JP2003286827A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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JP2003286827A
JP2003286827A JP2002092466A JP2002092466A JP2003286827A JP 2003286827 A JP2003286827 A JP 2003286827A JP 2002092466 A JP2002092466 A JP 2002092466A JP 2002092466 A JP2002092466 A JP 2002092466A JP 2003286827 A JP2003286827 A JP 2003286827A
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exhaust gas
catalyst
exhaust
nitrogen oxide
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Masanobu Hirata
公信 平田
Hiroki Ueno
弘樹 上野
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  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 全運転領域において、燃費の低下を伴わずに
NOx浄化能力を向上させる。 【解決手段】 排気中のNOxを選択還元反応により無
害物質に転化させるSCR触媒16の上流側に、排気温
度が所定値未満のときには、排気中のNOxを吸着又は
吸蔵する一方、排気温度が所定値以上のときには、吸着
又は吸蔵したNOxを離脱するNOx吸着触媒14を配
置する。このようにすれば、排気温度が所定値未満であ
る機関運転領域では、排気中のNOxがNOx吸着触媒
14に吸着又は吸蔵されるため、低温ではNOx浄化能
力が低いSCR触媒16にNOxが供給されず、未浄化
のNOxが大気中に排出されることが防止される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸素過剰雰囲気中
で窒素酸化物(以下「NOx」という)を浄化する内燃
機関の排気浄化装置において、特に、排気温度が低温で
あるときのNOx浄化能力を向上させる技術に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、地球温暖化問題への関心が高ま
り、二酸化炭素(CO2)の排出量削減の観点から、自
動車の燃費向上が要求されている。燃費向上には、希薄
燃焼が有効である。しかし、希薄燃焼は、排気中の酸素
濃度が高く、従来の自動車用三元触媒では、NOxの還
元浄化が困難であった。このため、特開2000−24
0430号公報,特開平8−173767号公報及び特
開平5−115749号公報に開示されるように、内燃
機関の排気通路に、選択還元型NOx浄化触媒(以下
「SCR触媒」という)を介装させた排気浄化装置が提
案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、SCR触媒
は、図3(A)に示すように、排気温度が高い機関運転
領域(高負荷時)には、NOx浄化能力が良好である
が、同図(B)に示すように、排気温度が低い機関運転
領域(低負荷時)には、NOx浄化能力が低いという特
性を有している。このため、排気温度が低い運転領域の
ときには、燃料噴射時期又は点火時期の遅延などにより
排気温度を昇温させることで、NOx浄化能力を向上さ
せることが考えられる。しかし、燃料噴射時期又は点火
時期を遅延させると、混合気の燃焼が必ずしも最適な時
期に行われず、燃費が低下してしまうという欠点があっ
た。従って、従来の技術では、全運転領域において、燃
費の低下を伴わずにNOx浄化能力を発揮させることは
不可能であった。
【0004】そこで、本発明は以上のような従来の問題
点に鑑み、SCR触媒の上流側に、排気温度が低いとき
にNOxを吸着又は吸蔵するNOx吸着触媒を配置する
ことで、全運転領域において、燃費の低下を伴わずにN
Ox浄化能力を向上させた内燃機関の排気浄化装置を提
供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】このため、請求項1記載
の発明では、内燃機関の排気通路に介装され、排気中の
窒素酸化物を選択還元反応により無害物質に転化させる
窒素酸化物還元触媒と、該窒素酸化物還元触媒の上流側
の排気通路に介装され、排気温度が所定値未満のときに
は、排気中の窒素酸化物を吸着又は吸蔵する一方、排気
温度が所定値以上のときには、吸着又は吸蔵した窒素酸
化物を離脱する窒素酸化物吸着触媒と、を含んで内燃機
関の排気浄化装置を構成したことを特徴とする。
【0006】かかる構成によれば、内燃機関から排出さ
れた排気は、排気通路を通って窒素酸化物吸着触媒に導
入される。そして、排気中の窒素酸化物は、排気温度が
所定値未満のときには、窒素酸化物吸着触媒により吸着
又は吸蔵されるため、低温では窒素酸化物の浄化能力が
低い窒素酸化物還元触媒に供給されず、窒素酸化物が未
浄化のまま大気中に放出されることが防止される。一
方、排気中の窒素酸化物は、排気温度が所定値以上のと
きには、窒素酸化物吸着触媒から離脱して窒素酸化物還
元触媒に供給され、選択還元反応により無害物質に転化
される。
【0007】請求項2記載の発明では、前記窒素酸化物
還元触媒に対して、前記選択還元反応を促進する還元剤
を添加する還元剤添加手段を備えたことを特徴とする。
かかる構成によれば、窒素酸化物還元触媒に還元剤が添
加されるため、排気中の窒素酸化物を無害物質に転化さ
せる選択還元反応が促進され、排気浄化能力が一層向上
される。
【0008】請求項3記載の発明では、前記窒素酸化物
吸着触媒は、卑金属酸化物からなることを特徴とする。
かかる構成によれば、窒素酸化物吸着触媒として、卑金
属酸化物を用いることで、窒素酸化物吸着触媒における
窒素酸化物の吸着及び離脱が、効率的に行われるように
なる。
【0009】請求項4記載の発明では、前記卑金属酸化
物は、ランタノイド系酸化物であることを特徴とする。
かかる構成によれば、卑金属酸化物として、ランタノイ
ド系酸化物を用いることで、窒素酸化物吸着触媒におけ
る窒素酸化物の吸着及び離脱が、高効率で行われるよう
になる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、添付された図面を参照して
本発明を詳述する。図1は、本発明に係る内燃機関の排
気浄化装置(以下「排気浄化装置」という)を備えた内
燃機関の全体構成を示す。内燃機関10の排気通路12
には、その上流から下流にかけて、窒素酸化物吸着触媒
としてのNOx吸着触媒14と、窒素酸化物還元触媒と
してのSCR触媒16と、が直列に介装される。
【0011】NOx吸着触媒14は、セラミックのコー
ディライトやFe−Cr−Al系の耐熱鋼からなるハニ
カム形状の横断面を有するモノリスタイプの触媒担体
に、例えば、卑金属(ベースメタル)酸化物、特に、C
eO2(酸化セリウム)を代表とするランタノイド系酸
化物が担持された構成をなす。そして、触媒担体に担持
された卑金属酸化物(特に、ランタノイド系酸化物)
は、HONDA R&D TechnicalReview Vol.12 No.2(October
2000), P.102に記載されるように、排気温度が所定値
(300℃)未満のときには、排気中のNOxを吸着す
る一方、排気温度が所定値以上のときには、吸着したN
Oxを離脱する特性を有する。
【0012】一方、SCR触媒16は、NOx吸着触媒
14と同様な触媒担体に、例えば、ゼオライト系の活性
成分が担持された構成をなす。そして、触媒担体に担持
された活性成分は、還元剤としてのHC(炭化水素),
NH3(アンモニア)又は尿素水溶液などの供給を受け
て活性化が促進され、NOxを無害物質に効率的に転化
させる。
【0013】また、NOx吸着触媒14とSCR触媒1
6との間の排気通路12には、SCR触媒16に対して
液体還元剤を噴射添加する還元剤噴射弁18が介装され
る。還元剤噴射弁18には、定圧圧送ポンプ20が介装
された還元剤導入路22を介して、還元剤貯蔵タンク2
4に貯蔵された液体還元剤が加圧供給される。そして、
還元剤導入路22には、機関運転状態に応じて還元剤添
加量を制御すべく、マイクロコンピュータを内蔵したコ
ントロールユニット26によりデューティ制御される流
量制御弁28が介装される。
【0014】ここで、還元剤噴射弁18,定圧圧送ポン
プ20,還元剤導入路22,還元剤貯蔵タンク24,コ
ントロールユニット26及び流量制御弁28により、還
元剤添加手段が構成される。次に、かかる構成からなる
排気浄化装置の作用について説明する。なお、以下の説
明では、還元剤として尿素水溶液を用いるものとする。
【0015】内燃機関10から排出された排気は、排気
通路12を通ってNOx吸着触媒14に導入される。そ
して、排気温度が所定値未満である機関運転領域では、
図2(A)に示すように、排気中のNOxは、NOx吸
着触媒14により吸着され、低温ではNOx浄化能力が
低いSCR触媒16には供給されない。このため、排気
温度が低い機関運転領域であっても、未浄化のNOxが
大気中に放出されることが防止される。
【0016】一方、排気温度が所定値以上である機関運
転領域では、同図(B)に示すように、排気中のNOx
が直接SCR触媒16に供給されると共に、NOx吸着
触媒14に吸着されたNOxが離脱してSCR触媒16
に供給される。また、還元剤噴射弁18から排気通路1
2内に噴射された尿素水溶液は、次式のように、排気熱
によってNH3とCO2とに転化される。
【0017】CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2 そして、SCR触媒16において、次式のように、酸素
過剰雰囲気中でNH3とNOxとが反応し、無害なN
2(窒素)とH2O(水蒸気)とに転化される。 4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O 4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O なお、還元剤としてNH3を用いたときには、同様な反
応により、排気中のNOxが無害なN2とH2Oとに転化
される。また、還元剤としてHCを用いたときには、S
CR触媒16において、次式のような反応が起こり、排
気中のNOxが無害なCO2とH2Oとに転化される。
【0018】NO2+HC→N2+CO2+H2O 従って、排気中のNOxは、排気温度が所定値未満であ
る機関運転領域では、NOx吸着触媒14により吸着さ
れる一方、排気温度が所定値以上である機関運転領域で
は、SCR触媒16において酸素過剰雰囲気下で浄化さ
れる。このため、排気温度が低い機関運転領域であって
も、未浄化のNOxが大気中に放出されることが防止さ
れる。その結果、全運転領域において、燃費の低下を伴
わずにNOx浄化能力が発揮されるようになり、排気浄
化装置によるNOx浄化能力を向上させることができ
る。
【0019】なお、NOx吸着触媒14の触媒担体に、
NOxを硝酸塩などの別の物質に転化させ、これを吸蔵
する触媒金属を担持させるようにしてもよい。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1記載の発
明によれば、排気中の窒素酸化物は、排気温度が所定値
未満であるときには、窒素酸化物吸着触媒により吸着又
は吸蔵される一方、排気温度が所定値以上であるときに
は、窒素酸化物還元触媒において酸素過剰雰囲気下で浄
化される。このため、排気温度が低い機関運転領域であ
っても、未浄化の窒素酸化物が大気中に放出されること
が防止される。その結果、全運転領域において、燃費の
低下を伴わずに窒素酸化物の浄化能力が発揮されるよう
になり、窒素酸化物の浄化能力を向上させることができ
る。
【0021】請求項2記載の発明によれば、窒素酸化物
還元触媒に還元剤が添加されるため、排気中の窒素酸化
物を無害物質に転化させる選択還元反応が促進され、排
気浄化能力を一層向上させることができる。請求項3記
載の発明によれば、窒素酸化物吸着触媒として、卑金属
酸化物を用いることで、窒素酸化物吸着触媒における窒
素酸化物の吸着及び離脱を効率的に行わせることができ
る。
【0022】請求項4記載の発明によれば、卑金属酸化
物として、ランタノイド系酸化物を用いることで、窒素
酸化物吸着触媒における窒素酸化物の吸着及び離脱を高
効率で行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る排気浄化装置を備えた内燃機関
の全体構成図
【図2】 同上によるNOx浄化作用を示し、(A)は
低温時の説明図、(B)は高温時の説明図
【図3】 従来技術におけるNOx浄化作用を示し、
(A)は高負荷時(高温時)の説明図、(B)は低負荷
時(低温時)の説明図
【符号の説明】
10 内燃機関 12 排気通路 14 NOx吸着触媒 16 SCR触媒 18 還元剤噴射弁 20 定圧圧送ポンプ 22 還元剤導入路 24 還元剤貯蔵タンク 26 コントロールユニット 28 流量制御弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3G091 AA02 AB04 AB06 AB15 BA14 CA16 FA02 FA04 FA13 FA14 FB01 GA06 GB10W HA20 4D048 AB02 AC02 AC03 AC04 AC10 BA18Y BA19X BA41X BB02 CC32 CC44 CC61 EA04

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃機関の排気通路に介装され、排気中の
    窒素酸化物を選択還元反応により無害物質に転化させる
    窒素酸化物還元触媒と、 該窒素酸化物還元触媒の上流側の排気通路に介装され、
    排気温度が所定値未満のときには、排気中の窒素酸化物
    を吸着又は吸蔵する一方、排気温度が所定値以上のとき
    には、吸着又は吸蔵した窒素酸化物を離脱する窒素酸化
    物吸着触媒と、 を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の排気浄
    化装置。
  2. 【請求項2】前記窒素酸化物還元触媒に対して、前記選
    択還元反応を促進する還元剤を添加する還元剤添加手段
    を備えたことを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排
    気浄化装置。
  3. 【請求項3】前記窒素酸化物吸着触媒は、卑金属酸化物
    からなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載
    の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 【請求項4】前記卑金属酸化物は、ランタノイド系酸化
    物であることを特徴とする請求項3記載の内燃機関の排
    気浄化装置。
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