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技術 排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法

出願人 マツダ株式会社
発明者 名越匡宏鐵野雅之水田佳男藤井皓平山田啓司原田浩一郎佐藤義志高見明秀
出願日 2017年10月10日 (2年5ヶ月経過) 出願番号 2017-196791
公開日 2018年1月18日 (2年1ヶ月経過) 公開番号 2018-009581
状態 特許登録済
技術分野 触媒による排ガス処理 排気の後処理
主要キーワード 貯留用タンク 還元剤供給源 小型自動車 トラップ材 尿素注入 所定噴射 還元剤前駆体 トラップ容量
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

排気ガス中のNOxを効率良く処理する。

解決手段

排気ガスの空燃比リーンであるときにNOを酸化触媒酸化してLNT触媒トラップし、該NOxトラップ量所定値に達したときにリッチパージを実行して、該LNT触媒にトラップされているNOxを還元浄化し、下流側のSCR触媒に流入する排気ガスの温度が第1所定値以上であるときに、還元剤又は還元剤前駆体注入し、該排気ガス中のNOxをSCR触媒によって還元浄化する。SCR触媒の温度が、第2所定値以上であるときは上記リッチパージのインターバルを長くする。

概要

背景

ディーゼルエンジンリーンバーンガソリンエンジンから排出される排気ガスにはNOx(窒素酸化物)とパティキュレートが含まれている。特許文献1には、NOxとパティキュレートを処理するシステムとして、酸化触媒パティキュレートフィルタ還元剤供給源SCR(Selective Catalytic Reduction)触媒、及びNH3酸化触媒の順に排気ガスを通過させるシステムが開示されている。このシステムでは、排気ガス中のNOを酸化触媒によって酸化させてNO2を生成し、そのNO2の存在下でフィルタ上のパティキュレートを燃焼させてフィルタを再生する。また、還元剤としてNH3又は尿素排気ガス通路に供給されて、SCR触媒でNOxが選択的に還元浄化される。SCR触媒を通過するNH3及び/又はその誘導体はNH3酸化触媒で除去される。

特許文献2には、酸化触媒、パティキュレートフィルタ及びNOxトラップ触媒の順に排気ガスを通過させるシステムが開示されている。このシステムでは、特許文献1と同じく、排気ガス中のNOを酸化触媒によって酸化させてNO2を生成し、そのNO2の存在下でフィルタのパティキュレートを燃焼させる。NO2とパティキュレートの反応で生成するNOと、パティキュレートと反応せずにフィルタを通過したNO2はNOxトラップ触媒にトラップされる。トラップされたこれらNOxは、燃料排気行程噴射によって排気空燃比を定期的にリッチにすることにより放出させて還元浄化される。

特許文献2には、NOxトラップ触媒に代えてNOx選択還元触媒を設けたシステムも開示されている。このシステムの場合は、燃料の排気行程噴射によって排気空燃比を定期的にリッチにして排気ガス中のHC(炭化水素)及びCOの量を増大させ、このHC等をNOx選択還元触媒(SCR触媒)に蓄積しておき、この蓄積されたHCを利用して上記フィルタの下流側においてNOやNO2を還元浄化する。

概要

排気ガス中のNOxを効率良く処理する。排気ガスの空燃比リーンであるときにNOを酸化触媒で酸化してLNT触媒でトラップし、該NOxトラップ量所定値に達したときにリッチパージを実行して、該LNT触媒にトラップされているNOxを還元浄化し、下流側のSCR触媒に流入する排気ガスの温度が第1所定値以上であるときに、還元剤又は還元剤前駆体注入し、該排気ガス中のNOxをSCR触媒によって還元浄化する。SCR触媒の温度が、第2所定値以上であるときは上記リッチパージのインターバルを長くする。

目的

本発明は、排気ガス中のNOxをLNT触媒とSCR触媒によって効率良く処理することを課題とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

エンジンから排出される排気ガス中のNOxを処理する排気ガス浄化方法であって、上記排気ガスの空燃比リーンであるときに該排気ガス中のNOを酸化触媒酸化してLNT触媒トラップするステップと、上記LNT触媒のNOxトラップ量所定値に達したときに、上記エンジンの燃焼室噴射する燃料を増量することにより上記排気ガスの空燃比をリーンから一時的にリッチにするリッチパージを実行して、該LNT触媒にトラップされているNOxを還元浄化するステップと、上記LNT触媒よりも排気ガス流れ方向の下流側に配置したSCR触媒に流入する排気ガスの温度が第1所定値以上であるときに、該排気ガスに還元剤又は還元剤前駆体注入し、該排気ガス中のNOxを当該還元剤の存在下で上記SCR触媒によって還元浄化するステップとを備え、上記SCR触媒の温度が、第2所定値以上であるときは、第2所定値に達していないときよりも、上記リッチパージのインターバルを長くするステップをさらに備えていることを特徴とする排気ガス浄化方法。

請求項2

請求項1において、上記SCR触媒を通過した排気ガス中の上記還元剤及び/又はその誘導体をトラップするステップと、そのトラップ量が所定値に達したときに、該還元剤及び/又はその誘導体を酸化させるステップをさらに備えていることを特徴とする排気ガス浄化方法。

請求項3

エンジンから排出される排気ガス中のNOxの処理が可能な排気ガス浄化システムであって、当該システムの構成要素として、排気ガスの空熱比がリーンのときに該排気ガス中のNOxをトラップし、排気ガスの空燃比が理論空燃比ないしリッチになったときに上記トラップされたNOxを放出して還元するLNT触媒と排気ガス中のHC、CO及びNOを酸化する酸化触媒とを複合させた複合触媒と、上記NOxを還元剤の存在下で選択的に還元するSCR触媒と、上記SCR触媒に上記還元剤を供給するべく該還元剤又は還元剤前駆体を上記エンジンの排気ガス通路に注入する注入手段とを備え、上記システム構成要素が上記排気ガス通路に、排気ガス流れ方向の上流側から上記複合触媒、上記注入手段及び上記SCR触媒の順で配置されているとともに、上記複合触媒は、ゼオライトよりなるHCトラップ材を含有することを特徴とする排気ガス浄化システム。

請求項4

請求項3において、上記還元剤としてのNH3又は上記還元剤前駆体としての尿素が上記注入手段によって上記排気ガス通路に注入され、当該システム構成要素として、さらにNH3及び/又はその誘導体を酸化するための酸化触媒が上記SCR触媒よりも下流側の上記排気ガス通路に配置されていることを特徴とする排気ガス浄化システム。

請求項5

請求項3又は請求項4において、上記複合触媒の上記LNT触媒は、排気ガス中のNOを酸化する触媒成分と、排気ガス中のNOxをトラップするNOxトラップ材と、該NOxトラップ材にトラップされたNOxを還元する触媒成分を含有し、上記複合触媒の上記酸化触媒は、上記ゼオライトよりなるHCトラップ材と、HC、CO及びNOを酸化する触媒成分とを含有し、上記複合触媒は、次のA、B及びCから選ばれる少なくとも一つの構造を備えていることを特徴とする排気ガス浄化システム。Aハニカム担体の排気ガスが通る各セルの壁に上記LNT触媒を含有する層と上記酸化触媒を含有する層が設けられ、該両層のうちの一方が他方よりも当該セルの排気ガスが通る空間側に配置されている。Bハニカム担体の排気ガスが通る各セルの壁に上記LNT触媒と上記酸化触媒が混合された触媒層が形成されている。Cハニカム担体の排気ガスが通る各セルの壁に上記LNT触媒と上記酸化触媒が設けられ、該LNT触媒及び酸化触媒のうちの一方が他方よりも当該セルの排気ガス流れ方向の上流側に配置されている。

請求項6

請求項5において、上記複合触媒は、上記Aの構造を備え、上記酸化触媒を含有する層が上記LNT触媒を含有する層よりも当該セルの排気ガスが通る空間側に配置されていることを特徴とする排気ガス浄化システム。

技術分野

背景技術

0002

ディーゼルエンジンリーンバーンガソリンエンジンから排出される排気ガスにはNOx(窒素酸化物)とパティキュレートが含まれている。特許文献1には、NOxとパティキュレートを処理するシステムとして、酸化触媒パティキュレートフィルタ還元剤供給源SCR(Selective Catalytic Reduction)触媒、及びNH3酸化触媒の順に排気ガスを通過させるシステムが開示されている。このシステムでは、排気ガス中のNOを酸化触媒によって酸化させてNO2を生成し、そのNO2の存在下でフィルタ上のパティキュレートを燃焼させてフィルタを再生する。また、還元剤としてNH3又は尿素排気ガス通路に供給されて、SCR触媒でNOxが選択的に還元浄化される。SCR触媒を通過するNH3及び/又はその誘導体はNH3酸化触媒で除去される。

0003

特許文献2には、酸化触媒、パティキュレートフィルタ及びNOxトラップ触媒の順に排気ガスを通過させるシステムが開示されている。このシステムでは、特許文献1と同じく、排気ガス中のNOを酸化触媒によって酸化させてNO2を生成し、そのNO2の存在下でフィルタのパティキュレートを燃焼させる。NO2とパティキュレートの反応で生成するNOと、パティキュレートと反応せずにフィルタを通過したNO2はNOxトラップ触媒にトラップされる。トラップされたこれらNOxは、燃料排気行程噴射によって排気空燃比を定期的にリッチにすることにより放出させて還元浄化される。

0004

特許文献2には、NOxトラップ触媒に代えてNOx選択還元触媒を設けたシステムも開示されている。このシステムの場合は、燃料の排気行程噴射によって排気空燃比を定期的にリッチにして排気ガス中のHC(炭化水素)及びCOの量を増大させ、このHC等をNOx選択還元触媒(SCR触媒)に蓄積しておき、この蓄積されたHCを利用して上記フィルタの下流側においてNOやNO2を還元浄化する。

先行技術

0005

特開2011−89521号公報
特開平09−53442号公報

発明が解決しようとする課題

0006

還元浄化すべきNOx量が多い場合、特許文献1のSCR触媒であれば、該SCR触媒に十分な還元剤(NH3又は尿素)を供給することができるように還元剤タンクの容量を大きくしなければならない。しかし、例えば、小型自動車ではそのような大容量の還元剤タンクの搭載スペースを確保することが難しい。また、還元剤の使用量が多くなると、SCR触媒を通過するNH3量が多くなり、NH3酸化触媒の処理負担が増大する。特許文献2のHCを還元剤に利用するSCR触媒であれば、還元剤タンクは不要であるが、排気空燃比を頻繁にリッチに近い条件にする必要があり、NOxの還元のために燃費が悪化する。SCR触媒に代えてNOxトラップ触媒でNOxを還元するとしても、排気空燃比を頻繁にリッチにする必要があり、同様に燃費が悪化する。

0007

そこで、本発明は、排気ガス中のNOxをLNT触媒とSCR触媒によって効率良く処理することを課題とする。

課題を解決するための手段

0008

ここに開示する排気ガス浄化方法は、エンジンから排出される排気ガス中のNOxを処理する排気ガス浄化方法であって、
上記排気ガスの空燃比リーンであるときに該排気ガス中のNOを酸化触媒で酸化してLNT触媒でトラップするステップと、
上記LNT触媒のNOxトラップ量所定値に達したときに、上記エンジンの燃焼室噴射する燃料を増量することにより上記排気ガスの空燃比をリーンから一時的にリッチにするリッチパージを実行して、該LNT触媒にトラップされているNOxを還元浄化するステップと、
上記LNT触媒よりも排気ガス流れ方向の下流側に配置したSCR触媒に流入する排気ガスの温度が第1所定値以上であるときに、該排気ガスに還元剤又は還元剤前駆体注入し、該排気ガス中のNOxを当該還元剤の存在下で上記SCR触媒によって還元浄化するステップとを備え、
上記SCR触媒の温度が、第2所定値以上であるときは、第2所定値に達していないときよりも、上記リッチパージのインターバルを長くするステップをさらに備えていることを特徴とする。

0009

従って、排気ガスの空燃比がリーンであるとき、排気ガス中のNOxはLNT触媒にトラップされる。このときはSCR触媒ではNOxを浄化する必要はないから、還元剤又は還元剤前駆体の注入は不要である。或いはSCR触媒に達するNOx量は少ないから、SCR触媒でNOxを浄化するとしても、還元剤又は還元剤前駆体の注入量は少なくて済む。

0010

LNT触媒にトラップされたNOxは、そのトラップ量が所定値に達したときに、リッチパージによってLNT触媒から放出させ該LNT触媒によって還元浄化することができる。このときも、SCR触媒ではNOxを浄化する必要はない。或いはLNT触媒から放出された一部のNOxが未浄化のまま下流側に流れ、SCR触媒に達するとしても、そのNOx量は少ない。従って、SCR触媒でNOxを浄化するとしても、還元剤又は還元剤前駆体の注入量は少なくて済む。

0011

一方、SCR触媒に流入する排気ガスの温度が第1所定値以上になっているときは、排気ガスに還元剤又は還元剤前駆体を注入することによって、排気ガス中のNOxをSCR触媒で還元浄化することができる。従って、このときは、上流側のLNT触媒においてNOxトラップ量が所定値に達しているとしても、必ずしも、リッチパージを行なう必要はない。すなわち、SCR触媒の温度が第2所定値以上であるときは、このSCR触媒でNOxを浄化することにより、LNT触媒のためのリッチパージのインターバルを長くとって、リッチパージによる燃費の悪化を避けることができる。

0012

このように、本発明のLNT触媒とSCR触媒の併用によれば、NOx浄化性能を落とすことなく、燃費の悪化を軽減することができる。

0013

上記排気ガス浄化方法の好ましい態様では、上記SCR触媒を通過した排気ガス中の上記還元剤及び/又はその誘導体をトラップするステップと、そのトラップ量が所定値に達したときに、該還元剤及び/又はその誘導体を酸化させるステップをさらに備えている。これにより、還元剤及び/又はその誘導体のスリップ大気中への排出)が防止される。

0014

ここに開示する排気ガス浄化システムは、エンジンから排出される排気ガス中のNOxの処理が可能な排気ガス浄化システムであって、当該システムの構成要素として、
排気ガスの空熱比がリーンのときに該排気ガス中のNOxをトラップし、排気ガスの空燃比が理論空燃比ないしリッチになったときに上記トラップされたNOxを放出して還元するLNT触媒と排気ガス中のHC、CO及びNOを酸化する酸化触媒とを複合させた複合触媒と、
上記NOxを還元剤の存在下で選択的に還元するSCR触媒と、
上記SCR触媒に上記還元剤を供給するべく該還元剤又は還元剤前駆体を上記エンジンの排気ガス通路に注入する注入手段とを備え、
上記システム構成要素が上記排気ガス通路に、排気ガス流れ方向の上流側から上記複合触媒、上記注入手段及び上記SCR触媒の順で配置されているとともに、
上記複合触媒は、ゼオライトよりなるHCトラップ材を含有することを特徴とする。

0015

従って、排気ガスの空燃比がリーンであるとき、排気ガス中のNOxはLNT触媒にトラップされる。排気ガス中のNOxのうちの量が多いNOはLNT触媒と複合されている酸化触媒によってNO2に酸化されるため、NOxがLNT触媒に効率良くトラップされる。このときはSCR触媒ではNOxを浄化する必要はないから、還元剤又は還元剤前駆体の注入は不要である。或いはSCR触媒に達するNOx量は少ないから、SCR触媒でNOxを浄化するとしても、還元剤又は還元剤前駆体の注入量は少なくて済む。

0016

LNT触媒にトラップされたNOxは、そのトラップ量が所定値に達したときに、リッチパージによってLNT触媒から放出させ該LNT触媒によって還元浄化することができる。このときも、SCR触媒ではNOxを浄化する必要はない。或いはLNT触媒から放出された一部のNOxが未浄化のまま下流側に流れ、SCR触媒に達するとしても、そのNOx量は少ない。従って、SCR触媒でNOxを浄化するとしても、還元剤又は還元剤前駆体の注入量は少なくて済む。

0017

一方、SCR触媒が活性を呈する温度に達しているときは、排気ガスに還元剤又は還元剤前駆体を注入することによって、排気ガス中のNOxをSCR触媒で還元浄化することができる。従って、このときは、上流側のLNT触媒においてNOxトラップ量が所定値に達しているとしても、必ずしも、リッチパージを行なう必要はない。すなわち、SCR触媒が活性を呈する温度に達しているときは、このSCR触媒でNOxを浄化することにより、LNT触媒のためのリッチパージのインターバルを長くとって、リッチパージによる燃費の悪化を避けることができる。

0018

このように、本発明のLNT触媒とSCR触媒の併用によれば、NOx浄化性能を落とすことなく、燃費の悪化を軽減することができる。

0019

しかも、本発明によれば、LNT触媒と酸化触媒を一体化させて複合触媒としたことにより、システムの大型化防止に有利になる。また、SCR触媒のNOx浄化負担が軽くなるため、SCR触媒の小型化や還元剤又は還元剤前駆体の貯留タンクの小型化が図れる。

0020

本発明の好ましい実施態様では、上記還元剤としてのNH3又は上記還元剤前駆体としての尿素が上記注入手段によって上記排気ガス通路に注入される。そして、当該システム構成要素として、さらにNH3及び/又はその誘導体を酸化するための酸化触媒が上記SCR触媒よりも下流側の上記排気ガス通路に配置されている。

0021

排気ガス通路に尿素が注入されると、その熱分解加水分解によって還元剤としてのNH3が生成する。そして、SCR触媒でNOxの浄化に使われることなく、未反応のままSCR触媒を通過したNH3及び/又はその誘導体はSCR触媒よりも下流側の酸化触媒によって酸化される。よって、NH3及び/又はその誘導体による異臭の発生が防止される。

0022

本発明の好ましい実施態様では、上記複合触媒の上記LNT触媒は、排気ガス中のNOを酸化する触媒成分と、排気ガス中のNOxをトラップするNOxトラップ材と、該NOxトラップ材にトラップされたNOxを還元する触媒成分を含有し、
上記複合触媒の上記酸化触媒は、上記ゼオライトよりなるHCトラップ材と、HC、CO及びNOを酸化する触媒成分を含有し、
上記複合触媒は、次のA、B及びCから選ばれる少なくとも一つの構造を備えていることを特徴とする。
ハニカム担体の排気ガスが通る各セルの壁に上記LNT触媒を含有する層と上記酸化触媒を含有する層が設けられ、該両層のうちの一方が他方よりも当該セルの排気ガスが通る空間側に配置されている。以下、当該空間側を配置されている一方の触媒層を端的に「上層」になっているといい、他方の触媒層を端的に「下層」になっているという。
B ハニカム担体の排気ガスが通る各セルの壁に上記LNT触媒と上記酸化触媒が混合された触媒層が形成されている。
C ハニカム担体の排気ガスが通る各セルの壁に上記LNT触媒と上記酸化触媒が設けられ、該LNT触媒及び酸化触媒のうちの一方が他方よりも当該セルの排気ガス流れ方向の上流側に配置されている。

0023

上記LNT触媒によれば、NOを酸化する触媒成分を含有するから、排気ガス中のNOがNO2に酸化され、NOxトラップ材によるNOxのトラップが促進される。また、上記酸化触媒によれば、HCトラップ材を含有するから、排気ガス温度が低いとき(触媒が活性化していないとき)に排気ガス中のHCをトラップしておき、排気ガス温度が高くなったとき(触媒が活性を呈するようになったとき)にHCトラップ材から放出されるHCを酸化浄化することができ、HCが酸化されることなく排出される量を減らすことができる。

0024

構造Aに関し、LNT触媒が上層になり、酸化触媒が下層になっているケースでは、上層(LNT触媒)でNOxがトラップされるため、NOxが下層(酸化触媒)でのHC及びCOの酸化反応阻害することが抑制される。また、LNT触媒を含有する上層の還元能力が高いため、NOxがN2まで還元される反応が進み易い。

0025

構造Aに関し、LNT触媒が下層になり、酸化触媒が上層になっているケースでは、上層(酸化触媒)で排気ガス中のNOが酸化されてNO2が生成し易くなり、その結果、下層(LNT触媒)でNOx吸蔵反応が進み易くなる。

0026

構造Bによれば、LNT触媒と酸化触媒が混合されているから、酸化触媒で生成されるNO2がLNT触媒のNOxトラップ材に吸蔵され易くなる。

0027

構造Cに関し、LNT触媒を上流側に配置するケースでは、上流側でNOxがトラップされるため、NOxが下流側の酸化触媒でのHC及びCOの酸化反応を阻害することが抑制される。LNT触媒が上流側にあって昇温し易いため、リッチパージによるNOx放出時にNOxの浄化反応が進み易い。

0028

構造Cに関し、酸化触媒を上流側に配置するケースでは、上流側の酸化触媒で排気ガス中のNOが酸化されてNO2が生成し易くなり、その結果、下流側のLNT触媒でNOx吸蔵反応が進み易くなる。酸化触媒が上流側にあって昇温し易いため、HC及びCOの酸化反応が進み易い。

発明の効果

0029

本発明に係る排気ガス浄化方法によれば、排気ガスの空燃比がリーンであるときにNOを酸化触媒で酸化してLNT触媒でトラップするステップと、該NOxトラップ量が所定値に達したときにリッチパージを実行して、該LNT触媒にトラップされているNOxを還元浄化するステップと、下流側のSCR触媒に流入する排気ガスの温度が第1所定値以上であるときに、還元剤又は還元剤前駆体を注入し、該排気ガス中のNOxをSCR触媒によって還元浄化するステップとを備え、上記SCR触媒の温度が、第2所定値以上であるときは上記リッチパージのインターバルを長くするから、NOxを効率良く浄化することができるとともに、NOx浄化性能を落とすことなく、燃費の悪化を軽減することができる。

0030

本発明に係る排気ガス浄化システムによれば、排気ガス流れ方向の上流側から、LNT触媒と酸化触媒の複合触媒、還元剤又はその前駆体の注入手段及びSCR触媒を順に配置したから、NOx浄化性能を落とすことなく、還元剤又はその前駆体の注入量、リッチパージ頻度を減らすことができ、還元剤又はその前駆体貯留用タンクの小型化やSCR触媒の小型化が図れるとともに、燃費の向上に有利になり、さらに、上記LNT触媒と酸化触媒の複合化によりシステムの大型化防止に有利になる。

図面の簡単な説明

0031

エンジンの排気ガス浄化システムの構成図。
複合触媒の好ましい構造の一例を模式的に示す断面図。
複合触媒の好ましい構造の他の例を模式的に示す断面図。
NOxトラップ及びPM捕集に関するブロック説明図。
NOx放出還元及びPM捕集に関するブロック説明図。
フィルタの再生に関するブロック説明図。
SCR触媒によるNOxの還元に関するブロック説明図。

実施例

0032

以下、本発明を実施するための形態を図面に基いて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

0033

システム構成
図1に示す排気ガス浄化システムはエンジン1から排出される排気ガス中のNOxとパティキュレート(以下、「PM」という。)の処理が可能なシステムである。本例のエンジン1はディーゼルエンジンであり、その排気ガス通路2に、複合触媒3、触媒付フィルタ4、還元剤又は還元剤前駆体の注入手段5、ミキサ6、SCR触媒7及びNH3酸化触媒8が排気ガス流れ方向の上流側から順に配置されている。本明細書では、「上流側」及び「下流側」は排気ガス流れ方向について使用している。同システムは、還元剤又は還元剤前駆体を貯留するタンク9及び各種センサを備える。それらセンサの信号に基いてエンジン1の燃料噴射制御及び注入手段5の制御がECU(Engine Control Unit)11によって実行される。

0034

複合触媒3は、上記NOxを一時的にトラップして還元浄化するLNT触媒と排気ガス中のHC、CO及びNOを酸化する酸化触媒(DOC)とを複合させてなる。

0035

LNT触媒は、排気ガス中のNOを酸化する触媒成分と、排気ガスの空燃比がリーンのときに該排気ガス中のNOxをトラップし、排気ガスの空燃比が理論空燃比ないしリッチになったときにNOxを放出するNOxトラップ材と、該NOxトラップ材にトラップされたNOxを還元する触媒成分を含有する。例えば、NO酸化触媒としては、活性アルミナとOSC(Oxygen Storage capacity)材としてのCe含有酸化物の混合物にPtを担持させた触媒を採用し、NOxトラップ材としてはBa等のアルカリ土類金属化合物を採用し、NOx還元触媒としては活性アルミナとOSC材(Ce含有酸化物)の混合物にRhを担持させた触媒を採用することが好ましい。

0036

NOxトラップ材の原料としてアルカリ土類金属の酢酸塩を採用し、これを担体に担持して焼成すると、アルカリ土類金属は炭酸塩となる。すなわち、このアルカリ土類金属の炭酸塩がNOxトラップ材となる。

0037

酸化触媒は、排気ガス中のHCをトラップするHCトラップ材と、該HCトラップ材にトラップされたHC、排気ガス中のHC、CO、NOを酸化する触媒成分を含有する。例えば、HCトラップ材としてはゼオライトを採用し、酸化触媒成分としては活性アルミナとOSC材(Ce含有酸化物)の混合物にPt及び/又はPdを担持させた触媒を採用することが好ましい。

0038

複合触媒3は、次のA、B及びCから選ばれる少なくとも一つの構造を備えた構成とすることができる。

0039

Aハニカム担体の排気ガスが通る各セルの壁に上記LNT触媒を含有する層と上記酸化触媒を含有する層が設けられ、該両層のうちの一方が他方よりも当該セルの排気ガスが通る空間側に配置されて上層になっている。

0040

Bハニカム担体の排気ガスが通る各セルの壁に上記LNT触媒と上記酸化触媒が混合された触媒層が形成されている。

0041

Cハニカム担体の排気ガスが通る各セルの壁に上記LNT触媒と上記酸化触媒が設けられ、該LNT触媒及び酸化触媒のうちの一方が他方よりも当該セルの排気ガス流れ方向の上流側に配置されている。

0042

構造Aにおいて好ましいのは、図2に示すように、酸化触媒25が上層になり、LNT触媒26が下層になるように、両触媒25,26がセル壁27に担持されていることである。

0043

構造Cにおいて好ましいのは、図3に示すように、酸化触媒25がLNT触媒26よりも上流側に配置されるように、両触媒25,26がセル壁27に担持されていることである。

0044

触媒付フィルタ4は、上記PMを捕集するフィルタにPM燃焼用触媒が担持されてなる。触媒としては、例えば、Pt及びアルカリ土類金属が担持された活性アルミナ、Pt及びアルカリ土類金属が担持されたCe含有酸化物、並びにPt及びアルカリ土類金属が担持されたCe非含有のZr系複合酸化物を含有することが好ましい。

0045

SCR触媒7は、上記NOxを還元剤の存在下で選択的に還元浄化するものであり、本例では、還元剤となるNH3の前駆体として尿素を採用した尿素−SCRを採用している。そのため、タンク9には尿素水が貯留される。SCR触媒7としては、NH3をトラップするゼオライトにNH3を還元剤としてNOxを還元する触媒金属を担持させた触媒成分を採用し、該触媒成分をハニカム担体のセル壁に担持させた構成とすることが好ましい。NOx還元用の触媒金属としては、Fe、Ti、Ce、W等が好ましく、NH3をNOxに酸化し易いPtやPdの使用は好ましくない。

0046

注入手段5は、タンク9の尿素水を複合触媒3とミキサ6の間の排気ガス通路2に供給する噴射弁によって構成することができる。ミキサ6は、尿素水を排気ガス通路2内において排気ガス中に拡散させるものである。

0047

NH3酸化触媒8はNOxと反応することなくSCR触媒7を通過する(スリップする)NH3及びその誘導体をトラップして酸化するものであり、それらNH3等のスリップを防止する。NH3酸化触媒8としては、NH3をトラップするゼオライトにPtを担持させたPt担持ゼオライトとPtを担持させたOSC材とをハニカム担体のセル壁に担持させた構成とすることが好ましい。

0048

複合触媒3と触媒付フィルタ4は、1つの触媒容器12に、前者が排気ガス流れ方向の上流側に配置されるようにタンデムに収容されている。この触媒容器12はターボ過給機13の排気ガス出口直結されて自動車エンジンルームに配設されている。ターボ過給機13はエンジン1の排気マニホールド下流端に直結されている。かかる構成の採用により、複合触媒3と触媒付フィルタ4にはエンジン始動時でも排気ガスが比較的高温の状態で流入するようになっている。なお、図1において、14はエンジン1の吸入空気通路である。一方、SCR触媒7及びNH3酸化触媒8は自動車のフロア下に配設されている。

0049

次に排気ガス通路2に配置されている各種センサについて説明する。複合触媒3よりも上流側には複合触媒3に流入する排気ガス温度を検出する第1温度センサ15が配置されている。この第1温度センサ15で検出される排気ガス温度が所定値以上であることと、LNT触媒のNOxトラップ量が所定値に達していることが、該LNT触媒のNOxを放出させて還元浄化するためのリッチパージ(エンジン空燃比をリーンから一時的にリッチにすること)の条件となる。NOxトラップ量はエンジンの運転履歴及びリッチパージ履歴に基いて推定される。ここに、リッチパージはエンジン1の燃焼室に圧縮行程で噴射する燃料を増量することにより行ない、これにより、LNT触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチになり、NOxが放出される。

0050

複合触媒3と触媒付フィルタ4の間には触媒付フィルタ4に流入する排気ガス温度を検出する第2温度センサ16が配置されている。この第2温度センサ16で検出される排気ガス温度に基いて、触媒付フィルタ4を再生するためのポスト噴射量が制御される。すなわち、触媒付フィルタ4の温度を確実にPM着火温度に上昇させるために、当該排気ガス温度が予め設定した温度になるようにポスト噴射量が制御される。

0051

触媒付フィルタ4よりも上流側と下流側には触媒付フィルタ4の上流側と下流側の排気ガスの差圧Δを検出するための圧力センサ17,18が配置されている。上流側の圧力センサ17は、本例では複合触媒3と触媒付フィルタ4の間に配置されている。上記差圧Δに基いて触媒付フィルタ4のPM捕集量が算出され、該捕集量が所定値に達したときにポスト噴射所定噴射時期に実行される。

0052

触媒付フィルタ4とミキサ6の間にはSCR触媒7に流入する排気ガスのNOx濃度を検出する上流側NOxセンサ19が配置されている。SCR触媒7とNH3酸化触媒8の間にはSCR触媒7から流出する排気ガスのNOx濃度を検出する下流側NOxセンサ21が配置されている。さらに、SCR触媒7の直ぐ上流側にはSCR触媒7に流入する排気ガス温度を検出する第3温度センサ22が配置されている。

0053

上流側NOxセンサ19で検出されるNOx濃度が所定値以上であること、並びに第3温度センサ22で検出される排気ガス温度が所定値以上であることが、SCR触媒7でNOxを浄化するための注入手段5による尿素水の注入条件となる。尿素水の注入量は、SCR触媒7のゼオライトに吸着されているNH3量及び上流側NOxセンサ19で検出されるNOx濃度に基いて、適切な量になるように制御される。ゼオライトに吸着されているNH3量は、上流側と下流側のNOxセンサ19,21で検出されるNOx濃度及び尿素注入量の履歴に基いて推定される。

0054

そのほかに、排気ガス通路には排気ガスの空燃比を検出するセンサ(図示省略)が設けられている。排気ガスの空燃比はエンジンの運転状態に基いて推定するようにしてもよい。

0055

<排気ガスの浄化>
[LNT触媒によるNOxトラップ,触媒付フィルタ4によるPM捕集]
排気ガスの空燃比がリーンであるとき、図4に示すように、排気ガス中のNOx(図4では代表的にNOを示している)が複合触媒3のLNT触媒のNOxトラップ材にトラップされ、PMは触媒付フィルタ4に捕集される。

0056

排気ガス中のNOxのうちの量が多いNOは、酸化触媒やLNT触媒のNO酸化触媒成分の存在下、排気ガス中のO2と反応してNO2に酸化される。NOxトラップ材として例えばBa化合物を採用したときは、NO2は、酸素(1/2O2)の存在下、BaCO3と反応してトラップされる(置換反応)。すなわち、NO2はNO3−となってBaに結合することにより、Ba(NO3)2が生成し、BaCO3からCO2が脱離して放出される。

0057

[LNT触媒によるNOx放出還元,触媒付フィルタ4によるPM捕集]
NOxトラップ材のNOxトラップ量が所定値以上であり、且つ複合触媒3に流入する排気ガス温度が所定値(例えば、200℃)以上であることを条件として、必要に応じて、リッチパージが実行される。これにより、排気ガスの空燃比が一時的にリッチになり、図5に示すように、NOxトラップ材からNOxが放出されてNOx還元触媒により還元浄化される。これにより、NOxトラップ材のNOxトラップ能が回復する(LNT触媒の再生)。このときも、触媒付フィルタ4によるPMの捕集は継続される。

0058

NOxの放出還元について説明する。図5に示すように、Ba(NO3)2は、排気ガス中の上記リッチパージによって多くなるCOとの反応(置換反応)によってBaCO3となり、その結果、NO2が脱離して放出される。NO2は、NOx還元触媒の存在下、排気ガス中の還元剤(CO,HC,H2)と反応し、N2となって排出される。また、この還元反応に伴ってCO2、O2及びH2Oが生成して排出される。

0059

[触媒付フィルタ4によるPM燃焼]
排気ガスの空燃比がリーンである状態において、触媒付フィルタ4の上流側と下流側の排気ガスの差圧Δに基いて触媒付フィルタ4のPM捕集量が所定値に達したことが検出されたときに、触媒付フィルタ4に流入する排気ガス温度に基いてポスト噴射が実行される。これにより、触媒付フィルタ4に捕集されているPMが燃焼して除去され、該フィルタのPM捕集能が回復する(フィルタの再生)。以下、具体的に説明する。

0060

図6に示すように、ポスト噴射により、エンジン1から排出される排気ガス中のHC及びCOが多くなる。そのHC及びCOは、複合触媒3の酸化触媒の存在下、排気ガス中の酸素(O2)と反応し、これにより、CO2及びH2Oが生成して排出される。このときに発生する酸化反応熱によって触媒付フィルタ4に流入する排気ガス温度が上昇する。その結果、触媒付フィルタ4の温度が上昇し、PM燃焼速度が大幅に向上する。

0061

また、複合触媒3の酸化触媒及びLNT触媒のNO酸化触媒によって、排気ガス中のNOが排気ガス中の酸素(O2)と反応してNO2が生成し、このNO2が排気ガス中の酸素(O2)と共に酸化剤として触媒付フィルタ4に供給される。或いは上記酸化反応熱によってLNT触媒の温度が上昇してNOxトラップ材からNO2が放出されて触媒付フィルタ4に供給される。触媒付フィルタ4においては、触媒の存在下、捕集されているPMが酸素やNO2と反応(燃焼)し、CO2となって排出される。また、触媒付フィルタ4からはNO2とPMの反応で生成するNO及び未反応のNO2が排出される。

0062

このように、酸化触媒及びLNT触媒から触媒付フィルタ4に供給されるNO2が酸化剤となってPMの燃焼が促進されるため、PM燃焼のためのポスト噴射量は少なくて済む。

0063

[SCR触媒7によるNOx選択還元]
LNT触媒でトラップされなかったNOx、或いは還元浄化されなかったNOx、或いは触媒付フィルタ4から排出されるNOxはSCR触媒7に向かって流れる。SCR触媒7に流入する排気ガスのNOx濃度が所定値以上であること、並びにSCR触媒7に流入する排気ガス温度が所定値(例えば200℃)以上であることを条件として、必要に応じて、SCR触媒7によるNOxの選択還元が実行される。

0064

従って、例えば、リッチパージによってLNT触媒からNOxを放出させて還元浄化したときにおいて、放出NOxの一部が還元浄化されることなく排出されることによって、SCR触媒7に流入する排気ガスのNOx濃度が所定値以上になったときは、SCR触媒7に流入する排気ガス温度が所定値以上であることを条件として、SCR触媒7によるNOxの選択還元を実行すべく、注入手段8によって尿素水が注入される。

0065

図7に示すように、注入手段5によって尿素水が排気ガス通路2に注入されると、その尿素の熱分解及び加水分解によってNH3(還元剤)が生成し、SCR触媒7のゼオライトに吸着される。また、尿素の分解によって生ずるCO2が排出される。SCR触媒7に流入するNOx(NO,NO2)は、ゼオライトに吸着されたNH3によってN2に還元浄化され、そのときに生成するH2Oと共に排出される。

0066

ここに、NH3によるNOxの還元には、次式に示すとおり、排気ガス中のO2が関与するケースと関与しないケースがある。

0067

(O2が関与するケース)
4NO+4NH3+O2 → 4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2 → 3N2+6H2O
(O2が関与しないケース)
NO+NO2+2NH3 → 2N2+3H2O
6NO2+8NH3 → 7N2+12H2O
[NH3酸化触媒8によるNH3等の酸化]
NOxと反応することなくSCR触媒7を通過するNH3及びその誘導体はNH3酸化触媒8のゼオライトにトラップされる。よって、NH3及びその誘導体が大気中に排出することが防止される。ゼオライトにトラップされたNH3及びその誘導体は、そのトラップ量が所定値に達したときに、ゼオライトから脱離させ、Pt触媒によって酸化させて排出させる。以下、具体的に説明する。

0068

上記トラップ量は次のようにして求める。すなわち、下流側NOxセンサ21の検出値にはSCR触媒7から流出するNOxだけでなく、SCR触媒7から流出するNH3が反映される。このことを利用して、上流側NOxセンサ19の検出値(SCR触媒7に流入するNOx量が得られる)、注入手段5による尿素水注入量(SCR触媒7に流入するNH3量が得られる)及び下流側NOxセンサ21の検出値(SCR触媒7から流出するNOxとNH3の合計量が得られる)に基いて、SCR触媒7をスリップしてNH3酸化触媒8にトラップされるNH3及びその誘導体の量を求め、これを積算していくことにより、当該トラップ量を求める。

0069

上記トラップ量が所定値に達したときに、ポスト噴射を実行し、それによって排気ガス温度が高くなり、NH3及びその誘導体がゼオライトから脱離してPt触媒によって酸化される。

0070

ところで、触媒付フィルタ4を再生したときも、排気ガス温度が上昇してNH3及びその誘導体がゼオライトから脱離し、Pt触媒によって酸化される。また、エンジンの高負荷運転時には排気ガス温度が高くなるから、その場合も、NH3及びその誘導体がゼオライトから脱離してPt触媒によって酸化されることがある。

0071

しかし、エンジンの高負荷運転は上記トラップ量に応じて行なわれるものではない。また、NH3酸化触媒8にトラップされているNH3及びその誘導体の酸化除去のために、ポスト噴射を実行したり、触媒付フィルタ4の再生を実行したりすることは燃費の悪化を招く。

0072

従って、好ましい実施態様の一つは、フィルタ再生のインターバル中にSCR触媒7をスリップすると見込まれる量のNH3及びその誘導体をトラップしたときに、そのトラップ量が飽和に近い状態になるように、NH3酸化触媒8のトラップ容量(ゼオライトの量)を設定することである。

0073

これによれば、触媒付フィルタ4を再生するときに発生する熱を利用して、NH3酸化触媒8のNH3及びその誘導体を酸化除去することができ、しかも、NH3及びその誘導体がNH3酸化触媒8をスリップして大気中に排出されることを防止することができる。

0074

[LNT触媒とSCR触媒7の関係]
複合触媒3のLNT触媒のNOxトラップ量が未だ少なく、排気ガス中のNOxがLNT触媒に吸蔵されていくときは、上流側NOxセンサ19によって検出されるNOx濃度は所定値に達していないのが通常である。従って、このときはSCR触媒7によるNOxの浄化は不要であり、すなわち、注入手段5による尿素水の注入は不要である。或いは、SCR触媒7に流入するNOxは少ないため、極少量の尿素水を注入するだけで、NOxを還元浄化することができる。

0075

LNT触媒のNOxトラップ量が多くなってくると、LNT触媒によるNOxのトラップが鈍化し、SCR触媒7に流入する排気ガスのNOx濃度が高くなってくる。LNT触媒のNOxトラップ量が所定値以上になっており、且つ、SCR触媒7に流入する排気ガスのNOx濃度が所定値以上でその排気ガス温度が所定値以上になっているときは、リッチパージによるNOxトラップ能の回復(LNT触媒の再生)と尿素水の注入によるSCR触媒7でのNOxの選択還元とを選択的に実行することができる。当該NOxトラップ能の回復とNOxの選択還元と並行して実行することも可能である。

0076

尿素水を注入するときは、それによってSCR触媒7でNOxが還元浄化されるから、LNT触媒のNOxトラップ量が所定値に達しているからといって、必ずしも、リッチパージを行なうことは要しない。例えば、リッチパージのインターバルを長くして、燃料の消費を抑えることができる。一方、リッチパージによってLNT触媒からNOxが放出されるときは、そのNOxが還元触媒によってN2になるため、SCR触媒7によるNOxの選択還元は不要であり、或いはSCR触媒7に流入するNOxは少ないため、尿素水注入量は少なくて済む。或いは、タンク9の尿素水残量が少ないときは、SCR触媒によるNOxの還元浄化よりも、リッパージによるLNT触媒の再生を優先して、NOxの排出量を抑え、そのことによって、尿素水の消費を抑制することができる。

0077

1エンジン
2排気ガス通路
3複合触媒(LNT触媒+酸化触媒)
4触媒付フィルタ
5注入手段
6ミキサ
7SCR触媒
8 NH3酸化触媒
9 尿素水タンク

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