JP3499350B2 - 内燃機関の排ガス浄化方法 - Google Patents
内燃機関の排ガス浄化方法Info
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Description
化方法に関する。
比を機関空燃比と称すれば、従来より、各気筒に接続さ
れた排ガス通路内に三元触媒を配置し、各気筒の機関空
燃比を理論空燃比に制御し、排ガス中の窒素酸化物NO
X 、炭化水素HCおよび一酸化炭素COを該触媒に接触
させてこれらNOX 、HCおよびCOを同時に浄化する
ようにしたする多気筒内燃機関の排ガス浄化装置が知ら
れている。
するのが望まれており、このため機関空燃比をできるだ
けリーンにするのが望ましい。ところが上述の排ガス浄
化装置においてリーン運転を行うとNOX を良好に浄化
できないという問題点がある。そこで、多気筒内燃機関
の排ガス浄化装置であって、該多気筒内燃機関の気筒の
うち一部の気筒に機関空燃比がリッチであるリッチ運転
を連続的に行わせ、残りの気筒に機関空燃比がリーンで
あるリーン運転を連続的に行わせる運転制御手段と、リ
ッチ運転が行われる気筒に接続された第1の排ガス通路
と、リーン運転が行われる気筒に接続された排ガス通路
であって第1の排ガス通路とは異なる第2の排ガス通路
と、第1の排ガス通路内に配置されて該第1排ガス通路
内を流通する排ガス中のNOX をアンモニアNH3 に変
換するNH3 生成触媒と、NH3生成触媒下流の第1の
排ガス通路と第2の排ガス通路とを互いに合流させる合
流通路と、合流通路内に配置されて第1の排ガス通路か
ら流入するNH3 と第2排ガス通路から流入するNOX
とを反応せしめることによりNOX およびNH3 を同時
に浄化する排ガス浄化用触媒とを備えた排ガス浄化装置
が開発されている(特開平4−365920号公報参
照)。この排ガス浄化装置では、できるだけ多くの気筒
にリーン運転を行わせることにより燃料消費率ができる
だけ低減されるようにする一方、リッチ運転が行われる
気筒の排ガスをNH3 生成触媒に導いてNH3 を生成
し、リーン運転が行われる気筒において発生したNOX
とこのNH 3 とを排ガス浄化用触媒において反応させる
ことによりNOX が良好に浄化されるようにしている。
には例えばゼオライトにコバルトCo、銅Cu、ニッケ
ルNi、または鉄Feなどを担持させた触媒を用いるこ
とができる。ところが、これらの排ガス浄化用触媒で
は、排ガス浄化用触媒に流入する排ガスの温度、すなわ
ち流入排ガス温度が或る特定の温度範囲、すなわち浄化
温度範囲のときにしかNOX およびNH3 を同時に良好
に浄化できないことが本願発明者らにより確認されてい
る。しかしながら、実際の機関運転時における流入排ガ
ス温度範囲はこの浄化温度範囲より広く、したがって流
入排ガス温度が排ガス浄化用触媒の浄化温度範囲から逸
脱するともはやNOX またはNH3 を同時に良好にでき
なくなるという問題点がある。この問題点を解決するた
めに、排ガス浄化用触媒に流入する排ガスを冷却または
加熱する装置を設ければ流入排ガス温度を排ガス浄化用
触媒の浄化温度範囲内に維持できるが、構成が複雑にな
りまたコストが増大してしまう。
に本件第1の発明によれば、ゼオライトに白金および銅
を担持した第1の触媒と、ゼオライトに銅を担持した第
2の触媒とを機関排ガス通路内に配置し、窒素酸化物お
よびアンモニアを含む排ガスを酸化雰囲気において第1
及び第2の触媒に導入し、酸化雰囲気において窒素酸化
物及びアンモニアを排ガスから同時に浄化する、各ステ
ップを具備した内燃機関の排ガス浄化方法が提供され
る。
いて、第2の触媒が第1の触媒の排ガス流れ上流に配置
されている。
酸化窒素NO、二酸化窒素NO2 、二酸化四窒素N2 O
4、一酸化二窒素N2 Oなどが含まれうる。以下ではN
OX を主としてNO、NO2 とした場合について説明す
るが、本発明の排ガス浄化用触媒は他の窒素酸化物を浄
化することもできる。
化用触媒2を内蔵した触媒コンバータを示している。触
媒コンバータ1の排ガス流入側には排ガス管3が接続さ
れており、この排ガス管3は例えば内燃機関に接続され
る。一方触媒コンバータ1の排ガス流出側には排ガス管
4が接続されている。図1に示す実施態様において排ガ
ス浄化用触媒2は白金Ptおよび銅Cuがイオン交換に
より担持された担体であるゼオライト(白金・銅ゼオラ
イト触媒と称する)2aを備えており、この白金・銅ゼ
オライト触媒2aは例えばハニカム状をなす基材の表面
上に担持されている。ゼオライトには例えばZSM−5
型、フェリエライト、モルデナイトなどの高シリカ含有
ゼオライトが用いられる。なお、この実施態様において
白金・銅ゼオライト触媒2aは基材のほぼ全体にわたっ
て担持されている。
ス、すなわちNOX およびNH3 を同時に含む排ガス、
またはNH3 を含むことなくNOX を含む排ガス部分
と、NOX を含むことなくNH3 を含む排ガス部分とを
交互に有する排ガスが酸化雰囲気において排ガス浄化用
触媒2に接触すると排ガス浄化用触媒2はNOX および
NH3 の浄化作用、すなわちNOX の還元作用およびN
H3 の酸化作用を行う。また、流入する排ガス中にNO
X とNH3 とが混在すると排ガス浄化用触媒2において
NH3 がNOX により酸化される。この場合の浄化メカ
ニズムは必ずしも明らかにされていないが次式(1)〜
(4)の反応により行われると考えられている。
(2)の酸化反応により生じたNOX と、排ガス浄化用
触媒2に流入する排ガス中のNOX とが還元される。し
たがって、NOX およびNH3 が同時に浄化される。
H3 を一時的に吸着すると共に吸着しているNH3 を放
出する吸放出作用を行う。ゼオライトのNH3 吸放出メ
カニズムも明らかにされていないが、流入する排ガス中
のNH3 濃度が低くなるか、或いは流入する排ガス中に
NOX が含まれていると吸着しているNH3 を放出する
と考えられている。放出されたNH3 は流入する排ガス
中のNOX と反応して浄化される。したがって、NH3
を含むことなくNOX を含む排ガス部分と、NOX を含
むことなくNH3 を含む排ガス部分とが排ガス浄化用触
媒2に交互に繰り返し接触する場合、NOX を含むこと
なくNH3 を含む排ガス部分が排ガス浄化用触媒2に接
触したときには排ガス中のNH3 が排ガス浄化用触媒2
に吸着され、NH3 を含むことなくNOX を含む排ガス
部分が排ガス浄化用触媒2に接触したときには排ガス浄
化用触媒2に吸着されているNH3 が放出される。この
放出されたNH3 は酸化雰囲気であると上述の酸化反応
(1)および(2)によって浄化され、一方排ガス浄化
用触媒2に流入する排ガス中のNOX は上述の脱硝反応
(3)および(4)によって浄化される。
ライトに担持させてなる銅ゼオライト触媒を、NOX お
よびNH3 を含む排ガスに接触させたときにも酸化雰囲
気においてNOX およびNH3 の浄化作用が行われる。
ところが、銅ゼオライト触媒に流入する排ガスの温度、
すなわち流入排ガス温度が比較的低いとき、例えば10
0〜200℃程度のときにNOX およびNH3 を同時に
良好に浄化するのが困難であることが本願発明者らによ
り確認されている。すなわち、NOX を良好に浄化でき
るものの多量のNH3 が浄化されることなく排ガス浄化
用触媒2から排出されてしまう。これは、低温時におけ
る銅Cuの酸化力が比較的小さいために上述の酸化反応
(1)および(2)が良好に行われず、その結果NH3
を良好に酸化できないためであると考えられる。
ガス浄化用触媒2を白金・銅ゼオライト触媒2aから形
成した場合、白金Ptが低温時においても良好な酸化力
を備えているので流入排ガス温度が比較的低いときにも
NH3 の酸化反応を良好に行うことができ、したがって
NOX およびNH3 を同時に良好に浄化することができ
る。
排ガスを、白金・銅ゼオライト触媒2aからなる排ガス
浄化用触媒2に接触させた場合、流入排ガス温度の広い
温度範囲にわたって、すなわち例えば100から500
℃程度の温度範囲にわたってNH3 を良好に浄化できる
ことが本願発明者らにより確認されている。図2は本発
明による排ガス浄化用触媒2の別の実施態様を示してい
る。この図において図1の実施態様と同様の構成要素は
同一の参照番号で示される。
触媒2は互いに直列に配置された白金・銅ゼオライト触
媒2aと銅ゼオライト触媒2bとを備えている。本実施
態様において、これら白金・銅ゼオライト触媒2aおよ
び銅ゼオライト触媒2bは共通の基材の表面上に担持さ
れる。すなわち、図1の実施態様と同様の白金・銅ゼオ
ライト触媒2aが基材のうち排ガス下流側に位置する基
材部分の表面上に担持され、銅ゼオライト触媒2bが排
ガス上流側に位置する基材部分の表面上に担持される。
なお、銅ゼオライト触媒2bは銅Cuがイオン交換によ
り担持された高シリカ含有ゼオライトから形成される。
X およびNH3 を含む排ガスを酸化雰囲気において接触
させると排ガス中のNOX およびNH3 を同時に浄化す
る。この場合、式(1)〜(4)を参照して上述した浄
化メカニズムに基づいて排ガス浄化作用が、白金・銅ゼ
オライト触媒2aおよび銅ゼオライト触媒2bのそれぞ
れにおいて、または排ガス浄化用触媒2全体において行
われると考えられている。
・銅ゼオライト触媒2aから形成すると流入排ガス温度
が比較的低いときに排ガス中のNOX およびNH3 を同
時に良好に浄化することができる。ところが、流入排ガ
ス温度が高くなると、例えば200℃程度を越えるとN
OX が浄化されることなく白金・銅ゼオライト触媒2a
から排出されることが本願発明者らにより確認されてい
る。これは、流入排ガス温度が高くなると白金Ptの酸
化力が強くなりすぎて上述の酸化反応(1)および
(2)により多量のNOX が生成され、その結果脱硝反
応(3)および(4)でもってNOX を良好に浄化でき
なくなるためであると考えられる。
ガス浄化用触媒2を白金・銅ゼオライト触媒2aおよび
銅ゼオライト触媒2bから形成した場合、排ガス浄化用
触媒2に流入する排ガスの広い温度範囲にわたって、す
なわち例えば100から500℃程度の温度範囲にわた
ってNOX およびNH3 を同時に良好に浄化することが
できる。これは、銅ゼオライト触媒2bを排ガス上流側
に設けることによって排ガス下流側に設けられた白金・
銅ゼオライト触媒2aに流入するNOX 量を零または極
めて少なくすることができるためであると考えられる。
すなわち、流入する排ガスがNOX を含むことなくNH
3 を含んでいるときには上述したように白金・銅ゼオラ
イト触媒2aは優れたNH3 浄化特性を有するので排ガ
ス浄化用触媒2全体として優れた排ガス浄化特性を備え
ることになる。
金・銅ゼオライト触媒2aを排ガス下流側に配置し、銅
ゼオライト触媒2bを排ガス上流側に配置しているが、
銅ゼオライト触媒2bを排ガス下流側に配置し、白金・
銅ゼオライト触媒2aを排ガス上流側に配置するように
することもできる。しかしながら、図2に示す実施態様
におけるように白金・銅ゼオライト触媒2aを排ガス下
流側に、銅ゼオライト触媒2bを排ガス上流側に配置す
るのが好ましい。白金・銅ゼオライト触媒2aの耐久温
度は銅ゼオライト触媒2bの耐久温度よりも低い。一
方、基本的に、排ガス下流では排ガス上流に比べて排ガ
スの温度が低くなる。したがって白金・銅ゼオライト触
媒2aを排ガス下流側に、銅ゼオライト触媒2bを排ガ
ス上流側に配置すればこれら触媒の著しい劣化を阻止し
つつ排ガスを良好に浄化することができる。また、上述
したように白金・銅ゼオライト触媒2aは、NOX を含
むことなくNH3 を含む排ガス中のNH3 を流入排ガス
温度の広い温度範囲にわたって良好に浄化できる。した
がって、白金・銅ゼオライト触媒2aを排ガス下流側
に、銅ゼオライト触媒2bを排ガス上流側に配置すれば
銅ゼオライト触媒2bに流入する排ガスの温度が低くて
銅ゼオライト触媒2bにおいてNOX およびNH 3 を十
分に浄化できなくても下流の白金・銅ゼオライト触媒2
において良好に浄化することができる。また、例えば排
ガス浄化用触媒2に流入するNH3 量が大幅に増大し或
いは銅ゼオライト触媒2bから放出されるNH3 量が大
幅に増大して銅ゼオライト触媒2bからNH3 が浄化さ
れることなく排出されたとしても白金・銅ゼオライト触
媒2aは優れたNH3 浄化能力を有しており、すなわち
銅ゼオライト触媒2bから排出されたNH3 は、白金・
銅ゼオライト触媒2bに流入する排ガスが高いときであ
っても白金・銅ゼオライト触媒2aにおいて良好に浄化
される。したがって、排ガス浄化用触媒2から浄化され
ることなく排出されるNOX およびNH3 を極めて少量
にすることができることになる。
施態様を示している。この実施態様でも排ガス浄化用触
媒2は白金・銅ゼオライト触媒2aと銅ゼオライト触媒
2bとの両方を備えている。しかしながら、白金・銅ゼ
オライト触媒2aと銅ゼオライト触媒2bとは互いに異
なる担体上に担持されている。すなわち、白金・銅ゼオ
ライト触媒2aは、排ガス下流側に配置されて排ガス管
4が接続された触媒コンバータ1a内に配置され、銅ゼ
オライト触媒2bは排ガス上流側に配置されて排ガス管
3が接続された触媒コンバータ1b内に配置される。な
お、これら触媒コンバータ1a,1bは排ガス管5によ
り互いに接続される。
中に含まれるNOX およびNH3 を同時に良好に浄化す
ることができる。この場合も、白金・銅ゼオライト触媒
2aを排ガス上流に、銅ゼオライト触媒2bを排ガス下
流に配置することもできるが、上述したように白金・銅
ゼオライト触媒2aを排ガス下流に、銅ゼオライト触媒
2bを排ガス上流に配置するのが好ましい。
施態様を示している。この実施態様においても排ガス浄
化用触媒2は白金・銅ゼオライト触媒2aおよび銅ゼオ
ライト触媒2bの両方を備えている。しかしながら、本
実施態様では白金・銅ゼオライト触媒2aおよび銅ゼオ
ライト触媒2bを直列に接続するのではなく、これら白
金・銅ゼオライト触媒2aおよび銅ゼオライト触媒2b
を担体上に互いに積層させて担持させている。この場
合、白金・銅ゼオライト触媒2aおよび銅ゼオライト触
媒2bをどのように積層してもよいが、各触媒の耐久温
度を考慮すると、基材上にまず白金・銅ゼオライト触媒
2aを担持し、この上に銅ゼオライト触媒2bを担持し
て白金・銅ゼオライト触媒2aを被覆するのが好まし
い。また、基材上において白金・銅ゼオライト触媒2a
および銅ゼオライト触媒2bをほぼ一様に担持させるよ
うにすることもできる。
例えば図2に示される排ガス浄化用触媒2を内燃機関に
適用した場合を示している。図5を参照すると、内燃機
関6は排ガス管7を介してNH3 生成触媒である三元触
媒8に接続され、三元触媒8は排ガス管3を介して排ガ
ス浄化用触媒2に接続される。内燃機関6では、空燃比
が理論空燃比よりもリッチであるリッチ運転と、理論空
燃比よりもリーンであるリーン運転とが交互に繰り返し
行われる。リッチ運転が行われた場合の排ガスが三元触
媒8に到ると三元触媒8では排ガス中のNOXの一部か
らNH3 が生成される。残りのNOX はN2 に還元され
る。三元触媒8で生成されたNH3 は次いで排ガス浄化
用触媒2に到り、排ガス浄化用触媒2に吸着される。し
たがって、NH3 が排ガス浄化用触媒2から排出される
のが阻止される。
われてこのときの排ガスが三元触媒8に到るとこの排ガ
ス中のNOX は酸化または還元されることなく三元触媒
8を通過し、次いで排ガス浄化用触媒2に到る。このと
き排ガス中のNH3 濃度はほぼ零であり、その結果排ガ
ス浄化用触媒2から吸着されているNH3 が放出され
る。このとき排ガス浄化用触媒2周りは酸化雰囲気であ
り、したがって放出されたNH3 は排ガス中のNOX と
共に排ガス浄化用触媒2において浄化される。すなわ
ち、内燃機関6がリッチ運転を行ってもリーン運転を行
っても排ガス浄化用触媒2からNOX およびNH3 が排
出されるのが阻止されることになる。
ゼオライトに白金を1wt%、銅Cuを2.4wt%そ
れぞれイオン交換することにより担持させた白金・銅ゼ
オライト触媒2aからなる排ガス浄化用触媒2を形成し
た(図1参照)。
下流側に、SiO2 /Al2 O3 =40(モル比)のZ
SM−5型ゼオライトに銅Cuを2.4wt%イオン交
換することにより担持させた銅ゼオライト触媒2bを、
白金・銅ゼオライト触媒2aの排ガス上流側に担持させ
て排ガス浄化用触媒2を形成した(図2参照)。
ガス浄化用触媒を形成した。
に以下の組成のを有する排ガスを模擬したモデルガスを
接触させ、排ガス浄化用触媒出口におけるNO X および
NH3 合計の浄化率を、流入排ガス温度を変化させて測
定した。 NH3 :100(ppm) NOX :100(ppm) CO2 :15(%) O2 :4(%) H2 O:3(%) N2 :balance この測定結果を図6に示す。図6から、(NOX +NH
3 )浄化率を80%以上に維持できるのは、実施例1で
は流入排ガス温度が100から180℃程度のときであ
り、実施例2では100から470℃程度のときであ
り、比較例では160から450℃程度であることがわ
かる。また、(NOX +NH3 )浄化率を90%以上に
維持できるのは、実施例1では流入排ガス温度が100
から160℃程度のときであり、実施例2では100か
ら400℃程度のときであり、比較例では180から3
50℃程度であることがわかる。すなわち、実施例1で
は流入排ガス温度が低いときに比較例よりもNOX およ
びNH3 を同時に良好に浄化することができる。また、
実施例2では流入排ガス温度の広い範囲にわたって比較
例よりもNOX およびNH3 を同時に良好に浄化するこ
とができる。
に以下の組成を有する排ガスを模擬したモデルガスを接
触させ、排ガス浄化用触媒出口におけるNH3の浄化率
を、流入排ガス温度を変化させて測定した。 NH3 :100(ppm) CO2 :15(%) O2 :4(%) H2 O:3(%) N2 :balance この測定結果を図7に示す。図7から、NH3 浄化率を
80%以上に維持できるのは、実施例1では流入排ガス
温度が100から500℃程度のときであり、実施例2
では100から500℃程度のときであり、比較例では
220から450℃程度であることがわかる。また、N
H3 浄化率を90%以上に維持できるのは、実施例1で
は流入排ガス温度が100から500℃程度のときであ
り、実施例2では100から500℃程度のときであ
り、比較例では240から400℃程度であることがわ
かる。すなわち、実施例1および実施例2では流入排ガ
ス温度の広い温度範囲にわたってNH3 を比較例よりも
良好に浄化することができる。
を同時に良好に浄化することができる。
す図である。
る。
図である。
図である。
た場合を示す内燃機関の全体図である。
線図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 ゼオライトに白金および銅を担持した第
1の触媒と、ゼオライトに銅を担持した第2の触媒とを
機関排ガス通路内に配置し、 窒素酸化物およびアンモニアを含む排ガスを酸化雰囲気
において第1及び第2の触媒に導入し、 酸化雰囲気において窒素酸化物及びアンモニアを排ガス
から同時に浄化する、各ステップを具備した内燃機関の
排ガス浄化方法。 - 【請求項2】 第2の触媒が第1の触媒の排ガス流れ上
流に配置されている請求項1に記載の内燃機関の排ガス
浄化方法。
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