JP2006511747A - エンジン燃料および排気から発生する水素を使用する窒素酸化物の低減 - Google Patents

Abstract

（ａ）エンジン（９）の排気（２０）および／または（ｂ）吸入空気（１１）のどちらかを、ディーゼル燃料（１８）と一緒に水素発生器（２２）へ送り、（ｃ）触媒コンバータ（２８）へ供給される排気の主要流体と混合するか、または（ｄ）一対のＮＯｘ吸着トラップ（３５、３６）を再生するかのどちらかのために、水素および一酸化炭素（２６）を生成し、それによって窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減し、ＮＯｘが０．２０グラム／ｂｈｐ／ｈｒ未満でありかつ非メタン炭化水素が０．１４グラム／ｂｈｐ／ｈｒ未満であることが可能であるシステム排気（２９）を供給する。水回収装置（５２、６３）は、排気からでもＮＯｘトラップの流出液からでも水を抜き取り、燃料との混合のための吸入空気（１１）を加湿してもよい。吸入空気（１１）は、吸入空気を使用してＮＯｘトラップ流出液を冷却する凝縮器（７６）からの水を受け取る気泡式加湿器（７２）の中で加湿されてもよい。

Description

本発明は、炭化水素燃料内燃機関の排気の中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減に関し、さらに詳しくは、触媒部分酸化器（ＣＰＯｘ）、非触媒（均一系）部分酸化器（ＰＯｘ）、または自熱式改質器（ＡＴＲ）などの水素発生器を使用し、エンジン燃料および排気から、ＮＯｘ触媒コンバータまたはＮＯｘ還元吸着フィルターで使用するための水素と一酸化炭素とを含む流体を発生させることに関する。

米国環境保護局（ＥＰＡ）は、２００７年以降の車両の内燃機関の排出規制を定めており、ディーゼルエンジンに対する１つの規制例では、ＮＯｘおよび非メタン炭化水素が、各々、０．２０グラムｂｈｐ−ｈｒ未満および０．１４グラム／ｂｈｐ−ｈｒ未満である。これは、各々、４．０グラム／ｂｈｐ−ｈｒ、および１．３グラム／ｂｈｐ−ｈｒの現行基準とは対照的である。従って、触媒コンバータは、大幅なＮＯｘ低減を達成しなければならない。これらの抑制基準を充分に達成できる触媒配合物は現在は存在せず、新規触媒配合物のコストを低減しかつ性能を向上させるには大幅な開発が必要であろう。ＮＯｘ低減を増進する混合物を供給するためにエンジン燃料を酸化する装置は、米国特許第５，４１２，９４６号、ＰＣＴ出願公開ＷＯ０１／３４９５０号、および米国特許出願公開第２００１／４１１５３号に開示されている。

本発明の目的には、ＮＯｘを窒素およびその他の無害なガスに還元するに当たっての改良と、ＥＰＡ２００７のＮＯｘ排出規制に適合するＮＯｘ低減の達成と、内燃機関の排気物質低減システムの中でおよびそのシステムのために改良された水素の発生を行なうことと、が挙げられる。

本発明に従うと、炭化水素燃料内燃機関の排気から得られる水分および多分、酸素が、燃料処理器の中で内燃機関の燃料タンクからの燃料と一緒に処理され、この処理器は、排気の中のＮＯｘを除去するように直接使用されるかまたはＮＯｘとその他の化合物との反応の後に使用される水素および一酸化炭素の流体を発生させる触媒部分酸化改質器、非触媒（均一系）部分酸化改質器、または自熱式改質器でもよい。例えば、水素に富む流体は、（ａ）ＮＯｘ還元触媒コンバータの中で処理するために主要排気流体と混合されてもよく、あるいは（ｂ）ＮＯｘトラップの中で排気と吸着剤との反応による窒素含有化合物の生成の後にＮＯｘトラップを再生するのに使用されてもよい。本発明の種々の実施態様では、大気などからの空気も燃料処理器に送られ、水蒸気がエンジン排気からおよびＮＯｘトラップ流出液から抜き取られ、空気が加湿され、並びに燃料が気化される。

図１では、エンジン９は、空気吸入管路１１へ送り込む従来のターボ圧縮機１０と、炭化水素燃料タンク１２と、燃料ポンプ１３とを有する。燃料は、ディーゼル燃料、ガソリン、天然ガス、液化石油ガス、またはプロパンでもよい。燃料は、空気による燃焼のために第一の管路１７によってエンジンへ送られ、また、第二の管路１８によって管２０の中のミキサー１９へ送られ、管２０は、排気管２１から水素発生器２２へ少量の排気を送る。水素発生器２２は、触媒部分酸化器（ＣＰＯｘ）、非触媒（均一系）部分酸化器、または自熱式改質器（ＡＴＲ）でもよい。水素発生器がＣＰＯｘならば、この発生器の内部では、第ＶＩＩＩ族金属、好ましくはニッケル、コバルト、ロジウム、イリジウムまたは白金を含んでよい発泡モノリスまたはその他の形態の触媒が、炭化水素、水、および酸素と一緒に燃料を水素、ＣＯ、およびＣＯ₂の混合物に変換する。この混合物は、導管２６を通ってＮＯｘ還元触媒コンバータ２８へ供給され、その流出物は管２９によって、一般に大気に排出される。触媒コンバータ２８は、ディーゼルエンジンでよく使用されるタイプのものである。通常の運転では、水分含有量は２％と９％の間を変動し、酸素含有量は５％と１７％の間を変動すると予想される。ディーゼル燃料を使用すると、許容できる排気を浄化するには、消費燃料の最高７％を必要とする場合がある。触媒コンバータ２８内では、排気−水素、窒素酸化物、一酸化炭素、および二酸化炭素−は、微量の非メタン炭化水素および窒素酸化物を伴って、主に窒素、水、および二酸化炭素に変換される。特定のエンジンを適切に調節し所望の性能範囲とすること（弁と、センサーに応答する多分、コントローラとを利用するが、これらは全て当業界では周知である）により、本発明は、ＮＯｘを０．２０グラム／ｂｈｐ／ｈｒまで、および非メタン炭化水素を０．１４グラム／ｂｈｐ／ｈｒまで低減させることができるであろう。

図２に示している、本発明の第二の実施態様では、水素発生器２２の中で必要量の水素を作り出すのに排気の中に酸素が不足するいずれの場合でも、空気は導管３０によって空気吸入管路１１から管１８の中の燃料との混合のために送られることが可能である。

図１および図２は、本発明の基本的実施態様である。図１および図２では、ＮＯｘは、既知のコンバータの中で連続的に処理される。本発明に従い、ＮＯｘをより効果的に除去するには回収／再生の交互サイクルの中で吸着トラップを利用することが含まれる。

図３を見ると、一対のＮＯｘ吸着トラップ３５、３６が、対応する弁４０〜４３によって、水素発生器２２からの水素含有ガスを含む導管２６かまたはエンジン排気を含有する管４８かのどちらかに交互に接続される。ＮＯｘでトラップ３５、３６のうちの一方を飽和するのに必要な時間より短い時間で、エンジン排気がそのトラップの中に流入できるように弁は制御され、その後、排気が他方のＮＯｘトラップの中に流入するように弁が切換えられ、一方最初のＮＯｘトラップは水素発生器２２からの水素および一酸化炭素によって再生される間、。１つのサイクルでは、弁４０、４３は開いており、一方、弁４１および４２は閉じており、次のサイクルでは、弁４１および４２は開いており、一方、弁４０および４３は閉じている、などとなる。例えば、ＮＯｘトラップは、吸着剤として炭酸バリウム（ＢａＣＯ₃）を含有してもよく、ディーゼル排気が炭酸バリウムによって吸着されるとき、反応：
２ＮＯｘ＋ＢａＣＯ₃ → Ｂａ（ＮＯ₃）₂＋ＣＯ₂、
によって硝酸バリウムが発生する。次に、再生サイクルの過程で、次の：
３Ｈ₂＋２ＣＯ＋Ｂａ（ＮＯ₃）₂ → ＢａＣＯ₃＋Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂、
のように硝酸バリウムは変換されて炭酸バリウムへと戻される。図３は、また、本発明の好ましい実施態様では、管路１８の中の燃料を改質器へ施す前に、熱交換器５０を使用するとエンジン排気の熱で管路１８の中の燃料を気化させることが可能であることを示しており、このことは、ＣＰＯｘ酸化器の場合には特に有用である。

ＣＰＯｘ酸化器は極めて小型であり、すすまたはカーボンを生成することなく低水蒸気炭素比および高ターンダウン比で作動できるので好ましい。しかしながら、ディーゼルエンジン排気は、微粒子（すす）および硫黄酸化物（ＳＯｘ）を含有していて、これらは比較的短時間でＣＰＯｘ触媒を不活性化させる場合がある。従って、非触媒（均一系）部分酸化器が、水素発生器２２として選択されてもよい。生成される水素の割合は、ＣＰＯｘにより生成される水素の割合より極く僅か小さい。周知のように、それは簡単な点火プラグを使用して容易に起動される。さらに、ＰＯｘは、ＣＰＯｘより安価であり、Ｏ₂／Ｃ比の制御は周知であって（エンジンのＯ₂／燃料比に似ている）より簡単であり、ＳＯｘおよびすすはそれに何等の影響も及ぼさず、そして水蒸気／Ｃ比の問題は存在しない。

図４では、空気（酸素のため）は、水素発生器２２に導入される前に加湿（水蒸気のため）される。これを行なうために、水回収装置（ＷＲＵ）５２が、空気吸入口１１からの空気と、管路５３の中のエンジン排気の一部とを受け取る。ＷＲＵは高度の水分拡散率を有する特殊な材料を含有しており、その材料の一例は、商品名、ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）で販売されている材料である。ＷＲＵは排気流体から水分（水蒸気）を抜き取りそれを空気流体に与え、それによって、水蒸気が排気流体自体の中に見られるより空気流体の中でのより高い濃度で、酸素および水蒸気の両方を水素発生器２２に供給する。しかしながら、ＷＲＵの中のなんらかの材料が機能する最高温度は２５０℃より低く、温度が低ければ低いほど、性能はそれだけ良くなるが、ディーゼルエンジン排気の温度は１１０℃〜２９０℃の範囲にある。エンジン排気は管２０から二基の熱交換器５５、５６を経て送られ、燃料を気化させ（本明細書で前述のように）、そして管路５８にあるＷＲＵ５２の排気流体をさらに加熱し、その後で排気流体を水素発生器２２に施す。排気の中の水蒸気濃度は比較的低い、即ち約２〜６モル％、なので、水素発生器２２に送り込むのに充分な水蒸気を回収するには排気の充分な部分を冷却することが必要であり、熱交換器５５、５６がそれを冷却する役目をする。しかしながら、図５に示しているように、空気吸入管路１１の中の全部の空気を受け取り、管路５３の中の排気が水回収装置５２に施される前に、その排気を大幅に冷却する追加の熱交換器６０を備え付けることにより、さらなる冷却が達成できる。

ＮＯｘトラップ３５、３６の流出液は、５０％ほどの高含有量の水（水蒸気）であってもよく、このことは、水素発生器２２によって生成される全ての水素が還元反応（前記の再生式）の過程で水に変換されるからである。図６では、ＷＲＵ６３が、空気吸入口１１から空気を受け取り、ＮＯｘトラップ３５、３６のどちらかの流出液が、タイミングよくいつでも再生され続けている。一対の弁６４、６５が、弁４０、４２が開いている時は弁６４が開いていて、一方、弁４１、４２が開いている時は弁６５が開いているように、弁４０〜４３と連動している。ＷＲＵ６３は、流出液から水を抜き取るが、この水は、空気によって捕まえられる。加湿空気は、熱交換器５０からの気化された燃料と一緒に水素発生器２２に施すために、熱交換器６８に通される。

図７の実施態様では、エンジンの排気からの熱を使用して、熱交換器５０の中の燃料を気化させ、さらに熱交換器６８の中ばかりでなく別の極めて小型の熱交換器７１の中にもある、空気吸入口１１からの加湿空気を加熱する。熱交換器７１からの暖かい空気は、凝縮器７６からの水が供給されて暖かい空気を加湿する気泡式加湿器７２に送られる。次いで、加湿空気は、改質器に施すために熱交換器５０からの気化燃料と混合される前に、熱交換器６８の中でさらに加温される。凝縮器７６は、空気吸入口１１の中の全量の空気を利用してＮＯｘトラップ３５、３６からの流出液を冷却し、これによって流出液から水が凝縮する。次いで、この水を排出させて加湿器７２へ供給し、そこでこの水は熱交換器７１からの暖かい空気によって吸収される。従って、図５〜図７の実施態様の中で例示しているように、本発明は、エンジン排気から取り出される酸素を使用する必要はない。

本発明の第一の実施態様を組み込んだエンジンの単純化、様式化した略図。 本発明の第二の実施態様を組み込んだエンジンの単純化、様式化した略図。 本発明の第三の実施態様を組み込んだエンジンの単純化、様式化した略図。 本発明の第四の実施態様を組み込んだエンジンの単純化、様式化した略図。 本発明の第五の実施態様を組み込んだエンジンの単純化、様式化した略図。 本発明の第六の実施態様を組み込んだエンジンの単純化、様式化した略図。 本発明の第七の実施態様を組み込んだエンジンの単純化、様式化した略図。

Claims (27)

1. 供給源（１２）からの燃料で作動するとともに排気管（２１）の中にエンジン排気を供給しかつ空気吸入口（１１）から空気を受け取る炭化水素燃料内燃機関（９）の排気の中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するためのシステムであって、
   入口と出口とを有し、エンジン燃料、酸素、および水分を水素および一酸化炭素に変換するための水素発生器（２２）であって、その出口（２６）において水素と二酸化炭素とを含む流出流を供給する水素発生器と、
   前記エンジン排気と前記流出流とを受け取り、ＮＯｘが減少したシステム排気（２９）を供給するように前記エンジン排気の中のＮＯｘを低減する手段（２８；３５、３６）と、
   を備え、さらに、
   前記供給源からの燃料と、（ａ）前記エンジン排気の一部（２０）かまたは（ｂ）前記エンジン排気から得られる（５３；６４、６５）水分で加湿（５２、６３、７６）された空気（１１）かのどちらかとの混合物を前記水素発生器の入口に供給する手段（１９）、
   を備えることを特徴とするシステム。
2. ＮＯｘを低減する前記手段の前記流出物は、多くても０．４グラム／ｂｈｐ／ｈｒのＮＯｘしか含まないことを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. ＮＯｘを低減する前記手段の前記流出物は、多くても０．２グラム／ｂｈｐ／ｈｒのＮＯｘしか含まないことを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 混合物を供給する前記手段は、空気の供給源（１１）を含み、エンジン燃料（１８）および空気（３０）を前記排気（２０）と混合（１９）することを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. エンジン燃料が前記混合物に加えられる前に前記エンジン燃料を気化させるための熱交換器（５０；５５）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
6. 前記混合物は、燃料と加湿空気とを含み、前記空気は、水回収装置（５２）によって排気から加湿されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
7. 混合物を供給する前記手段は、エンジン排気（５３；６４、６５）から抜き取られた水分によって内部で空気が加湿される水回収装置（５２；６３）を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 前記水回収装置からの加湿空気を受け取り、前記水回収装置へのエンジン排気流入物を冷却する熱交換器（５６）をさらに備えることを特徴とする請求項７記載のシステム。
9. エンジン吸入空気を受け取り、前記水回収装置へのエンジン排気流入物を冷却する熱交換器（６０）をさらに備えることを特徴とする請求項７記載のシステム。
10. ＮＯｘを低減する前記手段は、少なくとも一つのＮＯｘトラップ（３５、３６）を備え、各ＮＯｘトラップは交互に、前記排気（４８）の中のＮＯｘをトラップしたり、前記流出流（２６）により再生されたりすることを特徴とする請求項１記載のシステム。
11. 混合物を供給する前記手段は、少なくとも一つの前記ＮＯｘトラップの流出液から抜き取られた（６３；７６）水分を利用して前記空気を加湿することを特徴とする請求項１０記載のシステム。
12. 混合物を供給する前記手段は、水回収装置（６３）を備えることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
13. 混合物を供給する前記手段は、前記空気吸入口からの空気によって冷却される凝縮器（７６）と、この凝縮器から水分を受け取る加湿器（７２）とを備えることを特徴とする請求項１１記載のシステム。
14. 前記水素発生器（２２）は、自熱式改質器、触媒部分酸化器、および非触媒部分酸化器から選択されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
15. 混合物を供給する前記手段は、エンジン排気から得られる（７６）水分を受け取る気泡式加湿器（７２）を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
16. ＮＯｘを低減する前記手段は、一対のＮＯｘトラップ（３５、３６）を備えており、これらのＮＯｘトラップからの流出液は、凝縮器（７６）へ送られ、前記流出液は、冷却され、前記流出液の中の水蒸気は、前記凝縮器の中で前記空気吸入口の空気（１１）によって凝縮され、前記凝縮器の中で生成される水は、前記加湿器（７２）へ供給されることを特徴とする請求項１５記載のシステム。
17. システムの排気の中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を減少させるための装置であって、
    ＮＯｘを含有するエンジン排気（２１）を供給する炭化水素燃料エンジン（９）と、
    ＮＯｘが減少したシステム排気（２９）を供給するように水素および二酸化炭素の流れを用いて前記エンジン排気の中のＮＯｘを低減する手段（２８；３５、３６）と、
    を備え、さらに、
    水素と二酸化炭素とを含む前記流れ（２６）を供給するように、エンジン燃料（１８）と、前記エンジン排気の一部（２０）かまたは前記エンジン排気から得られる水分で加湿（５２；６３；７６、７２）された空気かのどちらかとの混合物から水素を発生させる手段（２２）、
    を備えること特徴とする装置。
18. ＮＯｘを含有するエンジン排気（２１）を供給する炭化水素燃料エンジン（９）を含むシステムの排気の中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を減少させる方法であって、
    ＮＯｘが減少したシステム排気を供給するように水素および二酸化炭素の流れを用いて前記エンジン排気の中のＮＯｘを低減（２８；３５、３６）する、
    ことを含み、さらに、
    水素と二酸化炭素とを含む前記流れ（２６）を供給するように、エンジン燃料（１８）と、前記エンジン排気（２０）の一部かまたは前記エンジン排気から得られる水分により加湿（５２；６３；７６、７２）された空気かのどちらかとの混合物から水素を発生（２２）させる、
    ことを含むことを特徴とする方法。
19. 前記発生工程は、気化した（５０）燃料を含有する混合物を改質（２２）することを含むことを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 前記発生工程は、前記排気との熱交換（５０）により燃料を気化させることを含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. 前記発生工程は、水回収装置（５２；６３）の中で前記排気の水分により加湿された空気を含有する混合物を改質することを含むことを特徴とする請求項１８記載の方法。
22. 前記発生工程は、排気を前記水回収装置（５２）に施す前に前記排気を冷却（５６）する補助工程を含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
23. ＮＯｘを低減する前記工程は、少なくとも一つのＮＯｘトラップ（３５、３６）を用い、前記発生工程は、少なくとも一つの前記ＮＯｘトラップの流出液（６４、６５）から前記水分を抜き取り（６３；７６）、この水分で前記混合物のための前記空気を加湿（６３；７２）することを含むことを特徴とする請求項１８記載の方法。
24. 前記加湿の補助工程は、前記流出液から抜き取られた（７６）前記水分を受け取る気泡式加湿器（７２）の中で空気を加湿することを含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
25. 前記加湿の補助工程は、前記流出液からの水（７６）を受け取る気泡式加湿器（７２）の中で空気を加湿することを含むことを特徴とする請求項２４記載の方法。
26. ＮＯｘを低減する前記工程は、前記排気（２１）と前記流れ（２６）とを、同時にＮＯｘ還元触媒コンバータ（２８）に施すことを含むことを特徴とする請求項１８記載の方法。
27. ＮＯｘを低減する前記工程は、前記エンジン排気（２１）と前記流れ（２６）とを、別々に、少なくとも一つのＮＯｘトラップに交互に施すことを含むことを特徴とする請求項１８記載のシステム。

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