JP2017044201A - Exhaust emission control system for internal combustion engine and exhaust emission control catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、簡易な構成で排ガスの浄化を可能にした内燃機関の排ガス浄化システム及び排ガス浄化触媒に関する。 The present disclosure relates to an exhaust gas purification system and an exhaust gas purification catalyst for an internal combustion engine that enable purification of exhaust gas with a simple configuration.
大気のクリーン化が求められる中、ガソリンエンジンでは、触媒を用いた排ガス浄化性能のさらなる向上が求められ、特に、エンジン冷態時の排ガス浄化が重要な課題となっている。エンジン冷態時の排ガス浄化策として、排ガス通路に設けられた触媒が昇温するまでの間に排出されるHCの低減を狙って、HCトラップ触媒など、排ガス通路に多種の触媒を直列に配置した浄化システムが検討されている。
しかし、このような浄化システムでは、排ガスの圧力損失が大きくなり、排気圧力の上昇によって、エンジン性能が低下するだけでなく、触媒コストが極めて高価になるという問題がある。特に、触媒担持層を担持する担持基材がハニカム構造体であるとき、排ガスの圧力損失がエンジン性能に及ぼす影響を無視できない。
Amidst demands for clean air, gasoline engines are required to further improve exhaust gas purification performance using a catalyst, and in particular, exhaust gas purification when the engine is cold is an important issue. As an exhaust gas purification measure when the engine is cold, various catalysts are arranged in series in the exhaust gas passage, such as an HC trap catalyst, aiming to reduce the HC discharged until the temperature of the catalyst provided in the exhaust gas passage rises. Purified systems are being considered.
However, in such a purification system, there is a problem that the pressure loss of the exhaust gas becomes large, and not only the engine performance is reduced due to the increase of the exhaust pressure, but the catalyst cost becomes extremely expensive. In particular, when the support base material supporting the catalyst support layer is a honeycomb structure, the influence of exhaust gas pressure loss on engine performance cannot be ignored.
例えば、特許文献1には、排ガス通路に排ガス上流側から第1の触媒コンバータと第2の触媒コンバータとが直列に設けられ、第1の触媒コンバータには、酸化性能を有する高温用NOx吸着触媒と触媒温度が低いときNOxを吸着する低温用NOx吸着触媒とが内蔵され、第2の触媒コンバータには、第1の触媒コンバータから放出されたNOxを還元浄化するためのNOx還元触媒と、捕集したPMを燃焼し浄化するPM燃焼触媒とが内蔵されている。 For example, in Patent Document 1, a first catalytic converter and a second catalytic converter are provided in series in the exhaust gas passage from the exhaust gas upstream side, and the first catalytic converter includes a high-temperature NOx adsorption catalyst having oxidation performance. And a low-temperature NOx adsorption catalyst that adsorbs NOx when the catalyst temperature is low, and the second catalytic converter includes a NOx reduction catalyst for reducing and purifying NOx released from the first catalytic converter, and a trap. A PM combustion catalyst for burning and purifying the collected PM is incorporated.
排ガス通路に複数種の触媒を直列に配置すると、排ガスの圧力損失が増加する。特許文献1に開示された排ガス浄化システムは、排気圧力の増加を抑え、エンジン性能の低下を抑えることを目的としている。しかしながら、今後、さらなる排ガス浄化性能の向上を狙って触媒の多機能化が求められる状況下では、排気圧力の抑制と触媒コストの削減が必要である。 When a plurality of types of catalysts are arranged in series in the exhaust gas passage, the pressure loss of the exhaust gas increases. The exhaust gas purification system disclosed in Patent Document 1 aims to suppress an increase in exhaust pressure and suppress a decrease in engine performance. However, in the future, it is necessary to suppress the exhaust pressure and reduce the catalyst cost under the situation where the multi-functionalization of the catalyst is demanded with the aim of further improving the exhaust gas purification performance.
そこで、これら技術的課題に鑑み、本発明の少なくとも一つの実施形態は、排ガス浄化性能の多機能化に対応しつつ、排ガスの圧力損失をさらに低減して内燃機関の効率向上を図ると共に、触媒コストの削減を図ることを目的とする。 Accordingly, in view of these technical problems, at least one embodiment of the present invention aims to improve the efficiency of the internal combustion engine by further reducing the pressure loss of the exhaust gas while supporting the multi-functionality of the exhaust gas purification performance. The purpose is to reduce costs.
(1)本発明の少なくとも一実施形態に係る内燃機関の排ガス浄化システムは、排ガス通路に、担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成された排ガス浄化触媒を備えた内燃機関の排ガス浄化システムにおいて、前記排ガス通路に第1の排ガス浄化触媒を備え、前記第1の排ガス浄化触媒の前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、前記上層の前記触媒活性成分は、排ガス中に含まれるNH3で排ガス中のNOxを選択還元する材料を含み、前記下層の前記触媒活性成分は、HC及びNOxを吸着可能な材料を含む。 (1) An exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to at least one embodiment of the present invention includes a support base material, a catalyst support layer formed on a surface of the support base material, and a catalyst support layer. In the exhaust gas purification system of an internal combustion engine comprising an exhaust gas purification catalyst composed of the catalyst active component thus formed, the exhaust gas passage comprises a first exhaust gas purification catalyst, and the catalyst support layer of the first exhaust gas purification catalyst comprises: A lower layer close to the surface of the support substrate and an upper layer relatively far from the lower layer, and the catalytically active component of the upper layer is a material that selectively reduces NOx in the exhaust gas with NH 3 contained in the exhaust gas The catalytic active component in the lower layer includes a material capable of adsorbing HC and NOx.
排ガス中にCO、HCが存在すると、反応式(1)の水性ガス反応と、反応式(2)の水蒸気改質反応が進行してH2が生成され、反応式(3)、反応式(4)や反応式(5)の反応によりNH3が生成する。これらの反応は、とくに貴金属を担持した触媒上で進行する。
CO+H2O → CO2+H2 (1)
CHn+2H2O → CO2+(2+n/2)H2 (2)
5/2H2+NO → NH3+H2O (3)
3/2H2+NO+CO → NH3+CO2 (4)
NO+HC+H2O → CO2+NH3 (5)
上記第1の排ガス浄化触媒では、上層の触媒活性成分により排ガス中に存在するNH3とNOxとを反応させ、反応式(6)〜(8)の反応によりNOxを選択還元する。
NO+NO2+2NH3 → 2N2+3H2O (6)
4NO+4NH3+O2 → 4N2+6H2O (7)
6NO2+8NH3 → 7N2+12H2O (8)
また、下層の触媒活性成分で吸着したHC及びNOxから、上記反応式(1)〜(5)によりNH3を生成し、生成したNH3をNOxの選択還元に用いることができる。
また、下層の触媒活性成分で吸着したNOxが上層の触媒活性成分を通過する機会が与えられるため、NOxの還元率を向上できる。
このように、排ガスに曝される上層側に排ガス中に存在するNH3とNOxを反応させる成分を含み、下層側にHC及びNOx吸着能成分を含むため、NOxを効率良く低減できる。
また、上下積層構造の触媒担持層を備えることで、排ガス通路に直列に配置される触媒担体の数を低減できるため、触媒コストを削減できると共に、排ガスの圧力損失を低減できるため、内燃機関の性能低下を抑制できる。
When CO and HC are present in the exhaust gas, the water gas reaction of the reaction formula (1) and the steam reforming reaction of the reaction formula (2) proceed to generate H 2 , and the reaction formula (3), the reaction formula ( NH 3 is produced by the reaction of 4) or reaction formula (5). These reactions proceed particularly on a catalyst supporting a noble metal.
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (1)
CH n + 2H 2 O → CO 2 + (2 + n / 2) H 2 (2)
5 / 2H 2 + NO → NH 3 + H 2 O (3)
3 / 2H 2 + NO + CO → NH 3 + CO 2 (4)
NO + HC + H 2 O → CO 2 + NH 3 (5)
In the first exhaust gas purification catalyst, NH 3 and NOx present in the exhaust gas are reacted with the catalytic active component in the upper layer, and NOx is selectively reduced by the reactions of the reaction formulas (6) to (8).
NO + NO 2 + 2NH 3 → 2N 2 + 3H 2 O (6)
4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O (7)
6NO 2 + 8NH 3 → 7N 2 + 12H 2 O (8)
In addition, NH 3 can be generated from the HC and NOx adsorbed by the catalytic active component in the lower layer by the above reaction formulas (1) to (5), and the generated NH 3 can be used for selective reduction of NOx.
In addition, since the NOx adsorbed by the lower catalytic active component is given an opportunity to pass through the upper catalytic active component, the NOx reduction rate can be improved.
As described above, since the upper layer side exposed to the exhaust gas includes a component that causes NH 3 and NOx present in the exhaust gas to react and the lower layer side includes HC and a NOx adsorbing component, NOx can be efficiently reduced.
In addition, since the number of catalyst carriers arranged in a stack in the exhaust gas passage can be reduced by providing the upper and lower stacked catalyst support layers, the catalyst cost can be reduced and the pressure loss of the exhaust gas can be reduced. Performance degradation can be suppressed.
(2)幾つかの実施形態では、前記構成(1)において、前記第1の排ガス浄化触媒より上流側の前記排ガス通路に、担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成された第2の排ガス浄化触媒を備え、前記第2の排ガス浄化触媒の前記触媒活性成分は、排ガス中のHC及びCOを酸化すると共にNOxを還元することで、これらを低減する材料を含む。
上記構成(2)によれば、上記第2の排ガス浄化触媒はいわゆる三元触媒としての浄化機能を有し、排ガス中のHC及びCOを酸化し、かつNOxを還元してN2、CO2及びH2Oに変換し低減できる。
こうして、第1の排ガス浄化触媒及び第2の排ガス浄化触媒との組合せで排ガス浄化性能の多機能化が可能になる。
(2) In some embodiments, in the configuration (1), a support substrate and a catalyst support formed on the surface of the support substrate in the exhaust gas passage upstream of the first exhaust gas purification catalyst. A second exhaust gas purification catalyst comprising a catalyst layer and a catalytic active component supported on the catalyst support layer, wherein the catalytic active component of the second exhaust gas purification catalyst oxidizes HC and CO in the exhaust gas In addition, a material that reduces NOx by reducing NOx is included.
According to the configuration (2), the second exhaust gas purification catalyst has a purification function as a so-called three-way catalyst, oxidizes HC and CO in the exhaust gas, and reduces NOx to reduce N 2 and CO 2. And can be reduced to H 2 O.
Thus, the exhaust gas purification performance can be multi-functionalized by combining the first exhaust gas purification catalyst and the second exhaust gas purification catalyst.
(3)幾つかの実施形態では、前記構成(2)において、前記第2の排ガス浄化触媒の前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、前記上層の前記触媒活性成分はRhを含み、前記下層の前記触媒活性成分はPd及び触媒用酸素吸蔵材料を含む。
上記構成(3)によれば、上層に含まれるRhの優れた排ガス浄化性能で高い排ガス浄化効果を得ることができると共に、触媒活性成分として比較的安価なPdを含む下層の存在によって、高い浄化性能を維持しつつ触媒コストを低減できる。
また、下層に酸素吸蔵及び放出能を有する触媒用酸素吸蔵材料を含むことで、空燃比が変動した場合でも高い排ガス浄化効果を維持できる。
さらに、排ガス浄化効果の向上に伴って、第1の排ガス浄化触媒及び第2の排ガス浄化触媒の触媒担持層の膜厚を薄くでき、これによって、特に、担持基材がハニカム構造体である場合などで、排ガスの圧力損失の増加を抑えることができる。
さらに、RhやPd等の貴金属を担持した触媒担持層を積層させることで、上記反応式(1)〜(5)によりNH3が多く生成され、ここで生成されたNH3がNOxの還元浄化に寄与する。
(3) In some embodiments, in the configuration (2), the catalyst support layer of the second exhaust gas purification catalyst includes a lower layer close to the surface of the support base and an upper layer relatively far from the lower layer. The catalytic active component in the upper layer contains Rh, and the catalytic active component in the lower layer contains Pd and an oxygen storage material for catalyst.
According to the configuration (3), it is possible to obtain a high exhaust gas purification effect with an excellent exhaust gas purification performance of Rh contained in the upper layer, and high purification by the presence of a lower layer containing Pd that is relatively inexpensive as a catalytically active component. The catalyst cost can be reduced while maintaining the performance.
Moreover, even if the air-fuel ratio fluctuates, a high exhaust gas purification effect can be maintained by including a catalyst oxygen storage material having oxygen storage and release capability in the lower layer.
Furthermore, as the exhaust gas purification effect is improved, the film thicknesses of the catalyst support layers of the first exhaust gas purification catalyst and the second exhaust gas purification catalyst can be reduced, and particularly when the support substrate is a honeycomb structure. Thus, an increase in the pressure loss of the exhaust gas can be suppressed.
Further, by laminating a catalyst support layer supporting a noble metal such as Rh or Pd, a large amount of NH 3 is generated by the above reaction formulas (1) to (5), and the generated NH 3 is reduced and purified by NOx. Contribute to.
(4)幾つかの実施形態では、前記構成(3)において、前記第2の排ガス浄化触媒の前記下層は、排ガス流れ上流側領域のみに設けられている。
上記構成(4)によれば、排ガス温度が高く排ガス浄化効果が大きい排ガス上流側領域では、上記下層の存在により排ガス浄化効果を高めることができる。他方、排ガス温度が低く上流側領域ほど排ガス浄化効果が見込めない排ガス下流側領域では、下層を形成しないことで、排ガス浄化効果を大きく低下させることなく触媒コストを低減できる。
(4) In some embodiments, in the configuration (3), the lower layer of the second exhaust gas purification catalyst is provided only in the exhaust gas flow upstream region.
According to the configuration (4), in the exhaust gas upstream region where the exhaust gas temperature is high and the exhaust gas purification effect is large, the exhaust gas purification effect can be enhanced by the presence of the lower layer. On the other hand, in the exhaust gas downstream region where the exhaust gas temperature is lower and the exhaust gas purification effect cannot be expected in the upstream region, the catalyst cost can be reduced without significantly reducing the exhaust gas purification effect by forming no lower layer.
幾つかの実施形態では、前記構成(3)又は(4)において、前記第2の排ガス浄化触媒の前記上層は、前記触媒活性成分として担持基材の容積1リットル当たり0.1乃至2.0gのRhを含み、前記第2の排ガス浄化触媒の前記下層は、前記触媒活性成分として担持基材の容積1リットル当たり1乃至15gのPdと、助触媒としてCeO2を主成分とする1乃至80gの前記触媒用酸素吸蔵材料とを含む。
上記構成によれば、触媒担持層に、触媒活性成分としてのRh及びPd及び助触媒としての触媒用酸素吸蔵材料が上記範囲の量を担持されることで、高い排ガス浄化効果を得ることができる。また、浄化効果が高いために上層及び下層とも膜厚を抑えることができるので、触媒担持層のコーティングが容易になる。
In some embodiments, in the configuration (3) or (4), the upper layer of the second exhaust gas purification catalyst is 0.1 to 2.0 g per liter of the support substrate as the catalytic active component. The lower layer of the second exhaust gas purifying catalyst contains 1 to 15 g of Pd as a main component of 1 to 15 g of Pd per liter of the supporting substrate as the catalytic active component and CeO 2 as a co-catalyst. The oxygen storage material for catalyst.
According to the above configuration, a high exhaust gas purification effect can be obtained by loading the catalyst supporting layer with Rh and Pd as the catalyst active components and the oxygen storage material for catalyst as the promoter in the above ranges. . Further, since the purification effect is high, the film thickness of both the upper layer and the lower layer can be suppressed, so that the coating of the catalyst support layer becomes easy.
(5)幾つかの実施形態では、前記構成(3)又は(4)において、前記第2の排ガス浄化触媒の前記上層は、前記触媒活性成分の担持量が排ガス流れ上流側領域で排ガス流れ下流側領域より多い。
上記構成(5)によれば、排ガス温度が高く排ガス浄化効果が大きい排ガス流れ上流側領域で触媒活性成分の担持量を多くすることで、排ガス浄化効果を向上できると共に、排ガス流れ下流側領域では触媒活性成分の担持量を少なくすることで、触媒コストを削減できる。
(5) In some embodiments, in the configuration (3) or (4), the upper layer of the second exhaust gas purification catalyst has an amount of the catalyst active component supported in the exhaust gas flow upstream region and the exhaust gas flow downstream. More than side area.
According to the configuration (5), the exhaust gas purification effect can be improved by increasing the supported amount of the catalytic active component in the exhaust gas flow upstream region where the exhaust gas temperature is high and the exhaust gas purification effect is large. The catalyst cost can be reduced by reducing the amount of the catalytically active component supported.
(6)幾つかの実施形態では、前記構成(1)〜(5)の何れかにおいて、前記第1の排ガス浄化触媒において、前記下層に含まれる前記触媒活性成分が吸着したHC及びNOxを脱離させる工程で、内燃機関をリッチ燃焼に制御するための制御装置をさらに備える。
上記構成(6)によれば、下層に含まれる触媒活性成分が吸着したHC及びNOxを脱離させる工程で、内燃機関をリッチ燃焼に制御することで、排ガス中のCO量やHC量を増やし、これによって、上記反応式(1)〜(5)から、排ガス中に含まれるNH3量を増やすことができる。
そして、増加したNH3によって下層の触媒活性成分から脱離したNOxを高効率で低減できる。また、下層の触媒活性成分から脱離したHCは上層触媒や下流触媒の浄化作用によって低減できる。
(6) In some embodiments, in any one of the configurations (1) to (5), in the first exhaust gas purification catalyst, HC and NOx adsorbed by the catalytic active component contained in the lower layer are removed. A control device is further provided for controlling the internal combustion engine to rich combustion in the separating step.
According to the configuration (6), the amount of CO and HC in the exhaust gas is increased by controlling the internal combustion engine to rich combustion in the step of desorbing HC and NOx adsorbed by the catalytically active components contained in the lower layer. Thus, the amount of NH 3 contained in the exhaust gas can be increased from the reaction formulas (1) to (5).
Further, NOx desorbed from the lower catalytic active component by the increased NH 3 can be reduced with high efficiency. Further, HC desorbed from the lower layer catalytic active component can be reduced by the purification action of the upper layer catalyst and the downstream catalyst.
(7)幾つかの実施形態では、前記構成(6)において、前記第1の排ガス浄化触媒を通る排ガスの温度を検出するための温度センサをさらに備え、前記制御装置は、前記温度センサの検出値が閾値を超えた時、HC及びNOxの脱離工程であると判定し、前記内燃機関をリッチ燃焼に制御するものである。
上記構成(7)によれば、第1の排ガス浄化触媒を通る排ガスの温度を検出し、この検出値に基づいてHC及びNOxの脱離工程が開始されたか否かを正確に判定できる。
(7) In some embodiments, the configuration (6) further includes a temperature sensor for detecting a temperature of the exhaust gas that passes through the first exhaust gas purification catalyst, and the control device detects the temperature sensor. When the value exceeds the threshold value, it is determined that the process is a desorption process of HC and NOx, and the internal combustion engine is controlled to rich combustion.
According to the configuration (7), it is possible to detect the temperature of the exhaust gas passing through the first exhaust gas purification catalyst and accurately determine whether or not the HC and NOx desorption process has been started based on the detected value.
(8)本発明の少なくとも一実施形態に係る排ガス浄化触媒は、担持基材と、該担持基材の表面に形成された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒活性成分とで構成された排ガス浄化触媒において、前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、前記上層の前記触媒活性成分は、排ガス中に含まれるNH3で排ガス中のNOxを選択還元する材料を含み、前記下層の前記触媒活性成分は、HC及びNOxを吸着可能な材料を含む。
上記構成(8)によれば、上記排ガス浄化触媒では、上層の触媒活性成分により排ガス中に存在するNH3とNOxとを反応させ、NOxを選択還元する。また、下層の触媒活性成分で吸着したHC及びNOxから、上記反応式(1)〜(5)によりNH3を生成し、生成したNH3を上記反応式(6)〜(8)によりNOxの選択還元に寄与させることができる。
また、下層の触媒活性成分で吸着したHC、NOxが上層の触媒活性成分を通る間に、NOxの還元率を向上できる。さらに、下層の触媒活性成分で吸着したHCが上層の触媒活性成分を通る間に、HCの酸化率を向上できる。
このように、上下積層構造の触媒担持層を備えることで、排ガス通路に直列に配置される触媒担体の数を低減できるため、触媒コストを削減できる。また、排ガスの圧力損失を低減できるため、内燃機関の性能低下を抑制できる。
(8) An exhaust gas purifying catalyst according to at least one embodiment of the present invention comprises a supporting substrate, a catalyst supporting layer formed on the surface of the supporting substrate, and a catalytically active component supported on the catalyst supporting layer. In the exhaust gas purification catalyst configured, the catalyst support layer is composed of a lower layer close to the surface of the support base and an upper layer relatively far from the lower layer, and the catalytic active component of the upper layer is included in the exhaust gas The material that selectively reduces NOx in the exhaust gas with NH 3 , and the catalytically active component in the lower layer includes a material that can adsorb HC and NOx.
According to the configuration (8), in the exhaust gas purification catalyst, NH 3 and NOx existing in the exhaust gas are reacted by the catalytic active component in the upper layer, and NOx is selectively reduced. Further, NH 3 is generated from the HC and NOx adsorbed by the lower layer catalytic active component by the above reaction formulas (1) to (5), and the generated NH 3 is converted to NOx by the above reaction formulas (6) to (8). This can contribute to selective reduction.
In addition, the reduction rate of NOx can be improved while HC and NOx adsorbed by the lower catalytic active component pass through the upper catalytic active component. Furthermore, the HC oxidation rate can be improved while HC adsorbed by the lower catalytic active component passes through the upper catalytic active component.
Thus, by providing the catalyst support layer of the upper and lower laminated structure, the number of catalyst carriers arranged in series in the exhaust gas passage can be reduced, so that the catalyst cost can be reduced. Moreover, since the pressure loss of exhaust gas can be reduced, the performance fall of an internal combustion engine can be suppressed.
(9)幾つかの実施形態では、前記構成(8)において、前記下層は排ガス上流側領域のみに設けられている。
上記構成(9)によれば、排ガス温度が高く排ガス浄化効果が大きい排ガス上流側領域では、下層の存在により排ガス浄化効果を高めることができる。他方、排ガス温度が低下し上流側領域ほど排ガス浄化効果が見込めない排ガス下流側領域では、下層を形成しないことで、排ガス浄化効果をそれほど低下させることなく触媒コストを低減できる。
(9) In some embodiments, in the configuration (8), the lower layer is provided only in the exhaust gas upstream region.
According to the above configuration (9), in the exhaust gas upstream region where the exhaust gas temperature is high and the exhaust gas purification effect is large, the exhaust gas purification effect can be enhanced by the presence of the lower layer. On the other hand, in the exhaust gas downstream side region where the exhaust gas temperature is lowered and the exhaust gas purification effect cannot be expected in the upstream region, the catalyst cost can be reduced without reducing the exhaust gas purification effect so much by not forming the lower layer.
幾つかの実施形態では、前記構成(8)又は(9)において、前記上層及び前記下層は、夫々前記担持基材の容積1リットル当たり20乃至300gの前記触媒活性成分を含む。
上記構成によれば、上層及び下層において、上記含有量の触媒活性成分を含むため、NOxの浄化効果を向上できる。また、上層及び下層の膜厚を抑えることができるので、排ガスの圧力損失を抑制できると共に、触媒担持層のコーティングが容易になる。
In some embodiments, in the configuration (8) or (9), the upper layer and the lower layer each include 20 to 300 g of the catalytically active component per liter of the support substrate.
According to the above configuration, the NOx purification effect can be improved because the upper layer and the lower layer contain the catalytic active component with the above content. Moreover, since the film thickness of an upper layer and a lower layer can be suppressed, the pressure loss of exhaust gas can be suppressed and coating of the catalyst support layer is facilitated.
本発明の少なくとも一実施形態によれば、排ガス浄化性能の多機能化に対応しつつ、内燃機関の排ガス通路を流れる排ガスの圧力損失を低減して内燃機関の効率を向上できると共に、排ガス通路に設けられる排ガス浄化触媒のコストを削減できる。 According to at least one embodiment of the present invention, the efficiency of the internal combustion engine can be improved by reducing the pressure loss of the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage of the internal combustion engine while supporting the multi-function of the exhaust gas purification performance. The cost of the exhaust gas purification catalyst provided can be reduced.
以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, and relative arrangements of the components described in these embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples. Only.
For example, expressions expressing relative or absolute arrangements such as “in a certain direction”, “along a certain direction”, “parallel”, “orthogonal”, “center”, “concentric” or “coaxial” are strictly In addition to such an arrangement, it is also possible to represent a state of relative displacement with an angle or a distance such that tolerance or the same function can be obtained.
For example, an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state.
For example, expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes represent not only geometrically strict shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes, but also irregularities and chamfers as long as the same effects can be obtained. A shape including a part or the like is also expressed.
On the other hand, the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of other constituent elements.
本発明の幾つかの実施形態に係る排ガス浄化システム10は、図1に示すように、内燃機関(例えばガソリンエンジン)11の燃焼室(不図示)と連通する排気ポート12が気筒毎に形成されている。そして、内燃機関11には夫々の排気ポート12と連通するように排気マニフォールド14が接続されている。
排気マニフォールド14の排ガス流れ方向下流には、排気過給機16が設けられている。排気過給機16ではタービンハウジング16aと排気管(排ガス通路)18とが連通し、内燃機関11から排出される排ガスeのエネルギを利用して吸入された新気を圧縮し、内燃機関10の燃焼室に供給する。
排気管18には、第1の排ガス浄化触媒20を内蔵した触媒コンバータ22が設けられている。
As shown in FIG. 1, an exhaust
An
The
図2に示すように、第1の排ガス浄化触媒20は、担持基材24と、担持基材24の表面に形成された触媒担持層26と、触媒担持層26に担持される触媒活性成分(不図示)で構成されている。
図示した実施形態では、担持基材24は例えばコーディエライト製や金属箔製のハニカム構造体で構成される。
触媒担持層26は、担持基材24の表面に近い下層28と、下層28より相対的に遠い上層30とで構成される。上層30は、触媒活性成分として排ガスeに含まれるNH3とNOxを選択還元する材料(以下「SCR材」とも言う。)、例えば、ゼオライト(結晶性アルミノケイ酸塩)やV(バナジウム)を触媒活性の主成分として担持する。ゼオライトとしては、様々な結晶構造を有する材料があるが、ここでは、NH3によるNOxの選択還元作用を有する材料であればよい。また、Fe−ゼオライト、Cu−ゼオライトのように少なくとも1種類の遷移金属元素を含んでもよい。
また、下層28は、触媒活性成分として、HC及びNOxを吸着可能な材料(以下「HC・NOx吸着材」とも言う。)担持する。例えば、AgやFeなどの遷移金属やβ―ゼオライトやY−ゼオライトのように150℃以下の温度でHCやNOxの吸着作用を有する材料である。
As shown in FIG. 2, the first exhaust
In the illustrated embodiment, the
The
The
排ガス中にCO、HC、NOxが存在すると、前記反応式(1)から(5)に示す反応によって、第1の排ガス浄化触媒20の上流部にはNH3が存在する。
第1の排ガス浄化触媒20では、排ガス中に存在するNH3とNOxとを上層30に含まれるSCR材で反応させ、NOxを選択還元する。また、下層28に担持されるHC・NOx吸着材に吸着されたHC及びNOxは、排ガス温度の上昇と共に脱離しNH3の生成を促進する。生成されたNH3がNOxを選択還元する。
また、下層28の触媒活性成分で吸着したNOxが下層28から上層30に向かい、上層30を通る間にSCR材でNOxを選択還元する。
さらに、下層28の触媒活性成分で吸着したHCが下層28から上層30に向かい、上層30を通る間に減少する。
When CO, HC, and NOx exist in the exhaust gas, NH 3 exists in the upstream portion of the first exhaust
In the first exhaust
Further, NOx adsorbed by the catalytically active component of the
Further, HC adsorbed by the catalytic active component of the
例示的な実施形態では、図2に示すように、下層28は排ガス上流側領域のみ(例えば、上流側略半分の領域)に設けられている。
例示的な実施形態では、下層28及び上層30は、夫々担持基材24の容積1リットル当たり20〜300gの触媒活性成分を含む。
In the exemplary embodiment, as shown in FIG. 2, the
In the exemplary embodiment,
例示的な実施形態では、図1に示すように、第1の排ガス浄化触媒20の排ガス流れ方向上流側の排気管18に、第2の排ガス浄化触媒32を内蔵した触媒コンバータ34が設けられる。
図2及び図3に示すように、第2の排ガス浄化触媒32は、担持基材36と、担持基材36の表面に形成された触媒担持層38と、触媒担持層38に担持された触媒活性成分(不図示)で構成されている。
図示した実施形態では、担持基材36はコーディエライト製や金属箔製のハニカム構造体で構成される。触媒担持層38は、例えばAl2O3、ZrO2、TiO2、CeO2のうち少なくとも1つを含む触媒活性主のサポート材料で構成される。
触媒担持層38に担持される触媒活性成分は、排ガスに含まれるHC及びCOを酸化すると共に、NOxを還元して低減する材料であり、いわゆる三元触媒を構成する触媒活性成分を含む。
内燃機関11が車両に搭載される場合、第1の排ガス浄化触媒20は例えば床下に配置され、第2の排ガス浄化触媒32は例えば内燃機関11の近傍に配置される。ただし、第1の排ガス浄化触媒20と第2の排ガス浄化触媒32の車両への搭載位置は、車両サイズにも依存するので種々考えられ、第1の排ガス浄化触媒20が第2の排ガス浄化触媒32の下流にあればよい。
In the exemplary embodiment, as shown in FIG. 1, a
As shown in FIGS. 2 and 3, the second exhaust
In the illustrated embodiment, the
The catalytically active component supported on the
When the
例示的な実施形態では、図2及び図3に示すように、第2の排ガス浄化触媒32の触媒担持層38は、担持基材36の表面に近い下層40と、下層40より相対的に遠い上層42とで構成される。上層42は触媒活性成分としてRh(ロジウム)を含み、下層40は触媒活性成分としてのPd(パラジウム)と、助触媒として酸素の吸蔵及び放出能を有する触媒用酸素吸蔵材料(以下「OSC材」とも言う。)を含む。OSC材は例えばCeO2やCeO2−ZrO2を主成分とする複合酸化物を含む。
第2の排ガス浄化触媒32では、上層42に含まれるRh及び下層40に含まれるPdによって、排ガスeに含まれるHC及びCOを酸化し、NOxを還元してこれらを無害なH2O、CO2及びN2に変える。また、下層40にOSC材を含むことで、空燃比が変動しても高い排ガス浄化効果を維持できる。なお、上層42にはPt、Pd、OSC材を添加してもよく、下層40にはRh、Ptを添加してもよい。
In the exemplary embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the
In the second exhaust
例示的な実施形態では、図2及び図3に示すように、第2の排ガス浄化触媒32の下層40は、排ガス流れ上流側領域のみ(上流側略半分の領域)に設けられている。
例示的な実施形態では、第2の排ガス浄化触媒32の上層42は、担持基材36も容積1リットル当たり0.1〜2.0gのRhを含み、下層40は担持基材36の容積1リットル当たり1〜15gのPdと、CeO2を主成分とする1〜80gのOSC材とを含む。
例示的な実施形態では、図4及び図5に示すように、第2の排ガス浄化触媒32の上層42は、触媒活性成分の担持量が排ガス流れ上流側領域42aで排ガス流れ下流側領域42bより多い。
In the exemplary embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the
In the exemplary embodiment, the
In the exemplary embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the
例示的な実施形態では、図1に示すように、第1の排ガス浄化触媒20において、下層28に含まれるHC・NOx吸着材が吸着したHC及びNOxを脱離させる工程(以下「脱離工程」とも言う。)で、内燃機関11をリッチ燃焼に制御するための制御装置44をさらに備える。
制御装置44によって脱離工程で内燃機関11をリッチ燃焼とすることで、排ガス中のCOやHCの量を増やすことができる。これによって、上記反応式(1)〜(5)から、第2の触媒下流の排ガス中に含まれるNH3量が増え、増えたNH3で下層28から脱離したNOxを低減できる。
In the exemplary embodiment, as shown in FIG. 1, the first exhaust
By making the
例示的な実施形態では、図1に示すように、第1の排ガス浄化触媒20の入口に、第1の排ガス浄化触媒20を通る排ガスの温度を検出するための温度センサ46をさらに備える。制御装置44は、温度センサ46の検出値が閾値T1(図6参照)を超えた時、脱離工程が開始されたと判定し、内燃機関11をリッチ燃焼に制御する。
In the exemplary embodiment, as shown in FIG. 1, a
図6は内燃機関11の稼動開始からの排ガス浄化プロセスを示している。横軸は稼動開始からの時間を示している。図において、内燃機関11の稼動開始と共に第1の排ガス浄化触媒20の下層28でHC及びNOxの吸着工程が始まり、その後、第1の排ガス浄化触媒20が閾値温度T1(例えば150℃)を超えると脱離工程が始まる。この脱離行程中のHC、NOxが最も多く排出されるタイミングに空燃比をリッチ化することで,上流触媒32でより多くのNH3が生成されるので,触媒20から脱離したNOxの浄化効率が高まる。
図7は、内燃機関11の稼動開始から20秒後の触媒内部の温度を示している。図7から、稼動初期には、触媒担体の熱容量の影響で、触媒担体の入口領域と出口領域との間に大きな温度勾配を生じる。したがって、HC、CO、NOxが極めて多く排出される触媒の昇温過程においては、触媒担体の入口領域に触媒活性成分を高密度に担持することが排ガス低減に有効であることがわかる。
図8は、貴金属(PGM)の触媒入口温度及び貴金属担持量に対する総HC量の浄化効率を示し、数値は貴金属担持量を示している。図8から、貴金属担持量が多く、かつ触媒温度が高いほど、触媒活性が優れる。したがって、HC、CO、NOxが極めて多く排出される触媒の昇温過程においては、排ガス浄化効率を高めるには、触媒活性主である貴金属の担持量を増大することが排ガス低減に有効であることがわかる。
FIG. 6 shows an exhaust gas purification process from the start of operation of the
FIG. 7 shows the temperature inside the
FIG. 8 shows the purification efficiency of the total HC amount with respect to the catalyst inlet temperature and the noble metal loading amount of noble metal (PGM), and the numerical value shows the noble metal loading amount. From FIG. 8, the catalytic activity is excellent as the amount of noble metal supported is large and the catalyst temperature is high. Therefore, in the process of raising the temperature of a catalyst that discharges a very large amount of HC, CO, and NOx, increasing the amount of noble metal supported, which is the main catalyst activity, is effective in reducing exhaust gas in order to increase the exhaust gas purification efficiency. I understand.
幾つかの実施形態によれば、図2及び図3に示すように、第1の排ガス浄化触媒20では、排ガス中に存在するNOやHC及び下層28で吸着したHCからNH3が生成され、生成したNH3と排ガス中のNOxとを反応させ、NOxを選択還元するので、NOxの浄化効率を向上できる。また、下層28に吸着したNOxが脱離して上層30を通る間にNOxの還元率を向上できる。さらに、下層28に吸着したHCが脱離して上層30を通る間にHCの酸化率を向上できる。
このように、NOx、HC浄化効果を高め、且つ上下積層構造の触媒担持層を備えることで、排気管18に直列に配置される触媒担体の数を低減できるため、触媒コストを削減できる。また、排ガス浄化効果を高めたことで、触媒担持層26の膜厚を低減できるため、排ガスeの圧力損失を抑制でき、これによって、内燃機関11の性能低下を抑制できる。
According to some embodiments, as shown in FIGS. 2 and 3, the first exhaust
As described above, the NOx and HC purification effect is enhanced, and the number of catalyst carriers arranged in series in the
例示的な実施形態によれば、図2及び図3に示すように、第1の排ガス浄化触媒20の上流側に、いわゆる三元触媒と称される機能を有する第2の排ガス浄化触媒32を設けることで、排ガス中のHC、CO及びNOxを同時に低減できる。こうして、第1の排ガス浄化触媒20と第2の排ガス浄化触媒32とを組み合わせることで、排ガス浄化性能の多機能化が可能になる。
例示的な実施形態によれば、第2の排ガス浄化触媒32は、触媒活性成分として貴金属のなかで担持量当たりの触媒活性が最も優れるRhを含む上層42と、触媒活性成分として比較的安価なPdを含む下層40とで構成されるので、高い排ガス浄化性能を持ちつつ、触媒コストを抑えることができる。
また、第2の排ガス浄化触媒32ではRhやPd等の貴金属を担持した触媒担持層を積層させることで、反応式(1)〜(5)で示すNH3生成反応も触媒コストを抑えた上で効率良く進行する。従って、第1の排ガス浄化触媒20でNH3が多く生成され、ここで生成されたNH3が第1の排ガス浄化触媒20でのNOxの還元浄化に寄与する。
さらに、下層28はOSC材を含むので、空燃比が変動しても高い排ガス浄化性能を維持できる。
これにより、排ガス浄化効果が向上するに伴って、第1の排ガス浄化触媒20及び第2の排ガス浄化触媒32の触媒担持層の膜厚を薄くできるため、特に、担持基材がハニカム構造体である場合などで、排ガスの圧力損失の増加を抑えることができる。
According to the exemplary embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the second exhaust
According to the exemplary embodiment, the second exhaust
Further, in the second exhaust
Furthermore, since the
Thereby, as the exhaust gas purification effect is improved, the film thicknesses of the catalyst support layers of the first exhaust
例示的な実施形態によれば、第1の排ガス浄化触媒20及び第2の排ガス浄化触媒32において、下層28及び40は排ガス温度が高く排ガス浄化効果が大きい排ガス上流側領域のみに設けられるので、排ガス上流側領域では下層28及び40の存在により排ガス浄化効果を高めることができると共に、排ガス上流側領域ほど排ガス浄化効果が見込めない排ガス流れ下流側領域では、下層28及び40をなくすことで、触媒システムのコストをより効果的に低減できる。
例示的な実施形態によれば、第1の排ガス浄化触媒20の上層30及び下層28では、夫々触媒活性成分の担持量を担持基材24の容積1リットル当たり20〜300gとしたことで、NOxの浄化効果を維持しつつ、触媒担持層26の膜厚を抑制できるので、排ガスeの圧力損失を抑制できる。
第2の排ガス浄化触媒32においても、上層42の触媒活性成分であるRhの担持量を担持基材38の容積1リットル当たり0.1〜2.0gとし、下層28の触媒活性成分であるPdの担持量を同じく1〜15gとし、OSC材の担持量を同じく1〜80gとしたことで、排ガス浄化効果を維持しつつ、触媒担持層38の膜厚を抑制できるので、排ガスeの圧力損失を抑制できる。
According to the exemplary embodiment, in the first exhaust
According to the exemplary embodiment, in the
Also in the second exhaust
例示的な実施形態によれば、図4及び図5に示すように、第2の排ガス浄化触媒32の上層42は、触媒活性成分の担持量を排ガス流れ上流側領域42aで排ガス流れ下流側領域42bより多くしたので、排ガス浄化効果を維持しつつ触媒コストを低減できる。また,触媒担持層当たりのNH3の生成能も高くすることができる。
例示的な実施形態によれば、第1の排ガス浄化触媒20の下層28で吸着したHC及びNOxの脱離工程で、制御装置44により内燃機関11をリッチ燃焼に制御することで、排ガス中に含まれるNH3の量を増やし、NH3でNOxを高効率で低減できる。
また、第1の排ガス浄化触媒20の入口における排ガス温度を検出することで、HC及びNOxの脱離工程の開始時期を正確に判定できる。
According to the exemplary embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the
According to the exemplary embodiment, in the process of desorbing HC and NOx adsorbed on the
Further, by detecting the exhaust gas temperature at the inlet of the first exhaust
上記実施形態では、排ガス中の含まれるNH3、特に第2の排ガス浄化触媒32で生成するNH3を用いて、第1の排ガス浄化触媒20に流入するNOxを選択還元浄化しているが、排ガス通路の外部からNH3を供給するようにしてもよい。例えば、第1の排ガス浄化触媒20と第2の排ガス浄化触媒32との間の排ガス通路に外部から尿素水溶液を供給するようにしてもよい。
In the above embodiment, NH 3 contained in exhaust gas, in particular with a NH 3 produced in the second exhaust
本発明の少なくとも一実施形態によれば、内燃機関の排ガス通路を流れる排ガスの圧力損失を低減して内燃機関の効率を向上できると共に、触媒コストを削減できる。 According to at least one embodiment of the present invention, the pressure loss of the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage of the internal combustion engine can be reduced to improve the efficiency of the internal combustion engine, and the catalyst cost can be reduced.
10 排ガス浄化システム
11 内燃機関
12 排気ポート
14 排気マニフォールド
16 排気過給機
16a タービンハウジング
18 排気管
20 第1の排ガス浄化触媒
22、34 触媒コンバータ
24、36 担持基材
26、38 触媒担持層
28、40 下層
30、42 上層
42a 排ガス流れ上流側領域
42b 排ガス流れ下流側領域
32 第2の排ガス浄化触媒
44 制御装置
46 温度センサ
e 排ガス
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記排ガス通路に第1の排ガス浄化触媒を備え、
前記第1の排ガス浄化触媒の前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、
前記上層の前記触媒活性成分は、排ガス中に含まれるNH3で排ガス中のNOxを選択還元する材料を含み、
前記下層の前記触媒活性成分は、HC及びNOxを吸着可能な材料を含むことを特徴とする内燃機関の排ガス浄化システム。 Exhaust gas of an internal combustion engine provided with an exhaust gas purification catalyst comprising a support base, a catalyst support layer formed on the surface of the support base, and a catalytically active component supported on the catalyst support layer in an exhaust gas passage In the purification system,
The exhaust gas passage includes a first exhaust gas purification catalyst,
The catalyst support layer of the first exhaust gas purification catalyst is composed of a lower layer close to the surface of the support substrate and an upper layer relatively far from the lower layer,
The catalytic active component of the upper layer includes a material that selectively reduces NOx in the exhaust gas with NH 3 contained in the exhaust gas,
The exhaust gas purification system for an internal combustion engine, wherein the catalytically active component in the lower layer contains a material capable of adsorbing HC and NOx.
前記第2の排ガス浄化触媒の前記触媒活性成分は、排ガス中のHC及びCOを酸化すると共に、NOxを還元して低減する材料を含むことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化システム。 The exhaust gas passage on the upstream side of the first exhaust gas purification catalyst includes a supporting base material, a catalyst supporting layer formed on the surface of the supporting base material, and a catalytically active component supported on the catalyst supporting layer. A second exhaust gas purification catalyst,
2. The exhaust gas of an internal combustion engine according to claim 1, wherein the catalytically active component of the second exhaust gas purification catalyst contains a material that oxidizes HC and CO in the exhaust gas and reduces NOx to reduce it. Purification system.
前記上層の前記触媒活性成分はRhを含み、
前記下層の前記触媒活性成分はPd及び触媒用酸素吸蔵材料を含むことを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排ガス浄化システム。 The catalyst supporting layer of the second exhaust gas purification catalyst is composed of a lower layer close to the surface of the supporting substrate and an upper layer relatively far from the lower layer,
The catalytically active component of the upper layer comprises Rh;
The exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to claim 2, wherein the catalytically active component in the lower layer contains Pd and an oxygen storage material for catalyst.
前記制御装置は、前記温度センサの検出値が閾値を超えた時、HC及びNOxの脱離工程であると判定し、前記内燃機関をリッチ燃焼に制御することを特徴とする請求項6に記載の内燃機関の排ガス浄化システム。 A temperature sensor for detecting the temperature of the exhaust gas passing through the first exhaust gas purification catalyst;
7. The control device according to claim 6, wherein when the detected value of the temperature sensor exceeds a threshold value, the control device determines that it is a HC and NOx desorption process and controls the internal combustion engine to rich combustion. Exhaust gas purification system for internal combustion engines.
前記触媒担持層は、前記担持基材の表面に近い下層と該下層より相対的に遠い上層とで構成され、
前記上層の前記触媒活性成分は、排ガス中に含まれるNH3で排ガス中のNOxを選択還元する材料を含み、
前記下層の前記触媒活性成分は、HC及びNOxを吸着可能な材料を含むことを特徴とする排ガス浄化触媒。 In an exhaust gas purification catalyst comprising a supporting substrate, a catalyst supporting layer formed on the surface of the supporting substrate, and a catalytically active component supported on the catalyst supporting layer,
The catalyst support layer is composed of a lower layer close to the surface of the support substrate and an upper layer relatively far from the lower layer,
The catalytic active component of the upper layer includes a material that selectively reduces NOx in the exhaust gas with NH 3 contained in the exhaust gas,
The exhaust gas purifying catalyst, wherein the catalytically active component in the lower layer contains a material capable of adsorbing HC and NOx.
The exhaust gas purifying catalyst according to claim 8, wherein the lower layer is provided only in a region upstream of the exhaust gas flow.
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