JP2002242667A - 内燃機関用排ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
排ガス浄化装置を提供する。 【解決手段】 リッチ排ガス組成の場合に相当する排ガ
ス成分からアンモニアを生じる第1の触媒ユニットおよ
びリッチ排ガス組成の場合に第1の触媒ユニットから生
じるアンモニアを中間貯蔵し、リーン排ガス組成の場合
に排ガスに含まれる窒素酸化物を、還元剤として中間貯
蔵したアンモニアを使用して還元反応させる、第2の触
媒ユニットを有し、更に2つの触媒ユニットの間に配置
された第3の触媒ユニットが、リーン排ガス組成の場合
に、排ガスに含まれる窒素酸化物を二酸化窒素に酸化す
る装置である。
Description
の場合に相当する排ガス成分からアンモニアを生じる第
1の触媒ユニットおよびリッチ排ガス組成の場合に第1
の触媒ユニットから生じるアンモニアを中間貯蔵し、リ
ーン排ガス組成の場合に排ガスに含まれる窒素酸化物
(NOx)を、還元剤として中間貯蔵したアンモニアを
使用して還元反応させる、第1の触媒ユニットの後方に
接続された第2の触媒ユニットを有する内燃機関用排ガ
ス浄化装置に関する。
ン空気/燃料混合物で運転する自動車エンジンが開発さ
れた。いわゆるリーンエンジンである。燃料の完全な燃
焼に必要であるより多くの酸素を含有する場合に、空気
/燃料混合物はリーンと呼ばれる。反対の場合はリッチ
空気/燃料混合物である。この状況を量的に把握するた
めに、空気/燃料比または空気率、ラムダ(λ)が使用
される。空気/燃料比は燃料1kg当たりどれだけ多く
のkgの空気がエンジンに供給されるかを示す。理論量
の燃焼に関しては通常のエンジン燃料の場合は空気/燃
料比は14.7である。該当する空気率、λは理論量の
条件に規格化された空気/燃料比であり、従って理論量
の組成の空気/燃料混合物に関しては1.0の値であ
る。エンジンを出る排ガスの空気率は、エンジン中に所
定の排ガス成分の選択的な貯蔵工程が生じない場合は、
エンジンに供給される空気/燃料混合物の空気率に等し
い。
り大きい空気率に相当する空気/燃料比で運転する。排
ガスの酸素含量はこのエンジンでは一般に3〜15体積
%である。加速運転およびフル稼働の場合は、必要な高
い効率を使用できるために、リーンエンジンに理論量も
しくはわずかにリッチな空気燃料混合物を供給する。
題を生じる、それというのも排ガスに含まれる窒素酸化
物を、リーン運転において排ガス中の高い酸素含量のた
めに化学的方法により減少することができないからであ
る。排ガスに含まれる窒素酸化物はエンジンの運転状態
に依存して一般に一酸化窒素60〜95体積%からな
る。残りは二酸化窒素および他の窒素酸化物から形成さ
れる。
ために、窒素酸化物を選択的接触還元の原理によりアン
モニアおよびリーン排ガスに含まれる酸素を用いて、適
当な触媒、いわゆるSCR触媒に接触して反応させ、窒
素と水を生じることがすでに提案された。この触媒は、
銅、鉄、白金、パラジウムおよび/またはロジウムの担
体材料として、例えばゼオライト、二酸化珪素、酸化ア
ルミニウムおよび/または酸化チタンを含有し、常にア
ンモニアの所定の貯蔵能力を有する。
明細書により、内燃機関のリーン排ガス中の窒素酸化物
の減少を改良するために、まず排ガスの二酸化窒素の含
量を50体積%まで高めることが公知である。これは前
記の引用文献により電気的ガス放電での一酸化窒素の酸
化により行われ、二酸化窒素を生じる。こうして処理さ
れた排ガスを、引き続き還元剤、有利にはアンモニアを
供給してSCR触媒を通過する。適当なSCR触媒とし
て、発電所脱窒素の分野の触媒および銅カチオンと交換
したZSM−5ゼオライトが挙げられる。
より、SCR反応に必要なアンモニアを排ガス成分から
自動車の乗車中に合成することが提案された。このため
に排ガスを三元触媒および引き続きSCR触媒を通過さ
せ、エンジンを交互にリーン空気/燃料混合物およびリ
ッチ空気/燃料混合物で運転する。リッチ空気/燃料混
合物での運転段階中に三元触媒は排ガスに含まれる窒素
酸化物からアンモニアを形成し、アンモニアはSCR触
媒に中間貯蔵される。リーン空気/燃料混合物での運転
段階中に排ガスに含まれる窒素酸化物はほとんど変化せ
ずに三元触媒を通過し、SCR触媒から吸着したアンモ
ニアにより窒素と水に還元する。
書には、排ガス流中に2つの触媒の前方に第3の触媒を
導入し、この触媒がリーン排ガス組成の場合に排ガスに
含まれる窒素酸化物を中間貯蔵し、リッチ排ガス組成の
場合に再び放出する、前記方法の他の構成が記載されて
いる。リーン運転の際にリッチ運転より多くの量で生じ
る中間貯蔵された窒素酸化物を利用することにより、リ
ッチ燃焼の実施のそれぞれの段階で相当する多くの量の
アンモニアを生成し、中間貯蔵することができ、このア
ンモニアを引き続きこれに続くリーン運転段階で効果的
な窒素酸化物の減少に使用する。これは全体として高い
リーン運転成分の運転を可能にし、結果として相当する
少ない燃料の消費を可能にする。
る窒素酸化物の変換を改良するが、将来の排ガス規準を
満たすためには、更に窒素酸化物の変換を改良すること
が必要である。
ンエンジンの排ガス中の窒素酸化物の変換の更なる改良
を可能にする、排ガス浄化装置を提供することである。
ス組成の場合に相当する排ガス成分からアンモニアを生
じる第1の触媒ユニットおよびリッチ排ガス組成の場合
に第1の触媒ユニットから生じるアンモニアを中間貯蔵
し、リーン排ガス組成の場合に排ガスに含まれる窒素酸
化物を、還元剤として中間貯蔵したアンモニアを使用し
て還元反応させる、第1の触媒ユニットの後方に接続さ
れた第2の触媒ユニットを有する、内燃機関用排ガス浄
化装置により解決される。この排ガス浄化装置は、2つ
の触媒ユニットの間に接続された第3の触媒ユニットが
リーン排ガス組成の場合に、排ガスに含まれる窒素酸化
物を、第2の触媒ユニットに侵入する際にこの窒素酸化
物の25〜75体積%が二酸化窒素からなる程度に酸化
することを特徴とする。
第1の触媒ユニットに関しては三元触媒を使用する。こ
の触媒は触媒活性成分として一般に大きい表面積の担体
酸化物、例えば酸化アルミニウム、珪酸アルミニウム、
二酸化珪素、二酸化チタンおよび酸化ジルコンの上にき
わめて微細に分配して析出されている白金族の貴金属
(白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウ
ム、オスミウム)の組み合わせを含有する。白金族金属
は種々の組み合わせで使用する。例えば白金、パラジウ
ムおよびロジウムを含有する三元金属触媒が知られてい
る。バイメタル触媒は一般に白金/パラジウム、白金/
ロジウムまたはパラジウム/ロジウムの組み合わせを含
有する。白金族の単独の金属としてパラジウムのみを有
する三元触媒も知られている。純粋な白金触媒または純
粋なロジウム触媒は三元触媒として適さない。更に三元
触媒は常に酸素を貯蔵する成分を含有し、この成分はリ
ーン排ガス条件で酸素を貯蔵し、リッチ排ガス組成で再
び放出する。このために通常は酸化セリウムおよび酸化
プラセオジムが使用される。
式(i)に相当して、三元触媒に接触して水素を一酸化
窒素と反応させることにより、アンモニア(NH3)が
形成される。
中の燃焼工程により形成される。水素の他の供給源は触
媒の酸化セリウム量である。周知のように酸化セリウム
はリッチ排ガス条件下で水性ガスシフト反応(一酸化炭
素と水が反応して水素と二酸化炭素を生じる反応)に触
媒作用し、このようにして反応式(i)によりアンモニ
アを形成するための水素の発生に寄与する。アンモニア
の形成は高い温度により促進する。300℃より高い、
特に400℃より高い温度が役に立つ。
イツ特許公開第19714536号明細書、ドイツ特許
公開第19726322号明細書および欧州特許公開第
1046423号明細書に記載されている。
アと排ガスに含まれる窒素酸化物および酸素とから窒素
および水を生じる選択的反応に触媒作用することができ
る、いわゆるSCR触媒を使用する。例えば遷移金属、
クロム、鉄、ニッケル、銅、セリウム、プラセオジム、
テルビウムまたはこれらの混合物と交換したゼオライト
触媒を基礎とする発電所の脱窒素から公知の触媒または
固体の酸の系V2O5/WO3/TiO2を基礎とする
触媒がこの目的のために適している。
で一酸化窒素から二酸化窒素を生じる酸化のためには、
第3の触媒ユニットに有利には二酸化珪素で安定化した
酸化アルミニウム上の純粋な白金触媒を使用する。
00℃未満)右側に傾き、すなわちこの温度範囲で二酸
化窒素の形成が熱力学的に促進する。温度が上昇すると
一酸化窒素にとって有利な方向に熱力学的平衡が移動す
る。900℃より高い温度で二酸化窒素はほぼ完全に一
酸化窒素に分解する。熱力学的に有利な条件にもかかわ
らず、二酸化窒素の形成は低い温度で動力学的条件のた
めに少ない。従って温度が上昇すると式(ii)による
二酸化窒素の形成は際立った最大値を通過する。この最
大値の位置および高さは排ガス中の酸素濃度および酸化
触媒の活性に依存する。リーンエンジンの排ガス中の通
常の状態に関して、酸化触媒に接触した一酸化窒素から
二酸化窒素への最適な反応は200〜400℃の範囲で
ある。酸化触媒の活性が高い場合は最大値は200℃の
近くであり、低い活性の酸化触媒の場合より高い値が達
成され、その際二酸化窒素形成の最大値は高い温度の値
に移動する。
使用して窒素酸化物に関する明らかに改良された変換率
を得ることができる。このための理由はおそらく付加的
な酸化触媒による排ガス中の一酸化窒素と二酸化窒素の
容積比の最適な調節である。
とであった、それというのもすでに三元触媒は窒素酸化
物の分量の相当する増加を予測できたからである。しか
しながら一般的な三元触媒がリーン排ガス条件下で不十
分な程度で一酸化窒素を二酸化窒素に酸化することが示
された。更に三元触媒から形成されるアンモニアが、S
CR触媒に貯蔵する前に酸化触媒を通過する際に酸化さ
れる不安が存在する。しかしながらこのことはこの場合
には該当しない。リッチ運転でのリーンエンジンからの
排ガス中の酸素含量は明らかに少なく、酸化触媒に接触
したアンモニアの酸化が行われないか、または無視でき
る程度に行われるにすぎない。
1つの区間内に配置されており、この区間内で排ガス温
度はリッチ排ガス組成下でアンモニアの形成を促進し、
一方第3の触媒ユニットが排ガス浄化装置の1つの区間
内に配置されており、この区間内で排ガス温度はリーン
排ガス組成下で二酸化窒素の形成に最適である場合に、
排ガス浄化の更なる改良を達成することができる。
トが約400℃より高い温度を有する場合に、アンモニ
アの形成が促進される。従って第1の触媒ユニットはで
きるだけエンジンの近くに配置すべきである。同時にリ
ーン排ガス組成の場合にこの高い温度により三元触媒に
接触した二酸化窒素の形成が更に抑制される、それとい
うのも350〜400℃より高い温度で一酸化窒素と二
酸化窒素の熱力学的平衡が二酸化窒素から一酸化窒素と
酸素への分解を促進するからである。相当して第3の触
媒ユニットは排ガス浄化装置の1つの区間内に配置され
ており、この区間内で排ガス温度は、二酸化窒素の形成
を促進するために、約450〜400℃より低い温度で
あるべきである。ここで記載した温度値は基準値であ
り、特に使用される触媒の活性およびエンジン排ガスの
組成に依存する。このパラメーターは、本発明による排
ガス浄化装置を使用して達成すべき排ガス浄化を最適に
するために、当業者により適合することができる。
説明する。
を示す。参照符号(1)は内燃機関を示し、(2)は排
ガス導管を示す。排ガス浄化装置は3個の分離したコン
バーターケーシング(3)、(4)および(5)からな
り、この中に触媒ユニットI、IIおよびIIIが配置
されている。触媒ユニットIは三元触媒から形成され、
触媒ユニットIIIは白金酸化触媒から形成され、触媒
ユニットIIはSCR触媒から形成される。触媒ユニッ
トIは気密にエンジンの後方に配置される。これにより
この位置での排ガス温度が一般に400℃より高いこと
が保証され、従ってリッチ運転でのアンモニアの形成が
促進され、リーン運転での二酸化窒素の形成が抑制され
る。触媒ユニットIIIおよびIIはエンジンから遠く
離れて排ガス導管に挿入されている。有利にはこの2個
の触媒ユニットは自動車の床の裏面の部分に取り付け
る。触媒ユニットIと触媒ユニットIIIおよびIIの
間の排ガス導管により排ガスは触媒ユニットIIIおよ
びIIに向かうその通路で冷却され、触媒ユニットII
Iでの温度が二酸化窒素形成の最適な範囲にあるように
構成することができる。
す。その際触媒ユニットIIIおよびIIは共通のコン
バーターケーシング(6)に配置されている。
実施態様を示す。この場合に触媒ユニットIの前方に第
4の触媒ユニットIVが排ガス導管に挿入されている。
触媒ユニットIVは窒素酸化物貯蔵触媒から形成され、
リーン排ガスに含まれる窒素酸化物の大部分を中間貯蔵
し、リッチ排ガス組成の場合に予め中間貯蔵した窒素酸
化物を再び放出する。この種類の触媒は技術水準から公
知である。
様においては、触媒ユニットIIの後方に、場合による
アンモニアスリップを窒素と水に酸化するために、なお
酸化触媒を排ガス導管に挿入することができる。
成が示すように、この装置での有効な排ガス浄化のため
に、種々の排ガス組成でのエンジンの運転段階が必要で
ある。
ンにリーン空気/燃料混合物を供給する。この場合にそ
の排ガスは1より大きい空気率λを有する。この運転段
階の間に排ガスに含まれる窒素酸化物が触媒ユニットI
をほぼ変化せずに通過する。これに対して触媒ユニット
IIIの所でリーン排ガスに含まれる一酸化窒素が二酸
化窒素に酸化され、その際排ガス浄化装置は、触媒ユニ
ットIIIを出た後の一酸化窒素と二酸化窒素の容積比
が3:1〜1:3、有利には2:1〜1:2、特に1:
1であるように形成することができる。このような組成
の排ガスは触媒ユニットIIIを出た後に触媒ユニット
IIに達する。ここで排ガスに含まれる一酸化窒素およ
び二酸化窒素からなる混合物が、この触媒ユニットに予
め貯蔵されたアンモニアを燃焼して選択的還元反応によ
り窒素と水に変換する。
めに、リッチ空気/燃料混合物(λ<1)でのエンジン
の運転段階が必要である。この運転段階で三元触媒に接
触してアンモニアが生じる。アンモニアは排ガス中の十
分な酸素含量が不足しているために酸化触媒を損なわず
に通過し、SCR触媒により貯蔵される。
での運転段階とリッチ排ガスでの運転段階の交換サイク
ルは一般に自動車でのエンジンの標準的な運転の場合に
自然に形成される。リッチ排ガス条件はコールドスター
トおよび加速段階の間に存在し、これに対してリーン排
ガス条件は一定の速度での運転中に存在する。しかしな
がら2つの運転状態の間の必要な交換サイクルが、例え
ば長すぎる一定の運転によりもはや保証されない場合
は、この場合に最適な排ガス浄化を保証するために、リ
ッチ空気/燃料混合物での運転段階に接続することがで
きる。
バーターケーシングを有する排ガス浄化装置の図であ
る。
よびIIの配置を有する排ガス浄化装置の図である。
ス浄化装置の図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 リッチ排ガス組成の場合に相当する排ガ
ス成分からアンモニアを生じる第1の触媒ユニットおよ
びリッチ排ガス組成の場合に第1の触媒ユニットから生
じるアンモニアを中間貯蔵し、リーン排ガス組成の場合
に排ガスに含まれる窒素酸化物を、還元剤として中間貯
蔵したアンモニアを使用して還元反応させる、第1の触
媒ユニットの後方に接続された第2の触媒ユニットを有
する内燃機関用排ガス浄化装置において、2つの触媒ユ
ニットの間に接続された第3の触媒ユニットはリーン排
ガス組成の場合に、排ガスに含まれる窒素酸化物を、第
2の触媒ユニットに侵入する際にこの窒素酸化物の25
〜75体積%が二酸化窒素からなる程度に酸化すること
を特徴とする内燃機関用排ガス浄化装置。 - 【請求項2】 第1の触媒ユニットの前方に第4の触媒
ユニットが備えられ、このユニットはリーン排ガス組成
の場合に排ガスに含まれる窒素酸化物を中間貯蔵し、リ
ッチ排ガス組成の場合に予め中間貯蔵した窒素酸化物を
再び放出する請求項1記載の排ガス浄化装置。 - 【請求項3】 第1の触媒ユニットが排ガス浄化装置の
1つの区間内に配置されており、この区間内で排ガス温
度はリッチ排ガス組成下でアンモニアの形成を促進し、
一方第3の触媒ユニットが排ガス浄化装置の1つの区間
内に配置されており、この区間内で排ガス温度はリーン
排ガス組成下で窒素酸化物の形成を促進する請求項1記
載の排ガス浄化装置。
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