(57)【要約】【課題】温度が約６００℃を頻繁に超えて０．５から０．８％の間の過度の酸素を含む燃焼生成物を正規組成のディーゼルエンジンから受け取る無触媒微粒子フィルタを有する内燃機関システムを提供すること。【解決手段】ＮＯｘ還元触媒は微粒子フィルタの下流に配置される。エンジンシステムはターボ過給機を含んでよく、微粒子フィルタおよびＮＯｘ還元触媒はタービンの上流またはタービンの下流のいずれかに配置されることができ、あるいは別法として、微粒子フィルタはタービンの上流にあり、ＮＯｘ還元触媒はタービンの下流にある。【選択図】図１
2009074543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過度の酸素を有し温度が約６００℃を頻繁に超える燃焼生成物のための空気取入口および排気管を有する内燃機関と、
前記排気管から燃焼生成物を受け取る無触媒微粒子フィルタと、
前記微粒子フィルタの下流にあり前記微粒子フィルタから流体を受け取るＮＯｘ還元触媒と、
を有する内燃機関システム。
【請求項２】
前記内燃機関が正規組成のディーゼルエンジンである、請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項３】
前記過度の酸素が最大約０．８％である、請求項２に記載の内燃機関システム。
【請求項４】
前記過度の酸素がおよそ０．５から０．８％の間である、請求項３に記載の内燃機関システム。
【請求項５】
圧縮機を駆動させるために、排気の燃焼生成物を受け取るタービンを含む加圧装置をさらに有する、請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項６】
前記微粒子フィルタおよびＮＯｘ還元触媒が、前記タービンの下流に配置され、前記タービンからの流体を受け取る、請求項５に記載の内燃機関システム。
【請求項７】
前記微粒子フィルタが前記タービンの上流にあり、前記ＮＯｘ還元触媒が前記タービンの下流にある、請求項５に記載の内燃機関システム。
【請求項８】
前記微粒子フィルタおよび前記ＮＯｘ還元触媒が前記タービンの上流に配置される、請求項５に記載の内燃機関システム。
【請求項９】
前記微粒子フィルタがセラミックフィルタである、請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項１０】
前記ＮＯｘ還元触媒が三元触媒である、請求項１に記載の内燃機関システム。
【請求項１１】
排気管に約６００℃を頻繁に超える温度の過度の酸素を含む燃焼生成物を生成する空気吸込式であり燃料消費型の内燃機関を作動させるステップと、
無触媒微粒子フィルタに前記燃焼生成物を通過させるステップと、
次いでＮＯｘ還元触媒に前記燃焼生成物を実質的に通過させるステップと、
を含む、内燃機関システムを作動させる方法。
【請求項１２】
前記内燃機関が正規組成のディーゼルである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記過度の酸素が最大約０．８％である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記過度の酸素がおよそ０．５から０．８％の間である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記エンジンが、加圧装置を駆動させるために前記エンジンから前記燃焼生成物を受け取るタービンを含む加圧装置を用いて作動される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記燃焼生成物が、前記タービンの下流にある前記無触媒微粒子フィルタおよび前記ＮＯｘ還元触媒を通過する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃焼生成物が前記タービンの上流にある前記無触媒微粒子フィルタを通過し、前記燃焼生成物が前記タービンの下流にある前記ＮＯｘ還元触媒を通過する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記燃焼生成物が、前記タービンの下流にある前記無触媒微粒子フィルタおよび前記ＮＯｘ還元触媒を通過する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記微粒子フィルタがセラミックフィルタである、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＮＯｘ還元触媒が三元触媒である、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関システムの分野に関し、詳細には、排気後処理装置を有するエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明における政府の権利
本発明は、契約ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２４１６の下でエネルギー省から授与された政府の助成を受けてなされたものである。米国政府は本発明における一定に権利を持つことができる。
【０００３】
内燃機関には多くの形態があるが、その中で最も一般的なものは、火花点火式のガソリンエンジンおよび圧縮点火式のディーゼルエンジンである。火花点火式のガソリンエンジンは、絞り弁で調整することにより燃料を計量して空気内に供給し、正規組成にできるだけ近づけられた混合物を燃焼室内に生成する。化学量論的空燃比は、燃焼過程においてすべての燃料とすべての空気が混合される質量比である。火花点火式のガソリンエンジンの場合、この空燃比は１４．７：１である。この状態での動作させることにより、三元触媒を使用した適切な排気後処理が可能となり、エンジン排気内の窒素酸化物を還元する。
【０００４】
圧縮点火すなわちディーゼルタイプのエンジンは、その優れた耐久性および火花点火式のガソリンエンジンより優れた燃費のために、多くの商業用途および工業用電力の用途に使用される。ディーゼルエンジンは、燃焼を引き起こすために時間調節され計量された量の燃料が噴射される吸気の圧縮熱を利用する。ディーゼルエンジンサイクルの特性は、可変の空燃比が、不完全な動力状態下で、正規組成をはるかに超える水準まで上昇することができることである。これにより、個別の動力水準に必要とされる量の燃料のみがエンジンに供給されることから、不完全な動力の燃費が向上する。
【０００５】
このタイプのエンジンの問題の１つは、排出物質への影響である。一酸化炭素および亜酸化窒素の生成に加えて、煤形態の粒子が生成される。窒素酸化物を還元するのと同時に一方で、連邦政府により義務付けられた今後も厳正である水準にまで粒子を還元するために多くの手法が採用されてきた。
【０００６】
正規組成のディーゼルエンジンがこのような均衡状態を実現するために提案されているが、これは、正規組成のディーゼルエンジンが窒素酸化物を還元するための自動車用の触媒の使用を可能にするからである。一般には燃料に対する空気の比が約１４．７である正規組成であるいは正規組成近くでエンジンを作動させることにより、三元触媒を使用することができる。しかし、この空熱比で作動させることにより、ディーゼル微粒子が実質的に増加する。したがって微粒子を漉し取るためにディーゼル微粒子フィルタを使用しなければならないが、生成される微粒子がかなりの量であることから、収集された粒子状物質を除去するために、一時的な加熱を介したフィルタの高頻度の再生または他の手段が必要となる。
【０００７】
したがって、当技術分野では、ディーゼル微粒子フィルタを再生する優れた能力を有するこのタイプのエンジンシステムを提供することが必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一形態では、本発明は、過度の酸素を有し温度が約６００℃を超える燃焼生成物のための空気取入口および排気管を備える内燃機関を有する内燃機関システムを含む。無触媒微粒子フィルタが排気管から燃焼生成物を受け取り、微粒子フィルタの下流にあり、微粒子フィルタから流体を受け取るＮＯｘ還元触媒が窒素酸化物を還元する。
【０００９】
別の形態では、本発明は内燃機関システムを作動させる方法を含み、この方法は、排気管内に約６００℃を超える温度で過度の酸素を含む燃焼生成物を生成する空気吸込式であり燃料消費型の内燃機関を作動させるステップを含む。燃焼生成物は、無触媒微粒子フィルタを通過しその後ＮＯｘ還元触媒を通過する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に、空気吸込式であり燃料消費型の内燃機関１０をその基盤として有する動力システムが示されており、内燃機関１０では、１つまたは複数のピストンがエンジンブロック内で往復運動しロータリー出力を生み出すためのクランク軸に連結されている。各ピストンは、燃焼のための空気を吸気系１２から受け取る容量可変の燃焼室の一部を形成する。燃焼生成物は排気系１４を通過する。一般的な方式では、茸弁（本発明の理解を簡略化するために図示しない）がカム軸により作動されてサイクル内の適切な点まで開き、空気の取り入れが可能になる、あるいは燃焼生成物の排気が可能になる。本明細書に示すように、内燃機関は、圧縮点火式すなわちディーゼルタイプである。このエンジンは、通常、吸気のための著しく高い圧縮比を有することを特徴とし、その結果、炭化水素燃料が、圧縮過程によって加熱された空気内への噴射により自己点火する。このようなエンジンでは、燃料系１３が、計量された量の燃料を適切な時間間隔で分配し、所望の動力を生成する。燃料系１３は、選択されたエンジンの作動パラメータおよび燃料系制御装置（図示せず）からの命令に応答して燃料の量およびタイミングを生成する。
【００１１】
エンジン１０の効率をさらに向上させるための試みにおいて、参照符号１６により識別されるターボ過給機が使用されてよい。ターボ過給機１６は、導管２０を介して吸気を受け取り導管１７を介した吸気系１２への送り出しのために吸気を圧縮する圧縮機１８を有する。その結果、内燃機関１０の燃焼室に入る空気は、周囲空気から得られる空気より密度が高く、より高い動力を生み出すことができる。インタークーラ１９が、圧力および温度が増大した空気を圧縮機１８から受け取り電荷密度を増大させるためにその空気を冷却することで、より高い出力が得られる。
【００１２】
圧縮機１８は、回転するように駆動されてその結果圧縮機１８を駆動させる排気ライン２３から燃焼生成物を受け取るタービン２４に連結された軸２２によって駆動される。タービン２４の入口には、不完全な動力下において流れ状態の低下が起こった場合にガス速度をできるだけ高く維持するのを試みるために種々のタイプの可変幾何形状を採用してよい。タービン２４を通過した排気ガスは、排気ガスが排気後処理を施されることができる排気ライン２６を介してこのシステムから出て、以下に記載するように、環境に有害であると考えられる排気系内の生成物が還元される。
【００１３】
ディーゼル微粒子フィルタ２８は排気ライン２６内に挿置され、ＮＯｘ三元触媒３０が、排気ライン２６内でディーゼル微粒子フィルタ２８の下流に設けられる。内燃機関１０は、燃焼用空気とエンジン１０で消費される燃料との比がほぼ正規組成であり、通常約１４．７：１である、正規組成のディーゼルエンジンとして作動される。この混合物は、排気管内の燃料質量流量に対する空気質量に基づく。正規組成は、混合物が燃焼過程ですべての燃料を消費するために適切な量の酸素のみを含有することを意味する。しかし、燃焼が完全でない場合、たとえ全体の燃料空気比が正規組成であっても、正規組成のエンジンからの排気は、いくらかの酸素、典型的には０．５から０．８％の酸素を含有する。この場合、エンジン排気に含有される酸素は同等の量の一酸化炭素および水素で釣り合いが保たれ、その結果、これがＮＯｘ還元触媒３０によるエンジン排気内のＮＯｘの除去を防止することから、過度の酸素は存在しなくなる。正規組成の状態でエンジン１０を作動させることにより、エンジン１０の排気が非常に高温になり、一般に、約６００℃を超える。
【００１４】
ディーゼル微粒子フィルタ２８は触媒処理を欠いているが、壁流の一体式微粒子フィルタであってよい。当業者には、他の形態の無触媒微粒子フィルタも使用されてよいことは明白であろう。最も一般的な微粒子フィルタはコージライト（触媒コンバータ支持体（コア）としても使用されるセラミック材料）で作られている。コージライトフィルタは、優れた濾過効率を有し、（比較的）安価であり、車両への実装を単純化する熱的性質を有する。次いで一般的なフィルタ材料は、炭化ケイ素すなわちＳｉＣである。
【００１５】
エンジン１０の排気は高温であることから、存在している少量の酸素は、微粒子フィルタ２８上に収集された粒子状物質を継続的に酸化することができる。これは、微粒子フィルタ２８が触媒処理を欠くことより引き起こされる。というのは、触媒が存在することにより、酸素が一酸化炭素および水素と優先的に反応し、フィルタに収集された炭素は未反応のまま残されるからである。排気ガスが微粒子フィルタを通過した後、ＮＯｘ還元触媒３０（または三元触媒）が、排気内の窒素酸化物、ならびに、一酸化炭素および炭化水素などの他の有害成分を除去するのに使用される。無触媒微粒子フィルタ２８をＮＯｘ還元触媒３０の前に配置することにより、温度は、微粒子フィルタ２８上に蓄積した炭素が酸化するのに十分な高温となる。
【００１６】
図１に示すように、微粒子フィルタ２８およびＮＯｘ触媒３０が、排気ライン２６内でタービンの下流に配置される。しかし、図２では、微粒子フィルタ２８は排気ライン２３内でタービン２４の上流に配置され、ＮＯｘ触媒３０はタービン２４の下流に配置される。これは、微粒子フィルタ２８上に収集された炭素粒子の継続的な酸化を維持するのに十分に高温である流体の流れ内にディーゼル微粒子フィルタを配置するためになされてよい。また、この実施形態では、ＮＯｘ触媒３０は無触媒微粒子フィルタ２８の下流にあることに留意されたい。
【００１７】
図３には別の構成が示されており、ここでは、微粒子フィルタ２８およびＮＯｘ触媒３０の両方が排気ライン２３内でタービン２４の上流に配置される。ここでも、無触媒微粒子フィルタ２８が、酸化により蓄積する炭素粒子を継続的に酸化するための最高温度を実現しそのための酸素を供給するために、ＮＯｘ触媒３０の上流にあること留意されたい。
【００１８】
エンジンシステムはターボ過給機１６を組み込んで示されているが、当業者には、エンジン１０はターボ過給機なしでも作動されることができ、さらに、ＮＯｘ触媒の上流にある無触媒微粒子フィルタの利点を実現することができることは明白である。
【００１９】
好適な実施形態を説明してきたが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、種々の修正形態を作ることができることは明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を具体化する内燃機関の概略図である。
【図２】本発明の代替実施形態の概略図である。
【図３】本発明の別の代替実施形態の図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  内燃機関
１２  吸気系
１３  燃料系
１４  排気系
１６  ターボ過給機
１７、２０  導管
１８  圧縮機
１９  インタークーラ
２２  軸
２３、２６  排気ライン
２４  タービン
２８  ディーゼル微粒子フィルタ
３０  ＮＯｘ三元触媒
【図１】
2009074543.tif 000003
【図２】
2009074543.tif 000004
【図３】
2009074543.tif 000005