JP4803026B2

JP4803026B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP4803026B2
Application number: JP2006355925A
Authority: JP
Inventors: 裕人平田; 将也井部; 真由子大崎; 雅也鎌田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP2008163886A

Description

この発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。

従来、例えば、特開２００２−８９２４６号公報に開示されるように、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、「ＮＳＲ触媒」と称す）を有する排気ガス浄化装置が知られている。ＮＳＲ触媒は、より具体的には、内燃機関から排出される燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、および炭化水素（ＨＣ）等を浄化処理する触媒機能と、ＮＯｘを触媒内部に吸蔵する機能と、を備えた触媒である。還元剤が不足するリーン運転時には、触媒で浄化処理されないＮＯｘが大気に放出されるおそれがある。ＮＳＲ触媒によれば、ＮＯｘを触媒内部に吸蔵し、触媒活性後のリッチ或いはストイキ運転時に、吸蔵されていたＮＯｘとＨＣ等の還元剤とを反応させ、浄化処理することができる。

また、触媒活性が発現していない内燃機関の冷間始動時においては、ＮＯｘの酸化反応が活性化されず、上述した吸蔵反応が効率よく行われない。そこで、上記従来のシステムによれば、冷間始動時において排気ガスにオゾンが添加される。オゾンはＮＯｘを気相で酸化させることができる。このため、触媒活性発現前であってもＮＯｘを効果的に酸化させることができ、ＮＯｘの吸蔵量を増加させることができる。

特開２００２−８９２４６号公報特開平５−１９２５３５号公報特表２００５−５３８２９５号公報特開平９−２３５１０３号公報特開２００１−１９４０７号公報

ところで、内燃機関から排出されるＮＯｘ量は、当該内燃機関の運転状態等によって変化する。このため、内燃機関の冷間始動時にオゾンを添加する上記従来のシステムにおいては、排出されるＮＯｘ量に応じた量のオゾンを生成しなければならず、ＮＯｘ排出量が多量な場合等、一時的に生成されるオゾンが不足してしまうことも考えられる。かかる事態を回避するために、オゾン生成能力の高い大型のオゾン発生装置を使用することも考えられるが、システムの重量・体格が増加してしまうため、車両等の移動体に搭載するには不向きである。したがって、上記従来のシステムにおいては、排出されるＮＯｘを効果的に吸蔵することができず、ＮＯｘ浄化性能が低下してしまうおそれがあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＮＯｘの浄化性能を向上させることのできる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に設けられた排気ガス浄化装置であって、
ＮＯｘ保持材と、
オゾンを生成するオゾン生成手段と、
前記オゾン生成手段により生成されたオゾンを貯蔵するオゾン貯蔵手段と、
前記ＮＯｘ保持材の上流に、前記オゾン貯蔵手段により貯蔵されているオゾンを導入するオゾン導入手段と、を備え、
前記ＮＯｘ保持材は、３元触媒の上流に配置されていることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記ＮＯｘ保持材は、３元触媒と一体化されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒であることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記オゾン貯蔵手段は耐圧容器を備え、オゾンを前記耐圧容器に圧縮して貯蔵することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記オゾン貯蔵手段はオゾンを吸着するオゾン吸着材を備え、オゾンを前記オゾン吸着剤に吸着して貯蔵することを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記オゾン吸着材はシリカゲルを成分に含むことを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記オゾン生成手段は、前記内燃機関の運転中にオゾンを生成することを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、
前記オゾン導入手段は、前記内燃機関の始動直後にオゾンを導入することを特徴とする。

第１の発明によれば、オゾン生成手段により生成されたオゾンをオゾン貯蔵手段により貯蔵することができる。このため、本発明によれば、貯蔵されたオゾンを有効に使用することにより、オゾンの生成遅れによるオゾン不足を回避し、ＮＯｘを吸蔵或いは吸着するＮＯｘ保持材における保持性能の低下を効果的に抑制することができる。また、生成されたオゾンを貯蔵しておくことができるので、オゾンを一時期に多量に生成する必要がない。このため、オゾン生成能力の低い小型のオゾン発生装置を使用することができ、システム効率を向上させることができる。
また、ＮＯｘ保持材に担持されている吸蔵元素は、触媒の貴金属にとって触媒毒になると考えられている。本発明によれば、内燃機関の排気通路において、ＮＯｘ保持材と３元触媒とが別々に配置されるので、３元触媒の活性をより高めることができる。また、３元触媒がＮＯｘ保持材よりも下流に配置されるので、３元触媒の活性がある程度発現した後は、ＮＯｘ保持材に吸蔵されなかったＮＯｘを３元触媒において浄化処理することができ、ＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。

第２の発明によれば、ＮＯｘ保持材と３元触媒とが一体化されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒が使用されるので、脱離したＮＯｘを効率よく触媒上で反応させることができる。また、一体化されることにより部品点数が削減されるので、製造コストを抑えることができる。

第３の発明によれば、オゾン貯蔵手段として耐圧容器を備えているので、オゾンを圧縮することにより簡易に貯蔵することができる。

第４の発明によれば、オゾン貯蔵手段としてオゾン吸着材を備えているので、オゾンをオゾン吸着材に吸着させることにより、簡易に貯蔵することができる。

第５の発明によれば、オゾンを吸着する機能を備えるシリカゲルをオゾン吸着材として使用することができる。

第６の発明によれば、内燃機関の運転中にオゾンが生成されるので、当該内燃機関のエネルギを利用してオゾンを生成することができる。

第７の発明によれば、内燃機関の始動直後にオゾン貯蔵手段に貯蔵されていたオゾンがＮＯｘ保持材の上流に導入される。このため、本発明によれば、触媒活性発現前においてオゾンを効果的にＮＯｘ保持材に導入し、ＮＯｘの吸蔵性能を向上させることができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図を示す。図１に示すとおり、本実施の形態の排気ガス浄化装置１０は、内燃機関（以下、単に「エンジン」とも称す）
１２に取り付けられている。

エンジン１２の排気側には、排気管１４が接続されている。排気管１４の途中には、排気浄化触媒２０が配置されている。また、排気浄化触媒２０の内部には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒２２（以下、「ＮＳＲ触媒２２」と称す）が配置されている。ＮＳＲ触媒２２の内部には、セラミックス担体上に貴金属である白金（Ｐｔ）と炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３）とが担持されている。ＰｔはＣＯ、ＨＣ等の酸化反応、或いはＮＯｘの還元反応を活性させる活性点として機能する。また、ＢａＣＯ_３は、ＮＯｘを硝酸塩として吸蔵するＮＯｘ吸蔵剤として機能する。尚、以下、Ｐｔが担持された担体を「触媒」と、ＢａＣＯ_３が担持された担体を「ＮＯｘ保持材」と称す。

本実施の形態の排気ガス浄化装置１０は、オゾン供給装置３０を備えている。オゾン供給装置３０は、より具体的には、空気口３２から導入された酸素を利用してオゾン（Ｏ_３）を生成するオゾン発生器３６を備えている。オゾン発生器３６には配管３８が接続されており、その先端部にはオゾン噴射口３４が設けられている。オゾン噴射口３４はＮＳＲ触媒２２に向けてオゾンを噴射するように排気浄化触媒２０に配置されている。

また配管３８には、生成されたオゾンを貯蔵するためのオゾン貯蔵装置４０が配置されている。オゾン貯蔵装置４０は耐圧容器で構成され、その内部にオゾンを吸着するシリカゲルが充填されている。尚、オゾン貯蔵装置４０の構成および機能等に関しては、本発明の主要部ではなく、かつ、公知の技術であるため、その詳細な説明を省略する。

配管３８におけるオゾン貯蔵装置４０の上流には、ポンプ４２が配置されている。ポンプ４２は配管内部のガスを流通させる動力として機能する。また、オゾン貯蔵装置４０の下流には、配管３８の開閉状態を制御するためのバルブ４４が配置されている。

本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０の出力部には、上述したオゾン供給装置３０が接続されている。ＥＣＵ５０の入力部には、エンジン１２の運転条件および運転状態を検出するための種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ５０は、入力された各種の情報に基づいてオゾンの噴射時期および噴射量を算出し、オゾン供給装置３０の種々の機器を駆動する。

［実施の形態１の動作］
（オゾンを利用したＮＯｘ吸蔵還元動作）
次に、図２および図３を参照して、本実施形態の動作について説明する。排気浄化触媒２０の内部に配置されたＮＳＲ触媒２２の触媒上では、ＮＯｘがＨＣ、或いはＣＯと反応し、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２等に分解される。これにより、排気ガスに含まれるＮＯｘを効果的に浄化することとしている。しかしながら、ＮＳＲ触媒２２が活性温度に達していない内燃機関１２の冷間始動時においては、３元活性が低く、排気ガスに含まれるＮＯｘを浄化できない。

そこで、本実施の形態においては、浄化できないＮＯｘを吸蔵して、大気に放出される事態を抑制することとする。ＮＯｘを吸蔵する手段としては、排気ガスにオゾンが導入される。より具体的には、エンジン１２の冷間始動時に、オゾン供給装置３０にて生成されたオゾンが、オゾン噴射口３４からＮＳＲ触媒２２に向けて噴射される。

図２はＮＯｘの吸蔵反応を説明するための模式図であり、ＮＳＲ触媒２２の内部を拡大して示す図である。この図に示すとおり、排気浄化触媒２０が低温である触媒活性前において、ＮＯｘは気相でオゾンと反応し酸化される。より具体的には、以下に示す反応が起きる。
ＮＯ＋Ｏ_３→ＮＯ_２＋Ｏ_２・・・（１）
ＮＯ_２＋Ｏ_３→ＮＯ_３＋Ｏ_２・・・（２）
ＮＯ_２＋ＮＯ_３→Ｎ_２Ｏ_５・・・（３）
（ＮＯ_２＋ＮＯ_３←Ｎ_２Ｏ_５）

ＮＯ_２、ＮＯ_３、或いはＮ_２Ｏ_５に酸化されたＮＯｘは、ＮＯｘ保持材にＢａ（ＮＯ_３）_２等の硝酸塩として吸蔵される。これにより、ＮＯｘを効果的に吸蔵することができ、排気浄化触媒２０の３元活性発現前において、ＮＯｘが大気中に放出されてしまう事態を効果的に抑制することができる。

吸蔵されたＮＯｘは、ＮＳＲ触媒２２が活性した後に、排気ガスに含まれるＨＣ等の還元剤と反応し浄化される。図３はＮＯｘの還元反応を説明するための模式図であり、ＮＳＲ触媒２２の内部を拡大して示す図である。この図に示すとおり、触媒活性後において、吸着されたＮＯｘが排気ガスに含まれるＨＣ等の還元剤により還元され、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２等に分解される。このように、ＮＯｘの吸蔵および還元反応を効率よく行うことにより、触媒活性発現前に吸蔵されたＮＯｘを効果的に浄化することができる。

また、上式（１）および（２）に示すオゾンの気相反応によれば、触媒上でなくてもＮＯｘを酸化させることができるため、例えば、排気浄化触媒２０の内部でＮＯｘ吸蔵剤と貴金属とを分離担持することも可能となる。これにより、貴金属にとって触媒毒となるＮＯｘ吸蔵剤を分離することができ、触媒における浄化効率を向上させることができる。

尚、上述したＮＯｘ吸蔵反応においては、ＮＯ_２、ＮＯ_３、Ｎ_２Ｏ_５、或いはこれらの窒素酸化物が水と反応することにより生成されたＨＮＯ_３の形態であれば吸蔵可能であるが、ＮＯ_２の形態によるＮＯｘ吸蔵量には限界がある。このため、上式（２）の反応が活発に行われることにより、多くのＮＯ_２をＮＯ_３の形態にすることができれば、ＮＯｘ吸蔵量を飛躍的に増大させることができる。

しかしながら、上式（２）の反応に必要な活性化エネルギは、上式（１）の反応に要するエネルギより高いため、上式（１）の反応が上式（２）の反応よりも優先して起きてしまう。このため、排気ガスに含まれるオゾンのモル量がＮＯのモル量よりも小さい場合には、上式（１）の反応までしか起きず、ＮＯはＮＯ_２までしか酸化されないこととなる。

そこで、排気ガスに導入されるオゾンのモル量が、当該排気ガスに含まれるＮＯのモル量よりも大きくなるようにオゾン導入量を制御することとする。これにより、上式（２）の反応によりＮＯ_２をＮＯ_３まで酸化することができ、ＮＯｘ吸蔵量を増大させることができる。

また、好ましくは、排気ガスに導入されるオゾンのモル量が、当該排気ガスに含まれるＮＯのモル量の２倍量以上になるようにオゾン導入量を制御することとすれば、大部分のＮＯをＮＯ_３まで酸化することができ、ＮＯｘ吸蔵量を飛躍的に増大させることができる。

（オゾン貯蔵装置におけるオゾン貯蔵動作）
上述したとおり、本実施の形態においては、エンジン１２の冷間始動時において、ＮＳＲ触媒２２に向けてオゾンが噴射される。これにより、ＮＳＲ触媒２２の３元活性発現前にエンジン１２から排出されるＮＯｘを効果的に吸蔵して、大気への放出を抑制することとしている。

しかしながら、エンジン１２から排出されるＮＯｘ量は、当該エンジン１２の運転状態等によって変化する。このため、多量のＮＯｘが排出された場合においては、必要なオゾン量がオゾン発生器３６のオゾン生成量を超えてしまうおそれがある。かかる場合においては、ＮＳＲ触媒２２に吸蔵することができなかったＮＯｘが、大気へ放出されてしまう。

そこで、本実施の形態においては、オゾン貯蔵装置４０が使用される。オゾン貯蔵装置４０はオゾン発生器３６において生成されたオゾンを内部に蓄えることのできる装置である。オゾン貯蔵装置４０へのオゾン貯蔵動作は、より具体的には、先ず、エンジン１２の運転中にオゾン発生器３６によりオゾンが生成される。次いで、バルブ４４が閉弁された状態でポンプ４２が駆動され、オゾンがオゾン貯蔵装置４０内部に貯蔵される。

オゾン貯蔵装置４０に貯蔵されたオゾンは、エンジン１２の冷間始動時等のオゾン導入期間に、オゾン噴射口３４からＮＳＲ触媒２２に向けて噴射される。より具体的には、バルブ４４が開弁された状態でポンプ４２が駆動される。これにより、排出されたＮＯｘ量に応じた所望量のオゾンを効果的にＮＳＲ触媒２２に導入することができるので、ＮＯｘが多量に排出された場合であっても、効率よくＮＯｘを吸蔵することができる。

また、本実施の形態の排気ガス浄化装置１０によれば、オゾンの添加が行われていない間にオゾンを生成して貯蔵しておくことができるので、オゾン発生器３６を小型化することができ、システム効率を向上させることができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、排気浄化触媒２０の内部に、セラミックス担体上に貴金属であるＰｔとＮＯｘ吸蔵剤として機能するＢａＣＯ３とが担持されたＮＳＲ触媒２２が配置されているが、配置される触媒構成はこれに限られない。すなわち、上式（１）および（２）に示すオゾンの気相反応によれば、触媒上でなくてもＮＯｘを酸化させることができるため、例えば、該ＮＳＲ触媒２２の内部でＮＯｘ吸蔵剤と貴金属とを分離担持することも可能となる。より具体的には、例えば、ＮＯｘ吸蔵剤と貴金属とを、担体の上流側と下流側とに分離して担持する構成としてもよい。

図４は、排気浄化触媒２０の変形例として適用可能な排気浄化触媒６０の内部構成を示す図である。この図に示すとおり、排気浄化触媒６０の内部にはＮＯｘ保持材６２が配置されている。また、ＮＯｘ保持材６２のさらに下流側には、３元触媒６４が配置されている。また、ＮＯｘ保持材６２の上流側には、ＮＯｘ保持材６２に向けてオゾンを噴射するオゾン噴射口３４が配置されている。

このような構成によれば、貴金属が担持された３元触媒６４と、貴金属にとって触媒毒となるＮＯｘ吸蔵剤が担持されたＮＯｘ保持材６２とが別々に配置されるため、触媒の浄化効率を向上させることができる。また、３元触媒６４がＮＯｘ保持材６２よりも下流に配置されるので、３元触媒６４の活性がある程度発現した後は、ＮＯｘ保持材６２に吸蔵できなかったＮＯｘを、３元触媒６４において浄化処理することができ、ＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。

また、ＮＳＲ触媒２２の内部構造は、ＮＯｘ吸蔵剤と貴金属とを、担体の上流側と下流側とに分離して担持する構造だけでなく、担体の上層側と下層側とに分離して担持する構造としてもよい。尚、層状に分離担持する場合には、貴金属をＮＯｘ吸蔵剤の上層に配置し、ＮＯｘ吸蔵剤から放出されるＮＯｘを該貴金属により還元する構成が好ましい。

また、上述した実施の形態１においては、排気浄化触媒２０にオゾン噴射口３４が配置される構成としているが、オゾン噴射口３４の配置はこれに限られない。すなわち、排気浄化触媒２０に導入される排気ガスにオゾンを添加できるのであれば、排気浄化触媒２０の上流の排気管１４に配置される構成でもよい。

また、上述した実施の形態１においては、ＮＯｘ吸蔵剤としてＢａＣＯ_３が使用されているが、材料はこれに限られない。すなわち、Ｎａ，Ｋ，Ｃｓ，Ｒｂなどのアルカリ金属、Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒなどのアルカリ土類金属、Ｙ，Ｃｅ，Ｌａ，Ｐｒなどの希土類元素を必要に応じて用いることとしてもよい。また、ＮＳＲ触媒２２に使用される触媒の材料に関してもＰｔに限定されず、貴金属材料であるＲｈ，Ｐｄ等を必要に応じて用いることとしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、オゾン貯蔵装置４０として、オゾン吸着剤として機能するシリカゲルが内部に充填された耐圧容器が使用されているが、オゾン貯蔵装置４０の構成はこれに限られない。すなわち、オゾンを貯蔵することができるのであれば、耐圧容器のみの構成でもよいし、また、シリカゲルが充填されている容器が耐圧容器である必要もない。また、オゾン吸着剤もシリカゲルに限らず、オゾン吸着剤として機能する他の材料を必要に応じて使用する構成としてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、オゾン供給装置３０が前記第１の発明における「オゾン導入手段」に、オゾン発生器３６が前記第１の発明における「オゾン生成手段」に、オゾン貯蔵装置４０が前記第１の発明における「オゾン貯蔵手段」に、それぞれ相当している。

本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。オゾンを利用したＮＯｘの吸蔵反応を説明するための模式図である。ＮＯｘの還元反応を説明するための模式図である。排気浄化触媒２０の構成の変形例として、排気浄化触媒６０の構成を説明するための図である。

符号の説明

１０排気ガス浄化装置
１２内燃機関（エンジン）
１４排気管
２０排気浄化触媒
２２ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ触媒）
３０オゾン供給装置
３２空気口
３４オゾン噴射口
３６オゾン発生器
３８配管
４０オゾン貯蔵装置
４２ポンプ
４４バルブ
５０ ECU(Electronic Control Unit)
６０排気浄化触媒
６２ＮＯｘ保持材
６４３元触媒

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた排気ガス浄化装置であって、
ＮＯｘ保持材と、
オゾンを生成するオゾン生成手段と、
前記オゾン生成手段により生成されたオゾンを貯蔵するオゾン貯蔵手段と、
前記ＮＯｘ保持材の上流に、前記オゾン貯蔵手段により貯蔵されているオゾンを導入するオゾン導入手段と、を備え、
前記ＮＯｘ保持材は、３元触媒の上流に配置されていることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記ＮＯｘ保持材は、３元触媒と一体化されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記オゾン貯蔵手段は耐圧容器を備え、オゾンを前記耐圧容器に圧縮して貯蔵することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記オゾン貯蔵手段はオゾンを吸着するオゾン吸着材を備え、オゾンを前記オゾン吸着剤に吸着して貯蔵することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記オゾン吸着材はシリカゲルを成分に含むことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記オゾン生成手段は、前記内燃機関の運転中にオゾンを生成することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
前記オゾン導入手段は、前記内燃機関の始動直後にオゾンを導入することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。