(57)【要約】【課題】  リッチパージの頻度を減らすことが出来るとともに、ＮＯｘ排出量と燃費を最小限に抑えることができる排気浄化装置を提供する。【解決手段】  内燃機関から排出される排ガスの排気通路に配置される吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を備える排気浄化装置であって、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の排ガス流れ方向の後方側に、前記内燃機関から排出される排出ＮＯｘ量を推定又は検出する排出ＮＯｘ量検出手段６を備え、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４は、複数のセルから構成されるハニカム構造体から構成され、一部の集合セルの単位容積あたりのＮＯｘ飽和吸蔵量が、その他のセルより小さくなるようにして低性能部分５を構成し、破綻後のＮＯｘ濃度がＮＯｘ量検出手段６の検出下限以上になるように低性能部分５の吸蔵能力を設定した排気浄化装置。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排ガスの排気通路に配置される吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を備える排気浄化装置であって、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の排ガス流れ方向の後方側に、前記内燃機関から排出される排出ＮＯｘ量を推定又は検出する排出ＮＯｘ量検出手段を備え、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、複数のセルから構成されるハニカム構造体で構成され、一部の集合セルの単位容積あたりのＮＯｘ飽和吸蔵量が、その他のセルより小さくなるようにして低性能部分を構成し、破綻後のＮＯｘ濃度がＮＯｘ量検出手段の検出下限以上になるように低性能部分の吸蔵能力を設定したことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記低性能部分は、ベース部分よりもＮＯｘ吸蔵材もしくは貴金属の担持量を少なくしたＮＯｘ吸蔵触媒がコートされていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記低性能部分は、ベース部分よりも高温で処理されたＮＯｘ吸蔵触媒がコートされていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記低性能部分は、ベース部分よりもＮＯｘ吸蔵触媒のコート量が少ないことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記低性能部分は、ベース部分と同様の触媒層の上層にＮＯｘ吸蔵材を含まない拡散阻害層が追加で設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記低性能部分は、ハニカム構造体の長さがベース部分よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項７】
前記低性能部分は、ベース部分に対してハニカム構造体のセル密度が小さいことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項８】
燃料投入部を備え、前記ＮＯｘ量検出手段がＮＯｘ量を検出した後、速やかに燃料投入を行うように前記燃料投入部を設定したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リッチパージの頻度を減らすことが出来るとともに、ＮＯｘ排出量と燃費を最小限に抑えることができる排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＯｘ吸蔵触媒は、排気空燃比が希薄（リーン）のときに排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸収し、排気空燃比が過濃（リッチ）のときに吸蔵したＮＯｘを放出還元する吸蔵型のＮＯｘ触媒である。ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量の推定において、リッチ運転の開始時点とリッチ運転の終了時点における触媒温度及び排ガスの流量をも考慮する触媒吸蔵モデルにより、ＮＯｘ吸蔵触媒に残留しているＮＯｘ吸蔵量を含め、ＮＯｘ吸蔵量をより正確に把握することができるＮＯｘ吸蔵触媒の吸蔵量推定装置および推定方法が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２７０４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、排気浄化装置に用いられるＮＯｘ吸蔵触媒はＮＯｘを硝酸塩として吸蔵することでリーン排ガス中からＮＯｘを除去することが出来、排ガス空燃比をリッチに切り替えて吸蔵されたＮＯｘを還元浄化する（吸蔵ＮＯｘのリッチパージ）ことで、再度ＮＯｘを吸蔵することが可能となる。ただし吸蔵ＮＯｘのリッチパージにおいては、リッチパージ初期に、吸蔵されていたＮＯｘが未浄化のままスパイク状に排出されるという問題が有る。リッチパージ開始時のＮＯｘ吸蔵量が飽和に近いほど、スパイク状ＮＯｘ排出の量は増加することが知られている。
【０００５】
内燃機関において、ＮＯｘ排出量を抑えるためには、リッチパージ初期のスパイク状ＮＯｘの排出量をなるべく低く抑えなければならない。したがってＮＯｘ吸蔵量が飽和に達するよりも十分に先んじてリッチパージを開始しなければならない。
【０００６】
また一方でリッチパージは余剰の燃料を使用する操作であるため、リッチパージを頻繁におこなうと燃費が著しく悪化してしまう。したがってリッチパージの回数は可能な限り減らすべきである。内燃機関において、ＮＯｘ排出量を低く抑えつつ燃費の悪化を防ぐためには、許容される吸蔵量の上限まで吸蔵した時点でリッチパージをおこなうことが最適となる。
【０００７】
内燃機関の排気管に設置されるＮＯｘ吸蔵触媒の後段にＮＯｘセンサを配置し、ＮＯｘセンサがＮＯｘを検出した時点でリッチパージを開始することが現在主流である。しかしながら、ＮＯｘセンサは50ppm以下程度の低濃度のＮＯｘに対して検出誤差が大きく、50ppmがＮＯｘセンサの検出下限とも言える。したがってＮＯｘセンサでＮＯｘを検出した時点で既に上述した許容される吸蔵量の上限を超えてしまっており、その後のリッチパージ初期に大量のＮＯｘが未浄化のままスパイク状に放出されてしまうことが有った。
【０００８】
これらを模式的に示すと図７のようになる。図７にてＸ〜ＤはそれぞれＮＯｘ吸蔵触媒を通過した排ガス（出ガス）中のＮＯｘ濃度を示している。リッチパージが無い場合はＸのようになり、ＮＯｘ吸蔵能力の破綻前はＮＯｘ濃度が非常に低いが、破綻後はＮＯｘ濃度が増加し、入りガス中の濃度とほぼ一致するようになる。リッチパージをおこなう場合、Ａ、Ｂ、ＣのようにＮＯｘ吸蔵率の低い時点（t=ta、tb、tc）でリッチパージを開始すれば、スパイク状のＮＯｘ排出量は低く抑えられる。ＤのようにＮＯｘ吸蔵能力が破綻し、下流側のＮＯｘセンサでＮＯｘを検出した時点（t=td）でリッチパージを開始した場合、多量のスパイク状ＮＯｘが排出されてしまう。したがってＮＯｘ排出量はＤ＞Ｃ＞Ｂ＞Ａとなる。
【０００９】
一方でリッチパージの頻度はＤが最も低く、Ａが最も高いことになる。したがってリッチパージによる燃費悪化幅はＡ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄとなる。
ここでＮＯｘ排出量に許容される上限（例えば車両仕向地のＮＯｘ排出量規制）が設定されるとして、Ｃは上限未満、Ｄは上限を超えると前提する。この場合Ｄは問題外となり、許容されるのはＡ、Ｂ、Ｃであり、燃費面を考えるとＣが最適となる。しかしながら最適なタイミング（Ｃのようにt=tc）でリッチパージを開始したくとも、ＮＯｘセンサではＮＯｘが十分に検出できないため、ECUはリッチパージを開始すべき最適なタイミングを正確に把握することが出来ない。したがってＡやＢのように最適なタイミングよりも早くリッチパージを開始するしかなく、燃費が犠牲になる。
今後ますます厳格化が進む排ガス規制と燃費規制に対応するためには、最適なリッチパージ開始タイミングをECUに確実に把握させることが必要になっている。
【００１０】
ところで、前記した特許文献１に開示されるように、ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量をECUに計算させることが可能である。これにより上述の最適なタイミングだと推定されるタイミングでリッチパージを開始することが可能と考えられる。しかしながらエンジンの運転状態が時々刻々と変化するなかで、計算のみでＮＯｘ吸蔵量を正確に把握することは極めて困難なため、ＮＯｘ浄化率か燃費のいずれかが理想的な数値よりも悪化してしまう。
【００１１】
本発明は、リッチパージの頻度を減らすことが出来るとともに、ＮＯｘ排出量と燃費を最小限に抑えることができる排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するため、内燃機関から排出される排ガスの排気通路に配置される吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を備える排気浄化装置であって、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の排ガス流れ方向の後方側に、前記内燃機関から排出される排出ＮＯｘ量を推定又は検出する排出ＮＯｘ量検出手段を備え、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、複数のセルから構成されるハニカム構造体で構成され、一部の集合セルの単位容積あたりのＮＯｘ飽和吸蔵量が、その他のセルより小さくなるようにして低性能部分を構成し、破綻後のＮＯｘ濃度がＮＯｘ量検出手段の検出下限以上になるように低性能部分の吸蔵能力を設定したことにある。
【発明の効果】
【００１３】
ベースのＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ破綻よりも先に、低性能部分からＮＯｘ破綻が起こり触媒後段に設置したＮＯｘ量検出手段、すなわちＮＯｘセンサで検出される。検出後速やかにリッチパージを開始することによって、リッチパージ初期の未浄化ＮＯｘのスパイク状排出を抑えながら、リッチパージの頻度も減らすことが出来る。こうして、ＮＯｘ排出量と燃費を最小限に抑えることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態による内燃機関の排気管等の排ガス通路に設置された排気浄化装置を示す概念図である。
【図２】ベースと、拡散阻害層の追加による低性能化を示す触媒セルの拡大断面図である。
【図３】本発明の排気浄化装置を通過した排ガス中のＮＯｘ濃度を示す特性図である。
【図４】本発明の他の実施の形態による排気浄化装置を示す概念図である。
【図５】本発明の他の実施の形態による排気浄化装置を示す概念図である。
【図６】本発明の他の実施の形態による排気浄化装置を示し、（Ａ）は全体を示す概念断面図、（Ｂ）は（Ａ）の一部を抜き出した概念断面図である。
【図７】一般的な排気浄化装置を通過した排ガス中のＮＯｘ濃度を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下本発明の実施の形態を、図１ないし図６に示す図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は内燃機関の排気管等の排ガス通路に設置された排気浄化装置１を示したものである。排気管等の排ガス通路２には、途中に拡径された拡大部３が設けられており、この拡大部３には、排気浄化装置１が設けられている。
排気浄化装置１は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以後、ＮＯｘ吸蔵触媒と呼ぶ）４を用いたもので、このＮＯｘ吸蔵触媒４の、排ガス流れに直行する面（端面）のうち一部の入口から出口にかけて、単位容積あたりの飽和吸蔵量が相対的に低い別のＮＯｘ吸蔵触媒（低性能ＮＯｘ吸蔵触媒）５に置き換えた構造とする。大部分はベースのＮＯｘ吸蔵触媒４とする。６は排気浄化装置１の後段の排ガス通路２に設けられたＮＯｘ量検出手段としてのＮＯｘセンサである。前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４は、複数のセルから構成されるハニカム構造体で構成され、一部の集合セルの単位容積あたりのＮＯｘ飽和吸蔵量が、その他のセルより小さくなるようにして低性能部分５を構成し、破綻後のＮＯｘ濃度がＮＯｘ量検出手段６の検出下限以上になるように低性能部分５の吸蔵能力を設定してある。
【００１６】
ベースのＮＯｘ吸蔵触媒４の一部に低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５を設ける方法としては、以下の方法が考えられる。
（ｉ）ベースのＮＯｘ吸蔵触媒４を軸方向に沿って一定の径で円筒状に、くり抜くなどして切除した箇所に、くり抜いたものと同形状の低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５を設置する（図１参照）。この低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５の径は必要に応じて設定すればよい。
（ｉｉ）また図２に示すように、４がＮＯｘ吸蔵触媒が設置されるベース部分で、ＮＯｘ吸蔵触媒が設置されている。５ｄが低性能部分で、新たに低性能ＮＯｘ吸蔵触媒５がコートされた部分である。
（ｉｉｉ）次にまた、低性能ＮＯｘ吸蔵触媒５は、ベースのＮＯｘ吸蔵触媒４よりもＮＯｘ吸蔵材や貴金属の担持量を低くすることで得られる。
（ｉｖ）またはベースのＮＯｘ吸蔵触媒４を800〜900℃程度の高温で処理することで低性能ＮＯｘ吸蔵触媒が得られる。
（ｖ）あるいはベースと同じＮＯｘ吸蔵触媒４を、後端側の一部を切り欠くこと４ａによって一部のみ、量を減らしてコートすることで、一部を低性能ＮＯｘ吸蔵触媒５へ置き換えることが出来る（図４参照）。この場合、後端側の２分の１を軸方向に一定長さだけ切り取ることで、切り取られた側の前部分を低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５とすることができる。
（ｖｉ）または図６（Ａ）に示すように、ベースのＮＯｘ吸蔵触媒ハニカム（ベースのＮＯｘ吸蔵触媒４が全体にコートされたハニカム触媒）の一部に低性能ＮＯｘ吸蔵触媒５を置き換えてもよく、図６（Ｂ）に示すように最上層コートとしてＮＯｘ吸蔵材を含まない拡散阻害層５Ａを追加でコートすることでも、一部を低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５に置き換えることが出来る。
【００１７】
次に図３を参照しながら、本発明の作用を説明する。
図３のＹの波形で示すように、Ｃ１のレベルで低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５がまず破綻し、その後Ｃ２のレベルでベースのＮＯｘ吸蔵触媒４が破綻するという、二段階の破綻が起こるようになる。つまりベースのＮＯｘ吸蔵触媒４が破綻する前に触媒下流側のＮＯｘセンサ６でＮＯｘを検出できる。したがって例えば図３中Ｅに示すように、リッチパージを開始すべき最適なタイミングであるt=tcで低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５が破綻するように調整すれば、電子制御ユニットECUはＮＯｘセンサ６によってリッチパージを開始すべき最適なタイミングを正確に把握出来るという効果が得られる。
【００１８】
なお低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５が触媒全体の端面面積に占める割合Ｒと、低性能ＮＯｘ吸蔵触媒５の単位容積あたりの飽和吸蔵量Qによって、1回目の破綻後のＮＯｘ濃度C1と、1回目の破綻までの時間t1を決めることが出来る。
【００１９】
低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５が触媒全体の端面面積に占める割合Ｒについて具体的に記述する。C1はＲと入りガスのＮＯｘ濃度の積に比例する。C1はＮＯｘセンサ６の検出下限Ｌ２をわずかに上回る程度に設定されるべきであり、ＮＯｘセンサ６の検出性能によって決定されるべきであるが、一般的には50〜60ppm程度が適当である。入りガスのＮＯｘ濃度Ｌ１はガソリンエンジンかディーゼルエンジンかによっても大きく異なり、またエンジンの運転状態によっても異なるため、対象とするエンジンまたは運転状態によるが、一般的にガソリンエンジンの場合1000ppm程度、ディーセルエンジンの場合500ppm程度を想定することが適当である。したがって一般的にＲは、ガソリンエンジンの場合5〜6%程度、ディーゼルエンジンの場合10〜12%程度が適当となる。ただし前述したとおり、ＮＯｘセンサ６の検出性能や対象とするエンジンの排ガス性状等に応じてＲは決定されなければならないので、この範囲に限られない。
【００２０】
次に低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５の単位容積あたりの飽和吸蔵量Qついて具体的に記述する。t1はQに、2回目の破綻までの時間ｔ2はベースのＮＯｘ吸蔵触媒４の単位容積あたりの飽和吸蔵量に、それぞれ比例する。リッチパージ初期の未浄化ＮＯｘスパイク状排出量を抑えつつ、リッチパージ頻度を減らし燃費悪化を最小限とするには、t1はt2の8〜9割程度とすることが適当である。なおQを小さくするほどＮＯｘ排出量を減らすことができ、Qを大きくするほど燃費悪化を減らすことができる。したがってQは、ベースのＮＯｘ吸蔵触媒４の性能や排ガス規制値等に応じて決定されなければならない。
【００２１】
次に本発明の変形例を説明する。
一部を低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５とする方法としては、図４のようにＮＯｘ吸蔵触媒４の一部４ａを切り欠いて担体のサイズを部分的に小さくする方法や、図５に示すようにＮＯｘ吸蔵触媒４の入口部分または出口部分にくり抜き加工する方法などが挙げられる。５ｂは入口部分に筒状のくり抜き部を形成したもの、５ｃは出口部分に筒状のくり抜き部を形成したものである。なおこの場合に、出口部分のくり抜き部５ｃに出来る触媒の無い空間にＮＯｘセンサ６を設置すれば、ＮＯｘ排出量低減の観点からは、より望ましい。ＮＯｘ吸蔵触媒の破綻をより早いタイミングで検出出来るからである。
または図６のようにＮＯｘ吸蔵触媒４を部分的５ｄに他の部分に対してセル密度を低下させることで、その箇所での触媒層と排ガスの接触効率が低下するので、一部を低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５とすることが出来る。
【００２２】
以上のように上記の実施の形態によれば、各種の特徴を備えることにより、以下のような効果を奏することができる。
ＮＯｘ吸蔵触媒４の入口から出口端面にかけて存在するハニカム構造体の一部分において、単位容積あたりのＮＯｘ飽和吸蔵量をベースのＮＯｘ吸蔵触媒４よりも小さくした部分（低性能部分）５を有することによって、ベースのＮＯｘ吸蔵触媒４のＮＯｘ破綻よりも先に、低性能部分５からＮＯｘ破綻が起こり触媒後段に設置したＮＯｘセンサ６で検出される。検出後速やかにリッチパージを開始することによって、リッチパージ初期の未浄化ＮＯｘのスパイク状排出を抑えながら、リッチパージの頻度も減らすことが出来る。ＮＯｘ排出量と燃費を最小限に抑えることが出来る。
また、上記低性能部分５は、ベース部分よりもＮＯｘ吸蔵材もしくは貴金属の担持量を少なくしたＮＯｘ吸蔵触媒がコートされていることによっても得られる。
さらに、上記低性能部分５は、ベース部分よりも高温（850℃以上）で処理されたＮＯｘ吸蔵触媒がコートされていることによっても得られる。
またさらに、前記低性能部分５は、ベース部分よりもＮＯｘ吸蔵触媒のコート量が少ないことによっても得られる。
また、前記低性能部分５は、ベース部分と同様の触媒層の上層にＮＯｘ吸蔵材を含まない拡散阻害層が追加で設けられていることでも得られる。
さらに、前記低性能部分５は、ハニカム構造体の長さがベース部分よりも短いことでも得られる。なお図４に示したようにハニカム構造体の無い部分が存在することになるが、この場合に限って「単位容積あたりの飽和吸蔵量」の算出の際に用いる容積は、ハニカム構造体の無い部分の容積も含む。（例えば、ハニカム構造体全長の30%までをくり抜いて低性能部を作ったとする。くり抜いただけなので、実際には単位容積あたりの飽和吸蔵量は変わらないが、この場合に限って、くり抜いて出来た何も無い空間も低性能部の容積に加算する。したがって低性能部の「単位容積あたりの飽和吸蔵量」はベースの70%になる。）
またさらに、前記低性能部分５は、ハニカム構造体のセル密度がベース部分よりも小さいことでも得られる。
前記実施の形態に更に、燃料投入部を備え、前記ＮＯｘ量検出手段６がＮＯｘ量を検出した後、速やかに燃料投入を行うように前記燃料投入部を設定することで、より運転効率の向上を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、例えば、単位容積あたりのＮＯｘ飽和吸蔵量をベースのＮＯｘ吸蔵触媒４よりも小さくした部分（低性能部分）は、前記実施の形態に記載した以外の方法あるいは構造によっても作成することができるのは言うまでもない。また、前記実施の形態を組み合わせることによって、ＮＯｘ吸蔵効率の向上、コストの削減、あるいは全体の容量の削減を図ることができる。
【符号の説明】
【００２４】
１  排気浄化装置
２  排ガス通路
３  拡大部
４  ＮＯｘ吸蔵触媒
５  低性能ＮＯｘ吸蔵触媒（低性能部分）
６  ＮＯｘ量検出手段（ＮＯｘセンサ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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