(57)【要約】【課題】ＦＦＶ車両のエンジン始動時に排出される未燃焼のエタノールを回収する内燃機関の排気浄化装置を提供すること。更に、この回収したエタノールを燃料として再利用する内燃機関の排気浄化装置を提供すること。【解決手段】孔径が水分子径より大きくエタノール分子径未満のゼオライト３と、前記ゼオライト３よりも排気ガスの流れ方向の下流側に設けた、エタノールを吸着するエタノール吸着材５と、を備える内燃機関の排気浄化装置である。エタノール吸着材５に吸着したエタノールは、循環流路１９を介して内燃機関７の吸気側に循環させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均孔径が水分子径より大きくエタノール分子径未満のゼオライトと、
前記ゼオライトよりも排気ガスの流れ方向の下流側に設けた、エタノールを吸着するエタノール吸着材と、
を備える内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記エタノール吸着材に吸着したエタノールを内燃機関の吸気側に循環させる循環流路を備える請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルコール燃料を使用する内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年ガソリン燃料に加え、代替燃料としてアルコールを併用するシステムが搭載された自動車などの車両（ＦＦＶ; Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｆｕｅｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が実用化され、ガソリン、アルコール、およびこれらの混合燃料により走行が可能となっている。
【０００３】
しかしながら、前記ＦＦＶ車両の場合、燃料性状（アルコール濃度）に応じて燃料の熱発生量が異なるため触媒活性化の判定が難しく、燃費や排気の悪化を招く虞がある。この課題の解決方法の一つとして、ＦＦＶ車両における触媒活性化判定値の算出方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２４５１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
自動車燃料としてエタノール等のアルコールを用いた場合、ガソリンと比較してアルコールの発熱量が小さいことから、ＦＦＶ車両では始動直後における触媒の温度上昇が緩やかである。そのため、ＦＦＶ車両のエンジン始動直後においては、排気ガスが未燃焼のアルコールを含んでいる。
【０００６】
この未燃焼のアルコールを排気ガスから回収することを目的に、前記触媒よりも排気ガス流路の下流側に、一般的に吸着材として用いられているような高比表面積の粉末材料を備えた場合、この吸着剤にはアルコールとともに排気ガス中の水が吸着される。この吸着した水とアルコールをそのまま外へ排出すると、結局アルコールを外気に放出することになり望ましくない。
【０００７】
また、アルコールは水に極めて良好に混合するため、吸着材に吸着した水とアルコールとの混合物のなかからアルコールのみを分離することは難しく、未燃焼のアルコールを燃料として再利用することは困難である。
【０００８】
そこで本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、ＦＦＶ車両のエンジン始動時に排出される未燃焼のエタノールを回収する内燃機関の排気浄化装置を提供することである。更に、この回収したエタノールを燃料として再利用する内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、
平均孔径が水分子径より大きくエタノール分子径未満のゼオライトと、
前記ゼオライトよりも排気ガスの流れ方向の下流側に設けた、エタノールを吸着するエタノール吸着材と、
を備える内燃機関の排気浄化装置である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、
前記エタノール吸着材に吸着したエタノールを内燃機関の吸気側に循環させる循環流路を備える請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＦＦＶ車両のエンジン始動時に排出される未燃焼のエタノールを回収する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。更に、この回収したエタノールを燃料として再利用する内燃機関の排気浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の排気浄化装置の構成を示す概略図である。
【図２】本実施形態の排気浄化装置におけるエンジン始動時の排気ガスの流れを説明する図である。
【図３】本実施形態の排気浄化装置における触媒暖機後の排気ガスの流れを説明する図である。
【図４】本実施形態の排気浄化装置におけるエタノール回収時の排気ガスの流れを説明する図である。
【図５】本実施形態の排気浄化装置における水の排出時の排気ガスの流れを説明する図である。
【図６】他の本実施形態の排気浄化装置の構成を示す概略図である。
【図７】他の本実施形態の排気浄化装置におけるエンジン始動時の排気ガスの流れを説明する図である。
【図８】他の本実施形態の排気浄化装置における触媒暖機後の排気ガスの流れを説明する図である。
【図９】他の本実施形態の排気浄化装置におけるエタノール回収時の排気ガスの流れを説明する図である。
【図１０】他の本実施形態の排気浄化装置における水の排出時の排気ガスの流れを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず始めに排気ガス成分について説明する。
燃料に含有するアルコール成分は、下記反応によって最終的には水及び二酸化炭素を発生させる。
【００１４】
【化１】
2010209743.tif 000003
【００１５】
また、ガソリン燃料の燃焼においても、下記酸化反応によって水が生成する。
【００１６】
【化２】
2010209743.tif 000004
【００１７】
よって、ガソリン燃料とアルコール燃料とを併用するＦＦＶシステムの場合、多量の水が発生する。更に、アルコールはガソリンと比して発熱量が少ない。これらに起因して、ＦＦＶシステムでは、エンジン始動時の触媒温度の上昇が抑えられてしまう。結果、ＦＦＶシステムの場合には、通常のガソリン燃料を用いる従来のシステムよりも、エンジン始動直後における触媒の活性化が鈍く、触媒を通過させた排気ガスであっても未燃焼のアルコール（通常エタノール）が含まれている。
【００１８】
そこで、本実施形態の排気浄化装置では、図１に示すように、排気ガスの流れ方向において内燃機関７から順に、前記触媒１、水分を吸着させる水分吸着材３、及びエタノールを吸着させるエタノール吸着材５を設ける。この水分吸着材３及びエタノール吸着材５によって排気ガス中から水及びエタノールを取り除いたのち、排気ガスを外へ排出する。水分吸着材３に吸着した水はポンプ等により外に排出され、エタノール吸着材５に吸着したエタノールは内燃機関７の吸気側に循環される。
【００１９】
また、触媒１が暖機された後は、触媒１が活性化しているため、触媒１によって水及びエタノールが捕集される。そこで、触媒１が暖機された後は、触媒１を通過した排気ガスは、水分吸着材３及びエタノール吸着材５を通過せずに、外へ排出される。
【００２０】
触媒１としては、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯX）の３つの物質を酸化・還元反応によって同時に除去する三元触媒が用いられる。三元触媒は、排気ガス中の有害なＨＣ、ＣＯ及びＮＯXを無害なＨ2Ｏ、ＣＯ2、Ｎ2へと還元又は酸化させる。
【００２１】
触媒１として二種類以上の触媒を併用してもよく、例えば、１段目には前記三元触媒を設け、その下流側の２段目に、ＮＳＲ（NOX Storage Reduction）やＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx Reduction System）を設けてもよい。
【００２２】
ＮＳＲとは、リーン運転モードでの運転中に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吸蔵還元型触媒である。
また、ＤＰＮＲとは、粒子状物質（ＰＭ）とＮＯｘを同時に連続して浄化させることが可能なシステムのことであり、例えば、ＰＭ捕集装置であるＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）にＮＯX吸蔵還元型触媒を担持させたものである。
【００２３】
水分吸着材３としては、平均孔径が水分子径より大きくエタノール分子径未満のゼオライトを用いる。このような孔径を有するゼオライトは、水を孔内に吸着する一方で、エタノールは孔内に取り込めず吸着しない。したがって、水分吸着材３を通過した後の排気ガスでは、水は除去されているが、エタノールは残存している。
【００２４】
ゼオライトの平均孔径は、具体的には２．６Å以上４．５未満であることが好適であり、約３Åであることがより好適である。このようなゼオライトは市販品として入手でき、例えば、ゼオラムＡ−３（東ソー社製）などを挙げることができる。
【００２５】
ゼオライトを通過した後の排気ガスをエタノール吸着材５に通し、排気ガス成分に含まれるエタノールをエタノール吸着材５に吸着させる。
【００２６】
エタノール吸着材５は、従来から用いられる吸着材がいずれも好適に用いられ、シリカ、バーミキュライト、雲母、二酸化珪素、タルク、ゼオライト、パーライト、ベントナイト、珪藻土、アルミナ等が例示される。その中でもゼオライト又はアルミナがエタノールの吸着力の点で好ましい。
【００２７】
このように、排気ガスの流れ方向において水分吸着材３の後にエタノール吸着材５を備えることで、排気ガス中から水及びエタノールを分離して取り除くことができる。また、分離して捕集したエタノールを内燃機関７に戻すことができ、エタノールを外へ排出させない。
【００２８】
なお、ＦＦＶ車両の排気ガスは、エタノールに比べて多量の水を含む。そのため、水とエタノールの両者を捕集する吸着材を適用した場合は、この吸着材に大量に吸着した水をエタノールとともに内燃機関７に戻すこととなり好ましくない。また、このような吸着材に吸着した水とエタノールの混合物からエタノールを分離することも難しく、混合物のまま外へ排出することも環境の観点から避けることが望ましい。
【００２９】
図２は、本実施形態の排気浄化装置におけるエンジン始動時の排気ガスの流れを説明する図である。
内燃機関７に排気流路９が接続され、排気流路９は触媒１を備える。排気流路９の触媒１よりも下流側で、水分吸着材３及びエタノール吸着材５を備える吸着流路１１が接続し、排気流路９と吸着流路１１の分岐には三方弁（切換手段）１３が設けられる。吸着流路１１は、排気ガスの流れ方向の上流から順に、水分吸着材３及びエタノール吸着材５を備える。三方弁１３と水分吸着材３との間には、ポンプ（図示せず）に接続する水排出管１７が接続され、水排出管１７にはパージバルブ１５が設けられる。
【００３０】
水分吸着材３とエタノール吸着材５との間には、内燃機関７の吸気側に接続する循環流路１９が設けられ、循環流路１９は弁（バルブ）２１を備える。また、エタノール吸着材５の排気ガス下流側の吸着流路１１は、再び排気流路９に接続する。
【００３１】
エンジン始動時には、三方弁１３において吸着流路１１側を開き、弁２１により循環流路１９を閉じる。水排出管１７に接続するパージバルブ１５を閉める。よって、内燃機関７から排出した排気ガスは、点線で示すように、まず触媒１を通過し、その後水分吸着材３及びエタノール吸着材５を順次通過し、外へ排出される。
【００３２】
図３は、本実施形態の排気浄化装置における、触媒１の暖機後、通常走行状態（定常運転時）での排気ガスの流れを説明する図である。
触媒１が暖機した後は、触媒１が活性化しているため、触媒１によって水及びエタノールが捕集される。そこで、三方弁１３で吸着流路１１を閉じ、弁２１により循環流路１９を閉じる。これにより、内燃機関７から排出された排気ガスは、触媒１を通過した後、水分吸着材３及びエタノール吸着材５を通過することなく、外へ排出される。
【００３３】
触媒１が充分暖機されて活性状態にあるか否かは、触媒１に設けた温度センサ（図示せず）により触媒床温を検出することで判断してもよく、また、触媒１の排気ガス流れ方向の下流側に設けた図示しないＮＯXセンサによって、ＮＯX濃度を検出することで判断してもよい。
前記温度センサやＮＯXセンサによって触媒１が活性状態にあると判断された場合に、上述のように三方弁１３と弁２１との開閉を行う。
【００３４】
図４は、本実施形態の排気浄化装置における、エタノール回収時の排気ガスの流れを説明する図であり、図５は、水の排出時の排気ガスの流れを説明する図である。
【００３５】
触媒１が暖機するまでに排出される排気ガスはエタノールと水とを含むが、水に比べてエタノールの含有量は極めて少ない。そこで、まず、エタノール吸着材５に吸着されたエタノールを内燃機関７に戻して回収し、エタノールが充分に回収された後に、水分吸着材３が吸着した水を排出する。エタノール、水の順に回収、排出することで、エタノールを外へ排出することなく、内燃機関７に戻すことができる。
【００３６】
エタノール回収時には、図４に示すように、三方弁１３で吸着流路１１を閉じ、弁２１により循環流路１９を開け、水排出管１７に接続するパージバルブ１５を閉める。循環流路１９は内燃機関７の吸気側に接続するため、内燃機関７の吸気負圧によりエタノール吸着材５に吸着されたエタノールが吸気されて、内燃機関７の吸気側に循環される。
【００３７】
エタノールが内燃機関７の吸気側に循環された後、図５に示すように、弁２１で循環流路１９を閉じ、パージバルブ１５を開け、水排出管１７に接続するポンプを始動させる。ポンプの吸引により、水分吸着材３から水を取り出す。
【００３８】
エタノール吸着材５に吸着したエタノールが充分に内燃機関７に戻されたか否かは、循環流路１９又はエタノール吸着材５に設けたエタノールセンサ（図示せず）でエタノール濃度を検出することによって判断される。エタノールセンサによってエタノールが内燃機関７に充分に戻されたと判断された後、上述のように弁２１とパージバルブ１５の開閉を行う。
【００３９】
なお、図１〜５の三方弁１３、パージバルブ１５、弁２１、及び図示しない温度センサ、ＮＯXセンサ、エタノールセンサは、図示しないＣＰＵ（又はＥＣＵ（Electronic Control Unit））と電気的に接続される。触媒温度センサ、ＮＯXセンサ、エタノールセンサによってそれぞれ検出された触媒床温、ＮＯX濃度、エタノール濃度は前記ＣＰＵ（又はＥＣＵ）に入力され、検出された触媒床温、排気ガス中のＮＯX濃度、エタノール濃度が、予め定められた触媒床温、ＮＯX濃度、エタノール濃度となった場合に、ＣＰＵから出力される制御信号に基づいて三方弁１３の切り替え、パージバルブ１５、弁２１の開閉が制御される。
【００４０】
図６は、他の実施形態の排気浄化装置の構成を示す概略図である。図６では、図１における三方弁１３の代わりに、吸着流路１１に弁２３、排気流路９と吸着流路１１との分岐よりも排ガス流れ方向の下流側の排気流路９に弁２５を設ける。
【００４１】
図６に示す他の実施形態の排気浄化装置は、三方弁１３での流路制御の代わりに、弁２３及び弁２５の開閉を行なう排気浄化装置である。この点以外は図１の実施形態の排気浄化装置と同様であるため、説明を省略する。
なお、図７は、図６の排気浄化装置におけるエンジン始動時の排気ガスの流れを説明する図であり、図８は、図６の排気浄化装置における触媒暖機後の排気ガスの流れを説明する図であり、図９は、図６の排気浄化装置におけるエタノール回収時の排気ガスの流れを説明する図であり、図１０は、図６の排気浄化装置における水の排出時の排気ガスの流れを説明する図である。
【００４２】
図１及び図６の本実施形態の排気浄化装置では、ＦＦＶ車両のエンジン始動時に排出される未燃焼のエタノールを外に排出することなく回収できる。更に、この回収したエタノールを燃料として再利用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１     触媒
３     水分吸着材（ゼオライト）
５     エタノール吸着材
７     内燃機関
９     排気流路
１１   吸着流路
１３   三方弁
１５   パージバルブ
１７   水排出管
１９   循環流路
２１、２３、２５     弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010209743.tif 000011
【図８】
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【図９】
2010209743.tif 000013
【図１０】
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