(57)【要約】燃料が噴射された排気流を処理するためのシステムと方法に関する。一般に、システム（200）は、燃料噴射器（206）、予燃焼器（212）及び燃料燃焼器（216）を有する。本発明の方法には、ＮＯXトラップやDPF（218）の再生方法、燃料燃焼器の入口で実質的に均一な空気と燃料の混合を生じさせる方法、又は、燃料燃焼器の出口で実質的に均一な温度を生じさせる方法が含まれる。ＮＯXトラップの再生方法では、通常、排気流内に燃料を噴射させ、この排気流を予燃焼器内に通し、この予燃焼器を操作して、少なくとも部分的に噴射された燃料を燃焼させて、燃料と排気流の混合を燃料燃焼器内で反作用させて、還元ガス混合を生じさせて、この還元ガス混合をＮＯXトラップ内に導入させて、ＮＯXトラップを再生させる、各ステップが含まれる。ディーゼル粒子フィルタの再生方法も同様に行われる。また、制御方法が用いられてもよい。
2008508474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が噴射された排気流を処理するためのシステムであって、燃料噴射器、予燃焼器及び燃料燃焼器を有し、
前記燃料噴射器は、排気流に沿って配置されて、空気を含む排気流内に燃料を噴射させるように構成され、
前記予燃焼器は、ガスを通せるようにした、少なくとも２つの近接配置された長手方向の通路を有するサポート材料を含み、前記長手方向の通路は内面を有し、少なくとも一つの前記通路の前記内面の一部を触媒材料によって覆うか、しみ込ませており、
前記燃焼器は、入口、出口、触媒材料を有し、ガスを通すのに適するように少なくとも一つの内腔を定め、前記燃料燃焼器を前記予燃焼器の下流側に配置して、前記燃料燃焼器の入口で実質的に均一な空気と燃料の混合を提供可能なように前記予燃焼器を構成したことを特徴とするシステム。
【請求項２】
さらにミキサーを有し、前記ミキサーを前記燃料燃焼器の上流側に配置したことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ミキサーは、静的ミキサーであることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ミキサーは、パイプ長さを有し、このパイプ長さは、２よりも大きなＬ/Ｄ比を有することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記ミキサーの少なくとも一部は、ニス状の物質や炭素の堆積物の酸化を触媒作用できる触媒によって覆われることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記ミキサーは、少なくとも一つの渦巻器を有することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
前記燃料噴射器は、エンジンシリンダー燃料噴射器であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
さらにＮＯXトラップを有し、このＮＯXトラップを前記燃料燃焼器の下流側に配置したことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
さらにディーゼル粒子フィルタを有し、このディーゼル粒子フィルタを前記燃料燃焼器の下流側に配置したことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記予燃焼器は、前記燃料燃焼器の体積の約０．０５から約１倍であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記予燃焼器は、前記燃料燃焼器の体積の約０．１から約０．７倍であることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記予燃焼器は、前記燃料燃焼器の体積の約０．２から約０．４倍であることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記予燃焼器の通路の平均的な液体用の直径は、約０．２ｍｍから約１０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記予燃焼器の通路の平均的な液体用の直径は、約０．５ｍｍから約７ｍｍであることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記予燃焼器の通路の平均的な液体用の直径は、約１ｍｍから約５ｍｍであることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記サポート材料は、少なくとも部分的に鉄を含む金属合金から形成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記サポート材料は、少なくとも部分的にアルミニウムを含む合金から形成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記サポート材料はさらに、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ランタン、セリウム、カルシウム、バリウム、クロミウム、及びこれらの混合物のウォッシュコートを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記予燃焼器の触媒材料は、パラジウムを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記予燃焼器の触媒材料は、プラチナを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記予燃焼器は、電流を通すことで加熱されるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記長手方向の通路は、ヘリングボーンパターンに構成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記燃料燃焼器は、触媒で覆われたディーゼル粒子フィルタであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記近接配置される長手方向の通路の約２０％から約８０％は触媒で覆われることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記予燃焼器は、波形ホイルを螺旋状に巻き回して形成されて、近接する触媒の層が実質的に互いに対して結合されないようにしたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
ＮＯXトラップの再生方法であって、
予燃焼器の上流側にある、空気を含む排気内に燃料を噴射し、
選択的に、少なくとも一つのミキサーを用いて、前記排気流を前記噴射された燃料と混合させ、
前記排気流と燃料の混合を前記予燃焼器内に通し、
前記予燃焼器を操作して、少なくとも部分的に前記噴射された燃料を燃焼させ、前記予燃焼器は、入口、出口及び触媒材料を有し、
前記排気流と燃料の混合を燃料燃焼器内で反作用させてＣＯとＨ2を含む還元ガス混合を生じさせ、前記燃料燃焼器は、入口、出口及び触媒材料を有し、前記予燃焼器の下流側に配置され、
前記燃料燃焼器の下流側に配置されたＮＯXトラップ内に前記還元ガス混合を導入させて、前記ＮＯXトラップを再生させる、各ステップを有することを特徴とする方法。
【請求項２７】
前記排気流は、圧縮点火エンジン排気とスパーク点火エンジン排気からなる一群から選ばれることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記燃料は、炭化水素を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記燃料は、ガソリンとディーゼル燃料からなる一群から選ばれることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記燃料は、噴射に先立ち、少なくとも部分的に気化されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記燃料は、１よりも大きな等量比で噴射されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
前記燃料は、約１．５から約５の範囲内の等量比で噴射されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
さらに、前記予燃焼器を電気加熱するステップを有することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３４】
前記排気流内に燃料を噴射するステップはさらに、前記排気流内への燃料の噴射をパルスすることを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３５】
排気流内に実質的に均一な空気と燃料の混合を生じさせる方法であって、
予燃焼器の上流側にある、空気を含む排気内に燃料を噴射し、
前記排気流と燃料の混合を前記予燃焼器内に通し、
前記予燃焼器を操作して、燃料燃焼器の入口で実質的に均一な空気と燃料の混合を生じさせる、各ステップを有し、前記燃料燃焼器は、入口、出口及び触媒材料を有し、前記予燃焼器の下流側に配置され、前記予燃焼器は、入口、出口及び触媒材料を有することを特徴とする方法。
【請求項３６】
さらに、少なくとも一つのミキサーを用いて、前記噴射された燃料と前記排気流を混合させるステップを有することを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記ミキサーは、前記燃料燃焼器の上流側の位置に配置されることを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記ミキサーは、静的ミキサーであることを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記ミキサーは、パイプ長さを有し、このパイプ長さは、２よりも大きなＬ/Ｄ比を有することを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記ミキサーの少なくとも一部は、ニス状の物質や炭素の堆積物の酸化を触媒作用できる触媒によって覆われることを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記ミキサーは、少なくとも一つの渦巻器を有することを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項４２】
ディーゼル粒子フィルタの再生方法であって、
予燃焼器の上流側にある、空気を含む排気内に燃料を噴射し、
選択的に、少なくとも一つのミキサーを用いて、前記排気流を前記噴射された燃料と混合させ、
前記排気流と燃料の混合を前記予燃焼器内に通し、
前記予燃焼器を操作して、前記噴射された燃料と排気流の混合の温度を上昇させ、前記予燃焼器は、入口、出口及び触媒材料を有し、
前記噴射された燃料と排気流の混合を燃料燃焼器内で反作用させて、前記噴射された燃料と排気流の混合の温度をさらに上昇させ、前記燃料燃焼器は、入口、出口及び触媒材料を有し、前記予燃焼器の下流側に配置され、
前記上昇された温度で前記噴射された燃料と排気流の混合を、前記燃料燃焼器の下流側に配置されたディーゼル粒子フィルタ内に導入させて、前記ディーゼル粒子フィルタを再生させる、各ステップを有することを特徴とする方法。
【請求項４３】
前記排気流は、圧縮点火エンジン排気とスパーク点火エンジン排気からなる一群から選ばれることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記燃料は、炭化水素を含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記燃料は、ガソリンとディーゼル燃料からなる一群から選ばれることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記燃料は噴射に先立ち、少なくとも部分的に気化されることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４７】
前記燃料燃焼器は、触媒が覆われたディーゼル粒子フィルタであることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４８】
少なくとも一つのミキサーを用いて、前記排気流を前記噴射された燃料と混合させ、前記ミキサーの少なくとも一部は、ニス状の物質や炭素の堆積物の酸化を触媒作用できる触媒によって覆われることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４９】
さらに、前記予燃焼器を電気加熱するステップを有することを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項５０】
前記排気流内に燃料を噴射するステップはさらに、排気流内への燃料の噴射をパルスすることを含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項５１】
燃料燃焼器の出口で実質的に均一な温度を生じさせる方法であって、
予燃焼器の上流側にある、空気を含む排気内に燃料を噴射し、
前記排気流と燃料の混合を前記予燃焼器内に通し、
前記予燃焼器を操作して、燃料燃焼器の出口で実質的に均一な温度を生じさせる、各ステップを有し、前記燃料燃焼器は、入口、出口及び触媒材料を有し、前記予燃焼器の下流側に配置され、前記予燃焼器は、入口、出口及び触媒材料を有することを特徴とする方法。
【請求項５２】
さらに、少なくとも一つのミキサーを用いて、前記排気流を前記噴射された燃料と混合させるステップを有することを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記ミキサーは、前記燃料燃焼器の上流側の位置に配置されることを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記ミキサーは、静的ミキサーであることを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記ミキサーは、パイプ長さを有し、このパイプ長さは、２よりも大きなＬ/Ｄ比を有することを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５６】
前記ミキサーの少なくとも一部は、ニス状の物質や炭素の堆積物の酸化を触媒作用できる触媒によって覆われることを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５７】
前記ミキサーは、少なくとも一つの渦巻器を有することを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に内燃機関（“ＩＣ：internal combustion”）に関し、より特徴的には、酸化窒素（“ＮＯX”）エミッションを生じるＩＣエンジンのエミッションの制御と性能を向上させるための予燃焼器又は前燃焼器（pre-combustors）、システム、及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、政府によるエミッションの規制が厳格に強化されてきているため、ＩＣエンジンからのエミッションを減らすための努力が一層求められている。この規制は、ディーゼルエンジンに関する特定の問題を問題提起しているが、この問題とは、ディーゼルエンジンは非常に効率的な反面、しばしば、ＮＯXと粒子状物質（“ＰＭ：particulate matter”）のエミッションを非常に高く生じさせることに関する。また、ディーゼルエンジンの排気を処理した後、しばしば、ディーゼルエンジンのエミッションを減少させることを助けることが求められるが、この理由は、エンジン設計の修正だけでは、ディーゼルエンジンを十分にクリーンにできないためである。この後処理は、通常、ディーゼル粒子フィルタ（“ＤＰＦ：diesel particulate filter”）及び／又はＮＯXトラップの使用を含む。
【０００３】
ＤＰＦは、通常、セラミックフィルターであって、排気流内に配置される。主に粒子状炭素から構成されるＰＭは、ＤＰＦ上とこの中で集められて、フィルタを詰まらせると、エンジン効率を減らしたり、システムを操作不能にする虞がある背圧を増大させる。ＮＯXトラップは、排気流内に配置されて、排気流からのＮＯXを吸着する吸着剤を備えている。ＤＰＦと同様に、吸着剤がこの最大の吸着限界に達すると、ＮＯXトラップは、基本的に使用できなくなり、もはやＮＯXを吸着できなくなる。そこで、ＤＰＦとＮＯXトラップの双方とも、これらの効率を維持するために、再生されなければならない。
【０００４】
ＤＰＦの再生は、通常、ＤＰＦ内に集められた粒子状炭素が燃焼されて、ＤＰＦの温度が最小閾値を越えて上昇した時に行われる。このＤＰＦの温度の上昇は、通常、エンジンが高負荷で操作される時の排気温度の上昇に直接的に起因している。しかしながら、エンジン操作によって、ＤＰＦを再生するのに十分に高いエンジン排気温度が得られない場合には、他の方法によって排気流又はＤＰＦを加熱しなければならない。例えば、ＤＰＦ上やＤＰＦの上流側に設けられた燃料燃焼器上で燃料を燃焼させて、排気流を加熱することがある。しかしながら、この種の燃料の噴射や燃焼を利用するシステムでは、ＤＰＦや、上流の燃料燃焼器を通る流れにおいて、燃料の濃度を均一にすることに課題があった。非均一の場合、クリーニングが非均一になったり、過度に加熱したり、局所的にストレスを加えたり、音を立てたり（クラッキング）、又は他の損傷をＤＰＦや上流の燃料燃焼器に及ぼす虞があった。
【０００５】
ＮＯXトラップは、通常、吸着−触媒システムを有しており、ＮＯXのトラップとＮＯXの削減という２つの機能を提供している。通常、ＮＯXトラップの一構成要素が、酸化状況下、つまり、排気流が過度の酸素を含む状況下で、排気流内のＮＯXを吸着する。この構成要素は、通常、排気流が還元される時、ＮＯXが解放されるように選ばれている。また、ＮＯXトラップは、ＮＯX還元触媒を含み、この触媒上で、ＮＯXが、還元状況下で還元剤と反作用することで公害性のないＮ2を形成している。即ち、排気流が還元される時、ＮＯXが解放されて、還元触媒上で還元剤と反作用することにより、Ｎ2を形成している。
【０００６】
上述したように、ＮＯXトラップ環境は、トラップしたＮＯXをＮ2に変換するために還元されなくてはならない。この還元環境を生じさせる一つの方法は、エンジン操作を修正して、「濃い(rich、リッチ)」モードでエンジンを操作することである。しかしながら、このような修正は、通常のエンジン操作からかなりの偏りを要することがある。例えば、通常、エアインテーク上でスロットルを必要とせずに操作される、ディーゼルエンジンでは、今や、空気と燃料の混合を濃い方に移すためにスロットルを要することがある。さらに、このことは、素早くかつ頻繁に、例えば、約２〜２０分毎で、行わなくてはならなくなる。上述したＤＰＦの再生と同様に、酸素を消費するとともに還元環境を生じさせるために、燃料を排気流内に噴射して、ＮＯXトラップ上や上流の燃料処理器上で燃焼することがあるが、例えば、本発明の出願人によって米国特許庁に出願中の特許文献１及び２を参照されたい。これらの開示内容は、本明細書に参考として包含される。しかしながら、排気流内にディーゼル燃料を直接的に噴射することは、排気流の温度が１５０℃〜２５０℃の範囲内にある時には非常に効率的ではない。この温度範囲は、ディーゼルエンジンの操作サイクルのかなりの部分をカバーし、これにはアイドルや低めの負荷も含まれる。
【特許文献１】米国特許出願番号第１０/４３１,１７１号明細書
【特許文献２】米国特許出願番号第１０/３０９,９３６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、従来、燃料を噴射された排気流を処理するための改良されたシステムと方法が求められている。さらに、ＤＰＦ又はＮＯXトラップを再生するための改良されたシステムと方法が求められている。同様に、ＤＰＦ又は燃料燃焼器の入口で実質的に均一な空気と燃料の混合を提供することができるシステムと方法、及び／又は、燃料燃焼器又は燃料処理器をこの操作範囲内の温度まで素早く加熱することができるシステムと方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、本発明に係る燃料が噴射された排気流の処理を行うシステムについて説明する。実施例の一つでは、システムは、燃料噴射器、予燃焼器、及び燃料燃焼器又は燃料処理器を含む。通常、燃料噴射器は、排気流に沿って配置され、空気を含む排気流内に燃料を噴射するように構成されている。予燃焼器は、少なくとも２つの近接配置された長手方向の通路を、ガスを通せるように有するサポート材料を含む。長手方向の通路は内面を有し、少なくとも一つの通路の内面の少なくとも一部には、触媒材料を覆うか、しみ込ませる。幾つかの変更例では、長手方向の通路は、ヘリングボーンのパターンに構成される。
【０００９】
燃料燃焼器又は燃料処理器は入口と出口と、ガスを通すのに適する少なくとも一つの内腔（lumen）と、触媒材料を有する。燃料燃焼器又は燃料処理器は、予燃焼器の下流側に配置され、予燃焼器は、燃料燃焼器又は燃料処理器の入口で実質的に均一の空気と燃料の混合を提供するように構成されている。本明細書では、以下の詳細な説明を通じて、用語“燃料燃焼器”は、用語“燃料処理器”と併用可能なように用いるが、双方とも燃料と空気との反作用（燃焼）と、酸素が不在の場合には、燃料と水の蒸気との反作用（燃料処理又は改質）を行って、還元種、例えばＨ2やＣＯを生じさせることを含む。
【００１０】
幾つかの実施例では、システムはさらに、燃料燃焼器の上流側にミキサーを配置する。ミキサーは静的ミキサーでもよく、パイプ長、渦巻器（swirler）又は同様物を含む。幾つかの実施例では、ミキサーの少なくとも一部は触媒によって覆われて、ニス状の物質や炭素の堆積物の酸化触媒を可能にする。システムはさらに、ＮＯXトラップやディーゼル粒子フィルタを、燃料燃焼器の下流側に配置していてもよい。
【００１１】
幾つかの実施例では、予燃焼器は、燃料燃焼器の体積の約０．０５から約１倍であり、他の実施例では、予燃焼器は、燃料燃焼器の体積の約０．１から約０．７倍であり、さらに他の実施例では、予燃焼器は、燃料燃焼器の体積の約０．２から約０．４倍である。また、幾つかの実施例では、予燃焼器の通路の平均的な液体用の直径は約０．２ｍｍから約１０ｍｍ、又は、約０．５ｍｍから約７ｍｍ、さらには、約１ｍｍから約５ｍｍである。
【００１２】
予燃焼器の触媒サポート材料は、少なくとも部分的に、金属や、鉄に基づく合金や、他の金属に基づく合金や、さらには同様物から形成されていてもよく、あるいは、セラミック、例えば、コーディエライトや炭化ケイ素から形成されていてもよい。サポート材料はさらに、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ランタン、セリウム、カルシウム、バリウム、クロミウム、又はこれらの混合物からなるウォッシュコートを含んでいてもよい。同様に、予燃焼器の触媒材料は、パラジウム、プラチナ、これらの混合物、又は同様物を有していてもよい。予燃焼器はさらに、電気エネルギー源を有していてもよい。
【００１３】
さらに本発明は、ＮＯXトラップの再生方法にも関する。通常、この方法は、排気流内に燃料を噴射させ、選択的に、少なくとも一つのミキサーを用いて排気流を噴射された燃料と混合させ、排気流と燃料の混合を予燃焼器内に通し、予燃焼器を操作して、少なくとも部分的に噴射された燃料を燃焼させ、選択的に、部分的に燃焼された混合をミキサー内に通し、燃料処理器内で燃料と排気流の混合を反作用させて、ＣＯとＨ2を含む還元ガスの混合を生じさせ、この還元ガスの混合をＮＯXトラップ内に導入させて、ＮＯXトラップを再生させる、各ステップを有する。排気流は、予燃焼器の上流側に置かれて、空気を含む。予燃焼器は、燃料処理器の上流側に置かれて、入口、出口、及び触媒材料を含む。燃料処理器は、予燃焼器の下流側に置かれて、入口、出口、及び触媒材料を含む。ＮＯXトラップは、燃料処理器の下流側に置かれる。
【００１４】
排気流は、圧縮点火エンジン排気ガス又はスパーク点火エンジン排気ガスを有していてもよい。通常、燃料は、炭化水素、例えば、ガソリンやディーゼル燃料を含む。燃料は、噴射に先立って気化されていてもよく、又はされていなくてもよい。幾つかの実施例では、燃料は、１よりも大きい等量比で噴射される。他の実施例では、燃料は、約２から約５までの等量比で噴射される。幾つかの実施例では、排気流内に燃料を噴射するステップは、排気流内に燃料の噴射をパルスさせることを含む。本明細書で説明される方法はさらに、予燃焼器を電気加熱するステップを有していてもよい。尚、燃料は、燃焼サイクル内の遅く、燃焼サイクルの後又は排気サイクル中に、エンジンシリンダーの燃料噴射システムによって噴射されてもよいことを理解されたい。この燃料は、エンジン排気マニホルドと排気システムを通って進み、燃料排気の混合が燃料燃焼器に到達する時、依然としてかなり非均一な場合がある。この場合、燃料燃焼器により均一な燃料濃度を提供するために、
予燃焼器が有効である。
【００１５】
さらに、本発明は、燃料燃焼器の入口で実質的に均一な空気と燃料の混合を生じさせる方法や、燃料燃焼器の出口で実質的に均一な温度を生じさせる方法にも関する。一般に、これら方法は、予燃焼器の上流側に置かれる排気流内に燃料を噴射させ、排気流と燃料の混合を予燃焼器内に通し、予燃焼器を操作して、燃料燃焼器の入口で実質的に均一な空気と燃料の混合を生じさせるか、又は、燃料燃焼器の出口で実質的に均一な温度を生じさせる、各ステップを含む。排気流は、空気を含む。燃料燃焼器は、入口、出口、及び触媒材料を含み、予燃焼器の下流側に置かれる。予燃焼器は、入口、出口、及び触媒材料を含む。
【００１６】
幾つかの実施例では、これら方法はさらに、少なくとも一つのミキサーを用いて、排気流を噴射された燃料と混合させるステップを有し、このミキサーは、例えば、燃料燃焼器の上流側の位置に配置されていてもよい。ミキサーは、静的ミキサーでもよく、パイプ長、渦巻器又は同様物を含んでいてもよい。また、ミキサーの少なくとも一部は触媒によって覆われて、ニス状の物質や炭素の堆積物を酸化触媒可能にしていてもよい。
【００１７】
さらに、本発明は、ディーゼル粒子フィルタの再生方法にも関する。一般に、この方法は、予燃焼器の上流側に置かれた排気流内に燃料を噴射させ、選択的に、少なくとも一つのミキサーを用いて、排気流を噴射された燃料と混合させ、排気流と燃料の混合を予燃焼器内に通し、予燃焼器を操作して、噴射された燃料と排気流の混合の温度を上昇させ、燃料燃焼器内で噴射された燃料と排気流を反作用させて、さらに噴射された燃料と排気流の温度を上昇させ、噴射された燃料と排気流の混合を燃料燃焼器の下流側に置かれたディーゼル粒子フィルタ内に導入させて、ディーゼル粒子フィルタを再生させる、各ステップを含む。幾つかの実施例では、燃料燃焼器を除いて、ディーゼル粒子フィルタ上で燃料燃焼を達成してもよい。
【００１８】
排気流は、空気を含む。予燃焼器は、入口、出口、及び触媒材料を含み、また、燃料燃焼器は、入口、出口、及び触媒材料を含み、予燃焼器の下流側に配置される。幾つかの実施例では、この方法は、予燃焼器を電気加熱するステップを含む。
【００１９】
排気流は、圧縮点火エンジン排気又はスパーク点火エンジン排気を含んでいてもよい。同様に、燃料は、炭化水素、例えば、ガソリンやディーゼル燃料を含んでいてもよい。幾つかの実施例では、燃料は、噴射に先立って気化される。幾つかの実施例では、燃料は、１よりも大きな等量比で噴射される。また、排気流内に燃料を噴射するステップは、排気流内に燃料の噴射をパルスさせることを含んでいてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
Ｉ．システム
以下、燃料を噴射された排気流を処理するためのシステムと方法について説明するが、特に、高い排気温度を生じさせるか、若しくは排気混合を還元させて、還元剤と反作用させることについて説明する。幾つかの実施例では、本発明に係るシステムは、燃料噴射器、予燃焼器、及び燃料燃焼器を含む。例えば、図１を参照すると、システム（100）は、燃料噴射器（102）を排気流（104）に沿って配置して、排気流（104）内に燃料（106）を噴射させるように構成する。予備燃料器（108）は、燃料噴射器（102）の下流側に配置される。燃料燃焼器（110）は、図１に示すように、予燃焼器（108）の下流側に配置されていてもよい。燃料燃焼器（110）は、入口（112）、出口（114）、さらに、ガスを通すのに適する少なくとも一つの内腔を定める。
【００２１】
一般に、このシステムは、主触媒の入口（例えば、燃料燃焼器、酸化触媒、改質触媒、酸化触媒と改質触媒の組合せ等）で実質的に均一な空気と燃料の混合を生じさせるか、若しくは、主触媒の出口で実質的に均一な温度を生じさせて、燃料を燃焼させて、下流側のフィルタ又はトラップの温度を上昇させるか、実質的に自由な酸素の還元混合（例えば、ＣＯとＨ2の混合）を生じさせて、ＮＯXトラップを再生させるために用いられる。従って、多くの適当なシステム構成が可能となる。例えば、システムはさらに、ＤＰＦ、ＮＯXトラップ、これら２つの組合せ、または同様物を含んでいてもよい。システムの構成物（例えば、予燃焼器と燃料燃焼器）は、例えば、単一の装置内にパッケージされていてもよく、又は個々の構成物ごとにパッケージされてから、一体に結合されていてもよい。
【００２２】
Ａ．予燃焼器
一般に、予燃焼器は、燃料燃焼器の入口で実質的に均一な空気と燃料の混合を生じさせ、燃料燃焼器の出口で実質的に均一な温度を生じさせて、燃料を燃焼させて、燃料燃焼器の温度を上昇させ、又は、ＮＯXトラップを再生させるために濃い還元用の混合を提供することを助けるために用いられてもよい。また、予燃焼器は、これら機能の組合せを提供できるように構成されていてもよい。従って、幾つかの実施例では、予燃焼器は、サポート材料を有し、少なくとも２つの近接配置された長手方向の通路（図示せず）を有し、これらを通ってガスを通せるようにする。長手方向の通路は内面を有し、幾つかの実施例では、少なくとも一つの通路の内面の少なくとも一部には、触媒材料が覆われるか、又はしみ込まされており、また、少なくとも一部は触媒で覆われない。例えば、幾つかの実施例では、予燃焼器は、波形のホイルを用いて構成され、これは、一方の側で触媒が覆われてから、螺旋状に巻き回されて、触媒が覆われた通路と、触媒が覆われていない通路を含む一体構造を形成する。触媒が覆われた通路の部分は、約５％から約９５％までの範囲内でもよく、幾つかの実施例では、これは、約２０％から約８０％である。ヘリングボーンの波形ホイルが一方の側で触媒が覆われてから、半分に折り畳まれて、螺旋状に巻き回されると、通路の５０％が触媒で覆われ、他の５０％が触媒で覆われないようにできる。このような構造は、非常に非均一な燃料濃度を燃焼させる性能を有するが、これは、触媒が覆われた表面が、触媒が覆われていない表面によって冷却されるためである。さらに、このような触媒が覆われたホイルを巻き回して形成された一体構造は、互いに結合されないようにレイヤを近接させて、近接されたレイヤが相対的に軸方向と円周方向の双方でスリップし、移動できるようにする。このような移動は、この構造が、一体構造内の熱勾配に対して非常に許容できるようにするが、この理由は、熱勾配が熱の勾配を広げて、ストレスを局所化させるためであり、このことは、構造がこのストレスを解散できない場合と比べて有利となる。このようなルーズで、非結合型の構造は、非均一な燃料濃度によって生じる、素早い熱の移行と熱勾配に対してかなりより耐性を有することが可能になる。
【００２３】
本明細書で開示されたシステムと方法に用いるのに適する予燃焼器は、米国特許第５，２５０，４８９号と第５，５１２，２５０号明細書に開示されており、これら各開示内容の全ては、本明細書に参考として包含される。例えば、予燃焼器は、金属サポート上で、プラチナグループの、金属に基づく触媒でもよい。この金属サポートは、例えば、触媒表面と、近接した非触媒表面を有する金属材料を用いて、又はこれから形成されて、組付けられていてもよい。このように、螺旋状に一体に巻き回される時、幾つかの通路は触媒材料を有し、他の通路は触媒材料を有しないようにされる。
【００２４】
金属サポートは、はちの巣状（honeycomb）、波形シート（例えば、平らな別体のシートを散らしたものでもよい）の螺旋状ロール、円筒形（“少量のストロー”）又は他の構成であって、長手方向の通路又は連絡通路を有し、最小の圧力低下で、高いスペースの速度を可能にするものでもよい。金属サポートは、通常、セラミックサポートと比べてより望ましいが、セラミックサポートを上手に用いることは可能である。触媒材料は、長手方向の通路の内壁の少なくとも一部で（つまり、金属サポートの通路又は連絡通路内で）、取付けられるか、覆われるか、しみ込まされるか、又は配置される。尚、“少なくとも一部”という表現は、各通路が全長に沿って覆われる必要がないことを意味し、又は、長さに沿った全ての場所で通路の表面が覆われる必要がないことを意味する。幾つかの実施例では、通路の全長の一部に沿って触媒を配置することで十分である。例示的な金属サポートの材料として、例えば、アルミニウム、アルミニウムを含む、又はアルミニウム処理されたスチール、鉄合金、何らかのステンレススチール、任意の高温度の金属合金であって、ニッケル又はコバルト合金を含み、触媒層を金属表面上に取付けたものでもよい。本明細書で説明される予燃焼器に用いるのに適する例示的なアルミニウムを含むスチールとして、例えば、アッゲン及び他の者による米国特許第４，４１４，０２３号と、チャップマン及び他の者による米国特許第４，３３１，６３１号と、カーンズ及び他の者による米国特許第３，９６９，０８２号の明細書に開示されたものがある。これらスチールは、他の物とともに、カワサキ・スチール・コーポレーション（RIVER LITE 20-5 SR）、アレグヘニー・ルドラムス・チール（Allegheny Ludlum Steel）ALFA I AND II、及びエンジニアード・マテリアル・ソリューションズ（Engineered Material Solutions）DURAFOILがあり、十分に溶解されたアルミニウムを含むため、酸化された時、アルミニウムは、アルミナホイスカー、クリスタル、又はレイヤをスチールの表面上に生じさせて、ウォッシュコートの良好な粘着用に、粗く、化学的に反作用する表面を提供できる。
【００２５】
予燃焼器サポートはさらに、ウォッシュコートを含んでいてもよい。ウォッシュコートは、当該技術で知られている仕方で加えられてもよく、例えば、ガンマ−アルミナ、ジルコニア、シリカ、又はチタニア材料（好ましくはソル：sols）又は、アルミニウム、シリコン、チタニウム、ジルコニアと、例えば、バリウム、セリウム、ランタン、クロミウム、又は様々な他の構成要素等の付加物を含む少なくとも２つの酸化物の混合されたソルとして加えられてもよい。ウォッシュコートをサポートに良好に粘着させるため、プライマーレイヤを加えてもよいが、これは、例えば、チャップマン及び他の者による、米国特許第４，２２９，７８２号明細書に開示されている擬ベーマイト（pseudo-boehmite）アルミナのダイリュートサスペンションのような含水酸化物含む。また、プライマーレイヤは、ガンマ−アルミナサスペンションを用いて覆われ、乾燥され、生石灰にされて（calcined）、金属表面上に高表面領域の粘着酸化物層を形成してもよい。幾つかの実施例では、ウォッシュコートとして、ジルコニアソル又はサスペンションを用いる。他の溶解性酸化物、例えば、シリカとチタニアもまた適用可能である。ウォッシュコートは、任意の適当な方法によって加えられてもよく、例えば、スプレー、直接付着、ウォッシュコート材料のソル内へのサポートのディッピング等がある。燃焼又は改質用の触媒は、サポート上にウォッシュコートが覆われた後に加えられてもよく、又は、単一のステップで、ウォッシュコートに加えられて、サポート上に適用されてもよい。
【００２６】
アルミニウムサポートはまた、本発明に関する予燃焼器に用いられることにも適しており、上述した一般的な金属サポートの場合と基本的に同様に、処理されたり、覆われてもよい。予燃焼器は、冷間圧延によって形成されてもよく、あるいは、金属の長いシート又はストリップを波形処理することで形成されてもよい。この波形ストリップは、平らな金属ストリップと組合わされて、螺旋状に巻き回されて、円筒形状の触媒構造を形成して、この中をガスが通れるようにしてもよい。巻き回すのではなく、波形及び平らな（又はスペーサー）ストリップをカットしたり、折り畳んで、共に構造をなすように配置してもよい。あるいは、チャップマン及び他の者による、米国特許第４，３３１，６３１号明細書に教示されているように、ヘリングボーンの波形パターンを用いてもよく、これは、折り畳まれるか、二重にされて、螺旋状に巻き回された時に、開口された波形構造を形成するが、平らな金属ストリップを用いずに、また入れ子状に重ねないようにする。
【００２７】
予燃焼器は、所望の機能を提供できる（例えば、燃料燃焼器の入口で実質的に均一な空気と燃料の混合を提供したり、燃料燃焼器の下流側を加熱して、濃い還元混合を提供することを助ける等）ように構成されている限り、任意の適当な大きさを有していてもよい。例えば、これは、燃料燃焼器の体積の約０．０５から１倍の範囲内でもよい。幾つかの実施例では、予燃焼器は、燃料燃焼器の体積の約０．１から約０．７倍であり、他の実施例では、予燃焼器は、燃料燃焼器の体積の約０．２から約０．４倍である。同様に、予燃焼器は、任意の適当な液体用の直径で通路又はチャネルを有することができる。通常、予燃焼器の通路の液体用の直径は、燃料燃焼器の通路の液体用の直径よりも大きいが、このことは必須ではない。液体用の直径（Ｄh）は、例えば、触媒構造内で、触媒が覆われた通路のような特定のタイプの通路の全ての平均的な断面領域の４倍の大きさとして定められ、触媒構造内のこのタイプの通路の全ての平均的な浸された周囲によって分けられる。液体用の直径は、通常、円形状の通路の場合には、幾何学的な直径に等しいが、非円形状の通路の場合には、変化していてもよい。このように、通路の幾何学的構成が勘案される。触媒が覆われた通路の液体用の直径は、触媒が覆われていない通路の液体用の直径のものと異なっていてもよい。幾つかの実施例では、予燃焼器の通路の液体用の直径は、約０．２ｍｍから約１０ｍｍの範囲内にある。他の実施例では、予燃焼器の通路の液体用の直径は、約０．５ｍｍから約７ｍｍ、又は、約１ｍｍから約５ｍｍの範囲内にある。また、予燃焼器は、電気的に加熱、つまり、流れる電流によって加熱されてもよい。
【００２８】
Ｂ．選択的なミキサー
このシステムはさらに、燃料燃焼器の上流側、又は予燃焼器の上流側に、ミキサーを配置していてもよく、これによって、噴射された燃料を排気流からの空気と混合することを助けてもよい。従って、ミキサーは、より均一な空気と燃料の混合を生じることを助けることができる。例えば、図２を参照すると、ミキサー（220）が予燃焼器（212）の下流側に置かれることが示されている。しかしながら、ミキサー（220）を予燃焼器（212）の上流側に置くことは可能である。
【００２９】
噴射される燃料は、蒸気、液体、又はこれら２つの組合せの形態でもよい。噴射される燃料が液体の場合、この幾つか又は全てが、暖かい排気ガスの混合と接する時に、気化されることがある。ディーゼル燃料の場合、燃料のほとんどの部位が液体飛沫の形態を有し、低めの排気温度では、これら飛沫はすぐに気化されない。このような実施例では、特に、噴射された液体燃料のほとんどの部位を気化させるために、予燃焼器を用いてもよい。さらにこの気化を加速させるために混合を用いてもよい。ミキサーは、ガスの混合を促進させたり、及び／又は、液体飛沫の気化を助けるのに適する任意のミキサーでもよい。
【００３０】
実施例の一つでは、静的で（つまり、可動部を有しない）、インラインの（直列に並ぶ）ミキサーを用いる。この実施例では、ミキサーは、排気流と噴射された燃料の流れを変えて、混合させるように作用する。現在、様々なタイプの静的なミキサーが商業的に利用可能となっており、これらを用いてもよい。例えば、静的なミキサーの一つのタイプでは、交差する通路の列を有し、これらは、流れを複数の部位に分けて、これら部位を再度、配列して、組合わせるように構成される。他のタイプのミキサーは、渦巻器と逆方向に回転する渦巻器を有し、渦巻きがガスの混合に寄与させている。渦巻器は、一方向に回転する部位と、反対方向に回転する他の部位を有していてもよい。また、ミキサーとして、パイプ区間を用いてもよい。例えば、２よりも大きな長さ／内径の比（Ｌ/Ｄi）を有するまっすぐなパイプ区間や、曲げられたパイプ区間を用いてもよい。
【００３１】
あるいは、ミキサーは、可動部、例えば、ファン、タービン等を有していてもよく、又は、音波エネルギー入力装置を備えて、ガスの流れに乱れや混合を引き起こせるようにしてもよい。しかしながら、このようなミキサーはあまり望ましくない場合があるが、これは、可動部は磨耗したり、サービスを要したり、より大きなエネルギー入力を要することがあるためである。従って、非静的なミキサーが一層の構成の複雑化やエネルギー消費を寛容するのに十分に効果的であるか否かを決定する前に、混合効率の向上について評価することが望ましい場合がある。
【００３２】
時々、ニス状の物質や炭素の堆積物が、燃料スプレーと接するミキサーの可動部上に形成されることがあるが、このことは、特に、燃料が高分子重量を有し、熱分解し易い傾向がある場合に顕著である。ニス状の物質は、ディーゼル燃料の部分的な熱分解によって形成されるコーティングのような炭化水素である。従って、ミキサーの少なくとも一部には、これらニス状の物質や炭素の堆積物を酸化させる酸化反作用を触媒作用できる触媒を覆っていてもよい。このように、触媒は、ほとんど、連続クリーニング又は自己クリーニングオーブンのように、堆積物を防いだり、取り除く。
【００３３】
また、混合を助けるために燃料噴射器を用いてもよい。実施例の一つでは、燃料噴射器を燃料燃焼器の上流側に設けて、パイプ長とともにガス混合を均一に混合させるのに用いてもよい。この機能を行うのに必要なパイプ長の区間は、一般に、パイプ直径の長さの約２から約１０倍であると考えられている。また、燃料噴射器を排気パイプ内で曲げられた上流側に設けて、さらに空気と燃料を混合させるようにしてもよい。幾つかの実施例では、予燃焼器内に導入されるのに先立って、空気と燃料を速やかに、又は短い距離内で混合させることが望ましい場合がある。これは、重い燃料（例えば、ディーゼル燃料）は、熱分解や分解し易く、ニス状の物質や炭素の堆積物を生じさせ易い傾向があり、これらがシステムの悪化を引き起こす可能性があるためである。
【００３４】
同様に、一つ又は複数の有孔性のプレート又はスクリーンを用いて、排気流と噴射された燃料の混合を混合させたり、所望の方向に混合流を向わせてもよく、このことは図２に示されている。図示されているシステム（200）は、排気流（202）、燃料噴射器（206）、予燃焼器（212）、燃料燃焼器（216）、及びフィルタ又はトラップ、例えば、ＤＰＦやＮＯXトラップ（218）を有する。有孔性のプレート（208）を燃料噴射器（206）の上流側に配置して、排気流と燃料の混合をより均一にしたり、流れを予燃焼器（212）に向わせることを助ける。任意の数の有孔性のプレートを用いてもよいが、さらなる有孔性のプレートの利用は、混合を均一にすることを向上させると考えられる。しかしながら、さらなる有孔性のプレートの利用は、圧力低下をもたらすことがあり、これは、エンジン出力パワーを低下させることがあるため好ましくないと考えられることがある。
【００３５】
Ｃ．燃料燃焼器／燃料処理器
上述したように、本明細書では、用語「燃料燃焼器」について参照する時、この用語の意味には「燃料処理器」が含まれる。燃料燃焼器が「薄い(lean、リーン)」状況下で燃料を燃焼する時、燃料処理器は基本的に排気流内の酸素を消費するように燃焼し、残りの燃料を改質させて、Ｈ2とＣＯを含む還元ガスの混合を生じさせる。しかしながら、燃料燃焼器と燃料処理器は双方とも燃料を燃焼するので、本明細書では燃料燃焼器について参照する時、双方をカバーすることを意図する。
【００３６】
図１に示すように、燃料燃焼器（110）は、入口（112）、出口（114）及び触媒材料（図示せず）を含む。さらに、燃料燃焼器は、ガスを通すのに適するように、少なくとも一つの内腔を定める。また、燃料燃焼器（110）は、内部に空気やさらなる燃料（図示せず）を導入するための第二の燃料噴射器を有していてもよい。また、システムは、制御システム（図示せず）を有していてもよい。
【００３７】
燃料燃焼器の触媒材料は、単一の触媒を有していてもよく、又は、複数の触媒をつなげて有していてもよい。例えば、第一の触媒を酸化触媒として主要なように構成して、幾つかの燃料と酸素を反作用させて、二酸化炭素と水を形成させて、熱を生じさせるように触媒要素を選択して備えてもよい。過度の燃料及び／又は触媒装置間で噴射された燃料を、次に第二の触媒装置に送って、過度の燃料を水と二酸化炭素と反作用させて、ＣＯとＨ2を形成させるようにしてもよい。第二の触媒は、例えば、改質触媒として主要なように構成されてもよい。あるいは、酸化用の入口区間と改質用の出口区間を有するように単一の触媒を構成してもよい。このように、単一の触媒を用いて、２つの異なる触媒装置として効果的に機能させることは可能である。
【００３８】
触媒材料は、活性触媒として一つ又は複数の金属や酸化物を高い面積領域の難溶解性サポートと組み合わせて有していてもよく、これらの多くは炭化水素の酸化を行う技術分野で公知である。触媒材料は、ウォッシュコート、有孔性のコーティングとして備えられてもよく、これは通常、高い面積領域のサポートと活性触媒要素の組合せを含む。又は、ウォッシュコートは、第二の酸化物の部位、又は酸化物の混合であって、炭化水素や炭素の酸化を行うことができる有孔性の構造とともにサポートを含んでいてもよい。コーティングは、任意の処理を用いて適用されてもよい。例えば、プラズマ自動溶射（プラズマフレームスプレー）、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition）、電気めっき、無電解めっき、又はスプレー可能なソル（液体中に触媒粒子のサスペンションを含む）等を用いて適用されてもよい。また、ウォッシュコートは、スラリー内への部品のディッピング（しみ込ませる）で適用されてもよい。本発明で用いることができる触媒要素の一例として、ダラ・ベッタ及びこの他の者による米国特許第５，２３２，３５７号明細書に開示されたものがあるが、この開示内容は、本明細書に参考として包含される。
【００３９】
燃料燃焼器の触媒材料は、容器内に球粒（ペレット）やビードを含んでいてもよく、又は、一体型のはちの巣タイプの装置として構成されていてもよい。自動車の振動によって、球粒やビード材料を摩損させたり、失わせることがあるため、一体型のはちの巣タイプの装置が望ましい場合がある。さらに、通常、一体型の装置は、流動する排気流に対して低めの圧力低下を有する。尚、任意の一体構造を用いることは可能である。例えば、この一体構造はセラミックや金属でもよく、また、様々なセルの大きさと形状を有していてもよい。セルの大きさと形状を決定することは、通常、所望の表面領域と圧力低下に基づくとともに、関連する熱と物質移動係数に基づく。例えば、燃料処理器の触媒は、低めの熱容量を備えて、素早く加熱できるようにすることが好ましいことがある。同様に、燃料処理器の触媒は、低めの圧力低下を備えて、全システムの全体的な圧力低下が操作を妨害したり、エンジン効率を減少させないようにすることが好ましいことがある。
【００４０】
触媒の基部に一体構造が用いられる場合、この外部又は壁面を触媒層によって覆ってもよい。このウォッシュコートは、アルミナやジルコニアのような有孔性の不活性酸化物を有していてもよく、また、高度に露出された表面領域を有していてもよい。この酸化物のウォッシュコートは、所望の機能に基づいて酸化や改質を行うことができるさらなる構成要素を備えていてもよい。本発明に用いることができる様々な一体型の触媒の準備と構成については、ダラ・ベッタ及びこの他の者による米国特許第５，１８３，４０１号、第５，２５９，７５４号、及び第５，５１２，２５０号明細書に開示されたものがあるが、これらの開示内容は、本明細書に参考として包含される。
【００４１】
酸化触媒は、炭化水素を酸化することができる任意の触媒でもよい。例えば、酸化触媒は、周期表のグループVI、VII、VIII及びIBの任意のものから選ばれた要素を有していてもよい。より活性の触媒要素は、グループPd、Pt、Ir、Rh、Cu、Co、Fe、Ni、Cr及びMoから選ばれてもよい。幾つかの実施例では、Pd、Pt、Rh、Co、Fe又はNiを用いることがより望ましい場合があるが、これらは、別体に、又は組合わされて用いられてもよく、さらに、実際の使用には、これら要素として又は酸化物として用いられてもよい。
【００４２】
酸化触媒の特性の一つとして、非常に低い温度で良好な触媒活性を有することが、望ましいとされることがある。このように、酸化物は、システム構成の修正をすることなく、低めの排気温度で酸化を行うことができる。この特性は、しばしば、ライトオフ温度として参照されることがあり、又は、ガス温度がかなり上昇するための十分な温度で、排気内の燃料と酸素が反作用する時の温度として参照されることがある。２５０℃以下で、しばしば２００℃以下のライトオフ温度が、通常、望ましい。
【００４３】
酸化触媒は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、又はこれらの混合や組合せ、あるいはさらなる構成物や要素との混合や組合せを含む、ウォッシュコート上に設けられていてもよい。例として、酸化セリウム-ジルコニウムの混合又は固溶体、シリカ-アルミナ、Ca、Ba、Si又はLa安定化アルミナ、さらに従来技術で公知の他のサポートがある。高分子重量のディーゼル燃料は、高温度で熱分解する傾向があるため、この触媒は、炭化水素の燃料のスチームクラッキングに対して活性のある触媒要素を含んでいてもよい。可能な追加物として、例えば、酸化カルシウム、酸化バリウム、他のアルカリやアルカリ土類の酸化物、希土類の酸化物のような、基本的な酸化物を含むことがある。触媒は、アルミナやジルコニアのような有孔性のサポート内に、Pd、Pt又は他の任意の活性触媒を覆ったり、しみ込ませることで形成することができる。金属の充填は、０．１から２０％の重量の範囲内でもよく、より望ましくは、１から１０％の重量の範囲内でもよい。本発明に用いることができる幾つかの触媒の例は、ダラ・ベッタ及びこの他の者による米国特許第５，２３２，３５７号明細書に開示されたものがあり、この開示内容は、本明細書に参考として包含される。
【００４４】
改質触媒は同様に、高表面領域のサポートを追加の活性要素とともに用いていてもよい。例えば、改質触媒は、Ni、Rh、Pd、Ptの構成要素を備えていてもよい。触媒の選択は、通常の薄い酸化状況下でも安定されたままとなり、濃い状況下で燃料の追加と非常に速やかに応答して、Ｈ2とＣＯを生じさせられるように選ばれてもよい。この場合、有孔性の酸化サポート上にPt、Pd及びRhをサポートさせたものを用いることが好ましいことがある。
【００４５】
例えば、通常の改質触媒は、有孔性の酸化ジルコニウムのサポート上にサポートされた１％の重量のRhを含んでいてもよい。これは、水中で三塩化ロジウムを溶かしてから、高表面領域を（例えば、１５から１５０ｍ2/ｇの範囲内）を有する固体酸化ジルコニウム上に溶液をしみ込ませることで得ることができる。ロジウムの濃度は、通常、全ウォッシュコートの固体触媒の０．１から２０％の重量の範囲内でもよい。より典型的には、ロジウムの濃度は、全ウォッシュコートの搭載のうちで１から１０％の範囲内でもよい。ウォッシュコートは、１から５０ｍｇ/ｃｍ2の搭載厚さ、又はより典型的には、５から１５ｍｇ/ｃｍ2の範囲内で、一体型のはちの巣構造の内部通路上に覆われていてもよい。同様の仕方で、Pd又はPt触媒を用意してもよい。
【００４６】
酸化及び改質触媒は、ウォッシュコート内で、酸化及び改質要素の双方を組み合わせることで、同じ一体型の装置内に組合わされていてもよい。例えば、活性酸化触媒Pdと活性改質触媒Rhをジルコニウムのサポート上に組み合わせて、酸素とともに燃料と反作用するように酸化を行えるとともに、残りの燃料をＣＯとＨ2に改質することを要する改質を行える触媒を形成してもよい。あるいは、Rh構成要素を高表面領域のサポートに加えて、生石灰にするか、固定させてもよい。また、別にPdを高表面領域のサポートに覆って、生石灰にするか、固定させてもよい。これら触媒は、Pd/Rh触媒を形成するように共に混合されていてもよく、この混合触媒を一体型の基部上に覆っていてもよい。
【００４７】
Ｄ．ＮＯXトラップ
本発明に関するシステムは、さらにＮＯXトラップを備えていてもよい。ＮＯXトラップは、予燃焼器、燃料燃焼器、ＤＰＦ、又はこれら三つの組合せとともに組み合わせて用いることができる。ＮＯXトラップは、通常、吸着−触媒構造（例えば、キャニスタ）を有しており、排気流内に置かれて、排気流を流せるようにする。典型的な触媒は、はちの巣状で、一体型構造であり、これらの表面又は壁部上に吸着及び触媒要素を備えている。
【００４８】
上述したように、触媒内の吸着物がＮＯXと飽和すると、吸着物は完全ではなくなり、ＮＯXトラップから出るＮＯXのレベルが増大しはじめる。この時点で、排気流内の構成要素は、酸化状態から還元状態に変化して、還元サイクルが開始する。還元剤が導入されて、ＮＯXが吸着物から分離されて、ＮＯXトラップの触媒要素によって窒素に還元される。図２を参照すると、フィルタ又はトラップ（218）をＮＯXトラップとして用いる例が示されており、これは、燃料燃焼器（216）の下流側に配置されている。
【００４９】
Ｅ．ＤＰＦ
本発明に関するシステムは、さらにＤＰＦを備えていてもよい。ＤＰＦは、予燃焼器、燃料燃焼器、ＮＯXトラップ、又はこれら三つの組合せとともに組み合わせて用いることができる。図２を参照すると、フィルタ又はトラップ（218）をＤＰＦとして用いることができる例が示されているが、これは、燃料燃焼器（216）の下流側に配置されている。ＤＰＦは、コーディエライト、炭化ケイ素、金属又は任意の他の物質であって、廃棄流から粒子状のすすをトラップし、取り除くことができる構成でもよい。典型的なＤＰＦは、はちの巣構造を通るセラミックであって、有孔性の通路の壁部と交互の壁部を出口と入口で塞いで、ガスの流れが壁部を通って流れるように向わせて、粒子状物質が排気流からろ過されるようにする。但し、他の構成を採用することは可能である。しかしながら、このような構成の全てにおいて、粒子状のすすがフィルタ内でトラップされて、やがてフィルタをつまらせて、背圧を増加させることが起こり得るので、トラップされたすすを燃焼させることで再生することを要する。ＤＰＦは、単なるセラミックや金属フィルタでもよく、酸素を含む排気流が存在する時に、フィルタを、すすを燃焼させる温度まで加熱することで、再生させてもよい。
【００５０】
あるいは、すすの酸化は、フィルタ表面に加えられた触媒を用いて達成されてもよい。これは、すすの燃焼温度を低下させるので、低めの温度で再生することができる。ＤＰＦ上の触媒は、ディーゼル燃料を燃焼させるようににも構成することができ、この場合、燃料燃焼器として作用する。一般に、非均一に燃焼が生じる場合、好ましくない局所的な過度の加熱が生じることがあり、ＤＰＦをクラックさせたり、損傷させ得る熱勾配を発生させる可能性があるので、このことは望ましくない。しかしながら、燃料噴射器とＤＰＦの間に予燃焼器を配置することで、燃料濃度を十分に均一にさせて、ＤＰＦ上での直接的な燃焼が十分な耐性を有するようにすることは可能である。従って、他のシステム構成として、燃料噴射器、予燃焼器、混合領域及びフィルタ表面上に触媒を含むＤＰＦから構成されたものがある。
【００５１】
Ｆ．熱式質量
熱式質量（サーマルマス）又は熱を吸収可能な構成要素を用いることで、システム操作の制御を助けることができ、特に、燃料燃焼器とＮＯXトラップの間の温度を和らげることを助けることができる。例えば、ＮＯXトラップは、低温度で最適に作用して、高温度で作用を停止させることがあるので、燃料燃焼器用の最適な操作温度範囲はかなり高いことがあるのに対してＮＯXトラップ用の最適な操作温度範囲はそうではない場合があるため、このことが有用なことがある。
【００５２】
本発明に関するシステムとともに用いるのに、任意の熱式質量の構成が可能であり、また、任意の数の熱式質量を用いることができる。図３を参照すると、熱式質量とＮＯXトラップを備えたシステム構成の一例が示されている。図示するように、燃料処理器（312）は予燃焼器（310）の下流側に置かれて、熱式質量（313）は燃料処理器（312）の下流側で、ＮＯXトラップ触媒（314）の上流側に置かれている。再生中、燃料処理器（312）は、６００℃又はこれ以上の温度まで上昇することがある。排気ガスは、熱式質量（313）を通過して、熱式質量との熱交換によって冷却されて、ＮＯXトラップ（314）を高温の排気にさらすことを制限させる。熱式質量（313）は、セラミック又は金属のはちの巣構造であって、ＮＯXトラップ触媒の加熱を制限させるように十分な熱容量を有していてもよい。
【００５３】
この熱式質量は、ＤＰＦ又はすすトラップであって、燃料燃焼器とＮＯXトラップの間に置かれるか、又は、別体の熱式質量の構成要素でもよいが、図３を参照されたい。すすトラップ又はＤＰＦを燃料燃焼器とＮＯXトラップの間に配置する場合、ＮＯXトラップを一定の温度により容易に保つことができる。この構成の長所の一つは、燃料燃焼器によって生じる熱を用いて、炭素状のすすを焼き払うことを助けるようにＤＰＦを加熱して再生させることができるが、このことは以下において詳述される。
【００５４】
熱式質量は、任意の適当な材料を用いて形成することができる。例えば、これはセラミック又は金属でもよい。幾つかの実施例では、これは、高い熱容量と低い圧力低下を有し、システム全体を横切る圧力低下がシステム操作を妨害させないことを保証する。熱式質量の最適な範囲は、少なくともガスのフローレートと所望の温度上昇の関数であって、選択的に制御することができる。他の実施例では、ＮＯXトラップ自身が高めの熱容量を有するように構成することは可能である。
【００５５】
ＩＩ．方法
Ａ．ＮＯXトラップの再生方法
以下、燃料が噴射された排気流内に置かれる、ＮＯXトラップ又はＤＰＦの再生方法についても説明する。一般に、ＮＯXトラップの再生方法は、予燃焼器の上流側の排気流内に燃料を噴射させ、選択的に排気流を噴射された燃料と混合させ、排気流と燃料の混合を予燃焼器内に通し、予燃焼器を操作して、少なくとも部分的に噴射された燃料を燃焼させて、燃料燃焼器内で燃料と排気流の混合を反作用させて、ＣＯとＨ2を含む還元ガスの混合を生じさせて、この還元ガスの混合を燃料燃焼器の下流側に置かれるＮＯXトラップ内に導入させる、各ステップを有する。
【００５６】
例えば、図３に示すように、上流のエンジン（302）からの排気は、システム（300）のダクト（304）に流入する。燃料噴射器（306）が燃料（308）を排気流内に噴射して、予燃焼器（310）の入口面に向わせる。排気流と空気の混合は次に、予燃焼器（310）内に流入するが、ここで、予燃焼器は部分的に噴射された燃料を燃焼させて、燃料燃焼器（312）内に流れる酸素の量を減少させる。燃料と排気の混合は次に、燃料燃焼器（312）内に流入するが、ここで、燃料の一部は酸素と反作用して、残りの燃料は水とＣＯ2と反作用して、ＣＯとＨ2を生じさせるが、この処理は当該技術において公知である。
【００５７】
次に、Ｈ2とＣＯは燃料燃焼器（312）から流出して、下流側の選択的な熱式質量（313）とＮＯXトラップ（314）に向う。ガス混合は、酸素をわずかしか、又は全く有しない、Ｈ2とＣＯの還元ガス混合を含むため、ＮＯXトラップ装置は素早くかつ効率的にＮＯXを再生して、吸着させて、Ｎ2に還元させる。この再生サイクルの完了時に、燃料の噴出が停止して、システムは吸着モードに戻る。
【００５８】
この反作用は一般に十分な速度で行われるため、還元サイクルを比較的に短くするとともに、十分な時間が経過できるようにするので、ＮＯXの吸着性能のかなりの部分を再生できる。排気流の構成要素は、次に通常の酸化状態に戻り、全サイクルが繰返される。通常、吸着サイクルは、高めの負荷では１から５分間続き、低めの負荷またはアイドルでは、高くとも２０分間続くことがある。また、再生−還元サイクルは、通常、１から１０分間つづくが、時々、ＮＯXトラップを再生するのに要する時間に基づいて、これよりも長くなることがある。
【００５９】
噴射される燃料（308）は、システムに適用可能な任意の燃料でもよい。例えば、これはエンジンに用いられる燃料と同じタイプでもよい。燃料が液体の場合、例えば、ディーゼル燃料やガソリンの場合、排気ガスの混合は燃料を完全に気化させるのに十分に暖かくない場合がある。燃料は、連続的又は間欠的に、再生サイクルの持続時間の間、噴射されることがある。連続して燃料を噴射する場合、燃料の流れの割合と持続時間が燃料の量を制御ずる。間欠的に燃料を噴射する場合、これに加えて、頻度とパルス持続時間が燃料の量を制御ずる。
【００６０】
複数の分散した、濃く、かつ薄いパルスで、燃料を噴射することに利点がある場合があり、例えば、本発明に関するシステムが高いレベルの酸素を含む排気流とともに用いられる場合、本発明の出願人によって、２００２年１２月３日に出願された米国特許出願番号第１０/３０９，９３６号明細書に記載されている例を挙げることができ、特にここで開示されている燃料のパルス噴射の記載部分は、本明細書に参考として包含される。例えば、排気流が５−２０％の酸素を含む場合、より頻繁には、排気流が８（±２％）から１５％（±２％）の酸素を含む場合、パルス燃料噴射を用いて、ＮＯXトラップ触媒を再生するために濃いサイクルを生じさせることがある。パルスは、任意の持続時間でもよいが、燃料処理触媒を過度に加熱することなく、十分に短い必要があり、また、燃料燃焼器を冷却させるために、濃いパルスの間に十分な持続時間を設ける必要がある。燃料パルスが長過ぎると、酸素レベルが高いため、燃料燃焼器内の触媒材料が過度に加熱されることがあり、完全に燃焼されると、この結果、大きな熱を解放させることになる。
【００６１】
任意の数のパルスを用いることができ、例えば、１から２０パルス、又は、５から１０パルスを用いてもよい。同様に、各パルスの長さは、パルスの連続の触媒温度を高く保つように選ばれてもよいが、触媒が過度に加熱されないように、高過ぎることがないようにする。例えば、パルスは、０．１から約２秒の長さでもよい。さらに、パルス間のインターバル時間は、エンジン操作モードと、燃料を処理する触媒の構成と、処理される排気のフローレートに基づいて変化されてもよい。排気のフローレートが低い、低めのエンジンｒｐｍでは、低めのガスのフローレートによって触媒をより緩やかに冷却するため、パルスをより離すことができる。パルスは、０．５秒から２０秒の間隔でもよい。排気のフローレートが高くなる、高めのｒｐｍでは、０．１から３秒の間隔で、パルスを互いにより近付けてもよい。このことは、しばしば、加圧燃料噴射器を用いる場合に起こることがあるが、これは電気制御可能であって、２００Ｈｚまでの頻度で燃料噴射の制御を可能にする。噴射される燃料の量は、通常、排気流内に存在する全ての過度の酸素と反作用して、ＮＯXトラップ触媒システムの操作温度で、還元ガスの混合（ＣＯとＨ2）の所望の量を生じさせるのに十分である。この燃料の量は、１よりも大きな等量比（equivalence ratio:φ）に相当する。
【００６２】
一般に、燃料は、ＮＯX吸着相の時には噴射されず、この相は、典型的に、高い負荷では１から５分間つづき、低い負荷やアイドル時にはより長くなる。そして、燃料は、ＮＯX再生−還元相の時に、再度、約１から１０秒の間噴射され、このサイクルは、エンジンが操作されて、ＮＯXを生じさせる限り続けられる。燃料噴射の量とタイミングは、燃料処理制御システムを用いて、選択的に制御可能であって、この燃料処理制御システムは、エンジン管理システム又はエンジン制御装置に対して接続されたり、この一部とされていてもよい。
【００６３】
上述したように、より均一な空気と燃料の混合を生じさせることを助けるために、ミキサー（318）を用いてもよく、又、ミキサーは、任意の所望の制限内で等量比（φ）を有する。この等量比は、ＣＯ2とＨ2Ｏを生成するために、ガス混合内に存在する全ての酸素と十分に反作用するために必要な理論的な燃料濃度で、燃料濃度を割ったものである。例えば、予燃焼器と、燃料燃焼器を用いて、排気内の酸素濃度をゼロまで減少させる（例えば、ＮＯXトラップ内に入る前）場合、混合のレベルが所望の混合の等量比を決定する。ミキサーが、燃料燃焼器の入口で、＋/−１０％の均一さで混合を生じさせる場合、燃料は、１．１の等量比が得られるように加えられてもよく、これによって、触媒で最も低い等量比を１．０にする。同様に、Ｈ2とＣＯを生じさせるために濃く操作される燃料燃焼器の部位では、混合の均一さは、改質性能に必要とされる等量比と温度によって同様に決定される。一般に、混合の均一さは＋/−２０％が望ましく、＋/−１０％はより望ましく、＋/−６％が最も望ましい。
【００６４】
Ｈ2とＣＯの還元剤は、様々な反作用から形成することができる。例えば、予燃焼器上で燃料の一部を燃焼させて、燃料燃焼器の温度を約５００℃から７００℃まで上昇させるとともに、残りの燃料を排気流内にある、又は、最初の燃料燃焼によって形成されるＨ2ＯとＣＯ2と反作用させて、所望のＨ2とＣＯが得られるようにする。あるいは、燃料、Ｏ2、Ｈ2Ｏ及びＣＯ2は、燃料燃焼器内で同時に反作用して、所望のＨ2とＣＯが得られるようにしてもよい。
【００６５】
幾つかの実施例では、ＮＯXトラップをあまりにも高い温度まで加熱されないことが望まれる場合があるが、これは、このことがＮＯXトラップを損傷させたり、吸着に必要な操作範囲を逸脱して操作することになるからである。上述したように、このことは、燃料燃焼器の下流側に熱式質量を配置することで達成してもよい。あるいは、燃料燃焼器の下流側に熱式質量を配置して、燃料燃焼器の出口流からの熱を吸熱させて、ＮＯXトラップに入るのに先立ってガス流の温度を減少させてもよい。
【００６６】
Ｂ．ＤＰＦの再生方法
次に、ＤＰＦの再生方法について説明する。一般に、この方法は、予燃焼器の上流側に置かれた排気流内に燃料を噴射させ、選択的に、少なくとも一つのミキサーを用いて排気流を噴射された燃料と混合させ、排気流と燃料の混合を予燃焼器内に通し、予燃焼器を操作して、噴射された燃料と排気流の混合の温度を上昇させて、噴射された燃料と排気流の混合を燃料燃焼器内で反作用させて、噴射された燃料と排気流の混合の温度をさらに上昇させて、上昇された温度の噴射された燃料と排気流の混合を、燃料燃焼器の下流側に置かれたディーゼル粒子フィルタ内に導入させて、ディーゼル粒子フィルタを再生させる、各ステップを有する。予燃焼器、ミキサー、燃料噴射器、及び燃料燃焼器は、既に説明してあり、上述したシステムと方法では、排気流は、圧縮点火エンジン排気や、スパーク点火エンジン排気を有していてもよい。
【００６７】
噴射される燃料は、典型的に、炭化水素を有し、例えば、ガソリン又はディーゼル燃料を有する。幾つかの実施例では、燃料は、噴射に先立って気化される。典型的に、燃料は、ＤＰＦを再生させるために必要な又は望ましい排気温度を得られるフローレートで噴射される。幾つかの実施例では、燃料の噴射はパルスされる。
【００６８】
また、ＤＰＦの再生方法は、予燃焼器を電気加熱するステップを有していてもよい。こ例では、予燃焼器は、電気エネルギー源を有し、これは、予燃焼器の一部又は全てに対して入力されて、予燃焼器の温度を上昇させて、燃料が通常燃焼されない排気温度での燃焼を可能にする。
【００６９】
Ｃ．燃料燃焼器の入口で実質的に均一な空気と燃料の混合を得るための方法
上述したように、燃料燃焼器の入口で実質的に均一な空気と燃料の混合を得ることが望ましい場合があるが、これは、例えば、大きな温度変化を最小にすることを助けたり、燃料処理器に対する損傷を防ぐことを助けるためである。第二の要望として、燃料処理器の出口で実質的な量のＯ2を生じさせることなく、Ｈ2とＣＯのような還元剤を生じさせるためである。即ち、上述したように、酸素は還元剤と反作用するので、還元剤の能力と、下流のＮＯXトラップを再生するための効率を低下させるためである。従って、本発明は、燃料燃焼器の入口で実質的に均一な空気と燃料の混合を得るための方法を提供する。典型的に、この方法は、予燃焼器の上流側に置かれた、酸素を含む排気流内に燃料を噴射させ、排気流と燃料の混合を予燃焼器内に通し、予燃焼器を操作して、燃料燃焼器の入口で実質的に均一な空気と燃料の混合を生じさせる、各ステップを有する。幾つかの実施例では、この方法はさらに、少なくとも一つのミキサーを用いて、噴射された燃料と排気流とを混合させるステップを有する。ミキサー、予燃焼器、及び燃料燃焼器は、既に詳述してある。
【００７０】
燃料燃焼器の入口での空気と燃料の混合の均一さは、任意の手法によって決定することができる。例えば、燃料燃焼器の入口で排気流の面の様々な点から、小さなアクセスポートを介して（例えば、スポイト状部材を用いる）サンプルを取り出して、構成要素を解析（例えば、ガス色層分析を用いる）してもよい。次に、混合の構成要素を比較する。例えば、構成要素が＋/−２０％で、均一かこれよりも小さければ、空気と燃料の混合は、実質的に均一である。即ち、本明細書で用語「均一」について参照する時、空間的な均一さに関することを理解されたい。
【００７１】
同様に、燃焼後の温度、又は燃料を還元剤Ｈ2とＣＯに完全に処理した後の温度は、空気と燃料の混合の濃度に関係するので、空気と燃料の混合の実質的な均一さについて測定するために、温度測定を行ってもよい。この温度測定は、薄い燃焼モード又は濃い燃料処理モードでの操作中に、燃料燃焼器の出口で行われる必要がある。温度の実質的な均一さについて決定するための例示的な方法については以下において詳述される。
【００７２】
Ｄ．燃料燃焼器の出口で実質的に均一な温度を生じさせるための方法
本発明は、さらに、燃料燃焼器の出口で実質的に均一な温度を生じさせるための方法を提供する。例えば、ＤＰＦを再生させる場合、ＤＰＦの入口で実質的に均一な温度を提供させることで、ＤＰＦを過度に加熱させず、不適当にストレスを加えず、又は損傷させないようにすることが望まれる場合がある。ＤＰＦに流入するガスの温度の均一さを決定することは、様々な方法によって行うことができる。例えば、燃料燃焼器から流出する（即ち、燃料燃焼器の出口で）ガスの温度を測定したり、ＤＰＦに流入する（即ち、ＤＰＦの入口で）ガスの温度を測定したり、又は、燃料燃焼器の出口とＤＰＦの入口の間で流れるガスの温度を測定することで行ってもよい。
【００７３】
また、熱電対を用いて、物理的に温度測定を行うことは可能である。例えば、燃料燃焼器の出口のすぐ下流側に複数の（例えば、４から６の）熱電対を配置して、各熱電対の温度を測定することで、燃料燃焼器の出口とＤＰＦの入口の間で流れるガスの温度を測定してもよい。同様に、単一の熱電対を用いて、燃料燃焼器の出口の領域にわたってスキャンして、複数の位置での温度測定を可能にしてもよい。温度（即ち、触媒の出口で最も高い温度から最も低い温度まで）が＋/−１００℃よりも大きく変化しない時、温度はほとんど均一であると推定されてもよい。幾つかの実施例では、この差は、＋/−７５℃、又は＋/−５０℃である。
【００７４】
Ｅ．ＮＯXトラップの脱硫を容易にする方法
また、本発明は、ＮＯXトラップの脱硫を容易にする方法も提供する。エンジン燃料内の硫黄は、排気流内に酸化硫黄（例えば、ＳＯ2やＳＯ3）を生じさせる。これら酸化硫黄（“ＳＯX”）は、ＮＯXトラップの構成要素と反作用して、硫酸塩を形成することがあるが、これがＮＯXトラップを不活性にすることがある。これに対し、燃料内の硫黄の通常のレベルは比較的に低く、トラップを不活性にすることは数時間から数週間かかり（これは、数１００マイルから数１０００マイルのエンジン使用に相当する）、トラップは、これよりも長く作用できなければならない。
【００７５】
システムの脱硫を行う一つの方法は、燃料燃焼器を操作して、出口のガス流が約５００℃から約８００℃の範囲内の温度を有するようにすることで達成できる。この流れは、次に、下流側のＮＯXトラップを、約５００℃から約７００℃の範囲内までの温度に加熱するために用いられてもよい。ＮＯXトラップが所望の温度まで加熱される時、燃料燃焼器とエンジンスロットルまでの燃料の流れを調整して、Ｈ2とＣＯを生じさせ、燃料燃焼器から出る酸素の濃度を減らすようにしてもよい。この還元ガスの混合は、次に、硫酸塩と、不活性を生じさせる他の構成要素を分解することで、ＮＯXトラップの脱硫を行う。この暖かい還元ガスの混合は、再生が完了するまで保つことができる。実施例の一つでは、ＮＯXトラップ用の再生の温度範囲は、約３００℃から約８００℃であり、より典型的には、約５００℃から約７００℃である。さらにＨ2とＣＯ還元剤をＮＯXトラップに供給して、連続して長い還元パルスとして、又は、多くの短いパルスとして再生させるようにしてもよい。
【００７６】
Ｆ．制御方法
本発明に関するシステムと方法に制御プロセッサ又は制御システムを用いて、様々な制御方法を行うことは可能である。例えば、ＮＯX出力に対するエンジン操作状態、例えば、負荷や速度のマップを制御システム内に備えて、エンジンによって生じて、ＮＯXトラップを通る、ＮＯXの累積を推定するために用いてもよい。このように、ＮＯXトラップによって集められたＮＯXを推定することができ、また、トラップが能力の限界に達する時に、ＮＯX再生サイクルを開始させるようにしてもよい。又は、ＮＯXセンサをＮＯXトラップの下流側に設けてもよい。このように、ＮＯXトラップが能力の限界に達したことを一度センサが感知したら（例えば、ＮＯX進展レベルを測定する）、再生サイクルを開始してもよい。
【００７７】
同様に、任意の又は全てのシステムの温度を監視し、制御するために、制御システムを用いてもよい。制御可能な例示した温度には、入口及び出口のガスの混合の温度、燃料入力温度、及び触媒温度が含まれる。例えば、改質触媒温度を監視し、制御するために、熱電対や他の温度感知装置を触媒の出口の近くに設けてもよい。
【００７８】
同様に、熱電対を用いて、燃料燃焼器の出口の温度を測定し、監視してもよい。この温度は、排気内の酸素レベルを一定にさせながら、燃料燃焼器に流れる燃料を調整することで制御することができる。又は、この温度は、酸素レベルを調整しながら、例えば、エンジンをスロットルしながら、燃料燃焼器に流れる燃料を一定に保つことで制御することができる。さらに他の仕方では、燃料燃焼器に流れる燃料とＯ2レベルの双方を調整してもよい。これによって、システムが、燃料処理器の出口の温度と、等量比の双方とも制御可能になる。このように、Ｈ2とＣＯのレベルを効果的に制御することは可能である。
【００７９】
燃料燃焼器の温度は、出口のガスの温度を測定することで監視してもよく、又は、触媒材料自身の実際の温度を測定することで監視してもよい。燃料燃焼器によって利用される燃料を最小にするため、ＮＯXトラップの下流側に、可燃センサや、Ｈ2やＣＯセンサを設けて、Ｈ2とＣＯ還元剤の進展を感知してもよい。これは、次に、再生サイクルを終了させるために、制御システムに信号を送る。
【００８０】
ＮＯXトラップを脱硫させるために燃料燃焼器を用いる場合、望ましくは、燃料燃焼器の出口の温度を測定することで、操作温度を限定させて、耐性を保証させてもよい。さらに、ＮＯXトラップの出口の温度を測定して、ＮＯX装置が所望の温度で再生されることを保証させてもよい。さらに、燃料燃焼器の温度を調整して、適当に脱硫を行えるように、ＮＯXトラップの所望の温度を得られるようにしてもよい。
【００８１】
等量比を制御するために、制御システムを用いてもよい。例えば、燃料燃焼器によってＨ2とＣＯが生じる時、燃料の流れを変えたり、エンジンに向う空気流をスロットルさせることで、改質触媒材料に用いられる等量比を制御することができる。より特徴的には、通常の操作のエンジンの空気流では、改質触媒材料に対して燃料を、Ｈ2とＣＯに燃料を改質するのに必要な範囲内に温度がある限り、加えてもよい。この時点で、エンジンの空気流をスロットルして、排気内のＯ2濃度と空気流を減らすことができる。これは、次に、触媒で等量比を増大させて、Ｈ2とＣＯを生じさせるために濃い領域まで駆動させる。また、改質装置に向う燃料の流れを調節することで、等量比を調節したり、エンジンスロットルと燃料の流れの双方を調節して、所望の改質装置の等量比を得ることは可能である。
【００８２】
改質装置と酸化触媒での等量比は、多くのエンジンパラメーター、例えば、エンジンＲＰＭやスロットル設定（これは、次にエンジン空気流を提供する）、エンジン入口の空気のフローレート、ターボブースト圧、トルク、エンジン燃料の流れ、及び燃料処理器の燃料の流れ、を含むものから計算することができる。あるいは、排気Ｏ2レベルは、燃料処理器の上流側の排気内にあるＯ2センサを用いて測定することができ、燃料処理器の燃料の流れと組み合わせて、等量比を計算することができる。
【００８３】
上述した本発明に係るシステムと方法は、さらに、以下の具体例を参照することで、一層の理解を得ることができる。但し、これら具体例は、本発明の範囲を限定させるものではない。
【００８４】
例１：予燃焼器を用いないシステムにおける温度の均一さについて
８．３ディーゼルエンジンからの排気は、燃料燃焼器に送られている。燃料燃焼器は、自己発熱（オートサーマル）改質触媒であり、米国特許出願番号第１０/３０９,９３６号明細書に開示されているが、この開示内容は、本明細書に参考として包含される。自己発熱触媒は、約７６ｍｍの直径と、約７６ｍｍの長さを有する。ディーゼル燃料は、ディーゼル燃料噴射器を通って、テストリアクター（400）内のディーゼル排気流内に噴射されるが、このことは、特に図４Ａに示されている。１．６ｍｍの孔と２３％の開口率を有する有孔性プレート（404）が流路内に置かれており、燃料燃焼器（412）か、又は、図４Ｂに示すように、テストリアクター（420）が用いられる場合には、予燃焼器（426）のいずれかの入口に向う排気の均一さを向上することを助ける。この例では、ディーゼル燃料噴射器は、ミツビシ（モデル番号MR560553）から購入されており、スプレーコーンを生じさせるが、このスプレー飛沫のほとんどは約５０°の固定角度内にある。燃料燃焼器（412）又は予燃焼器（426）の入口面は、スプレーコーンが基本的に入口の燃焼器の表面をカバーできるように配置される。燃料燃焼器又は予燃焼器（412、426）の入口面には４つの熱電対（410、424）が置かれており、また、燃料燃焼器又は予燃焼器（412、426）の出口面には８つの熱電対（414、434）が置かれている。
【００８５】
エンジンがスタートすると、約５０％の負荷まで上昇する。排気の一部は、約６５０ＳＬＰＭ（standard liters per minute）の流れで自己発熱触媒を通るように向わされる。エンジンは、触媒のテスト区間が安定状態に到達するように、約２０分駆動される。このことは、図５の領域Ａに示されている。図示するように、全ての熱電対は、約３０５℃から約３２０℃の範囲内で温度を読み取っている。ディーゼル燃料は、約８．１cc/minのフローレートで噴射されて、この結果、燃料燃焼器の出口温度を上昇させるが、このことは、図の領域Ｂに示唆されている。燃料の流れは、基本的に連続し、このフローレートでは空気と燃料の混合は薄い。燃料の流れは次に、図の領域Ｃに示すように、増大されて、約２１．０cc/minになる。図に示唆されているように、触媒の入口温度は比較的に一定であるが、出口温度はかなり非均一であり、この温度範囲は約５８０℃から約８５０℃の範囲内にあるか、又は、約２７０℃の広がりを有する。噴射サイクルは次に変更されて、非連続の仕方で燃料を噴射し、特に、２５．４cc/minの燃料の流れで、０．３秒流して、０．７秒停止させるようにする。このことは、図の領域Ｄに示されており、燃料の噴射中、排気と燃料の混合は濃く、ディーゼル燃料の一部はＨ2とＣＯに改質されるが、このことは米国特許出願番号第１０/７１５,７２２号明細書に開示されており、この周期的に濃い状態と薄い状態を生じさせることに関する記載部分は、本明細書に参考として包含される。この周期的な濃い状態下では、出口の触媒温度は約６２０℃から約８７０℃の温度範囲内にあり、約２５０℃の広がりを有する。
【００８６】
例２：予燃焼器を用いるシステムにおける温度の均一さについて
予燃焼器は、以下のように準備される。０．０５１ｍｍの厚さの、アルミナを含む金属ホイル（DURAFOIL、Engineered Materials Solutions）を波形にして、ヘリングボーンの波形パターンに形成し、通路の高さを約１．９ｍｍにし、通路の頂点から頂点までの幅を４．２ｍｍにする。このホイルは、一方の側で、ホイル領域のcm2毎に５mgの触媒が覆われる。この触媒は、ＺｒＯ2サポート上にＰｄを重量で５％サポートさせるように含むが、例えば、米国特許第５,２５０,４８９号明細書に開示されている例４を参照されたい。予燃焼器の触媒は２５ｍｍの長さと、７６ｍｍの直径を有している。
【００８７】
次に、予燃焼器をシステム内に装着するが、このシステムは、例１に説明たものと同様であり、図４Ｂを参照されたい。即ち、予燃焼器に対する入口は、上述した例１における自己発熱触媒の様に、燃料噴射器から同じ距離で配置される。即ち、予燃焼器内に噴射される燃料は、基本的に、予燃焼器の全入口面をカバーする。上述した自己発熱触媒は、次に予燃焼器の出口から１００ｍｍ下流に配置されて、静的ミキサーは、径方向のパターンで、２０ｍｍ×２０ｍｍの４つのタブを流路の壁部に取付けているが、図４Ｂを参照されたい。予燃焼器の入口の周囲には３つの熱電対が配置されており、また、自己発熱触媒のすぐ下流側には７つの熱電対が配置されており、予備燃焼システムの性能は、図６に示されている。
【００８８】
図６を参照すると、エンジンは領域Ａで約５０％の負荷まで駆動され、エンジン排気の一部はそらされて、テストシステムまで６５０SLPMのフローレートを提供する。ディーゼル燃料は基本的に連続した仕方で噴射されて、領域Ｂに示すように、１８．０cc/minのフローレートにされる。次に、燃料の流れは、領域Ｃに示すように、緩やかに２０．３cc/minまで増大される。これら状況下では、空気と燃料の混合は基本的に薄く、燃料はＣＯ2とＨ2Ｏに燃焼される。図に示すように、自己発熱触媒の出口の温度は、約６９０℃から約７９５℃の範囲内にあり、又は、約９５℃の広がりを有する。次に、噴射サイクルは変化されて、非連続な仕方で燃料が噴射されるが、特に、Ｈ2ＯとＣＯだけが生成される、約３５．６cc/minの流れに平均的な燃料の流れを設定しながら、約０．３秒流して、約０．７秒停止させるようにする。出口温度は測定されて、約７８５℃から約８５０℃の範囲内で、約６５℃の広がりを有することが解かる。
【００８９】
これらテストにおいて測定された温度の広がりは、次の表１にまとめることができ、上述した予燃焼器を用いる例では、主触媒の出口で実質的に均一な温度を提供することを助けることが理解できる。
【００９０】
表１：予燃焼器を用いるシステムと用いないシステムでの温度の広がり結果
システム構成                      状況            広がり（℃）        
予燃焼器を用いない場合：          薄い            ２７０
濃い            ２５０
予燃焼器を用いる場合  ：          薄い            ９５
濃い            ６５
【００９１】
以上、本発明の幾つかの実施例について説明したが、当該技術分野における当業者ならば、本発明の範囲内から逸脱することなく、様々な修正や変更を行うことを理解できるであろう。よって、添付した特許請求の範囲は、本発明の範囲と技術思想に収まる限り、これら修正や変更の全てをカバーすることを思料されたい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】燃料噴射器、予燃焼器、及び燃焼燃焼器を含むシステムについて例示した図である。
【図２】有孔性プレートと下流のトラップ又はフィルタを含むシステムについて例示した図である。
【図３】本明細書で例示したシステムについて示した図である。
【図４Ａ】テストリアクター設定について示した図である。
【図４Ｂ】テストリアクター設定について示した図である。
【図５】予燃焼器を用いないシステムの性能テストの結果についてグラフ状に示した図である。
【図６】予燃焼器を用いたシステムの性能テストの結果についてグラフ状に示した図である。
【図１】
2008508474.tif 000003
【図２】
2008508474.tif 000004
【図３】
2008508474.tif 000005
【図４Ａ】
2008508474.tif 000006
【図４Ｂ】
2008508474.tif 000007
【図５】
2008508474.tif 000008
【図６】
2008508474.tif 000009
【国際調査報告】
2008508474.tif 000010
2008508474.tif 000011
2008508474.tif 000012
2008508474.tif 000013
2008508474.tif 000014