(57)【要約】本発明は、連続して燃料改質装置(16)を運転する動力発生システム(10)に関する。好ましくは、燃料改質装置(16)は、停止しているか、ウォームアップ状態か、実質的に一定な給油速度で運転する。改質された燃料の一部を間欠的に使用して、内燃機関(11)からの排気を処理するNOx除去装置(14)を再生する。他の目的に使用されない改質された燃料は、燃料電池(15)に供給される。燃料改質装置(16)は、エンジン(11)停止されているときを除いて、NOx除去装置再生サイクル中に停止しない。本発明は、NOx除去装置再生に関する改質装置の反応時間に関する問題を実質的に解消する。
2008530417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動軸(13)を駆動して排気を発生するように構成された内燃機関(11)と、
排気からNOxを排出するNOx除去装置(14)と、
改質油を生成する燃料改質装置(16)と、
少なくとも一部の改質油を受け取ってそれを発電に利用する燃料電池(15)と、
を備える動力発生システム(10)であって、
前記システム(10)は一部の改質油を用いてNOx除去装置(14)を再生し、
前記システム(10)は、動力発生システム(10)がウォームアップ後安定して運転しているときはいつでも、燃料改質装置(16)が連続してNOx除去装置(14)を再生するのに十分な速度で運転されるように構成されることにより、システム(10)の定常運転中、燃料改質装置(16)は、前記機関(11)を停止することなく、NOx除去装置(14)の再生の間に停止しないことを特徴とする動力発生システム。
【請求項２】
前記システム(10)は、改質油を機関(11)に供給しないことを特徴とする請求項１に記載の動力発生システム(10)。
【請求項３】
前記システムは、改質油を燃料電池(15)に既定値で供給し、燃料電池(15)から供給される改質油の一部を再生への必要に応じて、燃料改質装置(16)の運転状況を有意に修正することなくNOx除去装置(14)に迂回させることを特徴とする請求項１に記載の動力発生システム(10)。
【請求項４】
前記燃料改質装置(16)は、NOx除去装置(14)の再生期間とNOx除去装置(14)の非再生期間とで有意に変化しないように設計された環境に応じて運転することを特徴とする請求項１に記載の動力発生システム(10)。
【請求項５】
さらに駆動軸(13)を駆動する電動モータ(12)を含むことを特徴とする請求項１に記載の動力発生システム(10)。
【請求項６】
さらにバッテリ蓄積システム(20)を含み、前記動力発生システム(10)は、バッテリ蓄積システム(20)内のエネルギー蓄積を制限して電力を電動モータ(12)に供給することを特徴とする請求項５に記載の動力発生システム(10)。
【請求項７】
前記システム(10)は、機関(11)なしで電力需要に対応することができる期間中、駆動軸(13)を連続して駆動するのと同時に、内燃機関（１１）を自動的に停止することを特徴とする請求項５に記載の動力発生システム(10)。
【請求項８】
前記システム(10)は、燃料改質装置(16)を始動及び停止するが、実質的に一定の給油速度で燃料改質装置(16)を運転することを特徴とする請求項１に記載の動力発生システム(10)。
【請求項９】
請求項１に記載の動力発生システム(10)を備えてなる自動車。
【請求項１０】
さらにアクセルペダルを含み、前記システム(10)は、運転者がアクセルペダルから足を離した時に自動的に機関(11)を停止することを特徴とする請求項９に記載の自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車動力発生システム及びNOx排出コントロールに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関を有する自動車からのNOx排出は、世界的に認識された環境問題である。米国を含むいくつかの国においては、自動車からのNOx排出を制限する規制が以前からある。製造者ならびに研究者は、それら規制を満足することに多大な努力をしてきている。NOx排出は、燃料と空気との混合気を使用する通常のガソリン車においては、三元触媒によってコントロールすることができる。この三元触媒では、酸素が欠乏している状態で、NOxは、CO及び未燃炭化水素と反応して還元する。しかしながら、ディーゼル車及び希薄燃焼ガソリン機関における排気は、三元触媒を効果的に機能させるには過剰な酸素を含んでいる。
【０００３】
従来、ディーゼル車のNOx排出をコントロールするためのいくつかの提案がなされている。そのうちのいくつかの方法は機関に集中する。NOxは、主に高い温度で発生する。NOx生成は、断熱火炎温度を制限する、例えば、排出ガス再循環装置(EGR)により減らすことができる。しかしながら、NOx生成を削減するための断熱火炎温度の低下は、機関効率の低下を招くと共に排気中にスモークが現出する原因となる。
【０００４】
自動車の排気からNOxを除去する他の方法として、希薄燃焼NOx触媒、NOx吸着触媒、及び選択的触媒還元装置(SCR)を用いる方法がある。希薄燃焼NOx触媒は、酸素が豊富な状況下におけるNOxの還元を促進する。酸化雰囲気中におけるNOxの還元は困難である。それは、要求される活性、耐久性及び機能する温度領域を有する希薄燃焼NOx触媒を見出す試みにより判明している。希薄燃焼NOx触媒も、熱水作用により不安定になる傾向にある。比較的少ない使用後における活性の損失は顕著である。一般に、希薄燃焼NOx触媒には、微環境を還元する考えのウォッシュコートゼオライトが使用される。例えばディーゼル燃料等においては、還元剤の排気中への導入は、概して、3%以上の燃料の浪費を余儀なくされる。目下、希薄燃焼NOx触媒によるNOxの転化効率のピークは著しい程度に低い。
【０００５】
NOx吸着触媒は、NOxの吸着と接触反応による還元とを交互に行う。吸着剤は、再生の間、取り出すことができ、還元性雰囲気を提供する。吸着剤は、概して、例えば、BaCO3等のアルカリ土類酸化物であり、触媒は例えばRu等の貴金属である。
【０００６】
SCRは、還元剤としてアンモニアを使用する。SCRは、NOxを吸着剤に一時的に蓄積することができ、あるいは、アンモニアを継続的に排気に供給することができる。SCRは、90%を越えるNOxを還元することができるが、アンモニアの供給不足、あるいは、適当な前駆物質の基礎構造の欠乏の懸念がある。SCRは、環境中へのアンモニアの放出の可能性に関しても懸念がある。
【０００７】
排出物質還元に代わる取り組みに、燃料電池を使用して燃料の化学的エネルギーを電気エネルギーに変換することがある。燃料電池は、長鎖状炭化水素から電力を抽出する点で非効率的であるが、燃料改質装置は、長鎖状炭化水素を、例えば、短鎖状炭化水素、酸素含有炭化水素、水素、及び一酸化炭素等の、より小さくより反応性が高い分子に分解し、燃料電池に適した燃料とするのに利用することができる。例えば、特許文献１では、改質装置によって処理された通常の燃料を使用する自動車の駆動システムのための電力供給燃料電池が提案されている。この改質装置及び燃料電池は、適切に作用して有用な電力を発生させるために、加熱する必要がある。
【０００８】
特許文献２には、機関、燃料改質装置、及び燃料電池を含むハイブリッド動力発生システムの記載がある。この機関は低温始動に使用され、その機関の排気は、燃料改質装置及び燃料電池を加熱するのに使用される。改質装置及び燃料電池は、有効温度に達すると電力を発生し始める。この機関では、運転をウォームアップ後に継続、あるいは、停止することができる。
【０００９】
特許文献３には、機関、燃料改質装置、燃料電池、及びNOx除去装置を含む動力発生システムの記載がある。この燃料電池は、機関の運転時に改質された燃料をNOxへ供給し、機関の停止時には改質された燃料を燃料電池に供給する。
【００１０】
いずれにせよ、長年の要求である、環境に優しく、効率的で、且つ信頼性が高い自動車の動力発生システムの必要性が残る。
【特許文献１】米国特許5,678,647号公報
【特許文献２】米国特許6,276,473号公報
【特許文献３】米国特許出願公開2003/0143445号公報
【発明の開示】
【発明の概要】
【００１１】
以下に、本発明のいくつかの態様の基礎的な理解のための簡易化された要約を示す。この要約は、本発明の外延的な全体像ではない。この要約の主な目的は、後述のより詳細な説明に対する前述として、本発明のいくつかの概念を簡易的に示すことにある。
【００１２】
本発明は、燃料改質装置の継続的な運転を伴う動力発生システムに係る。燃料改質装置は、加熱、あるいは、運転するにしても、実質的に一定の燃料比であることが望ましい。いくつかの燃料改質装置は、環境汚染コントロール装置の再生に間欠的に使用され、通常、内燃機関の排気を処理するNOx除去装置である。いずれの燃料改質装置も燃料電池に使用され、他の目的で使用されることはない。この燃料改質装置は、機関が停止している時を除き、NOx除去装置の再生サイクル時に運転を停止することがない。
【００１３】
本発明は、NOx除去装置の再生の間欠的な要求に対する応答の遅れを伴う改質装置の使用を容易にする。本発明は、燃料比の変動に伴う燃料改質装置の作動の困難性を回避する。燃料改質装置/燃料電池の組合せによってつくられた過剰な電力は、原動力として使用することができる。同様に、機関は、動力の要求が燃料電池により満たされている時に停止することもできる。一般に、機関を停止することは、アイドル運転よりも汚染物質を減少させると共に燃料の節約には好ましい。燃料電池及び/又は蓄積された電気的エネルギーは、通常の動力発生システムが機関をアイドルしている状況下での自動車の動力要求に応じて、使用することができる。
【００１４】
前述及び関連する目的の達成のため、以下の説明及び添付された図面により、本発明の態様及び手段のいくつかの実例を詳しく述べる。これらは、本発明の原理が使用されるさまざまな方法のうちのほんの数例である。本発明の、他の態様、有用性、及び新規の特徴は、図面を併せて考慮した時に、前述の本発明の詳細な説明から明白になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る動力発生システム10の概略図である。動力発生システム10は、内燃機関11とモータ/ジェネレータ12とを含み、どちらかが駆動軸13を駆動することができる。内燃機関11からの排気は、NOx除去装置14によって処理される。NOx除去装置14は、燃料改質装置16からの改質油と共に間欠的に再生される。改質油は、バルブ17によってNOx除去装置14へ向けて選択的に案内される。再生に利用されない改質油は、改質油から電力を作り出す燃料電池15へ向けて案内される。燃料電池15によって作り出された電力は、モータ/ジェネレータ12の動力源に使用するバッテリーシステム20に蓄積する、あるいは、他の装置の動力源として使用することができる。内燃機関11と改質装置16との双方は、燃料供給装置21から供給される化石燃料を使用して運転する。燃料供給装置21及びバッテリーシステム20は、動力発生システム10から切離された状態で図示されているが、動力発生システム10に組込むことができる。燃料供給装置21は、概して燃料タンクを含む。
【００１６】
バルブ17の機能は、例えば、シングルバルブあるいはバルブ集合体、ダンパー、あるいは、２つあるいはそれ以上の経路間の改質油の流れを選択的に分離あるいは迂回させるのに適した他の装置等、適当ないずれの機構を含んで構成することができる。
【００１７】
図２ないし図４は、本実施形態の動力発生システム10の有限状態機械図表である。図３は、改質装置16の動作方法30を図解するものである。３つの可能な状態、すなわち、改質装置の停止状態31、改質装置の加熱状態32、及び改質装置の運転状態33がある。
【００１８】
方法30は、改質装置16への燃料の供給が行われていない改質装置の停止状態31で始る。方法30では、その状態から、２通りの可能な事象を経て、改質装置の加熱状態32へ移行することができる。一方の事象は、バッテリーシステム20におけるチャージが低くなったことを検出した場合の事象35である。選択的に、事象35は、システム10が使用中でない時でさえ起きることが可能であり、それにより、燃料供給装置21が燃料を有する限りは最小限のバッテリーチャージが継続される。最小限のバッテリーチャージは、内燃機関11の運転開始前のさまざまな装置の加熱に、場合によっては、好ましい実質的な電力量を得るために役立たせることができる。
【００１９】
他方の事象は、機関11が始動したことを検出した場合の事象34である。この選択肢は、機関11が運転している時には必ず燃料改質装置16が運転していることを含むシステムの要素として設定され、それにより、改質された燃料は、概して、改質装置16の応答時間に関係なく要求に応じてNOx除去装置14を使用することができる。
【００２０】
改質装置の加熱状態32は、安定した運転状態に備えて改質装置16を加熱するために必要なステップである。加熱は、例えば、電気的加熱、あるいは、バーナーからの熱の供給を必要とする。改質装置32に付随するいずれの冷却システムも機能を一時的に停止してもよく、また、燃料供給速度は、過度に燃料を浪費することなく、加熱の進行が促進されるように調整することができる。方法30は、改質装置加熱状態を改質装置加熱事象36へ移行し、その結果、改質装置16が安定した運転を開始すると共に、方法30は改質装置運転状態33に入る。
【００２１】
改質装置運転状態33においては、改質装置16は、実質的に一定の設定で運転するのが好ましい。本発明の一実施形態によれば、改質装置10は、いずれにせよ、改質油の要求にも係らず常に同じ状態の運転モードであるか、あるいは、それら２つの状態間の移行の運転モードである。定常運転モードは、他の簡易運転モード、例えば、改質装置10の内部温度が一定に維持される流量に調整する運転モードも可能であるが、概して、実質的に一定の燃料供給速度を伴う。システム10は、改質装置10の運転を簡易化すると共にその応答時間に対する依存を軽減するように設計される。システム10では、改質油は、一定の割合で発生する、あるいは、コントロールされていない割合で発生する、あるいは、全く発生しないことが求められ、しかも、改質装置16は、サイクルを速やかに停止及び開始することができないことが求められる。
【００２２】
改質装置運転方法30は、燃料電池15の加熱を管理することができる。例えば、改質装置加熱状態32は、燃料電池15の加熱を含むことができ、また、事象36は、燃料電池15が運転温度に到達したことを要求することができる。
【００２３】
図２は、NOx除去装置14の運転方法20を示す。この方法は、NOx蓄積状態26と再生状態27との２つの状態を有する。この方法は、NOx蓄積状態26で始る。事象28は、いくつかの例を後述した再生サイクルの開始に向けた適正な基準の検出により、蓄積状態26から再生状態27への移行を引き起こす。例えば、後述した基準等に加えて、NOx除去装置14が適正温度にあると共に改質装置16が改質装置運転状態33にあることを必要とすることもできる。それには、前述したように、機関11が運転状態である時には改質装置16が始動する必要があることから、NOx除去装置14が再生状態に到達した時に、改質装置16が概して改質装置運転状態33にあることが要求される。運転方法20は、再生状態を通過し、その再生を終えると、再生完了事象29の検出によりNOx蓄積状態26に戻る。
【００２４】
図４は、使用者の要求の変化に応じた動力発生システム10の駆動システムの運転方法40を示す。この方法40は、電気的駆動状態42、ハイブリッド駆動状態41、及び内燃機関駆動状態43の３つの駆動状態を有する。この方法40は、電気的駆動状態42で始る。２つの事象は、機関始動及び電気的駆動状態からの離脱に導くことができる。一方の事象は、運転者からの原動力となる電力の要求が、モータ/ジェネレータ12によって供給することが可能な電力を越える事象46である。モータ/ジェネレータ12によって供給することが可能な電力量は、変化してもよく、また、動的に決定することができる。原動力となる電力要求は、ペダル位置によって知ることができる。事象46では、方法40は、内燃機関11を始動すると共にハイブリッド駆動状態41への移行を開始する。
【００２５】
電気的駆動状態42からの移行を引き起こすことができる他の事象は、この例では、バッテリーシステム20が消耗した時の原動力となる電力の要求、すなわち、事象47である。事象47の誘因は、原動力となる電力の要求がある間のバッテリーシステム20の消耗、あるいは、バッテリーシステム20が消耗している状態での原動力となる電力の要求の発生のどちらでもよい。いずれにせよ、内燃機関11が始動されると共に、方法40は内燃機関駆動状態43に入る。内燃機関駆動状態では、原動力は、専ら内燃機関11から生じ、燃料電池15からの電力は、例えば、補助装置の作動、あるいは、バッテリーシステム20のチャージ等の他の装置の駆動に使用される。
【００２６】
内燃機関駆動状態43からの離脱を引き起こすことができる一方の事象は、原動力要求の停止、すなわち、事象48である。事象48は、内燃機関11の停止及び電気的駆動状態42への移行を伴う。この事象のための選択的付加的停止状態は、バッテリーシステム20が十分にチャージされた状態、あるいは、燃料電池16による電力供給が十分である状態であり、それにより、補助装置は運転の継続が可能であり、また、内燃機関11は容易に再始動することができる。原動力要求が燃料の節約を終える時に内燃機関11を停止する状態では、排出物質を還元し、排出物質を削減する。後者は、内燃機関が圧縮燃焼機関の場合に特に関連がある。圧縮燃焼機関は、アイドル中に低温の排気を作り出す、すなわち、圧縮燃焼機関は、例えば、触媒作用を有するディーゼル微粒子フィルタ等の排出物質抑制装置を冷却することができ、それにより、それらの運転に反対に影響する。
【００２７】
他の事象は、内燃機関駆動状態43からの離脱を引き起こすことができるバッテリーチャージ事象49である。事象49は、本発明の特に有用な特徴である。内燃機関11が運転している時に絶え間なく運転する燃料改質装置16を有することが望ましく、それにより、改質油は、内燃機関11がNOxを発生している間におけるNOx除去装置14を再生することへの要求に応じることができる。NOx除去装置14の非再生状態では、改質油は、依然として生成される。むしろ、改質油は、燃料電池15において電力を発生するために使用する他では少しも必要ではない。しかしながら、バッテリーシステム20がフルチャージの状態では、電力を過剰に作り出すことになる。この点で提案された解決法は、内燃機関11がNOxを生成している間に改質装置16を停止するという望ましくない選択肢、すなわち、改質装置16による改質油の浪費、あるいは、燃料電池15による電力の浪費となるハイブリッド駆動状態41への移行を回避することである。事象49は、モータ/ジェネレータ12の関与とハイブリッド駆動状態41への移行とを含む。
【００２８】
ハイブリッド駆動状態41では、原動力は、内燃機関11とモータジェネレータ12との両方から得られる。このハイブリッド駆動状態41では、機関11は、運転している状態であり、且つ、燃料改質装置16は、改質装置加熱状態32あるいは改質装置運転状態33のいずれかである。一般に、原動力は、方法40がハイブリッド駆動状態41である限り、電気モータ12から最大限に引き出すことができる。原動力要求がモータ/ジェネレータ12の能力の範囲内に落ち込むと、事象44では、むしろ、内燃機関11の停止と方法40の電気的駆動状態42への移行とが起きる。バッテリーシステム20が消耗すると、事象45が起り、方法40は、電気的駆動を解除して、内燃機関駆動状態43に移行する。バッテリーが消耗した状態は、概してバッテリーシステム20が完全に放電するよりも前に起きる状態にあって、それにより、いくらかの電力は、常時、バッテリーシステム20から引き出すことができる。
【００２９】
本発明の選択すべき実施形態において、動力発生システムは、電気モータ12あるいはハイブリッド駆動状態41を有していないが、ハイブリッド燃料供給状態が設定される。ハイブリッド燃料供給状態においては、改質油は、燃料、すなわち、内燃機関11用の補充燃料として使用される。ハイブリッド燃料供給状態は、事象49に関連して説明された過剰な電力の発生を回避するために燃料電池15から改質油を取り出すことに使用される。ハイブリッド燃料供給状態は、むしろ、バッテリーシステム20が完全にチャージされる前の状態に関与し、それにより、バッテリーシステム20は、内燃機関11の燃料要求が低い間、燃料電池15から電力を継続して受けることができる。
【００３０】
バッテリーシステム20は、燃料電池を有するシステムにおけるエネルギー蓄積装置のための当然の選択であるが、他のエネルギー蓄積装置は、加えて、あるいは、代わりに、動力発生システム10におけるバッテリーシステム20を使用することができる。エネルギー蓄積装置の他のタイプは、それらに限定することなく、流体動力アキュムレータ、ばね、及びフライホイールを含む。
【００３１】
モータ/ジェネレータ12は、バッテリーシステム20あるいは燃料電池15からの電力を使用する駆動軸13の駆動、あるいは、バッテリーシステム20における蓄電あるいはどこか他で使用するための駆動軸13からの駆動電力の取り出し、のどちらにでも対応するように設定される。モータ/ジェネレータは、逆にジェネレータとして機能するために運転することが可能な電気モータである。回生ブレーキを可能とすることが要求されていないにせよ、モータ/ジェネレータ12は、簡易な電気モータよりもむしろシステム10に提供される。
【００３２】
内燃機関11は、いずれのタイプの内燃機関であってもよい。適した機関は、例えば、圧縮燃焼機関あるいは火花点火機関である。機関11は、特殊なタイプ、あるいは、例えば、ディーゼル、ガソリン、天然ガス、あるいはメタノールを含む炭化水素あるいは酸素含有炭化水素燃料を使用するタイプの機関とすることができる。
【００３３】
燃料電池15は、適当ないずれのタイプの燃料電池によっても構成することができる。燃料電池タイプは、例えば、固体電解質型燃料電池(SOFC)、溶解炭酸塩型燃料電池(MCFC)、あるいはリン酸型燃料電池(PAFC)とすることができる。ここで使用される燃料電池とは、並列あるいは直列に接続される複合的な個々の燃料電池を含む装置を含める。燃料電池は、適当ないずれの構造とすることができる。適した構造とは、例えば、チューブ状構造及び平面状構造である。
【００３４】
現状況で使用される燃料電池は、通常運転中に相当量の電力を作り出すことができる。「通常運転中に相当量の電力」及び「相当有用な電力」の文言は、各センサーの作動のために要求される電力を超える微量の電力を提供する単なるセンサーに役立つ燃料電池を区別するため、ここに使用することができる。
【００３５】
燃料電池15として、SOFC燃料電池が好ましい。SOFCは、概してそれらの電解質に関して特徴がある。SOFC燃料電池の電解質として、適当ないずれの電解質を使用することができる。電解質の例として、例えば、Y2O3安定化ZrO2等の安定化ジルコニウム、セリア基酸化物、塩素化合物、及び、例えば、CeO2添加ガドリニウム等のフッ素化合物、例えば、塩素化合物、フッ素化合物、あるいはアルミナ添加ナトリウム等のアルミナ電解質、例えば、ランタン亜マンガン酸塩及びランタン没食子酸塩添加ストロンチウム等のランタン電解質、及び、例えば、ビスマスバナジウムコバルト酸化物等の酸化ビスマス添加物、を含む。
【００３６】
アノード及びカソードは、適当ないずれのタイプとすることができる。適した電極は、電解質材料の低い温度のずれを有する。カソードは、導電性を有し、酸素と反応して酸素イオンを生じると共に、イオンが電化質を通過することを許容する。電解質によって決まる適当なカソード材料には、多孔性のランタン亜マンガンストロンチウム、ランタンストリンチウムフェライト、あるいは、ランタンストリンチウムコバルトフェライトが考えられる。アノードもまた、導電性を有すると共に、酸素イオンの通過を許容する。適当なアノード材料には、ニッケルが考えられる。これらの具体例としてのアノード及びカソード材料は、概してより優れた性能が得られるように、一般に電解質材料が混合される。
【００３７】
好ましい燃料電池には、中間温度固体電解質型燃料電池がある。中間温度固体電解質型燃料電池は、約250〜約600℃の温度領域、より好ましくは、約400〜約550℃の温度領域で適切に作用する。ある温度で適切に作用することは、燃料電池は、実質的期間、その温度で、少なくともCOからエネルギーを作り出すことに関連して実質的効率を伴って作用することができることを意味する。
【００３８】
改質装置16は、適当ないずれのタイプの改質装置とすることができる。改質装置は、酸化剤供給源の供給量及びタイプならびに反応が進む段階に関連して特徴付けることができる。酸化剤供給源は、一般に、酸素あるいは水のいずれであってもよい。酸素は、空気から、燃料成分が少ない排気から、あるいは、過酸化水素あるいは水から生成された酸素のような比較的純粋な形で供給することができる。酸素による局部的な酸化は発熱を伴い、水による局部的な酸化は吸熱反応である。両者間のバランスは、放熱の度合い、すなわち、熱消費量、あるいは、改質装置16におけるエネルギー中性反応を調節することで選択することができる。改質装置16は、触媒、及びプラズマの１つ以上の熱を伴う反応を生じさせることができる。プラズマは、概して電気アークを伴って発生する。改質装置16のいくつかの特有の選択肢の例は、蒸気改質装置、自己熱改質装置、局部酸化改質装置、及びプラズマ改質装置を含む。改質は、軽炭化水素及び酸素含有炭化水素、CO、及び水素を含むことができる改質油を生成するために重炭化水素を分解する。
【００３９】
NOx除去装置14は、少なくとも吸着層を含み、好ましくは、還元環境におけるNOxを還元するに向けて有用な触媒をも含む。一部の例では、触媒は吸着作用に寄与し、吸着作用は必然的に吸着層によるものである。他の例では、触媒は任意であり、吸着作用は吸着層の下流の分割層によって提供することができる。吸着層は、酸化された（燃料成分が少ない）環境のNOxの吸着のために有用な量の吸着剤を含む。NOxは、それらに限定することなく、NO、NO2、N2O、及びN2O2を含む。NOx除去装置14は、希薄NOx除去装置が適正な温度領域にある還元環境におけるNOxを脱着及び/又は還元する。
【００４０】
吸着層は、適当ないずれの吸着剤材料で構成することができる。吸着剤材料の例として、例えば、ゼオライト、アルミナ、及び活性炭素等の分子篩を含む。さらに、吸着剤材料の例として、酸化物、炭酸塩、及び、例えば、Mg、Ca、Sr、及びBe等のアルカリ土類金属、あるいは、KあるいはCe等のアルカリ金属がある。さらなる例として、例えば、チタニウム及びジルコニウムのリン酸塩等の金属リン酸塩を含む。
【００４１】
分子篩は、内部空洞及び規則正しい大きさの相互接続孔を特徴とする結晶構造を有する材料である。ゼオライトは最も典型的な例である。ゼオライトは、概して相互に酸素橋を伴って４面体的に結合した原子に基く結晶構造を有する。その原子は、最も一般的にはアルミニウム及びシリコン（アルミノケイ酸塩が与えられる）が、P、Ga、Ge、B、Be、及び他の原子は、４面体骨格を構成することもできる。ゼオライトの性状は、イオンチャージ、例えば、希土類金属あるいはクロミウムによって変更することが可能である。好ましいゼオライトは、概して希土類ゼオライト及びトムソナイトを含む。希土類ゼオライトは、多量（例えば、少なくとも約50%）あるいは完全にイオンチャージされた、例えば、ランタン等の希土類金属を有するゼオライトである。
【００４２】
吸着剤は、概して結合剤と結合し、独立構造を形成するか、あるいは、不活性基板を覆う被膜として利用される。結合剤は、例えば、粘土、珪酸塩、あるいはセメントとすることができる。ポートランドセメントは、分子篩結晶結合剤に使用することができる。一般に、吸着層は、約3〜約20%、より好ましくは約3〜12%、最も好ましくは約3〜8%の結合剤を含む。
【００４３】
本発明による装置は、概して自動車排気システムに使用するのに適合する。自動車排気システムは、重量、寸法、及び耐久性に制限を与える。例えば、自動車排気システムの吸着層は、自動車運転中の振動の発生の下で分解に対する適当な抵抗力を持たなくてはならない。
【００４４】
吸着作用を有する層は、触媒作用だけを有する層と比較して大型化する傾向にある。全体の重量の制限のため、吸着層は、好ましくは、単位層重量当りの吸着能力が高い吸着剤によって構成する。好ましくは、吸着層は、少なくとも約40%重量の吸着剤によって構成する。吸着層の重量は、いずれの不活性基板及びいずれの結合剤を含むが、いずれのハウジングも含まない。好ましくは、吸着層は、少なくとも約20%容量の吸着剤によって構成する。
【００４５】
吸着層は、選択的に加熱及び/又は冷却のための機構に提供される。例えば、層は、吸着及び脱着されたガスのために提供された通路から流体分離装置における熱交換通路にかけて配置することができる。高温あるいは低温の流体は、吸着装置を加熱あるいは冷却するために熱交換通路を通過して循環される。冷却流体は、例えば、エンジンクーラントあるいは周囲の空気であってもよい。加熱流体は、例えば、高温の排気あるいは流体、すなわち、高温排気からの熱、あるいは、例えば、アンモニア合成反応器、燃料改質装置、あるいは吸着装置等の加熱装置からの熱によって加熱された流体とすることができる。他の選択には、抵抗加熱がある。層が金属基板を含む場合、その金属基板は抵抗加熱として使用することができる。層は、抵抗加熱のために電信とすることもできる。
【００４６】
吸着層は、適当ないずれの構造を持つことができる。適当な構造の例として、モノリス、充填層、及び層状スクリーニングを含めることができる。充填層は、焼結粒子あるいは結合剤を伴う接着粒子による結合力を有する塊体の中に形成されるのが好ましい。層が吸着作用を有する場合、厚い壁、大きい粒子、あるいは厚い被膜のいずれも、吸着が生じるミクロ多孔質への接触を容易にするマクロ多孔質構造を有することが好ましい。マクロ多孔質構造は、相互に焼結されたあるいは結合剤で相互に保持された吸着剤の微粒子から、壁、粒子、あるいは被膜を形成することにより生じさせることができる。
【００４７】
NOx吸着層は、所定の排気温度及びNOx分圧でNOx種を吸着するための大きい能力を有することが好ましい。吸着剤は、好ましくは、所定の排気温度及びNOx種の分圧が1トールで少なくとも約3%のNOx種吸着剤重量、より好ましくは、少なくとも約5%の吸着剤重量、さらにより好ましくは、約7%の吸着剤重量で、吸着することができる。吸着剤重量は、いずれの結合剤あるいは不活性基板の重量をも含まない。この出願によれば、所定の排気温度は350℃とすることができる。
【００４８】
NOx除去装置14のための触媒は、例えば、Au、Ag、Cu等の１以上の貴金属、Pt、Pd、Ru、Ni等のVIII族金属、及びCo、Cr、MoあるいはKとすることができる。特有の触媒は、Pt及びRhを含むが、N2生成よりもNH3生成を優先させるため、Rhを還元あるいは除去することが好ましい。触媒が効果的に作用する温度は、約200〜約450℃の温度領域である。
【００４９】
適当ないずれの方法も、NOx除去装置14の再生のコントロールに利用することができる。コントロール概要は、１つ以上のパラメータ、すなわち、再生サイクルが開始された時間、再生サイクルの継続時間、及び、再生サイクルの間の還元濃度を設定することを含むことができる。
【００５０】
再生サイクルの開始時間の１つの設定方法は、NOx除去装置14の下流でNOx濃度を測定することを含む。この濃度が目標値を超えることで、NOx除去装置の再生が開始する。他の方法は、機関11によって作り出されたNOx量を推定あるいは測定すること、及び、NOx推定量の計算から、すなわち、除去装置にいくらかの危機的な負荷が作用した時に再生が開始するNOx除去装置14に蓄積されたNOx推定量の計算からNOx量を推定することである。
【００５１】
再生の間、いくらかのNH3は、NOx除去装置14から吸着することができる。SCR反応器は、随意に、NOx除去装置14の下流に、あるいは、このアンモニアを伴うNOxのさらに遠い部分に反応するためのNOx除去装置14と組合わされて設けられる。NOxは、NOx除去装置14によって吸着されないNOx、あるいは、再生サイクルの間、NOx除去装置14を離脱するNOxとすることができる。
【００５２】
SCR反応器は、随意に、アンモニアの蓄積のために適用することができる。再生は、臨界値に低下している蓄積されたアンモニアの濃度に基き開始することができる。まだいくらかのアンモニアがSCR反応器に蓄積されている間に再生が開始することで、NOxを飛躍的に還元する。この方法は、SCR反応器におけるアンモニア量の推定を継続して行うことを含む。この推定を継続して行うことは、概してアンモニア及びNOx除去装置14とSCR反応器との間のNOx濃度の測定を含む。
【００５３】
他の制御方法は、NOx除去装置14の再生の間、アンモニアの生成が増加することに単に焦点を合わせている。NOx除去装置がNOxで飽和した時、相対して微量のアンモニアの生成が維持される。飽和状態のNOx除去装置のための再生サイクルの間に除去装置におけるNOx量が減少するにつれて、アンモニア生成が増加する。飽和状態の前の再生サイクルの開始により、N2に優先してアンモニアの生成を増加させることができる。結果的に、再生は、NOx除去装置14が所定の飽和レベルに到達した時に開始することができ、その飽和レベルは、好ましくは、約5〜約50%、より好ましくは、約10〜約30%である。飽和温度は、排気、及び、NOx除去装置14の吸着効率及び能力のためのモデルにおけるNOx量の測定あるいはモデルベース推定から、推定することができる。好ましくは、制御方法は効率的で、それにより、アンモニアへ転化させたNOxの吸着作用は、少なくとも約20%、より好ましくは、少なくとも約40%である。
【００５４】
他の実施形態において、再生は、NOx除去装置14が放出する総アンモニア量と総NOxとの比率をコントロールすることにより行われる。その比率は、１対１（量論比）を目標とし、それにより、NOx除去装置14により生成されるアンモニアは、SCR反応器へ移動するNOxを還元するのにちょうどの量となる。しかしながら、その比率は、NOxの還元に向けて僅かに少ないことが好ましく、それにより、アンモニアの放出を回避することができる。僅かに少ない量のアンモニアとは、好ましくは、NOxに対して約60〜約95パーセントの相対量である。その量は、構造、触媒の負荷、及びSCR反応器の温度による事実からなる効率的な因子に適応させるようにしてもよく、十分なアンモニアを使用することができる時にさえ、SCR反応器へ供給される多くのNOxの僅かも、アンモニアに反応することができないかもしれない。フィードバックコントロールは、目標比率を達成するために使用することができる。特に、再生サイクル間隔は、アンモニア生成を増加させるために短縮することができると共にアンモニア生成を減少させるために延長することができ、これは、アンモニア生成とNOx除去装置14からのNOx排出との間のバランスを作り出す最終的な目的を伴う。
【００５５】
制御方法は、再生サイクルを終結させるタイミングを決定するために使用することができ、そのタイミングは、一定期間、あるいは、再生サイクルを終結させるタイミングを決定する期間以前に再生サイクルを終結させる選択肢に反対する時である。特に、NOx除去装置14におけるNOx量は、自動車の運転状況及び少しの測定値によって決定することができる。NOx除去装置14再生のために要求される還元剤の量は、その時に計算により求めることができる。それにもかかわらず、制御方法は、再生サイクルが終わるタイミングを決定するためにフィードバックコントロールを使用するのに好都合とすることができる。好ましい実施形態において、再生サイクルは、NOx除去装置14の下流におけるアンモニア濃度の測定値により決定される。
【００５６】
再生サイクルが進むと、NOx除去装置14の下流でアンモニア濃度は最初に増加し、それから減少する。再生サイクルは、アンモニア濃度曲線におけるどの目に見える点でも終わらせることができる。最も好ましくは、再生サイクルは、アンモニア濃度の下降のピークを過ぎて目標値以下に低下した点で終わることである。アンモニア濃度が低下すると、再生サイクルがより進んで蓄積された還元剤がNOx除去装置14を通過して放出される。その結果、目標値は、設計上のアンモニア生成最大値と還元剤放出最小値との間の得失評価に反映される。
【００５７】
他の制御方法は、還元剤が注入される速度に関連する。還元剤注入速度は、特定の等量比を目標とすることができる。等量比は、一致する等量比を有している量論比に対して、機関11へ供給された時の混合比に基く。付加的な還元剤の機関11の下流における排気中への放出は、ちょうどそれが機関11へ供給されたかのように、等量比に影響を与える。
【００５８】
一方の実施形態において、還元剤注入速度は、還元剤進行限界値に左右されて極限まで増加する。一般に、等量比の増加は、アンモニア生成を増加させると共に、再生時間を最小にする。還元剤が排気中へ放出されると、再生時間が短縮されて燃料浪費を削減する。再生の間、還元剤は排気中の遊離酸素を消費するために供給されなければならない。この還元剤は、NOxの還元に使用される還元剤を上回る。消費される酸素の総量は、再生サイクルの長さによって決まる。再生サイクルがより短い場合、減少されるべき酸素のモル流れはより少なくなる。
【００５９】
好ましい実施形態において、還元剤進行速度は、一方が提供される、NOx除去装置14あるいはSCR反応器の下流で易酸化性種センサによって決定される。全ての易酸化性種は、還元剤とみなすことができる。コントロールの目的のため、還元剤進行速度は、遊離酸素を消費するために要求される放出速度を僅かに上回る放出速度で表すことが好ましい。例えば、酸素の放出速度を遊離酸素を消費するために要求される量に対して倍増させて還元剤進行速度が倍増しても、僅かの還元剤の転化は少しも減少しなかった。一方の実施形態において、還元剤放出速度は、遊離酸素を消費するために要求される量を上回って約50〜約95%の還元剤の転化が生じるようにコントロールされ、他方の実施形態おいては、約70〜約90%の転化にコントロールされる。
【００６０】
燃料浪費を減少する他の方法は、並列に配置した２つ以上のNOx除去装置を使用する。２元吸着システムのひとつの利点は、再生を要求しているNOx除去装置を排気流から切り離すことができると共に、再生の間、改質油が排気における遊離酸素を消費することを浪費する必要がないことである。他の利点は、改質油を排気で薄める必要がないことである。これは、還元因子の濃度を増加させ、その結果、効率的に反応が起こる。さらなる利点は、NOx除去装置14における還元因子の滞留時間を増加させることができることである。この滞留時間は、滞留時間は排気流速によって制限されることがなく、且つ、NOxを再生するための時間をより長くすることができることから、両方の吸着システムについて増加させることができる。より長い滞留時間は、所定量の触媒により高い効率の転化をもたらすことができる。
【００６１】
NOx除去装置14の再生は、動力発生システム10における単一のNOx除去装置14の説明を以ってコントロールすることができるが、いくつかの考えが相違する。１つの重要な違いは、SCRの下流へのアンモニアの安定した供給に関連する再生のコントロールが望ましいことであってもよく、それにより、アンモニア流速は、除去装置が再生を受けないNOxの離脱時の速度に略一致させることができる。この構成において、２つ以上の除去装置からの排気は、合流してSCR反応器へ送られる単一流れとなる。
【００６２】
SCR反応器は、効果的な量のアンモニアSCR触媒を含む触媒層である。１つのアンモニアSCRは、希薄燃料の排気中において、例えば、
4NO+4NH3+O3 ⇔ 4N2+6H2O
等の接触反応を引き起こす。この反応の触媒は、NOxの他の種類をも還元するであろう。NOxは、それらに限定しないが、NO、NO2、N2O、及びN2O2である。SCR触媒の例は、例えば、Cu、Zn、V、Cr、Al、Ti、Mn、Co、Fe、Ni、Pd、Pt、Rh、Rd、Mo、及びW等の金属の酸化物を含む。アンモニアSCR触媒の他の例は、例えば、Cu、Co、Ag、Zn、あるいはPt等の金属イオンに置換されたZSM-5あるいはZSM-11等のゼオライト、及び活性炭を含む。好ましい触媒は、WO3、V2O5、及びMoO3の１つ以上を伴うTiO2の組合せであって、例えば、TiO2重量約70〜約95%、WO3、及び/又はMoO3重量約5〜20%、及びV2O3重量約0〜5%である。このタイプの触媒は、工業用に利用することができると共に、製造者によって特定目的に合わせて製造することができる。これらの触媒の特有の有用温度領域は、約230〜約500℃である。触媒温度が過剰に高い場合、アンモニアはNOxを還元する以前に分解する。
【００６３】
本発明を、特定の態様、実施例、実施形態を参照して説明した。本発明の特定の特徴を、さまざまな態様、実施例、または実施形態の一つの態様、実施例、または実施形態のみを参照して開示したが、前記特徴を他の態様、実施例、または実施形態の１つ以上の他の特徴と併せて任意のまたは特定の用途に有利な形態としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、ディーゼル及び希薄燃焼ガソリン機関からのNOx排出のコントロールに向けて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施形態による典型的な動力発生システムの概略図である。
【図２】図１の動力発生システムに係る汚染物質コントロール装置の典型的な運転方法を図解する有限状態機械図表である。
【図３】図１の動力発生システムに係る改質装置の典型的な運転方法を図解する有限状態機械図表である。
【図４】図１の動力発生システムに係る駆動システムの典型的な運転方法を図解する有限状態機械図表である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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