JP4278136B2

JP4278136B2 - 内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物ｎｏｘ処理システムおよび装置

Info

Publication number: JP4278136B2
Application number: JP2003158951A
Authority: JP
Inventors: 淳岩本; 秀実荻原; 義幸中西; 裕司安井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: JP2004360540A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関より排出される排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘを除去する窒素酸化物ＮＯ_Ｘ除去処理システムおよびその除去処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘを除去するために、特公平６−３５８１６号公報に示されたものでは、燃料と空気とを反応させて水素Ｈ_２と窒素Ｎ_２を生成し、この水素Ｈ_２と窒素Ｎ_２とを反応させてアンモニアＮＨ_３を合成し、合成されたアンモニアＮＨ_３とアンモニア合成未反応の水素Ｈ_２および窒素Ｎ_２を分離して、アンモニアＮＨ_３のみをアンモニアタンクに貯溜するとともに、未反応の水素Ｈ_２と窒素Ｎ_２を再びアンモニア合成に供し、内燃機関より排出された排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘ濃度に対応して、前記アンモニアタンクに貯溜したアンモニアＮＨ_３を前記排気ガス中に放出させ、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘを前記アンモニアＮＨ_３で還元し、窒素酸化物ＮＯ_Ｘを除去していた。
【０００３】
【特許文献１】
特公平６−３５８１６号公報
【０００４】
【解決しようとする課題】
前述の窒素酸化物処理システムでは、アンモニア合成工程で、アンモニアＮＨ_３に合成されない未反応の水素Ｈ_２および窒素Ｎ_２がアンモニアと分離されて、再びアンモニア合成工程に返戻されるようになっているため、高純度のアンモニアＮＨ_３をそのまま排気ガス中に添加すると、折角生成されたアンモニアＮＨ_３が排気ガス中の残存酸素Ｏ_２と反応することがあり、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ
_Ｘとの還元反応に全てのアンモニアＮＨ_３が関与することができず、本来の窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理システム効率が達成されえなかった。
【０００５】
また、前述の窒素酸化物処理システムでは、合成されたアンモニアＮＨ_３をアンモニアタンクに貯溜するようになっているため、このアンモニアタンク内の圧力・温度の情況によっては、アンモニアＮＨ_３が水素Ｈ_２と窒素Ｎ_２とに分解して、アンモニア濃度が減少してしまうので、タンク内のアンモニア量が低下し、またアンモニア濃度が変動してしまうので、排気ガス中の窒素酸化物濃度に対応してアンモニアタンク内からのアンモニア排出量を制御しても、内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物を過不足なく除去することができなかった。
【０００６】
さらに、アンモニアＮＨ_３をタンクに濃縮して保存し、噴射するシステムでは、噴射時にアンモニアＮＨ_３気体を排気ガスよりも高圧にすると、毒性の高いアンモニアＮＨ_３が大気中に放出される惧れがあり、安全上好ましくなかった。
【０００７】
さらにまた、アンモニアＮＨ_３を液体にして気化圧力で噴射させると、液化エネルギーが大きいため、エネルギーロスが生ずる。
【０００８】
本発明は、このような不具合を解消した内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物処理システムおよび装置の改良に係り、内燃機関より排出される排気ガス中にアンモニアＮＨ_３を最適な分圧で注入するとともに、シフト反応で未反応の一酸化炭素ＣＯとアンモニア合成で未反応の水素Ｈ_２および窒素Ｎ_２とを同時に注入することにより、注入アンモニアＮＨ_３を窒素酸化物ＮＯ_Ｘの処理に有効に活用することができる窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理システムおよび装置を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段および効果】
請求項１記載の発明は、空気を酸素Ｏ_２と窒素Ｎ_２とに分離する気体分離工程と、内燃機関用燃料に供せられる炭化水素Ｃ_ｎＨ_ｍから水素Ｈ_２と一酸化炭素ＣＯとを生成する燃料改質工程と、該燃料改質工程で生成された一酸化炭素ＣＯで水Ｈ_２Ｏを触媒により水素Ｈ_２に還元するシフト反応工程と、前記燃料改質工程およびシフト反応工程で生成された水素Ｈ_２と、前記気体分離工程で生成された窒素Ｎ_２とを触媒により直接結合してアンモニアＮＨ_３を合成するアンモニア合成工程と、該アンモニア合成工程で合成されたアンモニアＮＨ_３と、前記シフト反応工程で水Ｈ_２Ｏを水素Ｈ_２に還元できなかった一酸化炭素ＣＯと、該アンモニア合成工程で合成されない未反応の水素Ｈ_２および窒素Ｎ_２とを、排気ガス中に放出する窒素酸化物還元工程とよりなることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項１記載の発明は、前述したように構成されているので、アンモニア合成工程で得られたアンモニアＮＨ_３が、このアンモニア合成工程でアンモニアＮＨ_３に合成されない未反応の水素Ｈ_２および窒素Ｎ_２と、またシフト反応工程で反応することができない一酸化炭素ＣＯと共に内燃機関の排気ガス中に放出された際に、排気ガス中の酸素Ｏ_２が、まず酸素Ｏ_２に結合し易くかつ拡散の速い水素Ｈ_２と結合し、次に酸素Ｏ_２と結合度し易い一酸化炭素ＣＯに、排気ガス中の残りの酸素Ｏ_２が結合し、さらに残りの酸素Ｏ_２がアンモニアＮＨ_３と結合する。
【００１１】
このように、アンモニアＮＨ_３と酸素Ｏ_２との結合が、水素Ｈ_２および一酸化炭素ＣＯによって抑制されるため、窒素酸化物ＮＯ_Ｘに選択的かつ容易に反応するアンモニアＮＨ_３は、水素Ｈ_２や一酸化炭素ＣＯよりも優先して排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘと結合する結果、本請求項１記載の発明によれば、窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理にアンモニアＮＨ_３を有効に活用して効果的に窒素酸化物ＮＯ_Ｘを処理することができる。
【００１２】
特に、排気ガス中の酸素量の多いリーンバーン燃焼状態においては、水素Ｈ_２や一酸化炭素ＣＯにより、豊富な酸素Ｏ_２が除去されて、排気ガス中の酸素分圧が下がることで、酸素Ｏ_２によるアンモニアＮＨ_３の酸化が抑制されるため、窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理能力および効率が頗る高い。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、前記アンモニア合成工程で生成されて該窒素酸化物還元工程にて排気ガス中に放出されるアンモニアＮＨ_３が、該排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘを還元するに足る量に基づいて調節される量となるように、前記アンモニア合成工程から窒素酸化物還元工程迄の放出ガス圧力および温度が制御されることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２記載の発明は、前述したように構成されているので、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘを還元するに足る量のアンモニアＮＨ_３が排気ガス中に放出される結果、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘが充分にかつ確実に除去される。
【００１５】
そして、たとえ、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘを還元するに足る量を越えるアンモニアＮＨ_３が、排気ガス中に放出されたとしても、酸化触媒によりＮ_２とＨ_２Ｏに無害化される。
【００１６】
さらに、請求項３記載の発明は、前記各種工程で合成されたアンモニアＮＨ_３、一酸化炭素ＣＯ等の各種ガスとこれらの各種工程で反応されない未反応ガスとが混合されて排気ガス中に排出される混合排出ガスの全圧が、前記排気ガスの圧力よりも高くなるように、前記混合排出ガスの全圧が制御されることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項３記載の発明は、前述したように前記各種工程で合成されたアンモニアＮＨ_３、一酸化炭素ＣＯ等の各種ガスとこれらの各種工程で反応されない未反応ガスとが混合されて排気ガス中に排出される混合排気ガスの全圧が、前記排気ガスの圧力よりも高いため、前記各種工程の合成ガスや未反応ガスとの混合排出ガスは、排気ガス中に円滑に排出される。
【００１８】
さらにまた、請求項４記載の発明は、前記アンモニア合成工程で合成されたアンモニアＮＨ_３の分圧が、前記排気ガスの圧力よりも低くなるように、前記アンモニアＮＨ_３の分圧が制御されることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項４記載の発明では、前記アンモニア合成工程で合成されたアンモニアＮＨ_３の分圧が、前記排気ガスの圧力よりも低いため、前記合成アンモニアＮＨ_３がその他のガスと共に排気ガス中に放出された際に、前記合成アンモニアＮＨ_３の分圧は、アンモニア合成の平衡圧力よりも著しく低いので、直ちにかつ完全に窒素Ｎ_２と水素Ｈ_２に分解されて、毒性の高いアンモニアＮＨ_３が大気中に放出される惧れが全くない。
【００２０】
さらに、請求項５記載の発明は、空気を酸素Ｏ_２と窒素Ｎ_２とに分離する気体分離手段と、内燃機関用燃料に供せられる炭化水素Ｃ_ｎＨ_ｍから水素Ｈ_２と一酸化炭素ＣＯとを生成する燃料改質手段と、該燃料改質手段で生成された一酸化炭素ＣＯで水Ｈ_２Ｏを触媒により水素Ｈ_２に還元するシフト反応手段と、前記燃料改質手段およびシフト反応手段で生成された水素Ｈ_２と、前記気体分離手段で生成された窒素Ｎ_２とを触媒により直接結合してアンモニアＮＨ_３を合成するアンモニア合成手段と、該アンモニア合成手段で合成されたアンモニアＮＨ_３と、該アンモニア合成手段で合成されない未反応の水素Ｈ_２および窒素Ｎ_２とを、排気ガス中に放出する窒素酸化物還元ガス放出手段とよりなることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理システムを容易に実行することができる。
【００２２】
さらにまた、請求項６記載の発明は、前記アンモニア合成手段から窒素酸化物還元ガス放出手段に到るライン圧力・温度を検出するライン圧力・温度検出手段と、前記窒素酸化物還元ガス放出手段より排気ガス上流側の窒素酸化物量を検出する窒素酸化物検出手段と、該窒素酸化物検出手段により検出された排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘを還元するに足るアンモニア量を算定し、前記ライン圧力・温度検出手段により検出されたライン圧力・温度に基き、該算定アンモニア量に基づいて調節される量のアンモニアＮＨ_３を前記窒素酸化物還元ガス放出手段より放出するように、該窒素酸化物還元ガス放出手段に制御信号を送る中央演算処理手段とよりなることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項６記載の発明によれば、請求項２記載の内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理システムを確実に遂行することができる。
【００２４】
排気ガス圧力をＰ_ＥＸとすると、純アンモニアタンクから圧力Ｐ_ＮＨ３のアンモニアＮＨ_３を注入するためには、アンモニア圧力Ｐ_ＮＨ３が排気ガス圧力Ｐ_ＥＸよりも高圧であることが必要である。しかし、エネルギー的かつ安全上の問題により、アンモニア圧力Ｐ_ＮＨ３を低くしたい。
【００２５】
そこで、請求項７記載のように、前記各種工程で合成されたアンモニアＮＨ_３、一酸化炭素ＣＯ等の各種ガスとこれらの各種工程で反応されない未反応ガスとの混合排出ガスの全圧が、前記排気ガスの圧力よりも高くなるように、前記中央演算処理手段が動作することを特徴とする発明がなされた。
【００２６】
請求項７記載の発明によれば、前記合成アンモニア合成手段で合成されたアンモニアＮＨ_３の分圧をＰ´_ＮＨ３とし、一酸化炭素ＣＯの分圧をＰ_ＣＯとし、二酸化炭素ＣＯ_２の分圧をＰ_ＣＯ２とし、これらの各種工程で反応されない未反応ガスたる水素Ｈ_２の分圧をＰ_Ｈ２とし、窒素Ｎ_２の分圧をＰ_Ｎ２とすると、
Ｐ´_ＮＨ３＋Ｐ_ＣＯ＋Ｐ_ＣＯ２＋Ｐ_Ｈ２＋Ｐ_Ｎ２＞Ｐ_ＥＸ
なる関係を成立させることができ、前述したアンモニアＮＨ_３、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ_２、水素Ｈ_２および窒素Ｎ_２の混合ガスを排気ガス中に確実に排出させることができる。
【００２７】
また、請求項８記載の発明は、前記アンモニア合成手段で合成されたアンモニアＮＨ_３の分圧が前記排気ガスの圧力よりも低くなるように、前記中央演算処理手段が動作することを特徴するものである。
【００２８】
請求項８記載の発明では、Ｐ_ＮＨ３をＰ´_ＮＨ３とし、Ｐ´_ＮＨ３＜Ｐ_ＥＸとすることで、アンモニア合成圧力を低下させることができ、アンモニアＮＨ_３のみを抽出して高圧にする必要がなく、エネルギー的にも有利となり、しかも高濃度のアンモニアＮＨ_３の流出を防止することができる。
【００２９】
さらに、実際、窒素酸化物ＮＯ_Ｘを除去する場合、ＮＯ_Ｘ量は排気ガス中で僅かであるため、少量のアンモニアＮＨ_３を添加するよう制御することが困難であるが、低圧のアンモニアＮＨ_３を排出させることにより、アンモニアＮＨ_３の添加量を容易に制御することができる。
【００３０】
さらにまた、請求項９記載の発明は、前記アンモニア合成手段から前記窒素酸化物還元ガス放出手段に到るラインにバッファタンクが介装されたことを特徴とするものである。
【００３１】
請求項９記載の発明によれば、前記アンモニア合成手段で合成されるアンモニア合成量と、前記窒素酸化物還元ガス放出手段から放出されるアンモニア放出量とに時間的に変動があっても、このアンモニア合成量とアンモニア放出量との不均衡を前記バッフアタンクで補償し、どのような状態でも窒素酸化物ＮＯ_Ｘを確実に除去することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照して、本発明の原理を説明する。
【００３３】
空気を窒素Ｎ_２と酸素Ｏ_２とに分離し、内燃機関用燃料である炭化水素Ｃ_ｎＨ_ｍ、一例としてガソリンＣ_７．２５Ｈ_{１４．７９}を前記分離酸素Ｏ_２でもって不完全燃焼させるとともに、水を添加することにより、下記のオートサーマル反応をｉｓｏ−オクタンで近似して反応式で示すと、
Ｃ_８Ｈ_１８＋12.5Ｏ_２→９Ｈ_２＋８ＣＯ_２（発熱反応）
Ｃ_８Ｈ_１８＋８Ｈ_２Ｏ→１７Ｈ_２＋８ＣＯ（吸熱反応）
を行なわせ、水素Ｈ_２、一酸化炭素ＣＯを発生し、これに付随して一酸化炭素ＣＯを一部酸化させて
ＣＯ＋１／２Ｏ_２ →ＣＯ_２
にする。
【００３４】
このオートサーマル反応で得られた一酸化炭素ＣＯで水Ｈ_２Ｏを水素Ｈ_２に還元し（下記のシフト反応）、
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２（発熱反応）
オートサーマル反応およびシフト反応で得られた水素Ｈ_２と空気を分離して得られた窒素Ｎ_２とを、アルミナＡｌ_２Ｏ_３および酸化マグネシウムＭｇＯを担持体とするルテニウムＲｕ触媒、もしくはこれに水酸化セシウムＣｓＯＨや水酸化カリウムＫＯＨなどの促進剤を加えたアンモニア合成触媒上で直接合成し、得られたアンモニアＮＨ_３と、未反応の水素Ｈ_２と窒素Ｎ_２と一酸化炭素ＣＯと二酸化炭素ＣＯ_２とを図示されない内燃機関（ガソリン機関を想定しているがディーゼル機関でも可）の排気ガス中に排出させる。
【００３５】
排気ガス中では、排出されたガスの内、水素Ｈ_２が最も拡散が速く排気ガス中の酸素と高い結合度でもって結合するので、排気ガス中の酸素濃度がこの水素Ｈ_２でもって低下し、次に、シフト反応において反応できなかった一酸化炭素ＣＯが排気ガス中の酸素Ｏ_２と反応して二酸化炭素ＣＯ_２となり、排気ガス中の酸素濃度がさらに低下し、最後にアンモニアＮＨ_３が排気ガス中の酸素Ｏ_２と反応するため、排気ガス中の酸素Ｏ_２によるアンモニアＮＨ_３の減少が阻止される結果、アンモニアＮＨ_３による窒素酸化物ＮＯｘ除去効率が増大する。
【００３６】
現在の技術では、アンモニア合成の際に、一酸化炭素ＣＯが存在すると、アンモニア合成反応用触媒が被毒するため、シフト合成反応で残溜した一酸化炭素ＣＯを分離膜吸着材等で分離除去し、アンモニア反応を迂回して、この一酸化炭素ＣＯを排気ガス中にアンモニアＮＨ_３、水素Ｈ_２、窒素Ｎ_２と共に排出させればよい。
【００３７】
また、アンモニア合成反応用触媒の研究が進み、一酸化炭素ＣＯで被毒しないアンモニア合成反応用触媒が開発された場合には、シフト反応後の水素Ｈ_２から一酸化炭素ＣＯを分離除去する必要が無くなる。
【００３８】
このように、水素Ｈ_２および一酸化炭素ＣＯで排気ガス中の酸素濃度が低下した状態では、アンモニアＮＨ_３が、他の水素Ｈ_２よりも優先して排気ガス中の窒素酸化ＮＯｘと下記のように
４ＮＨ_３＋４ＮＯ＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
４ＮＨ_３＋２ＮＯ_２＋Ｏ_２→３Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
と反応し、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯｘが効率良くかつ確実に除去される。
【００３９】
さらに、部分酸化反応、水蒸気反応とも、二酸化炭素ＣＯ_２が発生するが、作動温度域が、部分酸化反応の方が高温であるため、
ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２の反応が起こりやすい。
【００４０】
また、水素Ｈ_２、一酸化炭素ＣＯを生成するオートサーマル反応の外に、水素Ｈ_２、一酸化炭素ＣＯを生成する部分酸化反応（発熱反応）、または、水素Ｈ_２および一酸化炭素ＣＯを発生する水蒸気改質反応（吸熱反応）により得られた水素Ｈ_２をアンモニアＮＨ_３の原料ガスとして用いるようにしてもよい。
【００４１】
次に、図２を参照して、その具体的な一実施形態について説明する。
【００４２】
図２において、リーンバーンを行なう内燃機関１の排気ポート（図示されず）に排気ガス通路２が接続され、排気ガス通路２には、窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ３が挿入されるとともに、その上流側に排気タービン６が介装されるとともに、その下流側に窒素酸化物選択還元触媒４、酸化還元触媒５が介装されている。
【００４３】
また、排気タービン６における圧縮機６ａの出口は、管路７を介して分離膜よりなる気体分離ユニット８に接続され、該管路７に圧力計９が介装され、気体分離ユニット８の酸素富化ガス出口は酸素供給管10を介して気化器11に接続され、該酸素供給管10に流量制御弁12および酸素濃度センサー13が直列に介装されており、排気タービン６の圧縮機６ａで圧縮された圧縮空気は通路７および圧力計９を介して気体分離ユニット８に供給され、さらに気体分離ユニット８にて分離された酸素富化空気は、酸素供給管10中の流量制御弁12および酸素濃度センサー13を介して気化器11に供給されるようになっている。
【００４４】
さらに、気化器11の出口は管路14を介して燃料改質器15に接続され、燃料改質器15は管路18を介してシフト反応器19に接続され、また気化器11は管路16を介して水タンク17に接続されており、気化器11では、燃料である炭化水素Ｃ_ｎＨ_ｍと排気タービン６の圧縮機６ａで圧縮されて気体分離ユニット８で分離された酸素富化空気と水タンク17内の水Ｈ_２Ｏとが混合されて、炭化水素が霧化または気化され、燃料改質器15では、霧化また気化された炭化水素Ｃ_ｎＨ_ｍと酸素富化空気中の酸素Ｏ_２および水蒸気Ｈ_２Ｏとが前述したような反応を行なって、水素Ｈ_２と、一酸化炭素ＣＯとが生成されるとともに二酸化炭素ＣＯ_２がこれに付随して生成されるようになっている。
【００４５】
さらにまた、シフト反応器19では、燃料改質器15で生成された一酸化炭素ＣＯと燃料改質器15で未反応の水蒸気Ｈ_２Ｏがシフト反応（発熱反応）を行なって、水素Ｈ_２と二酸化炭素ＣＯ_２が生成されるようになっている。
【００４６】
また、気体分離ユニット８の窒素富化空気出口は管路21を介してアンモニア合成器27に接続され、この管路21に窒素（酸素）濃度・圧力センサー22および流量制御弁23が直列に介装され、シフト反応器19の出口は管路24を介してアンモニア合成器27に接続され、この管路24に水素濃度・圧力センサー25、水トラップ20および酸素濃度センサー26が直列に介装されており、水トラップ20で分離された水は水タンク17に返戻され、気体分離ユニット８で分離された窒素富化空気は、管路21、窒素濃度・圧力センサー22および流量制御弁23を介してアンモニア合成器27に供給されるとともに、シフト反応器19で生成された水素Ｈ_２は管路24、水素濃度・圧力センサー25、水トラップ20および酸素濃度センサー26を介してアンモニア合成器27に供給され、アンモニア合成器27では、アンモニア合成が行なわれてアンモニアＮＨ_３が合成されるようになっている。
【００４７】
さらに、アンモニア合成器27の出口は管路28を介して容量の小さなバッファタンク31に接続され、バッファタンク31の出口は管路32を介して窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ３に接続され、管路28に圧力センサー29および圧力調整弁30が直列に介装され、管路32に圧力調整弁33および圧力センサー34が直列に介装され、アンモニア合成器27には温度センサー35が付設され、バッファタンク31には温度センサー36と圧力センサー37が付設されており、アンモニア合成器27で合成されたアンモニアＮＨ_３と水素Ｈ_２と一酸化炭素ＣＯと窒素Ｎ_２と二酸化炭素ＣＯ_２が、バッファタンク31で一時貯溜された後、管路32を介して窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ３より排気ガス通路２内に排出されるようになっている。
【００４８】
さらにまた、窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ３を挟んで排気ガス通路２内の上流側と下流側とにそれぞれ上流側窒素酸化物濃度センサー38、下流側窒素酸化物濃度センサー39が設けられている。
【００４９】
ＣＰＵ40は、流量制御弁12、流量制御弁23、圧力調整弁30および圧力調整弁33を制御する制御装置であって、ＣＰＵ40は、圧力計９で検出された管路７の圧縮空気圧力と酸素濃度センサー13で検出された酸素供給管10の酸素濃度とに基づいて流量制御弁12を制御し、窒素濃度・圧力センサー22で検出された管路21内の窒素濃度および圧力と、水素濃度・圧力センサー25で検出された管路24の水素濃度および圧力とに基づいてアンモニア合成器27内におけるアンモニア合成を適切に行なうよう管路24からアンモニア合成器27に流入する窒素Ｎ_２濃度を酸素濃度センサー26で測定し水素Ｈ_２に対して窒素Ｎ_２の比が最適となるように流量制御弁23を制御するようになっている。
【００５０】
また、ＣＰＵ40は、温度センサー35で検出されたアンモニア合成器27内における温度と、圧力センサー29で検出されたアンモニア合成器27の出口の管路28内の圧力と、温度センサー36、および圧力センサー37で検出されたバッファタンク31内の温度および圧力と、圧力センサー34で検出された管路32内の圧力と、上流側窒素酸化物濃度センサー38および下流側窒素酸化物濃度センサー39で検出された排気ガス通路２内の窒素酸化物の濃度とに基き、圧力調整弁30および圧力調整弁33を適宜制御することにより、バッファタンク31内において、下記の平衡式
【化１】

で、すなわち図３に図示されるバッファタンク31内のアンモニア圧力と濃度と窒素酸化物濃度のマップに基き、アンモニア放出量を制御し、排気ガス通路２内に放出されるアンモニアＮＨ_３が、排気ガス通路２内の窒素酸化物ＮＯ_Ｘを還元するに足る量、またはその量よりも僅かに少ない量となるように、あるいは前記窒素酸化物ＮＯ_Ｘを還元するに足る量を越えるように窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理システムを構成している。
【００５１】
さらにまた、酸化還元触媒５の下流側にアンモニアセンサー41が配設されており、該アンモニアセンサー41で検出されたアンモニア信号はＣＰＵ40に送信されるようになっている。
【００５２】
図２に図示の実施形態は前述したように構成されているので、窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ３から放出されるガスは、アンモニアＮＨ_３のみならず、アンモニア合成器27内においてアンモニアと合成されなかった水素Ｈ_２と、シフト反応器19で水素Ｈ_２に変換されなかった一酸化炭素ＣＯを含むため、排気ガス通路２内の過剰酸素（特にリーンバーンではその割合が多い）は、アンモニアＮＨ_３よりも水素Ｈ_２に反応し、次に一酸化炭素ＣＯと反応し、アンモニアＮＨ_３は過剰酸素で費消されずに窒素酸化物ＮＯｘに有効に作用する結果、アンモニアＮＨ_３による窒素酸化物ＮＯｘの除去処理能力と効率が高い。
【００５３】
また、未酸化反応の水素Ｈ_２、一酸化炭素ＣＯおよびアンモニアＮＨ_３は、窒素酸化物選択還元触媒４の下流側の酸化還元触媒５により、水Ｈ_２Ｏ、二酸化炭素ＣＯ_２および窒素Ｎ_２となり、酸化除去されるため、環境に悪影響を及ぼす惧れがない。
【００５４】
また、窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ３より排気ガス通路２に放出されるガス内のアンモニアＮＨ_３が他の水素Ｈ_２よりも優先して排気ガス中の窒素酸化物ＮＯｘと反応し、窒素酸化物ＮＯｘが窒素Ｎ_２と水Ｈ_２Ｏに分解するため、排気ガス中の窒素酸化物ＮＯｘが確実に除去される。
【００５５】
そして、窒素酸化物ＮＯ_Ｘを分解する理論量よりもＮＨ_３添加が少ない場合には、窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ３より排気ガス通路２に放出されるガス中のアンモニアＮＨ_３が排気ガス中の窒素酸化物ＮＯｘを完全に分解するには不足したとしても、窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ３より放されるガス中の水素Ｈ_２が窒素酸化物ＮＯｘと反応し、窒素酸化物ＮＯｘがやはり窒素Ｎ_２と水Ｈ_２Ｏとに分解するために、窒素酸化物選択還元触媒４を介して酸化還元触媒５より排出される排気ガス中には、アンモニアＮＨ_３が残存する惧れが全くない。
【００５６】
さらに、窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ３の上流側と下流側とで排気ガス通路２内の窒素酸化物ＮＯｘ濃度を検出するため、内燃機関１から排出される排気ガス中の窒素酸化物ＮＯｘを適切に還元処理できるとともに、その窒素酸化物ＮＯｘの時間的な変動に対しても直ちに窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ３からのガス排出量を制御することができる。
【００５７】
さらにまた、バッファタンク31がアンモニア合成器27と窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ３との間に設けられているので、アンモニア合成器27のアンモニア生成量と、窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ３より放出されるアンモニア放出量のアンバランスを31で吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を図解した説明図である。
【図２】本発明の一実施形態を図示したシステム図である。
【図３】実用領域での圧力と温度に対するアンモニア平衡濃度の特性図である。
【符号の説明】
１…内燃機関、２…排気ガス通路、３…窒素酸化物還元ガス放出インジェクタ、４…窒素酸化物選択還元触媒、５…酸化還元触媒、６…排気タービン、７…管路、８…気体分離ユニット、９…圧力計、10…酸素供給管、11…気化器、12…流量制御弁、13…酸素濃度センサー、14…管路、15…燃料改質器、16…管路、17…水タンク、18…管路、19…シフト反応器、20…水トラップ、21…管路、22…窒素濃度・圧力センサー、23…流量制御弁、24…管路、25…水素濃度・圧力センサー、26…酸素濃度センサー、27…アンモニア合成器、28…管路、29…圧力センサー、30…圧力調整弁、31…バッファタンク、32…管路、33…圧力調整弁、34…圧力センサー、35…温度センサー、36…温度センサー、37…圧力センサー、38…上流側窒素酸化物濃度センサー、39…下流側窒素酸化物濃度センサー、40…ＣＰＵ、41…アンモニアセンサー。

Claims

空気を酸素Ｏ_２と窒素Ｎ _２とに分離する気体分離工程と、
内燃機関用燃料に供せられる炭化水素ＣｎＨｍから水素Ｈ_２と一酸化炭素ＣＯとを生成する燃料改質工程と、
該燃料改質工程で生成された一酸化炭素ＣＯで水Ｈ_２Ｏを触媒により水素Ｈ_２に還元するシフト反応工程と、
前記燃料改質工程およびシフト反応工程で生成された水素Ｈ_２と、前記気体分離工程で生成された窒素Ｎ_２とを触媒により直接結合してアンモニアＮＨ_３を合成するアンモニア合成工程と、
該アンモニア合成工程で合成されたアンモニアＮＨ_３と、前記シフト反応工程で水Ｈ_２Ｏを水素Ｈ_２に還元できなかった一酸化炭素ＣＯと、該アンモニア合成工程で合成されない未反応の水素Ｈ_２および窒素Ｎ_２とを、排気ガス中に放出する窒素酸化物還元工程とよりなることを特徴とする内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理システム。
前記アンモニア合成工程で生成されて該窒素酸化物還元工程にて排気ガス中に放出されるアンモニアＮＨ_３が、該排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘを還元するに足る量に基づいて調節される量となるように、前記アンモニア合成工程から窒素酸化物還元工程迄の放出ガス圧力および温度が制御されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理システム。
前記各種工程で合成されたアンモニアＮＨ_３、一酸化炭素ＣＯ等の各種ガスとこれらの各種工程で反応されない未反応ガスとが混合されて排気ガス中に排出される混合排出ガスの全圧が、前記排気ガスの圧力よりも高くなるように、前記混合排出ガスの全圧が制御されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理システム。
前記アンモニア合成工程で合成されたアンモニアＮＨ_３の分圧が、前記排気ガスの圧力よりも低くなるように、前記アンモニアＮＨ_３の分圧が制御されることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_ｘ処理システム。
空気を酸素Ｏ_２と窒素Ｎ_２とに分離する気体分離手段と、
内燃機関用燃料に供せられる炭化水素Ｃ_ｎＨ_ｍから水素Ｈ_２と一酸化炭素ＣＯとを生成する燃料改質手段と、
該燃料改質手段で生成された一酸化炭素ＣＯで水Ｈ_２Ｏを触媒により水素Ｈ_２に還元するシフト反応手段と、
前記燃料改質手段およびシフト反応手段で生成された水素Ｈ_２と、前記気体分離手段で生成された窒素Ｎ_２とを触媒により直接結合してアンモニアＮＨ_３を合成するアンモニア合成手段と、
該アンモニア合成手段で合成されたアンモニアＮＨ_３と、該アンモニア合成手段で合成されない未反応の水素Ｈ_２および窒素Ｎ_２とを、排気ガス中に放出する窒素酸化物還元ガス放出手段とよりなることを特徴とする内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理装置。
前記アンモニア合成手段から窒素酸化物還元ガス放出手段に到るライン圧力・温度を検出するライン圧力・温度検出手段と、
前記窒素酸化物還元ガス放出手段より排気ガス上流側の窒素酸化物量を検出する窒素酸化物検出手段と、
該窒素酸化物検出手段により検出された排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘを還元するに足るアンモニア量を算定し、前記ライン圧力・温度検出手段により検出されたライン圧力・温度に基き、該算定アンモニア量に基づいて調節される量のアンモニアＮＨ_３を前記窒素酸化物還元ガス放出手段より放出するように、該窒素酸化物還元ガス放出手段に制御信号を送る中央演算処理手段とよりなることを特徴とする請求項５記載の内燃機関排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理装置。
前記各種手段で合成されたアンモニアＮＨ_３、一酸化炭素ＣＯ等の各種ガスとこれらの各種手段で反応されない未反応ガスとの混合排出ガスの全圧が、前記排気ガスの圧力よりも高くなるように前記中央演算処理手段が動作することを特徴とする請求項６記載の内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理装置。
前記アンモニア合成手段で合成されたアンモニアＮＨ_３の分圧が前記排気ガスの圧力よりも低くなるように、前記中央演算処理手段が動作することを特徴とする請求項７記載の内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_ｘ処理装置。
前記アンモニア合成手段から前記窒素酸化物還元ガス放出手段に到るラインにバッファタンクが介装されたことを特徴とする請求項５ないし請求項８いずれか記載の内燃機関排気ガス中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘ処理装置。