JP2005048619A

JP2005048619A - ＮＯｘ浄化システム

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Publication number: JP2005048619A
Application number: JP2003204073A
Authority: JP
Inventors: Masashi Gabe; 正志我部; Taiji Nagaoka; 大治長岡
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: JP4396159B2

Abstract

【課題】排気ガス中のＮＯｘの浄化のためにＮＯｘ吸蔵還元型触媒を用いる排気ガス浄化システムにおいて、触媒温度が上昇するようなエンジンの過渡運転状態においても、ＮＯｘの大気中への排出を防止でき、しかも、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生制御の初期におけるＮＯｘの大気中への排出を防止できて、ＮＯｘ浄化率を著しく向上できるＮＯｘ浄化システムを提供する。
【解決手段】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒をそれぞれ備えた第１ＮＯｘ浄化装置２２と第２ＮＯｘ浄化装置２５を内燃機関Ｅの排気通路２０に上流側から順に直列に配設したＮＯｘ浄化システム１において、前記第１ＮＯｘ浄化装置２２から流出し、前記第２ＮＯｘ浄化装置２５に流入する排気ガスを冷却する排気ガス冷却装置２３を設けて構成する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸蔵及び放出・還元して浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた内燃機関のＮＯｘ浄化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジン等の内燃機関や様々な燃焼装置の排気ガス中からＮＯｘを還元除去するためのＮＯｘ触媒について種々の研究や提案がなされている。その一つに、ディーゼルエンジン用のＮＯｘ低減触媒としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えたＮＯｘ浄化装置があり、有効に排気ガス中のＮＯｘを浄化できる。
【０００３】
このＮＯｘ浄化装置の本体は、図４に示すような構造のモノリスハニカム３０Ｍで構成され、このモノリスハニカム３０Ｍは、図５に示すように、コーディエライト又はステンレスで形成されている構造材である担体３１により区画された多角形のセル３０Ｓを多数有している。このセル３０Ｓの壁面には、図５及び図６に示すように、アルミナやゼオライト等で形成された触媒担持層となる多孔質の触媒コート層３４が設けられ、この表面積を稼いでいる触媒コート層３４の表面に触媒金属（触媒活性金属）３２とＮＯｘ吸蔵物質（ＮＯｘ吸蔵材）３３を担持している。
【０００４】
この触媒金属３２は、白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒であり、酸化・還元反応を促進する。また、ＮＯｘ吸蔵物質３３は、バリウム（Ｂａ）等の物質であり、排気ガス中の酸素（Ｏ_２）濃度や一酸化炭素（ＣＯ）濃度や排気ガスの温度によってＮＯｘの吸蔵及びＮＯｘの放出の二つの機能を発揮する。
【０００５】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、ディーゼルエンジンや希薄燃焼ガソリンエンジン等の通常の運転時のように、流入する排気ガスの空燃比がリーン（高酸素濃度）状態であって雰囲気中にＯ_２が存在する場合には、図７に示すように、排気ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）が酸化機能を持つ触媒金属３２により酸化されて二酸化窒素（ＮＯ_２）となり、このＮＯ_２はバリウム等のＮＯｘ吸蔵物質３３に硝酸塩（Ｂａ_２ＮＯ_４）として蓄積される。
【０００６】
しかし、ＮＯｘの吸蔵を続けていくとバリウム等が全て硝酸塩に変化してＮＯｘ吸蔵機能を失ってしまう。そこで、エンジンの運転条件を変えて、排気ガス中にＯ_２が存在せず、一酸化炭素濃度が高く、排気温度も高い排気ガス（過濃燃焼排気ガス：リッチスパイクガス）を発生させてＮＯｘ吸蔵還元型触媒に送る。
【０００７】
そして、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比やリッチ（低酸素濃度）状態になって雰囲気中にＯ_２が無くなり、一酸化炭素濃度と排気ガスの温度も上昇すると、図８に示すように、ＮＯｘを吸蔵した硝酸塩はＮＯ_２を放出し、元のバリウムに戻る。この放出されたＮＯ_２は、排気ガス中にＯ_２が存在しないので、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、Ｈ_２を還元剤として酸化機能を持つ触媒金属３２上で還元されてＮ_２となり、排気ガス中の諸成分は、ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ，Ｎ_２等の無害な物質として大気中に放出される。
【０００８】
そのため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた排気ガス浄化システムでは、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和に近くなると、ＮＯｘ吸蔵能力回復用のリッチ制御を行うことにより、排気ガスの空燃比をリッチにし、これにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガスの酸素濃度を低下、一酸化炭素濃度を上昇させて、吸収したＮＯｘを放出させて、この放出されたＮＯｘを金属触媒により還元させる再生制御を行っている。なお、この再生制御の際には、リッチ状態時に放出されるＮＯｘを還元するのに必要十分な量のＨＣやＣＯ等の還元剤を供給する必要がある。
【０００９】
また、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵量は、ＮＯｘ吸蔵物質におけるＣＯとＮＯ_２の平衡濃度で決まっており、触媒の温度に大きく依存し、低温では大きいが高温では低下する。そのため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度が低温から高温に変化すると、触媒温度の上昇と共にＮＯｘ吸蔵量が低下するため、この低下した吸蔵容量分だけＮＯｘを放出してしまうことになる。
【００１０】
従って、触媒温度が変化するような過渡的なエンジンの運転状態が継続すると、触媒温度の上昇時にＮＯｘが放出されるため、ＮＯｘ浄化性能は著しく低下することになる。図９にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を単独で設けたＮＯｘ浄化システムにおける、エンジントルクＱ、触媒入口温度Ｔｉ、触媒出口温度Ｔｏ、触媒入口ＮＯｘ濃度Ｃｉ，触媒出口ＮＯｘ濃度Ｃｏを示す。エンジン回転数を一定とした場合であるが、エンジントルクＱが増加してＮＯｘ吸蔵還元型触媒の温度が上昇すると吸蔵していたＮＯｘが放出され、触媒出口ＮＯｘ濃度Ｃｏが触媒入口ＮＯｘ濃度Ｃｉよりも高くなりＮＯｘ浄化率が悪化するのが分かる。
【００１１】
また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒がＮＯｘで飽和状態になり触媒再生の為にリッチ燃焼制御に入ると、高温の排気ガスにより触媒温度が急激に上昇し、急速にＮＯｘ吸蔵物質からＮＯｘが放出されるため、触媒金属によるＮＯｘ還元反応が追いつかず、リッチ燃焼制御の初期にＮＯｘが大気中に排出されてしまうという問題もある。そのため、吸蔵機能の触媒温度依存性や触媒再生初期におけるＮＯｘの放出等を考慮する必要があり、様々な工夫をしたＮＯｘ浄化システムが提案されている。
【００１２】
その一つに、ＮＯｘ吸収剤（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）を間隔を置いて直列に配置し、上流側の第１ＮＯｘ吸収剤では排気ガスが比較的低温の時のＮＯｘを吸収すると共に、下流側の第２ＮＯｘ吸収剤では、排気ガスが比較的高温の時の排気ガスに含まれているＮＯｘと、排気ガス温度の上昇により第１ＮＯｘ吸収剤から自然放出されるＮＯｘを吸収することにより、広い排気温度範囲でＮＯｘが大気中に放出されるのを防止する内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１３】
更に、第１ＮＯｘ吸収剤をバイパスする冷却フィン付き通路を設け、切換弁により流路を選択可能に形成し、排気ガス温度が低い時には第１ＮＯｘ吸収剤側を選択して、第１ＮＯｘ吸収剤と第２ＮＯｘ吸収剤の二段構えでＮＯｘを浄化し、排気ガス温度が高い時には冷却フィン付き通路側を選択して、排気ガスを冷却してから第２ＮＯｘ吸収剤でＮＯｘを浄化する内燃機関の排気浄化装置も提案されている（同じく特許文献１参照。）。
【００１４】
【特許文献１】
特開平６−１１７２２１号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＮＯｘ吸収剤を間隔を置いて直列に配置した内燃機関の排気浄化装置においては、排気ガス温度の上昇により第１ＮＯｘ吸収剤から自然放出されたＮＯｘを第２ＮＯｘ吸収剤により吸収し、排気ガス温度が上昇するようなエンジンの過渡状態におけるＮＯｘの大気中への排出の防止を図っているが、高温の排気ガスにより第２ＮＯｘ吸収剤も温度上昇するので、第２ＮＯｘ吸収剤の吸収能力が低下し、ＮＯｘの大気中への排出の防止が十分に行われないおそれがあるという問題がある。
【００１６】
この下流側の第２ＮＯｘ吸収剤の吸収能力の確保のために、エンジンから十分な冷却距離をとって第２ＮＯｘ吸収剤を配置しようとすると、第２ＮＯｘ吸収剤の容量が大きいため車両のレイアウト上困難な場合も多く、また、十分な冷却距離を取らずに、吸収能力を十分に大きくしようとすると、容量が大きくなり、配置場所や製造コスト等で実用化に問題が生じる。
【００１７】
そして、第１ＮＯｘ吸収剤をバイパスする冷却フィン付き通路を設けた内燃機関の排気浄化装置においては、第２ＮＯｘ吸収剤を再生する再生制御では、リッチ燃焼を行わずにリーン燃焼に還元剤供給弁から還元剤を供給して排気ガスをリッチ状態にしているが、排気温度が高い時には冷却フィン付き通路側を選択して排気ガスを冷却する構成となっているので、第２ＮＯｘ吸収剤から放出されるＮＯｘの浄化に必要な触媒温度が得られないおそれがある。触媒温度が低いままであると、触媒が活性化せずＮＯｘの還元ができないので、放出されたＮＯｘとＮＯｘの還元剤である大量のＨＣが未利用のまま大気中への排出され、排気ガスに対する浄化性能が著しく低下することになる。
【００１８】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、排気ガス中のＮＯｘの浄化のためにＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えた排気ガス浄化システムにおいて、触媒温度が上昇するようなエンジンの過渡運転状態においても、ＮＯｘの大気中への排出を防止でき、しかも、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生制御の初期におけるＮＯｘの大気中への排出を防止できて、ＮＯｘ浄化率を著しく向上できるＮＯｘ浄化システムを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するためのＮＯｘ浄化システムは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒をそれぞれ備えた第１ＮＯｘ浄化装置と第２ＮＯｘ浄化装置を内燃機関の排気通路に上流側から順に直列に配設したＮＯｘ浄化システムにおいて、前記第１ＮＯｘ浄化装置から流出し、前記第２ＮＯｘ浄化装置に流入する排気ガスを冷却する排気ガス冷却装置を設けて構成する。
【００２０】
この構成によれば、排気ガス冷却装置を設けているので、上流側の第１ＮＯｘ浄化装置から流出する排気ガスを冷却してから、下流側の第２ＮＯｘ浄化装置に流すことができる。そのため、上流側の第１ＮＯｘ浄化装置で浄化しきれなかったＮＯｘ、及び、排気ガス温度が上昇し上流側の第１ＮＯｘ浄化装置がＮＯｘ放出温度以上になって放出するＮＯｘ等を、下流の触媒温度が低い第２ＮＯｘ浄化装置で効率良く吸蔵して、ＮＯｘの大気中への排出を防止できる。
【００２１】
更に、ＮＯｘ吸蔵能力を回復させるための再生制御でリッチ燃焼した時に、このリッチ燃焼の初期に上流側の第１ＮＯｘ浄化装置から流出するＮＯｘを下流側の第２ＮＯｘ浄化装置で吸蔵できる。
【００２２】
そして、上記のＮＯｘ浄化システムにおいて、前記第１ＮＯｘ浄化装置の下流側と前記第２ＮＯｘ浄化装置の上流側とを連結するバイパス通路を設け、該バイパス通路に前記排気ガス冷却装置を配置すると共に、前記第１ＮＯｘ浄化装置から流出する排気ガスを直接前記第２ＮＯｘ浄化装置へ流す第１流路と、前記第１ＮＯｘ浄化装置から流出する排気ガスを前記バイパス通路の前記排気ガス冷却装置を経由させてから前記第２ＮＯｘ浄化装置へ流す第２流路とを切替可能にする切替弁を設けて構成する。
【００２３】
この構成によれば、切替弁の操作により、第２ＮＯｘ浄化装置に流入する排気ガスを、排気ガス冷却装置を通過させて冷却したり、通過させずにそのまま流入させたりすることを選択でき、エンジンから排出される排気ガスの温度に対してより適切に対応してＮＯｘをより効率よく浄化できる。
【００２４】
そして、上記のＮＯｘ浄化システムで、前記第１ＮＯｘ浄化装置と前記第２ＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ吸蔵能力の回復のための再生制御を行っていない場合において、前記第１ＮＯｘ浄化装置の触媒温度指標値がＮＯｘ放出温度未満の時は、前記第１ＮＯｘ浄化装置から流出する排気ガスを前記第１流路に流し、前記第１ＮＯｘ浄化装置の触媒温度指標値がＮＯｘ放出温度以上の時は、前記第１ＮＯｘ浄化装置から流出する排気ガスを前記第２流路に流すように構成する。
【００２５】
ここで使用している触媒温度指標値とは、触媒温度と相関を持つ物理量や数値であり、計測した触媒温度そのものや、触媒温度を推定できるような温度、例えば、計測した排気温度や、エンジンの負荷や回転数から予め入力したマップデータ等から推定した触媒温度等をいう。一般的に、触媒温度を直接測定するのは難しいため、排気温度等で触媒温度の代用をする。
【００２６】
この構成によれば、第１ＮＯｘ浄化装置の触媒温度指標値がＮＯｘ放出温度未満の時は、排気ガスを冷却せずに第２ＮＯｘ浄化装置に送って二段構えでＮＯｘを浄化し、第１ＮＯｘ浄化装置の触媒温度指標値がＮＯｘ放出温度以上の時は、排気ガスを冷却してから第２ＮＯｘ浄化装置に送っているので、第１ＮＯｘ浄化装置で放出されるＮＯｘを、ＮＯｘ放出温度未満の第２ＮＯｘ浄化装置で効率良く浄化できる。
【００２７】
そして、前記第１ＮＯｘ浄化装置と前記第２ＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ吸蔵能力の回復のための再生制御を行っている場合においては、前記第１ＮＯｘ浄化装置から流出する排気ガスを前記第１流路に流すように構成する。
【００２８】
この再生制御時は、第１流路を選択して排気ガス冷却装置に排気ガスを通過させず、排気ガスを高温のまま第２ＮＯｘ浄化装置に流すことにより、この高温の排気ガスで第２ＮＯｘ浄化装置を再生することができる。
【００２９】
また、上記のＮＯｘ浄化システムにおいて、前記第２ＮＯｘ浄化装置を前記第１ＮＯｘ浄化装置よりも小型に形成する。この構成により、効率よくＮＯｘ吸蔵還元型触媒を配置できる。なお、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力は、低温の方が大きいので、同じ容量（ＮＯｘ吸蔵能力）であっても低温の排気ガスが流入する第２ＮＯｘ浄化装置の容量を高温の排気ガスが流入する第１ＮＯｘ浄化装置の容量よりも小さくすることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態のＮＯｘ浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
図１に示すように、第１の実施の形態のＮＯｘ浄化システム１を設けた自動車では、ディーゼルエンジンＥの燃料噴射を行うコモンレール噴射システム（燃料噴射システム）２及びエンジン全体を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる電子制御装置（電子制御ボックス）３が設けられている。このコモンレール噴射システム２は燃料タンク４から燃料を供給され、電子制御装置３はバッテリー５から電力供給される。
【００３２】
そして、図２に示すように、エンジンＥの吸気通路１０には、上流側からエアフローセンサ１１、ターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａ、インタークーラ１３が設けられている。また、排気通路２０には、上流側から、ターボチャージャ１２のタービン１２ｂ、第１排気温度センサ２１、第１ＮＯｘ浄化装置２２、排気ガス冷却装置２３、第２排気温度センサ２４、第２ＮＯｘ浄化装置２５、消音器２６が設けられている。更に、排気ガスの一部Ｇｅを吸気側に再循環するＥＧＲ通路４０が設けられ、このＥＧＲ通路４０にはＥＧＲクーラ４１とＥＧＲ弁４２が設けられている。
【００３３】
この排気ガス浄化システム１においては、空気Ａはエアフローセンサ１１、コンプレッサ１２ａ、インタークーラ１３を通過してエンジンＥの吸気マニホールドからシリンダ内に供給される。また、排気ガスＧは、エンジンＥの排気マニホールドを出て排気通路２０の第１ＮＯｘ浄化装置２２、排気ガス冷却装置２３、第２ＮＯｘ浄化装置２５を通過して浄化された排気ガスＧｃとなり、消音器２６を通過し大気中へ排出される。そして、排気ガスＧの一部であるＥＧＲガスＧｅは、ＥＧＲ通路４０を通って吸気マニホールドに入り再循環する。
【００３４】
そして、第１ＮＯｘ浄化装置２２と第２ＮＯｘ浄化装置２５は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を備えて形成される。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、図４〜図９に示すように、γアルミナやゼオライト等で形成したモノリスハニカムのセル３０Ｓの壁面を担体３１とし、この担持体３１の表面に触媒金属３２とＮＯｘ吸蔵物質（ＮＯｘ吸蔵材）３３を担持させて形成される。
【００３５】
この触媒金属３２は、活性開始温度より高い温度域で酸化活性を持つ白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等で形成することができる。また、ＮＯｘ吸蔵物質３３は、カリウム（Ｋ），ナトリウム（Ｎａ），リチウム（Ｌｉ），セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属、バリウム（Ｂａ），カルシウム（Ｃａ）等のアルカリ土類金属、ランタン（Ｌａ），イットリウム（Ｙ）等の希土類等のいずれか一つ又は組合せで形成することができ、ガス中の酸素濃度が高く、一酸化炭素濃度が低い時にはＮＯｘを吸蔵し、ガス中の酸素濃度が低く、一酸化炭素濃度と排気ガスの温度が高い時にはＮＯｘを放出する。
【００３６】
そして、このＮＯｘ吸蔵還元型触媒では、図７に示すように、排気ガスがリーン状態（希薄燃焼）の高酸素濃度雰囲気下では、排気ガス中のＮＯｘ触媒金属３２の触媒作用により酸化されてＮＯ_２となり、ＮＯ_３ ⁻の形で触媒内に拡散しＮＯｘ吸蔵物質３３に硝酸塩（Ｂａ（ＮＯ_３）_２）の形で吸収される。つまり、炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３）から硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ_３）_２）に変化することで、選択的にＮＯ_２を吸蔵する。
【００３７】
そして、図８に示すように、排気ガスがリッチ状態になり酸素濃度が低下し、一酸化炭素濃度と排気ガス温度が上昇すると、ＮＯ_３ ⁻がＮＯ_２の形でＮＯｘ吸蔵物質３３から放出される。つまり、硝酸バリウム（Ｂａ（ＮＯ_３）_２）から元のバリウムに戻る（炭酸バリウム）ことで、ＮＯ_２を放出する。この放出されたＮＯ_２は、排気ガス中に含まれている未燃ＨＣやＣＯやＨ_２等の還元剤により触媒金属３２の触媒作用を受けて、Ｎ_２に還元される。この還元作用により、大気中にＮＯｘが放出されるのを阻止することができる。
【００３８】
なお、ここでいう排気ガスのリッチ状態とは、必ずしもシリンダボア内でリッチ燃焼する必要はなく、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に流入する排気ガス中に供給した空気量と燃料量（シリンダボア内で燃焼した分も含めて）との比が理論空燃比に近いか理論空燃比より燃料量が多いリッチの状態であることをいう。
【００３９】
このＮＯｘ浄化システム１においては、第２ＮＯｘ浄化装置２５に流入する排気ガスの温度は、第１ＮＯｘ浄化装置２２に流入する排気ガスの温度よりも低くなるので、第２ＮＯｘ浄化装置２５は第１ＮＯｘ浄化装置２２よりも低温でＮＯｘを浄化することになり、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘの吸蔵能力は低温の方が大きいので、第２ＮＯｘ浄化装置２５を第１ＮＯｘ浄化装置２２よりも、小型に形成する。
【００４０】
この構成のＮＯｘ浄化システム１によれば、排気ガスＧは、上流側の第１ＮＯｘ浄化装置２２と下流側の第２ＮＯｘ浄化装置２５により二段構えでＮＯｘ浄化でき、上流側の第１ＮＯｘ浄化装置２２で浄化しきれなかったＮＯｘを下流の触媒温度が低い第２ＮＯｘ浄化装置２５で浄化して、ＮＯｘの大気中への排出を防止できる。
【００４１】
しかも、排気ガス冷却装置２３により、上流側の第１ＮＯｘ浄化装置２２から流出する排気ガスＧを冷却してから、下流側の第２ＮＯｘ浄化装置２５に流すことができるため、排気温度が上昇して上流側の第１ＮＯｘ浄化装置２２がＮＯｘ放出温度以上になってＮＯｘを放出する場合においても、第２ＮＯｘ浄化装置２５の温度は高温にならないので、触媒温度が低い第２ＮＯｘ浄化装置２５で効率良く吸蔵して、ＮＯｘの大気中への排出を防止できる。
【００４２】
そして、第１ＮＯｘ浄化装置２２と第２ＮＯｘ浄化装置２５の両方又は片方が、吸蔵したＮＯｘで飽和状態になった場合には、リッチ燃焼による再生制御を行うが、この再生制御による運転は、シリンダ内への燃料噴射制御による多段噴射の燃料噴射量や噴射時期の調整とＥＧＲ調整と吸気絞り調整等によって、排気ガスの状態を酸素濃度がゼロに近いリッチ状態にする。
【００４３】
このリッチ燃焼の初期に高温の排気ガスが上流側の第１ＮＯｘ浄化装置２２に流入し、急激に触媒温度が上昇し、第１ＮＯｘ浄化装置２２からＮＯｘが急激に放出されるために還元が間に合わずに下流側にＮＯｘが流出するが、このＮＯｘを下流側の第２ＮＯｘ浄化装置２５で吸蔵できる。なお、このリッチ制御の初期では、第１ＮＯｘ浄化装置２２でＮＯｘ吸蔵物質３３からＮＯｘが放出されて還元剤が消費されるため、後流の第２ＮＯｘ浄化装置２５では、還元雰囲気ではなくなり再生は殆ど行われず、ＮＯｘを吸蔵する。
【００４４】
そして、第１ＮＯｘ浄化装置２２の再生が進み、ＮＯｘ吸蔵能力が回復するに連れて、第２ＮＯｘ浄化装置２５が還元雰囲気となり、また、第２ＮＯｘ浄化装置２５の触媒温度も上昇するのでＮＯｘの放出及び還元による再生が開始される。この第２ＮＯｘ浄化装置２５の再生時には、上流側の第１ＮＯｘ浄化装置２２が高温になっているので、排気ガス中に供給されている未燃焼のＨＣ等の還元剤が、この第１ＮＯｘ浄化装置２２の触媒金属３２の触媒作用により酸化されてＣＯ等となっているので、効率よく第２ＮＯｘ浄化装置２５から放出されるＮＯｘの還元剤として消費されるので、ＮＯｘもＨＣやＣＯ等の還元剤も大気中へ排出されない。
【００４５】
次に、図３に示すような第２の実施の形態のＮＯｘ浄化システム１Ａについて説明する。
【００４６】
このＮＯｘ浄化システム１Ａでは、排気ガス冷却装置２３を第１ＮＯｘ浄化装置２２と第２ＮＯｘ浄化装置２５との間の通路に配設する代りに、第１ＮＯｘ浄化装置２２の下流側と第２ＮＯｘ浄化装置２５の上流側とを連結するバイパス通路５０を設け、このバイパス通路５０に排気ガス冷却装置２３を配置する。
【００４７】
つまり、第１ＮＯｘ浄化装置２２から流出する排気ガスＧ１を直接第２ＮＯｘ浄化装置２５へ流す第１流路２０Ａと、第１ＮＯｘ浄化装置２２から流出する排気ガスＧ１をバイパス通路５０の排気ガス冷却装置２３を経由させてから第２ＮＯｘ浄化装置２５へ流す第２流路２０Ｂとを設ける。
【００４８】
そして、この第１流路２０Ａと第２流路２０Ｂを切替可能にする切替弁５１、５２を設けて構成する。なお、図３では、第１切替弁５１と第２切替弁５２で流路を切り換えているが、一つの切替弁で流路を切り換えるように構成してもよい。
【００４９】
この切替弁５１，５２は、電子制御装置３により、第１ＮＯｘ浄化装置２２と第２ＮＯｘ浄化装置２５のＮＯｘ吸蔵能力の回復のための再生制御を行っていない場合においては、第１ＮＯｘ浄化装置２２の触媒温度指標値である第１排気温度センサ２１で検出される温度Ｔｉが、ＮＯｘ放出温度未満の時は、第１流路２０Ａを開いて第２流路２０Ｂを閉じて、第１ＮＯｘ浄化装置２２から流出する排気ガスＧ１を第１流路２０に流すように制御され、また、第１排気温度センサ２１で検出される温度ＴｉがＮＯｘ放出温度以上の時は、第１流路２０Ａを閉じて第２流路２０Ｂを開いて、第１ＮＯｘ浄化装置２２から流出する排気ガスＧ１を第２流路２０Ｂに流すように制御される。
【００５０】
そして、第１ＮＯｘ浄化装置２２と第２ＮＯｘ浄化装置２５の両方又は片方が吸蔵したＮＯｘで飽和状態になった場合には、第１の実施の形態と同様、再生制御を行うが、このリッチ燃焼による再生制御を行っている場合においては、第１ＮＯｘ浄化装置２２から流出する排気ガスＧ１を第１流路２０Ａに流すように制御される。
【００５１】
この構成によれば、切替弁５１，５２の操作により、第２ＮＯｘ浄化装置２５に流入する排気ガスＧ２を、排気ガス冷却装置２３を通過させて冷却したり、通過させずにそのまま流入させたりすることを選択でき、エンジンＥから排出される排気ガスＧの温度に対してより適切に対応しながらＮＯｘを効率よく浄化できる。
【００５２】
つまり、ＮＯｘ吸蔵能力を回復するための再生制御を行っていない場合には、第１ＮＯｘ浄化装置２２へ流入する排気ガスの温度ＴｉがＮＯｘ放出温度未満の時は、排気ガスを冷却せずに第２ＮＯｘ浄化装置２５に送り、二段構えでＮＯｘを浄化できる。また、排気ガスの温度ＴｉがＮＯｘ放出温度以上の時は、冷却してから排気ガスＧ２を第２ＮＯｘ浄化装置２５に送っているので、第１ＮＯｘ浄化装置２２で放出されるＮＯｘを、ＮＯｘ放出温度未満の第２ＮＯｘ浄化装置２５で効率良く浄化できる。
【００５３】
また、再生制御を行っている場合には、第１流路２０Ａを選択して排気ガス冷却装置２３に排気ガスＧ１を通過させず、排気ガスＧ１を高温のまま第２ＮＯｘ浄化装置２５に流すことにより、この高温の排気ガスで第２ＮＯｘ浄化装置２５を再生することができる。
【００５４】
この時、再生制御の初期においては、第１ＮＯｘ浄化装置２２が再生され未燃ＨＣ等の還元剤が消費されるため、後流の第２ＮＯｘ浄化装置２５では、還元雰囲気ではなくなるため、再生は行われない。この時、第１ＮＯｘ浄化装置２２の再生で発生し、第１ＮＯｘ浄化装置２２で還元されきれなかったＮＯｘは、第２ＮＯｘ浄化装置２５で吸収される。
【００５５】
そして、第１ＮＯｘ浄化装置２２が再生されてＮＯｘ吸蔵能力が回復するに連れて、第２ＮＯｘ浄化装置２５も還元雰囲気となり、また、触媒温度も上昇してくるので第２ＮＯｘ浄化装置２５の再生が開始され、ＮＯｘを放出し、放出されたＮＯｘは三元機能によって浄化される。この再生時には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒が高温に保たれ、放出ＮＯｘに対する浄化性能が高くＮＯｘ浄化性能が向上しているので、ＮＯｘの放出（ＮＯｘ放出スパイク）や未消費の還元剤の放出がなくなる。更に、この時には、上流側の第１ＮＯｘ浄化装置２２が高温になっているので、排気ガス中に供給されている未燃焼のＨＣ等の還元剤が、この第１ＮＯｘ浄化装置２２の触媒作用により酸化されてＣＯ等となり、排気ガスで昇温している第２ＮＯｘ浄化装置２５から放出されるＮＯｘの還元剤として効率よく消費されるので、還元剤の大気中への排出もなくなる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るＮＯｘ浄化システムによれば、排気ガス冷却装置により上流側の第１ＮＯｘ浄化装置から流出する排気ガスを冷却してから下流側の第２ＮＯｘ浄化装置に流すことができるので、第１ＮＯｘ浄化装置で浄化しきれなかったＮＯｘ、及び、第１ＮＯｘ浄化装置がＮＯｘ放出温度以上になって放出するＮＯｘ等を、触媒温度が低い第２ＮＯｘ浄化装置で効率良く吸蔵してＮＯｘの外気中への排出を防止できる。
【００５７】
また、ＮＯｘ吸蔵能力を回復させるための再生制御でリッチ燃焼した時に、このリッチ燃焼の初期に上流側の第１ＮＯｘ浄化装置から流出するＮＯｘを下流側の第２ＮＯｘ浄化装置で吸蔵できる。
【００５８】
従って、ディーゼルエンジンや希薄燃焼ガソリンエンジン等において、排気温度が上昇し触媒温度が上昇するようなエンジンの過渡運転状態においても、ＮＯｘの大気中への排出を防止でき、しかも、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の再生制御の初期におけるＮＯｘの大気中への排出を防止できて、ＮＯｘ浄化性能を著しく向上できる。
【００５９】
そして、バイパス通路に排気ガス冷却装置を配置し、切替弁の操作により、第２ＮＯｘ浄化装置に流入する排気ガスを、排気ガス冷却装置を通過させて冷却したり、通過させずにそのまま流入させたりするように構成した場合には、エンジンから排出される排気ガスの温度に対してより適切に対応してＮＯｘをより効率よく浄化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態のＮＯｘ浄化システムの構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態のＮＯｘ浄化システムの排気系統の構成を示す図である。
【図３】第２の実施の形態のＮＯｘ浄化システムの排気系統の構成を示す図である。
【図４】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のモノリスハニカムの図である。
【図５】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のモノリスハニカムの部分拡大図である。
【図６】モノリスハニカムのセルの壁の部分の拡大図である。
【図７】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の構成とリーン制御の時の状態（ＮＯ_２吸蔵）の浄化のメカニズムを模式的に示す図である。
【図８】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の構成とリッチ制御の状態（ＮＯ_２放出還元）の浄化のメカニズムを模式的に示す図である。
【図９】ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を単独で備えたＮＯｘ浄化装置における排気ガス温度とＮＯｘ浄化性能の関係を示す図である。
【符号の説明】
１，１ＡＮＯｘ浄化システム
２０排気通路
２０Ａ第１流路
２０Ｂ第２流路
２１第１排気温度センサ
２２第１ＮＯｘ浄化装置
２３排気ガス冷却装置
２５第２ＮＯｘ浄化装置
５０バイパス通路
５１，５２切替弁
Ｅエンジン（内燃機関）

Claims

ＮＯｘ吸蔵還元型触媒をそれぞれ備えた第１ＮＯｘ浄化装置と第２ＮＯｘ浄化装置を内燃機関の排気通路に上流側から順に直列に配設したＮＯｘ浄化システムにおいて、
前記第１ＮＯｘ浄化装置から流出し、前記第２ＮＯｘ浄化装置に流入する排気ガスを冷却する排気ガス冷却装置を設けたことを特徴とするＮＯｘ浄化システム。
前記第１ＮＯｘ浄化装置の下流側と前記第２ＮＯｘ浄化装置の上流側とを連結するバイパス通路を設け、該バイパス通路に前記排気ガス冷却装置を配置すると共に、前記第１ＮＯｘ浄化装置から流出する排気ガスを直接前記第２ＮＯｘ浄化装置へ流す第１流路と、前記第１ＮＯｘ浄化装置から流出する排気ガスを前記バイパス通路の前記排気ガス冷却装置を経由させてから前記第２ＮＯｘ浄化装置へ流す第２流路とを切替可能にする切替弁を設けたことを特徴とする請求項１記載のＮＯｘ浄化システム。
前記第１ＮＯｘ浄化装置と前記第２ＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ吸蔵能力の回復のための再生制御を行っていない場合において、前記第１ＮＯｘ浄化装置の触媒温度指標値がＮＯｘ放出温度未満の時は、前記第１ＮＯｘ浄化装置から流出する排気ガスを前記第１流路に流し、前記第１ＮＯｘ浄化装置の触媒温度指標値がＮＯｘ放出温度以上の時は、前記第１ＮＯｘ浄化装置から流出する排気ガスを前記第２流路に流すことを特徴とする請求項２記載のＮＯｘ浄化システム。
前記第１ＮＯｘ浄化装置と前記第２ＮＯｘ浄化装置のＮＯｘ吸蔵能力の回復のための再生制御を行っている場合においては、前記第１ＮＯｘ浄化装置から流出する排気ガスを前記第１流路に流すことを特徴とする請求項２又は３記載のＮＯｘ浄化システム。
前記第２ＮＯｘ浄化装置を前記第１ＮＯｘ浄化装置よりも小型に形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＮＯｘ浄化システム。