の現在の分留に到達すれば、再生サイクルが開始され得る。たとえば先行試験は、ＮＯｘ飽和のレベルが８０％未満の場合、望ましいＮＯｘ制御はＮＳＲ触媒によって達成することを示すために使用される。この場合、ＬＮＯｘがＭＬＮＯｘの８０％であれば、再生サイクルが始動する。再生を開始した時のＬＮＯｘのＭＬＮＯｘに対する比は、ＮＯｘ吸着期間中の平均排ガス温度、ＮＯｘ発生の速度、平均エンジン負荷、その他、ＮＳＲ触媒ＮＯｘ吸着剤の処理能力に影響を与える変数の関数であることは注意すべきである。ＮＳＲ吸着剤は、時間とともに劣化するので、ＭＬＮＯｘＮＯｘは、エンジンの運転時間のような触媒の総稼動時間、車両マイル、エンジンによって生成されるＮＯｘの総量の関数である。また、下記するように、排出ＮＯｘ濃度、排ガス流速および他の変数はエンジン稼動変数から見積もることができる。
【００９３】
燃料装置への燃料の流れは制御され、所望の熱放出速度を得るか、所望の当量比を得るかどちらかを得る。最初の事例では、燃料流速（Ｆｆｕｅｌ）は、燃料装置入口の排出温度（ＴＦＰ，ｉｎ）、総排出流速（Ｆｅｘｈ）、燃料装置触媒マスのような数個の固定変数、所望の加熱速度、燃料の燃焼熱およびエンジンの型、触媒サイズなどによって変化しうる他のシステム定数（ＳＣ）の関数である。この関数関係は式２によって示される。
【００９４】
Ｆｆｕｅｌ＝ｆ（ＴＦＰ，ｉｎ，Ｆｅｘｈ，ＳＣ）  式２
燃料装置への燃料の流れが所望の当量比に制御される場合、燃料の流れは、式３に示すような、排気流中のＯ２濃度（ＥＯ２）とファー装置の稼動の所望の当量比（Ｒｅｑ）との関数である。
【００９５】
Ｆｆｕｅｌ＝ｆ（ＴＦＰ，ｉｎ，Ｆｅｘｈ，ＳＣ，ＥＯ２，Ｒｅｑ）  式３
排気流中のＯ２濃度は、排気流中に設置されたセンサーを使用して測定することができる。
【００９６】
あるいは、式１〜３の変数は、エンジンの稼動変数から計算あるいは見積もることができる。たとえば、排ガスの流速は、エンジン入口空気流速の関数であり、これは、エンジン制御システムの一部として測定してもよい。あるいは、排ガスの流速は、エンジンの１分当たりの回転数やターボチャージャー給気圧のような特定のエンジン変数から計算することができる。したがって、排ガスの流れは、式４で示すような、エンジンの１分当たりの回転数（Ｅｒｐｍ）およびエンジンのターボチャージャーの給気圧（Ｅｂｏｏｓｔ）の関数と言える。また、排ガス流速のより正確な評価を得るために必要なら、他のエンジン変数を含んでもよい。
【００９７】
Ｆｅｘｈ＝ｆ（Ｅｒｐｍ，Ｅｂｏｏｓｔ）  式４
同様に、排気流中のセンサーは高価で、また優れた耐久性は持っていないかもしれないので、そのようなセンサーを使用するよりもむしろ排出酸素レベルまたは排出ＮＯＸレベルを計算するほうが望ましいかもしれない。排ガス中のＯ２またはＮＯＸの濃度は、エンジン燃料流速（Ｅｆｕｅｌ）、エンジンの１分当たりの回転数（Ｅｒｐｍ）、エンジンの出力トルク（Ｅｔｏｒｑｕｅ）、ターボチャージャーの給気圧（Ｅｂｏｏｓｔ）、エンジンＥＧＲ流（ＥＥＧＲ）および他の可能性のあるエンジンの変数のような１以上のエンジン稼動変数から見積もることができる。この排出Ｏ２濃度は、式５に示すように、また式６に示す排出ＮＯｘ濃度を決定するのと同じようにして決定する。
【００９８】
ＥＯ２＝ｆ（Ｅｆｕｅｌ，Ｅｒｐｍ，Ｅｔｏｒｑｕｅ，Ｅｂｏｏｓｔ，ＥＥＧＲ，他）  式５
ＥＮＯＸ＝ｆ（Ｅｆｕｅｌ，Ｅｒｐｍ，Ｅｔｏｒｑｕｅ，Ｅｂｏｏｓｔ，ＥＥＧＲ，他）  式６
式５および６を式３に代入することによって、エンジンの変数から燃料装置燃料速度を計算あるいは見積もる。
【００９９】
上記した制御方法は、エンジンまたは排出物システム制御ユニットにおける数学の公式の形で表すことができ、これらの公式は、エンジン制御ユニット中に格納される、１以上の多次元表、いわゆる参照表に要約することもできる。燃料装置当量比や時間燃料装置の長さのような他のシステム変数はリッチモードで稼動し、燃料装置の稼動温度、燃料装置の他の態様も、同じように決定することができる。ここに記載した制御方法を利用する場合、多くのセンサー、マイクロプロセッサー、燃料流速調整装置、スロットル調整装置を使用してもよく、これらは全て業界でよく知られている。本発明をさらに理解してもらうために、以下実施例を使用して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例】
【０１００】
（実施例１）
米国特許第５，２５９，７５４号、Ｄａｌｌａ  Ｂｅｔｔａらによる記載に従って、一体触媒を製造した。三塩化ロジウムをＲｈの濃度約０．１８ｇＲｈ／ｃｃで脱イオン水に溶解し、次いで表面積約７５ｍ２／ｇのジルコニウム酸化物粉末を、撹拌しながら加えた。混合物を撹拌しながら、２０％水酸化アンモニウム水溶液を加え、ｐＨを８にした。混合物を蒸発乾固し、得られた粉末を空中で７００℃１０時間焼成した。最終的なロジウム濃度は、最終触媒上のＲｈとして５．５重量％であった。Ｒｈ／ＺｒＯ２触媒を水と１０重量％の２０％アセチル化ジルコニウム溶液とでスラリー化し、固形分約３０％のスラリーを形成した。
【０１０１】
厚さ０．０５０、７５ｍｍ幅、３ｍ長さのＫａｗａｓａｋｉ  Ｓｔｅｅｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ  製Ｒｉｖｅｒ  Ｌｉｔｅ  ２０−５Ｓｒ  の細い切端にしわを寄せて、杉綾模様のＶ溝をもつ幅７５ｍｍに渡ったＶ−型溝を形成した。溝は約０．８ｍｍの高さであった。この薄片を、空中で９００℃１０時間処理し、表面にアルミニウム酸化物の層を形成した。次に、Ｒｈ／ＺｒＯ２スラリーを薄片の両側に噴霧して、約６ｍｇ／ｃｍ２で充填させた。次いで、塗布した触媒を空中、７００℃でさらに１０時間焼成した。次いで、薄片部を２つに折り、巻いて、開放された長さ方向の溝を持つ、入れ子状態ではない、螺旋状のロールを形成した。最終的な触媒は、直径５０ｍｍで、約１７ｇの触媒ウォッシュコートを含んでいた。
【０１０２】
（実施例２）
実施例１で得た触媒を、ガス供給流量計および空気用マス流量計と、マススペクトロメーター量トレーサーとしての窒素およびヘリウムと、電熱器と、水用のエアアシスト噴霧器と、ディーゼル燃料用の第２エアアシスト噴霧器と、触媒の上流に設置された静的ミキサーとを備える流通反応装置に設置した。触媒は直径５０ｍｍの絶縁区域に含まれ、触媒の上流と下流に熱電対温度センサーを置いた。マススペクトロメーターのサンプリングプローブを、触媒出口の約５０ｃｍ下流に設置した。空気、窒素および水の流れを調整し、５％のＨ２Ｏ、８％のＯ２、０．３％のＨｅおよび残りがＮ２を含む組成物を８００ＳＬＰＭ（標準の毎分当たりのリットル）で流す撹拌器を形成した。次いでこの混合物を、電熱器を用いて３７０℃に加熱した。行った試験の結果を図８に示す。
【０１０３】
図８Ａは、体積％の濃度単位に換算した、Ｈ２とＣＯ２のマススペクトラムのシグナルを示す。図８Ｂは、触媒の下流であって、出口面上の異なる位置に設置された３つの熱電温度計によって測定された触媒の出口でのガス温度を示す。図８Ｃは、Ｏ２の濃度を％で、燃料流れを制御システムによって設定されたｇ／分で示す。２９８秒の時、燃料が１０ｇ／分の流速で燃焼し始めた。この燃料は触媒上で燃焼し、触媒温度は、図８Ｂにおける３つの熱電温度計の温度に示されるように、急速に上昇した。燃焼が起こっていることは、図８Ｂで示されるマススペクトラムによって測定されたＣＯ２の突然の出現によって確認された。３０９秒の時、空気流を、図８Ｃで示すように、触媒への入口の酸素濃度が８％から４％へ落ち、燃料の流れが１０ｇ／分から３０ｇ／分に増加するように、空気の流れを減少させた。直ちに、マススペクトラムによって測定され、かつ図８Ａが示すようにＨ２が出現した。３２５秒の時、燃料の流れを止め、酸素レベルを８％に戻した。ＣＯ２およびＨ２レベルは急速に減少した。
【０１０４】
これらのデータは、一体触媒がディーゼル燃料からＨ２とＣＯを急速に生成するように設計することができ、触媒ユニットの加熱が１Ｏ秒以内で起こり、Ｈ２やＣＯなどの所望の還元剤が３〜４秒以内という非常に急速な時間内に生成できる。前サイクル過程は約２５秒以内で完了する。
【０１０５】
（実施例３）
図９に水素パルス生成の他の実施例を示す。この実施例に使用された触媒は、金属薄片にしわを寄せて１．２ｍｍの高さの溝にした以外は実施例１と同様の方法で製造した。空気、窒素および水の流れを調整し、８％のＨ２０、５％のＯ２、０．３％のＨｅおよび残りがＮ２を含む組成物を２００ＳＬＰＭ（標準の毎分当たりのリットル）で流す撹拌器を形成した。次いで、この混合物を、電熱器を使用して、３００℃に加熱した。グラフＡは、体積％の濃度単位に換算した、Ｈ２とＣＯ２のマススペクトラムのシグナルを示す。グループＢは、２つの熱電温度計によって測定された、触媒の出口でのガス温度９０６と出口から１インチの触媒の温度９０４を示す。グラフＣは、燃料流れを制御システムによって設定されたｇ／分で示す。２６３０秒の時、燃料が１．８／分の流速で燃焼し始めた。この燃料は触媒上で燃焼し、触媒  入口近くの熱電温度計は急速に上昇した。２６３５秒で、燃料流れが６．５ｇ／分に増加し、グラフＢにおける熱電温度計の温度によって示されるように温度がより速い速度で上昇した。燃焼が起こっていることは、図Ａにおける９００で示されるマススペクトラムによって測定されたＣＯ２の突然の出現によって確認された。２６４２秒の時、燃料流れの増加がさらにｌ０ｇ／分に増え、グラフＣの９０８によって示される燃料リッチ排ガスを生成した。直ちに、マススペクトラムによって測定され、グラフＡにおける９０２が示すようにＨ２が出現した。６５０秒の時、燃料の流れを止めた。ＣＯ２およびＨ２レベルは急速に減少した。
【０１０６】
（実施例４）
実施例１の触媒を使用し、可能性のある脱硫酸サイクルを実施した。空気、窒素および水の流れを調整し、８％のＨ２０、８％のＣＯ２、７％のＯ２、０．３％のＨｅおよび残りがＮ２を含む組成物を５００ＳＬＰＭ（標準の毎分当たりのリットル）で流す撹拌器を形成した。次いでこの混合物を、電熱器を用いて２５０℃に加熱した。図１０に示すように、約３２５秒で、燃料が燃焼し始め、燃料装置温度が上がり、出口ガス温度５００℃が６００℃になった。この高いガス温度は、ＮＳＲ捕獲触媒の下流を加熱し、短時間の間に５００℃または６００℃にする。ＮＳＲ触媒が脱硫酸化のための所望の温度である時，排気Ｏ２レベルは下がり、燃料装置への燃料の流れは増加し、図１０における３７５秒で１を超える当量比を得、Ｈ２およびＣＯを生成し、ＮＳＲ触媒を脱硫酸する。この実施例で示すようにこの還元条件は、長時間保つことができ、あるいはＨ２およびＣＯを含む還元パルスを送ることができる。パルス間は、燃料のより低いレベルが燃料装置に送り込まれ、燃料装置温度とＮＳＲ触媒温度を保持する。ＮＳＲ触媒が完全に脱硫酸化されると、燃料装置触媒への燃料は止められ、燃料装置からの出口ガス温度は急速に落ちる。
【０１０７】
（実施例５）
この実施例では燃料装置の直列サーマルマスの効果を明らかにする。実施例３で使用した触媒と同じものを使用した。０．１００インチ厚、１００ｍｍ幅の金属薄片を集めて耐熱一体物とし、これにしわを寄せて約１．５ｍｍの高さの溝、重さ約５５０ｇの一体構造物を形成した。この耐熱構造物を実施例３の燃料装置触媒のちょうど下流に設置し、熱電温度計が、燃料装置触媒の上流、燃料装置触媒とサーマルマスの間およびサーマルマスの下流のガス温度をモニターした。空気、窒素および水の流れを調整し、８％のＨ２０、８％のＣＯ２、７％のＯ２、０．３％のＨｅおよび残りがＮ２を含む組成物を６００ＳＬＰＭ（標準の毎分当たりのリットル）で流す混合物を形成した。図１１に示すように、燃料を、５０ヘルツの周波数、約５０％の負荷サイクルのパルス型注入器を使用して２０ｇ／分で１０秒間導入した。曲線１１００は、改質器の下流で測定した温度を表し、曲線１１０２は、耐熱体の下流の排気の温度を示す。改質器から出たガス温度は７４９秒で上昇し始め、５６０秒で最高温度５７６℃に達した（燃料の流れは７５８秒で止めた）同時に、耐熱体の温度はさらにゆっくり上がり、そのより大きな熱容量のため７８１秒で４４５℃に達した。これは燃料装置は５７６℃に加熱する一方で、必要な還元Ｈ２およびＣＯを生成し、サーマルマスはガス気流温度を、１３５℃の増加でしかない３１０℃から約４４５℃に上げるように抑えることを明らかにする。この低いガス温度上昇および短い持続時間は、下流のＮＳＲ触媒の温度における大きな上昇はいかなるものでも阻止する。
【０１０８】
本発明の説明的な変型を記載したが、本発明の逸脱しない範囲で種々の変更および変形がなされうることは、当業者には明らかである。下記の請求の範囲において、本発明の範囲および精神の範囲内に入るそのような変更および変型を全て覆うことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】図１は、実例となるＮＳＲシステムにおけるＮＯｘの吸着と還元を示す。
【図２】図２は、本発明のシステムの変型であって、燃料装置がＮＳＲシステムの下流に位置するシステムを示す。
【図３】図３は、本発明の燃料装置の変型であって、燃料装置が単一触媒を備える装置を示す。
【図４】図４は、本発明による燃料装置の稼動方法の１つを示す時間基準グラフである。
【図５】図５は、本発明の１変型であって、並んだ２つの触媒を備える燃料装置を示す。
【図６】図６は、本発明の１変型であって、平行な２つ触媒を備える燃料装置を示す。
【図７】図７は、実例である異なるサーマルマスを有する燃料装置の熱応答曲線を示す。
【図８】図８は、本発明を使用した、急速加熱とＨ２の生成を表す試験結果を示す。
【図９】図９は、本発明に代わりの燃料とエンジンスケジュールを使用した、急速加熱とＨ２の生成を表す試験結果を示す。
【図１０】図１０は、本発明の燃料装置を使用した、可能性のある１脱硫酸化スキームを使用した試験結果を示す。
【図１１】図１１は、燃料装置の下流にサーマルマスを含むシステムとともに本発明を使用した、急速加熱とＨ２およびＣＯの生成を表す試験結果を示す。
【図１２】図１２は、パルス化した燃料流れを使用する本発明のシステムを稼動する１方法を示す。
【図１】
2007514090.tif 000003
【図２】
2007514090.tif 000004
【図３】
2007514090.tif 000005
【図４】
2007514090.tif 000006
【図５】
2007514090.tif 000007
【図６】
2007514090.tif 000008
【図７】
2007514090.tif 000009
【図８】
2007514090.tif 000010
【図９】
2007514090.tif 000011
【図１０】
2007514090.tif 000012
【図１１】
2007514090.tif 000013
【図１２】
2007514090.tif 000014
【国際調査報告】
2007514090.tif 000015
2007514090.tif 000016
2007514090.tif 000017