(57)【要約】  【解決手段】  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の触媒コンバータから当該第２の触媒コンバータまで延びる導管とを含む。この導管は、前記第１段触媒コンバータと前記第２段触媒コンバータ間において排気ガス中間冷却器を通過し、排気の温度を約３００°Ｆ〜約５００°Ｆに下げる。空気が排気導管に噴出されて、排気が第２段触媒コンバータを通過する前に排気中の酸素濃度を増加させる。空気は、エンジン・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噴出導管から噴出することができる。前記圧縮空気導管はエンジン・チャージャ・コンプレッサ、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などからエンジンへ延びている。ガス微粒子フィルタを排気導管に配置することができ、あるいは、例えば触媒式ガス微粒子フィルタ用にそれを第２段触媒コンバータと一体化することができる。  【選択図】      図６
2020509284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気後処理システムであって、
三元触媒を含む第１の触媒コンバータであって、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ものである、前記第１の触媒コンバータと、
酸化触媒または三元触媒を含む第２の触媒コンバータと、
前記第１の触媒コンバータと前記第２の触媒コンバータとの間に配置され、前記排気の温度を約３００°Ｆ〜約５００°Ｆに下げるように構成されている排気ガス中間冷却器と、
前記第１の触媒コンバータから前記第２の触媒コンバータまで延びる排気導管であって、前記冷却ユニットと熱的に連通しているものである、前記排気導管と、
エンジン・チャージャ・コンプレッサと、
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取入口まで延びる圧縮空気導管と、
空気噴出導管であって、（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ているものであり、それにより前記空気噴出導管が圧縮空気流を前記排気導管内へ導入するものである、前記空気噴出導管と
を有する、排気後処理システム。
【請求項２】
請求項１に記載の排気後処理システムにおいて、前記エンジン・チャージャ・コンプレッサは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である、排気後処理システム。
【請求項３】
請求項１に記載の排気後処理システムにおいて、このシステムはさらに流量制御バルブを有するものであり、前記流量制御バルブは前記空気噴出導管に配置されているものであり、前記流量制御バルブは当該流量制御バルブの動作位置を調整するよう制御部と電気的に通じているものである、排気後処理システム。
【請求項４】
請求項３に記載の排気後処理システムにおいて、このシステムはさらに酸素センサを有するものであり、前記酸素センサは（ａ）前記圧縮空気導管の吸気ポートと（ｂ）前記第２の触媒コンバータとの間の前記排気導管に配置されているものであり、前記酸素センサは前記排気の酸素含有量を前記制御部に出力するものである、排気後処理システム。
【請求項５】
請求項４に記載の排気後処理システムにおいて、前記制御部は、前記酸素含有量が少なくとも約０．１体積％となるように前記流量制御バルブの前記動作位置を調整するものである、排気後処理システム。
【請求項６】
請求項１に記載の排気後処理システムにおいて、このシステムは、前記排気導管と連結されたガス微粒子フィルタをさらに有するものである、排気後処理システム。
【請求項７】
請求項１に記載の排気後処理システムにおいて、前記第２の触媒コンバータは触媒式ガス微粒子フィルタを有するものであり、前記触媒式ガス微粒子フィルタは前記酸素触媒または前記３元触媒を有するものである、排気後処理システム。
【請求項８】
請求項１に記載の排気後処理システムにおいて、前記排気ガス中間冷却器は熱交換器を有するものであり、前記熱交換器は、当該熱交換器と前記エンジン用のラジエータとの間に延びる冷却剤流体ループを含むものである、排気後処理システム。
【請求項９】
エンジンから排出物を低減する方法であって、この方法は、
火花点火式内燃エンジンにおいて排気を発生させる工程と、
前記排気を第１の触媒コンバータに通過させる工程であって、前記第１の触媒コンバータは３元触媒を含むものであり、前記第１の触媒コンバータは前記排気中の第１の濃度の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、および炭化水素（ＣｘＨｙ）化合物を低減するものである、前記第１の触媒コンバータに通過させる工程と、
前記第１の触媒コンバータから第２の触媒コンバータまで延びる排気導管に前記排気を通過させる工程と、
前記排気導管内の前記排気を約３００°Ｆ〜約５００°Ｆに冷却する工程と、
（ａ）エンジン・チャージャ・コンプレッサまたは（ｂ）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まで伸びる圧縮空気導管から圧縮空気を迂回させる工程と、
前記圧縮空気を前記排気導管の吸気ポートに噴出して、記排気の酸素含有量を増加させる工程と、
前記排気を、酸化触媒または三元触媒を含む前記第２の触媒コンバータに送る工程であって、前記第２触媒コンバータは前記排気中の第２の濃度のＣＯおよびＣｘＨｙを低減するものである、前記第２の触媒コンバータに送る工程と
を有する方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記エンジン・チャージャ・コンプレッサは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である、方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法において、この方法はさらに、前記圧縮空気を、（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噴出導管に通過させる工程を有するものである、方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、この方法はさらに、前記空気噴出導管に配置されている制御バルブの動作位置を調整する工程であって、前記動作位置は前記排気導管への前記圧縮空気の流量に対応するものである、前記調整する工程を有するものである、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、この方法はさらに、
制御部で（ａ）前記圧縮空気導管の入口ポートと（ｂ）前記第２の触媒コンバータとの間の前記排気導管に配置された酸素センサから前記排気の酸素含有量を受け取る工程と、
前記酸素含有量が少なくとも約０．１体積％になるように、前記制御バルブの前記動作位置を調整する工程と
を有するものである、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、この方法はさらに、前記排気導管に連結されたガス微粒子フィルタ（ＧＰＦ）に前記排気を通過させる工程を有するものである、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、この方法はさらに、
前記制御部により、前記ＧＰＦの再生期間が超過したかどうかを判定する工程と、
前記再生期間を超えたときに、前記ＧＰＦの再生を開始する工程と
を有するものである、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、この方法はさらに、
前記制御部により、前記エンジンがアイドリングまたは惰行状態にあるときを判定する工程と、
前記エンジンが前記アイドリングまたは前記惰行状態にあるときに、前記排気の排気温度を一時的に上昇させて、前記ＧＰＦにより保持されている微粒子物質を酸化し、それにより前記ＧＰＦを再生する工程と
を有するものである、方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法において、この方法はさらに、（ａ）所定の期間の後、または（ｂ）前記エンジンが前記アイドリングまたは前記惰行状態ではなくなったと前記制御部が判断した後、前記排気導管内の前記排気を約３００°Ｆ〜約５００°Ｆに戻す工程を有するものである、方法。
【請求項１８】
請求項９に記載の方法において、
前記排気を冷却する工程は、前記排気を排気ガス中間冷却器に通過させる工程を有するものである、方法。
【請求項１９】
請求項９に記載の方法において、前記第２の触媒コンバータは触媒式ガス微粒子フィルタ（ｃＧＰＦ）を有するものであり、前記ｃＧＰＦは前記酸化触媒または前記三元触媒を有するものである、方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、この方法はさらに、
前記制御部により、前記ｃＧＰＦの再生期間を超過したかどうかを判定する工程と、
前記再生期間が超過したときに、前記ｃＧＰＦの再生を開始する工程と
を有するものである、方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、この方法はさらに、
前記制御部により、前記エンジンがアイドリングまたは惰行状態にあるときを判定する工程と、
前記エンジンが前記アイドリングまたは前記惰行状態にあるときに、前記排気の排気温度を一時的に上昇させて、前記ｃＧＰＦにより保持されている微粒子物質を酸化し、それにより前記ｃＧＰＦを再生する工程と
を有するものである、方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法において、この方法はさらに、（ａ）所定の期間の後、または（ｂ）前記エンジンが前記アイドリングまたは前記惰行状態ではなくなったと前記制御部が判断した後、前記排気導管内の前記排気を約３００°Ｆ〜約５００°Ｆに戻す工程を有するものである、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２０１７年２月１１日に出願された「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号に基づく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】
一般的に本出願は内燃エンジン用の排出物制御システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
車両排出物は、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に示しており、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、排出物規制当局は、微粒子排出物に対する懸念、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、及び（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は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）、及び何らかの形で触媒コンバータに連結された触媒式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することができない。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更なる微粒子を形成する可能性がある。
【０００７】
既存の排気後処理システムに関する更なる問題は、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】
１若しくはそれ以上の前述の問題を解消することは望ましいであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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発明の特定の例示的な実施を詳細に示すものであり、本発明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発明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。本発明のその他の目的、利点、および新規の特徴は、図面を考慮した本発明の以下の詳細な説明に記載する。それらは本発明を説明することを意図したものであり、本発明を限定することを意図したものではない。
【００１０】
本発明の一態様は、排気後処理システムであって、三元触媒を含む第１の触媒コンバータであって、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ものである、前記第１の触媒コンバータと、酸化触媒または三元触媒を含む第２の触媒コンバータと、前記第１の触媒コンバータと前記第２の触媒コンバータとの間に配置され、前記排気の温度を約３００°Ｆ〜約５００°Ｆに下げるように構成されている排気ガス中間冷却器と、前記第１の触媒コンバータから前記第２の触媒コンバータまで延びる排気導管であって、前記冷却ユニットと熱的に連通しているものである、前記排気導管と、エンジン・チャージャ・コンプレッサと、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取入口まで延びる圧縮空気導管と、空気噴出導管であって、（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ているものであり、それにより前記空気噴出導管が圧縮空気流を前記排気導管内へ導入するものである、前記空気噴出導管とを有する。
【００１１】
１若しくはそれ以上の実施形態において、前記エンジン・チャージャ・コンプレッサは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である。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記排気後処理システムはさらに流量制御バルブを有するものであり、前記流量制御バルブは前記空気噴出導管に配置されているものであり、前記流量制御バルブは当該流量制御バルブの動作位置を調整するよう制御部と電気的に通じているものである。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記排気後処理システムはさらに酸素センサを有するものであり、前記酸素センサは（ａ）前記圧縮空気導管の吸気ポートと（ｂ）前記第２の触媒コンバータとの間の前記排気導管に配置されているものであり、前記酸素センサは前記排気の酸素含有量を前記制御部に出力するものである。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％となるように前記流量制御バルブの前記動作位置を調整するものである。
【００１２】
１若しくはそれ以上の実施形態において、前記排気後処理システムは、前記排気導管と連結されたガス微粒子フィルタをさらに有するものである。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記第２の触媒コンバータは触媒式ガス微粒子フィルタを有するものであり、前記触媒式ガス微粒子フィルタは前記酸素触媒または前記３元触媒を有するものである。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熱交換器を有するものであり、前記熱交換器は、当該熱交換器と前記エンジン用のラジエータとの間に延びる冷却剤流体ループを含むものである。
【００１３】
本発明のその他の一態様は、エンジンから排出物を低減する方法であって、この方法は、火花点火式内燃エンジンにおいて排気を発生させる工程と、前記排気を第１の触媒コンバータに通過させる工程であって、前記第１の触媒コンバータは３元触媒を含むものであり、前記第１の触媒コンバータは前記排気中の第１の濃度の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、および炭化水素（ＣｘＨｙ）化合物を低減するものである、前記第１の触媒コンバータに通過させる工程と、前記第１の触媒コンバータから第２の触媒コンバータまで延びる排気導管に前記排気を通過させる工程と、前記排気導管内の前記排気を約３００°Ｆ〜約５００°Ｆに冷却する工程と、（ａ）エンジン・チャージャ・コンプレッサまたは（ｂ）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まで伸びる圧縮空気導管から圧縮空気を迂回させる工程と、前記圧縮空気を前記排気導管の吸気ポートに噴出して、記排気の酸素含有量を増加させる工程と、前記排気を、酸化触媒または三元触媒を含む前記第２の触媒コンバータに送る工程であって、前記第２触媒コンバータは前記排気中の第２の濃度のＣＯおよびＣｘＨｙを低減するものである、前記第２の触媒コンバータに送る工程とを有する。
【００１４】
１若しくはそれ以上の実施形態において、前記エンジン・チャージャ・コンプレッサは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である。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、前記圧縮空気を、（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噴出導管に通過させる工程を有するものである。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、前記空気噴出導管に配置されている制御バルブの動作位置を調整する工程であって、前記動作位置は前記排気導管への前記圧縮空気の流量に対応するものである、前記調整する工程を有するものである。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、制御部で（ａ）前記圧縮空気導管の入口ポートと（ｂ）前記第２の触媒コンバータとの間の前記排気導管に配置された酸素センサから前記排気の酸素含有量を受け取る工程と、前記酸素含有量が少なくとも約０．１体積％になるように、前記制御バルブの前記動作位置を調整する工程とを有するものである。
【００１５】
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、前記排気導管に連結されたガス微粒子フィルタ（ＧＰＦ）に前記排気を通過させる工程を有するものである。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、前記制御部により、前記ＧＰＦの再生期間が超過したかどうかを判定する工程と、前記再生期間を超えたときに、前記ＧＰＦの再生を開始する工程とを有するものである。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、前記制御部により、前記エンジンがアイドリングまたは惰行状態にあるときを判定する工程と、前記エンジンが前記アイドリングまたは前記惰行状態にあるときに、前記排気の排気温度を一時的に上昇させて、前記ＧＰＦにより保持されている微粒子物質を酸化し、それにより前記ＧＰＦを再生する工程とを有するものである。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、（ａ）所定の期間の後、または（ｂ）前記エンジンが前記アイドリングまたは前記惰行状態ではなくなったと前記制御部が判断した後、前記排気導管内の前記排気を約３００°Ｆ〜約５００°Ｆに戻す工程を有するものである。１若しくはそれ以上の実施形態において、前記排気を冷却する工程は、前記排気を排気ガス中間冷却器に通過させる工程を有するものである。
【００１６】
１若しくはそれ以上の実施形態において、前記第２の触媒コンバータは触媒式ガス微粒子フィルタ（ｃＧＰＦ）を有するものであり、前記ｃＧＰＦは前記酸化触媒または前記三元触媒を有するものである。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、前記制御部により、前記ｃＧＰＦの再生期間を超過したかどうかを判定する工程と、前記再生期間が超過したときに、前記ｃＧＰＦの再生を開始する工程とを有するものである。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、前記制御部により、前記エンジンがアイドリングまたは惰行状態にあるときを判定する工程と、前記エンジンが前記アイドリングまたは前記惰行状態にあるときに、前記排気の排気温度を一時的に上昇させて、前記ｃＧＰＦにより保持されている微粒子物質を酸化し、それにより前記ｃＧＰＦを再生する工程とを有するものである。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、（ａ）所定の期間の後、または（ｂ）前記エンジンが前記アイドリングまたは前記惰行状態ではなくなったと前記制御部が判断した後、前記排気導管内の前記排気を約３００°Ｆ〜約５００°Ｆに戻す工程を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明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。
【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。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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噴出導管から噴出することができる。前記圧縮空気導管は当前記車両の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。
【００１９】
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ものであり、これは車両排出物を低減するためのガス微粒子フィルタによって収集することができる。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。
【００２０】
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。空気流は空気噴出導管から噴出されるものであり、この空気噴出導管は、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いる。代替的に、空気噴出導管は、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噴出により、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、排気システムの排気バルブ付近における圧力を低下させるものであり、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。
【００２１】
排気システムにおける圧力降下は損失の原因であり、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更なる他の利点もある。排気システム内の圧力降下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低減することができ、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の触媒の前の圧縮ガス噴出には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という利点を得る。
【００２２】
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。
【００２３】
エンジン２００は、濃厚燃焼領域（ｒｉｃｈ  ｂｕｒｎ  ｒｅｇｉｍｅ）（すなわち、化学量論的ＡＦＲ以上）または希薄燃焼領域（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が濃厚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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。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的に連通している。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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更なる凝縮および／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。
【００２８】
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。
【００２９】
酸素センサ２３８は、排気導管２０５に配置され、空気噴出後の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。
【００３０】
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などの酸素貯蔵触媒を含み得る。
【００３１】
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、酸素貯蔵触媒（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。
【００３２】
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更なる利点がある。
【００３３】
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、排気中の微粒子排出物、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、微粒子排出物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、炭化水素排出物全体を減少させ、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。
【００３４】
本明細書に記載される本発明の実施形態は、以下の利点の１若しくはそれ以上を提供する。
【００３５】
（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。
【００３６】
（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。
【００３７】
（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更なる利点を有することができる。
【００３８】
（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。
【００３９】
（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更なる燃料を追加せずとも、ノックの可能性が低減される。更なる燃料の追加は、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。
【００４０】
（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更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を希薄化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。
【００４１】
（７）エンジン・チャージャ・コンプレッサからの空気の噴出は、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、それによりエンジン効率を向上させる。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及び効率向上を可能にする。
【００４２】
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貯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。
【００４３】
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ことに留意されたい。
【００４４】
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。
【００４５】
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、化学量論的または濃厚ＡＦＲまたは希薄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、冷却及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。
【００４６】
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及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及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貯蔵触媒、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。
【００４７】
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及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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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は濃厚燃焼領域の空燃比（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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、熱交換器またはその他の冷却デバイスとすることができる。
【００５４】
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、空気噴出導管６１５と排気導管６０５とを流体的に連結する。空気噴出導管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噴出導管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。
【００５５】
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。
【００５６】
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貯蔵触媒を含み得る。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。
【００５７】
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貯蔵触媒、および／またはＴＷＣを含み得る。
【００５８】
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、空気噴出導管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。
【００５９】
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、空気噴出導管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。
【００６０】
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、空気噴出導管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、空気噴出導管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。
【００６１】
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及びコンバータ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。
【００６２】
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、化学量論的または濃厚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、内燃エンジンが希薄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的に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。
【００６３】
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）から迂回して、空気噴出導管に入る。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噴出導管に入る。ステップ１１６０では、空気噴出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噴出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。
【００６４】
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）。
【００６５】
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貯蔵触媒、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及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。
【００６６】
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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【国際調査報告】
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