JP4326723B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置において、特に、窒素酸化物(NOx)の排出量を低減させる技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、内燃機関の排気を浄化することを目的として、排気通路に介装されたモノリスに塗布された各種触媒により、排気中のNOxを還元浄化する排気浄化装置が公知である。この場合、NOxを還元するための還元剤として、排気中の炭化水素(HC)が用いられる。しかし、排気中のHCが浄化すべきNOxに比べて少ないので、例えば、Applied Catalysis B: Environmental 17(1998) 333-345に開示されるように、モノリス上流側にHCを含む燃料等を添加する技術が案出されている。そして、排気中のNOxは、主に、NO2+HC(CmHn)→N2+CO2+H2Oという化学反応により浄化される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では、HCを還元剤とする触媒のNOx還元性能がいまだ不十分であるため、さらなるNOx排出量の低減による排気浄化が求められていた。
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、最適な触媒を選定すると共に、触媒が最大限その機能を発揮できるレイアウトを採用することで、さらなるNOx排出量の低減を実現し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。
【0004】
【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、排気通路に直列に介装された第1及び第2のモノリスと、該第1及び第2のモノリスに夫々塗布された第1及び第2の触媒と、前記第1のモノリスの上流側に炭化水素を含んだ還元剤を添加する還元剤添加手段と、を含んで構成された内燃機関の排気浄化装置において、
前記第1及び第2のモノリスは、定常状態において、夫々、300〜600℃及び150℃以下の排気が導入される位置に介装されると共に、
前記第1の触媒は、前記還元剤添加手段により添加された炭化水素を還元剤として次式のような水蒸気改質反応を起こすロジウム担持ジルコニア(Rh/ZrO2)又はロジウム担持アルミナ(Rh/Al2O3)とする一方、
CmHn+mH2O→mCO+(m+n/2)H2
前記第2の触媒は、前記第1の触媒により生成された水素を用いて、排気中の窒素酸化物を次式のように浄化する酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物(MnOx−CeO2)又はパラジウム担持酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物(Pd/MnOx−CeO2)とすることを特徴とする。
【0005】
NOx+H2→N2+H2O
かかる構成によれば、内燃機関から排出された排気は、排気通路を通って排気浄化装置に導入されると、還元剤添加手段により添加された還元剤と混合し、排気と還元剤とからなる混合気が形成される。この混合気が第1モノリスを通過する際、ここに塗布されたロジウム担持ジルコニア又はロジウム担持アルミナと接触して水蒸気改質反応が起こり、水素が生成される。このとき、第1モノリスには、定常状態において300〜600℃の排気が導入されるため、効果的に水蒸気改質反応が進行する。
【0006】
そして、水蒸気改質反応により生成された水素と排気とが第2モノリスを通過する際、ここに塗布された酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物の窒素酸化物吸着特性により、排気中の窒素酸化物が吸着除去される。第2モノリスにおける窒素酸化物の吸着が飽和すると、吸着された窒素酸化物と水蒸気改質反応により生成された水素とが反応し、無害な窒素及び水(水蒸気)となる。このとき、第2モノリスには、定常状態において150℃以下の排気が導入されるため、酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物は、高効率の窒素酸化物吸着特性を発揮する。
【0007】
請求項2記載の発明では、前記第2のモノリス下流側の窒素酸化物濃度を検出する濃度検出手段と、該濃度検出手段により検出された窒素酸化物濃度に基づいて、前記還元剤添加手段により添加される炭化水素の添加量を増減する添加量増減手段と、を備えたことを特徴とする。
かかる構成によれば、第2モノリス下流の窒素酸化物濃度に基づいて、第1モノリス上流に添加される還元剤を増減するようにしたから、還元剤不足による窒素酸化物浄化率の低下、及び、還元剤過多による未反応の炭化水素の排出が防止される。
【0008】
【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)の全体構成を示す。
内燃機関の排気通路10には、その上流から下流にかけて、ハニカム形状の横断面を有する第1モノリス12と第2モノリス14とが直列に介装される。第1モノリス12及び第2モノリス14は、内燃機関の暖機が終了した定常状態において、夫々、300〜600℃及び150℃以下の排気が導入される位置に介装される。
【0009】
第1モノリス12には、次式のように、水蒸気改質反応を起こすロジウム担持ジルコニア(Rh/ZrO2)又はロジウム担持アルミナ(Rh/Al2O3)が塗布される。
CmHn+mH2O→mCO+(m+n/2)H2
ロジウム担持ジルコニア又はロジウム担持アルミナは、例えば、社団法人自動車技術会学術講演会前刷集No.102-99「180 NOx吸蔵還元型触媒の高性能化」に開示されているように、300〜600℃の温度下において効果的な水蒸気改質反応を起こさせる。
【0010】
一方、第2モノリス14には、次式のように、排気中のNOxに対して、第1モノリス12における水蒸気改質反応により生成された水素(H2)を反応させて排気を浄化する、酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物(MnOx−CeO2)又はパラジウム担持酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物(Pd/MnOx−CeO2)が塗布される。
【0011】
NOx+H2→N2+H2O
酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物は、例えば、87th CATSJ Meeting Abstracts: No.1A07「MnOx−CeO2固溶系の酸化的NO吸着特性とNO−H2−O2反応への応用」に開示されているように、150℃以下で高いNOx吸着特性を有する。また、酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物を担持するパラジウム(Pd)は、還元剤として水素を用いたときに、NOの還元活性を高める特性を有する。
【0012】
第1モノリス12の上流側の排気通路10には、第1モノリス12の上流に還元剤としてのHCを含んだ燃料を添加する還元剤添加装置16(還元剤添加手段)が介装される。還元剤添加装置16は、排気通路10内に燃料を噴射する燃料噴射弁16Aと、燃料タンク16Bに貯留された燃料を燃料噴射弁16Aに加圧供給する燃料ポンプ16Cと、を含んで構成される。そして、燃料ポンプ16Cは、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18により、燃料噴射弁16Aに供給される燃料圧が略一定になるように駆動制御される。
【0013】
また、コントロールユニット18には、第2モノリス14の下流側の排気通路10に介装されたNOxセンサ20(濃度検出手段)から、排気中のNOx濃度に応じた信号が入力される。そして、コントロールユニット18では、ソフトウエアにより添加量増減手段が実現され、排気中のNOx濃度に基づいて第1モノリス12上流に添加される燃料量を増減すべく、燃料噴射弁16Aが制御される。即ち、排気中のNOx濃度が所定値より大になれば、還元剤不足であると判断して、添加される燃料量が増加される。一方、排気中のNOx濃度が所定値より小であれば、還元剤過多であると判断して、添加される燃料量が減少される。燃料量の増減は、例えば、検出されたNOx濃度が目標値(所定値)に近づくように、フィードバック制御により行なえばよい。
【0014】
なお、以上説明しなかった符号22は、排気通路10に対して、第1モノリス12及び第2モノリス14を夫々保持するための保持材である。
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。
内燃機関から排出された排気は、排気通路10を通って排気浄化装置に導入されると、還元剤添加装置16により添加された燃料と混合して、排気と燃料とからなる混合気が形成される。この混合気が第1モノリス12を通過する際、ここに塗布されたロジウム担持ジルコニア又はロジウム担持アルミナと接触し、次式のような水蒸気改質反応が起こる。
【0015】
CmHn+mH2O→mCO+(m+n/2)H2
即ち、水蒸気改質反応により、燃料に含まれるHCと排気に含まれる水蒸気(H2O)とが反応し、一酸化炭素(CO)と水素(H2)とが生成される。このとき、第1モノリス12には、定常状態において300〜600℃の排気が導入されるため、効果的に水蒸気改質反応が進行する。
【0016】
そして、水蒸気改質反応により生成された水素と排気とが第2モノリス14を通過する際、ここに塗布された酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物のNOx吸着特性により、排気中のNOxが吸着除去される。第2モノリス14におけるNOxの吸着が飽和すると、水蒸気改質反応により生成された水素により、次式のような反応が起こり、吸着されたNOxが還元除去される。
【0017】
NOx+H2→N2+H2O
このとき、第2モノリス14には、定常状態において150℃以下の排気が導入されるため、酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物は、高効率のNOx吸着特性を発揮する。また、内燃機関を始動した直後の暖機時においては、排気中のNOxは酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物により吸着除去されるので、低温状態におけるNOx排出量を低減することもできる。ここで、第2モノリス14に、パラジウム担持酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物を塗布した場合には、パラジウムにより水素活性が促進され、NOx排出量が一層低減される。
【0018】
さらに、第2モノリス14の下流におけるNOx濃度に基づいて、第1モノリス12の上流に添加される燃料を増減するようにしたので、還元剤不足によるNOx浄化率の低下、及び、還元剤過多による未反応のHCの排出を防止することができる。
なお、第1モノリス12における水蒸気改質反応により生成された一酸化炭素は、そのまま排気浄化装置から排出されるが、その排出量は極めて微量であり、酸化触媒等で除去可能であるため、排気性状が低下するおそれはない。
【0019】
【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、第1モノリス及び第2モノリスに塗布される触媒の選択、及び、これらのレイアウトの相乗作用により、窒素酸化物の排出量を大幅に低減することができる。
請求項2記載の発明によれば、還元剤不足による窒素酸化物浄化率の低下、及び、還元剤過多による未反応の炭化水素の排出を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る排気浄化装置の全体構成図
【符号の説明】
10 排気通路
12 第1モノリス
14 第2モノリス
16 還元剤添加装置
16A 燃料噴射弁
16B 燃料タンク
16C 燃料ポンプ
18 コントロールユニット
20 NOxセンサ
Claims (2)
- 排気通路に直列に介装された第1及び第2のモノリスと、
該第1及び第2のモノリスに夫々塗布された第1及び第2の触媒と、
前記第1のモノリスの上流側に炭化水素を含んだ還元剤を添加する還元剤添加手段と、
を含んで構成された内燃機関の排気浄化装置において、
前記第1及び第2のモノリスは、定常状態において、夫々、300〜600℃及び150℃以下の排気が導入される位置に介装されると共に、
前記第1の触媒は、前記還元剤添加手段により添加された炭化水素を還元剤として次式のような水蒸気改質反応を起こすロジウム担持ジルコニア(Rh/ZrO2)又はロジウム担持アルミナ(Rh/Al2O3)とする一方、
CmHn+mH2O→mCO+(m+n/2)H2
前記第2の触媒は、前記第1の触媒により生成された水素を用いて、排気中の窒素酸化物を次式のように浄化する酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物(MnOx−CeO2)又はパラジウム担持酸化マンガン−酸化セリウム系酸化物(Pd/MnOx−CeO2)とすること
NOx+H2→N2+H2O
を特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記第2のモノリス下流側の窒素酸化物濃度を検出する濃度検出手段と、
該濃度検出手段により検出された窒素酸化物濃度に基づいて、前記還元剤添加手段により添加される炭化水素の添加量を増減する添加量増減手段と、
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。
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