JP2015105633A

JP2015105633A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2015105633A
Application number: JP2013249112A
Authority: JP
Inventors: 南川　仁一; Jinichi Namikawa; 仁一南川; 俊哉秋吉; Toshiya Akiyoshi; 横田　治之; Haruyuki Yokota; 治之横田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2015-06-08

Abstract

【課題】選択還元型触媒を大幅な機能低下を招く前にＨＣ被毒の状態から回復し得る排気浄化装置を提供する。
【解決手段】選択還元型触媒５とパティキュレートフィルタ１０とを併用した排気浄化装置に関し、パティキュレートフィルタ１０におけるパティキュレートの堆積量及び選択還元型触媒５におけるＨＣの堆積量をディーゼルエンジン１の運転状況に応じて夫々推定し且つその各堆積量の何れかが夫々について設定されている規定量以上となった時にパティキュレートフィルタ１０の強制再生を開始して該強制再生の完了時に前記各堆積量を両方ともリセットするように制御装置１３を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

従来、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯx（窒素酸化物）を還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxと還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。

他方、プラント等における工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ₃）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている。

即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排気ガス中に添加すれば、該排気ガスの熱によって尿素水が次式によりアンモニアと炭酸ガスに加水分解され、選択還元型触媒上で排気ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。
［化１］
（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂

他方、ディーゼルエンジンの排気浄化を図る場合、排気ガス中のＮＯxを除去するだけでは十分ではなく、排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）についてもパティキュレートフィルタを通して捕集する必要があるが、この種のパティキュレートフィルタを採用する場合には、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要がある。

このため、パティキュレートフィルタの前段に、フロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタを強制再生することが考えられている。

つまり、酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加すれば、その添加燃料（ＨＣ）が前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応するので、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。

一般的に、前述した如き燃料添加を実行するための具体的手段としては、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を実行して排気ガス中に燃料を添加することが考えられているが、その添加燃料を効率良く強制再生に活用し且つ排気ガスが極力温度降下しないうちに添加燃料を酸化処理するためには、パティキュレートフィルタ及びその前段の酸化触媒を選択還元型触媒より上流側に配置することが好ましいものと考えられている。

斯かる排気浄化装置にあっては、選択還元型触媒が排気ガス中のＨＣにより被毒されて触媒機能が低下してしまう虞れがあるが、このような選択還元型触媒のＨＣ被毒は、高負荷運転時に高温の排気ガスが選択還元型触媒に流れ込むことによりＨＣが脱離して酸化処理されることが判っており、これまで積極的な選択還元型触媒のＨＣ被毒を回復する対策は特に施されていないのが実情である。

尚、このように選択還元型触媒とパティキュレートフィルタを併用した排気浄化装置に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特開２００８−７５６２０号公報

しかしながら、混雑した市街地ばかりを走行しているような運行形態の車両等では、高負荷運転に至らずに長期間にわたり中負荷以下の運転が続いてしまうことがあり、選択還元型触媒がＨＣ被毒により機能低下したまま回復しないことで必要なＮＯx低減性能を発揮できない虞れがあった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、選択還元型触媒を大幅な機能低下を招く前にＨＣ被毒の状態から回復し得る排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明は、排気管途中に配設されて酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る選択還元型触媒と、該選択還元型触媒より上流側で排気ガス中に還元剤として尿素水を添加する尿素水添加手段と、該尿素水添加手段の尿素水添加位置より上流側の排気管途中に配設され且つ前段に酸化触媒を備えたパティキュレートフィルタと、前記酸化触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加して前記酸化触媒上で酸化反応させることにより排気温度を上昇させて前記パティキュレートフィルタを強制再生させる燃料添加手段と、該燃料添加手段の燃料添加及び前記尿素水添加手段の尿素水添加を制御する制御装置とを備え、前記パティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量及び前記選択還元型触媒におけるＨＣの堆積量をエンジンの運転状況に応じて夫々推定し且つその各堆積量の何れかが夫々について設定されている規定量以上となった時に前記パティキュレートフィルタの強制再生を開始して該強制再生の完了時に前記各堆積量を両方ともリセットするように前記制御装置が構成されていることを特徴とする排気浄化装置、に係るものである。

而して、このようにすれば、パティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量が規定量以上になったものと推定された場合だけでなく、選択還元型触媒におけるＨＣの堆積量が規定量以上になったものと推定された場合にもパティキュレートフィルタの強制再生が開始されることになり、制御装置により燃料添加手段が制御されて該燃料添加手段により燃料が添加され、その添加燃料が酸化触媒上で酸化反応した時の反応熱で排気ガスが昇温し、該排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられ、パティキュレートが燃やし尽くされてパティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。

この際、パティキュレートフィルタの下流側に位置する選択還元型触媒には、パティキュレートフィルタ内で捕集済みパティキュレートが燃焼することで高温化した排気ガスが流入し、高負荷運転時に相当する触媒床温度まで加熱されてＨＣの脱離と酸化処理が進行する結果、ＨＣの堆積量が零となって選択還元型触媒がＨＣ被毒の状態から回復することになる。

尚、パティキュレートフィルタの捕集済みパティキュレートを燃焼させて除去するのに要する強制再生時間が比較的長くかかるのに対し、選択還元型触媒のＨＣを脱離させて酸化処理するのに要する回復時間は大幅に短くて済むので、選択還元型触媒におけるＨＣの堆積量が規定量以上になったものと推定された時に、パティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量がそれほど多くなかったとしても、パティキュレートフィルタの強制再生が一旦開始されてしまえば、選択還元型触媒は短時間のうちに回復することになる。

本発明をより具体的に実施するにあたっては、エンジンの回転数と燃料噴射量とによるパティキュレートの発生量マップから現在のエンジンの運転状態に基づくパティキュレートの発生量を時々刻々読み出して積算し且つパティキュレートフィルタの入側排気温度が所定温度以上となっている時だけパティキュレートの発生量の積算を中断することでパティキュレートの堆積量を推定するように制御装置を構成することが可能である。

また、エンジンの回転数と燃料噴射量とによるＨＣの発生量マップから現在のエンジンの運転状態に基づくＨＣの発生量を時々刻々読み出し且つその読み出した値に選択還元型触媒の入側排気温度に応じ当該温度での酸化処理分を考慮した係数を乗算して補正してから積算することでＨＣの堆積量を推定するように制御装置を構成することも可能である。

更に、パティキュレートフィルタの強制再生の開始から該パティキュレートフィルタの入側排気温度に応じたパティキュレートの再生量を積算し且つその積算された再生量がパティキュレートの堆積量に追いついたら強制再生の完了を判定するように制御装置を構成することが可能である。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）選択還元型触媒におけるＨＣの堆積量が規定量以上になったものと推定された場合にもパティキュレートフィルタの強制再生を開始するようにして、該パティキュレートフィルタの再生を図りながら下流側の選択還元型触媒をＨＣ被毒の状態から回復することができるので、選択還元型触媒を大幅な機能低下を招く前にＨＣ被毒の状態から回復することができ、高負荷運転に至らずに長期間にわたり中負荷以下の運転が続いてしまうような運行形態の車両であっても、確実に必要なＮＯx低減性能を発揮できるように維持することができる。

（ＩＩ）既存のパティキュレートフィルタの強制再生を実施するシステムを有効に活用して選択還元型触媒をＨＣ被毒の状態から回復することができるので、新たな設備を増設することなく安価なコストで実施することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１の制御装置における具体的な制御手順を示すフローチャートである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例の排気浄化装置においては、ディーゼルエンジン１（エンジン）から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒５が装備されている。

そして、この選択還元型触媒５より上流側の排気管４に、尿素水６を還元剤として噴射する尿素水添加用インジェクタ７（尿素水添加手段）が設置されていると共に、前記選択還元型触媒５の直後には、リークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ₃スリップ触媒８が装備されており、前記尿素水添加用インジェクタ７による尿素水６の添加位置より上流側の排気管４には、前段に酸化触媒９を備えたパティキュレートフィルタ１０が配設されている。

また、図示しない運転席のアクセルには、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１１（負荷センサ）が備えられていると共に、ディーゼルエンジン１の適宜位置には、その回転数を検出する回転センサ１２が装備されており、これらアクセルセンサ１１及び回転センサ１２からのアクセル開度信号１１ａ及び回転数信号１２ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１３に対し入力されるようになっている。

一方、前記制御装置１３においては、アクセル開度信号１１ａ及び回転数信号１２ａから判断される現在の運転状態に応じ、各気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置１４に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号１４ａが出力されるようになっている。

ここで、前記燃料噴射装置１４は、各気筒毎に装備される図示しない複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記制御装置１３からの燃料噴射信号１４ａにより適宜に開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量（開弁時間）が適切に制御されるようになっている。

ただし、本形態例においては、制御装置１３でアクセル開度信号１１ａ及び回転数信号１２ａに基づき通常モードの燃料噴射信号１４ａが決定されるようになっている一方、前記制御装置１３にてパティキュレートフィルタ１０の強制再生の実施が決定された時に通常モードから強制再生モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１３０゜の範囲）でポスト噴射を行うような燃料噴射信号１４ａが決定されるようになっている。

つまり、本形態例における燃料噴射装置１４は、酸化触媒９より上流側で排気ガス３中に燃料を添加する燃料添加手段としての機能を果たすようになっており、前述のようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス３中に未燃の燃料（主としてＨＣ：炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料が酸化触媒９上で酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガス３の流入により直後のパティキュレートフィルタ１０の触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタ１０の再生化が図られるようにしてある。

尚、ここに図示している例では、燃料噴射装置１４によるポスト噴射で燃料を添加する場合を例示しているが、このようなポスト噴射に換えて、酸化触媒９より上流側の排気管４に燃料添加手段としてインジェクタを別途装備し、このインジェクタにより排気管４内の排気ガス３中に燃料を直噴して添加するようにしても良いことは勿論である。

更に、この制御装置１３においては、ディーゼルエンジン１の回転数と燃料噴射信号１４ａの出力値から判る燃料噴射量とを抽出し、これら回転数と燃料噴射量とによるＮＯxの発生量マップから現在のディーゼルエンジン１の運転状態に基づくＮＯxの発生量を推定し、このＮＯxの発生量に見合う必要量の尿素水６の添加が尿素水添加用インジェクタ７に向け尿素水噴射信号７ａとして指示されるようになっている。

そして、前記選択還元型触媒５にてパティキュレートフィルタ１０の強制再生の実施を決定するにあたっては、以下に詳述する如き図２のフローチャートに従って行われるようになっている。

即ち、ステップＳ１では、ディーゼルエンジン１の回転数と燃料噴射信号１４ａの出力値から判る燃料噴射量とが抽出され、これら回転数と燃料噴射量とによるパティキュレートの発生量マップから現在のディーゼルエンジン１の運転状態に基づくパティキュレートの発生量が時々刻々読み出されて積算されるようになっている。

ただし、温度センサ１５により検出信号１５ａとして検出されるパティキュレートフィルタ１０の入側排気温度が所定温度以上となっている時だけパティキュレートの発生量の積算が中断されるようになっており、パティキュレートフィルタ１０の入側排気温度が所定温度を下回っている時のパティキュレートの発生量だけが積算され、その全てがパティキュレートフィルタ１０に堆積されたものとしてパティキュレートの堆積量が推定されるようになっている。

ここで、パティキュレートフィルタ１０の入側排気温度が所定温度以上となっている時だけパティキュレートの発生量の積算が中断されるようにしているのは、そのような高い排気温度では、パティキュレートの燃焼（酸化反応）が効率良く進んで堆積量が増えていかないものと看なせるからである。

尚、パティキュレートの燃焼（酸化反応）が効率良く進めば、寧ろ堆積量が減少していく状況も想定されるが、その減少量を正確に算定することは難しく、積算が繰り返されるうちに誤差が嵩んでしまう虞れがあるため、パティキュレートフィルタ１０が過捕集状態に陥るリスクを確実に回避する観点からパティキュレートの発生量の積算を中断するにとどめている。

次のステップＳ２では、先のステップＳ１で推定された堆積量が、パティキュレートフィルタ１に強制再生が必要な規定量Ａ以上となっているか否かの判定が規定量Ａ以上となるまで繰り返され、規定量Ａ以上となったらステップＳ３へと進むようにしてある。

一方、このステップＳ１，ステップＳ２の流れと並行して、ステップＳ４では、ディーゼルエンジン１の回転数と燃料噴射量とによるＨＣの発生量マップから現在のディーゼルエンジン１の運転状態に基づくＨＣの発生量（ディーゼルエンジン１から出るＨＣ量）が時々刻々読み出され且つその読み出した値に温度センサ１６により検出信号１６ａとして検出される選択還元型触媒５の入側排気温度に応じ当該温度での酸化処理分（排気ガス３中や酸化触媒９で酸化処理される割合）を考慮した係数が乗算されて補正が成されてから積算されるようになっている。

次のステップＳ５では、先のステップＳ４で推定された堆積量が、選択還元型触媒５の回復が必要な規定量Ｂ以上となっているか否かの判定が規定量Ｂ以上となるまで繰り返され、規定量Ｂ以上となったらステップＳ３へと進むようにしてある。

そして、このステップＳ３においては、ステップＳ２及びステップＳ４の何れか一方で堆積量が規定量Ａ又はＢ以上となったことが判定された時にパティキュレートフィルタ１０の強制再生の実施が決定され、該パティキュレートフィルタ１０の強制再生が開始されるようになっている。

そして、次のステップＳ６では、パティキュレートフィルタ１０の強制再生の開始から該パティキュレートフィルタ１０の入側排気温度に応じたパティキュレートの再生量が積算され、その積算された再生量がパティキュレートの堆積量（ステップＳ１で積算されているパティキュレートの堆積量）に追いついたら（同じになったら）強制再生の完了が判定されるようにしてある。

この際、パティキュレートの再生量を算出するにあたっては、パティキュレートフィルタ１０の入側排気温度に応じたパティキュレートの再生速度を予備実験等により求めておき、パティキュレートフィルタ１０の入側排気温度の時間的推移に基づき再生量を求めれば良い。

このようにしてパティキュレートフィルタ１０の強制再生の完了が判定されたら、ステップＳ７へと進み、パティキュレートフィルタ１０におけるパティキュレートの堆積量（ステップＳ１で積算されているパティキュレートの堆積量）と、選択還元型触媒５におけるＨＣの堆積量（ステップＳ４で積算されているＨＣの堆積量）とがリセットされるようにしてある。

而して、このようにすれば、パティキュレートフィルタ１０におけるパティキュレートの堆積量が規定量Ａ以上になったものと推定された場合だけでなく、選択還元型触媒５におけるＨＣの堆積量が規定量Ｂ以上になったものと推定された場合にもパティキュレートフィルタ１０の強制再生が開始されることになり、制御装置１３により燃料噴射装置１４が制御されて該燃料噴射装置１４のポスト噴射により燃料が添加され、その添加燃料が酸化触媒９上で酸化反応した時の反応熱で排気ガス３が昇温し、該排気ガス３の流入により直後のパティキュレートフィルタ１０の触媒床温度が上げられ、パティキュレートが燃やし尽くされてパティキュレートフィルタ１０の再生化が図られることになる。

この際、パティキュレートフィルタ１０の下流側に位置する選択還元型触媒５には、パティキュレートフィルタ１０内で捕集済みパティキュレートが燃焼することで高温化した排気ガス３が流入し、高負荷運転時に相当する触媒床温度まで加熱されてＨＣの脱離と酸化処理が進行する結果、ＨＣの堆積量が零となって選択還元型触媒５がＨＣ被毒の状態から回復することになる。

尚、パティキュレートフィルタ１０の捕集済みパティキュレートを燃焼させて除去するのに要する強制再生時間が比較的長くかかるのに対し、選択還元型触媒５のＨＣを脱離させて酸化処理するのに要する回復時間は大幅に短くて済むので、選択還元型触媒５におけるＨＣの堆積量が規定量Ｂ以上になったものと推定された時に、パティキュレートフィルタ１０におけるパティキュレートの堆積量がそれほど多くなかったとしても、パティキュレートフィルタ１０の強制再生が一旦開始されてしまえば、選択還元型触媒５は短時間のうちに回復することになる。

従って、上記形態例によれば、選択還元型触媒５におけるＨＣの堆積量が規定量Ｂ以上になったものと推定された場合にもパティキュレートフィルタ１０の強制再生を開始するようにして、該パティキュレートフィルタ１０の再生を図りながら下流側の選択還元型触媒５をＨＣ被毒の状態から回復することができるので、選択還元型触媒５を大幅な機能低下を招く前にＨＣ被毒の状態から回復することができ、高負荷運転に至らずに長期間にわたり中負荷以下の運転が続いてしまうような運行形態の車両であっても、確実に必要なＮＯx低減性能を発揮できるように維持することができる。

しかも、パティキュレートフィルタ１０を備えた排気浄化装置にあっては、パティキュレートフィルタ１０の前段に備えられた酸化触媒９や、該酸化触媒９より上流側で排気ガス３中に燃料を添加する燃料添加手段としてポスト噴射を実行可能な燃料噴射装置１４が元々備えられているので、このような既存のパティキュレートフィルタ１０の強制再生を実施するシステムを有効に活用して選択還元型触媒５をＨＣ被毒の状態から回復することができれば、新たな設備を増設することなく安価なコストで実施することが可能となる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図示では説明の便宜上から制御装置を単体で示しているが、エンジン制御用の制御装置と尿素水添加制御用の制御装置とに分割して構成しても良く、その場合には、各制御装置の相互間で情報を共有できるようにしておけば良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ディーゼルエンジン（エンジン）
３排気ガス
４排気管
５選択還元型触媒
６尿素水
７尿素水添加用インジェクタ（尿素水添加手段）
９酸化触媒
１０パティキュレートフィルタ
１３制御装置
１４燃料噴射装置（燃料添加手段）

Claims

排気管途中に配設されて酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る選択還元型触媒と、該選択還元型触媒より上流側で排気ガス中に還元剤として尿素水を添加する尿素水添加手段と、該尿素水添加手段の尿素水添加位置より上流側の排気管途中に配設され且つ前段に酸化触媒を備えたパティキュレートフィルタと、前記酸化触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加して前記酸化触媒上で酸化反応させることにより排気温度を上昇させて前記パティキュレートフィルタを強制再生させる燃料添加手段と、該燃料添加手段の燃料添加及び前記尿素水添加手段の尿素水添加を制御する制御装置とを備え、前記パティキュレートフィルタにおけるパティキュレートの堆積量及び前記選択還元型触媒におけるＨＣの堆積量をエンジンの運転状況に応じて夫々推定し且つその各堆積量の何れかが夫々について設定されている規定量以上となった時に前記パティキュレートフィルタの強制再生を開始して該強制再生の完了時に前記各堆積量を両方ともリセットするように前記制御装置が構成されていることを特徴とする排気浄化装置。
エンジンの回転数と燃料噴射量とによるパティキュレートの発生量マップから現在のエンジンの運転状態に基づくパティキュレートの発生量を時々刻々読み出して積算し且つパティキュレートフィルタの入側排気温度が所定温度以上となっている時だけパティキュレートの発生量の積算を中断することでパティキュレートの堆積量を推定するように制御装置が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
エンジンの回転数と燃料噴射量とによるＨＣの発生量マップから現在のエンジンの運転状態に基づくＨＣの発生量を時々刻々読み出し且つその読み出した値に選択還元型触媒の入側排気温度に応じ当該温度での酸化処理分を考慮した係数を乗算して補正してから積算することでＨＣの堆積量を推定するように制御装置が構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
パティキュレートフィルタの強制再生の開始から該パティキュレートフィルタの入側排気温度に応じたパティキュレートの再生量を積算し且つその積算された再生量がパティキュレートの堆積量に追いついたら強制再生の完了を判定するように制御装置が構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気浄化装置。