JP4285460B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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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、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を放出するNOx吸蔵還元触媒を配置した内燃機関が公知である。このNOx吸蔵還元触媒は白金Ptからなる貴金属触媒とNOx吸収剤とを含んでおり、空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれているNOx、即ちNOが白金Pt上においてNO2に酸化され、次いで硝酸イオンNO3 -の形でNOx吸収剤内に吸収される。
一方、NOx吸収剤から吸収されているNOxを放出し還元させるときにはNOx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされる。排気ガスの空燃比がリッチにされると排気ガス中の酸素濃度が低下するためにNOx吸収剤内に硝酸イオンNO3 -の形で吸収されているNOxがNOx吸収剤内からNO2となって白金Pt上に現われ、このNO2は排気ガス中に含まれる未燃HC,COによって還元される。
ところで排気ガスの空燃比は、燃焼室内に追加の燃料を供給することによって、或いは機関排気通路内に追加の燃料を添加することによってリッチにされる。この場合、追加された燃料がガス状でもってNOx吸蔵還元触媒に流入する場合には排気ガスの空燃比がリッチにされるとただちにNOx吸蔵還元触媒からNOxが放出され還元される。しかしながら排気ガスの空燃比をリッチとすべきときに機関排気通路内に追加の燃料が微粒化された液滴の形で添加され、この添加された燃料が液滴の形でNOx吸蔵還元触媒上に付着する場合には若干状況が異なる。
即ち、排気ガスの空燃比をリッチにすべきときに添加された燃料が液滴の形でNOx吸蔵還元触媒上に付着するとNOx吸蔵還元触媒上の白金Ptは液状燃料により覆われることになる。しかしながら白金Ptが液状燃料により覆われると排気ガス中の酸素が白金Ptの表面上に到達することができず、その結果白金Pt上における液状燃料の酸化反応が良好に行われなくなる。液状燃料の酸化反応が良好に行われないと排気ガス中の酸素が十分に消費されず、その結果排気ガス中の酸素濃度が十分に低下しないためにNOx吸収剤から良好にNOxが放出されなくなる。また、液状燃料の気化が不十分となるために排気ガスに含まれるガス状の未燃HCの量が十分ではなく、斯くして放出されたNOxを十分に還元することができない。
そこで本発明者は研究の過程でパラジウムPdの有する酸素吸蔵能力に着目し、貴金属として白金Ptに加えパラジウムPdを用いることによりパラジウムPdに吸蔵された多量の酸素により液状燃料の酸化反応を促進し、この酸化反応熱によって白金Pt上の液状燃料の気化を促進し、それによってNOx吸収剤からのNOx放出作用を促進する方法を見い出したのである。
この場合、パラジウムPdの量を多くし、白金Ptの量を少なくするとパラジウムPdの貯蔵酸素の酸化反応熱により白金Pt上の液状燃料の気化が促進されるが、白金Ptの量が少ないためにNOxの放出作用が弱く、結果として良好なNOxの放出作用が得られない。これに対し、パラジウムPdの量を少なくし、白金Ptの量を多くするとパラジウムPdの貯蔵酸素の酸化反応熱による白金Pt上の液状燃料の気化が十分に促進されないためにたとえ白金Ptの量が多くても弱いNOxの放出作用しか得られず、従ってこの場合も良好なNOxの放出作用が得られない。
即ち、良好なNOx放出作用の得られる白金PtとパラジウムPdとの比率は極度に大きくなることもなく極度に小さくなることもなく、適切な比率の範囲が存在することになる。この点に関し、公知のディーゼルパティキュレートフィルタ(特許文献1)では白金PtおよびパラジウムPdをフィルタ本体の容積1リットル当り1gずつ担持するようにしている。これは白金PtとパラジウムPdとの和に対する白金Ptのモル比率で言うと約35.7となる。しかしながらこのようなモル比率では白金Ptに比べてパラジウムPdの量が多すぎ、その結果良好なNOxの放出作用を得ることはできない。
特開2003−205245号公報
本発明は、NOx吸蔵還元触媒からNOxを放出すべく燃料が液滴の形で添加されたときに白金Ptが液状燃料により覆われたとしても、良好なNOxの放出作用を確保することのできる白金PtとパラジウムPdとの比率を提供することにある。
即ち、本発明によれば、機関排気通路内に燃料を微粒化された液滴の形で添加する燃料添加装置を配置し、燃料添加装置下流の機関排気通路内に酸化触媒を配置し、酸化触媒下流の機関排気通路内に、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を放出するNOx吸蔵還元触媒を配置し、NOx吸蔵還元触媒からNOxを放出するためにNOx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには燃料添加装置から燃料を添加すると共にこのとき添加された燃料が液滴の形で酸化触媒上に付着する内燃機関において、液滴の形で酸化触媒上に付着した燃料を気化させるために酸化触媒上に貴金属として白金Ptに加えパラジウムPdが担持されており、酸化触媒上に担持されている白金PtとパラジウムPdとの和に対する白金Ptのモル比率がほぼ50パーセントからほぼ80パーセントの間に設定されている。
また、本発明によれば、機関排気通路内に燃料を微粒化された液滴の形で添加する燃料添加装置を配置し、燃料添加装置下流の機関排気通路内に、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を放出するNOx吸蔵還元触媒を配置し、NOx吸蔵還元触媒からNOxを放出するためにNOx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには燃料添加装置から燃料を添加すると共にこのとき添加された燃料が液滴の形でNOx吸蔵還元触媒上に付着する内燃機関において、液滴の形でNOx吸蔵還元触媒上に付着した燃料を気化させるためにNOx吸蔵還元触媒上に貴金属として白金Ptに加えパラジウムPdが担持されており、NOx吸蔵還元触媒上に担持されている白金PtとパラジウムPdとの和に対する白金Ptのモル比率がほぼ50パーセントからほぼ80パーセントの間に設定されている。
酸化触媒上又はNOx吸蔵還元触媒上に担持されている白金PtとパラジウムPdとの和に対する白金Ptのモル比率をほぼ50パーセントからほぼ80パーセントの間に設定することによってNOx吸蔵還元触媒からの良好なNOxの放出作用を確保することができる。
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の入口はエアクリーナ8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9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10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10内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
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の入口はエアクリーナ8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9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10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10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の出口は酸化触媒11の入口に連結される。また酸化触媒11の出口は排気管13を介してNOx吸蔵還元触媒12に連結される。排気マニホルド5にはミスト状の、即ち微粒子状の燃料を液滴の形で排気ガス中に添加するための燃料添加弁14が取付けられる。本発明による実施例ではこの燃料は軽油からなる。
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15を介して互いに連結され、EGR通路15内には電子制御式EGR制御弁16が配置される。また、EGR通路15周りにはEGR通路15内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置17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17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18を介してコモンレール19に連結される。このコモンレール19内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ20から燃料が供給され、コモンレール19内に供給された燃料は各燃料供給管18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吸蔵還元触媒12にはNOx吸蔵還元触媒12の前後差圧を検出するための差圧センサ21が取付けられており、この差圧センサ21の出力信号は対応するAD変換器37を介して入力ポート35に入力される。また、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9駆動用ステップモータ、燃料添加弁14、EGR制御弁16および燃料ポンプ20に接続される。
図2に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では機関排気通路内に酸化触媒が配置されておらず、排気タービン7bの出口はNOx吸蔵還元触媒12の入口に連結される。
まず初めに図1および図2に示されるNOx吸蔵還元触媒12について説明すると、これらNOx吸蔵還元触媒12は三次元網目構造のモノリス担体或いはペレット状担体上に担持されているか、又はハニカム構造をなすパティキュレートフィルタ上に担持されている。このようにNOx吸蔵還元触媒12は種々の担体上に担持させることができるが、以下NOx吸蔵還元触媒12をパティキュレートフィルタ上に担持した場合について説明する。
図3(A)および(B)はNOx吸蔵還元触媒12を担持したパティキュレートフィルタ12aの構造を示している。なお、図3(A)はパティキュレートフィルタ12aの正面図を示しており、図3(B)はパティキュレートフィルタ12aの側面断面図を示している。図3(A)および(B)に示されるようにパティキュレートフィルタ12aはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路60,61を具備する。これら排気流通路は下流端が栓62により閉塞された排気ガス流入通路60と、上流端が栓63により閉塞された排気ガス流出通路61とにより構成される。なお、図3(A)においてハッチングを付した部分は栓63を示している。従って排気ガス流入通路60および排気ガス流出通路61は薄肉の隔壁64を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路60および排気ガス流出通路61は各排気ガス流入通路60が4つの排気ガス流出通路61によって包囲され、各排気ガス流出通路61が4つの排気ガス流入通路60によって包囲されるように配置される。
パティキュレートフィルタ12aは例えばコージライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路60内に流入した排気ガスは図3(B)において矢印で示されるように周囲の隔壁64内を通って隣接する排気ガス流出通路61内に流出する。
このようにNOx吸蔵還元触媒12をパティキュレートフィルタ12a上に担持させた場合には、各排気ガス流入通路60および各排気ガス流出通路61の周壁面、即ち各隔壁64の両側表面上および隔壁64内の細孔内壁面上には例えばアルミナからなる触媒担体が担持されており、図4(A)および(B)はこの触媒担体45の表面部分の断面を図解的に示している。図4(A)および(B)に示されるように触媒担体45の表面上には貴金属触媒46が分散して担持されており、更に触媒担体45の表面上にはNOx吸収剤47の層が形成されている。
本発明による実施例では貴金属触媒46として白金Ptが用いられており、NOx吸収剤47を構成する成分としては例えばカリウムK、ナトリウムNa、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が用いられている。
機関吸気通路、燃焼室2およびNOx吸蔵還元触媒12上流の排気通路内に供給された空気および燃料(炭化水素)の比を排気ガスの空燃比と称すると、NOx吸収剤47は排気ガスの空燃比がリーンのときにはNOxを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOxを放出するNOxの吸放出作用を行う。
即ち、NOx吸収剤47を構成する成分としてバリウムBaを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるNOは図4(A)に示されるように白金Pt46上において酸化されてNO2となり、次いでNOx吸収剤47内に吸収されて酸化バリウムBaOと結合しながら硝酸イオンNO3 -の形でNOx吸収剤47内に拡散する。このようにしてNOxがNOx吸収剤47内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Pt46の表面でNO2が生成され、NOx吸収剤47のNOx吸収能力が飽和しない限りNO2がNOx吸収剤47内に吸収されて硝酸イオンNO3 -が生成される。
これに対し、排気ガスの空燃比がリッチ或いは理論空燃比にされると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向(NO3 -→NO2)に進み、斯くして図4(B)に示されるようにNOx吸収剤47内の硝酸イオンNO3 -がNO2の形でNOx吸収剤47から放出される。次いで放出されたNOxは排気ガス中に含まれる未燃HC,COによって還元される。
このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のNOxがNOx吸収剤47内に吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にNOx吸収剤47のNOx吸収能力が飽和してしまい、斯くしてNOx吸収剤47によりNOxを吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではNOx吸収剤47の吸収能力が飽和する前に燃料添加弁14から燃料を添加することによって排気ガスの空燃比を一時的にリッチにし、それによってNOx吸収剤47からNOxを放出させるようにしている。
次に図1においてNOx吸蔵還元触媒12の上流側に配置された酸化触媒11について説明する。
図5は酸化触媒11の側面断面図を示している。図5に示されるように酸化触媒11はハニカム構造をなしており、真直ぐに延びる複数個の排気ガス流通路65を具備する。この酸化触媒11の基体はアルミナ、又はジルコニア等の複合酸化物からなる。図6(A)および(B)は酸化触媒11の基体の表面部分の断面を図解的に示している。図6(A)および(B)に示されるように基体50の表面上には51で示される白金Ptと52で示されるパラジウムPdとが分散して担持されている。
図5は酸化触媒11の側面断面図を示している。図5に示されるように酸化触媒11はハニカム構造をなしており、真直ぐに延びる複数個の排気ガス流通路65を具備する。この酸化触媒11の基体はアルミナ、又はジルコニア等の複合酸化物からなる。図6(A)および(B)は酸化触媒11の基体の表面部分の断面を図解的に示している。図6(A)および(B)に示されるように基体50の表面上には51で示される白金Ptと52で示されるパラジウムPdとが分散して担持されている。
白金Ptはその表面上に酸素を捕獲する性質を有するが捕獲しうる酸素量は少ない。これに対しパラジウムPdは白金Ptに比べてはるかに多くの酸素を捕獲する能力を有する。従って排気ガスの空燃比がリーンのときには図6(A)に示されるように白金Ptに比べはるかに多くの酸素がパラジウムPd上に捕獲され、貯蔵される。一方、酸化させる能力という点からみると白金Ptは極めて強い酸化力を有するがパラジウムPdの酸化力は弱い。このように白金PtとパラジウムPdはかなり性質が異なる。
さて、前述したように燃料添加弁14から燃料を添加することによって排気ガスの空燃比をリッチにするとNOx吸収剤47からNOxが放出され、放出されたNOxが排気ガス中に含まれる未燃HC,COによって還元される。この場合、添加された燃料が液状であったとすると理論上は排気ガスの空燃比がリッチになったとしても排気ガス中の酸素濃度が低下するわけではないのでNOx吸収剤47からNOxが放出しない。しかしながら本願発明では添加された燃料が液状であったとしてもNOx吸収剤47からNOxを良好に放出させることができる。
即ち、燃料添加弁14から添加された燃料の一部はガス化するが大部分の燃料は液滴の形で排気通路内を排気ガスと共に流れ、次いでこれら燃料液滴は酸化触媒11上に付着する。その結果、図6(B)に示されるように白金PtおよびパラジウムPdは燃料液滴53により覆われることになる。白金Ptが燃料液滴53により覆われると排気ガス中に含まれる酸素は付着している燃料液滴53により阻まれて白金Ptの表面に到達することができない。従って白金Ptのみに注目すると白金Ptの酸化性がいくら強くても燃料液滴53の酸化反応はさほど進行せず、斯くして燃料液滴53はさほど気化しない。
これに対し、パラジウムPd上には多量の酸素が貯蔵されているためにパラジウムPdが燃料液滴53によって覆われるとこの燃料液滴53はパラジウムPd上の多量の酸素によって酸化せしめられる。このとき多量の酸化反応熱が発生する。この酸化反応熱によってパラジウムPdを覆う燃料液滴53はもとより白金Ptを覆う燃料液滴53が気化せしめられる。白金Ptを覆う燃料液滴53が気化せしめられると排気ガス中の酸素が白金Ptの表面上に到達しうるようになり、その結果白金Pt上において未燃HC,COの酸化反応が活発に行われることになる。その結果、排気ガス中の酸素濃度が低下するためにNOx吸収剤47からNOxが放出され、気化した未燃HC,COによって放出されたNOxが還元される。
このように酸化触媒11上に白金Ptに加えパラジウムPdを担持させることによってNOx吸収剤47からNOxを放出させ、還元することができる。ところが、白金PtとパラジウムPdとの和を一定にした場合において、パラジウムPdの量を多くし、白金Ptの量を少なくするとパラジウムPdの貯蔵酸素の酸化反応熱により白金Pt上の燃料液滴53の気化が促進されるが、白金Ptの量が少ないために未燃HC,COが十分に酸化されず、結果として良好なNOxの放出作用が得られない。
これに対し、パラジウムPdの量を少なくし、白金Ptの量を多くするとパラジウムPdの貯蔵酸素の酸化反応熱による白金Pt上の燃料液滴53の気化が十分に促進されないためにたとえ白金Ptの量が多くても十分な量の未燃HC,COが酸化されず、従ってこの場合も良好なNOxの放出作用が得られない。即ち、良好なNOx放出作用の得られる白金PtとパラジウムPdとの比率は極度に大きくなることもなく極度に小さくなることもなく、適切な比率の範囲が存在することになる。
図7は単位時間当りの酸化量を表している酸化速度と、白金Ptのモル数およびパラジウムPdのモル数の和に対する白金Ptのモル数の比率(以下、白金モル比率と称する)との関係を示す実験結果を示している。図7において酸化速度が高くなるほどNOx吸収剤47からのNOxの放出作用は良好となり、従って図7に示されるように白金モル比率がほぼ66パーセントのときにNOxの放出作用が最も良好となる。
図8はNOx放出作用官完了後のNOx浄化率と、酸化触媒11の温度Tcとの関係を示す実験結果を示している。なお、図8において黒丸は酸化触媒11上に白金Ptのみを担持した場合、即ち白金モル比率が100パーセントの場合を示しており、白丸は白金モル比率が66パーセントの場合を示している。白金モル比率が100パーセントの場合でも66パーセントの場合でも酸化触媒11の温度Tcが高くなるにつれてNOx浄化率が高くなるが、いかなる温度Tcであっても白金モル比率が66パーセントの場合の方が白金モル比率が100パーセントの場合に比べてNOx浄化率が高いことがわかる。
図9は図8において酸化触媒11の温度Tcが350℃のときのNOx浄化率と白金モル比率との関係を示している。図9に示されるNOx浄化率の変化パターンは図7に示される酸化速度の変化パターンと同一の傾向を有しており、図9に示されるようにNOx浄化率は白金モル比率がほぼ66パーセントのときに最も高くなる。従って酸化触媒11に担持すべき白金PtおよびパラジウムPdの量は白金モル比率がほぼ66パーセントとなるように定めるのが最も好ましいと言える。
なお、最大のNOx浄化率に対してNOx浄化率が低くなっても低下度合が5パーセント程度であれば依然としてほぼ最大のNOx浄化率であると言うことができ、このようにNOx浄化率がほぼ最大のNOx浄化率であると言える白金モル比率の範囲は図9においてXで示されるようにほぼ58パーセントからほぼ75パーセントの間となる。従って白金モル比率はほぼ58パーセントからほぼ75パーセントの間に設定するのが好ましいと言える。
なお、NOx浄化率が最大のNOx浄化率に対して10パーセント程度低くても実用面からみて使用可能であり、NOx浄化率が最大のNOx浄化率に対し10パーセント低い白金モル比率の範囲は図9においてYで示されるようにほぼ50パーセントからほぼ80パーセントの間となる。従って実用面からみた場合には白金モル比率はほぼ50パーセントから80パーセントの間に設定すればよいことになる。
図2に示される実施例ではNOx吸蔵還元触媒12の触媒担体45(図4)上に白金Ptに加えパラジウムPdが担持される。この場合のNOx浄化率も図9に示されるNOx浄化率とほぼ同じになる。従ってこの場合もNOx浄化率は白金モル比率がほぼ66パーセントのときに最も高くなる。従ってNOx吸蔵還元触媒12に担持すべき白金PtおよびパラジウムPdの量は白金モル比率がほぼ66パーセントとなるように定めるのが最も好ましいと言える。
また、図2に示される実施例でもNOx浄化率がほぼ最大のNOx浄化率であると言える白金モル比率の範囲はほぼ58パーセントからほぼ75パーセントの間となり、従ってこの実施例でも白金モル比率はほぼ58パーセントからほぼ75パーセントの間に設定するのが好ましいと言える。
また、図2に示される実施例でもNOx浄化率が最大のNOx浄化率に対し10パーセント低い白金モル比率の範囲、即ち実用面からみて使用可能な白金モル比率の範囲はほぼ50パーセントからほぼ80パーセントの間となり、従ってこの実施例でも実用面からみた場合には白金モル比率はほぼ50パーセントから80パーセントの間に設定すればよいことになる。
図10は例えばガソリンエンジンにおいて燃焼室内における空燃比をリッチにした場合、即ちガス状をなす排気ガス自体の空燃比がリッチにされた場合におけるNOx吸蔵還元触媒12から流出した排気ガス中のNOx濃度を、酸化触媒11上に白金Ptのみを担持した場合と、白金PtおよびパラジウムPdを担持した場合とについて夫々示している。図10からわかるように排気ガスの空燃比がリッチにされたときのNOx濃度は酸化触媒11上に白金Ptのみが担持されているときには低いが、酸化触媒11上に白金PtおよびパラジウムPdが担持されているときには高くなる。
即ち、排気ガスの空燃比がリッチにされると排気ガス中の酸素濃度が低下するためにNOx吸収剤47からNOxが放出される。ところが酸化触媒11上にパラジウムPdが担持されていると排気ガス中に含まれる未燃HC,COがパラジウムPd上に貯蔵されている多量の酸素によって酸化され、放出したNOxが未燃HC,COによって還元されなくなる。その結果、酸化触媒11上に白金PtおよびパラジウムPdが担持されているときにはNOx濃度が高くなる。
即ち、NOx吸収剤47からNOxを放出すべきときに排気ガスの空燃比がガス状態でリッチにされるときには酸化触媒11上にパラジウムPdを担持させておくと多量のNOxが大気中に排出され、斯くしてNOx浄化率が低下してしまう。しかしながらパラジウムPdを担持した同じ酸化触媒11を用いたとしてもNOx吸収剤47からNOxを放出すべきときに排気ガス中に燃料が液滴の形で添加された場合には逆に高いNOx浄化率が得られる。このようにNOxの浄化という点からみると、パラジウムPdは燃料が液滴の形で添加された場合に有効に作用することになる。
次に図11を参照しつつNOx放出制御について説明する。
図11はNOx吸蔵還元触媒12に吸蔵されたNOx量ΣNOXの変化と、NOx放出のために燃料を添加して排気ガスの空燃比A/Fをリッチにするタイミングを示している。機関から単位時間当りに排出されるNOx量は機関の運転状態に応じて変化し、従って単位時間当りにNOx吸蔵還元触媒12内に吸蔵されるNOx量も機関の運転状態に応じて変化する。本発明による実施例ではNOx吸蔵還元触媒12に単位時間当り吸蔵されるNOx量NOXAが要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数として図12に示すマップの形で予めROM32内に記憶されており、このNOx量NOXAを積算することによってNOx吸蔵還元触媒12に吸蔵されたNOx量ΣNOXが算出される。
図11はNOx吸蔵還元触媒12に吸蔵されたNOx量ΣNOXの変化と、NOx放出のために燃料を添加して排気ガスの空燃比A/Fをリッチにするタイミングを示している。機関から単位時間当りに排出されるNOx量は機関の運転状態に応じて変化し、従って単位時間当りにNOx吸蔵還元触媒12内に吸蔵されるNOx量も機関の運転状態に応じて変化する。本発明による実施例ではNOx吸蔵還元触媒12に単位時間当り吸蔵されるNOx量NOXAが要求トルクTQおよび機関回転数Nの関数として図12に示すマップの形で予めROM32内に記憶されており、このNOx量NOXAを積算することによってNOx吸蔵還元触媒12に吸蔵されたNOx量ΣNOXが算出される。
一方、図11においてMAXはNOx吸蔵還元触媒12が吸蔵しうる最大NOx吸蔵量を表しており、NXはNOx吸蔵還元触媒12に吸蔵させることのできるNOx量の許容値を表している。従って図11に示されるようにNOx量ΣNOXが許容値NXに達すると燃料が添加されてNOx吸蔵還元触媒12に流入する排気ガスの空燃比A/Fが一時的にリッチにされ、それによってNOx吸蔵還元触媒12からNOxが放出される。
一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はNOx吸蔵還元触媒12を担持しているパティキュレートフィルタ12a上に捕集され、順次酸化される。しかしながら捕集される粒子状物質の量が酸化される粒子状物質の量よりも多くなると粒子状物質がパティキュレートフィルタ12a上に次第に堆積し、この場合粒子状物質の堆積量が増大すると機関出力の低下を招いてしまう。従って粒子状物質の堆積量が増大したときには堆積した粒子状物質を除去しなければならない。この場合、空気過剰のもとでパティキュレートフィルタ12aの温度を600℃程度まで上昇させると堆積した粒子状物質が酸化され、除去される。
そこで本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ12a上に堆積した粒子状物質の量が許容量を越えたときには排気ガスの空燃比がリーンのもとでパティキュレートフィルタ12aの温度を上昇させ、それによって堆積した粒子状物質を酸化除去するようにしている。具体的に言うと本発明による実施例では差圧センサ21により検出されたパティキュレートフィルタ12aの前後差圧ΔPが許容値PXを越えたときに堆積粒子状物質の量が許容量を越えたと判断され、このときパティキュレートフィルタ12aに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しつつ燃料添加弁14から燃料を添加してこの添加された燃料の酸化反応熱によりパティキュレートフィルタ12aの温度を上昇させる昇温制御が行われる。
図13は排気浄化処理ルーチンを示している。
図13を参照するとまず初めにステップ100において図12に示すマップから単位時間当り吸蔵されるNOx量NOXAが算出される。次いでステップ101ではこのNOXAがNOx吸蔵還元触媒12に吸蔵されているNOx量ΣNOXに加算される。次いでステップ102では吸蔵NOx量ΣNOXが許容値NXを越えたか否かが判別され、ΣNOX>NXとなったときにはステップ103に進んで燃料添加弁14からの燃料添加処理が行われる。次いでステップ104では差圧センサ21によりパティキュレートフィルタ12aの前後差圧ΔPが検出される。次いでステップ105では差圧ΔPが許容値PXを越えたか否かが判別され、ΔP>PXとなったときにはステップ106に進んでパティキュレートフィルタ12aの昇温制御が行われる。
図13を参照するとまず初めにステップ100において図12に示すマップから単位時間当り吸蔵されるNOx量NOXAが算出される。次いでステップ101ではこのNOXAがNOx吸蔵還元触媒12に吸蔵されているNOx量ΣNOXに加算される。次いでステップ102では吸蔵NOx量ΣNOXが許容値NXを越えたか否かが判別され、ΣNOX>NXとなったときにはステップ103に進んで燃料添加弁14からの燃料添加処理が行われる。次いでステップ104では差圧センサ21によりパティキュレートフィルタ12aの前後差圧ΔPが検出される。次いでステップ105では差圧ΔPが許容値PXを越えたか否かが判別され、ΔP>PXとなったときにはステップ106に進んでパティキュレートフィルタ12aの昇温制御が行われる。
図14(A)および(B)に夫々別の実施例を示す。
パラジウムPdを担持している担体に、パラジウムPdに対し電子を供与することのできる塩基性の元素を含有させるとパラジウムPdの表面上に多数の電子が集まる。このようにパラジウムPdの表面上に多数の電子が集まると排気ガス中に含まれる多量の酸素が電子を求めてパラジウムPdの表面上に吸着し、斯くしてパラジウムPdの酸素吸蔵量が増大する。従って図14(A)および(B)に示す実施例ではパラジウムPdの酸素吸蔵量を増大するためにパラジウムPdを担持している担体に、パラジウムPdに対し電子を供与することのできる塩基性の元素、例えばアルカリ土類或いは希土類の元素を含有させるようにしている。
パラジウムPdを担持している担体に、パラジウムPdに対し電子を供与することのできる塩基性の元素を含有させるとパラジウムPdの表面上に多数の電子が集まる。このようにパラジウムPdの表面上に多数の電子が集まると排気ガス中に含まれる多量の酸素が電子を求めてパラジウムPdの表面上に吸着し、斯くしてパラジウムPdの酸素吸蔵量が増大する。従って図14(A)および(B)に示す実施例ではパラジウムPdの酸素吸蔵量を増大するためにパラジウムPdを担持している担体に、パラジウムPdに対し電子を供与することのできる塩基性の元素、例えばアルカリ土類或いは希土類の元素を含有させるようにしている。
即ち、図14(A)は図6(A)と同様に酸化触媒11の基体50の表面部分の断面を示しており、この実施例では図14(A)に示されるように基体50内に希土類元素であるランタンLaが含有せしめられている。この実施例ではこのランタンLaは基体50の熱安定剤としての機能も果している。一方、図14(B)は酸化触媒11が粒子状担体の集合体からなる場合の実施例を示している。この実施例では粒子状担体がアルカリ土類或いは希土類元素を含む塩基性担体70と、タングステン或いはチタニア等の電気陰性度の高い元素を含む酸性担体71からなり、白金Ptに加えてパラジウムPdが塩基性担体70上に選択的に担持されている。
5 排気マニホルド
11 酸化触媒
12 NOx吸蔵還元触媒
14 燃料添加弁
45 触媒担体
46 白金Pt
47 NOx吸収剤
50 基体
51 白金Pt
52 パラジウムPd
11 酸化触媒
12 NOx吸蔵還元触媒
14 燃料添加弁
45 触媒担体
46 白金Pt
47 NOx吸収剤
50 基体
51 白金Pt
52 パラジウムPd
Claims (7)
- 機関排気通路内に燃料を微粒化された液滴の形で添加する燃料添加装置を配置し、燃料添加装置下流の機関排気通路内に酸化触媒を配置し、酸化触媒下流の機関排気通路内に、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を放出するNOx吸蔵還元触媒を配置し、NOx吸蔵還元触媒からNOxを放出するためにNOx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには燃料添加装置から燃料を添加すると共にこのとき添加された燃料が液滴の形で酸化触媒上に付着する内燃機関において、液滴の形で酸化触媒上に付着した燃料を気化させるために酸化触媒上に貴金属として白金Ptに加えパラジウムPdが担持されており、酸化触媒上に担持されている白金PtとパラジウムPdとの和に対する白金Ptのモル比率がほぼ50パーセントからほぼ80パーセントの間に設定されている内燃機関の排気浄化装置。
- 酸化触媒上に担持されている白金PtとパラジウムPdとの和に対する白金Ptのモル比率がほぼ58パーセントからほぼ75パーセントの間に設定されている請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 酸化触媒の担体がアルカリ土類又は希土類から選ばれた少なくとも一つを含む塩基性担体からなる請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- NOx吸蔵還元触媒がパティキュレートフィルタ上に担持されている請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 機関排気通路内に燃料を微粒化された液滴の形で添加する燃料添加装置を配置し、燃料添加装置下流の機関排気通路内に、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を放出するNOx吸蔵還元触媒を配置し、NOx吸蔵還元触媒からNOxを放出するためにNOx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチにするときには燃料添加装置から燃料を添加すると共にこのとき添加された燃料が液滴の形でNOx吸蔵還元触媒上に付着する内燃機関において、液滴の形でNOx吸蔵還元触媒上に付着した燃料を気化させるためにNOx吸蔵還元触媒上に貴金属として白金Ptに加えパラジウムPdが担持されており、NOx吸蔵還元触媒上に担持されている白金PtとパラジウムPdとの和に対する白金Ptのモル比率がほぼ50パーセントからほぼ80パーセントの間に設定されている内燃機関の排気浄化装置。
- NOx吸蔵還元触媒上に担持されている白金PtとパラジウムPdとの和に対する白金Ptのモル比率がほぼ58パーセントからほぼ75パーセントの間に設定されている請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- NOx吸蔵還元触媒がパティキュレートフィルタ上に担持されている請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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