JP2012012952A - Exhaust purification system for internal combustion engine - Google Patents

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勝治 和田
Takashi Kimoto
隆史 木本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust purification system that improves a purification performance at a low temperature right after an internal combustion engine is started in a plasma generation device and a fuel reformer in the exhaust purification system including an NOx adsorption catalyst.SOLUTION: The exhaust purification system 1 includes: the NOx adsorption catalyst 42 that is disposed in an exhaust pipe 4 and catches an emitted NOx; a plasma reactor 43 for oxidizing the emitted NOx flowing into the NOx adsorption catalyst 42; the fuel reformer 5 for generating a reformed gas including hydrogen by a reforming catalyst from fuel and air; a glow plug for heating reforming catalyst; and an ECU7 for driving the plasma reactor 43 at the start of an engine and driving the glow plug and starting to heat the reforming catalyst while starting to oxidizing the emitted NOx of the engine 2.

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。詳しくは、内燃機関の排気中のNOxを捕捉するNOx捕捉触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。   The present invention relates to an exhaust gas purification system for an internal combustion engine. Specifically, the present invention relates to an exhaust gas purification system for an internal combustion engine that includes a NOx trapping catalyst that traps NOx in the exhaust gas of the internal combustion engine.

内燃機関から排出される排気にはNOxが含まれる。この排気中に含まれるNOxを吸着し、排気を浄化する技術として、排気通路内に配置されたアルカリ金属、アルカリ土類金属、および白金などを含有するNOx吸着触媒を設ける技術が提案されている。このNOx吸着触媒は、低温時におけるNOx浄化性能の低下が課題となっており、これを解決するために様々な技術が提案されている。   The exhaust discharged from the internal combustion engine contains NOx. As a technique for adsorbing NOx contained in the exhaust gas and purifying the exhaust gas, a technique for providing a NOx adsorption catalyst containing alkali metal, alkaline earth metal, platinum and the like disposed in the exhaust passage has been proposed. . This NOx adsorption catalyst has a problem of lowering NOx purification performance at low temperatures, and various techniques have been proposed to solve this problem.

例えば特許文献1には、NOはNOよりもNOx吸着触媒に良好に吸着する特性に着目し、NOx吸着触媒の上流側に排気中のNOを酸化しNOを生成するプラズマ発生装置を設け、NOx吸着触媒の浄化性能を向上する技術が示されている。 For example, in Patent Document 1, paying attention to the characteristic that NO 2 is better adsorbed to the NOx adsorption catalyst than NO, a plasma generator that oxidizes NO in the exhaust and generates NO 2 is provided upstream of the NOx adsorption catalyst. A technique for improving the purification performance of a NOx adsorption catalyst is shown.

またNOx吸着触媒は、水素の雰囲気下では低温から良好な吸着性能を発揮することも知られている。排気中に水素を供給する技術としては、内燃機関の燃料を改質して水素を生成する燃料改質器が提案されている(特許文献2参照)。   NOx adsorption catalysts are also known to exhibit good adsorption performance from low temperatures in a hydrogen atmosphere. As a technique for supplying hydrogen into exhaust gas, a fuel reformer that reforms fuel of an internal combustion engine to generate hydrogen has been proposed (see Patent Document 2).

特開平11−324652号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-324652 特開2009−196837号公報JP 2009-196837 A

以上のように、プラズマ発生装置や燃料改質器を用いることでNOx吸着触媒の性能を向上できることが知られているものの、これら2つの装置を組み合わせた排気浄化システムについては従来では提案されておらず、またその最適な制御手順についても深く検討されていなかった。   As described above, although it is known that the performance of the NOx adsorption catalyst can be improved by using a plasma generator and a fuel reformer, an exhaust purification system combining these two devices has not been proposed in the past. In addition, the optimal control procedure has not been deeply studied.

本発明は、NOx捕捉触媒を備えた排気浄化システムにおいて、プラズマ発生装置と燃料改質器とで特に内燃機関始動直後の低温時におけるNOx浄化性能を向上した排気浄化システムを提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide an exhaust purification system having an improved NOx purification performance at a low temperature immediately after starting an internal combustion engine with a plasma generator and a fuel reformer in an exhaust purification system equipped with a NOx trapping catalyst. To do.

上記目的を達成するため本発明は、内燃機関(例えば、後述のエンジン2)の排気通路(例えば、後述の排気管4)に設けられ、排気中のNOxを捕捉するNOx捕捉触媒(例えば、後述のNOx吸着触媒42)を備えた内燃機関の排気浄化システム(例えば、後述の排気浄化システム1)を提供する。前記排気浄化システムは、前記NOx捕捉触媒に流入する排気中のNOxを酸化させるプラズマ生成手段(例えば、後述のプラズマリアクタ43)と、燃料と空気から改質触媒(例えば、後述の改質触媒52)で水素を含む改質ガスを生成し、当該生成したガスを前記NOx捕捉触媒に流入する排気中に供給する燃料改質器(例えば、後述の燃料改質器5)と、前記改質触媒を加熱する加熱手段(例えば、後述のグロープラグ55)と、前記内燃機関の始動時には、前記プラズマ生成手段を駆動し前記内燃機関の排気中のNOxの酸化を開始するとともに、前記加熱手段を駆動し前記改質触媒の加熱を開始する制御手段(例えば、後述のECU7)と、を備える。   In order to achieve the above object, the present invention is provided in an exhaust passage (for example, an exhaust pipe 4 to be described later) of an internal combustion engine (for example, an engine 2 to be described later) and captures NOx in the exhaust (for example, to be described later). An exhaust gas purification system for an internal combustion engine (for example, an exhaust gas purification system 1 described later) is provided. The exhaust purification system includes a plasma generating means (for example, a plasma reactor 43 described later) that oxidizes NOx in exhaust flowing into the NOx trapping catalyst, and a reforming catalyst (for example, a reforming catalyst 52 described later) from fuel and air. ) To generate a reformed gas containing hydrogen, and supply the generated gas into the exhaust gas flowing into the NOx trapping catalyst (for example, a fuel reformer 5 described later), and the reforming catalyst And heating means (for example, a glow plug 55 described later), and at the start of the internal combustion engine, the plasma generation means is driven to start oxidation of NOx in the exhaust gas of the internal combustion engine, and the heating means is driven. And a control means (for example, ECU 7 described later) for starting the heating of the reforming catalyst.

この発明では、排気通路に排気中のNOxを捕捉するNOx捕捉触媒を設け、さらにこのNOx捕捉触媒に流入する排気中のNOxを酸化させるプラズマ生成手段と、NOx捕捉触媒に流入する排気に含水素の改質ガスを供給する燃料改質器と、を設けた。内燃機関の直下の排気におけるNOxのうちその大半はNOであるが、プラズマ生成手段により、NOx捕捉触媒に流入する排気中のNOを酸化しNOを生成することにより、内燃機関始動直後におけるNOx捕捉触媒の浄化性能を向上することができる。また、燃料改質器で生成した含水素の改質ガスを排気通路に供給し、NOx捕捉触媒を水素共存下とすることにより、内燃機関の始動直後におけるNOx捕捉触媒の浄化性能を向上することができる。
特にこの発明では、内燃機関の始動時には、プラズマ生成手段を駆動し、排気中のNOxの酸化を開始するとともに、加熱手段を駆動し、改質触媒の加熱を開始する。これにより、内燃機関の始動開始後、改質触媒を加熱している間は、NOx捕捉触媒に流入する排気中のNOxのうちNOの割合を大きくすることができるので、内燃機関の始動直後におけるNOx捕捉触媒のNOx浄化率の低下を抑制することができる。したがって、内燃機関の始動を開始してから、改質触媒の温度がその活性温度に達し、燃料改質器で改質ガスを生成することができるようになるまでの間における、NOx捕捉触媒のNOx浄化率の一時的な低下を抑制することができる。
In the present invention, a NOx trapping catalyst for trapping NOx in the exhaust is provided in the exhaust passage, and plasma generating means for oxidizing NOx in the exhaust flowing into the NOx trapping catalyst, and hydrogen containing in the exhaust flowing into the NOx trapping catalyst are provided. And a fuel reformer for supplying the reformed gas. Although the majority of the NOx in the exhaust immediately below the internal combustion engine is NO, the plasma generation means, by generating the oxidized NO 2 to NO in the exhaust gas flowing into the NOx trap catalyst, NOx immediately after internal combustion engine startup The purification performance of the capture catalyst can be improved. Also, the purification performance of the NOx trapping catalyst immediately after starting the internal combustion engine is improved by supplying the hydrogen-containing reformed gas generated by the fuel reformer to the exhaust passage and making the NOx trapping catalyst coexist with hydrogen. Can do.
Particularly in the present invention, when starting the internal combustion engine, the plasma generating means is driven to start oxidation of NOx in the exhaust gas, and the heating means is driven to start heating the reforming catalyst. Thus, after the start of the internal combustion engine, while the reforming catalyst is heated, the ratio of NO 2 in the NOx in the exhaust flowing into the NOx trapping catalyst can be increased. The reduction in the NOx purification rate of the NOx trapping catalyst can be suppressed. Therefore, after the start of the internal combustion engine, the temperature of the reforming catalyst reaches its activation temperature and the reforming gas can be generated by the fuel reformer. A temporary decrease in the NOx purification rate can be suppressed.

この場合、前記燃料改質器の温度を取得する改質器温度取得手段(例えば、後述の改質触媒温度センサ93およびECU7)をさらに備え、前記制御手段は、前記取得した温度に基づいて、前記改質触媒への燃料と空気の供給とを開始することが好ましい。   In this case, it further comprises reformer temperature acquisition means (for example, a reforming catalyst temperature sensor 93 and ECU 7 described later) for acquiring the temperature of the fuel reformer, and the control means is based on the acquired temperature, It is preferable to start supplying fuel and air to the reforming catalyst.

この発明では、燃料改質器の温度を取得し、この温度に基づいて改質触媒への燃料と空気の供給とを開始することにより、例えば、改質触媒がその活性温度に達していない状態で燃料が供給されてしまい、未燃燃料が排気通路内に流入してしまう不具合を回避することができる。   In the present invention, the temperature of the fuel reformer is acquired, and the supply of fuel and air to the reforming catalyst is started based on this temperature. For example, the reforming catalyst has not reached its activation temperature. Thus, it is possible to avoid the problem that the fuel is supplied and the unburned fuel flows into the exhaust passage.

この場合、前記NOx捕捉触媒は、少なくともAgを担持することが好ましい。
この発明では、少なくともAgを担持したNOx捕捉触媒を用いることにより、内燃機関の始動直後などの低温時におけるNOx捕捉触媒によるNOxの捕捉性能を向上することができる。特に、水素の共存下における上記NOxの捕捉性能を向上することができる。
In this case, the NOx trapping catalyst preferably supports at least Ag.
In the present invention, by using the NOx trapping catalyst supporting at least Ag, it is possible to improve the NOx trapping performance of the NOx trapping catalyst at a low temperature such as immediately after starting the internal combustion engine. In particular, the NOx trapping performance in the presence of hydrogen can be improved.

本発明の一実施形態に係るエンジンとその排気浄化システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the engine which concerns on one Embodiment of this invention, and its exhaust gas purification system. 上記実施形態に係るNOx吸着触媒の、水素の非共存下におけるNOx浄化率と温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the NOx purification rate in the non-coexistence of hydrogen, and temperature of the NOx adsorption catalyst which concerns on the said embodiment. 上記実施形態に係るNOx吸着触媒の、水素の共存下におけるNOx浄化率と温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the NOx purification rate in the coexistence of hydrogen, and temperature of the NOx adsorption catalyst which concerns on the said embodiment. 上記実施形態に係るNOx吸着触媒のNOx浄化率と温度との関係を、水素の共存下と非共存下とで比較する図である。It is a figure which compares the relationship between the NOx purification rate of the NOx adsorption catalyst which concerns on the said embodiment, and temperature by coexistence with hydrogen and non-coexistence. 上記実施形態に係るプラズマリアクタの下流側の排気中のNOxの成分ごとの濃度を示す図である。It is a figure which shows the density | concentration for every component of NOx in the exhaust_gas | exhaustion of the downstream of the plasma reactor which concerns on the said embodiment. 上記実施形態に係る燃料改質器の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel reformer which concerns on the said embodiment. 上記実施形態に係る燃料改質器およびプラズマリアクタの制御手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control procedure of the fuel reformer and plasma reactor which concern on the said embodiment. 上記実施形態に係る水素添加領域を示す図である。It is a figure which shows the hydrogenation area | region which concerns on the said embodiment. 上記実施形態に係る燃料改質器およびプラズマリアクタの制御例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the example of control of the fuel reformer and plasma reactor which concern on the said embodiment.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る内燃機関(以下、「エンジン」という)2と、その排気を浄化する排気浄化システム1の構成を示す模式図である。エンジン2は、各気筒21の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンである。エンジン2の気筒21ごとに設けられたインジェクタからの燃料噴射量は、後述する電子制御ユニット(以下、「ECU」という)7によって設定される。また、このインジェクタの開弁時間は、設定された燃料噴射量が得られるように、ECU7からの駆動信号により制御される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) 2 according to the present embodiment and an exhaust purification system 1 that purifies the exhaust thereof. The engine 2 is a diesel engine that directly injects fuel into the combustion chamber of each cylinder 21. The fuel injection amount from the injector provided for each cylinder 21 of the engine 2 is set by an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 7 described later. Further, the valve opening time of the injector is controlled by a drive signal from the ECU 7 so that a set fuel injection amount can be obtained.

エンジン2には、吸気が流通する吸気管3と、排気が流通する排気管4と、吸気管3に吸気を圧送する過給機6と、が設けられている。吸気管3は、吸気マニホールド31の複数の分岐部を介してエンジン2の各気筒21の吸気ポートに接続されている。排気管4は、排気マニホールド41の複数の分岐部を介してエンジン2の各気筒21の排気ポートに接続されている。過給機6は、排気管4を流通する排気の運動エネルギにより駆動されるタービンと、タービンにより回転駆動され、吸気管3内の吸気を加圧するコンプレッサと、を備える。吸気管3の上流側には、エンジン2の吸入空気量を制御するスロットルバルブ32が設けられている。このスロットルバルブ32は、アクチュエータを介してECU7に接続されており、その開度はECU7により電磁的に制御される。   The engine 2 is provided with an intake pipe 3 through which intake air flows, an exhaust pipe 4 through which exhaust flows, and a supercharger 6 that pumps intake air into the intake pipe 3. The intake pipe 3 is connected to the intake port of each cylinder 21 of the engine 2 through a plurality of branch portions of the intake manifold 31. The exhaust pipe 4 is connected to the exhaust port of each cylinder 21 of the engine 2 through a plurality of branch portions of the exhaust manifold 41. The supercharger 6 includes a turbine that is driven by kinetic energy of exhaust gas that flows through the exhaust pipe 4, and a compressor that is rotationally driven by the turbine and pressurizes intake air in the intake pipe 3. A throttle valve 32 for controlling the intake air amount of the engine 2 is provided on the upstream side of the intake pipe 3. The throttle valve 32 is connected to the ECU 7 via an actuator, and its opening degree is electromagnetically controlled by the ECU 7.

排気管4には、上流側から順に、プラズマ生成手段としてのプラズマリアクタ43、NOx捕捉触媒としてのNOx吸着触媒42が設けられている。排気管4のうち、プラズマリアクタ43の上流側には、後述する燃料改質器5で生成された含水素の改質ガスを、排気管4内に供給する改質ガス供給通路59が接続されている。   The exhaust pipe 4 is provided with a plasma reactor 43 as a plasma generation unit and a NOx adsorption catalyst 42 as a NOx trapping catalyst in order from the upstream side. A reformed gas supply passage 59 for supplying hydrogen-containing reformed gas generated by a fuel reformer 5 described later into the exhaust pipe 4 is connected to the upstream side of the plasma reactor 43 in the exhaust pipe 4. ing.

NOx吸着触媒42は、排気中のNOxを酸化して捕捉することにより、排気を浄化する。ここで、本発明における「捕捉」とは、吸着、吸収、吸蔵のいずれも含むことを意味する。NOx吸着触媒42は、Agを活性種として担持した触媒である。より詳しくは、NOx吸着触媒42は、Agに加えて、アルミナ、ジルコニア、およびセリアからなる群より選択される少なくとも1種の酸化物を含んでなる触媒である。このような組成からなるNOx吸着触媒42は、例えば、200℃以下の低温領域からNOxを酸化して捕捉する。   The NOx adsorption catalyst 42 purifies the exhaust gas by oxidizing and capturing NOx in the exhaust gas. Here, “capturing” in the present invention means including any of adsorption, absorption, and occlusion. The NOx adsorption catalyst 42 is a catalyst supporting Ag as an active species. More specifically, the NOx adsorption catalyst 42 is a catalyst comprising at least one oxide selected from the group consisting of alumina, zirconia, and ceria in addition to Ag. The NOx adsorption catalyst 42 having such a composition oxidizes and captures NOx from a low temperature region of 200 ° C. or lower, for example.

NOx吸着触媒42に含まれるAgは、水素共存下では還元銀の状態となる(下記式(1)参照)。還元銀は、金属銀や酸化銀の状態に比して、NOxを酸化して吸着する能力が高い。具体的には、還元銀は、酸素に電子を供与し、電子供与された酸素は、排気中のNOxを酸化し、酸化されたNOxは、NO としてアルミナなどに捕捉される。このため、200℃以下の低温であっても、排気中のNOx(NOおよびNO)を酸化して吸着することができる(下記式(2)、(3)参照)。なお、下記式中において、Ag(*)は還元銀を表し、(ad.)はNOx吸着触媒42への吸着を表す。
式(1):AgO+H→Ag(*)+H+O
式(2):NO+O+Ag(*)→NO(ad.)+Ag(*)
式(3):2NO+O+Ag(*)→2NO(ad.)+Ag(*)
Ag contained in the NOx adsorption catalyst 42 is in a reduced silver state in the presence of hydrogen (see the following formula (1)). Reduced silver has a higher ability to oxidize and adsorb NOx than the state of metallic silver or silver oxide. Specifically, the reduced silver donates electrons to oxygen, and the oxygen that is donated with electrons oxidizes NOx in the exhaust gas, and the oxidized NOx is captured by alumina or the like as NO 3 . For this reason, even at a low temperature of 200 ° C. or lower, NOx (NO and NO 2 ) in the exhaust can be oxidized and adsorbed (see the following formulas (2) and (3)). In the following formula, Ag (*) represents reduced silver, and (ad.) Represents adsorption to the NOx adsorption catalyst 42.
Formula (1): AgO + H 2 → Ag (*) + H 2 + O 2
Formula (2): NO + O 2 + Ag (*) → NO 3 (ad.) + Ag (*)
Formula (3): 2NO 2 + O 2 + Ag (*) → 2NO 3 (ad.) + Ag (*)

以上のような、Agを活性種としたNOx吸着触媒42の低温領域(200℃以下)におけるNOxの浄化性能について、図2〜図4を参照して説明する。
図2は、水素の非共存下におけるNOx吸着触媒のNOx浄化率と温度との関係を示す図である。図2において、破線は排気中のNOxをNOのみで構成した場合を示し、実線は排気中のNOxをNOのみで構成した場合を示す。なお、このときの排気中の水素濃度を0[ppm]とし、酸素濃度を10[体積%]とした。
The NOx purification performance in the low temperature region (200 ° C. or lower) of the NOx adsorption catalyst 42 using Ag as an active species as described above will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the NOx purification rate of the NOx adsorption catalyst and the temperature in the absence of hydrogen. 2, the broken line shows a case where the NOx in the exhaust gas only NO, a solid line indicates the case where the NOx in the exhaust gas only in NO 2. At this time, the hydrogen concentration in the exhaust gas was set to 0 [ppm], and the oxygen concentration was set to 10 [volume%].

破線で示すように、NOのみで構成されたNOxに対する浄化率はほぼゼロである。すなわち、NOx吸着触媒が200℃以下の低温領域にある場合、排気中のNOは、NOx吸着触媒に殆ど吸着されない。これに対し、実線で示すように、NOのみで排気中のNOxを構成すると、NOx吸着触媒は有意なNOx浄化性能を発揮する。
以上のように、上記NOx吸着触媒によれば、200℃以下の低温領域でありかつ水素の非共存下であっても、排気中のNOxの主成分をNOにすることにより、NOx浄化率を高くすることができる。
As indicated by the broken line, the purification rate for NOx composed only of NO is substantially zero. That is, when the NOx adsorption catalyst is in a low temperature region of 200 ° C. or lower, NO in the exhaust gas is hardly adsorbed by the NOx adsorption catalyst. On the other hand, as shown by the solid line, when NOx in the exhaust gas is composed of only NO 2 , the NOx adsorption catalyst exhibits significant NOx purification performance.
As described above, according to the NOx adsorption catalyst, the NOx purification rate is obtained by changing the main component of NOx in the exhaust gas to NO 2 even in a low temperature region of 200 ° C. or less and in the absence of hydrogen. Can be high.

図3は、水素の共存下におけるNOx吸着触媒のNOx浄化率と温度との関係を示す図である。図3において、破線は排気中のNOxをNOのみで構成した場合を示し、実線は排気中のNOxを同体積のNOとNOとで構成した場合を示す。なお、このときの排気中の水素濃度を5000[ppm]とし、酸素濃度を10[体積%]とした。
図3と上述の図2とを比較して分かるように、排気中に水素を添加すると、200℃以下の低温領域におけるNOx吸着触媒によるNOx浄化性能がNOxの成分によらず向上する。より具体的には、排気中のNOxをNOのみで構成した場合、水素の非共存下では200℃以下の全温度域にわたりNOx浄化率がほぼゼロであったのに対し、水素の共存下では約130℃付近から100%に近いNOx浄化率を示す。また、水素の添加に加えて、さらに排気中のNOxのうちNOの割合を増やすと、実線で示すように、50℃以下から有意なNOx浄化性能を発揮する。
以上のように、上記NOx吸着触媒によれば、200℃以下の低温領域であっても、排気中に水素を添加することにより、NOx浄化率を高くすることができる。この上NOxの成分のうちNOの割合を増やすことにより、NOx浄化率をさらに高くすることができる。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the NOx purification rate of the NOx adsorption catalyst and the temperature in the presence of hydrogen. In FIG. 3, the broken line indicates a case where NOx in the exhaust is composed of only NO, and the solid line indicates a case where NOx in the exhaust is composed of NO 2 and NO of the same volume. At this time, the hydrogen concentration in the exhaust gas was set to 5000 [ppm], and the oxygen concentration was set to 10 [volume%].
As can be seen from a comparison between FIG. 3 and FIG. 2 described above, when hydrogen is added to the exhaust, the NOx purification performance by the NOx adsorption catalyst in a low temperature region of 200 ° C. or lower is improved regardless of the NOx component. More specifically, when NOx in the exhaust is composed of only NO, the NOx purification rate is almost zero over the entire temperature range of 200 ° C. or less in the absence of hydrogen, whereas in the presence of hydrogen, It shows a NOx purification rate close to 100% from around 130 ° C. Further, in addition to the addition of hydrogen, when the proportion of NO 2 in the NOx in the exhaust gas is further increased, as shown by the solid line, significant NOx purification performance is exhibited from 50 ° C. or lower.
As described above, according to the NOx adsorption catalyst, the NOx purification rate can be increased by adding hydrogen to the exhaust gas even in a low temperature region of 200 ° C. or lower. By increasing the proportion of NO 2 among the components of the upper NOx, it is possible to further increase the NOx purification rate.

図4は、NOx吸着触媒のNOx浄化率と温度との関係を、水素の共存下と非共存下とで比較する図である。図4において、破線は排気中に水素を添加していない場合を示し、実線は排気中に5000[ppm]の水素を添加した場合を示す。なお、このときの排気中の酸素濃度を10[体積%]とし、NOxをNOのみで構成した。
図4に示すように、排気中のNOxをNOのみで構成することにより、200℃以下であってもNOx吸着触媒で浄化することができるが、これに加えて水素を添加することにより、さらにそのNOx浄化率を向上することができる。
FIG. 4 is a diagram comparing the relationship between the NOx purification rate of the NOx adsorption catalyst and the temperature in the presence and absence of hydrogen. In FIG. 4, the broken line shows the case where hydrogen is not added to the exhaust gas, and the solid line shows the case where 5000 ppm of hydrogen is added to the exhaust gas. Incidentally, the oxygen concentration in the exhaust gas at this time is 10 [vol%], and constitute a NOx only in NO 2.
As shown in FIG. 4, by configuring NOx in the exhaust only with NO 2 , it can be purified with a NOx adsorption catalyst even at 200 ° C. or lower, but in addition to this, by adding hydrogen, Furthermore, the NOx purification rate can be improved.

図1に戻って、プラズマリアクタ43は、通電されるとプラズマを発生し、これにより排気管4を流通する排気中のNOxを酸化する。このようなプラズマリアクタ43を、NOx吸着触媒42の上流側に設けることにより、NOx吸着触媒42に流入する排気中のNOxを酸化し、低温時には吸着しにくいNOを減量し、吸着しやすいNOを増量する。このプラズマリアクタ43としては、コロナ放電式、パルス放電式、およびバリア放電式など、既知のものを適用することができる。 Returning to FIG. 1, the plasma reactor 43 generates plasma when energized, thereby oxidizing NOx in the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 4. By providing such a plasma reactor 43 on the upstream side of the NOx adsorption catalyst 42, the NOx in the exhaust gas flowing into the NOx adsorption catalyst 42 is oxidized, the amount of NO that is difficult to adsorb at low temperatures is reduced, and NO 2 that is easy to adsorb. Increase the amount. As the plasma reactor 43, known ones such as a corona discharge type, a pulse discharge type, and a barrier discharge type can be applied.

図5は、プラズマリアクタの下流側の排気、すなわちNOx吸着触媒に流入する排気中のNOxの成分(NOおよびNO)ごとの濃度を、非通電時と通電時とで比較する図である。図5において左側に示すように、プラズマリアクタの非通電時における排気、すなわちエンジン2直下の排気には、NOよりも圧倒的に多くのNOが含まれている。これに対してプラズマリアクタに通電しプラズマを発生させることにより、図5において右側に示すように、排気中のほぼ全てのNOを酸化し、NOを生成することができる。 FIG. 5 is a diagram comparing the concentration of each NOx component (NO and NO 2 ) in the exhaust downstream of the plasma reactor, that is, in the exhaust flowing into the NOx adsorption catalyst, when not energized and when energized. As shown on the left side in FIG. 5, the exhaust when the plasma reactor is not energized, that is, the exhaust immediately below the engine 2 contains much more NO than NO 2 . On the other hand, by energizing the plasma reactor to generate plasma, almost all NO in the exhaust gas can be oxidized and NO 2 can be generated as shown on the right side in FIG.

図1に戻って、燃料改質器5は、改質触媒52を備えた改質器本体51と、この改質触媒52に燃料と空気とで構成された原料を供給する原料供給装置56と、を含んで構成される。   Returning to FIG. 1, the fuel reformer 5 includes a reformer body 51 including a reforming catalyst 52, and a raw material supply device 56 that supplies the reforming catalyst 52 with a raw material composed of fuel and air. , Including.

原料供給装置56は、燃料タンク23に貯蔵された燃料と、コンプレッサ24により供給された空気とを所定の割合で混合して原料を製造し、これを改質器本体51に供給する。この原料供給装置56は、改質器本体51に供給される空気の量を制御する空気バルブ57と、改質器本体51に供給される燃料の量を制御する燃料バルブ58と、を含んで構成される。これら空気バルブ57および燃料バルブ58は、それぞれ図示しないアクチュエータを介してECU7に接続されており、改質器本体51に供給する空気の量および燃料の量、並びに、燃料の量に対する空気の量の割合は、ECU7により制御される。   The raw material supply device 56 mixes the fuel stored in the fuel tank 23 and the air supplied by the compressor 24 at a predetermined ratio to produce a raw material, and supplies this to the reformer body 51. The raw material supply device 56 includes an air valve 57 that controls the amount of air supplied to the reformer main body 51 and a fuel valve 58 that controls the amount of fuel supplied to the reformer main body 51. Composed. The air valve 57 and the fuel valve 58 are connected to the ECU 7 via actuators (not shown), respectively, and the amount of air supplied to the reformer main body 51, the amount of fuel, and the amount of air relative to the amount of fuel. The ratio is controlled by the ECU 7.

図6は、改質器本体51の構成を示す断面図である。
改質器本体51は、円筒状の改質触媒52と、この改質触媒52を収容する筒状のケーシング53と、ケーシング53内の改質触媒52に燃料と空気の混合気を噴射する噴射装置54と、改質触媒52の中心に設けられたグロープラグ55と、を含んで構成される。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the reformer body 51.
The reformer body 51 includes a cylindrical reforming catalyst 52, a cylindrical casing 53 that accommodates the reforming catalyst 52, and an injection that injects a fuel / air mixture into the reforming catalyst 52 in the casing 53. The apparatus 54 includes a glow plug 55 provided at the center of the reforming catalyst 52.

噴射装置54は、原料供給装置56から供給された燃料および空気を混合し、霧状の燃料を改質触媒52の上端側から中心へ向けて噴射する。
グロープラグ55は、その発熱部が改質触媒52の中心に位置するように、噴射装置54に対向して設けられている。このグロープラグ55は、通電すると発熱し、改質触媒52を中心側から加熱する。
The injection device 54 mixes the fuel and air supplied from the raw material supply device 56 and injects the atomized fuel from the upper end side of the reforming catalyst 52 toward the center.
The glow plug 55 is provided to face the injection device 54 so that the heat generating portion is located at the center of the reforming catalyst 52. The glow plug 55 generates heat when energized, and heats the reforming catalyst 52 from the center side.

改質触媒52は、ロジウム、白金、パラジウム、ニッケル、およびコバルトよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属触媒成分と、セリア、ジルコニア、アルミナ、およびチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化物又はこれらを基本組成とした複合酸化物と、を含む。この改質触媒52は、噴射装置54から噴射された霧状の燃料を部分酸化反応により改質し、水素、一酸化炭素、および軽質の炭化水素などの還元性気体を含む改質ガスを生成する。生成された改質ガスは、ケーシング53に形成された改質ガス供給通路59を介して、排気管4内のプラズマリアクタ43の上流側に供給される(上述の図1参照)。   The reforming catalyst 52 includes at least one metal catalyst component selected from the group consisting of rhodium, platinum, palladium, nickel, and cobalt, and at least one oxidation selected from the group consisting of ceria, zirconia, alumina, and titania. Or a composite oxide based on these. The reforming catalyst 52 reforms the atomized fuel injected from the injection device 54 by a partial oxidation reaction to generate a reformed gas containing a reducing gas such as hydrogen, carbon monoxide, and light hydrocarbons. To do. The generated reformed gas is supplied to the upstream side of the plasma reactor 43 in the exhaust pipe 4 via the reformed gas supply passage 59 formed in the casing 53 (see FIG. 1 described above).

図1に戻って、ECU7には、改質触媒温度センサ93、クランク角度位置センサ94、アクセル開度センサ95、およびイグニッションスイッチ96などが接続されている。改質触媒温度センサ93は、燃料改質器5の改質触媒52の温度を検出し、検出値に略比例した信号をECU7に送信する。ECU7は、この改質触媒温度センサ93からの出力に基づいて、改質触媒52の温度を取得することができる。クランク角度位置センサ94は、エンジン2のクランク角度を示すパルス信号をECU7に送信する。アクセル開度センサ95は、車両のアクセルペダルの開度を検出し、検出値に略比例した信号をECU7に送信する。イグニッションスイッチ96は、図示しない車両の運転席に設けられ、エンジンの始動又は停止を指令する信号をECU7に送信する。ここで、エンジン2の運転状態を示すエンジン2の回転数は、クランク角度位置センサ94から送信されるパルス信号に基づいてECU7により算出され、エンジン2の発生トルクは、燃料噴射量に基づいてECU7により算出される。また、この燃料噴射量は、アクセル開度センサ95の出力に基づいてECU7により算出される。   Returning to FIG. 1, the ECU 7 is connected with a reforming catalyst temperature sensor 93, a crank angle position sensor 94, an accelerator opening sensor 95, an ignition switch 96, and the like. The reforming catalyst temperature sensor 93 detects the temperature of the reforming catalyst 52 of the fuel reformer 5 and transmits a signal substantially proportional to the detected value to the ECU 7. The ECU 7 can acquire the temperature of the reforming catalyst 52 based on the output from the reforming catalyst temperature sensor 93. The crank angle position sensor 94 transmits a pulse signal indicating the crank angle of the engine 2 to the ECU 7. The accelerator opening sensor 95 detects the opening of the accelerator pedal of the vehicle and transmits a signal substantially proportional to the detected value to the ECU 7. The ignition switch 96 is provided in a driver's seat of a vehicle (not shown), and transmits a signal for instructing starting or stopping of the engine to the ECU 7. Here, the rotational speed of the engine 2 indicating the operating state of the engine 2 is calculated by the ECU 7 based on the pulse signal transmitted from the crank angle position sensor 94, and the generated torque of the engine 2 is calculated based on the fuel injection amount. Is calculated by The fuel injection amount is calculated by the ECU 7 based on the output of the accelerator opening sensor 95.

ECU7は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット(以下、「CPU」という)とを備える。この他、ECU7は、CPUで実行される各種演算プログラムおよび演算結果などを記憶する記憶回路と、インジェクタ、燃料改質器5、およびプラズマリアクタ43などに制御信号を出力する出力回路と、を備える。   The ECU 7 shapes an input signal waveform from various sensors, corrects a voltage level to a predetermined level, converts an analog signal value into a digital signal value, and a central processing unit (hereinafter referred to as a central processing unit). "CPU"). In addition, the ECU 7 includes a storage circuit that stores various calculation programs executed by the CPU, calculation results, and the like, and an output circuit that outputs control signals to the injector, the fuel reformer 5, the plasma reactor 43, and the like. .

以下、図7〜図9を参照して、ECU7による、燃料改質器およびプラズマリアクタの制御の手順について説明する。
図7は、燃料改質器およびプラズマリアクタの制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、イグニッションスイッチによりエンジンの始動を検出したことに応じて、ECU7により実行される。
Hereinafter, the procedure for controlling the fuel reformer and the plasma reactor by the ECU 7 will be described with reference to FIGS.
FIG. 7 is a flowchart showing a control procedure of the fuel reformer and the plasma reactor. A series of processing shown in this flowchart is executed by the ECU 7 in response to detection of engine start by the ignition switch.

S1では、エンジンの運転状態が、所定の水素添加領域に属しているか否かを判別する。ここで水素添加領域とは、燃料改質器で生成した含水素の改質ガスを供給することにより、NOx吸着触媒の浄化性能を向上する必要があると判断できるエンジンの運転状態の領域をいう。本実施形態では、発生トルクとエンジン回転数との2つのパラメータに基づいてエンジンの運転状態を規定する。この場合、水素添加領域は、図8に示すようにエンジンの排気温度が低くなる傾向がある低トルク領域に定義される。より具体的には、水素添加領域は、エンジン回転数に応じて定義されたトルク判定ラインよりも、発生トルクが低い領域として定義される。   In S1, it is determined whether or not the operating state of the engine belongs to a predetermined hydrogen addition region. Here, the hydrogen addition region refers to a region of the engine operating state where it can be determined that it is necessary to improve the purification performance of the NOx adsorption catalyst by supplying the hydrogen-containing reformed gas generated by the fuel reformer. . In this embodiment, the operating state of the engine is defined based on two parameters, the generated torque and the engine speed. In this case, the hydrogen addition region is defined as a low torque region where the engine exhaust temperature tends to be low as shown in FIG. More specifically, the hydrogen addition region is defined as a region where the generated torque is lower than the torque determination line defined according to the engine speed.

S1の判別がYESであり、エンジンの運転状態が水素添加領域に属している場合にはS2に移り、改質触媒が活性した状態であるか否かを判別する。この判別は、上述のように改質触媒温度センサの出力に基づいて取得した改質触媒の温度が、改質触媒の活性温度より高いか否かを判別することにより行われる。   If the determination in S1 is YES and the engine operating state belongs to the hydrogen addition region, the process proceeds to S2, and it is determined whether or not the reforming catalyst is in an activated state. This discrimination is performed by discriminating whether or not the temperature of the reforming catalyst acquired based on the output of the reforming catalyst temperature sensor is higher than the activation temperature of the reforming catalyst as described above.

S2の判別がNOである場合、すなわちエンジンの始動時など改質触媒の温度がその活性温度に達していない場合には、グロープラグへ通電し(S3参照)、改質触媒の加熱をするとともに、プラズマリアクタへ通電し(S4参照)、NOx吸着触媒に流入する排気のNOxを酸化する。   When the determination of S2 is NO, that is, when the temperature of the reforming catalyst has not reached its activation temperature, such as when the engine is started, the glow plug is energized (see S3) and the reforming catalyst is heated. Then, the plasma reactor is energized (see S4), and the NOx in the exhaust gas flowing into the NOx adsorption catalyst is oxidized.

一方、S2の判別がYESであり、改質触媒の温度が活性温度に達している場合には、グロープラグへの通電を停止するとともに(S5参照)、改質触媒に燃料および空気を供給することにより改質ガスを生成し(S6参照)、さらにプラズマリアクタへの通電を停止する(S7参照)。   On the other hand, if the determination in S2 is YES and the temperature of the reforming catalyst has reached the activation temperature, energization to the glow plug is stopped (see S5), and fuel and air are supplied to the reforming catalyst. As a result, the reformed gas is generated (see S6), and the current supply to the plasma reactor is stopped (see S7).

一方、S1の判別がNOであり、エンジンの運転状態が水素添加領域に属していない場合には、NOx吸着触媒に水素を供給する必要はないと判断し、S8に移る。そしてS8では、改質触媒への燃料および空気の供給を停止又は制限し、改質ガスのNOx吸着触媒への供給を停止し、さらにプラズマリアクタへの通電を停止する(S7参照)。   On the other hand, if the determination in S1 is NO and the operating state of the engine does not belong to the hydrogen addition region, it is determined that it is not necessary to supply hydrogen to the NOx adsorption catalyst, and the process proceeds to S8. In S8, the supply of fuel and air to the reforming catalyst is stopped or restricted, the supply of reformed gas to the NOx adsorption catalyst is stopped, and the energization to the plasma reactor is stopped (see S7).

図9は、上記フローチャートによる燃料改質器およびプラズマリアクタの制御例を示すタイムチャートである。
先ず、時刻t0においてイグニッションがオンにされたことに応じて、上記フローチャートに示す一連の処理が開始される。このとき、エンジンの運転状態は水素添加領域に属していると判別され(S1参照)、さらに改質触媒の温度が活性温度以下であると判別され(S2参照)、これに伴いグロープラグへの通電が開始される(S3参照)。これにより、改質触媒の温度が速やかに上昇し始める。またこのとき、グロープラグへの通電を開始するとともにプラズマリアクタへの通電も開始する(S4参照)。これにより、NOx吸着触媒に流入する排気中のNOを酸化しNOを生成する。図2に示すように、エンジン始動直後でありNOx吸着触媒が低温である場合、NOはNOよりもNOx吸着触媒に良好に吸着するので、燃料改質器により改質ガスを供給できない間におけるNOx吸着触媒のNOx浄化率の低下を防止できる。
FIG. 9 is a time chart showing a control example of the fuel reformer and the plasma reactor according to the flowchart.
First, in response to the ignition being turned on at time t0, a series of processes shown in the flowchart is started. At this time, it is determined that the operating state of the engine belongs to the hydrogenation region (see S1), and it is further determined that the temperature of the reforming catalyst is lower than the activation temperature (see S2). Energization is started (see S3). Thereby, the temperature of the reforming catalyst starts to rise rapidly. At this time, energization of the glow plug is started and energization of the plasma reactor is also started (see S4). Thus, it oxidizes NO in the exhaust gas flowing into the NOx adsorption catalyst to produce an NO 2. As shown in FIG. 2, immediately after the engine is started and the NOx adsorption catalyst is at a low temperature, NO 2 is better adsorbed to the NOx adsorption catalyst than NO, so that the reformer cannot be supplied by the fuel reformer. A decrease in the NOx purification rate of the NOx adsorption catalyst can be prevented.

次に、時刻t1において、改質触媒の温度がその活性温度を上回ったと判定されたことに応じて(S3参照)、グロープラグへの通電が停止され(S5参照)、改質触媒への燃料および空気の供給が開始される(S6参照)。すると、NOx吸着触媒に流入する排気の水素濃度が上昇し始める。このように、含水素の改質ガスを排気に供給し、NOx吸着触媒を水素共存下にすることにより、図3に示すように、NOおよびNOともにNOx吸着触媒に良好に吸着するようになる。このため、プラズマリアクタで排気中のNOを酸化しNOを生成しなくてもNOx吸着触媒で十分にNOxを浄化できると判断し、プラズマリアクタへの通電を停止する(S7参照)。 Next, in response to the determination that the temperature of the reforming catalyst exceeds its activation temperature at time t1 (see S3), the energization to the glow plug is stopped (see S5), and the fuel to the reforming catalyst is determined. Then, the supply of air is started (see S6). Then, the hydrogen concentration of the exhaust gas flowing into the NOx adsorption catalyst starts to increase. Thus, by supplying the hydrogen-containing reformed gas to the exhaust gas and making the NOx adsorption catalyst coexist with hydrogen, as shown in FIG. 3, both NO and NO 2 are favorably adsorbed by the NOx adsorption catalyst. Become. For this reason, it is determined that NOx can be sufficiently purified by the NOx adsorption catalyst without oxidizing NO in exhaust gas and generating NO 2 in the plasma reactor, and energization to the plasma reactor is stopped (see S7).

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, etc. within a scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.

上記実施形態では、排気管4にプラズマリアクタ43とNOx吸着触媒42を設けた排気浄化システムを例に説明したが、本発明はこれに限るものではない。NOx吸着触媒42の下流側には、NOxを還元するNOx浄化触媒をさらに設けてもよい。これにより、NOx吸着触媒で吸着しておいたNOxを、下流側のNOx浄化触媒により適宜還元することができるので、継続的に排気を浄化することができる。   In the above embodiment, the exhaust purification system in which the plasma reactor 43 and the NOx adsorption catalyst 42 are provided in the exhaust pipe 4 has been described as an example, but the present invention is not limited to this. A NOx purification catalyst that reduces NOx may be further provided on the downstream side of the NOx adsorption catalyst 42. Thereby, the NOx adsorbed by the NOx adsorption catalyst can be appropriately reduced by the downstream NOx purification catalyst, so that the exhaust gas can be continuously purified.

また、上記実施形態では、改質触媒52の温度を改質触媒温度センサ93の出力に基づいて直接的に取得したが、これに限らない。改質触媒52の温度は、例えば、グロープラグの内部抵抗値に基づいて間接的に取得することもできる。   Moreover, in the said embodiment, although the temperature of the reforming catalyst 52 was acquired directly based on the output of the reforming catalyst temperature sensor 93, it is not restricted to this. For example, the temperature of the reforming catalyst 52 can be indirectly acquired based on the internal resistance value of the glow plug.

また、上記実施形態では、燃料改質器5で生成した改質ガスを、排気管4内のうちプラズマリアクタ43の上流側に供給したが、改質ガスを供給する位置は、NOx吸着触媒42の上流側であればこれに限らない。例えば、排気管4内のうち、プラズマリアクタ43とNOx吸着触媒42との間に供給してもよい。   Further, in the above embodiment, the reformed gas generated by the fuel reformer 5 is supplied to the upstream side of the plasma reactor 43 in the exhaust pipe 4, but the position where the reformed gas is supplied is the NOx adsorption catalyst 42. It is not limited to this as long as it is upstream. For example, the exhaust pipe 4 may be supplied between the plasma reactor 43 and the NOx adsorption catalyst 42.

また、上記実施形態では、S7で燃料改質器により改質ガスを供給する場合、続くS8でプラズマリアクタをオフにしたが、これに限らない。図2〜図4を参照して説明したように、プラズマリアクタでNOをNOに酸化し、さらに水素を添加することにより、低温のNOx吸着触媒における浄化率をさらに向上することができる。したがって、燃料改質器により改質ガスを供給しながらプラズマリアクタをオンにしてもよい。 In the above embodiment, when the reformed gas is supplied by the fuel reformer in S7, the plasma reactor is turned off in the subsequent S8. However, the present invention is not limited to this. As described with reference to FIGS. 2 to 4, the purification rate of the low-temperature NOx adsorption catalyst can be further improved by oxidizing NO into NO 2 and adding hydrogen in the plasma reactor. Therefore, the plasma reactor may be turned on while supplying the reformed gas from the fuel reformer.

1…排気浄化システム
2…エンジン(内燃機関)
4…排気管(排気通路)
42…NOx吸着触媒(NOx捕捉触媒)
43…プラズマリアクタ(プラズマ生成手段)
5…燃料改質器
52…改質触媒
55…グロープラグ(加熱手段)
7…ECU(制御手段、改質器温度取得手段)
93…改質触媒温度センサ(改質器温度取得手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Exhaust purification system 2 ... Engine (internal combustion engine)
4 ... Exhaust pipe (exhaust passage)
42 ... NOx adsorption catalyst (NOx trapping catalyst)
43 ... Plasma reactor (plasma generating means)
5 ... Fuel reformer 52 ... Reforming catalyst 55 ... Glow plug (heating means)
7 ... ECU (control means, reformer temperature acquisition means)
93 ... Reforming catalyst temperature sensor (reformer temperature acquisition means)

Claims (3)

内燃機関の排気通路に設けられ、排気中のNOxを捕捉するNOx捕捉触媒を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
前記NOx捕捉触媒に流入する排気中のNOxを酸化させるプラズマ生成手段と、
燃料と空気から改質触媒で水素を含む改質ガスを生成し、当該生成したガスを前記NOx捕捉触媒に流入する排気中に供給する燃料改質器と、
前記改質触媒を加熱する加熱手段と、
前記内燃機関の始動時には、前記プラズマ生成手段を駆動し前記内燃機関の排気中のNOxの酸化を開始するとともに、前記加熱手段を駆動し前記改質触媒の加熱を開始する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
An exhaust purification system for an internal combustion engine provided with an NOx trapping catalyst that is provided in an exhaust passage of the internal combustion engine and traps NOx in the exhaust,
Plasma generating means for oxidizing NOx in the exhaust gas flowing into the NOx trapping catalyst;
A fuel reformer that generates a reformed gas containing hydrogen from a fuel and air with a reforming catalyst, and supplies the generated gas into the exhaust gas flowing into the NOx trapping catalyst;
Heating means for heating the reforming catalyst;
A control means for driving the plasma generating means to start oxidation of NOx in the exhaust gas of the internal combustion engine and driving the heating means to start heating the reforming catalyst when starting the internal combustion engine; An exhaust gas purification system for an internal combustion engine.
前記燃料改質器の温度を取得する改質器温度取得手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記取得した温度に基づいて、前記改質触媒への燃料と空気の供給とを開始することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化システム。
Further comprising reformer temperature acquisition means for acquiring the temperature of the fuel reformer,
2. The exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the control unit starts supplying fuel and air to the reforming catalyst based on the acquired temperature.
前記NOx捕捉触媒は、少なくともAgを担持することを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化システム。   The exhaust purification system for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the NOx trapping catalyst carries at least Ag.
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