JP2009047095A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】低温時のＮＯX浄化率を向上させる。
【解決手段】機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒１５を配置し、ＮＯX選択還元触媒１５の上流に酸化触媒１３を配置し、酸化触媒１３の上流にＮＯX吸着触媒１２を配置する。ＮＯX吸着触媒１２は温度上昇すると吸着しているＮＯXを放出する性質を有すると共に排気ガス中に含まれるＳＯXを捕獲する性質を有する。ＮＯX吸着触媒１２により酸化触媒１３へのＳＯXの流入を抑制してＮＯX吸着触媒１２から放出されたＮＯが酸化触媒１３においてＮＯ2に酸化されるのをＳＯXにより阻害されないようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
機関排気通路内に、排気ガス中に含まれるＮＯXを吸蔵し還元剤を供給すると吸蔵したＮＯXを放出するＮＯX吸蔵触媒を配置し、ＮＯX吸蔵触媒下流の機関排気通路内にＮＯ2生成触媒を配置し、ＮＯ2生成触媒下流の機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置した内燃機関が公知である（特許文献１を参照）。この内燃機関では排気ガス中に含まれるＮＯXから生成されたアンモニアＮＨ3がＮＯX選択還元触媒に吸蔵されており、ＮＯX吸蔵触媒に吸蔵されなかったＮＯXがＮＯX選択還元触媒においてアンモニアＮＨ3により還元される。
ところでＮＯX選択還元触媒では排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ2との割合が１：１のときに最も良好にＮＯXが還元されることが知られている。しかしながら排気ガス中に含まれるＮＯXの大部分はＮＯである。従ってこの内燃機関ではＮＯX選択還元触媒の上流にＮＯ2生成触媒を配置してこのＮＯ2生成触媒により排気ガス中に含まれるＮＯをできる限りＮＯ2に変換するようにしている。
特表２００６−５１２５２９号公報
ところでＮＯ2生成触媒として酸化触媒を用いた場合、研究の過程において、排気ガス中にＳＯXが含まれているとＳＯXによってＮＯからＮＯ2への変換作用が阻害され、その結果ＮＯXの浄化率が低下することが判明したのである。しかしながら上述の内燃機関ではこのようなＳＯXによるＮＯXの浄化率の低下に関しては何らの示唆もない。
本発明では、機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置し、ＮＯX選択還元触媒に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯX選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置すると共に酸化触媒上流の機関排気通路内にＮＯX吸着触媒を配置し、ＮＯX吸着触媒は、ＮＯX吸着触媒の温度が低いときには排気ガス中に含まれるＮＯXを吸着しかつＮＯX吸着触媒の温度が上昇すると吸着しているＮＯXを放出する性質を有すると共に排気ガス中に含まれるＳＯXを捕獲する性質を有し、ＮＯX吸着触媒により酸化触媒へのＳＯXの流入を抑制してＮＯX吸着触媒から放出されたＮＯが酸化触媒においてＮＯ2に酸化されるのをＳＯXにより阻害されないようにしている。
ＮＯX吸着触媒やＮＯX選択還元触媒の温度が低いときには排気ガス中に含まれるＮＯXはＮＯX吸着触媒に吸着され、排気ガス中に含まれるＳＯXはＮＯX吸着触媒に捕獲される。一方、ＮＯX吸着触媒やＮＯX選択還元触媒の温度が上昇するとＮＯX吸着触媒からＮＯXが放出される。このときＮＯX吸着触媒からＳＯXは放出されず、従って酸化触媒にはＳＯXが流入しないので放出されたＮＯは酸化触媒において良好にＮＯ2に変換される。
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ＮＯX吸着触媒１２の入口に連結される。このＮＯX吸着触媒１２の下流には酸化触媒１３が配置され、酸化触媒１３の出口は排気管１４を介してＮＯX選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯX選択還元触媒１５の出口には排気管１６が連結される。
ＮＯX選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水供給弁１７が配置され、この尿素水供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水タンク２０に連結される。尿素水タンク２０内に貯蔵されている尿素水は供給ポンプ１９によって尿素水供給弁１７から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2）によって排気ガス中に含まれるＮＯXがＮＯX選択還元触媒１５において還元される。
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２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２３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２３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２４を介してコモンレール２５に連結され、このコモンレール２５は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を介して燃料タンク２７に連結される。燃料タンク２７内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２６によってコモンレール２５内に供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。ＮＯX選択還元触媒１５にはＮＯX選択還元触媒１５の温度を検出するための温度センサ２８が取付けられ、排気管１６内にはＮＯX選択還元触媒１５から流出する排気ガス中のＮＯX濃度を検出するためのＮＯXセンサ２９が配置される。これら温度センサ２８、ＮＯXセンサ２９および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
一方、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２２および燃料ポンプ２６に接続される。
ＮＯX吸着触媒１２の基体は多数の細孔を有するコージェライト或いはメタルからなり、この基体上にはゼオライト、アルミナＡｌ2Ｏ3、ジルコニアＺｒＯ2又はチタニアＴｉＯ2等からなる触媒担体の層が形成されていてこの触媒担体上には鉄Ｆｅ又は銀Ａｇからなる卑金属触媒又は白金のような貴金属触媒が担持されている。このＮＯX吸着触媒１２は、ＮＯX吸着触媒１２の温度が低いときには排気ガス中に含まれるＮＯXを吸着しかつＮＯX吸着触媒１２の温度が上昇すると吸着しているＮＯXを放出する性質を有する。更にこのＮＯX吸着触媒１２は排気ガス中に含まれるＳＯXを捕獲する性質を有する。
ところでＮＯX吸着触媒１２に吸着されたＮＯXはＮＯX吸着触媒１２の温度がほぼ２００℃を越えるとＮＯX吸着触媒１２から放出される。ところがＮＯX吸着触媒１２に捕獲されたＳＯXはＮＯX吸着触媒１２の温度が２００℃を越えてもＮＯX吸着触媒１２から放出されず、このＳＯXはＮＯX吸着触媒１２の温度が５００℃程度まで上昇してもＮＯX吸着触媒１２から放出されることはない。
一方、酸化触媒１３は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１３は排気ガス中に含まれるＮＯを酸化してＮＯ2に変換する作用をなす。一方、ＮＯX選択還元触媒１５は低温でアンモニアを吸着し、高いＮＯX浄化率を有するＦｅ／ゼオライトから構成されるか、或いはＶ2Ｏ5／ＴｉＯ2から構成される。
次に図２（Ａ）を参照しつつ本発明による排気浄化装置によるＮＯX浄化性能について説明する。図２（Ａ）に本発明による排気浄化装置によるＮＯX浄化率Ｒ（％）が実線で示されている。なお、図２（Ａ）の横軸はＮＯX選択還元触媒１５の温度ＴＣ（℃）を示している。
さて、図１においてＮＯX吸着触媒１２および酸化触媒１３を設けなかった場合のＮＯX浄化率Ｒは、即ちＮＯX選択還元触媒１５のみによるＮＯX浄化率Ｒは図２（Ａ）において破線ａで示すように触媒温度ＴＣが４００℃よりも低下すると下降し始め、従ってこの場合には触媒温度ＴＣが３００℃以下になるとほとんどＮＯXが浄化できなくなる。本発明ではＮＯX選択還元触媒１５の上流に酸化触媒１３を配置することによって図２（Ａ）において破線ｂで示す位置までＮＯX浄化率Ｒを高め、酸化触媒１３の上流にＮＯX吸着触媒１２を配置することによって実線で示されるように２００℃以下の低温領域までＮＯXを浄化しうるようにしている。
即ち、触媒温度ＴＣがほぼ２００℃よりも低いときには排気ガス中に含まれるＮＯXのかなりの部分がＮＯX吸着触媒１２に吸着され、斯くしてこのとき比較的高いＮＯX浄化率Ｒが得られる。一方、触媒温度ＴＣがほぼ２００℃よりも高くなるとＮＯX吸着触媒１２からＮＯX、即ちＮＯが放出され、このＮＯXが酸化触媒１３においてＮＯ2に酸化される。その結果、ＮＯX吸着触媒１２から放出されたＮＯがＮＯX選択還元触媒１５によって良好に還元せしめられる。
即ち、ＮＯX選択還元触媒１５では前述したように尿素から発生したアンモニアＮＨ3によって排気ガス中に含まれるＮＯXが選択的に還元され、このとき最も速度の速い反応式が次式で示される。
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ
上式から、排気ガス中のＮＯとＮＯ2との比率が１：１のとき、即ち排気ガス中の（ＮＯ＋ＮＯ2）に対するＮＯ2の比率、言い換えると排気ガス中のＮＯXに対するＮＯ2の比率が５０パーセントのときに反応速度が最も速くなり、斯くしてＮＯX浄化率が最も高くなることがわかる。
従って酸化触媒１３を配置すると排気ガス中のＮＯ2の量が増大せしめられるのでＮＯX選択還元触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯXに対するＮＯ2の比率が５０％に近ずき、斯くして図２（Ａ）の破線ａと破線ｂで示される間でのＮＯX浄化率が高められることになる。
ところで本発明者による研究の過程において、酸化触媒１３に流入する排気ガス中にＳＯXが含まれるいるとこのＳＯXによって酸化触媒１３におけるＮＯからＮＯ2への変換作用が阻害され、その結果ＮＯX浄化率が低下することが判明したのである。この場合、ＳＯXによるＮＯX浄化率の低下の原因は酸化触媒１３に担持された貴金属触媒、即ち白金のＳＯX被毒である。即ち、白金の表面がＳＯXで覆われると白金はＮＯに対する酸化力を失ない、斯くしてＮＯ2の生成量が低下するためにＮＯX浄化率が低下することになる。
そこで本発明では酸化触媒１３にＳＯXが流入しないようにＮＯX吸着触媒１２に排気ガス中のＳＯXを捕獲する機能を持たせるようにしている。即ち、本発明ではＮＯX吸着触媒１２により酸化触媒１３へのＳＯXの流入を抑制し、ＮＯX吸着触媒１２から放出されたＮＯが酸化触媒１３においてＮＯ2に酸化されるのをＳＯXにより阻害されないようにすることによって図２（Ａ）において実線で示されるように低温から高温までの広い触媒温度ＴＣの範囲に亘って高いＮＯX浄化率が得られるようにしている。
ところがＮＯX吸着触媒１２のＳＯX捕獲量は時間の経温と共に次第に増大し、ＮＯX吸着触媒１２のＳＯX捕獲量が増大するとＮＯX吸着触媒１２のＮＯX吸着能力が低下する。また、ＮＯX吸着触媒１２のＳＯX捕獲量が増大するとＮＯX吸着触媒１２のＳＯX捕獲能力も低下する。ＮＯX吸着触媒１２のＳＯX捕獲能力が低下すると酸化触媒１３にＳＯXが流入するようになり、斯くして酸化触媒１３に担持された貴金属触媒がＳＯX被毒を生ずるようになる。図２（Ｂ）の実線はこのようにＮＯX吸着触媒１２のＮＯX吸着能力およびＳＯX捕獲能力が低下したときのＮＯX浄化率Ｒを示している。
即ち、ＮＯX吸着触媒１２のＮＯX吸着能力が低下するとＮＯX選択還元触媒１５の温度ＴＣが低いときのＮＯX浄化率が低下し、このＮＯX吸着能力の低下によるＮＯX浄化率Ｒの低下分が図２（Ｂ）においてＩで示されている。また、酸化触媒１３に担持された貴金属触媒のＳＯX被毒によるＮＯX浄化率Ｒの低下分が図２（Ｂ）においてIIで示されている。
図２（Ｂ）からわかるように酸化触媒１３に担持された貴金属触媒のＳＯX被毒によるＮＯX浄化率Ｒの低下は顕著に現われ、このＮＯX浄化率Ｒの低下は特定のＮＯX選択還元触媒温度領域ＴＣＸで生ずる。この特定の温度領域ＴＣＸはＮＯ2の生成によりＮＯX選択還元触媒１５のＮＯX浄化率が高められる温度領域、即ち図２（Ａ）において破線ａと破線ｂとの間の温度領域であり、この特定の温度領域ＴＣＸは２３０℃から３３０℃の範囲である。
ＮＯX浄化率Ｒが図２（Ｂ）に示されるように低下したときにはＳＯX被毒回復処理を行ってＮＯX浄化率Ｒを図２（Ａ）に示される状態まで回復させることが必要となる。このＳＯX被毒回復処理は、圧縮行程末期に燃焼室２内に追加の燃料を噴射するか、或いはＮＯX吸着触媒１２上流の機関排気通路内に燃料供給弁を配置してこの燃料供給弁から排気ガス中に燃料を噴射することによりＮＯX吸着触媒１２の温度を５００℃以上まで上昇させるか又はＮＯX吸着触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることによって行われる。
ところでこの場合、何を基準としてＳＯX被毒回復処理を行うかが問題となる。このことについて検討すると、排気ガス中に含まれるＳＯXの量は排気ガス中に含まれるＮＯXの量に比べればはるかに少なく、従って図２（Ｂ）においてＩで示されるようにＮＯX吸着触媒１２へのＳＯXの捕獲に起因するＮＯX浄化率Ｒの低下はそれほど大きくはならない。これに対し、図２（Ｂ）においてIIで示されるように酸化触媒１３の貴金属触媒のＳＯX被毒に起因するＮＯX浄化率Ｒの低下は極めて大きく現われ、ＮＯX浄化率Ｒの低下が大きく現われると誤判断することなくＳＯX被毒回復処理を行うべきときであることを適格に判断することができる。
そこで本発明では、特定の触媒温度ＴＣＸにおけるＮＯX浄化率Ｒが予め定められたレベル以下に低下したときにＮＯX吸着触媒１２および酸化触媒１３のＳＯX被毒回復処理を行うようにしている。
図３にＳＯX被毒回復制御ルーチンを示す。このルーチンは一定時間或いは一定走行距離毎の割込みによって実行される。
図３を参照するとまず初めにステップ５０において予め設定されている運転状態であるか否かが判別される。次いでステップ５１ではＮＯX選択還元触媒１５の温度ＴＣがＴ1、例えば２３０℃以上であってＴ2、例えば３３０℃以下であるか否か、即ち特定の温度領域ＴＣＸ内であるか否かが判別される。触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内でないときにはステップ５０に戻る。これに対し、触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内であるときにはステップ５２に進む。
ステップ５２ではＮＯXセンサ２９により排気ガス中のＮＯX濃度が検出される。設定運転状態のときに機関から排出される排気ガス中のＮＯX濃度は予め記憶されており、ステップ５３ではこの記憶されているＮＯX濃度とＮＯXセンサ２９により検出されたＮＯX濃度との比から求まるＮＯX浄化率Ｒが予め定められたレベルＲ0以下になったか否かが判別される。ＮＯX浄化率Ｒが予め定められたレベルＲ0以下になったときにはステップ５４に進んでＳＯX被毒回復処理が行われる。
機関から排出されるＮＯX量はアイドリング運転時に最も安定し、またアイドリング運転状態になると触媒温度ＴＣは特定の温度領域ＴＣＸとなりやすい。従って本発明による実施例では図３のステップ５０における設定運転状態はアイドリング運転状態とされている。即ち、本発明による実施例では機関アイドリング運転時に特定の触媒温度ＴＣＸにおけるＮＯX浄化率Ｒが予め定められたレベルＲ0以下に低下したか否かが判断され、Ｒ＜Ｒ0と判断されたときにＳＯX被毒回復処理が行われる。
図４にＳＯX被毒回復制御ルーチンの別の実施例を示す。図４に示されるルーチンのステップ５０からステップ５４は図３に示すルーチンのステップ５０からステップ５４と同一であり、従ってこれらステップ５０からステップ５４については説明を省略する。
図４を参照するとステップ５１において触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内にないと判断されたときにはステップ５５に進んで触媒温度ＴＣがＴ1よりも低いか否かが判別される。ＴＣ≧Ｔ1のときにはステップ５０に戻り、ＴＣ＜Ｔ1のときにはステップ５６に進んでＮＯX選択還元触媒１５の昇温制御を行った後にステップ５０に戻る。この昇温制御も例えば排気行程中に燃焼室２内に追加の燃料を供給することによって行われる。
図３に示されるルーチンではＳＯX被毒回復制御が開始されたときに触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内でなかったときには触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内になるまで待つようにしている。これに対し、図４に示されるルーチンではＳＯX被毒回復制御が開始されたときに触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内でなかったときには触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸよりも高い場合には触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内になるまで待ち、触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸよりも低いときには触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内になるまでＮＯX選択還元触媒１５を昇温させるようにしている。
圧縮着火式内燃機関の全体図である。 ＮＯX浄化率Ｒを示す図である。 ＳＯX被毒回復制御を実行するためのフローチャートである。 ＳＯX被毒回復制御の別の実施例を実行するためのフローチャートである。
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吸着触媒
１３ 酸化触媒
１５ ＮＯX選択還元触媒
１７ 尿素水供給弁
２９ ＮＯXセンサ

Claims (4)

  1. 機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置し、該ＮＯX選択還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、上記ＮＯX選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置すると共に酸化触媒上流の機関排気通路内にＮＯX吸着触媒を配置し、該ＮＯX吸着触媒は、ＮＯX吸着触媒の温度が低いときには排気ガス中に含まれるＮＯXを吸着しかつＮＯX吸着触媒の温度が上昇すると吸着しているＮＯXを放出する性質を有すると共に排気ガス中に含まれるＳＯXを捕獲する性質を有し、該ＮＯX吸着触媒により酸化触媒へのＳＯXの流入を抑制してＮＯX吸着触媒から放出されたＮＯが酸化触媒においてＮＯ2に酸化されるのをＳＯXにより阻害されないようにした内燃機関の排気浄化装置。
  2. 酸化触媒にＳＯXが流入するとＮＯX選択還元触媒によるＮＯX浄化率が予め定められた特定のＮＯX選択還元触媒温度領域において低下し、該特定のＮＯX選択還元触媒温度領域における該ＮＯX浄化率が予め定められたレベル以下に低下したときにＮＯX吸着触媒および酸化触媒のＳＯX被毒回復処理を行うようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 上記特定のＮＯX選択還元触媒温度領域が２３０℃から３３０℃である請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 機関アイドリング運転時に上記特定のＮＯX選択還元触媒温度領域における上記ＮＯX浄化率が予め定められたレベル以下に低下したか否かを判断する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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