JP2007113497A - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
【課題】NOx触媒等の排気浄化手段の硫黄被毒再生時に排出される硫化水素を好適に酸化除去する。
【解決手段】本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関10の排気通路15に設けられ、燃焼室13から排出された排気ガスを浄化する排気浄化手段20と、排気浄化手段20よりも下流側の位置における排気通路15に酸化性ガスを供給可能な酸化性ガス供給手段40,41とを備える。排気浄化手段20よりも下流側の位置に酸化性ガスを供給するので、この酸化性ガスにより、排気浄化手段20の硫黄被毒再生時に排出された硫化水素を酸化除去することができ、また、硫化水素分解後に生成されたSOxが排気浄化手段20に再吸着することがなくなり、硫黄被毒再生時の硫酸塩の除去効率を高めることが可能になる。
【選択図】図1
Hydrogen sulfide discharged during sulfur poisoning regeneration of an exhaust purification means such as a NOx catalyst is suitably oxidized and removed.
An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is provided in an exhaust passage 15 of the internal combustion engine 10 and includes an exhaust gas purification means 20 for purifying exhaust gas discharged from a combustion chamber 13 and an exhaust gas purification means 20. Are provided with oxidizing gas supply means 40 and 41 capable of supplying an oxidizing gas to the exhaust passage 15 at the downstream position. Since the oxidizing gas is supplied to a position downstream of the exhaust purification means 20, the oxidizing gas can oxidize and remove the hydrogen sulfide discharged during the sulfur poisoning regeneration of the exhaust purification means 20, The SOx produced after the decomposition of hydrogen sulfide is not re-adsorbed to the exhaust gas purification means 20, and the sulfate removal efficiency at the time of sulfur poisoning regeneration can be increased.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、排気ガスを浄化する触媒等の排気浄化手段を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine, and more particularly to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine provided with exhaust gas purification means such as a catalyst for purifying exhaust gas.
近年、希薄(リーン)燃焼型の内燃機関の排気ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化するべくNOx触媒が実用化されている。NOx触媒は、例えば吸蔵還元型NOx触媒の場合、例えばアルミナを担体としてバリウム(Ba)などのアルカリ土類と白金(Pt)のような貴金属とが担持されたものであり、排気ガス中のNOxは硝酸塩(Ba(NO3)2)の形でNOx触媒に吸蔵される。そして、NOx触媒は内燃機関がリーン空燃比にて運転中であるときにはその排気ガス中のNOxを吸蔵する一方、内燃機関の排気空燃比が理論空燃比以下のリッチ空燃比で運転されるときにはその吸蔵したNOxを放出し還元する機能を有している。 In recent years, NOx catalysts have been put into practical use to purify nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas of lean combustion internal combustion engines. For example, in the case of a NOx storage reduction catalyst, the NOx catalyst is a catalyst in which an alkaline earth such as barium (Ba) and a noble metal such as platinum (Pt) are supported on alumina as a carrier, and NOx in exhaust gas is supported. Is stored in the NOx catalyst in the form of nitrate (Ba (NO 3 ) 2 ). The NOx catalyst occludes NOx in the exhaust gas when the internal combustion engine is operating at a lean air-fuel ratio, while it operates when the exhaust air-fuel ratio of the internal combustion engine is operated at a rich air-fuel ratio less than the stoichiometric air-fuel ratio. It has the function of releasing and reducing the stored NOx.
ところが、燃料および機関の潤滑油内には硫黄(S)が含まれているので、排気ガス中にも硫黄が含まれる。このため、NOx触媒は排ガス中の硫黄成分をBaSO4などの硫酸塩として吸蔵してしまい、硫黄成分により被毒(S被毒)される性質を有する。NOx触媒に吸蔵された硫酸塩は硝酸塩に比べて安定性が高いため、排気空燃比を燃料リッチにしてもNOx触媒から放出され難く、NOx触媒に次第に蓄積される。そして、NOx触媒内の硫酸塩の量が増大するとNOx触媒が吸収しうるNOxの量が次第に低下し、NOx触媒のNOx吸蔵能力が低下するという問題を生ずる。 However, since sulfur (S) is contained in the fuel and engine lubricating oil, sulfur is also contained in the exhaust gas. For this reason, the NOx catalyst has the property of storing the sulfur component in the exhaust gas as a sulfate such as BaSO 4 and being poisoned (S poison) by the sulfur component. Since sulfate stored in the NOx catalyst is more stable than nitrate, it is not easily released from the NOx catalyst even if the exhaust air-fuel ratio is rich in fuel, and is gradually accumulated in the NOx catalyst. When the amount of sulfate in the NOx catalyst increases, the amount of NOx that can be absorbed by the NOx catalyst gradually decreases, causing a problem that the NOx storage capacity of the NOx catalyst decreases.
そこで、硫黄被毒されたNOx触媒の温度を高めるとともにNOx触媒を還元雰囲気下におくことにより、吸蔵された硫酸塩を硫黄酸化物(SOx)に分解してNOx触媒から離脱させ、NOxの吸蔵能力を回復或いは再生させることが知られている。しかし、S被毒したNOx触媒を再生する際には、例えば下記の化学反応式により脱離したSOxが排ガス中の水素(H2)と反応し、硫化水素(H2S)が生成される。
BaSO4+CO→BaCO3+SO2
SO2+H2→H2S+O2
Therefore, by increasing the temperature of the sulfur-poisoned NOx catalyst and placing the NOx catalyst in a reducing atmosphere, the stored sulfate is decomposed into sulfur oxide (SOx) and separated from the NOx catalyst, and the NOx is stored. It is known to restore or regenerate ability. However, when regenerating the NOx catalyst poisoned with S, for example, SOx desorbed by the following chemical reaction formula reacts with hydrogen (H 2 ) in the exhaust gas to generate hydrogen sulfide (H 2 S). .
BaSO 4 + CO → BaCO 3 + SO 2
SO 2 + H 2 → H 2 S + O 2
このような硫化水素は強い臭気を発生させる性質があり、大気中に放出されると、例えば内燃機関が搭載された車両の周囲で異臭を放つため、好ましいものではない。 Such hydrogen sulfide has a property of generating a strong odor, and if released into the atmosphere, for example, an unpleasant odor is emitted around a vehicle equipped with an internal combustion engine, which is not preferable.
そこで、このような硫化水素による異臭を防止するための対策が種々提案されている。例えば、特許文献1には、硫化水素の発生を抑制するような特定成分を添加した触媒が開示されており、特許文献2には、吸蔵還元型NOx触媒のS被毒再生時に硫化水素の発生を抑制する制御を実行する装置が開示されている。 Therefore, various measures for preventing such a strange odor caused by hydrogen sulfide have been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a catalyst to which a specific component that suppresses the generation of hydrogen sulfide is added. Patent Document 2 discloses the generation of hydrogen sulfide during the S-poisoning regeneration of the NOx storage reduction catalyst. An apparatus for executing control for suppressing the above is disclosed.
しかしながら、特許文献1に開示された触媒はそれ自体硫化水素の発生を抑制するものであり、通常のNOx触媒を用いた場合のS被毒再生時に、そのNOx触媒から排出される硫化水素に対して、何等対策を講じるものではない。また、特許文献2に開示された装置では、NOx触媒のS被毒再生時に比較的微量ではあるが硫化水素が排出され、この硫化水素に対しては何等対策を講じていない。 However, the catalyst disclosed in Patent Document 1 itself suppresses the generation of hydrogen sulfide, and the hydrogen sulfide discharged from the NOx catalyst at the time of S poisoning regeneration when a normal NOx catalyst is used. No measures are taken. Further, in the apparatus disclosed in Patent Document 2, hydrogen sulfide is discharged in a relatively small amount during S poisoning regeneration of the NOx catalyst, and no measures are taken against this hydrogen sulfide.
一方、特許文献3には、パティキュレートフィルタに捕集された排気ガス中の微粒子を、パティキュレートフィルタに担持された活性酸素放出剤により酸化することが開示されている。これにおいて、パティキュレートフィルタのS被毒回復時にはパティキュレートフィルタの温度が昇温され、これにより発生した硫化水素は、活性酸素放出剤から発生した活性酸素によりSOxに酸化され、分解される。 On the other hand, Patent Document 3 discloses that fine particles in exhaust gas collected by a particulate filter are oxidized by an active oxygen release agent carried on the particulate filter. In this process, when the particulate filter recovers from S poisoning, the temperature of the particulate filter is raised, and hydrogen sulfide generated thereby is oxidized and decomposed into SOx by active oxygen generated from the active oxygen release agent.
特許文献3に記載の装置によれば、パティキュレートフィルタのS被毒回復時に発生した硫化水素を、そのフィルタ自身の活性酸素放出剤から放出された活性酸素により、酸化分解することができ、一応は硫化水素の大気中への放出を防止ないし抑制できると考えられる。 According to the apparatus described in Patent Document 3, hydrogen sulfide generated when S particulate poisoning of a particulate filter is recovered can be oxidatively decomposed by the active oxygen released from the active oxygen releasing agent of the filter itself. Is considered to be able to prevent or suppress the release of hydrogen sulfide into the atmosphere.
しかしながら、この装置は、パティキュレートフィルタから放出された硫化水素を、フィルタ自身の活性酸素放出剤によりSOxに酸化分解するものであるため、分解後のSOxがフィルタに再度付着する可能性は否めず、S被毒回復時における硫酸塩の除去効率に問題が残る。 However, since this apparatus oxidizes and decomposes hydrogen sulfide released from the particulate filter into SOx by the active oxygen release agent of the filter itself, there is no doubt that the decomposed SOx will adhere to the filter again. Therefore, there remains a problem in the efficiency of removing sulfates at the time of S poison recovery.
そこで、本発明は以上の事情に鑑みて創案され、その目的は、NOx触媒等の排気浄化手段の硫黄被毒再生時に排出される硫化水素を好適に酸化除去することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。 Therefore, the present invention was created in view of the above circumstances, and its purpose is to purify exhaust gas from an internal combustion engine that can suitably oxidize and remove hydrogen sulfide discharged during sulfur poisoning regeneration of exhaust gas purification means such as a NOx catalyst. To provide an apparatus.
上記目的を達成するため、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の一形態は、内燃機関の排気通路に設けられ、燃焼室から排出された排気ガスを浄化する排気浄化手段と、該排気浄化手段よりも下流側の位置における前記排気通路に酸化性ガスを供給可能な酸化性ガス供給手段とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an aspect of an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, and purifies exhaust gas discharged from a combustion chamber, and the exhaust gas purification device. And an oxidizing gas supply means capable of supplying an oxidizing gas to the exhaust passage at a position downstream of the means.
この本発明の一形態によれば、排気浄化手段よりも下流側の位置における排気通路に酸化性ガスを供給することができるので、この酸化性ガスにより、排気浄化手段の硫黄被毒再生時に排出された硫化水素を酸化除去することができる。特に、排気浄化手段よりも下流側の位置で酸化性ガスが供給されるので、特許文献3に記載の装置で問題となるような、硫化水素分解後に生成されたSOxが排気浄化手段に再吸着するといったことがなくなり、硫黄被毒再生時の硫酸塩の除去効率を高めることが可能になる。 According to this aspect of the present invention, the oxidizing gas can be supplied to the exhaust passage at a position downstream of the exhaust purification unit, and therefore, the exhaust gas is discharged by the oxidizing gas during the sulfur poisoning regeneration of the exhaust purification unit. The oxidized hydrogen sulfide can be removed by oxidation. In particular, since oxidizing gas is supplied at a position downstream of the exhaust purification means, SOx produced after hydrogen sulfide decomposition, which causes a problem in the apparatus described in Patent Document 3, is re-adsorbed to the exhaust purification means. Thus, it is possible to increase the efficiency of removing sulfate during sulfur poisoning regeneration.
ここで、好ましくは、前記排気浄化手段よりも上流側の位置における前記排気通路と、前記排気浄化手段及び前記酸化性ガス供給位置の間の位置における前記排気通路との少なくとも一方に設けられ、排気ガスの空燃比を検出する排気空燃比検出手段と、
前記排気浄化手段よりも上流側の位置における前記排気通路と、前記排気浄化手段及び前記酸化性ガス供給位置の間の位置における前記排気通路との少なくとも一方に設けられ、排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段とをさらに備える。
Preferably, the exhaust passage is provided in at least one of the exhaust passage at a position upstream of the exhaust purification means and the exhaust passage at a position between the exhaust purification means and the oxidizing gas supply position. Exhaust air-fuel ratio detection means for detecting the air-fuel ratio of the gas;
Provided in at least one of the exhaust passage at a position upstream of the exhaust purification means and the exhaust passage at a position between the exhaust purification means and the oxidizing gas supply position, and detects the temperature of the exhaust gas Exhaust temperature detection means is further provided.
硫化水素は、排気浄化手段の硫黄被毒再生時にその排気浄化手段から排出されるが、その硫黄被毒再生が行われるかどうかは、排気浄化手段が還元性雰囲気にあり且つその雰囲気温度が所定温度以上であるかどうかに依存する。この好ましい形態によれば、排気ガスの空燃比及び温度を検出することができるので、これらの値に基づき、硫黄被毒再生が実行されているか否かを判断することができ、酸化性ガスの供給開始タイミングを適切に設定することが可能になる。 Hydrogen sulfide is discharged from the exhaust purification means during the sulfur poisoning regeneration of the exhaust purification means. Whether or not the sulfur poisoning regeneration is performed depends on whether the exhaust purification means is in a reducing atmosphere and the ambient temperature is predetermined. Depends on whether it is above temperature. According to this preferred embodiment, since the air-fuel ratio and temperature of the exhaust gas can be detected, whether or not sulfur poisoning regeneration is being performed can be determined based on these values, and the oxidizing gas It is possible to set the supply start timing appropriately.
また、好ましくは、少なくとも二つの前記排気空燃比検出手段が、前記排気浄化手段よりも上流側の位置における前記排気通路と、前記排気浄化手段及び前記酸化性ガス供給位置の間の位置における前記排気通路との両方にそれぞれ設けられる。 Preferably, at least two of the exhaust air / fuel ratio detection means are configured to have the exhaust passage at a position upstream of the exhaust purification means and a position between the exhaust purification means and the oxidizing gas supply position. It is provided in both of the passages.
仮に、排気空燃比検出手段が、排気浄化手段及び酸化性ガス供給位置の間の位置における排気通路のみ(即ち排気浄化手段よりも下流側の位置のみ)に設けられると、次のような問題が生ずる。硫黄被毒再生時には、供給された還元剤が排気浄化手段で消費され、その余剰分があれば、排気浄化手段の下流側に排出される。この場合、排気浄化手段の下流側ではリッチ空燃比であり、これを下流側の排気空燃比検出手段で検出することで、酸化性ガスの供給を開始できる。しかしながら、余剰分が無く、供給された還元剤量が排気浄化手段における還元剤消費量と丁度同じ場合、典型的には、排気浄化手段の上流側ではリッチ空燃比だが排気浄化手段の下流側ではストイキ空燃比となる。このとき排気浄化手段の下流側の空燃比はリッチでなく、従って下流側の排気空燃比検出手段のみでは、硫黄被毒再生中かどうかが分からず、結果的に酸化性ガスの供給開始タイミングを把握できない。結局、硫黄被毒再生中で硫化水素が排出されているにも拘わらず、酸化性ガスが供給されず、硫化水素が大気に排出されることが起こり得る。 If the exhaust air-fuel ratio detection means is provided only in the exhaust passage at a position between the exhaust purification means and the oxidizing gas supply position (that is, only at a position downstream of the exhaust purification means), the following problem occurs. Arise. At the time of sulfur poisoning regeneration, the supplied reducing agent is consumed by the exhaust purification means, and if there is a surplus, it is discharged downstream of the exhaust purification means. In this case, the rich air-fuel ratio is provided on the downstream side of the exhaust purification means, and the supply of the oxidizing gas can be started by detecting this with the exhaust air-fuel ratio detection means on the downstream side. However, if there is no surplus and the amount of reducing agent supplied is exactly the same as the amount of reducing agent consumed in the exhaust purification means, typically it is a rich air-fuel ratio upstream of the exhaust purification means but downstream of the exhaust purification means. It becomes a stoichiometric air-fuel ratio. At this time, the air-fuel ratio on the downstream side of the exhaust purification means is not rich. Therefore, only the exhaust air-fuel ratio detection means on the downstream side does not know whether or not sulfur poisoning regeneration is in progress. As a result, the supply start timing of the oxidizing gas is determined. I can't figure it out. Eventually, even though hydrogen sulfide is discharged during sulfur poisoning regeneration, oxidizing gas may not be supplied and hydrogen sulfide may be discharged to the atmosphere.
前記好ましい形態によれば、排気浄化手段の上流側の排気空燃比検出手段により、空燃比リッチを検出し、酸化性ガスの供給を確実に開始することができる。また、排気浄化手段の下流側の排気空燃比検出手段により、排気浄化手段から排出された還元剤との反応に必要な酸化性ガス量を把握でき、酸化性ガス量の制御を好適に行えるようになる。 According to the preferred embodiment, the exhaust air-fuel ratio detection means upstream of the exhaust purification means can detect the rich air-fuel ratio and reliably start the supply of the oxidizing gas. Further, the exhaust air / fuel ratio detection means downstream of the exhaust purification means can grasp the amount of oxidizing gas required for the reaction with the reducing agent discharged from the exhaust purification means so that the amount of oxidizing gas can be suitably controlled. become.
また、前記排気空燃比検出手段によって検出された空燃比が理論空燃比又はそれよりもリッチ側であり、且つ、前記排気温度検出手段によって検出された排気温度が所定値以上であるときに、前記酸化性ガス供給手段による酸化性ガスの供給を実行させる酸化性ガス供給制御手段をさらに備える。 Further, when the air-fuel ratio detected by the exhaust air-fuel ratio detection means is the stoichiometric air-fuel ratio or richer side, and the exhaust temperature detected by the exhaust temperature detection means is a predetermined value or more, The apparatus further includes an oxidizing gas supply control means for executing the supply of the oxidizing gas by the oxidizing gas supply means.
酸化性ガスは、排気浄化手段から硫化水素が排出される硫黄被毒再生時のみ供給するのが好ましい。なぜなら酸化性ガスの生成には電力等のエネルギを要するからである。この好ましい形態によれば、空燃比が理論空燃比又はそれよりもリッチ側であり、且つ、排気温度が所定値以上という、硫黄被毒再生条件が整った場合のみ、酸化性ガスの供給を実行でき、これにより酸化性ガス生成エネルギの無駄な消費を防止することが可能になる。 It is preferable to supply the oxidizing gas only at the time of sulfur poisoning regeneration in which hydrogen sulfide is discharged from the exhaust purification means. This is because generation of oxidizing gas requires energy such as electric power. According to this preferred form, the supply of oxidizing gas is executed only when the sulfur poisoning regeneration condition is met such that the air-fuel ratio is the stoichiometric air-fuel ratio or richer side and the exhaust temperature is equal to or higher than a predetermined value. This makes it possible to prevent wasteful consumption of oxidizing gas generation energy.
また、前記排気浄化手段に吸着された硫酸塩量を推定する硫酸塩量推定手段をさらに備え、前記酸化性ガス供給制御手段が、前記酸化性ガスの供給時に、前記硫酸塩量推定手段によって推定された硫酸塩量と、前記排気空燃比検出手段によって検出された空燃比とに基づき、前記酸化性ガス供給手段から供給される酸化性ガスの量を制御するのが好ましい。 The apparatus further comprises a sulfate amount estimating means for estimating the amount of sulfate adsorbed on the exhaust gas purification means, and the oxidizing gas supply control means estimates the sulfate amount estimating means at the time of supplying the oxidizing gas. It is preferable to control the amount of oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply means based on the amount of sulfate and the air / fuel ratio detected by the exhaust air / fuel ratio detecting means.
この好ましい形態によれば、排気浄化手段から排出される硫化水素量に加え、排気浄化手段から排出される余剰の還元剤量を考慮して、酸化性ガス量を適切に制御することが可能になる。特に、余剰の還元剤が酸化性ガスにより酸化されるので、硫化水素が酸化性ガスで一旦SOxに分解された後、余剰の還元剤の存在によりそのSOxが再度硫化水素に還元されるといった事態が防止される。 According to this preferred embodiment, it is possible to appropriately control the amount of oxidizing gas in consideration of the amount of hydrogen sulfide discharged from the exhaust purification unit and the excessive amount of reducing agent discharged from the exhaust purification unit. Become. In particular, since the excess reducing agent is oxidized by the oxidizing gas, hydrogen sulfide is once decomposed into SOx by the oxidizing gas, and then the SOx is reduced again to hydrogen sulfide due to the presence of the excess reducing agent. Is prevented.
また、前記酸化性ガスの供給位置が、少なくとも、その供給された酸化性ガスが前記排気浄化手段の高温により実質的に熱分解されないような距離だけ、前記排気浄化手段から隔てられるのが好ましい。これにより酸化性ガスが効率的に利用可能となる。 In addition, it is preferable that the supply position of the oxidizing gas is separated from the exhaust purification unit by a distance at least so that the supplied oxidizing gas is not substantially thermally decomposed by the high temperature of the exhaust purification unit. As a result, the oxidizing gas can be used efficiently.
また、前記排気浄化手段は、NOx触媒、三元触媒、HC吸着剤、NOx吸着剤及び粒子状物質酸化触媒の少なくとも一つからなってもよい。排気浄化手段は、硫黄被毒するもの、即ち硫黄分の付着によってその排気浄化性能が低下してしまうものであれば、いかなるものであっても構わない。 Further, the exhaust purification means may be composed of at least one of a NOx catalyst, a three-way catalyst, an HC adsorbent, a NOx adsorbent, and a particulate matter oxidation catalyst. The exhaust gas purification means may be anything as long as it is sulfur poisoning, that is, the exhaust gas purification performance is deteriorated due to adhesion of sulfur.
前記酸化性ガスは、活性酸素及びオゾンのいずれかからなるのが好ましい。とりわけ酸化性ガスは、活性酸素に比べ酸化力が強く、寿命が長く、より実用的なオゾンからなるのが好ましい。 The oxidizing gas is preferably composed of either active oxygen or ozone. In particular, the oxidizing gas is preferably made of ozone which has a stronger oxidizing power than the active oxygen, has a long life, and is more practical.
本発明によれば、NOx触媒等の排気浄化手段の硫黄被毒再生時に排出される硫化水素を好適に酸化除去することができるという、優れた効果が発揮される。 According to the present invention, an excellent effect is exhibited that hydrogen sulfide discharged at the time of sulfur poisoning regeneration of an exhaust purification means such as a NOx catalyst can be suitably oxidized and removed.
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を概略的に示すシステム図である。図中、10は内燃機関即ちエンジンであり、本実施形態のエンジンは火花点火式内燃機関、より具体的には直噴式ガソリンエンジンである。但し、本発明におけるエンジンは直噴式ガソリンエンジンに限定されるものではなく、例えば圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンなどであってもよい。要は排気ガス中に硫黄成分が含まれるようなエンジンであればエンジンの形式や種別は問わない。11は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、12は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、13は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ17に供給された燃料が、高圧ポンプ17によりデリバリパイプ18に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このデリバリパイプ18内の高圧燃料が燃料噴射弁14から燃焼室13内に直接噴射供給される。エンジン10からの排気ガスは、排気マニフォルド12からターボチャージャ19を経た後にその下流の排気通路15に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。
FIG. 1 is a system diagram schematically showing an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. In the figure,
排気通路15には、燃焼室13から排出された排気ガスを浄化する排気浄化手段として、排気ガス中のNOxを浄化するNOx触媒20が設けられている。但し、排気浄化手段はNOx触媒20に限られず、排気ガス中に含まれる硫黄成分によって被毒され、本来有する排気浄化性能を喪失するようなものであればいかなるものであってもよい。このような排気浄化手段としては他に三元触媒、HC吸着剤、NOx吸着剤及び粒子状物質酸化触媒等が挙げられる。また排気浄化手段はこれらのうちの2以上の組み合わせからなってもよい。
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本実施形態のNOx触媒20は吸蔵還元型NOx触媒(NSR: NOx Strage Reduction)である。この場合、NOx触媒20は、アルミナAl2O3等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金Ptのような貴金属と、NOx吸収成分とが担持されて構成されている。NOx吸収成分は、例えばカリウムK、ナトリウムNa,リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類金属、ランタンLa、イットリウムYのような希土類元素から選ばれた少なくとも一つから成る。吸蔵還元型NOx触媒20は、これに流入される排気ガスの空燃比が所定値(典型的には理論空燃比)よりリーンのときにはNOx を吸収し、これに流入される排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したNOx を放出するという、NOx の吸放出作用を行う。本実施形態では直噴式ガソリンエンジンが使用されており、リーンバーン運転を実行可能であるため、そのリーンバーン運転時は排気空燃比がリーンであり、NOx触媒20は排気中のNOxの吸収を行う。また、NOx触媒20の上流側にて還元剤が供給され、流入排気ガスの空燃比がリッチになると、NOx触媒20は吸収したNOxの放出を行う。そしてこの放出されたNOxは還元剤と反応して還元浄化される。
The
還元剤としては、排気中で炭化水素HCや一酸化炭素CO等の還元成分を発生するものであれば良く、水素、一酸化炭素等の気体、プロパン、プロピレン、ブタン等の液体又は気体の炭化水素、ガソリン、軽油、灯油等の液体燃料等が使用できる。本実施形態では貯蔵、補給等の際の煩雑さを避けるため燃料であるガソリンを還元剤として使用している。還元剤の供給方法としては、例えば、NOx触媒20の上流側の排気通路15に別途設けられた噴射弁(図示せず)から燃料を噴射したり、通常時よりも多量の燃料を燃料噴射弁14から噴射したり、膨張行程後期又は排気行程で燃料噴射弁14から燃料を噴射するいわゆるポスト噴射を行う方法が可能である。このように、NOx触媒20におけるNOxの放出還元を目的とする還元剤の供給をリッチスパイクと称する。
Any reducing agent may be used as long as it generates a reducing component such as hydrocarbon HC or carbon monoxide CO in the exhaust gas. Gas such as hydrogen or carbon monoxide, liquid such as propane, propylene, or butane or carbonization of gas. Liquid fuels such as hydrogen, gasoline, light oil and kerosene can be used. In this embodiment, gasoline, which is a fuel, is used as a reducing agent in order to avoid complications during storage and replenishment. As a method for supplying the reducing agent, for example, fuel is injected from an injection valve (not shown) separately provided in the
ところで、NOx触媒20は選択還元型NOx触媒(SCR: Selective Catalitic Reduction)であってもよい。この選択還元型NOx触媒は、ゼオライトまたはアルミナ等の基材表面にPtなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にCu等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニヤ/バナジウム触媒(V2O5/WO3/TiO2)を担持させたもの等が例示できる。この選択還元型NOx触媒においては、流入排気ガスの空燃比がリーンという条件下で、排気ガス中のHC、NOが定常的に且つ同時に反応されてN2,O2,H2Oといったように浄化される。ただしNOxの浄化にはHCの存在が必須である。空燃比がリーンであっても、排気ガス中には未燃HCが必ず含まれているので、これを利用してNOxの還元浄化が可能である。また、前記吸蔵還元型NOx触媒のようにリッチスパイクを実施して還元剤を供給してもよい。この場合、還元剤としては前記に例示したもののほか、アンモニアや尿素を使用することもできる。
By the way, the
他の排気浄化手段について説明すると、三元触媒は、アルミナ、セリアなどの多孔質酸化物にPt,Pd及びRhなどの貴金属を担持してなるものであり、理論空燃比(ストイキ)近傍雰囲気で排気ガス中のHC,CO及びNOxを同時に浄化し得るものである。HC吸着剤は、例えば、シリカを主成分とする多孔質吸着剤(例えばSiO4の層状結晶間にSiO2を担持させたもの)やゼオライト等の多孔質材料等を、多数の細い軸線方向流路(セル)を有する円筒状に形成したものであり、吸着剤温度が低いときに流入する排気中のHC成分を多孔質の細孔内に吸着し、吸着剤温度が高いときに吸着したHC成分を放出するHCの吸放出作用を行う。これは特にエンジンの冷間始動時におけるいわゆるコールドHCの低減に有効である。NOx吸着剤は、多孔質のゼオライト等からなり、排気ガス中のNOやNO2を硝酸塩の形ではなくそのままの形で保持するものである。粒子状物質酸化触媒は、主にディーゼルエンジンから排出される粒子状物質(PM; Particulate Matter)を捕集するパティキュレートフィルタの表面に担持され、その捕集された粒子状物質を比較的低温で酸化(燃焼)除去するものであり、例えば、白金Pt、パラジウムPd、ロジウムRh等の貴金属、および、カリウムK、ナトリウムNa、リチウムLi、セシウムCs等のアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCa、ストロンチウムSr等のアルカリ土類金属、ランタンLa、イットリウムY、セリウムCe等の希土類元素、鉄Fe等の遷移金属から選ばれた少なくとも一つからなる。 Explaining other exhaust purification means, the three-way catalyst is formed by supporting a noble metal such as Pt, Pd and Rh on a porous oxide such as alumina and ceria, and in an atmosphere near the stoichiometric air-fuel ratio (stoichiometric). HC, CO and NOx in the exhaust gas can be purified at the same time. As the HC adsorbent, for example, a porous adsorbent mainly composed of silica (for example, SiO 2 supported between layered crystals of SiO 4 ), a porous material such as zeolite, and the like are used in a number of thin axial flows. HC formed in a cylindrical shape having a channel (cell), adsorbing HC components in the exhaust flowing in when the adsorbent temperature is low, into the porous pores and adsorbing when the adsorbent temperature is high Performs absorption and release of HC that releases components. This is particularly effective for reducing the so-called cold HC at the cold start of the engine. The NOx adsorbent is made of porous zeolite or the like, and holds NO or NO 2 in the exhaust gas as it is, not in the form of nitrate. The particulate matter oxidation catalyst is supported on the surface of a particulate filter that mainly collects particulate matter (PM) emitted from diesel engines, and the collected particulate matter is kept at a relatively low temperature. Oxidation (combustion) removal, for example, noble metals such as platinum Pt, palladium Pd, rhodium Rh, alkali metals such as potassium K, sodium Na, lithium Li, cesium Cs, barium Ba, calcium Ca, strontium Sr And at least one selected from alkaline earth metals such as lanthanum La, yttrium Y, rare earth elements such as cerium Ce, and transition metals such as iron Fe.
図1に戻って、本実施形態においては、NOx触媒20よりも下流側の位置における排気通路15に酸化性ガスを供給可能な酸化性ガス供給手段が設けられている。本実施形態において酸化性ガスは比較的高い酸化力を有するオゾン(O3)である。もっともこの酸化性ガスは他の酸化性ガス、例えば活性酸素等であってもよい。酸化性ガス供給手段としてのオゾン供給手段は、排気通路15内に挿入された酸化性ガス供給部材としてのオゾン供給部材40と、オゾン供給部材40にオゾン供給通路42を介して接続された酸化性ガス発生手段としてのオゾン発生器41とから構成される。オゾン発生器41で発生したオゾンはオゾン供給通路42を通じてオゾン供給部材40に到達され、オゾン供給部材40に設けられた供給口43からその下流側に向けて排気通路15内に噴射供給される。供給口43は本実施形態では複数(二つ)だが、一つであってもよい。オゾン供給部材40は排気通路15の直径方向に延在され、供給口43は、排気通路15内に均等にオゾンが行き渡るよう、オゾン供給部材40の長手方向に所定間隔で配置されている。
Returning to FIG. 1, in the present embodiment, an oxidizing gas supply means capable of supplying an oxidizing gas to the
オゾン発生器41としては、高電圧を印加可能な放電管内に原料となる空気または酸素を流しつつオゾンを発生させる形態や他の任意の形式のものを用いることができる。ここで原料となる空気または酸素は、排気通路15外から取り込まれる気体、例えば外気に含まれる気体であり、排気通路15内の排気ガスに含まれる気体ではない。なお、原料となる空気または酸素は乾燥した空気または酸素に限定されない。オゾン発生器41においては、高温の原料気体を用いるよりも低温の原料気体を用いた方がオゾンの生成効率が高い。従ってこのように排気通路15外の気体を用いてオゾンを生成することにより、オゾン生成効率を向上することが可能である。
As the
オゾン発生器41は、制御手段としての電子制御ユニット(以下、ECU(Electrical Control Unit)という)100に接続され、ECU100によりオンされたときにオゾンを発生し、ECU100によりオフされたときにオゾンの発生を停止する。発生されたオゾンは前述のようにしてオゾン供給部材40の供給口43から排気通路15内に供給され、これによりオゾン供給が実行せしめられる。本実施形態では、オゾン供給時にオゾン発生器41をオンにして生成されたオゾンを直ちに供給するが、オゾンを予め生成、貯留しておいて、バルブを切り替えることでオゾンを供給するようにしてもよい。またポンプやコンプレッサ等でオゾンを加圧して供給することも可能である。
The
排気通路15には排気空燃比検出手段としての二つの空燃比センサ54A,54Bが設けられ、これら空燃比センサ54A,54BはECU100に接続されている。一方の空燃比センサ54AはNOx触媒20よりも上流側の位置における排気通路15に設けられ、他方の空燃比センサ54AはNOx触媒20及びオゾン供給部材40の間の位置における排気通路15に設けられている。これら空燃比センサ54A,54Bをそれぞれ上流側空燃比センサ及び下流側空燃比センサと称す。エンジンの通常運転時、ECU100は、上流側空燃比センサ54Aの出力信号に基づいて、エンジンの排気空燃比を算出する。空燃比センサ54A,54Bは比較的広範囲の空燃比を検出可能な全域空燃比センサであり、検出した空燃比に応じて、出力信号としての電圧信号をリニアに出力する。ECU100は、上流側空燃比センサ54Aによって検出される排気空燃比が所定の目標空燃比に近づくよう、エンジン10の燃料噴射量をフィードバック制御する。このとき、リーンバーン運転時には目標空燃比が理論空燃比よりもリーン側の値(例えばA/F=18)に設定され、ストイキ運転時には目標空燃比が理論空燃比(例えばA/F=14.7)に設定される。
The
また、排気通路15には排気温度検出手段としての温度センサ53が設けられ、温度センサ53はECU100に接続されている。ECU100は温度センサ53の出力信号に基づいて排気温度を算出する。温度センサ53は例えば熱電対からなり、その測温部としての先端が排気通路15の中心部に位置される。温度センサ53も同様に、検出した排気温度に応じて、出力信号としての電圧信号をリニアに出力する。温度センサ53は、NOx触媒20よりも上流側の位置における排気通路15に設けられているが、NOx触媒20及びオゾン供給部材40の間の位置における排気通路15に設けられてもよい。
The
ECU100は、予め記憶された所定のプログラムに従ってリッチスパイク制御を実行する。即ち、ECU100は、所定のリッチスパイク実行条件が成立すると、それと同時に、別途設けられたリッチスパイク用噴射弁から燃料を噴射させたり、通常時よりも多量の燃料を燃料噴射弁14から噴射させたり、燃料噴射弁14からポスト噴射を実行させたりして、リッチスパイクを実行する。これにより、NOx触媒20に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチになり、NOx触媒20に吸蔵されていたNOxが放出され、排気ガス中の未燃成分(CO,HC)と反応して還元浄化される。このようにリッチスパイク制御手段がECU100によって構成される。
さて、本実施形態に係る排気浄化装置においては、エンジン運転時に排気ガス中の硫黄成分が硫酸塩の形でNOx触媒20に吸収或いは吸着され、NOx触媒20が硫黄被毒(S被毒)される。具体的には、その排気ガス中の硫黄成分が、硫酸塩の形で、NOx触媒20のバリウム等のNOx吸収成分に吸収される。そして硫酸塩がNOx触媒20に次第に蓄積されていくと、NOx触媒20のNOx吸蔵能力が低下する。
In the exhaust gas purification apparatus according to this embodiment, sulfur components in the exhaust gas are absorbed or adsorbed on the
そこで、NOx触媒20のNOx吸蔵能力を回復させるために、NOx触媒20から硫酸塩を脱離或いは放出させる硫黄被毒再生が行われる。この硫黄被毒再生は、NOx触媒20の雰囲気を還元雰囲気とし、且つその雰囲気温度を比較的高温の所定温度(例えば400℃)以上とすることで行われる。より具体的には、NOx触媒20に流入される排気ガスの空燃比がストイキ又はそれよりもリッチ側であり、且つその流入排気ガス温度が前記所定温度以上のとき、硫黄被毒再生が行われる。そしてこのとき、NOx触媒20に吸収されていた硫酸塩が硫黄酸化物(SOx)に分解されてNOx触媒20から脱離される。
Therefore, in order to recover the NOx storage ability of the
なお、硫酸塩が脱離可能な例えば400℃以上という排気温度は、本実施形態のようなガソリンエンジンの場合だと比較的容易に到達できる温度であるが、元々排気温度の低いディーゼルエンジンの場合だと比較的到達し難い温度である。これに対し、NOx触媒において吸蔵NOxが放出還元可能となる温度は、硫酸塩が脱離可能な温度よりも低く、例えば200〜300℃程度でNOxは放出還元可能である。このように、硫酸塩は硝酸塩に比べ安定であり、硝酸塩の場合よりも雰囲気温度を高めなければ脱離不可能である。硫酸塩が脱離可能となる排気温度は排気浄化手段の材料、構造等に応じて異なり、例えば500℃以上の場合もある。 The exhaust temperature at which the sulfate can be desorbed, for example, 400 ° C. or higher is a temperature that can be reached relatively easily in the case of a gasoline engine as in this embodiment, but in the case of a diesel engine that originally has a low exhaust temperature. Then, it is a temperature that is relatively difficult to reach. On the other hand, the temperature at which the stored NOx can be released and reduced in the NOx catalyst is lower than the temperature at which sulfate can be desorbed. For example, NOx can be released and reduced at about 200 to 300 ° C. Thus, sulfate is more stable than nitrate, and cannot be removed unless the ambient temperature is higher than that of nitrate. The exhaust temperature at which the sulfate can be desorbed varies depending on the material and structure of the exhaust purification means, and may be, for example, 500 ° C. or higher.
かかる硫黄被毒再生は、第一に、NOx触媒における吸蔵NOxの放出浄化と同時に行う方法がある。即ち、吸蔵NOxの放出浄化は前述のリッチスパイク制御によって実現され、このとき排気空燃比はリッチである。従って、このとき排気温度が硫酸塩脱離可能な温度であれば、自ずとNOx触媒から硫酸塩が脱離してSOxに分解される。本実施形態のようなガソリンエンジンの場合ではそのような高温の排気温度になることが比較的多いので、NOx放出還元のためのリッチスパイク制御が実行されれば、多くの場合同時に、硫黄被毒再生が実行される。 Such sulfur poisoning regeneration is first performed simultaneously with the purification of the stored NOx released in the NOx catalyst. That is, the purification of the stored NOx release is realized by the above-described rich spike control, and at this time, the exhaust air-fuel ratio is rich. Therefore, at this time, if the exhaust temperature is a temperature at which sulfate can be desorbed, the sulfate is naturally desorbed from the NOx catalyst and decomposed into SOx. In the case of the gasoline engine as in this embodiment, such a high exhaust temperature is relatively frequent. Therefore, if rich spike control for NOx emission reduction is performed, in many cases, sulfur poisoning is simultaneously performed. Playback is executed.
また、第二には、エンジンが車両用の場合、走行距離、燃費、燃料の種別(レギュラー又はハイオク)、燃料中の硫黄濃度等を考慮して、所定タイミング毎に、空燃比をリッチにし且つ排気温度を所定温度以上に上昇させ、硫黄被毒再生を実行する方法である。これは硫黄被毒再生専用の制御であり、例えば所定の走行距離毎に、空燃比を一時的にリッチにすると共にエンジン回転速度の上昇等により排気温度を所定温度以上に上昇させ、硫黄被毒再生を実行することができる。なお、これら第一及び第二の方法のように、所定の制御を行うことによって意図的に実行される硫黄被毒再生を強制再生という。 Second, when the engine is for a vehicle, the air-fuel ratio is made rich at every predetermined timing in consideration of the travel distance, fuel consumption, fuel type (regular or high-octane), sulfur concentration in the fuel, etc. In this method, the exhaust gas temperature is raised to a predetermined temperature or higher to perform sulfur poisoning regeneration. This is a control dedicated to sulfur poisoning regeneration. For example, at every predetermined travel distance, the air-fuel ratio is temporarily made rich and the exhaust temperature is raised to a predetermined temperature or higher by increasing the engine speed, etc. Playback can be performed. In addition, like these first and second methods, sulfur poisoning regeneration that is intentionally performed by performing predetermined control is referred to as forced regeneration.
第三には、強制再生時でなくても、エンジンの運転状態が硫黄被毒再生条件を満たすような運転状態となれば、自ずと硫黄被毒再生が実行される。具体的には、例えば車両の登坂走行等においてエンジンが高負荷運転されているとき、空燃比フィードバック制御が中止されて排気空燃比がストイキよりリッチになり、且つ排気温度が硫酸塩脱離可能な温度になれば、自ずとNOx触媒から硫酸塩が脱離してSOxに分解される。このように特別な制御によることなく実行される硫黄被毒再生を自然再生という。 Third, even if it is not during forced regeneration, sulfur poisoning regeneration is automatically performed if the engine is in an operating state that satisfies the sulfur poisoning regeneration condition. Specifically, for example, when the engine is operating at a high load when the vehicle is traveling uphill, the air-fuel ratio feedback control is stopped, the exhaust air-fuel ratio becomes richer than stoichiometric, and the exhaust temperature can be desorbed with sulfate. When the temperature is reached, the sulfate is naturally desorbed from the NOx catalyst and decomposed into SOx. Such sulfur poisoning regeneration performed without special control is called natural regeneration.
ところで、前述したように、この硫黄被毒再生時には、生成されるSOxが排気ガス中の水素(H2)と反応して硫化水素(H2S)が生成される。そしてこの硫化水素が排気通路から大気中に放出されると、異臭の原因となり、好ましくない。 By the way, as described above, during the sulfur poisoning regeneration, the produced SOx reacts with hydrogen (H 2 ) in the exhaust gas to produce hydrogen sulfide (H 2 S). If this hydrogen sulfide is released from the exhaust passage into the atmosphere, it will cause an unpleasant odor, which is not preferable.
そこで、本実施形態の排気浄化装置においては、硫黄被毒再生時にNOx触媒20から排出される硫化水素を、大気中に放出される前に、酸化性ガスとしてのオゾンによりSOxに酸化し、これによって硫化水素の大気中への放出及びこれに伴う異臭発生を防止している。具体的には、オゾン発生器41で発生したオゾンが、NOx触媒20の下流側の位置にて、オゾン供給部材40から排気通路15内に供給される。これにより、NOx触媒20から排出された硫化水素を、その排出後にオゾンによりSOxに酸化することができ、硫化水素の大気中への排出を予め防止できる。硫化水素H2SとオゾンO3との反応は次式で表される。
H2S+O3→H2O+SO2
これから分かるように硫化水素H2SとオゾンO3との反応は等モル反応である。
Therefore, in the exhaust purification apparatus of the present embodiment, hydrogen sulfide discharged from the
H 2 S + O 3 → H 2 O + SO 2
As can be seen, the reaction between hydrogen sulfide H 2 S and ozone O 3 is an equimolar reaction.
特に、排気通路15におけるオゾンの供給位置(即ち供給口43の位置)は、NOx触媒20の下流側の位置、より具体的にはNOx触媒20から所定距離下流側に隔てられた位置である。こうすることによって、特許文献3に記載の装置で問題となるような、硫化水素分解後に生成されたSOxがNOx触媒に再吸着するといったことがなくなり、硫黄被毒再生時の硫酸塩の除去効率を高めることが可能になる。
In particular, the ozone supply position (that is, the position of the supply port 43) in the
ここで、硫黄被毒再生時にはNOx触媒20が高温となっており、仮にこのNOx触媒20の近傍直後でオゾンを供給したとするとオゾンが熱分解し、その分、硫化水素の酸化能が減少してしまう。一般に、オゾンは250℃程度の温度で熱分解する。よって、NOx触媒20(特にその下流端)からオゾン供給位置までの距離Lは、そのようなオゾンの熱分解が実質的に生じないような距離に設定するのが好ましく、理想的には極力長くするのが好ましい。
Here, the
なお、オゾンをNOx触媒20の上流側で供給すると、オゾンが排気ガス中のNOxやSOxと反応して消費されるので、こうすることは避けるべきである。
If ozone is supplied upstream of the
ところで、オゾンは、NOx触媒20から硫化水素が排出される硫黄被毒再生時のみ供給するのが好ましい。なぜなら、オゾン発生器41でオゾンを生成するには電力を要するから、オゾンの無駄な消費は電力の無駄な消費につながり、ひいては燃費の悪化を招くからである。例えばオゾン発生器41を常にオンとし、常にオゾン供給を行っても硫化水素の排出は防止できるが、こうすることは避けるべきである。
By the way, it is preferable to supply ozone only at the time of sulfur poisoning regeneration in which hydrogen sulfide is discharged from the
そこで、本実施形態においては、上流側空燃比センサ54Aによって検出された排気空燃比と、温度センサ53によって検出された排気温度とに基づき、硫黄被毒再生実行中であるか否かを判定し、その実行中であるときのみ、オゾン発生器41をオンとし、オゾン供給を実行させるようにしている。具体的には、ECU100は、検出された排気空燃比がストイキ又はそれよりリッチ側の値であり、且つ検出された排気温度が前記所定温度(例えば400℃)以上であるとき、硫黄被毒再生実行中と判断し、オゾン発生器41をオンにする。これによれば、強制再生及び自然再生の別を問わず、硫化水素が排出されるような状況下でのみオゾンが供給され、オゾン及びオゾン発生電力の無駄な消費が防止できる。いうなれば前記排気空燃比及び排気温度はオゾン供給開始タイミングを決める条件である。
Therefore, in the present embodiment, it is determined whether or not sulfur poisoning regeneration is being executed based on the exhaust air / fuel ratio detected by the upstream air /
なお、図1に示されるように、本実施形態では上流側空燃比センサ54Aが温度センサ53の上流側に設けられているが、この配置は逆でもよい。
As shown in FIG. 1, in this embodiment, the upstream air-
ところで、前述したようなオゾンの効率的利用に鑑みれば、オゾンは、排出される硫化水素の量に見合った必要最小限の量を供給するのが好ましい。そこで、本実施形態では、このようなオゾンの最適量の供給を実現すべく以下のような制御を実行している。 By the way, in view of the efficient use of ozone as described above, it is preferable to supply the minimum amount of ozone commensurate with the amount of discharged hydrogen sulfide. Therefore, in the present embodiment, the following control is executed in order to realize the supply of such an optimal amount of ozone.
まず、ECU100は、硫黄被毒再生時以外の通常運転時に、NOx触媒20に吸着される硫酸塩量を推定する。例えば、前回の硫黄被毒再生時から消費された燃料量及び燃料性状(含有硫黄量、レギュラー・プレミアムの別等)に基づいて、所定のマップに従い、吸着硫酸塩量を推定する。
First, the
次に、ECU100は、上流側空燃比センサ54Aと温度センサ53との出力に基づき硫黄被毒再生時であると判断した場合、下流側空燃比センサ54Bにより、NOx触媒20の下流側の排気空燃比を検出する。この硫黄被毒再生中はNOx触媒20に還元剤(燃料)が供給されており、NOx触媒20には燃料リッチな排気ガスが供給されている。従ってNOx触媒20からは、硫酸塩の分解に伴ってできる硫黄酸化物SOx及び硫化水素H2Sの他、多くの場合、硝酸塩及び硫酸塩の分解に使用されて余剰となった還元剤成分(HC、CO、H2等)が排出される。このように、供給された還元剤はNOx触媒20で消費されてその余剰分がNOx触媒20から排出される。よってNOx触媒20の上流側と下流側とで排気空燃比が異なり、本実施形態のように空燃比センサをNOx触媒20の上流側と下流側とにそれぞれ設けるのが好ましい。
Next, when the
一方、このとき供給するオゾン量は、少なくとも、排出される硫化水素が全量酸化分解されるような量である必要がある。このため少なくとも、排出硫化水素と等モルのオゾンが供給される。NOx触媒20に吸着された硫酸塩量が推定されているので、例えばこの吸着硫酸塩量の推定値と排出硫化水素量との関係を予めマップ化しておいて、その排出硫化水素量に応じた量のオゾンを供給する。
On the other hand, the amount of ozone supplied at this time needs to be at least such that all of the discharged hydrogen sulfide is oxidatively decomposed. For this reason, at least equimolar ozone with the discharged hydrogen sulfide is supplied. Since the amount of sulfate adsorbed on the
しかしながら、NOx触媒20から排出される余剰分の還元剤がオゾンと反応し、オゾンが消費される問題がある。例えば還元剤がCH2の場合、反応は次式で表される。
CH2+O3→H2O+CO2
However, there is a problem that the excess reducing agent discharged from the
CH 2 + O 3 → H 2 O + CO 2
こうなると、その消費分だけオゾンは硫化水素を分解できなくなる。従って供給するオゾン量は、排出された硫化水素の分解に必要な量に、排出された余剰還元剤との反応で消費される量を加えた値とする。この余剰還元剤との反応分を決定するためにNOx触媒20の下流側に空燃比センサ54Bが設けられる。なお、硫化水素よりも未燃HC等の還元剤の方がオゾンとの反応が容易である。
If this happens, ozone will not be able to decompose hydrogen sulfide by the amount consumed. Accordingly, the amount of ozone to be supplied is a value obtained by adding the amount consumed by the reaction with the discharged surplus reducing agent to the amount necessary for the decomposition of the discharged hydrogen sulfide. An air-
ECU100には、図2に示すような、NOx触媒下流側の空燃比と、これに対応したオゾン量との関係を示すマップが入力されている。このマップは実験等に基づいて作成される。ここでのオゾン量は余剰還元剤との反応で消費されるオゾン量であり、空燃比はその余剰還元剤に対応した値である。空燃比が大きくなる(つまりリーン側になる)ほど、余剰還元剤が少なくなるので、オゾン量は少なくなる。ECU100は、下流側空燃比センサ54Bで検出された下流側空燃比に基づき、図2のマップを参照して、余剰還元剤との反応消費分のオゾン量(以下、対還元剤オゾン量という)を決定する。
A map showing the relationship between the air-fuel ratio downstream of the NOx catalyst and the corresponding ozone amount is input to the
次に、ECU100は、前記推定された吸着硫酸塩量に基づき、この吸着硫酸塩から発生する硫化水素の分解に必要なオゾン量(以下、対H2Sオゾン量という)を決定する。即ち、図3にJで示すように、仮に吸着硫酸塩の全量が、硫黄被毒再生開始と同時に瞬間的に(0〜t1の間に)硫化水素に分解され、硫化水素の排出も瞬間的になされたとすると、対H2Sオゾンもその排出硫化水素の全量に対応する等モル量を瞬間的に供給しなければならない。一方、図3にKで示すように、吸着硫酸塩の全量が比較的長時間(0〜t2)をかけて分解し、従って硫化水素の排出も少しずつ行われる場合がある。この場合には対H2Sオゾンも排出硫化水素量に見合った量を少しずつ、比較的長時間をかけて供給しなければならない。
Next, the
実際に硫化水素がどのように排出されるかが予測不可能であるので、本実施形態では、瞬間的に排出されたと仮定したときに見合う最大の対H2Sオゾン量(例えば図示されるO3max)を、予想される最大時間(例えば図示されるt2)、供給するようにしている。これにより、オゾンが一部無駄になる可能性はあるものの(破線内の空白領域に相当)、硫化水素の全量を確実にオゾンで酸化分解することが可能になり、また現実的に適切な必要最小限のオゾン量で硫化水素を酸化分解することが可能になる。 Since it is unpredictable how hydrogen sulfide is actually discharged, in the present embodiment, the maximum H 2 S ozone amount (for example, O3max shown in the figure) that is appropriate when it is assumed that the hydrogen sulfide is instantaneously discharged. ) For the expected maximum time (eg t2 shown). As a result, ozone may be partly wasted (corresponding to the blank area in the broken line), but the entire amount of hydrogen sulfide can be reliably oxidatively decomposed with ozone, and it is necessary to be realistically appropriate. Hydrogen sulfide can be oxidatively decomposed with a minimum amount of ozone.
さらに、余剰の還元剤がオゾンにより酸化されるため、硫化水素H2SがオゾンでSOxに分解された後、還元剤の存在によりそのSOxが再度H2Sに還元されることが防止される。この点については後にも説明する。 Furthermore, since excess reducing agent is oxidized by ozone, hydrogen sulfide H 2 S is prevented from being decomposed into SOx by ozone, and then the SOx is prevented from being reduced again to H 2 S due to the presence of the reducing agent. . This point will be described later.
ここで、オゾンの供給制御はデジタル処理であるので、オゾン供給量は所定時間(例えば数10msec)毎に決定される。即ち、オゾン供給量は、所定時間毎に、対還元剤オゾン量と対H2Sオゾン量とを加算して決定される。そしてこの決定されたオゾン供給量に見合った電力が、ECU100からオゾン発生器41に出力され、オゾン供給量が制御される。この制御は、硫黄被毒再生開始時から所定時間が経過するまで(図3のt=0からt=2まで)行われる。
Here, since the ozone supply control is digital processing, the ozone supply amount is determined every predetermined time (for example, several tens of milliseconds). That is, the ozone supply amount is determined by adding the reductant ozone amount and the H 2 S ozone amount every predetermined time. Then, electric power corresponding to the determined ozone supply amount is output from the
ところで、空燃比センサは下流側空燃比センサ54Bのみであってもよく、上流側空燃比センサ54Aを省略することも可能である。但しこの場合は次のような問題が生ずる。即ち、前述したように、硫黄被毒再生時には、供給された還元剤がNOx触媒20で消費され、その余剰分があれば、NOx触媒20の下流側に排出される。この場合、NOx触媒20の下流側ではリッチ空燃比であり、この事実を下流側空燃比センサ54Bで検出することで、硫黄被毒再生中と判断し、上述のようなオゾン供給制御を開始することができる。
Incidentally, the air-fuel ratio sensor may be only the downstream air-
しかしながら、余剰分が無く、供給された還元剤量がNOx触媒20における還元剤消費量と丁度同じ場合もあり得る。例えば、NOx触媒20の上流側ではリッチ空燃比だがNOx触媒20の下流側ではストイキ空燃比となる場合である。なお、排気浄化手段の組成によってはその上流側がストイキ空燃比であってもその下流側に硫化水素が排出する場合がある。これらの場合、NOx触媒下流側の空燃比はリッチでなく、従って下流側空燃比センサ54Bのみでは、硫黄被毒再生中かどうかが分からず、結果的にオゾン供給を開始できない。この場合にも実際には、還元剤の供給により、NOx触媒20に吸収された硫酸塩が硫化水素となって排出されているのだが、オゾン供給を実行、開始することができないので、硫化水素が大気に排出されてしまう。このような事情に鑑み、やはり空燃比センサは上流側空燃比センサ54Aと下流側空燃比センサ54Bとの両方を設けるのが好ましい。
However, there may be a case where there is no surplus and the amount of supplied reducing agent is just the same as the amount of reducing agent consumed in the
次に、本実施形態に関連して行った模擬ガス(モデルガス)による実験の結果を以下に示す。
[実験1]
(1)実験装置
図4には実験装置の全体を示し、図5には図4のV部詳細を示す。61は複数のガスボンベで、各ガスボンベには、ガソリンエンジンの排気ガス組成を模した模擬ガスを作るための原料ガスがそれぞれ充填されている。ここでいう原料ガスとはN2、O2、CO等のガスである。62は模擬ガス発生器であり、マスフローコントローラを備え、各原料ガスを所定量ずつ混合して模擬ガスMGを生成する。模擬ガスMGは、図5に詳細に示すように、石英管63内に配置されたNOx触媒(吸蔵還元型)64を通過した後、三方エルボ72を通過して、図示しない排気ダクトから外部に排出される。
Next, the result of the experiment using the simulation gas (model gas) performed in connection with the present embodiment is shown below.
[Experiment 1]
(1) Experimental apparatus FIG. 4 shows the whole experimental apparatus, and FIG. 5 shows the details of the V part of FIG. 61 is a plurality of gas cylinders, and each gas cylinder is filled with a raw material gas for making a simulated gas imitating the exhaust gas composition of a gasoline engine. The source gas here is a gas such as N 2 , O 2 , and CO. A
図4に示すように、酸素ボンベ67から供給された気体酸素O2は二分岐され、その一方において、流量制御ユニット68により流量が制御された後、オゾン発生器69に供給される。そしてオゾン発生器69では酸素が選択的に、且つ部分的にオゾンO3とされ、これら酸素及びオゾン(又は酸素のみ)がオゾン分析計70に至る。また、分岐の他方において、酸素は別の流量制御ユニット71により流量が制御された後、オゾン発生器69から供給されたガスと混合して、オゾン分析計70に至る。オゾン分析計70では、これに流入してきたガス即ち供給ガスのオゾン濃度が計測され、この後、供給ガスは、流量制御ユニット71にて流量が制御される。余剰の供給ガスは図示しない排気ダクトから外部に排出され、流量が制御された供給ガスは、図5に示すように、NOx触媒64の下流側に位置された三方エルボ72にて模擬ガスMGと混合される。この混合ガスは、SOx、SO2,H2S濃度計測用の排ガス分析計77と、オゾン濃度計測用のオゾン分析計78とによりそれぞれ処理された後、図示しない排気ダクトから外部に排出される。
As shown in FIG. 4, the gaseous oxygen O 2 supplied from the
石英管63の外周部には電気ヒータ73が設けられ、NOx触媒64の温度が制御されるようになっている。また、NOx触媒64の直上流位置における温度をそれぞれ計測するための温度センサ75が設けられる。
An
ここで用いた吸蔵還元型NOx触媒64は、直径30mm、長さ25mm、セル壁厚4mil(milli inch length, 1/1000 inch)(約0.1mm)、セル数400cpsi(cells per square inch)(約62個/cm2)のコージェライト製ハニカム構造体に、γ−Al2O3をコートしたものを用いた。コート量は120g/Lである(ただし分母のL(リットル)は触媒1L当たりを意味する)。これに、酢酸バリウムを吸水担持し、500℃で2時間焼成した。酢酸バリウムの担持量は0.1mol/Lである。この触媒を炭酸水素アンモニウムを含む溶液に浸漬処理し、250℃で乾燥させた。さらに、ジニトロジアンミン白金を含む水溶液を用いてPtを担持し、乾燥後、450℃で1時間焼成した。Ptの担持量は2g/Lである。
The NOx
次に、このNOx触媒64を実験室用流通反応器に設置し、以下に示す組成の模擬ガスを400℃で4時間流通させ、硫黄被毒させた。模擬ガスの流量は10L/minである。
模擬ガス組成:SO2 200ppm、O2 10%、H2O 3%、残部 N2
Next, this
Simulated gas composition: SO 2 200 ppm,
(2)実験条件
この硫黄被毒されたNOx触媒64を図5の石英管63内に配置すると共に、温度センサ75によって検出される温度が一定(600℃)となるように電気ヒータ73を制御し、その温度が一定となるまで、模擬ガスとしてN2を流しておき、その温度が一定に安定したならば、以下の組成の模擬ガスを流通させ、これと同時にNOx触媒64の下流側にオゾン発生器69からの供給ガスを供給する。ここで、オゾン供給を行う場合はオゾン発生器69をオンにする。これによりNOx触媒64の下流側に供給される供給ガスはオゾンと酸素との混合ガスとなる。逆に、オゾン供給を行わない場合はオゾン発生器69をオフにする。これにより、NOx触媒64の下流側に供給される供給ガスは酸素のみとなる。模擬ガスの組成は、それぞれ体積濃度でH2が5000ppm、H2Oが3%、残部がN2である。模擬ガスの流量は10L(リットル)/minである。オゾンを含む供給ガスの組成はオゾンO3が50000ppm、残部がO2である。供給ガスの流量は2L(リットル)/minである。
(2) Experimental conditions The sulfur-poisoned
供給ガス供給後のH2S量及びSOx量を排ガス分析計77で計測し、供給ガスの供給を開始(実験開始)してから10分間のH2S及びSOxの組成比(mol比)を各濃度の時間積分から算出した。
The H 2 S amount and SOx amount after supplying the supply gas are measured by the
(3)実施例及び比較例
・実施例
オゾン発生器69をオンにして実験を行った。
・比較例
オゾン発生器69をオフにして実験を行った。
(3) Examples and Comparative Examples / Examples Experiments were performed with the
Comparative Example The experiment was performed with the
(4)実験結果
H2S及びSOxの組成比(mol比)の比較を図6に示す。見られるように、実施例ではオゾンが供給されたため硫化水素H2Sの排出が無く、NOx触媒64から脱離した硫黄分が全てSOxに分解されているのに対し、比較例ではオゾンが供給されていないため、殆どが硫化水素H2Sであることが分かる。この結果から、オゾン供給により硫化水素がSOxに有効に酸化分解されるという効果が確認できる。
(4) Experimental Results FIG. 6 shows a comparison of the composition ratio (mol ratio) of H 2 S and SOx. As can be seen, in the example, since ozone was supplied, there was no discharge of hydrogen sulfide H 2 S, and all sulfur desorbed from the
[実験2]
この実験においては、触媒に吸着した硫黄分が硫化水素H2Sとして脱離する温度を以下の方法で求めた。
[Experiment 2]
In this experiment, the temperature at which the sulfur component adsorbed on the catalyst was desorbed as hydrogen sulfide H 2 S was determined by the following method.
まず、触媒としては、γ−Al2O3とTiO2とを1:1の重量比で混合した担体に、酢酸バリウムを吸水担持し、500℃で2時間焼成したものを用いた。酢酸バリウムの担持量は担体120g当たり0.2molである。この触媒を炭酸水素アンモニウムを含む溶液に浸漬処理し、250℃で乾燥させた。さらに、ジニトロジアンミン白金を含む水溶液を用いてPtを担持し、乾燥後、450℃で1時間焼成した。Ptの担持量は担体120g当たり2gである。この触媒を直径2〜3mmのペレットに形成し実験に用いた。 First, the catalyst used was a carrier obtained by adsorbing barium acetate on a carrier in which γ-Al 2 O 3 and TiO 2 were mixed at a weight ratio of 1: 1 and calcined at 500 ° C. for 2 hours. The supported amount of barium acetate is 0.2 mol per 120 g of support. This catalyst was immersed in a solution containing ammonium hydrogen carbonate and dried at 250 ° C. Furthermore, Pt was supported using an aqueous solution containing dinitrodiammine platinum, dried, and then fired at 450 ° C. for 1 hour. The amount of Pt supported is 2 g per 120 g carrier. This catalyst was formed into pellets having a diameter of 2 to 3 mm and used in experiments.
次に、このように調整したペレット触媒2gを、実験室用流通反応器に設置し、以下に示す組成の模擬ガスをリーン組成55秒、リッチ組成5秒のサイクルで繰り返しながら、4時間流通させ、硫黄被毒させた。模擬ガスの流量はリーン組成、リッチ組成ともに10L/minである。 Next, 2 g of the pellet catalyst thus adjusted was placed in a laboratory flow reactor, and a simulated gas having the following composition was allowed to flow for 4 hours while repeating a cycle of a lean composition of 55 seconds and a rich composition of 5 seconds. , Sulfur poisoned. The flow rate of the simulated gas is 10 L / min for both the lean composition and the rich composition.
リーン組成模擬ガス:CO 700ppm、C3H6 800ppm、CO2 10.5%、NO 800ppm、O2 4.1%、H2O 3%、SO2 200ppm
リッチ組成模擬ガス:CO 5900ppm、C3H6 2230ppm、CO2 10.5%、NO 100ppm、O2 0.42%、H2O 3%、SO2 200ppm
この硫黄被毒された触媒を、実験室用流通反応器に設置し、H2 1%を含むHeガスを流通させながら、毎分10℃の速度で加熱し、H2Sの脱離量を求めた。
Lean composition simulation gas:
Rich composition simulation gas: CO 5900 ppm, C 3 H 6 2230 ppm, CO 2 10.5%, NO 100 ppm, O 2 0.42%, H 2 O 3%, SO 2 200 ppm
This sulfur-poisoned catalyst was installed in a laboratory flow reactor and heated at a rate of 10 ° C. per minute while flowing a He gas containing 1% of H 2 to reduce the amount of desorbed H 2 S. Asked.
この実験により得られたH2Sの脱離プロファイルを図7に示す。この結果より、本実験で用いた触媒に対しては、H2Sの脱離は400℃以上で起こるため、この温度以上の条件でオゾンを供給すればよいことが理解される。 The desorption profile of H 2 S obtained by this experiment is shown in FIG. From this result, it is understood that the ozone used in this experiment should be supplied under the condition of this temperature or higher because H 2 S desorption occurs at 400 ° C. or higher.
[実験3]
本実験では、排気ガス中に存在する還元剤により、オゾンによる硫化水素の酸化が阻害されることを確認した。
[Experiment 3]
In this experiment, it was confirmed that the oxidation of hydrogen sulfide by ozone was inhibited by the reducing agent present in the exhaust gas.
本実験は実験1と同じ実験装置を用いて行った。そして200℃の温度条件で以下の組成の模擬ガスを流通させ、触媒の下流で模擬ガスに、オゾンを含む供給ガスを混合し、分析計でH2SとSOxとの量を計測した。
模擬ガス組成:H2 10000ppm又は0ppm、H2S 200ppm、残部 N2
This experiment was performed using the same experimental apparatus as in Experiment 1. Then, a simulated gas having the following composition was circulated under a temperature condition of 200 ° C., a supply gas containing ozone was mixed with the simulated gas downstream of the catalyst, and the amounts of H 2 S and SOx were measured with an analyzer.
Simulated gas composition: H 2 10000 ppm or 0 ppm, H 2 S 200 ppm, balance N 2
模擬ガスの流量は10L/minである。また、供給ガスの組成はオゾンO3が50000ppm、残部がO2である。供給ガスの流量は1L(リットル)/minである。 The flow rate of the simulation gas is 10 L / min. Further, the composition of the supply gas is 50,000 ppm for ozone O 3 and the remaining is O 2 . The flow rate of the supply gas is 1 L (liter) / min.
実験結果に関し、模擬ガスにH2が10000ppm含まれている場合は、模擬ガスに含まれるH2SのうちSOxに酸化された割合は2%であった。これに対し、模擬ガスにH2が含まれない場合は、模擬ガスに含まれるH2Sの100%がSOxに酸化された。この結果から、排気ガスに還元成分が共存すると、オゾンによるH2Sの酸化が阻害されることが分かる。前記実施形態によれば、触媒(NOx触媒)から排出されたH2Sの酸化分に加え、還元成分(HC等)の酸化分のオゾンも供給されるので、排出されたH2Sを全量確実に酸化させることができる。 Regarding the experimental results, when the simulated gas contained 10,000 ppm of H 2, the proportion of H 2 S contained in the simulated gas that was oxidized to SOx was 2%. In contrast, if the simulated gas does not contain H 2 100% of the H 2 S contained in the simulated gas is oxidized to SOx. From this result, it can be seen that when the reducing component coexists with the exhaust gas, the oxidation of H 2 S by ozone is inhibited. According to the embodiment, in addition to the oxidized H 2 S discharged from the catalyst (NOx catalyst), the oxidized ozone of the reducing component (HC and the like) is also supplied, so the entire amount of discharged H 2 S is reduced. It can be reliably oxidized.
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention can also take other embodiment.
10 エンジン
13 燃焼室
15 排気通路
20,64 NOx触媒
40 オゾン供給部材
41 オゾン発生器
53 温度センサ
54A,54B 空燃比センサ
100 電子制御ユニット(ECU)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
該排気浄化手段よりも下流側の位置における前記排気通路に酸化性ガスを供給可能な酸化性ガス供給手段と
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 An exhaust purification means provided in an exhaust passage of the internal combustion engine for purifying exhaust gas discharged from the combustion chamber;
An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine, comprising: an oxidizing gas supply means capable of supplying an oxidizing gas to the exhaust passage at a position downstream of the exhaust purification means.
前記排気浄化手段よりも上流側の位置における前記排気通路と、前記排気浄化手段及び前記酸化性ガス供給位置の間の位置における前記排気通路との少なくとも一方に設けられ、排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排気浄化装置。 Provided in at least one of the exhaust passage at a position upstream of the exhaust purification means and the exhaust passage at a position between the exhaust purification means and the oxidizing gas supply position, and detects the air-fuel ratio of the exhaust gas Exhaust air-fuel ratio detection means for
Provided in at least one of the exhaust passage at a position upstream of the exhaust purification means and the exhaust passage at a position between the exhaust purification means and the oxidizing gas supply position, and detects the temperature of the exhaust gas The exhaust gas purification device for an internal combustion engine according to claim 1, further comprising exhaust gas temperature detection means.
前記酸化性ガス供給制御手段が、前記酸化性ガスの供給時に、前記硫酸塩量推定手段によって推定された硫酸塩量と、前記排気空燃比検出手段によって検出された空燃比とに基づき、前記酸化性ガス供給手段から供給される酸化性ガスの量を制御する
ことを特徴とする請求項4記載の内燃機関の排気浄化装置。 A sulfate amount estimating means for estimating the amount of sulfate adsorbed on the exhaust purification means;
The oxidizing gas supply control means, based on the sulfate amount estimated by the sulfate amount estimating means and the air-fuel ratio detected by the exhaust air-fuel ratio detecting means when the oxidizing gas is supplied, The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to claim 4, wherein the amount of oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply means is controlled.
The exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7, wherein the oxidizing gas comprises any of active oxygen and ozone.
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