特許 6540104 内燃機関の排気浄化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6540104

(24)【登録日】2019年6月21日

(45)【発行日】2019年7月10日

(54)【発明の名称】内燃機関の排気浄化装置

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/02 20060101AFI20190628BHJP

   F01N 3/24 20060101ALI20190628BHJP

【ＦＩ】

   F01N3/02 101C

   F01N3/24 L

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-44247(P2015-44247)

(22)【出願日】2015年3月6日

(65)【公開番号】特開2016-164373(P2016-164373A)

(43)【公開日】2016年9月8日

【審査請求日】2017年12月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木崎 好美

(72)【発明者】

【氏名】志知 明

(72)【発明者】

【氏名】長野 進

【審査官】 村山 禎恒

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−１２９９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２４０６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５１０００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１２０２５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１９３６９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｎ ３／００、 ３／０２、

３／０４− ３／３８、

９／００−１１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関からの排気が流入する容器内に、排気と接触するデミスタ部と、デミスタ部の温度を調整する温度調整部とを備え、デミスタ部に接触する排気中の水分を排気中の水溶性ガスとともにデミスタ部で捕捉する温度調整型デミスタユニットと、
排気中の水蒸気濃度を検出する水蒸気濃度センサと、
検出された水蒸気濃度に基づき、デミスタ部における排気中の水蒸気濃度が飽和水蒸気濃度より高くなるように温度調整部を制御する制御部と、
を有する、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、
制御部が、容器内に流入する排気中の水蒸気濃度が飽和水蒸気濃度より高くなるように、内燃機関の空燃比を制御する、内燃機関の排気浄化装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
容器内に流入する排気中の水蒸気濃度が飽和水蒸気濃度より高くなるように、内燃機関からの排気に水を添加する水添加装置を有する、内燃機関の排気浄化装置。

【請求項4】

請求項２を引用する請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置であって、
容器内に流入する排気中の水蒸気濃度を飽和水蒸気濃度より高くするための優先順位が、温度調整部によるデミスタ部の温度調整、内燃機関の空燃比制御、水添加装置による水添加の順に設定されている、内燃機関の排気浄化装置。

【請求項5】

内燃機関の排気浄化装置であって、
内燃機関からの排気が流入する容器内に、排気と接触するデミスタ部と、デミスタ部の温度を調整する温度調整部とを備え、デミスタ部に接触する排気中の水分を排気中の水溶性ガスとともにデミスタ部で捕捉する温度調整型デミスタユニットと、
内燃機関からの排気に水を添加する水添加装置と、
を有し、
容器内に流入する排気中の水蒸気濃度を飽和水蒸気濃度より高くするための優先順位が、温度調整部によるデミスタ部の温度調整、内燃機関の空燃比制御、水添加装置による水添加の順に設定されている、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、
温度調整型デミスタユニットは、温度調整部として、冷媒が流れる冷却管を備える、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、内燃機関からの排気中に含まれる有害成分を浄化するための内燃機関の排気浄化装置に関する。

【背景技術】

【0002】

排気中に含まれる有害成分を浄化するための技術としては、例えば下記特許文献１，２による技術が公知である。下記特許文献１では、排気中に含まれる硫黄酸化物を除去するために吸収液と気液接触させる湿式脱硫装置において、脱硫塔本体内に水蒸気を吹き込む水蒸気管を設けている。脱硫塔本体内に水蒸気を吹き込むと周囲のガスにより冷却され、水蒸気はその温度における飽和濃度となり余剰の水蒸気は凝縮して液滴となり、この液滴がガス中に浮遊しているダスト等を核として成長するため、微細なこれらの粒子が見かけ上肥大化する。粒子が大きくなると慣性により液滴が衝突して捕集されやすくなり、ダスト等の捕集効率が向上する。

【0003】

また、下記特許文献２では、被処理ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するために、被処理ガス中のＮＯｘをオゾン酸化し、このオゾン酸化後の被処理ガス中の残存ＮＯｘ成分を吸収液によって吸収除去している。その際に、オゾンを被処理ガス中と吸収液中の双方に添加している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平７−１７８３１４号公報

【特許文献2】特開２０１３−７１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関からの排気中には、燃料の燃焼で生成された水が水蒸気として存在しており、さらに、排気中の窒素酸化物が水（水蒸気）と反応することで硝酸（ＨＮＯ₃）が生成される。そこで、排気中の水蒸気を凝縮させた水に排気中の窒素酸化物（例えばＮＯ₂）や硝酸等の水溶性ガスを吸収させることで、排気中の窒素酸化物や硝酸等の水溶性ガスを浄化することが可能となる。ただし、例えば酸素過剰の希薄燃焼（リーンバーン）等、内燃機関の空燃比が理論空燃比から離れることで排気中の水蒸気濃度が低くなると、排気中の水蒸気が凝縮する露点温度が低くなる。また、内燃機関の排気温度が高くなると、排気中の飽和水蒸気濃度が増加する。それらの内燃機関の運転状態においては、排気中の水蒸気が凝縮しにくくなり、排気中の窒素酸化物や硝酸等の水溶性ガスを凝縮後の水に吸収させて浄化する性能が低下しやすくなる。

【0006】

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の運転状態が変化しても排気浄化性能の低下を抑制することを目的とする。

【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が流入する容器内に、排気と接触するデミスタ部と、デミスタ部の温度を調整する温度調整部とを備え、デミスタ部に接触する排気中の水分を排気中の水溶性ガスとともにデミスタ部で捕捉する温度調整型デミスタユニットを有することを要旨とする。

【0009】

本発明の一態様では、温度調整部は、容器内に流入する排気中の水蒸気濃度が飽和水蒸気濃度より高くなるように、デミスタ部の温度を調整することが好適である。

【0010】

本発明の一態様では、容器内に流入する排気中の水蒸気濃度が飽和水蒸気濃度より高くなるように、内燃機関の空燃比が制御されることで、排気中の水蒸気濃度が制御されることが好適である。

【0011】

本発明の一態様では、容器内に流入する排気中の水蒸気濃度が飽和水蒸気濃度より高くなるように、内燃機関からの排気に水を添加する水添加装置を有することが好適である。

【0012】

本発明の一態様では、内燃機関からの排気に水を添加する水添加装置を有し、容器内に流入する排気中の水蒸気濃度を飽和水蒸気濃度より高くするための優先順位が、温度調整部によるデミスタ部の温度調整、内燃機関の空燃比制御、水添加装置による水添加の順に設定されていることが好適である。

【0013】

本発明の一態様では、温度調整型デミスタユニットは、温度調整部として、冷媒が流れる冷却管を備えることが好適である。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、デミスタ部に接触する排気中の水分を排気中の水溶性ガスとともにデミスタ部で捕捉することで、排気中の水溶性ガスを浄化することができる。その際には、温度調整部によりデミスタ部の温度を調整することで、排気中の水蒸気濃度が低くなったり、排気温度が高くなる等、内燃機関の運転状態が変化しても、排気中の水蒸気をデミスタ部で安定して凝縮させることができ、排気中の水溶性ガスを浄化する性能の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【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。

【図2】デミスタ部及び温度調整部の構成例を示す図である。

【図3】デミスタ部及び温度調整部の構成例を示す図である。

【図4】温度に対する飽和水蒸気濃度の関係を示す図である。

【図5】デミスタ部の温度に対するＨＮＯ₃吸収率の関係の一例を示す図である。

【図6】内燃機関の運転時に電子制御装置により実行される処理の一例を示すフローチャートである。

【図7】本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の他の概略構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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。

【0017】

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。本実施形態に係る排気浄化装置は、例えば内燃機関とともに車両に搭載される。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、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からの排気中の窒素酸化物を含む有害成分を浄化するために、温度調整型デミスタユニット２０が排気管１２の下流側の位置に設けられている。

【0018】

温度調整型デミスタユニット２０において、容器２１には流入口２１ａ及び流出口２１ｂが形成されており、内燃機関１０から排気管１２内に排出された排気は、流入口２１ａから容器２１内に流入し、流出口２１ｂから容器２１外へ流出する。容器２１内には、流入口２１ａから流入した排気と接触するデミスタ部２２と、デミスタ部２２の温度を調整する温度調整部２３が収容されている。

【0019】

容器２１内のデミスタ部２２及び温度調整部２３の構成例を図２，３に示す。図２は１層あたりの構造例を示し、図３は図２の構造を多層化した構成例を示す。図２に示すように、温度調整部として冷却管２３が蛇行して設けられ、デミスタ部として針金２２が冷却管２３に巻き付けられた状態で編目状に形成されている。そして、冷却管２３に針金２２を巻き付けた構造が、図３に示すように、容器２１内における排気流れ方向（矢印Ａに示す方向）に沿って多数並べられている。

【0020】

図２，３の矢印Ｂに示すように冷却管２３内を冷却水等の液体冷媒が流れることで、冷却管２３に接触するデミスタ部（針金）２２が冷却され、デミスタ部２２の温度が調整される。冷却水は、容器２１外に設置された冷却水貯蔵タンク２４内に貯留され、電動ポンプ２５の駆動により冷却管２３内へ供給されて循環する。冷却水貯蔵タンク２４内の冷却水量レベルＬｗは水量レベルセンサ２６で監視され、水量レベル維持装置により冷却水量レベルＬｗが規定範囲内に維持される。冷却管２３内を通る冷却水温度Ｔｗは水温センサ２７で監視され、水温調整装置により冷却水温度Ｔｗが設定温度に調整される。

【0021】

ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関１０から排気管１２内へ排出される排気中には、燃料の燃焼で生成された水が水蒸気として存在しており、さらに、排気中のＮＯｘが水（水蒸気）と反応することで硝酸（ＨＮＯ₃）や硝酸イオンが生成される。温度調整型デミスタユニット２０において、流入口２１ａから容器２１内に流入した排気は、図２，３の矢印Ａの方向に流れ、デミスタ部（針金）２２に接触しながら編目状の針金２２間の隙間を通過する。その際には、排気中の水蒸気が凝縮して水滴（液体）となって針金２２に付着し、この水滴に、ＮＯｘ（例えばＮＯ₂）、硝酸、硝酸イオン、アルデヒド等、排気中の水溶性ガスが溶け込むことで、これらの水溶性ガスが水とともに排気から分離・除去される。水溶性ガスが溶け込んだ水滴は、重力によって鉛直下方に落下して凝集液貯蔵タンク２８内に貯留される。凝集液貯蔵タンク２８内の水に吸収された硝酸や硝酸イオンについては、硝酸イオン濃度計やｐＨ計等を用いて硝酸量を監視することが好ましい。また、針金２２間の隙間を通過した排気は、流出口２１ｂから容器２１外へ流出する。このように、温度調整型デミスタユニット２０は、デミスタ部２２に接触する排気中の水分を排気中の水溶性ガスとともにデミスタ部２２で捕捉することで、排気中の水溶性ガスを浄化する。なお、デミスタ部２２の構成は、排気中の水分を捕捉可能な構成であればどのような構成でもよく、図２，３の構成に限定されるものではない。そして、温度調整部２３の構成も、デミスタ部２２の温度を調整可能な構成であればどのような構成でもよく、図２，３の構成に限定されるものではない。

【0022】

排気中の水蒸気は、温度が低くなれば露点温度で凝縮して液体の水になるが、その露点温度は排気中の水蒸気濃度に応じて変化し、排気中の水蒸気濃度の低下に対して露点温度が低下する。排気中の飽和水蒸気濃度は排気温度に応じて変化し、図４に示すように、排気温度の低下に対して排気中の飽和水蒸気濃度が低下する。したがって、排気中の水蒸気をデミスタ部２２で凝縮させて水溶性ガスを吸収する性能は、デミスタ部２２の温度や排気中の水蒸気濃度に依存して変化する。一例としてデミスタ部２２の温度に対するＨＮＯ₃吸収率の関係を図５に示す。図５に示すように、デミスタ部２２の温度の低下に対してＨＮＯ₃吸収率が高くなる。

【0023】

また、内燃機関１０からの排気中の水蒸気濃度は、内燃機関１０の空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。例えば理論空燃比Ａ／Ｆ＝１４．７で燃焼させた場合の排気中には、理論上約１５％程度の水蒸気が含まれるが、酸素過剰雰囲気のＡ／Ｆ＝４０では、排気中に含まれる水蒸気が約６％程度に減少する。また、空燃比Ａ／Ｆがリッチである（理論空燃比より小さい）場合も、排気中に含まれる水蒸気が理論空燃比に比べて減少する。したがって、内燃機関１０の空燃比Ａ／Ｆに応じて排気中の水蒸気が凝縮する露点温度が変化し、例えば酸素過剰の希薄燃焼（リーンバーン）等、空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比から離れるほど露点温度が低下する。空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比から離れる等、排気中の水蒸気濃度が低下して露点温度が低下すると、排気中の水蒸気がデミスタ部２２で凝縮しにくくなり、ＨＮＯ₃等、排気中の水溶性ガスが吸収されにくくなる。排気中の水蒸気をデミスタ部２２で凝縮させて水溶性ガスを吸収する性能を向上させるためには、容器２１内に流入する排気中の水蒸気濃度が飽和水蒸気濃度より高くなる、つまりデミスタ部２２に接触する排気中の水分が露点温度より低くなる結露条件が成立することが望ましい。

【0024】

そこで、温度調整部２３は、容器２１内に流入する排気中の水蒸気濃度が飽和水蒸気濃度より高くなるように、デミスタ部２２の温度を調整する。図１に示すように、温度調整型デミスタユニット２０より上流側の排気管１２には水蒸気濃度センサ３２が付設されており、容器２１内に流入する排気中の水蒸気濃度Ｄが水蒸気濃度センサ３２により検出されて電子制御装置（ＥＣＵ）４０に入力される。電子制御装置４０は、水蒸気濃度Ｄが飽和水蒸気濃度より高くなる、つまり容器２１内のデミスタ部２２雰囲気温度Ｔｄが露点温度より低くなるように、電動ポンプ２５の駆動制御により冷却管２３内に流す冷却水流量を制御する。ここでの露点温度については、水蒸気濃度Ｄに対応する露点温度として算出可能であり、ここでの飽和水蒸気濃度については、デミスタ部２２雰囲気温度Ｔｄに対応する飽和水蒸気濃度として算出可能である。デミスタ部２２雰囲気温度Ｔｄについては、容器２１内の雰囲気温度を温度センサにより直接検出してもよいし、水温センサ２７により検出された冷却水温度Ｔｗをデミスタ部２２の温度として代用することも可能である。これによって、容器２１内に流入する排気中の水蒸気濃度Ｄがデミスタ部２２雰囲気温度Ｔｄに対応する飽和水蒸気濃度より高くなる、つまりデミスタ部２２に接触する排気中の水分が排気中の水蒸気濃度Ｄに対応する露点温度より低くなる結露条件が成立するように、冷却管２３によりデミスタ部２２が冷却される。なお、前述のように、排気中の水蒸気濃度Ｄは内燃機関１０の空燃比Ａ／Ｆと相関があるため、排気中の水蒸気濃度Ｄについては、水蒸気濃度センサ３２により直接検出する以外に、内燃機関１０の空燃比Ａ／Ｆ（例えば空燃比センサにより検出）から算出することも可能である。

【0025】

以上説明した本実施形態によれば、排気中の水蒸気をデミスタ部２２で凝縮させて排気中のＮＯｘ（例えばＮＯ₂）、硝酸、硝酸イオン、アルデヒド等の水溶性ガスを凝縮後の水に吸収することで、排気中の水溶性ガスを浄化することができる。その際には、上記の結露条件が成立するように、温度調整部２３によりデミスタ部２２の温度調整（冷却）を行うことで、内燃機関１０からの排気中の水蒸気濃度が低くなったり、内燃機関１０からの排気温度が高くなる等、内燃機関１０の運転状態が変化しても、排気中の水蒸気をデミスタ部２２で安定して効率よく凝縮させることができ、排気中の水溶性ガスを浄化する性能の低下を抑制することができる。

【0026】

なお、電子制御装置４０は、容器２１内に流入する排気中の水蒸気濃度Ｄが飽和水蒸気濃度より高くなるように、内燃機関１０の空燃比Ａ／Ｆを制御することで、排気中の水蒸気濃度Ｄを制御することも可能である。その際には、水蒸気濃度Ｄがデミスタ部２２雰囲気温度Ｔｄに対応する飽和水蒸気濃度より高くなる（デミスタ部２２に接触する排気中の水分が水蒸気濃度Ｄに対応する露点温度より低くなる）結露条件が成立するように、内燃機関１０の空燃比Ａ／Ｆが制御される。これによって、内燃機関１０からの排気温度が高くなる等、内燃機関１０の運転状態が変化しても、排気中の水蒸気をデミスタ部２２で安定して効率よく凝縮させることができ、排気中の水溶性ガスを浄化する性能の低下を抑制することができる。

【0027】

また、図１に示すように、排気管１２（水蒸気濃度センサ３２より上流側の位置）に水添加装置３４を設け、水添加装置３４から排気管１２内の排気に水（水蒸気）を添加することで、容器２１内に流入する排気中の水蒸気濃度Ｄを調整することも可能である。そして、水添加装置３４は、容器２１内に流入する排気中の水蒸気濃度Ｄが飽和水蒸気濃度より高くなるように、内燃機関１０からの排気に水（水蒸気）を添加することも可能である。その際に、電子制御装置４０は、水蒸気濃度Ｄがデミスタ部２２雰囲気温度Ｔｄに対応する飽和水蒸気濃度より高くなる（デミスタ部２２に接触する排気中の水分が水蒸気濃度Ｄに対応する露点温度より低くなる）結露条件が成立するように、水添加装置３４により添加する水蒸気量を制御することで、容器２１内に流入する排気中の水蒸気濃度Ｄを制御する。これによって、内燃機関１０からの排気中の水蒸気濃度が低くなったり、内燃機関１０からの排気温度が高くなる等、内燃機関１０の運転状態が変化しても、排気中の水蒸気をデミスタ部２２で安定して効率よく凝縮させることができ、排気中の水溶性ガスを浄化する性能の低下を抑制することができる。なお、水添加装置３４は、容器２１内に流入する排気中の水蒸気濃度Ｄを調整可能な構成であればどのような構成でもよく、例えばスプレノズル等で水を排気管１２内へ噴霧してもよいし、多孔質膜型の加湿器を用いてもよい。

【0028】

また、内燃機関１０の運転時には、電子制御装置４０が図６のフローチャートに示す処理を実行することも可能である。まずステップＳ１０１では、水蒸気濃度Ｄがデミスタ部２２雰囲気温度Ｔｄに対応する飽和水蒸気濃度より高くなる（デミスタ部２２に接触する排気中の水分が水蒸気濃度Ｄに対応する露点温度より低くなる）結露条件が成立するか否かが判定される。結露条件が成立する場合（ステップＳ１０１の判定結果がＹＥＳの場合）は、本処理の実行を終了する。一方、結露条件が成立しない場合（ステップＳ１０１の判定結果がＮＯの場合）は、ステップＳ１０２に進む。

【0029】

ステップＳ１０２では、電動ポンプ２５の駆動制御により冷却管２３内に流す冷却水流量が制御されることで、デミスタ部２２の温度が低下するように温度調整（冷却）が行われる。その際には、電動ポンプ２５の回転数が設定回転数以下に制限されることで、冷却管２３内に流す冷却水流量が設定流量以下に制限される。次にステップＳ１０３では、冷却管２３内に流す冷却水流量が設定流量以下の条件でデミスタ部２２の冷却を行うことで、上記の結露条件が成立するか否かが判定される。冷却水流量が設定流量以下の条件で結露条件が成立する場合（ステップＳ１０３の判定結果がＹＥＳの場合）は、本処理の実行を終了する。一方、冷却水流量を設定流量まで増加させても結露条件が成立しない場合（ステップＳ１０３の判定結果がＮＯの場合）は、ステップＳ１０４に進む。

【0030】

ステップＳ１０４では、内燃機関１０の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比に近づくように制御されることで、容器２１内に流入する排気中の水蒸気濃度Ｄを増加させる。次にステップＳ１０５では、内燃機関１０の空燃比制御を行うことで、上記の結露条件が成立するか否かが判定される。内燃機関１０の空燃比制御により排気中の水蒸気濃度Ｄを増加させることで結露条件が成立する場合（ステップＳ１０５の判定結果がＹＥＳの場合）は、本処理の実行を終了する。一方、内燃機関１０の空燃比Ａ／Ｆを理論空燃比に制御しても結露条件が成立しない場合（ステップＳ１０５の判定結果がＮＯの場合）は、ステップＳ１０６に進む。

【0031】

ステップＳ１０６では、水添加装置３４により排気管１２内の排気に水蒸気が添加されることで、容器２１内に流入する排気中の水蒸気濃度Ｄを増加させる。その際には、上記の結露条件が成立するように、水添加装置３４により排気に添加される水蒸気量が制御される。そして、本処理の実行を終了する。

【0032】

図６のフローチャートによれば、容器２１内に流入する排気中の水蒸気濃度Ｄを飽和水蒸気濃度より高くする（デミスタ部２２に接触する排気中の水分を露点温度より低くする）ための優先順位が、温度調整部２３によるデミスタ部２２の温度調整、内燃機関１０の空燃比制御、水添加装置３４による水添加の順に設定される。温度調整部（冷却管）２３によるデミスタ部２２の温度調整の際に、冷却管２３内に流す冷却水流量が設定流量以下の条件で上記の結露条件が成立しないと判定された場合は、内燃機関１０の空燃比制御により排気中の水蒸気濃度Ｄを増加させることで、電動ポンプ２５の消費電力を削減することができる。そして、内燃機関１０の空燃比Ａ／Ｆを理論空燃比に制御しても上記の結露条件が成立しないと判定された場合に、水添加装置３４からの水添加により排気中の水蒸気濃度Ｄを増加させることで、水添加装置３４による水添加のために必要な水の量を抑えることができる。

【0033】

本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の他の概略構成を図７に示す。図７の構成例では、図１の構成例と比較して、排気管１２における水添加装置３４より上流側の位置に改質装置１４が設けられ、排気管１２における改質装置１４より上流側の位置に熱交換器１３が設けられている。

【0034】

改質装置１４は、窒素酸化物を硝酸（ＨＮＯ₃）に変換する反応を促進するための硝酸生成触媒１４ａを有し、内燃機関１０からの排気中の有害成分に含まれる窒素酸化物を硝酸生成触媒１４ａ上で硝酸に改質する。硝酸生成触媒１４ａは、酸点を有する触媒、または酸点を有する担体に銀（Ａｇ）や鉄（Ｆｅ）や銅（Ｃｕ）等の金属が担持された触媒により構成することができる。酸点を有する触媒／担体としては、例えばＺＳＭ−５、ＢＥＡ、ＭＯＲ、ＳＡＰＯ等のゼオライトや、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃、ＳＯ₄／ＴｉＯ₂の他、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂、ＷＯ₃／ＴｉＯ₂、ＷＯ₃／ＺｒＯ₂、ＷＯ₃／ＳｎＯ₂、ＳＯ₄／ＺｒＯ₂等の複合酸化物を用いることが可能である。改質装置１４での酸化反応のために、排気管１２における改質装置１４より上流側の位置（熱交換器１３と改質装置１４との間の位置）には、オゾン添加弁１９が設けられている。オゾン添加弁１９から改質装置１４へ向けて酸化剤としてのオゾン（Ｏ₃）が噴射されることで、改質装置１４に流入する排気中の有害成分にオゾンが添加される。改質装置１４では、一酸化窒素（ＮＯ）や二酸化窒素（ＮＯ₂）等の窒素酸化物が、オゾン添加弁１９により添加されたオゾン（Ｏ₃）及び内燃機関１０からの排気中に含まれる水分とともに硝酸生成触媒１４ａに接触することで、硝酸（ＨＮＯ₃）に酸化改質する。硝酸に転化した有害成分を含む排気は、下流側の温度調整型デミスタユニット２０へ供給される。

【0035】

改質装置１４に流入する有害成分に添加されるオゾンを生成するために、オゾン発生装置１８が設けられており、オゾン発生装置１８で生成されたオゾンが、オゾン導管１７内を通ってオゾン添加弁１９から改質装置１４へ向けて噴射される。オゾン発生装置１８では、オゾンはどのような方法で作られてもよいが、例えば水電解装置やプラズマ放電等が挙げられる。なかでも水電解装置を用いることで、高濃度・高純度のオゾンが生成・供給可能となり、効率、コスト、スペース等の点からも有利である。水電解装置とは、水の電気分解によりオゾンと水素を生成する装置のことであり、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。

【0036】

改質装置１４の上流側に設けられた熱交換器１３は、内燃機関１０からの排気との熱交換を行うことで、改質装置１４に流入する排気の温度を調整する。これによって、排気と接触する硝酸生成触媒１４ａの温度が調整される。例えば熱交換器１３に冷媒を供給して内燃機関１０からの排気を冷却することで、改質装置１４に流入する排気の温度を下げることができ、硝酸生成触媒１４ａの温度を下げることができる。このように、熱交換器１３は、硝酸生成触媒１４ａの温度を調整するための温度調整装置として機能する。なお、硝酸生成触媒１４ａの温度が高くなると、硝酸の生成に用いられるオゾンが分解されやすくなるとともに、生成された硝酸が逆反応により窒素酸化物に戻りやすくなる。そこで、熱交換器１３は、硝酸生成触媒１４ａの温度を３５０℃以下（より好ましくは３００℃以下）に保持するように、内燃機関１０からの排気との熱交換により硝酸生成触媒１４ａの温度を調整することが好ましい。例えば温度センサで検出した硝酸生成触媒１４ａの温度が３５０℃（より好ましくは３００℃）を超えたら、熱交換器１３に冷媒を供給して硝酸生成触媒１４ａに接触する排気の温度を下げることで、硝酸生成触媒１４ａの温度を３５０℃以下（より好ましくは３００℃以下）に下げることが好ましい。

【0037】

図７の構成例によれば、排気中の窒素酸化物をデミスタ部２２で水に吸収させて捕捉する前に硝酸へ変換しておくことで、水への吸収速度を大幅に向上させることができ、窒素酸化物の浄化率をさらに向上させることができる。さらに、酸点を有する硝酸生成触媒１４ａに窒素酸化物をオゾン及び水とともに接触させることで、硝酸生成触媒１４ａ上で硝酸を高い反応速度で連続的に生成することができる。

【0038】

ただし、ＮＯｘの共存ガスとして、プロピレン（Ｃ₃Ｈ₆）、エチレン（Ｃ₂Ｈ₄）等の不飽和炭化水素（オレフィン）や、芳香族の炭化水素が共存する場合は、これら炭化水素とＯ₃の反応性が高いため、これら炭化水素との反応にＯ₃が消費されてしまい、ＨＮＯ₃生成反応に用いられるＯ₃量が低下する。そこで、図７の構成例では、排気管１２における改質装置１４及び熱交換器１３より上流側の位置に酸化触媒１６がさらに設けられている。酸化触媒１６は、内燃機関１０からの排気中に含まれる炭化水素（ＴＨＣ）、特にプロピレン（Ｃ₃Ｈ₆）、エチレン（Ｃ₂Ｈ₄）等の不飽和炭化水素（オレフィン）や、芳香族の炭化水素を、水（Ｈ₂Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ₂）に酸化し、排気中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ₂）に酸化する。さらに、酸化触媒１６は、内燃機関１０からの排気中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化する。

【0039】

図７の構成例によれば、排気中に含まれる不飽和炭化水素や芳香族の炭化水素が改質装置１４上流側の酸化触媒１６で酸化されて除去されるため、これら炭化水素との反応にＯ₃が消費されるのを抑制することができ、改質装置１４でのＨＮＯ₃生成反応に用いられるＯ₃量の低下を抑制することができる。さらに、排気中に含まれるＮＯが改質装置１４上流側の酸化触媒１６でＮＯ₂に酸化されることによっても、改質装置１４でのＨＮＯ₃生成反応に用いられるＯ₃量の低下を抑制することができる。したがって、オゾン添加量を増加させることなくＮＯｘ浄化率の低下を抑制することができる。

【0040】

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】

【0041】

１０ 内燃機関、１２ 排気管、１３ 熱交換器、１４ 改質装置、１４ａ 硝酸生成触媒、１６ 酸化触媒、１７ オゾン導管、１８ オゾン発生装置、１９ オゾン添加弁、２０ 温度調整型デミスタユニット、２１ 容器、２１ａ 流入口、２１ｂ 流出口、２２ デミスタ部（針金）、２３ 温度調整部（冷却管）、２４ 冷却水貯蔵タンク、２５ 電動ポンプ、２６ 水量レベルセンサ、２７ 水温センサ、２８ 凝集液貯蔵タンク、３２ 水蒸気濃度センサ、３４ 水添加装置、４０ 電子制御装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】