(57)【要約】二床触媒のための受動的な二次空気配送システムが提供される。このシステムは、受動的に二次空気を第二の触媒床へ配送してＣＯと残留する未燃焼のＨＣ（炭化水素）の酸化を可能とする。ターボ過給機付きエンジンにおいて、この二次空気はターボ過給機の圧縮機側から供給されてもよい。ターボ過給機から供給される空気の量の制御は、ターボ過給機を触媒床に結合するパイプの中のオリフィスにより提供される。アクティブ（能動的）な制御は必要ではない。非過給のエンジンでは、二次空気は、二つの触媒床の間に配置されて大気に開口するベンチュリミキサによって受動的（パッシブ）に供給されてもよい。いずれの実施の形態においても、可動部品もアクティブ（能動的）な制御も必要ではない。
2011526979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ過給機付きエンジンのための受動的な二次空気配送システムであって：
内部に含まれるＮＯＸとＣＯとを削減するために、前記エンジンの排気装置内に配置されるように構成されたハウジングに収容される第一の触媒床と第二の触媒床とを有する二床触媒であって、前記ハウジングは、前記第一の触媒床と前記第二の触媒床との間の位置に、前記ハウジングを貫通する二次空気導入点を含む、二床触媒と；
圧縮された空気が前記エンジンのターボ過給機から前記二床触媒上の前記二次空気導入点へ流体連通するように構成された二次空気流路とを備える；
受動的な二次空気配送システム。
【請求項２】
前記二次空気流路に直列に配置されたオリフィスをさらに備え、前記オリフィスは、エンジン回転速度／負荷の全範囲にわたって充分な空気の配送を確保して前記第二の触媒床におけるＣＯの酸化を保証する大きさに設けられた、請求項１に記載の受動的な二次空気配送システム。
【請求項３】
ＮＯＸを削減するためにエンジンの排気装置内に配置されるように構成された第一のハウジングに収容される第一の触媒床と；
前記排気装置内に含まれるＣＯを削減するために、前記第一の触媒床の下流において、前記エンジンの前記排気装置内に配置されるように構成された第二のハウジングに収容される第二の触媒床と；
前記第一のハウジングと前記第二のハウジングとの間に挿入されるベンチュリミキサであって、前記第一の触媒床から受け入れた排気ガスと内部で混合するために、二次空気を引き込むように大気へ開口するベンチュリミキサとを備える；
受動的な二次空気配送システム。
【請求項４】
前記ベンチュリミキサの開口部は、前記第二の触媒床でのＣＯの酸化を保証するために、エンジン回転速度／負荷の全範囲にわたって充分な空気の配送を確保する大きさに設けられた、請求項３に記載の受動的な二次空気配送システム。
【請求項５】
前記第二の触媒床での酸化プロセスに対して酸素の過剰を維持するように正しい範囲内に空燃比があることを確保するために、前記排気を検知するように配置される、触媒通過後の酸素センサをさらに備える、請求項３に記載の受動的な二次空気配送システム。
【請求項６】
空気取入口と連通して圧縮空気を生成する圧縮機を有するターボ過給機と；
燃料を受け入れる第一の入口と、前記圧縮空気を前記ターボ過給機から受け入れる第二の入口と、混合気を供給する出口とを有する空気／燃料ミキサと；
前記空気／燃料ミキサに流体連通して、前記混合気を受け入れる吸気ポートと、前記吸気ポートに選択的に流体連通して、前記混合気を燃焼する燃焼室と、前記燃焼室に選択的に流体連通して、燃焼した混合気を排出する排気ポートとを有するエンジンと；
前記燃焼した混合気を受け入れるために前記排気ポートと流体連通する二床触媒であって、第一の触媒床と第二の触媒床との間に配置され、前記ターボ過給機に流体連通して前記圧縮空気の一部を前記第二の触媒床へ供給することにより、前記燃焼した混合気に含まれるＣＯの前記第二の触媒床中での酸化を支援する二次空気取入口を有する二床触媒とを備える；
低排出エンジンシステム。
【請求項７】
前記ターボ過給機と前記二次空気取入口との間に挿入されたオリフィスをさらに備え、前記オリフィスは、エンジン回転速度／負荷の全範囲にわたって、前記第二の触媒床内でのＣＯの酸化を保証するために充分な空気の配送を確保する大きさに設けられた、請求項６に記載の低排出エンジンシステム。
【請求項８】
前記空気／燃料ミキサと前記吸気ポートとの間に挿入されて、ユーザの要求に基づいて前記吸気ポートに供給される混合気の量を制御するスロットルをさらに備える、請求項６に記載の低排出エンジンシステム。
【請求項９】
前記燃焼した混合気を、前記二床触媒に入る前の位置で検知するように配置される加熱排気ガス酸素センサをさらに備える、請求項６に記載の低排出エンジンシステム。
【請求項１０】
燃料を受け入れる第一の入口と、空気を受け入れる第二の入口と、混合気を供給する出口とを有する空気／燃料ミキサと；
前記空気／燃料ミキサに流体連通して、前記混合気を受け入れる吸気ポートと、前記吸気ポートに選択的に流体連通して、前記混合気を燃焼する燃焼室と、前記燃焼室に選択的に流体連通して、燃焼した混合気を排出する排気ポートとを有するエンジンと；
前記排気ポートに流体連通する入口と、出口とを有する第一のハウジングに収容される第一の触媒床と；
前記第一の触媒床の出口に流体連通する入口を有するベンチュリミキサであって、二次空気を引き込んで、前記二次空気を前記第一の触媒床の出口から受け入れた排気ガスに混合させるように大気に開口し、前記混合した排気ガスと二次空気とが通って出ていく出口を有するベンチュリミキサと；
前記ベンチュリミキサの前記出口に流体連通する入口を有する第二のハウジングに収容される第二の触媒床とを備える；
低排出エンジンシステム。
【請求項１１】
前記ベンチュリミキサの開口部は、前記第二の触媒床でのＣＯの酸化を保証するために、エンジン回転速度／負荷の全範囲にわたって充分な空気の配送を確保する大きさに設けられた、請求項１０に記載の低排出エンジンシステム。
【請求項１２】
前記空気／燃料ミキサと前記吸気ポートとの間に挿入されて、ユーザの要求に基づいて前記吸気ポートに供給される混合気の量を制御するスロットルをさらに備える、請求項１０に記載の低排出エンジンシステム。
【請求項１３】
前記燃焼した混合気を、前記第一の触媒床に入る前の位置で検知するように配置される加熱排気ガス酸素センサをさらに備える、請求項１０に記載の低排出エンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には二床触媒システムに関し、より詳細には、天然ガスエンジン用の二床三元触媒システムのための二次空気配送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン排気のための三元触媒システムを有する天然ガスエンジンにおいて、触媒内でＮＯＸの削減とＣＯの酸化とを同時に高い効率で達成するには、空燃比を極めて狭い範囲内に保たねばならない。この方式の欠点は、両反応の高い効率を同時に得るために必要な空燃比を制御する精度を達成することの難しさ、および、エンジン触媒システムの寿命にわたってその精度を保つことの難しさにある。直面する固有の問題は、老化する触媒の特質により、結果として、要求される制御範囲はさらに狭められ、その中心も移動してしまうことである。
【０００３】
制御上のこの問題を克服する試みにおいて、なかには、触媒中のＮＯＸの削減とＣＯの酸化との高い効率を得るために、代替の方式をとってきたエンジン製造業者もある。この代替の方式は、触媒を二つの床に分割し、より広い、制御の容易な空燃比制御の範囲を用いて、第一の床でＮＯＸの削減反応（還元）を行う。次に、第一の触媒床から出た生成物へ、それらが第二の触媒床へ入る前に、二次空気を添加する。この二次空気の供給により、第一の触媒床から第二の触媒床へ入る供給ガス中の残留ＣＯの効率的な酸化のために充分な酸素の存在が確保される。
【０００４】
このようなシステムは特定の条件下で特定の乗用車用のエンジンに採用されてきたが、不都合なことに、この種のシステムは、その目的にことさら適合させたエンジンによって駆動されるエアポンプと、空気配送プロセスを有効および無効にするおよび／または調節するアクティブ（能動的）な制御とを含む必要がある。明らかに、このようなシステムは、エアポンプとアクティブ（能動的）な制御を付加することにより高価で複雑になるので不利である。
【０００５】
従って、意図しないコストの上昇もシステムの複雑化ももたらすことなく、二床触媒の第二の床へ必要な酸素を供給してＣＯと未燃焼のＨＣ（炭化水素）とを効率的に酸化させることを保証する二次空気配送システムに対するニーズが当該技術分野において存在する。本発明の実施の形態はそのようなシステムおよび方法を提供する。
【発明の概要】
【０００６】
上記に鑑み、本発明の実施の形態は、三元排気触媒を有する天然ガスエンジンのための、新規かつ改良された二次空気配送システムを提供する。より詳細には、本発明の実施の形態は、二床触媒の第二の床へ空気を配送してＣＯと未燃焼のＨＣ（炭化水素）の効率的な酸化を保証する新規かつ改良された二次空気配送システムを提供する。さらに詳細には、本発明の実施の形態は、追加のエアポンプや、それに関連する制御の使用を必要としない新規かつ改良された受動的（パッシブ）な二次空気配送システムを提供する。
【０００７】
一の態様において、本発明の実施の形態は、ターボ過給機付き天然ガスエンジン用の二床触媒の第二の床のための受動的（パッシブ）な二次空気配送システムを提供する。このシステムは流路を使って、ターボ過給機から二床触媒上の二次空気導入点（位置）へ圧縮された新鮮な空気を供給する。この流路は、一の実施の形態において、エンジンの回転速度／負荷の全範囲にわたって充分な空気の配送を確保する大きさの、二次空気流路に直列に設けられたオリフィスを含む。
【０００８】
他の態様において、本発明の実施の形態は、自然吸気エンジン用、または圧縮機の上流で燃料が導入されるターボ過給機付きエンジン用の二床触媒の第二の床のための受動的（パッシブ）な二次空気配送システムを提供する。このような実施の形態において、触媒は、ベンチュリミキサを収容する中間パイプにより別体のチャンバに分割されている。ベンチュリミキサは大気へ開口して、酸化触媒作用を支持するのに必要な量の空気を配送する大きさに設けられている。一の実施の形態では、第二の触媒床での酸化プロセスに対して酸素の過剰を維持するように正しい範囲内に空燃比があることを保証するために触媒通過後の酸素センサが使用される。
【０００９】
本発明は、目的に沿って設計されたポンプおよびアクティブ（能動的）な流れの制御ではなく、空気を配送し調節する受動的（パッシブ）な手段の使用を含んでいる。その上、広い制御範囲は、複雑な制御ハードウェアを使用しなくても達成可能な長期間にわたる低排出特性をもたらす。上で検討した従来の方法と比較すると、本発明の実施の形態は、受動的（パッシブ）であること、可動部品が無いこと、そしてアクティブ（能動的）な制御を何ら必要としないことからして有利である。
【００１０】
本発明の他の態様、目的及び利点は、添付図面を併せ見れば、以下の詳細な説明によりさらに明らかになるであろう。
【００１１】
本明細書に組み入れられ、本明細書の一部分を形成する添付図面は、本発明の複数の態様を例示し、記述とともに、本発明の原理の説明に資する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一の実施の形態による、二床触媒のための受動的（パッシブ）な二次空気システムの模式図である。
【００１３】
【図２】図２は、本発明の教示に従って構成された二床触媒のための受動的（パッシブ）な二次空気システムの代替の実施の形態の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、ある好ましい実施の形態と関連付けて説明されるが、それら実施の形態に限定する意図はない。反対に、意図するところは、全ての代替物、変形、および均等物を、特許請求の範囲に定義されているように本発明の精神と範囲の内に含まれるものとして、カバーすることである。
【００１５】
本発明の実施の形態は、過給機（空気圧縮機）よりも下流で、過給された空気へ燃料が導入される過給機付きエンジンおよび非過給のエンジンに適用可能な、二床触媒への二次空気の配送を可能とする受動的（パッシブ）なシステムおよび方法に関する。特に、本発明の実施の形態は、それを、エンジンシステムへ可動部品もアクティブ（能動的）な制御も何ら追加することなく実現する。
【００１６】
図１を参照すると、天然ガス内燃機関（エンジン）１８０の排気装置１５０内で用いられる二床触媒２００のための受動的（パッシブ）な二次空気システム１００が図示されている。エンジン１８０は、空気取入口１４０から供給される空気を圧縮するためにターボ過給機１６０を利用している。圧縮された過給空気は過給空気冷却器１１０を貫流し、そこで冷却されてから、ミキサ１９０内で、注入される燃料と混合される。燃料供給システムは燃料調節弁１２０を含み、エンジン１８０へ供給される混合気の量は、スロットル１３０によって調整される。エンジン１８０からの排気は、ターボ過給機１６０の入口を通って流れ、吸入空気を圧縮するようにターボ過給機を駆動して、加熱排気ガス酸素（ＨＥＧＯ）センサ１７０を通過し、二床触媒２００を通り抜けて、エンジンの排気管１５０に至る。
【００１７】
一の実施の形態において、受動的（パッシブ）な二次空気システム１００は、ターボ過給機１６０の出口側または過給空気側に接続される流路１９５を含んで新鮮な圧縮空気を圧縮機から二床触媒２００上の二次空気導入点（位置）２０２へ供給する。空気の配送レート（配送率）を酸化反応に必要なレート（割合）に合せることは、二次空気流路１９５に直列に設けられたオリフィス１０５を介して行われる。このオリフィス１０５は、エンジン回転速度／負荷の全範囲にわたって充分な空気の配送を確保する大きさに設けられている。酸化反応においては、酸化反応を完全におこなうに必要な酸素を上回る酸素は悪影響を全く及ぼさないという酸化反応の性質からして、オリフィス１０５の大きさを決めることは決定的に重要なことではない。さらに、エンジン１８０およびその排気システムの特定の作動の特性によっては、受動的（パッシブ）な逆止弁（チェック弁）（不図示）を流路１９５に直列に配置して、排気が触媒２００の床の中間から圧縮機の入口または環境へ決して流れないようにすることが望ましい場合がある。しかし、この逆止弁（チェック弁）は、通常の作動条件下で触媒２００へ向けて正の圧力勾配が保証される実施の形態においては必要ない。
【００１８】
二次空気導入点（位置）２０２は二つの触媒床の間に配置される。従って、前側の触媒床は、理論空燃比よりもわずかにリッチ側で作動できるように設けられることにより前側の触媒がリッチな供給ガスに起因してＮＯＸを効果的に削減（還元）することが許容される。二次空気の受動的（パッシブ）な導入に伴い、後側の触媒床を理論空燃比よりもわずかにリーン側で作動させることにより、後側の触媒は残留ＣＯと未燃焼の炭化水素（ＨＣ）とを酸化することが可能となる。
【００１９】
二次空気の目的は、第一の触媒床に対してわずかにリッチな混合気を保証する空燃比制御を広い範囲内で行うこと、そして第二の触媒床に対してわずかにリーンな混合気を保証するように二次空気を受動的（パッシブ）に調節することにより、極端に厳格な空燃比制御を不要とすることである。本発明が、広い空燃比制御の範囲を許容できるようにする目的で設計され、しかも単一の作動モードだけを有する（再生（リジェネレーション）が無い）ので、二次空気の調節は、エンジンの排出特性の臨界作動範囲に対して適量の空気を調節する適切な大きさのオリフィス１０５を用いて受動的（パッシブ）に行うことができる。
【００２０】
図２に示す、非過給エンジン、または圧縮機の上流で燃料が導入されるターボ過給機付きエンジンに特に適用可能な本発明の代替の実施の形態において、二つの触媒床は、ベンチュリミキサ２２６を収容する中間パイプ２２４によって、二つの別体のチャンバ２２０，２２２に分割されている。ベンチュリミキサ２２６は、一の実施の形態では、パイプ２２８を介して大気に開口している。このベンチュリミキサ２２６とその空気開口部は、上述のようなチャンバ２２２内での酸化触媒作用の支持に必要な量の空気を配送する大きさに設けられている。先の実施の形態と同様に、ＣＯと残留する未燃焼のＨＣ（炭化水素）の酸化を可能とする、第二の触媒床への空気の配送は完全に受動的（パッシブ）である。
【００２１】
図２のシステムは、触媒の後方（通過後）にＨＥＧＯセンサ（加熱排気ガス酸素センサ）（不図示）を含んでもよい。このＨＥＧＯセンサからの信号は、チャンバ２２２内の第二の触媒床での酸化プロセスのために酸素の過剰（状態）を維持するように空燃比が正しい範囲内にあることを保証するように用いられる。
【００２２】
上の記載から当業者にとっては今や明らかなように、非二次空気分配システムとの比較では、空燃比制御が相対的に広い範囲である本発明の実施の形態により効率的な三元触媒作用が得られ、排出特性の優れた長期持続性を伴いながら、エンジン制御システムを著しく簡素化することができる。さらに、エアポンプを利用して二次空気を供給する従来の二次空気分配システムとの比較では、本発明の実施の形態における二次空気の配送は、可動部品もアクティブ（能動的）な制御も何ら用いることなく実現される。
【００２３】
本明細書中で引用する公報、特許出願および特許を含むすべての文献は、各文献を個々に、具体的に示し、引用して組み込むかのように、また、その全体を本明細書に記載するかのように、引用して組み込まれる。
【００２４】
本発明の説明に関連して（特に以下の請求項に関連して）用いられる名詞及び同様な指示語の使用は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数および複数の両方に及ぶものと解釈される。語句「備える」、「有する」、「含む」および「包含する」は、特に断りのない限り、オープンエンドターム（すなわち「〜を含むが限らない」という意味）として解釈される。本明細書中の数値範囲の具陳は、本明細書中で特に指摘しない限り、単にその範囲内に該当する各値を個々に言及するための略記法としての役割を果たすことだけを意図しており、各値は、本明細書中で個々に列挙されたかのように、明細書に組み込まれる。本明細書中で説明されるすべての方法は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、あらゆる適切な順番で行うことができる。本明細書中で使用するあらゆる例または例示的な言い回し（例えば「など」）は、特に主張しない限り、単に本発明をよりよく説明することだけを意図し、本発明の範囲に対する制限を設けるものではない。明細書中のいかなる言い回しも、請求項に記載されていない要素を、本発明の実施に不可欠であるものとして示すものとは解釈されないものとする。
【００２５】
本明細書中では、本発明を実施するため本発明者が知っている最良の形態を含め、本発明の好ましい実施の形態について説明している。当業者にとっては、上記説明を読めば、これらの好ましい実施の形態の変形が明らかとなろう。本発明者は、熟練者が適宜このような変形を適用することを期待しており、本明細書中で具体的に説明される以外の方法で本発明が実施されることを予定している。従って本発明は、準拠法で許されているように、本明細書に添付された請求項に記載の内容の修正および均等物をすべて含む。さらに、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、すべての変形における上記要素のいずれの組合せも本発明に包含される。
【符号の説明】
【００２６】
１００  二次空気システム
１０５  オリフィス
１１０  過給空気冷却機（インタークーラ）
１２０  燃料調整弁
１３０  スロットル
１４０  空気取入口
１５０  排気装置（排気管）
１６０  ターボ過給機（ターボチャージャ）
１７０  加熱排気ガス酸素（ＨＥＧＯ）センサ
１８０  天然ガス内燃機関（エンジン）
１９０  ミキサ（混合器）
１９５  二次空気流路
２００  二床触媒
２０２  二次空気導入点（位置）
２２０  （第一の）チャンバ
２２２  （第二の）チャンバ
２２４  中間パイプ
２２６  ベンチュリミキサ
２２８  パイプ
【図１】
2011526979.tif 000003
【図２】
2011526979.tif 000004
【国際調査報告】
2011526979.tif 000005
2011526979.tif 000006