(57)【要約】【課題】ＮＯX選択還元触媒による高いＮＯX浄化率を確保する。【解決手段】機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒１５を配置し、ＮＯX選択還元触媒１５上流の機関排気通路内に酸化機能を有するパティキュレートフィルタ１３を配置する。ＮＯX選択還元触媒１５に尿素水を供給して尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元する。パティキュレートフィルタ１３上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯXを捕獲しうるＳＯXトラップ触媒１２を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置し、ＮＯX選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化機能を有する排気浄化要素を配置し、ＮＯX選択還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、上記排気浄化要素上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯXを捕獲しうるＳＯXトラップ触媒を配置した内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
上記排気浄化要素が酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタからなる請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
上記排気浄化要素が酸化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ＮＯX選択還元触媒下流の機関排気通路内にパティキュレートフィルタが配置されている請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
上記パティキュレートフィルタを昇温するために該パティキュレートフィルタに昇温手段が設けられている請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
上記パティキュレートフィルタが、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吸蔵触媒を担持しており、ＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出させるためにＮＯX吸蔵触媒に還元剤を供給するための還元剤供給手段を具備している請求項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】
機関排気通路内にＮＯX選択還元触媒を配置し、ＮＯX選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置してこの酸化触媒により排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ2に変換し、ＮＯX選択還元触媒に尿素を供給して尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。このようにＮＯX選択還元触媒によりＮＯXを選択的に還元する場合、排気ガス中にＮＯXに対するＮＯ2の比率が５０パーセントのときに最も良好にＮＯXを浄化することができる。ところが排気ガス中に含まれるＮＯXの大部分はＮＯである。従ってこの内燃機関では酸化触媒によりＮＯをＮＯ2に変換することによってＮＯ2の比率をできる限り５０パーセントに近づけるようにしている。
【特許文献１】特開２００６−５１２５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながらこの内燃機関では時間が経過するにつれて排気ガス中に含まれるＳＯXにより酸化触媒が被毒し、その結果ＮＯをＮＯ2に変換する機能が次第に弱まるためにＮＯX選択還元触媒によるＮＯX浄化率が次第に低下してくるという問題がある。
【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選択還元触媒を配置し、ＮＯX選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化機能を有する排気浄化要素を配置し、ＮＯX選択還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化要素上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるＳＯXを捕獲しうるＳＯXトラップ触媒を配置している。
【発明の効果】
【０００５】
排気浄化要素がＳＯX被毒を受けるのが阻止されるのでＮＯX選択還元触媒による高いＮＯX浄化率を長期に亘って確保することができる。
【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ＳＯXトラップ触媒１２の入口に連結される。また、ＳＯXトラップ触媒１２の出口は酸化機能を有する排気浄化要素１３の入口に連結され、この排気浄化要素１３の出口は排気管１４を介して、排気ガスの空燃比がリーンのもとでアンモニアによって排気ガス中のＮＯXを選択的に還元しうるＮＯX選択還元触媒１５に連結される。図１に示される実施例では排気浄化要素１３が白金Ｐｔ等の酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタからなる。
【０００８】
ＮＯX選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水供給弁１６が配置され、この尿素水供給弁１６は供給管１７、供給ポンプ１８を介して尿素水タンク１９に連結される。尿素水を供給すべきときには尿素水タンク１９内に貯蔵されている尿素水が供給ポンプ１８によって尿素水供給弁１６から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、このとき尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2）によって排気ガス中に含まれるＮＯXがＮＯX選択還元触媒１５において還元される。
【０００９】
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２０を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２０内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２１が配置される。また、ＥＧＲ通路２０周りにはＥＧＲ通路２０内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２２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２２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２３を介してコモンレール２４に連結され、このコモンレール２４は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２５を介して燃料タンク２６に連結される。燃料タンク２６内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２５によってコモンレール２４内に供給され、コモンレール２４内に供給された燃料は各燃料供給管２３を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００１０】
さて、前述したように機関運転中に燃焼室２から排出されるＮＯXの大部分はＮＯである。一方、ＮＯX選択還元触媒１５では尿素から発生したアンモニアＮＨ3によって排気ガス中に含まれるＮＯXが選択的に還元され、このとき最も速度の速い反応式が次式で示される。
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ
上式から、排気ガス中のＮＯとＮＯ2との比率が１：１のとき、即ち排気ガス中の（ＮＯ＋ＮＯ2）に対するＮＯ2の比率、言い換えると排気ガス中のＮＯXに対するＮＯ2の比率が５０パーセントのときに反応速度が最も速くなり、斯くしてＮＯX浄化率が最も高くなることがわかる。
【００１１】
因みに、排気ガス中のＮＯ2が過剰の場合には例えばＮＯ2の過剰分は反応速度の遅い次式に従って反応が行われ、
６ＮＯ2＋８ＮＨ3→７Ｎ2＋１２Ｈ2Ｏ
排気ガス中のＮＯが過剰の場合には例えばＮＯの過剰分は反応速度の遅い次式に従って反応が行われる。
６ＮＯ＋４ＮＨ3→５Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ
このように反応速度が遅くなるとＮＯX浄化率が低下する。
【００１２】
ところで前述したようにパティキュレートフィルタ１３は酸化触媒を担持しており、この酸化触媒の担持量はＮＯX選択還元触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯとＮＯ2との比率ができる限り１：１に近づくような担持量とされている。従ってＮＯX選択還元触媒１５において良好なＮＯX浄化率が得られることになる。
【００１３】
ところが排気ガス中にはＳＯXが含まれており、このＳＯXがパティキュレートフィルタ１３に流入するとパティキュレートフィルタ１３に担持されている酸化触媒はこのＳＯXにより被毒される。その結果排気ガス中のＮＯをＮＯ2に変換する機能が低下せしめられ、斯くしてＮＯX選択還元触媒１５によるＮＯX浄化率が低下することになる。
【００１４】
そこで本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ１３の上流にＳＯXトラップ触媒１２を配置してこのＳＯXトラップ触媒１２により排気ガス中に含まれるＳＯXを捕獲し、それによってパティキュレートフィルタ１３にＳＯXが流入しないようにしている。次にこのＳＯXトラップ触媒１２について説明する。
【００１５】
このＳＯXトラップ触媒１２は例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、ＳＯXトラップ触媒１２の軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。図２にＳＯXトラップ触媒１２の基体３０の表面部分の断面を図解的に示す。図２に示されるように基体３０の表面上にはコート層３１が形成されており、このコート層３１の表面上には貴金属触媒３２が分散して担持されている。
【００１６】
図２に示される実施例では貴金属触媒３２として白金が用いられており、コート層３１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。即ち、ＳＯXトラップ触媒１２のコート層３１は強塩基性を呈している。
【００１７】
さて、排気ガス中に含まれるＳＯX、即ちＳＯ2は図２に示されるように白金Ｐｔ３２において酸化され、次いでコート層３１内に捕獲される。即ち、ＳＯ2は硫酸イオンＳＯ42-の形でコート層３１内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにコート層３１は強塩基性を呈しており、従って図２に示されるように排気ガス中に含まれるＳＯ2の一部は直接コート層３１内に捕獲される。
【００１８】
図２においてコート層３１内における濃淡は捕獲されたＳＯXの濃度を示している。図２からわかるようにコート層３１内におけるＳＯX濃度はコート層３１の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層３１の表面近傍におけるＳＯX濃度が高くなるとコート層３１の表面の塩基性が弱まり、ＳＯXの捕獲能力が弱まる。しかしながらこの場合、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯXトラップ触媒１２の温度が上昇するとＳＯXトラップ率が回復する。
【００１９】
即ち、排気ガスの空燃比がリーンのもとでＳＯXトラップ触媒１２の温度が上昇するとコート層３１内の表面近傍に集中的に存在するＳＯXはコート層３１内におけるＳＯX濃度が均一となるようにコート層３１の奥部に向けて拡散している。即ち、コート層３１内に生成されている硝酸塩はコート層３１の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層３１内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層３１内の表面近傍に存在するＳＯXがコート層３１の奥部に向けて拡散するとコート層３１の表面近傍のＳＯX濃度が低下し、斯くしてＳＯXトラップ触媒１２のＳＯXトラップ率が回復することになる。
【００２０】
従って、機関運転中においてＳＯXトラップ触媒１２の温度が高くなる毎にＳＯXトラップ率が回復せしめられ、斯くしてＳＯXトラップ触媒１２によってパティキュレートフィルタ１３内にＳＯXが流入するのが常時阻止される。その結果、ＮＯX選択還元触媒１５による高いＮＯX浄化率を確保することができる。
【００２１】
図３に別の実施例を示す。この実施例では酸化機能を有する排気浄化触媒１３が白金Ｐｔ等の貴金属触媒を担持した酸化触媒から構成されており、この実施例でもＳＯXトラップ触媒１２により酸化触媒１３がＳＯX被毒を受けるのが阻止されている。また、この実施例でも酸化触媒に担持された貴金属触媒の担持量はＮＯX選択還元触媒１５に流入する排気ガス中のＮＯとＮＯ2との比率ができる限り１：１に近づくような担持量とされている。従ってＮＯX選択還元触媒１５において良好なＮＯX浄化率が得られることになる。
【００２２】
一方、この実施例ではＮＯX選択還元触媒１５の出口が排気管２７を介してパティキュレートフィルタ２８の入口に連結されている。即ち、この実施例ではＮＯX選択還元触媒１５下流の機関排気通路内にパティキュレートフィルタ２８が配置されている。
【００２３】
また、この実施例ではパティキュレートフィルタ２８の再生時にパティキュレートフィルタ２８を昇温するためにパティキュレートフィルタ２８に昇温手段が設けられている。この昇温手段としてはパティキュレートフィルタ２８の入口部にヒータを配置する方法が考えられし、また電気ヒータを構成する金属薄板の組立体上にパティキュレートフィルタ２８を担持する方法も考えられる。また、図３に示されるように排気管２７内に還元剤供給弁２９を設け、この還元剤供給弁２９から供給された還元剤、例えば燃料の酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ２８を昇温させることもできる。
【００２４】
また、図３に示される実施例では、パティキュレートフィルタ２８に、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吸蔵触媒を担持させることもできる。この場合には、ＮＯX吸蔵触媒がＮＯXで飽和する前にＮＯX吸蔵触媒に流入する排気ガス、即ちパティキュレートフィルタ２８に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされ、それによってＮＯX吸蔵触媒からＮＯXが放出される。この場合には例えば図３に示される如く、ＮＯX吸蔵触媒からＮＯXを放出させるためにＮＯX吸蔵触媒に還元剤を供給するための還元剤供給手段、例えば還元剤供給弁２９が設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】圧縮着火式内燃機関の全体図である。
【図２】ＳＯXトラップ触媒の基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別の実施例を示す全体図である。
【符号の説明】
【００２６】
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    ＳＯXトラップ触媒
１３    排気浄化要素
１５    ＮＯX選択還元触媒
１６    尿素水供給弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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