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JP2850547B2 - 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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JP2850547B2
JP2850547B2 JP3016826A JP1682691A JP2850547B2 JP 2850547 B2 JP2850547 B2 JP 2850547B2 JP 3016826 A JP3016826 A JP 3016826A JP 1682691 A JP1682691 A JP 1682691A JP 2850547 B2 JP2850547 B2 JP 2850547B2
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low
boiling
internal combustion
combustion engine
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信也 広田
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Toyota Motor Corp
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Publication date
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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、排気系にいわゆるリー
ンＮＯｘ触媒を装着した、希薄燃焼可能な内燃機関の排
気浄化装置に関し、とくに触媒上流に燃料中のＨＣ成分
を炭素数の少ない炭化水素にして供給する排気浄化装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃費向上のために、希薄域の空燃比で燃
焼を行わせることが有効であり、ディーゼル機関や一部
のガソリン機関で実用化されている。希薄空燃比領域に
おいては、従来の触媒ではＮＯｘを浄化できないので、
ＮＯｘ低減がリーンバーン内燃機関の課題になってお
り、希薄空燃比でもＮＯｘを浄化できる触媒が注目され
ている。特開平１−１３０７３５号公報、特願昭６３−
９５０２６号は、遷移金属を担持せしめたゼオライトか
らなり、酸化雰囲気中、ＨＣ存在下でＮＯｘを還元する
触媒（以下、リーンＮＯｘ触媒という）を教示してい
る。また、リーンＮＯｘ触媒がＮＯｘを還元して浄化す
るにはＨＣが必要なため、特開昭６３−２８３７２７号
公報は、使用燃料とは別にＨＣタンクを携帯し、ＨＣを
リーンＮＯｘ触媒の上流に注入する装置を提案してい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、別ＨＣ源の携
帯は、たとえばディーゼルエンジンにおいて軽油以外の
別ＨＣの貯蔵、注入装置を必要とし、コスト高になると
いう問題がある。一方、別装置をもたずにＨＣを導入す
るには、使用燃料の一部を導入ＨＣとして利用すること
が考えられる。しかし、発明者等の試験研究によれば、
リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元に有効に働らくＨＣ成分
は比較的炭素数の少ないもの（１分子中の炭素数の数が
３−６程度のもの）である。ディーゼルエンジンの燃料
である軽油のＨＣの炭素数が比較的大きなもの（１分子
中の炭素数が１０−１５）が多く、一律にリーンＮＯｘ
触媒上流に導入してもＮＯｘ浄化率の向上に大きな効果
を期待できないという問題がある。
【０００４】本発明の目的は、排気系にリーンＮＯｘ触
媒を装着した、希薄燃焼可能な内燃機関の排気浄化装置
において、低沸点ＨＣ（１分子中の炭素数の小さいＨ
Ｃ）を供給してリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を高
め、しかもそれを使用燃料とは別のＨＣ源をもたずに達
成することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する、本
発明の内燃機関の排気浄化装置は、次の手段を有する。
排気系を備えた希薄燃焼可能な内燃機関、前記内燃機関
の排気系に設けられた、遷移金属或いは貴金属を担持せ
しめたゼオライトからなり、酸化雰囲気中、ＨＣ存在下
でＮＯｘを還元する触媒、使用燃料を利用して低沸点Ｈ
Ｃを生成する低沸点ＨＣ生成手段、および前記低沸点Ｈ
Ｃ生成手段によって生成された低沸点ＨＣを前記内燃機
関の排気系の前記触媒上流に供給する、排気空燃比がリ
ーンでの前記触媒のＮＯｘ浄化率を高めるためのＨＣ供
給手段。
【０００６】
【作用】低沸点ＨＣ生成手段は、エンジンがディーゼル
エンジンである場合、使用燃料である軽油を一部熱分解
して低沸点ＨＣを生成するか、或いは軽油中に含まれて
いる低沸点ＨＣを蒸発点の差を利用して抽出（いわゆる
分留）して低沸点ＨＣを生成するか、或いは熱分解と分
留の両方により低沸点ＨＣを生成するか、の何れかを行
う。この低沸点ＨＣは、ＨＣ供給手段によってリーンＮ
Ｏｘ触媒の上流に供給され、リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ
浄化率を高める。
【０００７】
【実施例】３つの、本発明に係る実施例を説明する。第
１実施例は、使用燃料の一部を熱分解して低沸点ＨＣを
生成する場合であり、図１から図７までに示されてい
る。第２実施例は、使用燃料から低沸点ＨＣを分留する
場合であり、図８に示されている。第３実施例は、使用
燃料から熱分解と分留とによって低沸点ＨＣを生成する
場合であり、図９に示されている。
【０００８】まず、第１実施例を説明する。図１、図２
において、希薄燃焼可能な内燃機関１はたとえばディー
ゼル機関からなり、燃料噴射ポンプ２から軽油燃料が圧
送され、筒内噴射用噴射ノズル５から各気筒に噴射され
て燃焼される。また、内燃機関１の排気系１６には排気
を浄化するために、リーンＮＯｘ触媒３が装着されてい
る。内燃機関１は、通常、希薄空燃比領域で運転される
ので、排気は酸素過剰雰囲気、酸化雰囲気となり、リー
ンＮＯｘ触媒３は、ＨＣ存在下で、ＮＯｘを還元でき
る。
【０００９】内燃機関１の排気マニホールド１４には、
望ましくはその上部に、マニホールド壁を隔てて燃料分
解チャンバ１１が設けられている。燃料分解チャンバ１
１と排気マニホールド内の排気通路とを隔てるマニホー
ルド壁は受熱面積を大きくとってあり、排気ガスの熱に
よって燃料分解チャンバ内を約５００℃以上に熱するこ
とができるようにしてある。燃料噴射ポンプ２から筒内
噴射用噴射ノズル５までの燃料送給管の途中に燃料分岐
部４が設けられ、そこから燃料分岐管１５が燃料分解チ
ャンバ１１まで延びていて、燃料分解チャンバ内噴射用
噴射ノズル６を介して、燃料分解チャンバ１１内に使用
燃料の一部を噴射することができるようになっている。
燃料噴射ポンプ２、燃料分岐部４、燃料分岐管１５、燃
料分解チャンバの噴射ノズル６、燃料分解チャンバ１１
は、使用燃料の一部を熱分解して低沸点ＨＣを生成する
低沸点ＨＣ生成手段を構成する。
【００１０】燃料分解チャンバ１１からは、リーンＮＯ
ｘ触媒３の上流の分解燃料注入部８まで、分解燃料を送
給する分解燃料供給管７が延びている。分解燃料供給管
７の途中には、燃料分解チャンバ１１からリーンＮＯｘ
触媒３の上流に流れる分解燃料の量を制御する流量制御
弁９が設けられている。流量制御弁９の開度は弁駆動装
置１０によって制御される。分解燃料供給管７、分解燃
料注入部８、流量制御弁９、弁駆動装置１０は、燃料分
解チャンバ１１内の分解燃料（低沸点ＨＣ）をリーンＮ
Ｏｘ触媒３の上流に供給する、排気空燃比がリーンでの
リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を高めるためのＨＣ供
給手段を構成する。
【００１１】燃料分解チャンバ１１の底部からは、燃料
分解チャンバ１１内の余分の燃料（燃料分解チャンバ１
１からリーンＮＯｘ触媒３上流に供給されなかった燃
料）を燃料噴射ポンプ２に戻す燃料リターン管１２が設
けられている。リーンＮＯｘ触媒３の上流に注入される
分解燃料量を、リーンＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ還元に
必要十分なＨＣ量に制御するために、制御装置（ＥＣ
Ｕ）１３が設けられている。ＥＣＵ１３は、図３に示す
ように、機関回転速度が高い程注入ＨＣ量が大になるよ
うに、したがって、図５に示すように、流量制御弁開度
が大になるように、弁駆動装置１０を介して流量制御弁
９を制御する。また、ＥＣＵ１３は、図４に示すよう
に、機関負荷が大な程注入ＨＣ量が大になるように、し
たがって、図６に示すように、負荷が大な程（筒内燃料
噴射量が多い程、アクセル開度が大な程）、流量制御弁
開度が大になるように、流量制御弁９を制御する。燃料
噴射ポンプ２は電子制御燃料噴射ポンプからなり、ＥＣ
Ｕ１３によって制御され、筒内噴射の噴射時期、噴射量
が決定される。
【００１２】つぎに、第１実施例の作用について説明す
る。使用燃料の一部（筒内に噴射される燃料の約１０
％）は、燃料分解チャンバ１１に噴射される。燃料分解
チャンバ１１内に噴射された軽油燃料は、排気マニホー
ルド内を流れる排気ガスからの熱をマニホールド壁を介
して受取り、この熱によって、蒸発し、炭素数の低いＨ
Ｃ成分（Ｃ3 〜Ｃ6 ）に分解される。燃料分解チャンバ
１１は、排気マニホールド表面温度が約５００℃以上に
なれば、ＨＣの分解は可能である。それ以下の温度の場
合は、燃料分解チャンバ１１内面および排気マニホール
ド表面に、白金パラジウムなどを塗布しておけば、ＨＣ
分解用触媒として作用し、低炭素数ＨＣを生成すること
ができる。リーンＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ還元に必要
な注入ＨＣ量は、筒内噴射される燃料の約３〜５％であ
り、必要量が流量制御弁９によって調節されて、リーン
ＮＯｘ触媒３の上流に、分解燃料注入部８から注入され
る。残りの余分の分解燃料は、燃料リターン管１２を介
して、燃料噴射ポンプ２に戻される。なお、燃料分解チ
ャンバ１１内の圧力は、チャンバ内温度５００℃では、
（２７３＋５００）／２７３≒２．８気圧程度になり、
排気圧力よりかなり高いため、排気ガスが分解燃料管７
を逆流することはない。
【００１３】リーンＮＯｘ触媒３の上流に注入された低
炭素数のＨＣは、リーンＮＯｘ触媒３に流れ、そこで一
部、部分酸化されて活性種を生じ、図７のメカニズムに
従って、ＮＯｘと反応してＮＯｘを還元し、無害化す
る。すなわち、低沸点ＨＣの、一部、部分酸化によって
生成された活性種とＮＯｘとの反応で、ＮＯｘを還元
し、排気ガスを浄化する。低沸点ＨＣの供給により活性
種の量も増え、リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が向上
する。なお、第１実施例では、内燃機関としてディーゼ
ル機関を例にとったが、これは、排気系にリーンＮＯｘ
触媒を有し、希薄空燃比領域で運転されるガソリン機関
であってもよい。
【００１４】つぎに、第２実施例を図８を参照して説明
する。第２実施例において、第１実施例に準じる部材、
すなわち、希薄燃焼可能な内燃機関としてのディーゼル
エンジン１、燃料噴射ポンプ２、リーンＮＯｘ触媒３、
筒内噴射用燃料噴射ノズル５、ＥＣＵ１３、排気系１６
には、第１実施例と同じ符号を付すことにより説明を省
略し、異なる部材についてのみ以下に説明する。燃料タ
ンク２０には、機関の運転に用いる燃料とは別に燃料を
循環させる循環経路２１が設けられ、途中に燃料循環ポ
ンプ２２、循環される燃料を約３５０℃以上に加熱する
ヒータ２３が設けられる。ヒータ２３の下流側には、ヒ
ータ２３により加熱されて一部気化した気体燃料を残り
の液体燃料から分離する気液分離器２４が設けられてい
る。気化する燃料は低沸点ＨＣを多く含み、残りの液体
燃料は高沸点ＨＣを多く含む。気液分離器２４は配管２
５でＨＣタンク２６に接続されており、気液分離器２４
で分離された気体の低沸点ＨＣは、配管２５を通してＨ
Ｃタンク２６に導かれ、自然放冷で約２５０℃−３５０
℃に冷却して液体となりＨＣタンク２６内に貯蔵され
る。ここで、循環経路２１、燃料循環ポンプ２２、ヒー
タ２３、気液分離器２４、ＨＣタンク２６は、使用燃料
を利用して低沸点燃料を、主に分留（沸点の差を利用し
て低沸点ＨＣを抽出する反応）により生成する低沸点Ｈ
Ｃ生成手段を構成する。
【００１５】ＨＣタンク２６は、リーンＮＯｘ触媒３の
上流の内燃機関排気系１６に設けたＨＣ噴射ノズル２７
に配管２８により接続され、該配管途上にＨＣ供給ポン
プ２９が設けられる。このＨＣ供給ポンプ２９はＨＣタ
ンク２６からのＨＣを昇圧し、ＨＣ噴射ノズル２７はＥ
ＣＵ１３からの指令により開弁して低沸点ＨＣをリーン
ＮＯｘ触媒３の上流に注入する。ＥＣＵ１３は、エンジ
ン回転数信号Ｎｅと負荷（アクセル開度）信号Ｔｅを読
取り、Ｎｅ、Ｔｅマップ上で示された燃料量を噴射する
よう、ＨＣ噴射ノズル２７に指令信号を送る。配管２
８、ＨＣ噴射ノズル２７、ＨＣ供給ポンプ２９、ＥＣＵ
１３は、低沸点ＨＣをリーンＮＯｘ触媒上流に供給す
る、第２実施例における、ＨＣ供給手段を構成する。
【００１６】つぎに、第２実施例の作用を説明する。燃
料タンク２０の燃料の一部は燃料循環ポンプ２２で循環
され、ヒータ２３で加熱されるとともに気液分離器２４
で気液分離されることにより分留され、低沸点成分のＨ
Ｃが燃料より抽出され、ＨＣタンク２６に貯蔵される。
この低沸点ＨＣがＨＣ噴射ノズル２７からリーンＮＯｘ
触媒上流に導入されるので、リーンＮＯｘ触媒３のＮＯ
ｘ浄化率が高められる。ディーゼルエンジンの場合、燃
料（軽油）は１分子中の炭素数が１５以上のものが多く
リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元反応に使用できないＨＣ
が多いが、上記の分留により低沸点成分が抽出されてこ
れがリーンＮＯｘ触媒３の上流に導入されるので、ＮＯ
ｘ浄化に極めて有効となる。また、今までは高沸点ＨＣ
を添加した場合そのＨＣをリーンＮＯｘ触媒で浄化する
ことが困難でＨＣエミッションの増大という問題を生じ
ていたが、低沸点ＨＣの場合はリーンＮＯｘ触媒でほと
んど全て浄化（酸化）されるので、ＨＣエミッションの
問題も生じない。
【００１７】つぎに、第３実施例を図９を参照して説明
する。第３実施例において、第１実施例および第２実施
例に準じる部材、すなわち、希薄燃焼可能な内燃機関と
してのディーゼルエンジン１、燃料噴射ポンプ２、リー
ンＮＯｘ触媒３、筒内噴射用燃料噴射ノズル５、ＥＣＵ
１３、排気マニホールド１４、排気系１６、燃料タンク
２０、気液分離器２４、配管２５、ＨＣタンク２６、Ｈ
Ｃ噴射ノズル２７、配管２８、ＨＣ供給ポンプ２９に
は、第１実施例、第２実施例と同じ符号を付すことによ
り説明を省略し、異なる部材についてのみ以下に説明す
る。筒内噴射用燃料噴射ノズル５からの燃料リターン配
管３０は、リターン燃料が排気マニホルド１４の熱を多
く吸収できるように、排気マニホルド１４直近で蛇行さ
れており、この蛇行部３２で燃料は、一部熱分解される
とともに、元々燃料中に含まれていた低沸点ＨＣおよび
熱分解により低沸点ＨＣとなったＨＣが気化される。蛇
行部３２の下流に設けられた気液分離器２４は、燃料の
気液を分離し、分離された気体の方の低沸点ＨＣは配管
２５を介してＨＣタンク２６に導かれ、貯められる。こ
こで、燃料リターン配管３０、蛇行部３２、気液分離器
２４、配管２５、ＨＣタンク２６は、使用燃料の一部を
利用して、熱分解と分留によって低沸点ＨＣを生成す
る、第３実施例における、低沸点ＨＣ生成手段を構成す
る。
【００１８】ＨＣタンク２６とＨＣ噴射ノズル２７を接
続する配管２８、ＨＣ供給ポンプ２９、ＨＣ噴射ノズル
２７、ＥＣＵ１３は、ＨＣタンク２６の低沸点ＨＣをリ
ーンＮＯｘ触媒３の上流に注入する、第３実施例におけ
る、ＨＣ供給手段を構成する。この場合、ＥＣＵ１３
は、エンジン回転数信号Ｎｅと触媒出口の排気温信号
（排気温センサ３１の出力）Ｔｅｘとからマップ上で示
されたＨＣ量を噴射するよう、指令信号をＨＣ噴射ノズ
ル２７に送る。
【００１９】つぎに、第３実施例の作用を説明する。リ
ターン燃料は燃料リターン配管３０の蛇行部３２で、一
部熱分解されるとともに、加熱されて気化する。この気
化分は気液分離器２４で分離されて、ＨＣタンク２６内
に貯まる。ＨＣタンク２６内のＨＣは低沸点ＨＣであ
り、熱分解により低沸点ＨＣとなったものと、燃料中に
元々含まれていた低沸点ＨＣとの両方を含む。この低沸
点ＨＣはＨＣ噴射ノズル２７からリーンＮＯｘ触媒３の
上流に導入され、リーンＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率を
上げる。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、使用燃料の一部を利用
して低沸点ＨＣを生成し、それを排気空燃比がリーンで
のリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を高めるためのＨＣ
供給手段によりリーンＮＯｘ触媒の上流に導入するよう
にしたので、排気空燃比がリーンでのリーンＮＯｘ触媒
のＮＯｘ浄化率を高めることができ、しかも、それを別
のＨＣ源を具備する必要なく達成できるという効果を得
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る内燃機関の排気浄化
装置の、系統図を含む、概略平面図である。
【図２】図１の装置の側面図である。
【図３】機関回転速度−注入ＨＣ量特性図である。
【図４】機関負荷−注入ＨＣ量特性図である。
【図５】機械回転速度−流量制御弁開度特性図である。
【図６】燃料噴射量（機関負荷）−流量制御弁開度特性
図である。
【図７】リーンＮＯｘ触媒によるＮＯｘ還元メカニズム
を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２実施例に係る内燃機関の排気浄化
装置の系統図である。
【図９】本発明の第３実施例に係る内燃機関の排気浄化
装置の系統図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関 ２ 燃料噴射ポンプ ３ リーンＮＯｘ触媒 ５ 筒内噴射用燃料噴射ノズル ６ 燃料分解チャンバ内噴射用噴射ノズル ７ 分解燃料供給管 ８ 分解燃料注入部 ９ 流量制御弁 １０ 弁駆動装置 １１ 燃料分解チャンバ １２ 燃料リターン管 １３ ＥＣＵ １４ 排気マニホルド １５ 燃料分岐管 １６ 排気系 ２０ 燃料タンク ２１ 循環経路 ２２ 燃料循環ポンプ ２３ ヒータ ２４ 気液分離器 ２５ 配管 ２６ ＨＣタンク ２７ ＨＣ噴射ノズル ２８ 配管 ２９ ＨＣ供給ポンプ ３０ 燃料リターン配管 ３１ 排気温センサ ３２ 蛇行部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F01N 3/08 - 3/28

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気系を備えた希薄燃焼可能な内燃機関
    と、 前記内燃機関の排気系に設けられた、遷移金属或いは貴
    金属を担持せしめたゼオライトからなり、酸化雰囲気
    中、ＨＣ存在下でＮＯｘを還元する触媒と、 使用燃料を利用して低沸点ＨＣを生成する低沸点ＨＣ生
    成手段と、前記 低沸点ＨＣ生成手段によって生成された低沸点ＨＣ
    を前記内燃機関の排気系の前記触媒上流に供給する、排
    気空燃比がリーンでの前記触媒のＮＯｘ浄化率を高める
    ためのＨＣ供給手段と、 から成る内燃機関の排気浄化装置。
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