JP2001502395A - NOx排気ガス浄化方法 - Google Patents

NOx排気ガス浄化方法

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Abstract

(57)【要約】 リーン動作する内燃機関、特にディーゼル内燃機関の排気ガス浄化は窒素酸化物の除去に関して問題がある。NOXの変換を改善するため、リーン動作する内燃機関の排気ガス装置は3区域触媒を保有する。第一区域(36+34)はγアルミニウム酸化物のウォッシュコート上にNOX貯蔵材料を有する。第二区域(37+34)はウォッシュコート上に貴金属を有し、第三区域(37+35)は更に酸素貯蔵器を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 NOX排気ガス浄化方法 この発明は、請求項1の前段による内燃機関に対する排気ガス浄化方法および 請求項26による内燃機関に関する。 ドイツ特許出願公開第195 22 913号明細書により、排気ガス管内に予備触媒と 主触媒を有するスパーク・イグニッション内燃機関が知られている。この主触媒 は通常の三方触媒として形成され、このウォシュコート(Washcoat)は酸素貯蔵 部として働くセリウムを含む。予備触媒には流れの上流にウォシュコート内にセ リウムを含まない領域がある。セリウムを含まない領域の触媒コートはパラジウ ムで、通常の三方触媒コート、白金/ロジウムが続く。この内燃機関は化学量論 的な混合物で動作する。つまり、λ=1である。ここに説明する触媒コートによ り、触媒がλ=1の周りで非常に急激に変動する、実際のリッチ排気ガス条件、 つまり濃厚混合排気ガス条件や、リーン排気ガス条件、つまり希薄混合排気ガス 条件に対して安定であることになる。この排気ガス浄化原理は、希薄混合オット -エンジン(Magermix-Otto-Motoren)やディーゼルエンジンのような燃料をリー ン動作する内燃機関には移行させることはできない。何故なら、この周知の排気 ガス放出制御装置は理論的な空燃比(λ=1)でのみ劣化に対して安定であるか らである。 更に、オットーリーンエンジンに対してリーン運転で窒素酸化物を先ず触媒設 計に依存する負荷限界まで貯蔵するNOX貯蔵触媒が知られている。これに次い で、NOX貯蔵触媒を再生させるため、リッチな化学量論の運転あるいは軽くリ ッチな運転が行われ、次いで再びリーン運転が続く。NOX貯蔵触媒の回収率は 非常に高く、λ≦1で貯蔵放出とNOXの変換を伴う全NOXの減少はリーン・オ ットエンジンの場合、新しい状態で>90%となる。原理的にはこのようなNOX 貯蔵触媒はディーゼル車両でも使用でき、その場合、NOXの貯蔵を補償するた め幾分大きめに設計しておくと有利である。しかし、オットーエンジンとは異な り、ディーゼルエンジンは常時過剰な空気で動作するので、どんな運転状態の間 でもλ>1である。従って、NOX貯蔵触媒の負荷は問題なく可能であり、 例えば排気ガス管に燃料を噴射し、排気ガスを濃縮して再生することは、一方で 許容できない燃料消費の上昇と、他方でディーゼル排気ガスの酸素含有量の増加 のため酸化熱を上昇させる。何故なら、蓄えてあるNOXを変換させる前に噴射 した燃料が酸化するからである。これにより、触媒を破壊する恐れが生じる。 ドイツ特許出願公開第43 42 062号明細書により、排気ガス流を再生させるた めNOX貯蔵器を止めるディーゼル内燃機関の排気ガス浄化装置が知られている 。これは、貯蔵器の容量が一杯なると規則的に行われる。再生期間中に更にNOX の放出しないため、排気ガス流は第二のNOX貯蔵器を経由して案内される。こ の代わりに、排気ガスを絞り、複雑な再生アルゴリズムを導入する。この場合に は機能の信頼性に問題がある。その外、NOX貯蔵器を二重にするため著しい経 費がかかるが、この経費にもかかわらず、条件付きでのみ排気ガスを良好に浄化 できる。 米国特許第4,755,499号明細書により、例えば自動車の排気ガスから窒素酸化 物と硫黄酸化物の可逆貯蔵が知られている。この場合、吸収装置を還元性の雰囲 気中で加熱させて再生させる。その場合、同時に窒素酸化物が減少する。 そのような貯蔵触媒は、欧州特許出願公開第0 580 389号明細書で自動車に使 用するために詳しく説明されている。ここでも、吸収装置を再生するため、高温 (500℃)が必要である。これにより、貯蔵触媒の使用は排気ガス温度が高い自 動車にのみ可能である。つまり特にオットーエンジンを有する自動車でのみ可能 である。しかし、ここでも使用は条件付きでのみ可能である。何故なら、例えば 都市交通で行われるような内燃機関の一定の運転条件下で、加速期間により窒素 酸化物の放出が多量であるが、高温にはされない。この温度は吸収装置を特に硫 黄酸化物から再生させるために必要である。 欧州特許出願公開第0 560 991号明細書により、貯蔵触媒と前置接続および後 置接続されたそれぞれ一つの三方触媒装置とを備えたオットーエンジンが知られ ている。吸収装置の前に接続された三方触媒装置をエンジンの近くに配置するこ とにより、この触媒装置はオットーエンジンの寒冷時スタート後に非常に早く昇 温するので、早く触媒活性となる。触媒活性に達すると、前置接続されている三 方触媒装置はオットー内燃機関の暖気運転期間中に増加するHCやCOを変換し 、 同時にNOXが減る。これにより、オットー内燃機関の暖気運転期間中にNOX貯 蔵器がNOXを蓄えるのに必要な温度に未だ達していなくても、排気ガス中のN OXを減らすことになる。この装置と方法はオットーエンジンの場合にのみ有効 である。何故なら、ディーゼルエンジンは排気ガスのNOX成分を減らすため、 暖気運転期間中でも充分なCOやHCを放出しないからである。暖気運転期間中 の排気ガス浄化が良好であることを別にすれば、前置された触媒装置を備えてい るオットーエンジンはNOXの低減をより良く行っていない。その外、この刊行 物により、一方でディーゼル内燃機関への空気導入を絞ること、他方で燃料噴射 に基づきディーゼル内燃機関でNOXを低減する二つの方法が周知である。しか し、そのようなNOX貯蔵器を装備したディーゼル内燃機関は排気ガスの温度が 高いと、NOX貯蔵器内のNOX貯蔵の著しく低減を示す。 これ等全ての例に共通することは、特に直噴内燃機関および/またはディーゼ ル内燃機関の場合、内燃機関の濃縮混合運転がNOX貯蔵器を再生するためしば しば問題となる点にある。つまり、この場合、排気ガスの温度は一方で高すぎ、 他方で余りにも大きな性能低下となる。更に、NOX貯蔵器の大きさに応じて、 ノッキングする。つまりNOX貯蔵器に流入するNOXは充分な貯蔵能力があって も、吸収されないか、あるいはNOX貯蔵器を再生するためこの中に流れる炭化 水素が一部このNOX貯蔵器から排出する。 この発明の課題は、NOX貯蔵器が流入するNOXの高い親和度および/または 炭化水素の再生に対する高い変換率を有する窒素酸化物の吸収装置を備えた内燃 機関を運転する方法を利用することにある。更に、この課題に対して対応する内 燃機関も提供することにある。 冒頭の述べた種類の方法にあって上記の課題は請求項1および/または3の特 徴構成により解決されている。内燃機関に関しては、上記の課題は請求項26項 の構成により解決されている。 従属請求項は有利な実施態様を示すもので、この実施態様により、特に直接噴 射内燃機関の場合のような非常に低い排気ガス温度でも、寒冷時始動後、吸収機 能を早めに使用できる。更に、これ等の従属請求項により内燃機関の運転条件が 異なっていても、NOX貯蔵器を快適に再生できる。その外、これ等の従属請求 項によりNOXと炭水化物を低コストと高効率で変換できる。 この発明の第一の構成によれば、NOX貯蔵器は少なくとも前部分(あるいは 領域)にわたり貴金属の装填が少ないか、まったくない。この領域には下流に貴 金属の装填の少ない部分が続き、この部分はNOX貯蔵器の上および/またはN OX貯蔵器に後続している。 NOX貯蔵器の排気ガスは貴金属の乏しいあるいは貴金属を含まない領域の上 に案内される限り、排気ガスを予めNOのNO2への処理にかける時に特に有利 である。これは、以下にもっと詳しく説明するように、NOX貯蔵器に前置接続 されている変換器および/またはNOX貯蔵器の入口領域で行われる。NOX貯蔵 能力をより良好に利用するため、変換器を前置すると有利である。 この発明により、貴金属を僅かに装填しているか、あるいは全く持っていない NOX貯蔵器は(例えば空間速度のような条件を同じにしている場合)化学吸着 率が高く、貯蔵能力が高いことが確実になった。 この排気ガス処理はこの発明の第二の構成に有利に結び付き、この第二の構成 によれば、NOX貯蔵器が上流にある部分全体あるいは少なくともその部分で酸 素貯蔵機能が低いかあるいは全くないか、排気ガスはNOX貯蔵器の下流および /またはNOX貯蔵器に後続して酸素貯蔵器の上を流れる。 NOX貯蔵器の下流に達する領域に、あるいはこれに後続して配置されている この発明による酸素貯蔵器により、COやHCの突発かNOX貯蔵器を再生する 時に減ったり無くなる。酸素貯蔵器はλ>1の時に酸素を吸蔵し、λ<1の時に 再び放出する。即ち、リッチ、つまり濃厚混合の排気ガスがNOX貯蔵器を貫通 し、酸素貯蔵器に達すると、蓄られていた酸素が放出され、同時にあるいは次い でリッチな排気ガスのCOとHCが酸化する。この酸化には、通常の貴金属コー ト、特に白金コートで充分で、三方触媒コートが例えば白金/ロジウムであると 有利である。好ましくは、貴金属コートが酸素貯蔵器の上に装着され、この酸素 貯蔵器に更にあるいはその代わりに後置接続されていてもよい。 NOX貯蔵器が酸素貯蔵器と共に排気ガス流の中にある限り、両方の貯蔵器の 間に酸素貯蔵機能を持たない(あるいは酸素貯蔵器に比べて酸素貯蔵機能の少な い)触媒貴金属コートを配置すると有利である。この触媒コートは同時にNOX 貯蔵機能もあるが、好ましくはここではNOX貯蔵機能も酸素貯蔵機能もない( 少なくとも著しくはない)とよい。 この発明の有利な実施例では、排気ガスは少なくとも4つの機能ステーション を経由して以下の順で通過する。つまり、 1.NOのNO2への変換器(白金の装填量の多い、例えば70g/ft3の酸化触 媒), 2.貴金属コートのないかまたは僅かにあり、特に酸素貯蔵能力のないかま たは僅かにあるNOX貯蔵器(例えば、γ酸化アルミニウム上のアルカ リ、アルカリ土類および/またはランタン), 3.NOXおよび/または酸素の貯蔵機能のないかまたは僅かにある貴金属 触媒、特に三方触媒、 4.酸素貯蔵機能のある貴金属触媒、特に三方触媒(例えばセリウムを含む 酸化アルミニウムのウオッシュコート)。 これ等のステーションのうち第一のステーションは、好ましくは内燃機関の排 気ガス排出部の近くに配置されていて、残りのステーションは、好ましくは二つ あるいは全て共通の支持材料の上に配置するとよい。 この発明では、特に貴金属の装填量が少ないか、あるいはないNOX貯蔵領域 を使用する場合、排気ガスの空間速度が500,000/hになり、この速度ではターボ エンジンを使用する時にも変換効率が落ち込まないことが分かっている。従来の NOX貯蔵器は、そのような大きな空間速度の場合、NOXの変換効率に著しい落 ち込みを示す。 この発明によるNOX排気ガス浄化方法では、例えば米国特許第4,755,499号明 細書、欧州特許出願公開第0 580 389号明細書および欧州特許出願公開第0 560 9 91号明細書により周知のような従来のNOX貯蔵器を使用できる。これ等のNOX 貯蔵器では第二動作条件の平均期間が第一動作条件の平均期間より著しく短いの 普通である。つまり、排気ガスは比較的長い期間(例えば平均10秒から5分)リ ーン、つまり希薄混合で、短い期間(例えば0.1〜5秒、特に0.5〜3秒)リッチ 、つまり濃厚混合であるかλ=1である。リーン混合動作は再生動作より少なく とも二倍、特に少なくとも三倍長くすると有利である。 内燃機関に関するこの発明による排気ガス処理では、内燃機関の排気ガスをN OX貯蔵器に導き、このNOX貯蔵器は第一動作条件の下で導入された排気ガスか らNOXを蓄える。第一動作条件は、特に排気ガス中で正味の酸化条件(λ>1 およびλ>1.1)となるような条件で、排気ガス流の温度は150℃以上、特に200 ℃以上であるべきである。第一動作条件とは異なる第二動作条件の下では、NOX 貯蔵器は吸蔵したNOXを再び放出し、このNOXは特に直後にあるいは直ぐ減 少する。第二動作条件は、特に排気ガスが蓄えた窒素酸化物を還元するのに充分 な量の還元剤と一緒に案内されるような動作条件である。これは、特にλ(化学 量論の空燃比)≦1.05で、特に≦1.0の場合である。 この発明による排気ガス浄化方法では、従来の技術とは異なり、貯蔵器の装填 量あるいは時間経過を問い合わせることが単に行われるだけで、貯蔵器の一定の 装填量に達すると、あるいは所定の時間経過後にNOX貯蔵器を再生する。もっ とも、この発明によれば、内燃機関の状態を問い合わせ、内燃機関の低出力時、 および/または走行期間および/またはアイドリング期間にある時、再生(即ち 、第二動作条件の設定)を目的通りに行う。走行運転での再生がアイドリング運 転に続くと特に有利で、内燃機関が低出力の時には有利さが少ない。内燃機関の 走行運転では、再生が何らかの快適さを損なうことなく行われる。何故なら、内 燃機関に何ら負担をかけないからである。アイドリング運転でも、第二動作条件 の設定は比較的問題にはならない。何故なら、ここでは内燃機関に推進効率を犠 牲にしないからである。しかし、第二動作条件を設定して内燃機関のアイドリン グ回転数を簡単に可変できる。内燃機関の出力が低い場合でもNOX貯蔵器の快 適な再生が可能である。何故なら、第二動作条件で未だ内燃機関の低出力値に調 節できるので、ここでも実用上自動車のドライバーにとって内燃機関の著しい出 力損失とならないからである。 第二動作条件を設定する時の内燃機関の個々の期間の上に述べた有利な序列に 応じて、第二動作条件を個々の期間に関して設定することにも重みを付ける。つ まり、例えば再生は時間制御および/または内燃機関のNOX排出量の依存性( つまり、NOX貯蔵器のNOX貯蔵度)に重なる。これは、第一動作条件が予め定 めた一定時間になった時、あるいは一定のパーセントの貯蔵装填量になった 時にのみ、第二動作条件を設定することを意味する。この場合、走行運転に対す る時間間隔あるいはNOX貯蔵器のパーセントNOX装填度が内燃機関の他の動作 期間の場合より小さい。 この発明による排気ガス浄化方法を備えた自動車の採用に応じて、NOX貯蔵 器の再生がもっぱら走行期間、アイドリング期間および低出力期間に行える。し かし、例えば高速道路走行時に内燃機関の高出力期間を長く維持する限り、場合 によって、NOX貯蔵器が、例えば≧80%、特に≧90%の一定のNOX吸蔵度に達 すると、再生も望ましい運転状態以外で行われる。しかし、この場合、内燃機関 のタイプと第二動作条件に応じて内燃機関の出力の著しい低下となる。 内燃機関の定格出力の20%まで、特に定格出力の10%までの負荷が主に内燃機 関の低出力に当てはまる。更に、第二動作条件の間には、空気の吸引通路を絞っ て主に内燃機関へ空気の導入を低減する。これは、外部点火内燃機関で自己点火 内燃機関のように可能である。この発明の方法は特に自己点火内燃機関の場合に 特に有利に利用でき、ドイツ特許第43 420 62号明細書で周知なように、交換運 転用の第二NOX貯蔵器を設ける必要はない。 この発明による方法には、第一あるいは第二動作条件に応じて異なった排気再 循環率を持つ排気再循環部が装備されていると有利である。更に、ここでは排気 ガスの割合は第二動作条件の下でも負荷に応じて可変できる。 特に有利である第一実施例では、第一動作条件(内燃機関のリーン運転)から 第二動作条件(NOX貯蔵器の再生)に切り換えると、吸引空気に対する再循環 排気ガス流の容積比率が増加するので、内燃機関の燃焼室の酸素成分が急激に元 に戻る。全排出量の対する再循環排気ガス流のパーセント容積比の上昇には、限 界がある。一方の限界は、内燃機関の燃焼室内の燃料の燃焼が行われ、他方の限 界は煤の発生によるものである。しかし、内燃機関の動作条件に応じて、再循環 排気ガス流の容積比は90%までになり、通常80%までになる。他方、再循環排気 ガス流のパーセント容積比は小さ過ぎれば有利で、燃焼室内の酸素成分が著しく 低減する。つまり、排気ガス成分が15%,特に30%以下になるべきではない。最 も望ましいのは燃焼室の排気ガス成分が40〜70%である。 燃焼時に排気ガス成分を高めて燃焼室の酸素量を低減するため、貯蔵器の再生 に絞りを必要としないか、僅かに絞るだけでよくなる。これは、特にディーゼル 内燃機関で有利である。何故なら、ここでは、空気導入を絞る場合でも、今まで 殆どリッチ混合気を調整できないからである。 排気再循環率(EGR)を高めることは、内燃機関の低出力領域、特に内燃機 関の定格出力の20%以下である時に、特に有利に行える。この種の排気再循環制 御は内燃機関の負荷が定格出力の10%まで特に有効である。これに反して、内燃 機関の負荷が高い場合、特に内燃機関の出力低下を妨げるため、再循環排気ガス 量の低減は効果的である。 最後に説明した構成は第二の実施例を与える。この第二実施例では、第一動作 条件から第二動作条件に切り換えると、再循環排気ガス量を低減する。これは、 同時に内燃機関への空気導入を減らした時に行われるので、結局、内燃機関の燃 焼室の充填度に立ち返る。この発明による第二の方法は、内燃機関への新鮮な空 気の導入を低減して行われる出力の低下がそれほど顕著でないことに特徴がある 。これは、特にディーゼル内燃機関の場合に特に有利である。 EGRに加えて、排気ガス流の上流のNOX貯蔵器に温度が≧230℃の時に排気 ガス流に含まれるNOの少なくとも50%をNO2に変換する変換器が前置接続さ れていると、NOXの低減は著し上昇する。この変換器は温度≧200℃で、特に ≧180℃でこの変換度を達成する。通常、このような変換器は温度≧250℃で少な くとも90%のNO変換を達成する。 この代わりに、特にこれに加えて、この変換器により内燃機関の排気ガス内の NO2/NOの比が拡大するため、後続する貯蔵器に特に内燃機関の暖気再循環で 幾分NOが導入される。 このようなNOXの処理には、酸化窒素に対するNO2の成分を拡大が行われる 全ての方法、例えば排気ガス系の電気放電、好ましくはバリヤ放電、および触媒 処理、特に酸化触媒が適している。これ等の下には、特に白金群の元素を持つ酸 化触媒があり、ここでは再び白金自体が特に有利である。このような触媒は原理 的に内燃機関の排気ガス再処理触媒として知られている。 この変換器は内燃機関の排気ガス出口の近くに配置されていると有利である。 即ち、間隔≦1m,特に間隔≦70cmで有効である。 変換器を金属変換器として形成すると特に有利である。つまり、触媒作用の層 に対する担体が金属箔で作製されていると有利である。この場合、≦50μmの厚 さ、特に≦40μmの厚さの金属箔を使用すると有利で、これにより、変換器を運 転温度に特に早く上げることができる。更に、この発明によれば、変換器は主に 内燃機関のピストン変位容積の10〜25%,特に15〜20%となる全容積を有すると ことが判明している。何故なら、この比の時に最適なNOX浄化値が得られるか らである。更に、この変換器の白金装填量が60g/ft3であると好ましい。これに 反して、吸収貯蔵器の白金装填量が低いと有利である。つまり特に≦50g/ft3で あると有利である。 この発明によれば、例えば米国特許第4,755,499号明細書や、欧州特許出願公 開第0 580 389号明細書あるいはWO 94-04258号明細書にも説明されているような 通常の吸収材料を使用できる。これ等貯蔵材料全てに共通することは、これ等の 材料の動作温度が高く、特に再生時に(特に硫黄酸化物の除去時に)更に高温で ある必要がある。この種の大抵の貯蔵材料は150℃〜700℃の範囲の温度、特に30 0℃以上の温度が必要である。 好ましいNOX貯蔵材料は、排気ガス中にあるような、正味の酸化条件(酸化 剤の化学量論的な過剰)の下で窒素酸化物を一次吸蔵し、酸素量の過剰が低下す るとこのNOX貯蔵材料が減少するてことで優れている。これには、NOX貯蔵触 媒が、冒頭に述べたように、貴金属コートされていてもよい。特に三方触媒に対 する貴金属コートでコートされているとよい。NOXを溜めた貯蔵材料の再生は 、再生期間でλ≦1で有利に行われる。 通常、NOX貯蔵触媒に関して種々の反応が順次あるいは同時に経過する。そ の場合、重要な反応は、 −排気ガス中のNOをNO2に酸化 −NO2を硝酸塩として貯蔵 −硝酸塩の分解 −元に戻ったNO2を窒素と酸素に還元 である。 上で説明したように、反応の経過は取り分け触媒の温度や、触媒の活性中心の ところの反応の相手の濃度およびガスの流速にも依存する。 互いに組み合わせることのできる種々の要因により、特に直噴ディーゼルエン ジンに対して排気ガス吸収体を最適化することが低経費で可能になる。この場合 、重要な構成は、 −吸収層を導入する担体の肉厚を≦160μm,特に≦140μmに低減する −肉厚が≦50μm,好ましくは≦40μm,特に≦30μmおよび/または −吸収体を排気ガス流の温度以上の温度に加熱する である。 吸収層に肉薄のセラミックス担体を使用する場合、即ち特に≦0.14mmの肉厚の 担体を使用する場合、吸収層の温度上昇が早くなるだけでなく、厚い吸収層も使 用できることが分かった。これにより二種が達成される。つまり、一方で、貯蔵 層がより早くより高い温度となるので、再生のため短い高温期間も利用できる。 他方で、厚い吸収層を付けることにより貯蔵能力が高くなるので、内燃機関を運 転する時により吸収体のより長い貯蔵能力により貯蔵器を再生するまでにはより 長い期間を費やすので、消費を最適にした内燃機関の排気ガス流で温度の急上昇 が稀に生じても貯蔵器に不調(飽和限界に達すること)が生じない。 金属箔の担体を持つ吸収体が特に適している。その場合、金属箔は抵抗加熱体 としても接続されているので、排気ガス温度が低い時でも金属担体に電流を流し て吸収体を必要な再生温度にできる。更に、金属担体を使用して吸収層をコート した通路を種々構成できるので、例えば排気ガスの渦(擾乱流)を通路内に狙い 通りに形成できる。 特に良好な代謝にするため、吸収層の表面が少なくとも20m2/g,特に少なくと も40m2/gのように大きくする。この吸収層の孔容積が好ましくは少なくとも0.2c m3/g,特に0.4cm3/gであると有利である。その場合、微細孔と粗大孔を持つ二モ ード孔径分布が適する。これは、例えば吸収体の表面を形成するのに一定の粒径 を選んで行える。この場合、異なった粒径の混合あるいは一定の分布が適する。 吸収体の表面としては特にアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類および/ またはタンタンのグループの一つまたはそれ以上の元素を添加したγ酸化アルミ ニウムが適する。銅とマンガンも適した元素である。これ等の元素は通常酸化物 として、炭酸塩や硝酸塩としても存在する。その場合、貯蔵作用は適当な硝酸塩 や硫酸塩を形成して得られる。これ等は対応する反応条件の下で再び酸素あるい は炭化水素に移行する。これにより、特に少なくとも1%の酸素を含む排気ガス からNOXおよび/またはSOXを吸収することができる。 説明したように、吸収剤は特に高温で、しかも還元雰囲気で再び元に戻る。こ れには、排気ガスの酸素濃度を調べ、その時、酸素濃度あるいはこの酸素濃度に 一定の関係を保つ量を吸収過程あるいは放出過程を制御するのに利用すると有利 である。同じことは、排気ガス流の温度にも当てはまり、直接あるいは間接的に 求まる排気ガス流の温度が重要である。温度は、例えば排気ガス流あるいは担体 の温度を測定して求めることができる。内燃機関の特性図による温度測定も可能 である。 吸収層を少なくとも50μm,特に少なくとも70μm,特に好ましくは少なくと も50μmの厚さで作製すると有利である(断面の平均膜厚はセラミックスでこれ 等の値であり、金属の場合、半分の値である)。その場合、吸収層のこの膜厚は 吸収体の好ましくは少なくとも50%,特に少なくとも80%以上に成っていると有 利である。そのような膜厚は、通常の吸収体に比べて、貯蔵容量を高くし、上に 説明した再生するまでの期間を長くする。 貯蔵器からNOXを放出したり変換するため、および貯蔵器から硫黄酸化物を 放出するため、種々の温度が必要である(後者の場合が高温)から、更に硫黄酸 化物(特に硫酸塩として存在するもの)の放出は長期間あるいは必要な時に行う ように処理できるので、硫黄酸化物の放出に必要な高温に貯蔵器を時折加熱する だけでよい。これによっても、貯蔵器が早く劣化することを防止できるため、吸 収体の長期間安定性が特に良好に達成される。 排気ガス浄化部を併せ備えたこの発明による内燃機関は上に説明した構成を有 するので有利である。 以下、一実施例と図面に基づきこの発明をより詳しく説明する。 ここに示すのは、 図1,排気ガス浄化部と排気ガス再循環部を備えたディーゼル内燃機関、 図2,NOX貯蔵触媒を再生するブロック回路図、 図3,NOX貯蔵触媒の表面の原理断面図、および 図4,個々のエンジン特性のグラフ、 である。 図1に示す内燃機関1(1.9l,4気筒、ディーゼル直噴器、66kW)には空気 導入通路2と排気ガス装置3がある。この排気ガス装置3から排気ガス再循環導 管4が空気導入通路2に通じている。この排気ガス再循環導管により結局NOX の粗放出の低減が行われる。 排気ガス装置3の中には変換器5がエンジン近くに配置されている。この変換 器はディーゼル内燃機関1のシリンダー変位容積の15%の容積を持っている。排 気ガス排出部6と変換器5の間の間隔は約20cmである。更に、この排気ガス装置 3の中には変換器5の後ろ約70cmのところに通常のNOX貯蔵触媒7が配置され 、この後で排気ガスが放出される。 変換器5には、白金装填量が70g/ft3のγ酸化アルミニウム・ウォッシュコー トを付けた金属箔担体がある。NOX貯蔵触媒は蜂の巣上のセラミックス担体で 形成されている。このセラミックス担体上には、更に下で詳しく説明するγ酸化 アルミニウム・ウォッシュコートが付けてある。 空気導入通路2には排気ガス再循環導管4の合流部の上流にサーボモータ9で 開閉するスロットル弁8が配置されている。 排気ガス再循環導管4には排気ガス装置3から内燃機関1の空気導入部11に 戻される排気ガス量を制御する調整弁10がある。 更に、NOX貯蔵器7の前で排気ガス装置3の中へ広帯域ラムダプローブ12 が挿入されている。このブローブにより排気ガス装置3内の排気ガスが酸素含有 に関して均衡しているかリッチであるかを測定できる。広帯域ラムダプローブ1 2の信号は制御部13に導入される。この制御部13は空気導入絞り部8のサー ボモータ8と排気ガス再循環部4の調整弁10を制御する。更に、制御部13に はエンジン関連する他の値、例えば回転数nとアクセルペダル14の負荷値のよ うな値を受け取る。 内燃機関1の通常の運転では、スロットル弁8は全開で(排気ガス温度が約≧ 150℃の時に)NOX貯蔵器7は大体NO2を吸蔵する。このNO2は内燃機関1の 排気ガス中にあるか、あるいは変換器5中で排気ガスからNOを酸化して得られ るものである。第一動作条件(リーン)の下で内燃機関を運転している間には、 制御部13は特性図と詳細なエンジンデータにより排気ガス流の窒素酸化物の値 、従ってNOX貯蔵器7の窒素酸化物の吸蔵量を求める。条件の一つ、走行、ア イドリングあるいは低出力範囲に入り、NOX貯蔵器7がNO2を20%の吸蔵した り(走行あるいはアイドリング時),50%の吸蔵する(低出力範囲の時)と、制 御部13によりNOX貯蔵器7の再生が行われる。これには、スロットル弁8が 一部閉ざされるので、空気導入部11への新鮮な空気の導入が著しく低減する。 同時に、調整弁10が開くので、排気ガス再帰還率が高くなる。これにより、内 燃機関が空気の不足(リッチ)で動作し、このため、場合によって、内燃機関1 の燃焼室への燃料噴射量を高める。 再生期間(第二動作条件)では、場合によって、排気ガス流中に未だある残留 酸素が変換器5中で排気ガス流中にあるHCやCO放出物と共に変換される。そ の結果、NOX貯蔵器7の入口で(広帯域ラムダプローブ12により制御されて )酸素のない排気ガスを利用できる。特に排気ガス流中に未だ残っているCO放 出物を用いて、また残留HCを用いても、NOX貯蔵器7の中に吸蔵されていた 窒素酸化物がNOX貯蔵器の貴金属で変換される。数秒後にNOX貯蔵器7は再生 されるので、制御部13はスロットル弁8と調整弁10を再び第一動作条件の位 置に戻す。 ERGを高めることにより、内燃機関の排気ガスのオバーヒートが行われなく なる。これにより、一方で変換器5とNOX貯蔵器7が保護され、他方でNOX貯 蔵器7を再生するため燃料の低減された量を必要とすることになる。 上に述べた再生過程を図2で詳しく説明する。再生を何時すべきかの判定は、 実質上パラメータ、 −貯蔵器のNOXの吸蔵量、 −エンジンの動作状態、 −貯蔵器のNOXの温度、 に従って行う。 貯蔵器の再生後、先ず吸蔵計数器21をゼロ(30)にセットする。放出で空 になったNOX貯蔵器7のNOXの再吸蔵量はこのNOX貯蔵器の前後にそれぞれ 一つあるNOXセンサの差動信号により直接検出されるか、あるいは間接的によ り低経費で、エンジンの動作データを評価して近似的に検出される。欧州特許第 0 560 991号明細書により、吸蔵量は最後の再生以降のエンジンの積算回転数か らも導くことができるが、アクセルペダル位置とエンジン回転数nから求まるエ ンジンの積算出力の検出が有利である。少し精度が劣るが、最後の再生以後エン ジンで消費した燃料の量の積算も可能である。NOX貯蔵器のNOX吸蔵率は、実 質上、排気ガス流または貯蔵器中の温度検知素子によりあるいは特性図から求ま る貯蔵器の温度と、回転数と噴射燃料の量から近似的に算出できる空間速度とに より求まるので、これ等の値はNOXの吸蔵量を計算する時に一緒に配慮される 。この場合、実際の全吸蔵量の±30%までの偏差が許せる。何故なら、NOX貯 蔵器の吸蔵能力は全吸蔵量の増加と共に先ず僅かに低下し、約3/4満たした吸蔵 器の再生は著しい困難を伴わないからである。 NOX貯蔵器の吸蔵状態BZの問合22により、吸蔵状態が少ない場合、更に 第一動作状態で「再生=オフ」23を行う。所定の最大吸蔵状態を越えると、初 めてエンジン負荷24を問い合わせる。この場合、アクセルペダル14のゼロ位 置を検知したら、次に回転数25を問い合わせる。エンジン負荷がある限り、り 「再生=オフ」23に関するループと吸蔵状態22の問合を新たに行う。この場 合、NOX貯蔵器7の吸蔵量の増加と共に、増加するエンジン負荷を「低」とし て格付けする。その結果、満杯の貯蔵器7はより高いエンジン負荷でも再生され る。この問合は、再生と共に、例えば空気の導入を絞ること、EGR率を高める および/または噴射量を高めることにより、内燃機関1の効率の低下が同時に生 じるので、行われる。その外、再生をできる限り平均出力になった時までに行う べきである。 回転数の問合25により、アイドリング回転数より低い回転数の時のエンジン の停止を防止すべきである。エンジン1の回転数nも充分高い限り、更に温度の 問合26も行う。貯蔵器の再生はCOが貯蔵器の貴金属のところのNO2と反応 する温度に頼らざるをえないので、貯蔵器の温度を約180℃のこの反応しきい値 以上にする必要がある。貯蔵器の材料に応じて最低温度は他の値にもなる。 上記の全ての判定条件が満たされると、絞りにより8および/またはEGR弁 10を開いて、および/または噴射量を高めて再生を行う27。同時に、ラムダ プローブ12により、排気ガスがリッチであるか否か、そのため未だ一定時間を 経過させるかを問い合わせる28。問合28が「リッチ」以上のラムダである限 り、対応する問合順の21で排気ガスのNOX値を更に積算する。ラムダプロー ブ12の排気ガスが「リッチ」と分かれば、貯蔵器7の再生から出る。再生は再 生時間29を経過した後「確実にリッチ」となるラムダしきい値以下になると終 了し、リッチ時間を経過する前にエンジン負荷24の問合サイクルを始めて繰り 返す。リッチ時間の経過すると吸蔵計数器21はゼロにセットされる。 リッチな排気ガスの確実な認識はラムダが約≦0.9の時である。<1.05から0.5 までの値が可能である。再生時間の算出には、貯蔵器の充填量と還元剤の供給が 重要である。リッチ状態での貯蔵器の再生時にはCOが主還元成分である。その 場合、1モルのNOXを変換するのに、2モルのCOが必要で、これは導入され たNO2のグラム当たり1.22gのCOに相当する。 小さなラムダに絞ったエンジンのCO供給に応じて、必要な最低再生時間(リ ッチ時間、最大)が算出できる。絞りを強くすると共に、エンジンのCO供給も 増加し、最低再生時間も減少する。最低再生時間は貯蔵部を完全に空にすること を保証するため、好ましくは50%まで、好ましくは20%〜40%だけ、特に約30% だけ上方に修正するとよい。使用する内燃機関、排気ガス中にある還元剤の分布 (HC,CO,H2),貯蔵器の温度、空間速度、貯蔵媒体、ウォッシュコート 、流れの状況および触媒の容積に応じて、時間修正係数は−50%〜300%となる 。時間修正係数は適当に実験的に求めることができる。 問合では「再生オン」と「再生オフ」の間を頻繁に交互に切り換えることを避 けるため、ヒステリシスを付けると有利である。このヒステリシスは、エンジン 負荷、回転数および貯蔵器の温度に付けると有利である。超過の度合は再びその 時の乗物の構造に従い、例えば目標値の±5%であると有利である。この場合、 ±30%まで可能である。 図3に詳しく示すNOX貯蔵器7は三領域触媒であり、そのコートの流れ通路 の断面を原理図にして示す。矢印31は排気ガスの流れ方向を示す。 NOX貯蔵器7はは蜂の巣状のセラミック担体32の上に形成されている。こ の担体の表面33に前方ウォッシュコート34と後方ウォッシュコート35が付 けてある。前方ウォッシュコート34には、例えば欧州特許出願公開第195 22 9 13号明細書の第6頁、第41〜46行に説明してあるような、γ酸化アルミニウムが 実質上含まれている。後方ウォッシュコート35はこれに合わせて構成されてい るが、更にセリウム(酸化セリウムとして)を含む。その場合、セリウムの成分 は好ましくは少なくとも1g/ft3であり、特に3g/ft3〜8g/ft3の範囲にある。変 換器5を使用して、貯蔵触媒7は前方領域36で貴金属コートなしに形成されて いるか、あるいは貴金属コートが低く選択されている。例えば、40g/ft3まで、 特に20g/ft3までに選択されている。これにより、NOX貯蔵器7の化学吸収率が 向上する。NOX,特にNO2を吸収するため、ウォッシュコート34は前方部分 36にわたり(ウォッシュコート34上にただ記号で示すが実際にはその中に含 まれている)バリウム、ランタンおよびナトリウムを含む。これ等の物質はNOX 貯蔵器7が吸蔵する時に排気ガスのNO2と共に対応する硝酸塩を形成し、第二 動作条件の下で対応する酸化物に戻される。 NOX貯蔵器7の後方領域では、ウォッシュコート層34と35の上に貴金属 コート37が付けてある。この貴金属コートは通常の三方触媒コートに対応する 。この場合、貴金属は0.1n〜10n,特に1nの周りの通常の粒径を持っている。貴 金属としては、特に白金あるいは元素、ロジウムとパラジウムの少なくとも一つ を伴う白金混合物を使用する。好ましければ、NOX貯蔵性のコート36は下流 に置かれた層の中にも無害な状態で延びているので、NOX貯蔵器7の作製は難 しくない。貴金属コート37は好ましくは30g/ft3〜100g/ft3の範囲、この実施 例では46g/ft3である。 説明した構成により、NOX貯蔵器7の上には三つの区域、 前方 NOX貯蔵材料プラス通常のウッォシュコート、 中間 貴金属プラス通常のウッォシュコート、 後方 貴金属プラス酸素を蓄えたウッォシュコート、 が生じる。 酸素を蓄えたウッォシュコートにより、第二動作条件の間に排気ガスと共にN OX貯蔵器7に流入するNOXで変換せず、NOXの還元に使用されるCOとHC の残量は、それ自体と反応してCO2と水になるため、層35の中に貯蔵された 酸素で酸化するので、再生時のCOとHCの脈動は大幅に排除される。 図4は両方の動作条件の間を切り換える時にディーゼル内燃機関1に対する個 々の関係を示す。時間0まで、および時間3s後は、第一動作条件であり、この時 間間隔は通常30s〜2000sの範囲にある。範囲0s〜3sで第二動作条件に切り換え ると、スロット弁8は開位置(90°)から約5°,つまりほぼ完全に閉じた状態 になる。同時に、燃料噴射が1.5l/hから10l/hに上昇する。これにより、約2kW のほぼ不変のエンジン出力の時にCOの粗放出物は10g/hから8,000g/hに上昇す る。同時に、排気ガスの流れは40kg/hから15kg/hに低下する。
【手続補正書】 【提出日】平成11年6月9日(1999.6.9) 【補正内容】 明細書 NOX排気ガス浄化方法 この発明は、請求項1の前段による内燃機関に対する排気ガス浄化方法および 請求項26による内燃機関に関する。 ドイツ特許出願公開第195 22 913号明細書により、排気ガス管内に予備触媒と 主触媒を有するスパーク・イグニッション内燃機関が知られている。この主触媒 は通常の三方触媒として形成され、このウォシュコート(Washcoat)は酸素貯蔵 部として働くセリウムを含む。予備触媒には流れの上流にウォシュコート内にセ リウムを含まない領域がある。セリウムを含まない領域の触媒コートはパラジウ ムで、通常の三方触媒コート、白金/ロジウムが続く。この内燃機関は化学量論 的な混合物で動作する。つまり、λ=1である。ここに説明する触媒コートによ り、触媒がλ=1の周りで非常に急激に変動する、実際のリッチ排気ガス条件、 つまり濃厚混合排気ガス条件や、リーン排気ガス条件、つまり希薄混合排気ガス 条件に対して安定であることになる。この排気ガス浄化原理は、希薄混合オット ーエンジン(Magermix-Otto-Motoren)やディーゼルエンジンのような燃料をリ ーン動作する内燃機関には移行させることはできない。何故なら、この周知の排 気ガス放出制御装置は理論的な空燃比(λ=1)でのみ劣化に対して安定である からである。 更に、オットーリーンエンジンに対してリーン運転で窒素酸化物を先ず触媒設 計に依存する負荷限界まで貯蔵するNOX貯蔵触媒が知られている。これに次い で、NOX貯蔵触媒を再生させるため、化学量論的に濃縮状態のあるいは軽くリ ッチな運転が行われ、次いで再びリーン運転が続く。NOX貯蔵触媒の回収率は 非常に高く、λ≦1で貯蔵放出とNOXの変換を伴う全NOXの減少はリーン・オ ットエンジンの場合、新しい状態で>90%となる。原理的にはこのようなNOX 貯蔵触媒はディーゼル車両でも使用でき、その場合、NOXの貯蔵を補償するた め幾分大きめに設計しておくと有利である。しかし、オットーエンジンとは異な り、ディーゼルエンジンは常時過剰な空気で動作するので、どんな運転状態の間 でもλ>1である。従って、NOX貯蔵触媒の負荷は問題なく可能であり、 例えば排気ガス管に燃料を噴射し、排気ガスを濃縮して再生することは、一方で 許容できない燃料消費の上昇と、他方でディーゼル排気ガスの酸素含有量の増加 のため酸化熱を上昇させる。何故なら、蓄えてあるNOXを変換させる前に噴射 した燃料が酸化するからである。これにより、触媒を破壊する恐れが生じる。 ドイツ特許出願公開第43 42 062号明細書により、排気ガス流を再生させるた めNOX貯蔵器を止めるディーゼル内燃機関の排気ガス浄化装置が知られている 。これは、貯蔵器の容量が一杯なると規則的に行われる。再生期間中に更にNOX を放出しないため、排気ガス流は第二のNOX貯蔵器を経由して案内される。こ の代わりに、排気ガスを絞り、複雑な再生アルゴリズムを導入する。この場合に は機能の信頼性に問題がある。その外、NOX貯蔵器を二重にするため著しい経 費がかかるが、この経費にもかかわらず、条件付きでのみ排気ガスを良好に浄化 できる。 米国特許第4,755,499号明細書により、例えば自動車の排気ガスから窒素酸化 物と硫黄酸化物の可逆貯蔵が知られている。この場合、吸収装置を還元性の雰囲 気中で加熱させて再生させる。その場合、同時に窒素酸化物が減少する。 そのような貯蔵触媒は、欧州特許出願公開第0 580 389号明細書で自動車に使 用するために詳しく説明されている。ここでも、吸収装置を再生するため、高温 (500℃)が必要である。これにより、貯蔵触媒の使用は排気ガス温度が高い自 動車にのみ可能である。つまり特にオットーエンジンを有する自動車でのみ可能 である。しかし、ここでも使用は条件付きでのみ可能である。何故なら、例えば 都市交通で行われるような内燃機関の一定の運転条件下で、加速期間により窒素 酸化物の放出が多量であるが、高温にはされない。この温度は吸収装置を特に硫 黄酸化物から再生させるために必要である。 欧州特許出願公開第0 560 991号明細書により、貯蔵触媒と前置接続および後 置接続されたそれぞれ一つの三方触媒装置とを備えたオットーエンジンが知られ ている。吸収装置の前に接続された三方触媒装置をエンジンの近くに配置するこ とにより、この触媒装置はオットーエンジンの寒冷時スタート後に非常に早く昇 温するので、早く触媒活性となる。触媒活性に達すると、前置接続されている三 方触媒装置はオットー内燃機関の暖気運転期間中に増加するHCやCOを変換し 、 同時にNOXが減る。これにより、オットー内燃機関の暖気運転期間中にNOX貯 蔵器がNOXを蓄えるのに必要な温度に未だ達していなくても、排気ガス中のN OXを減らすことになる。この装置と方法はオットーエンジンの場合にのみ有効 である。何故なら、ディーゼルエンジンは排気ガスのNOX成分を減らすため、 暖気運転期間中でも充分なCOやHCを放出しないからである。暖気運転期間中 の排気ガス浄化が良好であることを別にすれば、前置された触媒装置を備えてい るオットーエンジンはNOXの低減をより良く行っていない。その外、この刊行 物により、一方でディーゼル内燃機関への空気導入を絞ること、他方で燃料噴射 に基づきディーゼル内燃機関でNOXを低減する二つの方法が周知である。しか し、そのようなNOX貯蔵器を装備したディーゼル内燃機関は排気ガスの温度が 高いと、NOX貯蔵器内のNOX貯蔵を著しく低減する。 これ等全ての例に共通することは、特に直噴内燃機関および/またはディーゼ ル内燃機関の場合、内燃機関の濃縮混合運転がNOX貯蔵器を再生するためしば しば問題となる点にある。つまり、この場合、排気ガスの温度は一方で高すぎ、 他方で余りにも大きな性能低下となる。更に、NOX貯蔵器の大きさに応じて、 ノッキングする。つまりNOX貯蔵器に流入するNOXは充分な貯蔵能力があって も、吸収されないか、あるいはNOX貯蔵器を再生するためこの中に流れる炭化 水素が一部このNOX貯蔵器から排出する。 この発明の課題は、NOX貯蔵器が流入するNOXの高い親和度および/または 炭化水素の再生に対する高い変換率を有する窒素酸化物の吸収装置を備えた内燃 機関を運転する方法を利用することにある。更に、この課題に対して対応する内 燃機関も提供することにある。 冒頭の述べた種類の方法にあって上記の課題は請求項1および/または3の特 徴構成により解決されている。内燃機関に関しては、上記の課題は請求項26項 の構成により解決されている。 従属請求項は有利な実施態様を示すもので、この実施態様により、特に直接噴 射内燃機関の場合のような非常に低い排気ガス温度でも、寒冷時始動後、吸収機 能を早めに使用できる。更に、これ等の従属請求項により内燃機関の運転条件が 異なっていても、NOX貯蔵器を快適に再生できる。その外、これ等の従属請求 項によりNOXと炭水化物を低コストと高効率で変換できる。 この発明の第一の構成によれば、NOX貯蔵器は少なくとも前部分(あるいは 領域)にわたり貴金属の装填が少ないか、まったくない。この領域には下流に貴 金属の装填の少ない部分が続き、この部分はNOX貯蔵器の上および/またはN OX貯蔵器に後続している。 NOX貯蔵器の排気ガスは貴金属の乏しいあるいは貴金属を含まない領域の上 に案内される限り、排気ガスを予めNOのNO2への処理にかける時に特に有利 である。これは、以下にもっと詳しく説明するように、NOX貯蔵器に前置接続 されている変換器および/またはNOX貯蔵器の入口領域で行われる。NOX貯蔵 能力をより良好に利用するため、変換器を前置すると有利である。 この発明により、貴金属を僅かに装填しているか、あるいは全く持っていない NOX貯蔵器は(例えば空間速度のような条件を同じにしている場合)化学吸着 率が高く、貯蔵能力が高いことが確実になった。 この排気ガス処理はこの発明の第二の構成に有利に結び付き、この第二の構成 によれば、NOX貯蔵器が上流にある部分全体あるいは少なくともその部分で酸 素貯蔵機能が低いかあるいは全くないが、排気ガスはNOX貯蔵器の下流および /またはNOX貯蔵器に後続して酸素貯蔵器の上を流れる。 NOX貯蔵器の下流に達する領域に、あるいはこれに後続して配置されている この発明による酸素貯蔵器により、COやHCの突発がNOX貯蔵器を再生する 時に減ったり無くなる。酸素貯蔵器はλ>1の時に酸素を吸蔵し、λ<1の時に 再び放出する。即ち、リッチ、つまり濃厚混合の排気ガスがNOX貯蔵器を貫通 し、酸素貯蔵器に達すると、蓄られていた酸素が放出され、同時にあるいは次い でリッチな排気ガスのCOとHCが酸化する。この酸化には、通常の貴金属コー ト、特に白金コートで充分で、三方触媒コートが例えば白金/ロジウムであると 有利である。好ましくは、貴金属コートが酸素貯蔵器の上に装着され、この酸素 貯蔵器に更にあるいはその代わりに後置接続されていてもよい。 NOX貯蔵器が酸素貯蔵器と共に排気ガス流の中にある限り、両方の貯蔵器の 間に酸素貯蔵機能を持たない(あるいは酸素貯蔵器に比べて酸素貯蔵機能の少な い)触媒貴金属コートを配置すると有利である。この触媒コートは同時にNOX 貯蔵機能もあるが、好ましくはここではNOX貯蔵機能も酸素貯蔵機能もない( 少なくとも著しくはない)とよい。 この発明の有利な実施例では、排気ガスは少なくとも4つの機能ステーション を経由して以下の順で通過する。つまり、 1.NOのNO2への変換器(白金の装填量の多い、例えば70g/ft3の酸化触 媒), 2.貴金属コートのないかまたは僅かにあり、特に酸素貯蔵能力のないかま たは僅かにあるNOX貯蔵器(例えば、γ酸化アルミニウム上のアルカ リ、アルカリ土類および/またはランタン), 3.NOXおよび/または酸素の貯蔵機能のないかまたは僅かにある貴金属 触媒、特に三方触媒、 4.酸素貯蔵機能のある貴金属触媒、特に三方触媒(例えばセリウムを含む 酸化アルミニウムのウオッシュコート)。 これ等のステーションのうち第一のステーションは、好ましくは内燃機関の排 気ガス排出部の近くに配置されていて、残りのステーションは、好ましくは二つ あるいは全て共通の支持材料の上に配置するとよい。 この発明では、特に貴金属の装填量が少ないか、あるいはないNOX貯蔵領域 を使用する場合、排気ガスの空間速度が500,000/hになり、この速度ではターボ エンジンを使用する時にも変換効率が落ち込まないことが分かっている。従来の NOX貯蔵器は、そのような大きな空間速度の場合、NOXの変換効率に著しい落 ち込みを示す。 この発明によるNOX排気ガス浄化方法では、例えば米国特許第4,755,499号明 細書、欧州特許出願公開第0 580 389号明細書および欧州特許出願公開第0 560 9 91号明細書により周知のような従来のNOX貯蔵器を使用できる。これ等のNOX 貯蔵器では第二動作条件の平均期間が第一動作条件の平均期間より著しく短いの 普通である。つまり、排気ガスは比較的長い期間(例えば平均10秒から5分)リ ーン、つまり希薄混合で、短い期間(例えば0.1〜5秒、特に0.5〜3秒)リッチ 、つまり濃厚混合であるかλ=1である。リーン混合動作は再生動作より少なく とも二倍、特に少なくとも三倍長くすると有利である。 内燃機関に関するこの発明による排気ガス処理では、内燃機関の排気ガスをN OX貯蔵器に導き、このNOX貯蔵器は第一動作条件の下で導入された排気ガスか らNOXを蓄える。第一動作条件は、特に排気ガス中で正味の酸化条件(λ>1 およびλ>1.1)となるような条件で、排気ガス流の温度は150℃以上、特に200 ℃以上であるべきである。第一動作条件とは異なる第二動作条件の下では、NOX 貯蔵器は吸蔵したNOXを再び放出し、このNOXは特に直後にあるいは直ぐ減 少する。第二動作条件は、特に排気ガスが蓄えた窒素酸化物を還元するのに充分 な量の還元剤と一緒に案内されるような動作条件である。これは、特にλ(化学 量論の空燃比)≦1.05で、特に≦1.0の場合である。 この発明による排気ガス浄化方法では、従来の技術とは異なり、貯蔵器の装填 量あるいは時間経過を問い合わせることが単に行われるだけで、貯蔵器の一定の 装填量に達すると、あるいは所定の時間経過後にNOX貯蔵器を再生する。もっ とも、この発明によれば、内燃機関の状態を問い合わせ、内燃機関の低出力時、 および/または走行期間および/またはアイドリング期間にある時、再生(即ち 、第二動作条件の設定)を目的通りに行う。走行運転での再生がアイドリング運 転に続くと特に有利で、内燃機関が低出力の時には有利さが少ない。内燃機関の 走行運転では、再生が何らかの快適さを損なうことなく行われる。何故なら、内 燃機関に何ら負担をかけないからである。アイドリング運転でも、第二動作条件 の設定は比較的問題にはならない。何故なら、ここでは内燃機関に推進効率を犠 牲にしないからである。しかし、第二動作条件を設定して内燃機関のアイドリン グ回転数を簡単に可変できる。内燃機関の出力が低い場合でもNOX貯蔵器の快 適な再生が可能である。何故なら、第二動作条件で未だ内燃機関の低出力値に調 節できるので、ここでも実用上自動車のドライバーにとって内燃機関の著しい出 力損失とならないからである。 第二動作条件を設定する時の内燃機関の個々の期間の上に述べた有利な序列に 応じて、第二動作条件を個々の期間に関して設定することにも重みを付ける。つ まり、例えば再生は時間制御および/または内燃機関のNOX排出量の依存性( つまり、NOX貯蔵器のNOX貯蔵度)に重なる。これは、第一動作条件が予め定 めた一定時間になった時、あるいは一定のパーセントの貯蔵装填量になった 時にのみ、第二動作条件を設定することを意味する。この場合、走行運転に対す る時間間隔あるいはNOX貯蔵器のパーセントNOX装填度が内燃機関の他の動作 期間の場合より小さい。 この発明による排気ガス浄化方法を備えた自動車の採用に応じて、NOX貯蔵 器の再生がもっばら走行期間、アイドリング期間および低出力期間に行える。し かし、例えば高速道路走行時に内燃機関の高出力期間を長く維持する限り、場合 によって、NOX貯蔵器が、例えば≧80%、特に≧90%の一定のNOX吸蔵度に達 すると、再生も望ましい運転状態以外で行われる。しかし、この場合、内燃機関 のタイプと第二動作条件に応じて内燃機関の出力の著しい低下となる。 内燃機関の定格出力の20%まで、特に定格出力の10%までの負荷が主に内燃機 関の低出力に当てはまる。更に、第二動作条件の間には、空気の吸引通路を絞っ て主に内燃機関へ空気の導入を低減する。これは、外部点火内燃機関で自己点火 内燃機関のように可能である。この発明の方法は特に自己点火内燃機関の場合に 特に有利に利用でき、ドイツ特許第43 42 062号明細書で周知なように、交換運 転用の第二NOX貯蔵器を設ける必要はない。 この発明による方法には、第一あるいは第二動作条件に応じて異なった排気再 循環率を持つ排気再循環部が装備されていると有利である。更に、ここでは排気 ガスの割合は第二動作条件の下でも負荷に応じて可変できる。 特に有利である第一実施例では、第一動作条件(内燃機関のリーン運転)から 第二動作条件(NOX貯蔵器の再生)に切り換えると、吸引空気に対する再循環 排気ガス流の容積比率が増加するので、内燃機関の燃焼室の酸素成分が急激に元 に戻る。全排出量の対する再循環排気ガス流のパーセント容積比の上昇には、限 界がある。一方の限界は、内燃機関の燃焼室内の燃料の燃焼が行われ、他方の限 界は煤の発生によるものである。しかし、内燃機関の動作条件に応じて、再循環 排気ガス流の容積比は90%までになり、通常80%までになる。他方、再循環排気 ガス流のパーセント容積比は小さ過ぎれば有利で、燃焼室内の酸素成分が著しく 低減する。つまり、排気ガス成分が15%,特に30%以下になるべきではない。最 も望ましいのは燃焼室の排気ガス成分が40〜70%である。 燃焼時に排気ガス成分を高めて燃焼室の酸素量を低減するため、貯蔵器の再生 に絞りを必要としないか、僅かに絞るだけでよくなる。これは、特にディーゼル 内燃機関で有利である。何故なら、ここでは、空気導入を絞る場合でも、今まで 殆どリッチ混合気を調整できないからである。 排気再循環率(EGR)を高めることは、内燃機関の低出力領域、特に内燃機 関の定格出力の20%以下である時に、特に有利に行える。この種の排気再循環制 御は内燃機関の負荷が定格出力の10%まで特に有効である。これに反して、内燃 機関の負荷が高い場合、特に内燃機関の出力低下を妨げるため、再循環排気ガス 量の低減は効果的である。 最後に説明した構成は第二の実施例を与える。この第二実施例では、第一動作 条件から第二動作条件に切り換えると、再循環排気ガス量を低減する。これは、 同時に内燃機関への空気導入を減らした時に行われるので、結局、内燃機関の燃 焼室の充填度に立ち返る。この発明による第二の方法は、内燃機関への新鮮な空 気の導入を低減して行われる出力の低下がそれほど顕著でないことに特徴がある 。これは、特にディーゼル内燃機関の場合に特に有利である。 EGRに加えて、排気ガス流の上流のNOX貯蔵器に温度が≧230℃の時に排気 ガス流に含まれるNOの少なくとも50%をNO2に変換する変換器が前置接続さ れていると、NOXの低減は著し上昇する。この変換器は温度≧200℃で、特に≧ 180℃でこの変換度を達成する。通常、このような変換器は温度≧250℃で少なく とも90%のNO変換を達成する。 この代わりに、特にこれに加えて、この変換器により内燃機関の排気ガス内の NO2/NOの比が拡大するため、後続する貯蔵器に特に内燃機関の暖気再循環 で幾分NOが導入される。 このようなNOXの処理には、酸化窒素に対するNO2の成分を拡大することが 行われる全ての方法、例えば排気ガス系の電気放電、好ましくはバリヤ放電、お よび触媒処理、特に酸化触媒が適している。これ等の下には、特に白金群の元素 を持つ酸化触媒があり、ここでは再び白金自体が特に有利である。このような触 媒は原理的に内燃機関の排気ガス再処理触媒として知られている。 この変換器は内燃機関の排気ガス出口の近くに配置されていると有利である。 即ち、間隔≦1m,特に間隔≦70cmで有効である。 変換器を金属変換器として形成すると特に有利である。つまり、触媒作用の層 に対する担体が金属箔で作製されていると有利である。この場合、≦50μmの厚 さ、特に≦40μmの厚さの金属箔を使用すると有利で、これにより、変換器を運 転温度に特に早く上げることができる。更に、この発明によれば、変換器は主に 内燃機関のピストン変位容積の10〜25%,特に15〜20%となる全容積を有するこ とが判明している。何故なら、この比の時に最適なNOX浄化値が得られるから である。更に、この変換器の白金装填量が60g/ft3であると好ましい。これに反 して、吸収貯蔵器の白金装填量が低いと有利である。つまり特に≦50g/ft3であ ると有利である。 この発明によれば、例えば米国特許第4,755,499号明細書や、欧州特許出願公 開第0 580 389号明細書あるいはWO 94-04258号明細書にも説明されているような 通常の吸収材料を使用できる。これ等貯蔵材料全てに共通することは、これ等の 材料の動作温度が高く、特に再生時に(特に硫黄酸化物の除去時に)更に高温で ある必要がある。この種の大抵の貯蔵材料は150℃〜700℃の範囲の温度、特に30 0℃以上の温度が必要である。 好ましいNOX貯蔵材料は、排気ガス中にあるような、正味の酸化条件(酸化 剤の化学量論的な過剰)の下で窒素酸化物を一次吸蔵し、酸素量の過剰が低下す るとこのNOX貯蔵材料が減少するてことで優れている。これには、NOX貯蔵触 媒が、冒頭に述べたように、貴金属コートされていてもよい。特に三方触媒に対 する貴金属コートでコートされているとよい。NOXを溜めた貯蔵材料の再生は 、再生期間でλ≦1で有利に行われる。 通常、NOX貯蔵触媒に関して種々の反応が順次あるいは同時に経過する。そ の場合、重要な反応は、 −排気ガス中のNOをNO2に酸化 −NO2を硝酸塩として貯蔵 −硝酸塩の分解 −元に戻ったNO2を窒素と酸素に還元 である。 上で説明したように、反応の経過は取り分け触媒の温度や、触媒の活性中心の ところの反応の相手の濃度およびガスの流速にも依存する。 互いに組み合わせることのできる種々の要因により、特に直噴ディーゼルエン ジンに対して排気ガス吸収体を最適化することが低経費で可能になる。この場合 、重要な構成は、 −吸収層を導入する担体の肉厚を≦160μm,特に≦140μmに低減する、 −肉厚が≦50μm,好ましくは≦40μm,特に≦30μmである金属担体を使用す る、および/または、 −吸収体を排気ガス流の温度以上の温度に加熱する、 である。 吸収層に肉薄のセラミックス担体を使用する場合、即ち特に≦0.14mmの肉厚の 担体を使用する場合、吸収層の温度上昇が早くなるだけでなく、厚い吸収層も使 用できることが分かった。これにより二種が達成される。つまり、一方で、貯蔵 層がより早くより高い温度となるので、再生のため短い高温期間も利用できる。 他方で、厚い吸収層を付けることにより貯蔵能力が高くなるので、内燃機関を運 転する時に吸収体のより長い貯蔵能力により貯蔵器を再生するまでにはより長い 期間を費やすので、消費を最適にした内燃機関の排気ガス流で温度の急上昇が稀 に生じても貯蔵器に不調(飽和限界に達すること)が生じない。 金属箔の担体を持つ吸収体が特に適している。その場合、金属箔は抵抗加熱体 としても接続されているので、排気ガス温度が低い時でも金属担体に電流を流し て吸収体を必要な再生温度にできる。更に、金属担体を使用して吸収層をコート した通路を種々構成できるので、例えば排気ガスの渦(擾乱流)を通路内に狙い 通りに形成できる。 特に良好な代謝にするため、吸収層の表面が少なくとも20m2/g,特に少なくと も40m2/gのように大きくする。この吸収層の孔容積が好ましくは少なくとも0.2c m3/g,特に0.4cm3/gであると有利である。その場合、微細孔と粗大孔を持つ二モ ード孔径分布が適する。これは、例えば吸収体の表面を形成するのに一定の粒径 を選んで行える。この場合、異なった粒径の混合あるいは一定の分布が適する。 吸収体の表面としては特にアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類および/ またはランタンの族の一つまたはそれ以上の元素を添加したγ酸化アルミニウム が適する。銅とマンガンも適した元素である。これ等の元素は通常酸化物として 、炭酸塩や硝酸塩としても存在する。その場合、貯蔵作用は適当な硝酸塩や硫酸 塩を形成して得られる。これ等は対応する反応条件の下で再び酸素あるいは炭化 水素に移行する。これにより、特に少なくとも1%の酸素を含む排気ガスからN OXおよび/またはSOXを吸収することができる。 説明したように、吸収剤は特に高温で、しかも還元雰囲気で再び元に戻る。こ れには、排気ガスの酸素濃度を調べ、その時、酸素濃度あるいはこの酸素濃度に 一定の関係を保つ量を吸収過程あるいは放出過程を制御するのに利用すると有利 である。同じことは、排気ガス流の温度にも当てはまり、直接あるいは間接的に 求まる排気ガス流の温度が重要である。温度は、例えば排気ガス流あるいは担体 の温度を測定して求めることができる。内燃機関の特性図による温度測定も可能 である。 吸収層を少なくとも50μm,特に少なくとも70μm,特に好ましくは少なくと も90μmの厚さで作製すると有利である(断面の平均膜厚はセラミックスでこれ 等の値であり、金属の場合、半分の値である)。その場合、吸収層のこの膜厚は 吸収体の好ましくは少なくとも50%,特に少なくとも80%以上に成っていると有 利である。そのような膜厚は、通常の吸収体に比べて、貯蔵容量を高くし、上に 説明した再生するまでの期間を長くする。 貯蔵器からNOXを放出したり変換するため、および貯蔵器から硫黄酸化物を 放出するため、種々の温度が必要である(後者の場合が高温)から、更に硫黄酸 化物(特に硫酸塩として存在するもの)の放出は長期間あるいは必要な時に行う ように処理できるので、硫黄酸化物の放出に必要な高温に貯蔵器を時折加熱する だけでよい。これによっても、貯蔵器が早く劣化することを防止できるため、吸 収体の長期間安定性が特に良好に達成される。 排気ガス浄化部を併せ備えたこの発明による内燃機関は上に説明した構成を有 するので有利である。 以下、一実施例と図面に基づきこの発明をより詳しく説明する。 ここに示すのは、 図1,排気ガス浄化部と排気ガス再循環部を備えたディーゼル内燃機関、 図2,NOX貯蔵触媒を再生するブロック回路図、 図3,NOX貯蔵触媒の表面の原理断面図、および 図4,個々のエンジン特性のグラフ、 である。 図1に示す内燃機関1(1.9l,4気筒、ディーゼル直噴器、66kW)には空気 導入通路2と排気ガス装置3がある。この排気ガス装置3から排気ガス再循環導 管4が空気導入通路2に通じている。この排気ガス再循環導管により結局NOX の粗放出の低減が行われる。 排気ガス装置3の中には変換器5がエンジン近くに配置されている。この変換 器はディーゼル内燃機関1のシリンダー変位容積の15%の容積を持っている。排 気ガス排出部6と変換器5の間の間隔は約20cmである。更に、この排気ガス装置 3の中には変換器5の後ろ約70cmのところに通常のNOX貯蔵触媒7が配置され 、この後で排気ガスが放出される。 変換器5には白金装填量が70g/ft3のγ酸化アルミニウム・ウォッシュコート を付けた金属箔担体がある。NOX貯蔵触媒は蜂の巣上のセラミックス担体で形 成されている。このセラミックス担体上には、更に下で詳しく説明するγ酸化ア ルミニウム・ウォッシュコートが付けてある。 空気導入通路2には排気ガス再循環導管4の合流部の上流にサーボモータ9で 開閉するスロットル弁8が配置されている。 排気ガス再循環導管4には排気ガス装置3から内燃機関1の空気導入部11に 戻される排気ガス量を制御する調整弁10がある。 更に、NOX貯蔵器7の前で排気ガス装置3の中へ広帯域ラムダプローブ12 が挿入されている。このプローブにより排気ガス装置3内の排気ガスが酸素含有 に関して均衡しているかリッチであるかを測定できる。広帯域ラムダプローブ1 2の信号は制御部13に導入される。この制御部13は空気導入絞り部8のサー ボモータ8と排気ガス再循環部4の調整弁10を制御する。更に、制御部13に はエンジン関連する他の値、例えば回転数nとアクセルペダル14の負荷値のよ うな値を受け取る。 内燃機関1の通常の運転では、スロットル弁8は全開で(排気ガス温度が約≧ 150℃の時に)NOX貯蔵器7は大体NO2を吸蔵する。このNO2は内燃機関1の 排気ガス中にあるか、あるいは変換器5中で排気ガスからNOを酸化して得られ るものである。第一動作条件(リーン)の下で内燃機関を運転している間には、 制御部13は特性図と詳細なエンジンデータにより排気ガス流の窒素酸化物の値 、従ってNOX貯蔵器7の窒素酸化物の吸蔵量を求める。条件の一つ、走行、ア イドリングあるいは低出力範囲に入り、NOX貯蔵器7がNO2をほぼ20%吸蔵し たり(走行あるいはアイドリング時),ほぼ50%吸蔵する(低出力範囲の時)と 、制御部13によりNOX貯蔵器7の再生が行われる。これには、スロットル弁 8が一部閉ざされるので、空気導入部11への新鮮な空気の導入が著しく低減す る。同時に、調整弁10が開くので、排気ガス再帰還率が高くなる。これにより 、内燃機関が空気の不足(リッチ)で動作し、このため、場合によって、内燃機 関1の燃焼室への燃料噴射量を高める。 再生期間(第二動作条件)では、場合によって、排気ガス流中に未だある残留 酸素が変換器5中で排気ガス流中にあるHCやCO放出物と共に変換される。そ の結果、NOX貯蔵器7の入口で(広帯域ラムダプローブ12により制御されて )酸素のない排気ガスを利用できる。特に排気ガス流中に未だ残っているCO放 出物を用いて、また残留HCを用いても、NOX貯蔵器7の中に吸蔵されていた 窒素酸化物がNOX貯蔵器の貴金属で変換される。数秒後にNOX貯蔵器7は再生 されるので、制御部13はスロットル弁8と調整弁10を再び第一動作条件の位 置に戻す。 ERGを高めることにより、内燃機関の排気ガスのオバーヒートが行われなく なる。これにより、一方で変換器5とNOX貯蔵器7が保護され、他方でNOX貯 蔵器7を再生するため燃料の低減された量を必要とすることになる。 上に述べた再生過程を図2で詳しく説明する。再生を何時すべきかの判定は、 実質上パラメータ、 −貯蔵器のNOXの吸蔵量、 −エンジンの動作状態、 −貯蔵器のNOXの温度、 に従って行う。 貯蔵器の再生後、先ず吸蔵計数器21をゼロ(30)にセットする。放出で空 になったNOX貯蔵器7のNOXの再吸蔵量はこのNOX貯蔵器の前後にそれぞれ 一つあるNOXセンサの差動信号により直接検出されるか、あるいは間接的によ り低経費で、エンジンの動作データを評価して近似的に検出される。欧州特許第 0 560 991号明細書により、吸蔵量は最後の再生以降のエンジンの積算回転数か らも導くことができるが、アクセルペダル位置とエンジン回転数nから求まるエ ンジンの積算出力の検出が有利である。少し精度が劣るが、最後の再生以後エン ジンで消費した燃料の量の積算も可能である。NOX貯蔵器のNOX吸蔵率は、実 質上、排気ガス流または貯蔵器中の温度検知素子によりあるいは特性図から求ま る貯蔵器の温度と、回転数と噴射燃料の量から近似的に算出できる空間速度とに より求まるので、これ等の値はNOXの吸蔵量を計算する時に一緒に配慮される 。この場合、実際の全吸蔵量の±30%までの偏差が許せる。何故なら、NOX貯 蔵器の吸蔵能力は全吸蔵量の増加と共に先ず僅かに低下し、約3/4満たした吸蔵 器の再生は著しい困難を伴わないからである。 NOX貯蔵器の吸蔵状態BZの問合22により、吸蔵状態が少ない場合、更に 第一動作状態で「再生=オフ」23を行う。所定の最大吸蔵状態を越えると、初 めてエンジン負荷24を問い合わせる。この場合、アクセルペダル14のゼロ位 置を検知したら、次に回転数25を問い合わせる。エンジン負荷がある限り、り 「再生=オフ」23に関するループと吸蔵状態22の問合を新たに行う。この場 合、NOX貯蔵器7の吸蔵量の増加と共に、増加するエンジン負荷を「低」とし て格付けする。その結果、満杯の貯蔵器7はより高いエンジン負荷でも再生され る。この問合は、再生と共に、例えば空気の導入を絞ること、EGR率を高める および/または噴射量を高めることにより、内燃機関1の効率の低下が同時に生 じるので、行われる。その外、再生をできる限り平均出力になった時までに行う べきである。 回転数の問合25により、アイドリング回転数より低い回転数の時のエンジン の停止を防止すべきである。エンジン1の回転数nも充分高い限り、更に温度の 問合26も行う。貯蔵器の再生はCOが貯蔵器の貴金属のところのNO2と反応 する温度に頼らざるをえないので、貯蔵器の温度を約180℃のこの反応しきい値 以上にする必要がある。貯蔵器の材料に応じて最低温度は他の値にもなる。 上記の全ての判定条件が満たされると、絞りにより8および/またはEGR弁 10を開いて、および/または噴射量を高めて再生を行う27。同時に、ラムダ プローブ12により、排気ガスがリッチであるか否か、そのため未だ一定時間を 経過させるかを問い合わせる28。問合28が「リッチ」以上のラムダである限 り、対応する問合順の21で排気ガスのNOX値を更に積算する。ラムダプロー ブ12の排気ガスが「リッチ」と分かれば、貯蔵器7の再生から出る。再生は再 生時間29を経過した後「確実にリッチ」となるラムダしきい値以下になると終 了し、リッチ時間を経過する前にエンジン負荷24の問合サイクルを始めて繰り 返す。リッチ時間の経過すると吸蔵計数器21はゼロにセットされる。 リッチな排気ガスの確実な認識はラムダが約≦0.9の時である。<1.05から0.5 までの値が可能である。再生時間の算出には、貯蔵器の充填量と還元剤の供給が 重要である。リッチ状態での貯蔵器の再生時にはCOが主還元成分である。その 場合、1モルのNO2を変換するのに、2モルのCOが必要で、これは導入され たNO2のグラム当たり1.22gのCOに相当する。 小さなラムダに絞ったエンジンのCO供給に応じて、必要な最低再生時間(リ ッチ時間、最大)が算出できる。絞りを強くすると共に、エンジンのCO供給も 増加し、最低再生時間も減少する。最低再生時間は貯蔵部を完全に空にすること を保証するため、好ましくは50%まで、好ましくは20%〜40%だけ、特に約30% だけ上方に修正するとよい。使用する内燃機関、排気ガス中にある還元剤の分布 (HC,CO,H2),貯蔵器の温度、空間速度、貯蔵媒体、ウォッシュコート 、流れの状況および触媒の容積に応じて、時間修正係数は−50%〜+300%とな る。時間修正係数は適当に実験的に求めることができる。 問合では「再生オン」と「再生オフ」の間を頻繁に交互に切り換えることを避 けるため、ヒステリシスを付けると有利である。このヒステリシスは、エンジン 負荷、回転数および貯蔵器の温度に付けると有利である。超過の度合は再びその 時の乗物の構造に従い、例えば目標値の±5%であると有利である。この場合、 ±30%まで可能である。 図3に詳しく示すNOX貯蔵器7は三領域触媒であり、そのコートの流れ通路 の断面を原理図にして示す。矢印31は排気ガスの流れ方向を示す。 NOX貯蔵器7は蜂の巣状のセラミック担体32の上に形成されている。この 担体の表面33に前方ウォッシュコート34と後方ウォッシュコート35が付け てある。前方ウォッシュコート34には、例えばドイツ特許出願公開第195 22 9 13号明細書の第6頁、第41〜46行に説明してあるような、γ酸化アルミニウムが 実質上含まれている。後方ウォッシュコート35はこれに合わせて構成されてい るが、更にセリウム(酸化セリウムとして)を含む。その場合、セリウムの成分 は好ましくは少なくとも1g/ft3であり、特に3g/ft3〜8 g/ft3の範囲にある。 変換器5を使用して、貯蔵触媒7は前方領域36で貴金属コートなしに形成され ているか、あるいは貴金属コートが低く選択されている。例えば、40g/ft3まで 、特に20g/ft3までに選択されている。これにより、NOX貯蔵器7の化学吸収率 が向上する。NOX,特にNO2を吸収するため、ウォッシュコート34は前方部 分36にわたり(ウォッシュコート34上にただ記号で示すが実際にはその中に 含まれている)バリウム、ランタンおよびナトリウムを含む。これ等の物質はN OX貯蔵器7が吸蔵する時に排気ガスのNO2と共に対応する硝酸塩を形成し、第 二動作条件の下で対応する酸化物に戻される。 NOX貯蔵器7の後方領域では、ウォッシュコート層34と35の上に貴金属 コート37が付けてある。この貴金属コートは通常の三方触媒コートに対応する 。この場合、貴金属は0.1n〜10n,特に1n程度の通常の粒径を持っている。貴金 属としては、特に白金あるいは元素、ロジウムとパラジウムの少なくとも一つを 伴う白金混合物を使用する。好ましければ、NOX貯蔵性のコート36は下流に 置かれた層の中にも無害な状態で延びているので、NOX貯蔵器7の作製は難し くない。貴金属コート37は好ましくは30g/ft3〜100g/ft3の範囲、この実施例 では46g/ft3である。 説明した構成により、NOX貯蔵器7の上には三つの区域、 前方 NOX貯蔵材料プラス通常のウッォシュコート、 中間 貴金属プラス通常のウッォシュコート、 後方 貴金属プラス酸素を蓄えたウッォシュコート、 が生じる。 酸素を蓄えたウッォシュコートにより、第二動作条件の間に排気ガスと共にN OX貯蔵器7に流入するNOXで変換せず、NOXの還元に使用されるCOとHC の残量は、それ自体と反応してCO2と水になるため、層35の中に貯蔵された 酸素で酸化するので、再生時のCOとHCの脈動は大幅に排除される。 図4は両方の動作条件の間を切り換える時にディーゼル内燃機関1に対する個 々の関係を示す。時間0まで、および時間3s後は、第一動作条件であり、この 時間間隔は通常30s〜2000sの範囲にある。範囲0s〜3sで第二動作条件に切り換 えると、スロットル弁8は開位置(90°)から約5°,つまりほぼ完全に閉じた 状態になる。同時に、燃料噴射が1.5l/hから10l/hに上昇する。これにより、約 2kWのほぼ不変のエンジン出力の時にCOの粗放出物は10g/hから8,000g/hに上 昇する。同時に、排気ガスの流れは40kg/hから15kg/hに低下する。 請求の範囲 1. 内燃機関の排気ガスをNOX貯蔵器に導入し、このNOX貯蔵器が第一動作条 件で導入された排気ガスからNOXを蓄え、この排気ガスから第二動作条件 の下で蓄えたNOXを還元するため再び放出する内燃機関の排気ガス浄化方 法において、排気ガスがNOX貯蔵器で少量の貴金属または全くない貴金属 に、次いでNOX貯蔵器および/または後置されている触媒のところでより 多くの貴金属に接触することを特徴とするの方法。 2. 排気ガスはNOX貯蔵器のところで酸素貯蔵器の低容量または容量なしで、 次いでNOX貯蔵器のところおよび/または後置して酸素貯蔵器の高容量で 接触することを特徴とする請求項1に記載の方法。 3. 内燃機関の排気ガスをNOX貯蔵器に導入し、このNOX貯蔵器が第一動作条 件で導入された排気ガスからNOXを蓄え、この排気ガスから第二動作条件 の下で蓄えたNOXを還元するため再び放出する内燃機関の排気ガス浄化方 法において、排気ガスがNOX貯蔵器のところで低容量あるいは無容量の酸 素貯蔵器に、次いでNOX貯蔵器および/または後置されている触媒のとこ ろでより大きい容量の酸素貯蔵器に接触することを特徴とするの方法。 4. 排気ガスは少なくとも3つの異なる処理区域を経由して案内され、そのうち の最初に流入する第一区域はNOX貯蔵器と少量または全くない貴金属と有 し、次に流入する第二区域はNOX貯蔵器と第一区域より多量の貴金属とを 有し、更に後に流入する第三区域は酸素貯蔵器と貴金属コートとを有するこ とを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の方法。 5. 第二区域の代わりあるいは第二区域の後と第三区域の前で排気ガスは2A区 域に流入し、この2A区域はNOX貯蔵容量がないかまたは少なく、第一区 域より貴金属が多量にあり、第三区域より酸素貯蔵容量が少ないことを特徴 とする請求項4に記載の方法。 6. 場所的に区切られた種々の排気ガス処理の多くは一つの担体で行われること を特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の方法。 7. 第二動作条件は内燃機関の低出力時、および/または走行期間、および/ま たはアイドリング期間で狙い通りに設定されることを特徴とする請求項1〜 6の何れか1項に記載の方法。 8. 第一動作条件の平均時間間隔は第二動作条件の平均時間間隔の数倍であるこ とを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の方法。 9. 第二動作条件はNOX貯蔵器の吸蔵制御で進行することを特徴とする請求項 1〜8の何れか1項に記載の方法。 10.第二動作条件はNOX貯蔵器の最小の吸蔵時にのみ設定されることを特徴と する請求項1〜9の何れか1項に記載の方法。 11.排気ガス再循環部を経由して排気ガスの一部の流れが、第一動作条件の下で 排気ガスの一部の流れに対する吸気の比を形成して内燃機関の吸気部に導入 され、排気ガスの一部の流れに対する吸気の比は第二動作条件の下で大きく されることを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の方法。 12.排気ガス流対吸気の比を大きくすることは内燃機関の低出力領域でのみ行わ れることを特徴とする請求項11に記載の方法。 13.第二動作条件の下では燃焼空気を内燃機関に導入することを低減することを 特徴とする請求項1〜12の何れか1項に記載の方法。 14.内燃機関は燃料直噴部を保有することを特徴とする請求項1〜13の何れか 1項に記載の方法。 15.内燃機関はディーゼル内燃機関であることを特徴とする請求項1〜14の何 れか1項に記載の方法。 16.排気ガスは第一動作条件下で貴金属の乏しいかまたは貴金属を含まないNO X貯蔵の領域に導入される前に変換器に導かれ、この変換器の中で排気ガス 中のNO2/NOの比が大きくされる、および/またはこの変換器の中で温度 ≧230℃の時、排気ガス内に含まれ排気ガスと共に変換器に導入される少な くとも50%のNOをNO2に変換することを特徴とする請求項1〜15の何 れか1項に記載の方法。 17.吸蔵されたNOXの還元はλ≦1.05の時に行われることを特徴とする請求項 1〜16の何れか1項に記載の方法。 18.NOX貯蔵器は酸化アルミウム、特にγ酸化アルミウムを含むことを特徴と する請求項1〜17の何れか1項に記載の方法。 19.NOX貯蔵器はアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、ランタン、チタ ン、銅および/またはマンガンの族のうちの一つの元素を含むことを特徴と する請求項1〜18の何れか1項に記載の方法。 20.NOX貯蔵器は酸素が過剰な時に排気ガスからNOXとSOXを吸収すること を特徴とする請求項1〜19の何れか1項に記載の方法。 21.NOX貯蔵器は還元雰囲気内でおよび/または酸素濃度が低い時にNOXおよ び/またはSOXを放出することを特徴とする請求項1〜20の何れか1項 に記載の方法。 22.酸素濃度または酸素濃度を含む量を測定する酸素濃度測定装置が設けてあり 、この酸素濃度測定装置は第一または第二動作条件を設定する制御部に酸素 濃度または酸素濃度を含む量を入力値として出力することを特徴とする請求 項20および/または21に記載の方法。 23.NOX貯蔵器は高温でNOXおよび/またはSOXを放出することを特徴とす る請求項1〜22の何れか1項に記載の方法。 24.温度測定装置が設けてあり、この温度測定装置はガス流および/またはNO X貯蔵器の温度あるいは温度を含む量を求め、第一または第二動作条件を設 定する制御部にこの温度あるいは温度を含む量を入力量として出力すること を特徴とする請求項23に記載の方法。 25.制御部は酸素濃度および温度あるいは温度を含む量を入力量として保有する ことを特徴とする請求項22または24に記載の方法。 26.第一動作条件の下で内燃機関の導入された排気ガスからNOXを蓄え、第二 条件の下で蓄えたNOXを還元するために再びNOXを放出するのに適したN OX貯蔵器を有する排気ガス装置を備えた内燃機関において、NOX貯蔵器が 貴金属を少量を含むあるいは全く含まない少なくとも一つの領域を有し、こ の領域の下流にNOX貯蔵器のところあるいは後置配置されて多量の貴金属 があることを特徴とする内燃機関。 27.NOX貯蔵器は少なくとも一つの領域にわたり酸素貯蔵容量が少ないか、ま たは全くなく、この領域の下流にNOX貯蔵器のところあるいは後置されて 酸化触媒と協働する酸素貯蔵器があることを特徴とする請求項26の内燃機 関。 28.第一動作条件の下で内燃機関の導入された排気ガスからNOXを蓄え、第二 条件の下で蓄えたNOXを還元するために再びNOXを放出するのに適したN OX貯蔵器を有する排気ガス装置を備えた内燃機関において、NOX貯蔵器が 少なくとも一つの領域にわたり酸素貯蔵容量が少ないか、あるいは全くなく 、この領域の下流にNOX貯蔵器のところあるいは後置配置されて酸化触媒 と協働する酸素貯蔵器があることを特徴とする内燃機関。 29.少なくとも3つの排気ガス処理区域があり、このうちの最初に流入する第一 区域はNOX貯蔵器と少量または全くない貴金属を有し、次に流入する第二 区域はNOX貯蔵器と第一区域より多量の貴金属とを有し、その後で流入す る第三区域は酸素貯蔵器と貴金属コートを有することを特徴とする請求項2 6〜28の何れか1項に記載の内燃機関。 30.第二区域の代わりあるいは第二区域の後と第三区域の前に2A区域を設け、 この2A区域はNOX貯蔵容量がないか、あるいは僅かしかなく、酸素貯蔵 容量がないか、あるいは僅かしかなく、第一区域より多く貴金属が被覆され ていることを特徴とする請求項29に記載の内燃機関。 31.担体上には異なる多数の排気ガス処理部分が配置されていることを特徴とす る請求項26〜30の何れか1項に記載の内燃機関。 32.内燃機関の吸気部の前、特に排気ガス再復帰部の流入口の上流にスロットル 弁を設け、このスロットル弁により内燃機関の吸気部に流入する空気量を可 変できることを特徴とする請求項26〜31の何れか1項に記載の内燃機関 。 33.NOX貯蔵器と内燃機関の排気ガス出口の間には、内燃機関のストローク空 間の10〜25%の範囲の全容積を有する変換器が配置してあり、この変換器に は少なくとも60g/ft3の白金が装填されていることを特徴とする請求項26 〜32の何れか1項に記載の内燃機関。 34.内燃機関は直噴装置であることを特徴とする請求項26〜32の何れか1項 に記載の内燃機関。 35.内燃機関はディーゼル内燃機関であることを特徴とする請求項26〜34の 何れか1項に記載の内燃機関。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F01N 3/24 F02D 41/04 305A F02D 41/04 305 380G 380 B01D 53/36 101A

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 内燃機関の排気ガスをNOX貯蔵器に導入し、このNOX貯蔵器が第一動作条 件で導入された排気ガスからNOXを蓄え、この排気ガスから第二動作条件 の下で蓄えたNOXを還元するため再び放出する内燃機関の排気ガス浄化方 法において、排気ガスがNOX貯蔵器で少量の貴金属または全くない貴金属 に、次いでNOx貯蔵器および/または後置されている触媒のところでより 多くの貴金属に接触することを特徴とするの方法。 2. 排気ガスはNOX貯蔵器のところで酸素貯蔵器の低容量または容量なしで、 次いでNOX貯蔵器のところおよび/または後置して酸素貯蔵器の高容量で 接触することを特徴とする請求項1に記載の方法。 3. 内燃機関の排気ガスをNOX貯蔵器に導入し、このNOX貯蔵器が第一動作条 件で導入された排気ガスからNOXを蓄え、この排気ガスから第二動作条件 の下で蓄えたNOXを還元するため再び放出する内燃機関の排気ガス浄化方 法において、排気ガスがNOX貯蔵器のところで低容量あるいは無容量の酸 素貯蔵器に、次いでNOX貯蔵器および/または後置されている触媒のとこ ろでより大きい容量の酸素貯蔵器に接触することを特徴とするの方法。 4. 排気ガスは少なくとも3つの異なる処理区域を経由して案内され、そのうち の最初に流入する第一区域はNOX貯蔵器と少量または全くない貴金属と有 し、次に流入する第二区域はNOX貯蔵器と第一区域より多量の貴金属とを 有し、更に後に流入する第三区域は酸素貯蔵器と貴金属コートとを有するこ とを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の方法。 5. 第二区域の代わりあるいは第二区域の後と第三区域の前で排気ガスは2A区 域に流入し、この2A区域はNOX貯蔵容量がないかまたは少なく、第一区 域より貴金属が多量にあり、第三区域より酸素貯蔵容量が少ないことを特徴 とする請求項4に記載の方法。 6. 区域で区切られた種々の排気ガス処理の多くは一つの担体で行われることを 特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の方法。 7. 第二動作条件は内燃機関の低出力時、および/または走行期間、および/ま たはアイドリング期間で狙い通りに設定されることを特徴とする請求項1〜 6の何れか1項に記載の方法。 8. 第一動作条件の平均時間間隔は第二動作条件の平均時間間隔の数倍であるこ とを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の方法。 9. 第二動作条件はNOX貯蔵器の吸蔵制御で進行することを特徴とする請求項 1〜8の何れか1項に記載の方法。 10.第二動作条件はNOX貯蔵器の最小の吸蔵時にのみ設定されることを特徴と する請求項1〜9の何れか1項に記載の方法。 11.排気ガス再循環部を経由して排気ガスの一部の流れが、第一動作条件の下で 排気ガス流対吸気の一定比を形成して内燃機関の吸気部に導入され、排気ガ ス流対吸気の比は第二動作条件の下で大きくされることを特徴とする請求項 1〜10の何れか1項に記載の方法。 12.排気ガス流対吸気の比を大きくすることは内燃機関の低出力領域でのみ行わ れることを特徴とする請求項11に記載の方法。 13.第二動作条件の下では燃焼空気を内燃機関に導入することを低減することを 特徴とする請求項1〜12の何れか1項に記載の方法。 14.内燃機関は燃料直噴部を保有することを特徴とする請求項1〜13の何れか 1項に記載の方法。 15.内燃機関はディーゼル内燃機関であることを特徴とする請求項1〜14の何 れか1項に記載の方法。 16.排気ガスは第一動作条件下で貴金属の乏しいかまたは貴金属を含まないNO X貯蔵の領域に導入される前に変換器に導かれ、この変換器の中で排気ガス 中のNO2/NOの比が大きくされる、および/またはこの変換器の中で温度 ≧230℃の時、排気ガス内に含まれ排気ガスと共に変換器に導入されるNO をNO2に変換することを特徴とする請求項1〜15の何れか1項に記載の 方法。 17.吸蔵されたNOXの還元はλ≦1.05の時に行われることを特徴とする請求項 1〜16の何れか1項に記載の方法。 18.NOX貯蔵器は酸化アルミウム、特にγ酸化アルミウムを含むことを特徴と する請求項1〜17の何れか1項に記載の方法。 19.NOX貯蔵器はアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類、ランタン、チタ ン、銅および/または満貫のグループのうちの一つの元素を含むことを特徴 とする請求項1〜18の何れか1項に記載の方法。 20.NOX貯蔵器は酸素が過剰な時に排気ガスからNOXとSOXを吸収すること を特徴とする請求項1〜19の何れか1項に記載の方法。 21.NOX貯蔵器は還元雰囲気内でおよび/または酸素濃度が低い時にNOXおよ び/またはSOXを放出することを特徴とする請求項1〜20の何れか1項 に記載の方法。 22.酸素濃度および/または酸素濃度を含む量を測定する酸素濃度測定装置が設 けてあり、この酸素濃度測定装置は第一または第二動作条件を設定する制御 部に酸素濃度および/または酸素濃度を含む量を入力値として出力すること を特徴とする請求項20および/または21に記載の方法。 23.NOX貯蔵器は高温でNOXおよび/またはSOXを放出することを特徴とす る請求項1〜22の何れか1項に記載の方法。 24.温度測定装置が設けてあり、この温度測定装置はガス流および/またはNO X貯蔵器の温度あるいは温度を含む量を求め、第一または第二動作条件を設 定する制御部にこの温度あるいは温度を含む量を入力量として出力すること を特徴とする請求項23に記載の方法。 25.制御部は酸素濃度および温度あるいは温度を含む量を入力量として保有する ことを特徴とする請求項22または24に記載の方法。 26.第一動作条件の下で内燃機関の導入された排気ガスからNOXを蓄え、第二 条件の下で蓄えたNOXを還元するために再びNOXを放出するのに適したN OX貯蔵器を有する排気ガス装置を備えた内燃機関において、NOX貯蔵器が 貴金属を少量を含むあるいは全く含まない少なくとも一つの領域を有し、こ の領域の下流にNOX貯蔵器のところあるいは後置配置されて多量の貴金属 があることを特徴とする内燃機関。 27.NOX貯蔵器は少なくとも一つの領域にわたり酸素貯蔵容量が少ないか、ま たは全くなく、この領域の下流にNOX貯蔵器のところあるいは後置されて 酸化触媒と協働する酸素貯蔵器があることを特徴とする請求項26の内燃機 関。 28.第一動作条件の下で内燃機関の導入された排気ガスからNOXを蓄え、第二 条件の下で蓄えたNOXを還元するために再びNOXを放出するのに適したN OX貯蔵器を有する排気ガス装置を備えた内燃機関において、NOX貯蔵器が 少なくとも一つの領域にわたり酸素貯蔵容量が少ないか、あるいは全くなく 、この領域の下流にNOX貯蔵器のところあるいは後置配置されて酸化触媒 と協働する酸素貯蔵器があることを特徴とする内燃機関。 29.少なくとも3つの排気ガス処理区域があり、このうちの最初に流入する第一 区域はNOX貯蔵器と少量または全くない貴金属を有する、次に流入する第 二区域はNOX貯蔵器と第一区域より多量の貴金属とを有し、その後で流入 する第三区域は酸素貯蔵器と貴金属コートを有することを特徴とする請求項 26〜28の何れか1項に記載の内燃機関。 30.第二区域の代わりあるいは第二区域の後と第三区域の前に2A区域を設け、 この2A区域はNOX貯蔵容量がないか、あるいは僅かしかなく、酸素貯蔵 容量がないか、あるいは僅かしかなく、第一区域より多く貴金属が被覆され ていることを特徴とする請求項29に記載の内燃機関。 31.担体上には異なる多数の排気ガス処理部分が配置されていることを特徴とす る請求項26〜30の何れか1項に記載の内燃機関。 32.内燃機関の吸気部の前、特に排気ガス再復帰部の流入口の上流にスロットル 弁を設け、このスロットル弁により内燃機関の吸気部に流入する空気量を可 変できることを特徴とする請求項26〜31の何れか1項に記載の内燃機関 。 33.内燃機関は直噴装置であることを特徴とする請求項26〜32の何れか1項 に記載の内燃機関。 35.内燃機関はディーゼル内燃機関であることを特徴とする請求項26〜34の 何れか1項に記載の内燃機関。
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