JP2010229820A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯ_X触媒装置から大気中へ放出されるＮ₂Ｏの大気放出量をさらに十分に減少させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】機関排気系に配置されたＮＯ_X触媒装置２と、ＮＯ_X触媒装置から排出される排気ガスをＮＯ_X触媒装置の上流側へ戻すための戻し通路３と、オゾン供給装置７とを具備し、ＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とされている間は、ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガス中にＮ₂Ｏが含まれるために、Ｎ₂Ｏをオゾン供給装置から供給されるオゾンにより酸化させると共に、ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガスを戻し通路を介してＮＯ_X触媒装置の上流側へ戻すようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンのような希薄燃焼を実施する内燃機関の排気系には、ＮＯ_X触媒装置が配置されている。ＮＯ_X触媒装置は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯ_Xを良好に保持する。一方、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とすれば、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させれば、保持したＮＯ_Xを離脱し、こうして離脱させたＮＯ_Xを排気ガス中の還元物質によりＮ₂へ還元浄化することができる。

しかしながら、このようなＮＯ_X触媒装置の再生処理においてＮ₂Ｏ（一酸化二窒素又は亜酸化窒素）が生成されることがあり、Ｎ₂Ｏも大気中へ放出することは好ましくない。それにより、再生処理時においてＮＯ_X触媒装置からのＮ₂Ｏの流出量を減少させる内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２１１６７６

前述の内燃機関の排気浄化装置によれば再生処理時においてＮＯ_X触媒装置からのＮ₂Ｏの流出量を減少させることはできるが、Ｎ₂Ｏの大気放出量をさらに減少させる余地が残されている。

従って、本発明の目的は、ＮＯ_X触媒装置から大気中へ放出されるＮ₂Ｏの大気放出量をさらに十分に減少させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されたＮＯ_X触媒装置と、前記ＮＯ_X触媒装置から排出される排気ガスを前記ＮＯ_X触媒装置の上流側へ戻すための戻し通路と、オゾン供給装置とを具備し、前記ＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とされている間は、前記ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガス中にＮ₂Ｏが含まれるために、Ｎ₂Ｏを前記オゾン供給装置から供給されるオゾンにより酸化させると共に、前記ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガスを前記戻し通路を介して前記ＮＯ_X触媒装置の上流側へ戻すことを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とされた後に前記ＮＯ_X触媒装置へリーン空燃比の排気ガスを流入させてから設定時間の間は、前記ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガス中にＮ₂Ｏが含まれるために、Ｎ₂Ｏを前記オゾン供給装置から供給されるオゾンにより酸化させると共に、前記ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガスを前記戻し通路を介して前記ＮＯ_X触媒装置の上流側へ戻すことを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、機関排気系に配置されたＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とされている間は、ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガス中にＮ₂Ｏが含まれるために、Ｎ₂Ｏをオゾン供給装置から供給されるオゾンにより酸化させてＮＯ_Xとし、ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガスを戻し通路を介してＮＯ_X触媒装置の上流側へ戻すことにより、Ｎ₂Ｏを酸化させて生成されたＮＯ_Xは、ＮＯ_X触媒装置へ保持され、こうして、ＮＯ_X触媒装置から大気中へ放出されるＮ₂Ｏの大気放出量を十分に減少させることができる。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とされた後にリーン空燃比の排気ガスを流入させてから設定時間の間は、ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガス中にＮ₂Ｏが含まれるために、Ｎ₂Ｏをオゾン供給装置から供給されるオゾンにより酸化させてＮＯ_Xとし、ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガスを戻し通路を介してＮＯ_X触媒装置の上流側へ戻すことにより、Ｎ₂Ｏを酸化させて生成されたＮＯ_Xは、ＮＯ_X触媒装置へ保持され、こうして、ＮＯ_X触媒装置から大気中へ放出されるＮ₂Ｏの大気放出量をさらに十分に減少させることができる。

本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。 図１の排気浄化装置の制御を示すフローチャートである。

図１は、本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。同図において、１はディーゼルエンジン等の内燃機関の排気通路である。排気通路１には、ＮＯ_X触媒装置２が配置されている。３は戻し通路であり、第一接続位置３ａ及び第二接続位置３ｂにおいて、排気通路１のＮＯ_X触媒装置２の上流側及び下流側に接続されている。４は閉鎖弁であり、一点鎖線で示すように、戻し通路３の第二接続位置３ｂより下流側において排気通路１を閉鎖可能とし、好ましくは、実線で示すように、排気通路１を開放すると同時に戻し通路３を閉鎖するものである。

こうして、閉鎖弁４により排気通路１が開放されている時には、戻し通路３は閉鎖弁４により閉鎖されているために、排気ガスは、第一接続位置３ａ及び第二接続位置３ｂのいずれからも戻し通路３へ流入することなく、戻し通路３を通過しないようにされている。しかしながら、後述されるように戻し通路３にはポンプが配置されているために、閉鎖弁４により戻し通路３が閉鎖されなくても、閉鎖弁１により排気通路１が開放されている時には、ポンプを作動させないようにして戻し通路３を排気ガスが通過しないようにすることもできる。

戻し通路３には、Ｎ₂Ｏ吸着装置５が配置されている。Ｎ₂Ｏ吸着装置５は、例えばゼオライトにロジウムＲｈを担持させたものである。また、戻し通路３において、Ｎ₂Ｏ吸着装置５と第一接続位置３ａとの間には、吸引ポンプ６が配置されている。７はＮ₂Ｏ吸着装置５に吸着されたＮ₂ＯにオゾンＯ₃を照射するオゾン供給装置である。

ＮＯ_X触媒装置２は、以下に説明するＮＯ_X保持剤と白金Ｐｔのような貴金属触媒とが担持されている。ＮＯ_X保持剤は、カリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、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である。

ＮＯ_X触媒装置２は、排気ガスがリーン空燃比である時、すなわち、排気ガス中の酸素濃度が高い時に、排気ガス中のＮＯ_Xを良好に保持し、すなわち、硝酸塩として良好に吸収したり、ＮＯ₂として良好に吸着したりする。しかしながら、無制限にＮＯ_Xを保持することはできず、ＮＯ_X保持量がＮＯ_X保持可能量に達してさらにＮＯ_Xを保持することができなくなる前に、再生処理として、排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とし、すなわち、排気ガス中の酸素濃度を低下させる。それにより、保持ＮＯ_Xは離脱され、すなわち、吸収ＮＯ_Xは放出され、また、吸着ＮＯ₂は脱離され、これら離脱ＮＯ_Xは排気ガス中の還元物質によりＮ₂へ還元浄化される。

しかしながら、このような再生処理において、Ｎ₂Ｏ（一酸化二窒素又は亜酸化窒素）が生成され（ＮＯ＋Ｎ→Ｎ₂Ｏ）、特に、白金Ｐｔの還元性能が劣化した時、又は、排気ガスの空燃比がリッチとされても酸素濃度が高い時には、離脱ＮＯ_Xの還元が不十分となってＮ₂Ｏが生成され易くなる。Ｎ₂Ｏの大気放出は好ましくない。

本排気浄化装置は、図２に示すフローチャートに従って電子制御装置により制御され、Ｎ₂Ｏの大気放出量を十分に低減することを目的としている。先ず、ステップ１０１において、ＮＯ_X触媒装置２の再生時期であるか否かが判断される。例えば、ＮＯ_X触媒装置２へ流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度とＮＯ_X触媒装置２から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度との差が設定値を下回る時に、ＮＯ_X触媒装置２のＮＯ_X保持量は、ＮＯ_X保持可能量近傍に到達して、排気ガス中のＮＯ_Xを十分に保持することができなくなったとして、再生時期と判断することができる。図１において、８はＮＯ_X触媒装置２へ流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出する上流側ＮＯ_Xセンサであり、９はＮＯ_X触媒装置２から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出する下流側ＮＯ_Xセンサである。

また、下流側ＮＯ_Xセンサ９を使用することなく、上流側ＮＯ_XセンサによりＮＯ_X触媒装置２へ流入する排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出し、ＮＯ_X濃度から定まる単位時間当たりの排気ガス中に含まれるＮＯ_X量の設定割合が単位時間当たりにＮＯ_X触媒装置２へ保持されるとして、単位時間当たりの保持量を積算して現在のＮＯ_X保持量を推定し、これが設定量に達した時に再生時期と判断するようにしても良い。また、上流側ＮＯ_Xセンサ８も使用することなく、機関運転状態毎の単位時間当たりの排気ガス中に含まれるＮＯ_X量を予め設定しておいて、その設定割合が単位時間当たりにＮＯ_X触媒装置２へ保持されるとして、単位時間当たりの保持量を積算して現在のＮＯ_X保持量を推定し、これが設定量に達した時に再生時期と判断するようにしても良い。

再生時期でない時にはそのまま終了するが、ＮＯ_X触媒装置２が再生時期である時には、ステップ１０１の判断が肯定され、ステップ１０２において、ＮＯ_X触媒装置２へ流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチ空燃比とされるリッチ化制御が実施される。このリッチ化制御は、例えば、リーン空燃比の排気ガス中に、ＮＯ_X触媒装置２の上流側に配置された燃料供給装置１０から燃料を供給することにより実現される。また、リッチ化制御は、気筒内へ膨張行程又は排気行程において燃料を噴射して燃焼空燃比はリーンでも気筒内から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比として実現しても良い。また、燃焼空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比としても良い。

次いで、ステップ１０３において、リッチ化制御によりリッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置２へ流入する時には、閉鎖弁４によりＮＯ_X触媒装置２の下流側において排気通路１を閉鎖する。本実施形態においては、それと同時に、閉鎖弁４により閉鎖されていた戻し通路３が開放される。ステップ１０４では、閉鎖弁４により排気通路１を閉鎖すると同時に、吸引ポンプ６の作動を開始して第二接続位置３ｂからＮＯ_X触媒装置２を通過した排気ガスを戻し通路３へ流入させて第一接続位置３ａを介して再びＮＯ_X触媒装置へ流入させる。

このような排気ガスの流れにより、再生処理中にＮＯ_X触媒装置２において生成されたＮ₂Ｏは、戻し通路３のＮ₂Ｏ吸着装置５に吸着される。ステップ１０５では、ポンプ６の作動開始と同時に、オゾン供給装置７を作動させてオゾンＯ₃をＮ₂Ｏ吸着装置５に吸着させたＮ₂Ｏへ照射する。それにより、Ｎ₂ＯはオゾンＯ₃によりＮＯ_Xへ酸化されてＮ₂Ｏ吸着装置５から離脱し（Ｎ₂Ｏ＋Ｏ₃→２ＮＯ＋Ｏ₂）、ＮＯ_X触媒装置２へ流入して保持される。

ステップ１０６では、リッチ化制御を開始してから（厳密にはリッチ空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置２へ流入開始してから）第一設定時間が経過したか否かが判断される。第一設定時間は、ＮＯ_X触媒装置２から再生開始時に保持されているＮＯ_X量をほぼ完全に離脱させるための再生処理時間であり、排気ガスの空燃比がよりリッチであるほど（空燃比が小さいほど）短くされるが、一般的には数秒とされる。この判断が否定される時には、前述のステップ１０２から１０５の処理が継続される。

一方、第一設定時間が経過してステップ１０６の判断が肯定されると、ステップ１０７においてリッチ化制御は終了される。次いで、ステップ１０８において、リッチ化制御を終了してから（厳密にはリーン空燃比の排気ガスがＮＯ_X触媒装置２へ流入開始してから）第二設定時間が経過したか否かが判断される。この第二設定時間も数秒とされ、この間においては、再生処理時にリッチ空燃比の排気ガスによりＮＯ_X触媒装置２内において生成されたアンモニアＮＨ₃がリーン空燃比の排気ガス中の酸素により酸化されてＮ₂Ｏが生成される（２ＮＨ₃＋２Ｏ₂→Ｎ₂Ｏ＋３Ｈ₂Ｏ）。

それにより、ステップ１０８の判断が否定される時には、ステップ１０３から１０５の処理は継続されて、生成されるＮ₂ＯはオゾンによりＮＯ_Xに酸化され、このＮＯ_Xを含む排気ガスは戻し通路３を介してＮＯ_X触媒装置２の上流側へ戻される。リッチ化制御を終了してから第二設定時間が経過した時には、ステップ１０９においてオゾン供給装置７の作動を停止し、それとほぼ同時に、ステップ１１０において吸引ポンプ６の作動も停止し、それとほぼ同時に、ステップ１１１において閉鎖弁４により排気通路１を開放する。

こうして、本排気浄化装置によれば、ＮＯ_X触媒装置２において生成されたＮ₂ＯはオゾンＯ₃によりＮＯ_Xに酸化されてＮＯ_X触媒装置２へ保持されるようにしており、Ｎ₂Ｏの大気放出量を殆ど無くすことができる。

ところで、ＮＯ_X触媒装置２は、ＮＯ_Xと同様に排気ガス中のＳＯ_Xを硫酸塩の形で吸収してしまう。硫酸塩は硝酸塩より安定な物質であり、再生処理時においても放出されずに徐々に吸収量が増大して、ＮＯ_X保持可能量を減少させる。それにより、ＳＯ_X吸収量を推定して設定量に達した時には、ＳＯ_Xを放出させる回復処理が必要となる。

この回復処理は、ＮＯ_X触媒装置２を約６００°Ｃに昇温してからリッチ空燃比の排気ガスを流入させるものである。この回復処理においてもＮＯ_X触媒装置２においても同様にＮ₂Ｏが生成されるために、回復処理においてリッチ空燃比の排気ガスを流入させている間及びその後のリーン空燃比の排気ガスを流入させてから設定時間の間は、前述同様に、ＮＯ_X触媒装置２において生成されたＮ₂ＯをオゾンＯ₃によりＮＯ_Xに酸化してＮＯ_X触媒装置２へ保持させるようにすることが好ましい。もちろん、再生処理及び回復処置に限定されることなく、ＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とされている間及びその後のリーン空燃比の排気ガスを流入させてから設定時間の間は、ＮＯ_X触媒装置２において生成されたＮ₂ＯをオゾンＯ₃によりＮＯ_Xに酸化してＮＯ_X触媒装置２へ保持させるようにすることが好ましい。

本実施形態において、ＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とされている間及びその後の設定時間の間は、閉鎖弁４により排気通路１を閉鎖するために排気抵抗が増加するが、短時間であるために特に問題はない。また、意図的にＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とする再生処理（又は回復処理）を排気ガス量の少ない低負荷時に実施すれば、このような排気抵抗の増加の影響を少なくすることができる。また、ＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とされている間及びその後の設定時間の間は、閉鎖弁４により排気通路１を完全に閉鎖するのではなく、僅かに排気通路１を開放するようにしても良い。また、ＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とされている間だけ排気通路１を閉鎖して、ＮＯ_X触媒装置２において生成されたＮ₂ＯをオゾンＯ₃によりＮＯ_Xに酸化してＮＯ_X触媒装置２へ保持させるようにしても良い。

Ｎ₂Ｏ吸着装置５は必ずしも必要ではなく、排気ガス中においてＮ₂ＯをオゾンＯ₃によりＮＯ_Xに酸化させるようにしても良い。この場合において、オゾン供給装置７のオゾン供給位置は、戻し通路３ではなく、排気通路１のＮＯ_X触媒装置２の下流側としてもよく、また、排気通路１のＮＯ_X触媒装置２の上流側として、戻し通路３により戻されてＮＯ_X触媒装置２へ流入する直前でＮ₂ＯをＮＯ_Xへ酸化させるようにしても良い。

１ 排気通路
２ ＮＯ_X触媒装置
３ 戻し通路
４ 閉鎖弁
５ Ｎ₂Ｏ吸着装置
７ オゾン供給装置

Claims (2)

1. 機関排気系に配置されたＮＯ_X触媒装置と、前記ＮＯ_X触媒装置から排出される排気ガスを前記ＮＯ_X触媒装置の上流側へ戻すための戻し通路と、オゾン供給装置とを具備し、前記ＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とされている間は、前記ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガス中にＮ₂Ｏが含まれるために、Ｎ₂Ｏを前記オゾン供給装置から供給されるオゾンにより酸化させると共に、前記ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガスを前記戻し通路を介して前記ＮＯ_X触媒装置の上流側へ戻すことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＮＯ_X触媒装置へ流入する排気ガスの空燃比がリッチ空燃比とされた後に前記ＮＯ_X触媒装置へリーン空燃比の排気ガスを流入させてから設定時間の間は、前記ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガス中にＮ₂Ｏが含まれるために、Ｎ₂Ｏを前記オゾン供給装置から供給されるオゾンにより酸化させると共に、前記ＮＯ_X触媒装置から流出する排気ガスを前記戻し通路を介して前記ＮＯ_X触媒装置の上流側へ戻すことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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