JP2009270553A - 排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】排ガス中のＳＯｘを高効率に吸収可能な排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気浄化装置１は、内燃機関２０の燃焼室２１から燃焼ガスを排出する排気通路４１に、燃焼ガス中の窒素酸化物であるＮＯｘを吸収し、この吸収したＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒５０を備え、その上流側に、燃焼ガス中の硫黄酸化物であるＳＯｘを低温で吸着する第一のＳＯｘ吸収材を有する第一のＳＯｘ吸収部６１と、燃焼ガス中のＳＯｘを高温で貯蔵し、高温で貯蔵したＳＯを低温でもそのまま貯蔵し維持する第二のＳＯｘ吸収材を有する第二のＳＯｘ吸収部６２とを有する。
これにより、広範囲の排ガス温度でＳＯｘを高効率に吸収可能であるため、ＮＯｘ触媒５０へＳＯｘが流出しないので、ＮＯｘ触媒５０はＳ被毒せず、ＮＯｘ触媒５０の浄化能力の低下を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排出する燃焼ガスとしての排ガス中の硫黄酸化物（以下、ＳＯｘという）を浄化するためのＳＯｘ吸収材を備える排気浄化装置に関する。
内燃機関の排出する排ガスを浄化するために排気通路に窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）を吸収するＮＯｘ触媒を配置する排気浄化装置が知られている。
ところで、燃料中には硫黄が含まれているので、内燃機関を長期に渡って使用していると、図１８に示すように、排ガス中に含まれている燃料中の硫黄成分がＮＯｘ触媒に吸着する硫黄被毒（以下、Ｓ被毒という）が生じ、それに起因して排気浄化装置によるＮＯｘ触媒の浄化能力が著しく低下する。そこで、ＮＯｘ触媒のＳ被毒を防止するために、排気中のＳＯｘを吸蔵するＳトラップをＮＯｘ触媒の上流側の排気通路に配置する排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）
特開平６−５８１３８号公報
しかしながら、上述の排気浄化装置では、Ｓトラップを１つしか有していないため、例えばディーゼルエンジンのように、１００℃〜７００℃という広い範囲の排ガス温度で用いる場合には、十分にＳＯｘを取り切れないという問題点がある。
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、排ガス中のＳＯｘを高効率に吸収可能な排気浄化装置を提供することにある。
請求項１に記載の排気浄化装置は、内燃機関の燃焼室から燃焼ガスを排出する排気通路を形成する排気管と、排気通路に設けられ、燃焼ガス中の硫黄酸化物であるＳＯｘを低温で吸収する第一のＳＯｘ吸収材を有する第一のＳＯｘ吸収部と、排気通路に設けられ、燃焼ガス中のＳＯｘを高温で貯蔵し、高温で貯蔵したＳＯｘを低温でもそのまま貯蔵し維持する第二のＳＯｘ吸収材を有する第二のＳＯｘ吸収部と、第一のＳＯｘ吸収部及び第二のＳＯｘ吸収部の下流側の排気通路に設けられ、燃焼ガス中の窒素酸化物であるＮＯｘを吸収し、この吸収したＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒とを備える。
すなわち、排気通路に設けられるＮＯｘ触媒よりも上流側に、第一のＳＯｘ吸収部と、第二のＳＯｘ吸収部とが配置されている。第一のＳＯｘ吸収部が有する第一のＳＯｘ吸収材は低温でＳＯｘを吸収し、第二のＳＯｘ吸収部が有する第二のＳＯｘ吸収材は高温でＳＯｘを吸収する。第二のＳＯｘ吸収材は、高温で吸収したＳＯｘを低温になっても貯蔵し、維持する。これによって、広範囲の排ガス温度でＳＯｘを高効率に吸収可能である。そのため、第一のＳＯｘ吸収部及び第二のＳＯｘ吸収部の下流側に位置するＮＯｘ触媒へＳＯｘが流出しないので、ＮＯｘ触媒はＳ被毒せず、ＮＯｘ触媒の浄化能力の低下を防止することができる。
第一のＳＯｘ吸収材としては、以下に示す物質を用いることが好ましい。
請求項２に記載の排気浄化装置の第一のＳＯｘ吸収材は、アルカリ金属、及び、アルカリ土類金属のいずれか１種類または複数種類である。特に、カルシウムよりも低原子量のものは、低温でＳＯｘと反応し、吸収するため好ましい。
請求項３に記載の排気浄化装置の第一のＳＯｘ吸収材は、アルカリ金属、及び、アルカリ土類金属のいずれか１種類または複数種類に白金またはマンガン触媒を添加し、低温活性を改善したものである。特に、カルシウムよりも低原子量のものは、低温でＳＯｘと反応し、吸収するため好ましい。
請求項４に記載の排気浄化装置の第一のＳＯｘ吸収材は、活性炭、及び、ゼオライトの１種類または複数種類である。活性炭やゼオライトは、微細孔を表面に持ち、比較的低温でＳＯｘを物理的に吸着保持する。
請求項２〜４に記載の第一のＳＯｘ吸収材は、第二のＳＯｘ吸収材よりも低温でＳＯｘを吸収し、第二のＳＯｘ吸収材がＳＯｘを吸収する温度ではＳＯｘを脱離する吸収材である。
請求項５に記載の排気浄化装置の第一のＳＯｘ吸収材は、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、または酸化バリウムのいずれか１種類または複数種類である。
請求項６に記載の排気浄化装置の第一のＳＯｘ吸収材は、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化バリウム、及び、炭酸カルシウムのいずれか１種類または複数種類に白金またはマンガン触媒を添加して低温活性を改善したものである。
請求項５または６に記載の第一のＳＯｘ吸収材は、第二のＳＯｘ吸収材よりも低温でＳＯｘを吸収し、第二のＳＯｘ吸収材がＳＯｘを吸収する温度ではＳＯｘを脱離しない吸収材である。
請求項２〜６に記載の第一のＳＯｘ吸収材は、単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。
第二のＳＯｘ吸収材としては、以下の示す物質を用いることが好ましい。
請求項７に記載の排気浄化装置の第二のＳＯｘ吸収材は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ金属の化合物、及び、アルカリ土類金属の化合物のいずれか１種類または複数種類であり、例えば、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、及び、水酸化カルシウムなどが例示される。
第二のＳＯｘ吸収材としては、以下に示す物質を用いることが特に好ましい。
請求項８に記載の排気浄化装置の第二のＳＯｘ吸収材は、炭酸カルシウムである。炭酸カルシウムは、高温でのＳＯｘ吸収能力が高く、また、安定であり、価格が安く、さらにリサイクル性がよい、という特性がある。しかし、炭酸カルシウムは低温ではＳＯｘの吸収効率が悪いという課題がある。本発明では、低温でＳＯｘを高効率に吸収する第一のＳＯｘ吸収材を用いているため、上述のような課題を克服することができ、第二のＳＯｘ吸収材として炭酸カルシウムが好適に用いられる。
請求項７又は８に記載の第二のＳＯｘ吸収材は、単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。
第一のＳＯｘ吸収材は低温でＳＯｘを高効率に吸収し、第二のＳＯｘ吸収材は高温でＳＯｘを高効率に吸収するが、低温及び高温は以下の温度とすることが好ましい。
請求項９に記載の排気浄化装置は、第一のＳＯｘ吸収材が効率よくＳＯｘを吸収する温度である低温とは５００℃以下であり、第二のＳＯｘ吸収材が効率よくＳＯｘを吸収する温度である高温とは３５０℃以上である。これにより、例えばディーゼルエンジンの排ガスのように、排ガス温度が１００〜７００℃と幅広い場合において、第一のＳＯｘ吸収材と第二のＳＯｘ吸収材を併用することにより、高効率にＳＯｘを吸収することができるため、ＮＯｘ触媒はＳ被毒せず、ＮＯｘ触媒の浄化能力の低下を防止することができる。
また、本発明の排気浄化装置は、以下の構成を用いることが好ましい。
請求項１０に記載の排気浄化装置は、第一のＳＯｘ吸収材を昇温する第一の昇温手段と、第一のＳＯｘ吸収材においてＳＯｘがオーバーフローした場合に第一のＳＯｘ吸収材を昇温するように第一の昇温手段を制御する第一の温度制御手段を備える。
これにより、第一のＳＯｘ吸収材においてＳＯｘがオーバーフローしたときに、第一のＳＯｘ吸収材を昇温してＳＯｘを脱離させ、第一のＳＯｘ吸収材を再生することができる。この場合、第一のＳＯｘ吸収材としては、請求項２〜４のいずれか一項に記載の物質を単独あるいは組み合わせて用いることが好ましい。
請求項１１に記載の排気浄化装置は、第二のＳＯｘ吸収材を昇温する第二の昇温手段と、第二のＳＯｘ吸収材が所定温度以下の場合、前記第二のＳＯｘ吸収材を昇温するように第二の昇温手段を制御する第二の温度制御手段とを備える。
これにより、排ガス温度が低い場合においても、第二の吸収材の温度を上げて第二のＳＯｘ吸収材により排ガス中のＳＯｘを高効率に吸収することができる。
さらに、本発明の排気浄化装置は、以下に示す構成とすることができる。
請求項１２に記載の排気浄化装置の第一のＳＯｘ吸収部は、第二のＳＯｘ吸収部の上流側に設けられる。本構成においては、請求項１０及び１１の構成を併せて採用することが好ましい。
すなわち、第一のＳＯｘ吸収材においてＳＯｘがオーバーフローした場合、第一のＳＯｘ吸収材を昇温してＳＯｘを脱離し、必要に応じて第二のＳＯｘ吸収材を昇温して、第一のＳＯｘ吸収材から脱離したＳＯｘを第二のＳＯｘ吸収材により吸収することができ、ＮＯｘ触媒のＳ被毒を防止できる。
また、本発明の排気浄化装置は、以下に示す構成としてもよい。
請求項１３に記載の排気浄化装置は、第一のＳＯｘ吸収部と第二のＳＯｘ吸収部との上流に位置する切り替えバルブを備えており、第一のＳＯｘ吸収部と第二ＳＯｘの吸収部は並列に配置される。これにより、高効率に排ガス中のＳＯｘを吸収することができる。
さらに、本発明の排気浄化装置は、以下に示す構成とすることが望ましい。
請求項１４に記載の排気浄化装置は、第一のＳＯｘ吸収部と第二のＳＯｘ吸収部とは並列に配置されており、第一のＳＯｘ吸収部と第二のＳＯｘ吸収部との上流に位置する切り替えバルブを備える。切り替えバルブ制御手段は、第二のＳＯｘ吸収材が所定温度以下の場合には、第一のＳＯｘ吸収材にてＳＯｘを吸収し、第一のＳＯｘ吸収材においてＳＯｘがオーバーフローした場合、第二のＳＯｘ吸収材にてＳＯｘを吸収するように切り替えバルブを制御する。
これにより、第二のＳＯｘ吸収材が所定温度以下の場合には、第一のＳＯｘ吸収材がＳＯｘを吸収するため、幅広い温度でＳＯｘを吸収することができる。また、第一のＳＯｘ吸収材でＳＯｘがオーバーフローした場合、第二のＳＯｘ吸収材でＳＯｘを吸収することができる。これにより、ＮＯｘ触媒はＳ被毒せず、ＮＯｘ触媒の浄化能力の低下を防止することができる
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第一実施形態）
本発明の第一実施形態による内燃機関の排気浄化装置を図１に示す。本実施形態は、４気筒のディーゼルエンジンに適用したもので、図１に示すように、煩雑になることを避けるため、１気筒のみを図示している。
排気浄化装置１は、内燃機関２０の排気管４０が形成する排気通路４１を流通する排ガス中のＳＯｘ、ＮＯｘ、および微粒子などの有害成分を浄化するものである。
内燃機関２０は、各気筒に燃焼室２１と、ピストン２２と、インジェクタ２４を備える。燃焼室２１は、シリンダ２３の内壁と、シリンダ２３内に保持され往復移動するピストン２２の上端面と、吸気弁２５及び排気弁２６の下端面とで区画されており、ピストン２２の往復運動により容積が増減する。燃焼室２１は、吸気弁２５を経由して吸気管３０に接続し、エアフィルタ３２を通過した吸入空気が導かれる。また、燃焼室２１は、排気弁２６を介して排気管４０に接続し、排ガスを排出する。吸気管３０は、吸気通路３１を構成し、排気管４０は排気通路４１を構成する。また、吸気弁２５は、吸気通路３１に導かれた吸気の燃焼室２１への流れを遮断または許容し、排気弁２６は、燃焼室２１から排気通路４１への排ガスの流れを遮断または許容する。
インジェクタ２４は、高圧燃料を蓄える図示しないコモンレールに接続されており、コモンレールから供給される高圧燃料を燃焼室２１に噴射する。
ヘッドカバー２７に収容されたギア２８、２９と、図示しないクランクシャフトに固定されているギアには、図示しないチェーンが巻き掛けられている。ギア２８、２９は、図示しないカムシャフトとそれぞれ接続している。これにより、クランクシャフトの駆動力がチェーンとギア２８、２９を経由してカムシャフトに伝達され、吸気弁２５、排気弁２６を開閉駆動する。
排気管４０には、排ガスの温度を検出する温度センサ４２と、ＮＯｘ触媒５０と、ＮＯｘ触媒５０の上流に位置するＳＯｘ吸収部６０とが設けられている。
ＮＯｘ触媒５０は、排ガス中のＮＯｘをＮ2へと浄化させるものであり、本実施形態では、リーン運転モードで運転中にＮＯｘを硝酸塩の形で触媒中に吸蔵し、その硝酸塩を酸素濃度の低下した還元雰囲気でＮ2に還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を用いる。
図２に示すように、ＳＯｘ吸収部６０は、第一のＳＯｘ吸収部６１と、第二のＳＯｘ吸収部６２と、ケーシング６３と、ヒータ６６と、ＳＯｘセンサ６７とを備えている。ケーシング６３は、上流側に配置される第一のＳＯｘ吸収部６１と、下流側に配置される第二のＳＯｘ吸収部６２とを収容し、保持している。ヒータ６６は、第一のＳＯｘ吸収部６１を加温する第一昇温手段としての第一ヒータ６６１と、第二のＳＯｘ吸収部６２を加温する第二昇温手段としての第二ヒータ６６２とを、それぞれＳＯｘ吸収部６１、６２の外周に有している。ＳＯｘセンサ６７は、第一のＳＯｘ吸収部６１と、第二のＳＯｘ吸収部６２との間に位置しており、排ガス中のＳＯｘ濃度を検出する。
図３は、第一のＳＯｘ吸収部６１の拡大模式図である。第一のＳＯｘ吸収部６１は、ハニカム状に構成され、第一のＳＯｘ吸収材６１１が担体６１５に担持されている。同様に第二のＳＯｘ吸収部６２は、ハニカム状に構成され、第二のＳＯｘ吸収材６２１が担体６２５に担持されている。
第一のＳＯｘ吸収材６１１は、排ガス温度が５００℃以下のとき、排ガス中のＳＯｘと結合し、５００℃以上のとき、結合したＳＯｘを脱離する。第二のＳＯｘ吸収材６２１は、排ガス温度が５００℃以上のとき、排ガス中のＳＯｘと、第一のＳＯｘ吸収材６１１から脱離されたＳＯｘとを吸収する。第二のＳＯｘ吸収材６２１に吸収されたＳＯｘは、５００℃以下の低温になってもＳＯｘを貯蔵し維持する。第二のＳＯｘ吸収材６２１は、例えば走行距離が２０万ｋｍとなった場合においてもＳＯｘを貯蔵可能な十分量が搭載されている。本実施形態においては、第一のＳＯｘ吸収材６１１はナトリウムであり、第二のＳＯｘ吸収材６２１は炭酸カルシウムである。
図４に示すように、本実施形態の排気浄化装置１は、電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」という。）７０を備えている。ＥＣＵ７０の入力側には、温度センサ４２、ＳＯｘセンサ６７等が接続されており、出力側には第一ヒータ６６１、第二ヒータ６６２等が接続されている。
ここで、ＳＯｘ吸収材のＳＯｘ吸収特性について、図５、図６に基づいて説明する。
図５は、第一のＳＯｘ吸収材６１１のＳＯｘ吸収特性を示した図である。横軸は温度を表しており、縦軸は第一のＳＯｘ吸収材６１１のＳＯｘ吸着率を表している。第一のＳＯｘ吸収材６１１は、５００℃以下の温度帯でＳＯｘを効率よく吸収し、５００℃以上になるとＳＯｘ吸着率は低下し、６００℃以上で吸着率はほぼ０となる。すなわち、第一のＳＯｘ吸収材６１１は、５００℃以上の温度帯では吸収したＳＯｘを脱離する。
図６は、第二のＳＯｘ吸収材６２１のＳＯｘ吸収特性を示した図である。横軸は温度を表しており、縦軸は第二のＳＯｘ吸収材６２１の温度が上昇していった場合の排ガス中のＳＯｘ吸着率、及び、ＳＯｘを吸収した第二のＳＯｘ吸収材６２１の温度が低下していった場合に第二のＳＯｘ吸収材６２１が保持しているＳＯｘ量を表している。実線で示すように、第二のＳＯｘ吸収材６２１は、４５０℃以上で効率よくＳＯｘを吸収し、１０００℃以上で吸着率が低下する。排ガスの温度は通常７００℃程度が上限であるため、排ガス温度が高い場合には、効率よくＳＯｘを吸収することができる。また、二点鎖線で示すように、４５０℃以上１０００℃以下の温度でＳＯｘを吸収した第二のＳＯｘ吸収材６２１は、４５０℃以下に温度が低下してもＳＯｘを脱離せず、保持し続ける。
本発明では、広い範囲の排ガス温度において、排ガス中の硫黄成分を高効率に吸収する点に特徴を有している。そこで、図７に示すフローチャートに基づいて本実施形態の排気浄化装置１によるＳＯｘ吸収処理の一実施例を説明する。
最初のステップＳ１０１（以下、「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」で示す）では、第一のＳＯｘ吸収材６１１でＳＯｘがオーバーフローしているか否かを判断する。第一のＳＯｘ吸収材６１１でＳＯｘがオーバーフローしているか否かは、例えば、次のように判断する。温度センサ４２で検出される温度が５００℃以下であるにも関わらず、ＳＯｘセンサ６７でＳＯｘが検出される場合、第一のＳＯｘ吸収材６１１でＳＯｘがオーバーフローしていると判断する。第一のＳＯｘ吸収材６１１でＳＯｘがオーバーフローしていると判断された場合（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、Ｓ１０２へ移行する。第一のＳＯｘ吸収材６１１でＳＯｘがオーバーフローしていないと判断された場合（Ｓ１０１：ＮＯ）、Ｓ１０７へ移行する。
第一のＳＯｘ吸収材６１１がオーバーフローしているときに移行するＳ１０２では、第一ヒータ６６１により、第一のＳＯｘ吸収材６１１の温度が５００℃以上になるように昇温する。
第一のＳＯｘ吸収材６１１がオーバーフローしていないときに移行するＳ１０７では、第一のＳＯｘ吸収材６１１の温度が設定温度以下か否かを判断する。本実施形態では、設定温度は５００℃である。第一のＳＯｘ吸収材６１１の温度が設定温度以下でない場合（Ｓ１０７：ＮＯ）、すなわち、排ガス温度が高く、第一のＳＯｘ吸収材６１１の温度が５００℃以上である場合、Ｓ１０３へ移行する。第一のＳＯｘ吸収材６１１の温度が設定温度以下の場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、すなわち、排ガス温度が低く、第一のＳＯｘ吸収材６１１の温度が５００℃以下の場合、Ｓ１０８へ移行する。
第一のＳＯｘ吸収材６１１の温度が５００℃以上である場合（Ｓ１０２、またはＳ１０７：ＮＯ）に移行するＳ１０３では、第一のＳＯｘ吸収材６１１はＳＯｘを脱離する。すなわち、Ｓ１０３では、第一のＳＯｘ吸収材６１１の温度が５００℃以上であるため、第一のＳＯｘ吸収材６１１は、ＳＯｘの吸着率が低下し、ＳＯｘを脱離する。
次のＳ１０４では、第二のＳＯｘ吸収材６２１の温度が設定温度以下であるか否かを判断する。第二のＳＯｘ吸収材６２１の温度が設定温度以下である場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、すなわち排ガス温度が低く、第二のＳＯｘ吸収材６２１の温度が５００℃以下の場合、Ｓ１０５へ移行する。第二のＳＯｘ吸収材６２１の温度が設定温度以下ではない場合（Ｓ１０４：ＮＯ）、すなわち排ガス温度が高く、第二のＳＯｘ吸収材６２１の温度が５００℃以上の場合、Ｓ１０６へ移行する。
Ｓ１０５では、第二ヒータ６６２により、第二のＳＯｘ吸収材６２１の温度が５００℃以上になるように昇温する。
Ｓ１０６では、第二のＳＯｘ吸収材６２１により排ガス中のＳＯｘを吸収し、ＳＯｘ吸収処理を終了する。
第一のＳＯｘ吸収材６１１がオーバーフローしておらず（Ｓ１０１：ＮＯ）、第一のＳＯｘ吸収材６１１の温度が設定温度以下である場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）に移行するＳ１０８では、第一のＳＯｘ吸収材６１１により排ガス中のＳＯｘを吸収し、ＳＯｘ吸収処理を終了する。
本実施形態におけるＥＣＵ７０は、「第一の温度制御手段」及び「第二の温度制御手段」を構成する。そして、図７中のＳ１０２が「第一の温度制御手段」の機能としての処理に相当し、図７中のＳ１０５が「第二の温度制御手段」の機能としての処理に相当する。
上述の通り、本実施形態では、排ガス温度が低い場合には、第一のＳＯｘ吸収材６１１で排ガス中のＳＯｘを吸収し、排ガス温度が高い場合には、第二のＳＯｘ吸収材６２１で排ガス中のＳＯｘを吸収する。また、第一のＳＯｘ吸収材６１１でＳＯｘがオーバーフローした場合には（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、第一のＳＯｘ吸収材６１１を昇温してＳＯｘを脱離させ（Ｓ１０２）、必要に応じて第二のＳＯｘ吸収材６２１を昇温し（Ｓ１０５）、第二のＳＯｘ吸収材６２１によりＳＯｘを吸収する（Ｓ１０６）。
これにより、内燃機関２０がディーゼルエンジンであり、排ガス温度が１００〜７００℃と幅広い場合、第一のＳＯｘ吸収材６１１と第二のＳＯｘ吸収材６２１を併用することにより、十分にＳＯｘを吸収することができるため、ＮＯｘ触媒５０はＳ被毒せず、ＮＯｘ触媒５０の浄化能力の低下を防止することができる。
また、本実施形態では第二のＳＯｘ吸収材６２１として、炭酸カルシウムを使用している。炭酸カルシウムは、高温でのＳＯｘ吸収能力が高く、また、安定であり、価格が安く、さらにリサイクル性がよい、という特性がある。しかし、炭酸カルシウムは低温ではＳＯｘの吸収効率が悪いという課題がある。本発明では、低温でＳＯｘを高効率に吸収する第一のＳＯｘ吸収材を併せて用いているため、上述のような課題を克服することができ、第二のＳＯｘ吸収材として炭酸カルシウムが好適に用いられる。
（第二実施形態）
次に、本発明の他の実施形態を図８から図１８に基づいて説明する。なお、以下の実施形態においては、第一実施形態と同じ、もしくは同等の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
上記第一実施形態では、ＳＯｘ吸収部６０を構成する第一のＳＯ吸収部６１は、第二のＳＯｘ吸収部６２の上流側に配設されているが、図８に示す第二実施形態における排気浄化装置２は、ＳＯｘ吸収部９０を構成する第一のＳＯｘ吸収部９１と第二のＳＯｘ吸収部９２とは並列に配設されている。
排気管４０は、切り替えバルブ８０を備えており、切り替えバルブ８０により流路が切り替えられるように第一分岐管４０１、４０２と、第二分岐管４０３、４０４とに分岐している。第一分岐管４０１、４０２には第一のＳＯ吸収部９１が配設されており、第二分岐管４０３、４０４には第二のＳＯｘ吸収部９２が配設されている。第一分岐管４０２と第二分岐管４０４とは、合流管４０５で合流し、合流管４０５にはＮＯｘ触媒５０が設けられている。
図９は、第一のＳＯｘ吸収部９１の拡大模式図であり、第一のＳＯｘ吸収部９１は、ハニカム状に構成され、第一のＳＯｘ吸収材９１１が担体９１５に担持されている。同様に第二のＳＯｘ吸収部９２は、ハニカム状に構成され、第二のＳＯｘ吸収材９２１が担体９２５に担持されている。
図１０に示すように、本実施形態においてＥＣＵ７５の入力側には、温度センサ４２、ＳＯｘセンサ９７等が接続されており、出力側には第一ヒータ９６１、第二ヒータ９６２、切り替えバルブ８０等が接続されている。
本実施形態においては、第一のＳＯｘ吸収材９１１は、５００℃以下のとき、排ガス中のＳＯｘを吸収し、５００℃以上でもＳＯｘを放出しない。第二のＳＯｘ吸収材９２１は、排ガス温度が５００℃以上のとき、排ガス中のＳＯｘを吸収する。第二のＳＯｘ吸収材９２１に吸収されたＳＯｘは、５００℃以下の低温になってもＳＯｘを貯蔵維持する。第二のＳＯｘ吸収材９２１は、例えば走行距離が２０万ｋｍとなった場合においてもＳＯｘを貯蔵可能な十分量が搭載されている。本実施形態においては、第一のＳＯｘ吸収材９１１は酸化カルシウムであり、第二のＳＯｘ吸収材９２１は炭酸カルシウムである。
ここで、ＳＯｘ吸収材のＳＯｘ吸収特性について、図１１、図１２に基づいて説明する。
図１１は、第一のＳＯｘ吸収材９１１のＳＯｘ吸収特性を示した図である。横軸は温度を表しており、縦軸は第一のＳＯｘ吸収材９１１の温度が上昇していった場合の排ガス中のＳＯｘ吸着率、及び、第一のＳＯｘ吸収材９１１の温度が低下していった場合にＳＯｘを吸収した第一のＳＯｘ吸収材９１１が保持しているＳＯｘ量を表している。実線で示すように、第一のＳＯｘ吸収材９１１は、４５０℃以下の温度帯でＳＯｘを効率よく吸収し、かつ、４５０℃以上の温度帯でもＳＯｘの吸着率は低下しない。また、二点鎖線で示すように、第一のＳＯｘ吸収材９１１は、温度が低下してもＳＯｘを脱離せず保持し続ける。
図１２は、第二のＳＯｘ吸収材９２１のＳＯｘ吸収特性を示した図である。横軸は温度を表しており、縦軸は第二のＳＯｘ吸収材９２１の温度が上昇していった場合の排ガス中のＳＯｘ吸着率、及び、第二のＳＯｘ吸収材９２１の温度が低下していった場合に第二のＳＯｘ吸収材９２１が保持しているＳＯｘ量を表している。実線で示すように、第二のＳＯｘ吸収材９２１は、４５０℃以上で効率よくＳＯｘを吸収し、１０００℃以上で吸着率が低下する。排ガスの温度は通常７００℃程度が上限であるため、排ガス温度が高い場合には、効率よくＳＯｘを吸収することができる。また、二点鎖線で示すように、４５０℃以上１０００℃以下の温度でＳＯｘを吸収した第二のＳＯｘ吸収材は、４５０℃以下に温度が低下してもＳＯｘを脱離せず、保持し続ける。
本実施形態では、第一のＳＯｘ吸収部９１と、第二のＳＯｘ吸収部９２とが並列に配設されており、切り替えバルブ８０による制御を行う点に特徴を有している。そこで、図１３に示すフローチャートに基づいて本実施形態の排気浄化装置２によるＳＯｘ吸収処理の一実施例を説明する。
最初のＳ２０１では、第二のＳＯｘ吸収材９２１の温度が設定温度以下か否かを判断する。本実施形態では、設定温度は５００℃である。第二のＳＯｘ吸収材９２１の温度が設定温度以下ではない場合（Ｓ２０１：ＮＯ）、Ｓ２０２へ移行する。第二のＳＯｘ吸収材９２１の温度が設定温度以下である場合（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、Ｓ２０４へ移行する。
Ｓ２０４では、第一のＳＯｘ吸収材９１１でＳＯｘがオーバーフローしているか否かを判断する。第一のＳＯｘ吸収材９１１でＳＯｘがオーバーフローしていると判断された場合（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、Ｓ２０５へ移行する。第一のＳＯｘ吸収材９１１でＳＯｘがオーバーフローしていないと判断された場合（Ｓ２０４：ＮＯ）、Ｓ２０６へ移行する。
Ｓ２０５では、第二の吸収材９２２を昇温し、設定温度以上とする。
第二の吸収材９２２が設定温度以上である場合（Ｓ２０１：ＮＯ、および、Ｓ２０５）に移行するＳ２０２では、第二のＳＯｘ吸収材９２１側である第二分岐管４０３が開となるように、切り替えバルブ８０を制御し、第二のＳＯｘ吸収材９２１で排ガス中のＳＯｘを吸収し（Ｓ２０３）、ＳＯｘ吸収処理を終了する。
第２のＳＯｘ吸収材９２２の温度が設定温度以下であり（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、第一のＳＯｘ吸収材９１１でＳＯｘがオーバーフローしていないと判断された場合（Ｓ２０４：ＮＯ）に移行するＳ２０６では、第一のＳＯｘ吸収材９１１側である第一分岐管４０１が開となるように切り替えバルブ８０を制御し、第一のＳＯｘ吸収材９１１で排ガス中のＳＯｘを吸収し、ＳＯｘ吸収処理を終了する（Ｓ２０７）。
本実施形態におけるＥＣＵ７５は、「第一の温度制御手段」、「第二の温度制御手段」、「切り替えバルブ制御手段」を構成する。そして、図１３中のＳ２０５が「第二の温度制御手段」の機能としての処理に相当し、図１３中のＳ２０２及びＳ２０６が「切り替えバルブ制御手段」の機能としての処理に相当する。
上述の通り、本実施形態では、切り替えバルブ８０を制御することにより、排ガス温度が低い場合、第一のＳＯｘ吸収材９１１で排ガス中のＳＯｘを吸収し、排ガス温度が高い場合、第二のＳＯｘ吸収材９２１で排ガス中のＳＯｘを吸収する。また、第一のＳＯｘ吸収材９１１でＳＯｘがオーバーフローした場合には（Ｓ２０４：ＹＥＳ）、第二のＳＯｘ吸収材９２１を昇温し（Ｓ２０５）、第二分岐管４０３側が開となるように切り替えバルブ８０を制御し（Ｓ２０２）、第二のＳＯｘ吸収材９２１によりＳＯｘを吸収する（Ｓ２０３）。
これにより、内燃機関２０がディーゼルエンジンであり、排ガス温度が１００〜７００℃と幅広い場合、第一のＳＯｘ吸収材９１１と第二のＳＯｘ吸収材９２１を併用することにより、十分にＳＯｘを吸収することができるため、ＮＯｘ触媒５０はＳ被毒せず、ＮＯｘ触媒５０の浄化能力の低下を防止することができる。
また、本実施形態では第二のＳＯｘ吸収材９２１として、炭酸カルシウムを使用している。炭酸カルシウムは、高温でのＳＯｘ吸収能力が高く、また、安定であり、価格が安く、さらにリサイクル性がよい、という特性がある。しかし、炭酸カルシウムは低温ではＳＯｘの吸収効率が悪いという課題がある。本発明では、低温でＳＯｘを高効率に吸収する第一のＳＯｘ吸収材を併せて用いているため、上述のような課題を克服することができ、第二のＳＯｘ吸収材として炭酸カルシウムが好適に用いられる。
（他の実施形態）
上記の実施形態では、４気筒のディーゼルエンジンに本発明を適用した形態について説明したが、本発明を適用する内燃機関の気筒数は４気筒に限定されず、他の気筒数であってもよい。また、本発明を適用する内燃機関は、ディーゼルエンジンに限らず、筒内直噴式のガソリンエンジンでもよい。また、吸気弁と排気弁とに、クランクシャフトの駆動力を伝達するのにギアを用いたが、バルブタイミング調整装置を用いて、吸気弁と排気弁の開閉のタイミングを調整するようにしてもよい。
上記の実施形態では、ＮＯｘ触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒を用いたが、他の実施形態では、排ガス中に含まれる微粒子を捕集するＤＰＦを併用してもよいし、図１４に示す排気浄化装置３のように酸化触媒５１をＮＯｘ触媒５０の上流側に配置してもよい。さらに、その他の触媒やフィルタを設置してもよい。
また、上記の実施形態では、ＳＯｘ吸収部は、図１５に示すようにＳＯｘセンサがなくてもよい。また、図１６に示すようにヒータがなくてもよいし、第一ヒータまたは第二ヒータのいずれか一方のみあってもよい。さらに、図１７に示すようにＳＯｘセンサ及びヒータのいずれもがなくてもよい。
上記の実施形態では、第一のＳＯｘ吸収材は、ナトリウム及び酸化カルシウムとしたが、設定温度よりも低温でＳＯｘを吸収できればどのようなものであってもよく、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属が挙げられる。また、アルカリ金属、アルカリ土類金属に、白金やマグネシウムなどの触媒を添加し、低温活性を改善してもよい。特に、カルシウムよりも低原子量のものは、低温でＳＯｘと反応し、吸収するため好ましい。
また、第一のＳＯｘ吸収材は、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化バリウムなどの化合物が例示される。さらに、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化バリウム、及び、炭酸カルシウムに、白金やマグネシウムなどの触媒を添加し、低温活性を改善してもよい。
さらに、第一のＳＯｘ吸収材は、活性炭やゼオライトなどのように、微細孔を表面に持ち、比較的低温でＳＯｘを物理的に吸着保持するものを用いてもよい。
これらの例示した第一のＳＯｘ吸収材は、単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて使用してもよい。
上述の実施形態では、第二のＳＯｘ吸収材は、炭酸カルシウムとしたが、ＳＯｘを設定温度より高温で貯蔵し、低温でもそのまま貯蔵維持する吸収材であればどのようなものであってもよく、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ金属の化合物、及び、アルカリ土類金属の化合物などが挙げられ、酸化カルシウム、水酸化カルシウムなどが例示される。
これらの例示した第二のＳＯｘ吸収材は、単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて使用してもよい。
また、第二のＳＯｘ吸収材は、例えば走行距離が２０万ｋｍとなった場合においてもＳＯｘを貯蔵可能な十分量を搭載する他、定期的に交換するようにしてもよい。
上述の実施形態では、設定温度を５００℃としたが、第一のＳＯｘ吸収材と第二のＳＯｘ吸収材に用いる物質のＳＯｘ吸収特性に応じて適宜変更可能であり、概ね３５０〜５００℃である。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
本発明の第一実施形態の排気浄化装置を示す模式的な断面図である。 本発明の第一実施形態の排気浄化装置に用いられるＳＯｘ吸収部の模式図である。 本発明の第一実施形態の排気浄化装置に用いられるＳＯｘ吸収部の拡大模式図である。 本発明の第一実施形態の排気浄化装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第一実施形態の第一のＳＯｘ吸収材の特性を示す特性図である。 本発明の第一実施形態の第二のＳＯｘ吸収材の特性を示す特性図である。 本発明の第一実施形態の排気浄化装置におけるＳＯｘ吸収処理の概略を示すフローチャートである。 本発明の第二実施形態の排気浄化装置を示す模式的な断面図である。 本発明の第二実施形態の排気浄化装置に用いられるＳＯｘ吸収部の拡大模式図である。 本発明の第二実施形態の排気浄化装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第二実施形態の第一のＳＯｘ吸収材の特性を示す特性図である。 本発明の第二実施形態の第二のＳＯｘ吸収材の特性を示す特性図である。 本発明の第二実施形態の排気浄化装置におけるＳＯｘ吸収処理の概略を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態の排気浄化装置を示す模式的な断面図である。 本発明の他の実施形態の排気浄化装置に用いられるＳＯｘ吸収部の模式図である。 本発明の他の実施形態の排気浄化装置に用いられるＳＯｘ吸収部の模式図である。 本発明の他の実施形態の排気浄化装置に用いられるＳＯｘ吸収部の模式図である。 ＮＯｘ触媒のＳ被毒を説明する説明図である。
符号の説明
１：排気浄化装置、２０：内燃機関、２１：燃焼室、３０：吸気管、３１：吸気通路、４０：排気管、４１：排気通路、４２：温度センサ、５０：ＮＯｘ触媒、６０：ＳＯｘ吸収部、６１：第一のＳＯｘ吸収部、６２：第二のＳＯｘ吸収部

Claims (14)

  1. 内燃機関の燃焼室から燃焼ガスを排出する排気通路を形成する排気管と、
    前記排気通路に設けられ、前記燃焼ガス中の硫黄酸化物であるＳＯｘを低温で吸収する第一のＳＯｘ吸収材を有する第一のＳＯｘ吸収部と、
    前記排気通路に設けられ、前記燃焼ガス中のＳＯｘを高温で貯蔵し、高温で貯蔵したＳＯｘを低温でもそのまま貯蔵し維持する第二のＳＯｘ吸収材を有する第二のＳＯｘ吸収部と、
    前記第一のＳＯｘ吸収部及び前記第二のＳＯｘ吸収部の下流側の前記排気通路に設けられ、前記燃焼ガス中の窒素酸化物であるＮＯｘを吸収し、この吸収したＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒と、
    を備えることを特徴とする排気浄化装置。
  2. 前記第一のＳＯｘ吸収材は、アルカリ金属、及び、アルカリ土類金属のいずれか１種類または複数種類であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  3. 前記第一のＳＯｘ吸収材は、アルカリ金属、及び、アルカリ土類金属のいずれか１種類または複数種類に白金またはマンガン触媒を添加したものであることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  4. 前記第一のＳＯｘ吸収材は、活性炭、及び、ゼオライトのいずれか１種類または複数種類であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  5. 前記第一のＳＯｘ吸収材は、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、及び、酸化バリウムのいずれか１種類または複数種類であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  6. 前記第一のＳＯｘ吸収材は、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化バリウム、及び、炭酸カルシウムのいずれか１種類または複数種類に白金またはマンガン触媒を添加したものであることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  7. 前記第二のＳＯｘ吸収材は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ金属の化合物、及び、アルカリ土類金属の化合物のいずれか１種類または複数種類であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
  8. 前記アルカリ土類金属の化合物は、炭酸カルシウムであることを特徴とする請求項７に記載の排気浄化装置。
  9. 前記低温とは５００℃以下であり、前記高温とは３５０℃以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
  10. 前記第一のＳＯｘ吸収材を昇温する第一の昇温手段と、
    前記第一のＳＯｘ吸収材においてＳＯｘがオーバーフローした場合、前記第一のＳＯｘ吸収材を昇温するように前記第一の昇温手段を制御する第一の温度制御手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
  11. 前記第二のＳＯｘ吸収材を昇温する第二の昇温手段と、
    前記第二のＳＯｘ吸収材が所定温度以下の場合、前記第二のＳＯｘ吸収材を昇温するように前記第二の昇温手段を制御する第二の温度制御手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
  12. 前記第一のＳＯｘ吸収部は、前記第二のＳＯｘ吸収部の上流側に設けられることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
  13. 前記排気通路の前記第一のＳＯｘ吸収部と前記第二のＳＯｘ吸収部との上流に位置する切り替えバルブを備え、
    前記第一のＳＯｘ吸収部と前記第二のＳＯｘ吸収部とは並列に配置されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
  14. 前記第二のＳＯｘ吸収材が所定温度以下の場合、前記第一のＳＯｘ吸収材にて燃焼ガス中のＳＯｘを吸収し、前記第一のＳＯｘ吸収材においてＳＯｘがオーバーフローした場合、前記第二のＳＯｘ吸収材にて燃焼ガス中のＳＯｘを吸収するように前記切り替えバルブを制御する切り替えバルブ制御手段を有することを特徴とする請求項１３に記載の排気浄化装置。
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