(57)【要約】【課題】還元剤又はその前駆体の有効利用を図りつつ、過渡期におけるＮＯｘ浄化率を向上させる。【解決手段】排気通路に配設される触媒担体２０Ａに、排気上流から下流に向けて、触媒活性温度未満で還元剤を一時的に吸着する還元剤吸着層２０Ｂと、還元剤の供給を受けてＮＯｘを選択還元反応により浄化する選択還元層２０Ｃと、をこの順番で交互かつ複数塗布すると共に、各還元剤吸着層２０Ｂにおける還元剤吸着能力を、排気上流から下流に向かうにつれて徐々に弱くなるようにする。そして、触媒活性温度未満のときには、還元剤吸着層２０Ｂで還元剤を吸着する一方、触媒活性温度以上のときには、還元剤吸着層２０Ｂから離脱された還元剤を使用してＮＯｘを還元浄化することで、大気中に放出される還元剤を減少させつつ、過渡期における還元剤不足を回避する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配設される触媒担体に、排気上流から下流に向けて、触媒活性温度未満で還元剤を一時的に吸着する還元剤吸着層と、還元剤の供給を受けて窒素酸化物を選択還元反応により浄化する選択還元層と、をこの順番で交互かつ複数塗布すると共に、各還元剤吸着層における還元剤吸着能力を、排気上流から下流に向かうにつれて徐々に弱くなるようにしたことを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記還元剤吸着層における還元剤吸着能力は、前記触媒担体に対する基材の塗布密度により変化させていることを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）において、還元剤を用いて排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に還元浄化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン排気に含まれるＮＯｘを浄化する触媒浄化システムとして、特開２０００−２７６２７号公報（特許文献１）に記載された排気浄化装置が提案されている。かかる排気浄化装置は、排気通路に配設されたＮＯｘ還元触媒の排気上流に、エンジン運転状態に応じた還元剤又はその前駆体を噴射供給することで、排気中のＮＯｘと還元剤とを選択還元反応させて、ＮＯｘを無害物質に浄化処理するものである。
【特許文献１】特開２０００−２７６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、排気温度が低温である状態が長時間持続すると、ＮＯｘ還元触媒の温度が活性温度以下まで低下するため、エンジン運転状態に応じて還元剤又はその前駆体を噴射供給しても、その全量がＮＯｘの選択還元反応に利用されないおそれがある。また、エンジン負荷が変動する過渡期には、還元剤又はその前駆体の噴射供給量は、電気的又は機械的な要因により多少の遅延をもって増減するため、ＮＯｘ還元触媒に供給される還元剤が過不足し、還元剤又はその前駆体が有効利用されなかったり、所要のＮＯｘ浄化率が発揮できないおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、排気通路に配設される触媒担体に、還元剤を一時的に吸着する還元剤吸着層と、還元剤を用いてＮＯｘを選択還元する選択還元層と、を交互に複数塗布すると共に、還元剤吸着層における吸着能力を適宜変化させることで、還元剤又はその前駆体の有効利用を図りつつ、過渡期におけるＮＯｘ浄化率を向上させた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】
【０００５】
このため、請求項１記載の発明では、排気通路に配設される触媒担体に、排気上流から下流に向けて、触媒活性温度未満で還元剤を一時的に吸着する還元剤吸着層と、還元剤の供給を受けてＮＯｘを選択還元反応により浄化する選択還元層と、をこの順番で交互かつ複数塗布すると共に、各還元剤吸着層における還元剤吸着能力を、排気上流から下流に向かうにつれて徐々に弱くなるようにしたことを特徴とする。ここで、「触媒活性温度未満で還元剤を一時的に吸着する」とは、触媒活性温度未満のときには還元剤を吸着する一方、触媒活性温度以上のときには還元剤を離脱することを意味する。
【０００６】
請求項２記載の発明では、前記還元剤吸着層における還元剤吸着能力は、前記触媒担体に対する基材の塗布密度により変化させていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、触媒担体温度が触媒活性温度未満のときには、触媒担体に供給された還元剤は、排気最上流に位置する還元剤吸着層に吸着される。還元剤吸着層における還元剤吸着量が飽和状態に達すると、還元剤は、還元剤吸着層を通過してその排気下流に位置する選択還元層へと供給される。選択還元層では、触媒活性温度未満であるため所要ＮＯｘ浄化率が発揮されないが、その温度に応じた活性により還元剤の一部を使用してＮＯｘが還元浄化される。ＮＯｘ還元浄化に寄与しなかった還元剤は、その排気下流に位置する還元剤吸着層へと供給され、飽和状態に達するまで吸着される。このとき、還元剤吸着層には、その排気上流に位置する還元剤吸着層及び選択還元層で処理し切れなかった還元剤のみが供給されるので、還元剤吸着量が飽和状態に達するまである程度の時間を要し、その排気下流に還元剤が流れていくことを抑制できる。その後、その排気下流に位置する選択還元層で同様な処理が行われる。このため、触媒担体温度が触媒活性温度未満であっても、大気中に放出される還元剤を減少させることができる。また、還元剤吸着層における還元剤吸着能力は、排気上流から下流に向かうにつれて徐々に弱くなっているので、排気中の還元剤濃度に応じて還元剤を効率良く吸着することができる。
【０００８】
一方、エンジン負荷の変化に伴って排気温度が上昇し、触媒担体温度が触媒活性温度に達すると、還元剤吸着層に吸着されていた還元剤が離脱し、その排気下流に位置する選択還元層へと供給される。選択還元層では、触媒活性温度に達しているため、還元剤吸着層から離脱した還元剤を使用して排気中のＮＯｘが還元浄化される。このため、電気的又は機械的な要因により、還元剤供給量が多少遅延して増量されたとしても、還元剤吸着層に一時的に吸着されていたアンモニアによりＮＯｘ還元浄化が行われるため、還元剤の有効利用を図りつつ、過渡期におけるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
【０００９】
請求項２記載の発明によれば、触媒担体に対する基材の塗布密度を変化させることで、還元剤吸着層における還元剤吸着能力を任意に変更することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、還元剤前駆体たる尿素水溶液を使用し、エンジン排気に含まれるＮＯｘを選択還元反応により浄化する排気浄化装置の全体構成を示す。
エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管１４には、排気流通方向に沿って、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ2）へと酸化させる窒素酸化触媒１６と、尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズル１８と、尿素水溶液を加水分解して生成されるアンモニアを用いてＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒２０と、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２２と、が夫々配設される。また、還元剤タンク２４に貯蔵される尿素水溶液は、その底部で吸込口が開口する供給配管２６を介して、ポンプ及び流量制御弁が内蔵された還元剤添加装置２８に供給される。
【００１１】
窒素酸化触媒１６及びアンモニア酸化触媒２２は、夫々、セラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼からなるモノリスタイプの触媒担体に、各酸化機能を発揮する白金Ｐｔなどの活性成分を塗布することで構成される。
ＮＯｘ還元触媒２０は、図２に示すように、セラミックのコーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼からなるモノリスタイプの触媒担体２０Ａに、排気上流から下流に向けて、触媒活性温度未満でアンモニアを一時的に吸着するアンモニア吸着層２０Ｂと、アンモニアの供給を受けてＮＯｘを選択還元反応により浄化する選択還元層２０Ｃと、をこの順番で交互かつ複数塗布することで構成される。また、アンモニア吸着層２０Ｂにおけるアンモニア吸着能力は、例えば、スラリー中の基材濃度を変化、即ち、触媒担体２０Ａに対する基材の塗布密度を変化させることで、排気上流から下流に向かうにつれて徐々に弱くなるようにする。触媒担体２０Ａにアンモニア吸着層２０Ｂ及び選択還元層２０Ｃを塗り分ける具体的方法としては、図３に示すように、触媒担体２０Ａを構成する基本担体Ａ〜Ｆにアンモニア吸着層２０Ｂ又は選択還元層２０Ｃを適宜塗布し、これらを積層して一体化すればよい。なお、本実施形態では、触媒担体２０Ａにアンモニア吸着層２０Ｂ及び選択還元層２０Ｃを３つずつ塗布するようにしたが、これに限られるものではない。
【００１２】
排気浄化装置の制御系として、噴射ノズル１８とＮＯｘ還元触媒２０との間に位置する排気管１４には、ＮＯｘ還元触媒２０に導入される排気の温度（排気温度）を検出する温度センサ３０が取り付けられる。温度センサ３０の出力信号は、コンピュータを内蔵した還元剤添加コントロールユニット（以下「還元剤添加ＥＣＵ」という）３２へと入力される。また、還元剤添加ＥＣＵ３２は、エンジン運転状態としての回転速度及び負荷を適宜読み込むべく、ＣＡＮ（Controller Area Network）などのネットワークを介して、エンジンコントロールユニット（以下「エンジンＥＣＵ」という）３４と通信可能に接続される。なお、エンジン負荷としては、燃料噴射量，トルク，アクセル開度，スロットル開度，吸気流量，吸気負圧，過給圧力などの公知の状態量を適用することができる。
【００１３】
そして、還元剤添加ＥＣＵ３２は、そのＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、排気温度，エンジン回転速度及びエンジン負荷に応じた尿素水溶液添加量を演算し、その添加量に応じた制御信号を還元剤添加装置２８に出力する。還元剤添加装置２８では、還元剤添加ＥＣＵ３２からの制御信号に基づいて、内蔵されたポンプ及び流量制御弁が制御され、エンジン運転状態に応じた流量の尿素水溶液が噴射ノズル１８に供給される。
【００１４】
かかる排気浄化装置において、噴射ノズル１８から排気管１４内に噴射供給された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解されてアンモニアへと転化され、排気流に乗ってＮＯｘ還元触媒２０へと導入される。そして、ＮＯｘ還元触媒２０の温度が触媒活性温度未満であるときには、ここに導入されたアンモニアは、排気最上流に位置するアンモニア吸着層２０Ｂに吸着される。アンモニア吸着層２０Ｂにおけるアンモニア吸着量が飽和状態に達すると、アンモニアは、アンモニア吸着層２０Ｂを通過してその排気下流に位置する選択還元層２０Ｃへと供給される。選択還元層２０Ｃでは、触媒活性温度未満であるため所要のＮＯｘ浄化率が発揮されないが、その温度に応じた活性によりアンモニアの一部を使用してＮＯｘが還元浄化される。ＮＯｘ還元浄化に寄与しなかったアンモニアは、その排気下流に位置するアンモニア吸着層２０Ｂへと供給され、排気最上位に位置するアンモニア吸着層２０Ｂと同様に吸着される。このとき、アンモニア吸着層２０Ｂには、その排気上流に位置するアンモニア吸着層２０Ｂ及び選択還元層２０Ｃで処理し切れなかったアンモニアのみが供給されるので、アンモニア吸着量が飽和状態に達するまである程度の時間を要し、その排気下流にアンモニアが流れていくことを抑制できる。その後、その排気下流に位置する選択還元層２０Ｃ，アンモニア吸着層２０Ｂ及び選択還元層２０Ｃで同様な処理が行われる。
【００１５】
このため、ＮＯｘ還元触媒２０の温度が触媒活性温度未満であっても、大気中に放出されるアンモニア量を減少させることができる。また、アンモニア吸着層２０Ｂにおけるアンモニア吸着能力は、排気上流から下流に向かうにつれて徐々に弱くなっているので、排気中のアンモニア濃度に応じてアンモニアが効率良く吸着される。
一方、エンジン負荷の変化に伴って排気温度が上昇し、ＮＯｘ還元触媒２０の温度が触媒活性温度に達すると、アンモニア吸着層２０Ｂに吸着されていたアンモニアが離脱し、その排気下流に位置する選択還元層２０Ｃへと供給される。選択還元層２０Ｃでは、触媒活性温度に達しているため、アンモニア吸着層２０Ｂから離脱したアンモニアを使用して排気中のＮＯｘが還元浄化される。このため、電気的又は機械的な要因により、尿素水溶液の噴射供給量が多少遅延して増量されたとしても、アンモニア吸着層２０Ｂに一時的に吸着されていたアンモニアによりＮＯｘ還元浄化が行われるため、尿素水溶液の有効利用を図りつつ、過渡期におけるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。
【００１６】
このとき、ＮＯｘ還元触媒２０におけるＮＯｘ浄化率を向上させるべく、窒素酸化触媒１６によりＮＯがＮＯ2へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ2との比率が選択還元反応に適したものに改善される。また、ＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されるアンモニア酸化触媒２２により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることを抑制できる。
【００１７】
なお、以上説明した実施形態では、還元剤又はその前駆体として、尿素水溶液を用いるものを前提としたが、ＮＯｘの選択還元反応メカニズムに応じて、炭化水素，アルコール，軽油，固体尿素なども適用可能である。また、排気管１４内に還元剤又はその前駆体を噴射供給するものに限らず、触媒を用いて排気中の成分から還元剤を生成するものにも適用可能である。さらに、ＮＯ還元触媒２０におけるアンモニア吸着層２０Ｂ及び選択還元層２０Ｃの基材を適切に選択すると共に、それらの容積及び数などを最適に設定すれば、その排気下流に流れるアンモニアが極微量となり、アンモニア酸化触媒２２を不要とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明を適用した排気浄化装置の全体構成図
【図２】ＮＯｘ還元触媒の詳細を示す斜視図
【図３】ＮＯｘ還元触媒の具体的構成を示す斜視図
【符号の説明】
【００１９】
１０    エンジン
１４    排気管
２０    ＮＯｘ還元触媒
２０Ａ  触媒担体
２０Ｂ  アンモニア吸着層
２０Ｃ  選択還元層
Ａ〜Ｆ  基本担体
【図１】
2008291672.tif 000003
【図２】
2008291672.tif 000004
【図３】
2008291672.tif 000005