(57)【要約】【課題】本発明は、ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジンなどの酸素過剰雰囲気の排ガスを排出する内燃機関において、ＮＯｘを効率よく浄化することができる安価で簡便なＮＯｘ浄化装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の窒素酸化物浄化装置１は、軽油からアロマ分を除去して還元剤とするアロマ分除去手段４０を備えることを特徴とする。アロマ分除去手段４０は、アロマ分除去溶媒を貯留する除去溶媒タンク４２と、軽油Ａにこのアロマ分除去溶媒Ｂを配合してアロマ分を沈降させ還元剤とアロマ分とに分離するアロマ分分離器４４と、アロマ分と除去溶媒とを分離して回収する回収手段４６とを備える。回収手段４６は、アロマ分分離器４４で分離されたアロマ分ａと除去溶媒Ｂとの混合液Ｄを貯留する回収タンク４６と、混合液Ｄからアロマ分ａを蒸留するヒータ４６ｈと、蒸留後の除去溶媒Ｂを除去溶媒タンク４２へ環流するリターンポンプ４８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素酸化物浄化用触媒と、該窒素酸化物浄化用触媒の上流側に窒素酸化物を還元する還元剤を添加する還元剤添加手段とを備え、酸素過剰雰囲気の排ガスを排出する内燃機関の排気系で窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化装置であって、
軽油からアロマ分を除去して前記還元剤とするアロマ分除去手段を備えることを特徴とする窒素酸化物浄化装置。
【請求項２】
前記アロマ分除去手段は、アロマ分除去溶媒を貯留する除去溶媒タンクと、前記軽油に前記アロマ分除去溶媒を配合して前記アロマ分を沈降させ前記還元剤と前記アロマ分とに分離するアロマ分分離器と、前記アロマ分と前記除去溶媒とを分離して回収する回収手段とを備える請求項１に記載の窒素酸化物浄化装置。
【請求項３】
前記還元剤添加手段は、前記軽油を貯留する軽油タンクと、前記アロマ分分離器を介して前記還元剤を前記排気系内へ添加する添加弁とを備える請求項１または２に記載の窒素酸化物浄化装置。
【請求項４】
前記アロマ分除去溶媒は硫酸または硫酸塩溶液である請求項２または３に記載の窒素酸化物浄化装置。
【請求項５】
前記還元剤は、含有するアロマ分を５０％以上除去した軽油である請求項１〜４のいずれかに記載の窒素酸化物浄化装置。
【請求項６】
前記アロマ分分離器で分離した前記アロマ分と前記除去溶媒との混合液が前記回収タンクへ流入することを制御する開閉弁を備える請求項２〜５のいずれかに記載の窒素酸化物浄化装置。
【請求項７】
前記回収手段は、前記アロマ分分離器で分離された前記アロマ分と前記除去溶媒との混合液を貯留する回収タンクと、前記混合液から前記アロマ分を蒸留するヒータと、蒸留後の前記除去溶媒を前記除去溶媒タンクへ環流するリターンポンプとを備える請求項２〜６のいずれかに記載の窒素酸化物浄化装置。
【請求項８】
前記ヒータで前記混合液の温度を１００〜３５０℃に加熱する請求項７に記載の窒素酸化物浄化装置。
【請求項９】
回収された前記アロマ分をエンジン燃焼用燃料とする請求項２〜８のいずれかに記載の窒素酸化物浄化装置。
【請求項１０】
前記窒素酸化物浄化用触媒は銀−アルミナ系触媒もしくは硫酸塩系触媒である請求項１に記載の窒素酸化物浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジンなどの酸素過剰雰囲気の排気ガスを排出する内燃機関の排気系に介挿する窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記す。）浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジンなどのように酸素過剰雰囲気の排気ガスを排出する内燃機関においては、従来、三元触媒を用いてＮＯｘを効果的に浄化することは困難であった。三元触媒におけるＮＯｘの浄化は、排気ガス中の還元成分（例えば、ＨＣ）によってＮＯｘの還元反応が行われるものであるが、酸素過剰雰囲気下においては、還元成分と雰囲気中の酸素が反応するので、ＮＯｘの還元反応が阻害されるという問題がある。
【０００３】
そこで、ディーゼルエンジンにあっては、図６に示すようにエンジン１０１に接続された排気系１０２に三元触媒１０５を介装し、軽油添加装置１０６を設けてその触媒１０５の上流に設けたノズル１０８から排気ガスＥ中に還元剤として軽油を添加する技術が知られている。なお、図中、符号１０７は軽油添加装置１０６に軽油を供給する燃料タンク、１１０はこれらを制御する制御装置、１２０はエンジン１０１の運転状態を検出し制御装置１１０に伝えるセンサをそれぞれ示している。しかし、図６の従来技術では、還元剤が過剰な酸素と反応し、ＮＯｘの還元作用が十分に行われないという問題点を有している。
【０００４】
このため、燃料を７００℃まで加熱し、軽油をクラッキングして低炭素成分燃料を作り出し、この低炭素成分燃料によってＮＯｘ浄化性能を向上させようとする技術が開示されている（特許文献１）。しかし、この従来技術では、燃料を７００℃まで加熱するためのヒータやヒータ加熱電力およびそれらの制御が必要であり、ＮＯｘ浄化装置の構造を複雑化させるとともに、コストを増大させるという問題がある。
【０００５】
また、排気ガス内にＮＯｘの還元反応が進行するために必要な中間体を生成させるオゾンを添加してＮＯｘの浄化性を向上しようとする技術が提案されている（特許文献２）。しかし、この従来技術では、還元剤を添加する還元剤添加装置とは別に、オゾン生成装置と排気管内への添加弁とが必要となりコストを増大させるという問題がある。
【特許文献１】特開２００１−１３２４３３号公報
【特許文献２】特開２００１−７３７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決すべくなされたもので、ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジンなどの酸素過剰雰囲気の排ガスを排出する内燃機関において、ＮＯｘを効率よく浄化することができる安価で簡便なＮＯｘ浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
近年、上記のようなディーゼルエンジンの排ガス制御、中でもＮＯｘの後処理技術に関する研究が多数行われている。そして、その一例として還元剤として添加する軽油の性状によってＮＯｘ浄化触媒の浄化性能が著しく異なることが明らかになった。すなわち、還元剤におけるＮＯｘ浄化性能に効果的なＨＣ種は炭素数Ｃ１２以下の直鎖炭化水素であり、還元剤である軽油中に含有されるベンゼン系炭化水素（アロマ分）はＮＯｘの還元剤として適していないことが報告されている（（社）自動車技術会  ２００４年春季大会  学術講演会前刷集  Ｎｏ．２９−０４  ５〜８頁）。
【０００８】
本発明者らは、鋭意研究の結果、軽油の含有するアロマ分を簡便に除去できるアロマ分除去溶媒を見出し、この除去溶媒を用いてアロマ分を除去した軽油を還元剤として排気ガス中に添加すればＮＯｘ浄化率を向上できることに着目して本発明を完成したものである。
【０００９】
本発明の窒素酸化物浄化装置は、窒素酸化物浄化用触媒と、この窒素酸化物浄化用触媒の上流側に窒素酸化物を還元する還元剤を添加する還元剤添加手段とを備え、酸素過剰雰囲気の排ガスを排出する内燃機関の排気系で窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化装置であって、軽油からアロマ分を除去して還元剤とするアロマ分除去手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の窒素酸化物浄化装置によれば、アロマ分除去手段によりアロマ分を除去した軽油を還元剤として添加するので、窒素酸化物の浄化性能を向上することができる。
【００１１】
本発明の窒素酸化物処理装置において、アロマ分除去手段は、アロマ分除去溶媒を貯留する除去溶媒タンクと、軽油にこのアロマ分除去溶媒を配合してアロマ分を沈降させ還元剤とアロマ分とに分離するアロマ分分離器と、アロマ分と除去溶媒とを分離して回収する回収手段とを備えることが望ましい。このような構成とすることで、アロマ分除去溶媒により軽油中のアロマ分を除去するとともに、除去されたアロマ分や除去溶媒を回収することができ、簡便かつ経済的にアロマ分を除去することができる。
【００１２】
また、本発明の窒素酸化物処理装置において、還元剤添加手段は、軽油を貯留する軽油タンクと、前記アロマ分分離器を介して還元剤を排気系内へ添加する添加弁とを備えることができる。このような還元剤添加手段とすることで、アロマ分を除去した還元剤を添加弁から排気系内へ添加することができるので窒素酸化物の浄化性能を向上することができる。
【００１３】
上記の構成を持つ窒素酸化物浄化装置において、アロマ分除去溶媒は硫酸または硫酸塩溶液（例えば硫酸銀溶液，硫酸銅溶液，硫酸鉄溶液）であることが望ましい。硫酸は比重が大きいので、軽油に配合して一定時間放置するだけで硫酸がアロマ分を覆って沈降する。従って、極めて容易に軽油中のアロマ分を分離することができる。アロマ分除去溶媒を配合することで、アロマ分を効果的に分離するとともに、アロマ分と除去溶媒とを容易に回収することができる。
【００１４】
このようなアロマ分除去溶媒によって、還元剤は、含有するアロマ分を５０％以上除去した軽油とすることが好ましい。アロマ分を５０％以上除去した軽油を還元剤として添加することで、例えば、窒素酸化物浄化触媒の理論浄化率の９０％以上を達成することができる。
【００１５】
また、本発明の窒素酸化物処理装置では、アロマ分分離器で分離したアロマ分と除去溶媒との混合液が回収タンクへ流入することを制御する開閉弁を備えることができ、また、回収手段はアロマ分分離器で分離されたアロマ分と除去溶媒との混合液を貯留する回収タンクと、混合液からアロマ分を蒸留するヒータと、蒸留後の除去溶媒を除去溶媒タンクへ環流するリターンポンプとを備えることが望ましい。このような構成とすることで、軽油からアロマ分を分離する分離動作と混合液からアロマ分と除去溶媒とを分離して回収する回収動作とを一元的に制御することができる。また、アロマ分を分離した除去溶媒は、リターンポンプによって除去溶媒タンクへ戻して再利用することができる。
【００１６】
ここで、ヒータにより加熱する混合液の温度はアロマ分を気化させるのに好適な１００〜３５０℃であることが望ましい。このようにして回収されたアロマ分はエンジン燃焼用燃料とすることができるので、極めて経済的である。
【００１７】
本発明の窒素酸化物浄化装置では、窒素酸化物浄化用触媒は、例えば 銀−アルミナ系触媒や硫酸塩系触媒であることが望ましい。これらの触媒を用いることでその窒素酸化物浄化性能を一段と向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００１９】
図１は、本発明のＮＯｘ浄化装置の構成を示す概念図である。本発明のＮＯｘ浄化装置１は、酸素過剰雰囲気の排ガスを排出する内燃機関の排気系の排気管１０に介装したＮＯｘ浄化用触媒２０と、ＮＯｘ浄化用触媒２０の上流で還元剤Ｃを添加する還元剤添加手段３０と、軽油Ａが含有するアロマ分を除去するアロマ分除去手段４０とを備えている。
【００２０】
還元剤添加手段３０は、軽油Ａを貯留する軽油タンク３２と還元剤Ｃを排気管１０内に添加（噴射）する添加弁３４とを備え、還元剤Ｃを排気管１０内へ添加する。ここで、還元剤Ｃは、後述するアロマ分分離器４４で軽油Ａからアロマ分を除去したものを用いる。
【００２１】
アロマ分除去手段４０は、還元剤である軽油Ａに配合してアロマ分を分離するアロマ分除去溶媒Ｂ、例えば硫酸や硫酸塩溶液などを貯留する除去溶媒タンク４２と、軽油Ａ中のアロマ分を分離するアロマ分分離器４４と、このアロマ分分離器で分離されたアロマ分ａとアロマ分除去溶媒Ｂとの混合液Ｄからアロマ分ａだけを回収する回収タンク４６とから構成されている。
【００２２】
除去溶媒タンク４２にはポンプ４２ｐが設けられており、図示しない制御装置の指示でアロマ分分離器４４へアロマ分除去溶媒Ｂを供給するようになっている。
【００２３】
また、軽油タンク３２はポンプ３２ｐを備えており、図示しない制御装置の指示によりアロマ分分離器４４へ軽油を供給することができる。
【００２４】
アロマ分分離器４４は、軽油タンク３２から軽油Ａを、また、除去溶媒タンク４２からアロマ分除去溶媒Ｂを受け入れ、所定時間鎮静することで還元剤Ｃと除去溶媒Ｂにアロマ分ａを含む混合液Ｄとに分離する。
【００２５】
アロマ分分離器４４へ供給する軽油Ａとアロマ分除去溶媒Ｂの割合は、概ね、軽油Ａ１００に対して除去溶媒Ｂは１０〜５０であが、軽油Ａの性状や除去溶媒Ｂの種類によって異なるので、軽油中のアロマ分が５０％以下となるように適宜選択すればよい。
【００２６】
また、アロマ分除去溶媒Ｂとしては、硫酸または硫酸塩溶液を用いることが好ましく、特に硫酸水溶液が好ましい。硫酸水溶液は、軽油Ａ中に分散して、軽油Ａが含有するアロマ分ａを取り込んで分離するものと考えられる。硫酸は軽油よりも比重が大きいのでアロマ分ａを含む硫酸は、時間の経過とともにアロマ分ａと硫酸（除去溶媒Ｂ）との混合液Ｄとなってアロマ分分離器４４の底部に沈降する。
【００２７】
このようなアロマ分除去溶媒Ｂによって、その含有するアロマ分が５０％未満である還元剤Ｃとすることができる。アロマ分を５０％以上除去した軽油を還元剤Ｃとして添加することで、例えば窒素酸化物浄化触媒２０の浄化性能をその理論浄化率の９０％以上とすることができる。
【００２８】
アロマ分分離器４４の底部には電磁弁４５が付設されており、混合液Ｄが所定量に達したら、電磁弁４５を開弁して混合液Ｄを回収タンク４６へ排出する。一方、アロマ分ａを除去した軽油（還元剤Ｃ）は、ポンプ４４ｐによって付勢され添加弁３４を介して排気管１０内へ噴射される。
【００２９】
回収タンク４６は、アロマ分ａとアロマ分除去溶媒Ｂとの混合液Ｄからアロマ部ａと除去溶媒Ｂとを分離するタンクであり、回収タンク４６の底部には混合液Ｄを加熱してアロマ分ａのみを気化させる加熱手段４６ｈが設けられている。加熱手段４６ｈは回収タンク４６の底部に設けられており、所定の温度に加熱することで混合液Ｄからアロマ分ａのみを気化して分離することができる。加熱手段としては、電気ヒータなどを好適に用いることができる。
【００３０】
ここで、気化されたアロマ分ａはエンジン燃焼用の燃料タンク５０へ送られて燃焼用の軽油に混入してエンジンへ供給される。また、アロマ分ａを取り去った残留した除去溶媒Ｂは、回収ポンプ４８を介して除去溶媒タンク４２へ戻し、再利用することができる。
【００３１】
本発明のＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ浄化用触媒としては、銅−ゼオライト触媒、バナジウム−チタン系触媒、銀−アルミナ系触媒，硫酸塩系触媒など、ディーゼルエンジンの排気系に一般的に用いられるＮＯｘ浄化触媒であれば特に限定はないが、性能向上 及び 信頼性向上などを考慮すると、銀−アルミナ系触媒や硫酸塩系触媒が好適である。
【００３２】
以上のような各構成要素の動作は、図示しない制御装置によって一元的に制御されている。動作のフローチャートを図３に示す。
【００３３】
ステップＳ１では、軽油タンク３２中の軽油Ａと溶媒タンク４２中のアロマ分除去溶媒Ｂとを所定の比率でアロマ分分離器４４へ供給する。
【００３４】
ステップＳ２では、除去溶媒Ｂと軽油Ａとがアロマ分分離器４４内に所定量供給されたかを判断する。判断は、アロマ分分離器４４の内部に設置された液面の上限レベルセンサ４４ａにより知ることができる。
【００３５】
除去溶媒Ｂを配合した軽油Ａの液面が上限レベルセンサ４４ａに到達したら、ステップＳ３で軽油Ａと除去溶媒Ｂとの供給を停止する。その後アロマ分分離器４４内で除去溶媒を配合した軽油を一定時間（例えば、５分）鎮静保持して（ステップＳ４）、アロマ分ａと除去溶媒Ｂとを沈降して還元剤Ｃと分離する。
【００３６】
ステップＳ５では、所定時間経過後アロマ分分離器４４の内部に備えられているポンプ４４ｐを駆動（ＯＮ）してアロマ分ａを分離した上澄みの軽油を還元剤Ｃとして還元剤添加バルブ３４へ供給し、排気管１０中へ噴射する。なお、還元剤Ｃは、排気管１０中へ連続的に噴射してもよいし、あるいはパルス状に噴射してもよい。
【００３７】
ステップＳ６では、アロマ分分離器４４内の還元剤Ｃの液面が下限レベルセンサ４４ｂに到達したかを判断する。還元剤Ｃの液面が下限レベルセンサ４４ｂに到達したら、ステップＳ７でポンプ４４ｐを停止（ＯＦＦ）する。このとき、アロマ分除去溶媒Ｂの投入量の累計が所定量に達したか否かを判定し（ステップＳ８）、所定量に達していなければ（ＮＯ）、ステップＳ１に戻って軽油Ａとアロマ分ａとの分離を繰り返す。
【００３８】
ステップＳ８でアロマ分分離器４４への除去溶媒Ｂの供給量が所定量に到達したと判断されたら、電磁弁４５を開弁（ＯＮ）して（ステップＳ９）、アロマ分ａと除去溶媒Ｂとの混合液Ｄを回収タンク４６へ排出する。
【００３９】
次に、混合液Ｄの液面が回収タンク４６内の上限レベルセンサ４６ａに達しているかを検知して（ステップＳ１０）、到達したら電磁弁４５を閉弁（ＯＦＦ）する（ステップＳ１１）。
【００４０】
電磁弁４５を閉弁してアロマ分分離器４４からの混合液Ｄの排出が停止したら、回収動作としては、ステップ１２でヒータ４６ｈをＯＮするとともに、アロマ分分離動作としては、ステップＳ１に戻って軽油Ａとアロマ分ａとの分離を繰り返す。
【００４１】
ステップ１２でヒータ４６ｈをＯＮすると混合液Ｄは加熱されてアロマ分ａを気化させる。この時、ヒータ４６ｈの加熱による混合液の温度は、１００〜３５０℃が望ましく、更に好ましくは、アロマ分の１種であるエチルベンゼンの蒸留温度である１３６℃以上で、除去溶媒として硫酸を用いた場合には硫酸の蒸留温度である３４０℃未満であり、例えば３００℃などは好適な加熱温度である。
【００４２】
上記の温度で一定時間（例えば、５分）経過した（ステップ１３）後に、ヒータ４６ｈをＯＦＦする（ステップＳ１４）。なお、ステップＳ１３では回収タンク４６中で気化したアロマ分のみが、アロマ分回収通路４７を流通する間に自然冷却されて液化し、エンジン燃焼用の燃料タンク４８へ回収される。
【００４３】
一方、回収タンク４８内に残留した除去溶媒Ｂは、リターンポンプ４８を駆動（ＯＮ）して（ステップ１５）、除去溶媒回収通路４９を介して除去溶媒タンク４２へ回収される。除去溶媒Ｂの回収は、ステップ１６で液面が下限レベルセンサ４６ｂに到達するまで継続され、液面が下限レベルセンサ４６ｂに到達したらリターンポンプ４８を停止して除去溶媒Ｂの回収を終了し、ステップＳ９へ戻って電磁弁が開弁するまで待機する。
【００４４】
以上のように、本発明のようなＮＯｘ浄化装置によれば、アロマ分を除去した軽油を還元剤として配管内へ噴射することができるので、ＮＯｘ除去触媒のＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。また、通常の軽油にアロマ除去溶媒を配合するという極めて簡易な方法で軽油中のアロマ分を除去することができ、さらに、分離除去されたアロマ分は、エンジン燃焼用の燃料として利用することができるとともに、軽油に配合された除去溶媒は、アロマ分を分離した後に回収して除去溶媒として再使用することができる。従って、アロマ分除去に関するコスト上昇を小幅に抑えることができ極めて経済的である。
【００４５】
なお、本発明のＮＯｘ浄化装置は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の窒素酸化物処理装置は、ディーゼルエンジンまたはリーンバーンガソリンエンジン等の酸素過剰雰囲気の排ガスを排出する内燃機関に用いて好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の窒素酸化物浄化装置の構成を説明する概念図である。
【図２】アロマ分分離器と回収タンクとの動作を説明する説明図である。
【図３】本発明の窒素酸化物浄化装置の各構成の動作を説明するチャートフローである。
【図４】排ガス温度とＮＯｘ浄化率との関係をアロマ分を含有する軽油とアロマ分を含有しない軽油とを比較して示したグラフである。
【図５】従来技術になる窒素酸化物浄化装置の構成を示す概要図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０：排気管  ２０：ＮＯｘ除去触媒  ３０：還元剤添加手段  ３２：軽油タンク  ３４：還元剤添加弁  ４０：アロマ分分離手段  ４２：除去溶媒タンク  ４４：アロマ分分離器  ４５：電磁弁  ４６：回収タンク  ４６ｈ：ヒータ  ４８：リターンポンプ  ５０：エンジン燃焼用燃料タンク  １０１：エンジン  １０５：ＮＯｘ除去触媒  １０６：還元剤添加装置
Ａ：軽油  Ｂ：アロマ分除去溶媒  Ｃ：還元剤  Ｄ：混合液  Ｅ：排気ガス
【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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