JP2015025433A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、簡易な構造で排気を浄化することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気管(5)には、排気流れ方向の上流から順番に上流側触媒(6)と下流側触媒(7)とが連通するように設けられている。上流側触媒(6)のケーシング(6a)内にオープンフローハニカム(6c)が備えられている。そして、オープンフローハニカム(6c)には、排気流れ方向の上流側より順にNOxトラップ触媒層(6e)と低温NOx吸着触媒層(6f)が形成されている。また、下流側触媒(7)のケーシング(7a)内にウォールフローフィルタ(7c)が備えられている。そして、ウォールフローフィルタ(7c)には、排気流れ方向の上流側より順にNOx還元触媒層(7e)とPM燃焼触媒層(7f)とが形成されている。【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、触媒の構造に関する。
従来より、ディーゼルエンジンでは、排気通路に炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)を浄化する酸化触媒や、窒素酸化物(NOx)を還元浄化するNOxトラップ触媒や、微粒子状物質(PM)を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ等を直列に複数配設している。そして、これらの触媒やフィルタにて、エンジンからの排気に含まれるHC、CO、NOx及びPMを浄化している。
一方で、エンジンの冷態始動時等にエンジンより排出されるNOxを効率よく浄化するべく、排気通路に複数のNOxトラップ触媒、或いは多層NOxトラップ触媒を備える排気浄化装置が開発されている(特許文献1)。
特許4178858号公報
ディーゼルエンジンでは、リーン燃焼運転中にエンジンから排出されるNOxの排出量が増加することが知られている。
そこで、特許文献1の技術を適用することで、エンジンの低温時のリーン燃焼運転時におけるエンジンより排出されるNOxの浄化が可能となる。
しかしながら、ディーゼルエンジンでは、NOx以外に排気中に含まれるHC、CO、及びPMを浄化するための酸化触媒やディーセルパティキュレートフィルタを備えており、NOxトラップ触媒の追加、或いはNOxトラップ触媒の多層化することで、NOxトラップ触媒の個数増加による排気圧力が上昇することでのエンジン性能の低下、或いは触媒の構造の複雑化によるコストの増加する要因となり好ましいことではない。
本発明は、この様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、簡易な構造で排気を浄化することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
上記の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、酸化性能を有する高温用NOx吸着触媒と、前記高温用NOx吸着触媒の排気流れ方向の下流側に配設され、前記高温用NOx吸着触媒に対して触媒温度が低温であるときにNOxを吸着する低温用NOx吸着触媒とで構成され、内燃機関の排気通路に配設される第1の触媒を備えることを特徴とする。
また、請求項2の内燃機関の排気浄化装置では、請求項1において、前記第1の触媒の排気流れ方向の下流側の前記排気通路に配設され、貴金属が担持される第2の触媒を備えることを特徴とする。
また、請求項3の内燃機関の排気浄化装置では、請求項2において、前記第2の触媒は、ウォールフローフィルタに前記貴金属を担持して形成されることを特徴とする。
また、請求項4の内燃機関の排気浄化装置では、請求項3において、前記第2の触媒の前記貴金属の担持量は、排気流れ方向の上流側の前記貴金属の担持量を前記排気流れ下流側の前記貴金属の担持量より多くすることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、酸化性能を有する高温用NOx吸着触媒の排気流れ方向の下流側に高温用NOx吸着触媒に対して触媒温度が低温であるときにNOxを吸着する低温用NOx吸着触媒を配設して、第1の触媒を形成し、当該第1の触媒を内燃機関の排気通路に配設することで、例えば、内燃機関の冷態始動等でありリーン燃焼運転中で、且つ触媒温度が低温である場合には、内燃機関から排出される炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)を、酸化性能を有する高温用NOx吸着触媒で酸化させて浄化し、窒素酸化物(NOx)を低温用NOx吸着触媒で吸着させることができる。また、排気温度が高温であり、触媒温度が高温である場合には、高温用NOx吸着触媒にてNOxをトラップし、空燃比をリッチ設定に制御すること(以下、NOxパージという)により還元浄化することができる。
したがって、簡易な構造で排気を浄化することができる。
また、請求項2の発明によれば、貴金属が担持される第2の触媒を第1の触媒の排気流れ方向の下流側の排気通路に配設することで、NOxパージ時に、第1の触媒より放出されたNOxを第2の触媒の貴金属で確実に還元浄化することができる。
また、請求項3の発明によれば、ウォールフローフィルタに貴金属を担持して、第2の触媒を形成することで、ウォールフローフィルタにて排気中の微粒子状物質(PM)を捕集し、捕集したPMの燃焼時に発生するCOを担持した貴金属にて浄化することができる。また、第1の触媒と第2の触媒のみの簡易な構造で排気中のHC、CO、NOx及びPMを浄化することができるので、排気圧増大に伴う内燃機関の性能低下の抑制と、触媒のコストを抑制することができる。
また、請求項4の発明によれば、第2の触媒における排気流れ方向の上流側の貴金属の担持量を排気流れ方向の下流側の貴金属の担持量より多くすることで、上流の第1の触媒より放出されるNOxを貴金属の担持量の多い上流側で効率よく還元浄化することができる。また、ウォールフローフィルタにて捕集したPMの燃焼時に発生するCOは、貴金属の担持量の多い上流側及び貴金属の担持量の少ない下流側で浄化することができる。そして、貴金属の担持量を上流側と下流側とで変えることで、貴金属の使用量を低減することができるのでコストの増加を抑制することができる。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたエンジンの概略構成図である。 上流側触媒の概略構成図である。 下流側触媒の概略構成図である。 上流側触媒入口温度と各部でのNOx浄化率との関係を示す図である。 NOx浄化の過程を時系列で示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図1は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたエンジン(内燃機関)1の全体構成図を示している。図2は、エンジン1の排気管5に配設される上流側触媒6の概略構成図である。そして、図3は、エンジン1の排気管5配設される下流側触媒7の概略構成図である。なお、図2及び図3中の矢印は、排気流れ方向を示している。また、図4は、上流側触媒入口温度と各部でのNOx浄化率との関係を示す図である。図4中の実線「出口」は、排気管5の出口でのNOxの浄化率を、破線の「NOx吸着」は、低温NOx吸着触媒層6fのNOx浄化率を、一点鎖線の「NOxトラップ」は、NOxトラップ触媒層6eのNOx浄化率を示している。そして、図5は、NOx浄化の過程を時系列で示す図である。上段より、空燃比、各触媒層の状態、下流側触媒温度を示している。そして、図5中の二点鎖線は、ストイキを示している。また、図4中及び図5中の第1所定温度T1は、低温NOx吸着触媒層6fに吸着したNOxの脱離を開始する温度(約250℃)を示し、第2所定温度T2は、低温NOx吸着触媒層6fに吸着したNOxの脱離を終了する温度(約300℃)を示している。また、第3所定温度T3は、NOxトラップ触媒層6eに吸着したNOxの脱離が可能となる温度を示し、第4所定温度T4は、下流側触媒7に堆積したPMを燃焼することのできるPM燃焼可能温度(約650℃)を示している。なお、第1所定温度T1未満の温度範囲は、貴金属の活性温度未満であって、第1所定温度T1以上第2所定温度T2までの温度範囲は、貴金属の活性温度内に含まれている。
エンジン1は、多気筒の筒内直接噴射式内燃機関(例えばコモンレール式ディーゼルエンジン)であり、詳しくは、コモンレールに蓄圧された高圧燃料を各気筒に備わる燃料噴射ノズルに供給し、任意の噴射時期及び噴射量で当該燃料噴射ノズルから各気筒の燃焼室内に噴射可能な構成を成している。
図1に示すように、エンジン1には、エンジン1の図示しない燃焼室と連通する排気ポート2が気筒毎に形成されている。そして、エンジン1には、それぞれの排気ポート2と連通するように、排気マニフォールド3が接続されている。
排気マニフォールド3の下流には、排気のエネルギを利用し吸入された新気を圧縮して、エンジン1の燃焼室に供給するターボチャージャ4のタービンハウジング4aと、排気管(排気通路)5と、が連通するように設けられている。
排気管5には、排気流れ方向の上流から順に上流側触媒(本発明の第1の触媒に相当)6と下流側触媒(本発明の第2の触媒に相当)7とが連通するように設けられている。
上流側触媒6には、筒状のケーシング6a内に排気が通過する通路6bの両端が開放したハニカム担体、所謂オープンフローハニカム6cが備えられている。通路6bは、多孔質、またはメタル箔の壁6dで形成される。そして、オープンフローハニカム6cの通路6bを形成する多孔質の壁6dには、排気流れ方向の上流側より順にNOxトラップ触媒層(本発明の高温用NOx吸着触媒に相当)6eと低温NOx吸着触媒層(本発明の低温用NOx吸着触媒に相当)6fとが形成されている。
NOxトラップ触媒層6eは、アルミナ母材にリーン雰囲気下でNOxトラップ性能を有するアルカリ金属(カリウム(K)、ナトリウム(Na)など)、アルカリ土類金属(バリウム(Ba)など)、酸化性能を有する貴金属(プラチナ(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh))及び触媒機能を高める機能を有する添加剤(酸化セリウム(CeO2)、酸化ジルコニア(ZrO2)、酸化チタン(TiO2)など)を含んで形成されている。そして、図4及び図5に示すように、NOxトラップ触媒層6eは、上流側触媒6の入口温度が低温NOx吸着触媒層6fのNOxの脱離を終了する温度(NOx脱離温度)である第2所定温度T2よりも低い温度である第1所定温度T1であるときにNOxのトラップを開始するものである。そして、NOxトラップ触媒層6eは、下流側触媒7の温度、所謂下流側触媒温度が第3所定温度以上であるときに空燃比を断続的にリッチ空燃比とするNOxパージ運転を行うことでトラップしたNOxを還元浄化する。即ち、NOxトラップ触媒層6eは、低温NOx吸着触媒層6fのNOx脱離終了温度よりも低い温度でNOxの吸着を開始する触媒である。
また、低温NOx吸着触媒層6fは、アルミナ母材にNOx吸着剤(例えば遷移金属の鉄(Fe)や、銀(Ag)や、遷移金属を含むゼオライトなど)と、助触媒(CeO2、ZrO2、TiO2)を含んで形成されている。そして、低温NOx吸着触媒層6fのNOx吸着材は、NOxトラップ触媒層6eに対して触媒温度が低温であるときに高い窒素酸化物(NOx)の吸着能を有している。そして、図4及び図5に示すように、低温NOx吸着触媒層6fは、上流側触媒6の入口温度が貴金属の活性温度未満である第1所定温度未満でNOxの吸着を開始する。また、低温NOx吸着触媒層6fは、上流側触媒6の入口温度が貴金属の活性温度内である第1所定温度以上から第2所定温度未満の温度であるときにNOxのトラップを開始するものである。即ち、低温NOx吸着触媒層6fは、貴金属の活性温度未満でNOxの吸着を開始し、活性温度内でNOxの脱離を開始し、かつ、終了する機能を有している触媒である。
下流側触媒7には、筒状のケーシング7a内に排気が通過する通路7bの上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖されたハニカム担体、所謂ウォールフローフィルタ7cが備えられている。通路7bは、多孔質の壁7dで形成される。そして、ウォールフローフィルタ7cの通路7bを形成する多孔質の壁7dには、排気流れ方向の上流側より順にNOx還元触媒層7eとPM燃焼触媒層7fとが形成されている。
NOx還元触媒層7eは、アルミナ母材にRhを主とする貴金属(Rh、Pd、Rt)及び添加剤(例えば、CeO2、ZrO2、TiO2など)を含んで形成されている。そして、NOx還元触媒層7eの貴金属の担持量は、PM燃焼触媒層7fの貴金属の担持量よりも多く設定されている。
また、PM燃焼触媒層7fは、アルミナ母材に貴金属(Rt、Pd、Rh)及び添加剤(例えば、CeO2、ZrO2、TiO2など)を含んで形成されている。
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及び効果について説明する。
図5に示すように、上流側触媒6のNOxトラップ触媒層6eでは、NOxトラップ剤としてのK、Na、Baと酸化性能を有する貴金属との作用により、上流側触媒6の温度が第1所定温度(約250℃)以上であれば、リーン雰囲気下での窒素酸化物(NOx)をトラップし、上流側触媒6の温度が第3所定温度以上であるときに空燃比を断続的にリッチ空燃比とするNOxパージ運転を行うことで、リッチ雰囲気下でトラップしたNOxを還元して浄化する。また、NOxトラップ触媒層6eでは、エンジン1の始動時等で上流側触媒6及び下流側触媒7の各触媒層が昇温しておらず上流側触媒6の温度が第2所定温度(例えば300℃)以下の低温である状態、所謂コールドフェイズで発生する炭化水素(HC)及び一酸化炭素(CO)を貴金属にて酸化反応させ浄化する。そして、上流側触媒6の低温NOx吸着触媒層6fでは、NOx吸着材の作用により、エンジン1の始動時等で上流側触媒6及び下流側触媒7の各触媒層が昇温しておらず上流側触媒6の温度が第1所定温度(約250℃)未満の低温である状態のリーン雰囲気下でのNOxを吸着する。そして、上流側触媒6の温度が第1所定温度以上となると、吸着したNOxを脱離する。
また、下流側触媒7のウォールフローフィルタ7cでは、排気中の微粒子状物質(PM)を捕集する。そして、下流側触媒7のNOx還元触媒層7eでは、上流側触媒6のNOxトラップ触媒層6eにトラップしたNOxと低温NOx吸着触媒層6fに吸着したNOxの浄化を行うためにリッチ空燃比とするNOxパージ運転時に、NOxトラップ触媒層6e及び低温NOx吸着触媒層6fより放出されたNOxを還元し浄化する。また、PM燃焼触媒層7fでは、下流側触媒7の温度を第4所定温度T4、所謂PM燃焼可能温度(例えば、650℃)に高めるPM燃焼運転の実行中に、ウォールフローフィルタ7cにて捕集したPMを燃焼し浄化する。そして、NOx還元触媒層7e及びPM燃焼触媒層7fでは、PM燃焼時に発生するCOを貴金属にて酸化反応させ浄化する。
このように、コールドフェイズのリーン雰囲気下にて発生するHC、COを上流側触媒6のNOxトラップ触媒層6eにて酸化させ浄化することができ、NOxを上流側触媒6の低温NOx吸着触媒層6fに吸着させることができ、PMを下流側触媒7のウォールフローフィルタ7cで捕集することができる。また、通常運転時のリーン雰囲気下にて発生するNOxを上流側触媒6のNOxトラップ触媒層6eでトラップし、還元浄化することができる。更にはPM燃焼時に発生するCOをNOx還元触媒層7e及びPM燃焼触媒層7fにて浄化することができる。
したがって、このように上流側触媒6と下流側触媒7との簡易な構造で確実に排気を浄化することで、排気圧増大に伴うエンジン1の性能低下を抑制し、触媒のコストを抑制しつつ、良好な排気浄化性能を得ることができる。
また、NOxトラップ触媒層6eをエンジン1に最も近い排気流れの最上流の排気管5に設けることで、貴金属の昇温に要する時間を短縮することができるので、HC及びCOを酸化反応させ浄化することができる。また、NOxの還元性能を向上させることができる。
また、低温NOx吸着触媒層6fをNOxトラップ触媒層6eの排気流れ方向の下流側に形成することで、HC及びCOをNOxトラップ触媒層6eにて浄化し、排気中のHC及びCOを少ない状態とすることで、低温NOx吸着触媒層6fのNOx吸着性を高めることができる。
以上で発明の実施形態の説明を終えるが、発明の形態は本実施形態に限定されるものではない。
例えば、本実施例では、本発明の内燃機関の排気浄化装置をコモンレール式ディーゼルエンジンに適用しているが、これに限定されるものではなく、例えば、ガソリンリーンバーンエンジンに適用してもよい。
1 エンジン(内燃機関)
5 排気管(排気通路)
6 上流側触媒(第1の触媒)
6c オープンフローハニカム
6e NOxトラップ触媒層(高温用NOx吸着触媒)
6f 低温NOx吸着触媒層(低温用NOx吸着触媒)
7 下流側触媒(第2の触媒)
7c ウォールフローフィルタ
7e NOx還元触媒層
7f PM燃焼触媒層

Claims (4)

  1. 酸化性能を有する高温用NOx吸着触媒と、前記高温用NOx吸着触媒の排気流れ方向の下流側に配設され、前記高温用NOx吸着触媒に対して触媒温度が低温であるときにNOxを吸着する低温用NOx吸着触媒とで構成され、内燃機関の排気通路に配設される第1の触媒を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記第1の触媒の排気流れ方向の下流側の前記排気通路に配設され、貴金属が担持される第2の触媒を備えることを特徴とする、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記第2の触媒は、ウォールフローフィルタに前記貴金属を担持して形成されることを特徴とする、請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記第2の触媒の前記貴金属の担持量は、排気流れ方向の上流側の前記貴金属の担持量を前記排気流れ方向の下流側の前記貴金属の担持量より多くすることを特徴とする、請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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