CN102575544A - 发动机的排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

【课题】使尿素SCR的一系列化学反应在过滤器内部有效地进行变为可能。【解决手段】在能够收集排气中的颗粒的排气过滤器中，在入口侧的孔道(入口侧通道)的内壁的第一部分上负载尿素的水解催化剂，在该入口侧通道的内壁上，在相比于第一部分处于下游侧的第二部分上负载第一NOx还原催化剂。另外，在出口侧的孔道(出口侧通道)的内壁上，在与排气过滤器中流入的排气气流交叉的方向上与第一部分重合或者处于其下游侧的第三部分上负载第二NOx还原催化剂，在该出口侧通道的内壁上，在相比于第三部分处于下游侧且在所述交叉方向与第二部分重合或者处于其下游侧的第四部分负载氧化催化剂。

Description

发动机的排气净化装置
技术领域
本发明涉及发动机的排气净化装置，详细来说，涉及以小型化的构成来达到抑制氮氧化物(下面称之为NOx)以及颗粒物质向大气中排放目的的技术。
背景技术
作为通过对发动机的排气进行后处理而使之净化的装置，已经公知有选择催化还原(SCR)型的排气净化装置，该装置利用氨来减少排气中的氮氧化物。该排气净化装置中，在排气通道上装置有NOx的还原催化剂，并且在此NOx还原催化剂的上游设置有尿素水供给装置，在下游设置有氨净化用的氧化催化剂。由供给装置向排气里添加的尿素水解而产生氨，此氨作为还原剂被供给到NOx还原催化剂。另一方面，通过了NOx还原催化剂而对NOx的还原没有贡献的氨(未发生作用的氨)在向大气中排放之前，由氨净化催化剂进行氧化而被净化。
为应对今后日益严格的排气限制，考虑在SCR型的排气净化装置中增设颗粒过滤器。此颗粒过滤器通过过滤排气而收集并减少主要从柴油发动机排出的柴油机颗粒。但是，若仅为NOx还原催化剂(以及其下游的氨净化催化剂)加装颗粒过滤器，则不可避免地会使系统整体趋于大型化，并且产生车载困难和重量过度增加等问题。
关于这个问题，有人讨论了让颗粒过滤器负载NOx还原催化剂，使颗粒过滤器兼具颗粒的收集功能以及NOx的还原功能。作为这种催化剂负载型的颗粒过滤器，专利文献1中记载了如下装置：在壁流型的颗粒过滤器中，在用于形成入口侧孔道的过滤器载体的整个内壁上，负载有尿素的水解催化剂，另一方面，在用于形成出口侧孔道的载体的整个内壁上，负载有NOx还原催化剂。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本申请公开第2006-183507号公报(图2)
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1中所述的排气净化装置中，为确保颗粒过滤器的颗粒收集能力，过滤器载体自身的大容量是必要的，此外，还必须在这种催化剂负载型的颗粒过滤器上加装氨净化催化剂，因此系统整体依然会变得大型化，还会有重量增大的问题。
解决课题的手段
本发明提供了考虑上述问题的发动机的排气净化装置。本发明的发动机的排气净化装置具备排气过滤器，该排气过滤器具有能够通过过滤收集排气中的颗粒的隔壁，其内部空间被这些隔壁划分为沿着排气气流延伸的多个孔道。该排气过滤器具有在入口侧或出口侧用封口材料将相邻的孔道交替封闭而形成的入口侧通道以及出口侧通道。在本发明的排气过滤器中，使入口侧通道的内壁的第一部分负载尿素的水解催化剂，并且，在此入口侧通道内壁上，使相比于第一部分处于下游侧的第二部分负载第一NOx还原催化剂。并且，在与入口侧通道隔着隔壁相邻的出口侧通道的内壁上，在与流入排气过滤器中的排气气流交叉的方向上，使与第一部分重合或者处于其下游侧的第三部分负载第二NOx还原催化剂，并且，使相比于第三部分处于下游侧且在所述交叉方向与第二部分重合或者处于其下游侧的第四部分负载氧化催化剂。
发明效果
本发明中，通过入口侧通道的内壁的第一部分上负载的水解催化剂使尿素发生水解，由此产生的氨向第一以及第二NOx还原催化剂供给，可以使NOx进行有效的还原。
具体来说，第一以及第二NOx还原催化剂由相比于第一部分处于下游侧的入口侧通道的内壁部分(第二部分)和出口侧通道的内壁部分(第三部分)负载。在这里，在与排气过滤器中流入的排气气流交叉的方向上，第三部分与第一部分相互重合，或者是处于其下游的部分，因此，从第一部分通过隔壁的氨被供给至第二NOx还原催化剂，除此之外的氨被供给至第一NOx还原催化剂，由此可以对NOx的还原发挥作用。而且，在本发明中，相比于第三部分处于下游侧的出口侧通道的内壁部分(第四部分)上负载的氧化催化剂使未使用的氨氧化，可以避免氨没有被净化就直接排出至大气中。
这样，根据本发明，能够在排气过滤器的内部进行包括尿素的水解、NOx的还原以及未使用的氨的氧化在内的、与由尿素导致的选择催化还原相关的一系列化学反应，由此，通过既保证所要求的NOx转化率又使系统整体小型化的构成，能够使NOx以及颗粒向大气中的排放得到抑制。
参照所附的附图及以下的说明，可以理解与本发明相关的其它的目的以及特征。
将优作为优先权基础的日本专利申请第2008-182579号的内容整体上作为本申请的一部分引入，作为参考。
附图的简单说明
图1是搭载有本发明的一个实施方式的排气净化装置的柴油发动机的构成图。
图2是构成上述实施方式的排气净化装置的柴油机颗粒过滤器的纵向剖视图。
图3是上述柴油机颗粒过滤器的正面放大图。
图4是搭载有本发明的另一个实施方式的排气净化装置的柴油发动机的构成图。
图5是搭载有本发明的又一个实施方式的排气净化装置的柴油发动机的构成图。
具体实施方式
参照下面的附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1示出了搭载有本发明的一个实施方式的排气净化装置的发动机(下面称之为“发动机”)1的整体构成。本实施方式中采用了直喷型的柴油发动机作为发动机1。
吸气通道11的导入部中装有用于除去吸入空气中的粉尘的空气净化器(未图示)。另外，吸气通道11中设置有可变喷嘴型的涡轮增压器12的压缩机12a，被此压缩机12a压缩的吸入空气通过缓冲罐13流入吸气通道11的歧管部，从而被分配至各气缸。
发动机本体的气缸盖上，针对每个气缸设置有燃料供给用的喷射器21、21......。喷射器21根据从发动机1的控制单元(下面称之为“ECU”)101传来的燃料喷射控制信号而动作。由未图示的燃料泵输送出的燃料通过公用给油管22供给至喷射器21，并被喷射向各气缸的燃烧室。
在排气通道31中，在歧管部的下游设置有涡轮增压器12的涡轮机12b，由排气驱动此涡轮机12b，由此而使压缩机12a转动。
涡轮机12b的下游设置有柴油机颗粒过滤器(下面称之为“DPF”)32，作为本实施方式的“排气过滤器”。本实施方式中，DPF32具有藏在机壳内的圆筒状过滤器载体321。过滤器载体321为蜂窝型的载体，负载有用于由氨促进NOx的还原反应的催化剂(NOx还原催化剂)。发动机1中的排气在通过DPF32之际，由过滤器载体321收集排气中的颗粒，并且由NOx还原催化剂将排气中的NOx还原。
另外，排气通道31通过EGR管33与吸气通道11(本实施方式中为缓冲罐13)连结。通过此EGR管33，排气向吸气通道11回流。EGR管33上装有EGR阀34，由该阀对回流的排气的流量进行控制。
下面，对本实施方式的排气净化装置的构成以及排气净化的过程参照图1进行说明。
本实施方式的排气净化装置是这样的装置：由DPF32的过滤器载体321对排气中的颗粒进行收集，并且由过滤器载体321所负载的NOx还原催化剂对排气中的NOx进行还原，从而实现净化。设置有尿素水槽41，作为还原剂的氨在尿素水槽41中以尿素水溶液的状态储存。通过尿素水供给管向尿素水添加单元42供给储存在尿素水槽41中的尿素水。本实施方式中，尿素水添加单元42以及后接的尿素水喷嘴44构成空气辅助式的喷射器，尿素水添加单元42内藏有电动式的供应泵。被供给到尿素水添加单元42的尿素水与来自未图示的空气罐的通过空气供给管43供给的压缩空气混合，再通过尿素水喷嘴44向排气中喷射。被喷射的尿素水中的尿素因排气热而水解，从而产生氨。尿素水喷嘴44向内侧贯穿DPF32上游的排气通道31的管壁而被设置，其喷射方向虽然没有特别的限定，但设定为与排气气流平行并朝向DPF32的上游侧的端面(32a)。本实施方式中，尿素水的“供给装置”由尿素水添加单元42以及尿素水喷嘴44构成。
另外，尿素的添加方式不仅仅限于这里说明的空气辅助式，如图4所示，也可以是代替尿素水添加单元42(以及空气供给管43)设有用于形成喷射压力的升压泵51，由泵51升至所定压力的尿素水通过尿素水喷嘴44喷射的装置。这种方式中，尿素水供给装置由升压泵51以及尿素水喷嘴44构成。
图2用包含过滤器载体321的中心轴的纵向的剖面显示了DPF32的构成。
本实施方式中，DPF32兼具颗粒的收集功能和NOx的还原功能。过滤器载体321是壁流型的蜂窝式载体，其隔壁具有大小为能够收集颗粒的细孔，这些隔壁将内部划分成沿着排气气流延伸的数个孔道p1、p2。这些细孔形成了排气通过过滤器载体321的隔壁时的通道。相邻的孔道p1、p2被封口材料322、322在入口侧或出口侧交替封闭，由此形成了在入口侧开口的孔道(下面称之为“入口侧通道”)p1和在出口侧开口的孔道p2(下面称之为“出口侧通道”)。入口侧通道p1与相对于DPF32处于上游侧的排气通道31a连通，出口侧通道p2与相对于DPF32处于下游侧的排气通道31b连通。
过滤器载体321中，沿着在载体内部的排气气流负载功能不同的多种催化剂c1～c4。具体来说，在过滤器载体321的形成入口侧通道p1的内壁之中，在形成入口侧通道p1的上游部的部分(相当于“第一部分”)负载尿素的水解催化剂c1，并且，在相比于此入口侧的内壁部分处于下游侧的部分(相当于“第二部分”)负载NOx还原催化剂c2。本实施方式中，负载尿素的水解催化剂c1的第一部分和负载NOx还原催化剂(相当于“第一NOx还原催化剂”)c2的第二部分在所述中心轴的方向上连续设置。另外，在形成出口侧通道p2的载体内壁上，在形成出口侧通道p2的上游部的部分(相当于“第三部分”)负载NOx还原催化剂c3，并且相比于此出口侧的内壁部分处于下游侧的部分(相当于“第四部分”)负载氧化催化剂c4。本实施方式中，负载NOx还原催化剂(相当于“第二NOx还原催化剂”)c3的第三部分和负载氧化催化剂c4的第四部分在所述中心轴的方向上连续设置，并设定第三部分的下游侧端部处于第一部分的下游侧端部的下游侧，第四部分的下游侧端部处于第二部分的下游侧端部的下游侧。另外，氧化催化剂c4用于净化没有对NOx的还原做出贡献的、通过NOx还原催化剂c2、c3的未使用的氨，相当于“第一氧化催化剂”。
此外，在本实施方式中，尿素的水解催化剂c1除负载于入口侧的内壁部分之外，还负载于排气过滤器32的入口侧的端面32a。图3示出了从排气气流的上游侧观察的DPF32的状态。这样，在本实施方式中，在整个由上游侧的封口材料322以及过滤器载体321的隔壁所形成的排气过滤器32的端面32a都负载有尿素的水解催化剂c1。
回到图1中，尿素水添加单元42的动作由排气净化用的ECU101发出的指令信号(尿素添加控制信号)控制。ECU101构成为内藏微型计算机的电子控制单元，从未图示的发动机控制用的ECU向ECU101输入与发动机1的运行条件有关的信号(相应于发动机转数NE以及燃料喷射量QF的信号)，并且，输入来自排气管内温度传感器151的信号，该排气管内温度传感器151用于检测DPF32的上游的排气温度Texh。ECU101以输入的信号为基础计算出对应于发动机1的运转条件的最适合的尿素水喷射量，然后向尿素水添加单元42输出计算出的尿素水喷射量即尿素添加控制信号。
接下来，对本实施方式的排气净化装置的排气净化过程，参照图2进行说明。
发动机1运转时，由尿素水添加单元42和尿素水喷嘴44将对应于发动机1的运转条件的量的尿素水供给至排气。这些尿素水中的尿素在入口侧的内壁部分(第一部分)所负载的水解催化剂c1上发生水解，产生作为还原剂的氨。本实施方式中，尿素的水解催化剂c1不仅负载在入口侧的内壁部分，而且负载在排气易接触的DPF32的整个入口侧的端面32a，因此，不仅在DPF的内部产生氨，而且在此端面32a上也产生氨。产生的氨的一部分如图中箭头Fa所示，从负载水解催化剂c1的内壁部分通过过滤器载体321的隔壁，供给至出口侧的NOx还原催化剂c3。另一方面，除此之外的氨如图中箭头Fb所示，供给至入口侧的NOx还原催化剂c2，从负载此NOx还原催化剂c2的内壁部分(第二部分)通过隔壁。入口侧以及出口侧的还原催化剂c2、c3促进NOx的还原反应，从而减少排气中的NOx。未对由各NOx还原催化剂c2、c3引起的NOx的还原发挥作用的未使用的氨，由在形成的出口侧通道p2的最下游部的载体内壁上所负载的氧化催化剂c4进行净化。
另外，包括尿素的水解、NOx的还原以及未使用的氨的氧化在内的、与本实施方式的选择催化还原相关的一系列化学反应由下列(1)～(3)式表示。
(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2…(1)
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O…(2)
4NH3+3O2→2N2+6H2O…(3)
依照本实施方式可以得到如下效果。
本实施方式中，DPF32中，由过滤器载体321的入口侧的内壁部分以及入口侧的端面32a所负载的水解催化剂c1使尿素发生水解，并且，由此产生的氨被供给至分别由入口侧以及出口侧的内壁部分负载的NOx还原催化剂c1、c2，从而可以还原NOx。
具体来说，本实施方式中，相比于过滤器载体321的负载水解催化剂c1的内壁部分处于下游侧的内壁部分(第二部分)和出口侧的内壁部分(第三部分)分别负载NOx还原催化剂c2、c3。这里，出口侧的NOx还原催化剂c3由以下部分负载：在与流入排气过滤器32中的排气气流交叉的方向(在本实施方式中为与中心轴的方向垂直的直径方向)，该部分与负载水解催化剂c1的内壁部分重合，并且在下游侧该部分与负载水解催化剂c1的内壁部分错开。由此，从负载水解催化剂c1的内壁部分通过过滤器载体321的隔壁的氨被供给至出口侧的NOx还原催化剂c3，除此之外的氨被供给至入口侧的NOx还原催化剂c2，从而可为NOx的还原发挥作用。而且，本实施方式中，由形成出口侧通道p2的最下游部的载体内壁所负载的氧化催化剂c4氧化未使用的氨，从而可以避免该未使用的氨未经净化而直接向大气中排出。
这样，根据本实施方式，在DPF32的内部，尿素的水解催化剂c1、入口侧以及出口侧的NOx还原催化剂c2、c3和用于净化未使用的氨的氧化催化剂c4按照与由尿素进行选择催化还原有关的一系列化学反应的顺序来配置，因此，能够在过滤器内部有效地进行包括未使用的氨的处理的排气中的NOx的净化。另外，根据本实施方式，除了NOx的还原之外，还可以由过滤器载体321收集并且除去排气中的颗粒，因此，能够以系统整体小型化的构成来抑制NOx以及颗粒向大气中的排放。
另外，本实施方式中，尿素的水解催化剂c1除了负载于入口侧的内壁之外，还负载于DPF32的入口侧的端面32a。此入口侧的端面32a与排气气流相对，因此与排气接触容易。于是，由该端面32a负载的水解催化剂c1可以补充氨的产生量，因此，可以使载体内壁负载的水解催化剂c1减少，从而可以确保负载NOx还原催化剂c2的入口侧的内壁部分。而且，入口侧的内壁部分可以负载NOx还原催化剂c2，由此可以减少出口侧的内壁部分负载的NOx还原催化剂c3，在单一的DPF32中，可以为用于净化未使用的氨的氧化催化剂c4确保足够的负载空间。
另外，除上面的构成之外，如图5所示，DPF32的上游也可以设置作为”第二氧化催化剂”的氧化催化剂61。此氧化催化剂61氧化排气中的烃和一氧化碳，把排气中的一氧化氮转换为以二氧化氮(下面称之为“NO2”)为主的NOx，并把排气中含有的NO和NO2的比例调整至最适合NOx的还原反应的比例。
本发明不仅仅限于直喷型的柴油发动机，同样可以适用于预燃室型等其它形式的柴油发动机以及汽油发动机。
以上，采用本发明的优选实施方式进行了说明，但是本发明的范围不受此说明的任何限制，而是以权利要求的记载为基础，遵从适用的条文进行判断。
标号说明
1...柴油发动机、11…吸气通道、12…涡轮增压器、12a…压缩机、12b…涡轮机、13…缓冲罐、21...喷射器、22…公用给油管、31...排气通道、32…作为“排气过滤器”的柴油机颗粒过滤器、32a…柴油机颗粒过滤器的入口侧的端面、321...过滤器载体、322…封口材料、33…EGR管、34…EGR阀、41...尿素水槽、42…尿素水添加单元、44…尿素水喷嘴、51...升压泵、61...作为“第二氧化催化剂”的氧化催化剂、101...排气净化系统的控制单元、151...排气管内温度传感器、c1...尿素的水解催化剂、c2…作为“第一NOx还原催化剂”的NOx还原催化剂、c3…作为“第二NOx还原催化剂”的NOx还原催化剂、c4…作为“第一氧化催化剂”的氧化催化剂、p1...入口侧通道、p2…出口侧通道。

Claims (12)

1.一种发动机的排气净化装置，其构成包括排气过滤器，该排气过滤器具有能够通过过滤收集排气中的颗粒的隔壁，该排气过滤器的内部空间被所述隔壁划分为沿着排气气流延伸的多个孔道，该排气过滤器在入口侧或出口侧由封口材料将相邻的孔道交替封闭而形成入口侧通道以及出口侧通道，所述入口侧通道为在入口侧开口的孔道，所述出口侧通道为在出口侧开口的孔道，
所述排气过滤器包括：
在所述入口侧通道的内壁的第一部分负载的尿素的水解催化剂，
在所述入口侧通道的内壁上，在相比于所述第一部分处于下游侧的第二部分负载的第一NOx还原催化剂，
在与所述入口侧通道隔着所述隔壁相邻的所述出口侧通道的内壁上，在与流入所述排气过滤器中的排气气流交叉的方向上与所述第一部分重合或者处于其下游侧的第三部分负载的第二NOx还原催化剂，和
在所述出口侧通道的内壁上，在相比于所述第三部分处于下游侧且在所述交叉方向与所述第二部分重合或者处于其下游侧的第四部分负载的第一氧化催化剂。
2.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，其中，所述第一部分包括所述入口侧通道的内壁的入口侧的端缘。
3.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，其中，所述尿素的水解催化剂除负载于所述第一部分之外，还负载于所述排气过滤器的入口侧的由所述封口材料形成的端面。
4.一种发动机的排气净化装置，其构成包括排气过滤器，该排气过滤器具有能够通过过滤收集排气中的颗粒的隔壁，该排气过滤器的内部空间被所述隔壁划分为沿着排气气流延伸的多个孔道，该排气过滤器在入口侧或出口侧由封口材料将相邻的孔道交替封闭而形成入口侧通道以及出口侧通道，所述入口侧通道为在入口侧开口的孔道，所述出口侧通道为在出口侧开口的孔道，
所述排气过滤器包括：
在所述入口侧通道的内壁负载的尿素的水解催化剂，
在所述入口侧通道的内壁上，在所述水解催化剂的下游侧负载的第一NOx还原催化剂，
在所述出口侧通道的内壁负载的第二NOx还原催化剂，和
在所述出口侧通道的内壁上，在所述第二NOx还原催化剂的下游侧负载的第一氧化催化剂，
作为通过所述排气过滤装置的排气的路线，形成有第一路线和第二路线，所述第一路线经由所述水解催化剂以及所述第一NOx还原催化剂到达所述第一氧化催化剂，所述第二路线经由所述水解催化剂以及所述第二NOx还原催化剂到达所述第一氧化催化剂。
5.一种发动机的排气净化装置，其构成包括排气过滤器，该排气过滤器具有能够通过过滤收集排气中的颗粒的隔壁，该排气过滤器的内部空间被所述隔壁划分为沿着排气气流延伸的多个孔道，该排气过滤器在入口侧或出口侧由封口材料将相邻的孔道交替封闭而形成入口侧通道以及出口侧通道，所述入口侧通道为在入口侧开口的孔道，所述出口侧通道为在出口侧开口的孔道，
所述排气过滤器包括：
所述排气过滤器的入口侧的由所述封口材料形成的端面上负载的尿素的水解催化剂，
在所述排气过滤器的第一部分中，在所述出口侧通道的内壁上负载的出口侧NOx还原催化剂，和
所述排气过滤器中，在相比于所述第一部分处于下游侧的第二部分中，在所述入口侧通道的内壁上负载的入口侧NOx还原催化剂。
6.根据权利要求5所述的发动机的排气净化装置，其中，所述排气过滤器的构成还包含在所述出口侧通道的内壁上的所述出口侧NOx还原催化剂的下游侧负载的第一氧化催化剂。
7.根据权利要求1所述的发动机的排气净化装置，其中，该排气净化装置的构成还包括尿素水供给装置，该尿素水供给装置被设置为能够在所述排气过滤器的上游侧向发动机的排气供给尿素水。
8.根据权利要求4所述的发动机的排气净化装置，其中，该排气净化装置的构成还包括尿素水供给装置，该尿素水供给装置被设置为能够在所述排气过滤器的上游侧向发动机的排气供给尿素水。
9.根据权利要求5所述的发动机的排气净化装置，其中，该排气净化装置的构成还包括尿素水供给装置，该尿素水供给装置被设置为能够在所述排气过滤器的上游侧向发动机的排气供给尿素水。
10.根据权利要求7所述的发动机的排气净化装置，其中，该排气净化装置的构成还包括设置于所述排气过滤器的上游侧的第二氧化催化剂。
11.根据权利要求8所述的发动机的排气净化装置，其中，该排气净化装置的构成还包括设置于所述排气过滤器的上游侧的第二氧化催化剂。
12.根据权利要求9所述的发动机的排气净化装置，其中，该排气净化装置的构成还包括设置于所述排气过滤器的上游侧的第二氧化催化剂。
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