JP2012163059A - Exhaust emission control device for internal combustion engine - Google Patents

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Mayuko Osaki
真由子 大崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust emission control device for an internal combustion engine that can prevent the NOx purification performance of a NOx purification catalyst containing Fe as a catalyst metal from being deteriorated due to oxygen poisoning.SOLUTION: The NOx purification catalyst disposed in an exhaust passage of the internal combustion engine and carrying Au and Fe in a catalyst carrier, includes: a NOx purification catalyst in which at least a part of Au and Fe exist adjacent to each other; a catalyst temperature detector for detecting the temperature of the NOx purification catalyst; a catalyst heating device for heating the NOx purification catalyst; and an oxygen poisoning detector for detecting whether the NOx purification catalyst has suffered a predetermined oxygen poisoning. When the oxygen poisoning detector detects that the NOx purification catalyst has suffered the predetermined oxygen poisoning, the catalyst heating device heats the NOx purification catalyst up to equal to or more than 600°C.

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。   The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.

一酸化炭素(CO)及び炭化水素(HC)の酸化と窒素酸化物(NOx)の還元を同時に行う三元触媒や、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を還元浄化するNOx吸蔵還元型触媒を機関排気通路内に配置した内燃機関が知られている。   A three-way catalyst that simultaneously oxidizes carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) and reduces nitrogen oxides (NOx), and NOx contained in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is lean There is known an internal combustion engine in which an NOx occlusion reduction type catalyst for reducing and purifying occluded NOx is disposed in an engine exhaust passage when the air-fuel ratio of the exhaust gas that is occluded and flows into becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich.

このような三元触媒やNOx吸蔵還元型触媒では、触媒成分として含まれる貴金属等の触媒金属が特に酸素濃度の高い雰囲気にさらされると、当該触媒金属の表面が酸素によって覆われ、すなわち、当該触媒金属の表面がいわゆる酸素被毒を受け、結果としてこれらの触媒のNOx浄化性能が低下してしまうという問題がある。   In such a three-way catalyst or NOx occlusion reduction type catalyst, when a catalytic metal such as a noble metal contained as a catalyst component is exposed to an atmosphere having a particularly high oxygen concentration, the surface of the catalytic metal is covered with oxygen, that is, There is a problem that the surface of the catalytic metal is subjected to so-called oxygen poisoning, and as a result, the NOx purification performance of these catalysts is lowered.

特許文献1では、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、排気通路に設けられ、リーン空燃比運転時に排気中のNOxを吸蔵するとともに理論空燃比運転時又はリッチ空燃比運転時に前記吸蔵したNOxを放出還元するNOx触媒(すなわちNOx吸蔵還元型触媒)と、前記NOx触媒に含まれる貴金属が所定の酸素被毒状態となったことを検出する酸素被毒状態検出手段と、前記NOx触媒が吸蔵したNOxを放出還元するNOxパージとは別に、リーン空燃比運転中に前記酸素被毒状態検出手段により前記NOx触媒に含まれる貴金属が所定の酸素被毒状態となったことが検出されると、前記燃料噴射手段により、吸気行程若しくは圧縮行程に実施する主噴射、及び膨張行程若しくは排気行程に実施する副噴射による燃料噴射を行うよう制御する酸素被毒パージ制御手段とを備えた内燃機関の排気浄化装置が記載されている。また、特許文献1では、当該排気浄化装置によれば、上記のNOxパージとは別に、NOx触媒に吸着した酸素を脱離させる酸素被毒パージを行うことで、NOxパージをする際に酸素被毒パージをほとんど行わずにすむことからNOxパージを短期間で終了することができ、全体としてリーン運転を行う時間が長くなり、リーン運転による燃費低減を増加させることができると記載されている。   In Patent Document 1, fuel injection means for directly injecting fuel into a combustion chamber and an exhaust passage are provided to store NOx in exhaust during lean air-fuel ratio operation and store during stoichiometric air-fuel ratio operation or rich air-fuel ratio operation. A NOx catalyst for releasing and reducing the NOx (ie, NOx occlusion reduction type catalyst), an oxygen poisoning state detecting means for detecting that the noble metal contained in the NOx catalyst is in a predetermined oxygen poisoning state, and the NOx catalyst In addition to the NOx purge for releasing and reducing the NOx occluded by the catalyst, the oxygen poisoning state detecting means detects that the noble metal contained in the NOx catalyst has become a predetermined oxygen poisoning state during the lean air-fuel ratio operation. And by the fuel injection means, fuel injection by main injection performed in the intake stroke or compression stroke, and sub-injection performed in the expansion stroke or exhaust stroke. Exhaust purification apparatus for an internal combustion engine having an oxygen poisoning purge control means for Migihitsuji control are described. Further, in Patent Document 1, according to the exhaust purification apparatus, in addition to the NOx purge described above, an oxygen poisoning purge that desorbs oxygen adsorbed on the NOx catalyst is performed, so that when the NOx purge is performed, the oxygen content is reduced. It is described that the NOx purge can be completed in a short period since the poison purge is hardly performed, and the lean operation time becomes longer as a whole, and the fuel consumption reduction by the lean operation can be increased.

特開2006−336614号公報JP 2006-336614 A

特許文献1では、酸素過剰のリーン混合気を燃焼させる内燃機関の排気浄化装置において使用されるNOx浄化触媒、すなわちNOx吸蔵還元型触媒について、当該NOx吸蔵還元型触媒に含まれる貴金属の酸素被毒に関連する課題について検討されている。しかしながら、主として理論空燃比(ストイキ)近傍で制御されるガソリンエンジン等の内燃機関においても、当然ながらその排気ガス中には酸素が含まれている。したがって、このような内燃機関の排気通路内に一般に配置されるNOx浄化触媒、例えば三元触媒についても、その中に含まれる貴金属は排気ガス中の酸素によって酸素被毒を受け、結果としてそのNOx浄化性能が低下してしまう場合がある。   In Patent Document 1, for a NOx purification catalyst used in an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that burns an oxygen-rich lean air-fuel mixture, that is, a NOx occlusion reduction type catalyst, oxygen poisoning of a noble metal contained in the NOx occlusion reduction type catalyst Issues related to are being considered. However, even in an internal combustion engine such as a gasoline engine controlled mainly near the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric), naturally, the exhaust gas contains oxygen. Therefore, also in the NOx purification catalyst generally disposed in the exhaust passage of such an internal combustion engine, for example, a three-way catalyst, the precious metal contained therein is oxygen-poisoned by oxygen in the exhaust gas, and as a result, the NOx The purification performance may be reduced.

一方で、NOx吸蔵還元型触媒や三元触媒において触媒成分として用いられる貴金属、特に白金(Pt)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)等の白金族元素は、自動車の排ガス規制の強化とともに使用量が増加しており、それゆえ資源の枯渇が懸念されている。このため、白金族元素の使用量を減らすとともに、将来的には、白金族元素の役割を他の金属で代替することが必要とされている。そこで、白金族元素の使用量を減らすための又はそれに代わる触媒金属について多くの研究が行われている。幾つかの可能性のある代替金属として、例えばFe等の卑金属が挙げられる。しかしながら、Fe等の卑金属は、白金族元素等に比べて酸化されやすく、それゆえ白金族元素等に比べてより酸素被毒を受けやすいという問題がある。したがって、このようなFe等の卑金属を触媒金属として含むNOx浄化触媒を内燃機関の排気浄化装置において使用する場合には、当該触媒金属の酸素被毒に起因するNOx浄化性能の低下について十分な対処を施す必要がある。   On the other hand, noble metals used as catalyst components in NOx storage reduction catalysts and three-way catalysts, especially platinum group elements such as platinum (Pt), rhodium (Rh), and palladium (Pd), are used together with stricter exhaust gas regulations for automobiles. The amount is increasing, so there is concern about the depletion of resources. For this reason, while reducing the usage-amount of a platinum group element, it is required in the future to substitute the role of a platinum group element with another metal. Thus, much research has been conducted on catalytic metals for reducing the amount of platinum group elements used or in place of them. Some possible alternative metals include base metals such as Fe. However, base metals such as Fe are more likely to be oxidized than platinum group elements and the like, and therefore are more susceptible to oxygen poisoning than platinum group elements and the like. Therefore, when such a NOx purification catalyst containing a base metal such as Fe as a catalyst metal is used in an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, a sufficient countermeasure against a decrease in NOx purification performance due to oxygen poisoning of the catalyst metal. It is necessary to apply.

そこで、本発明は、新規な構成により、触媒金属としてFeを含むNOx浄化触媒の酸素被毒に起因するNOx浄化性能の低下を抑制す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を目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine that can suppress a decrease in NOx purification performance due to oxygen poisoning of a NOx purification catalyst containing Fe as a catalyst metal with a novel configuration. And

上記課題を解決する本発明は下記にある。
(1)内燃機関の排気通路内に配置され、AuとFeを触媒担体に担持してなるNOx浄化触媒であって、AuとFeの少なくとも一部が互いに近接した状態で存在しているNOx浄化触媒と、
前記NOx浄化触媒の温度を検出するための触媒温度検出手段と、
前記NOx浄化触媒を加熱するための触媒加熱手段と、
前記NOx浄化触媒が所定の酸素被毒を受けたことを検出するための酸素被毒検出手段とを備え、
前記酸素被毒検出手段により前記NOx浄化触媒が所定の酸素被毒を受けたことを検出した場合に、前記触媒加熱手段により前記NOx浄化触媒を600℃以上に加熱するようにした、内燃機関の排気浄化装置。
(2)前記NOx浄化触媒の上流側排気通路内に配置された還元剤導入手段をさらに備え、前記触媒加熱手段によって前記NOx浄化触媒の加熱を開始するとともに、前記還元剤導入手段から前記NOx浄化触媒に流入する排気ガス中に還元剤が導入されるようにした、上記(1)に記載の内燃機関の排気浄化装置。
The present invention for solving the above problems is as follows.
(1) A NOx purification catalyst which is disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine and has Au and Fe supported on a catalyst carrier, and at least a part of Au and Fe is present in a state of being close to each other. A catalyst,
Catalyst temperature detecting means for detecting the temperature of the NOx purification catalyst;
Catalyst heating means for heating the NOx purification catalyst;
Oxygen poisoning detection means for detecting that the NOx purification catalyst has received a predetermined oxygen poisoning,
An internal combustion engine in which the NOx purification catalyst is heated to 600 ° C. or more by the catalyst heating means when the oxygen poisoning detection means detects that the NOx purification catalyst has received a predetermined oxygen poisoning. Exhaust purification device.
(2) Reducing agent introduction means disposed in the upstream exhaust passage of the NOx purification catalyst is further provided, and heating of the NOx purification catalyst is started by the catalyst heating means, and the NOx purification catalyst is started from the reducing agent introduction means. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to (1), wherein the reducing agent is introduced into the exhaust gas flowing into the catalyst.

本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、NOx浄化触媒が所定の酸素被毒を受けたと判断した場合には、当該NOx浄化触媒を600℃以上、好ましくは700℃以上に加熱することで、NOx浄化触媒の表面、特にはNOx浄化触媒に含まれる触媒金属の表面を、酸素被毒を受けた状態から活性のある状態へ回復させることができる。したがって、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、NOx浄化触媒の酸素被毒に起因するNOx浄化性能の低下を顕著に抑制することが可能である。   According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention, when it is determined that the NOx purification catalyst has received predetermined oxygen poisoning, the NOx purification catalyst is heated to 600 ° C. or higher, preferably 700 ° C. or higher. The surface of the NOx purification catalyst, particularly the surface of the catalytic metal contained in the NOx purification catalyst, can be recovered from the state that has been subjected to oxygen poisoning to the active state. Therefore, according to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of the present invention, it is possible to remarkably suppress a decrease in NOx purification performance due to oxygen poisoning of the NOx purification catalyst.

本発明の排気浄化装置の実施態様を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the embodiment of the exhaust gas purification apparatus of this invention. 図1に示す実施態様における触媒再生操作のフローチャートである。It is a flowchart of the catalyst regeneration operation in the embodiment shown in FIG. 空燃比の変動に対するNOx浄化触媒の表面Fe濃度及びNO浄化率を示すグラフである。It is a graph which shows the surface Fe density | concentration and NO purification rate of a NOx purification catalyst with respect to the fluctuation | variation of an air fuel ratio. パルスレーザー堆積(PLD)装置の模式図である。It is a schematic diagram of a pulse laser deposition (PLD) apparatus. Au−Fe薄膜A及びBにNOガスを導入したときのN1sのXPSスペクトルである。It is an XPS spectrum of N1s when NO gas is introduced into Au—Fe thin films A and B. 加熱処理温度に対するAu−Fe薄膜CのXPSによる表面元素濃度を示すグラフである。It is a graph which shows the surface element density | concentration by XPS of the Au-Fe thin film C with respect to heat processing temperature.

本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路内に配置され、AuとFeを触媒担体に担持してなるNOx浄化触媒であって、AuとFeの少なくとも一部が互いに近接した状態で存在しているNOx浄化触媒と、前記NOx浄化触媒の温度を検出するための触媒温度検出手段と、前記NOx浄化触媒を加熱するための触媒加熱手段と、前記NOx浄化触媒が所定の酸素被毒を受けたことを検出するための酸素被毒検出手段とを備え、前記酸素被毒検出手段により前記NOx浄化触媒が所定の酸素被毒を受けたことを検出した場合に、前記触媒加熱手段により前記NOx浄化触媒を600℃以上に加熱するようにしたことを特徴としている。   An exhaust purification device for an internal combustion engine according to the present invention is a NOx purification catalyst that is disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine and carries Au and Fe on a catalyst carrier, and at least a part of Au and Fe are close to each other. NOx purification catalyst present in a state, catalyst temperature detection means for detecting the temperature of the NOx purification catalyst, catalyst heating means for heating the NOx purification catalyst, and the NOx purification catalyst is a predetermined oxygen Oxygen poisoning detection means for detecting that the poisoning has been received, and when the oxygen poisoning detection means detects that the NOx purification catalyst has received a predetermined oxygen poisoning, the catalyst heating The NOx purification catalyst is heated to 600 ° C. or higher by means.

一般的に、排気浄化触媒を用いたNOxの浄化では、排気浄化触媒に含まれる触媒金属の表面上に吸着したNOが排気ガス中のHC又は触媒担体上に吸着しているHC等によって選択的に還元される作用、すなわちNOxの選択還元作用によって一部のNOxが浄化され、一方で、排気ガス中のNOxが排気浄化触媒に含まれる触媒金属の表面においてNとOに解離吸着され、当該解離吸着されたNがN2となって触媒金属の表面から脱離する作用、すなわちNOxの直接分解作用によって一部のNOxが浄化されると考えられる。 In general, in NOx purification using an exhaust purification catalyst, NO adsorbed on the surface of the catalyst metal contained in the exhaust purification catalyst is selectively selected depending on HC in the exhaust gas or HC adsorbed on the catalyst carrier. The NOx in the exhaust gas is dissociated and adsorbed by N and O on the surface of the catalyst metal contained in the exhaust purification catalyst, and the NOx in the exhaust gas is purified by the action of being reduced to NO, that is, the selective reduction action of NOx. It is considered that a part of the NOx is purified by the action of dissociated and adsorbed N becoming N 2 and desorbing from the surface of the catalytic metal, that is, the direct decomposition action of NOx.

本願の出願人は、特願2009−244704号の明細書において、AuとFeの少なくとも一部が互いに近接した状態で存在している触媒について検討し、当該触媒が、酸化雰囲気下においても、触媒金属としてRhを含む従来公知の触媒に比べて極めて低い温度でNOを解離吸着し、さらにはこの解離吸着されたN原子及びO原子を約450℃の低温でそれぞれN2及びO2として脱離することができることを示した。とりわけ、触媒金属としてRhを含む従来公知の触媒では、同条件下において約100℃の温度でNOの解離吸着が生じ、約800℃の温度でO2の脱離が生じていることからも、このような事実は極めて驚くべきことである。また、AuとFeの少なくとも一部が互いに近接した状態で存在している触媒が低温下においてもNOxを解離吸着できることから、このような触媒を内燃機関の排気浄化装置において使用することで、NOxの直接分解作用によって高いNOx浄化性能が得られると考えられる。もう一方で、当該触媒が触媒金属としてRhを含む従来公知の触媒に比べて極めて低い温度で酸素を脱離できることから、このような触媒を内燃機関の排気浄化装置において使用することで、触媒金属の酸素被毒によるNOx浄化性能の低下を顕著に抑制しうると考えられる。 In the specification of Japanese Patent Application No. 2009-244704, the applicant of the present application examined a catalyst in which at least a part of Au and Fe existed in close proximity to each other. NO is dissociated and adsorbed at a temperature much lower than that of conventionally known catalysts containing Rh as a metal, and the dissociated and adsorbed N and O atoms are desorbed as N 2 and O 2 , respectively, at a low temperature of about 450 ° C. Showed that you can. In particular, in a conventionally known catalyst containing Rh as a catalyst metal, NO dissociative adsorption occurs at a temperature of about 100 ° C. under the same conditions, and O 2 desorption occurs at a temperature of about 800 ° C. This fact is extremely surprising. In addition, since a catalyst in which at least a part of Au and Fe are close to each other can dissociate and adsorb NOx even at a low temperature, such a catalyst can be used in an exhaust purification device of an internal combustion engine. It is considered that high NOx purification performance can be obtained by the direct decomposition action. On the other hand, since the catalyst can desorb oxygen at an extremely low temperature as compared with a conventionally known catalyst containing Rh as a catalyst metal, the catalyst metal can be obtained by using such a catalyst in an exhaust purification device of an internal combustion engine. It is considered that the reduction in NOx purification performance due to oxygen poisoning can be remarkably suppressed.

本発明では、特願2009−244704号において示された上記の知見に基づいて、触媒成分としてAuとFeを含むNOx浄化触媒を備えた内燃機関の排気浄化装置が提供される。   The present invention provides an exhaust emission control device for an internal combustion engine provided with a NOx purification catalyst containing Au and Fe as catalyst components based on the above-mentioned knowledge shown in Japanese Patent Application No. 2009-244704.

本発明によれば、NOx浄化触媒としては、AuとFeを触媒担体に担持してなり、当該AuとFeの少なくとも一部が互いに近接した状態で存在している材料が使用される。   According to the present invention, as the NOx purification catalyst, a material is used in which Au and Fe are supported on a catalyst carrier and at least a part of the Au and Fe are present in close proximity to each other.

ここで、本発明において「AuとFeの少なくとも一部が互いに近接した状態」とは、例えば、Au粒子とFe粒子が一部の領域において接触している状態や、AuとFeの各元素のうち一方の元素を主成分とするコア部と、もう一方の元素を主成分とするシェル部とからなり、当該コア部と当該シェル部が互いに接触してコアシェル構造体を形成している状態、あるいはAuとFeの各元素が互いに溶け合い、全体として均一な固溶体を形成している状態、又はAuとFeの各元素が完全には固溶していないが、少なくとも部分的に固溶している状態(不完全固溶状態)を包含するものである。   Here, in the present invention, “the state in which at least part of Au and Fe are close to each other” means, for example, a state in which Au particles and Fe particles are in contact with each other in a region, A state in which a core part mainly composed of one element and a shell part mainly composed of the other element are formed, and the core part and the shell part are in contact with each other to form a core-shell structure; Alternatively, each element of Au and Fe is mutually melted to form a uniform solid solution as a whole, or each element of Au and Fe is not completely solid solution, but is at least partially solid solution The state (incomplete solid solution state) is included.

本発明の排気浄化装置において用いられるNOx浄化触媒は、例えば、以下のようにして調製することができる。まず、所定量の適切なAu塩とFe塩を含む溶液に1つ又は複数の還元剤を添加し、溶液中に含まれるAuイオンとFeイオンを当該1つ又は複数の還元剤によって還元することでAuとFeからなる金属粒子を含むコロイド溶液を形成する。なお、このような還元操作は、必要に応じて加熱及び冷却等を実施しながら行うことが好ましい。また、上記の還元剤としては、溶液中のAuイオンとFeイオンを還元できるものであればよく特に限定されないが、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール等のアルコール類や、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウム、クエン酸、アスコルビン酸、ホルムアルデヒド等を使用することができる。なお、Au塩、Fe塩及び1つ又は複数の還元剤の混合順序は、特には限定されず、これらは任意の順序で混合することができる。例えば、Au塩を含む溶液にFe塩を含む溶液を加えた後、1つ又は複数の還元剤を加えてもよいし、あるいはまた、Fe塩を含む溶液に第1の還元剤を加えた後、これにAu塩を含む溶液を加え、さらにこの混合溶液に第1の還元剤とは異なる第2の還元剤を加えてもよい。   The NOx purification catalyst used in the exhaust purification apparatus of the present invention can be prepared, for example, as follows. First, one or more reducing agents are added to a solution containing a predetermined amount of appropriate Au salt and Fe salt, and Au ions and Fe ions contained in the solution are reduced by the one or more reducing agents. A colloidal solution containing metal particles composed of Au and Fe is formed. In addition, it is preferable to perform such reduction | restoration operation, implementing heating, cooling, etc. as needed. The reducing agent is not particularly limited as long as it can reduce Au ions and Fe ions in the solution. For example, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, and ethylene glycol, hydrazine, hydrogenation, etc. Sodium boron, citric acid, ascorbic acid, formaldehyde and the like can be used. In addition, the mixing order of Au salt, Fe salt, and one or several reducing agent is not specifically limited, These can be mixed in arbitrary orders. For example, after adding a solution containing Fe salt to a solution containing Au salt, one or more reducing agents may be added, or alternatively, after adding a first reducing agent to a solution containing Fe salt A solution containing an Au salt may be added thereto, and a second reducing agent different from the first reducing agent may be added to the mixed solution.

また、上記のAuとFeからなる金属粒子を含むコロイド溶液を調製する際、例えば、生成する金属粒子の表面に配位又は吸着して金属粒子同士の凝集や粒成長を抑制しかつ安定化させる目的で、Au塩、Fe塩及び/又は還元剤を含む溶液に保護剤を任意選択で添加してもよい。このような保護剤としては、金属コロイドの保護剤として公知の任意のものを使用することができる。例えば、有機高分子や、低分子でも窒素、リン、酸素、硫黄等のヘテロ原子を含み配位力の強い有機化合物を保護剤として使用することができる。有機高分子の保護剤としては、ポリアミド、ポリペプチド、ポリイミド、ポリエーテル、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリレート、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、ヘテロ環ポリマー、及びポリエステル等の高分子化合物を使用することができる。特に好ましくは、ポリビニルピロリドン、ポリビニルピリジン、ポリアクリルアミド等を使用することができる。このような保護剤を添加することで、得られる金属粒子の大きさをナノメートルサイズに制御することが可能であり、それゆえ最終的に得られるNOx浄化触媒の活性を顕著に改善することができる。   When preparing a colloidal solution containing metal particles composed of Au and Fe as described above, for example, it is coordinated or adsorbed on the surface of the generated metal particles to suppress and stabilize the aggregation and particle growth of the metal particles. For the purpose, a protective agent may optionally be added to the solution containing Au salt, Fe salt and / or reducing agent. As such a protective agent, any known metal colloid protective agent can be used. For example, an organic polymer or a low molecular weight organic compound containing a heteroatom such as nitrogen, phosphorus, oxygen, sulfur or the like and having a high coordination power can be used as the protective agent. High molecular compounds such as polyamide, polypeptide, polyimide, polyether, polycarbonate, polyacrylonitrile, polyacrylic acid, polyacrylate, polyacrylamide, polyvinyl alcohol, heterocyclic polymer, and polyester are used as organic polymer protective agents. can do. Particularly preferably, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyridine, polyacrylamide and the like can be used. By adding such a protective agent, it is possible to control the size of the obtained metal particles to a nanometer size, and therefore, the activity of the NOx purification catalyst finally obtained can be significantly improved. it can.

次に、AuとFeからなる金属粒子を含む上記のコロイド溶液を、必要に応じて遠心分離等の操作により精製した後、それをさらにエタノール等の適切な溶媒中に分散させる。次いで、この分散液を、NOx浄化触媒の触媒担体として一般に用いられる任意の金属酸化物の粉末に、AuとFeの合計量が当該粉末に対して一般に0.01〜10wt%の範囲になるような量において添加する。次いで、これを所定の温度及び時間、特には金属塩の塩部分や、任意選択の保護剤等を分解除去しかつ金属粒子を触媒担体上に担持するのに十分な温度及び時間において乾燥及び焼成することにより、AuとFeを触媒担体に担持してなり、当該AuとFeの少なくとも一部が互いに近接した状態で存在しているNOx浄化触媒を得ることができる。   Next, after the above colloidal solution containing metal particles made of Au and Fe is purified by an operation such as centrifugation as necessary, it is further dispersed in an appropriate solvent such as ethanol. Next, the dispersion is used as an arbitrary metal oxide powder generally used as a catalyst carrier for a NOx purification catalyst so that the total amount of Au and Fe is generally in the range of 0.01 to 10 wt% with respect to the powder. In small amounts. This is then dried and calcined at a predetermined temperature and time, in particular at a temperature and time sufficient to decompose and remove the salt portion of the metal salt, an optional protective agent, etc., and support the metal particles on the catalyst support. By doing so, it is possible to obtain a NOx purification catalyst in which Au and Fe are supported on a catalyst carrier, and at least a part of the Au and Fe are present in proximity to each other.

以下、図面を参照して、本発明の内燃機関の排気浄化装置の好ましい実施態様についてより詳しく説明するが、以下の説明は、本発明の好ましい実施態様の単なる例示を意図するものであって、本発明をこのような特定の実施態様に限定することを意図するものではない。   Hereinafter, a preferred embodiment of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. However, the following description is intended only to illustrate a preferred embodiment of the present invention. It is not intended that the invention be limited to such specific embodiments.

図1は、本発明の排気浄化装置の実施態様を模式的に示した図である。   FIG. 1 is a diagram schematically showing an embodiment of the exhaust emission control device of the present invention.

図1を参照すると、内燃機関10の排気側は、排気管11を介してNOx浄化触媒12を内蔵したケーシング13に連結され、さらに当該ケーシング13の出口部が排気管14に連結されている。また、ケーシング13にはNOx浄化触媒12の温度を検出するための温度センサ15(触媒温度検出手段)が取り付けられている。なお、この温度センサ15は、NOx浄化触媒12の温度を検出することができればよく、例えば、ケーシング13の出口部に連結された排気管14内に取り付けてもよい。さらに、本発明の実施態様では、排気管14にケーシング13から流出する排気ガス中のNOxを検出するためのNOxセンサ17(酸素被毒検出手段)が取り付けられている。そして、ケーシング13内のNOx浄化触媒12の上流側には当該NOx浄化触媒12を加熱するための触媒加熱手段として電気ヒータ16が配置され、この電気ヒータ16は、例えば、上記のNOxセンサ17等によって検出される排気ガス中のNOx量に基づいて電子制御ユニット(ECU)20により制御することができる。また、NOx浄化触媒12上流側の排気管11内には、任意選択で、排気ガス中に例えば炭化水素からなる還元剤を供給するための還元剤供給弁18(還元剤導入手段)が取り付けられている。なお、図1には図示していないが、排気ガス中のNOx以外の他の成分、すなわち未燃HC(炭化水素)やCOについても確実に浄化するため、NOx浄化触媒12は、例えば、当該NOx浄化触媒12の上流側又は下流側の排気管内に配置された三元触媒と併用して使用してもよい。   Referring to FIG. 1, the exhaust side of the internal combustion engine 10 is connected to a casing 13 containing a NOx purification catalyst 12 via an exhaust pipe 11, and the outlet portion of the casing 13 is connected to an exhaust pipe 14. The casing 13 is provided with a temperature sensor 15 (catalyst temperature detection means) for detecting the temperature of the NOx purification catalyst 12. The temperature sensor 15 only needs to be able to detect the temperature of the NOx purification catalyst 12, and may be attached to the exhaust pipe 14 connected to the outlet of the casing 13, for example. Furthermore, in the embodiment of the present invention, the NOx sensor 17 (oxygen poisoning detection means) for detecting NOx in the exhaust gas flowing out from the casing 13 is attached to the exhaust pipe 14. An electric heater 16 is arranged on the upstream side of the NOx purification catalyst 12 in the casing 13 as catalyst heating means for heating the NOx purification catalyst 12. The electric heater 16 is, for example, the NOx sensor 17 described above. Can be controlled by an electronic control unit (ECU) 20 based on the amount of NOx in the exhaust gas detected by. Further, in the exhaust pipe 11 upstream of the NOx purification catalyst 12, a reducing agent supply valve 18 (reducing agent introduction means) for supplying a reducing agent made of, for example, hydrocarbons into the exhaust gas is optionally attached. ing. Although not shown in FIG. 1, in order to reliably purify other components other than NOx in the exhaust gas, that is, unburned HC (hydrocarbon) and CO, the NOx purification catalyst 12 is, for example, You may use together with the three way catalyst arrange | positioned in the exhaust pipe of the upstream of the NOx purification catalyst 12, or the downstream.

NOx浄化触媒12を加熱するための触媒加熱手段としては、上記の電気ヒータ16以外にも種々の手段又は方法を使用することができる。例えば、本発明における触媒加熱手段としては、NOx浄化触媒12を内蔵したケーシング13にリボンヒータ等を巻き付け、それによってNOx浄化触媒12を加熱する方法や、あるいは内燃機関10の燃焼室内に噴射する燃料の量を増加して燃焼を促進し、それによってNOx浄化触媒12に流入する排気ガスを昇温して当該NOx浄化触媒12を加熱する方法を使用してもよい。あるいはまた、本発明における触媒加熱手段として、例えば、NOx浄化触媒12がコートされているハニカム基材等自体に電気を流すことで、直接的にNOx浄化触媒12を加熱する方法を採用してもよい。   As the catalyst heating means for heating the NOx purification catalyst 12, various means or methods other than the electric heater 16 can be used. For example, as the catalyst heating means in the present invention, a ribbon heater or the like is wound around the casing 13 containing the NOx purification catalyst 12, and the NOx purification catalyst 12 is heated by this, or the fuel injected into the combustion chamber of the internal combustion engine 10 A method may be used in which combustion is promoted by increasing the amount of NOx, thereby raising the temperature of the exhaust gas flowing into the NOx purification catalyst 12 and heating the NOx purification catalyst 12. Alternatively, as the catalyst heating means in the present invention, for example, a method of directly heating the NOx purification catalyst 12 by applying electricity to the honeycomb substrate or the like coated with the NOx purification catalyst 12 itself may be employed. Good.

本実施態様によれば、NOx浄化触媒12の下流側に配置されたNOxセンサ17によりNOx浄化触媒12が所定の酸素被毒を受けたことを検出した場合には、電気ヒータ16によりNOx浄化触媒12を600℃以上に加熱することで、確実にNOx浄化触媒12の酸素被毒を解消することができる。   According to this embodiment, when it is detected by the NOx sensor 17 disposed downstream of the NOx purification catalyst 12 that the NOx purification catalyst 12 has been subjected to predetermined oxygen poisoning, the electric heater 16 causes the NOx purification catalyst to be used. By heating 12 to 600 ° C. or higher, it is possible to reliably eliminate oxygen poisoning of the NOx purification catalyst 12.

図2は、図1に示す実施態様における触媒再生操作のフローチャートである。なお、この触媒再生操作は、電子制御ユニット(ECU)20によって予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行されるルーチンとして行われる。   FIG. 2 is a flowchart of the catalyst regeneration operation in the embodiment shown in FIG. The catalyst regeneration operation is performed as a routine that is executed by interruption every set time predetermined by the electronic control unit (ECU) 20.

図2を参照すると、まず初めにステップ100では、温度センサ15によって検出されるNOx浄化触媒12の床温度Tがその活性化温度T0に達しているか否かが判定され、T≧T0の場合はステップ101に進む。一方、NOx浄化触媒12の床温度Tがその活性化温度T0に達していない場合、すなわちT<T0の場合には、加熱処理(すなわち触媒再生処理)は行わずにルーチンを終了する。なお、本発明において使用されるAuとFeを触媒担体に担持してなるNOx浄化触媒12は、比較的低温の条件下においてもその触媒活性を発現しうるが、確実にその触媒活性を発現させるためには約300℃以上の温度で使用することが好ましい。したがって、本実施態様では、上記の活性化温度T0としては300℃と設定することが好ましい。 Referring to FIG. 2, first, at step 100, it is determined whether or not the bed temperature T of the NOx purification catalyst 12 detected by the temperature sensor 15 has reached its activation temperature T 0 , and T ≧ T 0 . If so, go to Step 101. On the other hand, if the bed temperature T of the NOx purification catalyst 12 has not reached its activation temperature T 0 , that is, if T <T 0 , the routine ends without performing the heating process (that is, the catalyst regeneration process). The NOx purification catalyst 12 having Au and Fe supported on the catalyst carrier used in the present invention can exhibit its catalytic activity even under relatively low temperature conditions, but reliably exhibits its catalytic activity. Therefore, it is preferable to use at a temperature of about 300 ° C. or higher. Therefore, in this embodiment, the activation temperature T 0 is preferably set to 300 ° C.

ステップ101では、NOx浄化触媒12が所定の酸素被毒を受けているか否かが判定される。ここで、本実施態様では、NOx浄化触媒12のNOx浄化性能が低下した場合、すなわちNOx浄化触媒12を通過した排気ガス中のNOx量が増加した場合を当該NOx浄化触媒12が所定の酸素被毒を受けた状態と判断して触媒再生処理を実施する。具体的には、ステップ101では、NOxセンサ17によって検出される排気ガス中のNOx量が増加したか否かが判定され、排気ガス中のNOx量が増加した場合、すなわちΔNOx>0の場合にはステップ102に進む。そして、ステップ102において電気ヒータ16への給電を開始してNOx浄化触媒12の加熱処理を実施し、ステップ103に進む。一方、NOxセンサ17によって検出されるNOx量が増加しておらず、すなわちΔNOx≦0の場合には、NOx浄化触媒12が所定の酸素被毒を受けていないと判断し、加熱処理は行わずにルーチンを終了する。   In step 101, it is determined whether or not the NOx purification catalyst 12 is subjected to predetermined oxygen poisoning. Here, in this embodiment, when the NOx purification performance of the NOx purification catalyst 12 is reduced, that is, when the amount of NOx in the exhaust gas that has passed through the NOx purification catalyst 12 is increased, the NOx purification catalyst 12 has a predetermined oxygen content. The catalyst regeneration process is carried out based on the judgment that the poison has been received. Specifically, in step 101, it is determined whether or not the amount of NOx in the exhaust gas detected by the NOx sensor 17 has increased. When the amount of NOx in the exhaust gas has increased, that is, when ΔNOx> 0. Goes to step 102. Then, in step 102, power supply to the electric heater 16 is started, the NOx purification catalyst 12 is heated, and the process proceeds to step 103. On the other hand, if the amount of NOx detected by the NOx sensor 17 has not increased, that is, if ΔNOx ≦ 0, it is determined that the NOx purification catalyst 12 has not been subjected to predetermined oxygen poisoning, and no heat treatment is performed. The routine ends.

次に、ステップ103では、温度センサ15によって検出されるNOx浄化触媒12の床温度Tが600℃以上になったか否かが判定され、T≧600℃の場合はステップ104に進む。ステップ104では、電気ヒータ16への給電(すなわち加熱処理)を停止して触媒再生処理のルーチンを終了する。なお、触媒の再生処理をより確実に実施するために、例えば、ステップ103においてNOx浄化触媒12の床温度Tが700℃以上になったことを検出した後、ステップ104において加熱処理を停止するようにしてもよい。   Next, in step 103, it is determined whether or not the bed temperature T of the NOx purification catalyst 12 detected by the temperature sensor 15 has become 600 ° C. or higher. If T ≧ 600 ° C., the routine proceeds to step 104. In step 104, the power supply to the electric heater 16 (that is, the heating process) is stopped, and the catalyst regeneration process routine is ended. In order to perform the regeneration process of the catalyst more reliably, for example, after detecting that the bed temperature T of the NOx purification catalyst 12 is 700 ° C. or higher in Step 103, the heating process is stopped in Step 104. It may be.

上記のとおり、本実施態様によれば、NOx浄化触媒12が所定の酸素被毒を受けたと判断した場合には、当該NOx浄化触媒12を600℃以上、好ましくは700℃以上に加熱処理することで、NOx浄化触媒12の酸素被毒を解消してそれを活性な状態に再生することができる。このようにすることで、NOx浄化触媒12の表面全体が酸素被毒を受けてそのNOx浄化性能が大きく低下する前に当該酸素被毒を確実に解消することができるので、排気ガス中のNOxを安定的に還元浄化することが可能である。また、このような触媒再生処理は、理論空燃比(ストイキ)よりもリッチな雰囲気下で実施することによりその処理温度を低下させることができるので、例えば、電気ヒータ16によってNOx浄化触媒12の加熱を開始するとともに、図1に示す還元剤供給弁18からNOx浄化触媒12に流入する排気ガス中に炭化水素等からなる還元剤を導入するようにしてもよい。   As described above, according to this embodiment, when it is determined that the NOx purification catalyst 12 has received the predetermined oxygen poisoning, the NOx purification catalyst 12 is heat-treated at 600 ° C. or higher, preferably 700 ° C. or higher. Thus, it is possible to eliminate the oxygen poisoning of the NOx purification catalyst 12 and regenerate it into an active state. In this way, the entire surface of the NOx purification catalyst 12 is subjected to oxygen poisoning, and the oxygen poisoning can be surely eliminated before the NOx purification performance is greatly reduced. Therefore, NOx in the exhaust gas can be eliminated. Can be stably reduced and purified. In addition, since such a catalyst regeneration process can be performed under an atmosphere richer than the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric), the process temperature can be lowered. For example, the NOx purification catalyst 12 is heated by the electric heater 16. And a reducing agent made of hydrocarbon or the like may be introduced into the exhaust gas flowing into the NOx purification catalyst 12 from the reducing agent supply valve 18 shown in FIG.

なお、本実施態様では、NOx浄化触媒12が所定の酸素被毒を受けたことを検出するための酸素被毒検出手段としてNOxセンサを使用し、当該NOxセンサ17によって検出される排気ガス中のNOx量に基づいてNOx浄化触媒12の加熱処理が実施されている。しかしながら、NOx浄化触媒12の酸素被毒を検出する手段としては、上記のNOxセンサ17以外にも種々の手段を使用することができる。例えば、NOxセンサを使用する代わりに酸素センサ又は空燃比センサ等を使用してもよい。この場合には、これらのセンサによって排気ガス中に含まれる酸素量Wを検出し、その検出データに基づいてNOx浄化触媒12を通過する酸素量Wの積算値ΣWを算出する。そして、この積算値ΣWをNOx浄化触媒12に関して予め実験等により求められている許容値WXと比較することで、NOx浄化触媒12が所定の酸素被毒を受けたか否かが判断される。すなわち、図2のフローチャートに基づいて言えば、ステップ101において積算値ΣW>WXとなったときにNOx浄化触媒12が所定の酸素被毒を受けたと判断してステップ102に進む。一方、積算値ΣW≦WXの場合には、NOx浄化触媒12が所定の酸素被毒を受けていないと判断し、加熱処理は行わずにルーチンを終了する。なお、ステップ102以降の操作については図2の場合と同様に進行する。   In this embodiment, a NOx sensor is used as the oxygen poisoning detection means for detecting that the NOx purification catalyst 12 has received a predetermined oxygen poisoning, and the exhaust gas detected by the NOx sensor 17 contains the NOx sensor. The heat treatment of the NOx purification catalyst 12 is performed based on the NOx amount. However, various means other than the above-mentioned NOx sensor 17 can be used as means for detecting oxygen poisoning of the NOx purification catalyst 12. For example, an oxygen sensor or an air-fuel ratio sensor may be used instead of using the NOx sensor. In this case, the oxygen amount W contained in the exhaust gas is detected by these sensors, and the integrated value ΣW of the oxygen amount W passing through the NOx purification catalyst 12 is calculated based on the detected data. Then, by comparing this integrated value ΣW with an allowable value WX that has been obtained in advance by experiments or the like regarding the NOx purification catalyst 12, it is determined whether or not the NOx purification catalyst 12 has been subjected to predetermined oxygen poisoning. That is, based on the flowchart of FIG. 2, when the integrated value ΣW> WX is satisfied in step 101, it is determined that the NOx purification catalyst 12 has received a predetermined oxygen poisoning, and the process proceeds to step 102. On the other hand, when the integrated value ΣW ≦ WX, it is determined that the NOx purification catalyst 12 has not received the predetermined oxygen poisoning, and the routine is terminated without performing the heating process. The operations after step 102 proceed in the same manner as in FIG.

あるいはまた、NOx浄化触媒12の酸素被毒を検出する手段として、予め電子制御ユニット(ECU)20に内燃機関10の運転状態に応じて当該内燃機関10から単位時間当たり排出される排気ガス中の酸素濃度をマップの形で記憶し、このマップを利用して酸素量Wの算出を行う手法を採用してもよい。この場合には、当該マップを利用して得られる酸素量Wに基づいてNOx浄化触媒12を通過する酸素量Wの積算値ΣWが算出される。そして、酸素センサや空燃比センサを用いた場合と同様にして、この積算値ΣWをNOx浄化触媒12に関して予め実験等により求められている許容値WXと比較することで、NOx浄化触媒12が所定の酸素被毒を受けたか否かを判断することができる。   Alternatively, as means for detecting oxygen poisoning of the NOx purification catalyst 12, the electronic control unit (ECU) 20 in advance in the exhaust gas discharged per unit time from the internal combustion engine 10 according to the operating state of the internal combustion engine 10. A method of storing the oxygen concentration in the form of a map and calculating the oxygen amount W using this map may be employed. In this case, an integrated value ΣW of the oxygen amount W passing through the NOx purification catalyst 12 is calculated based on the oxygen amount W obtained using the map. Then, similarly to the case of using an oxygen sensor or an air-fuel ratio sensor, the integrated value ΣW is compared with an allowable value WX that has been previously obtained by experiments or the like regarding the NOx purification catalyst 12, whereby the NOx purification catalyst 12 is predetermined. It can be determined whether or not the patient has received oxygen poisoning.

以下、本発明の排気浄化装置において使用されるNOx浄化触媒12の再生について、実験結果に基づいてより詳細に説明する。   Hereinafter, regeneration of the NOx purification catalyst 12 used in the exhaust purification apparatus of the present invention will be described in more detail based on experimental results.

[触媒調製]
[Au−Feナノ粒子の合成]
まず、二口丸底フラスコ中で還元剤としての無水エチレングリコール120mlに保護剤としてポリ−n−ビニルピロリドン(PVP)1.1gを加え、この混合液にFe塩として酢酸鉄(II)0.0574gを加えて80℃で3時間攪拌した(溶液1)。次に、別の二口丸底フラスコ中でAu塩として塩化金酸ナトリウム(NaAuCl4)0.1809gを蒸留水50mlに加え、2時間にわたり激しく攪拌しながら溶解させた。なお、得られた溶液の色は鮮やかなオレンジ色であった(溶液2)。次いで、溶液1を冷却バスを用いて0℃まで冷却し、そこへ溶液2を攪拌しながら注ぎ確実に均一にした。次いで、得られた混合液に1M NaOH溶液(約7ml)を加えて混合液のpHを9〜10に調整した。得られた混合液をオイルバスを用いて100℃に加熱し、攪拌しながらこの温度で約2時間保持した。その後、得られたコロイド懸濁液をオイルバスから引き上げて室温まで冷却した。フラスコ内のすべてのイオン種を完全に還元するため、還元剤として水素化ホウ素ナトリウム0.038gを加えた。次いで、この懸濁液をしばらく放置した。生成したナノ粒子は、所定量のナノ粒子を含む一定分量を多量のアセトンで処理することにより精製した。これにより保護剤として使用したPVP高分子をアセトン相に抽出し、金属ナノ粒子を凝集させた。次いで、上澄み液を移すか又は遠心分離によって当該ナノ粒子を精製した。アセトン相を取り除いた後、精製したコロイドを緩やかな攪拌により無水エタノール中に再分散させた。
[Catalyst preparation]
[Synthesis of Au-Fe nanoparticles]
First, 1.1 g of poly-n-vinylpyrrolidone (PVP) as a protective agent was added to 120 ml of anhydrous ethylene glycol as a reducing agent in a two-necked round bottom flask, and iron (II) acetate as an Fe salt was added to this mixed solution. 0574g was added and it stirred at 80 degreeC for 3 hours (solution 1). Next, 0.1809 g of sodium chloroaurate (NaAuCl 4 ) as Au salt was added to 50 ml of distilled water in another two-necked round bottom flask and dissolved with vigorous stirring for 2 hours. In addition, the color of the obtained solution was bright orange (solution 2). Next, the solution 1 was cooled to 0 ° C. using a cooling bath, and the solution 2 was poured into the solution with stirring to make it uniform. Next, 1M NaOH solution (about 7 ml) was added to the resulting mixture to adjust the pH of the mixture to 9-10. The resulting mixture was heated to 100 ° C. using an oil bath, and kept at this temperature for about 2 hours with stirring. Thereafter, the obtained colloidal suspension was pulled up from the oil bath and cooled to room temperature. In order to completely reduce all the ionic species in the flask, 0.038 g of sodium borohydride was added as a reducing agent. The suspension was then left for a while. The produced nanoparticles were purified by treating an aliquot containing a predetermined amount of nanoparticles with a large amount of acetone. As a result, the PVP polymer used as the protective agent was extracted into the acetone phase, and the metal nanoparticles were aggregated. The supernatant was then transferred or the nanoparticles were purified by centrifugation. After removing the acetone phase, the purified colloid was redispersed in absolute ethanol with gentle stirring.

[Au−Feナノ粒子の触媒担体への担持]
100mlのシュレンク管に触媒担体としてアルミナ(γ−Al23)1gを入れた。次いでシュレンク管内を真空引きし、そこへN2を流してシュレンク管を洗浄し、シュレンク管内の空気をN2で完全に置換した。次いで、上で調製したコロイド懸濁液を、AuとFeの合計量がアルミナに対して1wt%になるようシリンジによりゴムのセプタムを通してシュレンク管に添加した。そして、得られた混合液を室温で約3時間攪拌し、次いで真空引きして溶媒を除去した。次いで、得られたコロイド沈殿物を真空下約200℃で加熱乾燥し、先の操作で完全に抽出しきれずに残っていたPVP高分子を分解除去した。次いで、得られた粉末を約2mmのペレットに圧縮成形することにより、Au−Fe/Al23のNOx浄化触媒を得た。
[Supporting Au—Fe nanoparticles on catalyst support]
A 100 ml Schlenk tube was charged with 1 g of alumina (γ-Al 2 O 3 ) as a catalyst carrier. Next, the inside of the Schlenk tube was evacuated, and N 2 was allowed to flow therethrough to clean the Schlenk tube, and the air in the Schlenk tube was completely replaced with N 2 . Next, the colloidal suspension prepared above was added to the Schlenk tube through a rubber septum with a syringe so that the total amount of Au and Fe was 1 wt% with respect to alumina. The resulting mixture was stirred at room temperature for about 3 hours and then evacuated to remove the solvent. Subsequently, the obtained colloidal precipitate was heat-dried at about 200 ° C. under vacuum to decompose and remove the PVP polymer that was not completely extracted in the previous operation. Next, the obtained powder was compression-molded into pellets of about 2 mm to obtain a NOx purification catalyst of Au-Fe / Al 2 O 3 .

[触媒の評価]
上で調製したNOx浄化触媒について、空燃比を変動させた場合のそのNOx浄化性能及び表面Fe濃度を調べた。具体的には、まず、上記のNOx浄化触媒を石英ガラス管にセットし、次いで、所定濃度のNOを含有するモデルガスを触媒床に流し、一定温度400℃で当該モデルガス中のCO濃度を変化させることによりA/F値を約4から約18まで変動させ、図3に示す各A/F値においてNO浄化率を測定した。また、それぞれのA/F値において測定を行った各試料について、X線光電子分光(XPS)装置(ULVAC−PHI製ESCA1600)及びオージェ電子分光(AES)装置(KITANO SEIKI製KCMA2002)によりそれらの表面Fe濃度を調べた。なお、表面Fe濃度の値は、AuとFeの各表面濃度の合計を100%とした場合のFeの表面濃度を示すものである。得られた結果を図3に示す。図3は、空燃比の変動に対するNOx浄化触媒の表面Fe濃度及びNO浄化率を示すグラフである。図3は、横軸に空燃比(A/F)を示し、左側縦軸に表面Fe濃度(原子%)及び右側縦軸にNO浄化率(%)を示している。
[Evaluation of catalyst]
The NOx purification catalyst prepared above was examined for its NOx purification performance and surface Fe concentration when the air-fuel ratio was varied. Specifically, first, the above NOx purification catalyst is set in a quartz glass tube, and then a model gas containing a predetermined concentration of NO is caused to flow through the catalyst bed, and the CO concentration in the model gas is set at a constant temperature of 400 ° C. The A / F value was varied from about 4 to about 18 by changing, and the NO purification rate was measured at each A / F value shown in FIG. Moreover, about each sample measured in each A / F value, those surfaces were measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) apparatus (ESCA1600 made from ULVAC-PHI) and Auger electron spectroscopy (AES) apparatus (KCMA2002 made from KITANO SEIKI). The Fe concentration was examined. The value of the surface Fe concentration indicates the surface concentration of Fe when the sum of the surface concentrations of Au and Fe is 100%. The obtained results are shown in FIG. FIG. 3 is a graph showing the surface Fe concentration and the NO purification rate of the NOx purification catalyst with respect to fluctuations in the air-fuel ratio. FIG. 3 shows the air-fuel ratio (A / F) on the horizontal axis, the surface Fe concentration (atomic%) on the left vertical axis, and the NO purification rate (%) on the right vertical axis.

図3の結果から明らかなように、A/Fの値が増加するにつれて、すなわちモデルガス中の酸素濃度が高くなるにつれてNO浄化率が向上し、A/F=約11でその値が最大値に達した。しかしながら、さらに酸素濃度が高くなるとNO浄化率は減少した。一方で、表面Fe濃度の値は、酸素濃度の増加とともに単調に増加し、A/F=約18で約100原子%に達した。この実験結果からNOx浄化触媒中のAu及びFeの各表面濃度は、雰囲気によって大きく変動し、過度な還元(リッチ)及び酸化(リーン)雰囲気下では、Au及びFeのうち一方の元素のみが表面に露出し、それによってNOxの浄化性能が大きく低下することがわかった。何ら特定の理論に束縛されることを意図するものではないが、特に酸素濃度が高くなるにつれて表面Fe濃度が増加しかつNO浄化率が大きく減少したのは、AuとFeが互いに近接した活性な状態、好ましくは全体として均一な固溶体を形成している活性な状態からFeが雰囲気中に存在する酸素によって触媒表面に引き寄せられ、そして当該触媒表面で酸化され、すなわち酸素被毒を受けたことに起因していると考えられる。   As is clear from the results of FIG. 3, the NO purification rate improves as the A / F value increases, that is, as the oxygen concentration in the model gas increases, and when A / F = about 11, the value is the maximum value. Reached. However, the NO purification rate decreased as the oxygen concentration further increased. On the other hand, the value of the surface Fe concentration increased monotonously with increasing oxygen concentration, and reached about 100 atomic% at A / F = about 18. From this experimental result, each surface concentration of Au and Fe in the NOx purification catalyst varies greatly depending on the atmosphere, and only one element of Au and Fe is the surface in an excessive reduction (rich) and oxidation (lean) atmosphere. It was found that the NOx purification performance was greatly reduced. Although it is not intended to be bound by any particular theory, the surface Fe concentration increased and the NO purification rate greatly decreased especially as the oxygen concentration increased. The state, preferably from the active state forming a uniform solid solution as a whole, Fe is attracted to the catalyst surface by oxygen present in the atmosphere and is oxidized on the catalyst surface, that is, has been subjected to oxygen poisoning. It is thought to be caused.

次に、図3の実験でNO浄化活性が最も高かった表面Fe濃度が約40原子%(すなわち表面Au濃度=約60原子%)のNOx浄化触媒に対応するAu−Fe薄膜と、同様に図3の実験でNO浄化活性が最も低かった表面Fe濃度が約0原子%(すなわち表面Au濃度=約100原子%)のNOx浄化触媒に対応するAu−Fe薄膜とをそれぞれ調製し、これらのAu−Fe薄膜についてNO吸着特性を調べた。   Next, similarly to the Au—Fe thin film corresponding to the NOx purification catalyst having the surface Fe concentration of about 40 atomic% (that is, the surface Au concentration = about 60 atomic%) having the highest NO purification activity in the experiment of FIG. The Au—Fe thin films corresponding to the NOx purification catalyst having the surface Fe concentration of about 0 atomic% (ie, the surface Au concentration = about 100 atomic%) having the lowest NO purification activity in the experiment 3 were prepared. The NO adsorption characteristics of the -Fe thin film were examined.

具体的には、まず、イオンスパッタ装置(HITACHI製E101、エネルギー100eV、イオン電流15mA)を用いてAl23(サファイア)基板上にAuを5回に分けて2分間ずつスパッタし、当該基板上に厚さが約30nmの均一なAuスパッタ膜を堆積した。次いで、得られたAu/Al23を図4に示すパルスレーザー堆積(PLD)装置のチャンバー内に配置した試料台の上にセットした。なお、図4に示すパルスレーザー堆積(PLD)装置は、分析手段としてオージェ電子分光(AES)装置(KITANO SEIKI製KCMA2002)とX線光電子分光(XPS)装置(ULVAC−PHI製ESCA1600)を具備している。次に、Au/Al23の表面前処理として、チャンバー圧力が1.8×10-4Torrの条件下でArスパッタ(0.5eV)を30分間実施し、次いで450℃で25分間アニール処理し、これらの工程を合計で2回繰り返した。次に、エキシマレーザー(LAMBDA PHYSIK製、25〜29kV、1〜10Hz、KrF3000mbar)をチャンバー内のFeターゲットに照射して、Au/Al23上にFeをその表面組成が100%になるまで堆積した。なお、表面組成の分析はAESによって確認した。最後に、得られた試料を赤外線レーザーで350℃に加熱することにより表面Fe濃度が約40原子%のAu−Fe薄膜Aを得た。 Specifically, first, using an ion sputtering apparatus (HITACHI E101, energy 100 eV, ion current 15 mA), Au was sputtered on an Al 2 O 3 (sapphire) substrate in five portions for 2 minutes, and then the substrate. A uniform Au sputtered film having a thickness of about 30 nm was deposited thereon. Next, the obtained Au / Al 2 O 3 was set on a sample stage placed in a chamber of a pulse laser deposition (PLD) apparatus shown in FIG. Note that the pulse laser deposition (PLD) apparatus shown in FIG. 4 includes an Auger electron spectroscopy (AES) apparatus (KITANO SEIKI KCMA2002) and an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) apparatus (ULVAC-PHI ESCA1600) as analysis means. ing. Next, as a surface pretreatment of Au / Al 2 O 3 , Ar sputtering (0.5 eV) was performed for 30 minutes under a chamber pressure of 1.8 × 10 −4 Torr, and then annealed at 450 ° C. for 25 minutes. Processed and repeated these steps a total of two times. Next, an excimer laser (manufactured by LAMBDA PHYSIK, 25-29 kV, 1-10 Hz, KrF 3000 mbar) is irradiated to the Fe target in the chamber until Fe has a surface composition of 100% on Au / Al 2 O 3 Deposited. The analysis of the surface composition was confirmed by AES. Finally, the obtained sample was heated to 350 ° C. with an infrared laser to obtain an Au—Fe thin film A having a surface Fe concentration of about 40 atomic%.

なお、上と同様の操作によりFeをAu/Al23上にその表面組成が100%になるまで堆積した後、得られた試料をH2圧力が3×10-8Torrの雰囲気下において赤外線レーザーで500℃に加熱することにより表面Fe濃度が約0原子%(すなわち表面Au濃度=約100原子%)のAu−Fe薄膜Bを得た。 Note that Fe was deposited on Au / Al 2 O 3 until the surface composition reached 100% by the same operation as above, and then the obtained sample was subjected to an H 2 pressure of 3 × 10 −8 Torr. By heating to 500 ° C. with an infrared laser, an Au—Fe thin film B having a surface Fe concentration of about 0 atomic% (ie, surface Au concentration = about 100 atomic%) was obtained.

[NO吸着特性]
次に、上で調製したAu−Fe薄膜A及びBについてそれらのNO吸着特性を調べた。具体的には、約1L(ラングミュア)のNOガス量を室温でチャンバーに導入して各Au−Fe薄膜にNOガスを吸着させた。その結果を図5に示す。なお、ここでは、各Au−Fe薄膜を5.0×10-6PaのNOガスに44秒間曝したとき、すなわち各Au−Fe薄膜を2.2×10-4Pa・sのNOガス量に曝したときを1L(ラングミュア)としている。
[NO adsorption characteristics]
Next, the NO adsorption characteristics of the Au—Fe thin films A and B prepared above were examined. Specifically, an NO gas amount of about 1 L (Langmuir) was introduced into the chamber at room temperature to adsorb the NO gas to each Au—Fe thin film. The result is shown in FIG. Here, when each Au—Fe thin film is exposed to 5.0 × 10 −6 Pa NO gas for 44 seconds, that is, each Au—Fe thin film has a NO gas amount of 2.2 × 10 −4 Pa · s. When exposed to 1L (Langmuir).

図5は、Au−Fe薄膜A及びBにNOガスを導入したときのN1sのXPSスペクトルである。図5の結果並びに同様にXPSにより測定したFe2pのピーク位置のシフト等から、図5のAu−Fe薄膜A(表面Fe濃度が40原子%のもの)に関する397eV付近のピークがFe−N結合に起因するものであることがわかった。すなわち、この結果は、Fe上でNOがNとOに解離吸着されていることを示すものである。一方で、表面Au濃度が100原子%であるAu−Fe薄膜BについてはNOの解離吸着は検出されなかった。   FIG. 5 is an XPS spectrum of N1s when NO gas is introduced into the Au—Fe thin films A and B. From the result of FIG. 5 and the shift of the peak position of Fe2p similarly measured by XPS, the peak near 397 eV in the Au—Fe thin film A (with a surface Fe concentration of 40 atomic%) in FIG. It turned out to be the cause. That is, this result indicates that NO is dissociated and adsorbed by N and O on Fe. On the other hand, no dissociative adsorption of NO was detected for the Au—Fe thin film B having a surface Au concentration of 100 atomic%.

図3において表面Fe濃度が約40原子%のNOx浄化触媒が最も高いNOx浄化活性を示したこと、そして同様の組成を有するAu−Fe薄膜では室温下においてもFe上でNOが解離吸着されること等を考慮すると、本発明におけるNOx浄化触媒では、AuとFeが互いに近接した状態で均一に表面に存在することで、NOの直接分解作用が促進され、それによってNOx浄化性能が向上しているものと考えられる。   In FIG. 3, the NOx purification catalyst having a surface Fe concentration of about 40 atomic% showed the highest NOx purification activity, and the Au—Fe thin film having the same composition adsorbs NO on Fe even at room temperature. In consideration of the above, in the NOx purification catalyst of the present invention, Au and Fe are uniformly present on the surface in a state of being close to each other, thereby promoting the direct decomposition action of NO, thereby improving the NOx purification performance. It is thought that there is.

[触媒の再生処理]
本実験では、酸素被毒を受けたNOx浄化触媒について、それを加熱処理した場合の表面Fe濃度の変化を調べた。具体的には、先に記載したAu−Fe薄膜の調製方法に従ってAl23基板上にAu、次いでFeを堆積した後、得られた試料を微量の酸素を含有する真空雰囲気中350℃で酸化処理することにより、模擬的に酸素による被毒処理を施したAu−Fe薄膜Cを得た。次に、得られたAu−Fe薄膜CをH2圧力が3×10-8Torrの真空雰囲気下で加熱処理した。その結果を図6に示す。
[Catalyst regeneration]
In this experiment, the change in the surface Fe concentration of the NOx purification catalyst that had been subjected to oxygen poisoning when the heat treatment was performed was examined. Specifically, after depositing Au and then Fe on an Al 2 O 3 substrate according to the method for preparing an Au—Fe thin film described above, the obtained sample was placed at 350 ° C. in a vacuum atmosphere containing a small amount of oxygen. By performing the oxidation treatment, an Au—Fe thin film C subjected to a poisoning treatment with oxygen in a simulated manner was obtained. Next, the obtained Au—Fe thin film C was heat-treated in a vacuum atmosphere with an H 2 pressure of 3 × 10 −8 Torr. The result is shown in FIG.

図6は、加熱処理温度に対するAu−Fe薄膜CのXPSによる表面元素濃度を示すグラフである。図6は、横軸に加熱温度(℃)を示し、縦軸に各元素の表面濃度(原子%)を示している。本実験では、XPSによりAu−Fe薄膜Cに関するFe2p3、Au4f及びO1sの各ピークを測定し、それによってFe、Au及びOの各元素の表面濃度を算出した。なお、Fe及びOの各表面濃度やFe2p3及びO1sのピーク位置等から、Au−Fe薄膜中のFeは上記の酸化処理によりFe23の酸化物として薄膜表面に露出していると認められる。また、図6を参照すると、加熱温度が200℃〜550℃ではFe、Au及びOの各元素の表面濃度に関して大きな変化は見られなかったが、600℃以上の温度で加熱することによりFe及びOの表面濃度が大きく減少し、それに伴ってAuの表面濃度が増加した。さらにAu−Fe薄膜Cを700℃で加熱処理することで、薄膜表面に存在する酸素の多くが除去され、図3の実験でNO浄化活性が最も高かった表面組成、すなわち表面Fe濃度が約40原子%の表面組成までAu−Fe薄膜の表面組成を回復することができた。この実験結果は、本発明の排気浄化装置において用いられるNOx浄化触媒が酸素被毒を受けた場合に、それを600℃以上、好ましくは700℃以上の温度で加熱処理することで、このような酸素被毒を確実に解消しかつ当該NOx浄化触媒の表面組成を活性の高い状態に改質できることを示すものである。 FIG. 6 is a graph showing the surface element concentration by XPS of the Au—Fe thin film C with respect to the heat treatment temperature. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the heating temperature (° C.), and the vertical axis indicates the surface concentration (atomic%) of each element. In this experiment, each peak of Fe2p3, Au4f and O1s related to the Au—Fe thin film C was measured by XPS, and thereby the surface concentration of each element of Fe, Au and O was calculated. From the surface concentration of Fe and O, the peak positions of Fe2p3 and O1s, etc., it is recognized that Fe in the Au—Fe thin film is exposed to the thin film surface as an oxide of Fe 2 O 3 by the above oxidation treatment. . In addition, referring to FIG. 6, when the heating temperature was 200 ° C. to 550 ° C., no significant change was observed with respect to the surface concentration of each element of Fe, Au, and O, but by heating at a temperature of 600 ° C. or more, Fe and The surface concentration of O greatly decreased, and the surface concentration of Au increased accordingly. Furthermore, by heat-treating the Au—Fe thin film C at 700 ° C., most of the oxygen present on the thin film surface was removed, and the surface composition with the highest NO purification activity in the experiment of FIG. It was possible to recover the surface composition of the Au—Fe thin film to the atomic composition of atomic%. This experimental result shows that when the NOx purification catalyst used in the exhaust purification apparatus of the present invention is subjected to oxygen poisoning, it is heated at a temperature of 600 ° C. or higher, preferably 700 ° C. or higher. It shows that oxygen poisoning can be reliably eliminated and the surface composition of the NOx purification catalyst can be reformed to a highly active state.

10 内燃機関
11、14 排気管
12 NOx浄化触媒
13 ケーシング
15 温度センサ
16 電気ヒータ
17 NOxセンサ
18 還元剤供給弁
20 電子制御ユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Internal combustion engine 11, 14 Exhaust pipe 12 NOx purification catalyst 13 Casing 15 Temperature sensor 16 Electric heater 17 NOx sensor 18 Reducing agent supply valve 20 Electronic control unit

Claims (2)

内燃機関の排気通路内に配置され、AuとFeを触媒担体に担持してなるNOx浄化触媒であって、AuとFeの少なくとも一部が互いに近接した状態で存在しているNOx浄化触媒と、
前記NOx浄化触媒の温度を検出するための触媒温度検出手段と、
前記NOx浄化触媒を加熱するための触媒加熱手段と、
前記NOx浄化触媒が所定の酸素被毒を受けたことを検出するための酸素被毒検出手段とを備え、
前記酸素被毒検出手段により前記NOx浄化触媒が所定の酸素被毒を受けたことを検出した場合に、前記触媒加熱手段により前記NOx浄化触媒を600℃以上に加熱するようにした、内燃機関の排気浄化装置。
A NOx purification catalyst disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine and carrying Au and Fe on a catalyst carrier, wherein at least a part of Au and Fe are present in proximity to each other;
Catalyst temperature detecting means for detecting the temperature of the NOx purification catalyst;
Catalyst heating means for heating the NOx purification catalyst;
Oxygen poisoning detection means for detecting that the NOx purification catalyst has received a predetermined oxygen poisoning,
An internal combustion engine in which the NOx purification catalyst is heated to 600 ° C. or more by the catalyst heating means when the oxygen poisoning detection means detects that the NOx purification catalyst has received a predetermined oxygen poisoning. Exhaust purification device.
前記NOx浄化触媒の上流側排気通路内に配置された還元剤導入手段をさらに備え、前記触媒加熱手段によって前記NOx浄化触媒の加熱を開始するとともに、前記還元剤導入手段から前記NOx浄化触媒に流入する排気ガス中に還元剤が導入されるようにした、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。   The apparatus further comprises a reducing agent introduction means disposed in an exhaust passage upstream of the NOx purification catalyst, and starts heating the NOx purification catalyst by the catalyst heating means and flows into the NOx purification catalyst from the reducing agent introduction means. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein a reducing agent is introduced into the exhaust gas.
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