JP2019183703A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 リッチパージの頻度を減らすことが出来るとともに、NOx排出量と燃費を最小限に抑えることができる排気浄化装置を提供する。【解決手段】 内燃機関から排出される排ガス通路に配置される触媒装置を備える排気浄化装置であって、前記排ガス通路２に、三元触媒３を用いた触媒装置１Ａを配置し、この三元触媒３を用いた触媒装置の下流側に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４を用いた触媒装置１Ｂを配置するとともに、前記三元触媒３を用いた触媒装置１Ａは、排ガス流れに直交する面の一部において、入口から出口の長手方向に沿ってＯＳＣの低温活性が相対的に低い低性能部分５Ａを設け、前記三元触媒３の下流側に配置した吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４に、みなし低性能部分５Ｂを発生させるように構成し、 前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４を用いた触媒装置１Ｂの排ガス流れ方向の下流側に、前記内燃機関から排出される排出ＮＯｘ量を推定又は検出する排出ＮＯｘ量検出手段６を設けた排気浄化装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

NOx吸蔵触媒は、排気空燃比が希薄（リーン）のときに排気中のNOx（窒素酸化物）を吸収し、排気空燃比が過濃（リッチ）のときに吸蔵したNOxを放出還元する吸蔵型のNOx触媒である。NOx吸蔵触媒のNOx吸蔵量の推定において、リッチ運転の開始時点とリッチ運転の終了時点における触媒温度及び排ガスの流量をも考慮する触媒吸蔵モデルにより、NOx吸蔵触媒に残留しているNOx吸蔵量を含め、NOx吸蔵量をより正確に把握することができるNOx吸蔵触媒の吸蔵量推定装置および推定方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２００４−２７０４６９号公報

一般に、排気浄化装置に用いられるNOx吸蔵触媒はNOxを硝酸塩として吸蔵することでリーン排ガス中からNOxを除去することが出来、排ガス空燃比をリッチに切り替えて吸蔵されたNOxを還元浄化する（吸蔵NOxのリッチパージ）ことで、再度NOxを吸蔵することが可能となる。ただし吸蔵NOxのリッチパージにおいては、リッチパージ初期に、吸蔵されていたNOxが未浄化のままスパイク状に排出されるという課題が有る。リッチパージ開始時のNOx吸蔵量が飽和に近いほど、スパイク状NOx排出の量は増加することが知られている。

内燃機関において、NOx排出量を抑えるためには、リッチパージ初期のスパイク状NOxの排出量をなるべく低く抑えなければならない。したがってNOx吸蔵量が飽和に達するよりも十分に先んじてリッチパージを開始しなければならない。

また一方でリッチパージは余剰の燃料を使用する操作であるため、リッチパージを頻繁におこなうと燃費が著しく悪化してしまう。したがってリッチパージの回数は可能な限り減らすことが望ましい。内燃機関において、NOx排出量を低く抑えつつ燃費の悪化を防ぐためには、許容される吸蔵量の上限まで吸蔵した時点でリッチパージをおこなうことが最適となる。

内燃機関の排気管に設置されるNOx吸蔵触媒の後段にNOxセンサを配置し、NOxセンサがNOxを検出した時点でリッチパージを開始することが現在主流である。しかしながら、NOxセンサは50ppm以下程度の低濃度のNOxに対して検出誤差が大きく、50ppmがNOxセンサの検出下限とも言える。したがってNOxセンサでNOxを検出した時点で既に上述した許容される吸蔵量の上限を超えてしまっており、その後のリッチパージ初期に大量のNOxが未浄化のままスパイク状に放出されてしまう虞が有った。

これらを模式的に示すと図５のようになる。図５にてＸ〜ＤはそれぞれNOx吸蔵触媒を通過した排ガス（出ガス）中のNOx濃度を示している。リッチパージが無い場合はＸのようになり、NOx吸蔵能力の破綻前はNOx濃度が非常に低いが、破綻後はNOx濃度が増加し、入りガス中の濃度とほぼ一致するようになる。リッチパージをおこなう場合、Ａ、Ｂ、ＣのようにNOx吸蔵率の低い時点（t=ta、tb、tc）でリッチパージを開始すれば、スパイク状のNOx排出量は低く抑えられる。ＤのようにNOx吸蔵能力が破綻し、下流側のNOxセンサでNOxを検出した時点（t=td）でリッチパージを開始した場合、多量のスパイク状NOxが排出されてしまう。したがってNOx排出量はＤ＞Ｃ＞Ｂ＞Ａとなる。

一方でリッチパージの頻度はＤが最も低く、Ａが最も高いことになる。したがってリッチパージによる燃費悪化幅はＡ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄとなる。
ここでNOx排出量に許容される上限（例えば車両仕向地のNOx排出量規制）が設定されるとして、Ｃは上限未満、Ｄは上限を超えると前提する。この場合Ｄは問題外となり、許容されるのはＡ、Ｂ、Ｃであり、燃費面を考えるとＣが最適となる。しかしながら最適なタイミング（Ｃのようにt=tc）でリッチパージを開始したくとも、NOxセンサではNOxが十分に検出できないため、ECUはリッチパージを開始すべき最適なタイミングを正確に把握することが出来ない。したがってＡやＢのように最適なタイミングよりも早くリッチパージを開始するしかなく、燃費が犠牲になる。
今後ますます厳格化が進む排ガス規制と燃費規制に対応するためには、最適なリッチパージ開始タイミングをECUに確実に把握させることが必要になっている。

ところで、前記した特許文献１に開示されるように、NOx吸蔵触媒のNOx吸蔵量をECUに計算させることが可能である。これにより上述の最適なタイミングだと推定されるタイミングでリッチパージを開始することが可能と考えられる。しかしながらエンジンの運転状態が時々刻々と変化するなかで、計算のみでNOx吸蔵量を正確に把握することは極めて困難なため、NOx浄化率か燃費のいずれかが理想的な数値よりも悪化してしまう。

本発明は、リッチパージの頻度を減らすことが出来るとともに、NOx排出量と燃費を最小限に抑えることができる排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、内燃機関から排出される排ガス通路に配置される触媒を備える排気浄化装置であって、前記排ガス通路に、三元触媒を配置し、この三元触媒の下流側に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を配置するとともに、前記三元触媒は、排ガス流れに直交する面の一部において、入口から出口の長手方向に沿って酸素吸蔵放出能ＯＳＣ（OxygenStorageCapacity）の低温活性が相対的に低い低性能部分を設け、前記三元触媒の下流側に配置した吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に、みなし低性能部分を発生させるように構成し、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の排ガス流れ方向の下流側に、前記内燃機関から排出される排出ＮＯｘ量を推定又は検出する排出ＮＯｘ量検出手段を設けたことにある。

本発明によると、みなし低性能NOx吸蔵触媒から優先的にNOx破綻が起こる。みなし低性能部分からNOx破綻が起こり触媒後段に設置したＮＯｘ量検出手段、すなわちNOxセンサで検出される。そのため、リッチパージを開始すべき最適なタイミングで、みなし低性能ＮＯｘ吸蔵触媒が破綻するように、三元触媒の、端面のうち低性能ＯＳＣ部が占める割合、及び低性能ＯＳＣ部の低温でのＯＳＣ容量を調整することにより、触媒の下流に配置されたＮＯｘ量検出手段で、ＮＯｘ検出可能となった時点での排ガス中のＮＯｘ濃度、及びみなし低性能ＮＯｘ吸蔵触媒が破綻するまでの時間を検出できるようになる。
したがって、ＮＯｘセンサによってリッチパージを開始すべき最適なタイミングを、ＥＣＵによって正確に把握できるようになる。よって、触媒に吸蔵されたＮＯｘを、リッチパージにより、燃費ロスを最小限に抑えながら速やかに還元浄化できる。

本発明の実施の形態による内燃機関の排気管等の排ガス通路に設置された三元触媒の下流側に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を設置した排気浄化装置を示す概念図で、（ａ）は三元触媒の一部に低温活性が相対的に低いＯＳＣ部を設けた排気浄化装置を示す概念図である。（ｂ）は排ガスの流れによってＯＳＣ部の下流側にみなし低性能ＮＯｘ吸蔵触媒が形成された状態を示す概念図である。 三元触媒の下流側に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を設置した排気浄化装置の上流に更に三元触媒を設けたシステムの概要を示すシステムの概念図である。 三元触媒の下流側に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を設置した概念図である。 本発明の排気浄化装置を通過した排ガス中のＮＯｘ濃度を示す特性図である。 NOx吸蔵触媒を通過した排ガス（出ガス）中のNOx濃度を示している。

以下本発明の実施の形態を、図１ないし図４に示す図面を参照しながら詳細に説明する。
図１（ａ）はガソリンエンジン等の内燃機関の排気管の排ガス通路２に設置された排気浄化装置１を示したものである。排気管等の排ガス通路２には、途中に拡径された拡大部２ａが設けられており、この拡大部２ａには、排気浄化装置１が設けられている。
排気浄化装置１は、排ガス流れ方向に沿って前方に配置された三元触媒３からなる排気浄化装置（三元触媒を用いた触媒装置）１Ａと、この三元触媒３からなる排気浄化装置１Ａの後方側に配置された吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以後、NOx吸蔵触媒と呼ぶ）４からなる排気浄化装置（NOx吸蔵触媒を用いた触媒装置）１Ｂとで構成されている。前記三元触媒３は、排ガス中に含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を同時に酸化もしくは還元して除去するもので、プラチナ、パラジウム、ロジウム等の貴金属を微粒子化して担体表面に付着させたものである。前記三元触媒３は、排ガス流れに直交する面の一部において、入口から出口の長手方向に沿って酸素吸蔵放出能ＯＳＣ（OxygenStorageCapacity）の低温活性が相対的に低い部分（低性能部分）５Ａを設け、前記三元触媒３の下流側に配置した吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４に、みなし低性能部分５Ｂを発生させるように構成したものである。前記三元触媒３は、複数のセルから構成されるハニカム構造体で構成されており、大部分はベースのＯＳＣ材で構成され、一部にＯＳＣの低温活性が相対的に低い部分（低性能ＯＳＣ部分）５Ａを設けている。一部の貴金属担持量をベース部よりも少なくすることで、低性能ＯＳＣ部分５Ａを形成することができる。
６は排気浄化装置１Ｂの後段の排ガス通路２に設けられたＮＯｘ量検出手段としてのNOxセンサである。前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４は、前記三元触媒３の後面の下流側に対向するようにして配置されており、複数のセルから構成されるハニカム構造体で構成されている。前記三元触媒３の低性能ＯＳＣ部分５Ａの後面側に当たる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４には、図１（ｂ）に示すように、一部低性能ＮＯｘ吸蔵触媒のようにふるまう個所が形成される（以後、みなし低性能ＮＯｘ吸蔵触媒５Ｂとする）。

図２は、実際の内燃機関に取り付けられた排気浄化装置１の構成を示したものである。
三元触媒３からなる排気浄化装置１Ａと、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４からなる排気浄化装置１Ｂの上流側の排ガス通路２に別の三元触媒３_２からなる排気浄化装置１Ａ_２を設けたものである。７はガソリンエンジンである。三元触媒３_２からなる排気浄化装置１Ａ_２は、エンジン直下に設けられるエンジン直下触媒で、排気浄化装置１は床下触媒である。この別の三元触媒３_２からなる排気浄化装置１Ａ_２は、ガソリンエンジン７始動時の排ガス用に設けられたものである。

次に図３および図４を参照しながら、本発明の作用を説明する。
図３に示すように、ＮＯｘ吸蔵触媒４のうち低性能ＯＳＣ材５Ａの下流側に、一部低性能ＮＯｘ吸蔵触媒のようにふるまう個所（みなし低性能ＮＯｘ吸蔵触媒）５Ｂが形成される。
図４のＹの波形で示すように、ベースのNOx吸蔵触媒４が破綻する前にみなし低性能ＮＯｘ吸蔵触媒５Ｂが破綻する。つまりベースのNOx吸蔵触媒４が破綻する前に触媒下流側のＣ１のレベルでみなし低性能NOx吸蔵触媒５Ｂがまず破綻し、その後Ｃ２のレベルでベースのNOx吸蔵触媒４が破綻するという、二段階の破綻が起こるようになる。つまりベースのNOx吸蔵触媒４が破綻する前に触媒下流側のNOxセンサ６でNOxを検出できる。
したがって例えば図４の中でＥに示すように、リッチパージを開始すべき最適なタイミングであるt=tcでみなし低性能NOx吸蔵触媒５Ｂが破綻するように調整すれば、電子制御ユニットECUはNOxセンサ６によってリッチパージを開始すべき最適なタイミングを正確に把握出来るという効果が得られる。

図１（ａ）で示したリッチパージまたはストイキ運転から、図１（ｂ）で示したリーンに移行する場合を考えると、三元触媒３のＯＳＣ機能によって、移行から一定期間NOx吸蔵触媒４にはリーン排ガスでなくストイキ排ガスが流入する。三元触媒３がストイキに対して余剰となる酸素を吸蔵するためである。したがって、三元触媒３の酸素吸蔵容量が大きいほど、リーン移行後NOx吸蔵触媒４にストイキ排ガスが流入する期間は長くなる。本発明では、三元触媒３の一部を低性能ＯＳＣ材５Ａに置き換えることで、低性能ＯＳＣ材５Ａの下流のみリーン移行後ストイキ排ガスが流入する期間を短くしている。言い換えれば、低性能ＯＳＣ材５Ａの下流のNOx吸蔵触媒４は、他よりも早くからNOx吸蔵を開始することになるので、NOx吸蔵触媒４全体がNOx吸蔵を開始した時点において、破綻するまでに吸蔵できるNOx量が他よりも少なくなる。つまり低性能ＯＳＣ材５Ａの下流に、低性能NOx吸蔵触媒５Ｂとみなすことのできる個所が形成されることになる（図１（ｂ）参照）。

なお、低性能ＯＳＣ材５Ａは、低温活性が低いためリーンバーン運転時を始めとした低温排ガス中においては吸蔵できる酸素量がベースのＯＳＣ材と比較すると少ないが、十分に高温になるとＯＳＣ容量が大きくなる。そのため、低性能ＯＳＣ材５Ａといえどもストイキでのエンジン高負荷運転時にはベースのＯＳＣ材３と遜色ないＯＳＣ活性を示すため、床下三元触媒は十分に高いNOx浄化率を示す。つまり、床下三元触媒が浄化装置として最も機能すべき時には、一部を低性能ＯＳＣ材５Ａに置き換えたことは特に問題とならない。

三元触媒３端面のうち低性能ＯＳＣ材５Ａが占める割合を調整することで、みなし低性能NOx吸蔵触媒５Ｂが占める割合を調整可能とし、および低性能ＯＳＣ材５Ａの低温でのＯＳＣ容量を調整することで、みなし低性能NOx吸蔵触媒５ＢのみなしNOx吸蔵容量（みなし低性能NOx吸蔵触媒５ＢがNOx吸蔵開始してから、みなし低性能NOx吸蔵触媒５Ｂが破綻するまでに吸蔵できるNOx量）を調整可能となる。また、みなし低性能NOx吸蔵触媒５Ｂが占める割合を調整することでNOxセンサ６がNOx検出可能となった時点での排ガス中のNOx濃度を調整でき、およびみなしNOx吸蔵容量を調整することで、みなし低性能NOx吸蔵触媒５Ｂが破綻するまでの時間を調整することができる。これによって、例えば、図４中でＥに示すように、リッチパージを開始すべき最適なタイミングであるｔ＝ｔｃでみなし低性能NOx吸蔵触媒５Ｂが破綻するように調整すれば、ＥＣＵはNOxセンサ６によってリッチパージを開始すべき最適なタイミングを正確に把握できるようになる。

上記実施の形態によれば、図１（ａ）に示すように、内燃機関から排出される排ガス通路２に配置される触媒を備える排気浄化装置１であって、前記排ガス通路２に、三元触媒３を備える排気浄化装置１Ａを配置し、この三元触媒３の下流側に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４を備える排気浄化装置１Ｂを配置する。そして、前記三元触媒３は、矢印で示す排ガス流れに直交する面の一部において、入口から出口の長手方向に沿って酸素吸蔵放出能ＯＳＣ（OxygenStorageCapacity）の低温活性が相対的に低い部分（低性能部分）５Ａを設ける。そして、図１（ｂ）に示すように、前記三元触媒３の下流側に配置した吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４に、みなし低性能部分５Ｂを発生させるように構成する。こうして、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４の排ガス流れ方向の下流側に、前記内燃機関から排出される排出ＮＯｘ量を推定又は検出する排出ＮＯｘ量検出手段のNOxセンサ６を設けたので、以下の効果を奏することができる。
みなしNOx吸蔵触媒５Ｂから優先的にNOx破綻が起こる。みなし低性能部分５ＢからNOx破綻が起こり、触媒後段に設置したＮＯｘ量検出手段、すなわちNOxセンサ６で検出される。そのため、リッチパージを開始すべき最適なタイミングで、みなし低性能ＮＯｘ吸蔵触媒５Ｂが破綻するように、三元触媒３の、端面のうち低性能ＯＳＣ部５Ａが占める割合、及び低性能ＯＳＣ部５Ａの低温でのＯＳＣ容量を調整することにより、触媒の下流に配置されたＮＯｘ量検出手段で、ＮＯｘ検出可能となった時点での排ガス中のＮＯｘ濃度、及びみなし低性能ＮＯｘ吸蔵触媒５Ｂが破綻するまでの時間を検出できるようになる。
したがって、ＮＯｘセンサ６によってリッチパージを開始すべき最適なタイミングを、ＥＣＵによって正確に把握できるようになる。よって、触媒に吸蔵されたＮＯｘを、リッチパージにより、燃費ロスを最小限に抑えながら速やかに還元浄化できる。

前記ＯＳＣの低性能部分５Ａは、５００℃以上〜９００℃以下になるとＯＳＣ容量が大きくなるように構成されているので、ストイキでのエンジン高負荷運転時にはベースのＯＳＣ材と遜色ないＯＳＣ活性を示すことができる。そのため、低性能ＯＳＣ部５ＡとＮＯｘ吸蔵触媒４の組み合わせにおいても、十分に高いＮＯｘ浄化率を得られる。
前記ＯＳＣの低性能部分５Ａは、貴金属の担持量を他の部分よりも１０〜４０パーセント少なくしたので、ＯＳＣ容量を調整することで、みなし低性能NOx吸蔵触媒５ＢのみなしNOx吸蔵容量（みなし低性能NOx吸蔵触媒５ＢがNOx吸蔵開始してから、みなし低性能NOx吸蔵触媒５Ｂが破綻するまでに吸蔵できるNOx量）を調整可能となる。

また、本発明では、前記ＯＳＣの低性能部分５Ａは、熱処理温度を、他の部分よりも高く設定することができる。
前記ＯＳＣの低性能部分５Ａは、触媒全体の端面面積に占める割合は、５ないし１２パーセントに設定することができる。
前記ＯＳＣの低性能部分５Ａは、ベース部分に対してハニカム構造体のセル密度が小さくなるように設定することができる。
前記排ガス通路２に配置した三元触媒３および吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４の上流側に、更に、三元触媒３_２を配置することができる。
燃料投入部を備え、前記ＮＯｘ量検出手段がＮＯｘ量を検出してから、速やかに燃料投入を行うように前記燃料投入部を設定することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、例えば、三元触媒３に設定する低性能ＯＳＣ材（低性能部分）５Ａは、一部のみを事前に９５０℃程度の高温に曝して貴金属粒子の粒径を大きくすることで実施することができる。

１ 排気浄化装置
１Ａ 三元触媒からなる排気浄化装置（触媒装置）
１Ｂ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒からなる排気浄化装置（触媒装置）
２ 排ガス通路
２ａ 拡大部
３ 三元触媒
４ NOx吸蔵触媒
５Ａ 低性能ＯＳＣ材（低性能部分）
５Ｂ みなし低性能NOx吸蔵触媒（みなし低性能部分）
６ ＮＯｘ量検出手段（NOxセンサ）

Claims (8)

1. 内燃機関から排出される排ガス通路に配置される触媒装置を備える排気浄化装置であって、
   前記排気通路に、三元触媒を用いた触媒装置を配置し、この三元触媒を用いた触媒装置の下流側に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を用いた触媒装置を配置するとともに、
   前記三元触媒を用いた触媒装置は、排ガス流れに直交する面の一部において、入口から出口の長手方向に沿ってＯＳＣの低温活性が相対的に低い低性能部分を設け、前記三元触媒の下流側に配置した吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に、みなし低性能部分を発生させるように構成し、
   前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を用いた触媒装置の排ガス流れ方向の下流側に、前記内燃機関から排出される排出ＮＯｘ量を推定又は検出する排出ＮＯｘ量検出手段を設けたことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記ＯＳＣの低性能部分は、５００℃以上〜９００℃以下になるとＯＳＣ容量が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記ＯＳＣの低性能部分は、貴金属の担持量を他の部分よりも１０〜４０パーセント少なくしたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
4. 前記ＯＳＣの低性能部分は、熱処理温度を、他の部分よりも高くしたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
5. 前記ＯＳＣの低性能部分は、触媒全体の端面面積に占める割合は、５ないし１０パーセントに設定したことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
6. 前記ＯＳＣの低性能部分は、ベース部分に対してハニカム構造体のセル密度が小さいことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
7. 前記排気通路に配置した三元触媒および吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の上流側に、更に、三元触媒を配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化装置。
8. 燃料投入部を備え、前記ＮＯｘ量検出手段がＮＯｘ量を検出してから、燃料投入を行うように前記燃料投入部を設定したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の排気浄化装置。

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