JP3767040B2 - エンジンの排ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン、特に車両用エンジンから排出される排ガスの浄化装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
エンジン、特に自動車等車両用エンジンから排出される排ガス中の有害成分である窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)及び炭化水素(HC)を同時に効率的に浄化する触媒として、コージェライト等の耐熱多孔質担体に、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)等の貴金属の一種又は二種をベースとし、必要に応じニッケル(Ni)、コバルト(Co)等の酸化物を添加したものを触媒成分として担持させた三元触媒が広く使用されている。
【0003】
しかしながら、上記三元触媒は、排ガス中の酸素濃度が略1%以下の所謂理論空燃比付近の運転領域では、効率的に有害成分の浄化を行なうことができるが、排ガス中の酸素濃度が数%以上の場合、即ちオットーサイクルエンジンのリーン燃焼領域及び本質的に酸素過剰状態で運転されるディーゼルエンジンから排出される排ガスでは、有害成分の浄化効率が著しく低い欠点がある。
【0004】
そこで、各種の天然ゼオライト又は合成ゼオライト等の分子篩構造を有する物質に、遷移金属を担持させることによって、排ガス中の酸素濃度が高い上記リーン燃焼領域でも、NOx及びHCを浄化することができるようにした触媒、例えば一般にゼオライト触媒と呼ばれている触媒が開発されている。この種の分子篩構造の物質に遷移金属を担持させた触媒(以下この種の触媒を、場合により分子篩構造触媒という)は、排ガス中に含まれているCOやHCを還元剤とする反応によって、効果的にNOxを除去することができるものである。
【0005】
しかしながら、上記分子篩構造触媒は、少量の水分の存在によって結晶構造に変化が生じ、排ガス中のNOxの除去性能が著しく低減することが知られており、従って、排ガス中の水分を少くとも5%以下、好ましくは1%以下に低減する手段を設けることなく、分子篩構造触媒を単独で排ガス通路内に配置しても、優れたNOx低減効果を期待することはできない。
【0006】
上記問題点を解決するために、分子篩構造触媒、例えばゼオライト触媒の上流側における排ガス通路内に、水性ガス反応触媒を配置したものが、特開平4−300631号公開公報に開示されている。しかしながら、この既提案の排ガス浄化装置では、水性ガス反応触媒により水分を除去する際に、排ガス中のCO及びHCが還元剤として用いられるので、下流側の分子篩構造触媒が、NOx除去機能を発揮するために必要な排ガス中の還元成分の量が不足し、十分なNOx除去効果が得られなくなる不都合がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑み創案されたもので、分子篩構造触媒が効果的にNOxを除去するために必要な条件である、排ガス中の水分の低減と、十分な量のCO、HC等還元剤の存在とを、両立させることができるようにしたエンジンの排ガス浄化装置を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、エンジンの排気通路内に配置され分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒と、同触媒の上流側における排気通路内に配置され、排ガス中の水分を吸蔵する水分除去手段と同水分除去手段から放出された水分を分解して還元性水素を生成する水分分解手段とからなる水分処理装置とを設けたエンジンの排ガス浄化装置であって、上記触媒の上流側における排気通路に配設され切換弁によって選択的に排ガスが供給される二つの分岐通路と、上記分岐通路内に夫々配設された水分処理装置と、排ガスが供給されている一方の分岐通路内の水分処理装置における水分除去手段の水分吸蔵飽和が検知されたとき、上記切換弁を作動させて他方の分岐通路に排ガスを供給するコントロールユニットとを具え、上記切換弁により排ガスの供給が停止された上記一方の分岐通路内の水分除去手段では吸蔵された水分が放出されると共に水分分解手段により還元性水素が生成され、かつ排ガスが供給される上記他方の分岐通路内の水分除去手段では排ガス中の水分が吸蔵されるように構成されたことを特徴とするエンジンの排ガス浄化装置を提案するものである。
【0009】
本発明において、上記水分分解手段は、紫外線の照射により水を分解して還元性水素を生成する光触媒であることが好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下本発明の好ましい実施形態を添付図面について具体的に説明する。
図中符号10は概念的に示したエンジン、例えば自動車等車両用のエンジンであって、同エンジン10は、図示しないエアクリーナを介して外気を取入れる吸気マニホールド12、及び同エンジン10内で発生した燃焼ガスを外気に排出する排気マニホールド14を具え、同排気マニホールド14はその排出端に連結された排気管と共に、エンジン10の排気通路16を形成する。
【0011】
上記排気通路16の下流側に総括的に符号18で示した触媒コンバータが介装され、同触媒コンバータ18の内部には分子篩構造触媒20が収容されている。上記排気マニホールド14の下流側における排気通路16と上記触媒コンバータ18の上流側における排気通路16との間に、二つの分岐通路22a及び22bが設けられている。分岐通路22a及び22bの上流合流部24に切換弁26が設けられ、同切換弁26の弁軸28に弁制御レバー30が固着されている。
【0012】
上記弁制御レバー30にはアクチュエータ32によって駆動される作動ロッド34の出力端が枢着されている。同アクチュエータ32には、電磁式アクチュエータ、圧縮空気作動のエアシリンダ装置、電動モータによって駆動されるピニオン及び同ピニオンと噛合するラック棒等からなる電気−機械式アクチュエータ等任意のアクチュエータを採用することができる。また、上記分岐通路22a及び22bの下流側合流部分と上記触媒コンバータ18との間の排気通路16に、排ガス中に含まれている水分を検知する水分センサ36が設けられ、同水分センサ36により検知された排ガス中の水分含有率Ewを示す信号又は情報は、上記アクチュエータ32を制御するコントロールユニット38に供給される。
【0013】
上記分岐通路22a及び22b内に、夫々総括的に符号40a及び40bで示された水分処理装置が設けられ、同水分処理装置40aは、排ガス中の水分を吸収して貯蔵する水分除去手段42aと、その下流側に配置された水分分解手段44aとを具えている。同様に、上記水分処理装置40bは、排ガス中の水分を吸蔵する水分除去手段42bとその下流側に配置された水分分解手段44bとを具えている。上記水分除去手段42a及び42bは実質的に同一の構造を有し、また上記水分分解手段44a及び44bも実質的に同一の構造を有する。
【0014】
上記水分除去手段42a及び42bは、高温の排ガスに耐えることができ、かつ耐食性及び化学的安定性が優れたアルミナ(Al2O3)、シリカ(SiO2)、ジルコニア(ZrO2)等セラミックス系材料からなり、無数の微小細孔を有する多孔質の水分吸蔵体46a、46bと、同水分吸蔵体46a、46bを加熱することによって吸蔵された水分を放出させる加熱装置48a、48bとを具えている。
また、上記水分分解手段44a及び44bは、各々光触媒50a、50bと、同光触媒50a、50bに活性を生起させる紫外線照射装置52a、52bとを具えている。
【0015】
上記分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒20は、一般にゼオライトと称せられ、主成分がシリカ及びアルミナで、Si/Al比が5〜100程度であり、結晶構造がX型、Y型、ZSM型等のメタロシリケート等、及びこれらのゼオライト、メタロシリケートを遷移金属でイオン交換したものである。
【0016】
また、上記光触媒50a及び50bは、アルミナ、コージェライト等からなる担体に、チタニア(TiO2)を主剤とし、必要に応じ酸化鉄(Fe2O3)、酸化銅(Cu2O)、酸化ニッケル(NiO)等の添加剤を一種又は二種以上担持させたものを有利に採用することができる。さらに、上記紫外線照射装置52a及び52bは、排ガスの高温に耐え、耐衝撃性を強化した石英ガラス製容器内に収容され、波長λが300nm前後の紫外線を生起するランプを具えている。さらに、上記光触媒50a及び50bの担体の具体的形状構造及び紫外線照射装置52a及び52bの関係的配置は、任意である。
【0017】
図1は、切換弁26によって分岐通路22aが閉止されると共に、分岐通路22bが開放され、エンジン10の排ガスが分岐通路22bに流入している状態を示している。排ガスは分岐通路22b内に設けられている水分除去手段42bの水分吸蔵体46bを通過する間に、効果的に含有水分を吸収され、水分含有率が5%以下、好ましくは1%以下の排ガスとなって休止している水分分解手段44bを素通りして触媒コンバータ18に流れ、同コンバータ内に収蔵された分子篩構造触媒20に接触する。排ガス中の水分が少なく、かつCO、HC等の還元成分が途中で失なわれることもないので、たとえ理論空燃比状態より多くの酸素が存在する過剰雰囲気下においても、効果的にNOxが除去され、同時にCO、HCも浄化される。
【0018】
分岐通路22b内の水分除去手段42bにおける水分吸蔵体46bが飽和するまでの間、水分センサ36によって検知される排ガス中の水分含有率Ewが設定値より低いので、コントロールユニット38の指令により、アクチュエータ32は消勢されて切換弁26は図中実線で示した上記切換位置に保持され、水分除去手段42bの加熱装置48bも消勢されている。また、水分分解手段44bの紫外線照射装置52bも消勢されているので、光触媒50bは失活し作用しない。
【0019】
一方、コントロールユニット38によって、分岐通路22a内の水分除去手段42aにおける加熱装置48aが付勢されると共に、水分分解装置44aの紫外線照射装置52aが付勢されているので、前サイクルにおいて水分吸蔵体46aに吸蔵されていた水分が加熱により放出され、活性化している光触媒50aに接触して分解され、還元性水素H及びOHが生成する。
上記還元性水素H及びOHは、上記した分岐通路22bからの低水分含有率の排ガスと共に、触媒コンバータ18に流入して、分子篩構成触媒20のNOx浄化に必要な還元性雰囲気を強化するので、NOx浄化効率の一層の向上が達成される。
【0020】
時間の経過と共に、上記分岐通路22b内の水分吸蔵体46bが飽和し又は飽和に近い状態となって水分吸収能力が或る限度まで低下すると、同分岐通路22bを流れる排ガス中の水分が次第に増大するので、水分センサ36の水分含有率Ewを検知した信号又は情報に基づき、コントローラ38がアクチュエータ32を付勢する。アクチュエータ32の付勢により、作動ロッド34が図において上方に変位し、弁制御レバー30を介して切換弁26が点線で示した位置に切換えられる。この結果、エンジン10の排ガスは分岐通路22aに流れ、分岐通路22bへの流入は遮断されることとなる。
【0021】
これと同時に、分岐通路22aの水分除去手段42aにおける加熱装置48aが消勢されて、その水分吸蔵体46aが排ガス中の水分の吸蔵を始め、また水分分解手段44aの紫外線照射装置52aが消勢されるので、光触媒50aが失活し、排ガスが同光触媒50aを素通りして触媒コンバータ18に供給される。
【0022】
一方、遮断された分岐通路22bの水分除去手段42bにおける加熱装置48bが付勢されるので、水分吸蔵体46bに吸蔵された水分が放出され始める。それと同時に、水分分解手段44bの紫外線照射装置52bが付勢されるので、光触媒50bが活性化され、上記水分吸蔵体46bから放出された水分が光触媒50bに接触して分解し、還元性の水素HとOHが生成し、触媒コンバータ18に供給される。この結果、上記と全く同様に、排ガス中のNOxの浄化が効果的に行なわれ、またCO、HCの浄化が行なわれる。
【0023】
なお、上記実施形態では、水分処理装置40a及び40bを構成する水分除去手段42a、42bと水分分解手段44a、44bとが、夫々別個の装置として図示されているが、共通のケーシング内に、水分除去手段42aと水分分解手段44aとを収容し、同様に、水分除去手段42bと水分分解手段44bとを収容することもできる。
【0024】
【発明の効果】
叙上のように、本発明に係るエンジンの排ガス浄化装置は、エンジンの排気通路内に配置され分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒と、同触媒の上流側における排気通路内に配置され、排ガス中の水分を吸蔵する水分除去手段と同水分除去手段から放出された水分を分解して還元性水素を生成する水分分解手段とからなる水分処理装置とを設け、上記触媒の上流側における排気通路に配設され切換弁によって選択的に排ガスが供給される二つの分岐通路と、上記分岐通路内に夫々配設された水分処理装置と、排ガスが供給されている一方の分岐通路内の水分処理装置における水分除去手段の水分吸蔵飽和が検知されたとき、上記切換弁を作動させて他方の分岐通路に排ガスを供給するコントロールユニットを具え、上記切換弁により排ガスの供給が停止された上記一方の分岐通路内の水分除去手段では吸蔵された水分が放出されると共に水分分解手段により還元性水素が生成され、かつ排ガスが供給される上記他方の分岐通路内の水分除去手段では排ガス中の水分が吸蔵されるように構成されたことを特徴とし、酸素過剰状態で、しかも多量の水分を含むエンジンの排ガス中の有害成分、特に通常は除去困難なNOxを効果的に浄化することができる利点がある。また、上記水分除去手段の限りある水分吸蔵能力にも拘わらず、エンジンの連続運転中、常時排ガスの浄化を継続的に、かつ効果的に行ない得る利点がある。
【0025】
また、本発明において、上記水分分解手段は、紫外線の照射により水を分解して還元性水素を生成する光触媒であることにより、紫外線照射に必要な僅かのエネルギ消費によって分子篩構造触媒のNOx浄化に有効な還元性水素を生成し、浄化効率を向上し得る利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好ましい実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
10…エンジン、14…排気マニホールド、16…排気通路、18…触媒コンバータ、20…触媒、22a及び22b…分岐通路、26…切換弁、32…アクチュエータ、36…水分センサ、38…コントロールユニット、40a及び40b…水分処理装置、42a及び42b…水分除去手段、44a及び44b…水分分解手段、46a及び46b…水分吸蔵体、48a及び48b…加熱装置、50a及び50b…光触媒、52a及び52b…紫外線照射装置。
Claims (2)
- エンジンの排気通路内に配置され分子篩構造を有する物質に遷移金属を担持させた触媒と、同触媒の上流側における排気通路内に配置され、排ガス中の水分を吸蔵する水分除去手段と同水分除去手段から放出された水分を分解して還元性水素を生成する水分分解手段とからなる水分処理装置とを設けたエンジンの排ガス浄化装置であって、
上記触媒の上流側における排気通路に配設され切換弁によって選択的に排ガスが供給される二つの分岐通路と、上記分岐通路内に夫々配設された水分処理装置と、排ガスが供給されている一方の分岐通路内の水分処理装置における水分除去手段の水分吸蔵飽和が検知されたとき、上記切換弁を作動させて他方の分岐通路に排ガスを供給するコントロールユニットとを具え、上記切換弁により排ガスの供給が停止された上記一方の分岐通路内の水分除去手段では吸蔵された水分が放出されると共に水分分解手段により還元性水素が生成され、かつ排ガスが供給される上記他方の分岐通路内の水分除去手段では排ガス中の水分が吸蔵されるように構成されたことを特徴とするエンジンの排ガス浄化装置。 - 上記水分分解手段は、紫外線の照射により水を分解して還元性水素を生成する光触媒であることを特徴とする請求項1記載のエンジンの排ガス浄化装置。
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