(57)【要約】【課題】低温域から高い一酸化炭素の浄化率を得ることができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置は、排気ガスに含まれる低級オレフィンを分離することにより、低級オレフィンを含む第１のガスと、低級オレフィンを分離したときの残りの第２のガスとに排気ガスを分割する分離部材４４と、分離部材４４にて分割された第１のガスが流入し、第１のガスに含まれる炭化水素を吸着する吸着部材を含む第１の排気処理部３３と、ガス分割装置にて分割された第２のガスおよび第１の排気処理部３３から流出するガスが流入し、排気ガスを酸化する触媒を含む第２の排気処理部とを備える。【選択図】図２
2011122473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスに含まれる炭化水素から少なくとも一部の低級オレフィンを分離することにより、分離された低級オレフィンを含む第１のガスと、低級オレフィンを分離したときの残りの第２のガスとに排気ガスを分割するガス分割手段と、
ガス分割手段にて分割された第１のガスが流入し、第１のガスに含まれる炭化水素を吸着する吸着部材を含む第１の排気処理部と、
ガス分割手段にて分割された第２のガスおよび第１の排気処理部から流出するガスが流入し、排気ガスを酸化する触媒を含む第２の排気処理部とを備え、
排気ガスから低級オレフィンの少なくとも一部を第１の排気処理部において吸着させ、低級オレフィンが減少した排気ガスを第２の排気処理部に流入させることを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
ガス分割手段は、炭素原子数が３以下のオレフィンを通過させるとともに炭素原子数が４以上の炭化水素を通過させずに排除する分離部材を含み、
分離部材を通過した排気ガスにより第１のガスが生成され、分離部材を通過せずに排除された排気ガスにより第２のガスが生成されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
ガス分割手段は、多孔質の材料により形成されている分離部材を含み、
分離部材は、細孔径が０．４３ｎｍ以上０．５ｎｍ未満の範囲内に細孔容量のピークが存在することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
第１の排気処理部は、第１のガスに含まれる低級オレフィンを酸化する機能を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
第１の排気処理部の吸着部材は、分子径が略０．４３ｎｍ以下の炭化水素を吸着することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
ガス分割手段は、外側管と、外側管の内部に配置された内側管と、内側管の内部に配置された分離部材と、分離部材に向かって排気ガスを流出する流出管とを含み、
分離部材は、所定の大きさ未満の分子径の炭化水素を通過させるとともに、所定の大きさ以上の分子径の炭化水素を通過させずに排除するように形成されており、
第１の排気処理部は、内側管の内部において分離部材よりも下流側に配置され、
分離部材を通過した第１のガスが第１の排気処理部を通った後に第２の排気処理部に流入し、分離部材を通過せずに排除された第２のガスが外側管と内側管との間の流路を通った後に第２の排気処理部に流入することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
ガス分割手段は、所定の大きさ未満の分子径の炭化水素を通過させるとともに、所定の大きさ以上の分子径の炭化水素を通過させずに排除する分離部材を含み、
第１の排気処理部は、隔壁で区切られた複数の流路を有する基材を含み、
吸着部材は、複数の流路の隔壁に配置されており、
分離部材は、吸着部材の表面に、吸着部材を覆うように配置されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
ガス分割手段は、排気ガスに含まれる分子をイオン化するイオン化装置と、棒状に形成され、長手方向が互いにほぼ平行に配置されている４つの電極と、４つの電極が内部に配置されている減圧容器とを含み、
電極に電圧が印加され、電極に囲まれる空間にイオン化された排気ガスが流入することにより、排気ガスから予め定められた分子量の低級オレフィンを分離することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項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】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関の排気ガスには、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）または粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）などの成分が含まれている。内燃機関の排気浄化装置は、これらの成分を浄化するために排気処理装置を備える。
【０００３】
排気ガスに含まれる成分のうち、窒素酸化物は、窒素酸化物を還元する排気処理装置により浄化される。粒子状物質は、粒子状物質を捕集する排気処理装置により除去される。一方で、一酸化炭素および炭化水素は、これらの物質を酸化するための排気処理装置により浄化される。例えば、機関排気通路には酸化触媒が配置される。
【０００４】
国際公開第００／２７５０８号パンフレットにおいては、酸素吸蔵材にロジウムおよびパラジウムの少なくとも一種を担持した酸化還元触媒に、ＨＣの濃度を低減した排気ガスを接触させることにより、低温域から高温域までＨＣの排出を高度に抑制する排気ガス浄化方法が開示されている。
【０００５】
また、特開平７−１６６８５２号公報においては、ゼオライトおよび主要コンバータを備え、ゼオライトは、５．６オングストロームより大きい最大孔開口部を有し、銅などのイオンから選択される非フレーム構造陽イオンを含む排気浄化システムが開示されている。この排気浄化システムにおいては、エンジンから排出される排気ガスに含まれる不燃焼の炭化水素、特に低分子量のアルケンを効果的に転化すると開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第００／２７５０８号パンフレット
【特許文献２】特開平７−１６６８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
排気ガスに含まれる成分のうち、一酸化炭素は、酸化触媒において酸化されて二酸化炭素に変換される。ところが、排気ガス中には炭化水素が存在し、炭化水素が一酸化炭素の酸化を阻害する場合があった。このため、一酸化炭素の浄化率が低下する場合があった。特に、酸化触媒が低温のときに炭化水素と共に一酸化炭素が流入すると、一酸化炭素の酸化能力が低下する場合があった。
【０００８】
特に、内燃機関の始動時等においては、機関本体や排気浄化装置の温度が低いために、酸化触媒に流入する排気ガスの温度が低くなる。機関排気通路に配置されている酸化触媒の温度も低くなる。酸化触媒は、たとえば活性化温度未満である。このような状態のときに、炭化水素と一酸化炭素が共存した排気ガスが流入すると、一酸化炭素の浄化能力が小さくなっていた。
【０００９】
上記の国際公開第００／２７５０８号パンフレットに開示された排気浄化システムにおいては、三元触媒の上流側にＨＣ吸着材を配置することにより、排気ガスから炭化水素を排除することを図っている。この排気浄化システムのＨＣ吸着材には、全ての排気ガスが流入し、排気ガスに含まれる多くの種類の炭化水素を吸着する。このために、ＨＣ吸着材の容量が大きくなっている。すなわち、多量の炭化水素を吸着するためにＨＣ吸着材が大型になっていた。
【００１０】
本発明は、低温域から高い一酸化炭素の浄化率を得ることができる内燃機関の排気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】
【００１１】
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、排気ガスに含まれる炭化水素から少なくとも一部の低級オレフィンを分離することにより、分離された低級オレフィンを含む第１のガスと、低級オレフィンを分離したときの残りの第２のガスとに排気ガスを分割するガス分割手段と、ガス分割手段にて分割された第１のガスが流入し、第１のガスに含まれる炭化水素を吸着する吸着部材を含む第１の排気処理部と、ガス分割手段にて分割された第２のガスおよび第１の排気処理部から流出するガスが流入し、排気ガスを酸化する触媒を含む第２の排気処理部とを備え、排気ガスから低級オレフィンの少なくとも一部を第１の排気処理部において吸着させ、低級オレフィンが減少した排気ガスを第２の排気処理部に流入させる。
【００１２】
上記発明においては、ガス分割手段は、炭素原子数が３以下のオレフィンを通過させるとともに炭素原子数が４以上の炭化水素を通過させずに排除する分離部材を含み、分離部材を通過した排気ガスにより第１のガスが生成され、分離部材を通過せずに排除された排気ガスにより第２のガスが生成されることが好ましい。
【００１３】
上記発明においては、ガス分割手段は、多孔質の材料により形成されている分離部材を含み、分離部材は、細孔径が０．４３ｎｍ以上０．５ｎｍ未満の範囲内に細孔容量のピークが存在することが好ましい。
【００１４】
上記発明においては、第１の排気処理部は、第１のガスに含まれる低級オレフィンを酸化する機能を有することが好ましい。
【００１５】
上記発明においては、第１の排気処理部の吸着部材は、分子径が略０．４３ｎｍ以下の炭化水素を吸着することが好ましい。
【００１６】
上記発明においては、ガス分割手段は、外側管と、外側管の内部に配置された内側管と、内側管の内部に配置された分離部材と、分離部材に向かって排気ガスを流出する流出管とを含み、分離部材は、所定の大きさ未満の分子径の炭化水素を通過させるとともに、所定の大きさ以上の分子径の炭化水素を通過させずに排除するように形成されており、第１の排気処理部は、内側管の内部において分離部材よりも下流側に配置され、分離部材を通過した第１のガスが第１の排気処理部を通った後に第２の排気処理部に流入し、分離部材を通過せずに排除された第２のガスが外側管と内側管との間の流路を通った後に第２の排気処理部に流入させることができる。
【００１７】
上記発明においては、ガス分割手段は、所定の大きさ未満の分子径の炭化水素を通過させるとともに、所定の大きさ以上の分子径の炭化水素を通過させずに排除する分離部材を含み、第１の排気処理部は、隔壁で区切られた複数の流路を有する基材を含み、吸着部材は、複数の流路の隔壁に配置されており、分離部材は、吸着部材の表面に、吸着部材を覆うように配置されることができる。
【００１８】
上記発明においては、ガス分割手段は、排気ガスに含まれる分子をイオン化するイオン化装置と、棒状に形成され、長手方向が互いにほぼ平行に配置されている４つの電極と、４つの電極が内部に配置されている減圧容器とを含み、電極に電圧が印加され、電極に囲まれる空間にイオン化された排気ガスが流入することにより、排気ガスから予め定められた分子量の低級オレフィンを分離することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、低温域から高い一酸化炭素の浄化率を得ることができ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】
【００２０】
【図１】実施の形態１における内燃機関の概略図である。
【図２】実施の形態１における第１の排気浄化装置のガス分割装置と第１の排気処理部の概略断面図である。
【図３】実施の形態１における第１の排気浄化装置の第１の排気処理部の概略斜視図である。
【図４】実施の形態１における第１の排気浄化装置の第１の排気処理部の隔壁の拡大概略断面図である。
【図５】実施の形態１における第１の排気浄化装置のガス分割装置により分割されるガスを説明する図である。
【図６】実施の形態１における第１の排気浄化装置の構成を説明する概略図である。
【図７】実施の形態１における第２の排気浄化装置の概略図である。
【図８】実施の形態１における第２の排気浄化装置の第１の排気処理部の隔壁の拡大概略断面図である。
【図９】実施の形態２における排気浄化装置の構成を説明する概略図である。
【図１０】実施の形態２における排気浄化装置のガス分割装置の一部を破断した概略斜視図である。
【図１１】実施の形態２における排気浄化装置のガス分割装置の電力供給装置を説明する概略図である。
【図１２】実施の形態２における排気浄化装置のガス分割装置により分割されるガスを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施の形態１）
図１から図８を参照して、実施の形態１における内燃機関の排気浄化装置について説明する。
【００２２】
図１に、本実施の形態における内燃機関の全体図を示す。本実施の形態においては、圧縮着火式のディーゼルエンジンを例に取り上げて説明する。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、各気筒の燃焼室２と、各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホールド４と、排気マニホールド５とを含む。
【００２３】
本実施の形態における内燃機関は、過給機としての排気ターボチャージャ７を備える。吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結されている。コンプレッサ７ａの入口は、吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結されている。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置されている。更に、吸気ダクト６の周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置されている。
【００２４】
一方、排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結されている。排気タービン７ｂの出口は、排気管１２を介してガス分割装置に接続されている。本実施の形態においては、ガス分割装置の外側管４１に接続されている。外側管４１の内部には、分離部材４４および第１の排気処理部３３が配置されている。
【００２５】
外側管４１は、排気管１２を介して第２の排気処理部３４に接続されている。第２の排気処理部３４は、酸化触媒を含む。第２の排気処理部３４は、排気管１２を介してＮＯＸ吸蔵触媒（ＮＳＲ）１７に連結されている。ＮＯＸ吸蔵触媒１７は、ＮＯＸを浄化する排気処理装置である。ＮＯＸ吸蔵触媒１７は、機関本体１から排出される排気ガスに含まれるＮＯＸを一時的に吸蔵して、吸蔵したＮＯＸを放出するときにＮ２に変換することができる。ＮＯＸ吸蔵触媒（ＮＳＲ）１７は、排気管１２を介してパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１６に連結されている。パティキュレートフィルタ１６は、排気ガスに含まれる炭素微粒子、サルフェート等のイオン系微粒子等の粒子状物質を除去する排気処理装置である。
【００２６】
排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うためにＥＧＲ通路１８が配置されている。ＥＧＲ通路１８には電子制御式のＥＧＲ制御弁１９が配置されている。また、ＥＧＲ通路１８の周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置されている。
【００２７】
それぞれの燃料噴射弁３は、燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結されている。このコモンレール２２は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結されている。燃料タンク２４に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給される。コモンレール２２に供給された燃料は、それぞれの燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００２８】
図２に、本実施の形態におけるガス分割装置と第１の排気処理部の概略断面図を示す。本実施の形態における排気浄化装置は、ガス分割手段としてのガス分割装置を備える。本実施の形態におけるガス分割装置は、排気ガスに含まれる炭化水素の分子径の大きさに基づいて排気ガスを分割する。
【００２９】
排気ガスには、様々な大きさの分子の炭化水素が含まれている。機関本体１から排出される排気ガスは、２重結合を有する鎖状炭化水素であるオレフィンと、不飽和結合を有しない鎖状炭化水素であるパラフィンと、ベンゼン核を有する芳香族炭化水素であるアロマとを含む。排気ガスに含まれるオレフィンは、低級オレフィンを含む。低級オレフィンは、たとえば炭素原子数が５以下のオレフィンである。好ましくは、低級オレフィンは、炭素原子数が３以下の炭化水素、すなわちエチレンおよびプロピレンを含む。
【００３０】
本実施の形態におけるガス分割装置は、排気ガスに含まれるオレフィンのうち低級オレフィンを分離し、分離した低級オレフィンを含む第１のガスと、第１のガス以外の第２のガスとに排気ガスを分割する。
【００３１】
本実施の形態におけるガス分割装置は、排気管１２に接続されている外側管４１を備える。外側管４１の内部には、内側管４３が配置されている。内側管４３は、軸方向が排気ガスの流れ方向とほぼ平行になるように配置されている。内側管４３の内部には、分離部材４４が配置されている。分離部材４４は、内側管４３の上流側の端部に配置されている。本実施の形態における分離部材４４は、排気ガスを、炭素原子数が３以下のオレフィンを含む第１のガスと、炭素原子数が４以上の炭化水素を含む第２のガスとに分割する機能を有する。
【００３２】
分離部材４４は、所定の分子径未満の分子を通過させる一方で、所定の分子径以上の分子を通過させない分子ふるいとしての機能を有する物質から形成することができる。分離部材４４は、多数の細孔を有する物質から形成することができる。分離部材４４は、多孔質の材料から形成することができる。分離部材４４は、たとえば、ゼオライトまたはポーラスアルミナにより形成することができる。本実施の形態における分離部材４４は、ゼオライトにより形成されている。ゼオライトとしては、例えば、ＣＨＡ型ゼオライト（H-chabazite、erionite）、ＤＤＲ型ゼオライト（Sigma-1、ZSM-58）、およびＬＥＶ型ゼオライト（NU-3）のうち、少なくとも１つのゼオライトを用いることができる。
【００３３】
本実施の形態における分離部材４４は、多数の細孔を有する。それぞれの細孔の径ｄは、分布を有する。分離部材４４は、細孔容積（または頻度）がピークになる細孔径ｄｐを有する。本実施の形態における分離部材４４は、細孔径が０．４３ｎｍ以上０．５ｎｍ未満の範囲内に細孔容量のピークが存在する。
【００３４】
図２を参照して、内側管４３の内部には第１の排気処理部３３が配置されている。第１の排気処理部３３は、分離部材４４よりも下流側に配置されている。第１の排気処理部３３は、分離部材４４を通過したガスが流入するように配置されている。
【００３５】
図３に、本実施の形態における第１の排気処理部の概略斜視図を示す。第１の排気処理部３３は、コージェライト等で形成された基材５１を備える。基材５１は、隔壁で区切られた複数の流路５１ａを有する。第１の排気処理部３３は、ハニカム構造に形成されている。
【００３６】
図４に、本実施の形態における第１の排気処理部の隔壁の拡大概略断面図を示す。第１の排気処理部３３のそれぞれの流路において、基材５１の表面には吸着部材５２が配置されている。吸着部材５２は、吸着触媒として機能する。吸着部材５２は、第１のガスに含まれる炭化水素を吸着できるように形成されている。本実施の形態における吸着部材５２は、低級オレフィンを吸着できるように形成されている。また、本実施の形態における吸着部材５２は、分子径が略０．４３ｎｍ以下の炭化水素を吸着できるように形成されている。
【００３７】
第１の排気処理部の吸着部材は、ゼオライトから形成することができる。たとえば、吸着部材は、ＬＴＡ型ゼオライト（NaA、α）、ＳＯＤ型ゼオライト（ソーダライト）、ＦＥＲ型ゼオライト（フェリエライト）、およびＭＯＲ型ゼオライト（モルデナイト）のうち少なくとも一つのゼオライトにより形成することができる。これらのゼオライトは、例えば、粒子状に形成され、基材５１の隔壁の表面にバインダー等により固定されている。
【００３８】
図２を参照して、排気ターボチャージャ７のタービン７ｂの出口に接続された排気管１２の先端には、流出管４２が接続されている。流出管４２は、分離部材４４に向かって排気ガスを流出するように配置されている。本実施の形態における流出管４２は、出口が分離部材４４に近接している。本実施の形態における流出管４２は、分離部材４４に向かって径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。内側管４３と外側管４１との間には、排気ガスが流れる流路が形成されている。外側管４１は、第２の排気処理部３４に向かう排気管１２に接続されている。
【００３９】
図１を参照して、外側管４１の下流側には第２の排気処理部３４が配置されている。第２の排気処理部３４は、排気ガスに含まれる炭化水素および一酸化炭素を酸化する機能を有する。第２の排気処理部３４は、酸化触媒を含む。本実施の形態における第２の排気処理部３４は、第１の排気処理部３３と同様に、ハニカム構造を有する基材を備える。第２の排気処理部３４は、複数の流路を有し、それぞれの流路の隔壁には、触媒粒子を担持するための担持体が配置されている。担持体は、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）の多孔質酸化粉末などにより形成することができる。
【００４０】
担持体には触媒粒子が担持されている。触媒粒子は、排気ガスに含まれる酸化すべき物質を酸化するための金属粒子を含む。触媒粒子としては、たとえば、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄおよびロジウムＲｈのうち少なくとも一つの貴金属を用いることができる。本実施の形態における触媒粒子は貴金属から形成されている。
【００４１】
図１および図２を参照して、排気ガスは、矢印１０１に示すように排気管１２の延びる方向に沿って進行する。排気ガスは、流出管４２に進入する。排気ガスは、流出管４２から分離部材４４に向かって噴出される。このときに、排気ガスに含まれる炭化水素のうち、所定の大きさの分子径未満の炭化水素は、矢印１０２に示すように分離部材４４を通過する。分離部材４４を通過した排気ガスは、第１のガスに相当する。第１のガスは、第１の排気処理部３３を通って、矢印１０４に示すように第２の排気処理部３４に向かう。
【００４２】
これに対して、分離部材を通過せずに排除された炭化水素を含むガスは、第２のガスに相当する。第２のガスには、所定の大きさ以上の分子径の炭化水素が含まれる。第２のガスは、矢印１０３に示すように、内側管４３と外側管４１との間の流路を流れる。第２のガスは、第１の排気処理部３３から流出するガスと合流して、矢印１０４に示すように第２の排気処理部３４に向かう。本実施の形態における第１のガスは、低級オレフィンが多く含まれる。第２のガスは、低級オレフィン以外の炭化水素が多く含まれる。本実施の形態におけるガス分割装置は、分子ふるいの機能を有する。
【００４３】
図５に、本実施の形態におけるガス分割装置により分離にされるガスを説明する概略図を示す。本実施の形態におけるガス分割装置は、分子径がプロピレンの分子径以下の分子の炭化水素を分離することができる。第１のガスには、分子径がプロピレン以下の分子の炭化水素が含まれる。第１のガスには、エチレンおよびプロピレンが含まれる。第２のガスには、分子径がプロピレンよりも大きな分子の炭化水素が含まれる。第２のガスには、炭素原子数が４以上のオレフィン、パラフィンまたはアロマ等の分離部材を通過しない炭化水素が含まれる。
【００４４】
図１および図２を参照して、分離部材４４を通過した第１のガスは、第１の排気処理部３３に流入する。本実施の形態における第１の排気処理部３３は、床温が低いときには、第１のガスに含まれる炭化水素を吸着する。第１の排気処理部３３は、床温が高くなると吸着した炭化水素を脱離する。すなわち、炭化水素を放出する。例えば、第１の排気処理部３３の温度が、炭化水素の放出温度未満の場合には炭化水素を吸着する。第１の排気処理部３３の温度が、炭化水素の放出温度以上になると炭化水素を放出する。
【００４５】
第２の排気処理部３４は、所定の浄化率を発揮する活性化温度を有する。第２の排気処理部３４は、低温のときには浄化率が低く、温度が上昇するとともに浄化率が向上する。たとえば、排気ガスが低温のときには、第２の排気処理部３４の温度が低い。第２の排気処理部３４は、活性化温度未満である。排気ガスの温度が上昇すると、第２の排気処理部３４の温度も上昇して浄化率が向上する。
【００４６】
内燃機関を長時間停止した後に内燃機関を始動すると、機関本体１および排気浄化装置は低温である。内燃機関は、始動後に暖機運転を行なう。暖機運転を行なうことにより、機関本体１および排気浄化装置の温度が上昇する。内燃機関は、機関本体１および排気浄化装置の温度が上昇して、ほぼ定常状態になったときに暖機運転を終了する。たとえば、暖機運転が終了するまでの期間は、機関本体１および排気浄化装置の温度が低温である。
【００４７】
排気浄化装置の温度が低温である場合には、第２の排気処理部３４は十分に活性化されていない状態である。このような状態で排気ガスが流入すると、排気ガスに含まれる炭化水素が十分に酸化されずに、一酸化炭素の酸化を阻害する。例えば、炭化水素が触媒粒子の表面に吸着することにより第２の排気処理部３４が被毒される。この結果、一酸化炭素の酸化能力が低下する。
【００４８】
ところで、一酸化炭素を酸化する能力を低下させる影響は、全ての種類の炭化水素において一様ではないことが判明した。排気ガスに含まれる炭化水素のうち、不飽和炭化水素であり分子量の小さな低級オレフィンが一酸化炭素の酸化能力を大きく低下させることが判明した。特に、プロピレンおよびエチレンのうち少なくとも一方が排気ガスに含まれると、一酸化炭素を酸化する能力が大きく低下することが判明した。
【００４９】
図１および図２を参照して、本実施の形態の排気浄化装置においては、始動時等の排気ガスが低温のときには、第１の排気処理部３３は炭化水素の放出温度未満である。このために、第１の排気処理部３３は、第１のガスに含まれる炭化水素を吸着することができる。第１の排気処理部３３により低級オレフィンの少なくとも一部を除去することができる。矢印１０４に示すように第２の排気処理部３４に流入する排気ガスに含まれる低級オレフィンを少なくすることができる。このため、第２の排気処理部３４が活性化温度に達していない場合においても、高い一酸化炭素の酸化能力を発揮することができる。
【００５０】
第１の排気処理部３３の温度が上昇して炭化水素の放出温度以上になると、吸着していた炭化水素が脱離する。炭化水素は、排気ガス中に放出される。第１の排気処理部３３から脱離した炭化水素は、第２の排気処理部３４に流入する。第２の排気処理部３４は、温度が上昇すると酸化能力が向上するため、第１の排気処理部３３から脱離した炭化水素を酸化することができる。
【００５１】
図６に、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の機能を説明する概略図を示す。排気ガスは、機関本体１から流出してガス分割手段３１に流入する。ガス分割手段３１にて、第１のガスと第２のガスとに分割される。第１のガスには、第２の排気処理部３４において一酸化炭素の酸化能力を低下させる影響の強い低級オレフィンが含まれている。第１のガスに含まれる低級オレフィンの少なくとも一部は、第１の排気処理部３３に吸着される。第１の排気処理部３３から流出する排気ガスは、第２の排気処理部３４に流入する。第２のガスは、第２の排気処理部３４に流入する。
【００５２】
本実施の形態における排気浄化装置は、第２の排気処理部３４に流入する排気ガスから一酸化炭素の酸化能力を低下させる影響の強い低級オレフィンの少なくとも一部が除去される。特に、内燃機関の始動時などにおいて、第２の排気処理部３４の一酸化炭素の酸化能力が低いときにおいても、効率よく一酸化炭素を酸化することができる。排気浄化装置の温度が上昇したときには、第２の排気処理部３４は活性化されている。第１の排気処理部３３から炭化水素が脱離して第２の排気処理部３４に流入しても、第２の排気処理部３４において酸化されることにより浄化することができる。
【００５３】
このように、本実施の形態における排気浄化装置は、優れた一酸化炭素の浄化能力を有する。特に、排気浄化装置の温度が低い領域から高い一酸化炭素の浄化効率を得ることができる。
【００５４】
本実施の形態の排気浄化装置は、酸化触媒の上流側にほぼ全ての種類の炭化水素を吸着する吸着部材を配置した排気浄化装置と比較して、ほぼ同程度の一酸化炭素の浄化性能を得ることができる。大型のＨＣ吸着部材を酸化触媒の上流側に配置しなくても同等の一酸化炭素の浄化性能を得ることができる。このため、排気浄化装置を小型にすることができる。たとえば、酸化触媒の酸化能力に大きな影響を与えるプロピレンは、内燃機関から排出される全ての炭化水素の約５分の１である。このような少量の炭化水素を吸着できれば良いために、炭化水素を吸着させる排気処理部を小さくすることができる。
【００５５】
本実施の形態におけるガス分割装置は、炭素原子数が３以下のオレフィンを含む第１のガスと、炭素原子数が４以上の炭化水素を含む第２のガスとに分離する分離部材を含む。この構成により、一酸化炭素の酸化能力を低下させる影響の強いプロピレンなどの低級オレフィンを、分離して第１のガスに含ませることができる。このため、下流に配置されている第２の排気処理部の酸化能力を効果的に向上させることができる。プロピレンよりも炭素原子数の大きな分子の炭化水素は、分離部材を通過せずに排除されて第２のガスに流入する（図５参照）。
【００５６】
本実施の形態における分離部材は、細孔径分布のピークが０．４３ｎｍ以上０．５ｎｍ未満の範囲内に存在する多孔質の材料を含む。低級オレフィンのうち、プロピレンの分子径は、ほぼ０．４３ｎｍであり、炭素原子数が４以上の炭化水素の分子径はほぼ０．５ｎｍ以上である。このため、上記の範囲に細孔径分布のピークを有する分離部材を採用することにより、一酸化炭素の酸化能力を低下させる影響の強いプロピレンなどの低級オレフィンを選択的に分離することができる。
【００５７】
本実施の形態の排気浄化装置において、ガス分離装置は、少なくとも一部の低級オレフィンを分離できるように形成されていれば構わない。分離部材は、炭化水素を吸着する機能を必要としないために、低級オレフィンを分離できる任意の部材を採用することができる。たとえば、低級オレフィンを含むガスを分離できる分離膜などを用いることができる。また、ガス分割装置は、上記の形態に限られず、例えば、炭素原子数が５以下のオレフィンを含む第１のガスと、炭素原子数が６以上の他の分子の炭化水素を含む第２のガスとに分離するように形成されていても構わない。
【００５８】
図７に、本実施の形態における第２の排気浄化装置の概略図を示す。第２の排気浄化装置は、第１の排気浄化装置の外側管４１および内側管４３の代わりに、ガス分割手段および第１の排気処理部を含む排気処理装置３５が配置されている。
【００５９】
図８に、本実施の形態における第２の排気浄化装置の第１の排気処理部の拡大概略断面図を示す。図８は、それぞれの流路の隔壁における拡大概略断面図である。排気処理装置３５は、第１の排気処理部３３を備える。第１の排気処理部３３は基材５１を含む。基材５１はハニカム構造に形成されている。基材５１のそれぞれの流路の隔壁の表面には、吸着部材５２が配置されている。
【００６０】
排気処理装置３５は、ガス分割手段として機能する分離部材５３を含む。分離部材５３は、吸着部材５２の表面に、吸着部材５２を覆うように配置されている。分離部材５３は、吸着部材５２よりも流路の内側に配置されている。吸着部材５２は、排気ガスが分離部材５３を通った後に接触するように配置されている。分離部材５３は、本実施の形態における第１の排気浄化装置と同様に、排気ガスに含まれる低級オレフィンの少なくとも一部を分離するように形成されている。
【００６１】
排気処理装置３５に流入した排気ガスは、分離部材５３により第１のガスと第２のガスとに分割される。矢印１０５に示すように、低級オレフィンを含むガスが分離部材５３を通過して第１のガスになる。第１のガスは、吸着部材５２に接触する。吸着部材５２において、第１のガスに含まれる炭化水素が吸着される。この後に、第１のガスは、排気処理装置３５から流出する。分離部材５３を通過せずに排除された排気ガスは第２のガスになり、排気処理装置３５から流出する。
【００６２】
第２の排気浄化装置においても、排気ガスから一酸化炭素の酸化能力を低下させる影響の強い低級オレフィンの少なくとも一部を除去することができる。下流に配置されている第２の排気処理部３４にて、低温域から効率良く一酸化炭素を酸化することができる。
【００６３】
本実施の形態における排気浄化装置の第１の排気処理部は、炭化水素を酸化する機能を有しないが、この形態に限られず、第１の排気処理部が炭化水素を酸化する機能を有していても構わない。図４および図８を参照して、例えば、第１の排気処理部３３の吸着部材５２に、酸化機能を有する触媒粒子を担持させることができる。または、吸着部材５２の表面に、アルミナなどにより形成された触媒担持層を配置する。この触媒担持層に酸化機能を有する触媒粒子を担持させることができる。
【００６４】
触媒粒子としては、例えば、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、イリジウムＩｒ、ロジウムＲｈなどにより形成することができる。または、使用条件により、ニッケルＮｉ、モリブデンＭｏ、コバルトＣｏ、鉄Ｆｅなどの遷移金属から形成されている触媒粒子を配置することができる。第１の排気処理部に流入する炭化水素は、低級オレフィン等に限られているために、使用条件により、酸化力の強い貴金属を用いずに遷移金属を用いて触媒粒子を形成することができる。例えば、排気ガスに含まれる低級オレフィンの濃度や低級オレフィンと触媒との接触頻度などの変数が所定の条件を満たす場合には、触媒粒子として貴金属以外の金属を用いることができる。
【００６５】
図１および図２を参照して、第１の排気処理部３３に酸化機能を有する触媒粒子を担持させることにより、第１の排気処理部３３の温度が上昇すると共に酸化機能が発現する。第１の排気処理部３３においても、第１のガスに含まれる炭化水素を酸化することができる。第１の排気処理部３３から脱離する炭化水素を酸化することができる。または、第１の排気処理部３３に流入する一酸化炭素を酸化することができる。
【００６６】
このため、排気ガスの温度が上昇した場合に、第２の排気処理部３４に流入する炭化水素および一酸化炭素の量を少なくすることができる。第２の排気処理部３４において酸化すべき物質の量を少なくすることができる。このため、一酸化炭素の浄化率を向上させることができる。
【００６７】
第１の排気処理部は、酸化機能を有する触媒粒子の他に、第２の排気処理部にて一酸化炭素の酸化能力を低下させる影響の小さな物質に変換する部材を含んでいても構わない。例えば、第１の排気処理部は、プロピレンなどの炭化水素を分解（クラッキング）する触媒を含んでいても構わない。クラッキング触媒は、例えば、低級オレフィンの分子を分割することにより、より低分子に変換することができる。または、第１の排気処理部は、水素添加が可能に形成されていても構わない。たとえば、低級オレフィンに水素添加することにより、不飽和化合物を飽和化合物に変換することができる。
【００６８】
または、第１の排気処理部は、炭化水素を加水分解する触媒を含んでいても構わない。炭化水素を加水分解することにより、例えば、炭化水素をアルコールなどに変換することができる。または、第１の排気処理部は、流入する炭化水素を重合する触媒を含んでいても構わない。例えば、炭化水素同士を重合することにより、直鎖状の炭化水素を形成する。このように、一酸化炭素の酸化能力を低下させる影響の小さな物質に変換する部材を含むことにより、第２の排気処理部において一酸化炭素の浄化効率を向上させることができる。
【００６９】
本実施の形態における排気浄化装置の第２の排気処理部は、酸化触媒であるが、この形態に限られず、第２の排気処理部は、排気ガスを酸化する機能を有していれば構わない。たとえば、第２の排気処理部は、三元触媒を含んでいても構わない。また、第２の排気処理部に大きな分子を吸着させるための吸着部材が配置されていても構わない。
【００７０】
（実施の形態２）
図９から図１２を参照して、実施の形態２における内燃機関の排気浄化装置について説明する。本実施の形態の内燃機関において、ガス分割装置以外の装置の構成は実施の形態１と同様である（図１参照）。
【００７１】
本実施の形態におけるガス分割手段としてのガス分割装置は、四重極質量分析装置の測定原理で用いられる電場を形成して排気ガスを分割する。本実施の形態におけるガス分割装置は、分子量に基づいて排気ガスを第１のガスと第２のガスとに分割する。本実施の形態においては、分子量４２のプロピレンを第１のガスに含まれる炭化水素として排気ガスから分離する装置を例に取り上げて説明する。
【００７２】
図９に、本実施の形態におけるガス分割装置の概略系統図を示す。排気ターボチャージャ７のタービン７ｂに接続されている排気管１２は、ガスタンク６１に接続されている。ガスタンク６１は、開閉弁７１を介して四重極装置３２に接続されている。四重極装置３２にて、排気ガスが第１のガスと第２のガスとに分割される。第１のガスには、たとえば、低級オレフィンが含まれる。
【００７３】
四重極装置３２は、開閉弁７２ａを介して、ガスタンク６２ａに接続されている。ガスタンク６２ａには、第１のガスが流入する。ガスタンク６２ａは、開閉弁７３ａを介して第１の排気処理部３３に接続されている。第１の排気処理部３３は、第２の排気処理部３４に接続されている。四重極装置３２は、開閉弁７２ｂを介して、ガスタンク６２ｂに接続されている。ガスタンク６２ｂには、第２のガスが流入する。ガスタンク６２ｂは、開閉弁７３ｂを介して第２の排気処理部３４に接続されている。
【００７４】
ガスタンク６２ａ，６２ｂは、開閉弁７４を介して真空装置６４に接続されている。真空装置６４は、ガスタンク６２ａ，６２ｂおよび四重極装置３２の内部を減圧することができるように形成されている。また、ガスタンク６２ａ，６２ｂは、開閉弁７５を介して加圧装置６５に接続されている。加圧装置６５は、ガスタンク６２ａ，６２ｂを加圧するように形成されている。
【００７５】
また、本実施の形態における排気浄化装置は、第１の排気処理部３３を加熱するための加熱装置および第２の排気処理部３４を加熱するための加熱装置を備える。これらの加熱装置は、排気処理部３３，３４のそれぞれを所定の温度まで加熱できるように形成されている。
【００７６】
図１０に、本実施の形態における四重極装置の拡大概略斜視図を示す。図１０は、四重極装置の一部分を破断した図を示している。本実施の形態における四重極装置３２は、減圧容器としての外側管６６を備える。四重極装置は、外側管６６の内部に配置されている４つの電極６８を備える。電極６８は、棒状に形成されている。４つの電極６８は、ほぼ等間隔に配置されている。４つの電極６８は、長手方向が互いにほぼ平行に配置されている。電極６８は、長手方向が排気ガスの流れ方向に沿って配置されている。
【００７７】
外側管６６には、排気管１２が接続されている。排気管１２は、４つの電極６８に囲まれる空間に排気ガスを流出するように配置されている。排気管１２の近傍には、排気ガスをイオン化するためのイオン化装置６９が配置されている。本実施の形態におけるイオン化装置６９は、電子銃を含む。イオン化装置６９は、排気ガスに含まれる分子をイオン化することができるように形成されている。イオン化装置６９は、電子を排気管１２の内部に打ち込むことができるように形成されている。イオン化装置６９は、外側管６６の入口の近傍に配置されている。
【００７８】
本実施の形態における四重極装置３２は、外側管６６の内部に配置されている内側管６７を備える。内側管６７は、４つの電極６８の下流側に配置されている。内側管６７は、４つの電極６８に囲まれる空間を通過する分子が流入するように配置されている。
【００７９】
図１１に、本実施の形態における四重極装置に接続されている電力供給装置の概略図を示す。四重極装置は、互いに対向する２対の電極６８を備える。互いに対向する電極６８同士は、同電位になるように形成されている。電力供給装置は、電源７０を備える。電源７０は、高周波交流電圧を発生できるように形成されている。さらに、電源７０は、高周波交流電圧に重ねた直流電圧Ｕを発生できるように形成されている。
【００８０】
図１０および図１１を参照して、４つの電極６８に囲まれる空間には電場が形成される。４つの電極６８に囲まれる空間に進入するイオンは、電極６８に印加される電圧により電場の影響を受ける。特定の電圧を電極６８に印加することにより、進入するイオンのうち特定の電荷質量比（ｍ／ｅ）を有するイオンのみが、４つの電極で囲まれる分離場を通り抜ける。
【００８１】
本実施の形態においては、分子量４２のプロピレンの分子が４つの電極で囲まれる分離場を通り抜けるように、電圧が印加されている。排気ガスに含まれる分子は、イオン化装置６９から電子を受けてイオン化される。イオン化された分子のうちプロピレンの分子は、矢印１０６に示すように蛇行しながら、４つの電極６８に囲まれる分離場をほぼ直進する。イオン化されたプロピレンの分子は、第１のガスとして内側管６７に流入する。これに対して、プロピレン以外の分子量を有する分子は、矢印１０７に示すように、４つの電極６８に囲まれる空間から排除される。プロピレン以外の分子は、内側管６７と外側管６６とに挟まれる流路に第２のガスとして流入する。このように、本実施の形態においては、特定の分子量を有する炭化水素を第１のガスとして分離することができる。
【００８２】
図１２に、本実施の形態のガス分割装置により排気ガスを分割する時の分子の概略図を示す。本実施の形態においては、プロピレンが第１のガスとして分離され、プロピレン以外の炭化水素が第２のガスに含まれる。
【００８３】
次に、図９および図１０を参照して、本実施の形態における排気浄化装置の運転制御について説明する。それぞれの流路に配置されている開閉弁７１，７２ａ，７２ｂ，７３ａ，７３ｂ，７４，７５は、例えば、電子制御ユニットにより制御されている。また、真空装置６４および加圧装置６５は、電子制御ユニットにより制御されている。４つの電極６８に電圧を印加する電力供給装置は、電子制御ユニットにより制御されている。
【００８４】
機関本体１から排出された排気ガスは、ガスタンク６１に一時的に貯留される。この時に、開閉弁７１，７３ａ，７３ｂ，７５は閉じた状態である。開閉弁７２ａ，７２ｂ，７４は開いた状態である。真空装置６４を駆動することにより、ガスタンク６２ａ，６２ｂおよび四重極装置３２の内部を真空にする。
【００８５】
次に、開閉弁７４を閉じて、開閉弁７１を開く。ガスタンク６１に貯留していた排気ガスが、四重極装置３２の内部に流入する。４つの電極６８に、特定の電圧を印加することにより、排気ガスがプロピレンを含む第１のガスと、プロピレン以外の分子を含む第２のガスとに分割される。
【００８６】
第１のガスは、矢印１０６に示すように内側管６７を通って、ガスタンク６２ａに流入する。第２のガスは、矢印１０７に示すように、内側管６７と外側管６６との間の流路を通って、ガスタンク６２ｂに流入する。所定量の排気ガスを分離できたときに、開閉弁７１，７２ａ，７２ｂを閉じる。
【００８７】
次に、開閉弁７５を開くことにより  空気がガスタンク６２ａ，６２ｂに流入する。ガスタンク６２ａ，６２ｂの圧力が大気圧の近傍まで上昇したときに、加圧装置６５を駆動する。ガスタンク６２ａ，６２ｂを大気圧より高い圧力まで加圧する。次に、開閉弁７３ａ，７３ｂを開く。ガスタンク６２ａに貯留されている第１のガスは、第１の排気処理部３３に流入する。ガスタンク６２ｂに貯留している第２のガスは、第２の排気処理部３４に流入する。
【００８８】
第１の排気処理部３３および第２の排気処理部３４は、加熱装置により必要に応じて加熱されることが好ましい。たとえば、第１の排気処理部３３において低級オレフィンを吸着により蓄積する場合には、第１の排気処理部３３は、加熱されていなくても構わない。
【００８９】
次に、開閉弁７３ａ，７３ｂ，７５を閉じる。真空装置６４を駆動するとともに開閉弁７４を開けることにより、ガスタンク６２ａ，６２ｂを真空にする。さらに、開閉弁７２ａ，７２ｂを開けることにより、再び四重極装置３２の内部を真空にする。このように、バッチ処理により繰り返し排気ガスを浄化することができる。
【００９０】
本実施の形態の排気浄化装置においても、機関本体から排出される排気ガスを第１のガスと第２のガスとに分割して、第１の排気処理部および第２の排気処理部にて浄化することができる。また、高い浄化効率で一酸化炭素を酸化することができる。
【００９１】
本実施の形態においては、プロピレンを排気ガスから分離したが、この形態に限られず、プロピレン以外の低級オレフィンを排気ガスから分離しても構わない。
【００９２】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【００９３】
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に含まれる変更が意図されている。
【符号の説明】
【００９４】
１    機関本体
１２    排気管
３１    ガス分割手段
３２    四重極装置
３３    第１の排気処理部
３４    第２の排気処理部
４１    外側管
４２    流出管
４３    内側管
４４    分離部材
５２    吸着部材
５３    分離部材
６６    外側管
６７    内側管
６８    電極
６９    イオン化装置
７０    電源
【図１】
2011122473.tif 000003
【図２】
2011122473.tif 000004
【図３】
2011122473.tif 000005
【図４】
2011122473.tif 000006
【図５】
2011122473.tif 000007
【図６】
2011122473.tif 000008
【図７】
2011122473.tif 000009
【図８】
2011122473.tif 000010
【図９】
2011122473.tif 000011
【図１０】
2011122473.tif 000012
【図１１】
2011122473.tif 000013
【図１２】
2011122473.tif 000014