CN102076935B - 排放气体净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种排放气体净化装置(1)，其具备担载有用于净化内燃机的排放气体的氧化催化剂或三元催化剂或NOx吸留还原型催化剂的第1排放气体处理构件(3)，而且在该第1排放气体处理构件(3)的下游侧配置有具有HC吸留功能的第2排放气体处理构件(4)，其中，在所述第1排放气体处理构件(3)与所述第2排放气体处理构件(4)之间，设有使流入至所述第2排放气体处理构件(4)的排放气体的温度冷却的散热部(5)，而且将所述散热部(5)的上游侧形成为隔热结构，进而将所述隔热结构的上游侧形成为保温结构。由此，在采用氧化催化剂或三元催化剂或NOx净化催化剂和HC吸附材料(4)的排放气体净化装置(1)中，即使在加速时的内燃机的运转状态下，也能够在直到三元催化剂或NOx净化催化剂的HC起燃温度上升的期间，高效率地将流入至HC吸附材料(4)的排放气体冷却，从而用HC吸附材料(4)吸附处理HC。

Description

排放气体净化装置
技术领域
本发明涉及一种排放气体净化装置，其是具有三元催化剂或NOx净化催化剂等的催化剂装置的排放气体净化装置，其中，通过使用沸石等HC吸附材料，深入研究催化剂装置、HC吸附材料和散热部的配置，能够大幅度减少HC向大气中的流出量。
背景技术
关于汽车搭载的内燃机的排放气体净化系统中的HC的流出对策，使用沸石等具有微孔结构的材料，已知该材料具有在其微孔中吸附分子直径较大的HC种或氨等的特性。该吸附HC的材料在温度为250℃以下时吸附HC种等，在此温度以上的250℃～300℃的温度下反而使吸附的HC种等解吸。在300℃以上时用氧化催化剂、三元催化剂、NOx吸留还原型催化剂、选择性还原型NOx催化剂等担载有贵金属的催化剂使HC种等发生氧化。一般认为该HC种等的解吸是因为在高温区分子运动变得活跃。
在为将该材料作为HC吸附材料而配置在排放气体净化系统中的系统的情况下，HC吸附材料在250℃以上解吸掉HC。因此，该HC解吸的温度区域如果不使其与其它氧化催化剂(DOC)等的HC起燃(light-off)温度区域重合，则HC向这些排放气体处理装置的下游侧流出，因此，存在形成使排放气体状态恶化的温度区域的问题。
特别地，作为需要HC的流出对策的催化剂系统，有三元催化剂(TWC)及NOx吸留还原型催化剂(LNT)。在使用该三元催化剂的排放气体净化系统中，由于在加速时等增加燃料的情况下处于空燃比较深的富侧，因而流出的HC量增加。另外，在使用NOx吸留还原型催化剂的排放气体净化系统中，在用于恢复NOx吸留能力的再生处理时，需要通过采用后喷射或排气管内直接喷射供给HC等来形成富气氛。因此，如果不进行与从NOx吸留还原型催化剂解吸的NOx量对应的最优的控制，则有HC向大气中的流出量增加的可能性。另外，与三元催化剂同样，在加速时这种可能性增大。也就是说，NOx吸留还原型催化剂的催化温度伴随着加速而上升，使吸留的NOx被解吸，还原该解吸的NOx的NOx再生控制的机会增加，因此，容易增加HC的流出量。
作为该防止HC流出的对策，将HC吸附材料配置在三元催化剂或NOx吸留还原型催化剂的下游侧(后段)具有某种程度的效果。可是，由于HC吸附材料的HC吸附温度区为250℃以下的较低的温度，所以在加速时的排放气体温度急剧升高的情况下，对于防止HC的流出存在效果不大的问题。
因此，在这些排放气体净化系统中，对于加速时的HC流出的问题，进行通过牺牲NOx净化率来抑制HC的流出增加的控制。例如，在三元催化剂的情况下，通过抑制燃料喷射量来避免成为过度的富气氛。另外，在NOx吸留还原型催化剂的情况下，停止进行用于恢复NOx吸留能力的富空燃比控制，直到催化剂温度上升，HC净化率提高。
另一方面，例如，日本特开平09-85078号公报中提出了一种发动机的排放气体净化装置，其中，关于三元催化剂和HC吸附净化催化剂的配置，将三元催化剂配设在位于发动机室内的排气系统的上游侧，同时将以HC吸附剂和氧供给剂等为主要成分的HC吸附净化催化剂配设在位于发动机室外的底架下部的排气系统的下游侧，从而在发动机的启动后的早期阶段使三元催化剂活化，在该活化以前，利用车辆的行驶风进行冷却，同时防止HC吸附剂上升到HC解吸温度。
另外，例如，日本特开平11-210446号公报中提出了一种内燃机的排气净化装置，其中，在将三元催化剂层配备于HC吸附材料的上层而形成的HC吸附催化剂的上游侧，配置贫NOx催化剂(NOx吸留还原型催化剂)，在贫NOx催化剂和HC吸附催化剂之间设置由用于冷却排气的配管内外的冷却叶片或配管内的蜂窝结构体等构成的热质(heatmass：热容量)，或通过水等冷却介质进行冷却，从而使导入至HC吸附催化剂的排气的温度主动地降低，相对于贫NOx催化剂的活化，使HC吸附材料达到解吸开始温度的时间切实地延迟。
但是，前者存在的问题是，因行驶速度的不同，配置在底架下部的HC吸附剂催化剂的温度产生波动，从而难以控制HC吸附能力。后者存在的问题是，在后流侧没有选择性还原型NOx催化剂，因而从HC吸附材料解吸的HC将流出。另外，单个形成这些三元催化剂和HC吸附净化催化剂、或贫NOx催化剂和HC吸附催化剂，并且将它们间隔地配设。因此，排放气体净化系统增长，而且由于装置为两部分，因此还存在组装需要工时的问题。
专利文献1：日本特开平09-85078号公报
专利文献2：日本特开平11-210446号公报
发明内容
本发明是鉴于上述状况而完成的，其目的在于提供一种排放气体净化装置，其是采用三元催化剂或NOx净化催化剂、和HC吸附材料的排放气体净化装置，其中，即使在加速时的内燃机的运转状态下，在直到三元催化剂或NOx净化催化剂的HC起燃温度上升的期间，也能够高效率地对流入至HC吸附材料的排放气体进行冷却，从而能够用HC吸附材料对HC进行吸附处理。
为达到上述目的的排放气体净化装置，具备担载有用于净化内燃机的排放气体的氧化催化剂或三元催化剂或NOx吸留还原型催化剂的第1排放气体处理构件，而且在该第1排放气体处理构件的下游侧配置有具有HC吸留功能的第2排放气体处理构件，其中，所述排放气体净化装置的构成是，在所述第1排放气体处理构件与所述第2排放气体处理构件之间，设有使流入至所述第2排放气体处理构件的排放气体的温度冷却的散热部，而且将所述散热部的上游侧形成为隔热结构，进而将所述隔热结构的上游侧形成为保温结构。
根据该构成，由于将第1排放气体处理构件侧设定为保温结构，而且在第1排放气体处理构件和散热部之间设置隔热结构，因而能够促进两者的温度差的增大并进行维持。也就是说，当排放气体温度如加速时那样上升时，用散热部冷却排放气体，从而使流入至下游侧的具有HC吸附功能的第2排放气体处理构件中的排放气体温度降低。由此，能够在直到担载着氧化催化剂或三元催化剂或NOx吸留还原型催化剂的第1排放气体处理构件的温度达到HC起燃温度以上的高温区的期间，将第2排放气体处理构件维持在低温区。
因此，在下游侧的第2排放气体处理构件达到丧失HC吸附功能的温度(例如250℃)时，上游侧的氧化催化剂或三元催化剂或NOx还原型催化剂的第1排放气体处理构件已经达到活化温度以上，可充分估计起燃HC活性。因此，在第1排放气体处理构件活化之前，能够用下游侧的第2排放气体处理构件切实地吸附HC。
其结果是，在加速等时，不需要进行在现有技术中进行的如下控制：即通过抑制三元催化剂时的燃料来抑制达到过度的富气氛的控制，或在直到NOx吸留还原型催化剂时的催化温度上升、从而HC净化率得以提高的期间停止富还原等通过牺牲NOx净化率来谋求防止HC向大气中流出的控制。因此，从加速初期就能够充分地进行用于恢复NOx吸留能力的NOx再生控制中的NOx还原。
在上述的排放气体净化装置中，其构成是，使所述散热部为底部而将所述第1排放气体处理构件和所述第2排放气体处理构件并列配置在所述散热部的两侧，将所述第1排放气体处理构件、所述散热部和所述第2排放气体处理构件的总体形状配置成U字形状。根据该构成，能够在U字形状的折弯部分即底部设置大面积的散热部。因此，能够使排放气体净化装置小型化，并且还能够减少在配管上安装所需的工时。
或者，在上述的排放气体净化装置中，其构成是，并列配置所述第1排放气体处理构件和所述第2排放气体处理构件，而且在其间设置弯曲的连接通路，将所述第1排放气体处理构件、所述连接通路和所述第2排放气体处理构件的总体形状构成为S字形状，而且将所述连接通路的一部分或全部形成为所述散热部。根据该构成，能够在S字形状的折弯部分设置大面积的散热部，此外还能够谋求流(flow)的扩散。
或者，在上述的排放气体净化装置中，其构成是，将所述第1排放气体处理构件和所述第2排放气体处理构件配置成T字形状或L字形状，而且在其间设置弯曲的连接通路，将所述第1排放气体处理构件、所述连接通路和所述第2排放气体处理构件的总体形状构成为T字形状或L字形状，而且将所述连接通路的一部分或全部形成为所述散热部。根据该构成，能够在T字形状或L字形状的折弯部分设置较大面积的散热部。因此，能够使排放气体净化装置小型化，并且还能够减少在配管上安装所需的工时。
根据本发明的排放气体净化装置，在采用三元催化剂或NOx净化催化剂和具有HC吸附功能的排放气体处理构件的排放气体净化装置中，即使在加速时的内燃机的运转状态下，在直到三元催化剂或NOx净化催化剂的HC起燃温度上升的期间，能够高效率地对流入至HC吸附材料的排放气体进行冷却，能够用HC吸附材料对HC进行吸附处理，从而能够抑制HC向大气中的流出。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的排放气体净化装置的构成的侧剖视图。
图2是表示散热部5的构成的局部侧剖视图。
图3是表示本发明的第2实施方式的排放气体净化装置的构成的侧剖视图。
图4是表示本发明的第3实施方式的排放气体净化装置中的第1排放气体处理构件和第2排放气体处理构件的配置的示意图。
图5是表示本发明的第4实施方式的排放气体净化装置中的第1排放气体处理构件和第2排放气体处理构件的配置的示意图。
图6是表示实施例在加速时的氧化催化剂和HC吸附材料的温度随时间变化的图示。
图7是表示实施例和以往例的HC流出浓度的图示。
图8是表示实施例和以往例的HC净化率的图示。
符号说明：
1、1A、1B、1C排放气体净化装置
2氧化催化剂(DOC)
3NOx吸留还原型催化剂(LNT)(第1排放气体处理构件)
4HC吸附材料(第2排放气体处理构件)
4A选择性还原型NOx催化剂(第2排放气体处理构件)
5散热部
5a散热面
5b隔热层
5c支承构件
5d挡板
6第1催化剂室
6a保温材料(保温结构)
7第2催化剂室
8填料(packing：隔热结构)
9带催化剂的DPF(柴油微粒过滤器：Diesel Particulate Filter)
10、11、12连接通路
具体实施方式
以下，参照附图就本发明的实施方式的排放气体净化装置进行说明。图1中示出了本发明的第1实施方式的排放气体净化装置1的构成。该排放气体净化装置1是设在发动机(内燃机)的排气通路上的装置。该装置1的构成是，从上游侧开始具有氧化催化剂(DOC)2、第1排放气体处理构件即三元催化剂(TWC)或NOx吸留还原型催化剂(LNT)3、具有HC吸附功能的第2排放气体处理构件即HC吸附材料4。以下，以使用NOx吸留还原型催化剂作为第1排放气体处理构件的情况为例进行说明，但在采用三元催化剂的情况下也能适用本发明。
氧化催化剂2通过使铂等氧化催化剂担载在多孔质的陶瓷的蜂窝结构的担载体上而形成。该氧化催化剂2具有如下的作用：通过对排放气体中的HC或CO进行氧化来净化排放气体；在用于恢复NOx吸留还原型催化剂3的NOx吸留能力的NOx再生时，通过对作为NOx的还原剂供给的HC的一部分进行氧化而使排放气体的温度升温。
NOx吸留还原型催化剂3通过将碱金属或碱土类金属与贵金属一同担载而形成，对氧过剩的排放气体中的NO进行氧化，使其作为硝酸盐吸附在催化剂上，从而使NOx得以净化。该NOx吸留还原型催化剂3在排放气体为贫空燃比时吸留NOx，在富空燃比时使吸留的NOx解吸，而且在还原气氛中对该解吸的NOx进行还原，从而降低NOx。
作为第2排放气体处理构件4，采用在陶瓷载体或金属载体上涂覆有沸石系或氧化铝系的多孔质物质的HC吸附材料。该构成作为具有HC吸附功能的构成而为人所知。
该散热部5形成于连接第1排放气体处理构件3和第2排放气体处理构件4的连接通路10上，第1排放气体处理构件3的排放气体的流出正面和第2排放气体处理构件4的排放气体的流入正面形成于散热面5a上。也就是说，将保持第1排放气体处理构件3和第2排放气体处理构件4的催化剂室(触媒キヤスニング)形成折弯配置，在折弯部分的前侧配置氧化催化剂2和NOx吸留还原型催化剂3，在折弯部分的后侧配置HC吸附材料4。通过形成该构成，可以从折弯部分的散热部5的散热面5a进行散热，而且能够通过调整该散热面5a的面积量来调整第2排放气体处理构件4的温度下降量。另外，排放气体净化装置1整体的长度得以缩短，从而变得紧凑。
如图2所示，该散热部5由采用SUS材形成最外侧的散热面5a形成，而且在其内侧配置氧化铝(矾土)或碳化硅(二氧化硅)等厚度为10mm左右的隔热层(氧化铝层)5b，并设置有用于保持该散热面5a和隔热层5b的支承构件5c。另外，在该支承构件5c的内侧以浮动结构配置挡板5d。该散热面5a的SUS层也是为了保持隔热层5b，隔热层5b用于防止排放气体的散热。通过调整该SUS层的厚度等，可调整散热效果。另外，挡板5d用于防止排放气体的散热。与此同时，在支承构件5c和挡板5d之间设置空气层，通过该空气层可得到隔热效果。另外，通过调整散热面5a的面积等，从而将散热部5的结构形成为在从第1排放气体处理构件3的流出部位到第2排放气体处理构件4的流入部位之间使排放气体温度降低20℃～30℃左右的散热结构。
在收纳第1排放气体处理构件3的第1催化剂室6与散热部5之间的连接部分、以及收纳第2排放气体处理构件4的第2催化剂室7与散热部5之间的连接部分上，通过夹持包围着热导率小且导电少的SUS304或隔热材料的密封垫、例如用陶瓷纤维等材料形成的填料8而形成为隔热结构。另外，通过用玻璃棉或泡沫塑料等保温材料6a围住收纳第1排放气体处理构件3的第1催化剂室6等，将第1催化剂室6侧形成为保温结构。由此，将第2排放气体处理构件4的上游侧形成为隔热结构，将由此往上的上游侧形成为保温结构。由此，第1排放气体处理构件3和第2排放气体处理构件4的温度差得以增大。
接着，就第2实施方式进行说明。在图3所示的第2实施方式的排放气体净化装置1A中，作为第2排放气体净化构件采用选择性还原型NOx催化剂(SCR催化剂)4A。该选择性还原型NOx催化剂4A通过在由堇青石或氧化铝或氧化钛等形成的蜂窝结构等担载体上担载二氧化钛-钒、β型沸石、氧化铬、氧化锰、氧化钼、氧化钛、氧化钨等而形成。根据该构成，通过吸附氨而用该氨还原净化NOx。该选择性还原型NOx催化剂4A也与HC吸附材料4同样具有HC吸附功能。此外，在用该选择性还原型NOx催化剂4A净化NOx的情况下，设置用于向上游侧供给尿素等成为氨的物质的装置。
另外，在该选择性还原型NOx催化剂4A上，于下游侧设置带催化剂的DPF9。该带催化剂的DPF9由交替将多孔质陶瓷的蜂窝的小室的入口和出口封堵而成的单块式蜂窝(monolith honeycomb)型的壁流式过滤器等形成。在该过滤器部分上担载有铂或氧化铈等催化剂。通过该带催化剂的DPF9，排放气体中的PM(粒子状微粒)被多孔质的陶瓷的壁捕集。
该第2实施方式的排放气体净化装置1A也构成为与第1实施方式的排放气体净化装置1同样的U字形状，能够起到同样的效果。
接着，就第3实施方式进行说明。如图4所示，在该第3实施方式的排放气体净化装置1B中，并列配置第1排放气体处理构件3和第2排放气体处理构件4，而且在其间设置弯曲的连接通路11，将第1排放气体处理构件3、连接通路11和第2排放气体处理构件4的整体形状构成为S字形状。与此同时，其构成是将连接通路11的一部分或全部形成为散热部5。
根据该第3实施方式的排放气体净化装置1B，与第1实施方式的排放气体净化装置1及第2实施方式的排放气体净化装置1A相比，能够在该S字形状的折弯部分上设置大面积的散热部5。另外，能够使排放气体流充分扩散。
接着，就第4实施方式进行说明。如图5所示，在该第4实施方式的排放气体净化装置1C中，将第1排放气体处理构件3和第2排放气体处理构件4配置成T字形状或L字形状，而且在其间设置弯曲的连接通路12，将第1排放气体处理构件3、连接通路12和第2排放气体处理构件4的整体形状构成为T字形状或L字形状。与此同时，其构成是将连接通路12的一部分或全部形成为散热部5。
根据该第4实施方式的排放气体净化装置1C，能够在T字形状或L字形状的折弯部分上设置较大的面积的散热部5。因此，能够使排放气体净化装置1C小型化，而且还能够减少在配管上安装所需的工时。在该第4实施方式的排放气体净化装置1C中，关于散热部5的面积，能够设定第1实施方式的排放气体净化装置1及第2实施方式的排放气体净化装置1A与第3实施方式的排放气体净化装置1B之间的面积。
接着，图6～图8中示出了第1实施方式中的实验结果。在该第1实施方式中，氧化催化剂2具有HC氧化功能，位于NOx吸留还原型催化剂3的上游侧，因此，HC流出量由氧化催化剂2和HC吸附材料4的关系决定。如图6所示，在加速时，在氧化催化剂2和HC吸附材料4之间产生温度差，HC吸附材料升温，当在250℃解吸HC时，氧化催化剂2达到230℃以上，可充分估计HC起燃活性，因此，能够消除使HC流出恶化的温度范围。其结果是，如图7所示，使用第1实施方式的排放气体净化装置1的实施例A与没有使用HC吸附材料的以往例B相比，HC流出浓度显著减少。另外，如图8所示，如果用HC净化率表示相同的结果，则可知在实施例A中，在加速的前半部，进行利用HC吸附功能的净化，在后半部进行利用氧化催化剂的HC起燃活性功能的净化。另一方面，在以往例B中，由于不进行前半部的利用HC吸附功能的净化，因此HC净化率低。
因此，根据上述构成的排放气体净化装置1、1A、1B、1C，即使在加速时的发动机的运转状态下，在直到上游侧的三元催化剂或NOx净化催化剂等第1排放气体处理构件3的HC起燃温度上升的期间，能够高效率地对流入至下游侧的具有HC吸附功能的第2排放气体处理构件4、4A的排放气体进行冷却，从而能够用该第2排放气体处理构件4、4A吸附处理HC。另外，由于将容器同时形成为隔热结构，使外部低温化，因而成本、安全性也能同时实现。
其结果是，不需要进行在现有技术中、特别是在加速时进行的如下控制：即通过抑制三元催化剂时的燃料来抑制达到过度的富气氛的控制；或在直到NOx吸留还原型催化剂时的催化温度上升、HC净化率提高的期间，停止富还原等通过牺牲NOx净化率来谋求防止HC向大气中流出的控制。因此，从加速初期就能够充分进行用于恢复NOx吸留能力的NOx再生控制中的NOx还原，从而能够改善NOx净化率。
上述的具有优良效果的本发明的排放气体净化装置对于设在车辆搭载的内燃机等上的、具有三元催化剂或NOx净化催化剂等催化剂装置的排放气体净化装置，能够极为有效地加以利用。

Claims (4)

1.一种排放气体净化装置，具备担载有用于净化内燃机的排放气体的氧化催化剂或三元催化剂或NOx吸留还原型催化剂的第1排放气体处理构件，而且在该第1排放气体处理构件的下游侧配置有具有HC吸留功能的第2排放气体处理构件，所述排放气体净化装置的特征在于：将保持所述第1排放气体处理构件和所述第2排放气体处理构件的催化剂室形成折弯配置，在折弯部分的上游侧配置所述第1排放气体处理构件，在所述折弯部分的下游侧配置所述第2排放气体处理构件；在所述第1排放气体处理构件与所述第2排放气体处理构件之间的所述折弯部分，设有使流入至所述第2排放气体处理构件的排放气体的温度冷却的散热部；而且将所述散热部的上游侧形成为隔热结构，进而将所述隔热结构的上游侧形成为保温结构。
2.根据权利要求1所述的排放气体净化装置，其特征在于：使所述散热部为底部而将所述第1排放气体处理构件和所述第2排放气体处理构件并列配置在所述散热部的两侧，将所述第1排放气体处理构件、所述散热部和所述第2排放气体处理构件的总体形状配置成U字形状。
3.根据权利要求1所述的排放气体净化装置，其特征在于：并列配置所述第1排放气体处理构件和所述第2排放气体处理构件，而且在其间设置弯曲的连接通路，将所述第1排放气体处理构件、所述连接通路和所述第2排放气体处理构件的总体形状构成为S字形状，而且将所述连接通路的一部分或全部形成为所述散热部。
4.根据权利要求1所述的排放气体净化装置，其特征在于：将所述第1排放气体处理构件和所述第2排放气体处理构件配置成T字形状或L字形状，而且在其间设置弯曲的连接通路，将所述第1排放气体处理构件、所述连接通路和所述第2排放气体处理构件的总体形状构成为T字形状或L字形状，而且将所述连接通路的一部分或全部形成为所述散热部。
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