JP5396959B2

JP5396959B2 - 排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化システムの制御方法

Info

Publication number: JP5396959B2
Application number: JP2009078496A
Authority: JP
Inventors: 和生大角; 哲也藤田; 圭介中村; 弘吉前川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP2010229895A

Description

本発明は、内燃機関の排気通路にＤＰＦを有する排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化システムの制御方法に関し、より詳細には、内燃機関より排出されるＮＯｘを低温から有効に活用してＤＰＦの再生を低温域から効率よく行うことができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化システムの制御方法に関する。

車両搭載のディーゼルエンジン等の内燃機関においては、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集して浄化するためにＤＰＦ（ディーゼルパティキュレ−トフィルタ）が使用されている。このＤＰＦの再生処理において、二酸化窒素（ＮＯ2）の酸化力が高いことと、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素に酸化する一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）とが知られており、酸化力の強い二酸化窒素を利用して、ＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化除去してＤＰＦを低温域で再生する技術が知られている。

例えば、排気ガス中のパティキュレート（ＰＭ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することを目的に、ディーゼルエンジンの排気管にＮＯ酸化触媒とパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）とを備えると共に、ＮＯ酸化触媒の上流側に還元剤噴射ノズルを備えて、エンジンの排気ガス浄化装置を構成し、還元剤でＮＯ及びＮＯ₂をＮＯ酸化触媒でＮ₂に還元すると共に、ＮＯ酸化触媒を通過した還元剤をパティキュレートフィルタで捕集することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、ディーゼル車のパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）上に捕集されたパティキュレート（ＰＭ）を従来よりも格段に低い温度で容易に燃焼させることを目的として、内燃機関の排ガス流路に、パティキュレート浄化触媒としてＮＯ酸化装置とＮＯｘ捕捉触媒を設置して、内燃機関始動期間の排ガス中のＮＯｘを浄化するパティキュレート浄化触媒が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、最近の内燃機関においては、ＮＯｘ低減技術が進歩してきており、ＰＣｌ（Premixed Compression Ignition）燃焼、ＨＣＣｌ(Homogeneous Charge Compression Ignition：予混合圧縮着火)燃焼、及び、大量ＥＧＲ制御等により、内燃機関から排出される窒素酸化物濃度は低減しており、従来の燃焼に比べて二酸化窒素の生成量が少なくなってきている。そのため、二酸化窒素を利用した低温からのＰＭ酸化除去によるＤＰＦの再生処理が困難になっているという問題がある。

特開２００１−１１５８２４公報特開２００２−３５５８７公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にあるような内燃機関の運転状態やＤＰＦの再生処理の最中に、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を発生させて、二酸化窒素（ＮＯ₂）を生成して、この生成された二酸化窒素を有効に活用してＤＰＦを低温域から効率よく再生できる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化システムの制御方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための排気ガス浄化システムは、内燃機関の排気通路にＤＰＦを有する排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記排気通路の前記ＤＰＦよりも上流側に一酸化窒素酸化触媒を設けると共に、前記内燃機関の運転状態が予め設定された運転状態になった場合に、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガス中の一酸化炭素を増加させる一酸化炭素増量制御を行う制御装置を備え、かつ、前記予め設定された運転状態が、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にあり、又は、ＤＰＦに対して再生処理を行っている場合を含み、かつ、前記一酸化炭素増量制御において、排気ガス中の一酸化炭素の体積濃度が窒素酸化物の体積濃度の５倍以上２０倍以下になるように一酸化炭素を増量し、さらに、窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物センサを有し、前記一酸化炭素増量制御は、前記窒素酸化物センサからの窒素酸化物濃度に基づいて行われるように構成される。

この構成によれば、一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）においては、一酸化炭素（ＣＯ）がある場合には、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に酸化して二酸化窒素を生成する割合が著しく高まるので、一酸化炭素増量制御と組み合わせることにより、二酸化窒素の生成量が高まり、発生した二酸化窒素の酸化力を利用して、排気ガス中及びＤＰＦに捕集されたＰＭ（粒子状物質）を酸化除去できるので、ＤＰＦの再生温度を低下できる。

なお、この一酸化炭素増量制御は、空気過剰率センサで検出した酸素濃度と窒素酸化物センサで検出した二酸化窒素濃度をチェックしながら、筒内（シリンダ内）への燃料噴射量の増加、プレ噴射無しのメイン噴射、排気管内燃料直接噴射、吸気量の絞り、ＥＧＲ量の増加等で行うことができる。一酸化炭素の濃度で言えば、通常は、１０ｐｐｍ〜３００ｐｐｍ程度であるが、例えば、１０００ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍに増量する。

また、この構成により、従来技術では困難であった１５０℃〜２００℃の低温域でも強い酸化力を有する二酸化窒素を生成して、より低い温度域から、ＤＰＦに捕集したＰＭを燃焼除去してＤＰＦを再生できるようになる。

また、言い換えれば、一酸化炭素増量制御において、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）のモル比（ＣＯ／ＮＯｘ）を５以上２０以下になるように一酸化炭素を増量する。この構成により、効率よく二酸化窒素を生成することができるようになる。

上記のような目的を達成するための排気ガス浄化システムの制御方法は、内燃機関の排気通路にＤＰＦを有する排気ガス浄化装置を備えると共に、前記排気通路の前記ＤＰＦよりも上流側に一酸化窒素酸化触媒を設けた排気ガス浄化システムの制御方法において、前記内燃機関の運転状態が予め設定された運転状態になった場合に、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガス中の一酸化炭素を増加させる一酸化炭素増量制御を行い、かつ、前記予め設定された運転状態が、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にあり、又は、ＤＰＦに対して再生処理を行っている場合を含み、かつ、前記一酸化炭素増量制御において、排気ガス中の一酸化炭素の体積濃度が窒素酸化物の体積濃度の５倍以上２０倍以下になるように一酸化炭素を増量し、さらに、窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物センサを有し、前記一酸化炭素増量制御は、前記窒素酸化物センサからの窒素酸化物濃度に基づいて行われることを特徴とする方法である。この方法によれば、上記同様に、二酸化窒素の酸化力を利用して、排気ガス中及びＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化除去できるので、ＤＰＦの再生温度を低下できる。

また、効率よく二酸化窒素を生成することができるようになる。

本発明に係る排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化システムの制御方法によれば、排気ガス中の一酸化炭素を利用して、一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガスの温度が、１５０℃〜２００℃の低温域にあり、又は、ＤＰＦに対して再生処理を行っているような予め設定した内燃機関の運転状態において、一酸化炭素増量制御を行うことで、一酸化窒素酸化触媒で二酸化窒素を効率よく生成して、この生成された二酸化窒素を有効に活用してＤＰＦの再生を効率よく行うことができる。

本発明の実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示した図である。一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）における二酸化窒素（ＮＯ₂）生成率と一酸化窒素酸化触媒の温度との関係を示した図である。ＤＰＦのバランスポイントを示した図である。ＤＰＦのバランスポイントとエンジン回転数との関係を示した図である。一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）における一酸化炭素（ＣＯ）の役割を説明するための模式的な図である。一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）における一酸化窒素（ＮＯ）の酸化を説明するための模式的な図である。一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）における一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）の比率（ＣＯ／ＮＯｘ）と二酸化窒素（ＮＯ₂）生成量との関係を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化システムの制御方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。

この排気ガス浄化システム１は、エンジン本体２に接続された吸気通路３にターボチャージャ４のコンプレッサー４ａとインタークーラー５が設けられている。また、排気通路６にはターボチャージャ４のタービン４ｂとＤＰＦ（ディーゼルパティキュレ−トフィルタ）を有する排気ガス浄化装置１１が設けられている。更に、ＥＧＲ通路７が排気通路６と吸気通路３のコンプレッサー４ａの下流側で、かつ、排気ガス浄化装置１１より上流側を連結して設けられており、このＥＧＲ通路７は、上流側からＥＧＲクーラー８とＥＧＲ弁９が備えられている。また、排気ガス浄化システム１の制御装置（図示しない）を備えており、この制御装置は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置（図示しない）の中に組み込まれている。

また、排気ガス浄化装置１１のＤＰＦを触媒付きＤＰＦで形成した場合には、この触媒付きＤＰＦは、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネルの入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に白金や酸化セリウム等の触媒を担持する。この触媒付きＤＰＦにより、排気ガス中のＰＭ(粒子状物質)は、多孔質のセラミックの壁で捕集される。この触媒付きＤＰＦでは、担持した触媒によりＰＭの燃焼を促進する。

本発明においては、一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）１０を排気通路６に設けるが、ＥＧＲ通路７の分岐部位Ｐよりも下流側で、かつ、ＤＰＦを有する排気ガス浄化装置１１よりも上流側に設ける。

この一酸化窒素酸化触媒１０は、担体である金属酸化物がアルミニウム（Ａｌ）、セリウム（Ｃｅ）の少なくとも１種類の酸化物を含む金属酸化物の担体に、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）の少なくとも１種類を含む金属触媒を担持して形成する。なお、貴金属は白金（Ｐｔ）以外にもロジウム（Ｐｈ），白金−パラジウム（Ｐｔ−Ｐｄ），パラジウム（Ｐｄ）などでも同様な効果を示すので、これらを用いることができる。

この一酸化窒素酸化触媒１０に使用する担体は一般的な酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）でよいが、酸素吸収機能（ＯＳＣ）のある酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、酸化セリウム・二酸化ジルコニア（ＣｅＯ₂・ＺｒＯ₂）を含む材料で形成すると更に二酸化窒素の生成効果が大きいのでより好ましい。

更に、制御装置が、内燃機関１の運転状態が予め設定された運転状態になった場合に、一酸化窒素酸化触媒１０に流入する排気ガス中の一酸化炭素を増加させる一酸化炭素増量制御を行うように構成される。

この予め設定された運転状態は、一酸化窒素酸化触媒１０に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にあり、又は、ＤＰＦに対して再生処理を行っている場合を含む。

この一酸化炭素増量制御を行う範囲を１５０℃〜２００℃とするのは、一酸化炭素の酸化の活性温度以上にならないと触媒表面の酸素を除去できないので、一酸化窒素酸化触媒１０の一酸化炭素浄化率が２０％以上となる温度である１５０℃以上となる。なお、触媒表面においては一酸化炭素の浄化率が２０％を超えると急激に一酸化炭素の酸化の活性が大きくなる。また、２００℃以上では活性が一定となり一酸化炭素による効果が小さくなる。

この一酸化炭素増量制御は、空気過剰率センサ（図示しない）で検出した酸素濃度と窒素酸化物センサ（図示しない）で検出した窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度をチェックしながら、筒内（シリンダ内）への燃料噴射量の増加、プレ噴射無しのメイン噴射、排気管内燃料直接噴射、吸気量の絞り、ＥＧＲ量の増加などで行う。一酸化炭素の濃度で言えば、通常は、１０ｐｐｍ〜３００ｐｐｍ程度であるが、１０００ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍに増量する。

次に、一酸化炭素による二酸化窒素生成量の増加について、一酸化炭素（ＣＯ）を利用した場合の一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）の触媒表面における窒素酸化物（ＮＯｘ）吸着、及び、二酸化窒素（ＮＯ₂）生成と脱離のモデルを示してある図５及び図６を参照しながら説明する。

一酸化炭素（ＣＯ）が白金（Ｐｔ）上の酸素（Ｏ₂）と反応する状況を示した図５のように、エンジン本体２より排気通路６に排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を一酸化窒素酸化触媒１０で一酸化炭素（ＣＯ）を酸化することにより、一酸化窒素酸化触媒１０の白金（Ｐｔ）等の貴金属活性点の酸素（Ｏ₂）が消費される。

一方、一酸化窒素（ＮＯ）が白金（Ｐｔ）上の酸素（Ｏ₂）と反応して二酸化窒素（ＮＯ₂）を生成する状況を示した図６のように、一酸化窒素（ＮＯ）の酸化においては酸素不足（Ｏ ₂ ）の状態になるため、貴金属近傍の担体酸化物格子酸素が貴金属に引き付けられて二酸化窒素（ＮＯ₂）等の一酸化窒素酸化生成物を安定保持するサイトが形成される。この安定保持サイトに、貴金属上で一酸化窒素（ＮＯ）が酸化して生成した二酸化窒素（ＮＯ₂）等の化合物は速やかに移動して保持される。従って、一酸化窒素酸化触媒１０への一酸化窒素（ＮＯ）の酸化と酸化された二酸化窒素（ＮＯ₂）の吸着とが連続的に発生する。

この吸着された二酸化窒素（ＮＯ₂）は温度が上昇すると脱離する。この脱離の温度は２００℃〜３００℃程度であり、従来の制御方法では一酸化窒素酸化触媒１０の出口では二酸化窒素（ＮＯ₂）を生成し難い温度領域である。

つまり、図５に示すように、一酸化炭素（ＣＯ）が白金（Ｐｔ）を清浄化することで、白金（Ｐｔ）表面への窒素酸化物（ＮＯｘ）の吸着が促進される。さらに、図６に示すように、白金（Ｐｔ）表面の酸素（Ｏ₂）と、担体（Ａｌ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，ＺｒＯ₂等）表面と担体から放出される酸素とより、ＮＯｘ＋（２−ｘ）/２×Ｏ₂→ＮＯ₂（ｘ≦２）の反応が促進する。生成した二酸化窒素（ＮＯ₂）は白金（Ｐｔ）および担体表面に吸着し、温度上昇（２００℃〜２５０℃）により排気ガス中に脱離する。

図７に一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）１０の前後におけるモデルガスでの実験での二酸化窒素（ＮＯ₂）の生成率を示す。一酸化炭素（ＣＯ）濃度の違いにより二酸化窒素（ＮＯ₂）生成量が異なり、一酸化炭素（ＣＯ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）のモル比（ＣＯ／ＮＯｘ）が５〜２０でＮＯ₂生成量が最大になっている。

この反応で使用する一酸化炭素（ＣＯ）量は、図７に示すように、モル比（ＣＯ／ＮＯｘ）が５〜２０の範囲が好ましく、上限は、触媒量、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度などにより異なるが、概ね、モル比（ＣＯ／ＮＯｘ）で１５〜２０程度となる。

この一酸化炭素増量制御で一酸化窒素酸化触媒１０に流入する一酸化炭素を増量し、この一酸化炭素の効果により生成した二酸化窒素を排気ガス浄化装置１１のＤＰＦに流通させることで、ＤＰＦに捕集されたＰＭを二酸化窒素の強い酸化力で酸化除去して、ＤＰＦの再生処理を効率よく行うことができる。

つまり、ＤＰＦに捕集されたＰＭを、１５０℃〜２００℃の低温域（一酸化窒素酸化触媒の温度）において、エンジンの運転制御で一酸化炭素増量制御で発生させた一酸化炭素により二酸化窒素を発生させると共に、この二酸化窒素を一酸化窒素酸化触媒１０に保持させて、この保持した二酸化窒素は２００℃〜２５０℃の温度域で排気ガス中に脱離するので、この二酸化窒素におり下流側のＤＰＦに捕集されたＰＭの酸化除去を促進させることができ、これにより、２００℃〜６５０℃の温度の全域で、二酸化窒素の酸化力を利用してＤＰＦに捕集及び堆積したＰＭの酸化除去を促進できるようになるので、ＤＰＦの低温域からの再生処理が可能となる。

従って、上記の構成の排気ガス浄化システム１及び排気ガス浄化システムの制御方法によれば、一酸化窒素酸化触媒と一酸化炭素増量制御とを組み合わせることにより、一酸化炭素を発生して、一酸化窒素を二酸化窒素に酸化して二酸化窒素を生成する割合が著しく高めて、二酸化窒素生成量を高め、発生した二酸化窒素により、ＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化除去できるので、ＤＰＦの再生処理を低温域から効率よく行うことができ、その結果、ＤＰＦの性能の低下を防止できる。

次に、本発明の実施例について説明する。図１に示すように、排気通路６のターボチャージャ４の直下に一酸化窒素酸化触媒１０を配置し、その下流にＥＧＲ通路７を有するインタークーラー５と、ターボチャージャ４を備えたディーゼル内燃機関（排気量３リットル）において、本発明の効果を確認した。

一酸化窒素酸化触媒１０として白金（Ｐｔ）担持の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）で一酸化炭素増量制御を行った場合を図中ではＡとし、白金（Ｐｔ）担持の酸化セリウム（ＣｅＯ₂）／白金（Ｐｔ）担持の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）で一酸化炭素増量制御を行った場合を図中のＢとし、白金（Ｐｔ）担持の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）で一酸化炭素増量制御を行わない場合の比較例を図中のＣとしている。

実験の結果、図２に示すような二酸化窒素（ＮＯ₂）生成率が得られる各一酸化窒素酸化触媒を用いて、図３に示すようなバランスポイントと、図４に示すようなバランスポイントとエンジン回転数の関係が得られた。このバランスポイントとは、このバランスポイントより低い温度では、ＰＭの捕集量（堆積量）が増加し、このバランスポイントより高い温度では、ＰＭが酸化除去されてＰＭの捕集量が減少するという温度である。

この図３と図４から、本発明の実施例Ａ，Ｂでは、比較例Ｃに比べて、ＤＰＦの再生温度を低くすることができ、ＤＰＦの再生を低温域から効率よく行うことができることが確認できた。なお、図３の試験条件はエンジン回転数が２０００ｒｐｍ、エンジン負荷を３／４負荷としており、図４の試験条件はＮＯ酸化触媒を、９００℃で５時間のエージング処理を施した後に、エンジン負荷を３／４負荷としている。

本発明の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化システムの制御方法は、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を利用して、一酸化窒素酸化触媒（ＮＯ酸化触媒）に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にあり、又は、ＤＰＦに対して再生処理を行っているような予め設定したエンジン運転状態で、一酸化炭素増量制御を行うことで、一酸化窒素酸化触媒で二酸化窒素（ＮＯ₂）を効率よく生成して、この生成された二酸化窒素を有効に活用してＤＰＦに捕集されたＰＭを酸化除去してＤＰＦの再生処理を効率よく行うことができる。そのため、自動車搭載等の内燃機関の排気ガス浄化システムや排気ガス浄化システムの制御方法として利用できる。

１内燃機関（エンジン）
２エンジン本体
３吸気通路
４ターボチャージャ
４ａコンプレッサー
４ｂタービン
５インタークーラー
６排気通路
７ＥＧＲ通路
８ＥＧＲクーラー
９ＥＧＲ弁
１０ＮＯ酸化触媒
１１ＤＰＦを有する排気ガス浄化装置

Claims

内燃機関の排気通路にＤＰＦを有する排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記排気通路の前記ＤＰＦよりも上流側に一酸化窒素酸化触媒を設けると共に、前記内燃機関の運転状態が予め設定された運転状態になった場合に、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガス中の一酸化炭素を増加させる一酸化炭素増量制御を行う制御装置を備え、
かつ、前記予め設定された運転状態が、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にあり、又は、ＤＰＦに対して再生処理を行っている場合を含み、
かつ、前記一酸化炭素増量制御において、排気ガス中の一酸化炭素の体積濃度が窒素酸化物の体積濃度の５倍以上２０倍以下になるように一酸化炭素を増量し、
さらに、窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物センサを有し、前記一酸化炭素増量制御は、前記窒素酸化物センサからの窒素酸化物濃度に基づいて行われることを特徴とする排気ガス浄化システム。
内燃機関の排気通路にＤＰＦを有する排気ガス浄化装置を備えると共に、前記排気通路の前記ＤＰＦよりも上流側に一酸化窒素酸化触媒を設けた排気ガス浄化システムの制御方法において、前記内燃機関の運転状態が予め設定された運転状態になった場合に、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガス中の一酸化炭素を増加させる一酸化炭素増量制御を行い、
かつ、前記予め設定された運転状態が、前記一酸化窒素酸化触媒に流入する排気ガスの温度が１５０℃〜２００℃の低温域にあり、又は、ＤＰＦに対して再生処理を行っている場合を含み、
かつ、前記一酸化炭素増量制御において、排気ガス中の一酸化炭素の体積濃度が窒素酸化物の体積濃度の５倍以上２０倍以下になるように一酸化炭素を増量し、
さらに、窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物センサを有し、前記一酸化炭素増量制御は、前記窒素酸化物センサからの窒素酸化物濃度に基づいて行われることを特徴とする排気ガス浄化システムの制御方法。