JP2008062230A - 排気システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温領域を含む、より広い温度範囲に亘るNO_x貯蔵とアンモニア生成を有利に達成することが出来、NO_x低減が改善する排気システムを提供する。
【解決手段】第一領域と、第一領域から物理的に分離され、且つ、少なくとも部分的に第一領域の下流に配設される第二領域とを少なくとも備え、第一領域が、NO_xを貯蔵する金属酸化物担体上に分散された貴金属成分を含み、第二領域が、金属酸化物担体上に分散された貴金属成分とNO_x吸着剤成分とを含み、そこにおいて、第二領域が第一領域に比べて大量のNO_x吸着剤を含んでいる、第一排出物制御システム、及び、第一排出物制御システムの下流に結合されたSCR触媒を含む第二排出物制御システムを備えた、排気システム。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車の排出物を制御する排気システムに関連し、具体的には、自動車のNO_x低減システムに関連する。

排出物処理システムが、リーン運転中に、NO_xトラップを通過するNO_xを低減するためのリッチ化運転の間に、NO_xトラップによって生成されたアンモニア（NH₃）を吸着すべく、下流の選択接触還元（selective catalytic reduction: SCR）触媒コンバータを使用することによって、窒素酸化物（NO_x）の低減を最適化する。その際、NO_x排出物を低減するために、多くのNH₃を生成する能力を持つNO_xトラップが、SCR触媒コンバータと組み合わされるのが有利となり得る。更に、低温NO_x低減システムが、特に軽量ディーゼル自動車用の排出物コントロールにとって魅力的となり得る。NO_xトラップからの十分な量のNH₃が、下流SCR触媒コンバータへ還元剤を供給する為に必要とされるリザーバーを不要とする場合がある。
米国特許出願公開第2005/0129601号明細書 米国特許6,182,443号明細書

SCR触媒コンバータの上流のNO_xトラップにおけるNO_xからNH₃への転換の手法の一つが、特許文献1に記述されている。特許文献1においては、NO_xトラップは、担体上に分散されたNO_x吸着剤及び白金族金属（platinum group metal: PGM）を備えている。NO_x吸収剤は、アルカリ金属或いはアルカリ土類金属の含酸素化合物である。PGMは、リッチ化運転の間に、貯蔵されたNO_xをNH₃に選択的に転換し、一方で、NO_x吸収剤は、リーン運転の間にNO_xを効果的に捕捉する。具体的には、例の一つにおいて、上層のNO_x吸着物質が下層のNO_x吸着物質より少ない、2層の担体が使用される。また、OSCはNH₃の生成を制限するというデメリットがあるものの、NO_xトラップが、脱硫化を改善するようなメリットを持つ、セリアのような酸素貯蔵成分（oxygen storage components: OSC）を含むことは随意である。

しかしながら、NO_x吸着剤は、PGMを非活性化し、それによって、低温におけるNO_x転換を低減する可能性がある。更に、OSCを含むNO_xトラップは、低温でのNO_x低減を提供し得るが、OSCが自動車の運転の広い範囲に亘ってNH₃の生成を制限し得る。従って、特許文献1の手法は、OSCが使用された場合、低温NO_x転換を改善し得るけれども、作動温度の広い範囲に亘って、最適なNOx転換にとって不十分なNH₃生成をもたらす可能性が有る。

低温NO_x低減を達成する為の別の手法が、特許文献2に記述されている。そこにおいて、アルミナ含有担体上に分散されたPGMを有する触媒が、SCR触媒の上流に配置され、そして、この触媒システムがリッチ化（rich excursion）無しでリーン排気の中で作動する。低温において、PGMは、NO_xの硝酸アルミニウムへの酸化と、その貯蔵を促進する。温度が上昇すると、この硝酸アルミニウムは分解されて、NH₃或いは炭化水素還元剤が加えられた下流SCR上で窒素（N2）に還元され得るNO_xに戻る。

しかしながら、特許文献2の触媒システムにおいては、SCR触媒の上流のNO_x貯蔵触媒がNO_x還元をもたらさないので、両方の触媒がNO_x還元を行なう場合に比べて、NO_x転換の効率が低い。更に、もし上流のPGM/アルミナ触媒がリッチ化された排気に晒されたならば、特許文献2に記述された作動と異なり、貯蔵されたNO_xは還元され得るが、低温での作動が制限される。従って、特許文献2の手法及び触媒構成は、NO_x転換を全体的に最適化するには不十分である。

取り組みの一つにおいて、上述の問題は、NO_xを貯蔵する金属酸化物担体上に分散された貴金属成分を含む第一領域、及び、少なくとも部分的に第一領域の下流にあり、第一領域から物理的に分離され、金属酸化物担体上に貴金属成分と第一領域より多くのNO_x吸着剤成分とが分散されている第二領域を少なくとも有する第一排出物制御システム、及び、第一排出物制御システムの下流に結合されたSCR触媒を含む第二排出物制御システムを有する、排気系によって解決され得る。このようにして、低温領域を含む、より広い温度範囲に亘るNO_x貯蔵とアンモニア生成を有利に達成することが出来、NO_x低減が改善する。

図1は、自動車用推進システムに含まれ得る多気筒エンジン10の気筒の一つを示すブロック図である。エンジン10は、制御器12を含む制御システム、及び、入力装置130を介する自動車運転者132からの入力によって少なくとも部分的に制御され得る。この例において、入力装置130は、アクセルペダルと、ペダル位置に比例するペダル位置信号PPを生成するためのペダル位置センサー134を含む。エンジン10の燃焼室（例えば、気筒）30が、ピストン36をその中に含む燃焼室壁32を含み得る。ピストン36は、ピストンの往復運動がクランクシャフトの回転運動に変えられるように、クランクシャフト40に結合され得る。クランクシャフト40は、伝動装置を介して自動車の駆動輪の少なくとも一つに結合され得る。更に、エンジン10の始動作動を可能とするため、始動モーターがフライホイールを介してクランクシャフト40に結合され得る。

燃焼室30は、吸気マニフォールド42を介して吸気通路44から吸気を受け、そして、排気通路48を介して燃焼ガスを排気し得る。吸気通路44及び排気通路48は、夫々の吸気バルブ52及び排気バルブ54を介して、燃焼室30と選択的に連通することが出来る。実施形態のいくつかにおいて、燃焼室30は二つ以上の吸気バルブ、及び/又は、二つ以上の排気バルブを含み得る。

燃料噴射弁66が、電気ドライバ68を介して制御器12から受けたパルス幅信号FPWに比例してガソリン或いはディーゼル燃料を燃焼室に直接噴射すべく、燃焼室30に直接的に結合されているのが示される。このように、燃料噴射弁66は、燃料の燃焼室30内への直接噴射として知られる形式のエンジンを提供する。燃料噴射弁は、例えば、燃焼室の側壁に、或いは、燃焼室の天井に備え付けられる。実施形態によっては、燃焼室30は、代替として、又は、追加的に、燃焼室30の上流の吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射として知られる形式を提供する構成における、吸気通路44内に配設された燃料噴射弁を含む場合がある。

吸気マニフォールド42は、スロットル板64を持つスロットル62を含み得る。この具体的な実施例において、スロットル板64の位置が、スロットル62に付属する電気モーター或いはアクチュエータに供給される信号を介して制御器12によって変えられ得、この構成は一般に、電気スロットル制御（electronic throttle control : ETC）と呼ばれる。このようにしてスロットル62は、他のエンジン気筒に対しても、燃焼室30に供給される吸気を変えるべく作動させられ得る。スロットル板64の位置は、スロットル位置信号TPによって制御器12に供給され得る。吸気マニフォールド42は、質量吸気流量センサー120、及び、マニフォールド空気圧センサー122を含む場合があり、夫々、信号MAFと信号MAPを制御器12に供給する。

点火装置88が、所定の運転モードにおいて、制御器12からの点火進角信号SAに応じ、点火プラグ92によって、燃焼室30に点火火花を供給することが出来る。火花点火が図1に示されているが、実施形態によっては、エンジン10の燃焼室30或いは、他の燃焼室の一つ以上が、点火火花を備えた、或いは、点火火花を備えない、圧縮着火モードで運転される場合がある。例えば、エンジン10は、点火プラグを備えないディーゼルエンジンでもよい。

排気ガスセンサー126が、排出物制御装置70の上流の排気通路48に結合されるのが示される。センサー126は、リニア酸素センサーや、広範囲排気ガス酸素（universal or wide-range exhaust gas oxygen: UEGO）センサー、二値化酸素センサー即ちEGOセンサー、加熱型二値化酸素センサー（heated EGO： HEGO）、NO_xセンサー、HCセンサー、或いは、COセンサーのような、排気ガスの空燃比の指標を提供するのに適切であれば如何なるセンサーでも良い。

後処理装置70が、排気ガスセンサー126の下流の排気通路48に沿って配設され、そこにおいて、後処理装置70が三元触媒（three way catalyst : TWC）、NO_xトラップ、種々の他の排出物制御装置、或いは、図2により詳細が示されるような、それらの生み合わせであり得る。後処理装置70は、エンジン10がリーン空燃比で運転しているときにNO_xを吸着するように構成され得る。制御器12は、NO_xが貯蔵された後処理装置70を浄化するために、吸着されたNO_xがHC及びCOと少なくとも反応するよう、（例えば、圧縮行程の上死点後の燃料の追加噴射、或いは、リッチ燃焼による運転の実行によって）周期的にリッチ排気流を供給すべく構成され得る。選択還元（Selective catalytic reduction: SCR）触媒コンバータ74が、後処理装置70を出るNH₃を吸着すべく構成される。SCR触媒コンバータ74は、後処理装置の下流の排気通路48に沿って配設されるのが示される。

制御器12が、マイクロ・プロセッサ領域102、入/出力ポート104、この具体的な実施例においてROM素子（read only memory chip）106として示される、実行可能なプログラム及び較正値を記憶する電気記憶媒体、ランダム・アクセス・メモリ108、キープ・アライブ・メモリ110、及び、データ・バスを含むマイクロ・コンピュータとして、図1に示される。制御器12は、前述した信号に加え、吸気質量流量センサー120からの吸気質量流量の測定値（MAF）、冷却スリーブ114に結合されたエンジン冷却液温度の測定値（ECT）、クランクシャフト40に結合されたホール効果センサー118（或いは他の形式のセンサー）からのプロファイル点火ピックアップ信号（profile ignition pickup signal: PIP）、スロットル位置センサーからのスロットル位置の測定値（TP）、及び、センサー122からの絶対マニフォールド圧信号（MAP）を含む、エンジン10に結合されたセンサーからの種々の信号を受け得る。エンジン速度信号RPMが、制御器12によって信号PIPから生成され得る。マニフォールド圧センサーからのマニフォールド圧信号MAPは、吸気マニフォールド内の負圧又は圧力の指標を提供するために使用され得る。MAPセンサー無しでMAFセンサーを使用することや、その逆など、上述したセンサーの種々の組み合わせが使用可能であることに留意すべきである。

制御器12は、適切な方法で、後処理装置70及びSCR触媒コンバータ74の種々の状態を判定し得る。例えば、後処理装置70の温度Tatdが温度センサー72によって供給され得、そして、SCR触媒コンバータ74の温度Tcatが温度センサー76によって供給され得る。加えて、センサー110が、排気ガス中のNO_x濃度と酸素濃度の両方の指標を提供する。信号114が、NO_x濃度を示す電圧を供給する一方で、信号112が、酸素濃度を示す電圧を供給する。幾つかの状態において、制御器12は、SCR触媒コンバータ74の下流のNO_x濃度のような種々の状態に基づいて、リッチな排気ガス流を供給するように構成され得る。

上述したように、図1は多気筒エンジンの気筒の一つのみを示しており、各気筒が、それ自身の一連の吸気バルブ/排気バルブ、燃料噴射弁などを同様に含み得る。

図2は、後処理装置70とSCR触媒コンバータ74を含み得る排出物処理システム200の典型的な実施形態である。概して、後処理装置はNO_xを貯蔵し、そして、貯蔵したNO_xを、窒素（N2）或いはNH₃又は、それらの組み合わせに還元し得る（貯蔵或いは転換され得ない一部のNO_xが、後処理装置を通過する場合も有るが）。SCR触媒コンバータは該して、触媒上でNH₃を吸着し、そこにおいて、吸着されたNH₃は、選択的に且つ触媒的に、後処理装置を出るNO_xに還元され得る。図2には示されていないが、パティキュレート・フィルタが、後処理装置70、及び/又は、SCR触媒コンバータ74の上流、及び/又は、下流に含まれてもよい。

後処理装置及びSCR触媒コンバータは、種々の配置で配設され得る。ここに記述する実施形態において、SCR触媒コンバータは、後処理装置の下流に配設され得る。この様にすることによって、ある条件において後処理装置によって生成され得るNH₃が、SCR触媒コンバータの内部において、後処理装置を出るNO_xの選択的且つ触媒的還元のための還元剤として使用され得る。

図2を再度参照すると、SCR触媒コンバータは、NH₃の吸着と、吸着されたNH₃によるNO_xの還元を促進し得る。種々の触媒が、NH₃の吸着と、その結果のNO_xの還元に適合し得る。例えば、ゼオライト成分、或いは、種々のバナジウム・ベースの成分で置換された母材（例えば、銅や鉄）が、SCR触媒を形成するのに使用され得る。SCR触媒は、自己担持型触媒粒子の形式、或いは、ハニカム・モノリス形式のSCR触媒であり得る。更に、SCR触媒は、例えばセラミックや金属ハニカム構造のような担体上に置かれる場合がある。種々の他の触媒成分及び触媒形式が、ここに記述する適用例に適した担体上に置かれ得る。

後処理装置は、NO_xの貯蔵、及び、貯蔵されたNO_xのN₂又はNH₃、或いはそれらの組み合わせへの還元を促進し得る。ここに記述する実施形態において、後処理装置から出るNH₃がSCR触媒コンバータの中に吸着され得、そこにおいて、吸着されたNH₃が後処理装置から出るNO_xを還元するように、貯蔵されたNO_xをNH₃に実質的に還元するのが望ましい。

後処理装置は第一触媒領域（第一領域）210と第二触媒領域（第二領域）220とを含み、そこにおいて、第一領域は第二領域の上流に置かれ得る。各触媒領域は、担体上に置かれる一つ以上の成分を含み、そこにおいて触媒領域は、セラミック或いは金属ハニカム・モノリスのような担体上に分散され得る。

構成成分及び担体は更に、一つ以上の元素、又は、化合物、或いはそれらの組み合わせを含み得る。例えば、貴金属成分はPt元素を含み、NO_x吸着成分は酸化バリウム（BaO）化合物を含み、そして、担体はアルミナ（Al₂O₃）化合物を含む場合がある。

更に、成分は担体と同様、ある条件において種々の特性を示し得る。例えば、Ptのような貴金属成分の特性が、NO_xの酸化及び貯蔵に触媒作用を及ぼす場合がある。BaOのようなNOx吸着剤成分の特性が、高温状態において触媒作用を及ぼされたとき、NO_xを貯蔵する場合がある。Al₂O₃のような耐熱性金属酸化物担体の特性がまた、低温状態において触媒作用を及ぼされたとき、NO_xを貯蔵する場合がある。Ptのような貴金属成分の別の特性が、空燃比リッチ化の間、蓄積されているNO_xのNH₃への優先転換に触媒作用を及ぼす場合がある。

したがって、ここに記述する成分及び担体（例えば、Pt、BaO、及び、Al₂O₃）の触媒領域の典型的な実施形態は、第一領域210に、貴金属成分（例: Pt）と担体（例: Al₂O₃）とを含み、第二領域220に貴金属成分（例: Pt）、NO_x吸着剤成分（例：BaO）、及び、担体（例: Al₂O₃）を含み、そこにおいて貴金属成分が、少なくとも一つの貴金属元素（例：Pt）を含み、NO_x吸着剤成分が少なくとも一つの適切なアルカリ金属或いはアルカリ土類金属の化合物（BaO）を含み、そして、担体が少なくとも一つの適切な耐熱性金属酸化物（例: Al₂O₃）を含み得る。

触媒領域の特性は、その中に含まれる成分と担体の特性に関連し得る。しかしながら、触媒領域内の成分と担体は、その中に含まれる成分と担体の特性を単に合わせたものと、触媒領域の特性とが異なり得るように、相互作用する場合がある。具体的には、触媒領域に含まれる成分と担体の特性は、その中に含まれる種々の他の成分によって、希釈される場合がある。

例えば、貴金属成分を有する第一領域は、NO_x吸着成分を構成要素として持たない場合があり（例えば、第一領域にNO_x吸着剤成分が実質的に無く、例えば、貴金属成分がPtであり得る場合）、そして、低温領域においてAl₂O₃担体上でNO_xの酸化と貯蔵に触媒作用を及ぼすことを含み得る特性を示す場合がある。しかしながら、貴金属成分は、BaOのようなNO_x吸着剤成分の存在、或いは、量の増加に伴い、少なくとも部分的に非活性化され得る。このように、混ざり物のある貴金属成分は、低温におけるNO_x低減能力が小さい場合がある。

ここに記述する後処理装置に関して、二つの触媒領域は、一方の触媒領域における貴金属成分のNO_x吸着剤成分に対する比率が、物理的に分離されている他方の触媒領域の比率より高くなるように貴金属成分とNOx吸着剤成分とを含む場合があり、そこにおいて、貴金属成分の比率が高い領域が低い領域に比べて上流に配設され得る。同様に、二つの触媒領域は、一方の触媒領域におけるNO_x吸着剤成分の量、或いは、重量が、物理的に分離されている他方の触媒領域の比率より大きくなるように貴金属成分とNO_x吸着剤成分とを含む場合があり、そこにおいて、NO_x 吸着剤の量が大きな領域が、NOx吸着剤の量が小さい（又は、実質的に零の）領域に比べて下流に配設され得る。

具体的な実施形態の一つにおいて、第一領域における貴金属成分のNO_x吸着剤成分に対する比率が、第一領域から物理的に分離された下流の第二領域における貴金属成分のNO_x吸着剤成分に対する比率に比べて大きくなるように、後処理装置内の成分が配置するよう、各成分を分配することが有利となり得る。このようにする事によって、NO_xの濃度が最大であり得るとき（例えば、エンジンからの排気が排気処理システムに入るとき）の排気に、比較的高い割合の貴金属を含む第一領域が晒され得る。このように、SCR触媒コンバーター用に、貯蔵され、そして、実質的にNH₃に転換されるNO_xの量が増加する場合がある。逆に言えば、成分は、種々の他の理由のために、第一領域における貴金属成分のNO_x吸収剤成分に対する比率が、上流の第二領域における同比率に比べて低くなる様に、後処理装置内に配置される場合もある。

図2に示される実施形態を再度参照すると、第一領域は第二領域から物理的に分離され得る。取り組みの一つにおいて、第一領域は、第一NO_x低減装置の中に格納され得、そして、第二領域は、別の下流の第二NO_x低減装置の中に格納され得る。更に、第一領域は、そこにおいて一方の触媒領域内の成分の、他方の触媒領域内の成分による不活性化を少なくとも部分的に低減、或いは、防止すべく触媒領域が分離される後処理装置内のセパレーション230の領域によって、第二領域から種々の度合いで分離され得る。例えば、一方の触媒領域内の貴金属成分は、BaOのようなNO_x吸着剤成分によって不活性化される可能性があるが、そのような適切な度合いのセパレーションを設けることによって、性能が改善し得る。

セパレーション領域は、触媒領域を分離すべく、種々の手法或いは構造を採用し得る。例えば、セパレーション領域は、仕切りを含み得、そこにおいて、仕切りは、適切な排気流を促進しながら触媒領域の少なくとも部分的に分離することが出来る適切な物質を含み得る。別の例において、セパレーション領域は空隙であり得、そこにおいて、所定の間隔の空隙が触媒領域を分離する。後処理装置の別の実施形態において、分離されたウォッシュ・コートが、触媒領域を構成する為に使用される場合がある。更に、セパレーション領域は、排気流に対して、垂直、又は、平行、或いは、種々の他の角度で構成され得る。

ここに述べるように、後処理装置はNO_xを貯蔵し、そして、NO_xをN₂或いはNH₃へ還元することが可能である。ここに記述する実施形態において、後処理装置から出るNH₃が、そこにおいて吸着したNH₃が後処理装置を出るNOxを還元し得るSCR触媒コンバーターに吸着されるように、NO_xをNH₃に実質的に転換するのが望ましい。逆に言えば、他の取り組みにおいて、NO_x低減装置は、そこにおいて触媒成分が比較的多い量のNH₃を形成しない触媒領域、或いは、幾らかの量のNH₃は生成され得るけれどもNH₃の生成を妨げ得る少なくとも一つの触媒成分を含み得る。例えば、或るNOx低減装置は、セリア（CeO₂）のような酸素貯蔵成分（oxygen storage component: OSC）を含む場合があり、そこにおいてCeO₂成分はNH₃の形成を制限し得る。CeO₂成分は、低温でのNO_x転換率の改善、又は、断続的な酸素の貯蔵のような、種々の他の理由の為に使用され得る。

図3は、一定範囲の温度における、NO_xのNH₃への選択的転換へのCeO₂の影響を示す、例示としての実施形態のデータのグラフ300である。例えば、グラフ300は、符号310で示されるPt-BaO-CeO₂触媒領域と、符号320で示されるPt-BaO触媒領域との、種々の温度における、NH₃へ転換されたNO_xの割合（百分率）を示し得る。種々の触媒の組み合わせの作用に特に着目すべく担体に関する記述が除かれているけれども、ここに記述される触媒領域（例えば、Pt-BaO- CeO₂触媒領域やPt-BaO触媒領域）が、一般的に、アルミナ（Al₂O₃）のような適切な担体上に配置されることは理解されるであろう。

グラフ300に戻ると、CeO₂成分を含まない触媒領域におけるNO_xのNH₃への転換率（百分率）が、CeO₂成分を含む触媒領域に比べて、広い温度範囲に亘って高くなっている。このように、触媒領域210や触媒領域220、又は両方のからCeO₂成分を除くことが、或る条件においては好ましい場合がある。このようにする事により、後処理装置は、液体尿素タンク、或いは、アンモニア貯蔵容器が、ここに記述する排気処理システムから除去され得るように、十分なNH₃を生成し得る。しかしながら、必要に応じて、尿素タンクやアンモニア貯蔵器のような液体タンクが同システムに含まれてもよい。なお、尿素タンクを含む尿素還元剤噴射システムが設けられる場合、尿素還元剤噴射システムからの尿素が、後処理システムとSCR触媒コンバーターとの間に導入されるよう、構成される。

Pt-BaO触媒組成にCeO₂成分が含まれることは、低温において少なくとも部分的に、高い百分率のNO_xをNH₃に転換し得るが、低温領域におけるNO_xのNH₃への転換率は未だ十分ではない。そのように、広い温度範囲に亘って大きな量のNH₃を生成するために、実質的に或いは少なくとも部分的にCeO₂が無いPt-BaOのような成分と、低い温度範囲において少なくとも十分なNH3生成を促進し得る他の成分を含むのが望ましい場合がある。

NH₃を形成すべく反応しないNO_xは、種々の他のメカニズムによって転換され得る、或いは、貯蔵や転換されずに後処理装置を抜け出る。種々のメカニズム又はそれらの組み合わせによってNH₃或いは他の生成物を形成すべく反応し得るNO_xの割合は、総NO_x転換率と称され得る。具体的には、総NO_x 転換率は、NO_xの貯蔵、NO_xのN2への還元、NO_xからのNH₃の形成、他の種々のNO_x転換メカニズム、又は、それらの所定の組み合わせのための、触媒領域内の断続的なNO_x 転換を含み得る。

ここに記述する排気システムは、SCR触媒コンバータ内の還元剤として使用すべく、十分な割合でNO_xをNH₃へ転換することに有利でありながら、NH₃の生成に使われない剰余NO_xを転換することにより、更に有利となる。この様にすることによって、より少ない量のNH₃が、SCR触媒コンバータ内のNO_xを十分に還元するのに適切となり得る。さらに、後処理装置内の触媒領域に貯蔵され得るNO_xは、ある条件下において（例えば排気組成によって）、追加のNH₃を生成するために利用される場合がある。そのように、高い総NO_x転換率は、図4及び対応する記載を参照して以下に詳述するように、NO_x低減の最適化を促進するのに有利となり得る。

図4は、一定の温度範囲における、総NO_x転換率へのCeO₂成分の影響を示すデータの、別の例としての実施形態のグラフ400である。例えば、グラフ400は、符号410で示されるPt-BaO-CeO₂触媒領域と、符号420で示されるPt-BaO触媒領域との、種々の温度における、総NO_x転換割合を示し得る。具体的には、グラフ400は、触媒領域からCeO₂成分を除去することが、総NO_x転換割合を下げ得ることを示す。

触媒組成にCeO₂を含むことは、高い総NO_x転換率を達成するが、NH₃生成は、ここに記述する排気ガス処理システムには未だ不十分である。そのように、一つの触媒領域に、NH₃の生成とNO_xの転換とを比較的広い温度範囲（図3や図4に示す温度範囲）に亘って促進するための、Pt-BaOのような貴金属成分とNO_x吸着剤成分とを含み、物理的に分離された別の触媒領域内に、後処理装置内で低温におけるNO_x転換を促進する成分、又は、そのような成分の組み合わせを含むことガ望ましい。そのような取り組みは、図2の触媒領域210、220に適用され得る。例えば、触媒領域220は触媒領域210より多くのCeO₂を含み、或いは、触媒領域210は実質的にCeO₂を含まない。

図5は、触媒領域に対するBaOのようなNO_x吸着剤成分の影響を示す、例としての実施形態のグラフ500である。例えば、グラフ500は、符号510で示されるPt-Rh領域のような貴金属触媒領域と、符号520で示されるPt-Rh-BaO領域のような貴金属触媒領域との、種々の温度における、総NO_x転換率を示し得る。具体的には、グラフ500は、Pt-Rhのような実質的に純粋な貴金属触媒成分を含む触媒領域が、低温において高い総NO_x転換率を持ち得ることを示す。換言すれば、他の触媒領域よりもNO_x吸着剤成分が少ない又はNO_x吸着剤成分を含まない触媒領域は低温におけるNO_x転換を促進し得る。

図2の符号210で示すような上流において、BaOのようなNO_x吸収剤成分を省く、或いは、低減することは、低温におけるNO_x転換を促進する一方で、高温領域におけるNO_x転換が実質的に低減され得る。そのように、Pt-BaOのような、貴金属とNO_x吸着剤との触媒領域を持ち、NO_x転換特性を示し得る触媒領域の特性（例えば、比較的広くて高い温度領域に亘るNH₃生成特性及びNO_x転換特性）と、図3-5で実例説明され、そして、図2に示されている、Pt-Rhのような、NO_x吸収剤が少なく貴金属を備える領域の特性を示し得る触媒領域の特性（例：低温領域におけるNO_x転換特性）とを組み合わせるのが望ましい場合がある。

Pt-Rh触媒領域（実質的にCeO₂を含まない）と、物理的に分離されて上流に位置するPt-BaO触媒領域（これもCeO₂を実質的に含まない）との組み合わせが、後処理装置の中に含まれ得る組み合わせの典型的な実施形態の一つである。種々の他の適切なセリア成分と非セリア成分との組み合わせが使用される場合もある。該して触媒領域は、第一の量（零でも良い）のNO_x吸着剤成分を有するPGM（例えば、Pt、Pd、Rh）を含むように、一つ以上の貴金属（例えば、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru、Os、Re、Ag、又はAu）を含む第一貴金属成分と、第一の量より多い第二の量のNO_x吸着剤成分を有する第二の貴金属成分とを含み得、そこにおいて、NO_x吸収剤成分は、アルカリ金属（例： Li、Na、K、Rb、Cs）の酸化物又は炭酸塩、或いは、アルカリ土類金属（例: Be、Mg、Ca、Sr、Ba）の酸化物又は炭酸塩、或いはそれらの組み合わせのような、一つ以上のNO_x吸収剤を含み得る。上述の成分は、第一担体がNO_xを貯蔵し得る金属酸化物（例：アルミナ、或いは、ゼオライト）であるように、金属酸化物担体（例: アルミナ、チタニア、ジルコニア、ゼオライトなど）の上層領域に分散され得る。成分及びそれらの担体は、フロースルー型モノリス基材（monolithic flow-through substrate）、ウォールフロー・フィルター基材（wall flow filter substrate）、ハニカム構造基材、層状材料、紡糸繊維その他、の上に分散されるのが一般的である。

取り組の一つにおいて、第一貴金属成分は、第二貴金属成分及びNO_x吸着剤成分と混合され、その混合物が少なくとも一つの触媒領域に格納され得る。しかしながら、或る成分の機能は、他の成分が存在するときに低減、あるいは、非活性化される場合がある。例えば、NO_x吸着剤成分は、適切なレベルのNO_x転換を達成する為に高い温度が必要とされるよう、貴金属成分の活性を低減し得る。換言すると、第一貴金属成分は、NO_x吸着剤成分の存在下で、低温におけるNO_x転換率を少なくし得る。

ここに記述する実施形態において、NOx吸着剤成分による貴金属成分の非活性化に取り組む為、第一貴金属成分は、NOx吸着剤成分から物理的に分離され得る。具体的には、第一貴金属成分は触媒領域の一つに配置され、そして、第二貴金属成分はNOx吸着剤成分と一緒に別の触媒領域に配置され、両触媒領域は、ここに記述する種々の態様で互いに分離され得る。

概して、後処理装置内の触媒領域の物理的な分離は、種々のメカニズムを促進する場合があり、そこにおいて、少なくとも一つの触媒領域が、リッチ化の間、NO_x（例：吸着されたNO_x、又は、排気中のNO_x）からのNH₃の形成、或いは、貯蔵されたNO_xからN₂又はそれらの組み合わせへの還元を促進し得、そして、触媒領域の一つが、リーン運転の間のNO_xの貯蔵を促進し得る。

図2に戻ると、ここに記述する後処理装置及びSCRシステムは、そのシステムに導かれる排気物、及び、そのシステム内で生成され得る種々の中間副生成物を制限するために、相互作用し得る。その場合、SCR触媒コンバータは、リッチ化の間に生成されたNH₃を吸着する為、或いは、吸着されたNH₃をNO_xを還元すべく使用する為に、後処理装置から出てくる排気を処理する。そのようにして、後処理装置とSCR触媒コンバータとは、排気処理システム内のNO_x低減の最適化を促進すべく、連動する。

ここに記述する実施形態において、リッチ化は、還元剤（例：エンジン内で燃焼されなかった燃料からの炭化水素、噴射された燃料、その他）が排気中に存在し、そして比較的低濃度のNO_xが検出される状態を含み得る。一方で、リーン運転は、NO_x及び余剰酸素が排気中に豊富な状態を含み得る。

図6の(a)及び(b)は、ここに記述する排気制御システムによる燃焼機関からの排気の処理方法の概略を記述する。具体的には、方法600は、一般化された、エンジンの運転状態に応じた行動のシーケンスであり、そこにおいてシーケンスは、リッチ化の間を示すフローチャート(a)と、通常運転であるリーン運転の間を示すフローチャート(b)によって、図式的に示される。

それらのフローチャートは、明確化の為に簡単化された概念表示である。

具体的に図6の(a)を参照すると、リッチ化からの排気が、排気処理システムの入口から後処理装置に入る。具体的には、炭化水素（HC）及び、比較的低い量のNO_xが、排気成分として後処理装置に入り、そこにおいて、HCは或る条件下でNO_xを還元し得る。

ステップ630において、NO_xは、後処理装置内で、NH₃又はN₂、或るいは、それらの組み合わせに還元される。NO_xの幾らかが、排気中のHCを含み得る還元剤によってN₂に還元される場合があるが、ここに記述する後処理装置は、比較的高い割合でNO_xをNH₃へ転換し得る。NO_xは、リーン運転の間に後処理装置内に吸着されたものである場合もあれば、排気と一緒に入るものである場合もあり、また、それらの組み合わせの場合もある。後処理装置で生成されたNH₃は、結果的に下流のSCR触媒コンバータへ進み得る。図6の(a)の説明を続けると、SCR触媒コンバータに入っていくNH₃は、ステップ640において、実質的に吸着される。

ここで図6の(b)を参照すると、この方法は、そこにおいてエンジンのリーン運転からの排気が後処理装置に入る排気処理システムの入口において、再び開始する。具体的には、比較的大量のNO_xが、排気成分として後処理装置に入り得る。ステップ650においてNO_xは、後処理装置の中で吸着される（一部のNO_xが、吸着から逃れる場合はあるが）。そのように、後処理装置を出る剰余NO_xは、結果としてSCR触媒コンバータに進み得る。フローチャート620の説明を続けると、リッチ化の間にSCR触媒コンバータの中に吸着されたNH₃は、後処理装置からの剰余NO_xを還元し得る。したがって、SCR触媒コンバータからの排気は、実質的にNOxが無い状態で排気処理システムを出る。

排気処理システムは、上記の手法に沿って、制御器により調整され得る。具体的には、制御器は、燃料噴射、エンジン吸気流量、或いは、それらの組み合わせを調整することにより、種々の状態において、後処理装置からSCR触媒コンバータへのNO_x、及び/又は、NH₃の放出を促進し得る。例えば、SCR触媒コンバータがNH₃吸着の閾値に近づき得るときにリッチ化を終了してリーン運転を開始するのが有効となり得る。この状態において、制御器は、例えばSCR触媒コンバーターにおけるセンサー（例：酸素センサー、NO_xセンサー、NH₃センサーなど）からの信号に応答してリーン運転を促し得る。この様にすることによって、リーン運転中の豊富なNO_xが、SCR触媒コンバータ内で飽和していたNH₃によって還元され得る。

ここに記述された例としての制御ルーチン、及び、判断ルーチンが、種々のエンジン構成、及び/又は、種々の車両システム構成と共に使用され得ることを記しておく。ここに記述する具体的なルーチンは、イベント駆動、多重タスク処理、マルチスレディング及び、それらの類型のような数多くの処理方式のうちの一つ以上を表し得る。記述された種々のステップ、作動、又は機能は、それ自体、記述された順番で、または並行して実行され、或いは場合によっては、一部が削除される場合もある。同様に、ここに記載された処理の順番は、ここに記述する例としての実施形態の特徴及び利点を達成するために必須のものではなく、図示と説明を簡単にするために提供されたものである。示されたステップ或いは機能の一つ以上が、使用される具体的な制御に依存して繰り返し実行され得る。さらに、記述されたステップは、エンジン制御器の中のコンピューター読み出し可能な記憶媒体の中にプログラムされるべきコードを、図形として表し得る。

ここに記述する構成及びルーチンが、事実上、例示に過ぎず、多数の変形例が可能であるため、これらの具体的な実施形態が本発明を限定する意味で考慮されたものではないことは理解できるであろう。例えば、上述の方法は、V型6気筒エンジン、直列4気筒エンジン、直列6気筒エンジン、V型12気筒エンジン、対向4気筒エンジン、及びその他のエンジン形式に適用され得る。本明細書の主題は、ここに記述された種々の装置及び構成、そして他の特徴、機能及び/又は特性の新規で非自明な全ての組み合わせ及び一部組み合わせ（sub-combination）を含む。

特許請求の範囲は、新規で非自明と見なされる特定の組み合わせ及び一部組み合わせを具体的に示す。これらの特許請求の範囲は、「一つの」構成要素、又は「一つの第一の」構成要素、又は、それらの同義語に言及し得る。そのような特許請求の範囲は、その構成要素が一つ以上あるものを含み、その構成要素が二つ以上あるものを要求もしなければ、除外もしないと理解されるべきである。開示されている特徴、機能、構成要素及び/又は特性の他の組み合わせ及び一部組み合わせが本件請求の範囲の補正又は本出願又は関連出願の新しい請求の範囲の提供によって、請求され得る。最初の特許請求の範囲の権利範囲より広い特許請求の範囲、狭い特許請求の範囲、同じ特許請求の範囲、又は異なる特許請求の範囲であろうと、そのような特許請求の範囲もまた、本明細書の主題に含まれると見なされる。

本発明を適用したエンジンの、典型的な実施形態の概略図である。 NO_xトラップとNH₃-SCRとの組み合わせの例を示すブロック図である。 一定の温度範囲におけるNO_xのNH₃への選択的転換に対するセリア成分の影響を示す、NO_xトラップから得られたデータの、例示的なグラフである。 一定の温度範囲に亙る、総NO_x転換率に対するセリア成分の影響を示す、NO_xトラップから得られたデータの、例示的なグラフである。 一定の温度範囲に亙る、総NO_x転換率に対するNOx吸収剤成分の影響を示す、NO_xトラップから得られたデータの、例示的なグラフである。 リッチ運転及びリーン運転における、図2に記載された排気制御システムによる燃焼機関からの排気を処理する典型的な方法のフローチャートである。

符号の説明

10 エンジン
12 制御器
70 後処理装置
74 SCR触媒コンバータ
210 第一領域
220 第二領域
230 セパレーション

Claims (23)

1. 排気システムにおいて、
   第一領域と、該第一領域から物理的に分離され、且つ、少なくとも部分的に上記第一領域の下流に配設される第二領域とを少なくとも備え、上記第一領域が、NO_xを貯蔵する金属酸化物担体上に分散された貴金属成分を含み、上記第二領域が、金属酸化物担体上に分散された貴金属成分とNO_x吸着剤成分とを含み、そこにおいて、上記第二領域が上記第一領域に比べて大量のNO_x吸着剤成分を含んでいる、第一排出物制御システム、及び、
   上記第一排出物制御システムの下流に結合されたSCR触媒を含む第二排出物制御システムを備えた、
   排気システム。
2. 上記貴金属成分が、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、レニウム、銀、金、及び/又は、それらの混合物の少なくとも一つから選択される、
   請求項１に記載の排気システム。
3. 上記貴金属成分が、白金を含む、
   請求項１又は２に記載の排気システム。
4. 上記NO_x吸着剤成分が、アルカリ金属（リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セリウム）の酸化物及び炭酸塩、及び、アルカリ土類金属（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム）の酸化物及び炭酸塩、及び/又は、それらの混合物の少なくとも一つから選択される、
   請求項１乃至３のいずれか一つの排気システム。
5. 上記NO_x吸着剤成分が酸化バリウムを含み、そして、NO_xを貯蔵する上記金属酸化物担体が、アルミナ、ゼオライト、アルミナ上に分散されたシリカ、アルミナ上に分散されたチタニア、アルミナ上に分散されたジルコニア、及び/又は、それらの混合物の少なくとも一つから選択される、
   請求項１乃至４のいずれか一つの排気システム。
6. NO_xを貯蔵する上記金属酸化物担体がアルミナを含む、
   請求項１乃至４のいずれか一つの排気システム。
7. 上記金属酸化物担体が、アルミナ、ゼオライト、シリカ、チタニア、ジルコニア、及び/又は、 それらの混合物の少なくとも一つから選択される、
   請求項１乃至４のいずれか一つの排気システム。
8. 上記第一領域内のウォッシュ・コートが、NO_xを貯蔵する金属酸化物担体の上に分散される貴金属成分から主に構成される、
   請求項１乃至７のいずれか一つの排気システム。
9. 上記第一領域が、NO_x吸着剤成分を更に有する、
   請求項１乃至８のいずれか一つの排気システム。
10. 少なくとも第二領域が、セリア成分を更に有する、
    請求項１乃至９のいずれか一つの排気システム。
11. 上記第一領域と上記第二領域とがセリア成分を更に有し、そこにおいて、上記第二領域が上記第一領域より多くのセリア成分を含む、
    請求項１乃至１０のいずれか一つの排気システム。
12. 上記第一領域と上記第二領域とがセリア成分を更に有し、そこにおいて、上記第一領域が上記第二領域より多くのセリア成分を含む、
    請求項１乃至１０のいずれか一つの排気システム。
13. 上記第一領域、及び、上記第二領域が、フロースルー型モノリス基材上に配置される、
    請求項１乃至１２のいずれか一つの排気システム。
14. 上記第一領域、及び、上記第二領域が、ウォールフロー・フィルター基材上に配置される、
    請求項１乃至１２のいずれか一つの排気システム。
15. 上記第一領域、及び、上記第二領域が、単一の基材上に配置される、
    請求項１乃至１４のいずれか一つの排気システム。
16. 上記第一領域、及び、上記第二領域が、上記基材のセグメントによって隔離されている、
    請求項１５に記載の排気システム。
17. 上記第一領域、及び、上記第二領域が、セパレーションの領域によって隔離されている、
    請求項１乃至１４のいずれか一つの排気システム。
18. 尿素還元剤噴射システムを更に有し、
    該尿素還元剤噴射システムからの尿素が、上記第一排出物制御システムと上記第二排出物制御システムの間に導入される、
    請求項１乃至１７のいずれか一つの排気システム。
19. パティキュレート・フィルター・システムを更に備え、そこにおいて、該フィルター・システムが上記第一排出物制御システムの上流に配設される、
    請求項１乃至１８のいずれか一つの排気システム。
20. パティキュレート・フィルター・システムを更に備え、そこにおいて、該フィルター・システムが上記第二排出物制御システムの下流に配設される、
    請求項１乃至１９のいずれか一つの排気システム。
21. 上記排気システムに結合されるセンサー、及び、該センサーの検出値に応じて排気空燃比を変更すべくエンジン作動を調整するための制御器を更に備える、
    請求項１乃至２０のいずれか一つの排気システム。
22. 排気システムにおいて、
    NO_x貯蔵物質から物理的に隔離された第一の量の貴金属と、NO_x貯蔵物質と物理的に混合された第二の量の貴金属を有し、上記第一の量の貴金属が上記第二の量の貴金属の上流に位置するウォッシュ・コートを備えた、第一排出物制御装置、及び、
    上記第一排出物制御装置の下流に配置され、NH₃を貯蔵するように構成されたSCR触媒を含む、第二排出物制御装置、
    を有する、排気システム。
23. 排気システムにおいて、
    第一領域と、該第一領域から物理的に分離され、且つ、少なくとも部分的に上記第一領域の下流に配設される第二領域とを少なくとも備え、上記第一領域が貴金属成分を含み、上記第二領域が貴金属成分とNO_x吸着剤成分とを含み、そこにおいて、上記第二領域が上記第一領域に比べて大量のNO_x吸着剤成分を含み、そして、上記第一領域と上記第二領域とが実質的にセリアを含んでいない、第一排出物制御システム、及び、
    上記第一排出物制御システムの下流に結合されたSCR触媒を含む第二排出物制御システムを備えた、
    排気システム。

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