(57)【要約】【課題】ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するために燃料を使用することができ、簡便且つ低コストに、ＮＯｘ吸蔵触媒のＳ被毒を防止することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することである。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置１０は、内燃機関１１から排気を排出するための排気管１７と、排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵触媒２２と、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流側に設けられ、排気中に含まれるＳ成分をトラップするＳ成分トラップ触媒２３と、ＮＯｘ吸蔵触媒２２に吸蔵されたＮＯｘを還元する還元用燃料を供給するために燃料タンク１２とＳ成分トラップ触媒２３の下流側の排気管１７とを接続する還元用燃料供給管２４と、還元用燃料供給管２４において還元用燃料噴射弁２６の上流側に設けられ、燃料中に含まれるＳ成分を吸着するＳ成分吸着剤２５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排気を排出するための排気管と、
排気管内に設けられ、排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵触媒と、
ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元する還元用燃料を燃料タンクから排気管に供給するための還元用燃料供給管と、
還元用燃料供給管を開閉して還元用燃料を噴射する還元用燃料噴射弁と、
を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、
排気管内においてＮＯｘ吸蔵触媒の上流側に設けられ、排気中に含まれるＳ成分をトラップするＳ成分トラップ触媒と、
燃料タンク内又は還元用燃料供給管内において燃料噴射弁の上流側に設けられ、燃料中に含まれるＳ成分を吸着するＳ成分吸着剤と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
還元用燃料供給管は、
Ｓ成分トラップ触媒とＮＯｘ吸蔵触媒との間に接続されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、
Ｓ成分吸着剤は、
さらに、燃料タンクと内燃機関とを接続する燃料供給管内に設けられることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に排気中に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘとする）を吸蔵するＮＯｘ吸蔵触媒を排気管内に備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼時には、ピストン内の温度及び圧力の急激な上昇によるＮＯｘの発生が避けられず、特に大量の空気を取り込むディーゼルエンジンではＮＯｘの生成量も多くなる。また、燃料及び潤滑油内には硫黄化合物（以下、Ｓ成分とする）が含まれているため、排気中には硫黄酸化物（以下、ＳＯｘとする）も含まれる。排気管内には、排気中のＮＯｘを捕捉するために、ＮＯｘ吸蔵触媒が設けられ、ＳＯｘもＮＯｘと共にＮＯｘ吸蔵触媒によって捕捉されていたが、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されるＳＯｘの量が次第に増大していくと、吸蔵できるＮＯｘ量が次第に減少するので、ＮＯｘ吸蔵触媒を再生処置する必要があった。
【０００３】
ＮＯｘ吸蔵触媒の再生処理は、還元雰囲気において高温処理することにより行われるので、ＮＯｘ吸蔵触媒中の貴金属触媒等が熱劣化するという問題があった。そこで、ＮＯｘ吸蔵触媒にＳＯｘが送り込まれることを阻止するために、ＳＯｘトラップ触媒をＮＯｘ吸蔵触媒の上流側に設けた内燃機関の排気浄化装置が特許文献１に開示されている。
【０００４】
具体的に、特許文献１の排気浄化装置は、内燃機関運転中、ＳＯｘトラップ触媒に流入する排気の空燃比をリッチにさせることなくリーンに維持し続ける空燃比制御手段と、排気中に含まれるＳＯｘのうちでＳＯｘトラップ触媒に捕獲されるＳＯｘの割合を示すＳＯｘトラップ率を推定する推定手段と、を具備している。そして、ＮＯｘ吸蔵触媒からトラップしたＮＯｘを放出させるときには、還元剤供給弁から排気通路内に還元剤を供給することによりＮＯｘ吸蔵触媒に流入する排気の空燃比を一時的にリッチにするようにしている。
【０００５】
また、その他の排気浄化に関連する技術として、燃料中のＳ成分を除去する技術が特許文献２及び３に開示されている。特許文献２には、燃料タンクとエンジンのインジェクタとの間、ガソリンスタンドのタンク内又はタンクローリー内に設置される含硫化合物除去装置が開示されており、エンジンから排出される排ガス中のＳＯｘの量を減少させることができ、ＮＯｘ吸蔵触媒の耐久性を向上できると記載されている。
【０００６】
特許文献３には、燃料を超臨界または亜臨界状態にして硫黄化合物吸着剤と接触させる硫黄化合物除去方法によって、高効率で、かつ車載も可能なコンパクトな硫黄化合物除去装置が得られ、排気浄化触媒のＳ成分による被毒（Ｓ被毒）が防止でき、排気のクリーン化も図れると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１３３６１０号公報
【特許文献２】特開２００２−１６１２８５号公報
【特許文献３】特開２００５−０４２０５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の装置では、例えば、還元剤として燃料を使用したときには、燃料中に含まれるＳ成分によってＮＯｘ吸蔵触媒がＳ被毒されることになる。また、燃料以外の還元剤を使用したときには、別途還元剤充填用のタンクを設置して、ユーザーは専用の還元剤を補充することを余儀なくされるので、コスト削減、利便性向上等の観点から改善の余地がある。
【０００９】
一方、特許文献２及び３の装置では、潤滑油由来のＳ成分については全く考慮されていない。排気中に含まれるＳ成分は、燃料由来分と潤滑油由来分とが同程度であることが想定され、特許文献２及び３の装置では、排気中に潤滑油由来のＳ成分が含有されることになるので、特許文献１の装置と同様に、ＮＯｘ吸蔵触媒がＳ被毒されることになる。以上のように、従来技術によれば、低コスト且つ簡便な方法によって、ＮＯｘ吸蔵触媒のＳ被毒を完全に回避することはできなかった。
【００１０】
本発明の目的は、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するために燃料を使用することができると共に、ＮＯｘ吸蔵触媒のＳ被毒を確実に防止することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関に供給する燃料が充填された燃料タンクと、内燃機関から排気を排出するための排気管と、排気管内に設けられ、排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵触媒と、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元する還元用燃料を燃料タンクから排気管に供給するための還元用燃料供給管と、還元用燃料供給管を開閉して燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備えた内燃機関の排気浄化装置であって、排気管内においてＮＯｘ吸蔵触媒の上流側に設けられ、排気中に含まれるＳ成分をトラップするＳ成分トラップ触媒と、燃料タンク内又は還元用燃料供給管内において燃料噴射弁の上流側に設けられ、燃料中に含まれるＳ成分を吸着するＳ成分吸着剤と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、Ｓ成分トラップ触媒及びＳ成分吸着剤によって、ＮＯｘ吸蔵触媒にＳ成分が送り込まれることを完全に防止することができるので、ＮＯｘ吸蔵触媒がＳ被毒されることがない。したがって、ＮＯｘ吸蔵触媒の高温再生処理が不要であって、再生処理によるＮＯｘ吸蔵触媒の熱劣化や燃費ロスを無くし、また、熱劣化を勘案したＮＯｘ吸蔵触媒の容量及び貴金属触媒量の増分が不要となって、ＮＯｘ吸蔵触媒のコンパクト化や低コスト化を図ることができる。
【００１３】
また、還元用燃料供給管は、排気管においてＳ成分トラップ触媒とＮＯｘ吸蔵触媒との間に接続されることが好ましい。
【００１４】
上記構成によれば、還元用燃料供給管がＳ成分トラップ触媒の上流側に接続される場合と比べて、還元剤である燃料の使用量を削減することができ、ＮＯｘ吸蔵触媒の還元効率を向上させることができる。また、Ｓ成分トラップ触媒を還元雰囲気に曝すことが無くなるので、Ｓ成分トラップ触媒からＳ成分が離脱してＮＯｘ吸蔵触媒をＳ被毒するおそれがない。
【００１５】
また、Ｓ成分吸着剤は、さらに、燃料タンクと内燃機関とを接続する燃料供給管内に設けられることが好ましい。
【００１６】
上記構成によれば、Ｓ成分トラップ触媒の負荷を半減することができる。即ち、燃料由来分のＳ成分をＳ成分吸着剤によって除去することができるため、Ｓ成分トラップ触媒に導入されるＳ成分の量を大幅に低減（半減）することができ、Ｓ成分トラップ触媒の容量を大幅にコンパクト化することが可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元するために燃料を使用することができると共に、ＮＯｘ吸蔵触媒のＳ被毒を確実に防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る実施形態における内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に図面を用いて本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施形態につき、詳細に説明する。図１は、内燃機関の排気浄化装置１０の概略構成を示す図である。
【００２０】
図１に示すように、内燃機関の排気浄化装置１０（以下、排気浄化装置１０とする）は、内燃機関１１と、内燃機関１１に供給する燃料を充填した燃料タンク１２とを搭載した車両において、内燃機関１１の排気中に含まれるＮＯｘ及びＳＯｘをトラップして排気を浄化する装置である。
【００２１】
内燃機関１１は、燃焼室である複数の気筒１３を備え、各気筒１３に燃料を噴射する電子制御式燃料噴射弁を含むインジェクタ１４、各気筒１３に空気を供給する図示しない吸気マニホールド、及び各気筒１３から排気を排出する排気マニホールド１５を有する。排気マニホールド１５は、排気ターボチャージャ１６に連結され、排気ターボチャージャ１６からは、排気管１７が延設されている。
【００２２】
燃料タンク１２は、内燃機関１１に供給するガソリンや軽油等の燃料を充填する容器である。燃料タンク１２からは燃料供給管１８が延設しており、燃料供給管１８は、コモンレール１９を介して、各気筒１３の各インジェクタ１４に連結されている。コモンレール１９は、電子制御式の高圧ポンプ２０によって高圧化された燃料を各インジェクタ１４へ均一に供給する装置であり、電子制御によって、燃料の噴射圧力、噴射時期、及び噴射量のきめ細かいコントロールを実現する。なお、コモンレール１９からは、余剰の燃料を燃料タンク１２に戻すための戻し配管２１が設けられる。
【００２３】
車両には、内燃機関１１の上記各要素を制御する図示しない電子制御ユニットが搭載されている。電子制御ユニットは、コンピュータから構成され、図示しない各センサからの情報に基いて燃料吐出や吸気等を制御する。また、この電子制御ユニットは、後述する還元用燃料噴射弁２６の開閉状態を制御して、還元用燃料の噴出量等を調整する機能も有する。
【００２４】
排気浄化装置１０は、上記のように、内燃機関１１の排気中に含まれるＮＯｘ及びＳＯｘをトラップして排気を浄化する装置であり、また、トラップしたＮＯｘを還元して無害化放出する機能も有する。図１に示すように、排気浄化装置１０は、排気管１７と、排気管１７内に設けられるＮＯｘ吸蔵触媒２２と、排気管１７においてＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流側に設けられるＳ成分トラップ触媒２３とを主要構成要素として備える。さらに、排気浄化装置１０は、還元用燃料供給管２４と、燃料中のＳ成分をトラップするＳ成分吸着剤２５を主要構成要素として備える。
【００２５】
ＮＯｘ吸蔵触媒２２は、排気中のＮＯｘをトラップする機能を有し、ＮＯｘの大気中への排出を阻止するために設けられる。また、詳しくは後述するように、トラップしたＮＯｘを還元して無害化放出する機能も有する。このような機能を有するＮＯｘ吸蔵触媒２２は、上記のように、排気管１７内に設けられ、触媒物質と、ＮＯｘ吸着剤と、これらを担持する触媒担体とから構成されている。
【００２６】
触媒担体としては、三次元網目構造のモノリス担体やペレット状担体、ハニカム構造のパティキュレートフィルタ等が挙げられる。パティキュレートフィルタは、平行に伸びる複数の排気流通路を有し、例えば、コージライトのような多孔質材料から形成されている。パティキュレートフィルタのような触媒担体の表面に、ＮＯｘ吸蔵剤の層が形成されると共に、触媒物質として貴金属触媒が分散して担持され、ＮＯｘ吸蔵触媒２２を構成している。
【００２７】
貴金属触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）が用いられ、ＮＯｘ吸蔵剤を構成する成分としては、例えば、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）のようなアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類金属から選ばれた少なくとも１つが用いられている。
【００２８】
ＮＯｘ吸蔵触媒２２によれば、例えば、排気中に含まれるＮＯが白金（Ｐｔ）上で酸化されてＮＯ2となり、ＮＯｘ吸蔵剤の構成成分（例えば、酸化バリウムＢａＯ）と結合して、硝酸イオン（ＮＯ3-）の形でＮＯｘ吸蔵剤に吸収される。排気中の酸素濃度が高いとき、即ち、通常の排気条件では、白金（Ｐｔ）の表面でＮＯ2が生成され、ＮＯｘ吸蔵剤のＮＯｘ吸収能力が飽和しない限り、排気中のＮＯｘは、硝酸イオン（ＮＯ3-）の形でＮＯｘ吸蔵剤に吸収されることになる。
【００２９】
一方、ＮＯｘ吸蔵触媒２２を後述する還元用燃料によって還元雰囲気にすると、排気中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ3-→ＮＯ2）に進む。そして、ＮＯｘ吸蔵剤内の硝酸イオンＮＯ3-がＮＯ2の形でＮＯｘ吸蔵剤から放出され、放出されたＮＯｘは排気中に含まれる未燃ＨＣ、ＣＯによって還元されて、Ｎ2（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2）となって大気中に放出されることになる。
【００３０】
ＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流側に設けられるＳ成分トラップ触媒２３は、排気中のＳ成分、特にＳＯｘをトラップする機能を有する。Ｓ成分トラップ触媒２３をＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流側に設けることによって、内燃機関１１から排出されるＳＯｘがＮＯｘ吸蔵触媒２２に送り込まれることを阻止することができる。
【００３１】
Ｓ成分トラップ触媒２３は、触媒物質、ＳＯｘ吸着剤と、これらを担持する触媒担体とから構成することができ、触媒物質等の各構成要素は、ＮＯｘ吸蔵触媒２２と同種のものを使用することができる。Ｓ成分トラップ触媒２３によって、排気中に含まれるＳＯｘは、触媒担体中を拡散して、その表面に存在する白金（Ｐｔ）によって酸化され、次いでＳＯｘ吸着剤に吸収される。即ち、白金により酸化されたＳＯ2は、硫酸イオン（ＳＯ42-）形で触媒担体上に形成されたＳＯｘ吸着剤のコート層内に拡散して硫酸塩を形成することによりトラップされる。
【００３２】
Ｓ成分トラップ触媒２３は、Ｓ成分のトラップ能力が低下したときに交換される、或いはトラップしたＳ成分を放出させることもできるが、ユーザーの利便性向上、ＮＯｘ吸蔵触媒２２のＳ被毒防止の観点から、車両の走行距離を考慮して交換不要な容量のＳ成分とラップ触媒２３を予め搭載しておくことが好ましい。特に、後述のＳ成分吸着剤２５を内燃機関１１の燃料供給側にも設けた場合には、Ｓ成分トラップ触媒２３にトラップされるＳ成分の量が半減するので、Ｓ成分トラップ触媒２３の容量をコンパクト化しても交換不要とすることができる。
【００３３】
上記のように、ＮＯｘ吸蔵触媒２２を還元雰囲気にすると、排気中の酸素濃度が低下するために吸着されているＮＯｘを無害化して放出することができる。そして、排気浄化装置１０は、ＮＯｘ吸蔵触媒２２を還元する還元剤として燃料を使用し、還元用燃料をＮＯｘ吸蔵触媒２２へ供給するために還元用燃料供給管２４を備える。
【００３４】
還元用燃料供給管２４は、上記のように、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の還元用燃料を供給するための配管であって、燃料タンク１２から排気管１７までを接続している。還元用燃料供給管２４には、高圧ポンプ２０と、排気管１７との接続部近傍に還元用燃料噴射弁２６とが設置され、高圧化された還元用燃料は、還元用燃料噴射弁２６を開閉することにより、排気管１７内に噴射される。なお、還元用燃料噴射弁２６は、ＮＯｘ吸蔵触媒２２からトラップされたＮＯｘを無害化放出しようとする際に、上記の電子制御ユニットの制御の下で開放されることになる。
【００３５】
還元用燃料供給管２４内には、Ｓ成分吸着剤２５が設けられ、燃料中に含有されるＳ成分が除去される。したがって、還元用燃料供給管２４は、排気管１７において、Ｓ成分トラップ触媒２３の上流側に接続されても良いが、図１に示すように、下流側に接続されることが好ましい。還元用燃料は、排気管１７内に噴射されると排気と混合されて、下流側に設けられるＮＯｘ吸蔵触媒２２を還元雰囲気にする。なお、還元用燃料供給管２４をＮＯｘ吸蔵触媒２２が充填される部分の排気管１７に接続することもできる。
【００３６】
図１に示す構成とすれば、還元用燃料供給管２４がＳ成分トラップ触媒の上流側に接続される場合と比べて、還元剤である燃料の使用量を削減することができ、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の還元効率を向上させることができる。また、Ｓ成分トラップ触媒２３を還元雰囲気にするとトラップされているＳ成分が放出される可能性があるが、同図に示す構成とすれば、Ｓ成分トラップ触媒２３を還元雰囲気に曝すことが無くなるので、Ｓ成分トラップ触媒２３からＳ成分が離脱してＮＯｘ吸蔵触媒２２をＳ被毒するおそれがないという効果を奏する。
【００３７】
Ｓ成分吸着剤２５は、上記のように、燃料中に含有されるＳ成分を吸着する機能を有し、還元用燃料供給管２４において、還元用燃料噴射弁２６よりも上流側に設けられる。また、Ｓ成分吸着剤２５を、燃料タンク１２と内燃機関１１とを接続する燃料供給管１８内にも設けることができ、このような構成とすれば、Ｓ成分トラップ触媒２３の負荷を半減することができる。即ち、燃料由来分のＳ成分をＳ成分吸着剤２５によって除去することができるため、Ｓ成分トラップ触媒２３に導入されるＳ成分の量を大幅に半減することが可能になる。
【００３８】
排気浄化装置１０は、内燃機関１１への燃料供給用及びＮＯｘ吸蔵触媒２２への還元用燃料供給用の高圧ポンプ２０を２つ設置することもできるが、図１に示すように、１つの高圧ポンプ２０を使用して、１つのＳ成分吸着剤２５を燃料タンク１２と高圧ポンプ２０との接続配管（燃料供給管１８及び還元用燃料供給管２４を兼用）に設けることもできる。また、Ｓ成分吸着剤２５を、燃料タンク１２内の燃料中に浸漬させることにより燃料と接触させることもでき、この場合には、燃料の自然流動を利用してもよく、又は強制循環を用いてもよい。
【００３９】
Ｓ成分吸着剤２５は、燃料中のＳ成分を吸着除去できる材料であれば特に限定されない。Ｓ成分吸着剤２５としては、例えば、メソポーラスシリカ多孔体（ＦＳＭ）、ゼオライト、酸性白土、及び活性炭等の多孔質体、活性アルミナ、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、二酸化マンガン（ＭｎＯ2）、過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ4）、硫酸マンガン（ＭｎＳＯ4）、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、及び酸化モリブデン（ＭｏＯ3）等の金属酸化物、白金やニッケル等の金属触媒などを使用することができる。なお、Ｓ成分吸着剤２５としては、Ｓ成分トラップ触媒２３と同様の触媒を使用することもできる。
【００４０】
以上のように、排気浄化装置１０は、排気管１７において、排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵触媒２２と、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の上流側に設けられ、排気中に含まれるＳ成分をトラップするＳ成分トラップ触媒２３と、燃料タンク１２からＳ成分トラップ触媒２３とＮＯｘ吸蔵触媒２２との間に接続される還元用燃料供給管２４と、還元用燃料供給管２４において還元用燃料噴射弁２６の上流側に設けられＳ成分吸着剤２５とを備えるので、ＮＯｘ吸蔵触媒２２にＳ成分が送り込まれることを完全に防止することができる。
【００４１】
したがって、ＮＯｘ吸蔵触媒２２の高温再生処理が不要であって、再生処理によるＮＯｘ吸蔵触媒２２の熱劣化や燃費ロスを無くし、また、熱劣化を勘案したＮＯｘ吸蔵触媒２２の容量及び貴金属触媒量の増分が不要となって、ＮＯｘ吸蔵触媒２２のコンパクト化や低コスト化を図ることができる。また、還元剤である燃料の使用量を削減することができ、ＮＯｘ吸蔵触媒の還元効率を向上させることができる。また、還元用燃料供給管２４は、Ｓ成分トラップ触媒２３とＮＯｘ吸蔵触媒２２との間に接続されるので、Ｓ成分トラップ触媒２３を還元雰囲気に曝すことが無くなって、Ｓ成分トラップ触媒２３からＳ成分が離脱してＮＯｘ吸蔵触媒２２をＳ被毒するおそれがない。即ち、ＮＯｘ吸蔵触媒２２に吸蔵されたＮＯｘを還元するために燃料を使用することができると共に、ＮＯｘ吸蔵触媒２２のＳ被毒を確実に防止することが可能になる。
【符号の説明】
【００４２】
１０  内燃機関の排気浄化装置、１１  内燃機関、１２  燃料タンク、１３  気筒、１４  インジェクタ、１５  排気マニホールド、１６  排気ターボチャージャ、１７  排気管、１８  燃料供給管、１９  コモンレール、２０  高圧ポンプ、２１  戻し配管、２２  ＮＯｘ吸蔵触媒、２３  Ｓ成分トラップ触媒、２４  還元用燃料供給管、２５  Ｓ成分吸着剤、２６  還元用燃料噴出弁。
【図１】
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