JP2010174645A

JP2010174645A - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2010174645A
Application number: JP2009015341A
Authority: JP
Inventors: Shunkei Suzuki; 俊圭鈴木; Minoru Sato; 稔佐藤; Kazuhiko Kawajiri; 和彦川尻
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】動作条件によって希薄燃焼と量論燃焼の両方の燃焼条件となるエンジンにおいて、排気ガス中のＮＯ_ｘを有効に浄化することができる排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】燃焼機関から排出される排気ガスが流れる排気ガス流路に設けたリーンＮＯ_ｘ触媒部と、このリーンＮＯ_ｘ触媒部の下流に設けた三元触媒部と、燃焼機関とリーンＮＯ_ｘ触媒部との間の排気ガス流路に設けた空燃比検知手段と、この空燃比検知手段で検知された空燃比に応じてリーンＮＯ_ｘ触媒部と三元触媒部とをそれぞれ所定の温度に設定可能な冷却手段とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関や燃焼機器などから排出される排気ガス中の有害成分を清浄化する排気ガス浄化装置に関するものである。

エンジンなどの内燃機関や燃焼機器から排出される排気ガス中には有害成分として一般に、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）などが含まれている。通常、エンジンの燃焼室に送られる燃料に混合される酸素量は、燃料を燃焼させるために必要な酸素量とほぼ同等となるように設定されており、このような燃料と酸素との混合比で燃焼することは量論燃焼と呼ばれている。排気ガス中の残存酸素（Ｏ_２）が極めて微量である量論燃焼によって発生する排気ガスの場合、この排気ガスを浄化する従来の排気ガス浄化装置として、三元触媒を用いる装置が実用化されている。このような排気ガス浄化装置においては、エンジンから排出される排気ガスを三元触媒に接触させることで、排気ガス中に含まれる有害成分は、水（Ｈ_２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ_２）などの無害な成分に転化される。

近年、自動車用エンジンにおいて、燃費を良くするために通常よりも少ないガソリンの量で燃焼させるシステムをもったリーンバーンエンジンが注目されている。リーンバーンとは希薄燃焼のことで、エンジンの燃焼室に送られる燃料に混合される酸素量が、上述の量論燃焼における酸素量よりも過剰に設定されたときの燃焼のことである。このリーンバーンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関、工場の燃焼機器や家庭用のファンヒータなどでは、希薄燃焼が採用されており、このときの排気ガス中には酸素が多く含まれている。このような希薄燃焼の排気ガスにおいては、上述のような三元触媒を用いる浄化方法では、排気ガス中の有害成分のひとつであるＮＯ_ｘの浄化が困難である。

希薄燃焼の排気ガス中のＮＯ_ｘを浄化する方法として、ゼオライト中の陽イオンを銅イオンに交換したＣｕイオン交換ゼオライトなどの触媒を用いることが知られている。ところが、Ｃｕイオン交換ゼオライトなどのリーンＮＯ_ｘ触媒は、ＮＯ_ｘを浄化する活性温度域が限られる（例えば４００℃〜６００℃）ため、アイドルアップ時（即ち、コールドスタート時）に活性温度域に達しない場合や、高速走行時に活性温度域を超えてしまう場合などがある。このような問題を解決して、リーンＮＯ_ｘ触媒を用いて幅広い温度域でＮＯ_ｘを浄化するための従来の排気ガス浄化装置として、排気ガス流路に活性温度域の異なるＮＯ_ｘ触媒を複数設置し、冷却空気によってそれぞれのＮＯ_ｘ触媒の温度を調整する排気ガス浄化装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、希薄燃焼と量論燃焼との両方の排気ガス中のＮＯ_ｘを浄化する排気ガス浄化装置として、リーンＮＯ_ｘ触媒と三元触媒とを併用する排気ガス浄化装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−２４５３４１号公報（２頁、図１）特開平５−１８７２２９号公報（２頁、図１）

しかしながら、活性温度領域の異なるリーンＮＯ_ｘ触媒を複数備えた従来の排気ガス浄化装置においては、希薄燃焼で発生する排気ガス中のＮＯ_ｘは浄化できるものの、量論燃焼で発生する排気ガス中のＮＯ_ｘは浄化することができないという問題があった。

また、リーンＮＯ_ｘ触媒と三元触媒とを併用する従来の排気ガス浄化装置においては、リーンＮＯ_ｘ触媒と三元触媒とは希薄燃焼または量論燃焼いずれか一方の排気ガス中のＮＯ_ｘの浄化に適した活性温度域に調整することしかできず、動作条件によって希薄燃焼および量論燃焼の両方の燃焼条件となるエンジンに適用した場合、いずれか一方の燃焼条件でしか効率のよいＮＯ_ｘの浄化ができないという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、動作条件によって希薄燃焼と量論燃焼の両方の燃焼条件となるエンジンにおいて、排気ガス中のＮＯ_ｘを有効に浄化することができる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

この発明に係る排気ガス浄化装置は、燃焼機関から排出される排気ガスが流れる排気ガス流路に設けたリーンＮＯ_ｘ触媒部と、このリーンＮＯ_ｘ触媒部の下流に設けた三元触媒部と、燃焼機関とリーンＮＯ_ｘ触媒部との間の排気ガス流路に設けた空燃比検知手段と、この空燃比検知手段で検知された空燃比に応じてリーンＮＯ_ｘ触媒部と三元触媒部とをそれぞれ所定の温度に設定可能な冷却手段とを備えたものである。

この発明に係る排気ガス浄化装置においては、空燃比検知手段で検知された空燃比に応じてリーンＮＯ_ｘ触媒部と三元触媒部とをそれぞれ所定の温度に設定可能な冷却手段とを備えているので、希薄燃焼および量論燃焼のそれぞれにおける最適温度にリーンＮＯ_ｘ触媒部および三元触媒部の温度を調整できる。その結果、動作条件によって希薄燃焼と量論燃焼の両方の燃焼条件となるエンジンにおいて、排気ガス中のＮＯ_ｘを有効に浄化することができる。

この発明の実施の形態１による排気ガス浄化装置の模式図である。この発明の実施の形態１による三元触媒の特性図である。この発明の実施の形態１によるＮＯ_ｘ触媒の特性図である。この発明の実施の形態１による三元触媒の特性図である。この発明の実施の形態２による排気ガス浄化装置の模式図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係る排気ガス浄化装置の模式図であり、本実施の形態において、燃焼機関として、例えば自動車用のエンジンを用いた場合の構成を示している。自動車用のエンジンとしては、例えばガソリン用リーンバーンエンジンなどがある。リーンバーンエンジンは、例えば、定常走行時には希薄燃焼に、加速時やアイドル時には量論燃焼に切り換えることで燃費の向上を可能とするものである。

図１において、エンジン１の内部にはシリンダー（図示せず）が数本備えられており、このシリンダー内部で燃料が燃焼されて発生した排気ガスは、エンジン１に接続された排気ガス流路２に排出される。この排気ガス流路２には排気ガス中の空燃比（＝量論燃焼と希薄燃焼の判断をするための混合気の燃料濃度の指標）を検出する空燃比検出手段であるＡ／Ｆセンサ３が接続されている。このＡ／Ｆセンサ３によって検出される空燃比でエンジン１の燃焼条件が量論燃焼か希薄燃焼かを判定することができる。排気ガス流路２には、上流からリーンＮＯ_ｘ触媒部４と三元触媒部５とが設けられている。排気ガスは、リーンＮＯ_ｘ触媒部４と三元触媒部５とを順次通過して外部へ排出される。リーンＮＯ_ｘ触媒部４および三元触媒部５には、触媒温度を検知する温度検知手段である温度センサ６、７がそれぞれ接続されている。リーンＮＯ_ｘ触媒部４と三元触媒部５との外部には、これらの触媒部の温度を制御する冷却手段として、走行風を取り込む走行風導入ダクト８、９と、走行風導入ダクト８のリーンＮＯ_ｘ触媒部４への導入口の位置および走行風導入ダクト９の三元触媒部５への導入口の位置に、それぞれ風量制御バルブ１０、１１とが設置されている。制御装置１２は、Ａ／Ｆセンサ３や温度センサ６、７の情報に基づいて、風量制御バルブ１０、１１を制御して、リーンＮＯ_ｘ触媒部４と三元触媒５の温度が所定の温度となるように制御する。

本実施の形態におけるリーンＮＯ_ｘ触媒部４および三元触媒部５は、例えば蜂の巣状のハニカムセラミック基材に触媒が塗布されたものを用いることができる。リーンＮＯ_ｘ触媒部４に用いるＮＯ_ｘ触媒としては、例えば多孔質のアルミナやゼオライトに銀触媒を担持したものを用いることができる。これらのＮＯ_ｘ触媒は、窒素酸化物を選択的に還元する機能を有したものであれば、銀触媒に限定されるものではなく、例えば、白金、パラジウム、イリジウム、ルテニウムおよび金などの貴金属を多孔質のアルミナやゼオライトに担持したもの、貴金属を用いないものとしては、多孔質アルミナ、ゼオライト、酸化チタンのような多孔質触媒なども適用可能である。また、三元触媒部５は、量論燃焼の排気ガス中のＮＯ_ｘを浄化可能である。この三元触媒部５に用いる触媒は、アルミナ系その他の担体に白金、ロジウム、パラジウム、セリウム等の活性金属の少なくとも一種を担持したものを用いることができる。

次に、本実施の形態における、排気ガス浄化装置の動作について説明する。

まず、量論燃焼におけるリーンＮＯ_ｘ触媒部４と三元触媒部５との動作について説明する。排気ガス中の残存Ｏ_２が極めて微量である量論燃焼によって発生した排気ガスが、リーンＮＯ_ｘ触媒部４に導入されると、排気ガス中に含まれるＮＯ_ｘと、同じく排気ガス中に含まれる微量のＨＣやＣＯとが反応して僅かな浄化率を示す。しかしながら、ほぼ全量のＮＯ_ｘ、ＨＣおよびＣＯはそのまま下流の三元触媒部５に流れる。三元触媒部５に供給されたＮＯ_ｘ、ＨＣおよびＣＯは、ＮＯ_ｘ＋ＨＣ、ＮＯ_ｘ＋ＣＯなどの反応で互いに浄化される。図２は、本実施の形態の三元触媒部５に用いた三元触媒において、量論燃焼の排気ガスに対する触媒温度とＮＯ_ｘ浄化率との関係を示す特性図である。ここで、ＮＯ_ｘ浄化率は下式で得られる値である。
ＮＯ_ｘ浄化率＝（触媒部入口ＮＯ_ｘ濃度−触媒部出口ＮＯ_ｘ濃度）／（触媒部入口ＮＯ_ｘ濃度）

量論燃焼においては、三元触媒部５に用いる触媒の温度が３５０℃以下では触媒が不活性化し、著しい浄化率の低下が見られる。一方３６０℃程度以上ではＮＯ_ｘが効率よく浄化されることがわかる。したがって、量論燃焼においては、三元触媒部５の温度を３６０℃以上に設定することでＮＯ_ｘ浄化率９０％以上の高いＮＯ_ｘ浄化率を達成できる。

次に、希薄燃焼におけるリーンＮＯ_ｘ触媒部４と三元触媒部５との動作について説明する。リーンＮＯ_ｘ触媒部４には、エンジン１からＯ_２が多く含まれる排気ガスが導入される。排気ガス中に含まれるＮＯ_ｘと、ＨＣなかでもＮＯ_ｘとの反応性に優れるアルデヒド類、アルコール類などのＨＣとがリーンＮＯ_ｘ触媒部４で反応して清浄化処理が進行し、ＮＯ_ｘと一部のＨＣが、Ｎ_２、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏへと転化される。図３は、本実施の形態のリーンＮＯ_ｘ触媒部４に用いるＮＯ_ｘ触媒の、希薄燃焼における触媒温度とＮＯ_ｘ浄化率の関係を示す特性図である。図３は、リーンＮＯ_ｘ触媒部４に用いる触媒として、多孔質アルミナに銀触媒を担持したＮＯ_ｘ触媒において、希薄燃焼の排気ガスに対する触媒温度とＮＯ_ｘ浄化率との関係を示す特性図である。希薄燃焼においては、ＮＯ_ｘ触媒の温度が３５０〜４５０℃の範囲でＮＯ_ｘが効率よく浄化されることがわかる。ここで、ＮＯ_ｘの還元剤であるＨＣは、５００℃程度になると大部分が酸化されるため、このような高温にすると還元剤のＨＣはＮＯ_ｘ＋ＨＣの選択還元反応よりもＯ_２＋ＨＣの酸化反応が優先的に進行する。その結果、還元剤であるＨＣの大部分がＯ_２との酸化反応で消費されてしまうために、ＮＯ_ｘの浄化率は低下する。したがって、希薄燃焼においては、リーンＮＯ_ｘ触媒部４の温度を３５０〜４５０℃の範囲に設定することでＮＯ_ｘの還元剤であるＨＣを無効消費することなくＮＯ_ｘ浄化率６０％以上の高いＮＯ_ｘ浄化率を達成できる。

図４は、本実施の形態の三元触媒部５に用いる三元触媒において、希薄燃焼の排気ガスに対する触媒温度とＮＯ_ｘ浄化率との関係を示す特性図である。三元触媒部５に供給される排気ガスは、上述のリーンＮＯ_ｘ触媒部４で浄化されなかったＮＯ_ｘおよびＨＣが残留したガスである。この三元触媒としては、酸化活性に優れた白金、ロジウム、パラジウムなどを担持した触媒を用いるため、Ｏ_２が多く含まれる条件ではＨＣとＯ_２との酸化反応が２８０℃程度の低い温度でも進行する。ＨＣはＯ_２との反応で大部分が浄化されるが、一部のＨＣはＮＯ_ｘと反応するため、ＨＣが酸化される過程で若干のＮＯ_ｘは浄化される。したがって、排気ガス浄化装置全体のＮＯ_ｘ浄化率としては、三元触媒部５でのＮＯ_ｘ浄化率とリーンＮＯ_ｘ触媒部４でのＮＯ_ｘ浄化率との和となる。ただし、三元触媒が３５０℃程度まで高温になると、ＨＣはＯ_２との反応でほぼ全量が酸化されて、ＨＣがＮＯ_ｘと反応しなくなるために、ＮＯ_ｘ浄化率は極めて低い値になる。また、三元触媒は、温度が２５０℃よりも低くなると不活性化し、ＮＯ_ｘ浄化率は低下する。したがって、希薄燃焼では三元触媒部５の温度を２６０〜３００℃に設定することで触媒システム全体での２０〜２８％程度のＮＯ_ｘ浄化率の向上を見込める。

上述のようなＮＯ_ｘ触媒および三元触媒の燃焼条件の異なる排気ガスに対するＮＯ_ｘ浄化率の温度依存性から、三元触媒部５において、量論燃焼では３６０℃以上が適した温度であり、希薄燃焼では２６０〜３００℃が適した温度である。また、リーンＮＯ_ｘ触媒部４においては、希薄燃焼では３５０〜４５０℃が適した温度である。つまり、三元触媒部５の温度は、量論燃焼に対する設定温度の方が、希薄燃焼に対する設定温度よりも高い温度に設定される。エンジン１の燃焼が量論燃焼か希薄燃焼であるかは、Ａ／Ｆセンサ３の出力で判断する。エンジン１から排出される排気ガスは、一般に６００〜７００℃であり、このような温度領域の排気ガスがリーンＮＯｘ触媒部４や三元触媒部５に流れていくと、それぞれの触媒部の温度は、温度制御手段がない場合、５００〜６００℃になる。したがって、リーンＮＯｘ触媒部４や三元触媒部５の温度を制御するためには、冷却手段が必要となる。三元触媒部５の最適温度を実現するために、制御装置１２で風量調節バルブ１１の開度を制御する。三元触媒部５の温度を量論燃焼に対応させて３６０℃に調節していた場合、希薄燃焼に切り換えても走行風導入ダクト９からの走行風の取り込み量が一定であれば、触媒の熱容量などの影響で触媒温度はあまり変化せずに、３６０℃±２０℃を示す。上述したように、三元触媒部５の希薄燃焼に対する最適な温度は２８０℃程度であるため、制御装置１２は温度センサ７の値を基に風量制御バルブ１１の開度を開く側に制御して三元触媒部５の外周を冷却する走行風の流量を増加させることで三元触媒部５の温度を２８０℃に調節する。逆に、希薄燃焼から量論燃焼に切り換えられた場合は、三元触媒部５を３６０℃以上に高温化するために、制御装置１２は風量制御バルブ１１の開度を閉じる側に制御して走行風の取り込み量を減らして三元触媒部５の温度を上昇させる。また、リーンＮＯ_ｘ触媒部４にも適切な温度域があるため、温度センサ６と風量制御バルブ１０を制御することで、リーンＮＯ_ｘ触媒部４の温度も最適な温度に調節できる。

このように本実施の形態の排気ガス浄化装置においては、希薄燃焼および量論燃焼のそれぞれにおける最適温度にリーンＮＯ_ｘ触媒部および三元触媒部の温度を調整できる。その結果、動作条件によって希薄燃焼と量論燃焼の両方の燃焼条件となるエンジンにおいて、排気ガス中のＮＯ_ｘを有効に浄化することができる。

また、リーンＮＯｘ触媒部は、走行風導入ダクトと風量制御バルブとで構成された冷却手段が備えられて温度制御されているので、エンジンに近接して配置することが可能となる。その結果、リーンＮＯｘ触媒部はエンジン始動時に排気ガスで速やかに昇温されるために排気ガス浄化性能は速やかに発揮され、定常走行時の過度の温度上昇は冷却手段で抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、冷却手段として走行風導入ダクトを用いたが、自動車が走行していない場合も考慮して、自動車のラジエータを冷却する冷却ファンからの送風もこの走行風導入ダクトに導入できるように構成することが好ましい。

また、本実施の形態においては、リーンＮＯ_ｘ触媒部および三元触媒部のそれぞれ温度センサを設置して温度を検知していたが、エンジンの動作条件に対する燃焼条件や走行風の取り込み量や風量制御バルブ１１開度をあらかじめ設定してリーンＮＯ_ｘ触媒部および三元触媒部のそれぞれ温度を必要な温度範囲に制御することも可能であるため、必ずしも温度センサを設置する必要はない。

実施の形態２．
実施の形態１においては、リーンＮＯ_ｘ触媒部および三元触媒部の温度を制御するための冷却手段として、走行風導入ダクトとそれぞれの触媒部への導入口の風量制御バルブとを用いたが、実施の形態２においては、冷却手段として冷却ファンを用いたものである。

図５は、この発明を実施するための実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の模式図である。図５において、実施の形態１と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。本実施の形態においては、リーンＮＯ_ｘ触媒部４の温度を制御するための冷却手段として冷却ファン１３を設置し、この冷却ファン１３によって生成された風がリーンＮＯ_ｘ触媒部４の外部に直接吹き付けられるように構成されている。同様に、三元触媒部５の温度を制御するための冷却手段として冷却ファン１４を設置し、この冷却ファン１４によって生成された風が三元触媒部５の外部に直接吹き付けられるように構成されている。これらの冷却ファン１３、１４は、制御装置１２によって制御されており、実施の形態１と同様に、Ａ／Ｆセンサ３や温度センサ６、７の情報に基づいて、冷却ファン１３、１４を制御して、リーンＮＯ_ｘ触媒部４と三元触媒部５との温度が制御される。

このように構成された排気ガス浄化装置においては、実施の形態１で説明した動作に準じた動作が行なわれる。ただし、制御装置１１によって制御されるのは風量制御バルブではなく冷却ファン１３、１４であり、冷却ファン１３、１４の回転数を変化させて風量を調節して触媒部の温度を制御する。このように構成された排気ガス浄化装置においては、実施の形態1と同様に希薄燃焼および量論燃焼のそれぞれにおける最適温度にリーンＮＯ_ｘ触媒部および三元触媒部の温度を調整できる。その結果、動作条件によって希薄燃焼と量論燃焼の両方の燃焼条件となるエンジンにおいて、排気ガス中のＮＯ_ｘを有効に浄化することができる。

なお、本実施の形態および実施の形態１においては、冷却手段として空気を用いているが、エンジン冷却水を用いた冷却手段を採用することができる。すなわち、冷却手段としては、空冷または水冷いずれの方法を用いることができる。

また、本実施の形態および実施の形態１においては、燃焼機関としてガソリン用リーンバーンエンジンを用いたが、この発明の排気ガス浄化装置は、動作条件によって希薄燃焼と量論燃焼とが切り換るような燃焼機関に適用することができるので、ディーゼルエンジンや船舶のエンジン、その他の燃焼機関の排気ガスにも適用できる。

１エンジン
２排気ガス流路
３Ａ／Ｆセンサ
４リーンＮＯ_ｘ触媒部
５三元触媒部
６、７温度センサ
８、９走行風導入ダクト
１０、１１風量制御バルブ
１２制御装置
１３、１４冷却ファン

Claims

燃焼機関から排出される排気ガスが流れる排気ガス流路に設けられたリーンＮＯ_ｘ触媒部と、
このリーンＮＯ_ｘ触媒部の下流に設けられた三元触媒部と、
前記燃焼機関と前記リーンＮＯ_ｘ触媒部との間の前記排気ガス流路に設けられた空燃比検知手段と、
この空燃比検知手段で検知された空燃比に応じて前記リーンＮＯ_ｘ触媒部と前記三元触媒部とをそれぞれ所定の温度に設定可能な冷却手段と
を備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
空燃比検知手段で検知された排気ガスの空燃比によって燃焼機関の燃焼状態が判断され、量論燃焼と判断されたときに設定される三元触媒部の温度は、希薄燃焼と判断されたときに設定される三元触媒部の温度よりも高いことを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置。
リーンＮＯ_ｘ触媒部と三元触媒部とにそれぞれ設けられた温度検知手段とを備え、
この温度検知手段で検知された温度に応じて冷却手段が制御されて前記三元触媒部と前記リーンＮＯ_ｘ触媒部との温度が、それぞれ所定の温度に設定されることを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置。
冷却手段は、走行風導入ダクトと、この走行風導入ダクトの開度を調整する風量制御バルブとを備えたことを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置。
冷却手段は、リーンＮＯ_ｘ触媒部と三元触媒部との外部にそれぞれ設けられた冷却ファンと、この冷却ファンの送風量を調整する送風量制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化装置。