JP2013122179A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】卑金属触媒を担持してＮＯ_Xの還元性能が低いＮＯ_X還元触媒装置を備える内燃機関の排気浄化装置において、排気ガス中のＮＯ_Xの還元のための燃料消費の悪化を改善する。
【解決手段】排気通路３０に配置された卑金属触媒を担持する第一ＮＯ_X還元触媒装置４０と、排気通路の第一ＮＯ_X還元触媒装置の下流側に配置されたアンモニア吸蔵能力を有する第二ＮＯ_X還元触媒装置５０と、排気通路の第二ＮＯ_X還元触媒装置の下流側に配置された第一ＮＯ_Xセンサ８０とを具備し、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとされた後に内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンとし、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされているときに第一ＮＯ_XセンサによりＮＯ_Xが検出された時には内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、及びＮＯ_Xを浄化するために、三元触媒装置を機関排気系に配置することが公知である。しかしながら、三元触媒装置に一般的に使用される白金等の貴金属触媒は高価であり、貴金属触媒に代えて卑金属触媒を使用することが提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、こうして三元触媒装置において、貴金属触媒を代えて卑金属触媒を使用したり、又は、貴金属触媒の一部を卑金属触媒に置き換えたりすると、ＮＯ_X還元触媒装置としてＮＯ_Xの還元性能が低下するために、燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチにして、排気ガス中にＨＣ及びＣＯ等の還元物質の濃度を高めてＮＯ_Xを還元し易くすることが考えられる。

特開２０１１−１２５８６２

前述のように、卑金属触媒を担持してＮＯ_Xの還元性能が低いＮＯ_X還元触媒装置を備える内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_Xを良好に還元するのに燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにしたのでは、燃料消費が大幅に悪化してしまう。

従って、本発明の目的は、卑金属触媒を担持してＮＯ_Xの還元性能が低いＮＯ_X還元触媒装置を備える内燃機関の排気浄化装置において、排気ガス中のＮＯ_Xの還元のための燃料消費の悪化を改善することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に配置された卑金属触媒を担持する第一ＮＯ_X還元触媒装置と、前記排気通路の前記第一ＮＯ_X還元触媒装置の下流側に配置されたアンモニア吸蔵能力を有する第二ＮＯ_X還元触媒装置と、前記排気通路の前記第二ＮＯ_X還元触媒装置の下流側に配置された第一ＮＯ_Xセンサとを具備し、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとされた後に内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンとし、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされているときに前記第一ＮＯ_XセンサによりＮＯ_Xが検出された時には内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにすることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路の前記第一ＮＯ_Xセンサの下流側に配置された酸化触媒装置と、前記排気通路の前記第二ＮＯ_X還元触媒装置と前記酸化触媒装置との間に二次空気を供給する二次空気供給装置と、前記排気通路の前記酸化触媒装置の下流側に配置された第二ＮＯ_Xセンサとを具備し、少なくとも内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとされるときには、前記二次空気供給装置は二次空気を供給し、前記第二ＮＯ_XセンサによりＮＯ_Xが検出されたときには、内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにすることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気通路に配置された卑金属触媒を担持する第一ＮＯ_X還元触媒装置と、排気通路の第一ＮＯ_X還元触媒装置の下流側に配置されたアンモニア吸蔵能力を有する第二ＮＯ_X還元触媒装置と、排気通路の第二ＮＯ_X還元触媒装置の下流側に配置された第一ＮＯ_Xセンサとを具備し、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとされることにより、ＮＯ_Xの還元能力が低い第一ＮＯ_X還元触媒装置によっても、排気ガス中のＮＯ_Xをリッチ空燃比の排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを使用して良好に還元することができる。

第一ＮＯ_X還元触媒装置でのＮＯ_Xの還元によってアンモニアが生成され、こうして生成されたアンモニアは、第一ＮＯ_X還元触媒装置の下流側に配置されたアンモニア吸蔵能力を有する第二ＮＯ_X還元触媒装置に吸蔵される。それにより、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとされた後に内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンとしても、排気ガス中のＮＯ_Xは、第二ＮＯ_X還元触媒装置において、吸蔵されているアンモニアを使用して良好に還元される。こうして、内燃機関の燃焼空燃比を常に理論空燃比よりリッチにする場合に比較して、排気ガス中のＮＯ_Xの還元のための燃料消費の悪化を改善することができる。

内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンとしているときにおいて、第二ＮＯ_X還元触媒装置に吸蔵されているアンモニアにより排気ガス中のＮＯ_Xを十分に還元することができなくなれば、排気通路の第二ＮＯ_X還元触媒装置の下流側に配置された第一ＮＯ_XセンサがＮＯ_Xを検出するようになり、このときには、内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにし、排気ガス中のＮＯ_Xを第一ＮＯ_X還元触媒装置により還元するようにし、このときに生成されるアンモニアを第二ＮＯ_X還元触媒装置において吸蔵し、次に内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされるときの第二ＮＯ_X還元触媒装置によるＮＯ_Xの還元に備える。

また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、排気通路の第一ＮＯ_Xセンサの下流側に配置された酸化触媒装置と、排気通路の第二ＮＯ_X還元触媒装置と酸化触媒装置との間に二次空気を供給する二次空気供給装置と、排気通路の酸化触媒装置の下流側に配置された第二ＮＯ_Xセンサとを具備し、少なくとも内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとされるときには、二次空気供給装置は二次空気を供給するようになっており、それにより、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとされるときに、第一及び第二ＮＯ_X還元触媒装置を通過するＨＣ及びＣＯを、下流側の酸化触媒装置において二次空気中の酸素を使用して酸化することができる。

また、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチにされているときに、第一ＮＯ_X還元触媒装置において生成されるアンモニアを吸蔵する第二ＮＯ_X還元触媒装置において、アンモニア吸蔵能力が飽和すると、第二ＮＯ_X還元触媒装置からアンモニアが流出し、第二ＮＯ_X還元触媒装置の下流側に配置された酸化触媒装置に流入して二次空気中の酸素を使用して酸化され、ＮＯ_Xが生成される。それにより、第二ＮＯ_XセンサによりＮＯ_Xが検出されたときには、第二ＮＯ_X還元触媒装置には飽和量のアンモニアが吸蔵されていることとなり、内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにするようになっている。

本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。 図１の排気浄化装置の制御を示すフローチャートである。

図１は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。内燃機関１０は例えば筒内噴射式火花点火の四気筒内燃機関である。内燃機関１０のエキゾーストマニホルド２０の下流側の排気通路３０には、第一ＮＯ_X還元触媒装置４０が配置されている。第一ＮＯ_X還元触媒装置４０は、ハニカム構造の基体上に、一般的な三元触媒装置のような白金Ｐｔ等の高価な貴金属触媒ではなく、銅Ｃｕ、鉄Ｆｅ、銀Ａｇ、又は、金Ａｕ等の卑金属触媒をアルミナ又はセリア等を担体として担持したものである。また、第一ＮＯ_X還元触媒装置４０は、一般的な三元触媒装置の貴金属触媒の一部を卑金属触媒に置換するなどして、高価な貴金属触媒の使用量を減少させたものでも良い。

また、排気通路３０の第一ＮＯ_X還元触媒装置４０の下流側には、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０が配置されている。第二ＮＯ_X還元触媒装置５０は、ハニカム構造の基体上に、例えば、超強酸処理したジルコニアＺｒＯ₂や、銅Ｃｕ又は鉄ＦｅをゼオライトＺＳＭ５又はＳＡＰＯを担体として担持したものであり、アンモニア吸蔵機能を有している。それにより、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０は、排気ガスの空燃比がリーンでも吸蔵したアンモニアを還元剤として使用してＮＯ_Xを還元することができる。また、排気通路３０の第二ＮＯ_X還元触媒装置５０の下流側には、卑金属触媒（又は貴金属触媒）を担持する酸化触媒装置６０が配置されている。

また、排気通路３０の第二ＮＯ_X還元触媒装置５０と酸化触媒装置６０との間には、二次空気を供給する二次空気供給装置７０が配置されている。また、排気通路３０の第二ＮＯ_X還元触媒装置５０と酸化触媒装置６０との間には、第一ＮＯ_Xセンサ８０が配置され、排気通路３０の酸化触媒装置６０の下流側には、第二ＮＯ_Xセンサ９０が配置されている。第一ＮＯ_Xセンサ８０及び第二ＮＯ_Xセンサ９０は、排気ガス中のＮＯ_X濃度を検出することができる。排気通路３０の第一ＮＯ_X還元触媒装置４０の上流側には、内燃機関の燃焼空燃比を制御するために排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ１００が配置されている。

前述の第一ＮＯ_X還元触媒装置４０は、貴金属触媒を担持する一般的な三元触媒装置に比較して、還元性能が低下するために、理論空燃比の排気ガスではＮＯ_Xを十分に還元浄化することができず、燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチ（例えば空燃比１４）にして排気ガス中の還元物質の濃度を高めてＮＯ_Xを十分に還元できるようにしなければならない。しかしながら、常に燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにしたのでは、燃料消費が悪化してしまう。

この問題を改善するために、本排気浄化装置は電子制御装置（図示せず）によって図２に示すフローチャートに従って制御される。本フローチャートは、機関始動と共に開始される。先ず、ステップ１０１において、フラグＦが１であるか否かが判断される。機関停止と共にフラグＦは０にリセットされるために、当初は、ステップ１０１の判断は否定されてステップ１０２へ進む。

ステップ１０２では、内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチ（例えば空燃比１４）にする。次いで、ステップ１０３において、二次空気供給装置７０から酸化触媒装置６０の上流側への二次空気の供給を実施する。

内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチにされているときには、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされるときに比較してＮＯ_Xの生成量が少なくなると共に、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯ_Xは、還元性能が低い第一ＮＯ_X還元触媒装置４０においても、排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯを使用して良好に還元される。このときに、一部のＮＯ_Xからはアンモニアが生成される（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂，２ＮＯ＋２ＣＯ＋３Ｈ₂→２ＮＨ₃＋２ＣＯ₂）。こうして生成されたアンモニアは、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０に吸蔵される。

また、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとされているときには、排気ガス中のＨＣ及びＣＯの濃度が高くなり、一部のＨＣ及びＣＯは、第一ＮＯ_X還元触媒装置４０において、ＮＯ_Xの還元に使用されることなく、また、酸化されることもなく、第一ＮＯ_X還元触媒装置４０から流出する。このように流出するＨＣ及びＣＯは、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０を通過して酸化触媒装置６０へ流入し、二次空気供給装置７０から供給される二次空気に含まれる酸素を使用して、酸化触媒装置６０において酸化されるために、大気中へは殆ど放出されることはない。

次いで、ステップ１０４において、第二ＮＯ_Xセンサ９０によって酸化触媒装置６０から流出する排気ガス中にＮＯ_Xが含まれているか否かが判断される。当初は、酸化触媒装置６０から流出する排気ガス中には殆どＮＯ_Xは含まれておらず、ステップ１０４の判断は否定されてステップ１０６へ進む。

ステップ１０６では、第一ＮＯ_Xセンサ８０によって第二ＮＯ_X還元触媒装置５０から流出する排気ガス中にＮＯ_Xが含まれているか否かが判断される。当初は、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０から流出する排気ガス中には殆どＮＯ_Xは含まれておらず、ステップ１０６の判断は否定されて、そのままステップ１０１へ戻る。

こうして、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチにされ続けると、第一ＮＯ_X還元触媒装置４０において生成されるアンモニアが第二ＮＯ_X還元触媒装置５０に吸蔵され続け、遂には、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０のアンモニア吸蔵量が上限値に達して、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０からアンモニアが流出するようになる。このときには、燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンとしても第二ＮＯ_X還元触媒装置５０によって排気ガス中のＮＯ_Xの良好な還元が可能となる。第二ＮＯ_X還元触媒装置５０から流出するアンモニアは、酸化触媒装置６０へ流入し、二次空気供給装置７０から供給される二次空気に含まれる酸素を使用して、酸化触媒装置６０において酸化されてＮＯ_Xを生成する（４ＮＨ₃＋５Ｏ₂→４ＮＯ＋６Ｈ₂Ｏ）。

それにより、第二ＮＯ_Xセンサ９０がＮＯ_Xを検出するために、ステップ１０４の判断が肯定され、ステップ１０５においてフラグＦは１とされる。このときにおいて、依然として燃焼空燃比は理論空燃比よりリッチとされているために、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０から流出する排気ガス中にはＮＯ_Xは殆ど含まれておらず、ステップ１０６の判断が肯定されることはない。

フラグＦが１とされると、ステップ１０１の判断は肯定され、ステップ１０８において、内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーン（例えば空燃比１５）とし、ステップ１０９において、二次空気供給装置７０からの二次空気の供給を停止する（制御を簡素化するために二次空気の供給は常に実施するようにしても良い）。こうして、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされると、第一ＮＯ_X還元触媒装置４０は、排気ガス中のＮＯ_Xを良好に還元することはできず、ＮＯ_Xを含む排気ガスが第二ＮＯ_X還元触媒装置５０へ流入する。

第二ＮＯ_X還元触媒装置５０において、排気ガスの空燃比はリーンであるが、ＮＯ_Xは第二ＮＯ_X還元触媒装置５０の吸蔵されているアンモニアを還元剤として良好に還元される（６ＮＯ＋４ＮＨ₃→５Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ）。こうして、大気中へはＮＯ_Xは殆ど放出されることはない。このときには、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０からアンモニアがそのまま流出することはなく、ステップ１０４の判断は否定されるが、フラグＦは１のままである。また、排気ガス中のＮＯ_Xは第二ＮＯ_X還元触媒装置５０において還元されるために、ステップ１０６の判断も否定される。

こうして、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンにされ続けると、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０において吸蔵されたアンモニアがＮＯ_Xの還元に使用され続け、遂には、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０のアンモニア吸蔵量がゼロ又は非常に少なくなり、排気ガス中のＮＯ_Xを十分に還元することができなくなる。

それにより、第二ＮＯ_Xセンサ９０が酸化触媒装置６０から流出する排気ガス中のＮＯ_Xを検出してステップ１０５においてフラグＦを１としても、第一ＮＯ_Xセンサ８０が第二ＮＯ_X還元触媒装置５０から流出する排気ガス中のＮＯ_Xを検出するために、ステップ１０６の判断が肯定され、ステップ１０７においてフラグＦは０にリセットされる。

それにより、ステップ１０１の判断が否定され、ステップ１０２において、再び、内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチ（例えば空燃比１４）にする。次いで、ステップ１０３において、二次空気供給装置７０から酸化触媒装置６０の上流側への二次空気の供給を実施する。このようにして、内燃機関の燃焼空燃比を交互にリッチ及びリーンとするが、前述したように、大気中へ殆どＮＯ_Xが放出されないようにすることができ、内燃機関において燃焼空燃比を常に理論空燃比よりリッチにする場合に比較して、排気ガス中のＮＯ_Xの還元のための燃料消費の悪化を改善することができる。

また、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０に例えばゼオライト系の材料を使用すると、アンモニア吸蔵能力だけでなく、炭化水素ＨＣの吸蔵能力を有するようにすることができる。それにより、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとされるときに、第二ＮＯ_X還元触媒装置５０は、第一ＮＯ_X還元触媒装置４０において生成されるアンモニアだけでなく、第一ＮＯ_X還元触媒装置４０から流出するＨＣも吸蔵することができる。その結果、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされるときに、排気ガス中のＮＯ_Xを吸蔵アンモニアに加えて、吸蔵ＨＣによっても還元することができ、内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンとする期間を長くして、燃料消費をさらに改善することができる。

１０ 内燃機関
３０ 排気通路
４０ 第一ＮＯ_X還元触媒装置
５０ 第二ＮＯ_X還元触媒装置
６０ 酸化触媒装置
７０ 二次空気供給装置
８０ 第一ＮＯ_Xセンサ
９０ 第二ＮＯ_Xセンサ

Claims (2)

1. 排気通路に配置された卑金属触媒を担持する第一ＮＯ_X還元触媒装置と、前記排気通路の前記第一ＮＯ_X還元触媒装置の下流側に配置されたアンモニア吸蔵能力を有する第二ＮＯ_X還元触媒装置と、前記排気通路の前記第二ＮＯ_X還元触媒装置の下流側に配置された第一ＮＯ_Xセンサとを具備し、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとされた後に内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンとし、内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされているときに前記第一ＮＯ_XセンサによりＮＯ_Xが検出された時には内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排気通路の前記第一ＮＯ_Xセンサの下流側に配置された酸化触媒装置と、前記排気通路の前記第二ＮＯ_X還元触媒装置と前記酸化触媒装置との間に二次空気を供給する二次空気供給装置と、前記排気通路の前記酸化触媒装置の下流側に配置された第二ＮＯ_Xセンサとを具備し、少なくとも内燃機関の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチとされるときには、前記二次空気供給装置は二次空気を供給し、前記第二ＮＯ_XセンサによりＮＯ_Xが検出されたときには、内燃機関の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンに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装置。

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