JP2887984B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、空燃比がリーン域で内
燃機関の排気ガス中のＮＯx を浄化できる、複数種類の
触媒の組合せから成る、内燃機関の排気浄化装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】燃費を改善し、ＣＯ2 排出量を低減して
地球温暖化を防止するために、希薄空燃比域で燃焼を行
わせるリーンバーンエンジンの開発が進められており、
一部実用化されている。空燃比がリーン域では、従来用
いられていた三元触媒は窒素酸化物（ＮＯx ）を還元し
て浄化できないので、リーン空燃比域でもＮＯx を還元
できる触媒の開発が望まれてきた。
【０００３】リーン空燃比域でもＮＯx を還元できる触
媒として、特開平１−１３９１４５号公報は、ゼオライ
トに遷移金属、たとえばＣｕ、をイオン交換して担持さ
せた触媒から成り、酸化雰囲気中、ＨＣ存在下でＮＯx
を浄化する触媒、いわゆるリーンＮＯx 触媒を提案して
いる。Ｃｕ／ゼオライト触媒は、空燃比がストイキまた
はリッチの領域の排気ガス中ではＮＯx 浄化能力が弱
く、かつＨＣ浄化能力が殆どない。また、空燃比がリー
ンの領域でも、Ｃｕ／ゼオライト触媒は、ＮＯxは浄化
できるが、従来の三元触媒のＨＣ浄化能力は高くない。
そこで、出力時のＨＣを浄化するとともに、ＮＯx を少
しでも低減させるために、特開平１−１３９１４５号公
報は、Ｃｕ／ゼオライト触媒の下流に、ＨＣ、ＣＯ酸化
用のＰｔ／アルミナ触媒を配置することも提案してい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来提案装置
では、Ｃｕ／ゼオライト触媒の下流に折角Ｐｔ／アルミ
ナ触媒を配置しても、Ｐｔ／アルミナ触媒の、Ｃｕ／ゼ
オライト触媒で浄化されずにＰｔ／アルミナ触媒へと流
れてくるＮＯxを浄化する能力が弱い、という問題があ
る。
【０００５】本発明の目的は、少なくとも遷移金属／ゼ
オライト触媒を含む複数種類の触媒を、希薄空燃比域で
燃焼可能な内燃機関の排気系に配置して成る内燃機関の
排気浄化装置において、複数種類の触媒の組合せのＮＯ
x 浄化率を相剰的に高める、複数種類の触媒の配置順序
を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、希薄空燃比域で燃焼可能な内燃機関の排気系に、
ゼオライトに遷移金属を担持した触媒、三元触媒、貴金
属系触媒、の３つの触媒を設け、排気ガス流れ方向上流
側より、ゼオライトに遷移金属を担持した触媒、三元触
媒、貴金属系触媒の順に、配置した内燃機関の排気浄化
装置によって達成される。
【０００７】
【作用】従来提案装置で、Ｃｕ／ゼオライト触媒の下流
に配置したＰｔ／アルミナ触媒が、高いＮＯx 浄化能力
をもてない理由は、次のように推察される。すなわち、
Ｃｕ／ゼオライト触媒で還元しきれなかったＮＯx は主
にＮＯの形態でＰｔ／アルミナ触媒に入るが、Ｐｔ／ア
ルミナ触媒はＮＯをＮ2、Ｏ2 に還元する力が弱いの
で、高いＮＯx 浄化能力を示せない。また、空燃比がリ
ーンの時は多量のＨＣが排気系に排出されてくるが、Ｃ
ｕ／ゼオライト触媒はＨＣの酸化能力が弱いので、多量
のＨＣがＰｔ／アルミナ触媒へと流入していき、Ｐｔ／
アルミナ触媒がＨＣ被毒を生じてＮＯx 浄化能力が次第
に低下する。
【０００８】しかし、本発明では、貴金属系触媒の上流
に三元触媒を配置したので、遷移金属担持ゼオライト触
媒で還元しきれずにＮＯの形態で流れてくるＮＯx は三
元触媒でいったん酸化されてＮＯ2 となり、ＮＯ2はＮ
Ｏよりはるかに簡単にＮ2 とＯ2 とに分解され得るの
で、還元能力の弱いＰｔ／アルミナ触媒等の貴金属系触
媒でも簡単にほぼ完全に還元できる。このため、貴金属
系触媒のＮＯx 浄化能力が著しく向上する。
【０００９】また、本発明では、貴金属系触媒の上流に
三元触媒を配置したので、出力時等ＨＣが多量に流れる
ときでも、ＨＣは三元触媒で酸化されるので、貴金属系
触媒にＨＣが多量に流入することはなく、貴金属系触媒
のＨＣ被毒による耐久劣化が抑制される。
【００１０】
【実施例】以下に、本発明の望ましい実施例を、図面を
参照して説明する。図１に示すように、本発明実施例の
内燃機関の排気浄化装置は、希薄燃焼可能な内燃機関２
の排気系４に配置された、３種類の触媒を直列に配置し
た３ステージの排気浄化装置から成る。
【００１１】さらに詳しくは、本発明実施例の内燃機関
の排気浄化装置は、希薄燃焼可能な内燃機関２の排気系
４に、排気ガスの流れ方向上流側より順に配置された、
ゼオライトに遷移金属をイオン交換して担持した触媒
６、三元触媒８、および貴金属系触媒１０、から成る。
３種類の触媒の配置順序は、これ以外の順序であっては
ならない。
【００１２】遷移金属／ゼオライト触媒６は、たとえ
ば、Ｃｕ／ゼオライト触媒またはＣｏ／ゼオライト触媒
から成る。また、貴金属系触媒１０は、たとえばＰｔを
ゼオライトに担持したＰｔ／ゼオライト触媒、またはＰ
ｔをアルミナに担持したＰｔ／アルミナ触媒から成る。
【００１３】図２に示すように、遷移金属担持のゼオラ
イト触媒６、三元触媒８、貴金属系触媒１０は、車両１
２の床下に配置されている。図２において、１４はマフ
ラを示している。
【００１４】図２において、エンジン２と遷移金属／ゼ
オライト触媒６との間の排気管４ａの長さは、エンジン
出口で高速時に排気ガス温度が８５０−９５０°Ｃあっ
たものを、遷移金属／ゼオライト触媒６入口で６００°
Ｃ以下、望ましくは３００−５００°Ｃに、排気管４ａ
を通る間の自然放熱によって低下させる長さに設定され
ており、この長さに設定すると、遷移金属／ゼオライト
触媒６は必然的に車両１２の床下にくる。
【００１５】図２に示すように、貴金属系触媒１０は遷
移金属／ゼオライト触媒６と隔っており、その排気管４
ｂの長さは、該排気管４ｂを通る時の自然放熱によっ
て、貴金属系触媒１０の触媒床温度が遷移金属／ゼオラ
イト触媒６の触媒床温度より１００−１５０°Ｃ低くな
るように設定されている。
【００１６】つぎに、上記の構成をとる理由について説
明する。遷移金属／ゼオライト触媒６を上流側に配置し
下流側に貴金属系触媒１０を配置する理由は、２つあ
る。第１の理由は、遷移金属／ゼオライト触媒６はＮＯ
xを還元するのにＨＣの存在を必要とし（ＨＣの部分酸
化で生じる活性種とＮＯxとの反応でＮＯx を還元する
ため）、ＨＣが多ければ多い程ＮＯx 浄化率がよいのに
対し、貴金属系触媒１０、たとえばＰｔ／ゼオライトま
たはアルミナ触媒はＨＣが多いとＨＣ被毒を生じるの
で、ＨＣの量は余り多くない方がよい。そして、貴金属
系触媒を上流側に配置するとＨＣを酸化してしまい、遷
移金属／ゼオライト触媒に流入する排気ガス中のＨＣが
少なくなるからである。遷移金属／ゼオライト触媒６を
上流側に配置することによって、エンジンから排出され
た排気ガス中のＨＣがそのまま遷移金属／ゼオライト触
媒６に流入でき、そこでＨＣの一部が酸化されてＨＣが
少なくなった排気ガスが貴金属系触媒１０に流入してい
くので、貴金属系触媒１０のＨＣ被毒も抑制され、好都
合であるからである。
【００１７】遷移金属／ゼオライト触媒６を貴金属系触
媒１０より上流側に配置する第２の理由は、図３に示す
ように、遷移金属／ゼオライト触媒６は約４００−５０
０°ＣにＮＯx 浄化率のピークを有するが、貴金属系触
媒１０は３００°Ｃ近傍にＮＯx 浄化率のピークを有し
ており、排気管４ａを通る時の自然放熱によって排気ガ
ス温度が４００−５００°Ｃになるところに遷移金属／
ゼオライト触媒６を配置しておけば、それより下流に貴
金属系触媒１０を配置しておくことにより、排気管４ｂ
での自然放熱によって、貴金属系触媒１０に入るときの
排気ガス温度は自然に３００°Ｃ近傍になり、両触媒
６、１０とも最大のＮＯx 浄化率を示すことができるか
らである。
【００１８】つぎに、貴金属系触媒１０より上流側に三
元触媒８を配置する理由は２つある。第１の理由は、遷
移金属／ゼオライト触媒６で浄化しきれなかったＮＯx
は、主にＮＯの型をとっており、それが三元触媒８に流
れて三元触媒８によって酸化されてＮＯ2 の型になる。
貴金属系触媒８は、ＮＯをＮ2 、Ｏ2 に分解するよりも
ＮＯ2 をＮ2 、Ｏ2 に分解する方がはるかに容易であ
り、流入してくるＮＯ2 を含むＮＯx を高いＮＯx 浄化
率で浄化する。したがって、三元触媒を上流に置かない
場合に比べて、貴金属系触媒１０のＮＯx浄化率が飛躍
的に向上する。
【００１９】また、貴金属系触媒１０より上流側に三元
触媒８を配置する第２の理由は、空燃比のリーン化によ
り多量生成されるＨＣは、一部遷移金属／ゼオライト触
媒６で部分酸化または完全酸化され、残りは三元触媒８
に流れてき、そこで酸化されてＣＯ2 、Ｈ2 Ｏになる。
したがって、三元触媒８を通り過ぎて貴金属系触媒１０
へと流れるＨＣは少ない。もしも、三元触媒８を置かな
いで、多量のＨＣを貴金属系触媒１０に流入させてしま
うと、貴金属系触媒１０のＨＣ被毒が次方に進行して、
貴金属系触媒１０のＮＯx 浄化率が低下する。三元触媒
８を貴金属系触媒１０の上流側に配置することにより、
貴金属系触媒１０のＨＣ被毒、耐久劣化が防止される。
【００２０】三元触媒８を遷移金属／ゼオライト触媒６
の下流側に設ける理由は、もしも上流側に設けると、三
元触媒８でＨＣが酸化されるので、遷移金属／ゼオライ
ト触媒６のＨＣ不足を生じるからである。
【００２１】遷移金属／ゼオライト触媒６を車両１２の
床下に配置する理由は、高速域でも遷移金属／ゼオライ
ト触媒６の入ガス温を、排気管４ａでの自然放熱によ
り、４００−５００°Ｃ近辺にして、遷移金属／ゼオラ
イト触媒６を最も高いＮＯx 浄化率を示せる温度範囲で
使用するようにすることと、６００°Ｃ以上の高温で遷
移金属／ゼオライト触媒６が熱劣化を生じるので、それ
を抑制するためである。
【００２２】次に、作用を説明する。内燃機関２から
の、十分にＨＣを含む排気ガスは、排気管４ａを通って
いる間に自然放熱で約５００°Ｃ以下に温度を下げられ
る。図４は１０−１５モード走行時の触媒温度および車
速との関係を示しており、通常走行時で３５０−４００
°Ｃ、高速でも５００°Ｃ程度であることを示してい
る。触媒床温度が５００°Ｃ近傍以下のため、遷移金属
／ゼオライト触媒６は高ＮＯx 浄化率を示す領域にあ
り、かつ熱劣化が抑制される。このため、遷移金属／ゼ
オライト触媒６で、高効率でかつ耐久性よく、ＮＯx が
浄化される。
【００２３】続いて、排気ガスは三元触媒８に流入す
る。リーンバーンエンジンと云えども、加速時等の出力
時には、空燃比リッチで運転されるので、排気ガスは酸
素不足雰囲気となり、遷移金属／ゼオライト触媒６はＮ
Ｏx 還元能力を低下させるが、逆に空燃比リッチ時には
三元触媒８がＮＯx を還元できるようになり、ＮＯx を
浄化する。
【００２４】三元触媒８はまた、ＮＯの形態で流入して
きたＮＯx をＮＯ2 の型に酸化して、下流側の貴金属系
触媒１０がＮＯx を還元しやすくする。また、三元触媒
８はＨＣ、ＣＯを酸化するので、ＨＣ、ＣＯエミッショ
ンも十分に浄化される。
【００２５】排気ガスは三元触媒８から貴金属系触媒１
０に流れる。ＮＯx はＮＯ2 の型にされているので、貴
金属系触媒１０は高いＮＯx浄化率でＮＯx を浄化す
る。また、ＨＣは少なくなっているので、貴金属系触媒
１０がＨＣ被毒を受けることが抑制され、ＮＯx 浄化率
が低下しない。かくして、ＮＯx は高ＮＯx 浄化率で浄
化され、かつ耐久性も向上する。
【００２６】図５は、本発明実施例の排気浄化装置の一
例であるＣｕ／ゼオライト触媒、三元触媒、Ｐｔ／アル
ミナ触媒の組合せ装置の、リーン空燃比域でのＮＯx 浄
化率および耐久性を、従来提案（特開平１−１３９１４
５号公報）の排気浄化装置、Ｃｕ／ゼオライト触媒、三
元触媒Ｐｔ／アルミナ触媒、のそれぞれのＮＯx 浄化率
および耐久性とを比較して示しており、上記の説明の結
果をまとめて表にして示したものである。本発明の一例
の排気浄化装置は、特開平１−１３９１４５号公報の排
気浄化装置において、Ｃｕ／ゼオライト触媒とＰｔ／ア
ルミナ触媒との間に三元触媒を配置したものに相当す
る。
【００２７】図５からわかるように、三元触媒はリーン
空燃比域でＮＯx 浄化に効果をもたないにもかかわら
ず、この三元触媒をＣｕ／ゼオライト触媒とＰｔ／アル
ミナ触媒との間に配置するだけでリーン空燃比域でのＮ
Ｏx 浄化率が大幅に向上する。したがって、本発明装置
は、従来のＣｕ／ゼオライト触媒＋Ｐｔ／アルミナ触媒
と従来の三元触媒を単に組み合せた以上のＮＯx 浄化率
向上効果を発揮でき、本発明の触媒配置はリーン空燃比
域でのＮＯx 浄化率向上において相剰効果を生み出して
いることがわかる。
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、希薄空燃比域で燃焼可
能な内燃機関の排気系に、ゼオライトに遷移金属を担持
した触媒、三元触媒、貴金属系触媒、の３つの触媒を設
け、排気ガス流れ方向上流側より、ゼオライトに遷移金
属を担持した触媒、三元触媒、貴金属系触媒の順に、配
置したので、ゼオライトに遷移金属を担持した触媒で浄
化しきれなかったＮＯｘを三元触媒でＮＯ 2 に酸化さ
せ、貴金属系触媒で容易に浄化させることができ、ＮＯ
x 浄化率を相剰的に向上でき、かつ耐久性を向上でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る内燃機関の排気浄化装
置の系統図である。
【図２】図１の排気浄化装置を車両に搭載したときの側
面図である。
【図３】Ｃｕ／ゼオライト触媒およびＰｔ／アルミナ
（またはゼオライト）触媒の、ＮＯx 浄化率対触媒温度
特性図である。
【図４】本発明実施例の排気浄化装置の１０−１５モー
ド走行時の触媒床温度図である。
【図５】本発明実施例の排気浄化装置および比較例装置
のリーン空燃比でのＮＯx 浄化率の良否図である。
【符号の説明】
２ 内燃機関 ４ 排気系 ４ａ 排気管 ４ｂ 排気管 ６ 遷移金属／ゼオライト触媒 ８ 三元触媒 １０ 貴金属系触媒 １２ 車両
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−124909（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−139145（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F01N 3/24 B01D 53/94 B01J 29/06 F01N 3/28

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 希薄空燃比域で燃焼可能な内燃機関の排
    気系に、ゼオライトに遷移金属を担持した触媒、三元触
    媒、貴金属系触媒、の３つの触媒を設け、排気ガス流れ
    方向上流側より、ゼオライトに遷移金属を担持した触
    媒、三元触媒、貴金属系触媒の順に、配置したことを特
    徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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