JP4821737B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内に、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを吸蔵し還元剤を供給すると吸蔵したＮＯ_Xを放出するＮＯ_X吸蔵触媒を配置し、ＮＯ_X吸蔵触媒下流の機関排気通路内にＮＯ₂生成触媒を配置し、ＮＯ₂生成触媒下流の機関排気通路内にＮＯ_X選択還元触媒を配置した内燃機関が公知である（特許文献１を参照）。この内燃機関では排気ガス中に含まれるＮＯ_Xから生成されたアンモニアＮＨ₃がＮＯ_X選択還元触媒に吸蔵されており、ＮＯ_X吸蔵触媒に吸蔵されなかったＮＯ_XがＮＯ_X選択還元触媒においてアンモニアＮＨ₃により還元される。

ところでＮＯ_X選択還元触媒では排気ガス中に含まれるＮＯとＮＯ₂との割合が１：１のときに最も良好にＮＯ_Xが還元されることが知られている。しかしながら排気ガス中に含まれるＮＯ_Xの大部分はＮＯである。従ってこの内燃機関ではＮＯ_X選択還元触媒の上流にＮＯ₂生成触媒を配置してこのＮＯ₂生成触媒により排気ガス中に含まれるＮＯをできる限りＮＯ₂に変換するようにしている。
特表２００６−５１２５２９号公報

ところでＮＯ₂生成触媒として酸化触媒を用いた場合、研究の過程において、排気ガス中にＳＯ_Xが含まれているとＳＯ_XによってＮＯからＮＯ₂への変換作用が阻害され、その結果ＮＯ_Xの浄化率が低下することが判明したのである。しかしながら上述の内燃機関ではこのようなＳＯ_XによるＮＯ_Xの浄化率の低下に関しては何らの示唆もない。

本発明では、機関排気通路内にＮＯ_X選択還元触媒を配置し、ＮＯ_X選択還元触媒に尿素を供給してこの尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_X選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置すると共に酸化触媒上流の機関排気通路内にＮＯ_X吸着触媒を配置し、ＮＯ_X吸着触媒は、ＮＯ_X吸着触媒の温度が低いときには排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを吸着しかつＮＯ_X吸着触媒の温度が上昇すると吸着しているＮＯ_Xを放出する性質を有すると共に排気ガス中に含まれるＳＯ_Xを捕獲する性質を有し、ＮＯ_X吸着触媒により酸化触媒へのＳＯ_Xの流入を抑制してＮＯ_X吸着触媒から放出されたＮＯが酸化触媒においてＮＯ₂に酸化されるのをＳＯ_Xにより阻害されないようにしている。

ＮＯ_X吸着触媒やＮＯ_X選択還元触媒の温度が低いときには排気ガス中に含まれるＮＯ_XはＮＯ_X吸着触媒に吸着され、排気ガス中に含まれるＳＯ_XはＮＯ_X吸着触媒に捕獲される。一方、ＮＯ_X吸着触媒やＮＯ_X選択還元触媒の温度が上昇するとＮＯ_X吸着触媒からＮＯ_Xが放出される。このときＮＯ_X吸着触媒からＳＯ_Xは放出されず、従って酸化触媒にはＳＯ_Xが流入しないので放出されたＮＯは酸化触媒において良好にＮＯ₂に変換される。

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は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器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タにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト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１１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１１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の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口はＮＯ_X吸着触媒１２の入口に連結される。このＮＯ_X吸着触媒１２の下流には酸化触媒１３が配置され、酸化触媒１３の出口は排気管１４を介してＮＯ_X選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯ_X選択還元触媒１５の出口には排気管１６が連結される。

ＮＯ_X選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水供給弁１７が配置され、この尿素水供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水タンク２０に連結される。尿素水タンク２０内に貯蔵されている尿素水は供給ポンプ１９によって尿素水供給弁１７から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯ_XがＮＯ_X選択還元触媒１５において還元される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２３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２３内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２４を介してコモンレール２５に連結され、このコモンレール２５は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を介して燃料タンク２７に連結される。燃料タンク２７内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２６によってコモンレール２５内に供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。ＮＯ_X選択還元触媒１５にはＮＯ_X選択還元触媒１５の温度を検出するための温度センサ２８が取付けられ、排気管１６内にはＮＯ_X選択還元触媒１５から流出する排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出するためのＮＯ_Xセンサ２９が配置される。これら温度センサ２８、ＮＯ_Xセンサ２９および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

一方、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２２および燃料ポンプ２６に接続される。

ＮＯ_X吸着触媒１２の基体は多数の細孔を有するコージェライト或いはメタルからなり、この基体上にはゼオライト、アルミナＡｌ₂Ｏ₃、ジルコニアＺｒＯ₂又はチタニアＴｉＯ₂等からなる触媒担体の層が形成されていてこの触媒担体上には鉄Ｆｅ又は銀Ａｇからなる卑金属触媒又は白金のような貴金属触媒が担持されている。このＮＯ_X吸着触媒１２は、ＮＯ_X吸着触媒１２の温度が低いときには排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを吸着しかつＮＯ_X吸着触媒１２の温度が上昇すると吸着しているＮＯ_Xを放出する性質を有する。更にこのＮＯ_X吸着触媒１２は排気ガス中に含まれるＳＯ_Xを捕獲する性質を有する。

ところでＮＯ_X吸着触媒１２に吸着されたＮＯ_XはＮＯ_X吸着触媒１２の温度がほぼ２００℃を越えるとＮＯ_X吸着触媒１２から放出される。ところがＮＯ_X吸着触媒１２に捕獲されたＳＯ_XはＮＯ_X吸着触媒１２の温度が２００℃を越えてもＮＯ_X吸着触媒１２から放出されず、このＳＯ_XはＮＯ_X吸着触媒１２の温度が５００℃程度まで上昇してもＮＯ_X吸着触媒１２から放出されることはない。

一方、酸化触媒１３は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１３は排気ガス中に含まれるＮＯを酸化してＮＯ₂に変換する作用をなす。一方、ＮＯ_X選択還元触媒１５は低温でアンモニアを吸着し、高いＮＯ_X浄化率を有するＦｅ／ゼオライトから構成されるか、或いはＶ₂Ｏ₅／ＴｉＯ₂から構成される。

次に図２（Ａ）を参照しつつ本発明による排気浄化装置によるＮＯ_X浄化性能について説明する。図２（Ａ）に本発明による排気浄化装置によるＮＯ_X浄化率Ｒ（％）が実線で示されている。なお、図２（Ａ）の横軸はＮＯ_X選択還元触媒１５の温度ＴＣ（℃）を示している。

さて、図１においてＮＯ_X吸着触媒１２および酸化触媒１３を設けなかった場合のＮＯ_X浄化率Ｒは、即ちＮＯ_X選択還元触媒１５のみによるＮＯ_X浄化率Ｒは図２（Ａ）において破線ａで示すように触媒温度ＴＣが４００℃よりも低下すると下降し始め、従ってこの場合には触媒温度ＴＣが３００℃以下になるとほとんどＮＯ_Xが浄化できなくなる。本発明ではＮＯ_X選択還元触媒１５の上流に酸化触媒１３を配置することによって図２（Ａ）において破線ｂで示す位置までＮＯ_X浄化率Ｒを高め、酸化触媒１３の上流にＮＯ_X吸着触媒１２を配置することによって実線で示されるように２００℃以下の低温領域までＮＯ_Xを浄化しうるようにしている。

即ち、触媒温度ＴＣがほぼ２００℃よりも低いときには排気ガス中に含まれるＮＯ_Xのかなりの部分がＮＯ_X吸着触媒１２に吸着され、斯くしてこのとき比較的高いＮＯ_X浄化率Ｒが得られる。一方、触媒温度ＴＣがほぼ２００℃よりも高くなるとＮＯ_X吸着触媒１２からＮＯ_X、即ちＮＯが放出され、このＮＯ_Xが酸化触媒１３においてＮＯ₂に酸化される。その結果、ＮＯ_X吸着触媒１２から放出されたＮＯがＮＯ_X選択還元触媒１５によって良好に還元せしめられる。

即ち、ＮＯ_X選択還元触媒１５では前述したように尿素から発生したアンモニアＮＨ₃によって排気ガス中に含まれるＮＯ_Xが選択的に還元され、このとき最も速度の速い反応式が次式で示される。
ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃→２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ
上式から、排気ガス中のＮＯとＮＯ₂との比率が１：１のとき、即ち排気ガス中の（ＮＯ＋ＮＯ₂）に対するＮＯ₂の比率、言い換えると排気ガス中のＮＯ_Xに対するＮＯ₂の比率が５０パーセントのときに反応速度が最も速くなり、斯くしてＮＯ_X浄化率が最も高くなることがわかる。

従って酸化触媒１３を配置すると排気ガス中のＮＯ₂の量が増大せしめられるのでＮＯ_X選択還元触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯ_Xに対するＮＯ₂の比率が５０％に近ずき、斯くして図２（Ａ）の破線ａと破線ｂで示される間でのＮＯ_X浄化率が高められることになる。

ところで本発明者による研究の過程において、酸化触媒１３に流入する排気ガス中にＳＯ_Xが含まれるいるとこのＳＯ_Xによって酸化触媒１３におけるＮＯからＮＯ₂への変換作用が阻害され、その結果ＮＯ_X浄化率が低下することが判明したのである。この場合、ＳＯ_XによるＮＯ_X浄化率の低下の原因は酸化触媒１３に担持された貴金属触媒、即ち白金のＳＯ_X被毒である。即ち、白金の表面がＳＯ_Xで覆われると白金はＮＯに対する酸化力を失ない、斯くしてＮＯ₂の生成量が低下するためにＮＯ_X浄化率が低下することになる。

そこで本発明では酸化触媒１３にＳＯ_Xが流入しないようにＮＯ_X吸着触媒１２に排気ガス中のＳＯ_Xを捕獲する機能を持たせるようにしている。即ち、本発明ではＮＯ_X吸着触媒１２により酸化触媒１３へのＳＯ_Xの流入を抑制し、ＮＯ_X吸着触媒１２から放出されたＮＯが酸化触媒１３においてＮＯ₂に酸化されるのをＳＯ_Xにより阻害されないようにすることによって図２（Ａ）において実線で示されるように低温から高温までの広い触媒温度ＴＣの範囲に亘って高いＮＯ_X浄化率が得られるようにしている。

ところがＮＯ_X吸着触媒１２のＳＯ_X捕獲量は時間の経温と共に次第に増大し、ＮＯ_X吸着触媒１２のＳＯ_X捕獲量が増大するとＮＯ_X吸着触媒１２のＮＯ_X吸着能力が低下する。また、ＮＯ_X吸着触媒１２のＳＯ_X捕獲量が増大するとＮＯ_X吸着触媒１２のＳＯ_X捕獲能力も低下する。ＮＯ_X吸着触媒１２のＳＯ_X捕獲能力が低下すると酸化触媒１３にＳＯ_Xが流入するようになり、斯くして酸化触媒１３に担持された貴金属触媒がＳＯ_X被毒を生ずるようになる。図２（Ｂ）の実線はこのようにＮＯ_X吸着触媒１２のＮＯ_X吸着能力およびＳＯ_X捕獲能力が低下したときのＮＯ_X浄化率Ｒを示している。

即ち、ＮＯ_X吸着触媒１２のＮＯ_X吸着能力が低下するとＮＯ_X選択還元触媒１５の温度ＴＣが低いときのＮＯ_X浄化率が低下し、このＮＯ_X吸着能力の低下によるＮＯ_X浄化率Ｒの低下分が図２（Ｂ）においてＩで示されている。また、酸化触媒１３に担持された貴金属触媒のＳＯ_X被毒によるＮＯ_X浄化率Ｒの低下分が図２（Ｂ）においてIIで示されている。

図２（Ｂ）からわかるように酸化触媒１３に担持された貴金属触媒のＳＯ_X被毒によるＮＯ_X浄化率Ｒの低下は顕著に現われ、このＮＯ_X浄化率Ｒの低下は特定のＮＯ_X選択還元触媒温度領域ＴＣＸで生ずる。この特定の温度領域ＴＣＸはＮＯ₂の生成によりＮＯ_X選択還元触媒１５のＮＯ_X浄化率が高められる温度領域、即ち図２（Ａ）において破線ａと破線ｂとの間の温度領域であり、この特定の温度領域ＴＣＸは２３０℃から３３０℃の範囲である。

ＮＯ_X浄化率Ｒが図２（Ｂ）に示されるように低下したときにはＳＯ_X被毒回復処理を行ってＮＯ_X浄化率Ｒを図２（Ａ）に示される状態まで回復させることが必要となる。このＳＯ_X被毒回復処理は、圧縮行程末期に燃焼室２内に追加の燃料を噴射するか、或いはＮＯ_X吸着触媒１２上流の機関排気通路内に燃料供給弁を配置してこの燃料供給弁から排気ガス中に燃料を噴射することによりＮＯ_X吸着触媒１２の温度を５００℃以上まで上昇させるか又はＮＯ_X吸着触媒１２に流入する排気ガスの空燃比をリッチにすることによって行われる。

ところでこの場合、何を基準としてＳＯ_X被毒回復処理を行うかが問題となる。このことについて検討すると、排気ガス中に含まれるＳＯ_Xの量は排気ガス中に含まれるＮＯ_Xの量に比べればはるかに少なく、従って図２（Ｂ）においてＩで示されるようにＮＯ_X吸着触媒１２へのＳＯ_Xの捕獲に起因するＮＯ_X浄化率Ｒの低下はそれほど大きくはならない。これに対し、図２（Ｂ）においてIIで示されるように酸化触媒１３の貴金属触媒のＳＯ_X被毒に起因するＮＯ_X浄化率Ｒの低下は極めて大きく現われ、ＮＯ_X浄化率Ｒの低下が大きく現われると誤判断することなくＳＯ_X被毒回復処理を行うべきときであることを適格に判断することができる。

そこで本発明では、特定の触媒温度ＴＣＸにおけるＮＯ_X浄化率Ｒが予め定められたレベル以下に低下したときにＮＯ_X吸着触媒１２および酸化触媒１３のＳＯ_X被毒回復処理を行うようにしている。

図３にＳＯ_X被毒回復制御ルーチンを示す。このルーチンは一定時間或いは一定走行距離毎の割込みによって実行される。
図３を参照するとまず初めにステップ５０において予め設定されている運転状態であるか否かが判別される。次いでステップ５１ではＮＯ_X選択還元触媒１５の温度ＴＣがＴ₁、例えば２３０℃以上であってＴ₂、例えば３３０℃以下であるか否か、即ち特定の温度領域ＴＣＸ内であるか否かが判別される。触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内でないときにはステップ５０に戻る。これに対し、触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内であるときにはステップ５２に進む。

ステップ５２ではＮＯ_Xセンサ２９により排気ガス中のＮＯ_X濃度が検出される。設定運転状態のときに機関から排出される排気ガス中のＮＯ_X濃度は予め記憶されており、ステップ５３ではこの記憶されているＮＯ_X濃度とＮＯ_Xセンサ２９により検出されたＮＯ_X濃度との比から求まるＮＯ_X浄化率Ｒが予め定められたレベルＲ₀以下になったか否かが判別される。ＮＯ_X浄化率Ｒが予め定められたレベルＲ₀以下になったときにはステップ５４に進んでＳＯ_X被毒回復処理が行われる。

機関から排出されるＮＯ_X量はアイドリング運転時に最も安定し、またアイドリング運転状態になると触媒温度ＴＣは特定の温度領域ＴＣＸとなりやすい。従って本発明による実施例では図３のステップ５０における設定運転状態はアイドリング運転状態とされている。即ち、本発明による実施例では機関アイドリング運転時に特定の触媒温度ＴＣＸにおけるＮＯ_X浄化率Ｒが予め定められたレベルＲ₀以下に低下したか否かが判断され、Ｒ＜Ｒ₀と判断されたときにＳＯ_X被毒回復処理が行われる。

図４にＳＯ_X被毒回復制御ルーチンの別の実施例を示す。図４に示されるルーチンのステップ５０からステップ５４は図３に示すルーチンのステップ５０からステップ５４と同一であり、従ってこれらステップ５０からステップ５４については説明を省略する。

図４を参照するとステップ５１において触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内にないと判断されたときにはステップ５５に進んで触媒温度ＴＣがＴ₁よりも低いか否かが判別される。ＴＣ≧Ｔ₁のときにはステップ５０に戻り、ＴＣ＜Ｔ₁のときにはステップ５６に進んでＮＯ_X選択還元触媒１５の昇温制御を行った後にステップ５０に戻る。この昇温制御も例えば排気行程中に燃焼室２内に追加の燃料を供給することによって行われる。

図３に示されるルーチンではＳＯ_X被毒回復制御が開始されたときに触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内でなかったときには触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内になるまで待つようにしている。これに対し、図４に示されるルーチンではＳＯ_X被毒回復制御が開始されたときに触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内でなかったときには触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸよりも高い場合には触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内になるまで待ち、触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸよりも低いときには触媒温度ＴＣが特定の温度領域ＴＣＸ内になるまでＮＯ_X選択還元触媒１５を昇温させるようにしている。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 ＮＯ_X浄化率Ｒを示す図である。 ＳＯ_X被毒回復制御を実行するためのフローチャートである。 ＳＯ_X被毒回復制御の別の実施例を実行するためのフローチャートである。

符号の説明

４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１２ ＮＯ_X吸着触媒
１３ 酸化触媒
１５ ＮＯ_X選択還元触媒
１７ 尿素水供給弁
２９ ＮＯ_Xセンサ

Claims (4)

1. 機関排気通路内にＮＯ_X選択還元触媒を配置し、該ＮＯ_X選択還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、上記ＮＯ_X選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置すると共に酸化触媒上流の機関排気通路内にＮＯ_X吸着触媒を配置し、該ＮＯ_X吸着触媒は、ＮＯ_X吸着触媒の温度が低いときには排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを吸着しかつＮＯ_X吸着触媒の温度が上昇すると吸着しているＮＯ_Xを放出する性質を有すると共に排気ガス中に含まれるＳＯ_Xを捕獲する性質を有し、該ＮＯ_X吸着触媒により酸化触媒へのＳＯ_Xの流入を抑制してＮＯ_X吸着触媒から放出されたＮＯが酸化触媒においてＮＯ₂に酸化されるのをＳＯ_Xにより阻害されないようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. 酸化触媒にＳＯ_Xが流入するとＮＯ_X選択還元触媒によるＮＯ_X浄化率が予め定められた特定のＮＯ_X選択還元触媒温度領域において低下し、該特定のＮＯ_X選択還元触媒温度領域における該ＮＯ_X浄化率が予め定められたレベル以下に低下したときにＮＯ_X吸着触媒および酸化触媒のＳＯ_X被毒回復処理を行うようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 上記特定のＮＯ_X選択還元触媒温度領域が２３０℃から３３０℃である請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 機関アイドリング運転時に上記特定のＮＯ_X選択還元触媒温度領域における上記ＮＯ_X浄化率が予め定められたレベル以下に低下したか否かを判断する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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