JP2002047920A

JP2002047920A - 内燃機関の排気浄化方法

Info

Publication number: JP2002047920A
Application number: JP2000314035A
Authority: JP
Inventors: Tatsuji Mizuno; 達司水野; Shinji Tsuji; 慎二辻; Masahiko Takeuchi; 雅彦竹内; Kenji Kato; 健治加藤; Takaaki Ito; 隆晟伊藤; Yoshitsugu Ogura; 義次小倉; Tetsuo Kawamura; 哲雄河村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2002-02-15
Anticipated expiration: 2020-10-13
Also published as: JP3799984B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、NOx吸蔵還元型の排気浄化
触媒のSOx被毒現象を抑止し、排気ガスの浄化率をより
一層向上させることのできる内燃機関の排気浄化方法を
提供する。【解決手段】本発明の内燃機関の排気浄化方法は、内
燃機関１のシリンダ３で燃焼される前の吸入空気、混合
気又は還流排気ガスに対して硫黄成分を固形化させる硫
黄成分固形化剤（固形化剤タンク４１内に貯蔵）を添加
して、内燃機関１の燃焼後に硫黄酸化物を生成させる原
因となる硫黄成分を固形化し、硫黄酸化物の原因となる
硫黄酸化物を固形化させた後の排気ガスを、NOx吸蔵還
元型の排気浄化触媒３９に流入させることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、NOx吸蔵還元型の
排気浄化触媒のSOx被毒による排気浄化率の低下を抑止
し、排気ガスの浄化率をより一層高くすることのできる
内燃機関の排気浄化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気ガスは、三元触媒などの
排気浄化触媒によって浄化された後に大気に放出され
る。そして、このような排気浄化触媒の一つとして、排
気ガス中に酸素O₂が過剰にあるときは窒素酸化物NOxを
吸蔵し、排気ガス中の酸素O₂が少ないときに吸蔵した窒
素酸化物をNOx放出して還元させる（このとき排気ガス
中の一酸化炭素COや炭化水素HCは酸化される）、NOx吸
蔵還元型の排気浄化触媒も用いられるようになってきて
いる。

【０００３】このような排気浄化触媒を用いることによ
って、リーン運転時の排気ガス中の窒素酸化物NOxを吸
蔵し、ストイキ又はリッチ運転時に吸蔵した窒素酸化物
NOxを放出・還元することによって、排気浄化率をより
一層向上させることができる。このようなNOx吸蔵還元
型の排気浄化触媒は、通常のエンジンよりもリーン運転
を積極的に行うリーンバーンエンジンの排気浄化率を向
上させるのに有用で、燃費改善との両立にも寄与してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらのNOx
吸蔵還元型の排気浄化触媒は、窒素酸化物NOxよりも硫
黄酸化物SOxをより安定的に吸蔵してしまうという性質
を有している。排気ガス中の硫黄酸化物SOxは、燃料中
やエンジンオイル中に含まれる硫黄成分が、内燃機関の
燃焼によって酸化されることによって生じる。燃料中や
エンジンオイル中に含まれる硫黄成分は微量であるが、
NOx吸蔵還元型の排気浄化触媒に安定的に吸蔵されてし
まうために吸蔵量は徐々に蓄積されて増加する。NOx吸
蔵還元型の排気浄化触媒に硫黄酸化物SOxが多量に吸蔵
されてしまうと、窒素酸化物NOxの吸蔵と放出・還元と
を適正に行えなくなってしまう。これが、いわゆる、NO
x吸蔵還元型の排気浄化触媒における「SOx被毒」現象で
ある。

【０００５】従来のNOx吸蔵還元型の排気浄化触媒にお
いては、新品時には吸蔵能力のほとんどが窒素酸化物NO
xの吸蔵に用いられるが、SOx被毒を受けると吸蔵能力の
僅かしか窒素酸化物NOxの吸蔵に用いられなくなってし
まう。このSOx被毒現象を抑止することができれば、窒
素酸化物NOxの吸蔵可能量や放出可能量を大きくとるこ
とができ、NOx吸蔵還元型の排気浄化触媒の排気浄化性
能を大幅に向上させることができる。なお、このような
NOx吸蔵還元触媒のSOx被毒を抑止するものとして、特開
2000-27712号公報に記載のものなども知られているが、
まだその効果は充分でなく、発明者らは更なる排気ガス
の浄化性能向上を目指して本発明を達成した。

【０００６】従って、本発明の目的は、NOx吸蔵還元型
の排気浄化触媒のSOx被毒現象を抑止し、排気ガスの浄
化率をより一層向上させることのできる内燃機関の排気
浄化方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の内燃機
関の排気浄化方法は、こ内燃機関の排気ガスを浄化する
内燃機関の排気浄化方法において、前記内燃機関のシリ
ンダで燃焼される前の吸入空気、混合気又は還流排気ガ
スに対して硫黄成分を固形化させる硫黄成分固形化剤を
添加して、前記内燃機関の燃焼後に硫黄酸化物を生成さ
せる原因となる硫黄成分を固形化し、硫黄酸化物の原因
となる硫黄酸化物を固形化させた後の排気ガスを、NOx
吸蔵還元型の排気浄化触媒に流入させることを特徴とし
ている。

【０００８】請求項２に記載の内燃機関の排気浄化方法
は、請求項１に記載の発明において、吸気通路上の吸入
空気、混合気又は還流排気ガスに対して、前記硫黄成分
固形剤を添加することを特徴としている。

【０００９】請求項３に記載の内燃機関の排気浄化方法
は、請求項１に記載の発明において、排気通路から吸気
通路にかけて配設された排気ガス還流路上の還流排気ガ
スに対して、前記硫黄成分固形剤を添加することを特徴
としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の排気浄化方法の一実施形
態について、以下に説明する。本実施形態の浄化方法を
行う浄化装置を有する内燃機関（エンジン）１を図１に
示す。

【００１１】以下に説明するエンジン１は、多気筒エン
ジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみを断面図
として示す。エンジン１は、燃料を直接シリンダ３内に
噴射する筒内噴射型エンジンであり、リーンバーン（希
薄燃焼）エンジンである。エンジン１は、点火プラグ２
によって各シリンダ３内の混合気に対して点火を行うこ
とによって駆動力を発生する。エンジン１の燃焼に際し
て、外部から吸入した空気は吸気通路４を通り、インジ
ェクタ５から噴射された燃料と混合されて混合気とな
る。シリンダ３の内部と吸気通路４との間は、吸気バル
ブ６によって開閉される。シリンダ３の内部で燃焼され
た混合気は、排気ガスとして排気通路７に排気される。
シリンダ３の内部と排気通路７との間は、排気バルブ８
によって開閉される。

【００１２】吸気通路４上には、シリンダ３内に吸入さ
れる吸入空気量を調節するスロットルバルブ９が配設さ
れている。このスロットルバルブ９には、その開度を検
出するスロットルポジションセンサ１０が接続されてい
る。スロットルバルブ９に付随して、アクセルペダル１
１の踏み込み位置を検出するアクセルポジションセンサ
１２や、スロットルバルブ９を駆動するスロットルモー
タ１３なども配設されている。また、図１に示されてい
ないが、吸気通路４上には吸入空気の温度を検出する吸
気温センサも取り付けられている。

【００１３】また、スロットルバルブ９の下流側には、
サージタンク１４が形成されており、サージタンク１４
の内部に、バキュームセンサ１５及びコールドスタート
インジェクタ１７が配設されている。バキュームセンサ
１５は、吸気通路４内の圧力（吸気管圧力）を検出す
る。コールドスタートインジェクタ１７は、エンジン１
の冷間始動性を向上させるためのもので、冷間始動時に
サージタンク１４内に燃料を拡散噴霧させて均質な混合
気を形成させるものである。

【００１４】サージタンク１４のさらに下流側には、ス
ワールコントロールバルブ１８が配設されている。スワ
ールコントロールバルブ１８は、希薄燃焼（成層燃焼）
時にシリンダ３の内部に安定したスワールを発生させる
ためのものである。スワールコントロールバルブ１８に
付随して、スワールコントロールバルブ１８の開度を検
出するSCVポジションセンサ１９やスワールコントロー
ルバルブ１８を駆動するDCモータ２０なども配設されて
いる。

【００１５】また、本実施形態のエンジン１における吸
気バルブ６は、その開閉タイミングを可変バルブタイミ
ング機構２１によって可変制御することができる。吸気
バルブ６の開閉状況は、吸気バルブ６を開閉させるカム
が形成されているカムシャフトの回転位置を検出するカ
ムポジションセンサ２２によって検出できる。さらに、
エンジン１のクランクシャフト近傍には、クランクシャ
フトの回転位置を検出するクランクポジションセンサ２
３が取り付けられている。クランクポジションセンサ２
３の出力からは、シリンダ３内のピストン２４の位置
や、エンジン回転数を求めることもできる。エンジン１
には、エンジン１のノッキングを検出するノックセンサ
２５や冷却水温度を検出する水温センサ２６も取り付け
られている。

【００１６】一方、排気通路７上には、エンジン１本体
に近い側に、、通常の三元触媒である始動時触媒２７が
配設されている。始動時触媒２７は、エンジン１の燃焼
室（シリンダ３）に近いので排気ガスによって昇温され
やすく、エンジン始動直後に、より早期に触媒活性温度
にまで上昇して排気ガス中の有害物質を浄化するように
配設されている。このエンジン１は四気筒であり、二気
筒毎に一つずつ、計二つの始動時触媒２７が取り付けら
れている。各始動時触媒２７には、それぞれ排気温セン
サ２８が取り付けられており、排気温センサ２８は排気
ガスの温度を検出している。

【００１７】始動時触媒２７の下流側では排気管が一つ
にまとめられてNOx吸蔵還元型の排気浄化触媒３９が配
設されている。このNOx吸蔵還元型の排気浄化触媒３９
については、追って詳しく説明する。排気浄化触媒３９
の上流側には、排気浄化触媒３９に流入する排気ガスの
排気空燃比を検出する空燃比センサ４０が取り付けられ
ている。空燃比センサ４０としては、排気空燃比をリッ
チ域からリーン域にかけてリニアに検出し得るリニア空
燃比センサや、排気空燃比がリッチ域にあるかリーン域
にあるかをオン−オフ的に検出するO₂センサ（酸素セン
サ）などが用いられる。

【００１８】さらに、排気通路７から吸気通路４にかけ
て、排気ガスを還流させる外部EGR(Exhaust Gas Recirc
ulation)通路４３が形成されている。外部EGR通路４３
の吸気通路４側はサージタンク１４に接続され、排気通
路７側は始動時触媒２７の上流側に接続されている。外
部EGR通路４３上には、還流させる排気ガス量を調節す
るEGRバルブ４４が配設されている。EGR機構は、吸気通
路４内の吸気管負圧を利用して排気ガスの一部を吸気通
路４に戻し、NOx生成抑制効果や燃費向上効果を得るも
のである。なお、吸気バルブ６の開閉タイミングを制御
することで同様の効果を得る内部EGR制御も併用され得
る。

【００１９】エンジン１のインジェクタ５には、燃料タ
ンク２９に貯蔵された燃料が送出用の低圧フューエルポ
ンプ３０によって送出され、これがフューエルフィルタ
３１を経過して高圧フューエルポンプ３２によって高圧
化された後に供給される。このエンジン１は希薄燃焼可
能なものであり、良好な希薄燃焼（成層燃焼）を行わせ
るために圧縮行程中のシリンダ３内に燃料を直接噴射し
て成層燃焼に適した状態を形成させなくてはならず、そ
のために燃料を高圧にしてからインジェクタ５によって
噴射する。

【００２０】インジェクタ５に付随して、精密な制御を
行うために燃料の圧力を検出する燃圧センサ３３も配設
されている。高圧フューエルポンプ３２は、エンジン１
の動力、即ち、排気バルブ８側のカムシャフトの回転を
利用して燃料を高圧化している。なお、コールドスター
トインジェクタ１７に対しては、低圧フューエルポンプ
３０によって送出された燃料がそのまま供給される。

【００２１】燃料タンク２９に付随して、燃料タンク２
９内で蒸発した燃料を捕集するチャコールキャニスタ３
４が配設されている。チャコールキャニスタ３４は、内
部に活性炭フィルタを有しており、この活性炭フィルタ
で蒸発燃料を捕集する。そして、捕集された燃料は、パ
ージコントロールバルブ３５によってパージ量を制御さ
れつつ、吸気通路４にパージされてシリンダ３内で燃焼
される。なお、燃料タンク２９には、燃料噴射されなか
った残りの燃料を燃料タンクに戻すリターンパイプ３６
も取り付けられている。

【００２２】上述した点火プラグ２、インジェクタ５、
スロットルポジションセンサ１０、アクセルポジション
センサ１２、スロットルモータ１３、バキュームセンサ
１５、コールドスタートインジェクタ１７、DCモータ２
０、可変バルブタイミング機構２１のアクチュエータ、
カムポジションセンサ２２、クランクポジションセンサ
２３、ノックセンサ２５、水温センサ２６、排気温セン
サ２８、パージコントロールバルブ３５、空燃比センサ
４０、EGRバルブ４４、吸気温センサやその他のアクチ
ュエータ類・センサ類は、エンジン１を総合的に制御す
る電子制御ユニット（ＥＣＵ）３７と接続されている。

【００２３】なお、図１に示されるシステムでは、ＥＣ
Ｕ３７とインジェクタ５との間に電子制御ドライブユニ
ット(ＥＤＵ)３８が設けられている。ＥＤＵ３８は、Ｅ
ＣＵ３７からの駆動電流を増幅して、高電圧・大電流に
よってインジェクタ５を駆動するためのものである。こ
れらのアクチュエータ類・センサ類は、ＥＣＵ３７から
の信号に基づいて制御され、あるいは、検出結果をＥＣ
Ｕ３７に対して送出している。ＥＣＵ３７は、内部に演
算を行うＣＰＵや演算結果などの各種情報量を記憶する
ＲＡＭ、バッテリによってその記憶内容が保持されるバ
ックアップＲＡＭ、各制御プログラムを格納したＲＯＭ
等を有している。ＥＣＵ３７は、吸気通路内圧力や空燃
比などの各種情報量に基づいてエンジン１を制御する。

【００２４】NOx吸蔵還元型の排気浄化触媒３９につい
て説明する。

【００２５】排気浄化触媒３９は、表面にアルミナの薄
膜層がコーティングされた担体上に、白金やパラジウム
やロジウムなどの貴金属の他にアルミナコーティング層
上に、アルカリ金属（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ，Ｃｓなど）、ア
ルカリ土類金属（Ｂａ，Ｃａなど）又は希土類元素（Ｌ
ａ，Ｙなど）などをもさらに担持させ、エンジンがリー
ン空燃比で運転されたときに排気ガス中に含まれるNOx
を吸蔵させることができるようにしたものである。この
ため、排気浄化触媒３９は、通常の三元触媒としての機
能、即ち、理論空燃比近傍で燃焼されたときの排気ガス
内のHC,CO,NOxを浄化する機能に加えて、リーン空燃比
で排気ガス中に含まれるNOxを吸蔵することができる。

【００２６】排気浄化触媒３９に吸蔵されたNOxは、リ
ッチ空燃比あるいは理論空燃比（ストイキ空燃比）で燃
焼されたときに放出され、排気ガス中のHC,COによって
還元されて浄化される（このときHC,COは同時に酸化さ
れて浄化される）。このため、排気浄化触媒３９のNOx
吸蔵量が一杯に近づいたと判断されたときは、リッチ空
燃比で短時間エンジンを運転して吸蔵されたNOxを還元
させる、いわゆるリッチスパイク運転が強制的に行われ
る場合もある。

【００２７】排気浄化触媒３９は、上述したように、NO
xよりもSOxを安定的に吸蔵してしまうという性質を有し
ており、これによってSOx被毒現象が生じる。本実施形
態では、このようなSOxの原因となる硫黄成分を固形化
してしまい、排気ガス中のSOx濃度を低減し、NOx吸蔵還
元型の排気浄化触媒３９に吸蔵されるSOxの量を減ら
す。この結果、排気浄化触媒３９のNOx吸蔵還元に用い
られる容量（NOx吸蔵可能量）が拡大し、排気ガス中のN
Oxの浄化率を向上させることができる。

【００２８】例えば、運転状態によっては、上述したリ
ッチスパイク運転ができない場合もあるので、排気浄化
触媒３９のNOx吸蔵可能量は大きい方が良く、吸蔵可能
量が大きければ、NOxを吸蔵しきれないで下流側にNOxを
流出させてしまうことを回避することができる。本実施
形態の浄化方法は、硫黄成分を固形化するために硫黄成
分固形化剤を用いる。

【００２９】硫黄成分固形化剤（以下、単に「固形化
剤」とも言う）を用いて排気ガス中の硫黄成分を固形化
するが、その固形化は、排気浄化触媒３９に流入する以
前に固形化すればよい。この場合、硫黄成分固形化剤の
添加は、シリンダ３で燃焼される前の吸入空気、混合気
又は還流排気ガスに対して添加される。このとき、固形
化剤の添加は、吸気通路４内や外部EGR通路４３内に添
加する。あるいは、燃焼前のシリンダ３内で添加しても
良い。

【００３０】本実施形態の固形化剤は、硫黄成分を酸化
させる機能を有する金属元素（以下、単に「酸化機能を
有する金属元素」とも言う）と、塩基性の金属元素とを
含んでいる。この両成分を有していることによって、硫
黄成分を効果的に固形化することができる。ここで、酸
化機能を有する金属元素は、遷移元素であると効果的で
ある。さらに、塩基性の金属元素としては、アルカリ金
属元素又はアルカリ土類金属元素であることが好まし
く、特に、カリウムの原子番号以上の原子番号を持つア
ルカリ金属であることが特に好ましい。

【００３１】酸化機能を有する金属元素としては、具体
的には、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｆｅ，Ｃｅ，Ｉｎ，Ａｇ，
Ａｕ，Ｉｒがある。このうち、Ｉｎ以外のものが遷移元
素である。一方、塩基性の金属元素としては、具体的に
は、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｆｒ，Ｂｅ，Ｍｇ，
Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｒａ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｌａがあ
る。このうち、アルカリ金属は、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒ
ｂ，Ｃｓ，Ｆｒであり、このうち、カリウムの原子番号
以上の原子番号を持つものは、Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ，Ｆｒで
ある。アルカリ土類金属は、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，
Ｂａ，Ｒａである。

【００３２】硫黄成分の固形化は、以下のように行われ
ると思われる（ここで、酸化機能を有する金属元素をＭ
₁とし、塩基性の金属元素をＭ₂とする）。エンジン１の
燃焼によって、ＳＯ₂やＳＯ₃が生成される。そして、こ
れらが、ＳＯ₂−（Ｍ₁）→ＳＯ₃→Ｍ₂ＳＯ₃→Ｍ₂ＳＯ₄ … のように反応する。

【００３３】上述したように、固形化剤に酸化機能を有
する金属元素を含有させることによって、硫黄成分の酸
化反応が進みやすくなる。即ち、上記に示されるよう
に、ＳＯ₂がＳＯ₃になりやすくなり、硫黄の固形化率を
向上させることができる。そして、酸化された硫黄酸化
物は、塩基性の金属元素によって、亜硫酸塩や硫酸塩と
して固形化される。

【００３４】このとき、塩基性の金属元素として、カリ
ウムの原子番号以上の原子番号を持つアルカリ金属を用
いることによって、硫黄成分の固形化率を向上させるこ
とができる。これは、カリウムの原子番号以上の原子番
号を持つアルカリ金属は塩基性が強いので硫黄成分と結
び付きやすく、上述した以外に、ＳＯ₂→Ｍ₂ＳＯ₂−（Ｍ₁）→Ｍ₂ＳＯ₃→Ｍ₂ＳＯ₄… のような反応が起き、結果として硫黄成分の固形化率が
向上するものと考えられる。（上記では、酸化機能を
有する金属元素Ｍ₁は、亜硫酸ガスＳＯ₂と塩基性の金属
元素Ｍ₂との化合物Ｍ₂ＳＯ₂を酸化させると考えられ
る。）

【００３５】通常、エンジン１などの内燃機関の燃焼時
のような燃焼時の高温下では、ＳＯ ₂は、一旦ＳＯ₃に酸
化されるが、化学平衡的にＳＯ₃ガスよりも亜硫酸ガス
ＳＯ₂状態となるため、上述したの反応も起きない
と、硫黄の固形化率向上は望めない。なお、SOxとして
は、ＳＯなどもあり得るが、これは酸化されることによ
ってＳＯ₂やＳＯ₃となるので、その後は上述したように
固形化される。

【００３６】上述した固形化剤の効果を実験的に検証し
た。実験には、硫黄分を重量比で500ppm含有する燃料中
に固形化剤を投入したものを試験燃料として用いた。エ
ンジン回転数が2000rpm、負荷が60Nmの条件でエンジン
を運転したときの排気ガス中のSOx濃度を測定し、固形
化剤を投入しない通常の燃料で運転したときの排気ガス
中のSOx濃度からの減少分を硫黄成分の固形化率として
算出した。なお、固形化剤の投入量は、固形化剤に含ま
れる塩基性の金属元素(Ｍ₂)と燃料中に含まれる硫黄と
による生成硫黄塩（Ｍ₂ＳＯ₄）の理論モル数から計算さ
れる。各固形化剤として各元素を含有させた場合の硫黄
成分の固形化率を次の〔表１〕に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】〔表１〕から明らかなように、酸化機能を
有する金属元素（Ｃｅ，Ｆｅ）のみの場合は塩を形成す
るための相手がないので、当然ながらほとんど効果がな
い。塩基性金属元素（Ｃａ，Ｂａ，Ｋ，Ｃｓ）のみを含
む場合は、固形化率20%〜30%程度の効果があるが、これ
ら両者を含有させた場合は更なる効果がある。特に、塩
基性金属として、カリウムの原子番号以上の原子番号を
有するアルカリ金属元素（Ｋ，Ｃｓ）を用いると飛躍的
な効果がある。さらに、ここで用いた酸化機能を有する
金属元素（Ｃｅ，Ｆｅ）では、Ｃｅを塩基性金属と併用
する場合の方が固形化率が良く、ＫとＣｅの組み合わせ
が一番固形化率が良かった。

【００３９】さらに、固形化率を向上してSOx被毒抑制
効果を向上させるためには、固形化剤のモル数を、固形
化しようとしている硫黄成分のモル数の1.5倍以上、即
ち、固形化剤を硫黄成分の1.5倍モル以上添加すること
が好ましい。なお、ここに言う固形化剤のモル数とは、
上述した固形化剤の場合、硫黄成分と直接反応し得る塩
基性金属のモル数となる。また、このモル数は、塩を形
成したときに過不足なく反応する量を1倍モルとして計
算する。

【００４０】例えば、エンジン１の燃焼後に硫黄酸化物
を生成させる原因となる硫黄成分が１モルあったとした
場合、これを上述した手法によって固形化（塩基性金属
としてＫを例にする）すると、固形化された物質は、K₂
SO₄となる。つまり、硫黄成分１モルにつき、Ｋが２モ
ル必要となる。即ち、この場合、固形化剤（塩基性金
属）1.5倍モルとは、固形化剤中にＫが1.5×2=3モルと
いうことである。

【００４１】固形化剤は、硫黄成分（ＳＯ₂やＳＯ₃など
のSOx）を固形化する過程において、一旦NOxとも反応し
得る（ただし、硫酸塩よりも硝酸塩の方が分解温度が低
いため、硝酸塩は最終的には分解されると思われる）。
このため、固形化剤を硫黄成分と当量（1倍モル）添加
しただけでは、全ての硫黄成分を固形化するのに不足が
生じ得る。そこで、硫黄成分の固形化率を向上させるに
は、当量以上の固形化剤を添加することが好ましい。固
形化剤とSOx，NOxの反応生成物は硫酸塩、硝酸塩である
が、硝酸イオンは一価、硫酸イオンは二価であり、燃焼
時のNOx生成率にもよるが、通常、NOx発生量はSOx発生
量以上であるため、少なくとも固形化剤（塩基性金属元
素）のモル数は、硫黄成分の1.5倍モル（硫黄成分との
反応に対して1倍モル必要で、さらに、この半分が窒素
成分との反応のためにさらに必要）以上添加することが
好ましい。

【００４２】ここで、固形化剤の添加量を変化させた場
合の硫黄成分の固形化率の変化を示すグラフを〔表２〕
に示す。

【表２】

【００４３】〔表２〕に示されるグラフの縦軸は硫黄成
分の固形化率である。〔表２〕に示されるグラフの横軸
は、固定化剤の倍モル数であり、その値が1.5であると
きには、硫黄成分の1.5倍モルの固形化剤が添加された
ことを示している。〔表２〕から分かるように、固形化
剤の添加量が1.5倍モル以上とすることで、硫黄成分の
固形化率を効果的に向上させることができる。

【００４４】なお、固形化剤は、酸化機能を有する金属
元素や塩基性を有する金属元素をイオンとして含んでい
ても良いし、可溶性の化合物として含んでいても良い。
固形化剤は、固体でも液体でも、あるいは、気体でも良
く、上述した可溶性の化合物も溶剤に溶かしたものや、
燃料となるガソリンを溶剤として溶ける固体など、様々
な形態で提供され得る。

【００４５】例えば、塩基性金属の化合物であるクエン
酸カリウムやナフテン酸カルシウムをエタノールに溶か
して溶液中でイオンとし、これを燃料であるガソリンに
添加することが考えられる。あるいは、塩基性金属の化
合物である炭酸カリウムや炭酸ナトリウムや水酸化カル
シウムを水で溶かして水溶液中でイオンとし、これを吸
気通路やシリンダ、排気通路上に噴霧して添加すること
も考えられる。

【００４６】上述したように、排気ガス中に含まれる硫
黄成分の大部分を固形化させてしまうことによって、NO
x吸蔵還元型の排気浄化触媒３９にSOxが吸蔵され難くな
るため、その分、排気浄化触媒３９の吸蔵能力をNOxの
吸蔵に用いることができ、NOxの浄化率を向上させるこ
とができる。

【００４７】本発明においては、シリンダ３で燃焼され
る以前の吸入空気、混合気又は還流排気ガスに対して固
形化剤を添加する。まず、上述した硫黄成分固形化剤を
吸気通路４上に噴霧させることによって添加する場合に
ついて簡単に説明する。上述した図１の内燃機関は、こ
の場合の構成を示してある。ここでは、塩基性のアルカ
リ金属元素としてカリウムを用いており、水酸化カリウ
ム水溶液を固定化剤として使用する。この固定化剤に
は、酸化機能を有する遷移金属元素として、Ｃｅをオク
チル酸セリウムとしてさらに含有させている。

【００４８】そして、この固形化剤を溜めておく固形化
剤タンク４１が、エンジン１に付随して配設されてい
る。固形化剤タンク４１からサージタンク１４まで配管
が配されており、この配管の先端には、サージタンク１
４内に向けて固形化剤を噴霧する噴霧ノズル１６が接続
されている。また、この配管の途中には、固形化剤を噴
霧するための噴霧ポンプ４２が配設されている。噴霧ポ
ンプ４２は、バッテリの電力あるいは、エンジン１の出
力の一部によって駆動される。さらに、噴霧ノズル１６
は、上述したＥＣＵ３７に接続されており、ＥＣＵ３７
によって固形化剤の噴霧タイミングや噴霧量が制御され
る。

【００４９】噴霧ノズル１６を用いて、吸入空気に対し
て固形化剤を噴霧すると、これがそのままシリンダ３内
に吸気されてインジェクタ５から噴射された燃料と共に
燃焼される。この結果、上述した硫黄成分を固形化する
反応が起こり、排気ガス中の硫黄成分（その元は燃料
中、又は、エンジンオイル中の硫黄成分）が固形化さ
れ、排気浄化触媒３９に吸蔵されなくなる。この場合、
吸排気系及び燃料系を含むエンジン１全体と、固形化剤
を供給する噴霧ノズル１６、固形化剤タンク４１、噴霧
ポンプ４２などが固形化剤を固形化させる硫黄成分固形
化手段として機能している。

【００５０】次に、上述した硫黄成分固形化剤をシリン
ダ３内に噴霧させることによって添加する場合について
簡単に説明する。この場合のエンジン１及びその周辺の
構成を図２に示す。なお、上述した図１に示されるもの
と同一又は同等の構成部位に関しては同一の符号を付
し、その詳しい説明は省略する。ここでも、塩基性のア
ルカリ金属元素としてカリウムを用いており、水酸化カ
リウム水溶液を固定化剤として使用する。この固定化剤
には、酸化機能を有する遷移金属元素として、Ｃｅをオ
クチル酸セリウムとしてさらに含有させている。

【００５１】そして、この固形化剤を溜めておく固形化
剤タンク４１が、エンジン１に付随して配設されてい
る。固形化剤タンク４１からシリンダ３まで配管が配さ
れており、この配管の先端には、シリンダ３の内部に向
けて固形化剤を噴霧する噴霧ノズル１６が接続されてい
る。また、この配管の途中には、固形化剤を噴霧するた
めの噴霧ポンプ４２が配設されている。噴霧ポンプ４２
は、バッテリの電力あるいは、エンジン１の出力の一部
によって駆動される。さらに、噴霧ノズル１６は、上述
したＥＣＵ３７に接続されており、ＥＣＵ３７によって
固形化剤の噴霧タイミングや噴霧量が制御される。

【００５２】シリンダ３内に固形化剤を噴霧するのは、
吸気行程か圧縮行程となる。圧縮行程に噴霧する場合
は、高圧下に噴霧することになるため、固形化剤を噴霧
ポンプ４２によって高圧にしてから噴霧することにな
る。噴霧ノズル１６を用いて、シリンダ３内に固形化剤
を噴霧すると、吸入空気及び燃料と混合された後、燃焼
される。この結果、上述した硫黄成分を固形化する反応
が起こり、排気ガス中の硫黄成分（その元は燃料中、又
は、エンジンオイル中の硫黄成分）が固形化され、排気
浄化触媒３９に吸蔵されなくなる。この場合も、吸排気
系及び燃料系を含むエンジン１全体と、固形化剤を供給
する噴霧ノズル１６、固形化剤タンク４１、噴霧ポンプ
４２などが固形化剤を固形化させる硫黄成分固形化手段
として機能している。

【００５３】次に、上述した硫黄成分固形化剤を外部EG
R通路４３上に噴霧させることによって添加する場合に
ついて簡単に説明する。この場合のエンジン１及びその
周辺の構成を図３に示す。なお、上述した図１又は図２
に示されるものと同一又は同等の構成部位に関しては同
一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。ここで
も、塩基性のアルカリ金属元素としてカリウムを用いて
おり、水酸化カリウム水溶液を固定化剤として使用す
る。この固定化剤には、酸化機能を有する遷移金属元素
として、Ｃｅをオクチル酸セリウムとしてさらに含有さ
せている。

【００５４】そして、この固形化剤を溜めておく固形化
剤タンク４１が、エンジン１に付随して配設されてい
る。固形化剤タンク４１から外部EGR通路４３上まで配
管が配されており、この配管の先端には、外部EGR通路
４３上の内部に固形化剤を噴霧する噴霧ノズル１６が接
続されている。また、この配管の途中には、固形化剤を
噴霧するための噴霧ポンプ４２が配設されている。噴霧
ポンプ４２は、バッテリの電力あるいは、エンジン１の
出力の一部によって駆動される。さらに、噴霧ノズル１
６は、上述したＥＣＵ３７に接続されており、ＥＣＵ３
７によって固形化剤の噴霧タイミングや噴霧量が制御さ
れる。

【００５５】噴霧ノズル１６を用いて、外部EGR通路４
３上に固形化剤を噴霧すると、固形化剤は硫黄成分を含
む排気ガスと混ざり合い、さらに、吸気通路４上で吸入
空気と混ざり合い、これがそのままシリンダ３内に吸気
されてインジェクタ５から噴射された燃料と共に燃焼さ
れる。この結果、上述した硫黄成分を固形化する反応が
起こる。この反応によって、排気ガス中の硫黄成分（そ
の元は燃料中、又は、エンジンオイル中の硫黄成分）が
固形化され、排気浄化触媒３９に吸蔵されなくなる。こ
の場合も、吸排気系及び燃料系を含むエンジン１全体
と、固形化剤を供給する噴霧ノズル１６、固形化剤タン
ク４１、噴霧ポンプ４２などが固形化剤を固形化させる
硫黄成分固形化手段として機能している。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、硫黄成分固形化剤によ
って、内燃機関の燃焼後に硫黄酸化物を生成させる原因
となる硫黄成分を、排気通路上に設置されたNOx吸蔵還
元型の排気浄化触媒に排気ガスが流入する以前に固形化
させるので、NOx吸蔵還元型の排気浄化触媒のSOx被毒を
抑止し、排気ガスの浄化をより一層向上させることがで
きる。そして、重要なこととして、上述した硫黄成分固
形化剤が、内燃機関のシリンダで燃焼される前の吸入空
気、混合気又は還流排気ガスに対して添加される。この
ようにしておくことによって、硫黄成分固形化剤の添加
量の調整と、添加時期の調整を的確に行うことができ
る。例えば、燃料中に硫黄成分固形化剤を含有させる
と、硫黄成分固形化剤の添加量や添加時期は、燃料噴射
量や燃料噴射時期に制限されてしまう。

【００５７】また、吸入空気、混合気又は還流排気ガス
に対して添加すると、シリンダ内での燃焼、あるいは燃
焼直後の高温高圧下で硫黄成分の固形化を効果的に促進
することができ、固形化率を向上させるのに都合がよ
い。この結果、排気浄化触媒のSOx被毒の原因となる硫
黄酸化物を効果的に固形化することができ、浄化性能の
向上を確実に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気浄化方法の第一実施形態を実施す
る内燃機関及びその周辺を示す構成図である。

【図２】本発明の排気浄化方法の第二実施形態を実施す
る内燃機関及びその周辺を示す構成図である。

【図３】本発明の排気浄化方法の第三実施形態を実施す
る内燃機関及びその周辺を示す構成図である。

【符号の説明】

１…エンジン（内燃機関）、３…シリンダ、４…吸気通
路、７…排気通路、８…排気バルブ、１６…噴霧ノズ
ル、２７…始動時触媒、２９…燃料タンク、３９…排気
浄化触媒（NOx吸蔵還元型）、４１…固形化剤タンク、
４２…噴霧ポンプ、４３…外部EGR通路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１Ｆ０２Ｍ 25/00 ＨＦ０２Ｍ 25/00 25/07 ５１０Ｚ 25/07 ５１０５８０Ｚ５８０Ｂ０１Ｄ 53/36 １０１Ａ (72)発明者竹内雅彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者加藤健治愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者伊藤隆晟愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者小倉義次愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者河村哲雄愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G062 AA03 AA06 ED09 3G091 AA11 AA12 AA24 AA28 AB03 AB06 BA11 CA15 CA21 CB00 FA00 FA01 FB12 GB02Y GB03Y GB04Y GB05W GB06W GB07W GB10X GB17X HA10 HA11 HA12 4D048 AA06 AB02 AB07 BA02Y BA03Y BA14Y BA15Y BA18Y BA30Y BA31Y BA33Y BA41Y BC04 CD01 CD08 EA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気ガスを浄化する内燃機関
の排気浄化方法において、前記内燃機関のシリンダで燃焼される前の吸入空気、混
合気又は還流排気ガスに対して硫黄成分を固形化させる
硫黄成分固形化剤を添加して、前記内燃機関の燃焼後に
硫黄酸化物を生成させる原因となる硫黄成分を固形化
し、硫黄酸化物の原因となる硫黄酸化物を固形化させた
後の排気ガスを、NOx吸蔵還元型の排気浄化触媒に流入
させることを特徴とする内燃機関の排気浄化方法。
【請求項２】吸気通路上の吸入空気、混合気又は還流
排気ガスに対して、前記硫黄成分固形剤を添加すること
を特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化方
法。
【請求項３】排気通路から吸気通路にかけて配設され
た排気ガス還流路上の還流排気ガスに対して、前記硫黄
成分固形剤を添加す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方法。