JP2004270587A

JP2004270587A - 内燃機関の排ガス浄化装置

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Publication number: JP2004270587A
Application number: JP2003063805A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Hashiba; 敏彦橋場; Akira Shiragami; 昭白神; Minoru Sato; 稔佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排ガス浄化装置において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を従来よりも低い温度域で抑制し、硫黄被毒回復処理の回数を減少させることにより、燃費及びＮＯ_Ｘ浄化能力の向上を図る。
【解決手段】エンジン始動時より作動されたプラズマ発生装置６により、低温を含めた広範囲の温度で排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素が生成され、下流側のＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に水素が添加される。水素はその強い還元力により排ガス中のＮＯ_Ｘを浄化するとともに、ＳＯ_２の酸化を防ぐことで、排ガス中の硫黄分がＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７へ吸着及び吸蔵されることを防ぎ、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の硫黄被毒を抑制する。さらに、プラズマ発生装置６の作動による水素生成時に排ガス中の炭化水素が消費されるため、従来、エンジン始動時等の低温時に触媒では十分に浄化できなかった炭化水素を浄化することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、燃料希薄燃焼（リーンバーン）機関の排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を浄化するために開発され、実用化されている。この触媒は、ＮＯ_Ｘの浄化が困難なリーンバーン時には、ＮＯ_Ｘを硝酸塩として触媒に吸蔵することにより排ガスからＮＯ_Ｘを除去する。ＮＯ_Ｘ吸蔵量が増加してくると、定期的な燃料過濃燃焼（リッチスパイク）を行うことで、触媒に吸蔵されたＮＯ_Ｘを放出且つ浄化し、ＮＯ_Ｘ吸蔵能力を回復する。これらの動作（リーンバーン及びリッチスパイク）を繰り返し行うことで、リーンバーン機関の排ガスに含まれるＮＯ_Ｘを浄化することができる。
【０００３】
ところで、内燃機関の燃料には硫黄が含まれており、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒は、硫黄分に対して非常に弱い性質がある。燃料に含まれる硫黄は、燃焼により二酸化硫黄（ＳＯ_２）となりエンジンから放出される。この二酸化硫黄はＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に含まれる貴金属により三酸化硫黄（ＳＯ_３）となり、水蒸気との硫酸生成反応を経てＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に硫酸塩として吸蔵される。この反応は、ＮＯ_Ｘの吸蔵よりも優先的に生じ、また硫酸塩は非常に熱的安定性が高いことから、通常のリッチスパイクでは硫黄を放出することができない。したがってＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の最大ＮＯ_Ｘ吸蔵量は硫酸塩の生成にともない減少し、その結果ＮＯ_Ｘ吸蔵能力すなわち浄化能力は低下する。このような触媒劣化現象を硫黄被毒と称する。なお、排ガスが高還元雰囲気であり、且つ触媒を６００℃以上の高温とすることにより、硫酸塩は二酸化硫黄や硫化水素（Ｈ_２Ｓ）に分解、放出され、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を回復することができることが知られている（これを硫黄被毒回復処理と称す）。しかし、触媒の高温化には熱エネルギーが必要であり、燃費が悪化する。さらに、高温により触媒が熱劣化する可能性があるため、硫黄被毒回復処理はなるべくその回数を減らし、また短時間で行うことが燃費及びＮＯ_Ｘ浄化能力の両観点から有効であると考えられる。
【０００４】
硫黄被毒回復処理の回数を減らすための従来技術としては、例えば特許文献１がある。この特許文献１では、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の触媒担持層に脱硫触媒を含ませ、排ガス中の硫黄成分（ＳＯ_Ｘ）を水素化脱硫する技術が提示されている。また、硫黄被毒回復処理を短時間で行うための従来技術としては、例えば特許文献２がある。この特許文献２では、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒より上流側の排気通路にプラズマ発生装置が配置された内燃機関の浄化装置において、硫黄被毒回復処理時に選択的にプラズマ発生装置を作動させ、排気ガス中のＨ_２、ＣＯ等の微量の還元成分をプラズマにより活性化し還元力を強化することで、短時間に触媒から硫黄を脱離させることができることが示されている。また、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒より上流側にプラズマ発生装置が配置された内燃機関の浄化装置としては他に特許文献３がある。この特許文献３では、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒によるＮＯ_Ｘ浄化率を向上させるために、吸蔵されにくいＮＯをプラズマ発生装置の作動により予めＮＯ_２に変換させて吸蔵能力の向上を図るものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３５０９３４号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】
特開２００２−２５６８５３号公報（第３頁、図１）
【特許文献３】
特開平１１−３２４６５２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒回復処理を少ない回数で、または短時間で行うための上記特許文献１及び特許文献２では、いずれにおいてもその効果を得るためには触媒の高温化が必要であり、低温ではＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を抑制、回復することができない。触媒を高温化するためには燃料の追加供給が必要であり、燃費の悪化につながっていた。さらに、特許文献１〜特許文献３を含む従来の排ガス浄化装置では、低温時において炭化水素を十分に浄化できないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒を備えた内燃機関の排ガス浄化装置において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を従来よりも低い温度域で抑制し、硫黄被毒回復処理の回数を減少させることにより、燃費及びＮＯ_Ｘ浄化能力の向上を図ることを第１の目的とする。
【０００８】
また、第２の目的として、従来、低温時において触媒では十分に浄化できなかった炭化水素を高効率で浄化するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる内燃機関の排ガス浄化装置は、排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が配置された内燃機関の排ガス浄化装置において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒より上流側の排気通路にプラズマ発生装置が配置され、プラズマ発生装置は、排気通路を通る排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素を生成し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に水素を添加するよう作動するものである。
【００１０】
また、排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が配置された内燃機関の排ガス浄化装置において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒と一体的にプラズマ発生装置が配置され、プラズマ発生装置は、排気通路を通る排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素を生成し、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に水素を添加するよう作動するものである。
【００１１】
また、排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が配置された内燃機関の排ガス浄化装置において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒より上流側の排気通路にプラズマ発生装置が配置され、またプラズマ発生装置より上流側の排気通路に水蒸気添加装置が配置されており、水蒸気添加装置は、排ガスに水蒸気を添加し、排ガスに含まれる水蒸気を増加させるように作動し、またプラズマ発生装置は、排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素を生成し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に水素を添加するよう作動するものである。
【００１２】
また、排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が配置された内燃機関の排ガス浄化装置において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒と一体的にプラズマ発生装置が配置され、またプラズマ発生装置より上流側の排気通路に水蒸気添加装置が配置されており、水蒸気添加装置は、排ガスに水蒸気を添加し、排ガスに含まれる水蒸気を増加させるように作動し、またプラズマ発生装置は、排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素を生成し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に水素を添加するよう作動するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関の排ガス浄化装置の全体構成を示す概略図である。内燃機関本体１には、内燃機関本体１によって駆動される発電機２が接続されており、発電機２により発生した電気はバッテリ３に蓄えられる。また、内燃機関本体１には排気通路である排気管４が接続されており、排気管４には上流から水蒸気添加装置５、プラズマ発生装置６、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７が配置されている。本実施の形態におけるプラズマ発生装置６は、排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素を生成し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に水素を添加するよう作動する。電力供給装置８は、バッテリ３から供給される直流電流を交流電流に変換し、水蒸気添加装置５及びプラズマ発生装置６に電力を供給する。なお、水蒸気添加装置５及びプラズマ発生装置６にかかる電圧及び周波数は、電力供給装置８で調整することが可能であり、水蒸気添加量ならびに水素生成量を調整することができる。図２はプラズマ発生装置６に供給する電力と水素生成速度の関係を示している。水素生成速度はプラズマ発生装置６に供給する電力により変化し、電力の増加にともなって水素生成速度も大きくなる。
【００１４】
本実施の形態における排ガス浄化装置においては、エンジン始動時を含む運転中に常時作動されたプラズマ発生装置６により、低温を含めた広範囲の温度で排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素が生成され、下流側のＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に水素が添加される。水素はその強い還元力により排ガス中のＮＯ_Ｘを浄化するとともに、ＳＯ_２の酸化を防ぐことで、排ガス中の硫黄分がＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７へ吸着及び吸蔵されることを防ぎ、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の硫黄被毒を抑制する。
ところで、プラズマ発生装置６の作動により水素を生成するには、炭化水素とともに十分な量の水蒸気が排ガス中に存在することが必要である。排ガスに含まれる水蒸気の量が不十分な条件でプラズマが発生すると、そこでは炭化水素同士の反応が生じるために、水素ではなく、炭素数の多い炭化水素が生成される。そこで、本実施の形態では、プラズマ発生装置６より上流側の排気通路に、水蒸気添加装置５を配置している。この水蒸気添加装置５は、排ガス中の水蒸気濃度が所定の濃度以下になった時に排ガス中に水蒸気を添加するよう作動し、プラズマ発生装置６が常に水素を生成できるようにしている。なお、排ガス中の水蒸気は内燃機関本体１における燃料（ガソリン）の燃焼により生成されるため、その濃度はガソリンの噴射量から計算して推測することができる。このような計算を行うプログラムは内燃機関本体１に通常備えられている制御装置（図示せず）に組み込むことができ、その計算結果より排気ガスに含まれる水蒸気が所定量以下になるときに水蒸気を添加するよう、水蒸気添加装置５の作動及び停止を判断し実行する。
【００１５】
図３は、プラズマ発生装置６の作動によるＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の硫黄被毒の抑制効果を示している。図中、Ｂは内燃機関の長時間運転による耐久試験時にプラズマを発生させない通常の場合（通常耐久後）、Ｃは耐久試験時にプラズマを発生させた場合（プラズマ耐久後）、及びＤは耐久試験時にプラズマを発生させ水蒸気を添加した場合（プラズマ＋水蒸気耐久後）のそれぞれについて、耐久試験実施後のＮＯ_Ｘ浄化率を求めたものである。また、図中Ａは耐久試験前のＮＯ_Ｘ浄化率（耐久前）である。ここでＮＯ_Ｘ浄化率は、上記の各耐久試験実施後にリッチスパイクによる十分なＮＯ_Ｘ放出を行い、その後リーンバーン排ガスをＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に流入させ、２０秒間経過時の触媒流入ＮＯ_Ｘ濃度と触媒排出ＮＯ_Ｘ濃度より計算したものである。また、低温時の硫黄被毒の抑制効果を確認するために、触媒温度が１００℃、及び触媒の活性温度である４００℃の各温度に対して測定した。図３より、運転時にプラズマを発生させた場合（Ｃ、Ｄ）において、発生させない通常の場合（Ｂ）よりもＮＯ_Ｘ浄化率が高いことから、プラズマ発生装置６の作動により１００℃、４００℃の各温度で耐久試験後のＮＯ_Ｘ浄化率の低下を抑制していることがわかる。これはプラズマ発生装置６の作動により生成された水素が、その強い還元力によりＮＯ_Ｘを浄化し、且つＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の硫黄被毒を抑制したためである。また、プラズマ発生時に水蒸気添加装置５により水蒸気を添加することで（Ｄ）、さらにＮＯ_Ｘ浄化率の低下を抑制する効果があり、特に低温ではこの効果が大きく現れる。
【００１６】
さらに、本実施の形態における排ガス浄化装置では、上記の効果に加えて、プラズマ発生装置６の作動による水素生成時に排ガス中の炭化水素が消費されることを利用して、従来、エンジン始動時等の低温時に触媒では十分に浄化できなかった炭化水素を浄化することができる。図４は、エンジン始動後５０秒間の炭化水素排出量を、プラズマを発生させない場合（Ｂ）、プラズマを発生させた場合（Ｃ）、及びプラズマを発生させ水蒸気を添加した場合（Ｄ）のそれぞれについて比較したものである。図４から、プラズマ発生装置６の作動により、エンジン始動時の炭化水素排出量を減少でき、水蒸気を添加することでさらにその効果が増大することがわかる。
【００１７】
以上のように、実施の形態１では、排気管４の排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７が配置された内燃機関の排ガス浄化装置において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７より上流側の排気通路にプラズマ発生装置６が配置され、このプラズマ発生装置６は、排気通路を通る排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素を生成し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７に水素を添加するよう作動するので、この水素が強い還元力により排ガス中のＮＯ_Ｘを浄化するとともにＳＯ_２の酸化を防ぐ。その結果、排ガス中の硫黄分がＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７へ吸着及び吸蔵されることを防ぎ、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の硫黄被毒を抑制することが可能である。さらに、プラズマ発生装置６の作動による水素生成時に排ガス中の炭化水素が消費されるため、従来、エンジン始動時等の低温時に触媒では十分に浄化できなかった炭化水素を浄化することができる。
【００１８】
また、実施の形態１において、プラズマ発生装置６より上流側の排気通路に水蒸気添加装置５が配置され、この水蒸気添加装置５が、排気通路を通る排ガスに水蒸気を添加し、排ガスに含まれる水蒸気を増加させるように作動するものでは、内燃機関１からの排ガス中の水蒸気濃度が低い時でも、プラズマ発生装置６が常に水素を生成でき、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７の硫黄被毒をより確実に抑制し、炭化水素を浄化することが可能である。
【００１９】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２における内燃機関の排ガス浄化装置の全体構成を示す概略図である。本実施の形態における排ガス浄化装置は、上記実施の形態１で示した排ガス浄化装置（図１）とほぼ同様の構成であるが、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒とプラズマ発生装置を一体的に配置し（図５中、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒・プラズマ発生装置９）、その上流側に水蒸気添加装置５を配置したものである。その他の構成については上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
本実施の形態における排ガス浄化装置によれば、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒とプラズマ発生装置が一体となったＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒・プラズマ発生装置９を備えることにより、装置全体をコンパクト化できる。またプラズマ発生装置で生成された水素がその輸送過程で排ガス中の酸素により酸化される量が減少するため、ＮＯ_Ｘ浄化効率を高めることができる。
【００２０】
このように実施の形態２では、排気管４の排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒７が配置された内燃機関の排ガス浄化装置において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒と一体的にプラズマ発生装置が配置され、このプラズマ発生装置が、排気通路を通る排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素を生成し、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に水素を添加するよう作動するので、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を抑制し、炭化水素を浄化することが可能である。さらに、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒とプラズマ発生装置が一体的に配置されることにより、装置全体をコンパクト化でき、プラズマ発生装置で生成された水素がその輸送過程で排ガス中の酸素により酸化される量が減少するため、ＮＯ_Ｘ浄化効率を高めることができる。
【００２１】
また、実施の形態２において、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒と一体的に配置されるプラズマ発生装置より上流側の排気通路に水蒸気添加装置５が配置され、この水蒸気添加装置５が、排ガスに水蒸気を添加し、排ガスに含まれる水蒸気を増加させるように作動するものでは、内燃機関からの排ガス中の水蒸気濃度が低い時でもプラズマ発生装置が常に水素を生成でき、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒をより確実に抑制し、炭化水素を浄化することが可能である。さらに、この場合にも、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒とプラズマ発生装置が一体的に配置されることにより、装置全体をコンパクト化でき、プラズマ発生装置で生成された水素がその輸送過程で排ガス中の酸素により酸化される量が減少するため、ＮＯ_Ｘ浄化効率を高めることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が配置された内燃機関の排ガス浄化装置において、プラズマ発生装置が、排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素を生成し、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に水素を添加するよう作動するので、この水素が強い還元力により排ガス中のＮＯ_Ｘを浄化するとともにＳＯ_２の酸化を防ぎ、その結果、排ガス中の硫黄分がＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒へ吸着及び吸蔵されることを防ぎ、ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒の硫黄被毒を抑制することが可能である。さらに、プラズマ発生装置の作動による水素生成時に排ガス中の炭化水素が消費されるため、従来、エンジン始動時等の低温時に触媒では十分に浄化できなかった炭化水素を浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１である内燃機関の排ガス浄化装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１である排ガス浄化装置のプラズマ発生装置に供給される電力と水素生成速度の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１である排ガス浄化装置におけるＮＯ_Ｘ浄化率を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１である排ガス浄化装置において、エンジン始動後５０秒後の炭化水素排出量を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２である内燃機関の排ガス浄化装置の全体構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１内燃機関本体、２発電機、３バッテリ、４排気管、５水蒸気添加装置、６プラズマ発生装置、７ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒、８電力供給装置、
９ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒・プラズマ発生装置。

Claims

排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が配置された内燃機関の排ガス浄化装置において、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒より上流側の前記排気通路にプラズマ発生装置が配置され、前記プラズマ発生装置は、前記排気通路を通る排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素を生成し、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に水素を添加するよう作動することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が配置された内燃機関の排ガス浄化装置において、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒と一体的にプラズマ発生装置が配置され、前記プラズマ発生装置は、前記排気通路を通る排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素を生成し、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に水素を添加するよう作動することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が配置された内燃機関の排ガス浄化装置において、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒より上流側の前記排気通路にプラズマ発生装置が配置され、また前記プラズマ発生装置より上流側の前記排気通路に水蒸気添加装置が配置されており、前記水蒸気添加装置は、排ガスに水蒸気を添加し、排ガスに含まれる水蒸気を増加させるように作動し、また前記プラズマ発生装置は、排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素を生成し、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に水素を添加するよう作動することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
排気通路にＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒が配置された内燃機関の排ガス浄化装置において、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒と一体的にプラズマ発生装置が配置され、また前記プラズマ発生装置より上流側の前記排気通路に水蒸気添加装置が配置されており、前記水蒸気添加装置は、排ガスに水蒸気を添加し、排ガスに含まれる水蒸気を増加させるように作動し、また前記プラズマ発生装置は、排ガスに含まれる炭化水素と水蒸気から水素を生成し、前記ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒に水素を添加するよう作動することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。
前記プラズマ発生装置は、前記内燃機関の始動時を含む運転中に常時作動されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
前記水蒸気添加装置は、排ガス中の水蒸気濃度が所定の濃度以下になった時に排ガスに水蒸気を添加するよう作動することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。