(57)【要約】窒素酸化物はガス入り口分配器(７６、１０１)に対して相対的に回転するベッド(５７、１００)内のガス通路(６８)の表面に吸着される。マニホルドは、バッフル(８５)又はリブ(１２１、１２２)を有し、これらは、吸着ベッド又は分配器の回転の大きな区間にわたるガス通路に連続的なエンジン排気(５３)の流れを生じさせ、各回転の小さな区間にこれらの通路を経て連続的な再生ガスの流れを生じさせる。通路は平面状(６６ａ)若しくはらせん状(６６ｂ)の放射状の壁(６６)、曲がりくねった壁(７０)、モノリス(１２６)又はハニカム(１２７)により形成される。分配器(１０１)又はベッド(５７)はガスを配分するために回転される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外壁(６５)及び複数のガス流路(６８)を有するＮＯｘ吸着ベッド(５７、１００)を備え、
前記複数のガス流路は前記吸着ベッドの入り口端から吸着ベッドの出口端に延びており、
前記各ガス流路は、ＮＯｘ吸着材料で覆われた表面(６６、７０)を有し、
前記ガス流路のガス入り口は、前記入り口端において、他の全てのガス流路のガス入り口と同一平面上に位置する、連続流動ＮＯｘ還元装置であって、
前記ベッドの前記入り口端の前記平面に近接する２つのチャンバ(８６、８７；１２５、１２６)を有し、一方のチャンバ内のガスを当該チャンバに近接する前記流路のいずれかに導入させ、他方のチャンバ内のガスを当該チャンバに近接する前記流路のいずれかに導入させる、ガス入り口分配器(７６、１０１)と、
前記チャンバ(８６、１２５)の一方にエンジン排気ガスを導入するために配置されるエンジン排気ガス入り口(５３)と、
前記チャンバ(８７、１２６)の他方に吸着材再生ガスを導入するために配置される再生ガス入り口(５４)と、
前記ベッドと前記分配器との間を相対的に回転させる手段(５８、５９)と、を有することを特徴とする連続流動ＮＯｘ還元装置。
【請求項２】
前記ベッドは、前記ガス流路を形成する複数の壁(６６、７０、１２６、１２７)から構成され、前記ガス流路の壁はＮＯｘ吸着材料で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の連続流動ＮＯｘ還元装置。
【請求項３】
前記ＮＯｘ吸着材料はＢａＣＯ3であることを特徴とする請求項２に記載の連続流動ＮＯｘ還元装置。
【請求項４】
前記外壁は円筒状であり、前記壁(６６)は放射状で前記外壁から内に向けて構成されることを特徴とする請求項２に記載の連続流動ＮＯｘ還元装置。
【請求項５】
前記放射状の壁は平面状(６６ａ)であることを特徴とする請求項４に記載の連続流動ＮＯｘ還元装置。
【請求項６】
前記放射状の壁はらせん状(６６ｂ)であることを特徴とする請求項４に記載の連続流動ＮＯｘ還元装置。
【請求項７】
前記外壁は回転軸を中心に円筒状であり、
前記ガス流路はＮＯｘ吸着材料及び担体から構成される単層シート(７０)から形成され、
前記シートは複数の放射状内側湾曲部(７１、７２)及び複数の放射状外側湾曲部を有する曲がりくねったパターンに形成され、
前記放射状内側湾曲部の各々の第１の側は、前記シートの放射状に配置された部分を介して前記放射状外側湾曲部の第２の側に接続し、
前記放射状外側湾曲部の各々の第１の側は、前記シートの放射状に配置された部分を介して前記放射状内側湾曲部の第２の側に接続して、
前記シートの隣接した放射状部分の間に、前記回転軸に平行な流れを形成することを特徴とする請求項１に記載の連続流動ＮＯｘ還元装置。
【請求項８】
前記シートの放射状部分は平面状であることを特徴とする請求項７に記載の連続流動ＮＯｘ還元装置。
【請求項９】
前記シートの放射状部分はらせん状であることを特徴とする請求項７に記載の連続流動ＮＯｘ還元装置。
【請求項１０】
前記フィルタ要素は前記流路を形成する複数の通路を有する(ａ)モノリス(１２６)又は(ｂ)ハニカム(１２７)から構成されることを特徴とする請求項１に記載の連続流動ＮＯｘ還元装置。
【請求項１１】
前記分配器(７６)は固定されており、前記手段は前記ベッド(５７)を回転させる手段から構成されることを特徴とする請求項１に記載の連続流動ＮＯｘ還元装置。
【請求項１２】
前記ベッド(１００)は固定されており、前記手段は前記分配器(１０１)を回転させる手段から構成されることを特徴とする請求項１に記載の連続流動ＮＯｘ還元装置。
【請求項１３】
前記ガス入り口は対応するガス入り口からそれぞれのガスを受け入れる環状チャネル(１１３、１１４)から構成されることを特徴とする請求項１２に記載の連続流動ＮＯｘ還元装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は吸着ベッドを有するＮＯｘ還元吸着ユニットに関する。この吸着ベッドでは、エンジン排気、並びに水素及び一酸化炭素を含む再生ガスの流れがあり、これら両方は連続的に、吸着ベッド及びガス入り口分配器に流れる。これらは連続的に相対的回転が行われる。吸着ベッドの各部は、各サイクルの第１の区間においてエンジン排気入り口マニホルドと連通し、そして各サイクルの残りの区間において再生ガスと連通する。これによって連続するフィルタの各部がまずエンジン排気を吸着し、そして連続的に再生される。
【背景技術】
【０００２】
環境保護局（ＥＰＡ）は２００７年に又はそれ以降にむけて、車両内燃エンジン排出基準を定めた。ジーゼルエンジンに対する典型的な基準は、ＮＯｘ及び非メタン炭化水素がそれぞれ０．２０ｇ／ｂｈｐ−ｈｒ及び０．１４ｇ／ｂｈｐ−ｈｒ以下というものである。これは現在の基準である、それぞれ４．０ｇ／ｂｈｐ−ｈｒ及び１．３ｇ／ｂｈｐ−ｈｒと対照的である。このように触媒作用変換器がＮＯｘの重要な還元を果たさなければならない。
【０００３】
エンジン燃料を酸化してＮＯｘ還元を高める混合物を供給する装置が、米国特許第５，４１２，９４６号、国際公開ＷＯ  ０１／３４９５０、及び米国特許出願２００１／４１１５３に開示されている。
【０００４】
２００２年５月３１日出願の本出願人の米国特許出願１０／１５９３６９では、内燃エンジンの炭化水素燃料の排気から出る水分、及び存在するかもしれない酸素は、燃料処理装置に備えられるエンジン燃料タンクからの燃料とともに処理される。これには、水素及び一酸化炭素の流れを生成するための触媒作用部分酸化改質器、非触媒作用（同質の）部分酸化改質器、又は自動熱改質器を用いることができる。水素及び一酸化炭素の流れは、ＮＯｘトラップを再生することに使用される。ＮＯｘトラップは、ＮＯｘトラップ中の吸着剤と排気との反応により窒素含有化合物を形成する。
【０００５】
図１では、エンジン９は、吸気口ライン１１に空気を供給する通常のターボコンプレッサ１０、炭化水素燃料タンク１２、及び燃料ポンプ１３を有している。燃料には、ジーゼル燃料、ガソリン、天然ガス、液化石油ガス、又はプロパンを用いる。燃料は、空気と一緒に燃焼させるために、第１ライン１７によってエンジンに供給される。そして、第２ライン１８により熱交換器５０を介してパイプ２０内のミキサ１９に燃料が供給される。パイプ２０は排気パイプ２１から水素発生器２２に少量の排気を供給する。
【０００６】
水素発生器２２には、触媒作用部分酸化剤（ＣＰＯｘ）、非触媒作用（同質の）部分酸化剤、又は自動熱改質器（ＡＴＲ）を用いる。ＣＰＯｘの場合には、水素発生器の内部は、気泡モノリス又は他の触媒の形態であり、これはVIII族金属、好ましくは、ニッケル、コバルト、ロジウム、イリジウム、又は白金から成り、炭化水素、水、及び酸素とともに燃料を、水素、ＣＯ、及びＣＯ2の混合物に転化する。これは再生ガスであり、一般的に合成ガスと呼ばれる。これは導管２６を介して一対のＮＯｘ吸着トラップ３５、３６に供給される。一対のＮＯｘ吸着トラップの３５、３６は対応するバルブ４０〜４３によって、発生器２２からの水素含有ガスを導入する導管２６、又はエンジン排気を含むパイプ４８に交互に接続される。
【０００７】
ＮＯｘがトラップに飽和するのに必要な時間よりも短い時間だけエンジン排気がトラップ３５、３６のうちの一つに流入するようバルブは制御され、次に排気が他方のＮＯｘトラップに流入するようにバルブが切り替えられ、その間、始めに使用されたＮＯｘトラップは発生器２２からの水素及び一酸化炭素により再生される。１つの再生サイクルでは、エンジン排気がトラップ３５に吸着され、トラップ３６が再生されるように、バルブ４１、４２が閉じられて、バルブ４０、４３が開かれる。次の再生サイクルでは、エンジン排気がトラップ３６に吸着され、トラップ３５が再生されるように、バルブ４０、４３が閉じられて、バルブ４１、４２が開かれる。
【０００８】
様々な吸着剤が用いられるが、ＮＯｘトラップには、例えば、吸着剤としてバリウム炭酸塩(ＢａＣＯ3)を含む。一般的に、白金のような触媒は反応に触媒作用を起こすように吸着材料上に塗膜される。ジーゼル排気がバリウム炭酸塩に吸着されたとき、バリウム硝酸塩を生成する反応が起こる。
２ＮＯｘ  +  ＢａＣＯ3  →  Ｂａ(ＮＯ3)2  ＋  ＣＯ2
再生サイクルの間、バリウム硝酸塩は下記の反応式によりバリウム炭酸塩に転化される。
３Ｈ2  +  ２ＣＯ  +  Ｂａ(ＮＯ3)2  →ＢａＣＯ3  +  Ｎ2  +  ３Ｈ2Ｏ  ＋  ＣＯ2
熱交換器５０はエンジン排気の熱により、燃料が水素発生器に供給される前にライン１８中の燃料を蒸発させる。これは特にＣＰＯｘ改質器が水素発生器として用いられている場合に有用である。
【０００９】
ＣＰＯｘ改質器は非常に小さく、すす又は炭素生成を伴わずに低い蒸気炭素比、及び高いターンダウン比で運転できることからＣＰＯｘ改質器はある点で好まれる。しかし、ジーゼルエンジン排気は微粒子(すす)及び硫黄の酸化物(ＳＯｘ)を含み、これらは時間をかけてＣＰＯｘ触媒を不活性化する。したがって、非触媒(同質の)部分酸化剤が水素発生器２２として選択されることもある。水素生成割合はＣＰＯｘによる水素生成と比べて少し少ないくらいである。公知の単純な点火プラグを用いることで簡単に始動する。付け加えると、ＰＯＸはＣＰＯｘよりも安く、Ｏ2／Ｃ比の制御が知られており(エンジンＯ2／燃料比と同様)、単純であり、ＳＯｘ及びすすは影響せず、蒸気／Ｃ比の問題もない。
【００１０】
しかし、交互の吸着及び再生サイクルはエンジン排気に対して高温用の大型のバルブが必要である。排気の吸着ベッドを他方に切り替える操作は、高い排気温度では非常に難しい操作である。
【００１１】
さらに、エンジン排気はバルブからもれ、一般的には全エンジン排気の５％の程度が再生中の吸着ベッドに誤って流入する。エンジン排気中には再生ガス中の水素及び一酸化炭素と反応する１５％に達する酸素が存在するので、バルブがもれることによる酸素との結合により、再生ガスのかなりの量が消費(浪費)される。Ｏ2とＨ2及びＣＯとの反応により温度が上昇し、これによりＮＯｘ吸着ベッド触媒が不活性化する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、再生吸着ベッド中の高温バルブを除去すること、内燃エンジン排気中のＮＯｘの窒素及び他の無害なガスへの還元の改善、ＮＯｘ吸着剤再生の連続プロセスの提供、エンジン排気のＮＯｘ還元装置の大きさ及び複雑さを低減すること、ＥＰＡ２００７会議のＮＯｘ排出要求へ適合する装備を簡単にすること、並びに他方のＮＯｘ吸着システムのバルブ漏れにより生じる再生ガスの浪費を避けることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、再生ガスにさらされたときにＮＯｘ吸着ベッドを再生させるのにかかる時間は、同一サイズの吸着ベッドをエンジン排気の中においたときにＮＯｘが飽和する時間よりもはるかに短い、ということの発見に基づいている。
【００１４】
本発明によれば、吸着触媒付の並んだ複数の流路を有するＮＯｘ吸着ベッドと吸気ガス分配器との相対回転によって、１回転中の第１区間の間に各流路に内燃エンジン排気の流れが生じ、１回転中の残りの間に各流路に再生ガスの流れが生じる。排気ガス及び再生ガスはベッドを連続的に流れる。
【００１５】
本発明によれば、ベッドに流入するガスの流れは、排気ガスと再生ガスとを分離状態に保つバッフルを有する分配器により制御され、いずれの流路が時間内のどのポイントで一方の、若しくは他方のガスの流れを受けるかが決定される。ベッド(一の実施例)又は分配器(他の実施例)は流路に交互にガスが流れるように回転される。
【００１６】
本発明の一の形態によれば、ＮＯｘの吸着を行うベッド又は分配器のそれぞれの１回転中の区間は、吸着剤の再生に必要な１回転中の区間よりも大きい(２〜４０：１のオーダー)。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図２によれば、本発明における連続運転再生ＮＯｘ吸着ベッド装置５２は、パイプ４８からエンジン排気を受け取るエンジン排気吸気口５３、及びライン２６を経て再生ガスを受け取る再生ガス吸気口５４を有する。装置５２は排気ライン２９に接続する排気出口５５を有する。装置５２内には、図３〜８に示す回転吸着ベッド５７がある。フィルタアセンブリ５２は以下に詳細に述べられているベッド５７を回転するためにモータ５９により駆動されるシャフト５８を有する。ベッドは２分の１ＲＰＭから５ＲＰＭくらいに非常にゆっくりと回転される。
【００１８】
図３において、ベッド５７は内側円筒壁６４と外側円筒壁６５とを有するシリンダ状であり(図５及び６)、流路６８を形成する複数の放射状の壁６６を有する。壁６６ａ(図５)は平面の流路６８を形成する。これはだいたい扇形をしている。又は、図６に示すように壁６８ｂはらせん形である。それぞれの放射状の壁の各側は、吸着剤で覆われており、円筒状の壁６４、６５の内壁露出表面も同様にし得る。セクタ６８を通過する排気の流れは窒素の種々の酸化を起こし、放射状の壁６６上に、及び吸着剤で覆われていれば壁６４、６５上に吸着される。その後は、同一のセクタがそれらを通過する再生ガスを有しているときは、上記の図１の再生プロセスが行われ、このようにしてこれらのセクタをもう一度これらを通過する排気ガスからＮＯｘを吸着できるようにする。
【００１９】
図４に示すように、円筒状の壁６６に代えて、フィルタ６２の内表面を蛇行した形状の単一の壁７０から構成してもよく、両表面が吸着剤で覆われている。図４では、ガス流路はＮＯｘ吸着材料及び担体から成る単一層のシートから形成される。シートは複数の放射状の内側湾曲部７１、及び複数の放射状の外側湾曲部７２を有する蛇行パターンに形成される。放射状の内側湾曲部７１の各々の第一の側は、シートの放射状に配置された部分により、放射状の外側湾曲部７２の第２の側に接続される。放射状の外側湾曲部７２の各々の第１の側は、シートの放射状に配置された部分により、放射状の内側湾曲部７１の各々の第２の側に接続される。いずれのケースにおいても、壁６６、又は壁７０は内側円筒状壁６４から外側円筒状壁６５まで形成される。これは排ガスと再生ガスとが混合するのを避けるためである。換言すれば、上記のトラップを交互に使用する従来技術で発生する、漏れ及び再生ガスの浪費を避けるためである。
【００２０】
図７を参照すると、フィルタ装置５２は、入り口端キャップ７４、出口キャップ７５、固定された流入ガス分配器７６、及び出口マニホルド７７を有する。入り口キャップ７４は排気ガス流入口５３及び再生ガス流入口５４(図２)の一部となる孔、及びシャフト５８を軸受するベアリング８０を有する。出口キャップ７５は排ガス出口５５(図２)の一部となる孔、及びシャフト５８を軸受するベアリング８２を有する。流入ガス分配器７６は、円筒状の外壁８４、及び２つの流入ガスの流路を決定する２つのチャンバ８６、８７を仕切るバッフル８５から構成される。
【００２１】
出口マニホルド７７はチャンバ９２を区画する円筒状の外壁９０を有する。エンジン排気及び使用済みの再生ガスは排気口５５を経て同一の排気２９に流れる。
【００２２】
図７では、エンジン排気の流路は、排気流入口５３を通過し、チャンバ８６及びそこから図７で黒く示されているすべてのセグメントを通過し、そこから排気口５５を通過して排気パイプ２９にいたる。
【００２３】
図８では、再生ガスは、再生ガス流入口５４を通過し、チャンバ８７及び図８で黒く示されているすべてのセグメントを通過し、チャンバ９２を通過し、排気口５５を経て排気パイプ２９にいたる。
【００２４】
再生ガスは図８に示す約４０°(１１％)にわたるガス通路６８に流入する。一般的なケースでは、再生ガスは一度にガス通路の１８°(５％)〜１８０°(５０％)に流入する。
【００２５】
エンジン排気及び再生ガスは常に同時に流動する。図７及び図８では、別個に流れの様子が示されており本発明の性質を分かりやすくしている。
【００２６】
ある実施例では、一つのガス(例えば排気)の流れから他のガス(例えば再生ガス)へ迅速に移行するために、吸着ベッドの流路に放射状の入り口を備えるとよい。これにより、各流路でのガスの流れを交換の際、排気ガスと再生ガスとの干渉が少なくなる。しかし、ある実施例では、流路の境界は放射状である必要はなく、各々の流路は、半径方向に進んでいく形で、一方のガスから他方のガスに切り替わる。固定の流入ガス分配器７６及び回転吸着ベッド５７を用いる代わりに、本発明の図９〜１１に示されるように、固定の吸着ベッド１００及び回転流入ガス分配器１０１を用いて実施してもよい。ベッド１００及び分配器１０１は流入口端１０４に近接する円筒状コンテナ１０３内に配置され、ベッド１００の、取り付け、保持のために出口端にキャップ１０５を有する。キャップ１０５は公知の方法で、コンテナ１０３を固定する。円筒状の分割器及びシール１０６は端１０４と分配器１０１との間の空間を、それぞれのガス入り口５３、５４を備えた２つの環状のチャネル１０９、１１０に分割する。これはそれぞれガス入り口の一部となる。排気ガス流入口５３を経て流入する排気ガスはチャネル１０９全体を流れ、再生ガスは再生ガス流入口５４を経て流入しチャネル１１０全体を流れる。
【００２７】
図１０では、分配器１０１はモータシャフト５８を強固に固定できる中央孔１１２を有する。環状のスロット１１３は、たとえば各回転の１８０°から３５５°の範囲など、分配器１０１の１回転中の非常に大きな区間を介して、外側のチャネル１０９から、固定されたベッド１００にガスを流入させる。スロット１１４は、たとえば９０°から１８０°の範囲など、分配器１０１の１回転中の非常に小さな区間を介して、固定されたベッド１００にガスを流入させる。この実施例では、孔１１２〜１１４を除いて、図１０に示すように、分配器１０１の流入表面は平らである。
【００２８】
分配器１０１の出口側は、図９、１１に示すように、円方向のリブ１１７、ハブリブ１１８、及び一組の放射状のリブ１２１、１２２を含む。放射状のリブ１２１、１２２は、図３〜８の実施例に示される、バッフル８５の態様と同様に２種類のガスを分離する。チャネル１０９に流入する排気ガスはスロット１１３を通過して、放射状のリブ１２１、１２２のスロット１１３側、及びリブ１１７の大部分によって形成されるチャンバ１２５(図９)に流入する。
【００２９】
同様に、スロット１１４に近接する放射状のリブ１２１、１２２の表面と、円周のリブ１１７とは、再生ガスが環状のチャネル１１０(図９、１０)からスロット１１４を通過して流入するチャンバ１２６を形成する。
【００３０】
分配器１０１が回転すると、放射状のリブ１２１、１２２は一方の又は他方のガスを、固定された吸着ベッド１００の異なる部分に徐々に切り替えていく。この図９〜１１の実施例の作用は図３〜８の実施例と同様とである。
【００３１】
回転ベッド５７及び固定されたベッド１００は、モノリス１２６(図１２)から構成される。これは、一般的にはシリンダの一端から他端に伸びる多数のチャネルから構成され、このチャネルは通常正方形である。ベッドは六辺形のハニカム１２７(図１３)から構成されることもある。チャネルのすべての表面は、たとえば上記の適当な吸着材料及び触媒で覆われる。他の実施例では、適当なベッドの他の形態を用いることが可能である。
【００３２】
図２には示されていないが、本発明ではエンジンにガス再循環器を用いることができる。これは排気ガス再循環(一般的にＥＧＲと呼ばれる)、又はダクト２６の再循環ガスの一部が空気流入ライン１１に流入することより実現する再生ガス再循環の形態をとる。ガス再循環の使用は、従来技術に記載されて知られているように、ＮＯｘ還元全体を改善させる。しかし、本発明では、ＥＧＲの使用を要求も排除もしない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来技術のＮＯｘトラップを組み入れたエンジンの概略図。
【図２】本発明の実施例である吸着ベッド回転を組み入れたエンジンの概略図。
【図３】本発明の吸着ベッドの実施例の概略図。
【図４】本発明の吸着ベッドの実施例の概略図。
【図５】平面上のフィルタの概略図。
【図６】らせん状のフィルタの概略図。
【図７】本発明のエンジン排気の流路による連続流動再生吸着フィルタ装置の概略図。
【図８】本発明の再生ガスの流路による連続流動再生吸着装置の概略図。
【図９】流入ガス分配器を回転させる本発明の実施例の概略図。
【図１０】図９の循環流入ガス分配器の頂上図。
【図１１】回転分配器の底平面図。
【図１２】モノリス吸着ベッドの概略図。
【図１３】ハニカム吸着ベッドの概略図。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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