WO2005071236A1 - 排気ガス浄化装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

　希薄燃焼を行う内燃機関及び燃焼機器等において、ＳＯｘ等の被毒を生じることなく、効率良くＮＯｘ及びすす等の粒子状物質を除去することを目的としている。内燃機関１等の排気通路２に設置される排気ガス浄化装置であり、空気過剰雰囲気でも窒素酸化物を一時的に吸着でき、該吸着した窒素酸化物を昇温又は還元雰囲気で脱離するＮＯｘ吸着材４と、前記ＮＯｘ吸着材４より排気上流側に配置され、排気を昇温又は還元雰囲気にする吸着物質脱離手段３と、前記ＮＯｘ吸着材４より排気下流側に配置され、燃料ノズル６及び点火装置７から構成された燃焼装置５を、前記排気通路２内に備えている。通常運転時には、ＮＯｘ吸着材４により排気ガス中のＮＯｘを吸着し、ＮＯｘ吸着量が飽和状態になると、吸着物質脱離手段３及び燃焼装置５を作動させ、ＮＯｘを脱離させ、燃焼装置５の燃焼過濃燃焼領域Ｘ1で燃焼除去する。

Description

明 細 書

排気ガス浄化装置及びその制御方法

技術分野

[0001] 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ゃボイラ等の燃焼機器の排気ガスを浄ィ匕する装置に関し、特 に排気通路内に設置されて主として窒素酸ィ匕物とすす等の粒子状物質を除去する 排気ガス浄化装置に関する。

背景技術

[0002] 排気ガス浄ィ匕の対象となる物質は、窒素酸化物、一酸化炭素、未燃炭化水素及び すす等粒子状物質であるが、これらの物質を浄化する装置については、従来各種開 発されている。

[0003] 窒素酸化物 (NOx)を低減するための装置としてはアンモニアや尿素を還元剤とし て用 、た還元触媒を排気通路中に設置し、窒素酸化物を選択的に還元する脱硝装 置等が実用化されている。また、比較的小型のガス機関や自動車用ガソリン機関で は、窒素酸化物、一酸ィ匕炭素 (CO)及び未燃炭化水素 (HC)の三者を同時に分解 できる三元触媒が開発されており、排気ガスの効果的な浄ィ匕に寄与している。

[0004] しかし、前記三元触媒は、理論空燃比又はそれに近い範囲内で運転されている時 には有効に浄化作用を発揮するが、それ以外の条件下、特に空気 (酸素)過剰な排 気ガス中では有効に作用しないことが判明している。これに対処するため、空気過剰 状態で運転されるガス又はガソリン機関にお!、ては、前記空気 (酸素)過剰条件での 運転時に一時的に窒素酸ィ匕物を吸蔵材に吸蔵しておき、次に燃料過剰条件で運転 することにより、前記吸蔵した窒素酸ィ匕物を放出'還元する窒素酸ィ匕物吸蔵触媒方 式が実用化されている。

[0005] しかし、窒素酸化物吸蔵触媒方式は、燃料中の硫黄成分に由来する排ガス中の硫 黄酸化物（SOx)によって触媒が被毒し、窒素酸化物の浄化能力が急激に減少する ことが判明しており、そのため低硫黄含有燃料を使用する機関においてのみ使用さ れているのが現状である。なお、窒素酸ィ匕物浄ィ匕塔内において吸蔵材により窒素酸 化物を吸蔵し、同じ窒素酸ィ匕物浄ィ匕塔内において燃焼することにより、吸蔵材に吸 着されている窒素酸化物を還元すると共に硫黄酸化物等を放出する構成の浄化装 置 (特許文献 1)も開発されているが、吸蔵材を内蔵する浄化塔内で燃焼する構成の ため、現実的に吸蔵材の耐久性が問題となる。

[0006] また、すす等の粒子状物質の除去には、電気集塵器や DPFが実用化されている。

該 DPFは、フィルタ一により粒子状物質を物理的に捕獲し、電気ヒータ等により、前 記捕獲した粒子状物質を焼却除去するようになっているが、最近では、酸化作用の ある触媒成分を微粒子フィルターに担持させ、粒子状物質を連続的に除去できる D PFも開発されている。

特許文献 1：特開 2003— 27927号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 前記三元触媒では、既に説明しているように、空気過剰条件で運転される内燃機 関や燃料機器では触媒機能を発揮させることができず、また、小型のガス機関ゃ自 動車用ガソリン機関で実用化されている前記窒素酸ィ匕物吸蔵触媒方式では、硫黄 酸化物や粒子状物質が含まれる排気中では、その浄化能力を効果的に発揮させる ことは困難である。

[0008] 産業用内燃機関や燃焼機器及び船舶用内燃機関では、空気過剰条件で運転され ているものが殆どであり、また、硫黄成分が含まれる燃料を使用していることから、排 気ガス中には硫黄酸ィ匕物や粒子状物質が多く含まれており、そのような排気ガス中 でも、性能が十分に発揮できる排気ガス浄ィ匕装置が要望されて 、る。

[0009] なお、アンモニアや尿素等を用いて窒素酸ィ匕物を選択的に還元する脱硝装置は、 比較的大型の産業用内燃機関や燃焼機器に適用されて 、るが、装置自体が大掛か りで非常に高価なものであり、また、還元剤のアンモニアや尿素の維持費も高くなる。 さらに、消費されな 、アンモニアが大気中に放出される可能性も大き 、。

[0010] (発明の目的）

本発明の目的は、主として空気過剰条件で運転する内燃機関又は燃焼機器にお いて、排気ガス中の窒素酸化物、すす等の粒子状物質、一酸化炭素及び未燃炭化 水素を除去でき、しかもその浄ィ匕能力を低下させることなく維持できる排気ガス浄ィ匕 装置を提供することである。また、従来のように硫黄酸ィ匕物の被毒による触媒の劣化 を少なくし、硫黄成分を多く含むような燃料でも性能が十分に発揮できるようにするこ とも目的としている。

課題を解決するための手段

[0011] 前記課題を解決するために本願請求項 1に記載した基本的な発明は、内燃機関又 は燃焼機器の排気通路に設置される排気ガス浄ィ匕装置において、窒素酸化物を一 時的に吸着し、該吸着した窒素酸ィ匕物を昇温又還元雰囲気で脱離する窒素酸ィ匕物 吸着材と、該窒素酸化物吸着材より排気上流側に配置され、排気を昇温又は還元 雰囲気にする吸着物質脱離手段と、前記窒素酸化物吸着材より排気下流側に配置 され、燃料供給手段及び着火手段カゝら構成された燃焼装置とを、排気通路内に備え ている。

[0012] 請求項 2記載の発明は、請求項 1記載の排気ガス浄化装置において、前記燃焼装 置は、前記燃料供給手段力も供給される燃料と前記窒素酸ィ匕物吸着材カもの排気 ガスによって燃料過剰条件で燃焼する燃料過濃燃焼領域と、該燃料過濃燃焼領域 の排気下流側に位置すると共に、前記燃料過濃燃焼領域力ゝらの排気ガスと空気供 給手段力 の空気により空気過剰条件で燃焼する燃料希薄燃焼領域とを有している

[0013] 請求項 3記載の発明は、請求項 1又は 2に記載の排気ガス浄ィ匕装置において、前 記排気通路を複数の分岐排気通路に分岐しており、各分岐排気通路の排気入口に は排気ガスを遮断可能な排気ガス遮断手段を設け、各分岐排気通路内には、前記 窒素酸化物吸着材と、前記窒素酸ィ匕物吸着材より排気上流側に配置され、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昇温又は還元雰囲 気にする吸着物質脱離手段と、前記窒素酸化物吸着材より排気下流側に配置され た前記燃焼装置を、それぞれ備えている。

[0014] 前記吸着物質脱離手段として各種構成のものを適用できるが、本願では、昇温手 段と還元剤供給手段からなる吸着物質脱離手段、発熱抵抗体からなる吸着物質脱 離手段、吸着物質脱離用燃料供給手段力もなる吸着物質脱離手段、吸着物質脱離 用燃料供給手段と該吸着物質脱離用燃料供給手段より排気下流側に配置される酸 化作用を有する触媒からなる吸着物質脱離手段、又は吸着物質脱離用空気供給手 段と吸着物質脱離用燃料供給手段と吸着物質脱離用着火手段力 なる脱離用燃焼 装置を適用している。

[0015] 粒子状物質を捕獲するために、窒素酸化物吸着材の排気上流側に、粒子状物質 捕獲用の微粒子フィルターを配置するか、あるいは窒素酸化物吸着材自身の形状を 、粒子状物質捕獲可能な物理的形状に形成することができる。前記微粒子フィルタ 一は、粒子状物質を捕獲するだけの機能を有する構造でも良いが、酸化作用を有す る触媒を含み、連続的に粒子状物質を酸化できる構造のものを採用することもできる 。また、窒素酸ィ匕物吸着材自身の具体的形状としては、たとえば担体のハニカムを 1 セルずつ排気流れ方向の交互にその端を塞いだ構造としたもの（目封じタイプ又は ウォールフロータイプ)を採用でき、それにより効果的に粒子を除去できる。

[0016] 排気ガス中に硫黄酸ィ匕物が含まれていても、窒素酸ィ匕物吸着材の性能を十分に 発揮させるために、窒素酸化物吸着材の排気上流側に硫黄酸化物吸着材を配置す ることがでさる。

[0017] 前記燃料希薄燃焼領域を形成するために用いる燃焼装置の空気供給手段は、過 給機付内燃機関の場合には、過給機の圧縮機の出口部分に接続して、過給機から の圧縮空気を利用することもできる。

[0018] 前記吸着物質脱離手段として吸着物質脱離用燃焼装置を設ける場合には、吸着 物質脱離用燃焼装置及び/又は吸着材下流側に配置された燃焼装置に保炎機構を 備えることができる。この保炎機構は、排気ガスの流れを部分的に遮断することにより 、排気ガスの流速を遅くし、さらに逆流領域 (渦領域)を形成し、火炎を保持する機構 である。排気ガスを旋回羽根等で旋回させ、それにより排気ガスの循環領域を形成 するようにすることもでき、また、少量の空気を供給して、燃料供給手段の近傍に高 酸素濃度領域を形成させる手段も有効である。

[0019] 排気通路が接続される内燃機関が圧縮着火式の場合には、内燃機関の筒内に燃 料を直接噴射する燃料噴射弁を制御することにより、吸着物質脱離手段として利用 することができる。たとえば機関膨張行程もしくは排気行程において二次燃料を噴射 させる力、又は、噴射時期を遅延させることにより、排気ガスの温度を上昇させ、さら に COや HCを供給することで、窒素酸化物吸着材の窒素酸化物を脱離させる。また 、空気過剰条件で運転されるガソリン機関及びガス機関においても、一時的に燃料 過剰運転させることで排気温度を上昇させ、還元雰囲気を作ることで、 NOxを脱離さ せることができる。

[0020] また、燃焼装置の燃料希薄燃焼領域の排気下流側に熱交換器を配置し、該熱交 を前記吸着物質離脱手段の空気供給手段に接続し、前記熱交換器において 燃料希薄燃焼領域からの排気ガスと熱交換されて昇温した高温空気を、前記吸着物 質脱離手段の空気供給手段に利用することができる。

[0021] 排気通路を複数の分岐排気通路に分岐する構成において、各分岐排気通路の前 記燃料希薄燃焼領域の排気下流側にそれぞれ開閉弁を有する大気開放部を設け、 各分岐排気通路の大気開放部よりも排気下流側部分を合流排気通路に合流すると 共に、該合流部に、各分岐排気通路を選択的に下流側排気通路に接続する出口側 切替弁を設け、通常運転時には、開閉弁を閉じて分岐排気通路の排気ガスを下流 側排気通路に排出し、吸着物質脱離手段 (昇温手段等)と燃焼装置が作動している 時には、開閉弁を開いて分岐排気通路の排気ガスを大気に放出するように構成する ことちでさる。

[0022] 本発明は、前記各排気ガス浄ィ匕装置の制御方法も特徴としており、請求項 2又は 3 に記載された排気ガス浄化装置の制御する方法にぉ ヽて、前記窒素酸化物吸着材 の排気上流側に温度検知手段を配置し、前記窒素酸化物吸着材の排気下流側に 窒素酸ィ匕物吸着材による吸着量を検出する吸着量検知手段を配置し、通常運転時 の窒素酸化物吸着材による吸着量を前記吸着量検知手段により検知し、吸着量が 所定量に達した時に前記吸着物質脱離手段を作動させると共にあるいは遅らせて燃 焼装置を作動させ、燃料過濃燃焼領域では、窒素酸化物吸着材からの排気ガスと燃 料供給手段カゝら供給される燃料とで構成される混合気が燃料過剰となるように制御し 、燃料希薄燃焼領域では、窒素酸ィ匕物吸着材カゝらの排気ガスと燃焼装置の空気供 給手段から供給される空気で構成される混合気が空気過剰となるように制御し、前記 吸着量検知手段によって窒素酸化物吸着材の吸着物がすべて脱離した状態を検知 すると、前記吸着物質脱離手段と燃焼装置の作動を停止し、通常運転状態に戻るよ うにしている。

[0023] 前記制御方法において、通常運転時は排気ガスに含まれる窒素酸化物は窒素酸 化物吸着材により吸着され、一酸化炭素や炭化水素等の未燃分は、窒素酸化物吸 着材に含まれる酸化作用を有する触媒成分により酸化され、無害化される。粒子状 物質が含まれる場合は、窒素酸化物吸着材の形状を粒子状物質の捕獲に適した形 状とすることにより、捕獲浄化される。窒素酸化物吸着材の窒素酸化物吸着量が所 定量 (たとえば飽和量）に達すると、昇温手段等の窒素酸化物脱離手段によって窒 素酸化物吸着材を昇温させて窒素酸化物を脱離させ、排気下流の燃料過濃燃焼領 域で還元除去し、また、内燃機関又は燃焼機器から排出される一酸ィ匕炭素や炭化 水素又は粒子状物質等は、排気下流の燃料希薄燃焼領域で酸化除去する。さらに 、前記捕獲した粒子状物質は、窒素酸化物吸着材を昇温する際に焼却除去すること ができる。さら〖こ、硫黄酸化物が排気ガス中に含まれる場合には、窒素酸化物吸着 材の材質を、硫黄酸化物を吸着しにくい材質とするか、または、吸着されても、硫黄 酸化物脱離温度まで吸着材を昇温し、また、必要に応じて還元雰囲気とすることによ り、硫黄酸化物を脱離させ、窒素酸化物吸着材を再生する。

[0024] 複数の分岐排気通路を有する排気ガス浄化装置の制御方法にお！ヽては、各分岐 排気通路に、前記窒素酸化物吸着材の排気上流側に温度検知手段を配置し、前記 窒素酸化物吸着材の排気下流側に吸着量検知手段を配置し、少なくとも 1つの分岐 排気通路に内燃機関又は燃焼機器力ゝらの排気ガスを流入させ、通常運転時の窒素 酸化物吸着材による吸着量を前記吸着量検知手段により検知し、吸着量が所定量 に達した時に、前記分岐排気通路への排気ガス流入を排気ガス遮断手段により遮断 し、前記吸着物質脱離手段を作動させると同時にあるいは早める力もしくは遅らせて 燃焼装置を作動させ、前記分岐排気通路内の燃料過濃燃焼領域では、内燃機関等 力 の排気ガスと燃焼装置の燃料供給手段力 供給される燃料とで構成される混合 気が燃料過剰となるように制御し、燃料希薄燃焼領域では、燃料過濃燃焼領域から の排気ガスと燃焼装置の空気供給手段から供給される空気で構成される混合気が 空気過剰となるように制御し、前記吸着量検知手段によって窒素酸ィ匕物吸着材の吸 着物がすべて脱離した状態を検知すると、前記吸着物質脱離手段と燃焼装置の作 動を停止し、通常運転状態に戻るようにし、すべての分岐排気通路が同時に排気ガ ス遮断を行わな 、ように、前記制御を分岐排気通路毎に行うようにすることができる。

[0025] 前記分岐排気通路型排気ガス浄化装置の制御方法にお!、ては、通常運転と再生 運転を各分岐排気通路に交互又は順に行う。たとえば、 2つの分岐排気通路を有す る場合は、内燃機関又は燃焼機器の排気ガスを、まず、一方の分岐排気通路に流 入させ、窒素酸ィ匕物吸着材への窒素酸ィ匕物の吸着量が所定量 (たとえば飽和量）に 達すると、一方の分岐排気通路を遮断すると共に他方の分岐排気通路を内燃機関 に接続し、排気ガスを流入させる。すなわち、他方の分岐排気通路により通常運転状 態を受け継ぎ、前記一方の分岐排気通路は再生運転を行う。

[0026] さらに、排気ガス浄ィ匕装置の制御方法において、前記窒素酸化物吸着材の排気上 流側に温度検知手段及び圧力検知手段を配置し、前記窒素酸化物吸着材の排気 下流側に吸着量検知手段を配置し、通常運転時における窒素酸化物吸着材の排気 上流側の排気ガス圧力を圧力検知手段により検知すると共に、窒素酸化物吸着材 による吸着量を前記吸着量検知手段により検知し、捕獲した粒子状物質が多くなり、 排気通路の排気ガス圧力が所定値に達した時又は吸着量が所定量に達した時のい ずれか早い時に前記吸着物質脱離手段を作動させると同時にあるいは早める力もし くは遅らせて燃焼装置を作動させるように制御する。なお、窒素酸化物吸着材の上 流側に微粒子フィルターや SOx吸着材を配置する場合は、圧力検知手段は、微粒 子フィルターや SOx吸着材の上流側に配置する。

発明の効果

[0027] まず、本発明による基本的な作用を簡単に説明すると、通常運転中は吸着物質脱 離手段及び燃焼装置は停止させており、内燃機関等力 排出される排気ガス中の窒 素酸ィ匕物は窒素酸ィ匕物吸着材に吸着される。排気ガス中の炭化水素や一酸ィ匕炭素 等の未燃分は、窒素酸化物吸着材に含まれている酸化作用を有する触媒により酸 化され、無害化される。窒素酸ィ匕物吸着材の吸着量が所定量 (たとえば飽和量）に達 すると、吸着物質脱離手段及び燃焼装置を作動させ、窒素酸化物吸着材から窒素 酸化物を脱離させると共に、燃焼装置に送りこみ、たとえば燃焼装置の燃焼火炎内 での局所燃料過濃燃焼領域で還元除去する。再生運転中、排気ガス中の炭化水素 や一酸化炭素又は粒子状物質にっ 、ては、燃焼装置の過濃燃料領域外にお 、て 酸化除去する。さらに、硫黄酸化物が排気ガス中に含まれる場合には、窒素酸化物 吸着材の材料を硫黄酸ィ匕物が吸着しにくい構成とする力、あるいは吸着されても、吸 着物質脱離手段を利用して硫黄酸化物脱離温度まで吸着材を昇温させ、あるいは 還元雰囲気にさせることで吸着材力 脱離させ、吸着材の被毒化を防止する。このよ うな基本的な作用を有する本発明は、次のような効果を奏する。

[0028] (1)特に、空気過剰条件で運転が行われるような内燃機関又は燃焼機器において、 通常運転中、排気ガス中の窒素酸ィ匕物を窒素酸ィ匕物吸着材により効率良く吸着し、 再生運転において燃焼装置により焼却除去して排出することができ、また、硫黄酸化 物による窒素酸ィ匕物吸着材への被毒も防止でき、浄ィ匕能力を持続させることができる

[0029] (2)前記燃焼装置内の排気上流側に燃料過濃燃焼領域を、排気下流側に燃料希 薄燃焼領域を形成することにより、前記窒素酸ィ匕物吸着材力 脱離された窒素酸ィ匕 物は漏れなく前記燃料過濃燃焼領域を通過することになり、窒素酸化物の還元除去 率が向上する。

[0030] (3)排気通路を 2以上の分岐排気通路に分岐し、各分岐排気通路内に、前記単一 の排気通路構造の場合と同様の吸着物質脱離手段、窒素酸化物吸着材及び燃焼 装置を上流側力 順に配置する構造としていると、少なくとも一本の分岐排気通路に 内燃機関等からの排気ガスを流し、残りの分岐排気通路は排気ガスを遮断して、再 生運転を行うことができる。これにより、再生運転状態の分岐排気通路への排気ガス は遮断された状態であるので、内燃機関又は燃焼機器の排気ガス量に関係なぐ再 生運転状態の分岐排気通路内への空気量を自由に設定できる。したがって、通常運 転状態の分岐排気通路とは独立に、再生運転状態の分岐排気通路の空気量を少な く設定でき、窒素酸ィ匕物吸着材力 窒素酸ィ匕物を脱離させるために消費するェネル ギー (燃料流量)と燃焼装置に供給する燃料流量を少なく設定でき、燃料コストの節 約が達成できる。

[0031] (4)吸着物質脱離手段として、昇温手段と還元剤供給手段を備えていると、還元剤 を投入することで、窒素酸化物及び硫黄酸化物の窒素酸化物吸着材からの脱離を 効率よく行うことができる。

[0032] (5)吸着物質脱離手段として、たとえば電気ヒータ等の発熱抵抗体を備えていると、 確実かつ迅速に昇温できる。

[0033] (6)吸着物質脱離手段として、吸着物質脱離用燃料供給手段を備えていると、供給 される燃料が還元剤の役割を果たし、また、窒素酸化物吸着材に含まれる酸化作用 を有する触媒上で酸化される時の発熱を利用することができる。

[0034] (7)吸着物質脱離手段として、吸着物質脱離用燃料供給手段と該吸着物質脱離用 燃料供給手段より排気下流側に配置される酸化作用を有する触媒とを備えていると 、窒素酸化物吸着材に含まれる酸化作用を有する触媒上で酸化される時に発熱し、 この熱を脱離に利用することができる。

[0035] (8)吸着物質脱離手段として、吸着物質脱離用空気供給手段と吸着物質脱離用燃 料供給手段と吸着物質脱離用着火手段力 なる脱離用燃焼装置を備えていると、瞬 時に、より高温に昇温することが可能となり、また、空気流量と燃料流量を調節するこ とで、さまざまな条件に柔軟に対応できる。

[0036] (9)窒素酸ィ匕物吸着材の排気上流に微粒子フィルターを配置して 、ると、窒素酸ィ匕 物吸着材に流入する前に排気ガス中の粒子状物質が除去されるため、窒素酸ィ匕物 吸着材による窒素酸ィ匕物吸着率が粒子状物質によって影響を受けることがなくなり、 良好に窒素酸ィ匕物を吸着することができる。なお、微粒子フィルターへの粒子状物 質の捕獲量が飽和状態になると背圧が上昇することになるが、窒素酸化物吸着材の 窒素酸ィ匕物の吸着量が飽和状態となって再生運転を行う際に、吸着物質脱離手段 の温度上昇によって粒子状物質を焼却除去することが可能であり、それにより微粒子 フィルターを再生することができる。

[0037] (10)窒素酸化物吸着材自身の形状を、粒子状物質捕獲可能な物理的形状に形成 することにより、粒子状物質の除去を行えるように構成しながらも、浄化装置を小型に 保つことができる。

[0038] (11)窒素酸化物吸着材の排気上流側に硫黄酸化物吸着材を配置すると、硫黄酸 化物及び窒素酸ィ匕物をそれぞれ硫黄酸ィ匕物吸着材と窒素酸ィ匕物吸着材に吸着し、 効率よくそれぞれを吸着できる。なお、硫黄酸化物吸着材は、窒素酸化物吸着材の 吸着量が飽和状態となって再生運転を行う際に、同時に昇温されることで硫黄酸ィ匕 物を脱離し、再生すことができる。

[0039] (12)前記燃料希薄燃焼領域を形成するために用いる空気供給手段として、過給機 からの圧縮空気の一部を利用することにより、別置の空気供給手段が不要となり、装 置の小型化が図れる。

[0040] (13)前記燃料過濃燃焼領域の排気下流側に形成される燃料希薄燃焼領域の代わ りに、空気を供給する空気供給手段と、酸化機能を有する触媒を順に配置してあると 、比較的温度が低い状態でも、良好に未燃炭化水素や一酸化炭素を酸化除去でき 、装置の小型化にも貢献する。

[0041] (14)前記吸着物質脱離手段の排気上流側に、排気ガス冷却手段を配置すると共に 温度センサーを設けてあると、窒素酸化物吸着材に流入する排気ガスの温度を、窒 素酸ィ匕物吸着材の吸着能力が最も発揮できる温度に制御でき、内燃機関及び燃料 機器のいかなる運転状態においても良好に除去できる。また、これにより、さまざまな 活性温度帯を有する吸着材に対応可能になる。

[0042] (15)前記吸着物質脱離手段として、保炎機構を有する窒素酸化物脱離用燃焼装置 を備えていると、残存酸素濃度が低い排気ガスに対しても、安定的に燃焼させること ができる。

[0043] (16)圧縮着火式内燃機関において、機関膨張行程排気行程に二次燃料を噴射す るように構成することにより、排気ガス温度を上昇させ、さら〖こは、一酸化炭素や炭化 水素等の還元成分も多量に含ませるようにすると、特別な吸着物質脱離手段を新た に設けることなぐ窒素酸ィ匕物を脱離させることが可能となり、排気ガス浄化装置の簡 素化を図ることができる。

[0044] (17)圧縮着火式内燃機関において、燃料噴射時期を遅延させることにより、排気ガ ス温度を上昇させ、さら〖こは、 COや HC等の還元成分も増加させることで、特別な吸 着物質脱離手段を新たに設けることなぐ窒素酸ィ匕物を脱離させることが可能となり、 排気ガス浄ィ匕装置の簡素化を図ることができる。

[0045] (18)前記燃料希薄燃焼領域の排気下流側に熱交換器を配置し、該熱交換器によ つて燃料希薄燃焼領域からの高温排気ガスの熱を吸収し、この熱を吸着物質脱離 手段用に利用することにより、吸着材の排気上流に、特別に昇温手段等を設ける必 要がなぐ排気ガス浄化装置を小型化できる。さらに、燃料過濃燃焼領域の火炎温 度も高くすることができ、窒素酸化物の還元率も向上する。

[0046] (19)複数に分岐された各分岐排気通路内に配置される排気ガス浄ィヒ装置において 、各分岐排気通路を選択的に大気に開放可能な構成とすると、再生運転中におい ては、たとえば窒素酸ィ匕物吸着材に窒素酸ィ匕物と共に吸着された硫黄酸ィ匕物は脱 離するが、大気に開放することにより放出し、一方、通常運転時にはたとえば窒素酸 化物吸着材で硫黄酸ィ匕物が吸着除去されるため、硫黄酸ィ匕物は排出されない。した がって、排気ガスを排ガスボイラなどで排熱回収する場合、通常運転時における排 気ガスを利用することにより、酸による排ガスボイラの腐食を考慮することなぐ低温度 まで熱回収することができ、熱回収率が大幅に向上する。ちなみに、硫黄酸化物が 含まれる排気ガスを排熱ボイラなどに使用すると、温度が所定以下まで下がると腐食 するので、低温度まで熱回収できず、熱回収効率が悪くなる。

[0047] (20)窒素酸ィ匕物吸着材により窒素酸ィ匕物を吸着し、かつ、粒子状物質を捕獲する 構成において、窒素酸ィ匕物の吸着量より粒子状物質の捕獲量が多い場合には、窒 素酸ィ匕物の吸着量を基準として再生運転を行っていると、効率よく有害成分を除去 できなくなる可能性があるが、窒素酸化物吸着材の排気上流に圧力検知手段を備え ると共に排気下流側に吸着量検知手段を配置して、圧力検知手段による圧力が所 定以上になるかあるいは吸着量が所定量 (たとえば飽和量）に達するか、いずれか早 く達した時に、再生運転を行うようにすることにより、有害物質を効果的に除去でき、 吸着材の性能劣化も未然に防ぐことができる。

図面の簡単な説明

[0048] [図 1]本発明の第 1の実施の形態を示す概略図である。

[図 2]本発明の第 2の実施の形態を示す概略図である。

[図 3]本発明の第 3の実施の形態を示す概略図である。

[図 4]本発明の第 4の実施の形態を示す概略図である。

[図 5]本発明の第 5の実施の形態を示す概略図である。 [図 6]本発明の第 6の実施の形態を示す概略図である。

[図 7]本発明の第 7の実施の形態を示す概略図である。

[図 8]本発明の第 8の実施の形態を示す概略図である。

[図 9]本発明の第 9の実施の形態を示す概略図である。

[図 10]本発明の第 10の実施の形態を示す概略図である。

[図 11]本発明の第 11の実施の形態を示す概略図である。

[図 12]本発明の第 12の実施の形態を示す概略図である。

[図 13]本発明の第 13の実施の形態を示す概略図である。

[図 14]本発明の第 14の実施の形態を示す概略図である。

[図 15]本発明の第 15の実施の形態を示す概略図である。

[図 16]分岐型排気通路に備えられる排気ガス浄ィ匕装置における各分岐排気通路相 互の運転状態の時間的関係を示す図である。

符号の説明

1 内燃機関

2 排気通路

2a, 2b 分岐排気通路

2c 下流側排気通路

3 吸着物質脱離手段

4 NOx吸着材

5 燃焼装置

6 燃料ノズル (燃料供給手段）

7 点火装置 (着火手段）

10 燃料調量装置

11 燃料タンク

12 ECU (電子制御ユニット）

15 空気供給手段

16 空気調量装置

17 給気供給装置 20 切替弁

31 燃料ノズル (燃料供給手段）

32 点火装置

33 空気供給手段

35 酸化触媒

40 微粒子フィルター

42 SOx吸着材

47 酸化触媒

50 熱交換器

51 空気供給手段

52 保炎機構

55 熱交換器

58 出口側切替バルブ

60 大気開放通路

61 大気開放用の開閉弁

80 吸着量検知センサー（吸着量検知手段)

81 圧力センサー (圧力検知手段）

82 温度センサー (温度検知手段）

XI 燃料過濃燃焼領域

X2 燃料希薄燃焼領域

発明を実施するための最良の形態

[発明の第 1の実施の形態]

図 1は本発明の第 1の実施の形態であり、単一の排気通路に備えられる排気ガス浄 化装置の基本構成を示しており、内燃機関 1又は燃焼機器の単一の排気通路 2に、 本発明に係る排気ガス浄ィ匕装置が配設されている。内燃機関 1としては、ディーゼル 機関、ガス機関、ガソリン機関又はガスタービン機関などがあり、燃焼機器としては産 業用ボイラ等がある。排気通路 2内には、排気上流側から順に、吸着物質脱離手段 3 、窒素酸化物吸着材 (以下「NOx吸着材」と称する) 4及び燃焼装置 5が排気流れ方 向に間隔を置 、て配置されて 、る。

[0051] 燃焼装置 5は、燃料供給手段として燃料ノズル 6を備え、着火手段として点火装置 7 を備えており、燃料ノズル 6は燃焼調量装置 10を介して燃料タンク 11に接続し、電子 制御ユニット (以下「ECU」と称する） 12により、燃料の供給量及び供給時期が制御さ れるようになっている。燃焼装置 5は、燃料ノズル 6と着火手段 7以外に、必要ならば 空気供給装置も備えても良い。燃焼装置 5による拡散火炎は、全体の空燃比が空気 過剰状態であっても、局所的に燃料過濃燃焼領域 XIが形成される。すなわち、点火 装置 7及び燃料ノズル 6の噴口近くには局所燃料過濃燃焼領域 XIが形成され、その 周りには燃料希薄燃焼領域 X2が形成される。

[0052] NOx吸着材 4は、特に空気過剰雰囲気においても効率良く窒素酸ィ匕物（以下「N Ox」と称する）を吸着することができ、かつ、所定温度に昇温した時あるいは還元雰 囲気にお 、ては前記吸着した NOxを脱離する性質を有して 、る。該実施の形態で は、 NOx吸着材 4は酸化作用を有する触媒を含み、一酸化炭素（以下「CO」と称す る)や炭化水素 (以下「HC」と称する)等の未燃成分を酸化すると共に、窒素酸化物 吸着材 4自体の形状が、粒子状物質を捕獲するのに適した形状となって！/ヽる。

[0053] 吸着物質脱離手段 3としては、たとえば排気ガスを所定温度以上に昇温する昇温 手段を用いるが、排気ガスを還元雰囲気にする手段を用いることもできる。また、昇温 手段に還元剤供給手段を加えた構成とし、それにより、 NOxと SOxの吸着と脱離を 効率よく行えるようにすることもできる。前記昇温手段として、たとえば電気ヒータのよ うな発熱抵抗体を用いることができ、それにより迅速かつ確実に昇温させることができ る。また、吸着物質脱離手段 3の別の例として、燃料供給手段を備えることも可能で あり、この場合は、供給される燃料が還元剤としての役目を果たし、 NOx吸着材 4に 含まれる酸化作用を有する触媒上で酸化される時の発熱を利用して、 NOxを脱離す る。

[0054] 図 1に示す構造において、内燃機関 1の通常運転時には、吸着物質脱離手段 (昇 温手段) 3及び燃焼装置 5は停止しており、したがって、内燃機関 1から排気通路 2内 に排出される排気ガスは、そのまま NOx吸着材 4に至り、 NOxが吸着される。同時に 、 NOx吸着材 4に含まれる酸化触媒により COや HC等の未燃成分を酸化し、無害化 することができる。さらに、窒素酸化物吸着材 4の形状を、粒子状物質の捕獲に適し た形状としていると、粒子状物質も NOx吸着材 4に物理的に捕獲することができる。

[0055] NOx吸着材 4の吸着量が所定量 (たとえば飽和量）に達した場合には、吸着物質 脱離手段 3を作動させて、窒素酸化物吸着材 4の上流側で排気ガスの温度を所定温 度以上に昇温すると共に、燃焼装置 5を作動させ、再生運転を行う。この再生運転時 にお 、て、吸着物質脱離手段 3で昇温された排気ガスによって NOx吸着材 4は所定 温度以上に昇温し、それにより NOx吸着材 4に吸着されていた NOxは脱離し、排気 下流側の燃焼装置 5に至り、燃焼火炎内の局所燃料過濃燃焼領域 XIにおいて、還 元除去される。また、 NOx吸着材 4に捕獲されている粒子状物質は、 NOx吸着材 4 の昇温により焼却除去される。さらに、再生運転時に内燃機関 1及び燃料過濃燃焼 領域から排出される COや HC及び粒子状物質は、燃焼装置 5の燃料希薄燃焼領域 X2において燃焼除去される。さらに、排気ガス中に SOxが含まれている場合には、 NOx吸着材 4の材質を、 SOxを吸着しにくい材質とする力、あるいは、吸着した場合 でも、 SOx脱離温度まで NOx吸着材 4を昇温し、必要ならば還元雰囲気にすること により、 NOx吸着材 4から脱離させる。これにより、 NOx吸着材 4の被毒を防ぐ。

[0056] [発明の第 2の実施の形態]

図 2は本発明の第 2の実施の形態であり、前記図 1に示す単一型排気通路に備え られる排気ガス浄ィ匕装置を基本としており、燃焼装置 5として、前記図 1と同様に燃料 ノズル 6と点火装置 7を備えると共に、これらに加え、燃料ノズル 6の排気下流側に空 気供給手段 15を備え、これにより、空気供給手段 15の排気上流側に燃料過濃燃焼 領域 XIを形成し、空気供給手段 15の排気下流側に燃料希薄燃焼領域 X2を形成し ている。前記両領域 XI及び X2は、それぞれ排気通路 2の流通断面全体に亘るように 形成され、したがって燃焼装置 5内を通過する排気ガスは、必ず燃料過濃燃焼領域 XIと燃料希薄燃焼領域 X2を順に通過するようになって ヽる。

[0057] 空気供給手段 15は空気調量装置 16を介して空気供給源 17に接続し、空気調量 装置 16は ECU12により空気の供給及び停止並びにその供給量が制御されるように なっている。その他の構造は図 1と同様であり、図 1と同じ部品及び部分には、同じ符 号を付してある。 [0058] 基本的な作用は図 1の場合と同様であるが、燃焼装置 5における作用が異なる。す なわち、再生運転中、 NOx吸着材 4力も脱離されて燃焼装置 5に至る排気ガスは、ま ず、燃料過濃燃料領域 XIを通過することにより、 NOxが還元除去され、次に燃料希 薄燃料領域 X2を通過することにより、内燃機関 1及び燃料過濃燃焼領域から排出さ れる COや HC及び粒子状物質が燃焼除去される。前記図 1の構成では、局所的に 形成された燃料過濃燃焼領域 XIにお 、て NOxを還元するようにして 、る力 図 2に 示す実施の形態では、排気通路断面の全体に亘つて燃料過濃燃焼領域 Xlx形成し てあるので、 NOxは漏れなく燃料過濃燃焼領域 XIを通過して還元され、還元除去 率が向上する。

[0059] [発明の第 3の実施の形態]

図 3は本発明の第 3の実施の形態であり、排気通路 2を複数本に分岐した分岐型排 気通に備えられた排気ガス浄化装置の基本構成を示しており、内燃機関 1又は燃焼 機器の排気通路 2を、たとえば第 1と第 2の 2本の分岐排気通路 2a、 2bに分岐し、上 流側の分岐部に切替弁 20を配置し、下流側端部で再度合流し、下流側排気通路 2 cに接続している。前記切替弁 20を切り替えることにより、内燃機関 1からの排気ガス を、分岐排気通路 2a、 2bの一方に選択的に排出できるようになつている。

[0060] 各分岐排気通路 2a、 2b内には、それぞれ図 1の場合と同様な NOx吸着材 4が配 置され、各 NOx吸着材 4の排気下流には図 2と同様に、燃料ノズル 6、点火装置 7及 び空気供給手段 15からなる燃焼装置 5が配置され、燃焼装置 5の作動状態におい て、空気供給手段 15の排気上流側と下流側には燃料過濃燃焼領域 XIと燃料希薄 燃焼領域 X2が形成されるようになって!/ヽる。

[0061] 吸着物質脱離手段 3は、吸着物質脱離用燃料ノズル (バーナー） 31、吸着物質脱 離用点火装置 32及び吸着物質脱離用空気供給手段 33から構成されている。吸着 物質脱離用燃料ノズル 31は前記燃焼調量装置 10に接続し、吸着物質脱離用空気 供給手段 33は前記空気調量装置 16に接続して!/、る。その他の構造は図 2の構成と 同様であり、同じ部品及び部分には同じ符号を付してある。

[0062] 内燃機関 1を運転する場合には、切替弁 20によって排気ガス流路を切り替えること により、両分岐排気通路 2a、 2bの一方を内燃機関 1の排気ガスの排出流路として利 用する。図 3の状態は、切替弁 20を第 2の分岐排気通路 2bに切り替え、第 2の分岐 排気通路 2bを排気ガスの流路として利用し、第 1の分岐排気通路 2aを再生運転に 利用している。

[0063] 図 3の状態において、通常運転状態の第 2の分岐排気通路 2bでは、燃焼装置 5及 び吸着物質脱離手段 3は停止しており、排気ガス中の NOxが NOx吸着材 4に吸着 される。一方、再生運転状態の第 1の分岐排気通路 2aでは、燃焼装置 5及び吸着物 質脱離手段 3を作動させており、吸着物質脱離手段 3で燃料ノズル 31からの燃料を 空気供給手段 33からの空気で燃焼させることにより、 NOx吸着材 4へ高温の排気ガ スを供給し、 NOx吸着材 4カゝら吸着 NOxを脱離し、燃焼装置 5の燃料過濃燃焼領域 XIにお 、て還元除去して 、る。

[0064] 図 3のように、再生運転状態の第 1の分岐排気通路 2aは、内燃機関 1からの排気ガ スが遮断され、通常運転状態の第 2の分岐排気通路 2bから独立に作動する状態とな つており、吸着物質脱離手段 3からの燃料供給及び空気供給によって再生運転され ているので、内燃機関 1からの排気ガス量に関係なぐ吸着物質脱離用及び燃焼装 置用の空気量を設定でき、前記吸着物質脱離手段 3からの燃料供給量及び燃料装 置 5における燃料供給量を節約できる。

[0065] 第 2の分岐排気通路 2bの NOx吸着材 4の NOx吸着量が所定量 (たとえば飽和量） に達すると、切替弁 20を第 1の分岐排気通路 2a側に切り替え、第 1の分岐排気通路 2a内の燃料装置 5及び吸着物質脱離手段 3を停止する一方、第 2の分岐排気通路 2 bの燃焼装置 5及び吸着物質脱離手段 3を作動状態とする。すなわち、第 1の分岐排 気通路 2aで通常運転を行い、同時に第 2の分岐排気通路 2bで再生運転を行うこと になる。

[0066] このように分岐型排気通路の排気ガス浄ィ匕装置では、 1本の分岐排気通路を利用 して内燃機関 1の通常運転を行いつつ、残りの分岐排気通路の再生運転を行うこと ができ、特別に再生運転に時間を確保する必要がなくなる。

[0067] [発明の第 4の実施の形態]

図 4は本発明の第 4の実施の形態であり、図 3に示す分岐型排気通路に備えられる 排気ガス浄ィ匕装置を基本としており、吸着物質脱離手段 3として、燃料ノズル 31と、 空気供給手段 33と、酸ィ匕触媒 35を備えている。その他の構造は図 3と同様であり、 同じ部品及び部分には、同じ符号を付してある。

[0068] 作用も前記図 3の場合と基本的に同様であるが、吸着物質脱離手段 3の燃料ノズ ル 31から供給される燃料が、酸化触媒 35上で酸化されることにより発熱し、その熱に より NOx吸着材 4の NOxを脱離する。

[0069] [発明の第 5の実施の形態]

図 5は、本発明の第 5の実施の形態であり、前記図 1に示す単一型排気通路に備え られる排気ガス浄ィ匕装置を基本としているが、燃焼装置 5としては、前記図 2と同様に 燃料ノズル 6と点火装置 7と空気供給手段 15を備え、空気供給手段 15の排気上流 側に燃料過濃燃焼領域 XIを形成し、空気供給手段 15の排気下流側に燃料希薄燃 焼領域 X2を形成してある。また、吸着物質脱離手段 3として、燃料ノズル 31及び点 火装置 32を備えている。その他の構造は図 1及び図 2の構造と同様であり、同じ部品 及び部分には同じ符号を付してある。

[0070] 作用も図 1及び図 2と基本的に同様であるが、吸着物質脱離手段 3として燃焼を利 用することになるので、瞬時に排気ガスを高温にすることが可能になり、また、吸着物 質脱離手段 3の燃料供給量と空気供給量を調節することで、さまざまな条件に柔軟 に対応することが可能となる。

[0071] [発明の第 6の実施の形態]

図 6は本発明の第 6の実施の形態であり、前記図 3に示す分岐型排気通路に備え られる排気ガス浄化装置を基本としており、この基本構成に加え、各分岐排気通路 2 a. 2bには、吸着物質脱離手段 (燃焼装置) 3と吸着材 4の間にそれぞれ微粒子フィ ルター 40を配置してある。その他の構造は図 3の構造と同様であり、同じ部品及び部 分には同じ符号を付してある。

[0072] 作用は前記図 3の場合と基本的に同様である力 NOx吸着材 4の上流側に微粒子 フィルター 40を配置してあることにより、通常運転時 (排ガス流路としての利用時）、微 粒子フィルター 40で粒子状物質を除去した排気ガスを NOx吸着材 4に流入させるこ とができ、 NOx吸着材 4による NOxの吸着率の低下を防ぐことができる。

[0073] 通常運転において、粒子状物質の吸着量が飽和状態になり背圧が上昇するか、ま たは、 NOx吸着量が所定量 (たとえば飽和量）に達すると、再生運転に切り替え、吸 着物質脱離手段 3の燃焼により粒子状物質を焼却除去して、微粒子フィルター 40を 再生すると同時に、 NOx吸着材 4の NOxを脱離し、 NOx吸着材 4を再生する。

[0074] なお、微粒子フィルター 40としては粒子状物質を捕獲するだけの機能を有するもの で良いが、酸化作用を有する触媒を含み、連続的に粒子状物質を酸化できる機能を 有するものでも良い。

[0075] [発明の第 7の実施の形態]

図 7は本発明の第 7の実施の形態であり、前記図 6に示す分岐型排気通路に備え られる排気ガス浄化装置に、さらに SOx吸着材 42を追加した構造となっている。 SO X吸着材 42は、各分岐排気通路 2a、 2b内において、微粒子フィルター 40と NOx吸 着材 4の間にそれぞれ配置されている。その他の構造は図 6 (及び図 3)の構造と同 様であり、同じ部品及び部分には同じ符号を付してある。 SOx吸着材 42を微粒子フ ィルター 40の上流側に配置しても問題なく作動する。

[0076] 作用は前記図 6の場合と基本的に同様であり、通常運転時には、 NOxと SOxがそ れぞれ効率よく吸着され、 NOx吸着材 4による NOxの吸着率の低下を防ぐことがで きる。

[0077] 通常運転時に SOx吸着材 42に吸着された SOxは、再生運転時に、吸着物質脱離 手段 3の燃焼熱により脱離し、それにより、 SOx吸着材 42を再生する。

[0078] [発明の第 8の実施の形態]

図 8は本発明の第 8の実施の形態であり、前記図 3に示す分岐型排気通路に備え られる排気ガス浄ィ匕装置を基本としており、この基本構成において、燃焼装置 5の空 気供給手段 15の下流側に、燃料希薄燃焼領域を形成する代わりに、酸化触媒 47を 配置した構成となっている。その他の構造は図 3の構造と同様であり、同じ部品及び 部分には同じ符号を付してある。

[0079] 燃料希薄燃焼領域の代わりに酸ィ匕触媒 47を配置していることにより、比較的温度 が低 、場合でも、 HCや CO等の未燃分を酸化除去することができる。

[0080] [発明の第 9の実施の形態]

図 9は本発明の第 9の実施の形態であり、前記図 3に示す分岐型排気通路に備え られる排気ガス浄ィ匕装置を基本としており、この基本構成に加え、切替弁 20の上流 側に、排気ガス冷却手段 50と温度センサー 50aを配置してある。温度センサー 50a は ECU12に接続し、検知した温度を入力するようになっている。その他の構造は図 3の構造と同様であり、同じ部品及び部分には同じ符号を付してある。

[0081] 通常運転中、 NOx吸着材 4に流入する排気ガス温度を測定し、 NOx吸着材 4に流 入する排気ガス温度が、 NOx吸着材 4による吸着能力が効率良く発揮できる範囲内 に保たれるように、排気ガス冷却手段 50を制御する。

[0082] 排気ガスの制御温度は、さまざまな活性温度帯を有する NOx吸着材 4にそれぞれ 対応するように制御される。

[0083] [発明の第 10の実施の形態]

図 10は本発明の第 10の実施の形態であり、前記図 1に示す単一型排気通路を備 えた排気ガス浄ィ匕装置を基本としているが、燃焼装置 5として、前記図 1と同様に燃 料ノズル 6と点火装置 7を備えると共に、これにカ卩え、図 2と同様に、燃料ノズル 6の排 気下流側に空気供給手段 15を備え、これにより、空気供給手段 15の排気上流側に 燃料過濃燃焼領域 XIを形成し、空気供給手段 15の排気下流側に燃料希薄燃焼領 域 XIを形成している。さらに、吸着物質脱離手段 3として、前記図 5と同様に、燃料ノ ズル 31及び点火装置 32を備えると共に、空気供給手段 51及び保炎機構 52を備え ている。その他の構造は図 1、図 2及び図 5の構造と同様であり、同じ部品及び部分 には同じ符号を付してある。

[0084] 再生運転中、前記保炎機構 52により、排気上流側力 の排気ガスの流れを部分的 に遮蔽し、流速を遅らせ、あるいは逆流する領域 (渦）を形成し、燃料ノズル 31からの 火炎を保持する。

[0085] 前記のように火炎を保持することにより、たとえば内燃機関の排気ガスの残存酸素 濃度が低いような条件下でも、排気ガスを安定的に燃焼させ、 NOxの脱離効果を保 つことができる。

[0086] なお、保炎機構 52として、旋回羽根を配置して、排気ガスを旋回させて、排気ガス の循環領域を形成するように構成することも可能である。また、図 10の空気供給手段 51により、燃料ノズル 31の先端部近傍に小量の空気を供給して、燃料ノズル 31の先 端部に高酸素濃度領域を形成する構成とすることもできる。

[0087] [発明の第 11の実施の形態]

図 11は本発明の第 11の実施の形態であり、前記図 3に示す分岐型排気通路に備 えられる排気ガス浄ィ匕装置を基本としており、この基本構成において、吸着物質脱離 手段 3として、空気供給手段 33のみを備え、一方、燃焼装置 5の希薄燃焼領域 X2の 下流側にそれぞれ熱交換器 55を配置し、該熱交換器 55を前記吸着物質脱離手段 3の空気供給手段 33に接続している。その他の構造は図 3の構造と同様であり、同じ 部品及び部分には同じ符号を付してある。

[0088] すなわち、燃焼装置 5の希薄燃焼領域 X2で昇温した排気ガスと、空気調量装置 16 力もの空気とを熱交^^ 55で熱交換し、高温となった空気を吸着物質脱離手段 3の 空気供給手段 33を介して、分岐排気通路 2a (又は 2b)の排気上流端部に供給し、 それにより、再生運転時において、 NOx吸着材 4の NOxを脱離する。

[0089] この構造〖こよると、吸着物質脱離手段 3として、点火装置及び燃料ノズルが不要に なり、小型化が可能となる。また、燃料過濃燃焼領域 XIにおける火炎温度が高くなり 、 NOx還元率が向上する。

[0090] [発明の第 12の実施の形態]

図 12は本発明の第 12の実施の形態であり、前記図 3に示す分岐型排気通路に備 えられる排気ガス浄化装置を基本としており、この基本構成に加え、分岐排気通路 2 a、 2bの排気下流側集合部に出口側切替弁 58を配置し、各燃焼装置 5の下流側に それぞれ大気開放通路 (大気開放部) 60を分岐形成し、各大気通路 60に開閉弁 61 をそれぞれ設けてある。出口側切替弁 58よりも下流の排気通路 2cはたとえば排ガス ボイラ 63に接続し、排気ガスの廃熱を利用するようになっている。その他の構造は図 3の構造と同様であり、同じ部品及び部分には同じ符号を付してある。なお、 NOx吸 着材 4としては、 SOxも十分に吸着できる材質のものを利用してある。

[0091] 図 12に示す状態は、両切替弁 20、 58を第 2の分岐排気通路 2b側に切り替え、第 1の分岐排気通路 2aの大気開放通路 60を開放し、第 2の分岐排気通路 2bの大気開 放通路 60を閉じた状態であり、第 1の分岐排気通路 2aの燃焼装置 5及び吸着物質 脱離手段 3は再生運転のために作動状態となっており、第 2の分岐排気通路 2bの燃 焼装置 5及び吸着物質脱離手段 3は、内燃機関 1からの排気ガス流路として非作動 状態となっている。

[0092] 図 12の状態で硫黄成分含有燃料を用いて内燃機関を運転した場合、再生運転状 態の第丄の分岐排気通路 2aでは、前回運転時に NOx吸着材 4に吸着された NOxと 共に SOxも脱離するため、そのまま排ガスボイラ 63に利用すると、被毒される可能性 があり、したがって、大気開放通路 60から大気に排出することにより、排ガスボイラ 63 には利用していない。一方、通常運転状態の第 2の分岐排気通路 2bでは、 NOx吸 着材 4に SOxも吸着されるため、 NOx吸着材 4より下流の排気ガスに SOxはほとんど 含まれず、この排気ガスを、排ガスボイラ 63に利用している。したがって、排ガスボイ ラ 63が SOxに起因する酸等により腐食する心配はなぐ低温度まで排気ガス力 の 熱回収が可能となり、熱回収率が大幅に向上する。

[0093] [発明の第 13の実施の形態]

図 13は本発明の第 13の実施の形態であり、前記図 12に示す分岐型排気通路に 備えられる排気ガス浄化装置の変形例であり、図 12のように各分岐排気通路 2a、 2b にそれぞれ大気開放通路 60を形成する代わりに、排気下流側集合部の出口側切替 弁 58に、前記排ガスボイラ 63に接続する排気通路 2cと大気に連通する大気通路 70 を切替可能に設けた構造となっている。すなわち、第 1、第 2の分岐排気通路 2a、 2b のうち、内燃機関 1に連通する通常運転側の分岐排気通路（図 13では第 2の分岐排 気通路 2b)が排ガスボイラ 63に接続し、再生運転側の分岐排気通路（図 13では第 1 の分岐排気通路 2a)が大気通路 70に連通している。この構造によると、図 12のよう に各分岐排気通路 2a、 2bにそれぞれ大気開放通路 60と開閉弁 61を備える構造に 比べ、構造が簡素化できる。作用は前記図 12の場合と同様である。

[0094] [発明の第 14の実施の形態]

図 14は本発明の第 14の実施の形態であり、前記図 1の単一型排気通路に備えら れる排気ガス浄化装置を基本としており、この単一排気通路型の基本構成に各種セ ンサーを配置し、適切な制御をできるようにした構成を示してある。したがって、図 1と 同じ部品及び部分には同じ符号を付してある。この図 14において、 NOx吸着材 4の 下流側に吸着量検知 (推定)センサー 80を配置し、 NOx吸着材 4の上流側に温度セ ンサー 82を配置してあり、各センサー 80、 82は ECU12に接続し、測定した各値を E CU12に入力し、その入力値により次のように制御するようになって!/、る。

[0095] 通常運転時は、前述のように NOx吸着材 4により排気ガス中の NOxを吸着し、 CO や HC等の未燃成分は、たとえば NOx吸着材 4に含まれる酸化作用を有する触媒成 分により酸ィ匕し、無害化することができる。 NOx吸着量を吸着量検知センサー 80に よって測定し、所定 (たとえば飽和）の吸着量まで達すると、 ECU12からの指令によ り、吸着物質脱離手段 3を作動させ、たとえば NOx吸着材 4を昇温させ、 NOxを脱離 させ、下流の燃料装置 5の燃料過濃燃焼領域 XIで還元除去する。

[0096] また、内燃機関 1又は燃料機器カゝら排出される COや HCあるいは燃料過濃燃焼領 域 XIで生成される COや HCまたは粒子状物質は、燃料装置 5の燃料過濃燃焼領域 XIの外側に形成される燃料希薄燃焼領域 X2において酸化除去される。

[0097] また、 NOx吸着材 4の形状を、粒子状物質の捕獲に適した形状として!、る場合に は、通常運転中に粒子状物質力 SNOx吸着材 4に捕獲されるが、再生運転において、 前記のように NOx吸着材 4を昇温させることにより、焼却除去することができる。

[0098] さらに排気ガス中に SOxが含まれる場合には、 SOxの一部が NOx吸着材 4に吸着 される力 再生運転時において、 SOx脱離温度まで NOx吸着材 4を昇温し、あるい は還元雰囲気として、 SOxを脱離させ、 NOx吸着材 4を再生させる。なお、 NOx吸 着材 4自体を、 SOxが吸着しにくい材料で作り、これにより NOx吸着材 4の被毒を防 ぐこともできる。

[0099] [発明の第 15の実施の形態]

図 15は本発明の第 15実施の形態であり、前記図 3に示す分岐型排気通路に備え られる排気ガス浄化装置を基本としており、この基本構成に、各所の温度や圧力を測 定するセンサーを配置し、適切な制御をできるようにした構成である。 NOx吸着材 4 の下流側に吸着量推定センサー 80を配置し、 NOx吸着材 4の上流側に圧力センサ 一 81及び温度センサー 82を配置した例である。各センサー 80、 81、 82は ECU12 に接続し、測定した各値を ECU 12に入力するようになって 、る。

[0100] 2つの分岐排気通路 2a、 2bのうち、一方を内燃機関 1からの排気ガスの流路として 通常運転に利用し、その間に、他方を再生運転する。たとえば、図 15のように切替弁 20を第 2の分岐排気通路 2b側に切り替えて、内燃機関 1の排気ガスを第 2の分岐排 気通路 2bに流し、その間、第 1の分岐排気通路 2aにおいては、吸着物質脱離手段 3 並びに燃焼装置 5を作動させる。

[0101] 通常運転状態の第 2の分岐排気通路 2bでは、吸着物質脱離手段 3並びに燃焼装 置 5は停止しており、排気ガス中の NOxは NOx吸着材 4により吸着される。また、 CO や HC等の未燃成分は、たとえば NOx吸着材 4に含まれる酸化作用を有する触媒成 分により酸ィ匕し、無害化することができる。一方、第 1の分岐排気通路 2aでは、吸着 物質脱離手段 3を作動させることにより、たとえば NOx吸着材 4を昇温させ、 NOx吸 着材 4から NOxを脱離させ、排気下流の燃料装置 5の燃料過濃燃焼領域 XIで還元 除去する。

[0102] 前記第 2の分岐排気通路 2bを利用した通常運転中、該第 2の分岐排気通路 2b〖こ おける NOx吸着量を吸着量検知センサー 80によって測定し、所定 (たとえば飽和） の吸着量まで達すると、 ECU12からの指令により、切替弁 20を第 1の分岐排気通路 2a側に切り替えると共に、第 2の分岐排気通路 2bの吸着物質脱離手段 3及び燃焼 装置 5を作動させ、第 2の分岐排気通路 2bを再生運転状態とする。これと並行して、 第 1の分岐排気通路 2aには内燃機関 1からの排気ガスが流入し、通常運転状態とな る。なお、前記通常運転中、 NOx吸着材 4への粒子状物質の捕獲量が NOxの吸着 量よりも先に飽和状態となった場合には、圧力検知センサー 81により粒子状物質の 飽和を検知し、切替弁 20を第 1の分岐排気通路 2a側に切り替える。これにより、圧力 低下による NOx吸着性能の低下を防ぐことができる。

[0103] 図 16は図 15の排気ガス浄ィ匕装置の制御の時間的経過を示しており、第 1の分岐 排気通路 2aと第 2の分岐排気通路 2bの一方が通常運転に利用されて NOxを吸着 している間に、他方は再生運転を行っていることを示してある。なお、図 16で示す関 係は、図 3等の分岐型排気通路に備えられる排気ガス浄ィ匕装置すべてに適用される

[0104] [発明の他の実施の形態]

(1)内燃機関自体が希薄燃焼用内燃機関であって、たとえば過給機を備えて ヽる場 合には、過給機の圧縮機の空気を、図 2—図 15の各空気供給手段に利用することが できる。

[0105] (2) NOx吸着材としては、微粒子フィルターの壁に NOx吸着材を使用したものを利 用することも可能である。

[0106] (3)単一型排気通路に備えられる排気ガス浄ィ匕装置において、図 1及び図 2のように 排気通路 2内に特別に吸着物質脱離手段 3を配置する代わりに、内燃機関の直噴用 燃焼噴射弁の制御により、排気ガス温度を昇温し、これにより NOx吸着材を昇温し、 NOxを脱離させる構成とすることも可能である。たとえば、機関膨張行程または排気 行程において二次燃料を噴射するか、あるいは燃料噴射時期を遅らせることにより、 排気ガスの温度を上げ、それにより NOx吸着材を昇温させるのである。

[0107] (4)図 3等のように分岐型排気通路に本発明を適用する場合に、 3つ以上の分岐排 気通路に分岐した排気通路に適用することも可能である。この場合は、 1つの分岐排 気通路を通常運転用に利用している間に、残りの分岐排気通路を再生することも可 能であり、また、 1本の排気通路を再生運転している間に、残り全部の分岐排気通路 を内燃機関等に接続することも可能である。

産業上の利用可能性

[0108] 本発明は、ディーゼル機関、ガス機関、ガソリン機関又はガスタービン機関等の各 種内燃機関又は産業用ボイラ等の燃料機器の排気ガス浄ィ匕装置として利用されるが 、特に、希薄燃焼で運転される内燃機関等のように、排気ガス中に NOxが多く含有 される内燃機関に適している。また、 SOxが含まれる産業用ディーゼル機関等にも適 用可能であり、さらには排気ガスの熱を再利用する場合にも適しており、 SOxによる 被毒少なくし、排熱を効率よく回収できる。

Claims

請求の範囲

[1] 内燃機関又は燃焼機器の排気通路に設置される排気ガス浄ィ匕装置において、 窒素酸ィ匕物を一時的に吸着し、該吸着した窒素酸ィ匕物を昇温又は還元雰囲気で 脱離する窒素酸化物吸着材と、

前記窒素酸化物吸着材より排気上流側に配置され、排気を昇温又は還元雰囲気 にする吸着物質脱離手段と、

前記窒素酸ィ匕物吸着材より排気下流側に配置され、燃料供給手段及び着火手段 カゝら構成される燃焼装置とを、

前記排気通路に備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置。

[2] 請求項 1記載の排気ガス浄化装置において、

前記燃焼装置は、

前記燃料供給手段カゝら供給される燃料と前記窒素酸ィ匕物吸着材カゝらの排気ガスに よって燃料過剰条件で燃焼する燃料過濃燃焼領域と、

該燃料過濃燃焼領域の排気下流側に位置すると共に、前記燃料過濃燃焼領域か らの排気ガスと空気供給手段力 の空気により空気過剰条件で燃焼する希薄燃焼領 域とを、

有して！/ヽることを特徴とする排気ガス浄ィ匕装置。

[3] 請求項 1又は 2に記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記排気通路を複数の分岐排気通路に分岐しており、

各分岐排気通路の排気入口には排気ガスを遮断可能な排気ガス遮断手段を設け 各分岐排気通路内には、

前記窒素酸化物吸着材と、

前記窒素酸ィ匕物吸着材より排気上流側に配置され、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昇温又は還元雰囲気にする吸着物質脱離 手段と、

前記窒素酸化物吸着材より排気下流側に配置された前記燃焼装置とを、 それぞれ備えて 、ることを特徴とする排気ガス浄ィ匕装置。

[4] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の排気ガス浄ィ匕装置において、 前記吸着物質脱離手段は、昇温手段と還元剤供給手段を有して！/ヽることを特徴と する排気ガス浄化装置。

[5] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記吸着物質脱離手段は、発熱抵抗体であることを特徴とする排気ガス浄化装置

[6] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記吸着物質脱離手段は、吸着物質脱離用燃料供給手段であることを特徴とする 排気ガス浄化装置。

[7] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記吸着物質脱離手段は、吸着物質脱離用燃料供給手段と該吸着物質脱離用 燃料供給手段より排気下流側に配置された酸化用の触媒を有していることを特徴と する排気ガス浄化装置。

[8] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記吸着物質脱離手段は、空気供給手段と燃料供給手段と着火手段から構成さ れる吸着物質脱離用燃焼装置であることを特徴とする排気ガス浄ィ匕装置。

[9] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記窒素酸ィ匕物吸着材の排気上流側に、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕獲 可能なフィルターを配置してあることを特徴とする排気ガス浄ィ匕装置。

[10] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記窒素酸ィ匕物吸着材は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕獲可能な形状に 形成されて！ヽることを特徴とする排気ガス浄化装置。

[11] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記窒素酸ィ匕物吸着材の排気上流側に、硫黄酸ィ匕物を一時的に吸着する硫黄酸 化物吸着材を配置してあることを特徴とする排気ガス浄ィ匕装置。

[12] 請求項 2、 3又は 8のいずれかに記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記各空気供給手段は、排気通路が接続する内燃機関の過給機の圧縮機の出口 部分に接続し、該圧縮機から吐出される圧縮空気を利用するようにしてあることを特 徴とする排気ガス浄化装置。

[13] 請求項 2又は 3に記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記燃料過濃燃焼領域の排気下流側に形成される燃料希薄燃焼領域の代わりに 、空気を供給する空気供給手段と、酸化機能を有する触媒を順に配置してあることを 特徴とする排気ガス浄化装置。

[14] 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記吸着物質脱離手段の排気上流側に、排気ガス冷却手段を配置すると共に、該 排気ガス冷却手段力 出てくる排気ガスの温度を測定する温度センサーを設けてあ ることを特徴とする排気ガス浄ィ匕装置。

[15] 請求項 1、 2、 3又は 8のいずれかに記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記吸着物質脱離手段としての吸着物質脱離用燃焼装置及び吸着材下流側に配 置された燃焼装置の少なくとも 1つが保炎機構を備えていることを特徴とする排気ガ ス浄化装置。

[16] 請求項 1又は 2に記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記排気通路は圧縮着火式内燃機関の排気通路であり、

前記吸着物質脱離手段は、内燃機関の筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を 有し、機関膨張行程又は排気行程において前記燃料噴射弁により二次燃料を噴射 するように構成したことを特徴とする排気ガス浄ィ匕装置。

[17] 請求項 1又は 2に記載の排気ガス浄ィ匕装置であって、

前記排気通路は圧縮着火式内燃機関の排気通路であり、

前記吸着物質脱離手段は、内燃機関の筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を 有し、該燃料噴射弁による燃料噴射時期を遅延させるように構成したことを特徴とす る排気ガス浄化装置。

[18] 請求項 3に記載の排気ガス浄ィ匕装置において、

前記希薄燃焼領域の下流側に熱交換器を配置し、前記希薄燃焼領域からの排気 ガスと熱交換されて昇温した空気を、前記吸着物質脱離手段の空気供給手段に用 V、るように構成したことを特徴とする排気ガス浄ィ匕装置。

[19] 請求項 3記載の排気ガス浄化装置にお ヽて、 前記各分岐排気通路の前記燃料希薄燃焼領域の排気下流側にそれぞれ開閉弁 を有する大気開放部を設け、

各分岐排気通路は大気開放部よりも排気下流側部分で下流側排気通路に合流し 、該合流部分に、各分岐排気通路を選択的に下流側排気通路に接続する出口側切 替弁を設け、

運転時、少なくとも 1つの分岐排気通路は開閉弁を閉じて排気ガスを下流側排気 通路に流すように切替弁を切り替え、残りの分岐排気通路では、吸着物質脱離手段 と燃焼装置を作動させると共に大気開放用開閉弁を開き、再生運転を行 、かつ排気 ガスを大気に放出するように構成したことを特徴とする排気ガス浄ィ匕装置。

[20] 請求項 1又は 2に記載された排気ガス浄ィ匕装置を制御する方法にぉ 、て、

前記窒素酸化物吸着材の排気上流側に温度検知手段を配置し、窒素酸化物吸着 材の排気下流側に該窒素酸ィ匕物吸着材による吸着量を検出する吸着量検知手段を 配置し、

通常運転時の窒素酸ィ匕物吸着材による吸着量を前記吸着量検知手段により検知 し、吸着量が所定量に達した時に前記吸着物質脱離手段を作動させ、同時にあるい は早める力もしくは遅らせて燃焼装置を作動させ、

燃料過濃燃焼領域では、窒素酸ィ匕物吸着材カゝらの排気ガスと燃焼装置の燃料供 給手段カゝら供給される燃料とで構成される混合気が燃料過剰となるように制御し、 燃料希薄燃焼領域では、燃料過濃燃焼領域力ゝらの排気ガスと燃焼装置の空気供 給手段から供給される空気で構成される混合気が空気過剰となるように制御し、 前記吸着量検知手段によって窒素酸化物吸着材の吸着物がすべて脱離した状態 を検知すると、前記吸着物質脱離手段と燃焼装置の作動を停止し、通常運転状態に 戻るようししていることを特徴とする排気ガス浄ィ匕装置の制御方法。

[21] 請求項 3に記載された排気ガス浄化装置を制御する方法にぉ ヽて、

各分岐排気通路には、前記窒素酸化物吸着材の排気上流側に温度検知手段を 配置し、前記窒素酸ィ匕物吸着材の排気下流側に吸着材による吸着量を検出する吸 着量検知手段を配置し、

少なくとも 1つの分岐排気通路に内燃機関又は燃焼機器力ゝらの排気ガスを流入さ せ、通常運転時の窒素酸化物吸着材による吸着量を前記吸着量検知手段により検 知し、

前記吸着量が所定量に達した時に、前記分岐排気通路への排気ガス流入を排気 ガス遮断手段により遮断し、前記吸着物質脱離手段を作動させると共に同時にある いは早める力もしくは遅らせて燃焼装置を作動させ、

前記分岐排気通路内の燃料過濃燃焼領域では、内燃機関または燃焼機器からの 排気ガスと燃焼装置の燃焼供給手段カゝら供給される燃料とで構成される混合気が燃 料過剰となるように制御し、

前記燃料希薄燃焼領域では、燃料過濃燃焼領域力ゝらの排気ガスと燃焼装置の空 気供給手段から供給される空気で構成される混合気が空気過剰となるように制御し、 前記吸着量検知手段によって窒素酸化物吸着材の吸着物質がすべて脱離した状 態を検知すると、前記吸着物質脱離手段と燃焼装置の作動を停止し、通常運転状 態〖こ戻るよう〖こし、

すべての分岐排気通路が同時に排気ガス遮断を行わな 、ように、前記制御を分岐 排気通路毎に行うようにしていることを特徴とする排気ガス浄ィ匕装置の制御方法。

[22] 請求項 1、 2又は 3のいずれかに記載の排気ガス浄ィ匕装置の制御方法において、 前記窒素酸化物吸着材の排気上流側に温度検知手段及び圧力検知手段を配置 し、前記窒素酸化物吸着材の排気下流側に窒素酸化物吸着材による吸着量を検出 する吸着量検知手段を配置し、

通常運転時における前記窒素酸ィ匕物吸着材の排気上流側の排気ガス圧力を圧力 検知手段により検知すると共に、前記窒素酸化物吸着材による吸着量を前記吸着量 検知手段により検知し、

排気通路の排気ガス圧力が所定値以上に達した時又は吸着量が所定量に達した 時の 、ずれか早 、時に前記吸着物質脱離手段を作動させ、同時にあるいは早める 力もしくは遅らせて燃焼装置を作動させるように制御することを特徴とする排気ガス浄 化装置の制御方法。