JPH05141229A

JPH05141229A - 自動車エンジンの排気ガス浄化方法

Info

Publication number: JPH05141229A
Application number: JP3056368A
Authority: JP
Inventors: Noriko Watanabe; 紀子渡辺; Akio Honchi; 章夫本地; Osamu Kuroda; 黒田　　修; Hisao Yamashita; 寿生山下; Hiroshi Miyadera; 博宮寺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 1993-06-08

Abstract

(57)【要約】【目的】自動車エンジンの始動時から暖気運転に至る低
温始動域に排出されるＨＣ濃度の高い排気ガスを浄化す
る。【構成】エンジン１からの排気通路に触媒コンバータ２
が設置された自動車用エンジンの排気ガス浄化装置に於
いて、酸素富化空気製造装置３で製造された酸素あるい
は酸素富化空気を触媒コンバータ２の排気ガス導入側で
供給量調節弁６を介して供給する。【効果】排気ガスに不足している酸素を供給することに
よって、ＨＣの燃焼反応を促進する。酸素源として酸素
あるいは酸素富化空気を用い、触媒の排気ガス導入部の
空間速度の増加をおさえ、より低温でＨＣ燃焼を開始し
燃焼反応を促進する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車エンジンから排出
される燃料の未燃分，燃料の燃焼生成物であるＨＣ，Ｃ
Ｏ、およびＮＯｘを含む排気ガス浄化方法、特に、エン
ジン始動から暖気運転に至る低温始動域に排出される燃
料の未燃分、燃料の燃焼生成物であるＨＣ，ＣＯの濃度
の高い排気ガス浄化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンの排気ガスは、燃料の未
燃分，燃料の燃焼生成物であるＨＣ，ＣＯ、およびＮＯ
ｘ等を含む。これらは大気中に放出されると、光化学ス
モッグの生成や酸性雨の原因となり、人体や生態系に多
大な悪影響を及ぼす。1970年代に入り排ガス規制値が設
けられるとともに、排気ガス中の有害物質を除去する方
法が自動車メ−カ各社で鋭意研究され、ＨＣ，ＣＯ、お
よびＮＯｘを同時に処理する貴金属系三元触媒が開発さ
れるに至った。

【０００３】しかし、近年、オゾン層破壊，地球温暖
化，酸性雨等地球規模での環境問題がクロ−ズアップさ
れ、自動車排ガス規制値も更に強化される動きにある。
ＨＣ，ＣＯ、およびＮＯｘの有害物質の中でも特にＨＣ
については、オゾン層破壊に大きく寄与するため、他の
物質以上に規制が厳しくなる。

【０００４】自動車から大気中に放出されるＨＣ総量の
うちの約７０％近くは、自動車エンジン起動開始から約
二分間で排出される。これは、エンジンが定常運転に至
らないエンジン起動時には、排気ガス温度が低く三元触
媒が働かないことに起因する。

【０００５】そこで、エンジン燃焼器及び燃焼状態の改
善だけでなく、起動時の低温用触媒と定常運転時の高温
用触媒の二個の排気ガス浄化触媒を並列して設置する
（特開昭61−200316号公報）、エンジン出口から排気ガ
ス浄化触媒に至る排気管にバイパス通路を設けそこに起
動時の排気ガスを吸着する吸着剤を設置する（特開昭63
−68713 号公報）、エンジン始動時から暖気状態に至る
間三元触媒の排気ガス導入部に二次空気を供給し三元触
媒上で燃焼反応を行なわせる(特開平1−227815号公報）
等の方法が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ＨＣ排出量
の低減に対する厳しい要求に対応すべく、自動車エンジ
ンから排出される、燃料の未燃分，燃料の燃焼生成物で
あるＨＣ，ＣＯ、およびＮＯｘを含む排気ガス浄化方
法、特にエンジン始動から暖気運転に至る低温始動域に
排出される燃料の未燃分，燃料の燃焼生成物であるＨ
Ｃ，ＣＯ濃度の高い排気ガス浄化方法において、排気ガ
ス浄化触媒上でこれら排気ガスを効率的に燃焼させ浄化
する技術を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、エンジン
起動時における酸素不足状態の排気ガスに、排気ガス浄
化用触媒の排気ガス導入側で酸素あるいは酸素富化空気
を供給することによって、ＨＣ，ＣＯ等の未燃分の燃焼
反応を促進することで達成することが出来る。自動車エ
ンジンの排気ガス浄化方法は、自動車エンジンの排気通
路に排気ガス浄化用触媒が設置された自動車用エンジン
の排気ガス浄化装置に於いて、排気ガス浄化用触媒の排
気ガス導入側で酸素あるいは酸素富化空気を供給するこ
とにより、触媒内でＨＣ，ＣＯ等の未燃分の燃焼反応を
促進することを特徴とする。

【０００８】供給される酸素あるいは酸素富化空気は、
大気、即ち、空気を酸素透過膜に通す膜法、大気、
即ち、空気をモレキュラーシーブスを充填した吸着塔に
送り窒素を吸着させ酸素リッチなガスを得る吸着法（Ｐ
ＳＡ法）、水を電気分解し酸素と水素にする電解法で
得られる。の膜法で使用される酸素透過膜には、無機
膜と有機膜とがある。有機膜は、操作温度が常温である
ため低温での使用に有利である。これに対して固体電解
質等の無機膜は３００〜１０００℃の高温で操作する必
要があるが、定常走行時のエンジン、排気ガス及び触媒
の廃熱を利用することによって使用可能である。の吸
着法で用いられる吸着剤のモレキュラーシーブスには、
ゼオライトが一般に用いられている。の電解法で酸素
と同時に生成する水素は、後述するような燃焼促進のた
めに添加される補助燃料として使用することが可能であ
る。いずれの方法でも、単位時間当りの酸素あるいは酸
素富化空気の製造能力が供給量に対して劣る場合は、タ
ンクを設け供給が行なわれない定常走行時に酸素あるい
は酸素富化空気の製造を行ないストックしておけば良
い。

【０００９】酸素あるいは酸素富化空気の供給量は、エ
ンジン出口の排気ガス中の酸素濃度及びエンジン燃焼器
中の空燃比をセンサで検知することで調節される。ま
た、排気ガス浄化用触媒の触媒温度、あるいは、触媒入
口ガス温度を検知することによって、ＨＣの排出量の多
いエンジン始動から暖気運転に至る低温始動域に酸素あ
るいは酸素富化空気の供給時期を調節する。

【００１０】排気ガス浄化用触媒の排気ガス導入側で酸
素あるいは酸素富化空気を供給し排気ガス浄化触媒上で
ＨＣ等の排気ガスを効率的に燃焼させ浄化する技術は、
従来の三元触媒を用いる排気ガス浄化装置で有効に作用
する。さらに、従来の三元触媒の前段にＨＣ，ＣＯ等の
未燃分の燃焼するための低温用触媒を設置したデュアル
コンバータシステムでは、より有効にこの技術を活用で
きる。すなわち、自動車エンジンの排気通路のエンジン
出口直後にＨＣ，ＣＯ等の未燃分の燃焼触媒を設置
し、この後方に三元触媒を設置し、触媒の排気ガス
導入側で酸素あるいは酸素富化空気を供給する。の低
温用燃焼触媒を設置することによって、三元触媒のみ
よりも低温でＨＣの燃焼反応が開始し、かつ三元触媒
へ導入される排気ガス温度が上昇し、浄化能力が向上す
る。

【００１１】これを発展させたシステム、すなわち、酸
素あるいは酸素富化空気を供給位置で同時に燃焼用補助
燃料を添加するシステムは、の低温用燃焼触媒での補
助燃料の燃焼反応熱により触媒および三元触媒の温
度上昇が早まり、触媒を急速に活性化することができ
る。補助燃料は、自動車エンジン用のガソリン，メタノ
ール，プロパン、または電気分解で生成する水素等を使
用する。

【００１２】このシステムにおいて補助燃料の燃焼開始
時間をさらに短縮し、触媒の活性化を急速に行わせるに
は、酸素あるいは酸素富化空気と燃焼用補助燃料を供給
する位置に点火源を設置し、点火源による燃焼開始後は
触媒の燃焼反応熱により燃焼を持続させる。

【００１３】

【作用】本発明の作用について、以下に説明する。

【００１４】排気ガス中のＨＣ，ＣＯ、およびＮＯｘ
は、自動車排気ガス浄化の三元触媒上で以下の反応を行
って浄化する。

【００１５】ＣｍＨｎ＋(ｍ＋０.５ｎ)Ｏ₂→ ｍＣＯ₂＋０.５ｎＨ₂Ｏ …(1) ＣＯ＋０.５Ｏ₂→ ＣＯ₂…(2) ＮＯ＋ＣＯ → ＣＯ₂＋０.５Ｎ₂…(3) ＨＣとＣＯは上記(1)および(2)式のように、酸化反応を
行う。酸素不足の排気ガス条件下では排気ガス中のすべ
てのＨＣとＣＯの酸化反応は進まないため、余剰のＨＣ
とＣＯが還元剤として働き(3）式のようにＮＯの浄化反
応が進行する。エンジン起動時は空燃比と燃焼器内の温
度の関係からＮＯの発生量は少ない。従って、起動時は
定常走行時に比較して多量のＨＣが発生する。このＨＣ
を除去するには、不足している酸素を排気ガス中に供給
し、触媒上でＨＣとＣＯを全て燃焼させれば良い。供給
される酸素は二次空気として排気ガス中に添加されるの
が一般的である。しかし、空気を酸素源として供給する
場合、その供給量は排気ガス量の一割以上となる。その
ため、排気ガス浄化触媒上における単位時間当りの処理
量、すなわち、空間速度（ＳＶ）が増加し、触媒浄化性
能に負の効果を与える。これに対して本発明のように直
接酸素あるいは酸素富化空気を排気ガス中に供給するシ
ステムでは、供給量が空気の場合の二分の一から五分の
一に減少するため、空間速度（ＳＶ）を大きく変動させ
ることなく不足分の酸素を供給することができる。さら
には、従来の三元触媒の前段にＨＣ，ＣＯ等の未燃分の
燃焼するための低温用触媒を設置したデュアルコンバー
タシステムでは、低温用触媒の排気ガス導入部の空間速
度（ＳＶ）の増加をおさえることによって、より低温で
ＨＣ燃焼を開始し燃焼反応を促進するように作用する。

【００１６】酸素あるいは酸素富化空気を排気ガス中に
供給すると同時に補助燃料を添加すると、低温用触媒上
での補助燃料の燃焼熱で急速に低温用触媒の温度が上昇
し、ＨＣの燃焼及び浄化性能が向上すると共に、後段の
三元触媒を加熱し急速に活性化を行うように作用する。
これに点火源を設置すると、補助燃料の着火は点火源で
行われ、着火以後の補助燃料の燃焼は低温用触媒上で自
己の燃焼熱で持続される。

【００１７】

【実施例】以下、具体的な実施例を上げて本発明を詳細
に説明する。

【００１８】〈実施例１〉図１は、本発明の一実施例で
あり、排気ガス浄化触媒の排気ガス導入側で酸素あるい
は酸素富化空気を供給する方法の排気ガス浄化装置フロ
ーチャートである。

【００１９】エンジン１からの排気通路に触媒コンバー
タ２が設置された自動車用エンジンの排気ガス浄化装置
に於いて、酸素富化空気製造装置３で製造された酸素あ
るいは酸素富化空気を触媒コンバータ２の排気ガス導入
側で供給量調節弁６を介して供給する。酸素不足状態に
あるエンジン１の排気ガスに酸素あるいは酸素富化空気
が供給されることによって、(1)および(2)式のようにＨ
Ｃ，ＣＯ等の未燃分の燃焼反応（酸化反応）が促進さ
れ、排気ガス浄化性能が向上する。

【００２０】酸素あるいは酸素富化空気は、エンジン起
動時あるいは定速走行時に酸素富化空気製造装置３で製
造されるが、定速走行時に製造された分はタンク４にス
トックされ、エンジン起動時の不足分はタンク４から補
われる。酸素富化空気製造装置３での製造は、タンク４
の残存量及び後述する供給量より制御装置５によって制
御される。

【００２１】酸素富化空気製造装置３およびタンク４の
酸素あるいは酸素富化空気は、タンク出口コック４１，
流路切換弁４２で流路調整され供給量調節弁６を介して
供給される。供給量調節弁６を介しての供給は、制御装
置５で制御される。エンジンの回転数，アクセル，冷却
水，空燃比センサ５１、およびエンジン排気ガスの空燃
比センサ（酸素センサ）５２により供給する酸素量を決
定する。供給は触媒が設定温度まで加熱され定常状態に
至るまで行われるが、これは触媒コンバータ２に設置さ
れた触媒温度センサ５３により制御される。

【００２２】〈実施例２〉図２は、本発明の酸素あるい
は酸素富化空気を製造する方法の一実施例で、膜法によ
る酸素富化空気製造装置構成図である。

【００２３】空気導入口３７より酸素富化空気製造装置
３内に導入された空気は、フィルタ３１で除塵された
後、膜モジュール３２に導入される。膜モジュール３２
の出口側を真空ポンプ３３で減圧することによって、低
圧側に酸素富化空気が出てくる。これを、真空ポンプ３
３の加圧側を利用し次の除湿器３４へ導入し除湿後、酸
素富化空気取出口３５からタンク４あるいは供給量調節
弁６へ導入する。膜モジュール３２の高圧側に残留する
酸素貧化空気は、酸素貧化空気取出口３６から排気され
る。膜モジュール３２の酸素透過膜には有機膜が使用さ
れるのが一般的で、この場合、膜モジュール３２は常温
で作動できる。酸素透過膜に無機膜を使用する場合は、
膜モジュール３２を排気ガス等廃熱あるいはヒータで加
熱する。

【００２４】〈実施例３〉図３は、エンジン１からの排
気通路に低温用触媒である触媒コンバータ７と三元触媒
の触媒コンバータ２を設置したデュアルコンバータシス
テムで、触媒コンバータ７の排気ガス導入側で酸素ある
いは酸素富化空気と燃焼用補助燃料を供給し、かつ、点
火源を設置した装置フローである。三元触媒の触媒コン
バータ２の前段に低温用触媒である触媒コンバータ７を
設置することによって、実施例１よりさらにＨＣの燃焼
反応が低温で開始するとともに、触媒コンバータ７の燃
焼熱によって触媒コンバータ２の活性化が早まる。供給
量調節弁６の位置に補助燃料供給量調節弁８で燃焼用補
助燃料を供給することによって、触媒コンバータ７の燃
焼熱を増加させ触媒の活性化をさらに早めることができ
る。触媒による補助燃料の着火と燃焼を容易に行うため
に、点火源９で着火を行いその後は触媒で補助燃料の燃
焼を持続する。供給量調節弁６による酸素あるいは酸素
富化空気の供給料および供給時期は、実施例１に示した
と同様に制御装置５で制御される。補助燃料の供給量及
び供給時期、点火源９の作動も制御装置５で制御され
る。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、自動車エンジン始動か
ら暖気運転に至る低温始動域に排出される燃料の未燃
分、燃料の燃焼生成物であるＨＣ，ＣＯ濃度の高い排気
ガスを効率的に浄化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す排気ガス浄化装置の系
統図。

【図２】膜法による酸素富化空気製造装置のブロック
図。

【図３】本発明の他の実施例の排気ガス浄化装置の系統
図。

【符号の説明】

１…エンジン、３…酸素富化空気製造装置、４…タン
ク、５…制御装置、６…供給量調節弁、３５…酸素富化
空気取出口、４１…タンク出口コック、４２…流路切換
弁、５１…回転数，アクセル，冷却水，空燃比センサ、
５２…空燃比センサ（酸素センサ）、５３…触媒温度セ
ンサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山下寿生茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者宮寺博茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自動車エンジンの排気通路に排気ガス浄化
用触媒が設置された前記自動車用エンジンの排気ガス浄
化装置に於いて、排気ガス浄化用触媒の排気ガス導入側
で酸素あるいは酸素富化空気を供給することにより、触
媒内で未燃分の燃焼反応を促進することを特徴とする自
動車エンジンの排気ガス浄化方法。
【請求項２】請求項１に於いて、酸素あるいは酸素富化
空気を、酸素透過膜に空気を通すことにより製造して供
給する自動車エンジンの排気ガス浄化方法。
【請求項３】請求項１に於いて、酸素あるいは酸素富化
空気を、モレキュラーシーブスを使用する吸着法により
製造し供給する自動車エンジンの排気ガス浄化方法。
【請求項４】請求項１に於いて、酸素あるいは酸素富化
空気を、水を電気分解して発生する酸素から製造し供給
する自動車エンジンの排気ガス浄化方法。
【請求項５】請求項１に於いて、前記自動車エンジンの
出口の排気ガスの酸素濃度及びエンジン燃焼器中の空燃
比を検知することにより供給する酸素あるいは酸素富化
空気量を調節し、排気ガス浄化用触媒の触媒温度あるい
は触媒入口ガス温度を検知することによりエンジン始動
から暖気運転に至る低温始動域に酸素あるいは酸素富化
空気の供給時期を調節する自動車エンジンの排気ガス浄
化方法。
【請求項６】請求項１に於いて、前記自動車エンジンの
排気通路のエンジン出口直後に未燃分の燃焼触媒を設置
し、前記燃焼触媒の後方に三元触媒を設置し、前記燃焼
触媒の排気ガス導入側で酸素あるいは酸素富化空気を供
給する自動車エンジンの排気ガス浄化方法。
【請求項７】請求項１または請求項６に於いて、酸素あ
るいは酸素富化空気を供給する位置で、同時に燃焼用補
助燃料を添加する自動車エンジンの排気ガス浄化方法。
【請求項８】請求項７に於いて、酸素あるいは酸素富化
空気と燃焼用補助燃料を供給する位置に、点火源を設置
した自動車エンジンの排気ガス浄化方法。