JP2006104970A

JP2006104970A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2006104970A
Application number: JP2004289981A
Authority: JP
Inventors: Minoru Sato; 稔佐藤; Akira Shiragami; 昭白神
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】触媒が劣化した場合でもＮＯｘ浄化効率を高く保つ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】内燃機関１の空燃比リーン燃焼時に排出されるNOｘを吸蔵し、空燃比を一時的にリッチにして吸蔵NOｘを放出して還元処理するNOｘ吸蔵還元触媒３を排気流路２内に配設する排気浄化装置において、前記NOｘ吸蔵還元触媒３の劣化度を検出する劣化検出手段５と、前記劣化度に応じて動作するプラズマ装置４を前記NOｘ吸蔵還元触媒３の上流側に配設した構成とする。
【選択図】図３

Description

この発明は内燃機関の排気ガス浄化装置に関するものである。

従来の内燃機関、特にリーンバーンエンジンでは、排気ガスの空燃比がリーン（酸素過剰）の時にＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵し、空燃比を理論空気量やリッチ（酸素不足）にした時に吸蔵したＮＯｘを放出して浄化するＮＯｘ吸蔵還元触媒を排気流路内に配設し、排気ガスの空燃比を時間間隔を隔ててリーンからリッチに一時的に切り換えてＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されているＮＯｘを浄化する技術が使われている。（例えば特許文献１参照）。

また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒は使用するうちに次第に劣化してＮＯｘ吸蔵能力が低下してくる。ＮＯｘ吸蔵能力が低下すると、吸蔵し得るＮＯｘの量が減少して早い時期に飽和吸蔵の状態に達する。その後はＮＯｘは触媒に吸蔵されずに下流側へ排出されてしまう。
したがって、触媒の劣化度を検出して、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に流入する排気ガスの空燃比をリーンからリッチに切り換える周期を劣化度が高くなるほど短くすることが考えられている。また、リッチに切り換えた時のリッチ時間を劣化度が高くなるほど短くすることも考えられている。（例えば特許文献２参照）。

さらに、エンジンからの排気ガスを浄化するために放電プラズマを利用する方法もすでに知られている。（例えば特許文献３参照）。

特許２６００４９２号公報特許２８３６５２３号公報特開昭６１−３１６１５号公報

従来の排気浄化装置において、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が劣化した場合は、排気ガスの空燃比をリーンにしてＮＯｘを吸蔵する場合と、空燃比をリッチにしてＮＯｘを還元処理する場合の両方で触媒の性能が悪化する。触媒性能は吸蔵し得るＮＯｘの量だけでなく、吸蔵したり還元したりする速さも悪化する。そのため、触媒が劣化した場合に、劣化度が高くなるほど空燃比をリーンからリッチに切り換える周期を短くしたり、リーンからリッチに切り換えた時のリッチ時間を短くしたりする時間的な調整だけではＮＯｘ浄化率の改善は不十分であるという問題点があった。

また、排気ガスを浄化するために放電プラズマを常時使用すると、エネルギーロスが多く消費電力が増大するという問題点もあった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、触媒が劣化した場合でも消費電力の増大を抑えながらＮＯｘ浄化率を高く保つことができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。

この発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の空燃比リーン燃焼時に排出されるNOｘを吸蔵し、空燃比を一時的にリッチにして吸蔵NOｘを放出して還元処理するNOｘ吸蔵還元触媒を排気流路内に配設する排気浄化装置において、前記NOｘ吸蔵還元触媒の劣化度を検出する劣化検出手段と、前記劣化度に応じて動作するプラズマ装置を前記NOｘ吸蔵還元触媒の上流側に配設したものである。

この発明に係る内燃機関の排気浄化装置は上記のように構成されているため、触媒が劣化した場合において、空燃比リーンのＮＯｘ吸蔵期間においても、また、空燃比リッチのＮＯｘ還元処理期間においても浄化効率を向上させることができる、という従来にない顕著な効果を奏するものである。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、劣化してない触媒のリーンとリッチにおけるＮＯｘの排出量の変化状況を示した図で、横軸は時間、縦軸はＮＯｘの排出量を示す。空燃比をリーンにした初期では触媒のNOｘ吸蔵能力が大きく、触媒出口に排出されるNOｘの量は少ないが、NOｘが徐々に蓄積されるにつれて吸蔵されずに排出されるNOｘが増加していく。

空燃比をリッチに切り換えると、排気ガスの酸素濃度が低下するために触媒に吸蔵されていたNOｘが放出され、排気ガスに含まれる炭化水素などの還元成分と反応して浄化される。この際、触媒から放出されるNOｘの量が多いため、還元成分と反応しきれなかったNOｘは図１に示すように排出される。

図２は、劣化した触媒のリーンとリッチにおけるNOｘの排出量の変化状況を示す図である。空燃比リーンで吸蔵し得るNOｘの量（飽和吸蔵量）が小さくなるためリーンの期間を短くしなければならず、また、吸蔵する速度も遅くなるため劣化してない触媒（図１）と同一経過時間において排出されるNOｘの量も多くなる。また、劣化した触媒では、リーンの期間で吸蔵されたNOｘの量が劣化してない触媒に比較して少ないため、空燃比リッチの期間も短くなり、この期間での還元能力も劣化しているために排出されるNOｘの量も増加する。

図３は、実施の形態１に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す概略図である。
エンジン１から排出された排気ガスが流れる排気流路２にＮＯｘ吸蔵還元触媒３を配設する。そのＮＯｘ吸蔵還元触媒３の上流側にプラズマ装置４を備える。また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３の劣化度を検出する劣化検出装置５と、その劣化検出装置５からの信号によりプラズマ装置４を制御するプラズマ制御装置６を備える。

プラズマ制御装置６には高電圧電源（図示せず）が内蔵され、モニターした触媒の劣化度の情報に基づいて、高電圧電源を制御することによってプラズマ装置４のプラズマ生成量を制御する。劣化検出装置５で触媒の劣化が検出された場合には、その劣化度に応じて空燃比リーンの期間でプラズマ制御装置６によりプラズマ装置４を動作させる。プラズマ装置４内の高電圧電源では直流電圧を交流電圧へ変換すると共に、その周波数と交流電圧値を調整して投入電力を変化させる。

空燃比リーンの場合、ＮＯｘに加えて数％〜１０％程度の酸素（Ｏ_２）や水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が排気ガス中に含まれる。ＮＯｘは主にNO（一酸化窒素）とNO_２（二酸化窒素）からなり、ＮＯの割合は約９０％を占めている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒３ではＮＯｘを吸蔵する際に、アルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物によって硝酸塩として吸蔵することが一般的である。この場合、バリウムやカリウムが使用されることが多い。

硝酸塩にする過程では、貴金属触媒によりＮＯが酸化されてＮＯ_２に変わり、このＮＯ_２を硝酸塩の形で吸蔵する。触媒が劣化すると貴金属の酸化性能も低下し、ＮＯ→ＮＯ_２の変換速度が遅くなる。プラズマ装置４を動作させると、排気ガス中における酸素濃度や水蒸気濃度が高いため次のような放電化学反応の作用を受ける。

まず、排気ガス中の酸素分子や水分子が放電されると次のような解離が生じる。
Ｏ_２→２Ｏ＊
Ｈ_２Ｏ→Ｈ＊＋ＯＨ＊
このＯ＊とＯＨ＊はＮＯと反応してＮＯ_２が生じる。
ＮＯ＋Ｏ＊→ＮＯ_２

このようにNOの少なくとも一部はプラズマ装置４を通過することでNO_２へと酸化される。硝酸塩になりやすいNO_２が多くなると吸蔵効果が向上し、排出されるNOｘが減少する。触媒の劣化初期では排出NOｘが大きくなるリーン期間後半のみでプラズマ装置４を動作させることでもNOｘ排出防止効果は発揮される。

劣化が進行した場合には、プラズマ装置４を動作させる時間を長くすることでNOｘ排出防止効果が維持される。このようにプラズマ装置４の動作期間をNOｘの排出防止効果のある期間に限定することで省エネ性が実現できる。

また、空燃比リッチの場合、排気ガス中の酸素濃度は0.1％程度まで低下し、炭化水素（ＨＣ）などの還元成分が増加する。しかし、エンジンの運転モードによっては排気ガス中の炭化水素は大部分が飽和ＨＣの場合もあり、飽和ＨＣは不飽和ＨＣや一酸化炭素（ＣＯ）やアルデヒドや水素（Ｈ_２）に比較してNOｘとの反応性が低いために、NOｘ還元効率が低下する場合がある。触媒の劣化度に応じて空燃比リッチでプラズマ装置４を動作させると、水蒸気の解離が進行する。

Ｈ_２Ｏ→Ｈ＊＋ＯＨ＊
このＯＨ＊は飽和ＨＣと反応して、最終的に不飽和ＨＣやＣＯやホルムアルデヒドやアセトアルデヒドやＨ_２などが生じる。
飽和ＨＣ＋ＯＨ＊→不飽和ＨＣ、ＣＯ、アルデヒド、Ｈ_２

酸素濃度が低下して触媒から放出されたNOｘと、これら不飽和ＨＣやＣＯやアルデヒドやＨ_２が反応して、NOｘが浄化されて排出される量が少なくなる。プラズマ装置４を動作させる期間としては、触媒の劣化度が小さな場合は空燃比リッチ期間の一部、例えば、排出NOｘの量がピークを示す時期のみでもよい。劣化が進行した場合には、リッチの全期間でプラズマ装置４を動作させてもよい。

図４は、プラズマ装置４をさらに具体的に示す一部破断斜視図である。プラズマ装置３１は、排気管２１を備え、その排気管２１の内部を排気ガスが通過する構造になっており、例えば図４において左から右へ排気ガスを通過させることができる。この排気管２１の両端部には、排気流路２が接続できるようにフランジ２８を備えている。また、この排気管２１の材質は絶縁物であればよく、一つに限定されるものではないが、例えば酸化アルミニウム等のセラミックを用いることができる。

排気管２１の内部には、メッシュ２３で固定された高電圧電極２２が排気管２１と同軸になるように配設されている。高電圧電極２２に電圧を供給するために、高電圧電極端子２２ａと給電端子２２ｂが高電圧ケーブル２６によって接続されている。この給電端子２２ｂはプラズマ制御装置６とケーブル（図示せず）で接続される。排気管２１の周囲（外周面）には接地電極２４が排気管２１と接触するように取り付けられている。

この接地電極２４は固定ネジ２７で締め付けられている。また、この固定ネジ２７によって、プラズマ制御装置６と接続するための上述のケーブル（図示せず）も取り付けられている。なお、メッシュ２３の材質は絶縁体であればよく、一つに限定されるものではないが、例えば酸化アルミニウム等のセラミックを用いることができる。また、高電圧電極２２および接地電極２４の材質は導電体であればよく、一つに限定されるものではないが、例えばステンレスを用いることができる。

このように構成されたプラズマ装置３１において、高電圧電極２２と接地電極２４間に交流高電圧またはパルス状高電圧を印加することにより、高電圧電極２２とセラミック製排気管２１の間の空間に無声放電を発生させる。無声放電が生じる空間のガス流方向の長さは接地電極２４のガス流方向の長さと同じである。つまり、接地電極２４で囲まれた空間内に無声放電が生じる。このプラズマ装置３１に導入された排気ガスはメッシュ２３を通り無声放電空間内を通過する。この通過過程で排気ガスはプラズマによって化学反応をする。

次に、劣化検出装置５について説明する。劣化検出装置５の一例としては、触媒に担持した酸素貯蔵機能物質の劣化度を検出する方法がある。触媒の上流側や下流側に設置した空燃比センサ（図示せず）の信号に基づいて酸素貯蔵量を算出して劣化度を検出するものである。空燃比センサはジルコニア式の限界電流式を使用する。安定化ジルコニアは酸素イオン導電性を有し、白金等の電極をつけたものの両端に電圧を加えると、測定ガスが酸素雰囲気の時には酸素は酸素イオンとなり安定化ジルコニアを通過する。この時の電流値が酸素濃度に比例する。

空燃比センサで検出された電流値から酸素濃度を算出し、触媒の上流側と下流側の酸素濃度差を計算すれば、触媒に貯蔵された酸素を算出することができる。この酸素貯蔵量を初期のそれと比較することで触媒の劣化検出を行うことが可能となる。
また、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３の下流側に設置したNOｘセンサ（図示せず）の信号に基づいて劣化度を検出するものでもよい。

図５に上記の実施の形態１を空燃比リーンおよびリッチにおいて動作させた場合のNOｘの排出量の変化状況を示す。プラズマ装置４の効果により、リーンの期間ではＮＯ_２の割合が増加するため吸蔵効果が向上し、リッチの期間では飽和ＨＣが反応性の高い不飽和ＨＣなどの物質に改質されるため吸蔵ＮＯｘの浄化効果が向上し、排出されるＮＯｘは図１に示す劣化していない触媒の場合とほぼ同等レベルになっている。

劣化してない触媒のリーンとリッチにおけるNOｘの排出量の変化状況を示す図である。劣化した触媒のリーンとリッチにおけるNOｘの排出量の変化状況を示す図である。実施の形態１に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を示す概略図である。図３に示したプラズマ装置の具体的な構成を一部破断して示す斜視図である。実施の形態１を空燃比リーンとリッチにおいて動作させた場合のNOｘの排出量の変化状況を示す図である。

符号の説明

１エンジン、２排気流路、３ＮＯｘ吸蔵還元触媒、４プラズマ装置、
５劣化検出装置、６プラズマ制御装置、２１排気管、２２高電圧電極、
２２ａ高電圧電極端子、２２ｂ給電端子、２３メッシュ、
２４接地電極、２６高電圧ケーブル、２７固定ネジ、２８フランジ、
３１プラズマ装置。

Claims

内燃機関の空燃比リーン燃焼時に排出されるNOｘを吸蔵し、空燃比を一時的にリッチにして吸蔵NOｘを放出して還元処理するNOｘ吸蔵還元触媒を排気流路内に配設する排気浄化装置において、前記NOｘ吸蔵還元触媒の劣化度を検出する劣化検出手段と、前記劣化度に応じて動作するプラズマ装置を前記NOｘ吸蔵還元触媒の上流側に配設したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記プラズマ装置は、劣化度に応じて空燃比リーン時の少なくとも一部の時間に動作させる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。
前記プラズマ装置は、空燃比リーンの排気ガスに含まれるNOｘのうちのNOの少なくとも一部をNO_２へ変換することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記プラズマ装置は、劣化度に応じて空燃比リッチ時の少なくとも一部の時間に動作させる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。
前記プラズマ装置は、空燃比リッチの排気ガスに含まれる飽和炭化水素の少なくとも一部を不飽和炭化水素もしくは一酸化炭素もしくはアルデヒドもしくは水素へ改質することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の排気浄化装置。