(57)【要約】【課題】より高いＮＯｘ浄化性能を達成することができるＮＯｘ吸蔵還元触媒とＮＯｘ選択還元触媒を組み合わせた内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関の排気通路内に配置され、Ｋ、Ｃｓ及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＮＯｘ吸蔵材を含有するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流側排気通路内に配置されたＮＯｘ選択還元触媒とを備え、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒と前記ＮＯｘ選択還元触媒の間に又は前記ＮＯｘ選択還元触媒の少なくとも排気ガス上流側前段部の表面上に前記ＮＯｘ吸蔵材を捕捉するためのトラップ材が配置されたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。【選択図】図６
2015187398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路内に配置され、Ｋ、Ｃｓ及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＮＯｘ吸蔵材を含有するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流側排気通路内に配置されたＮＯｘ選択還元触媒と
を備え、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒と前記ＮＯｘ選択還元触媒の間に又は前記ＮＯｘ選択還元触媒の少なくとも排気ガス上流側前段部の表面上に前記ＮＯｘ吸蔵材を捕捉するためのトラップ材が配置されたことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記ＮＯｘ吸蔵材がＫであ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ＮＯｘ選択還元触媒が、Ｃｕ及びＦｅの少なくとも１種をゼオライトに担持してなる触媒を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記ＮＯｘ選択還元触媒がＣｕ／ＳＡＰＯを含むことを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒と前記ＮＯｘ選択還元触媒の間に前記トラップ材が配置され、前記トラップ材の排気ガスの流れ方向における全長をＸとし、前記ＮＯｘ選択還元触媒の排気ガスの流れ方向における全長をＹとしたときに、０＜Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）≦０．４５の関係を満たすことを特徴とする、請求項３又は４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
０．０９≦Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）≦０．２７の関係を満たすことを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記トラップ材が、ＳｉＯ2、ＳｉＯ2−ＴｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、又はそれらの組み合わせを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記トラップ材が、ＳｉＯ2、ＳｉＯ2−ＴｉＯ2、又はそれらの組み合わせを含むことを特徴とする、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流側排気通路内に配置された三元触媒をさらに備えたことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項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関し、より詳しくは全体としてリーン空燃比で運転される内燃機関から排出されるＮＯｘを浄化するための排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用等の内燃機関からの排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分を浄化する排気浄化装置としては、三元触媒を用いたものが従来から知られている。三元触媒は、排気空燃比が理論空燃比の時にＨＣ、ＣＯ成分の酸化とＮＯｘ成分の還元とを同時に行い、これら３成分を同時に浄化することができる。しかしながら、三元触媒のＮＯｘ浄化能力は排気空燃比が理論空燃比以上（すなわちリーン空燃比）になると急激に低下する。このため、全体として理論空燃比よりも高い空燃比で運転されるリーンバーンエンジン等の内燃機関からの排気中に含まれるＮＯｘを三元触媒によって浄化することは従来困難であった。
【０００３】
特許文献１では、排気通路の上流側から順に、ＮＨ3生成手段として機能する三元触媒、排気浄化手段として機能するＮＯｘ吸蔵還元触媒、及びＮＨ3吸着脱硝触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置が記載されている。そして、特許文献１では、このようにＮＨ3吸着脱硝触媒をＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流側に設けた排気浄化装置によれば、通常運転時のリーン空燃比下では排気中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸収させ、吸収されたＮＯｘ量が増大すると、リッチスパイクによりＮＯｘを放出させて還元浄化し、一方で、リッチスパイク時に三元触媒で生成しそしてＮＯｘ吸蔵還元触媒におけるＮＯｘの還元で消費されなかった余剰のＮＨ3を下流側のＮＨ3吸着脱硝触媒において吸蔵し、通常運転時に当該吸蔵したＮＨ3を用いてＮＯｘ吸蔵還元触媒を通過して来るＮＯｘを浄化することができると記載されている。また、特許文献１では、三元触媒に代えてＮＯｘ吸蔵還元触媒をＮＨ3生成手段として使用することができることも記載されている。
【０００４】
特許文献２では、排気通路の上流側から順に、三元触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒、及びＮＯｘ選択還元触媒が配置された内燃機関の排気浄化装置が記載されている。そして、特許文献２では、ＮＯｘ選択還元触媒は、三元触媒及びＮＯｘ吸蔵還元触媒がリッチ雰囲気下で生成するＮＨ3を吸蔵し、リーン雰囲気下ではＮＨ3を還元材として、排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元する機能を有しているため、当該ＮＯｘ選択還元触媒によれば、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の後段に吹き抜けてきたＮＨ3及びＮＯｘが大気に放出されてしまうのを有効に阻止することができると記載されている。
【０００５】
特許文献３及び４では、シリコアルミノフォスフェート（ＳＡＰＯ）等のゼオライトに銅（Ｃｕ）や鉄（Ｆｅ）等の遷移金属を担持してなるＮＯｘ選択還元触媒が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−０３０１１７号公報
【特許文献２】特開２００８−３０３７５９号公報
【特許文献３】特許第４８８９８０７号公報
【特許文献４】特表２０１０−５２４６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
全体としてリーン空燃比で運転される内燃機関からの排気を浄化する排気浄化装置においては、燃費向上の観点から、より高速域までリーンバーン運転を行うことが一般に望ましい。一方で、特許文献１及び２に記載されるようなＮＯｘ吸蔵還元（ＮＳＲ）触媒とＮＯｘ選択還元（ＳＣＲ）触媒を組み合わせた内燃機関の排気浄化装置では、これらの触媒はＮＯｘ浄化に適した比較的低温領域の温度ウィンドウを有している。このため、このような排気浄化装置では、排気ガスの温度が約４００℃超、特には約４５０℃以上の温度となる高速域においては必ずしも十分なＮＯｘ浄化性能を達成することができない場合がある。
【０００８】
これに関連して、リーンバーン運転をより高速域まで拡大するという要求に対応するために、比較的高い温度領域においてもＮＯｘを吸蔵・放出することができるカリウム（Ｋ）等をＮＯｘ吸蔵材としてＮＳＲ触媒に添加することが可能である。しかしながら、Ｋ等のＮＯｘ吸蔵材は、高温下ではＮＳＲ触媒から飛散して下流側のＳＣＲ触媒に付着してしまう場合がある。この場合には、ＮＳＲ触媒から飛散したＮＯｘ吸蔵材によって下流側のＳＣＲ触媒が被毒され、その結果として当該ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能が大きく低下してしまうという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒とＮＯｘ選択還元触媒を組み合わせた内燃機関の排気浄化装置であって、比較的高い温度領域においても、従来の排気浄化装置と比較してより高いＮＯｘ浄化性能を達成することができる内燃機関の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】
【００１０】
上記課題を解決する本発明は下記のとおりである。
（１）内燃機関の排気通路内に配置され、Ｋ、Ｃｓ及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＮＯｘ吸蔵材を含有するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流側排気通路内に配置されたＮＯｘ選択還元触媒と
を備え、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒と前記ＮＯｘ選択還元触媒の間に又は前記ＮＯｘ選択還元触媒の少なくとも排気ガス上流側前段部の表面上に前記ＮＯｘ吸蔵材を捕捉するためのトラップ材が配置されたことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
（２）前記ＮＯｘ吸蔵材がＫであ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。
（３）前記ＮＯｘ選択還元触媒が、Ｃｕ及びＦｅの少なくとも１種をゼオライトに担持してなる触媒を含むことを特徴とする、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（４）前記ＮＯｘ選択還元触媒がＣｕ／ＳＡＰＯを含むことを特徴とする、上記（３）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（５）前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒と前記ＮＯｘ選択還元触媒の間に前記トラップ材が配置され、前記トラップ材の排気ガスの流れ方向における全長をＸとし、前記ＮＯｘ選択還元触媒の排気ガスの流れ方向における全長をＹとしたときに、０＜Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）≦０．４５の関係を満たすことを特徴とする、上記（３）又は（４）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（６）０．０９≦Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）≦０．２７の関係を満たすことを特徴とする、上記（５）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（７）前記トラップ材が、ＳｉＯ2、ＳｉＯ2−ＴｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、又はそれらの組み合わせを含むことを特徴とする、上記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（８）前記トラップ材が、ＳｉＯ2、ＳｉＯ2−ＴｉＯ2、又はそれらの組み合わせを含むことを特徴とする、上記（７）に記載の内燃機関の排気浄化装置。
（９）前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の上流側排気通路内に配置された三元触媒をさらに備えたことを特徴とする、上記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ吸蔵材としてＫ及び／又はＣｓを含有するＮＯｘ吸蔵還元触媒とＮＯｘ選択還元触媒の間に又は当該ＮＯｘ選択還元触媒の少なくとも排気ガス上流側前段部の表面上に当該ＮＯｘ吸蔵材を捕捉するためのトラップ材を配置することで、高温下、例えば約４００℃超、特には約４５０℃以上又は約７００℃以上の高温下においてＮＯｘ吸蔵還元触媒から飛散したＮＯｘ吸蔵材の付着によるＮＯｘ選択還元触媒の被毒、特にはＮＯｘ選択還元触媒のＮＨ3吸着サイトの被毒を顕著に抑制することができる。その結果として、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、比較的高い温度領域においても、従来の内燃機関の排気浄化装置と比較してより高いＮＯｘ浄化性能を達成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＮＯｘ吸蔵材としてＫを含有するＮＳＲ触媒の触媒温度の関数としてのＮＯｘ浄化率を示すグラフである。
【図２】ＮＯｘ吸蔵材としてＫを含有するＮＳＲ触媒の耐久温度とＫ飛散量の関係を示すグラフである。
【図３】ＳＣＲ触媒のＫ付着量とＮＯｘ浄化率の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の内燃機関の排気浄化装置におけるＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化反応のメカニズムを示す概念図である。
【図５】ＳＣＲ触媒のＫ付着量とＮＨ3吸着量の関係を示すグラフである。
【図６】本発明による内燃機関の排気浄化装置の実施態様を示す模式図である。
【図７】実施例１の内燃機関の排気浄化装置を示す模式図である。
【図８】実施例２の内燃機関の排気浄化装置を示す模式図である。
【図９】比較例１の内燃機関の排気浄化装置を示す模式図である。
【図１０】比較例２の内燃機関の排気浄化装置を示す模式図である。
【図１１】ＮＳＲ触媒の床温度４５０℃における実施例１及び２並びに比較例１及び２の内燃機関の排気浄化装置に関するＮＯｘ浄化率を示すグラフである。
【図１２】実施例１及び２並びに比較例１及び２の排気浄化装置に関するＳＣＲ触媒のＫ付着量を示すグラフである。
【図１３】実施例３〜７並びに比較例１及び３の内燃機関の排気浄化装置の構成を示す模式図である。
【図１４】ＮＳＲ触媒の床温度４５０℃における実施例３〜７並びに比較例１及び３の内燃機関の排気浄化装置に関するＮＯｘ浄化率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜内燃機関の排気浄化装置＞
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路内に配置され、Ｋ、Ｃｓ及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＮＯｘ吸蔵材を含有するＮＯｘ吸蔵還元触媒と、
前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流側排気通路内に配置されたＮＯｘ選択還元触媒と
を備え、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒と前記ＮＯｘ選択還元触媒の間に又は前記ＮＯｘ選択還元触媒の少なくとも排気ガス上流側前段部の表面上に前記ＮＯｘ吸蔵材を捕捉するためのトラップ材が配置されたことを特徴としている。
【００１４】
一般的に、ＮＯｘ吸蔵還元（ＮＳＲ：ＮＯｘ  ｓｔｏｒａｇｅ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒とＮＯｘ選択還元（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒を組み合わせた従来の内燃機関の排気浄化装置では、通常運転時のリーン空燃比下において排気中のＮＯｘをＮＳＲ触媒に吸収させ、吸収されたＮＯｘ量が増大すると、リッチスパイクによりＮＯｘを放出させて還元浄化する。一方で、当該リッチスパイクの際にＮＳＲ触媒で生成したＮＨ3を下流側のＳＣＲ触媒において吸蔵し、次いで通常運転時のリーン空燃比下において上流側のＮＳＲ触媒を通過して来るＮＯｘを、下流側のＳＣＲ触媒において先に吸蔵したＮＨ3を用いて浄化する。
【００１５】
先に述べたとおり、このように全体（平均）としてリーン空燃比で運転される内燃機関からの排気を浄化する排気浄化装置においては、燃費向上の観点から、より高速域までリーンバーン運転を行うことが一般に望ましい。しかしながら、上記のＮＳＲ触媒とＳＣＲ触媒を組み合わせた従来の内燃機関の排気浄化装置では、排気ガスの温度が約４００℃超、特には約４５０℃以上の温度となる高速域においては必ずしも十分なＮＯｘ浄化性能を達成することができない場合があった。
【００１６】
一方で、比較的高い温度領域においてもＮＯｘを吸放出することができるカリウム（Ｋ）等をＮＯｘ吸蔵材としてＮＳＲ触媒に添加することで、リーンバーン運転をより高速域まで拡大することが一般に可能である。
【００１７】
図１は、ＮＯｘ吸蔵材としてＫを含有するＮＳＲ触媒の触媒温度の関数としてのＮＯｘ浄化率を示すグラフである。なお、当該ＮＳＲ触媒としては、１．３リットルのコージェライト製のハニカム基材上にＰｔ及びＲｈを含む下層とＰｔ及びＰｄを含む上層をコートし、さらにＮＯｘ吸蔵材としてＫ（０．１５ｍｏｌ／基材−Ｌ）、Ｂａ（０．２ｍｏｌ／基材−Ｌ）及びＬｉ（０．１ｍｏｌ／基材−Ｌ）を含浸担持したものを使用している。また、図１には、比較として、Ｋを含有しないＮＳＲ触媒に関するＮＯｘ浄化率についても併せて示している。
【００１８】
図１の結果から明らかなように、ＮＯｘ吸蔵材としてＫを含有するＮＳＲ触媒では、Ｋを含有しないＮＳＲ触媒と比較して、触媒温度が約４００℃の条件下においても極めて高いＮＯｘ浄化率を達成することが可能である。また、触媒温度を約４５０℃まで上げた場合においても、Ｋを含有しないＮＳＲ触媒が６０％を下回るＮＯｘ浄化率であったのに対し、Ｋを含有するＮＳＲ触媒では、ＮＯｘ浄化率の低下は観察されたものの、約７０％の比較的高いＮＯｘ浄化率を維持できていることがわかる。
【００１９】
しかしながら、Ｋ等のＮＯｘ吸蔵材は、高温下ではＮＳＲ触媒から飛散しやすいという問題がある。そして、このような現象は、リーンバーン運転の領域を外れたさらなる高速・高負荷域の高温下、例えば、約７００℃以上、とりわけ７５０℃以上の高温下において特に顕著となる。
【００２０】
図２は、ＮＯｘ吸蔵材としてＫを含有するＮＳＲ触媒の耐久温度とＫ飛散量の関係を示すグラフである。なお、当該ＮＳＲ触媒としては、図１で使用したものと同じＮＳＲ触媒を使用している。図２を参照すると、耐久温度の上昇とともにＫの飛散量が増大し、特に約７００℃以上、とりわけ約７５０℃以上の温度で急激に増大していることがわかる。一方で、図３にＳＣＲ触媒のＫ付着量とＮＯｘ浄化率の関係を示す。なお、当該ＳＣＲ触媒としては、リン酸塩系ゼオライトであるＳＡＰＯに銅（Ｃｕ）をイオン交換によって担持したＣｕ／ＳＡＰＯを使用し、そしてＮＯｘ浄化率を４５０℃の温度で評価している。図３を参照すると、ＳＣＲ触媒に対するＫの付着量が大きくなるとともにＮＯｘ浄化率が低下する傾向が見られた。これらの結果から、ＳＣＲ触媒をＮＳＲ触媒の下流側に設けた従来の排気浄化装置では、高温下においてＮＳＲ触媒から飛散したＫ等のＮＯｘ吸蔵材によって下流側のＳＣＲ触媒が被毒され、その結果として当該ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能が大きく低下してしまうことがわかる。
【００２１】
今回、本発明者らは、ＮＯｘ吸蔵材としてＫを含有するＮＳＲ触媒とＳＣＲ触媒の間に又は当該ＳＣＲ触媒の少なくとも排気ガス上流側前段部の表面上に当該ＮＯｘ吸蔵材を捕捉するためのトラップ材を配置することで、当該ＮＯｘ吸蔵材の付着によるＳＣＲ触媒の被毒を顕著に抑制することができ、その結果として、比較的高い温度領域においても、従来の排気浄化装置と比較してより高いＮＯｘ浄化性能を達成することができることを見出した。
【００２２】
何ら特定の理論に束縛されることを意図するものではないが、本発明の内燃機関の排気浄化装置では、例えば、以下に説明するような反応メカニズムによってＳＣＲ触媒によるＮＯｘの浄化が進行すると考えられる。
【００２３】
図４は、本発明の内燃機関の排気浄化装置におけるＳＣＲ触媒によるＮＯｘ浄化反応のメカニズムを示す概念図である。なお、理解を容易にするため、図４では、ＳＣＲ触媒としてＣｕ／ＳＡＰＯを用いた場合について説明する。
【００２４】
まず、ＳＣＲ触媒であるＣｕ／ＳＡＰＯは、ＳＡＰＯに起因するアンモニア（ＮＨ3）吸着サイトすなわち酸点と、Ｃｕに起因するＮＯｘ吸着サイトとを有すると考えられる。したがって、このようなＳＣＲ触媒を本発明の内燃機関の排気浄化装置において適用した場合には、図４に示すように、リッチ空燃比の際に上流側のＮＳＲ触媒で生成したＮＨ3が下流側のＣｕ／ＳＡＰＯの上記酸点に吸着すると考えられる。次に、リーン空燃比下で上流側のＮＳＲ触媒において浄化されずに当該ＮＳＲ触媒中をすり抜けてきたＮＯがＣｕ／ＳＡＰＯにおけるＣｕ上のＮＯｘ吸着サイトに吸着すると考えられる。そして、最後に、このＮＯがＳＡＰＯ上の酸点に吸着しているＮＨ3と反応してＮ2に浄化されると考えられる。
【００２５】
しかしながら、高温下、例えば約４００℃超、特には約４５０℃以上又は約７００℃以上の高温下では、上流側のＮＳＲ触媒から飛散したＫ等のＮＯｘ吸蔵材が下流側のＳＣＲ触媒に付着してＳＣＲ触媒の吸着サイトを被毒すると考えられる。何ら特定の理論に束縛されることを意図するものではないが、Ｋは、その塩基性質の強さゆえに、特にＳＣＲ触媒上のＮＨ3吸着サイト（すなわち酸点）に対し、ＮＨ3に優先して付着して当該吸着サイトを被毒すると考えられ、その結果としてＳＣＲ触媒のＮＨ3吸着能が低下するものと考えられる。
【００２６】
理解を容易にするため、図５にＳＣＲ触媒のＫ付着量とＮＨ3吸着量の関係を示す。なお、当該ＳＣＲ触媒としては、図３の場合と同様にＣｕ／ＳＡＰＯを使用している。本実験では、実際のエンジンの排気系にＫを含有するＮＳＲ触媒とＳＣＲ触媒を装着し、次いでエンジンを種々の条件で運転してＳＣＲ触媒にＫを付着させた。そうして得られた各ＳＣＲ触媒を１０ｃｃのテストピースサイズにくり抜き、当該テストピースにＮＨ3含有ガスを流通させてＮＨ3吸着量を算出している。
【００２７】
図５を参照すると、ＳＣＲ触媒へのＫの付着量が増加するとともに、ＮＨ3の吸着量が減少していることがわかる。図５の結果と先に示した図３の結果から、ＮＳＲ触媒とＳＣＲ触媒を組み合わせた従来の内燃機関の排気浄化装置では、高温下においてＮＳＲ触媒から飛散したＫ等のＮＯｘ吸蔵材によって下流側のＳＣＲ触媒が被毒され、特にはＳＣＲ触媒のＮＨ3吸着サイトが被毒され、その結果として当該ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能が大きく低下してしまうことがわかる。これに対し、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＳＲ触媒から飛散したＫ等のＮＯｘ吸蔵材を、当該ＮＳＲ触媒の下流に配置されたトラップ材によって確実に捕捉することができるので、当該ＮＯｘ吸蔵材の付着によるＳＣＲ触媒の被毒を顕著に抑制することが可能である。その結果として、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、比較的高い温度領域においても、従来の内燃機関の排気浄化装置と比較してより高いＮＯｘ浄化性能を達成することが可能である。
【００２８】
［ＮＯｘ吸蔵材］
本発明によれば、ＮＯｘ吸蔵材は、カリウム（Ｋ）、セシウム（Ｃｓ）及びそれらの組み合わせからなる群より選択される。
【００２９】
Ｋ及びＣｓは、比較的高い温度領域においてもＮＯｘを吸蔵及び／又は放出することができる材料である。したがって、これらの材料をＮＯｘ吸蔵材としてＮＳＲ触媒において使用することで、高温下においても高いＮＯｘ浄化性能を達成することが可能である。一方で、Ｃｓは高温下ではＫと比較してより飛散しやすい材料であることから、高温下においてより高いＮＯｘ浄化性能を達成するためには、ＮＯｘ吸蔵材としてはＫを使用することが特に好ましい。
【００３０】
［ＮＯｘ吸蔵還元（ＮＳＲ）触媒］
本発明におけるＮＯｘ吸蔵還元（ＮＳＲ）触媒としては、例えば、コージェライト等の基材、特にはハニカム基材上に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等の触媒担体と、当該触媒担体上に担持された白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒金属とを含む１つ又は複数の触媒層を形成し、さらに当該１つ又は複数の触媒層に、Ｋ、Ｃｓ及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＮＯｘ吸蔵材を担持したものを使用することができる。
【００３１】
なお、本発明におけるＮＳＲ触媒では、上記のＮＯｘ吸蔵材以外にも、当業者に公知の任意のＮＯｘ吸蔵材を使用することが可能である。このようなＮＯｘ吸蔵材としては、特に限定されないが、カリウム（Ｋ）及びセシウム（Ｃｓ）以外のアルカリ金属、例えば、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、ルビジウム（Ｒｂ）；アルカリ土類金属、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）；希土類元素、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）；及びそれらの組み合わせを挙げることができる。
【００３２】
［ＮＯｘ選択還元（ＳＣＲ）触媒］
本発明におけるＮＯｘ選択還元（ＳＣＲ）触媒としては、例えば、コージェライト等の基材、特にはハニカム基材上に、ゼオライト、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、シリカ（ＳｉＯ2）、シリカ−アルミナ（ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3）、チタニア（ＴｉＯ2）等の触媒担体と当該触媒担体上に担持された銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、及びイリジウム（Ｉｒ）等の触媒金属とを含む１つ又は複数の触媒層を形成したものを使用することができる。
【００３３】
好ましくは、本発明におけるＳＣＲ触媒は、ゼオライト、特にはチャバサイト構造を有するリン酸塩系ゼオライトであるＳＡＰＯにＣｕ及びＦｅの少なくとも１種を担持してなる触媒を含むことができる。より好ましくは、本発明におけるＳＣＲ触媒は、Ｃｕ／ＳＡＰＯを含むことができる。
【００３４】
本発明の内燃機関の排気浄化装置では、上記のとおり、リッチ空燃比の際に上流側のＮＳＲ触媒で生成したＮＨ3を下流側のＳＣＲ触媒に吸着させ、その後のリーン空燃比下で当該ＮＨ3を排気ガス中のＮＯｘと反応させて浄化する。それゆえ、一般的には、ＳＣＲ触媒としては、高いＮＨ3吸着能を有する材料を使用することが好ましい。ここで、チャバサイト構造を有するリン酸塩系ゼオライトであるＳＡＰＯは、ゼオライトの中でも、高いアンモニア（ＮＨ3）吸着能を有し、さらには比較的高い耐熱性を有する材料であることが知られている。したがって、このような材料からなる触媒担体にＮＯｘ吸着サイトとして機能し得るＣｕ及び／又はＦｅを触媒金属として担持した材料を本発明におけるＳＣＲ触媒として使用することで、高温下においても高いＮＯｘ浄化性能を達成することが可能である。
【００３５】
［トラップ材］
本発明の１つの実施態様によれば、図６（ａ）に示すように、上記のＮＳＲ触媒１２とＳＣＲ触媒１４の間にＮＯｘ吸蔵材を捕捉するためのトラップ材１３が配置される。
【００３６】
図６（ａ）に示すようにトラップ材１３を配置することで、高温下でＮＳＲ触媒１２から飛散したＮＯｘ吸蔵材、具体的にはＫ及び／又はＣｓを当該トラップ材１３によって確実に捕捉することができる。したがって、ＮＳＲ触媒１２から飛散したＫ及び／又はＣｓによるＳＣＲ触媒１４の被毒、特にはＳＣＲ触媒１４中のＮＨ3吸着サイトの被毒を顕著に抑制することが可能である。その結果として、本発明の内燃機関の排気浄化装置１０によれば、比較的高い温度領域においても、従来の内燃機関の排気浄化装置と比較してより高いＮＯｘ浄化性能を達成することが可能である。
【００３７】
本発明におけるトラップ材は、Ｋ及び／又はＣｓを捕捉する性質を有し、かつＮＨ3を捕捉又は吸着しにくい性質、特には少なくともＳＣＲ触媒又はゼオライトよりも弱いＮＨ3吸着能を有する任意の材料を含むことができる。特に限定されないが、例えば、本発明におけるトラップ材は、シリカ（ＳｉＯ2）、シリカ−チタニア（ＳｉＯ2−ＴｉＯ2）、チタニア（ＴｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、又はそれらの組み合わせを含むことができ、好ましくはシリカ（ＳｉＯ2）、シリカ−チタニア（ＳｉＯ2−ＴｉＯ2）、又はそれらの組み合わせを含むことができる。
【００３８】
Ｋ及び／又はＣｓを捕捉するという観点で言うと、トラップ材としては酸性質の材料を使用することが一般に好ましいが、このような材料はまたＮＨ3に対する吸着能も比較的高い場合がある。例えば、トラップ材として比較的多くの酸点を有するゼオライト等の材料を使用すると、このような材料はＫ及び／又はＣｓを捕捉するだけでなく、排気ガス中のＮＨ3も多く吸着してしまう虞がある。このような場合には、下流側のＳＣＲ触媒にＮＨ3を流入させることができなくなるため、当該ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化性能を低下させてしまう虞がある。
【００３９】
例えば、ＳｉＯ2等の材料は、Ｋ等のアルカリ金属と反応してケイ酸塩を形成することが一般的に知られている。したがって、ＳｉＯ2又はそれを含む材料、例えばＳｉＯ2又はＳｉＯ2−ＴｉＯ2等の材料を本発明におけるトラップ材として使用することで、ＮＳＲ触媒から飛散したＫ等のＮＯｘ吸蔵材を確実に捕捉することが可能である。また、これらの材料は、ゼオライト等と比較した場合に十分弱いＮＨ3吸着能を一般に有する。したがって、これらの材料を使用することで、ゼオライト等と比較した場合に、ＮＨ3に対して選択的にＫ等のＮＯｘ吸蔵材を捕捉することが可能である。
【００４０】
本発明におけるトラップ材をＮＳＲ触媒とＳＣＲ触媒の間に配置する場合には、当該トラップ材としては、例えば、コージェライト等の基材、特にはハニカム基材上に、上記の材料を含むコート層を形成したものを使用することができる。なお、本発明におけるＮＳＲ触媒、トラップ材及びＳＣＲ触媒は、図６（ａ）に示すように、それぞれ別々のハニカム基材を用いて形成し、それらを排ガスの上流部、中流部及び下流部に配置してもよい。あるいはまた、１つのハニカム基材を用いてその上流部、中流部及び下流部にＮＳＲ触媒、トラップ材及びＳＣＲ触媒を一体的に配置してもよいし、又はＮＳＲ触媒とトラップ材のみ若しくはトラップ材とＳＣＲ触媒のみを１つのハニカム基材上に一体的に形成してもよい。
【００４１】
本発明の別の実施態様によれば、図６（ｂ）に示すように、トラップ材１３は、ＳＣＲ触媒１４の少なくとも排気ガス上流側前段部の表面上に配置することができる。より詳しくは、トラップ材１３は、ＳＣＲ触媒１４の基材１５上にコートされた触媒層１６の少なくとも排気ガス上流側前段部の表面上、特には当該排気ガス上流側前段部の表面上のみに配置することができる。このような構成においても、上流側のＮＳＲ触媒１２から飛散したＮＯｘ吸蔵材をＳＣＲ触媒１４の排気ガス上流側の前段部分で確実に捕捉することができるので、当該ＮＯｘ吸蔵材の付着によるＳＣＲ触媒１４の被毒を抑制することが可能である。
【００４２】
［トラップ材とＳＣＲ触媒の構成比率］
本発明によれば、ＮＳＲ触媒とＳＣＲ触媒、特にはＣｕ及びＦｅの少なくとも１種をゼオライトに担持してなる触媒を含むＳＣＲ触媒の間にトラップ材が配置される場合には、当該トラップ材の排気ガスの流れ方向における全長をＸとし、ＳＣＲ触媒の排気ガスの流れ方向における全長をＹとしたときに、以下の関係を満たすことが好ましい。
０＜Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）≦０．４５
【００４３】
一般的には、ＮＯｘ吸蔵材の付着によるＳＣＲ触媒の被毒を抑制して当該ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能を高い状態に維持するためには、上流側のトラップ材のサイズを可能な限り大きくして当該トラップ材に関するＮＯｘ吸蔵材の捕捉能力を高めることが好ましい。しかしながら、車両の限られたスペースの中では、トラップ材のサイズを無制限に大きくすることは不可能である。このため、トラップ材とＳＣＲ触媒の合計のサイズを一定にしつつ、ＮＯｘ浄化率がより高いトラップ材とＳＣＲ触媒の構成比率を選択することが好ましい。
【００４４】
このような比率は、とりわけＳＣＲ触媒自体のＮＯｘ浄化性能に依存して変化し得る。すなわち、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能が高いときには、当該ＳＣＲ触媒のサイズが比較的小さい場合でもＮＯｘを十分に浄化することができるので、上流側のトラップ材の比率を比較的大きくすることが可能である。一方で、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化性能が低い場合には、所定のＮＯｘ浄化性能を確保するために当該ＳＣＲ触媒のサイズを大きくする必要がある。それゆえ、このような場合には上流側のトラップ材の比率を十分に大きくすることはできない。
【００４５】
本発明によれば、Ｃｕ及びＦｅの少なくとも１種をゼオライトに担持してなる触媒、特にはＣｕ／ＳＡＰＯを含むＳＣＲ触媒が使用される場合には、当該ＳＣＲ触媒は高いＮＯｘ浄化性能を有するため、上流側のトラップ材の比率を比較的大きくしたとしても、排気浄化装置全体として高いＮＯｘ浄化性能を達成することが可能である。より具体的には、このような場合には、トラップ材の全長ＸとＳＣＲ触媒の全長Ｙを０＜Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）≦０．４５の関係を満たすよう選択することで、比較的高い温度領域においても、ＮＯｘ吸蔵材の付着によるＳＣＲ触媒の被毒を抑制して、従来の内燃機関の排気浄化装置と比較してより高いＮＯｘ浄化性能を達成することが可能である。
【００４６】
Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）＝０、すなわちトラップ材を使用しない場合には、当然ながら、トラップ材によるＳＣＲ触媒の被毒抑制効果を得ることはできない。一方で、Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）＞０．４５、すなわちトラップ材が当該トラップ材及びＳＣＲ触媒の全体に対して４５％超のサイズを有する場合には、より大きなトラップ材によって高いＮＯｘ吸蔵材の捕捉能力が得られるものの、下流側のＳＣＲ触媒のサイズが小さいために、十分なＮＯｘ浄化性能を達成することができない場合がある。本発明によれば、より好ましくは、トラップ材の全長ＸとＳＣＲ触媒の全長Ｙを以下の関係を満たすよう選択することで、顕著により高いＮＯｘ浄化性能を達成することが可能である。
０．０９≦Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）≦０．２７
【００４７】
［三元触媒］
本発明の好ましい実施態様によれば、本発明の内燃機関の排気浄化装置は、ＮＳＲ触媒の上流側排気通路内に配置された三元触媒をさらに備えている。
【００４８】
希薄燃焼においても、実際のエンジンでは、すべての運転区間をリーンバーン運転しているわけではなく、ストイキ（理論空燃比）等の雰囲気で運転している区間もある。このため、ＮＳＲ触媒の上流側排気通路内に従来公知の三元触媒をさらに配置することで、このような雰囲気の変動に対しても、排気ガス中の有害成分を確実に浄化することが可能である。三元触媒としては、従来公知のものを使用することができ、例えば、コージェライト等の基材、特にはハニカム基材上に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等の触媒担体と、当該触媒担体上に担持された白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の触媒金属とを含む１つ又は複数の触媒層を形成したものを使用することができる。
【００４９】
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００５０】
以下の実施例では、種々の構成を有する内燃機関の排気浄化装置を用いて、それらのＮＯｘ浄化性能について調べた。
【００５１】
［実施例１］
本実施例では、図７に示すように、排気通路の上流側から順に、三元触媒１１、ＮＳＲ触媒１２、トラップ材１３及びＳＣＲ触媒１４が配置された内燃機関の排気浄化装置１０を用いた。
【００５２】
三元触媒１１としては、コージェライト製のハニカム基材上にＰｄ及びＲｈを含む触媒層をコートしたものを使用した。ＮＳＲ触媒１２としては、コージェライト製のハニカム基材上に主としてＡｌ2Ｏ3に担持したＰｔ及びＲｈを含む下層と主としてＡｌ2Ｏ3に担持したＰｔ及びＰｄを含む上層をコートし、さらにＮＯｘ吸蔵材としてＫ（０．１５ｍｏｌ／基材−Ｌ）、Ｂａ（０．２ｍｏｌ／基材−Ｌ）及びＬｉ（０．１ｍｏｌ／基材−Ｌ）を含浸担持したものを使用した。
【００５３】
本実施例では、トラップ材１３及びＳＣＲ触媒１４は、タンデム構造において１つの基材上に一体的に形成した。具体的には、トラップ材１３として、コージェライト製のハニカム基材（長さ１３０ｍｍ）の排気ガス上流側前段部２０ｍｍにＳｉＯ2−ＴｉＯ2を含むコート層を形成し、ＳＣＲ触媒１４として、当該ハニカム基材の後段部１１０ｍｍにＣｕ／ＳＡＰＯを含む触媒層を形成した。
【００５４】
［実施例２］
本実施例では、図８に示すように、排気通路の上流側から順に、三元触媒１１、ＮＳＲ触媒１２及びＳＣＲ触媒１４が配置され、当該ＳＣＲ触媒１４の基材１５上にコートされた触媒層１６の排気ガス上流側前段部に２０ｍｍの長さを有するトラップ材１３のオーバーコート層を形成した内燃機関の排気浄化装置１０を使用した。なお、三元触媒１１、ＮＳＲ触媒１２、トラップ材１３及びＳＣＲ触媒１４の構成成分は、実施例１の場合と同じであった。
【００５５】
［比較例１］
本比較例では、図９に示すように、トラップ材を配置しなかったこと以外は、実施例１と同じ構成を有する内燃機関の排気浄化装置１０を使用した。
【００５６】
［比較例２］
本比較例では、図１０及び下表１に示すように、ＮＳＲ触媒１２がＮＯｘ吸蔵材としてＫを含有しなかったこと以外は、実施例１と同じ構成を有する内燃機関の排気浄化装置１０を使用した。
【００５７】
各実施例及び比較例における内燃機関の排気浄化装置の構成を下表１に示す。
【００５８】
【表１】
2015187398.tif 000003
【００５９】
［排気浄化装置のＮＯｘ浄化性能評価］
各実施例及び比較例の排気浄化装置を実際のエンジンの排気系に装着し、次いでエンジンを下表２に示すようにリーン空燃比とリッチ空燃比を交互に切り換えて運転し、その際の出ガス中のＮＯｘ量から各排気浄化装置のＮＯｘ浄化率を算出した。その結果を図１１に示す。
【００６０】
【表２】
2015187398.tif 000004
【００６１】
図１１は、ＮＳＲ触媒の床温度４５０℃における実施例１及び２並びに比較例１及び２の内燃機関の排気浄化装置に関するＮＯｘ浄化率を示すグラフである。図１１の結果から明らかなように、ＮＯｘ吸蔵材としてＫを含有しないＮＳＲ触媒１２を使用した比較例２の排気浄化装置が最も低いＮＯｘ浄化率を示した。一方で、ＮＯｘ吸蔵材としてＫを含有するＮＳＲ触媒１２を使用した比較例１の排気浄化装置では、比較例２の排気浄化装置よりも高いＮＯｘ浄化率を示した。この結果は、比較例１の排気浄化装置では、比較的高い温度領域においても優れたＮＯｘ吸放出能を有するＫを含有するＮＳＲ触媒１２を使用することで、４５０℃の高温下における当該ＮＳＲ触媒１２のＮＯｘ浄化性能が向上したことに起因していると考えられる。
【００６２】
これに対し、ＮＳＲ触媒１２とＳＣＲ触媒１４の間にトラップ材１３を配置した実施例１の排気浄化装置は、比較例１及び２の排気浄化装置と比較して顕著に高いＮＯｘ浄化率を達成することができた。また、ＳＣＲ触媒１４の排気ガス上流側前段部にオーバーコート層としてトラップ材１３を配置した実施例２の排気浄化装置においても、実施例１の排気浄化装置よりも幾分劣るものの、比較例１及び２の排気浄化装置と比較して十分に高いＮＯｘ浄化率を達成することができた。
【００６３】
［Ｋ付着量の分析］
次に、上記のＮＯｘ浄化性能評価を行った後の各排気浄化装置におけるＳＣＲ触媒１４を分析し、当該ＳＣＲ触媒１４上のＫ付着量を調べた。その結果を図１２に示す。なお、実施例２のＫ付着量は、ＳＣＲ触媒１４の排気ガス上流側前段部にオーバーコート層として配置したトラップ材１３を除いた部位のＫ付着量を示している。
【００６４】
図１２は、実施例１及び２並びに比較例１及び２の排気浄化装置に関するＳＣＲ触媒のＫ付着量を示すグラフである。図１２を参照すると、先の試験において高いＮＯｘ浄化率を示した実施例１及び２の排気浄化装置では、ＳＣＲ触媒１４のＫ付着量が非常に少なく、それゆえトラップ材１３を配置することでＮＳＲ触媒１２から飛散したＫがＳＣＲ触媒１４に付着することが顕著に抑制されていることがわかる。一方、ＮＯｘ吸蔵材としてＫを含有しないＮＳＲ触媒１２を使用した比較例２の排気浄化装置では、当然ながらＫの付着は観測されなかったが、トラップ材１３を配置しなかった比較例１の排気浄化装置では、実施例１及び２の排気浄化装置と比較して、非常に高いＫ付着量を示した。
【００６５】
図１１及び１２の結果から、比較例１の排気浄化装置では、トラップ材１３が存在しないために約４５０℃の高温下でＮＳＲ触媒１２から飛散したＫがＳＣＲ触媒１４に付着して当該ＳＣＲ触媒１４が被毒され、その結果として実施例１及び２のように高いＮＯｘ浄化率を達成することができなかったと考えられる。
【００６６】
［トラップ材とＳＣＲ触媒の構成比率の検討］
本実施例では、下表３及び図１３において示すように、トラップ材１３とＳＣＲ触媒１４の合計の全長を１１０ｍｍで一定としつつ、トラップ材１３の全長ＸとＳＣＲ触媒１４の全長Ｙを変化させた内燃機関の排気浄化装置１０を用いて、それらのＮＯｘ浄化性能について調べた。各実施例及び比較例における内燃機関の排気浄化装置の構成を下表３に示す。
【００６７】
【表３】
2015187398.tif 000005
【００６８】
上記の各実施例及び比較例の排気浄化装置を実際のエンジンの排気系に装着し、次いでエンジンを先の表２に示す条件下でリーン空燃比とリッチ空燃比を交互に切り換えて運転し、その際の出ガス中のＮＯｘ量から各排気浄化装置のＮＯｘ浄化率を算出した。その結果を図１４に示す。
【００６９】
図１４は、ＮＳＲ触媒の床温度４５０℃における実施例３〜７並びに比較例１及び３の内燃機関の排気浄化装置に関するＮＯｘ浄化率を示すグラフである。
【００７０】
図１４の結果から明らかなように、本発明の内燃機関の排気浄化装置では、０＜Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）≦０．４５の範囲において、トラップ材１３を使用していない比較例１（すなわち、Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）＝０）の内燃機関の排気浄化装置よりも高いＮＯｘ浄化性能を達成することができ、さらに０．０９≦Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）≦０．２７の範囲においてより高いＮＯｘ浄化性能を達成することができた。
【符号の説明】
【００７１】
１０    内燃機関の排気浄化装置
１１    三元触媒
１２    ＮＳＲ触媒
１３    トラップ材
１４    ＳＣＲ触媒
１５    基材
１６    触媒層
【図１】
2015187398.tif 000006
【図２】
2015187398.tif 000007
【図３】
2015187398.tif 000008
【図４】
2015187398.tif 000009
【図５】
2015187398.tif 000010
【図６】
2015187398.tif 000011
【図７】
2015187398.tif 000012
【図８】
2015187398.tif 000013
【図９】
2015187398.tif 000014
【図１０】
2015187398.tif 000015
【図１１】
2015187398.tif 000016
【図１２】
2015187398.tif 000017
【図１３】
2015187398.tif 000018
【図１４】
2015187398.tif 000019