JP2006274984A - 排気後処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＯxパージ時においてスリップしたＨＣやＣＯを後段触媒によって的確に浄化可能な排気後処理装置を提供する。
【解決手段】 吸蔵型ＮＯx触媒(42)の排気上流側にＮＯxパージのためのＨＣ供給手段(50)を備えるとともに、吸蔵型ＮＯx触媒の排気下流側に少なくとも排気中のＨＣ、ＣＯを浄化可能な後段触媒(43)を備え、当該後段触媒をメタル担体に担持した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排気後処理装置に係り、特に、ディーゼルエンジンの排気通路に配設された排気後処理装置に関する。

近年、内燃機関（エンジン）の排気通路にＮＯx浄化用のＮＯx触媒を配した車両が実用化されており、最近では、酸素過剰雰囲気においてもＮＯxを浄化可能な吸蔵型ＮＯx触媒が開発されている。特に、ディーゼルエンジンでは、燃焼がリーン空燃比の下で実施されるため、排気中の酸素量が多く、ガソリンエンジンで実用化されている三元触媒は機能せず、排気通路に吸蔵型ＮＯx触媒を設けることは有効である。

吸蔵型ＮＯx触媒は、酸化雰囲気（酸素過剰状態）において排気中のＮＯxを硝酸塩Ｘ−ＮＯ₃として吸蔵し、該吸蔵したＮＯxを還元雰囲気で放出しＮ₂（窒素）に還元させる特性（同時に炭酸塩Ｘ−ＣＯ₃が生成される）を有した触媒として構成されている。
そして、ＮＯxを放出すべく吸蔵型ＮＯx触媒を還元雰囲気にするに際し、ディーゼルエンジンでは上述したように燃焼がリーン空燃比の下で実施されるため、ガソリンエンジンのようにリッチ空燃比運転を実施することが困難であり、定期的に吸蔵型ＮＯx触媒の排気上流側で排気中に燃料（軽油）を添加することが一般的に行われている。これにより、排気中にＨＣ（炭化水素）が供給されて還元雰囲気が良好に生成され、排気通路内や触媒内でＨＣの一部がＣＯに酸化し、吸蔵型ＮＯx触媒に吸蔵されたＮＯxの浄化還元（ＮＯxパージ）が行われる。

ところが、排気中への燃料の供給量が多いと、燃料が還元剤としての機能を果たさずにＨＣやＣＯがそのまま吸蔵型ＮＯx触媒をすり抜けて触媒下流側にスリップしてしまう場合があり、このような場合には排気エミッションが悪化するという問題がある。
そこで、スリップしたＨＣやＣＯを浄化することを目的として、ＮＯx触媒の排気下流側に三元触媒、即ち後段触媒を配設する技術が開発されている（特許文献１参照）。
特開２０００−１７０５２８号公報

しかしながら、ＮＯx触媒の下流に後段触媒を設けると、当該後段触媒の位置はエンジンから遠く離れて位置することになるため、一般に排気温度が低く、特にディーゼルエンジンでは上述の如く燃焼がリーン空燃比の下で実施されるために排気温度が極めて低く、後段触媒において安定した活性状態を得られないという問題がある。
このように後段触媒が十分に活性していないと、ＮＯxパージを行うべく吸蔵型ＮＯx触媒の排気上流側で燃料を添加（リッチスパイク）した際に、スリップしたＨＣやＣＯを後段触媒によって十分に浄化できず、好ましいことではない。

また、一般に後段触媒は熱容量が比較的大きなコージライト担体に担持されており、エンジン負荷の増大等により排気温度を上昇させたとしても後段触媒をなかなか活性させることができない一方、その間に後段触媒に付着したＨＣやＣＯが活性（ライトオフ）後に一気に反応（燃焼）して後段触媒の過昇温を招くという問題がある。このように、後段触媒が過昇温すると、後段触媒が早期に劣化することになり、好ましいことではない。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＮＯxパージ時においてスリップしたＨＣやＣＯを後段触媒によって的確に浄化可能な排気後処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の排気後処理装置は、内燃機関の排気通路に前段触媒として設けられ、酸化雰囲気中で排気中のＮＯxを吸蔵させ、還元雰囲気中で前記吸蔵させたＮＯxを放出し還元する機能を有する吸蔵型ＮＯx触媒と、該吸蔵型ＮＯx触媒の排気上流側に設けられ、排気中にＨＣを供給するＨＣ供給手段と、前記吸蔵型ＮＯx触媒の排気下流側に設けられ、少なくとも排気中のＨＣ、ＣＯを浄化可能な後段触媒とを備え、前記後段触媒がメタル担体に担持されていることを特徴とする。

このように吸蔵型ＮＯx触媒の排気下流に位置する後段触媒がメタル担体に担持されていると、メタル担体は単位体積当たりの熱容量がコージライト担体よりも小さいため、エンジン負荷の増大時等において触媒温度が早期に上昇して活性状態となり、吸蔵型ＮＯx触媒のＮＯxパージのためにＨＣ供給手段からＨＣが供給（リッチスパイク）され、このときＨＣやＣＯが排気下流側にスリップしても、当該スリップしたＨＣやＣＯが後段触媒によって良好に酸化除去される。

また、活性温度以下における後段触媒へのＨＣやＣＯの吸着量が低減されることにもなるため、後段触媒の活性後にこれらＨＣやＣＯが後段触媒上で一気に反応(燃焼）することが防止される。
また、例え後段触媒にＨＣやＣＯが吸着した状態で触媒が活性状態になったとしても、メタル担体は熱容量が小さく熱伝導率が高いため、ＨＣやＣＯの反応熱（燃焼熱）が速やかに分散する。

請求項２の排気後処理装置は、請求項１において、内燃機関がディーゼルエンジンであることを特徴とする。
これより、ディーゼルエンジンでは、燃焼がリーン空燃比の下で実施されるために排気温度が極めて低く、故に後段触媒の温度が低い傾向にあるのであるが、メタル担体を使用することで触媒温度が早期に上昇して活性状態となる。

請求項３の排気後処理装置は、請求項２において、さらに、前記排気通路に、前記吸蔵型ＮＯx触媒の排気下流側で且つ前記後段触媒の排気上流側に位置して排気中のパティキュレートマターを捕集するパティキュレートフィルタが設けられていることを特徴とする。
これより、ディーゼルエンジンでは、排ガス中にパティキュレートマター（ＰＭ）が多く含まれており、後段触媒の排気上流側にパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）を配設することで、当該ＰＭが当該ＤＰＦに捕捉され、このように捕捉されたＰＭは、例えば前段に配設された触媒へのＨＣ供給手段からのＨＣの供給により昇温されて良好に燃焼除去される（ＤＰＦ強制再生）。そして、このときにもＨＣやＣＯが排気下流側にスリップする可能性があるが、メタル担体の使用により後段触媒は早期に活性化するため、ＨＣやＣＯが排気下流側にスリップしても、やはり当該スリップしたＨＣやＣＯが後段触媒によって良好に酸化除去される。

請求項１の排気後処理装置によれば、後段触媒にメタル担体を使用したので、後段触媒を早期に活性化でき、吸蔵型ＮＯx触媒のＮＯxパージ時においてＨＣ供給手段からＨＣが供給され、このときＨＣやＣＯが排気下流側にスリップしたとしても、当該スリップしたＨＣやＣＯを後段触媒によって良好に酸化除去することができる。
また、活性温度以下における後段触媒へのＨＣやＣＯの吸着量が低減され、後段触媒の活性後にこれらＨＣやＣＯが後段触媒上で一気に反応(燃焼）することが防止されるので、後段触媒の過昇温による早期劣化を抑制することができる。

また、メタル担体は熱容量が小さく熱伝導率が高いので、後段触媒上に吸着したＨＣやＣＯの反応熱（燃焼熱）を速やかに分散させるようにでき、コージライト担体のように触媒の一部分で過昇温してしまうことを防止できる。
これにより、例えばＮＯxパージのためのリッチスパイクの実施頻度を増大させたり、ＨＣ供給手段からのＨＣ供給量を増加させてリッチスパイク深さを深くすることが可能となり、ＮＯx浄化率を向上させることができる。

請求項２の排気後処理装置によれば、内燃機関がディーゼルエンジンでは、排気温度が低いために特に後段触媒の温度が低い傾向にあるが、メタル担体を使用することで触媒温度を早期に上昇させて活性化することができる。
請求項３の排気後処理装置によれば、ＤＰＦ強制再生時においても、メタル担体の使用により後段触媒を早期に活性化でき、ＨＣやＣＯが排気下流側にスリップしても、やはり当該スリップしたＨＣやＣＯを後段触媒によって良好に酸化除去することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る排気後処理装置の一実施形態を説明する。
図１は本発明に係る排気後処理装置を含む内燃機関全体のシステム構成図であり、図１において、参照符号１は、内燃機関たとえばコモンレール式ディーゼルエンジンを示し、参照符号１０は、エンジン制御装置の主要部をなす電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を示す。

詳細な図示を省略するが、コモンレール式ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１は、ニードル弁ならびにこのニードル弁の先端側および基端側に設けられた燃料室および制御室を有した燃料インジェクタを気筒毎に備え、燃料室および制御室は燃料通路を介して蓄圧室に接続され、制御室は燃料戻し通路を介して燃料タンクに接続されている。そして、ＥＣＵ１０の制御下で、燃料インジェクタに設けられた電磁弁が開くと、蓄圧室内から供給された高圧燃料が燃料インジェクタを通じてエンジン１の燃焼室に噴射され、電磁弁が閉じると燃料噴射が終了するものとなっており、このように電磁弁の開閉弁時期を制御することで燃料噴射開始・終了時期（燃料噴射量）が調節される。

エンジン１は、吸気マニホールド１１に接続された吸気管１２と、排気マニホールド１３に接続された排気管（排気通路）１４とを有している。吸気管１２の途中には、過給機２０のコンプレッサ２１とインタークーラ３１と吸気スロットル弁３２が配されている。吸気スロットル弁３２の開度は、吸気スロットル弁駆動部３３を介してＥＣＵ１０により可変調整される。一方、排気管１４の途中には、過給機２０のタービン２２、排気ブレーキ１５、軽油添加インジェクタ５０、後処理装置４０および図示しないマフラが設けられている。

過給機２０のコンプレッサ２１とタービン２２は同期回転可能に連結され、エンジン１から排出される排気ガスの流れにより発生したタービン２２の回転力によりコンプレッサ２１を回転させ、コンプレッサ２１により加圧された吸気をエンジン１に供給するようになっている。この際、加圧されて高温になった空気はインタークーラ３１で冷却され、これにより吸入空気の密度を高めて充填効率を向上させてエンジン出力を増大するようにしている。

過給機２０にはタービン２２をバイパスする排気バイパス通路（図示略）が設けられ、このバイパス通路の途中に設けられた過給機２０のウエイストゲート２３をウエイストゲート駆動部２４を介してＥＣＵ１０により開閉制御してタービン回転数を増減させて、吸気管１２に供給される吸気の圧力を増減するようになっている。
図１中、参照符号３６は、排気マニホールド１３から吸気管１２に延びるＥＧＲ通路を示し、このＥＧＲ通路３６を介して排ガスの一部を再還流ガスとしてエンジン１に供給するようになっている。ＥＧＲ通路３６の途中には、再還流ガスを冷却してエンジン１へのガス充填密度を高めるＥＧＲクーラ３７と、再還流ガスのエンジン１への供給および供給遮断のためのＥＧＲ弁３８が設けられている。ＥＧＲ弁３８は、ＥＧＲ弁駆動部３９を介してＥＣＵ１０により開閉制御または開度調整される。

後処理装置４０は、これに流入した排ガスに含まれるＮＯｘおよびＰＭを低減するものである。本実施形態の後処理装置４０は、ＰＭを捕集して燃焼除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４１と、当該ＤＰＦ４１の前段に位置して酸化雰囲気（リーン空燃比）で排ガス中のＮＯxを吸蔵するとともに還元雰囲気（リッチ空燃比）で吸蔵させたＮＯxを放出し還元除去（ＮＯxパージ）するＮＯｘ吸蔵触媒（吸蔵型ＮＯx触媒）４２と、ＤＰＦ４１の後段に位置して余剰のＨＣ、ＣＯを酸化除去する後段触媒４３と、さらにＤＰＦ４１の前段に位置して軽油添加インジェクタ（ＨＣ供給手段）５０を有している。

ここで、本発明に係る後段触媒４３について説明すると、当該後段触媒４３は、例えば酸化触媒や三元触媒であり、メタル担体に活性金属を含む触媒層を担持して構成されている。メタル担体の材料としては耐食性を考慮してステンレススチール等が使用されるが、メタルであれば如何なるものであってもよい。
軽油添加インジェクタ５０は、ＮＯｘ吸蔵触媒４２のＮＯxパージ時にはＮＯｘ吸蔵触媒４２に対し還元雰囲気の生成及びＮＯxの還元剤として、或いはＤＰＦ４１に捕集されたＰＭを燃焼除去するＤＰＦ４１の強制再生時には前段のＮＯx吸蔵触媒４２を昇温させるとともにＤＰＦ４１を昇温させるために排ガス中に軽油（ＨＣ）を噴射するものであり、ＥＣＵ１０により軽油添加インジェクタ駆動部５１を介して開閉制御されるものになっている。この際、軽油添加インジェクタ５０からの軽油の噴射量は例えばエンジン回転速度と燃料噴射量とに基づいて決定される。

図１中、参照符号６０は触媒出口排気温度センサであり、ＮＯｘ吸蔵触媒４２とＤＰＦ４１との間に挿入された温度検出端を有し、ＮＯｘ吸蔵触媒４２の出口側における排気温度（広義には触媒温度）を検出するようになっている。
更に、ＥＣＵ１０には負荷センサ６１、クランク角センサ６２などの各種センサが接続されている。負荷センサ６１は、図示しないアクセルペダルの踏込量すなわちアクセル開度をエンジン負荷として検出し、クランク角センサ６２は、エンジン１のクランクシャフト（図示略）の回転をエンジン回転速度として検出するものである。

ＥＣＵ１０は、負荷センサ６１により検出されたエンジン負荷とクランク角センサ６２により検出されたエンジン回転速度とに基づいてエンジン１の運転領域を判別し、エンジン運転域に応じてエンジン１の各インジェクタ（図示略）の電磁弁をオンオフして燃料噴射タイミングおよび燃料噴射量を制御するものになっている。
以下、このように構成された本発明に係る排気後処理装置の作用及び効果について説明する。

上記構成のディーゼルエンジン１では、公知のように通常はリーン空燃比で運転され、このリーン空燃比運転中、ＮＯｘ吸蔵触媒４２は酸化雰囲気となり、エンジン１から排出される排ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）がＮＯｘ吸蔵触媒４２に吸蔵される。そして、ＮＯｘ吸蔵量が一定以上まで増大すると、軽油添加インジェクタ５０から軽油（ＨＣ）が排ガス中に添加（リッチスパイク）が行われ、ＮＯｘ吸蔵触媒４２が還元雰囲気となって上記吸蔵されていたＮＯｘが放出され、還元除去される。また、燃料中に含まれる硫黄分によりＮＯｘ吸蔵触媒４２がＳ被毒されるとＮＯｘ吸蔵触媒４２の排ガス浄化作用が低下するので、ＮＯｘ吸蔵触媒４２に吸蔵されたＳ成分を還元除去するＳパージを行うべく、軽油添加インジェクタ５０からの軽油添加に加え、燃料噴射時期を遅角したり膨張行程後半で追加燃料を噴射し更には排気ブレーキ１５や過給機ウエイストゲート２３等の吸排気アクチュエータをオン動作させるなどの、排気温度（触媒温度）を上昇させるための昇温制御も適宜実施される。

また、排ガス中に含まれるＰＭの大気中への排出量を低減するため、ＰＭがＤＰＦ４１により捕集されるが、ＰＭ捕集量が一定以上まで増大するとＤＰＦ４１の目詰まりによる排圧上昇によってエンジン運転性能が低下するおそれがあるので、このときには、捕集されたＰＭを燃焼除去してＤＰＦ４１を強制的に再生（ＤＰＦ強制再生）するため、やはり軽油添加インジェクタ５０から軽油（ＨＣ）を排ガス中に添加し、ＮＯｘ吸蔵触媒４２を昇温させてＤＰＦ４１を昇温させる。

ところで、このようにＮＯxパージ時やＳＯxパージ時或いはＤＰＦ強制再生時において軽油添加インジェクタ５０から軽油を添加するようにすると、当該添加されたＨＣ及び当該ＨＣが酸化したＣＯの一部が、ＮＯｘ吸蔵触媒４２やＤＰＦ４１をそのまま通り抜けて下流に流出（スリップ）してしまう場合がある。
しかしながら、このようにＮＯｘ吸蔵触媒４２やＤＰＦ４１からスリップしたＨＣ、ＣＯは、後段触媒４３によって良好に酸化除去される。

即ち、本発明に係る排気後処理装置では、後段触媒４３は活性金属を含む触媒層がメタル担体に担持して構成されているため、後段触媒４３の単位体積当たりの熱容量がコージライト担体よりも小さく、負荷増大時、例えば燃料噴射量を増大させたり、排気ブレーキ１５を閉じると共に過給機ウエイストゲート２３を開くなど、排気ブレーキ１５、ウエイストゲート２３、吸気スロットル弁３２、ＥＧＲ弁３８等を排気流量減少方向に制御することにより前段のＮＯｘ吸蔵触媒４２等の昇温を促進した場合、後段触媒４３が早期に上昇し、活性状態（ライトオフ状態）にある。

これより、ＮＯｘ吸蔵触媒４２のＮＯxパージのために軽油添加インジェクタ５０からＨＣを供給（リッチスパイク）し、或いはＤＰＦ４１の強制再生のためにＨＣを供給し、このときＨＣやＣＯが排気下流側にスリップしたとしても、当該スリップしたＨＣやＣＯが後段触媒４３によって良好に酸化除去される。
特に、ディーゼルエンジン１の場合、燃焼がリーン空燃比の下で実施されるために排気温度がガソリンエンジン等に比べて低く、故にＮＯｘ吸蔵触媒４２のＮＯxパージの実施時においても後段触媒４３の温度が低い傾向にあり、また、ＤＰＦ４１の強制再生に比べてＮＯxパージの実施頻度は高いのであるが、メタル担体により後段触媒４３が早期に活性化されることで、ＮＯxパージ時におけるＨＣ、ＣＯの浄化性能が向上する。

ここで、図２を参照すると、後段触媒４３にメタル担体を使用した場合の排気温度及び後段触媒４３の温度の時間変化並びにリッチスパイク時のＨＣ、ＣＯスリップ量の時間変化がそれぞれタイムチャートで示され、一方、図３を参照すると、後段触媒４３にコージライト担体を使用した場合の排気温度及び後段触媒４３の温度の時間変化並びにリッチスパイク時のＨＣ、ＣＯスリップ量の時間変化がそれぞれタイムチャートで示されているが、これらの図から明らかなように、コージライト担体を使用した場合には、負荷増大後においても後段触媒４３の温度はすぐには活性温度（ライトオフ温度）まで上昇せず、その間のリッチスパイクによりスリップしたＨＣ、ＣＯは殆ど浄化されず減少しない一方、本発明のようにメタル担体を使用した場合には、負荷増大後において速やかに後段触媒４３の温度がライトオフ温度まで上昇し、リッチスパイクによりスリップしたＨＣ、ＣＯが良好に浄化されて低減される。

また、図２、３からも明らかであるが、後段触媒４３にコージライト担体を使用した場合には、ライトオフ温度に達するまでの間、後段触媒４３にＨＣ、ＣＯが吸着し、これら吸着したＨＣ、ＣＯがライトオフ後に急激に反応（燃焼）して後段触媒４３が過昇温してしまうのであるが、本発明のようにメタル担体を使用した場合には、負荷増大後ライトオフ温度に達するまでの時間が短く、故に後段触媒４３にＨＣ、ＣＯが殆ど吸着せず、コージライト担体に視られるような過昇温が発生することがない。

また、メタル担体を使用した場合には、当該メタル担体は熱容量が小さく熱伝導率が高いため、例え後段触媒４３にＨＣ、ＣＯが吸着し、これら吸着したＨＣ、ＣＯがライトオフ後に急激に反応（燃焼）したとしても、当該反応熱（燃焼熱）は良好に分散され、コージライト担体に視られるように触媒の一部分で過昇温してしまうこともない。
このように、本発明に係る排気後処理装置では、エンジン１が特にディーゼルエンジンである場合において、ＤＰＦ強制再生時もさることながら、主としてＮＯxパージ時においてスリップしたＨＣ、ＣＯを後段触媒４３によって的確に浄化することができる。これにより、例えばＮＯxパージ時において、リッチスパイクの実施頻度をさらに増大させたり、軽油添加インジェクタ５０からの軽油（ＨＣ）供給量を増加させてリッチスパイク深さを深くすることが可能であり、後段触媒４３の早期劣化を好適に防止しつつ、ＮＯx浄化率のさらなる向上を図ることができる。

以上で本発明に係る排気後処理装置の一実施形態の説明を終えるが、本発明の実施形態は上記に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、ＨＣ供給手段として軽油添加インジェクタ５０を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、メイン噴射に続く膨張行程で追加燃料を噴射するポスト噴射を行うことにより排気管内にＨＣを供給するようにしても良い。

また、上記実施形態ではＮＯｘ吸蔵触媒４２とともにＤＰＦ４１を配設しているが、ＤＰＦ４１を用いない場合であってＮＯｘ吸蔵触媒４２と後段触媒４３だけからなる場合であっても本発明を好適に適用可能である。
また、ここではエンジン１をディーゼルエンジンとしたが、これに限られるものではない。

本発明に係る排気後処理装置を含む内燃機関全体のシステム構成図である。 後段触媒にメタル担体を使用した本発明の場合の排気温度及び後段触媒の温度の時間変化並びにリッチスパイク時のＨＣ、ＣＯスリップ量の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートである。 後段触媒にコージライト担体を使用した従来の場合の排気温度及び後段触媒の温度の時間変化並びにリッチスパイク時のＨＣ、ＣＯスリップ量の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートである。

符号の説明

１ エンジン（ディーゼルエンジン）
４０ 後処理装置
４１ ＤＰＦ（パティキュレートフィルタ）
４２ ＮＯｘ吸蔵触媒（吸蔵型ＮＯｘ触媒）
４３ 後段触媒
５０ 軽油添加インジェクタ（ＨＣ供給手段）

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に前段触媒として設けられ、酸化雰囲気中で排気中のＮＯxを吸蔵させ、還元雰囲気中で前記吸蔵させたＮＯxを放出し還元する機能を有する吸蔵型ＮＯx触媒と、
   該吸蔵型ＮＯx触媒の排気上流側に設けられ、排気中にＨＣを供給するＨＣ供給手段と、
   前記吸蔵型ＮＯx触媒の排気下流側に設けられ、少なくとも排気中のＨＣ、ＣＯを浄化可能な後段触媒とを備え、
   前記後段触媒がメタル担体に担持されていることを特徴とする排気後処理装置。
2. 内燃機関がディーゼルエンジンであることを特徴とする、請求項１記載の排気後処理装置。
3. さらに、前記排気通路には、前記吸蔵型ＮＯx触媒の排気下流側で且つ前記後段触媒の排気上流側に位置して排気中のパティキュレートマターを捕集するパティキュレートフィルタが設けられていることを特徴とする、請求項２記載の排気後処理装置。

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