JP2010013975A - 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.
希薄燃焼の排気ガス中に比較的多く含まれるNOXを浄化するために、機関排気系にはNOX吸蔵還元触媒装置が配置されている。このNOX吸蔵還元触媒装置は、排気ガスの空燃比がリーンである時には排気ガス中のNOXを良好に吸蔵し、排気ガス中の空燃比がリッチになると吸蔵したNOXを放出し、こうして放出されたNOXがリッチ空燃比の排気ガス中の還元物質によって還元浄化される。 In order to purify NO x contained in the lean combustion exhaust gas in a relatively large amount, a NO x storage reduction catalyst device is arranged in the engine exhaust system. This the NO X storage reduction catalyst device, when the air-fuel ratio of the exhaust gas is lean satisfactorily absorb NO X in the exhaust gas, the air-fuel ratio in the exhaust gas to release NO X occluding becomes rich, thus The released NO x is reduced and purified by the reducing substance in the exhaust gas having a rich air-fuel ratio.
また、希薄燃焼の排気ガス中には、SOXも含まれており、NOX吸蔵還元触媒装置は、NOXと同様なメカニズムによってSOXも吸蔵する。こうして吸蔵されたSOXを放出させるためには、NOX吸蔵還元触媒装置を昇温して排気ガスの空燃比をリッチとすることが必要である。 Further, the exhaust gas of lean combustion contains SO x , and the NO x storage reduction catalyst device also stores SO x by the same mechanism as that of NO x . In order to release the stored SO X , it is necessary to raise the temperature of the NO X storage reduction catalyst device so that the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes rich.
このようにNOX吸蔵還元触媒装置にはリッチ空燃比の排気ガスを通過させることがあり、この時には、NOX吸蔵還元触媒装置に担持された貴金属触媒によって排気ガス中の一部のNOXが還元されてアンモニアNH3が生成されてしまう。 Thus NO is the X occluding and reducing catalyst device might be passed through the exhaust gas of a rich air-fuel ratio, at this time, a part of NO X in the exhaust gas by the supported noble metal catalyst to the NO X occluding and reducing catalyst device It is reduced and ammonia NH 3 is produced.
このように生成されたアンモニアを吸着するために、NOX選択還元触媒装置をNOX吸蔵還元触媒装置の下流側に配置することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。こうしてNOX選択還元触媒装置に吸着されたアンモニアは、排気ガス中のNOXを還元浄化するのに使用される。 In order to adsorb the ammonia thus generated, it has been proposed to dispose the NO X selective reduction catalyst device downstream of the NO X storage reduction catalyst device (see, for example, Patent Document 1). The ammonia thus adsorbed on the NO x selective reduction catalyst device is used to reduce and purify NO x in the exhaust gas.
前述の背景技術において、NOX選択還元触媒装置に白金系触媒が担持されている場合、流入するアンモニアの一部から可逆的にNOXを生成し、大気中へ放出してしまう。 In the background art described above, when a platinum-based catalyst is supported on the NO x selective reduction catalyst device, NO x is reversibly generated from a part of the inflowing ammonia and released into the atmosphere.
従って、本発明の目的は、リッチ空燃比の排気ガスの通過によりNOX吸蔵還元触媒装置において生成されるアンモニアの大気放出量を十分に低減すると共に、アンモニアから可逆的にNOXが生成されることも十分に抑制することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to sufficiently reduce the atmospheric emissions of ammonia produced in the NO X storage reduction catalyst device by passing the exhaust gas of a rich air-fuel ratio, is reversibly NO X from the ammonia generated It is another object of the present invention to provide an exhaust emission control device for an internal combustion engine that can be sufficiently suppressed.
本発明による請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置は、機関排気系に配置されたNOX吸蔵還元触媒装置と、前記NOX吸蔵還元触媒装置の下流側に配置されて鉄系触媒を担持する下流側触媒装置とを具備することを特徴とする。
An exhaust purification system of an internal combustion engine according to
本発明による請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記NOX吸蔵還元触媒装置からSOXを放出させる時には、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の排気ガスを前記NOX吸蔵還元触媒装置へ流入させることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect of the present invention, in which the SO X is released from the NO X storage reduction catalyst apparatus according to the stoichiometric air-fuel ratio. A slightly rich air-fuel ratio exhaust gas is caused to flow into the NO x storage reduction catalyst device.
本発明による請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置において、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の前記排気ガスは、前記NOX吸蔵還元触媒装置の上流側において、リッチ空燃比の排気ガスと、リーン空燃比の排気ガス又は空気とを混合させることにより形成することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the second aspect, wherein the exhaust gas having an air-fuel ratio slightly richer than the stoichiometric air-fuel ratio is the NO x. It is formed by mixing a rich air-fuel ratio exhaust gas and a lean air-fuel ratio exhaust gas or air on the upstream side of the storage reduction catalyst device.
本発明による請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項2又は3に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記NOX吸蔵還元触媒装置からSOXを放出させる時には、前記NOX吸蔵還元触媒装置の下流側において、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の前記排気ガスに空気を混入させて僅かにリーンな空燃比の排気ガスを前記下流側触媒装置へ流入させることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the second or third aspect of the present invention, wherein the NO X storage reduction catalyst apparatus releases the SO X in the exhaust gas purification apparatus for the internal combustion engine according to the second or third aspect. X On the downstream side of the NOx storage reduction catalyst device, air is mixed into the exhaust gas having an air / fuel ratio slightly richer than the stoichiometric air / fuel ratio, and the exhaust gas having a slightly lean air / fuel ratio is allowed to flow into the downstream catalyst device. Features.
本発明による請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記下流側触媒装置には、白金系酸化触媒も担持されていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the fourth aspect, wherein the downstream side catalyst device also carries a platinum-based oxidation catalyst. Features.
本発明による請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、機関排気系に配置されたNOX吸蔵還元触媒装置と、NOX吸蔵還元触媒装置の下流側に配置されて鉄系触媒を担持する下流側触媒装置とを具備しており、それにより、排気ガスの空燃比がリッチとされる時にNOX吸蔵還元触媒装置において生成されるアンモニアは、下流側触媒装置に担持された鉄系触媒によって可逆的にNOXが殆ど生成されることなく良好に窒素及び水に分解され、アンモニアの大気放出量を十分に低減することができる。
According to the exhaust purification device for an internal combustion engine according to
本発明による請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、NOX吸蔵還元触媒装置からSOXを放出させる時には、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の排気ガスをNOX吸蔵還元触媒装置へ流入させるようになっており、それにより、NOX吸蔵還元触媒装置から放出されたSOXが殆ど硫化水素に還元されることはない。
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to
本発明による請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置において、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の排気ガスは、NOX吸蔵還元触媒装置の上流側において、リッチ空燃比の排気ガスと、リーン空燃比の排気ガス又は空気とを混合させることにより形成するようになっており、それにより、リッチ空燃比の排気ガス中の未燃燃料がリーン空燃比の排気ガス中又は空気中の酸素を使用してNOX吸蔵還元触媒装置において燃焼するために、NOX吸蔵還元触媒装置を良好に昇温することができる。
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to
本発明による請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項2又は3に記載の内燃機関の排気浄化装置において、NOX吸蔵還元触媒装置からSOXを放出させる時には、NOX吸蔵還元触媒装置の下流側において、理論空燃比より僅かにリッチな空燃比の排気ガスに空気を混入させて僅かにリーンな空燃比の排気ガスを下流側触媒装置へ流入させるようになっており、それにより、NOX吸蔵還元触媒装置からSOXを放出させるためのリッチ空燃比の排気ガス中に含まれるHC及びCOを下流側触媒装置において酸化浄化することができる。
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to
本発明による請求項5に記載の内燃機関の排気浄化装置によれば、請求項4に記載の内燃機関の排気浄化装置において、下流側触媒装置には、白金系酸化触媒も担持されており、それにより、NOX吸蔵還元触媒装置からSOXを放出させるためのリッチ空燃比の排気ガス中に含まれるHC及びCOを下流側触媒装置において良好に酸化浄化することができる。
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to
図1は本発明による内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。本排気浄化装置は、ディーゼルエンジン又は筒内噴射式火花点火内燃機関のような希薄燃焼を実施する内燃機関のためのものである。図1において、1は機関本体近傍に配置されて機関始動時に早期に活性化して排気ガスを浄化する上流側触媒装置であり、例えば、三元触媒装置である。2はNOX吸蔵還元触媒装置であり、3は下流側触媒装置であり、例えばゼオライトを担体として触媒としての鉄系触媒が担持されたNOX選択還元触媒装置である。
FIG. 1 is a schematic view showing an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention. The exhaust emission control device is for an internal combustion engine that performs lean combustion, such as a diesel engine or a direct injection spark ignition internal combustion engine. In FIG. 1,
NOX吸蔵還元触媒装置2は、例えば、アルミナを担体として、例えば、カリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、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金属、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をNOX吸蔵触媒として担持すると共に、貴金属酸化触媒(例えば、白金)を担持するものである。
The NO x storage
これらのNOX吸蔵触媒は、排気ガスの空燃比がリーン状態の時に排気ガス中のNOXを良好に吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチ状態となると吸蔵したNOXを放出するものである。NOX吸蔵還元触媒装置2は無制限にNOXを吸蔵することはできず、定期的に、又は、設定量のNOXが吸蔵された時に、排気ガスの空燃比をリッチ状態としてNOX吸蔵還元触媒装置2に吸蔵されたNOXを放出させて、排気ガス中の還元物質により還元浄化する再生処理が実施される。
These of the NO X storage catalyst, the air-fuel ratio of the exhaust gas is satisfactorily absorb NO X in the exhaust gas when the lean state, release the air-fuel ratio of the exhaust gas becomes the stoichiometric air-fuel ratio or rich state occluded NO X To do. The NO X storage
また、NOX吸蔵還元触媒装置2はNOXと同様なメカニズムによって排気ガス中のSOXも吸蔵してしまう。こうしてSOXが吸蔵されると、SOXは硫酸塩として硝酸塩より安定的に吸蔵されるために、硝酸塩を分解してNOXを放出させる再生処理では放出させることができず、NOX吸蔵可能量を低下させる(S被毒)。それにより、定期的に、又は、設定量のSOXが吸蔵された時に、NOX吸蔵還元触媒装置2を約700℃まで昇温して排気ガスの空燃比をリッチ状態とするS被毒回復処理が実施される。
Further, the NO X storage
このように、再生処理及びS被毒回復処理において、排気ガスの空燃比はリッチ状態とされ、この時に、上流側触媒装置1及びNOX吸蔵還元触媒装置2に担持されている貴金属触媒によって排気ガス中のNOXが還元されてアンモニアNH3が生成される。しかしながら、こうして生成されたアンモニアは、下流側触媒装置3としてのNOX選択還元触媒装置3がその一部を吸着して排気ガスの空燃比がリーン状態の時にNOXを還元浄化するのに使用されると共に、残りをNOX選択還元触媒装置3が担持する鉄系触媒が窒素及び水に分解するために殆ど大気中へ放出されることはない。
Thus, in the regeneration process and the S poison recovery process, the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich, and at this time, the exhaust gas is exhausted by the noble metal catalyst supported on the upstream
再生処理においては排気ガスの空燃比がリッチとされるのは数秒であるが、S被毒回復処理では排気ガスの空燃比を数十分の間リッチとすることとなり、この間においても前述のようにしてアンモニアが殆ど大気中へ放出されない。図3は、ゼオライトを担体として鉄を担持する第一触媒装置(マル印)と、セリアを担体として白金を担持する第二触媒装置(バツ印)とに、アンモニア含有ガスを流入させた場合の入りガス温度に対するNOX生成率の変化を示す実験結果である。同図に示すように、第二触媒装置ではアンモニアからNOXが生成されるのに対して、第一触媒装置では殆どNOXが生成されず、アンモニアは窒素と水とに分解されていることが解る。 In the regeneration process, the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich for several seconds, but in the S poison recovery process, the air-fuel ratio of the exhaust gas is made rich for several tens of minutes. Thus, almost no ammonia is released into the atmosphere. FIG. 3 shows a case where ammonia-containing gas is introduced into a first catalyst device (marked by a circle) supporting iron using zeolite as a carrier and a second catalyst device (cross mark) supporting platinum using ceria as a support. the experimental results showing the variation of the NO X generation rate for incoming gas temperature. As shown in the figure, whereas the NO X from the ammonia in the second catalyst device is produced, in the first catalyst device is hardly NO X is produced, that the ammonia is decomposed into nitrogen and water I understand.
本実施形態では、下流側触媒装置3が鉄系触媒を担持するNOX選択還元触媒装置3としたが、鉄系触媒を担持する単なる酸化触媒装置としても、アンモニアを窒素及び水に良好に分解してアンモニアの大気放出量を十分に低減することができる。
In the present embodiment, the
ところで、S被毒回復処理においては、NOX吸蔵還元触媒装置2を約700℃まで昇温させなければならない。そのために、本実施形態では、機関本体においてリッチ空燃比(12から13.5)での運転を実施するか、又は、膨張行程又は排気行程において気筒内へ燃料を噴射して、機関本体から排出される排気ガスの空燃比をリッチ状態(12から13.5)とし、NOX吸蔵還元触媒装置2の上流側において、第一空気供給装置4から排気ガス中へ空気を混入させて排気ガスの空燃比を僅かにリッチ状態(14.0以上14.6未満)とする。
By the way, in the S poisoning recovery process, the NO x storage
それにより、NOX吸蔵還元触媒装置2において、担持された白金等の酸化触媒により、排気ガス中の未燃燃料を、供給された空気中の酸素を使用して燃焼させ、この燃焼熱によってNOX吸蔵還元触媒装置2を約700℃へ容易に昇温することができる。こうして昇温されて僅かなリッチ状態とされたNOX吸蔵還元触媒装置2からはSOXが放出されるが、SOXが硫化水素へ還元されることはなく、硫化水素が大気中へ放出されることは殆どない。
As a result, in the NO x storage
また、NOX吸蔵還元触媒装置2から流出する僅かにリッチ状態の排気ガス中には、僅かにHC及びCOが含まれているために、これらを浄化することが好ましい。そのためには、NOX吸蔵還元触媒装置2の下流側において、第二吸気供給装置5から排気ガス中へ空気を混入させて排気ガスの空燃比を僅かにリーン状態(14.6より大きく17以下)として、下流側触媒装置3へ流入させ、下流側触媒装置3の鉄系触媒によって混入させた空気中の酸素を使用してHC及びCOを酸化させる。
Further, since the slightly rich exhaust gas flowing out from the NO x storage
また、このようにNOX吸蔵還元触媒装置2の下流側において、第二吸気供給装置5から排気ガス中へ空気を混入させて排気ガスの空燃比をリーン状態とすれば、NOX吸蔵還元触媒装置2に流入する排気ガスの空燃比がリッチ過ぎて放出されたSOXが硫化水素に還元されても、再び酸化されてSOXへ戻すことができる。
Further, if the air is mixed into the exhaust gas from the second intake
図4は、ゼオライトを担体として鉄を担持する第一触媒装置(マル印)と、セリアを担体として白金を担持する第二触媒装置(バツ印)とに、酸素及びCOを含むガスを流入させた場合の入りガス温度に対するCO浄化率の変化を示す実験結果である。同図に示すように、第一触媒装置ではCOの浄化率が低いのに対して、第二触媒装置では良好にCOを浄化することができる。それにより、下流側触媒装置3には、鉄系触媒だけでなく、白金系酸化触媒も担持させることにより、S被毒回復処理においてHC及びCOをさらに良好に酸化浄化させることができる。
FIG. 4 shows that a gas containing oxygen and CO is allowed to flow into a first catalyst device (marked by a circle) supporting iron using zeolite as a carrier and a second catalyst device (cross mark) supporting platinum using ceria as a support. It is an experimental result which shows the change of the CO purification | cleaning rate with respect to the inlet gas temperature in the case of. As shown in the figure, the first catalyst device has a low CO purification rate, whereas the second catalyst device can purify CO well. Thereby, the
この場合において、下流側触媒装置3の上流側には鉄系触媒を担持させ、下流側に白金系酸化触媒を担持させることが好ましい。それにより、下流側触媒装置3へ流入する排気ガス中のアンモニアは、白金系酸化触媒によってNOXへ変換される前に、鉄系触媒によって窒素及び水へ分解することができる。もちろん、下流側触媒装置3を、鉄系触媒を担持する上流側と、白金系酸化触媒を担持する下流側とに分割しても良い。
In this case, it is preferable to support the iron-based catalyst on the upstream side of the downstream
下流側触媒装置3へ流入させる排気ガスの空燃比のリーン状態が理論空燃比に近いほど、下流側触媒装置3でのHC及びCOの酸化が不十分となり易くなるために、第二吸気供給装置5から排気ガス中へ空気を混入させて制御する排気ガスの制御空燃比が、理論空燃比に近いほど、下流側触媒装置3の鉄系触媒及び白金系酸化触媒の全担持量に対する白金系酸化触媒の担持量の割合を多くすることが好ましい。
As the lean state of the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the downstream
図2は本発明によるもう一つの内燃機関の排気浄化装置を示す概略図である。図1の排気浄化装置との違いについてのみ以下に説明する。本排気浄化装置は、S被毒回復処理において、機関本体から排出される排気ガスの空燃比の制御、及び、第一空気供給装置4及び第二空気供給装置5から供給される空気量の制御の結果として、NOX吸蔵還元触媒装置2の下流側の排気ガスの空燃比が変化する場合において、切換弁6を切り換えて、排気ガスを第一下流側触媒装置3a及び第二下流側触媒装置3bのいずれかに通過させるかを選択するようになっている。
FIG. 2 is a schematic view showing another exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention. Only the difference from the exhaust emission control device of FIG. 1 will be described below. This exhaust purification device controls the air-fuel ratio of exhaust gas discharged from the engine body and controls the amount of air supplied from the first
例えば、第一下流側触媒装置3aにおいて、白金系酸化触媒の担持量と鉄系触媒の担持量との比が6:4とされ、第二下流側触媒装置3bにおいて、白金系酸化触媒の担持量と鉄系触媒の担持量との比が4:6とされている。好ましくは、第一下流側触媒装置3a及び第二下流側触媒装置3bのそれぞれにおいて、上流側には鉄系触媒を、下流側には白金系酸化触媒を担持させる。第二空気供給装置5により空気が混入された後の排気ガスの空燃比を空燃比センサ(図示せず)により検出し、それが15.5よりリッチ側である時には、排気ガスが第一下流側触媒装置3aを通過するように切換弁6が切り換えられ、また、検出された空燃比が15.5よりリーン側である時には、排気ガスが第二下流側触媒装置3bを通過するように切換弁6が切り換えられる。
For example, in the first downstream catalyst device 3a, the ratio of the supported amount of platinum-based oxidation catalyst to the supported amount of iron-based catalyst is 6: 4, and in the second downstream-
それにより、S被毒回復処理においてHC及びCOを白金系酸化触媒により良好に酸化浄化させることができると共に、アンモニアを鉄系触媒により良好に窒素及び水へ分解することができる。本実施形態において、再生処理時には、排気ガスが第二下流側触媒装置3bを通過するように切り換えられ、アンモニアを多量の鉄系触媒により良好に窒素及び水へ分解することが好ましい。
Thereby, HC and CO can be favorably oxidized and purified by the platinum-based oxidation catalyst in the S poisoning recovery treatment, and ammonia can be favorably decomposed into nitrogen and water by the iron-based catalyst. In the present embodiment, at the time of regeneration treatment, it is preferable that the exhaust gas is switched so as to pass through the second downstream
S被毒回復処理に際して、比較的多量の未燃燃料を含む排気ガスに第一空気供給装置4により空気を供給して僅かにリッチな空燃比とした排気ガスがNOX吸蔵還元触媒装置2へ流入するようにしたが、V型エンジンの場合には、一方のバンクから排出される排気ガス中には比較的多量の未燃燃料が含まれるようにし、他方のバンクから排出される排気ガス中には比較的多量の酸素が含まれるようにして、これらのリッチ空燃比の排気ガスとリーン空燃比の排気ガスとが混合して(好ましくは、僅かにリッチな空燃比となって硫化水素が生成されないようにして)NOX吸蔵還元触媒装置2へ流入するようにしても良い。
During the S poisoning recovery process, the exhaust gas containing a relatively large amount of unburned fuel is supplied with air by the first
もちろん、V型エンジンではなく、直列型エンジンにおいても、一部の気筒から排出される排気ガス中には比較的多量の未燃燃料が含まれるようにし、他方のバンクから排出される排気ガス中には比較的多量の酸素が含まれるようにして、これらのリッチ空燃比の排気ガスとリーン空燃比の排気ガスとが混合して(好ましくは、僅かにリッチな空燃比となって硫化水素が生成されないようにして)NOX吸蔵還元触媒装置2へ流入するようにしても良い。 Of course, not only in the V-type engine but also in the in-line engine, the exhaust gas discharged from some cylinders contains a relatively large amount of unburned fuel and the exhaust gas discharged from the other bank. Is mixed with the rich air-fuel ratio exhaust gas and the lean air-fuel ratio exhaust gas (preferably with a slightly rich air-fuel ratio and hydrogen sulfide It may be allowed to flow into the NO x storage reduction catalyst device 2 (without being generated).
1 上流側触媒装置
2 NOX吸蔵還元触媒装置
3,3a,3b 下流側触媒装置
1
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110906 |