排气净化系统的制作方法

1.本发明涉及一种排气净化系统。


背景技术：

2.本技术人正推进下述技术的开发：在汽车上(on
‑
board)使内燃机的排气中所含的二氧化碳进行氢化反应而生成甲醇，並将所生成的甲醇用作内燃机的燃料。此处，例如提出了由二氧化碳与氢的混合气体来合成甲醇的技术(例如参照专利文献1)。
3.[现有技术文献]
[0004]
(专利文献)
[0005]
专利文献1：日本特公昭45
‑
16682号公报


技术实现要素：

[0006]
[发明所要解决的问题]
[0007]
但是，根据本技术人的研究判明，以往的技术中，在生成甲醇时会大量产生作为副产物的一氧化碳。因此，期望开发出一种能够有效利用副产物的一氧化碳的技术。
[0008]
本发明是鉴于前述情况而完成，其目的在于提供下述技术：在使内燃机的排气中的二氧化碳进行氢化反应而作为燃料再利用时，可有效利用作为副产物而产生的一氧化碳。
[0009]
[解决问题的技术手段]
[0010]
(1)、本发明提供一种内燃机的排气净化系统(例如后述的排气净化系统10)，将从内燃机(例如后述的发动机1)排出的排气净化，且所述排气净化系统具备：排气净化装置(例如后述的排气净化装置4)，其设于前述内燃机的排气通路(例如后述的排气管16)，并具备排气净化催化剂，该排气净化催化剂具有将前述排气中所含的nox还原的nox还原功能；二氧化碳还原装置(例如后述的二氧化碳还原装置11)，其具有二氧化碳还原催化剂，该二氧化碳还原催化剂使通过前述排气净化装置的排气中所含的二氧化碳进行氢化反应，将二氧化碳还原并且生成甲醇；及，一氧化碳供给装置(例如后述的一氧化碳供给装置12)，其将作为前述氢化反应的副产物的一氧化碳供给至前述排气净化装置。
[0011]
(1)的发明中，设为具备一氧化碳供给装置的结构，该一氧化碳供给装置将一氧化碳供给至排气净化装置，该一氧化碳是在使通过排气净化装置的排气中所含的二氧化碳进行氢化反应而加以还原并且生成甲醇时，作为副产物而产生。由此，能够将排气净化催化剂设为更偏还原环境侧，能够提高nox还原净化率。因此，根据(1)的发明，能够提供下述技术，即，对于使内燃机的排气中的二氧化碳进行氢化反应而作为燃料再利用时，作为副产物而产生的一氧化碳，可不将其从尾管排出，而是有效用于nox的还原净化。
[0012]
(2)、在(1)的内燃机的排气净化系统中，前述一氧化碳供给装置可具备加压器(例如后述的加压器8)，所述加压器将作为前述氢化反应的副产物的一氧化碳加压并供给至前述排气净化装置。
[0013]
(2)的发明中，设为具备加压器的结构，该加压器将作为氢化反应的副产物的一氧化碳加压并供给至排气净化装置。由此，能够对被导入高压的排气的排气净化装置，高效率且可靠地供给副产物的一氧化碳。
[0014]
(3)、在(1)或(2)的内燃机的排气净化系统中，前述排气净化催化剂可为三元催化剂。
[0015]
(3)的发明中，设为对三元催化剂供给一氧化碳的结构。由此，通常流入三元催化剂的排气为理想配比组成，因而一氧化碳(co)及烃(hc)能够完全氧化净化，但另一方面nox还原净化率低，此处根据(3)的发明，能够利用供给一氧化碳而将三元催化剂设为更偏还原环境侧，能够提高nox还原净化率。
[0016]
(4)、在(1)至(3)中任一项的内燃机的排气净化系统中，可还具备二氧化碳分离回收装置(例如后述的co2回收装置3)，所述二氧化碳分离回收装置，将通过前述排气净化装置的排气中所含的二氧化碳加以分离并回收，且供给至前述二氧化碳还原装置。
[0017]
(4)的发明中，设为还具备二氧化碳分回收装置的结构，该二氧化碳分离回收装置将通过排气净化装置的排气中所含的二氧化碳加以分离并回收，且供给至二氧化碳还原装置。由此，能够将通过排气净化装置的排气中的二氧化碳高效率地分离、回收并供给至二氧化碳还原装置。而且，若将二氧化碳还原装置中的因二氧化碳的氢化反应而产生的副产物的一氧化碳，例如直接供给至二氧化碳分离回收装置，则由二氧化碳分离回收装置排出至尾管，结果co排放劣化，此处根据(4)的发明，能够避免这一情况。
[0018]
(5)、在(1)至(4)中任一项的内燃机的排气净化系统中，前述一氧化碳供给装置，可在前述内燃机的起动时，将前述一氧化碳供给至前述排气净化装置。
[0019]
(5)的发明中，设为在内燃机的起动时，将一氧化碳供给至排气净化装置的结构。由此，能够在排气净化催化剂为低温因而nox净化率低的内燃机的起动时，提高nox还原净化率。
[0020]
[发明的效果]
[0021]
根据本发明，能够提供下述技术：在使内燃机的排气中的二氧化碳进行氢化反应而作为燃料再利用时，可有效利用作为副产物而产生的一氧化碳。
附图说明
[0022]
图1是表示搭载了本发明的一实施方式的排气净化系统的车辆的结构的图。
[0023]
图2是表示λ与co净化率的关系的图。
[0024]
图3是表示λ与hc净化率的关系的图。
[0025]
图4是表示λ与nox净化率的关系的图。
具体实施方式
[0026]
以下，参照图式对本发明的一实施方式进行详细说明。
[0027]
本实施方式的排气净化系统，在将内燃机的排气中的二氧化碳作为燃料再利用时，将作为副产物而产生的一氧化碳有效用于排气的净化。因此，以下举出对搭载了碳循环系统的车辆加以应用的示例，对本实施方式的排气净化系统进行说明，前述碳循环系统，将二氧化碳加以分离、回收并作为燃料而再利用。
[0028]
图1是表示搭载了本实施方式的碳循环系统s的车辆v的结构的图。车辆v具备将根据使液体的烃燃料燃烧而产生的热能转换为机械能的内燃机1(以下称为“发动机”)，利用由该发动机1所获得的机械能将驱动轮(未图示)驱动，藉此行驶。
[0029]
车辆v具备：发动机1；燃料供给装置2，其向发动机1供给燃料；co2回收装置3，其从在发动机1的排气管16中流动的排气中回收二氧化碳(co2)；排气净化装置4，其将在排气管16中流动的排气净化；反应器5，其由被co2回收装置3所回收的二氧化碳来生成含甲醇(ch3oh)的合成气体；氢供给装置6，其向反应器5供给氢(h2)；凝缩器7，其从自反应器5排出的合成气体中分离甲醇和一氧化碳并回收；加压器8，其对从凝缩器7排出的以一氧化碳为主体的气相气体进行加压；及，供给阀9，其控制被加压器8加压后的一氧化碳等向排气净化装置4的供给。
[0030]
碳循环系统s由前述各结构所构成。而且，本实施方式的排气净化系统10，由排气净化装置4、co2回收装置3、二氧化碳还原装置11及一氧化碳供给装置12所构成，前述二氧化碳还原装置11由反应器5及氢供给装置6所构成，前述一氧化碳供给装置12由凝缩器7、加压器8及供给阀9所构成。关于本实施方式的排气净化系统10，将在下文中进行详细说明。
[0031]
发动机1例如为多气筒往复式发动机，具备：多个气筒；活塞，其设置成在各气筒内往复移动自如；火花塞，其设于在各气筒内的由活塞所划分的燃烧室；及，曲柄轴，其根据活塞的往复运动而转动。这些火花塞，根据来自未图示的控制装置的指令而点火，使被供给至各气筒内的燃料与空气的混合气燃烧。
[0032]
吸气管15为下述配管，即，将和发动机1的各气筒连通的吸气口与车外连接，将车外的空气导向各气筒。排气管16为下述配管，即，将和发动机1的各气筒连通的排气口与车外连接。在排气管16中，从排气上游侧向下游侧依次设有排气净化装置4及co2回收装置3。根据在发动机1的各气筒内使混合气燃烧而产生的排气，经过排气净化装置4及co2回收装置3而被排出至车外。
[0033]
燃料供给装置2具备：燃料罐20，其蓄积燃料；燃料喷射阀21，其设于和发动机1的各气筒连通的吸气口；及，燃料供给管24，其将燃料罐20与燃料喷射阀21连接。
[0034]
燃料罐20蓄积汽油、甲醇、或者将这些汽油与甲醇混合而成的混合燃料等液体的烃燃料。燃料供给管24利用未图示的高压泵将蓄积在燃料罐20内的燃料压缩，供给至燃料喷射阀21。燃料喷射阀21根据来自未图示的控制装置的指令而打开，喷射从燃料供给管24供给的燃料。将从燃料喷射阀21喷射的燃料与从吸气管15供给的空气混合而成的混合气被供给至发动机1的各气筒内。
[0035]
排气净化装置4具备排气净化催化剂，在该排气净化催化剂的作用下，将发动机1的排气所含的未燃烃(hc)、一氧化碳(co)及氮氧化物(nox)等净化。作为排气净化催化剂，只要具有将nox还原的nox还原功能即可，可举出三元催化剂(twc)或nox选择还原催化剂(scr)。更优选的排气净化催化剂通常为理想配比环境的排气流入的三元催化剂。
[0036]
co2回收装置3通过co2配管31而与反应器5连接。co2回收装置3从在排气管16中流动的排气中分离二氧化碳并回收，经由co2配管31而供给至反应器5。更具体而言，co2回收装置3将在排气管16中流动的排气分离为以二氧化碳为主成分的回收气体、与以氮(n2)为主成分的脱co2废气，将回收气体向co2配管31排出，将脱co2废气经由未图示的尾管向车外排出。
[0037]
co2回收装置3例如根据使用co2吸附材料而将发动机1的排气分离为回收气体与脱co2废气，前述co2吸附材料在规定的吸附条件下选择性地吸附在排气管16中流动的排气中的二氧化碳，并且使所吸附的二氧化碳在规定的脱离条件下脱离。关于co2吸附材料，例如可使用锂复合氧化物。
[0038]
此外，本实施方式的co2回收装置3不限于利用co2吸附材料的二氧化碳的吸附、脱离特性而将发动机1的排气分离为回收气体与脱co2废气的情况。co2回收装置3也可设为下述结构：利用使排气管16中流动的排气中的二氧化碳选择性地透过的co2分离膜，由此将发动机1的排气分离为回收气体与脱co2废气。
[0039]
氢供给装置6具备：高压h2罐61，其蓄积高压的氢；h2配管63，其将高压h2罐61与反应器5连接；及，调节器64，其设于h2配管63。调节器64将高压h2罐61内蓄积的氢减压至规定压力，经由h2配管63供给至反应器5。
[0040]
此外，本实施方式的氢供给装置6不限于将高压h2罐61中蓄积的氢供给至反应器5的情况。氢供给装置6例如可设为将根据电解装置由水生成的氢供给至反应器5的结构，也可设为将由氨生成的氢供给至反应器5的结构。
[0041]
反应器5使从co2配管31供给的回收气体所含的二氧化碳与从h2配管63供给的氢在反应筒内以规定比进行氢化反应，由此将二氧化碳还原并且合成甲醇。
[0042]
更具体而言，反应器5具备：反应筒，其被导入从co2配管31供给的回收气体；h2喷射器，其向反应筒内喷射从h2配管63供给的氢；二氧化碳还原催化剂，其设于前述反应筒内；加热装置，其将反应筒内的气体升温；压缩装置，其将反应筒内的气体压缩；及，合成气体配管51，其将反应筒与凝缩器7连接。
[0043]
二氧化碳还原催化剂促进下述二氧化碳的氢化反应，即，在二氧化碳及氢的存在下，将二氧化碳还原并且生成甲醇。作为二氧化碳还原催化剂，例如可使用：使由氧化铝(ai2o3)或二氧化硅(sio2)等氧化物所构成的载体，担载由铜(cu)或锌(zn)等过渡金属所构成的催化剂金属而成的铜
‑
锌氧化物系催化剂等已知的催化剂。
[0044]
加热装置利用发动机1的废热、也就是根据在发动机1中使燃料燃烧而产生的热能的一部分，将反应筒内的气体升温至进行前述二氧化碳的氢化反应所需要的温度。压缩装置利用根据在发动机1中使燃料燃烧而获得的机械能的一部分、更具体而言发动机1的曲柄轴的动力，将反应筒内的气体压缩至进行前述甲醇合成反应所需要的压力。
[0045]
以上那样的反应器5中，从co2配管31向反应筒内导入规定量的回收气体，并且将以反应筒内的二氧化碳与氢之比成为规定比的方式计量的氢，从h2喷射器喷射至反应筒内，进而利用加热装置及压缩装置将反应筒内的气体升温、压缩。由此，在反应筒内，在二氧化碳还原催化剂的作用下进行二氧化碳的氢化反应(参照下述式(1))，生成甲醇。而且同时，由于该二氧化碳还原催化剂的作用而也进行逆水性煤气变换反应(参照下述式(2))、及一氧化碳的氢化反应(参照下述式(3))，生成含甲醇的合成气体。
[0046]
co2 3h2→
ch3oh h2o
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(1)
[0047]
co2 h2→
co h2o
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(2)
[0048]
co 2h2→
ch3oh
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(3)
[0049]
根据以上那样的顺序在反应筒内生成的合成气体，经由合成气体配管51而被供给至凝缩器7。从合成气体配管51排出的合成气体，除了包含根据前述甲醇合成反应而生成的
甲醇以外，还包含作为副产物的一氧化碳、未反应的二氧化碳、co2回收装置3中的未完全分离而混入回收气体的氮等。尤其本技术人的研究判明，以往公知的由铜
‑
锌氧化物系催化剂所构成的二氧化碳还原催化剂的情况下，由构成催化剂金属的铜(cu)或锌(zn)等过渡金属所构成的催化剂金属氧化而变化为氧化铜(cuo)或氧化锌(zno)，结果大量生成作为副产物的一氧化碳。因此，该副产物的一氧化碳如下文中将详述那样，能够根据本实施方式的排气净化系统10有效利用。
[0050]
凝缩器7从自反应器5供给的合成气体中回收甲醇，将其供给至燃料罐20。更具体而言，凝缩器7根据热交换使从反应器5排出的合成气体凝缩，由此分离为以甲醇为主成分的液相与包含副产物的一氧化碳、未反应的二氧化碳及氮的气相，将液相从液相口排出，将气相从气相口排出。
[0051]
凝缩器7的液相口与燃料罐20，由液相配管71连接。因此，从凝缩器7的液相口排出的液相，由液相配管71引导至燃料罐20内。而且，凝缩器7的气相口、与排气管16之中的发动机1与排气净化装置4之间，由气相配管72连接。因此，从凝缩器7的气相口排出的气相气体，由气相配管72导向排气净化装置4。
[0052]
在气相配管72的中途，设有加压器8及供给阀9。加压器8将从凝缩器7排出的包含一氧化碳的气相气体加压。加压器8例如由压缩机等构成。供给阀9根据来自未图示的控制装置的指令进行开闭控制，由此控制经加压器8加压的一氧化碳等向排气净化装置4的供给。而且，能够利用该供给阀9来限制一氧化碳的供给，以在例如燃料切断(fuel cut)恢复后的富余控制时等富余驾驶时不成为过度富余。
[0053]
对搭载了以上那样的碳循环系统s的车辆v中的碳的流动进行说明。首先，若使燃料罐20内蓄积的烃燃料与从吸气管15导入的空气的混合气在发动机1中燃烧，则从发动机1排出以氮、二氧化碳及水为主成分的排气。该排气中的二氧化碳由co2回收装置3分离、回收，被供给至反应器5。反应器5中，根据使二氧化碳与氢反应而生成含甲醇的合成气体。该合成气体中的甲醇由凝缩器7回收，且由燃料供给装置2作为燃料而供给至发动机1。另一方面，合成气体中的一氧化碳由凝缩器7回收，由加压器8及供给阀9以加压状态供给至排气净化装置4。这样，搭载了碳循环系统s的车辆v一边从外气导入二氧化碳，一边使碳在碳循环系统s中循环，由此削减从尾管向车外的二氧化碳排出量。
[0054]
接下来，对本实施方式的排气净化系统10进行详细说明。
[0055]
如上文前述，本实施方式的排气净化系统10由排气净化装置4、co2回收装置3、二氧化碳还原装置11及一氧化碳供给装置12所构成，前述二氧化碳还原装置11由反应器5及氢供给装置6所构成，前述一氧化碳供给装置12由凝缩器7、加压器8及供给阀9所构成。使用该本实施方式的排气净化系统10，实施如下实验。
[0056]
首先，对以往的汽油发动机车辆应用以往已知的碳循环系统，将由二氧化碳还原装置所生成的甲醇供给至发动机，研究该情况下从发动机排出并被导入排气净化装置的排气的组成的一例。其结果，二氧化碳(co2)为14％，水(h2o)为21％，氧(o2)为2％，一氧化碳(co)为1900ppm，烃(hc)为5700ppmc，一氧化氮(no)为1350ppm，氢(h2)为1700ppm，其余为氮(n2)。
[0057]
相对于此，作为实施例，在构成本实施方式的二氧化碳还原装置11的反应器5中，控制co2回收装置3及氢供给装置6，由此将一氧化碳与氢的混合比设为25：75，在250℃、
8mpa的条件下进行氢化反应。于是，作为副产物的一氧化碳的生成量为3600ppm。
[0058]
因此，本实施例中，前述3600ppm的一氧化碳(co)被供给至排气净化装置4。即，被导入排气净化装置4的排气中的一氧化碳(co)成为1900ppm 3600ppm＝5500ppm而更偏还原环境侧，相对于理论空燃比的空燃比λ成为0.994。
[0059]
作为比较例，采用下述结构：将由二氧化碳还原装置生成的副产物的一氧化碳(co)供给至排气净化装置4的下游侧的co2回收装置。因此，该比较例中，被导入排气净化装置4的排气保持理想配比，相对于理论空燃比的空燃比λ保持1。
[0060]
此处，图2是表示λ与co净化率的关系的图。图2中得知，相对于理论空燃比的空燃比λ为1的比较例中，co净化率几乎为100％。相对于此，确认到相对于理论空燃比的空燃比λ为0.994的本实施例中，虽然稍逊于比较例，但可获得接近100％的co净化率。
[0061]
图3是表示λ与hc净化率的关系的图。图3中得知，相对于理论空燃比的空燃比λ为1的比较例中，hc净化率为90％左右。相对于此，确认到相对于理论空燃比的空燃比λ为0.994的本实施例中，hc净化率高于比较例，可获得几乎接近100％的hc净化率。
[0062]
图4是表示λ与nox净化率的关系的图。图4中得知，相对于理论空燃比的空燃比λ为1的比较例中，nox净化率为60％左右而低。相对于此，确认到相对于理论空燃比的空燃比λ为0.994的本实施例中，nox净化率与比较例相比特别高，可获得接近100％的nox净化率。
[0063]
根据本实施方式的排气净化系统10，发挥以下效果。
[0064]
本实施方式中，设为具备一氧化碳供给装置12的结构，前述一氧化碳供给装置12将一氧化碳供给至排气净化装置4，前述一氧化碳是在使通过排气净化装置4的排气中所含的二氧化碳进行氢化反应而加以还原并且生成甲醇时，作为副产物而产生。由此，能够将排气净化催化剂设为更偏还原环境侧，能够提高nox还原净化率。因此，根据本实施方式，能够提供下述技术：对于在使发动机1的排气中的二氧化碳进行氢化反应而作为燃料再利用时作为副产物而产生的一氧化碳，可不将其从尾管排出，而是有效用于nox的还原净化。
[0065]
而且，本实施方式中，设为具备加压器8的结构，前述加压器8将作为氢化反应的副产物的一氧化碳加压并供给至排气净化装置4。由此，能够对被导入高压的排气的排气净化装置4高效率且可靠地供给副产物的一氧化碳。
[0066]
而且，本实施方式中，优选设为对三元催化剂供给一氧化碳的结构。由此，通常流入三元催化剂的排气为理想配比组成，因而虽然一氧化碳(co)及烃(hc)能够完全氧化净化，但另一方面nox还原净化率低，此处根据本实施方式，能够根据供给一氧化碳而将三元催化剂设为更偏还原环境侧，能够提高nox还原净化率。
[0067]
而且，本实施方式中，设为还具备co2回收装置3的结构，前述co2回收装置3将通过排气净化装置4的排气中所含的二氧化碳加以分离并回收，且供给至二氧化碳还原装置11。由此，能够将通过排气净化装置4的排气中的二氧化碳高效率地分离、回收并供给至二氧化碳还原装置11。而且，若将二氧化碳还原装置11中的因二氧化碳的氢化反应而产生的副产物的一氧化碳例如直接供给至co2回收装置3，则由co2回收装置3排出至尾管，结果co排放劣化，此处根据本实施方式，能够避免这一情况。
[0068]
而且，本实施方式中，设为在发动机1的起动时，将一氧化碳供给至排气净化装置4的结构。由此，能够在排气净化催化剂为低温因而nox净化率低的发动机1的起动时，提高nox还原净化率。
[0069]
此外，本发明不限定于前述实施方式，能够达成本发明目的之范围内的变化、改良包含于本发明。
[0070]
附图标记
[0071]
1：发动机(内燃机)
[0072]
3：co2回收装置(二氧化碳分离回收装置)
[0073]
4：排气净化装置
[0074]
5：反应器(二氧化碳还原装置)
[0075]
6：氢供给装置(二氧化碳还原装置)
[0076]
7：凝缩器(一氧化碳供给装置)
[0077]
8：加压器(一氧化碳供给装置)
[0078]
9：供给阀(一氧化碳供给装置)
[0079]
10：排气净化系统
[0080]
11：二氧化碳还原装置
[0081]
12：一氧化碳供给装置
[0082]
16：排气管(排气通路)