JP2019157738A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】触媒活性化に不利な条件下において有害物質の浄化を可能な限り実行する。【解決手段】内燃機関の排気浄化装置3Aは、NOx吸着材11と、排気流れ方向におけるNOx吸着材の下流側に配置された選択還元型第1NOx触媒12と、第1NOx触媒の下流側に配置された酸化触媒13と、酸化触媒の下流側に配置されたフィルタ14とを備える。【選択図】図2

Description

本開示は、内燃機関の排気ガスを浄化するための排気浄化装置に関する。
この種の排気浄化装置としては、排気中の有害物質を除去もしくは低減する複数の触媒等を直列に配置して構成したものが一般的である(例えば特許文献1〜3参照)。
特開2011−94482号公報 特開2010−121530号公報 特開平8−270440号公報
ところで車両用内燃機関の排気浄化装置には、年々厳しくなる各国の排ガス規制に対処するという一般的課題がある。特に最近では、内燃機関の冷間始動後や排気ガス温度の低温時等、触媒活性化に不利な条件下において、有害物質の浄化を可能な限り実行できる排気浄化装置が望まれている。
そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、触媒活性化に不利な条件下において有害物質の浄化を可能な限り実行できる排気浄化装置を提供することにある。
本開示の一の態様によれば、
NOx吸着材と、
排気流れ方向における前記NOx吸着材の下流側に配置された選択還元型第1NOx触媒と、
前記第1NOx触媒の下流側に配置された酸化触媒と、
前記酸化触媒の下流側に配置されたフィルタと、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
好ましくは、前記排気浄化装置は、前記第1NOx触媒の下流側かつ前記酸化触媒の上流側に配置された第1アンモニアスリップ触媒をさらに備える。
好ましくは、前記排気浄化装置は、前記フィルタと一体化され、または前記フィルタの下流側に配置された選択還元型第2NOx触媒をさらに備える。
好ましくは、前記排気浄化装置は、前記第2NOx触媒の下流側に配置された第2アンモニアスリップ触媒をさらに備える。
好ましくは、前記NOx吸着材が電気ヒータを有する。
本開示によれば、触媒活性化に不利な条件下において有害物質の浄化を可能な限り実行できる。
内燃機関の概略図である。 第1実施形態の排気浄化装置を示す図である。 第2実施形態の排気浄化装置を示す図である。 第3実施形態の排気浄化装置を示す図である。 第4実施形態の排気浄化装置を示す図である。 第5実施形態の排気浄化装置を示す図である。 第6実施形態の排気浄化装置を示す図である。
以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。
[第1実施形態]
図1に、本実施形態に係る内燃機関を概略的に示す。内燃機関(エンジン)1は車両用であり、多気筒の圧縮着火式内燃機関すなわちディーゼルエンジンである。但し本実施形態は、燃料と空気の混合比率である空気過剰率λが1より大きい、酸素過多の状態で運転されるエンジンを対象としている。よってエンジンは、所謂リーンバーン方式の火花点火式内燃機関すなわちガソリンエンジンであってもよい。エンジンの用途、シリンダ配置形式、気筒数等は任意である。
エンジン1は、排気管等により画成されて排気ガスGが流される排気通路2を有する。図示例の排気通路2は単純化のため単なる直線状とされているが、適宜屈曲状あるいは蛇行状等とされてもよい。この排気通路2の途中に、排気ガスを浄化するための排気浄化装置3が設けられる。図1では単純化のため排気浄化装置3を単に破線四角で示す。
詳しくは後述するが、排気浄化装置3は、排気中の種々の有害物質を除去もしくは低減する、複数かつ種々の触媒およびフィルタを含む。これら触媒およびフィルタを総称して後処理部材という。本開示の実施形態で使用される後処理部材には主に次のものがある。
(1)選択還元型NOx触媒
選択還元型NOx触媒(以下、SCR(Selective Catalytic Reduction)という)は、排気ガス中の窒素酸化物NOxを化学反応により還元除去するための触媒である。SCRは、還元剤が添加されているときにNOxを連続的に還元し得る。そのため排気流れ方向におけるSCRの上流側には、還元剤としての尿素水を排気通路2内に添加する添加弁が設けられる。
SCRは、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にPtなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にCu等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニヤ/バナジウム触媒(V25/WO3/TiO2)を担持させたもの等が例示できる。SCRは、その触媒温度(触媒床温)が活性開始温度以上となって活性化しており、且つ、尿素水が添加されているときにNOxを還元浄化する。尿素水が添加されると、尿素水が加水分解され、アンモニアが生成される。SCR上で、アンモニアがNOxと反応してNOxが還元される。
(2)NOx吸着材
NOx吸着材(以下、PNA(Passive NOx Adsorbers)という)は、排気ガス中の窒素酸化物NOxを物理的に吸着することにより除去するためのものである。PNAは、遷移元素と希土類元素の複合酸化物、または遷移元素の酸化物と希土類元素の酸化物との混合物をコージェライト製ハニカムにコーティングしたもの、あるいは多孔質のゼオライトにより形成されたフロースルー型担体等が例示できる。
PNAの活性開始温度、すなわちPNAが活性状態となる温度の最小値は、SCRの活性開始温度より低い。よってエンジンの冷間始動後、SCRの活性開始前に、PNAは活性を開始してNOxを吸着除去可能である。またPNAの温度が活性終了温度、すなわちPNAが活性状態となる温度の最大値よりも上昇すると、PNAはNOxの吸着を停止し、それまで吸着していたNOxを脱離放出する。このPNAの活性終了温度は一般的にはSCRの活性開始温度付近である。
なおPNAは、その名の通り、あくまで自身の温度に依存してNOxの吸着および脱離を行うパッシブ型のNOx吸着材である。この点で、PNAは、排気ガスを強制的にリッチ雰囲気にして吸着NOxの脱離放出を行うアクティブ型のNOx吸着材、すなわち吸蔵還元型NOx触媒(LNT: Lean NOx TrapまたはNSR: NOx Storage Reduction)と異なる。
(3)フィルタ
フィルタ(以下、DPF(Diesel Particulate Filter)という)は、排気中に含まれる粒子状物質(PM: Particulate Matter)を捕集して除去するためのものである。DPFは、ハニカム形状の耐熱性基材の両端開口を互い違いに市松状に閉塞した所謂ウォールフロータイプのもの、あるいは網の目構造のフォーム形状のものなど、PMを物理的に捕集するあらゆるタイプのフィルタを用いることができる。本実施形態ではウォールフロータイプのものを用いる。
またDPFは、その基材内壁にPt等の貴金属を担持した所謂連続再生式の触媒付きDPFである。この場合、DPFに供給された排気中のHCが触媒作用で酸化、燃焼し、このとき同時にDPF内部に堆積しているPMが燃焼除去される。
(4)酸化触媒
酸化触媒(以下、DOC(Diesel Oxidation Catalyst)という)は、排気ガス中の未燃成分(炭化水素HCおよび一酸化炭素CO)を酸化して浄化するためのものである。DOCは、基材表面上のコート材にPt等の貴金属を多数分散配置させてなる。DOCは、排気ガス中のHC,COの酸化反応時に生じた熱で排気ガスを加熱、昇温する機能を有する。またDOCは、排気中のNOをNO2に酸化する機能をも有する。DOCの下流側にDPFがある場合、NO2が持つ高い酸化能により、DPFに捕集されたPMを効率よく酸化除去できる。
(5)アンモニアスリップ触媒
アンモニアスリップ触媒(以下、ASC(Ammonia Slip Catalyst)という)は、SCR内でNOxの還元に使用されずSCRの下流側に排出された余剰のアンモニアを酸化して浄化するための触媒である。アンモニアが大気中に放出されると異臭等の原因になるので、これを防止すべく、余剰アンモニアをASCにより処理する。
図2には、第1実施形態の排気浄化装置3を示す。便宜上、第1実施形態の排気浄化装置3を符号3Aで表す。
排気浄化装置3Aは、PNA11と、排気流れ方向におけるPNA11の下流側に配置された選択還元型第1NOx触媒すなわち第1SCR12とを備える。また排気浄化装置3Aは、第1SCR12の下流側に配置されたDOC13と、DOC13の下流側に配置されたDPF14とを備える。
これにより排気通路2には、PNA11、第1SCR12、DOC13およびDPF14が、上流側から順に直列に配置されている。
第1SCR12の上流側には、排気通路2内に尿素水を添加する第1添加弁15が配置される。第1添加弁15は、第1SCR12においてNOxの還元反応に使用される尿素水を添加する。従って第1添加弁15と第1SCR12は対をなし、これらの間には、如何なる後処理部材や排気ガス成分を変化させる部材も配置されない。こうした関係にある両者の配置を特に対配置という。例えば第1添加弁15は、第1SCR12に対し対配置される。
この排気浄化装置3Aの特徴は次の通りである。まず、NOxを浄化するPNA11および第1SCR12と、PMを捕集するDPF14とを備えるので、ディーゼルエンジンの主な有害物質であるNOxとPMを除去できる。
また、第1SCR12の上流側にPNA11を配置したので、次の利点がもたらされる。本実施形態の第1SCR12は、一般的に使用される通常のSCRよりも低温で作動可能であり、言い換えれば、第1SCR12の活性開始温度Ts1は通常のSCRの活性開始温度Tsnより低い。例えば、通常のSCRの活性開始温度Tsnが約200℃であるのに対し、第1SCR12の活性開始温度Ts1は約150℃である。従って、エンジン1の冷間始動後に通常のSCRより早く第1SCR12を活性化させ、より早いタイミングからNOxを除去可能である。また、エンジン1の運転状態がアイドルまたは低負荷運転状態となり、排気ガス温度が低温になっても、通常のSCRより長い時間、第1SCR12の活性状態を維持でき、言い換えれば、第1SCR12が活性状態から失活状態になるタイミングを通常のSCRより遅らせることができる。
こうした低温作動型の第1SCR12を設けた場合、通常のSCRよりも低温側で且つ早いタイミングからNOxを除去可能である。しかしながら、その活性開始温度Ts1未満では、第1SCR12によっても依然としてNOxを除去できない。そこで、活性開始温度Ts1未満の低温側の温度領域をカバーするため、補助的にPNA11を設けている。
PNA11は、第1SCR12の活性開始温度Ts1より低い活性開始温度Tpsを有し、例えばTps=約120〜130℃で活性(すなわちNOx吸着)を開始する。またPNA11は、通常のSCRの活性開始温度Tsnとほぼ等しく第1SCR12の活性開始温度Ts1より高い活性終了温度Tpeを有し、例えばTpe=約200℃で活性を終了する。そしてPNA11は、活性終了温度Tpeより高温のとき、吸着NOxの脱離放出を行う。
このPNA11を設けることにより、第1SCR12の活性開始温度Ts1より低い活性開始温度TpsからNOxを除去可能である。従って、PNA11を設けない場合に比べ、エンジン1の冷間始動後にはより早いタイミングからNOxを除去可能である。またエンジン1の運転状態がアイドルまたは低負荷運転状態となって排気ガス温度が低温になった場合には、排気ガス温度が活性開始温度Tps未満になるまでNOxを除去し続けることができ、NOx除去可能な時間をできるだけ長く持続し、NOx除去不能となるタイミングを遅らせることができる。
それ故、触媒活性化に不利な条件下においても、有害物質であるNOxの浄化を可能な限り実行することができる。
また、PNA11の活性温度範囲、すなわちTps以上Tpe以下の温度範囲のうち、Ts1以上Tpe以下の温度範囲が、第1SCR12の活性温度範囲(Ts1以上)と重複する。このため、重複温度範囲では、第1SCR12とPNA11の二者を使って、より確実にNOxを除去できる。
また本実施形態では、排気浄化装置3Aに含まれる4つの後処理部材のうち、PNA11を排気浄化装置3Aの最も上流側に配置したので、PNA11が最も高温の排気ガスを受け取ることができ、PNA11の活性開始タイミングを早めたり活性状態を維持するのに非常に有利である。
また、PNA11の下流側に第1SCR12を配置したので、PNA11から脱離放出されたNOxを第1SCR12で還元処理でき、そのNOxを大気に放出するのを抑制できる。
また、PNA11および第1SCR12というNOx浄化用後処理部材の下流側に、DOC13およびDPF14を配置したので、次の利点がもたらされる。PNA11および第1SCR12によっても、排気中に含まれる全てのNOxを処理できない場合がある。この場合、未処理のNOxがDOC13に供給される。DOC13は、この供給されたNOxに含まれるNOを、酸化能力の高いNO2に酸化し、変換する。このNO2をDPF14に供給することにより、DPF14に堆積したPMをNO2により積極的に酸化燃焼させることができる。このように、第1SCR12から排出された未処理のNOxを、DPF14における堆積PMの燃焼に利用できる。これによりDPF14に堆積したPMを効率的に除去することが可能である。
また、DOC13の下流側にDPF14を配置したので、周知のように、DPF14に堆積したPMを定期的かつ強制的に燃焼除去するフィルタ再生を円滑に行える。この際、ポスト噴射や排気管噴射等によりDOC13に追加のHCを供給し、このHCをDOC13で燃焼させ、DOC13からDPF14に昇温された排気ガスを供給する。
なお、第1SCR12は上述のような低温作動型でない通常のSCRであってもよい。
この第1実施形態の構成を便宜上、図中に枠で囲って符号100で表示する。
以下、この第1実施形態を基本として他の実施形態を説明する。但し第1実施形態と同様の部分は説明を割愛し、第1実施形態との相違点を主に説明する。
[第2実施形態]
図3に、第2実施形態の排気浄化装置3を示す。便宜上、第2実施形態の排気浄化装置3を符号3Bで表す。
第2実施形態は、第1SCR12の下流側かつDOC13の上流側に第1ASC(第1アンモニアスリップ触媒)16を配置した点が、第1実施形態と異なる。このように第1ASC16を設けると、第1SCR12で使用されずこれをすり抜けた余剰アンモニアを第1ASC16で除去することができ、アンモニアが大気中に放出されるのを抑制できる。
第1SCR12と第1ASC16は一体化されていてもよい。例えばゾーンコートにより、共通の担体の上流側(前側)部分に第1SCR12を形成し、下流側(後側)部分に第1ASC16を形成してもよい。
なお、第1ASC16は、後述する第3実施形態(図4)、第4実施形態(図5)、第5実施形態(図6)、第6実施形態(図7)においても、第1SCR12の下流側かつDOC13の上流側に配置することができる。
[第3実施形態]
図4に、第3実施形態の排気浄化装置3を示す。便宜上、第3実施形態の排気浄化装置3を符号3Cで表す。
第3実施形態は、第1実施形態のDPF14を、DPFおよび選択還元型第2NOx触媒(第2SCR)を一体化させたフィルタ付き第2SCR、すなわちSCRF(SCR-Filter)17に置換した点が、第1実施形態と異なる。
SCRF17は、例えばウォールフロータイプのDPFの基材表面にSCR層をウォッシュコート等により形成したものである。SCRF17は実質的には、別体のDPFおよびSCRを直列に配置したものと同じである。SCRF17の上流側には、排気通路2内に尿素水を添加する第2添加弁18が対配置される。
なお、第2実施形態(図3)と後述する第6実施形態(図7)においても、DPF14をSCRF17に置換することが可能である。また、後述する第5実施形態(図6)において、DPF14および第2SCR19の組をSCRF17に置換することが可能である。
ここで好ましくは、第1SCR12の容量はSCRF17の第2SCRの容量よりも小さい。例えば、第1SCR12の容量はエンジン1の排気量と同等程度であるのに対し、第2SCRの容量はエンジン1の排気量の2倍程度である。このように上流側の第1SCR12を小容量化すると、その熱容量が小さくなって加熱され易くなり、特にエンジン冷間始動後の第1SCR12の早期活性化に非常に有利である。他方、第2SCRの容量が大きいため、例えばエンジン1の高負荷運転時のように、第1SCR12だけでは処理しきれない比較的多量のNOxが発生した場合であっても、そのNOxを第2SCRで確実に浄化できる。
[第4実施形態]
図5に、第4実施形態の排気浄化装置3を示す。便宜上、第4実施形態の排気浄化装置3を符号3Dで表す。
第4実施形態は、第1実施形態のDPF14の下流側に、別体の第2SCR19を配置した点が、第1実施形態と異なる。第2SCR19の上流側には第2添加弁18が対配置される。この第4実施形態は、実質的には第3実施形態と同じである。第1SCR12の容量が第2SCR19の容量より小さいのが好ましい点も第3実施形態と同様である。
[第5実施形態]
図6に、第5実施形態の排気浄化装置3を示す。便宜上、第3実施形態の排気浄化装置3を符号3Eで表す。
第5実施形態は、第2SCR19の下流側に第2ASC(第2アンモニアスリップ触媒)20を配置した点が、第4実施形態と異なる。このように第2ASC20を設けると、第2SCR19をすり抜けた余剰アンモニア、場合によっては第1SCR12をすり抜けた余剰アンモニアも、第2ASC20で除去することができ、アンモニアが大気中に放出されるのを抑制できる。
なお、第2SCR19と第2ASC20は一体化されていてもよい。また第2ASC20は、第3実施形態(図4)等においてSCRF17の下流側に配置することもできる。
[第6実施形態]
図7に、第6実施形態の排気浄化装置3を示す。便宜上、第6実施形態の排気浄化装置3を符号3Fで表す。
第6実施形態は、単なるPNA11の代わりに、電気ヒータ(EH:Electric Heater)を有するPNA(PNA+EH)21を用いた点が、第1実施形態と異なる。このPNA21を設けると、次の利点がもたらされる。
すなわち、PNA21の電気ヒータをオンすることによりPNA21自身の暖機を促進し、その活性化を促進できる。このため、エンジンの冷間始動後にPNA21の電気ヒータをオンすることにより、PNA21の活性化を早めることができる。またエンジン1の運転状態がアイドルまたは低負荷運転状態となって排気ガスの温度が低くなった場合でも、PNA21の電気ヒータをオンすることにより、PNA21の活性を可能な限り維持し、あるいは一旦失活したPNA21を再度活性化させることができる。これにより、触媒活性化に不利な条件下においてもNOxの浄化を可能な限り実行することができる。
また、PNA21の温度を積極的に制御すること、具体的にはその温度を必要なときに上昇させることが可能となり、利便性を高めることができる。
また、PNA21の電気ヒータをオンすることにより、排気ガスを昇温することも可能であり、下流側の後処理部材の活性化に有利である。特にPNA21の電気ヒータをオンした状態で、ポスト噴射や排気管噴射等によりPNA21に追加のHCを供給すれば、HCを電気ヒータで直接的に着火燃焼させ、PNA21をバーナーの如く機能させることができる。これにより極めて高い排気昇温効果を得ることができる。
なお、第2実施形態(図3)、第3実施形態(図4)、第4実施形態(図5)および第5実施形態(図6)においても、PNA11を電気ヒータ付きPNA21に置換することが可能である。
他にも、前述の各実施形態の構成は、特に矛盾が無い限り、部分的にまたは全体的に組み合わせることが可能である。本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
1 内燃機関(エンジン)
2 排気通路
3,3A,3B,3C,3D,3E,3F 排気浄化装置
11 NOx吸着材(PNA)
12 選択還元型第1NOx触媒(第1SCR)
13 酸化触媒(DOC)
14 フィルタ(DPF)
16 第1アンモニアスリップ触媒(第1ASC)
17 フィルタ付き選択還元型第2NOx触媒(SCRF)
19 選択還元型第2NOx触媒(第2SCR)
20 第2アンモニアスリップ触媒(第2ASC)
21 ヒータ付きNOx吸着材(PNA+EH)

Claims (5)

  1. NOx吸着材と、
    排気流れ方向における前記NOx吸着材の下流側に配置された選択還元型第1NOx触媒と、
    前記第1NOx触媒の下流側に配置された酸化触媒と、
    前記酸化触媒の下流側に配置されたフィルタと、
    を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2. 前記第1NOx触媒の下流側かつ前記酸化触媒の上流側に配置された第1アンモニアスリップ触媒をさらに備える
    請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 前記フィルタと一体化され、または前記フィルタの下流側に配置された選択還元型第2NOx触媒をさらに備える
    請求項1または2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 前記第2NOx触媒の下流側に配置された第2アンモニアスリップ触媒をさらに備える
    請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 前記NOx吸着材が電気ヒータを有する
    請求項1〜4のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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