JP2004251141A - ディーゼル機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼル機関１の冷間始動時に排出される重質ＨＣを除去し、排気通路３内に配置されるＮＯｘトラップ触媒５の早期活性化を促し、排気を改善する。
【解決手段】ディーゼル機関１の排気通路３に配置されるＮＯｘトラップ触媒５より上流に、重質ＨＣトラップ触媒４を配置して、機関１の冷間始動時に排出される排気ガスのうち、ＮＯｘトラップ触媒５の早期活性化を阻害する重質ＨＣをトラップさせるようにした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル機関の排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から希薄燃焼を行う内燃機関において、排気ガス空燃比がリーンのときに排気ガス中に含まれるＮＯｘを触媒にトラップし、排気ガス空燃比をリッチに切り換えて、トラップしたＮＯｘを放出浄化する排気ガス処理装置が知られている。
【０００３】
特に低温におけるＮＯｘ処理の性能向上においては、特許文献１に開示されているように、排気ガスが２００℃という低温であっても希薄燃焼でのＮＯｘ処理を可能としている。
【０００４】
また、大気汚染の深刻化に伴い、排気規制も年々強化されているが、これに対応するには、機関の冷間始動時に排出される排気ガスの浄化を行わなければならず、火花点火を行う内燃機関においては、冷間始動時の炭化水素の浄化として、既にＨＣトラップ触媒システムを用いた自動車が実用化されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２３４７３７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、内燃機関、特に火花点火式の内燃機関において、冷間始動時のＨＣ低減技術は行われているが、冷間始動時のＮＯｘの低減は行われていないのが現状である。
【０００７】
一方、圧縮着火の内燃機関、すなわちディーゼル機関においては、冷間始動時から希薄燃焼であり、排気ガス温度が低く、冷間始動時の排気ガス低減をより困難なものとしている。これは、ディーゼル機関においては、排出される炭化水素には、火花点火式の場合に比べて重質のＨＣが多く、且つ排気ガス温度を上昇させるために排気ガス空燃比をガソリン機関と同じくストイキ（理論空燃比）にする場合には、空気を多く含むために、同様のストイキとするには多くの燃料を供給しなければならず、ＨＣ濃度もガソリン機関に比べて高くなってしまう。
【０００８】
そして、ディーゼル機関から排出される重質のＨＣは沸点が高く、触媒に多く付着すると、吸着被毒して触媒の早期活性化を阻害するため、機関の冷間始動時に排出される排気ガスが浄化されないまま空気中に放出されるという問題があった。
【０００９】
本発明はこのような問題に鑑み、ディーゼル機関の冷間始動時に排出される阻害要因を除去し、排気通路内に具備しているＮＯｘトラップ触媒の早期活性化を促し、冷間始動時に排出される排気ガスの改善をすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そのため本発明では、ディーゼル機関の冷間始動時に排出される排気ガスのうち触媒の早期活性化を阻害する排気ガス成分を減少させる機能を、ＮＯｘトラップ触媒よりも上流の排気通路内に具備させて、ＮＯｘトラップ触媒を早期に活性化するようにした。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、ディーゼル機関の冷間始動時において、ＮＯｘトラップ触媒に、触媒の早期活性化を阻害する排気ガス成分が流入するのを防止でき、触媒を他の排気ガス成分による酸化反応によって早期に活性させることができ、排気の改善を図ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、ディーゼル機関１の排気ガス浄化装置の構成図である。
【００１３】
ディーゼル機関１には、各気筒に対して燃料噴射弁２が各々設けられ、これらにコモンレール式燃料噴射装置が具備されている。燃料噴射弁２の燃料の噴射量及び噴射時期は、エンジン制御装置７によって制御される。ディーゼル機関１の排気通路３には、その上流から、重質ＨＣを減少させる手段としての重質ＨＣトラップ触媒４、ＮＯｘトラップ触媒５、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ：以下「ＤＰＦ」という）６の順に配置されている。
【００１４】
重質ＨＣトラップ触媒４は、ディーゼル機関１の冷間始動時に排出される排気ガスのうち、ＮＯｘトラップ触媒５の早期活性化を阻害する排気ガス成分である重質ＨＣ（重質の炭化水素）を減少させる。このため、重質ＨＣトラップ触媒４を通過した排気ガス中には、他の排気ガス成分である軽質ＨＣ、ＣＯ、及び酸素（Ｏ２）が含まれ、これらがＮＯｘトラップ触媒５に流入する。
【００１５】
この重質ＨＣトラップ触媒４は、具体的には、排気ガス中の重質ＨＣをトラップするβゼオライトと、温度上昇時に、トラップした重質ＨＣを脱離する際に浄化（Ｈ_２ＯとＣＯ_２とに酸化）する酸化触媒とを所定量塗布し、焼成したコージェライトハニカムである。
【００１６】
ＮＯｘトラップ触媒５は、重質ＨＣトラップ触媒４を通過した排気ガスが流入され、この排気ガスの空燃比がリーンの時にＮＯｘをトラップし、流入する排気ガスの空燃比がリッチの時にトラップしたＮＯｘを脱離浄化する。このＮＯｘトラップ触媒５は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈのうち少なくとも１つ以上の貴金属を所定量担持している。
【００１７】
ＤＰＦ６は、ＮＯｘトラップ触媒５を通過した排気ガスから、排気中の粒子状物質であるＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）をトラップする。このＤＰＦ６には、公知のウォールフローハニカムタイプのものや、筒の部分に多数の孔を設けた有底円筒状の芯部材にセラミックファイバーを幾層にも巻き回したものが利用できる。
【００１８】
次に、ディーゼル機関１の冷間始動時に排出される重質ＨＣを減少させる機能を実現する手段について説明する。
ディーゼル機関１は、始動直後から空燃比がリーンで運転するため、排気通路３から排出される排気ガス中には、ＨＣ（重質ＨＣと軽質ＨＣとを含む）、ＣＯとともにＯ２が多く存在する。
【００１９】
この排気ガスが重質ＨＣトラップ触媒４へ流入する際、触媒４が重質ＨＣをトラップする。ここで、重質ＨＣトラップ触媒４は、βゼオライトを含んでおり、その構造における空孔径を有している。このため、ＨＣ種の分子が大きければ（重質ＨＣであれば）その分子をトラップする。従って、ＨＣ種の分子がβゼオライト構造の空孔径より小さければ（軽質ＨＣであれば）、重質ＨＣトラップ触媒４を通過してＮＯｘトラップ触媒５に流入する。そして、排気ガス中のＣＯ及びＯ２も重質ＨＣトラップ触媒４を通過してＮＯｘトラップ触媒５に流入する。
【００２０】
そして、ＮＯｘトラップ触媒５では、流入した排気ガスに含まれる軽質ＨＣ及びＣＯと、Ｏ２とによる酸化反応（燃焼反応）が促進され、これにより触媒５の温度が上昇する。ここで、ＮＯｘトラップ触媒５は、所定温度（約１５０℃）以上になった場合にＮＯｘをトラップする機能を発揮する性質を有しており、ディーゼル機関１の冷間始動時における酸化反応による触媒５の昇温によって早期活性化が図られる。
【００２１】
また、ディーゼル機関１の重質ＨＣトラップ触媒４は、機関１の冷間始動時を脱した状態、すなわち通常運転時において排気ガスの温度が十分に高い状態のときに、重質ＨＣを脱離して浄化する。
【００２２】
次に、前述の重質ＨＣトラップ触媒４を有するディーゼル機関１（本発明）と、βゼオライトを用いずに酸化触媒のみを塗布して焼成したコージェライトハニカムを重質ＨＣトラップ触媒４の代わりに配置したディーゼル機関（比較例）とを比較した場合について、図２を用いて説明する。
【００２３】
図２は、重質ＨＣトラップ触媒４がある場合（本発明）と、βゼオライトを使用しないコージェライトハニカムがある場合（比較例）とのそれぞれについて、冷間始動後の時間（秒）とＮＯｘトラップ触媒５の内部温度（℃）とを示した図である。なお、図示の通り、ＮＯｘトラップ触媒５のＮＯｘトラップ開始温度は１５０℃である。
【００２４】
本実施形態のディーゼル機関では、ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘトラップ開始温度（１５０℃）まで昇温するのに６０秒経過している。一方、比較例のディーゼル機関では、ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘトラップ開始温度（１５０℃）まで昇温するのに９０秒経過している。
【００２５】
従って、本実施形態のディーゼル機関１では、比較例に対して、ＮＯｘトラップ触媒５が排気ガス中のＮＯｘをトラップし始める温度（約１５０℃）まで上昇するのが約３０秒短縮されており、冷間始動時のＮＯｘを早期に低減することができることを示している。
【００２６】
ここで、ディーゼル機関１は、始動直後から空燃比がリーンで運転するため、排気ガス中にはＨＣ（重質ＨＣ及び軽質ＨＣ）、ＣＯ、及びＯ２が存在する。比較例のディーゼル機関では、コージェライトハニカムがβゼオライトを有しないため、重質ＨＣがコージェライトハニカムでトラップされず、そのままＮＯｘトラップ触媒５に流入してしまう。そして、ＮＯｘトラップ触媒５に重質ＨＣが堆積してしまうため、触媒５のＮＯｘ放出・浄化機能が低下してしまう。
【００２７】
一方、本実施形態のディーゼル機関１では、ＮＯｘトラップ触媒５の低温活性を阻害する重質ＨＣが、ＮＯｘトラップ触媒５の上流に配置された重質ＨＣトラップ触媒４で低減されるので、ＮＯｘトラップ触媒５に軽質ＨＣ及びＣＯと、Ｏ２が流入する。そして、ＮＯｘトラップ触媒５において酸化反応（燃焼反応）による昇温が促進されるため、早期活性化が図られ、ＮＯｘの放出・浄化機能の確保が短時間で達成される。
【００２８】
なお、本実施形態の重質ＨＣトラップ触媒４は、排気ガス中のＨＣ（重質ＨＣ及び軽質ＨＣを含む）のうち炭素数が１０個以上、すなわちＨＣの沸点が１５０℃を超える重質ＨＣをトラップする。これは、図３に示すＨＣ種の炭素数と沸点との関係から、ＨＣ種の沸点が、ＮＯｘトラップ触媒５の活性温度（１５０℃）より高い重質ＨＣ、すなわちＨＣ種の炭素数が１０以上である一方、図２に示す通り、ＮＯｘトラップ触媒５のＮＯｘトラップ開始温度は１５０℃であるためである。すなわち、ＮＯｘトラップ触媒５の内部温度が１５０℃未満である時には、重質ＨＣトラップ触媒４が重質ＨＣをトラップし、ＮＯｘトラップ触媒５に重質ＨＣが流入するのを防止し、重質ＨＣトラップ触媒４の内部温度が十分に高い時には、触媒４がトラップした重質ＨＣを燃焼反応により浄化するためである。
【００２９】
本実施形態によれば、ディーゼル機関１の冷間始動時に排出される排気ガスのうち触媒５の早期活性化を阻害する排気ガス成分（重質ＨＣ）を減少させる機能を有し、この機能をＮＯｘトラップ触媒５よりも上流の排気通路３内に具備することによりＮＯｘトラップ触媒５を早期に活性化する。このため、ＮＯｘトラップ触媒５に、機関１の冷間始動時に排出される重質ＨＣの流入を抑制でき、触媒５への重質ＨＣの付着を防止できる。そして、ＮＯｘトラップ触媒５は、他の排気ガス成分（軽質ＨＣ、ＣＯ、及びＯ２）による酸化反応（燃焼反応）が促進され、早期に活性（昇温）することができ、排気改善が図れる。
【００３０】
また本実施形態によれば、触媒５の早期活性化を阻害する排気ガス成分を減少させる機能を実現するため、前記排気成分である重質の炭化水素（重質ＨＣ）を減少させる手段（重質ＨＣトラップ触媒４）を有し、排気ガス中の軽質の炭化水素（軽質ＨＣ）とＣＯとによりＮＯｘトラップ触媒５を早期活性化する。このため、重質ＨＣをＮＯｘトラップ触媒５の上流で減少させることができ、ＮＯｘトラップ触媒５には排気ガス成分のうち沸点の低い軽質ＨＣ、及びＣＯが流入させることができ、ＮＯｘトラップ触媒５での燃焼反応により触媒５の早期活性化を促進できる。
【００３１】
また本実施形態によれば、重質の炭化水素を減少させる手段は、重質の炭化水素をトラップする手段（重質ＨＣトラップ触媒４）である。このため、重質ＨＣは性質として沸点が高く、機関１の冷間始動時においてＮＯｘトラップ触媒５の活性温度（約１５０℃）に至らなければ浄化機能が発揮できないが、重質ＨＣを一時的に重質ＨＣトラップ触媒４にトラップする機能を設けることで、ＮＯｘトラップ触媒５の早期活性化を促すことができる。
【００３２】
また本実施形態によれば、重質の炭化水素をトラップする手段（重質ＨＣトラップ触媒４）は、ディーゼル機関１において排出される炭化水素のうち炭素の数が１０個以上の炭化水素をトラップする。このため、図３示す通り、炭素数が１０個以上の炭化水素は、沸点が約１５０℃を超えているので、ＮＯｘトラップ触媒５がＮＯｘをトラップし始める１５０℃に温度上昇することに対して何ら寄与せず、かつＮＯｘトラップ触媒５の表面上に付着してしまうと、ＮＯｘトラップ触媒５の早期活性化を阻害するので、炭素数が１０以上の炭化水素を排気通路３内のＮＯｘトラップ触媒５の上流で選択的にトラップし、軽質ＨＣ及びＣＯをＮＯｘトラップ触媒５に流入することによりＮＯｘトラップ触媒５の早期活性化が可能となる。
【００３３】
また本実施形態によれば、重質の炭化水素（重質ＨＣ）をトラップする手段（重質ＨＣトラップ触媒４）は、排気通路３中に流入する排気ガス温度が、ディーゼル機関１の冷間始動時における排気ガス温度を脱したときに、トラップしている重質の炭化水素を脱離して浄化する機能を有する。このため、機関１の冷間始動時の重質ＨＣをトラップする重質ＨＣトラップ触媒４には、トラップ量に限界があるため、冷間脱出後の重質ＨＣをトラップし続けると、トラップ量が飽和に達してしまうが、ＮＯｘトラップ触媒５のＮＯｘトラップ開始温度（１５０℃）よりも高い温度の排気ガスが重質ＨＣトラップ触媒４に流入することで、触媒４にトラップされた重質ＨＣを浄化することができ、大気中へ未浄化の炭化水素を放出することを未然に防止することができる。
【００３４】
また、重質ＨＣトラップ触媒４は、特に限定されるものではないが、装置の簡略化、コスト削減などのメリットを考慮すると、ゼオライトや活性炭といった骨格構造の細孔径によりトラップする炭化水素を制御する機能をもつ材料を用いることが望ましい。
【００３５】
また、例えば、ＮＯｘトラップ触媒５の活性温度が８５℃となるように触媒５の材料を変更する場合には、重質ＨＣトラップ触媒４は、炭素数６以上のＨＣをトラップするようにすることが望ましい。これは図３に示す通り、ＨＣ種の沸点が８５℃である場合には、炭素数が６であり、沸点が８５℃を超えるＨＣをトラップすることでＮＯｘトラップ触媒４へ重質ＨＣの流入を防止するためである。
【００３６】
次に、本発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。
第２実施形態では、ディーゼル機関にて発生するブローバイガスを、クランクケースから重質ＨＣトラップ触媒４とＮＯｘトラップ触媒５と間の排気通路３に導入するブローバイガス通路８を設けている。そして、ブローバイガス通路８には、ディーゼル機関１からのブローバイガスを制御する制御弁９と、ディーゼル機関１からのブローバイガス中の重質ＨＣを減少させる重質ＨＣトラップ触媒１０を配置している。制御弁９の開閉は、エンジン制御装置７により制御する。
【００３７】
この場合、制御弁９を開いた際に、ディーゼル機関１のブローバイガス通路８からのブローバイガス中の重質ＨＣが、重質ＨＣトラップ触媒１０によって除去されるため、ＮＯｘトラップ触媒５には軽質ＨＣが供給可能である。従って、エンジン制御装置７により制御弁９の開閉を制御することで、軽質ＨＣの供給量を制御可能である。
【００３８】
このため、機関１の冷間始動時に排出される重質ＨＣを重質ＨＣトラップ触媒４により減少させた後に、ＮＯｘトラップ触媒４に流入する軽質ＨＣが少ない可能性があるので、機関１のブローバイガス通路８から軽質ＨＣを補い、ＮＯｘトラップ触媒５の早期活性化を促進させることができる。
【００３９】
なお、排気通路３に、外部から軽質の炭化水素を導入する手段としては何ら限定するものではないが、ディーゼル機関１では、ガソリン機関のようなキャニスターパージによるＨＣ付加手段がないこと、また、外部から供給するためのＨＣ貯蔵手段を設けることによるコスト増加を考慮すると、ディーゼル機関１で発生するブローバイガス成分のうち、排気通路３に設けた重質ＨＣトラップ触媒４と同様の手段を用いて軽質ＨＣを導入することが望ましい。
【００４０】
次に、本発明の第３実施形態について図５を用いて説明する。
第３実施形態では、ディーゼル機関１の排気通路３に、ＮＯｘトラップ触媒５より上流に配置された断熱空室１１と、この空室１１に外部から空気を導入する空気導入通路１２とを設けている。そして、ディーゼル機関１の冷間始動時に排出される重質ＨＣは、空室１１において、ディーゼル機関１から流入する排気ガスと、空気導入通路１２から導入された空気との燃焼反応により、軽質ＨＣ及びＣＯとなる。このため、空室１１より下流に配置されたＮＯｘトラップ触媒５へ重質ＨＣの流入を抑制することができ、ＮＯｘトラップ触媒５に流入する排気ガス中には、軽質ＨＣ及びＣＯを多くすることができ、触媒５の昇温を早め、触媒５の早期活性化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディーゼル機関の排気ガス浄化装置の構成図
【図２】本発明と、比較例との機関において、冷間始動後の時間と触媒の温度とを示す図
【図３】ＨＣ種の炭素数と沸点とを示す図
【図４】第２実施形態に係るディーゼル機関の排気ガス浄化装置の構成図
【図５】第３実施形態に係るディーゼル機関の排気ガス浄化装置の構成図
【符号の説明】
１ ディーゼル機関
２ 燃料噴射弁
３ 排気通路
４ 重質ＨＣトラップ触媒
５ ＮＯｘトラップ触媒
６ ＤＰＦ
７ エンジン制御装置
８ ブローバイガス通路
９ 制御弁
１０ 重質ＨＣトラップ触媒
１１ 空室
１２ 空気導入通路

Claims (8)

1. ディーゼル機関の排気通路に、排気ガスの空燃比がリーンのときに排気通路内に流入するＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを排気ガスの空燃比がリッチのときに脱離浄化する機能を有したＮＯｘトラップ触媒を配置したディーゼル機関の排気ガス浄化装置において、
   ディーゼル機関の冷間始動時に排出される排気ガスのうち触媒の早期活性化を阻害する排気ガス成分を減少させる機能を有し、この機能をＮＯｘトラップ触媒よりも上流の排気通路内に具備することによりＮＯｘトラップ触媒を早期に活性化することを特徴とするディーゼル機関の排気ガス浄化装置。
2. 前記触媒の早期活性化を阻害する排気ガス成分を減少させる機能を実現するため、前記排気成分である重質の炭化水素を減少させる手段を有し、排気ガス中の軽質の炭化水素とＣＯとによりＮＯｘトラップ触媒を早期活性化することを特徴とする請求項１記載のディーゼル機関の排気ガス浄化装置。
3. 前記重質の炭化水素を減少させる手段は、重質の炭化水素をトラップする手段であることを特徴とする請求項２記載のディーゼル機関の排気ガス浄化装置。
4. 前記重質の炭化水素をトラップする手段は、ディーゼル機関において排出される炭化水素のうち炭素の数が１０個以上の炭化水素をトラップすることを特徴とする請求項３記載のディーゼル機関の排気ガス浄化装置。
5. 前記重質の炭化水素をトラップする手段は、排気通路中に流入する排気ガス温度が、機関の冷間始動時における排気ガス温度を脱したときに、トラップしている重質の炭化水素を脱離して浄化する機能を有することを特徴とする請求項３または請求項４記載のディーゼル機関の排気ガス浄化装置。
6. 排気通路中に具備した、前記重質の炭化水素を減少させる手段と前記ＮＯｘトラップ触媒との間に、外部から軽質の炭化水素を流入する手段を有し、外部から流入する軽質の炭化水素は、ディーゼル機関において発生するブローバイガスのうち重質の炭化水素を除去した炭化水素であることを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１つに記載のディーゼル機関の排気ガス浄化装置。
7. 前記触媒の早期活性化を阻害する排気ガス成分を減少させる機能を実現するため、前記排気成分である重質の炭化水素を軽質の炭化水素に変化させる手段を有することを特徴とする請求項１記載のディーゼル機関の排気ガス浄化装置。
8. 前記重質の炭化水素を軽質の炭化水素に変化させる手段は、排気通路内に配置された断熱空室と、前記空室に外部から空気を導入する手段とを具備し、前記空室に流入する排気ガスと空気とが反応し、前記空室において重質の炭化水素を燃焼反応により軽質の炭化水素及びＣＯにすることを特徴とする請求項７記載のディーゼル機関の排気ガス浄化装置。

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