JP2010013975A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リッチ空燃比の排気ガスの通過によりＮＯ_X吸蔵還元触媒装置において生成されるアンモニアの大気放出量を十分に低減すると共に、アンモニアからの可逆的にＮＯ_Xが生成されることも十分に抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】機関排気系に配置されたＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２と、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の下流側に配置されて鉄系触媒を担持する下流側触媒装置３とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

希薄燃焼の排気ガス中に比較的多く含まれるＮＯ_Xを浄化するために、機関排気系にはＮＯ_X吸蔵還元触媒装置が配置されている。このＮＯ_X吸蔵還元触媒装置は、排気ガスの空燃比がリーンである時には排気ガス中のＮＯ_Xを良好に吸蔵し、排気ガス中の空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯ_Xを放出し、こうして放出されたＮＯ_Xがリッチ空燃比の排気ガス中の還元物質によって還元浄化される。

また、希薄燃焼の排気ガス中には、ＳＯ_Xも含まれており、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置は、ＮＯ_Xと同様なメカニズムによってＳＯ_Xも吸蔵する。こうして吸蔵されたＳＯ_Xを放出させるためには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置を昇温して排気ガスの空燃比をリッチとすることが必要である。

このようにＮＯ_X吸蔵還元触媒装置にはリッチ空燃比の排気ガスを通過させることがあり、この時には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置に担持された貴金属触媒によって排気ガス中の一部のＮＯ_Xが還元されてアンモニアＮＨ₃が生成されてしまう。

このように生成されたアンモニアを吸着するために、ＮＯ_X選択還元触媒装置をＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の下流側に配置することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。こうしてＮＯ_X選択還元触媒装置に吸着されたアンモニアは、排気ガス中のＮＯ_Xを還元浄化するのに使用される。

特表２００７−５２７３１４ 特開２０００−２６５８２８ 特開２００８−５１００９ 特開２００７−５６６８２

前述の背景技術において、ＮＯ_X選択還元触媒装置に白金系触媒が担持されている場合、流入するアンモニアの一部から可逆的にＮＯ_Xを生成し、大気中へ放出してしまう。

従って、本発明の目的は、リッチ空燃比の排気ガスの通過によりＮＯ_X吸蔵還元触媒装置において生成されるアンモニアの大気放出量を十分に低減すると共に、アンモニアから可逆的にＮＯ_Xが生成されることも十分に抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されたＮＯ_X吸蔵還元触媒装置と、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の下流側に配置されて鉄系触媒を担持する下流側触媒装置とを具備することを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Xを放出させる時には、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の排気ガスを前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ流入させることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の前記排気ガスは、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の上流側において、リッチ空燃比の排気ガスと、リーン空燃比の排気ガス又は空気とを混合させることにより形成することを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Xを放出させる時には、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の下流側において、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の前記排気ガスに空気を混入させて僅かにリーンな空燃比の排気ガスを前記下流側触媒装置へ流入させることを特徴とする。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記下流側触媒装置には、白金系酸化触媒も担持されていることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、機関排気系に配置されたＮＯ_X吸蔵還元触媒装置と、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の下流側に配置されて鉄系触媒を担持する下流側触媒装置とを具備しており、それにより、排気ガスの空燃比がリッチとされる時にＮＯ_X吸蔵還元触媒装置において生成されるアンモニアは、下流側触媒装置に担持された鉄系触媒によって可逆的にＮＯ_Xが殆ど生成されることなく良好に窒素及び水に分解され、アンモニアの大気放出量を十分に低減することができる。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Xを放出させる時には、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の排気ガスをＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ流入させるようになっており、それにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置から放出されたＳＯ_Xが殆ど硫化水素に還元されることはない。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の排気ガスは、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の上流側において、リッチ空燃比の排気ガスと、リーン空燃比の排気ガス又は空気とを混合させることにより形成するようになっており、それにより、リッチ空燃比の排気ガス中の未燃燃料がリーン空燃比の排気ガス中又は空気中の酸素を使用してＮＯ_X吸蔵還元触媒装置において燃焼するために、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置を良好に昇温することができる。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Xを放出させる時には、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の下流側において、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の排気ガスに空気を混入させて僅かにリーンな空燃比の排気ガスを下流側触媒装置へ流入させるようになっており、それにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Xを放出させるためのリッチ空燃比の排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを下流側触媒装置において酸化浄化することができる。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置において、下流側触媒装置には、白金系酸化触媒も担持されており、それにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Xを放出させるためのリッチ空燃比の排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを下流側触媒装置において良好に酸化浄化することができる。

図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。本排気浄化装置は、ディーゼルエンジン又は筒内噴射式火花点火内燃機関のような希薄燃焼を実施する内燃機関のためのものである。図１において、１は機関本体近傍に配置されて機関始動時に早期に活性化して排気ガスを浄化する上流側触媒装置であり、例えば、三元触媒装置である。２はＮＯ_X吸蔵還元触媒装置であり、３は下流側触媒装置であり、例えばゼオライトを担体として触媒としての鉄系触媒が担持されたＮＯ_X選択還元触媒装置である。

ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２は、例えば、アルミナを担体として、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金属、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をＮＯ_X吸蔵触媒として担持すると共に、貴金属酸化触媒（例えば、白金）を担持するものである。

これらのＮＯ_X吸蔵触媒は、排気ガスの空燃比がリーン状態の時に排気ガス中のＮＯ_Xを良好に吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチ状態となると吸蔵したＮＯ_Xを放出するものである。ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２は無制限にＮＯ_Xを吸蔵することはできず、定期的に、又は、設定量のＮＯ_Xが吸蔵された時に、排気ガスの空燃比をリッチ状態としてＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２に吸蔵されたＮＯ_Xを放出させて、排気ガス中の還元物質により還元浄化する再生処理が実施される。

また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２はＮＯ_Xと同様なメカニズムによって排気ガス中のＳＯ_Xも吸蔵してしまう。こうしてＳＯ_Xが吸蔵されると、ＳＯ_Xは硫酸塩として硝酸塩より安定的に吸蔵されるために、硝酸塩を分解してＮＯ_Xを放出させる再生処理では放出させることができず、ＮＯ_X吸蔵可能量を低下させる（Ｓ被毒）。それにより、定期的に、又は、設定量のＳＯ_Xが吸蔵された時に、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２を約７００℃まで昇温して排気ガスの空燃比をリッチ状態とするＳ被毒回復処理が実施される。

このように、再生処理及びＳ被毒回復処理において、排気ガスの空燃比はリッチ状態とされ、この時に、上流側触媒装置１及びＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２に担持されている貴金属触媒によって排気ガス中のＮＯ_Xが還元されてアンモニアＮＨ₃が生成される。しかしながら、こうして生成されたアンモニアは、下流側触媒装置３としてのＮＯ_X選択還元触媒装置３がその一部を吸着して排気ガスの空燃比がリーン状態の時にＮＯ_Xを還元浄化するのに使用されると共に、残りをＮＯ_X選択還元触媒装置３が担持する鉄系触媒が窒素及び水に分解するために殆ど大気中へ放出されることはない。

再生処理においては排気ガスの空燃比がリッチとされるのは数秒であるが、Ｓ被毒回復処理では排気ガスの空燃比を数十分の間リッチとすることとなり、この間においても前述のようにしてアンモニアが殆ど大気中へ放出されない。図３は、ゼオライトを担体として鉄を担持する第一触媒装置（マル印）と、セリアを担体として白金を担持する第二触媒装置（バツ印）とに、アンモニア含有ガスを流入させた場合の入りガス温度に対するＮＯ_X生成率の変化を示す実験結果である。同図に示すように、第二触媒装置ではアンモニアからＮＯ_Xが生成されるのに対して、第一触媒装置では殆どＮＯ_Xが生成されず、アンモニアは窒素と水とに分解されていることが解る。

本実施形態では、下流側触媒装置３が鉄系触媒を担持するＮＯ_X選択還元触媒装置３としたが、鉄系触媒を担持する単なる酸化触媒装置としても、アンモニアを窒素及び水に良好に分解してアンモニアの大気放出量を十分に低減することができる。

ところで、Ｓ被毒回復処理においては、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２を約７００℃まで昇温させなければならない。そのために、本実施形態では、機関本体においてリッチ空燃比（１２から１３．５）での運転を実施するか、又は、膨張行程又は排気行程において気筒内へ燃料を噴射して、機関本体から排出される排気ガスの空燃比をリッチ状態（１２から１３．５）とし、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の上流側において、第一空気供給装置４から排気ガス中へ空気を混入させて排気ガスの空燃比を僅かにリッチ状態（１４．０以上１４．６未満）とする。

それにより、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２において、担持された白金等の酸化触媒により、排気ガス中の未燃燃料を、供給された空気中の酸素を使用して燃焼させ、この燃焼熱によってＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２を約７００℃へ容易に昇温することができる。こうして昇温されて僅かなリッチ状態とされたＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２からはＳＯ_Xが放出されるが、ＳＯ_Xが硫化水素へ還元されることはなく、硫化水素が大気中へ放出されることは殆どない。

また、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２から流出する僅かにリッチ状態の排気ガス中には、僅かにＨＣ及びＣＯが含まれているために、これらを浄化することが好ましい。そのためには、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の下流側において、第二吸気供給装置５から排気ガス中へ空気を混入させて排気ガスの空燃比を僅かにリーン状態（１４．６より大きく１７以下）として、下流側触媒装置３へ流入させ、下流側触媒装置３の鉄系触媒によって混入させた空気中の酸素を使用してＨＣ及びＣＯを酸化させる。

また、このようにＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の下流側において、第二吸気供給装置５から排気ガス中へ空気を混入させて排気ガスの空燃比をリーン状態とすれば、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２に流入する排気ガスの空燃比がリッチ過ぎて放出されたＳＯ_Xが硫化水素に還元されても、再び酸化されてＳＯ_Xへ戻すことができる。

図４は、ゼオライトを担体として鉄を担持する第一触媒装置（マル印）と、セリアを担体として白金を担持する第二触媒装置（バツ印）とに、酸素及びＣＯを含むガスを流入させた場合の入りガス温度に対するＣＯ浄化率の変化を示す実験結果である。同図に示すように、第一触媒装置ではＣＯの浄化率が低いのに対して、第二触媒装置では良好にＣＯを浄化することができる。それにより、下流側触媒装置３には、鉄系触媒だけでなく、白金系酸化触媒も担持させることにより、Ｓ被毒回復処理においてＨＣ及びＣＯをさらに良好に酸化浄化させることができる。

この場合において、下流側触媒装置３の上流側には鉄系触媒を担持させ、下流側に白金系酸化触媒を担持させることが好ましい。それにより、下流側触媒装置３へ流入する排気ガス中のアンモニアは、白金系酸化触媒によってＮＯ_Xへ変換される前に、鉄系触媒によって窒素及び水へ分解することができる。もちろん、下流側触媒装置３を、鉄系触媒を担持する上流側と、白金系酸化触媒を担持する下流側とに分割しても良い。

下流側触媒装置３へ流入させる排気ガスの空燃比のリーン状態が理論空燃比に近いほど、下流側触媒装置３でのＨＣ及びＣＯの酸化が不十分となり易くなるために、第二吸気供給装置５から排気ガス中へ空気を混入させて制御する排気ガスの制御空燃比が、理論空燃比に近いほど、下流側触媒装置３の鉄系触媒及び白金系酸化触媒の全担持量に対する白金系酸化触媒の担持量の割合を多くすることが好ましい。

図２は本発明によるもう一つの内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。図１の排気浄化装置との違いについてのみ以下に説明する。本排気浄化装置は、Ｓ被毒回復処理において、機関本体から排出される排気ガスの空燃比の制御、及び、第一空気供給装置４及び第二空気供給装置５から供給される空気量の制御の結果として、ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２の下流側の排気ガスの空燃比が変化する場合において、切換弁６を切り換えて、排気ガスを第一下流側触媒装置３ａ及び第二下流側触媒装置３ｂのいずれかに通過させるかを選択するようになっている。

例えば、第一下流側触媒装置３ａにおいて、白金系酸化触媒の担持量と鉄系触媒の担持量との比が６：４とされ、第二下流側触媒装置３ｂにおいて、白金系酸化触媒の担持量と鉄系触媒の担持量との比が４：６とされている。好ましくは、第一下流側触媒装置３ａ及び第二下流側触媒装置３ｂのそれぞれにおいて、上流側には鉄系触媒を、下流側には白金系酸化触媒を担持させる。第二空気供給装置５により空気が混入された後の排気ガスの空燃比を空燃比センサ（図示せず）により検出し、それが１５．５よりリッチ側である時には、排気ガスが第一下流側触媒装置３ａを通過するように切換弁６が切り換えられ、また、検出された空燃比が１５．５よりリーン側である時には、排気ガスが第二下流側触媒装置３ｂを通過するように切換弁６が切り換えられる。

それにより、Ｓ被毒回復処理においてＨＣ及びＣＯを白金系酸化触媒により良好に酸化浄化させることができると共に、アンモニアを鉄系触媒により良好に窒素及び水へ分解することができる。本実施形態において、再生処理時には、排気ガスが第二下流側触媒装置３ｂを通過するように切り換えられ、アンモニアを多量の鉄系触媒により良好に窒素及び水へ分解することが好ましい。

Ｓ被毒回復処理に際して、比較的多量の未燃燃料を含む排気ガスに第一空気供給装置４により空気を供給して僅かにリッチな空燃比とした排気ガスがＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２へ流入するようにしたが、Ｖ型エンジンの場合には、一方のバンクから排出される排気ガス中には比較的多量の未燃燃料が含まれるようにし、他方のバンクから排出される排気ガス中には比較的多量の酸素が含まれるようにして、これらのリッチ空燃比の排気ガスとリーン空燃比の排気ガスとが混合して（好ましくは、僅かにリッチな空燃比となって硫化水素が生成されないようにして）ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２へ流入するようにしても良い。

もちろん、Ｖ型エンジンではなく、直列型エンジンにおいても、一部の気筒から排出される排気ガス中には比較的多量の未燃燃料が含まれるようにし、他方のバンクから排出される排気ガス中には比較的多量の酸素が含まれるようにして、これらのリッチ空燃比の排気ガスとリーン空燃比の排気ガスとが混合して（好ましくは、僅かにリッチな空燃比となって硫化水素が生成されないようにして）ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置２へ流入するようにしても良い。

本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。 本発明によるもう一つの内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。 鉄を担持する第一触媒装置と、白金を担持する第二触媒装置とに、アンモニア含有ガスを流入させた場合の入りガス温度に対するＮＯ_X生成率の変化を示す実験結果である。 鉄を担持する第一触媒装置と、白金を担持する第二触媒装置とに、酸素及びＣＯを含むガスを流入させた場合の入りガス温度に対するＣＯ浄化率の変化を示す実験結果である。

符号の説明

１ 上流側触媒装置
２ ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置
３，３ａ，３ｂ 下流側触媒装置

Claims (5)

1. 機関排気系に配置されたＮＯ_X吸蔵還元触媒装置と、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の下流側に配置されて鉄系触媒を担持する下流側触媒装置とを具備することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Xを放出させる時には、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の排気ガスを前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置へ流入させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の前記排気ガスは、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の上流側において、リッチ空燃比の排気ガスと、リーン空燃比の排気ガス又は空気とを混合させることにより形成することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置からＳＯ_Xを放出させる時には、前記ＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の下流側において、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の前記排気ガスに空気を混入させて僅かにリーンな空燃比の排気ガスを前記下流側触媒装置へ流入させることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記下流側触媒装置には、白金系酸化触媒も担持されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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