JP2011047395A - 排気システム - Google Patents

Abstract

【課題】
排気ガスに含まれている窒素酸化物を低減させる排気システムを提供する。
【解決手段】
エンジンで排出される排気ガスが通過する排気ライン、排気ラインに設置されて排気ガスに含まれている窒素酸化物を低減させる窒素酸化物浄化触媒、排気ラインまたはエンジンのシリンダーに燃料を追加噴射するインジェクター、およびインジェクターから噴射された燃料を分解して高効率還元剤に転換し、酸化反応で後端の温度を上昇させるように、インジェクターと窒素酸化物浄化触媒の間に設けられる燃料分解触媒を含み、窒素酸化物浄化触媒の前端部に燃料分解触媒を配置し、燃料分解触媒で生成された高反応性還元剤は窒素酸化物浄化触媒の浄化効率を向上させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気システムに係り、より詳しくは、還元剤を利用して、窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化触媒を備えた排気システムに関する。

一般に、エンジンで排気マニホールドを通して排出する排気ガスは排気パイプの途中に形成された触媒コンバータ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）に誘導され浄化されて、マフラを通過しながら、騒音が減殺された後、テールパイプを通して大気中に放出される。

前記触媒コンバータは排気ガスに含まれている汚染物質を処理する。
そして排気パイプ上には排気ガスに含まれている粒子状物質（ＰＭ）を捕集するための媒煙フィルターが装着される。

選択的触媒還元（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ＳＣＲ）装置はこのような触媒コンバータの一つの形式である。選択的触媒還元（ＳＣＲ）装置はウレア（Ｕｒｅａ）、アンモニア（Ａｍｍｏｎｉａ）、一酸化炭素と炭化水素（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ；ＨＣ）等のような還元剤が酸素と窒素酸化物の中で窒素酸化物とより良く反応するようにするという意味で選択的触媒還元と命名される。特許文献１参照。

このような選択的触媒還元装置が装着された内燃機関の中で一酸化炭素と炭化水素（ＨＣ：ｈｙｄｒｏ ｃａｒｂｏｎ）等を還元剤に使用する場合、排気ガスに含まれている窒素酸化物の量により燃料を連続的に追加噴射する。したがって、炭化水素のスリップが発生し燃費が悪化する。

また、連続的に還元剤を供給する場合、酸化−還元反応が連続的に発生するようになる。したがって、酸化−還元反応時に発生する酸化熱によって、触媒の耐久性が悪化する。

特開２００８−６８２２５号公報

本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は窒素酸化物の浄化効率が向上した排気システムを提供することにある。

前記目的を達成するための本発明の排気システムは、エンジンから排出する排気ガスが通過する排気ライン、前記排気ラインに設置されて排気ガスに含まれている窒素酸化物を低減させる窒素酸化物浄化触媒、排気ラインに燃料を追加噴射するインジェクター、および前記インジェクターで噴射された燃料を分解して高効率還元剤に転換し、酸化反応で後端の温度を上昇させるように、前記インジェクターと前記窒素酸化物浄化触媒の間に設けられる燃料分解触媒を含むことを特徴とする。

前記燃料分解触媒は、アルミナ、ジルコニア、硫酸アルミナ、硫酸ジルコニア、硫酸セリアージルコニア複合酸化物、タングステンジルコニア、タングステンアルミナ、およびゼオライトのうちの少なくとも一つで構成される担体を含み、前記担体にはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｇ、Ｓｎ、およびＲｕのうちの少なくとも一つの触媒成分が付着することを特徴とする。

前記担体に付着する前記触媒成分は、全体ウォッシュコート質量の０．０５重量％乃至１０重量％であることを特徴とする。

前記窒素酸化物浄化触媒は、排気ガスに含まれている窒素酸化物の一部を、未燃焼燃料または炭化水素を利用して還元させ、窒素酸化物の他の一部は内部に拡散させ貯蔵し、前記燃料分解触媒で形成された還元剤を利用して前記窒素酸化物浄化触媒に貯蔵された窒素酸化物を脱着させ還元することを特徴とする。

前記燃料分解触媒は、燃料の長い炭素輪を切って複数の短い炭化水素を作り、前記窒素酸化物浄化触媒で窒素酸化物の浄化効率を向上させることを特徴とする。

前記インジェクターは、エンジンの燃焼室を形成するシリンダー内に燃料を噴射する第１インジェクター、および前記窒素酸化物浄化触媒の前端部の前記排気ラインに設けられる第２インジェクターを含むことを特徴とする。

本発明に依れば、窒素酸化物浄化触媒の前端部に燃料分解触媒を配置し、前記燃料分解触媒で生成された高反応性還元剤は前記窒素酸化物浄化触媒の浄化効率を向上させる。

本発明実施例における排気システムの概略的な構成図である。 本発明実施例の排気システムに備えられた燃料分解触媒で発生する化学式を示す。 本発明実施例の排気システムで発生する全体的な化学式を示す。 本発明実施例の排気システムで達成される燃料分解触媒の効果を示す。 本発明実施例の排気システムにおける窒素酸化物浄化触媒の貯蔵モードを示す。 本発明実施例の排気システムにおける窒素酸化物浄化触媒の還元モードを示す。

以下、本発明の望ましい実施例を添付した図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明実施例における排気システムの概略的な構成図である。

図１を参照すると、排気システムはエンジン１００、制御部１１０、インジェクター１２０、燃料分解触媒１３０、触媒濾過フィルター１４０、排気ライン１５０、窒素酸化物浄化触媒１６０、第１酸素センサー１７０ａ、第２酸素センサー１７０ｂ、第１温度センサー１８０ａ、第２温度センサー１８０ｂ、第３温度センサー１８０ｃ、第４温度センサー１８０ｄ、および差圧センサー１９０を含む。

前記エンジン１００内部には、燃料をシリンダー内に噴射したり、吸気空気に燃料を噴射する別途のインジェクター（図示せず）を備える。

前記エンジン１００で排出される燃焼ガスは前記排気ライン１５０を通じて排出され、前記排気ライン１５０には前記インジェクター１２０、前記燃料分解触媒１３０、前記触媒濾過フィルター１４０、前記窒素酸化物浄化触媒１６０が順次配置される。

前記排気ラインの１５０には、前記エンジン１００と前記インジェクター１２０の間に第１酸素センサー１７０ａと第１温度センサー１８０ａが配置され、前記燃料分解触媒１３０と前記触媒濾過フィルター１４０の間に前記第２温度センサー１８０ｂが配置される。

同様に、前記窒素酸化物浄化触媒１６０の入口側と出口側に各々前記第３温度センサー１８０ｃと前記第４温度センサー１８０ｄが配置され、前記第２酸素センサー１７０ｂは前記第４温度センサー１８０ｄの下流側に配置される。

前記差圧センサー１９０は前記燃料分解触媒１３０と前記触媒濾過フィルター１４０間の圧力差を感知する。

前記第１、２酸素センサー１７０ａ、１７０ｂ、前記第１、２、３、４温度センサー１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄ、および前記差圧センサー１９０で感知された信号は前記制御部１１０に伝えられて前記インジェクター１２０および前記エンジン１００は伝えられた信号によって制御される。

前記窒素酸化物浄化触媒１６０は前記エンジン１００から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を貯蔵し、前記インジェクター１２０で追加噴射された燃料により前記燃料分解触媒１３０で生成された還元剤を利用して脱着され還元される。

つまり、前記窒素酸化物浄化触媒１６０に貯蔵された窒素酸化物を脱着して還元させるために、前記排気ライン１５０に設けられた前記インジェクター１２０を用いて、燃料を追加噴射し、前記燃料分解触媒１３０はＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２などのような還元剤を生成する。この還元剤を利用して前記窒素酸化物浄化触媒１６０が再生される。

図１を参照すると、前記触媒濾過フィルター１４０は排気ガスに含まれている粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ＰＭ）を捕集し、設定された条件で除去する。

前記制御部１１０は前記差圧センサー１９０で測定された圧力差が設定値以上である場合、前記触媒濾過フィルター１４０を再生するように制御する。この場合、前記インジェクター１２０で燃料を追加噴射することによって前記触媒濾過フィルター１４０の内部に捕集されたスス（ｓｏｏｔ）を燃焼する。

前記窒素酸化物浄化触媒１６０に貯蔵された窒素酸化物と排気ガス内のＨＣ比率がマップデータに設定され、前記制御部１１０は実運転条件でＮＯｘ対比ＨＣの比率とマップデータで設定された値を比較して、その値が設定値以下である場合に前記インジェクター１２０を作動させて前記排気ガス内に燃料を追加噴射する。即ち、ＮＯｘと 比較してＨＣの比率を増やす。

前記窒素酸化物浄化触媒１６０の後端部には窒素酸化物感知センサーが備えられて、前記窒素酸化物感知センサーは排気ガス内の窒素酸化物の量を検出しこれに対する信号を前記制御部に伝達する。

一方、本発明の実施例においては、前記窒素酸化物感知センサーを使う代わりに、実験値によって定められたマップからその保存量を予測することも可能である。

前記制御部１１０は各センサーで検出した信号およびマップ資料等に基づいて燃料の追加噴射量および追加噴射時期を制御し、前記窒素酸化物浄化触媒１６０に貯蔵された窒素酸化物を脱着して除去する。

一例として、前記制御部１１０は前記窒素酸化物浄化触媒１６０に貯蔵された窒素酸化物が設定値以上である場合には燃料を追加噴射するように制御する。

ここで、前記制御部１１０は前記窒素酸化物浄化触媒１６０に貯蔵された窒素酸化物が離脱され容易に還元されるように窒素酸化物（ＮＯｘ）に対する炭化水素（ＨＣ）の比率を設定比率以上になるように制御する。前記設定比率は８が好ましい。

前記燃料分解触媒１３０は触媒反応を通して、燃料内に含まれている炭素化合物のチェ−ン環を切って分解する。
つまり、前記燃料分解触媒１３０は燃料を分解するＴｈｅｒｍａｌ Ｃｒａｃｋｉｎｇ機能を通して炭化水素を構成する連結環を切って分解する。

また、前記燃料分解触媒１３０は炭化水素のうちの一部を酸素と結合した炭化水素に変換して、前記インジェクター１２０で噴射された燃料を活性化させる。

同時に、前記燃料分解触媒１３０は、液滴状態で噴射され蒸発した燃料を高反応性還元剤に変換すると同時に、酸化反応で酸素の濃度を減少させ排気ガス温度を上昇させる機能も有する。

前記燃料分解触媒に含まれる触媒成分はＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｒｕなどの元素で構成され、これらの中少なくとも一つの物質が添加され、全体コーティング物質の０．０５重量％乃至１０重量％の範囲に構成される。

同様に、前記燃料分解触媒で前記触媒成分が付着される担体はアルミナ、ジルコニア、硫酸アルミナ、硫酸ジルコニア、硫酸セリアージルコニア複合酸化物、タングステンジルコニア、タングステンアルミナ、およびゼオライトなどの物質から構成される。

図４は本発明実施例の排気システムにおける燃料分解触媒の効果を示す。

図４を参照すると、前記燃料分解触媒を使用する場合、窒素酸化物の浄化率が約１２％から３０％に増加する。

同様に、前記燃料分解触媒は排気温度が低い車両でその効果が大きく、窒素酸化物の浄化率が向上し炭化水素のスリップが防止される効果もある。

図２は本発明実施例の排気システムに備えられた燃料分解触媒で発生する化学式を示し、図３は本発明実施例の排気システムで発生する全体的な化学式を示す。

図５は本発明実施例の排気システムにおける窒素酸化物浄化触媒の貯蔵モードを示し、図６は本発明実施例の排気システムにおける窒素酸化物浄化触媒の還元モードを示す。

図５および図６に示しているように、前記窒素酸化物浄化触媒１６０は担体にコーティングされた第１、２触媒層４４４、４４６を含む。前記第１触媒層４４４は排気ガスに近接して配置され、前記第２触媒層４４６は担体に近接して配置される。

前記第１触媒層４４４は排気ガスに含まれている窒素酸化物を酸化させ、酸化された窒素酸化物の一部を、未燃焼燃料または排気ガスに含まれている炭化水素との酸化−還元反応によって還元する。

また、酸化された窒素酸化物の他の一部は前記第２触媒層４４６に拡散する。図５、および図６に示しているように、前記第１触媒層４４４は、ゼオライト触媒４１２と多孔性アルミナに担持された 金属触媒４１４のうちの少なくとも一つを含む。

前記ゼオライト触媒４１２は銅、白金、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、銀、セリウム、ガリウムのうちの少なくとも一つ以上の元素がイオン交換された触媒である。前記ゼオライト触媒４１２で発生する化学反応は下記である。

Ｚ−Ｃｕ^２＋Ｏ＋ＮＯ→Ｚ−Ｃｕ^２＋（ＮＯ_２）_ａｄｓ→Ｚ−Ｃｕ^２＋＋ＮＯ_２
Ｚ^＋Ｏ＋ＮＯ→Ｚ^＋（ＮＯ_２）_ａｄｓ→Ｚ^＋＋ＮＯ_２
Ｚ−Ｃｕ^２＋（ＮＯ_２）_ａｄｓ＋ＮＯ→Ｚ−Ｃｕ^２＋（Ｎ_２Ｏ_３）_ａｄｓ→Ｚ−Ｃｕ^２＋Ｏ＋Ｎ_２＋Ｏ_２
Ｚ−Ｈ^＋＋Ｃ_ｎＨ_２ｎ→Ｚ−Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋１＋→ｎ（Ｚ−Ｈ）＋Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋
ｍＮＯ_２＋Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋→Ｃ_ｎＨ_２ｎＮ_ｍＯ_２ｍ→Ｎ_２＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ
ここで、Ｚはゼオライトを意味し、下添字ａｄｓは吸着を意味する。

また、前記多孔性アルミナに担持された金属触媒４１４では白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、タングステン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、銅、亜鉛、銀のうちの少なくとも一つ以上の金属を用いることができる。前記多孔性アルミナに 担持された金属触媒４１４で起す化学反応は下記である。

ＮＯ＋Ｏ_２→（ＮＯ_ｘ）_ａｄｓ
ＴＨＣ＋（ＮＯ_ｘ）_ａｄｓ→ＴＨＣ−ＯＮＯ または ＴＨＣ−ＮＯ_２
ＴＨＣ−ＮＯ_２→ＴＨＣ−ＮＣＯ
ＴＨＣ−ＮＣＯ＋ＮＯ＋Ｏ_２→Ｎ_２＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ

ここで、ＴＨＣは全炭化水素を意味する。前記で言及した通り、全炭化水素は排気ガスと燃料に含まれている炭素と水素から構成された化合物の全てを表わすことにする。

前記第２触媒層４４６は前記第１触媒層４４４で酸化された窒素酸化物の一部を貯蔵し、予め設定された条件により追加噴射される燃料によって、前記貯蔵された窒素酸化物を脱着し前記第１触媒層４４４で還元されるようにする。

前記予め設定された条件は前記第１触媒層４４４で窒素酸化物の還元反応が活性化されるように、前記第２触媒層４４６に貯蔵された窒素酸化物がマップデータで設定された値以上である場合に成立する内容とする。

前記第２触媒層４４６は貴金属４０８と窒素酸化物貯蔵物質４０６を含む。窒素酸化物貯蔵物質４０６では酸化バリウム（ＢａＯ）を用いることができる。前記貴金属４０８は窒素酸化物貯蔵物質４０６が窒素酸化物を貯蔵することを促進する。前記貴金属４０８には白金、パラジウムなど多様な金属物質を用いることができる。

以下、本発明の作動原理を詳しく説明する。

窒素酸化物貯蔵モード

前記第２触媒層４４６に貯蔵された窒素酸化物が設定された数値より小さい場合には、排気ガスに含まれている窒素酸化物は第１触媒層４４４で酸化される。
酸化された窒素酸化物の一部は排気ガスに含まれている炭化水素と酸化−還元反応をして窒素気体に還元され、他の一部は前記第２触媒層４４６に貯蔵される。この過程で、排気ガスに含まれている炭化水素は二酸化炭素に酸化される。前記第１触媒層４４４で発生する反応は下式のように簡略に表現される。

ＮＯ＋１／２Ｏ_２→ＮＯ_２
ＮＯ＋ＨＣ→１／２Ｎ_２＋ＣＯ_２

また、酸化された窒素酸化物の他の一部と排気ガスに含まれている窒素酸化物が前記第２触媒層４４６に拡散され貯蔵される際、前記第２触媒層４４６の貴金属４０８は、窒素酸化物貯蔵物質４０６が窒素酸化物を保存することを促進する。前記第２触媒層４４６で発生する反応は下式のように簡略に表現される。

ＢａＯ＋２ＮＯ_２＋１／２Ｏ_２→Ｂａ（ＮＯ_３）_２

窒素酸化物再生モード

前記第２触媒層４４６に貯蔵された窒素酸化物が設定された値以上である場合、前記制御部１１０は前記第２インジェクター１２０により燃料の追加噴射を行う。追加噴射された燃料は前記燃料分解触媒１３０（ＤＦＣ）を通過し、この過程で燃料が低分子の炭化水素に分解される。また、低分子の炭化水素の一部は酸素と結合した炭化水素に変換され前記窒素酸化物浄化触媒１６０を通過する。

この際、前記第２触媒層４４６では窒素酸化物が前記炭化水素と置換反応を通して脱着される。これは下式のように簡略に表現される。

Ｂａ（ＮＯ_３）_２＋３ＣＯ→ＢａＣＯ_３＋２ＮＯ＋２ＣＯ_２

また、第１触媒層４４４では前記第２触媒層４４６で脱着された窒素酸化物と炭化水素／（酸素と結合した炭化水素）の間の酸化−還元反応によって、窒素酸化物は窒素気体に還元され、炭化水素／（酸素と結合した炭化水素）は二酸化炭素に酸化される。これは下式のように簡略に表現される。

ＮＯ＋ＨＣ／（酸化されたＨＣ）＝１／２Ｎ_２＋ＣＯ_２

このようにして、排気ガスに含まれている窒素酸化物と炭化水素が浄化される。

本発明の実施例では燃料の追加噴射が連続的に行われる代わりに、前記制御部１１０は排気ガス内のＨＣ／ＮＯｘの比率が予め設定された値以下である場合は、前記第２インジェクター１２０で燃料の追加噴射を行う。したがって、運転条件によって最適化した条件で燃料が追加噴射されるので、炭化水素のスリップが防止され燃費が向上する。

以上本発明に関する望ましい実施例を説明したが、 本発明はこれに限定されるのではなく、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができる。

本発明は、車両の排気ガスに含まれている窒素酸化物を低減する排気システムの分野に適用できる。

１００ エンジン
１１０ 制御部
１２０ インジェクター
１３０ 燃料分解触媒（ＤＦＣ：ｄｉｅｓｅｌ ｆｕｅｌ ｃｒａｃｋｉｎｇ）
１４０ 触媒濾過フィルター（ＤＰＦ：ｄｉｅｓｅｌ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ）
１５０ 排気ライン
１６０ 窒素酸化物浄化触媒（ＮＯｘ ｔｒａｐ）
１７０ａ、１７０ｂ 第１、２酸素センサー
１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、１８０ｄ 第１、２、３、４温度センサー
１９０ 差圧センサー

Claims (6)

1. エンジンから排出される排気ガスが通過する排気ライン、
   前記排気ラインに設置されて排気ガスに含まれている窒素酸化物を低減させる窒素酸化物浄化触媒、
   前記排気ラインまたはエンジンのシリンダーに燃料を追加噴射するインジェクター、
   および前記インジェクターで噴射された燃料を分解して高効率還元剤に転換し、酸化反応で後端の温度を上昇させるように、前記インジェクターと前記窒素酸化物浄化触媒の間に設けられる燃料分解触媒、
   を含むことを特徴とする排気システム。
2. 前記燃料分解触媒は、アルミナ、ジルコニア、硫酸アルミナ、硫酸ジルコニア、硫酸セリア−ジルコニア複合酸化物、タングステンジルコニア、タングステンアルミナ、およびゼオライトのうちの少なくとも一つで構成される担体を含み、前記担体にはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｇ、Ｓｎ、およびＲｕのうちの少なくとも一つの触媒成分が付着することを特徴とする請求項１に記載の排気システム。
3. 前記担体に付着される前記触媒成分は、全体ウォッシュコート質量の０．０５重量％乃至１０重量％であることを特徴とする請求項２に記載の排気システム。
4. 前記窒素酸化物浄化触媒は、排気ガスに含まれている窒素酸化物の一部を未燃焼燃料または炭化水素を利用して還元させ、窒素酸化物の他の一部は内部に拡散させて貯蔵し、前記燃料分解触媒で形成された還元剤を利用して前記窒素酸化物浄化触媒に貯蔵された窒素酸化物を脱着させ還元することを特徴とする請求項１に記載の排気システム。
5. 前記燃料分解触媒は、燃料の長い炭素輪を切って複数の短い炭化水素を作り、前記窒素酸化物浄化触媒で窒素酸化物の浄化効率を向上させることを特徴とする請求項１に記載の排気システム。
6. 前記インジェクターは、エンジンの燃焼室を形成するシリンダー内に燃料を噴射する第１インジェクター、および前記窒素酸化物浄化触媒の前端部の前記排気ラインに設けられる第２インジェクターを含むことを特徴とする請求項１に記載の排気システム。

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