JP2004092584A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の排ガスに含まれるPMやHC,CO,NOx等の排ガス成分を低減する排気浄化装置に関し、NOx浄化能力を低下させることなくPMを極力低温で燃焼できるようにする。
【解決手段】内燃機関の排気通路に、排気中のパティキュレートを捕集するウォールフロー式のパティキュレートフィルタ3を設け、パティキュレートフィルタ3の捕集壁33の上流側に貴金属を含まないアルカリ金属系触媒8を担持させるとともに、パティキュレートフィルタ3の捕集壁33の下流側に吸蔵型NOx触媒7を担持させて構成する。
【選択図】    図2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排ガスに含まれるパティキュレート(PM)やHC,CO,NOx等の排ガス成分を低減する排気浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート(PM)と、HC,CO,NOx等の排ガス成分とを同時に低減するための技術が種々提案,開発されている。
このうち、PMを低減する技術としては、排気通路の途中にディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF又は単にフィルタという)を設け、このフィルタでPMを捕集するようにした技術が一般に広く知られている。
【0003】
また、排ガス成分を低減する技術としては、酸化雰囲気下でNOxを浄化できるようにしたリーンNOx触媒が開発されており、リーンNOx触媒としては、吸蔵型NOx触媒(以下、NOx吸蔵触媒又は単にNOx触媒という)が広く知られている。NOx吸蔵触媒では、酸化雰囲気では排気中のNOxが吸蔵(トラップ)され、酸素濃度が低下すると吸蔵されたNOxが放出還元されるようになっており、NOx吸蔵触媒から放出されたNOxの殆どが、エンジンから排出された未燃HC,COにより無害なN2 へと還元されてから大気へと排出される。
【0004】
また、リーンな空燃比での運転が続くとNOx吸蔵触媒はこれ以上NOxを吸蔵できない飽和状態となるため、一般にタイミングを見計らって空燃比を一時的に強制的にリッチにする制御(NOxパージ制御又はリッチスパイク制御という)が実行される。そして、このようなNOxパージ制御により、排気中の酸素濃度を低下させてNOx吸蔵触媒から放出させ、これにより、再びNOxを吸蔵しうる状態にNOx吸蔵触媒を再生するのである。
【0005】
また、上述以外にも、NOx吸蔵触媒をフィルタに担持させ、NOx吸蔵触媒の再生処理後にフィルタの再生処理をすることにより、NOx触媒再生時の反応熱を有効利用してフィルタ再生時に必要とする熱量を節減する技術が知られている(例えば特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特許第2722987号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フィルタの再生時には、極力低温でPMを燃焼させたいという要望がある。これは、高温でPMを燃焼させるとフィルタが熱劣化し、さらにはフィルタ自体が溶損する可能性があるからである。しかしながら、上記の特許文献1に開示された技術では、フィルタの再生温度、即ちPMの燃焼温度を低下させることは一切考慮されていない。
【0008】
一方で、PMの燃焼温度を低下させる手法として、フィルタにアルカリ金属(特に、カリウム)を担持させる手法が一般に知られており、大きな燃焼温度低下効果が得られる。このため、上記特許文献1に開示された技術にアルカリ金属を添加して燃焼温度の低下を図ることが考えられるが、この場合は、アルカリ金属がNOx触媒に含有される貴金属の酸化力を低下させてしまい、NOx触媒のNOx浄化性能が低下するという課題が生じる。このため、パティキュレート浄化性能の向上とNOx浄化性能の向上とを両立させることができない。
【0009】
つまり、アルカリ金属はPMの酸化能力(PM浄化能力)が高い反面、NOx触媒と共存させるとNOx吸蔵能力を低下させてしまうのである。これはアルカリ金属の電気陰性度が高いことによりアルカリ金属によりフィルタに担持されたPtの活性(酸化力)が低下するためであると考えられる
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、NOx触媒のNOx浄化能力を低下させることなく、フィルタに捕集されたPMを極力低温で燃焼できるようにした、内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1記載の本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ排気中のパティキュレートを捕集するウォールフロー式のパティキュレートフィルタと、上記パティキュレートフィルタの捕集壁の上流側に担持され、貴金属を含まないアルカリ金属系触媒と、上記パティキュレートフィルタの捕集壁の下流側に担持され、排気空燃比がリーンのときに排気中のNOxを吸収し排気中の酸素濃度が低下するとNOxを放出還元する吸蔵型NOx触媒とを備えたことを特徴としている。
【0011】
したがって、パティキュレートフィルタの捕集壁上流側に貴金属を含まないアルカリ金属系触媒を担持させることにより、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アルカリ金属系触媒の作用により低温で燃焼させることができ、フィルタの再生性能、ひいてはパティキュレート浄化性能が向上する。また、パティキュレートフィルタの捕集壁下流側に吸蔵型NOx触媒を担持させることにより、排気中のNOxが効率良く浄化される。さらに、アルカリ金属系触媒と吸蔵型NOx触媒とをパティキュレートフィルタ捕集壁の上流側と下流側とに分けて担持させるため、両者が相互に悪影響を及ぼすことがなく、総合的な排ガス性能が効果的に向上する。
【0012】
なお、好ましくは、上記アルカリ金属系触媒はカリウムを含み、上記吸蔵型NOx触媒はカリウムを含まずバリウム及び白金を含むように構成する。カリウムはパティキュレートの燃焼開始温度を低下させる効果が高く、このためパティキュレートの燃焼が促進される。また、バリウムは低温域でのNOx吸蔵性能に優れ白金は低温活性に優れる貴金属であるので比較的排気温度が低い領域で効率良くNOxが浄化される。
【0013】
また、上記吸蔵型NOx触媒に供給される排気の酸素濃度を定期的に低下させるNOxパージ制御を実行するように構成してもよい。そして、このようなNOxパージ制御を実行することにより、パティキュレート浄化性能が向上する。
さらには、上記パティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒を設けて構成してもよい。このように構成した場合、排気中のSOF分が酸化触媒により燃焼し易くなりパティキュレートの浄化性能が一層向上する。酸化触媒はフィルタとは別にフィルタ上流に配置するため、アルカリ金属系触媒が酸化触媒に悪影響を与えることがない。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の一実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置について説明すると、図1はその全体構成を示す模式図、図2はその要部構成を示す模式図であって、(a)はディーゼルパティキュレートフィルタ内を示す模式的な断面図、(b)はその捕集壁を拡大して示す模式的な断面図、図3,図4はいずれもその作用を説明するための図、図5は(a),(b)ともその変形例について説明する図である。
【0015】
図1において、符号1は内燃機関(エンジン)であって、本実施形態では公知のコモンレール式燃料噴射装置10を備えた直噴式のディーゼルエンジンが適用されている。
また、このエンジン1は、排ガスの一部を吸気系に還流させるEGR装置6を備えている。このEGR装置6は、主に吸気通路4と排気通路5とを連通するEGR通路6aと、上記EGR通路6aに設けられ還流される排ガス(EGRガス)の流量を制御するEGR弁6bと、上記EGR弁6bの作動状態を制御するEGR制御手段(図示省略)とにより構成されている。
【0016】
また、EGR制御手段はエンジン1を総合的に制御するコントローラ(ECU)11の一部としてECU11内に機能要素として構成されている。また、ECU11では、図示しない種々のセンサ類から検出信号に基づきエンジン1の運転状態を判定するようになっており、上記EGR制御手段では、ECU11で判定されたエンジン1の運転状態に応じて、EGR弁6bへの制御信号を出力するようになっている。
【0017】
また、エンジン1の排気通路5には上流側から順に酸化触媒2及びディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、単にフィルタ又はDPFという)3が配設されている。
このうち酸化触媒2は、HCをH2 OやCO2 に酸化したり、COをCO2 に酸化したり、PM中のSOFを酸化させてPMの燃焼を容易にしたりするものである。
【0018】
また、フィルタ3は、排ガス中のPMを捕集してPMの低減を図る機能と、NOxを吸蔵還元する機能とを有している。このうち、まずPMを捕集する機能について説明すると、フィルタ3は、図2(a)に示すように、一端側(排気上流端側)が開口し他端側(排気下流端側)が閉塞された第1流路31と、上述とは逆に一端側が閉塞され他端側が開口する第2流路32とを互いに隣接させて構成されたウォールフロー式パティキュレートフィルタとして構成されている。
【0019】
また、フィルタ3の担体は、例えばコージェライトやSiC等の多孔質の素材により形成されており、このため排ガスは各流路31,32の壁部(捕集壁)33を通過することができるようになっている。これにより、エンジン1から排出された排ガスは、第1流路31に流入した後、フィルタ3の壁部33を通って隣接する第2流路32に流入してフィルタ3から排出されるようになっている。そして、排ガスが壁部33を通り抜ける際に、壁部33においてPMが捕集されるようになっている。
【0020】
次に、NOxの吸蔵還元機能について説明すると、図2(b)に示すように、フィルタ3の壁部33の下流側の壁面(第2流路32側に露出する壁面)33bには、NOx触媒(NOx吸蔵触媒)7が担持されている。このNOx触媒7は、排気空燃比がリーンのときに排気中のNOxを吸収するとともに、排気中の酸素濃度が低下する(リッチ又はストイキオになる)とNOxを放出還元する吸蔵型のNOx触媒7であって、カリウムを含まずアルカリ土類金属(バリウム)と白金(Pt)とを含んで構成されている。
【0021】
ここで、これらの金属の特性について簡単に説明すると、白金は比較的低温で活性化するのでディーゼルエンジンに適しており、また、バリウム等のアルカリ土類金属は、低温でのNOx吸蔵能力がアルカリ金属に比べて高く使用温度帯がディーゼルエンジンに適しているほか、白金に悪影響を与えないという利点がある。なお、カリウム(アルカリ金属)は電気陰性度が高く白金の活性を低下させるため、このNOx触媒7には用いられていない。
【0022】
一方、フィルタ3の上流側の壁面(第1流路31側に露出する壁面)33aには、アルカリ金属系の触媒8が担持されている。このアルカリ金属系触媒8は白金等の貴金属を含まず、主にカリウムを含んで構成されている。これにより、排ガス中のPMは上記捕集壁33の上流側壁面33aにおいて捕集されるとカリウムの酸化作用により燃焼する。なお、アルカリ金属の担持量は金属換算で1〜50g/L程度が好ましい。
【0023】
ここで、カリウムはPMの酸化能力(PM浄化能力)が高く、また、図3に示すように、カリウムはPM酸化時(燃焼時)における燃焼開始温度が低く、フィルタ3への熱影響が非常に少ないという利点がある。しかしながら、従来はカリウムとNOx触媒7を共存させると、カリウムがNOx触媒7の白金に対して悪影響を及ぼしNOx吸蔵能力の低下を招いていた。
【0024】
これに対して、本実施形態では、カリウムを含むアルカリ金属系触媒8と白金を含む吸蔵型NOx触媒7とをフィルタ3の捕集壁33の上流側と下流側とに分けて担持させることにより、両者が相互に悪影響を及ぼすことがなく、NOx吸蔵能力とPMの酸化能力とをともに向上させることができる。
なお、本実施形態では、NOx触媒7及びアルカリ金属触媒8は、いずれも捕集壁33の壁面に塗布することにより担持されたものであって、例えば各触媒を粉体にしてフィルタ3の一方の側からNOx触媒7をフィルタ3内に流し、その後フィルタ3の他方からアルカリ金属触媒8をフィルタ3内に流すことにより、捕集壁33の各面33a,33bに担持されるようになっている。また、これ以外にも、一方の触媒を液体状にして捕集壁33に含浸させ、その後他方の触媒をフィルタの一方の側から流して捕集壁の片方の面に他方の触媒を担持させてもよい。この場合、捕集壁33の断面は、図5(a)や図5(b)に示すような状態となる。また、上記各触媒7,8をフィルタ3に担持させる手法については、上記のものに限定されるものではなく、種々の手法が適用可能である。
【0025】
ところで、ECU11にはNOxパージ制御手段(図示省略)が設けられており、NOx触媒7に吸蔵されたNOxが所定量に達すると、ECU11のNOxパージ制御手段では、NOxを還元する目的で空燃比を一時的にリッチとリーンとに切り換えるNOxパージ制御(エンジンモジュレーション)を行なうようになっている。
【0026】
このようなエンジンモジュレーション実行時には、上述のEGR制御手段によりEGR弁6bを全開又は所定開度にするとともに吸気絞り弁12を絞って排ガスに占める吸気(空気)の割合を低下させることにより空燃比をリッチ化する制御と、EGR弁6bを閉じ側にするとともに吸気絞り弁12を全開にして空燃比をリーン化する制御とを繰り返し実行するようになっている。
【0027】
これは、このようなエンジンモジュレーションを行なうことで、NOx触媒7を再生することができるほか、図4に示すように、エンジンモジュレーションを実行しない場合に比べて、フィルタ3のPMの浄化能力も大幅に向上するからである。このようなエンジンモジュレーションによるPM浄化能力の大幅な向上は、本願発明者により見出されたものであり、主に以下の理由により、PM浄化性能が向上すると考えられる。
▲1▼アルカリ金属によるPM酸化活性の促進
▲2▼NOxの吸脱着過程におけるNO2 によるPM酸化促進
▲3▼SOFの燃焼にともなうPM酸化促進
このうち、▲1▼はアルカリ金属の電気的な状態(電気陰性度が高い)が影響しているものと思われる。また、▲2▼はNOx触媒7におけるNOxの吸脱着が生じる際の反応の影響、もしくは活性酸素の影響ではないかと考えられる。また、▲3▼はリーンリッチ切り換え運転(エンジンモジュレーション)に起因しているものと考えられる。
【0028】
本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、上述のように構成されているので、エンジン1から排出された排ガスは、排気通路5を通って、まず酸化触媒2に流入する。そして、この酸化触媒2において、排ガス中のHCやCOが無害なCO2 やH2 Oに酸化されるとともに、排気中のSOF分が酸化作用により燃焼し易い状態となる。
【0029】
また、その後排ガスはフィルタ3に流入する。ここで、排ガスは上流側が開口した第1流路31に流入し、捕集壁33を通過して第2流路32に流入する。そして、この捕集壁33を通過する際に排ガス中のPMが捕集される。
そして、捕集されたPMは、捕集壁33の上流側に担持されたアルカリ金属系の触媒8の作用により酸化(燃焼)される。特にアルカリ金属触媒8はカリウムを含んでいるので、比較的低温(350〜370℃程度)でPMの酸化(燃焼)が行なわれる(図3参照)。したがって、フィルタ3に対する熱影響を極力低減することができ、フィルタ3の熱劣化を抑制することができる。これにより、フィルタ3の再生能力、ひいてはPMの浄化性能が向上する。
【0030】
また、PMが捕集された後、捕集壁33の下流側に担持されたNOx触媒7により排ガス中のNOxが吸蔵される。ここで、NOx触媒7はバリウムと白金とを含んでいるのでNOxが効率良く浄化される。つまり、バリウムは低温域でのNOx吸蔵能力に優れ、白金は低温活性に優れるという特性を有しているため、比較的排気温度が低い領域で効率良くNOxを浄化することができる。
【0031】
また、一般にカリウムはパティキュレートの燃焼開始温度を低下させる効果が高い反面、白金の酸化力を低下させるという問題があったが、本実施形態では、カリウムと白金とをパティキュレートフィルタ3の捕集壁33の上流側と下流側とにそれぞれ分けて担持しているので、カリウムによる白金への悪影響を回避できる利点がある。
【0032】
一方、NOx触媒7におけるNOx吸蔵量が所定値以上となると、エンジン1の空燃比をリッチとリーンとに交互に切り換えるエンジンモジュレーションが実行される。これは、本来はNOx触媒7におけるNOx吸蔵量がこれ以上吸蔵できなくなった場合にNOxを放出,還元するために実行されるものであって、このようなエンジンモジュレーションを実行することにより、NOx触媒7を再生することができる。さらには、エンジンモジュレーションを実行することで、エンジンモジュレーションをしない場合よりもPMの浄化効率を大幅に向上させることができるという利点もある(図4参照)。
【0033】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上述では、NOx吸蔵量が所定量以上となった場合にエンジンモジュレーションを行なうようになっているが、これ以外にも、例えば前回のエンジンモジュレーション終了時からのエンジン運転時間をカウントして、所定時間経過した時点でエンジンモジュレーションを実行するようにしてもよい。また、酸化触媒を廃止したり、エンジンモジュレーションを省略したりしても良い。
【0034】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項1に係る本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、パティキュレートフィルタの捕集壁上流側に貴金属を含まないアルカリ金属系触媒を担持させるため、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アルカリ金属系触媒の作用により低温で燃焼させることができ、パティキュレートフィルタの再生性能、ひいてはパティキュレート浄化性能を向上させることができる。
【0035】
また、パティキュレートフィルタの捕集壁下流側に吸蔵型NOx触媒が担持されるため、排気中のNOxを効率良く浄化できる。そして、アルカリ金属系触媒と吸蔵型NOx触媒とをパティキュレートフィルタ捕集壁の上流側と下流側とに分けて担持するため、両者が相互に悪影響を及ぼすような事態を未然に防止することができ、総合的な排ガス性能を効果的に向上させることができる。
【0036】
また、請求項2に係る本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、カリウムはパティキュレートの燃焼開始温度を低下させる効果が高いので、パティキュレートの燃焼を促進してパティキュレートの浄化性能を効果的に向上できる。また、バリウムは低温域でのNOx吸蔵性能に優れ白金は低温活性に優れる貴金属であるので比較的排気温度が低い領域で効率良くNOxを浄化できる。特に、カリウムはパティキュレートの燃焼開始温度を低下させる効果が高い反面、白金の酸化力を低下させる問題があるが、カリウムと白金とをパティキュレートフィルタの捕集壁の上流側と下流側とに分けて担持しているので、カリウムによる悪影響を効果的に防止できる。
【0037】
また、請求項3に係る本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、定期的に空燃比をリーンとリッチとの間で切り換えるようなNOxパージ制御(エンジンモジュレーション)を実行することにより、パティキュレートフィルタの浄化性能がさらに向上する利点がある。
また、請求項4に係る本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気中のSOF分が酸化触媒により燃焼し易くなりパティキュレートの浄化性能が一層向上する利点があるほか、酸化触媒をパティキュレートフィルタとは別にフィルタ上流に配置するため、アルカリ金属系触媒が酸化触媒に悪影響を与えることがないという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す模式図である。
【図2】本発明の一実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の要部構成を示す模式図であって、(a)はディーゼルパティキュレートフィルタ内を示す模式的な断面図、(b)はその捕集壁を拡大して示す模式的な断面図である。
【図3】本発明の一実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の作用を説明するための図である。
【図4】本発明の一実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の作用を説明するための図である。
【図5】(a),(b)とも本発明の一実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の変形例について説明する図である。
【符号の説明】
1 エンジン(内燃機関)
2 酸化触媒
3 フィルタ(パティキュレートフィルタ)
7 NOx触媒(吸蔵型NOx触媒)
8 アルカリ金属系触媒
11 ECU
33 捕集壁

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられ排気中のパティキュレートを捕集するウォールフロー式のパティキュレートフィルタと、
    上記パティキュレートフィルタの捕集壁の上流側に担持され、貴金属を含まないアルカリ金属系触媒と、
    上記パティキュレートフィルタの捕集壁の下流側に担持され、排気空燃比がリーンのときに排気中のNOxを吸収し排気中の酸素濃度が低下するとNOxを放出還元する吸蔵型NOx触媒とを備えた
    ことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
  2. 上記アルカリ金属系触媒はカリウムを含み、上記吸蔵型NOx触媒はカリウムを含まずバリウム及び白金を含んでいる
    ことを特徴とする、請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 上記吸蔵型NOx触媒に供給される排気の酸素濃度を定期的に低下させるNOxパージ制御を実行するNOxパージ制御手段を有する
    ことを特徴とする、請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 上記パティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒が設けられている
    ことを特徴とする、請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置。
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