JP4577099B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents
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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.
触媒上流の排気通路内に還元剤供給装置を配置し、還元剤供給装置から供給された還元剤により触媒において排気浄化するようにした内燃機関の排気浄化装置が公知である(特許文献1参照)。 An exhaust purification device for an internal combustion engine in which a reducing agent supply device is arranged in an exhaust passage upstream of the catalyst and exhaust gas is purified in the catalyst by the reducing agent supplied from the reducing agent supply device is known (see Patent Document 1). .
このような排気浄化装置では、還元剤を有効に利用するために、還元剤を排気通路の断面全体にわたって広く分散させるのが好ましい。この点、還元剤供給装置から触媒までの排気通路空間が大きければ、還元剤を広く分散させることが可能である。 In such an exhaust purification device, in order to effectively use the reducing agent, it is preferable that the reducing agent is widely dispersed over the entire cross section of the exhaust passage. In this respect, if the exhaust passage space from the reducing agent supply device to the catalyst is large, the reducing agent can be widely dispersed.
しかしながら、例えば車両床下においては還元剤供給装置の設置箇所には制限があるので、還元剤供給装置から触媒までの排気通路空間を必ずしも大きくできない。このため、ただ単に還元剤を排気通路内に添加しても還元剤の良好な分散性を確保できないおそれがある。 However, for example, under the vehicle floor, there is a limit to the location where the reducing agent supply device is installed, so the exhaust passage space from the reducing agent supply device to the catalyst cannot always be increased. For this reason, even if a reducing agent is simply added to the exhaust passage, there is a possibility that good dispersibility of the reducing agent cannot be ensured.
そこで本発明は、還元剤の良好な分散性を確保して還元剤を有効に利用できるようにする内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine that ensures good dispersibility of the reducing agent so that the reducing agent can be used effectively.
前記課題を解決するために1番目の発明によれば、触媒上流の排気通路内に還元剤供給装置を配置し、還元剤供給装置から供給された還元剤により触媒において排気浄化するようにした内燃機関の排気浄化装置において、還元剤供給装置上流の排気通路内に還元剤を一時的に付着保持するための還元剤保持部材を配置し、還元剤供給装置から還元剤を還元剤保持部材に向けて供給し、還元剤が還元剤保持部材に一時的に付着保持された後に還元剤保持部材から離脱して触媒に供給されるようにしている。 In order to solve the above problems, according to a first aspect of the invention, an internal combustion engine in which a reducing agent supply device is disposed in an exhaust passage upstream of the catalyst and exhaust gas is purified in the catalyst by the reducing agent supplied from the reducing agent supply device. In the exhaust emission control device of an engine, a reducing agent holding member for temporarily adhering and holding the reducing agent is disposed in an exhaust passage upstream of the reducing agent supply device, and the reducing agent is directed from the reducing agent supply device to the reducing agent holding member. The reducing agent is temporarily attached and held on the reducing agent holding member, and then separated from the reducing agent holding member and supplied to the catalyst.
また、2番目の発明によれば1番目の発明において、前記還元剤保持部材をハニカム構造体から構成している。 According to a second aspect, in the first aspect, the reducing agent holding member is composed of a honeycomb structure.
また、3番目の発明によれば2番目の発明において、前記還元剤保持部材を排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタから構成している。 According to a third aspect, in the second aspect, the reducing agent holding member is composed of a particulate filter for collecting fine particles in the exhaust gas.
また、4番目の発明によれば1番目の発明において、前記還元剤保持部材を通気性板状部材から構成している。 According to a fourth aspect, in the first aspect, the reducing agent holding member is composed of a breathable plate member.
また、5番目の発明によれば4番目の発明において、排気ガス中の微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタが前記触媒上流の排気通路内に配置されており、前記還元剤供給装置及び前記板状部材をパティキュレートフィルタと触媒間の排気通路内に配置している。 According to a fifth aspect, in the fourth aspect, a particulate filter for collecting particulates in the exhaust gas is disposed in the exhaust passage upstream of the catalyst, and the reducing agent supply device and the A plate-like member is disposed in the exhaust passage between the particulate filter and the catalyst.
還元剤の良好な分散性を確保して還元剤を有効に利用することができる。 It is possible to effectively use the reducing agent while ensuring good dispersibility of the reducing agent.
図1は本発明を圧縮着火式内燃機関に適用した場合を示している。なお、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することもできる。 FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a compression ignition type internal combustion engine. The present invention can also be applied to a spark ignition type internal combustion engine.
図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は電気制御式燃料噴射弁、7は吸気弁、8は吸気ポート、9は排気弁、10は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート8は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13を介して排気ターボチャージャ14のコンプレッサ15に連結される。吸気ダクト13内にはステップモータ16により駆動されるスロットル弁17が配置され、更に吸気ダクト13周りには吸気ダクト13内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置18が配置される。図1に示される実施例では機関冷却水が冷却装置18内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。外気によって吸気空気が冷却されるようにしてもよい。
Referring to FIG. 1, 1 is an engine body, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an electrically controlled fuel injection valve, 7 is an intake valve, 8 is an intake port, 9 Is an exhaust valve, and 10 is an exhaust port. The intake port 8 is connected to a surge tank 12 via a corresponding intake branch pipe 11, and the surge tank 12 is connected to a
一方、排気ポート10は排気マニホルド19及び排気管20を介して排気ターボチャージャ14の排気タービン21の入口に連結される。排気タービン21の出口は排気管22を介して触媒コンバータ23の入口に連結され、触媒コンバータ23の出口は排気管24に連結される。
On the other hand, the
図1に示される例では、触媒コンバータ23は例えば単一のケーシング25を具備し、このケーシング25内に排気ガス流れ方向に間隙26を隔てて互いに直列配置された還元剤保持部材27及び触媒28が収容される。また、間隙25内には還元剤供給弁29が配置される。従って、触媒28の上流に還元剤供給弁29が配置され、還元剤供給弁29の上流に還元剤保持部材27が配置される。還元剤供給弁29は還元剤供給管29aを介し電気制御式の吐出量可変な還元剤ポンプ30に連結され、還元剤ポンプ30は例えば液体の還元剤を収容した還元剤タンク31に連結される。還元剤の種類は触媒28の種類や浄化すべき排気ガス成分に応じて定めることができ、例えば軽油(燃料)のような炭化水素や、尿素、アンモニアなどを還元剤として用いることができる。
In the example shown in FIG. 1, the
更に図1を参照すると、排気マニホルド19とサージタンク12とは再循環排気ガス(以下、EGRと称す)通路32を介して互いに連結され、EGR通路32内には電気制御式EGR制御弁33が配置される。また、EGR通路32周りにはEGR通路32内を流れるEGRガスを冷却するための冷却装置34が配置される。
Further, referring to FIG. 1, the
燃料噴射弁6は燃料供給管6aを介して共通の燃料蓄圧室すなわちコモンレール35に連結され、このコモンレール35は電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ36を介して燃料タンク37に連結される。コモンレール35にはコモンレール35内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ38が取り付けられており、燃料圧センサ38の出力信号に基づいてコモンレール35内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ36の吐出量が制御される。
The fuel injection valve 6 is connected to a common fuel pressure accumulating chamber, that is, a
電子制御ユニット40はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス41によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ランダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)44、入力ポート45及び出力ポート46を具備する。排気管22には排気管22内の圧力を検出するための圧力センサ49が取り付けられ、アクセルペダル50にはアクセルペダル50の踏み込み量を検出するための負荷センサ51が接続される。燃料圧センサ38、圧力センサ49、及び踏み込み量センサ51の出力電圧は対応するAD変換器47を介して入力ポート45にそれぞれ入力される。さらに、入力ポート45にはクランクシャフトがたとえば10°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ52が接続される。CPU44ではこの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート46は対応する駆動回路48を介して燃料噴射弁6、ステップモータ16、還元剤供給弁29、還元剤ポンプ30、EGR制御弁33、及び燃料ポンプ36にそれぞれ接続される。
The
さて、還元剤保持部材27は還元剤供給弁29から供給された還元剤を一時的に付着保持するためのものである。図2(A)に示される例では、還元剤保持部材27は排気ガス中に含まれる主として固体炭素からなる微粒子を捕集するためのパティキュレートフィルタ27aから構成される。このパティキュレートフィルタ27aはハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路60,61を具備する。これら排気流通路は下流端が栓62により閉塞された排気ガス流入通路60と、上流端が栓63により閉塞された排気ガス流出通路61とにより構成される。従って、排気ガス流入通路60及び排気ガス流出通路61は薄肉の隔壁64を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路60及び排気ガス流出通路61は各排気ガス流入通路60が4つの排気ガス流出通路61によって包囲され、各排気ガス流出通路61が4つの排気ガス流入通路60によって包囲されるように配置される。パティキュレートフィルタ27aはコージェライトのような多孔質材料から形成されており、従って排気ガス流入通路60内に流入した排気ガスは図2(A)において矢印で示されるように周囲の隔壁64内を通って隣接する排気ガス流出通路61内に流出する。
The reducing
この場合、排気ガス流入通路60側に位置する隔壁64の表面を排気ガス流入面65と称し、排気ガス流出通路61側に位置する隔壁64の表面を排気ガス流出面66と称すると、排気ガスは排気ガス流入面65を通過し次いで排気ガス流出面66を通過する。なお、パティキュレートフィルタ27aに堆積した微粒子を酸化除去するために、例えばパティキュレートフィルタ27aに流入する排気ガスの空燃比をリーンに維持しながらパティキュレートフィルタ27aの温度を高める微粒子除去作用を周期的に行うことができる。なお、パティキュレートフィルタ27aに例えば酸化機能を有する触媒を担持させることもできる。
In this case, the surface of the
一方、触媒28は還元剤供給弁29から供給された還元剤により排気浄化するためのものである。図2(A)に示される例では、この触媒28は選択還元触媒又はNOX吸蔵触媒から構成される。選択還元触媒は酸化雰囲気であっても排気ガス中のNOXを選択的に還元する。また、NOX吸蔵触媒は流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに排気ガス中のNOXを一時的に蓄え、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比又はリッチになると蓄えていたNOXを放出、還元する。なお、本明細書では排気通路の或る位置よりも上流の排気通路、燃焼室、及び吸気通路内に供給された空気と燃料及び還元剤との比をその位置における排気ガスの空燃比と称している。
On the other hand, the
この触媒28はハニカム構造をなす基材に担持されている。この基材は互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路を具備し、これら排気流通路は上流端及び下流端が開放されている。また、基材もコージェライトのような多孔質材料から形成されている。
The
触媒28をNOX吸蔵触媒から構成した場合を例にとって説明すると、内燃機関ではリーン運転が継続して行われているのでこのとき排気ガス中のNOXはNOX吸蔵触媒内に蓄えられる。次いで、蓄えられているNOXを放出、還元すべきときになると、NOX吸蔵触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチになるように還元剤が供給され、その結果NOX吸蔵触媒内のNOXが放出され、この還元剤でもってNOXが還元される。また、NOX吸蔵触媒内にはイオウ例えばSOXも蓄えられ、このSOXを放出すべきときになると、NOX吸蔵触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比又はリッチになるように還元剤が供給される。
The case where the
触媒28に還元剤を供給すべきときには還元剤供給弁29から還元剤が供給される。本発明による実施例では、還元剤がパティキュレートフィルタ27aに向かうように還元剤供給弁29の供給軸線が指向されており、また、還元剤がパティキュレートフィルタ27aに到達するように還元剤供給弁29の供給圧が設定されている。従って、図2(B)に示されるように、還元剤供給弁29からパティキュレートフィルタ27aに向けて還元剤Rが噴射され、この還元剤がパティキュレートフィルタ27a、特に排気ガス流出面66に付着保持される。この場合、パティキュレートフィルタ27aの断面ほぼ全体に拡がるように還元剤Rを噴射するのが好ましい。
When the reducing agent is to be supplied to the
パティキュレートフィルタ27aに付着保持された還元剤はパティキュレートフィルタ27a自体又は排気ガスの熱によって、或いは排気ガス流れによって、パティキュレートフィルタ27aから離脱され、次いで触媒28に供給される。
The reducing agent adhered and held on the
このように還元剤をパティキュレートフィルタ27aに一時的に保持させた後に触媒28に供給するようにしているので、大きな分散空間を要することなく、還元剤を広く分散させることができる。しかも、還元剤が排気ガス流れに逆行する際にせん断力を受けたりパティキュレートフィルタ27aに衝突されるので、或いは還元剤がパティキュレートフィルタ27a又は排気ガスから熱を受けるので、還元剤の微粒化を促進することができる。従って、触媒28において還元剤を排気浄化のために有効利用できることになる。
Thus, since the reducing agent is temporarily held in the
パティキュレートフィルタ27a上に形成される微粒子堆積層に還元剤を供給すると、還元剤がこの微粒子堆積層に浸み込むことにより還元剤を排気浄化のために有効に利用できないおそれがある。しかしながら、本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ27aの排気ガス流出面66に向けて還元剤が供給され、この排気ガス流出面66上には微粒子堆積層がほとんど形成されないので、このような不具合が生じない。
If a reducing agent is supplied to the particulate deposition layer formed on the
また、上述したパティキュレートフィルタ27aの微粒子除去作用を行うことによって、パティキュレートフィルタ27aに残留している還元剤をも酸化除去することができる。その結果、パティキュレートフィルタ27aに残留した還元剤が変質して固着するのを阻止できる。
In addition, by performing the particulate removing action of the
図3及び図4は本発明による別の実施例を示している。 3 and 4 show another embodiment according to the present invention.
図3に示される例では、還元剤保持部材27がハニカム構造体27bから構成される。このハニカム構造体27bは上述した触媒28の基材と同様に、互いに平行をなして延びかつる複数個の排気流通路を具備し、これら排気流通路は上流端及び下流端が開放されている。このハニカム構造体27bはセラミックから形成することもできるし、金属から形成することもできる。
In the example shown in FIG. 3, the reducing
この場合、ハニカム構造体27bの下流端27bd周りに向けて還元剤Rが噴射され、この還元剤がハニカム構造体27b、特に下流端27bd周りに付着保持される。次いで、還元剤がハニカム構造体27bから離脱されて触媒28に供給される。
In this case, the reducing agent R is sprayed around the downstream end 27bd of the
ハニカム構造体27bに別の触媒を担持させることもできる。この場合の追加の触媒として、上述したNOX吸蔵触媒、選択還元触媒のほか、酸化機能を有する触媒を用いることができる。或いは、例えば尿素からアンモニアを生成するための加水分解触媒や、還元剤としての炭化水素を一時的に吸着して改質するための吸着改質触媒を用いることもできる。いずれにしても、ハニカム構造体27bに触媒を担持させることにより、還元剤を改質することができ、還元剤を排気浄化のために更に有効利用できる。
Another catalyst may be supported on the
更に、図3に示される例では、ハニカム構造体27b上流のケーシング25内にハニカム構造をなす基材に担持された補助触媒70が収容される。この補助触媒70は例えば酸化機能を有する触媒から構成される。
Further, in the example shown in FIG. 3, the
一方、図4(A),(B),(C)に示される例では、還元剤保持部材27が通気性板状部材27cから構成される。この通気性板状部材27cは例えばセラミックやフォームフィルタのような多孔質材料から形成される。この場合、通気性板状部材27cの下流側面27cdに向けて還元剤Rが噴射され、この還元剤が通気性板状部材27c、特に下流側面27cdに付着保持される。次いで、還元剤が通気性板状部材27cから離脱されて触媒28に供給される。
On the other hand, in the example shown in FIGS. 4A, 4 </ b> B, and 4 </ b> C, the reducing
図4(A),(B)に示される例では、通気性板状部材27cは触媒28上流のケーシング25内に収容される。その上で、図4(A)に示される例では、通気性板状部材27cはケーシング25の断面のほぼ全体にわたって拡がっている。これに対し、図4(B)に示される例では、通気性板状部材27cはケーシング25の断面の一部にわたって拡がっており、還元剤供給弁29から還元剤Rがこの通気性板状部材27cに向けて供給される。
In the example shown in FIGS. 4A and 4B, the air
一方、図4(C)に示される例では、排気管22は別のケーシング80に連結され、別のケーシング80は排気管81を介してケーシング25に連結される。別のケーシング80内には上述したパティキュレートフィルタ27aと同様の構成のパティキュレートフィルタ82が収容され、ケーシング25内には上述した触媒28が収容される。還元剤保持部材27及び還元剤供給弁29は排気管81内に配置される。このようにすると、パティキュレートフィルタ82の微粒子除去作用を行う際に、還元剤保持部材27によってパティキュレートフィルタ82からの放熱を抑制することができる。また、排気管81の流路断面はケーシング25,80よりも小さく従って排気ガスの線流速が高いので、通気性板状部材27cに付着保持された還元剤を微粒化しつつ離脱させることができる。
On the other hand, in the example shown in FIG. 4C, the
図5は通気性板状部材27cのさまざまな実施例を示している。
FIG. 5 shows various embodiments of the breathable plate-
図5(A)に示される例では、通気性板状部材27cは同心円の折り曲げ線90に沿って波状に折り曲げられた不織布91からなる。この不織布91は例えば金属繊維、ガラス繊維などの耐熱繊維から形成することができる。
In the example shown in FIG. 5A, the air-permeable plate-
これに対し、図5(B)に示される例では、通気性板状部材27cは複数の孔93が形成された例えば金属などの非通気性板材94から構成されている。また、図5(C)に示される例では、通気性板状部材27cは排気ガス流れ方向に直列に配置された複数の非通気性板材95から構成され、各非通気性板材95には例えば小片を折り込むことによって複数の孔96が形成されている。このようにすると、排気ガス流れの乱れを増大させることができ、従って還元剤の拡散性を高めることができる。
On the other hand, in the example shown in FIG. 5B, the air-permeable plate-
1 機関本体
23 触媒コンバータ
27 還元剤保持部材
28 触媒
29 還元剤供給弁
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