排气净化器的制作方法

专利名称：排气净化器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种净化诸如柴油机、燃气发动机、汽油发动机和燃气涡轮发动 机的内燃机或诸如焚化炉或锅炉的燃烧设备的排气的装置。更具体地说，本发明涉 及一种安装在排气通道中并主要除去氮氧化物等的排气净化器。
背景技术：
进行排气净化的目标物质是例如氮氧化物、 一氧化碳、未燃烃、炭烟等的颗 粒物质。迄今为止已研发出多种用于净化这些物质的装置。作为还原氮氧化物(NOx)的装置， 一种脱硝装置或类似装置已进入实际使 用，其中将氨或尿素作为还原剂的还原催化剂被安装在排气通道中，从而有选择地 还原氮氧化物。此外，在比较小型的燃气发动机或汽车用汽油发动机中，已研发出 能同时分解包括氮氧化物、 一氧化碳(CO)和未燃烃(HC)的三种成分的三用催 化物，该三用催化物有助于排气的有效净化。然而，已知该三用催化物在工作于理想空气燃料比或接近理想空气燃料比的 范围内的情形下能够有效地起到净化作用，但在其它状态下，尤其是在空气(氧气) 过剩的排气中无法有效地工作。为了解决这个问题，在工作于空气过剩状态下的燃 气发动机或汽油发动机中实际使用一种氮氧化物吸留催化系统，该系统在在空气 (氧气)过剩状态下工作时暂时使氮氧化物吸留在吸留材料中，并随后通过使之在燃料过剩状态下工作而排出并还原被吸留的氮氧化物。不过，已知在氮氧化物吸留催化系统中，催化剂被燃料中的硫磺成分所产生 的排气中的硫氧化物(SOx)破坏，对氮氧化物的净化能力快速降低，该氮氧化物 吸留催化系统在实际状态下仅用于使用低硫磺含量的燃料的发动机中。人们己经研 发出一种净化器(专利文献l)，该净化器的结构可通过利用吸留物质在氮氧化物 净化塔中吸留氮氧化物并在氮氧化物净化塔中燃烧氮氧化物来减少吸附于吸留物 质的氮氧化物并排出硫氧化物或类似物质。可是，由于该结构制造成在具有内置的
吸留物质的净化塔内进行燃烧，吸留物质的耐久性实际上就很成问题。为了去除诸如炭烟之类的颗粒物质，实际使用电除尘器和DPF。 DPF的结构 构造成通过过滤器捕获颗粒物质，并通过电加热器或类似装置来燃烧和除去所捕获 的颗粒物质。近来人们已幵发出一种DPF，其中在细粒过滤器中带有具有氧化作 用的催化成分并可以连续地除去颗粒物质。专利文献1:日本专利特开公报第2003 — 27927号。发明内容如已说明了的，三用催化剂无法在空气过剩状态下工作的内燃机或燃烧设备 中执行催化功能。此外，在小型燃气发动机或汽车用汽油发动机中实际使用的氮氧 化物吸留催化系统中，很难在含有硫氧化物或颗粒物质的排气中有效地实现净化能力。在工业内燃机中，大多数燃烧设备和海上作业的内燃机在空气过剩的状态下 工作，且使用含有硫磺成分的燃料。因此，在排气中含有大量硫氧化物和颗粒物质， 就需要一种排气净化器，它能在上述排气中充分地实现其性能。应予注意的是，通过使用氨、尿素等来有选择地减少氮氧化物的脱硝装置应 用于相对较大的工业内燃机或燃烧设备。不过，该装置自身很大又极其昂贵，且诸 如氨和尿素之类的还原剂的维护成本也会增加。此外，还有未耗用掉的氨被排出到 大气中的很大可能性。(发明目的)本发明的一个目的是提供一种气体净化器，它即便在内燃机或燃烧设备主要 在空气过程的状态下工作时也能完全地除去排出的有害成分。具体地说，本发明的目的是能完全除去排气中的氮氧化物、诸如炭烟之类的 颗粒、 一氧化碳以及未燃烃，以不降低排气净化器的净化能力地保持净化能力，或 者能完全除去排气中的氮氧化物、硫氧化物等，以即便在燃料含有硫磺成分的情况 下也能不降低排气净化器的净化能力地保持净化能力。本发明的第一方面是提供一种排气净化器，该排气净化器设置在内燃机或燃 烧设备的排气通道中，该排气净化器的特点是包括氮氧化物吸附材料，该氮氧化 物吸附材料暂时地吸附氮氧化物并通过加热或还原气氛来脱附所吸附的氮氧化物； 吸附物质脱附装置，该吸附物质脱附装置设置在氮氧化物吸附材料的排气上游侧， 并加热排气或空气，或者将排气或空气转化成还原气氛；燃烧装置，该燃烧装置设 置在氮氧化物吸附材料的排气下游侧，并包括空气供应装置、燃料供应装置以及点 火装置；以及过滤装置，该过滤装置设置在燃烧装置的排气下游侧，以能够捕获包 含在排气中的颗粒物质，其中，氮氧化物吸附材料、吸附物质脱附装置、燃烧装置 以及过滤装置设置在排气通道中。根据本发明的第一方面，可获得以下的工作效果。在内燃机或类似设备的正常工作期间，吸附物质脱附装置和燃烧装置是停止 工作的，并且排气中的氮氧化物被吸附至氮氧化物吸附材料并由其除去，包含在排 气中的颗粒物质被排气通道中的过滤装置捕获。当氮氧化物吸附材料的吸附量或过滤装置的捕获量达到预定量(例如，饱和 量)时，使吸附物质脱附装置和燃烧装置工作以执行再生工作。在氮氧化物吸附材 料中，吸附物质脱附装置使所吸附的氮氧化物脱附。脱附出来的氮氧化物被输送至 燃烧装置，然后由燃烧装置适当地还原和除去。在过滤装置中，所捕获的颗粒物质 由燃烧装置燃烧和除去。此时，通常氮氧化物吸附材料在饱和量和诸如时间和温度之类的再生条件方 面与过滤装置是不同的。因此，在本发明中，使吸附物质脱附装置和燃烧装置两者 都工作，以例如根据氮氧化物吸附材料的再生条件同时执行氮氧化物吸附材料的再 生和过滤装置的再生，并且，在过滤装置由于氮氧化物吸附材料与过滤装置之间的 再生条件或类似条件之间的差别而没有充分再生的情况下，可停止吸附物质脱附装 置而仅使燃烧装置工作以再生过滤装置。此时，可以通过根据过滤装置的再生条件 运转燃烧装置来有效和基本上完全地除去颗粒物质。因此，可以适当地再生氮氧化 物吸附材料和过滤装置并保持它们的净化能力不降低。此外，也节省了燃料成本。在根据本发明第一实施例的排气净化器中，本发明的第二方面的特点是排气 通道分支成多个分支排气通道，在各分支排气通道的排气入口中设置能阻断气体流 动的阻断装置，各分支排气通道包括氮氧化物吸附材料、吸附物质脱附装置、燃烧 装置以及过滤装置，并且吸附物质脱附装置包括空气供应装置，且吸附物质脱附装 置构造成加热来自空气供应装置的空气或将空气转化成还原气氛。
根据本发明的第二方面，使排气从内燃机或类似设备流入至少一个分支排气 通道，并且可在其它分支排气通道中阻断排气以执行再生工作。在执行再生工作的 分支排气通道中阻断排气，从而可与吸附物质脱附装置和各燃烧装置的空气供应装 置中的排气量无关地自由设定空气量。因此，在再生工作状态下分支排气通道的空 气量可以独立于正常工作状态下的分支排气通道而设定得较少，从氮氧化物吸附材 料脱附氮氧化物所消耗的能量(燃料流率)和供应至燃烧装置的燃料流率可设定得 较小，从而节省了燃料的成本。本发明的第三方面提供一种排气净化器，该排气净化器设置在内燃机或燃烧 设备的排气通道中，该排气净化器的特点是排气通道分支成多个分支排气通道； 在分支排气通道的排气入口和排气出口中设置能阻断气体流动的阻断装置；在分支 排气通道的排气入口和排气出口处的阻断装置之间设置氮氧化物吸附材料、吸附物 质脱附装置、燃烧装置、过滤装置以及大气释放部分；氮氧化物吸附材料暂时地吸 附氮氧化物并通过加热或还原气氛来脱附所吸附的氮氧化物；吸附物质脱附装置设 置在氮氧化物吸附材料的排气下游侧，吸附物质脱附装置包括空气供应装置，并加 热来自空气供应装置的空气或将空气转化成还原气氛;燃烧装置设置在氮氧化物吸 附材料的排气上游侧，并包括空气供应装置、燃料供应装置以及点火装置；过滤装 置设置在燃烧装置的排气上游侧，以能够捕获包含在排气中的颗粒物质；大气释放 部分设置在过滤装置的排气上游侧，以使分支排气通道通向大气；并且当吸附物质 脱附装置和燃烧装置工作以执行再生工作时，阻断装置阻断分支排气通道的排气入 口和排气出口，分支排气通道通过大气释放部分而敞开，并且使再生工作产生的气 体沿着与排气流动方向相反的方向流动并从大气释放部分排出。根据本发明的第三方面，可获得以下的工作效果。在内燃机或类似设备正常工作期间，在排气流过的分支排气通道中，吸附物 质脱附装置和燃烧是停止工作的，包含在排气中的颗粒物质被过滤装置捕获，并且 排气中的氮氧化物被吸附至氮氧化物吸附材料并由其除去。因此，颗粒物质几乎不 会堵塞氮氧化物吸附材料，并可以防止氮氧化物吸附材料的吸附作用减弱。在氮氧化物吸附材料或硫氧化物吸附材料的吸附量达到预定量(例如，饱和 量)的情况下，可在各吸附材料中进行再生工作。在再生工作期间，吸附物质脱附 装置和燃烧装置在阻断装置阻断住排气入口和出口且同时分支排气通道通过大气 释放部分释放到大气中的状态下工作。通过吸附物质脱附装置来脱附吸附至氮氧化 物吸附材料的氮氧化物。脱附下来的氮氧化物被输送至燃烧装置，然后在燃烧装置 中被还原和除去。过滤装置所捕获的颗粒物质被燃烧装置焚化和除去。再生工作所 产生的气体(再生气体)沿着与排气流动相反的方向流动，并通过大气释放部分排 入大气。如上所述，通常氮氧化物吸附材料和过滤装置在饱和量和再生条件方面是彼 此不同的。因此，在本发明中，使吸附物质脱附装置和燃烧装置两者都工作，以例 如根据氮氧化物吸附材料的再生条件同时执行氮氧化物吸附材料的再生和过滤装 置的再生，并且，在过滤装置由于氮氧化物吸附材料与过滤装置之间的再生条件或 类似条件之间的差别而没有充分再生的情况下，可停止吸附物质脱附装置而仅使燃 烧装置工作以再生过滤装置。此时，可以通过根据过滤装置的再生条件运转燃烧装 置来有效和基本上完全地除去颗粒物质。因此，可以适当地再生氮氧化物吸附材料 和过滤装置并保持它们的净化能力不降低。此外，也节省了燃料成本。因为排气通道分支成多个分支排气通道，可使在内燃机或类似设备正常工作 期间产生的排气流入至少一个分支排气通道，并且可在其它分支排气通道中阻断排 气以执行再生工作。在执行再生工作的分支排气通道中阻断排气，从而可与吸附物 质脱附装置和各燃烧装置的空气供应装置中的排气量无关地自由设定空气量。因 此，在再生工作状态下分支排气通道的空气量可以独立于正常工作状态下的分支排 气通道而设定得较少，从氮氧化物吸附材料脱附氮氧化物所消耗的能量(燃料流率) 和供应至燃烧装置的燃料流率可设定得较小，从而节省了燃料的成本。根据本发明的第四方面提供一种排气净化器，该排气净化器设置在内燃机或 燃烧设备的排气通道中，该排气净化器的特点是排气通道分支成多个分支排气通 道；在分支排气通道的排气入口和排气出口处设置能阻断气体流动的阻断装置；在 分支排气通道的排气入口和排气出口处的阻断装置之间设置氮氧化物吸附材料、硫 氧化物吸附材料、吸附物质脱附装置、燃烧装置以及大气释放部分；氮氧化物吸附 材料暂时地吸附氮氧化物并通过加热或还原气氛来脱附所吸附的氮氧化物；硫氧化 物吸附材料设置在氮氧化物吸附材料的排气上游侧，硫氧化物吸附材料暂时地吸附 硫氧化物并通过加热或还原气氛来脱附所吸附的硫氧化物；吸附物质脱附装置设置 在氮氧化物吸附材料的排气下游侧，吸附物质脱附装置包括空气供应装置，且加热来自空气供应装置的空气或将空气转化成还原气氛;燃烧装置设置在氮氧化物吸附 材料的排气上游侧，并包括空气供应装置、燃料供应装置以及点火装置；大气释放 部分设置在过滤装置的排气上游侧，以使分支排气通道通向大气；并且当吸附物质 脱附装置和燃烧装置工作以执行再生工作时，阻断装置阻断分支排气通道的排气入 口和排气出口，分支排气通道通过大气释放部分而敞开，并且使再生工作产生的气 体沿着与排气流动方向相反的方向流动并从大气释放部分排出。 根据本发明的第四方面，可获得以下的工作效果。在内燃机或类似设备的正常工作期间，吸附物质脱附装置和燃烧装置是停止 工作的，并且从内燃机或类似设备中排出的排气中的硫氧化物被吸附至硫氧化物吸 附材料并由其除去，并且氮氧化物被吸附至氮氧化物吸附材料并由其除去。因为硫氧化物吸附材料设置在氮氧化物吸附材料的排气上游，所以硫氧化物 几乎不会流入氮氧化物吸附材料，从而可以抑制硫氧化物的损害作用在氮氧化物吸 附材料中引起的性能降低。在氮氧化物吸附材料或硫氧化物吸附材料的吸附量达到预定量(例如，饱和 量)的情况下，可在各吸附材料中进行再生工作。在再生工作期间，吸附物质脱附 装置和燃烧装置在阻断装置阻断住排气入口和出口且同时分支排气通道通过大气 释放部分释放到大气中的状态下工作。分别通过吸附物质脱附装置来脱附吸附至氮 氧化物吸附材料的氮氧化物和吸附至硫氧化物吸附材料的硫氧化物。脱附下来的氮 氧化物和硫氧化物被输送至燃烧装置，然后在燃烧装置中被还原和除去。再生工作 所产生的气体(再生气体)沿着与排气流动相反的方向流动，并通过大气释放部分 排入大气。因此，从硫氧化物吸附材料脱附的硫氧化物不会流入氮氧化物吸附材料， 从而可以抑制硫氧化物的损害作用在氮氧化物吸附材料中引起的性能降低。因此，在本发明中，即便在燃料包含硫磺成分的情况下，也能完全地除去氮 氧化物和硫氧化物，并且保持吸附材料的性能而不降低净化能力。因为排气通道分支成多个分支排气通道，可使在内燃机或类似设备正常工作 期间产生的排气流入至少一个分支排气通道，并且可在其它分支排气通道中阻断排 气以执行再生工作。在执行再生工作的分支排气通道中阻断排气，从而可与吸附物 质脱附装置和各燃烧装置的空气供应装置中的排气量无关地自由设定空气量。因 此，在再生工作状态下分支排气通道的空气量可以独立于正常工作状态下的分支排
气通道而设定得较少，从氮氧化物吸附材料和硫氧化物吸附材料脱附氮氧化物和硫 氧化物所消耗的能量(燃料流率)和供应至在吸附材料下游侧的燃烧装置的燃料流 率可设定得较小，从而节省了燃料的成本。在根据第四方面的排气净化器中，根据本发明的第五方面的特点是在各分支 排气通道中，在燃烧装置的排气上游侧和大气释放部分的排气下游侧设置能捕获排 气中包含的颗粒物质的过滤装置。根据本发明的第五方面，在内燃机或类似设备正常工作期间，排气中包含的 颗粒物质不会流入氮氧化物吸附材料和硫氧化物吸附材料。因此，颗粒物质不会对 各吸附材料的吸附性能造成不利影响。在使吸附物质脱附装置和燃烧装置工作以执行再生工作时，在氮氧化物吸附 材料和硫氧化物吸附材料中脱附所吸附的氮氧化物和硫氧化物，并且脱附下来的氮 氧化物和硫氧化物被输送至燃烧装置，从而由燃烧装置完全地还原和除去氮氧化 物。在过滤装置中，由燃烧装置焚化和除去所捕获的颗粒物质。如上所述，通常氮氧化物吸附材料和硫氧化物吸附材料在饱和量和再生条件 方面与过滤装置是不同的。因此，在本发明中，使吸附物质脱附装置和燃烧装置两 者都工作，根据各吸附材料的再生条件同时执行各吸附材料的再生和过滤装置的再 生，并且，在过滤装置由于各吸附材料与过滤装置之间的再生条件或类似条件之间 的差别而没有充分再生的情况下，可停止吸附物质脱附装置而仅使燃烧装置工作以 再生过滤装置。此时，可以通过根据过滤装置的再生条件运转燃烧装置来有效地除 去颗粒物质。因此，可以适当地再生各吸附材料和过滤装置并保持它们的净化能力 不降低。此外，也节省了燃料成本。本发明的效果根据本发明，即便内燃机或燃烧设备在空气过剩的条件下工作，也可以完全 地净化所排出的有害成分。具体地说，在本发明的第一至第三方面中，可以完全地除去排气中的氮氧化 物和诸如炭烟之类的颗粒物质，并且可以保持排气净化器的净化能力不降低。在本发明的第四和第五方面，即便在燃料包含硫磺成分的情况下，也可以完 全地除去排气中的氮氧化物、硫氧化物等，并且可以保持排气净化器的净化能力不 降低。


图1是示出本发明第一实施例的排气净化器的示意图。 图2是示出本发明第二实施例的排气净化器的示意图。 图3是示出本发明第三实施例的排气净化器的示意图。图4是示出本发明第四实施例的排气净化器的示意图。 图5是示出本发明第五实施例的排气净化器的示意图。文字或标号说明1内燃机2排气通道2a分支排气通道2b分支排气通道3吸附物质脱附装置4氮氧化物吸附材料燃烧装置6燃料喷嘴(燃料供应装置)7点火器(点火装置)15空气供应装置20上游侧切换阀31燃料喷嘴(燃料供应装置)32点火器(点火装置)33空气供应装置40细粒过滤器(过滤装置)42硫氧化物吸附材料58下游侧切换阀60大气释放部分具体实施方式
(本发明的第一实施例)图1示出本发明第一实施例的排气净化器的示意图。该第一实施例主要基于 本发明的第一方面。在内燃机1或燃烧设备中的单个排气通道2中设置排气净化器。 内燃机1的例子包括柴油机、燃气发动机、汽油发动机以及燃气涡轮发动机。燃烧 设备的例子包括工业锅炉等。在排气通道2中，从排气的上游侧沿排气流动方向Z1以预定的间隔依次设置 有吸附物质脱附装置3、氮氧化物吸附材料4 (下文称作"NOx吸附材料)、燃烧 装置5以及过滤装置40。燃烧装置5包括空气供应装置15、点火装置7以及燃料供应装置6。燃料供 应装置6包括燃料喷嘴，燃料喷嘴6通过燃料箱11连接至燃料量调节装置10。在 燃料供应装置6中，由电子控制单元12 (下文称作"ECU")来控制燃料的供应 量和供应定时。点火装置7由点火器构成。空气供应装置15设置在燃料喷嘴6的排气下游侧，并通过空气量调节装置16 连接至空气供应源17。在空气量调节装置16中，由ECU 12控制燃料的供应量和 供应定时。NOx吸附材料4特别是即便在空气过剩的气氛下也能有效和暂时地吸附氮氧 化物(下文称作"NOx")，且其具有在加热到预定温度时或在还原气氛下可脱附 所吸附的NOx的性质。在本实施例中，N0x吸附材料4包括具有氧化作用的催化 剂，并氧化诸如一氧化碳(下文称作"CO")和烃(下文称作"HC")的未燃成 分。例如，把用于将排气加热到预定温度或更高温度的加热装置用作吸附物质脱 附装置3。用于将排气转化成还原气氛的装置可用作吸附物质脱附装置3。或者， 形成还原剂供应装置添加到加热装置的结构，藉此有效地吸附和脱附NOx和SOx。 诸如电加热器之类的发热电阻器之类的用作加热装置，藉此快速和可靠地升高温 度。此外，燃料供应装置也可设置为吸附物质脱附装置3的另一例子。在这种情况 下，所供应的燃料起到还原剂的作用，并且NOx通过利用所供应的燃料在包含在 NOx吸附材料4中并具有氧化作用的催化剂上氧化时的发热来脱附。过滤装置40由细粒过滤器构成，细粒过滤器可捕获颗粒物质。过滤装置40可仅具有捕获颗粒物质的功能，并且可以包括具有氧化作用的催化剂且具有能连续 氧化颗粒物质的功能。(第一实施例的工作效果)在图1所示的结构中，吸附物质脱附装置(加热装置)3和燃烧装置5在内燃 机1的正常工作期间是停止工作的。因此，从内燃机1中排入排气通道2的排气直 接到达N0x吸附材料4，因而NOx被吸附。与此同时，诸如CO和HC之类的未 燃成分由包含在NOx吸附材料4中的氧化催化剂来氧化和解毒。然后，包含在排 气中的颗粒物质被细粒过滤器40捕获，并且从排气通道2中排出己净化的排气。在吸附于细粒过滤器40的颗粒物质的量变得饱和且背压升高，或者NOx吸 附材料4的吸附量达到遇到的量(例如饱和量)，吸附物质脱附装置3和燃烧装置 5工作以再生NOx吸附材料4和细粒过滤器40。在吸附物质脱附装置3中，排气在氮氧化物吸附材料4的上游侧被加热到遇 到温度或更高的温度，并且NOx吸附材料4被加热到预定温度或更高的温度，藉 此脱附吸附于NOx吸附材料4的NOx。从NOx吸附材料4脱附的NOx到达位于排气下游侧的燃烧装置5。燃烧装置 5致使点火器7用供应自燃料喷嘴6的燃料来燃烧流自吸附物质脱附装置3的排气， 藉此在空气供应装置15的排气上游侧上形成过富燃烧区域XI。在过富燃烧区域 XI，从NOx吸附材料4脱附的NOx被还原并除去。也就是说，NOx解毒成N2并 被排出。燃烧装置5还通过从空气供应装置15供应的空气在空气供应装置15的排气 下游侧形成贫燃燃烧区域X2。从内燃机1和过富燃烧区域X1排出的CO、 HC及 颗粒物质在贫燃燃烧区域X2被燃烧并除去。穿过燃烧装置5的排气和再生气体总是通过过富燃烧区域X1和贫燃燃烧区域 X2，这是因为区域X1和X2形成为横穿排气通道2的整个截面。因此，可确保还 原和除去NOx，并且可确保燃烧和除去从内燃机1和过富燃烧区域X1排出的CO、 HC以及以及颗粒物质。细粒过滤器40所捕获的颗粒物质通过燃烧装置5的燃烧而被焚化和除去。此 时，NOx吸附材料4和细粒过滤器40通常在诸如再生时间和温度之类的再生条件 方面彼此不同。例如，尽管NOx吸附材料4中温度升高的上限由于热量所导致的
损伤而受到限制，但有时细粒过滤器40可以在高于该上限温度的温度下进行再生。 NOx吸附材料4和细粒过滤器40在饱和量方面彼此不同。因此，当在再生NOx 吸附材料的条件下执行再生工作时，有时候即便可使NOx吸附材料4再生，但细 粒过滤器40并未充分地再生。在这种情况下，在第一实施例中，在停止吸附物质脱附装置3的同时，仅使 燃烧装置5工作以仅对细粒过滤器40进行再生。因为细粒过滤器40的单独再生工 作对NOx吸附材料4并无热效应，燃烧装置5就可以根据细粒过滤器40的再生条 件来在较高的温度下工作。因此，可有效地燃烧和除去颗粒物质，并减少燃料消耗。在排气中含有SOx的情况下，利用SOx很难吸附的材料从NOx吸附材料4 脱附出来的SOx，或者即便吸附了 SOx， NOx吸附材料4也被加热到SOx脱附的 温度，并且利用还原气氛(如果需要的话)从NOx吸附材料4脱附SOx。 (第二实施例)图2示出本发明第二实施例的排气净化器的示意图。该第二实施例主要基于 本发明的第二方面。在本实施例的排气净化器中，排气管道2分支成多个分支排气 通道2a和2b，例如第一和第二分支排气通道2a和2b。两分支排气通道2a和2b 在排气下游侧再次合并且连接至下游侧排气通道2c。在两分支排气通道2a和2b的上游侧的分支部分中设有切换阀20。来自内燃 机1的排气通过切换切换阀20来有选择地排出到分支排气通道2a和2b之一。切换阀20构成在分支排气通道2a和2b的排气入口处阻断排气流动的阻断装置。如同第一实施例的情况，在每个分支排气通道2a和2b中，从排气的上游侧 依次设置吸附物质脱附装置3、 NOx吸附材料4、燃烧装置5以及过滤装置40。 NOx吸附材料4、燃烧装置5以及过滤装置40的结构与第一实施例的那些装置相 似。第二实施例的吸附物质脱附装置3包括空气供应装置33，以加热来自空气供 应装置33的空气，并改变进入还原气氛的空气。具体地说，吸附物质脱附装置3 包括由空气供应装置33、燃料供应装置31以及点火装置32构成的吸附物质脱附 装置。燃料供应装置31包括燃料喷嘴，并连接至燃料量调节装置10。空气供应装 置33连接至空气量调节装置16，并且点火装置32由点火器构成。 (第二实施例的工作效果)在内燃机1工作的情况下，切换阀20切换排气通道以利用分支排气通道2a 和2b中的一个作为内燃机l的排气排出通道。在图2所示的状态，第二分支排气 通道2b被用作排气通道，而第一排气通道2a则用于再生工作。在图2所示的状态下，在正常工作状态下的第二排气通道2b中，燃烧装置5 和吸附物质脱附装置3停止工作，NOx吸附材料4吸附排气中的NOx，且细粒过 滤器40捕获颗粒物质。另一方面，在处于再生工作状态的第一分支排气通道2a 中，燃烧装置5和吸附物质脱附装置3工作，吸附物质脱附装置3用来自空气供应 装置33的空气燃烧来自燃料喷嘴31的燃料，以将高温的再生气体供应到NOx吸 附材料4，从NOx吸附材料4脱附NOx，并且在燃烧装置5的过富燃烧区域XI 中还原和除去NOx。在处于再生工作状态的第一分支排气通道2a中阻断来自内燃机1的排气，并 且处于再生工作状态的第一分支排气通道2a独立于处于正常工作状态的第二分支 排气通道2b而工作，并通过供应自第一分支排气通道2a中的吸附物质脱附装置3 和燃烧装置5的燃料和空气来执行再生工作。因此，可正确地设定用于吸附物质脱 附和燃烧装置的空气量，而与来自内燃机1的排气量无关，从而可以节省供应自吸 附物质脱附装置3的燃料量和在燃料装置5中供应的燃料量。当在第二分支排气通道2b中的NOx吸附材料4的NOx吸附量达到预定量(例 如，饱和量)时，切换阀20就切换到第一分支通路2a，则在第一分支排气通道2a 中的燃烧装置5和吸附物质脱附装置3停止工作的同时，第二分支排气通道2b中 的燃烧装置5和吸附物质脱附装置3进行工作。也就是说，在第一分支排气通道 2a中执行正常工作，而同时在第二分支排气通道2b中执行再生工作。因此，在第二实施例中，内燃机1可通过利用一个分支排气通道来执行正常 工作，而在另一分支排气通道中执行再生工作，藉此消除再生工作所需的特定时间。 (第三实施例)图3示出本发明第三实施例的排气净化器的示意图。该第三实施例主要基于 本发明的第四方面。如同第一和第二实施例中一样，排气净化器设置在内燃机1 或燃烧设备的排气通道2中。排气管道2分支成多个分支排气通道2a和2b。在第三实施例中，排气通道2 分支成第一和第二分支排气通道2a和2b，两分支排气通道2a和2b在排气下游侧 再次合并且连接至下游侧排气通道2c。在两分支排气通道2a和2b的上游侧的分支部分中设有上游侧切换阀20，且 在下游侧的分支部分中设有下游侧切换阀58。来自内燃机1的排气通过切换上游 侧切换阀20来有选择地排出到分支排气通道2a和2b之一。下游侧切换阀58防止 排气通过合并部分流入分支排气通道2a，且同时连接分支排气通道2b，排气通过 分支排气通道2b流入下游侧排气通道2c。上游侧切换阀20和下游侧切换阀58构 成用于在分支排气通道2a和2b的排气入口或出口处阻断排气或再生气体的流动的 阻断装置。在每个分支排气通道2a和2b中，从排气的下游侧沿排气流动方向Z1以预定 间隔依次设置吸附物质脱附装置3、氮氧化物吸附材料4 (下文称作"NOx吸附材 料")、硫氧化物吸附材料42 (下文称作"SOx吸附材料")以及燃烧装置5。如同第一实施例，燃烧装置5包括空气供应装置15、点火装置7以及燃料供 应装置6。燃料供应装置6包括燃料喷嘴，燃料喷嘴6通过燃料量调节装置10连 接至燃料箱11。由电子控制单元12 (下文称作"ECU")来控制燃料的供应量和 供应定时。点火装置7包括点火器。空气供应装置15设置在燃料喷嘴6的排气上游侧，并通过空气量调节装置16 连接至空气供应源17。在空气量调节装置16中，由ECU12控制燃料的供应量和 供应定时。特别是，NOx吸附材料4即便在空气过剩的气氛下也能有效和暂时地吸附氮 氧化物(下文称作"NOx")，且NOx吸附材料4在预定的升高的温度下或在还 原气氛下可脱附所吸附的NOx。在本实施例中，NOx吸附材料4包括具有氧化作 用的催化剂，并且NOx吸附材料4氧化诸如一氧化碳(下文称作"CO")和烃(下 文称作"HC")的未燃成分。NOx吸附材料4形成为能容易地捕获颗粒物质的形 状。SOx吸附材料42暂时地吸附SOx，且SOx吸附材料42在预定的升高的温度 下或还原气氛下脱附所吸附的SOx。吸附物质脱附装置3包括空气供应装置33，以加热来自空气供应装置33的空 气，并改变进入还原气氛的空气。具体地说，吸附物质脱附装置3包括由空气供应 装置33、燃料供应装置31以及点火装置32构成的吸附物质脱附装置。燃料供应 装置31包括燃料喷嘴，并连接至燃料量调节装置10。空气供应装置33连接至空 气量调节装置16，并且点火装置32由点火器构成。在每个分支排气通道2a和2b中，在燃烧装置5的排气上游侧设置大气释放 部分60。大气释放部分60包括连接至分支排气通道2a或2b的大气释放通道61 和设置在大气释放通道61中的开闭阀62。分支排气通道2a和2b各通过开闭阀62 穿过大气释放通道61释放入大气，并且各分支排气通道2a和2b通过关闭开闭阀 62来与大气阻隔。(第三实施例的工作效果)在内燃机1正常工作期间，排气排出到由上游侧切换阀20和下游侧切换阀58 所选择的分支排气通道2a和2b中的一个。在图3的例子中，排气排出到第二分支 排气通道2b。此时，设置在第二分支排气通道2b中的吸附物质脱附装置3和燃烧 装置5停止工作。排气流入SOx吸附材料42，排气中所含的SOx被吸附至排气SOx吸附材料 42。然后，排气流入NOx吸附材料4，排气中所含的NOx被吸附至排气NOx吸 附材料4，并且通过下游侧切换阀58和下游侧排气通道2c排出排气。在NOx吸 附材料4中，由氧化催化剂氧化和解毒诸如CO和HC之类未燃成分，并且物理地 捕获颗粒物质。另一方面，在第一分支排气通道2a中，阻断内燃机l的排气，并且在内燃机 1中进行正常工作的同时，对设置在第一分支排气通道2a中的NOx吸附材料4和 SOx吸附材料42执行再生工作。在大气释放部分60的开闭阀62打开的同时运转吸附物质脱附装置3和燃烧 装置5，藉此执行再生工作。在吸附物质脱附装置3中，来自燃料喷嘴31的燃料与来自空气供应装置33 的空气进行燃烧，并将高温的再生气体供应到NOx吸附材料4和SOx吸附材料42。 这使得NOx和SOx可从NOx吸附材料4和SOx吸附材料42中脱附。在燃烧装置5中，供应自燃料喷嘴6的燃料通过点火器7利用从吸附物质脱 附装置3流过来的再生气体进行燃烧，并在空气供应装置15的排气下游侧形成过 富燃烧区域XI 。从NOx吸附材料4脱附的NOx在过富燃烧区域XI中被还原和
除去。在燃烧装置5中，通过供应自空气供应装置15的空气在空气供应装置15 的排气上游侧形成贫燃燃烧区域X2。从过富燃烧区域X1排出的C0、 HC和颗粒 物质在贫燃燃烧区域X2中被燃烧和除去。然后，再生气体通过大气释放部分60 排出到大气。因此，在再生工作中，再生气体的流动(箭头Z2)是沿与排气流动方向Zl 相反的方向产生的。在正常工作的排气流动通过的第二分支排气通道2b中，在NOx吸附材料4 或SOx吸附材料42的吸附量达到预定量(例如，饱和量)的情况下，上游侧切换 阀20和下游侧切换阀58切换成将排气排出到第一分支排气通道2a，并在第二分 支排气通道2b中类似地执行再生工作。在正常工作期间，因为包含在排气中的SOx在其达到NOx吸附材料4之前就 被吸附至SOx吸附材料42，所以可防止SOx损害NOx吸附材料4。在再生工作期 间，因为从SOx吸附材料42脱附的SOx流到燃烧装置5上而不流入NOx吸附材 料4，所以可防止SOx损害NOx吸附材料4。也就是说，在本实施例中，排气流 和再生气体流彼此相反，以在正常工作和再生工作两种情况下都防止SOx流入 NOx吸附材料4，从而可以防止NOx吸附材料4中的性能降低。在燃烧装置5中，因为过富燃烧区域XI和贫燃燃烧区域X2是横穿分支排气 通道2a和2b的整个截面形成的，所以穿过燃烧装置5的再生气体总是穿过区域 X1禾卩X2。因此，可确保还原和除去NOx和SOx，并且可确保燃烧和除去来自过 富燃烧区域X1的CO、 HC以及颗粒物质。NOx吸附材料4和SOx吸附材料42的再生工作在阻断了内燃机1的排气的 分支排气通道中，通过来自吸附物质脱附装置3和燃烧装置5的燃料供应和空气供 应而独立地执行。因此，可与来自内燃机1的排气量无关地设定用于吸附物质脱附 和燃烧装置的空气量，从而可节省供应自吸附物质脱附装置3的燃料量和在燃烧装 置5中供应的燃料量。在第三实施例中，内燃机1可通过利用一个分支排气通道来执行正常工作， 而在另一分支排气通道中执行再生工作，藉此消除再生工作所需的特定时间。附加 地，切换阀20和58用作阻断分支排气通道的排气入口和出口的阻断装置，容易地 将分支排气通道中的一个与排气阻隔开，并且同时可使排气容易地流入另一分支排(第四实施例)图4示出本发明第四实施例的排气净化器的示意图。该实施例主要基于本发 明的第五方面。在第四实施例中，过滤装置40设置于第三实施例的排气净化器中， 以捕获包含在排气中的颗粒物质。第四实施例的结构类似于第三实施例的结构。过滤装置40由设置在每个分支排气通道2a和2b的切换阀20和58之间燃烧装置5 的排气上游侧的细粒过滤器构成。本实施例的工作方式与第三实施例的工作方式基本相似。不过，在正常工作 期间，细粒过滤器40在包含在排气中的颗粒物质流入SOx吸附材料42和NOx吸 附材料4之间普适化这些颗粒物质。因而，SOx吸附材料42和NOx吸附材料4 几乎不会被颗粒物质堵塞，从而可防止各吸附材料的吸附作用减弱。在正常工作期间，当吸附至细粒过滤器40的颗粒物质的量达到饱和状态从而 使背压升高时，或者当吸附的NOx或SOx的量到达预定量(例如，饱和量)时， 正常工作就切换成再生工作。在再生工作中，细粒过滤器40所捕获的颗粒物质主 要是通过燃烧装置5的燃烧来焚化和除去，以再生细粒过滤器40。如在第一实施例中所述，NOx吸附材料4和SOx吸附材料42通常在诸如再 生时间和温度以及饱和量之类的再生条件方面与细粒过滤器40不同。例如，尽管 NOx吸附材料4中温度升高的上限由于热量所导致的损伤而受到限制，但有时细 粒过滤器40可以在高于该上限温度的温度下进行再生。因此，当在再生各吸附材 料4和42的条件下执行再生工作时，有时候即便可使吸附材料4和42再生，但细 粒过滤器40并未充分地再生。在这种情况下，在停止吸附物质脱附装置3的同时， 仅使燃烧装置5工作以仅对细粒过滤器40进行再生。因为细粒过滤器40的单独再 生工作对NOx吸附材料4等并无热效应，燃烧装置5就可以根据细粒过滤器40 的再生条件来在较高的温度下工作。因此，可以有效地和基本上完全地燃烧和除去 颗粒物质，并减少浪费的燃料消耗。过滤装置40可仅具有捕获颗粒物质的功能，并且可以包括具有氧化作用的催 化剂且具有能连续氧化颗粒物质的功能。 (第五实施例)图5示出本发明第五实施例的排气净化器的示意图。该实施例主要基于本发明的第三方面。在第五实施例中省去了第四实施例中的SOx吸附材料42。第五实 施例的其它结构与第四实施例的结构相似。因此，除了与第四实施例的SOx吸附 材料相关的工作效果之外，第五实施例具有与第四实施例相似的工作效果。在正常工作期间，细粒过滤器40在包含在排气中的颗粒物质流入NOx吸附 材料4之前捕获住它们。因此，NOx吸附材料4几乎不会被颗粒物质堵塞，从而 可防止NOx吸附材料的吸附作用减弱。在正常工作期间，当吸附至细粒过滤器40的颗粒物质的量达到饱和状态从而 使背压升高时，或者当吸附的NOx或SOx的量到达预定量(例如，饱和量)时， 正常工作就切换成再生工作，如上所述。在再生工作中，细粒过滤器40所捕获的 颗粒物质主要是通过燃烧装置5的燃烧来焚化和除去，以再生细粒过滤器40。在由于NOx吸附材料4和细粒n的再生条件之间的差异而导致NOx吸附材 料4的再生已完成而细粒过滤器40的再生未完成的情况下，停止吸附物质脱附装 置3，并仅使燃烧装置5工作，以仅再生细粒过滤器40。因为细粒过滤器40的单 独再生对NOx吸附材料4并无热效应，燃烧装置5就可以根据细粒过滤器40的再 生条件来在较高的温度下工作。因此，可以有效地除去颗粒物质，并减少浪费的燃 料消耗。(其它实施例)在第二至第五实施例中，排气通道可分支成三个或更多个分支排气通道。在 这样的情况下，可以使排气在分支排气通道之一流动，且同时在其它的分支排气通 道中进行再生工作，或者，可以在分支排气通道之一中进行再生工作，且同时使排 气在其它分支排气通道中流动。工业应用性本发明可用作各种内燃机的排气净化器，所述内燃机诸如为柴油机、燃气发 动机、汽油发动机以及燃气涡轮发动机或类似设备，或者本发明可用作燃料设备的 排气净化器，所述燃料设备诸如为工业锅炉或类似设备。特别是，本发明适用于像 贫燃燃烧方式工作的内燃机那样的在排气中包含大量NOx的内燃机。本发明也可 应用于包含SOx的工业柴油机及类似设备。此外，本发明还适用于再利用排气热 量且可减少SOx的损害以有效回收排气热的情况。
权利要求
1.一种排气净化器，该排气净化器设置在内燃机或燃烧设备的排气通道中，在排气通道中，该排气净化器包括氮氧化物吸附材料，该氮氧化物吸附材料暂时地吸附氮氧化物并通过加热或还原气氛来脱附所吸附的氮氧化物；吸附物质脱附装置，该吸附物质脱附装置设置在所述氮氧化物吸附材料的排气上游侧，并加热排气或空气，或者将排气或空气转化成还原气氛；燃烧装置，该燃烧装置设置在所述氮氧化物吸附材料的排气下游侧，并包括空气供应装置、燃料供应装置以及点火装置；以及过滤装置，该过滤装置设置在所述燃烧装置的排气下游侧，以能够捕获包含在排气中的颗粒物质。
2. 如权利要求l所述的排气净化器，其特征在于，所述排气通道分支成多个 分支排气通道，在各分支排气通道的排气入口中设置能阻断气体流动的阻断装置； 各分支排气通道包括所述氮氧化物吸附材料、所述吸附物质脱附装置、所述燃烧装置以及所述过滤装置；并且所述吸附物质脱附装置包括空气供应装置，且所述吸附物质脱附装置构造成加热来自所述空气供应装置的空气或将空气转化成所述还原气氛。
3. —种排气净化器，该排气净化器设置在内燃机或燃烧设备的排气通道中， 该排气净化器的特征在于所述排气通道分支成多个分支排气通道；在所述分支排气通道的排气入口和排气出口中设置能阻断气体流动的阻断装置；在所述分支排气通道的所述排气入口和排气出口处的所述阻断装置之间设置 氮氧化物吸附材料、吸附物质脱附装置、燃烧装置、过滤装置以及大气释放部分；所述氮氧化物吸附材料暂时地吸附氮氧化物并通过加热或还原气氛来脱附所 吸附的氮氧化物；所述吸附物质脱附装置设置在所述氮氧化物吸附材料的排气下游侧，所述吸 附物质脱附装置包括空气供应装置，并加热来自所述空气供应装置的空气或将空气转化成所述还原气氛；所述燃烧装置设置在所述氮氧化物吸附材料的排气上游侧，并包括空气供应 装置、燃料供应装置以及点火装置；所述过滤装置设置在所述燃烧装置的排气上游侧，以能够捕获包含在排气中 的颗粒物质；所述大气释放部分设置在所述过滤装置的排气上游侧，以使所述分支排气通 道通向大气；并且当所述吸附物质脱附装置和所述燃烧装置工作以执行再生工作时，所述阻断 装置阻断所述分支排气通道的所述排气入口和所述排气出口 ，所述分支排气通道通 过所述大气释放部分而敞开，并且使所述再生工作产生的气体沿着与排气流动方向 相反的方向流动并从所述大气释放部分排出。
4. 一种排气净化器，该排气净化器设置在内燃机或燃烧设备的排气通道中， 该排气净化器的特征在于所述排气通道分支成多个分支排气通道；在所述分支排气通道的排气入口和排气出口处设置能阻断气体流动的阻断装置；在所述分支排气通道的所述排气入口和排气出口处的所述阻断装置之间设置 氮氧化物吸附材料、硫氧化物吸附材料、吸附物质脱附装置、过滤装置以及大气释 放部分；所述氮氧化物吸附材料暂时地吸附氮氧化物并通过加热或还原气氛来脱附所 吸附的氮氧化物；所述硫氧化物吸附材料设置在所述氮氧化物吸附材料的排气上游侧，所述硫 氧化物吸附材料暂时地吸附硫氧化物并通过加热或还原气氛来脱附所吸附的硫氧 化物；所述吸附物质脱附装置设置在所述氮氧化物吸附材料的排气下游侧，所述吸 附物质脱附装置包括空气供应装置，并加热来自所述空气供应装置的空气或将空气 转化成所述还原气氛；所述燃烧装置设置在所述氮氧化物吸附材料的排气上游侧，并包括空气供应 装置、燃料供应装置以及点火装置；所述大气释放部分设置在所述燃烧装置的排气上游侧，以使所述分支排气通 道通向大气；并且当所述吸附物质脱附装置和所述燃烧装置工作以执行再生工作时，所述阻断 装置阻断所述分支排气通道的所述排气入口和所述排气出口 ，所述分支排气通道通 过所述大气释放部分而敞开，并且使所述再生工作产生的气体沿着与排气流动方向 相反的方向流动并从所述大气释放部分排出。
5.如权利要求4所述的排气净化器，其特征在于，在各分支排气通道中，在 所述燃烧装置的排气上游侧和所述大气释放部分的排气下游侧设置能捕获排气中 包含的颗粒物质的过滤装置。
全文摘要
本发明提供一种排气净化器，该排气净化器能适当地净化即便是从主要在空气过剩的条件下工作的内燃机或燃烧设备中排出的有害成分。具体地说，该排气净化器能适当地除去氮氧化物、包括炭烟等的颗粒物质，且还能保持其净化能力不降低。该排气净化器在内燃机(1)的排气通道(2)中包括氮氧化物吸附材料(4)，用于暂时地吸附氮氧化物并通过在温度升高的环境或还原环境中脱附所吸附的氮氧化物；吸附物质脱附装置(3)，设置在氮氧化物吸附材料(4)的排气上游侧，并加热排气或空气，或者将排气或空气转化成还原气氛；燃烧装置(5)，该燃烧装置设置在氮氧化物吸附材料(4)的排气下游侧，并包括空气供应装置(15)、燃料供应装置(6)以及点火装置(7)；以及过滤装置(40)，设置在燃烧装置(5)的排气下游侧，以能够捕获包含在排气中的颗粒物质。
文档编号F01N3/20GK101151441SQ20068001010
公开日2008年3月26日 申请日期2006年3月14日 优先权日2005年3月29日
发明者小野泰右 申请人:洋马株式会社