CN103403314A - 内燃机的排气净化装置 - Google Patents

Abstract

本内燃机的排气净化装置，具备：在内燃机排气系统中配置的颗粒过滤器（1）、和在内燃机排气系统的颗粒过滤器的下游侧配置的催化装置（3），催化装置将硫酸以硫酸盐的形式保持并以SO₂的形式释放。

Description

内燃机的排气净化装置

技术领域

本发明涉及内燃机的排气净化装置。 

背景技术

为了抑制排气中所含有的颗粒向大气释放，在内燃机排气系统中配置有用于捕集颗粒的颗粒过滤器。颗粒过滤器所捕集到的颗粒，使颗粒过滤器的排气阻力增大，因此在颗粒过滤器的排气阻力提高到设定值以上以前，需要使捕集了的颗粒烧毁的再生处理。 

颗粒过滤器的再生处理，是向排气中供给追加燃料，使追加燃料在颗粒过滤器中、或在颗粒过滤器的正上游侧的氧化催化装置中燃烧，利用其燃烧热将颗粒过滤器升温到作为颗粒的燃烧温度的约600℃。 

不仅是使追加燃料在颗粒过滤器中燃烧的情况，在使追加燃料在颗粒过滤器的正上游侧的氧化催化装置中燃烧的情况下，为了抑制从氧化催化装置漏过去的追加燃料向大气释放，优选在颗粒过滤器中以氧化铝为载体使其担载贵金属催化剂，来使追加燃料能够燃烧。 

这样，在颗粒过滤器中设置有氧化铝载体时，排气中的SO₂被氧化铝载体吸附。如果在再生处理时颗粒过滤器遭受高温则被氧化铝载体吸附了的SO₂被释放，通过颗粒过滤器的贵金属催化剂被氧化成为SO₃时与排气中的水分反应变为硫酸。硫酸的沸点低，立即变为雾状的白烟从而可视化，因此以该状态原样地向大气中释放时，作为释放白烟的车辆，导致车辆的商品价值降低。 

曾提出了在将NO_X吸藏催化装置所吸藏的SO_X以SO₂的形式释放的S中毒恢复处理中，使释放的SO₂与水反应从而以硫酸的形式液化，将该硫酸雾在雾收集板上以硫化铁的形式保持，由此抑制向大气中释放（参照例 如专利文献1）。 

在先技术文献 

专利文献1：日本特开2007-218108 

专利文献2：日本特开2009-138667 

发明内容

如果在颗粒过滤器的下游侧，配置如专利文献1中公开那样的雾收集板，则能够充分地抑制在颗粒过滤器的再生处理时生成的硫酸白烟向大气释放。 

但是，这样的雾收集板必须定期地更换，每一次需要将车辆送入修理厂。 

因此，本发明的目的是提供一种内燃机的排气净化装置，其不需要需定期更换的雾收集板就能够抑制在颗粒过滤器的再生处理时产生的硫酸白烟向大气中释放。 

权利要求1中记载的本发明的内燃机的排气净化装置，其特征在于，具备：在内燃机排气系统中配置的颗粒过滤器、和在内燃机排气系统的上述颗粒过滤器的下游侧配置的催化装置，上述催化装置将硫酸以硫酸盐的形式保持并以SO₂的形式释放。 

权利要求2中记载的本发明的内燃机的排气净化装置，其特征在于，在权利要求1所述的内燃机的排气净化装置中，使保持在上述催化装置中的硫酸盐通过热分解以SO₂的形式释放。 

权利要求3中记载的本发明的内燃机的排气净化装置，其特征在于，在权利要求1所述的内燃机的排气净化装置中，通过使上述催化装置内的氧浓度降低来使保持在上述催化装置中的硫酸盐以SO₂的形式释放。 

权利要求4中记载的本发明的内燃机的排气净化装置，其特征在于，在权利要求1～3的任一项所述的内燃机的排气净化装置中，上述催化装置，在基体上涂布有氧化锆或氧化铈。 

根据权利要求1中记载的本发明的内燃机的排气净化装置，具备：在 内燃机排气系统中配置的颗粒过滤器、和在内燃机排气系统的颗粒过滤器的下游侧配置的催化装置，催化装置将硫酸以硫酸盐的形式保持并以SO₂的形式释放，由此，即使在颗粒过滤器中在再生处理时产生硫酸白烟，硫酸白烟也在下游侧的催化装置中以硫酸盐的形式被保持，并以SO₂的形式被释放，因此不需要需定期更换的雾收集板，就能够抑制在颗粒过滤器的再生处理时硫酸白烟向大气中释放。 

根据权利要求2中记载的本发明的内燃机的排气净化装置，在权利要求1所述的内燃机的排气净化装置中，能够通过热分解使保持在催化装置中的硫酸盐以SO₂的形式容易地释放。 

根据权利要求3中记载的本发明的内燃机的排气净化装置，在权利要求1所述的内燃机的排气净化装置中，能够通过使催化装置内的氧浓度降低来使保持在催化装置中的硫酸盐以SO₂的形式容易地释放。 

根据权利要求4中记载的本发明的内燃机的排气净化装置，在权利要求1～3的任一项所述的内燃机的排气净化装置中，催化装置，在基体上涂布有氧化锆或氧化铈，能够通过热分解或氧浓度降低而将与氧化锆或氧化铈反应生成的硫酸盐以SO₂的形式容易地释放。 

附图说明

图1是表示本发明的内燃机的排气净化装置的概略图。 

图2是用于抑制颗粒过滤器的再生处理时的白烟释放的第一流程图。 

图3是用于推定向颗粒过滤器的每单位时间的SO₂吸附量AS的映射图（设定图表：map）。 

图4是用于推定来自催化装置的每单位时间的SO₂释放量BS的映射图。 

图5是用于抑制颗粒过滤器的再生处理时的白烟释放的第二流程图。 

具体实施方式

图1是表示本发明的内燃机的排气净化装置的概略图，内燃机为例如 柴油机。在该图中，1是用于捕集排气中所含有的颗粒（排气微粒）的颗粒过滤器。2是在颗粒过滤器1的正上游侧配置的氧化催化装置，3是在颗粒过滤器1的下游侧配置的催化装置。 

颗粒过滤器1为例如由堇青石之类的多孔质材料形成的构成蜂窝结构的壁流（wall flow）型，具有被多个沿轴线方向延伸的隔壁细分了的多个轴线方向空间。在相邻的两个轴线方向空间中，利用塞子，一方在排气下游侧被封闭，另一方在排气上游侧被封闭。这样，相邻的两个轴线方向空间的一方成为排气的流入通路，另一方成为流出通路，排气变得必定通过隔壁。排气中的颗粒，是与隔壁的细孔的大小相比非常小的颗粒，冲撞到隔壁的排气上游侧表面和隔壁内的细孔表面上而被捕集。这样，各隔壁作为捕集颗粒的捕集壁发挥功能。 

颗粒过滤器1所捕集到的颗粒，使颗粒过滤器1的排气阻力增大，因此在颗粒过滤器1的排气阻力提高到设定值以上从而变得使内燃机输出功率大幅度地降低以前，必须实施使捕集了的颗粒烧毁的再生处理。 

颗粒过滤器1的再生处理，是在膨胀冲程后期或排气冲程中从燃料喷射阀向气缸内供给追加燃料，或者，通过在氧化催化装置2的排气上游侧配置在排气通路的燃料供给装置（未图示）来供给追加燃料，使这样的追加燃料在氧化催化装置2中燃烧，由此利用其燃烧热将颗粒过滤器1升温到作为颗粒的燃烧温度的约600℃来实施。 

向氧化催化装置2流入的每单位时间的追加燃料量，基于根据当前（现在）的内燃机运行状态（内燃机负荷和内燃机转速）而变化的排气量和排气温度来控制，排气量越多，则每单位时间的追加燃料量就越多，排气温度越高，则每单位时间的追加燃料量就越少。由此，向颗粒过滤器1流入的排气的温度被控制为约600℃。也可以测定向颗粒过滤器1流入的排气的温度，并对向氧化催化装置2流入的每单位时间的追加燃料量进行反馈控制，使得该测定温度变为约600℃。这样，如果向颗粒过滤器1流入的排气的温度成为约600℃，则能够在颗粒过滤器1中从颗粒过滤器1的排气上游侧到排气下游侧使捕集颗粒燃烧，变得容易使捕集颗粒完全地烧毁。 

另外，即使省略氧化催化装置2，如果使颗粒过滤器1担载铂等的贵金属催化剂，则也能够使与上述同样地控制了量的追加燃料在颗粒过滤器1中燃烧，并利用其燃烧热使颗粒过滤器1向约600℃升温来实施再生处理。在该情况下，贵金属催化剂以氧化铝等为载体被担载于颗粒过滤器1的各隔壁的排气上游侧表面。另外，在设置有氧化催化装置2的情况下，为了抑制从氧化催化装置2漏过去的追加燃料向大气释放，优选在颗粒过滤器1中以氧化铝等为载体使其担载贵金属催化剂，来使追加燃料能够燃烧。 

这样，如果在颗粒过滤器1中设置有氧化铝载体，则排气中的SO₂被氧化铝载体吸附。如果在再生处理时颗粒过滤器处于600℃那样的高温，则被氧化铝载体吸附了的SO₂被释放，基本上全部被颗粒过滤器1中的贵金属催化剂氧化变为SO₃，如果这样地变为SO₃则与排气中的水分反应变为硫酸。硫酸的沸点低，立即变为雾状的白烟，在该状态下可视化，并向大气中释放，因此使车辆的商品价值降低。 

为了抑制在颗粒过滤器1的再生处理时产生的硫酸白烟向大气释放，本发明的排气净化装置，在颗粒过滤器1的正下游侧配置催化装置3，按照图2所示的第一流程图，通过电子控制装置（数字计算机）控制再生处理时的追加燃料的供给。 

催化装置3，是在蜂窝状的基体表面涂布有氧化锆（ZrO₂）或氧化铈（CeO₂或Ce₂O₃)等的能够将硫酸以硫酸盐的形式保持的催化剂的装置，特别是没有担载具有氧化功能的贵金属催化剂。 

以下说明图2的第一流程图。首先，在步骤101中，使用图3所示的映射图等对当前的内燃机运行状态下的颗粒过滤器1所吸附的每单位时间的SO₂吸附量AS进行推定。图3所示的映射图，实验性地设定有每种内燃机运行状态（内燃机负荷L和内燃机转速NE的组合）的每单位时间的向颗粒过滤器1的SO₂吸附量AS。排气中的SO₂，主要是燃料中所含有的硫被氧化所生成的，越是燃料喷射量多的内燃机运行状态，每单位时间的SO₂吸附量AS越多。 

接着，在步骤102中，累计SO₂吸附量AS，算出当前的颗粒过滤器1 的SO₂吸附量A。在步骤103中，判断当前的颗粒过滤器1的SO₂吸附量A是否达到了设定量A1。 

在步骤103的判断为否定时，原样地结束，但在当前的颗粒过滤器1的SO₂吸附量A达到了设定量A1时，步骤103的判断为肯定，在步骤104中实施颗粒过滤器1的再生处理。 

在此时，被设定了设定量A1，使得颗粒过滤器1的颗粒捕集量不会使颗粒过滤器1的排气阻力增加到设定值以上，另一方面，为了再生处理颗粒过滤器被设为高温（约600℃），设定量A1的SO₂从颗粒过滤器1被全部释放时，所释放的SO₂如上述那样变为硫酸，其全部在催化装置3中能够以硫酸盐的形式保持。即，催化装置3的硫酸的可保持量越多，就能够将设定量A1设定得越多。但是，在颗粒过滤器1的SO₂吸附量A达到了设定量A1时，必须避免颗粒过滤器1的颗粒捕集量使颗粒过滤器1的排气阻力增加到设定值以上。 

步骤104的再生处理，如上述那样，供给追加燃料，将颗粒过滤器1维持在约600℃。在步骤105中，判断再生处理的继续时间t是否达到了使再生处理开始时的捕集颗粒全部烧毁所必需的时间t’（SO₂吸附量A的设定量A1越多，再生开始时的捕集颗粒量就越多，因此必需时间t’延长），实施再生处理直到该判断为肯定。在步骤105的判断为肯定，从而再生处理完成时，在步骤106中，实施催化装置3的升温控制。 

如上述那样，在将颗粒过滤器1的捕集颗粒烧毁的再生处理中，设定量A1的SO₂被释放变为硫酸，但在催化装置2中其以硫酸盐的形式大致全部被保持，因此能够充分地抑制硫酸的白烟向大气中释放。 

在催化装置2的催化剂为氧化锆（ZrO₂）的情况下，作为硫酸盐生成硫酸锆Zr（SO₄）₂。步骤106的升温控制，是在各内燃机运行状态下将用于颗粒过滤器1的再生处理的每单位时间的追加燃料量增量，向催化装置3流入约700℃的排气，由此，硫酸锆Zr（SO₄）₂如下地被热分解。 

Zr（SO₄）₂→ZrO₂+2SO₂+O₂

催化装置3不具有氧化功能，此时生成的SO₂不会向容易变为硫酸的 SO₃氧化，能够将从颗粒过滤器1释放出的SO₂不是以硫酸的形式而是最终以SO₂的形式向大气中释放。这样，氧化锆（ZrO₂）在作为颗粒过滤器1的再生处理的温度的约600℃以下与硫酸反应生成硫酸盐，如果达到约700℃以上，则该硫酸盐被热分解从而释放出SO₂。 

另外，在催化装置2的催化剂为氧化铈（CeO₂）的情况下，作为硫酸盐生成硫酸铈Ce（SO₄）₂。此时，通过步骤106的升温控制，硫酸铈Ce（SO₄）₂如下地被热分解。 

Ce（SO₄）₂→CeO₂+2SO₂+O₂

由此，同样地能够将从颗粒过滤器1释放出的SO₂不是以硫酸的形式而是最终以SO₂的形式向大气中释放。这样，氧化铈（CeO₂）也在作为颗粒过滤器1的再生处理的温度的约600℃以下与硫酸反应生成硫酸盐，如果达到约700℃以上，则该硫酸盐被热分解从而释放出SO₂。 

在步骤107中，BS是当前的内燃机运行状态下的从催化装置3释放的每单位时间的SO₂释放量，是伴随内燃机运行状态而变化的，使用图4所示的映射图等进行推定。图4所示的映射图，实验性地设定有每种内燃机运行状态（内燃机负荷L和内燃机转速NE的组合）的每单位时间的来自催化装置3的SO₂释放量BS。在此，以催化装置3被维持在700℃为前提，排气量越多，则每单位时间的SO₂释放量BS就越多，另外，排气中的氧浓度越低，则每单位时间的SO₂释放量BS就越多。与SO₂释放量BS相关的排气中的氧浓度，是向催化装置3流入的排气中的氧浓度，在图4所示的映射图中，考虑到与当前的内燃机运行状态的燃烧空燃比的排气中的氧浓度相比，由于在氧化催化装置2和颗粒过滤器1中追加燃料进行燃烧，因此变得更低。 

在步骤107中，通过从催化装置3的上次的SO₂保持量A减去当前的内燃机运行状态下的从催化装置3释放的每单位时间的SO₂释放量BS，算出催化装置3的当前的SO₂保持量A。在此，催化装置3的当初的SO₂保持量A，能够设定为从颗粒过滤器1释放的全部的SO₂以硫酸盐的形式保持在催化装置3中，作为颗粒过滤器1的再生处理开始时的SO₂保持量的 设定量A1。 

在步骤108中，判断催化装置3的当前的SO₂保持量A是否为0。实施步骤106的升温控制直到该判断为肯定。另一方面，在步骤108的判断为肯定，催化装置3中的全部硫酸盐被热分解释放了全部的SO₂时，在步骤109中将A复位为0并结束，为下次的颗粒过滤器1的再生处理而准备，可在催化装置3中以硫酸盐的方式保持设定量A1的SO₂。 

图5是用于抑制颗粒过滤器1的再生处理时的白烟释放的第二流程图，以下仅对于与第一流程图的不同进行说明。在本流程图中，在步骤206中，为了从保持于催化装置3的硫酸盐释放SO₂，不实施升温控制而是实施浓（rich）化控制。浓化控制，是向气缸内或氧化催化装置2的上游侧的排气通路供给追加燃料（采用与颗粒过滤器1的再生处理同样的方法），相对于当前的内燃机运行状态的燃料空燃比，将排气的空燃比设为所希望的浓空燃比（或理论空燃比），使通过了氧化催化装置2和颗粒过滤器1后的排气中的氧浓度充分地降低。 

这样，如果催化装置3内的氧浓度降低，则催化装置3中的硫酸锆Zr（SO₄）₂或硫酸铈Ce（SO₄）₂释放氧，与上述的热分解同样地容易被分解，释放SO₂。 

Zr（SO₄）₂→ZrO₂+2SO₂+O₂

Ce（SO₄）₂→CeO₂+2SO₂+O₂

在步骤207中，BS’是当前的内燃机运行状态下的从催化装置3释放的每单位时间的SO₂释放量，是伴随内燃机运行状态而变化的，使用映射图等进行推定。映射图中实验性地设定有每种内燃机运行状态（内燃机负荷L和内燃机转速NE的组合）的每单位时间的来自催化装置3的SO₂释放量BS’。在此，以向催化装置3流入的排气的空燃比通过追加燃料成为所希望的浓空燃比为前提，排气量越多，则每单位时间的SO₂释放量BS’就越多，另外，排气温度越高，则每单位时间的SO₂释放量BS’就越多。与SO₂释放量BS’相关的排气温度，是向催化装置3流入的排气温度，在上述的映射图中，考虑到与当前的内燃机运行状态的从气缸内排出的排气温 度相比，由于在氧化催化装置2和颗粒过滤器1中追加燃料进行燃烧，因此变得更高。 

在步骤207中，通过从催化装置3的上次的SO₂保持量A减去当前的内燃机运行状态下的从催化装置3释放的每单位时间的SO₂释放量BS’，算出催化装置3的当前的SO₂保持量A。在此，催化装置3的当初的SO₂保持量A，能够与第一流程图同样地，设定为从颗粒过滤器1释放的全部的SO₂以硫酸盐的形式保持在催化装置3中，作为颗粒过滤器1的再生处理开始时的SO₂保持量的设定量A1。 

在步骤208中，判断催化装置3的当前的SO₂保持量A是否为0。实施步骤206的浓化控制直到该判断为肯定。另一方面，在步骤208的判断为肯定，催化装置3的全部硫酸盐被热分解从而释放了全部的SO₂时，在步骤209将A复位为0并结束，为下次的颗粒过滤器1的再生处理而准备，可在催化装置3中以硫酸盐的方式保持设定量A1的SO₂。 

附图标记说明 

1...颗粒过滤器 

2...氧化催化装置 

3...催化装置 。

Claims (4)

1.一种内燃机的排气净化装置，其特征在于，具备：在内燃机排气系统中配置的颗粒过滤器、和在内燃机排气系统的所述颗粒过滤器的下游侧配置的催化装置，所述催化装置将硫酸以硫酸盐的形式保持并以SO₂的形式释放。

2.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，使保持在所述催化装置中的硫酸盐通过热分解以SO₂的形式释放。

3.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，通过使所述催化装置内的氧浓度降低来使保持在所述催化装置中的硫酸盐以SO₂的形式释放。

4.根据权利要求1～3的任一项所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，所述催化装置，在基体上涂布有氧化锆或氧化铈。

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