JP2006183477A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アンモニアの生成及びＮＯｘの還元を効率よく行うことにより、排気を還元雰囲気とする時間的割合を減少させ、燃費の悪化を抑制することができる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】 排気が還元雰囲気にあるとき排気中のＮＯｘと還元剤との反応によりアンモニアを生成するアンモニア生成触媒３が排気管２に設けられている。アンモニア生成触媒２の下流側には、排気が酸化雰囲気にあるときに排気中のＮＯｘを吸着し、排気が還元雰囲気にあるとき吸着したＮＯｘを還元するとともに、アンモニアを生成し、該生成したアンモニアを貯蔵するＮＯｘ浄化装置４が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、特に排気中のＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化装置を含む排気浄化装置に関する。

排気が酸化雰囲気にあるとき（排気中の酸素濃度が、還元成分（ＨＣ，ＣＯ）濃度に対して相対的に高いとき）、排気中のＮＯｘを吸収し、排気が還元雰囲気にあるとき（排気中の還元成分濃度が、酸素濃度に対して相対的に高いとき）、吸収したＮＯｘを還元するリーンＮＯｘ触媒は従来より知られている。

また特許文献１には、排気が還元雰囲気にあるときにアンモニアを生成するアンモニア生成触媒と、該アンモニア生成触媒で生成されるアンモニアを還元剤として使用してＮＯｘを還元する脱硝触媒とを備えた排気浄化装置が示されている。この排気浄化装置における脱硝触媒の一例として、上記リーンＮＯｘ触媒が示されている。この排気浄化装置では、空燃比を理論空燃比若しくは理論空燃比よりリッチ側に設定するストイキ・リッチ運転と、空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーンバーン運転とを交互に行うことにより、アンモニアとＮＯｘとが共存する時間的割合を増加させ、ＮＯｘ浄化が行われる。

特開２００１−１４０６３０号公報

上記従来の排気浄化装置では、ＮＯｘを還元させるために十分な量のアンモニアを生成させるために、ストイキ・リッチ運転の時間的割合が比較的大きくなる傾向があり、燃費の点で改善の余地が残されていた。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、アンモニアの生成及びＮＯｘの還元を効率よく行うことにより、排気を還元雰囲気とする時間的割合を減少させ、燃費の悪化を抑制することができる排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の排気系（２）に設けられ、排気が還元雰囲気にあるとき排気中のＮＯｘと還元剤との反応によりアンモニアを生成するアンモニア生成手段（３）と、該アンモニア生成手段（３）の下流側に設けられ、排気が酸化雰囲気にあるときに排気中のＮＯｘを吸着し、排気が還元雰囲気にあるとき吸着したＮＯｘを還元するとともに、アンモニアを生成し、該生成したアンモニアを貯蔵するＮＯｘ浄化手段（４）とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置を提供する。

前記排気系の前記アンモニア生成触媒の上流側に、還元剤を供給する還元剤供給手段を備えることが望ましい。還元剤供給手段は、例えば前記機関で燃焼する混合気の空燃比をリッチ化する（燃料供給量を増量する）ことにより実現される。また排気管２内に燃料を直接供給する機構を、還元剤供給手段として設けるようにしてもよい。

請求項１に記載の発明によれば、排気が酸化雰囲気にあるとき、排気中のＮＯｘがＮＯｘ浄化手段に吸着され、排気が還元雰囲気にあるとき、アンモニア生成手段及びＮＯｘ浄化手段で生成されるアンモニアが、吸着されているＮＯｘを還元するとともに一部がＮＯｘ浄化手段に貯蔵される。そして、貯蔵されたアンモニアは、次に排気が酸化雰囲気となったときにＮＯｘの還元に用いられる。したがって、従来の装置のように排気を酸化雰囲気にするリーンバーン運転と、排気を還元雰囲気にするリッチ運転とを交互に行う必要はなく、ＮＯｘ浄化手段で吸着可能なＮＯｘ量を越えるまでリーンバーン運転を継続し、その後短時間のリッチ運転または排気系への還元剤の供給を行うことにより、ＮＯｘの浄化性能を維持することができる。すなわち、アンモニア生成手段のアンモニア生成能力、及びＮＯｘ浄化手段のアンモニア貯蔵能力を有効に活用し、効率よくアンモニアの生成及びＮＯｘの還元を行うことができる。したがって、燃費の悪化を抑制することができる。

アンモニア生成手段は、その温度が比較的高い状態でアンモニア生成能力が高くなる特性を有し、ＮＯｘ浄化手段は、その温度が比較的低い状態でアンモニア貯蔵能力が高くなる特性を有する。したがって、アンモニア生成手段の下流側にＮＯｘ浄化手段を配置することにより、両者の特性の違いを有効に活用し、アンモニアを効率的に生成し、貯蔵することができる。その結果、アンモニアによるＮＯｘの還元を促進することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその排気浄化装置の構成を示す図である。エンジン１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁６が設けられている。燃料噴射弁６は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）７に電気的に接続されており、燃料噴射弁６の開弁時期及び開弁時間は、ＥＣＵ７により制御される。

エンジン１の排気管２には、ＮＯｘ浄化装置４が設けられ、ＮＯｘ浄化装置４の上流側には、アンモニア生成触媒３が設けられている。アンモニア生成触媒３は、下記化学反応式（１）及び（２）で表される化学反応により、排気が還元雰囲気にあるとき、二酸化窒素（ＮＯ₂）を還元して、窒素（Ｎ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）及びアンモニア（ＮＨ₃）を生成する。
２ＮＯ₂＋４Ｈ₂ → Ｎ₂＋４Ｈ₂Ｏ （１）
２ＮＯ₂＋７Ｈ₂ → ２ＮＨ₃＋４Ｈ₂Ｏ （２）

アンモニア生成触媒３は、上述した特許文献１に示されているように、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）などの貴金属から１種以上を、耐熱性多孔質担体に担持させて構成される。

ＮＯｘ浄化装置４は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）担体に担持された、触媒として作用する白金（Ｐｔ）と、ＮＯｘ吸着能力を有するセリアと、排気中のアンモニア（ＮＨ₃）を、アンモニウムイオン（ＮＨ₄ ⁺）として、保持する機能を有するゼオライトとを備えている。

ＮＯｘ浄化装置４のＮＯｘ吸着能力の限界、すなわち最大ＮＯｘ吸着量までＮＯｘを吸着すると、それ以上ＮＯｘを吸着できなくなるので、適時ＮＯｘを還元するために、ＮＯｘ浄化装置４への還元剤の供給が行われる。この還元剤の供給は、本実施形態では、燃料噴射弁６から噴射される燃料量の増量と、スロットル弁（図示せず）による吸入空気量の減量とによって燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比よりリッチ側にすることにより、すなわち、空燃比をリッチ化することにより行われる。空燃比リッチ化により、ＮＯｘ浄化装置４へ流入する排気中の還元剤濃度が酸素濃度より高くなり、ＮＯｘ浄化装置４に還元剤が供給される。

図２は、ＮＯｘ浄化装置４におけるＮＯｘ浄化を説明するための図である。先ず初期状態において、燃焼室内の混合気の空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定し、いわゆるリーンバーン運転を行うと、ＮＯｘ浄化装置４へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より低くなり（排気が酸化雰囲気となり）、図２（ａ）に示すように、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）と酸素（Ｏ₂）とが、触媒の作用で反応し、二酸化窒素（ＮＯ₂）として、セリアに吸着される。また酸素と反応していない一酸化窒素も、セリアに吸着される。

次に空燃比リッチ化により、排気中の還元剤濃度を酸素濃度より高くすると、排気が還元雰囲気となり、下記式（３）で示される水蒸気改質反応より、水素（Ｈ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）が生成され、さらに下記式（４）で示される水性ガス反応により、一酸化炭素と水から、二酸化炭素（ＣＯ₂）と水素が生成される。
Ｃ_nＨ_m＋ｎＨ₂Ｏ → ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ₂ （３）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ （４）

さらに図２（ｂ）に示すように、排気中に含まれるＮＯｘ、及びセリア（及び白金）に吸着されているＮＯｘ（ＮＯ，ＮＯ₂）と、ＮＯｘ浄化装置４で生成された水素とが、触媒の作用で反応し、アンモニア（ＮＨ₃）及び水が生成される。これを化学反応式で示すと、下記式（５）及び（６）のようになる。

２ＮＯ₂＋７Ｈ₂→２ＮＨ₃＋４Ｈ₂Ｏ （５）
２ＮＯ＋５Ｈ₂→２ＮＨ₃＋２Ｈ₂Ｏ （６）
生成されたアンモニアは、アンモニウムイオン（ＮＨ₄ ⁺）の形で、ゼオライトに吸着される。

次に空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーンバーン運転を行い、ＮＯｘ浄化装置４へ流入する排気中の還元剤濃度を、酸素濃度より低い側に設定すると、排気が酸化雰囲気となり、図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）と同様にセリアにＮＯｘが吸着される。さらに、ゼオライトにアンモニウムイオンが吸着した状態では、下記式（７）及び（８）で示すように、排気中のＮＯｘ及び酸素と、アンモニアとが反応して、窒素（Ｎ₂）と水が生成される。
４ＮＨ₃＋４ＮＯ＋Ｏ₂→４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ （７）
２ＮＨ₃＋ＮＯ＋ＮＯ₂→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ （８）

このように、ＮＯｘ浄化装置４によれば、還元剤供給中にアンモニア生成触媒３で生成されるアンモニア及びＮＯｘ浄化装置４内で生成されるアンモニアがゼオライトに吸着され、リーンバーン運転中に吸着されたアンモニアがＮＯｘと反応するので、ＮＯｘの浄化を効率よく行うことができる。

ＥＣＵ７には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの操作量（以下「アクセルペダル操作量ＡＰ」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ１１及びエンジン回転数（回転速度）ＮＥを検出するエンジン回転数センサ１２が接続されており、これらのセンサの検出信号がＥＣＵ７に供給される。

ＥＣＵ７は、これらのセンサの検出信号に応じて、燃料噴射弁６の開弁時間である燃料噴射時間及び燃料噴射の実行時期を算出し、該算出結果に応じて、燃料噴射弁６の駆動制御を行う。具体的には、ＮＯｘ浄化装置４に吸着されたＮＯｘ量を推定し、該推定した吸着ＮＯｘ量が所定閾値に達すると、排気を還元雰囲気とするための空燃比リッチ化を実行する。

図３は、空燃比制御と、排気中の還元剤量ＱＲＥＤ、及びＮＯｘ量ＱＮＯｘとの関係を説明するためのタイムチャートである。この図において、実線は本実施形態に対応し、破線はアンモニア生成触媒３を設けない場合に対応する。また、還元剤量ＱＲＥＤは、エンジン１から排出される量（アンモニア生成触媒３に流入する量）を示し、ＮＯｘ量ＱＮＯｘは、ＮＯｘ浄化装置４の下流側に排出される量、すなわち、ＮＯｘ浄化装置４のＮＯｘ吸着量が飽和した後のＮＯｘ排出量を示す。

通常は、空燃比を理論空燃比よりリーン側に設定するリーンバーン運転を実行し、推定した吸着ＮＯｘ量が所定閾値に達する時刻ｔ１からリッチ化を開始し、時刻ｔ２に終了する。このとき、還元剤量ＱＲＥＤは、急激に増加し、排気が還元雰囲気となる。本実施形態では、アンモニア生成触媒３によりアンモニアが生成され、ＮＯｘ浄化装置４に供給されるので、アンモニア生成触媒３が無い場合に比べて、リッチ化の度合を小さくでき、還元剤量ＱＲＥＤが少なくなる。また、アンモニア生成触媒３により生成されるアンモニアによって、還元雰囲気においてＮＯｘ浄化装置４で貯蔵されるアンモニア量が増加し、リーンバーン運転中に還元されるＮＯｘ量が増加する。そのため、ＮＯｘ浄化装置４のＮＯｘ吸着量が飽和する時期が、従来、時刻ｔ３であったものが、時刻ｔ４となり、ＮＯｘを還元するための空燃比リッチ化の実行頻度を下げることが可能となる。

図４の曲線Ｌ１は、ＮＯｘ浄化装置４の温度Ｔ４と、アンモニア吸着量ＱＮＨ３Ａとの関係を示し、曲線Ｌ２は、アンモニア生成触媒３の温度Ｔ３と、アンモニア生成量ＱＮＨ３Ｇとの関係を示す。このように、ＮＯｘ浄化装置４におけるアンモニアの吸着は、低温の領域（２３０℃以下の領域）で促進される一方、アンモニア生成触媒３におけるアンモニアの生成は、高温の領域（２７０℃）以上の領域）で促進される。したがって、アンモニア生成触媒３を、ＮＯｘ浄化装置４の上流側に設けることにより、アンモニア生成触媒３の温度Ｔ３を相対的に高くし、ＮＯｘ浄化装置４の温度Ｔ４を相対的に低くできるので、両者の特性を生かして効率的なアンモニアの生成及び吸着（貯蔵）を行うことができる。より好ましくは、アンモニア生成触媒３は温度Ｔ３が３００℃以上となるような位置に配置し、ＮＯｘ浄化装置４は温度Ｔ４が２００℃以下となるような位置に配置する。

以上のように本実施形態では、アンモニア貯蔵能力を有するＮＯｘ浄化装置４の上流側に、アンモニア生成触媒３を配置したので、排気が還元雰囲気にあるとき、ＮＯｘ浄化装置４にアンモニアが供給され、ＮＯｘ浄化装置４におけるアンモニアの貯蔵量を増加させることができる。このとき、空燃比リッチ化の度合は、従来より小さくすることができる。また、生成・貯蔵されるアンモニア量が増加するので、リーンバーン運転中にアンモニアにより還元されるＮＯｘ量が増加し、ＮＯｘ浄化装置４に吸着されたＮＯｘを還元するための空燃比リッチ化の実行頻度を減らすことができる。その結果、従来に比べて燃費を向上させることができる。

本実施形態では、ＮＯｘ浄化装置４がＮＯｘ浄化手段に相当し、アンモニア生成触媒３がアンモニア生成手段に相当する。また燃料噴射弁６及びＥＣＵ７が、還元剤供給手段を構成する。具体的には、空燃比リッチ化により燃料噴射量を増量することが、還元剤供給手段に相当する。

なお本発明は、上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば上述した実施形態では、燃料噴射弁６により、１燃焼サイクル当たり１回の主噴射を行う場合において、その主噴射の燃料噴射量を増量して、還元剤の供給を行うようにしたが、主噴射に加えてポスト噴射（主噴射の後に実行される補助的な燃料噴射）を実行して、還元剤の供給を行うようにしてもよい。また、排気管２内に燃料を直接供給する機構を、還元剤供給手段として設けるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、ＮＯｘ吸着剤としてセリアを用いたが、セリア以外のＮＯｘを吸蔵・吸着する物質を用いてもよい。
また上述した実施形態では、本発明をディーゼル内燃機関に適用した例を示したが、ガソリン内燃機関にも適用可能である。さらに本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの空燃比制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。 図１に示すＮＯｘ浄化装置を説明するための図である。 ＮＯｘ浄化装置の上流側にアンモニア生成触媒を配置することによる効果を説明するための図である。 ＮＯｘ浄化装置の上流側にアンモニア生成触媒を配置することによる他の効果を説明するための図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気管
３ アンモニア生成触媒（アンモニア生成手段）
４ ＮＯｘ浄化装置（ＮＯｘ浄化手段）
６ 燃料噴射弁
７ 電子制御ユニット

Claims (1)

1. 内燃機関の排気系に設けられ、排気が還元雰囲気にあるとき排気中のＮＯｘと還元剤との反応によりアンモニアを生成するアンモニア生成手段と、
   該アンモニア生成手段の下流側に設けられ、排気が酸化雰囲気にあるときに排気中のＮＯｘを吸着し、排気が還元雰囲気にあるとき吸着したＮＯｘを還元するとともに、アンモニアを生成し、該生成したアンモニアを貯蔵するＮＯｘ浄化手段とを備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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