JP4134581B2

JP4134581B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine

Info

Publication number: JP4134581B2
Application number: JP2002076524A
Authority: JP
Inventors: 正明小林; 宗一松下; 久大木; 孝太郎林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: JP2003278536A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化技術に関し、特に内燃機関の排気系に配置された触媒の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両などに搭載される内燃機関に対して排気エミッションの向上が要求されている。特に、軽油を燃料とするディーゼル機関では、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_x）に加え、煤やＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）などの微粒子（ＰＭ：Particulate Matter）を浄化する技術が要求されている。
【０００３】
このような要求に対し、従来では、例えば、特開平６−１５９０３７号公報に記載された内燃機関の排気浄化装置のように、排気の酸素濃度が高い時には排気中の窒素酸化物（ＮＯ_x）を吸蔵し、排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在する時には吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯ_x）を放出しつつ還元浄化するＮＯ_x吸蔵剤が担持されたパティキュレートフィルタを内燃機関の排気通路に配置する技術が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した従来の内燃機関の排気浄化装置では、排気中に含まれるＳＯＦがパティキュレートフィルタの上流側端面に捕集されると、前記上流側端面において排気中の煤などがＳＯＦを介して吸着及び集積されるため、パティキュレートフィルタの上流側端面に詰まりが発生し易くなる。
【０００５】
これに対し、ＮＯ_x吸蔵剤が担持されたパティキュレートフィルタより上流の排気通路にＳＯＦを浄化可能な触媒（以下、前置触媒と称する）を配置することにより、パティキュレートフィルタの上流側端面における詰まりの発生を抑制する方法が考えられる。
【０００６】
しかしながら、上記した方法では、前置触媒が硫黄酸化物（ＳＯ_x）によって被毒される場合があり、そのような場合に前置触媒の被毒解消処理が行われると、前置触媒から放出された硫黄酸化物（ＳＯ_x）によってパティキュレートフィルタが不用意に被毒されてしまう可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記したような種々の実情に鑑みてなされたものであり、ＮＯ_x吸蔵剤が担持されたパティキュレートフィルタを備えた内燃機関の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタの浄化能力の低下を防止することができる技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記したような課題を解決するために以下のような手段を採用した。
すなわち、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ、チタニア又はシリカからなる担持層に酸化触媒が担持された前置触媒と、
前記前置触媒より下流の排気通路に設けられ、ＮＯ_x吸蔵剤が担持されたパティキュレートフィルタと、
を備えたことを特徴としている。
【０００９】
この発明は、ＮＯ_x吸蔵剤が担持されたパティキュレートフィルタの上流に酸化機能を有する前置触媒を配置するとともに、前置触媒の担持層を硫黄酸化物（ＳＯ_x）が吸蔵され難いチタニア（ＴｉＯ₂）又はシリカ（ＳｉＯ₂）で構成したことを最大の特徴としている。
【００１０】
かかる内燃機関の排気浄化装置では、前置触媒において排気中に含まれるＳＯＦが酸化及び浄化されるため、パティキュレートフィルタの上流側端面にＳＯＦが付着することがなくなる。その結果、パティキュレートフィルタの上流側端面において、排気中に含まれる煤などの微粒子（ＰＭ：Particulate Matter）が集積することがない。
【００１１】
更に、前置触媒の担持層は、硫黄酸化物（ＳＯ_x）が吸蔵され難いチタニア（ＴｉＯ₂）又はシリカ（ＳｉＯ₂）で構成されているため、前置触媒が排気中の硫黄酸化物（ＳＯ_x）によって被毒（ＳＯ_x被毒）されることがなくなる。その結果、前置触媒の被毒解消処理を行う必要がなくなり、前置触媒の被毒解消処理に起因したパティキュレートフィルタのＳＯ_x被毒が防止される。
【００１２】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、前置触媒より上流の排気通路内へ還元剤を供給する還元剤供給手段を更に備えるようにしてもよい。
【００１３】
この場合、還元剤供給手段は、例えば、パティキュレートフィルタの被毒を回復させる時に、前置触媒より上流の排気通路内へ還元剤を供給する。ここでいうパティキュレートフィルタの被毒としては、硫黄酸化物（ＳＯ_x）による被毒や微粒子（ＰＭ：Particulate Matter）による被毒等を例示することができる。
【００１４】
還元剤供給手段から排気通路内へ供給された還元剤は、排気通路の上流から流れてきた排気とともに前置触媒へ流入し、続いてパティキュレートフィルタへ流入することになる。
【００１５】
還元剤が前置触媒へ流入すると、前置触媒の熱が還元剤に奪われるため、前置触媒の温度上昇が防止される。ここで、前置触媒の担持層を構成するチタニア（ＴｉＯ₂）やシリカ（ＳｉＯ₂）は、高温に曝されると粒成長して酸化触媒のシンタリングを誘発する可能性があるが、上記したような還元剤の供給により前置触媒の温度上昇が防止されると、それに応じて酸化触媒のシンタリングが防止されることになる。
【００１６】
また、前置触媒に流入した還元剤の一部は該前置触媒内で反応して気化及び熱分解するため、還元剤と排気とが均質に混合し易くなる。この結果、前置触媒から流出する排気、言い換えれば、パティキュレートフィルタへ流入するガスは、還元剤と排気とが均質に混合されたガスとなるため、還元剤がパティキュレートフィルタの広い範囲へ均等に行き渡るようになり、以て微粒子捕集能力の再生、或いはＳＯ_x被毒の解消を好適に行えるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、軽油を燃料とする水冷式の４ストローク・サイクル・ディーゼル機関である。
【００１９】
内燃機関１は、１番（＃１）気筒２から４番（＃４）気筒２までの４つの気筒を具備している。前記した４つの気筒２の各々には、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３が設けられている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。コモンレール４には、該コモンレール４内の燃料の圧力に対応した電気信号を出力するコモンレール圧センサ４ａが取り付けられている。
【００２０】
前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、該燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａが内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。
【００２１】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトから該燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されたトルクを駆動源として作動し、図示しない燃料タンクから供給される燃料を所定の圧力で吐出する。
【００２２】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁３が開弁し、その結果、燃料噴射弁３から各気筒２の燃焼室へ燃料が噴射される。
【００２３】
次に、内燃機関１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。
【００２４】
前記吸気枝管８は、吸気管９に接続され、この吸気管９は、エアクリーナボックス１０に接続されている。前記エアクリーナボックス１０より下流の吸気管９には、該吸気管９内を流れる吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１１と、該吸気管９内を流れる吸気の温度に対応した電気信号を出力する吸気温度センサ１２とが取り付けられている。
【００２５】
前記吸気管９における吸気枝管８の直上流に位置する部位には、該吸気管９内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁１３が設けられている。吸気絞り弁１３には、ステッパモータ等で構成されて該吸気絞り弁１３を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１４が取り付けられている。
【００２６】
前記エアフローメータ１１と前記吸気絞り弁１３との間に位置する吸気管９には、排気の熱エネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１５のコンプレッサハウジング１５ａが設けられ、コンプレッサハウジング１５ａより下流の吸気管９には、前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ１６が設けられている。
【００２７】
このように構成された吸気系では、エアクリーナボックス１０に流入した吸気は、該エアクリーナボックス１０内の図示しないエアフィルタによって吸気中の塵や埃等が除去された後、吸気管９を介してコンプレッサハウジング１５ａに流入する。
【００２８】
コンプレッサハウジング１５ａに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング１５ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ１６にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁１３によって流量を調節されて吸気枝管８に流入する。吸気枝管８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００２９】
一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接続され、排気枝管１８の各枝管が図示しない排気ポートを介して各気筒２の燃焼室と連通している。
【００３０】
前記排気枝管１８は、前記遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂと接続されている。前記タービンハウジング１５ｂは排気管１９と接続され、この排気管１９は下流にて図示しないマフラーに接続されている。
【００３１】
前記排気管１９の途中には、排気中の有害ガス成分を浄化するための排気浄化機構２０が配置され、この排気浄化機構２０より上流の排気管１９には前置触媒２１が配置されている。
【００３２】
前記排気浄化機構２０は、排気中に含まれる煤やＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）などの微粒子（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集するパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタを収容するためのケーシングとで構成されている。尚、以下では、排気浄化機構２０をパティキュレートフィルタ２０と称するものとする。
【００３３】
前記したパティキュレートフィルタ２０は、例えば、基端が開放され且つ終端が閉塞された第１排気流路と、基端が閉塞され且つ終端が開放された第２排気流路とが隔壁を介して交互に且つハニカム状に配置された、多孔質の基材からなるウォールフロー型のフィルタである。
【００３４】
前記した多孔質の基材としては、コージェライト等を例示することができる。この基材の隔壁の表面及び隔壁の細孔の内壁面には、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）やジルコニア（ＺｒＯ₂）等のコート材からなる担体層が形成され、前記担体層には、ＮＯ_x吸蔵剤と酸化触媒が担持されている。
【００３５】
前記したＮＯ_x吸蔵剤としては、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、若しくはセシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属と、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、若しくはストロンチウム（Ｓｒ）のようなアルカリ土類金属と、ランタン（Ｌａ）やイットリウム（Ｙ）のような希土類との中から選択された少なくとも一つを例示することができる。前記した酸化触媒としては、白金（Ｐｔ）などの貴金属を例示することができる。
【００３６】
このように構成されたパティキュレートフィルタ２０は、以下のようなメカニズムによって排気を浄化することになる。
【００３７】
先ず、パティキュレートフィルタ２０へ流入する排気の酸素濃度が高い時には、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_x）がＮＯ_x吸蔵剤によって吸蔵、吸収、若しくは吸着される（以下、単に「吸蔵」と称する）。
【００３８】
続いて、パティキュレートフィルタ２０へ流入する排気の酸素濃度が低下すると、ＮＯ_x吸蔵剤は吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯ_x）を放出することになる。その際、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）などの還元成分が排気中に存在していれば、酸化触媒が還元成分と窒素酸化物（ＮＯ_x）との酸化還元反応を促進することになり、その結果、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が水（Ｈ₂Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ₂）へ酸化されるとともに、窒素酸化物（ＮＯ_x）が窒素（Ｎ₂）に還元される。
【００３９】
尚、ＮＯ_x吸蔵剤のＮＯ_x吸蔵能力には限りがあるため、ＮＯ_x吸蔵剤のＮＯ_x吸蔵能力が飽和する前にＮＯ_x吸蔵剤のＮＯ_x吸蔵能力を再生させる必要がある。ＮＯ_x吸蔵剤のＮＯ_x吸蔵能力を再生させる方法としては、燃料添加弁２５から排気中へ燃料（炭化水素（ＨＣ））を添加させることにより、パティキュレートフィルタ２０に流入する排気の酸素濃度を低下させるとともに排気中に含まれる還元成分量を増加させ、以てＮＯ_x吸蔵剤のＮＯ_x吸蔵能力を回復させる方法を例示することができる。
【００４０】
一方、パティキュレートフィルタ２０自体は、第１排気通路内の排気が隔壁の細孔を通じて第２排気通路内へ移動する際に、排気中に含まれるＰＭを捕集する。但し、パティキュレートフィルタ２０自体が捕集可能なＰＭ量には限りがあるため、パティキュレートフィルタ２０に捕集されたＰＭは適宜浄化する必要がある。
【００４１】
ここで、パティキュレートフィルタ２０に担持されたＮＯ_x吸蔵剤及び酸化触媒は前述したように排気中の窒素酸化物（ＮＯ_x）を吸蔵及び還元することになるが、窒素酸化物（ＮＯ_x）が還元される際に発生する反応熱によってＮＯ_x吸蔵剤が昇温されると、ＮＯ_x吸蔵剤により活性酸素が生成されることになる。
【００４２】
このようにして生成される活性酸素は、極めて高い反応性を有するため、パティキュレートフィルタ２０内に捕集されているＰＭと速やかに反応してＰＭを酸化及び浄化せしめることになる。
【００４３】
前記前置触媒２１は、排気中に含まれるＳＯＦ（Soluble Organic Fraction）や未燃燃料成分などを酸化する酸化触媒と、この酸化触媒を収容するためのケーシングとで構成されている。この前置触媒２１の具体的な構成については後述する。
【００４４】
このように構成された排気系では、内燃機関１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポートを介して排気枝管１８へ排出され、次いで排気枝管１８から遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂへ流入する。タービンハウジング１５ｂに流入した排気は、タービンハウジング１５ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング１５ａのコンプレッサホイールへ伝達されることになる。
【００４５】
前記タービンハウジング１５ｂから排出された排気は、排気管１９を介して前置触媒２１へ流入し、排気中のＳＯＦや未燃燃料成分などが酸化及び浄化される。前置触媒２１においてＳＯＦや未燃燃料成分などを浄化された排気は、パティキュレートフィルタ２０へ流入し、該排気中に含まれる煤や窒素酸化物（ＮＯ_x）などが除去又は浄化される。排気浄化機構２０にて煤や窒素酸化物（ＮＯ_x）を除去又は浄化された排気は、排気管１９を通って大気中へ放出される。
【００４６】
次に、内燃機関１の排気枝管１８と吸気枝管８とは、排気枝管１８内を流れる排気の一部を吸気枝管８へ再循環させる排気再循環通路（ＥＧＲ通路）２２を介して連通されている。
【００４７】
前記ＥＧＲ通路２２の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記ＥＧＲ通路２２内を流れる排気（以下、ＥＧＲガスと称する）の流量を変更する流量調整弁（以下、ＥＧＲ弁と称する）２３が設けられている。
【００４８】
前記ＥＧＲ通路２２においてＥＧＲ弁２３より上流の部位には、該ＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２４が設けられている。
【００４９】
このように構成された排気再循環機構では、ＥＧＲ弁２３が開弁されると、ＥＧＲ通路２２が導通状態となり、排気枝管１８内を流れる排気の一部が前記ＥＧＲ通路２２へ流入し、ＥＧＲクーラ２４を経て吸気枝管８へ導かれる。
【００５０】
その際、ＥＧＲクーラ２４では、ＥＧＲ通路２２内を流れるＥＧＲガスと所定の冷媒との間で熱交換が行われ、ＥＧＲガスが冷却されることになる。
【００５１】
ＥＧＲ通路２２を介して排気枝管１８から吸気枝管８へ還流されたＥＧＲガスは、吸気枝管８の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒２の燃焼室へ導かれ、燃料噴射弁３から噴射される燃料を着火源として燃焼される。
【００５２】
ここで、ＥＧＲガスには水（Ｈ₂Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ₂）などの不活性ガス成分が含まれているため、ＥＧＲガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低められ、以て窒素酸化物（ＮＯ_x）の発生量が抑制される。
【００５３】
更に、ＥＧＲクーラ２４においてＥＧＲガスが冷却されると、ＥＧＲガス自体の温度が低下するとともにＥＧＲガスの体積が縮小されるため、ＥＧＲガスが燃焼室内に供給されたときに該燃焼室内の雰囲気温度が不要に上昇することがなくなるとともに、燃焼室内に供給される新気の量（新気の体積）が不要に減少することもない。
【００５４】
また、内燃機関１には、排気中に燃料を添加するための燃料添加機構が設けられている。この燃料添加機構は、駆動電力が印加された時に開弁して１番（＃１）気筒２の排気ポート内から排気枝管１８内へ向けて燃料を噴射する燃料添加弁２５と、燃料ポンプ６から吐出された燃料の一部を前記燃料添加弁２５へ供給する燃料供給路２６とを備えている。
【００５５】
このように構成された還元剤供給機構では、燃料ポンプ６から吐出された燃料の一部が燃料供給路２６を介して燃料添加弁２５へ供給される。燃料添加弁２５は、駆動電力が印加されたときに開弁し、排気枝管１８内へ向けて燃料を噴射する。
【００５６】
燃料添加弁２５から排気枝管１８内へ噴射された燃料は、排気枝管１８の上流から流れてきた排気とともにタービンハウジング１５ｂ及び排気管１９を経て前置触媒２１へ流入し、次いで前置触媒２１からパティキュレートフィルタ２０へ流入することになる。
【００５７】
その際、パティキュレートフィルタ２０のＮＯ_x吸蔵剤に窒素酸化物（ＮＯ_x）が吸蔵されていれば、その窒素酸化物（ＮＯ_x）が前記したガス中の燃料を還元剤として還元及び浄化される。
【００５８】
また、パティキュレートフィルタ２０には、酸化触媒としての白金（Ｐｔ）が担持されているため、前記したガス中に含まれる酸素と燃料とが酸化触媒によって酸化反応を発生し、パティキュレートフィルタ２０内の温度が上昇する。このようにしてパティキュレートフィルタ２０内の温度が高められると、ＮＯ_x吸蔵剤による活性酸素の生成が促されるため、パティキュレートフィルタ２０に捕集されていたＰＭを酸化及び浄化することも可能となる。
【００５９】
更に、パティキュレートフィルタ２０に担持されたＮＯ_x吸蔵剤は、窒素酸化物（ＮＯ_x）と同様のメカニズムによって排気中の硫黄酸化物（ＳＯ_x）を吸蔵するため、上記したような燃料の添加によってパティキュレートフィルタ２０内の温度が高められるとともにパティキュレートフィルタ２０内の酸素濃度がストイキ雰囲気若しくはリッチ雰囲気になると、ＮＯ_x吸蔵剤に吸収されていた硫黄酸化物（ＳＯ_x）がＳＯ_3-やＳＯ_4-に熱分解され、次いでＳＯ_3-やＳＯ_4-が排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）と反応して気体状のＳＯ_2-に還元されることとなる。
【００６０】
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２７が併設されている。
【００６１】
このＥＣＵ２７には、前述したコモンレール圧センサ４ａ、エアフローメータ１１、吸気温度センサ１２、及び吸気管圧力センサ１７に加え、内燃機関１に取り付けられたクランクポジションセンサ２８や水温センサ２９、更に図しないアクセルペダルの操作量に対応した電気信号を出力するアクセル開度センサ３０などの各種センサが電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ２７に入力されるようになっている。
【００６２】
ＥＣＵ３５には、前記した各種センサに加え、燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、ＥＧＲ弁２３、燃料添加弁２５等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ３５が前記した各種センサの出力信号に応じて燃料噴射弁３、吸気絞り用アクチュエータ１４、ＥＧＲ弁２３、或いは燃料添加弁２５を制御することが可能となっている。
【００６３】
次に、本実施の形態における前置触媒２１の具体的な構成について述べる。
【００６４】
前置触媒２１は、図２に示すように、複数の排気流路がハニカム状に配置された担体基材２１０を備えている。この担体基材２１０は、例えば、コージェライト等のような多孔質の焼結金属で構成されている。
【００６５】
前記した担体基材２１０の表面は、図３に示すように、担持層２１１によって被覆されており、その担持層２１１には白金（Ｐｔ）に代表される酸化触媒２１２が担持されている。
【００６６】
前記した担持層としてはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなるコート層が一般的であるが、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）は、高温域で白金（Ｐｔ）のシンタリングを誘発し難いものの、排気中の硫黄酸化物（ＳＯ_x）を吸蔵し易いという特性を有している。
【００６７】
このため、担持層としてアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなるコート層が用いられた触媒は、排気中の硫黄酸化物（ＳＯ_x）を不要に吸蔵してしまい、それによって触媒の浄化能力が低下する、所謂ＳＯ_x被毒を発生し易くなる。
【００６８】
触媒のＳＯ_x被毒が発生した場合には、触媒の温度を５００℃〜７００℃まで高めるとともに、触媒に流入する排気の酸素濃度をリッチ雰囲気な酸素濃度（すなわち、リッチ空燃比で運転されている内燃機関から排出される排気の酸素濃度）とするための処理（以下、ＳＯ_x被毒解消処理と称する）を行う必要がある。
【００６９】
ところで、前記したようなＳＯ_x被毒解消処理が実行されると、触媒に吸蔵されていた硫黄酸化物（ＳＯ_x）が排気中へ放出されるため、その硫黄酸化物（ＳＯ_x）がパティキュレートフィルタ２０によって再度吸蔵され、以てパティキュレートフィルタ２０のＳＯ_x被毒が不要に促進されてしまうという問題がある。
【００７０】
そこで、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置では、前置触媒２１の担持層２１１として、硫黄酸化物（ＳＯ_x）が吸蔵され難くいチタニア（ＴｉＯ₂）若しくはシリカ（ＳｉＯ₂）からなるコート層を用いるようにした。
【００７１】
このように構成された前置触媒２１が前述したパティキュレートフィルタ２０の上流に配置されると、内燃機関１から排出された排気が先ず前置触媒２１に流入するため、排気中のＳＯＦが前置触媒２１において酸化及び浄化されることとなる。
【００７２】
前置触媒２１において排気中のＳＯＦが酸化及び浄化されると、パティキュレートフィルタ２０に排気が流入した際に、パティキュレートフィルタ２０の上流側端面にＳＯＦが付着することがなくなる。
【００７３】
この結果、パティキュレートフィルタ２０の上流側端面において、排気中の煤等の微粒子がＳＯＦによって吸着及び集積されることがなく、以てパティキュレートフィルタ２０の上流側端面における詰まりの発生が防止されることとなる。
【００７４】
また、前置触媒２１の担持層２１１は、硫黄酸化物（ＳＯ_x）を吸蔵し難いチタニア（ＴｉＯ₂）若しくはシリカ（ＳｉＯ₂）からなるコート層で構成されているため、排気中の硫黄酸化物（ＳＯ_x）が前置触媒２１に吸蔵され難くなり、前置触媒２１のＳＯ_x被毒が防止される。
【００７５】
このように前置触媒２１のＳＯ_x被毒が防止されると、前置触媒２１に対してＳＯ_x被毒解消処理を行う必要がなくなるため、前置触媒２１に対するＳＯ_x被毒解消処理の実行に起因してパティキュレートフィルタ２０のＳＯ_x被毒が促進されることがなくなる。
【００７６】
但し、パティキュレートフィルタ２０のＮＯ_x吸蔵剤は、窒素酸化物（ＮＯ_x）と同様のメカニズムによって硫黄酸化物（ＳＯ_x）を吸蔵するため、パティキュレートフィルタ２０が独自にＳＯ_x被毒する場合がある。
【００７７】
このため、パティキュレートフィルタ２０のＳＯ_x被毒が発生した場合には、パティキュレートフィルタ２０に対してＳＯ_x被毒解消処理を行う必要がある。
【００７８】
パティキュレートフィルタ２０に対するＳＯ_x被毒解消処理を実行する方法としては、燃料添加弁２５から排気中へ燃料を添加する方法を例示することができる。燃料添加弁２５から排気中へ燃料が添加されると、添加燃料の一部がパティキュレートフィルタ２０において酸化（燃焼）することによってパティキュレートフィルタ２０内の温度が上昇するとともに、残りの添加燃料が硫黄酸化物（ＳＯ_x）の還元剤として作用することになる。
【００７９】
その際、前置触媒２１も酸化機能を有しているため、燃料添加弁２５から排気中へ添加された燃料のうちの極少量が前置触媒２１において酸化（燃焼）されるものの、その際に発生する熱が前記した添加燃料の気化に消費されるため、前置触媒２１の過剰な温度上昇が抑制されることになる。
【００８０】
ここで、前置触媒２１の担持層２１１を形成するチタニア（ＴｉＯ₂）やシリカ（ＳｉＯ₂）は、高温に曝されると粒成長して酸化触媒２１２のシンタリングを誘発する可能性があるが、パティキュレートフィルタ２０のＳＯ_x被毒解消処理が実行された場合であっても、燃料添加弁２５から前置触媒２１上流の排気中へ燃料を添加させることにより前置触媒２１の過剰な昇温が防止されるため、酸化触媒２１２のシンタリングが防止されることになる。
【００８１】
また、前述したように前置触媒２１において添加燃料が気化およびまたは熱分解されると、添加燃料と排気とが均質に混合し易くなるため、前置触媒２１から排出されるガス、言い換えれば、パティキュレートフィルタ２０に流入するガスは、添加燃料と排気とが均質に混合したガスとなる。
【００８２】
この結果、パティキュレートフィルタ２０の上流側端面に液状の燃料が付着及び集積することがなくなるとともに、添加燃料がパティキュレートフィルタ２０の広い範囲に均等に行き渡るようになる。
【００８３】
従って、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置では、チタニア（ＴｉＯ₂）又はシリカ（ＳｉＯ₂）からなる担持層２１１を有する前置触媒２１がパティキュレートフィルタ２０の上流に配置されることにより、パティキュレートフィルタ２０の過剰なＳＯ_x被毒を防止しつつパティキュレートフィルタ２０の上流側端面における詰まりの発生を防止することができる。
【００８４】
この結果、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置によれば、パティキュレートフィルタ２０の浄化能力を有効に活用することが可能となり、以て内燃機関１のエミッションを向上させることが可能となる。
【００８５】
尚、本実施の形態では、前置触媒の担持層に酸化触媒のみが担持される構成を例に挙げたが、これに限られるものではなく、酸化触媒に加えてＮＯ_x吸蔵剤などが担持された構成であってもよい。要は、前置触媒２１の担持層が硫黄酸化物（ＳＯ_x）を吸蔵し難い特性を有し、且つ、その担持層に担持される触媒が排気中のＳＯＦを酸化及び浄化する特性を有している構成であればよい。
【００８６】
また、本実施の形態では、本発明に係る還元剤として、内燃機関１の燃料である軽油を例に挙げたが、排気中で炭化水素や一酸化炭素などの還元成分を発生するものであればよく、例えば、炭化水素、水素、一酸化炭素等の気体、プロパン、プロピレン、ブタン等の液体、或いは、ガソリンや灯油などの液体燃料などを例示することができる。但し、還元剤を貯蔵及び補給する際の煩雑さを避ける上では、本実施の形態で例示したような軽油が好ましいと言える。
【００８７】
また、本実施の形態では、内燃機関１の排気管１９において前置触媒２１とパティキュレートフィルタ２０とが別個のケーシングに収容される構成を例に挙げて説明したが、前置触媒とパティキュレートフィルタが同一のケーシング内に収容されるようにしてもよい。
【００８８】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、ＮＯ_x吸蔵剤が担持されたパティキュレートフィルタの上流に、酸化機能を有する前置触媒が配置されるため、パティキュレートフィルタの上流側端面にＳＯＦが付着することがなくなる。
【００８９】
これにより、パティキュレートフィルタの上流側端面において排気中の煤などがＳＯＦを介して集積することがなく、以てパティキュレートフィルタの上流側端面における詰まりが抑制される。
【００９０】
更に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、前置触媒がチタニア（ＴｉＯ₂）やシリカ（ＳｉＯ₂）からなる担持層を有しているため、前置触媒のＳＯ_x被毒が防止されることになる。
【００９１】
これにより、前置触媒に対してＳＯ_x被毒解消処理を行う必要がなく、以て前置触媒のＳＯ_x被毒解消処理に起因したパティキュレートフィルタのＳＯ_x被毒が防止されることになる。
【００９２】
従って、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、パティキュレートフィルタの浄化能力の低下を防止することが可能となり、以て内燃機関の排気エミッションを向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図
【図２】前置触媒の担体基材の構造を示す図
【図３】前置触媒の担体基材表面の拡大図
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
６・・・・燃料ポンプ
１８・・・排気枝管
１９・・・排気管
２０・・・パティキュレートフィルタ
２１・・・前置触媒
２５・・・燃料添加弁
２６・・・燃料供給路
２１０・・担体基材
２１１・・担持層
２１２・・酸化触媒[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification technique for an internal combustion engine, and more particularly to a structure of a catalyst disposed in an exhaust system of the internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
In recent years, an improvement in exhaust emission has been required for internal combustion engines mounted on vehicles and the like. In particular, in diesel engines using light oil as fuel, nitrogen oxides (NO) contained in the exhaust _x In addition, a technology for purifying particulates (PM) such as soot and SOF (Soluble Organic Fraction) is required.
[0003]
In response to such demands, conventionally, when the oxygen concentration of the exhaust gas is high, such as an exhaust gas purification device for an internal combustion engine described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-1559037, nitrogen oxide (NO) in the exhaust gas is used. _x ), Nitrogen oxides (NO) stored when the oxygen concentration in the exhaust gas is reduced and the reducing agent is present _x NO is reduced and purified while releasing _x A technique has been proposed in which a particulate filter carrying a storage agent is disposed in an exhaust passage of an internal combustion engine.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-described conventional exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, when SOF contained in the exhaust gas is collected on the upstream end surface of the particulate filter, soot and the like in the exhaust gas passes through the SOF on the upstream end surface. Since it is adsorbed and accumulated, clogging is likely to occur on the upstream end face of the particulate filter.
[0005]
In contrast, NO _x By arranging a catalyst capable of purifying SOF (hereinafter referred to as a pre-catalyst) in the exhaust passage upstream of the particulate filter carrying the storage agent, occurrence of clogging on the upstream end face of the particulate filter is suppressed. A method is conceivable.
[0006]
However, in the above-described method, the pre-catalyst is sulfur oxide (SO _x In such a case, if the pre-catalyst is detoxified, the sulfur oxide released from the pre-catalyst (SO _x ) May inadvertently poison the particulate filter.
[0007]
The present invention has been made in view of various circumstances as described above, and NO. _x An object of the present invention is to provide a technique capable of preventing a reduction in the purification capacity of a particulate filter in an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine including a particulate filter carrying a storage agent.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above-described problems.
That is, the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is
A pre-catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, an oxidation catalyst supported on a support layer made of titania or silica;
Provided in the exhaust passage downstream of the pre-catalyst, NO _x A particulate filter carrying a storage agent;
It is characterized by having.
[0009]
This invention is NO _x A pre-catalyst having an oxidation function is disposed upstream of the particulate filter on which the storage agent is supported, and the support layer of the pre-catalyst is formed with sulfur oxide (SO _x ) Is hard to occlude titania (TiO) ₂ ) Or silica (SiO ₂ ) Is the biggest feature.
[0010]
In such an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, SOF contained in the exhaust gas is oxidized and purified by the pre-catalyst, so that SOF does not adhere to the upstream end face of the particulate filter. As a result, particulate matter (PM) such as soot contained in the exhaust does not accumulate on the upstream end face of the particulate filter.
[0011]
In addition, the support layer of the pre-catalyst is sulfur oxide (SO _x ) Is hard to occlude titania (TiO) ₂ ) Or silica (SiO ₂ ), The pre-catalyst is the sulfur oxide (SO _x ) Poisoning (SO _x It will not be poisoned). As a result, it is not necessary to perform the pre-catalyst poisoning elimination process, and the particulate filter SO caused by the pre-catalyst poisoning elimination process is eliminated. _x Poisoning is prevented.
[0012]
The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention may further include a reducing agent supply means for supplying a reducing agent into the exhaust passage upstream of the pre-catalyst.
[0013]
In this case, the reducing agent supply means supplies the reducing agent into the exhaust passage upstream of the pre-catalyst, for example, when recovering the poisoning of the particulate filter. As the poisoning of the particulate filter here, sulfur oxide (SO _x ) Poisoning, poisoning by particulates (PM), and the like.
[0014]
The reducing agent supplied from the reducing agent supply means into the exhaust passage flows into the pre-catalyst together with the exhaust flowing from the upstream of the exhaust passage, and then flows into the particulate filter.
[0015]
When the reducing agent flows into the pre-catalyst, the heat of the pre-catalyst is taken away by the reducing agent, so that the temperature increase of the pre-catalyst is prevented. Here, titania (TiO) constituting the support layer of the pre-catalyst ₂ ) And silica (SiO ₂ ) May grow when exposed to high temperatures and induce sintering of the oxidation catalyst. However, if the above-mentioned increase in the temperature of the pre-catalyst is prevented by supplying the reducing agent as described above, Thus, sintering of the oxidation catalyst is prevented.
[0016]
In addition, since a part of the reducing agent that has flowed into the pre-catalyst reacts in the pre-catalyst and is vaporized and thermally decomposed, the reducing agent and the exhaust gas are easily mixed uniformly. As a result, the exhaust gas flowing out from the pre-catalyst, in other words, the gas flowing into the particulate filter becomes a gas in which the reducing agent and the exhaust gas are homogeneously mixed, so that the reducing agent is evenly distributed over a wide range of the particulate filter. So that the ability to collect particulates can be regenerated, or SO _x It becomes possible to suitably eliminate the poisoning.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments of an exhaust emission control device for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine to which the present invention is applied and its intake / exhaust system. An internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 is a water-cooled four-stroke cycle diesel engine using light oil as fuel.
[0019]
The internal combustion engine 1 includes four cylinders from a first (# 1) cylinder 2 to a fourth (# 4) cylinder 2. Each of the four cylinders 2 is provided with a fuel injection valve 3 that directly injects fuel into the combustion chamber of each cylinder 2. Each fuel injection valve 3 is connected to a pressure accumulation chamber (common rail) 4 that accumulates fuel to a predetermined pressure. A common rail pressure sensor 4 a that outputs an electrical signal corresponding to the fuel pressure in the common rail 4 is attached to the common rail 4.
[0020]
The common rail 4 communicates with a fuel pump 6 through a fuel supply pipe 5. The fuel pump 6 is a pump that operates using the rotational torque of the output shaft (crankshaft) of the internal combustion engine 1 as a drive source. A pump pulley 6 a attached to the input shaft of the fuel pump 6 is connected to the output shaft (crank) of the internal combustion engine 1. It is connected to a crank pulley 1a attached to a shaft) via a belt 7.
[0021]
In the fuel injection system configured as described above, when the rotational torque of the crankshaft is transmitted to the input shaft of the fuel pump 6, the fuel pump 6 uses the torque transmitted from the crankshaft to the input shaft of the fuel pump 6. It operates as a drive source and discharges fuel supplied from a fuel tank (not shown) at a predetermined pressure.
[0022]
The fuel discharged from the fuel pump 6 is supplied to the common rail 4 via the fuel supply pipe 5, accumulated in the common rail 4 up to a predetermined pressure, and distributed to the fuel injection valves 3 of each cylinder 2. When a drive current is applied to the fuel injection valve 3, the fuel injection valve 3 opens, and as a result, fuel is injected from the fuel injection valve 3 into the combustion chamber of each cylinder 2.
[0023]
Next, an intake branch pipe 8 is connected to the internal combustion engine 1, and each branch pipe of the intake branch pipe 8 communicates with a combustion chamber of each cylinder 2 via an intake port (not shown).
[0024]
The intake branch pipe 8 is connected to an intake pipe 9, and the intake pipe 9 is connected to an air cleaner box 10. An air flow meter 11 that outputs an electric signal corresponding to the mass of the intake air flowing in the intake pipe 9 and an electric current corresponding to the temperature of the intake air flowing in the intake pipe 9 are provided in the intake pipe 9 downstream of the air cleaner box 10. An intake air temperature sensor 12 that outputs a signal is attached.
[0025]
An intake throttle valve 13 for adjusting the flow rate of the intake air flowing through the intake pipe 9 is provided in a portion of the intake pipe 9 located immediately upstream of the intake branch pipe 8. The intake throttle valve 13 is provided with an intake throttle actuator 14 that is configured by a stepper motor or the like and that drives the intake throttle valve 13 to open and close.
[0026]
The intake pipe 9 positioned between the air flow meter 11 and the intake throttle valve 13 is provided with a compressor housing 15a of a centrifugal supercharger (turbocharger) 15 that operates using the thermal energy of exhaust as a drive source. The intake pipe 9 downstream of the housing 15a is provided with an intercooler 16 for cooling the intake air that has been compressed in the compressor housing 15a and has reached a high temperature.
[0027]
In the intake system configured as described above, the intake air flowing into the air cleaner box 10 is compressed through the intake pipe 9 after dust or dust in the intake air is removed by an air filter (not shown) in the air cleaner box 10. It flows into the housing 15a.
[0028]
The intake air flowing into the compressor housing 15a is compressed by the rotation of the compressor wheel built in the compressor housing 15a. The intake air that has been compressed in the compressor housing 15a and has reached a high temperature is cooled by the intercooler 16, and then the flow rate is adjusted by the intake throttle valve 13 as necessary to flow into the intake branch pipe 8. The intake air that has flowed into the intake branch pipe 8 is distributed to the combustion chambers of the respective cylinders 2 through the respective branch pipes, and is burned using the fuel injected from the fuel injection valves 3 of the respective cylinders 2 as an ignition source.
[0029]
On the other hand, an exhaust branch pipe 18 is connected to the internal combustion engine 1, and each branch pipe of the exhaust branch pipe 18 communicates with a combustion chamber of each cylinder 2 via an exhaust port (not shown).
[0030]
The exhaust branch pipe 18 is connected to the turbine housing 15 b of the centrifugal supercharger 15. The turbine housing 15b is connected to an exhaust pipe 19, and this exhaust pipe 19 is connected downstream to a muffler (not shown).
[0031]
In the middle of the exhaust pipe 19, an exhaust purification mechanism 20 for purifying harmful gas components in the exhaust is disposed, and a pre-catalyst 21 is disposed in the exhaust pipe 19 upstream of the exhaust purification mechanism 20. .
[0032]
The exhaust purification mechanism 20 includes a particulate filter that collects particulates (PM) such as soot and SOF (Soluble Organic Fraction) contained in the exhaust, and a casing for housing the particulate filter. It is configured. Hereinafter, the exhaust purification mechanism 20 is referred to as a particulate filter 20.
[0033]
In the particulate filter 20 described above, for example, a first exhaust flow path whose base end is open and the end is closed, and a second exhaust flow path whose base end is closed and the end is open via a partition wall. It is a wall flow type filter composed of a porous base material arranged alternately and in a honeycomb shape.
[0034]
An example of the porous substrate is cordierite. On the surface of the partition walls of the base material and the inner wall surfaces of the pores of the partition walls, alumina (Al ₂ O _Three ) And zirconia (ZrO) ₂ ) Etc., and a carrier layer made of a coating material such as NO is formed on the carrier layer. _x A storage agent and an oxidation catalyst are supported.
[0035]
NO mentioned above _x Occlusion agents include alkali metals such as potassium (K), sodium (Na), lithium (Li), or cesium (Cs), and barium (Ba), calcium (Ca), or strontium (Sr). Examples include at least one selected from alkaline earth metals and rare earths such as lanthanum (La) and yttrium (Y). Examples of the oxidation catalyst include noble metals such as platinum (Pt).
[0036]
The particulate filter 20 configured as described above purifies the exhaust gas by the following mechanism.
[0037]
First, when the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the particulate filter 20 is high, the nitrogen oxide (NO) contained in the exhaust gas _x ) NO _x It is occluded, absorbed or adsorbed by the occlusion agent (hereinafter simply referred to as “occlusion”).
[0038]
Subsequently, when the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the particulate filter 20 decreases, NO _x The storage agent is nitrogen oxide (NO _x ) Will be released. At that time, if a reducing component such as hydrocarbon (HC) or carbon monoxide (CO) is present in the exhaust gas, the oxidation catalyst will reduce the reducing component and nitrogen oxide (NO). _x As a result, hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) are converted to water (H ₂ O) and carbon dioxide (CO ₂ ) And nitrogen oxides (NO _x ) Is nitrogen (N ₂ ).
[0039]
NO _x NO of occlusion agent _x Because the storage capacity is limited, NO _x NO of occlusion agent _x NO before storage capacity is saturated _x NO of occlusion agent _x It is necessary to regenerate the storage capacity. NO _x NO of occlusion agent _x As a method of regenerating the storage capacity, by adding fuel (hydrocarbon (HC)) from the fuel addition valve 25 into the exhaust, the oxygen concentration of the exhaust flowing into the particulate filter 20 is lowered and included in the exhaust. Increase the amount of reducing component produced, so NO _x NO of occlusion agent _x A method for restoring the storage capacity can be exemplified.
[0040]
On the other hand, the particulate filter 20 itself collects PM contained in the exhaust when the exhaust in the first exhaust passage moves into the second exhaust passage through the pores of the partition walls. However, since the amount of PM that can be collected by the particulate filter 20 itself is limited, the PM collected by the particulate filter 20 needs to be appropriately purified.
[0041]
Here, the NO supported on the particulate filter 20 _x As described above, the storage agent and the oxidation catalyst are nitrogen oxide (NO) in the exhaust gas. _x ) Occludes and reduces nitrogen oxides (NO) _x NO) due to the heat of reaction generated when _x When the storage agent is heated, NO _x Active oxygen is generated by the storage agent.
[0042]
Since the active oxygen generated in this way has extremely high reactivity, it reacts quickly with the PM collected in the particulate filter 20 to oxidize and purify the PM.
[0043]
The pre-catalyst 21 is composed of an oxidation catalyst that oxidizes SOF (Soluble Organic Fraction) and unburned fuel components contained in the exhaust gas, and a casing that accommodates the oxidation catalyst. A specific configuration of the pre-catalyst 21 will be described later.
[0044]
In the exhaust system configured as described above, the air-fuel mixture (burned gas) combusted in each cylinder 2 of the internal combustion engine 1 is discharged to the exhaust branch pipe 18 through the exhaust port, and then is centrifuged from the exhaust branch pipe 18. It flows into the turbine housing 15b of the feeder 15. The exhaust gas flowing into the turbine housing 15b rotates a turbine wheel that is rotatably supported in the turbine housing 15b. At that time, the rotational torque of the turbine wheel is transmitted to the compressor wheel of the compressor housing 15a described above.
[0045]
The exhaust discharged from the turbine housing 15b flows into the pre-catalyst 21 through the exhaust pipe 19, and SOF and unburned fuel components in the exhaust are oxidized and purified. Exhaust gas in which SOF and unburned fuel components are purified in the pre-catalyst 21 flows into the particulate filter 20, and soot and nitrogen oxide (NO) contained in the exhaust gas. _x ) Etc. are removed or purified. Soot and nitrogen oxides (NO _x The exhaust gas from which the) is removed or purified is discharged into the atmosphere through the exhaust pipe 19.
[0046]
Next, the exhaust branch pipe 18 and the intake branch pipe 8 of the internal combustion engine 1 are connected via an exhaust recirculation passage (EGR passage) 22 for recirculating a part of the exhaust gas flowing in the exhaust branch pipe 18 to the intake branch pipe 8. Communicated.
[0047]
A flow rate adjusting valve (hereinafter referred to as EGR gas) that is configured by an electromagnetic valve or the like in the middle of the EGR passage 22 and changes the flow rate of exhaust gas (hereinafter referred to as EGR gas) that flows in the EGR passage 22 according to the magnitude of applied power. , Referred to as an EGR valve) 23.
[0048]
An EGR cooler 24 that cools the EGR gas flowing in the EGR passage 22 is provided at a position upstream of the EGR valve 23 in the EGR passage 22.
[0049]
In the exhaust gas recirculation mechanism configured as described above, when the EGR valve 23 is opened, the EGR passage 22 becomes conductive, and a part of the exhaust gas flowing in the exhaust branch pipe 18 flows into the EGR passage 22. It is guided to the intake branch pipe 8 through the EGR cooler 24.
[0050]
At that time, in the EGR cooler 24, heat exchange is performed between the EGR gas flowing in the EGR passage 22 and a predetermined refrigerant, thereby cooling the EGR gas.
[0051]
The EGR gas recirculated from the exhaust branch pipe 18 to the intake branch pipe 8 via the EGR passage 22 is guided to the combustion chamber of each cylinder 2 while being mixed with fresh air flowing from the upstream side of the intake branch pipe 8. The fuel injected from the injection valve 3 is burned using an ignition source.
[0052]
Here, water (H ₂ O) and carbon dioxide (CO ₂ ) And the like, if EGR gas is contained in the air-fuel mixture, the combustion temperature of the air-fuel mixture is lowered, and thus nitrogen oxides (NO) _x ) Is suppressed.
[0053]
Further, when the EGR gas is cooled in the EGR cooler 24, the temperature of the EGR gas itself is reduced and the volume of the EGR gas is reduced. Therefore, when the EGR gas is supplied into the combustion chamber, the atmospheric temperature in the combustion chamber is reduced. Is not increased unnecessarily, and the amount of fresh air (volume of fresh air) supplied into the combustion chamber is not unnecessarily reduced.
[0054]
The internal combustion engine 1 is also provided with a fuel addition mechanism for adding fuel to the exhaust. This fuel addition mechanism includes a fuel addition valve 25 that opens when drive power is applied and injects fuel from the exhaust port of the first (# 1) cylinder 2 into the exhaust branch pipe 18, and a fuel pump. And a fuel supply passage 26 for supplying a part of the fuel discharged from the fuel supply valve 25 to the fuel addition valve 25.
[0055]
In the reducing agent supply mechanism configured as described above, a part of the fuel discharged from the fuel pump 6 is supplied to the fuel addition valve 25 through the fuel supply path 26. The fuel addition valve 25 is opened when drive power is applied, and injects fuel into the exhaust branch pipe 18.
[0056]
The fuel injected from the fuel addition valve 25 into the exhaust branch pipe 18 flows into the pre-catalyst 21 through the turbine housing 15b and the exhaust pipe 19 together with the exhaust flowing from the upstream of the exhaust branch pipe 18, and then the pre-catalyst. 21 flows into the particulate filter 20.
[0057]
At that time, the NO of the particulate filter 20 _x Nitrogen oxide (NO) _x ) Is stored, its nitrogen oxides (NO _x ) Is reduced and purified by using the fuel in the gas as a reducing agent.
[0058]
Further, since the particulate filter 20 carries platinum (Pt) as an oxidation catalyst, oxygen and fuel contained in the gas generate an oxidation reaction by the oxidation catalyst, and the particulate filter 20 Temperature rises. When the temperature in the particulate filter 20 is increased in this way, NO _x Since the generation of active oxygen by the occluding agent is promoted, the PM collected in the particulate filter 20 can be oxidized and purified.
[0059]
Further, the NO supported on the particulate filter 20 _x The storage agent is nitrogen oxide (NO _x ) Sulfur oxides (SO _x When the temperature of the particulate filter 20 is increased by the addition of the fuel as described above and the oxygen concentration in the particulate filter 20 becomes a stoichiometric atmosphere or a rich atmosphere, NO is stored. _x Sulfur oxides absorbed by the storage agent (SO _x ) Is SO _3- And SO _Four- Pyrolyzed, and then SO _3- And SO _Four- Reacts with hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) in the exhaust to produce gaseous SO _2- Will be reduced.
[0060]
The internal combustion engine 1 configured as described above is provided with an electronic control unit (ECU) 27 for controlling the internal combustion engine 1.
[0061]
In addition to the common rail pressure sensor 4a, the air flow meter 11, the intake air temperature sensor 12, and the intake pipe pressure sensor 17, the ECU 27 includes a crank position sensor 28 and a water temperature sensor 29 attached to the internal combustion engine 1, and an accelerator (not shown). Various sensors such as an accelerator opening sensor 30 that outputs an electric signal corresponding to the operation amount of the pedal are connected via electric wiring, and output signals of these various sensors are input to the ECU 27.
[0062]
In addition to the various sensors described above, the fuel injection valve 3, the intake throttle actuator 14, the EGR valve 23, the fuel addition valve 25, and the like are connected to the ECU 35 via electric wiring, and the ECU 35 outputs the output signals of the various sensors described above. Accordingly, the fuel injection valve 3, the intake throttle actuator 14, the EGR valve 23, or the fuel addition valve 25 can be controlled.
[0063]
Next, a specific configuration of the pre-catalyst 21 in the present embodiment will be described.
[0064]
As shown in FIG. 2, the pre-catalyst 21 includes a carrier substrate 210 in which a plurality of exhaust passages are arranged in a honeycomb shape. The carrier substrate 210 is made of a porous sintered metal such as cordierite.
[0065]
As shown in FIG. 3, the surface of the carrier base 210 is covered with a support layer 211, and an oxidation catalyst 212 typified by platinum (Pt) is supported on the support layer 211.
[0066]
As the support layer, alumina (Al ₂ O _Three ) Is generally used, but alumina (Al ₂ O _Three ) Is difficult to induce sintering of platinum (Pt) at high temperatures, but sulfur oxide (SO _x ) Is easily occluded.
[0067]
For this reason, alumina (Al ₂ O _Three The catalyst using the coating layer made of) is sulfur oxide (SO _x ) Is unnecessarily occluded, thereby reducing the purification capacity of the catalyst, so-called SO _x It becomes easy to generate poisoning.
[0068]
SO of catalyst _x When poisoning occurs, the temperature of the catalyst is raised to 500 ° C. to 700 ° C., and the oxygen concentration of the exhaust gas flowing into the catalyst is increased from a rich atmospheric oxygen concentration (that is, from an internal combustion engine operated at a rich air-fuel ratio). Treatment (hereinafter referred to as SO) _x (Referred to as poisoning elimination processing).
[0069]
By the way, SO _x When the poisoning elimination process is executed, the sulfur oxide (SO _x ) Is released into the exhaust, and its sulfur oxide (SO _x ) Is again occluded by the particulate filter 20, and the SO of the particulate filter 20 is _x There is a problem that poisoning is promoted unnecessarily.
[0070]
Therefore, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment, sulfur oxide (SO _x ) Is hard to occlude titania (TiO) ₂ ) Or silica (SiO ₂ ) Was used.
[0071]
When the pre-catalyst 21 configured in this way is arranged upstream of the particulate filter 20 described above, the exhaust discharged from the internal combustion engine 1 first flows into the pre-catalyst 21, so that the SOF in the exhaust becomes the front. It will be oxidized and purified in the catalyst 21.
[0072]
When the SOF in the exhaust gas is oxidized and purified in the pre-catalyst 21, the SOF does not adhere to the upstream end surface of the particulate filter 20 when the exhaust gas flows into the particulate filter 20.
[0073]
As a result, particulates such as soot in the exhaust gas are not adsorbed and accumulated by the SOF on the upstream end surface of the particulate filter 20, thereby preventing clogging on the upstream end surface of the particulate filter 20. It will be.
[0074]
The support layer 211 of the pre-catalyst 21 is made of sulfur oxide (SO _x ) Titania (TiO) ₂ ) Or silica (SiO ₂ ), The sulfur oxide (SO _x ) Is less likely to be stored in the pre-catalyst 21, and the SO of the pre-catalyst 21 _x Poisoning is prevented.
[0075]
Thus, the SO of the pre-catalyst 21 _x When poisoning is prevented, the pre-catalyst 21 is SO _x Since it is not necessary to perform poisoning elimination processing, SO for the pre-catalyst 21 _x Due to the execution of the poisoning elimination process, the SO of the particulate filter 20 _x The poisoning will not be promoted.
[0076]
However, the particulate filter 20 NO _x The storage agent is nitrogen oxide (NO _x ) And sulfur oxide (SO _x ), The particulate filter 20 has its own SO _x May be poisoned.
[0077]
Therefore, the SO of the particulate filter 20 _x When poisoning occurs, the particulate filter 20 is subjected to SO. _x It is necessary to perform poisoning elimination processing.
[0078]
SO for particulate filter 20 _x As a method of executing the poisoning elimination process, a method of adding fuel from the fuel addition valve 25 into the exhaust can be exemplified. When fuel is added into the exhaust gas from the fuel addition valve 25, a part of the added fuel is oxidized (combusted) in the particulate filter 20 to increase the temperature in the particulate filter 20, and the remaining added fuel is Sulfur oxide (SO _x ) To act as a reducing agent.
[0079]
At this time, since the pre-catalyst 21 also has an oxidation function, a very small amount of the fuel added into the exhaust gas from the fuel addition valve 25 is oxidized (combusted) in the pre-catalyst 21. Since the heat generated in the above is consumed for the vaporization of the added fuel, an excessive temperature rise of the pre-catalyst 21 is suppressed.
[0080]
Here, titania (TiO 2) that forms the supporting layer 211 of the pre-catalyst 21. ₂ ) And silica (SiO ₂ ) May cause grain growth and induce sintering of the oxidation catalyst 212 when exposed to a high temperature, but the SO of the particulate filter 20 _x Even when the poisoning elimination process is executed, the fuel is added from the fuel addition valve 25 into the exhaust upstream of the pre-catalyst 21 to prevent excessive temperature rise of the pre-catalyst 21. Sintering of the catalyst 212 is prevented.
[0081]
Further, as described above, when the added fuel is vaporized and / or thermally decomposed in the pre-catalyst 21, it becomes easy to mix the added fuel and the exhaust gas homogeneously, so that the gas discharged from the pre-catalyst 21, in other words, The gas flowing into the particulate filter 20 is a gas in which the added fuel and the exhaust gas are homogeneously mixed.
[0082]
As a result, liquid fuel does not adhere and accumulate on the upstream end face of the particulate filter 20, and the added fuel spreads evenly over a wide range of the particulate filter 20.
[0083]
Therefore, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine in the present embodiment, titania (TiO ₂ ) Or silica (SiO ₂ The pre-catalyst 21 having the support layer 211 made of) is disposed upstream of the particulate filter 20, so that excessive SO of the particulate filter 20 _x It is possible to prevent clogging on the upstream end face of the particulate filter 20 while preventing poisoning.
[0084]
As a result, according to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine in the present embodiment, the purification ability of the particulate filter 20 can be effectively utilized, and thus the emission of the internal combustion engine 1 can be improved. .
[0085]
In the present embodiment, the configuration in which only the oxidation catalyst is supported on the support layer of the pre-catalyst has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. _x The structure in which an occlusion agent etc. were carry | supported may be sufficient. In short, the support layer of the pre-catalyst 21 is sulfur oxide (SO _x ), And the catalyst supported on the supporting layer may have a property of oxidizing and purifying SOF in exhaust gas.
[0086]
Further, in the present embodiment, as the reducing agent according to the present invention, the gas oil that is the fuel of the internal combustion engine 1 is taken as an example, but any reducing component such as hydrocarbon or carbon monoxide is generated in the exhaust gas. For example, a gas such as hydrocarbon, hydrogen, carbon monoxide, a liquid such as propane, propylene, or butane, or a liquid fuel such as gasoline or kerosene can be exemplified. However, in order to avoid the complexity when storing and replenishing the reducing agent, it can be said that the light oil as exemplified in the present embodiment is preferable.
[0087]
Further, in the present embodiment, the configuration in which the pre-catalyst 21 and the particulate filter 20 are housed in separate casings in the exhaust pipe 19 of the internal combustion engine 1 has been described as an example. However, the pre-catalyst and the particulates are described. The filter may be accommodated in the same casing.
[0088]
【The invention's effect】
In the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, NO _x Since the pre-catalyst having an oxidation function is disposed upstream of the particulate filter carrying the storage agent, SOF does not adhere to the upstream end surface of the particulate filter.
[0089]
Accordingly, soot and the like in the exhaust gas are not accumulated via the SOF on the upstream end surface of the particulate filter, and clogging on the upstream end surface of the particulate filter is suppressed.
[0090]
Furthermore, in the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, the front catalyst is titania (TiO 2). ₂ ) And silica (SiO ₂ ) Of the pre-catalyst. _x Poisoning will be prevented.
[0091]
As a result, the SO _x There is no need to perform poisoning elimination treatment, so SO _x Particulate filter SO caused by poisoning elimination process _x Poisoning will be prevented.
[0092]
Therefore, according to the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, it is possible to prevent a decrease in the purification capacity of the particulate filter, and thus it is possible to improve the exhaust emission of the internal combustion engine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine to which the present invention is applied and its intake / exhaust system.
FIG. 2 is a diagram showing the structure of the support base material of the pre-catalyst
FIG. 3 is an enlarged view of the surface of the support base material of the pre-catalyst
[Explanation of symbols]
1 ... Internal combustion engine
6. Fuel pump
18 ... Exhaust branch pipe
19 ... Exhaust pipe
20 ... Particulate filter
21 ... Pre-catalyst
25 ... Fuel addition valve
26 ... Fuel supply path
210 .. Carrier base material
211 ..Supporting layer
212 ・・ Oxidation catalyst

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、チタニア又はシリカからなる担持層に酸化触媒が担持された前置触媒と、
前記前置触媒より下流の排気通路に設けられ、ＮＯ_ｘ吸蔵剤が担持されたパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタの被毒が発生した場合に被毒解消処理を行う処理手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。A pre-catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, an oxidation catalyst supported on a support layer made of titania or silica;
A particulate filter provided in an exhaust passage downstream from the pre-catalyst and carrying a NO _x storage agent;
Processing means for performing poisoning elimination processing when poisoning of the particulate filter occurs;
An exhaust emission control device for an internal combustion engine, comprising:

前記前置触媒より上流の排気通路内へ還元剤を供給する還元剤供給手段を更に備え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。 The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, further comprising a reducing agent supply means for supplying a reducing agent into an exhaust passage upstream of the pre-catalyst.

前記処理手段は、前記パティキュレートフィルタの被毒を解消させる際に、前記前置触媒の温度上昇を抑制すべく前記還元剤供給手段による還元剤供給を行うことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。 The processing means, according to claim 2, characterized in that when for eliminating poisoning of the particulate filter, the Motozai supply place by the reducing agent supply means rather suppress all the temperature rise of the pre-catalyst 2. An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to 1.