JP4161903B2 - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャを備えた内燃機関からの排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関する。

一般に、内燃機関の出力を向上させるには、燃焼室に充填される混合気の量を増やすことが好ましい。そこで、ピストンの移動に伴って発生する負圧によって混合気を燃焼室に供給するだけでなく、混合気を強制的に燃焼室に供給する過給システムが実用化されている。この過給システムの一つに、排ガス流のエネルギーによって空気を燃焼室に強制的に送り込むターボチャージャがある。

このターボチャージャは大きな熱容量を有するため、内燃機関の始動時などにはターボチャージャの下流側に位置する触媒を早期に活性化温度まで上昇させることが困難であり、その間は十分な排ガス浄化性能を得ることが困難である。そこで実開昭59−034033号には、ターボチャージャの排ガス上流側に触媒装置を設置することが提案されている。このようにすれば、触媒を早期に活性化温度まで上昇させることができ、また触媒による酸化反応の発熱によって排ガスを加熱することができるので、有害成分の浄化率が向上する。

また特開平11−132036号公報には、ターボチャージャの排ガス上流側と排ガス下流側にそれぞれ触媒を設置することが提案されている。このようにしても、触媒を早期に活性化温度まで上昇させることができ、また上流側触媒による酸化反応の発熱によって加熱された排ガスが流入することで下流側触媒も早期に活性化温度まで上昇するので、有害成分の浄化率が向上する。

ところで近年、NO_x の浄化性能を向上させるために、排ガス中に軽油などの液体還元剤を間欠的に添加し、下流側のNO_x 吸蔵還元型触媒でNO_x を浄化するシステムが実用化されている。すなわち酸素過剰のリーン雰囲気においてNO_x 吸蔵還元型触媒にNO_x を吸蔵させ、液体還元剤を添加することで排ガス雰囲気を還元剤過剰のリッチ雰囲気として、吸蔵されていたNO_x を放出させるとともに豊富な還元剤でNO_x を還元浄化するシステムである。

ところがこのシステムでは、液体還元剤を添加するために排ガス温度が低下し、触媒が活性化温度まで上昇するのがさらに遅延されるという不具合があった。そのため液体還元剤が触媒の上流側端面に付着し、それにPMが付着して、触媒のセル通路が閉塞され排気圧損が増大するという問題が生じる。特にターボチャージャ付き内燃機関においては、ターボチャージャより上流側で液体還元剤が添加されるのが一般的であるため、熱容量の大きなターボチャージャによってこの問題がさらに増幅される。

またターボチャージャの下流側に酸化触媒などを配置して液体還元剤を気化・改質することも考えられるが、ターボチャージャによって排ガス温度がさらに低下するため、酸化触媒の全長を長くするなど大型化する必要があり、搭載スペース上の問題がある。また酸化触媒を配置したとしても、その端面に液体還元剤及びPMが付着するという問題は依然として残る。
実開昭59−034033号 特開平11−132036号

本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、液体還元剤の気化を促進させることで、下流側に配置されたNO_x 吸蔵還元型触媒の閉塞を抑制するとともに、NO_x 浄化性能をさらに向上させることを課題とする。

上記課題を解決する本発明の排ガス浄化装置の特徴は、ターボチャージャを備えた内燃機関からの排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、ターボチャージャより排ガス上流側に配置され排ガス中に液体還元剤を添加するインジェクタと、ターボチャージャとインジェクタとの間に配置され添加された液体還元剤の気化を促進する酸化触媒と、ターボチャージャより排ガス下流側に配置されたNO_x 吸蔵還元型触媒と、を備えたことにある。

本発明の排ガス浄化装置によれば、ターボチャージャとインジェクタとの間に、インジェクタによって添加された液体還元剤の気化を促進する酸化触媒を備えている。したがって液体還元剤の気化が促進され、NO_x 吸蔵還元型触媒の上流側端面に液体還元剤が付着するのが抑制される。したがって、それにPMが付着して、触媒のセル通路が閉塞されるのも抑制されるので、排気圧損の増大を抑制することができる。またNO_x 吸蔵還元型触媒の上流側端部の利用効率が高まるため、NO_x 浄化性能も向上する。

さらに、ターボチャージャの上流側は排ガス温度が高いため、酸化触媒により液体還元剤あるいは排ガス中のHCを部分酸化することが可能となる。したがって部分酸化された活性なHCがNO_x 吸蔵還元型触媒に流入するので、NO_x をさらに効率よく還元浄化することができ、NO_x 浄化性能がさらに向上する。

またNO_x 吸蔵還元型触媒の利用効率が向上するため、NO_x 吸蔵還元型触媒の全長を長くするなど大型化することが不要となる。したがって小型化により安価となり、搭載スペースの制約も解消する。

本発明の排ガス浄化装置では、ターボチャージャとインジェクタとの間に、インジェクタによって添加された液体還元剤の気化を促進する酸化触媒を備えている。すなわち添加された液体還元剤は、酸化触媒を通過する際に気化が促進され、ターボチャージャ内で撹拌されることでさらに気化が促進される。したがって下流側のNO_x 吸蔵還元型触媒に流入する際に、NO_x 吸蔵還元型触媒の上流側端面に液体還元剤が付着するのが抑制され、それにPMが付着して堆積するのも抑制される。

これにより排ガスがNO_x 吸蔵還元型触媒を通過する際の抵抗が増大するのが抑制され、排気圧損の増大を抑制することができる。またNO_x 吸蔵還元型触媒の上流側端部の利用効率が高まるため、NO_x 浄化性能も向上する。

気化促進手段としては、ヒータなど液体還元剤を加熱して気化する手段、あるいは液体還元剤を改質して低分子化することで気化する手段もあるが、本発明では酸化触媒を用いる。高温の排ガスとともに液体還元剤が酸化触媒を通過することで、液体還元剤の一部が酸化され低分子のHCとなって気化が促進される。そして部分酸化された低分子の活性なHCがNO_x 吸蔵還元型触媒に流入するので、NO_x 吸蔵還元型触媒におけるNO_x の還元浄化率が向上する。

この酸化触媒としては、Pd、Ptなど低温域の酸化活性に優れた貴金属を担持した酸化触媒、あるいはPtやRhを担持した三元触媒などを用いることができる。その形状は特に制限されないが、インジェクタとターボチャージャとの間のスペースが狭い場合が多いので、圧損の増大を抑制するために、ストレートフローのハニカム形状の酸化触媒を用いることが望ましい。この場合、上流側端面を排ガス流れ方向に対して鋭角となるように形成することも好ましい。このようにすることで酸化触媒に流入する液体還元剤との接触面積が広くなり、気化効率が向上する。

内燃機関としては、ガソリンエンジン、直噴ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、アルコールエンジンなど、特に制限されない。ディーゼルエンジンなどは排ガス中にPMを含み、軽油などの液体還元剤が添加されるシステムで運転される場合が多く、また軽油は気化しにくい高沸点HCを含むので、本発明の効果がより顕著に発現される。

ターボチャージャは、排気側部材と吸気側部材とから構成された従来用いられているものを用いることができる。排気側部材は、排ガスが流入するタービンハウジングと、タービンハウジング内に配置されたタービンホイールとを少なくとも含んでいる。他に、開閉度を調節することでタービンホイールの回転速度を適宜に変更するノズルベーンなどを備えていてもよい。また吸気側部材は、吸気が流入するコンプレッサハウジングとコンプレッサハウジングに配置されタービンホイールの回転に従動して回転するコンプレッサホイールとを少なくとも含んでいる。

インジェクタは、噴射ノズルなど、各種アクチュエータによって駆動されるものを用いることができ、一般にＥＣＵによって液体還元剤の添加時期と添加量が制御される従来用いられているものを用いることができる。

液体還元剤としては、その内燃機関に用いられる燃料を用いるのが好ましく、ガソリン、軽油などが例示される。

NO_x 吸蔵還元型触媒は、担体に貴金属とNO_x 吸蔵材とを担持してなるものであり、従来用いられているNO_x 吸蔵還元型触媒を用いることができる。担体としては、 Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂、CeO₂などの単体又は混合物、あるいはこれらから選ばれる複数の複合酸化物などを用いることができる。貴金属としては、Ptが代表的に例示されるが、Rh、Pd、Irなどを用いることもできる。またNO_x 吸蔵材は、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類金属から選ばれる少なくとも一種が用いられる。アルカリ金属とアルカリ土類金蔵を併用することが好ましい。

このNO_x 吸蔵還元型触媒は、ストレートフロー構造のもの、あるいはウォールフロー構造のもののいずれも用いることができる。例えばストレートフロー構造のハニカム基材にアルミナなどのコート層を形成し、そのコート層に貴金属及びNO_x 吸蔵材を担持した触媒を用いることができる。しかし排ガス中にPMを含む場合には、PMを捕集するフィルタをNO_x 吸蔵還元型触媒の上流側又は下流側に配置することが必要となる。そこでNO_x 吸蔵還元型触媒を排ガス上流側に配置し、その下流側にフィルタを配置することが望ましい。気化促進手段において液体還元剤及びPMのガス化が促進されるので、NO_x 吸蔵還元型触媒においてNO_x の還元活性が格段に向上する上、万一PMが残留したとしても、下流側のフィルタによって捕集されるので、PMの排出を確実に防止することができる。

またウォールフロー構造のハニカム基材の、セル隔壁内の細孔表面にコート層を形成し、そのコート層に貴金属及びNO_x 吸蔵材を担持したフィルタ触媒を用いることも好ましい。このフィルタ触媒を用いれば、HC、CO及びNO_x の浄化とともにPMを捕集でき、捕集されたPMを酸化浄化することができる。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
本実施例の排ガス浄化装置を図１に示す。直噴型ディーゼルエンジン１の排気系は排気マニホールド10から二つに分岐し、ターボチャージャ２及び EGRクーラー３がそれぞれの流路に配置されている。ターボチャージャ２を出た排ガスは、触媒コンバータ４を通過して外部へ排出される。一方、 EGRクーラー３を通過した排ガスは、 EGRバルブ30によって流量を制御されて吸気マニホールド11に戻される。ターボチャージャ２の排ガス上流側にはインジェクタ12が取り付けられ、排ガス中に軽油を添加できるようになっている。インジェクタ12とターボチャージャ２の間には、小型のハニカム形状の酸化触媒５が配置されている。また触媒コンバータ４には、フィルタ型NO_x 吸蔵還元型触媒６が搭載されている。

酸化触媒５は、図２に示すように、金属製の平板50と波板51を積層して巻回された24.6ccのハニカム基材52と、ハニカム基材52のセル通路表面にコートされ Al₂O₃粉末57重量部、CeO₂粉末８重量部、ゼオライト粉末35重量部からなるコート層と、コート層に担持されたPtとから構成され、ハニカム基材52が金属製外筒53内に収納されている。その上流側端部は、排ガス流れ方向に対して鋭角に傾斜する傾斜面54を構成し、排ガスとの接触面積が大きくされている。コート層はハニカム基材52の１リットルあたり 100ｇ形成され、Ptはハニカム基材52の１リットルあたり５ｇ担持されている。

インジェクタ12から添加された軽油が排ガスとともに酸化触媒５を通過することで、排ガスの熱による気化及び軽油の部分酸化反応が生じるため、軽油の気化が促進される。

フィルタ型NO_x 吸蔵還元型触媒６は、セル通路が一端面で市松模様状に閉塞され、一端面で閉塞されていないセル通路が他端面で閉塞されて他端面でも市松模様状に閉塞されてなるコーディエライト製のハニカム基材と、そのセル隔壁の細孔表面に形成された触媒コート層とからなるものである。ハニカム基材は、コーディエライト製の2000ccのウォールフロー構造のものである。触媒コート層は、ハニカム基材のセル隔壁内部に均一にコートされ Al₂O₃粉末56重量部、ZrO₂−TiO₂複合酸化物粉末56重量部、CeO₂−ZrO₂複合酸化物粉末11重量部、Rhが１重量％担持されたZrO₂よりなるRh／ZrO₂触媒粉末27重量部からなるコート層と、コート層に担持されたPt、Ba、Ｋ及びLiとから構成されている。コート層はハニカム基材の１リットルあたり 150ｇ形成され、Ptはハニカム基材の１リットルあたり３ｇ担持され、Ba、Ｋ及びLiはハニカム基材の１リットルあたりそれぞれ 0.1モル、 0.1モル及び 0.2モル担持されている。

このフィルタ型NO_x 吸蔵還元型触媒６では、排ガスがセル隔壁を通過する際に排ガス中のPMが隔壁の細孔中に捕集されるとともに、捕集されたPMと排ガス中のHC、CO及びNO_x が浄化される。

（参考例１）
本参考例の排ガス浄化装置は、酸化触媒５に代えて、図３に示す金属製の24ccのハニカム体７を配置したこと以外は実施例１と同様の構成である。このハニカム体７は、図４に示す波板８と、金属製の平板70とが交互に積層され、それが金属製外筒71に収納されている。

波板８は、第１山部80と第１谷部81とが交互に連続する山谷部82と、山谷部82の下流側で第１山部80に連続する第２谷部83と、第２谷部83に連続する第２の山谷部82と、第２の山谷部82の下流側で第１谷部81に連続する第２山部84と、第２山部84の下流側で第２の山谷部82の第１山部80に連続する第２の第２谷部83と、がこの順で排ガス流れ方向に平行に交互に形成されている。図５に示すように、第２山部84の頂部の高さは第１山部80より低く、第２谷部83の底部の深さは第１谷部81より浅くなっている。

第２谷部83は、下流側に上方へ傾斜する斜面85を有し、斜面85は次の第１山部80の頂部に滑らかに連続している。また第２山部84は、下流側に下方へ傾斜する斜面86を有し、斜面86は次の第１谷部81の底部に滑らかに連続している。

このハニカム体７によれば、図６に示すように、第１山部80と下側の平板70との間に形成された第１通路71から出た排ガスは第２谷部83と上側の平板70との間に形成された第２通路72に流入する。第２通路72は上方に向かって傾斜する斜面85によって下流側端面が一部閉塞され、斜面85が本発明にいう突起として機能する。

斜面85に衝突した排ガスは、両側の第１谷部81に流入し、図７に示すように、第２山部84と下側の平板70とで形成された第３通路73に流入する。第３通路73は、下方に向かって傾斜する斜面86によって下流側端面が一部閉塞され、斜面86も本発明にいう突起として機能する。そして斜面86に衝突した排ガスは、両側の第１通路71に流入する。

このように排ガスが斜面85、86に衝突しながら複雑に分岐して流れることで、撹拌効率が高まり、インジェクタ12から添加された軽油は高温の排ガスと接触することで気化が促進される。

（比較例１）
酸化触媒５を配置しなかったこと以外は実施例１と同様の構成である。

（比較例２）
酸化触媒５を配置しなかったこと、ターボチャージャ２とフィルタ型NO_x 吸蔵還元型触媒６との間に、ハニカム形状の酸化触媒を配置したこと以外は実施例１と同様の構成である。

ターボチャージャ２とフィルタ型NO_x 吸蔵還元型触媒６との間に配置された酸化触媒は、コーディエライト製のストレートフロー構造で 800ccのハニカム基材と、ハニカム基材のセル通路表面にコートされ Al₂O₃粉末91重量部、CeO₂粉末13重量部、ゼオライト粉末56重量部からなるコート層と、コート層に担持されたPtとから構成されている。コート層はハニカム基材の１リットルあたり 160ｇ形成され、Ptはハニカム基材の１リットルあたり２ｇ担持されている。

＜試験・評価＞
実施例、参考例及び各比較例の排ガス浄化装置の構成を表１にまとめて示す。

２Ｌの直噴型コモンレール式ディーゼルエンジン１のエンジンベンチを用い、実施例１、比較例１及び比較例２の排ガス浄化装置をそれぞれ取り付け、欧州パターン10万km走行に相当する耐久試験を行った。その後、30秒毎にインジェクタ12から軽油２ccを添加しながら、 340℃の排ガスを流し、軽油添加終了時からの飽和NO_x 吸蔵量を測定した。結果を図８に示す。

図８より、実施例１の排ガス装置は各比較例に比べて飽和NO_x 吸蔵量が多いことがわかる。

この差異が生じる原因を追究すべく、実施例１のNO_x 吸蔵還元型触媒６の全長と、比較例１のNO_x 吸蔵還元型触媒の全長を種々変化させ、上記と同様にして飽和NO_x 吸蔵量を測定した。結果を図10に示す。

図10より、触媒の全長が長くなるほど飽和NO_x 吸蔵量は多くなるのは当然であるが、触媒の上流側５cm程度の範囲においては、比較例１の型NO_x 吸蔵還元型触媒ではNO_x 吸蔵能がほとんど発現されていないのに対し、実施例１のNO_x 吸蔵還元型触媒６ではある程度のNO_x 吸蔵能が発現されている。これは、酸化触媒５において軽油が改質され、改質によって気化が促進されたこと、その活性な改質HCがフィルタ型NO_x 吸蔵還元型触媒６に流入することでNO_x 浄化能が向上したこと、及び酸化触媒５によってNOの酸化が促進されたことに起因していると考えられる。

また実施例１、参考例１、比較例１及び比較例２の排ガス浄化装置をそれぞれ上記エンジンベンチに取り付け、欧州モードを模擬した運転を行った場合の１km走行あたりのNO_x 、CO、HC及びPMの排出量をそれぞれ測定した。結果を図９に示す。

図９より、実施例１の排ガス浄化装置は各比較例に比べてNO_x 、CO、HC及びPMの排出量が格段に少ないことが明らかであり、これは軽油の気化・改質が促進されたことによる効果であると考えられる。

なお60km／hr定常走行時におけるターボチャージャ２の前後の排ガス温度は、図11に示すように上流側の排ガス温度の方が高いことがわかっている。したがって実施例１の排ガス浄化装置の方が比較例２よりNO_x 、CO、HC及びPMの排出量が少ないのは、実施例１のようにターボチャージャ２の上流側に酸化触媒を配置することで、軽油の気化・改質が促進されたことによるものであると考えられる。

本発明の一実施例の排ガス浄化装置の全体構成を示す説明図である。 本発明の一実施例の排ガス浄化装置に用いた酸化触媒（気化促進手段）の斜視図である。 本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置に用いたハニカム体（気化促進手段）の全体説明図である。 本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置に用いたハニカム体（気化促進手段）の波板の斜視図である。 本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置に用いたハニカム体（気化促進手段）の断面図である。 本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置に用いたハニカム体（気化促進手段）の排ガスの流れを説明する断面図である。 本発明の第２の実施例の排ガス浄化装置に用いたハニカム体（気化促進手段）の排ガスの流れを説明する断面図である。 実施例及び比較例の排ガス浄化装置の飽和NO_x 吸蔵量を示すグラフである。 実施例及び比較例の排ガス浄化装置のエミッションを示すグラフである。 実施例及び比較例に用いたNO_x 吸蔵還元型触媒の長さと飽和NO_x 吸蔵量との関係を示すグラフである。 ターボチャージャの前後の排ガス温度を示すグラフである。

符号の説明

２：ターボチャージャ ５：酸化触媒（気化促進手段）
６：NO_x 吸蔵還元型触媒 12：インジェクタ

Claims (1)

1. ターボチャージャを備えた内燃機関からの排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、
   該ターボチャージャより排ガス上流側に配置され排ガス中に液体還元剤を添加するインジェクタと、該ターボチャージャと該インジェクタとの間に配置され添加された該液体還元剤の気化を促進する酸化触媒と、該ターボチャージャより排ガス下流側に配置されたNO_x 吸蔵還元型触媒と、を備えたことを特徴とする排ガス浄化装置。

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