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JP2605553B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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JP2605553B2
JP2605553B2 JP4208090A JP20809092A JP2605553B2 JP 2605553 B2 JP2605553 B2 JP 2605553B2 JP 4208090 A JP4208090 A JP 4208090A JP 20809092 A JP20809092 A JP 20809092A JP 2605553 B2 JP2605553 B2 JP 2605553B2
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JP
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nox
absorbent
exhaust gas
air
sulfur
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雅人 後藤
哲 井口
健治 加藤
哲郎 木原
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Priority to DE69331083T priority patent/DE69331083T2/de
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Publication of JPH0658138A publication Critical patent/JPH0658138A/ja
Priority to US08/340,438 priority patent/US5472673A/en
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気浄化装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】リーン混合気を燃焼せしめるようにした
内燃機関において、流入排気ガスの空燃比がリーンのと
きにはＮＯｘを吸収し、流入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吸収剤を機関
排気通路内に配置し、リーン混合気を燃焼せしめた際に
発生するＮＯｘをＮＯｘ吸収剤により吸収し、ＮＯｘ吸
収剤のＮＯｘ吸収能力が飽和する前にＮＯｘ吸収剤への
流入排気ガスの空燃比を一時的にリッチにしてＮＯｘ吸
収剤からＮＯｘを放出させると共に放出されたＮＯｘを
還元するようにした内燃機関が本出願人により既に提案
されている（特願平３−２８４０９５号参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが燃料および機
関の潤滑油内にはイオウが含まれているので排気ガス中
にはイオウが含まれており、このイオウもＮＯｘと共に
ＮＯｘ吸収剤に吸収される。しかしながらこのイオウは
ＮＯｘ吸収剤への流入排気ガスの空燃比をリッチにして
もＮＯｘ吸収剤から放出されず、従ってＮＯｘ吸収剤内
のイオウの量は次第に増大することになる。ところがＮ
Ｏｘ吸収剤内のイオウの量が増大するとＮＯｘ吸収剤が
吸収しうるＮＯｘの量が次第に低下し、ついにはＮＯｘ
吸収剤がＮＯｘをほとんど吸収できなくなるという問題
を生ずる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば、リーン混合気を燃焼せしめるよう
にした内燃機関において、流入排気ガスの空燃比がリー
ンのときにはＮＯｘを吸収し、流入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吸収剤
を機関排気通路内に配置し、このＮＯｘ吸収剤上流の機
関排気通路内にイオウ捕獲装置を設けている。
【０００５】
【作用】機関から排出されたイオウはイオウ捕獲装置に
より捕獲され、従ってＮＯｘ吸収剤にはＮＯｘのみが吸
収される。
【０００６】
【実施例】図１を参照すると、１は機関本体、２はピス
トン、３は燃焼室、４は点火栓、５は吸気弁、６は吸気
ポート、７は排気弁、８は排気ポートを夫々示す。吸気
ポート６は対応する枝管９を介してサージタンク（図示
せず）に連結され、各枝管９には夫々吸気ポート６内に
向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１０が取付けられる。
一方、排気ポート８は排気マニホルド１１および排気管
１２を介してイオウ捕獲装置１３に連結され、このイオ
ウ捕獲装置１３は排気管１４を介してＮＯｘ吸収剤１５
を内蔵したケーシング１６に連結される。図１に示す内
燃機関では燃焼室３内に供給される混合気の空燃比はリ
ーンとされ、従って燃焼室３内ではリーン混合気が燃焼
せしめられることになる。
【０００７】図２は燃焼室３から排出される排気ガス中
の代表的な成分の濃度を概略的に示している。図２から
わかるように燃焼室３から排出される排気ガス中の未燃
ＨＣ，ＣＯの量は燃焼室３内に供給される混合気の空燃
比がリッチになるほど増大し、燃焼室３から排出される
排気ガス中の酸素Ｏ2 の量は燃焼室３内に供給される混
合気の空燃比がリーンになるほど増大する。
【０００８】ケーシング１６内に収容されているＮＯｘ
吸収剤１５は例えばアルミナを担体とし、この担体上に
例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、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くとも一つ
と、白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。機関
吸気通路およびＮＯｘ吸収剤１５上流の排気通路内に供
給された空気および燃料の比をＮＯｘ吸収剤１５への流
入排気ガスの空燃比と称するとこのＮＯｘ吸収剤１５は
流入排気ガスの空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収
し、流入排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮ
Ｏｘを放出するＮＯｘの吸放出作用を行う。なお、ＮＯ
ｘ吸収剤１５上流の排気通路内に燃料或いは空気が供給
されない場合には流入排気ガスの空燃比は燃焼室３内に
供給される混合気の空燃比に一致し、従ってこの場合に
はＮＯｘ吸収剤１５は燃焼室３内に供給される混合気の
空燃比がリーンのときにはＮＯｘを吸収し、燃焼室３内
に供給される混合気中の酸素濃度が低下すると吸収した
ＮＯｘを放出することになる。
【０００９】上述のＮＯｘ吸収剤１５を機関排気通路内
に配置すればこのＮＯｘ吸収剤１５は実際にＮＯｘの吸
放出作用を行うがこの吸放出作用の詳細なメカニズムに
ついては明らかでない部分もある。しかしながらこの吸
放出作用は図３に示すようなメカニズムで行われている
ものと考えられる。次にこのメカニズムについて担体上
に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持させた場合を例に
とって説明するが他の貴金属、アルカリ金属、アルカリ
土類、希土類を用いても同様なメカニズムとなる。
【００１０】即ち、流入排気ガスがかなりリーンになる
と流入排気ガス中の酸素濃度が大巾に増大し、図３
（Ａ）に示されるようにこれら酸素Ｏ2 がＯ2 - の形で
白金Ｐｔの表面に付着する。一方、流入排気ガス中のＮ
Ｏは白金Ｐｔの表面上でＯ2 - と反応し、ＮＯ2 となる
（２ＮＯ＋Ｏ2 →２ＮＯ2 ）。次いで生成されたＮＯ2
の一部は白金Ｐｔ上で更に酸化されつつ吸収剤内に吸収
されて酸化バリウムＢａＯと結合しながら、図３（Ａ）
に示されるように硝酸イオンＮＯ3 - の形で吸収剤内に
拡散する。このようにしてＮＯｘがＮＯｘ吸収剤１５内
に吸収される。
【００１１】流入排気ガス中の酸素濃度が高い限り白金
Ｐｔの表面でＮＯ2 が生成され、吸収剤のＮＯｘ吸収剤
能力が飽和しない限りＮＯ2 が吸収剤内に吸収されて硝
酸イオンＮＯ3 - が生成される。これに対して流入排気
ガス中の酸素濃度が低下してＮＯ2 の生成量が低下する
と反応が逆方向（ＮＯ3 - →ＮＯ2 ）に進み、斯くして
吸収剤内の硝酸イオンＮＯ3 - がＮＯ2 の形で吸収剤か
ら放出される。即ち、流入排気ガス中の酸素濃度が低下
するとＮＯｘ吸収剤１５からＮＯｘが放出されることに
なる。図２に示されるように流入排気ガスのリーンの度
合が低くなれば流入排気ガス中の酸素濃度が低下し、従
って流入排気ガスのリーンの度合を低くすればＮＯｘ吸
収剤１５からＮＯｘが放出されることになる。
【００１２】一方、このとき流入排気ガス中の空燃比を
リッチにすると図２に示されるように機関からは多量の
未燃ＨＣ，ＣＯが排出され、これら未燃ＨＣ，ＣＯは白
金Ｐｔ上の酸素Ｏ2 - と反応して酸化せしめられる。ま
た、流入排気ガスの空燃比をリッチにすると流入排気ガ
ス中の酸素濃度が極度に低下するために吸収剤からＮＯ
2 が放出され、このＮＯ2 は図３（Ｂ）に示されるよう
に未燃ＨＣ，ＣＯと反応して還元せしめられる。このよ
うにして白金Ｐｔの表面上にＮＯ2 が存在しなくなると
吸収剤から次から次へとＮＯ2 が放出される。従って流
入排気ガスの空燃比をリッチにすると短時間のうちにＮ
Ｏｘ吸収剤１５からＮＯｘが放出されることになる。
【００１３】このように流入排気ガスの空燃比がリーン
になるとＮＯｘがＮＯｘ吸収剤１５に吸収され、流入排
気ガスの空燃比をリッチにするとＮＯｘがＮＯｘ吸収剤
１５から短時間のうちに放出される。従って図１に示す
内燃機関ではリーン混合気の燃焼期間が一定期間経過し
たときに機関シリンダ内に供給される混合気の空燃比を
一時的にリッチにしてＮＯｘ吸収剤１５からＮＯｘを放
出させるようにしている。
【００１４】ところが排気ガス中にはイオウが含まれて
おり、ＮＯｘ吸収剤１５にはＮＯｘばかりでなくイオウ
も吸収される。このＮＯｘ吸収剤１５へのイオウの吸収
メカニズムはＮＯｘの吸収メカニズムと同じであると考
えられる。即ち、ＮＯｘの吸収メカニズムを説明したと
きと同様に担体上に白金ＰｔおよびバリウムＢａを担持
させた場合を例にとって説明すると、前述したように流
入排気ガスの空燃比がリーンのときには酸素Ｏ2 がＯ2
- の形で白金Ｐｔの表面に付着しており、流入排気ガス
中のＳＯ2 は白金Ｐｔの表面でＯ2 - と反応してＳＯ3
となる。次いで生成されたＳＯ3 の一部は白金Ｐｔ上で
更に酸化されつつ吸収剤内に吸収されて酸化バリウムＢ
ａＯと結合しながら、硫酸イオンＳＯ4 2- の形で吸収剤
内に拡散し、硫酸塩ＢａＳＯ4 を生成する。
【００１５】しかしながらこの硫酸塩ＢａＳＯ4 は分解
しずらく、流入排気ガスの空燃比をリッチにしても硫酸
塩ＢａＳＯ4 は分解されずにそのまま残る。従ってＮＯ
ｘ吸収剤１５内には時間が経過するにつれて硫酸塩Ｂａ
ＳＯ4 が増大することになり、斯くして時間が経過する
につれてＮＯｘ吸収剤１５が吸収しうるＮＯｘ量が低下
することになる。
【００１６】そこで本発明ではＮＯｘ吸収剤１５にイオ
ンが流入しないように図１に示す如くＮＯｘ吸収剤１５
上流の排気通路内にイオウ捕獲装置１３を配置するよう
にしている。この場合、上述したようにＮＯｘ吸収剤１
５はイオウを吸収しかつ放出しないのでイオウ捕獲装置
１３としてはＮＯｘ吸収剤１５と同様な吸収剤を用いる
ことができる。図１に示す実施例ではイオウ捕獲装置１
３がイオウ吸収剤１７と、イオウ吸収剤１７を包囲する
ケーシング１８とにより構成されており、このイオウ吸
収剤１７は例えばアルミナを担体とし、この担体上に例
えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ、リチウムＬｉ、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くとも一つと、
白金Ｐｔのような貴金属とが担持されている。
【００１７】なお、このイオウ吸収剤１７は良好なＮＯ
ｘの吸放出作用について考慮する必要がなく、良好なイ
オウの捕獲だけについて考慮すればよいのでイオウ吸収
剤１７に含まれる上述のアルカリ金属、アルカリ土類、
希土類の量はＮＯｘの吸収剤１５よりも多くすることが
好ましく、またイオウ吸着剤１７にはセリウムＣｅを追
加することもできる。
【００１８】図１に示すようにＮＯｘ吸収剤１５上流の
排気通路内にイオウ吸収剤１７を配置すると機関から排
出される全てのイオウはイオウ吸収剤１７内に吸収さ
れ、このイオウは燃焼室３内に供給される混合気がリッ
チにされてもイオウ吸収剤１７から放出されることはな
い。従ってＮＯｘ吸収剤１５にはＮＯｘのみが吸収され
ることになり、斯くしてＮＯｘ吸収剤１５のＮＯｘ吸収
能力が低下するのを阻止することができることになる。
【００１９】
【発明の効果】ＮＯｘ吸収剤を長時間使用してもＮＯｘ
吸収剤の高いＮＯｘ吸収能力を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】機関から排出される排気ガス中の未燃ＨＣ，Ｃ
Ｏおよび酸素の濃度を概略的に示す線図である。
【図３】ＮＯｘの吸放出作用を説明するための図であ
る。
【符号の説明】
１１…排気マニホルド １３…イオウ捕獲装置 １５…ＮＯｘ吸収剤 １７…イオウ吸収剤
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木原 哲郎 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−149715（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−30643（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−270543（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−1617（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 リーン混合気を燃焼せしめるようにした
    内燃機関において、流入排気ガスの空燃比がリーンのと
    きにはＮＯｘを吸収し、流入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吸収剤を機関
    排気通路内に配置し、該ＮＯｘ吸収剤上流の機関排気通
    路内にイオウ捕獲装置を設けた内燃機関の排気ガス浄化
    装置。
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