JPH11343834A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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JPH11343834A JP10148082A JP14808298A JPH11343834A JP H11343834 A JPH11343834 A JP H11343834A JP 10148082 A JP10148082 A JP 10148082A JP 14808298 A JP14808298 A JP 14808298A JP H11343834 A JPH11343834 A JP H11343834A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】酸素過剰下でNOxを還元剤によって浄化する
ことができる温度範囲を広げることができる。 【解決手段】 酸素過剰の排気ガスが流れている排気管
内に、第2のNOx触媒4と、第2のNOx触媒4に比
べて酸化能が高い第1のNOx触媒3とを設け、この第
2のNOx触媒4上流の排気管中に尿素を供給する尿素
供給手段14と、第1のNOx触媒3上流の排気管中に
炭化水素を供給する炭化水素供給手段13を備え、第2
のNOx触媒温度が尿素とNOxとが反応可能な温度領
域に存在する時には尿素供給手段14によって尿素を供
給し、第1のNOx触媒温度が炭化水素とNOxとが反
応可能な温度領域に存在する時には炭化水素供給手段1
3によって炭化水素量を増大させることによって広い温
度範囲においてNOxを還元浄化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気浄
化に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関の排気通路に窒素酸化物(以下
NOx)を浄化するため複数のリーンNOx触媒を直列
に配置した複数のリーンNOx触媒と、各触媒の上流で
炭化水素(以下HC)を供給するHC供給手段を備え、
各触媒の温度に応じてHCを供給する内燃機関の排気浄
化装置が開示されている(特開平04−214919号
公報参照)。具体的には、各触媒は夫々NOx浄化率の
高い温度ウィンドウ(約200〜300℃)内において
機関の運転状態(回転数、負荷)に応じたHC量を供給
することによって排気ガス中のNOxを還元している。
一方、別の内燃機関の浄化装置として、排気管にCO
(NH22(以下尿素という)を供給して触媒上でNO
xを浄化するディーゼルエンジンの排気浄化装置が開示
されている(実開平03−129712号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、HCを
供給することでリーンNOx触媒上でNOxを還元する
装置においては、供給するHC中には重質成分が含まれ
ており、この重質成分は触媒に付着してSOF被毒を引
き起こしやすくなる。この被毒を防止するため上記装置
の触媒では酸化活性の強い触媒を設ける必要があった。
しかし、酸化活性が強い触媒では排気ガス又は触媒温の
低温側でHCとNOxが反応しやすくなる利点があるも
のの、高温側ではHCと酸素が反応していまい、NOx
を浄化できなくなる。即ち、NOxを浄化できる温度領
域(以下温度ウィンドウ)は低温側に移ってしまう。一
方、尿素を供給することでリーンNOx触媒上でNOx
を還元する装置においては、NOxは尿素と反応して窒
素に還元できるものの、酸化活性が高い触媒を用いると
酸化能が強すぎるため窒素が酸化してNOxを生成して
しまう恐れがある。即ち、尿素を供給してNOxを浄化
させるには活性が低い触媒を使う必要があり、この活性
が低い触媒を使った場合には、NOxを浄化できる温度
領域(以下温度ウィンドウ)は低温側に移ることとにな
る。従って、上記従来技術のように尿素添加のみでNO
xを浄化する触媒システム又はHCのみでNOxを浄化
する触媒システムで内燃機関の排気ガス中のNOxを浄
化しようとすると、限られた温度範囲以内のみしかNO
xを浄化することができず、全体としてみた場合NOx
浄化率が低下するという問題があった。
【0004】本発明は、上記問題に鑑み、広い温度範囲
で常に高NOx浄化率に保つ内燃機関の排気浄化装置を
提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1によれ
ば、酸素過剰の排気ガスが流れている排気管内に、第2
のNOx触媒と、該第2のNOx触媒に比べて酸化能が
高い第1のNOx触媒とを設け、該第2のNOx触媒上
流の排気管中に尿素を供給する尿素供給手段と、該第1
のNOx触媒上流の排気管中にHCを供給するHC供給
手段を備え、第2のNOx触媒温度が尿素とNOxとが
反応可能な温度領域に存在する時には該尿素供給手段に
よって尿素を供給し、第1のNOx触媒温度がHCとN
Oxとが反応可能な温度領域に存在する時には該HC供
給手段によってHC量を増大させる供給制御手段を備え
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。
【0006】すなわち、請求項1の発明では、排気ガス
又は触媒温の低温側ではNOxは第1の触媒上でHCと
反応させて浄化させることができるとともに、排気ガス
又は触媒温の高温側ではNOxは第2の触媒上で尿素と
反応させて浄化させることができる。
【0007】本発明の請求項2によれば、請求項1にお
ける第2のNOx触媒が前記第1のNOx触媒より下流
側の排気管内に設けられている。すなわち、請求項2の
発明では、第1のNOx触媒でサルフェートが生成され
排出されても、下流側の第2のNOx触媒上でサルフェ
ートと尿素が反応して硫酸アンモニウムとなって無害に
することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】図1は本発明の排気浄化装置を自
動車用内燃機関に適用した場合の実施形態の概略構成を
示す図である。ここで、内燃機関とは、排出される排気
ガスが酸素過剰となるガソリンエンジンであってもよい
が、ここではディーゼルエンジンにおける実施形態を説
明することにする。図1を参照すると、ディーゼル機関
本体1の排気系2の上流に第1のリーンNOx触媒3と
その下流に第2のリーンNOx触媒4とが直列に設けら
れている。ここで、リーンNOx触媒とは酸素過剰下に
おいて還元剤(例えばHC,尿素)とNOxとを選択的
に反応させることで、NOxを浄化する選択還元型触媒
のことを示すものであり、具体的には第1のリーンNO
x触媒3は例えばアルミナ又はゼオライトを担体とし、
この担体上には強い酸化活性能を有する白金Ptのよう
な貴金属が担持されている。一方、第2のリーンNOx
触媒4はチタニア、アルミナ又はゼオライトを担体と
し、この担体上に第1のリーンNOx触媒3に担持され
ている貴金属より弱い酸化活性を有する銅、コバルト、
バナジウムが担持されている。さらに、この第1のリー
ンNOx触媒3の上流には還元剤としてHCを添加する
HC供給装置13が、第1のリーンNOx触媒3と第2
のリーンNOx触媒4の中間には還元剤として尿素を添
加する尿素供給装置14が、それぞれ設けられており、
各リーンNOx触媒とその上流の各還元剤供給装置はそ
れぞれユニットを構成している。このHC供給装置13
はHC(軽油)を充填したHCボンベ15aへ第1バル
ブ6を介して接続される。尚、本実施態様ではHCボン
ベ15aを設けているが、それに限定されるものではな
く図示しない燃料タンクからHC供給装置13へ接続し
てもよいし、さらにはHC供給装置13を設けずに図示
しない燃焼室内において燃料噴射弁からの燃料噴射量Q
とは別に排気又は膨張行程時に燃料を噴射することによ
って排気ガス中のHCを増量制御することもできる。一
方、尿素供給装置14は、尿素を充填した尿素ボンベ1
5bへ第2バルブ7を介して接続されている。この第1
バルブ6、第2バルブ7の開度は、電子制御ユニット
(ECU)20の制御により夫々対応する第1アクチュ
エータ16、第2アクチュエータ17により調節され、
この開度量によって排気系2内に供給するHC、尿素の
供給量および供給開始・停止が決まる。
【0009】電子制御ユニット(ECU)20は、デジ
タルコンピュータからなり、図示しない双方向バスによ
って相互に接続されたROM(リードオンリメモリ)、
RAM(ランダムアクセスメモリ)、CPU(中央処理
装置)、入力ポートおよび出力ポートを備える。機関1
には機関冷却水温に比例した出力電圧を発生する水温セ
ンサ27が取り付けられ、第1のリーンNOx触媒3の
上流側排気系2内には排気ガスの温度に比例した出力電
圧を発生する温度センサ25が取り付けられる。上記温
度センサ25で検出された排気ガスの温度は第1及び第
2のリーンNOx触媒3、4の温度TEXを表わしてい
る。また、アクセル開度センサ24はアクセルペダルの
踏込み量Lを検出しその開度に比例した出力信号を発生
する。これらのセンサ24,25,27の出力電圧は夫
々対応するAD変換器43を介して入力ポートに入力さ
れる。また、入力ポートにはクランク角度を検出するク
ランク角センサ23の出力信号が直接入力され、CPU
により機関1の回転数Nが演算される。一方、出力ポー
トからは、対応する駆動回路へ制御信号が出力され、そ
れぞれアクチュエータ16,17を駆動してバルブ6,
7の開度を調節するとともに、それぞれ対応する駆動回
路を介して図示しない燃料噴射弁に夫々接続される。
【0010】この燃料噴射弁からの燃料噴射量Qは図2
に示されるようにアクセルペダルの踏込み量Lおよび機
関回転数Nに基いて制御される。なお、図2において各
実線Q1,Q2,Q8・・・(Q,<Q2<Q3)は等
噴射量を表わしており、従って図2からわかるように燃
料噴射量Qはアクセルペダルの踏込み量Lが大きくなる
ほど増大し、機関回転数Nが高くなるほど減少する。図
2に示される燃料噴射量Qとアクセルペダルの踏込み量
L、機関回転数Nとの関係は予めROM32内に記憶さ
れている。
【0011】ところで、燃焼室3内における平均空燃比
がリーンであるときには機関負荷が高くなるほど単位時
間当り機関から排出されるNOx量が増大するために単
位時間当りのHC供給装置13又は尿素供給装置14か
ら供給するトータルの還元剤量TREDを増大させ、ま
た機関回転数が高くなるほど単位時間当り機関から排出
されるNOx量が増大するために単位時短当りのHC供
給装置13又は尿素供給装置14から供給するトータル
の還元剤量TREDを増大させる。従って単位時間当り
排気系2に供給されるトータルの還元剤量TREDは機
関負荷と機関回転数の関数となる。この場合、機関負荷
はアクセルペダルの踏込み量Lでもって代表することが
できるので単位時間当り還元剤量TREDはアクセルペ
ダルの踏込み量Lと機関回転数Nの関数となる。従って
本発明による実施例では単位時間当りアクセルペダルの
踏込み量Lおよび機関回転数Nの関数として予め実験に
より求め、このTREDがLおよびNの関数として図3
に示すマップの形で予めROM32内に記憶されてい
る。但し、図6に示されるように第1のリーンNOx触
媒3における温度ウィンドウ及び第2のリーンNOx触
媒4の温度ウィンドウの範囲内でのみ還元剤量TRED
を排気系2に供給することにする。
【0012】上記温度ウィンドウ内においてHC供給装
置から供給されたHCは、第1のリーンNOx触媒3内
で例えば(2NO+4O2+4HC→N2+4CO2+2
2O)のような反応が行われる。一方、尿素供給装置
14から供給されたCO(NH 22(尿素)は第2のリ
ーンNOx触媒4内で例えば(2NO+2O2+2CO
(NH22→3N2+2CO2+4H2O)又は(6NO
+2CO(NH22→5N2+2CO2+4H2O)の反
応が行われる。この反応式に従って排気ガス中に含まれ
るNOxは還元され、無害化される。
【0013】次に、本発明における還元剤の供給制御に
ついて説明する。図4は実施例のHC供給制御ルーチン
のフローチャートである。本図以降に示すフローチャー
トにおける処理ルーチンは、何れも例えば10msecの処
理周期で実行される。ステップ201では、排気温TE
X及び水温THW、等を読み込む。そして、ステップ2
02およびステップ203においては読み込んだ温度を
もとに第1のリーンNOx触媒3がNOxを反応させる
ことができる温度範囲(200℃〜350℃)内か否か
を判断している。これらの判断ステップで温度範囲(2
00℃〜350℃)以外の時にはステップ206へ進ん
で第1バルブ6を全閉即ちHCの供給を停止してこのフ
ローチャートを終了する。一方、温度範囲(200℃〜
350℃)内と判断した時にはステップ204へ進む。
ステップ204では上記図3で説明したようにアクセル
ペダルの踏込み量Lおよび機関回転数Nのパラメータ毎
に予め定められ記憶されているマップから現時点での排
気ガス中のNOxを還元するための還元剤量TREDを
読み出し、この還元剤量TREDに相当するHCを供給
するため第1バルブ6の開度を目標開度に制御して、こ
のルーチンを終了する。
【0014】図5は実施例の尿素添加制御ルーチンのフ
ローチャートである。ステップ301では図4のステッ
プ201と同様に排気温TEX及び水温THW、等を読
み込む。そして、ステップ302およびステップ303
においては読み込んだ温度をもとに第2のリーンNOx
触媒4がNOxを反応させることができる温度範囲(3
00℃〜550℃)内か否かを判断している。これらの
判断ステップで温度範囲(300℃〜550℃)以外の
時にはステップ306へ進んで第2バルブ7を全閉にし
てこのフローチャートを終了する。一方、温度範囲(3
00℃〜550℃)内と判断した時にはステップ304
へ進む。ステップ304では、上記図3で説明したよう
にアクセルペダルの踏込み量Lおよび機関回転数Nのパ
ラメータ毎に予め定められ記憶されているマップから現
時点での排気ガス中のNOxを還元するための還元剤量
TREDを読み出し、この還元剤量TREDに相当する
尿素を供給するため第2バルブ7の開度を目標開度に制
御して、このルーチンを終了する。但し、温度範囲が3
00℃〜350℃の間にあるときには上流側の第1のリ
ーンNO触媒3上で一部のNOxがHCと反応して浄化
されるため、還元剤量TREDから所定分差し引いた分
の尿素を添加することとする。このように、本実施態様
では排気ガス又は触媒温の低温側(300℃〜)ではN
Oxは第1のリーンNOx触媒3上でHCと反応させて
浄化させることができるとともに、排気ガス又は触媒温
の高温側(〜550℃)ではNOxは第2のリーンNO
x触媒4上で尿素と反応させて浄化させることができ
る。さらに、第1のリーンNOx触媒3上では強い酸化
能を有しているため、多量にサルフェートが生成され排
出されることがあっても、下流側の第2のリーンNOx
触媒4上でサルフェートと尿素が反応して硫酸アンモニ
ウムとなって無害にすることができる。
【0015】次に、本発明による内燃機関の排気浄化装
置の第2の実施態様を説明する。強い酸化活性能を有す
る白金Ptのような貴金属が担持されている第1のリー
ンNOx触媒3及びこの第1のリーンNOx触媒3の上
流に還元剤としてHCを添加するHC供給装置13、第
1バルブ6、HC(軽油)を充填したHCボンベ15a
を排気系2の下流側に配置する。一方、第1のリーンN
Ox触媒3に担持されている貴金属より弱い酸化活性を
有する銅、コバルト、バナジウムが担持された第2のリ
ーンNOx触媒4は第1のリーンNOx触媒3及びHC
供給装置13の上流側に配置する。そして、第2のリー
ンNOx触媒4の上流側に還元剤として尿素を添加する
尿素供給装置14が設けられた配置とする。又、HC供
給装置13、尿素供給装置14から供給される還元剤制
御については第1の実施態様と同様な制御でよい。この
第2の実施態様では、高温側に温度ウィンドウをもつ第
2のリーンNOx触媒4を上流側に備えるとともに低温
側に温度ウィンドウをもつ第1のリーンNOx触媒3を
下流側に備えることで、第2のリーンNOx触媒4は機
関1の燃焼による高温の排気ガスを受けやすくなるの
で、第2のリーンNOx触媒4の温度ウィンドウを低温
側に広げることができる。一方、第1のリーンNOx触
媒3は機関1の燃焼による高温の排気ガスが排気系2で
放熱されるため、第1のリーンNOx触媒3の温度ウィ
ンドウを高温側に広げることができる。
【0016】
【発明の効果】本発明では、排気ガス又は触媒温の低温
側ではNOxは第1のリーンNOx触媒上でHCと反応
させて浄化させることができるとともに、排気ガス又は
触媒温の高温側ではNOxは第2のリーンNOx触媒上
で尿素と反応させて浄化させることができるので、広い
温度範囲で、常にNOxを浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ディーゼル機関の全体図である。
【図2】燃料噴射量Qを示す図である。
【図3】還元剤量の供給量を示す図である。
【図4】HCの供給制御を示すフローチャートである。
【図5】尿素の供給制御を示すフローチャートである。
【図6】リーンNOx触媒温度ウィンドウを示す図であ
る。
【符号の説明】
3…第1のリーンNOx触媒 4…第2のリーンNOx触媒 13…HC供給装置 14…尿素供給装置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸素過剰の排気ガスが流れている排気管
    内に、第2のNOx触媒と、該第2のNOx触媒に比べ
    て酸化能が高い第1のNOx触媒とを設け、該第2のN
    Ox触媒上流の排気管中に尿素を供給する尿素供給手段
    と、該第1のNOx触媒上流の排気管中に炭化水素を供
    給する炭化水素供給手段を備え、第2のNOx触媒温度
    が尿素とNOxとが反応可能な温度領域に存在する時に
    は該尿素供給手段によって尿素を供給し、第1のNOx
    触媒温度が炭化水素とNOxとが反応可能な温度領域に
    存在する時には該炭化水素供給手段によって炭化水素量
    を増大させる供給制御手段を備えたことを特徴とする内
    燃機関の排気浄化装置。
  2. 【請求項2】 排気ガスの流れ方向に対して前記第2の
    NOx触媒が前記第1のNOx触媒より下流側の排気管
    内に設けた請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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