CN108779697A - 内燃机的废气净化装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，提供一种内燃机(1)的废气净化装置(100)，其具有在排气管(2)中被直列地设置的多个催化剂(10)，其中，在内燃机中，循环含有磷的发动机油，并且多个催化剂中的位于最上游侧的催化剂(10a)具有从上游端(51)至预定距离(L1)下游侧为止的上游侧部分(53)和位于比上游侧部分靠下游侧的下游侧部分(54)，并且上游侧部分和下游侧部分都包含催化剂金属，并且上游侧部分与下游侧部分相比，每单位长度的催化剂金属的承载量较少。

Description

内燃机的废气净化装置
技术领域
本发明涉及一种内燃机的废气净化装置，其在排气管中直列地设有多个催化剂。
背景技术
一般来说，在安装有内燃机的车辆中，具有废气净化装置。废气净化装置在排气管中被直列地配置、并具有用于净化废气中的有害物质的多个催化剂。
[在先技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本特开2002－309932号公报
发明内容
[发明要解决的问题]
催化剂因为废气所包含的S(硫黄)、HC(烃)、P(磷)这样的中毒成分而中毒。这些中毒成分均是来自燃料、发动机油。关于S和HC，已知在废气温度在预定温度以上这一高温条件下，中毒会消除。即，由S和HC导致的中毒是可恢复的暂时性的现象。
但是，由P导致的中毒即使在废气温度达到高温时也不会消除。即，附着于催化剂的P即使在废气温度达到高温时，也不会从催化剂脱离。因为，由P导致的中毒是不可恢复的永久现象。这会导致催化剂的永久劣化。若发生P中毒，则必然会导致催化剂净化能力下降。
通常，P被包含在发动机油中，该发动机油燃烧从而P包含在废气中时，P会附着于催化剂而使之发生P中毒。尤其是若使用了不受厂家推荐的、含P较多的发动机油，则P中毒导致的催化剂劣化会容易变得严重。
[用于解决问题的手段]
另一方面，本发明人潜心研究后发现在多个催化剂中位于最上游侧的催化剂、尤其是在该上游端附近会大量附着有P。因此，希望有如下方法：通过利用该特性，即使发生P中毒、也能够将催化剂整体的性能降低抑制在最小限度。
本发明提供一种内燃机的废气净化装置：即使在发生了P中毒的情况下，也能够抑制催化剂整体的性能降低。
根据本发明的一个实施方式，提供一种内燃机的废气净化装置，其具有排气管和在上述排气管中被直列地设置的多个催化剂，在上述内燃机中，循环含有磷的发动机油，在上述多个催化剂中位于最上游侧的催化剂包含位于从上游端至预定距离下游侧为止的上游侧部分和位于上述上游侧部分至下游侧的下游侧部分，上述上游侧部分和上述下游侧部分包含催化剂金属，上述上游侧部分与上述下游侧部分相比，在每单位长度中的催化剂金属的承载量较少。
根据本发明的另一实施方式，提供一种内燃机的废气净化装置，其具有排气管和在上述排气管中被直列地设置的多个催化剂，在上述内燃机中，循环含有磷的发动机油，上述多个催化剂中的位于最上游侧的催化剂包含位于从上游端至预定距离下游侧为止的上游侧部分和比上述上游侧部分位于下游侧的下游侧部分，上述上游侧部分和上述下游侧部分包含催化剂金属，上述上游侧部分还包含钡。
位于上述最上游侧的催化剂可以是氧化催化剂。
上述多个催化剂可以设于后处理单元，其中，该后处理单元设于上述排气管的途中，
上述后处理单元可以包括：第1催化剂外壳，内设有至少一种催化剂的管状；第2催化剂外壳，与上述第1催化剂外壳并列且配置于其下游侧的位置，并且内设有至少一个催化剂的管状；连接管，被配置于上述第1催化剂外壳与上述第2催化剂外壳之间的位置，连接上述第1催化剂外壳的下游端与上述第2催化剂外壳的上游端，且具有沿着排气流动方向从后方向前方延伸，U字状地折回并向后方延伸的折回部分；以及添加阀，被配置成从上述折回部分的上游侧朝向上述折回部分，从后方起向前方添加尿素水，位于上述最上游侧的催化剂可以是在上述第1催化剂外壳内位于最上游侧的催化剂。
[发明效果]
根据本发明，即使在发生了P中毒的情况下，也能够发挥：抑制催化剂整体的性能降低的优异效果。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式所涉及的废气净化装置的简略构造图。
具体实施方式
以下，基于所附附图说明本发明的实施方式。图1是示出本发明的实施方式所涉及的内燃机的废气净化装置的简略构造图。
如图1所示，废气净化装置100包含使内燃机(发动机)1的废气通过的排气管2、后处理单元3、以及收容后处理单元3的外壳4，其中，后处理单元3设于排气管2的中途且具有用于净化废气的多个催化剂10。
内燃机1是在未图示的车辆安装的多缸的压缩点火式内燃机、即柴油机。在内燃机1中设置使从各气缸11排出的废气集合的排气歧管12。
排气管2连接于排气歧管12，将来自排气歧管12的废气向下游方向(箭头G所表示的方向)流动而排放到大气中的管。
更详细而言，该排气管2包括：位于后处理单元3的上游侧的上游侧排气管21和位于后处理单元3的下游侧的下游侧排气管22。上游侧排气管21在其下游侧端部具有凸缘21a，下游侧排气管22在其上游侧端部具有凸缘22a。
接下来，说明后处理单元3。图1中表示后处理单元3的前后左右方向。需要说明的是，所图示的后处理单元3的前后左右方向与车辆的前后左右方向无关，只不过是为了方便进行说明而规定的要素。在本实施方式中，内燃机1被纵置在车辆中，后处理单元3的左方向与车辆的前方向一致。
后处理单元3包括废气入口管31、废气出口管32、内部设有至少一个催化剂10的第1催化剂外壳33、内部设有至少一个催化剂10的第2催化剂外壳34、将第1催化剂外壳33与第2催化剂外壳34连接的连接管35、以及添加尿素水的添加阀36。另外，后处理单元3具有大致左右对称的构造。
废气入口管31被配置在后处理单元3的前端部且靠左侧，从前方起向后方延伸，并且其前端连接于上游侧排气管21的下游端。另外，废气出口管32被配置在后处理单元3的前端部且靠右侧，从前方起向后方延伸，并且其前端连接于下游侧排气管22的上游端。
更详细而言，在废气入口管31的上游侧端部设有凸缘31a，且在该凸缘31a连接有上游侧排气管21的凸缘21a。另外，同样地，在废气出口管32的下游侧端部设有凸缘32a，且在该凸缘32a连接有下游侧排气管22的凸缘22a。互相连接的凸缘彼此由螺栓(未图示)等紧固件固定成可拆卸。
第1催化剂外壳33管状地形成，从废气入口管31起向后方延伸，并在位于后端部的下游侧端部33a的右侧面具有第1侧孔33b。另外，在第1催化剂外壳33中，形成有比位于上游侧的废气入口管31及位于下游侧的连接管35进一步被扩径了的第1扩径部33c。
第1催化剂外壳33在第1扩径部33c的位置介由第1绝热缓冲部件(垫子)37，从上游侧起内部设有氧化催化剂(DOC：Diesel Oxidation Catalyst)10a及柴油颗粒过滤器(以下，也称作“DPF”)10b。
氧化催化剂10a将废气中的未燃成分(烃HC及一氧化碳CO)进行氧化从而净化。氧化催化剂10a具有使用HC、CO氧化时产生的热量来加热废气以使之升温的功能。另外，氧化催化剂10a还具有将废气中的NO氧化成NO2以提高废气中的NO2浓度的功能。
DPF10b是在捕集废气中所包含的颗粒状物质(PM：Particulate Matter)后将之除去的部件。关于DPF10b，在本实施方式中使用了将蜂窝形状的耐热性基体材料的两端开口交错网格状地封闭而成的所谓的壁流式形式。但是，能够使用网眼构造的泡沫形状的形式等物理地捕集PM的所有类型的过滤器。
DPF10b由在其内壁承载Pt等贵金属(催化剂金属)的所谓连续再生式的带催化剂的DPF构成。在这种情况下，在发动机的正常运转时、被提供给DPF10b的废气中的HC因为催化剂作用而发生氧化，从而发生燃烧，与此同时，在DPF10b内部堆积的PM被烧除。需要说明的是，由于DPF10b具有催化剂，所以在此将DPF10b也包括在本发明所述的催化剂的范围内。
第2催化剂外壳34被管状地形成，并从废气出口管32起向后方延伸，并且在位于后端部的上游侧端部34a的左侧面具有第2侧孔34b。另外，在第2催化剂外壳34中，形成有比位于上游侧的连接管35及位于下游侧的废气出口管32被扩径了后的第2扩径部34c。
第2催化剂外壳34在第2扩径部34c的位置介由第2绝热缓冲部件(垫子)38从上游侧起设有NOx催化剂10c及氨氧化催化剂10d。
NOx催化剂10c是用于净化废气中的氮氧化物NOx的催化剂。NOx催化剂10c由选择性还原型NOx催化剂(SCR：Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原)构成，能够通过从尿素水中水解生成的氨(NH3)连续地还原NOx。
氨氧化催化剂10d是使用NOx催化剂10c来将在NOx的还原时未消耗掉的余下的氨(NH3)进行氧化，来生成N2的催化剂。
在本实施方式中，第1催化剂外壳33与第2催化剂外壳34被彼此并列地左右配置。另外，第1侧孔33b与第2侧孔34d被配置在彼此相对的位置。
连接管35被配置在左右方向上的第1催化剂外壳33与第2催化剂外壳34之间的位置，且将第1侧孔33b和第2侧孔34b连接。
更详细而言，连接管35包括从第1侧孔33b起向第2侧孔34b侧(图示的右侧)延伸并向前方弯折的第1部分35a和从第2侧孔34b起向第1侧孔33b侧(图示的左侧)延伸并向前方弯折的第2部分35b。具体而言，第1部分35a相当于图中的X1至X2的部分，第2部分35b相当于图中的Y1至Y2的部分。
另外，连接管35具有从第1部分35a的下游端X2起向前方延伸并U字状地折回后向后方延伸、并与第2部分35b的上游端Y2连接的第3部分35c。通过连接管35如此被U字状地折回形成，从而与将第1侧孔33b和第2侧孔34d直线地连接相比，连接管35d的管长变长。
添加阀36被配置成从第1部分35a的弯折部分L朝向第3部分35c的折回部分U，从后方起向前方添加尿素水。
外壳4由使用了不锈钢等耐热材料的箱型外壳构成、并密封包覆着后处理单元3整体。在外壳4的内表面上的大致整体铺设有玻璃棉等绝热材料5，以将后处理单元3保温。
在外壳4的后表面41，在位于后处理单元3的弯折部分L的后方的部分形成有用于安装添加阀36的安装部42。安装部42被形成为向前方凹陷，并在其前端形成有外侧插通孔43。另外，在后处理单元3的弯折部分L的后端面，与外侧插通孔43同轴地形成有内侧插通孔35d。添加阀36从外壳4的外部(后方)插通于外侧插通孔43和内侧插通孔35d两者内，并由设于安装部42的凸台部44固定于外壳4。
在外壳4的前表面45，在左右位置形成有后处理单元3的废气入口管31挿通的入口孔42a和废气出口管32挿通的出口孔42b。
如此，在本实施方式所涉及的废气净化装置100中，在排气管2中直列地设有多个催化剂10(从上游侧起依次设有氧化催化剂10a、DPF10b、NOx催化剂10c、以及氨氧化催化剂10d)。并且，在最上游侧，配置有氧化催化剂10a。
在本实施方式的发动机1中，循环包含了P(磷)的发动机油。因此，在缸体11内，在机油与燃料同时被燃烧，所以由此形成的废气中含有P。该包含了P的废气最初被提供给最上游侧的氧化催化剂10a。此时，P附着于氧化催化剂10a，覆盖氧化催化剂10a的贵金属(催化剂金属)，使得氧化催化剂10a发生P中毒。而且，P中毒的程度随着氧化催化剂10a的使用时间的增加、具体而言随着车辆的行驶距离增加而增加。
另一方面，本发明人潜心研究后发现，P会大量附着在氧化催化剂10a的上游端附近。因此，本实施方式发挥该特性，通过采用下文所述的构造，即使在发生了P中毒的情况下、也能够将催化剂整体的性能下降抑制在最小限度。
如图1所示，氧化催化剂10a具有位于前侧的上游端51、位于后侧的下游端52、以及在前后方向延伸的中心轴C。另外，氧化催化剂10a还具有上游端51至预定距离L1下游侧为止的上游侧部分53和位于比上游侧部分53靠下游侧的下游侧部分54。氧化催化剂10a的全长是L，上游侧部分53的长度是L1，下游侧部分54的长度是L2(L＝L1+L2)。
上游侧部分53的长度L1通过实验等而被设定成包含P的附着量较多的区域。例如，被设定成包含在预定的行驶距离时刻、P的附着量成为预定值以上的区域。优选长度L1被设定为全长L的5～38％。而且，已判断出P越靠上游侧越较多地发生附着。
氧化催化剂10a具有由堇青石等耐热性陶瓷或金属形成的蜂窝状的载体和被涂敷在载体的表面的涂层。在涂层上，大量地分散配置有作为主催化剂成分的Pt(铂)等贵金属(也称作催化剂金属)的微粒。
这里，在上游侧部分53和下游侧部分54两者涂层中含有催化剂金属。但是，关于每单位长度的催化剂金属的承载量，上游侧部分53比下游侧部分54少。值得一提的是，也可以将该承载量还称作承载密度。
关于氧化催化剂10a的制作，将载体浸渍在分散有催化剂金属的微粒且包含了二氧化铈(CeO2)等助催化剂成分的浆料(水溶液)，此后，通过将载体进行干燥、烧成，来在载体表面上形成涂层(所谓的涂层(washcoat)法)。此时，准备催化剂金属浓度不同的两种浆料，并将相当于下游侧部分54的载体部分浸渍在高浓度的浆料中，并将相当于上游侧部分53的载体部分浸渍在低浓度的浆料中。通过这样做，能够容易地形成承载密度较低的上游侧部分53和承载密度较高的下游侧部分54。并且，代替性地，通过在催化剂金属浓度固定的一种浆料中，将相当于下游侧部分54的载体部分浸渍2次，并将相当于上游侧部分53的载体部分浸渍1次这样，将后者的渍次数比前者的浸渍次数减少，从而能够容易地形成上游侧部分53和下游侧部分54。
接下来，基于图1说明本实施方式所涉及的废气净化装置100的作用效果。
内燃机1的废气从排气歧管12起通过上游侧排气管21、并通过废气入口管31而流入到第1催化剂外壳33内。
流入到第1催化剂外壳33内后的废气通过氧化催化剂10a，由此，废气中的未燃成分(烃HC及一氧化碳CO)被氧化而净化。
然后，通过了氧化催化剂10a的废气流入到DPF10b中，由DPF10b捕集除去废气中所包含的颗粒状物质(PM)。
通过了DPF10b的废气从位于第1催化剂外壳33的后端部的第1侧孔33b起向连接管35的第1部分35a流动，沿着第1部分35a的弯折形状向前方转向90°，然后向第3部分35c流动。
流入到第3部分35c的废气通过折回部分U向后方转向180°，并向后方的第2部分35b流动，并沿着第2部分35b的弯折形状转向90°，通过第2侧孔34b而流入第2催化剂外壳34内。
添加阀36从弯折部分L朝向折回部分U，从后方向前方添加尿素水。被混入了该尿素水的废气通过折回部分U向后方转向180°，并向后方的第2部分35b流动，沿着第2部分的弯折形状转向90°，通过第2侧孔34b而流入到第2催化剂外壳34内。在此过程中，尿素水与废气混合后蒸发、并被水解生成氨。
然后，在第2催化剂外壳34内，包含了尿素水和氨中的至少一者的废气通过NOx催化剂10c。此时，NOx催化剂10c通过由尿素水水解而成的氨来还原NOx。
在使用了NOx催化剂10c的NOx还原所未消耗掉的余下的氨与氨氧化催化剂10d接触而氧化，被抑制了向大气的排出。
通过了氨氧化催化剂10d后的废气通过废气出口管32而被排放到下游侧排气管22，并被从下游侧排气管22向大气排出。
但是，由于机油中包含P，因而包含P的废气被最初提供给氧化催化剂10a。该废气中所包含的P大量地附着于氧化催化剂10a的上游端51附近，尤其在上游侧部分53比下游侧部分54附着得多。P一旦发生附着，P就会覆盖涂层，进而覆盖催化剂金属，降低由催化剂金属导致的催化剂作用，使催化剂发生P中毒。
但是，由于上游侧部分53与下游侧部分54相比，每单位长度中的催化剂金属的承载量(承载密度)较少，所以能够将从氧化催化剂10a整体观察到的氧化催化剂10a的P中毒程度比使两者的承载量相同时减少。
即，由于氧化催化剂10a中的新产品的原本性能(HC或CO的净化率)在上游侧部分53比下游侧部分54低，所以即使在该性能较低的上游侧部分53发生P中毒，也能够减少对该氧化催化剂10a整体的影响(损伤)。因此，从结果上来看，即使在发生了P中毒的情况下，也能够将催化剂整体的性能降低抑制在最小限度。
另外，本实施方式的后处理单元3的其它优点为：由于连接管35被U字状地折回形成，所以与将第1侧孔33b和第2侧孔34d直线地连接相比，能够增加连接管35的管长，另一方面，能够紧凑地构成后处理单元3，所以对于车载有利。
在本实施方式的后处理单元3中，由添加阀36添加的尿素水通过该被较长地且被折回地形成的连接管35。由此，能够使尿素水与废气之间充分搅拌混合，进一步地促进尿素水的水解。其结果，能够高效地生成氨，对于NOx催化剂10c的NOx净化率的提升有利。
至此，详细叙述了本发明的实施方式，但本发明也能够采用如下这种另一实施方式。
(1)在上述实施方式中，在上游侧部分53将每单位长度的催化剂金属承载量(承载密度)减少成比下游侧部分54少。另外，也可以在上游侧部分53追加性地或替代性地包含有Ba(钡)。根据本发明人的研究结果可知，在包含有Ba时，P的附着量会减少，从而催化剂的P中毒进程会变慢。因此，通过在上游侧部分53中包含Ba，能够减少上游侧部分53的P中毒程度，并将氧化催化剂10a整体的性能降低抑制在最小限度。
需要说明的是，在包含了Ba时，若在上游侧部分53中包含有催化剂金属，则其承载密度为任意，例如可以与下游侧部分54的承载密度相同。因为即使这样做，也能够降低上游侧部分53的P中毒程度。关于制作，将Ba预先混入浸渍相当于上游侧部分53的载体部分的浆料中。
(2)也能够使用具备了上述以外的后处理单元的实施方式。另外，也能够使用不额外具有后处理单元这种部件的实施方式。
前述各实施方式的构造只要不明显矛盾，就能够在局部或整体上进行组合。本发明的实施方式不仅限定于前述实施方式，专利权利要求书所规定的本发明的思想所涵盖的所有变形例或应用例、等同方案均包括在本发明内。因此，不应限定性地解释本发明，也能够应用于属于本发明思想的范围内的其它任意技术。
本申请是基于在2016年3月3日时申请的日本专利申请(特愿2016-041295)而研发的方案，将其内容作为参照引进了此处。
[工业可利用性]
根据本发明的内燃机的废气净化装置，即使在发生了P中毒的情况下，也能够抑制催化剂整体的性能下降。
[标号说明]
1 内燃机
2 排气管
3 后处理单元
10 催化剂
10a 氧化催化剂
33 第1催化剂外壳
34 第2催化剂外壳
35 连接管
36 添加阀
51 上游端
53 上游侧部分
54 下游侧部分
100 废气净化装置
L1 预定距离(长度)

Claims (5)

1.一种内燃机的废气净化装置，包括排气管和在上述排气管中被直列设置的多个催化剂，其中，
在上述内燃机中，循环含有磷的发动机油，
在上述多个催化剂中位于最上游侧的催化剂具有从上游端至预定距离下游侧为止的上游侧部分和位于比上述上游侧部分靠下游侧的下游侧部分，
上述上游侧部分和上述下游侧部分包含催化剂金属，
上述上游侧部分与上述下游侧部分相比，每单位长度中的催化剂金属的承载量较少。
2.一种内燃机的废气净化装置，包含排气管和在上述排气管中被直列地设置的多个催化剂，其中，
在上述内燃机中，循环含有磷的发动机油，
在上述多个催化剂中位于最上游侧的催化剂具有从上游端至预定距离下游侧为止的上游侧部分和位于比上述上游侧部分靠下游侧的下游侧部分，
上述上游侧部分和上述下游侧部分包含催化剂金属，
上述上游侧部分还包含钡。
3.如权利要求1所述的内燃机的废气净化装置，其中，位于上述最上游侧的催化剂是氧化催化剂。
4.如权利要求2所述的内燃机的废气净化装置，其中，位于上述最上游侧的催化剂是氧化催化剂。
5.如权利要求1～3的任一项所述的内燃机的废气净化装置，其中，
上述多个催化剂设于后处理单元，其中，该后处理单元设于上述排气管的途中，
其中，上述后处理单元包括：
管状的第1催化剂外壳，内设有至少一个催化剂；
管状的第2催化剂外壳，与上述第1催化剂外壳并列且被配置于其下游侧，并且内设有至少一个催化剂；
连接管，被配置于上述第1催化剂外壳与上述第2催化剂外壳之间的位置，来连接上述第1催化剂外壳的下游端和上述第2催化剂外壳的上游端，且具有沿着排气流动方向从后方起向前方延伸，U字状地折回并向后方延伸的折回部分；以及
添加阀，被配置成从上述折回部分的上游侧朝向上述折回部分，后方起向前方添加尿素水，
位于上述最上游侧的催化剂是在上述第1催化剂外壳内位于最上游侧的催化剂。
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