WO2008130046A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関において、機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒（１４）が配置され、ＮＯx選択還元触媒（１４）の上流に排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵しうるＮＯx吸蔵触媒（１２）が配置される。ＮＯx吸蔵触媒（１２）にミスト状の燃料が供給され、ＮＯx吸蔵触媒（１２）に吸蔵されているＮＯxと供給された燃料とはＮＯx吸蔵触媒（１２）上において反応せしめられてＮＯx一分子に対して当量比以上の炭化水素分子とＮＨ2との結合分子からなる中間生成物が生成される。これら中間生成物はＮＯx選択還元触媒（１４）に吸着され、吸着された中間生成物により排気ガス中のＮＯxが還元される。

Description

内燃機関の排気浄化装置

技術分野

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。 明

背景技術

田

流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含ま 書

れる N〇_xを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリ ツチになると吸蔵した N O _xを放出する N O _x吸蔵触媒を機関排気通 路内に配置し、 この N〇_x吸蔵触媒上流の機関排気通路内に小型の 三元触媒を配置した内燃機関が公知である （例えば特開 2 0 0 4— 1 0 8 1 7 6号公報を参照） 。 この内燃機関では N〇_x吸蔵触媒の N O _x吸蔵能力が飽和に近づく と排気ガスの空燃比が一時的にリ ッ チにされ、 それによつて N〇_x吸蔵触媒から N〇_xが放出され還元さ れる。

しかしながらこのような内燃機関において N〇 _x吸蔵触媒から N 〇 _xを放出させるために N〇 _x吸蔵触媒の上流にミス ト状の燃料を供 給した場合、 N〇_x吸蔵触媒から放出された N O _xをうまく還元でき ないという問題がある。

発明の開示

本発明の目的は、 N O _x吸蔵触媒から放出された N〇_xをうまく還 元することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある

本発明によれば、 機関排気通路内に N O _v選択還元触媒を配置し 、 N O _x選択還元触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれ る Ν〇_χを吸蔵しうる Ν〇_χ吸蔵触媒を配置し、 Ν〇_χ吸蔵触媒上流 の機関排気通路内に燃料供給弁を配置して燃料供給弁から Ν Ο _χ吸 蔵触媒にミス 卜状の燃料を供給し、 Ν〇_χ吸蔵触媒において吸蔵さ れている Ν Ο _χと供給された燃料とを Ν〇_χ吸蔵触媒上において反応 させて Ν〇_χ—分子に対して当量比以上の炭化水素分子と Ν Η ₂との 結合分子からなる中間生成物を生成させ、 Ν Ο _χ吸蔵触媒において 生成された中間生成物を Ν〇_χ選択還元触媒に吸着させ、 吸着され た中間生成物により排気ガス中の Ν Ο _χを還元するようにした内燃 機関の排気浄化装置が提供される。

即ち、 本発明では燃料供給弁からミス ト状の燃料を供給すること により Ν Ο _χ吸蔵触媒から Ν Ο _χを放出させ、 この放出された N O _χ を Ν Η ₂まで還元することによつて Ν〇_χが浄化される。 図面の簡単な説明

図 1は圧縮着火式内燃機関の全体図、 図 2は Ν〇_χ吸蔵触媒の触 媒担体の表面部分の断面図である。 発明を実施するための最良の形態

図 1 に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。

図 1 を参照すると、 1は機関本体、 2は各気筒の燃焼室、 3は各 燃焼室 2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、 4 は吸気マ二ホルド、 5は排気マニホルドを夫々示す。 吸気マ二ホル ド 4は吸気ダク ト 6 を介して排気夕一ポチャージャ 7のコンプレツ サ 7 aの出口に連結され、 コンプレッサ 7 aの入口は吸入空気量を 検出する吸入空気量検出器 8 を介してエアクリーナ 9に連結される 。 吸気ダク ト 6内にはステップモー夕により駆動されるスロッ トル 弁 1 0が配置され、 更に吸気ダク 卜 6周りには吸気ダク ト 6内を流 れる吸入空気を冷却するための冷却装置 1 1が配置される。 図 1 に 示される実施例では機関冷却水が冷却装置 1 1内に導かれ、 機関冷 却水によって吸入空気が冷却される。

一方、 排気マニホルド 5は排気ターボチャージャ 7の排気夕ービ ン 7 bの入口に連結され、 排気タービン 7 bの出口は排気ガス中に 含まれる N O_xを吸蔵しうる N〇_x吸蔵触媒 1 2の入口に連結される 。 N〇_x吸蔵触媒 1 2の出口は排気管 1 3 を介して N〇_x選択還元触 媒 1 4に連結される。 また、 排気マニホルド 5には排気マニホルド 5内を流れる排気ガス中に燃料を供給するための燃料供給弁 1 5が 取付けられる。

排気マ二ホルド 5 と吸気マ二ホルド 4とは排気ガス再循環 （以下 、 E G Rと称す） 通路 1 6 を介して互いに連結され、 E G R通路 1 6内には電子制御式 E G R制御弁 1 7が配置される。 また、 E G R 通路 1 6周りには E G R通路 1 6内を流れる E G Rガスを冷却する ための冷却装置 1 8が配置される。 図 1 に示される実施例では機関 冷却水が冷却装置 1 8内に導かれ、 機関冷却水によって E G Rガス が冷却される。 一方、 各燃料噴射弁 3は燃料供給管 1 9 を介してコ モンレール 2 0に連結される。 このコモンレール 2 0内へは電子制 御式の吐出量可変な燃料ポンプ 2 1から燃料が供給され、 コモンレ ール 2 0内に供給された燃料は各燃料供給管 1 9 を介して燃料噴射 弁 3 に供給される。

まず初めに N O_x吸蔵触媒 1 2について説明する。 N O_x吸蔵触媒 1 2は'例えばアルミナからなる触媒担体を担持した基体を有してお り、 図 2 ( A) ， （B) はこの触媒担体 3 0の表面部分の断面を図 解的に示している。 図 2 ( A) ， (B) に示されるように触媒担体 3 0の表面上には貴金属触媒 3 1が分散して担持されており、 更に 触媒担体 3 0の表面上には N O_x吸収剤 3 2の層が形成されている 本発明による実施例では貴金属触媒 3 1 として白金 P tが用いら れており、 N〇_x吸収剤 3 2を構成する成分としては例えば力リゥ ム 、 ナトリウム N a、 セシウム C sのようなアルカリ金属、 ノ リ ゥム B a、 カルシウム C aのようなアルカリ土類、 ランタン L a、 イ ッ トリウム Yのような希土類から選ばれた少なく とも一つが用い られている。

機関吸気通路、 燃焼室 2および NO_x吸蔵触媒 1 2上流の排気通 路内に供給された空気および燃料 （炭化水素） の比を排気ガスの空 燃比と称すると、 NO_x吸収剤 3 2は排気ガスの空燃比がリーンの ときには NO_xを吸収し、 排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収 した N〇_xを放出する N〇_xの吸放出作用を行う。

即ち、 N O_x吸収剤 3 2を構成する成分としてバリウム B aを用 いた場合を例にとって説明すると、 排気ガスの空燃比がリーンのと き、 即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれ る NOは図 2 ( A) に示されるように白金 P t 3 1上において酸化 されて N 0₂となり、 次いで N〇_x吸収剤 3 2内に吸収されて酸化パ リウム B a〇と結合しながら硝酸イオン N〇₃—の形で N〇_x吸収剤 3 2内に拡散する。 このようにして N〇 _xが N〇 _x吸収剤 3 2内に吸 収される。 排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金 P t 3 1の表面で N〇 ₂が生成され、 N O _x吸収剤 3 2の N〇 _x吸収能力が飽和しない 限り N 0₂が N〇_x吸収剤 3 2内に吸収されて硝酸イオン N〇₃—が生 成される。

これに対し、 排気ガスの空燃比がリ ツチ或いは理論空燃比にされ ると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向 （NO ₃一 →N〇₂) に進み、 斯く して NO_x吸収剤 3 2内の硝酸イオン N0₃一 が N〇 ₂の形で N〇 _x吸収剤 3 2から放出される。

一方、 Ν〇_χ選択還元触媒 1 4は排気ガスの空燃比がリーンのも とでアンモニアにより排気ガス中の Ν Ο _χを選択的に還元すること のできるアンモニア吸着タイプの F eゼォライ トから構成されるか 、 或いは、 アンモニアの吸着機能がないチタニア · バナジウム系の 触媒から構成される。 図 1 に示される実施例では N〇_x選択還元触 媒 1 4はアンモニア吸着タイプの F eゼォライ トから構成されてい る。

さて、 上述したように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、 即 ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中の N〇 _xが N〇 _x吸収剤 3 2内に吸収される。 しかしながらリーン空燃 比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間に N O _x吸収剤 3 2 の N〇_x吸収能力が飽和してしまい、 斯く して N〇_x吸収剤 3 2によ り N O _xを吸収できなくなってしまう。 そこで本発明による実施例 では N〇_x吸収剤 3 2の吸収能力が飽和する前に燃料供給弁 1 5か ら燃料を供給して N〇_x吸蔵触媒 1 2から N O _xを放出させるように している。 次にこのことについて説明する。

本発明による実施例では軽油、 又は軽油を主成分とする重質燃料 がミス ト状に、 即ち微粒子の形で燃料供給弁 1 5から供給される。 この供給燃料の一部は酸化せしめられるが大部分は図 2 ( B ) に示 されるように白金 P t 3 1 の表面や N O _x吸収剤 3 2 の表面に付着 する。 供給燃料が白金 P t 3 1 の表面に付着すると白金 P t 3 1 の 表面上における酸素濃度が低下するので N〇_x吸収剤 3 2の N 0 ₃ _ が図 2 ( B ) に示されるように N 0 ₂の形で放出される。

このとき排気ガスの空燃比がかなり リ ッチになる程度の多量の燃 料が燃料供給弁 1 5から供給されると、 即ち N〇_xを還元するため の還元剤が多量に供給されると図 2 ( B ) に示されるように放出さ れた N〇₂は NOを経て NH₂へと還元される。 次いでこの ΝΗ^ΐ 白金 3 1 に付着している炭化水素 H Cとただちに反応し、 図 2 (Β ) に示されるように炭化水素 H Cと ΝΗ₂との結合分子からなる中 間生成物 3 3が生成される。 なお、 供給燃料中の炭化水素 H Cの炭 素数はかなり多く、 従って Ν〇_χ吸蔵触媒 1 2では吸蔵されている Ν〇_χと供給された燃料から、 Ν Ο_χ—分子に対して当量比以上の炭 化水素分子と ΝΗ₂との結合分子からなる中間生成物が生成される このように ΝΟ_χ吸蔵触媒 1 2に吸蔵されている Ν〇_χは供給され た燃料によって ΝΟ_χ吸蔵触媒 1 2から放出され、 放出された Ν〇_χ が還元されることになる。

次いで Ν〇_χ吸蔵触媒 1 2において生成された中間生成物は Ν〇_χ 選択還元触媒 1 4に送り込まれて NO _χ選択還元触媒 1 4に吸着さ れる。 Ν〇_χ選択還元触媒 1 4に吸着した中間生成物は Ν〇_χ選択還 元触媒 1 4の温度が上昇すると N O _χ選択還元触媒 1 4上において 炭化水素 H Cとアンモニア ΝΗ₃に分解される。 この炭化水素 H C は排気ガスの空燃比がリーンであるときに排気ガス中に含まれる酸 素によって酸化せしめられ、 排気ガス中に含まれる ΝΟ_χは ^^0_!(選 択還元触媒 1 4に吸着しているアンモニア ΝΗ₃によって還元され る。

このように Ν〇_χ吸蔵触媒 1 2に吸蔵されていた ΝΟ_χはァミン Ν Η₂の形で Ν Ο_χ選択還元触媒 1 4まで移送され、 Ν Ο_χ選択還元触 媒 1 4においてアンモニア ΝΗ₃に変換されて Ν〇_χの浄化のために 使用される。

Claims

1. 機関排気通路内に NO_x選択還元触媒を配置し、 該 N〇_x選択 還元触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれる N〇_xを吸 蔵しうる NO_x吸蔵触媒を配置し、 該 NO _x吸蔵触媒上流の機関排気 通路内に燃料供給弁を配請置して該燃料供給弁から N〇_x吸蔵触媒に ミス ト状の燃料を供給し、 N〇_x吸蔵触媒において吸蔵されている NO_xと供給された燃料とを NO_x吸蔵触媒上において反応させて N 〇_x—分子に対して当量比以上の炭化水素分子と NH₂との結合分子 からなる中間生成物を生成させ、 N〇_x吸蔵触媒において生成され た該中間生成物を上記 N O_x選択還元触媒囲に吸着させ、 吸着された 該中間生成物により排気ガス中の N O_xを還元するようにした内燃 機関の排気浄化装置。

2. 上記 N〇_x吸蔵触媒が、 流入する排気ガスの空燃比がリーン のときには排気ガス中に含まれる N〇_xを吸蔵し流入する排気ガス の空燃比が理論空燃比又はリ ッチになると吸蔵した N O_xを放出す る N O_x吸蔵触媒からなる請求項 1 に記載の内燃機関の排気浄化装 置。

3. 上記 NO_x選択還元触媒が、 排気ガスの空燃比がリーンのも とでアンモニアにより排気ガス中に含まれる N〇_xを選択的に還元 しうる N〇_x選択還元触媒からなる請求項 1 に記載の内燃機関の排 気浄化装置。