JP2008298034A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関又は燃焼機器の排気ガス浄化装置において、排気ガス中のＮＯｘ及びＣＯ等を効率良く助共できると共に、消費エネルギーを低減できるようにする。
【解決手段】排気通路２を複数の分岐排気通路２ａ、２ｂに分岐し、各分岐排気通路２ａ、２ｂの排気入口に、各分岐排気通路２ａ、２ｂ内への排気ガス流量を調節可能な流量制御弁２１，２２をそれぞれ設ける。各分岐排気通路２ａ、２ｂ内には、窒素酸化物を一時的に吸着し、該吸着した窒素酸化物を昇温又は還元雰囲気で脱離する窒素酸化物吸着材４と、該窒素酸化物吸着材４より排気上流側に配置され、前記流量制御弁２１，２２により調量される排気ガスを昇温又は還元雰囲気にする吸着物質脱離手段３と、前記窒素酸化物吸着材４より排気下流側に配置され、燃料供給手段、空気供給手段及び着火手段から構成される燃焼装置５と、をそれぞれ備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼル機関、ガス機関、ガソリン機関あるいはガスタービン機関等の内燃機関又は焼却炉やボイラ等の燃焼機器の排気ガスを浄化する装置に関し、特に排気通路内に設置されて主として窒素酸化物と一酸化炭素等の未燃成分を除去する排気ガス浄化装置に関する。

排気ガス浄化の対象となる物質は、窒素酸化物、一酸化炭素、未燃炭化水素及びすす等粒子状物質であるが、これらの物質を浄化する装置については、従来各種開発されている。

窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するための装置としてはアンモニアや尿素を還元剤として用いた還元触媒を排気通路中に設置し、窒素酸化物を選択的に還元する脱硝装置等が実用化されている。また、比較的小型のガス機関や自動車用ガソリン機関では、窒素酸化物、一酸化炭素（ＣＯ）及び未燃炭化水素（ＨＣ）の三者を同時に分解できる三元触媒が開発されており、排気ガスの効果的な浄化に寄与している。

しかし、前記三元触媒は、理論空燃比又はそれに近い範囲内で運転されている時には有効に浄化作用を発揮するが、それ以外の条件下、特に空気（酸素）過剰な排気ガス中では有効に作用しないことが判明している。これに対処するため、空気過剰状態で運転されるガス又はガソリン機関においては、前記空気（酸素）過剰条件での運転時に一時的に窒素酸化物を吸蔵材に吸蔵しておき、次に燃料過剰条件で運転することにより、前記吸蔵した窒素酸化物を放出・還元する窒素酸化物吸蔵触媒方式が実用化されている。

しかし、窒素酸化物吸蔵触媒方式は、燃料中の硫黄成分に由来する排ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）によって触媒が被毒し、窒素酸化物の浄化能力が急激に減少することが判明しており、そのため低硫黄含有燃料を使用する機関においてのみ使用されているのが現状である。なお、窒素酸化物浄化塔内において吸蔵材により窒素酸化物を吸蔵し、同じ窒素酸化物浄化塔内において燃焼することにより、吸蔵材に吸着されている窒素酸化物を還元すると共に硫黄酸化物等を放出する構成の浄化装置（特許文献１）も開発されているが、吸蔵材を内蔵する浄化塔内で燃焼する構成のため、現実的に吸蔵材の耐久性が問題となる。

また、すす等の粒子状物質の除去には、電気集塵器やＤＰＦが実用化されている。該ＤＰＦは、フィルターにより粒子状物質を物理的に捕獲し、電気ヒータ等により、前記捕獲した粒子状物質を焼却除去するようになっているが、最近では、酸化作用のある触媒成分を微粒子フィルターに担持させ、粒子状物質を連続的に除去できるＤＰＦも開発されている。

前記三元触媒では、既に説明しているように、空気過剰条件で運転される内燃機関や燃焼機器では触媒機能を発揮させることができず、また、小型のガス機関や自動車用ガソリン機関で実用化されている前記窒素酸化物吸蔵触媒方式では、硫黄酸化物や粒子状物質が含まれる排気中では、その浄化能力を効果的に発揮させることは困難である。

産業用内燃機関や燃焼機器及び船舶用内燃機関では、空気過剰条件で運転されているものが殆どであり、また、硫黄成分が含まれる燃料を使用していることから、排気ガス中には硫黄酸化物や粒子状物質が多く含まれており、そのような排気ガス中でも、性能が十分に発揮できる排気ガス浄化装置が要望されている。

なお、アンモニアや尿素等を用いて窒素酸化物を選択的に還元する脱硝装置は、比較的大型の産業用内燃機関や燃焼機器に適用されているが、装置自体が大掛かりで非常に高価なものであり、また、還元剤のアンモニアや尿素の維持費も高くなる。さらに、消費されないアンモニアが大気中に放出される可能性も大きい。

本件出願人は、前記各従来例の課題に鑑み、排気ガス中の窒素酸化物、すす等の粒子状物質、一酸化炭素及び未燃炭化水素を除去でき、しかもその浄化能力を低下させることなく維持できる排気ガス浄化装置を開発し、出願している（特許文献２）。該特許文献２に開示されている排気ガス浄化装置の一つは、ＮＯｘ及びＣＯ等を効率良く除去するために、内燃機関等の排気通路を複数の分岐排気通路に分岐し、各分岐排気通路の排気入口部に排気ガスを遮断可能な排気ガス遮断手段を設け、各分岐排気通路内に、窒素酸化物を一時的に吸着し、その後、昇温又は還元雰囲気で脱離する窒素酸化物吸着材と、排気ガスを昇温又は還元雰囲気にする吸着物質脱離手段と、該吸着物質脱離手段によって生成された還元雰囲気により生成されたＣＯやＨＣ等の未燃物質を燃焼して無害化するための燃焼装置と、をそれぞれ備えている。
特開２００３−２７９２７号公報 特開２００５−２０７２８１号公報

前記特許文献２に開示されている分岐排気通路方式の排気ガス浄化装置は、窒素酸化物吸着材の脱離運転時（再生運転時）において、吸着物質脱離手段に、燃料と、分岐排気通路外の空気供給装置から空気を供給する場合においては、前記燃料を前記空気で燃焼させることにより、分岐排気通路内の窒素酸化物吸着材を昇温させると共に還元雰囲気にし、窒素酸化物吸着材内のＮＯｘを脱離させている。しかしながら、外部の空気のみを利用して吸着物質脱離手段を作用させる構成では、空気内の酸素を消費するために、多くの燃料が必要となり、消費エネルギーが増加していた。

本発明は、上記特許文献２に開示された分岐排気通路を有する排気ガス浄化装置を改良したものであり、ＮＯｘやＣＯ等を効率良く除去できることに加え、脱離運転時、吸着物質脱離手段を作動させるために、外部からの空気のみを利用する代わりに、内燃機関等から排出される排気ガスの一部を利用することにより、脱離運転時における吸着物質脱離手段の燃料消費量を低減し、結果として、排気ガス浄化に必要な消費エネルギーを低減できるようにすることを目的としている。

前記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、内燃機関又は燃焼機器の排気通路に設置される排気ガス浄化装置において、前記排気通路を複数の分岐排気通路に分岐し、分岐排気通路の排気入口部に、各分岐排気通路内への排気ガス流量を調節可能な流量制御弁を設け、各分岐排気通路内には、窒素酸化物を一時的に吸着し、該吸着した窒素酸化物を昇温又は還元雰囲気で脱離する窒素酸化物吸着材と、該窒素酸化物吸着材より排気上流側に配置され、前記流量制御弁により調量される排気ガスを昇温又は還元雰囲気にする吸着物質脱離手段と、前記窒素酸化物吸着材より排気下流側に配置され、燃料供給手段、空気供給手段及び着火手段から構成される燃焼装置と、をそれぞれ備えている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物吸着材の排気上流側と排気下流側との間の差圧を検出する差圧検出装置を備え、該差圧検出装置により検出された差圧により、吸着運転時及び脱離運転時の排気ガス流量を算出し、脱離運転時に前記窒素酸化物吸着材に流入させる排気ガス流量が最適値となるように、前記流量制御弁を制御する制御装置を備えている。

上記構成において、内燃機関等の吸着運転時は、内燃機関等からの排気ガスを、一方の分岐排気通路に全量流入し、その排気ガス中に含まれるＮＯｘを一方の分岐排気通路内の窒素酸化物吸着材により吸着除去する。すなわち、一方の分岐排気通路において、吸着運転を行う。この場合、一方の分岐排気通路内の吸着物質脱離手段及び燃焼装置は停止状態となっている。

上記一方の分岐排気通路内の窒素酸化物吸着材によるＮＯｘ吸着量が所定量（たとえば飽和量）まで達すると、流量制御弁を作動させることにより、内燃機関等からの排気ガスの大部分を他方の分岐排気通路に流し、残りの少量の排気ガスを前記一方の分岐排気通路に流す状態とする。他方の分岐排気通路内では、吸着物質脱離手段及び燃焼装置が停止した状態で吸着運転が行われ、排気ガス中に含まれるＮＯｘを窒素酸化物吸着材により吸着除去する。反対に、一方の分岐排気通路内では、吸着物質脱離手段及び燃焼装置が作動し、脱離運転（再生運転）が行われる。すなわち、一方の分岐排気通路内では、流量制御弁で調量された少量の排気ガスを吸着物質脱離手段により昇温すると共に還元雰囲気にし、ＮＯｘが吸着している窒素酸化物吸着材からＮＯｘを脱離させる。脱離したＮＯｘは、たとえば、窒素酸化物吸着材内の触媒成分により吸着物質脱離手段によって生成された還元雰囲気により還元除去され、あるいは、燃焼装置の燃料過濃燃焼領域において還元除去される。また、吸着物質脱離手段によって生成された還元雰囲気により生成したＨＣやＣＯ等の未燃物質は、燃焼装置の燃料希薄燃焼領域において燃焼除去される。

次に、他方の分岐排気通路内の窒素酸化物吸着材によるＮＯｘ吸着量が所定量まで達すると、流量制御弁を作動させることにより、今度は、内燃機関等からの排気ガスの大部分を一方の分岐排気通路に流し、残りの少量の排気ガスを他方の分岐排気通路に流す状態とする。一方の分岐排気通路内では、吸着物質脱離手段及び燃焼装置が停止し、吸着運転が行われ、他方の分岐排気通路内では、吸着物質脱離手段及び燃焼装置が作動し、脱離運転（再生運転）が行われる。

このように、内燃機関等の運転中、両分岐排気通路内での吸着運転と脱離運転とが、交互に繰り返される。

上記構成によると、ＮＯｘの脱離運転（再生運転）のために、内燃機関等から排出される排気ガスの一部を利用して、吸着物質脱離手段を作動させるので、吸着物質脱離手段に用いる燃料の消費量を低減することができ、ＮＯｘを脱離させるための必要エネルギー消費量を減少させることができる。これは、排気ガスは温度が高く、しかも酸素濃度が低いので、少量の燃料により、十分に昇温し、還元雰囲気に生成できるからである。

特に、空気過剰条件で運転が行われるような内燃機関又は燃焼機器において、内燃機関等の通常運転中、排気ガス中の窒素酸化物を窒素酸化物吸着材により効率良く吸着し、脱離運転において燃焼装置により焼却除去して排出することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の排気ガス浄化装置において、前記窒素酸化物吸着材の排気上流側と排気下流側との間の差圧を検出する差圧検出装置を備え、該差圧検出装置により検出された差圧により、吸着運転時及び脱離運転時の排気ガス流量を算出し、脱離運転時に前記窒素酸化物吸着材に流入させる排気ガス流量が最適値となるように、前記流量制御弁を制御する制御装置を備えている。

上記構成において、分岐排気通路を通過する排気ガス流量は、差圧検出装置により検出された差圧と、窒素酸化物吸着材の有効開口面積と、予め検定された流量係数と、により算出される。そして、内燃機関等の運転状態に合わせて、流量制御弁を調節し、ＮＯｘが吸着された窒素酸化物吸着材を有している分岐排気通路への排気ガス流量を最適化することにより、ＮＯｘ脱離時に必要な消費エネルギーを低減することができる。また、排気ガス流量を常時検出することにより、様々な運転条件に対応でき、ＮＯｘ低減率も向上する。

請求項３記載の発明は、内燃機関又は燃焼機器の排気通路に設置される排気ガス浄化装置において、前記排気通路を複数の分岐排気通路に分岐し、各分岐排気通路の排気入口部に排気ガスを遮断可能な排気ガス遮断手段を設け、前記排気通路と、前記各分岐排気通路内の排気ガス遮断手段より排気下流部分との間を、排気バイパス通路によりそれぞれ連通し、前記各分岐排気通路内には、窒素酸化物を一時的に吸着し、該吸着した窒素酸化物を昇温又は還元雰囲気で脱離する窒素酸化物吸着材と、該窒素酸化物吸着材より排気上流側に配置され、前記排気バイパス通路から流入する排気ガスを昇温又は還元雰囲気にする吸着物質脱離手段と、前記窒素酸化物吸着材より排気下流側に配置され、燃料供給手段、空気供給手段及び着火手段から構成される燃焼装置と、をそれぞれ備えている。

上記構成において、内燃機関の運転開始時、一方の分岐排気通路では、排気ガス遮断弁を開いて吸着運転を行い、他方の分岐排気通路では、排気ガス遮断弁を閉じて、排気ガスを遮断する。

内燃機関等から排出される排気ガスの大部分は、開状態の一方の排気ガス遮断弁及び該排気ガス遮断弁に対応する排気バイパス通路を通って、一方の分岐排気通路に流入し、排気ガス中に含まれるＮＯｘを一方の分岐排気通路内の窒素酸化物吸着材により吸着除去する。この間、他方の分岐排気通路には、対応する排気バイパス通路を介して少量の排気ガスが流入している。

一方の分岐排気通路内の窒素酸化物吸着材によるＮＯｘ吸着量が所定量まで達すると、一方の分岐排気通路の排気ガス遮断弁を閉じると同時に他方の分岐排気通路の排気ガス遮断弁を開き、内燃機関等からの排気ガスの大部分を他方の分岐排気通路に流し、少量の排気ガスを一方の排気バイパス通路により一方の分岐排気通路に流す。

他方の分岐排気通路内では、排気ガス中に含まれるＮＯｘを窒素酸化物吸着材により吸着除去する。これに対し、一方の分岐排気通路内では、脱離運転が行われ、一方の排気バイパス通路を介して一方の分岐排気通路内に流入する少量の排気ガスを、吸着物質脱離手段により昇温して還元雰囲気にし、ＮＯｘが吸着している窒素酸化物吸着材からＮＯｘを脱離させる。脱離したＮＯｘは、たとえば窒素酸化物吸着材内に含まれる触媒成分により吸着物質脱離手段によって生成された還元雰囲気により還元除去される。また、吸着物質脱離手段によって生成された還元雰囲気により生成したＨＣやＣＯ等の未燃物質は、燃焼装置により燃焼除去される。

上記構成によると、請求項１の場合と同様、ＮＯｘの脱離運転（再生運転）のために、内燃機関等から排出される排気ガスの一部を利用して、吸着物質脱離手段を作動させるので、前記請求項１の場合と吸着物質脱離手段に用いる燃料消費量を低減することができ、ＮＯｘを脱離させるための必要エネルギー消費量を減少させることができる。しかも、排気ガスの各分岐排気通路への分流割合は、内燃機関等の運転条件に拘わらず一定ではあるが、流量制御弁を備える場合に比べて、コストを低減することができる。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の排気ガス浄化装置において、前記分岐排気通路内の前記吸着物質脱離手段より排気下流側に空燃比センサーを配置し、該空燃比センサーにより測定された空燃比に基づき、前記吸着物質脱離手段より生成される還元ガスの空燃比を最適値に制御する制御装置を備えている。

上記構成によると、内燃機関等の運転条件に合わせて、脱離運転状態の分岐排気通路に流入する排気ガス流量や燃焼装置及び吸着物質脱離手段に使用する燃料流量等を最適化することができ、ＮＯｘ脱離時に必要な消費エネルギーを低減でき、また、ＮＯｘ低減率も向上する。さらに、様々な運転条件に対応でき、効率良くＮＯｘを浄化できる。

[発明の第１の実施の形態]
図１は本発明による排気ガス浄化装置の第１の実施の形態であり、内燃機関１又は燃焼機器の排気通路２を、第１の分岐排気通路２ａと第２の分岐排気通路２ｂとに分岐し、各分岐排気通路２ａ，２ｂの排気入口部（排気上流端部）にそれぞれ第１及び第２の流量制御弁２１，２２を配置し、各分岐排気通路２ａ，２ｂの排気下流側端部を再合流し、下流側排気通路２ｃに接続している。内燃機関１としては、ディーゼル機関、ガス機関、ガソリン機関又はガスタービン機関等が適用され、また、燃焼機器としては産業用ボイラ等が適用される。

各流量制御弁２１，２２は、制御装置として備えられた電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称する）１２にそれぞれ電気的に接続されており、各流量制御弁２１，２２は、流量０の閉状態から全開状態までの任意の排気ガス流量に調整可能であり、それにより、排気通路２から各分岐排気通路２ａ、２ｂに分配される排気ガス量を、所望の分配比率で分配できるようになっている。尚、各分岐排気通路２ａ、２ｂに流量制御弁２１，２２をそれぞれ備える代わりに、両分岐排気通路２ａ、２ｂへの分配率を変更可能な単一の分配弁を、排気通路２と分岐排気通路２ａ、２ｂとの合流部に配置することもできる。

各分岐排気通路２ａ、２ｂ内には、各流量制御弁２１，２２の排気下流近傍位置にそれぞれ吸着物質脱離手段３が配置され、各吸着物質脱離手段３から間隔をおいた排気下流側に窒素酸化物吸着材（以下「ＮＯｘ吸着材」と称する）４がそれぞれ配置され、各ＮＯｘ吸着材４から間隔をおいた排気下流側に燃焼装置５がそれぞれ配置されている。

（ＮＯｘ吸着材４の構成）
ＮＯｘ吸着材４は、特に空気過剰雰囲気においても効率良く窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」と称する）を吸着することができ、かつ、所定温度に昇温した時あるいは還元雰囲気においては前記吸着したＮＯｘを脱離する性質を有している。該実施の形態では、ＮＯｘ吸着材４は酸化作用を有する触媒を含み、一酸化炭素（以下「ＣＯ」と称する）や炭化水素（以下「ＨＣ」と称する）等の未燃成分を酸化すると共に、窒素酸化物吸着材４自体の形状が、粒子状物質を捕獲するのに適した形状となっている。

（燃焼装置５の構成）
燃焼装置５は、燃料ノズル６と点火装置７を備えると共に、前記燃料ノズル６の排気下流側に空気供給手段１５を備えており、これにより、作動時、空気供給手段１５の排気上流側に燃料過濃燃焼領域Ｘ1を形成し、空気供給手段１５の排気下流側に燃料希薄燃焼領域Ｘ2を形成できるようになっている。両領域Ｘ1及びＸ2は、それぞれ分岐排気通路２ａ、２ｂの流通断面全体に亘るように形成され、したがって燃焼装置５内を通過する排気ガスは、必ず燃料過濃燃焼領域Ｘ1と燃料希薄燃焼領域Ｘ2を順に通過するようになっている。

空気供給手段１５は空気調量装置１６を介して空気供給源１７に接続し、空気調量装置１６はＥＣＵ１２により空気の供給及び停止並びにその供給量が制御されるようになっている。

（吸着物質脱離手段３の構成）
吸着物質脱離手段３は、吸着物質脱離用燃料ノズル（バーナー）３１と吸着物質脱離用点火装置３２とから構成されている。吸着物質脱離用燃料ノズル３１は前記燃料調量装置１０に接続している。なお、必要な場合には、燃焼補助用の空気を取り入れる空気供給部３３が設けられ、該空気供給部３３は空気調量装置１６に接続される。

（各種検出手段）
各分岐排気通路２ａ，２ｂには、流量制御弁２１、２２、吸着物質脱離手段３，ＮＯｘ吸着材４及び燃焼装置５に加え、以下のような各種検出手段が設けられている。

各窒素酸化物吸着材４には、ＮＯｘ吸着量が所定量（たとえば飽和量又は飽和量より少し少ない量）まで達したことを検出して、ＥＣＵ１２に検出信号を送るＮＯｘ吸着量検出センサー２９が設けられている。

また、窒素酸化物吸着材４の近傍には、窒素酸化物吸着材４の排気上流側と排気下流側との間の排気ガスの差圧を検出する差圧検出装置２５がそれぞれ備えられ、ＥＣＵ１２に電気的に接続している。各差圧検出装置２５は、吸着運転時及び脱離運転時のいずれの運転時においても、ＮＯｘ吸着材４の排気上流側と排気下流側との排気ガスの差圧を検出し、ＥＣＵ１２に入力するようになっており、ＥＣＵ１２内では、上記検出した差圧に基づいて、排気ガス流量を算出する。たとえば、ＮＯｘ吸着材４の有効開口面積に流量係数を掛けることにより、排気ガス流量を算出する。流量係数は、排気ガスの温度、圧力及び成分（機関負荷）の関数から導き出される。

さらに、吸着物質脱離手段３とＮＯｘ吸着材４との間には、空燃比センサー２８がそれぞれ備えられ、ＥＣＵ１２に電気的に接続しており、吸着物質脱離手段３からＮＯｘ吸着材４に流入する還元ガスの空燃比（酸素濃度）を検出し、検出信号をＥＣＵ１２に送るようになっている。

（流量制御弁２１，２２の制御内容）
各流量制御弁２１，２２は、それぞれ任意に流量を設定することも可能であるが、本実施の形態では、ＥＣＵ１２により、少なくとも次の４つの状態に切換可能となっている。

第１の状態は、第１の分岐排気通路２ａが吸着運転、第２の分岐排気通路２ｂが脱離運転する場合であり、内燃機関１の運転時、第１の分岐排気通路２ａに流入する排気ガス流量と、第２の分岐排気通路２ｂに流入する排気ガス流量との比が、８：２又は該比よりも第２の分岐排気通路２ｂに流入する排気ガス流量の比率が小さくなるように各流量制御弁２１，２２が制御される。言い換えると、第２の分岐排気通路２ｂに流入する排気ガス量が、排気通路２から排出される排気ガス全量の２０％以下の範囲になるように両流量制御弁２１，２２が制御される。

第２の状態は、上記第１の状態と反対で、第１の分岐排気通路２ａが脱離運転、第２の分岐排気通路２ｂが吸着運転する場合であり、内燃機関１の運転時、第１の分岐排気通路２ａに流入する排気ガス流量と、第２の分岐排気通路２ｂに流入する排気ガス流量との比が、２：８又は該比よりも第１の分岐排気通路２ａに流入する排気ガス流量の比率が小さくなるように各流量制御弁２１，２２が制御される。言い換えると、第１の分岐排気通路２ａに流入する排気ガス量が、排気通路２から排出される排気ガス全量の２０％以下の範囲になるように両流量制御弁２１，２２が制御される。

第３の状態は、内燃機関１の運転開始時の場合であって、第１の分岐排気通路２ａが吸着運転、第２の分岐排気通路２ｂが利用されていない場合であり、第２の流量制御弁２２を完全に遮断すると共に第１の流量制御弁２１を全開し、排気通路２の排気ガスの全量を第１の分岐排気通路２ａに流入させる。

第４の状態は、内燃機関１の吸着運転時の別の場合であって、第２の分岐排気通路２ｂが吸着運転され、第１の分岐排気通路２ａが利用されていない場合であり、第１の流量制御弁２１を完全に遮断すると共に第２の流量制御弁２２を全開し、排気通路２の排気ガスの全量を第２の分岐排気通路２ｂに流入させる。

第１及び第２の状態での排気ガス流量の分配率は、脱離運転時の分岐排気通路２ａ又は２ｂに、前述のように全体の排気ガス流量の２０％以下の排気ガスを流入させることが好ましいが、特に、１０％またはそれ以下の量を流入させることが好ましい。

（作用）
作用の一例を説明する。
（１）図１において、内燃機関１の運転開始時、排気ガス浄化装置は、たとえば、第２の流量制御弁２２を全閉状態とし、第１の流量制御弁２１を全開した前記第３の状態となっており、排気通路２の排気ガスは全量が第１の分岐排気通路２ａに流入する。また、いずれの分岐排気通路２ａ、２ｂ内の燃焼装置５及び吸着物質脱離手段３も停止状態となっている。したがって、第１の分岐排気通路２ａ内に排出された排気ガスはそのままＮＯｘ吸着材４に至り、排気ガス中に含まれるＮＯｘがＮＯｘ吸着材４により吸着除去される。同時に、ＮＯｘ吸着材４に含まれる酸化触媒によりＣＯやＨＣ等の未燃成分を酸化し、無害化する。

（２）所定時間運転した後、第１の分岐排気通路２ａ内のＮＯｘ吸着材４によるＮＯｘ吸着量が所定量に達すると、ＮＯｘ吸着量検出センサー２９による検出信号がＥＣＵ１２に送られ、ＥＣＵ１２からの弁切換信号により、各流量制御弁２１，２２は、前記第２の状態、すなわち、排気通路２中の排気ガスの８０％以上を第２の分岐排気通路２ｂに流入させ、残りの２０％以下を第１の分岐排気通路２ａに流入させる状態に切り換えられる。この流量制御弁２１，２２の切り換えにより、第２の分岐排気通路２ｂは吸着運転状態となり、第１の分岐排気通路２ａは脱離運転状態となる。

上記第２の状態において、吸着運転状態の第２の分岐排気通路２ｂ内の燃焼装置５及び吸着物質脱離手段３は停止状態を維持しており、排気通路２から第２の分岐排気通路２ｂに流入する排気ガス中に含まれるＮＯｘはＮＯｘ吸着材４により吸着除去される。

一方、上記第２の状態において、脱離運転状態の第１の分岐排気通路２ａでは、燃焼装置５及び吸着物質脱離手段３が作動し、前記排気通路２から流入する一部の排気ガスは、吸着物質脱離手段３において、燃料ノズル３１からの燃料と混合すると共に、排気ガス中の残留酸素により燃焼し、昇温すると共に還元雰囲気となり、昇温状態で還元された還元ガスをＮＯｘ吸着材４へ供給することにより、ＮＯｘ吸着材４からＮＯｘを脱離させる。すなわち、ＮＯｘ吸着材４を再生する。脱離したＮＯｘは、ＮＯｘ吸着材４中の前記触媒成分により吸着物質脱離手段３によって生成された還元雰囲気で還元除去され、また、燃焼装置５の燃料過濃燃焼領域Ｘ1において還元除去される。なお、燃焼装置５の燃料過濃燃焼領域Ｘ1ではＣＯあるいは炭化水素が発生する可能性があるが、下流側の燃料希薄燃焼領域Ｘ2にて酸化されてＣＯ2及びＨ₂Ｏとなり、排出される。また、燃料希薄燃焼領域Ｘ2では燃焼温度が低いため、燃料希薄燃焼領域Ｘ2で生成されるＮＯｘは微量である。

（３）次に、第２の分岐排気通路２ｂ内のＮＯｘ吸着材４によるＮＯｘ吸着量が所定量に達すると、ＮＯｘ吸着量検出センサー２９による検出信号がＥＣＵ１２に送られ、ＥＣＵ１２からの弁切換信号により、各流量制御弁２１，２２は、前記第１の状態、すなわち、排気通路２中の排気ガスの８０％以上を第１の分岐排気通路２ａに流入させ、残りの２０％以下を第２の分岐排気通路２ｂに流入させる状態に切り換えられる。この流量制御弁２１，２２の切り換えにより、第１の分岐排気通路２ａは吸着運転状態となり、第２の分岐排気通路２ｂは脱離運転状態となる。

このように、内燃機関等の通常運転中、両分岐排気通路２ａ、２ｂ内での吸着運転と脱離運転とが、交互に繰り返される。

該実施の形態において、各分岐排気通路２ａ、２ｂ内の排気ガス流量は、差圧検出装置２５により検出された差圧と、ＮＯｘ吸着材４の有効開口面積と、予め検定された流量係数と、により算出され、内燃機関１等の運転状態に合わせて、ＮＯｘが吸着しているＮＯｘ吸着材４を有している分岐排気通路２ａ又は２ｂへの排気ガス流量を最適化することにより、ＮＯｘ脱離時に必要な消費エネルギーをさらに低減できる。すなわち、両分岐排気通路２ａ、２ｂへの排気ガスの分配比率が前記検出排気ガス量に基づき脱離運転に最適になるように、両流量制御弁２１，２２の制御量を設定変更し、ＮＯｘ脱離時に必要な消費エネルギーをさらに低減できる。また、分岐排気通路２ａ、２ｂ内の排気ガス流量を常時検出することにより、様々な運転条件に対応して、ＮＯｘ低減率を向上させることができる。

また、該実施の形態においては、各吸着物質脱離手段３とＮＯｘ吸着材４との間に空燃比センサー２８を配置することにより、吸着物質脱離手段３で燃焼した後の還元ガスの空燃比を正確に測定しているので、たとえば、空燃比が所定の値より大きい場合は、排気ガス中の残量酸素が多すぎると判断して、吸着物質脱離手段３の燃料供給量を増やし、確実に還元雰囲気が作れるようにする。なお、排気通路２から流入する排気ガス中の残留酸素量が少なすぎて、吸着物質脱離手段における燃焼が十分に行えないような場合には、空気供給部３３から空気を供給し、燃焼を助けることができる。

要するに本実施の形態では、ＮＯｘ脱離運転のために、内燃機関１等から排出される排気ガスの一部を利用して、吸着物質脱離手段３を作動させるので、吸着物質脱離手段で用いる燃料を低減することができ、ＮＯｘを脱離させるための必要エネルギー消費量が減少する。

[発明の第２の実施の形態]
図２は本発明の第２の実施の形態であり、前記第１の実施の形態と異なる構成は、各分岐排気通路２ａ、２ｂに流量制御弁を配置する代わりに、各分岐排気通路２ａ、２ｂを遮断可能な排気ガス遮断弁を設けると共に、排気ガス通路２と各分岐排気通路２ａ、２ｂとをそれぞれ連通する第１及び第２の排気バイパス通路４１，４２を設けていることである。上記排気ガス遮断弁として、該実施の形態では、排気通路２を第１の分岐排気通路２ａと第２の分岐排気通路２ｂとに切換自在に連通できる単一の切換弁を備えているが、各分岐排気通路２ａ、２ｂ毎に排気ガス遮断弁を備える構造とすることもできる。

各排気バイパス通路４１，４２の流通断面積は、排気通路２の流通断面積と両排気バイパス通路４１，４２の流通断面積との総和に対する一つの排気バイパス通路４１又は４２の流通断面積が、２０％以下程度になるように設定されている。すなわち、切換弁４０を第１の分岐排気通路２ａ側に切り換えた場合には、排気通路２の排気ガス全量の８０％以上が、切換弁４０及び第１の排気バイパス通路４１を介して第１の分岐排気通路２ａに流入し、残りの２０％以下が第２の排気バイパス通路４２を通って第２の分岐排気通路２ｂに流入する。反対に、切換弁４０を第２の分岐排気通路２ｂ側に切り換えた場合には、排気通路２の排気ガス全量の８０％以上が、切換弁４０及び第２の排気バイパス通路４２を介して第２の分岐排気通路２ｂに流入し、残りの２０％以下が第１の排気バイパス通路４１を通って第１の分岐排気通路２ａに流入する。

その他の構成は、前記第１の実施の形態と同様であり、省略する。

（作用）
（１）内燃機関１等の運転開始時、切換弁４０を第１の分岐排気通路２ａに切り換えていると、第１の分岐排気通路２ａは吸着運転状態となり、内燃機関１等から排出される排気ガスの８０％以上は切換弁４０内及び第１の排気バイパス通路４１を通って第１の分岐排気通路２ａ内に流入し、排気ガス中に含まれるＮＯｘを第１の分岐排気通路２ａ内の窒素酸化物吸着材４により吸着除去する。この間、第２の分岐排気通路２ｂには、第２の排気バイパス通路４２を介して少量の排気ガスが流入している。

（２）第１の分岐排気通路２ａ内の窒素酸化物吸着材４によるＮＯｘ吸着量が所定量まで達するのをＮＯｘ吸着量検出センサー２９により検出すると、切換弁４０を第２の分岐排気通路２ｂ側に切り換え、第２の分岐排気通路２ｂを吸着運転状態とし、第１の分岐排気通路２ａを脱離運転状態とする。

すなわち、第２の分岐排気通路２ｂの燃焼装置５及び吸着物質脱離手段３は停止した状態が維持され、内燃機関１等からの排気ガスの８０％以上は切換弁４０内及び第２の排気バイパス通路４２を通って第２の分岐排気通路２ｂ内に流入し、排気ガス中に含まれるＮＯｘを第２の分岐排気通路２ｂ内の窒素酸化物吸着材４により吸着除去する。

一方、第１の分岐排気通路２ａは脱離運転状態となり、燃焼装置５及び吸着物質脱離手段３が作動し、第１の排気バイパス通路４２を介して２０％以下の少量の排気ガスが流入し、該排気ガスは、吸着物質脱離手段３において、燃料ノズル３１からの燃料と混合すると共に、排気ガス中の残留酸素により燃焼し、昇温すると共に還元雰囲気となり、この昇温された還元雰囲気の還元ガスをＮＯｘ吸着材４へ供給することにより、ＮＯｘ吸着材４からＮＯｘを脱離させる。すなわち、ＮＯｘ吸着材４を再生する。脱離したＮＯｘは、窒素酸化物吸着材４中の前記触媒成分により吸着物質脱離手段３によって生成された還元雰囲気で還元除去され、また、燃焼装置５の燃料過濃燃焼領域Ｘ1において還元除去される。なお、燃焼装置５の燃料過濃燃焼領域Ｘ1ではＣＯあるいは炭化水素が発生する可能性があるが、下流側の燃料希薄燃焼領域Ｘ2にて酸化されてＣＯ2及びＨ₂Ｏとなり、排出される。また、燃料希薄燃焼領域Ｘ2では燃焼温度が低いため、前記燃料過濃燃焼領域Ｘ1にて生成したＮ2が酸化されることはない。また、燃料希薄燃焼領域Ｘ2では燃焼温度が低いため、燃料希薄燃焼領域Ｘ2で生成されるＮＯｘは微量である。

（３）そして、第２の分岐排気通路２ｂ内の窒素酸化物吸着材４によるＮＯｘ吸着量が所定量まで達するのをＮＯｘ吸着量検出センサー２９により検出すると、切換弁４０を第１の分岐排気通路２ａ側に切り換え、第１の分岐排気通路２ａを吸着運転状態とし、第２の分岐排気通路２ｂを脱離運転状態とする。

このように、内燃機関等の通常運転中、両分岐排気通路２ａ、２ｂ内での吸着運転と脱離運転とが、交互に繰り返される。

要するに本実施の形態では、ＮＯｘ脱離運転のために、内燃機関１等から排出される排気ガスの一部を利用して、吸着物質脱離手段３を作動させるので、前記第１の実施の形態と同様、吸着物質脱離手段３で用いる燃料を低減することができ、ＮＯｘを脱離させるための必要エネルギー消費量が減少させることができ、さらに、コストの高い流量制御弁を備える必要が無いので、製造コストを節約することができる。

［その他の実施の形態］
（１）内燃機関自体が希薄燃焼用内燃機関であって、たとえば過給機を備えている場合には、過給機の圧縮機の空気を、図１及び図２の各空気供給手段に利用することができる。

（２）ＮＯｘ吸着材としては、微粒子フィルターの壁にＮＯｘ吸着材を使用したものを利用することも可能である。

（３）第１及び第２の実施の形態では、排気通路を２本の分岐排気通路に分岐しているが、３つ以上の分岐排気通路に分岐した排気通路に適用することも可能である。この場合は、１つの分岐排気通路を通常運転用に利用している間に、残りの分岐排気通路を再生することも可能であり、また、１本の排気通路を再生運転している間に、残り全部の分岐排気通路を内燃機関等に接続することも可能である。

本発明は、ディーゼル機関、ガス機関、ガソリン機関又はガスタービン機関等の各種内燃機関又は産業用ボイラ等の燃焼機器の排気ガス浄化装置として利用されるが、特に、希薄燃焼で運転される内燃機関等のように、排気ガス中にＮＯｘが多く含有される内燃機関に適している。また、ＳＯｘが含まれる産業用ディーゼル機関等にも適用可能であり、さらには排気ガスの熱を再利用する場合にも適しており、ＳＯｘによる被毒を少なくし、排熱を効率よく回収できる。

本発明による排気ガス浄化装置の第１の実施の形態を示す概略図である。 本発明による排気ガス浄化装置の第２の実施の形態を示す概略図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
２ａ 第１の分岐排気通路
２ｂ 第２の分岐排気通路
３ 吸着物質脱離手段
４ 窒素酸化物吸着材（ＮＯｘ吸着材）
５ 燃焼装置
６ 燃料ノズル（燃料供給手段）
７ 点火装置（着火手段）
１２ 電子制御ユニット（制御装置）
１５ 空気供給手段
２１ 第１の流量制御弁
２２ 第２の流量制御弁
２５ 差圧検出装置
２８ 空燃比センサー
３１ 吸着物質脱離手段の燃料ノズル
３２ 吸着物質脱離手段の点火装置
４０ 切換弁（排気ガス遮断手段）
４１ 第１の排気バイパス通路
４２ 第２の排気バイパス通路
Ｘ1 燃料過濃燃焼領域
Ｘ2 燃料希薄燃焼領域

Claims (4)

1. 内燃機関又は燃焼機器の排気通路に設置される排気ガス浄化装置において、
   前記排気通路を複数の分岐排気通路に分岐し、
   各分岐排気通路の排気入口部に、各分岐排気通路内への排気ガス流量を調節可能な流量制御弁を設け、
   各分岐排気通路内には、
   窒素酸化物を一時的に吸着し、該吸着した窒素酸化物を昇温又は還元雰囲気で脱離する窒素酸化物吸着材と、
   該窒素酸化物吸着材より排気上流側に配置され、前記流量制御弁により調量される排気ガスを昇温又は還元雰囲気にする吸着物質脱離手段と、
   前記窒素酸化物吸着材より排気下流側に配置され、燃料供給手段、空気供給手段及び着火手段から構成される燃焼装置と、をそれぞれ備えていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 請求項１記載の排気ガス浄化装置において、
   前記窒素酸化物吸着材の排気上流側と排気下流側との間の差圧を検出する差圧検出装置を備え、
   該差圧検出装置により検出された差圧により、吸着運転時及び脱離運転時の排気ガス流量を算出し、脱離運転時に前記窒素酸化物吸着材に流入させる排気ガス流量が最適値となるように、前記流量制御弁を制御する制御装置を備えていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
3. 内燃機関又は燃焼機器の排気通路に設置される排気ガス浄化装置において、
   前記排気通路を複数の分岐排気通路に分岐し、
   各分岐排気通路の排気入口部に排気ガスを遮断可能な排気ガス遮断手段を設け、
   前記排気通路と、前記各分岐排気通路内の前記排気ガス遮断手段より排気下流部分との間を、排気バイパス通路によりそれぞれ連通し、
   前記各分岐排気通路内には、
   窒素酸化物を一時的に吸着し、該吸着した窒素酸化物を昇温又は還元雰囲気で脱離する窒素酸化物吸着材と、
   該窒素酸化物吸着材より排気上流側に配置され、前記排気バイパス通路から流入する排気ガスを昇温又は還元雰囲気にする吸着物質脱離手段と、
   前記窒素酸化物吸着材より排気下流側に配置され、燃料供給手段、空気供給手段及び着火手段から構成される燃焼装置と、をそれぞれ備えていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の排気ガス浄化装置において、
   前記分岐排気通路内の前記吸着物質脱離手段より排気下流側に空燃比センサーを配置し、
   該空燃比センサーにより測定された空燃比に基づき、前記吸着物質脱離手段より生成される還元ガスの空燃比を最適値に制御する制御装置を備えていることを特徴とする排気ガス浄化装置。

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