(57)【要約】一般に、気体燃料の燃焼の間に生成する排気ガスを処理するために用いられるＮＯＸ吸着装置を、再生する方法に関する。改質装置または排気管の中へメタンを導入し、そこで改質の間に発生する水素を用いてＮＯＸ吸収装置を再生する。
2006512523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室における燃料燃焼によって生成する排気ガスからＮＯＸを除去するために用いるＮＯＸ吸着装置を再生する方法において、
前記燃焼室から排気管の前記ＮＯＸ吸着装置へ前記排気ガスを運ぶステップと、
水素を発生させるために第１の量の気体炭化水素を改質するステップと、
前記燃焼室の下流かつ前記ＮＯＸ吸着装置の上流で一定量の前記排気ガスを採取し、前記一定量の排気ガスにおける酸素濃度を減少し、および前記一定量の排気ガスを前記水素と混合することによって、再生混合気を生成するステップと、
前記ＮＯＸ吸着装置を再生するために前記再生混合気を前記ＮＯＸ吸着装置の中へ案内するステップとを備える方法。
【請求項２】
前記気体炭化水素はメタンを含有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の量のメタンを改質するステップは排気ガス雰囲気において実施される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記一定量の排気ガスにおける前記酸素濃度を減少させるために第２の量のメタンを酸化するステップを備える請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記一定量の排気ガスにおける前記酸素濃度を減少させるために水素を酸化するステップを備える請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の量のメタンは前記第２の量のメタンの酸化されていない残余の部分を含有する請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記再生混合気を生成するステップは前記排気管中で実施される請求項２に記載の方法。
【請求項８】
オフラインで前記第１の量のメタンを改質するステップを備える請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の量のメタンを改質するステップの前に、前記第１の量のメタンを加熱するステップを備える請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記加熱するステップは加熱装置を運転することによって実施される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記加熱するステップは前記排気ガスとの熱交換を可能にすることによって実施される請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
水素の酸化により前記第２の量のメタンを加熱し、それによって前記第２の量のメタンの酸化が開始されるステップを備える請求項４に記載の方法。
【請求項１３】
再生サイクルの間に前記ＮＯＸ吸着装置を迂回して第２の量の排気ガスをバイパスするステップを備える請求項２乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記再生サイクルの間に排出ガス再循環を利用するステップを備える請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
第３の量のメタンを酸化装置の中に案内することによって前記再生サイクルの開始の前に前記酸化装置を加温するステップを備える請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
内燃機関システムにおける燃焼室内での燃料燃焼の間に生成する排気ガス中のＮＯＸを処理する後処理システムにおいて、
前記燃焼室からＮＯＸ吸着装置へ排気ガスを運ぶように接続された排気管と、
前記燃焼室の下流かつ前記ＮＯＸ吸着装置の上流のある位置で第１の量の排気ガスを受取るように接続可能である酸化装置であって、前記第１の量の前記排気ガスにおける酸素濃度を減少させることが可能である酸化装置と、
前記ＮＯＸ吸着装置の上流の改質装置であって、気体炭化水素から水素を発生させることが可能である改質装置と、
気体炭化水素貯蔵装置から第１の量の前記気体炭化水素を改質装置へ送るように接続された第１の気体管と、
前記ＮＯＸ吸着装置の上流の前記排気管のある位置に再生混合気を案内するように接続された再生管であって、前記再生混合気は前記改質装置からの前記水素および前記酸化装置からの前記第１の量の排気ガスを含有する、再生管とを有する、後処理システム。
【請求項１７】
前記気体炭化水素はメタンを含有する請求項１６に記載の後処理システム。
【請求項１８】
前記改質装置は前記ＮＯＸ吸着装置の上流かつ前記酸化装置の下流に配置されている請求項１６または１７のいずれか一項に記載の後処理システム。
【請求項１９】
前記改質装置および前記酸化装置はＰＯＸの中に組み合わせられている請求項１７に記載の後処理システム。
【請求項２０】
前記酸化装置はメタン酸化触媒を有し、前記第１の気体管は前記酸化触媒へ第２の量のメタンを案内するように接続されている請求項１８に記載の後処理システム。
【請求項２１】
前記第１の量のメタンは前記酸化触媒で消費されていない残余の量の前記第２の量のメタンである請求項１９または２０に記載の後処理システム。
【請求項２２】
前記第２の量のメタンを前記酸化触媒へ送るように接続された第２の気体管を有する請求項２１に記載の後処理システム。
【請求項２３】
前記酸化触媒は金属基体を有する請求項１９乃至２２のいずれか一項に記載の後処理システム。
【請求項２４】
前記排気ガスから前記改質装置へ熱を輸送するための熱交換装置を有する請求項１７に記載の後処理システム。
【請求項２５】
前記改質装置を加熱するための加熱装置を有する請求項１７に記載の後処理システム。
【請求項２６】
前記改質装置と前記酸化装置の上流の前記第１の量の前記排気ガスとのうちの少なくとも１つを加熱するための加熱装置を有する請求項１７に記載の後処理システム。
【請求項２７】
前記改質装置はオフラインであり、前記後処理システムは、
第２の酸化装置および一定量の空気のうちの少なくとも１つを加熱するための加熱装置と、
加熱された前記空気を前記改質装置へ案内することが可能である空気管とを有する、請求項１７に記載の後処理システム。
【請求項２８】
前記第２の酸化装置および前記改質装置はＰＯＸの中に組み合わせられている請求項２７に記載の後処理システム。
【請求項２９】
前記第１の気体管は前記酸化触媒の上流で前記空気管の中へ第２の量のメタンを導入するように接続されている請求項２７に記載の後処理システム。
【請求項３０】
加熱された前記第２の酸化装置は前記空気中でメタンを酸化することが可能であり、前記第１の気体管は前記第２の酸化装置へ前記メタンを案内する、請求項２７に記載の後処理システム。
【請求項３１】
前記酸化装置の下流かつ前記改質装置の上流で前記炭化水素貯蔵装置から前記空気管へ第２の量のメタンを案内するように接続された第２の気体管を有する、請求項２７に記載の後処理システム。
【請求項３２】
前記ＮＯＸ吸着装置を迂回して第２の量の排気ガスを案内するためのバイパス管を有する請求項１７に記載の後処理システム。
【請求項３３】
内燃機関システムにおける燃焼室内での燃料燃焼の間に生成する排気ガス中のＮＯＸを処理する後処理システムにおいて、
前記燃焼室からＮＯＸ吸着装置へ排気ガスを運ぶように接続された排気管と、
気体炭化水素から水素を発生させることが可能である改質装置と、
第１の量の空気における酸素濃度を減少させることが可能である酸化装置と、
気体炭化水素貯蔵装置から前記改質装置へ第１の量の前記気体炭化水素を送るように接続された第１の気体管と、
前記ＮＯＸ吸着装置の上流かつ前記燃焼室の下流で前記排気管の中へ再生混合気を導入するように接続された再生管とを有し、前記再生混合気は前記改質装置からの前記水素と前記酸化装置からの前記第１の量の空気とを含有し、前記改質装置および前記酸化装置は前記再生管に配置されている、後処理システム。
【請求項３４】
前記酸化装置の出口は前記改質装置の入口に接続されており、かつ前記改質装置の出口は前記再生管に接続されている請求項３３に記載の後処理システム。
【請求項３５】
前記燃料は気体燃料である請求項１７乃至３４のいずれか一項に記載の後処理システム。
【請求項３６】
前記気体燃料はメタンを含有する請求項３５に記載の後処理システム。
【請求項３７】
前記気体燃料は前記気体炭化水素を含有する請求項３５に記載の後処理システム。
【請求項３８】
前記気体燃料は前記燃焼室の中へ直接噴射される請求項３５乃至３７のいずれか一項に記載の後処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関において用いられるＮＯＸ吸収装置を再生する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関における排出制御は、運輸およびエネルギー用途において次第に重要性を増している。排出制御は、特にディーゼル機関において重要性を増している。懸念される汚染物質の１つは窒素酸化物（ＮＯＸ）である。ＮＯＸは内燃機関における燃料の燃焼によって発生する。
【０００３】
ＮＯＸを削減するための後処理システムは、全ての種類の燃焼プロセスにおいて重要である。ＮＯＸ処理システムの１つは、リーンＮＯＸ吸着装置（ＬＮＡ）である。ＬＮＡシステムは定期的に再生される必要がある。すなわち、長期にわたってさらにＮＯＸを除去することを可能にするためには、ＮＯＸトラップを還元剤で処理する必要がある。一般に、機関運転時間のうちの５％より短い期間で再生が確実に起こることが好適である。そのようにして、効率的な再生手段が使用されることを確実にすることは重要である。
【０００４】
例として、特許文献１で述べられているように、ＮＯＸトラップ再生用の種々の還元剤が利用可能である。例として、多くの炭化水素、一酸化炭素（ＣＯ）および水素が、還元剤として使用可能である。水素は還元剤として特に効果的である。このことは特許文献２に参照される。発生する排出物の点でも水素は利点を有する。還元剤として水素が用いられる時には、水および窒素が発生する。他の炭素系還元剤は、他の排出物を発生する傾向にある。例えば、還元剤としてＣＯを用いると、温室効果ガスである二酸化炭素が生成する。
【０００５】
水素を貯蔵することは困難であり、一般に容易には利用可能でない。しかしながら内燃機関では典型的に炭化水素が燃料として用いられるので、炭化水素は容易に利用可能である。炭化水素は水素原子を含んでいるので、水素供給源を提供し得る。炭化水素燃料は改質装置を通過して水素を生じ得る。
【０００６】
ディーゼル燃料圧縮点火機関においては、炭化水素が豊富にあるのはディーゼル燃料である。しかしながら、ディーゼル燃料は理想的な水素供給源ではない。ディーゼル燃料には硫黄分が比較的多く、そのため改質装置に関する硫黄分処理の問題を生じ得る。また、部分酸化触媒（ＰＯＸ）を用いてディーゼル燃料を部分酸化して水素を得るには、８００℃を超える温度が必要である。そのような温度を発生するために、多くの場合、余分なエネルギーが必要であるのに加えて、そのような温度によって、ディーゼル燃料の改質装置に用いるのに適切な材料もほぼ限定される。このように、ディーゼル燃料を改質または部分的に酸化して水素を得るための運転手順は、工業的に有意には許容されていない。
【０００７】
上述のように、炭化水素による改質には硫黄分処理が必要である。硫黄汚染物質は、Ｎｉ系改質装置を被毒することによって、その性能を損ない得る。
ＮＯＸ排出は燃焼プロセスを制御することによってもまた削減され得る。分子量の大きな炭化水素に代えて、ある種の気体燃料を用いることによって、ＮＯＸ排出を削減可能である。そのような燃料の例には、天然ガス、メタン、およびプロパンが含まれる。しかしながら、気体燃料を用いた場合でもＮＯＸ排出は有意である。
【特許文献１】国際公開第００／７６６３７号パンフレット
【特許文献２】米国特許第５，９５３，９１１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
気体燃焼プロセスの開発においても、ＮＯＸ排出問題を取り扱うことが試みられている。火花点火の気体燃料機関では、空気および気体燃料からなる予混合給気が燃焼室内で点火されて、ＮＯＸはさらに削減される。しかしながら、ディーゼル燃料の圧縮点火機関と比較した時には、そのような機関の性能に対応する不利な点がある。
【０００９】
幾つかの種類の気体燃料圧縮点火機関では、性能または効率において犠牲を払うことなく、ディーゼル燃料の代わりに気体燃料を用いることが可能である。詳細には本明細書で高圧直接噴射ガス機関と称する気体燃料燃焼機関は、当業者には公知である。高圧で直接噴射された気体燃料は、機関の燃焼室内に導入された少量のパイロット燃料などの点火源によって点火され、選択された気体燃料に基づいてＮＯＸ排出レベルを減少することによって、ディーゼル燃料機関を超える改良が得られる。そのような直接噴射の気体燃料機関は、火花点火の気体燃料機関には通常当てはまらないディーゼルの性能を維持するという追加の利点を有するが、火花点火機関と直接比較した時には、そのような機関はＮＯＸ排出において不利な点を有する場合が多い。高圧で直接噴射した一定量の気体燃料の燃焼では拡散燃焼が生じる。
拡散燃焼では、燃焼の大部分は局所的にほぼ化学量論的な反応領域で発生すると考えられている。温度は比較的高く、形成されるＮＯＸは比較的多い（リーンバーンＳＩ予混合燃焼による温度および形成されるＮＯＸと比較して）。
【００１０】
結局、気体燃料が用いられる時には、火花点火機関および高圧直接噴射の圧縮点火機関の両方でＮＯＸレベルをさらに制御する必要がある。
本発明は上記の問題のうちの幾つかに向けられている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下で本発明は、気体燃料内燃機関におけるＮＯＸ吸着装置再生に関する上述の問題を取り扱う。
本発明の一態様では、ＮＯＸ吸着装置を再生する方法が提供される。ＮＯＸ吸着装置は、内燃機関の燃焼室における燃料燃焼によって生成する排気ガスから、ＮＯＸを除去するために用いられる。この方法は、排気ガスを燃焼室から排気管の中へ案内するステップを備える。ＮＯＸ吸着装置は排気管に配置される。この方法は、水素を発生するために第１の量の気体炭化水素を改質し、再生混合気（regeneration mix）を生成する。再生混合気は、酸素濃度が低減されている一定量の排気ガスと、水素とを含有する。この方法は、再生混合気をＮＯＸ吸着装置の中へ案内する。
【００１２】
本発明の別の態様では、排気ガス中のＮＯＸを処理する後処理システムが提供される。排気ガスは、内燃機関システムの燃焼室内での燃料燃焼の間に生成する。後処理システムは、燃焼室から排気管に配置されたＮＯＸ吸着装置へ排気ガスを運ぶように接続された排気管と、一定量の酸化された排気ガスを与えることが可能である酸化装置と、気体炭化水素を用いて水素を発生することが可能である改質装置と、第１の量の気体炭化水素を気体炭化水素貯蔵装置から改質装置へ運ぶように接続された第１の気体管と、再生混合気をＮＯＸ吸着装置の上流の排気管へ運ぶように接続された再生管とを有する。再生混合気は水素と一定量の酸化された排気ガスとを含有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の態様および本発明の詳細な実施態様の特徴を以下でさらに説明する。
図面には、本発明の非限定的な実施態様を示す。
一般に、気体燃料の燃焼の間に生成する排気ガスを処理するために用いられるＮＯＸ吸
着装置を、再生する方法を開示する。改質装置または排気管の中へメタンを導入し、そこで改質の間に発生する水素を用いてＮＯＸ吸収装置を再生する。メタンを改質することによって、ＣＯもまた生成し得る。ＣＯもまたＮＯＸ吸収装置を再生するために用いられ得る。
【００１４】
図１は、本発明の一実施態様による再生システムの模式図である。機関排気管１０によって、矢印２０の方向に流れる排気ガスは、機関ブロック１１からＮＯＸ後処理システムへ運ばれる。後処理システムでは、排気ガスは矢印２３によって示されているように、排気管２７によってＮＯＸ吸収装置４６へ運ばれる。ＮＯＸ吸着装置４６はインレット４９およびアウトレット５１を有する。アウトレット５１を出たガスは、アウトレット管２１へ送られて、矢印３１の方向に流れる。
【００１５】
吸収装置４６が再生されている間に一定比率の排気ガスを吸着装置４６を迂回させて運ぶために、バイパス管１２が与えられる。排気ガスは、バイパス弁１４を開放することおよび弁２５を閉止することによって、矢印１８によって示されているようにバイパス管１２を通じて案内され得る。バイパス弁１４はバイパス管１２に沿った任意の場所に配置され得る。この実施態様では、バイパス管１２は、合流点１６で排気管２７から分岐し、ＮＯＸ吸着装置４６から下流にある合流点４８で排気管２７に再び合流する。
【００１６】
改質装置管２２は、合流点１６で排気管２７から分岐する。弁１３は、排気ガスの改質装置管２２の中への流れを制御する。酸化触媒４２および改質装置４４は、改質装置管２２で直列に接続されている。改質装置管２２を流れる任意のガスは、酸化触媒４２の触媒入口４１へ流入し、酸化触媒４２の触媒アウトレット４３から流出し、改質装置インレット４５へ流入し、改質装置４４を通じて、改質装置アウトレット４７から流出する。流れの方向は矢印５６によって示されている。改質装置管２２を流れるガスは、ＮＯＸ吸着装置４６から上流にある合流点５３で排気管２７と再び合流する。
【００１７】
メタンガスは、改質装置管２２にある酸化触媒４２の両側に配置されているメタン合流点２４および４０で導入され得る。合流点４０は、改質装置４４の上流であってかつ触媒４２の下流にある。合流点２４は酸化触媒４２の上流にある。
【００１８】
第１のメタン合流点２４では、改質装置管２２が上流メタン管２６に接続されている。上流弁２８は上流メタン管２６に配置されている。上流メタン管２６および下流メタン管３０は、主メタン管３４が延びている主メタン合流点３２で接続されている。メタン貯蔵装置３６は、矢印５０によって示されているようにメタン主管３４に流れ込んでいる。下流弁３８は下流メタン管３０に配置されている。下流メタン管３０は、第２のメタン合流点４０で改質装置管２２と合流している。メタンは、矢印５２および５４によって示されているように、上流メタン管２６および下流メタン管３０を通じて、改質装置管２２へ流れることが可能である。
【００１９】
図２では、改質装置管２２および排気管２７の幾つかの点で示される、再生サイクルの間の排気流の選択された特性の挙動をグラフで示している。機関出口Ａ、酸化触媒インレットＢ、酸化触媒アウトレットＣ、改質装置インレットＤ、改質装置アウトレットＥ、ＮＯＸ吸着装置インレットＦ、ＮＯＸ吸着装置アウトレットＧ、システム出口Ｈは、それぞれ図１における点１６，４１，４３，４５，４７，４９，５１，および４８の排気ガス特性を示すように全て与えられている。各段階において、Ｈ２濃度４００，ＣＯ濃度４０２，ＣＨ４濃度４０４，酸素濃度４０５，水分濃度４０７，および排気ガス温度４０６が与えられている。酸素濃度４０５および水分濃度４０７は、与えられた縮尺でそれらを表示することを可能にするために、実際の濃度よりも小さい大きさで与えられている。
【００２０】
図１および２のＮＯＸ後処理システムでは、排気ガスは、機関ブロック１１の機関排気管１０の上流に配置された１つ以上の燃焼室内での燃焼現象によって発生する。排気ガスは天然ガスの燃焼から生じる。一般に、気体燃料は燃焼室内へ直接噴射されて、または一定量の空気と予混合されて、煙霧給気（fumigated charge）を生成する。各々の場合において、燃焼室内で燃焼プロセスを開始するために、火花点火、グロープラグ、または圧縮点火が利用される。
【００２１】
機関を通常運転する間は、弁１４および１３は閉止されており、排気ガスは排気管２７に沿って流れる。排気ガスは、ＮＯＸを除去するＮＯＸ吸着装置４６を通過する。
最終的にＮＯＸ吸着装置４６は飽和される。通常運転の間、リーン運転条件下のＮＯＸ吸着装置では以下が進行してＮＯＸは（ＮＯ３）２になる。
【００２２】
ＮＯ  ＋  （１／２）Ｏ２  （Ｐｔ）  →  ＮＯ２        （１）
ＸＯ  ＋  ２ＮＯ２  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｘ（ＮＯ３）２        （２）
ＮＯＸ吸着装置４６がＸ（ＮＯ３）２で飽和された時には、再生される必要がある。再生サイクルが開始される。再生サイクルの間には、一定比率の排気ガスは迂回されてバイパス管１２を通じて流され、その間に改質装置によってメタンからＨ２およびＣＯが発生する。Ｈ２およびＣＯは、ＮＯＸを除去するＮＯＸ吸着装置４６を通過する。
【００２３】
排気管２７内部の雰囲気がリッチであることは、Ｈ２およびＣＯによってＮＯＸ吸着装置４６が確実に再生されることを補助するため好適である。これによって、酸化触媒４２では以下が起こる。
【００２４】
ＣＨ４  ＋  ２Ｏ２  →  ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ
改質装置４４では以下が起こる。
ＣＨ４  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ  ＋  ３Ｈ２
そのようなリッチ雰囲気においては、ＮＯＸ吸着装置では生成したＣＯおよびＨ２が再生に用いられ、以下が起こる。
【００２５】
Ｘ（ＮＯ３）２  →  ＸＯ  ＋  ２ＮＯ  ＋（３／２）Ｏ２        （３）
Ｘ（ＮＯ３）２  →  ＸＯ  ＋  ２ＮＯ２  ＋（１／２）Ｏ２        （４）
ＮＯ  ＋  Ｈ２  →  Ｈ２Ｏ  ＋  （１／２）Ｎ２        （５）
２ＮＯ２  ＋  ４Ｈ２  →  Ｎ２  ＋  ４Ｈ２Ｏ        （６）
ＮＯ  ＋  ＣＯ  （Ｒｈ）  →  （１／２）Ｎ２  ＋  ＣＯ２        （７）
ここで、Ｘはウォッシュコート中に存在する。
【００２６】
再生サイクルは、バイパス弁１４の開放によってＮＯＸ吸着装置４６を迂回させて幾らかの排気ガスを流すことと、弁１３の開放によって改質装置管２２の中に幾らかの排気ガスを流すこととによって開始される。一般に、全排気ガスのうちの一定割合が改質装置管２２を通じて流される。
【００２７】
酸化触媒４２の上流側および酸化触媒４２の下流側のうちの少なくとも１つに一定量のガスを確実に提供するために、再生の間に改質装置管２２を通じて導入される排気ガスの量によって、制御装置は蒸留弁２８および下流弁３０のうちの少なくとも１つを制御し、それらの弁を通じて一定量のメタン（または天然ガス）を案内する。天然ガスは、圧倒的に多くがメタンであり、より高分子量の幾つかの炭化水素、一般にはＣ２およびＣ３炭化水素を伴う。したがって、天然ガスが機関に燃料を供給している場合には、天然ガスを燃料貯蔵タンクから取り出すことが可能である。すなわち、メタン貯蔵装置３６は機関燃料タンクであり得る。
【００２８】
バイパス管１２は合流点５３の前の任意の点で排気管２７から分岐し得ることに留意する。
酸化触媒４２の目的は、排気ガス中の過剰な酸素を燃焼させることである（（ＮＯ３）２を放出する開始反応を進行させるためにはリッチ雰囲気が必要である。上記の反応式３および４を参照）。再生プロセスは、再生気流内の過剰な酸素に対してはそれほどの耐性を有さない。また、改質プロセスは非常に吸熱的であるので、改質装置４４を通じてメタンと共に排気流を導入する直前に、この排気流を加熱することは有用である。酸化触媒４２は、二重の機能を提供する。
【００２９】
改質装置４４および酸化触媒４２に対する熱応答を改良することから、好適には、例えばセラミック基体よりむしろ金属基体が用いられる。熱応答がより迅速になるほど、より迅速に再生プロセスを完了することが可能となり、バイパス管１２を通じて流される未処理の排気ガスの量は減少する。このことによって、燃料の使用法、すなわち再生で使用するのでなければ機関を駆動するために用いられ得る天然ガスを再生において使用すること、もまた改良される。
【００３０】
酸化触媒４２の前に導入される上流のメタン量は、ブロック１１から流出する排気ガスの特性に応じて調節され得る。例として、排気の流量が一定である一運転状況においては、Ｏ２含量が低いことおよび排気ガスが比較的高温であることのうちの少なくとも１つによって、上流弁２８を通じて酸化触媒４２の前の排気管２２の中へ流れるメタンの流量は減少されるであろう。燃焼室から排気管２２の上流部分の中へ流れる排気ガスが比較的低温であることおよび酸素が高濃度であることのうちの少なくとも１つによって、弁２８を通じて流れるメタンの流量は増大されるであろう。上流に導入されるメタン量はまた、排気の流量に応じても制御され得る。例として、この量は、機関の運転条件または燃焼プロセスに鑑みて、バイパス管１２を通過する量または燃焼の間に発生する量に依存し得る。
【００３１】
図１に示すようなインライン（in-line ）の構成においては、酸化触媒４２の中へ導入される排気ガスが所定の最低温度より高い温度を有し、触媒が初期に確実に「ライトオフされる（lit-off ）」ことが重要である。これを達成する一手段は、火花点火機関の場合にあり得るような比較的遅い熱放出が起きること、または再生が必要とされる出力ストローク遅くに、遅延されたすなわち第２の、燃焼室内への燃料の直接噴射が起きることを確実にする燃焼手順または燃焼タイミングを選択することである。これによって、再生の間にＮＯＸ処理されることなく一定量の排気ガスがバイパス管を通じて案内されるという利点を伴って、ＮＯＸレベルが減少され得る。ここで、減少されたＮＯＸレベルは利点を有する。他の手順は当業者には公知である。
【００３２】
同様に、下流弁３８を通るメタンの流量も、改質装置４４に流入する排気ガス中に必要なメタン量に応じて制御され得る。排気ガスは酸化触媒４２を通過した後にその特性が変化する。排気ガス中の酸素およびメタンは減少するであろう。これは触媒４２でメタンの酸化が起こるためである。このことによって酸素が消費される。メタンは、再生プロセスにおいては好適な成分であるＨ２およびＣＯの供給源を提供するように作用するが、改質装置４４中で必要なメタン量は、改質装置４４の上流の排気流中に存在する量によって決定される。好適なメタン量は、酸化触媒４２から流出するガス中に存在する量と、この最初に存在するメタン量、すなわち触媒４２で酸化されていないメタン量に鑑みたＨ２およびＣＯの好適な濃度とによって決定される。
【００３３】
酸化触媒４２を通過した排気ガスは、下流弁３８を通じてメタンを補充されて、改質装置４４を通過する。改質装置４４は、改質装置４４の下流にＨ２およびＣＯを提供するために、酸化触媒４２およびある場合には燃焼室で加熱された高温の排気ガスを利用して、改質装置管２２にある改質装置４４中でメタンの改質を進行させる。この気流は排気管２
７およびＮＯＸ吸着装置４６の中へ案内され、そこでＨ２およびＣＯによってＮＯＸ吸着装置４６が再生される。
【００３４】
下流管３０は任意であることに留意する。再生制御装置は、酸化触媒４２の通過後に充分なメタンが残留することを確実にするために、上流管２６を通じて充分なメタンを提供することが可能である。本発明の幾つかの実施態様では、触媒４２および改質装置４４はＰＯＸの中に組み合わせられてもよく、メタンがＰＯＸの上流に導入されてもよい。後処理システム内部に単一の要素としてＰＯＸが設けられてもよい。ＰＯＸは、独立型の上流の酸化触媒と共に用いられてもよく、触媒４２および改質装置４４の両方の機能を提供してもよい。
【００３５】
酸化触媒４２は、排気ガスとメタン貯蔵供給源３６から追加される任意の量のメタンとの温度を、改質に適切な温度まで上昇させるのに適切な任意の酸化触媒であってよい。例として、酸化触媒はＨＣ／ＣＯをＣＯ２／Ｈ２Ｏに変換し得る。
【００３６】
ＣｘＨｙ  ＋  （ｘ＋ｙ／４）Ｏ２  （Ｐｔ）  →  ｘＣＯ２  ＋  （ｙ／２）Ｈ２Ｏ
ＣｘＨｙ  ＋  （ｘ＋ｙ／４）Ｏ２  （Ｐｄ）  →  ｘＣＯ２  ＋  （ｙ／２）Ｈ２Ｏ
ＣＯ  ＋  （１／２）Ｏ２  →  ＣＯ２
単なる例として、ウォッシュコートは典型的にはゼオライト系またはＡｌ２Ｏ３である。他の適切なウォッシュコート配合もまた用いられ得る。
【００３７】
改質装置４４もまた、当該技術分野において見出されるものであり得る。好適には、改質装置４４は水およびメタンをＣＯおよびＨ２に変換するのに適している。例として、改質装置４４は、アルミン酸カルシウムまたはＡｌ２Ｏ３を含むウォッシュコート材料中に、Ｎｉ系触媒などの蒸気改質触媒を有し得る。
【００３８】
典型的には、ＮＯＸ吸着装置４６は、ＮＯ２が放出されるリーン条件下の運転の間に、触媒ウォッシュコートにＮＯＸを吸着および貯蔵し、水素およびリッチ排気ガスを含む再生混合気が吸着装置を通過するリッチ運転条件下でＮ２に還元する。上述の、リーン条件の下での典型的なＮＯＸ吸着装置の運転を以下に示す。
【００３９】
ＮＯ  ＋  （１／２）Ｏ２  （Ｐｔ）  →  ＮＯ２
ＸＯ  ＋  ２ＮＯ２  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｘ（ＮＯ３）２
リッチ条件の下での運転を以下に示す。
【００４０】
Ｘ（ＮＯ３）２  →  ＸＯ  ＋  ２ＮＯ  ＋（３／２）Ｏ２
Ｘ（ＮＯ３）２  →  ＸＯ  ＋  ２ＮＯ２  ＋（１／２）Ｏ２
ＮＯ  ＋  ＣＯ  （Ｒｈ）  →  （１／２）Ｎ２  ＋  ＣＯ２
２ＮＯ２  ＋  ４Ｈ２  →  Ｎ２  ＋  ４Ｈ２Ｏ
ここで、Ｘはウォッシュコート中に存在し、典型的にはアルカリ類（例えば、Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｃｅ）、アルカリ土類（例えば、Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ）、または希土類（例えば、Ｌａ，Ｙ）である。
【００４１】
再生が完了すると、バイパス弁１４および弁１３は閉止され、同じく上流弁２８および下流弁３８の両方も閉止される。その後、排気ガスは全てＮＯＸ吸着装置４６を通じて流される。ＮＯＸ吸着装置が飽和されると上述のようにサイクル全体が繰り返され、ＮＯＸ吸着装置は再生される。
【００４２】
再生に必要な時間と、再生の間にバイパス管１２を通じて流される排気ガスの量とのうちの少なくとも１つは、再生プロセスの間に過度のレベルのＮＯＸを放出しないように考慮される必要がある。再生に必要な期間が長くなるほど、バイパス管１２を通じる排気ガスの流量が増大する。好適には、再生サイクルは機関の運転時間の５％未満に保持される。また、バイパス管１２は一般に別個のＮＯＸ吸着装置を有さないので、バイパス管１２に流される排気ガスがより多い量になると、ＮＯＸ吸着装置４６を通過しない排気ガスの量が増大する。この排気ガスは、第２のＮＯＸ吸着装置または他のＮＯＸ処理システムをこの管に配置することによって処理可能であるが、このＮＯＸ処理システムによってシステム全体にかかる費用が増大する。
【００４３】
同様に、再生の間、バイパス管を通過する燃料の流量、容量、または時間の長さが制限されるという、不利な点がある。再生の間にバイパス管１２を通過するガスが減少するほど、メタン改質のための排気ガス加熱に必要なメタンは増大し得る。排気ガスの体積量が大きくなると、改質開始前に充分に加熱される必要がある。また、再生の間に排気管を通じる排気ガスがより多い場合には、排気管中の酸素量はさらに多くなる。再生前にこれを燃焼させることが好適であるので、再生サイクルではメタンをさらに燃焼させることになる。
【００４４】
説明した好適な実施態様によるある運転方法は、制御装置が弁２５を閉止する前に弁１３を開放することを可能とすることで、再生時間の減少を補助する。このことによって、改質装置管２２を通る排気ガスの流れが、酸化触媒４２をライトオフし、改質装置４４の上流の改質装置管を加温して、再生サイクルの前にこの改質装置を加温することが可能となる。弁２５が再生サイクル開始時に閉止される時、改質装置管２２を加熱するために必要な時間および再生開始可能となる前の時間は減少される。換言すると、再生プロセスは再生サイクルの前に弁１３を開放することによって開始される。
【００４５】
代替では、一定量の排気ガスが改質装置管２２を通じて常に流れることを確実にするように改質装置管２２内での流速を設定可能であり、これによって弁１３の必要はなくなる。酸化触媒４２および改質装置４４はこの管に配置されるので、弁２５を開放している場合の流速は、弁２５によって調節可能である。換言すると、弁２５を通る流速を最大にすることによって、改質管２２を通る流速を無視できる量にまで減少させることが可能である。弁２５が次第に閉止されるにつれて、改質管２２を通る流速は増大し、再生サイクルの前に改質管２２を適度に加熱することが確実に可能となる。
【００４６】
燃料の効率および排出の制限を考量すると、好適には、８０％のバイパスが、バイパス弁１４を通じて再生の間に案内される排気ガス容量の上限である。
例として、図２を参照して、上述の図１に示すシステムの実施態様に沿った、再生サイクルの間に燃焼室から流出する排気ガスの幾つかの点における典型的な特性を以下に示す。この再生サイクルの間、弁１４および弁１３は開放され、かつ弁２５は閉止されている。
【００４７】
再生前には、システムを通じての主な差異はＮＯＸの減少である。例として、燃焼室からの流出においては、この減少は１００〜５００ｐｐｍの範囲になり得る。ＮＯＸ吸着装置を通じて案内された後では、ＮＯＸ濃度は５０ｐｐｍ未満にまで低減され得る。
【００４８】
制御装置がバイパス弁１４および改質装置弁１３と、上流弁２８および下流弁３８のうちの少なくとも１つとを開放してＮＯＸ吸着装置の再生を行う時の、再生管に沿った幾つかの点におけるガスの典型的な特性を以下の表１にまとめる。当業者には理解されるであろうように、この表は、再生の間の運転条件の典型的な範囲の単なる一例を提供しているに過ぎない。
【００４９】
【表１】
2006512523.tif 000003
【００５０】
上流弁２８および下流弁３８を通じて導入されるメタン量の選定は、特に、酸化触媒４２の下流の温度、排気流中の酸素含量、および再生に必要な水素の量によって、決定され得る。典型的な例としては、排気ガスの温度を１００℃上昇させるにつき、９５００ｐｐｍのメタンが典型的には必要である。出口４３で触媒４２から流出するガスに適切な温度は６５０℃である。好適な範囲は６００℃〜７００℃の間である。酸化触媒４２の前でセンサを用いて、メタンに要求される所定の温度要求に適うように、制御装置が上流弁２８を管理してもよい。
【００５１】
酸化触媒の上流に案内する天然ガスの量を温度測定の必要なく決定するために、開ループ制御が用いられてもよい。同様に、ＮＯＸ吸着装置の特性によって、ＮＯＸ吸着装置４６の再生を促進するために必要な量のＨ２が改質装置の出口４７で利用可能であることを確実にするように、制御装置がどのように下流弁３８を制御して改質装置へメタンを供給するか、が決定される。
【００５２】
図２では、本発明によるシステムにおいて再生サイクルの間に見出される典型的なトレンドの例をグラフで示す。典型的には、燃焼室からの出口における排気ガスを表わす点Ａ、この説明の場合の合流点１６では、メタン濃度は比較的低い。図１に示す実施態様におけるインレット４１を表す点Ｂに見られるように、一定量のメタンが上流管２６から導入されている。また、温度線４００を参照すると、インレット４１に到達する時までに、排気ガス温度は冷却されている。アウトレット４３で酸化触媒４２から流出すると、排気温度が上昇するのに応じてメタン濃度は減少している。この場合には、上述のように、温度は７００℃近くまで昇温されている。この実施態様における好適な温度は、６００〜７００℃の範囲である。排気ガスが改質装置４４のインレット４５を通じて案内される時まで
に、第２の量のメタンが下流管３０を通じて排気管へ提供されていることが分かる。また、幾分はメタンの追加のために、排気ガスの温度はわずかに低下しているが、７００℃以上に保たれる。改質装置の中へ流入するＰＯＸの前のこの時点では、Ｈ２Ｏ：ＣＨ４比は２：１より大きく、好適には２．５：１より大きい（すなわち、同量のメタンに対して水が多い）。このことは点Ｄに見られ、このことによってコークス化の防止および改質プロセス効率の改良が補助される。
【００５３】
図２の点Ｅにあたる改質装置のアウトレット４７では、メタン濃度４０４は再び減少し、その結果として水素濃度４００およびＣＯ濃度４０６は上昇している。ここに考えられる実施態様においては、改質装置は部分酸化触媒を有し、この実施態様においては吸熱的な改質プロセスの前または間にＰＯＸが熱を発生するので、この改質装置を通じて温度はほぼ１００℃低下している。温度低下は、吸熱的な改質プロセスと発熱的な燃料酸化との間の、典型的なトレードオフである。
【００５４】
ＮＯＸ吸着装置４６へのインレット４９では、排気ガスの温度４０６は低下している。ＮＯＸ吸着装置４６を通じて、および排気ガスが吸着装置から送られる時までに、水素濃度４００は無視できるレベルまで減少されている。メタン濃度４０４はＮＯＸ吸着装置を通じて大きな影響を受けない。排気システムからの放出の前に、任意の残留メタンを酸化することが可能である。また、残留している追加の水素を下流の浄化触媒によって除去することが可能である。
【００５５】
機関を駆動するために用いられる燃料である天然ガスを搭載済みの形で供給することで、効率性が提供される。天然ガスはその大部分がメタンであるので、燃料として用いることによって水素供給源の確実な供給が可能である。
【００５６】
インラインの外部加熱装置を用いて、酸化触媒４２のライトオフを補助することと、再生の間に改質装置４４において改質および排気ガスの酸化を促進することとが可能である。これを用いて排気ガスの加熱を補助し、酸化を促進することおよび改質装置を効率的に運転することうちの少なくとも１つが可能である。熱の大部分は排気ガスによって与えられることが好適であるが、以下の事物によって、再生の前または間に酸化を開始するための加熱装置などを利用して排気ガスを放出してもよい。それらの事物の例としては、過渡応答、効率性検討（efficiency considerations ）、急速放熱を利用する燃焼手順、弁開閉タイミング、または大きな膨張比を利用する気筒設計があるが、これらに限定されない。
【００５７】
また、そのような加熱装置がインラインで用いられる場合には、酸化触媒４２はインラインの直前の水素発生を利用し得る。熱交換装置によって、アウトレット４７からの一定量の熱、または再生後にアウトレット５１から流出する未使用ガスからの一定量の熱が案内されて、触媒４２の上流の改質装置管２２に沿った点へと戻される。これを用いて、初期に触媒をライトオフした後の加熱装置の負荷の減少を補助することが可能である。
【００５８】
上述の好適な実施態様はまた、管２７にバイパス管１２を改質装置管２２と合流させる部分がない場合にも用いられ得る。そのような実施態様では、排気ガスは、ＮＯＸ吸着装置４６に到達する前に、触媒４２および改質装置４４を通じて常に流れる。再生の間、バイパス管１４が開放されてバイパス管１２を通る流れを可能にし、酸化触媒をライトオフすることによって、ＮＯＸ吸着装置４６の前でリッチ雰囲気を生成するプロセスが開始する。酸化触媒のライトオフによって、今度は、上述のようにメタンの改質が開始される。再生の間に弁２５が閉止されることで、事実上、排気管２７のこの部分は取り除かれるので、上述のように再生サイクルが運転される。
【００５９】
インラインの実施態様に対するこの変更によって、後処理の配管と弁２５および１３とが取り除かれ複雑さは減少するが、上述の実施態様の柔軟性は提供されない。しかしながら、この変更によって、管の中へメタンを導入する制御法を利用して、再生前の期間に酸化触媒に排気ガスの加熱を開始させることが可能となる。排気ガスの熱またはメタン量は、再生サイクル前に有意な改質を開始するレベルに到達しないことが好適であろう。しかしながら上述の予熱する実施態様におけるように、再生前の期間に触媒を加熱することによって再生時間を減少可能である。
【００６０】
当業者には理解されるであろうように、Ｎｉ触媒が用いられる場合には、改質が起こる排気雰囲気においてニッケルカルボニルなどの任意のカルボニル化合物形成を回避するような注意が必要である。２つの例として、温度と、ＣＯおよび酸素濃度とは、カルボニル化合物形成の問題が確実に回避されるように管理されるべきである。天然ガスの拡散燃焼など、比較的低い排気温度で起こる燃焼においては、好適にはＮｉ系触媒は回避されるべきである。ＰＯＸが代用され得るであろう。
【００６１】
図３には、本発明の第２の実施態様によるＮＯＸ処理システムの模式図を示す。図１の実施態様に見出されるインラインの構成から、酸化触媒３００および改質装置３０２の両方が取り除かれている。上述の実施態様にあるように、改質装置３０２がＰＯＸであることも可能である。改質プロセスを補助するため、加熱装置３０４が導入されている。空気またはＯ２貯蔵装置３０７が設けられている。天然ガス供給源３０６が上流管３０８および下流管３１０と共に設けられており、その各々はメタン管３１１にて分岐している。さらに、酸化触媒入口３１２および出口３１４と、改質装置入口３１６および出口３１８とが示されている。場合によって、導入管３２０は出口３１８からＮＯＸ上流管３２９およびＮＯＸ下流管３３１を通じて、排気管３２２のＮＯＸ下流合流点３２１またはＮＯＸ上流合流点３２３まで延びている。第２の酸化触媒３２５が設けられている。メタン管３３３は、天然ガス供給源３０６から、酸化触媒３２５の上流の排気管３２２までを通じてメタンを案内する経路を提供する。バイパス管３２６およびバイパス弁３２８は、バイパス管がバイパス合流点３４０でＮＯＸ管３２２から分岐する場所に見られる。機関出口３４１は、排気ガスを後処理システムへ案内する。ＮＯＸ管３２２に沿って触媒３２５の両側に、触媒インレット３４２および触媒アウトレット３４４が見られる。ＮＯＸ吸着装置３２４の両側にも、ＮＯＸインレット３４６およびＮＯＸアウトレット３４８が設けられている。システム出口３５０は、バイパス管３２６がＮＯＸ管３２２と再び合流する合流点を越えた場所に見られる。
【００６２】
過剰な熱を案内してＮＯＸ吸着装置３２４の直前から加熱装置３０４に戻すために、触媒３２５の下流において、補助的な熱伝導体すなわち熱交換装置３２７が用いられてもよい。
【００６３】
図３のオフライン（off-line）の実施態様では、改質は排気ガスを含まない雰囲気で行われている。この実施態様は、天然ガス燃料用途に適用することが可能である。天然ガス燃料用途で利用される燃焼プロセスまたは機関設計で生じる排気の温度は、触媒を通じて酸化を開始するために充分に高温ではない。そのような場合には、オフラインのシステムは排気ガス温度とは無関係に制御可能である。
【００６４】
オフラインの改質装置３０２は、再生の間、水素を発生して排気ガス流へ案内する。
このシステムに対する追加の要素は加熱装置３０４である。この加熱装置は、空気貯蔵装置３０７からの一定量の空気（またはＯ２）と、上流管３０８または下流管３１０から酸化触媒３１２の前後で改質管３２０の中へ流れるメタン供給源３０６と共に用いられることが可能である。アウトレット３１４からインレット３１６までに生じるガスは、下流管３１０を通じてメタン供給源３０６からの追加量のメタンを含んでもまたは含まなくて
もよいが、気流中のメタンを改質するために用いられ、水素およびＣＯを含むアウトレット３１８からの混合気を生成する。続いてこの混合気は、内燃機関からの排気ガスがＮＯＸ吸着装置を通じて案内されている、排気管３２２の合流点３２１へ案内される。再生混合気は、ＮＯＸ吸着装置を通じて案内される。
【００６５】
改質された水素およびＣＯを酸化触媒３２５の上流または下流に案内することが可能である。一定量の水素を用いて排気ガスを酸化することによって排気ガス温度を補うことが可能であるので、オフラインの改質装置からのインレットを酸化触媒３２５の上流に導入して酸化触媒３２５を利用することによって、効率が提供され得る。このことによって、酸化触媒３２５をライトオフするために充分なだけ排気ガスを加熱することが補助され得る。改質プロセス後に管３２０中に残留し管３２９へ案内される追加のメタンを、排気管内の酸素濃度を減少するために用いることが可能である。また、メタン管３３３を用いてメタンを酸化触媒３２５に案内し、この触媒のライトオフを補助して、再生サイクルの間に排気管３２２を通じて流れる排気ガスに見出される酸素濃度を減少させることが可能である。
【００６６】
そのような酸化触媒３２５によって発生された、すなわち水素の酸化によって発生した過剰の熱を、熱交換装置３２７を通じて輸送し加熱装置３０４に戻すことによって、熱交換装置３２７の負荷を低減することが可能である。オフラインの触媒３００および改質装置３０２の初期の加熱に続いて、ここでは、インラインの酸化触媒の利点を利用することが可能であり、酸化触媒３２５は熱交換装置３２７を通じて排気管３２２の中へ改質装置３０２を組み込み得る。すなわち、初期加熱の後には、メタンは触媒３２５を通じて案内され得る。そこでは初期に加熱後の触媒３２５は触媒３２５にてライトオフされ、熱交換装置３２７を通じておよび排気ガスの酸化を通じて、改質装置３０２に熱を与える。同様に、触媒３１２の前で排気管３２２からオフラインの触媒へ分離した管が用いられて、触媒３２５がバイパスされ得る。これは、オフラインの触媒を初期にライトオフする場合、すなわち、排気ガスを用いて触媒のライトオフを補助する場合に適切であり得る。この場合には、オフラインの触媒は、上述のインラインの装置と実質的に同一の手法で作用する。
【００６７】
さらに、再生サイクルの間に、バイパス管３２６を通じて全排気ガスをバイパスすることに対して（そのような場合には、バイパス弁３２８が排気管３２２に配置される必要がある）、Ｈ２およびＣＯをＮＯＸ下流管３３１へ案内することには利点があり得る。排気ガスから酸素を除去する必要を限定し、触媒３２５を取り除く機会を与えることによってシステムを単純化することから生じる、幾つかの状況における利点がある。インラインの触媒からの熱はオフラインの改質装置またはオフラインの触媒に熱を提供するために利用可能であるのに対して、排気ガスによって与えられるバイパス管またはＮＯＸ吸着装置３２４の上流からの熱は利用可能でない。
【００６８】
既述の第１の実施態様に関連して言及されたのと同様の考慮の多くが、この実施態様においても取り扱われる必要がある。すなわち、改質管３２０から排気管３２２における酸素濃度は、再生が効果的であることを確実にするように制御される必要がある。また、上流管３０８および下流管３１０の中へ導入されるメタンの釣り合いは、適度な水素およびＣＯを確実に供給するように制御される必要がある。また、バイパス管３２６へと続く弁３２８の制御に関する同様の考慮が、燃料の効率および排出を最適化するために必要とされる。
【００６９】
本発明の第２の実施態様に関連して図４を参照すると、ＮＯＸ吸着装置３２４の再生の間の運転条件の一組の例において、排気管３２２に沿った幾つかの点が与えられている。この図では、排気流量、バイパス流量、メタン利用量などの、所定の機関運転条件の下で
生じ得る運転条件の一組の例を示している。バイパス合流点３４０の機関出口は点Ａに、酸化触媒３２５へのインレットは点Ｂに見られ、酸化触媒からのアウトレットは点Ｃで与えられる。
【００７０】
ＮＯＸ吸着装置を通る排気ガスの特性は、それぞれ図４における点ＤおよびＥに対応するインレット３４６およびアウトレット３４８で検知され得る。点Ｆは、ＮＯＸ管３２２およびバイパス管３２６がシステム出口３５０で集まる合流点の直後にある。各場合において、Ｈ２、ＣＯ、メタン、酸素、および温度は、それぞれ、５００，５０２，５０４，５０５，および５０６の線として与えられる。ここでも、与えられた縮尺で濃度を表示するために、酸素濃度の大きさは減少されている。
【００７１】
酸素５０５は、触媒３２５を通じて減少し、Ｈ２  ５００およびＣＯ  ５０２は、点Ｄとして示される合流点３２１を通じて与えられる。再生が完了すると、Ｈ２  ５００およびＣＯ  ５０２が急激に減少する。点Ｄと比較して点Ｅを参照。バイパス排気がシステム出口３５０に到達する時までに排気管で混合して戻されると、酸素５０５は急上昇して戻る。上述のように、この運転方式においては水素５００が酸化触媒３２５の前で排気管３２２の中へ導入されて、この触媒のライトオフを補助する。これによって、好適には再生の前に、管で酸素を酸化するために用いられ得るメタン量が減少される。Ｈ２  ５００およびメタン５０４の酸化による過剰な熱５０６は、触媒３２５を通じた後で、必要な場合には、加熱装置３０４へと戻されることが可能である。改質を起こすための適度に過剰な熱５０６がＨ２  ５００およびメタン５０４の酸化によって発生する場合には、加熱装置３０４において必要とされる熱は、それに応じて減少される。
【００７２】
上述の改質装置においては、再生用のＨ２およびＣＯを発生するために蒸気が必要であることに留意する。この必要は、排気ガスが充分な量の水を有すると叶えられる傾向にある。オフラインの改質装置においては、水のレベルが補充されることが必要であり得る。しかしながら、ＰＯＸ触媒は水を補充する必要なしで改質可能であるべきである。当業者に公知の他の改質装置が用いられることが可能である。
【００７３】
２つの主要成分としてメタンおよび水素を組み合わせた燃料が用いられる場合には、さらなる利点が実現され得る。例として、２０％の水素を有する天然ガスは適切であり得る。酸化触媒の前に燃料と共に水素が導入されて触媒のライトオフを補助することが可能である既述の実施態様においては、そのような燃料が用いられ得るであろう。さらに、排気流の中へ一定量の水素を与えることによって、改質装置における負荷は減少され得る。再生に必要とされる全水素を与えるためには、より小さな改質装置で充分であり得る。
【００７４】
排気ガス再循環（ＥＧＲ）を利用して、再生の間、バイパス管の開放時にＮＯＸ排出の減少を補助することも、また可能である。再生の間にＥＧＲ比が増大されることによって、燃焼室の中で発生するＮＯＸを減少し、バイパス管を通じて大気中に流れるＮＯＸを減少させることが可能である。さらに、ＥＧＲ比の増大によって、再生の間の排気ガスの酸素濃度は低減し得る。この低減によって、今度は、再生サイクルの間の酸素を減少すること、および酸素を燃焼させるために必要なメタンの量を減少することで、酸化触媒に対する負荷を低減し得る。
【００７５】
燃料またはメタンの供給源がＣＮＧである場合には、硫黄レベルは（メタンを与える一般的な２つの選択肢である）ＬＮＧの場合よりも高い傾向にあるが、汚染物質の観点からは、ガスの燃焼によって硫黄生成物が比較的害の少ない副生成物（二酸化硫黄など）に転化するので、インラインの改質装置に見出される排気ガスを生じる燃料の燃焼によって、改質の前に管の中へ導入される任意のメタン供給源の希釈が補助される。そのようにして、メタンにおける比較的高い硫黄濃度は排気ガスによって希釈され、改質装置が被毒され
る可能性を減少する。オフラインの改質装置が用いられる場合には、上述のように希釈を利用することは可能でないので、ＣＮＧがメタンの供給源として適切でない場合があり得る。例えば、高濃度の硫黄の問題および改質装置の被毒の発生のためにＣＮＧがメタン供給源として適切でない場合がある。また、硫黄を除去するためのフィルタが上流に必要な場合がある。しかしながら、そのような用途の多くではＬＮＧを利用することから利益を受け（例えば、気体燃料自動車の走行距離を増加させることによって）、このメタン供給源はほとんど硫黄を含まないので、一般には硫黄被毒の問題は発生しないであろう。
【００７６】
メタンは好適な水素供給源であるが、当業者には理解されるであろうように、分子量のより小さい他の炭化水素、一般には、エタン、プロパン、およびブタンなどを含むが、それらに限定されない気体炭化水素を用いることが可能である。
【００７７】
用途によっては、改質装置が蒸気改質装置およびＰＯＸであることが考えられるが、それらに限定されない。
本発明の特定の要素、実施態様、および適用例が提示および説明されているが、本発明の開示の範囲から逸脱することなく、詳細には前述の教示に照らして、当業者には修正がなされ得ることから、本発明がそれらに限定されないことは当然に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の一実施態様によるＮＯＸ処理システムの模式図。
【図２】図１に示すシステムの幾つかの点における排気ガスの選択された特性を示すグラフ。
【図３】本発明の第２の実施態様によるＮＯＸ後処理システムの模式図。
【図４】図３に示すシステムの幾つかの点における排気ガスの選択された特性を示すグラフ。
【図１】
2006512523.tif 000004
【図２】
2006512523.tif 000005
【図３】
2006512523.tif 000006
【図４】
2006512523.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成16年12月10日(2004.12.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
図１のＮＯＸ後処理システムでは、排気ガスは、機関ブロック１１の機関排気管１０の上流に配置された１つ以上の燃焼室内での燃焼現象によって発生する。排気ガスは天然ガスの燃焼から生じる。一般に、気体燃料は燃焼室内へ直接噴射されて、または一定量の空気と予混合されて、煙霧給気（fumigated charge）を生成する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
各々の場合において、燃焼室内で燃焼プロセスを開始するために、火花点火、グロープラグ、または圧縮点火が利用される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
酸化触媒４２の上流側および酸化触媒４２の下流側のうちの少なくとも１つに一定量のガスを確実に提供するために、再生の間に改質装置管２２を通じて導入される排気ガスの量によって、制御装置は蒸留弁２８および下流弁３８のうちの少なくとも１つを制御し、それらの弁を通じて一定量のメタン（または天然ガス）を案内する。天然ガスは、圧倒的に多くがメタンであり、より高分子量の幾つかの炭化水素、一般にはＣ２およびＣ３炭化水素を伴う。したがって、天然ガスが機関に燃料を供給している場合には、天然ガスを燃料貯蔵タンクから取り出すことが可能である。すなわち、メタン貯蔵装置３６は機関燃料タンクであり得る。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
燃料の効率および排出の制限を考量すると、好適には、８０％のバイパスが、バイパス弁１４を通じて再生の間に案内される排気ガス容量の上限である。
例として、上述の図１に示すシステムの実施態様に沿った、再生サイクルの間に燃焼室から流出する排気ガスの幾つかの点における典型的な特性を説明し得る。この再生サイクルの間、弁１４および弁１３は開放され、かつ弁２５は閉止されている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
以下では、本発明によるシステムにおいて再生サイクルの間に見出される典型的なトレンドを示す。典型的には、燃焼室からの出口における排気ガスを表わす合流点１６では、メタン濃度は比較的低い。図１に示す実施態様におけるインレット４１に見られるように、一定量のメタンが上流管２６から導入される。インレット４１に到達する時までに、排気ガス温度は冷却される。アウトレット４３で酸化触媒４２から流出すると、排気温度が上昇するのに応じてメタン濃度は減少する。温度は７００℃近くまで昇温され得る。この実施態様における好適な温度は、６００〜７００℃の範囲である。排気ガスが改質装置４４のインレット４５を通じて案内される時までに、第２の量のメタンが下流管３０を通じて排気管へ提供される。幾分はメタンの追加のために、排気ガスの温度はわずかに低下するが、７００℃以上に保たれる。改質装置の中へ流入する前のこの時点では、Ｈ２Ｏ：ＣＨ４比は２：１より大きく、好適には２．５：１より大きい（すなわち、同量のメタンに対して水が多い）。改質装置インレット４５におけるこの比によってコークス化の防止および改質プロセス効率の改良が補助される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
改質装置のアウトレット４７では、メタン濃度は再び減少し、その結果として水素濃度およびＣＯ濃度は上昇する。改質装置は部分酸化触媒を有し、この実施態様においては吸熱的な改質プロセスの前または間にＰＯＸが熱を発生するので、この改質装置を通じて温度はほぼ１００℃低下する。温度低下は、吸熱的な改質プロセスと発熱的な燃料酸化との間の、典型的なトレードオフである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
ＮＯＸ吸着装置４６へのインレット４９では、排気ガスの温度は低下する。ＮＯＸ吸着装置４６を通じて、および排気ガスが吸着装置から送られる時までに、水素濃度は無視できるレベルまで減少される。メタン濃度はＮＯＸ吸着装置を通じて大きな影響を受けない。排気システムからの放出の前に、任意の残留メタンを酸化することが可能である。また、残留している追加の水素を下流の浄化触媒によって除去することが可能である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
上述の好適な実施態様はまた、管２７にバイパス管１２を改質装置管２２と合流させる部分がない場合にも用いられ得る。そのような実施態様では、排気ガスは、ＮＯＸ吸着装置４６に到達する前に、触媒４２および改質装置４４を通じて常に流れる。再生の間、バイパス弁１４が開放されてバイパス管１２を通る流れを可能にし、酸化触媒をライトオフすることによって、ＮＯＸ吸着装置４６の前でリッチ雰囲気を生成するプロセスが開始する。酸化触媒のライトオフによって、今度は、上述のようにメタンの改質が開始される。再生の間に弁２５が閉止されることで、事実上、排気管２７のこの部分は取り除かれるので、上述のように再生サイクルが運転される。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
図２には、本発明の第２の実施態様によるＮＯＸ処理システムの模式図を示す。図１の実施態様に見出されるインラインの構成から、酸化触媒３００および改質装置３０２の両方が取り除かれている。上述の実施態様にあるように、改質装置３０２がＰＯＸであることも可能である。改質プロセスを補助するため、加熱装置３０４が導入されている。空気またはＯ２貯蔵装置３０７が設けられている。天然ガス供給源３０６が上流管３０８および下流管３１０と共に設けられており、その各々はメタン管３１１にて分岐している。さらに、酸化触媒入口３１２および出口３１４と、改質装置入口３１６および出口３１８とが示されている。場合によって、導入管３２０は出口３１８からＮＯＸ上流管３２９およびＮＯＸ下流管３３１を通じて、排気管３２２のＮＯＸ下流合流点３２１またはＮＯＸ上流合流点３２３まで延びている。第２の酸化触媒３２５が設けられている。メタン管３３３は、天然ガス供給源３０６から、酸化触媒３２５の上流の排気管３２２までを通じてメタンを案内する経路を提供する。バイパス管３２６およびバイパス弁３２８は、バイパス管がバイパス合流点３４０でＮＯＸ管３２２から分岐する場所に見られる。機関出口３４１は、排気ガスを後処理システムへ案内する。ＮＯＸ管３２２に沿って触媒３２５の両側に、触媒インレット３４２および触媒アウトレット３４４が見られる。ＮＯＸ吸着装置３２４の両側にも、ＮＯＸインレット３４６およびＮＯＸアウトレット３４８が設けられている。システム出口３５０は、バイパス管３２６がＮＯＸ管３２２と再び合流する合流点を越えた場所に見られる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
図２のオフライン（off-line）の実施態様では、改質は排気ガスを含まない雰囲気で行われている。この実施態様は、天然ガス燃料用途に適用することが可能である。天然ガス燃料用途で利用される燃焼プロセスまたは機関設計で生じる排気の温度は、触媒を通じて酸化を開始するために充分に高温ではない。そのような場合には、オフラインのシステムは排気ガス温度とは無関係に制御可能である。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
オフラインの改質装置３０２は、再生の間、水素を発生して排気ガス流へ案内する。
このシステムに対する追加の要素は加熱装置３０４である。この加熱装置は、空気貯蔵装置３０７からの一定量の空気（またはＯ２）と、上流管３０８または下流管３１０から酸化触媒３００の前後で改質管３２０の中へ流れるメタン供給源３０６と共に用いられることが可能である。アウトレット３１４からインレット３１６までに生じるガスは、下流管３１０を通じてメタン供給源３０６からの追加量のメタンを含んでもまたは含まなくてもよいが、気流中のメタンを改質するために用いられ、水素およびＣＯを含むアウトレット３１８からの混合気を生成する。続いてこの混合気は、内燃機関からの排気ガスがＮＯＸ吸着装置を通じて案内されている、排気管３２２の合流点３２１へ案内される。再生混合気は、ＮＯＸ吸着装置を通じて案内される。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
本発明の第２の実施態様に関連して、ＮＯＸ吸着装置３２４の再生の間の排気管３２２に沿った点に伴う典型的な運転条件は、以下のように説明される。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
酸素濃度の減少は触媒３２５を通じて起こる。Ｈ２およびＣＯは合流点３２１を通じてＮＯＸ吸着装置３２４のインレット３４６に与えられる。ＮＯＸ吸着装置３２４を通じた再生によって、Ｈ２およびＣＯ濃度が急激に減少する。
バイパス排気がシステム出口３５０に到達する時までに排気管３２２で混合して戻されると、酸素濃度は急上昇して戻る。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７１】
上述のように、Ｈ２は酸化触媒３２５の前で排気管３２２の中へ導入されて、この触媒のライトオフを補助する。これによって、好適には再生の前に、管で酸素を酸化するために用いられ得るメタン量が減少される。Ｈ２およびメタンの酸化による過剰な熱は、触媒３２５を通じた後で、必要な場合には、加熱装置３０４へと戻されることが可能である。改質を起こすための適度に過剰な熱がＨ２およびメタンの酸化によって発生する場合には、加熱装置３０４において必要とされる熱は、それに応じて減少される。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】
【図１】本発明の一実施態様によるＮＯＸ処理システムの模式図。
【図２】本発明の第２の実施態様によるＮＯＸ後処理システムの模式図。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2006512523.tif 000008
【図２】
2006512523.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成16年12月23日(2004.12.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室における燃料燃焼によって生成する排気ガスからＮＯＸを除去するために用いるＮＯＸ吸着装置を再生する方法において、
（ａ）前記燃焼室から排気管へ前記排気ガスを運ぶステップと、
（ｂ）一定量の排気ガスにおける酸素濃度を減少するステップと、
（ｃ）再生混合気を生成するステップであって、
ｉ．前記一定量の排気ガスと、
ｉｉ．第１の量の気体炭化水素から改質された水素および一酸化炭素とを含有する再生混合気を生成するステップと、
（ｄ）前記ＮＯＸ吸着装置を再生するために前記再生混合気を前記ＮＯＸ吸着装置の中へ案内するステップとを備える方法。
【請求項２】
前記気体炭化水素はメタンを含有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記水素および一酸化炭素は排気ガス雰囲気において改質される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記一定量の排気ガスにおける前記酸素濃度を減少させるために第２の量のメタンを酸化するステップを備える請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記一定量の排気ガスにおける前記酸素濃度を減少させるために水素を酸化するステップを備える請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の量のメタンは前記第２の量のメタンの酸化されていない残余の部分を含有する請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記再生混合気を生成するステップは前記排気管中で実施される請求項２に記載の方法。
【請求項８】
オフラインで前記第１の量のメタンを改質するステップを備える請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の量のメタンを改質するステップの前に、前記第１の量のメタンを加熱するステップを備える請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記加熱するステップは加熱装置を運転することによって実施される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記加熱するステップは前記排気ガスとの熱交換を可能にすることによって実施される請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
水素の酸化により前記第２の量のメタンを加熱し、それによって前記第２の量のメタンの酸化が開始されるステップを備える請求項４に記載の方法。
【請求項１３】
再生サイクルの間に前記ＮＯＸ吸着装置を迂回して第２の量の排気ガスをバイパスするステップを備える請求項２乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記再生サイクルの間に排出ガス再循環を利用するステップを備える請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
第３の量のメタンを酸化装置の中に案内することによって前記再生サイクルの開始の前に前記酸化装置を加温するステップを備える請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
内燃機関システムにおける燃焼室内での燃料燃焼の間に生成する排気ガス中のＮＯＸを処理する後処理システムにおいて、
（ａ）前記燃焼室からＮＯＸ吸着装置へ排気ガスを運ぶように接続された排気管と、
（ｂ）前記燃焼室の下流かつ前記ＮＯＸ吸着装置の上流のある位置で第１の量の排気ガスを受取るように接続可能である酸化装置であって、前記第１の量の前記排気ガスにおける酸素濃度を減少させることが可能である酸化装置と、
（ｃ）前記ＮＯＸ吸着装置の上流の改質装置であって、気体炭化水素から水素および一酸化炭素を発生させることが可能である改質装置と、
（ｄ）気体炭化水素貯蔵装置から第１の量の前記気体炭化水素を改質装置へ送るように接続された第１の気体管と、
（ｅ）前記ＮＯＸ吸着装置の上流の前記排気管のある位置に再生混合気を案内することが可能である再生管であって、前記再生混合気は前記改質装置からの前記水素および前記一酸化炭素および前記酸化装置からの前記第１の量の排気ガスを含有する、再生管とを有する、後処理システム。
【請求項１７】
前記気体炭化水素はメタンを含有する請求項１６に記載の後処理システム。
【請求項１８】
前記改質装置は前記ＮＯＸ吸着装置の上流かつ前記酸化装置の下流に配置されている請求項１６または１７のいずれか一項に記載の後処理システム。
【請求項１９】
前記改質装置および前記酸化装置はＰＯＸの中に組み合わせられている請求項１７に記載の後処理システム。
【請求項２０】
前記酸化装置はメタン酸化触媒を有し、前記第１の気体管は前記酸化触媒へ第２の量のメタンを案内するように接続されている請求項１８に記載の後処理システム。
【請求項２１】
前記第１の量のメタンは前記酸化触媒で消費されていない残余の量の前記第２の量のメタンである請求項１９または２０に記載の後処理システム。
【請求項２２】
前記第２の量のメタンを前記酸化触媒へ送るように接続された第２の気体管を有する請求項２１に記載の後処理システム。
【請求項２３】
前記酸化触媒は金属基体を有する請求項１９乃至２２のいずれか一項に記載の後処理システム。
【請求項２４】
前記排気ガスから前記改質装置へ熱を輸送するための熱交換装置を有する請求項１７に記載の後処理システム。
【請求項２５】
前記改質装置を加熱するための加熱装置を有する請求項１７に記載の後処理システム。
【請求項２６】
前記改質装置と前記酸化装置の上流の前記第１の量の前記排気ガスとのうちの少なくとも１つを加熱するための加熱装置を有する請求項１７に記載の後処理システム。
【請求項２７】
前記改質装置はオフラインであり、前記後処理システムは、
第２の酸化装置および一定量の空気のうちの少なくとも１つを加熱するための加熱装置と、
加熱された前記空気を前記改質装置へ案内することが可能である空気管とを有する、請求項１７に記載の後処理システム。
【請求項２８】
前記第２の酸化装置および前記改質装置はＰＯＸの中に組み合わせられている請求項２７に記載の後処理システム。
【請求項２９】
前記第１の気体管は前記酸化触媒の上流で前記空気管の中へ第２の量のメタンを導入するように接続されている請求項２７に記載の後処理システム。
【請求項３０】
加熱された前記第２の酸化装置は前記空気中でメタンを酸化することが可能であり、前記第１の気体管は前記第２の酸化装置へ前記メタンを案内する、請求項２７に記載の後処理システム。
【請求項３１】
前記酸化装置の下流かつ前記改質装置の上流で前記炭化水素貯蔵装置から前記空気管へ第２の量のメタンを案内するように接続された第２の気体管を有する、請求項２７に記載の後処理システム。
【請求項３２】
前記ＮＯＸ吸着装置を迂回して第２の量の排気ガスを案内するためのバイパス管を有する請求項１７に記載の後処理システム。
【請求項３３】
内燃機関システムにおける燃焼室内での燃料燃焼の間に生成する排気ガス中のＮＯＸを処理する後処理システムにおいて、
（ａ）前記燃焼室からＮＯＸ吸着装置へ排気ガスを運ぶように接続された排気管と、
（ｂ）気体炭化水素から水素および一酸化炭素を発生させることが可能である改質装置と、
（ｃ）第１の量の空気における酸素濃度を減少させることが可能である酸化装置と、
（ｄ）気体炭化水素貯蔵装置から前記改質装置へ第１の量の前記気体炭化水素を送るように接続された第１の気体管と、
（ｅ）前記ＮＯＸ吸着装置の上流かつ前記燃焼室の下流で前記排気管の中へ再生混合気を案内することが可能である再生管とを有し、前記再生混合気は前記改質装置からの前記
水素および一酸化炭素と前記酸化装置からの前記第１の量の空気とを含有し、前記改質装置および前記酸化装置は前記再生管に配置されている、後処理システム。
【請求項３４】
前記酸化装置の出口は前記改質装置の入口に接続されており、かつ前記改質装置の出口は前記再生管に接続されている請求項３３に記載の後処理システム。
【請求項３５】
前記燃料は気体燃料である請求項１７乃至３４のいずれか一項に記載の後処理システム。
【請求項３６】
前記気体燃料はメタンを含有する請求項３５に記載の後処理システム。
【請求項３７】
前記気体燃料は前記気体炭化水素を含有する請求項３５に記載の後処理システム。
【請求項３８】
前記気体燃料は前記燃焼室の中へ直接噴射される請求項３５乃至３７のいずれか一項に記載の後処理システム。
【国際調査報告】
2006512523.tif 000010
2006512523.tif 000011
2006512523.tif 000012