JP2005344688A

JP2005344688A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2005344688A
Application number: JP2004168766A
Authority: JP
Inventors: Miyao Arakawa; 宮男荒川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、低温域でのＮＯｘ吸蔵・還元を促進する。
【解決手段】エンジン１の排気管２途中にＮＯｘ吸蔵還元触媒４を設置し、その上流側に放電部３とＨ₂インジェクタ６を配置する。ＮＯｘ吸蔵時には、放電部３の電極間に放電を発生させることで、両電極間を通過する排気ガス中のＮＯをＮＯ₂に酸化し、低温でのＮＯｘ吸蔵を促進する。還元時には、Ｈ₂インジェクタ６から水素を還元剤として供給し、低温でのＮＯｘ浄化率を高める。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備えた排気浄化装置が提案されている。従来例として、特許文献１には、内燃機関のリーン空燃比燃焼時にＮＯｘを硝酸塩の形で吸蔵し、定期的にリッチ空燃比として酸素濃度を低下させることによりＮＯｘを放出させて還元する吸蔵還元触媒が開示されている。この時、ＮＯｘを還元する還元物質としては、通常、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が用いられる。
特許第３１５８４４４号公報

しかしながら、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の動作には排気温度が高いことが必要であり、低温域では、触媒の活性が低いために良好な浄化性能が得られない。特に、ディーゼルエンジンのように比較的排気温度が低い内燃機関に使用された場合、低温域においてＮＯｘの吸蔵能が低下し、還元反応が抑制される結果、十分なＮＯｘ浄化性能が期待できないという欠点があった。また、還元剤として供給されるＨＣやＣＯがＮＯｘと反応せずに放出されると、大気を汚染するおそれがあった。

本発明の目的は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を備える内燃機関の排気浄化装置において、低温域でのＮＯｘ吸蔵を促進すること、また、低温域からＮＯｘを還元可能とすることにより、ＮＯｘ浄化率を向上させて、排気浄化性能を向上させることにある。

請求項１の排気浄化装置は、内燃機関の排気管の途中にＮＯｘ吸蔵還元触媒を設置し、このＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流側に放電手段および水素供給手段を配置してなる。放電手段の電極間に放電を発生させると、両電極間を通過する排気ガス中のＮＯがＮＯ₂に酸化され下流のＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵される。また、水素供給手段によって水素を還元剤として排気管に供給することで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒から放出されるＮＯ₂を還元浄化する。

従来、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の動作には内燃機関の排気温度が高いことが必要とされていたが、上記装置によれば、排気温度が低い状態でも上記放電手段を作動させてＮＯを酸化し、吸蔵しやすいＮＯ₂に変換することで、低温でのＮＯｘの吸蔵を促進することができる。また、貯蔵されたＮＯｘの還元時に、上記水素供給手段から還元剤として反応性の高い水素を添加することで、低温でのＮＯｘ浄化を可能とする。従って、比較的排気温度が低いディーゼルエンジンにおいても、低温域から高いＮＯｘ浄化率を実現することができ、広い温度領域で優れた排気浄化性能を実現する。

請求項２の発明において、上記放電手段は、平行配設した複数の電極間に複数の排気通路を形成した放電部を備える。各排気通路を挟んで対向する一対の電極間に交流高電圧を印加して放電を発生させると、放電によるエネルギーで一対の電極間に酸素ラジカルやオゾンが発生し、これらがＮＯと反応してＮＯ₂が生成する。よって、内燃機関の排気温度が低い状態においても、放電部に排気を通過させることで、ＮＯの酸化を進行させ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒へ吸蔵させることができる。

請求項３の発明のように、具体的には、上記放電部の複数の電極は、それぞれ誘電体基板内に埋設され、各排気通路を挟んで対向する一対の電極は、一方が高電圧電源に接続する放電電極、他方が接地電極となる。誘電体内に電極を埋設して平行配設することで放電部を容易に構成でき、また、放電部内に効率よく放電を発生させてＮＯの酸化を促進することができる。

請求項４の発明において、上記水素供給手段は、上記放電手段と上記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の間に設置される水素インジェクタを備え、この水素インジェクタに水素貯蔵部を接続して、水素を供給可能としている。放電手段とＮＯｘ吸蔵還元触媒の間の排気管内に、水素インジェクタから水素を噴射することで、効率よく下流のＮＯｘ吸蔵還元触媒に還元剤を供給することができる。また、排気管内の酸素と反応して酸素濃度を低下させることで、ＮＯｘ吸蔵還元触媒をより還元しやすい雰囲気とすることができる。

請求項５の発明では、内燃機関の排気温度が所定の温度以下である時に、上記放電手段を作動させる。例えば排気温度をモニタして、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の吸蔵能、浄化性能が低下する低温域のみ放電を発生させるように制御すれば、エネルギーロスを抑制し、効率よくＮＯｘを浄化するとができる。

以下、本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はディーゼルエンジンの排気浄化装置の全体構成を示すもので、エンジン１の排気管２の途中には大径部が設けられており、その内部に、放電手段を構成する放電部３と、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４が設置されている。放電部３は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４の上流側に間隔をおいて配設され、外部の高電圧電源５から所定の交流高電圧が供給されるようになっている。放電部３とＮＯｘ吸蔵還元触媒４の間の排気管２壁には、水素供給手段を構成する水素インジェクタ（Ｈ₂インジェクタ）６が固定されて、排気管２内に水素（Ｈ₂）を噴射可能となっている。

放電部３の構成を図１、図２を用いて説明する。図において、放電部３は、所定間隔で平行配設した複数の誘電体基板としてのアルミナ基板３１を有し、これら基板３１間に、排気ガスの流れ方向に延びる複数の排気通路３３を形成している。各基板３１は、種々の誘電体セラミックスで形成することができるが、本実施形態では、安価な汎用材であり、耐熱性、絶縁性に優れるアルミナを用いて形成している。

図２のように、各基板３１内には、それぞれ電極３２ａ、３２ｂが埋設されている。これら電極３２ａ、３２ｂは、例えば、基板３１材となるアルミナシートに導体を印刷または積層することによって形成することができる。複数の電極３２ａ、３２ｂは、図示しない接続端子によって交互に高電圧電源５に接続あるいは接地を施され、排気通路３３を挟んで対向する一対の電極３２ａ、３２ｂのうち、一方が高電圧電源５側の放電電極３２ａとなり、他方が接地電極３２ｂとなるように配置される。この時、高電圧電源５から対向する一対の電極３２間に高周波の高圧交流電圧（例えばＡＣ１０ｋＶ）を印加することで、排気通路３３内に放電を発生させることができる。図３は、高電圧電源５による印加電圧波形図の一例を示す特性図である。

この放電によって発生する加速電子が排気ガス中の酸素分子（Ｏ₂）と反応して、酸素ラジカル（Ｏ＊）またはオゾン（Ｏ₃ ）が生成する。この酸素ラジカル（Ｏ＊）またはオゾン（Ｏ₃ ）は、放電部３に流入する排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）と容易に反応し、二酸化窒素（ＮＯ₂）となって、下流のＮＯｘ吸蔵還元触媒４に流入する。

放電部３の構成は、必ずしも上述した通りである必要はなく、基板３１や電極３２ａ、３２ｂ形状、配置等を変更したり、排気通路３３内に補助電極を配置することもできる。放電部３で発生する加速電子のエネルギーは、高電圧電源５の印加電圧や、電極３２ａ、３２ｂの間隙、基板３１材やサイズ等によって決定されるので、排気通路３３内に発生する放電が安定し、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を酸化するのに十分な酸素ラジカル（Ｏ＊）が生成するように、適宜設定変更可能である。

ＮＯｘ吸蔵還元触媒４は、通常、多孔質セラミックス構造体よりなる担体に触媒成分を担持させて構成される。多孔質セラミックスとしては、例えば、高温使用時の構造安定性が高く、比較的入手が容易なコーディエライト等が用いられ、排気ガスの流れ方向に多数の通路を有するハニカム状に成形される。この担体表面に、図４、５のように、Ｐｔ等の貴金属触媒成分およびバリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵成分を担持させてＮＯｘ吸蔵還元触媒４とする。ＮＯｘ吸蔵成分としては、Ｂａ以外のアルカリ土類金属またはアルカリ金属を使用することもできる。

一般には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４の吸蔵時動作は、図４に示すようになり、リーン空燃比の時に、白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒成分によって、排気ガス中のＮＯとＯ₂とが反応して、ＮＯ₂を生成する。このＮＯ₂は、さらに、Ｂａ等のＮＯｘ吸蔵成分と反応して、硝酸塩（Ｂａ（ＮＯ₃）₂) として吸蔵される。ただし、低温時には、ＮＯの酸化反応が十分進行せず、その結果、ＮＯｘ吸蔵能も低下することになる。そこで、本発明では、低温時にこれを放電部３によって代行する。すなわち、排気ガスに放電を加えることによって、予めＮＯをＮＯ₂に酸化してから、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４に導入する。これにより、ＮＯｘ吸蔵能が改善される。

酸素ラジカル（Ｏ＊）とＮＯの反応で生成したＮＯ₂は、下流のＮＯｘ吸蔵還元触媒４において、Ｂａ等のＮＯｘ吸蔵成分と容易に反応し、硝酸塩（Ｂａ（ＮＯ₃）₂) として吸蔵される（図４）。このように、放電部３を設けてＮＯをＮＯ₂に酸化することで、低温時のＮＯｘ吸蔵能を向上させることができる。

一方、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４の還元時動作は、一般には、図５に示すようになり、理論空燃比〜リッチ空燃比の時に、硝酸塩から脱離したＮＯ₂が、Ｐｔ等の貴金属触媒成分によって、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）または一酸化炭素（ＣＯ）等の還元剤と反応して、窒素（Ｎ₂）と二酸化炭素（ＣＯ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）に分解される。ただし、低温時には、これら還元剤との反応性が低下し、その結果、ＮＯｘ浄化性能が低下することになる。そこで、本発明では、Ｈ₂インジェクタ６を用いてより反応性の高いＨ₂を還元剤として添加する。これにより、還元反応が促進され、ＮＯｘ浄化性能が向上する。

Ｈ₂インジェクタ６は、先端ノズル部が排気管２内に突出するように、排気管２壁に固定される。水素インジェクタ６の基端側は、外部に設置した水素貯蔵部としての水素タンク（Ｈ₂タンク）７に接続される。

上記構成の排気浄化装置の作動について、以下に説明する。図１においてエンジン１が運転を開始すると、ＮＯｘ等の有害成分を含んだ排気ガスが排気管２に排出される。ＮＯｘ吸蔵還元触媒４は、リーン空燃比においてＮＯｘの吸蔵を行なうが、排気ガス温度が十分高くない状態では、上述したようにＮＯｘ吸蔵還元触媒４のＮＯｘ吸蔵能が低い。このため、低温時には放電部３を作動させて排気通路３３に放電を発生させる。この放電により排気通路３３を通過する排気ガス中のＯ₂から酸素ラジカル（Ｏ＊）が生成し、ＮＯの酸化が促進される（図２）。

図６は、放電部３によるＮＯ酸化特性をＰｔ触媒と比較して示したものである。図示されるように、Ｐｔ触媒の場合は、２００℃前後ないしそれ以下の低温域ではＮＯ₂生成率が低く、約２００℃で５０％以下、約１７０℃で１０％程度と、温度が低下するほどＮＯ₂生成率が低くなっている。これに対し、放電による酸化の場合は、２００℃前後ないしそれ以下の低温域においても、ＮＯ₂生成率が９０〜１００％近傍と極めて高い。従って、Ｐｔ触媒の活性が低い低温域で、高いＮＯ酸化能力を維持できることがわかる。

なお、Ｐｔ触媒は、２５０℃前後ないしそれ以上の領域では、放電部３とほぼ同等のＮＯ酸化特性を示すので、温度に応じて放電部３を動作させるようにすれば効率的である。例えば、排気管２内に温度を検出する手段を設けて排気温度をモニタし、検出結果が所定温度以下の場合のみ放電部３に高電圧を印加して、排気ガスに放電を加えるようにしてもよい。これにより、消費電力量の増大を抑え、効率よく排気浄化を行うことができる。

ディーゼルエンジンは、通常はリーン空燃比となるので、例えば、定期的にまたは所定のタイミングでリッチ空燃比となるように制御して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４からＮＯ₂を放出させる。また、Ｈ₂インジェクタ６を用いて、還元剤としてのＨ₂を、ＮＯｘ吸蔵還元触媒４上流の排気管２内に噴射する。噴射されたＨ₂は、雰囲気中のＯ₂と反応して酸素濃度を低下させ、さらにＮＯｘ吸蔵還元触媒４内を通過する間に、ＮＯ₂と次式に示すように反応し、排気ガスを無害化する（図５）。
２ＮＯ₂＋４Ｈ₂→Ｎ₂＋４Ｈ₂Ｏ

この時、還元剤としてＨ₂を用いることで、排気ガス温度が十分高くない状態においても、ＮＯ₂の還元反応を良好に行うことができる。よって、従来の還元剤であるＨＣやＣＯのように、未反応のまま放出されるおそれが小さく、低温での浄化率を大きく向上させる。また、Ｈ₂インジェクタ６により供給量の制御が容易で、ＮＯ₂の還元に必要なＨ₂を効率よく噴射供給することができる。

ここで、還元剤としてＨ₂を用いた場合に、低温域での還元反応が良好に進行する理由は、次のように推定される。テイラーの説によれば、Ｐｔ触媒上でガスを解離することで反応が進行するとされており、図７に示すように、Ｐｔ触媒上で還元剤としてのＨＣとＨ₂が解離する場合について検討すると、分子の小さいＨ₂の解離エネルギーは小さく、低温において容易に解離することがわかる。これに比べて、分子の大きい炭化水素（ここではＣ₃Ｈ₆)の解離に要するエネルギーが大きいために、低温では容易に解離せず、還元反応が進行しにくくなるものと考えられる。

図８は、本発明の効果を示す図で、吸蔵時の放電部３による放電と還元剤としてのＨ₂添加を組み合わせた場合のＮＯｘ浄化率（図中に実線で示す）を、放電を行なわず還元剤としてＣ₃Ｈ₆ を添加した場合のＮＯｘ浄化率（図中に一点鎖線で示す）を比較して示す。図に明らかなように、放電ＯＦＦと還元剤（Ｃ₃Ｈ₆)の組み合わせでは、１８０℃においてもＮＯｘ浄化率はせいぜい６０％程度であり、温度低下とともにＮＯｘ浄化率は低下して、１００℃以下ではＮＯｘ浄化率はほぼ０％となる。これに対して、放電ＯＮとＨ₂を組み合わせた本発明では、１００℃以上の領域ではＮＯｘ浄化率が９０％を超え、１００℃以下でも９０％近傍と、極めて高い浄化性能を示している。

以上のように、本発明によれば、広い温度領域で優れたＮＯｘ浄化性能を示す排気浄化装置を実現することができる。

本発明の第１実施の形態を示す内燃機関の排気浄化装置の全体概略構成図である。第１の実施形態における排気浄化装置の放電部の概略構成を示す模式的な図である。高電圧電源から放電部に印加する電圧波形図である。ＮＯｘ吸蔵還元触媒の吸蔵動作時の状態を説明するための模式的な概略構成図である。ＮＯｘ吸蔵還元触媒の還元動作時の状態を説明するための模式的な概略構成図である。放電部とＰｔ触媒によるＮＯ酸化特性を比較して示す図である。水素の低温還元のメカニズムを説明するためのＰｔ触媒表面の模式的な図である。本発明の効果を説明するための図で、温度とＮＯｘ浄化率の関係を従来手法と比較して示す図である。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
２排気管
３放電部（放電手段）
３１アルミナ基板（誘電体基板）
３２ａ放電電極
３２ｂ接地電極
３３排気通路
４ＮＯｘ吸蔵還元触媒
５高電圧電源（放電手段）
６Ｈ₂インジェクタ（水素供給手段）
７Ｈ₂タンク（水素供給手段）

Claims

内燃機関の排気ガス中に含まれる窒素酸化物を浄化するための装置であって、排気管の途中に設置された吸蔵還元触媒と、この吸蔵還元触媒の上流側に配置される放電手段および水素供給手段を備え、上記放電手段の電極間に放電を発生させることにより、上記電極間を通過する排気ガス中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化して上記吸蔵還元触媒に吸蔵し、上記水素供給手段から供給される水素を還元剤として、上記吸蔵還元触媒から放出される二酸化窒素を還元浄化することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
上記放電手段が、平行配設した複数の電極間に形成される複数の排気通路を有し、各排気通路を挟んで対向する一対の電極間に交流高電圧を印加することにより放電を発生させる放電部を備えており、放電によって発生する酸素ラジカルまたはオゾンにより一酸化窒素を二酸化窒素に酸化する請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記放電部の複数の電極が誘電体基板内に埋設してあり、各排気通路を挟んで対向する一対の電極の一方を高電圧電源に接続して放電電極とし、他方を接地電極とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
上記水素供給手段が、上記放電手段と上記吸蔵還元触媒の間に設置される水素インジェクタと、この水素インジェクタに接続される水素貯蔵部を備える請求項１ないし３のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の排気温度が所定の温度以下である時に、上記放電手段を作動させる請求項１ないし４のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。