JP5431677B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼル機関、ガス機関、ガソリン機関あるいはガスタービン機関等の内燃機関、又は、焼却炉やボイラ等の燃焼機器、の排気ガスを浄化する装置に関し、特に空気過剰状態で通常運転を行う内燃機関等の排気通路に接続されて窒素酸化物を除去する排気ガス浄化装置に関する。

内燃機関等から排出される排気ガスには、有害成分として、窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素など、が含まれている。これらの物質を排気ガスより除去して、排気ガスを浄化する装置は、従来各種開発されている。

本件出願人は、排気ガス浄化装置を開発し、既に出願している（特許文献１）。図７には、特許文献１の図１に記載の排気ガス浄化装置が示されている。図７に示されるように、本件出願人による従前の排気ガス浄化装置には、内燃機関等に接続される複数の分岐排気通路２０２ａ、２０２ｂのそれぞれに、窒素酸化物吸着材２０４と、第１燃焼装置（吸着物質脱離手段）２０３と、第２燃焼装置２０５と、が設けられている。内燃機関等からの排気ガスは、一部の分岐排気通路２０２ａ（又は２０２ｂ）にのみ供給され、他の分岐排気通路２０２ｂ（又は２０２ａ）には供給されない。そして、排気ガスの供給された分岐排気通路２０２ａでは、窒素酸化物が窒素酸化物吸着材２０４に吸着されて除去されると共に、窒素酸化物吸着材２０４の有する酸化触媒により、一酸化炭素及び炭化水素が、二酸化炭素や水に酸化される。一方、排気ガスの供給が遮断された分岐排気通路２０２ｂでは、第１燃焼装置２０３により窒素酸化物吸着材２０４から窒素酸化物から脱離され、脱離された窒素酸化物が第２燃焼装置２０５により窒素に還元される。つまり、一部の分岐排気通路２０２ａでは、窒素酸化物を窒素酸化物吸着材２０４に吸着させる通常運転が行われ、同時に、他の分岐排気通路２０２ｂでは、窒素酸化物を吸着材２０４から脱離させる再生運転が行われ、窒素酸化物吸着材２０４の吸着能力の維持が図られている。

図７に示される排気ガス浄化装置は、三元触媒や、アンモニアや尿素などを用いることのない浄化装置である。三元触媒は、窒素酸化物、一酸化炭素及び炭化水素を同時に分解できる触媒であるが、空気過剰環境下では有効に作用しない。アンモニア等を用いた浄化装置は、装置自体が非常に複雑で高価であり、還元剤としてのアンモニア等の維持費やアンモニア等の供給体制の整備も必要で、問題点が多い。図７に示される排気ガス浄化装置は、上記問題点を解決している。図７に示される排気ガス浄化装置は、空気過剰条件下で運転される内燃機関等から排出される排気ガスより、有害成分（窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素）を除去して浄化し、しかも、その浄化能力を低下させることなく維持できる。
特開２００６−２７２１１５号公報

図７に示される排気ガス浄化装置のように、排気ガス中の窒素酸化物を窒素酸化物吸着材に吸着させることで、排気ガスの浄化を行う場合、次のような問題がある。吸着量の増大により、窒素酸化物吸着材の吸着性能が低下すると、排気ガス中から除去されない窒素酸化物の量が増加する。つまり、大気中への窒素酸化物の排出量が増大する。特に、排気ガスの温度が低い場合、窒素酸化物吸着材の吸着性能がより一層低下するため、大気中への排出量が更に増大する。もちろん、再生運転の実行頻度を増やせば、窒素酸化物吸着材の吸着性能の低下を防止できる。しかし、この場合、再生運転に要するエネルギー量（燃焼装置２０５、更に２０４で要する燃料の量）の増大を招くという別の問題を発生させる。

本発明は、排気ガス中の窒素酸化物を窒素酸化物吸着材に吸着させることで除去する構成の排気ガス浄化装置において、窒素酸化物吸着材の吸着性能が低下しても、大気中への窒素酸化物の排出量の増大が防止できることを目的とする。

本発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関又は燃焼機器の機関側排気通路に接続される排気ガス浄化装置において、前記機関側排気通路に接続される複数の分岐排気通路と、前記各分岐排気通路を、該各分岐排気通路の排気下流側で合流させた合流排気通路と、前記各分岐排気通路の排気入口を開放又は閉鎖して、前記機関側排気通路から前記各分岐排気通路への排気ガスの流入及び遮断を切替える排気ガス遮断手段と、前記各分岐排気通路内に設けられ、空気過剰雰囲気で窒素酸化物を一時的に吸着し、該吸着した窒素酸化物を還元雰囲気で脱離する、窒素酸化物吸着材と、前記各分岐排気通路内で前記窒素酸化物吸着材より排気上流側に配置され、空気供給手段と燃料供給手段及び着火手段から構成され、該空気供給手段から供給される空気を還元雰囲気にする第１燃焼装置と、前記合流排気通路内に設けられ、アンモニアを還元剤として窒素酸化物を選択的に還元する選択還元触媒と、前記合流排気通路内で前記選択還元触媒の排気下流側に配置される酸化触媒と、一の前記第１燃焼装置を作動させる再生運転の実施期間が、他の前記分岐排気通路における通常運転期間の終盤となるように、前記排気ガス遮断手段及び前記各第１燃焼装置を制御する制御装置と、を備えており、前記窒素酸化物吸着材が、排気ガスの全温度領域のうち、所定温度以上の高温領域で他の領域よりも、吸着性能が高くなるように調整されており、前記選択還元触媒が、排気ガスの全温度領域のうち、前記所定温度より低い低温領域で他の領域よりも、浄化性能が高くなるように調整されている、ことを特徴とする。

前記窒素酸化物吸着材の成分として、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈの少なくとも１つが含まれる。

本発明によれば、窒素酸化物吸着材で吸着されなかった窒素酸化物を無害化でき、大気中への窒素酸化物の排出量の増大を防止できる。

更に、本発明によれば、第１燃焼装置が、還元雰囲気に加えて昇温雰囲気を提供することもできる。また、空気流量と燃料流量とを調整することで、様々な条件の還元雰囲気や昇温雰囲気を発生させることができる。特に、燃料過剰条件下での部分酸化反応により、第１燃焼装置が一酸化炭素や炭化水素などの還元剤を提供でき、効果的に窒素酸化物が脱離及び還元処理される。

更に、本発明によれば、窒素酸化物吸着材の触媒作用により、窒素酸化物が、効果的にアンモニアに還元される。

更に、本発明によれば、アンモニアや、未燃物が大気中に排出されることを防止できる。したがって、還元雰囲気を過剰に発生させても問題がなく、窒素酸化物吸着材の再生（窒素酸化物の脱離）を効率的に実施できる。

更に、本発明によれば、アンモニアや、未燃物（一酸化炭素及び炭化水素）が大気中に排出されることを防止できる。したがって、還元雰囲気を過剰に発生させても問題がなく、窒素酸化物吸着材の再生（窒素酸化物の脱離）を効率的に実施できる。更に、酸化触媒と比較して、継続使用による性能劣化や温度依存性による性能低下が発生しない利点がある。

更に、本発明によれば、粒子状物質を排気ガス中より除去できる。また、第２燃焼装置の作動により、フィルター部材の捕獲能力が維持できる。

更に、本発明によれば、排気ガスの温度が高温領域及び低温領域のいずれの温度であっても、窒素酸化物は、無害化された状態で、排気ガス浄化装置から排出される。

更に、本発明によれば、窒素酸化物吸着材に吸着されずに通過する窒素酸化物の量が最も多いときに、選択還元触媒にアンモニアが供給され、大気中に排出される窒素酸化物の排出量がより一層低減される。

［第１実施形態の構成］
図１を用いて、第１実施形態の排気ガス浄化装置１が説明される。排気ガス浄化装置１は、内燃機関又は燃焼機器の機関側排気通路１００に接続される装置である。

内燃機関又は燃焼機器は、空気及び燃料の混合ガスを燃焼させて、排気ガスを生成する。排気ガスには、窒素酸化物（Ｎ０ｘ）や、未燃物としての一酸化炭素（Ｃ０）や炭化水素（ＨＣ）、などが含まれている。内燃機関又は燃焼機器で生成された排気ガスは、機関側排気通路１００より排出される。

図１には、排気ガスの通路として、機関側排気通路１００と、複数（本実施形態では２つ）の分岐排気通路２、３と、合流排気通路１１０と、が示されている。分岐排気通路２、３及び合流排気通路１１０は、排気ガス浄化装置１が備える排気通路である。機関側排気通路１００の排気出口１００ｂは、分岐排気通路２、３の排気入口２ａ、３ａに接続されている。分岐排気通路２、３の排気出口２ｂ、３ｂは、合流排気通路１１０の排気入口１１０ａに接続されている。これらの排気通路１００、２、３及び１１０は、外気から遮断された通路であり、例えば、パイプで構成される。

機関側排気通路１００からの排気ガスは、分岐排気通路２又は分岐排気通路３を経由して、合流排気通路１１０に流れ込んだ後、大気中へと排出される。以下において、排気ガスが分岐排気通路２、３及び合流排気通路１１０を流れる方向は、それぞれ、排気方向Ｆ２、Ｆ３及びＦ１１０に定義されている。

排気ガス浄化装置１は、制御装置（電子コントロールユニット）１０を備えている。制御装置１０は、排気ガス浄化装置１に備える各装置（後述）を制御する。

排気ガス浄化装置１は、分岐排気通路２、３の排気入口２ａ、３ａを閉鎖して、機関側排気通路１００から各分岐排気通路２、３への排気ガスの流入及び遮断を切替え可能とする排気ガス遮断手段を備えている。

排気ガス遮断手段として、具体的には、機関側排気通路１００と分岐排気通路２、３との合流部に、ガスの遮断弁４が設けられている。遮断弁４は、機関側排気通路１００の排気出口１００ｂから分岐排気通路２、３の排気入口２ａ、３ａに、排気ガスを、流入させるか、又は、遮断させる。遮断弁４による流入及び遮断の切替えは、制御装置１０の制御により行われる。なお、排気ガス遮断手段は、各分岐排気通路２、３のそれぞれに設けられる切替弁の群であってもよい。この場合、各切替弁が、分岐排気通路２の排気入口２ａ及び分岐排気通路３の排気入口３ａにそれぞれ設けられる。

排気ガス浄化装置１は、分岐排気通路２、３内にそれぞれ、窒素酸化物吸着材５と、還元雰囲気発生手段（第１燃焼装置６）と、を備えている。排気方向Ｆ２、Ｆ３に沿って、まず第１燃焼装置６、次に窒素酸化物吸着材５が、順に配置されている。また、排気ガス浄化装置１は、合流排気通路１１０内に、選択還元触媒１９を備えている。

窒素酸化物吸着材５は、窒素酸化物吸着材５に含まれる成分のため、次の作用を有している。窒素酸化物吸着材５は、空気過剰雰囲気で窒素酸化物を一時的に吸着し、該吸着した窒素酸化物を還元雰囲気で脱離する。窒素酸化物吸着材５は、還元雰囲気で窒素酸化物を還元してアンモニアを生成する。

ここで、空気過剰とは、空気（酸素）及び燃料の混合ガスにおいて、空気過剰率（供給された混合ガスの空燃比を理想空燃比で割った値）が、１より大きい状態を指す。また、空気過剰率が１より小さい状態は、燃料過剰の状態である。還元雰囲気とは、燃焼（酸化及び還元反応）が発生した際に、還元剤が過剰で酸素が不足する状態にあるガスを指す。

窒素酸化物吸着材５の成分として、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等の貴金属が用いることができる。これらの金属は、酸化作用を有する触媒成分として作用し、窒素酸化物の還元作用も有する。

Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等が含まれた窒素酸化物吸着材５は、還元雰囲気において、窒素酸化物を、中間生成物のアンモニア、もしくは最終生成物の窒素（窒素分子）に還元する。生成物の相違は、温度条件の違いによって発生する。所定温度Ｔｐ以上の高温環境では窒素が比較的多く生成され、所定温度Ｔｐより低い低温環境ではアンモニアが比較的多く生成される。

還元雰囲気発生手段は、空気供給手段を有すると共に、該空気供給手段から供給される空気を還元雰囲気にする脱離手段である。

還元雰囲気発生手段は、本実施形態では、燃焼装置（第１燃焼装置６）である。第１燃焼装置６は、空気供給手段と、燃料供給手段と、着火手段と、で構成される。そして、第１燃焼装置６は、燃料過剰条件下で燃焼反応を発生させることで、還元剤としての未燃物（一酸化炭素及び炭化水素）を発生させる。

第１燃焼装置６の空気供給手段は、空気供給装置１１と、空気調量装置１２と、空気ノズル６１と、を備えている。空気供給装置１１は、外気を取り込んで、空気調量装置１２に供給する。空気調量装置１２は、供給された空気（外気）を、空気量を調整した後、空気ノズル６１に供給する。空気ノズル６１は、分岐排気通路２、３内の第１燃焼領域Ａ１に開口したノズルである。空気ノズル６１に供給された空気は、分岐排気通路２、３内に噴射される。ここで、制御装置１０が、空気調量装置１２を制御して、空気ノズル６１に供給される空気量を調整する。

第１燃焼装置６の燃料供給手段は、制御装置１０と、燃料タンク１３と、燃料調量装置１４と、燃料ノズル６２と、を備えている。燃料タンク１３には、燃料が蓄えられている。燃料調量装置１４は、燃料タンク１３から供給される燃料を、燃料の量を調整した後、燃料ノズル６２に供給する。燃料ノズル６２は、分岐排気通路２、３内の第１燃焼領域Ａ１に開口したノズルである。第１燃焼領域Ａ１は、窒素酸化物吸着材５の排気上流側に位置している。燃料ノズル６２に供給された燃料は、分岐排気通路２、３内に噴射される。また、制御装置１０は、燃料調量装置１４を制御して、燃料ノズル６２に供給される燃料の量を調整する。

第１燃焼装置６の着火手段は、点火プラグ６３である。点火プラグ６３は、分岐排気通路２、３内で、着火を行う装置である。ここで、空気ノズル６１から噴射された空気と、燃料ノズル６２から噴射された燃料とにより、分岐排気通路２、３内の第１燃焼領域Ａ１に、混合ガスが生成される。点火プラグ６３は、この混合ガスを着火して、燃焼させる。

第１燃焼領域Ａ１の範囲は、次のようにして決定される。第１燃焼領域Ａ１は、各分岐排気通路２、３内の領域のうち、第１燃焼装置６による燃焼反応が発生する領域を指している。第１燃焼領域Ａ１の範囲は、排気方向Ｆ２、Ｆ３に沿って、空気ノズル６１から、窒素酸化物吸着材５の手前（排気上流側）の位置までの範囲である。なお、第１燃焼領域Ａ１の及ぶ範囲は、空気ノズル６１から噴射される空気流の速度や、空気過剰率、等によって決定される。

第１燃焼装置６は、燃料過剰の第１混合ガス（燃料と空気の混合ガス）を第１燃焼領域Ａ１で燃焼させることで、第１燃焼装置６の排気下流側に、還元雰囲気を発生させる。燃料過剰の第１混合ガスが燃焼されて生成された第１燃焼後ガス中には、未燃物（一酸化炭素、炭化水素）が含まれている。このため、還元雰囲気が発生する。また、第１燃焼後ガスは、燃焼反応の熱により加温される。このため、第１燃焼装置６と窒素酸化物吸着材５との距離や、第１混合ガスの燃料量の調整により、第１燃焼装置６の排気下流側に、還元雰囲気に加えて昇温雰囲気を発生させることも可能である。昇温雰囲気に還元雰囲気が加わることで、窒素酸化物吸着材５から窒素酸化物が、より一層効果的に脱離する。

なお、分岐排気通路２、３における第１燃焼装置６の位置は、正確には、空気ノズル６１、燃焼ノズル６２及び点火プラグ６３の位置を指している。空気ノズル６１、燃焼ノズル６２及び点火プラグ６３が、第１燃焼装置６において、分岐排気通路２、３に直接係りのある要素である。

なお、還元雰囲気発生手段は、上述した第１燃焼装置６に限定されない。還元雰囲気発生手段は、空気供給手段を備え、還元雰囲気を提供できれば良い。ここで、空気供給手段は、排気入口２ａが閉鎖された際に主排気通路２内で送風するために必要である。

選択還元触媒１９は、合流排気通路１１０内に設けられ、アンモニアを還元剤として窒素酸化物を選択的に還元する触媒を含んだ材料である。選択還元触媒１９に、アンモニア及び窒素酸化物を共に含んだガスが供給されると、アンモニアと窒素酸化物とが化学反応して、窒素（窒素分子）および水が生成される。

［第１実施形態の作動］
次に、排気ガス浄化装置１の作動が説明される。ここで、制御装置１０が、排気ガス浄化装置１を作動させる。制御装置１０は、各分岐排気通路２、３について、通常運転又は再生運転を実施する。

通常運転は、内燃機関等の機関側排気通路１００から排出される排気ガスを、分岐排気通路２、３に通し、該排気ガスに含まれる窒素酸化物を窒素酸化物吸着材５に吸着させる運転を意味する。ここで、分岐排気通路２、３の何れか又は全部が、通常運転の対象となる。制御装置１０は、再生運転の対象となっている分岐排気通路と、機関側排気通路１００と、が連通するように、遮断弁４を切替える。分岐排気通路の数が２である本実施形態では、次の三つの場合がある。機関側排気通路１００と分岐排気通路２とが連通する場合、機関側排気通路１００と分岐排気通路３とが連通する場合、機関側排気通路１００と分岐排気通路２及び３とが連通する場合、である。制御装置１０は、通常運転の対象となっている分岐排気通路内では、第１燃焼装置６を作動させない。

再生運転は、通常運転により分岐排気通路２、３内の窒素酸化物吸着材５に吸着した窒素酸化物を、窒素酸化物吸着材５から脱離させた後、窒素に還元して無害化する運転を意味する。ここで、分岐排気通路２、３の何れか及び合流排気通路１１０が、再生運転の対象となる。排気ガス浄化装置１の作動中には、少なくとも１つの分岐排気通路で通常運転が行われるようにするため、再生運転が全ての分岐排気通路で同時に行われることはない。制御装置１０は、再生運転の対象となっている分岐排気通路と、機関側排気通路１００と、の連通が遮断されるように、遮断弁４を切替える。制御装置１０は、再生運転の対象となっている分岐排気通路内で、第１燃焼装置６を作動させる。

排気ガス浄化装置１に接続される内燃機関等の作動が開始されると、それに応じて、制御装置１０は、排気ガス浄化装置１の作動を開始させる。制御装置１０は、排気ガス浄化装置１の作動に伴って、各分岐排気通路２、３において、通常運転又は再生運転を実施する。

通常運転において、排気ガスに含まれる窒素酸化物は、窒素酸化物吸着材５に吸着される。そして、排気ガスより窒素酸化物が除去される。また、窒素酸化物吸着材５が酸化触媒成分を有していることにより、排気ガスに含まれる一酸化炭素及び炭化水素が酸化される。一酸化炭素及び炭化水素は、二酸化炭素及び水に酸化されて、無害化される。そして、排気ガスより、一酸化炭素及び炭化水素が除去される。

窒素酸化物の除去された排気ガスは、合流排気通路１１０へと送られる。

窒素酸化物吸着材５に窒素酸化物が吸着されるにつれて、窒素酸化物吸着材５の吸着能力が低下する。窒素酸化物吸着材５の吸着能力を維持するには、窒素酸化物吸着材５より窒素酸化物を脱離させる必要がある。このため、分岐排気通路で通常運転が一定時間行われると、通常運転が中止されて再生運転が行われ、その後に、通常運転が再開されるものとなっている。

また、窒素酸化物吸着材５が有する酸化作用を有する触媒成分のため、排気ガスに未燃物（一酸化炭素及び炭化水素）が含まれていたとしても、この未燃物が酸化されて無害化される。

再生運転において、制御装置１０は、燃料過剰条件で第１燃焼装置６を作動させる。第１燃焼装置６の作動により、第１燃焼領域Ａ１で第１混合ガスが燃焼されて第１燃焼後ガスが発生し、第１燃焼後ガスが窒素酸化物吸着材５へと送られる。第１燃焼後ガスは、還元雰囲気である。

このとき、窒素酸化物吸着材５が還元雰囲気に置かれるので、窒素酸化物吸着材５に吸着した窒素酸化物が、窒素酸化物吸着材５より脱離する。

また、窒素酸化物吸着材５が、Ｐｔ等の貴金属を含んでいるため、窒素酸化物吸着材５から脱離した窒素酸化物は、直ちに、窒素又はアンモニアに還元される。窒素酸化物吸着材５の温度が、所定温度Ｔｐより低いとき、比較的多くのアンモニアが生成される。

ここで、窒素酸化物吸着材５の温度は、概ね、排気ガスの温度によって決定される。これは、次のような理由による。第１に、通常運転の実施時間（通常運転時間ＷＮ）に比べて再生運転の実行時間（再生運転時間ＷＲ）が小さいため、窒素酸化物吸着材５の温度は、排気ガスの温度によって大きく影響を受ける。第２に、再生運転の対象の分岐排気通路には排気ガスが流入しないが、加温された第１燃焼後ガスが通過するため、再生運転中も窒素酸化物吸着材５が常温に冷却されることはない。以上の理由により、再生運転中に、窒素酸化物吸着材５は、概ね、内燃機関等の排気ガスの温度に保たれている。

還元反応の生成物（窒素又はアンモニア）は、第１燃焼後ガスに混じって、合流排気通路１１０へと送られる。

図２には、各分岐排気通路２、３における通常運転及び再生運転の時間表が示されている。各分岐排気通路２、３において、通常運転及び再生運転は、周期的に繰り返し実行される。通常運転の連続実行時間は通常運転時間ＷＮであり、再生運転の連続実行時間は、再生運転時間ＷＲである。また、通常運転は、分岐排気通路２、３の双方で、時間軸上で部分的に重なっている。一方、再生運転は、分岐排気通路２、３の双方で、同時に実行されることはない。

制御装置１０は、作動開始時刻Ｔ０（排気ガス浄化装置１の作動が開始された時点）に、分岐排気通路２で再生運転を開始し、分岐排気通路３で通常運転を開始する。つまり、制御装置１０は、遮断弁４を制御して、機関側排気通路１００と分岐排気通路２とを遮断し、かつ、機関側排気通路１００と分岐排気通路３とを連通させる。このため、排気ガスは、分岐排気通路３に流入する。加えて、制御装置１０は、再生運転の対象の分岐排気通路２内で、第１燃焼装置６を作動させる。

分岐排気通路２では、作動開始時刻Ｔ０から時刻Ｔ１まで再生運転が実行され、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４まで通常運転が実行され、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５まで再生運転が実行される。時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの時間幅及び時刻Ｔ４から時刻Ｔ６までの時間幅は、再生運転時間ＷＲである。また、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４までの時間幅は、通常運転時間ＷＮである。

分岐排気通路３では、作動開始時刻Ｔ０から時刻Ｔ２まで通常運転が実行され、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３まで再生運転が実行され、時刻Ｔ３から時刻Ｔ６まで通常運転が実行される。時刻Ｔ３から時刻Ｔ６までの時間幅は、通常運転時間ＷＮである。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの時間幅は、再生運転時間ＷＲである。なお、作業開始時刻Ｔ０後の第１回目の通常運転については、通常運転の時間幅が、通常の通常運転時間ＷＮよりも短い時間となっている。これは、各分岐排気通路２、３における通常運転と再生運転との切替えに要する時間のため、分岐排気通路３での再生運転の終了後に直ちに分岐排気通路２での再生運転を実行することができないためである。

時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２のように、分岐排気通路２、３の双方で通常運転が実施されている場合、合流排気通路１１０には、両分岐排気通路２、３から、窒素酸化物の除去された排気ガスが流入する。そして、両分岐排気通路２、３からの排気ガスが合流して、大気中へと排出される。

時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３や時刻Ｔ４〜時刻Ｔ５のように、分岐排気通路２、３の一方で通常運転が実施され、分岐排気通路２、３の他方で再生運転が実施されている場合、合流排気通路１１０には、排気ガスと、窒素又はアンモニアの含まれた第１燃焼後ガスと、が流入する。ここで、異なる分岐排気通路２、３間で通常運転と再生運転とが同時に実行されているときは、通常運転の分岐排気通路において、窒素酸化物があえて排気ガス中に残留されている。

排気ガス浄化装置１は、窒素酸化物が残留する排気ガスと、窒素酸化物の還元剤としてのアンモニアを含んだガス（第１燃焼後ガス）とを、同時に合流排気通路１１０に流入させるように、制御される。そして、再生運転で発生するアンモニアと、通常運転で排出される窒素酸化物とを、化学反応させることで、窒素酸化物及びアンモニアの双方が無害化される。この内容は、以下で、詳しく説明される。

再生運転において、窒素酸化物吸着材５が前述の高温環境にあるときは、窒素酸化物吸着材５から脱離した窒素酸化物の多くは、窒素に還元される。また、窒素酸化物吸着材５が前述の低温環境にあるときは、窒素酸化物吸着材５から脱離した窒素酸化物は、比較的多くアンモニアに還元される。

窒素酸化物吸着材５の吸着性能は、温度条件に依存する。窒素酸化物吸着材５が前述の高温環境にあるときは、窒素酸化物吸着材５の吸着性能は高く維持される。また、窒素酸化物吸着材５が前述の低温環境にあるときは、窒素酸化物吸着材５の吸着性能が低下する。

窒素酸化物吸着材５が高温環境にある場合、再生運転においてアンモニアの発生は少なく、通常運転において窒素酸化物の吸着漏れも発生しない。ここで、このような作用が発揮されるように、通常運転時間ＷＮの時間幅や、窒素酸化物吸着材５の吸着性能及び還元性能（窒素酸化物をアンモニアや窒素に還元する性能）が、設定されている。窒素酸化物吸着材５の吸着性能は吸着量の増大に応じて低下するが、吸着性能の低下が一定の閾値を下回る前に通常運転を終了して再生運転に移行すれば、吸着漏れの発生は抑制できる。つまり、通常運転時間ＷＮの時間幅を短く設定すれば、それだけ吸着性能は高く維持される。このため、窒素酸化物の除去された排気ガスと、アンモニアを含まない第１燃焼後ガスとが、合流排気通路１１０に送られる。そして、これらの無害化されたガスが、大気中へと排出される。

一方、窒素酸化物吸着材５が低温環境にある場合、再生運転においてアンモニアが発生し、通常運転において窒素酸化物の吸着漏れが発生する。ここで、このような作用が発揮されるように、通常運転時間ＷＮの時間幅や、窒素酸化物吸着材５の吸着性能及び還元性能（窒素酸化物をアンモニアや窒素に還元する性能）が、設定されている。このため、窒素酸化物の残留した排気ガスと、アンモニアを含んだ第１燃焼後ガスとが、合流排気通路１１０に送られる。

窒素酸化物の残留した排気ガスと、アンモニアの含まれた第１燃焼後ガスとは、合流側排気通路１１０の排気入口１１０ａで合流する。合流後のガス（以下、合流後ガス）は、選択還元触媒１９を通過する。選択還元触媒１９により、合流後ガス中の窒素酸化物が還元されると共に、合流後ガス中のアンモニアが酸化されて、窒素と水とが生成される。そして、窒素酸化物及びアンモニアが共に無害化され、無害化された合流後ガスが大気中へ排出される。

［再生運転の実施時期］
図２に示されるように、窒素酸化物とアンモニアとの反応を効果的に行わせるために、一の分岐排気通路における再生運転の実施期間は、他の分岐排気通路における通常運転の終盤に合わせられている。ここで、窒素酸化物吸着材５の吸着量が、通常運転の実施時間が長くなるにつれて増大するので、通常運転時間ＷＮの終盤に、排気ガス中における窒素酸化物の残留量がもっとも増大する。そうすると、大気中への窒素酸化物の放出を防止する上では、一方の分岐排気通路２における通常運転時間ＷＮの終了時刻（時刻Ｔ４）と、他方の分岐排気通路３における再生運転の終了時刻（時刻Ｔ３）と、を一致させることが望ましい。しかしながら、運転の切替えに要する時間のため、通常運転時間ＷＮの終了時刻と、再生運転の終了時刻との間には、若干のズレが設けられている。

［窒素酸化物吸着材の吸着性能及び選択還元触媒の浄化性能の高い温度領域の調整］
また、窒素酸化物とアンモニアとの反応を効果的に行わせるために、窒素酸化物吸着材５の吸着性能及び選択還元触媒１９の浄化性能の高められた温度領域が、次のように調整されている。

図３には、窒素酸化物吸着材５の吸着性能の温度変化のグラフＡ（実線）と、選択還元触媒１９の活性の温度変化のグラフＲ（破線）と、排気ガスの全温度領域Ｂと、が示されている。全温度領域Ｂは、内燃機関等から排出される排気ガスが分岐排気通路２、３内に到達したときに、その排気ガスの温度の取り得る範囲を示している。

窒素酸化物吸着材５の吸着性能（吸着における活性）は、全温度範囲Ｂのうち、所定温度Ｔｐ以上の高温領域で高められるように、調整されている。また、選択還元触媒１９の浄化性能（還元反応における活性）は、全温度範囲Ｂのうち、所定温度Ｔｐより低い低温領域で高められるように、調整されている。所定温度Ｔｐは、前述したように、窒素酸化物吸着材が窒素を還元することで、中間生成物のアンモニアを比較的多く生成するか、最終生成物の窒素を比較的多く生成するか、の大まかな基準となる温度である。

グラフＡ及びグラフＲにより次のことが理解される。再生運転の実施される通常運転の終盤において、排気ガスの温度が低温領域にあるときには、窒素酸化物吸着材５の吸着性能が、高温領域にある場合と比べて相対的に低い。このため、相対的に、窒素酸化物が窒素酸化物吸着材５に吸着されにくく、排気ガス中に含まれる窒素酸化物の濃度が高められる。また、排気ガスの温度が低温領域にあるときには、窒素酸化物は窒素酸化物吸着材５によりアンモニアに還元される。一方、排気ガスの温度が低温領域にあるときには、選択還元触媒１９の浄化性能が、高温領域にある場合と比べて相対的に高い。このため、相対的に、窒素酸化物がアンモニアにより還元される量が、より増大する。つまり、排気ガス中に含まれる窒素酸化物の量が多いときに対応して、選択還元触媒１９での窒素酸化物の還元反応が、より多く発生する。

再生運転の実施される通常運転の終盤において、排気ガスの温度が高温領域にあるときには、窒素酸化物吸着材５の吸着性能が、高温領域にある場合と比べて相対的に高い。このため、相対的に、窒素酸化物が窒素酸化物吸着材５に吸着されやすく、排気ガス中に窒素酸化物が殆ど含まれなくなる。また、排気ガスの温度が高温領域にあるときには、窒素酸化物は窒素酸化物吸着材５によりその多くが窒素に還元される。一方、排気ガスの温度が高温領域にあるときには、選択還元触媒１９の浄化性能が、低温領域にある場合と比べて相対的に低い。このため、相対的に、窒素酸化物がアンモニアにより還元される量が、より減少する。つまり、選択還元触媒１９での窒素酸化物の還元反応が発生しにくいときに対応して、排気ガス中に含まれる窒素酸化物の量が少なくなっている。

したがって、排気ガスの温度が高温領域及び低温領域のいずれの温度であっても、窒素酸化物は、無害化された状態で、排気ガス浄化装置１から排出される。

［第１実施形態の効果］
第１実施形態の排気ガス浄化装置１は、次のような効果を発揮する。

排気ガス浄化装置１は、前述の構成である。このため、少なくとも１つの分岐排気通路２（又は３）について排気入口２ａ（又は３ａ）を開放させ、少なくとも１つの分岐排気通路３（又は２）について排気入口３ａ（又は２ａ）を閉鎖すると共に還元雰囲気発生手段（第１燃焼装置６）を作動させると、開放させた分岐排気通路２（又は３）を通過した排気ガス中に含まれる窒素酸化物が、閉鎖させた分岐排気通路３（又は２）で生成されたアンモニアを還元剤として、合流排気通路１１０の選択還元触媒１９により還元される。

したがって、窒素酸化物吸着材５で吸着されなかった窒素酸化物を無害化でき、大気中への窒素酸化物の排出量の増大を防止できる。

還元雰囲気発生手段は、第１燃焼装置６としている。このため、還元雰囲気発生手段が、還元雰囲気に加えて昇温雰囲気を提供することもできる。また、空気流量と燃料流量とを調整することで、様々な条件の還元雰囲気や昇温雰囲気を発生させることができる。特に、燃料過剰条件下での部分酸化反応により、還元雰囲気発生手段が一酸化炭素や炭化水素などの還元剤を提供でき、効果的に窒素酸化物が脱離及び還元処理される。

窒素酸化物吸着材の成分として、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈの少なくとも１つが含まれる。このため、窒素酸化物吸着材５の触媒作用により、窒素酸化物が、効果的にアンモニアに還元される。

窒素酸化物吸着材５の吸着性能及び選択還元触媒１９の浄化性能が、前述のような温度領域で高められるように調整されている。このため、排気ガスの温度が高温領域及び低温領域のいずれの温度であっても、窒素酸化物は、無害化された状態で、排気ガス浄化装置１から排出される。

再生運転の実施時期が通常運転の終盤となるように設定されている。このため、窒素酸化物吸着材５に吸着されずに通過する窒素酸化物の量が最も多いときに、選択還元触媒１９にアンモニアが供給され、大気中に排出される窒素酸化物の排出量がより一層低減される。

［第２実施形態の構成］
図４を用いて、第２実施形態の排気ガス浄化装置１が説明される。第２実施形態の排気ガス浄化装置１には、第１実施形態の排気ガス浄化装置１に、更に、酸化触媒２０が備えられている。

酸化触媒２０は、合流排気通路１１０内で選択還元触媒１９の排気下流側に配置される、酸化触媒を含んだ材料である。アンモニアや未燃物（一酸化炭素及び炭化水素）を含んだガスが酸化触媒２０を通過すると、ガス中のアンモニア及び未燃物が酸化されて、無害化される。

［第２実施形態の効果］
第２実施形態の排気ガス浄化装置１は、更に、次のような効果を発揮する。

選択還元触媒１９の排気下流側には、酸化触媒２０が設けられている。このため、アンモニアや、未燃物（一酸化炭素及び炭化水素）が大気中に排出されることを防止できる。したがって、還元雰囲気を過剰に発生させても問題がなく、窒素酸化物吸着材５の再生（窒素酸化物の脱離）を効率的に実施できる。

［第３実施形態の構成］
図５を用いて、第３実施形態の排気ガス浄化装置１が説明される。第３実施形態の排気ガス浄化装置１には、第１実施形態の排気ガス浄化装置１に、更に、第２燃焼装置７が備えられている。

第２燃焼装置７は、合流排気通路１１０内で選択還元触媒１９の排気下流側に配置されている。

第２燃焼装置７は、空気供給手段と、燃料供給手段と、着火手段と、で構成される。第２燃焼装置７は、空気過剰条件下で燃焼反応を発生させることで、合流排気通路１１０を通過するガスに含まれるアンモニアや未燃物（一酸化炭素及び炭化水素）を酸化して無害化する。

第２燃焼装置７の空気供給手段も、第１燃焼装置６の空気供給手段と同様である。第２燃焼装置７の空気供給手段は、空気供給装置１１と、空気調量装置１２と、空気ノズル７１と、を備えている。つまり、第１燃焼装置６の空気供給手段の空気ノズル６１が、第２燃焼装置７の空気供給手段では、空気ノズル７１に置換されている。なお、空気ノズル７１は、分岐排気通路２、３内の第２燃焼領域Ａ２に開口している。

第２燃焼装置７の燃料供給手段も、第１燃焼装置６の燃料供給手段と同様である。第２燃焼装置７の燃料供給手段は、燃料タンク１３と、燃料調量装置１４と、燃料ノズル７２と、を備えている。つまり、第１燃焼装置６の空気供給手段の燃料ノズル６２が、第２燃焼装置７の燃料供給手段では、燃料ノズル７２に置換されている。なお、燃料ノズル６２は、分岐排気通路２、３内の第２燃焼領域Ａ２に開口している。

第２燃焼装置７の着火手段も、第１燃焼装置６の着火手段と同様である。第２燃焼装置７の着火手段は、点火プラグ７３であり、分岐排気通路２、３内の第２燃焼領域Ａ２で着火を行う装置である。

第２燃焼領域Ａ２の範囲は、次のようにして決定される。第２燃焼領域Ａ２は、合流排気通路１１０内の領域のうち、第２燃焼装置７による燃焼反応が発生する領域を指している。第２燃焼領域Ａ２の範囲は、第２燃焼装置７から排気下流側の所定位置までの範囲である。なお、第２燃焼領域Ａ２の及ぶ範囲は、空気ノズル７１から噴射される空気流の速度や、燃料及び空気の供給開始時期に対する着火時期の遅れ時間の大きさ、等によって決定される。

なお、合流排気通路１１０における第２燃焼装置７の位置は、正確には、空気ノズル７１、燃焼ノズル７２及び点火プラグ７３の位置を指している。空気ノズル７１、燃焼ノズル７２及び点火プラグ７３が、第２燃焼装置７において、合流排気通路１１０に直接係りのある要素である。

［第３実施形態の作動］
次に、第３実施形態の排気ガス浄化装置１の作動において、第２燃焼装置７に係る作動が説明される。第２燃焼装置７に係る作動を除いては、第３実施形態の作動は、第１実施形態の作動と同一である。

制御装置１０は、何れかの分岐排気通路で再生運転を実施するときに、第２燃焼装置７を作動させる。一方、制御装置１０は、全ての分岐排気通路で再生運転が実施されないときには、第２燃焼装置７を作動させない。

［第３実施形態の効果］
第３実施形態の排気ガス浄化装置１は、更に、次のような効果を発揮する。

選択還元触媒１９の排気下流側には、第２燃焼装置７が設けられている。このため、アンモニアや、未燃物（一酸化炭素及び炭化水素）が大気中に排出されることを防止できる。したがって、還元雰囲気を過剰に発生させても問題がなく、窒素酸化物吸着材の再生（窒素酸化物の脱離）を効率的に実施できる。更に、酸化触媒と比較して、継続使用による性能劣化や温度依存性による性能低下が発生しない利点がある。

［第４実施形態の構成］
図６を用いて、第４実施形態の排気ガス浄化装置１が説明される。第４実施形態の排気ガス浄化装置１には、第３実施形態の排気ガス浄化装置１に、更に、フィルター部材８が備えられている。

フィルター部材８は、合流排気通路１１０内で、第２燃焼装置７の排気下流側に配置されている。

フィルター部材８は、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕獲可能な部材である。粒子状物質は、燃料の不完全燃焼によって発生する、炭素、炭化水素等から構成される微粒子である。

［第４実施形態の作動］
次に、排気ガス浄化装置１の作動において、フィルター部材８に係る点が説明される。フィルター部材８に係る作動を除いては、第４実施形態の作動は、第３実施形態の作動と同一である。

制御装置１０は、窒素酸化物に係る再生運転において、第２燃焼装置７を作動させる。第２燃焼装置７は、アンモニアや未燃物を酸化する手段として機能するだけでなく、フィルー部材８を再生する手段としても機能する。

第２燃焼装置７が作動すると、第２燃焼領域Ａ２で空気過剰の燃焼反応が発生する。この燃焼反応により、フィルター部材８に捕獲された粒子状物質が、酸化されて、除去される。なお、窒素酸化物に係る再生運転とは別に、フィルター部材８を再生することを目的として、第２燃焼装置７が作動される構成であってもよい。

［第４実施形態の効果］
第４実施形態の排気ガス浄化装置１は、更に、次のような効果を発揮する。

排気ガス浄化装置１は、フィルター部材８を備えている。このため、粒子状物質を排気ガス中より除去できる。また、第２燃焼装置７の作動により、フィルター部材８の捕獲能力が維持できる。

［フィルター部材の変形例］
フィルター部材８の成分に、貴金属であるＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄの何れかが含まれるものであってもよい。また、第３実施形態において、酸化触媒２０に代えて、貴金属であるＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄの何れかが成分に含まれたフィルター部材８が配置されてもよい。ここで、貴金属であるＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄは、酸化触媒として機能する。

本発明は、ディーゼル機関、ガス機関、ガソリン機関あるいはガスタービン機関等の内燃機関、又は、焼却炉やボイラ等の燃焼機器、の排気ガスを浄化する装置に、適用できる。

排気ガス浄化装置の概略図である（第１実施形態）。 各分岐排気通路における通常運転及び再生運転の時間表を示す図である。 窒素酸化物吸着材の吸着性能の温度変化のグラフと、選択還元触媒の活性の温度変化のグラフと、を示す図である。 排気ガス浄化装置の概略図である（第２実施形態）。 排気ガス浄化装置の概略図である（第３実施形態）。 排気ガス浄化装置の概略図である（第４実施形態）。 従来の排気ガス浄化装置の概略図である。

符号の説明

１ 排気ガス浄化装置
２、３ 分岐排気通路
２ａ、３ａ 排気入口
２ｂ、３ｂ 排気出口
４ 遮断弁
５ 窒素酸化物吸着材
６ 第１燃焼装置（還元雰囲気発生手段）
７ 第２燃焼装置
８ フィルター部材
１０ 制御装置
１９ 選択還元触媒
２０ 酸化触媒
６１、７１ 空気ノズル（空気供給手段の一部）
６２、７２ 燃料ノズル（燃料供給手段の一部）
６３、７３ 点火プラグ（着火装置）
１００ 機関側排気通路
１１０ 合流排気通路

Claims (2)

1. 内燃機関又は燃焼機器の機関側排気通路に接続される排気ガス浄化装置において、
   前記機関側排気通路に接続される複数の分岐排気通路と、
   前記各分岐排気通路を、該各分岐排気通路の排気下流側で合流させた合流排気通路と、
   前記各分岐排気通路の排気入口を開放又は閉鎖して、前記機関側排気通路から前記各分岐排気通路への排気ガスの流入及び遮断を切替える排気ガス遮断手段と、
   前記各分岐排気通路内に設けられ、空気過剰雰囲気で窒素酸化物を一時的に吸着し、該吸着した窒素酸化物を還元雰囲気で脱離する、窒素酸化物吸着材と、
   前記各分岐排気通路内で前記窒素酸化物吸着材より排気上流側に配置され、空気供給手段と燃料供給手段及び着火手段から構成され、該空気供給手段から供給される空気を還元雰囲気にする第１燃焼装置と、
   前記合流排気通路内に設けられ、アンモニアを還元剤として窒素酸化物を選択的に還元する選択還元触媒と、
   前記合流排気通路内で前記選択還元触媒の排気下流側に配置される酸化触媒と、
   一の前記第１燃焼装置を作動させる再生運転の実施期間が、他の前記分岐排気通路における通常運転期間の終盤となるように、前記排気ガス遮断手段及び前記各第１燃焼装置を制御する制御装置と、を備えており、
   前記窒素酸化物吸着材が、排気ガスの全温度領域のうち、所定温度以上の高温領域で他の領域よりも、吸着性能が高くなるように調整されており、
   前記選択還元触媒が、排気ガスの全温度領域のうち、前記所定温度より低い低温領域で他の領域よりも、浄化性能が高くなるように調整されている、
   ことを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 請求項１に記載の排気ガス浄化装置において、
   前記窒素酸化物吸着材の成分として、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈの少なくとも１つが含まれる、
   排気ガス浄化装置。

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