(57)【要約】【課題】本発明は、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。【解決手段】排気管(5)には、排気流れ方向の上流から順番に上流側触媒(6)と下流側触媒(7)とが連通するように設けられている。上流側触媒(6)のケーシング(6a)内にオープンフローハニカム(6c)が備えられている。そして、オープンフローハニカム(6c)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(6f)が形成されている。また、下流側触媒(7)のケーシング(7a)内にウォールフローフィルタ(7c)が備えられている。そして、ウォールフローフィルタ(7c)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。【選択図】図１
2018021564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化性能を有する高温用ＮＯｘ吸着触媒と、前記高温用ＮＯｘ吸着触媒の排気流れ方向の下流側に配設され、前記高温用ＮＯｘ吸着触媒に対して触媒温度が低温であるときにＮＯｘを吸着する低温用ＮＯｘ吸着触媒とで構成され、内燃機関の排気通路に配設される第１の触媒を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１の触媒の排気流れ方向の下流側の前記排気通路に配設され、貴金属が担持される第２の触媒を備えることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第２の触媒は、ウォールフローフィルタに前記貴金属を担持して形成されることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第２の触媒の前記貴金属の担持量は、排気流れ方向の上流側の前記貴金属の担持量を前記排気流れ方向の下流側の前記貴金属の担持量より多くすることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許４１７８８５８号公報
【発明の概要】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、酸化性能を有する高温用ＮＯｘ吸着触媒と、前記高温用ＮＯｘ吸着触媒の排気流れ方向の下流側に配設され、前記高温用ＮＯｘ吸着触媒に対して触媒温度が低温であるときにＮＯｘを吸着する低温用ＮＯｘ吸着触媒とで構成され、内燃機関の排気通路に配設される第１の触媒を備えることを特徴とする。
【０００８】
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、前記第１の触媒の排気流れ方向の下流側の前記排気通路に配設され、貴金属が担持される第２の触媒を備えることを特徴とする。
また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、請求項２において、前記第２の触媒は、ウォールフローフィルタに前記貴金属を担持して形成されることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４の内燃機関の排気浄化装置では、請求項３において、前記第２の触媒の前記貴金属の担持量は、排気流れ方向の上流側の前記貴金属の担持量を前記排気流れ下流側の前記貴金属の担持量より多くすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によれば、酸化性能を有する高温用ＮＯｘ吸着触媒の排気流れ方向の下流側に高温用ＮＯｘ吸着触媒に対して触媒温度が低温であるときにＮＯｘを吸着する低温用ＮＯｘ吸着触媒を配設して、第１の触媒を形成し、当該第１の触媒を内燃機関の排気通路に配設することで、例えば、内燃機関の冷態始動等でありリーン燃焼運転中で、且つ触媒温度が低温である場合には、内燃機関から排出される炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を、酸化性能を有する高温用ＮＯｘ吸着触媒で酸化させて浄化し、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低温用ＮＯｘ吸着触媒で吸着させることができる。また、排気温度が高温であり、触媒温度が高温である場合には、高温用ＮＯｘ吸着触媒にてＮＯｘをトラップし、空燃比をリッチ設定に制御すること（以下、ＮＯｘパージという）により還元浄化することができる。
【００１１】
したがって、簡易な構造で排気を浄化することができる。
また、請求項２の発明によれば、貴金属が担持される第２の触媒を第１の触媒の排気流れ方向の下流側の排気通路に配設することで、ＮＯｘパージ時に、第１の触媒より放出されたＮＯｘを第２の触媒の貴金属で確実に還元浄化することができる。
また、請求項３の発明によれば、ウォールフローフィルタに貴金属を担持して、第２の触媒を形成することで、ウォールフローフィルタにて排気中の微粒子状物質（ＰＭ）を捕集し、捕集したＰＭの燃焼時に発生するＣＯを担持した貴金属にて浄化することができる。また、第１の触媒と第２の触媒のみの簡易な構造で排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ及びＰＭを浄化することができるので、排気圧増大に伴う内燃機関の性能低下の抑制と、触媒のコストを抑制することができる。
【００１２】
また、請求項４の発明によれば、第２の触媒における排気流れ方向の上流側の貴金属の担持量を排気流れ方向の下流側の貴金属の担持量より多くすることで、上流の第１の触媒より放出されるＮＯｘを貴金属の担持量の多い上流側で効率よく還元浄化することができる。また、ウォールフローフィルタにて捕集したＰＭの燃焼時に発生するＣＯは、貴金属の担持量の多い上流側及び貴金属の担持量の少ない下流側で浄化することができる。そして、貴金属の担持量を上流側と下流側とで変えることで、貴金属の使用量を低減することができるのでコストの増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】上流側触媒の概略構成図である。
【図３】下流側触媒の概略構成図である。
【図４】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５】ＮＯｘ浄化の過程を時系列で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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（本発明の高温用ＮＯｘ吸着触媒に相当）６ｅと低温ＮＯｘ吸着触媒層（本発明の低温用ＮＯｘ吸着触媒に相当）６ｆとが形成されている。
【００１８】
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（ＣｅＯ２）、酸化ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）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。
【００１９】
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（ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２）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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２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、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２など）を含んで形成されている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【符号の説明】
【００２８】
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
６ｅ  ＮＯｘトラップ触媒層（高温用ＮＯｘ吸着触媒）
６ｆ  低温ＮＯｘ吸着触媒層（低温用ＮＯｘ吸着触媒）
７  下流側触媒（第２の触媒）
７ｃ  ウォールフローフィルタ
７ｅ  ＮＯｘ還元触媒層
７ｆ  ＰＭ燃焼触媒層
【図１】
2018021564.tif 000003
【図２】
2018021564.tif 000004
【図３】
2018021564.tif 000005
【図４】
2018021564.tif 000006
【図５】
2018021564.tif 000007