JP2006170186A - 排出ガス浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 温度に関わらず低炭素成分を生成可能な排出ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】 自動車用の内燃機関と、前記内燃機関の排気管と、前記排気管の途中に設けられ、還元剤を使用して排出ガスを浄化する窒素酸化物還元触媒と、燃料を貯蔵するための燃料タンクと、前記燃料タンクの燃料中の成分から低炭素成分を分離するための選択透過手段を備えた還元剤生成装置と、前記窒素酸化物還元触媒の上流の前記排気管内に前記還元剤として前記低炭素成分を導入する導入手段とを備える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、自動車からの排出ガス、特にディーゼルエンジンの排出ガスの浄化装置に関する。
ディーゼルエンジンや希薄混合気燃焼方式(リーンバーン)のガソリンエンジンは希薄空燃比で運転されるため、低燃費であり、地球温暖化物質である二酸化炭素(CO2)の排出量を抑制出来る利点がある。しかし、その排出ガスに窒素酸化物(NOx)が含まれるという問題点がある。そこで、排出ガスに含まれるNOxを浄化する方法として、排出ガスに微量の炭化水素(HC)を加えリッチガスとし、このリッチガスをNOx還元触媒へ供給する方法が知られている。
しかし、通常ディーゼルエンジンの燃料として用いられるのは軽油であり、軽油に含まれる高沸点の炭化水素はNOx還元の選択性が低いのでNOxの還元剤として必ずしも効果的でなく、過剰の炭化水素が必要となり燃費の悪化を招くとともにパティキュレート(PM)の増加を招く。
そこでディーゼルエンジン燃料を改質または分解してNOx還元に好適な炭化水素に変えてNOx還元触媒と接触させる方法が種々考案された。例えば、特許文献1では、炭化水素分解触媒によりエンジン燃料に含まれる炭化水素を分解し、エンジン燃料よりも低炭素成分の含有量を増加させ、排出ガスに導入する排出ガス浄化装置が提案されている。
特開平9−38467号公報
しかし、特許文献1の従来技術では、前記炭化水素分解触媒の温度が300℃〜600℃の範囲である場合は低炭素成分が生成され易いが、前記炭化水素分解触媒の温度が300℃〜600℃の範囲でない場合は低炭素成分が生成され難いという課題があった。
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、温度に関わらず低炭素成分を生成可能な排出ガス浄化装置を提供することである。
本発明においては、自動車用の内燃機関と、前記内燃機関の排気管と、前記排気管の途中に設けられ、還元剤を使用して排出ガスを浄化する窒素酸化物還元触媒と、燃料を貯蔵するための燃料タンクと、前記燃料タンクの燃料中の成分から低炭素成分を分離するための選択透過手段を備えた還元剤生成装置と、前記窒素酸化物還元触媒の上流の前記排気管内に前記還元剤として前記低炭素成分を導入する導入手段とを備えた排出ガス浄化装置を提供する。
これによると、前記選択透過手段が温度に関わらず低炭素成分を分離出来るため、温度に関わらず低炭素成分を生成可能な排出ガス浄化装置を提供することが出来る。
また、請求項2に記載の発明のように、前記還元剤生成装置が、前記内燃機関の運転中に、前記燃料中の成分から低炭素成分を分離すると良い。
また、請求項3に記載の発明のように、前記燃料タンクから供給される燃料が内燃機関の燃料と共通であると良い。これによると、内燃機関の燃料タンクとは別に還元剤の貯蔵容器を設ける必要がないため、搭載スペースを少なく出来る。
また、請求項4に記載の発明のように、前記燃料タンクから供給される燃料が化石燃料、特に、請求項5に記載の発明のように、軽油であると良い。これによると、軽油はディーゼルエンジンの燃料としても用いられるため、これを利用することが出来る。
また、請求項6に記載の発明のように、前記内燃機関がディーゼルエンジンであると良い。
また、請求項7に記載の発明のように、前記選択透過手段がゼオライトであると良い。
また、請求項8に記載の発明のように、前記選択透過手段は透過孔を有し、前記透過孔の孔径が4.5Å以下であると良い。これによると、前記選択透過手段は低炭素成分を透過し易くなり、高炭素成分を透過し難くなる。
また、請求項9に記載の発明のように、前記選択透過手段は透過孔を有し、前記透過孔の孔径が3.9〜4.5Åであると良い。
また、請求項10に記載の発明のように、前記選択透過手段は前記燃料中の成分からノルマルパラフィンを分離すると良い。特に、請求項11に記載の発明のように、前記低炭素成分としてnドデカン(C1226)及びnドデカンよりも炭素数の少ない成分を分離すると良い。これによると、炭素数の少ない炭化水素は低沸点であるため、NOx還元の選択性を高めることが出来る。
また、請求項12に記載の発明のように、前記内燃機関の燃焼のために使用する全体の燃料量に対する前記還元剤に使用する燃料量の割合を前記内燃機関の運転状況に応じて調整、特に請求項13に記載されているように、0.1%〜1%の範囲で調整すると良い。これによると、NOx量に対して最適な量の還元剤を生成することが出来る。
また、請求項14に記載の発明のように、前記燃料タンクから前記還元剤生成装置に入り込んだ前記燃料の一部を前記燃料タンクへ戻す構成を有すると良い。これによると、高炭素成分が還元剤生成装置に滞留するのを防ぐとともに、燃料が燃料配管を介して燃料タンクへ逆流するのを防ぐことができる。
請求項15の発明は、選択透過手段を備えた還元剤生成装置へ燃料を供給する第1ステップと、前記第1ステップにより供給された燃料を選択透過手段により分離し、還元剤を生成する第2ステップと、前記第2ステップにより生成された還元剤を、窒素酸化物還元触媒上流の内燃機関の排出管内に導入する第3ステップと、前記第3ステップにより導入された還元剤により前記内燃機関の排出ガスを窒素酸化物還元触媒で浄化する第4のステップとを備えることを特徴とする排出ガス浄化方法である。これによると、選択透過手段が温度に関わらず低炭素成分を分離出来るため、温度に関わらず低炭素成分を生成することが出来る。
以下、本発明に係わる排出ガス浄化装置の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係わる排出ガス浄化装置を自動車用ディーゼルエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。
図1に示す実施形態は、ディーゼルエンジン1と、冷却装置Aと、燃料装置Bと、吸排気装置Cと、排出ガス浄化装置Dとから構成される。
ディーゼルエンジン1は、シリンダー4と、このシリンダー4内をクランク機構(図示せず)によって上下運動するピストン13と、ディーゼルエンジン1の振動を検出するためのノックセンサ16とから構成されている。
このような構成のディーゼルエンジン1では、ピストン13の上下運動がクランク機構にて回転運動に変換されることで動力が得られる。前記ノックセンサ16によりシリンダー4の振動を検出し、検出された値に応じてECU(図示せず)により燃料噴射時期を調整しノッキングを防止するよう制御する。
冷却装置Aは、ウォータージャケット14と、ラジエーター(図示せず)と、サーモスタットバルブ(図示せず)とから構成される。
ウォータージャケット14は、シリンダー4の周りに設けられている。このウォータージャケット14には、エンジンを冷却するための冷却液が貯えられている。また、ウォータージャケット14には冷却液の温度を検出するための水温センサ15が設けられている。
このように構成された冷却装置Aでは、水温センサ15は冷却液の温度を検出し、冷却液の温度が高い場合はサーモスタットバルブを開き、冷却液をラジエーターへ導き、ラジエーターにより冷却液の温度を冷やし、ウォータージャケット14へ戻す。
燃料装置Bは、インジェクタ17と、コモンレール19と、高圧燃料配管21と、高圧ポンプ22と、低圧燃料配管23と、燃料タンク25とから構成される。
インジェクタ17は、シリンダー4の上部に設けられている。コモンレール19には燃料圧力センサ18が設けられている。
前記インジェクタ17の上部にはインジェクタ17へ高圧燃料20を供給するためのコモンレール19が設けられている。このコモンレール19は高圧燃料20を蓄積するため高圧、例えば100MPa以上に耐えられるような設計とすることが好ましい。前記コモンレール19には、高圧燃料配管21が設けられている。前記高圧燃料配管21には、コモンレール19へ高圧燃料20を供給するための高圧ポンプ22が設けられている。この高圧ポンプ22は、低圧燃料配管23を介して燃料タンク25と連通している。
このように構成された燃料装置Bでは、燃料圧力センサ18は、インジェクタ17の噴射圧力を計測し、ECU(図示せず)により噴射中の平均噴射圧力が一定になるよう制御する。
また、高圧ポンプ22は、低圧燃料配管23を介して燃料タンク25から低圧燃料23を汲み上げると共に、低圧燃料24を加圧し高圧燃料20へ変えて、高圧燃料配管21および圧力制御回路(図示せず)を介してコモンレール19へ高圧燃料20を吐出し、コモンレール19に高圧燃料20を蓄積する。
そして、コモンレール19に蓄積された高圧燃料20をECU(図示せず)によって定められたタイミングでシリンダ4の燃焼室へインジェクタ17により噴射する。
吸排気装置Cは、吸気管2及び排気管9と、吸気バルブ5及び排気バルブ10とから構成される。
ディーゼルエンジン1には、空気を供給するための吸気管2及びエアフィルタ3が備えられており、吸気管2からシリンダー4の燃焼室に空気を吸入可能となっている。前記燃焼室と吸気管2との境界部分には、吸入空気を導通または遮断するための吸気バルブ5が設けられている。この吸気バルブ5の上部には、吸気バルブ5を上下運動させることで吸入空気を導通および遮断するための吸気カム(図示せず)を備えた吸気カムシャフト8が設けられている。この吸気カムシャフト8の近傍には、吸気カムセンサ7が設けられている。
また、ディーゼルエンジン1には、燃焼ガスを排出するための排気管9が備えられており、シリンダー4の燃焼室から排気管9へ燃焼ガスを排出可能となっている。前記燃焼室と排気管9の境界部分には、燃焼ガスを導通または遮断するための排気バルブ10が設けられている。この排気バルブ10の上部には、排気バルブ10を上下運動させることで燃焼ガスを導通および遮断するための排気カム(図示せず)を備えた排気カムシャフト12が設けられている。
このように構成された吸排気装置Cでは、吸気カムにより吸気バルブ5が開き、又、ピストン13が下がるとシリンダー4の燃焼室内の圧力が下がるため、吸気管2からシリンダー4の燃焼室へ空気が吸入される。(吸入工程)
次に、吸気カムシャフト8により吸気バルブ5が閉じてピストン13が上がると、密閉されたシリンダー4の燃焼室の空気が圧縮される。この圧縮により空気は高温かつ高圧の状態となる。(圧縮工程)
次に、ピストン13が上がりきった時、インジェクタ17は、シリンダー4の燃焼室の圧縮された空気へ高圧燃料20を噴射する。高温になった空気と混じった高圧燃料20は自己着火を起こして燃焼する。この燃焼圧力によりピストン13は押し下げられる。(燃焼行程)
次に、ピストン13が下がりきった時、排気カムにより排気バルブ10を開き、ピストン13を上げることでシリンダー4の燃焼室から燃焼したガスを排気管9へ押し出す。(排気工程)
なお、空気の中にはゴミが含まれており、そのまま吸入するとシリンダー4の燃焼室や通路を詰まらせエンジン不調の原因となるため、予めエアフィルタ3によりゴミが取り除かれている。
排出ガス浄化装置Dは、DPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)32と、酸化触媒34と、NOx還元触媒36と、NOx還元剤生成装置28と、還元剤添加インジェクタ37とから構成されている。
排気管9の途中には、DPF32が設けられている。このDPF32の上流近傍には、排気管9の内部を通る燃焼ガスの温度を検出するための温度センサ33が設けられている。
このように構成されたDPF32では、排気管9内の燃焼ガスに含まれるPMを捕集し且つ燃焼ガスに含まれる酸素と反応させ燃焼させることで酸化・浄化する。
なお、DPF32は高温になると損傷するため、温度センサ33によりDPF32の近傍の温度を検出し、DPF32の近傍の温度が高くなった場合、例えば650℃以上となった場合は燃焼ガスの温度を下げるように制御する。一般には、インジェクタ17の燃料噴射量を少なくする方法、排出ガスの一部を吸気へ還流させる方法(EGR)があり、これにより燃焼温度および燃焼ガスの温度を下げる。
前記排気管9のDPF32の下流には、酸化触媒34が設けられている。また、酸化触媒34の上流近傍には、排気管9の内部を通るガスの温度を検出するための温度センサ35が設けられている。
このように構成された酸化触媒34では、排気管9内の燃焼ガスに含まれるHCやCOを捕集し且つ燃焼ガスに含まれる酸素と反応させ燃焼させることで酸化・浄化する。また、燃焼ガスに含まれる一酸化窒素(NO)を二酸化窒素(NO)に酸化させることにより、酸化触媒34の下流に設けられたNOx還元触媒36にて還元し易い成分に変える。
なお、酸化触媒34は高温になると損傷するため、温度センサ35により酸化触媒34の近傍の温度を検出し、酸化触媒34の近傍の温度が高くなった場合、例えば650℃以上となった場合は燃焼ガスの温度を下げるように制御する。一般には、インジェクタ17の燃料噴射量を少なくする方法、排出ガスの一部を吸気へ還流させる方法(EGR)があり、これにより燃焼温度および燃焼ガスの温度を下げる。
なお、DPF32および酸化触媒34によって、燃焼ガスに含まれるPM、HC、COを低減しているため、DPF32および酸化触媒34の下流に設けられたNOx還元触媒36はNOxの低減を主目的として機能することが出来る。
前記排気管9の酸化触媒34の下流には、NOx還元触媒36が設けられている。
また、前記燃料タンク25の内部には燃料ポンプ26が設けられており、燃料配管27を介してNOx還元剤生成装置28と連通している。このNOx還元剤生成装置28には、逆止弁31が設けられている。又、このNOx還元剤生成装置28には燃料配管38が設けられており、燃料配管38の下流かつNOx還元触媒36の上流に設けられた還元剤添加インジェクタ37と連通している。この還元剤添加インジェクタ37は、ECU39からの信号により添加剤の噴射量が制御される。このECU39には、DPF32の上流近傍に設けられた温度センサ33および酸化触媒34の上流近傍に設けられた温度センサ35にて検出された信号が取り込まれている。なお、添加剤噴射インジェクタ37は、内燃機関用に一般的に用いられる燃料噴射弁で良く、排気管近傍に設けられるため、600℃程度の耐熱性を持つものが好ましい。
このように構成されたNOx還元触媒36およびNOx還元剤生成装置28では、ディーゼルエンジン1の運転中に、燃料ポンプ26は燃料配管27を介して燃料タンク25から還元剤生成装置28へ燃料29を供給する。
前記還元剤生成装置28は、燃料29から低炭素成分30を分離する。この低炭素成分30は、燃料配管38を介して還元剤添加インジェクタ37へ供給され、還元剤添加インジェクタ37により添加剤としてNOx還元触媒36の上流近傍へ噴射される。
なお、ECU39は、還元剤添加インジェクタ37における添加剤の噴射量をエンジンの運転状況によって制御する。
更になお、逆止弁31は、所定の圧力、例えば400kPa以上の圧力がかかった状態で開弁することにより、高炭素成分を主体とした燃料を燃料配管311を介して燃料タンク25へ戻す。これにより、高炭素成分が還元剤生成装置28に滞留するのを防ぐとともに、燃料29が燃料配管27を介して燃料タンク25へ逆流するのを防いでいる。
前記NOx還元触媒36は、エンジンが希薄燃料運転下で燃焼ガスの酸素濃度が高いとき、燃焼ガス中のNOxを吸蔵する。ここで、還元剤添加インジェクタ37から燃料が噴射され、酸素濃度の低い燃焼ガスを形成する。このように生成した酸素濃度の低い燃焼ガスをNOx還元触媒36に流入すると、NOx還元触媒36は吸蔵していたNOxを放出させつつ、燃焼ガス中のHCやCO等の還元成分を使用してNOxを還元し窒素(N2)と酸素(O2)に分解することでNOxを浄化する。
次に、NOx還元剤生成装置28について説明する。
図2は、図1中のNOx還元剤生成装置28の内部構成を示したものである。また、図3及び図4は、図2中の選択透過膜40の内部構成を示したものである。図2及至図4に示されるように、NOx還元剤生成装置28は支持体28aと、選択透過膜40と、を収容している。
支持体28aは、ムライトからなり、細孔径は、0.1〜10μmであり、幅は1.5mm程である。
選択透過膜40は、支持体28aにコーティングされることで、支持体28aに支持されているため、燃料流れにより選択透過膜40が損傷するのを防ぐことが出来る。選択透過膜40を支持体28aにコーティングする方法としては、水熱合成がある。
また、選択透過膜40は、孔径の揃った細孔膜、例えばゼオライトからなっており、その表面には複数の透過孔が設けられている。なお、前記透過孔の孔径は4.5Å以下、特に3.9〜4.5Åの範囲であることが好ましい。
図5は、軽油中の炭化水素成分の特徴を示したものである。図5(a)に示される軽油の成分はnデカン(C1022)であり、図5(b)の成分は、軽油中に多い直鎖型炭化水素成分であり、図5(c)の成分は側鎖型の炭化水素成分である。図5(a)のnデカンは軽油の中でも低炭素(炭素数が少ない)成分に相当し、さらにノルマル型(直鎖型)であり、H(高さ)およびL(長さ)が短いという特徴がある。図5(b)の軽油中に多い直鎖型炭化水素成分はC(炭素)の数が多く、L(長さ)が長いという特徴がある。図5(c)の側鎖型の炭化水素成分はH(高さ)が長いという特徴がある。
このように構成されたNOx還元剤生成装置28は、分子サイズの差によりN(直鎖型)パラフィン成分301以外の成分、例えばIso(側鎖型)パラフィン成分302やアロマティック成分303を通し難く、N(直鎖型)パラフィン成分301、特にH(高さ)およびL(長さ)の短い低炭素成分を通し易くなる。
このため、NOx還元剤生成装置28は軽油の中でも低炭素成分に相当するnデカン(C1022)、unデカン(C1124)、nドデカン(C1226)などを分離し易くなる。
図6は、NOx量と、内燃機関が燃焼のために使用する全体の燃料量に対するNOx還元剤のために使用する燃料量の比率(以下、NOx還元使用燃料量率とする。)の関係を示すグラフである。横軸はNOx量であり、縦軸はNOx還元使用燃料量率である。図6によると、NOx量の増加に比例してNOx還元使用燃料量率が増加することが分かる。ここで、通常、自動車から排出されるNOx量は、100ppm乃至600ppmの範囲である。このため、図6に示されるように、自動車のNOxを浄化する為のNOx還元使用燃料量率は約1%程度あれば良いことが分かる。これは、例えば内燃機関のために使用する全体の燃料量を60Lとした場合、NOx還元剤のために使用する燃料量は1%の0.6Lで良いということである。
図7は、ガス温度とNOx浄化率の関係を示すグラフである。横軸はガス温度であり、縦軸はNOx浄化率である。図7によると、ガス温度の上昇にともないNOx浄化率は向上するが、あるガス温度(約350℃)を越えると逆にガス温度の上昇にともないNOx浄化率は低下することが分かる。aの曲線は添加剤として軽油をそのまま使用した場合の特性であり、bの曲線は添加剤として本実施例で使用する低炭素成分30を使用した場合の特性である。図7に示されるように、添加剤として低炭素成分30を使用した場合、添加剤として軽油をそのまま使用した場合に比べてNOx浄化率が約20%向上する。
なお、本発明に用いられる構成は本発明の課題を達成出来るものであれば、本実施例の構成に限定されない。例えば内燃機関は希薄混合気燃焼方式(リーンバーン)のガソリンエンジンであっても良く、燃料タンクはエンジンの燃料タンクとは別に設けても良く、選択透過手段はエンジンが停止しているときに還元剤を生成しても良く、また、化石燃料はガソリンであっても良い。
以上述べたように本実施の形態に係わる排出ガス浄化装置では、選択透過手段40が温度に関わらず低炭素成分30を分離出来るため、温度に関わらず低炭素成分30を生成することが出来る。
本発明の実施形態の排出ガス浄化装置の構成を示す構成図である。 図1中のNOx還元剤生成装置28の内部構成を示す構成図である。 図2中の選択透過膜40の作用を説明するための説明図(1)である。 図2中の選択透過膜40の作用を説明するための説明図(2)である。 炭化水素成分の特徴を示す説明図である。 NOx量とNOx還元使用燃料率の関係を示すグラフである。 ガス温度とNOx浄化率の関係を示すグラフである。
符号の説明
25 燃料タンク
26 燃料ポンプ(NOx還元剤生成装置28用)
28 NOx還元剤生成装置
30 低炭素成分
31 逆止弁
36 NOx還元触媒
37 還元剤添加インジェクタ
39 ECU
40 選択透過膜

Claims (15)

  1. 自動車用の内燃機関と、
    前記内燃機関の排気管と、
    前記排気管の途中に設けられ、還元剤を使用して排出ガスを浄化する窒素酸化物還元触媒と、
    燃料を貯蔵するための燃料タンクと、
    前記燃料タンクの燃料中の成分から低炭素成分を分離するための選択透過手段を備えた還元剤生成装置と、
    前記窒素酸化物還元触媒の上流の前記排気管内に前記還元剤として前記低炭素成分を導入する導入手段とを備えた排出ガス浄化装置。
  2. 前記還元剤生成装置が、前記内燃機関の運転中に、前記燃料中の成分から前記低炭素成分を分離することを特徴とする請求項1に記載の排出ガス浄化装置。
  3. 前記燃料タンクから供給される燃料が前記内燃機関の燃料であることを特徴とする請求項1又は2に記載の排出ガス浄化装置。
  4. 前記燃料タンクから供給される燃料が化石燃料であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の排出ガス浄化装置。
  5. 前記化石燃料が軽油であることを特徴とする請求項4に記載の排出ガス浄化装置。
  6. 前記内燃機関がディーゼルエンジンであることを特徴とする請求項5に記載の排出ガス浄化装置。
  7. 前記選択透過手段がゼオライトからなることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1つに記載の排出ガス浄化装置。
  8. 前記選択透過手段は透過孔を有し、前記透過孔の孔径が4.5Å以下であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1つに記載の排出ガス浄化装置。
  9. 前記選択透過手段は透過孔を有し、前記透過孔の孔径が3.9〜4.5Åであることを特徴とする請求項8に記載の排出ガス浄化装置。
  10. 前記選択透過手段は前記燃料中の成分からノルマルパラフィンを分離することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1つに記載の排出ガス浄化装置。
  11. 前記選択透過手段は前記燃料中の成分から前記低炭素成分としてnドデカン(C1226)及びnドデカンよりも炭素数の少ない成分を分離することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1つに記載の排出ガス浄化装置。
  12. 前記内燃機関の燃焼のために使用する全体の燃料量に対する前記還元剤のために使用する燃料量の割合を前記内燃機関の運転状況に応じて調整することを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1つに記載の排出ガス浄化装置。
  13. 前記内燃機関の燃焼のために使用する全体の燃料量に対する前記還元剤のために使用する燃料量の割合を前記内燃機関の運転状況に応じて0.1% 〜1%の範囲で調整することを特徴とする請求項12に記載の排出ガス浄化装置。
  14. 前記燃料タンクから前記還元剤生成装置に入り込んだ前記燃料の一部を前記燃料タンクへ戻す構成を有したことを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1つに記載の排出ガス浄化装置。
  15. 選択透過手段を備えた還元剤生成装置へ燃料を供給する第1ステップと、
    前記第1ステップにより供給された燃料を選択透過手段により分離し、還元剤を生成する第2ステップと、
    前記第2ステップにより生成された還元剤を、窒素酸化物還元触媒上流の内燃機関の排出管内に導入する第3ステップと、
    前記第3ステップにより導入された還元剤により前記内燃機関の排出ガスを窒素酸化物還元触媒で浄化する第4のステップとを備えることを特徴とする排出ガス浄化方法。
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