(57)【要約】  ＮＯｘ吸収材と、ＮＯｘ吸収材の上流に配置された還元剤インジェクター（７８）と、使用時に還元剤の添加を制御する手段（５０）とを備えてなる車両のリーンバーン内燃機関用排気システムであって、前記車両の平均デューティサイクル速度での所望のＮＯｘ転化率と相関するように設定した速度で、前記還元剤添加制御手段がデューティサイクルにおける全ての車両速度でＮＯｘ吸収材に還元剤を供給する、排気システム。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両のリーンバーン内燃機関用排気システムであって、
ＮＯｘ吸収材と、ＮＯｘ吸収材の上流に配置された還元剤インジェクター（６８）と、使用時に還元剤の添加を制御する手段（５０）とを備えてなり、
前記車両の平均デューティサイクル速度での所望のＮＯｘ転化率と相関するように設定した速度で、前記還元剤添加制御手段がデューティサイクルにおける全ての車両速度でＮＯｘ吸収材に還元剤を供給する、排気システム。
【請求項２】
前記ＮＯｘ吸収材が、アルカリ土類金属化合物、アルカリ金属化合物、希土類金属化合物及びそれらのいずれか２つ以上の混合物からなる群から選択されたものである、請求項１に記載の排気システム。
【請求項３】
前記又は各アルカリ土類金属が、バリウム、マグネシウム、ストロンチウム及びカルシウムからなる群から選択されたものである、請求項２に記載の排気システム。
【請求項４】
前記又は各アルカリ金属が、カリウム及びセシウムからなる群から選択されたものである、請求項２に記載の排気システム。
【請求項５】
前記又は各希土類金属が、セリウム、イットリウム、ランタン及びプラセオジムからなる群から選択されたものである、請求項２に記載の排気システム。
【請求項６】
前記又は各アルカリ土類金属化合物、前記又は各アルカリ金属化合物又は前記又は各希土類金属化合物が、担体物質に担持されたものである、請求項２〜５のいずれか一項に記載の排気システム。
【請求項７】
前記又は各担体が、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、セリア及びそれらのいずれか２つ以上の混合物又は複合酸化物からなる群から選択されたものである、請求項６に記載の排気システム。
【請求項８】
前記ＮＯｘ吸収材が、前記担体を含んでなる、請求項６に記載の排気システム。
【請求項９】
前記ＮＯｘ吸収材は、ＮＯを酸化するための触媒を含んでなるＮＯｘトラップの一成分である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の排気システム。
【請求項１０】
前記ＮＯ酸化触媒が、白金族金属、必要に応じて白金及び／又はパラジウムを含んでなる、請求項９に記載の排気システム。
【請求項１１】
前記ＮＯｘトラップが、ＮＯｘ還元触媒、必要に応じてロジウムを含んでなる、請求項９又は１０に記載の排気システム。
【請求項１２】
前記還元剤インジェクター（６８）と前記ＮＯｘ吸収材との間に配置された酸化触媒を備えてなる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の排気システム。
【請求項１３】
前記還元剤インジェクターの上流に配置したＮＯをＮＯ２に酸化する触媒を備えてなる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の排気システム。
【請求項１４】
前記ＮＯ酸化触媒が、アルミナ担体に担持された白金である、請求項１３に記載の排気システム。
【請求項１５】
必要に応じて触媒付加した粒状フィルターを前記酸化触媒と前記還元剤インジェクターとの間に配置して備えている、請求項１３又は１４に記載の排気システム。
【請求項１６】
前記ＮＯｘトラップが粒状フィルターを備えてなる、請求項９、１０又は１１に記載の排気システム。
【請求項１７】
使用時に断続的に前記排ガス組成を濃縮して前記ＮＯｘ吸収材を再生する制御手段を備えている、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の排気システム。
【請求項１８】
請求項９、１０又は１１に記載の前記制御手段が、使用時に、前記触媒がＮＯｘ還元について活性があるときのみに前記ＮＯｘトラップに還元剤を供給する、請求項１７に記載の排気システム。
【請求項１９】
前記請求項のいずれかに記載の排気システムを備えてなる、ディーゼルエンジン。
【請求項２０】
請求項１９に記載の軽量ディーゼルエンジン。
【請求項２１】
車両用リーンバーン内燃機関の排ガス中のＮＯｘの還元方法であって、
ＮＯｘ吸収材中の前記排ガスからＮＯｘを吸収することと、
デューティサイクルにおける全ての車両速度で前記ＮＯｘ吸収材を還元剤と接触させて前記ＮＯｘ吸収材を再生することと、
ＮＯｘをＮ２に還元することとを含んでなり、
還元剤注入速度が平均デューティサイクル速度で所望のＮＯｘ転化率と相関しているものである、還元方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＯｘ吸収材を備えてなるリーンバーン内燃機関用排気システムに関し、特にＮＯｘ吸収材を再生し且つＮＯｘをＮ２に還元するための排気システムへの還元剤の添加を制御する方法に関する。
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】
【０００２】
ＮＯｘ吸収材を備えたディーゼルエンジン又はリーンバーンガソリンエンジン等のリーンバーン内燃機関用排気システムは、例えば、特許文献１から公知である。
【０００３】
本明細書で使用される用語「ＮＯｘトラップ」は、ＮＯｘ吸収材と、ＮＯをＮＯ２に酸化するための触媒とを含んでなる触媒である。ＮＯｘトラップは、「リーンＮＯｘトラップ」又は「ＬＮＣ」としても知られている。
【０００４】
典型的なＮＯｘトラップ剤には、接触酸化化合物、例えば、Ｐｔ、ＮＯｘ吸収材、例えば、アルカリ金属、例えば、カリウム及び／又はセシウムの化合物；アルカリ土類金属、例えば、バリウム又はストロンチウムの化合物；又は希土類金属、典型的にはランタン及び／又はイットリウムの化合物；及び還元触媒、例えば、ロジウムなどがある。このＮＯｘトラップ剤についてのリーンエンジン操作中のＮＯｘ吸蔵に関して一般的に考えられている一つの機構は、第一の工程において、ＮＯがＰｔ上の活性酸化部位で酸素と反応してＮＯ２を形成する。第二工程では、無機硝酸塩の形態の吸蔵材料によりＮＯ２が吸着される。
【０００５】
無機ＮＯｘ吸蔵成分は典型的には酸化物として存在するが、ＣＯ２及びＨ２Ｏを含有する空気又は排ガスの存在下では、炭酸塩又は場合によっては水酸化物の形態であってもよい。
【０００６】
エンジンがエンリッチ条件下又は高温で断続的に駆動するときには、硝酸塩種が熱力学的に不安定となり、分解してＮＯ又はＮＯ２を生成する。エンリッチ条件下では、これらのＮＯｘ種は、一酸化炭素、水素及び炭化水素によりＮ２に還元される。これは、還元触媒を用いて生じさせることができる。
【０００７】
ＮＯｘトラップを備えている排気システムの目的は、関連排出基準、例えば、ＥｕｒｏＩＶを満たすエンジンの経済性を向上させることである。
【０００８】
ＮＯｘトラップの再生及び脱離ＮＯｘを還元するための還元剤の添加を制御するシステムは公知であるが、複数のセンサーの入力を含む極めて複雑な制御計画と、複雑なアルゴリズムを実行するプロセッサーが必要なことが多い。その結果、このようなシステムは、極めて高価である。
【０００９】
特許文献２（引用することにより本明細書の内容の一部とされる）は、ディーゼルの排ガス中の粒状物（ＰＭ）を燃焼させる方法を記載している。この方法は、触媒により排ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化すること、この排ガスからＰＭを濾取すること、及びこのＮＯ２中の濾取されたＰＭを４００℃以下の温度で燃焼することを含んでなる。このようなシステムは、Ｊｏｈｎｓｏｎ  Ｍａｔｔｈｅｙ社製から入手でき、ＣＲＴ（登録商標）として市販されている。
【特許文献１】ＥＰ０５６０９９１
【特許文献２】ＥＰ−Ｂ−０３４１８３２
【発明の開示】
【００１０】
本発明者等は、ＮＯｘ吸収材の再生方法を検討し、その結果、アルゴリズムプログラム化プロセッサー及びセンサー入力のネットワーク等の複雑な装置を必要とすることなく、ＮＯｘ吸収材を備えた排気システムを用いて、ＥｕｒｏＩＶ等の関連排出基準を満たすことができることを見いだした。このような知見は、レトロフィット市場において特に適用できる。
【００１１】
本発明の第一の態様によれば、ＮＯｘ吸収材と、ＮＯｘ吸収材の上流に配置された還元剤インジェクターと、使用時に還元剤の添加を制御する手段とを備えてなる車両のリーンバーン内燃機関用排気システムであって、前記車両の平均デューティサイクル速度での所望のＮＯｘ転化率と相関するように設定した速度で、前記還元剤添加制御手段がデューティサイクルにおける全ての車両速度でＮＯｘ吸収材に還元剤を供給する、排気システムが提供される。
【００１２】
本発明の第一の態様は、バス又は再利用トラック等の限定されたデューティサイクルの車両用レトロフィット市場に特に適用できる。すなわち、平均デューティサイクル速度でＮＯｘ吸収材で選択された量のＮＯｘ、例えば、９０％を減少させるのに必要な還元剤の注入速度がどのようなものであるかを求めることでできる。例えば、ＮＯｘ吸収材がＮＯｘトラップの一成分のとき、システムコントローラーは、使用時、連続したテンポ且つ量の炭化水素（ＨＣ）燃料の噴射、例えば、１分ごとに２秒の噴射を生じるように配置できる。また、システムコントローラーは、ＮＯｘトラップが実質的に完全に確実に再生される時折の比較的長いリッチＨＣ燃料パルスの後に、より短い濃縮パルスのより頻繁なシーケンスを発生させてＮＯｘトラップの吸蔵能を維持するように配置できる。注入法の詳細は、車両及びそのデューティサイクルにより決まる。
【００１３】
平均デューティサイクル速度よりも早い速度では、還元剤が不十分であるので、ＮＯｘがより多くなり、マスエアーフローがより大きくなり、したがって、総合ＮＯｘ転化率が低下する。しかしながら、例えば、都心のバスでは、速度がもっと早いことは少ないであろうから、システムは、燃料の相当量を増加することなく駆動サイクル全体にわたってＮＯｘ排出基準を満たすことができる。同様に、車両速度が平均デューティサイクル速度よりも低下した場合、ＨＣを放出できるが、デューティサイクルにわたって平均的に、システムはＨＣについての排出基準を満たすことができる。ＨＣ注入速度と平均デューティサイクル速度との相関は、特定の用途に合わせて構成できる。例えば、マンチェスタ−（英国）シティセンターにおけるバスは、ロンドン（英国）シティセンターとは異なるデューティサイクルであることが予想される。
【００１４】
第一の態様の一つの実施態様によれば、酸化触媒を、還元剤インジェクターとＮＯｘ吸収材との間に配置して、再生用ＮＯｘトラップの温度を増加及び／又は排ガスから酸素を除去して確実にリッチ排ガスとしてＮＯｘ吸収材を再生する。
【００１５】
特定の構成によれば、本明細書に記載のＮＯｘトラップ及び還元剤を排出するためのシステムは、上記した特許文献１に記載の構成の下流に配置される。すなわち、ＮＯをＮＯ２に酸化する触媒の後に必要に応じて触媒付加フィルターを設け、次に還元剤インジェクターを設け、その後にＮＯｘ吸収材を設ける。
【００１６】
本発明の一実施態様によれば、使用されるＮＯｘ吸収材は、ＮＯｘトラップの一成分である。
【００１７】
特記のない限りは、本発明で使用される触媒は、金属又はセラミック又は炭化ケイ素、例えば、コージェライト材料製の高表面積基材モノリス上に塗布する。一般的な構成は、ハニカムフロースルーモノリス構造（１００〜６００セル／平方インチ（ｃｐｓｉ）、例えば、３００〜４００ｃｐｓｉ（１５．５〜９３．０セル・ｃｍ−２、例えば、４６．５〜６２．０セル・ｃｍ−２））である。
【００１８】
内燃機関は、ディーゼル又はリーンバーンガソリンエンジン、例えば、ガソリン直接噴射エンジンであることができる。ディーゼルエンジンは、関連の法律で定められているように、軽量エンジンであっても、大型エンジンであってもよい。
【００１９】
本発明の第二の態様によれば、車両用リーンバーン内燃機関の排ガス中のＮＯｘを還元する方法であって、ＮＯｘ吸収材中の前記排ガスからＮＯｘを吸収することと、デューティサイクルにおける全ての車両速度で前記ＮＯｘ吸収材を還元剤と接触させて前記ＮＯｘ吸収材を再生することと、ＮＯｘをＮ２に還元することとを含んでなり、還元剤注入速度が平均デューティサイクル速度で所望のＮＯｘ転化率と相関している、方法が提供される。
【００２０】
本発明の理解をより深めるために、本発明の実施態様を添付図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１に示すシステム５０において、５２は条件性システムコントローラー（ＣＳＣ）であり、５４はマスタースイッチであり、５６は交流電源、５８は阻止コンデンサー、６０は熱電対、６２は注入コントローラー（ＩＣＵ）、６４は燃料ポンプ、６６は弁、６８は燃料インジェクター、７０は正の電源線である。ＣＳＣ５２は、マスターパワースイッチ５４がオンの場合にＩＣＵ６２に電力を供給するスイッチである。エンジンは、ＤＣ阻止コンデンサー５８の後に設けられた交流電源５６からのＡＣリップルにより決定されたように作動し、排気システムを検出するように好適に配置された熱電対６０の出力は、好適なＮＯｘトラップでＮＯｘを還元する最低所定温度より高い。マスタースイッチ５４は、キーオン位置に接続することを必要としない。
【００２２】
ＣＳＣ５２は、３つの全ての特徴（マスタースイッチの位置、交流電源リップルの検出、及び所定の最低温度より高い排ガス温度）が一致したときに、連続したテンポ及び量のＨＣ注入が生じるように構成されている。ＣＳＣ５２がオンのときに、電力を、注入ポンプ６４とＩＣＵ６２に供給する。ＩＣＵ６２は、電磁弁６６を作動して一連のパルスを生成し、排ガスを濃縮し、その後、排ガスは、ＮＯｘ吸収成分の上流の酸化触媒上を通過する。典型的には、注入コントローラーにより、時折相対的に非常に長いリッチパルスを生成してＮＯｘトラップが確実に実質的に完全に空になるようにし、その後より短い濃縮パルスのより頻繁なシーケンス、例えば、１分ごとに２秒の噴射をおこなって、ＮＯｘトラップの吸蔵能を維持する（図２参照）。
【００２３】
この燃料噴射速度は、平均デューティサイクル速度で選択されたＮＯｘ転化率、例えば、９０％に対応している。注入法の詳細は、車両及びそのデューティサイクルにより決まる。
【００２４】
極めて一般的には、本明細書に記載のＮＯｘトラップを用いたシステムは、レトロフィットに特に適用したときに、ＮＯｘトラップの再生をしなければならないときを予測するための簡単な制御機構を提供するために開発されたが、数多くの車両は、すでに車両の動作の他の面を制御するために、ＥＣＵにデータを入力するための種々のセンサーを備えている。ＥＣＵの好適な再プログラム化により、残りのＮＯｘトラップ容量を予測するために、このような既存のセンサー入力の一つ以上を採用することができる。これらには、好適なクロック手段のステータスを検知することによる、キーオン又は以前の再生から経過した所定又は予測時間；ＴＷＣ又はマニホールド真空での空気量；点火時期；エンジン速度；スロットル位置；例えば、ラムダセンサー、好ましくは線形ラムダセンサーを用いた排ガスレドックス組成；エンジンに噴射された燃料の量；車両が排ガス再循環（ＥＧＲ）回路を備える場合、ＥＧＲ弁の位置及びそれによるＥＧＲの検出量；エンジンの冷媒温度；及び排気システムがＮＯｘセンサーを備える場合には、ＮＯｘトラップの上流及び／又は下流で検出されたＮＯｘの量などがあげられるが、これらには限定されない。クロックについての実施態様を使用する場合、予測時間は続いてデータ入力に対応して調整できる。
【実施例】
【００２５】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例には限定されない。
【００２６】
６リットルのターボチャージャー付きで、ヨーロッパステージ１排出限界を満たした型のエンジンターボ（１２）を備えたエンジンが付いた単一デッキバスの排気システム（１０）（図３に示す）を改良して、排ガスを３つの平行レッグ（１６）のうちの一つにそらすための３方スプリッター（１４）を内蔵し、この際の各レッグにおける排ガス流の速度を等しくした。各レッグ（１６）は、酸化触媒（２０）とその後にＮＯｘトラップ（２２）が入ったチャンバー（１８）を備えるものであった。次に、ガス流を、ＮＯｘトラップの下流で混合し、総ガス流を、「浄化」酸化触媒（２４）を通して、ＮＯｘトラップを出てくる未燃焼炭化水素（ＨＣ）を除去してから、排ガスを大気に放出した。燃料ソレノイド（２８）を備えた燃料インジェクター（２６）を各酸化触媒（２０）の前、ＮＯｘセンサー（２９）を排気スプリッター（１４）の前、複合ＮＯｘ／空気燃料比センサー（３０）をＮＯｘトラップの後ろ、温度測定用熱電対（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４）を酸化触媒（２０）の前後と反応器の出口に配置した。酸化触媒（２０）とＮＯｘトラップ（２２）の各々は、セラミックフロースルーモノリス上に４００セル／平方インチ（６２セル・ｃｍ−２）及び肉厚０．０６インチ（０．１５ｍｍ）で塗布したものであった。酸化触媒（２０）は直径５．６６インチ（１４４ｍｍ）×３インチ（７６ｍｍ）及び容積７５．５立方インチ（１．２４リットル）、ＮＯｘトラップ（２２）は直径が同じであるが長さ６インチ（１５２ｍｍ）、「浄化」触媒（２４）は直径１０．５インチ（２６７ｍｍ）×長さ３インチ（７６ｍｍ）及び容積２６０立方インチ（４．２６リットル）であった。
【００２７】
ここに記載の実験は、スプリット排気の一つのレッグだけを用いて実施した。車両を、イオウ５０ｐｐｍ含有するディーゼル燃料を用いて操作し、一定のアイドリング速度１０、２０、３０及び４０ｍｐｈで各時間試験した。燃料を、これらの点の各々で噴射し、噴射中の空燃比は図４に示すようにして求めた。時間と継続時間（噴射２秒、１／分／レッグ）との組み合わせは、排気ガス温度（活性温度領域内にＮＯｘトラップを維持する）とＮＯｘ転化率との最良の組み合わせが得られるように実験で選択した。同時に、システム前後のＮＯｘ排出量を温度分布とともに測定した。
【００２８】
図５に、アイドリング状態でのエンジンから排出されたＮＯｘ（ｐｐｍ）及びＮＯｘトラップ後のＮＯｘ（ｐｐｍ）を、ＮＯｘトラップ後に測定した空燃比とともに示す。図６に、同じ時間について、温度を追跡した結果を示す。図５から、アイドリング期間の開始時に燃料を噴射すると、図３の予測から推定されるようにリーンからリッチに空燃比が低下し、初期ＮＯｘブレークスルー後、ＮＯｘ転化率が良好となることが分かる。時間の経過とともに、空燃比が、噴射の間中リーンのままであるが、良好なＮＯｘ転化率がまだ維持されている。酸化触媒上で発生する発熱（Ｔ２）により、その操作領域２２０〜５５０℃内のＮＯｘトラップの温度が維持されやすい。また、発熱（Ｔ３）は、ＮＯｘトラップ全体にわたって記録されている。その一部は、酸化触媒からの未反応ガス状還元剤の燃焼により生じる。本発明者等は、この結果を、この発熱の一部が、時間がこのエンジンアイドリング状態で経過するにつれて、未燃焼燃料液滴の燃焼がＮＯｘトラップの表面で反応することによるものと考えている。これは、システムの入口温度が流入燃料を蒸発させるのに十分でない程度まで低下し、後方センサーが測定した空／燃比スパイクが、顕著でなくなり、より丸くなるからであり、燃料液滴が付着、蒸発、そしてその後酸化する順序をたどることを示唆している。この現象により生じる局部的リッチは、実測ＮＯｘトラップ操作効率を維持する役割も果たす。
【００２９】
一定速度４０ｍｐｈで保持されたバスでの実験の結果を、図７及び図８に示す。ここで、排気流量は、はるかに大きいが、アイドリングで排気は噴射時間全体を通じてリーンのままであることが予想されるので、噴射流量は同じとした（図３）。しかしながら、燃料を最初に噴射したときのブレークスルースパイクとは別に、ＮＯｘは、残りの操作時間において還元される。ただし、この場合、アイドリング時ほどには効率的ではない。（Ｔ２）での発熱（Ｔ３）は、アイドリング時よりも小さいことがあったが、排ガスの増加した流量の熱容量に起因して、発熱は極めて顕著である。したがって、発熱反応がまだ生じており、ここでも、このことは、一部の未燃焼燃料液滴が、酸化触媒を介して搬送され、ＮＯｘトラップ上で燃焼されるからであると思われる。燃料の液滴は、酸化触媒の入口温度がより高いにもかかわらず、存続することが予想される。これは、ＮＯｘトラップを横断して測定された顕著な発熱及び明らかにリーン状態で観察されるトラップの再生により示されるように、より大きな排気流量により酸化触媒を通って液滴を搬送する傾向があるからである。
【００３０】
図９に、このシステムについて、平均ＮＯｘ転化効率の計算値と速度との関係を示す。図３は、約６ｍｐｈを超えるとリッチ排ガス状態は生じないが、より広い速度範囲にわたってリーン条件下で、ＮＯｘ転化が良好であることを示している。このことは、とりわけ、都市バスでは最も一般的な運転速度範囲であるアイドリングから３０ｍｐｈの範囲に関連している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第一の態様によるシステムの概略図である。
【図２】図１のシステムに使用される燃料噴射法を示す、燃料の量と時間との関係の概略のグラフである。
【図３】本発明の実施例の概略図である。
【図４】図３の実施態様における上流空／燃比（ＡＦＲ）と道路での速度との関係を示すグラフである。
【図５】図３の実施態様について、アイドリング状態でのＮＯｘ測定値を示すグラフである。
【図６】図５に示す記録について、アイドリング状態での対応のシステム温度を示すグラフである。
【図７】図３の実施態様について、４０ｍｐｈでのＮＯｘ測定値を示すグラフである。
【図８】図７に示す記録について、４０ｍｐｈでの対応の温度測定値を示すグラフである。
【図９】図３のシステムについて、ＮＯｘ転化率と道路での速度との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
2008502843.tif 000012
2008502843.tif 000013
2008502843.tif 000014