JP2013122177A - Exhaust emission control device for 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.
排気ガス中のHC、CO、及びNOXを浄化するために、三元触媒装置を機関排気系に配置することが公知である。しかしながら、三元触媒装置に一般的に使用される白金等の貴金属触媒は高価であり、貴金属触媒に代えて卑金属触媒を使用することが提案されている(特許文献1参照)。 HC in exhaust gas, CO, and to purify NO X, it is known to place a three-way catalytic converter in the engine exhaust system. However, a noble metal catalyst such as platinum generally used in a three-way catalyst device is expensive, and it has been proposed to use a base metal catalyst instead of the noble metal catalyst (see Patent Document 1).
しかしながら、こうして三元触媒装置において、貴金属触媒を代えて卑金属触媒を使用したり、又は、貴金属触媒の一部を卑金属触媒に置き換えたりすると、NOX還元触媒装置としてNOXの還元性能が低下するために、燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチにして、排気ガス中にHC及びCO等の還元物質の濃度を高めてNOXを還元し易くすることが考えられる。 However, this way the three-way catalytic converter, or use a base metal catalyst instead of the noble metal catalyst, or, when a portion of a noble metal catalyst or replace the base metal catalyst, reduction performance of the NO X is reduced as NO X reducing catalyst device for the, the combustion air-fuel ratio in the slightly richer than the stoichiometric air-fuel ratio, it is considered possible to facilitate the reduction of NO X by increasing the concentration of the reducing substance such as HC and CO in the exhaust gas.
前述のように、卑金属触媒を担持してNOXの還元性能が低いNOX還元触媒装置を備える内燃機関の排気浄化装置において、NOXを良好に還元するのに燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにしたのでは、燃料消費が大幅に悪化してしまう。 As described above, in the exhaust purification system for an internal combustion engine having a reducing capability is low NO X reduction catalyst device of the NO X carries a base metal catalyst, the combustion air-fuel ratio to satisfactorily reduce NO X than the stoichiometric air-fuel ratio If it is made rich, fuel consumption will be greatly degraded.
従って、本発明の目的は、卑金属触媒を担持してNOXの還元性能が低いNOX還元触媒装置を備える内燃機関の排気浄化装置において、排気ガス中のNOXの還元のための燃料消費の悪化を改善することである。 Accordingly, the present invention purposes, in the exhaust purification system for an internal combustion engine having a reducing capability is low NO X reduction catalyst device of the NO X carries a base metal catalyst, the fuel consumption for the reduction of the NO X in the exhaust gas It is to improve the deterioration.
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、少なくとも一気筒からなる第一気筒群と、その他の気筒からなる第二気筒群とを有する多気筒内燃機関の排気浄化装置であって、前記第一気筒群の第一排気通路と前記第二気筒群の第二排気通路との合流部より下流側に位置する第三排気通路に卑金属触媒を担持するNOX還元触媒装置が配置され、前記第二排気通路には排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるときには排気ガス中のNOXを吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチとなると吸蔵したNOXを放出するNOX吸蔵装置が配置され、前記第二排気通路の前記NOX吸蔵装置の下流側と前記第三排気通路の前記NOX還元触媒装置の下流側とを連通する連通路が設けられ、前記第一気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとし、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにするときには前記NOX吸蔵装置から流出する排気ガスは前記連通路を通過するようにされ、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにするときには前記NOX吸蔵装置から流出する排気ガスは前記NOX還元触媒装置を通過するようにされることを特徴とする。
An exhaust emission control 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吸蔵装置のNOX吸蔵量が設定量となると、前記第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンからリッチに切り換え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3に記載の内燃機関の排気浄化装置は、請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記第三排気通路における前記連通路の接続位置より下流側には、酸化触媒装置が配置されていることを特徴とする。 An internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to a third aspect of the present invention is the internal combustion engine exhaust gas purification apparatus according to the first or second aspect, wherein the third exhaust path is located downstream of the connection position of the communication path. The oxidation catalyst device is arranged.
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3に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記酸化触媒装置は、アンモニア吸蔵機能を備えてい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 third aspect, wherein the oxidation catalyst device has an ammonia storage function.
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、少なくとも一気筒からなる第一気筒群と、その他の気筒からなる第二気筒群とを有する多気筒内燃機関の排気浄化装置であって、第一気筒群の第一排気通路と第二気筒群の第二排気通路との合流部より下流側に位置する第三排気通路に卑金属触媒を担持するNOX還元触媒装置が配置され、第二排気通路には排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるときには排気ガス中のNOXを吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチとなると吸蔵したNOXを放出するNOX吸蔵装置が配置され、第二排気通路のNOX吸蔵装置の下流側と第三排気通路のNOX還元触媒装置の下流側とを連通する連通路が設けられ、第一気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとし、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにするときにはNOX吸蔵装置から流出する排気ガスは連通路を通過するようにされている。それにより、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガスは、第一排気通路を通って第三排気通路のNOX還元触媒装置へ流入し、卑金属触媒を担持してNOXの還元性能が低いNOX還元触媒装置でも、排気ガス中のNOXを排気ガス中のHC及びCOを使用して良好に還元浄化することができる。
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to
一方、理論空燃比よりリーンな第二気筒群の排気ガス中のNOXは、NOXの還元性能が低いNOX還元触媒装置では良好に浄化することができないために、第二排気通路に配置されたNOX吸蔵装置に吸蔵される。こうして、内燃機関の各気筒から排出されるNOXの大気放出を十分に抑制することができ、全気筒の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとする場合に比較してNOXの還元のための燃料消費の悪化を改善することができる。 On the other hand, NO X in the exhaust gas of lean second cylinder group than the stoichiometric air-fuel ratio, for reduction performance of the NO X can not be satisfactorily cleaned in the low NO X reduction catalyst device disposed in the second exhaust passage Is stored in the NO X storage device. In this way, atmospheric release of NO x discharged from each cylinder of the internal combustion engine can be sufficiently suppressed, and NO x can be reduced as compared with the case where the combustion air-fuel ratio of all cylinders is made richer than the stoichiometric air-fuel ratio. The deterioration of fuel consumption can be improved.
また、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにするときには、NOX吸蔵装置は吸蔵したNOXを放出するために、NOX吸蔵装置から流出する排気ガスはNOX還元触媒装置を通過するようにされ、第一気筒群から排出されるNOXと共にNOX吸蔵装置から放出されるNOXは、第一気筒群及び第二気筒群からの理論空燃比よりリッチな排気ガス中に含まれるHC及びCOを使用して、NOXの還元性能が低いNOX還元触媒装置においても良好に浄化することができる。 Further, when the rich than the stoichiometric air-fuel ratio of the combustion air-fuel ratio of the second cylinder group, in order the NO X storage device that releases NO X occluding the exhaust gas flowing out from the NO X storage devices NO X reduction catalyst device is adapted to pass through, NO X released from the NO X storage device with NO X discharged from the first cylinder group, rich exhaust gas the stoichiometric air-fuel ratio from the first cylinder group and the second cylinder group use HC and CO contained in the can reduced performance of the NO X is also well purified in low NO X reduction catalyst device.
また、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吸蔵装置のNOX吸蔵量が設定量となると、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンからリッチに切り換えるようになっている。それにより、NOX吸蔵装置のNOX吸蔵量が飽和しても第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンとし続けることは抑制される。
According to the exhaust purification device for an internal combustion engine according to
また、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1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置において、第三排気通路における連通路の接続位置より下流側には、酸化触媒装置が配置されている。それにより、第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされているときに、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガス中に含まれるHC及びCOの一部がNOX還元触媒装置から流出しても、酸化触媒装置において、理論空燃比よりリーンな第二気筒群の排気ガス中に含まれる酸素を使用して良好に酸化浄化することができる。
According to the exhaust purification device for an internal combustion engine according to
また、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3に記載の内燃機関の排気浄化装置において、酸化触媒装置は、アンモニア吸蔵機能を備えている。それにより、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガス中のNOXがNOX還元触媒装置において還元されてアンモニアが生成されても、酸化触媒装置のアンモニア吸蔵機能により吸蔵することができる。こうして酸化触媒装置に吸蔵されたアンモニアは、NOX吸蔵装置のNOX吸蔵量が設定量となって第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチにされ、NOX吸蔵装置からNOXが放出されるときに、NOX還元触媒装置において一部のNOXが浄化されずに流出しても、酸化触媒装置において、吸蔵されているアンモニアによって良好に還元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。内燃機関は例えば筒内噴射式火花点火の四気筒内燃機関である。#1気筒は、少なくとも一気筒からなる第一気筒群であり、#2気筒及び#3気筒及び#4気筒は、その他の気筒からなる第二気筒群である。もちろん、全気筒数、第一気筒群を構成する気筒数、第二気筒群を構成する気筒数は、例であり、いずれも任意に設定可能である。 FIG. 1 is a schematic view showing an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention. The internal combustion engine is, for example, an in-cylinder injection spark ignition four-cylinder internal combustion engine. The # 1 cylinder is a first cylinder group consisting of at least one cylinder, and the # 2 cylinder, # 3 cylinder and # 4 cylinder are a second cylinder group consisting of other cylinders. Of course, the total number of cylinders, the number of cylinders constituting the first cylinder group, and the number of cylinders constituting the second cylinder group are examples, and any of them can be set arbitrarily.
10は第一気筒群の第一排気通路であり、20は第二気筒群の第二排気通路である。第一排気通路10と第二排気通路20との合流部100より下流側に位置する第三排気通路30には、NOX還元触媒装置40が配置されている。NOX還元触媒装置40は、ハニカム構造の基体上に、一般的な三元触媒装置のような白金Pt等の高価な貴金属触媒ではなく、銅Cu、鉄Fe、銀Ag、又は、金Au等の卑金属触媒をアルミナ又はセリア等を担体として担持したものである。また、NOX還元触媒装置40は、一般的な三元触媒装置の貴金属触媒の一部を卑金属触媒に置換するなどして、高価な貴金属触媒の使用量を減少させたものでも良い。
10 is a first exhaust passage of the first cylinder group, and 20 is a second exhaust passage of the second cylinder group. A NO x
また、第二排気通路20の排気マニホルド21の下流側には、NOX吸蔵装置50が配置されている。NOX吸蔵装置50は、例えば、ハニカム構造の基体上に、パラジウムPd等をジルコニアZrO2等を担体として担持したものであり、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリーンであるときには排気ガス中のNOXを吸蔵し、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりリッチとなると吸蔵したNOXを放出するものである。NOX吸蔵装置50は、例えば、アルミナ等を担体としてアルカリ金属(K,Na)又はアルカリ土類金属(Ba,Sr)と貴金属(Pt,Pd,Rh)とを担持する一般的なNOX吸蔵還元触媒装置としても良い。
Further, a NO x storage device 50 is disposed on the downstream side of the
第二排気通路20のNOX吸蔵装置50の下流側と第三排気通路30のNOX還元触媒装置40の下流側とを連通する連通路60が、第二排気通路20のNOX吸蔵装置50の下流側に配置された切換弁70を介して接続されている。切換弁70を第一位置とすることにより、第二気筒群の排気ガスは、実線矢印示すように、連通路60を通過し第三排気通路30のNOX還元触媒装置40の下流側において第三排気通路30へ合流する。一方、切換弁70を第二位置とすることにより、第二気筒群の排気ガスは、点線矢印で示すように、連通路60を通過せずに、第二排気通路20をそのまま通過して合流部100において第一気筒群の排気ガスと共に第三排気通路30へ流入する。
A
前述のNOX還元触媒装置40は、貴金属触媒を担持する一般的な三元触媒装置に比較して、還元性能が低下するために、理論空燃比の排気ガスではNOXを十分に還元浄化することができず、燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチ(例えば空燃比14)にして排気ガス中の還元物質の濃度を高めてNOXを十分に還元できるようにしなければならない。しかしながら、全ての気筒において燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチにしたのでは、燃料消費が悪化してしまう。
Above of the NO X
この問題を改善するために、本排気浄化装置は電子制御装置(図示せず)によって図2に示すフローチャートに従って制御される。先ず、ステップ101において、第一気筒群(#1気筒)の燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチ(例えば空燃比14)にする。このような第一気筒群の燃焼空燃比の制御を可能とするために、第一排気通路10の合流部100の上流側には、第一気筒群の排気ガスの空燃比を検出する第一空燃比センサ11が配置されている。
In order to improve this problem, the exhaust emission control device is controlled by an electronic control device (not shown) according to the flowchart shown in FIG. First, in
次いで、ステップ102では、NOX吸蔵装置50のNOX吸蔵量Aが設定量A’に達したか否かが判断される。例えば、22はNOX吸蔵装置50の下流側に配置されたNOX濃度センサであり、NOX吸蔵装置50から流出するNOX濃度を検出することができる。それにより、NOX濃度センサ22により検出されたNOX濃度が設定濃度より高くなったときに、NOX吸蔵装置50のNOX吸蔵量Aが設定量A’に達して、NOX吸蔵装置50から流出するNOX量が増大したと判断することができる。
Next, at
ステップ102の判断が否定されるときには、ステップ103において、第二気筒群(#2気筒、#3気筒、及び#4気筒)の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーン(例えば空燃比15)にする。このような第二気筒群の燃焼空燃比の制御を可能とするために、第二排気通路10の排気マニホルド21とNOX吸蔵装置50との間には、第二気筒群の排気ガスの空燃比を検出する第二空燃比センサ23が配置されている。次いで、ステップ104では、切換弁70を第一位置として、第二気筒群の排気ガスは、実線で示すように、連通路60を通過し第三排気通路30のNOX還元触媒装置40の下流側において第三排気通路30へ合流するようにする。
If the determination in
例えば、NOX濃度センサ22を配置しなくても、NOX吸蔵装置50のNOX吸蔵量Aが0であるときから、各時間の第二気筒群のリーン空燃比運転におけるNOX吸蔵装置50へ新たに吸蔵されるNOX量(機関運転状態毎にマップ化することができる)を積算すれば、現在のNOX吸蔵量Aを推定することができる。
For example, without placing the NO X concentration sensor 22, NO since the NO X storage amount A of X
理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガスは、第一排気通路10を通って第三排気通路30のNOX還元触媒装置40へ流入し、NOX還元触媒装置40が卑金属触媒を担持するものでも、排気ガス中のNOXを排気ガス中のHC及びCOを使用して良好に還元浄化することができる。
Exhaust gas rich first cylinder group than the stoichiometric air-fuel ratio passes through the
一方、理論空燃比よりリーンな第二気筒群の排気ガス中のNOXは、卑金属触媒を担持するNOX還元触媒装置40では良好に浄化することができないために、第二排気通路20に配置されたNOX吸蔵装置50に吸蔵される。こうして、内燃機関の各気筒から排出されるNOXの大気放出を十分に抑制することができ、全気筒の燃焼空燃比を理論空燃比よりリッチとする場合に比較して燃料消費の悪化を改善することができる。
On the other hand, NO x in the exhaust gas of the second cylinder group that is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio cannot be purified well by the NO x
このようなフローが繰り返されると、NOX吸蔵装置50のNOX吸蔵量Aが設定量A’となって、ステップ102の判断が肯定され、ステップ105において、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比より僅かにリッチ(例えば空燃比14)にする。次いで、ステップ106において、切換弁70を第二位置とし、第二気筒群の排気ガスは、点線矢印で示すように、連通路60を通過せずに、第二排気通路20をそのまま通過して合流部100において第一気筒群の排気ガスと共に第三排気通路30へ流入するようにする。
When such a flow is repeated, the NO x storage amount A of the NO x storage device 50 becomes the set amount A ′, the determination of
それにより、リッチ空燃比の排気ガスがNOX吸蔵装置50へ流入し、NOX吸蔵装置からNOXが放出され、こうして放出されたNOXはNOX還元触媒装置40へ流入し、第一気筒群から排出されるNOXと共に、第一気筒群及び第二気筒群からの理論空燃比よりリッチな排気ガス中に含まれるHC及びCOを使用して、卑金属触媒を担持するNOX還元触媒装置40において良好に浄化することができる。
Thereby, the exhaust gas of a rich air-fuel ratio flows into the NO X
次いで、ステップ107において、第二気筒群の燃焼空燃比をリッチ空燃比としてからの経過時間tが設定時間t’に達したか否かが判断され、この判断が否定されるときには、吸蔵NOXの放出が不十分であり、NOX吸蔵装置50のNOX吸蔵量Aが0まで低下していないとして、ステップ105及び106の処理が継続される。一方、経過時間tが設定時間t’に達したときには、NOX吸蔵装置50のNOX吸蔵量Aが0まで低下したとして、ステップ103に進み、第二気筒群の燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンにすると共に、ステップ104において、切換弁70を第一位置とする。
Next, at
ところで、本排気浄化装置において、第三排気通路30における連通路60の接続位置より下流側には、卑金属触媒(又は貴金属触媒)を担持する酸化触媒装置80が配置されている。それにより、第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされているときに、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガス中に含まれるHC及びCOの一部がNOX還元触媒装置40から流出しても、酸化触媒装置80において、理論空燃比よりリーンな第二気筒群の排気ガス中に含まれる酸素を使用して良好に酸化浄化することができる。
By the way, in the present exhaust purification apparatus, an
酸化触媒装置80は、例えば、ハニカム構造の基体上に、超強酸処理したジルコニアZrO2や、銅Cu又は鉄FeをゼオライトZSM5又はSAPOを担体として担持したものすることにより、アンモニア吸蔵機能を有するようにすることが好ましい。それにより、理論空燃比よりリッチな第一気筒群の排気ガス中のNOXがNOX還元触媒装置において還元されてアンモニアが生成されても(CO+H2O→H2+CO2,2NO+2CO+3H2→2NH3+2CO2)、酸化触媒装置80のアンモニア吸蔵機能により吸蔵することができる。こうして酸化触媒装置80に吸蔵されたアンモニアは、NOX吸蔵装置50のNOX吸蔵量Aが設定量A’となって第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリッチにされ、NOX吸蔵装置50からNOXが放出されるときに、NOX還元触媒装置40において一部のNOXが浄化されずに流出しても、酸化触媒装置80において、吸蔵されているアンモニアによって良好に還元浄化することができる(6NO+4NH3→5N2+6H2O)。また、第二気筒群の燃焼空燃比が理論空燃比よりリーンとされているときに、NOX吸蔵装置50から僅かにNOXが漏れ出ても、酸化触媒装置80において、吸蔵アンモニアにより還元浄化することができる。
The
10 第一排気通路
20 第二排気通路
30 第三排気通路
40 NOX還元触媒装置
50 NOX吸蔵装置
60 連通路
70 切換弁
80 酸化触媒装置
10
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