JP2004028049A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】300℃未満の低温域でもCO吸着性能の低下を抑制しNOx吸着還元触媒が十分なNOx浄化性能を発揮する排気ガス浄化装置を提供すること。
【解決手段】CO低減触媒に流入する排気ガス温度がTCO℃以下であり、CO濃度検出手段が検出する該CO低減触媒の下流側且つ該NOx吸着還元触媒の上流側の一酸化炭素濃度がCCOppmを超えたときに、酸素濃度増大手段により上記CO低減触媒に流入する排気ガスの酸素濃度を増大して、水素濃度[H2]dと一酸化炭素濃度[CO]dとが[H2]d/[CO]d>1を満たすように制御する排気ガス浄化装置である。
【選択図】 図1
【解決手段】CO低減触媒に流入する排気ガス温度がTCO℃以下であり、CO濃度検出手段が検出する該CO低減触媒の下流側且つ該NOx吸着還元触媒の上流側の一酸化炭素濃度がCCOppmを超えたときに、酸素濃度増大手段により上記CO低減触媒に流入する排気ガスの酸素濃度を増大して、水素濃度[H2]dと一酸化炭素濃度[CO]dとが[H2]d/[CO]d>1を満たすように制御する排気ガス浄化装置である。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関や燃焼器などから排出される排気ガスを浄化する装置に係り、更に詳細には、特に水素を有効利用して排ガス中のNOxを低温域でも高い効率で浄化する排気ガス浄化装置に関する。例えば、自動車などのように空燃比A/Fが酸素過剰域(リーン)と、理論空燃比(ストイキ)又は燃料過剰域(リッチ)との間を変動する内燃機関又は燃焼装置の排気ガスを効率良く浄化できる。
【0002】
【従来の技術】
燃費向上のため、内燃機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比(A/F=14.7)よりもリーン側の空燃比(A/F=22付近)に制御する方法が行われている。
しかし、リーン側に空燃比制御を行うと、通常の三元触媒ではNOx浄化率が低下するために、多量のNOxを大気中に放出することになる。
このため、希薄燃焼を行うことのできる内燃機関においては、NOxをトラップするNOx吸着材料を内蔵するNOx吸着還元触媒によってNOxを浄化する技術が知られている。このNOx吸着材料は空燃比がリーンの時にはNOxをトラップし、リッチの時にはトラップしたNOxを還元剤(HC、CO又はH2)によって放出・浄化する特性を有する。NOxの放出・浄化に使用されない還元剤(HC、CO又はH2)は酸化除去される。
【0003】
しかしながら、NOx吸着還元触媒に内蔵されているNOx吸着材料は、トラップできるNOx量に限界があるため、長時間にわたり希薄燃焼を続けることができない。
このため、トラップしたNOxを放出・浄化するために一時的に空燃比をリッチ側に制御する必要がある。なお、このリッチ化の制御(リッチ化の度合いや時間)はガス流速やガス流量などによって異なる。また、空気流量が増加すると内燃機関の負荷も増加するので、排ガス温度が上昇してNOx吸着還元触媒の温度が増加する。NOx吸着還元触媒は、触媒温度が増加するに従って、トラップしたNOxの放出量を増加させる特性を有する。更に、空気流量が増加すると排ガスと触媒の接触時間が減少するため、反応効率が低下し、その結果、NOx浄化率も低下する。このため、空気流量が増加するに従い、リッチ化度合いやリッチ化時間を増加させる制御が行われている。
【0004】
以上のようなNOx浄化方法は、主に300℃以上の比較的高温域では非常に有効であるが、300℃未満の低温域ではNOx浄化率が著しく低下する。これは、低温域ではトラップしたNOxのNOx吸着材料からの放出が困難になるためである。この原因について詳細に検討した結果、COやHC(特にCO)がNOxの放出を抑制することがわかっている。
【0005】
このような背景から、COやHCを除いた水素のみを還元剤として用いることにより、NOxの放出を著しく促進させ、NOx浄化性能を飛躍的に向上させることが見出されている。
例えば、特開2001−234737号公報では、リッチ化する際に生成する還元剤である、CO、HC及びH2のうち、COとHCを選択的に低減し、水素のみを供給するCO低減触媒とNOx吸着還元触媒を組み合わせたシステムが提案されている。NOx吸着還元触媒の上流に設置したCO低減触媒により、COやHCを低減して水素濃度を増加させた結果、低温域においてもNOx浄化性能が飛躍的に向上する。ここで用いているCO低減触媒は、CeO2を主成分とするPt系触媒である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、CeO2を主成分とするPt系触媒は、初期はCOを選択的に除去し、水素を透過させる性能は非常に高いが、使用過程において徐々にCO選択除去性能のみが低下する傾向が見られる。この原因としては、CeO2が持つストレージ酸素量が減少することや、CO吸着性能が低下することが考えられる。
【0007】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、300℃未満の低温域でもCO吸着性能の低下を抑制しNOx吸着還元触媒が十分なNOx浄化性能を発揮する排気ガス浄化装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、触媒出口でのCO濃度が増加したときに、リッチガス中の酸素濃度を増加させてCO選択酸化反応を促進させることにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の排気ガス浄化装置について詳細に説明する。なお、本明細書において「%」は、特記しない限り質量百分率を示す。
【0010】
上述の如く、本発明の排気ガス浄化装置は、内燃機関又は燃焼装置の排気通路の上流側から、CO低減触媒とNOx吸着還元触媒をこの順に配設して成り、更にCO濃度検出手段及び酸素濃度増大手段を有して成る。このとき、CO濃度検出手段は該CO低減触媒の下流側且つ該NOx吸着還元触媒の上流側に配設することが好適である。また、酸素濃度増大手段は、該CO低減触媒の上流側に配設することが好適である。
これより、上記CO低減触媒のCOを選択的に浄化する機能(CO吸着能やストレージ酸素によるCO酸化能)が低下したときでも、NOx吸着還元触媒のNOx放出能が良好なまま保持される。
【0011】
ここで、本排気ガス浄化装置の一実施形態を図1に示す。
同図において、内燃機関にはエアクリーナーbからスロットルdを介して空気が吸入される。スロットルdの下流にはエアフローメーターcが配置されている。内燃機関の排ガス流路の上流側にはCO低減触媒i及びその下流側にNOx吸着還元触媒kが配置されている。また、CO低減触媒i及びNOx吸着還元触媒kの前後にはそれぞれ排気温度センサーj、A/Fセンサーlが設置されている。なお、A/Fセンサーの代わりに赤外線方式、接触燃焼方式などのCOセンサーを用いることも可能である。
【0012】
エアフローメーターc、排気温度センサーj、A/Fセンサーlなどにより検出された信号は、ECU(エンジンコントロールユニット)aに送られ、ECU内で解析された後、排気ガス空燃比を調整する情報に変換され制御回路から出力される。出力された信号は点火プラグg、スロットルd、インジェクターeの各々に具備されている駆動回路に送られ駆動する。
【0013】
また、エアクリーナーbから流入する空気量は、スロットルdにより調整され、内燃機関に導入される。更に、燃焼室に導入された空気に対して、インジェクターから燃料が噴射され混合気が形成される。この混合気に対して点火プラグgにより点火が行われ、所望の空燃比の排気ガスが形成され、CO低減触媒i及びNOx吸着還元触媒kを配置した排気通路内に排出される。
【0014】
本発明の排気ガス浄化装置は、COを選択的に低減し、NOx吸着還元触媒に供給する水素濃度が所定値を満たすように制御する。
即ち、上記CO低減触媒に流入する排気ガス温度がTCO℃以下であり、上記CO濃度検出手段が検出する該CO低減触媒の下流側且つ該NOx吸着還元触媒の上流側の一酸化炭素濃度がCCOppmを超えたときに、上記酸素濃度増大手段により上記CO低減触媒に流入する排気ガスの酸素濃度を増大させる。そして、上記NOx吸着還元触媒に流入する排気ガスの水素濃度[H2]dと一酸化炭素濃度[CO]dとが次式、
[H2]d/[CO]d>1
を満たすように制御する。
【0015】
まず、CO低減触媒に流入する燃焼ガスや排気ガスのZ値が断続的に1.0以下になるように、炭化水素等の還元成分が過剰な雰囲気(リッチ側)に調整することが挙げられる。例えば、リッチ化の度合いや時間の変動に応じて、主に燃料噴射量、燃料噴射時間、燃料噴射タイミング、点火時期、吸排気弁の開閉タイミング、及びこれらの任意の組合せに係るものなどを燃焼制御手段によりZ値を調整することができる。
なお、「Z値」とは酸化剤と還元剤との量論比を表すものであり、次式
Z=([O2]×2+[NO])/([H2]×2+[CO]+[HC]×α)で定義される。また、[O2]、[NO]、[H2]、[CO]及び[HC]
は、CO低減触媒に流入する燃焼ガスや排気ガスに含まれる酸素、一酸化窒素、水素、一酸化炭素及び炭化水素の濃度(ppm)を示し、αはHC成分の種類によって定まる係数である。
【0016】
次いで、NOx吸着還元触媒がNOxを浄化する際、CO低減触媒により排気ガス中の水素濃度[H2]と全還元成分濃度[TR]が、次の▲1▼式及び▲2▼式
[H2/TR]d>[H2/TR]u …▲1▼
[H2/TR]d≧0.3 …▲2▼
(式中の[H2/TR]uはリッチ化実行前又は上流での水素濃度[H2]uと全還元成分濃度[TR]uの比を示し、[H2/TR]dはNOx吸着還元触媒の入口での水素濃度[H2]dと全還元成分濃度[TR]dの比を示す)で表される関係を満足するように運転できる。
【0017】
本発明の排気ガス浄化装置は、▲1▼式及び▲2▼式に示す制御に加え、NOx放出・浄化時におけるNOx吸着還元触媒入口での水素濃度と全還元成分の比[H2/TR]dにおいて、水素濃度[H2]dと全還元成分[TR]d中の一酸化炭素濃度[CO]dとの比率が、[H2/CO]d>1となるように制御する。例えば、上記TCO℃が250〜350℃以下であり、上記CCOppmが1〜3%を超えたときに、[H2/CO]d>1となるように制御することが好適である。
これより、水素とNOxの反応を阻害する他の還元成分、特にCOの影響が緩和され、還元力の強い水素とNOxとの反応性が著しく高められるので、300℃未満の低温域でもNOxが高効率で浄化される。
【0018】
ここで、上記CO低減触媒としては、リッチ化した排気ガス中のCOを選択的に低減でき、且つ水素を生成又は透過できる触媒が好適である。例えば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)又はロジウム(Rh)及びこれらを任意に組合わせた貴金属と、ストレージ酸素を有する材料又はCO吸着能を有する材料としてアルミナ及び/又は希土類酸化物を含む複合酸化物(CeO2やCeO2系複合酸化物など)と、を含有する触媒が挙げられる。これより、全還元剤成分中の水素濃度を増加できる。なお、CO低減触媒は、例えば、内燃機関のエンジンマニホールド直下に配設できる。
反応機構については、COを選択的に酸化除去し且つ水素の消費を抑制(透過)する反応▲1▼、COを吸着させ且つ水素を透過する反応▲2▼、COとH2Oが反応し水素を生成する反応▲3▼、を任意に組合せた反応が起こる。なお、反応▲1▼〜▲3▼の優位性は、触媒中のストレージ酸素量やCO吸着量に依存する。
【0019】
また、CO低減触媒と三元触媒は、特にリッチ側での機能が大きく異なる。言い換えれば、CO低減触媒はリッチ側でもCOを大幅に低減できるので有効である。一方、従来の三元触媒はリッチ側ではCO浄化率が著しく低下する。
また、CO低減触媒の構成材料は、三元触媒と比較して、ストレージ酸素量やCeO2含有量が著しく多いことも有効である。
【0020】
一方、上記NOx吸着還元触媒としては、例えば、Pt−Mg/Al2O3、Pt−Na/Al2O3及びPt−Ba/Al2O3などが挙げられ、これらは含有するNOx吸着材料により、空燃比がリーン側のときにNOxをトラップし、リッチ側のときにトラップしたNOxを還元剤(HC、CO、水素)によって放出・浄化する特性を有する。このとき、NOxの放出・浄化に使用されない還元剤(HC、CO、水素)は酸化除去される。なお、NOx吸着還元触媒は床下に配設できる。
【0021】
また、上記酸素濃度増大手段は、空燃比A/Fを11〜13の範囲としてリッチ化を行うことができる。これより、排気ガス中の酸素比率が増大し、NOx吸着還元触媒へ水素を常に供給できるので有効である。代表的には、A/F=12でリッチスパイクを行うことができる。なお、A/Fが上記範囲外であると、[H2]d/[CO]d<1となることがある。
更に、上記酸素濃度増大手段は、二次エアーとして酸素又は酸素濃度が検出したCO濃度の10%以上である気体を供給することができる。これより、排気ガス中の酸素比率の調整が安定し、容易になるので有効である。なお、酸素濃度が検出したCO濃度の10%未満であると、[H2]d/[CO]d<1となることがある。
【0022】
更にまた、上記CO濃度検出手段としては、A/Fセンサー、赤外線方式COセンサー又は接触燃焼方式COセンサー、及びこれらの任意の組合せに係るものが好適に使用できる。
【0023】
次に、図2に本発明の排気ガス浄化装置を用いた制御フローの一例を示す。
まず、ステップ1(以下「S1」のように省略する)では、CO低減触媒の入口温度を測定し、TCO(例えば250℃)以上であるか否かを判定する。
その結果、TCO以上であるとき(Yesのとき)は吸入空気流量を検出する(S2)。そして、この検出データに基づき予めECU上に記憶してあるCO吸着量及びCO反応量のマップ(図5〜図8)からCO消費量(CO吸着量+CO反応量)を推定する(S3)。
【0024】
推定したCO消費量に基づき、燃料噴射量及び燃料噴射時間のマップ(図9、図10)から、最適な燃料噴射量及び燃料噴射時間を設定し、リッチ化を実行する(S4)。
【0025】
その後、設定した燃料噴射条件に対応したCOが低減されていることをCO低減触媒出口に設置したセンサーにより確認し、CO低減触媒出口の排気ガスが[H2/CO]>1を満たすか否かを判定する(S5)。また、S1でTCO未満であるとき(Noのとき)も同様に判定する。
【0026】
その結果、[H2/CO]>1を満たすとき(Yesのとき)は制御を終了する。一方、所定のCO濃度よりも高い場合、即ち[H2/CO]≦1のときは、CO低減触媒の性能が低下していると考えられるので、▲1▼又は▲2▼の制御フローを実行する。
【0027】
図3に示す制御フロー▲1▼では、S4で設定した燃料噴射条件とCO低減触媒出口でのCO濃度との関係(図11)から、劣化係数VCを決定する(S6)。この劣化係数を元に燃料噴射条件を再度設定する(S7)。
その後、設定した燃料噴射条件に対応してCOが低減されているかを確認する。CO低減触媒出口に設置したセンサーにより排気ガスが[H2/CO]>1を満たすか否かを判定する(S8)。
その結果、[H2/CO]>1を満たすとき(Yesのとき)は制御を終了する。一方、所定のCO濃度よりも高い場合、即ち[H2/CO]≦1のときは、再度S6で劣化係数VCを決定し、この劣化係数を元に燃料噴射条件を再度設定する制御を[H2/CO]>1を満たすまで繰り返す。
【0028】
一方、図4に示す制御フロー▲2▼では、S4で設定した燃料噴射条件とCO低減触媒出口でのCO濃度との関係(図12)から、劣化係数ACを決定する(S9)。この劣化係数を元に供給空気量を再度設定する(S10)。
その後、設定した供給空気量に対応してCOが低減されているかを確認する。CO低減触媒出口に設置したセンサーにより排気ガスが[H2/CO]>1を満たすか否かを判定する(S11)。
その結果、[H2/CO]>1を満たすとき(Yesのとき)は制御を終了する。一方、所定のCO濃度よりも高い場合、即ち[H2/CO]≦1のときは、再度S9で劣化係数ACを決定し、この劣化係数を元に燃料噴射条件を再度設定する制御を[H2/CO]>1を満たすまで繰り返す。
【0029】
【実施例】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
なお、実施例及び比較例では、CO低減触媒へリッチ運転時に酸素濃度を変化させたモデルガスを流入し、これを内燃機関等で排気ガス浄化装置が行うCO低減反応と想定した。
【0030】
(CO低減触媒の調製)
Ptジニトロジアミン水溶液を酸化セリウム粉末に含浸し、乾燥後空気中400℃で1時間焼成して、Pt担持セリア粉末を得た。このPt担持セリア粉末、活性アルミナ及び水を磁性ボールミルに仕込み、振動ミル装置で混合粉砕し、スラリーを得た。このスラリーをコージェライト製モノリス担体に所定量塗布し、130℃で乾燥後、空気雰囲気中400℃、1時間焼成し、CO低減触媒を得た。
【0031】
(CO低減反応)
得られたCO低減触媒について、反応温度300℃且つ表1に示す反応ガス条件でCO低減反応を行った。
【0032】
【表1】
【0033】
【表2】
【0034】
表2に示すとおり、酸素濃度が0である比較例1に対して、酸素濃度を増加した実施例1〜3では、酸素濃度の増加に伴い水素/CO比が増加したことがわかる。これより、本発明の排気ガス浄化装置では、NOx吸着還元触媒が十分なNOx浄化性能を発揮することが推察できる。
【0035】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、触媒出口でのCO濃度が増加したときに、リッチガス中の酸素濃度を増加させてCO選択酸化反応を促進させることとしたため、300℃未満の低温域でもCO吸着性能の低下を抑制しNOx吸着還元触媒が十分なNOx浄化性能を発揮する排気ガス浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の排気ガス浄化装置の一例を示す構成図である。
【図2】COを低減するフローチャートの一例(S1〜S5)である。
【図3】COを低減するフローチャートの一例(S6〜S8)である。
【図4】COを低減するフローチャートの一例(S9〜S11)である。
【図5】吸入空気量に対する吸着CO量のマップである。
【図6】触媒温度に対する吸着CO量のマップである。
【図7】吸入空気量に対する反応CO量のマップである。
【図8】触媒温度に対する反応CO量のマップである。
【図9】燃料噴射量に対する消費CO量のマップである。
【図10】燃料噴射時間に対する消費CO量のマップである。
【図11】燃料噴射量とCO低減触媒後のCO濃度から劣化係数を決定するマップである。
【図12】酸素供給量とCO低減触媒後のCO濃度から劣化係数を決定するマップである。
【符号の説明】
a ECU(エンジンコントロールユニット)
b エアクリーナー
c エアフローメーター
d スロットル
e インジェクタ−
f クランク角センサー
g 点火プラグ
h EGRバルブ
i CO低減触媒
j 排気温度センサー
k NOx吸着還元触媒
l A/Fセンサー又はNOxセンサー
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関や燃焼器などから排出される排気ガスを浄化する装置に係り、更に詳細には、特に水素を有効利用して排ガス中のNOxを低温域でも高い効率で浄化する排気ガス浄化装置に関する。例えば、自動車などのように空燃比A/Fが酸素過剰域(リーン)と、理論空燃比(ストイキ)又は燃料過剰域(リッチ)との間を変動する内燃機関又は燃焼装置の排気ガスを効率良く浄化できる。
【0002】
【従来の技術】
燃費向上のため、内燃機関に供給する混合気の空燃比を理論空燃比(A/F=14.7)よりもリーン側の空燃比(A/F=22付近)に制御する方法が行われている。
しかし、リーン側に空燃比制御を行うと、通常の三元触媒ではNOx浄化率が低下するために、多量のNOxを大気中に放出することになる。
このため、希薄燃焼を行うことのできる内燃機関においては、NOxをトラップするNOx吸着材料を内蔵するNOx吸着還元触媒によってNOxを浄化する技術が知られている。このNOx吸着材料は空燃比がリーンの時にはNOxをトラップし、リッチの時にはトラップしたNOxを還元剤(HC、CO又はH2)によって放出・浄化する特性を有する。NOxの放出・浄化に使用されない還元剤(HC、CO又はH2)は酸化除去される。
【0003】
しかしながら、NOx吸着還元触媒に内蔵されているNOx吸着材料は、トラップできるNOx量に限界があるため、長時間にわたり希薄燃焼を続けることができない。
このため、トラップしたNOxを放出・浄化するために一時的に空燃比をリッチ側に制御する必要がある。なお、このリッチ化の制御(リッチ化の度合いや時間)はガス流速やガス流量などによって異なる。また、空気流量が増加すると内燃機関の負荷も増加するので、排ガス温度が上昇してNOx吸着還元触媒の温度が増加する。NOx吸着還元触媒は、触媒温度が増加するに従って、トラップしたNOxの放出量を増加させる特性を有する。更に、空気流量が増加すると排ガスと触媒の接触時間が減少するため、反応効率が低下し、その結果、NOx浄化率も低下する。このため、空気流量が増加するに従い、リッチ化度合いやリッチ化時間を増加させる制御が行われている。
【0004】
以上のようなNOx浄化方法は、主に300℃以上の比較的高温域では非常に有効であるが、300℃未満の低温域ではNOx浄化率が著しく低下する。これは、低温域ではトラップしたNOxのNOx吸着材料からの放出が困難になるためである。この原因について詳細に検討した結果、COやHC(特にCO)がNOxの放出を抑制することがわかっている。
【0005】
このような背景から、COやHCを除いた水素のみを還元剤として用いることにより、NOxの放出を著しく促進させ、NOx浄化性能を飛躍的に向上させることが見出されている。
例えば、特開2001−234737号公報では、リッチ化する際に生成する還元剤である、CO、HC及びH2のうち、COとHCを選択的に低減し、水素のみを供給するCO低減触媒とNOx吸着還元触媒を組み合わせたシステムが提案されている。NOx吸着還元触媒の上流に設置したCO低減触媒により、COやHCを低減して水素濃度を増加させた結果、低温域においてもNOx浄化性能が飛躍的に向上する。ここで用いているCO低減触媒は、CeO2を主成分とするPt系触媒である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、CeO2を主成分とするPt系触媒は、初期はCOを選択的に除去し、水素を透過させる性能は非常に高いが、使用過程において徐々にCO選択除去性能のみが低下する傾向が見られる。この原因としては、CeO2が持つストレージ酸素量が減少することや、CO吸着性能が低下することが考えられる。
【0007】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、300℃未満の低温域でもCO吸着性能の低下を抑制しNOx吸着還元触媒が十分なNOx浄化性能を発揮する排気ガス浄化装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、触媒出口でのCO濃度が増加したときに、リッチガス中の酸素濃度を増加させてCO選択酸化反応を促進させることにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の排気ガス浄化装置について詳細に説明する。なお、本明細書において「%」は、特記しない限り質量百分率を示す。
【0010】
上述の如く、本発明の排気ガス浄化装置は、内燃機関又は燃焼装置の排気通路の上流側から、CO低減触媒とNOx吸着還元触媒をこの順に配設して成り、更にCO濃度検出手段及び酸素濃度増大手段を有して成る。このとき、CO濃度検出手段は該CO低減触媒の下流側且つ該NOx吸着還元触媒の上流側に配設することが好適である。また、酸素濃度増大手段は、該CO低減触媒の上流側に配設することが好適である。
これより、上記CO低減触媒のCOを選択的に浄化する機能(CO吸着能やストレージ酸素によるCO酸化能)が低下したときでも、NOx吸着還元触媒のNOx放出能が良好なまま保持される。
【0011】
ここで、本排気ガス浄化装置の一実施形態を図1に示す。
同図において、内燃機関にはエアクリーナーbからスロットルdを介して空気が吸入される。スロットルdの下流にはエアフローメーターcが配置されている。内燃機関の排ガス流路の上流側にはCO低減触媒i及びその下流側にNOx吸着還元触媒kが配置されている。また、CO低減触媒i及びNOx吸着還元触媒kの前後にはそれぞれ排気温度センサーj、A/Fセンサーlが設置されている。なお、A/Fセンサーの代わりに赤外線方式、接触燃焼方式などのCOセンサーを用いることも可能である。
【0012】
エアフローメーターc、排気温度センサーj、A/Fセンサーlなどにより検出された信号は、ECU(エンジンコントロールユニット)aに送られ、ECU内で解析された後、排気ガス空燃比を調整する情報に変換され制御回路から出力される。出力された信号は点火プラグg、スロットルd、インジェクターeの各々に具備されている駆動回路に送られ駆動する。
【0013】
また、エアクリーナーbから流入する空気量は、スロットルdにより調整され、内燃機関に導入される。更に、燃焼室に導入された空気に対して、インジェクターから燃料が噴射され混合気が形成される。この混合気に対して点火プラグgにより点火が行われ、所望の空燃比の排気ガスが形成され、CO低減触媒i及びNOx吸着還元触媒kを配置した排気通路内に排出される。
【0014】
本発明の排気ガス浄化装置は、COを選択的に低減し、NOx吸着還元触媒に供給する水素濃度が所定値を満たすように制御する。
即ち、上記CO低減触媒に流入する排気ガス温度がTCO℃以下であり、上記CO濃度検出手段が検出する該CO低減触媒の下流側且つ該NOx吸着還元触媒の上流側の一酸化炭素濃度がCCOppmを超えたときに、上記酸素濃度増大手段により上記CO低減触媒に流入する排気ガスの酸素濃度を増大させる。そして、上記NOx吸着還元触媒に流入する排気ガスの水素濃度[H2]dと一酸化炭素濃度[CO]dとが次式、
[H2]d/[CO]d>1
を満たすように制御する。
【0015】
まず、CO低減触媒に流入する燃焼ガスや排気ガスのZ値が断続的に1.0以下になるように、炭化水素等の還元成分が過剰な雰囲気(リッチ側)に調整することが挙げられる。例えば、リッチ化の度合いや時間の変動に応じて、主に燃料噴射量、燃料噴射時間、燃料噴射タイミング、点火時期、吸排気弁の開閉タイミング、及びこれらの任意の組合せに係るものなどを燃焼制御手段によりZ値を調整することができる。
なお、「Z値」とは酸化剤と還元剤との量論比を表すものであり、次式
Z=([O2]×2+[NO])/([H2]×2+[CO]+[HC]×α)で定義される。また、[O2]、[NO]、[H2]、[CO]及び[HC]
は、CO低減触媒に流入する燃焼ガスや排気ガスに含まれる酸素、一酸化窒素、水素、一酸化炭素及び炭化水素の濃度(ppm)を示し、αはHC成分の種類によって定まる係数である。
【0016】
次いで、NOx吸着還元触媒がNOxを浄化する際、CO低減触媒により排気ガス中の水素濃度[H2]と全還元成分濃度[TR]が、次の▲1▼式及び▲2▼式
[H2/TR]d>[H2/TR]u …▲1▼
[H2/TR]d≧0.3 …▲2▼
(式中の[H2/TR]uはリッチ化実行前又は上流での水素濃度[H2]uと全還元成分濃度[TR]uの比を示し、[H2/TR]dはNOx吸着還元触媒の入口での水素濃度[H2]dと全還元成分濃度[TR]dの比を示す)で表される関係を満足するように運転できる。
【0017】
本発明の排気ガス浄化装置は、▲1▼式及び▲2▼式に示す制御に加え、NOx放出・浄化時におけるNOx吸着還元触媒入口での水素濃度と全還元成分の比[H2/TR]dにおいて、水素濃度[H2]dと全還元成分[TR]d中の一酸化炭素濃度[CO]dとの比率が、[H2/CO]d>1となるように制御する。例えば、上記TCO℃が250〜350℃以下であり、上記CCOppmが1〜3%を超えたときに、[H2/CO]d>1となるように制御することが好適である。
これより、水素とNOxの反応を阻害する他の還元成分、特にCOの影響が緩和され、還元力の強い水素とNOxとの反応性が著しく高められるので、300℃未満の低温域でもNOxが高効率で浄化される。
【0018】
ここで、上記CO低減触媒としては、リッチ化した排気ガス中のCOを選択的に低減でき、且つ水素を生成又は透過できる触媒が好適である。例えば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)又はロジウム(Rh)及びこれらを任意に組合わせた貴金属と、ストレージ酸素を有する材料又はCO吸着能を有する材料としてアルミナ及び/又は希土類酸化物を含む複合酸化物(CeO2やCeO2系複合酸化物など)と、を含有する触媒が挙げられる。これより、全還元剤成分中の水素濃度を増加できる。なお、CO低減触媒は、例えば、内燃機関のエンジンマニホールド直下に配設できる。
反応機構については、COを選択的に酸化除去し且つ水素の消費を抑制(透過)する反応▲1▼、COを吸着させ且つ水素を透過する反応▲2▼、COとH2Oが反応し水素を生成する反応▲3▼、を任意に組合せた反応が起こる。なお、反応▲1▼〜▲3▼の優位性は、触媒中のストレージ酸素量やCO吸着量に依存する。
【0019】
また、CO低減触媒と三元触媒は、特にリッチ側での機能が大きく異なる。言い換えれば、CO低減触媒はリッチ側でもCOを大幅に低減できるので有効である。一方、従来の三元触媒はリッチ側ではCO浄化率が著しく低下する。
また、CO低減触媒の構成材料は、三元触媒と比較して、ストレージ酸素量やCeO2含有量が著しく多いことも有効である。
【0020】
一方、上記NOx吸着還元触媒としては、例えば、Pt−Mg/Al2O3、Pt−Na/Al2O3及びPt−Ba/Al2O3などが挙げられ、これらは含有するNOx吸着材料により、空燃比がリーン側のときにNOxをトラップし、リッチ側のときにトラップしたNOxを還元剤(HC、CO、水素)によって放出・浄化する特性を有する。このとき、NOxの放出・浄化に使用されない還元剤(HC、CO、水素)は酸化除去される。なお、NOx吸着還元触媒は床下に配設できる。
【0021】
また、上記酸素濃度増大手段は、空燃比A/Fを11〜13の範囲としてリッチ化を行うことができる。これより、排気ガス中の酸素比率が増大し、NOx吸着還元触媒へ水素を常に供給できるので有効である。代表的には、A/F=12でリッチスパイクを行うことができる。なお、A/Fが上記範囲外であると、[H2]d/[CO]d<1となることがある。
更に、上記酸素濃度増大手段は、二次エアーとして酸素又は酸素濃度が検出したCO濃度の10%以上である気体を供給することができる。これより、排気ガス中の酸素比率の調整が安定し、容易になるので有効である。なお、酸素濃度が検出したCO濃度の10%未満であると、[H2]d/[CO]d<1となることがある。
【0022】
更にまた、上記CO濃度検出手段としては、A/Fセンサー、赤外線方式COセンサー又は接触燃焼方式COセンサー、及びこれらの任意の組合せに係るものが好適に使用できる。
【0023】
次に、図2に本発明の排気ガス浄化装置を用いた制御フローの一例を示す。
まず、ステップ1(以下「S1」のように省略する)では、CO低減触媒の入口温度を測定し、TCO(例えば250℃)以上であるか否かを判定する。
その結果、TCO以上であるとき(Yesのとき)は吸入空気流量を検出する(S2)。そして、この検出データに基づき予めECU上に記憶してあるCO吸着量及びCO反応量のマップ(図5〜図8)からCO消費量(CO吸着量+CO反応量)を推定する(S3)。
【0024】
推定したCO消費量に基づき、燃料噴射量及び燃料噴射時間のマップ(図9、図10)から、最適な燃料噴射量及び燃料噴射時間を設定し、リッチ化を実行する(S4)。
【0025】
その後、設定した燃料噴射条件に対応したCOが低減されていることをCO低減触媒出口に設置したセンサーにより確認し、CO低減触媒出口の排気ガスが[H2/CO]>1を満たすか否かを判定する(S5)。また、S1でTCO未満であるとき(Noのとき)も同様に判定する。
【0026】
その結果、[H2/CO]>1を満たすとき(Yesのとき)は制御を終了する。一方、所定のCO濃度よりも高い場合、即ち[H2/CO]≦1のときは、CO低減触媒の性能が低下していると考えられるので、▲1▼又は▲2▼の制御フローを実行する。
【0027】
図3に示す制御フロー▲1▼では、S4で設定した燃料噴射条件とCO低減触媒出口でのCO濃度との関係(図11)から、劣化係数VCを決定する(S6)。この劣化係数を元に燃料噴射条件を再度設定する(S7)。
その後、設定した燃料噴射条件に対応してCOが低減されているかを確認する。CO低減触媒出口に設置したセンサーにより排気ガスが[H2/CO]>1を満たすか否かを判定する(S8)。
その結果、[H2/CO]>1を満たすとき(Yesのとき)は制御を終了する。一方、所定のCO濃度よりも高い場合、即ち[H2/CO]≦1のときは、再度S6で劣化係数VCを決定し、この劣化係数を元に燃料噴射条件を再度設定する制御を[H2/CO]>1を満たすまで繰り返す。
【0028】
一方、図4に示す制御フロー▲2▼では、S4で設定した燃料噴射条件とCO低減触媒出口でのCO濃度との関係(図12)から、劣化係数ACを決定する(S9)。この劣化係数を元に供給空気量を再度設定する(S10)。
その後、設定した供給空気量に対応してCOが低減されているかを確認する。CO低減触媒出口に設置したセンサーにより排気ガスが[H2/CO]>1を満たすか否かを判定する(S11)。
その結果、[H2/CO]>1を満たすとき(Yesのとき)は制御を終了する。一方、所定のCO濃度よりも高い場合、即ち[H2/CO]≦1のときは、再度S9で劣化係数ACを決定し、この劣化係数を元に燃料噴射条件を再度設定する制御を[H2/CO]>1を満たすまで繰り返す。
【0029】
【実施例】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
なお、実施例及び比較例では、CO低減触媒へリッチ運転時に酸素濃度を変化させたモデルガスを流入し、これを内燃機関等で排気ガス浄化装置が行うCO低減反応と想定した。
【0030】
(CO低減触媒の調製)
Ptジニトロジアミン水溶液を酸化セリウム粉末に含浸し、乾燥後空気中400℃で1時間焼成して、Pt担持セリア粉末を得た。このPt担持セリア粉末、活性アルミナ及び水を磁性ボールミルに仕込み、振動ミル装置で混合粉砕し、スラリーを得た。このスラリーをコージェライト製モノリス担体に所定量塗布し、130℃で乾燥後、空気雰囲気中400℃、1時間焼成し、CO低減触媒を得た。
【0031】
(CO低減反応)
得られたCO低減触媒について、反応温度300℃且つ表1に示す反応ガス条件でCO低減反応を行った。
【0032】
【表1】
【0033】
【表2】
【0034】
表2に示すとおり、酸素濃度が0である比較例1に対して、酸素濃度を増加した実施例1〜3では、酸素濃度の増加に伴い水素/CO比が増加したことがわかる。これより、本発明の排気ガス浄化装置では、NOx吸着還元触媒が十分なNOx浄化性能を発揮することが推察できる。
【0035】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、触媒出口でのCO濃度が増加したときに、リッチガス中の酸素濃度を増加させてCO選択酸化反応を促進させることとしたため、300℃未満の低温域でもCO吸着性能の低下を抑制しNOx吸着還元触媒が十分なNOx浄化性能を発揮する排気ガス浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の排気ガス浄化装置の一例を示す構成図である。
【図2】COを低減するフローチャートの一例(S1〜S5)である。
【図3】COを低減するフローチャートの一例(S6〜S8)である。
【図4】COを低減するフローチャートの一例(S9〜S11)である。
【図5】吸入空気量に対する吸着CO量のマップである。
【図6】触媒温度に対する吸着CO量のマップである。
【図7】吸入空気量に対する反応CO量のマップである。
【図8】触媒温度に対する反応CO量のマップである。
【図9】燃料噴射量に対する消費CO量のマップである。
【図10】燃料噴射時間に対する消費CO量のマップである。
【図11】燃料噴射量とCO低減触媒後のCO濃度から劣化係数を決定するマップである。
【図12】酸素供給量とCO低減触媒後のCO濃度から劣化係数を決定するマップである。
【符号の説明】
a ECU(エンジンコントロールユニット)
b エアクリーナー
c エアフローメーター
d スロットル
e インジェクタ−
f クランク角センサー
g 点火プラグ
h EGRバルブ
i CO低減触媒
j 排気温度センサー
k NOx吸着還元触媒
l A/Fセンサー又はNOxセンサー
Claims (6)
- 内燃機関又は燃焼装置の排気通路の上流側から、CO低減触媒とNOx吸着還元触媒をこの順に配設して成り、更にCO濃度検出手段及び酸素濃度増大手段を有する排気ガス浄化装置であって、
上記CO低減触媒に流入する排気ガス温度がTCO℃以下であり、上記CO濃度検出手段が検出する該CO低減触媒の下流側且つ該NOx吸着還元触媒の上流側の一酸化炭素濃度がCCOppmを超えたときに、上記酸素濃度増大手段により上記CO低減触媒に流入する排気ガスの酸素濃度を増大して、上記NOx吸着還元触媒に流入する排気ガスの水素濃度[H2]dと一酸化炭素濃度[CO]dとが次式、
[H2]d/[CO]d>1
を満たすように制御することを特徴とする排気ガス浄化装置。 - 上記TCO℃が250〜350℃であり、上記CCOppmが1〜3%であることを特徴とする請求項1に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記酸素濃度増大手段が、空燃比A/Fを11〜13の範囲としてリッチ化を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記酸素濃度増大手段が、二次エアーとして酸素又は酸素濃度が検出したCO濃度の10%以上である気体を供給することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記CO濃度検出手段が、A/Fセンサー、赤外線方式COセンサー及び接触燃焼方式COセンサーから成る群より選ばれた少なくとも1種のものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の排気ガス浄化装置。
- 上記CO低減触媒が、白金、パラジウム及びロジウムから成る群より選ばれた少なくとも1種の貴金属と、アルミナ及び/又は希土類酸化物を含む複合酸化物と、を含有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の排気ガス浄化装置。
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US8225601B2 (en) | 2006-03-30 | 2012-07-24 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Exhaust gas purification system for internal combustion engine |
JP2015096721A (ja) * | 2013-09-26 | 2015-05-21 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | 触媒失活の監視および空燃比の制御のためのシステムおよび方法 |
-
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- 2002-06-28 JP JP2002189266A patent/JP2004028049A/ja active Pending
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