JP5608962B2

JP5608962B2 - 排気ガス浄化システム

Info

Publication number: JP5608962B2
Application number: JP2008192263A
Authority: JP
Inventors: 長岡　大治; 大治長岡; 正志我部; 我部　　正志
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: WO2010010738A1; JP2010031676A

Description

本発明は、エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中のＨＣにより活性化する触媒を有する後処理装置を備えた排気ガス浄化システムに関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるＰＭ（粒子状物質）及びＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量は、ＣＯ（一酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）等と共に年々規制が強化されてきており、規制の強化に伴いエンジンの改良のみでは規制値に対応できなくなっており、エンジンから排出されるこれらの物質を排気ガス浄化システムで低減する技術が採用されてきている。

ＰＭに対してはＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）システムと呼ばれるシステムが開発され、ＮＯｘに対してはＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ触媒）が開発されている（特許文献１等参照）。

ＤＰＦシステムは、フィルタにＰＭを溜めて、燃焼制御によりフィルタに溜めたＰＭを燃やすシステムである。このＤＰＦシステムは、通常、ＤＰＦ（フィルタ）と、このＤＰＦの前段に配置されるＤＯＣ（酸化触媒）とを有しており、ポスト噴射やエンジンの排気通路内への燃料添加によりＤＯＣを昇温させて、昇温させた排気ガスによってＤＰＦに溜めたＰＭを燃焼させるものである。

ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ触媒）は、排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときにＮＯｘを放出し、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、Ｈ₂（水素）等でＮＯｘを還元する触媒システムである。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒をディーゼルエンジンに使用する場合、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比にするために、ＥＧＲ（排気ガス再循環）、ポスト噴射やエンジンの排気通路内への燃料添加が用いられる。

触媒を昇温する手段やＮＯｘを還元する手段としては、ポスト噴射が一般的に用いられるが、ポスト噴射は、オイル希釈や、ＥＧＲとの併用でスモークが悪化する問題がある。他方、エンジンの排気通路内への燃料添加は、エンジンの燃焼に影響しないので、上記のオイル希釈やスモーク悪化等の問題を回避できる有効な手段である。

特開２００５−７６４９５号公報

上述のＤＰＦシステム及びＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ触媒）は共に触媒を使用するため、使用可能下限温度は触媒活性（ライトオフ性能）に左右される。

ＤＰＦシステムの場合、排気ガスの温度が低い場合は多段噴射（パイロット噴射＋メイン噴射）等で排気ガスの温度を上昇させ、排気ガスの温度がライトオフ温度に到達した時点でポスト噴射等を行う。

ＤＰＦシステムにおいて、エンジンの排気通路内への燃料添加を触媒を昇温する手段やＮＯｘを還元する手段として用いる場合、燃料（軽油）には様々なＨＣ種が含まれ、低温時は高沸点ＨＣは触媒活性には利用され難いので、ポスト噴射よりも使用可能温度が高くなる問題がある。

ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ触媒）において、エンジンの排気通路内への燃料添加によるＮＯｘ還元を行う場合も、ＤＰＦと同様の問題がある。

そこで、本発明の目的は、低温時に触媒活性やＮＯｘ還元を適切に行うことができる排気ガス浄化システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中のＨＣにより活性化する触媒を有する後処理装置と、該後処理装置に供給される排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、検出された上記排気ガスの温度が所定温度より低いときに、上記排気ガスの温度が上記所定温度より低い低温域にあるときの低温活性が低く触媒反応に不利な高沸点ＨＣ及び上記排気ガスの温度が上記所定温度より低い低温域にあるときの低温活性が高く触媒反応に有利な低沸点ＨＣを含む燃料を上記後処理装置より上流側の上記排気通路に噴射する排気燃料噴射弁と、上記後処理装置と上記排気燃料噴射弁との間の上記排気通路に配設され、上記排気ガスの温度が上記所定温度より低いときに、上記排気燃料噴射弁から上記排気通路内に噴射された燃料に含まれるＨＣの内、上記高沸点ＨＣを吸着し上記低沸点ＨＣを通過させるＨＣトラップ触媒とを備え、噴射する上記燃料の噴射量が、検出された上記排気ガスの温度に応じて、上記排気ガスの温度が低くなるに従い大きくなるように設定されるものである。
上記所定温度が上記ＨＣトラップ触媒の高沸点ＨＣ吸着可能上限温度であって、上記排気ガスの温度が上記高沸点ＨＣ吸着可能上限温度より低い低温域にあるときに、設定された量の上記燃料の上記排気通路への噴射を実行するようにしても良い。

本発明によれば、低温時に触媒活性やＮＯｘ還元を適切に行うことができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化システムの概略図である。

本実施形態に係る排気ガス浄化システム１０は、例えば、トラック等の車両に搭載されるディーゼルエンジンに適用されるものである。

図１に示すように、本実施形態に係る排気ガス浄化システム１０は、ディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１１の排気通路（排気管）１２に配設される後処理装置１３を備えている。本実施形態では、後処理装置１３は、上流側から順に、酸化触媒（ディーゼル酸化触媒；ＤＯＣ）１４と、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ触媒）１５と、キャタライズド・スート・フィルタ（以下、ＣＳＦという）１６とを備えて構成される。

酸化触媒１４は、排気ガス中のＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）を酸化除去するものである。例えば、酸化触媒１４は、コージェライト、ＳｉＣ、又はステンレスの構造材で形成された、多数の多角形セルを有するモノリス触媒で形成される。このセルの内壁には触媒コート層が設けられており、その触媒コート層の表面に、白金やバナジウム等の触媒金属を担持して触媒機能を発揮させている。これにより、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを酸化反応により酸化除去することができる。

また、ＣＳＦ１６は、所謂ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）に酸化触媒成分を付加し、フィルタ機能及び酸化機能の両方を具備するものである。例えば、ＣＳＦ１６は、多孔質のセラミックのハニカムの入口と出口と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や、アルミナ等の無機繊維をランダムに積層したフェルト状のフィルタ等で形成することができ、排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）を捕集する。ＣＳＦ１６で捕集したＰＭは、上流側の酸化触媒１４或いはＣＳＦ１６自体に付加した酸化触媒成分により、酸化力の高いＮＯ₂によって燃焼除去される。

そして、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、Ｈ₂（水素）を還元剤として排気ガス中のＮＯｘを還元するものである。例えば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５は、酸化触媒と同様にモノリス触媒で形成され、酸化アルミニウム、酸化チタン等の担持体に触媒コート層を設け、この触媒コート層に、白金等の貴金属酸化触媒とバリウム等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）を担持させて構成される。

このＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５は、排気ガスの空燃比がリーン空燃比であるとき（排気ガスの酸素濃度が高いとき）に、排気ガス中のＮＯｘを吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるとき（排気ガスの酸素濃度が低いとき）に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、放出したＮＯｘを、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、Ｈ₂を還元剤として、Ｎ₂（窒素）に還元するものである。

本実施形態では、排気通路１２の後処理装置１３（酸化触媒１４、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５、ＣＳＦ１６）の上流側に、供給される排気ガスの温度が低温域にあるときに、排気ガス中のＨＣの内、高沸点ＨＣ（高炭素ＨＣ）を吸着し低沸点ＨＣ（低炭素ＨＣ）を通過させるＨＣトラップ触媒１７が配設されている。

このＨＣトラップ触媒１７は、触媒担体ハニカムに、排気ガスの通路であるセルを囲む触媒コート層がコーティングされている。本実施形態では、ＨＣトラップ触媒１７としてゼオライト触媒を使用しており、上記の触媒コート層は、ゼオライト等のＨＣ吸着剤がコーティングされているＨＣ吸着剤層を含んでいる。ゼオライトの微孔構造にＨＣが吸着されるところ、分子サイズの関係で、高沸点ＨＣ（高炭素ＨＣ）はゼオライトに吸着され易く、メタン等の低沸点ＨＣ（低炭素ＨＣ）はゼオライトに吸着され難い。ＨＣトラップ触媒１７（ゼオライト）によりＨＣ（高沸点ＨＣ）を吸着可能な温度は、一般的に２００℃以下である。

また、排気通路１２のＨＣトラップ触媒１７よりも上流側に、ＨＣトラップ触媒１７に供給される排気ガスの温度を検出する第一温度センサ（温度検出手段）１８が配設され、排気通路１２のＣＳＦ１６よりも上流側（本実施形態では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５とＣＳＦ１６との間）に、ＣＳＦ１６に供給される排気ガスの温度を検出する第二温度センサ１９が配設される。排気通路１２のＣＳＦ１６よりも下流側には、ＮＯｘ濃度センサ２０が配設される。さらに、ＣＳＦ１６におけるＰＭの堆積量を推定するために、排気通路１２に、ＨＣトラップ触媒１７及び後処理装置１３（酸化触媒１４、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５、ＣＳＦ１６）の上下流を連通する導通管２１が設けられ、この導通管２１に、ＨＣトラップ触媒１７及び後処理装置１３（酸化触媒１４、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５、ＣＳＦ１６）の上下流の排気ガスの差圧を検出する差圧センサ２２が配設される。

また、排気通路１２のＨＣトラップ触媒１７及び後処理装置１３（酸化触媒１４、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５、ＣＳＦ１６）よりも上流側には、排気通路１２内に高沸点ＨＣ及び低沸点ＨＣを含む燃料を噴射する排気燃料噴射弁（筒外燃料噴射弁）２３（燃料供給手段）が設けられる。

上記のセンサ（第一温度センサ１８、第二温度センサ１９、ＮＯｘ濃度センサ２０、差圧センサ２２）の出力は、エンジン１１の全般的な制御を行うと共に、ＣＳＦ１６の再生制御やＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５のＮＯｘ還元制御も行うコントローラ（制御手段）２４に入力され、このコントローラ２４によって、エンジン１１の燃料噴射用の燃料噴射弁（筒内燃料噴射弁）２５、排気燃料噴射弁２３、インテークスロットルバルブ（吸気絞り弁）２６やＥＧＲバルブ（ＥＧＲ弁）２７等が適宜制御される。

本実施形態に係る排気ガス浄化システム１０においては、吸気は、吸気通路２８に設けられたエアクリーナ２９、マスエアフロー（ＭＡＦ）センサ３０、ターボチャージャ３１のコンプレッサ３２、インタークーラ３３を通過して、インテークスロットルバルブ２６でその量が調整されて吸気マニホールド３４よりエンジン１１のシリンダ（燃焼室）内に導入される。

一方、シリンダ内で発生した排気ガスは、排気マニホールド３５から排気通路１２に設けられたターボチャージャ３１のタービン３６を駆動し、後処理装置１３を通過して浄化されて、図示しない消音器を通って大気中に排出される。また、排気ガスの一部はＥＧＲガスとして、ＥＧＲ通路（ＥＧＲ管）３７に設けられたＥＧＲクーラ３８を通過して、ＥＧＲバルブ２７でその量が調整されて吸気マニホールド３４に再循環される。

次に、本実施形態の作用を図３を用いて説明する。

本実施形態では、図３に示すように、コントローラ２４は、ＨＣトラップ触媒１７に供給される排気ガスの温度が所定温度（ＨＣトラップ触媒１７のＨＣ吸着可能上限温度；本実施形態では、２００℃）よりも低いときにＨＣトラップ触媒１７で吸着可能な量の高沸点ＨＣが含まれる燃料の噴射量を求める（ステップＳ１）と共に、第一温度センサ１８で検出された排気ガスの温度Ｔ１が上記所定温度（ＨＣトラップ触媒１７のＨＣ吸着可能上限温度）より低いか否か（排気ガス温度Ｔ１＜２００℃？）を判定する（ステップＳ２）。

本実施形態では、コントローラ２４には、排気ガスの温度に応じた燃料の噴射量がテーブル値としてメモリされている。例えば、上記テーブル値（燃料の噴射量）は、排気ガスの温度が低くなるに従い大きくなるように設定されており、実機試験等により求められる試験値に基づいて作成される。

コントローラ２４は、第一温度センサ１８で検出された排気ガスの温度Ｔ１が上記所定温度よりも低いときには、ステップＳ１で求めた噴射量の燃料を排気燃料噴射弁２３により排気通路１２内に噴射する（ステップＳ３）と共に、排気燃料噴射弁２３による燃料の噴射終了後に、第一温度センサ１８で検出された排気ガスの温度Ｔ１が上記所定温度以上（排気ガス温度Ｔ１≧２００℃）となる時間が所定時間以上経過したか否かを判定する（ステップＳ４）。

そして、コントローラ２４は、第一温度センサ１８で検出された排気ガスの温度Ｔ１が上記所定温度以上となる時間が所定時間以上経過したときには、ステップＳ１に戻るようになっている。

即ち、本実施形態では、ＨＣトラップ触媒１７に供給される排気ガスの温度が低温域にあるときに、予め適当な量の燃料（排気ガス温度Ｔ１＜２００℃での、ＨＣトラップ触媒１７で吸着可能な量の高沸点ＨＣが含まれる噴射量の燃料）を、排気燃料噴射弁２３により排気通路１２内に噴射し、ＨＣトラップ触媒１７にＨＣ（高沸点ＨＣ）を吸着させておき、低沸点ＨＣはＨＣトラップ触媒１７を通過させる。

このように、ＨＣトラップ触媒１７に供給される排気ガスの温度が低温域にあるときに、燃料に含まれるＨＣの内、低温活性が低く触媒反応に不利な高沸点ＨＣをＨＣトラップ触媒１７に吸着させて、低温活性が高く触媒反応に有利な低沸点ＨＣはＨＣトラップ触媒１７を通過させて、低沸点ＨＣのみを後処理装置１３（酸化触媒１４、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５、ＣＳＦ１６）に供給することにより、低温時にＣＳＦ１６の再生やＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５のＮＯｘ還元を適切に行うことができる。

また、ＨＣトラップ触媒１７に吸着された高沸点ＨＣは、排気ガスと長時間接触することで２００℃以下でも徐々に分解されて低沸点ＨＣとなり、低沸点ＨＣとしてＨＣトラップ触媒１７の下流の後処理装置１３（酸化触媒１４、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５、ＣＳＦ１６）に供給される。これにより、ＨＣトラップ触媒１７に供給したＨＣ全てを、触媒活性が高く触媒反応に有利な低沸点ＨＣとして利用することができる。

具体的には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５のＮＯｘ還元を行う場合、コントローラ２４は、上記のように分解の進んだ高沸点ＨＣがＨＣトラップ触媒１７に吸着されている状態で、インテークスロットルバルブ２６による吸気絞り及び燃料噴射弁２５によるタイミングリタードを実行して、ＨＣトラップ触媒１７に供給される排気ガスの温度を上昇させ、ひいてはＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５に供給される排気ガスの温度を上昇させるようになっている。すると、排気ガスの空燃比がリッチ空燃比であるときに、分解が進んだ高沸点ＨＣ（低沸点ＨＣ化した高沸点ＨＣ）が多く含まれるリッチガスをＨＣトラップ触媒１７の下流のＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５に供給することができ、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５の低温触媒活性が向上する。

また、ＣＳＦ１６を再生する場合、コントローラ２４は、上記のように分解の進んだ高沸点ＨＣがＨＣトラップ触媒１７に吸着されている状態で、燃料噴射弁２５によるエンジン１１のシリンダ内への多段噴射（パイロット噴射＋メイン噴射）等を実行して、ＨＣトラップ触媒１７に供給される排気ガスの温度を上昇させ、ひいては酸化触媒１４に供給される排気ガスの温度を上昇させるようになっている。すると、分解が進んだ高沸点ＨＣ（低沸点ＨＣ化した高沸点ＨＣ）がＨＣトラップ触媒１７から放出されて、ＨＣトラップ触媒１７の下流の酸化触媒１４に供給されるので、エンジン１１の燃焼に影響を与えるポスト噴射を用いずに、多段噴射（パイロット噴射＋メイン噴射）等と排気通路１２内への燃料添加のみで低温からＣＳＦ１６の再生（ＰＭの燃焼）が可能となる。

また、ＨＣトラップ触媒１７はＨＣ吸着剤として単価の安いゼオライトを使用するので、低コストでＨＣ改質機能を有する排気ガス浄化システム１０を得ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、上記後処理装置１３をＤＰＦシステムとして使用する場合には、図２に示すように、排気通路１２にＮＯｘ吸蔵還元型触媒１５を設ける必要はない。

また、上記燃料噴射弁２５によって、高沸点ＨＣ及び低沸点ＨＣを含む燃料を後処理装置１３より上流側の排気通路１２に供給するようにしても良い。

図１は、本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化システムの概略図である。図２は、別の実施形態に係る排気ガス浄化システムの概略図である。図３は、コントローラによる処理フローの一例を示す図である。

符号の説明

１０排気ガス浄化システム
１１エンジン（ディーゼルエンジン）
１２排気通路
１３後処理装置
１４酸化触媒（触媒）
１５ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（触媒）
１６キャタライズド・スート・フィルタ（触媒）
１７ＨＣトラップ触媒
２３排気燃料噴射弁（燃料供給手段）
２５燃料噴射弁（燃料供給手段）

Claims

エンジンの排気通路に配設され、排気ガス中のＨＣにより活性化する触媒を有する後処理装置と、該後処理装置に供給される排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、検出された上記排気ガスの温度が所定温度より低いときに、上記排気ガスの温度が上記所定温度より低い低温域にあるときの低温活性が低く触媒反応に不利な高沸点ＨＣ及び上記排気ガスの温度が上記所定温度より低い低温域にあるときの低温活性が高く触媒反応に有利な低沸点ＨＣを含む燃料を上記後処理装置より上流側の上記排気通路に噴射する排気燃料噴射弁と、上記後処理装置と上記排気燃料噴射弁との間の上記排気通路に配設され、上記排気ガスの温度が上記所定温度より低いときに、上記排気燃料噴射弁から上記排気通路内に噴射された燃料に含まれるＨＣの内、上記高沸点ＨＣを吸着し上記低沸点ＨＣを通過させるＨＣトラップ触媒とを備え、噴射する上記燃料の噴射量が、検出された上記排気ガスの温度に応じて、上記排気ガスの温度が低くなるに従い大きくなるように設定されることを特徴とする排気ガス浄化システム。
上記所定温度が上記ＨＣトラップ触媒の高沸点ＨＣ吸着可能上限温度であって、上記排気ガスの温度が上記高沸点ＨＣ吸着可能上限温度より低い低温域にあるときに、設定された量の上記燃料の上記排気通路への噴射を実行する請求項１に記載の排気ガス浄化システム。