JP2007075707A

JP2007075707A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2007075707A
Application number: JP2005265290A
Authority: JP
Inventors: Okitomo Matsunami; 意知松波; Mitsuru Hosoya; 満細谷; Jinichi Namikawa; 仁一南川
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2007-03-29

Abstract

【課題】コストの高騰や搭載性の悪化を招くことなく、ＮＯx吸蔵還元触媒の活性温度域を従来より拡大して広い排気温度範囲で高いＮＯx低減効果が得られるようにする。
【解決手段】排気管９の途中にＮＯx吸蔵還元触媒１１を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒１１より上流側で排気ガス７中に還元剤として燃料を添加するインジェクタ１３（燃料添加手段）を備えた排気浄化装置に関し、前記ＮＯx吸蔵還元触媒１１の前端から後方へ向けた所要範囲に活性温度域が相対的に低い触媒原料１１ａを担持せしめると共に、これより後方の残りの範囲に活性温度域が相対的に高い触媒原料１１ｂを担持せしめる。
【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。

斯かる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吸蔵還元触媒をディーゼル機関に適用するに際しては、ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側の排気管に燃料添加手段を備え、該燃料添加手段により排気ガス中に燃料（炭化水素）を還元剤として添加するようにしている。

また、この種のＮＯx吸蔵還元触媒としては、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ等のアルカリ金属や、Ｂａ等のアルカリ土類金属をＮＯx吸蔵材として採用し、このＮＯx吸蔵材とＰｔとを触媒原料としてアルミナ等の多孔質担体に担持せしめたものが知られているが、ＮＯx吸蔵還元触媒の活性温度域（ＮＯxを吸蔵可能な温度ウィンドウ）が触媒原料を成すＮＯx吸蔵材毎に異なるため（一般的にＮＯx吸蔵材のイオン化エネルギーが高いほど活性温度域は低くなる）、適用車両の運行形態に応じた活性温度域の触媒原料を適宜に選定してＮＯx吸蔵還元触媒に担持させる必要がある。

ただし、車両の排気温度範囲に対してＮＯx吸蔵還元触媒の活性温度域は一般的に狭いため、その活性温度域の拡大が今後の大きな課題の一つとなっており、従来においては、活性温度域の異なる複数のＮＯx吸蔵材をＰｔと共にウォッシュコートに混ぜて単一の担体に担持させたり、比較的高い活性高温域を持つ高温型のＮＯx吸蔵還元触媒と、比較的低い活性高温域を持つ低温型のＮＯx吸蔵還元触媒とを個別に備えて連続配置させたりすることが提案されている（例えば、下記の特許文献１や特許文献２を参照）。
特開２００２−１２６４５３号公報特開２０００−１６７３５６号公報

しかしながら、活性温度域の異なる複数のＮＯx吸蔵材を混ぜて単一の担体に担持させた場合には、ある温度域で活性を発揮するべきＮＯx吸蔵材が、当該温度域では不活性となるＮＯx吸蔵材により周囲を取り囲まれることになるため、本来のＮＯx吸蔵性能が発揮され難くなって最大限のＮＯx低減効果が引き出せないという不具合があり、他方、高温型のＮＯx吸蔵還元触媒と低温型のＮＯx吸蔵還元触媒とを個別に備えて連続配置させた場合には、ＮＯx吸蔵還元触媒の搭載数が増えることによるコストの高騰や搭載性の悪化を招いてしまうという不具合があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、コストの高騰や搭載性の悪化を招くことなく、ＮＯx吸蔵還元触媒の活性温度域を従来より拡大して広い排気温度範囲で高いＮＯx低減効果が得られるようにすることを目的としている。

本発明は、排気管の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒より上流側で排気ガス中に還元剤として燃料を添加する燃料添加手段を備えた排気浄化装置において、前記ＮＯx吸蔵還元触媒の前端から後方へ向けた所要範囲に活性温度域が相対的に低い触媒原料を担持せしめると共に、これより後方の残りの範囲に活性温度域が相対的に高い触媒原料を担持せしめたことを特徴とするものである。

而して、このように活性温度域の異なる触媒原料を混ぜずに領域を分けて担持させるようにしているので、夫々の触媒原料に含まれるＮＯx吸蔵材の本来のＮＯx吸蔵性能が夫々の活性温度域で発揮されることになり、活性温度域の異なる触媒原料を混ぜて単一のＮＯx吸蔵還元触媒とする場合よりも高いＮＯx低減効果が得られることになる。

しかも、排気温度が比較的低い段階でＮＯx吸蔵還元触媒の前側の領域でＮＯxの吸蔵還元反応が起こることにより、その反応熱が排気ガスの流れ方向に伝搬してＮＯx吸蔵還元触媒の後側の領域の触媒床温度が底上げされるので、排気温度自体がＮＯx吸蔵還元触媒後側の領域に担持された触媒原料の活性温度域まで完全に上がりきらなくても、触媒床温度が活性温度域に達して良好なＮＯxの吸蔵還元反応が開始されることになり、高温型のＮＯx吸蔵還元触媒と低温型のＮＯx吸蔵還元触媒とを個別に連続配置した場合よりも高温域でのＮＯx低減効果が良好に得られる。

また、活性温度域の異なる触媒原料を単一のＮＯx吸蔵還元触媒について領域を分けて担持させているので、ＮＯx吸蔵還元触媒の搭載数が増えることによるコストの高騰や搭載性の悪化を招かなくて済む。

更に、本発明においては、燃料添加手段による燃料の添加位置とＮＯx吸蔵還元触媒との間に、添加燃料をＨ₂とＣＯに分解する前段酸化触媒を装備することも可能である。

このようにすれば、燃料添加手段による添加燃料が前段酸化触媒にて排気ガス中の残存Ｏ₂と反応して雰囲気温度を上げ且つＯ₂が消費された後に燃料中のＨＣがＨ₂とＣＯに分解されてＮＯx吸蔵還元触媒に導かれるので、その導入段階から雰囲気中のＯ₂濃度がほぼ零となってＮＯxの分解放出が直ちに開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で反応性の高いＨ₂とＣＯにより従来のＨＣの反応温度よりも低い排気温度からＮＯxが効率良く還元浄化されることになる。

また、本発明においては、燃料添加手段による燃料の添加位置より上流側の排気管に、排気ガス中の未燃燃料成分を酸化処理して反応熱により排気昇温を図り得るプレ酸化触媒を装備することも可能である。

このようにすれば、エンジンの各気筒への燃料噴射を制御することにより、燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を追加したり、メイン噴射自体のタイミングを遅らせたりすることで排気ガス中に未燃燃料成分を多く残し、この未燃燃料成分をプレ酸化触媒で酸化処理して反応熱により排気昇温を図ることが可能となる。

尚、前述の前段酸化触媒やプレ酸化触媒には、貴金属触媒原料としてＰｔ及びＰｄを加えることが好ましく、このようにすれば、ＰｄによりＰｔのシンタリング（高温条件下でＰｔの微粒子が融合成長して大きな粒子となることで表面積が低下して活性が低下する現象）を抑制することが可能となり、しかも、高濃度ＨＣの分解能が大幅に向上されることになる。

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、活性温度域の異なる触媒原料を混ぜずに領域を分けて単一のＮＯx吸蔵還元触媒に担持させるようにしているので、コストの高騰や搭載性の悪化を招くことなく、ＮＯx吸蔵還元触媒の活性温度域を従来より拡大して広い排気温度範囲で高いＮＯx低減効果が得られるようにすることができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、燃料中のＨＣをＨ₂とＣＯに分解してＮＯx吸蔵還元触媒に導くことができるので、これらの反応性の高いＨ₂とＣＯにより従来のＨＣの反応温度よりも低い排気温度からＮＯxを効率良く還元浄化することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項４に記載の発明によれば、エンジンの各気筒への燃料噴射を制御して排気ガス中に未燃燃料成分を多く残すことにより、この未燃燃料成分をプレ酸化触媒で酸化処理して反応熱により排気昇温を図ることができるので、排気温度の低い運転領域であっても積極的に排気温度を上げて高いＮＯx低減効果を得ることができる。

（ＩＶ）本発明の請求項３又は５に記載の発明によれば、ＰｄによりＰｔのシンタリングを抑制することができるので、前段酸化触媒やプレ酸化触媒における初期性能を長期間に亘り持続させることができ、しかも、高濃度ＨＣの分解能を大幅に向上することができるので、燃料の添加（前段酸化触媒では燃料添加手段による燃料添加、プレ酸化触媒ではポスト噴射等による燃料添加）を開始する排気温度を従来よりも下げることができる。

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は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はターボチャージャ２を搭載したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導いた空気４が吸気管５を介し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された空気４が更にインタクーラ６へと送られて冷却され、該インタクーラ６から図示しないインテークマニホールドへと空気４が導かれてディーゼルエンジン１の各シリンダに導入されるようにしてある。

また、このディーゼルエンジン１の各シリンダから排出された排気ガス７がエキゾーストマニホールド８を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス７が排気管９を介し車外へ排出されるようにしてある。

そして、この排気ガス７が流通する排気管９の途中には、フィルタケース１０が介装されており、該フィルタケース１０内における後段には、排気空燃比がリーンの時に排気ガス７中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ後述の燃料添加により排気ガス７中のＯ₂濃度が低下した時に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１１が収容されており、図２に拡大して示す如く、このＮＯx吸蔵還元触媒１１の前端から後方へ向けた所要範囲に活性温度域が相対的に低い触媒原料１１ａが担持されていると共に、これより後方の残りの範囲に活性温度域が相対的に高い触媒原料１１ｂが担持されている。

ここで、触媒原料１１ａ，１１ｂには、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ等のアルカリ金属や、Ｂａ等のアルカリ土類金属等をＮＯx吸蔵材として、これらのうちから必要な活性温度域が得られるものが適宜に選定されるようになっており、例えば、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の前側の領域に担持される触媒原料１１ａのＮＯx吸蔵材としてＢａが選定されている場合には、後側の領域に担持される触媒原料１１ｂのＮＯx吸蔵材としてＢａより高い温度領域でＮＯx吸蔵量が高まるＫ等が選定されることになる。

また、図１に示されている通り、フィルタケース１０内におけるＮＯx吸蔵還元触媒１１の直前位置には、ハニカム構造を有するフロースルー型の前段酸化触媒１２が収容されていると共に、この前段酸化触媒１２より上流側の排気管９には、排気ガス７中に還元剤として燃料（軽油等）を添加するインジェクタ１３（燃料添加手段）が備えられており、該インジェクタ１３により添加された燃料が前段酸化触媒１２によりＨ₂とＣＯに分解されるようになっている。

更に、ターボチャージャ２のタービン２ｂ直後（エキゾーストマニホールド８の出口近傍）の排気管９には、貴金属触媒原料をステンレス製のメタル担体に担持させて成るプレ酸化触媒１４が、前記ＮＯx吸蔵還元触媒１１に対し所要間隔を隔てて離間配置されている。

このプレ酸化触媒１４は、図３に拡大して示す如く、ステンレス製の平板材１４ａと波板材１４ｂとを螺旋状に巻いた円柱状のメタル担体に貴金属触媒原料を担持させたものとなっており、排気管９の管径と略同等の径を有する比較的小容量のフロースルー型の酸化触媒として形成されているが、図４に示す如く、セラミックから成るハニカム構造の担体に貴金属触媒原料を担持させたものとしても良い。

また、本形態例においては、排気昇温を図る必要が生じた際に、ディーゼルエンジン１の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置１５（図１参照）の燃料噴射制御が通常モードから昇温モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１２０゜の範囲）でポスト噴射が実行されるようになっている。

つまり、このようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス７中に未燃燃料成分（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになる。

尚、前述の前段酸化触媒１２やプレ酸化触媒１４には、貴金属触媒原料としてＰｔ及びＰｄを加えることが好ましく、このようにすれば、ＰｄによりＰｔのシンタリング（高温条件下でＰｔの微粒子が融合成長して大きな粒子となることで表面積が低下して活性が低下する現象）を抑制することが可能となり、しかも、高濃度ＨＣの分解能が大幅に向上されることになる。

而して、このように排気浄化装置を構成すれば、ディーゼルエンジン１から排出されて間もない高温の排気ガス７がプレ酸化触媒１４に導入されることにより、排気温度の低い軽負荷時等でも比較的容易にプレ酸化触媒１４の触媒床温度が上昇して活性が高まるので、斯かる状態で燃料噴射装置１５の燃料噴射制御を通常モードから昇温モードに切り替えて、メイン噴射に続き圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を実行した際に、該ポスト噴射により排気ガス７中に添加された未燃燃料成分がプレ酸化触媒１４を通過する間に酸化処理され、その反応熱により排気ガス７が暖められて排気昇温が図られることになる。

この結果、ディーゼルエンジン１からＮＯx吸蔵還元触媒１１まで排気ガス７を導く間に排気温度が低下してしまって前段酸化触媒１２の活性を上げることができなかった運転領域にあっても、プレ酸化触媒１４により排気昇温を図ることで前段酸化触媒１２の活性を上げることが可能となる。

そして、斯かる状態でインジェクタ１３により燃料を還元剤として添加すると、その添加燃料が前段酸化触媒１２の表面上で排気ガス７中の残存Ｏ₂と反応して雰囲気温度を上げ且つＯ₂が消費された後に燃料がＨ₂とＣＯに分解されてＮＯx吸蔵還元触媒１１に導かれるので、その導入段階から雰囲気中のＯ₂濃度がほぼ零となってＮＯxの分解放出が直ちに開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒１１の表面上で反応性の高いＨ₂とＣＯにより従来のＨＣの反応温度よりも低い排気温度からＮＯxが効率良く還元浄化されることになる。

この際、前記ＮＯx吸蔵還元触媒１１にあっては、活性温度域の異なる触媒原料１１ａ，１１ｂを混ぜずに領域を分けて担持させるようにしているので、夫々の触媒原料１１ａ，１１ｂに含まれるＮＯx吸蔵材の本来のＮＯx吸蔵性能が夫々の活性温度域で発揮されることになり、活性温度域の異なる触媒原料１１ａ，１１ｂを混ぜて単一のＮＯx吸蔵還元触媒１１とする場合よりも高いＮＯx低減効果が得られることになる。

しかも、排気温度が比較的低い段階でＮＯx吸蔵還元触媒１１の前側の領域でＮＯxの吸蔵還元反応が起こることにより、その反応熱が排気ガス７の流れ方向に伝搬してＮＯx吸蔵還元触媒１１の後側の領域の触媒床温度が底上げされるので、排気温度自体がＮＯx吸蔵還元触媒１１後側の領域に担持された触媒原料１１ｂの活性温度域まで完全に上がりきらなくても、その触媒床温度が活性温度域に達して良好なＮＯxの吸蔵還元反応が開始されることになり、高温型のＮＯx吸蔵還元触媒と低温型のＮＯx吸蔵還元触媒とを個別に連続配置した場合よりも高温域でのＮＯx低減効果が良好に得られる。

また、活性温度域の異なる触媒原料１１ａ，１１ｂを単一のＮＯx吸蔵還元触媒１１について領域を分けて担持させているので、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の搭載数が増えることによるコストの高騰や搭載性の悪化を招かなくて済む。

従って、上記形態例によれば、活性温度域の異なる触媒原料１１ａ，１１ｂを混ぜずに領域を分けて単一のＮＯx吸蔵還元触媒１１に担持させるようにしているので、コストの高騰や搭載性の悪化を招くことなく、ＮＯx吸蔵還元触媒１１の活性温度域を従来より拡大して広い排気温度範囲で高いＮＯx低減効果が得られるようにすることができる。

また、特に本形態例においては、インジェクタ１３による燃料の添加位置とＮＯx吸蔵還元触媒１１との間に前段酸化触媒１２を装備しているので、前記インジェクタ１３による添加燃料を前段酸化触媒１２によりＨ₂とＣＯに分解してＮＯx吸蔵還元触媒１１に導くことができ、これらの反応性の高いＨ₂とＣＯにより従来のＨＣの反応温度よりも低い排気温度からＮＯxを効率良く還元浄化することができる。

しかも、インジェクタ１３による燃料の添加位置より上流側の排気管９にプレ酸化触媒１４を装備しているので、ディーゼルエンジン１側でのポスト噴射により排気ガス７中に添加した未燃燃料成分をプレ酸化触媒１４で酸化処理して反応熱により排気昇温を図ることができるので、排気温度の低い運転領域であっても積極的に排気温度を上げて高いＮＯx低減効果を得ることができる。

また、前段酸化触媒１２やプレ酸化触媒１４に貴金属触媒原料としてＰｔ及びＰｄを加えているので、ＰｄによりＰｔのシンタリングを抑制することができて、プレ酸化触媒１４や前段酸化触媒１２における初期性能を長期間に亘り持続させることができ、しかも、高濃度ＨＣの分解能を大幅に向上することができて、燃料の添加（前段酸化触媒１２ではインジェクタ１３による燃料添加、プレ酸化触媒１４ではポスト噴射による燃料添加）を開始する排気温度を従来よりも下げることができる。

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、ポスト噴射の追加に替えて、メイン噴射自体のタイミングを遅らせることで排気ガス中に未燃燃料成分を多く残すようにしても良く、また、ＮＯx吸蔵還元触媒の直後に、該ＮＯx吸蔵還元触媒を未反応のまま通過した余剰の添加燃料分を酸化処理するための後段酸化触媒を必要に応じて備えるようにしても良いこと、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。図１のＮＯx吸蔵還元触媒を拡大した斜視図である。図１のプレ酸化触媒を拡大した斜視図である。図１のプレ酸化触媒の他の例を示す斜視図である。

符号の説明

７排気ガス
９排気管
１１ＮＯx吸蔵還元触媒
１１ａ触媒原料
１１ｂ触媒原料
１２前段酸化触媒
１３インジェクタ（燃料添加手段）
１４プレ酸化触媒

Claims

排気管の途中にＮＯx吸蔵還元触媒を装備し且つ該ＮＯx吸蔵還元触媒より上流側で排気ガス中に還元剤として燃料を添加する燃料添加手段を備えた排気浄化装置において、前記ＮＯx吸蔵還元触媒の前端から後方へ向けた所要範囲に活性温度域が相対的に低い触媒原料を担持せしめると共に、これより後方の残りの範囲に活性温度域が相対的に高い触媒原料を担持せしめたことを特徴とする排気浄化装置。
燃料添加手段による燃料の添加位置とＮＯx吸蔵還元触媒との間に、添加燃料をＨ₂とＣＯに分解する前段酸化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。
前段酸化触媒に貴金属触媒原料としてＰｔ及びＰｄを加えたことを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
燃料添加手段による燃料の添加位置より上流側の排気管に、排気ガス中の未燃燃料成分を酸化処理して反応熱により排気昇温を図り得るプレ酸化触媒を装備したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気浄化装置。
プレ酸化触媒に貴金属触媒原料としてＰｔ及びＰｄを加えたことを特徴とする請求項４に記載の排気浄化装置。