JP5277891B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排出ガス中の被酸化成分を酸化する排気浄化装置の技術に関する。

例えばディーゼルエンジンに連結されて、当該ディーゼルエンジンより排出される排気ガスを車外に導く排気通路中に、前記排気ガスを浄化する装置（排気浄化手段）として、ＮＯｘ（窒素酸化物）トラップ触媒と、パティキュレートフィルタ（以下、フィルタと記載）とを備えたものがあり、例えばＮＯｘトラップ触媒がフィルタの上流に配置される構造がある。

ＮＯｘトラップ触媒は、所定の温度で且つ、排気ガス中の酸素が多いとき（リーン空燃比雰囲気）には、排気通路を流れる排気ガス中のＮＯｘを触媒内にトラップし、所定の温度で且つ、排気ガス中の酸素が少ないとき（リッチ空燃比雰囲気）には、触媒内にトラップしたＮＯｘを放出するとともに、排気ガス中に含まれる一酸化炭素ＣＯや炭化水素ＨＣといった還元剤によって還元し浄化する機能とを有する。また、前記ＮＯｘトラップ触媒は、燃料中やエンジンオイル中に含まれる硫黄成分が内燃機関の燃焼で酸化されることによって生じるＳＯｘ（硫黄酸化物）もＮＯｘのトラップと同じ原理で、ＮＯｘトラップ触媒内にトラップされる。しかしながら、ＳＯｘは時間経過に伴いＮＯｘトラップ触媒内でより安定な硫酸塩を形成するため、ＮＯｘよりも放出が困難になり、ＮＯｘトラップ触媒内に硫酸塩として残留する傾向がある。前記硫酸塩の残留量が増加すると、ＮＯｘをトラップできる領域が減少し、排気ガス中のＮＯｘを十分にトラップ／還元浄化する事が困難となる。このため、ＮＯｘトラップ触媒は、長期間安定に排気ガス中のＮＯｘを浄化するために、トラップしたＳＯｘを強制的に放出する必要がある。ＮＯｘトラップ触媒においてＳＯｘを強制放出させるためには、ＮＯｘトラップ触媒の温度を、ＳＯｘが放出可能となる温度まで上昇させる必要がある。

また、前記フィルタは、排気ガス中の粒状物質を捕集する機能を有する。当該フィルタは、粒状物質を捕集すると、捕集性能が低下する。このため、フィルタは、捕集した粒状物質を焼却する必要がある。フィルタにおいて粒状物質を焼却するためには、フィルタの温度を、粒状物質が焼却される温度まで上昇させる必要がある。

このため、温度上昇手段として例えば、排気系においてＮＯｘトラップ触媒とフィルタとの上流に、酸化触媒ユニットが設けられている。当該酸化触媒ユニットは、例えばハニカム構造の担体に貴金属などの触媒活性成分が担持された酸化触媒を備えている。排気ガスが酸化触媒を通過する際に、排気ガス中に含まれる還元成分、例えば、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）の酸化（燃焼）が促進されることによって、排気ガスの温度が高められ、それゆえ、前記酸化触媒ユニットの下流に配置されるＮＯｘトラップ触媒の温度や、フィルタの温度を、必要に応じて上昇させる事が可能となる。

しかしながら、酸化触媒ユニットを通過することによって温度が一旦上昇した排気ガスは、酸化触媒ユニットの下流に配置されるＮＯｘトラップ触媒やフィルタに到達するまでに温度が低下するという問題がある。このため、酸化触媒ユニットを通過した排気ガスの温度が、ＮＯｘトラップ触媒の温度や、フィルタの温度が、所望の温度に到達するのに必要な温度となるように、必要に応じて排気ガス中の還元成分の量を所定量に調整するために、前記酸化触媒ユニットの上流に、排気ガス中の還元成分の量を制御する構造を設けることが提案されている。

この構造の一例としては、例えば酸化触媒ユニットの上流に還元剤を添加するための弁（還元剤添加弁）を設ける構造がある。還元剤添加弁から還元剤が噴射されることによって排気ガス中の還元剤の量が増加し、それゆえ、酸化触媒での酸化反応による排気ガスの温度上昇量が大きくなる。

一方、酸化触媒ユニットは、流入した還元剤を効率良く、確実に酸化させるために２つの酸化触媒を備える構造が公知である。上流側の酸化触媒で温められた排気ガスを下流側の酸化触媒に流入させることにより、下流側の酸化触媒の活性を上昇させて還元成分の酸化を図っている。また、２つの酸化触媒の内、低酸化力の金属を担持した一方の触媒が上流に配置され、高酸化力の金属を担持した他方の触媒を、低酸化力の金属を担持した触媒よりも下流に配置する構造も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−９２７５号公報

しかしながら、２つの酸化触媒を備える構造であると、排気ガス中の還元成分のうち酸化（燃焼）されやすい還元成分が上流に配置された酸化触媒で酸化（燃焼）し、酸化（燃焼）されにくい還元成分は、下流に配置される酸化触媒でも酸化（燃焼）が促進されにくく、それゆえ、下流に配置される酸化触媒では排気ガスの温度が上昇しにくくなる。

この結果、酸化触媒ユニットを通過する排気ガスの温度は、当該酸化触媒ユニット中の上流に配置される酸化触媒を通過した直後の状態で最も高くなり、その後は、温度が低下する傾向にある。つまり、下流側の酸化触媒を通過した排気ガスの温度は、最も上昇した状態から低下した状態となる。

上記したように、酸化触媒ユニットを通過した排気ガスの温度は、酸化触媒ユニットの下流に配置されるＮＯｘトラップ触媒の温度や、フィルタの温度を、必要に応じて所定の温度まで上昇するにたりる温度であることが望まれる。

このため、上流に配置された酸化触媒で排気ガスの温度を充分に上昇する必要がある。上流に配置される酸化触媒で必要とされる温度の上昇量は、ＮＯｘトラップ触媒や、フィルタにいたるまでに低下する温度量を考慮して算出される。このため、上流に配置される酸化触媒の総合的な酸化力を、下流に配置される酸化触媒の総合的な酸化力よりも大きくするなどしている。

しかしながら、低下する温度量を考慮することによって酸化触媒の温度を過剰に上昇しなれければならず、それゆえ、上流と下流とに配置される各酸化触媒の温度が各々の耐熱温度を越えてしまうことが生じえる。酸化触媒の温度が耐熱温度を超えてしまうことによって、酸化触媒が劣化してしまい、酸化触媒の酸化（燃焼）能力が低下しまう。

酸化触媒の酸化（燃焼）能力が低下した状態でも、所望の温度まで排気ガスを上昇するためには、排気ガス中の還元成分の量を過剰に多くしなければならい。特に、還元成分として炭化水素（ＨＣ）を使用する場合には、燃費が悪化する。また、酸化触媒において酸化されなかった還元成分の量が多くなり、それゆえ、酸化されずにそのまま車外に排出される還元成分の量が多くなるという問題点がある。

特許文献１に開示される構造であっても、触媒容量は上流側触媒が大容量、下流側触媒が小容量であって、上流に配置される低酸化力の金属を担持した触媒の総合的な酸化力と、下流に配置される高酸化力の金属を担持した触媒の総合的な酸化力との大小関係が明確ではないので、上記問題点が懸念される。

したがって、本発明の目的は、酸化力を有する触媒ユニット出口側の排気ガス温度を所定温度まで効果的に高めると共に、該触媒が劣化することを抑制し、前述の問題点を解決できる排気浄化装置を提供することである。

本発明の排気浄化装置は、エンジンからの排気ガスを導く排気通路の途中に設けられた排気浄化装置において、排気ガス上流側に配置されて、酸化力を備え、排気ガス中の被酸化成分を酸化する上流側触媒と、前記上流側触媒の下流に配置されて、前記上流側触媒の総合的な酸化力よりも強い酸化力を備え、排気ガス中の被酸化成分を酸化する下流側触媒とを備える。前記上流側触媒及び前記下流側触媒の総合的な酸化力は、触媒活性成分の種類と、触媒活性成分の含有量と、触媒活性成分と排気ガスとが接触する合計面積に基づいて設定される。前記上流側触媒は、触媒活性成分としてロジウム以外の白金族元素を含む。前記下流側触媒は、触媒活性成分として少なくともロジウムを含む。前記上流側触媒は、前記被酸化成分の内、酸化されやすい成分を酸化する。前記下流側触媒は、前記被酸化成分の内、前記上流側触媒で酸化されなかった成分を酸化するとともに、該下流側触媒を通過した排気ガスの温度を該上流側触媒を通過した排気ガスの温度よりも高くする。

本願の請求項２に記載の発明では、本願の請求項１に記載の排気浄化装置において、前記上流側触媒は、触媒活性成分として少なくともパラジウムを備える。前記下流側触媒は、触媒活性成分として白金とパラジウムとロジウムとを備える。

本願の請求項３に記載の発明では、本願の請求項１または２に記載の排気浄化装置において、前記下流側触媒の触媒活性成分含有量が、前記上流側触媒の触媒活性成分含有量よりも多い。

本願の請求項４に記載の発明では、本願の請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の排気浄化装置において、前記下流側触媒の接触面積は、前記上流触媒の接触面積よりも大きい。
本願の請求項５に記載の発明では、本願の請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の排気浄化装置において、前記下流側触媒の前記排気ガスの流れ方向の長さが、前記上流側触媒の前記排気ガスの流れ方向の長さよりも長い。

以上のように、本発明によれば、上流側触媒の総合的な酸化力は、下流側触媒の総合的な酸化力よりも小さくされているため、酸化力を有する触媒ユニット出口側の排気ガス温度を所定温度まで効果的に高めると共に、該触媒が劣化することを抑制できる。

本発明の第１の実施形態に係る排気浄化装置を、図１〜３を用いて説明する。なお、本実施形態では、酸化力を有する触媒の一例として、酸化触媒を用いて説明を行うが、被酸化成分（本実施形態では一例として未燃燃料である未燃ＨＣ）を酸化させる能力を有する触媒であれば、どのような触媒であっても良い。また、本実施形態では、排気浄化装置６０は、一例として、図示しない自動車が備えるディーゼルエンジン１０に連結される排気系３０に組み込まれている。

図１は、ディーゼルエンジン１０と、ディーゼルエンジン１０に連結される吸気系２０と、ディーゼルエンジン１０に連結される排気系３０とを示す概略図である。

ディーゼルエンジン１０は、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２となどを備えている。シリンダブロック１１には、例えば複数のシリンダ１３が形成されている。各シリンダ１３内には、シリンダ１３内を摺動可能なピストン１４が収容されている。ピストン１４は、クランクシャフト１５にコネクティングロッド１６を介して連結されている。

シリンダヘッド１２はシリンダブロック１１のデッキ面上に固定されている。シリンダヘッド１２においてシリンダ１３と対向する部位は、シリンダ１３と反対側に凹む凹部が形成されている。この凹部とシリンダ１３とピストン１４とによって規定される空間が燃焼室１７となっている。

シリンダヘッド１２には、燃焼室１７に開口する吸気ポート１８と排気ポート１９とが形成されている。また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１７に燃料を噴射するインジェクタ５が設けられている。

吸気系２０は、燃焼室１７に吸気する。吸気系２０は、吸気ポート１８に連結される吸気管やエアクリーナなどを備えている。

排気系３０は、ディーゼルエンジン１０が排出する排気ガスを、車外に導く。排気系３０は、例えば、ＮＯｘトラップ触媒４０と、フィルタ５０と、排気浄化装置６０と、ターボチャージャの排気タービン７０となどを備えている。なお、本発明で言う、上流と下流とは、図中矢印で示す排気ガスＧの流れる方向に沿って定義される。

排気ポート１９の下流にターボチャージャの排気タービン７０が配置されている。排気タービン７０の下流には排気浄化装置６０が配置されている。排気タービン７０と排気浄化装置６０とは、第１の管部材３１で互いに連結されており、連通している。排気浄化装置６０については、後で詳細に説明する。

第１の管部材３１には、第１の排気ガス温度センサ３２と、第１の酸素濃度センサ３３と、燃料添加用インジェクタ３４とが設けられている。具体的には、第１の排気ガス温度センサ３２と、第１の酸素濃度センサ３３とは、排気浄化装置６０の直前に配置されており、排気浄化装置６０に流入する直前の排気ガスの温度と、排気ガス中の酸素濃度を検出している。燃料添加用インジェクタ３４は、排気浄化装置６０に向かって燃料を添加可能である。

排気浄化装置６０の下流にＮＯｘトラップ触媒４０が配置されている。排気浄化装置６０とＮＯｘトラップ触媒４０とは、第２の管部材３５で互いに連結され、連通している。ＮＯｘトラップ触媒４０は、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を還元反応によって浄化する機能を有している。また、ＮＯｘトラップ触媒４０は、排気ガス中のＳＯｘ（硫黄酸化物）をトラップする性質を有している。ＮＯｘトラップ触媒４０は、当該ＮＯｘトラップ触媒４０の温度を所定温度まで上昇すると、トラップしたＳＯｘを放出する。なお、ここで言う所定温度とは、ＮＯｘトラップ触媒４０においてＳＯｘの放出を始める温度である。

第２の管部材３５には、第２の排気ガス温度センサ３６が設けられている。第２の排気ガス温度センサ３６は、ＮＯｘトラップ触媒４０の直前に配置されており、ＮＯｘトラップ触媒４０に流入する排気ガスの温度を検出する。

ＮＯｘトラップ触媒４０の下流にフィルタ５０が配置されている。ＮＯｘトラップ触媒４０とフィルタ５０とは、第３の管部材３７で互いに連結されて連通している。フィルタ５０は、排気ガス中の粒状物質を捕集する機能を有している。フィルタ５０は、粒状物質を所定量捕集すると、捕集した粒状物質を焼却すべく所定温度まで上昇する必要がある。ここで言う所定温度とは、フィルタ５０において粒状物質を焼却するために必要な温度である。

第３の管部材３７には、第３の排気ガス温度センサ３８と、第２の酸素濃度センサ３９とが設けられている。第３の排気ガス温度センサ３８は、フィルタ５０に流入する排気ガスの温度を検出する。第２の酸素濃度センサ３９は、フィルタ５０に流入する排気ガス中の酸素濃度を検出する。

また、フィルタ５０の下流には、第４の排気ガス温度センサ６が設けられている。具体的には、第４の排気ガス温度センサ６は、フィルタ５０の直後に配置されており、フィルタ５０を通過した直後の排気ガスの温度を検出する。

第１〜４の排気ガス温度センサ３２，３６，３８，６と、第１，２の酸素濃度センサ３３，３９と、燃料添加用インジェクタ３４とは、制御部８０に接続されている。制御部８０は、第１〜４の排気ガス温度センサ３２，３６，３８，６の検出結果と、第１，２の酸素濃度センサ３３，３９の検出結果とに基づいて排気通路中の排気ガスの状態を検出し、当該検出結果に基づいて、燃料添加用インジェクタ３４の動作を制御する。なお、制御部８０は、第１，２の酸素濃度センサ３３，３９の検出結果に基づいて、各所の排気ガスの状態（リーン状態であるか、または、リッチ状態であるか）を算出する。図１中、第１〜４の排気ガス温度センサ３２，３６，３８，６、第１，２の酸素濃度センサ３３，３９、燃料添加用インジェクタ３４と制御部８０との接続を示す線は、一部が省略されている。

なお、本発明で言う排気通路とは、排気ポート１９から排出された排気ガスを車外に導く通路であって内部を排気ガスＧが通る。本実施形態では、排気通路は、第１〜３の管部材、ＮＯｘトラップ触媒４０、排気浄化装置６０、フィルタ５０となどによって構成されている。つまり、排気浄化装置６０は、排気通路２００の途中に設けられる。

つぎに、排気浄化装置６０について説明する。図２は、図１中に示された排気浄化装置６０を拡大して示す断面図である。図２に示すように、排気浄化装置６０は、ハウジング６１と、上流側酸化触媒６２と、下流側酸化触媒６３とを備えている。ハウジング６１は、筒状であって、上流端部が第１の管部材３１に連結されており、第１の管部材３１と連通している。ハウジング６１の下流端部は、第２の管部材３５に連結されており、第２の管部材３５と連通している。

上流側酸化触媒６２は、ハウジング６１内に収容されて固定されている。下流側酸化触媒６３は、ハウジング６１内に収容されて固定されており、上流側酸化触媒６２の下流に配置されている。上流側酸化触媒６２と、下流側酸化触媒６３とは、ともに、ハウジング６１内に流入した排気ガス中のＨＣ（炭化水素）の酸化（燃焼）を促進する機能である酸化力を有している。ＨＣは、本発明で言う被酸化成分の一例である。なお、本発明で言う被酸化成分とは、酸化触媒によって酸化が促進される成分である。

図３は、図２に示されたＦ３−Ｆ３線に沿って切断される上流側酸化触媒６２の断面の一部を示す断面図である。図３は、排気ガスの流れ（上流から下流へ向かう方向）を横切る方向に沿って断面する上流側酸化触媒６２の一部を示している。図３に示すように、上流側酸化触媒６２は、一例として、セラミックや、メタルなどによって構成されるハニカム構造の担体６４と、触媒活性成分６５とを備えている。

担体６４には、同じ形状のセル６６が複数形成されており、これら各セル６６は、担体６４内に互いに等間隔離間して均等に配置されている。図２に示すように、各セル６６は、上流側酸化触媒６２の上流端６２ａから下流端６２ｂまで直線状に延びており、担体６４を貫通している。

図３に示すように、触媒活性成分６５は、少なくともパラジウムを備える。本実施形態では、触媒活性成分６５は、さらに好ましくなるように、ロジウムを含まない。また、触媒活性成分６５は、さらに好ましくなるように、ロジウム以外の白金族元素を含む。より具体的には、本実施形態では、触媒活性成分６５に含まれる触媒金属は、一例として、白金とパラジウムである。

触媒活性成分６５は、各セル６６の内面の全域に略均等に設けられている。なお、上流側酸化触媒６２に担持される触媒活性成分６５に含まれる触媒金属は、白金とパラジウムに限定されない。触媒活性成分６５は、少なくともパラジウムを有していればよく、好ましくは、ロジウムを含まない貴金属である。なお、図３に示されるセルは、誇張して大きく書かれている。実際は小さいものである。排気ガスＧは、排気浄化装置６０内を通過する際には、各セル６６内を通過する。この際、排気ガスＧが触媒活性成分６５に接触することによって、排気ガスＧ中の未燃ＨＣ（本発明で言う、被酸化成分）が酸化される。

下流側酸化触媒６３の構造は、上流側酸化触媒６２と略同様である。このため、下流側酸化触媒６３の構造の説明に、図３を共通して用いる。なお、図３中において下流側酸化触媒６３を説明する符号は、括弧内に記載する。

下流側酸化触媒６３は、担体６７と、触媒活性成分６８とを備えている。担体６７の構造は、上流側酸化触媒６２の担体６４と、例えば、長さが異なる。図２に示すように、上流側酸化触媒６２の担体６４の長さはＬ１であり、下流側酸化触媒６３の担体６７の長さはＬ２である。Ｌ２は、Ｌ１よりも大きい。

下流側酸化触媒６３の担体６７の断面形状は、図３に示す上流側酸化触媒６２の断面形状と同じである。このため、下流側酸化触媒６３の担体６７に形成されるセル６９の断面積は、上流側酸化触媒６２と同じであり、単位面積あたりのセル６９の密度も上流側酸化触媒６２と同じである。このため、下流側酸化触媒６３の容量は、上流側酸化触媒６２の容量よりも大きくなる。

下流側酸化触媒６３の触媒活性成分６８は、触媒金属として、少なくともロジウムを有していればよい。本実施形態では、触媒活性成分６８は、触媒金属の一例として、ロジウムを含む白金族元素が担持されている。より具体的には、触媒活性成分６８に含まれる触媒金属は、一例として、白金とパラジウムとロジウムとである。触媒活性成分６８は、各セル６９の内面全域に略均等に設けられている。下流側酸化触媒６３では、担体６７の単位体積あたりに担持される触媒活性成分６８の量は、上流側酸化触媒６２の担体６４の単位体積あたりに担持される触媒活性成分６５の量よりも多い。排気ガスＧが排気浄化装置６０を通過する際には、排気ガスＧは、各セル６９内を通過する。このとき、排気ガスＧが触媒活性成分６５に接触することによって、排気ガスＧ内の未燃ＨＣ（被酸化成分）が酸化される。排気ガスＧは、セル６５，６９の内面の略全域に接触する。

上記のように、上流側酸化触媒６２の断面形状と下流側酸化触媒６３の断面形状が同じであるとともに、下流側酸化触媒６３の長さＬ２が上流側酸化触媒６２の長さＬ１より長いため、各セル６９の内面の面積の合計は、各セル６６の内面の面積の合計より大きい。このため、下流側酸化触媒での排気ガスＧと触媒活性成分６８との接触面積は、上流側酸化触媒での排気ガスＧと触媒活性成分６５との接触面積よりも大きくなる。本実施形態では、触媒活性成分６５，６８の表面積（外側に露出する部位の面積）が接触面積となる。また、下流側酸化触媒６３の触媒活性成分６８の含有量は、上流側酸化触媒６２の触媒活性成分６５の含有量よりも多い。

上記構造によって、下流側酸化触媒６３の酸化力は、上流側酸化触媒６２の酸化力よりも大きい。なお、本発明で言う酸化力とは、被酸化成分の酸化（燃焼）を促進する能力である。本実施形態では、被酸化成分の一例として未燃ＨＣが用いられているので、本実施形態で言う酸化力は、未燃ＨＣの酸化を促進する能力である。

酸化力は、上記のように、触媒活性成分の種類と、触媒活性成分の担持量（本発明で言う触媒活性成分の含有量のこと）と、触媒において排気ガスと触媒活性成分の接触面積とによって決定される。酸化力が大きいほど、被酸化成分の酸化が促進されるので、排気ガスの温度が上昇する。

触媒活性成分として、ロジウムを備えることによって、ロジウムを備えていない触媒よりも、酸化力が大きくなる。触媒活性成分の含有量が大きいほど、酸化力が大きくなる。触媒において排気ガスと触媒活性成分との接触面積が大きいほど酸化力が大きくなる。

本実施形態では、下流側酸化触媒６３は、酸化力を決定する上記３点がともに上流側酸化触媒より酸化力が大きいことを示しているので、上流側酸化触媒６２よりも酸化力が大きい。

つぎに、排気系の動作の一例として、ＮＯｘトラップ触媒４０がトラップしたＳＯｘを強制的に放出させる動作と、フィルタ５０が捕集した粒状物質を焼却する動作を説明する。

制御部８０は、例えばディーゼルエンジン１０の運転状態（排気ガスの状態も含む概念）により、ＮＯｘトラップ触媒４０がトラップしたＳＯｘの量や、フィルタ５０が捕集した粒状物質の量を検出したり、算出したりしている。制御部８０は、ＮＯｘトラップ触媒４０においてＳＯｘを強制的に放出する必要があると判断するとともに、フィルタ５０において粒状物質を焼却する必要があると判断すると（どちらか一方でもよい）、燃料添加用インジェクタ３４を駆動して、燃料を噴射する。この結果、排気浄化装置６０に流入する排気ガス中の未燃ＨＣの量が増加する。

排気浄化装置６０内に流入した排気ガス中のＨＣのうち、酸化しやすい部分は、上流側酸化触媒６２によって酸化が促進される。この結果、排気ガスの温度が上昇する。

上流側酸化触媒６２を通過した排気ガス中には、上流側酸化触媒６２で酸化できなかった酸化（燃焼）しにくいＨＣが残っている。上流側酸化触媒６２を通過した排気ガスは、下流側酸化触媒６３に流入する。

下流側酸化触媒６３の酸化力は、上流側酸化触媒６２の酸化力よりも大きいので、下流側酸化触媒６３に流入した排気ガス中に残っている未酸化（未燃焼）ＨＣは、下流側酸化触媒６３によって酸化される。このため、下流側酸化触媒６３を通過した排気ガス（つまり、排気浄化装置６０を通過した排気ガス）の温度は、さらに上昇する。

上記のような排気浄化装置６０の動作によって、排気浄化装置６０を通過する排気ガスの温度は、下流側酸化触媒６３を通過した直後が最も高くなるように上昇する。

排気浄化装置６０によって温度が上昇した排気ガスによって、下流に配置されるＮＯｘトラップ触媒４０とフィルタ５０との温度が上昇し、それゆえ、ＮＯｘトラップ触媒４０の温度がＳＯｘを放出可能な温度に達する。または、フィルタ５０の温度が、粒状物質が焼却される温度に達する。この結果、ＮＯｘトラップ触媒４０がトラップしたＳＯｘが排出されるとともに、フィルタ５０が捕集した粒状物質が焼却される。

燃料添加用インジェクタ３４の動作（燃料の噴射量や噴射タイミング）は、第１〜４の排気ガス温度センサ３２，３６，３８，６によって検出された各所の温度や、第１，２の酸素濃度センサ３３，３９によって検出された酸素濃度などによって得られる排気ガスの状態に合わせて調整される。

このように構成される排気浄化装置６０では、下流側酸化触媒６３の酸化力が上流側酸化触媒６２の酸化力よりも大きいので、排気浄化装置６０を通過する排気ガスの温度は、下流側酸化触媒６３を通過した直後で最も高くなうように、緩やかに上昇するようになる。

この結果、上流側酸化触媒６２の温度と下流側酸化触媒６３の温度とが過剰に上昇することを抑制できるので、上流側酸化触媒６２と下流側酸化触媒６３との劣化を抑制することができる。

上流側酸化触媒６２と下流側酸化触媒６３との劣化を抑制できることによって、当該劣化に起因する酸化力の劣化も抑制でき、それゆえ、過剰に燃料を噴射することを抑制することができる。

また、本実施形態では、下流側酸化触媒６３は、酸化力を決定する、触媒活性成分の種類と、排気ガスの触媒活性成分との接触面積と、触媒活性成分の含有量との３点において、全て上流側酸化触媒６２よりも酸化力が大きくなるように設定されている。具体的には、下流側酸化触媒６３は、触媒活性成分として少なくともロジウムを備え、上流側酸化触媒６２よりも触媒活性成分の含有量が多く、触媒活性成分６８の表面積（排気ガスＧと接触する面積）は触媒活性成分６５の表面積（排気ガスＧと接触する面積）より大きい。

しかしながら、これに限定されない。要するに、下流側酸化触媒の酸化力が上流側酸化触媒の酸化力よりも大きければよい。このため、例えば、上流側酸化触媒６２の触媒活性成分の含有量が下流側酸化触媒６３の触媒活性成分の含有量よりも大きい場合であっても、下流側酸化触媒６３がロジウムを備えたり、下流側酸化触媒６３での排気ガスＧと触媒活性成分との接触面積が上流側酸化触媒での排気ガスＧと触媒活性成分との接触面積より大きいことにより、下流側酸化触媒の酸化力が大きければよい。

また、例えば、上流側酸化触媒の触媒活性成分と下流側酸化触媒の触媒活性成分とが同じ場合であっても、下流側酸化触媒の触媒活性成分の含有量が上流側酸化触媒の触媒活性成分の含有量も大きいことなどにより、下流側酸化触媒の酸化力が上流側酸化触媒の酸化力より大きければよい。

下流側酸化触媒の酸化力が上流側酸化触媒の酸化力より大きくなる組み合わせであればよい。

つぎに、本発明の第２の実施形態に係る排気浄化装置を、図４〜６を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する構造は、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、下流側酸化触媒６３の単位面積あたりのセル数（セル密度）と上流側酸化触媒６２のセル密度との相対関係が、第１の実施形態と異なる。他の構造は、第１の実施形態と同様であってよい。上記異なる構造を具体的に説明する。

図４は、本実施形態の排気浄化装置６０を示す断面図である。図５は、図４中に示されるＦ５−Ｆ５線に沿って切断される上流側酸化触媒６２の断面の一部を示す断面図である。図６は、図４中に示されるＦ６−Ｆ６線に沿って切断される下流側酸化触媒６３の断面の一部を示す断面図である。

図５に示すように、上流側酸化触媒６２は、同じ形状のセル６６を複数備えており、各セル６６は互いに等間隔離間して均等に担体６４内に配置されている。図６に示すように、下流側酸化触媒６３は、同じ形状のセル６９を複数備えており、各セル６９は互いに等間隔離間して均等に担体６７内に配置されている。本実施形態では、下流側酸化触媒６３のセル密度は、上流側酸化触媒６２のセル密度よりも大きい。一例として、上流側酸化触媒６２のセル密度は、４００ｃｐｓｉ（Cell per square inch）であり、下流側酸化触媒６３のセル密度は、６００ｃｐｓｉである。なお、図５，６に示されるセル６６，６９は、誇張して大きく書かれている。実際は小さいものである。また、図中、触媒活性成分６８，６５は、簡略されて描かれているが、実際には、図３のように設けられている。

なお、本実施形態であっても、上流側酸化触媒６２の断面積（断面の外縁の内側の面積であって、セルによる空いた空間も含む）と、下流側酸化触媒６３の断面積（断面の外縁の内側の面積であって、セルによる空いた空間も含む）とは、同じである。

このため、下流側酸化触媒６３のセル密度が上流側酸化触媒６２のセル密度よりも大きいので、下流側酸化触媒６３に形成されるセル６６の数は、セル６９の数よりも大きくなり、それゆえ、下流側酸化触媒６３における排気ガスＧの触媒活性成分６８との接触面積は、上流側酸化触媒６２における排気ガスＧの触媒活性成分６５との接触面積よりも大きい。また、触媒活性成分６５，６８は、第１の実施形態と同様でよく、セル６６，６９の内面全域に均等に設けられている。

上記のように、本実施形態では、下流側酸化触媒６３のセル密度を上流側酸化触媒６２よりも大きくした。この結果、下流側酸化触媒６３を通過する排気ガスと触媒活性成分とがより一層接触しやすくなる。言い換えると、排気ガス中のＨＣの酸化がより一層促進されるようになる。それゆえ、下流側酸化触媒６３の酸化力は、上流側酸化触媒６２の酸化力よりも大きくなる。

また、上流側酸化触媒６２のセル密度が、下流側酸化触媒６３のセル密度よりも小さい。一般的に、セル密度が大きい担体の方が粒状物質が詰まりやすい。このため、セル密度が小さい（下流側酸化触媒６３に比べて）上流側酸化触媒６２を下流側酸化触媒６３より上流に配置することによって、上流側酸化触媒６２で排気ガスＧ中の粒状物質がある程度焼却される。

このことによって、下流側酸化触媒６２に流入する排気ガスＧ中の粒状物質の量が少なくなり、それゆえ、下流側酸化触媒６２に粒状物質が詰まることが抑制される。この結果、粒状物質の詰まりにより、排気ガスが下流に流れ難くなる問題を防ぐことができる。

さらに、下流側酸化触媒６３は、第１の実施形態と同じ作用に加えて、セル密度が大きいことによって上流側酸化触媒６２よりもさらに温度が高くなる。このため、下流側酸化触媒６３に粒状物質が詰まった場合であっても、当該粒状物質は、下流側酸化触媒６３によって焼却される。

このように、本実施形態では、第１の実施形態の効果に加えて、粒状物質が詰まることを抑制しつつ、ＨＣの酸化（燃焼）をより一層促進することができる。なお、本実施形態であっても、下流側酸化触媒６３の単位体積あたりに担持される触媒活性成分の量を、上流側酸化触媒６２の単位体積あたりに担持される触媒活性成分の量よりも多くしてもよい。この構造の場合、下流側酸化触媒６３の酸化力がさらに向上する。

つぎに、本発明の第３の実施形態に係る排気浄化装置を説明する。なお、第１の実施形態と同様の構造は、同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態では、上流側酸化触媒６２に担持される触媒活性成分と下流側酸化触媒６３に担持される触媒活性成分とが、第１の実施形態と異なる。他の構造は、第１の実施形態と同様であってよい。上記異なる構造を説明する。

本実施形態では、上流側酸化触媒６２に含まれる触媒活性成分６５と、下流側酸化触媒に含まれる触媒活性成分６８とは、同じ種類である。そして、下流側酸化触媒６３に含まれる触媒活性成分６８の量は、上流側酸化触媒６２に含まれる触媒活性成分６５の量よりも多い。

上流側酸化触媒６２と下流側酸化触媒６３とが同じ種類の触媒活性成分を含む場合、上流側酸化触媒６２は、触媒金属としてロジウムを含んでもよい。一例として、触媒活性成分６５，６８に含まれる触媒金属は、第１の実施形態で説明された白金とパラジウムとロジウムであってもよい。

このように酸化触媒中に複数の触媒活性成分を含む場合、下流側酸化触媒６３に含まれる触媒活性成分６８中の各成分（例えば、触媒貴金属としては上記白金とパラジウムとロジウム）の割合は、上流側酸化触媒６２に含まれる触媒活性成分６５中の各成分の割合と同じである。

また、本実施形態では、上流側酸化触媒６２の担体６４と、下流側酸化触媒６３の担体６７とは、同じ構造（形状も同じであること。セルが延びる方向を例えば垂直に横切る断面形状が同じで、セルが延びる方向の長さＬ１，Ｌ２が同じ）である。このため、上流側酸化触媒６２と下流側酸化触媒６３との違いは、各々の触媒に含まれる触媒活性成分の量の違いである。

本実施形態であっても、下流側酸化触媒６３に含まれる触媒活性成分６８の量が、上流側酸化触媒６２に含まれる触媒活性成分６５の量よりも多いので、下流側酸化触媒６３の酸化力は、上流側酸化触媒６２の酸化力よりも大きい。このため、本実施形態であっても、第１の実施形態と同様の作用・効果が得られる。

なお、第３の実施形態であっても第１の実施形態と同様（担体６７の長さＬ２は、担体６４の長さＬ１より大きい。）に、下流側酸化触媒６３での排気ガスＧと触媒活性成分６８との接触面積が、上流側酸化触媒６２での排気ガスＧと触媒活性成分６５との接触面積よりも大きくてもよい。また、第２の実施形態のように、下流側酸化触媒６３のセル密度が、上流側酸化触媒６２のセル密度よりも大きくてもよい。または、第３の実施形態であっても第１の実施形態と同様に下流側酸化触媒６３での排気ガスＧと触媒活性成分６８との接触面積が、上流側酸化触媒６２での排気ガスＧと触媒活性成分６５との接触面積よりも大きく、かつ、第２の実施形態のように、下流側酸化触媒６３のセル密度が、上流側酸化触媒６２のセル密度よりも大きくてもよい。

また、第１〜３の実施形態では、上下流側酸化触媒６２，６３は、担体６４，６７のセル６６，６９の内面全域に触媒活性成分６５，６８が均等に設けられる構造であり、それゆえ、本発明でいう接触面積は、触媒活性成分６５，６８の表面積（排気ガスと接触可能である）としている。しかしながら、これに限定されない。例えば、担体６４，６７が酸化力を備える物質で形成される構造であってもよい。この場合では、本発明で言う接触面積は、担体６４，６７において排気ガスと接触可能な部分の面積となる。

要するに、本発明で言う接触面積とは、酸化触媒において酸化力を備える部分であってかつ排気ガスと接触可能な部分の面積である。

このため、第１〜３の実施形態において、下流側酸化触媒６３の接触面積（本発明で言う接触面積）を上流側酸化触媒６２の接触面積より大きくする場合、下流側酸化触媒において酸化力を備える部分であってかつ排気ガスと接触可能な部分の面積を、上流側酸化触媒において酸化力を備える部分であってかつ排気ガスと接触可能な部分の面積よりも大きくすればよい。

この発明は、上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
エンジンからの排気ガスを導く排気通路の途中に設けられた排気浄化装置において、
排気ガス上流側に配置されて、酸化力を備え、排気ガス中の被酸化成分を酸化する上流側触媒と、
前記上流側触媒の下流に配置されて、前記上流側触媒の総合的な酸化力よりも強い酸化力を備え、排気ガス中の被酸化成分を酸化する下流側触媒と
を具備することを特徴とする排気浄化装置。
［２］
前記下流側触媒は、触媒活性成分として少なくともロジウムを備える
ことを特徴とする［１］に記載の排気浄化装置。
［３］
前記上流側触媒は、触媒活性成分として少なくともパラジウムを備え、
前記下流側触媒は、触媒活性成分として白金とパラジウムとロジウムとを備える
ことを特徴とする［１］または［２］に記載の排気浄化装置。
［４］
前記下流側触媒の触媒活性成分含有量が、前記上流側触媒の触媒活性成分含有量よりも多い
ことを特徴とする［１］〜［３］のうちいずれか１つに記載の排気浄化装置。
［５］
前記下流側触媒の接触面積は、前記上流側触媒の接触面積よりも大きい
ことを特徴とする［１］〜［４］のうちいずれか１つに記載の排気浄化装置。

本発明の第１の実施形態に係る排気浄化装置を備える排気系を示す概略図。 図１中に示された排気浄化装置を拡大して示す断面図。 図２に示されたＦ３−Ｆ３線に沿って切断される上流側酸化触媒の断面の一部を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る排気浄化装置を示す断面図。 図４に示されたＦ５−Ｆ５線に沿って切断される上流側酸化触媒の断面の一部を示す断面図。 図４に示されたＦ６−Ｆ６線に沿って切断される下流側酸化触媒の断面の一部を示す断面図。

符号の説明

６０…排気浄化装置、６２…上流側酸化触媒、６３…下流側酸化触媒、６５…触媒活性成分、６８…触媒活性成分、Ｇ…排気ガス。

Claims (5)

1. エンジンからの排気ガスを導く排気通路の途中に設けられた排気浄化装置において、
   排気ガス上流側に配置されて、酸化力を備え、排気ガス中の被酸化成分を酸化する上流側触媒と、
   前記上流側触媒の下流に配置されて、前記上流側触媒の総合的な酸化力よりも強い酸化力を備え、排気ガス中の被酸化成分を酸化する下流側触媒とを備え、
   前記上流側触媒及び前記下流側触媒の総合的な酸化力は、触媒活性成分の種類と、触媒活性成分の含有量と、触媒活性成分と排気ガスとが接触する合計面積に基づいて設定され、
   前記上流側触媒は、触媒活性成分としてロジウム以外の白金族元素を含み、
   前記下流側触媒は、触媒活性成分として少なくともロジウムを含み、
   前記上流側触媒は、前記被酸化成分の内、酸化されやすい成分を酸化し、
   前記下流側触媒は、前記被酸化成分の内、前記上流側触媒で酸化されなかった成分を酸化するとともに、該下流側触媒を通過した排気ガスの温度を該上流側触媒を通過した排気ガスの温度よりも高くする
   ことを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記上流側触媒は、触媒活性成分として少なくともパラジウムを備え、
   前記下流側触媒は、触媒活性成分として白金とパラジウムとロジウムとを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記下流側触媒の触媒活性成分含有量が、前記上流側触媒の触媒活性成分含有量よりも多い
   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。
4. 前記下流側触媒の接触面積は、前記上流側触媒の接触面積よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の排気浄化装置。
5. 前記下流側触媒の前記排気ガスの流れ方向の長さが、前記上流側触媒の前記排気ガスの流れ方向の長さよりも長い
   ことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の排気浄化装置。

Images