JP4728395B2 - 窒素酸化物吸蔵触媒を再生するための方法 - Google Patents

Description

本発明は窒素酸化物吸蔵触媒を再生するための方法であって、当該方法が、再生時に一般的に発生する、炭化水素および一酸化炭素の短時間のエミッションピークを吸蔵運転に戻す際に低下させる。当該方法は、劣化により既に損なわれた触媒において特に有利である。これらの触媒は頻繁に新鮮な触媒として再生されなければならない。

窒素酸化物吸蔵触媒は、いわゆるリーンバーンエンジンのリーンな排気ガス中に含まれている窒素酸化物を除去するために使用される。この場合、浄化作用は、エンジンのリーンバーン運転段階（吸蔵段階、リーンバーン運転）において、窒素酸化物が吸蔵触媒の吸蔵材料によって硝酸塩として吸蔵されることに基づく。続くエンジンのリッチバーン運転段階（再生段階、リッチバーン運転）において、事前に形成された硝酸塩は分解され、再び遊離する窒素酸化物は還元性作用のあるリッチな排気ガスの成分と反応して、リッチバーン運転中に吸蔵触媒において窒素、炭酸ガスおよび水が形成される。排気ガスのリッチな成分として、炭化水素、一酸化炭素および水素が挙げられる。

窒素酸化物吸蔵触媒の作動形式は、ＳＡＥの刊行物であるＳＡＥ９５０８０９に詳細に記載されている。窒素酸化物吸蔵触媒の組成は当業者には公知である。窒素酸化物吸蔵触媒は通常、適切な担持材料に純粋に分割されて施与されている、たとえば酸化物、水酸化物またはバリウムおよびストロンチウムの炭酸塩といったアルカリ金属またはアルカリ土類金属の基礎的な結合体である。さらに窒素酸化物吸蔵触媒は、さらに白金族の触媒活性の貴金属および酸素吸蔵材料を有している。この組成は窒素酸化物吸蔵触媒に作業時の化学量論的条件下で三元触媒の機能を付与する。

吸蔵段階（リーンバーン運転）は通常１００〜２００秒続き、触媒の吸蔵容量と排気ガス中の窒素酸化物の濃度に関係する。また減じられた吸蔵容量を有する劣化した触媒においては、吸蔵段階の長さは５０秒以下に落ちる。これに対して再生段階（リッチバーン）は、常に実質的により短く、数秒しか続かない。再生中に窒素酸化物吸蔵触媒から排出する排気ガスは実質的に有害物質をもはや有しておらず、化学量論的に組成されている。排気ガスの空気過剰率λはこの時間中はほぼ１である。

再生段階の最後に解放された窒素酸化物と、触媒の酸素吸蔵成分に結合された酸素とは、全てのリッチな排気ガス成分を酸化するにはもはや十分ではない。従ってこの成分は触媒を突破し、空気過剰率は１より下の値に低下する。この突破は再生の終了を示し、いわゆるラムダセンサによって吸蔵触媒の後方で検知することができる。

つまり吸蔵触媒の再生は必然的に炭化水素および一酸化炭素の短いエミッションピークと結び付いていて、エミッションピークはさらに以下の効果により強化される。つまりエンジンと吸蔵触媒との間の排気ガス管路が、一般的に有限の長さを有しているということである。リッチバーンからリーンバーンへの切換え中に全排気ガス管路にはなおリッチな排気ガスが充填されている。このリッチな排気ガスは切換え後に、エンジンの今やリーンな排気ガスにより触媒を介して環境に押し出される。触媒はリッチな排気ガスのこの残りの部分をもはや浄化することはできない。なぜならば予め吸蔵された酸化成分は既にリッチバーン運転中に消費されたからである。つまり再生の最後には炭化水素および一酸化炭素の補強されたエミッションピークが起こる。

本発明の課題は、エミッションピークを低減し、特に既に劣化した吸蔵触媒において総じて改良された排気ガス浄化を可能にすることができる方法を提供することである。

この課題は、リーンバーンエンジンの排気ガス管路に配置されている窒素酸化物吸蔵触媒を再生する方法において、エンジンをリーンな排気ガスを有するリーンバーン運転からリッチな排気ガスを有するリッチバーン運転に切り換えることで窒素酸化物吸蔵触媒を再生し、この再生が行われた後でリーンバーン運転に再度切り換えて、窒素酸化物吸蔵触媒を再生する方法により解決される。当該方法は、リーンバーン運転への再度の切換えと共に、これによって生じたエンジンのリーンな排気ガスが、吸蔵触媒に達するまで、吸蔵触媒の直ぐ手前に空気を排気ガスに吹き込み、これによって、なおリッチな排気ガス組成を化学量論的な組成またはリーンな組成へと短時間で移行する。

排気ガス管路への空気の一時的な供給は、たとえば既にドイツ連邦共和国特許第１９８０２６３１号明細書から公知である。この明細書には窒素酸化物吸蔵触媒と、その手前で排気ガス管路に挿入された硫黄酸化物吸蔵触媒とから成る、リーンバーンエンジのための排気ガス浄化システムが記載されている。この明細書では、硫黄酸化物吸蔵触媒の温度を脱硫の目的で脱硫温度にまで上げるために、付加的な空気が利用される。この場合、付加的な空気の酸素は熱エネルギの解放下にある硫黄酸化物吸蔵触媒において、還元性の排気ガス組成を保持したままで、排気ガスの還元性の成分の一部分と反応する。付加的な空気の供給は、リーンバーン運転からリッチバーン運転へのエンジンの切換えで始まる。

これに対して本発明によれば、リッチバーン運転からリーンバーン運転への切換後に、エンジンと触媒との間の排気ガス管路内にまだあるリッチな排気ガスの組成が、空気供給により化学量論的または化学量論的過剰量のリーンな領域に移されるので、吸蔵触媒は排気ガス中に含まれる還元性の成分を酸素と反応させることができる。従ってリッチバーン運転からリーンバーン運転への切換え時に必然的に発生するエミッションピークは、還元性の排気ガス成分によって必要な最小限度まで減じられる。

空気供給の長さはエンジンと触媒との間の排気ガスの通過所要時間に関係し、排気ガス管路の長さと、エンジンのそれぞれの運転点における運転排気ガスの流れ速度とからもたらされる。排気ガスに供給される空気過剰率は、吸蔵触媒への進入前の排気ガスの空気量を化学量論的または化学量論的過剰量なリーンな範囲に移すことが望まれる。有利には、空気供給の強さは、もたらされるガス混合物が１以上の空気過剰率λを有しているように設定され、特に１と１，３との間、特に有利には１と１，０５との間にある。極めて強力な空気供給は、冷たい空気による排気ガスの冷却を可能な限り僅かに保つために避けることが望ましい。

本発明に係る窒素酸化物吸蔵触媒を再生するための方法は、リーンバーンエンジンの排気ガス管路に配置されている窒素酸化物吸蔵触媒を再生する方法であって、エンジンをリーンな排気ガスを有するリーンバーン運転からリッチな排気ガスを有するリッチバーン運転に切り換えることで窒素酸化物吸蔵触媒を再生し、該再生が行われた後でリーンバーン運転に再度切り換えて、窒素酸化物吸蔵触媒を再生する方法において、リーンバーン運転への再度の切換えと共に、エンジンのこれによって生じたリーンな排気ガスが、吸蔵触媒に達するまで、吸蔵触媒の直ぐ手前に空気を排気ガスに吹き込み、これによりなおリッチな排気ガス組成を、化学量論的な組成またはリーンな組成へと短時間で移行することを特徴とする。

本発明に係る方法は、排気ガスに吹き込まれる空気の量を、この結果生じるガス混合物が、１以上の空気過剰率λを有しているように設定する。

本発明に係る方法は、排気ガスに吹き込まれた空気の量を、この結果生じるガス混合物が、１と１，０５との間の空気過剰率λを有しているように設定する。

本発明に係る方法は、必要な空気を二次空気ポンプによって提供し、弁によって適切な時点および適切な量で排気ガスに混加する。

本発明に係る方法は、二次空気ポンプを連続的に運転する。

本発明に係る方法は、二次空気ポンプを、リッチバーン運転の終了直前で初めて開始し、排気ガスへの空気供給の終了後に再び停止する。

本発明に係る方法は、二次空気ポンプをリッチバーン運転の始まりと共に開始する。

本発明に係る方法は、二次空気ポンプが、空気を圧縮空気アキュムレータに供給し、該圧縮空気アキュムレータ（８）から空気供給のための空気を、弁を介して取り出す。

本発明を以下に図１および図２に基づき詳細に説明する。

図１によれば、内燃機関（１）は排気ガス浄化装置（２）を備えている。この排気ガス浄化装置（２）は、窒素酸化物吸蔵触媒を備えたコンバータケーシング（３）を内蔵している。このコンバータケーシング（３）は排気ガス管路（４）とエキゾーストマニホールドとを介して内燃機関のシリンダに結合されている。空気供給のために窒素酸化物吸蔵触媒の直ぐ手前には二次空気ポンプが設けられている。空気供給管路（６）は吸蔵触媒の直ぐ手前で排気ガス装置に通じている。この場合、合流はコンバータケーシングの直ぐ手前で行うことができるか、または直接コンバータケーシング内へと行うことができる。空気供給の適時および適量な調量のために調量弁（７）が働く。

既述したように、吸蔵触媒の再生にはほんの数秒しかかからず、残りのリッチな排気ガスを後続のリーンな排気ガスによりエンジンのシリンダと吸蔵触媒との間の排気ガス管路から押し出すことは、それどころか一瞬のうちに既に終了する。従って、空気の迅速な提供を保証するために二次空気ポンプを持続的に運転させ、適切な時点で弁によって空気の調量を行うことは有利である。しかし、二次空気ポンプを常に再生段階の開始で初めて始動させ、空気の調量も弁で行うことはエネルギ節約的である。空気供給の停止後には、二次空気ポンプも再び止められる。

図２の内燃機関には代替的な二次空気案内部が備え付けられている。このアッセンブリには圧縮空気アキュムレータ（８）が設けられている。この圧縮空気アキュムレータ（８）から空気供給のための空気は弁（６）を介して取り出される。圧縮空気アキュムレータ内の圧力は、二次空気ポンプによって予め規定された圧力インターバルで保持される。二次空気ポンプは常に、アキュムレータ内の圧力が下側の限界値を下回ると始動され、圧力が予め規定された上側の限界値を上回ると止められる。こうして二次空気ポンプの開始工程は再生結果から切り離され、開始工程の回数は図１のアッセンブリと比べて全体的に減じられる。

本発明の方法を実行するための排気ガス浄化装置と二次空気供給装置とをそなえた内燃機関を示した図である。 本発明の方法を実行するための排気ガス浄化装置と代替的な二次空気供給装置とをそなえた内燃機関を示した図である。

Claims (8)

1. リーンバーンエンジンの排気ガス管路に配置されている窒素酸化物吸蔵触媒を再生するための方法であって、エンジンをリーンな排気ガスを有するリーンバーン運転からリッチな排気ガスを有するリッチバーン運転に切り換えることで窒素酸化物吸蔵触媒を再生し、該再生が行われた後でリーンバーン運転に再度切り換えて、窒素酸化物吸蔵触媒を再生するため方法において、
   リーンバーン運転への再度の切換えと共に、エンジンのこれによって生じたリーンな排気ガスが、吸蔵触媒に達するまで、吸蔵触媒の直ぐ手前に空気を排気ガスに吹き込み、これによりなおリッチな排気ガス組成を、化学量論的な組成またはリーンな組成へと短時間で移行することを特徴とする、窒素酸化物吸蔵触媒を再生するための方法。
2. 排気ガスに吹き込まれる空気の量を、この結果生じるガス混合物が、１以上の空気過剰率λを有しているように設定する、請求項１記載の方法。
3. 排気ガスに吹き込まれた空気の量を、この結果生じるガス混合物が、１と１，０５との間の空気過剰率λを有しているように設定する、請求項２記載の方法。
4. 必要な空気を二次空気ポンプ（５）によって提供し、弁（７）によって適切な時点および適切な量で排気ガスに混加する、請求項１記載の方法。
5. 二次空気ポンプを連続的に運転する、請求項４記載の方法。
6. 二次空気ポンプを、リッチバーン運転の終了直前で初めて開始し、排気ガスへの空気供給の終了後に再び停止する、請求項４記載の方法。
7. 二次空気ポンプをリッチバーン運転の始まりと共に開始する、請求項４記載の方法。
8. 二次空気ポンプが、空気を圧縮空気アキュムレータ（８）に供給し、該圧縮空気アキュムレータ（８）から空気供給のための空気を、弁（７）を介して取り出す、請求項４記載の方法。

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