JP2005233065A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率を得られるようにした排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気流路を成す排気管４の途中にＮＯx吸蔵還元触媒５を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒５の上流側に還元剤として軽油１３（燃料）を添加してＮＯxを還元浄化するように構成した排気浄化装置に関し、前記排気管４における軽油１３の添加位置（噴射ノズル８）とＮＯx吸蔵還元触媒５との間に、軽油１３をＨ₂とＣＯに分解するクラッキング触媒７を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

従来より、排気管の途中に装備した排気浄化用触媒により排気浄化を図ることが行われており、この種の排気浄化用触媒としては、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス中のＯ₂濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒が知られている。

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、白金・カリウム・アルミナ触媒等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。

そして、ＮＯx吸蔵還元触媒においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、定期的にＮＯx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスのＯ₂濃度を低下させてＮＯxを分解放出させる必要がある。

例えば、ガソリン機関に使用した場合であれば、機関の運転空燃比を低下（機関をリッチ空燃比で運転）することにより、排気ガス中のＯ₂濃度を低下し且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加してＮＯxの分解放出を促すことができるが、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼル機関の排気浄化装置として使用した場合には機関をリッチ空燃比で運転することが困難である。

このため、ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で排気ガス中に燃料（ＨＣ）を添加することにより、この添加燃料を還元剤としてＮＯx吸蔵還元触媒上でＯ₂と反応させることで排気ガス中のＯ₂濃度を低下させる必要がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３５６１２７号公報

しかしながら、このようにＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で燃料添加を行う方式では、その添加燃料が蒸発して生じたＨＣの一部がＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で排気ガス中のＯ₂と反応（燃焼）し、ＮＯx吸蔵還元触媒の周囲の雰囲気中におけるＯ₂濃度がほぼ零となってからＮＯxの分解放出が開始されることになるため、ＮＯx吸蔵還元触媒の表面上でＨＣがＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度（約２２０〜２５０℃）が得られない運転条件下（例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等）では、ＮＯx吸蔵還元触媒からＮＯxを効率良く分解放出させることができず、ＮＯx吸蔵還元触媒の再生が効率良く進まないことで触媒の容積中に占めるＮＯx吸蔵サイトの回復割合が小さくなって吸蔵能力が落ちるという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率を得られるようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、排気流路の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側に還元剤として燃料を添加してＮＯxを還元浄化するように構成した排気浄化装置であって、前記排気流路における燃料の添加位置とＮＯx吸蔵還元触媒との間に、燃料をＨ₂とＣＯに分解するクラッキング触媒を設けたことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、還元剤として添加した燃料が前段のクラッキング触媒にてＨ₂とＣＯに分解されるので、後段のＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯが従来のＨＣの燃焼温度より低い燃焼温度から排気ガス中のＯ₂と反応（燃焼）し、これによりＮＯx吸蔵還元触媒の周囲の雰囲気中におけるＯ₂濃度がほぼ零となってＮＯxの分解放出が開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯによりＮＯxが効率良くＮ₂に還元処理される結果、燃料から生成されたＨＣをそのままＮＯx吸蔵還元触媒上で反応させる場合よりも比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率が得られることになる。

更に、本発明においては、排気流路を成す排気管の途中にケーシングを介装し且つ該ケーシング内にクラッキング触媒及びＮＯx吸蔵還元触媒をまとめて収容することが可能であり、このようにすれば、クラッキング触媒にて燃料から分解されたＨ₂及びＣＯが直ちにＮＯx吸蔵還元触媒に送り込まれ、ＮＯxの分解放出反応及び還元浄化反応に効率良く使用されることになり、ＮＯx吸蔵還元触媒に到るまでの間に排気ガス中のＯ₂により無駄に消費されるＨ₂及びＣＯが必要最小限で済む。

他方、排気流路を成す排気マニホールドの出口部にクラッキング触媒を装備し且つ排気管の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備するようにしても良く、このようにすれば、排気マニホールドの出口部におけるエンジンから排出されたばかりの高温の排気ガスの熱が有効に活用され、クラッキング触媒での燃料の分解反応が最大限に促進される。

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。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、還元剤として添加した燃料を前段のクラッキング触媒にてＨ₂とＣＯに分解させ、これらの反応性の高いＨ₂及びＣＯにより比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率を得ることができるので、例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等のように低負荷で排気温度が低い運転状態が継続され易い運転条件下であっても、車外に排出される排気ガス中に含まれるＮＯxを従来より効果的に低減することができ、ＮＯx吸蔵還元触媒を用いた排気浄化装置の実用性を大幅に向上することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、クラッキング触媒にて燃料から分解されたＨ₂及びＣＯを直ちにＮＯx吸蔵還元触媒に送り込んでＮＯxの分解放出反応及び還元浄化反応に効率良く使用することができるので、ＮＯx吸蔵還元触媒に到るまでの間に排気ガス中のＯ₂により無駄に消費されるＨ₂及びＣＯを必要最小限に抑制することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、排気マニホールドの出口部におけるエンジンから排出されたばかりの高温の排気ガスの熱を利用し、クラッキング触媒での燃料の分解反応を最大限に促進させることができ、燃料から効率良くＨ₂及びＣＯを生成することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１に示す如く、本形態例の排気浄化装置においては、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４の途中に、フロースルー方式のハニカム構造を有するＮＯx吸蔵還元触媒５がケーシング６に抱持されて装備されており、このケーシング６内におけるＮＯx吸蔵還元触媒５の前段には、軽油をＨ₂とＣＯに分解するクラッキング触媒７が装備されている。

ここで、この種のクラッキング触媒７には、例えばゼオライトやシリカ・アルミナ等の複合酸化物を担体として、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ等を活性金属として担持させたものを用いれば良い。

更に、前記ケーシング６より上流側の排気管４には、噴射ノズル８が貫通設置されており、該噴射ノズル８と所要場所に設けた軽油タンク９との間が軽油供給管１０により接続されており、該軽油供給管１０の途中に装備した供給ポンプ１１の駆動と軽油噴射弁１２の開作動とにより軽油タンク９内の軽油１３（還元剤としての燃料）を噴射ノズル８を介しケーシング６の入側に添加し得るようにしてある。

そして、前記ディーゼルエンジン１には、その機関回転数を検出する回転センサ１４が装備されており、該回転センサ１４からの回転数信号１４ａと、アクセルセンサ１５（アクセルペダルの踏み込み角度を検出するセンサ）からの負荷信号１５ａとが制御装置１６に入力されるようになっている。

一方、制御装置１６においては、前述した回転センサ１４からの回転数信号１４ａと、アクセルセンサ１５からの負荷信号１５ａとから判断される現在の運転状態に基づきＮＯxの発生量が推定されると共に、その推定されたＮＯxの発生量に見合う軽油１３の添加量が更に算出され、必要量の軽油１３の添加が実行されるように前記制御装置１６から供給ポンプ１１への駆動指令信号１１ａと軽油噴射弁１２への開弁指令信号１２ａとが出力されるようになっている。

尚、図１中における１７はターボチャージャ、１８は吸気管、１９はインタークーラを示す。

而して、制御装置１６からの駆動指令信号１１ａにより供給ポンプ１１を駆動させると共に、開弁指令信号１２ａにより軽油噴射弁１２を開作動させることにより、現在の運転状態から推定したＮＯxの発生量に見合う添加量の軽油１３を噴射ノズル８から噴射させると、還元剤として添加した軽油１３が、前段のクラッキング触媒７において、Ｈ₂とＣＯに分解されるので、後段のＮＯx吸蔵還元触媒５の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯが従来のＨＣの燃焼温度より低い燃焼温度から排気ガス３中のＯ₂と反応（燃焼）し、これによりＮＯx吸蔵還元触媒５の周囲の雰囲気中におけるＯ₂濃度がほぼ零となってＮＯxの分解放出が開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒５の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯによりＮＯxが効率良くＮ₂に還元処理される結果、軽油から生成されたＨＣをそのままＮＯx吸蔵還元触媒５上で反応させる場合よりも比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率が得られることになる。

また、特に本形態例においては、ケーシング６内にクラッキング触媒７及びＮＯx吸蔵還元触媒５をまとめて収容しているので、クラッキング触媒７にて軽油から分解されたＨ₂及びＣＯが直ちにＮＯx吸蔵還元触媒５に送り込まれ、ＮＯxの分解放出反応及び還元浄化反応に効率良く使用されることになり、ＮＯx吸蔵還元触媒５に到るまでの間に排気ガス３中のＯ₂により無駄に消費されるＨ₂及びＣＯが必要最小限で済む。

従って、以上に述べた如き形態例によれば、還元剤として添加した軽油１３を前段のクラッキング触媒７にてＨ₂とＣＯに分解させ、これらの反応性の高いＨ₂及びＣＯにより比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率を得ることができるので、例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等のように低負荷で排気温度が低い運転状態が継続され易い運転条件下であっても、車外に排出される排気ガス３中に含まれるＮＯxを従来より効果的に低減することができ、ＮＯx吸蔵還元触媒５を用いた排気浄化装置の実用性を大幅に向上することができる。

事実、本発明者等が行った実験結果によれば、図２のグラフに示す如く、軽油１３から生成されたＨＣをそのままＮＯx吸蔵還元触媒５上で反応させたケースＡと、Ｈ₂をＮＯx吸蔵還元触媒５上で反応させたケースＢと、ＣＯをＮＯx吸蔵還元触媒５上で反応させたケースＣとを比較したところ、ケースＡよりもケースＣの方が低い温度領域から高いＮＯx低減率を得られることが確認され、更には、このケースＣよりもケースＢの方が低い温度領域から高いＮＯx低減率を得られることが確認されている。尚、図２のグラフにおける縦軸はＮＯx低減率を、横軸は触媒温度を夫々示している。

また、図３に示す如く、先に説明した本形態例の装置構成で軽油１３を添加したケースＸと、クラッキング触媒７を装備せずにＮＯx吸蔵還元触媒５だけを装備して軽油１３を添加したケースＹとを比較したところ、ケースＹよりもケースＸの方が低負荷領域（排気温度の低い運転領域）から高いＮＯx低減率を得られることが確認されている。尚、図３のグラフにおける縦軸はＮＯx低減率を、横軸はディーゼルエンジン１の負荷を夫々示している。

図４は本発明の別の形態例を示すもので、先に説明した図１の形態例におけるクラッキング触媒７を、ＮＯx吸蔵還元触媒５と同じケーシング６内に収容させるのではなく、排気流路を成す排気マニホールド２の出口部（ターボチャージャ１７のタービン入口）にクラッキング触媒７を装備するようにしており、これに対応して、軽油１３を添加するための噴射ノズル８を排気マニホールド２内に貫通設置してある。

而して、このようにすれば、排気マニホールド２の出口部におけるディーゼルエンジン１から排出されたばかりの高温の排気ガス３の熱が有効に活用され、クラッキング触媒７での軽油１３の分解反応が最大限に促進されることになり、軽油１３から効率良くＨ₂及びＣＯを生成することができる。

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、還元剤として添加される燃料には、一般的なディーゼルエンジン用燃料である軽油を用いる以外に、灯油等の異種燃料を用いても良いこと、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。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 ＮＯx低減率と触媒温度との関係を比較例と共に示すグラフである。 ＮＯx低減率と負荷との関係を比較例と共に示すグラフである。 本発明の別の形態例を示す概略図である。

符号の説明

２ 排気マニホールド（排気流路）
３ 排気ガス
４ 排気管（排気流路）
５ ＮＯx吸蔵還元触媒
６ ケーシング
７ クラッキング触媒
８ 噴射ノズル（燃料の添加位置）
１３ 軽油（還元剤としての燃料）

Claims (3)

1. 排気流路の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側に還元剤として燃料を添加してＮＯxを還元浄化するように構成した排気浄化装置であって、前記排気流路における燃料の添加位置とＮＯx吸蔵還元触媒との間に、燃料をＨ₂とＣＯに分解するクラッキング触媒を設けたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 排気流路を成す排気管の途中にケーシングを介装し且つ該ケーシング内にクラッキング触媒及びＮＯx吸蔵還元触媒をまとめて収容したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 排気流路を成す排気マニホールドの出口部にクラッキング触媒を装備し且つ排気管の途中に途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。

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