JP4507018B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、排気浄化手段の上流側に設けられた酸化触媒の構成に関する。

ディーゼルエンジンの排気を浄化する装置（排気浄化手段）として、排気通路にＮＯx（窒素酸化物）トラップ触媒を備えたものがある。ＮＯxトラップ触媒は、排気中のＮＯxやＳＯx（硫黄酸化物）を吸蔵する機能を有する。更に、ＮＯxトラップ触媒の上流側に酸化触媒を設け、酸化触媒の上流側に添加剤を噴射供給し、酸化触媒で酸化反応（燃焼）させることで、高温でかつ酸素の少ない排気雰囲気（リッチ空燃比雰囲気）を作り、ＮＯxトラップ触媒に吸蔵されたＮＯxやＳＯｘ等を還元除去する再生方法が知られている。特に、酸化触媒に供給される添加剤が燃料である場合には、添加剤供給装置から添加される燃料は液滴状であるため、添加された燃料の気化促進と添加された燃料中の主成分であるＨＣを酸化反応して排気温度を上昇させるとともに、この酸化反応による排気中の酸素の消費とＨＣの供給とにより排気雰囲気をリッチ空燃比化しＮＯxトラップ触媒において還元雰囲気を実現させる必要がある。

しかしながら、この再生方法では、例えば冷間始動時のようにエンジンから排出される排気の温度が低下している場合には、排気通路に噴射された燃料が液滴状のまま酸化触媒に添加され、或いは酸化触媒中を通過し効率良く酸化反応が行われないために、下流に大量のＨＣが排出される虞がある。或いは、例えば冷間始動時のように触媒温度が低下し、触媒の活性温度（ＨＣを十分に酸化するために必要な温度）に達していない場合には、酸化触媒に液滴状、若しくは気化した燃料が供給されても酸化反応が十分に行われないために、下流に大量のＨＣが排出される虞がある。そして、ＮＯxトラップ触媒の触媒温度の低下と相まって、再生が十分に行われず、未燃ＨＣがＮＯxトラップ触媒より下流に流出してしまう虞がある。さらに酸化反応が十分に行われない状況においては、上流側に配した酸化触媒で酸化されやすい燃料のみが酸化され、酸化されにくい燃料は未燃ＨＣとして下流へ排出されてしまい、ＮＯｘトラップ触媒の再生制御のために添加した燃料を効率よく使うことが出来ない虞がある。

そこで、酸化触媒とＮＯxトラップ触媒との間にＨＣを吸着可能なゼオライトを設け、余剰のＨＣを吸着し、下流へのＨＣの流出を防止する技術が開発されている（特許文献１）。
特開２００６−３２９０２０号公報

しかしながら、上記の特許文献１のように排気浄化装置を構成したとしても、冷間始動時のように酸化触媒での酸化機能が低下し、酸素が十分に消費されない場合、或いは排気温度が所定の温度まで上昇しない場合がある。したがって還元雰囲気を実現、或いは排気温度を所定の温度まで上昇させるべく添加剤を更に酸化触媒に供給しなければならず、添加剤消費量の増大を招いてしまう。また、酸化触媒に含まれる触媒貴金属量等を増加して酸化性能を向上させる方法も考えられるが、コストが大幅に上昇してしまうといった問題点もある。

本発明は、かかる従来の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、酸化触媒の製品コストの増加及び添加剤の無駄な消費を抑制しつつ、低温時の酸化性能を向上して、必要な排気浄化性能を確保する排気浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガスを浄化する排気浄化手段と、排気浄化手段の上流側の排気通路に設けられた酸化触媒と、酸化触媒の上流側の排気通路に設けられ、該酸化触媒に液状の添加剤を供給する添加剤供給装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、酸化触媒を、触媒貴金属を含む上流側酸化触媒と、該上流側酸化触媒の下流側に分割され、該上流側酸化触媒を通過した前記添加剤を吸着する添加剤吸着材及び該添加剤を酸化する触媒貴金属を含む下流側酸化触媒と、により構成し、上流側酸化触媒を、触媒貴金属として白金、パラジウム及びロジウムを含んで構成し、下流側酸化触媒を、触媒貴金属としてロジウムを含まずに白金、パラジウムを含み、かつ添加剤吸着材としてゼオライトを含んで構成する。

本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、上流側酸化触媒が低温状態であり酸化反応が十分に行われずに添加剤が通過しても、下流側酸化触媒に含まれる添加剤吸着材に吸着される。したがって、排気浄化手段に必要以上の添加剤が流入することなく、添加剤の下流への流出が抑制される。
添加剤吸着材に吸着された添加剤は、排気温度や排気ガスの酸素濃度、或いは触媒温度や触媒近傍の酸素濃度が所定の条件に達したときに、添加剤吸着材の外へ放出される。特に本発明では、添加剤吸着材が下流側酸化触媒に含まれて形成されていることから、添加剤吸着材から添加剤が放出されると同時に、放出された添加剤は下流側酸化触媒中に含まれる触媒貴金属によって酸化されるため、排気温度の上昇や排気雰囲気のリッチ空燃比化を効率よく行うことが可能となる。従って、酸化触媒へ添加された添加剤が無駄なく活用され添加剤消費量の増大を抑制するとともに、特に低温時の酸化性能が向上して排気浄化手段が効率よく再生され、排気浄化性能を確保することができる。更には、添加剤吸着材の使用により下流側酸化触媒における触媒貴金属の使用量を抑制でき、酸化触媒の製品コスト増加を抑制することができる。

また、下流側酸化触媒は、触媒貴金属としてロジウムを含まない貴金属で構成されているので、下流側酸化触媒に高価な触媒貴金属であるロジウムを用いることがなく、酸化触媒のコスト増加を抑制することができる。また、下流側酸化触媒に添加剤吸着材を用いることによって、下流側酸化触媒に高価な触媒貴金属であるロジウムを用いることなく酸化性能を向上させることが可能であるので、酸化性能を十分に確保しつつ酸化触媒のコスト増加を大幅に抑制することができる。更には、触媒貴金属として白金、パラジウムの使用により低温時においても液滴状の添加剤に対して十分な酸化性能を確保することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気浄化装置が適用されたターボチャージャ付きディーゼルエンジン（以下、エンジン１という）の排気系の概略構成図である。
エンジン１の排気管２には、上流側触媒ユニット３及び下流側触媒ユニット４の２つの触媒ユニットが介装されている。

上流側酸化触媒ユニット３は、ターボチャージャのタービン５の下流側に近接して配置され、酸化触媒１０を内蔵している。酸化触媒１０は、通路を形成する多孔質の壁に白金（Ｐｔ）等の触媒貴金属を担持して形成されており、排気中のＣＯ及びＨＣを酸化させてＣＯ_２及びＨ_２Ｏに変換させるとともに、排気中のＮＯを酸化させてＮＯ_２を生成する機能を有する。

下流側触媒ユニット４は、床下触媒として上流側酸化触媒ユニット３の下流側に配置され、ＮＯxトラップ触媒１１を内蔵している。ＮＯxトラップ触媒１１は、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）等の触媒貴金属を含んだ担体に、バリウム（Ｂａ），カリウム（Ｋ）等のＮＯx吸蔵剤を担持させて構成されており、リーン空燃比雰囲気（酸化雰囲気）下でＮＯxを捕捉する一方、高温のリッチ空燃比雰囲気（還元雰囲気）下で、捕捉しているＮＯxを放出し、排気中のＨＣ、ＣＯと反応させて還元する機能を有している。

ＮＯxトラップ触媒１１において、ＮＯxを放出すべく高温、且つ還元雰囲気を実現させるために、ＮＯxトラップ触媒再生装置（ＮＯｘパージ装置）が備えられている。ＮＯxパージ装置は、添加剤供給装置としての排気管内燃料噴射弁１２及びこれを制御するＥＣＵ１３を備えて構成されている。排気管内燃料噴射弁１２は、酸化触媒１０の上流側に配置され、図示しない燃料タンクから燃料ポンプによって添加剤として燃料が供給されて、燃料を酸化触媒１０の上流側の排気管２内に噴射する機能を有している。ＥＣＵ１３は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されており、図示しないエアフローセンサ、クランク角センサ、アクセルポジションセンサ等の各種センサ類からの検出情報、即ちエンジン１の運転状態に基づいて排気管内燃料噴射弁１２を制御して、排気管２内に燃料を噴射させる。これにより、排気管２内に噴射された燃料の主成分であるＨＣが酸化触媒１０にて酸化反応し、通過する排気を昇温させるとともに、排気中の酸素を消費してＮＯxトラップ触媒１１に流入する排気の空燃比をリッチ化させる。なお、ＮＯｘパージ時における排気管内燃料噴射弁１２からの燃料噴射は間欠的に行われ、これに伴い排気の空燃比はリーンとリッチとの間で周期的に変動する。

本実施形態では、特に、上流側酸化触媒ユニット３の酸化触媒１０が上流側酸化触媒１０ａと下流側酸化触媒１０ｂとに２分割化した構成になっている。上流側酸化触媒１０ａの触媒貴金属はＰｔ、Ｐｄ及びロジウム（Ｒｈ）から構成されている。また、下流側酸化触媒１０ｂは、触媒貴金属としてＰｔ、Ｐｄを用いるとともに、添加剤吸着材としてゼオライトが添加されて構成されている。ゼオライトは、燃料の主成分であるＨＣを吸着する機能を有し、触媒貴金属の周囲に接触した状態で、或いは触媒貴金属の極近傍に、添加されている。

以上の構成により、本実施形態では、ＮＯｘパージをすべく排気管内燃料噴射弁１２から燃料が噴射して酸化触媒１０に流入すると、まず上流側酸化触媒１０ａにおいてＨＣが酸化反応し、排気を昇温させるとともに空燃比を低下させる。しかしながら、例えばエンジン始動直後のように酸化触媒１０が低温状態である場合には、酸化触媒１０に流入した燃料が十分に酸化せずに大量のＨＣが酸化触媒１０を通過してしまう虞がある。本実施形態では、下流側酸化触媒１０ｂにゼオライトが添加されており、このゼオライトに上流側酸化触媒１０ａを通過したＨＣが吸着されるため、触媒ユニット３の下流への大量のＨＣ排出を防ぐことができる。さらに、一旦下流側酸化触媒中のゼオライトに吸着されたＨＣは、運転条件により下流側酸化触媒１０ｂ中に含まれるゼオライトから放出され、同時に下流側酸化触媒１０ｂに含まれているＰｔ等の触媒貴金属によって順次酸化する。特に、下流側酸化触媒１０ｂに添加されたゼオライトは、下流側酸化触媒１０ｂ中に含まれる触媒貴金属の周囲に接触した状態、或いは触媒貴金属の極近傍に、配置されているので、下流側酸化触媒１０ｂ中において、ゼオライトから放出されたＨＣを触媒貴金属によって同時に効率よく酸化する事が可能となり、結果として酸化触媒１０全体としての酸化機能が向上する。このようにして、排気管内燃料噴射弁１２から噴射した燃料が排気を所定の温度まで昇温し、且つ空燃比を低下させ還元雰囲気を実現させるべく効率よく用いられるので、燃料の添加量を必要最小量に抑えることが可能となり、さらには燃費を向上させることができる。

図２は、酸化触媒の構成と排気浄化性能との関係を示すグラフである。
本図では、排気浄化性能として、トレードオフの関係にあるＨＣ通過量及びＮＯx通過量について、本実施形態（図中Ａ）と従来技術（図中Ｂ、Ｃ）とを比較している。図中、左下方に位置することでＨＣ通過量及びＮＯx通過量が少なく、排気浄化性能が良好となることを示している。本実施形態である（Ａ）では、上流側酸化触媒１０ａに触媒貴金属としてＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈが採用され、下流側酸化触媒１０ｂには触媒貴金属としてＰｔ、Ｐｄが採用されるとともに添加剤吸着材としてゼオライトが使用されている。従来技術である（Ｂ）では、上流側酸化触媒１０ａには触媒貴金属としてＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈが採用され、下流側酸化触媒１０ｂには触媒貴金属としてＰｔ、Ｐｄが採用されている。また、従来技術である（Ｃ）では、上流側酸化触媒１０ａに触媒貴金属としてＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈが採用され、下流側酸化触媒１０ｂには触媒貴金属としてＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈが採用されている。

図２に示すように、図中（Ａ）に示す本実施形態では、ゼオライトを使用していない（Ｂ）よりも排気浄化性能が向上することが伺える。また、本実施形態（Ａ）は、下流側酸化触媒１０ｂにもＲｈを採用する従来技術である（Ｃ）よりも排気浄化性能が向上する。
触媒貴金属の一つであるロジウム（Ｒｈ）は、低温域から酸化作用が大きく、またリッチ空燃比雰囲気において高い酸化作用を示すため、これを採用することで排気浄化性能が向上する事は知られているが、他の触媒貴金属と比較して高価であるという問題点がある。本実施形態では、上流側酸化触媒１０ａでは触媒貴金属の一つとしてロジウムを使用するが、下流側酸化触媒１０ｂには添加剤吸着材としてゼオライトを添加することにより、ロジウムを使用しなくても所定の酸化性能を有した酸化触媒の提供を可能とし、製品コストの節約化が実現できる。さらに、上述のように下流側酸化触媒１０ｂに添加剤吸着材としてゼオライトを添加することにより、従来技術であるロジウムを採用した酸化触媒よりも酸化性能をむしろ向上させることが可能となる。

図３は、排気浄化性能の指標の１つであるＨＣ浄化効率（酸化効率）を触媒温度毎に示したグラフであり、前述の（Ａ）の構成の本実施形態と（Ｂ）の構成の従来技術とで比較している。
図３に示すように、本実施形態（Ａ）ではゼオライトのない従来技術（Ｂ）と比較して、特に低温域に於いてＨＣ浄化効率が向上することが伺える。したがって、本実施形態では、低温時においてもＮＯｘトラップ触媒１１を再生することができ、排気浄化性能を十分に確保することができる。

なお、本実施形態では、酸化触媒１０の酸化機能を向上させることで、ＮＯｘトラップ触媒１１におけるＮＯｘトラップ触媒の再生を効率よく行い、排気浄化性能の維持を図っているが、本発明はこれに限定するものではなく、例えばＮＯｘトラップ触媒１１におけるＳ（硫黄）脱離制御（Ｓ再生制御、Ｓパージ制御）を効率よく行うこともできる。また、酸化触媒１０の下流にＤＰＦが設けられている場合には、ＤＰＦの再生効率向上に寄与することもできる。

本発明に係るエンジンの排気系の概略構成図である。 酸化触媒の構成と排気浄化性能との関係を示すグラフである。 触媒温度毎のＨＣ浄化効率を比較したグラフである。

符号の説明

１ エンジン
２ 排気管
１０ 酸化触媒
１０ａ 上流側酸化触媒
１０ｂ 下流側酸化触媒
１１ ＮＯｘトラップ触媒
１２ 排気管内燃料噴射弁
１３ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガスを浄化する排気浄化手段と、
   前記排気浄化手段の上流側の排気通路に設けられた酸化触媒と、
   前記酸化触媒の上流側の排気通路に設けられ、該酸化触媒に液状の添加剤を供給する添加剤供給装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置において、
   前記酸化触媒は、触媒貴金属を含む上流側酸化触媒と、該上流側酸化触媒の下流側に分割され、該上流側酸化触媒を通過した前記添加剤を吸着する添加剤吸着材及び該添加剤を酸化する触媒貴金属を含む下流側酸化触媒と、により構成され、
   前記上流側酸化触媒は、前記触媒貴金属として白金、パラジウム及びロジウムを含んで構成され、
   前記下流側酸化触媒は、前記触媒貴金属としてロジウムを含まずに白金、パラジウムを含み、かつ前記添加剤吸着材としてゼオライトを含んで構成されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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