JP2004211679A - 内燃機関用ＮＯｘ後処理装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アンモニアの積極的な発生に伴う問題を解決する。
【解決手段】 希薄燃焼エンジンを対象とする効率のきわめて高いNOx後処理装置を提供する。希薄NOx吸着体と選択的接触還元触媒を組み合わせて使用し、相乗効果を得る。すなわち、NOx吸着体の再生時にNOx吸着体に生成するアンモニアを使用する。一方、燃料リッチ燃焼モードでエンジンを定期的に運転し、希薄燃焼モードでのエンジンの通常運転時、NOx吸着体で処理された後の排気ガス流れに残っているNOxを還元する。
【選択図】 図１

Description

本発明は全体的に内燃機関用排ガス後処理装置、特に希薄燃焼エンジンを対象とするNOx後処理装置に関する。

今後５〜１０年のうちに導入されることが予定されている世界的な排ガス規制では、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの場合、ある種の排ガス後処理装置を搭載する必要がある。恐らく、ディーゼルエンジン産業にとって最大の関心事は、（窒素の各種酸化物である）NOx系排ガスの還元率と考えられる。NOxは、希薄燃焼として知られている希薄混合気燃焼の排ガス流れから取り除くことがもっとも難しいからである。希薄燃焼ガソリンエンジンやディーゼルエンジンには燃焼効率が高い利点があるが、NOx排ガス関して問題がある。窒素は一般大気や、エンジンが費消する空気中に存在する。空気中の窒素含有率はほぼ７５％である。窒素は燃焼しないが、２，５００°F以上の温度で酸化する傾向がある。NOxは人体の健康に有害であり、EPAにおける主要な排ガス問題の一つである。

触媒技術に大きな進展がない限り、希薄燃焼エンジンを利用する自動車の場合、現行の排ガス基準および将来予定されている排ガス規制基準を満たすことができない。ディーゼルエンジンに使用するために主に考えられている技術のうち２つは、尿素その他の手段を使用してアンモニアを発生する選択的接触還元（SCR）と、希薄なNOxを吸着する吸着触媒である。これら技術に関してきわめて厳格なU.S.２００７基準を満たす能力があるかどうかについては、いずれも実証されていない。さらに、これら技術には見逃せない問題がある。現状の選択的接触還元の場合、搭載した尿素/水混合物か、あるいはその他のアンモニア発生手段を排ガスシステムに噴射する。過剰な尿素を噴射すると、過剰なアンモニア（NH₃）が発生し、毒性のあるアンモニアを大気中に吐き出す恐れがある。希薄なNOxを吸着する吸着触媒の場合、リッチな燃焼生成物を吸着体で処理することによって定期的に再生する必要がある。可能な限りNOx変換率を高くするためには、吸着されたNOxを脱着するために必要な量より多いリッチな燃焼生成物で処理する必要があるが、最近になって、これによって排ガス流れにNH₃が発生することわかった。既に説明したように、NH₃は毒性をもつため、大気中への吐き出しは避ける必要がある。現在まで提案されている唯一の代替策は、NH₃含有ガスを酸化触媒で処理し、酸化性雰囲気中でNOを形成することであるが、この策は、後処理それ自体の目的がまずNOおよびNO₂を取り除くことからみて望ましくない。

Konradなどを発明者とし、そして“排ガス中の窒素−酸化物を還元する方法および装置”を発明の名称とし、２００１年１月２３日に発行されたUSP６，１７６，０７９B1には、NOx吸着触媒を再生する別な代替策が開示されている。この公報には、直列に接続した３つの触媒ユニット、即ちNOx吸着触媒ユニット＋アンモニア発生触媒ユニット＋アンモニア吸着触媒ユニットが記載されている。Konradなどの方法は、アンモニアの発生量を最大化することを対象としている。また、衣笠などを発明者とし、２０００年９月１９日に発行されたUSP６，１１９，４５２やGuentherなどを発明者とし、ごく最近の２００２年１月１５日に発行されたUSP６，３３８，２４４B1は、アンモニアを積極的に発生し、窒素−酸化物排ガスの還元を最適化することを対象としているが、既に説明したように、アンモニアは有毒物質であり、大気中への吐き出しは避ける必要がある。
USP6,119,452 USP6,338,244B1

本発明の課題は、Konradなど、衣笠など、およびGuentherなどによって提案されたアンモニアの積極的な発生に伴う問題を解決することである。

多量のアンモニアを積極的に発生する必要がないため、アンモニア吸着触媒が飽和した場合に、アンモニアが大気中に吐き出されることがない効率の高いNOx後処理装置を搭載することが望ましい。また、エンジン制御システムを最適化し、NOx吸着装置のNOx変換効率を最大化したさいに発生する望ましくないアンモニアを有利に利用できる、希薄燃焼エンジンに搭載する効率の高いNOx後処理装置も望ましい。この本発明の価値のある特徴によれば、将来の排ガス規制法によって課せられるきわめて高いNOx変換効率に対処できるようにエンジン制御システムを変更できる。

本発明の一態様によれば、通常の希薄燃焼運転モードと定期的に行なう所定の燃料リッチ燃焼モードを選択的に切り換えることができる希薄燃焼内燃機関のNOx後処理装置において、排気システムを少なくとも一つの燃焼室と、NOx吸着体と、そして選択的還元触媒とに流体連絡する。NOx吸着体は、排気システム内に配設し、希薄燃焼モードのエンジン運転時に発生するNOxの少なくとも一部を吸着保持する吸着体である。所定の燃料リッチ燃焼モードのエンジン運転時に、NOx吸着体に吸着保持されたNOxを還元し、NOx吸着体を再生する。所定の燃料リッチ燃焼モードでは、NOx吸着体に吸着保持されたNOxを還元するために必要な量より多い量で燃焼生成物を生成するのに十分な時間エンジンを燃料リッチ燃焼運転モードで連続運転し、これによって過剰な燃焼生成物の一部がアンモニアを生成する。選択的還元触媒については、排気システム内のNOx吸着体下流側に配設し、所定の希薄燃焼モードでのエンジンの定期的運転時に生成するアンモニアを保持できるように構成する。このようにして保持されたアンモニアが、希薄燃焼モードの通常のエンジン運転時、NOx吸着体で処理された後の排ガスに残存するNOxの還元剤として作用する。

本発明の実施態様であるNOx後処理装置の他の特徴によれば、粒状物フィルターをNOx後処理装置の排気システム内に配設する。

本発明のもう一つの態様によれば、希薄燃焼内燃機関からのNOx排ガスを還元する方法において、希薄燃焼モードでエンジンを通常運転し、希薄燃焼モードのエンジン運転時に発生するNOxをエンジンの排気システム内に配設したNOx吸着体に吸着する。この方法では、さらに、エンジンを所定のリッチ燃焼モードでエンジンを定期的に運転する。この所定のリッチ燃焼モードでは、希薄燃焼モードでのエンジン運転時にNOx吸着体に吸着保持されたNOxを還元するために必要な量より多い量で燃焼生成物を生成するのに十分な時間エンジンを燃料リッチ燃焼運転モードで連続運転する。所定の燃料リッチ燃焼モードでのエンジンの定期的運転時に、過剰な燃焼生成物の一部がアンモニアを生成する。NOx吸着体の排気システム下流に配設した選択的還元触媒に、所定の燃料リッチ運転モード時に生成したアンモニアを吸着保持し、通常の希薄燃焼モードでのエンジン運転時に、NOx吸着体で吸着処理された後の排ガスに残っているNOxを選択的還元触媒によって還元する。

また、希薄燃焼内燃機関からの排ガスのNOxを還元する方法では、エンジン燃焼室から排出される排ガスを粒状物フィルタで処理してから、排ガスを大気中に放出する。

以下、希薄燃焼エンジンからのNOx排ガスを還元する装置および方法を添付図面について詳しく説明するが、これによって本発明をよりよく理解できるはずである。
本発明は、具体的には、希薄燃焼エンジンの排ガス流れのNOx排ガスを還元することに関する。希薄燃焼エンジンの場合、軽い負荷条件か中程度の負荷条件下きわめて希薄な空燃比で運転を行なう。加速時や登坂時などのように全出力が必要な場合、例えば、希薄燃焼ガソリンエンジンは化学量論比（１４．７：１）かそれ以上の比に戻る。アイドリング時、ディーゼルエンジンの場合、空燃比は４０〜６０：１の範囲にある。全負荷時、この空燃比は１８：１まで下がることがある（この場合の発煙は未燃焼燃料を示す）。希薄運転の結果、燃焼効率がより高くなり、熱損失がより小さくなるため、燃料経済がよりよくなる。ところが、３元酸化触媒系やその他の触媒系を使用する希薄燃焼エンジンの場合、一般に、将来の厳格なNOx排ガス基準を満たすことができない。将来のNOx排ガス基準を満たすためには、以下に説明するような付加的なNOx制御手段が必要である。

本発明の好適な実施態様について説明する。希薄燃焼エンジン（ディーゼルエンジン、火花点火式エンジンなど）は参照符号１０で示す。このエンジンは、複数の燃焼室１２と排気システム１４とを備えている。希薄燃焼エンジン１０の運転は、図示しない通常のプログラム可能な電子エンジン制御装置によって制御し、通常は希薄燃焼モードでエンジン１０を運転し、後処理再生を選択する場合には、一時的に燃料リッチ燃焼モードでエンジン１０を運転する。NOx吸着体を再生するための燃料リッチ生成物は、空気と燃料の燃料リッチ混合物を燃焼室に送り込むことによって燃料リッチ燃焼生成物を燃焼室から排出するか、あるいはこれと別にまたはこれと一緒に、燃焼室の外側においてNOx吸着体上流にある排気システム内で燃料の一部を燃焼することによって得ることができる。なお、以下の説明および特許請求の範囲で使用する“燃料リッチ燃焼”は、“十分ではない空気の存在中で燃料を燃焼し、エンジンの燃焼室内、あるいはNOx吸着体上流位置における燃焼室下流での燃料を完全に燃焼させる”ことを意味する。下流側燃焼は、燃料リッチ燃焼生成物を生成し、ディーゼルエンジンにおけるある種の触媒を再生するためによく利用されている方法である。排気システム１４は、排気システム１４と燃焼室１２とを流体連絡する通常の排気マニホルド１６と、排気システム１４と周囲の環境とを流体連絡するテールパイプ１８とを備えている。

また、排気システム１４は、NOx吸着体とも呼ばれている希薄NOxトラップ（LNT）２０を備え、その第１端部２２で燃焼室１２から排出される排気ガスを受け取る。このNOxトラップ２０の第２端部２４は、第１端部２２から離して設ける。NOxをN_２に連続転換する触媒とは異なり、NOx吸着体は、燃料希薄条件下ではNOxを吸着保持し、そして燃料リッチ条件下では吸着保持されたNOxを放出し、接触還元する物質を有している。酸性酸化物であるNOおよびNO_２は、例えばNOx吸着体に設けられた塩基性酸化物にトラップできる。具体的には、LNT２０は、希薄エンジン運転時に窒素酸化物を化学的に結合する。吸着体能力が飽和したなら、吸着体を再生し、リッチエンジン運転時に、即ち燃料リッチ燃焼生成物を燃焼室内で、あるいは燃焼室外で生成する間に放出されるNOxを接触還元する。さらに、本発明では、吸着体に吸着保持されているNOx量を還元するために必要な量以上の量のリッチ燃焼生成物を生成するのに十分な時間エンジン１０を燃料リッチ燃焼モードで連続運転し、LNT２０を再生する。この過程で、吸着体内で過剰な水素および窒素の一部がアンモニア（NH_３）に転換する。

また、排気システム１４は、選択的接触還元（SCR）触媒３０を備え、この第１端部３２はLNT２０の第２端部２４に直接連絡する。そして、第２端部３４は、LNT２０の第１端部３２から離して設ける。本発明では、既に説明したように、LNT２０の再生時に、LNT２０内に保持されているNOxを還元するために必要な量以上の量の燃焼生成物を生成する。水素および窒素を含有する過剰な燃焼生成物の一部をアンモニア（NH_３）に転換する。SCR触媒３０は、LNT２０の再生の副生成物として生成したNH_３がSCR触媒３０に付着し、一時的にこれに保持されるように、希薄NOx触媒３０の後に、即ち排気流れ中下流に配設する。エンジンの通常の希薄運転を再開する場合には、SCR触媒３０に保持されているNH_３を使用し、通常の希薄運転時に希薄NOx触媒に吸着されなかったNOx部分を還元する。このため、後処理装置のNOx転換率が（NOx吸着体の再生および接触還元によって）向上し、毒性のあるアンモニアの吐き出しを避けることができる。

排気システム14内に粒状物（PM）トラップまたはフィルター４０を配設するのが望ましい。ディーゼル粒状物トラップは、拡散付着作用、慣性付着作用、フローライン（flow-line）捕獲作用などの表面ろ過作用/ベッド内ろ過作用機構によって排出粒状物を捕獲する。捕獲した粒状物は、熱的再生によってフィルター４０から定期的に除去する。ディーゼルフィルターは、排出粒状物の固体分制御にきわめて有効である。図示のように、SCR触媒３０のLNT２０上流にPMトラップ４０を配設すると、特にエンジン１０の所定燃料リッチ燃焼モード運転時において、PM（すす）汚染から下流側処理装置を保護できる。なお、所望に応じて、SCR触媒３０中のLNT２０の下流にPMトラップ４０を設けることも可能である。この位置に設けると、周囲環境に排出される粒状物の量を有効に低減することができる。

また、エンジン１０に、希薄燃焼用燃焼室１２へ空気を確実に供給する過給器５０を配設することも望ましい。エンジン効率を高くするだけでなく、過給器はガソリンエンジンにおいて特に有効である。なぜなら、ガソリンエンジンの場合、減速などで、エンジンの全速度・負荷範囲にわたって希薄燃焼を維持するのに十分な空気流れを供給できない場合もあるからである。

以上説明したように、本発明のNOx後処理装置および方法は、ディーゼルエンジン、火花点火式エンジンその他のエンジンに限らず、希薄燃焼エンジンの場合に、排気流れ中において高いNOx転換率を実現する上に、毒性のあるアンモニアの大気への放出を防止する手段を与えるものである。本発明では、燃焼副生成物からアンモニアが生成するため、車両に特別な流体を搭載する必要がない。このように、本発明は、提出されているU.S.２００７排ガス基準を満たすために必要な技術にきわめて重要な進展をもたらすものである。

以上、好適な実施態様について本発明を説明してきたが、当業者ならば、実際の装置構成などは、具体的なエンジンの構成や運転特性に依存することを理解できるはずである。例えば、本発明の後処理装置には、排ガスを還元するために、排気ガス再循環手段および/または他の排ガス制御手段を配設することも可能である。このように、本発明装置の実施態様や本発明方法の実施などはいずれも特許請求の範囲内にある。また、本発明の他の態様、特徴、作用効果などについては、特許請求の範囲にかぎらず、本明細書および図面の検討から明らかになるはずである。

希薄燃焼エンジンからのNox排ガスを還元する装置を示す概略図である。

符号の説明

１０：希薄燃焼エンジン
１２：燃焼室
１４：排気システム
１６：マニホルド
１８：テールパイプ
２０：希薄NOxトラップ（LNT）
３０：NOx吸着体
４０：PMトラップまたはフィルター
５０：過給器

Claims (7)

1. 少なくとも一つの燃焼室をもち、通常の希薄燃焼モード運転と定期的に行なわれる所定のリッチ燃焼モード運転とを切り換えることができる希薄燃焼内燃機関用のNOx後処理装置において、
   排気システムを上記燃焼室と流体連絡し、
   上記排気システム内にNOx吸着体を配設し、その第１端部で上記燃焼室から排出される排気ガスを受け取るとともに、第２端部を第１端部から離して設け、このNOx吸着体に、上記希薄燃焼モードでのエンジン通常運転時に発生するNOxの少なくとも一部を吸着保持し、上記保持されたNOxを還元し、上記所定の燃料リッチ燃焼モードでのエンジンの定期的運転時に上記NOx吸着体を再生し、上記所定の燃料リッチ燃焼モードにおいて、上記NOx吸着体に吸着保持されているNOxを還元するために必要な量以上の量の燃焼生成物を生成するのに十分な時間燃料リッチ運転モードでエンジンを連続運転することによって過剰な燃焼生成物の一部がアンモニアを生成するように構成し、そして
   選択的接触還元触媒を上記排気システム内に配設し、その第１端部を上記NOx吸着体の第２端部に直接連絡し、この選択的接触還元触媒に、上記所定のリッチ燃焼モードでのエンジンの定期的運転時に生成する上記アンモニアを保持し、上記通常の希薄燃焼モードでのエンジン運転時に、上記の保持されたアンモニアが、上記燃焼室から排出される排気ガス中に残っているNOxの還元剤となることを特徴とするNOx後処理装置。
2. 上記選択的接触還元触媒によって、この選択的還元触媒に保持されている上記アンモニアのほぼすべてとNOx吸着体によって処理された後の排気ガス中に残っているNOxとを反応させ、これによって上記エンジンの排気システムからアンモニアが放出されることを防止する請求項１記載のNOx後処理装置。
3. 上記排気システムにおいて、上記燃焼室と上記NOx吸着体の第１端部との間に粒状物フィルターを配設した請求項１記載のNOx後処理装置。
4. 上記選択的接触還元触媒の第２端部を上記第１端部から離して設け、上記排気システムの粒状物フィルターを上記選択的接触還元触媒の上記第２端部に流体連絡する請求項１記載のNOx後処理装置。
5. 上記エンジンにおいて、上記燃焼室と上記NOx吸着体の第１端部との間の位置で上記排気システム中に過給器を配設した請求項１記載のNOx後処理装置。
6. 希薄燃焼内燃機関からのNOx排ガスを還元する方法において、
   希薄燃焼モードでエンジンを運転し、
   この希薄燃焼モードでのエンジン運転時に発生したNOxをエンジンの排気システム中に配設したNOx吸着体に吸着保持し、
   所定の燃料リッチ燃焼モードでエンジンを定期的に運転し、この所定の燃料リッチ燃焼モードでは、上記希薄燃焼モードでのエンジン運転時に上記NOx吸着体に吸着保持されたNOxを還元するために必要な量以上の量の燃焼生成物を生成するのに十分な時間燃料リッチ運転モードでエンジンを連続運転し、これによって過剰な燃焼生成物の一部がアンモニアを生成するように構成し、
   エンジンの上記所定の燃料リッチ運転モード時に生成したアンモニアをNOx吸着体の下流位置において上記排気システム内に配設した選択的接触還元触媒に保持し、そして
   希薄燃焼モードでエンジンを運転し、これによって上記NOx吸着体での処理後、上記希薄燃焼モードでのエンジン運転時に排気ガス中に残っているNOxを上記選択的接触還元触媒で還元することを特徴とするNOx後処理方法。
7. 上記エンジンから燃焼により排出された排気ガスを粒状物フィルターで処理する請求項６記載の方法。
   

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