JP4352842B2 - 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し、より詳細には、ＮＯｘ触媒を担持した排気浄化触媒を排気通路に備える内燃機関の排気浄化装置に関する。

この種の排気浄化装置として、例えば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒と称する）を排気通路に備えた排気浄化装置が知られている。
また、この種の排気浄化装置では、機関燃料中に含まれる硫黄成分に起因したＮＯｘ触媒の硫黄被毒（以下、ＳＯｘ被毒と称する）を解消すべく、排気ガス中に還元剤を添加する還元剤添加装置を排気系に備えている。そして、この還元剤添加装置による還元剤の供給によって、排気浄化触媒のＳＯｘ被毒を解消して排気浄化能力の回復を図っている。

より詳しくは、ＮＯｘ触媒をＳＯｘ離脱温度（例えば、６５０℃）以上に昇温するとともに、ＮＯｘ触媒に流れ込む排気ガス中に還元剤を間欠的に添加することで、ＮＯｘ触媒の周囲雰囲気を、理論空燃比近傍においてリーン空燃比又はリッチ空燃比とするＳＯｘ被毒回復制御が知られている（例えば、特許文献１）。また、ＮＯｘ触媒の被毒量に応じて目標空燃比を徐々にリッチ空燃比側に移行させることで、ＳＯｘの放出濃度を低く抑えるＳＯｘ被毒回復制御（例えば、特許文献３）が知られている。また、ＮＯｘ触媒の被毒量が多いほど、リーン期間よりもリッチ期間を長くするＳＯｘ被毒回復制御（例えば、特許文献４）、並びにＳＯｘ被毒回復制御の前段として、排気ガス中に還元剤を添加してＮＯｘ触媒を昇温させる昇温技術（例えば、特許文献２）等が知られている。
特開２００１−８２１３７号公報 特開平１１−１０７８２７号公報 特開２０００−１６１１０７号公報 特開２０００−２７４２３２号公報

ところで、本発明者らの鋭意研究によれば、従来のＳＯｘ被毒回復制御に於いて、種々の改善すべき点が見出された。
まず、着目すべき点として、ＳＯｘ被毒回復制御の実行時には、ＮＯｘ触媒に流れ込む排気ガス中に還元剤を添加するため、この還元剤が、ごく微量であるがＳＯｘ被毒回復制御の反応に供されること無く排気通路から排出されることもある。また、この還元剤は、雰囲気温度の低い排気通路の末端部分（テールエンド）において凝縮し、排気通路から白煙となって排出されるケースが見られた。

また、白煙の発生は、反応に供されなかった還元剤に起因するため、ＮＯｘ触媒に供給すべき還元剤の供給量を減らすことで、その発生を抑制することができる。しかしながら、還元剤の供給量が少ない場合には、ＮＯｘ触媒と還元剤の反応が緩慢になり、回復に要する時間が長くなる他、ＳＯｘ被毒回復制御の確実性をも低下させる虞がある。

とりわけ、車両の走行に用いられる内燃機関のように、排気ガスの流量や流速が走行状況に応じて刻々と変化する内燃機関では、ＳＯｘ被毒回復制御の確実性を求めるべく、制御上、ある程度の余裕を以て還元剤の添加量（制御値）を設定する必要があり、このような使用環境で運転される内燃機関においては、白煙の発生を抑制しつつ、ＳＯｘ被毒回復制御の確実性を維持することは事実上困難であった。

また、さらなる着目点として、ＳＯｘ被毒回復制御を短時間且つ少量の添加量で行うには、白煙の発生が懸念される単位時間あたりの添加量よりも、多くの添加量が求められる。しかしながら、白煙の発生が懸念される以上、この好適な添加量での還元剤の添加は困難であり、この制約の中で添加量の適切値を求めざる得なかった。つまり、従来では、白煙の発生が懸念されるため、ＳＯｘ被毒回復制御を効率良く行うことができなかった。

本発明は、上記した技術的背景を考慮してなされたもので、ＳＯｘ被毒回復制御に伴う白煙の発生を抑えつつ、ＳＯｘ被毒回復制御を効率良く実行可能な排気浄化技術の提供を課題とする。

上記した技術的課題を解決するため、本発明では以下の構成とした。
すなわち、本発明は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持した排気浄化触媒を排気通路に有し、且つこの排気浄化触媒に流れ込む排気ガス中に還元剤を供給することで、前記排気浄化触媒の周囲雰囲気を酸化雰囲気と還元雰囲気とに交互に変化させて前記排気浄化触媒の硫黄被毒を解消する被毒回復制御を実行する被毒回復手段を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
前記排気浄化触媒の下流には、被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分の凝縮を回避し得る低沸点成分を含むように、前記還元剤成分の組成を変更する接触触媒であって、前記還元剤成分の組成を、少なくとも排気通路の末端開口部においてその凝縮を回避し得る沸点以下の低沸点成分を含む組成に変更する触媒物質を含み構成されている接触触媒が設けられていることを特徴とする。

このように構成された本発明の排気浄化装置によれば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持した排気浄化触媒の下流に、被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分の組成を低沸点成分を含む組成に変更して白煙の発生を抑制する接触触媒が設けられている。このため還元剤の供給時において、被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分は、排気浄化触媒の下流に配置された接触触媒の通過に伴い低沸点化され、以て、還元剤成分の凝縮に伴う白煙の発生が抑制される。

なお、ここで吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、周囲雰囲気が高酸素濃度状態であるときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、周囲雰囲気が低酸素濃度状態であり、且つ還元剤成分が存在するときには、吸蔵されたＮＯｘを還元する機能を有する。また、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持した排気浄化触媒としては、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒そのもので構成された排気浄化触媒、並びにフィルタ基材上に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持してなるパティキュレートフィルタ等を例示できる。

また、前記接触触媒は、前記被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分を分解して、この還元剤成分の組成を前記低沸点成分を含む組成に改質する分解改質能を有する触媒物質を含む構成であってもよい。この構成によれば、還元剤成分の組成が、還元剤成分の分解によって低沸点成分を含む組成に改質される。

また、前記接触触媒は、前記被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分を熱分解
して、低沸点成分に変更するクラッキング触媒であってもよい。また、前記接触触媒は、前記被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分を改質して、低沸点成分に変更する改質触媒であってもよい。また、接触触媒は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、及びゼオライトの少なくとも一つを担持した構成であってもよい。

また、前記接触触媒は、前記排気浄化触媒の直下流に設けられている構成であっても良い。
この構成によれば、還元剤の反応によって発生する熱エネルギーを、接触触媒の活性化に利用することができる。なお、上記で直下流とは、望ましくは被毒回復制御の実行時において、接触触媒の温度を活性化温度以上に保つことができる排気浄化触媒からの距離内で設定される。

また、前記排気浄化触媒を収容するケーシングが前記排気通路に設けられ、
前記接触触媒は、前記排気浄化触媒の下流であって且つ前記ケーシングの内方に設けられている構成であってもよい。

この構成によれば、排気浄化触媒を収容するケーシングに接触触媒が収容されるため、還元剤と排気浄化触媒の反応によって発生する熱エネルギーを効率良く、接触触媒に伝えることができる。

このように本発明では、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持してなる排気浄化触媒の下流において、排気浄化触媒の硫黄被毒の解消に供されなかった還元剤成分の凝縮を回避し得る低沸点成分を含むように、その還元剤成分の組成を変更することで白煙の発生を抑制している。
よって、排気浄化触媒に対する還元剤の供給時には、白煙の発生を抑制しつつ、排気浄化触媒の硫黄被毒を効率良く解消する上で好適な適切量の還元剤を供給することが可能になる。なお、上記した各種内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲に於いて、可能な限り組み合わせることができる。

このように本発明によれば、排気浄化触媒の硫黄被毒を解消するＳＯｘ被毒回復制御に伴う白煙の発生を抑えつつ、ＳＯｘ被毒回復制御を効率良く実施可能な排気浄化技術を提供することができる。

以下、本発明に係る内燃機関１の排気浄化装置について、その好適な実施形態を説明する。
また、本実施の形態では、本発明の排気浄化装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した例を挙げて説明する。また、図１は、本発明に係る内燃機関１と、その排気系および制御系で構成される排気浄化装置の概略構成を示す図である。

＜内燃機関１とその排気系および制御系の概略構成＞
内燃機関１は車両駆動用のディーゼル機関である。また、この内燃機関１の排気通路１１の途中には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ触媒と称する）１２と、フィルタ基材上にＮＯｘ触媒を担持してなるパティキュレートフィルタ１３を収容したケーシング１４（触媒コンバータ）が設けられている。なお、パティキュレートフィルタは、ケーシング１４内に於いてＮＯｘ触媒１２の下流に配置されている。

また、ケーシング１４内のパティキュレートフィルタ１３の上流及び下流には、排気ガスの温度に対応する電気信号を出力する排気温度センサ２１が設けられている。また、ケ
ーシング１４の下流には、ケーシング１４を経て流れ出る排気ガスの空燃比に対応した電気信号を出力する排気Ａ／Ｆセンサ２２が設けられている。また、機関本体１ａの排気ポート（図示略）には、ケーシング１４に流れ込む排気ガス中に、例えば、還元剤として機関燃料を供給するための還元剤供給弁５が設けられている。

また、本実施の形態に示す内燃機関１は、この内燃機関１を制御するための各種プログラムを実行する電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３０を備えている。このＥＣＵ３０は、例えば、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御する制御装置である。また、ＥＣＵ３０は、排気Ａ／Ｆセンサ２２、排気温度センサ２１等の各種センサの出力を読み込み、ケーシング１４に流れ込む排気ガスの空燃比を排気Ａ／Ｆセンサ２２の出力値から推定している。また、ＥＣＵ３０は、ケーシング１４内に設けられるパティキュレートフィルタ１３の床温度を排気温度センサ２１の出力値から推定している。
なお、ここで排気ガスの空燃比とは、還元剤が燃料以外の場合には、該還元剤の質量を燃料の質量に等価的に換算することによって求められる値である。

また、ＥＣＵ３０は、運転状態や排気ガスの空燃比、並びにパティキュレートフィルタ１３の温度等を加味して決定した供給量で還元剤の供給を実行すべく、適宜のタイミングで還元剤供給弁５に開弁信号を出力している。なお、還元剤を供給すべき状況としては、例えば、ＮＯｘ触媒１２やパティキュレートフィルタ１３に吸蔵された硫黄成分に起因したＳＯｘ被毒を解消すべき状況等を例示できる。

このＳＯｘ被毒を解消すべき状況では、ＮＯｘ触媒１２やパティキュレートフィルタ１３を６５０℃以上に昇温させた後、これらＮＯｘ触媒１２及びパティキュレートフィルタ１３を収容するケーシング１４に流れ込む排気ガス中に還元剤を間欠的に添加して、その周囲雰囲気を、理論空燃比近傍においてリーン空燃比及びリッチ空燃比に交互に変化させる所謂「ＳＯｘ被毒回復制御」をＥＣＵ３０で実行する。

また、このＳＯｘ被毒回復制御の実行によって、硫黄成分（詳細には、硫酸バリウムＢａＳＯ４）の熱分解が促され、熱分解された硫黄成分は、ケーシング１４に流れ込む排気ガスと共に、これらＮＯｘ触媒１２及びパティキュレートフィルタ１３から放出される。

このように本実施の形態に示す内燃機関１では、ＮＯｘ触媒１２やパティキュレートフィルタ１３に流れ込む排気ガス中に還元剤を供給することで、ＮＯｘ触媒１２及びパティキュレートフィルタ１３の周囲雰囲気を酸化雰囲気（リッチ空燃比）と還元雰囲気（リーン空燃比）とに交互に変化させて硫黄被毒を解消するＳＯｘ被毒回復制御を適宜のタイミングで実行している。

ところで、ＳＯｘ被毒回復制御の実行時には、排気ガスに対する還元剤の供給を実施するため、状況によっては、その還元剤の一部がＳＯｘ被毒回復制御の反応に供されることなくケーシング１４の下流に流れ出ることもある。また、この還元剤は、排気通路１１の末端開口部で凝縮して白煙を生成することもある。
このため本実施の形態では、ＮＯｘ触媒１２及びパティキュレートフィルタ１３を収容するケーシング１４の下流にＨＣクラッキング触媒又は改質触媒等で構成される接触触媒１５を収容したケーシング１６を別途組み付け白煙の生成を抑制している。

この接触触媒１５を収容したケーシング１６は、ＮＯｘ触媒１２及びパティキュレートフィルタ１３を収容したケーシング１４の直下流に設けられている。
また、好ましくは、ＳＯｘ被毒回復制御の実行時において、接触触媒１５の床温度を活性化温度以上（例えば４００℃以上）に維持することができるケーシング１４の至近距離
に、ケーシング１６を配置している。

また、接触触媒１５は、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、ゼオライト等の触媒成分を少なくとも一種含んで構成された触媒であり、ＳＯｘ被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分は、図２に示すように接触触媒１５を通過する過程で、排気通路１１内での凝縮を回避し得る低沸点成分に変更される。

なお、図２は、接触触媒１５の上流で採取した還元剤成分のスペクトルグラフである。また、図３は、接触触媒１５の下流に於いて採取した還元剤成分のスペクトルグラフである。

この図２にも示されるように、排気ガス中の還元剤成分は、白煙に成りやすい炭素数１０以上の高沸点成分（ｃｆ Ｃ１０；ｎ−デカンの沸点＝１７４℃）が、接触触媒１５との接触によって分解されて、例えば炭素数５のペンタンに改質されるため、その沸点は、排気通路１１の末端開口部においても凝縮し難い沸点３７℃程度までに低くなる。よって、接触触媒１５の下流では、ＳＯｘ被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分の低沸点化に伴い還元剤成分の凝縮が抑制され、以て、白煙の生成も抑制されることになる。

このように本実施の形態に示す内燃機関１の排気浄化装置では、ＮＯｘ触媒１２やパティキュレートフィルタ１３等を収容するケーシング１４の下流において、ＳＯｘ被毒の解消に供されなかった還元剤成分の凝縮を回避し得る低沸点成分を含むように、還元剤成分の組成を変更することで白煙の発生を抑制している。

このため、本実施の形態に示す内燃機関１のように、車両の走行状態の移り変わりによって、排気ガスの流量や流速が刻々と変化するような使用環境においても、白煙の発生を懸念することなく、制御上求められる適切量の還元剤を排気ガス中に供給することが可能になる。よって、ＳＯｘ被毒回復制御の確実性を高めることができる。

また、ＮＯｘ触媒１２や、フィルタ基材上にＮＯｘ触媒を担持してなるパティキュレートフィルタ１３等では、ＳＯｘ被毒回復制御を短時間且つ少量の還元剤で行うにあたり、白煙の発生が懸念される単位時間あたりの供給量よりも、多くの供給量が求められるが、本発明によれば、白煙の発生を懸念することなく、必要量の還元剤をこれらＮＯｘ触媒１２やパティキュレートフィルタ１３に供給できるため、短時間且つ少量の還元剤でＳＯｘ被毒を解消できる。よって、還元剤として機関燃料を用いる本実施の形態に示すような内燃機関１では、燃費の削減をも期待できる。

なお、上記した実施の形態は、あくまでも本発明の一実施形態であり、その詳細は、各種仕様に応じて適宜変更可能である。

まず、上記した実施の形態では、ＮＯｘ触媒１２及びパティキュレートフィルタ１３を収容するケーシング１４の下流に、例えば、別途ケーシング１６を組み付けて接触触媒１５を排気通路１１中に配置するが、このケーシングとＮＯｘ触媒１２及びパティキュレートフィルタ１３を収容するケーシング１４とを一体化して、パティキュレートフィルタ１３の直下流に接触触媒１５を配置するなどの構成も考えられる。

この例では、ＮＯｘ触媒１２、及びパティキュレートフィルタ１３、並びに接触触媒１５が一つのケーシングを供用するため、還元剤の反応によって発生する熱エネルギーを、接触触媒の活性化に効率良く利用することができる。

また、上記した実施の形態では、接触触媒１５として、例えば、アルミナ、シリカ、ジ
ルコニア、チタニア、ゼオライト等の触媒成分を少なくとも一種含んで構成された触媒を採用しているが、必ずしもその必要はなく、ＳＯｘ被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分を分解して、この還元剤成分の組成を低沸点成分を含む組成に改質する分解改質能を有する触媒物質であれば、種々選択することが可能である。
このように、本発明に示す内燃機関１の排気浄化装置は、その詳細な構成に於いて種々変更可能である。

本発明の実施の形態に示す内燃機関と、その排気系および制御系からなる排気浄化装置の概略構成図。 接触触媒の上流で採取した還元剤成分のスペクトルグラフ。 接触触媒の下流で採取した還元剤成分のスペクトルグラフ。

符号の説明

１ 内燃機関
１ａ 機関本体
５ 還元剤供給弁
１１ 排気通路
１２ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１４ ケーシング
１５ 接触触媒
１６ ケーシング
２１ 排気温度センサ
２２ 排気Ａ／Ｆセンサ
３０ ＥＣＵ

Claims (7)

1. 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を担持した排気浄化触媒を排気通路に有し、且つこの排気浄化触媒に流れ込む排気ガス中に還元剤を供給することで、前記排気浄化触媒の周囲雰囲気を酸化雰囲気と還元雰囲気とに交互に変化させて前記排気浄化触媒の硫黄被毒を解消する被毒回復制御を実行する被毒回復手段を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記排気浄化触媒の下流には、被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分の凝縮を回避し得る低沸点成分を含むように、前記還元剤成分の組成を変更する接触触媒であって、前記還元剤成分の組成を、少なくとも排気通路の末端開口部においてその凝縮を回避し得る沸点以下の低沸点成分を含む組成に変更する触媒物質を含み構成されている接触触媒が設けられていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記接触触媒は、前記被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分を分解して、この還元剤成分の組成を前記低沸点成分を含む組成に改質する分解改質能を有する触媒物質を含み構成されてい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. 前記接触触媒は、前記被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分を熱分解して、低沸点成分に変更するクラッキング触媒であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記接触触媒は、前記被毒回復制御の反応に供されなかった還元剤成分を改質して、低沸点成分に変更する改質触媒であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記接触触媒は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、及びゼオライトの少なくとも一つを担持していることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記接触触媒は、前記排気浄化触媒の直下流に設けられていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記排気浄化触媒を収容するケーシングが前記排気通路に設けられ、
   前記接触触媒は、前記排気浄化触媒の下流であって且つ前記ケーシングの内方に設けられていることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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