(57)【要約】【課題】  ＮＯｘ選択還元型触媒装置の温度が温度ウインドウ内に収まる時期を早めると共に温度ウインドウ内に留まる時間を長くすることにより、ＮＯｘの浄化性能を向上させる。【解決手段】  内燃機関１の排気浄化装置６は、酸化触媒装置８と、酸化触媒装置８の直下流に配置されたＮＯｘ選択還元型触媒装置９とを備える。酸化触媒装置８の担体に形成されたセルの壁は、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９の担体に形成されたセルの壁よりも昇温特性に優れており、その壁厚はＮＯｘ選択還元型触媒装置９の壁の壁厚よりも薄くされている。ＮＯｘ選択還元型触媒装置９の壁は、酸化触媒装置８の壁よりも蓄熱特性に優れている。【選択図】  図１
2005120980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に配置された酸化触媒装置および前記酸化触媒装置の下流に配置されたＮＯｘ選択還元型触媒装置を備える内燃機関の排気浄化装置において、
前記ＮＯｘ選択還元型触媒装置は前記酸化触媒装置の直下流に配置され、前記酸化触媒装置の担体に形成されたセルの壁は、前記ＮＯｘ選択還元型触媒装置の担体に形成されたセルの壁よりも昇温特性に優れ、前記ＮＯｘ選択還元型触媒装置の前記壁は、前記酸化触媒装置の前記壁よりも蓄熱特性に優れていることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記酸化触媒装置の前記壁の壁厚は、前記ＮＯｘ選択還元型触媒装置の前記壁の壁厚よりも薄いことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記酸化触媒装置の担体および前記ＮＯｘ選択還元型触媒装置の担体は、金属製であることを特徴とする請求項２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、内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置に関し、詳細には、酸化触媒装置と酸化触媒装置の下流に配置されたＮＯｘ選択還元型触媒装置とを備える排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンのように希薄燃焼が行われる内燃機関では、排気ガス中に酸素が豊富に存在するため、排気ガス中のＮＯｘを浄化する触媒装置には、排気ガス中に含まれるＨＣ（炭化水素）を還元剤としてＮＯｘを浄化するＮＯｘ選択還元型触媒装置が使用される。例えば、特許文献１に開示された自動車用触媒は、排気通路の途中に設けられた複数の触媒装置を備え、該複数の触媒装置は、排気上流側の前段側に配置された酸化触媒装置と、酸化触媒装置よりも排気下流側の後段側に配置されたＮＯｘ選択還元型触媒装置とから構成される。酸化触媒装置は、排気ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化し、ＨＣの一部を酸化せずにＮＯｘ選択還元型触媒装置に供給可能な低活性の酸化作用を有している。
【特許文献１】特開２００３−１３５９７６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、ＮＯｘ選択還元型触媒装置は、ＮＯｘの浄化率が高い温度ウインドウ（温度範囲）が極めて狭く、この温度ウインドウから低温側および高温側に外れると浄化率が急激に低下する（図５参照）。そして、排気ガスの温度は排気通路の下流側ほど低下するため、前記従来技術のように、ＮＯｘ選択還元型触媒装置が酸化触媒装置の下流側に配置されると、ＮＯｘ選択還元型触媒装置の担体の温度が温度ウインドウ内に収まるまでに時間を要して、その間、ＮＯｘ選択還元型触媒装置によるＮＯｘの浄化が十分に行われない。特に、内燃機関が運転開始直後で暖機状態にあるときは、ＮＯｘ選択還元型触媒装置の担体の温度が温度ウインドウよりも低い温度に留まっている時間が一層長くなって、ＮＯｘ選択還元型触媒装置の浄化性能が悪化する。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１〜３記載の発明は、ＮＯｘ選択還元型触媒装置の担体の温度が温度ウインドウ内に収まる時期を早めると共に温度ウインドウ内に留まる時間を長くすることにより、ＮＯｘの浄化性能を向上させることを目的とする。さらに、請求項３記載の発明は、排気浄化装置のコストの削減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明は、内燃機関の排気通路に配置された酸化触媒装置および前記酸化触媒装置の下流に配置されたＮＯｘ選択還元型触媒装置を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記ＮＯｘ選択還元型触媒装置は前記酸化触媒装置の直下流に配置され、前記酸化触媒装置の担体に形成されたセルの壁は、前記ＮＯｘ選択還元型触媒装置の担体に形成されたセルの壁よりも昇温特性に優れ、前記ＮＯｘ選択還元型触媒装置の前記壁は、前記酸化触媒装置の前記壁よりも蓄熱特性に優れている内燃機関の排気浄化装置である。
【０００６】
これによれば、酸化触媒装置から流出した直後にＮＯｘ選択還元型触媒装置に流入する排気ガスにより、触媒が担持されているセルの壁の昇温特性がＮＯｘ選択還元型触媒装置よりも優れている酸化触媒装置では、そのセルの壁、ひいては触媒の温度が急速に上昇して、酸化触媒装置での排気ガスの温度低下が抑制されるので、ＮＯｘ選択還元型触媒装置の担体の昇温速度が高められて、その温度が温度ウインドウよりも低温である場合には、早期に温度ウインドウ内に収まるようにすることができる。また、触媒が担持されているセルの壁の蓄熱特性が酸化触媒装置よりも優れているＮＯｘ選択還元型触媒装置では、酸化触媒装置を経て流入した排気ガスにより加熱されて温度ウインドウ内の温度になったセルの壁、ひいては触媒の温度が、温度ウインドウ内に留まる時間を長くすることができる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記酸化触媒装置の前記壁の壁厚は、前記ＮＯｘ選択還元型触媒装置の前記壁の壁厚よりも薄いものである。
【０００８】
これによれば、壁厚がＮＯｘ選択還元型触媒装置よりも薄い酸化触媒装置では、昇温特性が高まるほかに、各セルにより形成される排気ガスの通路の通路面積を大きくすることができるので、酸化触媒装置での排気ガスの流通抵抗を小さくすることができる。また、壁厚が酸化触媒装置よりも厚いＮＯｘ選択還元型触媒装置では、蓄熱効果が得られるほかに、各セルにより形成される排気ガスの通路の通路面積を小さくできるので、ＮＯｘ選択還元型触媒装置内での排気ガスの滞留時間を長くすることができる。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記酸化触媒装置の担体および前記ＮＯｘ選択還元型触媒装置の担体は、金属製であるものである。
【００１０】
これによれば、両触媒装置の担体が金属製であるので、壁厚の設定により、酸化触媒装置での昇温特性およびＮＯｘ選択還元型触媒装置での蓄熱特性を容易に設定でき、また種々なセル形状を有する担体の成形が容易になる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１記載の発明によれば、次の効果が奏される。すなわち、酸化触媒装置では、触媒の温度が急速に上昇して、その浄化率が高められると共に、酸化触媒装置での排気ガスの温度低下が抑制されるので、ＮＯｘ選択還元型触媒装置の担体の温度が温度ウインドウよりも低温である場合には、早期に温度ウインドウ内に収まるようにることができ、しかも触媒の温度が温度ウインドウ内に留まる時間を長くすることができるので、高い浄化率でＮＯｘが浄化されて、ＮＯｘ選択還元型触媒装置でのＮＯｘの浄化性能が向上する。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、酸化触媒装置では排気ガスの流通抵抗を小さくすることができ、ＮＯｘ選択還元型触媒装置では排気ガスの滞留時間を長くすることができるので、この点でも請求項１の効果が高められる。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、酸化触媒装置での所望の昇温特性およびＮＯｘ選択還元型触媒装置での所望の蓄熱特性の設定が容易になり、また酸化触媒装置およびＮＯｘ選択還元型触媒装置において、種々なセル形状を有する担体の成形が容易であるので、種々な形状の担体を低コストで製造できて、排気浄化装置のコストが削減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態および実施例を図１ないし図８を参照して説明する。
図１を参照すると、本発明が適用された排気浄化装置６が備えられる内燃機関１は、ディーゼルエンジンおよび希薄燃焼を行う火花点火式内燃機関などの希薄燃焼機関である。車両に搭載される内燃機関１は、燃焼室が形成された機関本体２と、機関本体２に接続されて、前記燃焼室から排出された燃焼ガスである排気ガスを内燃機関１の外部に導く排気通路４を形成する排気装置３とを備える。排気装置３は、機関本体２に接続される管部材である排気マニホルド５ａを含む排気管装置５と、排気管装置５に接続される排気浄化装置６とを備える。そして、排気通路４は、排気管装置５および排気浄化装置６により形成される。
【００１５】
なお、この明細書および特許請求の範囲において、「上流」および「下流」は、排気ガスの流れに関しての「上流」および「下流」を意味する。
【００１６】
排気管装置５は、機関本体２のシリンダヘッド２ａに接続される排気マニホルド５ａと、排気通路４に配置される排気浄化装置６に接続される排気管５ｂとを備える。また、排気浄化装置６は、排気通路４において機関本体２に近い位置、ここでは排気マニホルド５ａの下流側に近接した排気通路４に配置される第１触媒装置である直下型の第１酸化触媒装置７と、第１酸化触媒装置７よりも下流の排気通路４であって、例えば前記車両の床下に配置される第２触媒装置とから構成される。前記第２触媒装置は、いずれもケース11内に収容された前段触媒装置である第２酸化触媒装置８と、第２酸化触媒装置８の直下流に配置される後段触媒装置であるＮＯｘ選択還元型触媒装置９とを備える。
【００１７】
図２を参照すると、第２酸化触媒装置８は、金属製で多数のセル21が形成されたハニカム構造を有する担体22と、担体22にコーティングされてＨＣを吸着する吸着剤23と、該吸着剤23に分散された触媒（図示されず）とを有する。吸着剤23は、ここでは２種類のゼオライトであるβ型ゼオライト23ａおよびＺＳＭ−５ゼオライト23ｂで構成され、各ゼオライト23ａ，23ｂにより二層の吸着剤層が構成される。
【００１８】
そして、第２酸化触媒装置８内で排気ガスが流通する通路を構成するセル21の壁24の壁厚（または箔厚）ｔ１は、セル21内を流通する排気ガスでの加熱による昇温速度を高めるために、１０〜４０μｍとされる。また、白金量は、ＮＯｘの還元に必要な量のＨＣをＮＯｘ選択還元型触媒装置９に供給できるように、例えば、２．５〜４．６ｇ／Ｌとされる。
【００１９】
また、第１酸化触媒装置７は、第２酸化触媒装置８と同様の構造であり、金属製のハニカム構造の担体と、担体に形成されたβ型ゼオライトとＺＳＭ−５ゼオライトとの二層の吸着剤層と、吸着剤に分散された白金とを有し、セルの壁の壁厚（または箔厚）は、１０〜４０μｍであり、白金量は、ＮＯｘの還元に必要な量のＨＣをＮＯｘ選択還元型触媒装置９に供給できるように、例えば、２．５〜４．６ｇ／Ｌとされる。
【００２０】
図３を参照すると、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９は、第２酸化触媒装置８の担体22と同一の金属により形成されると共に多数のセル31が形成されたハニカム構造を有する担体32と、担体32にコーティングされてＨＣを吸着する吸着剤33と、該吸着剤33に分散された触媒（図示されず）とを有する。吸着剤33は、ゼオライト、ここではβ型ゼオライトで構成されて、単層の吸着剤層が構成される。
【００２１】
なお、吸着剤23，33はゼオライト以外の物質であってもよい。前記触媒は、ここでは貴金属、例えば白金で構成されるが、白金以外の貴金属、または貴金属以外の物質であってもよい。さらに、担体32は、第２酸化触媒装置８とは異なる金属で形成されてもよい。
【００２２】
ＮＯｘ選択還元型触媒装置９内で排気ガスが流通する流通路を構成するセル31の壁34の壁厚ｔ２（または箔厚）は、セル21内を流通する排気ガスで加熱された壁の蓄熱機能を高めるために、５０〜８０μｍとされ、また、白金量は、１．０〜２．５ｇ／Ｌとされる。
【００２３】
また、ＮＯｘ選択還元型触媒装置の担体は、図４に示されるように、金属製担体32の代わりに、セラミック製、例えばコーデュライト製の担体42でもよい。セラミック製担体42を有するＮＯｘ選択還元型触媒装置10の場合、セル41の壁44の壁厚ｔ３は、６０〜９０μｍとされる。また、吸着剤33および触媒については、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９と同様である。
【００２４】
そして、第２酸化触媒装置８では、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10の壁34，44の壁厚ｔ２，ｔ３よりも壁24の壁厚ｔ１が薄く設定されて、壁24の昇温特性は、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10の壁34，44の昇温特性よりも優れたものとされる。換言すれば、担体22の昇温速度は担体32，42の昇温速度よりも大きくされている。一方、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９では、第２酸化触媒装置８よりも壁34の壁厚ｔ２が厚く設定されて、壁34の蓄熱特性は、第２酸化触媒装置８の壁24の蓄熱特性よりも優れたものとされ、またＮＯｘ選択還元型触媒装置10についても、担体42の材料や壁厚ｔ３の設定により、壁44の蓄熱特性は、第２酸化触媒装置８の壁24の蓄熱特性よりも優れたものとされる。換言すれば、担体34，44は、担体24よりも蓄熱機能が高められている。さらに、第２酸化触媒装置８の熱容量は、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10の熱容量よりも小さくされている。
【００２５】
また、第１，第２酸化触媒装置７，８は、ＮＯｘの還元に必要なＨＣ量をＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10に供給できる範囲で、ＨＣおよびＮＯの酸化機能が高められた触媒装置であり、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10は、ＮＯｘ還元機能に特化された触媒装置である。
【００２６】
次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
内燃機関１の排気浄化装置６において、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10は第１酸化触媒装置８の直下流に配置され、触媒が担持されている各セル21の壁24は、触媒が担持されている各セル31，41の壁34，44よりも昇温特性が優れ、壁34，44は、壁24よりも蓄熱特性が優れていることにより、第２酸化触媒装置８から流出した直後にＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10に流入する排気ガスにより、壁24の昇温特性がＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10の壁34，44よりも優れている第２酸化触媒装置８では、壁24、ひいては触媒の温度が急速に上昇して、その浄化率が高められる。そして、第２酸化触媒装置８での排気ガスの温度低下が抑制されることから、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10の担体32，42の昇温速度が高められて、その温度が、図５に示される温度ウインドウＷ内の温度よりも低温である場合、例えば内燃機関１が運転開始直後で暖機状態にある場合には、早期に温度ウインドウＷ内に収まるようにすることができ、しかも、壁34，44の蓄熱特性が第２酸化触媒装置８よりも優れているＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10では、第２酸化触媒装置８を経て流入した排気ガスにより加熱されて温度ウインドウＷ内の温度になったセル31，41の壁34，44、ひいては触媒の温度が、温度ウインドウＷ内に留まる時間を長くすることができるので、高い浄化率でＮＯｘが浄化されて、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10でのＮＯｘの浄化性能が向上する。
【００２７】
第２酸化触媒装置８の壁24の壁厚ｔ１は、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10の壁34，44の壁厚ｔ２，ｔ３よりも薄いことにより、壁24がＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10の壁34，44よりも薄い第２酸化触媒装置８では、昇温特性が高まるほかに、各セル21により形成される排気ガスの通路の通路面積を大きくすることができるので、第２酸化触媒装置８での排気ガスの流通抵抗を小さくすることができ、壁34，44が第２酸化触媒装置８の壁24よりも厚いＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10では、蓄熱効果が得られるほかに、排気ガスの流通抵抗があまり増加しない範囲で、各セル31，41により形成される排気ガスの通路の通路面積を小さくでき、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10内での排気ガスの滞留時間を長くすることができて、この点でも、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10の担体32，42の温度が、早期に温度ウインドウＷ内に収まるようにすることができ、しかも温度ウインドウＷ内に留まる時間を長くすることができるので、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10でのＮＯｘの浄化性能がさらに高められる。また、内燃機関１において、運転頻度が高い運転域、すなわち常用運転域では、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10の担体32，42の温度が温度ウインドウＷを越えることは少ない。このため、第２酸化触媒装置８の壁24の壁厚ｔ１に対してＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10の壁34，44の壁厚ｔ２，ｔ３を大きくするという簡単な構造により、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９，10の担体32，42の温度が温度ウインドウＷ内に留まる時間を長くすることができて、内燃機関１のＮＯｘ浄化性能が向上する。
【００２８】
第２酸化触媒装置８の担体22およびＮＯｘ選択還元型触媒装置９の担体32が金属製であることから、各触媒装置８，９での壁厚ｔ１，ｔ２の設定により、第２酸化触媒装置８での所望の昇温特性およびＮＯｘ選択還元型触媒装置９での所望の蓄熱特性の設定が容易になり、また第１，第２酸化触媒装置７，８およびＮＯｘ選択還元型触媒装置９において、種々なセル形状を有する担体の成形が容易であるので、種々な形状の担体を低コストで製造できて、排気ガス浄化装置６のコストが削減される。
【実施例１】
【００２９】
図１〜図３を参照して、実施例１の排気浄化装置６では、第１，第２酸化触媒装置７，８は、いずれも、金属製担体22と、β型ゼオライト23ａおよびＺＳＭ−５ゼオライト23ｂの二層の吸着剤層と、吸着剤23ａ，23ｂに分散された白金とを有する。また、両酸化触媒装置７，８において、セル21の壁厚ｔ１は３０μｍであり、白金量は３．２ｇ／Ｌである。一方、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９は、担体22と同一の金属からなる担体32と、β型ゼオライト23の単層の吸着剤層と、吸着剤23に分散された白金とを有する。壁34の壁厚ｔ２は９０μｍであり、白金量は１．９ｇ／Ｌである。
【００３０】
図６，図７には、実施例１の排気浄化装置６を備えるディーゼルエンジンが搭載された車両が、所定の車速モードで走行したときの、第２酸化触媒装置８の担体22およびＮＯｘ選択還元型触媒装置９の担体32の温度変化が示されている。図６を参照すると、第２酸化触媒装置８は、担体がコーデュライトまたは金属製で壁厚が厚い（８０μｍ）ものに比べて、昇温速度が大きく、その分、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９に高温の排気ガスが流入する。そして、図７に示されるように、ＮＯｘ選択還元型触媒装置の担体が、第２酸化触媒装置８の担体22と同じ金属から形成され、かつセルの壁の壁厚が３０μｍである比較例に比べて、実施例１では、ＮＯｘ選択還元型触媒装置９の担体32の温度が、温度ウインドウＷ内に収まる時期が早められ、しかも温度ウインドウＷ内に留まる時間が長くなる。これにより、図８に示されるように、ＮＯｘ浄化性能が比較例に比べて向上する。
【実施例２】
【００３１】
図１，図２，図４を参照して、実施例２の排気浄化装置６では、ＮＯｘ選択還元型触媒装置10として、コーデュライト製担体42と、β型ゼオライト43の単層の吸着剤層と、触媒として白金とを有する。セル41の壁厚ｔ３はほぼ９０μｍ（３．５ミル）であり、白金量は１．９ｇ／Ｌである。そして、これ以外の排気浄化装置６の構成は、実施例１と同様である。図７に示されるように、実施例２も、実施例１と同様に、比較例に比べて、ＮＯｘ選択還元型触媒装置10の担体の温度が温度ウインドウＷ内に収まる時期が早められ、温度ウインドウＷ内に留まる時間が長くなる。これにより、図８に示されるように、ＮＯｘ浄化性能が比較例に比べて向上する。
【００３２】
以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
内燃機関１は、前記実施形態では車両に使用されるものであったが、鉛直方向を指向するクランク軸を備える船外機等の船舶推進装置に使用されるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の排気浄化装置が適用された内燃機関の概略図である。
【図２】図１の排気浄化装置の第２酸化触媒装置の要部断面を模式的に示す図である。
【図３】図１の排気浄化装置のＮＯｘ選択還元型触媒装置の要部断面を模式的に示す図である。
【図４】図１の排気浄化装置の、別の実施形態のＮＯｘ選択還元型触媒装置の要部断面を模式的に示す図である。
【図５】図１のＮＯｘ選択還元型触媒装置の温度に対するＮＯｘ浄化率の変化を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例１，２において、所定の車速モードで走行したときの、第２酸化触媒装置の温度変化を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例１，２において、所定の車速モードで走行したときの、ＮＯｘ選択還元型触媒装置の温度変化を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例１，２におけるＮＯｘの浄化率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１…内燃機関、２…機関本体、３…機関本体、４…排気通路、５…排気管装置、６…排気浄化装置、７…第１酸化触媒装置、８…第２酸化触媒装置、９…ＮＯｘ選択還元型触媒装置、10…ケース、21，31，41…セル、22，32，42…担体、23，33，43…吸着剤、24，34，44…壁、
ｔ１，ｔ２，ｔ３…壁厚、Ｗ…温度ウインドウ。
【図１】
2005120980.tif 000003
【図２】
2005120980.tif 000004
【図３】
2005120980.tif 000005
【図４】
2005120980.tif 000006
【図５】
2005120980.tif 000007
【図６】
2005120980.tif 000008
【図７】
2005120980.tif 000009
【図８】
2005120980.tif 000010