JP2018062882A - 排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】選択還元触媒の所定活性温度に達するまでの低排気温度時のＮＯｘ排出量を十分に低減することのできる排気浄化システムを提供する。
【解決手段】内燃機関の排気管中に排出される排気中のＮＯｘを酸素共存下で還元剤と反応させて無害化する選択還元触媒を備えた排気浄化システムであって、
前記排気管のうち前記選択還元触媒より上流側に位置する上流側排気管の内壁面部に、多孔を有する耐熱性担体層と、該耐熱性担体層に担持され、前記選択還元触媒によるＮＯｘ浄化率が許容範囲内に達し得る所定活性温度に対し低温側温度領域で前記排気中のＮＯｘを吸着する一方、前記低温側温度領域に対し相対的に高温側となる高温側温度領域で前記ＮＯｘを脱離させるＮＯｘ吸着触媒層と、が設けられていることを特徴とする排気浄化システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化システムに関し、特に車両に搭載される内燃機関からの排気中に大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれるときにそのＮＯｘを選択的に還元剤と反応させて無害化する排気浄化システムに関する。

内燃機関を搭載する車両、特にディーゼルエンジンが搭載されたトラックやバス等の商用車においては、エンジンから排出される排気中に尿素水を添加してアンモニアを生成し、排気中のＮＯｘを選択還元触媒（選択還元型のＮＯｘ触媒）により酸素共存下でアンモニアと反応させることにより無害化する排気浄化システムが多用されている。

この種の排気浄化システムとして、例えばエンジンから排気（排ガス）を酸化触媒に流入させて特定の大気汚染物質を酸化する一方で、その下流側の選択還元触媒に流入する排気が所定温度範囲内にあるときその流入ガス中に尿素系液体を適量供給してアンモニア（ＮＨ_３）を生成させ、そのアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを無害な窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）に変化させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この装置では、酸化触媒によりＮＯとＮＯ_２との構成比率を改善して、選択還元触媒による排気浄化の効率を高めるとともに、選択還元触媒を、活性温度領域が相対的に低い第１触媒層と活性温度領域が相対的に高い第２触媒層とにより構成することで、比較的広い排気温度範囲で排気浄化処理を実行するという処理パターンが採用可能である。

一方、小型の内燃機関を搭載する自動二輪車に搭載される排気浄化システムとして、内燃機関の排気ポートに近い上流側の排気管内に、パンチングメタル製の金属担体に酸化触媒または三元触媒を担持させた薄肉触媒を設けて、排気抵抗を抑えつつ浄化効率を高めるようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−１０６９１３号公報 特開平８−９３４６１号公報

しかしながら、上述のような従来の排気浄化システムにあっては、選択還元触媒がその活性化温度に達するまでの低排気温度時にＮＯｘ排出量を十分に低減できるものとはいえなかった。

また、選択還元触媒を有する排気浄化装置にＮＯｘ吸着触媒を追加して低排気温度時のＮＯｘ排出量を低減させることが考えられるが、その場合、ＮＯｘ吸着触媒の吸着サイトが制限されるためにＮＯｘを十分に吸着できないばかりか、ＮＯｘ吸着触媒に吸着されていたＮＯｘが触媒温度上昇時に一篇に脱離して選択還元触媒側に放出されてしまい、排気中のＮＯｘ濃度を変動させてしまうことが懸念されていた。

一方、ディーゼルエンジンが搭載された重車両等にあっては、コールドスタート時の排出ガス規制が導入される等、新たな排出規制値や試験法（例えば、国際統一試験法に基づく過渡試験サイクルＷＨＴＣ（World Harmonized Transient Cycle））を伴う形で、ＮＯｘ排出量の低減に関するより高度な要求が課される傾向にあり、トラックやバス等の商用車においては、低排気温度時のＮＯｘ排出量をより厳密に十分に低減することが重要な課題となってきている。

本発明は、このような未解決の課題を解決すべくなされたものであり、選択還元触媒の所定活性温度に達するまでの低排気温度時におけるＮＯｘ排出量を十分に低減することのできる排気浄化システムを提供することを目的とする。

本発明に係る排気浄化システムは、上記目的達成のため、内燃機関の排気管中に排出される排気中のＮＯｘを還元剤と反応させて浄化する選択還元触媒を備えた排気浄化システムであって、前記排気管のうち前記選択還元触媒より上流側に位置する上流側排気管の内壁面部に、多孔を有する耐熱性担体層と、該耐熱性担体層に担持され、前記選択還元触媒によるＮＯｘ浄化率が許容範囲内に達し得る所定活性温度に対し低温側温度領域で前記排気中のＮＯｘを吸着する一方、前記低温側温度領域に対し相対的に高温側となる高温側温度領域で前記ＮＯｘを脱離させるＮＯｘ吸着触媒層と、が設けられているものである。

この構成により、選択還元触媒が活性化温度に達するまでの低排気温度時には、低温側温度領域のＮＯｘ吸着触媒層によって上流側排気管内で排気中のＮＯｘが吸着され、選択還元触媒が活性化温度に達した後の高排気温度領域では、選択還元触媒に流入する排気に対してＮＯｘ吸着触媒層からＮＯｘが放出される。また、内燃機関の冷間始動時等にあっては、ＮＯｘ吸着触媒層が高温側温度領域に達するタイミングが内燃機関に近い上流側では相対的に早く、下流側では相対的に遅くなる。したがって、低排気温度時に低温側温度領域のＮＯｘ吸着触媒層によってＮＯｘが吸着されることで、ＮＯｘの排出が有効に抑制される一方、排気温度上昇時には、上流側から下流側へと徐々に高温側温度領域に達するＮＯｘ吸着触媒層によって排気中にＮＯｘが徐々に放出されることで、排気中にＮＯｘが一遍に放出されることがなく、選択還元触媒による効果的なＮＯｘの浄化処理が実行可能となる。

本発明の排気浄化システムにおいては、前記耐熱性担体層は、前記ＮＯｘ吸着触媒層を担持するコージライト（Cordierite）層を有している構成とすることができる。

また、前記耐熱性担体層は、前記ＮＯｘ吸着触媒層を少なくとも１つの筒形状に担持しているものであってもよい。

前記耐熱性担体層および前記ＮＯｘ吸着触媒層の下流側であって前記選択還元触媒より上流側に、前記排気中のＰＭを捕集するＰＭ捕集フィルタが設けられている構成としてもよい。

また、前記耐熱性担体層は、前記排気管に支持された金属製の支持層を有している構成とすることもできる。

本発明によれば、選択還元触媒の所定活性温度に達するまでの低排気温度時のＮＯｘ排出量を十分に低減することのできる排気浄化システムを提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る排気浄化システムの概略システム構成図である。 図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る排気浄化システムにおける耐熱性担体層およびＮＯｘ吸着触媒層が設けられた上流側排気管の内壁面部の部分縦断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＢ２−Ｂ２矢視断面図である。 図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）は、それぞれ図２（ａ）中の上流側排気管の内壁面部のIII部分の部分縦断面図で、互いに異なる４種類の層構造を模式的に示している。 本発明の第１の実施の形態に係る排気浄化システムにおける上流側排気管の内壁面部に設けられるＮＯｘ吸着触媒の温度に応じた最大ＮＯｘ吸着量の変化を示すグラフで、縦軸は、ＮＯｘ吸着触媒の単位体積当たりのＮＯｘ最大吸着量を示し、横軸は触媒温度を示している。 図５（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る排気浄化システムにおける上流側排気管の内壁面部の部分縦断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＢ５−Ｂ５矢視断面図である。 図６（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係る排気浄化システムにおける上流側排気管の内壁面部の部分縦断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中のＢ６−Ｂ６矢視断面図である。 図７（ａ）は、本発明の第４の実施の形態に係る排気浄化システムにおける上流側排気管の内壁面部の部分縦断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）中のＢ７−Ｂ７矢視断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施の形態）
図１ないし図４は、本発明の第１の実施の形態に係る排気浄化システムを示しており、本実施形態の排気浄化システムは、商用車、例えば大型トラックに搭載される。

まず、その排気浄化システムの構成について説明する。

図１に示す本実施形態の内燃機関の排気浄化システムは、内燃機関であるエンジン１０の排気系に装備されており、エンジン１０は、図示しない大型トラック（車両）を走行駆動する多気筒のディーゼルエンジンで構成されている。

このエンジン１０には、気筒１１ごとにインジェクタ１２が設けられるとともに、それら複数のインジェクタ１２に高圧燃料を供給するコモンレール１３および高圧燃料ポンプ１４が設けられている。

エンジン１０には、また、吸気装置２０および排気装置３０が装着されるとともに、排気ターボ過給機４０が装着されており、排気装置３０の一部として排気浄化システムの主要部をなす排気浄化装置５０が設けられている。なお、エンジン１０は、モータジェネレータと協働して車両を走行駆動するハイブリッド駆動式のパワーユニットを構成するものであってもよい。

吸気装置２０は、排気ターボ過給機４０のコンプレッサ部４１の入口側に接続された第１吸気管２１と、第１吸気管２１の上流側に設けられたエアクリーナ２２と、コンプレッサ部４１の出口に接続された第２吸気管２４と、第２吸気管２４に装着されカップリングファン１５や走行風で冷却されるインタークーラ２５と、第２吸気管２４の下流端部をエンジン１０の複数の吸気ポート部に接続する吸気マニホールド２７とを含んで構成されている。

排気装置３０は、排気ターボ過給機４０の排気タービン部４２の入口側に接続されるとともにエンジン１０の複数の排気ポートに接続された排気マニホールド３１と、排気ターボ過給機４０の排気タービン部４２の出口側に接続された排気管３２と、排気マニホールド３１から吸気マニホールド２７に接続する第２吸気管２４の下流端側に排気ガスの一部を還流させることができるＥＧＲパイプ３３およびＥＧＲバルブ３４と、ＥＧＲパイプ３３内を通る還流排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ３５と、を含んで構成されている。そして、排気装置３０の排気管３２の途中に排気浄化装置５０が配置されている。

排気ターボ過給機４０のコンプレッサ部４１は、第１吸気管２１から取り込まれる空気を加圧してエンジン１０に過給することができ、排気タービン部４２には、排気マニホールド３１側から流入する排気ガスの流入量を調節して過給圧を制御するためのＶＧＴ（可変ジオメトリターボ）アクチュエータ４３が装着されている。

排気浄化装置５０は、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction：選択触媒還元）方式とＤＰＦ（Diesel Particulate Filter：ディーゼル微粒子捕集）方式と組み合わせた一体型の触媒装置であり、排気管３２の途中に装着されている。この排気浄化装置５０より上流側に位置する上流側排気管３６内に、公知の燃料添加弁が設置されてもよい。なお、排気浄化装置５０よりさらに下流側の排気管３２には、図外の排気消音装置が装着されている。

排気浄化装置５０は、排気管３２に接続されその一部を形成するケース５１と、ケース５１内に収納された前段のディーゼル酸化触媒（以下、前段ＤＯＣという）５２と、前段ＤＯＣ５２の下流側に位置するＤＰＦ５３と、ＤＰＦ５３よりさらに下流側に位置する尿素ＳＣＲ触媒５４およびアンモニアストリップ防止触媒５５とを有している。

ケース５１は、排気管３２内の排気通路３２ａの一部を、略Ｓ字形の２回の折返し形状をなすように形成しており、その折返し前の上流側ケース部分５１ａ内に、前段ＤＯＣ５２およびＤＰＦ５３が収納されている。

前段ＤＯＣ５２は、ケース５１内に流入する排気中の水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化反応させて無害化するとともに、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して排気中の二酸化窒素（ＮＯ２）濃度をＮＯと同等程度に高めることができ、さらに、反応熱により排気をその排気中に浮遊する粒子状物質であるＰＭの自燃温度以上に加熱することができる。

ＤＰＦ５３は、高ＰＭ捕集率を有するウォールフロータイプのモノリス構造のＰＭ捕集フィルタとなっている。このＤＰＦ５３は、コージライト（Cordierite）等のセラミックからなる多孔質の担体で、排気通路３２ａの方向に延びつつ互いに並列するセル内の流路がＤＰＦ５３の上流端側で交互に目封じされ、ＤＰＦ５３の上流端側が目封じされていない流路についてはＤＰＦ５３の下流端側が目封じされている。そして、ＤＰＦ５３の複数の流路のうちＤＰＦ５３の上流端側で開口する上流側の流路とＤＰＦ５３の下流端側で目封じされた下流側の流路とを区画する多孔質のセル壁を透過した排気のみが、上流側の流路から隣接する下流側の流路に流れ、そのときＤＰＦ５３の多孔質のセル壁にＰＭが捕集されるようになっている。

尿素ＳＣＲ触媒５４およびアンモニアストリップ防止触媒５５は、下流側の排気通路３２ａの一部が２回の折返しをなすケース５１内のうち、その２回の折返しをなした後の下流側ケース部分５１ｂ内に収納されている。

さらに、上流側ケース部分５１ａと下流側ケース部分５１ｂとの間には、尿素水インジェクタ５６が装着されたミキシングパイプ５７が介装されており、ＤＰＦ５３を通過し集合した排気中に尿素水インジェクタ５６からディーゼル排気用流体（Diesel exhaust fluid）である尿素水が噴射されるようになっている。

この尿素水は、尿素水供給ポンプ５８によって尿素水タンク５９から汲み上げられて加圧され、尿素水インジェクタ５６の開弁時に排気中に添加されるようになっている。

ミキシングパイプ５７内で排気に混合される尿素水は、高温の排気中でアンモニアと炭酸ガスに分解され、下流側ケース部分５１ｂに入る際に排気通路３２ａが拡張および折返しされることで排気中に分散されるようになっている。

尿素ＳＣＲ触媒５４は、酸素共存下でも選択的にＮＯｘをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒であり、アンモニア（ＮＨ_３）と炭酸ガス（ＣＯ_２）が分散された排気が尿素ＳＣＲ触媒５４内に流入すると、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）がアンモニアにより還元されて窒素（Ｎ_２）になるとともに水（Ｈ_２Ｏ）が生成され、排気が浄化されるようになっている。

アンモニアストリップ防止触媒５５は、余剰のアンモニアを酸化処理して窒素と水にして無害化させることができ、大気中へ排出される排気中にアンモニアが残留することを有効に防止できるものである。

図２および図３に示すように、排気管３２（排気通路３２ａを形成する部材）のうち、排気浄化装置５０より上流側に位置する上流側排気管３６は、その主要長さ領域６０における吸着管部６１の内筒壁６１ａ（内壁面部）に、多数の微細孔を有する耐熱性担体層６２と、その耐熱性担体層６２に担持されたＮＯｘ吸着触媒層６３とを有している。

上流側排気管３６は、排気管３２内の排気通路３２ａのうち上流側の長い区間、例えば大型トラックの前後輪車軸間の離間距離の１／４以上の長い区間にわたって車両前後方向に延びている。そして、その主要長さ領域６０は、排気マニホールド３１の下流端から排気浄化装置５０のケース５１の入口までの上流側排気管３６の全長のうち、例えば半分以上の長さに及んでいる。

この主要長さ領域６０は、図２中では真直形状に示しているが、一般的な車両用内燃機関の排気管と同様な曲げ形状を有し得るものである。主要長さ領域６０の吸着管部６１の外筒壁６１ｂ（金属製の支持層）は、上流側排気管３６の上流端側部分３６ａおよび下流端側部分３６ｂに溶接等により一体に結合されている。吸着管部６１は、その直径（外径）に対する長さの比が、例えば５倍を超える管形状をなしている。

耐熱性担体層６２は、上流側排気管３６を形成する鋼管の素材に対して熱膨張係数が小さく、軽量で高温下での機械的強度にも優れた耐熱性の材料、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および二酸化珪素（ＳｉＯ_２：シリカ）の３成分を含むコージライト（Cordierite）で多孔質の層状に形成されている。すなわち、耐熱性担体層６２は、ＮＯｘ吸着触媒層６３を担持するコージライト層を有している。

この耐熱性担体層６２を形成するコージライトは、多数の所定粒径範囲内のコージライト粒の結合体であってもよいし、多数のコージライト繊維を含む結合体であってもよく、その他の筒状の多孔の芯部材を有するものであってもよい。ただし、耐熱性担体層６２は、上流側排気管３６の軸線方向に延びる少なくとも１つの筒形状をなしており、並列または直列に配置された複数、あるいは、同軸に配置された複数の筒形状を有していてもよい。

具体的には、耐熱性担体層６２は、例えば図３（ａ）に示すように、粗面化処理や溝加工その他の凹凸加工が施された外筒壁６１ｂの内周面６１ｃ側に吹付け等により固着されたコージライト層で形成されている。このコージライト層は、例えば顆粒状に造粒されたコージライトと樹脂バインダを混ぜたスラリーを外筒壁６１ｂの内周面側に吹付け等によりコーティングした後、吸着管部６１を昇温してコージライト層を焼成するとともに、樹脂バインダを脱脂したものである。

耐熱性担体層６２は、図３（ｂ）に示すように、パンチングメタル製の筒状芯部材６２ｈの内外周面および多孔部分に、コージライトおよび樹脂バインダを混ぜたスラリーをコーティングした後、吸着管部６１を昇温してコージライト層６２ｃを焼成するとともに、樹脂バインダを脱脂したものであってもよい。

また、耐熱性担体層６２は、図３（ｃ）に示すような耐熱性繊維（例えば金属繊維）の集合体である筒状芯部材６２ｉの多孔部分に、あるいは、図３（ｄ）に示すような耐熱性の網状の筒状芯部材６２ｊの多孔部分に、コージライトおよび樹脂バインダを混ぜたスラリーをコーティングした後、吸着管部６１を昇温してコージライト層を焼成するとともに、樹脂バインダを脱脂したものであってもよい。

図３（ａ）に部分拡大図で模式的に示すように、ＮＯｘ吸着触媒層６３は、耐熱性担体層６２の表面に担持されるだけでなく、耐熱性担体層６２の多孔内に入り込んで担持されている。

ＮＯｘ吸着触媒層６３は、例えば金属価数が低エネルギで変化し易い遷移元素と、酸素の吸収機能および放出機能を有する希土類元素とを含み、これらの相互作用によってＮＯｘを吸着できるものである。

このＮＯｘ吸着触媒層６３は、予め設定された所定活性温度ｔ_２（例えば、２００℃）に対して、低温側となる低温側温度領域で排気中のＮＯｘを吸着するようになっている。ここで、所定活性温度ｔ_２は、尿素ＳＣＲ触媒５４の活性化温度ｔ_０および尿素添加開始温度ｔ_１（例えば、１８０℃）以上の温度であって、下流側の尿素ＳＣＲ触媒５４によるＮＯｘの浄化率が予め設定された許容範囲内に入り得る状態に対応する触媒温度として設定されている。

低温側温度領域は、それぞれ所定活性温度ｔ_２より低温側を主要範囲とするが、所定活性温度ｔ_２あるいはその所定活性温度ｔ_２の近傍温度領域を含む温度領域である。そして、この低温側温度領域のうちＮＯｘが排出され得る状態に対応する低温側の特定吸着温度領域Ｒ_１（図４参照）においてＮＯｘ吸着触媒層６３の吸着活性が十分に高くなり、尿素ＳＣＲ触媒５４によるＮＯｘ浄化率が予め設定された許容範囲内に確実に到達するまで、ＮＯｘ吸着触媒層６３により排気中のＮＯｘが吸着され得るように設定されている。

なお、ＮＯｘ吸着触媒層６３は、エンジン１０の冷間始動時にＮＯｘが排出されるときの触媒温度でＮＯｘ吸着が可能であればよく、吸着開始温度ｔ_０を１５０℃未満の温度、例えば１００℃程度に設定することができる。また、吸着開始温度が比較的高く、低排気温度時にＮＯｘ吸着触媒層６３によりＮＯｘを十分な浄化率で浄化できない可能性がある場合、ＥＧＲバルブ３４を開弁させて排気の一部を還流させ、燃焼温度の低下によりＮＯｘの発生を抑えて所要の浄化率を確保することができる。

図４は、このようなＮＯｘ吸着触媒層６３の温度特性を示すグラフであり、同図中の縦軸は、ＮＯｘ吸着触媒層６３の単位体積（質量）当たりのＮＯｘ最大吸着量［ｍｏｌ／ｇ］を示し、横軸は、ＮＯｘ吸着触媒層６３の温度［℃］を示している。

同図に示すように、ＮＯｘ吸着触媒層６３は、所定活性温度ｔ_２に達したときのＮＯｘ最大吸着量Ａ_０［ｍｏｌ／ｇ］を基準に、前述の低温側の特定吸着温度領域Ｒ_１を含む低温側温度領域ではＮＯｘ最大吸着量が大きくなる一方、その低温側温度領域に対し相対的に高温側となる高温側温度領域、少なくともその特定脱離温度領域Ｒ２では、単位体積（単位質量）当たりのＮＯｘ最大吸着量［ｍｏｌ／ｇ］が温度上昇に応じて小さくなる吸着特性を有している。前述の高温側温度領域は、所定活性温度ｔ_２を超える温度領域である。

ＮＯｘ吸着触媒層６３は、尿素ＳＣＲ触媒５４によるＮＯｘ浄化率が許容範囲内に入り得る所定活性温度ｔ_２（例えば、２００℃）に対して、高温側となる高温側温度領域、例えば特定脱離温度領域Ｒ２に達すると、温度の上昇に応じてＮＯｘを脱離させて、排気浄化装置５０に流入する排気中にＮＯｘを放出することができるようになっている。

前述の特定脱離温度領域Ｒ２は、例えば所定活性温度ｔ_２を超える所定温度ｔ_３（例えば、２５０℃）以下の温度領域である。ＮＯｘ吸着触媒層６３は、尿素ＳＣＲ触媒５４によるＮＯｘ浄化率が許容範囲内に達し得る状態下で所定活性温度ｔ_２に達し、所定活性温度ｔ_２を超える触媒温度になると、ＮＯｘを脱離し始める。

一方、排気温度が中高温となってＮＯｘ吸着触媒層６３の温度が所定温度ｔ_３を超える段階では、燃焼温度の上昇に伴ってＮＯｘ排出濃度が高くなるのに加え、運転状態に応じてＮＯｘ排出濃度が変動し得る。そこで、尿素ＳＣＲ触媒５４が所要の浄化率を期待できる所定活性温度ｔ_２に達しているものの、所定温度ｔ_３を超える温度ｔ_４（例えば、３５０℃）以下の温度領域Ｒ_３（以下、高温側の特定吸着温度領域Ｒ_３という）にてＮＯｘを吸着し、その温度ｔ_４を超える温度領域でＮＯｘを脱離させることができる別のＮＯｘ吸着触媒（ＮＯｘ吸蔵触媒や炭化水素系の選択還元触媒の付加でもよい）をＮＯｘ吸着触媒層６３の一部として耐熱性担体層６２に担持させたり、排気通路３２ａ上の異なる区間に吸着温度領域の異なる複数種のＮＯｘ吸着触媒層６３を配置したりすることも考えられる。

排気浄化装置５０の上流側でＮＯｘ吸着触媒層６３が以上のようなＮＯｘ吸着機能および脱離機能を発揮する上流側排気管３６の主要長さ領域６０においては、エンジン１０の冷間始動時に、エンジン１０に近い上流側とエンジン１０から離れた下流側とで排気管３２の温度上昇に時間差が生じる。

そして、ＮＯｘ吸着触媒層６３は、排気管３２に支持されるとともに排気管３２に対し熱伝導率が小さいコージライトで形成された耐熱性担体層６２に担持されているので、ＮＯｘ吸着触媒層６３が高温側温度領域に達するタイミングも、エンジン１０に近い上流側では相対的に早く、エンジン１０から離れた下流側では相対的に遅くなる傾向がある。

したがって、エンジン１０の冷間始動に際し、尿素ＳＣＲ触媒５４が所定活性温度に達するまでの低排気温度時に、低温側温度領域のＮＯｘ吸着触媒層６３によってＮＯｘが吸着されることで、ＮＯｘの排出が有効に抑制される一方、排気温度上昇時には、上流側から下流側へと徐々に高温側温度領域に達するＮＯｘ吸着触媒層６３によって、上流側排気管３６内の排気（排気浄化装置５０に流入する排気）中にＮＯｘが徐々に放出されるようになっている。

次に、作用について説明する。

上述のように構成された本実施形態においては、上流側排気管３６およびその主要長さ領域６０が、排気管３２内の排気通路３２ａのうち上流側の長い区間にわたって車両前後方向に延びているので、排気浄化装置５０の上流側に位置する主要長さ領域６０の内筒壁６１ａ側にＮＯｘ吸着サイトが十分に確保されている。

そして、エンジン１０が冷間始動されると、エンジン１０の排気温度が所定温度以下となっている低排気温度時には、排気管３２内の排気通路３２ａのうち上流側排気管３６内で、低温側温度領域のＮＯｘ吸着触媒層６３が上流側から順次昇温して吸着開始温度に徐々に達していき、低温側温度領域のＮＯｘ吸着触媒層６３によって排気中のＮＯｘが吸着される。

一方、尿素ＳＣＲ触媒５４の活性化温度および尿素水インジェクタ５６による尿素添加開始温度ｔ_１に達した後の高排気温度領域では、尿素ＳＣＲ触媒５４に流入する排気に対してＮＯｘ吸着触媒層６３からＮＯｘが放出される。

この間、排気管３２の部分温度上昇に伴ってＮＯｘ吸着触媒層６３が高温側温度領域に達するタイミングは、エンジン１０に近い上流側では相対的に早く、エンジン１０から離れた下流側では相対的に遅くなる。したがって、ＮＯｘ吸着触媒層６３が上流側から順次昇温して吸着開始温度に徐々に達した後、尿素ＳＣＲ触媒５４が所定活性温度ｔ_２に達するまで、上流側排気管３６内でＮＯｘが継続的に吸着されることで、ＮＯｘの外部への排出が有効に抑制されることになる。

そして、エンジン１０の排気温度上昇時には、上流側から下流側へと徐々に高温側温度領域に達するよう温度勾配を持つＮＯｘ吸着触媒層６３によって、排気浄化装置５０に流入する排気中にＮＯｘが徐々に放出されることで、その排気中にＮＯｘが一遍に（急激にかつ多量に）放出されることがなく、尿素ＳＣＲ触媒５４による効果的なＮＯｘの浄化処理が実行可能となる。

その結果、排気浄化装置５０の尿素ＳＣＲ触媒５４が所定活性温度ｔ_２に達するまでの低排気温度時のＮＯｘ排出量を十分に低減することができ、例えばＦＴＰ（Federal Test Procedure；連邦試験手順)やＷＨＴＣ（World Harmonized Transient Cycle；国際統一試験法に基づく過渡試験サイクル）のコールドスタートモード等の試験においても、所要のＮＯｘ浄化率を達成できるものである。

また、本実施形態では、上流側排気管３６の主要長さ領域６０が排気通路３２ａのうち上流側の長い区間にわたって車両前後方向に延びていることに加えて、耐熱性担体層６２が、ＮＯｘ吸着触媒層６３を担持する多孔性のコージライト層を有しているので、ＮＯｘ吸着触媒層６３が十分なＮＯｘ吸着サイトを形成するものとなり、低排気温度時における所要のＮＯｘ浄化率を達成することができる。

併せて、排気管３２の管径方向の熱の移動が、多孔性のコージライト層を有する耐熱性担体層６２の熱遮蔽（断熱）効果によって抑制されるとともに、排気管３２から外部への騒音の遮音効果も得られ、断熱や遮音のための外装材が不要になるか薄くできるという効果も得られる。

さらに、本実施形態では、耐熱性担体層６２が上流側排気管３６の軸線方向に延びる少なくとも１つの筒形状（フロースルー形状）をなしているので、上流側排気管３６内に容易に配置できるとともに、排気の圧損を抑えることができる。

加えて、本実施形態では、耐熱性担体層６２およびＮＯｘ吸着触媒層６３の下流側であって尿素ＳＣＲ触媒５４より上流側に、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦ５３が設けられているので、エンジン１０の運転条件の制御による排出量低減制御においてはトレードオフの関係となるＮＯｘとＰＭを共に有効に低減させることができる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る排気浄化システムにおける要部断面を示している。なお、以下に説明する各実施の形態は、上述の第１の実施の形態の排気浄化システムと同様な全体構成を有し、上流側排気管の内部構成のみが第１の実施の形態とは相違するものである。よって、第１の実施の形態と同一または類似する構成については、図１ないし図４に示した対応する構成要素の符号を用いつつ、第１の実施の形態と相違する点について、以下説明する。

図５に示すように、本実施形態においては、上流側排気管３６の主要長さ領域６０における外筒壁６１ｂの内部に内筒壁７１ａが設けられており、その内筒壁７１ａ（内壁面部）に、多数の微細孔（多孔）を有する耐熱性担体層７２と、その耐熱性担体層７２に担持されたＮＯｘ吸着触媒層６３とを有している。

耐熱性担体層７２は、コージライト層を有しており、外筒壁６１ｂに支持された円筒部７２ａと、円筒部７２ａから放射内方に突出する複数のリブ部７２ｂとを有している。

耐熱性担体層７２は押出し成形によって作製でき、耐熱性担体層７２にＮＯｘ吸着触媒層６３を担持させる方法自体は、第１の実施の形態と略同様である。

本実施形態においても、上述の実施の形態と同様な効果が得られる。

（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る排気浄化システムにおける要部断面を示している。

図６に示すように、本実施形態においては、上流側排気管３６の主要長さ領域６０における外筒壁６１ｂの内部に、粗いフロースルー型の担体構造をなす耐熱性担体層８２と、その耐熱性担体層８２に担持されたＮＯｘ吸着触媒層６３とを有している。

耐熱性担体層８２は、コージライト層を有しており、外筒壁６１ｂに支持された内筒壁である円筒部８２ａ（内壁面部）と、円筒部８２ａから放射内方に突出する直交壁部８２ｂと、円筒部８２ａと同軸に直交壁部８２ｂに一体に支持された内筒部８２ｃとを有している。

耐熱性担体層８２は押出し成形によって作製でき、耐熱性担体層８２にＮＯｘ吸着触媒層６３を担持させる方法自体は、第１の実施の形態と略同様である。

本実施形態においても、上述の実施の形態と同様な効果が得られる。

（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態に係る排気浄化システムにおける要部断面を示している。

図７に示すように、本実施形態においては、上流側排気管３６の主要長さ領域６０における外筒壁６１ｂの内部に、内筒壁９１ａが設けられるとともに、その内筒壁９１ａの両端部に一体に結合するつば付きのパンチングメタル製の有底筒状部材９１ｂ、９１ｃを含むコージライト層９２が設けられている。ここで、内筒壁９１ａは、第１の実施の形態の内筒壁６１ａの一態様として図３（ｂ）に示したようにパンチングメタル製の芯部材を併用するコージライト層であってもよいし、有底筒状部材９１ｂ、９１ｃはそれぞれコージライトがコーティングされたものであってもよい。

あるいは、内筒壁９１ａの両端部のみが図３（ｂ）に示したようにパンチングメタル製の芯部材を併用するもので、内筒壁９１ａの中間部が図３（ａ）、図３（ｃ）または図３（ｄ）に示したような層構成を有するものであってもよい。

本実施形態においても、上述の実施の形態と同様な効果が得られる。

なお、上述の各実施形態においては、上流側排気管３６の主要長さ領域６０が、上流側排気管３６の上流端側部分３６ａおよび下流端側部分３６ｂに一体に支持された金属製の支持層として吸着管部６１の外筒壁６１ｂを有し、その吸着管部６１の内筒壁６１ａの内径をその上流側および下流側の排気管３２内の排気通路３２ａの径に近い値に設定していた。しかし、主要長さ領域６０の外筒壁６１ｂの径を拡大してもよいし、主要長さ領域６０において排気通路３２ａを小径の複数の並列通路にて分けてもよい。また、外筒壁６１ｂがコージライト層を主要部とする内筒壁６１ａを支持する補強管として構成され、排気管３２内に嵌め込まれてもよい。さらに、排気通路３２ａや内筒壁６１ａの内周面の横断面形状が円形でも非円形（例えば略楕円形）でもよいことはいうまでもない。

また、上述の各実施形態においては、選択還元触媒を尿素ＳＣＲ触媒としていたが、本発明にいう選択還元触媒は、これに限定されるものではなく、炭化水素系の選択還元型触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒であってもよい。

耐熱性担体層６２は、排気通路３２ａの軸線方向で隣り合う複数の筒状体に分割されてもよいし、周方向に隣り合う複数の分割筒状体に分割されてもよい。さらに、コージライト層を支持する金属製の芯部材を設ける場合に、芯部材が渦巻き状の横断面を有するものとしたり、吸着管部６１の外筒壁６１ｂの内周面に沿う螺旋帯状にしたりすることも考えられる。

以上の説明のように、本発明の排気浄化システムは、選択還元触媒の所定活性温度に達するまでの低排気温度時のＮＯｘ排出量を十分に低減できるものであり、車両に搭載される内燃機関からの排気中に含まれるＮＯｘを無害化する排気浄化システム全般に有用である。

１０ エンジン（内燃機関、ディーゼルエンジン）
２０ 吸気装置
３０ 排気装置
３１ 排気マニホールド
３２ 排気管
３２ａ 排気通路
３６ 上流側排気管
３６ａ 上流端側部分
３６ｂ 下流端側部分
４０ 排気ターボ過給機
５０ 排気浄化装置
５１ ケース
５１ａ 上流側ケース部分
５１ｂ 下流側ケース部分
５２ 前段ＤＯＣ
５３ ＤＰＦ（ＰＭ捕集フィルタ）
５４ 尿素ＳＣＲ触媒（選択還元触媒）
５６ 尿素水インジェクタ
６０ 主要長さ領域
６１ 吸着管部
６１ａ、７１ａ、９１ａ 内筒壁（内壁面部）
６１ｂ 外筒壁（金属製の支持層）
６１ｃ 内周面
６２、７２、８２ 耐熱性担体層
６２ｃ コージライト層
６２ｈ、６２ｉ、６２ｊ 筒状芯部材
６３ ＮＯｘ吸着触媒層
８２ａ 円筒部（内筒壁）
９１ｂ、９１ｃ 有底筒状部材
Ａ_０ 所定活性温度でのＮＯｘ最大吸着量
Ｒ_１ 低温側の特定吸着温度領域（低温側温度領域）
Ｒ_２ 特定脱離温度領域（高温側温度領域）
Ｒ_３ 高温側の特定吸着温度領域
ｔ_０ 尿素ＳＣＲ触媒の活性化温度
ｔ_１ 尿素添加開始温度
ｔ_２ 所定活性温度

Claims (5)

1. 内燃機関の排気管中に排出される排気中のＮＯｘを酸素共存下で還元剤と反応させて無害化する選択還元触媒を備えた排気浄化システムであって、
   前記排気管のうち前記選択還元触媒より上流側に位置する上流側排気管の内壁面部に、多孔を有する耐熱性担体層と、該耐熱性担体層に担持され、前記選択還元触媒によるＮＯｘ浄化率が許容範囲内に達し得る所定活性温度に対し低温側温度領域で前記排気中のＮＯｘを吸着する一方、前記低温側温度領域に対し相対的に高温側となる高温側温度領域で前記ＮＯｘを脱離させるＮＯｘ吸着触媒層と、が設けられていることを特徴とする排気浄化システム。
2. 前記耐熱性担体層は、前記ＮＯｘ吸着触媒層を担持するコージライト層を有していることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システム。
3. 前記耐熱性担体層は、前記上流側排気管の軸線方向に延びる少なくとも１つの筒形状をなしていることを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化システム。
4. 前記耐熱性担体層および前記ＮＯｘ吸着触媒層の下流側であって前記選択還元触媒より上流側に、前記排気中のＰＭを捕集するＰＭ捕集フィルタが設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の排気浄化システム。
5. 前記耐熱性担体層は、前記排気管に支持された金属製の支持層を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の排気浄化システム。

Images