JP2017044202A - 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.
特許文献1に開示されたように、別々の担持基材で構成された複数の触媒体を排ガス通路に直列に配置すると、排ガスの圧力損失が増加し、内燃機関の性能が低下するだけでなく、触媒コストが高価になるおそれがある。
この対応策として、触媒コンバータ数を減らし、高い排ガス温度下で高い排ガス浄化効果が見込める内燃機関の近接位置に大容量の触媒担持層を担持した触媒コンバータを設けることが考えられる。
しかし、この対応策のみでは、要求される複雑で多種の浄化機能に対応できない。また、今後、さらなる排気圧力の抑制と触媒コストの削減が求められることが予想される。
As disclosed in Patent Document 1, when a plurality of catalyst bodies composed of different supporting base materials are arranged in series in the exhaust gas passage, not only the pressure loss of the exhaust gas increases and the performance of the internal combustion engine decreases. The catalyst cost may be expensive.
As a countermeasure, it is conceivable to reduce the number of catalytic converters and to provide a catalytic converter carrying a large-capacity catalyst carrying layer at a position close to the internal combustion engine where a high exhaust gas purification effect can be expected at a high exhaust gas temperature.
However, this countermeasure alone cannot cope with the required complex and various purification functions. In the future, further suppression of exhaust pressure and reduction in catalyst costs are expected.
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、求められる多種の排ガス浄化機能に対応でき、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。 Therefore, in view of these technical problems, at least one embodiment of the present invention can cope with various types of exhaust gas purification functions that are required, further reduce the pressure loss of exhaust gas, improve the efficiency of the internal combustion engine, and reduce the catalyst cost. The purpose is to reduce this.
(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であって、前記排ガス浄化触媒は1個の前記担持基材で構成され、前記担持基材の排ガス流れ方向上流側領域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を含むと共に、前記下層の前記触媒活性成分はPdを含み、該担持基材の排ガス流れ方向下流側領域の前記触媒活性成分は、HC及びNOxを吸着可能であり、かつNOxを選択還元する材料を含む。 (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. An exhaust gas purification system for an internal combustion engine comprising an exhaust gas purification catalyst comprising an active catalyst component, wherein the exhaust gas purification catalyst is composed of one of the supported substrates, and the exhaust gas flow upstream of the supported substrate The catalyst support layer in the side region is composed of a lower layer close to the surface of the support substrate and an upper layer relatively far from the lower layer, and the catalytic active component of the upper layer contains Rh, and the catalyst in the lower layer The active component contains Pd, and the catalytic active component in the downstream region in the exhaust gas flow direction of the supporting substrate contains a material capable of adsorbing HC and NOx and selectively reducing 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)に示す反応により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)
上記排ガス浄化触媒では、排ガス流れ方向下流側領域(以下「下流側領域」とも言う。)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)
さらに、この触媒活性成分はHC及びNOxの吸着能を有し、排ガス温度の上昇に伴って脱離するHC及びNOxによってNH3の生成が促進され、生成したNH3によってNOxの浄化率を向上できる。
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 shown in 4) and 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 exhaust gas purifying catalyst, NH 3 and NOx present in the exhaust gas are reacted with the catalytically active component in the downstream region in the exhaust gas flow direction (hereinafter also referred to as “downstream region”), and the reaction formulas (6) to (6) NOx is selectively reduced by the reaction of 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)
Furthermore, this catalytically active component has the ability to adsorb HC and NOx, and the generation of NH 3 is promoted by HC and NOx that are desorbed as the exhaust gas temperature rises, and the purification rate of NOx is improved by the generated NH 3 . it can.
また、排ガス流れ方向上流側領域(以下「上流側領域」とも言う。)では、触媒活性成分として浄化性能に優れたRhを含む上層と、触媒活性成分として低温でのHC吸着性能が高いPdを含む下層とで構成され、いわゆる三元触媒としての機能を有する。上流側領域で排ガス中のHC及びCOを酸化し、かつNOxを還元して、N2、CO2及びH2Oに変換し低減する。
これによって、上記排ガス浄化触媒は、多種の排ガス浄化機能に対応しつつ1個の担持基材で構成することができ、浄化システム全体の構成を簡素化できる。そのため、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ので、内燃機関の性能低下を抑制できる。そのため、担持基材がハニカム構造体であっても、排ガスの圧力損失を抑えることができる。
さらに、排ガス浄化性能が向上することで、触媒担持層の膜厚を低減できるので、排ガスの圧力損失をさらに低減できると共に、触媒担持層のコーティング作業が容易になる。
また、上層に優れた排ガス浄化効果を有するRhを含み、下層に比較的安価なPdを含むため、高い排ガス浄化能力を維持しつつ触媒コスト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。
Further, in the upstream region in the exhaust gas flow direction (hereinafter also referred to as “upstream region”), an upper layer containing Rh having excellent purification performance as a catalytic active component, and Pd having high HC adsorption performance at low temperatures as a catalytic active component. It is comprised by the lower layer containing, and has a function as what is called a three-way catalyst. In the upstream region, HC and CO in the exhaust gas are oxidized and NOx is reduced and converted to N 2 , CO 2 and H 2 O and reduced.
As a result, the exhaust gas purification catalyst can be configured with a single supporting substrate while supporting various exhaust gas purification functions, and the configuration of the entire purification system can be simplified. Therefore, the catalyst cost can be reduced and the pressure loss of the exhaust gas can be reduced, so that the performance deterioration of the internal combustion engine can be suppressed. Therefore, even if the supporting substrate is a honeycomb structure, the pressure loss of the exhaust gas can be suppressed.
Furthermore, since the exhaust gas purification performance is improved, the thickness of the catalyst support layer can be reduced, so that the pressure loss of the exhaust gas can be further reduced and the coating operation of the catalyst support layer is facilitated.
In addition, since the upper layer contains Rh having an excellent exhaust gas purification effect and the lower layer contains relatively inexpensive Pd, the catalyst cost can be suppressed while maintaining a high exhaust gas purification capability.
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.
(2)幾つかの実施形態では、前記構成(1)において、前記排ガス流れ上流側領域と前記排ガス流れ方向下流側領域との間に、前記触媒担持層が前記上層のみで構成された排ガス流れ方向中間領域(以下「中間領域」とも言う。)を有する。
上記構成(2)によれば、高い排ガス温度下で大きな排ガス浄化効果が見込める上流側領域では上記下層を設けて、高い排ガス浄化性能を保持しつつ、上流側領域より排ガス温度が低下し上流側領域ほど排ガス浄化効果が得られない中間領域では上記下層を無くすことで、排ガス浄化性能を維持しつつ触媒コストをさらに節減できる。
(2) In some embodiments, in the configuration (1), the exhaust gas flow in which the catalyst supporting layer is configured only by the upper layer between the exhaust gas flow upstream region and the exhaust gas flow direction downstream region. It has a direction intermediate region (hereinafter also referred to as “intermediate region”).
According to the configuration (2), in the upstream region where a large exhaust gas purification effect can be expected at a high exhaust gas temperature, the lower layer is provided, and the exhaust gas temperature is lowered from the upstream region while maintaining high exhaust gas purification performance. By eliminating the lower layer in the intermediate region where the exhaust gas purification effect cannot be obtained as much as the region, the catalyst cost can be further reduced while maintaining the exhaust gas purification performance.
幾つかの実施形態では、前記構成(1)又は(2)において、前記排ガス流れ方向上流側領域及び前記排ガス流れ方向中間領域の前記上層は、前記触媒活性成分として前記担持基材の容積1リットル当たり0.1乃至2.0gのRhを含み、前記排ガス流れ方向上流側領域の前記下層は、前記触媒活性成分として前記担持基材の容積1リットル当たり1乃至15gのPdを含む。
上記構成によれば、夫々上記含有量の触媒活性成分を含むことで、高い排ガス浄化効果を可能にする。また、排ガス浄化効果の割に触媒活性成分の含有量を少なく抑えることができるため、触媒担持層の膜厚を低減でき、これによって、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 (1) or (2), the upper layer of the upstream region in the exhaust gas flow direction and the intermediate region in the exhaust gas flow direction has a volume of 1 liter of the support substrate as the catalytic active component. The lower layer of the upstream region in the exhaust gas flow direction contains 1 to 15 g of Pd per liter of the support substrate as the catalytic active component.
According to the said structure, the high exhaust gas purification effect is enabled by including the catalyst active component of the said content, respectively. In addition, since the content of the catalytically active component can be kept small for the exhaust gas purification effect, the film thickness of the catalyst support layer can be reduced, thereby suppressing the pressure loss of the exhaust gas and the catalyst support layer coating. It becomes easy.
(3)幾つかの実施形態では、前記構成(1)又は(2)において、前記下層はさらに助触媒として触媒用酸素吸蔵材料を含む。
上記構成(3)によれば、上記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ため、空燃比が変動してもそれに対応して高い排ガス浄化効果を維持できる。
(3) In some embodiments, in the configuration (1) or (2), the lower layer further includes a catalyst oxygen storage material as a promoter.
According to the configuration (3), since the oxygen storage material for catalyst having oxygen storage and release ability is included in the lower layer, even if the air-fuel ratio varies, a high exhaust gas purification effect can be maintained correspondingly.
幾つかの実施形態では、前記構成(3)において、前記下層は、前記担持基材の容積1リットル当たりCeO2を主成分とする1乃至80gの前記触媒用酸素吸蔵材料を含む。
上記構成によれば、上記含有量の触媒用酸素吸蔵材料を含むことで、高い排ガス浄化効果が可能になる。また、触媒用酸素吸蔵材料の含有量を少なく抑えることができるため、触媒担持層の膜厚を低減でき、これによって、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 (3), the lower layer includes 1 to 80 g of the oxygen storage material for the catalyst, the main component being CeO 2 per liter of the support substrate.
According to the said structure, the high exhaust gas purification effect is attained by including the oxygen storage material for catalysts of the said content. In addition, since the content of the oxygen storage material for the catalyst can be suppressed to a low level, the film thickness of the catalyst support layer can be reduced, which can suppress the pressure loss of the exhaust gas and facilitate the coating of the catalyst support layer.
幾つかの実施形態では、前記構成(1)〜(3)の何れかにおいて、前記担持基材の排ガス流れ方向下流側領域の前記触媒活性成分は、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、上記含有量の触媒活性成分を含むことで、高い排ガス浄化効果を可能にする。また、排ガス浄化効果の割に触媒活性成分の含有量を少なく抑えることができるため、触媒担持層の膜厚を薄くでき、そのため、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 any one of the configurations (1) to (3), the catalytically active component in the downstream region in the exhaust gas flow direction of the support base is 20 to 20 per liter of the support base. Contains 300 g of the catalytically active component.
According to the said structure, the high exhaust gas purification effect is enabled by including the catalyst active component of the said content. In addition, since the content of the catalytically active component can be kept small for the exhaust gas purification effect, the thickness of the catalyst support layer can be reduced, so that pressure loss of the exhaust gas can be suppressed and the catalyst support layer can be easily coated. become.
(4)幾つかの実施形態では、前記構成(1)〜(3)の何れかにおいて、前記担持基材の排ガス流れ方向下流側領域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(4)によれば、上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)に示す反応が行われ、排ガス中に含まれるNH3量を増やすことができる。
こうして、増加したNH3によって下層の触媒活性成分から脱離したHC及びNOxを高効率で低減できる。
(4) In some embodiments, in any of the configurations (1) to (3), the HC and NOx adsorbed by the catalytically active components contained in the downstream region in the exhaust gas flow direction of the support substrate 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 (4), in the step of desorbing HC and NOx adsorbed by the catalytic active component, the internal combustion engine is controlled to rich combustion, thereby increasing the amount of CO and HC in the exhaust gas. The reactions shown in the above reaction formulas (1) to (5) are performed, and the amount of NH 3 contained in the exhaust gas can be increased.
In this way, HC and NOx desorbed from the underlying catalytically active component due to the increased NH 3 can be reduced with high efficiency.
(5)幾つかの実施形態では、前記構成(4)において、前記排ガス浄化触媒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の脱離工程が開始されたと判定し、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(5)によれば、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。
(5) In some embodiments, the configuration (4) further includes a temperature sensor for detecting the temperature of the exhaust gas purification catalyst, and the control device has a detection value of the temperature sensor exceeding a threshold value. At this time, it is determined that the HC and NOx desorption process has started, and the internal combustion engine is controlled to rich combustion.
According to the configuration (5), the temperature of the exhaust gas passing through the exhaust gas purification catalyst is detected, and it is possible to accurately determine whether or not the HC and NOx desorption process has been started based on the detected value.
(6)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、前記排ガス浄化触媒は1個の前記担持基材で構成され、該担持基材の排ガス流れ方向上流側領域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を含むと共に、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み、該担持基材の排ガス流れ方向下流側領域の前記触媒活性成分は、HC及びNOxを吸着可能であり、かつNOxを選択還元する材料を含む。 (6) 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 thus configured, the exhaust gas purification catalyst is composed of a single support substrate, and the catalyst support layer in the upstream region in the exhaust gas flow direction of the support substrate is close to the surface of the support substrate. A lower layer and an upper layer relatively far from the lower layer, the catalytically active component of the upper layer containing Rh, and the catalytically active component of the lower layer containing Pd and an oxygen storage material for catalyst, The catalytically active component in the downstream region of the exhaust gas flow direction includes a material capable of adsorbing HC and NOx and selectively reducing NOx.
上記構成(6)によれば、上記排ガス浄化触媒は、下流側領域での触媒活性成分により、排ガス中に存在するNH3と、排ガス温度の上昇に伴って脱離するHC及びNOxによって生成されたNOxとによってNOxの浄化率を向上できる。
また、上流側領域は三元触媒としての機能を有し、HC、CO及びNOxを低減できる。
これによって、上記排ガス浄化触媒は、多種の排ガス浄化機能に対応しつつ1個の担持基材で構成することができ、浄化システム全体の構成を簡素化できる。そのため、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ので、内燃機関の性能低下を抑制できる。
さらに、排ガス浄化性能が向上することで、触媒担持層の膜厚を低減できるので、排ガスの圧力損失をさらに低減できると共に、触媒担持層のコーティング作業が容易になる。
また、上層に優れた排ガス浄化効果を有するRhを含み、下層に比較的安価なPdを含むため、高い排ガス浄化能力を維持しつつ触媒コストを抑えることができる。
According to the configuration (6), the exhaust gas purifying catalyst is generated by NH 3 present in the exhaust gas and HC and NOx desorbed as the exhaust gas temperature rises due to the catalytically active component in the downstream region. NOx purification rate can be improved by NOx.
Further, the upstream region has a function as a three-way catalyst and can reduce HC, CO, and NOx.
As a result, the exhaust gas purification catalyst can be configured with a single supporting substrate while supporting various exhaust gas purification functions, and the configuration of the entire purification system can be simplified. Therefore, the catalyst cost can be reduced and the pressure loss of the exhaust gas can be reduced, so that the performance deterioration of the internal combustion engine can be suppressed.
Furthermore, since the exhaust gas purification performance is improved, the thickness of the catalyst support layer can be reduced, so that the pressure loss of the exhaust gas can be further reduced and the coating operation of the catalyst support layer is facilitated.
In addition, since the upper layer contains Rh having an excellent exhaust gas purification effect and the lower layer contains relatively inexpensive Pd, the catalyst cost can be suppressed while maintaining a high exhaust gas purification capability.
(7)幾つかの実施形態では、前記構成(6)において、前記排ガス流れ上流側領域と前記排ガス流れ方向下流側領域との間に、前記触媒担持層が前記上層のみで構成された排ガス流れ方向中間領域を有する。
上記構成(7)によれば、高い排ガス温度下で高い排ガス浄化効果が見込める排ガス流れ方向上流側領域では上記下層を設け、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流れ方向中間領域では上記下層を無くすことで、排ガス浄化性能を高く維持しつつ触媒コストをさらに節減できる。
(7) In some embodiments, in the configuration (6), the exhaust gas flow in which the catalyst support layer is configured only by the upper layer between the exhaust gas flow upstream region and the exhaust gas flow direction downstream region. It has a direction middle region.
According to the configuration (7), the lower layer is provided in the upstream region in the exhaust gas flow direction in which a high exhaust gas purification effect can be expected under a high exhaust gas temperature, and the exhaust gas flow direction in which the exhaust gas temperature decreases and the exhaust gas purification effect cannot be expected in the upstream region. By eliminating the lower layer in the intermediate region, catalyst costs can be further reduced while maintaining high exhaust gas purification performance.
本発明の少なくとも一実施形態によれば、求められる多種の排ガス浄化機能に対応でき、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, various types of exhaust gas purification functions that are required can be accommodated, the pressure loss of the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage of the internal combustion engine can be reduced, the efficiency of the internal combustion engine can be improved, and the exhaust gas passage can be provided. The cost of the exhaust gas purification catalyst to be used 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、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、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)で構成される。
図示した実施形態では、担持基材24はハニカム構造体を形成し、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。 担持基材24は1個の担持基材(例えばハニカム構造体)で構成される。担持基材24の排ガス流れ方向上流側領域28の触媒担持層26は、担持基材24の表面に近い下層32と、下層32より相対的に遠い上層34とで構成される。上層34の触媒活性主成分はRhを含むと共に、下層32の触媒活性主成分はPdを含む。また、上層34と下層32は,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。
担持基材24の排ガス流れ方向下流側領域30の触媒担持層36が担持する触媒活性成分は、HC及びNOxを吸着可能であり、かつ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。
As shown in FIG. 2, the exhaust
In the illustrated embodiment, the supporting
The catalytically active component carried by the
排ガス中にCO、HCが存在すると、前記反応式(1)から(5)に示す反応によって、触媒層34や触媒層32でNH3が生成する。
下流側領域30の触媒担持層36では、触媒層34や触媒層32で生成したNH3と排ガス中に残存するNOxとをSCR材で反応させ、NOxを選択還元する。また、SCR材に吸着し、排ガス温度の上昇に伴って脱離するNOxも、触媒層34や触媒層32で生成したNH3でNOxを選択還元する。
上流側領域28では、上層34に含まれるRhと下層32に含まれるPdとでいわゆる三元触媒としての機能を有し、排ガス中のHC及びCOを酸化し、かつNOxを還元して無害なN2、CO2及びH2Oに変換する。
When CO and HC are present in the exhaust gas, NH 3 is generated in the
In the
In the
例示的な実施形態では、図2及び図3に示すように、上流側領域28と下流側領域30との間に、触媒担持層26が上層34のみで構成された排ガス流れ方向中間領域31を有する。例えば、上流側領域28、中間領域31及び下流側領域30は、排ガス流れ方向へ1/3ずつの領域を形成する。
例示的な実施形態では、上流側領域28及び中間領域31に配置される上層34は、触媒活性成分として担持基材24の容積1リットル当たり0.1〜2.0gのRhを含み、上流側領域28の下層32は、触媒活性成分として担持基材24の容積1リットル当たり1〜15gのPdを含む。
例示的な実施形態では、下層32の触媒活性成分はさらに助触媒として酸素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などで構成される。
例示的な実施形態では、下層32は担持基材24の容積1リットル当たり1〜80gのOSC材をさらに含む。
なお、上層34にはPt、Pd、OSC材を添加してもよく、下層32にはRh、Ptを添加してもよい。さらに、下層32にHCの吸着量を高めるための材料,例えばゼオライトを添加してもよい。
In the exemplary embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, an exhaust gas flow direction
In the exemplary embodiment, the
In the exemplary embodiment, the catalytically active component of the
In the exemplary embodiment,
Note that Pt, Pd, and OSC materials may be added to the
例示的な実施形態では、下流側領域30の触媒活性成分は、担持基材24の容積1リットル当たり20〜300gのSCR材を含む。
例示的な実施形態では、図1及び図2に示すように、下流側領域30の触媒担持層26に担持されたSCR材に吸着したHC及びNOxが排ガス温度の上昇に伴って脱離する工程で、内燃機関11をリッチ燃焼に制御するための制御装置40をさらに備える。
制御装置40によって、SCR材に吸着したHC及びNOxが脱離を開始する工程で、内燃機関11をリッチ燃焼に制御し、排ガス中のCO量やHC量を増やす。これによって、上記反応式(1)〜(5)に示す反応が行われ、下流側領域30の排ガス中に含まれるNH3量が増え、NH3と排ガス中のNOxとの還元反応を促進できる。
In the exemplary embodiment, the catalytically active component in the
In the exemplary embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, HC and NOx adsorbed on the SCR material supported on the
In the process in which HC and NOx adsorbed on the SCR material start to be desorbed by the
例示的な実施形態では、図1及び図2に示すように、排ガス浄化触媒20の温度を検出するための温度センサ42をさらに備え、制御装置40は、温度センサ42の検出値が閾値を超えた時、HC及びNOxの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。
図1に示した実施形態では、触媒コンバータ22の内部で排ガス浄化触媒20の入口に温度センサ42が設けられ、制御装置40は温度センサ42の検出値が閾値を超えた時、HC及びNOxの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 FIGS. 1 and 2, a
In the embodiment shown in FIG. 1, a
図4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、横軸は稼動開始からの時間を示している。図4において、内燃機関11の稼動開始と共に下流側領域30の触媒層36でHC及びNOxの吸着工程が始まり、その後、排ガス浄化触媒20が閾値温度T1(例えば150℃)を超えると、HC及びNOxが触媒層36から脱離する脱離工程が始まる。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,上流の触媒層34と触媒層32でより多くのNH3が生成されるので,触媒層36から脱離したNOxの浄化効率が高まる。
図5は、内燃機関11の稼動開始から数十秒後の触媒内部の温度を示している。図5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6は、貴金属(PGM)、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6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. 4 shows the exhaust gas purification process from the start of operation of the
FIG. 5 shows the temperature inside the catalyst several tens of seconds after the start of operation of the
FIG. 6 shows the purification efficiency of the total HC amount with respect to the noble metal (PGM), the catalyst inlet temperature, and the noble metal loading, and the numerical value indicates the noble metal loading. From FIG. 6, 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、下流側領域30の触媒活性成分であるSCR材により、上流側領域28と31で生成したNH3で残存するNOxを選択還元すると共に、SCR材から脱離するNOxも、上流側領域28と31で生成されたNH3でNOxの選択還元をさらに促進できるため、NOxの浄化率を向上できる。
また、上流側領域28では、いわゆる三元触媒としての機能を有し、排ガス中のHC、CO及びNOxを低減できる。上層34に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を担持し、下層32に比較的安価なPdを担持することで、排ガス浄化性能を高く維持しつつ触媒コストを抑えることができる。
また、RhやPd等の貴金属を担持した上層34及び下層32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と共に、この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。
According to some embodiments, as shown in FIGS. 2 and 3 , the NOx remaining in the NH 3 generated in the
Further, the
Further, by laminating the
これによって、排ガス浄化触媒20は、多種の排ガス浄化機能に対応しつつ1個の担持基材24で構成することができ、浄化システム全体の構成を簡素化できる。そのため、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ので、内燃機関の性能低下を抑制できる。
さらに、排ガス浄化性能が向上することで、触媒担持層26の膜厚を低減できるので、排ガスの圧力損失をさらに低減できると共に、触媒担持層26のコーティング作業が容易になる。特に、担持基材24がハニカム構造体である場合、触媒担持層26の膜厚低減は排ガスの圧力損失を大幅に低減すると共に、触媒担持層26のコーティング作業を飛躍的に制限する。
As a result, the exhaust
Furthermore, since the exhaust gas purification performance is improved, the film thickness of the
例示的な実施形態によれば、高い排ガス温度下で大きな排ガス浄化効果が見込める上流側領域28では下層32を設けて、高い排ガス浄化性能を保持しつつ、上流側領域28より排ガス温度が低下し上流側領域28ほど排ガス浄化効果が得られない中間領域31では下層32を無くすことで、排ガス浄化性能を維持しつつ触媒コストをさらに節減できる。
また、例示的な実施形態によれば、下層32の触媒活性成分としてさらにOSC材を含めることで、空燃比が変動しても空燃比の変動に対応して高い排ガス浄化効果を維持できる。
According to the exemplary embodiment, in the
Further, according to the exemplary embodiment, by including the OSC material as the catalytic active component of the
例示的な実施形態によれば、上層34に含まれるRhを0.1〜2.0g/L(担持基材24の容積)とし、下層32に含まれるPdを1〜15g/L(担持基材24の容積)とし、下層32に含まれるOSC材を1〜80g/L(担持基材24の容積)としたことで、高い排ガス浄化効果を可能にすると共に、これら触媒活性成分及び助触媒の含有量を少なく抑えることができるので、触媒担持層26の膜厚を低減できる。これによって、排ガスの圧力損失を抑制できると共に、触媒担持層26のコーティングを省力化できる。
例示的な実施形態によれば、下流側領域30の触媒担持層26に含まれるSCR材を20〜300g/L(担持基材24の容積)としたことで、高い排ガス浄化効果を可能にすると共に、これら触媒活性成分及び助触媒の含有量を少なく抑えることができるので、触媒担持層26の膜厚を低減できる。これによって、排ガスの圧力損失を抑制できると共に、触媒担持層26のコーティングを省力化できる。
According to the exemplary embodiment, Rh contained in the
According to the exemplary embodiment, the SCR material contained in the
例示的な実施形態によれば、図1及び図2に示すように、制御装置40によって、SCR材に吸着したHC及びNOxが脱離を開始する工程で、内燃機関11をリッチ燃焼に制御し、排ガス中のCO量やHC量を増やす。これによって、上記反応式(1)〜(5)に示す反応が行われ、NH3量が増え、NH3と排ガス中のNOxとの還元反応を促進できるため、排ガス中のNOxの浄化率を向上できる。
例示的な実施形態によれば、図1及び図2に示すように、制御装置40によって温度センサ42の検出値が閾値T1を超えた時をもって、下流側領域30でHC及びNOxの脱離工程が開始されたか否かを判定するので、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. 1 and 2, the
According to the exemplary embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, HC and NOx are desorbed in the
上記実施形態では、触媒層34や触媒層32で生成するNH3を用いて、触媒層34や触媒層32で浄化できなかった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、排ガス浄化触媒20の排気管18に外部から尿素水溶液などを噴霧するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, NH 3 generated in the
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 排ガス浄化触媒
22 触媒コンバータ
24 担持基材
26、36 触媒担持層
28 排ガス流れ方向上流側領域
30 排ガス流れ方向下流側領域
31 排ガス流れ方向中間領域
32 下層
34 上層
40 制御装置
42 温度センサ
e 排ガス
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記排ガス浄化触媒は1個の前記担持基材で構成され、
前記担持基材の排ガス流れ方向上流側領域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を含むと共に、前記下層の前記触媒活性成分はPdを含み、
該担持基材の排ガス流れ方向下流側領域の前記触媒活性成分は、HC及びNOxを吸着可能であり、かつNOxを選択還元する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 purification of an internal combustion engine provided with an exhaust gas purification catalyst, which is composed of 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 an exhaust gas passage A system,
The exhaust gas purification catalyst is composed of one supporting substrate,
The catalyst support layer in the upstream region in the exhaust gas flow direction of the support substrate 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 catalytically active component of the upper layer contains Rh, and the catalytically active component of the lower layer contains Pd,
The exhaust gas purification system for an internal combustion engine, wherein the catalytically active component in the downstream region in the exhaust gas flow direction of the supporting base material includes a material capable of adsorbing HC and NOx and selectively reducing NOx.
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の脱離工程が開始されたと判定し、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4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 purification catalyst;
5. The control device according to claim 4, wherein when the detected value of the temperature sensor exceeds a threshold value, the control device determines that the HC and NOx desorption process has started and controls the internal combustion engine to rich combustion. An exhaust gas purification system for an internal combustion engine as described.
前記排ガス浄化触媒は1個の前記担持基材で構成され、
該担持基材の排ガス流れ方向上流側領域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を含むと共に、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み、
該担持基材の排ガス流れ方向下流側領域の前記触媒活性成分は、HC及びNOxを吸着可能であり、かつNOxを選択還元する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 exhaust gas purification catalyst is composed of one supporting substrate,
The catalyst-carrying layer in the upstream region in the exhaust gas flow direction of the carrying substrate is composed of a lower layer close to the surface of the carrying substrate and an upper layer relatively far from the lower layer,
The catalytically active component of the upper layer contains Rh, and the catalytically active component of the lower layer contains Pd and a catalyst oxygen storage material,
An exhaust gas purifying catalyst characterized in that the catalytically active component in the downstream region in the exhaust gas flow direction of the supporting substrate contains a material capable of adsorbing HC and NOx and selectively reducing NOx.
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- 2015-08-28 JP JP2015169837A patent/JP2017044202A/en active Pending
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