JP2009191735A - Exhaust emission control device of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
機関排気通路内にNOX選択還元触媒を配置し、NOX選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化触媒を配置してこの酸化触媒により排気ガス中に含まれるNOをNO2に変換し、NOX選択還元触媒に尿素を供給して尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるNOXを選択的に還元するようにした内燃機関が公知である(例えば特許文献1を参照)。このようにNOX選択還元触媒によりNOXを選択的に還元する場合、排気ガス中にNOXに対するNO2の比率が50パーセントのときに最も良好にNOXを浄化することができる。ところが排気ガス中に含まれるNOXの大部分はNOである。従ってこの内燃機関では酸化触媒によりNOをNO2に変換することによってNO2の比率をできる限り50パーセントに近づけるようにしている。
しかしながらこの内燃機関では時間が経過するにつれて排気ガス中に含まれるSOXにより酸化触媒が被毒し、その結果NOをNO2に変換する機能が次第に弱まるためにNOX選択還元触媒によるNOX浄化率が次第に低下してくるという問題がある。 However poisoned oxidation catalyst by SO X contained in the exhaust gas as this time the internal combustion engine has elapsed, the results NO to function for converting to NO 2 is weakened gradually the NO X selective reducing catalyst by NO X purification There is a problem that the rate gradually decreases.
上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内にNOX選択還元触媒を配置し、NOX選択還元触媒上流の機関排気通路内に酸化機能を有する排気浄化要素を配置し、NOX選択還元触媒に尿素を供給して該尿素から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるNOXを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、排気浄化要素上流の機関排気通路内に排気ガス中に含まれるSOXを捕獲しうるSOXトラップ触媒を配置している。 In order to solve the above problem, according to the present invention, the NO x selective reduction catalyst is arranged in the engine exhaust passage, the exhaust purification element having an oxidation function is arranged in the engine exhaust passage upstream of the NO x selective reduction catalyst, In an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine in which urea is supplied to an NO x selective reduction catalyst and NO x contained in the exhaust gas is selectively reduced by ammonia generated from the urea, the engine exhaust upstream of the exhaust purification element An SO X trap catalyst capable of capturing SO X contained in the exhaust gas is disposed in the passage.
排気浄化要素がSOX被毒を受けるのが阻止されるのでNOX選択還元触媒による高いNOX浄化率を長期に亘って確保することができる。 Since the exhaust purification element is prevented from receiving SO x poisoning, a high NO x purification rate by the NO x selective reduction catalyst can be ensured over a long period of time.
図1に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図1を参照すると、1は機関本体、2は各気筒の燃焼室、3は各燃焼室2内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、4は吸気マニホルド、5は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド4は吸気ダクト6を介して排気ターボチャージャ7のコンプレッサ7aの出口に連結され、コンプレッサ7aの入口は吸入空気量検出器8を介してエアクリーナ9に連結される。吸気ダクト6内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁10が配置され、更に吸気ダクト6周りには吸気ダクト6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置11が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置11内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
FIG. 1 shows an overall view of a compression ignition type internal combustion engine.
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a combustion chamber of each cylinder, 3 is an electronically controlled fuel injection valve for injecting fuel into each combustion chamber 2, 4 is an intake manifold, and 5 is an exhaust manifold. Respectively. The intake manifold 4 is connected to the outlet of the
一方、排気マニホルド5は排気ターボチャージャ7の排気タービン7bの入口に連結され、排気タービン7bの出口はSOXトラップ触媒12の入口に連結される。また、SOXトラップ触媒12の出口は酸化機能を有する排気浄化要素13の入口に連結され、この排気浄化要素13の出口は排気管14を介して、排気ガスの空燃比がリーンのもとでアンモニアによって排気ガス中のNOXを選択的に還元しうるNOX選択還元触媒15に連結される。図1に示される実施例では排気浄化要素13が白金Pt等の酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタからなる。
On the other hand, the
NOX選択還元触媒15上流の排気管14内には尿素水供給弁16が配置され、この尿素水供給弁16は供給管17、供給ポンプ18を介して尿素水タンク19に連結される。尿素水を供給すべきときには尿素水タンク19内に貯蔵されている尿素水が供給ポンプ18によって尿素水供給弁16から排気管14内を流れる排気ガス中に噴射され、このとき尿素から発生したアンモニア((NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2)によって排気ガス中に含まれるNOXがNOX選択還元触媒15において還元される。
A urea
排気マニホルド5と吸気マニホルド4とは排気ガス再循環(以下、EGRと称す)通路20を介して互いに連結され、EGR通路20内には電子制御式EGR制御弁21が配置される。また、EGR通路20周りにはEGR通路20内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置22が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置22内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁3は燃料供給管23を介してコモンレール24に連結され、このコモンレール24は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ25を介して燃料タンク26に連結される。燃料タンク26内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ25によってコモンレール24内に供給され、コモンレール24内に供給された燃料は各燃料供給管23を介して燃料噴射弁3に供給される。
The
さて、前述したように機関運転中に燃焼室2から排出されるNOXの大部分はNOである。一方、NOX選択還元触媒15では尿素から発生したアンモニアNH3によって排気ガス中に含まれるNOXが選択的に還元され、このとき最も速度の速い反応式が次式で示される。
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O
上式から、排気ガス中のNOとNO2との比率が1:1のとき、即ち排気ガス中の(NO+NO2)に対するNO2の比率、言い換えると排気ガス中のNOXに対するNO2の比率が50パーセントのときに反応速度が最も速くなり、斯くしてNOX浄化率が最も高くなることがわかる。
As described above, most of the NO x discharged from the combustion chamber 2 during engine operation is NO. On the other hand, in the NO x
NO + NO 2 + 2NH 3 → 2N 2 + 3H 2 O
From the above equation, the ratio of NO and NO 2 in the exhaust gas 1: When 1, i.e. the ratio of NO 2 with respect to the exhaust gas (NO + NO 2), in other words the ratio of NO 2 with respect to NO X in the exhaust gas It can be seen that the reaction rate is the fastest when NO is 50%, and therefore the NO x purification rate is the highest.
因みに、排気ガス中のNO2が過剰の場合には例えばNO2の過剰分は反応速度の遅い次式に従って反応が行われ、
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
排気ガス中のNOが過剰の場合には例えばNOの過剰分は反応速度の遅い次式に従って反応が行われる。
6NO+4NH3→5N2+6H2O
このように反応速度が遅くなるとNOX浄化率が低下する。
Incidentally, when NO 2 in the exhaust gas is excessive, for example, the excess of NO 2 is reacted according to the following equation with a slow reaction rate,
6NO 2 + 8NH 3 → 7N 2 + 12H 2 O
When the NO in the exhaust gas is excessive, for example, the excess NO is reacted according to the following equation with a slow reaction rate.
6NO + 4NH 3 → 5N 2 + 6H 2 O
Thus when the reaction rate NO X purification rate is lowered.
ところで前述したようにパティキュレートフィルタ13は酸化触媒を担持しており、この酸化触媒の担持量はNOX選択還元触媒15に流入する排気ガス中のNOとNO2との比率ができる限り1:1に近づくような担持量とされている。従ってNOX選択還元触媒15において良好なNOX浄化率が得られることになる。
As described above, the
ところが排気ガス中にはSOXが含まれており、このSOXがパティキュレートフィルタ13に流入するとパティキュレートフィルタ13に担持されている酸化触媒はこのSOXにより被毒される。その結果排気ガス中のNOをNO2に変換する機能が低下せしめられ、斯くしてNOX選択還元触媒15によるNOX浄化率が低下することになる。
However, the exhaust gas contains SO X, oxidation catalyst this SO X is carried on the
そこで本発明による実施例ではパティキュレートフィルタ13の上流にSOXトラップ触媒12を配置してこのSOXトラップ触媒12により排気ガス中に含まれるSOXを捕獲し、それによってパティキュレートフィルタ13にSOXが流入しないようにしている。次にこのSOXトラップ触媒12について説明する。
Therefore, in this embodiment of the present invention to capture SO X contained in the exhaust gas by this the SO X trap catalyst 12 by arranging the SO X trap catalyst 12 upstream of the
このSOXトラップ触媒12は例えばハニカム構造のモノリス触媒からなり、SOXトラップ触媒12の軸線方向にまっすぐに延びる多数の排気ガス流通孔を有する。図2にSOXトラップ触媒12の基体30の表面部分の断面を図解的に示す。図2に示されるように基体30の表面上にはコート層31が形成されており、このコート層31の表面上には貴金属触媒32が分散して担持されている。
The SO X trap catalyst 12 is made of, for example, a monolith catalyst having a honeycomb structure, and has a large number of exhaust gas flow holes extending straight in the axial direction of the SO X trap catalyst 12. FIG. 2 schematically shows a cross section of the surface portion of the
図2に示される実施例では貴金属触媒32として白金が用いられており、コート層31を構成する成分としては例えばカリウムK、ナトリウムNa、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つが用いられている。即ち、SOXトラップ触媒12のコート層31は強塩基性を呈している。
In the embodiment shown in FIG. 2, platinum is used as the
さて、排気ガス中に含まれるSOX、即ちSO2は図2に示されるように白金Pt32において酸化され、次いでコート層31内に捕獲される。即ち、SO2は硫酸イオンSO4 2-の形でコート層31内に拡散し、硫酸塩を形成する。なお、上述したようにコート層31は強塩基性を呈しており、従って図2に示されるように排気ガス中に含まれるSO2の一部は直接コート層31内に捕獲される。
Now, SO x contained in the exhaust gas, that is, SO 2 is oxidized in
図2においてコート層31内における濃淡は捕獲されたSOXの濃度を示している。図2からわかるようにコート層31内におけるSOX濃度はコート層31の表面近傍が最も高く、奥部に行くに従って次第に低くなっていく。コート層31の表面近傍におけるSOX濃度が高くなるとコート層31の表面の塩基性が弱まり、SOXの捕獲能力が弱まる。しかしながらこの場合、排気ガスの空燃比がリーンのもとでSOXトラップ触媒12の温度が上昇するとSOXトラップ率が回復する。
Shading shows the concentration of trapped SO X in the
即ち、排気ガスの空燃比がリーンのもとでSOXトラップ触媒12の温度が上昇するとコート層31内の表面近傍に集中的に存在するSOXはコート層31内におけるSOX濃度が均一となるようにコート層31の奥部に向けて拡散している。即ち、コート層31内に生成されている硝酸塩はコート層31の表面近傍に集中している不安定な状態からコート層31内の全体に亘って均一に分散した安定した状態に変化する。コート層31内の表面近傍に存在するSOXがコート層31の奥部に向けて拡散するとコート層31の表面近傍のSOX濃度が低下し、斯くしてSOXトラップ触媒12のSOXトラップ率が回復することになる。
That, SO X air temperature of lean under the SO X trap catalyst 12 is present in a concentrated manner in the vicinity of the surface of the
従って、機関運転中においてSOXトラップ触媒12の温度が高くなる毎にSOXトラップ率が回復せしめられ、斯くしてSOXトラップ触媒12によってパティキュレートフィルタ13内にSOXが流入するのが常時阻止される。その結果、NOX選択還元触媒15による高いNOX浄化率を確保することができる。
Accordingly, the SO X trap rate is recovered every time the temperature of the SO X trap catalyst 12 becomes higher during engine operation, and therefore SO X always flows into the
図3に別の実施例を示す。この実施例では酸化機能を有する排気浄化触媒13が白金Pt等の貴金属触媒を担持した酸化触媒から構成されており、この実施例でもSOXトラップ触媒12により酸化触媒13がSOX被毒を受けるのが阻止されている。また、この実施例でも酸化触媒に担持された貴金属触媒の担持量はNOX選択還元触媒15に流入する排気ガス中のNOとNO2との比率ができる限り1:1に近づくような担持量とされている。従ってNOX選択還元触媒15において良好なNOX浄化率が得られることになる。
FIG. 3 shows another embodiment. It is composed of an oxidation catalyst the
一方、この実施例ではNOX選択還元触媒15の出口が排気管27を介してパティキュレートフィルタ28の入口に連結されている。即ち、この実施例ではNOX選択還元触媒15下流の機関排気通路内にパティキュレートフィルタ28が配置されている。
On the other hand, in this embodiment, the outlet of the NO x
また、この実施例ではパティキュレートフィルタ28の再生時にパティキュレートフィルタ28を昇温するためにパティキュレートフィルタ28に昇温手段が設けられている。この昇温手段としてはパティキュレートフィルタ28の入口部にヒータを配置する方法が考えられし、また電気ヒータを構成する金属薄板の組立体上にパティキュレートフィルタ28を担持する方法も考えられる。また、図3に示されるように排気管27内に還元剤供給弁29を設け、この還元剤供給弁29から供給された還元剤、例えば燃料の酸化反応熱によってパティキュレートフィルタ28を昇温させることもできる。
In this embodiment, the
また、図3に示される実施例では、パティキュレートフィルタ28に、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるNOXを吸蔵し流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると吸蔵したNOXを放出するNOX吸蔵触媒を担持させることもできる。この場合には、NOX吸蔵触媒がNOXで飽和する前にNOX吸蔵触媒に流入する排気ガス、即ちパティキュレートフィルタ28に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされ、それによってNOX吸蔵触媒からNOXが放出される。この場合には例えば図3に示される如く、NOX吸蔵触媒からNOXを放出させるためにNOX吸蔵触媒に還元剤を供給するための還元剤供給手段、例えば還元剤供給弁29が設けられる。
In the embodiment shown in FIG. 3, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the
4 吸気マニホルド
5 排気マニホルド
7 排気ターボチャージャ
12 SOXトラップ触媒
13 排気浄化要素
15 NOX選択還元触媒
16 尿素水供給弁
4
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JP2008033329A JP2009191735A (en) | 2008-02-14 | 2008-02-14 | Exhaust emission control device of internal combustion engine |
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---|---|---|---|---|
WO2011027470A1 (en) * | 2009-09-01 | 2011-03-10 | トヨタ自動車株式会社 | Exhaust purification device for internal combustion engine |
-
2008
- 2008-02-14 JP JP2008033329A patent/JP2009191735A/en not_active Withdrawn
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