JP2006348767A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＨＣの浄化性能を低下させることなくＮＯｘ浄化性能を向上させることができる内燃機関の排気浄化装置を提供すること。
【解決手段】 排気浄化装置(30)において、ケース(32)外周を覆うように保温材(34)を設け、ケース内部の排気上流側に設けられるＮＯｘ触媒(40)の担体をメタル担体(42)とし、当該メタル担体に担持される触媒層にトラップ剤を２０〜４０ｇ／Ｌの範囲で添加する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

環境保全の観点から、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の有害物質を低減させることを目的とした技術として、触媒上での反応を利用した排気浄化技術が知られている。
例えば、排気上流側に三元触媒を有するマニホールド触媒コンバータ設け、その排気下流側にＮＯｘ吸蔵触媒とＨＣ吸着触媒とを有する床下触媒コンバータを備えた排気浄化装置が開発されている（特許文献１参照）。
特開２００２−１２９９５１号公報

また、近年、さらなる燃費低減を実現するために、燃費特性に優れた希薄燃焼式エンジンのリーン運転域の拡大が図られている。
しかしながら、リーン運転域拡大に伴いＮＯｘの排出量が増加するため、極めて高いＮＯｘ浄化性能が要求されることとなり、上記特許文献１のような従来の排気浄化技術ではＮＯｘを十分に浄化することができないという問題が生じる。

ＮＯｘ浄化性能を向上させるためには、ＮＯｘ触媒に添加されＮＯｘをトラップする機能を有するトラップ剤を増加させる方法が考えられる。しかし、トラップ剤は、担体が従来一般的に使用されていたコージライト担体であると、担体内に侵入し担体を劣化させるという問題がある。
この場合、上記特許文献１のようにＮＯｘ触媒の担体にメタル担体を使用することでトラップ剤の担体内への侵入を防止することはできるが、当該メタル担体は熱容量が小さいため冷えやすく、触媒の活性化を妨げるため、ＨＣの浄化性能を悪化させるという問題がある。

本発明はこのような問題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、ＨＣの浄化性能を低下させることなくＮＯｘ浄化性能を向上させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供する。

上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に設けられ、メタル担体に担持される触媒層に、ＮＯｘをトラップするトラップ剤が２０〜４０ｇ／Ｌの範囲で添加されたＮＯｘ触媒と、該ＮＯｘ触媒の排気下流側に設けられ、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）の少なくとも１つの貴金属が添加された三元触媒と、前記ＮＯｘ触媒及び三元触媒を収納するケースと、該ケースの外周に設けられ、内部の温度を保温する保温手段とを備えることを特徴としている。

つまり、ＮＯｘ触媒の担体をトラップ剤が侵入しない上、高い熱伝導性及び低い熱容量を有するメタル担体とし、当該メタル担体に担持される触媒層に２０〜４０ｇ／Ｌという比較的多くのトラップ剤を添加するとともに、当該ＮＯｘ触媒と三元触媒とが収納されているケースの外周に保温材を設けることでケース内の温度を保温する。
請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に設けられ、メタル担体に担持される触媒層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）の少なくとも１つの貴金属が添加されるとともに、ＮＯｘをトラップするトラップ剤が２０〜４０ｇ／Ｌの範囲で添加されたＮＯｘ触媒と、該ＮＯｘ触媒を収納するケースと、該ケースの外周に設けられ、内部の温度を保温する保温手段とを備えることを特徴としている。

つまり、ＮＯｘ触媒の担体をトラップ剤が侵入しない上、高い熱伝導性及び低い熱容量を有するメタル担体とし、当該メタル担体に担持される触媒層に、三元機能を有する貴金属と、２０〜４０ｇ／Ｌという比較的多くのトラップ剤とを添加するとともに、当該ＮＯｘ触媒が収納されているケースの外周に保温材を設けることでケース内の温度を保温する。

請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１または２において、さらに前記ケースよりも排気上流側の前記排気通路に保温手段を備えることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１及び請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、トラップ剤の添加量を比較的多い２０〜４０ｇ／Ｌの範囲で添加させることでＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。さらに保温材を設けて触媒外周側における熱の放出を抑制することで、触媒の外周側まで均一に温度を上昇させることができ、ＨＣの浄化性能も向上させることができる。

また、ＮＯｘ触媒の担体はトラップ剤が侵入しないメタル担体であることから、多くのトラップ剤を添加しても担体の劣化を招くことがなく、メタル担体は熱伝導性が高く熱容量が低いため、触媒温度の上昇が早まり早期活性化を実現することができる。さらに、冷えやすいメタル担体であっても、保温材が設けられていることでメタル担体の温度は良好に維持され、ＨＣの浄化性能も確保することができる。

以上のことから、ＨＣの浄化性能を低下させることなくＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。
請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気浄化装置のケースよりも排気上流側の排気通路に保温手段を設けることで、排気浄化装置に流入してくるまでの排気の熱放出を抑制し、高温の排気を排気浄化装置に流入させることで、さらに保温性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、図２を参照すると本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の要部拡大断面図が示されている。以下、同図に基づき説明する。
図１に示すように、エンジン１（内燃機関）は燃焼室２に、点火を行う点火プラグ４と燃料を直接噴射可能なインジェクタ６とが臨んでいる所謂筒内噴射型のエンジンである。

また、燃焼室２には、エンジン１の略上下方向に延びる吸気ポート８と、エンジン１の略幅方向に延びる排気ポート１０とが連通している。
吸気ポート８には燃焼室２と当該吸気ポート８との連通と遮断を行う吸気弁１２が設けられ、排気ポート１０には燃焼室２と当該排気ポート１０との連通と遮断を行う排気弁１４が設けられている。

また、吸気ポート８は吸気マニホールド１６と、排気ポート１０は排気マニホールド１８と接続されている。
排気マニホールド１８は排気管２０と接続されており、当該排気管２０には排気浄化装置３０が設けられている。
また、排気浄化装置３０より排気上流側の排気管２０ａには、図２に詳しく示すように当該排気管２０の外周を覆うように保温材２２（保温手段）が設けられており、さらにその外周を覆うように排気管カバー２４が設けられている。

また、排気浄化装置３０のケース３２内部には、排気上流側にＮＯｘ触媒４０が設けられており、排気下流側に三元触媒５０が設けられている。
詳しくは、ＮＯｘ触媒４０は波板と平板により形成される多数のセルからなるメタル担体４２の表面に触媒層が担持されている。当該触媒層には、ＮＯｘをトラップする機能を有するトラップ剤としてカリウム（Ｋ）が添加されている。当該トラップ剤（カリウム）の添加量はＮＯｘ触媒４０の容量に対して２０〜４０ｇ／Ｌというトラップ剤（カリウム）の添加量としては比較的多い範囲内で決定されるものであり、例えば本実施形態では２５ｇ／Ｌ添加されている。なお、当該トラップ剤は、カリウム（Ｋ）の他にも、バリウム（Ｂａ）等のアルカリ金属またはアルカリ土類金属であっても構わない。

このように構成されているＮＯｘ触媒４０は、エンジン１のリーン空燃比運転（リーン運転）中の酸素濃度が高い雰囲気ではトラップ剤（カリウム）によりＮＯｘをトラップし、理論空燃比運転（ストイキ運転）中またはリッチ空燃比運転（リッチ運転）中のＣＯやＨＣ等の還元剤が多く存在する雰囲気ではＮＯｘを放出還元する機能を有している。
一方、三元触媒５０はハニカム形状のコージライト担体５２に担持されている触媒層に白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属が添加されている。そして、当該三元触媒５０はＣＯやＨＣを酸化し、ＮＯｘを還元する三元機能を有している。

また、排気浄化装置３０には、ケース３２の外周を覆うように保温材３４（保温手段）が設けられており、さらにその外周を覆うようにカバー３６が設けられている。
以下このように構成された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
エンジン１からの排気は排気ポート１０から排気マニホールド１８、排気管２０を経て排気浄化装置３０内へと流入する。

このときエンジン１がリーン運転であれば、排気中に多く含まれているＮＯｘはＮＯｘ触媒４０の触媒層に添加されているトラップ剤（カリウム）により硝酸塩の形でトラップされる。
そして、エンジン１がストイキ運転またはリッチ運転に切り換わると、排気中の酸素濃度は低下し、排気中にはＣＯやＨＣ等の還元剤が多く含まれることとなる。当該排気が排気浄化装置３０内へと流入すると、ＮＯｘ触媒４０にトラップされていた硝酸塩は放出され、当該硝酸塩は三元触媒５０によってＣＯ等と反応し窒素（Ｎ_２）等に還元されてＮＯｘは浄化される。

ここで、図３を参照すると、１０・１５モード試験において排気浄化装置に保温材を設けた場合（本実施形態）及び保温材を設けない場合におけるＮＯｘ触媒の温度を表すグラフが示されており、図４を参照すると、ＮＯｘ触媒にトラップ剤（カリウム）を２５ｇ／Ｌ添加させた場合及びトラップ剤（カリウム）を１６ｇ／Ｌ添加させた場合において保温材を設けた場合と設けない場合のＮＯｘ及びＨＣの排出量を表すグラフが示されている。

図３には、１０・１５モード試験中におけるＮＯｘ触媒中心の温度と、中心よりも外周側に５０ｍｍ離れた位置の温度のそれぞれの平均（Ａｖｅ）、最大値（Ｍａｘ）、最小値（Ｍｉｎ）が表されており、同図より、本実施形態のように保温材を設けた場合は、保温材を設けない場合よりもＮＯｘ触媒の温度が全体的に上昇していることが明らかである。特に保温材を設けることでＮＯｘ触媒の中心よりも外周側の温度が大幅に上昇することがわかる。

このように、本実施形態では保温材２２、３４を設けることで、ＮＯｘ触媒４０の外周側の熱の放出を抑制し、ＮＯｘ触媒４０の外周側まで均一に温度を上昇させることができる。これは排気浄化装置３０のケース３２内に設けられている三元触媒５０においても同様の効果が得られる。
また、図４には、１０・１５モード試験における各条件でのＮＯｘ及びＨＣの排出量が示されており、同図に示すように、まずトラップ剤（カリウム）の添加量が従来一般的な添加量である１６ｇ／Ｌでは、ある程度ＮＯｘが排出されているのに対して、本実施形態のように２５ｇ／Ｌと比較的多くのトラップ剤（カリウム）が添加されている場合では、ＮＯｘの排出量が極めて少なくなっていることがわかる。

しかし、トラップ剤（カリウム）の添加量が２５ｇ／Ｌで保温材を設けていない場合は、トラップ剤（カリウム）添加量１６ｇ／Ｌの場合よりもＨＣの排出量は増えている。
そこで、本実施形態のようにトラップ剤（カリウム）の添加量を２５ｇ／Ｌとした上で保温材を設けると、極めて少ないＮＯｘの排出量は維持されたまま、ＨＣの排出量が大幅に低減される。

一方、トラップ剤（カリウム）の添加量が１６ｇ／Ｌである場合に保温材を設けると、ＨＣの排出量は低減されるがＮＯｘの排出量は増加してしまう。これより、トラップ剤（カリウム）の添加量が少ない場合は保温材を設けたことで触媒温度が高温になるとＮＯｘの浄化性能が低下してしまうことがわかる。
つまり、本願のようにトラップ剤（カリウム）の添加量を比較的多く添加させることでＮＯｘ浄化性能を向上させ、触媒が高温となっても高いＮＯｘ浄化性能を維持させることが可能であり、保温材を設けることでＨＣの浄化性能も向上させることができる。

また、ＮＯｘ触媒の担体はトラップ剤が侵入しないメタル担体であることから、多くのトラップ剤を添加しても担体の劣化を招くことがない。また、メタル担体は熱伝導性が高く熱容量が低いため、触媒温度の上昇が早まり早期活性化を実現することができる。また、冷えやすいという特徴も持つメタル担体４２であっても、保温材２２、３４が設けられていることでメタル担体４２は高温が維持される。

以上のことから、本願の内燃機関の排気浄化装置では、ＨＣの浄化性能を低下させることなくＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。
以上で本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態において、ＮＯｘ触媒４０の触媒層に白金(Ｐｔ)、パラジウム(Ｐｄ)、ロジウム(Ｒｈ)等の貴金属を添加させ、ＮＯｘ触媒４０においても三元機能を持たせても構わない。また、ＮＯｘ触媒に三元機能を持たせた場合には、当該ＮＯｘ触媒の排気下流側に三元触媒を設けないようにしてもよい。このようにＮＯｘ触媒に三元機能を持たせた場合であっても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、排気管２０ａ及び排気浄化装置３０のケース３２の外周に保温材２２、３４を設けたが、他の保温手段を設けてもよく、例えば特に保温材を設けずに単なる二重管構造としても構わない。
また、上記実施形態では燃焼室２に点火プラグ４を備えているが、本発明をディーゼルエンジンに用いても良い。

また、上記実施形態では三元触媒５０の担体はコージライト担体５２であったが、これに限られるものではなく、例えばメタル担体であっても構わない。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の要部拡大断面図である。 保温材を設けた場合及び保温材を設けない場合におけるＮＯｘ触媒の温度を表すグラフである。 トラップ剤（カリウム）を２５ｇ／Ｌ添加させた場合及びトラップ剤（カリウム）を１６ｇ／Ｌ添加させた場合において保温材を設けた場合と設けない場合のＮＯｘ及びＨＣの排出量を表すグラフである。

符号の説明

１ エンジン
１０ 排気ポート
１８ 排気マニホールド
２０ 排気管
２２、３４ 保温材（保温手段）
２４ 排気管カバー
３０ 排気浄化装置
３２ ケース
３６ カバー
４０ ＮＯｘ触媒
４２ メタル担体
５０ 三元触媒
５２ コージライト担体

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、メタル担体に担持される触媒層に、ＮＯｘをトラップするトラップ剤が２０〜４０ｇ／Ｌの範囲で添加されたＮＯｘ触媒と、
   該ＮＯｘ触媒の排気下流側に設けられ、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）の少なくとも１つの貴金属が添加された三元触媒と、
   前記ＮＯｘ触媒及び三元触媒を収納するケースと、
   該ケースの外周に設けられ、内部の温度を保温する保温手段と
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 内燃機関の排気通路に設けられ、メタル担体に担持される触媒層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）の少なくとも１つの貴金属が添加されるとともに、ＮＯｘをトラップするトラップ剤が２０〜４０ｇ／Ｌの範囲で添加されたＮＯｘ触媒と、
   該ＮＯｘ触媒を収納するケースと、
   該ケースの外周に設けられ、内部の温度を保温する保温手段と
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
3. さらに前記ケースよりも排気上流側の前記排気通路に保温手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気浄化装置。

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