JP3552649B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気に含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化する内燃機関の排気浄化装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
自動車などに搭載される内燃機関、特にディーゼルエンジンや希薄燃焼式ガソリンエンジンのように酸化過剰状態の混合気(リーン空燃比の混合気)によって運転される内燃機関では、排気中の窒素酸化物(NOx)量を低減させるべく様々な技術が提案されている。
排気中の窒素酸化物(NOx)量を低減する技術の1つとしては、例えば、内燃機関の排気系を流れる排気の一部を吸気系へ再循環させる排気再循環装置(EGR装置:Exhaust Gas Recirculation装置)が知られている。
【0003】
このEGR装置は、排気中に含まれる水(H2O)や二酸化炭素(CO2)等の不活性ガスを混合気とともに内燃機関の燃焼室へ導入し、前記した不活性ガスが持つ非燃焼性及び吸熱性を利用して混合気の最高燃焼温度を低下させることにより、窒素酸化物(NOx)の発生を抑制し、以て内燃機関から排出される排気に含まれる窒素酸化物(NOx)量を低減するものである。
【0004】
また、排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)量を低減する他の技術としては、選択還元型NOx触媒や吸蔵還元型NOx触媒のようなNOx触媒を内燃機関の排気系に配置する技術が知られている。これは、前述したEGR装置が窒素酸化物(NOx)の発生自体を抑制するのに対し、内燃機関で発生してしまった窒素酸化物(NOx)を大気中に放出する前に浄化するものである。
【0005】
選択還元型NOx触媒は、酸素過剰雰囲気下で炭化水素(HC)等の還元剤が存在するときに、窒素酸化物(NOx)を還元または分解する触媒である。
この選択還元型NOx触媒を用いて窒素酸化物(NOx)を浄化するには適量の還元剤が必要となるが、内燃機関がリーン空燃比で運転されているときは、排気中の炭化水素(HC)の量が極僅かとなるため、内燃機関がリーン空燃比で運転されているときに排気中の窒素酸化物(NOx)を浄化するには、選択還元型NOx触媒に対して還元剤を別途供給する必要がある。
【0006】
吸蔵還元型NOx触媒は、該吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは排気中の窒素酸化物(NOx)を吸蔵し、該吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の酸素濃度が低下し且つ炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)等の還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物(NOx)を放出しつつ窒素(N2)に還元する触媒である。
この吸蔵還元型NOx触媒が吸蔵可能な窒素酸化物(NOx)量には限りがあるため、内燃機関がリーン空燃比で長期間運転されると、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力が飽和し、排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)が浄化されずに大気中へ放出されることになる。従って、吸蔵還元型NOx触媒を用いて窒素酸化物(NOx)の浄化を行う場合には、吸蔵還元型NOx触媒のNOx吸蔵能力が飽和する前に、吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の空燃比をリッチ空燃比として排気中の酸素濃度を低下させるとともに排気中に含まれる還元剤の量を増加させる必要がある。
【0007】
そして、内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)量を効率的に低減するために、例えば、特開平6−74022号公報に記載された「内燃機関の排気ガス浄化装置」のように、EGR装置とNOx触媒とを組み合わせる技術も提案されている。
【0008】
前記公報に記載された内燃機関の排気ガス浄化装置は、内燃機関に連結された排気枝管(排気マニホールド)の一の枝管に還元剤添加装置を取り付けるとともに他の枝管に排気再循環通路(EGRパイプ)の排気取入口を設け、又は、排気枝管(排気マニホールド)の各枝管にEGRパイプの排気取入口を設けるとともに全ての枝管の集合部(EGRパイプの排気取入口より下流)に還元剤添加装置を取り付けることにより、還元剤添加装置とEGRパイプの排気取入口との干渉を防止し、還元剤添加装置から添加された還元剤がEGRパイプに進入するのを防止しようとするものである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に開示された排気ガス浄化装置では、還元剤添加装置と排気浄化触媒とが離れて配置されることになるため、還元剤添加装置から噴射された微粒子状の還元剤は、排気浄化触媒に到達する過程において相互に衝突及び吸着し合い、還元剤の粒子が粗大化し易く、還元剤が排気浄化触媒全体に均等に供給されなくなる虞がある。
【0010】
本発明は上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、還元剤の存在下で排気中の窒素酸化物(NOX)を還元又は分解するNOx触媒を具備した内燃機関の排気浄化装置において、還元剤添加装置から排気中に添加された還元剤が排気再循環通路に流入するのを防止しつつ、還元剤をNOx触媒全体に均等に供給することが可能な技術を提供することにより、窒素酸化物(NOX)の効率的な浄化を実現することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。
すなわち、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ、還元剤の存在下で排気中の窒素酸化物を浄化するNOx触媒と、
前記内燃機関のシリンダヘッドに設けられ、前記内燃機関の排気通路に向けて還元剤を噴射する還元剤噴射手段と、
前記NOX触媒より上流の排気通路に設けられ、排気中の還元剤を撹拌する撹拌器と、
を備えることを特徴とする。
【0012】
このように構成された排気浄化装置では、還元剤噴射手段から噴射された還元剤は、NOX触媒上流において撹拌器によって撹拌される。この場合、還元剤は、撹拌により微粒子化され、排気と均質に混合することになる。
【0013】
この結果、NOX触媒には、還元剤と排気とが均質に混合したガスが流入することになり、還元剤及び排気がNOX触媒の全体に均等に行き渡ることになる。
つまり、還元剤噴射手段とNOX触媒とが離れた位置に配置された場合は、還元剤噴射手段から噴射された微粒子状の還元剤は、NOX触媒に到達する過程で相互に衝突あるいは吸着し合うことで粗大化し、排気中に偏在する場合があるが、本発明ではNOX触媒の直上流に撹拌器を設けたことにより、排気と還元剤とが均質に混ざり合ったガスがNOX触媒に流入することになり、その結果、還元剤は、NOX触媒の全体に均等に供給されるようになる。
【0014】
一方、還元剤噴射手段は、高温の排気に晒されるため耐久性を向上させる上で適度な冷却が必要であるが、本発明に係る排気浄化装置では、還元剤噴射手段が内燃機関のシリンダヘッドに設けられるため、シリンダヘッド内を循環する機関冷却水を利用して冷却することが可能であり、内燃機関の外部に還元剤噴射手段が設けられる場合に比して冷却水路の配管等を新たに付加する必要がない。
【0015】
尚、上記した撹拌器としては、遠心過給のタービンを例示することができる。その際、還元剤噴射手段からの還元剤の噴射は、遠心過給機による吸気の過給圧が所定圧以上となったときに行われることが好ましい。
【0016】
これは、遠心過給機では排気によって回転駆動されるタービンの回転力を駆動源とするコンプレッサが吸気の過給を行うため、吸気の過給圧が所定圧以上であるときはコンプレッサ及びタービンの回転数が十分に高く、還元剤の撹拌が良好に行われることになるからである。
【0017】
また、還元剤噴射手段から排気中に還元剤を噴射する場合には、還元剤噴射手段の噴射圧力を排気の圧力より高くする必要があり、更に排気圧力の変動に関わらず安定した噴射を行うために還元剤噴射手段の噴射圧力と排気圧力との差圧を一定に保つことが好ましい。これに対し、本発明に係る排気浄化装置は、還元剤噴射手段が排気通路内の圧力に対する還元剤噴射圧力を調整する調圧機構を具備するようにしてもよい。
【0018】
また、還元剤噴射手段は、内燃機関のシリンダヘッドにおいて撹拌器に最も近い位置に配置されることが好ましく、例えば、シリンダヘッドに形成された複数の排気ポートのうち撹拌器に最も近い位置の排気ポートへ還元剤を噴射するように配置されるようにしてもよい。
この場合、還元剤噴射手段から噴射された還元剤は、排気ポートや排気ポート直下流の排気通路等に滞り難くなり、速やかに撹拌器へ到達し易くなる。
【0019】
また、本発明において、内燃機関としては、筒内直接噴射式の希薄燃焼式ガソリンエンジンやディーゼルエンジンを例示することができる。
【0020】
また、本発明において、NOx触媒としては、選択還元型NOx触媒あるいは吸蔵還元型NOx触媒を例示することができる。
【0021】
選択還元型NOx触媒は、該選択還元型NOx触媒に流入する排気が酸素過剰雰囲気であって還元剤が存在するときに、排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)を還元又は分解する触媒である。
このような選択還元型NOx触媒としては、ゼオライトに銅(Cu)等の遷移金属がイオン交換されて担持された触媒、ゼオライト又はアルミナに貴金属が担持された触媒、チタニアとゼオライトからなる担体上にバナジウムが担持された触媒、等を例示することができる。
【0022】
吸蔵還元型NOx触媒は、該吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは排気中に含まれる窒素酸化物(NOx)を吸蔵し、該吸蔵還元型NOx触媒に流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物(NOx)を放出しつつ還元及び浄化する触媒である。
このような吸蔵還元型NOx触媒としては、アルミナからなる担体上に、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と、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)のようなアルカリ土類と、ランタン(La)、イットリウム(Y)のような希土類との中から選ばれた少なくとも一つと、白金(Pt)のような貴金属とが担持された触媒を例示することができる。
【0023】
また、本発明において、還元剤としては、アンモニア由来の還元剤を採用することもでき、そのような還元剤としては尿素やカルバミン酸アンモニウムを例示することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る排気浄化装置を車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。
【0025】
図1は、本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、4つの気筒2を有する水冷式4気筒ディーゼルエンジンである。
【0026】
内燃機関1は、各気筒2の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁3を備えている。各燃料噴射弁3は、図示しない燃料ポンプから供給された燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室(コモンレール)4と連通し、コモンレール4で蓄圧された燃料が各燃料噴射弁3に印加されるようになっている。この場合、燃料噴射弁3が開弁されると、前記所定圧で燃料が噴射される。
【0027】
内燃機関1には、吸気枝管5が接続されており、吸気枝管5の各枝管は、各気筒2の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。
前記吸気枝管5は、吸気管6に接続され、吸気管6は、エアクリーナボックス7に連通している。前記エアクリーナボックス7下流の吸気管6には、吸気管6内を流れる吸気の質量に対応したエアフローメータ8が設けられている。
【0028】
前記吸気枝管5近傍の吸気管6には、該吸気管6内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁9と、ステッパモータ等で構成され前記吸気絞り弁9を開閉駆動するアクチュエータ10とが設けられている。
【0029】
前記エアフローメータ8と前記吸気絞り弁9との間に位置する吸気管6には、排気の圧力を駆動源として作動する遠心過給機(ターボチャージャ)11のコンプレッサハウジング11aが設けられ、コンプレッサハウジング11a下流の吸気管6には、前記コンプレッサハウジング11a内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ12が設けられている。
【0030】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス7に流入した吸気は、該エアクリーナボックス7内の図示しないエアクリーナによって吸気中の塵や埃等が除去された後、吸気管6を介してコンプレッサハウジング11aに流入する。
【0031】
コンプレッサハウジング11aに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング11aに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング11a内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ12にて冷却される。
【0032】
インタークーラ12で冷却された吸気は、必要に応じて吸気絞り弁9によって流量を調節されて吸気枝管5に到達する。吸気枝管5に到達した吸気は、各枝管を介して各気筒2の燃焼室へ分配され、各気筒2の燃料噴射弁3から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【0033】
一方、内燃機関1には、排気枝管13が接続され、排気枝管13の各枝管が図示しない排気ポートを介して各気筒2の燃焼室と連通している。この排気枝管13と前記した吸気枝管5とは、排気枝管13内を流れる排気の一部を吸気枝管5へ再循環させる排気再循環通路(EGR通路)17を介して連通されている。
【0034】
前記EGR通路17の途中には、該EGR通路17内を流れる排気の流量を調節するEGR弁18が設けられている。このEGR弁18が開弁されると、排気枝管13内を流れる排気の一部がEGR通路17を介して吸気枝管5へ導かれる。吸気枝管5に導かれた排気は、該吸気枝管5の上流から流れてきた吸気とともに各気筒2の燃焼室へ分配され、各燃料噴射弁3から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【0035】
その際、燃焼室では、排気の再循環ガス(EGRガス)に含まれる水分(H2O)や二酸化炭素(CO2)等の不活性ガスにより、燃焼温度が低下し、窒素酸化物(NOX)の発生量が抑制される。
【0036】
次に、前記排気枝管13は、前記遠心過給機11のタービンハウジング11bと接続され、前記タービンハウジング11bは、排気管14と接続されている。
前記排気管14は、下流にて図示しないマフラーに接続されている。前記排気管14の途中には、二つの排気浄化触媒15、16が配置されている。
これら排気浄化触媒15、16は、還元剤の存在下で窒素酸化物(NOx)を浄化可能となるNOx触媒であり、そのようなNOx触媒としては、該NOx触媒に流入する排気が酸素過剰雰囲気にあり且つ還元剤が存在するときに排気中の窒素酸化物(NOx)を還元又は分解する選択還元型NOx触媒、又は該NOx触媒に流入する排気の空燃比がリーン空燃比のときは排気中の窒素酸化物(NOx)を吸蔵し、該NOx触媒に流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していた窒素酸化物(NOx)を放出しつつ還元及び浄化する吸蔵還元型NOx触媒等を例示することできる。ここでは、排気浄化触媒15、16として、ゼオライト・シリカ系の選択還元型NOx触媒を例に挙げて説明する。尚、以下では、上流側の排気浄化触媒15を上流側選択還元型NOX触媒15と称し、下流側の選択還元型NOX触媒16を下流側選択還元型NOX触媒16と称する。
【0037】
前記した上流側及び下流側選択還元型NOX触媒15、16が排気中の窒素酸化物(NOX)を浄化するには、還元剤の存在が必要である。そこで、本実施の形態に係る排気浄化装置には、前記上流側及び前記下流側選択還元型NOX触媒15、16へ還元剤を供給するための還元剤供給機構が併設されている。
【0038】
前記還元剤供給機構は、内燃機関1のシリンダヘッドに取り付けられて排気枝管13内の排気通路へ還元剤を噴射する還元剤噴射装置20と、還元剤としての液状の尿素を貯蔵する還元剤貯蔵室22と、還元剤貯蔵室22に貯蔵された還元剤を吸引して吐出する還元剤ポンプ23と、還元剤ポンプ23から吐出された還元剤を前記還元剤噴射装置20へ導く還元剤供給管21とを備えている。
【0039】
前記還元剤噴射装置20は、本発明に係る還元剤噴射手段を実現するものであり、例えば、図2に示すように、その噴孔が4つの気筒2の何れか1つの気筒の排気ポート101に突出するようシリンダヘッド100に取り付けられた還元剤噴射弁200を備えている。
【0040】
前記還元剤噴射弁200は、該還元剤噴射弁200の噴孔が排気枝管13におけるEGR通路17の接続部位より下流であって、排気枝管13における4つの枝管の集合部に最も近い気筒2の排気ポート101に突出するとともに、排気枝管13の集合部へ向くようにシリンダヘッド100に取り付けられることが好ましい。
これは、還元剤噴射弁200から噴射された還元剤がEGR通路17へ流入するのを防止するとともに、前記還元剤が排気枝管45内に滞ることなく遠心過給機のタービンハウジング11bへ到達するようにするためである。
尚、図1に示す例では、内燃機関1の4つの気筒2のうち1番(#1)気筒2が排気枝管13の集合部と最も近い位置にあるため、1番(#1)気筒2の排気ポート101に還元剤噴射弁200が取り付けられているが、1番(#1)気筒2以外の気筒2が排気枝管13の集合部と最も近い位置にあるときは、その気筒2の排気ポート101に還元剤噴射弁200が取り付けられるようにする。
【0041】
また、前記還元剤噴射弁200は、シリンダヘッド100に形成されたウォータージャケット102を貫通、あるいはウォータージャケット102に近接して取り付けられるようにしてもよい。これは、還元剤噴射弁200が排気ポート101を流れる比較的高温の排気に曝されるため、前記ウォータージャケット102を流れる冷却水を利用して還元剤噴射弁200を冷却することにより、還元剤噴射弁200の耐久性を向上させることが可能となるからである。
【0042】
一方、前記還元剤噴射装置20は、還元剤供給管21内の還元剤の圧力(すなわち、還元剤噴射弁200に印加される還元剤の圧力)を調整するプレッシャーレギュレータ201を備えている。このプレッシャーレギュレータ201は、前記排気枝管13と排気圧力導入管202を介して連通しており、前記排気枝管13の排気圧力と前記還元剤供給管21内の還元剤圧力との差圧が一定になるよう還元剤圧力を調整するようになっている。
【0043】
このプレッシャーレギュレータ201によれば、内燃機関1の運転状態の変化等により排気枝管13内の排気圧力が変動した場合においても前記還元剤噴射弁200の噴射量を安定させることが可能となる。
【0044】
ここで、図1に戻り、内燃機関1には、デジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、CPU(セントラルプロセッサユニット)、入力ポート、出力ポート等を具備した機関制御用の電子制御ユニット(ECU)24が併設されている。
【0045】
ECU24の入力ポートには、前述したエアフローメータ8に加え、吸気枝管5に取り付けられ該吸気枝管5内の吸気の圧力(過給圧)に対応した電気信号を出力する吸気圧センサ19と、内燃機関1に取り付けられ機関出力軸たるクランクシャフトが所定角度回転する都度にパルス信号を出力するクランクポジションセンサ25、図示しないアクセルペダルの操作量(アクセル開度)に対応した電気信号を出力するアクセル開度センサ26等の各種センサが電気配線を介して接続されている。
【0046】
ECU24の出力ポートには、前述した燃料噴射弁3、アクチュエータ10、EGR弁18、還元剤噴射装置20等が電気配線を介して接続されている。
ECU24は、上記した各種センサの出力信号に基づいて内燃機関1の運転状態を判定し、判定された運転状態に基づいて、燃料噴射制御やEGR制御等の基本制御を実行するとともに、還元剤噴射装置20の制御を実行する。
【0047】
ECU24のROMには、機関回転数とアクセル開度と内燃機関1から排出されるNOX量との関係を示すNOX排出量マップが記憶されている。このNOX排出量マップは、予め実験的に求められたものである。
【0048】
ECU24は、このNOx排出量マップを参照して、機関回転数とアクセル開度とに対応したNOX排出量を算出する。ECU24は、算出されたNOX排出量をパラメータとして還元剤の目標供給量(還元剤噴射弁200の開弁時間)を算出し、目標供給量に基づいて還元剤噴射弁200を制御する。
【0049】
以下、本実施の形態に係る排気浄化装置の作用について述べる。
ECU24は、クランクポジションセンサ25がパルス信号を出力する時間的間隔に基づいて機関回転数を算出するとともに、アクセル開度センサ26の出力信号(アクセル開度)を入力する。
【0050】
ECU24は、NOX量排出マップへアクセスして、前記機関回転数と前記アクセル開度とに対応したNOX排出量を算出し、次いでNOX排出量をパラメータとして還元剤の目標供給量、即ち還元剤噴射弁200の開弁時間を算出する。
【0051】
一方、ECU24は、吸気圧センサ19の出力信号を入力し、遠心過給機11による吸気の過給圧が所定圧以上であるか否かを判別する。
前記過給圧が前記所定圧以上であると判定した場合は、ECU24は、還元剤噴射弁200に駆動電流を印加して還元剤噴射弁200を開弁させる。ECU24は、上記した開弁時間の間、還元剤噴射弁200に駆動電流を印加しつづけ、目標供給量の還元剤を噴射させる。
【0052】
還元剤噴射弁200が開弁された場合、還元剤ポンプ23から還元剤噴射弁200へ供給された還元剤は、プレッシャーレギュレータ201によって調圧された圧力で排気枝管13内へ噴射される。
【0053】
排気枝管13内へ噴射された還元剤は、内燃機関1の排気ポートから排出された排気とともに遠心過給機11のタービンハウジング11bに導かれる。
その際、還元剤噴射弁200は、排気枝管13の集合部に最も近い位置にある排気ポート、言い換えれば、タービンハウジング11bに最も近い位置にある排気ポートに取り付けられており、更に還元剤噴射弁200の噴孔が排気枝管13の集合部に向けられているため、該還元剤噴射弁200から噴射された還元剤の略全てが排気枝管13内に滞ることなく速やかにタービンハウジング11bへ到達することになる。
【0054】
このように還元剤噴射弁200からタービンハウジング11bへ供給された還元剤は、タービンハウジング11b内で回転するタービンホイールによって撹拌されて排気と混合する。
その際、遠心過給機11による吸気の過給圧が所定圧以上であり、タービンホイールの回転数が十分に高いため、排気中の還元剤は、タービンホイールの回転によって微粒子化され、排気と均質に混合する。
【0055】
このようにタービンハウジング11b内で均質に混合された排気及び還元剤は、タービンハウジング11b直下流に位置する上流側選択還元型NOX触媒15に流入し、上流側選択還元型NOX触媒15の全体に均等に行き渡る。この結果、上流側選択還元型NOX触媒15において排気中の窒素酸化物(NOX)が効率的に還元又は分解される。
【0056】
このように遠心過給機11のタービンハウジング11b及びタービンホイールは、本発明に係る撹拌器を実現する。
従って、本実施の形態によれば、還元剤噴射弁200と上流側選択還元型NOX触媒15とが離れて配置される場合に、還元剤噴射弁200から噴射された還元剤が上流側選択還元型NOX触媒15に到達する過程において相互に衝突あるいは吸着しあって還元剤の粒子が粗大化しても、上流側選択還元型NOX触媒15の直上流に配置された撹拌器によって還元剤が撹拌されるため、上流側選択還元型NOX触媒15には、還元剤と排気とが均質に混合されたガスが供給され、還元剤が上流側選択還元型NOX触媒15の全体へ均等に供給される。その結果、排気中の窒素酸化物(NOX)を効率的に還元及び分解することが可能となる。
【0057】
さらに、本実施の形態によれば、還元剤噴射弁200と上流側選択還元型NOX触媒15とを離れた位置に配置することが可能となるため、還元剤噴射弁200を内燃機関1のシリンダヘッド100に配置し、該シリンダヘッド100のウォータージャケット101内を流れる冷却水を利用して還元剤噴射弁200を冷却することが可能であり、冷却水の新たな配管を付加することなく、還元剤噴射弁200の熱害を防止することが可能となる。
【0058】
【発明の効果】
本発明に係る排気浄化装置は、還元剤噴射手段とNOX触媒との間、好ましくはNOX触媒の直上流に、排気中の還元剤を撹拌する撹拌器を配置して構成されるため、還元剤噴射手段とNOX触媒とが離れて配置された場合であっても排気と還元剤とが均質に混合したガスをNOX触媒に供給することが可能となる。
【0059】
従って、本発明に係る排気浄化装置によれば、NOX触媒の全体にわたって還元剤を均等に供給することが可能となり、排気中の窒素酸化物を効率的に浄化することが可能となる。
【0060】
また、本発明に係る排気浄化装置によれば、NOX触媒から離れた位置にあるシリンダヘッドに還元剤噴射手段を配置することが可能であり、シリンダヘッド内を循環する冷却水を利用して還元剤噴射手段を冷却することができ、冷却水の配管等を新たに付加することなく還元剤噴射手段の冷却、ひいては還元剤噴射手段の耐久性を向上させることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る排気浄化装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図
【図2】還元剤噴射装置の構成を示す図
【符号の説明】
1・・・・内燃機関
11・・・遠心過給機(ターボチャージャ)
11a・・コンプレッサハウジング
11b・・タービンハウジング
12・・・インタークーラ
13・・・排気枝管
14・・・排気管
15・・・上流側選択還元型NOX触媒
16・・・下流側選択還元型NOX触媒
19・・・吸気圧センサ
20・・・還元剤噴射装置
21・・・還元剤供給管
22・・・還元剤貯蔵室
23・・・還元剤ポンプ
24・・・ECU
25・・・クランクポジションセンサ
26・・・アクセル開度センサ
100・・シリンダヘッド
101・・排気ポート
102・・ウォータージャケット
200・・還元剤噴射弁
201・・プレッシャーレギュレータ
202・・排気圧力導入管[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is directed to a nitrogen oxide (NO) contained in exhaust gas discharged from an internal combustion engine. x The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine that purifies the exhaust gas.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART In an internal combustion engine mounted on an automobile or the like, particularly an internal combustion engine driven by a mixture in an excessively oxidized state (a mixture having a lean air-fuel ratio) such as a diesel engine or a lean-burn gasoline engine, nitrogen oxides in exhaust gas ( NO x Various techniques have been proposed to reduce the volume.
Nitrogen oxides in exhaust (NO x As one of techniques for reducing the amount, for example, an exhaust gas recirculation device (EGR device: Exhaust Gas Recirculation device) that recirculates a part of exhaust gas flowing through an exhaust system of an internal combustion engine to an intake system is known. .
[0003]
This EGR device uses water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) Is introduced into the combustion chamber of the internal combustion engine together with the air-fuel mixture, and the maximum combustion temperature of the air-fuel mixture is lowered by utilizing the non-combustibility and endothermic properties of the inert gas. Object (NO x ) Is suppressed and the nitrogen oxides (NO x ) The amount is reduced.
[0004]
In addition, nitrogen oxides (NO x Other techniques for reducing the amount include selective reduction type NO. x Catalyst and storage reduction type NO x NO like catalyst x A technique for arranging a catalyst in an exhaust system of an internal combustion engine is known. This is because the above-described EGR device uses nitrogen oxides (NO x ) Itself, while the nitrogen oxides (NO x ) Is purified before being released into the atmosphere.
[0005]
Selective reduction type NO x The catalyst reacts with nitrogen oxides (NO x ) Is a catalyst that reduces or decomposes).
This selective reduction type NO x Nitrogen oxides (NO x ) Requires an appropriate amount of a reducing agent. However, when the internal combustion engine is operated at a lean air-fuel ratio, the amount of hydrocarbons (HC) in the exhaust gas is extremely small. When operating at a lean air-fuel ratio, nitrogen oxides (NO x ) Is purified by selective reduction type NO x It is necessary to separately supply a reducing agent to the catalyst.
[0006]
Storage reduction type NO x The catalyst is the storage reduction type NO. x When the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is a lean air-fuel ratio, the nitrogen oxides (NO x ) And the storage reduction type NO x When the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the catalyst decreases and a reducing agent such as hydrocarbon (HC) or carbon monoxide (CO) is present, the stored nitrogen oxides (NO x ) While releasing nitrogen (N 2 ).
This storage reduction type NO x Nitrogen oxide (NO x If the internal combustion engine is operated at a lean air-fuel ratio for a long period of time, the NO x NO of catalyst x The storage capacity is saturated, and the nitrogen oxides (NO x ) Will be released into the atmosphere without purification. Therefore, the storage reduction type NO x Nitrogen oxides (NO x )), The storage reduction type NO x NO of catalyst x Before the storage capacity is saturated, the storage reduction type NO x It is necessary to make the air-fuel ratio of the exhaust flowing into the catalyst a rich air-fuel ratio to lower the oxygen concentration in the exhaust and increase the amount of the reducing agent contained in the exhaust.
[0007]
Then, nitrogen oxides (NO x In order to efficiently reduce the amount, for example, an EGR device and a NO gas generator such as an “exhaust gas purification device for an internal combustion engine” described in JP-A-6-74022 are used. x Techniques for combining with a catalyst have also been proposed.
[0008]
In the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine described in the above publication, a reducing agent addition device is attached to one branch pipe of an exhaust branch pipe (exhaust manifold) connected to the internal combustion engine, and an exhaust recirculation passage is provided to another branch pipe. (EGR pipe), or an exhaust inlet of an EGR pipe is provided in each branch pipe of an exhaust branch pipe (exhaust manifold), and a collecting portion of all the branch pipes (downstream from the exhaust inlet of the EGR pipe). ), The interference between the reducing agent adding device and the exhaust inlet of the EGR pipe is prevented, and the reducing agent added from the reducing agent adding device is prevented from entering the EGR pipe. Is what you do.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the exhaust gas purifying device disclosed in the above publication, the reducing agent adding device and the exhaust gas purifying catalyst are disposed separately, so that the particulate reducing agent injected from the reducing agent adding device is In the process of arriving at the purification catalyst, they mutually collide with and adsorb to each other, so that the particles of the reducing agent are likely to be coarsened, and the reducing agent may not be uniformly supplied to the entire exhaust purification catalyst.
[0010]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and has been made in consideration of the problem that nitrogen oxides (NO X NO) to reduce or decompose) x In an exhaust gas purification device for an internal combustion engine equipped with a catalyst, the reducing agent added to the exhaust gas from the reducing agent adding device is prevented from flowing into the exhaust gas recirculation passage, and the reducing agent is reduced to NO. x By providing a technology that can be evenly supplied to the entire catalyst, nitrogen oxides (NO X The objective is to achieve efficient purification of
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
That is, the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention includes:
NO that is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and purifies nitrogen oxides in exhaust gas in the presence of a reducing agent x A catalyst,
A reducing agent injection unit that is provided on a cylinder head of the internal combustion engine and injects a reducing agent toward an exhaust passage of the internal combustion engine;
NO X A stirrer provided in the exhaust passage upstream of the catalyst to stir the reducing agent in the exhaust gas;
It is characterized by having.
[0012]
In the exhaust gas purification device configured as described above, the reducing agent injected from the reducing agent injection unit is NO X It is stirred by a stirrer upstream of the catalyst. In this case, the reducing agent is atomized by stirring, and is uniformly mixed with the exhaust gas.
[0013]
As a result, NO X A gas in which the reducing agent and the exhaust gas are homogeneously mixed flows into the catalyst, and the reducing agent and the exhaust gas are NO. X It will be evenly distributed throughout the catalyst.
That is, the reducing agent injection means and NO X When the catalyst is disposed at a position separated from the catalyst, the particulate reducing agent injected from the reducing agent injection means is NO X In the process of arriving at the catalyst, they may be coarsened due to collision or adsorption with each other and unevenly distributed in exhaust gas. X By providing a stirrer immediately upstream of the catalyst, the gas in which the exhaust gas and the reducing agent are homogeneously mixed is NO X Will flow into the catalyst so that the reducing agent is NO X The entire catalyst is supplied evenly.
[0014]
On the other hand, since the reducing agent injection means is exposed to high-temperature exhaust gas, appropriate cooling is necessary to improve the durability. However, in the exhaust gas purification apparatus according to the present invention, the reducing agent injection means includes a cylinder head of the internal combustion engine. Therefore, it is possible to cool using the engine cooling water circulating in the cylinder head, and the piping of the cooling water passage and the like are newly added as compared with the case where the reducing agent injection means is provided outside the internal combustion engine. Need not be added to
[0015]
In addition, as the above-mentioned stirrer, a centrifugal supercharged turbine can be exemplified. At this time, it is preferable that the injection of the reducing agent from the reducing agent injection means is performed when the supercharging pressure of the intake air by the centrifugal supercharger becomes equal to or higher than a predetermined pressure.
[0016]
This is because, in a centrifugal supercharger, a compressor driven by the rotational force of a turbine that is rotationally driven by exhaust performs supercharging of intake air, so that when the supercharging pressure of intake air is equal to or higher than a predetermined pressure, the compressor and the turbine are driven. This is because the rotation speed is sufficiently high, and the stirring of the reducing agent is performed well.
[0017]
Further, when the reducing agent is injected from the reducing agent injection means into the exhaust gas, the injection pressure of the reducing agent injection means needs to be higher than the pressure of the exhaust gas. For this reason, it is preferable to keep the differential pressure between the injection pressure of the reducing agent injection means and the exhaust pressure constant. On the other hand, the exhaust gas purification apparatus according to the present invention may be configured such that the reducing agent injection means includes a pressure regulating mechanism for adjusting the reducing agent injection pressure with respect to the pressure in the exhaust passage.
[0018]
Further, the reducing agent injection means is preferably arranged at a position closest to the stirrer in the cylinder head of the internal combustion engine. For example, an exhaust port at a position closest to the stirrer among a plurality of exhaust ports formed in the cylinder head You may make it arrange | position so that a reducing agent may be injected to a port.
In this case, the reducing agent injected from the reducing agent injection means does not easily stay in the exhaust port or the exhaust passage immediately downstream of the exhaust port, and easily reaches the stirrer.
[0019]
In the present invention, examples of the internal combustion engine include a direct-injection-type lean-burn gasoline engine and a diesel engine.
[0020]
In the present invention, NO x As the catalyst, selective reduction type NO x Catalyst or storage reduction type NO x A catalyst can be exemplified.
[0021]
Selective reduction type NO x The catalyst is the selective reduction type NO. x When the exhaust gas flowing into the catalyst has an oxygen-excess atmosphere and a reducing agent is present, nitrogen oxides (NO x ) Is a catalyst that reduces or decomposes).
Such selective reduction type NO x As the catalyst, a catalyst in which a transition metal such as copper (Cu) is ion-exchanged and supported on zeolite, a catalyst in which a noble metal is supported in zeolite or alumina, a catalyst in which vanadium is supported on a carrier composed of titania and zeolite, And the like.
[0022]
Storage reduction type NO x The catalyst is the storage reduction type NO. x When the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is a lean air-fuel ratio, nitrogen oxides (NO x ) And the storage reduction type NO x When the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the catalyst decreases and the reducing agent is present, the stored nitrogen oxides (NO x ) Is a catalyst that reduces and purifies while releasing).
Such storage reduction type NO x As the catalyst, an alkali metal such as potassium (K), sodium (Na), lithium (Li) and cesium (Cs) and an alkali such as barium (Ba) and calcium (Ca) are formed on a support made of alumina. A catalyst in which at least one selected from earths, rare earths such as lanthanum (La) and yttrium (Y), and a noble metal such as platinum (Pt) can be exemplified.
[0023]
In the present invention, a reducing agent derived from ammonia can be used as the reducing agent, and examples of such a reducing agent include urea and ammonium carbamate.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments of the exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, a case where the exhaust gas purification apparatus according to the present invention is applied to a diesel engine for driving a vehicle will be described as an example.
[0025]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine to which an exhaust gas purification device according to the present invention is applied. The
[0026]
The
[0027]
An intake branch pipe 5 is connected to the
The intake branch pipe 5 is connected to an intake pipe 6, and the intake pipe 6 communicates with an air cleaner box 7. The intake pipe 6 downstream of the air cleaner box 7 is provided with an air flow meter 8 corresponding to the mass of intake air flowing through the intake pipe 6.
[0028]
The intake pipe 6 near the intake branch pipe 5 has an intake throttle valve 9 for adjusting the flow rate of intake air flowing through the intake pipe 6, an
[0029]
An intake pipe 6 located between the air flow meter 8 and the intake throttle valve 9 is provided with a
[0030]
In the intake system configured as described above, the intake air that has flowed into the air cleaner box 7 is subjected to removal of dust and dirt from the intake by an air cleaner (not shown) in the air cleaner box 7, and then is passed through the intake pipe 6 through the compressor housing 6. 11a.
[0031]
The intake air flowing into the
[0032]
The intake air cooled by the
[0033]
On the other hand, an
[0034]
An
[0035]
At that time, in the combustion chamber, the water (H) contained in the recirculated exhaust gas (EGR gas) 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) And the like, lower the combustion temperature and reduce nitrogen oxides (NO X ) Is suppressed.
[0036]
Next, the
The
These exhaust
[0037]
The above-mentioned upstream and downstream selective reduction type NO X The
[0038]
The reducing agent supply mechanism is mounted on a cylinder head of the
[0039]
The reducing
[0040]
In the reducing
This prevents the reducing agent injected from the reducing
In the example shown in FIG. 1, the first (# 1)
[0041]
Further, the reducing
[0042]
On the other hand, the reducing
[0043]
According to the
[0044]
Here, returning to FIG. 1, the
[0045]
An input port of the
[0046]
The
The
[0047]
In the ROM of the
[0048]
The
[0049]
Hereinafter, the operation of the exhaust emission control device according to the present embodiment will be described.
The
[0050]
The
[0051]
On the other hand, the
When determining that the supercharging pressure is equal to or higher than the predetermined pressure, the
[0052]
When the reducing
[0053]
The reducing agent injected into the
At that time, the reducing
[0054]
The reducing agent supplied from the reducing
At that time, the supercharging pressure of the intake air by the
[0055]
The exhaust gas and the reducing agent homogeneously mixed in the
[0056]
As described above, the
Therefore, according to the present embodiment, the reducing
[0057]
Furthermore, according to the present embodiment, the reducing
[0058]
【The invention's effect】
The exhaust gas purifying apparatus according to the present invention comprises a reducing agent injection unit and a NO. X Between the catalyst, preferably NO X A stirrer for stirring the reducing agent in the exhaust gas is disposed immediately upstream of the catalyst. X Even when the catalyst is placed away from the catalyst, the gas in which the exhaust gas and the reducing agent are homogeneously mixed is NO X It is possible to supply the catalyst.
[0059]
Therefore, according to the exhaust emission control device of the present invention, NO X The reducing agent can be supplied uniformly over the entire catalyst, and the nitrogen oxides in the exhaust gas can be efficiently purified.
[0060]
Further, according to the exhaust gas purification device of the present invention, NO X It is possible to dispose the reducing agent injection means on the cylinder head located at a position away from the catalyst, and to cool the reducing agent injection means using cooling water circulating in the cylinder head. It is also possible to improve the cooling of the reducing agent injection means and, consequently, the durability of the reducing agent injection means without adding any new components.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine to which an exhaust gas purification device according to the present invention is applied;
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a reducing agent injection device.
[Explanation of symbols]
1 ... Internal combustion engine
11 ・ ・ ・ Centrifugal supercharger (turbocharger)
11a ・ ・ Compressor housing
11b Turbine housing
12 ・ ・ ・ Intercooler
13 ・ ・ ・ Exhaust branch pipe
14 ・ ・ ・ Exhaust pipe
15 ・ ・ ・ NO-side selective reduction type NO X catalyst
16 ··· Downstream side selective reduction type NO X catalyst
19 ... intake pressure sensor
20 ... reducing agent injection device
21 ... reducing agent supply pipe
22 ・ ・ ・ Reducing agent storage room
23 ・ ・ ・ Reducing agent pump
24 ... ECU
25 ... Crank position sensor
26 ・ ・ ・ Accelerator opening sensor
100 cylinder head
101 exhaust port
102 ・ Water jacket
200 ・ ・ Reducing agent injection valve
201 ・ ・ Pressure regulator
202 ・ ・ Exhaust pressure introduction pipe
Claims (3)
前記内燃機関のシリンダヘッドに設けられ、前記内燃機関の排気通路に向けて還元剤を噴射する還元剤噴射手段と、
前記NOx触媒より上流の排気通路に設けられ、排気中の還元剤を撹拌する撹拌器と、を備える内燃機関の排気浄化装置であって、
前記撹拌器は、遠心過給機のタービンであり、
前記還元剤噴射手段は、前記遠心過給機による吸気の過給圧が所定圧以上であることを条件に還元剤の噴射を実行することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。A NOx catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine and purifying nitrogen oxides in exhaust gas in the presence of a reducing agent;
A reducing agent injection unit that is provided on a cylinder head of the internal combustion engine and injects a reducing agent toward an exhaust passage of the internal combustion engine;
A stirrer provided in the exhaust passage upstream of the NOx catalyst, for stirring the reducing agent in the exhaust gas, comprising:
The stirrer is a centrifugal turbocharger turbine,
The exhaust gas purifying apparatus for an internal combustion engine, wherein the reducing agent injection unit executes the injection of the reducing agent on condition that a supercharging pressure of the intake air by the centrifugal supercharger is equal to or higher than a predetermined pressure .
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