エンジンの排気浄化装置
【課題】リーン燃焼運転を行うエンジンにおいて、三元触媒によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率を向上させる。
【解決手段】エンジン１１の排気通路１２に設けられ、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する三元触媒１４を有する後処理装置１３と、後処理装置１３よりも上流側の排気通路１２に設けられ、後処理装置１３に供給される排気ガスの酸素濃度を低下させるために排気ガスから酸素を分離する酸素分離装置１５とを備えたものである。
【解決手段】エンジン１１の排気通路１２に設けられ、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する三元触媒１４を有する後処理装置１３と、後処理装置１３よりも上流側の排気通路１２に設けられ、後処理装置１３に供給される排気ガスの酸素濃度を低下させるために排気ガスから酸素を分離する酸素分離装置１５とを備えたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気通路に設けられ、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する三元触媒を有する後処理装置を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス中の有害成分であるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）の三成分を同時に浄化する触媒としては、白金−ロジウム系又はパラジウム−ロジウム系の三元触媒が知られている。三元触媒を備えた排気浄化装置は、特許文献１等に記載されている。
【０００３】
上記のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの三成分を三元触媒によって同時に浄化するためには、燃焼を低酸素の理論混合比近傍に制御することが必要である。燃焼を理論混合比近傍に制御するために、排気ガス中の酸素濃度を酸素センサ等で検出して、酸素センサで検出した排気ガス中の酸素濃度に基づいてインジェクタ等による燃料噴射量を調整する、エンジンの燃料噴射制御装置が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５１１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、排気ガスのような局所環境問題だけでなく、世界規模での地球温暖化に対処するため、ＣＯ2規制が叫ばれており、自動車の燃費向上も大きな課題の一つである。自動車の燃費向上のための一つの大きな改善手段として、ガソリンエンジンのリーン燃焼（リーンバーン）やディーゼルエンジンがあるが、ガソリンエンジンのリーン燃焼及びディーゼルエンジンは共に酸素過剰な排気ガス組成のために、理論混合比下での高浄化率を得ることができない。
【０００６】
一部に、リーン雰囲気下でＮＯｘを一時的に蓄えるためにアルカリ塩基を三元触媒に添加し、短時間のリッチ運転でＮＯｘを放出して、三元反応を得るものもあるが、この種の三元触媒では理論混合比下の三元反応程、高い浄化率が得られないうえ、アルカリ塩基を添加する故、排気温度の制約やリッチ運転による燃費の悪化が問題となる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、リーン燃焼運転を行うエンジンにおいて、三元触媒によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率を向上させることができるエンジンの排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、エンジンの排気通路に設けられ、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する三元触媒を有する後処理装置と、該後処理装置よりも上流側の上記排気通路に設けられ、上記後処理装置に供給される排気ガスの酸素濃度を低下させるために排気ガスから酸素を分離する酸素分離装置とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、リーン燃焼運転を行うエンジンにおいて、三元触媒によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率を向上させることができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の概略図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態に係る排気浄化装置１０は、エンジン（本実施形態では、ディーゼルエンジン）１１の排気通路（排気管）１２に配設される後処理装置１３を備えている。
【００１３】
本実施形態では、後処理装置１３は、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを同時に浄化する三元触媒１４を有する。三元触媒１４としては、例えば、白金−ロジウム系又はパラジウム−ロジウム系のものを用いることができる。
【００１４】
本実施形態では、後処理装置１３（三元触媒１４）よりも上流側の排気通路１２に、後処理装置１３（三元触媒１４）に供給される排気ガスの酸素濃度を低下させるために排気ガスから酸素を分離する酸素分離装置１５が配設されている。
【００１５】
図２に示すように、本実施形態に係る酸素分離装置１５は、エンジン１１の排気通路１２の途中に介設され、内部を排気ガスが流れるクランク状のケーシング１６と、固体電解質からなる酸素分離膜１７とを有している。具体的には、酸素分離装置１５は、酸素分離膜１７の両側に薄膜の電極１８を貼りつけた膜電極集合体１９をケーシング１６の壁面をなすように複数並べて配置した構造である。
【００１６】
膜電極集合体１９の酸素分離膜１７の排気側（ケーシング１６内）と大気側（ケーシング１６外）との間に電位差を生じさせると、酸素分離膜１７の排気側（ケーシング１６内）で酸素分子が酸素分離膜１７の大気側（ケーシング１６外）から移動してきた電子を受け取りイオン化し、イオン伝導により酸素イオンが酸素分離膜１７の大気側（ケーシング１６外）に移動し、酸素分離膜１７の大気側（ケーシング１６外）で電子を放出し、再び酸素分子に戻る。このようにして、排気ガスから酸素を分離して大気側（ケーシング１６外）に放出し、低酸素化した排気ガスを得ることができる。
【００１７】
また、図１に示すように、後処理装置１３（三元触媒１４）と酸素分離装置１５との間の排気通路１２に、後処理装置１３（三元触媒１４）に供給される排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ（酸素濃度検出手段）２０が配設される。
【００１８】
そして、エンジン１１の燃焼室内に燃料噴射を行うインジェクタ２１及びエンジン１１全体を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御手段２２が設けられる。
【００１９】
本実施形態においては、吸気は、吸気通路（吸気管）２３に設けられたエアクリーナ（図示せず）及び流量計２４等を通過して、エンジン１１の燃焼室内に導入される。
【００２０】
一方、エンジン１１の燃焼室内で発生した排気ガスは、酸素分離装置１５等を通過して、後処理装置１３を通過して浄化されて、消音器（図示せず）を通って大気中に排出される。
【００２１】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００２２】
本実施形態では、ＥＣＵ２２は、酸素センサ２０で排気ガスの酸素濃度を検出し、後処理装置１３（三元触媒１４）に供給される排気ガスの酸素濃度が所定濃度（例えば、ゼロ或いはゼロに近い値）になるように、酸素分離装置１５の酸素分離膜１７の排気側（ケーシング１６内）と大気側（ケーシング１６外）との間の電圧を制御して、大気側（ケーシング１６外）に放出される酸素量を調整することで、後処理装置１３（三元触媒１４）に供給される排気ガスの酸素濃度を調整するようになっている。
【００２３】
即ち、本実施形態に係る排気浄化装置１０は、排気ガスの酸素濃度に応じてインジェクタ２１による燃料噴射量を調整するのではなく、酸素分離装置１５で排気ガスから酸素を分離し、後処理装置１３（三元触媒１４）に供給する排気ガスを低酸素化して、低酸素化した排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを三元触媒１４で浄化するものである。
【００２４】
本実施形態に係る排気浄化装置１０によれば、エンジン１１の排気通路１２に設けられ、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する三元触媒１４を有する後処理装置１３と、後処理装置１３（三元触媒１４）よりも上流側の排気通路１２に設けられ、後処理装置１３（三元触媒１４）に供給される排気ガスの酸素濃度を低下させるために排気ガスから酸素を分離する酸素分離装置１５とを備えるので、当該酸素分離装置１５によって後処理装置１３（三元触媒１４）に供給する排気ガスの酸素濃度を低下させることにより、エンジン１１の運転状態に関わらず、酸素過剰でない排気ガスを後処理装置１３（三元触媒１４）に供給することができ、リーン燃焼運転を行うエンジン（ディーゼルエンジン）１１において、三元触媒１４によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率を向上させることが可能となる。
【００２５】
また、本実施形態によれば、リーン燃焼運転を行うディーゼルエンジンにおいて三元触媒を単独で使用することができ、ＮＯｘの低減と燃費の向上という相反するものを、高次元で両立する事を可能とする。公知の三元触媒では、６０〜７０％のＮＯｘ浄化率しか得られないため、三元触媒に供給する排気ガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減しておく必要があったが、本実施形態によれば、９５％以上のＮＯｘ浄化率が期待されるため、三元触媒に供給する排気ガスのＮＯｘ濃度を極端に低減しておく必要がなく、その分を燃費の向上にまわす事が可能となる。
【００２６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
【００２７】
例えば、上記の実施形態ではエンジン１１がディーゼルエンジンであるとしたがこれには限定はされず、エンジン１１がリーンバーンエンジン（ガソリンエンジン）であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の概略図である。
【図２】図２は、酸素分離装置の断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０ 排気浄化装置
１１ エンジン
１２ 排気通路（排気管）
１３ 後処理装置
１４ 三元触媒
１５ 酸素分離装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気通路に設けられ、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する三元触媒を有する後処理装置を備えたエンジンの排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス中の有害成分であるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）及びＮＯｘ（窒素酸化物）の三成分を同時に浄化する触媒としては、白金−ロジウム系又はパラジウム−ロジウム系の三元触媒が知られている。三元触媒を備えた排気浄化装置は、特許文献１等に記載されている。
【０００３】
上記のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの三成分を三元触媒によって同時に浄化するためには、燃焼を低酸素の理論混合比近傍に制御することが必要である。燃焼を理論混合比近傍に制御するために、排気ガス中の酸素濃度を酸素センサ等で検出して、酸素センサで検出した排気ガス中の酸素濃度に基づいてインジェクタ等による燃料噴射量を調整する、エンジンの燃料噴射制御装置が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５１１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、排気ガスのような局所環境問題だけでなく、世界規模での地球温暖化に対処するため、ＣＯ2規制が叫ばれており、自動車の燃費向上も大きな課題の一つである。自動車の燃費向上のための一つの大きな改善手段として、ガソリンエンジンのリーン燃焼（リーンバーン）やディーゼルエンジンがあるが、ガソリンエンジンのリーン燃焼及びディーゼルエンジンは共に酸素過剰な排気ガス組成のために、理論混合比下での高浄化率を得ることができない。
【０００６】
一部に、リーン雰囲気下でＮＯｘを一時的に蓄えるためにアルカリ塩基を三元触媒に添加し、短時間のリッチ運転でＮＯｘを放出して、三元反応を得るものもあるが、この種の三元触媒では理論混合比下の三元反応程、高い浄化率が得られないうえ、アルカリ塩基を添加する故、排気温度の制約やリッチ運転による燃費の悪化が問題となる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、リーン燃焼運転を行うエンジンにおいて、三元触媒によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率を向上させることができるエンジンの排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、エンジンの排気通路に設けられ、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する三元触媒を有する後処理装置と、該後処理装置よりも上流側の上記排気通路に設けられ、上記後処理装置に供給される排気ガスの酸素濃度を低下させるために排気ガスから酸素を分離する酸素分離装置とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、リーン燃焼運転を行うエンジンにおいて、三元触媒によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率を向上させることができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の概略図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態に係る排気浄化装置１０は、エンジン（本実施形態では、ディーゼルエンジン）１１の排気通路（排気管）１２に配設される後処理装置１３を備えている。
【００１３】
本実施形態では、後処理装置１３は、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを同時に浄化する三元触媒１４を有する。三元触媒１４としては、例えば、白金−ロジウム系又はパラジウム−ロジウム系のものを用いることができる。
【００１４】
本実施形態では、後処理装置１３（三元触媒１４）よりも上流側の排気通路１２に、後処理装置１３（三元触媒１４）に供給される排気ガスの酸素濃度を低下させるために排気ガスから酸素を分離する酸素分離装置１５が配設されている。
【００１５】
図２に示すように、本実施形態に係る酸素分離装置１５は、エンジン１１の排気通路１２の途中に介設され、内部を排気ガスが流れるクランク状のケーシング１６と、固体電解質からなる酸素分離膜１７とを有している。具体的には、酸素分離装置１５は、酸素分離膜１７の両側に薄膜の電極１８を貼りつけた膜電極集合体１９をケーシング１６の壁面をなすように複数並べて配置した構造である。
【００１６】
膜電極集合体１９の酸素分離膜１７の排気側（ケーシング１６内）と大気側（ケーシング１６外）との間に電位差を生じさせると、酸素分離膜１７の排気側（ケーシング１６内）で酸素分子が酸素分離膜１７の大気側（ケーシング１６外）から移動してきた電子を受け取りイオン化し、イオン伝導により酸素イオンが酸素分離膜１７の大気側（ケーシング１６外）に移動し、酸素分離膜１７の大気側（ケーシング１６外）で電子を放出し、再び酸素分子に戻る。このようにして、排気ガスから酸素を分離して大気側（ケーシング１６外）に放出し、低酸素化した排気ガスを得ることができる。
【００１７】
また、図１に示すように、後処理装置１３（三元触媒１４）と酸素分離装置１５との間の排気通路１２に、後処理装置１３（三元触媒１４）に供給される排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ（酸素濃度検出手段）２０が配設される。
【００１８】
そして、エンジン１１の燃焼室内に燃料噴射を行うインジェクタ２１及びエンジン１１全体を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御手段２２が設けられる。
【００１９】
本実施形態においては、吸気は、吸気通路（吸気管）２３に設けられたエアクリーナ（図示せず）及び流量計２４等を通過して、エンジン１１の燃焼室内に導入される。
【００２０】
一方、エンジン１１の燃焼室内で発生した排気ガスは、酸素分離装置１５等を通過して、後処理装置１３を通過して浄化されて、消音器（図示せず）を通って大気中に排出される。
【００２１】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００２２】
本実施形態では、ＥＣＵ２２は、酸素センサ２０で排気ガスの酸素濃度を検出し、後処理装置１３（三元触媒１４）に供給される排気ガスの酸素濃度が所定濃度（例えば、ゼロ或いはゼロに近い値）になるように、酸素分離装置１５の酸素分離膜１７の排気側（ケーシング１６内）と大気側（ケーシング１６外）との間の電圧を制御して、大気側（ケーシング１６外）に放出される酸素量を調整することで、後処理装置１３（三元触媒１４）に供給される排気ガスの酸素濃度を調整するようになっている。
【００２３】
即ち、本実施形態に係る排気浄化装置１０は、排気ガスの酸素濃度に応じてインジェクタ２１による燃料噴射量を調整するのではなく、酸素分離装置１５で排気ガスから酸素を分離し、後処理装置１３（三元触媒１４）に供給する排気ガスを低酸素化して、低酸素化した排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを三元触媒１４で浄化するものである。
【００２４】
本実施形態に係る排気浄化装置１０によれば、エンジン１１の排気通路１２に設けられ、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する三元触媒１４を有する後処理装置１３と、後処理装置１３（三元触媒１４）よりも上流側の排気通路１２に設けられ、後処理装置１３（三元触媒１４）に供給される排気ガスの酸素濃度を低下させるために排気ガスから酸素を分離する酸素分離装置１５とを備えるので、当該酸素分離装置１５によって後処理装置１３（三元触媒１４）に供給する排気ガスの酸素濃度を低下させることにより、エンジン１１の運転状態に関わらず、酸素過剰でない排気ガスを後処理装置１３（三元触媒１４）に供給することができ、リーン燃焼運転を行うエンジン（ディーゼルエンジン）１１において、三元触媒１４によるＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘの浄化率を向上させることが可能となる。
【００２５】
また、本実施形態によれば、リーン燃焼運転を行うディーゼルエンジンにおいて三元触媒を単独で使用することができ、ＮＯｘの低減と燃費の向上という相反するものを、高次元で両立する事を可能とする。公知の三元触媒では、６０〜７０％のＮＯｘ浄化率しか得られないため、三元触媒に供給する排気ガスのＮＯｘ濃度を大幅に低減しておく必要があったが、本実施形態によれば、９５％以上のＮＯｘ浄化率が期待されるため、三元触媒に供給する排気ガスのＮＯｘ濃度を極端に低減しておく必要がなく、その分を燃費の向上にまわす事が可能となる。
【００２６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
【００２７】
例えば、上記の実施形態ではエンジン１１がディーゼルエンジンであるとしたがこれには限定はされず、エンジン１１がリーンバーンエンジン（ガソリンエンジン）であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの排気浄化装置の概略図である。
【図２】図２は、酸素分離装置の断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０ 排気浄化装置
１１ エンジン
１２ 排気通路（排気管）
１３ 後処理装置
１４ 三元触媒
１５ 酸素分離装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に設けられ、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する三元触媒を有する後処理装置と、該後処理装置よりも上流側の上記排気通路に設けられ、上記後処理装置に供給される排気ガスの酸素濃度を低下させるために排気ガスから酸素を分離する酸素分離装置とを備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項１】
エンジンの排気通路に設けられ、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する三元触媒を有する後処理装置と、該後処理装置よりも上流側の上記排気通路に設けられ、上記後処理装置に供給される排気ガスの酸素濃度を低下させるために排気ガスから酸素を分離する酸素分離装置とを備えたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−１０６７９７（Ｐ２０１０−１０６７９７Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８１４２０（Ｐ２００８−２８１４２０）
【出願日】平成２０年１０月３１日（２００８．１０．３１）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３１日（２００８．１０．３１）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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