(57)【要約】【解決手段】ディーゼルエンジン由来の微粒子状物質を回収、燃焼するための微粒子コンバータは、ディーゼルエンジンから該微粒子コンバータを通じて延びる排気経路を備える。該微粒子コンバータは、さらにハウジング及び該ハウジングに位置する少なくとも一つのキャンドルを備える。電気的燃焼システムは、該キャンドル内で回収されるすすを燃焼するためのパルス電源に電気的に接続されてもよい。ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）は、十分な量のＮＯ２を生成して燃焼を補助するための排気経路に配置されてもよい。排気温度の制御のために、少なくとも一つの排気冷却装置を設けることができる。フィードバック制御システムは、ＤＰＣにわたる圧力低下、ＤＰＣ以前の温度及びエンジンＲＰＭに基づいて、排気ガス温度を制御できる。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンの排気を浄化するための微粒子状物質の回収及び燃焼のためのシステムであって、
ハウジング及び前記ハウジング内に位置する少なくとも一つのキャンドルを有するディーゼル微粒子コンバータ（ＤＰＣ）と、
前記排気の通路におけるディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）と、
排気温度の制御のための少なくとも一つの排気冷却装置と、
前記ＤＰＣにわたる圧力低下、前記ＤＰＣ以前の温度及び前記エンジンのＲＰＭに基づく、排気ガスの状態調節及び制御のためのフィードバック制御システムと、
を含むシステム。
【請求項２】
前記キャンドルは、
複合ワイヤメッシュ凝集器を画定する、略５．１ミリメートル（略０．２インチ）から略１２．７ミリメートル（略０．５インチ）の厚さのワイヤメッシュの少なくとも一つの第一の放射状の層と、
凝集されたすすのトラップ及び保持のための前記ワイヤメッシュ凝集器の外側周辺に放射状に構成される少なくとも一つの保持スクリーンと、
を備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記キャンドルは、ワイヤメッシュ凝集器及び複数の保持スクリーンを備え、さらに前記ＤＯＣは、前記複合ワイヤメッシュ凝縮器及び前記保持スクリーン上でのすす燃焼のために十分なＮＯ２を生成するために、エンジン排気温度特定に対して協動する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ＤＯＣは、小さな圧力低下、高いミキシング及び前記排気における乱流条件を提供するために焼結ワイヤメッシュマトリクスで構築され、貴金属含有を低下できる、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記複合ワイヤメッシュ凝集器及び前記保持スクリーンは、長い滞在時間を有するすす回収のための深いベッドを提供するよう協動する、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記フィードバック制御システムは、排気温度をモニタして、予め定められた状況に応じた冷却を提供するよう動作し、前記システムは、さらに、前記排気通路への大気の注入のためのブロワ、前記排気通路への水の注入のためのポンプ、及び変調されたエアファンを用いて動作する排気／外気熱交換器からなる群から選択される少なくとも一つの冷却装置を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
摂氏４００度以下に温度を低下させ、かつＮＯ２燃焼の頻度を増加するために、前記排気通路において前記ＤＯＣの前に位置する熱スタビライザをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記熱スタビライザは、高い熱伝導率、高い熱慣性及び高い透過性を有するワイヤメッシュを含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記ワイヤメッシュは、剛性ワイヤメッシュマトリクスである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記キャンドルは、
前記ＤＯＣを備える少なくとも一つの第一の放射状の層と、
スパーク阻止スクリーンを画定する少なくとも一つの第二の放射状の層と、
複合ワイヤメッシュ凝集器を画定する少なくとも一つの第三の放射状の層と、凝集されたすすをトラップするためのワイヤメッシュ凝集器の外側周辺で放射状に構成される少なくとも一つの保持スクリーンと、
を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記フィードバック制御システムは、前記ＤＰＣにわたる圧力低下信号をモニタすることと、前記ＤＰＣ及びエンジンＲＰＭよりも前で温度信号をモニタリングすることと、所与のエンジン動作条件において特定の圧力低下を算出することと、前記特定の圧力低下を閾値データと比較することと、によって効果的な燃焼を提供するよう動作する、請求項６に記載のシステム。
【請求項１２】
前記フィードバック制御システムは、
モニタされた特定の圧力低下が予め定められた特定の圧力以下であるとき、及び
モニタされた温度が予め定められた温度閾値を越えるとき、
の条件の少なくとも一つに応答して、排気冷却機能を制御するよう動作する、請求項６に記載のシステム。
【請求項１３】
前記微粒子コンバータは、エンジン排気システムの近接において、能動部品、センサ及び電気部品のない受動装置である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記システムの動作は、エンジン動作から完全に独立している、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記システムは、前記システムから漏出する粒子中に生成するマイクロメートル未満の粒子及びナノ粒子が、結果として、それらのサイズがＰＭ１０標準に対して１０マイクロメートルを超え、それらのサイズがＰＭ２．５標準に対して２．５マイクロメートルを超える場合に、微粒子汚染の構成要素とならないようなサイズの大きさであるという非常に高い凝集効率を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
さらに排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム、前記微粒子コンバータから前記ディーゼルエンジンに向かう流体接続排気、排気ガスを前記微粒子コンバータからＥＧＲシステムに選択的に方向転換するバルブを含み、前記エンジンの空気入口に注入される前記排気ガスは、サブクールされて（ｓｕｂ−ｃｏｏｌｅｄ）略全ての漏洩汚染物を清浄化される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記深いベッドは、ＮＯ２のＮ２及びＣＯ２への前記変換を許容する十分な接触及び滞在時間を提供し、これによって１０〜１５％のオーダーでＮＯｘ放出を削減する、請求項５に記載のシステム。
【請求項１８】
ハウジングに位置する少なくとも一つのキャンドルを有するディーゼル微粒子コンバータ（ＤＰＣ）を提供することと、
前記ＤＰＣを通じて前記ディーゼルエンジンから延長する排気通路に沿ってディーゼルエンジン排気をルーティングすることと、
前記排気通路に配置されるディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）を用いて前記ディーゼルエンジン排気を処理することと、
前記ＤＰＣにわたる圧力低下、前記ＤＰＣ及びエンジンＲＰＭの前の温度の関数として排気冷却装置の選択的制御を介するフィードバック制御システムを用いて排気ガス温度を制御することと、
を含むディーゼルエンジンの排出を清浄化するための微粒子状物質のＮＯ２燃焼の方法。
【請求項１９】
前記キャンドルの範囲内で凝集されたすすをトラップすることを、さらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
凝集されたすすを燃焼するために、エンジン排気温度プロフィールと協動して前記ＤＯＣを用いて十分なＮＯ２を生成することを、さらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記フィードバック制御システムを用いて制御排気ガス温度を制御することは、排気温度をモニタし、予め定められた条件に応答して冷却を提供することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記排気通路に大気を注入するためのブロワ、前記排気通路に水を注入するためのポンプ及び変調されたエアファンで動作する排気／外気熱交換器からなる群から選ばれる冷却装置を提供することを、さらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記フィードバック制御システムを用いて前記排気ガス温度を制御することは、前記ＤＰＣにわたる圧力低下をモニタすることと、前記ＤＰＣの前の温度をモニタすることと、エンジンＲＰＭをモニタすることと、を含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記フィードバック制御システムを用いて前記排気ガス温度を制御することは、所与のエンジン動作条件を算出することと、前記特定の圧力低下を閾値データと比較することと、を含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記フィードバック制御システムを用いて前記排気ガス温度を制御することは、予め定められた特定の圧力低下を下回る圧力低下及び予め定められた温度域値を上回る温度に応答して、排気冷却装置を制御することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記排気の温度を低下させ、ＮＯ２燃焼の頻度を増加させるために、前記ＤＯＣの前の前記排気通路に熱スタビライザを提供することを、さらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記キャンドルのワイヤメッシュの少なくとも一つの放射状の層を有するワイヤメッシュ凝集器を画定することを、さらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２８】
凝集したすすを少なくとも一つの保持スクリーンを用いてトラップして保持することを、さらに含み、前記少なくとも一つの保持スクリーンは前記ワイヤメッシュ凝集器を放射状に囲む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
ディーゼルエンジン排気からの微粒子状物質の回収及び燃焼のためのディーゼル微粒子コンバータ（ＤＰＣ）であって、
前記ディーゼルエンジンから前記ＤＰＣを通じて延長する排気通路と、
ハウジングと、
前記ハウジングに位置する少なくとも一つのキャンドルと、
前記キャンドル内に回収されたすすを燃焼するための、パルス電源に電気的に接続するよう取り付けられる電気燃焼器と、
を含むＤＰＣ。
【請求項３０】
前記排気通路にディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）を、さらに含む、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項３１】
前記ＤＯＣは、小さな圧力低下、高いミキシング及び前記排気における乱流条件を提供するために焼結ワイヤメッシュマトリクスで構築され、貴金属含有を低下できる、請求項３０に記載のＤＰＣ。
【請求項３２】
前記キャンドルは、凝集器を画定する、略５．１ミリメートル（略０．２インチ）から略１２．７ミリメートル（略０．５インチ）の厚さの、複合ワイヤメッシュの少なくとも一つの放射状の層を含む、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項３３】
前記電気燃焼器は、前記複合ワイヤメッシュ凝集器を放射状に囲む二つのステンレス鋼製ダッチスクリーンを含む、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項３４】
前記キャンドルは、前記キャンドルの上流の内部構成要素として設けられるヘビーゲージのダッチスクリーンの複数の層で構築されるスパーク阻止スクリーンを、さらに含む、請求項３３に記載のＤＰＣ。
【請求項３５】
前記キャンドルは、前記スパーク阻止スクリーンに後続する前記キャンドルの内部構成要素としてのスクリーン形式の酸化触媒をさらに含む、請求項３３に記載のＤＰＣ。
【請求項３６】
前記電気燃焼器は、
電気的に接地される内側のヘビーゲージのダッチスクリーンとパルス電源に接続される外側のライトゲージのダッチスクリーンと、
卑金属の触媒スクリーンと、
略０．２５４ミリメートル（略０．０１０インチ）から略０．６５３ミリメートル（略０．０２５インチ）の電気的絶縁ギャップを設けるために、前記内側のスクリーンと前記外側のスクリーンとの間に位置決めされるセラミックセパレータと、
を含む請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項３７】
前記燃焼ギャップにわたりトラップされたすすを介して、燃焼に対してパルス化された電力を供給するための電源を、さらに含む、請求項３６に記載のＤＰＣ。
【請求項３８】
前記卑金属触媒は、巻線及び平坦化スクリーンの一つから選択される、請求項３６に記載のＤＰＣ。
【請求項３９】
前記外側のスクリーンは、塊の形式で凝集されたすす微粒子を保持するため、及び過剰なすすの圧力開放を許容して排気通路の詰まりを防止するためのフィルタとして、７０マイクロメートルの直径を有する複数の開口を画定する、請求項３６に記載のＤＰＣ。
【請求項４０】
前記燃焼電力リード及び車両シャーシを通じる前記燃焼器の電気抵抗をモニタするための受動的制御ロジックを、さらに含み、前記制御ロジックは、約１０分間に対して約１オームの閾値電気抵抗に応答して前記燃焼部を起動するよう動作可能である、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項４１】
前記電気燃焼器のパルス化電源は、１２ボルトから４８ボルトのＤＣ範囲にあり、略１０％から略３０％の低いデューティサイクルで、約１００Ｈｚから約１００００Ｈｚの周波数で印加される、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項４２】
前記ＤＯＣは、補助的なＮＯ２を生成し、前記複合ワイヤメッシュ及び前記電気燃焼器の上に重なるすすの燃焼を支援する、請求項３０に記載のＤＰＣ。
【請求項４３】
排気温度を４００℃以下に低下し、ＮＯ２燃焼の頻度を増加するために前記ＤＯＣの前の前記排気通路に位置する熱スタビライザを、さらに含み、前記熱スタビライザは、高い熱伝導率、高い熱慣性及び高い透過性を有する焼結ワイヤメッシュマトリクスで構築される、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項４４】
前記ＤＰＣから前記エンジンへの排気ガスを選択的に方向転換するためのバルブを通じて、前記ＤＰＣから前記ディーゼルエンジンの空気入口に向かう排気を流体接続する、低圧排気ガス再循環システム（ＥＧＲ）をさらに含み、前記ＥＧＲフローは、サブクールされて略全ての漏洩汚染物を清浄化される、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項４５】
前記キャンドルは、
複合ワイヤメッシュ凝集器を画定する少なくとも一つの放射状の層と、
前記ワイヤメッシュ凝集器を放射状に囲む電気燃焼器と、
を含む、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項４６】
前記キャンドルの統合された内部構成要素として設けられるスパーク阻止スクリーンをさらに含む、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項４７】
前記キャンドルの統合された内部構成要素としての、酸化触媒をさらに含む、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項４８】
前記スパーク阻止スクリーンは、すすの集結を最小限に制限するサイズの開口を有する複数層のダッチスクリーンと、及び高温のスラグを停止させて冷却して前記キャンドルにおける自己点火を防止する蛇行フロー通路と、で構築される、請求項３６に記載のＤＰＣ。
【請求項４９】
前記燃焼器は、
内側の接地スクリーンと、
外側のスクリーンと、
卑金属触媒と、
前記内側のスクリーン及び前記外側のスクリーンの間に位置決めされ、これらの間にギャップを確立するセラミックセパレータと、を含み、前記ギャップはすすの回収によって電気的にブリッジされるよう動作可能である、
請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項５０】
前記セラミックセパレータは、略０．２５４ミリメートル（略０．０１０インチ）から略０．６５３ミリメートル（略０．０２５インチ）の固定されたギャップを画定する、請求項４９に記載のＤＰＣ。
【請求項５１】
前記セラミックセパレータにおける前記ギャップのサイズは、すす塊燃焼から生じる高温への露出を制限することにより、燃焼中のすす燃焼温度の前記制御のために受動的な装置を提供する、請求項４９に記載のＤＰＣ。
【請求項５２】
前記パルス電源は、燃焼のために前記固定されたギャップにわたってパルス化電力を供給する、請求項５０に記載のＤＰＣ。
【請求項５３】
前記卑金属触媒は、すすの発火温度を低下するよう動作する、請求項４９に記載のＤＰＣ。
【請求項５４】
前記外側のスクリーンは、塊の形式で凝集されたすす微粒子を回収するためのフィルタとして機能する、略７０マイクロメートルの直径を有する複数の開口部を画定する、請求項４９に記載のＤＰＣ。
【請求項５５】
約０．６５３ミリメートル（略０．０２５インチ）（前記外側のスクリーンの近似的厚さ）以内のすす塊燃焼の副産物は、直ちに前記キャンドルの外側に放出されて、前記キャンドル内での熱／温度上昇を防ぎ、これにより燃焼中に前記外側のスクリーンの冷却を保つ、請求項５４に記載のＤＰＣ。
【請求項５６】
前記燃焼器の電気抵抗をモニタし、予め定められた閾値電気抵抗に応答して燃焼器を起動させるための、受動的な制御装置を、さらに含む、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項５７】
前記電気燃焼システムは、燃焼器の電気抵抗を連続的にモニタするための受動的ロジックを有する、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項５８】
前記複合導線メッシュ凝集器及び外側のスクリーンは、長い滞在時間を有する深いベッドを提供するよう協動する、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項５９】
前記ＤＰＣは、前記システムから漏出する粒子中に生成するサブマイクロメートル及びナノ粒子が、結果として、それらのサイズがＰＭ１０標準に対して１０マイクロメートルを超え、それらのサイズがＰＭ２．５標準に対して２．５マイクロメートルを超える場合に、微粒子汚染の構成要素とならないようなサイズの大きさであるという非常に高い凝集効率を有する、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項６０】
前記微粒子コンバータから前記ディーゼルエンジンに向かう排気を流体接続する排気ガス再循環システム（ＥＧＲ）と、排気ガスを前記微粒子コンバータからＥＧＲシステムに選択的に方向転換するバルブであって、吸入エアに注入される前記排気ガスは冷却されて略全ての漏洩汚染物を清浄化されるバルブと、をさらに含む、請求項２９に記載のＤＰＣ。
【請求項６１】
前記深いベッドは、ＮＯ２のＮ２及びＣＯ２への前記変換を許容する十分な接触及び滞在時間を提供し、これによって１０〜１５％のオーダーでＮＯｘ放出を削減する、請求項４７に記載のシステム。
【請求項６２】
ハウジングに位置する少なくとも一つのキャンドルを有するディーゼル微粒子コンバータ（ＤＰＣ）を提供することと、
前記ＤＰＣを通じて前記ディーゼルエンジンから延長する排気通路に沿ってディーゼルエンジン排気をルーティングすることと、
少なくとも一つのキャンドル内に凝集したすすを回収することと、
パルス電源に電気的に接続される電気燃焼システムを用いて前記凝集したすすを燃焼することと、
を含むディーゼルエンジンの排気を清浄化するための微粒子状物質の電気燃焼の方法。
【請求項６３】
前記排気通路に配置されるＤＯＣを用いて前記排気を処理することを、さらに含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記少なくとも一つのキャンドルは、内側の接地スクリーン、外側のスクリーン、卑金属触媒、及び前記内側のスクリーンと外側のスクリーンとの間に位置決めされてこれらの間にギャップを確立するセラミックセパレータを有し、前記ギャップは、凝集されたすすの回収によって電気的にブリッジされるよう動作可能である、請求項６２に記載の方法。
【請求項６５】
燃焼のために前記固定されたギャップにわたってパルス化電力を供給されることを、さらに含む、請求項６４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２００７年５月２５日出願の米国特許仮出願第６０／９４０１２３号及び２００７年１２月２１日出願の第６１／０１５８７５号及び２００７年１２月２１日出願の第６１／０１５８８３号の優先権を主張する。上記出願の開示は、参照により本願明細書に援用する。
【０００２】
（技術分野）
本開示は、一般的にディーゼル及び天然ガスエンジンの後処理装置に関する。より詳しくは、本開示は、複合ワイヤメッシュキャンドルにおける微粒子状物質の凝集、保持及び燃焼に関する。本開示は、特に信頼性のある制御方法による燃焼にも関する。
【背景技術】
【０００３】
ディーゼルエンジン排気装置の微粒子トラップは、広く受け入れられており、走行中ディーゼルエンジン応用に対する様々な政府規則を微粒子放出において順守するために用いられている。微粒子トラップをディーゼルエンジンに組み込むことは、現在、ＰＭ１０及びＰＭ２．５標準等のＵＳＥＰＡ規則の下で、微粒子状物質並びに微小粒子状物質に関する大気の品質を改良することでもあると認識されている。微粒子トラップは、９０％〜９５％に達することが可能な、微粒子の低減を達成できる。従来の微粒子トラップ（例えば、ウォールスルー（ｗａｌｌ−ｔｈｒｏｕｇｈ）トラップ及びワイヤメッシュ微粒子トラップ）は、蓄積された微粒子状物質を燃焼させて装置を最初の状況に戻すよう、処理されなければならない。再生とは、蓄積されたすすを燃焼させる方法であって、別のすす負荷サイクルを開始するためにフィルタ、セラミック又はワイヤメッシュを当初の状態にさせること等である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
共通の譲受人による米国特許第７２６６９４３号は、燃焼プロセスと呼ばれる再生プロセスに対する変形例を記載している。米国特許第７２６６９４３号は、参照により全体を本願明細書に援用するものとする。米国特許第７２６６９４３号の教示は、微粒子状物質の燃焼に成功することが明白ではあるが、当技術分野においては、引き続き改良が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
複合ワイヤメッシュメディアは、フィルタ後に保持スクリーン上ですす塊を形成する、大サイズの凝集した微粒子を、回収し、凝集させ、放出する。保持スクリーンは、パルスＤＣ電源に接続され、電源は、保持スクリーンと上流の接地されたスクリーンとの間の電気抵抗として示される、あるすす塊濃度（集結）が到達されるときに作動する。複合ワイヤメッシュメディアの前に従来のディーゼル酸化触媒を組み込むことにより、又は複合ワイヤメッシュの前に触媒化したスクリーンを統合することにより、ＮＯの一部はＮＯ２に転換される。燃焼プロセスは、燃焼の必要性がトリガされるときに開始され、維持される。
【０００６】
本明細書に用いる燃焼とは、必要性に基づいて回収されたすすを酸化するための低速な方法として定義する。微粒子の減少効率を確実に高くするためには、複合ワイヤメッシュメディアに十分なすすが維持されなければならない。生成した酸化熱は排気ガスで希釈されるため、排気ガスには、感知可能又は検出可能な温度上昇は見られなかった。他方で、再生は、フィルタ媒体上の全ての蓄積されたすすが燃焼される方法であり、通常、７００℃以上に達する大きな温度上昇を伴う。
【０００７】
本開示は、ディーゼル排気由来の凝集した微粒子状物質を燃焼する、有効で効率的かつ信頼性の高い方法に関する。燃焼器の設計はダッチ式織スクリーンの等の保持スクリーン上で凝集されたすす物質をトラップして、上流側に塊を形成することに依存している。ダッチスクリーンは、パルス化ＤＣ電源に接続され、一方では対になるスクリーンが接地される。二つのスクリーン間のギャップは、スレッド又はネットの形式のセラミック系セパレータを差し込むことにより、一定に保たれる。ギャップ空間は、最小の粒子サイズに維持される。略０．０１０〜略０．０２５インチ（０．２５〜０．５０ミリメートル）のオーダーのギャップ間隔が望ましく、燃焼される微粒子サイズは低下するため、小さい範囲のギャップが好適である。適量のＮＯ２に加えて１２Ｖ〜４８Ｖ又はより高いＤＣ電源からのパルス化された直流電流と組み合わせること、及び２００℃を超える排気温度、並びに卑金属触媒が燃焼器のギャップに埋設されることは、すすの燃焼に効果的であることが見出された。排気温度が３００℃から３７５℃の範囲に上昇するにつれて、燃焼プロセスは加速され、すすは急速に燃焼する。しかしながら、本願明細書において定義する燃焼とは、再生よりも非常に低速な方法である。結果として、燃焼副産物には顕著な温度上昇は見られず、燃焼器スクリーン（ダッチスクリーン）での最高の局所温度は５００℃以下である。これは、主として、卑金属触媒、ＮＯ２酸化モード及び燃焼から発生する熱を排気ガスが冷却することの結果として、すすの点火温度を低下させるためである。すす酸化の結果として塊サイズが低下すると、燃焼器全体の電気抵抗は上昇し、別のすす層が新しいサイクルの間に再び蓄積するまで、電源の停止を促す。
【０００８】
本開示の他の特徴は、微粒子コンバータとの酸化触媒の統合である。これは、複合ワイヤメッシュメディアの上流側に貴金属被覆したスクリーンを組み込むことによって達成される。このようなスクリーンは、排気ガスと貴金属部位との間での高頻度な衝突と相互作用を許容するデバイスの中心周辺には、ほとんど包囲物を含まない。しかしながら、このようなスクリーンが存在することにより、複合ワイヤメッシュ内部に重なるすすに点火しうる特定のエンジン動作条件下においては、ある種のスパーク又はホットスポットを生じる可能性がある。このような事象は、低確率な事象ではあるが、ワイヤメッシュメディアに対しては破壊的である可能性がある。このため、スパーク停止器として使用されるダッチ式ステンレス鋼製スクリーンは、すすへの点火の可能性を防ぐために、貴金属スクリーンで包囲される。
【０００９】
貴金属触媒を使用することにより、いくらかのＳＯ２は硫黄酸化物（微粒子）に変換され、一酸化（ＮＯ）窒素の一部は二酸化窒素（ＮＯ２）に変換される。硫黄酸化物及びＮＯ２は、望ましい汚染物質でない。しかしながら、システム構成によっては、深いベッド構造と相まって排気速度を低速とすることにより、排気ガスが重なり合ったすすと相互作用するための長い滞留時間を許容する（セラミック・ウオールスルー微粒子トラップからのそれの平均１００倍と推定される）。その正味の効果は、二酸化硫黄（ＳＯ２）への想定上の硫黄酸化物の減少、複合ワイヤメッシュにおけるいくらかのすすの燃焼、及びＮＯ及び窒素への想定上のＮＯ２の減少である。ワイヤメッシュにおけるＮＯ２とすすとの間の強い相互作用は、温度に依存して１０〜１５％に達すると推定されるＮＯｘ減少を生じる、ＮＯ２からのＯ２の完全な解放を生じる可能性もある。その正味の効果は、望ましくない硫黄酸化物及び二酸化窒素による汚染の放出レベルを改良することである。特定の一態様によれば、本願の教示は、ディーゼルエンジンの排気を清浄化するための、微粒子状物質を回収して燃焼するためのシステムを提供する。本システムは、ハウジングを有するディーゼル微粒子コンバータ（ＤＰＣ）及び該ハウジングに位置する少なくとも一つのキャンドルを含む。排気通路は、ディーゼルエンジンからＤＰＣを通じて延長する。ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）は、該排気通路に配置される。少なくとも一つの排気冷却装置は、排気温度の制御のために提供される。フィードバック制御システムは、ＤＰＣ全体の圧力低下、ＤＰＣの前の温度及びエンジンＲＰＭを含む要因に基づいて、排気ガス温度を制御する。
【００１０】
別の特定の態様によれば、本願の教示は、ディーゼルエンジンの排気を清浄化するための、微粒子状物質のＮＯ２燃焼方法を提供する。本方法は、ハウジングを有するディーゼル微粒子コンバータ（ＤＰＣ）及び該ハウジングに位置する少なくとも一つのキャンドルを提供することを含む。ディーゼルエンジン排気は、ディーゼルエンジンからＤＰＣを通じて延長する排気通路に沿って送られ、該排気通路に配置されるディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）で処理される。排気ガス温度は、ＤＰＣ全体の圧力低下、ＤＰＣの前の温度及びエンジンＲＰＭの関数として、排気冷却装置の選択的な制御を通じるフィードバック制御システムにより制御される。別の特定の態様によれば、本願の教示は、ディーゼルエンジン排気からの微粒子状物質を燃焼するためのディーゼル微粒子コンバータを提供し、該ディーゼル微粒子コンバータは、ディーゼルエンジンからＤＰＣを通じて延長する排気通路を画定し、ハウジング、該ハウジングに位置する少なくとも一つのキャンドル、及び該キャンドル内に回収されたすすを燃焼するためのパルス電源に電気的に接続されるよう取り付けられる電気燃焼システムを含む。
【００１１】
別の特定の態様によれば、本願の教示は、ディーゼルエンジンの排気を清浄化するための微粒子状物質の電気的燃焼の方法を提供する。本方法は、ハウジングを有するディーゼル微粒子コンバータ（ＤＰＣ）及び該ハウジングに位置する少なくとも一つのキャンドルを提供することと、ディーゼルエンジンからＤＰＣを通じて延長する排気通路に沿ってディーゼルエンジン排気を送ることと、を含む。凝集されたすすは、少なくとも一つのキャンドル内に回収される。凝集されたすすは、パルス電源に電気的に接続される電気燃焼システムによって燃焼される。
【００１２】
本願明細書に記載の図面は、説明目的のみであり、いかなる形であれ本開示の範囲を限定する目的ではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本願の教示に係る、ディーゼルエンジン排気からの微粒子状物質を燃焼するための微粒子コンバータの長手方向断面図であり、該微粒子コンバータは、単一のキャンドルを備えることを示す。
【図２】図１のラインＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】本願の教示による微粒子コンバータの、燃焼部の詳細な断面図である。
【図４】本願の教示による微粒子コンバータの、ＤＣ電源システムの制御装置の概略図である。
【図５】複数のキャンドルを含む、本願の教示による微粒子コンバータのためのパルスＤＣ電源の動作サイクルの概略図である。
【図６】複数のキャンドルを含む、本願の教示に係る微粒子コンバータを例示する、図１と類似の長手方向断面図である。
【図７】図６のライン７−７に沿った断面図である。
【図８】典型的なディーゼルエンジンが動作しているサイクルの間に有効な燃焼に遭遇する確率を例示する概略図である。
【図９】３００℃〜３３０℃での燃焼の典型的結果及び経時的に対応する背圧低下を示す概略図である。
【図１０】ディーゼルエンジン用処理システムによる排気の概略図であり、該システムは、ディーゼル微粒子がディーゼルエンジンに伴って動作可能であることを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の記載は、本質的には例示のみであり、本開示、アプリケーション又は用途を制限することは目的としない。図面全体に、対応する参照番号は、同様又は対応する部分及び特徴を示すことを理解されたい。記載及び全ての特定の実施例は、本開示の実施形態を示すと共に、例示のみを目的として意図しており、本開示の範囲を制限する意図はない。さらに、記述した特徴を有する複数の実施形態の列挙は、付加的な特徴を有する他の実施形態、又は標準的特徴の異なる組み合わせを取り入れている他の実施形態を排除する意図はない。
【００１５】
いくつかの図にわたり同一又は対応する部分を参照番号が指定する、図面への一般的参照を用いて、本システムのディーゼル微粒子コンバータ（ＤＰＣ）及び本願の教示にしたがって構築されるものは、図示され、一般的に参照番号１０で識別される。本願の教示に係る、微粒子コンバータ１０は、ディーゼルエンジン、圧縮又は液化天然ガスエンジン等の、マイクロメートル未満又はナノサイズの粒子のかなりの量を有する内燃機関に対して利用できる。微粒子コンバータ１０は、少なくとも一つのキャンドル１２を含むことができる。図１は、例えば、単一のキャンドル１２を有する微粒子コンバータ１０を例示する。図６は、複数のキャンドル１２を有する微粒子コンバータ１０を例示する。
【００１６】
（Ａ．キャンドル）
図１及び図２を特に参照し、微粒子コンバータ１０のキャンドル１２は、ハウジング１４に取り付けられることが示され、一般的に、管状部材２６によって画定されるキャンドル内部の中心に、取り込む排気ガスを一様に配分できる。本願の教示に関する限り、ハウジング１４及びハウジング１４内のキャンドル１２の取付けは、本願明細書に特に別途記載しない場合は、通常であることを理解されたい。
【００１７】
図１に、電源１６と共に動作可能なキャンドル１２を例示する。本システムは、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）を排気通路に含むことができる。図示のように、キャンドル１２は、ＤＯＣを組み込むことができる。加えて、キャンドル１２は、一般的に、スパーク阻止スクリーン２０、複合ワイヤメッシュ凝集器２２及び電気燃焼器２４を含むことができる。ＤＯＣは、エンジン排気温度プロフィールと協動し、複合ワイヤメッシュ凝集器２２、燃焼器ギャップ４５及び保持スクリーン４２の上流側でのすす塊の上でのすす燃焼のために、十分なＮＯ２を生成する。
【００１８】
キャンドル１２は、吸入ポート２８及び出口３０を画定する、一般的な管状部材２６を含むことができる。例えば、ディーゼルエンジンからの生の排気は、矢印Ａの方向に吸入ポート２８を通じてキャンドル１２に導入される。キャンドル１２は、フローディストリビュータ３２を伴ってもよい。フローディストリビュータ３２は、部材２６の範囲内に取り付けられ、生の排気フローを一様に放射状に導くよう動作してもよい。フローディストリビュータ３２は、一般的には円錐状又は円筒状の形状を有することができる。
【００１９】
筒状部材２６は、排気が半径方向に容易に流れるために、略その長さ部分に沿って穿孔されてもよい。この構成により、効果的に穿孔されたキャンドル長の適切な選択によって調節可能な、排気流速度の減速が行える。
【００２０】
図２のキャンドル１２の断面図に、おそらく最も具体的に示されるように、ディーゼル酸化触媒は、キャンドル１２の統合的な構成要素であってもよく、フィルタスクリーン１８の一以上の層で構築されてもよい。適切なフィルタスクリーン１８は、ダッチスクリーンとして当技術分野に周知である。しかしながら、他のスクリーンが用いられてもよい。この記載への追記として、ダッチスクリーンに対する全ての参照は、本願の教示の範囲内にある当技術分野に公知の他のスクリーン材料に置き換えてもよいことを理解されたい。
【００２１】
ダッチスクリーン１８の放射状の層は、すすの集積を最低に制限するサイズの開口部を含み、高温のスラグを停止させ冷却するための屈曲した流路を生成し、キャンドル１２における自然発火を防止できる。任意の数の放射状に配置された層を使用できるが、特定の実施形態においては、ダッチスクリーンは２〜５の包囲物を含んでもよい。スクリーン１８は、スクリーン上でのガスと触媒サイトとの間の衝突及び交換を強化するために、プラチナで被覆されてもよい。スクリーンは、触媒表面積を増大するアルミナ等の洗浄コートを有してもよい。あるいは、電気メッキによって、直接的に金属スクリーンに貴金属触媒を塗布することができる。これにより、触媒化されたダッチスクリーン１８は、ディーゼル酸化触媒として機能する。しかしながら、これは、同じキャンドル構造に統合される。さらに、このスクリーンは、剛性ワイヤメッシュマトリクスを画定するようなやり方で、焼結、ろう付け又は製造されてもよい。
【００２２】
剛性ワイヤメッシュマトリクス（編線又は研削した導線）からＤＯＣを構築することは、触媒反応に付加的な強化をもたらし、性能を強化した。古典的なＤＯＣは、６．４５平方センチメートル（平方インチ）あたり２００本に達することができる、金属又はセラミックの直線的なフローチャネルから構成される。このような小サイズのフローチャネルは、乱流から層流の条件まで排気フローを変換する。層流のフロー条件は、排気と触媒サイトとの間の反応に対しては効果的ではない。他方、剛性ワイヤメッシュマトリクスは、乱流を増加させ、局所的な乱流を追加する。これは、触媒活性を増加し、貴金属含有量を低減し、触媒性能を改善できる。
【００２３】
触媒化されたスクリーン１８は、いくつかの実施形態において、ハードウェアの除去及び空間的制約の解決により、効果的にコスト低下を提供できる。スクリーン１８は、排気温度により、ＨＣ及びＣＯの低減、並びにＮＯのＮＯ２への緩やかな変換を、さらに提供する。スクリーンの統合における最も望ましくない影響は、触媒活性の抗力を低下させるキャンドルでのすすの自然発火を警戒するために、排気温度を低下させることに関する。しかしながら、ピーク温度を低下させることにより、触媒の耐久性を延長できる。
【００２４】
キャンドル１２は、加えて、中間スクリーン２０の形式で第二の放射状の層を含むことができる。中間スクリーンは、ダッチスクリーン１８の後に差し込まれ、スパーク停止器として機能できる。スパーク阻止スクリーン２０は、熱スタビライザと交換可能に使用できる。スクリーン２０は、すすの集積を最小化するための広い開口部と、触媒反応から発生するいかなるホットスポットも冷却する目的の屈曲した流路とを有するように選択できる。一つのやり方においては、スパーク阻止スクリーン２０は、貴金属スクリーン１８と複合ワイヤメッシュ又はワイヤメッシュ凝集器２２との間の、すすの自然発火の可能性を実質的に低下するための、緩衝器として機能することができる。複合ワイヤメッシュ媒体２２は、スパーク停止器２０に後続することができる。この点に関し、キャンドル１２は、ワイヤメッシュ凝集器２２の形式で、第三の放射状の層を備える。
【００２５】
キャンドル１２は、加えて、ワイヤメッシュメディア２２の外側に放射状に配置される接地スクリーン（ｇｒｏｕｎｄ  ｓｃｒｅｅｎ）３６を含むことができる。接地スクリーン２２は、より大きな開口部を画定できる。例えば、接地スクリーン３６は、複合ワイヤメッシュ２２の回りに包囲される、単純な４０×４０メッシュを含んでもよい。一つ又は複数の包囲物が許容できる。スクリーン３６は、凝集した粒子を通過させることができるが、燃焼器２４にトラップされるすすに対して、適切な接地電圧の接触をもたらすことができる。
【００２６】
キャンドル１２は、ダッチスクリーン４２が後続するセラミック系セパレータ４０を、追加的に備えることができる。燃焼器２４は、接地スクリーン３６、セパレータ４０及びダッチスクリーン４２によって画定されてもよい。卑金属触媒４４は、燃焼器２４に埋め込まれてもよい。セラミックセパレータ４０の機能は、固定ギャップ４５の確立によって、最外部のダッチスクリーン４２と接地スクリーン４０との間に電気的絶縁を設けることである。セラミックセパレータ４０は、セラミックスレッド又はセラミックネットの形式で使用されてもよく、この場合に燃焼器ギャップ４５にすす塊を集積できる広い開口部を提供する。燃焼器ギャップ４５は、スクリーン３６とスクリーン４２との間の半径方向の距離として定義されてもよい。
【００２７】
ギャップ４５のサイズは、可能な限り小さく選択できる。この点に関し、最も小さいサイズは、結果的に電気的な短絡を生じる可能性のある寸法の許容範囲によって制限される。最小限のギャップサイズは、略０．０１インチ（０．２５ｍｍ）とすることができるが、製造上の許容範囲がより厳しい水準で達成されるならば、より小さいギャップが使用できる。ギャップサイズの増大は望ましくない場合がある一方で、いくつかのアプリケーションにおいては、略０．０２インチ（０．５ｍｍ）以下又はより広いギャップサイズが許容できる場合がある。
【００２８】
ダッチスクリーン４２は、小さい開口部を有するように選択できる。この点に関し、開口部は、凝集した粒子を効果的に取り込んで塊を形成するために、略７０マイクロメートルの開口部としてもよい。複合ワイヤメッシュメディア２２から移動する集積したすす粒子は、１００マイクロメートル以上ものサイズを有する場合がある。これらの大粒子は、ダッチスクリーンの上流の側面に容易にトラップできる。反復試験は、すす塊の集積は、厚さ０．５ｍｍ以上に達することを示す。塊の集積は、燃焼器における排気ガス速度が低いことを通じて支援される。様々な排気速度を生じるオンロード及びオフロードのエンジン動作サイクルは、大部分の時間の間に、燃焼器ギャップにすす塊を形成する集積すすの捕獲を、適切に確実に行うよう選択できる。常に塊の厚さを最小に維持することは、これが高いすす濾過効果を効果的に生じるフィルタとして機能することから、望ましい。
【００２９】
すす塊は、蓄積し続けるにつれて、燃焼器のギャップをすす塊が埋めるまで徹底して集積する。すすの堆積は全体としては均一ではないが、すす塊の密度はすすの集積の増加と共に上昇する。すす塊が接地スクリーン３６に触れると、二つのダッチスクリーン間の電気抵抗が確立される。すすの密度に依存するが、二つの向き合ったダッチスクリーンの間ですすの電気的接触が増すにつれて、電気抵抗は低下する。例えば、長さ１８インチ（４５．７ｃｍ）及び燃焼器直径３インチ（７．６２ｃｍ）のキャンドル１２の上では、抵抗は１〜２オームに達する。さらに、排気温度が増加するにつれて、同じすす塊に対して測定される電気抵抗は大幅に低下することが分かっており、したがって電流の増加からより高速な燃焼がもたらされる。ワイヤメッシュ凝集器２２、燃焼器ギャップ及び保持スクリーン４２は、長い滞在時間を有するすす回収のための深いベッドを画定するように協動する。
【００３０】
すす塊の燃焼の支援には、ダッチスクリーンへの電力印加、及びすすの低速な燃焼を導く接地スクリーンの使用が、主要に寄与する。ＤＣ及びＡＣ電源を使用して試験を行い、燃焼プロセスの開始及び燃焼過程の継続にはＡＣがより効果的であることを見出した。小さな燃焼器ギャップ及び２００℃を超える温度について、低電圧が効果的であることを見出した。第一の目標は、大部分の移動体アプリケーションに一般的に用いられる、１２Ｖ〜４８ＶのＤＣを基本とする電力源を有することである。このため、パルス電源を開発した。より高い電源電圧は許容できるが、６０ボルトを超える電圧は破壊的である可能性があるため、望ましくない場合がある。
【００３１】
図６及び７に、本願の教示に係る、別の微粒子コンバータ１０を例示する。図６及び７の実施形態は、複数のキャンドル１２を取り入れることにより、前述の実施形態とは異なる。これらの実施形態の間での類似の要素を意味するため、同様の参照符号を用いた。図示のように、微粒子コンバータ１０は、３つのキャンドル１２を備えることができる。しかしながら、本願の教示の範囲内において、より多くの又はより少ない数のキャンドル１２を利用してもよいことを理解されたい。キャンドルの数は、ディーゼル発電機、機関車及び海洋アプリケーション等の、大きなディーゼルエンジンに要するのと同程度に多くすることが可能である。
【００３２】
（Ｂ．電源）
図３及び４を参照し、微粒子コンバータ１０用の電源は、ＤＣ電源１６とすることができる。ＤＣ電源１６は、１２Ｖから４８ＶまでのＤＣ電力とすることができる。ＤＣ電源１６は、チョッパー５０に供給することができる。チョッパー５０は、高電流出力５２に供給される出力を有する、可変周波数及びデューティサイクルのチョッパー５０とすることができる。チョッパー周波数及びデューティサイクルは、すすの乾燥と湿潤を対比する観点からのすすの構成に対して調整される。高電流出力５２は、燃焼器ダッチスクリーン４２に電気的に伝えることができる。
【００３３】
微粒子コンバータ１０は、燃焼用電力の印加を制御するための受動的制御システム又は構成６０を追加的に含むことができる。制御構成１６は、燃焼器２４全体の電気抵抗を連続的にモニタするための制御ロジックを含むことができる。燃焼器電力が切断されるときには、４００〜５００オームのオーダーの抵抗を組み込む別の電気回路が、燃焼器回路と直列接続されてもよく、等価な受動的方法でもよい。この回路は、１２ＶのＤＣを電力供給され、消費電力値は非常に小さくすることができる（例えば、略０．１ワット）。燃焼器２４全体の電圧の測定は、燃焼器抵抗を表す。燃焼器電圧が高いことは、燃焼器抵抗が高いことを表し、逆も同様である。燃焼器２４全体の電気抵抗が所定値又は確立した閾値を下回るときに、高電流出力５２を燃焼器２４に接続するようトリガしてもよい。パルス化ＤＣ電源が印加され、略３０〜４０アンペアの高電流を、すす塊を燃焼する燃焼器２４に突入させることができる。電源のサイクルは、予め選択された時間の間に持続することができる。予め選択された時間の期間は、例えば、略５分のように、短くすることができる。このサイクルの最後に、燃焼器２４の電気抵抗が再び測定され、これが確立した閾値を下回るときには、閾値を超える燃焼器２４の電気抵抗増加により表されるすすが燃焼されるまで、直ちに別の電力サイクルの開始等が行われる。閾値は燃焼器の表面積に依存するが、典型的な抵抗は、０．５〜１．０オームである。表面積が広いほど閾値は低く、逆も同様である。すす塊は常に維持され、開回路の閾値を生じる小さな深さのみが燃焼されることに注意すべきである。
【００３４】
電源は、複数のキャンドル応用に対してアップグレードすることができ、大きなディーゼルエンジンに対しては典型的である。図５に、複数のキャンドル微粒子コンバータ１０（例えば、図６及び７の図示等）のための電源サイクルを例示する。電源は、キャンドル１２を所定の期間（例えば１０分）の間に順次接続することができ、次いで一つのキャンドル１２における電気抵抗を測定し、新規な電力サイクルを開始するかどうかについて処理を進行する。
【００３５】
（Ｃ．燃焼プロセス及び動作）
本明細書において定義する燃焼プロセスは、回収されて複合ワイヤメッシュ２２の両方に貯えられるすすが、燃焼器ギャップ４５内において、保持スクリーン４２の上流の側面上で、主にＣＯ２及びＨ２Ｏである無害の物質に酸化されうる低速な方法である。すすの酸化から生する発熱の熱は、排気ガスにより希釈される。燃焼プロセスの成功に寄与する要素は、四つある。これらの要素としては、以下が挙げられる。１）適度な排気温度、２）十分な量のＮＯ２の生成、３）燃焼器のギャップにおける卑金属触媒の使用、及び４）パルス化ＤＣ補助電力。記載の四つの要素の組み合わせが寄与することにより、ディーゼルエンジンのほとんど全ての駆動／操作サイクルにおける効果的な燃焼を、統計学的に高確率で達成できる。正味の効果は、回収されるすすと燃焼されるすすとの間の均衡を達成することである。過剰なすす回収又は過剰なすす燃焼の条件は、いずれも望ましくない。本願の教示が、四つの要素を全て含むのではない様々なシステムで使用してもよいことは、いうまでもない。２００℃の低温においても、燃焼は発生するが、ずっと低速となる。３５０℃に近い温度において、ＮＯ２及び卑金属触媒の存在により、完全な燃焼が達成される。排気温度が３５０℃に接近するときには、電気燃焼の必要はなく、結果として、電力チョッパーは自動的に切断される。これは、コンバータ入口において排気温度の読み取りが３５０℃となるいくつかの応用に関して、燃料ペナルティを０．１％と見積もられる低レベルに下げる効果的がある。
【００３６】
電源は、燃焼を維持するための十分な熱を供給できるが、低い排気温度（例えば１００℃）は、非常に低速かつ不十分な燃焼の状態を生じる。このような長期に及ぶエンジン動作条件は、例えば３０〜５０時間等では、発生確率が低い。実際には、長期に及ぶ低温排気によって有効な燃焼が不足することにより、キャンドル全体の背圧の増加を生じる可能性がある。このような状況がさらに長びく場合には、燃焼器の上の大きなすす粒子は、燃焼器ダッチスクリーンを通じて自動的に放出され、過剰な背圧の一部を軽減する。このような放出された微粒子は、サイズが大きく、ＰＭ１０及びＰＭ２．５の定義を外れるため、定義上は微粒子汚染を構成しない。さらに、微粒子コンバータは、このような低確率の事象においてはエンジン動作の妨害にならず、大部分の微粒子フィルタの場合のようには詰まりの原因とならない。
【００３７】
複合ワイヤメッシュメディア２２並びに燃焼器２４の微粒子の貯蔵容量は、ウォールスルートラップと比較して、非常に大きい。これは、長期間のアイドリング又は低いエンジン負荷等の通常ではないエンジン動作条件が過剰であること、すなわちセラミックトラップと比較してエンジン性能の厳密さが低くなるという効果をもたらす。エンジン負荷が上昇し、排気温度が３００℃から３７５℃に達すると、通常の背圧に対する補正が行われる。
【００３８】
パルス化ＤＣ形式による電力消費は、すすの加熱のみに、Ｏ２及びＮＯ２が存在する場合に用いられ、燃焼メカニズムを効率的にすることに注意されたい。しかしながら、１）排気フロー冷却効果、及び２）燃焼器上の局在を通じて電気的な熱損失に遭遇する場合があり、この場合に、電気抵抗は比較的高く、結果的に電流は小さく、今度は、燃焼は低速化される。連続的なやり方で燃焼器の電気抵抗をモニタすることにより、燃焼の確率に達するときに自動的にパルス化電力が接続される。これにより、電力消費は非常に低レベルに制限され、大部分の移動体アプリケーションにおいて見積もられる燃料ペナルティは約０．１％である。コンバータ入口において排気温度が３００℃から３７５℃に達すると、これは大部分の移動体アプリケーションにおいて典型的であるが、ＮＯ２によるすす酸化は、電力の支援なしに、蓄積されたすすを十分に清浄化する。ディーゼルエンジン由来のＮＯ２は、通常、全ＮＯｘの約１０％である。あるＤＯＣを追加することにより、温度に依存するが、ＮＯ２比率を３０−５０％に増やすことができる。これは、当該３００〜３７５℃の温度が時間の１０〜２０％であれば、典型的である。３００℃未満の駆動サイクルにおいて、電力供給は、必要の発生に応じて自動的に、燃焼を支援することになる。
【００３９】
卑金属触媒は、導線又はスクリーンの形式で使用され、鉄、銅、バナジウム、カルシウム、マグネシウム等の単元素又はこれらの組み合わせを使用できる。触媒は、巻線の形式、又は上流をセラミック導線もしくはネット（図示せず）で覆われたスクリーンの形式とすることができる。卑金属触媒の選択において、このような動作環境では、これは急速に酸化されうる。したがって、触媒スクリーンの厚みは、燃焼器の全ギャップ厚を小さく保つために、非常に小さくなければならない。この基準によれば、金属触媒は、厚さ約０．００５インチ（０．１ｍｍ）であることが最も好ましい。卑金属触媒は、すすの発火温度を低下することに効果的であり、したがって有効な燃焼領域を非常に拡大する。
【００４０】
図１０の概略図を参照すると、本願の教示を有する構造のディーゼルエンジン用の後処理システム１００が例示される。システム１００は、ディーゼルエンジン１０２と共に動作可能であることが示される。ディーゼルエンジン１０２は、いかなる種類でもよいが、特に高い排気温度プロフィールを有するディーゼルエンジンを含むことができる。
【００４１】
ディーゼルエンジン排気は、冷却パイプ１０３を通じてシステム１００に導入できる。放射状の冷却パイプ１０３は、最大温度を中間レベルに制限するよう設計されてもよい。この点に関し、例えば、約７００℃〜７５０℃の排気温度は、略４００℃に低下されてもよい。
【００４２】
移動体アプリケーション等の過渡的な動作モードを経験するエンジンは、高い熱慣性を有する熱スタビライザを組み込むことができる。この点に関し、排気温度の変動を平均するために、熱スタビライザ１０４が設けられてもよい。このようなスタビライザは、高い熱慣性、すなわち圧力低下を減少するための高い透過性、及び温度の変動を低下させるための良好な熱伝導率を提供する、十分な重量を有する焼結した金属編線で構築することができる。編線は、加熱及び冷却の二つの方向で排気ガスと迅速に熱を交換できる。その結果、変動及び過渡的な排気温度ピークと低下が平坦化され、平均化される。ピーク温度は燃焼の無制御を導き、低温では燃焼を発生しないため、この結果は、燃焼のための排気温度特定をより望ましくする。熱スタビライザ１０４は、本願明細書において特に記載のない限り、従来型であると理解されたい。
【００４３】
システム１００は、排気への大気の注入のためのブロワ、排気への水の注入のためのポンプ、及び変調されたエアファンを用いて動作する排気／外気熱交換器からなる群から選択される少なくとも一つの冷却装置を含むことができる。この点に関し、ブロワ１０５は、ディーゼル酸化触媒１０７の前で外側の冷却空気を注入するために設けることができる。ブロワ１０５は、コンバータ内のすすの保持を閾値以上に維持し、自然発生的な燃焼を回避するために、後述する方法で制御されてもよい。簡潔には、ブロワ１０５は、すすの集積サイクルが望ましいときに、必要に応じて電子制御モジュール１０６により起動できる。後述するように、ブロワ１０５は、ディーゼル微粒子コンバータ１１０全体の圧力及びコンバータ１１０の吸入温度の関数として、電子制御モジュール１０６により制御できる。
【００４４】
いくつかの酸化触媒（ＤＯＣ）は、活性の高いディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）と結合されるときに、非常に効果的であるが一次的な燃焼をもたらすことのできる、高温の排気特性を有するという特徴がある。例えば、ある酸化触媒は、１５０℃から１７５℃の排気温度で、ＮＯからＮＯ２への２５％の変換効率を提供できる。このような変換効率により、適切な燃焼をもたらすことができる。より高い排気温度においては、転換はより高率であり、燃焼率はより高い。過剰な燃焼は、回収効率の低下を導く可能性がある。したがって、過渡的並びに定常状態において動作するエンジンに対して、すすの回収効率及び付随する背圧を確実に最適条件に維持する燃焼過程の制御手段を設けることが望ましい。
【００４５】
前述のように、システム１００は、排気ガス温度の制御のためのフィードバック制御システムを備えることができる。フィードバック制御システムは、所与のエンジンＲＰＭ及びコンバータ吸入温度において、背圧を最適レベルに維持することに基づき、閉ループ制御ロジックを備えることができる。この点に関し、フィードバック制御システムは、ＤＰＣ全体の圧力低下、ＤＰＣの前の温度及びエンジンＲＰＭを含む要因に基づいて、排気ガス温度を制御できる。フィードバック制御システムは、排気温度をモニタし、予め定められた状況に応じて冷却を提供する用に動作してもよい。コンバータの前の温度及びエンジンＲＰＭ等の所与のエンジン動作条件において、測定される圧力低下は、特定の圧力低下と相関し、かつ対照の圧力低下データに対して比較される必要がある。このような対照の圧力低下データは、ある温度及びエンジンＲＰＭにおける参照テーブルとして提供されてもよい。評価を目的として、特定の圧力低下は、対照状況における等価な圧力低下と比較される。
【００４６】
最適コンバータ条件は、最良のすす低下効率及び合理的な圧力低下を基本として、マッピングによって確立することができる。排気冷却の制御のための様々な代替物が、許容されてもよい。例えば、外気又は水等の、冷えた流体の注入が効果的である場合がある。あるいは、排気の対流冷却を提供する、変調されたエアファンを用いて動作する排気／外気熱交換器も、効果的である。
【００４７】
ＥＣＵ１０６は、第一の信号に応答して、冷却空気を導入するためのブロワ１０５を制御するように動作できる。第一の信号は、予め定められた圧力に応じて生成できる。この圧力は、差動圧力センサ１０９によってディーゼル微粒子コンバータ１１０の全体にわたって測定される。ディーゼル微粒子コンバータは、上述と類似していてもよい。背圧が目標よりも低い場合には、ディーゼル微粒子コンバータは、すすを蓄積できる。これは、冷却モードの起動により燃焼を制限することによって達成される。他方では、背圧が目標の圧力よりも高い場合には、冷却モードを停止することにより、目標背圧に達するまで、燃焼が許容される。相関する背圧の目標の背圧からの変動は、１０〜２０％までが許容される。ある意味では、このような制御プロセスは、加熱システムにおけるサーモスタットの制御機能と類似している。
【００４８】
主題の制御機能は、燃焼の発生を許容するか、又は燃焼を最低限に抑制／制限することによって達成される。これは、すすの蓄積のための最低レベルに排気ガスを冷やすことによって達成される。あるいは、最大の燃焼を提供するために、排気ガス温度の上昇が許容される。有効で単純な方法は、ＤＯＣ１０７の前の排気装置に、ブロワ１０５を用いて外気を注入することである。注入される空気は、最大効率となるよう調整できる。熱スタビライザを用いる場合には、排気温度の変動が低下するため、ブロワの応答時間はあまり重要ではなくなる。注入される空気の量は、通常は１０％未満等の、少量である。
【００４９】
システム１００は、全てのエンジン動作状態の最高排気温度が、無制御の燃焼を生じうる、ある閾値レベルを超えないことを確実にするために、ＤＰＣ１１０の前に排気温度を測定するための安全機能を備えることができる。この点に関し、コンバータの前の温度は、モニタされ、予め定められた設定温度と比較される。この信号は、予め定められた入口の温度に応答して、ＤＰＣ１１０の吸入部分に配置される温度センサ１０８によって生成できる。排気温度が高いときには、この効果は、潜在的に、加速されるか無制御の燃焼（無制御の再生と等価）に導かれる場合がある。このような温度条件が起きるときには、コンバータ１１０全体の背圧に関わらず、コンバータ１１０の前での安全な排気温度の閾値に達するまで、温度を低下させるために、ブロワによる最大の空気注入が適用される。
【００５０】
動作中には、フィードバック制御システムは、ＤＰＣ全体の圧力低下をモニタすること、すなわちＤＰＣ及びエンジンＲＰＭの前で温度信号をモニタすることによって、有効な燃焼を提供するように動作できる。フィードバック制御システムは、所与のエンジン動作条件における特定の圧力低下を算出し、これを閾値データと比較することができる。閾値データは、例えば、参照テーブルから取り出すことができる。この点に関し、モニタされる特定の圧力低下が予め定められた特定の圧力低下を下回るとき、及びモニタされる温度がコンバータの最適性能を維持するための予め定められた温度閾値を超えるときに、フィードバック制御システムは、排気冷却機能を制御するように動作できる。
【００５１】
様々な実施例において、本願の教示は、能動部品、センサ及び電気構成要素を含まない受動装置であるＤＰＣを提供する。全体のステム動作は、エンジン動作から完全に独立していてもよい。システムは、マイクロメートル未満及び非粒状物に対して、９５〜９９％に達する非常に高い凝集効率を有することができる。これらの凝集粒子の大部分は、無害な副産物に燃焼される。この分野において相当する装置の場合のように、いくつかの粒子は、テールパイプに漏洩する。このような粒子はサイズが大きく、そのサイズがＰＭ１０標準に対して１０マイクロメートルを上回る場合、及びＰＭ２．５標準に対して２．５マイクロメートルを上回る場合には、微粒子の汚染を構成しない。その結果、コンバータは、二組の微粒子低減効率、すなわち測定される効率（漏洩する全粒子に基づく）と承認される効率（大きな粒子の重量を差し引いて測定される）とを有する。
【００５２】
本願明細書に記載するシステムは、ＤＰＣからディーゼルエンジンに出る排気と流体接続する排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムと、ＤＰＣからＥＧＲシステムへの排気ガスを選択的に方向転換するバルブとを、さらに含むことができ、吸入エアに注入されるエンジンの排気ガスは、サブクール（ｓｕｂｃｏｏｌ）され、略全ての漏洩粒子を清浄化する。このようなシステムの追加は、低圧ＥＧＲシステムと呼ばれる。低圧ＥＧＲシステムは、高圧システムでは達成できない、エンジンの空気入口における注入前のガスの清浄化及びサブクールを提供するため、高圧ＥＧＲシステムと比較すると、このようなシステムは、優れた性能を発揮する。このＥＧＲシステムは、米国特許第７２６６９４３号に記載されたＥＲＧシステムと実質的に類似していてもよい。米国特許第７２６６９４３号は、参照により本願明細書に全体を援用する。
【００５３】
特定の実施例を本明細書に記載し、図面に例示してきたが、当業者であれば、様々な変更が行われてもよいこと、及び特許請求の範囲に定義される本発明の教示の範囲を逸脱することなくその要素に対して等価物が置き換えられてもよいことを理解する。さらにまた、様々な実施例の間で、特徴、要素及び／又は機能を混合して整合することは、本願明細書において明確に想定されているので、当業者であれば、特に別途記載のない限り、一つの実施例の特徴、要素及び／又は機能が、必要に応じて別の実施例に取り込まれてもよいことを、本発明の教示から考慮する。さらに、特定の状況又は材料を本発明の教示に対してその基本的な範囲から逸脱することなく適合するために、多くの変形が行われてもよい。したがって、本発明の教示は、本発明の教示を実行するために現在想定される最良モードとして図面に図示され明細書に記載される特定の実施例には限定されないこと、しかし、本開示の範囲は、前述の記載及び全ての添付図面の範囲内にしたがう全ての実施形態を含むことが、意図されてよい。
【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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【図１０】
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【国際調査報告】
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