(57)【要約】【課題】排気ガス中のＮＯxを良好に浄化する。【解決手段】機関排気通路内にＮＯx浄化触媒１４を配置し、ＮＯx浄化触媒１４の上流に排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵しうる中間生成物生成触媒１２を配置する。中間生成物生成触媒１２にミスト状の燃料を供給して中間生成物生成触媒１２において捕捉されているＮＯx又は排気ガス中に含まれるＮＯxと供給された燃料から、ＮＯx一分子に対して当量比以上の炭化水素分子とＮＯxとの結合分子からなる中間生成物３３を生成させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内にＮＯx浄化触媒を配置し、該ＮＯx浄化触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵しうる中間生成物生成触媒を配置し、該中間生成物生成触媒上流の機関排気通路内に燃料供給弁を配置して該燃料供給弁から中間生成物生成触媒にミスト状の燃料を供給し、中間生成物生成触媒において捕捉されているＮＯx又は排気ガス中に含まれるＮＯxと供給された燃料から、ＮＯx一分子に対して当量比以上の炭化水素分子とＮＯxとの結合分子からなる中間生成物を生成させ、中間生成物生成触媒において生成された該中間生成物を上記ＮＯx浄化触媒に送り込んで該ＮＯx浄化触媒において浄化するようにした内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記中間生成物生成触媒が、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯxを放出するＮＯx吸蔵触媒からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
上記ＮＯx浄化触媒が、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯxを放出するＮＯx吸蔵触媒からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
上記中間生成物生成触媒は上記ＮＯx浄化触媒よりも体積が小さくかつＮＯx浄化触媒に流入する排気ガスの一部が流通する小型触媒からなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
上記小型触媒はＮＯx浄化触媒に向かう排気ガスの全流路断面よりも小さな断面を有すると共に排気ガスの流れ方向に延びる筒状をなす請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
上記燃料供給弁から中間生成物生成触媒にミスト状の燃料を供給したときに中間生成物生成触媒内における排気ガスの空燃比が５以下となるようにミスト状燃料の供給量が設定されている請求項４に記載の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関する。
【背景技術】
【０００２】
流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したＮＯxを放出するＮＯx吸蔵触媒を機関排気通路内に配置し、このＮＯx吸蔵触媒上流の機関排気通路内に小型の三元触媒を配置した内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。この内燃機関ではＮＯx吸蔵触媒のＮＯx吸蔵能力が飽和に近づくと排気ガスの空燃比が一時的にリッチにされ、それによってＮＯx吸蔵触媒からＮＯxが放出され還元される。
【特許文献１】特開２００４−１０８１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながらこのような内燃機関においてＮＯx吸蔵触媒からＮＯxを放出させるためにＮＯx吸蔵触媒の上流にミスト状の燃料を供給した場合、ＮＯx吸蔵触媒から放出されたＮＯxをうまく還元できないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内にＮＯx浄化触媒を配置し、ＮＯx浄化触媒上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵しうる中間生成物生成触媒を配置し、中間生成物生成触媒上流の機関排気通路内に燃料供給弁を配置してこの燃料供給弁から中間生成物生成触媒にミスト状の燃料を供給し、中間生成物生成触媒において捕捉されているＮＯx又は排気ガス中に含まれるＮＯxと供給された燃料から、ＮＯx一分子に対して当量比以上の炭化水素分子とＮＯxとの結合分子からなる中間生成物を生成させ、中間生成物生成触媒において生成された中間生成物をＮＯx浄化触媒に送り込んでＮＯx浄化触媒において浄化するようにしている。
【発明の効果】
【０００５】
酸化剤と還元剤との結合分子からなる極めて反応しやすい中間生成物を生成することによりＨＣおよびＮＯxがＮＯx浄化触媒において容易に浄化せしめられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量を検出する吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【０００７】
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気ガス中に含まれるＮＯxを吸蔵しうる中間生成物生成触媒１２の入口に連結される。中間生成物生成触媒１２の出口は排気管１３を介して排気浄化触媒１４に連結される。また、排気マニホルド５には排気マニホルド５内を流れる排気ガス中に燃料を供給するための燃料供給弁１５が取付けられる。
【０００８】
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１６を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１６内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１７が配置される。また、ＥＧＲ通路１６周りにはＥＧＲ通路１６内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１８が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１８内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１９を介してコモンレール２０に連結される。このコモンレール２０内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２１から燃料が供給され、コモンレール２０内に供給された燃料は各燃料供給管１９を介して燃料噴射弁３に供給される。
【０００９】
本発明では中間生成物生成触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯxを捕捉する機能を有する触媒から構成される。この中間生成物生成触媒１２は例えばアルミナからなる触媒担体を担持しており、この触媒担体の表面上に排気ガス中に含まれるＮＯxが捕捉される。本発明による実施例ではこの中間生成物生成触媒１２として排気ガス中のＮＯxを捕捉しうるＮＯx吸蔵触媒が用いられている。また、ＮＯx浄化触媒１４としてもＮＯx吸蔵触媒が用いられている。そこでまず初めにＮＯx吸蔵触媒について説明する。
【００１０】
ＮＯx吸蔵触媒は例えばアルミナからなる触媒担体を担持した基体を有しており、図２（Ａ），（Ｂ）はこの触媒担体３０の表面部分の断面を図解的に示している。図２（Ａ），（Ｂ）に示されるように触媒担体３０の表面上には貴金属触媒３１が分散して担持されており、更に触媒担体３０の表面上にはＮＯx吸収剤３２の層が形成されている。
【００１１】
本発明による実施例では貴金属触媒３１として白金Ｐｔが用いられており、ＮＯx吸収剤３２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、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。
【００１２】
機関吸気通路、燃焼室２およびＮＯx吸蔵触媒上流の排気通路内に供給された空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比と称すると、ＮＯx吸収剤３２は排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯxを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯxを放出するＮＯxの吸放出作用を行う。
【００１３】
即ち、ＮＯx吸収剤３２を構成する成分としてバリウムＢａを用いた場合を例にとって説明すると、排気ガスの空燃比がリーンのとき、即ち排気ガス中の酸素濃度が高いときには排気ガス中に含まれるＮＯは図２（Ａ）に示されるように白金Ｐｔ３１上において酸化されてＮＯ2となり、次いでＮＯx吸収剤３２内に吸収されて炭酸バリウムＢａＣＯ3と結合しながら硝酸イオンＮＯ3-の形でＮＯx吸収剤３２内に拡散する。このようにしてＮＯxがＮＯx吸収剤３２内に吸収される。排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金Ｐｔ３１の表面でＮＯ2が生成され、ＮＯx吸収剤３２のＮＯx吸収能力が飽和しない限りＮＯ2がＮＯx吸収剤３２内に吸収されて硝酸イオンＮＯ3-が生成される。
【００１４】
これに対し、排気ガスの空燃比がリッチ或いは理論空燃比にされると排気ガス中の酸素濃度が低下するために反応が逆方向（ＮＯ3-→ＮＯ2又はＮＯ）に進み、斯くしてＮＯx吸収剤３２内の硝酸イオンＮＯ3-がＮＯ2又はＮＯの形でＮＯx吸収剤３２から放出される。次いで放出されたＮＯxは排気ガス中に含まれる未燃ＨＣ，ＣＯによって還元される。
【００１５】
このように排気ガスの空燃比がリーンであるとき、即ちリーン空燃比のもとで燃焼が行われているときには排気ガス中のＮＯxがＮＯx吸収剤３２内に捕捉され、吸収される。しかしながらリーン空燃比のもとでの燃焼が継続して行われるとその間にＮＯx吸収剤３２のＮＯx吸収能力が飽和してしまい、斯くしてＮＯx吸収剤３２によりＮＯxを捕捉し吸収できなくなってしまう。そこで本発明による実施例ではＮＯx吸収剤３２の吸収能力が飽和する前に燃料供給弁１５から燃料を供給してＮＯx吸蔵触媒からなる中間生成物生成触媒１２において中間生成物を生成し、この中間生成物の生成によりＮＯxを確実に浄化するようにしている。次にこのことについて説明する。
【００１６】
本発明による実施例では軽油、又は軽油を主成分とする重質燃料がミスト状に、即ち微粒子の形で燃料供給弁１５から供給される。この供給燃料の一部は酸化せしめられるが大部分は図２（Ｂ）に示されるように白金Ｐｔ３１の表面やＮＯx吸収剤３２の表面に付着する。供給燃料が白金Ｐｔ３１の表面に付着すると白金Ｐｔ３１の表面上における酸素濃度が低下するのでＮＯx吸収剤３２のＮＯ3-が図２（Ｂ）に示されるようにＮＯ2又はＮＯの形で放出される。
【００１７】
ＮＯ2が放出されるとそこには白金Ｐｔ３１に付着している炭化水素ＨＣが待構えているので放出されたＮＯ2は炭化水素ＨＣとただちに反応し、図２（Ｂ）に示されるように炭化水素ＨＣとＮＯ2、即ち炭化水素ＨＣとＮＯxとの結合分子からなる中間生成物３３が生成される。なお、供給燃料中の炭化水素ＨＣの炭素数はかなり多く、従って中間生成物生成触媒１２では吸蔵されているＮＯxと供給された燃料から、ＮＯx一分子に対して当量比以上の炭化水素分子とＮＯxとの結合分子からなる中間生成物が生成される。
【００１８】
中間生成物生成触媒１２において生成されたこれらの中間生成物はＮＯx浄化触媒１４に送り込まれる。この中間生成物は還元剤である炭化水素ＨＣと酸化剤であるＮＯxとの結合分子であるので極めて反応しやすく、従って中間生成物がＮＯx浄化触媒１４に送り込まれると結合分子内の炭化水素ＨＣとＮＯxとがただちに反応してＮＯxはＮ2に還元され、ＮＯxの還元に対して余剰の炭化水素ＨＣは酸素と反応して消滅する。即ち、ＮＯxはＮＯx浄化触媒１４において良好に浄化されることになる。
【００１９】
一方、ＮＯx浄化触媒１４には排気ガスの空燃比がリーンのときに中間生成物生成触媒１２において吸蔵されなかったＮＯxが吸蔵されている。このＮＯxについては中間生成物生成触媒１２から送り込まれてきた中間生成物の反応熱によってＮＯx浄化触媒１４からの放出が促進され、還元作用が促進される。
【００２０】
図３に中間生成物生成触媒１２の別の実施例を示す。図３に示されるようにこの実施例では中間生成物生成触媒１２はＮＯx浄化触媒１４上流の機関排気通路内、即ち排気管１３内に配置されており、図３からわかるようにこの中間生成物生成触媒１２はＮＯx浄化触媒１４よりも体積が小さくかつＮＯx浄化触媒１４に流入する排気ガスの一部が流通する小型触媒からなる。この小型触媒１２上流の機関排気通路内には、即ち排気管１３内には小型触媒１２に燃料を供給するための燃料供給弁１５が配置される。
【００２１】
図４（Ａ）は図３における小型触媒１２周りの拡大図を示しており、図４（Ｂ）は図４（Ａ）においてＢ−Ｂ線に沿ってみた断面図を示している。図４（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では小型触媒１２は金属薄肉平板と金属薄肉波形板との積層構造からなる基体を有しており、この基体の表面上に例えばアルミナからなる触媒担体の層が形成されていると共にこの触媒担体上には図２（Ａ）に示されるように白金３１とＮＯx吸収剤３２とが担持されている。即ち、この小型触媒１２はＮＯx吸蔵触媒からなる。
【００２２】
図４（Ａ），（Ｂ）からわかるようにこの小型触媒１２はＮＯx浄化触媒１４に向かう排気ガスの全流路断面よりも小さな断面、即ち排気管１３の断面よりも小さな断面を有していると共に、排気管１３内の中央において排気ガスの流れ方向に延びる筒状をなしている。なお、図４（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では小型触媒１２は円筒状外枠４０内に配置されており、この円筒状外枠４０は複数のステー４１によって排気管１３内に支持されている。
【００２３】
なお、図３および図４（Ａ），（Ｂ）に示される実施例では図４（Ａ）においてＦで示されるように燃料供給弁１５から小型触媒、即ち中間生成物生成触媒１２にミスト状の燃料を供給したときに中間生成物生成触媒１２内における排気ガスの空燃比が５以下となるようにミスト状燃料Ｆの供給量が設定されている。
【００２４】
ところで小型触媒１２内は流路抵抗が大きいので小型触媒１２内を流れる排気ガス量は少なく、従って小型触媒１２内における排気ガスの流速は排気管１３内を流れる排気ガスの流速に比べてかなり遅くなる。このように排気ガスの流速が遅くなると小型触媒１２からのＮＯxの放出作用、および放出されたＮＯ2と炭化水素ＨＣとの反応が促進され、斯くして炭化水素ＨＣとＮＯxとの結合分子からなる中間生成物３３の生成作用が促進される。その結果、ＮＯxはＮＯx浄化触媒１４において更に良好に浄化されることになる。
【００２５】
また、小型触媒１２内における排気ガスの空燃比が５以下となるようにミスト状燃料Ｆの供給量が設定されていると、即ち小型触媒１２内における排気ガスのリッチ度合が高くされると小型触媒１２からのＮＯxの放出作用、および放出されたＮＯ2と炭化水素ＨＣとの反応が更に促進され、斯くして炭化水素ＨＣとＮＯxとの結合分子からなる中間生成物３３の生成作用が更に促進される。その結果、ＮＯxはＮＯx浄化触媒１４において極めて良好に浄化されることになる。
【００２６】
次に図５を参照しつつ燃料供給弁１５の配置、或いは小型触媒１２の配置又は形状に関する種々の変形例について順次説明する。
まず初めに図５（Ａ）から説明するとこの図５（Ａ）に示される変形例では燃料供給弁１５のノズル口が高温の排気ガス流に直接晒されないように排気管１３の内壁面上に形成された凹部内に配置されている。
【００２７】
また、図５（Ｂ）に示す変形例では小型触媒１２の上流側端面上に上流側端面の周縁部から上流に向けて延びるトラフ状の燃料案内部４２が形成されており、燃料供給弁１５から燃料案内部４２に向けて燃料が噴射される。
【００２８】
一方、図５（Ｃ）に示される変形例ではＮＯx浄化触媒１４に向かう排気管１３内の排気ガスの流通路が分岐された一対の流通路１３ａ，１３ｂから形成されており、これら一対の流通路１３ａ，１３ｂのうちの一方の流通路１３ａ内に小型触媒１２が配置されている。燃料供給弁１５からは小型触媒１２の上流側端面に向けて燃料が噴射される。この変形例でもＮＯx浄化触媒１４からみれば上流側の排気流通路の横断面内における一部領域に小型触媒１２が配置されていることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】ＮＯx吸蔵触媒の触媒担体の表面部分の断面図である。
【図３】圧縮着火式内燃機関の一部の別の実施例を示す図である。
【図４】図１の小型触媒周りの拡大図である。
【図５】種々の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
４    吸気マニホルド
５    排気マニホルド
７    排気ターボチャージャ
１２    中間生成物生成触媒
１４    ＮＯx浄化触媒
１５    燃料供給弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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