(57)【要約】【課題】触媒が活性化しにくい低温域が長時間続く場合でも、触媒の浄化性能の低下を防ぐ。【解決手段】濃縮装置１４は、内燃機関１０からの排気中の有害成分の少なくとも一部を濃縮する。オゾン添加弁２４は、濃縮装置１４で濃縮された有害成分の少なくとも一部をオゾン添加により反応性の高いガスに転化させる。排気浄化触媒１６は、オゾン添加弁２４からのオゾン添加により少なくとも一部が反応性の高いガスに転化した有害成分を浄化する。【選択図】図１
2011085060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気中の有害成分を浄化するための内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関からの排気中の有害成分の少なくとも一部を濃縮する濃縮装置と、
濃縮装置で濃縮された有害成分の少なくとも一部を反応性の高いガスに転化させる転化装置と、
転化装置で少なくとも一部が反応性の高いガスに転化した有害成分を浄化する排気浄化触媒と、
を備える、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
転化装置は、濃縮装置で濃縮された有害成分に酸化剤を添加することで、当該有害成分の少なくとも一部を酸化させて反応性の高いガスに転化させる装置である、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
前記酸化剤がオゾンである、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
濃縮装置で濃縮された有害成分に添加されるオゾンを水の電気分解により生成する水電解装置をさらに備える、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
水電解装置でオゾンとともに生成された水素を浄化装置へ供給する水素供給装置をさらに備える、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
濃縮装置は、内燃機関からの排気中の有害成分の少なくとも一部を吸着剤で吸着することにより濃縮する装置である、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関からの排気中の有害成分は、炭化水素及び窒素酸化物の少なくとも１つを含む、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
内燃機関からの排気中の有害成分を浄化するための内燃機関の排気浄化方法であって、
内燃機関からの排気中の有害成分の少なくとも一部を濃縮装置で濃縮する処理と、
濃縮装置で濃縮された有害成分の少なくとも一部を転化装置で反応性の高いガスに転化させる処理と、
転化装置で少なくとも一部が反応性の高いガスに転化した有害成分を排気浄化触媒で浄化する処理と、
を順に実行する、内燃機関の排気浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関からの排気中の有害成分を浄化するための内燃機関の排気浄化装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関からの排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分を浄化するために、酸化触媒や還元触媒や三元触媒等の触媒が用いられている。ただし、例えば内燃機関の始動直後等、触媒が活性化しにくい低温域では、排気中の有害成分である炭化水素や窒素酸化物は、触媒の表面に強く吸着して有害成分の浄化反応を阻害（吸着被毒）する。そのため、触媒は、特に低温域において有害成分の浄化性能が低下しやすくなる。
【０００３】
下記特許文献１においては、内燃機関の排気通路におけるリーンＮＯｘ触媒より上流側の位置に、ＨＣ吸着剤とＮＯｘ吸着剤を設けている。例えば内燃機関の始動直後等、リーンＮＯｘ触媒が活性化しにくい低温域では、ＨＣ吸着剤が内燃機関からの排気中のＨＣを吸着し、ＮＯｘ吸着剤が内燃機関からの排気中のＮＯｘを吸着するため、ＨＣやＮＯｘがリーンＮＯｘ触媒に吸着することによる浄化性能の低下が抑制される。リーンＮＯｘ触媒が活性化する温度域に達した後は、ＨＣ吸着剤及びＮＯｘ吸着剤で吸着されたＨＣ及びＮＯｘがそれぞれ放出され、リーンＮＯｘ触媒で浄化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３４５８３２号公報
【特許文献２】特開２００８−７３６２５号公報
【特許文献３】特開２０００−５４８３３号公報
【特許文献４】特開２００５−１０５９２５号公報
【特許文献５】特開２００９−７９５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、触媒が活性化しにくい低温域において、吸着剤が飽和状態に達するまでは、ＨＣやＮＯｘ等の有害成分を吸着剤で吸着することが可能であるが、吸着剤が飽和吸着に達した後は、ＨＣやＮＯｘ等の有害成分は、吸着剤で吸着されずに放出され、触媒に吸着することで浄化性能が低下する。そのため、触媒が活性化しにくい低温域が長時間続く場合は、触媒の浄化性能の低下を防ぐことが困難となる。
【０００６】
本発明は、触媒が活性化しにくい低温域が長時間続く場合でも、触媒の浄化性能の低下を防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置及び方法は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関からの排気中の有害成分を浄化するための内燃機関の排気浄化装置であって、内燃機関からの排気中の有害成分の少なくとも一部を濃縮する濃縮装置と、濃縮装置で濃縮された有害成分の少なくとも一部を反応性の高いガスに転化させる転化装置と、転化装置で少なくとも一部が反応性の高いガスに転化した有害成分を浄化する排気浄化触媒と、を備えることを要旨とする。
【０００９】
本発明の一態様では、転化装置は、濃縮装置で濃縮された有害成分に酸化剤を添加することで、当該有害成分の少なくとも一部を酸化させて反応性の高いガスに転化させる装置であることが好適である。この態様では、前記酸化剤がオゾンであることが好適である。さらに、この態様では、濃縮装置で濃縮された有害成分に添加されるオゾンを水の電気分解により生成する水電解装置をさらに備えることが好適である。さらに、この態様では、水電解装置でオゾンとともに生成された水素を浄化装置へ供給する水素供給装置をさらに備えることが好適である。
【００１０】
本発明の一態様では、濃縮装置は、内燃機関からの排気中の有害成分の少なくとも一部を吸着剤で吸着することにより濃縮する装置であることが好適である。
【００１１】
本発明の一態様では、内燃機関からの排気中の有害成分は、炭化水素及び窒素酸化物の少なくとも１つを含むことが好適である。
【００１２】
また、本発明に係る内燃機関の排気浄化方法は、内燃機関からの排気中の有害成分を浄化するための内燃機関の排気浄化方法であって、内燃機関からの排気中の有害成分の少なくとも一部を濃縮装置で濃縮する処理と、濃縮装置で濃縮された有害成分の少なくとも一部を転化装置で反応性の高いガスに転化させる処理と、転化装置で少なくとも一部が反応性の高いガスに転化した有害成分を排気浄化触媒で浄化する処理と、を順に実行することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、排気浄化触媒が活性化しにくい低温域が長時間続く場合でも、排気浄化触媒の吸着被毒を抑制することができるとともに、排気浄化触媒への流入ガスを反応性の高いガスに転化させて活性化させることができるため、排気浄化触媒の浄化性能の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。内燃機関（エンジン）１０は、シリンダ内で燃料を燃焼させることで動力を発生する。ここでの内燃機関１０は、例えばガソリンエンジン等の火花点火機関であってもよいし、例えばディーゼルエンジン等の圧縮着火機関であってもよい。内燃機関１０での燃焼後の排気は、排気管１２内へ排出される。内燃機関１０から排気管１２内へ排出される排気中には、例えば炭化水素（ＨＣ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分が含まれており、本実施形態では、内燃機関１０からの排気中の有害成分（例えば炭化水素及び窒素酸化物の少なくとも１つ）を浄化するために、排気浄化触媒１６が排気管１２に設けられており、さらに、濃縮装置１４が排気管１２における排気浄化触媒１６より上流側の位置（内燃機関１０と排気浄化触媒１６との間の位置）に設けられている。
【００１７】
濃縮装置１４は、内燃機関１０からの排気中の有害成分の少なくとも一部を濃縮する。濃縮装置１４内には吸着剤１４ａが収められており、排気中の炭化水素及び窒素酸化物（あるいはその少なくとも一部）が吸着剤１４ａで一時的に吸着されることにより濃縮される。ここでの吸着剤１４ａについては、例えばゼオライト等を用いることが可能であるが、排気中の有害成分（ＨＣ、ＮＯｘ）を吸着可能であればどのようなものであってもよい。
【００１８】
本実施形態では、濃縮装置１４で濃縮された有害成分の少なくとも一部を反応性の高いガスに転化させる。そのための転化装置として、排気管１２における濃縮装置１４より上流側の位置（内燃機関１０と濃縮装置１４との間の位置）には、オゾン添加弁２４が設けられている。オゾン添加弁２４から濃縮装置１４の吸着剤１４ａへ向けて酸化剤としてのオゾン（Ｏ3）が噴射されることで、吸着剤１４ａで吸着された（濃縮装置１４で濃縮された）有害成分にオゾンが添加される。オゾンの高い酸化活性により、吸着剤１４ａで吸着された炭化水素及び窒素酸化物の少なくとも一部が酸化して反応性の高いガスに転化する。例えば、炭化水素のうちオレフィン系炭化水素がアルデヒドに転化することで反応性が高くなり、窒素酸化物のうち一酸化窒素（ＮＯ）が酸化して二酸化窒素（ＮＯ2）に転化することで反応性が高くなる。オゾン添加により少なくとも一部が反応性の高いガスに転化した有害成分は、下流側の排気浄化触媒１６へ供給される。なお。吸着剤１４ａは、有害成分（ＨＣ、ＮＯｘ）を酸化させる機能を保持していてもよく、それによりオゾンが添加された場合に効率よく反応性の高いガスへ変換可能となる。
【００１９】
吸着剤１４ａで吸着された（濃縮装置１４で濃縮された）有害成分に添加されるオゾンを生成するために、水電解装置１８が設けられている。水電解装置１８は、水の電気分解によりオゾンを生成する。水の電気分解の際には、オゾンとともに水素（Ｈ2）も生成され、陽イオン交換膜で隔てられた陽極側で水を分解してオゾンが生成されるとともに、陰極側で陽イオン膜を通過してきた水素イオンから水素ガスが生成される。水電解装置１８で生成されたオゾンは、オゾン導管２０内を通ってオゾン添加弁２４から吸着剤１４ａへ向けて噴射される。水電解装置１８で電気分解に用いられる水については、外部から供給することも可能であるし、排気中の水を回収して供給することも可能である。
【００２０】
排気管１２における濃縮装置１４より下流の位置に設けられた排気浄化触媒１６は、オゾン添加弁２４で添加されたオゾン（酸化剤）により少なくとも一部が反応性の高いガスに転化した有害成分を浄化する。ここでの排気浄化触媒１６は、排気中の有害成分を浄化可能な触媒であればどのようなものであってもよく、例えば酸化触媒、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元触媒等を用いることが可能である。排気管１２における濃縮装置１４より下流側で且つ排気浄化触媒１６より上流側の位置（濃縮装置１４と排気浄化触媒１６の間の位置）には、水素供給装置としての水素添加弁２６が設けられている。水電解装置１８で生成された水素が、水素導管２２内を通って水素添加弁２６から排気浄化触媒１６へ向けて噴射されることで、排気浄化触媒１６で浄化される有害成分に水素が添加される。
【００２１】
例えば、排気浄化触媒１６が酸化触媒である場合は、内燃機関１０からの排気中に含まれる未燃炭化水素のうちで特に触媒被毒成分となる不飽和炭化水素、芳香族、及び高級炭化水素（あるいはその少なくとも一部）を吸着剤１４ａで選択的に吸着することにより濃縮する。続いて、オゾン添加弁２４からのオゾン添加により、アルコール、ケトン、アルデヒド、カルボン酸等、反応性の高い部分酸化物に転化させる。続いて、酸化触媒で二酸化炭素と水までに酸化する。その際には、水素添加弁２６からの水素を酸化触媒に添加することで、酸化反応が促進される。
【００２２】
また、排気浄化触媒１６が選択還元触媒である場合は、内燃機関１０からの排気中に含まれる未燃炭化水素のうちで特に触媒被毒成分となる不飽和炭化水素、芳香族、及び高級炭化水素（あるいはその少なくとも一部）を吸着剤１４ａで選択的に吸着することにより濃縮するとともに、排気中に含まれる一酸化窒素を吸着剤１４ａで吸着することにより濃縮する。続いて、オゾン添加弁２４からのオゾン添加により、濃縮した炭化水素をアルコール、ケトン、アルデヒド、カルボン酸等、反応性の高い部分酸化物に転化させるとともに、濃縮した一酸化窒素を反応性の高い二酸化窒素に転化させる。続いて、選択還元触媒において、部分酸化された炭化水素と二酸化窒素を反応させて、二酸化炭素、水、窒素まで浄化する。その際には、水素添加弁２６からの水素を選択還元触媒に添加することで、窒素酸化物の還元が促進される。
【００２３】
例えば内燃機関１０の始動直後や、低負荷アイドル運転や、アイドリングストップ等の頻繁なエンジン停止をする運転等においては、排気浄化触媒１６が活性化しにくい低温域で運転されることが多くなる。排気浄化触媒１６が活性化しにくい低温域において、内燃機関１０からの排気中の有害成分である炭化水素や窒素酸化物が排気浄化触媒１６の表面に強く吸着すると、有害成分の浄化反応を阻害（吸着被毒）する。そのため、排気浄化触媒１６は、特に低温域において有害成分の浄化性能が低下しやすくなる。
【００２４】
これに対して本実施形態では、内燃機関１０からの排気中の有害成分の少なくとも一部を濃縮装置１４で濃縮する処理と、濃縮装置１４で濃縮された有害成分の少なくとも一部をオゾン添加弁２４からのオゾン添加により反応性の高いガスに転化させる処理と、オゾン添加弁２４からのオゾン添加により少なくとも一部が反応性の高いガスに転化した有害成分を排気浄化触媒１６で浄化する処理と、を順に実行する。排気浄化触媒１６の前段に設けられた濃縮装置１４で排気中の有害成分（例えば炭化水素や一酸化窒素）を吸着して濃縮することにより、排気浄化触媒１６へ供給される排気中の有害成分濃度を下げることができるので、排気浄化触媒１６が活性化しにくい低温域において、排気浄化触媒１６に有害成分が吸着することによる被毒を抑制することができ、排気浄化触媒１６での浄化性能の低下を防ぐことができる。
【００２５】
さらに、濃縮装置１４で濃縮された有害成分は、オゾン添加により随時または常時反応性の高いガスに転化してから排気浄化触媒１６へ供給される。例えば、炭化水素は、部分酸化されて部分酸化炭化水素に転化することで反応性が高くなってから排気浄化触媒１６へ供給され、一酸化窒素は、酸化されて二酸化窒素に転化することで反応性が高くなってから排気浄化触媒１６へ供給される。このとき、濃縮装置１４で濃縮された有害成分は高濃度になっており、そこへオゾンを添加することで、有害成分（例えば炭化水素や一酸化窒素）とオゾンとの反応率が向上するため、低温域であっても効率的に反応性の高いガス（例えば部分酸化炭化水素や二酸化窒素）へ転化させることができる。そして、排気浄化触媒１６に流入する有害成分は、反応性の高いガスへ転化して活性化しているため、排気浄化触媒１６が活性化しにくい低温域であっても高い浄化率で浄化される。また、濃縮装置１４で濃縮された有害成分は、オゾン添加により随時または常時反応性の高いガスに転化してから排気浄化触媒１６へ供給されるため、濃縮装置１４内の吸着剤１４ａは飽和状態に達せず、常に有害成分の濃縮が可能である。
【００２６】
したがって、以上説明した本実施形態によれば、排気浄化触媒１６の吸着被毒を抑制することができるとともに、排気浄化触媒１６への流入ガスを反応性の高いガスに転化させて活性化させることができるため、低温から高温まで幅広い温度域で排気浄化触媒１６の浄化性能の低下を防ぐことができる。
【００２７】
なお、特許文献２では、部分酸化能を備えたＨＣ吸着剤層の上層に酸化触媒層を有するＨＣトラップ触媒を用いることで、ＨＣ吸着剤層で吸着されたＨＣが部分酸化や改質され、酸化触媒層で酸化される。しかし、特許文献２では、酸化触媒層のＨＣ被毒を回避することが困難であり、また、ＨＣ吸着剤層の部分酸化能が発現する温度以下では酸化処理は困難であり、低温浄化が困難となる。また、特許文献３では、オゾンにより軽油を部分酸化させ、その部分酸化物を還元剤として用いて排気中のＮＯｘを浄化している。しかし、特許文献３では、軽油の部分酸化温度が３５０〜４００℃と高く、その温度ではオゾンは分解してしまう虞があり、部分酸化物を効率的に生成することが困難となる。さらに、特許文献３では、部分酸化物を還元剤として用いてＮＯｘを浄化するためには、３００℃以上の温度が必要であり、低温域ではＮＯｘの浄化が困難となる。また、特許文献４では、放電プラズマ装置を用いて排気中の飽和炭化水素の一部を不飽和炭化水素に改質しているが、プラズマにより改質できる温度は４００℃以上と高いため、低温の排気中では改質が困難となる。これに対して本実施形態では、排気浄化触媒１６が活性化しにくい低温域が長時間続く場合でも、排気浄化触媒１６の吸着被毒を抑制することができるとともに、排気浄化触媒１６への流入ガスを活性化させることができるため、排気浄化触媒１６の浄化性能の低下を防ぐことができる。
【００２８】
また、本実施形態において、濃縮装置１４で濃縮された有害成分に添加されるオゾンについては、水電解法により生成することで、特許文献５の放電法と比べて高濃度、高純度のオゾンを生成できることから、有害成分との反応性も大幅に向上し、効率的に反応性の高いガスに転化させることができる。さらに、水電解法では、陽極側からオゾンが生成するとともに陰極側から水素が生成するため、この水素を排気浄化触媒１６へ供給することで、排気浄化触媒１６での浄化性能を大幅に向上させることができる。
【００２９】
なお、本実施形態において、排気浄化触媒１６の温度が活性温度以上であるときは、必ずしも排気中の有害成分を反応性の高いガスに転化させなくても、排気浄化触媒１６で排気中の有害成分を浄化することが可能である。そこで、本実施形態では、排気浄化触媒１６の温度が活性温度以上であるときは、オゾン添加弁２４からのオゾン添加を行わない（濃縮装置１４で濃縮された有害成分を反応性の高いガスに転化させない）ことも可能である。
【００３０】
以上の実施形態の説明では、水電解法によりオゾン及び水素を生成する場合について説明したが、水電解法以外の方法によりオゾン及び水素を生成することも可能である。ただし、水電解法によりオゾン及び水素を生成する場合の方が、高濃度、高純度のオゾンと水素を１つの装置で生成することが可能となるため、効率、コスト、スペース等の点からも有利である。
【００３１】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  内燃機関、１２  排気管、１４  濃縮装置、１４ａ  吸着剤、１６  排気浄化触媒、１８  水電解装置、２０  オゾン導管、２２  水素導管、２４  オゾン添加弁、２６  水素添加弁。
【図１】
2011085060.tif 000003