(57)【要約】【課題】小さな投入エネルギー且つ簡便な方法で軽油などの燃料中に含まれる炭化水素を低級化できる燃料改質手段を採用した車載用ＮＯｘ浄化装置を提供すること。【解決手段】軽油を保持する改質槽１０７と改質槽１０７内に微小気泡を導入してＮＯｘ還元剤を生成する微小気泡導入手段１０１〜１０６とを備える燃料改質手段１０と、燃料送出手段２０と、ＮＯｘ還元剤を排気ガス中に添加するＮＯｘ還元剤添加手段３０とを有する。直径がマイクロ〜ナノサイズの微小気泡を混入させると、微細気泡が消滅する際に、瞬間的に高温高圧になり衝撃波が発生する。この衝撃波によって、燃料中の炭化水素を分解でき、目的とする分子量の低級炭化水素が生成する。微小気泡の導入を燃料タンクから独立した燃料改質手段にて行うことで、燃料タンク内の燃料に影響を与えることがなく処理条件を選択可能である。装置のコスト及び投入エネルギーは格段に小さくできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用燃料を内部に保持する改質槽と該改質槽内に微小気泡を導入して該内燃機関用燃料からＮＯｘ還元剤を生成する微小気泡導入手段とを備える燃料改質手段と、
燃料タンク内の該内燃機関用燃料を該燃料改質手段の該改質槽に送出する燃料送出手段と、
生成した該ＮＯｘ還元剤を内燃機関からの排気ガス中に添加するＮＯｘ還元剤添加手段と、
を有することを特徴とする車載用ＮＯｘ浄化装置。
【請求項２】
前記微小気泡は直径が１０ｎｍ以上、２０μｍ以下である請求項１に記載の車載用ＮＯｘ浄化装置。
【請求項３】
前記ＮＯｘ還元剤添加手段は前記ＮＯｘ還元剤を優先的に分離する分離手段を備える請求項１又は２に記載の車載用ＮＯｘ浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元浄化する車載用ＮＯｘ浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車など、内燃機関から排出される排気ガス中には、有害物質が多分に含まれている。発生する有害物質の1つにＮＯｘ（窒素酸化物）があり、本物質を低減することが現在1つの課題となっている。例えば、ディ−ゼル車におけるＮＯｘ発生の一因としては、エンジン筒内での燃焼時に、高温状態で酸素が共存することが挙げられる。ここで、ＮＯｘの発生を低減させる方法としては、エンジン筒内の燃焼を短時間で行うことが挙げられるが、その結果、他の有害物質の１つであるPM（粒子状物質）が増加することになる。また、燃焼時の温度を下げることによりＮＯｘ発生を低減することも考えられるが、そうすると今度は出力が低下するおそれがある。
【０００３】
これらの不都合を回避する方法として、エンジンで発生した排気ガス中のＮＯｘを後処理にて減少させる方法が挙げられる。その一例として、ディーゼルエンジンの燃料である軽油を排気ガス中に噴射しＮＯｘと反応させることで浄化させる手法がある。つまり、軽油（炭化水素）を反応させることでＮＯｘをＮ2にまで還元する方法である。その際、添加する炭化水素としては軽油中に含まれる炭化水素よりも低級な成分を採用することが望ましい。低級炭化水素は、蒸発し易く且つ酸素と結合し易いので、ＮＯｘから酸素を奪い取る反応が進行しやすい。特に、炭素数１２以下の炭化水素が望ましい。従って、排気ガス中に添加する炭化水素としては軽油をそのまま採用するのではなく、低級炭化水素として添加することが望まれている。
【０００４】
従来技術としては、軽油中の炭化水素を７００℃で加熱することでクラッキングを行って低級炭化水素を得る方法が開示されている（特許文献１）。また、低級炭化水素を生成する代わりに、ＮＯｘの還元性を向上する目的でオゾンを添加する方法が開示されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００１−１３２４３３号公報
【特許文献２】特開２００１−７３７４４号公報
【特許文献３】特開２００２−１４３８８５号公報
【特許文献４】特開２００３−１８１２５９号公報
【特許文献５】特開２００３−２０５２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、軽油を加熱分解するために多大なエネルギーが必要で現実的とはいえなかった。また、特許文献２に記載の方法では、オゾン発生装置などの高価なオゾン供給装置が別途必要であり、コストの観点から採用することが困難であった。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、小さな投入エネルギー且つ簡便な方法で軽油などの燃料中に含まれる炭化水素を低級化できる燃料改質手段を採用した車載用ＮＯｘ浄化装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の車載用ＮＯｘ浄化装置は、内燃機関用燃料を内部に保持する改質槽と該改質槽内に微小気泡を導入して該内燃機関用燃料からＮＯｘ還元剤を生成する微小気泡導入手段とを備える燃料改質手段と、
燃料タンク内の該内燃機関用燃料を該燃料改質手段の該改質槽に送出する燃料送出手段と、
生成した該ＮＯｘ還元剤を内燃機関からの排気ガス中に添加するＮＯｘ還元剤添加手段と、を有することを特徴とする。ここで、導入する微小気泡は直径が１０ｎｍ以上、２０μｍ以下であることが望ましい。
【０００８】
燃料中に直径がマイクロサイズ、ナノサイズの微小気泡を混入させると、微細気泡が気体成分の溶解により消滅する際に、瞬間的に数千気圧、数千℃の高温高圧になり、衝撃波が発生する。発生した衝撃波によって、燃料中の炭化水素を分解（クラッキング）でき、目的とする分子量の低級炭化水素を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の車載用ＮＯｘ浄化装置は、内燃機関用燃料内に微小気泡を導入することで燃料内の炭化水素を分解する。炭化水素の分子量は燃料改質手段における微小気泡の導入量及び微小気泡にさらす時間によって制御できる。また、微小気泡の導入を燃料タンクから独立した燃料改質手段にて行うことで、燃料タンク内の燃料に影響を与えることがなくなるので、ＮＯｘ還元剤としてのみ最適になるような処理条件を選択することも可能になる。ここで、燃料内への微小気泡の導入に要する装置のコスト及び投入エネルギーは特許文献１及び２に開示されたものより格段に小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（車載用ＮＯｘ浄化装置）
本実施形態の車載用ＮＯｘ浄化装置は、内燃機関を搭載した車両に適用される。特にPMの抑制が望まれる内燃機関であるディーゼルエンジンを搭載した車両に好適に適用される。本車載用ＮＯｘ浄化装置は内燃機関用燃料を改質してＮＯｘ還元剤を生成し、そのＮＯｘ還元剤を内燃機関の排気ガス中に添加することで排気ガス中のＮＯｘを低減する装置である。本装置は燃料改質手段と燃料送出手段とＮＯｘ還元剤添加手段とを有する。ここで、「ＮＯｘ還元剤」とは内燃機関に用いる内燃機関用燃料（例えば、軽油など）から生成される化合物であり、その内燃機関用燃料よりも低級な炭化水素を主成分としたものである。つまり、適用した内燃機関に用いる内燃機関用燃料中に含まれる炭化水素が分解されて、分子量分布がより低分子側となっているものである。
【００１１】
燃料改質手段は内燃機関用燃料を低分子化してＮＯｘ還元剤を生成する手段であり、内燃機関用燃料内に微小気泡を添加することで低分子化を行いＮＯｘ還元剤を生成する。燃料改質手段は改質槽と微小気泡導入手段とを備えている。微小気泡導入手段によって改質槽内に微小気泡を導入することで改質槽内の内燃機関用燃料を改質してＮＯｘ還元剤を生成する。
【００１２】
改質槽は内部に内燃機関用燃料を保持する。内燃機関用燃料における好適な分子量（分布）と、ＮＯｘ還元剤における好適な分子量（分布）とは一致しないことが想定されるので、微小気泡を導入する場所として燃料タンクなどとは別に改質槽を設けている。この改質槽は燃料タンク内に設けることもできる。燃料タンク内に燃料改質手段を設ける場合には両者の間を分離することで、生成したＮＯｘ還元剤が燃料タンク内に混合して燃料タンク内の内燃機関用燃料に悪影響を及ぼすことを防止する。従って、完全に分離することは、悪影響を及ぼさない限り必須ではない。
【００１３】
微小気泡導入手段は、改質槽内に微小気泡を導入する手段である。ここで、微小気泡とはナノメーターオーダーからマイクロメーターオーダーの直径を持つ気泡であり、ナノバブル、マイクロバブルなどと称される大きさのもである。具体的には常圧下で微小気泡の直径が１０ｎｍ以上２０μｍ以下程度が望ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が更に望ましい。微小気泡の直径をこの程度に制御すると、内燃機関用燃料内にて消滅することで衝撃波が発生して内燃機関用燃料における化学結合を切断して低分子量化することができる。微小気泡を構成する気体は特に限定しないが、特に必要がない限り空気を用いることが好ましい。
【００１４】
微小気泡の生成法としては特に限定しない。例えば、流体学的方法、水電解法及び超音波生成法などがある。水電解法は内燃機関用燃料中に水を導入しその水を電気分解することで微小気泡を発生させる方法である。超音波生成法は超音波の照射条件を制御することで、微小気泡を発生させる方法である。改質槽内に保持した内燃機関用燃料に対してそのまま超音波を照射したり、気体を導入しながら超音波を照射することで微小気泡が生成できる。気体を導入しながら超音波を照射すると、投入エネルギーを小さくできる。
【００１５】
流体学的方法は、以下に説明するように、投入エネルギーを小さくでき、もっとも微小気泡の発生に適した方法である。流体学的方法により微小気泡を発生する微小気泡導入手段は、頂点に開口部をもつ円錐状の空間を形成する本体部と、円錐状空間に開口しその円錐状空間を構成する円の接線方向に向けて内燃機関用燃料を流入させる内燃機関用燃料導入口と、円錐状空間の底面の中央付近に開口しその円錐状空間を構成する円錐の軸方向に気体を流入させる気体導入口とを有している。
【００１６】
内燃機関用燃料により円錐状空間内を満たした状態で、内燃機関用燃料導入口より内燃機関用燃料を流入させることで、円錐状空間内で旋回流が発生する。その結果、円錐状空間の底部近傍に負圧が発生し、気体導入口から気体が流入する。流入してきた気体は内燃機関用燃料とともに旋回していき、円錐状空間の頂部方向に進んでいく、頂部方向に進むにつれて導入された気体は縮径且つ伸長されることで、微小気泡が形成されて円錐状空間の頂部に設けられた開口部から内燃機関用燃料とともに円筒状空間から導出されていく。円錐状空間の形状（円錐の径、円錐角の大きさ、円錐の長さなど）、内燃機関用燃料の導入速度、内燃機関用燃料導入口及び気体導入口の開口径などを制御することで微小気泡の直径を制御できる。なお、本原理に基づいて微小気泡を発生する方法及び装置については特許文献３〜５に一部開示されている。
【００１７】
ＮＯｘ還元剤添加手段は内燃機関の排気ガス中に生成したＮＯｘ還元剤を添加する手段である。排気ガス中においてＮＯｘ還元剤の添加場所は特に限定しないが、ＮＯｘ還元触媒に導入される前の排気ガス中にＮＯｘ還元剤を添加することが一般的である。その結果、ＮＯｘ還元触媒により効率的にＮＯｘが還元される。ＮＯｘ還元触媒は特に限定されず公知の触媒が採用できる。例えば、ゼオライトに触媒金属（銅など）を担持した触媒が挙げられる。ＮＯｘ還元剤の添加方法についても特に限定されず、霧状にしたり、予め気化させたりすることで適正量を添加する。
【００１８】
ＮＯｘ還元剤添加手段は改質槽内の炭化水素のうち、低分子量のものを分離する分離手段を備えることが望ましい。分離手段としては分子量により透過性が変化する膜（モレキュラーシーブス、ゼオライトなどが例示できる。これらは孔径の制御が容易であり、分離する分子量を制御できる）が好適なものとして例示できる。膜が有する孔の径を制御することで必要な分子量以下の炭化水素を主成分とするＮＯｘ還元剤を優先的に分離できる。
【実施例】
【００１９】
本実施例の車載用ＮＯｘ浄化装置は内燃機関としてのディーゼルエンジンが搭載された車両に用いる装置である。図１に本浄化装置を組み込んだ車両の燃料噴射装置及び排気ガス浄化装置近傍の概略を示す。本浄化装置は、図１に示す装置（手段）のうち、燃料改質手段１０、燃料送出手段２０及びＮＯｘ還元剤添加手段３０から構成される。
【００２０】
燃料改質手段１０は微小気泡導入手段１０１〜１０６と改質槽１０７とを備える。微小気泡導入手段１０１〜１０６は、図１及び図２（ａ）に示すように、内部空間１０１ｃ及び導出口１０１ｄをもつ本体部１０１と、内部空間１０１ｃに開口する燃料供給路１０４及び空気供給路１０６と、改質槽１０７内に開口する燃料吸入路１０３と、燃料吸入路１０３から吸入した燃料を燃料供給路１０４に供給するポンプ１０２と、空気供給路１０６に流入する空気の流量を測定する流量計１０５とを備える。
【００２１】
本体部１０１の空間１０１ｃは円錐状の空間を形成する。空間１０１ｃにはポンプ１０２からの燃料供給路１０４が接続される。燃料供給路１０４は空間１０１ｃが形成する円錐を形成する円の接線方向に開口し、燃料供給路１０４から導入される軽油により空間１０１ｃ内に旋回流を発生する。円錐状の空間１０１ｃの底面側中央には空気供給路１０６の一端部が開口する。空気供給路１０６は他端に流量計１０５が接続され、流量計１０５を介して大気中に開口する。
【００２２】
微小気泡導入手段１０１〜１０６は、円錐状空間１０１ｃ内を軽油で満たした状態で、燃料供給路１０４の一端部より燃料を流入させることで、円錐状空間１０１ｃ内で旋回流が発生する。その結果、円錐状空間１０１ｃの底部近傍に負圧が発生し、空気供給路１０６の一端部から空気が流入する。流入する空気の量は流量計１０５にて制御・測定できる。
【００２３】
流入してきた空気は円錐状空間１０１ｃ内を軽油とともに旋回していき、その後、円錐状空間１０１ｃの頂部方向に進んでいく。頂部方向に進むにつれて導入された空気は縮径且つ伸長されて、微小気泡が形成されて円錐状空間１０１ｃの頂部に設けられた導出口１０１ｄから燃料としての軽油とともに改質槽１０７内に導出されていく。その結果、改質槽１０７内には微小気泡が分散される。つまり、燃料供給路１０４から軽油を導入することで、空気供給路１０６から空気を吸入して、微小気泡を含む軽油が導出口１０１ｄから改質槽１０７内に吐出される。
【００２４】
発生する微小気泡の大きさは直径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下に制御されている。分散された微小気泡は消滅する際に衝撃波を発生し、軽油中の炭化水素に働きかけて炭化水素を分解・低分子化する。軽油中の炭化水素を分解して所定の分子量（分布）になるまで微小気泡導入手段１０１〜１０６を作動させる。ここで、所定の分子量としては炭素数１２以下の値を採用することが望ましい。特に炭素数１０、１２又は１０〜１２程度、１２以下、更には１０以下が望ましい。
【００２５】
改質槽１０７内には燃料送出手段２０により燃料タンク４０内の軽油が送出される。改質槽１０７内の圧力が何らかの原因により所定値よりも大きくなった場合にはレギュレータ１０８が開き改質槽１０７内の燃料を燃料タンク４０内に排出する。
【００２６】
ＮＯｘ還元剤添加手段３０は改質槽１０７内で生成したＮＯｘ還元剤を排気ガス中に添加する。ＮＯｘ還元剤を添加する部位としては酸化触媒８２の後、ＮＯｘ還元触媒８３の前に添加する。ＮＯｘ還元剤を添加する量はＮＯｘの濃度や温度などをセンサ７１〜７４にて検出した温度やＮＯｘ濃度、酸素濃度などに基づき決定することができる。
【００２７】
（変形例１）
微小気泡導入手段として、図１及び図２（ａ）における本体部１０１、空気供給路１０６及び流量計１０５に代えて、図２（ｂ）に示すような超音波照射手段１１１を採用することができる。超音波照射手段１１１は扁平した直方体状の内部空間１１１ｃを備え、内部空間１１１ｃの一端部には燃料供給路１０４が接続され、内部空間１１１ｃの反対側に一端部が開口する導出口１１１ｄ（他端部が改質槽１０７内に開口する）を備える。内部空間１１１ｃ内には超音波振動子１１２が配設される。
【００２８】
燃料供給路１０４から供給された軽油には超音波振動子１１２により超音波が照射される。超音波が照射されると、軽油内に微小気泡が発生する。発生した微小気泡が消失する際に衝撃波が発生して軽油中の炭化水素の炭化水素を分解・低分子化する。
【００２９】
（変形例２）
低分子した炭化水素を選択的に排気ガス中に添加するためにＮＯｘ還元剤添加手段３０は改質槽１０７内の炭化水素を分子量により分離する分離手段３１（図３）を備えることができる。分離手段３１は、ゼオライト膜など分子量（分子サイズ）により分子を分離する分離膜３１１と、分離膜３１１にて２分された内部空間３１ａ及び３１ｂとをもつ。内部空間３１ａは、その一方から改質槽１０７内の燃料（ＮＯｘ還元剤）が導入される。導入されたＮＯｘ還元剤は低分子量の成分が分離膜を透過して内部空間３１ｂに移動し、高分子量成分が内部空間３１ａに残留する。低分子量成分が分離された内部空間３１ｂの開口部ｃは排気ガス中にＮＯｘ還元剤を噴射するＮＯｘ還元剤添加手段３０が接続される。高分子量成分が残留する内部空間３１ａの開口部ｂは再び改質槽１０７内に開口する。従って、改質槽１０７からは低分子量の成分が選択的に取り出され、生成したＮＯｘ還元剤をより効果的に添加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例の車載用ＮＯｘ浄化装置を組み込んだ車両の燃料噴射装置及び排気ガス浄化装置近傍の概略を示す図である。
【図２】実施例において採用した微小気泡発生手段の断面図である。
【図３】実施例において採用した分離手段の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０…燃料改質手段（流体学的方法）
１０１…本体部    １０１ｃ…内部空間    １０１ｄ…導出口    １０２…ポンプ    １０４…燃料供給路    １０６…空気供給路    １０７…改質槽
１１…燃料改質手段（超音波生成法）
１１１…本体部    １１１ｃ…内部空間    １１１ｄ…導出口    １０４…燃料供給路    １１２…超音波振動子    １０７…改質槽
２０…燃料送出ポンプ
３０…ＮＯｘ還元剤添加手段
３１…分離手段
３１１…分離膜
【図１】
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【図２】
2006214310.tif 000004
【図３】
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