JP2006132496A - 窒素酸化物浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジンなどの酸素過剰雰囲気の排ガスを排出する内燃機関において、ＮＯｘを効率よく浄化することができる安価で簡便なＮＯｘ浄化装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の窒素酸化物浄化装置１は、窒素酸化物浄化用触媒２０と、この窒素酸化物浄化用触媒２０の上流側に窒素酸化物を還元する還元剤Ｂを添加する還元剤添加手段３０とを備え、さらに、軽油Ａから低炭素成分のみを分離してこの低炭素成分を還元剤Ｂとする還元剤生成手段４０を備えることを特徴とする。還元剤生成手段４０は、排気管１０に連通する排気ガスＥの迂回流路４２と、この迂回流路４２への排気ガスｅの流入を制御する制御弁４４と、エンジン燃焼用の燃料タンク５０から燃料Ａを受け入れ排気ガスｅの熱で燃料中の低炭素成分のみを分離して還元剤Ｂを貯留する還元剤タンク３２へ供給する還元剤生成器４６とを備える。還元剤生成器４６は迂回流路４２内に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジンなどの酸素過剰雰囲気の排気ガスを排出する内燃機関の排気系に介挿する窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記す。）浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジンなどのように酸素過剰雰囲気の排気ガスを排出する内燃機関においては、従来、三元触媒を用いてＮＯｘを効果的に浄化することは困難であった。三元触媒におけるＮＯｘの浄化は、排気ガス中の還元成分（例えば、ＨＣ）によってＮＯｘの還元反応が行われるものであるが、酸素過剰雰囲気下においては、還元成分と雰囲気中の酸素が反応するので、ＮＯｘの還元反応が阻害されるという問題がある。

そこで、ディーゼルエンジンにあっては、図７に示すようにエンジン１０１に接続された排気系１０２に三元触媒１０５を介装し、軽油添加装置１０６を設けてその触媒１０５の上流に設けたノズル１０８から排気ガスＥ中に還元剤として軽油を添加する技術が知られている。なお、図中、符号１０７は軽油添加装置１０６に軽油を供給する燃料タンク、１１０はこれらを制御する制御装置、１２０はエンジン１０１の運転状態を検出し制御装置１１０に伝えるセンサをそれぞれ示している。しかし、図７の従来技術では、還元剤が過剰な酸素と反応してＮＯｘの還元作用が十分に行われないという問題点を有している。

このため、燃料を７００℃まで加熱し、軽油をクラッキングして低炭素成分燃料を作り出し、この低炭素成分燃料によってＮＯｘ浄化性能を向上させようとする技術が開示されている（特許文献１）。しかし、この従来技術では、燃料を７００℃まで加熱するためのヒータやヒータ加熱電力を必要とするとともに、それらを適性に制御することが必要であり、ＮＯｘ浄化装置の構造を複雑化させるとと同時に、コストを増大させるという問題がある。

また、排気ガス内にＮＯｘの還元反応が進行するために必要な中間体を生成させるオゾンを添加してＮＯｘの浄化性を向上しようとする技術が提案されている（特許文献２）。しかし、この従来技術では、還元剤を添加する還元剤添加装置とは別に、オゾン生成装置と排気管内への添加弁とが必要となりコストを増大させるという問題がある。
特開２００１−１３２４３３号公報 特開２００１−７３７４４号公報

本発明は、上記の従来技術の問題点を解決すべくなされたもので、ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジンなどの酸素過剰雰囲気の排ガスを排出する内燃機関において、ＮＯｘを効率よく浄化することができる安価で簡便なＮＯｘ浄化装置を提供することを目的とする。

近年、上記のようなディーゼルエンジンの排ガス制御、中でもＮＯｘの後処理技術に関する研究が多数行われている。そして、その一例として還元剤として添加する軽油の性状によってＮＯｘ浄化触媒の浄化性能が著しく異なることが明らかになった。すなわち、還元剤におけるＮＯｘ浄化性能に効果的なＨＣ種は炭素数Ｃ１２以下の直鎖炭化水素であり、また、軽油中に含有されるベンゼン系炭化水素（アロマ分）はＮＯｘの還元剤として適していないことが報告されている（（社）自動車技術会 ２００４年春季大会 学術講演会前刷集 Ｎｏ．２９−０４ ５〜８頁）。

本発明者らは、鋭意研究の結果、軽油の低炭素成分のみを簡便に分離できる方法を見出し、この低炭素成分（具体的には炭素数Ｃ１２以下の直鎖炭化水素）のみを還元剤として排気ガス中に添加すればＮＯｘ浄化率を向上できることに着目して本発明を完成したものである。

本発明の窒素酸化物浄化装置は、窒素酸化物浄化用触媒と、この窒素酸化物浄化用触媒の上流側に窒素酸化物を還元する還元剤を添加する還元剤添加手段とを備え、酸素過剰雰囲気の排気ガスを排出する内燃機関の排気系で窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化装置であって、軽油から低炭素成分のみを分離してこの低炭素成分を還元剤とする還元剤生成手段を備えることを特徴とする。

本発明の窒素酸化物浄化装置において、還元剤生成手段は、排気ガス管に連通する排気ガスの迂回流路と、この迂回流路への排気ガスの流入を制御する制御弁と、エンジン燃焼用の燃料タンクから燃料を受け入れ排気ガスの熱で燃料中の低炭素成分のみを分離して還元剤を貯留する還元剤タンクへ供給する還元剤生成器とを備え、還元剤生成器は迂回流路内に配置することができる。

還元剤生成器では、排気ガス温度が１８０〜２５０℃で還元剤を生成することができ、生成された還元剤は低炭素成分であるデカン、ウンデカンおよびドデカンを主成分とすることが望ましい。

また、本発明の窒素酸化物浄化装置において、還元剤添加手段は、還元剤タンクと、還元剤を排気系内へ添加する添加弁とを備えることが好ましい。

本発明の窒素酸化物浄化装置において、窒素酸化物浄化用触媒は銀−アルミナ系触媒もしくは硫酸塩系触媒であることが望ましい。

本発明の窒素酸化物浄化装置によれば、還元剤生成手段により低炭素成分のみからなる軽油を還元剤として排気ガス中に添加することができるので、従来の軽油を還元剤とするＮＯｘ浄化装置に比べて窒素酸化物の浄化性能を大きく向上することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１は、本発明のＮＯｘ浄化装置の全体構成を示す概念図である。本発明のＮＯｘ浄化装置１は、酸素過剰雰囲気の排気ガスＥを排出する内燃機関の排気系の排気管１０に介装したＮＯｘ浄化用触媒２０と、ＮＯｘ浄化用触媒２０の上流で還元剤Ｂを添加する還元剤添加手段３０と、エンジン燃焼用の燃料Ａから低炭素成分のみを分離して還元剤Ｂとする還元剤生成手段４０とを備えている。

還元剤添加手段３０は、還元剤Ｂを貯留する還元剤タンク３２と、還元剤Ｂを排気管１０内に添加する添加弁３４とを備え、図示しない制御装置の指示により還元剤Ｂを排気管１０内へ噴射する。ここで、還元剤Ｂは、後述する還元剤生成器４６でエンジン燃焼用燃料（軽油）Ａから分離した低炭素成分（炭素数Ｃ１２以下の直鎖炭化水素）のみのものを用いる。

還元剤生成手段４０は、排気管１０に連通する排気ガスＥの迂回流路４２と、排気ガスＥの迂回流路４２への流入を制御する制御弁４４と、エンジン燃焼用の燃料タンク５０から燃料Ａを受け入れ迂回路４２へ分岐した排気ガスｅの熱で燃料（軽油）Ａ中の低炭素成分のみを分離して還元剤タンク３２へ供給する還元剤生成器４６とを備えている。

ここで、還元剤生成器４６は、図２に示すように迂回流路４２の周壁４２ｃを貫通して燃料タンク５０に連通する燃料供給管５２と、還元剤タンク３２に連通する還元剤供給管４８とに接続して迂回流路４２内の所定の位置に固設されている。このため、制御弁４４を開弁した場合には、迂回流路４２内を流通する排気ガスｅは、排気管１０に開口する迂回流路４２の入口４２ａから排気ガスＥと分岐して流入し、還元剤生成器４６を外周側から加熱した後に、排気管１０に開口する迂回流路４２の出口４２ｂを通って流出して排気ガスＥと合流する。

迂回流路４６の入口４６ａ近傍には、温度センサ１２が排気管１０の内部に臨んで設けられており、排気ガスＥの温度を測定して図示しない制御装置を介して制御弁４４の開閉を制御することができる。

軽油中に含まれる直鎖の炭化水素は、炭素数によって図６に示すようにその沸点が異なるので、加熱温度を制御することによって低炭素成分を分溜して取り出すことができる。従って、本発明においては、迂回流路４２に流入する排気ガスｅは、その排気ガス温度が１８０〜２５０℃であることが望ましい。排気ガスｅの温度が１８０℃未満では、軽油Ａを性状によって分溜することができない。また、２５０℃を越えると還元剤としては適当ではない高炭素成分が蒸留されるので好ましくない。より好ましくは、１８０〜２２０℃である。

本発明のＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ浄化用触媒としては、銅−ゼオライト触媒、バナジウム−チタン系触媒、銀−アルミナ系触媒，硫酸塩系触媒など、ディーゼルエンジンの排気系に一般的に用いられるＮＯｘ浄化触媒であれば特に限定はないが、還元剤を低炭素成分のみとした場合の性能の向上や信頼性の向上などを考慮すると、銀−アルミナ系触媒や硫酸塩系触媒が好適である。

以上のような本発明の各構成要素の動作は、図示しない制御装置によって一元的に制御されている。以下、上記の実施の形態の動作を、図３の動作のタイミングチャートを参照しながら説明する。

図３は、添加弁３４の噴射のＯＮ・ＯＦＦ、排気ガスＥの温度、還元剤タンク３２内の還元剤Ｂの容量、制御弁（以後、電子スロットルという。）４４の開閉、燃料タンク５０内の燃料ポンプ５０ｐのＯＮ・ＯＦＦ、および還元剤生成器４６内の燃料Ａの容量を、横軸を同一時間軸としてそれらの動作を表示した動作のタイミングチャートである。

図３において、車両運転開始前の各要素の初期状態は次の通りである。すなわち、添加弁３４の噴射はＯＦＦ、排気ガスＥ温度はｔ０、還元剤タンク３２内の還元剤Ｂの容量はｂ０、電子スロットル４４は「開」、燃料タンク５０内の燃料ポンプ５０ｐはＯＦＦ、還元剤生成器４６内の燃料Ａの容量はａ０である。

このような初期状態でエンジンを起動する。エンジンを起動することで、排気ガスＥの温度（温度センサ１２の検知温度）は上昇を開始する。この時、図４（ａ）に示すように、排気ガスＥは排気管１０内に充満してＮＯｘ浄化触媒２０を介して図示しない排出口へ流出する。しかし、電子スロットル４４が「開」となっているので、排気ガスＥの一部ｅが入口４２ａから迂回流路４２へ流入して還元剤生成器４６を加熱する。

ＮＯｘが還元できる温度（例えば排気ガスＥの温度がデカンの沸点ｔ１（１７４℃））に到達すると、添加弁３４は還元剤Ｂの噴射を開始する。添加弁３４は所定の間隔でＯＮ、ＯＦＦを繰り返すので還元剤Ｂはパルス状に排気管内へ噴射される。

一方、排気ガスｅの温度は上昇を続けるので、主として炭素数が１０のデカンが気化し、還元剤供給管４８の途中で自然冷却されて液化し、還元剤タンク３２へ供給される。このため、還元剤生成器４６内の燃料Ａは減少するが、還元剤タンク３２内の還元剤Ｂの容量はｂ０を維持することができる。

排気ガスｅの温度が更に上昇してｔ２（２１６℃）に到達すると、還元剤生成器４６内の燃料Ａ中の炭素数Ｃ１２のドデカンも沸点に達し、デカンとともに還元剤供給管４８を介して還元剤タンク３２へ供給される。このため、還元剤タンク３２内の還元剤Ｂの容量は増加するが、還元剤生成器４６内の燃料Ａは減少する。

還元剤生成器４６内の燃料Ａの容量が設定の下限ａ２まで減少すると、燃料タンク５０内の燃料ポンプ５０ｐをＯＮして、燃料Ａを燃料供給管５２を介して還元剤生成器４６へ供給する。

燃料ポンプ５０ｐにより燃料Ａが還元剤生成器４６の上限ａ３まで供給されると、燃料ポンプ５０ｐは停止（ＯＦＦ）する。しかし、この間も排気ガスｅ（Ｅ）の温度は上昇し続けているので、還元剤タンク３２内の還元剤Ｂは増加する。

還元剤Ｂの容量が還元剤タンク３２内の上限ｂ１に達すると、電子スロットル４４が「閉」となり、迂回流路４２への排気ガスｅの流入が遮断される。この時、還元剤生成器４６内の燃料Ａはａ４まで減少している。

なお、温度センサ１２で計測される排気ガスＥの温度が、ＮＯｘが還元できる温度（デカンが気化するｔ１（１７４℃））に到達してから以降添加弁３４は、ＯＮ・ＯＦＦを繰り返して還元剤Ｂの噴射を継続している。そして、電子スロットル４４が「閉」となって迂回流路４２への排気ガスｅの流入が遮断されて、排気ガスＥの流通が図４（ｂ）に示す定常状態となった以降も、還元剤Ｂの排気管１０内への噴射は継続する。従って、還元剤タンク３２内の還元剤Ｂは徐々に減少し、時間の経過とともに還元剤Ｂ容量の上限ｂ１を下回るが、排気ガスＥの温度が上限温度ｔ３（例えば炭素数Ｃ１３の炭化水素成分が気化しない温度：２２９℃ 、あるいはＣ１４の炭化水素が成分が気化しない温度：２５０℃ など）を上回っている間は、電子スロットル４４は「閉」を維持する。すなわち、電子スロットル４４の「開」条件は、排気ガスＥの温度が上限温度ｔ３以下で、かつ還元剤Ｂが還元剤タンク３２内の上限ｂ１以下である。

つまり、エンジンの運転状態がアイドルや低負荷のような運転で、温度センサ１２が排気ガスＥの温度が１８０℃以上，２５０℃以下となったことを検知し、かつ、その時、還元剤タンク３２内の還元剤Ｂの容量が上限ｂ１を下回っている場合に、電子スロットル４４が「開」して還元剤Ｂの生成を再開する。

以上のように、本発明のようなＮＯｘ浄化装置によれば、エンジン燃焼用の軽油を蒸溜して、例えば炭素数Ｃ１２以下の低炭素成分のみの還元剤を生成して排気管内へ噴射することができるので、ＮＯｘ除去触媒のＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。また、排気管に排気ガスの迂回流路を設け、その迂回流路内に還元剤生成器を配置するという極めて簡易な方法で、排気ガスの熱を利用して軽油から低炭素成分のみを蒸溜して還元剤とすることができる。従って、低炭素成分からなる還元剤の生成装置は極めてコンパクトであり、また、還元剤用の軽油はエンジン燃焼用の燃料を用いることができるので、低炭素成分からなる還元剤の生成によるコスト上昇を小幅に抑えることができ極めて経済的である。

なお、本発明のＮＯｘ浄化装置は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することも可能である。

例えば、上記の実施の形態では還元剤生成器を迂回流路内の中央部に１個設置したが、複数個設置してもよい。また、上記の実施の形態では、還元剤生成器で生成された低炭化水素成分をＮＯｘ浄化用の還元剤として使用しているが、エンジン燃焼用の燃料として用いることもできる。すなわち、本願発明のＮＯｘ浄化装置は、低炭化水素成分を燃料とする燃焼用燃料供給装置として用いることもできる。

本発明の窒素酸化物処理装置は、ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジン等の酸素過剰雰囲気の排ガスを排出する内燃機関に用いて好適である。

本発明の窒素酸化物浄化装置の構成を説明する概念図である。 還元剤生成器の概要を説明する説明図である。 本発明の各構成要因の動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の窒素酸化物浄化装置の作用を説明する説明図である。（ａ）は還元剤生成時であり、（ｂ）は通常時である。 排ガス温度とＮＯｘ浄化率との関係を一般の軽油と低炭素成分（デカン＋ドデカン）のみと比較して概念的に示したグラフである。 パラフィン系炭化物の沸点を比較して示すグラフである。 従来技術になる窒素酸化物浄化装置の構成を示す概要図である。

符号の説明

１：窒素酸化物浄化装置 １０：排気管 １２：温度センサ ２０：窒素酸化物浄化触媒 ３０：還元剤添加手段 ３２：還元剤タンク ３４：添加弁 ４０：還元剤生成手段 ４２：迂回流路 ４４：制御弁（電子スロットル） ４６：還元剤生成器 ５０：燃料タンク １０１：エンジン １０５：ＮＯｘ除去触媒 １０６：還元剤添加装置
Ａ：燃料（軽油） Ｂ：還元剤 Ｅ、ｅ：排気ガス

Claims (7)

1. 窒素酸化物浄化用触媒と、該窒素酸化物浄化用触媒の上流側に窒素酸化物を還元する還元剤を添加する還元剤添加手段とを備え、酸素過剰雰囲気の排気ガスを排出する内燃機関の排気系で窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化装置であって、
   軽油から低炭素成分のみを分離して該低炭素成分を前記還元剤とする還元剤生成手段を備えることを特徴とする窒素酸化物浄化装置。
2. 前記還元剤生成手段は、前記排気ガスの排気ガス管内に設置される請求項１に記載の窒素酸化物浄化装置。
3. 前記還元剤生成手段は、前記排気ガス管に連通する排気ガスの迂回流路と、該迂回流路への前記排気ガスの流入を制御する制御弁と、エンジン燃焼用の燃料タンクから燃料を受け入れ前記排気ガスの熱で前記燃料中の低炭素成分のみを分離して前記還元剤を貯留する還元剤タンクへ供給する還元剤生成器と、を備える請求項２に記載の窒素酸化物浄化装置。
4. 前記還元剤生成器は、前記排気ガス温度が１８０〜２５０℃で前記還元剤を生成する請求項３に記載の窒素酸化物浄化装置。
5. 前記還元剤は低炭素成分であるデカン、ウンデカンおよびドデカンを主成分とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒素酸化物浄化装置。
6. 前記還元剤添加手段は、前記還元剤タンクと、前記還元剤を前記排気系内へ添加する添加弁とを備える請求項１〜５のいずれかに記載の窒素酸化物浄化装置。
7. 前記窒素酸化物浄化用触媒は銀−アルミナ系触媒もしくは硫酸塩系触媒である請求項１に記載の窒素酸化物浄化装置。

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