(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
狭い流路のマトリックス（16）を持ち、リーンバーン・エンジンの排気システムに配置されるリーンＮＯｘトラップをパージする方法であって、上記ＮＯｘトラップ・マトリックス（16）より前側にあり狭室（14）により上記ＮＯｘトラップ・マトリックスから分離される整流マトリックス（12）を設ける工程及び、上記狭室（14）へバーストで還元性ガスを周期的に噴射する工程を有し、バーストのそれぞれが、後の排気と実質的に混合することなしに、上記狭室（14）を還元性ガスで充たし、そして、上記狭室（14）内に先に存在した排気を、上記整流マトリックス（12）と上記トラップ（16）の上記狭い流路へ移動させるのに、充分な量と流速を持ち、
上記ＮＯｘトラップ・マトリックス（16）は、酸素吸蔵材で付加的に被覆されていて、上記ＮＯｘトラップ・マトリックス(16)が加熱される程度を変化させる様に、上記バーストの間の上記酸素吸蔵材への酸素の補充の程度を変化させるために、上記還元性ガスの上記バーストの繰返し周波数を変化させる、方法。
【請求項２】
狭い流路のマトリックス（16）の形態のリーンＮＯｘトラップと、該トラップを周期的にパージするためにＮＯｘトラップの上流に還元性ガスを噴射する手段（20,22,24,26）を持つリーンバーン・エンジンにおいて、狭い通路の整流マトリックス（12）が、上記ＮＯｘトラップ・マトリックス（16）の上流に配置され、そして、狭室（14）により上記トラップ・マトリックス（16）から分離され、そして、上記ＮＯｘトラップ・マトリックス（16）の上流に還元性ガスを噴射する手段が上記狭室（14）内へバーストで還元性ガスを噴射する作動をすることが可能で、バーストのそれぞれが、後の排気と実質的に混合することなしに、上記狭室（14）を還元性ガスで充たし、そして、上記狭室（14）内に先に存在した排気を、上記整流マトリックス（12）と上記トラップ（16）の上記狭い流路へ移動させるのに、充分な量と流速を持ち、
上記ＮＯｘトラップ・マトリックス（16）が酸素吸蔵材で付加的に被覆されていて、上記トラップ・マトリックス（16）が加熱される程度を変化させる様に、上記バーストの間の上記酸素吸蔵材への酸素の補充の程度を変化させるために、上記還元性ガスの上記バーストの繰返し周波数が可変である、ことを特徴とするリーンバーン・エンジン。
【請求項３】
上記還元性ガスが、燃料蒸気、燃料蒸気と空気との理論空燃比よりもリッチな混合気、又は、燃料蒸気と過剰空気を含む排気との理論空燃比よりもリッチな混合気、である、請求項２に記載のリーンバーン・エンジン。
【請求項４】
部分酸化及び水／ガス平衡により還元性ガスを形成するために、上記リッチ空燃比混合気がリーンＮＯｘトラップ（16）において、エンジン作動中に反応させられる、請求項３に記載のリーンバーン・エンジン。
【請求項５】
リッチな燃料と空気との混合気が、排気システム中に噴射される前に、加熱され加圧された容器内で外部反応させられる、請求項３又は４に記載のリーンバーン・エンジン。
【請求項６】
整流マトリックス（12）がセラミック・ハニカムである、請求項２乃至５のいずれかに記載のリーンバーン・エンジン。
【請求項７】
噴射弁（26）を用いて、上記ＮＯｘトラップ・マトリックスの上流で還元性ガスが加圧貯蔵容器から上記室内へ計量供給されるところの該加圧貯蔵容器へ、燃料蒸気を含む還元性ガスを圧送するために、蒸気ポンプ又はコンプレッサー（22）が設けられている、請求項２乃至６のいずれかに記載のリーンバーン・エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、排気システム中に窒素の酸化物（ＮＯｘ）用の吸蔵トラップを持つエンジンに関し、その様なトラップの貯蔵されたＮＯｘガスのパージ及び、トラップ中に貯留する硫黄の酸化物（ＳＯｘ）の除去による、硫黄被毒からのトラップの再生に、関連する。
【０００２】
発明の背景
自動車に用いられるリーンバーン火花点火内燃機関において、排気中のＮＯｘ排出を減少させる公知の方法は、リーン排気の酸化性雰囲気からバッチのＮＯｘガスを捕えて吸蔵するリーンＮＯｘトラップを用いることである。トラップを還元性雰囲気へ晒すことによりトラップが周期的にパージされ、それに際し吸蔵されたＮＯｘガスは、大気中に吐出される前に、放出され触媒の存在の下に窒素に還元される。燃料中に硫黄がある場合、ＳＯｘがＮＯｘと同様に排気中に存在することになり、トラップが、ある時間内にトラップを被毒させることになるＳＯｘガスを吸蔵することになる。トラップを硫黄被毒より再生するために、トラップが、還元性雰囲気に晒されることもあるが、この場合においては、化学反応が高温で起こる必要があり、現在のエンジン回転数及び負荷条件を考慮して、トラップが加熱される間又はトラップがそれ自体高温で作動している時のいずれかで、化学反応が実行されなければならない。
【０００３】
トラップを還元性雰囲気へ晒す公知の方法は、排気の組成を酸素過剰から燃料過剰へ切換えるために、エンジンの燃料構成をリーン混合気からリッチ混合気へ変化させることを、含む。この方法には、パージ過程の間にエンジンの作動が妨げられ、それがエンジンの出力トルクの急激な変化を起こし車両のドライバーを驚かせることになる、という問題がある。これを回避するために、走行性が妨げられない様に、急激なトルク変化を抑えるため、更に複雑な工程をとることが必要である。
【０００４】
リーンＮＯｘトラップは、トラップの最適作動温度を確保するために、エンジンからのかなりの距離に配置される方が良い。しかしながら、これの問題点は、パージ中のエンジンのリッチ作動の期間が、リッチ排気の結果としてのスラグの拡散を起こし、スラグがトラップに届く時には還元性雰囲気を消し去っている、排気管に沿ってのスラグの輸送とリーン排気との混合を、考慮に入れなければならない、ということである。
【０００５】
更に、エンジンからの炭化水素排出を減少するために、酸化触媒コンバーターがリーンＮＯｘトラップの上流に設けられなければならないので、パージ中のリッチ作動の期間は、スラグの残りの成分が酸化触媒コンバーターを通り抜ける前に、リッチ排気のスラグに含まれる過剰燃料のある部分が触媒コンバーターにより酸化されることも、考慮に入れなければならない。これらの考慮は全て、トラップをパージするために充分な量の排気がリーンＮＯｘトラップへ到達可能であることを確実なものとするために、エンジンのリッチ作動の期間を比較的延びたものとする。これは、エンジンのリッチとリーン作動の期間の比率が増大すると、エンジンの燃料消費全般における損失が増大することを表している。
【０００６】
発明の概要
前述の問題点を和らげる目的で、第１の観点により本発明は、狭い流路のマトリックスを持ちリーンバーン・エンジンの排気通路に配置されるリーンＮＯｘトラップをパージする方法を提供し、その方法は、上記ＮＯｘトラップ・マトリックスより前側にあり狭室により上記ＮＯｘトラップ・マトリックスから分離される整流マトリックスを設ける工程及び、上記狭室へバーストで還元性ガスを周期的に噴射する工程を有し、上記バーストのそれぞれが、後の排気と実質的に混合することなしに、上記狭室を還元性ガスで充たし、そして、上記狭室内に先に存在した排気を、上記整流マトリックスと上記トラップの上記狭い流路へ移動させるのに、充分な量と流速を持つ。そして、上記ＮＯｘトラップ・マトリックス（16）は、酸素吸蔵材で付加的に被覆されていて、上記ＮＯｘトラップ・マトリックス(16)が加熱される程度を変化させる様に、上記バーストの間の上記酸素吸蔵材への酸素の補充の程度を変化させるために、上記還元性ガスの上記バーストの繰返し周波数を変化させる。
【０００７】
本発明の第２の観点によれば、狭い流路のマトリックスの形態のリーンＮＯｘトラップと、該トラップを周期的にパージするためにＮＯｘトラップの上流に還元性ガスを噴射する手段を持つリーンバーン・エンジンが提供され、狭い通路の整流マトリックスが、上記ＮＯｘトラップ・マトリックスの上流に配置され、そして、狭室により上記トラップ・マトリックスから分離され、そして、上記ＮＯｘトラップ・マトリックスの上流に還元性ガスを噴射する手段が上記狭室内へバーストで還元性ガスを噴射する作動をすることが可能で、上記バーストのそれぞれが、後の排気と実質的に混合することなしに、上記狭室を還元性ガスで充たし、そして、上記狭室内に先に存在した排気を、上記整流マトリックスと上記トラップの上記狭い流路へ移動させるのに、充分な量と流速を持つ。そして、上記ＮＯｘトラップ・マトリックス（16）が酸素吸蔵材で付加的に被覆されていて、上記トラップ・マトリックス（16）が加熱される程度を変化させる様に、上記バーストの間の上記酸素吸蔵材への酸素の補充の程度を変化させるために、上記還元性ガスの上記バーストの繰返し周波数が可変であることを特徴とする。
【０００８】
本発明は、パージ目的で噴射される過剰燃料が排気中に含まれる過剰酸素から出来るだけ離されるので、トラップが最小の燃料消費でパージされるのを可能とする。
【０００９】
ガスの混合は、室と流路の狭い寸法のために、防止される。室を通って流れる排気のそれよりもかなり高い流速で、還元性ガスがバーストとして狭室へ噴射される時に、それは、室のいずれかの側の隣接するマトリックスの狭い流路へ排気を押し入れ、そして、排気の間に還元性ガスのスラグを形成しながら、室を迅速に充たす。このスラグは、噴射されるバーストが停止されることになる時点である、排気システムの上流部の排気圧力がその排気が狭室内へ入り込むのに充分な程増大する時点まで、排気の貫通流を瞬間的に中断する。その結果として、還元性ガスの波がリーンＮＯｘトラップ・マトリックスへ入り、排気とあまり混合することなしにマトリックスの全長に亘り伝播することになる、ということである。波の濃さは、排気の貫通流が狭室内へ入り込む前に利用可能な時間に噴射される還元性ガスの質量に応じて変わって来る。
【００１０】
本発明において、ＮＯｘトラップ・マトリックスは、ＮＯｘ吸蔵材料だけでなく、酸素吸蔵材料によっても、被覆されている。この場合に、還元性ガスは、熱を放出するために、吸蔵酸素と発熱反応をすることが出来る。酸素吸蔵材に酸素を補充するのに充分な排気を通すのに充分な時間をバーストの間に許容する繰返し周波数で還元性ガスの連続的なバーストを付加することにより、ＮＯｘだけでなく、燃料中の硫黄の存在のために蓄積している可能性のあるSOxをもパージするのに充分にトラップを加熱することが出来る。
【００１１】
還元性ガスは、燃料蒸気、燃料蒸気と空気との理論空燃比よりもリッチな混合気、又は、燃料蒸気と過剰空気を含む排気との理論空燃比よりもリッチな混合気であり得る。リッチ空燃比の混合気は、部分酸化及び水／ガスの平衡反応により一酸化炭素及び水素の様な還元性ガスを形成するために、リーンＮＯｘトラップ・マトリックスで反応させられる場合もある。混合気は、排気へ噴射される前に、例えば、加圧されそして付加的に触媒、点火プラグ又はグロー・プラグを含むことがある加熱容器内である、外部で反応させられても良い。
【００１２】
整流マトリックスは、セラミック・ハニカムとすることが出来、それは、マトリックスの狭い流路の表面を被覆する必要がないという点を除き、リーンＮＯｘトラップ・マトリックスの構造と同様である。
【００１３】
燃料蒸気は、係属中の英国特許出願GB 9716156.6号に記載された、ガソリン燃料を、軽量蒸気分と重量蒸気分とに分離する蒸気抽出システムより、吸引され得る。代わりにか又は付加的に、燃料蒸気は、エンジンの燃料貯蔵タンクに接続される蒸気貯蔵キャニスターから吸い出されることがある。更なる代替案として、その中で燃料が沸騰して蒸気を形成し同時に容器を加圧する加熱容器へ、液体燃料が圧力下で噴射される場合もある。
【００１４】
燃料蒸気が燃料噴射弁を用いてリーンＮＯｘトレイ・マトリックスの前側のエンジン排気システムへ、そこから還元性ガスがバーストに計量され得る加圧した貯蔵容器内へ、燃料蒸気を含む還元性ガスを圧送するのに、蒸気ポンプ又はコンプレッサーが用いられる場合がある。
【００１５】
以下に本発明を、例を用い、添付の図面を参照して説明する。
【００１６】
好ましい実施例の詳細な説明
単一の図面が、触媒及びＮＯｘ吸蔵材料が担持されたセラミック・マトリックス16を有するリーンＮＯｘトラップに接続される三元触媒コンバーター（不図示）の下流に位置するエンジン排気管の断面を、示している。一般的に、被覆されたセラミック・マトリックスがリーンＮＯｘトラップの唯一の構成部分であるが、本発明においては、整流マトリックスとして作用し、そして、トラップ・マトリックス16をパージするためにその中に還元性ガスが噴射される狭室14によりトラップ・マトリックス16から分離される第２マトリックス12が前にある。
【００１７】
室14は、流量制御弁26を用いて加圧容器24へ接続される環状ギャラリー28により、取囲まれる。適切な燃料源からの燃料蒸気を含む還元性ガスが、コンプレッサー22を用いて、圧力下で容器24内へ導入される。
【００１８】
リーンバーン・モードでのエンジンの作動中に、ＮＯｘガスはトラップ・マトリックス16のＮＯｘ吸蔵材により吸収される。ＮＯｘ吸蔵材の飽和を回避するために、トラップ16は周期的にパージされなければならない。トラップのパージは、還元性ガスがトラップに流されるのを必要とし、これは、過剰燃料が三元触媒コンバーターを通り抜けてＮＯｘトラップへ到達するのを確実にするのに充分な期間、エンジンをリッチで運転することにより、なされるのが通常であった。
【００１９】
本発明において、還元性ガスが、トラップ・マトリックス16のすぐ上流の室14へ噴射され、エンジンの排気を含む酸素とガスのバーストが混合する程度を最小にする工程がとられる。この方法においては、ＮＯｘトラップをパージする目的で噴射される燃料が、リーンバーン・モードで作動するエンジンの排気中に必然的に存在する過剰酸素と反応することにより浪費されることが、ない。
【００２０】
還元性ガスのバーストが高い流速で全ての側面より径方向内側に向いて狭室14へ導入される時に、それは室14に既に存在しているガスをマトリックス12及び16へ移動させる。通路内での還元性ガスと排気との間の界面は、２つのガスがかなりの程度まで化学的に相互作用しない様に、非常に小さくなっている。還元性ガスのバーストは、排気の通常の流れを瞬間的に止めるか又は逆方向にすることになるが、バーストの終わりにおいては、排気流が還元性ガスをスラグ又は波としてトラップ・マトリックス16内を進行方向に圧送することになる。
【００２１】
トラップ・マトリックス16内の各通路内の還元性ガスのスラグは、それが通路に沿って進行する時に、吸蔵されたＮＯｘガスと反応することになる。当初、通路の表面と反応する帯域がスラグの前方に存在することになるが、スラグの前方の燃料が用いられるにつれて、反応帯域はスラグが通路を進むにつれスラグの後側に向かって移動することになる。反応帯域は進むにつれて、吸蔵ＮＯｘのトラップを徐々にパージすることになる。
【００２２】
ＮＯｘトラップ・マトリックス16が酸素吸蔵材で被覆されるのも一般的である。この場合に、還元性ガスのスラグは、吸蔵された酸素を中性化する作用を最初にし、それにより、その後の吸蔵ＮＯｘガスのパージを促進するための熱を生成する。それで、スラグが２つの活性帯域を持つことになり、第１の帯域は吸蔵酸素との発熱反応を発生し、第１帯域に近接して続く第２帯域内では第１帯域により加熱されたＮＯｘ吸蔵材が直ちにスラグ中を進む還元性ガスに晒される。スラグがトラップ・マトリックス16の通路を先に進む時には、もう一度述べるが、２つの帯域はスラグの後側に向いて一致して進むことになる。
【００２３】
還元性ガスのスラグの各通路は、酸素吸蔵材に酸素を補充するために充分な量の排気が通っていくのに充分な時間がバーストの間に許容されているとすれば、ＮＯｘトラップ・マトリックス16の表面温度の上昇を起こすことになる。バーストの繰返し周波数が速い場合には、排気のバーストの間の部分では足りず、酸素が部分的にのみ補充されて、マトリックスの加熱量は少なくなることになる。この手法は、トラップを過剰に加熱することなしに、トラップをパージするために、還元性ガスの連続した緻密なスラグを発生するのに、用いることが出来る。
【００２４】
バーストの繰返し周波数が低くなり、連続するスラグの間のより長い排気の部分による酸素吸蔵材の完全な補充を可能とする場合には、加熱効果が積み重なり、高い表面温度へ到達するのを可能とすることとなる。これは、燃料中に存在する硫黄がトラップのＳＯｘ汚染を起こす状況において用いることが出来る。ＳＯｘガスの還元は高温を要し、これは、酸素の補充を可能とするのに充分低いが、トラップがバースト間で冷却するのを許容しないのに充分な程高い繰返し周波数を適切に選定することにより達成することが出来る。
【００２５】
パイプ20は、係属中の英国特許出願GB 9716156.6号に記載された様な蒸気抽出システム又は、蒸気パージ・キャニスター又はいかなる還元性ガスの供給源からも、燃料蒸気を引き込むことが出来る。
【００２６】
還元性ガスを加圧して容器24内に貯蔵することは、還元性ガスのバーストの期間と時期を決定するために、CNG用途で知られている、一般的な電磁燃料噴射弁26の使用を可能とする。期間は、各スラグにおける還元性ガスの量を設定する噴射弁26のパルス幅により、制御されることになる。他方で、時期は、噴射弁26の周波数と位相により決まって来る。排気システム中で自然に起こる圧力変化とのバーストの同期を制御するために、エンジンのクランクシャフト回転角度に関連させて位相を最適化することが出来る一方で、トラップのパージと加熱を制御するために上述の様に周波数が変化されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トラップをパージする還元性ガスの供給と共に、リーンＮＯｘトラップを概略的に示す図である。
【図１】
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