JP4591707B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ添加剤が供給される触媒を備える排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気中にはパティキュレートマター（以下、ＰＭという）が多く含まれており、当該ＰＭの大気中への排出を防止するためにディーゼルエンジンの排気通路には当該ＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）が設けられている。
ただし、当該ＤＰＦのＰＭ捕集量には限界があるため、一般には当該ＤＰＦより排気上流側に酸化触媒を設け、当該酸化触媒へ未燃の燃料（ＨＣ）等の添加剤を供給し酸化反応を生じさせ、この酸化反応熱により排気温度を上昇させることでＤＰＦに捕集されたＰＭを焼却除去する、所謂強制再生が定期的に実行される。

また、ディーゼルエンジンや筒内噴射型ガソリンエンジン等で希薄な（リーン）空燃比での運転を行うと、排気中に多くのＮＯｘが含まれることとなるため、一般にこのようなエンジンの排気通路には、ＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵触媒が設けられている。
ただし、当該ＮＯｘ吸蔵触媒のＮＯｘ吸蔵量についても限界があり、このようなエンジンでは、当該ＮＯｘ吸蔵触媒へ未燃の燃料（ＨＣ）や尿素水（ＮＨ_３）等の添加剤を供給することで吸蔵されたＮＯｘを放出還元する、所謂ＮＯｘパージが定期的に実行される。

そして、上記のように添加剤が供給される酸化触媒やＮＯｘ吸蔵触媒の構造は、担体上に触媒機能を有する触媒金属が担持された触媒層が設けられて構成されている（特許文献１参照）。
特許第３５３２９７９号公報

しかしながら、ディーゼルエンジンや、筒内噴射型ガソリンエンジンのリーン空燃比運転時等は、排気温度が低くなるという傾向がある。このように排気温度の低い状態で酸化触媒やＮＯｘ吸蔵触媒に添加剤を供給すると、当該添加剤の気化が十分に行われずに液滴状の添加剤が触媒表面に多く付着することとなる。
排気温度や触媒温度が十分に高い場合には、触媒表面に付着した液滴状の添加剤も気化されていくが、排気温度や触媒温度が低い場合には、添加剤の付着速度が添加剤の気化速度を上回り、付着量が増大していってしまう。

そして、上記特許文献１に開示された技術のように触媒層が上下２層に設けられ、それぞれの層に異なる触媒金属を担持させる構成であっても、触媒層表面に液滴状の添加剤が付着していくと、当該添加剤に被覆された部分の触媒金属の触媒機能は低下し、これにより触媒機能の低下や停止（失活）を招くおそれがある。
また、一般的に触媒層が２層に構成されている触媒では、表層触媒層に触媒金属が多く担持されており、このような構成であると液滴状の添加剤付着による影響が大きくなるという問題がある。

また、上記特許文献１のように、２層の触媒層にそれぞれ異なる触媒金属を担持させる構成であると、構造が複雑となりコストが増加するという問題がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、コストの増加を招くことなく、触媒に添加剤が付着することによる触媒機能の低下を防止し、耐失活性を向上させることのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に設けられ、少なくとも酸化機能を有する触媒と、該触媒へ、該触媒により酸化される添加剤を供給する添加剤供給手段とを備え、前記触媒は、担体上に内層触媒層及び表層触媒層の２層の触媒層が設けられ、該内層触媒層及び該表層触媒層のそれぞれが同一種の触媒金属により構成された上で、該内層触媒層の触媒金属担持密度は前記表層触媒層の触媒金属担持密度よりも高いことを特徴としている。

つまり、内燃機関の排気通路に設けられ添加剤が添加される触媒において、担体上に内層触媒層と表層触媒層からなる２層の触媒層を設け、当該内層触媒層及び表層触媒層に同一種の触媒金属を担持するとともに、内層触媒層の触媒金属担持密度を表層触媒層の触媒金属担持密度よりも高くする。
当該構成により、当該触媒に添加剤が添加された際に、表層触媒層によって触媒の表面に付着した液滴状の添加剤の気化を行い、内層触媒層によって気化した添加剤の酸化を積極的に行う。

請求項２の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１において、前記触媒は酸化触媒であり、前記排気管の該酸化触媒の排気下流側には、排気中のパティキュレートマターを捕集するパティキュレートフィルタを有し、前記添加剤供給手段は所定時期に前記酸化触媒に添加剤を供給することを特徴としている。
つまり、前段に酸化触媒、後段にパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置であって、前記添加剤供給手段により所定時期に酸化触媒へ添加剤を供給することで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マターの強制再生を行う。

請求項３の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１において、前記触媒は、排気中のパティキュレートマターを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタを担体とし、該担体上に前記内層触媒層及び表層触媒層からなる２層の触媒層が設けられたパティキュレートフィルタと一体の酸化触媒であり、前記添加剤供給手段は所定の時期に前記酸化触媒に添加剤を供給することを特徴としている。

つまり、パティキュレートフィルタ一体に構成された酸化触媒を有する排気浄化装置であって、前記添加剤供給手段により所定時期に酸化触媒へ添加剤を供給することで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マターの強制再生を行う。
請求項４の内燃機関の排気浄化装置では、内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中のＮＯｘを吸蔵するとともに、該吸蔵したＮＯｘを還元雰囲気中で放出還元するＮＯｘ吸蔵触媒と、所定の時期に前記ＮＯｘ吸蔵触媒に添加剤を供給することで還元雰囲気とする添加剤供給手段とを備え、前記触媒は、担体上に内層触媒層及び表層触媒層の２層の触媒層が設けられ、該内層触媒層及び該表層触媒層のそれぞれが同一種の触媒金属により構成された上で、該内層触媒層の触媒金属担持密度は前記表層触媒層の触媒金属担持密度よりも高いことを特徴としている。

つまり、ＮＯｘ吸蔵触媒を備える排気浄化装置であって、前記添加剤供給手段により所定時期にＮＯｘ吸蔵触媒へ添加剤を供給することで還元雰囲気としＮＯｘ吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯｘの放出還元、即ちＮＯｘパージを行う。
請求項５の内燃機関の排気浄化装置では、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記内燃機関はディーゼルエンジンであり、前記添加剤は軽油であることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、液滴状の添加剤が触媒の表面、即ち表層触媒層表面に付着した場合であっても表層触媒層の触媒金属担持密度は比較的低いため触媒機能の低下を少なくすることができる。
一方、液滴状の添加剤付着による影響を受けにくい内層触媒層の触媒金属担持密度は比較的高いため酸化反応性は高く維持され、当該内層触媒層において積極的に酸化反応を生じさせることで表層触媒層も加熱し、表層触媒層の触媒機能を活性化させるとともに付着した液滴状の添加剤の気化を促進させることができる。

これにより、液滴状の添加剤の付着速度よりも当該添加剤の気化速度を速め、液滴状の添加剤の付着による触媒機能の低下を防止し、耐失活性を向上させることができる。
また、内層触媒及び表層触媒層に担持されている触媒金属は同一種であるため、製造が容易であり、コストの増加を防止することができる。
請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、前段に酸化触媒、後段にパティキュレートフィルタを備えた排気浄化装置において、添加剤供給による強制再生において、液滴状の添加剤が酸化触媒に付着することで生じる触媒機能の低下を防止し、耐失活性を向上させることができる。

請求項３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と一体に構成された酸化触媒を有する排気浄化装置において、添加剤供給による強制再生において、液滴状の添加剤が酸化触媒に付着することで生じる触媒機能の低下を防止し、耐失活性を向上させることができる。
請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、ＮＯｘ吸蔵触媒を備えた排気浄化装置において、添加剤供給によるＮＯｘパージにおいて、液滴状の添加剤がＮＯｘ触媒に付着することで生じる触媒機能の低下を防止し、耐失活性を向上させることができる。

請求項５の内燃機関の排気浄化装置によれば、比較的気化のしにくい軽油を燃料とするディーゼルエンジンにおいて、当該軽油を添加剤としても用いる場合であっても、触媒に付着した液滴状の軽油を良好に気化することができ、耐失活性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
まず、第１実施例について説明する。
図１を参照すると、本発明の第１実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図が示されており、図２を参照すると本発明の第１実施例に係る内燃機関の排気浄化装置における酸化触媒の部分拡大断面図が示されており、以下同図に基づき説明する。

図１に示すエンジン１は直列４気筒ディーゼルエンジンである。当該エンジン１には各気筒２共通の高圧蓄圧室（以下コモンレールという）４が設けられている。
当該コモンレール４は、車両に搭載された燃料タンク６と接続されており、当該燃料タンク６内に貯留されている燃料としての軽油（ＨＣ）が加圧されて供給されている。
また、コモンレール４は、各気筒２に設けられたインジェクタ８と接続されており、当該インジェクタ８はコモンレール４より供給される高圧燃料を気筒２内に噴射する機能を有している。

また、エンジン１の吸気側には吸気マニホールド１０を介して吸気管１２が接続されており、エンジン１の排気側には排気マニホールド１４を介して排気管１６が接続されている。
当該排気管１６には、上記燃料タンク６と接続され排気管１６内において軽油（添加剤）を噴射可能な軽油添加インジェクタ２０が設けられている。

また、当該排気管１６には、軽油添加インジェクタ２０より排気下流側に、排気中のＨＣやＣＯ等を酸化させる機能を有する酸化触媒３０（触媒）が設けられている。
さらに、排気管１６には、酸化触媒３０より排気下流側に、排気中のパティキュレートマター（以下、ＰＭという）を捕集する機能を有するディーゼルパティキュレートフィルタ４０（以下、ＤＰＦという）が設けられている。

これら軽油添加インジェクタ２０、酸化触媒３０及びＤＰＦ４０より排気浄化装置４２が構成されている。
以下、当該第１実施例に係る排気浄化装置の酸化触媒３０の構造について詳しく説明する。
図２に示すように、当該酸化触媒３０はハニカム型のコージライト担体３２上に触媒層３４が設けられている。

触媒層３４は、直接担体３２上に設けられた内層触媒層３６と、当該内層触媒層３６上に設けられた表層触媒層３８とからなる２層構造をなしている。
当該２層の触媒層３６、３８にはそれぞれウォッシュコートに白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）の貴金属類（以下ＰＧＭという）が担持されている。
さらに詳しくは、内層触媒層３６にはウォッシュコート量１００ｇ／Ｌに対してＰＧＭ量が３ｇ／Ｌ、即ちＰＧＭ密度０．０３含まれて構成されており、表層触媒層３８にはウォッシュコート量１００ｇ／Ｌに対してＰＧＭ量が１ｇ／Ｌ、即ちＰＧＭ密度０．０１含まれて構成されている。

つまり、内層触媒層３６は表層触媒層３８よりも多くの量のＰＧＭが担持されている。
以下、このように構成された第１実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の作用を説明する。
エンジン１の運転時、エンジン１の各気筒より排出される排気は排気マニホールド１４を介して排気管１６へと流入し、排気浄化装置４２内に流入する。

排気浄化装置４２に流入した排気は、ＤＰＦ４０によりＰＭが捕集された後、大気中へと排出される。
ただし、当該ＤＰＦ４０のＰＭ捕集量には限界があるため、当該ＰＭ捕集量が所定の量に達する所定時期には軽油添加インジェクタ２０より軽油が噴射され、ＤＰＦ４０の排気上流側にある酸化触媒３０に当該軽油が供給される。

そして、軽油が添加された酸化触媒３０では酸化反応が生じ、この酸化反応熱によって排気温度を上昇させ、ＤＰＦ４０に捕集されたＰＭを焼却除去する。
このように当該エンジン１では所定時期に軽油添加インジェクタ２０より軽油を噴射することで所謂強制再生を行う。
しかし、排気の温度が比較的低温である場合には、軽油添加インジェクタ２０より噴射される軽油の一部は十分に気化されず、図２に示すように液滴状の軽油５０が酸化触媒３０の表面に付着する。

付着した液滴状の軽油５０は酸化触媒３０の表面を被覆し、当該被覆された部分の表層触媒層３８のＰＧＭの触媒機能を低下させるが、当該表層触媒層３８のＰＧＭ密度は比較的低いため当該触媒機能の低下は少なくなる。一方、内層触媒層３６においては液滴状の軽油５０付着による影響は受けず、気化した軽油成分の酸化を行う。
ここで当該第１実施例における内層触媒層３６は担持されているＰＧＭ密度が表層触媒層３８よりも高いため、当該内層触媒層３６での酸化反応は比較的促進される。

そして、当該内層触媒層３６の酸化反応が促進されることで当該酸化反応熱により表層触媒層３８も加熱され、当該表層触媒層３８の活性が向上するとともに、表層触媒層３８に付着した液滴状の軽油５０の蒸発が促進される。
こうして、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、液滴状の軽油５０の付着速度よりも当該軽油５０の気化速度の方を速くすることができ、これにより触媒表面に液滴状の軽油５０が付着することによる触媒機能の低下を防止し、耐失活性を向上させることができる。

次に第１参考例について説明する。
図３を参照すると、本発明の第１参考例に係る内燃機関の排気浄化装置における酸化触媒の部分拡大断面図が示されており、以下同図に基づき説明する。なお、当該第１参考例の構成は、酸化触媒６０以外は上記第１実施例と同一であるため、ここでは、第１実施例と異なる酸化触媒６０の構成についてのみ説明する。

当該第１参考例における酸化触媒６０は、上記第１実施例と同様にハニカム型のコージライト担体６２上に内層触媒層６６及び表層触媒層６８の２層からなる触媒層６４が設けられて構成されている。
当該２層の触媒層６６、６８にはそれぞれウォッシュコートに白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）のＰＧＭが担持されている。

さらに詳しくは、内層触媒層６６にはウォッシュコート量１００ｇ／Ｌに対してＰＧＭ量が４ｇ／Ｌ、即ちＰＧＭ密度０．０４含まれて構成されており、表層触媒層６８にはＰＧＭは含まれておらず、１００ｇ／Ｌのウォッシュコートのみで構成されている。
つまり、当該第１参考例における酸化触媒６０は、上記第１実施例における酸化触媒３０と全体としては同じウォッシュコート量及びＰＧＭ量であるが、第１参考例の方が表層触媒層６８に対して内層触媒層６６に担持されているＰＧＭ量、即ちＰＧＭ密度の割合が大きい。

このように構成された第１参考例の酸化触媒６０では、表層触媒層６８に液滴状の軽油５０が付着したとしても、表層触媒層６８にはＰＧＭは担持されていないので当該液滴状の軽油５０による触媒機能の低下はほとんどない。
一方、内層触媒層６６のＰＧＭ密度は上記第１実施例よりも増加しているので、内層触媒層６６での酸化反応はより促進される。これにより表層触媒層６８の加熱もより促進され、一層良好に耐失活性の向上を図ることができる。

次に第２実施例について説明する。
図４を参照すると、本発明の第２実施例に係る内燃機関の排気浄化装置における酸化触媒の部分拡大断面図が示されており、以下同図に基づき説明する。なお、当該第２実施例についても上記第１参考例同様、酸化触媒７０以外は上記第１実施例と同一であるため、第２実施例における酸化触媒７０の構成についてのみ説明する。

当該第２実施例における酸化触媒７０もハニカム型のコージライト担体７２上に内層触媒層７６及び表層触媒層７８の２層からなる触媒層７４が設けられて構成されている。
当該２層の触媒層７６、７８にはそれぞれウォッシュコートに白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）のＰＧＭが担持されている。
さらに詳しくは、内層触媒層７６にはウォッシュコート量１００ｇ／Ｌに対してＰＧＭ量が３ｇ／Ｌ、即ちＰＧＭ密度０．０３含まれて構成されており、表層触媒層７８にはウォッシュコート量１４０ｇ／Ｌに対してＰＧＭ量が１ｇ／Ｌ、即ちＰＧＭ密度０．００７含まれて構成されている。

つまり、当該第２実施例における酸化触媒７０は、上記第１実施例及び第１参考例における酸化触媒４０、６０と全体としてのＰＧＭ量は同じであり、表層触媒層７８のウォッシュコート量が増加した構成をなしている。
このように構成された第２実施例の酸化触媒７０では、上記第１実施例と同様の効果を奏する上、表層触媒層７８のウォッシュコート量を増加させたことで、当該表層触媒層７８の保温性が向上し、表層触媒層７８に付着した液滴状の軽油５０の気化速度をより速めることができ、より一層耐失活性を向上させることができる。

次に第２参考例について説明する。
図５を参照すると、本発明の第２参考例に係る内燃機関の排気浄化装置における酸化触媒の部分拡大断面図が示されており、以下同図に基づき説明する。なお、当該第２参考例についても、酸化触媒８０以外は上記第１実施例と同一であるため、第２参考例における酸化触媒８０の構成についてのみ説明する。

当該第２参考例における酸化触媒８０もハニカム型のコージライト担体８２上に内層触媒層８６及び表層触媒層８８の２層からなる触媒層８４が設けられて構成されている。
当該２層の触媒層８６、８８にはそれぞれウォッシュコートに白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）のＰＧＭが担持されている。
さらに詳しくは、内層触媒層８６にはウォッシュコート量１４０ｇ／Ｌに対してＰＧＭ量が４ｇ／Ｌ、即ちＰＧＭ密度０．００２８含まれて構成されており、表層触媒層８８にはＰＧＭは含まれておらず、１００ｇ／Ｌのウォッシュコートのみで構成されている。

つまり、当該第２参考例における酸化触媒８０は、上記第１、２実施例及び第１参考例における酸化触媒４０、６０、７０と全体のＰＧＭ量は同じであり、内層触媒層８６のウォッシュコート量を増加した構成をなしている。
また、上記第１参考例と同様に表層触媒層８８内にはＰＧＭが担持されていないので当該液滴状の軽油５０による触媒機能の低下はほとんどない。

したがって、上記第１実施例と同様の効果を奏する上、内層触媒層８６のウォッシュコート量を増加させたことで、当該内層触媒層８６の保温性が向上する上、内層触媒層８６のＰＧＭ担持量も比較的多いことから酸化反応も促進される。これにより表層触媒層８８の加熱はさらに促進され、より一層良好に耐失活性の向上を図ることができる。
以上で本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態では、酸化触媒の２層それぞれの触媒層に白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）の同一種のＰＧＭが担持されているが、２層とも同一種の触媒金属を担持するのであればその他の触媒金属、例えばロジウム（Ｒｈ）等を担持させても構わない。
また、上記実施形態では、排気浄化装置は酸化触媒とＤＰＦより構成されているが、これに限られるものではない。

例えば、ＤＰＦを担体とし、当該担体上に２層の触媒層を設けたＤＰＦ一体型の酸化触媒を備えた構成であっても構わない。
または、軽油添加インジェクタの排気下流側に上記実施形態の酸化触媒と同様に２層の触媒層からなり、内層触媒層の触媒金属担持密度が表層触媒層の触媒金属担持密度よりも高く構成されたＮＯｘ吸蔵触媒を設けても構わない。なお、このようにＮＯｘ吸蔵触媒を設ける場合には軽油添加インジェクタの代わりに、ガソリンや尿素水等の添加剤を噴射するインジェクタを設けても構わない。

また、上記実施形態ではエンジンはディーゼルエンジンであるが、例えば筒内噴射型のガソリンエンジンであっても構わない。そして、この場合には上記のＮＯｘ吸蔵触媒を設けることが好ましい。

本発明の第１実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。 本発明の第１実施例に係る内燃機関の排気浄化装置における酸化触媒の部分拡大断面図である。 本発明の第１参考例に係る内燃機関の排気浄化装置における酸化触媒の部分拡大断面図である。 本発明の第２実施例に係る内燃機関の排気浄化装置における酸化触媒の部分拡大断面図である。 本発明の第２参考例に係る内燃機関の排気浄化装置における酸化触媒の部分拡大断面図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１６ 排気管
２０ 軽油添加インジェクタ（添加剤供給手段）
３０、６０、７０、８０ 酸化触媒（触媒）
３２、６２、７２、８２ 担体
３４、６４、７４、８４ 触媒層
３６、６６、７６、８６ 内層触媒層
３８、６８、７８、８８ 表層触媒層
４０ ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
５０ 軽油（添加剤）

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、少なくとも酸化機能を有する触媒と、
   該触媒へ、該触媒により酸化される添加剤を供給する添加剤供給手段とを備え、
   前記触媒は、担体上に内層触媒層及び表層触媒層の２層の触媒層が設けられ、
   該内層触媒層及び該表層触媒層のそれぞれが同一種の触媒金属により構成された上で、該内層触媒層の触媒金属担持密度は前記表層触媒層の触媒金属担持密度よりも高いことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記触媒は酸化触媒であり、
   前記排気管の該酸化触媒の排気下流側には、排気中のパティキュレートマターを捕集するパティキュレートフィルタを有し、
   前記添加剤供給手段は所定時期に前記酸化触媒に添加剤を供給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. 前記触媒は、排気中のパティキュレートマターを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタを担体とし、該担体上に前記内層触媒層及び表層触媒層からなる２層の触媒層が設けられたパティキュレートフィルタと一体の酸化触媒であり、
   前記添加剤供給手段は所定の時期に前記酸化触媒に添加剤を供給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。
4. 内燃機関の排気通路に設けられ、排ガス中のＮＯｘを吸蔵するとともに、該吸蔵したＮＯｘを還元雰囲気中で放出還元するＮＯｘ吸蔵触媒と、
   所定の時期に前記ＮＯｘ吸蔵触媒に添加剤を供給することで還元雰囲気とする添加剤供給手段とを備え、
   前記触媒は、担体上に内層触媒層及び表層触媒層の２層の触媒層が設けられ、
   該内層触媒層及び該表層触媒層のそれぞれが同一種の触媒金属により構成された上で、該内層触媒層の触媒金属担持密度は前記表層触媒層の触媒金属担持密度よりも高いことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記内燃機関はディーゼルエンジンであり、
   前記添加剤は軽油であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の内燃機関の排気浄化装置。

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