JP5782710B2 - 内燃機関の排気浄化装置及び、排気浄化方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置及び、排気浄化方法に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気中に含まれるＮＯｘ（窒素化合物）を浄化する排気浄化触媒として、ＮＯｘをＨＣにより選択的に還元するＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒（ＨＣ−Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）が知られている。

このＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒は、尿素ＳＣＲのように余分なタンクを搭載することなく燃料の一部を還元剤として利用するので、装置を小型化できることや、貴金属の量を低減できる等の利点がある。

例えば、特許文献１には、この種のＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒を備え、ＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流側から順に酸化触媒と、パティキュレートフィルタと、アンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒とを設けた排気浄化装置が開示されている。

特開２００６−３４２７３７号公報

ところで、ＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒の触媒活性温度は一般的に２００℃〜３００℃である。そのため、冷間始動時など触媒温度が触媒活性温度に達しない低温域では、ＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒が有効に作用せず、排気中に含まれるＮＯｘの浄化率が低下してしまう可能性がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、冷間始動時等の低温域においても、排気中に含まれるＮＯｘの浄化率を効果的に向上することにある。

上記目的を達成するため、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に設けられ、前記内燃機関から排出される排気中のＮＯｘを吸着するとともに、前記吸着したＮＯｘを酸化してＮＯ₂を生成し、前記生成されたＮＯ₂を供給されるＨＣにより還元浄化する排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒に還元剤としてのＨＣを供給するＨＣ供給手段と、前記排気中のＣＯにより前記排気浄化触媒の表面を清浄化してＮＯｘの吸着を促進すべく、前記排気中に含まれるＣＯの量がＮＯｘの量よりも多くなるように前記内燃機関の燃焼を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記排気中に含まれるＣＯの量がＮＯｘの量に対して５倍以上となるように制御してもよい。

また、前記排気浄化触媒は、前記排気中のＮＯｘを吸着するとともに、前記吸着したＮＯｘを酸化してＮＯ₂を生成する酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流側の排気通路に設けられ、前記酸化触媒で生成されたＮＯ₂を供給されるＨＣにより還元浄化するＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒とを含むものであってもよい。

また、前記排気浄化触媒もしくは前記酸化触媒は、金属酸化物担体として少なくともＡｌ又はＣｅの酸化物を含むとともに、前記金属酸化物担体に担持される触媒貴金属として少なくともＰｔ又はＰｄを含むものであってもよい。

また、上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の排気浄化方法は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒に前記内燃機関から排出される排気中のＮＯｘを吸着するとともに、前記吸着したＮＯｘを酸化してＮＯ₂を生成し、前記生成されたＮＯ₂をＨＣ供給手段から供給されるＨＣにより還元浄化する排気浄化方法において、前記排気中のＣＯにより前記排気浄化触媒の表面を清浄化してＮＯｘの吸着を促進すべく、前記排気中に含まれるＣＯの量がＮＯｘの量よりも多くなるように前記内燃機関の燃焼を制御することを特徴とする。

また、前記内燃機関の燃焼を、前記排気中に含まれるＣＯの量がＮＯｘの量に対して５倍以上となるように制御してもよい。

本発明の内燃機関の排気浄化装置及び、排気浄化方法によれば、冷間始動時等の低温域においても、排気中に含まれるＮＯｘの浄化率を効果的に向上することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を示す模式的な全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の酸化触媒によるＮＯｘの吸着、ＮＯ₂の生成及び、脱離のモデルを示す模式的な図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による排気中のＮＯｘ量に対するＣＯ量の比と、ＮＯ₂生成率との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による触媒入口温度と、ＮＯ₂生成率との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置による触媒入口温度と、ＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置によるＮＯｘ浄化率を従来品と比較した図である。

以下、図１〜６に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置１について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（内燃機関）１０には、吸気マニホールド１１と排気マニホールド１２とが設けられている。また、吸気マニホールド１１には、ディーゼルエンジン１０内の吸気弁（不図示）の開弁により新気を導入する吸気通路１３が接続され、排気マニホールド１２には、排気弁（不図示）の開弁により排気を排出する排気通路１４が接続されている。

吸気通路１３には、上流側から順にエアフィルタ１５と、ターボ過給機１６のコンプレッサ１６ａと、インタクーラ１７が配設されている。また、排気通路１４には、上流側から順にターボ過給機１６のタービン１６ｂと、排気温度センサ１８と、詳細を後述する排気浄化触媒３０と、ＮＯｘセンサ１９とが配設されている。

さらに、コンプレッサ１６ａよりも上流側の吸気通路１３と、タービン１６ｂよりも下流側の排気通路１４とは、排気の一部を還流するＥＧＲ通路２０で接続され、このＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲ弁２２が設けられている。

排気浄化触媒３０は、図１に示すように、上流側から順に酸化触媒（以下、ＤＯＣ触媒という）３１と、パティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）３２と、ＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＨＣ−ＳＣＲ触媒という）３３とを備え構成されている。また、ＤＯＣ触媒３１とＤＰＦ３２との間には、排気管噴射を行う排気管噴射装置（ＨＣ供給手段）３４が設けられている。なお、本実施形態において、ＤＯＣ触媒３１、ＤＰＦ３２及び、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３３は、本発明の排気浄化触媒を構成する。

ＤＯＣ触媒３１は、ハニカム構造を有する金属酸化物担体に触媒貴金属を担持して形成されている。本実施形態において、金属酸化物担体は、Ａｌ（アルミナ）の酸化物（以下、Ａｌ₂Ｏ₃）又は酸素吸蔵能力を有するＣｅ（セリウム）の酸化物（以下、ＣｅＯ₂）を含んで構成されている。また、触媒貴金属は、Ｐｔ（白金）又はＰｄ（パラジウム）を含んで構成されている。

このＤＯＣ触媒３１は、後述するＥＣＵ４０によるディーゼルエンジン１０の燃焼制御により排気中に含まれるＣＯ量が増加されると、このＣＯを利用して触媒表面へのＮＯｘの吸着及びＮＯ₂の生成を促進させる。具体的には、図２（ａ）に示すように、排気中のＣＯが触媒貴金属（Ｐｔ又はＰｄ）の表面を清浄化することで、触媒貴金属表面へのＮＯｘの吸着を促進させる。さらに、触媒貴金属表面のＯ₂（酸素）と、金属酸化物担体（Ａｌ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，ＺｒＯ₂等）及びこの金属酸化物担体表面から放出されるＯ₂とにより、ＮＯｘ＋（２−Ｘ）／２×Ｏ₂→ＮＯ₂（Ｘ≦２）の反応を促進させる。その後、生成したＮＯ₂を、触媒貴金属表面及び金属酸化物担体表面に吸着するとともに、触媒温度が上昇（２００℃〜２５０℃）すると排気中に脱離するように構成されている。

ＤＰＦ３２は、公知の構造であって、セラミック製のハニカム構造体からなる多数のセル内を排気流路として備え、上流側と下流側とを交互に目封じして形成されている。このＤＰＦ３２は、排気中に含まれるＰＭ（粒子状物質）を捕集するとともに、堆積したＰＭを定期的に燃焼除去する強制再生が行われるように構成されている。

ＨＣ−ＳＣＲ触媒３３は、排気管噴射装置３４から供給されるＨＣを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元するもので、具体的には、ＮＯｘ＋ＨＣ→Ｎ₂＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏなる反応式でディーゼルエンジン１０から排出される排気中のＮＯｘを浄化する。このＨＣ−ＳＣＲ触媒３３による還元反応は、排気中のＮＯ₂量が他のＮＯｘ量よりも多い場合に効率的に促進される。さらに、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３３は、ＤＰＦ３２の強制再生の際に発生するＣＯを酸化してＣＯ₂にする機能も有する。

排気管噴射装置３４は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３３に図示しない燃料タンクから還元剤であるＨＣを供給する。また、排気管噴射装置３４は後述するＥＣＵ４０と電気配線を介して接続されている。

排気温度センサ１８は、排気浄化触媒３０に流入する排気の温度（触媒入口温度）を検出するもので、電気配線を介して後述するＥＣＵ４０に接続されている。

ＮＯｘセンサ１９は、排気浄化触媒３０を通過した排気中のＮＯｘ濃度を検出するもので、電気配線を介して後述するＥＣＵ４０に接続されている。

ＥＣＵ（電子制御ユニット）４０は、車両やディーゼルエンジン１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ４０には、エンジン回転センサ（不図示）、アクセル開度センサ（不図示）、排気温度センサ１８、ＮＯｘセンサ１９等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。

また、ＥＣＵ４０は、燃焼制御部４１と、排気管噴射制御部４２とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

燃焼制御部４１は、ディーゼルエンジン１０の始動時など、排気温度が低く触媒温度が上昇しない低温域において、排気中に含まれるＣＯ量がＮＯｘ量よりも多くなるようにディーゼルエンジン１０の燃焼を制御する。具体的には、この燃焼制御部４１には、予め実験等で作成した燃料噴射量及び、排気中に含まれるＮＯｘ量に対するＣＯ量の比（ＣＯ／ＮＯｘ）をパラメータとする排気ＣＯ量設定マップが記憶されている。そして、燃焼制御部４１は、この排気ＣＯ量設定マップと燃料噴射量に対応するアクセル開度センサの検出値とに基づいて、排気温度センサ１８の検出値が所定の下限値（例えば、２００℃）よりも低いときは、排気中に含まれるＣＯ量がＮＯｘ量よりも多くなるようにディーゼルエンジン１０の燃焼を制御するように構成されている。

ここで、排気中に含まれるＮＯｘ量に対するＣＯ量の比（ＣＯ／ＮＯｘ）と、ＤＯＣ触媒３１によるＮＯ₂生成率との関係を図３に示す。図３に示すように、ＤＯＣ触媒３１によるＮＯ₂の生成率は、ＮＯｘ量に対するＣＯ量の比（ＣＯ／ＮＯｘ）が５〜２０倍の時に高くなることが分かる。したがって、本実施形態において、燃焼制御部４１による燃焼制御は、ＮＯｘ量に対するＣＯ量が５倍以上（又は、５〜２０倍の範囲）となるように設定されている。

排気管噴射制御部４２は、排気管噴射装置３４による排気管噴射、すなわち還元剤であるＨＣのＨＣ−ＳＣＲ触媒３３への供給を制御する。具体的には、この排気管噴射制御部４２は、排気温度センサ１８の検出値が所定の下限値（例えば２００℃）を超えると、排気管噴射装置３４に燃料を噴射させる作動信号を出力する。すなわち、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３３に還元剤としてのＨＣが供給され、排気中に含まれるＮＯｘの選択還元が促進される。また、排気管噴射制御部４２は、排気温度センサ１８の検出値が所定の下限閾値（例えば、２００℃）以下の場合であっても、ＮＯｘセンサ１９の検出値が所定の上限閾値を超えた時は、排気管噴射装置３４に燃料を噴射させる作動信号を出力するように構成されている。

以上のような構成により、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置１によれば以下のような作用効果を奏する。

ディーゼルエンジン１０の始動時など、排気温度センサ１８の検出値が所定の下限閾値（２００℃）よりも低い時、すなわち触媒温度が活性温度まで上昇しない低温域において、ディーゼルエンジン１０の燃焼は、排気中に含まれるＣＯ量がＮＯｘ量よりも多くなるように制御される。そして、排気中に含まれるＣＯがＤＯＣ触媒３１により酸化されることで、貴金属触媒であるＰｔ（又はＰｄ）の貴金属活性点の酸素が消費される。一方、ＮＯを酸化する過程では酸素不足状態となり、貴金属近傍の担体酸化物格子酸素が金属に引きつけられてＮＯ₂等の酸化生成物を安定保持するサイトが形成される。さらに、貴金属上でＮＯの酸化により生成されたＮＯ₂等の化合物は速やかに安定保持サイトに移動保持されるとともに、排気（触媒）温度が２００℃〜３００℃程度になると脱離される。その後、ＤＯＣ触媒３１から脱離したＮＯ₂等の化合物は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３３で排気管噴射装置３４から供給されるＨＣにより選択還元される。

したがって、ＤＯＣ触媒３１の触媒温度が活性温度に達しない低温域から、ＮＯｘの吸着、ＮＯの酸化及び、ＮＯ₂等の化合物の生成が連続的に行われ、その後、ＤＯＣ触媒３１から脱離したＮＯ₂をＨＣ−ＳＣＲ触媒３３で効率よく選択還元することが可能となり、排気中に含まれるＮＯｘの浄化率を効果的に向上することができる。

また、本実施形態において、低温域におけるディーゼルエンジン１０の燃焼制御は、ＤＯＣ触媒３１によるＮＯ₂の生成効率を高くするために、排気中に含まれるＮＯｘ量に対するＣＯ量が５倍以上（又は、５〜２０倍の範囲）となるように設定されている（図３参照）。

したがって、排気中のＣＯを利用してＤＯＣ触媒３１の表面が清浄化されることで、低温域からＤＯＣ触媒３１へのＮＯｘの吸着を効果的に促進することができるとともに、ＮＯ₂の生成を効率よく行うことが可能となる。

また、本実施形態において、排気浄化触媒３０は、ＤＯＣ触媒３１がＨＣ−ＳＣＲ触媒３３の上流側に配設されている。すなわち、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３３に流れ込む排気は、ＮＯ₂以外のＮＯｘが多く存在するディーゼルエンジン１０から直接排出された排気ではなく、ＤＯＣ触媒３１の酸化作用によりＮＯ₂が多く存在する排気となる。

したがって、ＮＯ₂が多く存在する排気に対して還元剤であるＨＣを供給することが可能となり、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３３によるＮＯｘの選択還元を効率的に行うことができ、ＮＯｘの排出量を効果的に低減することができる。

ここで、図４〜６に、本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置１において、ＮＯ₂生成率及びＮＯｘ浄化率に関し、ＤＯＣ触媒３１の金属酸化物担体にＡｌ₂Ｏ₃及び触媒貴金属にＰｔを適用した実施品１と、ＤＯＣ触媒３１の金属酸化物担体にＣｅＯ₂及び触媒貴金属にＰｔを適用した実施品２と、従来品との比較例を示す。なお、図４は模擬ガス試験の結果であり、５７秒／３秒の間隔でリーン雰囲気とリッチ雰囲気との切替えをして、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３３に還元剤であるＨＣの供給を行った。また、図５は、ディーゼルエンジン１０を用いたベンチ試験の結果であり、５７秒／３秒の間隔でリーン雰囲気とリッチ雰囲気との切替えによりＨＣ−ＳＣＲ触媒３３に還元剤であるＨＣを供給した。

図４では、触媒入口（排気）温度が１８０℃〜３００℃の広い範囲において、本実施形態に係る実施品１，２のＮＯ₂生成率が従来品に対して向上されていることを確認できる。また、図５，６では、本実施形態に係る実施品１，２が従来品に対して高いＮＯｘ浄化率を示していることからも、本発明の効果が分かる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態において、排気浄化触媒３０はＤＯＣ触媒３１とＨＣ−ＳＣＲ触媒３３とを別体に備えるものとして説明したが、これらＤＯＣ触媒３１とＨＣ−ＳＣＲ触媒３３とを一体に備えることもできる。この場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、ＤＯＣ触媒３１の金属酸化物担体に担持される触媒貴金属として、ＰｔやＰｄ以外にＲｈ（ロジウム）を適用してもよい。この場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、排気管噴射装置３４は、ＤＯＣ触媒３１とＤＰＦ３２との間に設けられるものとして説明したが、ＤＯＣ触媒３１よりも上流側の排気通路１４に設けられてもよい。この場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

１ 排気浄化装置
１０ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１４ 排気通路
３０ 排気浄化触媒
３１ ＤＯＣ触媒（排気浄化触媒）
３３ ＨＣ−ＳＣＲ触媒（排気浄化触媒）
３４ 排気管噴射装置（ＨＣ供給手段）
４０ ＥＣＵ（制御手段）
４１ 燃焼制御部（制御手段）
４２ 排気管噴射制御部（ＨＣ供給手段）

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関から排出される排気の温度が２００℃以下で排気中のＮＯｘを吸着するとともにＮＯ₂を生成する酸化触媒と、
   前記酸化触媒よりも下流側の排気通路に設けられ、前記排気の温度が２００℃〜３００℃で、ＨＣにより前記酸化触媒から脱離されたＮＯ₂を還元浄化するＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記酸化触媒とＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒との間の排気通路に設けられ、前記ＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒に還元剤としてのＨＣを供給するＨＣ供給手段と、
   前記ＨＣ供給手段と前記ＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒との間の排気通路に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタと、
   前記排気の温度が２００℃以下の低温時に、前記排気中に含まれるＣＯの量がＮＯｘの量よりも多くなるように前記内燃機関の燃焼を制御して、ＣＯにより前記酸化触媒の表面を清浄化してＮＯｘの吸着を促進させ、且つ、前記排気の温度が２００℃〜３００℃で、前記ＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒に前記ＨＣ供給手段からＨＣを供給する制御手段と、を備える
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記制御手段は、
   前記排気中に含まれるＣＯの量がＮＯｘの量に対して５倍以上となるように制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記酸化触媒は、
   金属酸化物担体として少なくともＡｌ又はＣｅの酸化物を含むとともに、前記金属酸化物担体に担持される触媒貴金属として少なくともＰｔ又はＰｄを含む
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 内燃機関の排気通路に設けられ、前記内燃機関から排出される排気の温度が２００℃以下で排気中のＮＯｘを吸着するとともにＮＯ₂を生成する酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流側の排気通路に設けられ、前記排気の温度が２００℃〜３００℃で、ＨＣにより前記酸化触媒から脱離されたＮＯ₂を還元浄化するＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒と、前記酸化触媒とＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒との間の排気通路に設けられ、前記ＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒に還元剤としてのＨＣを供給するＨＣ供給手段と、前記ＨＣ供給手段と前記ＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒との間の排気通路に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタとを備えた内燃機関の排気浄化方法であって、
   前記排気の温度が２００℃以下の低温時に、前記排気中に含まれるＣＯの量がＮＯｘの量よりも多くなるように前記内燃機関の燃焼を制御して、ＣＯにより前記酸化触媒の表面を清浄化してＮＯｘの吸着を促進させ、且つ、前記排気の温度が２００℃〜３００℃で、前記ＨＣ選択還元型ＮＯｘ触媒に前記ＨＣ供給手段からＨＣを供給してＮＯｘを浄化する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化方法。
5. 前記内燃機関の燃焼を、前記排気中に含まれるＣＯの量がＮＯｘの量に対して５倍以上となるように制御する
   ことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気浄化方法。