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JP3933015B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排ガスに含まれるパティキュレート（ＰＭ）やＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等の排ガス成分を低減する排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（ＰＭ）と、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等の排ガス成分とを同時に低減するための技術が種々提案，開発されている。
このうち、ＰＭを低減する技術としては、排気通路の途中にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ又は単にフィルタという）を設け、このフィルタでＰＭを捕集するようにした技術が一般に広く知られている。
【０００３】
また、排ガス成分を低減する技術としては、酸化雰囲気下でＮＯｘを浄化できるようにしたリーンＮＯｘ触媒が開発されており、リーンＮＯｘ触媒としては、吸蔵型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＯｘ吸蔵触媒又は単にＮＯｘ触媒という）が広く知られている。ＮＯｘ吸蔵触媒では、酸化雰囲気では排気中のＮＯｘが吸蔵（トラップ）され、酸素濃度が低下すると吸蔵されたＮＯｘが放出還元されるようになっており、ＮＯｘ吸蔵触媒から放出されたＮＯｘの殆どが、エンジンから排出された未燃ＨＣ，ＣＯにより無害なＮ2 へと還元されてから大気へと排出される。
【０００４】
また、リーンな空燃比での運転が続くとＮＯｘ吸蔵触媒はこれ以上ＮＯｘを吸蔵できない飽和状態となるため、一般にタイミングを見計らって空燃比を一時的に強制的にリッチにする制御（ＮＯｘパージ制御又はリッチスパイク制御という）が実行される。そして、このようなＮＯｘパージ制御により、排気中の酸素濃度を低下させてＮＯｘ吸蔵触媒から放出させ、これにより、再びＮＯｘを吸蔵しうる状態にＮＯｘ吸蔵触媒を再生するのである。
【０００５】
また、上述以外にも、ＮＯｘ吸蔵触媒をフィルタに担持させ、ＮＯｘ吸蔵触媒の再生処理後にフィルタの再生処理をすることにより、ＮＯｘ触媒再生時の反応熱を有効利用してフィルタ再生時に必要とする熱量を節減する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２７２２９８７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、フィルタの再生時には、極力低温でＰＭを燃焼させたいという要望がある。これは、高温でＰＭを燃焼させるとフィルタが熱劣化し、さらにはフィルタ自体が溶損する可能性があるからである。しかしながら、上記の特許文献１に開示された技術では、フィルタの再生温度、即ちＰＭの燃焼温度を低下させることは一切考慮されていない。
【０００８】
一方で、ＰＭの燃焼温度を低下させる手法として、フィルタにアルカリ金属（特に、カリウム）を担持させる手法が一般に知られており、大きな燃焼温度低下効果が得られる。このため、上記特許文献１に開示された技術にアルカリ金属を添加して燃焼温度の低下を図ることが考えられるが、この場合は、アルカリ金属がＮＯｘ触媒に含有される貴金属の酸化力を低下させてしまい、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能が低下するという課題が生じる。このため、パティキュレート浄化性能の向上とＮＯｘ浄化性能の向上とを両立させることができない。
【０００９】
つまり、アルカリ金属はＰＭの酸化能力（ＰＭ浄化能力）が高い反面、ＮＯｘ触媒と共存させるとＮＯｘ吸蔵能力を低下させてしまうのである。これはアルカリ金属の電気陰性度が高いことによりアルカリ金属によりフィルタに担持されたＰｔの活性（酸化力）が低下するためであると考えられる
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能力を低下させることなく、フィルタに捕集されたＰＭを極力低温で燃焼できるようにした、内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の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に設けられ排気中のパティキュレートを捕集するウォールフロー式のパティキュレートフィルタと、上記パティキュレートフィルタの捕集壁の上流側に担持され、カリウムを含み且つ貴金属を含まないアルカリ金属系触媒と、上記パティキュレートフィルタの捕集壁の下流側に担持され、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸収し排気中の酸素濃度が低下するとＮＯｘを放出還元するとともに、カリウムを含まずバリウム及び白金を含む吸蔵型ＮＯｘ触媒とを備えたことを特徴としている。
【００１１】
したがって、パティキュレートフィルタの捕集壁上流側に貴金属を含まないアルカリ金属系触媒を担持させることにより、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートをアルカリ金属系触媒の作用により低温で燃焼させることができ、フィルタの再生性能、ひいてはパティキュレート浄化性能が向上する。
また、パティキュレートフィルタの捕集壁下流側に吸蔵型ＮＯｘ触媒を担持させることにより、排気中のＮＯｘが効率良く浄化される。さらに、アルカリ金属系触媒と吸蔵型ＮＯｘ触媒とをパティキュレートフィルタ捕集壁の上流側と下流側とに分けて担持させるため、両者が相互に悪影響を及ぼすことがなく、総合的な排ガス性能が効果的に向上する。
【００１２】
なお、上記アルカリ金属系触媒はカリウムを含み、上記吸蔵型ＮＯｘ触媒はカリウムを含まずバリウム及び白金を含んでいる。カリウムはパティキュレートの燃焼開始温度を低下させる効果が高く、このためパティキュレートの燃焼が促進される。また、バリウムは低温域でのＮＯｘ吸蔵性能に優れ白金は低温活性に優れる貴金属であるので比較的排気温度が低い領域で効率良くＮＯｘが浄化される。
【００１３】
また、上記吸蔵型ＮＯｘ触媒に供給される排気の酸素濃度を定期的に低下させるＮＯｘパージ制御を実行するように構成してもよい。そして、このようなＮＯｘパージ制御を実行することにより、パティキュレート浄化性能が向上する。
さらには、上記パティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒を設けて構成してもよい。このように構成した場合、排気中のＳＯＦ分が酸化触媒により燃焼し易くなりパティキュレートの浄化性能が一層向上する。酸化触媒はフィルタとは別にフィルタ上流に配置するため、アルカリ金属系触媒が酸化触媒に悪影響を与えることがない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の一実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置について説明すると、図１はその全体構成を示す模式図、図２はその要部構成を示す模式図であって、（ａ）はディーゼルパティキュレートフィルタ内を示す模式的な断面図、（ｂ）はその捕集壁を拡大して示す模式的な断面図、図３，図４はいずれもその作用を説明するための図、図５は（ａ），（ｂ）ともその変形例について説明する図である。
【００１５】
図１において、符号１は内燃機関（エンジン）であって、本実施形態では公知のコモンレール式燃料噴射装置１０を備えた直噴式のディーゼルエンジンが適用されている。
また、このエンジン１は、排ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ装置６を備えている。このＥＧＲ装置６は、主に吸気通路４と排気通路５とを連通するＥＧＲ通路６ａと、上記ＥＧＲ通路６ａに設けられ還流される排ガス（ＥＧＲガス）の流量を制御するＥＧＲ弁６ｂと、上記ＥＧＲ弁６ｂの作動状態を制御するＥＧＲ制御手段（図示省略）とにより構成されている。
【００１６】
また、ＥＧＲ制御手段はエンジン１を総合的に制御するコントローラ（ＥＣＵ）１１の一部としてＥＣＵ１１内に機能要素として構成されている。また、ＥＣＵ１１では、図示しない種々のセンサ類から検出信号に基づきエンジン１の運転状態を判定するようになっており、上記ＥＧＲ制御手段では、ＥＣＵ１１で判定されたエンジン１の運転状態に応じて、ＥＧＲ弁６ｂへの制御信号を出力するようになっている。
【００１７】
また、エンジン１の排気通路５には上流側から順に酸化触媒２及びディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタ又はＤＰＦという）３が配設されている。
このうち酸化触媒２は、ＨＣをＨ2 ＯやＣＯ2 に酸化したり、ＣＯをＣＯ2 に酸化したり、ＰＭ中のＳＯＦを酸化させてＰＭの燃焼を容易にしたりするものである。
【００１８】
また、フィルタ３は、排ガス中のＰＭを捕集してＰＭの低減を図る機能と、ＮＯｘを吸蔵還元する機能とを有している。このうち、まずＰＭを捕集する機能について説明すると、フィルタ３は、図２（ａ）に示すように、一端側（排気上流端側）が開口し他端側（排気下流端側）が閉塞された第１流路３１と、上述とは逆に一端側が閉塞され他端側が開口する第２流路３２とを互いに隣接させて構成されたウォールフロー式パティキュレートフィルタとして構成されている。
【００１９】
また、フィルタ３の担体は、例えばコージェライトやＳｉＣ等の多孔質の素材により形成されており、このため排ガスは各流路３１，３２の壁部（捕集壁）３３を通過することができるようになっている。これにより、エンジン１から排出された排ガスは、第１流路３１に流入した後、フィルタ３の壁部３３を通って隣接する第２流路３２に流入してフィルタ３から排出されるようになっている。そして、排ガスが壁部３３を通り抜ける際に、壁部３３においてＰＭが捕集されるようになっている。
【００２０】
次に、ＮＯｘの吸蔵還元機能について説明すると、図２（ｂ）に示すように、フィルタ３の壁部３３の下流側の壁面（第２流路３２側に露出する壁面）３３ｂには、ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵触媒）７が担持されている。このＮＯｘ触媒７は、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸収するとともに、排気中の酸素濃度が低下する（リッチ又はストイキオになる）とＮＯｘを放出還元する吸蔵型のＮＯｘ触媒７であって、カリウムを含まずアルカリ土類金属（バリウム）と白金（Ｐｔ）とを含んで構成されている。
【００２１】
ここで、これらの金属の特性について簡単に説明すると、白金は比較的低温で活性化するのでディーゼルエンジンに適しており、また、バリウム等のアルカリ土類金属は、低温でのＮＯｘ吸蔵能力がアルカリ金属に比べて高く使用温度帯がディーゼルエンジンに適しているほか、白金に悪影響を与えないという利点がある。なお、カリウム（アルカリ金属）は電気陰性度が高く白金の活性を低下させるため、このＮＯｘ触媒７には用いられていない。
【００２２】
一方、フィルタ３の上流側の壁面（第１流路３１側に露出する壁面）３３ａには、アルカリ金属系の触媒８が担持されている。このアルカリ金属系触媒８は白金等の貴金属を含まず、主にカリウムを含んで構成されている。これにより、排ガス中のＰＭは上記捕集壁３３の上流側壁面３３ａにおいて捕集されるとカリウムの酸化作用により燃焼する。なお、アルカリ金属の担持量は金属換算で１〜５０ｇ／Ｌ程度が好ましい。
【００２３】
ここで、カリウムはＰＭの酸化能力（ＰＭ浄化能力）が高く、また、図３に示すように、カリウムはＰＭ酸化時（燃焼時）における燃焼開始温度が低く、フィルタ３への熱影響が非常に少ないという利点がある。しかしながら、従来はカリウムとＮＯｘ触媒７を共存させると、カリウムがＮＯｘ触媒７の白金に対して悪影響を及ぼしＮＯｘ吸蔵能力の低下を招いていた。
【００２４】
これに対して、本実施形態では、カリウムを含むアルカリ金属系触媒８と白金を含む吸蔵型ＮＯｘ触媒７とをフィルタ３の捕集壁３３の上流側と下流側とに分けて担持させることにより、両者が相互に悪影響を及ぼすことがなく、ＮＯｘ吸蔵能力とＰＭの酸化能力とをともに向上させることができる。
なお、本実施形態では、ＮＯｘ触媒７及びアルカリ金属触媒８は、いずれも捕集壁３３の壁面に塗布することにより担持されたものであって、例えば各触媒を粉体にしてフィルタ３の一方の側からＮＯｘ触媒７をフィルタ３内に流し、その後フィルタ３の他方からアルカリ金属触媒８をフィルタ３内に流すことにより、捕集壁３３の各面３３ａ，３３ｂに担持されるようになっている。また、これ以外にも、一方の触媒を液体状にして捕集壁３３に含浸させ、その後他方の触媒をフィルタの一方の側から流して捕集壁の片方の面に他方の触媒を担持させてもよい。この場合、捕集壁３３の断面は、図５（ａ）や図５（ｂ）に示すような状態となる。また、上記各触媒７，８をフィルタ３に担持させる手法については、上記のものに限定されるものではなく、種々の手法が適用可能である。
【００２５】
ところで、ＥＣＵ１１にはＮＯｘパージ制御手段（図示省略）が設けられており、ＮＯｘ触媒７に吸蔵されたＮＯｘが所定量に達すると、ＥＣＵ１１のＮＯｘパージ制御手段では、ＮＯｘを還元する目的で空燃比を一時的にリッチとリーンとに切り換えるＮＯｘパージ制御（エンジンモジュレーション）を行なうようになっている。
【００２６】
このようなエンジンモジュレーション実行時には、上述のＥＧＲ制御手段によりＥＧＲ弁６ｂを全開又は所定開度にするとともに吸気絞り弁１２を絞って排ガスに占める吸気（空気）の割合を低下させることにより空燃比をリッチ化する制御と、ＥＧＲ弁６ｂを閉じ側にするとともに吸気絞り弁１２を全開にして空燃比をリーン化する制御とを繰り返し実行するようになっている。
【００２７】
これは、このようなエンジンモジュレーションを行なうことで、ＮＯｘ触媒７を再生することができるほか、図４に示すように、エンジンモジュレーションを実行しない場合に比べて、フィルタ３のＰＭの浄化能力も大幅に向上するからである。このようなエンジンモジュレーションによるＰＭ浄化能力の大幅な向上は、本願発明者により見出されたものであり、主に以下の理由により、ＰＭ浄化性能が向上すると考えられる。
▲１▼アルカリ金属によるＰＭ酸化活性の促進
▲２▼ＮＯｘの吸脱着過程におけるＮＯ2 によるＰＭ酸化促進
▲３▼ＳＯＦの燃焼にともなうＰＭ酸化促進
このうち、▲１▼はアルカリ金属の電気的な状態（電気陰性度が高い）が影響しているものと思われる。また、▲２▼はＮＯｘ触媒７におけるＮＯｘの吸脱着が生じる際の反応の影響、もしくは活性酸素の影響ではないかと考えられる。また、▲３▼はリーンリッチ切り換え運転（エンジンモジュレーション）に起因しているものと考えられる。
【００２８】
本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置は、上述のように構成されているので、エンジン１から排出された排ガスは、排気通路５を通って、まず酸化触媒２に流入する。そして、この酸化触媒２において、排ガス中のＨＣやＣＯが無害なＣＯ2 やＨ2 Ｏに酸化されるとともに、排気中のＳＯＦ分が酸化作用により燃焼し易い状態となる。
【００２９】
また、その後排ガスはフィルタ３に流入する。ここで、排ガスは上流側が開口した第１流路３１に流入し、捕集壁３３を通過して第２流路３２に流入する。そして、この捕集壁３３を通過する際に排ガス中のＰＭが捕集される。
そして、捕集されたＰＭは、捕集壁３３の上流側に担持されたアルカリ金属系の触媒８の作用により酸化（燃焼）される。特にアルカリ金属触媒８はカリウムを含んでいるので、比較的低温（３５０〜３７０℃程度）でＰＭの酸化（燃焼）が行なわれる（図３参照）。したがって、フィルタ３に対する熱影響を極力低減することができ、フィルタ３の熱劣化を抑制することができる。これにより、フィルタ３の再生能力、ひいてはＰＭの浄化性能が向上する。
【００３０】
また、ＰＭが捕集された後、捕集壁３３の下流側に担持されたＮＯｘ触媒７により排ガス中のＮＯｘが吸蔵される。ここで、ＮＯｘ触媒７はバリウムと白金とを含んでいるのでＮＯｘが効率良く浄化される。つまり、バリウムは低温域でのＮＯｘ吸蔵能力に優れ、白金は低温活性に優れるという特性を有しているため、比較的排気温度が低い領域で効率良くＮＯｘを浄化することができる。
【００３１】
また、一般にカリウムはパティキュレートの燃焼開始温度を低下させる効果が高い反面、白金の酸化力を低下させるという問題があったが、本実施形態では、カリウムと白金とをパティキュレートフィルタ３の捕集壁３３の上流側と下流側とにそれぞれ分けて担持しているので、カリウムによる白金への悪影響を回避できる利点がある。
【００３２】
一方、ＮＯｘ触媒７におけるＮＯｘ吸蔵量が所定値以上となると、エンジン１の空燃比をリッチとリーンとに交互に切り換えるエンジンモジュレーションが実行される。これは、本来はＮＯｘ触媒７におけるＮＯｘ吸蔵量がこれ以上吸蔵できなくなった場合にＮＯｘを放出，還元するために実行されるものであって、このようなエンジンモジュレーションを実行することにより、ＮＯｘ触媒７を再生することができる。さらには、エンジンモジュレーションを実行することで、エンジンモジュレーションをしない場合よりもＰＭの浄化効率を大幅に向上させることができるという利点もある（図４参照）。
【００３３】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上述では、ＮＯｘ吸蔵量が所定量以上となった場合にエンジンモジュレーションを行なうようになっているが、これ以外にも、例えば前回のエンジンモジュレーション終了時からのエンジン運転時間をカウントして、所定時間経過した時点でエンジンモジュレーションを実行するようにしてもよい。また、酸化触媒を廃止したり、エンジンモジュレーションを省略したりしても良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１に係る本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、パティキュレートフィルタの捕集壁上流側に貴金属を含まないアルカリ金属系触媒を担持させるため、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートをアルカリ金属系触媒の作用により低温で燃焼させることができ、パティキュレートフィルタの再生性能、ひいてはパティキュレート浄化性能を向上させることができる。
【００３５】
また、パティキュレートフィルタの捕集壁下流側に吸蔵型ＮＯｘ触媒が担持されるため、排気中のＮＯｘを効率良く浄化できる。そして、アルカリ金属系触媒と吸蔵型ＮＯｘ触媒とをパティキュレートフィルタ捕集壁の上流側と下流側とに分けて担持するため、両者が相互に悪影響を及ぼすような事態を未然に防止することができ、総合的な排ガス性能を効果的に向上させることができる。
【００３６】
また、カリウムはパティキュレートの燃焼開始温度を低下させる効果が高いので、パティキュレートの燃焼を促進してパティキュレートの浄化性能を効果的に向上できる。また、バリウムは低温域でのＮＯｘ吸蔵性能に優れ白金は低温活性に優れる貴金属であるので比較的排気温度が低い領域で効率良くＮＯｘを浄化できる。特に、カリウムはパティキュレートの燃焼開始温度を低下させる効果が高い反面、白金の酸化力を低下させる問題があるが、カリウムと白金とをパティキュレートフィルタの捕集壁の上流側と下流側とに分けて担持しているので、カリウムによる悪影響を効果的に防止できる。
【００３７】
また、請求項２に係る本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、定期的に空燃比をリーンとリッチとの間で切り換えるようなＮＯｘパージ制御（エンジンモジュレーション）を実行することにより、パティキュレートフィルタの浄化性能がさらに向上する利点がある。
また、請求項３に係る本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気中のＳＯＦ分が酸化触媒により燃焼し易くなりパティキュレートの浄化性能が一層向上する利点があるほか、酸化触媒をパティキュレートフィルタとは別にフィルタ上流に配置するため、アルカリ金属系触媒が酸化触媒に悪影響を与えることがないという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の要部構成を示す模式図であって、（ａ）はディーゼルパティキュレートフィルタ内を示す模式的な断面図、（ｂ）はその捕集壁を拡大して示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の作用を説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の作用を説明するための図である。
【図５】（ａ），（ｂ）とも本発明の一実施形態にかかる内燃機関の排気浄化装置の変形例について説明する図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
２ 酸化触媒
３ フィルタ（パティキュレートフィルタ）
７ ＮＯｘ触媒（吸蔵型ＮＯｘ触媒）
８ アルカリ金属系触媒
１１ ＥＣＵ
３３ 捕集壁

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられ排気中のパティキュレートを捕集するウォールフロー式のパティキュレートフィルタと、
    上記パティキュレートフィルタの捕集壁の上流側に担持され、カリウムを含み且つ貴金属を含まないアルカリ金属系触媒と、
    上記パティキュレートフィルタの捕集壁の下流側に担持され、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯｘを吸収し排気中の酸素濃度が低下するとＮＯｘを放出還元するとともに、カリウムを含まずバリウム及び白金を含む吸蔵型ＮＯｘ触媒とを備えた
    ことを特徴とする、内燃機関の排気浄化装置。
  2. 上記吸蔵型ＮＯｘ触媒に供給される排気の酸素濃度を定期的に低下させるＮＯｘパージ制御を実行するＮＯｘパージ制御手段を有する
    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。
  3. 上記パティキュレートフィルタの上流側に酸化触媒が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の排気浄化装置。
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