JP2002349249A - 排気浄化装置 - Google Patents

排気浄化装置

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JP2002349249A
JP2002349249A JP2001155697A JP2001155697A JP2002349249A JP 2002349249 A JP2002349249 A JP 2002349249A JP 2001155697 A JP2001155697 A JP 2001155697A JP 2001155697 A JP2001155697 A JP 2001155697A JP 2002349249 A JP2002349249 A JP 2002349249A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 長時間の運転によっても性能低下を招くこと
なく高いNOx低減効果を持続し得るようにした実用性
の高い排気浄化装置を提供する。 【解決手段】 排気ガス8が流通する排気管10の途中
に、排気ガス8中の酸素濃度が高い時にNOxを酸化し
て硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス8中の酸
素濃度が低い時に還元剤11の介在によりNOxを分解
放出して還元浄化するNOx吸蔵還元触媒12を装備す
ると共に、該NOx吸蔵還元触媒12の前段には、排気
ガス8中のNOと酸素とを選択的に反応させてNO2
生成する機能を高めたNO2生成触媒14を装備し、該
NO2生成触媒14より上流側に還元剤11を適宜に添
加し得るように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンなどの内燃機関に用いる排気浄化装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来より、ディーゼルエンジンにおいて
は、排気ガスが流通する排気管の途中にNOx還元触媒
を装備し、該NOx還元触媒の上流側に必要量の還元剤
を添加して該還元剤をNOx還元触媒上で排気ガス中の
NOx(窒素酸化物)と還元反応させることによりNOx
の排出濃度を低減し得るようにしたものがある。
【0003】他方、理論空燃比より大きな空燃比で希薄
燃焼(リーンバーン)を行わせることにより大幅な燃費
の向上を図り得ることが広く知られているが、このよう
な希薄燃焼運転を行うことを想定したディーゼルエンジ
ンに関してもNOxの排出濃度を低減することは重要な
課題となっている。
【0004】しかしながら、一般的に、希薄燃焼運転時
における酸素過剰存在下では、NOx還元触媒上におい
て、還元剤がNOxと反応するよりも先に酸素と反応し
てしまうので、希薄燃焼運転時における実用化レベルの
高いNOx低減効果を得ることが難しかった。
【0005】そこで、希薄燃焼運転時においてもNOx
を低減し得る触媒として、排気ガス中の酸素濃度が高い
希薄燃焼運転時にNOxを酸化して硝酸塩の状態で一時
的に吸蔵し且つ排気ガスへの還元剤の直接添加や筒内燃
焼時のポスト噴射などによるリッチスパイク(瞬間的な
リッチ燃焼:酸素濃度の低い濃空燃比燃焼)によりNO
xを分解放出して還元浄化する性質を備えたNOx吸蔵還
元触媒の実用化が現在進められている。
【0006】尚、この種のNOx吸蔵還元触媒として
は、白金・バリウム・アルミナ触媒や、イリジウム・白
金・バリウム・アルミナ触媒などが前述した如き性質を
有するものとして既に知られている(バリウムなどのア
ルカリ金属または、アルカリ土類金属は1g/l以
上)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなNOx吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置において
は、NOx吸蔵還元触媒に対するNOxの吸蔵時に、排気
ガス中のNOxの大半を占めるNOが、白金上にて排気
ガス中の酸素と選択的に反応してNO2となり、次い
で、このNO2がバリウムと反応して硝酸塩の状態で一
時的に吸蔵されるという二段階の反応を経て吸蔵が成さ
れるようになっているが、一般的に、NO2の実質的な
吸蔵に寄与するバリウムなどのアルカリ金属または、ア
ルカリ土類金属は、白金などの酸化反応の促進を担う貴
金属触媒成分に対しシンタリング(経時的な貴金属粒子
の凝集現象)を助長し易く、長時間の運転により白金な
どの貴金属触媒成分がシンタリングを起こしてNO2
生成に関する触媒性能が低下した際に、十分なNOx低
減効果を得られなくなる虞れがあった。
【0008】本発明は、上述の実情に鑑みてなされたも
のであり、長時間の運転によっても性能低下を招くこと
なく高いNOx低減効果を持続し得るようにした実用性
の高い排気浄化装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、排気ガスが流
通する排気管の途中に、排気ガス中の酸素濃度が高い時
にNOxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ
排気ガス中の酸素濃度が低い時に還元剤の介在によりN
Oxを分解放出して還元浄化するNOx吸蔵還元触媒を装
備すると共に、該NOx吸蔵還元触媒の前段には、排気
ガス中のNOと酸素とを選択的に反応させてNO2を生
成する機能を高めたNO2生成触媒を装備し、該NO2
成触媒より上流側に還元剤を適宜に添加し得るように構
成したことを特徴とする排気浄化装置、に係るものであ
る。
【0010】而して、このような排気浄化装置によれ
ば、排気ガス中の酸素濃度が高い希薄燃焼運転時に、排
気ガス中のNOxがNOx吸蔵還元触媒に硝酸塩の状態で
吸蔵されてNOxの低減化が図られることになるが、N
Ox吸蔵還元触媒の前段に装備されたNO2生成触媒を排
気ガスが通過する際に、排気ガス中のNOxの大半を占
めるNOが酸素と選択的に反応してNO2となり、この
反応性の高いNO2が後段のNOx吸蔵還元触媒に流れ込
んで効率良く硝酸塩の状態で吸蔵されることになるの
で、NOx吸蔵還元触媒におけるNO2の吸蔵反応が著し
く促進され、NOx吸蔵還元触媒を単独で用いる場合よ
りも高いNOx低減効果が得られる結果となり、しか
も、仮に長時間の運転によりNOx吸蔵還元触媒のNO2
の生成に関する触媒性能が低下したとしても、その前段
のNO2生成触媒にてNO2の生成過程が受け持たれてN
Oxの吸蔵能力の低下が回避されることになる。
【0011】即ち、前段のNO2生成触媒は、後段のN
Ox吸蔵還元触媒の場合の如きバリウムなどの硝酸塩の
吸蔵を担うアルカリ金属または、アルカリ土類金属成分
を含まずに製造されることになるので、長時間の運転に
よっても酸化反応の促進を担う触媒成分が性能低下する
ことがなく、後段のNOx吸蔵還元触媒側でのNO2の生
成に関する触媒性能が低下した後も前段のNO2生成触
媒にてNO2の生成に関する触媒性能が高く維持される
ことになる。
【0012】他方、排気ガスへの還元剤の直接添加や筒
内燃焼時のポスト噴射などによるリッチスパイク(瞬間
的なリッチ燃焼:酸素濃度の低い濃空燃比燃焼)で還元
剤を添加し、NOx吸蔵還元触媒からNOxを積極的に分
解放出させて該NOx吸蔵還元触媒の再生を図り、その
放出したNOxをNOx吸蔵還元触媒上で前記還元剤と反
応させて還元浄化させるに際しては、NOx吸蔵還元触
媒の前段のNO2生成触媒にて還元剤が酸素と反応して
熱分解することによりCOや水素が生じるので、これら
COや水素の増加によりNOx吸蔵還元触媒からのNOx
の分解放出反応及び該NOxの還元浄化反応が著しく促
進されることになる。
【0013】また、本発明においては、NOx吸蔵還元
触媒がパティキュレートフィルタに一体的に担持されて
いることが好ましく、このようにすれば、前段のNO2
生成触媒にて生成された反応性の高いNO2が酸化反応
熱を伴って後段のパティキュレートフィルタに流れ込
み、パティキュレートフィルタに捕集されているパティ
キュレートと反応する結果、該パティキュレートの燃焼
が助勢されて比較的低い着火温度にて効率良くパティキ
ュレートの燃焼除去が行われることになる。
【0014】更に、本発明においては、パティキュレー
トフィルタの直前又は直後に、フロースルー型の触媒モ
ノリスに担持された補助NOx吸蔵還元触媒が別途装備
されていることが好ましい。
【0015】即ち、フロースルー型の触媒モノリスに補
助NOx吸蔵還元触媒を担持させる場合の方が、目詰ま
りを気にせずにコンパクトに多くの触媒量を確保するこ
とが可能となり、特に大型車両などを対象とした場合
に、パティキュレートフィルタに一体的に担持させるだ
けでは不足しがちなNOx吸蔵還元触媒の容量を補うこ
とが可能となる。
【0016】また、本発明においては、未反応還元剤を
排気ガス中の酸素により酸化処理する機能を高めた還元
剤処理触媒が最終段に装備されていることが好ましく、
このようにすれば、未反応還元剤が排気ガスと共に大気
中に放出されてしまう虞れを未然に防止することが可能
となる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照しつつ説明する。
【0018】図1〜図5は本発明の形態例を示すもの
で、図中1はディーゼル機関であるエンジンを示し、図
1に示しているエンジン1では、ターボチャージャ2が
備えられており、エアクリーナ3から導いた空気4が吸
気管5を介し前記ターボチャージャ2のコンプレッサ2
aへと送られ、該コンプレッサ2aで加圧された空気4
が更にインタークーラ6へと送られて冷却され、該イン
タークーラ6からインテークマニホールド7へと空気4
が導かれてエンジン1の各シリンダに導入されるように
してある。
【0019】また、このエンジン1の各シリンダには、
図示しない燃料タンクからの液体燃料(軽油)がエンジ
ン1の各シリンダ内に噴射されて燃焼されるようにして
あり、エンジン1の各シリンダから排出された排気ガス
8がエキゾーストマニホールド9を介し前記ターボチャ
ージャ2のタービン2bへと送られ、該タービン2bを
駆動した排気ガス8が排気管10を介し車外へ排出され
るようにしてある。
【0020】そして、排気ガス8が流通する排気管10
の途中には、排気ガス8中の酸素濃度が高い時にNOx
を酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス
8中の酸素濃度が低い時に後述する還元剤11(軽油)
の介在によりNOxを分解放出して還元浄化するNOx吸
蔵還元触媒12がパティキュレートフィルタ13に一体
的に担持されて装備されている。
【0021】ここで、図2に示すように、パティキュレ
ートフィルタ13は、コージェライト等のセラミックか
ら成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区
画された各流路13aの入口が交互に目封じされ、入口
が目封じされていない流路13aについては、その出口
が目封じされるようになっており、各流路13aを区画
する多孔質薄壁13bを透過した排気ガス8のみが下流
側へ排出されて、前記多孔質薄壁13bの内側表面にパ
ティキュレートが捕集されるようにしてあり、前記NO
x吸蔵還元触媒12は、このパティキュレートフィルタ
13の全体に対して目詰まりを起こさない程度に含浸さ
れるようになっている。
【0022】また、NOx吸蔵還元触媒12の前段に
は、排気ガス8中のNOと酸素とを選択的に反応させて
NO2を生成する機能を高めたNO2生成触媒14が装備
されており、この種のNO2生成触媒14としては、例
えば、チタニア,シリカ,ジルコニア,アルミナを一種
類以上含む担体に白金(1〜10g/l)及びロジウム
(0.1〜5g/l)などの貴金属を図3に示す如きフ
ロースルー型の触媒モノリスに担持させて構成すること
が可能である。
【0023】更に、NOx吸蔵還元触媒12の直後に
は、前述したNO2生成触媒14と同様のフロースルー
型の触媒モノリス(図3参照)に担持された補助NOx
吸蔵還元触媒15が別途装備されており、この補助NO
x吸蔵還元触媒15によりNOx吸蔵還元触媒12の容量
が補われている。
【0024】即ち、フロースルー型の触媒モノリスに補
助NOx吸蔵還元触媒15を担持させる場合の方が、目
詰まりを気にせずにコンパクトに多くの触媒量を確保す
ることが可能となるので、特に大型車両などを対象とし
た場合に、パティキュレートフィルタに一体的に担持さ
せるだけでは不足しがちなNOx吸蔵還元触媒の容量を
効率良く補い得るようにしてあるのである。
【0025】また、前記補助NOx吸蔵還元触媒15の
後方の最終段には、未反応の還元剤11を排気ガス8中
の酸素により酸化処理する機能を高めた還元剤処理触媒
16が装備されており、この種の還元剤処理触媒16と
しては、例えば、アルミナを担体として白金(1〜10
g/l)を担持させたものなどで構成することが可能で
ある。
【0026】そして、前記NO2生成触媒14より上流
側の排気管10の適宜位置には、還元剤11を適宜に噴
射して排気ガス8中に添加し得るようにした還元剤添加
インジェクタ17が装備されており、NOxを吸蔵した
NOx吸蔵還元触媒12を再生する際に前記還元剤11
を噴射してリッチ雰囲気をつくりだせるようにしてあ
る。
【0027】而して、このような排気浄化装置によれ
ば、排気ガス8中の酸素濃度が高い希薄燃焼運転時に、
排気ガス8中のNOxがNOx吸蔵還元触媒12に硝酸塩
の状態で吸蔵されてNOxの低減化が図られることにな
るが、NOx吸蔵還元触媒12の前段に装備されたNO2
生成触媒14を排気ガス8が通過する際に、排気ガス8
中のNOxの大半を占めるNOが酸素と選択的に反応し
てNO2となり、この反応性の高いNO2が後段のパティ
キュレートフィルタ13に流れ込んで効率良くNOx吸
蔵還元触媒12に硝酸塩の状態で吸蔵されることになる
ので、NOx吸蔵還元触媒12におけるNO2の吸蔵反応
が著しく促進され、NOx吸蔵還元触媒12を単独で用
いる場合よりも高いNOx低減効果が得られる結果とな
る。
【0028】事実、図4に示す如きディーゼルエンジン
13モードでの平均的な実験結果によれば、NO2生成
触媒14がない場合に約60%程度のNOx低減率であ
ったものが、NO2生成触媒14を併用したことにより
約80%程度までNOx低減率を向上することが可能で
あった。
【0029】しかも、仮に長時間の運転によりNOx吸
蔵還元触媒12のNO2の生成に関する触媒性能が低下
したとしても、その前段のNO2生成触媒14にてNO2
の生成過程が受け持たれてNOxの吸蔵能力の低下が回
避されることになる。
【0030】即ち、前段のNO2生成触媒14は、後段
のNOx吸蔵還元触媒12の場合の如きバリウムなどの
硝酸塩の吸蔵を担うアルカリ金属または、アルカリ土類
金属成分を含まずに製造されることになるので、長時間
の運転によっても酸化反応の促進を担う触媒成分が性能
低下することがなく、後段のNOx吸蔵還元触媒12側
でのNO2の生成に関する触媒性能が低下した後も前段
のNO2生成触媒14にてNO2の生成に関する触媒性能
が高く維持されることになる。
【0031】また、NOx吸蔵還元触媒12からNOxを
積極的に分解放出させて該NOx吸蔵還元触媒12の再
生を図り、その放出したNOxをNOx吸蔵還元触媒12
上で前記還元剤と反応させて還元浄化させるに際し、還
元剤添加インジェクタ17から排気ガス8へ還元剤11
を直接添加すると、その還元剤11が前段のNO2生成
触媒14にて酸素と反応して熱分解することによりCO
や水素が生じるので、これらCOや水素の増加によりN
Ox吸蔵還元触媒12からのNOxの分解放出反応及び該
NOxの還元浄化反応が著しく促進されることになる。
【0032】他方、本形態例においては、NOx吸蔵還
元触媒12がパティキュレートフィルタ13に一体的に
担持されているので、前段のNO2生成触媒14にて生
成された反応性の高いNO2が酸化反応熱を伴って後段
のパティキュレートフィルタ13に流れ込み、該パティ
キュレートフィルタ13に捕集されているパティキュレ
ートと反応する結果、該パティキュレートの燃焼が助勢
されて比較的低い着火温度にて効率良くパティキュレー
トの燃焼除去が行われることになる。
【0033】例えば、一般的なディーゼルエンジンにお
ける約60%程度の回転スピードでの検証実験では、図
5に示す如く、NO2生成触媒14がない場合にパティ
キュレートの着火温度が約350℃程度であったもの
が、NO2生成触媒14を併用したことにより約250
℃程度まで温度を下げることが可能であった。
【0034】尚、還元剤添加インジェクタ17により添
加された還元剤11のうちの未反応のまま残留したもの
は、最終段の還元剤処理触媒16により排気ガス8中の
酸素と反応して酸化処理されるので、未反応の還元剤1
1が排気ガス8と共に大気中に放出されてしまう虞れが
未然に防止される。
【0035】従って、上記形態例によれば、NOx吸蔵
還元触媒12の前段に装備されたNO2生成触媒14に
より、排気ガス8中のNOxの大半を占めるNOを酸素
と選択的に反応させてNO2とし、この反応性の高いN
2を後段のNOx吸蔵還元触媒12に流して効率良く硝
酸塩の状態で吸蔵させることができるので、NOx吸蔵
還元触媒12におけるNO2の吸蔵反応を著しく促進す
ることができ、しかも、後段のNOx吸蔵還元触媒12
側でのNO2の生成に関する触媒性能が低下した後も前
段のNO2生成触媒14にてNO2の生成に関する触媒性
能を高く維持することができてNOxの吸蔵能力の低下
を回避することができ、更には、還元剤11を添加して
NOx吸蔵還元触媒12の再生を図るのに際しても、N
Ox吸蔵還元触媒12の前段のNO2生成触媒14にて還
元剤11を酸素と反応させて熱分解させることによりC
Oや水素を増加してNOx吸蔵還元触媒12からのNOx
の分解放出反応及び該NOxの還元浄化反応を著しく促
進することができるので、長時間の運転によっても性能
低下を招くことなく高いNOx低減効果を持続すること
ができる。
【0036】尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態
例にのみ限定されるものではなく、NOx吸蔵還元触媒
とパティキュレートフィルタとを別体で配置しても良い
こと、また、NOx吸蔵還元触媒の再生を図るのに際し
ては、エンジン側で筒内燃焼時のポスト噴射などによる
リッチスパイク(瞬間的なリッチ燃焼:酸素濃度の低い
濃空燃比燃焼)をかけて還元剤(未燃燃料の熱分解成
分)の添加を行うようにしても良いこと、補助NOx吸
蔵還元触媒をパティキュレートフィルタの直前に配置し
ても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【0037】
【発明の効果】上記した本発明の排気浄化装置によれ
ば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【0038】(I)本発明の請求項1に記載の発明によ
れば、NOx吸蔵還元触媒におけるNO2の吸蔵反応、N
Oxの分解放出反応及び該NOxの還元浄化反応を著しく
促進することができ、しかも、後段のNOx吸蔵還元触
媒側でのNO2の生成に関する触媒性能が低下した後も
前段のNO2生成触媒にてNO2の生成に関する触媒性能
を高く維持することができてNOxの吸蔵能力の低下を
回避することができるので、長時間の運転によっても性
能低下を招くことなく高いNOx低減効果を持続するこ
とができる。
【0039】(II)本発明の請求項2に記載の発明に
よれば、前段のNO2生成触媒にて生成された反応性の
高いNO2を酸化反応熱と一緒に後段のパティキュレー
トフィルタに流し込んで該パティキュレートフィルタに
捕集されているパティキュレートと酸化反応させること
ができるので、パティキュレートフィルタに捕集された
パティキュレートを比較的低い着火温度にて効率良く燃
焼除去させることができる。
【0040】(III)本発明の請求項3に記載の発明
によれば、フロースルー型の触媒モノリスに補助NOx
吸蔵還元触媒を担持させる場合の方が、目詰まりを気に
せずにコンパクトに多くの触媒量を確保することができ
るので、特に大型車両などを対象とした場合に、パティ
キュレートフィルタに一体的に担持させるだけでは不足
しがちなNOx吸蔵還元触媒の容量を効率良く補うこと
ができる。
【0041】(IV)本発明の請求項4に記載の発明に
よれば、排気ガス中に残留した未反応の還元剤を最終段
の還元剤処理触媒により酸化処理して無害化することが
できるので、未燃の還元剤が排気ガスと共に大気中に放
出されてしまう虞れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施する形態の一例を示す概略図であ
る。
【図2】図1のパティキュレートフィルタの詳細を示す
断面図である。
【図3】図1のNO2生成触媒の詳細を一部を切り欠い
て示す斜視図である。
【図4】NOx低減効果について従来と比較したグラフ
である。
【図5】パティキュレートの着火温度について従来と比
較したグラフである。
【符号の説明】
8 排気ガス 10 排気管 11 還元剤 12 NOx吸蔵還元触媒 13 パティキュレートフィルタ 14 NO2生成触媒 15 補助NOx吸蔵還元触媒 16 還元剤処理触媒 17 還元剤添加インジェクタ
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F01N 3/02 F01N 3/24 E 3/24 3/28 301C 3/28 301 301D 301E 301F 301G B01D 53/36 102G 104A Fターム(参考) 3G090 AA03 BA01 EA02 3G091 AA10 AA18 AA28 AB02 AB06 AB13 BA00 BA07 BA14 BA15 CA18 CB02 CB03 DA01 DA02 DA04 DB10 FB10 FB12 GA06 GA20 GA24 GB01X GB02Y GB03Y GB04Y GB05W GB06W GB10X GB17X HA08 HA09 HA10 HA12 HA14 HA15 HA16 HA47 HB06 4D019 AA01 BA05 BB06 BC07 CA01 4D048 AA06 AA14 AB01 AB02 AC00 BA01X BA03X BA06X BA07X BA08X BA14X BA15X BA30X BA33X BB02 CC32 CC47 CD05

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 排気ガスが流通する排気管の途中に、排
    気ガス中の酸素濃度が高い時にNOxを酸化して硝酸塩
    の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中の酸素濃度が低
    い時に還元剤の介在によりNOxを分解放出して還元浄
    化するNOx吸蔵還元触媒を装備すると共に、該NOx吸
    蔵還元触媒の前段には、排気ガス中のNOと酸素とを選
    択的に反応させてNO2を生成する機能を高めたNO2
    成触媒を装備し、該NO2生成触媒より上流側に還元剤
    を適宜に添加し得るように構成したことを特徴とする排
    気浄化装置。
  2. 【請求項2】 NOx吸蔵還元触媒がパティキュレート
    フィルタに一体的に担持されていることを特徴とする請
    求項1に記載の排気浄化装置。
  3. 【請求項3】 パティキュレートフィルタの直前又は直
    後に、フロースルー型の触媒モノリスに担持された補助
    NOx吸蔵還元触媒が別途装備されていることを特徴と
    する請求項1又は2に記載の排気浄化装置。
  4. 【請求項4】 未反応還元剤を排気ガス中の酸素により
    酸化処理する機能を高めた還元剤処理触媒が最終段に装
    備されていることを特徴とする請求項1、2又は3に記
    載の排気浄化装置。
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