JP6402875B2

JP6402875B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP6402875B2
Application number: JP2017207375A
Authority: JP
Inventors: 岩知道　均一; 均一岩知道
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2033-07-29
Also published as: JP2018021564A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、触媒の構造に関する。

従来より、ディーゼルエンジンでは、排気通路に炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）を浄化する酸化触媒や、窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化するＮＯｘトラップ触媒や、微粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ等を直列に複数配設している。そして、これらの触媒やフィルタにて、エンジンからの排気に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ及びＰＭを浄化している。

一方で、エンジンの冷態始動時等にエンジンより排出されるＮＯｘを効率よく浄化するべく、排気通路に複数のＮＯｘトラップ触媒、或いは多層ＮＯｘトラップ触媒を備える排気浄化装置が開発されている（特許文献１）。

特許４１７８８５８号公報

ディーゼルエンジンでは、リーン燃焼運転中にエンジンから排出されるＮＯｘの排出量が増加することが知られている。
そこで、特許文献１の技術を適用することで、エンジンの低温時のリーン燃焼運転時におけるエンジンより排出されるＮＯｘの浄化が可能となる。
しかしながら、ディーゼルエンジンでは、ＮＯｘ以外に排気中に含まれるＨＣ、ＣＯ、及びＰＭを浄化するための酸化触媒やディーセルパティキュレートフィルタを備えており、ＮＯｘトラップ触媒の追加、或いはＮＯｘトラップ触媒の多層化することで、ＮＯｘトラップ触媒の個数増加による排気圧力が上昇することでのエンジン性能の低下、或いは触媒の構造の複雑化によるコストの増加する要因となり好ましいことではない。

本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡易な構造で排気を浄化することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に設けられた内燃機関の排気浄化装置であって、空燃比がストイキよりもリーンなリーン雰囲気下でＮＯｘをトラップするアルカリ金属またはアルカリ土類金属が担持されたＮＯｘトラップ触媒層とリーン雰囲気下でＮＯｘを吸着する遷移金属が担持されたＮＯｘ吸着触媒層とが一の触媒担体に設けられた第１の触媒と、前記排気通路における前記第１の触媒よりも排気流れ方向の下流側に設けられ、ＮＯｘの還元性能を有する第２の触媒とを備え、前記ＮＯｘトラップ触媒層が前記触媒担体における排気流れ方向の上流側に設けられ、かつ、前記ＮＯｘ吸着触媒層が前記触媒担体における下流側に設けられており、前記触媒担体において前記ＮＯｘトラップ触媒層にのみ酸化性能を有する貴金属が更に担持されたことを特徴とする。

また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１において、前記ＮＯｘトラップ触媒層に前記アルカリ金属またはアルカリ土類金属としてバリウムが担持され、前記ＮＯｘ吸着触媒層に前記遷移金属として銀が担持され、前記ＮＯｘトラップ触媒層に前記貴金属としてプラチナ、パラジウム、ロジウムの全てが担持されたことを特徴とする。
また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１または２において、前記排気通路には前記内燃機関に吸入される新気を圧縮するターボチャージャが設けられており、前記第１の触媒が前記排気通路における前記ターボチャージャの直下に設けられることを特徴とする。

本発明によれば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が担持されたＮＯｘトラップ触媒層を上流側、ＮＯｘを吸着する遷移金属が担持されたＮＯｘ吸着触媒層を下流側に配置することにより、リーン雰囲気下における高温時と低温時の双方において効果的にＮＯｘをトラップまたは吸着するようにできるとともに、ＮＯｘパージ時には、第１の触媒より放出されたＮＯｘを第２の触媒確実に還元浄化することができる。したがって、簡易な構造で排気を浄化することができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたエンジンの概略構成図である。上流側触媒の概略構成図である。下流側触媒の概略構成図である。上流側触媒入口温度と各部でのＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。ＮＯｘ浄化の過程を時系列で示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置が適用されたエンジン（内燃機関）１の全体構成図を示している。図２は、エンジン１の排気管５に配設される上流側触媒６の概略構成図である。そして、図３は、エンジン１の排気管５配設される下流側触媒７の概略構成図である。なお、図２及び図３中の矢印は、排気流れ方向を示している。また、図４は、上流側触媒入口温度と各部でのＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。図４中の実線「出口」は、排気管５の出口でのＮＯｘの浄化率を、破線の「ＮＯｘ吸着」は、低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆのＮＯｘ浄化率を、一点鎖線の「ＮＯｘトラップ」は、ＮＯｘトラップ触媒層６ｅのＮＯｘ浄化率を示している。そして、図５は、ＮＯｘ浄化の過程を時系列で示す図である。上段より、空燃比、各触媒層の状態、下流側触媒温度を示している。そして、図５中の二点鎖線は、ストイキを示している。また、図４中及び図５中の第１所定温度Ｔ１は、低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆに吸着したＮＯｘの脱離を開始する温度（約２５０℃）を示し、第２所定温度Ｔ２は、低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆに吸着したＮＯｘの脱離を終了する温度（約３００℃）を示している。また、第３所定温度Ｔ３は、ＮＯｘトラップ触媒層６ｅに吸着したＮＯｘの脱離が可能となる温度を示し、第４所定温度Ｔ４は、下流側触媒７に堆積したＰＭを燃焼することのできるＰＭ燃焼可能温度（約６５０℃）を示している。なお、第１所定温度Ｔ１未満の温度範囲は、貴金属の活性温度未満であって、第１所定温度Ｔ１以上第２所定温度Ｔ２までの温度範囲は、貴金属の活性温度内に含まれている。

エンジン１は、多気筒の筒内直接噴射式内燃機関（例えばコモンレール式ディーゼルエンジン）であり、詳しくは、コモンレールに蓄圧された高圧燃料を各気筒に備わる燃料噴射ノズルに供給し、任意の噴射時期及び噴射量で当該燃料噴射ノズルから各気筒の燃焼室内に噴射可能な構成を成している。
図１に示すように、エンジン１には、エンジン１の図示しない燃焼室と連通する排気ポート２が気筒毎に形成されている。そして、エンジン１には、それぞれの排気ポート２と連通するように、排気マニフォールド３が接続されている。

排気マニフォールド３の下流には、排気のエネルギを利用し吸入された新気を圧縮して、エンジン１の燃焼室に供給するターボチャージャ４のタービンハウジング４ａと、排気管（排気通路）５と、が連通するように設けられている。
排気管５には、排気流れ方向の上流から順に上流側触媒（本発明の第１の触媒に相当）６と下流側触媒（本発明の第２の触媒に相当）７とが連通するように設けられている。

上流側触媒６には、筒状のケーシング６ａ内に排気が通過する通路６ｂの両端が開放したハニカム担体、所謂オープンフローハニカム６ｃが備えられている。通路６ｂは、多孔質、またはメタル箔の壁６ｄで形成される。そして、オープンフローハニカム６ｃの通路６ｂを形成する多孔質の壁６ｄには、排気流れ方向の上流側より順にＮＯｘトラップ触媒層６ｅと低温ＮＯｘ吸着触媒層（本発明のＮＯｘ吸着触媒層に相当）６ｆとが形成されている。

ＮＯｘトラップ触媒層６ｅは、アルミナ母材にリーン雰囲気下でＮＯｘトラップ性能を有するアルカリ金属（カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）など）、アルカリ土類金属（バリウム（Ｂａ）など）、酸化性能を有する貴金属（プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ））及び触媒機能を高める機能を有する添加剤（酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化ジルコニア（ＺｒＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）など）を含んで形成されている。そして、図４及び図５に示すように、ＮＯｘトラップ触媒層６ｅは、上流側触媒６の入口温度が低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆのＮＯｘの脱離を終了する温度（ＮＯｘ脱離温度）である第２所定温度Ｔ２よりも低い温度である第１所定温度Ｔ１であるときにＮＯｘのトラップを開始するものである。そして、ＮＯｘトラップ触媒層６ｅは、下流側触媒７の温度、所謂下流側触媒温度が第３所定温度以上であるときに空燃比を断続的にリッチ空燃比とするＮＯｘパージ運転を行うことでトラップしたＮＯｘを還元浄化する。即ち、ＮＯｘトラップ触媒層６ｅは、低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆのＮＯｘ脱離終了温度よりも低い温度でＮＯｘの吸着を開始する触媒である。

また、低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆは、アルミナ母材にＮＯｘ吸着剤（例えば遷移金属の鉄（Ｆｅ）や、銀（Ａｇ）や、遷移金属を含むゼオライトなど）と、助触媒（ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２）を含んで形成されている。そして、低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆのＮＯｘ吸着材は、ＮＯｘトラップ触媒層６ｅに対して触媒温度が低温であるときに高い窒素酸化物（ＮＯｘ）の吸着能を有している。そして、図４及び図５に示すように、低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆは、上流側触媒６の入口温度が貴金属の活性温度未満である第１所定温度未満でＮＯｘの吸着を開始する。また、低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆは、上流側触媒６の入口温度が貴金属の活性温度内である第１所定温度以上から第２所定温度未満の温度であるときにＮＯｘのトラップを開始するものである。即ち、低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆは、貴金属の活性温度未満でＮＯｘの吸着を開始し、活性温度内でＮＯｘの脱離を開始し、かつ、終了する機能を有している触媒である。

下流側触媒７には、筒状のケーシング７ａ内に排気が通過する通路７ｂの上流側及び下流側を交互にプラグで閉鎖されたハニカム担体、所謂ウォールフローフィルタ７ｃが備えられている。通路７ｂは、多孔質の壁７ｄで形成される。そして、ウォールフローフィルタ７ｃの通路７ｂを形成する多孔質の壁７ｄには、排気流れ方向の上流側より順にＮＯｘ還元触媒層７ｅとＰＭ燃焼触媒層７ｆとが形成されている。

ＮＯｘ還元触媒層７ｅは、アルミナ母材にＲｈを主とする貴金属（Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｔ）及び添加剤（例えば、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２など）を含んで形成されている。そして、ＮＯｘ還元触媒層７ｅの貴金属の担持量は、ＰＭ燃焼触媒層７ｆの貴金属の担持量よりも多く設定されている。
また、ＰＭ燃焼触媒層７ｆは、アルミナ母材に貴金属（Ｒｔ、Ｐｄ、Ｒｈ）及び添加剤（例えば、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２など）を含んで形成されている。

以下、このように構成された本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の作用及び効果について説明する。
図５に示すように、上流側触媒６のＮＯｘトラップ触媒層６ｅでは、ＮＯｘトラップ剤としてのＫ、Ｎａ、Ｂａと酸化性能を有する貴金属との作用により、上流側触媒６の温度が第１所定温度（約２５０℃）以上であれば、リーン雰囲気下での窒素酸化物（ＮＯｘ）をトラップし、上流側触媒６の温度が第３所定温度以上であるときに空燃比を断続的にリッチ空燃比とするＮＯｘパージ運転を行うことで、リッチ雰囲気下でトラップしたＮＯｘを還元して浄化する。また、ＮＯｘトラップ触媒層６ｅでは、エンジン１の始動時等で上流側触媒６及び下流側触媒７の各触媒層が昇温しておらず上流側触媒６の温度が第２所定温度（例えば３００℃）以下の低温である状態、所謂コールドフェイズで発生する炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を貴金属にて酸化反応させ浄化する。そして、上流側触媒６の低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆでは、ＮＯｘ吸着材の作用により、エンジン１の始動時等で上流側触媒６及び下流側触媒７の各触媒層が昇温しておらず上流側触媒６の温度が第１所定温度（約２５０℃）未満の低温である状態のリーン雰囲気下でのＮＯｘを吸着する。そして、上流側触媒６の温度が第１所定温度以上となると、吸着したＮＯｘを脱離する。

また、下流側触媒７のウォールフローフィルタ７ｃでは、排気中の微粒子状物質（ＰＭ）を捕集する。そして、下流側触媒７のＮＯｘ還元触媒層７ｅでは、上流側触媒６のＮＯｘトラップ触媒層６ｅにトラップしたＮＯｘと低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆに吸着したＮＯｘの浄化を行うためにリッチ空燃比とするＮＯｘパージ運転時に、ＮＯｘトラップ触媒層６ｅ及び低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆより放出されたＮＯｘを還元し浄化する。また、ＰＭ燃焼触媒層７ｆでは、下流側触媒７の温度を第４所定温度Ｔ４、所謂ＰＭ燃焼可能温度（例えば、６５０℃）に高めるＰＭ燃焼運転の実行中に、ウォールフローフィルタ７ｃにて捕集したＰＭを燃焼し浄化する。そして、ＮＯｘ還元触媒層７ｅ及びＰＭ燃焼触媒層７ｆでは、ＰＭ燃焼時に発生するＣＯを貴金属にて酸化反応させ浄化する。

このように、コールドフェイズのリーン雰囲気下にて発生するＨＣ、ＣＯを上流側触媒６のＮＯｘトラップ触媒層６ｅにて酸化させ浄化することができ、ＮＯｘを上流側触媒６の低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆに吸着させることができ、ＰＭを下流側触媒７のウォールフローフィルタ７ｃで捕集することができる。また、通常運転時のリーン雰囲気下にて発生するＮＯｘを上流側触媒６のＮＯｘトラップ触媒層６ｅでトラップし、還元浄化することができる。更にはＰＭ燃焼時に発生するＣＯをＮＯｘ還元触媒層７ｅ及びＰＭ燃焼触媒層７ｆにて浄化することができる。

したがって、このように上流側触媒６と下流側触媒７との簡易な構造で確実に排気を浄化することで、排気圧増大に伴うエンジン１の性能低下を抑制し、触媒のコストを抑制しつつ、良好な排気浄化性能を得ることができる。
また、ＮＯｘトラップ触媒層６ｅをエンジン１に最も近い排気流れの最上流の排気管５に設けることで、貴金属の昇温に要する時間を短縮することができるので、ＨＣ及びＣＯを酸化反応させ浄化することができる。また、ＮＯｘの還元性能を向上させることができる。

また、低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆをＮＯｘトラップ触媒層６ｅの排気流れ方向の下流側に形成することで、ＨＣ及びＣＯをＮＯｘトラップ触媒層６ｅにて浄化し、排気中のＨＣ及びＣＯを少ない状態とすることで、低温ＮＯｘ吸着触媒層６ｆのＮＯｘ吸着性を高めることができる。
以上で発明の実施形態の説明を終えるが、発明の形態は本実施形態に限定されるものではない。

例えば、本実施例では、本発明の内燃機関の排気浄化装置をコモンレール式ディーゼルエンジンに適用しているが、これに限定されるものではなく、例えば、ガソリンリーンバーンエンジンに適用してもよい。

１エンジン（内燃機関）
５排気管（排気通路）
６上流側触媒（第１の触媒）
６ｃオープンフローハニカム
６ｅＮＯｘトラップ触媒層
６ｆ低温ＮＯｘ吸着触媒層（ＮＯｘ吸着触媒層）
７下流側触媒（第２の触媒）
７ｃウォールフローフィルタ
７ｅＮＯｘ還元触媒層
７ｆＰＭ燃焼触媒層

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた内燃機関の排気浄化装置であって、
空燃比がストイキよりもリーンなリーン雰囲気下でＮＯｘをトラップするアルカリ金属またはアルカリ土類金属が担持されたＮＯｘトラップ触媒層とリーン雰囲気下でＮＯｘを吸着する遷移金属が担持されたＮＯｘ吸着触媒層とが一の触媒担体に設けられた第１の触媒と、前記排気通路における前記第１の触媒よりも排気流れ方向の下流側に設けられ、ＮＯｘの還元性能を有する第２の触媒とを備え、
前記ＮＯｘトラップ触媒層が前記触媒担体における排気流れ方向の上流側に設けられ、かつ、前記ＮＯｘ吸着触媒層が前記触媒担体における下流側に設けられており、
前記触媒担体において前記ＮＯｘトラップ触媒層にのみ酸化性能を有する貴金属が更に担持されたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記ＮＯｘトラップ触媒層に前記アルカリ金属またはアルカリ土類金属としてバリウムが担持され、
前記ＮＯｘ吸着触媒層に前記遷移金属として銀が担持され、
前記ＮＯｘトラップ触媒層に前記貴金属としてプラチナ、パラジウム、ロジウムの全てが担持されたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記排気通路には前記内燃機関に吸入される新気を圧縮するターボチャージャが設けられており、
前記第１の触媒が前記排気通路における前記ターボチャージャの直下に設けられることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。