JP2008267217A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気ガス中のＮＯxを良好に浄化する。
【解決手段】機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒１４を配置し、ＮＯx選択還元触媒１４の上流に排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵しうるＮＯx吸蔵触媒１２を配置する。ＮＯx吸蔵触媒１２にミスト状の燃料を供給し、ＮＯx吸蔵触媒１２において吸蔵されているＮＯxと供給された燃料とをＮＯx吸蔵触媒１２上において反応させてＮＯx一分子に対して当量比以上の炭化水素分子とＮＨ2との結合分子からなる中間生成物を生成させる。これら中間生成物をＮＯx選択還元触媒１４に吸着させ、吸着された中間生成物により排気ガス中のＮＯxを還元する。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯxを放出するＮＯx吸蔵触媒を機関排気通路内に配置し、このＮＯx吸蔵触媒上流の機関排気通路内に小型の三元触媒を配置した内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。この内燃機関ではＮＯx吸蔵触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和に近づくと排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってＮＯx吸蔵触媒からＮＯxが放出され還元される。
特開２００４−１０８１７６号公報
しかしながらこのような内燃機関においてＮＯx吸蔵触媒からＮＯxを放出させるためにＮＯx吸蔵触媒の上流にミスト状の燃料を供給した場合、ＮＯx吸蔵触媒から放出されたＮＯxをうまく還元できないという問題がある。
上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、ＮＯx選択還元触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵しうるＮＯx吸蔵触媒を配置し、ＮＯx吸蔵触媒上流の機関排気通路内に燃料供給弁を配置して燃料供給弁からＮＯx吸蔵触媒にミスト状の燃料を供給し、ＮＯx吸蔵触媒において吸蔵されているＮＯxと供給された燃料とをＮＯx吸蔵触媒上において反応させてＮＯx一分子に対して当量比以上の炭化水素分子とＮＨ2との結合分子からなる中間生成物を生成させ、ＮＯx吸蔵触媒において生成された中間生成物をＮＯx選択還元触媒に吸着させ、吸着された中間生成物により排気ガス中のＮＯxを還元するようにしている。
燃料供給弁からミスト状の燃料を供給することによりＮＯx吸蔵触媒からＮＯxを放出させ、この放出されたＮＯxをＮＨ2まで還元することによってＮＯxが浄化される。
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量を検出する吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵しうるＮＯx吸蔵触媒１２の入口に連結される。ＮＯx吸蔵触媒１２の出口は排気管１３を介してＮＯx選択還元触媒１４に連結される。また、排気マニホルド５には排気マニホルド５内を流れる排気ガス中に燃料を供給するための燃料供給弁１５が取付けられる。
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１６内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１７が配置される。また、ＥＧＲ通路１６周りにはＥＧＲ通路１６内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１９を介してコモンレール２０に連結される。このコモンレール２０内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２１から燃料が供給され、コモンレール２０内に供給された燃料は各燃料供給管１９を介して燃料噴射弁３に供給される。
まず初めにＮＯx吸蔵触媒１２について説明する。ＮＯx吸蔵触媒１２は例えばアルミナからなる触媒担体を担持した基体を有しており、図２（Ａ），（Ｂ）はこの触媒担体３０の表面部分の断面を図解的に示している。図２（Ａ），（Ｂ）に示されるように触媒担体３０の表面上には貴金属触媒３１が分散して担持されており、更に触媒担体３０の表面上にはＮＯx吸収剤３２の層が形成されている。
本発明による実施例では貴金属触媒３１として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯx吸収剤３２を構成する成分としては例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯx吸蔵触媒１２上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯx吸収剤３２は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯxを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出するＮＯxの吸放出作用を行う。
即ち、ＮＯx吸収剤３２を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図２（Ａ）に示されるように白金Ｐｔ３１上において酸化されてＮＯ2となり、次いでＮＯx吸収剤３２内に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら硝酸イオンＮＯ3 -の形でＮＯx吸収剤３２内に拡散する。このようにしてＮＯxがＮＯx吸収剤３２内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ３１の表面でＮＯ2が生成され、ＮＯx吸収剤３２のＮＯx吸収能力が飽和しない限りＮＯ2がＮＯx吸収剤３２内に吸収されて硝酸イオンＮＯ3 -が生成される。
これに対し、排気ガスの空燃比がリッチ或いは理論空燃比にされると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ3 -→ＮＯ2）に進み、斯くしてＮＯx吸収剤３２内の硝酸イオンＮＯ3 -がＮＯ2の形でＮＯx吸収剤３２から放出される。
一方、ＮＯx選択還元触媒１４は排気ガスの空燃比がリーンのもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯxを選択的に還元することのできるアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成されるか、或いは、アンモニアの吸着機能がないチタニア・バナジウム系の触媒から構成される。図１に示される実施例ではＮＯx選択還元触媒１４はアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成されている。
さて、上述したように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯxがＮＯx吸収剤３２内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯx吸収剤３２のＮＯx吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯx吸収剤３２によりＮＯxを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではＮＯx吸収剤３２の吸収能力が飽和する前に燃料供給弁１５から燃料を供給してＮＯx吸蔵触媒１２からＮＯxを放出させるようにしている。次にこのことについて説明する。
本発明による実施例では軽油、又は軽油を主成分とする重質燃料がミスト状に、即ち微粒子の形で燃料供給弁１５から供給される。この供給燃料の一部は酸化せしめられるが大部分は図２（Ｂ）に示されるように白金Ｐｔ３１の表面やＮＯx吸収剤３２の表面に付着する。供給燃料が白金Ｐｔ３１の表面に付着すると白金Ｐｔ３１の表面上における酸素濃度が低下するのでＮＯx吸収剤３２のＮＯ3 -が図２（Ｂ）に示されるようにＮＯ2の形で放出される。
このとき排気ガスの空燃比がかなりリッチになる程度の多量の燃料が燃料供給弁１５から供給されると、即ちＮＯxを還元するための還元剤が多量に供給されると図２（Ｂ）に示されるように放出されたＮＯ2はＮＯを経てＮＨ2へと還元される。次いでこのＮＨ2は白金３１に付着している炭化水素ＨＣとただちに反応し、図２（Ｂ）に示されるように炭化水素ＨＣとＮＨ2との結合分子からなる中間生成物３３が生成される。なお、供給燃料中の炭化水素ＨＣの炭素数はかなり多く、従ってＮＯx吸蔵触媒１２では吸蔵されているＮＯxと供給された燃料から、ＮＯx一分子に対して当量比以上の炭化水素分子とＮＨ2との結合分子からなる中間生成物が生成される。
このようにＮＯx吸蔵触媒１２に吸蔵されているＮＯxは供給された燃料によってＮＯx吸蔵触媒１２から放出され、放出されたＮＯxが還元されることになる。
次いでＮＯx吸蔵触媒１２において生成された中間生成物はＮＯx選択還元触媒１４に送り込まれてＮＯx選択還元触媒１４に吸着される。ＮＯx選択還元触媒１４に吸着した中間生成物はＮＯx選択還元触媒１４の温度が上昇するとＮＯx選択還元触媒１４上において炭化水素ＨＣとアンモニアＮＨ3に分解される。この炭化水素ＨＣは排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中に含まれる酸素によって酸化せしめられ、排気ガス中に含まれるＮＯxはＮＯx選択還元触媒１４に吸着しているアンモニアＮＨ3によって還元される。
このようにＮＯx吸蔵触媒１２に吸蔵されていたＮＯxはアミンＮＨ2の形でＮＯx選択還元触媒１４まで移送され、ＮＯx選択還元触媒１４においてアンモニアＮＨ3に変換されてＮＯxの浄化のために使用される。
圧縮着火式内燃機関の全体図である。 ＮＯx吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。
符号の説明
４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１２ ＮＯx吸蔵触媒
１４ ＮＯx選択還元触媒
１５ 燃料供給弁

Claims (3)

  1. 機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、該ＮＯx選択還元触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵しうるＮＯx吸蔵触媒を配置し、該ＮＯx吸蔵触媒上流の機関排気通路内に燃料供給弁を配置して該燃料供給弁からＮＯx吸蔵触媒にミスト状の燃料を供給し、ＮＯx吸蔵触媒において吸蔵されているＮＯxと供給された燃料とをＮＯx吸蔵触媒上において反応させてＮＯx一分子に対して当量比以上の炭化水素分子とＮＨ2との結合分子からなる中間生成物を生成させ、ＮＯx吸蔵触媒において生成された該中間生成物を上記ＮＯx選択還元触媒に吸着させ、吸着された該中間生成物により排気ガス中のＮＯxを還元するようにした内燃機関の排気浄化装置。
  2. 上記ＮＯx吸蔵触媒が、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯxを放出するＮＯx吸蔵触媒からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 上記ＮＯx選択還元触媒が、排気ガスの空燃比がリーンのもとでアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元しうるＮＯx選択還元触媒からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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