JP2006258058A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】白金を用いたＮＯx吸蔵還元触媒を使用せずに、貴金属を用いていないＮＯx吸収材又は少量の白金等の貴金属を用いたＮＯx吸収材により、比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率を得られるようにした排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気管４の途中に装備された酸化触媒５と、該酸化触媒５より下流側における排気管４の途中に並列に装備された一対のＮＯx吸収材６と、該各ＮＯx吸収材６の何れか一方に排気ガス３を振り分ける排気開閉バルブ７と、該排気開閉バルブ７によって排気ガス３が堰き止められた側のＮＯx吸収材６を加熱する加熱手段１９と、該加熱手段１９によって加熱した側のＮＯx吸収材６から脱離するＮＯxを吸気管２０へ導くＮＯx回収管２１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

従来より、排気管の途中に装備した排気浄化用触媒により排気浄化を図ることが行われており、この種の排気浄化用触媒としては、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス中のＯ₂濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒が知られている。

この種のＮＯx吸蔵還元触媒としては、白金・バリウム・アルミナ触媒や、白金・カリウム・アルミナ触媒等が前述した如き性質を有するものとして既に知られている。

そして、ＮＯx吸蔵還元触媒においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、定期的にＮＯx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスのＯ₂濃度を低下させてＮＯxを分解放出させる必要がある。

例えば、ガソリン機関に使用した場合であれば、機関の運転空燃比を低下させる（機関をリッチ空燃比で運転する）ことにより、排気ガス中のＯ₂濃度を低下させ且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加させてＮＯxの分解放出を促すことができるが、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼル機関の排気浄化装置として使用した場合には機関をリッチ空燃比で運転することが困難である。

このため、ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で排気ガス中に燃料（ＨＣ）を添加することにより、この添加燃料を還元剤としてＮＯx吸蔵還元触媒上でＯ₂と反応させ排気ガス中のＯ₂濃度を低下させる必要がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３５６１２７号公報

しかしながら、前述の如くＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で燃料添加を行う方式では、その添加燃料が蒸発して生じたＨＣの一部がＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で排気ガス中のＯ₂と反応（燃焼）し、ＮＯx吸蔵還元触媒の周囲の雰囲気中におけるＯ₂濃度がほぼ零となってからＮＯxの分解放出が開始されることになるため、ＮＯx吸蔵還元触媒の表面上でＨＣがＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度（約２２０〜２５０［℃］）が得られない運転条件下（例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等）では、ＮＯx吸蔵還元触媒からＮＯxを効率良く分解放出させることができず、ＮＯx吸蔵還元触媒の再生が効率良く進まないことで触媒の容積中に占めるＮＯx吸蔵サイトの回復割合が小さくなって吸蔵能力が落ちるという問題があった。

又、ＮＯx吸蔵還元触媒として用いられる白金は、非常に稀少価値の高い物質であって、コストアップが避けられず、しかも、今後入手することが困難となる可能性が全くないとも言えず、白金を使用せずに排気浄化を図ることが望まれていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、白金を用いたＮＯx吸蔵還元触媒を使用せずに、貴金属を用いていないＮＯx吸収材又は少量の白金等の貴金属を用いたＮＯx吸収材により、比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率を得られるようにした排気浄化装置を提供しようとするものである。

本発明は、内燃機関の排気管の途中に並列に装備された一対のＮＯx吸収材と、
該各ＮＯx吸収材の何れか一方に排気ガスを振り分ける排気切替手段と、
該排気切替手段によって排気ガスが堰き止められた側のＮＯx吸収材を加熱する加熱手段と、
該加熱手段によって加熱した側のＮＯx吸収材から脱離するＮＯxを吸気管へ導くＮＯx回収処理手段と
を備えたことを特徴とする排気浄化装置にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

排気ガス中に含まれるＮＯxは、ＮＯx吸収材に吸収されるが、その後、排気切替手段により各ＮＯx吸収材の何れか一方に排気ガスが振り分けられ、該排気ガスが堰き止められた側のＮＯx吸収材が加熱手段によって加熱され、該ＮＯx吸収材に吸収されていたＮＯxが脱離し、ＮＯx回収処理手段を経て吸気管へ導かれ、エンジン筒内で酸素源として処理される。

そして、このように一方のＮＯx吸収材でＮＯxの吸収を行わせている間に他方のＮＯx吸収材を再生するようにすれば、常にＮＯx吸収材の一方を使用可能な状態として連続的にＮＯxの低減化を図りながら一対のＮＯx吸収材を片方ずつ交互に再生することが可能となる。

前記排気浄化装置においては、ＮＯx吸収材の上流側における排気管の途中に酸化触媒が設置されるようにすることができる。

又、前記排気浄化装置においては、加熱手段を、
燃料を燃焼させた高温ガスを各ＮＯx吸収材の入側に導く高温ガス供給管と、
該高温ガス供給管を流れる高温ガスを前記各ＮＯx吸収材の何れか一方に振り分ける高温ガス切替手段と
から構成することができる。

本発明の排気浄化装置によれば、白金を用いたＮＯx吸蔵還元触媒の代わりにＮＯx吸収材を使用して排気ガス中に含まれるＮＯxを吸収でき、且つ比較的低い温度領域から効率良くＮＯx吸収材の再生を図ることができ、しかも、ＮＯx吸収材から脱離させたＮＯxをエンジン筒内で酸素源として処理できるので、例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等のように低負荷で排気温度が低い運転状態が継続され易い運転条件下であっても、車外に排出される排気ガス中に含まれるＮＯxを従来より効果的に低減させることができ、ＮＯx吸収材を用いた排気浄化装置の実用性を大幅に向上させることができるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例であって、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４の途中に、酸化触媒５を装備し、該酸化触媒５より下流側における排気管４を途中で二股に分岐させてから再度合流せしめ、該二股に分岐させた各排気管４の途中に、一対のＮＯx吸収材６を並列に装備すると共に、該各ＮＯx吸収材６の何れか一方に排気ガス３を振り分ける排気切替手段としての排気開閉バルブ７を各ＮＯx吸収材６の入側に設けるようにしてある。

前記ＮＯx吸収材６としては、例えば、カリウム、ナトリウム、リチウム、セシウム等のアルカリ金属、或いはバリウム、カルシウム等のアルカリ土類金属と、アルミナ、ジルコニア、チタニア、ゼオライトのうちの一種又は複数担体との混合物を、ハニカム状に形成したセラミックスや金属等にコーティングしたものや、前記混合物をペレットにしたものを使用することができる。又、これらの成分の他に少量の白金等の貴金属を加えたものも使用できる。

前記各排気開閉バルブ７と各ＮＯx吸収材６との間における排気管４の途中には夫々、高温ガス供給管８を接続し、該各高温ガス供給管８の途中には夫々、高温ガス切替手段としての高温ガス開閉バルブ９を設け、該高温ガス開閉バルブ９より上流側の各高温ガス供給管８を合流せしめてその途中にバーナ１０を設けると共に、その端部にエアクリーナ１１を設けるようにしてある。前記バーナ１０は、バッテリ１２からイグニッションコイル１３を介して通電が行われ火花を発するスパークプラグ１４を備え、該スパークプラグ１４近傍に、前記エアクリーナ１１を経て高温ガス供給管８へ吸い込まれる空気をバーナ１０に導くと共に、軽油タンク１５に貯留された軽油１６を軽油供給管１７途中に設けられた供給ポンプ１８の駆動により供給して燃焼させるようにし、これにより、排気切替手段としての一方の排気開閉バルブ７を閉じることで排気ガス３が堰き止められた側のＮＯx吸収材６に対し、一方の高温ガス開閉バルブ９を開くことで高温ガスを導入し得る加熱手段１９を構成してある。

前記各排気開閉バルブ７の出側における排気管４の途中には夫々、前記加熱手段１９によって加熱した側のＮＯx吸収材６から脱離するＮＯxを吸気管２０へ導くＮＯx回収処理手段としてのＮＯx回収管２１を分岐接続し、該各ＮＯx回収管２１の途中には夫々、ＮＯx回収開閉バルブ２２を設け、該ＮＯx回収開閉バルブ２２より下流側におけるＮＯx回収管２１を合流せしめてその端部を吸気管２０の途中に接続し、ＮＯx回収管２１の接続部より上流側における吸気管２０途中には吸気絞り弁２３を設けてある。

尚、前記吸気管２０の上流端にはエアクリーナ２４が設けられ、それより下流側の吸気管２０途中には、排気マニホールド２の出側における排気管４途中に設けられたタービン２５によって駆動されるコンプレッサ２６が設けられ、該タービン２５とコンプレッサ２６とからターボチャージャ２７が構成されると共に、前記コンプレッサ２６より下流側における吸気管２０途中には、インタクーラ２８が設けられている。

又、前記各ＮＯx回収管２１の分岐接続点より下流側における排気管４途中には夫々、前記各排気開閉バルブ７と連動して開閉される排気開閉バルブ７´を設けてある。

そして、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）をなす制御装置２９において、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ３０からの回転数信号３０ａと、アクセルセンサ３１（アクセルペダルの踏み込み角度を検出するセンサ）からの負荷信号３１ａと、各ＮＯx吸収材６の入側の温度を検出する温度センサ３２からの温度信号３２ａとから判断される現在の運転状態に基づき、各ＮＯx吸収材６の何れか一方に排気ガス３を振り分けて該排気ガス３が堰き止められた側のＮＯx吸収材６の再生を行う適切なタイミングが決定され、この適切なタイミングで各流路（二股に分岐された各排気管４、各高温ガス供給管８、各ＮＯx回収管２１）の切り換えを行いつつ、排気ガス３が堰き止められた側のＮＯx吸収材６への高温ガスの導入と、ＮＯx吸収材６から脱離するＮＯxの吸気管２０への導入とが実行されるように、前記制御装置２９から、排気開閉バルブ７、排気開閉バルブ７´、高温ガス開閉バルブ９、ＮＯx回収開閉バルブ２２への開閉指令信号７ａ，７ａ´，９ａ，２２ａが出力されると共に、供給ポンプ１８への駆動指令信号１８ａとイグニッションコイル１３への電流調節信号１３ａと吸気絞り弁２３への開度調節信号２３ａとが出力されるようになっている。

次に、上記図示例の作用を説明する。

ディーゼルエンジン１から排出される排気ガス３中に含まれるＮＯxは、酸化触媒５によって酸化され、ＮＯ₂となってＮＯx吸収材６に吸収される。

その後、制御装置２９において、回転センサ３０からの回転数信号３０ａと、アクセルセンサ３１からの負荷信号３１ａと、温度センサ３２からの温度信号３２ａとから現在の運転状態が判断され、これに基づき、各ＮＯx吸収材６の何れか一方に排気ガス３を振り分けて該排気ガス３が堰き止められた側のＮＯx吸収材６の再生を行う適切なタイミングが決定され、前記制御装置２９から、排気開閉バルブ７、排気開閉バルブ７´、高温ガス開閉バルブ９、ＮＯx回収開閉バルブ２２への開閉指令信号７ａ，７ａ´，９ａ，２２ａが出力されると共に、供給ポンプ１８への駆動指令信号１８ａとイグニッションコイル１３への電流調節信号１３ａと吸気絞り弁２３への開度調節信号２３ａとが出力される。

これにより、排気開閉バルブ７の何れか一方とそれに対応する側の排気開閉バルブ７´とが開放された状態で、他方の排気開閉バルブ７とそれに対応する側の排気開閉バルブ７´とが閉鎖され、該閉鎖された他方の排気開閉バルブ７，７´間に位置するＮＯx吸収材６への排気ガス３の流通が堰き止められると共に、前記閉鎖された他方の排気開閉バルブ７，７´に対応する側の高温ガス開閉バルブ９とＮＯx回収開閉バルブ２２とが開放され、前記開放された一方の排気開閉バルブ７，７´に対応する側の高温ガス開閉バルブ９とＮＯx回収開閉バルブ２２とが閉鎖された状態に保持され、吸気絞り弁２３の開度が絞り込まれる。

同時に、加熱手段１９を構成する供給ポンプ１８の駆動により軽油タンク１５から所要量の軽油１６が軽油供給管１７を経てバーナ１０へ供給され、バッテリ１２からイグニッションコイル１３を介して通電が行われ火花を発するスパークプラグ１４により、前記バーナ１０へ供給された軽油１６が、エアクリーナ１１を経て高温ガス供給管８へ吸い込まれる空気と反応して着火燃焼し、これによって生じる高温ガスが、前記排気ガス３が堰き止められた側のＮＯx吸収材６に対して導入され、該ＮＯx吸収材６が加熱されてそれに吸収されていたＮＯxが脱離し、ＮＯx回収処理手段としてのＮＯx回収管２１を経て吸気管２０へ導かれ、エンジン筒内で酸素源として処理される。

そして、このように一方のＮＯx吸収材６でＮＯxの吸収を行わせている間に他方のＮＯx吸収材６を再生するようにすれば、常にＮＯx吸収材６の一方を使用可能な状態として連続的にＮＯxの低減化を図りながら一対のＮＯx吸収材６を片方ずつ交互に再生することが可能となる。

こうして、白金を用いたＮＯx吸蔵還元触媒の代わりにＮＯx吸収材６（少量の白金等の貴金属を用いたものを含む）を使用して排気ガス３中に含まれるＮＯxを吸収でき、且つ比較的低い温度領域から効率良くＮＯx吸収材６の再生を図ることができ、しかも、ＮＯx吸収材６から脱離させたＮＯxをエンジン筒内で酸素源として処理できるので、例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等のように低負荷で排気温度が低い運転状態が継続され易い運転条件下であっても、車外に排出される排気ガス３中に含まれるＮＯxを従来より効果的に低減させることができ、ＮＯx吸収材６を用いた排気浄化装置の実用性を大幅に向上させることができる。

事実、本発明者が行った実験結果によれば、図２のグラフに示す如く、従来例のように軽油から生成されたＨＣをそのままＮＯx吸蔵還元触媒上で反応させたケースＡ（破線で図示）と、本図示例のように軽油１６をバーナ１０で燃焼させ発生した高温ガスをＮＯx吸収材６へ導いてその再生を行うようにしたケースＢ（実線で図示）とを比較したところ、ケースＡよりもケースＢの方が低い温度領域から高いＮＯx低減率を得られることが確認された。尚、図２のグラフにおける縦軸はＮＯx低減率を、横軸は排気温度を夫々示している。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、加熱用として供給される燃料には、一般的なディーゼルエンジン用燃料である軽油を用いる以外に、灯油等の異種燃料を用いても良いこと、又、加熱手段として、燃料を燃焼させた高温ガスを各ＮＯx吸収材の入側に導く代わりに、各ＮＯx吸収材を夫々交互に直接ヒータ等で加熱するようにしても良いこと等、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 ＮＯx低減率と排気温度との関係を比較例と共に示すグラフである。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（エンジン）
３ 排気ガス
４ 排気管
５ 酸化触媒
６ ＮＯx吸収材
７ 排気開閉バルブ（排気切替手段）
８ 高温ガス供給管
９ 高温ガス開閉バルブ（高温ガス切替手段）
１０ バーナ
１５ 軽油タンク
１６ 軽油
１７ 軽油供給管
１８ 供給ポンプ
１９ 加熱手段
２０ 吸気管
２１ ＮＯx回収管（ＮＯx回収処理手段）
２２ ＮＯx回収開閉バルブ
２３ 吸気絞り弁
２９ 制御装置

Claims (3)

1. 内燃機関の排気管の途中に並列に装備された一対のＮＯx吸収材と、
   該各ＮＯx吸収材の何れか一方に排気ガスを振り分ける排気切替手段と、
   該排気切替手段によって排気ガスが堰き止められた側のＮＯx吸収材を加熱する加熱手段と、
   該加熱手段によって加熱した側のＮＯx吸収材から脱離するＮＯxを吸気管へ導くＮＯx回収処理手段と
   を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
2. ＮＯx吸収材の上流側における排気管の途中に酸化触媒が設置される請求項１記載の排気浄化装置。
3. 加熱手段を、
   燃料を燃焼させた高温ガスを各ＮＯx吸収材の入側に導く高温ガス供給管と、
   該高温ガス供給管を流れる高温ガスを前記各ＮＯx吸収材の何れか一方に振り分ける高温ガス切替手段と
   から構成した請求項１又は２記載の排気浄化装置。

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