JP2018071455A - Exhaust emission control system for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気ガス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.
微粒子捕集装置の上流に配置された触媒の中心部のセルに集中的に排気を流入させる一方、この触媒の外周部に形成した粒子状物質捕集部によりPMを捕集することで、微粒子捕集装置の外周部に流入するPM量を低減して、微粒子捕集装置におけるPMの燃え残りを抑制する排気浄化装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 While exhaust is intensively flowed into the central cell of the catalyst arranged upstream of the particulate collection device, PM is collected by the particulate matter collection section formed on the outer periphery of the catalyst. There has been proposed an exhaust purification device that reduces the amount of PM flowing into the outer peripheral portion of the collection device and suppresses unburned PM in the particulate collection device (see, for example, Patent Document 1).
ところで、エンジンから排出され、排気管を流れる排気ガスは、中央部と外周部の速度分布を生じ、さらに外周部からの放熱により温度分布が生じる。この温度分布は、排気ガスが通過する微粒子捕集装置内部にも生じており、微粒子捕集装置の外周部の温度が低くなる。 By the way, the exhaust gas discharged from the engine and flowing through the exhaust pipe generates a velocity distribution between the central portion and the outer peripheral portion, and further generates a temperature distribution due to heat radiation from the outer peripheral portion. This temperature distribution is also generated inside the particulate collection device through which the exhaust gas passes, and the temperature of the outer peripheral portion of the particulate collection device becomes low.
したがって、上述したような従来技術では、強制PM再生時にHC等のガス成分を増加しても、酸化触媒を通過した排気管径方向外側の排気ガスの温度が低く、微粒子捕集装置の外周部の温度が上昇しない。それ故、微粒子捕集装置の外周部で捕集したPMを除去できない。 Therefore, in the conventional technology as described above, even if the gas component such as HC is increased during forced PM regeneration, the temperature of the exhaust gas radially outside the exhaust pipe passing through the oxidation catalyst is low, and the outer peripheral portion of the particulate collection device Temperature does not rise. Therefore, PM collected at the outer periphery of the particulate collection device cannot be removed.
本発明の目的は、微粒子捕集装置の外周部の温度を高くすることができる内燃機関の排気ガス浄化システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an exhaust gas purification system for an internal combustion engine that can increase the temperature of the outer peripheral portion of a particulate collection device.
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気管に上流側より順に酸化触媒装置、微粒子捕集装置を備え、前記酸化触媒装置のハニカム構造を形成する基材に排気ガスのガス成分を酸化する酸化触媒が担持された内燃機関の排気ガス浄化システムにおいて、前記酸化触媒装置が前記排気管の径方向中央で流れ方向に延在する中央部と、径方向外側で流れ方向に延在する環状の外周部とを有しており、前記外周部の酸化触媒の担持量が前記中央部よりも多いことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an exhaust gas purification system for an internal combustion engine of the present invention comprises an oxidation catalyst device and a particulate collection device in order from the upstream side in an exhaust pipe of the internal combustion engine, and forms a honeycomb structure of the oxidation catalyst device In an exhaust gas purification system of an internal combustion engine in which an oxidation catalyst that oxidizes a gas component of exhaust gas is supported on a base material that performs the oxidation catalyst device, a central portion that extends in a flow direction at a radial center of the exhaust pipe; And an annular outer peripheral portion extending in the flow direction on the outer side in the radial direction, and the carrying amount of the oxidation catalyst in the outer peripheral portion is larger than that in the central portion.
本発明の内燃機関の排気ガス浄化システムによれば、外周部の触媒の担持量を多くするので、酸化触媒装置の外周部での発熱量を増加できる。これにより、酸化触媒装置を通過した排気ガスの径方向外側の温度上昇に有利になり、下流側の微粒子捕集装置の径方向外側の温度を上昇できる。これに伴って、微粒子捕集装置の径方向外側に流入するPMを確実に除去することができる。 According to the exhaust gas purification system for an internal combustion engine of the present invention, since the amount of catalyst supported on the outer peripheral portion is increased, the amount of heat generated on the outer peripheral portion of the oxidation catalyst device can be increased. This is advantageous in increasing the temperature outside the radial direction of the exhaust gas that has passed through the oxidation catalyst device, and can increase the temperature outside the radial direction of the downstream particulate collection device. In connection with this, PM which flows in the radial direction outer side of particulate collection device can be removed reliably.
以下、本発明に係る実施形態の内燃機関の排気ガス浄化システムについて、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示すように、第1実施形態の排気ガス浄化システム1には、エンジン2の排気管10に上流側より順に備えた酸化触媒装置11、微粒子捕集装置12が配設される。
As shown in FIG. 1, the exhaust gas purification system 1 of the first embodiment is provided with an
酸化触媒装置11は、ハニカム構造を形成する基材に、排気ガスGの炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)等を酸化する貴金属触媒(酸化触媒)が担持されて構成される。貴金属触媒としては、炭化水素を水と二酸化炭素に、一酸化炭素を二酸化炭素にそれぞれ酸化する白金(Pt)系の触媒が好ましい。
The
この貴金属触媒による炭化水素及び一酸化炭素の酸化反応は発熱反応であるので、この発熱により排気ガスGは昇温する。これを利用して、微粒子捕集装置12の強制PM再生制御時等、高温の排気ガスGが必要となるときには、酸化触媒装置11より上流側の排気通路10を通過する排気ガスGに含まれる炭化水素の量を一時的に増加させて、この増加分の炭化水素を酸化触媒装置11で酸化させることで、排気ガスGを高温化している。
Since the oxidation reaction of hydrocarbon and carbon monoxide by the noble metal catalyst is an exothermic reaction, the temperature of the exhaust gas G rises due to this exotherm. Utilizing this, when high temperature exhaust gas G is required, such as during forced PM regeneration control of the
なお、炭化水素の量を一時的に増加させる方法としては、例えば、エンジン2の気筒(シリンダ)2a内で燃料のポスト噴射を行う方法や、酸化触媒装置11より上流側の排気通路10に燃料噴射装置(図示しない)を備えて、この燃料噴射装置から燃料を噴射する方法がある。
As a method of temporarily increasing the amount of hydrocarbons, for example, a method of performing post-injection of fuel in a cylinder (cylinder) 2a of the engine 2 or a fuel in the exhaust passage 10 upstream of the
また、図2に示すように、酸化触媒装置11は、中央部11Bと外周部11Aとを有している。中央部11Bは、基材が円柱状に形成されており、排気管10の径方向中央で流れ方向に延在している。外周部11Aは、基材が円環体に形成されており、径方向外側で流れ方向に延在している。この外周部11Aに流入する排気ガスGaの温度は、中央部11Bを通過する排気ガスGbの温度より低くなる。排気管10を流れる排気ガスGは、排気管10の断面中心(図2では入口断面の中心を11Mとしている)から径方向外側(外壁11P側)に向うにつれて速度が低くなり(速度分布が生じ)、また、排気管10の外周から外部への放熱があるからである。
As shown in FIG. 2, the
第1実施形態の排気ガス浄化システム1が備える酸化触媒装置11は、図3に示すように、外周部11Aの貴金属触媒の担持量が中央部11Bの貴金属触媒の担持量よりも多いことを特徴とする。なお、図3では、貴金属触媒の量の相違をハッチングの間隔の相違により示している(ハッチングの間隔が短い:貴金属触媒の量が多い(外周部)、ハッチングの間隔が長い:貴金属触媒の量が少ない(中央部))。
As shown in FIG. 3, the
このように構成することで、酸化触媒装置11の外周部11Aでの発熱量を増加できるので、外周部11Aを通過して下流側の微粒子捕集装置12に流入する排気ガスGaの温度を上昇させることができる。
With this configuration, the amount of heat generated at the outer
ここで、微粒子捕集装置12(図4参照)について説明する。微粒子捕集装置12は、その内部にフィルタを備えて構成される。このフィルタは、多孔質のセラミックのハニカムのセル(チャンネル)の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタである。
Here, the particulate collection device 12 (see FIG. 4) will be described. The
本発明の第1実施形態では、酸化触媒装置11の直径と微粒子捕集装置12の直径とを等しくし、同一軸線上に配置した酸化触媒装置11と微粒子捕集装置12とを単一の排気管10に収納している。酸化触媒装置11と微粒子捕集装置12とが収納される排気管10は、流れ方向中途の位置で縮径、拡径しない円管である。排気管10の内径は酸化触媒装置11及び微粒子捕集装置12の外径に等しい。
In the first embodiment of the present invention, the diameter of the
この微粒子捕集装置12は、図4に示すように、低温部12Aと高温部12Bとからなる。この低温部12Aと高温部12Bの区分方法については後述する。
As shown in FIG. 4, the
そして、酸化触媒装置11の中央部11Bは微粒子捕集装置12の高温部12Bに対向する領域とし、酸化触媒装置11の外周部11Aは微粒子捕集装置12の低温部12Aに対向する領域とする。このように構成することで、上流側の外周部11Aでの発熱量増加により昇温した排気ガスGaにより、下流側の低温部12Aを昇温させることができるので、強制PM再生制御時における低温部12AでのPMの燃焼不良を防止することができ、また、後述するアッシュ(灰性状物質)の形態遷移(ウォールアッシュ→プラグアッシュ)を促進することができる。
The
微粒子捕集装置12の低温部12Aと高温部12Bの区分方法について説明する。この区分は、この内燃機関の排気ガス浄化システムで、上記の酸化触媒装置11を使用せずに、貴金属触媒の担持量を均一とした酸化触媒装置を使用した場合において、前記微粒子捕集装置の径方向温度分布を計測し、この計測結果である、図5に示す微粒子捕集装置12の径方向温度分布TLの変曲点IPに基づいて行う。この径方向温度分布TLは、微粒子捕集装置12の断面中心(例えば、入口断面中心12M)から径方向外側(外壁12P側)への距離dを横軸、微粒子捕集装置12を通過する排気ガスGの温度Tを縦軸とする分布線である。また、変曲点IP(図5に示す座標(d1、T1))は、微粒子捕集装置12の断面中心から径方向外側に向うにつれて排気ガスGの温度は低くなるが、この温度変化量が急激に大きくなる(急激に低温化する)点である。
A method of classifying the
本発明の第1実施形態では、この変曲点IPから径方向外側の領域(図5に示す変曲点IPから右側の領域)を低温部12Aとし、径方向中央の領域(図5に示す変曲点IPから左側の領域)を高温部12Bとする。
In the first embodiment of the present invention, the region radially outward from the inflection point IP (region on the right side from the inflection point IP shown in FIG. 5) is the
このようにすることで、微粒子捕集装置12の内部で特に低温の領域である低温部12Aを、酸化触媒装置11の外周部11Aでの発熱量増加により昇温した排気ガスGaが通過するので、低温部12Aを確実に昇温して、微粒子捕集装置12の低温部12Aと高温部12Bの温度差の拡大を高効率かつ低コストで抑制することができる。
By doing in this way, since the exhaust gas Ga heated by the calorific value increase in the outer
ここで、微粒子捕集装置12の内部に堆積するアッシュについて説明する。微粒子捕集装置12には、排気ガスGに含まれるPMの他にアッシュが堆積する。このアッシュには、プラグアッシュPAとウォ−ルアッシュWAの2種類がある。プラグアッシュPAは、微粒子捕集装置12の下流側の目封じ部分に栓をする形で堆積するアッシュである。ウォールアッシュWAは、PM捕集用の壁の表面に一様に堆積するアッシュである。
Here, the ash deposited inside the
図7に示すように、排気ガスGが微粒子捕集装置12を通過すると、PM捕集用の壁12c(12ca、12cb、12cc)に、排気ガスGに含まれるPM(微粒子状物質:図示しない)とアッシュ(灰性状物質)が堆積する。アッシュは、PM捕集用の壁12cの表面に一様に堆積する形(ウォールアッシュWA:斜線部分)で最初は堆積する。
As shown in FIG. 7, when the exhaust gas G passes through the
そして、微粒子捕集装置12の強制PM再生制御時に、排気ガスGbが微粒子捕集装置12の高温部12Bを通過すると、高温化した排気ガスGbにより、ウォールアッシュWAを構成するアッシュ粒子が凝集して、より粒子径の大きいウォールアッシュ粒子になるとともに、この大径化したウォールアッシュWAが微粒子捕集装置12の下流側に流されて目封じ部分12aaに栓をする形(プラグアッシュPA:クロスハッチング(DX)部分)で堆積する。なお、図7では、出口側を目封じしているセルを12Ba、入口側を目封じ(目封じ部分12bb)しているセルを12Bbとしている。
When the exhaust gas Gb passes through the
一方、上記の酸化触媒装置11を使用せずに、貴金属触媒の担持量を均一とした酸化触媒装置を使用した場合においては、微粒子捕集装置12の強制PM再生制御時に、排気ガスGaが微粒子捕集装置12の低温部12Aを通過すると、排気ガスGaの温度は高温部12Bを通過する排気ガスGより低温であるので、ウォールアッシュWAを構成するアッシュ粒子の凝集が進行せず、一部はプラグアッシュPAに変遷するが、大半はウォールアッシュWAのまま残存して、排気ガスGaの流通の妨げになる。なお、図7では、出口側を目封じしているセルを12Aa、入口側を目封じしているセルを12Abとしている。
On the other hand, when the oxidation catalyst device in which the supported amount of the noble metal catalyst is made uniform without using the
その結果、微粒子捕集装置12の強制PM再生制御が行われる度に、低温部12Aより高温部12Bに流れる排気ガスGの量が増加するため、高温部12Bと低温部12Aの温度差が拡大していく。そのため、低温部12Aでは、ますますウォールアッシュWAのまま残存するようになる。
As a result, the amount of exhaust gas G flowing from the
それに対して、本発明では、酸化触媒装置11の外周部11Aでの発熱量増加により、下流側の微粒子捕集装置12の低温部12Aを昇温するので、図6に示すように、低温部12Aに残存したウォールアッシュWAもプラグアッシュPA(図6のΔDX部分)に変遷するようになる。その結果、低温部12Aを流れる排気ガスGaの量と高温部12Bを流れる排気ガスGbの量の差は殆ど変化しないため、低温部12Aと高温部12Bの温度差の拡大を抑制することができる。
On the other hand, in the present invention, the temperature of the low-
次に、本発明の第2実施形態の排気ガス浄化システム1Aについて図8を参照しながら説明する。この排気ガス浄化システム1Aは、酸化触媒装置11の外周部11Aに担持される貴金属触媒の量の分布を除いて、図1及び図2に示す排気ガス浄化システム1と同じ構成である。
Next, an exhaust
より具体的には、排気ガス浄化システム1Aでは、酸化触媒装置11の外周部11Aに担持される貴金属触媒の量を、径方向温度分布TLにしたがって変化させる。触媒の量を、酸化触媒装置11の入口断面の中心から径方向外側への距離dが大きくなるにつれて、多くする。なお、図8では、図3と同様に、貴金属触媒の量の相違をハッチングの間隔の相違により示している(ハッチングの間隔が短い:貴金属触媒の量が多い、ハッチングの間隔が長い:貴金属触媒の量が少ない)。
More specifically, in the exhaust
この構成によれば、上記の第1の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム1と同様に、微粒子捕集装置12の内部の温度差を狭くすることができるとともに、さらに、次のような作用効果を奏することができる。
According to this configuration, as in the exhaust gas purification system 1 for the internal combustion engine of the first embodiment, the temperature difference inside the
すなわち、酸化触媒装置11の外周部11Aの各セルの発熱量を、微粒子捕集装置12の入口断面の中心から径方向外側への距離dが大きくなるにつれて徐々に大きくするので、酸化触媒装置11の外周部11Aに担持させる貴金属触媒の量を最適化しつつ、酸化触媒装置11の外周端部(排気管10の外壁)に近いセルの発熱量を確保することができる。
That is, since the calorific value of each cell of the outer
その結果、微粒子捕集装置12の外周端部に近く、微粒子捕集装置12の外部への放熱量の大きいセルに十分な熱量を供給することができるので、微粒子捕集装置12の外周端部付近の温度低下を抑制することができる。
As a result, a sufficient amount of heat can be supplied to the cell that is close to the outer peripheral end of the
次に、本発明の第3実施形態の排気ガス浄化システム1Bについて図9を参照しながら説明する。この排気ガス浄化システム1Bは、酸化触媒装置11の外周部11Aに担持される貴金属触媒の量の分布を除いて、図1及び図2に示す排気ガス浄化システム1と同じ構成である。
Next, an exhaust
より具体的には、この排気ガス浄化システム1Bでは、酸化触媒装置11の外周部11Aの各セルに担持される貴金属触媒の量を、流れ方向に変化させる。触媒の量を、酸化触媒装置11の入口から出口に向かうにつれて少なくする。なお、図9では、図3と同様に、貴金属触媒の量の相違をハッチングの間隔の相違により示している(ハッチングの間隔が短い:貴金属触媒の量が多い、ハッチングの間隔が長い:貴金属触媒の量が少ない)。
More specifically, in the exhaust
この構成によれば、上記の第1の実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム1と同様に、微粒子捕集装置12の内部の温度差を狭くすることができるとともに、さらに、次のような作用効果を奏することができる。
According to this configuration, as in the exhaust gas purification system 1 for the internal combustion engine of the first embodiment, the temperature difference inside the
すなわち、酸化触媒装置11に担持される貴金属触媒による排気ガスGaに含まれる炭化水素及び一酸化炭素の酸化反応が頻繁に行われる酸化触媒装置11の入口に近い位置より順に、担持させる貴金属触媒の量を少なくするので、酸化触媒装置11の発熱効率を維持しつつ、酸化触媒装置11の外周部11Aに担持させる貴金属触媒の量を最適化することができる。
That is, the noble metal catalyst to be supported in order from the position near the inlet of the
また、上記の酸化触媒装置11は、外周部11Aを構成するドーナツ型の部材と、中央部11Bを構成する円筒型の部材とを別々に製造後に、このドーナツ型の部材11Aに円筒型の部材11Bを組み付けて製造すると、工程管理が容易になるので好ましい。
In addition, the
本発明の内燃機関の排気ガス浄化システム1、1A、1Bによれば、外周部11Aの触媒の担持量を多くするので、酸化触媒装置11の外周部11Aでの発熱量を増加できる。これにより、酸化触媒装置11を通過した排気ガスGの径方向外側の温度上昇に有利になり、下流側の微粒子捕集装置12の径方向外側の温度を上昇できる。すなわち、微粒子捕集装置12の径方向外側で捕集したPMを確実に除去することができる。
According to the exhaust gas purification systems 1, 1 </ b> A, and 1 </ b> B of the internal combustion engine of the present invention, the amount of catalyst supported on the outer
なお、外周部11Aの貴金属触媒の担持量と中央部11Bの貴金属触媒の担持量との比は、強制PM再生制御時に高温部11Bと低温部11Aとの温度差がゼロに近づく、あるいはゼロになる比が好ましい。
Note that the ratio of the amount of the precious metal catalyst supported on the outer
また、外周部11Aの貴金属触媒の担持量は、強制PM再生制御時に低温部11Aが耐久温度以下になる量が好ましい。
Further, the amount of the precious metal catalyst supported on the outer
以上により、酸化触媒装置11の全域にわたって貴金属触媒の量を多くする場合と比較して、コストを抑えつつ、微粒子捕集装置12の全域でPMを除去できると共に、微粒子捕集装置12の耐久性の向上に有利になる。
As described above, compared to the case where the amount of the noble metal catalyst is increased over the entire region of the
1、1A、1B 内燃機関の排気ガス浄化システム
2 エンジン
10 排気管
11 酸化触媒装置
11A 酸化触媒装置の外周部
11B 酸化触媒装置の中央部
12 微粒子捕集装置
12A 微粒子捕集装置の低温部(外周部)
12B 微粒子捕集装置の高温部(中央部)
d 微粒子捕集装置の入口断面の中心から径方向外側への距離
T 微粒子捕集装置に流入する排気ガスの温度
TL 径方向温度分布
IP 変曲点
G 排気ガス
Ga 酸化触媒装置の外周部及び微粒子捕集装置の低温部を通過する排気ガス
Gb 酸化触媒装置の中央部及び微粒子捕集装置の高温部を通過する排気ガス
DESCRIPTION OF
12B High temperature part (center part) of particulate collection device
d Distance from the center of the inlet cross section of the particulate collection device to the radially outer side T Temperature of the exhaust gas flowing into the particulate collection device TL Radial temperature distribution IP Inflection point G Exhaust gas Ga Peripheral portion of the oxidation catalyst device and particulates Exhaust gas Gb passing through the low temperature part of the collection device Exhaust gas passing through the central part of the oxidation catalyst device and the high temperature part of the particulate collection device
Claims (2)
前記酸化触媒装置が前記排気管の径方向中央で流れ方向に延在する中央部と、径方向外側で流れ方向に延在する環状の外周部とを有しており、
前記外周部の酸化触媒の担持量が前記中央部よりも多いことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化システム。 An internal combustion engine in which an exhaust catalyst of an internal combustion engine is provided with an oxidation catalyst device and a particulate collection device in order from the upstream side, and an oxidation catalyst for oxidizing a gas component of exhaust gas is supported on a base material forming a honeycomb structure of the oxidation catalyst device In the exhaust gas purification system of
The oxidation catalyst device has a central portion extending in the flow direction at the radial center of the exhaust pipe, and an annular outer peripheral portion extending in the flow direction on the radial outer side;
An exhaust gas purification system for an internal combustion engine, wherein the amount of the oxidation catalyst supported on the outer peripheral portion is larger than that of the central portion.
前記酸化触媒装置の前記中央部を前記微粒子捕集装置の前記高温部に対向する領域とし、前記酸化触媒装置の外周部を前記微粒子捕集装置の前記低温部に対向する領域と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ガス浄化システム。 In the exhaust gas purification system of the internal combustion engine, when using an oxidation catalyst device in which the supported amount of the noble metal catalyst is uniform without using the oxidation catalyst, the radial temperature distribution of the particulate collection device is measured, When the region outside the radial direction from the inflection point of the radial temperature distribution is the low temperature portion of the particulate collection device, and the region in the radial center is the high temperature portion of the particulate collection device,
The central portion of the oxidation catalyst device is a region facing the high temperature portion of the particulate collection device, and the outer peripheral portion of the oxidation catalyst device is a region facing the low temperature portion of the particulate collection device. The exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to claim 1.
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