WO2013005292A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排気浄化装置 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification device for an internal combustion engine.
  • a technique for providing a selective reduction type NOx catalyst (hereinafter sometimes simply referred to as a NOx catalyst) as an exhaust purification device in an exhaust passage of an internal combustion engine is known.
  • the NOx catalyst reduces NOx in the exhaust gas using ammonia or HC as a reducing agent.
  • an auxiliary selective reduction type NOx catalyst (NOx selective reduction auxiliary catalyst) having a smaller heat capacity than the selective reduction type NOx catalyst is provided in the exhaust passage upstream of the selective reduction type NOx catalyst (NOx selective reduction main catalyst).
  • the providing technique is disclosed.
  • a urea aqueous solution supply valve is provided in the exhaust passage upstream of the auxiliary selective reduction type NOx catalyst.
  • Patent Document 2 a selective reduction type NOx catalyst is provided in an exhaust passage downstream of a particulate filter, and further, an exhaust pipe injecting an ammonia-based solution into an exhaust passage between the particulate filter and the selective reduction type NOx catalyst is disclosed.
  • a technique for providing an injection device is disclosed. In the technique described in Patent Document 2, an ammonia-based solution is injected from the injection port of the exhaust pipe injection device in the radial direction of the exhaust passage (that is, the direction perpendicular to the axial direction of the exhaust passage).
  • an addition device for adding an oxidant or a reducing agent to the exhaust gas may be provided to supply the oxidant or the reducing agent to the NOx catalyst.
  • the addition device is exposed to high-temperature exhaust gas, so that deterioration may be promoted.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to suppress deterioration of an adding device provided in an exhaust passage.
  • the first NOx catalyst and the second NOx catalyst are provided in order from the upstream side along the exhaust flow.
  • An adding device is provided between the first NOx catalyst and the second NOx catalyst.
  • the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine is A first selective reduction type NOx catalyst provided in an exhaust passage of the internal combustion engine; A second selective reduction type NOx catalyst provided in an exhaust passage downstream of the first selective reduction type NOx catalyst; An addition device that is provided in an exhaust passage between the first selective reduction type NOx catalyst and the second selective reduction type NOx catalyst and adds an oxidizing agent or a reducing agent into the exhaust; Is provided.
  • the temperature of the exhaust to which the addition device is exposed is lower than when the addition device is arranged upstream of the first NOx catalyst. Therefore, deterioration of the addition device can be suppressed.
  • the adding device may add an oxidizing agent or a reducing agent toward the first NOx catalyst. According to this, the oxidizing agent or reducing agent added into the exhaust gas from the adding device is further diffused until reaching the second NOx catalyst. Therefore, the oxidation reaction or reduction reaction in the second NOx catalyst can be further promoted.
  • the addition device may be arranged at a position where at least part of the spray of the oxidizing agent or the reducing agent added to the exhaust gas from the addition device reaches the first NOx catalyst. According to this, a part of the oxidizing agent or reducing agent that has reached the first NOx catalyst is reformed in the first NOx catalyst. Then, the modified oxidizing agent or reducing agent is supplied to the second NOx catalyst.
  • urea is added from the adding device, urea that has reached the first NOx catalyst is hydrolyzed in the first NOx catalyst to generate ammonia. A part of the generated ammonia is supplied to the second NOx catalyst. Therefore, the oxidation reaction or reduction reaction in the second NOx catalyst can be further promoted.
  • the exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is applied to a diesel engine for driving a vehicle.
  • the internal combustion engine according to the present invention is not limited to a diesel engine, and may be a gasoline engine or the like.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an exhaust system of an internal combustion engine according to the present embodiment.
  • the internal combustion engine 1 is a diesel engine for driving a vehicle.
  • An exhaust passage 2 is connected to the internal combustion engine 1.
  • the arrow in FIG. 1 represents the flow direction of exhaust gas.
  • the exhaust passage 2 is provided with a first selective reduction type NOx catalyst (first NOx catalyst) 3.
  • a second selective reduction type NOx catalyst (second NOx catalyst) 4 is provided in the exhaust passage 2 downstream of the first NOx catalyst 3.
  • a urea addition valve 5 is provided in the exhaust passage 2 between the first NOx catalyst 3 and the second NOx catalyst 4.
  • the urea addition valve 5 adds an aqueous urea solution into the exhaust gas (in FIG. 1, the hatched portion indicates spraying of the aqueous urea solution).
  • the urea addition valve 5 adds an aqueous urea solution in the direction of the first NOx catalyst 3.
  • the urea addition valve 5 is arranged at a position where at least a part of the spray of the urea aqueous solution added from the urea addition valve 5 reaches the first NOx catalyst 3.
  • the urea addition valve 5 is connected to a urea tank (not shown) in which a urea aqueous solution is stored. A urea aqueous solution is supplied from the urea tank to the urea addition valve 5.
  • the urea addition valve 5 is electrically connected to an ECU (not shown) for controlling the internal combustion engine 1 and is controlled by the ECU.
  • the urea is supplied to the first and second NOx catalysts 3 and 4 by adding the urea aqueous solution into the exhaust gas from the urea addition valve 5.
  • the urea added from the urea addition valve 5 and reaching the first NOx catalyst 3 is once adsorbed on the first NOx catalyst 3.
  • the urea that has not been adsorbed on the first NOx catalyst 3 is supplied to the second NOx catalyst 4 provided on the downstream side and adsorbed on the second NOx catalyst 4.
  • the urea adsorbed on each of the NOx catalysts 3 and 4 is hydrolyzed to produce ammonia.
  • the ammonia serves as a reducing agent to reduce NOx in the exhaust.
  • the fuel injected by the auxiliary fuel injection is discharged from the internal combustion engine 1 together with the exhaust gas and supplied to the first NOx catalyst 3.
  • the fuel (HC) serves as a reducing agent to reduce NOx in the exhaust.
  • the urea addition valve 5 is disposed downstream of the first NOx catalyst 3. Therefore, the urea addition valve 5 is not directly exposed to the high-temperature exhaust discharged from the internal combustion engine 1. That is, the temperature of the exhaust gas to which the urea addition valve 5 is exposed is lower than when the urea addition valve 5 is disposed upstream of the first NOx catalyst 3. Therefore, deterioration of the urea addition valve 5 can be suppressed.
  • the urea aqueous solution is added from the urea addition valve 5 toward the first NOx catalyst 3. That is, the aqueous urea solution is added upstream from the urea addition valve 5. Therefore, of the urea added from the urea addition valve 5, urea supplied to the second NOx catalyst 4 without adhering to the first NOx catalyst 3 is more easily diffused until reaching the second NOx catalyst 4. That is, the urea is more widely diffused from the urea addition valve 5 toward the downstream side (second NOx catalyst 4 side) or in the direction perpendicular to the axial direction of the exhaust passage 2 compared with the case where the urea aqueous solution is added. Is supplied to the second NOx catalyst 4. Therefore, the hydrolysis of urea in the second NOx catalyst 4 can be further promoted. As a result, the NOx reduction reaction using ammonia as the reducing agent in the second NOx catalyst 4 can be further promoted.
  • the urea addition valve 5 does not necessarily have to be disposed at a position where the spray of the added urea aqueous solution reaches the first NOx catalyst 3.
  • the urea addition valve 5 by arranging the urea addition valve 5 at such a position, the following effects can be further obtained.
  • the ammonia that has not been consumed in the NOx reduction reaction in the first NOx catalyst 3 becomes the second NOx catalyst 4. Supplied.
  • the ammonia is consumed in the NOx reduction reaction in the second NOx catalyst 4. Therefore, the NOx reduction reaction in the second NOx catalyst 4 can be further promoted than when the spray of the urea aqueous solution added from the urea addition valve 5 does not reach the first NOx catalyst 3.
  • the heat capacity of the first NOx catalyst 3 may be made smaller than the heat capacity of the second NOx catalyst 4. According to this, it becomes easier for the first NOx catalyst 3 to rise in temperature. Therefore, the hydrolysis of urea in the first NOx catalyst 3 can be further promoted.
  • the urea addition valve 5 corresponds to the addition device according to the present invention.
  • the addition apparatus according to the present invention is not limited to the one that adds urea, and may be one that adds another oxidizing agent or reducing agent to the exhaust gas. Even if it is a case where it replaces with the urea addition valve 5 and the addition apparatus which adds another oxidizing agent or a reducing agent in exhaust_gas
  • a fuel addition valve for adding fuel to the exhaust gas may be provided, and fuel may be added as a reducing agent from the fuel addition valve.
  • fuel may be added as a reducing agent from the fuel addition valve.
  • a part of the fuel added from the fuel addition valve and reaching the first NOx catalyst 3 is reformed in the first NOx catalyst 3.
  • a part of the reformed fuel is supplied to the second NOx catalyst 4. Therefore, the NOx reduction reaction in the second NOx catalyst 4 can be promoted.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of an exhaust system of an internal combustion engine according to a modified example of the embodiment.
  • the first and second NOx catalysts 3 and 4 and the urea addition valve 5 may be provided in a bent portion (or curved portion) of the exhaust passage 2.
  • the arrow indicates the flow direction of the exhaust gas.
  • the shaded area represents spraying of the urea aqueous solution.

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Abstract

　本発明は、選択還元型ＮＯｘ触媒に酸化剤又は還元剤を供給するために排気通路に設けられる、酸化剤又は還元剤の添加装置の劣化を抑制することを目的とする。本発明では、内燃機関１の排気通路２において、第１選択還元型ＮＯｘ触媒３と第２選択還元型ＮＯｘ触媒４とを排気の流れに沿って上流側から順に設ける。そして、第１選択還元型ＮＯｘ触媒３と第２選択還元型ＮＯｘ触媒４との間に添加装置５を設ける。

Description

内燃機関の排気浄化装置
　本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
　内燃機関の排気通路に、排気浄化装置として選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒と称する場合もある）を設ける技術が知られている。ＮＯｘ触媒は、アンモニア又はＨＣ等を還元剤として排気中のＮＯｘを還元する。
　特許文献１には、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ選択還元主触媒）より上流側の排気通路に、該選択還元型ＮＯｘ触媒より熱容量の小さい補助選択還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ選択還元補助触媒）を設ける技術が開示されている。該特許文献１に記載の技術では、補助選択還元型ＮＯｘ触媒より上流側の排気通路に尿素水溶液供給弁が設けられている。
　特許文献２には、パティキュレートフィルタより下流側の排気通路に選択還元型ＮＯｘ触媒を設け、さらに、パティキュレートフィルタと選択還元型ＮＯｘ触媒との間の排気通路にアンモニア系溶液を噴射する排気管内噴射装置を設ける技術が開示されている。該特許文献２に記載の技術では、排気管内噴射装置の噴射口から、アンモニア系溶液を排気通路の径方向（即ち、排気通路の軸方向と垂直な方向）に噴射する。
特開２００８－２５５８９０号公報 特開２００７－２０５３０８号公報
　内燃機関の排気通路において、ＮＯｘ触媒に酸化剤又は還元剤を供給すべく、酸化剤又は還元剤を排気中に添加する添加装置を設ける場合がある。排気通路に添加装置を設けた場合、該添加装置が高温の排気に晒されることで、その劣化が促進される虞がある。
　本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、排気通路に設けられる添加装置の劣化を抑制することを目的とする。
　本発明では、内燃機関の排気通路において、第１ＮＯｘ触媒と第２ＮＯｘ触媒とを排気の流れに沿って上流側から順に設ける。そして、第１ＮＯｘ触媒と第２ＮＯｘ触媒との間に添加装置を設ける。
　より詳しくは、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た第１選択還元型ＮＯｘ触媒と、
　前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒より下流側の排気通路に設けられた第２選択還元型ＮＯｘ触媒と、
　前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒と前記第２選択還元型ＮＯｘ触媒との間の排気通路に設けられ、酸化剤又は還元剤を排気中に添加する添加装置と、
　を備える。
　本発明によれば、添加装置が第１ＮＯｘ触媒より上流側に配置されている場合に比べて、添加装置が晒される排気の温度が低くなる。従って、添加装置の劣化を抑制することができる。
　また、本発明において、添加装置は、第１ＮＯｘ触媒の方向に向かって酸化剤又は還元剤を添加してもよい。これによれば、添加装置から排気中に添加された酸化剤又は還元剤が、第２ＮＯｘ触媒に到達するまでの間により拡散される。そのため、第２ＮＯｘ触媒における酸化反応又は還元反応をより促進させることができる。
　さらに、本発明においては、添加装置から排気中に添加された酸化剤又は還元剤の噴霧の少なくとも一部が第１ＮＯｘ触媒に到達する位置に添加装置を配置してもよい。これによれば、第１ＮＯｘ触媒に到達した酸化剤又は還元剤の一部が、該第１ＮＯｘ触媒において改質される。そして、改質された酸化剤又は還元剤が第２ＮＯｘ触媒に供給される。また、添加装置から尿素が添加される場合は、第１ＮＯｘ触媒に到達した尿素が、該第１ＮＯｘ触媒において加水分解され、アンモニアが生成される。そして、生成されたアンモニアの一部が第２ＮＯｘ触媒に供給される。従って、第２ＮＯｘ触媒における酸化反応又は還元反応をより促進させることができる。
　本発明によれば、排気通路に設けられる添加装置の劣化を抑制することができる。
実施例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。 実施例の変形例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。
　以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
　ここでは、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を、車両駆動用のディーゼルエンジンに適用した場合について説明する。ただし、本発明に係る内燃機関は、ディーゼルエンジンに限られるものではなく、ガソリンエンジン等であってもよい。
　［排気系の概略構成］
　図１は、本実施例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。内燃機関１には排気通路２が接続されている。尚、図１における矢印は、排気の流れ方向を表している。
　排気通路２には第１選択還元型ＮＯｘ触媒（第１ＮＯｘ触媒）３が設けられている。第１ＮＯｘ触媒３より下流側の排気通路２には第２選択還元型ＮＯｘ触媒（第２ＮＯｘ触媒）４が設けられている。
　第１ＮＯｘ触媒３と第２ＮＯｘ触媒４との間の排気通路２には尿素添加弁５が設けられている。尿素添加弁５は排気中に尿素水溶液を添加する（図１において、斜線部は尿素水溶液の噴霧を表している）。図１に示すように、本実施例においては、尿素添加弁５は、尿素水溶液を第１ＮＯｘ触媒３の方向に添加する。また、尿素添加弁５から添加された尿素水溶液の噴霧の少なくとも一部が第１ＮＯｘ触媒３に到達するような位置に、尿素添加弁５が配置されている。
　尿素添加弁５には、尿素水溶液が貯留されている尿素タンク（図示せず）が接続されている。尿素タンクから尿素添加弁５に尿素水溶液が供給される。また、尿素添加弁５は、内燃機関１を制御するためのＥＣＵ（図示せず）に電気的に接続されており、該ＥＣＵによって制御される。
　尿素添加弁５から排気中に尿素水溶液が添加されることで、第１及び第２ＮＯｘ触媒３，４に尿素が供給される。尿素添加弁５から添加され第１ＮＯｘ触媒３に到達した尿素は該第１ＮＯｘ触媒３に一旦吸着する。また、第１ＮＯｘ触媒３に吸着しなかった尿素は、下流側に設けられた第２ＮＯｘ触媒４に供給され、該第２ＮＯｘ触媒４に吸着する。そして、各ＮＯｘ触媒３，４に吸着した尿素が加水分解することでアンモニアが生じる。該アンモニアが還元剤となって排気中のＮＯｘが還元される。
　また、本実施例では、内燃機関１において、圧縮上死点近傍の時期に行われる主燃料噴射より後の時期であって、噴射された燃料の大部分が気筒内での燃焼に供されない時期に副燃料噴射が行われる。副燃料噴射が行われることで、該副燃料噴射によって噴射された燃料が排気と共に内燃機関１から排出され、第１ＮＯｘ触媒３に供給される。そして、該燃料（ＨＣ）が還元剤となって排気中のＮＯｘが還元される。
　［本実施例に係る構成の効果］
　本実施例においては、尿素添加弁５が第１ＮＯｘ触媒３よりも下流側に配置されている。そのため、内燃機関１から排出された高温の排気に尿素添加弁５が直接晒されない。つまり、尿素添加弁５が第１ＮＯｘ触媒３より上流側に配置されている場合に比べて、尿素添加弁５が晒される排気の温度が低くなる。従って、尿素添加弁５の劣化を抑制することができる。
　また、本発明においては、尿素添加弁５から尿素水溶液が第１ＮＯｘ触媒３の方向に向かって尿素水溶液が添加される。つまり、尿素添加弁５から上流側に尿素水溶液が添加される。そのため、尿素添加弁５から添加された尿素のうち第１ＮＯｘ触媒３に付着せずに第２ＮＯｘ触媒４に供給される尿素が、第２ＮＯｘ触媒４に到達するまでの間により拡散され易くなる。つまり、尿素添加弁５から、下流側（第２ＮＯｘ触媒４側）又は排気通路２の軸方向と垂直な方向に向けて、尿素水溶液が添加された場合に比べて、より広く拡散した状態で尿素が第２ＮＯｘ触媒４に供給される。従って、第２ＮＯｘ触媒４における尿素の加水分解をより促進させることができる。その結果、第２ＮＯｘ触媒４におけるアンモニアを還元剤とするＮＯｘの還元反応をより促進させることができる。
　尚、本実施例において、尿素添加弁５は、必ずしも、添加された尿素水溶液の噴霧が第１ＮＯｘ触媒３に到達する位置に配置されなくてもよい。ただし、このような位置に尿素添加弁５が配置されることで、さらに、以下のような効果を得ることができる。
　つまり、第１ＮＯｘ触媒３に到達した尿素が該第１ＮＯｘ触媒３において加水分解することで生じたアンモニアのうち、該第１ＮＯｘ触媒３におけるＮＯｘの還元反応に消費されなかったアンモニアが第２ＮＯｘ触媒４に供給される。そして、該アンモニアが第２ＮＯｘ触媒４におけるＮＯｘの還元反応に消費される。従って、尿素添加弁５から添加された尿素水溶液の噴霧が第１ＮＯｘ触媒３までは到達しない場合よりも、第２ＮＯｘ触媒４におけるＮＯｘの還元反応をさらに促進させることができる。
　また、第２ＮＯｘ触媒４に同時に多くの量の尿素が吸着すると、同時に発生するアンモニアの量も多くなる。その結果、第２ＮＯｘ触媒４におけるＮＯｘの還元に消費されずに、該第２ＮＯｘ触媒４から流出するアンモニアの量が増加する。本実施例によれば、第２ＮＯｘ触媒４において過剰な量のアンモニアが同時に発生することを抑制することができる。そのため、第２ＮＯｘ触媒４からのアンモニアの流出を抑制することができる。
　また、第１ＮＯｘ触媒３の熱容量を、第２ＮＯｘ触媒４の熱容量より小さくしてもよい。これによれば、第１ＮＯｘ触媒３がより昇温し易くなる。そのため、第１ＮＯｘ触媒３における尿素の加水分解をより促進させることができる。
　尚、本実施例においては、尿素添加弁５が、本発明に係る添加装置に相当する。ただし、本発明に係る添加装置は、尿素を添加するものに限られず、他の酸化剤又は還元剤を排気中に添加するものであってもよい。尿素添加弁５に代えて、他の酸化剤又は還元剤を排気中に添加する添加装置を設けた場合であっても、該添加装置の劣化を抑制することができる。また、第２ＮＯｘ触媒４における酸化反応又は還元反応を促進させることができる。
　例えば、尿素添加弁５に代えて、排気中に燃料を添加する燃料添加弁を設け、該燃料添加弁から還元剤として燃料を添加してもよい。この場合、燃料添加弁から添加され第一ＮＯｘ触媒３に到達した燃料の一部は、該第一ＮＯｘ触媒３において改質される。そして、該改質された燃料の一部が第二ＮＯｘ触媒４に供給される。従って、第２ＮＯｘ触媒４におけるＮＯｘの還元反応を促進させることができる。
　［変形例］
　図２は、実施例の変形例に係る内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。図２に示すように、第１及び第２ＮＯｘ触媒３，４及び尿素添加弁５を、排気通路２の屈曲部（又は湾曲部）に設けてもよい。尚、図２においても、矢印は排気の流れ方向を表している。また、斜線部は尿素水溶液の噴霧を表している。
１・・・内燃機関
２・・・排気通路
３・・・第１選択還元型ＮＯｘ触媒
４・・・第２選択還元型ＮＯｘ触媒
５・・・尿素添加弁

Claims (3)

  1. 　内燃機関の排気通路に設けられた第１選択還元型ＮＯｘ触媒と、
    　前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒より下流側の排気通路に設けられた第２選択還元型ＮＯｘ触媒と、
    　前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒と前記第２選択還元型ＮＯｘ触媒との間の排気通路に設けられ、酸化剤又は還元剤を排気中に添加する添加装置と、
    　を備える内燃機関の排気浄化装置。
  2. 　前記添加装置が、前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒の方向に向かって酸化剤又は還元剤を添加する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 　前記添加装置が、排気中に添加された酸化剤又は還元剤の噴霧の少なくとも一部が前記第１選択還元型ＮＯｘ触媒に到達する位置に配置されている請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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