JPH06272538A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 炭化水素を還元剤として用いてＮＯ_X 吸収剤
の再生を行う際に、短時間で効率的にＮＯ_X 吸収剤の再
生を行う。 【構成】 内燃機関の排気通路１を２つの分岐通路３
ａ、３ｂに分岐し、分岐部に排気切り換え弁２を設け
る。また、通路３ａ、３ｂには還元剤供給装置１１とグ
ロープラグ６ａ、６ｂをそれぞれＮＯ_X 吸収剤５ａ、５
ｂの上流側に配置する。ＮＯ_X 吸収剤の再生時には排気
切換え弁を用いて再生する側の排気流量を絞り、還元剤
供給装置からグロープラグに向けて還元剤を噴射する。
還元剤はグロープラグにより酸素不足の状態で加熱さ
れ、還元性の強いＣＯを発生するためＮＯ _X 吸収剤の再
生が短時間で完了する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の排気浄化装
置に関し、詳細には、ディーゼルエンジンや希薄燃焼を
行うガソリンエンジン等、リーン空燃比の燃焼を行う内
燃機関の排気中のＮＯ_X を効果的に除去可能な排気浄化
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の排気浄化装置の例としては、例
えば特開昭６２─１０６８２６号公報に開示されたもの
がある。同公報の装置は、ディーゼル機関の排気通路に
酸素の存在下でＮＯ_X を吸収する吸収剤（触媒）を配置
して排気中のＮＯ_X を吸収させ、該吸収剤のＮＯ_X 吸収
能力が飽和したときに吸収剤への排気の流入を遮断して
吸収剤に還元剤を供給し、ＮＯ_X 吸収剤をリッチ空燃比
下の雰囲気にすることにより吸収剤からＮＯ_X を放出さ
せるとともに放出されたＮＯ_X を還元浄化するようにし
たものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭６２─１０
６８２６号公報の排気浄化装置では、ＮＯ_X 吸収剤から
のＮＯ_X の放出と還元浄化（以下「再生」という）を行
うために、水素ガスや炭化水素（ＨＣ）ガスを還元剤と
して使用している。しかし、車両用の排気浄化装置とし
て使用するような場合、水素ガスは取扱が難しく実用的
でない。このため、還元剤としては取扱が簡単な気体ま
たは液体の炭化水素（ＨＣ）を使用することが好まし
い。ＨＣ自体は比較的還元性が弱いため、ＮＯ_X 吸収剤
の再生に使用する還元剤としては比較的有効性が低い
が、供給されたＨＣがＮＯ_X 吸収剤の触媒作用により燃
焼し、排気中の酸素を消費して強い還元性を持つ一酸化
炭素を発生するため有効に還元剤として作用する。

【０００４】しかし、実際には、上記公報の装置のよう
にリーン雰囲気下にあるＮＯ_X 吸収剤に直接ＨＣガスを
供給した場合には、ＨＣ成分は酸素過剰雰囲気下で燃焼
することになるため完全燃焼して二酸化炭素を生成する
率が高くなり、還元性を有する一酸化炭素が発生しにく
くなる。このため、ＮＯ_X 吸収剤に直接ＨＣガスを供給
したのではＮＯ_X 吸収剤の再生に長時間を要したりＨＣ
の消費量が増大したりする問題を生じる。

【０００５】また、この問題を防止するために、ＮＯ_X
吸収剤上流側の排気通路にバーナを設けて排気中でＨＣ
を燃焼させることにより一酸化炭素を発生させるように
することも考えられるが、この場合も排気空燃比がリー
ンであるため酸素過剰雰囲気下での燃焼となり一酸化炭
素の発生は比較的少なくなる。本発明は上記問題に鑑
み、ＮＯ_X 吸収剤の再生の際に還元剤として使用する気
体または液体の炭化水素を有効に一酸化炭素に転換する
手段を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、リーン
空燃比の燃焼を行うことのできる内燃機関の排気通路
に、流入排気の空燃比がリーンのときにＮＯ_X を吸収し
流入排気の酸素濃度が低下したときに吸収したＮＯ_X を
放出するＮＯ_X 吸収剤を配置して排気中のＮＯ_Xを吸収
させ、その後ＮＯ_X 吸収剤に還元剤を供給してＮＯ_X 吸
収剤から吸収したＮＯ_X を放出させるとともに放出され
たＮＯ_X を還元浄化する内燃機関の排気浄化装置におい
て、前記ＮＯ_X 吸収剤に流入する排気流量を低減する絞
り手段と、上記流量の低減された排気中に還元剤を供給
する還元剤供給手段と、前記供給された還元剤を酸素不
足の状態下で加熱して一酸化炭素を発生させる加熱手段
とを備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が
提供される。

【０００７】

【作用】加熱手段は排気中に供給された還元剤を酸素不
足の状態で加熱するため、還元剤中のＨＣは不完全燃焼
して一酸化炭素を生成する。また、還元剤供給時には排
気ガス流量は絞り手段により低減されているため排気と
ともに流入する酸素量も低下し、比較的少ない還元剤供
給量で加熱手段の酸素不足の状態を達成できる。

【０００８】

【実施例】以下、添付図面を用いて本発明の実施例を説
明する。図１において、１は図示しない内燃機関の排気
管を示す。本実施例では排気管１には２つの分岐通路３
ａ、３ｂが設けられており、通路３ａ、３ｂにはそれぞ
れ後述するＮＯ_X 吸収剤５ａ、５ｂが配置されている。
また、排気管１の通路３ａ、３ｂの分岐部には排気切換
え弁２が設けられ、排気通路３ａ、３ｂの入口の一方を
所定開度まで閉鎖し、閉鎖された側の排気通路に流れる
排気流量を絞るようになっている。また、図に２ａで示
すのは負圧アクチュエータ、ソレノイド等の適宜な形式
のアクチュエータであり、後述のエンジン制御回路（Ｅ
ＣＵ）２０からの制御信号に応じて切換え弁２を駆動
し、排気通路３ａ、３ｂの入口の任意の一方を閉鎖す
る。

【０００９】排気通路３ａ、３ｂにはＮＯ_X 吸収剤５
ａ、５ｂの上流側に還元剤を噴射する還元剤供給量装置
１１の還元剤噴射弁１１ａ、１１ｂがそれぞれ設けられ
ている。また、６ａ、６ｂは排気通路３ａ、３ｂに設け
られた還元剤加熱手段としてのグロープラグであり、噴
射弁１１ａ、１１ｂから噴射された還元剤がそれぞれグ
ロープラグ６ａ、６ｂに直接当たる位置に配置されてい
る。

【００１０】また、排気通路３ａ、３ｂのＮＯ_X 吸収剤
５ａ、５ｂ出口側には排気中の酸素濃度を検出する酸素
濃度センサ７ａ、７ｂが配置されている。本実施例では
酸素濃度センサ７ａ、７ｂは排気中の酸素濃度に応じて
連続的に変化する信号を出力するいわゆるリーンミクス
チャセンサが使用される。図に２０で示すのはエンジン
１の電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ２０は
ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び入力ポート、出力ポート
を相互に双方向バスで接続した構成の、公知のディジタ
ルコンピュータからなり、エンジンの燃料噴射量制御等
の基本制御を行うほか、本実施例では排気切換え弁２の
切換え動作と、還元剤供給装置１１の噴射弁１１ａ、１
１ｂからの還元剤の噴射及びグロープラグ６ａ、６ｂの
通電等を制御し、ＮＯ_X 吸収剤５ａ、５ｂの再生操作を
行う。これらの制御のためＥＣＵ２０の入力ポートに
は、エンジン回転数、アクセル開度等の信号がそれぞれ
図示しないセンサから入力されている他、酸素濃度セン
サ７ａ、７ｂから排気中の酸素濃度に対応する信号が入
力されている。また、ＥＣＵ２０の出力ポートはそれぞ
れ図示しない駆動回路を介して排気切換え弁２のアクチ
ュエータ２ａ、還元剤供給装置１１の噴射弁１１ａ、１
１ｂ、グロープラグ６ａ、６ｂに接続され、これらの作
動を制御している。

【００１１】還元剤供給装置１１は、容器、ポンプ等の
還元剤加圧供給源１１ｃと、排気通路３ａ、３ｂに配置
されグロープラグ６ａ、６ｂに向けて還元剤を噴射する
噴射弁１１ａ、１１ｂとを備えており、ＥＣＵ２０から
の制御信号により噴射弁１１ａ、１１ｂの開度を変える
ことによりＮＯ_X 吸収剤５ａ、５ｂへの還元剤供給量が
制御される。

【００１２】本実施例では、前述のように還元剤として
液体または気体の炭化水素が使用され、例えばプロパ
ン、プロピレン、ブタン等の液化ガス、軽油、灯油等の
液体燃料が還元剤として使用できる。ＮＯ_X 吸収剤５
ａ、５ｂは例えばアルミナ等の担体を使用し、この担体
上に例えばカリウムＫ，ナトリウムＮa ，リチウムＬi
，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
とも一つと、白金Ｐt のような貴金属とが担持されてい
る。このＮＯ_X 吸収剤５ａ、５ｂは流入する排気の空燃
比がリーンの場合にはＮＯ_X を吸収し、酸素濃度が低下
するとＮＯ_X を放出するＮＯ_X の吸放出作用を行う。

【００１３】なお、上述の排気空燃比とは、ここではＮ
Ｏ_X 吸収剤５ａ、５ｂの上流側の排気通路やエンジン燃
焼室、吸気通路等にそれぞれ供給された空気量の合計と
燃料の合計の比を意味するものとする。従って、ＮＯ_X
吸収剤５ａ、５ｂの上流側排気通路に燃料、還元剤また
は空気が供給されない場合には排気空燃比はエンジンの
運転空燃比（エンジン燃焼室内の燃焼における空燃比）
と等しくなる。

【００１４】本実施例では、リーン空燃比の燃焼を行う
機関が使用されているため、通常運転時の排気空燃比は
リーンであり、ＮＯ_X 吸収剤５ａ、５ｂは排気中のＮＯ
_X の吸収を行う。また、還元剤供給装置１１から排気中
に還元剤が導入されて酸素濃度が低下すると、ＮＯ_X 吸
収剤５ａ、５ｂは吸収した還元剤の放出を行う。この吸
放出作用の詳細なメカニズムについては明らかでない部
分もある。しかし、この吸放出作用は図２に示すような
メカニズムで行われているものと考えられる。次にこの
メカニズムについて担体上に白金Ｐt およびバリウムＢ
a を担持させた場合を例にとって説明するが他の貴金
属、アルカリ金属、アルカリ土類、希土類を用いても同
様なメカニズムとなる。

【００１５】すなわち、流入排気がかなりリーンになる
と流入排気中の酸素濃度が大巾に増大し、図２(A) に示
されるようにこれら酸素Ｏ₂ がＯ₂ ^- またはＯ^2-の形で
白金Ｐt の表面に付着する。一方、流入排気中のＮＯは
白金Ｐt の表面上でこのＯ₂ ^- またはＯ^2-と反応し、Ｎ
Ｏ₂ となる（２ＮＯ＋Ｏ₂ →２ＮＯ₂ ) 。次いで生成さ
れたＮＯ₂ の一部は白金Ｐｔ上で酸化されつつ吸収剤内
に吸収されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、図２
(A) に示されるように硝酸イオンＮＯ₃ ^- の形で吸収剤
内に拡散する。このようにしてＮＯ_X がＮＯ_X 吸収剤５
ａ、５ｂ内に吸収される。

【００１６】従って、流入排気中の酸素濃度が高い限り
白金Ｐt の表面でＮＯ₂ が生成され、吸収剤のＮＯ_X 吸
収能力が飽和しない限りＮＯ₂ が吸収剤内に吸収されて
硝酸イオンＮＯ₃ ^- が生成される。これに対して流入排
気中の酸素濃度が低下してＮＯ₂ の生成量が減少すると
反応が逆方向（ＮＯ₃ ^- →ＮＯ₂ ）に進み、こうして吸
収剤内の硝酸イオンＮＯ₃ ^- がＮＯ₂ の形で吸収剤から
放出される。すなわち、流入排気中の酸素濃度が低下す
るとＮＯ_X 吸収剤５ａ、５ｂからＮＯ_X が放出されるこ
とになる。

【００１７】一方、流入排気中にＨＣ、ＣＯ等の還元成
分が存在すると、これらの成分は白金Ｐt 上の酸素Ｏ₂
^- またはＯ^2-と反応して酸化され、排気中の酸素を消費
して排気中の酸素濃度を低下させる。また、排気中の酸
素濃度低下によりＮＯ_X 吸収剤５ａ、５ｂから放出され
たＮＯ₂ は図２(B) に示すようにＨＣ，ＣＯと反応して
還元される。このようにして白金Ｐt の表面上にＮＯ₂
が存在しなくなると吸収剤から次から次へとＮＯ₂ が放
出される。

【００１８】すなわち、流入排気中のＨＣ，ＣＯは、ま
ず白金Ｐt 上のＯ₂ ^- またはＯ^2-とただちに反応して酸
化され、次いで白金Ｐt 上のＯ₂ ^- またはＯ^2-が消費さ
れてもまだＨＣ，ＣＯが残っていればこのＨＣ，ＣＯに
よって吸収剤から放出されたＮＯ_X および機関から排出
されたＮＯ_X が還元される。前述のように、酸素過剰雰
囲気下でＮＯ_X 吸収剤５ａ、５ｂに直接ＨＣを供給した
場合、ＨＣは白金Ｐt 上で酸化されてＣＯ₂ に変換され
る率が高くなり、ＮＯ_X 吸収剤から放出されたＮＯ_X は
主として還元性が比較的弱いＨＣにより還元されること
になるためＮＯ_X 吸収剤の再生に時間を要したり、ＨＣ
消費量が増大したりする問題を生じる。

【００１９】本実施例では、ＮＯ_X 吸収剤５ａ、５ｂの
上流側に配置されたグロープラグ６ａ、６ｂを用いて、
供給されたＨＣを酸素不足の状態で加熱することにより
ＣＯを発生させてＮＯ_X 吸収剤５ａ、５ｂに供給するこ
とにより上記の問題を解決している。次に、本実施例の
ＮＯ_X 吸収剤５ａ、５ｂの切換え操作について説明す
る。

【００２０】本実施例では、機関運転中に排気切換え弁
２を用いて排気管１の排気の流れを交互に排気通路３ａ
と３ｂに導き、ＮＯ_X 吸収剤５ａと５ｂとを交互に使用
して排気中のＮＯ_X を除去する。また、上記において使
用していない側のＮＯ_X 吸収剤には還元剤を供給して再
生操作を行う。すなわち、機関運転中に排気切換え弁２
が例えば排気通路３ｂを閉鎖する側に切り換えられる
と、排気の略全量はＮＯ_X 吸収剤５ａを通過することに
なり、排気中のＮＯ_X がＮＯ_X 吸収剤５ａに吸収され
る。この状態でＮＯ_X の吸収を行い、ＮＯ_X 吸収剤５ａ
のＮＯ_X 吸収量が増大して飽和状態に近づくとＥＣＵ２
０は排気切換え弁２を排気通路３ａを閉鎖する側に切換
え、排気の略全量をＮＯ_X 吸収剤５ｂに通過させ、ＮＯ
_X 吸収剤５ｂで排気中のＮＯ_X を吸収する。

【００２１】一方、ＮＯ_X 吸収剤５ａにはこの状態で還
元剤供給装置１１の噴射弁１１ａから還元剤が供給さ
れ、吸収したＮＯ_X の放出と還元浄化が行われ、ＮＯ_X
吸収剤５ａのＮＯ_X 吸収能力が回復する。次いで、ＮＯ
_X 吸収剤５ｂのＮＯ_X 吸収量が増大して飽和状態に近づ
くと、ＥＣＵ２０は排気切換え弁２を排気通路３ｂを閉
鎖する側に切換え、再びＮＯ_X 吸収剤５ａによる排気中
のＮＯ_X 除去が行われるとともに、排気通路３ｂ側では
ＮＯ_X 吸収剤５ｂの再生操作が行われる。

【００２２】このように、２つのＮＯ_X 吸収剤５ａ、５
ｂを交互に切り換えてＮＯ_X の吸収と再生を行うことに
より、一方のＮＯ_X 吸収剤の再生中も他方のＮＯ_X 吸収
剤で排気中のＮＯ_X の除去を行うことができるため、再
生操作中に未浄化のＮＯ_X が大気に放出される事を防止
することがができる。次に、本実施例のグロープラグ６
ａ、６ｂによるＨＣのＣＯへの転換作用について説明す
る。

【００２３】本実施例では、再生操作開始時には、排気
切換え弁２により、ＮＯ_X 吸収剤の再生を行う側の排気
通路入口が略全閉にされ、この排気通路を通る排気流量
が排気切換え弁２全閉時のバルブ洩れ量程度まで大幅に
低減される。この状態でグロープラグへの通電が行わ
れ、グロープラグの発熱体が高温状態になると還元剤供
給装置１１の噴射弁からグロープラグに向けて気体また
は霧状の液体ＨＣが噴射される。このとき、排気切換え
弁２により排気通路内の排気流速は大幅に低下している
ため、噴射されたＨＣは直ちに排気中には拡散しない
で、図３に示すようにグロープラグ６の発熱体８の周囲
に濃混合気層９を生成する。混合気層内のＨＣはこの状
態で発熱体８により加熱され、一部が燃焼するが、混合
気層内での酸素濃度は低いため酸素不足の状態での燃焼
となり、多量のＣＯガスが生成される。また、この燃焼
により流入する排気中の酸素が消費され、ＮＯ_X 吸収剤
に流入する排気ガスの酸素濃度が低下する。

【００２４】上記により発生したＣＯと未燃焼のＨＣは
緩やかな排気の流れにより運ばれ、排気中に拡散しつつ
ＮＯ_X 吸収剤に流入するため、ＮＯ_X 吸収剤はＣＯを多
量に含む酸素濃度の低い燃焼ガスに包まれた状態にな
る。このため、ＮＯ_X 吸収剤からのＮＯ_X の放出と還元
浄化が促進される。また、上記によれば、ＮＯ_X 吸収剤
は低酸素濃度の燃焼ガスで包囲されるため、グロープラ
グでＣＯに転換されずにＮＯ_X 吸収剤に到達したＨＣも
ＮＯ_X 吸収剤の白金Ｐｔ上で酸素不足の状態で酸化され
てＣＯを発生するので、還元に寄与するＣＯの量が増加
しＮＯ_X の還元が一層促進される。

【００２５】また、グロープラグでのＨＣの燃焼により
燃焼熱が発生するが、グロープラグ周囲の混合気層はこ
の熱を受けるので、液体ＨＣを使用した場合には気化が
促進されるとともに、分子量の大きいＨＣ成分が熱分解
して軽質化されるため上述のＮＯ_X 吸収剤上での酸化が
生じやすくなる。更に、グロープラグでの燃焼によりＮ
Ｏ_X 吸収剤に流入する排気温度が上昇するのでＮＯ_X 吸
収剤の温度が上昇し、ＮＯ_X の放出速度が増大するた
め、短時間でＮＯ_X 吸収剤の再生を行うことが出きる。

【００２６】従って、本実施例によれば、短時間で効率
的にＮＯ_X 吸収剤の再生を行うことが可能となる。ＥＣ
Ｕ２０により実行される上記ＮＯ_X 吸収剤の再生操作
は、具体的には次のステップにより実行される。 （１）先ず、現在ＮＯ_X 吸収を行っている側のＮＯ_X 吸
収剤の再生操作が必要か否かを判定する。再生操作の要
否はＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収量が所定値以上か否かに
より判断する。

【００２７】本実施例では、ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収
量は、別途ＥＣＵ２０により実行されるルーチンによ
り、例えば単位時間当たりのエンジンからのＮＯ_X の排
出量を予めエンジン負荷（アクセル開度）とエンジン回
転数等の関数としてＥＣＵ１０のＲＯＭ２３に記憶して
おき、一定時間毎にアクセル開度と回転数とから上記関
数によりＮＯ_X 排出量を求め、これに一定の係数を乗じ
たものを上記一定時間内のＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収量
として積算することにより求められる。

【００２８】（２）ＮＯ_X 吸収剤のＮＯ_X 吸収量が所定
値以上であった場合には再生操作を開始するために、排
気切換え弁２を切り換えてＮＯ_X 吸収剤に流入する排気
流量を低下させるとともに、グロープラグの通電を開始
して発熱体の温度を上昇させる。 （３）次いで、排気切換え弁閉弁時にＮＯ_X 吸収剤を通
過する排気流量から排気中の酸素を消費するのに必要な
ＨＣ量を、また、前記ＮＯ_X 吸収剤に吸収されたＮＯ_X
量からＮＯ_X の還元に必要とされるＨＣ流量をそれぞれ
計算し、これらの合計としてＨＣの供給量を決定する。

【００２９】（４）上記により決定された流量のＨＣを
還元剤供給装置の噴射弁から排気通路に供給する。 （５）ＮＯ_X 吸収剤の下流側に配置した酸素濃度センサ
出力を監視し、排気酸素濃度が減少し、略ゼロになった
時点から所定時間（例えば３〜５秒程度）が経過するま
で上記ＨＣの供給を継続する。これにより、リッチ雰囲
気下でＮＯ_X 吸収剤の再生が行われる。

【００３０】（６）上記時間経過後グロープラグの通電
を停止し、還元剤供給装置からのＨＣ供給を停止する。
これにより、ＮＯ_X 吸収剤の再生操作が完了する。 （７）再生が完了したＮＯ_X 吸収剤は現在ＮＯ_X 吸収に
使用中のＮＯ_X 吸収剤の再生操作が必要となるまでこの
ままの状態で保持される。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、還元剤供給装置から排
気中に供給された還元剤を加熱手段を用いて酸素不足の
状態で加熱してＣＯを発生させるようにしたことによ
り、短時間で効率的にＮＯ_X 吸収剤の再生を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明する図である。

【図２】本発明のＮＯ_X 吸収剤の吸放出作用を説明する
図である。

【図３】グロープラグにおけるＨＣのＣＯへの転換を説
明する図である。

【符号の説明】

１…排気管 ２…排気切り換え弁 ２ａ…アクチュエータ ３ａ、３ｂ…分岐排気通路 ５ａ、５ｂ…ＮＯ_X 吸収剤 ６ａ、６ｂ…グロープラグ ７ａ、７ｂ…排気酸素濃度センサ １１…還元剤供給装置 １１ａ、１１ｂ…噴射弁 ２０…エンジン制御回路（ＥＣＵ）

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０１Ｎ 3/24 Ｎ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リーン空燃比の燃焼を行うことのできる
   内燃機関の排気通路に、流入排気の空燃比がリーンのと
   きにＮＯ_X を吸収し流入排気の酸素濃度が低下したとき
   に吸収したＮＯ_X を放出するＮＯ_X 吸収剤を配置して排
   気中のＮＯ_Xを吸収させ、その後ＮＯ_X 吸収剤に還元剤
   を供給してＮＯ_X 吸収剤から吸収したＮＯ_X を放出させ
   るとともに放出されたＮＯ_X を還元浄化する内燃機関の
   排気浄化装置において、前記ＮＯ_X 吸収剤に流入する排
   気流量を低減する絞り手段と、上記流量の低減された排
   気中に還元剤を供給する還元剤供給手段と、前記供給さ
   れた還元剤を酸素不足の状態下で加熱して一酸化炭素を
   発生させる加熱手段とを備えたことを特徴とする内燃機
   関の排気浄化装置。