(57)【要約】  【解決手段】  排気後処理システムは、第１の触媒コンバータと、吸蔵触媒を有する酸化触媒と、空気注入装置と、冷却ユニットとを含む。排気後処理システムは、加速時にリッチ状態で動作し、減速時にリーン状態で動作する火花点火式内燃エンジンの生成物と流体連通する。１観点において、吸蔵触媒は、エンジンがリッチ状態で動作するときに生成されるアンモニアを吸蔵する。吸蔵されたアンモニアは、エンジンがリーン状態で動作するときに生成される窒素酸化物化合物と反応する。別の観点では、窒素酸化物化合物は、エンジンがリッチ状態で動作するときに生成されるアンモニアと反応する。  【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムであって、
三元触媒を含み、車両の火花点火式内燃エンジンによって発生する排気を受け取る第１の触媒コンバータと、
吸蔵触媒を有し、前記第１の触媒コンバータの生成物（ｏｕｔｐｕｔ）と流体連通する酸化触媒と、
前記第１の触媒コンバータから前記酸化触媒まで延びる排気導管と、
前記排気導管と流体連通する空気注入装置と、
前記排気導管内の排気と熱連通する排気ガス中間冷却器（ＥＧＩ）であって、排気の温度を約３５０°Ｆ〜約５００°Ｆに冷却するように構成されているものである、前記排気ガス中間冷却器と
を有する、システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、さらに、
ラジエータと、
前記排気ガス中間冷却器および前記ラジエータと熱連通する排気ガス中間冷却器（ＥＧＩ）ラジエータ冷却流体回路と、
前記エンジンおよび前記ラジエータと熱連通するエンジンラジエータ冷却流体回路であって、前記ＥＧＩラジエータ冷却流体回路と流体的に並列に配置されているものである、前記エンジンラジエータ冷却流体回路と、
を有するものである、システム。
【請求項３】
請求項２記載のシステムにおいて、前記ＥＧＩラジエータ冷却流体回路および前記エンジンラジエータ冷却流体回路は、前記ラジエータ内の共通のラジエータコイルを通って延びる共通のラジエータ冷却流体経路を共有するものである、システム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、前記酸化触媒は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、またはＲｈのうちの少なくとも１つを有するものである、システム。
【請求項５】
請求項４記載のシステムにおいて、前記吸蔵触媒は、ゼオライト、バナジウムまたは酸化チタン担持体のうちの少なくとも１つを有するものである、システム。
【請求項６】
請求項１記載のシステムにおいて、さらに、
前記排気導管または前記酸化触媒に連結されたガス微粒子フィルタを有するものである、システム。
【請求項７】
請求項６記載のシステムにおいて、前記ガス微粒子フィルタおよび前記酸化触媒は、触媒式ガス微粒子フィルタとして一体化されているものである、システム。
【請求項８】
請求項１記載のシステムにおいて、前記空気注入装置はエンジン・チャージャ・コンプレッサを有するものである、システム。
【請求項９】
請求項８記載のシステムにおいて、さらに、
前記エンジン・チャージャ・コンプレッサから前記エンジンの吸入口ま延びる圧縮空気導管と、
（ａ）前記エンジン・チャージャ・コンプレッサ、または（ｂ）前記圧縮空気導管から（ｃ）前記排気導管まで延びる空気放出導管であって、圧縮空気流を前記排気導管に導入するものである、前記空気放出導管と
を有するものである、システム。
【請求項１０】
請求項９記載のシステムにおいて、さらに、
前記排気導管において（ａ）前記圧縮空気導管の吸気ポートと（ｂ）前記酸化触媒との間に配置された酸素センサを有し、このこの酸素センサは前記排気の酸素含有量を制御部に出力するものである、システム。
【請求項１１】
請求項１０記載のシステムにおいて、前記制御部は、前記酸素含有量が少なくとも約０．１体積％になるように前記空気放出導管に配置された流量制御バルブの動作位置を調整するように構成されているものである、システム。
【請求項１２】
記載なし。
【請求項１３】
請求項１記載の装置において、前記排気ガス中間冷却器は、前記排気の温度を約４００°Ｆに冷却するように構成されているものである、装置。
【請求項１４】
火花点火式内燃エンジンからの排気物質を低減する方法であって、
前記エンジンがリッチ空燃比（ＡＦＲ）で動作する間、
前記エンジンによって前記リッチ空燃比（ＡＦＲ）で生成されたリッチ排気（ｒｉｃｈ  ｅｘｈａｕｓｔ）を第１の触媒コンバータ内を通って移動させる工程と、
前記リッチ排気によって、前記第１の触媒コンバータ内でアンモニアを生成する工程と、
前記アンモニアを含む前記リッチ排気を排気ガス中間冷却器で約３５０°Ｆ〜約５００°Ｆに冷却して冷却されたリッチ排気を生成する工程と、
前記冷却されたリッチ排気を吸蔵触媒を有する酸化触媒内を通って移動させる工程と、
前記アンモニアの少なくとも一部を前記吸蔵触媒内に吸蔵する工程と、
を有し、
前記エンジンがリーン空燃比（ＡＦＲ）で動作する間、
前記エンジンによって前記リーン空燃比（ＡＦＲ）で生成されたリーン排気（ｌｅａｎ  ｅｘｈａｕｓｔ）を前記第１の触媒コンバータの内部を通って移動させる工程と、
前記リーン排気を前記排気ガス中間冷却器で約３５０°Ｆ〜約５００°Ｆに冷却して冷却されたリーン排気を生成する工程と、
前記冷却されたリーン排気を前記酸化触媒内を通って移動させる工程と、
前記冷却されたリーン排気内の窒素酸化物化合物と前記吸蔵触媒に吸蔵された前記アンモニアを反応させることにより、前記リッチ排気および前記リーン排気中の前記アンモニアおよび前記窒素酸化物化合物の濃度を低下させる工程と、
を有する、方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、さらに、
前記エンジンが前記リッチ空燃比（ＡＦＲ）で動作する間、前記アンモニアの一部と前記第１の触媒コンバータによって処理されなかった窒素酸化物化合物を前記第２の触媒コンバータ内で空気注入を行うことにより反応させる工程を有するものである、方法。
【請求項１６】
請求項１４記載の方法において、さらに、
前記冷却されたリッチ排気の酸素含有量を少なくとも約０．１体積％に増加させる工程を有するものである、方法。
【請求項１７】
請求項１４記載の方法において、前記リッチ排気および前記リーン排気は約４００°Ｆに冷却されるものである、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１７年７月２５日付で出願された「排気ガス中間冷却およびチャージャ駆動式空気注入装置のための共通ラジエータ冷却流体回路を用いた２段内燃エンジン後処理システム」と題する米国特許出願第１５／６５８，９９８号の関連出願であり、当該米国特許出願は、２０１７年４月２５日付で出願された「排気ガス中間冷却およびチャージャ駆動式空気注入装置を用いた２段内燃エンジン後処理システム」と題する米国特許出願第１５／４９６，８２８号の一部継続出願である。また、当該一部継続出願は、２０１７年２月１１日付で出願された「内燃エンジンの排気から微粒子物質、炭化水素、および気体酸化物を低減するアセンブリおよび方法」と題する米国仮特許出願第６２／４５７，８４６号に対して優先権を主張するものであり、この参照によりその開示を本明細書に組み込むものとする。
【０００２】
本出願は内燃エンジンのための排気物質制御システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
車両排気物質は、環境的に有害な排気物質の出力を最小限にするように厳しく規制されている。主な規制汚染物質としては、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素（ＣｘＨｙ）が挙げられる。この車両排気を未処理のままにした場合、汚染物質のレベルは、例えば米国環境保護庁、州、または他国によって設定された排出基準を遥かに超えるであろう。
【０００４】
これらの基準を満たすために、車両は排気後処理システムを含み、当該排気後処理システムは酸化および還元反応を通して気体のＣｏ、ＮＯｘ、およびＣｘＨｙをより有害でない化合物に変換する触媒コンバータ、例えば三元触媒（ＴＷＣ）コンバータなどを含む。そのような排気後処理システムの例を図１に示しているが、これは車両１０の本体底部のブロック図である。車両１０は、エンジン１００と、第１の触媒コンバータ１１０と、第２の触媒コンバータ１２０と、マフラー１３０とを含み、それらはパイプまたは導管１４０を通じて互いに流体連通している。動作中、エンジン１００は排気を発生するが、当該排気は導管１４０を通って第１の触媒コンバータ１１０、第２の触媒コンバータ１２０、そしてマフラー１３０に移動し、その後、テールパイプ１５０を通じて自然環境中へ移動する。
【０００５】
最近、排気物質規制当局は、微粒子排気物質に対する懸念、およびエンジン排気のレベルにその総質量（ＰＭ）および数（ＰＮ）の両方の観点から制限を設定することへの関心を高めている。これらの微粒子は、内燃エンジン内で３つの基本的な形態で生成される：（１）凝縮性物質（サイズが２．５ミクロン未満の場合はＰＭ２．５ともいう）、（２）一般に「ブラックカーボン」といわれる純粋な固体、および（３）一般的に半揮発性粒子または「ブラウンカーボン」といわれる、揮発性炭化水素凝縮性物質で飽和した炭素粒子。図１に示すような標準的な排気後処理システム内での典型的な高い温度では、これらの微粒子の中に、排気ガスがテールパイプに到達する前に液相および固相の微粒子になるものもあるが、一部の揮発性炭化水素凝縮性物質は気相のままである。テールパイプを出た後、揮発性炭化水素凝縮性物質は冷却され液相に戻り、エアロゾルとして現れる。凝縮性物質の最終状態は、温度、希釈度、大気中のその他の微粒子などに依存する。
【０００６】
微粒子がテールパイプを出てしまう前に微粒子を高温排気ガスから除去するため、ガソリン微粒子フィルタ（Ｇａｓｏｌｉｎｅ  ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  ｆｉｌｔｅｒｓ：ＧＰＦｓ）、および何らかの形で触媒コンバータに連結された触媒ガソリン微粒子フィルタ（ｃａｔａｌｙｚｅｄ  ｇａｓｏｌｉｎｅ  ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  ｆｉｌｔｅｒｓ：ｃＧＰＦ）が提案されてきた。しかしながら、ＧＰＦおよびｃＧＰＦは、気体の状態の揮発性炭化水素凝縮性物質を除去できない。液体として（例えば、エアロゾルとして）排気システムを出ることに加えて、気体の揮発性炭化水素凝縮性物質は、ＧＰＦ／ｃＧＰＦの下流に、例えばマフラー内で、またはテールパイプを出るときに、さらなる微粒子を形成する可能性がある。
【０００７】
複数の触媒を使用する既存の排気後処理システムに関するさらなる問題は、第２の触媒コンバータ１２０の高い動作温度がＮＯｘを改質させる可能性があることであり、これは望ましくなく、場合によっては車両が排出規制を遵守できないことがある。
【０００８】
内燃システムの複数の熱負荷を冷却するために複数の熱交換器（例えば、ラジエータ）を設置するのは費用がかかり、また、特に自動車用途では、狭い場所に貴重な空間を必要とし得る。
【０００９】
既存の排気後処理システムに関するさらなる問題は、エンジンのリッチ燃焼動作時に生成されるアンモニアの処理が行われないことにある。また、ＮＯｘの排気をさらに低減させることが望ましい。
【００１０】
１若しくはそれ以上の前述の問題を解消することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本明細書に記載される例示的な実施形態は革新的な特徴を有するものであり、それらの望ましい属性に不可欠または全責任を担うものが１つとは限らない。以下の説明および図面は本技術の特定の例示的な実施を詳細に示すものであり、本技術の様々な原理が実行され得るいくつかの例示的な方法を示すものである。しかしながら、それらの例示的な例は本技術の多くの可能な実施形態を網羅するものではない。特許請求の範囲を限定することなく、いくつかの有利な特徴をここで要約する。本技術のその他の目的、利点、および新規の特徴は、図面を考慮した以下の詳細な説明に記載する。それらは本開示を説明することを意図したものであり、本開示を限定することを意図したものではない。
【００１２】
本技術の一観点は、システムであって、三元触媒を含み、車両の火花点火式内燃エンジンによって発生する排気を受け取る第１の触媒コンバータと、吸蔵触媒（ｓｔｏｒａｇｅ  ｃａｔａｌｙｓｔ）を有し、前記第１の触媒コンバータの生成物（ｏｕｔｐｕｔ）と流体連通する酸化触媒と、前記第１の触媒コンバータから前記酸化触媒まで延びる排気導管と、前記排気導管と流体連通する空気注入装置と、前記排気導管内の排気と熱連通する排気ガス中間冷却器であって、排気の温度を約３５０°Ｆ〜約５００°Ｆに冷却するように構成されているものである、前記排気ガス中間冷却器とを有する、システムに関する。
【００１３】
１若しくはそれ以上の実施形態において、前記システムは、さらに、ラジエータと、前記排気ガス中間冷却器および前記ラジエータと熱連通する排気ガス中間冷却器（ＥＧＩ）ラジエータ冷却流体回路と、前記エンジンおよび前記ラジエータと熱連通するエンジンラジエータ冷却流体回路であって、前記ＥＧＩラジエータ冷却流体回路と流体的に並列に配置されているものである、前記エンジンラジエータ冷却流体回路とを有する。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記ＥＧＩラジエータ冷却流体回路および前記エンジンラジエータ冷却流体回路は、前記ラジエータ内の共通のラジエータコイルを通って延びる共通のラジエータ冷却流体経路を共有する。
【００１４】
１若しくはそれ以上の実施形態において、前記酸化触媒は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、またはＲｈのうちの少なくとも１つを有する。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記吸蔵触媒は、ゼオライト、バナジウムまたは酸化チタン担持体のうちの少なくとも１つを有する。
【００１５】
１若しくはそれ以上の実施形態において、前記システムは、さらに、前記排気導管または前記酸化触媒に連結されたガス微粒子フィルタを有する。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記ガス微粒子フィルタおよび前記酸化触媒は、触媒式ガス微粒子フィルタとして一体化されている。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記空気注入装置はエンジン・チャージャ・コンプレッサを有する。
【００１６】
１若しくはそれ以上の実施形態において、前記システムは、さらに、前記エンジン・チャージャ・コンプレッサから前記エンジンの吸入口まで延びる圧縮空気導管と、（ａ）前記エンジン・チャージャ・コンプレッサ、または（ｂ）前記圧縮空気導管から（ｃ）前記排気導管まで延びる空気放出導管であって、圧縮空気流を前記排気導管に導入するものである、前記空気放出導管とを有する。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記システムは、さらに、前記排気導管において（ａ）前記圧縮空気導管の吸気ポートと（ｂ）前記酸化触媒との間に配置された酸素センサを有し、この酸素センサは前記排気の酸素含有量を制御部に出力する。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記制御部は、前記酸素含有量が少なくとも約０．１体積％になるように前記空気放出導管に配置された流量制御バルブの動作位置を調整するように構成されている。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記排気ガス中間冷却器は、前記排気の温度を約４００°Ｆに冷却するように構成されている。
【００１７】
本技術の別の観点は、火花点火式内燃エンジンからの排気物質を低減する方法に関する。この方法は、前記エンジンがリッチ空燃比（ＡＦＲ）で動作する間、前記エンジンによって前記リッチ空燃比（ＡＦＲ）で生成されたリッチ排気（ｒｉｃｈ  ｅｘｈａｕｓｔ）を第１の触媒コンバータ内を通って移動させる工程と、前記リッチ排気によって、前記第１の触媒コンバータ内でアンモニアを生成する工程と、前記アンモニアを含む前記リッチ排気を排気ガス中間冷却器で約３５０°Ｆ〜約５００°Ｆに冷却して冷却されたリッチ排気を生成する工程と、前記冷却されたリッチ排気を吸蔵触媒を有する酸化触媒内を通って移動させる工程と、前記アンモニアの少なくとも一部を前記吸蔵触媒内に吸蔵する工程とを有する。この方法は、さらに、前記エンジンがリーン空燃比（ＡＦＲ）で動作する間、前記エンジンによって前記リーン空燃比（ＡＦＲ）で生成されたリーン排気（ｌｅａｎ  ｅｘｈａｕｓｔ）を前記第１の触媒コンバータの内部を通って移動させる工程と、前記リーン排気を前記排気ガス中間冷却器で約３５０°Ｆ〜約５００°Ｆに冷却して冷却されたリーン排気を生成する工程と、前記冷却されたリーン排気を前記酸化触媒内を通って移動させる工程と、前記冷却されたリーン排気内の窒素酸化物化合物と前記吸蔵触媒に吸蔵された前記アンモニアを反応させることにより、前記リッチ排気および前記リーン排気中の前記アンモニアおよび前記窒素酸化物化合物の濃度を低下させる工程とを有する。
【００１８】
１若しくはそれ以上の実施形態において、前記方法は、さらに、前記エンジンが前記リッチ空燃比（ＡＦＲ）で動作する間、前記アンモニアの一部と前記第１の触媒コンバータによって処理されなかった窒素酸化物化合物を前記第２の触媒コンバータ内で空気注入を行うことにより反応させる工程を有する。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記冷却されたリッチ排気の酸素含有量を少なくとも約０．１体積％に増加させる工程を有する。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記リッチ排気および前記リーン排気は約４００°Ｆに冷却される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本技術の性質および利点をより十分に理解するために、添付の図面に関連して、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を参照する。同一の参照番号は同一要素を示す。
【図１】図１は、従来技術における車体底部のブロック図である。
【図２】図２は、１若しくはそれ以上の実施形態における排気後処理システムのブロック図である。
【図３】図３は、１若しくはそれ以上の実施形態における排気後処理システムを示す。
【図４】図４は、１若しくはそれ以上の実施形態において内燃エンジンの排気から微粒子物質、炭化水素、窒素酸化物、および一酸化炭素を低減する方法のフローチャートである。
【図５】図５は、１若しくはそれ以上の実施形態における排気後処理システムにおいてＧＰＦ／ｃＧＰＦを動作させ再生する方法のフローチャートである。
【図６】図６は、１若しくはそれ以上の実施形態における排気後処理システムのブロック図である。
【図７】図７は、１若しくはそれ以上の実施形態における排気後処理システムのブロック図である。
【図８】図８は、１若しくはそれ以上の実施形態における排気後処理システムのブロック図である。
【図９】図９は、１若しくはそれ以上の実施形態における排気後処理システムのブロック図である。
【図１０】図１０は、１若しくはそれ以上の実施形態における排気後処理システムのブロック図である。
【図１１】図１１は、１若しくはそれ以上の実施形態におけるエンジンからの排気を処理する方法を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、１若しくはそれ以上の実施形態において並列のラジエータ冷却流体回路を含み、エンジンおよびＥＧＩにラジエータ冷却流体を提供する例示的なシステムを示す。
【図１３】図１３は、ＥＧＩを横切るラジエータ冷却流体および排気ガスの温度変化についての例示的なグラフである。
【図１４】図１４は、１若しくはそれ以上の実施形態における並列のラジエータ冷却流体回路を含む排気後処理システムの例を示す。
【図１５】図１５は、１若しくはそれ以上の実施形態において、並列のラジエータ冷却流体回路を含み、エンジンおよびＥＧＩにラジエータ冷却流体を提供する例示的なシステムを示す。
【図１６】図１６は、１若しくはそれ以上の実施形態における並列のラジエータ冷却流体回路を含む排気後処理システムの例を示す。
【図１７】図１７は、１若しくはそれ以上の実施形態における排気後処理システムのブロック図である。
【図１８】図１８は、図１７に示す酸化触媒／ＳＣＲにおける吸蔵触媒のアンモニア吸蔵能力を温度および空間速度の関数とする等高線図（ｃｏｎｔｏｕｒ  ｍａｐ）である。
【図１９】図１９は、第１の動作理論に基づいた、車両排気物質中のアンモニアおよびＮＯｘ化合物の濃度を低下させる方法のフローチャートである。
【図２０】図２０は、排気中のアンモニアおよびＮＯｘ化合物の濃度を低下させる方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
排気後処理システムは、第１段触媒コンバータと、第２段触媒コンバータと、当該第１段触媒コンバータから当該第２段触媒コンバータまで延びる導管とを含む。この導管は排気ガス中間冷却器を通過するものであり、この排気ガス中間冷却器は排気の温度を３００°Ｆ〜５００°Ｆに低下させる。排気が第２段触媒コンバータを通過する前に当該排気中の酸素濃度を増大させるため、空気が排気導管に噴出される。空気は、車両のチャージャコンプレッサまたは圧縮空気導管まで延びる空気注入導管から噴出することができる。前記圧縮空気導管はチャージャコンプレッサからエンジンまで延びている。例えば、以下で説明するように、エンジン強制誘導またはチャージャシステム（例えば、ターボチャージャおよび／またはスーパーチャージャ）によって駆動されるコンプレッサからの空気は、車両の排気構成要素下流部分へのフィードフォワード空気供給として使用することができる。ガス微粒子フィルタは、排気導管に配置することができ、または例えば触媒式ガス微粒子フィルタとして第２段触媒コンバータと一体化することができる。
【００２１】
排気後処理システムは排気ガス中間冷却器（ＥＧＩ）を含み、この排気ガス中間冷却器（ＥＧＩ）は第１段触媒コンバータと第２段触媒コンバータとの間に配置されている。この排気ガス中間冷却器は、排気の温度を約４００°Ｆ、例えば約３００°Ｆ〜約５００°Ｆ、または約３５０°Ｆ〜約４５０°Ｆに低下させる。排気の温度を下げることにより気体の凝縮性物質（例えば、揮発性未燃炭化水素など）が相変化し液体または固体として凝縮するが、これは、車両排気物質を低減するためのガス微粒子フィルタによって収集できる。ガス微粒子フィルタは、排気ガス中間冷却器と第２段触媒コンバータとの間に配置することができ、または例えば触媒式ガス微粒子フィルタとして第２段触媒コンバータと一体化することができる。ＥＧＩはラジエータ冷却流体によって冷却することができ、このラジエータ冷却流体はＥＧＩおよびラジエータを通過する流体回路において提供される。いくつかの実施形態では、エンジン冷却回路とＥＧＩ回路とを含む並列のラジエータ冷却流体回路が提供される。並列のラジエータ冷却流体回路は同一のラジエータを共有する。例えば、並列のラジエータ冷却流体回路は、ラジエータ内の同一のラジエータコイルを共有することができ、あるいは各流体回路は当該ラジエータのそれぞれのラジエータコイルを流れることができる。
【００２２】
空気流は、排気ガス中間冷却器から第２段触媒コンバータまで延びる排気導管内の排気流中に噴出されて第２段触媒コンバータに入る前の排気中の酸素濃度を高め、第２段触媒コンバータでの酸化反応を促進させる。空気流は、空気注入導管から噴出され、空気駆動式排気ガス噴出装置（ＥＧＥ）を形成するができる。空気注入導管は、専用の空気コンプレッサまたはエンジン・チャージャ・コンプレッサまで延びており、および／または空気コンプレッサまたはエンジン・チャージャ・コンプレッサを含む。代替的に、空気注入導管は、エンジン・チャージャ・コンプレッサとエンジンの取入口との間に延びる圧縮空気導管まで延びる。エンジン・チャージャ・コンプレッサはエンジン用のターボチャージャコンプレッサまたはスーパーチャージャコンプレッサとすることができる。排気ガス中間冷却器を離れる排気流中への圧縮空気の導入または注入により、排気導管を通りテールパイプを出る排気の流量を高めることができる。それは、エンジンからの排気の流れ全体を促進し、排気システムにおける空気駆動式排気ガス噴出装置（ＥＧＥ）と排気バルブ付近間の圧力分布を管理するものであり、それによりエンジンの効率／燃費および／または性能が向上する。
【００２３】
排気システムにおける圧力降下は損失の原因であり、また、熱交換器の下流に圧縮空気を導入することによってこの圧力降下を低減することは、第２段酸化触媒のその役割に加え、エンジンの効率に全体的に有益な影響を与える。排気システムに圧縮空気を導入することにはさらなる他の利点もある。排気システム内の圧力変化による排気プロセス中の圧力上昇は、燃焼後のエンジンシリンダ内のガス膨張を管理するのに使用でき、また、故に損失に繋がる可能性があることが知られている。しかしながら、排気プロセス中の排気バルブ後の背圧のわずかな増加は、エンジンシリンダ内への局所的な排気ガス再循環、またはエンジンシリンダに保持される排気ガスの量を増加させる場合があることも事実である。これにより、ノッキングの可能性が低くなり、進角操作でエンジンを調整して効率を高めることが可能になる。したがって、第２の触媒の前の圧縮空気注入には２つの利点がある：背圧を下げて全体的な効率へのその影響を最小限に抑えつつ、十分な背圧を維持してエンジンの燃焼温度を下げ、またノックの可能性を減らす利点を得る。
【００２４】
制御部は、ＥＧＩを出る、すなわち第２段触媒コンバータに入る排気ガスの温度を制御することができる。例えば、制御部は、ＥＧＩ下流（例えば、ＥＧＩ出口または空気注入口と第２段触媒コンバータとの間）の熱電対によって測定される温度を調整するため、ＥＧＩ（例えば、ＥＧＩラジエータ冷却流体回路）を通過するラジエータ冷却流体の体積または流量を制御することができる。例えば、ＥＧＩを通るラジエータ冷却流体の体積又は流量を増やすと、排気ガスの温度は低下する。これに対して、ＥＧＩを通るラジエータ冷却流体の体積または流量を減らすと、排気ガスの温度は上昇する。さらに又は代替的に、制御部はＥＧＩの迂回バルブを調整することができ、この迂回バルブはＥＧＩ冷却を迂回する排気ガスの量を制御する。迂回された排気ガスと冷却された排気ガスは再び混ぜ合わされるものであり、混ぜ合わされた温度は当該迂回された排気ガスと当該冷却された排気ガスの比率およびそれぞれの温度に依存する。
【００２５】
図２は、１若しくはそれ以上の実施形態における排気後処理システム２０のブロック図である。システム２０は、第１段触媒コンバータ２１０と、排気ガス中間冷却器（ＥＧＩ）２２０と、コンプレッサ２３０と、第２段触媒コンバータ／ｃＧＰＦ２４０と、マフラーおよびテールパイプ２５０と、制御部２６０とを含む。内燃エンジン２００からの排気は排気導管２０５に入る。この排気導管２０５は、エンジン２００から第１段触媒コンバータ２０１とＥＧＩ２２０と第２段触媒コンバータ／ｃＧＰＦ２４０とを通ってマフラーおよびテールパイプ２５０まで延びている。排気導管２０５は、マニホールドを介してエンジン２００の各シリンダに接続することができる。排気は、排気行程終端でのエンジンの動作温度またはその温度付近で第１段触媒コンバータ２００に入る。定常状態（すなわち、エンジンが冷間始動から暖まった後）では、エンジン２００からの排気は約８５０°Ｆ〜約１２５０°Ｆの範囲で排気システム２０に到達する。本明細書で使用される「約」は、関連する値のプラスまたはマイナス１０％を意味する。エンジン２００は、ガソリン、天然ガス、再生可能燃料、これらの燃料のいずれかまたはすべての組み合わせで動作する火花点火式内燃エンジン、またはディーゼルエンジンとすることができる。さらに、エンジン２００は、車両（例えば、乗用車、トラック、フォークリフト、またはその他の乗り物）にあってもよく、あるいは固定されたもの、例えば熱電併給（ｃｏｍｂｉｎｅｄ  ｈｅａｔ  ａｎｄ  ｐｏｗｅｒ：ＣＨＰ）システムを駆動するためのものであってもよい。
【００２６】
エンジン２００は、リッチ（濃厚）燃焼領域（ｒｉｃｈ  ｂｕｒｎ  ｒｅｇｉｍｅ）（すなわち、化学量論的ＡＦＲ以上）またはリーン（希薄）燃焼領域（ｌｅａｎ  ｂｕｒｎ  ｒｅｇｉｍｅ）（すなわち、化学量論的ＡＦＲ未満）での空燃比（ａｉｒ−ｆｕｅｌ  ｒａｔｉｏ：ＡＦＲ）で動作し得る。いくつかの実施形態において、化学量論的ＡＦＲは、（質量で）ガソリンに対して１４．６４：１である。化学量論的ＡＦＲは燃料の種類によって異なる。例えば、燃料にエタノールが含まれている場合、化学量論的ＡＦＲは低くなる。一例として、Ｅ８５燃料（８５％エタノール、１５％ガソリン）の化学量論的ＡＦＲは約９．８：１である。エンジン２００がリッチ燃焼領域で動作するとき、排気は最小または実質的にゼロの酸素含有量を含有する。例えば、酸素含有量は、約０．１体積％以下、約０．０５体積％以下、および／または約０．０２５体積％以下であり得る。
【００２７】
第１段触媒コンバータ２１０は、Ｐｔ、Ｐｄ、および／またはＲｈなどの１若しくはそれ以上の白金族金属（Ｐｌａｔｉｎｕｍ  Ｇｒｏｕｐ  Ｍｅｔａｌｓ：ＰＧＭｓ）を含有する触媒を含む。いくつかの実施形態において、第１段触媒コンバータ２１０はＴＷＣを含む。第１段触媒コンバータ２１０は、（例えば、ＮＯｘを還元してＮ２およびＯ２を形成することにより）排気流からＮＯｘ化合物を除去する化学反応（例えば、還元反応）を促進する。第１段触媒コンバータ２１０はまた、排気流からＣＯおよびＣｘＨｙ化合物濃度を低下させる化学反応を促進することができる。例えば、第１段触媒コンバータ２１０はＣＯの酸化およびＣｘＨｙ化合物の完全または部分酸化を促進することができる。いくつかの実施形態では、第２段触媒コンバータ２４０はそれ自体が、一部の設計において例えばアンモニアまたはＮＯｘなどのその他のガスの形成および貯蔵を促進する１より多くの部分を有することができる。一部の設計では、この部分は選択触媒反応器（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｒｅａｃｔｏｒ：ＳＣＲ）の機能を果たし得る。
【００２８】
第１段触媒コンバータ２１０の通過後、排気はＥＧＩ２２０に流れ込み、排気の温度を約４００°Ｆの出力温度Ｔｍｉｘ、に、例えば約３００°Ｆ〜約５００°Ｆ、または３５０°Ｆ〜約４５０°Ｆに下げる。いくつかの実施形態では、ＥＧＩ２２０は、排気の温度を約３００°Ｆ、約３２５°Ｆ、約３５０°Ｆ、約３７５°Ｆ、約４００°Ｆ、約４２５°Ｆ、約４５０°Ｆ、約４７５°Ｆ、約５００°Ｆ、または前述の値の任意の２つの間の任意の値若しくは範囲の出力温度Ｔｍｉｘに下げる。排気ガス中間冷却器２２０は、ラジエータからラジエータ冷却流体を受け取る熱交換器またはその他の冷却デバイスとすることができる。ラジエータ冷却流体が流れ得る流体回路の例を図１２および図１４〜図１６に示す。ＥＧＩ２２０は、ＥＧＩ２２０が排気を冷却する冷却経路とＥＧＩ２２０によって冷却されない任意選択的な迂回経路とを含む。熱交換器の冷却経路および任意選択的な迂回経路は熱交換器の下流端で収束するものであり、そこではそれらの経路が合わされ、経路の温度がＴｍｉｘになっている。前記冷却経路を流れる排気は、約２７５°Ｆ、約３００°Ｆ、約３２５°Ｆ、または前述の値の任意の２つの間の任意の値若しくは範囲を含む、約２５０°Ｆ〜約３５０°Ｆの温度まで冷却され得る。ＥＧＩ２２０は、冷却流体、例えばラジエータ液またはその他の冷却剤などで排気を冷却するものであり、それは冷却経路を流れる排気と熱連通している。例えば、冷却流体は車両のラジエータから受け取りコイルを通過することができ、このコイルは前記冷却流体と前記冷却経路を流れる排気ガス間の熱的連通のために表面積を提供する。
【００２９】
温度Ｔｍｉｘは、各経路の排気流量を変えることにより調整することができる。例えば、ＥＧＩ２２０は、迂回経路内の排気流量を変えるように調整できる迂回バルブ２７０を含み得る。迂回バルブ２７０が閉じられているとき、すべての排気は冷却経路を流れる。迂回バルブ２７０が開いているとき、排気は制限なしに冷却経路と迂回経路の両方を通って流れる。迂回バルブはまた、一部の排気が迂回経路を流れるように部分的に開閉することもできる。いくつかの実施形態では、ＥＧＩ２２０はまた、冷却経路を開閉する冷却経路バルブを含み得る。例えば、冷間始動中、冷却経路バルブは完全に閉じることができる。一方、排気が第２段触媒コンバータ２４０を通過するとき迂回バルブ２７０は完全に開かれ、したがって排気は最高温度であり、当該第２段触媒コンバータ２４０での化学反応が促進される。代替的に、ＥＧＩ２２０はその上流側にバルブを含み、排気を冷却経路または迂回経路のいずれか又はそれら両方に方向付けることができる。前述のバルブはいずれも制御部２６０によって調整することができ、制御部２６０は、熱電対２２５によって測定されるＥＧＩ２２０に入る前の排気の第１の温度と、熱電対２３５によって測定されるＥＧＩ２２０を出た後の排気の第２の温度とを入力として受け取る。上述したように、制御部２６０は、第２の温度（例えば、Ｔｍｉｘ）が、約４００°Ｆ、例えば約３００°Ｆ〜約５００°Ｆの設定点温度になるようにバルブ（例えば、バルブ２７０）を調整する。制御部２６０はまた、ＥＧＩ２１０内の冷却剤の流量を調整して第２の温度（例えば、Ｔｍｉｘ）を調整することができる。
【００３０】
排気ガスがＥＧＩ２２０を出た後、排気導管２０５内の排気はコンプレッサ２３０によって噴出された空気流を受け取る。噴出された空気は、排気が第２段触媒コンバータ２４０を通過する前に当該排気中の酸素濃度を増加させる。酸素濃度の増加は、排気から一酸化炭素および未燃炭化水素を除去する第２段触媒コンバータ２４０での酸化反応を促進する。コンプレッサ２３０は、車両の外側から取り入れた未加熱の空気を噴出することができ、それは、車両が位置するところの気候によるが、約３２°Ｆ（または冬季ではより低い）〜約９０°Ｆ（または夏季ではより高い）の範囲の温度となり得る。未加熱の空気により排気の温度を下げることができる。その他の実施形態では、噴出された空気は予熱されるが、その場合、それは排気温度にはほとんど影響しない。噴出された空気によって引き起こされる温度変化を制御するために、好ましくは熱電対２３５を噴出空気入口の下流に配置して、適切なフィードバック温度を制御部２６０に提供する。噴出された空気の温度に応じて、その排気流への導入は揮発性ガス炭化水素のさらなる凝縮および／または既存の半揮発性ブラウン若しくはブラックカーボン化合物の成長をもたらす。
【００３１】
コンプレッサ２３０は、専用の空気コンプレッサであっても、車両の他の構成要素によって使用される共有コンプレッサであってもよい。いくつかの実施形態において、コンプレッサ２３０は、エンジン２００に付随するターボチャージャコンプレッサおよび／またはスーパーチャージャコンプレッサとすることができる。例えば、コンプレッサ２３０は、ターボチャージエンジン２００に使用されるタービン駆動式コンプレッサとすることができる（例えば、排気導管２０５のタービンに連結される）。その他の例では、コンプレッサ２３０は、スーパーチャージエンジン２００に使用される機械駆動式または電気駆動式コンプレッサ（例えば、ｅ−コンプレッサ）とすることができる。いくつかの実施形態において、エンジン２００はターボチャージャコンプレッサとスーパーチャージャコンプレッサの両方を含む。
【００３２】
酸素センサ２３８は、排気導管２０５に配置され、空気注入後の排気ガス噴出装置ＥＧＥを通る排気の酸素濃度を測定する。測定された酸素濃度は酸素センサ２３８から制御部２７０に送られる。制御部２７０は測定された酸素濃度と目標酸素濃度または目標酸素濃度範囲を比較する。測定された酸素濃度が目標酸素濃度または目標酸素濃度範囲を上回るか下回る場合、制御部２７０は制御信号を送信して、コンプレッサ２３０からの噴出空気の流量を調整する。噴出空気の流量は、コンプレッサ２３０の動作条件（例えば、圧力）によって、および／または（例えば、以下に説明する）コンプレッサ２３０と流体連通するバルブを調整することによって、修正することができる。例えば、測定された酸素濃度が目標酸素濃度または目標酸素濃度範囲を下回る場合、制御部２７０は制御信号を送信して、コンプレッサ２３０からの噴出空気の流量を増加させる。その他の一実施形態では、測定された酸素濃度が目標酸素濃度または目標酸素濃度範囲を上回る場合、制御部はコンプレッサ２３０からの噴出空気の流量を低下させる。目標酸素濃度は、少なくとも約０．１体積％、例えば少なくとも約０．２５体積％、少なくとも約０．５体積％、少なくとも約０．７５体積％、少なくとも約１体積％、またはより高い濃度とすることができる。同様に、目標酸素濃度範囲は、約０．１体積％〜少なくとも約１体積％、またはその間の任意の範囲または値とすることができる。
【００３３】
コンプレッサ２３０からの噴出空気を受け取った後、排気は第２段触媒コンバータ２４０に入る。第２段触媒コンバータ２４０は、（例えばＣＯを酸化させＣＯ２にすることにより、およびＣｘＨｙを酸化してＣＯ２とＨ２Ｏを生成することにより）排気流から一酸化炭素および未燃炭化水素を除去する化学反応（例えば酸化反応）を促進する。排気が第２段触媒コンバータ２４０に入る低下した温度（すなわち、約４００°Ｆ、例えば約３５０°Ｆ〜約４５０°ＦのＴｍｉｘ）では、排出規制当局により管理されている窒素酸化物化合物を改質させることなく酸化反応が起こる。いくつかの実施形態では、第２段触媒コンバータ２４０はまた、排気中に残っている任意のＮＯｘの濃度を低下させることもできる。第２段触媒コンバータ２４０は、Ｐｔ、Ｐｄ、および／またはＲｈなどの１若しくはそれ以上のＰＧＭを含有する触媒を含み得る。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータ２４０はＴＷＣを含む。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータ２４０は、Ｃｅおよび／またはＺｒなどの酸素吸蔵触媒を含み得る。また、第２段触媒コンバータ２４０は、ゼオライト系のＳＣＲなどのＳＣＲであってもよく、または当該ＳＣＲを含んでもよい。尿素噴射を使用するディーゼル後処理システムにおいて用いられる触媒組成物は、その処理サイクル中にＮＯｘを吸蔵するというさらなる利点があり、全体的にＮＯｘのより大幅な低減を達成できるため、このような触媒組成物も使用可能である。本明細書で説明する技術においては、駆動サイクルにおける別の過程でアンモニアが自然に生成され、吸蔵されるため、尿素噴射を使用せずにこのようなＮＯｘのより大幅な低減を達成することが可能である。
【００３４】
第２段触媒コンバータ２４０はまた、ＧＰＦを含む。ＧＰＦは、第２段触媒コンバータ２４０の別個のユニット（例えば、組み立てユニットの部分）であってもよく、または第２段触媒コンバータ２４０に一体化することができる。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータはｃＧＰＦであり、それは、第２段触媒コンバータ２４０にも配置される一部又は全ての触媒成分を含み得る。例えば、ｃＧＰＦは、１若しくはそれ以上の上記白金族金属、酸素吸蔵触媒（例えば、Ｃｅおよび／またはＺｒ）を含むことができ、および／または、ＴＷＣに通常含まれている触媒を含み得る。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータ２４０はｃＧＰＦであり、この場合、第２段触媒コンバータ２４０およびＧＰＦは単一のユニットに一体化されている。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータ２４０および／またはｃＧＰＦは、マフラー２５０も含む単一ユニットに一体化される。代替的な実施形態では、（例えば、図３に示すように）ＧＰＦは、第２段触媒コンバータ２４０とコンプレッサ２３０との間に配置される。
【００３５】
上述したように、排気ガスがＥＧＩ２２０によって約３００°Ｆ〜約５００°Ｆ、または約４００°ＦのＴｍｉｘまで冷却されると、より多くの気体の凝縮性物質（例えば、揮発性未燃炭化水素）が相変化を起こし液体または固体として凝縮する。したがって、排気流の温度低下により、排気ガス流中に含まれている間に、排気流が冷却されていない場合よりも排気流中の高い割合の凝縮性物質が液相または固相に到達する。温度低下には、気体の凝縮性物質のいくらかが相変化プロセス中に核生成部位として機能するブラックカーボン粒子に凝縮するときに、より多くのブラウンカーボンを形成するというさらなる利点がある。
【００３６】
ＧＰＦまたはｃＧＰＦ（概してＧＰＦ）は、セラミック多孔質壁、セラミックウール、または、排気中の微粒子排気物質、例えば液体（例えば、気体凝縮性物質）ならびにブラックおよびブラウンカーボンなどを捕捉する透過性材料構造２４５のその他の配列を含む。多孔質壁および／または透過性材料構造２４５のセラミックウールは、微粒子排気物質を収集する技術分野で周知なように、いくつかの加工された材料のうちの１つから作ることができる。多孔質壁および／または透過性材料構造２４５のセラミックウールはまた、付加的なブラウンカーボンと、排気ガス中間冷却器の排気温度が低い結果形成された液相凝縮性物質も収集する。したがって、温度低下によりＧＰＦは、排気が高温（例えば、Ｔｍｉｘが約３００°Ｆ〜約５００°Ｆ、例えば約４００°Ｆよりも高い）であり液相変化が発生しない場合よりも、多くの揮発性炭化水素凝縮性物質を液体として、およびブラウンカーボンとして捕捉することができる。炭化水素凝縮性物質のこの濃度低下は、炭化水素排気物質全体を減少させ、排気がテールパイプを出るときに凝縮性物質が微粒子を形成する可能性を減らす。
【００３７】
本明細書に記載される本技術の実施形態は、以下の利点のうちの１若しくはそれ以上を提供する。
【００３８】
（１）第１段触媒コンバータ２１０後の排気ガス中間冷却器（例えば、ＥＧＩ２２０）における排気ガスの冷却は、気体の炭化水素をより高い割合でそれらが排気システム内にある間にその液相へと凝縮させる。これらはＧＰＦ／ｃＧＰＦによって捕捉することができ、それにより、液状の、および液化した凝縮性物質を運ぶ固体微粒子（ブラウンカーボン）として凝縮性物質の大部分を効果的に除去できる。
【００３９】
（２）第１段触媒コンバータ２１０後の排気ガス中間冷却器（例えば、ＥＧＩ２２０）における排気ガスの冷却により、半揮発性物質（ブラウンカーボン）をより高い割合で含む粒子が形成される。半揮発性物質（ブラウンカーボン）はサイズが大きいためＧＰＦにおいて容易に捕捉することができる。排気ガス冷却器後に形成する粒子の割合が高いほどサイズが大きくなるため、それは、ＧＰＦろ過システムがより多くの粒子質量および粒子数を除去するのに役立ち、凝縮可能な炭化水素の割合が非常に小さい排気流を残す。
【００４０】
（３）触媒式ＧＰＦ（ｃＧＰＦ）を使用することは、第２段触媒コンバータを交換する、または第２段触媒コンバータのサイズを縮小するというさらなる利点を有することができる。
【００４１】
（４）ＧＰＦ／ｃＧＰＦでの処理前に排気流全体またはその一部を冷却するその他の形態の排気ガス中間冷却システム（すなわち、ＥＧＩ２２０とは異なるもの）を使用することも可能であり、同様の利点をもたらす。
【００４２】
（５）本明細書に記載のシステムおよびプロセスは、冷却された排気ガス再循環を利用してエンジン内のＮＯｘ形成を低減し、および／またはエンジン効率を改善する内燃エンジン設計において使用することができる。冷却された排気ガス再循環はエンジンの燃焼温度を下げるのに使用され、したがって、冷却された排気再循環を伴わないエンジンで行われるようにチャージを冷却するためにさらなる燃料を追加せずとも、ノックの可能性が低減される。さらなる燃料の追加は、燃費に悪影響を及ぼし、また汚染物質の増加に寄与するため望ましくない。
【００４３】
（６）中間排気冷却を伴わない標準的な排出システムでは、フィルタに捕捉された微粒子物質を酸化するのに必要な高い温度で上記さらなる酸素を提供するため、燃料希薄条件下でエンジンのＡＦＲを一時的に動かすことによってＧＰＦ／ｃＧＰＦを再生する。これは、例えば第２の触媒コンバータにおける窒素酸化物の形成および／または再形成を大幅に増加させる可能性がある。上記システム２０は、酸化のための追加の空気（すなわち、コンプレッサ２３０によって噴出された空気）を含むため、エンジンのＡＦＲを変更せずとも、第２段触媒コンバータ２４０の温度を一時的に上げることにより、ＧＰＦの再生を達成することができる。これにより、改質により窒素酸化物がわずかに増加するものの、全体的なテールパイプレベルは、ＡＦＲをリーン（希薄化）にすることによって生成されるものよりもはるかに低くなる。窒素酸化物の改質は、エンジンが燃料をほとんど消費しないときに、例えば丘を惰行で下ったりアイドリングしたりするときに、上記温度を上げることでさらに減らすことができる。このような再生は、例えば１日１回、１週間に１回、１，０００マイル毎に１回、またはその他の間隔で定期的に行うことができる。
【００４４】
（７）エンジン・チャージャ・コンプレッサからの空気の注入は、排気流量を向上させ、排気の背圧を低下させるものであり、それにより、また排気システム設計すなわちポート設計、排気マニホールドを伴うポートとの導管の連結、およびその他の要因に応じて、排気バルブ付近の圧力を高めることができる。背圧のわずかな上昇は、排気プロセスの最後でエンジンシリンダに保持されている排気ガスの割合を高めるため、エンジン効率に有益な影響を与え得るものであり、これは、燃焼温度を低下させるのに役立ち、また、したがってノッキングの可能性なしに進角および効率向上を可能にする。
【００４５】
図３は、１若しくはそれ以上の実施形態における排気後処理システム３０を示す。システム３０は以下で説明することを除きシステム２０と同一または類似である。システム２０の第２段触媒コンバータ／ｃＧＰＦ２４０の組み合わせの代わりに、システム３０はＧＰＦ３８０を含み、このＧＰＦ３８０はコンプレッサ２３０によって噴出される空気の入口と第２段触媒コンバータ３４０への入口との間に配置されている。代替的な実施形態では、ＧＰＦ３８０は、ＥＧＩ２２０の出口とコンプレッサ２３０によって噴出される空気の入口との間に配置されてもよい。第２段触媒コンバータ３４０は、その他の点では第２段触媒コンバータ２４０と同一または類似である。例えば、第２段触媒コンバータ３４０は、１若しくはそれ以上のＰＧＭ、１若しくはそれ以上の酸素吸蔵触媒を含むことができ、および／またはいくつかの実施形態ではＴＷＣを含み得る。
【００４６】
ＧＰＦ３８０は、第２段触媒コンバータ／ｃＧＰＦ２４０に関して上述したＧＰＦと同一または類似である。例えば、ＧＰＦ３８０は、コーティング２４５と同一または類似のコーティング３４５を含む。したがって、コーティング３４５は、ブラックカーボン、ブラウンカーボン、および液体の状態の凝縮性物質を捕捉することができる。システム３０において追加のＧＰＦが望ましい場合、第２段触媒コンバータ３４０は、第２のＧＰＦを含むことができ、あるいは代替的に上述のようにｃＧＰＦを含むことができ、またはｃＧＰＦとすることができる。
【００４７】
代替的な実施形態では、コンプレッサ２３０および／または第２段触媒コンバータ３４０はシステム３０に含まれない。コンプレッサ２３０および／または第２段触媒コンバータ３４０がシステム３０から取り除かれた場合でも、ＧＰＦ３４５は依然として、上述したようにブラックカーボン、ブラウンカーボン、および液体の状態の凝縮性物質を捕捉する働きをする。いくつかの実施形態において、コンプレッサ２３０は上述したようにエンジン２００に付随するターボチャージャコンプレッサおよび／またはスーパーチャージャコンプレッサとすることができる。
【００４８】
図４は、内燃エンジンの排気から、微粒子物質、炭化水素、窒素酸化物、および一酸化炭素を低減する方法のフローチャート４０である。フローチャート４０に従う方法は、本明細書に記載のシステム（例えば、システム２０、３０、６０、７０、８０、９０、および／または１０００）のいずれかで実行することができる。ステップ４００では、排気が第１段触媒コンバータを通過する。第１段触媒コンバータは１若しくはそれ以上の活性触媒成分（例えば、１若しくはそれ以上のＰＧＭおよび／またはＴＷＣ）を含み、当該１若しくはそれ以上の活性触媒成分は化学反応に触媒作用を及ぼして排気中の窒素酸化物化合物濃度を低下させる。排気は、前述のように、化学量論的またはリッチＡＦＲまたはリーンＡＦＲで動かすことができる内燃エンジンによって生成される。ステップ４１０では、前記排気が、約４００°Ｆ、例えば約３００°Ｆ〜約５００°Ｆまたは約３５０°Ｆ〜約４５０°Ｆまで冷却される。いくつかの実施形態において、排気は、約３００°Ｆ、約３２５°Ｆ、約３５０°Ｆ、約３７５°Ｆ、約４００°Ｆ、約４２５°Ｆ、約４５０°Ｆ、約４７５°Ｆ、約５００°Ｆ、または前述の値のいずれか２つの間の任意の値若しくは範囲まで冷却される。排気は、排気ガス中間冷却器（例えば、熱交換器またはその他の冷却ユニットなど）に排気の一部または全てを通過させることにより冷却することができる。上述したように、排気の一部は冷却ユニットを迂回することができ、冷却および迂回される排気の体積を（例えば、制御部と通信するバルブによって）制御して、所望の温度を提供することができる。
【００４９】
ステップ４２０では、前記冷却された排気により、揮発性炭化水素凝縮性物質の少なくとも一部が液体へ相変化する。液相の凝縮性物質は、液体のままであるか、および／またはブラックカーボン粒子上で凝縮することができ、このブラックカーボン粒子は上述したように相変化プロセス中に核生成サイトとして作用して半揮発性ブラウンカーボンを形成する。ステップ４３０では、前記冷却された排気中の酸素濃度が、少なくとも約０．１体積％、例えば、少なくとも約０．２５体積％、少なくとも約０．５体積％、少なくとも約０．７５体積％、少なくとも約１体積％、またはそれより高い濃度に増加される。本明細書で説明するように、前記酸素濃度は冷却された排気流中へ空気を噴出することにより高めることができる。４４０では、前記排気がＧＰＦを通過する。このＧＰＦは、ブラックカーボンなどの排気中のその他の微粒子に加えてステップ４２０で形成された液相凝縮性物質および半揮発性粒子を捕捉するコーティングを含む。ステップ４５０では、前記排気が第２段触媒コンバータを通過する。第２段触媒コンバータは、化学反応に触媒作用を及ぼして排気中の未燃炭化水素および一酸化炭素濃度を低下させる１若しくはそれ以上の活性触媒成分（例えば、１若しくはそれ以上のＰＧＭ、例えばＣｅおよび／またはＺｒなどの１若しくはそれ以上の酸素吸蔵触媒、および／またはＴＷＣ）を含む。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータは窒素酸化物化合物濃度を低下させることもできる。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータはｃＧＰＦであり、この場合、ステップ４４０および４５０は当該ｃＧＰＦを使用して実行することができる。
【００５０】
図５は、排気後処理システムにおいてＧＰＦ／ｃＧＰＦ（概してＧＰＦ）を操作および再生する方法のフローチャート５０である。フローチャート５０に従う方法は、本明細書に記載のシステム（例えば、システム２０、３０、６０、７０、８０、９０、および／または１０００）のいずれかで実行することができる。ステップ５００では、ＧＰＦが排気流からブラックおよびブラウンカーボンなどの微粒子並びに液相の凝縮性物質を収集する。所定の期間後（例えば、１日１回または１００マイル毎）、排気後処理システムの制御部がステップ５１０で再生条件が生じたかどうかを判定する。再生条件は、時間に基づいて（例えば、１日１回、週に１回、月に１回、またはその他の期間）、走行距離に基づいて（例えば、５００マイル毎、１，０００マイル毎、またはその他のマイル間隔）、ＧＰＦでの圧力降下が所定の値を越えることに基づいて、時間若しくは走行距離または圧力降下の組み合わせに基づいて（例えば、週に１回または３００マイル毎に１回、あるいは圧力降下が所定の値を超えたときのいずれか早いとき）いてよく、あるいはその他の因子であってもよい。制御部が、再生条件が満たされないと判定した場合、フローチャートはステップ５００に戻り、ＧＰＦが排気からの微粒子および液相の凝縮性物質の収集を継続する。制御部が、再生条件が満たされていると判定した場合、次いでステップ５２０で、制御部が例えばエンジンのＲＰＭおよび／またはエンジンの燃料摂取量に基づいてエンジンがアイドリング若しくは惰行状態にあるかどうかを判定する。エンジンがアイドリング若しくは惰行状態にない場合、フローチャート５０はステップ５００に戻り、ＧＰＦが所定の期間にわたり排気からの微粒子および液相凝縮性物質の収集を継続する。この所定の期間は再生条件に用いられる再生期間と同一またはそれ以下とすることができる。例えば、いくつかの実施形態において前記所定の期間は、１時間より短く、例えば１５分とすることができる。その他の例では、制御部は、エンジンがアイドリング若しくは惰行状態にあるかどうかを継続的に確認する。
【００５１】
所定の期間後（または継続的に）、制御部はステップ５１０および５２０を続行し、エンジンがアイドリング若しくは惰行状態かを再び判定する。ステップ５２０で制御部がエンジンがアイドリング若しくは惰行状態にあると判定すると、ステップ５３０で制御部により（例えば、上述したように迂回バルブを調整することにより、および／または冷却剤の流量を調整することによって）冷却ユニットを出る排気の温度が上昇し、ＧＰＦによって収集された微粒子および液相の凝縮性物質を酸化するのに十分な温度に達する。冷却ユニットを出る排気の温度は、約５００°Ｆ〜約１，０００°Ｆ、例えば約６００°Ｆ、約７００°Ｆ、約８００°Ｆ、約９００°Ｆ、または前述の値のいずれか２つの間の任意の値若しくは範囲まで上昇させることができる。ステップ５４０では、高温排気を用いてＧＰＦにより収集された微粒子および液相の凝縮性物質を酸化し、ＧＰＦが再生する。ＧＰＦ再生が完了した後、または制御部がエンジンがアイドリング若しくは惰行状態ではなくなったと判定した場合、制御部により上述したように冷却ユニットが当該冷却ユニットから出る排気の温度を約３００°Ｆ〜約５００°Ｆまたは約４００°Ｆの動作温度まで下げる。ステップ５５０で排気の温度が低下した後、フローチャート５０はステップ５００に戻り、ＧＰＦが排気から微粒子および液相凝縮性物質を収集する。ステップ５４０でＧＰＦ再生が完了した場合、制御部はフローチャート５０がステップ５００に戻ったときに再生期間をリセットする。エンジンがアイドリング若しくは惰行状態ではなくなったためにステップ５４０でＧＰＦ再生が完了しなかった場合、制御部は、フローチャート５０がステップ５００に戻ったときに、再生条件を二次再生条件（例えば、より短い再生時間）に再設定することができる。代替的に、制御部は、再生条件を再設定しない。この場合、フローチャート５０は、ＧＰＦ再生プロセスを完了すべく直ちにステップ５１０および５２０に移る。
【００５２】
ＰＭフィルタとして機能するユニット（例えば、ＧＰＦまたはｃＧＰＦ）はまた、車両の他の同様のユニットで行われるようにそのユニットを物理的に除去および洗浄することにより、上述した酸化／再生プロセスにより除去できない不燃性物質を除去する必要がある場合がある。いくつかの場合では、ＰＭフィルタとして機能するユニットは交換を必要とする可能性がある。
【００５３】
図６は、１若しくはそれ以上の実施形態における排気後処理システム６０のブロック図である。排気後処理システム６０は、第１段触媒コンバータ６１０と、排気ガス中間冷却器（ＥＧＩ）６２０と、エンジン・チャージャ・コンプレッサ６３０と、第２段触媒コンバータ６４０とを含む。動作中、エンジン・チャージャ・コンプレッサ６３０からの圧縮空気は圧縮空気導管６０１を通りエンジン６００の空気取入口へ流れ、エンジン６００はその圧縮空気を使用して燃料を燃焼させる。エンジン・チャージャ・コンプレッサ６３０は、エンジン６００用のターボチャージャコンプレッサまたはスーパーチャージャコンプレッサとすることができる。例えば、コンプレッサ６３０は、ターボチャージエンジン２００に使用されるタービン駆動式コンプレッサとすることができる。その他の例では、コンプレッサ６３０は、スーパージャーエンジン６００に使用される機械的駆動式若しくは電気的駆動式コンプレッサ（例えば、ｅ−コンプレッサ）とすることができる。いくつかの実施形態では、エンジン６００は、ターボチャージャコンプレッサとスーパーチャージャコンプレッサの両方を含む。
【００５４】
排気ガスは、第１段触媒コンバータ６１０、ＥＧＩ６２０、および第２段触媒コンバータ６４０を通過してテールパイプ６５０に至る排気導管６０５を通ってエンジン６００を出る。エンジン６００はリッチ燃焼領域の空燃比（ａｉｒ−ｆｕｅｌ  ｒａｔｉｏ：ＡＦＲ）（すなわち、化学量論的ＡＦＲ以上）で動作させることができ、また、したがって（例えば、エンジン２００に関して上述したように）最小または実質的にゼロの酸素含有量を含む排気ガスを生成することができる。
【００５５】
第１段触媒コンバータ６１０は、上述した第１段触媒コンバータ２１０と同一又はまたは実質的に同一とすることができる。したがって、第１段触媒コンバータ６１０は、Ｐｔ、Ｐｄ、および／またはＲｈなどの１若しくはそれ以上のＰＧＭを含有する触媒を含み得る。いくつかの実施形態において、第１段触媒コンバータ６１０はＴＷＣを含む。第１段触媒コンバータ６１０は、（例えば、ＮＯｘを還元してＮ２およびＯ２を形成することにより）排気流からＮＯｘ化合物を除去する化学反応（例えば、還元反応）を促進する。第１段触媒コンバータ６１０はまた、排気流からのＣＯおよびＣｘＨｙ化合物の濃度を低下させる化学反応を促進することができる。
【００５６】
第１段触媒コンバータ６１０を通過後、排気はＥＧＩ６２０に流入する。ＥＧＩ６２０は、上述したＥＧＩ２２０と同一または実質的に同一とすることができる。ＥＧＩ６２０は排気の温度を約４００°Ｆ、例えば約３００°Ｆ〜約５００°Ｆまたは約３５０°Ｆ〜約４５０°Ｆまで下げる。いくつかの実施形態において、ＥＧＩ６２０は、排気の温度を約３００°Ｆ、約３２５°Ｆ、約３５０°Ｆ、約３７５°Ｆ、約４００°Ｆ、約４２５°Ｆ、約４５０°Ｆ、約４７５°Ｆ、約５００°Ｆ、または前述の値の任意の２つの間の任意の値若しくは範囲に低下させる。ＥＧＩ６２０は、ＥＧＩ６２０が排気を冷却する冷却経路と、（例えば、ＥＧＩ２２０に関して上述したような）ＥＧＩ６２０によって冷却されない任意選択的な迂回経路とを含む。ＥＧＩ６２０は、熱交換器またはラジエータ６６０からラジエータ冷却流体を受け取るその他の冷却デバイスとすることができる。ラジエータ冷却流体が流れ得る流体回路の例を、図１２および図１４〜図１６に示す。ＥＧＩ６２０はラジエータ６６０から受け取ったラジエータ流体により排気を冷却する。このラジエータ６６０はまたエンジン６００を冷却するためにラジエータ流体を提供する。
【００５７】
排気ガスは、ＥＧＩ６２０を出た後、排気導管６０５を通過して第２段触媒コンバータ６４０に至る。排気導管６０５は吸気ポート６０８を含み、この吸気ポート６０８はＥＧＩ６２０と第２段触媒コンバータ６４０との間に配置されている。吸気ポート６０８は、空気注入導管６１５と排気導管６０５とを流体的に連結する。空気注入導管６１５は（図示するように）コンプレッサ６３０まで、または圧縮空気導管６０１まで延びる。動作中、コンプレッサ６３０によって生成される圧縮空気の一部は空気注入導管６１５を流れ、排気導管６０５内へ吸気ポート６０８を通じて噴出される。圧縮空気を排気導管６０５内へ導入した結果、排気ガスは第２段触媒コンバータ６４０を通過する前に、第１段触媒コンバータ６１０に入ったときよりも増加した酸素含有量を有する。例えば、排気ガスの酸素含有量は、少なくとも約０．１体積％、例えば、少なくとも約０．２５堆積％、少なくとも約０．５体積％、少なくとも約０．７５体積％、少なくとも約１体積％、またはより高い濃度であり得る。圧縮空気を排気導管６０５に噴出することの二次的な利点は、それが後処理システム６０にわたり圧力降下を低減し、また圧縮空気の流量の増加によりテールパイプ６５０への排気の流れが改善させることである。テールパイプ６５０に向かう排気の改善された流れは、エンジン６００のすぐ下流（例えば、吸気ポート６０８とエンジン６００との間）の排気導管６０５内の排気の背圧を低下させる。排気の背圧低下はエンジン６００の効率／燃費および／または性能を改善する。一般的には望ましくないが、いくつかの状況下では、排気ポート下流における排気パイプ内のわずかな背圧が有益な場合がある。それは、より多くの排気ガスをエンジンシリンダ内に戻し、燃焼温度の低下およびノッキングの可能性の低下をもたらす。これは、進角させ、またエンジン効率をさらに改善するために、エンジン制御ユニットによって使用され得る。
【００５８】
熱電対６３５および酸素センサ６３８は、好ましくは、排気導管６０５の吸気ポート６０８と第２段触媒コンバータ６４０との間に配置される。熱電対６３５は、排気の温度を測定し、その測定された温度を（例えば、上述のように）排気の温度を制御するマイクロプロセッサベースの制御部６７０に入力として提供する。酸素センサ６３８は、排気中の酸素濃度を測定し、その測定された酸素濃度を、酸素濃度を制御する車両用の制御部６７０に入力として提供する。酸素濃度を調整するために、制御部６７０は、当該制御部６７０と電気的に通じている流量制御バルブ６１８の動作位置を調整する。制御部６７０は、（例えば、上記のように）測定された酸素含有量を目標酸素濃度または目標酸素濃度範囲と比較し、それに応じて流量制御バルブ６１８の動作位置を調整する。制御バルブ６１８は、スロットルバルブ、バタフライバルブ、ボールバルブ、チェックバルブ、グローブバルブ、ソレノイドバルブ、またはその他のバルブとすることができる。
【００５９】
第２段触媒コンバータ６４０は上述の第２段触媒コンバータ２４０と同一または実質的に同一とすることができる。したがって、第２段触媒コンバータ６４０は、Ｐｔ、Ｐｄ、および／またはＲｈなどの１若しくはそれ以上のＰＧＭを含有する触媒を含み得る。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータ６１０はＴＷＣを含む。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータ６４０はＣｅおよび／またはＺｒなどの１若しくはそれ以上の酸素吸蔵触媒を含み得る。第２段触媒コンバータ２４０と同様に、第２段触媒コンバータ６４０は組み立て式または一体化ユニットとしてＧＰＦを含むこともできる。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータ６４０はｃＧＰＦを含むことができ、またはｃＧＰＦとすることができる。
【００６０】
図７は、システム６０の代替的な実施形態である排気後処理システム７０を示す。システム７０は以下で説明することを除いてシステム６０と同一または類似である。システム６０において任意選択的に組み合わされる第２段触媒コンバータ／ｃＧＰＦ６４０の代わりに、システム７０はＧＰＦ７８０を含み、このＧＰＦ７８０は排気導管６０５の吸気ポート６０８と第２段触媒コンバータ７４０への入口との間に配置されている。ＧＰＦ７８０は上述したＧＰＦ３８０と同一または実質的に同一とすることができる。代替的な実施形態では、ＧＰＦ７８０は、ＥＧＩ６２０の出口と吸気ポート６０８との間に配置されてもよい。第２段触媒コンバータ７４０はその他の場合では第２段触媒コンバータ６４０と同一または類似である。例えば、第２段触媒コンバータ７４０は、１若しくはそれ以上のＰＧＭ、１若しくはそれ以上の酸素吸蔵触媒、および／またはＴＷＣを含み得る。
【００６１】
図８は、システム６０の代替的な実施形態である排気後処理システム８０を示す。システム８０は、空気注入導管８１５がチャージャコンプレッサ６３０の代わりに圧縮空気導管６０１に連結されていることを除いてシステム６０と同一または類似である。
【００６２】
図９は、システム７０の代替的な実施形態である排気後処理システム９０を示す。システム９０は、空気注入導管９１５がチャージャコンプレッサ６３０の代わりに圧縮空気導管６０１に連結されていることを除いてシステム７０と同一または類似である。ＧＰＦ７８０はシステム９０の任意選択的な機構であることに留意されたい。したがって、いくつかの実施形態では、ＧＰＦ７８０はシステム９０から除去することができる。さらに、ＧＰＦ７８０は、第２段触媒コンバータ７４０の組み立て式または一体化ユニットとして第２段触媒コンバータ７４０と組み合わせることができる。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータ７４０は、ｃＧＰＦであり、またはｃＧＰＦを含み、その場合、（例えば、図２、図６、および図８に関して上述したように）ＧＰＦ７８０および第２段触媒コンバータ７４０はｃＧＰＦに一体化されている。
【００６３】
図１０は、システム７０および９０の代替的な実施形態である排気後処理システム１０００を示す。システム９０は、空気注入導管１０１５がスーパーチャージャコンプレッサ１０３１とターボチャージャコンプレッサ１０３２間において圧縮空気導管６０１に連結されていることを除いて、システム７０および９０と同一または類似である。スーパーチャージャコンプレッサ１０３１は、スーパーチャージャエンジン６００に使用される機械駆動式または電気駆動式コンプレッサ（例えば、ｅ−コンプレッサ）とすることができる。ターボチャージャコンプレッサ１０３２は、（例えば、排気導管６０５においてタービンに連結されている）タービン駆動式コンプレッサとすることができる。代替的に、空気注入導管１０１５は、スーパーチャージャコンプレッサ１０３１に、ターボチャージャコンプレッサ１０３２に、またはターボチャージャコンプレッサ１０３２とエンジン６００間の圧縮空気導管６０１に連結されていてもよい。
【００６４】
ＧＰＦ７８０は、システム１０００の任意選択的な機構であることに留意されたい。したがって、いくつかの実施形態において、ＧＰＦ７８０はシステム１０００から除去することができる。さらに、ＧＰＦ７８０は、第２段触媒コンバータ７４０の組み立て式または一体化ユニットとして第２段触媒コンバータ７４０と組み合わせることができる。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータ７４０はｃＧＰＦであり、またはｃＧＰＦを含み、その場合、ＧＰＦ７８０およびコンバータ７４０は（例えば、図２および図６に関して上述したように）ｃＧＰＦに一体化されている。
【００６５】
図１１は、１若しくはそれ以上の実施形態におけるエンジンからの排気を処理する方法を示すフローチャート１１００である。フローチャート１１００に従う方法は、本明細書に記載のシステム（例えば、システム２０、３０、６０、７０、８０、９０、および／または１０００）のいずれかで実行することができる。ステップ１１１０では、化学量論的またはリッチＡＦＲで動作する内燃エンジンが、（例えば、上述したような）酸素を含まないかまたは実質的に含まない排気を生成する。代替的に、内燃エンジンがリーンＡＦＲで動作してもよい。ステップ１１２０では、排気が第１段触媒コンバータを通過する。第１段触媒コンバータは、化学反応に触媒作用を及ぼして排気中の窒素酸化物化合物濃度を低下させる１若しくはそれ以上の活性触媒成分（例えば、ＰＧＭおよび／またはＴＷＣ）を含む。第１段触媒コンバータはまた、排気からのＣＯおよびＣｘＨｙ化合物濃度を低下させる化学反応を促進することができる。ステップ１１３０では、排気が、第１段触媒コンバータから第２段触媒コンバータまで延びる排気導管を通過する。ステップ１１４０では、排気が、約４００°Ｆ、例えば約３００°Ｆ〜約５００°Ｆまたは約３５０°Ｆ〜約４５０°Ｆまで冷却される。いくつかの実施形態において、排気は、約３００°Ｆ、約３２５°Ｆ、約３５０°Ｆ、約３７５°Ｆ、約４００°Ｆ、約４２５°Ｆ、約４５０°Ｆ、約４７５°Ｆ、約５００°Ｆ、または前述の値のいずれか２つの間の任意の値若しくは範囲まで冷却される。いくつかの実施形態において、排気は熱交換器などの排気ガス中間冷却器を使用して冷却される。排気ガス中間冷却器は、車両のラジエータと熱連通する冷却剤ループを含み得る。車両のマイクロプロセッサベースの制御部は、排気中間冷却器と第２段触媒間コンバータ間の排気導管に配置されている熱電対からのフィードバックに基づいて、（例えば、迂回バルブおよび／または冷却剤ループの流量を調整することにより）冷却を調整することができる。
【００６６】
ステップ１１５０では、圧縮空気流が、車両のエンジンで使用するため空気を圧縮する車両のチャージャコンプレッサ（例えば、ターボチャージャコンプレッサまたはスーパーチャージャコンプレッサ）を迂回して、空気注入導管に入る。代替的に、圧縮空気流は、車両のチャージャコンプレッサからエンジンまで延びる圧縮空気導管を迂回して空気注入導管に入る。ステップ１１６０では、空気注入導管内の迂回した圧縮空気の少なくとも一部が排気導管内の吸気ポートに導入されて、排気中の酸素濃度を増加させる。吸気ポートへ噴出される空気の流量は空気注入導管にあるバルブの動作位置を調整することにより制御することができる。車両のマイクロプロセッサベースの制御部は、排気導管の吸気ポートと第２段触媒コンバータ間の排気導管に配置されている酸素センサからのフィードバックに基づいて、前記バルブの動作位置を（例えば、電気機械的動作を通じて）調整することができる。いくつかの実施形態において、制御部は（例えば、上述したように）目標酸素濃度または目標酸素濃度範囲を有し、測定された酸素濃度が目標酸素濃度または目標酸素濃度範囲に等しいかまたは実質的に等しくなるように前記バルブの動作位置が調整される。
【００６７】
ステップ１１７０では、冷却された排気がＧＰＦを通過する。このＧＰＦは（例えば、図４に関して上述したように）液相凝縮性物質、半揮発性粒子、および排気中のその他の微粒子、例えばブラックカーボンなどを収集する。排気中の酸素濃度は排気がＧＰＦを通る前に任意選択的に増加される（すなわち、ステップ１１７０の前にステップ１１６０が任意選択的に起こる）。
【００６８】
ステップ１１８０では、排気が第２段触媒コンバータを通過する。第２段触媒コンバータは１若しくはそれ以上の活性触媒成分（例えば、１若しくはそれ以上のＰＧＭ、１若しくはそれ以上の酸素吸蔵触媒、および／またはＴＷＣ）を含み、当該１若しくはそれ以上の活性触媒成分は化学反応に触媒作用を及ぼして排気中の未燃炭化水素および一酸化炭素濃度を低下させる。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータはまた、窒素酸化物化合物濃度を低下させることができる。いくつかの実施形態において、第２段触媒コンバータはｃＧＰＦであり、その場合、ステップ１１６０とステップ１１７０はｃＧＰＦを使用して実行することができる。
【００６９】
図１２は、１若しくはそれ以上の実施形態において、並列のラジエータ冷却流体回路を含み、エンジン６００およびＥＧＩ６２０にラジエータ冷却流体１２０１を提供する例示的なシステム１２００を示す。並列のラジエータ冷却流体回路はエンジン冷却回路１２２５とＥＧＩ回路１２３５とを含む。エンジン冷却回路１２２５はラジエータ冷却流体１２０１を提供してエンジン６００を冷却する。ＥＧＩ回路１２３５はラジエータ冷却流体１２０１を提供してＥＧＩ６２０を流れる排気を冷却する。ＥＧＩラジエータ冷却流体１２０１は、純水または水と不凍液（例えば、エチレングリコール）の混合物とすることができる。例えば、ラジエータ冷却流体１２０１は、１０〜６０体積％のエチレングリコール濃度を有することができる。
【００７０】
動作中、ラジエータ冷却流体１２０１は、ラジエータ６６０のラジエータコイル６６１を通過し、ラジエータ冷却流体１２０１を高温度ＴＨから低温度ＴＬまで冷却する。ラジエータコイル６６１におけるラジエータ冷却流体１２０１の冷却は、ラジエータコイル６６１の外表面に空気流を通してそこから熱エネルギーを除去することにより増進させることができる。空気流はエンジン６００によって駆動される車両の動きによって発生させることができる。さらに、または代替として、空気流は、ファン、またはエンジン６００が静止している間に空気を循環させるその他の装置によって、例えばＣＨＰシステムにおいて発生させることができる。
【００７１】
ラジエータ６６０を通過した後、ラジエータ冷却流体１２０１は合流点１２２０に到達するまでラジエータ出口導管１２１０を流れる。合流点１２２０で、第１の体積のラジエータ冷却流体１２０１はエンジン冷却回路１２２５に入り、また第２の体積のラジエータ冷却流体１２０１はＥＧＩ回路１２３５に入る。第１および第２の体積のラジエータ冷却流体１２０１はそれぞれエンジン冷却回路１２２５およびＥＧＩ回路１２３５を流体的に並列に通過する。
【００７２】
エンジン冷却回路１２２５およびＥＧＩ回路１２３５を通過した後、第１および第２の体積のラジエータ冷却流体１２０１は、合流点１２４５で再び合わさる。その後、再び合わさったラジエータ冷却流体１２０１はラジエータ帰還導管１２５０を介してラジエータ６６０の入口に戻る。ポンプ１２６０はラジエータ帰還導管１２５０と流体連通しており、並列のラジエータ冷却流体回路を含むシステム１２００においてラジエータ冷却流体１２０１を循環させる。
【００７３】
バルブ１２７０はＥＧＩ回路１２３５の合流点１２２０に近い位置に配置される。制御部６７０は、バルブ１２７０の動作位置を調整して、ＥＧＩ回路１１３５を流れるラジエータ冷却流体１２０１の体積および／または流量を制御する。ＥＧＩ回路１３３５を流れるラジエータ冷却流体１２０１の体積および／または流量は、ＥＧＩ６２０によって除去できる排気ガス熱エネルギーの量に対応する。例えば、ＥＧＩ６２０においてラジエータ冷却流体１２０１により除去できる排気ガス熱エネルギーの量は、以下の式１により計算することができる。ここで、ＱＥＧＩは、ＥＧＩにおいてラジエータ冷却流体により除去または吸収される単位時間当たりの熱エネルギー量（例えばワット）であり、ｍＥＧＩはＥＧＩ回路１２３５を流れるラジエータ冷却流体１２０１の質量流量であり、Ｃｐはラジエータ冷却流体１２０１の熱容量であり、ΔＴＥＧＩはＥＧＩ６２０に入るラジエータ冷却流体１２０１の温度（ＴＥＧＩ＿ｃｏｌｄ）とＥＧＩ６２０を出るラジエータ冷却流体の温度（ＴＥＧＩ＿ｈｏｔ）の差である。したがって、ＥＧＩ６２０を通るラジエータ冷却流体の流量を増加させるとＱＥＧＩが増加し、一方、ＥＧＩ６２０を通るラジエータ冷却流体の流量を減少させるとＱＥＧＩが減少することが分かる。
【００７４】
同様に、エンジン６００においてラジエータ冷却流体１２０１により除去できる排気ガス熱エネルギーの量は、以下の式２により計算できる。ここで、ＱＥＮＧは、ＥＧＩにおいてラジエータ冷却流体により除去または吸収される単位時間あたりの熱エネルギー量（例えばワットなど）であり、ｍＥＧＩはＥＧＩ回路１２３５を流れるラジエータ冷却流体１２０１の質量流量であり、Ｃｐはラジエータ冷却流体１２０１の熱容量であり、ΔＴＥＮＧはエンジン６００に入るラジエータ冷却流体１２０１の温度（ＴＥＮＧ＿ｃｏｌｄ）とエンジン６００を出るラジエータ冷却流体１２０１の温度（ＴＥＮＧ＿ｈｏｔ）の差である。いくつかの実施形態において、ＱＥＧＩは、ＱＥＮＧに等しいか、またはほぼ等しくすることができる。ＥＧＩ６２０およびエンジン６００を出るラジエータ冷却流体１２０１の最大温度（すなわち、それぞれＴＥＧＩ＿ｈｏｔおよびＴＥＮＧ＿ｈｏｔ）は、ラジエータ冷却流体１２０１の組成によって決定することができる。例えば、ラジエータの冷却流体１２０１が純水である場合、ラジエータ冷却流体１２０１の最大温度は１００°Ｃとなり得る。ラジエータ冷却流体１２０１が１０〜６０体積％のエチレングリコールを含有する場合、ラジエータ冷却流体１２０１の最高温度は約１１０℃〜約１５０℃となり得る。
【００７５】
【数１】
2020510778.tif 000002
【００７６】
【数２】
2020510778.tif 000003
【００７７】
制御部６７０は、入力としてＥＧＩ６２０を出る排気ガスの温度を受け取り、ＥＧＩ６２０を出る排気の温度が設定点温度に等しくなるようにバルブ１２７０の動作位置を調整することができる。例えば、制御部６７０は、ＥＧＩ６２０を出る排気の温度が、約２００℃を含む約３００°Ｆ〜約５００°Ｆ、または本明細書で説明するその他の値若しくは範囲に等しくなるように、バルブ１２７０の動作位置を調整することができる。６２０に入る排気の温度は、約６００°Ｃ〜約７００°Ｃを含む約８００°Ｆ〜約１３００°Ｆ、または前述の温度の任意の２つの間の任意の値若しくは範囲とすることができる。したがって、ＥＧＩ６２０を出る排気ガスの設定点温度は、バルブ１２７０を使用して制御することができる。ＥＧＩ６２０はまた、（例えば、ＥＧＩ２２０に関して上述したように）排気ガス用の任意選択的な迂回経路および迂回バルブを含んでもよい。したがって、制御部６７０は、バルブ１２７０の動作位置を調整することにより（ＥＧＩ６２０を通過するラジエータ冷却流体１２０１の体積／流量を制御して）、および／または迂回バルブを調整することにより（冷却され、およびＥＧＩ６２０を迂回する排気ガスの相対量を制御して）、ＥＧＩ６２０を出る排気ガスの温度を制御することができる。
【００７８】
ラジエータ冷却流体１２０１の流量は、排気ガスおよびラジエータ冷却流体１２０１それぞれの温度変化、ならびにＥＧＩ６２０を通過する排気およびラジエータ冷却流体１２０１それぞれの流量および特性（例えば、熱容量）に従って決定することができる。例えば、排気ガスの温度変化（ΔＴＥＸＨ）は、約７００°Ｃの入力温度および約２００°Ｃの出力温度を想定すると、約４００°Ｃ〜約５００°Ｃになり得る。前述のように、ラジエータ冷却流体１２０１の温度変化（ΔＴＦＬＵＩＤ）はラジエータ冷却流体１２０１の入力温度と（その組成に伴う）ラジエータ冷却流体１２０１の最高温度に応じて約１００°Ｃになり得る。例えば、ＥＧＩ６２０へのラジエータ冷却流体１２０１の入力温度は（予熱されていない場合）約２５℃になり得る。また、ＥＧＩ６２０からのラジエータ冷却流体１２０１の出力温度は約１２５℃になり得る。いくつかの実施形態において、ラジエータ冷却流体１２０１は予熱されており、したがって（ΔＴＦＬＵＩＤ）は１００℃より小さくなる場合がある。ＥＧＩ６２０にわたる温度変化（ΔＴＥＸＨおよびΔＴＦＬＵＩＤ）の例示的なグラフ１３００を図１３に示す。
【００７９】
並列のラジエータ冷却流体回路を含む前述の例示的なシステム１２００は、（例えば、図２、図３、図６〜１０、および図１３のいずれかに関して図示および説明したように）本明細書に記載の排気後処理システムのいずれかに組み込むことができる。
【００８０】
図１４は、１若しくはそれ以上の実施形態における並列のラジエータ冷却流体回路を含む排気後処理システム１４００の例を示す。図１２と同様に、ラジエータ冷却流体１４０１は、ラジエータ６６０のラジエータコイル６６１を通過する際に冷却される。ラジエータ冷却流体１４０１はラジエータ出口導管１４１０を通じてラジエータ６６０を出て、合流点１４２０で迂回され、第１の体積またはラジエータ冷却流体１４０１がエンジン冷却回路１４２５を流れ、第２の体積またはラジエータ冷却流体１４０１がＥＧＩ回路１４３５を流れるようになっている。エンジン冷却回路１４２５を流れるラジエータ冷却流体１４０１は当技術分野で周知なようにエンジン６００に画定されているチャネルへ流入してエンジン６００を冷却する。エンジン６００を出るラジエータ冷却流体１４０１は、エンジン６００に入るときよりも高い温度にある。ラジエータ冷却流体１４０１は、エンジン６００を出た後、合流点１４４５に向けエンジン冷却回路１４２５を辿る。ラジエータ冷却流体１４０１をエンジン冷却回路１４２５およびＥＧＩ回路１４３５内で循環させるためポンプ（例えば、ポンプ１２６０）がラジエータ冷却流体１４０１と流体連通していることに留意されたい。ただし、このようなポンプは明確さのため図１４には示していない。
【００８１】
合流点１４２０で、ラジエータ冷却流体１４０１の一部は、エンジン冷却回路１４２５からＥＧＩ回路１４３５へ迂回される。ＥＧＩ回路１４３５を流れるラジエータ冷却流体１４０１の体積および／または流量は、制御部６７０を介してバルブ１４３０の動作位置を調整することにより制御することができる。排気１４０２が第２段触媒コンバータ６４０に入るときに例えば熱電対６３５によって測定されるため、ＥＧＩ回路１４３５を流れるラジエータ冷却流体１４０１の体積および／または流量は、排気１４０２の温度が設定点温度（例えば、約３００°Ｆ〜約５００°Ｆ、または本明細書で述べたその他の値若しくは範囲）になるように調整することができる。熱電対６３５は空気源１４５０の吸気ポート６０８の下流に配置されるものであり、それにより熱電対６３５によって測定され制御部６７０によって入力として受信される温度は、空気源１４５０からの空気の導入によって引き起こされる排気１４０２の温度変化を説明するものである。
【００８２】
空気源１４５０は、排気後処理システム１４００のための専用の空気コンプレッサとすることができ、または本明細書で説明するように、エンジン・チャージャ・コンプレッサなどのその他の構成要素によって共有される空気コンプレッサとすることができる。空気源１４５０によって導入される空気の体積は、バルブ６１８を使用して制御部６７０によって調整することができる。制御部６７０は酸素センサ６３８によって測定された排気１４０２の酸素濃度を入力として受け取るものであり、この酸素センサ６３８は入口６０８と第２段触媒コンバータ６４０間に配置されている。したがって、制御部６７０は酸素センサ６３８によって測定された酸素濃度が目標酸素濃度と等しくなるように、例えば少なくとも約０．１体積％、例えば少なくとも約０．２５体積％、少なくとも約０．５体積％、少なくとも約０．７５体積％、少なくとも約１体積％、またはより高い濃度となるように、バルブ６１８を調整することができる。本明細書で説明するように、第２段触媒コンバータ６４０は、ｃＧＰＦとすることができ、またはｃＧＰＦを含むことができ、あるいは（例えばそれに取り付けられた）別個のユニットとしてＧＰＦを有することができる。
【００８３】
ラジエータ冷却流体１４０１はＥＧＩ出口ポート６２２から流出した後、合流点１４４５に向けＥＧＩ回路１４３５を辿る。合流点１４４５で、エンジン冷却回路１４２５およびＥＧＩ回路１４３５からの帰還経路内のラジエータ冷却流体１４０１は合わさり、そしてラジエータ入口導管１４５０に流入してラジエータ６６０まで流れる。ラジエータ入口導管１４５０に流入するラジエータ冷却流体１４０１の温度は温度Ｔｃｏｍｂｉｎｅｄであり、温度Ｔｃｏｍｂｉｎｅｄは、エンジン冷却回路１４２５からおよびＥＧＩ回路１４３５から合流点に流入するラジエータ冷却流体１４０１の温度と、前述の各回路を流れるラジエータ冷却流体１４０１のそれぞれの流量との関数である。
【００８４】
図１５は、１若しくはそれ以上の実施形態において、並列のラジエータ冷却流体回路を含み、エンジン６００およびＥＧＩ６２０にラジエータ冷却流体１５０１を提供する例示的なシステム１５００を示す。例えば、例示的なシステム１５００は例示的なシステム１２００の代替的な実施形態とすることができる。並列のラジエータ冷却流体回路はエンジン冷却回路１５２５とＥＧＩ回路１５３５とを含む。エンジン冷却回路１５２５は、エンジン６００を冷却するためのラジエータ冷却流体１５０１を提供する。エンジン冷却回路１５２５内のラジエータ冷却流体１５０１は、エンジン６００によって加熱された後、ラジエータ１５６０の第１のラジエータコイル１５６１を通過して冷却される。ＥＧＩ回路１５３５は、ラジエータ冷却流体１５０１を提供してＥＧＩ６２０を冷却する。ＥＧＩ回路１５３５内のラジエータ冷却流体１５０１は、ＥＧＩ６２０において排気ガスによって加熱された後、ラジエータ１５６０の第２のラジエータコイル１５６２を通過して冷却される。ラジエータコイル１５６１、１５６２は例えばラジエータコイル１５６１、１５６２の外表面に空気流を通過させることによってラジエータ冷却流体１５０１を冷却する。空気流は、エンジン６００により駆動される車両の動きによって、あるいはファンまたはエンジン６００が静止している間に空気を循環させるその他のデバイスによって、例えばＣＨＰシステムにおいて生成することができる。
【００８５】
バルブ１５７０は、ＥＧＩ回路１５３５におけるＥＧＩ６２０への流入部の上流に配置されている。制御部６７０は、バルブ１５７０の動作位置を調整して、ＥＧＩ回路１５３５のＥＧＩ６２０を流れるラジエータ冷却流体１５０１の体積および／または流量を制御する。ＥＧＩ６２０を流れるラジエータ冷却流体１５０１の体積および／または流量は、例えば図１２および図１４に関して上述したようにＥＧＩ６２０によって除去できる排気ガス熱エネルギーの量に対応する。ポンプ１５８０は、エンジン冷却回路１５２５およびＥＧＩ回路１５３５のそれぞれと流体連通しており、それぞれの流体回路内でラジエータ冷却流体１５０１を循環させる。図１２に関して説明したように、ＥＧＩ６２０はまた、排気ガス用に任意選択的な迂回経路および迂回バルブを含むことができる。したがって、制御部６７０は、バルブ１５７０の動作位置を調整することにより（ＥＧＩ６２０を通過するラジエータ冷却流体１５０１の体積／流量を制御して）、および／または迂回バルブを調整することにより（冷却され、およびＥＧＩ６２０を迂回する排気ガスの相対量を制御して）、ＥＧＩ６２０を出る排気ガスの温度を制御することができる。
【００８６】
動作中、ラジエータ冷却流体１５０１は、ラジエータ６６０のラジエータコイル６６１を通過する。ラジエータ６６０はラジエータ冷却流体１５０１を高温度ＴＨから低温度ＴＬまで冷却する。ラジエータコイル６６１内のラジエータ冷却流体１５０１の冷却は、ラジエータコイル６６１の外表面に空気流を通してそこから熱エネルギーを除去することにより増進させることができる。
【００８７】
並列のラジエータ冷却流体回路を含む前述の例示的なシステム１５００は、（例えば、図２、図３、図６〜図１０、および図１４のいずれかに関して図示および説明したように）本明細書に記載の排気後処理システムのいずれかに組み込むことができる。
【００８８】
図１６は、１若しくはそれ以上の実施形態における並列のラジエータ冷却流体回路を含む排気後処理システム１６００の例を示し、同一の参照番号は同一の要素を示す。図１５と同様に、ラジエータ冷却流体１６０１は、ラジエータ１６６０のラジエータコイル１６６１、１６６２を通過する際に冷却される。エンジン冷却回路１６２５を流れるラジエータ冷却流体１６０１は、当技術分野で周知なようにエンジン６００に画定されているチャネルに流入しエンジン６００を冷却する。ＥＧＩ回路１６３５を流れるラジエータ冷却流体１６０１はＥＧＩ６２０に流入し、そこを通過する排気ガスを冷却する。制御部６７０によって調整可能なバルブ１６３０の動作位置はＥＧＩ６２０を流れるラジエータ冷却流体１６０１の体積および／または流量を決定する。制御部６７０は、ＥＧＩ回路１６３５のＥＧＩ６２０を流れるラジエータ冷却流体１６０１の体積および／または流量を調整して、上述のように（例えば、熱電対６３５によって測定されるような）第２段触媒コンバータ６４０に入る排気ガスの温度を制御することができる。
【００８９】
図１５のように、ポンプ（例えば、ポンプ１５８０）がエンジン冷却回路１６２５およびＥＧＩ回路１６３５のそれぞれと流体連通しているが、そのようなポンプは明確さのために図１６には示していない。バルブ１６３０の動作位置を調整することに加えて、または代替として、制御部６７０はＥＧＩ回路１６３５に付随するポンプ（例えば、ポンプ１５８０）を制御して、ＥＧＩ回路１６３５のＥＧＩ６２０を流れるラジエータ冷却流体１６０１の流量を調整することができる。
【００９０】
図１７は、１若しくはそれ以上の実施形態に基づいた排気後処理システム１７００のブロック図である。排気後処理システム１７００は、第１段触媒コンバータ１７１０と、排気ガス中間冷却器（ＥＧＩ）１７２０と、空気コンプレッサ１７３０と、酸化触媒／ＳＣＲ１７４０とを含む。第１段触媒コンバータ１７１０は、上述した第１段触媒コンバータ２１０と同一または実質的に同一であってもよい。したがって、第１段触媒コンバータ１７１０は、Ｐｔ、Ｐｄ、および／またはＲｈなどの１若しくはそれ以上のＰＧＭを含有する触媒を含むことができる。一部の実施形態では、第１段触媒コンバータ１７１０はＴＷＣを含む。第１段触媒コンバータ１７１０は、（例えば、ＮＯｘを還元してＮ２およびＯ２を生成することにより）排気流からＮＯｘ化合物を除去する化学反応（例えば、還元反応）を促進する。第１段触媒コンバータ１７１０はまた、排気流からのＣＯおよびＣｘＨｙ化合物の濃度を低下させる化学反応を促進することができる。
【００９１】
第１段触媒コンバータ１７１０を通過後、排気はＥＧＩ１７２０に流入する。ＥＧＩ１７２０により排気の温度が約３５０°Ｆ〜約５００°Ｆに冷却される（この値は、約３７５°Ｆ、約４００°Ｆ、約４２５°Ｆ、約４５０°Ｆ、約４７５°Ｆ、または前述の値のうち任意の２つの間の任意の範囲を含む）。ＥＧＩ１７２０は、熱交換器、またはラジエータ１７６０からラジエータ冷却流体を受け取る（例えば、本明細書に記載する）その他の冷却デバイスとすることができる。ラジエータ冷却流体が流動できる流体回路の例を、図１２および図１４〜図１６に示す。ＥＧＩ１７２０はラジエータ１７６０から受け取ったラジエータ流体により排気を冷却する。このラジエータ１７６０はまたエンジン１７０１を冷却するためにラジエータ流体を提供する。
【００９２】
排気ガスは、ＥＧＩ１７２０から排出された後、排気導管１７０５を通過して酸化触媒／ＳＣＲ１７４０に至る。排気導管１７０５は、ＥＧＩ１７２０と酸化触媒／ＳＣＲ１７４０との間に配置された吸気ポート１７０８を含む。吸気ポート１７０８は、空気注入導管１７１５を排気導管１７０５に流体連通させる。空気注入導管１７１５は、本明細書に記載のエンジン・チャージャ・コンプレッサであってもよいコンプレッサ１７３０まで延びる。動作中、コンプレッサ１７３０によって生成される圧縮空気の一部は空気注入導管１７１５を流動し、流量制御バルブ１７１８の設定に応じて吸気ポート１７０８を通じて排気導管１７０５内へ排出される。圧縮空気が排気導管１７０５内へ導入される結果、排気ガスの酸素含有量は、酸化触媒／ＳＣＲ１７４０を通過する前段階で、第１段触媒コンバータ１７１０に流入したときよりも増加する。例えば、排気ガスの酸素含有量は、少なくとも約０．１体積％（例えば、少なくとも約０．２５堆積％）、少なくとも約０．５体積％、少なくとも約０．７５体積％、少なくとも約１体積％、またはより高い濃度であり得る。
【００９３】
熱電対１７３５および酸素センサ１７３８は、排気導管１７０５の吸気ポート１７０８と酸化触媒／ＳＣＲ１７４０との間に配置されるのが好ましい。熱電対１７３５は、排気の温度を測定し、その測定された温度を（例えば、上述のように）排気の温度を制御するマイクロプロセッサベースの制御部１７７０に入力として提供する。酸素センサ１７３８は、排気中の酸素濃度を測定し、その測定された酸素濃度を、酸素濃度を制御する車両用の制御部１７７０に入力として提供する。制御部１７７０は、酸素濃度を調整するために、当該制御部１７７０と電気的に通じている流量制御バルブ１７１８の動作位置を調整する。制御部１７７０は、（例えば、上述のように）測定された酸素含有量を目標酸素濃度または目標酸素濃度範囲と比較し、その比較結果に応じて流量制御バルブ１７１８の動作位置を調整する。制御バルブ１７１８は、スロットルバルブ、バタフライバルブ、ボールバルブ、チェックバルブ、グローブバルブ、ソレノイドバルブ、またはその他のバルブとすることができる。
【００９４】
酸化触媒／ＳＣＲ１７４０は、Ｐｔ、Ｐｄ、および／またはＲｈなどの１若しくはそれ以上のＰＧＭを含有する触媒を含むことができる。一部の実施形態では、酸化触媒／ＳＣＲ１７４０はＴＷＣを含む。酸化触媒／ＳＣＲ１７４０は、アンモニア（ＮＨ３）および／またはＮＯｘ化合物を吸蔵することができる吸蔵触媒を含む。この酸化／吸蔵触媒には、ゼオライト、バナジウムおよび／または酸化チタン担持体が含まれるが、これらに限定されるものではない。アンモニアの吸蔵を増加させる触媒配合は本技術の性能を向上させるといえる。
【００９５】
エンジン１７０１が加速すると、空燃比（ＡＦＲ）が僅かにリッチ（ｒｉｃｈ）になり（すなわち、λ＜１、例えば、０．８〜０．９、ここで１は化学量論的ＡＦＲ）、それにより、一般的に２ＮＯ＋５Ｈ２−＞２ＮＨ３＋２Ｈ２Ｏの反応に従って、アンモニアが第１段触媒コンバータ１７１０内で生成される。いかなる理論に制約されるものではないが、少なくともこのアンモニアの一部は、次にＥＧＩ１７２０の下流で比較的低温度（約常温（例えば、冷間始動）〜約５００°Ｆ）で動作する酸化触媒／ＳＣＲ１７４０（例えば、吸蔵触媒）に吸蔵されると考えられる。以下説明するように、酸化触媒１７４０が比較的低温度で動作することにより、アンモニアの吸蔵が促進されると考えられる。
【００９６】
エンジン１７０１が減速すると、空燃比（ＡＦＲ）が僅かにリーン（ｌｅａｎ）になり（すなわち、λ＞１、例えば、１．１）、それにより排気中にＮＯｘ化合物の形成が促進される。第１段触媒コンバータ１７１０によってＮＯｘ化合物の全てが低減されるわけではなく、したがって、少なくともＮＯｘ化合物の一部は第１段触媒コンバータ１７１０を迂回して酸化触媒／ＳＣＲ１７４０に流入する。いかなる理論に制約されるものではないが、迂回してきたＮＯｘ化合物は、（リッチ燃焼動作中に）酸化触媒／ＳＣＲ１７４０に吸蔵されたアンモニアと反応すると考えられる。また、酸化触媒／ＳＣＲ１７４０は、吸蔵されたアンモニアを還元剤として利用して迂回してきたＮＯｘ化合物と反応し、典型的なＳＣＲ反応と同様に、窒素と水を生成すると考えられる。例えば、吸蔵されたアンモニアおよび迂回してきたＮＯｘ化合物は次のように反応し得る。
【００９７】
【数３】
2020510778.tif 000004
【００９８】
【数４】
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【００９９】
したがって、アンモニアは、エンジン１７０１が（加速中に）リッチ燃焼状態で動作する際、酸化触媒／ＳＣＲ１７４０に吸蔵され、次に、この吸蔵されたアンモニアは、エンジン１７０１が（減速中に）リーン燃焼状態で動作する際、ＮＯｘ化合物と反応する還元剤として利用されると考えられる。このように、酸化触媒／ＳＣＲ１７４０は、ＮＯｘ化合物におよびアンモニア対してＳＣＲ（選択触媒反応器）として動作する。上記で明確なように、アンモニアとＮＯｘ化合物との反応により、排気中における化学物質の濃度は、酸化触媒／ＳＣＲ１７４０の下流の排気がテールパイプ１７５０から排出される場所で低下する。
【０１００】
さらに、第１段触媒コンバータ１７１０で生成されたアンモニアは、酸化触媒／ＳＣＲ１７４０内での反応により上記と同様の態様で窒素と水を生成する。このアンモニアとＮＯｘ化合物との反応によってもまた、排気中における化学物質の濃度は、酸化触媒／ＳＣＲ１７４０の下流の排気がテールパイプ１７５０から排出される場所で低下する。
【０１０１】
上記で明確なように、いずれの理論においても、上述したシステム１７００では、通常の車両運転時に起こるリッチ燃焼およびリーン燃焼の双方の状態におけるエンジン１７０１の動作により、アンモニアおよびＮＯｘ化合物の濃度が低下する。
【０１０２】
上述した任意の第２段触媒コンバータまたはｃＧＰＦは、（吸蔵触媒を含んだ）酸化触媒／ＳＣＲ１７４０と同じ触媒を含むことができるため、アンモニアとＮＯｘ化合物の吸蔵および反応において排気後処理システム１７００と同じまたは同様の態様で動作可能であることに注目されたい。具体的には、第２段触媒コンバータ／ｃＧＰＦ２４０、第２段触媒コンバータ３４０、第２段触媒コンバータ／ｃＧＰＦ６４０、および／または第２段触媒コンバータ７４０は、（吸蔵触媒を含んだ）酸化触媒／ＳＣＲ１７４０と同じ触媒を含むことができる。
【０１０３】
図１８は、酸化触媒／ＳＣＲ１７４０における吸蔵触媒のアンモニア吸蔵能力を温度および空間速度（すなわち、流量）の関数とする等高線図（ｃｏｎｔｏｕｒ  ｍａｐ）１８００である。通常、アンモニア吸蔵能力（吸蔵触媒のグラム当たりの吸蔵）は、より低温かつ低空間速度である場合に向上する。したがって、領域Ａにおけるアンモニア吸蔵能力は領域Ｂにおけるアンモニア吸蔵能力よりも大きく、領域Ｂにおけるアンモニア吸蔵能力は領域Ｃにおけるアンモニア吸蔵能力よりも大きく、領域Ｃにおけるアンモニア吸蔵能力は領域Ｄにおけるアンモニア吸蔵能力よりも大きく、領域Ｄにおけるアンモニア吸蔵能力は領域Ｅにおけるアンモニア吸蔵能力よりも大きい。一部の実施形態では、領域Ａにおけるアンモニア吸蔵能力は約１４〜１６ｇであり、領域Ｂにおけるアンモニア吸蔵能力は約１０ｇであり、領域Ｃにおけるアンモニア吸蔵能力は約６〜８ｇであり、領域Ｄにおけるアンモニア吸蔵能力は約４〜６ｇであり、領域Ｅにおけるアンモニア吸蔵能力は約２〜４ｇである。温度および空間速度の関数としてのアンモニア吸蔵能力のさらなる詳細については、「Ｙ．Ｚｈａｏ  ｅｔ  ａｌ，"Ａｍｍｏｎｉａ  Ｓｔｏｒａｇｅ  ａｎｄ  Ｓｌｉｐ  ｉｎ  ａ  Ｕｒｅａ  Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ｃａｔａｌｙｓｔ  ｕｎｄｅｒ  Ｓｔｅａｄｙ  ａｎｄ  Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，"Ｉｎｄ．Ｅｎｇ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．，２０１１，５０  （２１），ｐｐ．１１８６３-１１８７１」に開示されており、この参照により本明細書に組み込むものとする。
【０１０４】
等高線図１８００に示すように、吸蔵触媒は領域Ａにおいて最大の吸蔵能力を有し、この領域での温度範囲は２００°Ｃ〜２２５°Ｃであり、空間速度は２，０００／ｈ〜２，５００／ｈである。この温度範囲は、ＥＧＩ１７２０の動作温度範囲３５０°Ｆ〜５００°Ｆと重複する。また、領域Ｂおよび領域Ｃに関連する温度範囲もＥＧＩ１７２０の動作温度範囲と重複することに注目されたい。
【０１０５】
図１９は、第１の動作理論に基づいた、車両排気中のアンモニアおよびＮＯｘ化合物の濃度を低下させる方法のフローチャート１９００である。フローチャート１９００は、排気後処理システム１７００または本明細書に記載した別のシステムのうちいずれのシステムにおいても実行可能である。工程１９１０において、火花点火式内燃エンジンは、加速中などにリッチ燃焼ＡＦＲ（すなわち、λ＜１、例えば０．８〜０．９）で動作する。工程１９２０において、エンジンからの排気は第１段触媒コンバータを通過するが、その際、当該コンバータ内の化学反応の副生成物として第１段触媒コンバータ内でアンモニアが生成される。工程１９３０において、アンモニアを含有する排気は、冷却ユニットを通過し、この冷却ユニットにより排気の温度が約１，２００°Ｆから、約３５０°Ｆ〜約５００°Ｆの範囲まで冷却される（この値は、約３７５°Ｆ、約４００°Ｆ、約４２５°Ｆ、約４５０°Ｆ、約４７５°Ｆ、または前述の値のうち任意の２つの間の任意の範囲を含む）。温度が低温になることにより、工程１９４０において、冷却ユニットに流体連通された酸化触媒／ＳＣＲが第１段触媒コンバータにより生成されたアンモニアの少なくとも一部を吸蔵触媒内に吸蔵することが可能となる。
【０１０６】
工程１９５０において、エンジンは、減速中などにリーン燃焼ＡＦＲ（すなわち、λ＞１、例えば１．１）で動作する。工程１９６０において、エンジンは、第１段触媒コンバータによって完全に処理できない窒素酸化物化合物をさらに生成する。したがって、少なくとも窒素酸化物化合物の一部は、第１段触媒コンバータを「擦り抜ける」こととなる。工程１９７０において、当該コンバータを擦り抜けた窒素酸化物化合物は、酸化触媒／ＳＣＲの吸蔵触媒内に吸蔵されたアンモニアと反応する（ここで、吸蔵アンモニアは還元剤として作用する）。その結果、フローチャート１９００で提供する方法により、リッチ燃焼状態（例えば、加速中）およびリーン燃焼状態（例えば、減速中）の双方の状態で稼働するエンジンにより生成された排気中の窒素酸化物化合物およびアンモニアの濃度が低減される。
【０１０７】
図２０は、第２の動作理論に基づいた、排気物質中のアンモニアおよびＮＯｘ化合物の濃度を低下させる方法のフローチャート２０００である。フローチャート２０００は、排気後処理システム１７００または本明細書に記載した別のシステムのうちいずれのシステムにおいても実行可能である。工程２０１０において、エンジンにおいて排気が発生する。工程２０２０において、エンジンにより、第１段触媒コンバータにで完全に処理できない窒素酸化物化合物およびアンモニアが生成されるため、少なくとも窒素酸化物化合物の一部は、第１段触媒コンバータを擦り抜けることとなる。工程２０３０において、当該コンバータを擦り抜けた窒素酸化物化合物を含有する排気は、冷却ユニットを通過し、この冷却ユニットにより排気の温度が約１，２００°Ｆから、約３５０°Ｆ〜約５００°Ｆの範囲まで冷却される（この値は、約３７５°Ｆ、約４００°Ｆ、約４２５°Ｆ、約４５０°Ｆ、約４７５°Ｆ、または前述の値のうち任意の２つの間の任意の範囲を含む）。工程２０４０において、生成されたアンモニアは、酸化触媒／ＳＣＲの吸蔵触媒内に吸蔵された窒素酸化物化合物と反応する（ここで、アンモニアは還元剤として作用する）。その結果、フローチャート２０００で提供する方法により、エンジンにより生成された排気中の窒素酸化物化合物およびアンモニアの濃度が低減される。
【０１０８】
前述の明細書では、特定の実施形態を参照して本発明を説明してきた。しかしながら、当業者ならば本明細書に記載された開示および実施形態の範囲から逸脱することなく様々な修正および変更を行うことができることを理解する。したがって、明細書および図面は限定的な意味ではなく例示的な意味で考えられるべきであり、すべてのそのような修正は本開示の範囲内に含まれることが意図されている。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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