(57)【要約】【課題】簡易な装置構成で、ＮＯＸ触媒の硫黄被毒を抑制することができる排気浄化装置を提供することにある。【解決手段】本発明の排気浄化装置は、内燃機関から排気される排ガス中のＮＯＸを浄化するＮＯＸ触媒と、前記ＮＯＸ触媒より上流側に配置され、前記排ガス中の粒子状物質を捕集する粒子状物質フィルタと、を有し、前記粒子状物質フィルタには、前記排ガス中の硫黄酸化物を捕集する硫黄酸化物捕集材が担持されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排気される排ガス中のＮＯＸを浄化するＮＯＸ触媒と、
前記ＮＯＸ触媒より上流側に配置され、前記排ガス中の粒子状物質を捕集する粒子状物質フィルタと、を有し、
前記粒子状物質フィルタには、前記排ガス中の硫黄酸化物を捕集する硫黄酸化物捕集材が担持されていることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１記載の排気浄化装置であって、前記粒子状物質フィルタは、前記排ガスが流入する流入口と、前記排ガスを排出する排出口と、前記流入口と連通する流入通路と、前記排出口と連通する排出通路と、前記流入通路と前記排出通路とを区画するガス透過性の隔壁とを有し、
前記硫黄酸化物捕集材は、前記隔壁の排出通路側に担持されていることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項３】
請求項２記載の排気浄化装置であって、前記隔壁の流入通路側に、前記排ガス中の粒子状物質又は未燃燃料成分を酸化する酸化触媒が担持されていることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気浄化装置であって、前記硫黄酸化物捕集材は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類元素のうちの少なくとも１種又はそれらのうち少なくとも１種から選択される塩基性物質であることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項５】
請求項４記載の排気浄化装置であって、前記硫黄酸化物捕集材は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類元素のうちの少なくとも１種から選択される酸化物であることを特徴とする排気浄化装置。
【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の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃料燃焼後に排出される排ガスの主な成分は、二酸化炭素（ＣＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、主に炭素から構成される粒子状物質（ＰＭ）、ＨＣ（炭化水素）やＣＯ（一酸化炭素）等の未燃燃料成分、窒素酸化物（ＮＯＸ）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）等である。
【０００３】
排ガス中の有毒成分である窒素酸化物を浄化する装置として、排ガスの空燃比が所定値（典型的には理論空燃比）よりリーンのときにはＮＯＸを吸蔵し、理論空燃比又はリッチ時（酸素濃度が低い時）には吸収したＮＯＸを放出し、排ガス中に含まれている未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）と還元反応せしめるＮＯＸ触媒を備えた排気浄化装置が知られている。また、ディーゼルエンジンでは、ＰＭ排出が求められており、ＮＯＸ触媒と同時にＰＭを捕集するＰＭフィルタの装着が必要となっている。
【０００４】
こうした排気浄化装置では、燃料若しくは潤滑油中に含まれる硫黄が原因となって生じるＳＯｘが、ＮＯｘとともにＮＯＸ触媒へ吸蔵されて、ＮＯＸ触媒のＮＯｘ吸蔵量の低下（硫黄被毒）をまねく問題がある。例えば、特許文献１及び非特許文献１には、ＮＯＸ触媒の上流に硫黄酸化物捕集装置を配置し、ＮＯＸ触媒の硫黄被毒を回避する排気浄化装置が提案されている。
【０００５】
また、例えば、特許文献２には、ＮＯＸ触媒に吸蔵されているＳＯｘの量が限界値を超えていると推定されるとき、ＳＯｘを還元させるための還元制御を行う排気浄化装置が提案されている。この還元制御では、排ガス中への燃料の供給を通じてＮＯＸ触媒の温度（触媒床温）を目標温度まで上昇させた後、排ガス中への燃料の供給を通じて排気の空燃比をリッチにすることで、触媒装置のＳＯｘを還元してＮＯｘ吸蔵能力の回復を図るようにしている。
【０００６】
【特許文献１】独国特許発明第１９７５３５７３号明細書
【特許文献２】特開２００２−１２２０１９号公報
【非特許文献１】ナカツジ他，「ケミストリー・レターズ（Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）」，日本化学会，１９９８年，１０巻，ｐ．１０２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１、非特許文献１の排気浄化装置では、ＮＯＸ触媒、ＰＭフィルタの他に、別途硫黄酸化物捕集装置を設けるため、排気浄化装置が大型化してしまう。大型化した排気浄化装置を排ガス温度が低いディーゼルエンジンに用いると、ＮＯＸ触媒の温度が上昇せず、高い触媒効率が得られないおそれがある。
【０００８】
また、特許文献２の排気浄化装置では、ＮＯＸ触媒の温度を目標温度まで上昇するように制御するため、燃料の消費、熱による触媒の劣化等の問題が発生する場合がある。
【０００９】
本発明の目的は、簡易な装置構成で、ＮＯＸ触媒の硫黄被毒を抑制することができる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】
【００１０】
本発明の排気浄化装置は、内燃機関から排気される排ガス中のＮＯＸを浄化するＮＯＸ触媒と、前記ＮＯＸ触媒より上流側に配置され、前記排ガス中の粒子状物質を捕集する粒子状物質フィルタと、を有し、前記粒子状物質フィルタには、前記排ガス中の硫黄酸化物を捕集する硫黄酸化物捕集材が担持されている。
【００１１】
また、前記排気浄化装置において、前記粒子状物質フィルタは、前記排ガスが流入する流入口と、前記排ガスを排出する排出口と、前記流入口と連通する流入通路と、前記排出口と連通する排出通路と、前記流入通路と前記排出通路とを区画するガス透過性の隔壁とを有し、前記硫黄酸化物捕集材は、前記隔壁の排出通路側に担持されていることが好ましい。
【００１２】
また、前記排気浄化装置において、前記隔壁の流入通路側に、前記排ガス中の粒子状物質又は未燃燃料成分を酸化する酸化触媒が担持されていることが好ましい。
【００１３】
また、前記排気浄化装置において、前記硫黄酸化物捕集材は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類元素のうちの少なくとも１種又はそれらのうち少なくとも１種から選択される塩基性物質であることが好ましい。
【００１４】
また、前記排気浄化装置において、前記硫黄酸化物捕集材は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類元素のうちの少なくとも１種から選択される酸化物であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡易な装置構成で、ＮＯＸ触媒の硫黄被毒を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る排気浄化装置を備える内燃機関の構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、内燃機関１は、内燃機関本体１０、ターボチャージャ１２、排ガス再循環装置１４、及び排気浄化装置１６を備えている。内燃機関１は、吸気行程、圧縮行程、爆発行程及び排気行程の４サイクルを繰り返して出力を得るディーゼルエンジンを例とする。
【００１８】
内燃機関本体１０には、複数のシリンダ１８が備えられ、シリンダ１８内には、空気と燃料との混合気を燃焼させるための燃焼室が形成されている。
【００１９】
内燃機関１においては、インテークマニホールド２０とインテークパイプ２２とにより、外部の空気を燃焼室内へ流通させる吸気通路２４が設けられている。また、内燃機関１においては、エキゾーストマニホールド２６と、エキゾーストパイプ２８とにより、燃焼室内のガスを外部へ流通させる排気通路３０が設けられている。
【００２０】
吸気通路２４には、空気の流れ方向の上流側から順に、エアクリーナー３２、ターボチャージャ１２のコンプレッサホイール３４、インタークーラ３６が設置されている。
【００２１】
排気通路３０には、排ガスの流れ方向の上流側から順に、排気燃料噴射弁３８、ターボチャージャ１２のタービンホイール４０、排気浄化装置１６の粒子状物質（ＰＭ）フィルタ４２及びＮＯＸ触媒４４が設置されている。
【００２２】
ターボチャージャ１２は、吸気通路２４に配置されたコンプレッサホイール３４と排気通路３０に配置されたタービンホイール４０とを接続するロータシャフト（不図示）を備えており、排気のエネルギを利用して、タービンホイール４０とともにコンプレッサホイール３４を回転させることで、インテークパイプ２２内の空気を圧縮し、内燃機関本体１０の燃焼室内へ供給される空気の量を増加させるものである。
【００２３】
各燃焼室内への燃料の噴射は、燃料噴射弁４６により行われる。具体的には、燃料タンク（不図示）内の燃料が燃料ポンプ（不図示）により吸引され、吸引された燃料が燃料噴射弁４６へ供給され、燃料噴射弁４６の開弁により、各燃焼室内へ燃料が噴射される。
【００２４】
排ガス再循環装置１４は、連通管４８、ＥＧＲクーラ５０及びＥＧＲバルブ５２を備えている。連通管４８は、タービンホイール４０より上流の排気通路３０及びインタークーラ３６より下流の吸気通路２４に接続される。また、連通管４８には、排ガスの流れ方向の上流側から順に、ＥＧＲクーラ５０及びＥＧＲバルブ５２が設置されている。ＥＧＲクーラ５０は、連通管４８を介してインテークパイプ２２へ供給される排ガスを冷却するものである。ＥＧＲバルブ５２は、連通管４８を介してインテークパイプ２２へ供給される排ガスの流量を調整するものである。
【００２５】
上記のような排ガス再循環装置１４により、排気通路３０を流れる排ガスの一部が、連通管４８に流入し、流入したガスは、ＥＧＲクーラ５０により冷却され、ＥＧＲバルブ５２を介してインテークパイプ２２内に供給される。その結果、混合気の燃焼温度を低下させてＮＯＸの発生量を低減させることができる。
【００２６】
排気浄化装置１６は、排ガス中のＮＯＸを浄化するＮＯＸ触媒４４と、排ガス中の粒子状物質を捕集する粒子状物質フィルタ４２（以下、ＰＭフィルタ４２と呼ぶ場合がある）と、を有する。ＰＭフィルタ４２は、ＮＯＸ触媒４４より上流側に配置されている。
【００２７】
ＮＯＸ触媒４４には、吸蔵還元型ＮＯＸ触媒、選択還元型ＮＯＸ触媒等が用いられる。吸蔵還元型ＮＯＸ触媒は、排ガスの空燃比が所定値（典型的には理論空燃比）よりリーンの時にＮＯＸを吸蔵し、排ガス中の理論空燃比又はリッチ時（酸素濃度が低い時）に吸蔵したＮＯＸを放出し、排ガス中に含まれている未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）と還元反応せしめることで、Ｎ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＯ２に浄化するものである。選択還元型ＮＯＸ触媒は、排ガスの空燃比がリーンという条件下で、排ガス中のＨＣ、ＮＯＸを定常的に且つ同時に反応せしめることで、Ｎ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２に浄化するものである。
【００２８】
吸蔵還元型ＮＯＸ触媒を構成する材料は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金のような貴金属と、ＮＯＸ吸蔵成分とが担持されたもの等が用いられる。ＮＯＸ吸蔵成分は、例えばアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類元素から少なくとも１つを選択したものである。選択還元型ＮＯＸ触媒を構成する材料は、ゼオライトまたはアルミナ等の基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニア／バナジウム触媒（Ｖ２Ｏ５／ＷＯ３／ＴｉＯ２）を担持させたもの等が用いられる。
【００２９】
ディーゼルエンジンは、通常リーン条件で運転している。そのため、ＮＯＸ触媒４４においてＮＯＸ還元等を行うには、ＮＯＸ触媒４４に流入するガスを理論空燃比またはリッチ条件にする必要がある。そこで、ＮＯＸ触媒４４によるＮＯＸの浄化等においては、空燃比を一時的に理論空燃比又はリッチ条件にする空燃比制御が行われる。空燃比制御では、排気行程より前に燃料をシリンダ１８内に供給するか、排気燃料噴射弁３８により排ガス中へ燃料を供給することで、排気中の空燃比を小さくするようにしている。具体的には、燃料タンク（不図示）内の燃料が燃料ポンプ（不図示）により吸引され、吸引された燃料が排気燃料噴射弁３８へ供給され、排気燃料噴射弁３８の開弁により、燃料が噴射される。そして、排気燃料噴射弁３８から噴射された燃料は、排ガスとともにＰＭフィルタ４２及びＮＯＸ触媒４４へ供給される。これにより、ＮＯＸ触媒４４上での還元反応が実現される。
【００３０】
硫黄被毒の影響を受け易い触媒としては、吸蔵還元型ＮＯＸ触媒が知られている。吸蔵還元型ＮＯＸ触媒は、ＮＯＸを吸蔵する際に、燃料や潤滑油に由来する硫黄成分から生成されるＳＯＸも吸蔵する性質がある。一方で、吸蔵還元型ＮＯＸ触媒の吸蔵量には限界があるため、ＳＯＸ吸蔵量が多くなれば、ＮＯＸ吸蔵量の低下（硫黄被毒）をまねくようになる。従って、吸蔵還元型ＮＯＸ触媒がＳＯＸの吸蔵によって、ＮＯＸの吸蔵に支障をきたす前に、ＳＯＸを捕集する必要がある。そこで、本実施形態では、ＮＯＸ触媒４４の上流側に、ＳＯＸを捕集する硫黄酸化物捕集材を備えたＰＭフィルタ４２を配置し、ＮＯＸ触媒４４の硫黄被毒を抑制する。特に、ＮＯＸ触媒４４に吸蔵還元型ＮＯＸ触媒が用いられる場合には、本実施形態の排気浄化装置が好適である。
【００３１】
ＰＭフィルタ４２は、コージェライト等のセラミックス材の表面にアルミナ等の担持層でコーティングされた多孔質構造体であり、多孔質構造体に硫黄酸化物を捕集する硫黄酸化物捕集材が担持されたものである。ＰＭフィルタ４２の機能は、後で詳述するが、排ガス中のＰＭは、ＰＭフィルタ４２を通過する際に、ＰＭフィルタ４２内の多数の細孔に捕集される。一方、細孔を通過してしまうガスのうち硫黄酸化物は、硫黄酸化物捕集材によって捕集される。これにより、ＮＯＸ触媒４４の硫黄被毒を抑制することができる。
【００３２】
ＰＭフィルタ４２は、硫黄酸化物捕集材が担持された多孔質構造体であればその構造は特に制限されるものではないが、ＰＭ及び硫黄酸化物の捕集率等の点で、内燃機関本体１０から排出される排ガスが流入する流入口と、排ガスを排出する排出口と、流入口と連通する流入通路と、排出口と連通する排出通路と、流入通路と排出通路とを区画するガス透過性の隔壁とを有し、隔壁の排出通路側に硫黄酸化物捕集材が担持されている構成とすることが好ましい。以下、その具体例について説明する。
【００３３】
図２は、本実施形態に用いられるＰＭフィルタの構成の一例を示す縦断面模式図である。図３は、本実施形態に用いられるＰＭフィルタの構成の一例を示す横断面模式図である。図２，３に示すように、ＰＭフィルタ４２は、排ガスが流入する流入口５４と連通する流入通路５６と、排ガスを排出する排出口５８と連通する排出通路６０とが、流入通路５６と排出通路６０とを区画するガス透過性の隔壁６２を介して複数形成され、流入通路５６と排出通路６０とが格子状に形成されているものである。すなわち、ＰＭフィルタ４２は、流入通路５６と排出通路６０とが交互に配置され、ＰＭフィルタ４２の一方の端面では、排出通路６０の流入口が塞がれ、他方の端面では、流入通路５６の流出口が塞がれている構成となっている。そして、ＰＭフィルタ４２には、硫黄酸化物捕集材が少なくとも隔壁６２の排出通路６０側に担持されている。ここで、隔壁６２の排出通路６０側とは、排出通路６０に面する隔壁表面又は隔壁の内部である。すなわち、硫黄酸化物捕集材は、少なくとも排出通路６０に面する隔壁表面又は隔壁の内部に担持されている。
【００３４】
図２，３に示したように、上記構成によって、流入口５４から流入した排ガスは、流入通路５６を通って、必ず一度は隔壁６２を通過し、排出通路６０を通って排出口５８から排出されることとなる。図４は、ＰＭフィルタの隔壁内部の構成の一例を示す模式図である。図４に示すように、隔壁６２は、セラミックス材６４により形成されており、硫黄酸化物捕集材６６は、排出通路６０に面する隔壁表面及び内部のセラミックス材６４に担持されている。隔壁６２には、排ガスを通過させることはできるが、ＰＭを通過させることはできない細孔が無数に形成されているため、排ガスが隔壁６２を通過する際に、排ガス中のＰＭは隔壁６２の細孔に捕集され、主に流入通路５６に面する隔壁表面に堆積される。そして、ＰＭが取り除かれた排ガスが排出通路６０を通る際に、排出通路６０に面する隔壁表面及び内部に担持された硫黄酸化物捕集材６６によって、排ガス中の硫黄酸化物が捕集される。このように、上記構成のＰＭフィルタ４２をＮＯＸ触媒４４の上流側に配置した排気浄化装置１６は、ＮＯＸ触媒４４に硫黄酸化物が流入することを抑制し、硫黄被毒の発生を抑えることができる。
【００３５】
硫黄酸化物捕集材６６は、硫黄酸化物を捕集することができる物質であれば特に制限されるものではないが、例えば、カリウム、ナトリウム、リチウム、セシウムのようなアルカリ金属、バリウム、カルシウムのようなアルカリ土類金属、ランタン、イットリウムのような希土類元素のうちの少なくとも１種又はそれらのうち少なくとも１種から選択される塩基性物質、特にそれらのうち少なくとも１種から選択される酸化物等が挙げられる。また、例えば、特開２００４−５８０５４号公報、独国特許発明第１９７５３５７３号明細書等に記載の公知の硫黄酸化物捕集材であってもよい。硫黄酸化物の捕集率、担持作業の容易性等の点で、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類元素のうちの少なくとも１種から選択される塩基性物質、特にそれらのうち少なくとも１種から選択される酸化物であることが好ましい。また、硫黄酸化物の捕集温度範囲が広い点で、Ｂａ酸化物がより好ましい。また、硫黄酸化物捕集材６６の担持方法は、特に制限されるものではなく、例えば、アルカリ金属等を溶媒に溶かしてペースト化したものを隔壁６２にコーティングしてもよいし、アルカリ金属等をガスとともにＰＭフィルタ４２内に供給し、隔壁６２に担持させるものであってもよい。
【００３６】
図５は、ＰＭフィルタの隔壁内部の他の構成の一例を示す模式図である。図５に示すように、本実施形態のＰＭフィルタ４２には、少なくとも隔壁６２の流入通路５６側にＰＭ又は未燃燃料成分を酸化する酸化触媒６８が担持されていることが好ましい。ここで、隔壁６２の流入通路５６側とは、流入通路５６に面する隔壁表面又は隔壁の内部である。すなわち、酸化触媒６８は、少なくとも流入通路５６に面する隔壁表面又は隔壁の内部に担持されていることが好ましい。酸化触媒６８としては、例えば、ＰＭ及び未燃燃料成分を酸化することができる白金等の貴金属触媒等が挙げられる。
【００３７】
上記でも説明したように、ＰＭフィルタ４２の流入口５４から流入した排ガスは、流入通路５６を通って、隔壁６２を通過する。そして、排ガスが隔壁６２を通過する際に、排ガス中のＰＭは、隔壁６２の細孔に捕集され、主に流入通路５６に面する隔壁６２表面に堆積される。本実施形態のように、流入通路５６に面する隔壁表面又は内部に貴金属触媒等の酸化触媒６８を担持させることによって、主に流入通路５６に面する隔壁６２表面に堆積したＰＭを酸化することができる。特に、ＰＭの再生制御時等では、触媒上での未燃燃料成分の酸化に伴う発熱により、ＰＭが堆積した酸化触媒周囲の温度を上昇させ、堆積したＰＭの酸化を促進させることができる。そして、ＰＭを酸化させて、二酸化炭素（ＣＯ2）等として排出することで、ＰＭフィルタ４２及びＮＯＸ触媒４４でのＰＭによる目詰まりを防止することができる。
【００３８】
本実施形態の排気浄化装置１６では、最上流側にＰＭフィルタ４２を配置させているが、ＮＯＸ触媒４４より上流側にＰＭフィルタ４２を配置させていればよく、ＰＭフィルタ４２の上流側（又は下流側でもよい）に、例えば、排ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化する酸化触媒を設けてもよい。
【００３９】
ＰＭフィルタ４２に設けられた酸化触媒６８によるＰＭの酸化反応は、主にＮＯ２＋Ｃ→ＮＯ＋ＣＯ、２ＮＯ２＋Ｃ→２ＮＯ＋ＣＯ２、および２ＮＯ２＋２Ｃ→Ｎ２＋２ＣＯ２である。従って、ＮＯを酸化する酸化触媒をＰＭフィルタ４２の上流側に配置させることにより、ＰＭフィルタ４２に供給される前の排ガス中のＮＯ２が増加し、ＰＭフィルタ４２に捕集されたＰＭが、ＰＭフィルタ４２に設けられた酸化触媒６８により除去され易くなる。その結果、ＰＭフィルタ４２にＰＭが堆積し、目詰まりすることを抑制することができる。
【００４０】
排ガス中のＮＯをＮＯ２に酸化する酸化触媒としては、アルミナ等の触媒担持層に白金、パラジウム等の触媒成分を担持させたもの等が用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施形態に係る排気浄化装置を備える内燃機関の構成の一例を示す模式図である。
【図２】本実施形態に用いられるＰＭフィルタの構成の一例を示す縦断面模式図である。
【図３】本実施形態に用いられるＰＭフィルタの構成の一例を示す横断面模式図である。
【図４】ＰＭフィルタの隔壁内部の構成の一例を示す模式図である。
【図５】ＰＭフィルタの隔壁内部の他の構成の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  内燃機関、１０  内燃機関本体、１２  ターボチャージャ、１４  排ガス再循環装置、１６  排気浄化装置、１８  シリンダ、２０  インテークマニホールド、２２  インテークパイプ、２４  吸気通路、２６  エキゾーストマニホールド、２８  エキゾーストパイプ、３０  排気通路、３２  エアクリーナー、３４  コンプレッサホイール、３６  インタークーラ、３８  排気燃料噴射弁、４０  タービンホイール、４２  粒子状物質フィルタ、４４  ＮＯＸ触媒、４６  燃料噴射弁、４８  連通管、５０  ＥＧＲクーラ、５２  ＥＧＲバルブ、５４  流入口、５６  流入通路、５８  排出口、６０  排出通路、６２  隔壁、６４  セラミックス材、６６  硫黄酸化物捕集材、６８  酸化触媒。
【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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