JP2003536011A - NOxトラップを包含するディーゼル排気機構 - Google Patents
NOxトラップを包含するディーゼル排気機構Info
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Abstract
Description
包含する排気機構とに関する。さらに、本発明は、ディーゼル排気機構における
NOxトラップを再生する、即ち、吸収したNOxをNOxトラップから除去す
る方法に関する。
素(NOx)は、下記式(1)により定義される空燃比(A/F)によって異な
る。 A/F=エンジンにより消費された空気の質量/エンジンにより消費された燃
料の質量(1)
は、化学量論的であることが知られており、ガソリンエンジンでは14.7であ
る。A/Fがこの値よりも低い場合、エンジンは燃料過剰の条件下で作動し、燃
料の不完全燃焼を引き起こす。その場合、排ガスは、酸化性反応物(O2、NO
x)よりも多くの還元性反応物(CO、HC)を含み、この排ガスはリッチと呼
ばれる。A/Fが14.7を超える場合、エンジンは空気過剰の条件下で作動し
、排ガスは還元性反応物よりも多くの酸化性反応物を含み、この排ガスはリーン
と呼ばれる。
り定義されるラムダ(λ)値である。 λ=実際のエンジン(A/F) / 化学量論的エンジン(A/F) (2) 式(2)から、排ガス組成物がリーンである場合、λ≧1であり、排ガスがリ
ッチである場合、1≧λであることが分かる。
エンジンがリーン作動する場合、NOxを例えば硝酸塩として貯蔵するNOx吸
収装置/触媒が発明されている。化学量論的またはリッチ環境では、硝酸塩は熱
力学的に不安定であると理解されており、貯蔵されたNOxが放出され、排ガス
中に存在する還元性物質により還元される。このNOx吸収装置/触媒は、一般
的にNOxトラップと呼ばれている。エンジンを定期的に調整し化学量論的また
はリッチに作動させるすることにより、貯蔵されたNOxが還元されNOxトラ
ップは再生される。
成分、例えばバリウムと、および還元触媒、例えばロジウムとを包含する。この
処方物に関して、リーンエンジン作動の時におけるNOx貯蔵に一般的に考えら
れる機構の一つは、(i)NO+1/2O2→NO2、および(ii)BaO+NO2+1/
2O2→Ba(NO3)2である。最初の段階で、白金上の活性酸化箇所で酸化
窒素と酸素とが反応しNO2を形成する。第二段階では、無機硝酸塩の形態にあ
る貯蔵材料によりNO2が吸着される。
に不安定になり下記の等式(iii)に従って分解し、NOまたはNO2を生成する
。リッチ条件下では、これらの酸化窒素が続いて一酸化炭素、水素および炭化水
素によりN2に還元されるが、これは還元触媒上で起こる。(iii)Ba(NO3
)2 →BaO+2NO+3/2O2またはBa(NO3)2 →BaO+2NO2
+1/2O2、および(iv)NO+CO→1/2N2+CO2(および他の反応物)。上
記の反応(i)〜(iv)で、反応性バリウム物質は酸化物として与えられる。しかし
、空気の存在下では、バリウムの大部分は炭酸塩または場合により水酸化物の形
態にある。従って、上記の反応図式は、酸化物以外のバリウム物質に当てはまる
。
mon rail)、を使用し、NOxトラップ技術をディーゼルエンジン用の排気処理
機構に採用できる様になった。例えば以下に記載するヨーロッパ特許第EP−A
−0758713号明細書参照。
4,902,487号明細書も参照)は、NOxを含むディーゼル排ガスから煤
を除去する方法を記載しており、その方法は濾過していないガスを酸化触媒上に
通してNOをNO2に転化し、煤をフィルター上に集め、NO2濃度の高いガス
を使用し集めた煤を燃焼させるものであり、NO2に転化されるNOの量が40
0℃未満の温度で燃焼を進行させるのに十分なものとされている。
、ヨーロッパ特許第EP−A−0341832号明細書に開示されている方法を
採用し、固体吸収材を使用してNOxを燃焼出口ガスから除去し、吸収材をリッ
チ排ガス組成物と間欠的に接触させることにより、吸収材を再生する工程をさら
に包含するものである。
ガスからNOxを除去する方法が提案されている。この方法は一般的にアンモニ
アを使用する選択的接触還元(SCR)と呼ばれている。例えば、国際特許第W
O−A−99/39809号明細書参照。アンモニアSCRは、排ガス組成物を
必ずしもリッチまたは同等の組成物にする必要はないが、排ガスに還元剤を加え
る必要がある。
効であることを見出した。より詳しくは、再生をCOにより促進する条件が、ア
ンモニアSCRにおけるのと同等であり、実質的にリーンであるディーゼル排ガ
ス組成物が好ましいことを見出した。
の高いガスと接触させることにより、吸収材を再生することを含んでなる、ディ
ーゼル排ガス中のNOxを処理する方法が提供される。
CO含有量を間欠的に増加させることにより、CO濃度の高いガスを生成する。
れは通常、再生の際に吸収材を脱離するNOx中に存在する酸素原子の数に対し
て20〜100倍の過剰な量を与えるのに十分である。ガスは0.7〜1.5ラ
ムダ、特に1.0〜1.2ラムダの範囲内にあるのが好適である。ガスは、存在
するすべてのCOおよび他の燃焼可能な物質を酸化するのに少なくとも十分な、
特に1.5〜3倍の、濃度のO2を含むのが好ましい。CO含有量の間欠的な増
加は、実質的にリッチのガス組成物を得る必要がない。
れ、この機構はディーゼル排ガスからNOxを吸収するための固体吸収材を装填
したNOx吸収装置と、および吸収装置の上流にある排気機構中にCOを間欠的
に導入する手段とを備えてなり、固体吸収材をCO濃度の高いガスと接触させる
ことにより再生かのなものとするものである。
もNOをNO2に酸化することを促進するのに有効な触媒と、および排ガスから
ディーゼル煤を集め、かつ該煤を保持しガス中のNO2で燃焼反応させるのに有
効なフィルターとをさらに備えてなる。この実施態様では、本発明は、我々のヨ
ーロッパ特許第EP−A−0341832号明細書に記載されている連続再生ト
ラップ(CRT(商品名))技術で補完されている。
および/または亜硝酸塩を形成することができ、かつ再生条件で酸化窒素および
/または窒素を発生することができる、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土
類金属および遷移金属の化合物、または(b)吸着性材料、例えばゼオライト、
炭素および高表面積酸化物、またはそれらのいずれか二種類以上の混合物の一種
以上を含んでなる。
材が、COとNOxとの反応に有効な触媒材料と密に関連性を有するものである
ことを意味する。その様な材料は、例えばNOx吸収材と共沈殿または共含浸ま
たは共堆積されていてもよく、または吸収材層の上または中あるいは吸収材粒子
の間に、一個以上の積層または連続領域として、または微細(例えば10〜50
0ミクロン)粒子として存在してもよい。触媒化されまたはされなくとも、吸収
材は一つの単位、または個別単位の連続で付与されてよい。吸収材は、典型的に
はハニカム基材、例えば単一ハニカムまたは複数ハニカム上に存在する。
金属および銅の複合材料酸化物、例えばBa−Cu−OまたはMnO2−BaC
uO2として、所望により添加したCe酸化物を伴ってよく、またはY−Ba−
Cu−OおよびY−Sr−Co−Oとして存在することができる。(簡単にする
ために、酸化物を記載しているが、温度およびガス組成に応じてその場で生じる
水酸化物、炭酸塩および硝酸塩が存在する)どの様な化合物を使用しても、酸化
窒素とCOとのレドックス反応を促進するのに有効な一種以上の触媒剤、例えば
貴金属、特にPGMを存在させてもよい。
で安定しているすべてのものであってよい。典型的には、これらの触媒は、ハニ
カム構造の高表面積ウォッシュコート上に、一種以上のPGM、特にPt、Rh
、Pdおよびそれらの組合せを含んでなる。詳細な触媒の処方は、本機構の中で
触媒が果たすべき役割に応じて選択される。好適な触媒は先行技術で開示されて
おり、当業者はそれを入手することができる。
なり、セラミックは一種以上のアルミナ、シリカ、チタニア、コージーライト、
セリア、ジルコニア、炭化ケイ素または他の一般的に酸化物系の、材料を含んで
なる。ハニカムはウォッシュコートおよびその上の一個以上の層中に、活性触媒
材料および/または吸収性材料を担持している。ハニカムは、典型的には1平方
インチあたり少なくとも50個のセル(cpsi)、場合によりそれ以上の、例
えば1000cpsiまで、または構造的に金属から構成されている場合には1
200cpsiまでのものを有する。一般的に、100〜900cpsiの範囲
が触媒および吸収材に好ましい。
捕獲できることが望ましい。一般的に、セラミック、焼結金属または織り上げた
、または不織のワイヤフィルターを使用でき、壁流ハニカム構造が特に好適であ
る。フィルターの構造材料は、好ましくは多孔質のセラミック酸化物、炭化ケイ
素または焼結金属である。被覆、例えばアルミナ、および/または触媒、例えば
La/Cs/V2O5、が存在してもよい。煤は、一般的に炭素および/または
重質炭化水素であり、これらは炭素酸化物およびH2Oに転化される。この原理
の特定の実施態様は、Johnson Mattheyの連続再生トラップ(CRT(商品名)
)技術で商業的に使用されており、ここにその開示を参考として含める上記のヨ
ーロッパ特許第EP−A−0341832号明細書(米国特許第US−A−4,
902,487号明細書も参照)に記載されている。
O2とによりH2OおよびCO2とする反応、および好ましくはHCおよびCO
とNOxとによりN2とする反応を促進するのに有効な触媒系をさらに含んでな
る。
ンピュータおよびアクチュエーターをさらに含んでなるのが有利である。好まし
くは、排ガスのCO濃度増加を制御する手段は、所望によりエンジン管理装置の
一部とされてよいコンピュータを包含する。本機構の制御は、以下に説明する様
に、センサー、指示計等から集めた情報を使用するオープンまたはクローズドフ
ィードバックで行うことができる。
、COそれ自体、または本機構の条件でCOに分解可能な一種以上の化合物、例
えばギ酸として、COが供給されてもよい。還元剤を導入する化合物、例えばギ
酸メチルのようなギ酸エステルが使用されてよい。還元剤、例えばディーゼル燃
料またはそれに由来するHCが存在する場合、その濃度は、炭素原子に関してC
O2未満であり、特にCOの10%未満である。COは好ましくはエンジン入口
調節機により導入される。
一種以上を行う。 (a)NOx吸収装置から、またはNOx吸収装置を「滑り抜けて」通過するNO
xの漏れを最終的に検出し、それに応答する注入、 (b)熟慮したデータ入力に基づく予想に応答する注入、または負荷に応答する
エンジン管理変化、および (c)ガス組成物変化、例えば不完全なウォームアップまたは天候の様な非定常
条件に対する許容。通常、再生工程は、一連の作動条件に応じて、エンジン作動
時間の小さな画分、例えば0.1%〜5%でよい。
び排気機構に沿った一箇所以上の地点における温度、および圧力低下(特にフィ
ルターを経由する)の少なくとも一つに対するセンサーを包含してもよい。制御
手段は、エンジン運転者に情報を伝える指示計、センサーから来るデータを評価
するのに有効なコンピュータ手段、および例えば始動、変動負荷および変動機会
を考慮してエンジンを所望の運転条件に調節するのに有効な制御関連装置も包含
することができる。
下流構成部品の最適に近い作動に好ましいレベルにガスの温度を調節するための
冷却または電気的加熱の様な手段を包含してもよい。
する。このエンジンは、好ましくは直接噴射コモンレール型であり、特に100
0〜2000バールの噴射圧を使用し、ターボチャージするのが有利である。
もよい。このエンジンは、「重負荷」乗り物、例えば少なくとも3500kg(関
連するヨーロッパ、米国またはカリフォルニアの規制により規定されている様な
)、または特に乗用車またはライトバンを包含し、「都市サイクル」で運転される
「軽負荷」自動車用でよい。
m未満、特に10ppm未満を含む燃料を使用する。高硫黄燃料で運転する場合
には、SOx吸収材を使用するとよい。
転を行う。
は他の空間を考慮して離れたハウジング中に組み込むことができる。例えば、V
型エンジン構造では、本機構の部品の一部または全部を平行に配置することがで
きる。
発明による排気機構の好ましい実施態様を備えたディーゼルエンジンを図式的に
示す添付の図面を参考例として示す。図面中、実線はガスの流れを示し、破線は
情報または制御電力の流れを示す。
は、バルブ14、および例えば硫黄含有量50ppm未満のディーゼル燃料を供
給する高圧ポンプ16を包含するコモンレール燃料供給部12を有する。排気機
構8は、コンピュータ18により制御される燃料供給部12を含んでなり、この
コンピュータは、特に触媒30(以下に説明する)の出口におけるガス組成、お
よびフィルター26(やはり以下に説明する)を横切る圧力低下に応答し、正常
な流入行程でバルブ14を起動して燃料を噴射する様に、および流入条件を変え
てCO濃度の高い排気を間欠的に発生させる様にプログラム化されている。エン
ジン排ガスはパイプ20を経由して缶22に送られ、缶の入口端部は触媒24、
すなわち400セル/平方インチセラミックハニカム上に担持された低温活性酸
化触媒である。触媒24は、正常なガス中のNOの少なくとも70%をNO2に
転化するように設計されている。
める煤フィルター26中に入る。ガス中のNO2および余剰酸素は、温度約25
0℃で煤を酸化し、閉塞させる傾向は無い。
吸収装置28に入る。エンジンが正常にリーン作動し、かつ18によるCO濃度
増加がない場合、吸収装置28はNOx吸収の許容がある間、排ガスからNOx
を吸収する。しかし、CO濃度の高いガスが到達すると、NOxが放出され、例
えばロジウムの様な還元触媒の作用により、少なくとも部分的にN2に転化され
る。この時点でなお、CO、O2および場合によりある程度のNOxを含むガス
は、触媒30に入り、これらの反応物は実質的に、環境的に有害なガスが少ない
ものを含む化学的平衡状態になる。
れる。
グネシア9.9重量%、白金1.7重量%、パラジウム1.67重量%、ロジウ
ム0.167重量%を含む被覆を担持した、壁厚6/1000インチ、長さ1イ
ンチ、直径3インチで、400cpsiモノリスを含んでなるNOx吸収装置を
200℃で520秒間、ディーゼルエンジンの排気を模擬するが、NOx500
ppmを含む合成ガス流に曝した。次いで、この吸収装置を、ガス供給を実質的
にリッチに180秒間[「リッチランプ」]切り換えることにより完全に再生し、
同じ温度および流量で、CO濃度の高いガス中における5秒間の再生工程、処理
していないリーンガスにおける60秒間の吸収工程、のサイクルで運転した。
および2にそれぞれ示す。
性を有することは明らかである。
Claims (17)
- 【請求項1】 NOxを固体吸収材に吸収させ、前記吸収材をCO濃度の高いガスと接触させ
ることにより吸収材を再生することを含んでなる、ディーゼル排ガス中のNOx
を処理する方法。 - 【請求項2】 前記排ガスのCO含有量を間欠的に増加することによりCO濃度の高いガスを
生成する、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記排ガスがCO、NOx、煤、HCおよびO2を含んでなり、前記方法が、
NOをNO2に酸化することを触媒すること、フィルター上に前記煤を集めるこ
と、該煤を前記NO2との反応により燃焼させること、フィルターから脱離する
ガス中に存在するNOxを再生可能な固体吸収材中に吸収させること、および排
ガスのCO含有量を間欠的に増加させ、かつ前記吸収材をCO濃度の高い排ガス
と接触させることにより、前記吸収材を再生することを含んでなる、請求項2に
記載の方法。 - 【請求項4】 再生ガスのCO含有量が、存在する他の炭素含有還元剤のすべて(炭素原子で
)に対して過剰なものである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。 - 【請求項5】 前記CO濃度の高いガスが、再生の間に吸収材から脱離するNOx中に存在す
る酸素原子の総数に対して20〜100倍の過剰なCOを含んでなるものである
、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。 - 【請求項6】 前記CO濃度の高いガスが、0.7〜1.5ラムダ、特に1.0〜1.2ラム
ダの範囲内にあるものである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。 - 【請求項7】 前記CO濃度の高いガスが、存在するすべてのCOおよび他の燃焼可能な物質
を酸化するのに少なくとも十分なO2を含んでなるものである、請求項1〜6の
いずれか一項に記載の方法。 - 【請求項8】 前記ガスが、50ppmw/w未満の硫黄を含む燃料の燃焼生成物である、請
求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。 - 【請求項9】 ディーゼルエンジン用の排ガス処理機構であって、 ディーゼル排ガスからNOxを吸収するための固体吸収材を装填したNOx吸
収装置と、および前記吸収装置の上流にある排気機構中にCOを間欠的に導入す
る手段とを備えてなり、それにより固体吸収材をCO濃度の高いガスと接触させ
ることにより再生可能なものとする、機構。 - 【請求項10】 前記NOx吸収装置の上流に、少なくともNOをNO2に酸化することを促進
するのに有効な触媒と、および排ガスからディーゼル煤を集め、かつ該煤を保持
しガス中のNO2で燃焼反応させるのに有効なフィルターとをさらに備えてなる
、請求項9に記載の排気機構。 - 【請求項11】 前記NOx吸収材が、(a)吸収条件で十分な安定性を有する硝酸塩および/
または亜硝酸塩を形成することができ、かつ再生条件で酸化窒素および/または
窒素を発生することができる、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属お
よび遷移金属の化合物、または(b)吸収性材料、例えばゼオライト、炭素およ
び高表面積酸化物、またはそれらのいずれか二種類以上の混合物、の一種以上を
含んでなる、請求項9または10に記載の機構。 - 【請求項12】 前記吸収材が、触媒化されたものである、請求項9〜11のいずれか一項に記
載の機構。 - 【請求項13】 吸収装置の下流に、HCおよびCOとO2とによりH2OおよびCO2とする
反応、および好ましくはHCおよびCOとNOxとによりN2とするの反応を促
進するのに有効な触媒系をさらに含んでなる、請求項9〜12のいずれか一項に
記載の機構。 - 【請求項14】 運転を所望の条件内に維持するのに有効な、センサー、指示計、コンピュータ
およびアクチュエーターを包含する、請求項9〜13のいずれか一項に記載の機
構。 - 【請求項15】 請求項9〜14のいずれか一項に記載の排気機構を有するものである、ディー
ゼルエンジン。 - 【請求項16】 直接噴射コモンレール型であり、所望によりターボチャージである、請求項1
5に記載のエンジン。 - 【請求項17】 ヨーロッパIV基準に適合して運転される、請求項15または16に記載のエ
ンジン。
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