(57)【要約】【課題】排気中の窒素酸化物を還元する還元触媒に、アルコールを容易に供給できる動力装置を提供する。【解決手段】内燃機関１と、還元触媒４を備える排気浄化手段３とを備える。液体炭化水素とアルコールとの混合燃料に水を混合し、アルコール−水混合液と、液体炭化水素とに分離する分離手段１１と、アルコール−水混合液を排気浄化手段２に供給するアルコール供給手段１７とを備える。排気浄化手段３は、還元触媒４にアルコール−水混合液を供給する第１のアルコール供給手段１８ａと、還元触媒４の温度を検知する温度検知手段８と、酸化触媒５ａと、温度検知手段８により検知される還元触媒４の温度が還元温度未満のときに酸化触媒５ａにアルコール−水混合液を供給する第２のアルコール供給手段１８ｂとを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、該内燃機関から排出される過剰の酸素を含む排気に接触せしめ、アルコールの存在下、該排気中の窒素酸化物を選択的に還元する還元触媒を備える排気浄化手段とを備える動力装置において、
液体炭化水素とアルコールとからなる混合燃料に水を混合して、該水と該アルコールとが混合されたアルコール−水混合液と、該液体炭化水素とに分離する分離手段と、
該アルコール−水混合液の一部を該排気浄化手段に供給するアルコール供給手段とを備えることを特徴とする動力装置。
【請求項２】
前記分離手段により分離された、前記液体炭化水素と、前記アルコール−水混合液とを燃料とし、前記内燃機関の要求負荷に応じて該燃料全体に対する該液体炭化水素と、該アルコール−水混合液との割合を制御して該内燃機関に供給する燃料供給手段を備えることを特徴とする請求項１記載の動力装置。
【請求項３】
前記排気浄化手段は、前記還元触媒に前記アルコール−水混合液の一部を供給する第１のアルコール供給手段と、該還元触媒の温度を検知する温度検知手段と、該還元触媒の上流側で前記排気に接触せしめる酸化触媒と、該温度検知手段により検知される該還元触媒の温度が該還元触媒の触媒活性が得られる温度未満のときに該酸化触媒に該アルコール−水混合液の一部を供給する第２のアルコール供給手段とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の動力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動力装置に関するものであり、より詳しくは、ボイラー、発電機、自動車等の内燃機関を備える動力装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボイラー、発電機、自動車等の内燃機関を備える動力装置では、該内燃機関の排気に含まれる一酸化窒素、二酸化窒素等の窒素酸化物（ＮＯｘ）による大気汚染を防止するために、白金、パラジウム、ロジウム等を主成分とし、前記排気中の炭化水素、一酸化炭素の酸化により該窒素酸化物を還元する三元触媒が用いられている。
【０００３】
一方、前記内燃機関において、熱効率を向上させるためには、強制点火方式、圧縮着火方式のいずれの方法においても、稀薄混合気による燃焼が効果的である。ところが、前記稀薄混合気では、排気中に前記炭化水素、一酸化炭素等を完全に酸化するために必要な化学量論的量以上の過剰な酸素を含むため、前記三元触媒を適用することができないという問題がある。
【０００４】
前記内燃機関の排気のように、酸素が過剰に存在する雰囲気下で前記窒素酸化物を還元除去するために、アンモニアを還元剤とするＶ２Ｏ５−ＴｉＯ２触媒が知られており、前記アンモニア源としては尿素水が用いられている。しかし、前記Ｖ２Ｏ５−ＴｉＯ２触媒を用いるときには、前記アンモニアを生成する手段と、有害なアンモニアの排出を防止する手段とを設けなければならず、装置の大型化が避けられない。また、前記尿素水は、燃料とは別に貯蔵しなければならず、その管理は使用者の負担となる。このため、前記Ｖ２Ｏ５−ＴｉＯ２触媒は、小型乗用車等に適用することが難しい。
【０００５】
また、前記酸素が過剰に存在する雰囲気下、アルコールを還元剤として前記窒素酸化物を還元除去する還元触媒が知られている（たとえば特許文献１参照）。前記還元触媒は、例えば、βゼオライトに鉄、コバルト、銀、モリブデン及びタングステンからなる群から選択された少なくとも１種の金属を担持させたものである。このような還元触媒によれば、エタノールまたはイソプロパノール等のアルコールの存在下、前記内燃機関の排気中の窒素酸化物を選択的に、しかも高い効率で還元することができる。
【０００６】
しかしながら、前記還元触媒を用いるには、通常、前記尿素水の場合と同様に、燃料とは別に、アルコールを貯蔵、供給する手段を設けなければならず、アンモニアを還元剤とする触媒を用いる場合と同様に、小型乗用車等に適用することが難しいという不都合がある。
【特許文献１】特開２００４−３５８４５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる不都合を解消して、内燃機関の排気に含まれる窒素酸化物を還元する還元触媒に、還元剤としてのアルコールを容易に供給することができる動力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】
【０００８】
かかる目的を達成するために、本発明は、内燃機関と、該内燃機関から排出される過剰の酸素を含む排気に接触せしめ、アルコールの存在下、該排気中の窒素酸化物を選択的に還元する還元触媒を備える排気浄化手段とを備える動力装置において、液体炭化水素とアルコールとからなる混合燃料に水を混合して、該水と該アルコールとが混合されたアルコール−水混合液と、該液体炭化水素とに分離する分離手段と、該アルコール−水混合液の一部を該排気浄化手段に供給するアルコール供給手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の動力装置は、前記内燃機関の燃料として液体炭化水素とアルコールとからなる混合燃料を備えており、前記分離手段により該混合燃料に水を添加する。このようにすると、前記混合燃料を形成している前記アルコールは水と相溶性があり容易にアルコール−水混合液を形成するが、前記液体炭化水素は水に不溶であるため、前記混合燃料をアルコール−水混合液と、液体炭化水素とに分離することができる。
【００１０】
前記分離手段で分離されたアルコール−水混合液と、液体炭化水素とは、前記内燃機関に燃料として供給されるが、このとき前記アルコール−水混合液の一部を前記アルコール供給手段により前記排気浄化手段に供給する。この結果、前記排気浄化手段は、前記燃料として用いられるアルコール−水混合液を前記還元触媒に還元剤として供給することができる。
【００１１】
従って、本発明の動力装置では、アルコールを貯蔵、供給するための設備を特に設けることなく、かつ、使用者に燃料とは別にアルコールの管理を負担させることなしに、前記還元触媒に還元剤としてのアルコールを容易に供給することができ、前記内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物を容易に還元除去することができる。
【００１２】
前記混合燃料に含まれるアルコールとしては、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物の発酵、蒸留により得られるエタノールを用いることが好ましい。前記植物性物質は、原料となる植物自体が既に二酸化炭素を吸収しているので、該植物性物質を燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は、該植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しく、総計としての二酸化炭素の排出量は理論的にはゼロになるという所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。従って、前記アルコールとしてエタノールを用いることにより、地球温暖化の原因となっている二酸化炭素の低減に貢献することができる。
【００１３】
本発明の動力装置は、前記分離手段により分離された、前記液体炭化水素と、前記アルコール−水混合液とを燃料とし、該内燃機関の要求負荷に応じて該燃料全体に対する該液体炭化水素と、該アルコール−水混合液との割合を制御して該内燃機関に供給する燃料供給手段を備えることが好ましい。前記燃料供給手段によれば、前記液体炭化水素と、前記アルコール−水混合液との前記内燃機関に対する供給割合を制御することにより、広い範囲の要求負荷に対して安定して運転することができる。
【００１４】
本発明の動力装置において、前記排気浄化手段は、前記還元触媒に前記アルコール−水混合液の一部を供給する第１のアルコール供給手段と、該還元触媒の温度を検知する温度検知手段と、該還元触媒の上流側で前記排気に接触せしめる酸化触媒と、該温度検知手段により検知される該還元触媒の温度が該還元触媒の触媒活性が得られる温度未満のときに該酸化触媒に該アルコール−水混合液の一部を供給する第２のアルコール供給手段とを備えることが好ましい。
【００１５】
前記還元触媒は、前記第１のアルコール供給手段により供給される前記アルコール−水混合液に含まれるアルコールの存在下、前記内燃機関の排気に接触せしめられることにより、該排気に含まれる前記窒素酸化物を選択的に、かつ高い効率で還元して窒素ガスとすることができる。一方、前記還元触媒は、前記窒素酸化物を還元するために、触媒活性が得られる所定の温度（以下、「還元温度」と略記する）を保持している必要がある。
【００１６】
そこで、前記排気浄化手段は、前記還元触媒の上流側に酸化触媒を備え、該酸化触媒を前記排気に接触しせしめる。このようにすると、前記排気に含まれる成分の一部が酸化され、その反応熱により前記排気が加熱されるので、前記還元触媒を該排気に接触せしめる際に、所要の還元温度を容易に得ることができる。
【００１７】
前記還元触媒は、それ自体広い範囲の還元温度を備えており、さらに前記のようにして前記排気を加熱することにより前記窒素酸化物を有利に還元することができるが、前記内燃機関の運転状態によっては、所要の還元温度が得られないことがある。そこで、前記排気浄化手段は、前記温度検知手段により検知される前記還元触媒の温度が還元温度未満のときには、前記第２のアルコール供給手段により、前記酸化触媒に前記アルコール−水混合液の一部を供給する。このようにすると、前記排気に含まれる一酸化窒素等の還元性物質に加えて、前記アルコール−水混合液に含まれるアルコールが前記酸化触媒により酸化されることになり、前記排気がさらに加熱されて、所要の還元温度を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の動力装置の第１の態様の構成を示すブロック図であり、図２は第２の態様の構成を示すブロック図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の第１の態様の動力装置は、稀薄混合気による燃焼を行う内燃機関１と、内燃機関１の排気を排出する排気管２の途中に設けられ、該排気を浄化する排気浄化装置３とを備えている。また、排気浄化装置３は排気管２の上流側から順に還元触媒装置４と、酸化触媒装置５とを備えている。排気管２は、排気浄化装置３の上流側に設けられた第１ＮＯｘセンサ６と、還元触媒４の下流側に設けられた第２ＮＯｘセンサ７とを備え、還元触媒装置４は温度センサ８を備えている。
【００２０】
前記動力装置は、また、液体炭化水素とアルコールとからなる混合燃料を収容する混合燃料タンク９を備えると共に、導管１０を介して混合燃料タンク９に接続され、前記混合燃料をアルコール−水混合液と液体炭化水素とに分離する分離装置１１を備えている。分離装置１１は、導管１２を介して水タンク１３に接続されると共に、燃料供給装置１４としての導管１５ａ，１５ｂを介して内燃機関１に接続されている。導管１４ａ，１４ｂにはそれぞれ制御弁１６ａ，１６ｂが備えられている。
【００２１】
また、分離装置１１は、アルコール供給手段１７としての導管１８を備え、導管１８は還元触媒４の上流側で排気管２に接続されている。導管１８には、制御弁１９が備えられている。
【００２２】
前記動力装置は、さらに、第１ＮＯｘセンサ６、第２ＮＯｘセンサ７、温度センサ８と、内燃機関１の運転状態を検知する各種センサ（図示せず）とから検知信号を受けて、内燃機関１、分離装置１１、各制御弁１６ａ，１６ｂ，１９の作動を制御する制御装置２０を備えている。
【００２３】
次に、図１に示す動力装置の作動について説明する。
【００２４】
図１に示す動力装置では、まず、制御装置２０により、混合燃料タンク９から導管１０を介して分離装置１１に前記混合燃料を供給すると共に、該混合燃料に、水タンク１３から導管１２を介して分離装置１１に供給される水を添加する。このとき、制御装置２０は、内燃機関１の運転状態を検知する各種センサ（図示せず）からの検知信号を受けて、導管１０，１２の制御弁（図示せず）を制御して適切な量の前記混合燃料と水とを分離装置１１に供給する。
【００２５】
次に、制御装置２０は、分離装置１１を作動して、前記混合燃料と水とを撹拌、混合することにより、アルコール−水混合液と、液体炭化水素とに分離する。制御装置２０は、分離装置１１内で、前記混合燃料がアルコール−水混合液と、液体炭化水素とに分離したことを確認したならば、分離装置１１を停止する。
【００２６】
前記混合燃料は、例えば、ナフサ、ガソリン、軽油等の液体炭化水素と、エタノール等のアルコールとからなる。前記混合燃料を形成するアルコールは水と相溶性があり容易にアルコール−水混合液を形成するが、前記液体炭化水素は水に不溶である。従って、前記混合燃料は、容易にアルコール−水混合液と、液体炭化水素との２層に分離する。このとき、前記アルコール−水混合液は、前記液体炭化水素に比較して比重が大であるので、分離装置１１内で前記アルコール−水混合液は下層に位置し、前記液体炭化水素は上層に位置する。そこで、制御装置２０は、前記上層または下層で、アルコール濃度または液体炭化水素濃度を検知することにより、前記アルコール−水混合液と、前記液体炭化水素との分離を確認することができる。
【００２７】
前記のように分離された前記アルコール−水混合液と、前記液体炭化水素とは、次に、導管１５ａ，１５ｂにより、内燃機関１に供給される。分離装置１１内で前記アルコール−水混合液は下層に位置し、前記液体炭化水素は上層に位置するので、導管１５ａ，１５ｂは、例えば、導管１５ａを上層部に接続することにより、導管１５ａにより前記液体炭化水素を内燃機関１に供給することができ、導管１５ｂを下層部に接続することにより、導管１５ｂにより前記アルコール−水混合液を内燃機関１に供給することができる。
【００２８】
このとき、制御装置２０は、内燃機関１の運転状態を検知する各種センサ（図示せず）からの検知信号を受けて、導管１５ａ，１５ｂの制御弁１６ａ，１６ｂを制御する。この結果、燃料供給手段１４は、内燃機関１の要求負荷に応じて、燃料全体に対する前記アルコール−水混合液と、前記液体炭化水素との割合を適切なものとして、内燃機関１に供給することができる。
【００２９】
内燃機関１では、前記アルコール−水混合液と、前記液体炭化水素とからなるガスに空気を混合して、稀薄混合気を形成し、該稀薄混合気を燃焼させる。この結果、排気管２から、一酸化窒素、二酸化窒素等の窒素酸化物（ＮＯｘ）を含むと共に、過剰の酸素を含む排気が排出される。
【００３０】
次に、前記排気は、排気管２を介して排気浄化装置２に、具体的には還元触媒装置４に供給される。このとき、制御装置２０は、内燃機関１の運転状態を検知する各種センサ（図示せず）、第１ＮＯｘセンサ６、第２ＮＯｘセンサ７、温度センサ８の検知信号を受けて、導管１８に設けられた制御弁１９を制御する。この結果、分離装置１１で分離されたアルコール−水混合液が、アルコール供給手段１７により排気管２に供給され、還元触媒装置４内の還元触媒は、アルコール存在下に前記排気に接触せしめられ、該排気中のＮＯｘを選択的に還元する。
【００３１】
前記還元触媒としては、βゼオライトに鉄、コバルト、銀、モリブデン及びタングステンからなる群から選択された少なくとも１種の金属を担持させたものが用いられる。前記還元触媒は、それ自体公知の成形方法により、球状、ハニカム状、ペレット状等の種々の形状に成形したものを用いることができる。また、前記排気の流れ方向に対して多数の貫通孔を有する支持体を形成し、該支持体の表面に、鉄、コバルト、銀、モリブデン及びタングステンからなる群から選択された少なくとも１種の金属を担持させたβゼオライトをウォッシュコート法等により被覆したものを前記還元触媒としもよい。
【００３２】
前記βゼオライトは、ＮＯｘの還元性能の点からシリカ（ＳｉＯ２）／アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のモル比が２０〜７０の範囲にあるものが好ましく、熱や水蒸気に対する安定性の点から２０〜４０の範囲にあるものがさらに好ましい。また、前記アルコール供給手段１７により排気管２に供給されるアルコールの量は、前記排気中のＮＯｘに対するモル比で０．５〜５程度が好ましい。
【００３３】
本態様では、制御装置２０は、アルコール供給手段１７により排気管２に供給されるアルコール−水混合液の量を、内燃機関１の運転状態を検知する各種センサ（図示せず）、還元触媒装置４の上流側に設けられた第１ＮＯｘセンサ６、還元触媒装置４の温度センサ８の検知信号から前記排気中のＮＯｘ濃度を予測してフィードフォワード制御する一方、還元触媒装置４の下流側に設けられた第２ＮＯｘセンサ７の検知信号により、フィードバック制御している。
【００３４】
次に、ＮＯｘが還元された前記排気は、排気管２を介して酸化触媒装置５に供給される。このとき、アルコール供給手段１７により排気管２に供給されたアルコールは、還元触媒装置４内で還元剤として作用し、ＮＯｘを還元する一方自らは酸化されているが、一部のアルコールは酸化されないまま、前記排気中に残留している。そこで、酸化触媒装置５内の酸化触媒は、前記排気に接触せしめられることにより、該排気中の残留アルコールを酸化する。前記酸化触媒としては、例えば、白金、パラジウム等を用いることができる。
【００３５】
前述のようにして、ＮＯｘが還元されると共に、残留アルコールが酸化された前記排気は、Ｎ２，Ｏ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ２を主成分とするものであり、酸化触媒装置５の下流側で、排気浄化装置２から大気中に放出される。
【００３６】
次に、図２に示す本実施形態の第２の態様の動力装置は、排気浄化装置２が排気管２の上流側から順に第１酸化触媒装置５ａ、還元触媒装置４、第２酸化触媒装置５ｂを備え、アルコール供給手段１７が第１酸化触媒装置５ａと還元触媒装置４との間で排気管２に接続される導管１８ａと、第１酸化触媒装置５ａの上流側で排気管２に接続される導管１８ｂとを備えることを除いて、図１に示す動力装置と全く同一の構成を備えている。尚、導管１８ａは第１のアルコール供給手段、導管１８ｂは第２のアルコール供給手段を構成しており、それぞれ制御弁１９ａ，１９ｂを備えている。制御弁１９ａ，１９ｂは制御装置２０により制御される。
【００３７】
次に、本態様の動力装置の作動について説明する。
【００３８】
本態様の動力装置の作動は、内燃機関１の排気の処理以外は図１に示す動力装置と全く同一であるので、同一の作動については説明を省略する。
【００３９】
通常、本態様の動力装置では、前記排気は排気浄化装置２に供給されるに際して、まず、第１酸化触媒装置５ａに供給される。このとき、酸化触媒装置５ａ内の酸化触媒により前記排気に含まれる成分の一部が酸化され、その反応熱により前記排気が加熱される。前記酸化触媒としては、例えば、白金、パラジウム等を用いることができる。
【００４０】
前記のようにして加熱された排気は、次いで、還元触媒装置４、第２酸化触媒装置５ｂに順次供給され、図１に示す動力装置と全く同一にして、ＮＯｘが還元されると共に、残留アルコールが酸化された状態で、酸化触媒装置５ｂの下流側で、排気浄化装置２から大気中に放出される。
【００４１】
前記還元触媒は、それ自体広い範囲の還元温度を備えており、さらに前記のようにして前記排気を加熱することにより該排気中のＮＯｘを有利に還元することができるが、内燃機関１の運転状態によっては、所要の還元温度が得られないことがある。そこで、本態様の動力装置では、制御装置２０が還元触媒装置４に設けられた温度センサ８の検知信号により還元触媒装置４の状態を監視しており、前記還元温度が所定の範囲から外れたときには、所要の処理を行う。
【００４２】
次に、温度センサ８の検知信号が前記還元温度より低い場合には、制御装置２０は導管１８ｂの制御弁１９ｂを制御して、第１酸化触媒装置５ａの上流側にアルコールを供給する。この結果、第１酸化触媒装置５ａ内では、一酸化窒素等の還元性物質に加えて前記アルコールが酸化されることとなり、該酸化反応の反応熱により前記排気をさらに加熱して、還元触媒装置４内の温度を所定の還元温度の範囲内とすることができる。
【００４３】
従って、本態様の動力装置によれば、使用者に管理負担を強いることなく、しかも内燃機関１の運転状態によらず、前記排気中のＮＯｘの還元除去を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る動力装置の第１の態様の構成を示すブロック図。
【図２】本発明に係る動力装置の第２の態様の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００４５】
１…内燃機関、  ３…排気浄化手段、  ４…還元触媒、  ５ａ…酸化触媒、  ８…温度検知手段、  １１…分離手段、  １４…燃料供給手段、  １７…アルコール供給手段、  １８ａ…第１のアルコール供給手段、  １８ｂ…第２のアルコール供給手段。
【図１】
2007100601.tif 000003
【図２】
2007100601.tif 000004