JP3736373B2

JP3736373B2 - エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP3736373B2
Application number: JP2001095880A
Authority: JP
Inventors: 誠京極; 友巳渡辺; 寛林原
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP2002295247A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車用エンジンから排出される排気ガスには、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）等の大気汚染物質が含まれているので、これらの大気汚染物質を浄化するために、排気通路には排気ガス浄化触媒を用いた排気浄化装置が設けられる。そして、かかる排気ガス浄化触媒を用いて、ＨＣ及びＣＯは酸化により浄化され、ＮＯｘは還元により浄化される、ここで、ＮＯｘを還元するには、ＮＯｘから酸素を奪う還元剤が不可欠であるが、自動車用エンジンでは、排気ガス中のＨＣがＮＯｘの還元剤として利用される。
【０００３】
このように、排気ガスにはその浄化形態が異なる複数の大気汚染物質が含まれているので、これらを有効に浄化するために、排気通路にはそれぞれ浄化特性が異なる複数の排気ガス浄化触媒が配置されることが多い（例えば、特開２０００−２２５３４８号公報）。なお、特開２０００−２２５３４８号公報に開示された従来の排気浄化装置では、排気通路の上流側にＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒が配置され、下流側にＨＣ、ＣＯ等を酸化する酸化触媒が配置されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ディーゼルエンジン、あるいは燃費性能を高めるために空燃比を理論空燃比よりも大幅にリーンして運転を行うガソリンエンジンでは、燃料の燃焼が空気過剰状態で行われることが多いので、燃焼室内でのＮＯｘの発生量が多くなる一方、ＮＯｘを還元する際の還元剤となるＨＣが少なくなってＮＯｘ浄化触媒の浄化性能が低下するといった問題がある。なお、ポスト噴射等により排気ガス中のＨＣを増加させるといった対応も考えられるが、この場合はエンジンの構造が複雑化するといった問題が生じる。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、エンジンの排気ガスに含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒に、その還元剤であるＨＣを有効に供給しつつ、ＨＣを十分に浄化することができる簡素な構造のエンジンの排気浄化装置を提供することを解決すべき課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかるエンジンの排気浄化装置は、（ｉ）それぞれエンジンの排気通路に配置され少なくともＮＯｘを還元する、第１触媒と、該第１触媒の下流側に位置する第２触媒とを少なくとも備えているエンジンの排気浄化装置において、（ii）すべての触媒の中で、第１触媒が排気通路の最上流側に配置され、（iii）第１触媒及び第２触媒の各母材が、それぞれ、所定温度以下ではＨＣを吸着する一方、上記所定温度を超えるとＨＣを放出するゼオライト系ＨＣ吸着担体（多孔質）からなり、（iv）第１触媒及び第２触媒の各ＨＣ吸着担体が、それぞれ、触媒貴金属であるＰｔを担持し、（ｖ）第１触媒のＨＣ吸着担体（例えば、ＭＦＩ、β型ゼオライト等）の細孔径が、第２触媒のＨＣ吸着担体（例えば、β型ゼオライト、Ｙ型ゼオライト等）の細孔径よりも小さく、かつ第１触媒のＰｔ担持量が第２触媒のＰｔ担持量よりも少ないことを特徴とするものである。
【０００７】
一般に、エンジンの排気ガスには、分子中の炭素数が異なる、すなわち分子サイズが異なる種々のＨＣ（例えば、アロマ系、オレフィン系、パラフィン系）が含まれている。なお、ディーゼルエンジンから排出されるＨＣは、ガソリンエンジンから排出されるＨＣに比べて、分子中の炭素数の分布幅、すなわち分子サイズの分布幅が大きい。
【０００８】
そして、本発明にかかるこの排気浄化装置においては、排気通路の上流側に位置する第１触媒のＨＣ吸着担体の細孔径が小さいので、このＨＣ吸着担体では分子サイズが比較的小さいＨＣだけが吸着される。ここで吸着されたＨＣは、第１触媒でその触媒貴金属の触媒作用によりＮＯｘを還元する際の還元剤として利用され、残りのＨＣは触媒貴金属の触媒作用により酸化・浄化される。そして、分子サイズが比較的大きいＨＣは、第１触媒のＨＣ吸着担体には吸着されず、第１触媒を通りすぎる。
【０００９】
他方、下流側に位置する第２触媒のＨＣ吸着担体の細孔径は大きいので、第１触媒を通りすぎた分子サイズが比較的大きいＨＣは、第２触媒のＨＣ吸着担体に吸着される。そして、ここで吸着されたＨＣは、第２触媒でその触媒貴金属の作用により、第１触媒では還元されなかったＮＯｘを還元する際の還元剤として利用され、残りのＨＣは触媒貴金属の触媒作用により酸化・浄化される。
【００１０】
このように、第１触媒及び第２触媒の双方に有効にＨＣが供給されるので、両触媒の協働により、排気ガス中のＮＯｘを有効に還元・浄化することができる。また、排気ガス中のＨＣも有効に酸化・浄化される。
なお、細孔径が大きいＨＣ吸着担体を用いた第２触媒を上流側に配置した場合は、排気ガス中のＨＣのほぼ全部が上流側の第２触媒のＨＣ吸着担体に吸着され、その下流にはＨＣが供給されない。このため、下流側の触媒では、第２触媒にて還元されなかったＮＯｘの還元に必要なＨＣを確保することができなくなってしまう。
また、本発明にかかるエンジンの排気浄化装置では、第１触媒のＰｔ担持量が第２触媒のＰｔ担持量よりも少ないが、一般に、触媒のＰｔ担持量が増加すると、該触媒の活性化温度が低下する。他方、エンジン始動時（冷間始動時）においては、下流側の触媒は、上流側の触媒に比べてその温度上昇が遅れる。そこで、このように第２触媒のＰｔ担持量を相対的に多くすれば、その活性化温度が低下するので、エンジン始動時等における第２触媒のＨＣ及びＮＯｘの浄化力を高めることができる。また、ＨＣ放出温度をＰｔの活性化温度より高めることができるので、第２触媒下流にＨＣが排出されない。
【００１１】
上記排気浄化装置においては、第１触媒の単位面積あたりのセル数を、第２触媒の単位面積あたりのセル数よりも少なくしてもよい。このようにすれば、第１触媒でのＨＣ吸着量がやや少なくなり、その分第２触媒にＨＣを供給することができ、第２触媒のＮＯｘの浄化性能を高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１にかかる、第１触媒及び第２触媒を備えたエンジンの排気浄化装置を説明する。
図１（ａ）に示すように、エンジン１の排気通路２には、排気ガス流れ方向（図１（ａ）中の位置関係では右向き）にみて、上流側に位置する第１触媒３（触媒コンバータ）と、下流側に位置する第２触媒４（触媒コンバータ）とが設けられている。両触媒３、４は、それぞれＮＯｘを還元しかつＨＣを酸化することができる、なお、第１触媒３の上流側には、何も触媒は設けられていない。
【００１９】
ここで、第１触媒３の母材には、細孔形状（断面）がほぼ円形であり、細孔径が比較的小さい（例えば、約０．５５ｎｍ（５．５Å））多孔性のＭＦＩ（ゼオライト）からなるＨＣ吸着担体が用いられている。そして、このＨＣ吸着担体は、触媒貴金属としてＰｔ（白金）を担持している。他方、第２触媒４の母材には、細孔形状（断面）が長円形であり、細孔径（長径）が比較的大きい（例えば、約０．７２ｎｍ（７．２Å））多孔性のβ型ゼオライトからなるＨＣ吸着担体が用いられている。そして、このＨＣ吸着担体は、触媒貴金属としてＰｔを担持している。また、第１触媒３のＰｔ担持量は、第２触媒４のＰｔ担持量よりも少なくなっている。
【００２０】
なお、第２触媒４のＨＣ吸着担体の材料として、細孔形状がほぼ円形であり、細孔径が比較的大きい（例えば、約０．７４ｎｍ（７．４Å））多孔性のＹ型ゼオライトを用いてもよい。また、触媒貴金属として、Ｐｔ以外に、Ｐｄ、Ｒｈ等を用いてもよい。さらに、これらを組み合わせて用いてもよい。
【００２１】
図２に示すように、ＨＣ吸着担体として用いられているＭＦＩ、βゼオライト等のゼオライトは、いずれも、それ自体の温度ないしは排気ガス温度が所定温度ｔ_１（例えば、２４０℃）以下ではＨＣを吸着する（細孔内に物理的に取り込む）一方、所定温度ｔ_１を超えるとＨＣを放出するといった性質を有している。
【００２２】
また、エンジン１から排出される排気ガスには、分子サイズが異なる（分子中の炭素数が異なる）アロマ系、オレフィン系、パラフィン系等の種々のＨＣが含まれている。なお、前記のとおり、ディーゼルエンジンから排出されるＨＣは、ガソリンエンジンから排出されるＨＣに比べて、分子サイズの分布幅が大きい。
【００２３】
図３に示すように、ＭＦＩは、その細孔径が比較的小さいので、種々のＨＣ中の分子サイズが比較的小さいＨＣのみを吸着することができる。換言すれば、ＭＦＩは分子サイズが比較的大きいＨＣは吸着することができない。他方、β型ゼオライトは、その細孔径が比較的大きいので、分子サイズにかかわらず、すべてのＨＣを吸着することができる。
また、触媒貴金属であるＰｔは、排気ガス中のＨＣないしはＨＣ吸着担体に吸着されたＨＣを酸化（浄化）することができ、かつ排気ガス中のＨＣないしはＨＣ吸着担体に吸着されたＨＣを利用して、ＮＯｘを還元（浄化）することができる。
【００２４】
かくして、この排気浄化装置においては、排気通路２の上流側に位置する第１触媒３を構成するＨＣ吸着担体の細孔径が小さいので、このＨＣ吸着担体では分子サイズが比較的小さいＨＣだけが吸着される。このように第１触媒３のＨＣ吸着担体に吸着されたＨＣの一部は、Ｐｔの還元触媒作用によりＮＯｘを還元する際の還元剤として利用され、その他のＨＣはＰｔの酸化触媒作用により酸化・浄化される。つまり、第１触媒３によって、排気ガス中のＨＣの一部が酸化（浄化）され、かつＮＯｘの一部が還元（浄化）される。なお、分子サイズが比較的大きいＨＣは、第１触媒３のＨＣ吸着担体には吸着されず、第１触媒３を通りすぎる。
【００２５】
他方、排気通路２の下流側に位置する第２触媒４を構成するＨＣ吸着担体の細孔径は大きいので、第１触媒３を通りすぎた分子サイズが比較的大きいＨＣは、第２触媒４のＨＣ吸着担体に吸着される。このように第２触媒４のＨＣ吸着担体に吸着されたＨＣの一部は、Ｐｔの還元触媒作用によりＮＯｘを還元する際の還元剤として利用され、その他のＨＣはＰｔの酸化触媒作用により酸化・浄化される。つまり、第２触媒４によって、第１触媒３を通りすぎたＨＣ及びＮＯｘが浄化される。
このように、第１触媒３及び第２触媒４の双方に有効にＨＣが供給されるので、両触媒３、４の協働により、排気ガス中のＮＯｘを有効に還元・浄化することができる。また、排気ガス中のＨＣも有効に酸化・浄化される。
【００２６】
また、前記のとおり、この排気浄化装置においては、第２触媒４のＰｔ担持量は、第１触媒３のＰｔ担持量よりも多くなっている。これにより、第２触媒４の活性化温度が低下するので、エンジン１の冷間始動時等においては、温度上昇が遅れる第２触媒４の活性化が促進される。したがって、実施の形態１にかかる排気浄化装置は、非常に簡素な構成でもって、ＮＯｘ及びＨＣを有効に浄化することができ、かつ冷間始動時等における触媒活性化を促進することができる。
【００２７】
図４に、ＰｔによるＨＣ及びＮＯｘの変化率（浄化率）の、触媒表面温度（ないしは排気ガス温度）に対する変化特性を示す。図４に示すように、Ｐｔは、所定のＨＣ活性化温度（２４０〜２５０℃）に達しないとＨＣの変化率は十分なものとはならない。なお、ＰｔがＨＣ活性化温度よりも高温となっても、ＨＣの変化率は低下しない。また、Ｐｔは、所定のＮＯｘ活性化温度（２４０〜２５０℃）に達しないとＮＯｘの変化率は十分なものとはならない。なお、ＰｔがＮＯｘ活性化温度より著しく高温になると、ＮＯｘの変化率は低下する。ただし、排気ガス温度ないしは触媒表面温度が著しく高くなるのは、エンジン１が高負荷状態にあるときであり、このようなときには燃焼室内は空気過剰状態ではないで（リッチ）、ＮＯｘの発生量が少なくなる。したがって、触媒表面温度が著しく高くなったときにおけるＮＯｘの変化率の低下は、とくには不具合を生じさせない。なお、高負荷時には空気過剰状態ではないので、燃焼室内でのＨＣの発生量が増加するが、この場合、排気ガス温度が高くＨＣ浄化率が１００％であるので、ＨＣは完全に浄化される。
【００２８】
そして、図５に示すように、触媒ないしはＨＣ吸着担体のＰｔ担持量が多くなると、ＮＯｘ活性化温度は低下する（グラフＧ_１→Ｇ_２）。また、ＨＣ活性化温度も低下する（グラフＧ_３→Ｇ_４）。このように、触媒のＰｔ担持量が増加するとその活性化温度が低下するので、第２触媒４のＨＣ放出温度がＰｔの活性化温度以上となり、第２触媒４の下流にはＨＣが排出されない。
【００２９】
また、第１触媒３のＰｔ担持量を少なくするのは、ＨＣ浄化率を若干低下させて、第２触媒４にＨＣを十分に供給するためである。
なお、エンジン１において、適宜、燃料の一部を膨張行程で噴射し（ポスト噴射）、排気ガス中にＨＣを供給するようにしてもよい。
【００３０】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２にかかる排気浄化装置を説明する。しかしながら、実施の形態２にかかる排気浄化装置の基本構成は、実施の形態１にかかる排気浄化装置と同様であるので、以下では説明の重複を避けるため、実施の形態１にかかる排気浄化装置と異なる点についてのみ説明する。
【００３１】
実施の形態２にかかる排気浄化装置では、第１触媒３の容量が第２触媒４の容量よりも小さくなっている。例えば、第１触媒３容量は２リットルとされ、第２触媒４の容量は２．６リットルとされる。その他の構成は、実施の形態１の場合と同様である。この実施の形態２にかかる排気浄化触媒では、第１触媒３の容量が小さくなるので、第１触媒３が吸着することができるＨＣの量が多少低下し、その分第２触媒４にＨＣを供給することができる。
なお、第１触媒３の単位面積あたりのセル数を、第２触媒４の単位面積あたりのセル数よりも少なくしても、同様の作用・効果が得られる。
【００３２】
（実施の形態３）
以下、図１（ｂ）を参照しつつ、本発明の実施の形態３を説明する。しかしながら、実施の形態３にかかる排気浄化装置の基本構成は、図１（ａ）に示す実施の形態１にかかる排気浄化装置と類似しているので、以下では説明の重複を避けるため、実施の形態１にかかる排気浄化装置と異なる点についてのみ説明する。図１（ｂ）に示すように、実施の形態３にかかる排気浄化装置では、ＭＦＩからなるＨＣ吸着担体（第１吸着担体）を備えた第１触媒３の下流側に、単独ＨＣ吸着担体６（第２ＨＣ吸着担体）と、ＮＯｘ還元触媒７とが設けられている。
【００３３】
ここで、第１触媒３の構成は、実施の形態１の場合と同様である。単独ＨＣ吸着担体６はβ型ゼオライトからなり、この単独ＨＣ吸着担体６は触媒貴金属を担持していない。ＮＯｘ還元触媒７の母材には、多孔性のβ型ゼオライトからなるＨＣ吸着担体が用いられている。そして、このＨＣ吸着担体は、触媒貴金属としてＰｔを担持している。その他の点については、実施の形態１の場合と同様である。
【００３４】
この実施の形態３にかかる排気浄化装置においては、上流側の第１触媒３のＨＣ吸着担体で、分子サイズが比較的小さいＨＣを利用してＮＯｘを還元しつつＨＣの浄化を行うことができる。また、分子サイズが比較的大きいＨＣは、第１触媒３を通りすぎて単独ＨＣ吸着担体６に吸着される。このＨＣは単独ＨＣ吸着担体６から放出され、ＮＯｘ還元触媒７でＮＯｘを還元する際に還元剤として利用される。かくして、第１触媒３と、単独ＨＣ吸着担体６と、ＮＯｘ還元触媒７の協働により、排気ガス中のＮＯｘ及びＨＣを、有効に還元・浄化することができる。
【００３５】
なお、特開平８−２８４６４６号公報には、排気通路の上流側に配置されたＨＣトラップ材と、下流側に配置されたＮＯｘ還元触媒とを備えた排気浄化装置が開示されている。そして、この従来の排気浄化装置では、排気ガス温度が高く、ＮＯｘが増加する領域では、ＨＣトラップ材から放出されるＨＣをＮＯｘ還元触媒に供給し、ＮＯｘ浄化性能を高めるようにしている。この従来の排気浄化装置は、本発明の実施の形態３にかかる排気浄化装置と類似しているようにもみえるが、この従来の排気浄化装置は、ＨＣ吸着担体としてβ型ゼオライトを用いていないので、本発明の実施の形態３にかかる排気浄化装置とは明らかに構成が異なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は実施の形態１又は２にかかるエンジンの排気装置の概略構成を示す模式図であり、（ｂ）は実施の形態３にかかるエンジンの排気装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】排気ガス温度に対するゼオライトのＨＣ吸着・放出特性を示すグラフである。
【図３】ＭＦＩ及びβ型ゼオライトの細孔径を比較して示したグラフである。
【図４】ＰｔによるＨＣ及びＮＯｘの変化率（浄化率）の触媒表面温度に対する変化特性を示すグラフである。
【図５】ＰｔのＨＣ及びＮＯｘについての活性化温度のＰｔ担持量に対する変化特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…エンジン、２…排気通路、３…第１触媒、４…第２触媒、６…単独ＨＣ吸着担体、７…ＮＯｘ還元触媒。

Claims

それぞれエンジンの排気通路に配置され少なくともＮＯｘを還元する、第１触媒と、該第１触媒の下流側に位置する第２触媒とを少なくとも備えているエンジンの排気浄化装置において、
すべての触媒の中で、第１触媒が排気通路の最上流側に配置され、
第１触媒及び第２触媒の各母材が、それぞれ、所定温度以下ではＨＣを吸着する一方、上記所定温度を超えるとＨＣを放出するゼオライト系ＨＣ吸着担体からなり、
第１触媒及び第２触媒の各ＨＣ吸着担体が、それぞれ、触媒貴金属であるＰｔを担持し、
第１触媒のＨＣ吸着担体の細孔径が、第２触媒のＨＣ吸着担体の細孔径よりも小さく、かつ第１触媒のＰｔ担持量が第２触媒のＰｔ担持量よりも少ないことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
第１触媒の単位面積あたりのセル数が、第２触媒の単位面積あたりのセル数よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。