JP3758998B2

JP3758998B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine

Info

Publication number: JP3758998B2
Application number: JP2001198203A
Authority: JP
Inventors: 徳昭小野
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: JP2003013729A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に係り、詳しくは、吸蔵型ＮＯx触媒の効率化を図る技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
バス、トラック等に搭載されるディーゼルエンジンから排出される排ガスには、ＨＣ、ＣＯ、パティキュレートマター（ＰＭと略す）の他、窒素酸化物たるＮＯxが含まれている。そこで、ディーゼルエンジンを搭載した車両においても、ＮＯx触媒を搭載することが考えられている。
【０００３】
ＮＯx触媒には、選択還元型ＮＯx触媒と吸蔵型ＮＯx触媒とが知られており、最近では、ディーゼルエンジンを搭載した車両においても、リーン雰囲気となる通常運転中にＮＯxを吸蔵し、その後一定期間排気通路内に未燃物を供給する等して触媒近傍にリッチ雰囲気を生成し、吸蔵されたＮＯxを還元剤たる未燃物で還元除去して触媒を再生（ＮＯxパージ）する構成の吸蔵型ＮＯx触媒が多用されつつある。
【０００４】
例えば、特開２０００−１８６５３１号公報等には、吸蔵型ＮＯx触媒にＮＯxを吸蔵させた後、燃焼式ヒータから排出される燃焼ガス中のＣＯ等を還元剤として使用して吸蔵型ＮＯx触媒を再生する構成の装置が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ディーゼルエンジンでは吸入空気量が多く、もともとＮＯxを生成し易い上に、バス、トラック等に搭載されるディーゼルエンジンは大型であることから、ＮＯxを十分に処理するためには大型の吸蔵型ＮＯx触媒が必要であり、このような大型の吸蔵型ＮＯx触媒を再生しようとした場合には、触媒雰囲気をリッチ雰囲気とするために大量の還元剤を必要とする。そして、このような大量の還元剤を一度に生成するためには、上記燃焼式ヒータは大量の還元剤を供給できるためにリッチスパイク等に比べて有効であるものの、やはり装置を大型せざるを得ず、コストアップ、車両の大型化に繋がり好ましいものではない。
【０００６】
また一方、吸蔵型ＮＯx触媒の再生時、吸蔵されていたＮＯxは一旦放出されてから還元反応することが確認されており、出願人の実験によれば、図４に示すように、吸蔵されていたＮＯxは再生開始直後の短時間に急激に放出され、その後再生が完了するまではそれほど多く放出されないという特性を示すことが確認されている。従って、吸蔵型ＮＯx触媒の再生時には、再生開始直後の短時間に多量の還元剤を供給することが要求される。しかしながら、上記燃焼式ヒータの場合には、着火に時間がかかるために応答性が悪く、吸蔵型ＮＯx触媒の再生開始とともに安定して還元剤を供給することが困難という問題がある。また、燃焼式ヒータを触媒再生前に予め作動させておくことはエネルギ効率の低下に繋がり好ましいことではない。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、装置の小型化を図りながら吸蔵型ＮＯx触媒を効率よく確実に再生可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に介装され、排ガスの流通する貫通孔が排気通路の軸線に沿い複数形成された吸蔵型ＮＯx触媒と、前記吸蔵型ＮＯx触媒を前記排気通路の軸線に平行な中心軸線回りに回転させる触媒回転手段と、前記吸蔵型ＮＯx触媒の導入領域である上流空間を前記吸蔵型ＮＯx触媒の中心軸線を中心として放射状に仕切り、第１導入領域及び第２導入領域を前記排気通路を流れる排ガスの主導入領域とは別に独立に形成する導入領域仕切手段と、還元剤を発生させる還元剤発生手段と、該還元剤発生手段により発生した還元剤を前記第１導入領域に導く第１通路と、前記第１通路から分岐して設けられ、前記還元剤発生手段により発生した還元剤に前記排気通路を流れる排ガスを混合させて前記第２導入領域に導く第２通路とを備え、前記導入領域仕切手段は、前記第１導入領域を前記第２導入領域よりも前記吸蔵型ＮＯx触媒の回転方向上流側に該第２導入領域に隣接して形成するとともに、前記第２導入領域を前記第１導入領域よりも広範囲とすることを特徴としている。
【０００９】
これにより、排気通路を流れる排ガスは、主導入領域（第１及び第２導入領域以外の導入領域）から吸蔵型ＮＯx触媒に導入されて貫通孔を通り、排ガス中のＮＯxが吸蔵型ＮＯx触媒に吸蔵されるが、吸蔵型ＮＯx触媒が回転して第１導入領域から還元剤発生手段によって生成された還元剤（ＣＯ等）が導入されると、吸蔵型ＮＯx触媒の再生が開始され、図４に示したように、吸蔵型ＮＯx触媒に吸蔵されていたＮＯxが急激に放出されるものの、還元剤によって良好に還元除去される。そして、吸蔵型ＮＯx触媒がさらに回転すると、第２導入領域から排ガスにより希釈された還元剤が吸蔵型ＮＯx触媒に導入され、第２導入領域の範囲は第１導入領域よりも広範囲であるので、この間に還元されずに残ったＮＯxが十分に還元除去される。なお、図４に示したように、ＮＯxが急激に放出された後はＮＯxの放出量は低下し、これに合わせて第２導入領域から吸蔵型ＮＯx触媒に導入される還元剤は希釈されているので、ＮＯxの放出量に対し還元剤が必要十分な適度な量とされ、余剰の還元剤が大気中に大量に排出されることも良好に抑制される。
【００１０】
即ち、当該請求項１の発明によれば、吸蔵型ＮＯx触媒を回転させ、ＮＯxの吸蔵直後には第１導入領域から還元剤を十分に供給し、その後は還元剤を希釈して第２導入領域から必要十分な量の還元剤を供給することになるので、部分的に見れば一定の周期で連続的に、全体として見れば常時ＮＯxの吸蔵と触媒再生とを同時に並行して実施し、つまり少しずつ小刻みにＮＯxの吸蔵と触媒再生とを繰り返すようにして吸蔵型ＮＯx触媒自体の小型化を図りながら、また、還元剤を常時連続して供給するものの一回の再生で放出されるＮＯx量は少なく、故に全体として還元剤の量を少なく抑えて還元剤発生手段の小型化をも図りながら、簡単な構成にして還元剤を無駄なく適切なタイミングで供給し、効率よく確実にＮＯxを還元除去して吸蔵型ＮＯx触媒の再生を図ることが可能とされる。
【００１１】
また、請求項２の発明では、前記導入領域仕切手段は、主導入領域、第１導入領域及び第２導入領域の分割比率が所定比率となるよう前記上流空間を前記吸蔵型ＮＯx触媒の中心軸線を中心として放射状に仕切り、第１導入領域及び第２導入領域を形成することを特徴としている。
従って、主導入領域、第１導入領域及び第２導入領域が予め設定された分割比率、例えば主導入領域、第１導入領域及び第２導入領域の各領域に許容され或いは要求される時間比率に基づいて形成され、吸蔵型ＮＯx触媒の回転速度を最適に調整するようにすれば、効率よく確実にＮＯxを還元除去して吸蔵型ＮＯx触媒の再生を図ることが可能とされる。
【００１２】
また、請求項３の発明では、前記還元剤発生手段は、内燃機関の吸気通路から燃焼用空気を導入して燃料と混合し、該混合気を燃焼して還元剤を含んだ燃焼ガスを発生させる燃焼式ヒータであることを特徴としている。
従って、燃焼式ヒータを利用することで、容易にして必要十分な量の還元剤を吸蔵型ＮＯx触媒に供給可能とされる。
【００１３】
また、請求項４の発明では、前記第２通路は、前記還元剤発生手段により発生した還元剤と前記排気通路を流れる排ガスとの混合比を変更する混合比変更手段を有し、前記第２導入領域に導入される混合気の空燃比は、前記混合比変更手段により理論空燃比近傍に制御されることを特徴としている。
従って、第２導入領域から吸蔵型ＮＯx触媒に導入される還元剤は排ガスによって希釈されるが、当該混合気の空燃比をＮＯxを還元できる最低限の理論空燃比近傍値とすることにより、還元剤は略完全に還元反応に寄与することになり、大気中に排出される還元剤の量が最小限に抑えられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、排気浄化装置が装備されたエンジン１の構成を概略的に示している。エンジン１は例えばディーゼルエンジンからなり、このエンジン１は直列４気筒型のシリンダレイアウトを有している。エンジン１の吸気系にはターボチャージャ２が装備されており、ここで過給された吸気はインタークーラ４を介して吸気マニホールド６に流れ込む。
【００１５】
エンジン１の燃料供給系は例えばコモンレールシステムからなり、このシステムにはコモンレール８および気筒毎のインジェクタ１０が含まれている。なお、コモンレールシステムは公知であり、該コモンレールシステムの構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
エンジン１の各気筒の排気ポートは、排気マニホールド１６を介して１つに集合した排気管１８に接続されている。そして、排気マニホールド１６にはＥＧＲ通路１３が接続されており、排ガスの一部はＥＧＲ通路１３を通じて吸気系に還流される。ＥＧＲ通路１３にはＥＧＲクーラ１５が介挿されており、またＥＧＲ通路１３にはＥＧＲバルブ１７が介装されている。
【００１６】
排気管１８には触媒ユニット２０が接続されており、この触媒ユニット２０はケーシング２２の内部にＮＯｘ吸蔵型の触媒（吸蔵型ＮＯx触媒）２４が収容されて構成されている。触媒２４はシリンダ状に成型された担体からなり、その内部には多数の排ガス流通路（貫通孔）が形成されている。排ガス流通路は触媒２４の両端にて開口し、その導入口から出口までの間で軸線方向に排ガスを流通させることができる。触媒２４は担体に触媒層を担持しており、個々の排ガス流通路の内面に当該触媒層が露出して形成されている。担体としては、例えば正方形セルや正六角形セルからなるモノリス担体が使用される。
【００１７】
触媒２４は、排気通路の軸線に平行な中心軸線回りで回転自在にケーシング２２に支持されており、触媒２４の外面とケーシング２２の内面との間は気密にシールされている。触媒２４の外周にはリングギヤ３０が設けられており、このリングギヤ３０にはドライブピニオン３２が噛み合わされている。ドライブピニオン３２は、例えば触媒２４とともにケーシング２２に収容され、ケーシング２２に回転自在に支持されている。
【００１８】
そして、触媒ユニット２０に隣接して駆動モータ（触媒回転手段）３４が配設されており、この駆動モータ３４の出力軸はドライブピニオン３２に結合されている。駆動モータ３４は、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）５０から作動信号の供給を受けて作動し、ドライブピニオン３２を回転させる。これにより、触媒２４がケーシング２２内にて中心軸線周りに一定回転速度Ｎcで回転する。
【００１９】
図２を参照すると、図１のＡ−Ａ線に沿う触媒ユニット２０の断面図が示されている。このように、ケーシング２２内の触媒２４の上流空間は、触媒２４の中心軸線から放射状に延びる仕切壁２５によって区画されており、当該上流空間には、排気管１８を流れる排ガスを触媒２４に導く排ガス導入室（主導入領域）２６とともに、扇状のリッチガス導入室（第１導入領域）２７及びストイキオガス導入室（第２導入領域）２８がそれぞれ排ガス導入室２６とは独立に形成されている（導入領域仕切手段）。
【００２０】
詳しくは、リッチガス導入室２７がストイキオガス導入室２８よりも触媒２４の回転方向上流側に当該ストイキオガス導入室２８に隣接して形成されており、ストイキオガス導入室２８の範囲はリッチガス導入室２７よりも広範囲に設定されている。
なお、図１に示すように、触媒２４の下流空間についても同様に仕切壁２５によって区画されており、これにより排ガス導入室２６からリッチガス導入室２７及びストイキオガス導入室２８への排ガスの逆流が防止される。
【００２１】
さらに、燃焼式ヒータ（還元剤発生手段）４０が設けられており、当該燃焼式ヒータ４０は、吸気マニホールド６から吸気管４１を経て導入される空気をファン４３により圧送し燃料を燃焼させて熱を発生させるものである。従って、本来、燃焼式ヒータ４０は、例えば室内暖房用等に使用されるものである。しかしながら、ここでは、当該燃焼式ヒータ４０から排出される燃焼ガスを有効に利用するようにしている。
【００２２】
詳しくは、図１に示すように、燃焼式ヒータ４０からは燃焼ガス通路４２が延びており、該燃焼ガス通路４２は、下流において第１通路４２ａと第２通路４２ｂに分岐している。そして、第１通路４２ａは触媒ユニット２０の上記リッチガス導入室（第１導入領域）２７に接続されており、第２通路４２ｂは上記ストイキオガス導入室（第２導入領域）２８に接続されている。つまり、リッチガス導入室２７及びストイキオガス導入室２８には、燃焼式ヒータ４０からのＣＯ等の還元剤を多く含むリッチ空燃比の燃焼ガスが供給される。
【００２３】
また、第２通路４２ｂには、排気管１８から分岐して延びる管路４４が接続されており、該管路４４には電磁式の開閉弁（混合比変更手段）４６が介装されている。開閉弁４６はＥＣＵ５０に接続されており、ＥＣＵ５０から作動信号の供給を受けて開度が調節される。また、第２通路４２ｂにはＯ₂センサ４８が設けられている。つまり、第２通路４２ｂを経てストイキオガス導入室２８に供給されるリッチ空燃比の燃焼ガスが排ガスの混合によって希釈されるが、この際、Ｏ₂センサ４８からの実空燃比情報に基づいて開閉弁４６の開度、即ち管路４４を流れる排ガス流量が調節され、ストイキオガス導入室２８に供給される混合気がフィードバック制御される。これにより、ストイキオガス導入室２８から触媒２４に流入する混合気がストイキオに保持される。
【００２４】
以下、このように構成された本発明に係る排気浄化装置の作用について説明する。
エンジン１から排出された排ガスは、排気管１８から排ガス導入室２６を経て触媒２４に達する。つまり、排ガスは、図２に示した排ガス導入室２６の範囲内で触媒２４を通過する。そして、ディーゼルエンジンの場合、エンジン１から排出される排ガスは、通常はリーン空燃比であってＮＯxを多く含んでいるため、当該排ガス導入室２６の範囲内では触媒２４はリーン雰囲気とされ、排ガス中のＮＯxは、当該図２に示した排ガス導入室２６の範囲内において触媒２４に吸蔵される。
【００２５】
そして、触媒２４は駆動モータ３４によって一定回転速度Ｎcで一定方向（図２に矢印で示す方向）に回転するのであるから、ＮＯxを吸蔵した触媒２４の部分は、次にリッチガス導入室２７からのＣＯ等を含むリッチ空燃比の燃焼ガスの供給を受け、リッチ雰囲気とされる。このように、リッチ空燃比の燃焼ガスの供給を受けて触媒２４が還元雰囲気とされると、触媒２４の再生（ＮＯxパージ）が開始され、吸蔵されていたＮＯxが放出されるとともに還元処理される。
【００２６】
つまり、図４に基づき上述したように、触媒２４の再生開始直後にはＮＯxが急激に大量に放出されるのであるが、このようにＮＯxが大量に放出されても、リッチガス導入室２７から導入される燃焼ガスは、リッチ空燃比であり、還元剤であるＣＯ等を多量に含んでおり、ＮＯxは良好に還元処理される。また、触媒２４は一定回転速度Ｎcのもと一定周期Ｔcで回転し、ＮＯxの吸蔵と還元とを周期的に繰り返すことになるので、排ガス導入室２６の範囲において吸蔵されるＮＯxの量はそれほど多くはなく、ＮＯxはＣＯ等の還元剤の量が比較的少ない燃焼ガスによって十分に還元処理可能である。即ち、燃焼式ヒータ４０を小型化し燃料消費量を少なく抑えても十分に還元処理可能である。
【００２７】
触媒２４がさらに回転すると、リッチガス導入室２７からリッチ空燃比の燃焼ガスの供給を受けた触媒２４の部分は、引き続き、ストイキオガス導入室２８からのストイキオ近傍の混合気の供給を受け、暫時ストイキオ雰囲気とされる。
つまり、図４に基づき上述したように、触媒２４の再生開始直後にＮＯxが急激に大量に放出された後においては、触媒２４の再生が完了するまでの間、ＮＯxの放出量はそれほど多くなく、故に、この期間は触媒２４に供給する還元剤たるＣＯ等の量を必要十分な量に抑えるようにする。これにより、触媒２４に吸蔵されたＮＯxが引き続き良好に放出されて還元され続け、一方、供給される殆どのＣＯ等が還元反応に寄与することになるため、大気中に排出される余剰ＣＯ等が最小限に抑えられる。
【００２８】
このようにして触媒２４が回転して一巡し、触媒２４の再生が完了することになる。そして、触媒２４は再び排ガス導入室２６の範囲内においてエンジン１からの排ガスの供給を受けてＮＯxを吸蔵し、ＮＯxの吸蔵と還元とを一定周期Ｔcで繰り返すことになる。
ところで、図３を参照すると、上記図４のＮＯxの放出特性に対応して実験により求められた触媒２４におけるリーン雰囲気時間とリッチ雰囲気時間とストイキオ雰囲気時間との時間比率が示されている。これによれば、リーン雰囲気時間が例えば３０sec、リッチ雰囲気時間が例えば２sec、ストイキオ雰囲気時間が例えば７．５secであるのが理想的な再生パターンであるといえる。
【００２９】
そこで、ここでは、触媒２４の各排ガス流通路が排ガス導入室２６の範囲内にある時間、リッチガス導入室２７の範囲内にある時間、ストイキオガス導入室２８にある時間がそれぞれ３０sec、２sec、７．５sec（３０：２：７．５）となるように、これら排ガス導入室２６、リッチガス導入室２７、ストイキオガス導入室２８の範囲を設定している。
【００３０】
つまり、排ガス導入室２６、リッチガス導入室２７、ストイキオガス導入室２８は、図２に示すように、排ガス導入室２６の中心角ａ、リッチガス導入室２７の中心角ｂ、ストイキオガス導入室２８の中心角ｃがそれぞれ３０：２：７．５の分割比率（所定比率）となるように形成されている。即ち、排ガス導入室２６の中心角ａは例えば２７４°に、リッチガス導入室２７の中心角ｂは例えば１８°に、ストイキオガス導入室２８の中心角ｃは例えば６８°に設定されている。
【００３１】
そして、触媒２４の回転速度Ｎcは、触媒２４の周期Ｔcが例えば３０＋２＋７．５＝３９．５secとなるように設定されている。なお、周期Ｔcが当該３９．５sec未満であれば、触媒２４の各排ガス流通路が排ガス導入室２６の範囲内にある時間が理想時間３０sec未満に抑えられるので、即ちＮＯxの吸蔵量が許容範囲内に抑えられるので、周期Ｔcは３９．５secより短い時間であってもよい。もっとも、周期Ｔcは触媒２４の容量に応じて変化するものであり、触媒２４の容量が小さいほど周期Ｔcを小さくする必要がある。
【００３２】
これにより、ＣＯ等の還元剤が無駄なく適切なタイミングで触媒２４に供給可能とされ、ＮＯxを吸蔵した触媒２４を効率よく再生することができる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では還元剤発生手段として燃焼式ヒータ４０を使用するようにしたが、還元剤を十分に発生できるものであれば、還元剤発生手段はバーナ等であってもよいし、単にＣＯ等を供給するようなものであってもよい。
【００３３】
また、上記実施形態では燃焼式ヒータ４０への吸気を吸気管４１を介してエンジン１の吸気系から行うようにしたが、大気から直接に吸気を行うようにしてもよい。このようにすれば、エンジン１の運転状態の変化（ブースト圧の変化）に関係せず燃料を一定にして燃焼式ヒータ４０により還元剤を発生させることができ、燃焼式ヒータ４０の制御が容易となる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、吸蔵型ＮＯx触媒を回転させ、ＮＯxの吸蔵直後には第１導入領域から還元剤を十分に供給し、その後は還元剤を希釈して第２導入領域から必要十分な量の還元剤を供給するので、部分的に見れば一定の周期で連続的に、全体として見れば常時ＮＯxの吸蔵と触媒再生とを同時に並行して実施し、つまり少しずつ小刻みにＮＯxの吸蔵と触媒再生とを繰り返すようにして吸蔵型ＮＯx触媒自体の小型化を図りながら、また、還元剤を常時連続して供給するものの一回の再生で放出されるＮＯx量は少なく、故に全体として還元剤の量を少なく抑えて還元剤発生手段の小型化をも図りながら、簡単な構成にして還元剤を無駄なく適切なタイミングで供給でき、効率よく確実にＮＯxを還元除去して吸蔵型ＮＯx触媒の再生を図ることができる。
【００３５】
また、請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、主導入領域、第１導入領域及び第２導入領域を予め設定された分割比率、例えば主導入領域、第１導入領域及び第２導入領域の各領域に許容され或いは要求される時間比率に基づいて形成するので、吸蔵型ＮＯx触媒の回転速度を最適に調整することにより、効率よく確実にＮＯxを還元除去して吸蔵型ＮＯx触媒の再生を図ることができる。
【００３６】
また、請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、燃焼式ヒータを利用することで、容易にして必要十分な量の還元剤を吸蔵型ＮＯx触媒に供給するようにできる。
また、請求項４の内燃機関の排気浄化装置によれば、第２導入領域から吸蔵型ＮＯx触媒に導入される還元剤を排ガスによって希釈する際、当該混合気の空燃比をＮＯxを還元できる最低限の理論空燃比近傍値とすることにより、還元剤を略完全に還元反応に寄与させ、大気中に排出される還元剤の量を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う触媒ユニットの断面図である。
【図３】リーン雰囲気時間とリッチ雰囲気時間とストイキオ雰囲気時間との時間比率を示す実験結果である。
【図４】吸蔵型ＮＯx触媒の再生時におけるＮＯxの放出特性を示す図である。
【符号の説明】
１エンジン（ディーゼルエンジン）
１８排気管
２０触媒ユニット
２４触媒（吸蔵型ＮＯx触媒）
２５仕切壁
２６排ガス導入室（主導入領域）
２７リッチガス導入室（第１導入領域）
２８ストイキオガス導入室（第２導入領域）
３０リングギヤ
３２ドライブピニオン
３４駆動モータ（触媒回転手段）
４０燃焼式ヒータ（還元剤発生手段）
４２燃焼ガス通路
４２ａ第１通路
４２ｂ第２通路
４４管路
４６開閉弁（混合比変更手段）
４８Ｏ₂センサ
５０電子コントロールユニット（ＥＣＵ）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, and more particularly to a technique for improving the efficiency of an occlusion type NOx catalyst.
[0002]
[Related background]
In addition to HC, CO, and particulate matter (abbreviated as PM), NOx, which is nitrogen oxide, is included in exhaust gas discharged from diesel engines mounted on buses, trucks, and the like. Therefore, it is considered to install a NOx catalyst even in a vehicle equipped with a diesel engine.
[0003]
As the NOx catalyst, a selective reduction type NOx catalyst and an occlusion type NOx catalyst are known. Recently, even in a vehicle equipped with a diesel engine, NOx is occluded during normal operation in a lean atmosphere, and thereafter for a certain period of time. An occlusion type that generates a rich atmosphere near the catalyst by supplying unburned substances into the exhaust passage, etc., and regenerates the catalyst by reducing and removing the occluded NOx with unburned substances as a reducing agent (NOx purge). NOx catalysts are being used frequently.
[0004]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-186531, etc. discloses a storage NOx catalyst using CO or the like in a combustion gas discharged from a combustion heater as a reducing agent after storing NOx in a storage NOx catalyst. An apparatus configured to reproduce is disclosed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, a diesel engine has a large amount of intake air and is easy to generate NOx from the beginning, and since a diesel engine mounted on a bus, truck, etc. is large, a large occlusion type is required to sufficiently process NOx. A NOx catalyst is required, and when trying to regenerate such a large storage-type NOx catalyst, a large amount of reducing agent is required to make the catalyst atmosphere rich. And, in order to produce such a large amount of reducing agent at a time, the combustion type heater can supply a large amount of reducing agent and is therefore effective compared to a rich spike or the like. It is not preferable because it leads to cost increase and vehicle enlargement.
[0006]
On the other hand, when the storage type NOx catalyst is regenerated, it has been confirmed that the stored NOx is once released and then undergoes a reduction reaction. According to the experiment conducted by the applicant, the stored NOx catalyst is stored as shown in FIG. In addition, it has been confirmed that NOx is rapidly released in a short time immediately after the start of regeneration and does not release so much until the regeneration is completed. Therefore, when the storage NOx catalyst is regenerated, it is required to supply a large amount of reducing agent in a short time immediately after the start of regeneration. However, in the case of the combustion type heater, since it takes time to ignite, the responsiveness is poor, and there is a problem that it is difficult to stably supply the reducing agent with the start of regeneration of the storage-type NOx catalyst. In addition, it is not preferable to operate the combustion heater in advance before the catalyst regeneration, which leads to a decrease in energy efficiency.
[0007]
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine that can efficiently and reliably regenerate the storage NOx catalyst while reducing the size of the device. Is to provide.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, in the invention of claim 1, an occlusion-type NOx catalyst interposed in an exhaust passage of an internal combustion engine and having a plurality of through holes through which exhaust gas flows is formed along the axis of the exhaust passage, Catalyst rotation means for rotating the NOx storage catalyst about a central axis parallel to the axis of the exhaust passage, and an upstream space, which is an introduction region of the NOx storage catalyst, radially about the central axis of the NOx storage catalyst A partition, a first introduction region and a second introduction region formed independently of the main introduction region of the exhaust gas flowing through the exhaust passage; a reducing agent generating means for generating a reducing agent; and the reducing agent generation A first passage for leading the reducing agent generated by the means to the first introduction region, and an exhaust gas flowing through the exhaust passage mixed with the reducing agent generated by the reducing agent generation means. A second passage that leads to the second introduction region, and the introduction region partitioning means has the first introduction region upstream of the second introduction region in the rotational direction of the occlusion-type NOx catalyst. 2 adjacent to the introduction region, and the second introduction region is wider than the first introduction region.
[0009]
As a result, the exhaust gas flowing through the exhaust passage is introduced from the main introduction region (introduction region other than the first and second introduction regions) into the storage-type NOx catalyst and passes through the through-holes, and the NOx in the exhaust gas becomes the storage-type NOx catalyst. Although the occlusion type NOx catalyst is rotated and the reducing agent (CO or the like) generated by the reducing agent generating means is introduced from the first introduction region, regeneration of the occlusion type NOx catalyst is started. As shown in the above, although NOx stored in the storage-type NOx catalyst is rapidly released, it is reduced and removed well by the reducing agent. When the storage type NOx catalyst further rotates, the reducing agent diluted with the exhaust gas from the second introduction region is introduced into the storage type NOx catalyst, and the range of the second introduction region is wider than that of the first introduction region. During this time, NOx remaining without being reduced is sufficiently reduced and removed. As shown in FIG. 4, after the NOx is suddenly released, the amount of NOx released decreases, and the reducing agent introduced from the second introduction region into the storage NOx catalyst is diluted accordingly. Therefore, the amount of the reducing agent is set to an appropriate amount that is necessary and sufficient with respect to the amount of NOx released, and a large amount of excess reducing agent is discharged into the atmosphere.
[0010]
That is, according to the first aspect of the present invention, the NOx storage catalyst is rotated, and immediately after NOx is stored, the reducing agent is sufficiently supplied from the first introduction region, and thereafter the reducing agent is diluted and second introduced. Since a necessary and sufficient amount of reducing agent will be supplied from the region, NOx occlusion and catalyst regeneration are performed simultaneously in parallel continuously at a constant cycle when viewed partially, as a whole, In other words, NOx occlusion and catalyst regeneration are repeated little by little to reduce the size of the occlusion-type NOx catalyst itself, and the NOx released by one regeneration is always supplied continuously with a reducing agent. The amount of the reducing agent is small, and as a whole the amount of reducing agent is reduced to reduce the size of the reducing agent generating means. Reduced and removed NO x It is possible to regenerate the catalyst.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, the introduction region partitioning means is configured such that the upstream space passes through the central axis of the storage-type NOx catalyst so that the division ratio of the main introduction region, the first introduction region, and the second introduction region is a predetermined ratio. The first introduction region and the second introduction region are formed by partitioning radially around the center.
Therefore, the main introduction area, the first introduction area, and the second introduction area are set to a predetermined division ratio, for example, a time ratio allowed or required for each of the main introduction area, the first introduction area, and the second introduction area. If the rotational speed of the storage-type NOx catalyst is optimally adjusted based on this, the storage-type NOx catalyst can be regenerated by reducing and removing NOx efficiently and reliably.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, the reducing agent generating means introduces combustion air from an intake passage of an internal combustion engine, mixes it with fuel, and burns the mixture to generate a combustion gas containing a reducing agent. It is characterized by being a combustion type heater.
Therefore, by using the combustion heater, it is possible to easily supply a necessary and sufficient amount of the reducing agent to the storage type NOx catalyst.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, the second passage includes mixing ratio changing means for changing a mixing ratio of the reducing agent generated by the reducing agent generating means and the exhaust gas flowing through the exhaust passage, and the second passage. The air-fuel ratio of the air-fuel mixture introduced into the introduction region is controlled near the stoichiometric air-fuel ratio by the mixture ratio changing means.
Therefore, the reducing agent introduced into the NOx storage catalyst from the second introduction region is diluted by the exhaust gas, but the reduction is achieved by setting the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to a value near the theoretical air-fuel ratio that can reduce NOx. The agent will contribute almost completely to the reduction reaction, and the amount of reducing agent discharged into the atmosphere is minimized.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 schematically shows the configuration of an engine 1 equipped with an exhaust purification device. The engine 1 is composed of, for example, a diesel engine, and the engine 1 has an in-line 4-cylinder type cylinder layout. The intake system of the engine 1 is equipped with a turbocharger 2, and the supercharged intake air flows into the intake manifold 6 via the intercooler 4.
[0015]
The fuel supply system of the engine 1 is composed of, for example, a common rail system, and this system includes a common rail 8 and an injector 10 for each cylinder. The common rail system is well known, and detailed description of the configuration of the common rail system is omitted here.
The exhaust ports of the cylinders of the engine 1 are connected to an exhaust pipe 18 gathered together via an exhaust manifold 16. An EGR passage 13 is connected to the exhaust manifold 16, and a part of the exhaust gas is returned to the intake system through the EGR passage 13. An EGR cooler 15 is interposed in the EGR passage 13, and an EGR valve 17 is interposed in the EGR passage 13.
[0016]
A catalyst unit 20 is connected to the exhaust pipe 18, and the catalyst unit 20 is configured such that a NOx occlusion type catalyst (occlusion type NOx catalyst) 24 is accommodated inside a casing 22. The catalyst 24 is formed of a carrier molded in a cylinder shape, and a large number of exhaust gas flow passages (through holes) are formed therein. The exhaust gas flow passage is opened at both ends of the catalyst 24, and the exhaust gas can be circulated in the axial direction from the inlet to the outlet. The catalyst 24 carries a catalyst layer on a carrier, and the catalyst layer is exposed on the inner surface of each exhaust gas flow passage. As the carrier, for example, a monolith carrier composed of square cells or regular hexagonal cells is used.
[0017]
The catalyst 24 is supported by the casing 22 so as to be rotatable about a central axis parallel to the axis of the exhaust passage, and the outer surface of the catalyst 24 and the inner surface of the casing 22 are hermetically sealed. A ring gear 30 is provided on the outer periphery of the catalyst 24, and a drive pinion 32 is engaged with the ring gear 30. The drive pinion 32 is accommodated in the casing 22 together with the catalyst 24, for example, and is rotatably supported by the casing 22.
[0018]
A drive motor (catalyst rotating means) 34 is disposed adjacent to the catalyst unit 20, and an output shaft of the drive motor 34 is coupled to the drive pinion 32. The drive motor 34 operates by receiving an operation signal from an electronic control unit (ECU) 50 and rotates the drive pinion 32. As a result, the catalyst 24 rotates around the central axis within the casing 22 at a constant rotational speed Nc.
[0019]
Referring to FIG. 2, a cross-sectional view of the catalyst unit 20 along the line AA in FIG. 1 is shown. Thus, the upstream space of the catalyst 24 in the casing 22 is partitioned by the partition wall 25 extending radially from the central axis of the catalyst 24, and the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 18 is guided to the catalyst 24 in the upstream space. Along with the exhaust gas introduction chamber (main introduction region) 26, a fan-shaped rich gas introduction chamber (first introduction region) 27 and a stoichiometric gas introduction chamber (second introduction region) 28 are formed independently of the exhaust gas introduction chamber 26 (introduction). Area partitioning means).
[0020]
Specifically, the rich gas introduction chamber 27 is formed adjacent to the stoichiometric gas introduction chamber 28 on the upstream side of the stoichiometric gas introduction chamber 28 in the rotational direction of the catalyst 24, and the range of the stoichiometric gas introduction chamber 28 is wider than the rich gas introduction chamber 27. Is set to
As shown in FIG. 1, the downstream space of the catalyst 24 is similarly partitioned by a partition wall 25, thereby preventing the backflow of exhaust gas from the exhaust gas introduction chamber 26 to the rich gas introduction chamber 27 and the stoichiometric gas introduction chamber 28. Is done.
[0021]
Further, a combustion type heater (reducing agent generating means) 40 is provided, and the combustion type heater 40 heats the air introduced from the intake manifold 6 through the intake pipe 41 by pressure by the fan 43 to burn the fuel. Is generated. Therefore, the combustion heater 40 is originally used for indoor heating, for example. However, the combustion gas discharged from the combustion heater 40 is effectively used here.
[0022]
Specifically, as shown in FIG. 1, a combustion gas passage 42 extends from the combustion heater 40, and the combustion gas passage 42 is branched downstream into a first passage 42a and a second passage 42b. The first passage 42 a is connected to the rich gas introduction chamber (first introduction region) 27 of the catalyst unit 20, and the second passage 42 b is connected to the stoichiometric gas introduction chamber (second introduction region) 28. In other words, the rich gas introduction chamber 27 and the stoichiometric gas introduction chamber 28 are supplied with a rich air-fuel ratio combustion gas containing a large amount of a reducing agent such as CO from the combustion heater 40.
[0023]
The second passage 42b is connected to a pipe 44 extending from the exhaust pipe 18, and an electromagnetic on-off valve (mixing ratio changing means) 46 is interposed in the pipe 44. . The on-off valve 46 is connected to the ECU 50, and the opening degree is adjusted by receiving an operation signal from the ECU 50. An O ₂ sensor 48 is provided in the second passage 42b. That is, the rich air-fuel ratio combustion gas supplied to the stoichiometric gas introduction chamber 28 through the second passage 42b is diluted by the mixture of exhaust gas. At this time, the on-off valve is based on the actual air-fuel ratio information from the O ₂ sensor 48. The opening of 46, that is, the exhaust gas flow rate flowing through the pipe 44 is adjusted, and the air-fuel mixture supplied to the stoichiometric gas introduction chamber 28 is feedback-controlled. Thereby, the air-fuel mixture flowing into the catalyst 24 from the stoichiometric gas introduction chamber 28 is held in the stoichiometric.
[0024]
Hereinafter, the operation of the exhaust emission control apparatus according to the present invention configured as described above will be described.
The exhaust gas discharged from the engine 1 reaches the catalyst 24 from the exhaust pipe 18 through the exhaust gas introduction chamber 26. That is, the exhaust gas passes through the catalyst 24 within the range of the exhaust gas introduction chamber 26 shown in FIG. In the case of a diesel engine, the exhaust gas discharged from the engine 1 usually has a lean air-fuel ratio and contains a large amount of NOx. Therefore, the catalyst 24 has a lean atmosphere within the exhaust gas introduction chamber 26, and the exhaust gas is exhausted. The NOx therein is occluded by the catalyst 24 within the range of the exhaust gas introduction chamber 26 shown in FIG.
[0025]
The catalyst 24 is rotated by the drive motor 34 at a constant rotational speed Nc in a constant direction (the direction indicated by the arrow in FIG. 2), so that the portion of the catalyst 24 that has occluded NOx is next from the rich gas introduction chamber 27. A rich air-fuel ratio combustion gas containing CO or the like is supplied to create a rich atmosphere. Thus, when the catalyst 24 is brought into a reducing atmosphere upon receiving the rich air-fuel ratio combustion gas, regeneration of the catalyst 24 (NOx purge) is started, and the stored NOx is released and reduced. The
[0026]
That is, as described above with reference to FIG. 4, a large amount of NOx is suddenly released immediately after the regeneration of the catalyst 24 is started. Even if a large amount of NOx is released in this way, it is introduced from the rich gas introduction chamber 27. The combustion gas to be produced has a rich air-fuel ratio, contains a large amount of CO or the like as a reducing agent, and NOx is reduced well. Further, since the catalyst 24 rotates at a constant cycle Tc at a constant rotational speed Nc, and NOx occlusion and reduction are repeated periodically, the amount of NOx occluded in the range of the exhaust gas introduction chamber 26 is not so much. There is not much, and NOx can be sufficiently reduced by combustion gas with a relatively small amount of reducing agent such as CO. That is, even if the combustion heater 40 is downsized and the fuel consumption is reduced, the reduction process can be sufficiently performed.
[0027]
When the catalyst 24 further rotates, the portion of the catalyst 24 that has been supplied with the rich air-fuel ratio combustion gas from the rich gas introduction chamber 27 continues to be supplied with the air-fuel mixture in the vicinity of the stoichiometric gas from the stoichiometric gas introduction chamber 28, and for a while, the stoichiometric atmosphere. It is said.
That is, as described above with reference to FIG. 4, after a large amount of NOx is released immediately after the start of regeneration of the catalyst 24, the amount of NOx released is not so much until the regeneration of the catalyst 24 is completed. Therefore, during this period, the amount of CO or the like as a reducing agent supplied to the catalyst 24 is suppressed to a necessary and sufficient amount. As a result, NOx occluded in the catalyst 24 continues to be released satisfactorily and continues to be reduced. On the other hand, most of the supplied CO, etc. contributes to the reduction reaction, so that excess CO, etc. discharged into the atmosphere Is minimized.
[0028]
In this way, the catalyst 24 rotates and makes a round, and the regeneration of the catalyst 24 is completed. The catalyst 24 again receives the exhaust gas supplied from the engine 1 within the range of the exhaust gas introduction chamber 26, occludes NOx, and repeats the occlusion and reduction of NOx at a constant cycle Tc.
Referring to FIG. 3, the time ratio of the lean atmosphere time, rich atmosphere time, and stoichiometric atmosphere time in the catalyst 24 obtained by experiments corresponding to the NOx release characteristics of FIG. 4 is shown. According to this, it can be said that the ideal reproduction pattern is that the lean atmosphere time is 30 seconds, the rich atmosphere time is 2 seconds, and the stoichiometric atmosphere time is 7.5 seconds, for example.
[0029]
Therefore, here, the time during which each exhaust gas flow passage of the catalyst 24 is within the range of the exhaust gas introduction chamber 26, the time within the range of the rich gas introduction chamber 27, and the time within the stoichiometric gas introduction chamber 28 are 30 seconds, 2 seconds, and 7. The ranges of the exhaust gas introduction chamber 26, the rich gas introduction chamber 27, and the stoichiometric gas introduction chamber 28 are set so as to be 5 sec (30: 2: 7.5).
[0030]
That is, the exhaust gas introduction chamber 26, the rich gas introduction chamber 27, and the stoichiometric gas introduction chamber 28 are, as shown in FIG. 2, the central angle a of the exhaust gas introduction chamber 26, the central angle b of the rich gas introduction chamber 27, and the central angle of the stoichiometric gas introduction chamber 28. Each of c is formed to have a division ratio (predetermined ratio) of 30: 2: 7.5. That is, the central angle a of the exhaust gas introducing chamber 26 is set to 274 °, the central angle b of the rich gas introducing chamber 27 is set to 18 °, for example, and the central angle c of the stoichiometric gas introducing chamber 28 is set to 68 °, for example.
[0031]
The rotational speed Nc of the catalyst 24 is set so that the cycle Tc of the catalyst 24 is, for example, 30 + 2 + 7.5 = 39.5 sec. If the cycle Tc is less than 39.5 seconds, the time during which each exhaust gas flow passage of the catalyst 24 is within the range of the exhaust gas introduction chamber 26 can be suppressed to less than the ideal time 30 seconds, that is, the NOx occlusion amount is in an allowable range. Therefore, the period Tc may be shorter than 39.5 seconds. However, the cycle Tc changes according to the capacity of the catalyst 24, and it is necessary to decrease the cycle Tc as the capacity of the catalyst 24 decreases.
[0032]
Thereby, a reducing agent such as CO can be supplied to the catalyst 24 at an appropriate timing without waste, and the catalyst 24 storing NOx can be efficiently regenerated.
Although the description of the embodiment has been completed above, the present invention is not limited to the above embodiment.
For example, in the above embodiment, the combustion heater 40 is used as the reducing agent generating means. However, the reducing agent generating means may be a burner or the like as long as it can sufficiently generate the reducing agent. It may be one that supplies CO or the like.
[0033]
In the above embodiment, intake to the combustion heater 40 is performed from the intake system of the engine 1 via the intake pipe 41. However, intake may be performed directly from the atmosphere. In this way, the reducing agent can be generated by the combustion heater 40 with the fuel kept constant regardless of the change in the operating state of the engine 1 (change in boost pressure), and the control of the combustion heater 40 is easy. It becomes.
[0034]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine of claim 1 of the present invention, the occlusion-type NOx catalyst is rotated, and the reducing agent is sufficiently supplied from the first introduction region immediately after occlusion of NOx. After that, the reducing agent is diluted and a necessary and sufficient amount of reducing agent is supplied from the second introduction region. Therefore, the NOx occlusion and the catalyst are always continuously observed in a certain cycle when viewed partially and as a whole. Regeneration is performed simultaneously in parallel, that is, NOx occlusion and catalyst regeneration are repeated little by little to reduce the size of the occlusion-type NOx catalyst itself, and the reducing agent is continuously supplied continuously. The amount of NOx released in a single regeneration is small, so the overall amount of reducing agent is kept small and the reducing agent generating means is reduced in size, while the simple configuration makes it possible to use the reducing agent without waste. Can be supplied at high efficiency It is possible to reproduce the occlusion-type NOx catalyst was indeed reduce and remove NOx.
[0035]
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 2, the main introduction region, the first introduction region, and the second introduction region are divided into preset division ratios, for example, the main introduction region, the first introduction region, and the second introduction region. Since it is formed based on the time ratio allowed or required for each region of the region, NOx is reduced and removed efficiently and reliably by adjusting the rotational speed of the storage NOx catalyst optimally. Playback can be achieved.
[0036]
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the third aspect of the present invention, a necessary and sufficient amount of reducing agent can be easily supplied to the occlusion-type NOx catalyst by using a combustion heater.
According to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 4, when the reducing agent introduced into the storage NOx catalyst from the second introduction region is diluted with exhaust gas, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture can be reduced to the minimum that can reduce NOx. By setting the value close to the theoretical air fuel ratio, the reducing agent can contribute to the reduction reaction almost completely, and the amount of the reducing agent discharged into the atmosphere can be minimized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust emission control device for an internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the catalyst unit taken along the line AA in FIG.
FIG. 3 is an experimental result showing a time ratio among a lean atmosphere time, a rich atmosphere time, and a stoichiometric atmosphere time.
FIG. 4 is a graph showing NOx release characteristics during regeneration of the storage-type NOx catalyst.
[Explanation of symbols]
1 engine (diesel engine)
18 Exhaust pipe 20 Catalyst unit 24 Catalyst (Occlusion type NOx catalyst)
25 Partition wall 26 Exhaust gas introduction chamber (main introduction area)
27 Rich gas introduction chamber (first introduction area)
28 Stoichio gas introduction room (second introduction area)
30 Ring gear 32 Drive pinion 34 Drive motor (catalyst rotating means)
40 Combustion heater (reducing agent generating means)
42 Combustion gas passage 42a First passage 42b Second passage 44 Pipe 46 On-off valve (mixing ratio changing means)
48 O ₂ sensor 50 Electronic control unit (ECU)

Claims

An occlusion-type NOx catalyst interposed in the exhaust passage of the internal combustion engine and having a plurality of through-holes through which exhaust gas flows along the axis of the exhaust passage;
Catalyst rotation means for rotating the storage-type NOx catalyst around a central axis parallel to the axis of the exhaust passage;
The upstream space, which is the introduction region of the storage NOx catalyst, is radially partitioned around the central axis of the storage NOx catalyst, and the first introduction region and the second introduction region are the main introduction region of the exhaust gas flowing through the exhaust passage. An introduction area partitioning means that is separately formed;
Reducing agent generating means for generating a reducing agent;
A first passage for guiding the reducing agent generated by the reducing agent generating means to the first introduction region;
A second passage that is branched from the first passage, and that mixes the exhaust gas flowing through the exhaust passage with the reducing agent generated by the reducing agent generation means and guides it to the second introduction region,
The introduction region partitioning unit forms the first introduction region adjacent to the second introduction region on the upstream side of the second introduction region in the rotational direction of the storage-type NOx catalyst, and the second introduction region. An exhaust emission control device for an internal combustion engine, characterized in that it is wider than the first introduction region.

The introduction area partitioning means divides the upstream space radially about the central axis of the storage-type NOx catalyst so that a division ratio of the main introduction area, the first introduction area, and the second introduction area is a predetermined ratio, The exhaust purification device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the introduction region and the second introduction region are formed.

The reducing agent generating means is a combustion heater that introduces combustion air from an intake passage of an internal combustion engine, mixes it with fuel, and burns the mixture to generate combustion gas containing a reducing agent. An exhaust emission control device for an internal combustion engine according to claim 1 or 2.

The second passage has mixing ratio changing means for changing the mixing ratio of the reducing agent generated by the reducing agent generating means and the exhaust gas flowing through the exhaust passage,
The exhaust gas of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the air-fuel ratio of the air-fuel mixture introduced into the second introduction region is controlled to be close to the stoichiometric air-fuel ratio by the mixture ratio changing means. Purification equipment.