JP5090187B2 - 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。詳しくは、排気中のNOxを吸着又は吸蔵し、この吸着又は吸蔵したNOxを還元するNOx浄化触媒を備える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. Specifically, the present invention relates to an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine that includes a NOx purification catalyst that adsorbs or occludes NOx in exhaust gas and reduces the adsorbed or occluded NOx.
また、本発明において、「リッチ」という用語は、問題とする燃料の空気/燃料比率(以下、「空燃比」という)が化学量論的な空燃比よりも小さいことを示し、「リーン」という用語は、問題とする燃料の空燃比が上述の化学量論的な空燃比よりも大きいことを示す。また、以下の説明では、エンジンへ流入する混合気における空気と燃料の重量比をエンジン空燃比といい、排気管内の空気と可燃性気体との重量比を排気空燃比という。 In the present invention, the term “rich” indicates that the air / fuel ratio of the fuel in question (hereinafter referred to as “air-fuel ratio”) is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio, and is referred to as “lean”. The term indicates that the air / fuel ratio of the fuel in question is greater than the stoichiometric air / fuel ratio described above. In the following description, the weight ratio of air to fuel in the air-fuel mixture flowing into the engine is referred to as engine air-fuel ratio, and the weight ratio of air in the exhaust pipe to combustible gas is referred to as exhaust air-fuel ratio.
従来より、排気に含まれる窒素酸化物(以下、「NOx」という)を浄化する技術が知られている。
例えば、特許文献1,2及び非特許文献1には、排気通路にNOx吸蔵還元触媒(以下、「LNT」という)を設け、排気が酸素過剰となるリーン運転時に、排気を酸化触媒に通してNOxをアルカリ金属又はアルカリ土類金属などと反応させて吸蔵し、排気の酸素濃度が低くなるリッチ運転時に、吸蔵したNOxを還元する排気浄化装置が示されている。この排気浄化装置では、リーン運転とリッチ運転とを繰り返すことで、NOxの吸蔵とNOxの還元とを周期的に行うことができる。
Conventionally, a technique for purifying nitrogen oxide (hereinafter referred to as “NOx”) contained in exhaust gas is known.
For example, in
また、例えば非特許文献2には、排気が酸素過剰となるリーン運転時にNOxを触媒上に吸着し、次にリーン運転を行い排気中の酸素濃度が低い状態を周期的につくるとともに、一酸化炭素を周期的に合成し供給することで、リーン運転時に吸着したNOxを周期的に還元する方法が示されている。
Further, for example, in
より具体的には、この非特許文献2に示された方法では、先ず、排気が酸素過剰となるリーン運転時に、下記式(1)〜(3)により、排気中に存在する一酸化窒素及び二酸化窒素を触媒に吸着させる。
NO→NO(吸着) (1)
2NO+O2→2NO2 (2)
NO2→NO2(吸着) (3)
次に、リッチ運転を行うとともに、一酸化炭素を合成する。ここで合成された一酸化炭素は、酸素分圧が低い環境において、下記式(4)に示す水性ガスシフト反応により水素を生成する。
CO+H2O→H2+CO2 (4)
さらに、この水素が還元雰囲気において一酸化窒素と反応してアンモニアが生成され、下記式(5)により、このアンモニアが触媒に吸着される。
5H2+2NO→2NH3(吸着)+2H2O (5)
以上のようにして一酸化炭素により生成されたアンモニアを最終還元剤として、下記式(6)〜(8)により、排気中のNOx又は触媒に吸着したNOxが還元される。
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O (6)
2NH3+NO2+NO→2N2+3H2O (7)
8NH3+6NO2→7N2+12H2O (8)
More specifically, in the method shown in
NO → NO (adsorption) (1)
2NO + O 2 → 2NO 2 (2)
NO 2 → NO 2 (Adsorption) (3)
Next, rich operation is performed and carbon monoxide is synthesized. The carbon monoxide synthesized here produces hydrogen by an aqueous gas shift reaction represented by the following formula (4) in an environment where the oxygen partial pressure is low.
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (4)
Further, this hydrogen reacts with nitric oxide in a reducing atmosphere to generate ammonia, and this ammonia is adsorbed on the catalyst by the following formula (5).
5H 2 + 2NO → 2NH 3 (adsorption) + 2H 2 O (5)
As described above, NOx in the exhaust or NOx adsorbed on the catalyst is reduced by the following formulas (6) to (8) using ammonia generated from carbon monoxide as a final reducing agent.
4NH 3 + 4NO + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O (6)
2NH 3 + NO 2 + NO → 2N 2 + 3H 2 O (7)
8NH 3 + 6NO 2 → 7N 2 + 12H 2 O (8)
この他、例えば特許文献3,4には、排気通路にLNTを設け、さらにこのLNTの上流に、炭化水素燃料を改質して水素や一酸化炭素を含む還元性気体を製造する燃料改質器を設けた排気浄化システムが示されている。特にこの排気浄化システムでは、体積比で一酸化炭素よりも水素が大きくなる様な還元性気体を製造する燃料改質器が用いられる。このシステムによれば、LNTの上流側から水素を含む還元性気体を排気中に添加することで、排気中のNOxを選択的に還元することが可能となる。
In addition, for example, in
ここで、例えば炭化水素燃料から還元性気体を製造する方法としては、例えば、下記式(9)に示すように、酸化剤として酸素を用いた部分酸化反応が知られている。
CnHm+1/2nO2→nCO+1/2mH2 (9)
この部分酸化反応は、燃料と酸素を用いた発熱反応であり、自発的に反応が進行する。このため、一旦、反応が始まると、外部から熱の供給をすることなく水素を製造し続けることができる。また、このような部分酸化反応において、燃料と酸素とを高温状態で共存させた場合には、下記式(10)に示すような燃焼反応も進行する。
CnHm+(n+1/4m)O2→nCO2+1/2mH2O (10)
また、酸化剤として水蒸気を用いた、下記式(11)に示す水蒸気改質反応が知られている。
CnHm+nH2O→nCO+(n+1/2m)H2 (11)
この水蒸気改質反応は、燃料と水蒸気とを用いた吸熱反応であり、自発的に進行する反応ではない。このため、水蒸気改質反応は、上述の部分酸化反応に対して制御しやすいものとなっている。
C n H m + 1 / 2nO 2 → nCO + 1 / 2mH 2 (9)
This partial oxidation reaction is an exothermic reaction using fuel and oxygen, and the reaction proceeds spontaneously. For this reason, once reaction starts, it can continue producing hydrogen, without supplying heat from the outside. Further, in such a partial oxidation reaction, when a fuel and oxygen coexist at a high temperature, a combustion reaction as shown in the following formula (10) also proceeds.
C n H m + (n + 1 / 4m)
Further, a steam reforming reaction represented by the following formula (11) using steam as an oxidizing agent is known.
C n H m + nH 2 O → nCO + (n + 1 / 2m) H 2 (11)
This steam reforming reaction is an endothermic reaction using fuel and steam, and is not a reaction that proceeds spontaneously. For this reason, the steam reforming reaction is easily controlled with respect to the partial oxidation reaction described above.
しかしながら、例えば上述の特許文献1,2及び非特許文献1,2に示されたもののように、エンジンのリーン運転とリッチ運転と繰り返す場合には、以下のような課題がある。
すなわち、LNTに吸蔵されたNOxを還元するために、排気空燃比をリッチにする際、LNTに流入する排気に大量のNOxが含まれていると、還元剤が主にこの排気中のNOxの還元に消費されてしまう場合がある。このような場合、LNTに吸蔵されていたNOxは、排気空燃比をリッチにすることで脱離するものの、還元されずにLNTの下流に流出してしまい、NOx浄化性能が低下するおそれがある。
However, there are the following problems when the engine is repeatedly operated in a lean operation and a rich operation, for example, as shown in the above-mentioned
That is, when the exhaust air-fuel ratio is made rich in order to reduce the NOx stored in the LNT, if the exhaust gas flowing into the LNT contains a large amount of NOx, the reducing agent mainly contains the NOx in the exhaust gas. It may be consumed for reduction. In such a case, the NOx stored in the LNT is desorbed by making the exhaust air-fuel ratio rich, but it flows out downstream of the LNT without being reduced, and the NOx purification performance may be reduced. .
ところで、排気の一部を吸気側に還流することで、排出されるNOxを低減する方法が知られている。しかしながら、大量の排気を還流すると、NOxの排出量を低減できるものの、パティキュレートの排出量が増加してしまう。特に、NOxの排出量が増加する傾向にある高負荷運転時では、大量の排気を還流することは困難であるため、NOxの排出量の増加とともに、LNTから流出するNOxの量も増加するおそれがある。 By the way, a method of reducing exhausted NOx by recirculating a part of exhaust to the intake side is known. However, when a large amount of exhaust gas is recirculated, although the amount of NOx discharged can be reduced, the amount of particulate discharged increases. In particular, it is difficult to recirculate a large amount of exhaust gas during high-load operation where the amount of NOx emission tends to increase. Therefore, the amount of NOx flowing out from the LNT may increase as the amount of NOx emission increases. There is.
また、LNTに吸蔵されたNOxを還元する際に、排気空燃比をリッチにする必要がある。排気空燃比をリッチにする方法としては、トルクに寄与しない燃料噴射(以下、「ポスト噴射」という)を行い未燃の燃料を排気通路に流すことで排気空燃比をリッチ化する方法(以下、「ポストリッチによる方法」という)、トルクに寄与する燃料噴射(以下、「主噴射」という)量を調整することでリッチ化する方法(以下、「燃焼リッチによる方法」という)とがある。
しかしながら、ポストリッチによる方法では、エンジンの爆発行程の後半あるいは排気行程において、シリンダ内に燃料が噴射されるため、燃料の一部がシリンダ壁面に付着してしまう。すなわち、ポストリッチによる方法では、ポスト噴射により供給した燃料の全てが排気空燃比のリッチ化に寄与するわけではない。このため、燃焼リッチによる方法と比較して燃費が悪化するおそれがある。また、シリンダ壁面に付着した燃料は、そのままエンジンオイルに混入してしまい、いわゆるオイルダイリューションが発生するおそれがある。
また、燃焼リッチによる方法では、その運転条件が限定される。例えば、燃焼が急峻となる高負荷運転時においては、燃焼音が悪化する。また、エンジンの始動直後やアイドリング時などの低負荷運転時においては、シリンダへの充填効率が低下し燃焼が不安定になる場合がある。
Further, when the NOx stored in the LNT is reduced, it is necessary to make the exhaust air-fuel ratio rich. As a method for enriching the exhaust air-fuel ratio, a method for enriching the exhaust air-fuel ratio by performing fuel injection that does not contribute to torque (hereinafter referred to as “post-injection”) and causing unburned fuel to flow through the exhaust passage (hereinafter referred to as “fuel injection”) And a method of enriching by adjusting the amount of fuel injection (hereinafter referred to as “main injection”) that contributes to torque (hereinafter referred to as “method of combustion rich”).
However, in the post-rich method, fuel is injected into the cylinder in the latter half of the engine's explosion stroke or in the exhaust stroke, so that part of the fuel adheres to the cylinder wall surface. That is, in the post-rich method, not all of the fuel supplied by post-injection contributes to the enrichment of the exhaust air / fuel ratio. For this reason, there exists a possibility that a fuel consumption may deteriorate compared with the method by combustion rich. Further, the fuel adhering to the cylinder wall may be mixed into the engine oil as it is, and so-called oil dilution may occur.
In addition, the operation condition is limited in the combustion rich method. For example, during high load operation where the combustion is steep, the combustion noise is worsened. Further, when the engine is in a low load operation such as immediately after starting the engine or during idling, the charging efficiency into the cylinder may be reduced and combustion may become unstable.
また、特許文献3,4の排気浄化システムは、上述の特許文献1,2に示されたものとは異なり、基本的には、リーン運転及びリッチ運転によらず酸素過剰の排気中に水素、一酸化炭素、及び炭化水素を添加するものである。
しかしながら、このように酸素過剰の排気中に水素、一酸化炭素、及び炭化水素などの還元剤を添加してLNTを浄化する場合、NOxを浄化できるのは200℃程度が限界である。例えば、LNTの温度が200℃以上であると、添加した水素や一酸化炭素が燃焼してしまう。このため、このような温度では、添加剤の量が不足してしまい、NOxの還元反応が十分に進行しなくなってしまう。
In addition, the exhaust purification systems of
However, in the case where LNT is purified by adding reducing agents such as hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbons to the exhaust gas containing excess oxygen, NOx can be purified only at about 200 ° C. For example, when the temperature of LNT is 200 ° C. or higher, the added hydrogen and carbon monoxide are combusted. For this reason, at such a temperature, the amount of the additive is insufficient, and the reduction reaction of NOx does not proceed sufficiently.
また、特許文献3,4の排気浄化システムのように、排気量が常時変動する排気通路に燃料改質器を設けた場合において、この燃料改質器で効果的に水素を製造するためには、燃料改質器の改質触媒と排気とが接する反応時間を増やす必要がある。しかしながら、このように反応時間を増やすためには、改質触媒を大型化する必要があり、コストがかかるおそれがある。
また、燃料改質器を安定した状態で運転するには、この燃料改質器の改質触媒における反応温度を一定に保つ必要がある。しかしながら、上述の特許文献3,4の排気浄化システムのように、酸素量、水蒸気量、及び温度が常に変化する排気通路に燃料改質器を設けると、燃料改質器を安定した状態で運転することが困難になってしまう。このように燃料改質器を安定して運転できない場合には、上述のように排気に大量のNOxが含まれる場合など、NOxを還元しきれずにLNTの下流に流出してしまうおそれがある。
In addition, in the case where a fuel reformer is provided in an exhaust passage in which the exhaust amount constantly varies as in the exhaust gas purification systems of
In order to operate the fuel reformer in a stable state, it is necessary to keep the reaction temperature in the reforming catalyst of the fuel reformer constant. However, when the fuel reformer is provided in the exhaust passage in which the oxygen amount, the water vapor amount, and the temperature constantly change as in the above-described exhaust gas purification systems of
本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、高負荷運転時におけるNOx浄化性能の低下を防止でき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。 The present invention has been made in consideration of the above-described points, and an object of the present invention is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine that can prevent a decrease in NOx purification performance during high-load operation.
上記目的を達成するため請求項1に記載の発明は、内燃機関(1)の排気通路(4,5)に設けられ、当該排気通路を流通する排気の空燃比を排気空燃比として、当該排気空燃比をリーンにしたときに、排気中のNOxを吸着もしくは吸蔵し、前記排気空燃比をリッチにしたときに、前記吸着もしくは吸蔵したNOxを還元するNOx浄化触媒(33)を備える内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路に設けられ、還元性気体を用いて排気中のNOxを連続的に還元する触媒コンバータ(31)と、前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記NOx浄化触媒及び前記触媒コンバータの上流側に設けられた導入口(14)から、当該排気通路内に供給する燃料改質器と、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段(40)と、前記排気空燃比をリッチ化するリッチ化手段(40)と、を備え、前記リッチ化手段は、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が高負荷運転状態である場合には、前記燃料改質器により前記排気通路内に還元性気体を供給することで前記排気空燃比をリッチ化することを特徴とする。
In order to achieve the above object, an invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記内燃機関の排気還流率を推定する排気還流率推定手段(40,21,25,26)をさらに備え、前記リッチ化手段は、前記排気還流率推定手段により推定された排気還流率(REGR)が所定の判定値(REGRH)よりも小さい場合には、前記燃料改質器により前記排気通路に還元性気体を供給することで前記排気空燃比をリッチ化することを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒コンバータは、前記排気通路のうち前記NOx浄化触媒よりも上流側に設けられることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記排気通路のうち前記導入口と前記触媒コンバータとの間における排気空燃比を検出又は推定する排気空燃比検出手段(23)をさらに備え、前記リッチ化手段は、前記燃料改質器により還元性気体を供給することで前記排気空燃比をリッチ化する場合には、前記排気空燃比検出手段により推定又は検出された排気空燃比(AF)が所定の目標値(NAFTV,HAFTV)に一致するように、還元性気体の供給量(GRG)を調整することを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect further comprises exhaust gas recirculation rate estimating means (40, 21, 25, 26) for estimating an exhaust gas recirculation rate of the internal combustion engine. When the exhaust gas recirculation rate (REGR) estimated by the exhaust gas recirculation rate estimating device is smaller than a predetermined determination value (REGRH), the enrichment unit reduces the exhaust passage by the fuel reformer. The exhaust air-fuel ratio is enriched by supplying gas.
According to a third aspect of the present invention, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the first or second aspect, the catalytic converter is provided upstream of the NOx purification catalyst in the exhaust passage. To do.
According to a fourth aspect of the present invention, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the third aspect, an exhaust air-fuel ratio for detecting or estimating an exhaust air-fuel ratio between the introduction port and the catalytic converter in the exhaust passage. A detection means (23), wherein the enrichment means estimates or is estimated by the exhaust air / fuel ratio detection means when the exhaust air / fuel ratio is enriched by supplying a reducing gas from the fuel reformer; The supply amount (GRG) of the reducing gas is adjusted so that the detected exhaust air-fuel ratio (AF) matches a predetermined target value (NAFTV, HAFTV).
請求項5に記載の発明は、請求項1から4の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記所定の目標値は、前記燃料改質器により還元性気体を供給することで前記排気空燃比をリッチ化する場合と、前記燃料改質器により還元性気体を供給せずに前記排気空燃比をリッチ化する場合とでは異なることを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、請求項1から5の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒コンバータは、セリア、白金、及びロジウムを含むことを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、請求項1から6の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記燃料改質器は、炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により、大気圧より高い圧力であり、かつ、一酸化炭素を主成分とする還元性気体を製造することを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to any one of the first to fourth aspects, the predetermined target value is obtained by supplying a reducing gas from the fuel reformer. The case where the exhaust air-fuel ratio is enriched is different from the case where the exhaust air-fuel ratio is enriched without supplying the reducing gas by the fuel reformer.
According to a sixth aspect of the present invention, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to any one of the first to fifth aspects, the catalytic converter includes ceria, platinum, and rhodium.
According to a seventh aspect of the present invention, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to any one of the first to sixth aspects, the fuel reformer is operated from an atmospheric pressure by a partial oxidation reaction between hydrocarbon fuel and air. It is characterized by producing a reducing gas having a high pressure and containing carbon monoxide as a main component.
請求項1に記載の発明によれば、排気空燃比をリッチ化する際に、内燃機関の運転状態が高負荷運転状態である場合には、燃料改質器により製造された還元性気体を排気通路内に供給する。これにより、上述のように高負荷運転状態であり、エンジン空燃比をリッチにしにくい場合であっても、エンジン空燃比をリーンにし内燃機関における燃焼を最適な状態に保ちつつ、NOx浄化触媒に流入する排気の排気空燃比をリッチにし、NOx浄化触媒におけるNOxの還元を促進することができる。またここで、エンジン空燃比はリーンに保つことができるので、上述のようなオイルダイリューションが発生したり、内燃機関の燃焼が不安定になったりするのを防止できる。
また、還元性気体を製造する燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元性気体を製造できるとともに、この還元性気体を排気通路内に供給することができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることで、内燃機関の運転状態など必要に応じて還元性気体を供給することが可能となる。
一方、燃料改質器を排気通路内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器を大型にする必要があるが、請求項1の発明によれば、燃料改質器を排気通路とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器を排気通路とは別に設けることにより、内燃機関の制御とは別系統の制御を行うことで、燃料改質器が備える触媒を早期に活性化することも可能となる。
また、水素を含む還元性気体を供給することにより、NOx浄化触媒における還元反応速度を向上させることができる。これにより、排気空燃比をリッチにしたときに、NOx浄化触媒に吸着又は吸蔵されたNOxが還元されずに脱離するのを防止することができる。
According to the first aspect of the present invention, when the exhaust gas air-fuel ratio is enriched, if the operating state of the internal combustion engine is a high load operating state, the reducing gas produced by the fuel reformer is exhausted. Supply into the passage. As a result, even when the engine is operating at a high load as described above and it is difficult to make the engine air-fuel ratio rich, the engine air-fuel ratio is made lean and the combustion in the internal combustion engine is kept in an optimal state while flowing into the NOx purification catalyst. The exhaust air-fuel ratio of the exhaust gas to be exhausted can be made rich, and NOx reduction in the NOx purification catalyst can be promoted. Here, since the engine air-fuel ratio can be kept lean, it is possible to prevent the oil dilution as described above from occurring and the combustion of the internal combustion engine from becoming unstable.
In addition, by providing a fuel reformer that produces reducing gas separately from the exhaust passage, the reducing gas is always supplied with optimum efficiency regardless of the operating state of the internal combustion engine, the oxygen concentration and the water vapor concentration of the exhaust gas, etc. While being able to be manufactured, this reducing gas can be supplied into the exhaust passage. Further, by providing the fuel reformer separately from the exhaust passage, it is possible to supply reducing gas as required, such as the operating state of the internal combustion engine.
On the other hand, when the fuel reformer is provided in the exhaust passage, it is necessary to enlarge the fuel reformer so that the fuel reformer can be operated without affecting the exhaust gas component, temperature, and flow velocity. According to this invention, by providing the fuel reformer separately from the exhaust passage, stable operation can be performed without increasing the size of the apparatus. Further, by providing the fuel reformer separately from the exhaust passage, it is possible to activate the catalyst included in the fuel reformer at an early stage by performing control of a system different from the control of the internal combustion engine.
Moreover, the reduction reaction rate in the NOx purification catalyst can be improved by supplying a reducing gas containing hydrogen. Thereby, when the exhaust air-fuel ratio is made rich, NOx adsorbed or stored in the NOx purification catalyst can be prevented from being desorbed without being reduced.
請求項2に記載の発明によれば、排気空燃比をリッチ化する際において、推定された排気還流率が所定の判定値よりも小さい場合には、燃料改質器により製造された還元性気体を排気通路に供給することで排気空燃比がリッチ化される。
ところで、排気を吸気側に還流しつつ、エンジン空燃比をリッチにすると、排気中の炭化水素が吸気通路に堆積し、この吸気通路を閉塞してしまうおそれがある。請求項2の発明によれば、還元ガスを供給することで、上述のように吸気通路を閉塞することなく排気空燃比をリッチ化し、NOx浄化装置におけるNOx浄化性能を向上できる。
請求項3に記載の発明によれば、触媒コンバータをNOx浄化触媒の上流側に設けることにより、リッチ中にNOx浄化触媒に流入する排気のNOx濃度を低減できる。すなわち、リッチ中にNOx浄化触媒に流入するNOxの量を低減できる。したがって、排気空燃比をリッチにしたときに、NOx浄化触媒に吸着又は吸蔵されたNOxを還元しきれずに脱離するのを防止できる。
According to the second aspect of the present invention, when the exhaust gas recirculation rate is smaller than a predetermined judgment value when enriching the exhaust air-fuel ratio, the reducing gas produced by the fuel reformer is used. Is supplied to the exhaust passage to enrich the exhaust air-fuel ratio.
By the way, if the engine air-fuel ratio is made rich while the exhaust gas is recirculated to the intake side, hydrocarbons in the exhaust gas may accumulate in the intake passage and block the intake passage. According to the invention of
According to the invention of
請求項4に記載の発明によれば、還元性気体を供給することで排気空燃比をリッチ化する場合には、排気空燃比が所定の目標値に一致するように、還元性気体の供給量が調整される。これにより、常に最適な排気空燃比の排気をNOx浄化触媒に流入させることができる。
請求項5に記載の発明によれば、還元性気体を供給することで排気空燃比をリッチ化する場合と、還元性気体を供給せずに排気空燃比をリッチ化する場合とで、異なる目標値に基づいて排気空燃比をリッチ化される。これにより、常に最適な排気空燃比の排気をNOx浄化触媒に流入させることができる。
According to the fourth aspect of the present invention, when the exhaust air-fuel ratio is enriched by supplying the reducing gas, the supply amount of the reducing gas is set so that the exhaust air-fuel ratio matches a predetermined target value. Is adjusted. As a result, the exhaust gas having the optimum exhaust air / fuel ratio can always be caused to flow into the NOx purification catalyst.
According to the fifth aspect of the present invention, there are different targets for the case where the exhaust air-fuel ratio is enriched by supplying the reducing gas and the case where the exhaust air-fuel ratio is enriched without supplying the reducing gas. The exhaust air / fuel ratio is enriched based on the value. As a result, the exhaust gas having the optimum exhaust air / fuel ratio can always be caused to flow into the NOx purification catalyst.
請求項6に記載の発明によれば、触媒コンバータにセリアを含めることにより、触媒コンバータによるNOxの還元能力をさらに向上でき、さらに貴金属活性種が焼結するのを抑制できる。また、触媒コンバータに酸素貯蔵能力を有するロジウムを含めることにより、排気中の酸素濃度が急激に変化しても、この触媒コンバータにおける反応を安定させることができる。また、触媒コンバータに白金を含めることにより、NOの酸化及び吸着又は吸蔵、並びに、NOxの還元を行うことができる。
請求項7に記載の発明によれば、部分酸化反応により還元性気体を製造することにより、この燃料改質器を小型なものにできる。つまり、上述のように部分酸化反応は発熱反応であり、一旦反応が開始すれば自発的に反応が進行するため、外部から余分なエネルギーを供給する装置を設ける必要がないためである。また、シフト反応などの水素を濃縮するためのコンバータやシステムも設ける必要もない。また、このように燃料改質器を小型にすることで、燃料改質器のライトオフ時間を短縮できる。したがって、必要に応じて速やかに還元性気体を排気通路内に供給することができる。
また、大気圧より高い圧力の還元性気体を製造することにより、余分な装置を追加することなく、製造した還元性気体を排気通路内に供給できる。
また、この部分酸化反応において副次的に生成される軽質の炭化水素も一酸化炭素や水素とともに触媒コンバータに導入して、NOxの還元に使用することもできる。
According to the sixth aspect of the present invention, by including ceria in the catalytic converter, it is possible to further improve the NOx reduction ability of the catalytic converter and to suppress sintering of the precious metal active species. In addition, by including rhodium having oxygen storage capacity in the catalytic converter, the reaction in the catalytic converter can be stabilized even if the oxygen concentration in the exhaust gas changes abruptly. Further, by including platinum in the catalytic converter, it is possible to oxidize and adsorb or occlude NO and reduce NOx.
According to the seventh aspect of the present invention, the fuel reformer can be made small by producing a reducing gas by a partial oxidation reaction. That is, as described above, the partial oxidation reaction is an exothermic reaction, and once the reaction starts, the reaction proceeds spontaneously, so that it is not necessary to provide a device for supplying extra energy from the outside. Further, there is no need to provide a converter or system for concentrating hydrogen such as shift reaction. Moreover, the light-off time of the fuel reformer can be shortened by reducing the size of the fuel reformer. Therefore, reducing gas can be quickly supplied into the exhaust passage as necessary.
Further, by producing the reducing gas having a pressure higher than the atmospheric pressure, the produced reducing gas can be supplied into the exhaust passage without adding an extra device.
In addition, light hydrocarbons produced as a secondary in the partial oxidation reaction can also be introduced into the catalytic converter together with carbon monoxide and hydrogen and used for NOx reduction.
図1は、本発明の一実施形態に係る内燃機関及びその排気浄化装置の構成を示す図である。内燃機関(以下「エンジン」という)1は、各気筒7の燃焼室内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒7には図示しない燃料噴射弁が設けられている。これら燃料噴射弁は、電子制御ユニット(以下「ECU」という)40により電気的に接続されており、燃料噴射弁の開弁時間及び閉弁時間は、ECU40により制御される。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an internal combustion engine and an exhaust purification device thereof according to an embodiment of the present invention. An internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) 1 is a diesel engine that directly injects fuel into the combustion chamber of each
エンジン1には、吸気が流通する吸気管2と、排気が流通する排気管4と、排気管4内の排気の一部を吸気管2に還流する排気還流通路6と、吸気管2に吸気を圧送する過給機8とが設けられている。
The
吸気管2は、吸気マニホールド3の複数の分岐部を介してエンジン1の各気筒7の吸気ポートに接続されている。排気管4は、排気マニホールド5の複数の分岐部を介してエンジン1の各気筒7の排気ポートに接続されている。排気還流通路6は、排気マニホールド5から分岐し吸気マニホールド3に至る。
The
過給機8は、排気管4に設けられた図示しないタービンと、吸気管2に設けられた図示しないコンプレッサと、を備える。タービンは、排気管4を流通する排気の運動エネルギにより駆動される。コンプレッサは、タービンにより回転駆動され、吸気を加圧し吸気管2内へ圧送する。また、タービンは、図示しない複数の可変ベーンを備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数(回転速度)を変更できるように構成されている。タービンのベーン開度は、ECU40により電磁的に制御される。
The
吸気管2のうち過給機8の上流側には、エンジン1の吸入空気量GAを制御するスロットル弁9が設けられている。このスロットル弁9は、アクチュエータを介してECU40に接続されており、その開度はECU40により電磁的に制御される。また、吸気管2のうち過給機8の下流側には、過給機8により加圧された吸気を冷却するためのインタークーラ11が設けられている。
A throttle valve 9 for controlling the intake air amount GA of the
排気還流通路6は、排気マニホールド5と吸気マニホールド3とを接続し、エンジン1から排出された排気の一部を還流する。排気還流通路6には、還流される排気を冷却するEGRクーラ12と、還流する排気の流量を制御するEGR弁13と、が設けられている。EGR弁13は、図示しないアクチュエータを介してECU40に接続されており、その弁開度はECU40により電磁的に制御される。
The exhaust gas recirculation passage 6 connects the
排気管4には、触媒コンバータ31と、粒子状物質捕集装置(以下「DPF」(Diesel Particulate Filter)という)32と、NOx浄化触媒33と、が上流側からこの順で設けられている。
The
触媒コンバータ31は、後述の燃料改質器50から供給される還元ガスを用いて排気中のNOxを連続的に還元する三元触媒を備える。この触媒コンバータ31は、排気中のNOxを還元する能力を有する白金(Pt)及びロジウム(Rh)と、酸素貯蔵能力を有するセリア(CeO2)とを含む。
本実施形態では、触媒コンバータ31として、白金(Pt)を2.4(g/L)と、ロジウムを1.2(g/L)と、パラジウム(Pd)を6.0(g/L)と、セリアを50(g/L)と、アルミナ(Al2O3)を150(g/L)と、バインダーを10(g/L)と、を水系媒体とともにボールミルで攪拌・混合することでスラリーを製造し、このスラリーをFe−Cr−Al合金製担体にコーティングした後、これを600℃で2時間に亘り乾燥・焼成して調製されたものを用いる。
The
In this embodiment, as the
DPF32は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするパティキュレートとしてのスート(soot)を、フィルタ壁の表面及びフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。フィルタ壁の構成材料としては、例えば、炭化珪素(SiC)などのセラミックスや金属多孔体が使用される。
When the exhaust gas passes through fine holes in the filter wall, the
NOx浄化触媒33は、アルミナ(Al2O3)、セリア(CeO2)、及びセリウムと希土類の複合酸化物(以下、「セリア系複合酸化物」という)の担体に担持された、触媒として作用する白金(Pt)と、NOx吸着能力を有するセリアもしくはセリア系複合酸化物と、触媒に生成されたアンモニア(NH3)を、アンモニウムイオン(NH4 +)として保持する機能を有するゼオライトとを備える。
The
本実施形態では、NOx浄化触媒33として、触媒担体に2つの層からなるNOx還元触媒を担持させることによって形成されたものを用いる。
NOx還元触媒の下層は、白金を4.5(g/L)と、セリアを60(g/L)と、アルミナを30(g/L)と、Ce−Pr−La−Oxを60(g/L)と、Zr−Oxを20(g/L)と、で構成される材料を水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーを触媒担体にコーティングして形成される。
また、NOx還元触媒の上層は、β型のゼオライトに鉄(Fe)及びセリウム(Ce)をイオン交換したものを75(g/L)と、アルミナを7(g/L)と、バインダーを8(g/L)と、で構成される材料を、水系媒体とともにボールミルに投入して攪拌、混合することでスラリーを製造し、このスラリーを上述の下層にコーティングして形成される。
In the present embodiment, the
The lower layer of the NOx reduction catalyst is platinum (4.5 g / L), ceria 60 (g / L), alumina 30 (g / L), and Ce—Pr—La—Ox 60 (g). / L) and 20 (g / L) of Zr-Ox together with an aqueous medium are put into a ball mill, stirred and mixed to produce a slurry, and this slurry is coated on a catalyst carrier. Formed.
Moreover, the upper layer of the NOx reduction catalyst is 75 (g / L) obtained by ion-exchange of β-type zeolite with iron (Fe) and cerium (Ce), 7 (g / L) alumina, and 8 binders. A material composed of (g / L) is put into a ball mill together with an aqueous medium, stirred and mixed to produce a slurry, and this slurry is coated on the lower layer.
NOx浄化触媒33の吸着アンモニア量が少なくなると、NOxの浄化能力が低下するので、適宜NOxを還元するために、NOx浄化触媒33への還元剤の供給(以下「還元化」という)が行われる。この還元化では、エンジン1の燃焼室内の混合気の空燃比(エンジン空燃比)を化学量論比よりリッチ側にすることにより、還元剤をNOx浄化触媒33に供給する。すなわち、エンジン1から排出される排気の空燃比(排気空燃比)をリッチ化することにより、NOx浄化触媒33へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より高くなり、還元化が実行される。
When the amount of adsorbed ammonia in the
このNOx浄化触媒33におけるNOxの浄化について説明する。
先ず、エンジン空燃比を化学量論比よりリーン側に設定し、いわゆるリーンバーン運転を行うと、NOx浄化触媒33へ流入する排気中の還元剤濃度が、酸素濃度より低くなる。その結果、排気中の一酸化窒素(NO)と酸素(O2)とが触媒の作用で反応し、NO2としてセリアもしくはセリア系複合酸化物に吸着される。また、酸素と反応していない一酸化炭素(CO)も、セリアもしくはセリア系複合酸化物に吸着される。
The NOx purification in the
First, when the engine air-fuel ratio is set leaner than the stoichiometric ratio and so-called lean burn operation is performed, the concentration of the reducing agent in the exhaust gas flowing into the
次に、エンジン空燃比を化学量論比よりリッチ側に設定するいわゆるリッチ運転を行い、排気空燃比をリッチ化する。すなわち、排気中の還元剤濃度を酸素濃度より高くする還元化を実行すると、排気中の一酸化炭素(CO)が水(H2O)と反応して、二酸化炭素(CO2)と水素(H2)が生成され、また排気中の炭化水素(HC)が水と反応して、一酸化炭素(CO)及び二酸化炭素(CO2)とともに、水素が生成される。またさらに、排気中に含まれるNOx、及びセリアもしくはセリア系複合酸化物(及び白金)に吸着されているNOx(NO,NO2)と、生成された水素とが触媒の作用で反応し、アンモニア(NH3)及び水が生成される。また、ここで生成されたアンモニアは、アンモニウムイオン(NH4 +)の形でゼオライトに吸着される。 Next, so-called rich operation is performed in which the engine air-fuel ratio is set to be richer than the stoichiometric ratio, and the exhaust air-fuel ratio is enriched. That is, when reduction is performed to make the reducing agent concentration in the exhaust gas higher than the oxygen concentration, carbon monoxide (CO) in the exhaust gas reacts with water (H 2 O), and carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen ( H 2 ) is generated, and hydrocarbons (HC) in the exhaust gas react with water to generate hydrogen together with carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ). Furthermore, NOx contained in the exhaust gas, NOx (NO, NO 2 ) adsorbed on ceria or ceria-based complex oxide (and platinum), and the produced hydrogen react with each other by the action of the catalyst, and ammonia (NH 3 ) and water are produced. Further, the ammonia generated here is adsorbed on the zeolite in the form of ammonium ions (NH 4 + ).
次に、エンジン空燃比を化学量論比よりリーン側に設定するリーンバーン運転を行い、NOx浄化触媒33へ流入する排気中の還元剤濃度を、酸素濃度より低い側に設定すると、セリアもしくはセリア系複合酸化物にNOxが吸着される。さらにゼオライトにアンモニウムイオンが吸着した状態では、排気中のNOx及び酸素と、アンモニアとが反応して、窒素(N2)と水が生成される。
Next, when lean burn operation is performed in which the engine air-fuel ratio is set leaner than the stoichiometric ratio, and the reducing agent concentration in the exhaust gas flowing into the
このように、NOx浄化触媒33によれば、還元剤供給中に生成されるアンモニアがゼオライトに吸着され、リーンバーン運転中に吸着したアンモニアがNOxと反応するので、NOxの浄化を効率よく行うことができる。
Thus, according to the
また、排気管4のうち触媒コンバータ31の上流側には、燃料ガスを改質して、水素(H2)及び一酸化炭素(CO)を含む改質ガスを製造する燃料改質器50が接続されている。この燃料改質器50は、製造した改質ガスを還元ガスとして、排気管4のうち触媒コンバータ31の上流側に形成された導入口14から、排気管4内に供給する。
A
燃料改質器50は、排気管4にその一端側が接続されたガス通路51と、このガス通路51の他端側から燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置52と、ガス通路51に設けられた改質触媒としての改質触媒53と、を含んで構成される。
The
燃料ガス供給装置52は、燃料タンクに貯留された燃料と、コンプレッサにより供給された空気とを所定の割合で混合して燃料ガスを製造し、この燃料ガスをガス通路51に供給する。この燃料ガス供給装置52は、ECU40に接続されており、燃料ガスの供給量及びその混合比は、ECU40により制御される。また、この燃料ガスの供給量を制御することで、排気管4に供給される還元ガスの供給量GRG(単位時間当りに排気管4内に供給される還元ガスの量)を制御することが可能となっている。
The fuel gas supply device 52 mixes fuel stored in the fuel tank and air supplied by the compressor at a predetermined ratio to produce fuel gas, and supplies the fuel gas to the gas passage 51. The fuel gas supply device 52 is connected to the
改質触媒53は、ロジウム及びセリアを含む。この改質触媒53は、燃料ガス供給装置52から供給された燃料ガスを改質し、水素、一酸化炭素、及び炭化水素を含む改質ガスを製造する触媒である。より具体的には、この改質触媒53は、燃料ガスを構成する炭化水素燃料と空気との部分酸化反応により、大気圧よりも高い圧力であり、かつ、体積比で水素よりも一酸化炭素を多く含む改質ガスを製造する。また、上述のように部分酸化反応は発熱反応である。これにより、燃料改質器50は、排気管4のうち導入口14付近における排気よりも高い温度の還元性気体を、排気管4内に供給することが可能となる。
The reforming
また、この改質触媒53には、グロープラグやスパークプラグなどを含んで構成された図示しない加熱ヒータが接続されており、燃料改質器50の始動とともに、改質触媒53を加熱することが可能となっている。また、この燃料改質器50は、排気管4とは別に設けられている。すなわち、燃料改質器50の燃料ガス供給装置52及び改質触媒53は、排気管4内には設けられていない。
The reforming
ECU40には、エンジン1のクランク軸の回転角度を検出するクランク角度位置センサ(図示せず)、エンジン1により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量APを検出するアクセルセンサ(図示せず)、エンジン1の吸入空気量GA(単位時間当りにエンジン1に新規に吸入される空気量)を検出するエアフローメータ21、排気管4のうち導入口14と触媒コンバータ31との間における排気の酸素濃度、すなわち排気空燃比AFを検出するUEGOセンサ23、吸気マニホールド3内の圧力、すなわち過給圧PBを検出する過給圧センサ25、及び吸気マニホールド3の温度TIを検出する温度センサ26が接続されており、これらセンサの検出信号は、ECU40に供給される。
ここで、エンジン1の回転数NEは、クランク角度位置センサの出力に基づいて、ECU40により算出される。
The
Here, the rotational speed NE of the
ECU40は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット(以下「CPU」という)とを備える。この他、ECU40は、CPUで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、燃料改質器50、スロットル弁9、EGR弁13、過給機8、及びエンジン1の燃料噴射弁などに制御信号を出力する出力回路とを備える。
The
エンジン1は、通常はエンジン空燃比が化学量論比よりもリーン側に設定して運転され、エンジン空燃比を化学量論比よりもリッチ側に設定するリッチ化制御が周期的に行われる。
The
図2は、ECUによるリッチ化制御の手順を示すフローチャートである。図2に示すように、通常リッチ化制御とH2リッチ化制御とを、所定の条件に応じて選択的に実行可能となっている。 FIG. 2 is a flowchart showing a procedure of enrichment control by the ECU. As shown in FIG. 2, the normal enrichment control and the H 2 enrichment control can be selectively executed according to a predetermined condition.
ステップS1では、リッチ化を実行するか否かを判断し、この判断がYESの場合にはステップS2に移り、NOの場合にはリッチ化制御を終了する。より具体的には、NOx浄化触媒に吸着されたNOxの吸着量TRNを、吸入空気量GA及びエンジンの燃料噴射量などに基づいて推定し、このNOx吸着量TRNが所定の判定量TRNTH以上である場合にはリッチ化制御を実行する。 In step S1, it is determined whether or not to perform enrichment. If this determination is YES, the process proceeds to step S2, and if NO, the enrichment control is terminated. More specifically, the NOx adsorption amount TRN adsorbed on the NOx purification catalyst is estimated based on the intake air amount GA and the fuel injection amount of the engine, and the NOx adsorption amount TRN is equal to or greater than a predetermined determination amount TRNTH. In some cases, enrichment control is executed.
ステップS2では、燃料噴射量及びエンジンの回転数NEに基づいて、高負荷運転状態であるか否かを判別する。この判別がYESの場合はステップS5に移り、NOの場合はステップS3に移る。
図3は、エンジンの運転状態を示す図である。図3中、横軸はエンジンの回転数であり、縦軸はエンジンの燃料噴射量である。図3に示すように、回転数と燃料噴射量とをパラメータとして、エンジンの運転状態は、曲線91により高負荷運転状態と低負荷運転状態とに分けられる。上述のステップS2では、燃料噴射量及び回転数をパラメータとして、このような制御マップに基づいて、エンジンの運転状態を判定する。
In step S2, it is determined whether or not the engine is in a high load operation state based on the fuel injection amount and the engine speed NE. If this determination is YES, the process proceeds to step S5, and if NO, the process proceeds to step S3.
FIG. 3 is a diagram showing an operating state of the engine. In FIG. 3, the horizontal axis represents the engine speed, and the vertical axis represents the fuel injection amount of the engine. As shown in FIG. 3, the engine operating state is divided into a high-load operating state and a low-load operating state by a
ステップS3では、排気還流率REGR(以下、「EGR率REGR」という)を推定し、このEGR率REGRが所定の判定値REGRTHよりも小さいか否かを判別する。この判別がYESの場合にはステップS5に移り、NOの場合にはステップS4に移る。ここで、EGR率は、エアフローメータにより検出された吸入空気量GA、過給圧センサにより検出された過給圧PB、温度センサ26により検出された吸気マニホールドの温度TI、及びエンジンの回転数NEに基づいて推定される。
In step S3, an exhaust gas recirculation rate REGR (hereinafter referred to as “EGR rate REGR”) is estimated, and it is determined whether or not the EGR rate REGR is smaller than a predetermined determination value REGRTH. If this determination is YES, the process proceeds to step S5, and if NO, the process proceeds to step S4. Here, the EGR rate includes the intake air amount GA detected by the air flow meter, the boost pressure PB detected by the boost pressure sensor, the intake manifold temperature TI detected by the
ステップS4では、通常リッチ化制御を実行し、完了した後にリッチ化制御を終了する。より具体的には、この通常リッチ化制御では、エンジン空燃比を化学量論比よりもリッチ側に設定することにより、排気空燃比AFが所定の第1目標値NAFTVに一致するように制御する。
ステップS5では、H2リッチ化制御を実行し、完了した後にリッチ化制御を終了する。より具体的には、このH2リッチ化制御では、燃料改質器で製造された還元ガスを排気管に供給するとともに、この還元ガスの供給量GRGを調整することにより、排気空燃比AFが所定の目標値HAFTVに一致するように制御する。
In step S4, normal enrichment control is executed, and after completion, the enrichment control is terminated. More specifically, in the normal enrichment control, the exhaust air / fuel ratio AF is controlled to be equal to the predetermined first target value NAFTV by setting the engine air / fuel ratio to be richer than the stoichiometric ratio. .
In step S5, the H 2 enrichment control is executed, and after the completion, the enrichment control is terminated. More specifically, in this H 2 enrichment control, the reducing gas produced by the fuel reformer is supplied to the exhaust pipe, and the exhaust air-fuel ratio AF is adjusted by adjusting the reducing gas supply amount GRG. Control is performed so as to match a predetermined target value HAFTV.
以上詳述したように、本実施形態によれば、排気空燃比をリッチ化する際に、エンジン1の運転状態が高負荷運転状態である場合には、燃料改質器50により製造された還元性気体を排気管4内に供給する。これにより、上述のように高負荷運転状態であり、エンジン空燃比をリッチにしにくい場合であっても、エンジン空燃比をリーンにし内燃機関における燃焼を最適な状態に保ちつつ、NOx浄化触媒33に流入する排気の排気空燃比をリッチにし、NOx浄化触媒33におけるNOxの還元を促進することができる。またここで、エンジン空燃比はリーンに保つことができるので、上述のようなオイルダイリューションが発生したり、エンジン1の燃焼が不安定になったりするのを防止できる。
また、還元性気体を製造する燃料改質器50を排気管4とは別に設けることにより、エンジン1の運転状態や、排気の酸素濃度及び水蒸気濃度などによらず、常に最適な効率で還元性気体を製造できるとともに、この還元性気体を排気管4内に供給することができる。また、燃料改質器50を排気管4とは別に設けることで、エンジン1の運転状態など必要に応じて還元性気体を供給することが可能となる。
一方、燃料改質器50を排気管4内に設けた場合には、排気の成分、温度、流速に影響することなく運転できるように、燃料改質器50を大型にする必要があるが、本実施形態によれば、燃料改質器50を排気管4とは別に設けることで、装置を大型にすることなく安定した運転を行うことができる。また、燃料改質器50を排気管4とは別に設けることにより、エンジン1の制御とは別系統の制御を行うことで、燃料改質器50が備える改質触媒53を早期に活性化することも可能となる。
また、水素を含む還元性気体を供給することにより、NOx浄化触媒33における還元反応速度を向上させることができる。これにより、排気空燃比をリッチにしたときに、NOx浄化触媒33に吸着又は吸蔵されたNOxが還元されずに脱離するのを防止することができる。
As described in detail above, according to the present embodiment, when the exhaust air-fuel ratio is enriched, if the operating state of the
Further, by providing the
On the other hand, when the
In addition, the reduction reaction rate in the
また本実施形態によれば、排気空燃比をリッチ化する際において、推定されたEGR率REGRが所定の判定値REGRTHよりも小さい場合には、燃料改質器50により製造された還元性気体を排気管4に供給することで排気空燃比がリッチ化される。
ところで、排気を吸気側に還流しつつ、エンジン空燃比をリッチにすると、排気中の炭化水素が吸気管2に堆積し、この吸気管2を閉塞してしまうおそれがある。本実施形態によれば、還元ガスを供給することで、上述のように吸気管2を閉塞することなく排気空燃比をリッチ化し、NOx浄化触媒33におけるNOx浄化性能を向上できる。
また本実施形態によれば、触媒コンバータ31をNOx浄化触媒33の上流側に設けることにより、リッチ中にNOx浄化触媒33に流入する排気のNOx濃度を低減できる。すなわち、リッチ中にNOx浄化触媒33に流入するNOxの量を低減できる。したがって、排気空燃比をリッチにしたときに、NOx浄化触媒33に吸着又は吸蔵されたNOxを還元しきれずに脱離するのを防止できる。
Further, according to the present embodiment, when the exhaust air-fuel ratio is enriched, if the estimated EGR rate REGR is smaller than the predetermined determination value REGRTH, the reducing gas produced by the
By the way, if the engine air-fuel ratio is made rich while the exhaust gas is recirculated to the intake side, hydrocarbons in the exhaust gas may accumulate on the
Further, according to the present embodiment, by providing the
また本実施形態によれば、還元性気体を供給することで排気空燃比をリッチ化する場合には、排気空燃比AFが所定の目標値NAFTV,HAFTVに一致するように、還元性気体の供給量GRGが調整される。これにより、常に最適な排気空燃比の排気をNOx浄化触媒33に流入させることができる。
また本実施形態によれば、還元性気体を供給することで排気空燃比をリッチ化する場合と、還元性気体を供給せずに排気空燃比をリッチ化する場合とで、異なる目標値に基づいて排気空燃比をリッチ化される。これにより、常に最適な排気空燃比の排気をNOx浄化触媒33に流入させることができる。
Further, according to the present embodiment, when the exhaust air-fuel ratio is enriched by supplying the reducing gas, the reducing gas is supplied so that the exhaust air-fuel ratio AF matches the predetermined target values NAFTV and HAFTV. The amount GRG is adjusted. As a result, the exhaust gas having the optimum exhaust air / fuel ratio can always flow into the
According to the present embodiment, the exhaust air-fuel ratio is enriched by supplying reducing gas, and the exhaust air-fuel ratio is enriched without supplying reducing gas, based on different target values. As a result, the exhaust air-fuel ratio is enriched. As a result, the exhaust gas having the optimum exhaust air / fuel ratio can always flow into the
また本実施形態によれば、触媒コンバータ31にセリアを含めることにより、触媒コンバータ31によるNOxの還元能力をさらに向上できき、さらに貴金属活性種が焼結するのを抑制できる。また、触媒コンバータ31に酸素貯蔵能力を有するロジウムを含めることにより、排気中の酸素濃度が急激に変化しても、この触媒コンバータ31における反応を安定させることができる。また、触媒コンバータに白金を含めることにより、NOの酸化及び吸着又は吸蔵、並びに、NOxの還元を行うことができる。
また本実施形態によれば、部分酸化反応により還元性気体を製造することにより、この燃料改質器50を小型なものにできる。つまり、上述のように部分酸化反応は発熱反応であり、一旦反応が開始すれば自発的に反応が進行するため、外部から余分なエネルギーを供給する装置を設ける必要がないためである。また、シフト反応などの水素を濃縮するためのコンバータやシステムも設ける必要もない。また、このように燃料改質器50を小型にすることで、燃料改質器50のライトオフ時間を短縮できる。したがって、必要に応じて速やかに還元性気体を排気管4内に供給することができる。
また、大気圧より高い圧力の還元性気体を製造することにより、余分な装置を追加することなく、製造した還元性気体を排気管4内に供給できる。
また、この部分酸化反応において副次的に生成される軽質の炭化水素も一酸化炭素や水素とともに触媒コンバータ31に導入して、NOxの還元に使用することもできる。
Further, according to the present embodiment, the inclusion of ceria in the
Further, according to this embodiment, the
Further, by producing the reducing gas having a pressure higher than the atmospheric pressure, the produced reducing gas can be supplied into the
In addition, light hydrocarbons produced as a secondary in this partial oxidation reaction can also be introduced into the
本実施形態では、ECU40がリッチ化手段、運転状態検出手段の一部、排気還流率推定手段の一部を構成する。具体的には、図2のステップS1〜S5に係る手段がリッチ化手段に相当し、ステップS2に係る手段が運転状態検出手段に相当し、ステップS3に係る手段、エアフローメータ21、過給圧センサ25、温度センサ26が排気還流率推定手段に相当する。
In the present embodiment, the
次に、上記実施形態のように、還元ガスを排気管に供給することによる効果を検証するNOx浄化評価試験について図4及び図5を参照して説明する。 Next, a NOx purification evaluation test for verifying the effect of supplying the reducing gas to the exhaust pipe as in the above embodiment will be described with reference to FIGS.
[NOx浄化性能評価試験方法]
図4は、NOx浄化性能評価試験の試験装置80の構成を示す概略図である。
試験装置80は、モデルガスを所定の組成で供給する供給装置81と、吸着剤84がその内部に設けられた加熱器83と、モデルガスを分析するガス分析計85及びデータ取り込み用計算機86と、を含んで構成される。
[NOx purification performance evaluation test method]
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the
The
供給装置81は、N2、CO2、O2、H2O、CO、HC、NOx、及びH2で構成されるモデルガスを、加熱器83に供給する。この供給装置81は、モデルガスの各成分の流量を調整することが可能となっている。
加熱器83は、その内部に、反応器82と吸着剤84とを備え、これら反応器82及び吸着剤84を加熱する。反応器82は、供給装置81から供給されたモデルガスを混合し吸着剤84に供給する。
The
The
吸着剤84は、三元触媒とNOx浄化触媒とで構成されるものを用いる。ここで、これら三元触媒及びNOx浄化触媒には、それぞれ、上記実施形態に記載された触媒コンバータ31及びNOx浄化触媒33(上述の図1参照)と同じものを用いたので、その説明を省略する。
The adsorbent 84 is composed of a three-way catalyst and a NOx purification catalyst. Here, the same three-way catalyst and NOx purification catalyst as those of the
ガス分析計85は、加熱器83内において、反応器82から吸着剤84に供給され、この吸着剤84を通過したモデルガスのNOx濃度を測定する。データ取り込み用計算機86は、このNOx濃度に関するデータを処理し、各温度に対するNOx浄化率を算出する。NOx浄化率は、次式に基づいて算出する。
NOx浄化率[%]=(Cin−Cout)/Cin×100
ここで、Cinは、吸着剤84の流入口におけるモデルガスのNOx濃度であり、Coutは、吸着剤84の流出口におけるモデルガスのNOx濃度である。また、モデルガスのNOx濃度は、ケミカル・ルミネッセン法により測定した。
In the
NOx purification rate [%] = (Cin−Cout) / Cin × 100
Here, Cin is the NOx concentration of the model gas at the inlet of the adsorbent 84, and Cout is the NOx concentration of the model gas at the outlet of the adsorbent 84. The NOx concentration of the model gas was measured by the chemical luminescence method.
本評価試験では、以上のように構成された試験装置80において、モデルガスを供給しながら、このモデルガスを50℃から450℃まで20℃/分で加熱しつつ、吸着剤84を通過したモデルガスのNOx浄化率を測定した。
また、モデルガスは、リーン雰囲気の組成のモデルガスと、リッチ雰囲気の組成のモデルガスと、をそれぞれ55秒及び5秒に亘って交互に供給した。
In this evaluation test, in the
As the model gas, a model gas having a lean atmosphere composition and a model gas having a rich atmosphere composition were alternately supplied over 55 seconds and 5 seconds, respectively.
[実施例]
実施例のモデルガスには、上記実施形態に係る燃料改質器により製造された還元ガス(一酸化炭素、水素、及び炭化水素を含む)を排気に添加したものを模したものとして、下記の組成を有するモデルガスを用いた。
リーン雰囲気
NO :90ppm
CO :6000ppm
HC(プロピレン) :500ppmC(C3H6)
O2 :6%
CO2 :6%
H2O :7%
N2 :バランスガス
H2 :5000ppm
SV=50000h−1
リッチ雰囲気
NO :90ppm
CO :2.1%
HC(プロピレン) :500ppmC(C3H6)
O2 :0%
CO2 :6%
H2O :7%
N2 :バランスガス
H2 :6000ppm
SV=50000h−1
[Example]
In the model gas of the example, the following gas is modeled on the one obtained by adding the reducing gas (including carbon monoxide, hydrogen, and hydrocarbon) produced by the fuel reformer according to the above embodiment to the exhaust gas. A model gas having a composition was used.
Lean atmosphere NO: 90ppm
CO: 6000 ppm
HC (propylene): 500 ppmC (C 3 H 6 )
O 2 : 6%
CO 2 : 6%
H 2 O: 7%
N 2 : Balance gas H 2 : 5000 ppm
SV = 50000h-1
Rich atmosphere NO: 90ppm
CO: 2.1%
HC (propylene): 500 ppmC (C 3 H 6 )
O 2 : 0%
CO 2 : 6%
H 2 O: 7%
N 2 : Balance gas H 2 : 6000 ppm
SV = 50000h-1
[比較例]
比較例のモデルガスには、上述の還元ガスが添加されていない排気を模したものとして、下記の組成を有するモデルガスを用いた。
リーン雰囲気
NO :90ppm
CO :1000ppm
HC(プロピレン) :500ppmC(C3H6)
O2 :6%
CO2 :6%
H2O :7%
N2 :バランスガス
H2 :0ppm
SV=50000h−1
リッチ雰囲気
NO :90ppm
CO :2%
HC(プロピレン) :500ppmC(C3H6)
O2 :0%
CO2 :6%
H2O :7%
N2 :バランスガス
H2 :0ppm
SV=50000h−1
[Comparative example]
As a model gas of the comparative example, a model gas having the following composition was used as a model of exhaust gas to which the above-described reducing gas was not added.
Lean atmosphere NO: 90ppm
CO: 1000 ppm
HC (propylene): 500 ppmC (C 3 H 6 )
O 2 : 6%
CO 2 : 6%
H 2 O: 7%
N 2 : Balance gas H 2 : 0 ppm
SV = 50000h-1
Rich atmosphere NO: 90ppm
HC (propylene): 500 ppmC (C 3 H 6 )
O 2 : 0%
CO 2 : 6%
H 2 O: 7%
N 2 : Balance gas H 2 : 0 ppm
SV = 50000h-1
[試験結果]
図5は、実施例及び比較例の試験結果を示す図である。図5において、横軸はモデルガスの温度を示し、縦軸はNOx浄化率を示す。また、黒丸は実施例におけるガス温度とNOx浄化率との関係を示し、白丸は比較例におけるガス温度とNOx浄化率との関係を示す。
実施例のNOx浄化率と比較例のNOx浄化率とを比較すると、実施例のNOx浄化率は全温度域に亘りほぼ一定であるのに対し、比較例は低温域におけるNOx浄化率が特に小さくなっている。したがって、実施例のように一酸化炭素及び水素を含む還元ガスを添加することにより、特に低温域におけるNOx浄化性能を向上できることが検証された。
[Test results]
FIG. 5 is a diagram showing test results of Examples and Comparative Examples. In FIG. 5, the horizontal axis represents the temperature of the model gas, and the vertical axis represents the NOx purification rate. Moreover, a black circle shows the relationship between the gas temperature and the NOx purification rate in the example, and a white circle shows the relationship between the gas temperature and the NOx purification rate in the comparative example.
Comparing the NOx purification rate of the example and the NOx purification rate of the comparative example, the NOx purification rate of the example is substantially constant over the entire temperature range, whereas the comparative example has a particularly small NOx purification rate in the low temperature range. It has become. Therefore, it was verified that the NOx purification performance in the low temperature range can be improved by adding the reducing gas containing carbon monoxide and hydrogen as in the embodiment.
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進用エンジンなどの排気浄化装置にも適用が可能である。
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made.
The present invention can also be applied to an exhaust emission control device such as a marine vessel propulsion engine such as an outboard motor having a vertical crankshaft.
1 エンジン(内燃機関)
4 排気管(排気通路)
5 排気マニホールド(排気通路)
14 導入口
23 UEGOセンサ(排気空燃比検出手段)
31 触媒コンバータ
33 NOx浄化触媒
40 電子制御ユニット(リッチ化手段、運転状態検出手段、排気還流率推定手段)
50 燃料改質器
1 engine (internal combustion engine)
4 Exhaust pipe (exhaust passage)
5 Exhaust manifold (exhaust passage)
14 Introducing
31
50 Fuel reformer
Claims (7)
前記排気通路に設けられ、還元性気体を用いて排気中のNOxを連続的に還元する触媒コンバータと、
前記排気通路とは別に設けられ、燃料を改質して水素及び一酸化炭素を含む還元性気体を製造し、この還元性気体を、前記排気通路のうち前記NOx浄化触媒及び前記触媒コンバータの上流側に設けられた導入口から、当該排気通路内に供給する燃料改質器と、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記排気空燃比をリッチ化するリッチ化手段と、を備え、
前記リッチ化手段は、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が高負荷運転状態である場合には、前記燃料改質器により前記排気通路内に還元性気体を供給することで前記排気空燃比をリッチ化することを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 The exhaust air-fuel ratio is provided in the exhaust passage of the internal combustion engine and adsorbs or occludes NOx in the exhaust when the exhaust air-fuel ratio is made lean, with the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing through the exhaust passage being made lean. In an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine comprising a NOx purification catalyst that reduces the adsorbed or occluded NOx when the gas is made rich.
A catalytic converter that is provided in the exhaust passage and continuously reduces NOx in the exhaust using a reducing gas;
Provided separately from the exhaust passage, the fuel is reformed to produce a reducing gas containing hydrogen and carbon monoxide, and this reducing gas is upstream of the NOx purification catalyst and the catalytic converter in the exhaust passage. A fuel reformer that is supplied into the exhaust passage from an inlet provided on the side;
An operating state detecting means for detecting an operating state of the internal combustion engine;
Enriching means for enriching the exhaust air-fuel ratio,
When the operation state detected by the operation state detection unit is a high load operation state, the enrichment unit supplies the reducing gas to the exhaust passage by the fuel reformer. An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine characterized by enriching the fuel ratio.
前記リッチ化手段は、前記排気還流率推定手段により推定された排気還流率が所定の判定値よりも小さい場合には、前記燃料改質器により前記排気通路に還元性気体を供給することで前記排気空燃比をリッチ化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浄化装置。 An exhaust gas recirculation rate estimating means for estimating an exhaust gas recirculation rate of the internal combustion engine;
When the exhaust gas recirculation rate estimated by the exhaust gas recirculation rate estimating unit is smaller than a predetermined determination value, the enrichment unit supplies the reducing gas to the exhaust passage by the fuel reformer. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the exhaust air-fuel ratio is enriched.
前記リッチ化手段は、前記燃料改質器により還元性気体を供給することで前記排気空燃比をリッチ化する場合には、前記排気空燃比検出手段により検出又は推定された排気空燃比が所定の目標値に一致するように、還元性気体の供給量を調整することを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。 An exhaust air / fuel ratio detecting means for detecting or estimating an exhaust air / fuel ratio between the inlet and the catalytic converter in the exhaust passage;
When the exhaust air-fuel ratio is enriched by supplying a reducing gas from the fuel reformer, the enrichment means has a predetermined exhaust air-fuel ratio detected or estimated by the exhaust air-fuel ratio detection means. The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 3, wherein the supply amount of the reducing gas is adjusted so as to coincide with the target value.
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