JPH11173181A - 内燃機関の排ガス浄化方法及び浄化装置 - Google Patents
内燃機関の排ガス浄化方法及び浄化装置Info
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Abstract
x等の有害成分を燃費の低下を抑えて効果的に除去し、
無害化できる排ガス浄化方法及び装置を提供する。 【解決手段】 内燃機関の排ガス浄化方法であって、排
ガス流路にNOx浄化触媒を配置し、前記NOx浄化触
媒が、アルカリ金属、アルカリ土類金属、及び希土類金
属から選ばれる少なくとも一種の元素と、白金族金属
(いわゆる貴金属)から選ばれる少なくとも一種の元素
と、チタン(Ti)とを含む組成物で、排ガスがリーンの
ときに排ガス中のNOxを表面に吸着し、排ガスがスト
イキもしくはリッチのとき吸着したNOxをN2に還元
するものであって、前記内燃機関がリーン運転している
とき、前記NOx浄化触媒で排ガス中のNOxを吸着し、吸
着後に、排ガスを1秒間乃至4.5秒の間ストイキもし
くはリッチの状態とし、前記NOx浄化触媒で吸着した
NOxを還元剤と接触反応させてN2に還元して排ガス
を浄化してなる。
Description
関から排出される排気ガスの浄化方法及び浄化装置に係
わり、特に、希薄空燃比(リーンバーン)で運転可能な内
燃機関もしくは該内燃機関を搭載した自動車から排出さ
れる排ガスの浄化方法及び浄化装置に関する。
ス中に含まれる、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC:Hydro
carbon)、及び窒素酸化物(NOx)等は、大気汚染物質とし
て人体に悪影響を及ぼす他、植物の生育を妨げる等の問
題を生起している。そして、従来より、これらの排出量
の低減には、多大の努力が払われ、内燃機関の燃焼方法
の改善に基づく前記大気汚染物質の発生量の低減に加
え、排出された排ガスを触媒等を利用して浄化する方法
の開発が進められており、大気汚染物質の排出の低減
が、着実に成果を挙げてきている。ガソリンエンジンを
搭載した自動車に関しては、これまで、三元触媒なるP
t,Rhを活性の主成分として、HC及びCOの酸化とNO
xの還元を同時に行って、排ガスを無害化する方法がそ
の主流となっている。
ウィンドウと称される理論空気燃料比(理論空燃比)の
近傍で燃焼させて生成した排ガスにしか、その排ガスの
浄化機能が効果的に作用しない。そこで、従来のエンジ
ンにおいては、その空燃比を、自動車の運転状況に応じ
て変動させるが、その変動範囲は原則として理論空燃比
(ガソリンの場合A(空気の重量)/F(燃料の重量)=約1
4.7;以下本明細書では理論空撚比をA/F=14.7で代表さ
せるが、燃料の種類によりこの数値は変る)の近傍に調
節されてきた。
ーン)な空燃比でエンジンを運転すると燃費を向上させ
ることができることから、いわゆる、リーンバーン燃焼
技術の開発が進められ、空燃比の値が18以上のリーン
域でエンジンを燃焼させる自動車が珍しくなくなってき
ている。しかし、前記の様に現在使用されている三元触
媒を用いてリーンバーン燃焼による排ガスの浄化を行な
わせると、HC、COの酸化による浄化は行えるもの
の、NOxを効果的に還元して浄化することはできない
と云う不具合がある。
ンを大型車へ搭載適用し、リーンバーン燃焼時間の拡大
(リーンバーン燃焼方式の適用運転域の拡大)を進めるに
は、リーンバーン燃焼対応の排ガス浄化技術が必要とな
ってきている。そこで、リーンバーン燃焼に対応した排
ガス浄化技術、即ち、酸素(O2)が多量に含まれる排ガ
ス中でのHC、CO、NOxを浄化する技術の開発、特
にNOxを浄化する技術の開発が精力的に進められてい
る。
は、リーン燃焼の排ガスからNOxをNOx吸収材を用い
て分離し(少なくとも排ガス中のO2から分離し)しかる
後に、NOx吸収材により分離されたNOxを炭化水
素、一酸化炭素、水素等の還元剤と接触反応させること
によってNOxのN2への還元による無害化を行い、か
つ、NOx吸収材のNOx吸収能の回復を図る手段があ
る。
-106826号公報、及び特開昭62-117620号公報に記載の技
術は、排ガス中のNOxを(NOは酸化して吸収され易い
NO2に変換した後)NOx吸収能を有する触媒と接触さ
せて吸収除去し、吸収効率が低下した時点で、排ガスの
通過を止めてH2、メタン・ガソリン等のHC等の還元
剤を用いて蓄積されたNOxを還元除去し、触媒のNOx
吸収能を再生するものである。
は、排ガスがリーン運転の時にNOxを吸収し、その
後、排ガス中の酸素濃度を低下させると吸収したNOx
を放出するNOx吸収剤をエンジンの排気通路に設置
し、排ガスがリーン運転のときには、NOxを吸収さ
せ、吸収させたNOxをNOx吸収剤に流入する排ガス中
のO2濃度を低下せしめて放出させて、しかる後にN2に
還元する手段を開示している。
技術は、以下に述べるような解決すべき課題を有してい
る。即ち、まず第一に、触媒で吸収捕捉したNOxの還
元無害化のための還元剤を何に求めるかである。リーン
バーン燃焼のエンジンを搭載した車のメリットは、前述
の如く燃費の向上に基づく省エネルギーにあり、還元剤
の投入は、燃費の向上効果を減ずるものであるから、そ
の投入は、必要最小限度とすべきものであり、かつ、還
元剤の投入のための装置や制御は、簡単で信頼性のある
ものでなければならない。更に、本方式の適用が、自動
車の性能や操作性を減じるものであってはならない。
同62-106826号公報、及び同62-117620号公報に記載の技
術は、NOx吸収剤の再生に当たり排ガスの流通を停止
してHC等の還元剤をNOx吸収剤に接触させるため、
還元剤の排ガス中のO2による燃焼消費が抑制されて還
元剤の使用量が低減する。しかし、NOx吸収剤を2つ
設け、且つ、排ガスをこれらに交互に流通させるための
排気切り替え機構が必要で、排ガス浄化装置の構造が複
雑になると云う不具合が生じることは否定できない。
術は、排ガスを常時NOx吸収剤に流通させておき、排
ガスがリーンの時にNOxを吸収させ、排ガス中のO2濃
度を低下(燃焼をリッチ状態)させて、吸収したNOx
を放出させて吸収剤を再生するために、排ガス流の切り
替えは不要であるので、前記第二の問題点は解消する。
吸収し、排ガス中のO2濃度が低下せしめられたときに
NOxを放出できる材料を触媒として採用することが前
提となる。また、前記技術には、放出されたNOxを還
元するに当たり排ガスの燃焼をリッチとする手段が開示
されているが、実際に車のシステムとして前記手段を該
車に組み込むには、燃料消費率(燃費)、操作性、運転
性、信頼性等を考慮したリッチ条件の最適化を図る必要
があり、燃費の最適化からみれば、燃焼のリッチ化によ
り消費される燃料の量を如何に少なくするかが課題とな
る。またこれらの最適化は、NOx吸収材の特性とも密
接に関係するものもあり、NOx吸収材の選定も重要な
要素となるものである。
たものであって、その目的とするところは、リーンバー
ン燃焼内燃機関の排ガスからNOx等の有害成分を燃費
の低下を抑えて効果的に除去し、無害化できる排ガス浄
化方法及び装置を提供することにある。特に、浄化方法
及び浄化装置の構成が簡単で、還元剤の消費量も少ない
と共に、リーン排ガスからNOxをNOx吸着材を用いて
分離し、しかる後に吸着材により分離されたNOxをス
トイキあるいはリッチ排ガスと接触させることによって
NOxのN2への還元による無害化を行う排ガス浄化方法
及び装置であって、排気浄化性能と燃費の両者に優れた
リーンバーン燃焼内燃機関を実現する排ガス浄化方法及
び装置を提供することにある。
本発明に係る内燃機関の排ガス浄化方法は、排ガス流路
にNOx浄化触媒を配置し、前記NOx浄化触媒が、ア
ルカリ金属及びアルカリ土類金属から選ばれる少なくと
も一種の元素と、希土類金属から選ばれる少なくとも一
種の元素と、白金族金属(いわゆる貴金属)から選ばれ
る少なくとも一種の元素と、チタン(Ti)とを含む組成
物で、排ガスがリーンのときに排ガス中のNOxを表面
に吸着し、排ガスがストイキもしくはリッチのとき吸着
したNOxをN2に還元するものであって、前記内燃機
関がリーン運転しているとき、前記NOx浄化触媒で排
ガス中のNOxを吸着し、吸着後に、排ガスを1秒間乃
至4.5秒の間ストイキもしくはリッチの状態とし、前
記NOx浄化触媒で吸着したNOxを還元剤と接触反応
させてN2に還元して排ガスを浄化することを特徴して
いる。
関の排ガス浄化方法は、排ガスがリーン(排ガス中の各
成分の酸化還元化学量論関係において還元剤に対して酸
化剤が多い状態)のときに、排ガス中のNOxを吸着捕捉
し、排ガスがストイキ(酸化剤に対し還元剤が同量)もし
くはリッチ(酸化剤に対し還元剤が同量以上)のとき吸着
捕捉したNOxをN2に還元するようにしたこと、即ち、
リーン運転しているとき、前記NOx浄化触媒で排ガス
中のNOxを吸着し、吸着後に、排ガスを1秒間乃至4.
5秒の間ストイキもしくはリッチの状態とし、前記NO
x浄化触媒で吸着したNOxを還元剤と接触反応させて
N2に還元したことにより排ガスを無害化すると共に、
リーンバーン燃焼における排ガス中のNOx等を、燃費
に大きな影響を与。ることなく効果的に浄化できる。
主として酸素である。還元剤は、内燃機関に供されたH
C、燃焼過程で生成するその派生物としてのHC(含む
含酸素炭化水素)、CO、H2等である。そして、本発明
の好ましい具体的な態様としては、前記NOx浄化触媒
が、カリウム(K)、ナトリウム(Na)のアルカリ金属及び
マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(S
r)のアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも一種の元
素と、ランタン(La)、セリウム(Ce)の希土類金属から選
ばれる少なくとも一種の元素と、白金(Pt)、ロジウム(R
h)、パラヂウム(Pd)等の白金族金属(いわゆる貴金属)
から選ばれる少なくとも一種の元素と、チタン(Ti)を含
む組成物及び該組成物を多孔質耐熱性金属酸化物に担持
してなる組成物を用いることを特徴している。
は、前記排ガスのストイキもしくはリッチは、そのリッ
チ状態の深さを空燃比A/F値で、13.0乃至14.
7の間とすることを特徴としている。更に、本発明の内
燃機関の排ガス浄化方法を実施するための浄化装置は、
排ガス流路にNOx浄化触媒を配置すると共に、制御装
置を備え、前記制御装置が、空燃比制御手段を備え、該
空燃比制御手段が、内燃機関がリーン運転していると
き、前記NOx浄化触媒で吸着した排ガス中のNOxを、
還元剤と接触反応させてN2に還元して排ガスを浄化す
るべく、排ガスを1秒間乃至4.5秒の間ストイキもし
くはリッチの状態に制御する手段を有し、前記排ガスの
ストイキもしくはリッチの状態への制御は、そのリッチ
状態の深さを空燃比A/F値で、13.0乃至14.7
の間とすることを特徴としている。
化方法及び浄化装置においては、内燃機関における燃焼
条件を理論空燃比もしくは燃料過剰(リッチ)とすること
により、ストイキ排ガス、もしくはリッチ排ガスを生成
させるが、これは、前記空燃比制御手段によって排気ダ
クトに設けられた酸素濃度センサーの出力及び吸気流量
センサーの出力等に応じて燃料噴射量を制御することに
より、あるいは複数の気筒の一部を燃料過剰とし残部を
燃料不足とし、全気筒からの混合排ガス中の成分が酸化
還元化学量論関係において酸化剤に対して還元剤が同量
(ストイキ排ガスに相当)か、もしくは多い状態(リッチ
排ガスに相当)をつくる方法、DBWを用いて吸入空気
量を絞って理論空燃比もしくはリッチ状態を作り出す方
法、あるいはEGRの不活性ガスを導入することにより
理論空燃比またはリッチを作り出す方法等によって行う
ものである。
は、各種の形状として用いることができるし、コージェ
ライト、ステンレス等の金属材料からなるハニカム状構
造体に吸着触媒成分をコーティングして得られるハニカ
ム形状を始めとし、ペレット状、板状、粒状、粉末とし
て適用することができる。
置は、ストイキ排ガスもしくはリッチ排ガスを生成させ
るタイミングを、以下の各方法により行うことができ
る。第一に、エンジン制御装置ECU(Engine Control Uni
t)で決定される空燃比設定信号、エンジン回転数信号、
吸入空気量信号、吸気管圧力信号、速度信号、スロット
ル開度、排ガス温度等からリーン運転時におけるNOx排
出量を推定し、その積算値が所定の設定値を超えたとき
に、ストイキ排ガスもしくはリッチ排ガスを生成させる
タイミングとする。
触媒の上流または下流に置かれた酸素センサー(もしく
はA/Fセンサー)の信号により累積酸素量を検出し、累積
酸素量が所定の量を超えたときに、ストイキ排ガスもし
くはリッチ排ガスを生成させるタイミングとする。該方
法の変形態様としては、リーン運転時の累積酸素量が所
定の量を超えたときに、ストイキ排ガスもしくはリッチ
排ガスを生成させるタイミングとする。
に置かれたNOxセンサーの信号により累積NOx量を算
出し、リーン運転時における累積NOx量が所定の量を
超えたときに、ストイキ排ガスもしくはリッチ排ガスを
生成させるタイミングとする。第四に、排気流路のNO
x浄化触媒の下流に置かれたNOxセンサーの信号により
リーン運転時におけるNOx濃度を検出し、NOx濃度が
所定濃度を超えたときに、ストイキ排ガスもしくはリッ
チ排ガスを生成させるタイミングとする。更に、本発明
の排ガス浄化方法及び浄化装置における酸化剤に対し還
元剤が同量かもしくは多い状態を維持する時間、もしく
は維持すべく投入する還元剤量は、燃料噴射弁のストロ
ーク、噴射時間、及び噴射間隔を調整することで実現さ
れる。
関の排ガス浄化方法及び装置の一実施の形態について説
明する。 [排気浄化装置]図1は、本実施の形態の排ガス浄化装置
を構成する内燃機関ユニットの全体構成を示したもので
ある。本発明の内燃機関ユニットは、リーンバーン運転
が可能なエンジン99、エアクリーナー1、スロットル
バルブ3、吸気管11等を擁する吸気系、排気管18、
NOx浄化触媒19等を擁する排気浄化系、及び、制御ユ
ニット(ECU)25等から構成される。制御ユニット25
は、図示を省略するが、入出力インターフェイスとして
のI/OLSI、演算処理装置MPU、多数の制御プロ
グラムを記憶させた記憶装置RAM、及びROM、タイ
マーカウンター等より構成されている。また、エンジン
の吸気系に配置されたインジェクター5には、燃料タン
ク13内の燃料が燃料ポンプ12を介して導かれてい
る。
スロットル開度センサー4、吸気温度センサー9が配置
されていて、該各センサーの出力信号が前記制御ユニッ
ト25に出力されている。また、前記排気浄化系には、
酸素センサー20、NOX濃度センサー21、NOx浄
化触媒温度センサー22、及び、排ガス温度センサー2
3が配置され、該各センサの出力信号も同様に前記制御
ユニット25に出力されている。更に、ノックセンサー
26、水温センサー28、エンジン99の回転数を検出
するクランク角センサー29、及び、アクセルペタル7
の踏み込み量に基づきエンジン負荷を検出する負荷セン
サー8の出力信号も前記制御ユニット25に出力されて
いる。
ニットにおいては、エンジン99への吸入空気が、エア
クリーナー1により濾過された後、エアフローセンサー
2により計量され、スロットルバルブ3を経て吸気管1
1に供給され、インジェクター5からの燃料噴射を受け
て混合気となってエンジン99に供給される。制御ユニ
ット25では、前記各検出センサーの信号に基づき、内
燃機関99の運転状態及びNOx浄化触媒19の状態を評
価して空燃比制御手段(図示省略)で、運転空燃比を決
定し、インジェクター5の噴射時間等を制御して混合気
の燃料濃度を所定値に設定するように制御する。燃焼室
99aに吸入された混合気は、制御ユニット25からの
信号で制御される点火プラグ6によって着火されて燃焼
する。
エンジン99で燃焼した排ガスは、前記排気浄化系に導
かれ、排気浄化系にはNOx浄化触媒19が設けられて
いるので、ストイキ運転時には、その三元触媒機能によ
り排ガス中のNOx、HC、COを浄化し、また、リー
ン運転時には、NOxの捕捉能(吸着能)によりNOxを
浄化すると同時に、併せ持つ燃焼機能により、HC、C
Oを浄化する。
手段の制御判定及び制御信号により、リーン運転時に
は、NOx浄化触媒のNOxの浄化能力を判定して、NO
xの吸着捕捉能力が低下した場合、燃焼の空燃比をスト
イキもしくはリッチに制御してNOx浄化触媒19のN
Ox吸着捕捉能を回復させるようにしている。前記の操
作を繰り返す制御をすることにより、本実施の形態の装
置は、リーン運転、ストイキ(含むリッチ)運転の全ての
エンジン燃焼運転の条件下において、排ガスを効果的に
浄化することができる。
Ox浄化触媒19は、後述の特性評価に提供したNOx浄
化触媒N-NとNOx浄化触媒N-Sであり、これらを以下の
方法で調製した。NOx浄化触媒N-Nを、次の方法で調製
した。即ち、ハニカム触媒の基体としてのコーディエラ
イト性ハニカムに、見掛け容積1L当たり150gのア
ルミナをコーティングした。該アルミナコートハニカム
に触媒活性成分を担持し、ハニカム状触媒を得た。先
ず、硝酸セリウム(硝酸Ce)溶液を含浸し、乾燥後600
℃で1時間焼成し、続いて、硝酸ナトリウム(硝酸Na)溶
液とチタニアゾル溶液と硝酸マグネシウム(硝酸Mg)溶液
の混合溶液を含浸し、同様に乾燥、焼成した。
ロジウム(硝酸Rh)溶液の混合溶液に含浸し、乾燥後45
0℃で1時間焼成した。最後に、硝酸Mg溶液を含浸し、
450℃で1時間焼成した。以上によりアルミナ(Al
2O3) に、Ce,Mg,Na,Ti,Rh,Ptを担持したハニカム状NO
x浄化触媒、2Mg-(0.2Rh,2.7Pt)-(18Na,4Ti,2Mg)-27Ce/A
l2O3を得た。ここで、Al2O3は、活性成分がAl2O3上に担
持されたことを示し、元素記号前の数値は、ハニカム見
掛け容積1L当たりに担持した表示金属成分の重量(g)
である。表記順序は、担持順序を示しており、Al2O3に
近く表記される成分から離れる成分の順で担持し、(
)で括られた成分は同時に担持した。前記と同様に、
NOx浄化触媒N-Sを、以下の方法で調製した。NOx浄
化触媒N-N調製における硝酸Na溶液に代えて硝酸ストロ
ンチウム(硝酸SR)溶液を用い、その他は、NOx浄化触
媒N-Nとほぼ同様の方法でN-S 2Mg-(0.2Rh,2.7Pt)-(22.5
Sr,9Ti)-27Ce/Al2O3を得た。
ス浄化装置を搭載した自動車の排ガスの浄化特性及び燃
料消費率について説明する。前記触媒調製法で得たNOx
浄化触媒N-Nを700℃で100時間酸化雰囲気で熱処
理した後、次の手段で、排気浄化特性と燃料消費率を評
価した。排気量1.6Lのリーンバーン仕様ガソリンエ
ンジンを搭載した乗用車の排気ダクトの床下に前記調製
法で調製したハニカム状のNOx浄化触媒1.24L(400
cell/in2)を設置し、シャシダイナモメーター上で走行
した。排ガスの分析は、自動車排気ガス測定装置を用
い、自動車定容量希釈サンプリング装置でサンプリング
してCVS(Constant Volume Sampling)値を求めた。ま
た、燃費は、走行距離とカーボンバランスから求めた。
常走行時と15モード2山目加速域の車速50km/h以上、
及び、15モード3山目加速域の車速55km/h以上をリ
ーン運転とし、これ以外は、ストイキ運転とした。リー
ン運転時には、NOx捕捉能推定手段によりNOx捕捉
能を推定して、この値が触媒の特性を勘案して予め決め
られた所定値以下になった時点で、短時間のストイキも
しくはリッチ運転(リッチシフト)を挿入した。ストイキ
もしくはリッチの深さ(A/F値)と時間を変化させて、N
Ox等の有害物排出量および燃料消費率(km/L)に与
える影響を評価した。なお、1回の10-15モード走
行試験内では、リッチシフトの深さ、維持時間は一定と
した。
ッチシフトの深さ(A/F値)、及び時間の影響を図2に示
した。図2からNOx排出量は、リッチシフト時間の影
響を大きく受け、リッチシフト時間を長くすると低減す
ることが理解され、また、リッチの程度を大きくする(A
/F値を小さくする)と、NOx排出量が低下する傾向にあ
るが、その低下度合いは大きくないことが理解される。
排出量と、リッチシフト時間の関係を示したものであ
る。図3から十分なNOx排出量の低減効果を得るため
には、少なくとも0.5秒好ましくは1秒間のリッチシ
フト時間が必要であること、及び、4.5秒以上では、
NOx排出量の低減率が低下し、低減効果が十分に発揮
できないことが分かる。即ち、NOx排出量の低減に
は、1秒間から4.5秒間の間のリッチシフトが有効で
あることが理解される。図4は、前記と同様な試験条件
下で得たリッチシフトによる燃料消費率の低下率とリッ
チシフトの時間、及び深さ(A/F)の影響を示したもので
ある。燃料消費率の低下率は、次の式(1)で算出され
る値を用いた。
るが、リッチシフトの時間が長いほど、またリッチシフ
トが深い(A/F値が小)ほど燃料消費率が低下すると云う
ことである。前記したように、リッチシフトを深めて
も、NOx排出量の低減効果が小さいので、リッチシフ
トは、浅いほど好ましい。自動車のリーンバーン化によ
る燃費の低減率は、一般には10%強である。これを考
慮するとリッチシフトによる燃費の低減率は、5%以下
に留めるべきであると云える。前記のリッチシフト時間
1秒から4.5秒の間で、燃費低下率5%以内を満足す
るリッチシフトの深さは、図4からA/F値が13から
14.7の間であることが理解される。
害物質として、NOxのみを取り上げたが、CO、HC
の排出量は、十分小さく、かつ、リッチシフトに基づい
て増加はするものの、その増加量は、僅かで排出量に大
きな影響を与えるものではなかった。
x浄化触媒N-Nの場合と同じ手段で、有害物排出量と燃費
を測定した。そして、NOx浄化触媒N-Nの場合と同じ試
験条件下で、図5に示すようなNOx排出量、リッチシ
フトの深さ(A/F値)、及びリッチシフト時間の相関する
関係を見いだした。図2と同様に、NOx排出量は、リ
ッチシフト時間の影響を大きく受け、リッチシフト時間
を長くすると低減する。また、リッチを深くする(A/F値
を小さくする)とNOx排出量は、低下する傾向にある
が、その程度は小さい。
排出量とリッチシフト時間の関係を示したものである。
図3の触媒N-Nの場合と同様に、十分なNOx排出量の低減
効果を得るためには、少なくとも0.5秒好ましくは1
秒間のリッチシフト時間が必要であること、及び、4.
5秒以上では、NOx排出量の低減率が低下し、低減効
果が十分に発揮できないことが分かる。即ち、NOx排
出量の低減には、本触媒についてもNOx排出量低減の観
点からリッチシフト時間は、1秒間から4.5秒間の間
のリッチシフトが有効であることが理解される。したが
って、前記図4のリッチシフト条件と燃料消費低下率の
関係より、有効なリッチシフトの深さは、A/F値1
4.7から13.0の間にあると云える。
O、HCの排出量は、十分に小さく、かつ、リッチシフ
トにより増加するものの、その増加量は、僅かで排出量
に大きな影響を与えるものではなかった。本実施の形態
における特徴は、本実施の形態のNOx浄化触媒の持つ特
性、特にNOx排出量の低減に対して、リッチシフト時
間の長さが影響し、リッチシフトの深さは、あまり影響
しないという特性に由来するところが大きいことであ
る。この特性は、本実施の形態におけるNOx浄化触媒の
以下の特性と関係するものと考えられる。
x浄化触媒は、リーン排ガス中のNOxを還元浄化すると
共に、NOxを触媒に捕捉することにより浄化するもの
であり、NOxの捕捉は、主として触媒表面への吸着に
より行われる。吸着捕捉されたNOxは、ストイキ及び
リッチの排ガスと接触させると、触媒上でHC(炭化水
素)、CO(一酸化炭素)等の還元剤によりN2に還元さ
れ、触媒表面は、NOx吸着能を回復する。吸着状態の
NOxの還元は、速やかに進行する。これは、吸着NOx
の還元反応にともなう物質移動過程が、還元剤や生成N
2の気相拡散過程と吸着NOx等の表面拡散過程を含むの
みで、物質移動抵抗の大きい触媒バルク内の移動過程を
含まないことによる。
合には、NOxが触媒表面まで拡散移動するか、還元剤
が触媒のバルク内に拡散移動する必要がある。バルク内
の移動速度を速めるには駆動力としての濃度差が必要で
還元剤の濃度を高める必要が生じる。即ち、リッチシフ
トを深くする必要が生じる。しかも、NOx等のバルク
内の物質の移動速度は小さいため(リッチシフトガス中
の還元剤のある部分は反応に関与せず触媒上を通過する
ため)、還元剤の利用率は小さくならざるを得ない。
化触媒は、バルク内の移動過程を含まないために、リッ
チシフトを深くする必要はないが、必要な還元剤を供給
するための時間が必要となる。即ち、NOx排出量低減
には、リッチシフトの深さはあまり影響しないが、リッ
チシフトの時間が影響する。また、本実施の形態の排ガ
ス浄化装置のNOx浄化触媒では、浅いリッチシフトで十
分であるために、リッチシフトによる燃費の低下は小さ
くなる。図7は、本発明の排ガス浄化装置を含む内燃機
関ユニットの他の実施の形様を示したものである。図1
の実施の形態との相違は、エンジン近くの排気管のダク
トにマニホールド触媒24を設けた点にある。
ジンの起動直後に排出されるHC等の有害物の浄化を必
要としている。即ち、従来は、触媒が作動温度に達する
まで、未処理で排出されていたが、この起動直後の有害
成分量を大幅に低減する必要がある。これには、触媒を
作動温度まで急速に昇温する方法が有効である。図7
は、エンジン起動時のHC,COの排出量の低減と、リ
ーン及びストイキ(含むリッチ)運転における排ガス浄
化に対応できる装置構成をしている。
24には、Pt,Rh,CeO2を主たる成分とする、いわゆる三
元触媒やPdを添加した三元触媒、あるいは、Pd等の燃焼
活性成分を主たる成分とした燃焼触媒が適用できる。本
実施の形態の構成では、起動時には、マニホールド触媒
24が短時間で昇温して、HCやCOの浄化を、起動直
後から行い、ストイキ運転時には、マニホールド触媒と
NOx浄化触媒19の双方が機能して、HC,CO,NOx
の浄化を行い、リーン運転時には、NOx浄化触媒が、
NOxを吸着浄化する。NOx浄化触媒のNOx捕捉能の
再生に当たり、空燃比をリッチシフトすると、還元剤と
してのHC,COは、マニホールド触媒で大きな化学変
化を受けることなく、NOx浄化触媒に達し、NOx捕捉
能を再生する。
詳述したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を
逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるも
のである。例えば、図1のエンジン99に代えて筒内直
噴射方式のエンジンを適用することもできるし、図1の
NOx浄化触媒19の下流に後触媒として燃焼触媒を配
置して、HC浄化能を向上させた装置とすることもでき
る。また、前記燃焼触媒に代えて三元触媒を配置して、
ストイキ時の三元機能を強化させた装置を実現すること
もできる。
明の内燃機関の排ガス浄化方法及び装置は、排ガス流路
に特定機能を備えたNOx浄化触媒を配置し、内燃機関
のリーン運転領域での排ガスの酸化雰囲気でNOxを吸
着捕捉すると共に、還元雰囲気をつくって、NOx浄化
触媒を再生することにより、リーンバーン燃焼における
排ガス中のNOx等を、燃費に大きな影響を与えること
なく効果的に浄化できる。
む内燃機関ユニットの全体構成図。
チシフトを挿入した場合のNOx排出量、リッチシフト
の深さ(A/Fの値)、及びリッチシフト時間との関係図。
リッチシフト時におけるリッチシフト時間とNOx排出量
との関係図。
燃料消費率の低下率、リッチシフトの時間、及びシフト
深さ(A/F)の関係図。
シフトを実施した場合のNOx排出量、リッチシフトの
深さ(A/Fの値)、及びリッチシフト時間の関係図。
ッチシフト時におけるリッチシフト時間とNOx排出量
との関係図。
む内燃機関ユニットの全体構成図であって、排気浄化系
にマニホールド触媒を付設した図。
Claims (8)
- 【請求項1】 排ガス流路にNOx浄化触媒を配置した
内燃機関の排ガス浄化方法において、 前記NOx浄化触媒が、アルカリ金属及びアルカリ土類
金属から選ばれる少なくとも一種の元素と、希土類金属
から選ばれる少なくとも一種の元素と、白金族金属(い
わゆる貴金属)から選ばれる少なくとも一種の元素と、
チタン(Ti)とを含む組成物で、排ガスがリーンのとき
に排ガス中のNOxを表面に吸着し、排ガスがストイキ
もしくはリッチのとき吸着したNOxをN2に還元する
ものであって、 内燃機関がリーン運転しているとき、前記NOx浄化触
媒で排ガス中のNOxを吸着し、吸着後に、排ガスを
0.5秒間乃至4.5秒の間ストイキもしくはリッチの
状態とし、前記NOx浄化触媒で吸着したNOxを還元
剤と接触反応させてN2に還元して排ガスを浄化する内
燃機関の排ガス浄化方法。 - 【請求項2】 前記NOx浄化触媒のアルカリ金属がカ
リウム(K)もしくはナトリウム(Na)であり、前記アルカ
リ土類金属がマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、もし
くはストロンチウム(Sr)であり、前記希土類金属がラン
タン(La)もしくはセリウム(Ce)、前記白金族金属が、白
金(Pt)、ロジウム(Rh)、パラヂウム(Pd)等であることを
特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化方
法。 - 【請求項3】 前記組成物は、多孔質耐熱性金属酸化物
に担持されていることを特徴とする請求項1又は2に記
載の内燃機関の排ガス浄化方法。 - 【請求項4】 前記排ガスのストイキもしくはリッチ
は、そのリッチ状態の深さを空燃比A/F値で、13.
0乃至14.7の間とすることを特徴とする請求項1乃
至3のいずれか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化方
法。 - 【請求項5】 排ガス流路にNOx浄化触媒を配置する
と共に、制御装置を備えた内燃機関の排ガス浄化装置に
おいて、 前記NOx浄化触媒が、アルカリ金属及びアルカリ土類
金属から選ばれる少なくとも一種の元素と、希土類金属
から選ばれる少なくとも一種の元素と、白金族金属(い
わゆる貴金属)から選ばれる少なくとも一種の元素と、
チタン(Ti)とを含む組成物で、排ガスがリーンのとき
に排ガス中のNOxを表面に吸着し、排ガスがストイキ
もしくはリッチのとき吸着したNOxをN2に還元する
ものであって、 前記制御装置は、空燃比制御手段を備え、該空燃比制御
手段は、内燃機関がリーン運転しているとき、前記NO
x浄化触媒で吸着した排ガス中のNOxを、還元剤と接触
反応させてN2に還元して排ガスを浄化するべく、排ガ
スを0.5秒間乃至4.5秒の間ストイキもしくはリッ
チの状態に制御する手段を有していることを特徴とする
内燃機関の排ガス浄化装置。 - 【請求項6】 前記NOx浄化触媒のアルカリ金属がカリ
ウム(K)もしくはナトリウム(Na)であり、前記アルカリ
土類金属がマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、もしく
はストロンチウム(Sr)であり、前記希土類金属がランタ
ン(La)もしくはセリウム(Ce)、前記白金族金属が、白金
(Pt)、ロジウム(Rh)、パラヂウム(Pd)等であることを特
徴とする請求項5に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。 - 【請求項7】 前記組成物は、多孔質耐熱性金属酸化物
に担持されていることを特徴とする請求項5又は6に記
載の内燃機関の排ガス浄化装置。 - 【請求項8】 前記排ガスのストイキもしくはリッチの
状態への制御は、そのリッチ状態の深さを空燃比A/F
値で、13.0乃至14.7の間とすることを特徴とす
る請求項5乃至7のいずれか一項に記載の内燃機関の排
ガス浄化装置。
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