JP7354976B2

JP7354976B2 - 内燃機関の排気浄化システム

Info

Publication number: JP7354976B2
Application number: JP2020161765A
Authority: JP
Inventors: 浩司夏目
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2040-09-28
Also published as: JP2022054625A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムにおけるＤＰＦ再生技術に関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気浄化装置として、酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）、ディーゼル微粒子捕集フィルター（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）、選択還元型触媒（ＳＣＲ：Selective Catalystic Reduction）を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ＤＯＣは、排気ガス中の煤の中に含まれる有機成分の大部分を酸化し、ＨＣ及びＣＯを浄化する。なお、以下では、煤を、微粒子物質（ＰＭ：Particulate Matter）と呼ぶ場合がある。

ＤＰＦは、ＤＯＣの後段に設けられ、排気中のＰＭを捕集する。捕集されたＰＭはＤＰＦに堆積する。ＰＭの堆積量が所定値以上の場合、ＤＰＦ再生が行われる。ＤＰＦ再生は、例えば、燃料をＤＯＣの排気上流側に噴射してＤＯＣで燃焼させて排気ガスの温度を上昇させて、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させることにより行われる。

ＳＣＲは、ＤＰＦの後段に設けられる。ＳＣＲでは、排気管内に噴射された尿素水を排気の熱で加水分解して生成されたアンモニアが、触媒の作用により排気ガス中のＮＯｘを窒素（Ｎ２）に還元することで、ＮＯｘが低減される。なお、ＤＰＦ再生前に、ＳＣＲ内のアンモニアの浄化（パージ）が行われる。

また、尿素水に代えてアンモニアを排気管内に供給する技術も知られている（例えば特許文献２参照）。

特表２０１０－５１９４５９号公報特開２０１３－１２４５６９号公報

ところで、従来のＤＰＦ再生のための排気の昇温は、上述したように未燃燃料の排気管への直接噴射やエンジンへのポスト噴射により行われるので、多くのＣＯ２が発生してしまう欠点がある。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、ＣＯ２の発生を抑制しつつ、効果的にＤＰＦ再生を行うことができる、排気浄化システムを提供する。

本発明の内燃機関の排気浄化システムの一つの態様は、
内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムであって、
前記内燃機関の排気管に接続された酸化触媒と、
前記酸化触媒よりも下流側の前記排気管に接続された粒子捕集フィルターと、
前記酸化触媒よりも上流側の前記排気管内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置と、
前記酸化触媒に流入する排気の温度を検出する第１の温度センサーと、
前記粒子捕集フィルターに流入する排気の温度を検出する第２の温度センサーと、
前記第１及び第２の温度センサーによって検出された温度に基づいて、前記アンモニア供給装置による前記排気管内へのアンモニアの供給を制御する制御部と、
を備える。

本発明によれば、ＣＯ２の発生を抑制しつつ、効果的にＤＰＦ再生を行うことができる。

実施の形態の排気浄化システムの要部構成を示した図実施の形態によるＤＰＦ再生制御の説明に供するフローチャート

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

＜１＞排気浄化システムの構成
図１は、本実施の形態の排気浄化システムの要部構成を示した図である。本実施形態では、本発明を、ディーゼルエンジン１０の排気浄化システム１００に適用した態様について説明する。ただし、本実施形態に係る排気浄化システムは、ディーゼルエンジン１０の排気浄化システム１００に限らず、ガソリンエンジンの排気浄化システムにも適用し得る。

排気浄化システム１００は、例えば、トラック等の車両に搭載されており、エンジン１０の排気ガス中のＮＯｘを浄化する。

エンジン１０は、例えば、燃焼室、燃焼室内で燃料を噴射する燃料噴射装置、及び、燃料噴射装置を制御するエンジンＥＣＵ等（図示せず）を含んで構成される。エンジン１０は、燃焼室内で、燃料と空気の混合気を燃焼及び膨張させて、動力を発生する。エンジン１０には、燃焼室内に空気を導入する吸気管２０と、燃焼室から排出される燃焼後の排気ガスを、車両の外部に排出する排気管３０と、が接続されている。

排気浄化システム１００は、酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）１０１、粒子捕集フィルター（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）１０２及び選択還元型触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）１０３を有する。なお、排気浄化システム１００は、触媒として、ＳＣＲ１０３に加えて、あるいは、ＳＣＲに代えて、ＬＮＴ（Lean NOx Trap）などを有していてもよい。

ＤＯＣ１０１は、酸化アルミニウム又は金属等からなる担持体に、ロジウム、白金等を担持して形成される。ＤＯＣ１０１は、排気中の未燃成分（炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯ）を酸化除去するとともに、このときの反応熱で排気ガスを加熱昇温し、また排気中のＮＯをＮＯ2に酸化する。

ＤＰＦ１０２は、所謂連続再生式の触媒付きフィルターからなり、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ: Particulate Matter）を捕集するとともに、捕集・堆積されたＰＭを連続的に燃焼除去する。

ＳＣＲ１０３は、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、例えばゼオライトやバナジウム等の触媒が担持又はコーティングされる。ＳＣＲ１０３は、アンモニアを吸蔵するとともに、当該吸蔵したアンモニアによって排気ガス中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。

排気浄化システム１００は、排気管３０内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置１１０を有する。アンモニア供給装置１１０は、液化アンモニア（液化ＮＨ３）を貯蔵するアンモニアタンク１１１、遮断弁１１２、減圧弁１１３、流量調整弁１１４、１１５及びアンモニア噴射ポート１１６、１１７を有する。

さらに、排気浄化システム１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１３０を有する。ＥＣＵ１３０は、排気浄化システム１００の動作を制御する。

ＥＣＵ１３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、及び出力ポート等を含んで構成されている。ＥＣＵ１３０の後述する機能は、例えば、ＣＰＵがＲＯＭ、ＲＡＭ等に記憶された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路によっても実現できることは勿論である。

なお、ＥＣＵ１３０は、エンジン１０のエンジンＥＣＵ（図示せず）等と通信することで、これらを制御したり、これらの状態を取得したりする。

ＥＣＵ１３０は、アンモニア供給装置１１０による排気管３０内へのアンモニアの供給を制御する制御部として機能する。

ＤＯＣ１０１の入り口付近には温度センサー１４１が設けられている。また、ＤＰＦ１０２の入り口付近には温度センサー１４２が設けられている。温度センサー１４１は、ＤＯＣ１０１に流入する排気の温度を検出する。温度センサー１４２は、ＤＰＦ１０２に流入する排気の温度を検出する。

ＥＣＵ１３０は、温度センサー１４１、１４２により検出された温度情報を入力し、当該温度情報に基づいて、遮断弁１１２及び流量調整弁１１５の開度を制御することにより、アンモニア噴射ポート１１７から噴射されるアンモニアの量を制御する。

＜２＞ＤＰＦ再生制御
次に、本実施の形態によるＤＰＦ再生制御について説明する。

まず、詳細な説明を行う前に、本実施の形態によるＤＰＦ再生の原理について説明する。

ＤＰＦ１０２に煤が堆積すると排気圧力が上昇し燃費悪化の要因となる等の問題が生じるため、予め実験等で定めた堆積量を超えないように煤を燃焼させるＤＰＦ再生が行われる。従来は、ＤＰＦへの排気温度が煤の燃焼が可能となる例えば５００℃以上に達していない場合は、ＤＯＣに未燃燃料を供給し、酸化、発熱（燃焼）により排気温度を昇温することが一般に行われているが、ＣＯ２が発生してしまう。

これを考慮して、本実施の形態では、ＤＯＣ１０１の上流側の排気管３０内にアンモニアを供給し、このアンモニアをＤＯＣ１０１で燃焼させることで、ＤＰＦ再生を促進させ、これにより、ＣＯ２の発生を低減させることができる。

本実施の形態のアンモニア供給によるＤＰＦ再生は、従来の燃料燃焼によるＤＰＦ再生と組み合わせて用いることができる。例えば、ＤＯＣ１０１においてアンモニアの燃焼が可能となる排気温度になるまでは、従来の燃料燃焼によって排気温度を上昇させ、その後、アンモニア供給によるＤＰＦ再生に切り替える。これにより、ＤＰＦ再生で発生するＣＯ２を低減できる。

ここで、ＤＰＦ１０２に堆積したＰＭ（煤）を除去するための反応としては、以下の２つの反応がある。

（１）高い排気温度（例えば５００℃以上）の環境下でのＯ２によるＰＭ燃焼

（２）適切な排気温度（例えば３００℃前後）において、２ＮＯ２＋２Ｃ → ２ＣＯ２＋Ｎ２の反応によるＰＭ燃焼

従来の燃料燃焼によるＤＰＦ再生は、主に（１）の反応に依拠している。これに対して、本実施の形態のアンモニア供給によるＤＰＦ再生は、主に（２）の反応を促進させるものである。

ＤＯＣ１０１においてアンモニアが酸化可能な排気温であるという条件下で、ＤＯＣ１０１にアンモニアを供給すると、ＤＯＣ１０１では、４ＮＨ３＋７Ｏ２→４ＮＯ２＋６Ｈ２Ｏの反応が起こり、ＮＯ２が発生する。このＮＯ２がＤＰＦ１０２での上記（２）のＰＭ燃焼反応に使われる。

ここで、一般には、エンジンからの排気に含まれるＮＯからＤＯＣ１０１によってＮＯ２が生成され、これが上記（２）のＰＭ燃焼反応に使われる。本実施の形態では、ＤＯＣ１０１にアンモニアを供給したことにより、ＤＰＦ１０２により多くのＮＯ２を与えることができ、その結果、上記（２）の反応がより促進される。

図２は、本実施の形態によるＤＰＦ再生制御の説明に供するフローチャートである。図２のフローチャートは、ＥＣＵ１３０によって実行される。

ＥＣＵ１３０は、ＤＰＦ再生を開始すると、ステップＳ１１において、温度センサー１４１の温度は、ＤＯＣ１０１においてアンモニアが酸化可能な温度であるか否か判断する。この温度は、例えば２５０℃程度である。

ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１１で肯定結果を得た場合（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、ステップＳ１２に移る。ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１２において、温度センサー１４２の温度は、ＤＰＦ１０２における堆積粒子の燃焼に適した温度範囲であるか否か判断する。この温度範囲は、例えば３００℃～３５０℃である。

ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１２で肯定結果を得た場合（ステップＳ１２；ＹＥＳ）、ステップＳ１３に移る。ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１３において、ＤＯＣ１０１にアンモニアを供給する。具体的には、ＥＣＵ１３０は、遮断弁１１２及び流量調整弁１１５を開状態に制御することでアンモニア噴射ポート１１７からアンモニアを噴射させることで、ＤＯＣ１０１にアンモニアを供給する。

次に、ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１４において、ＤＰＦ１０２でのＰＭ除去量が目標量を超えたか否か判断し、目標量を超えた場合には（ステップＳ１４；ＹＥＳ）、ＤＰＦ再生制御を終了し、目標値を超えていない場合には（ステップＳ１４；ＮＯ）、ステップＳ１１に戻る。

なお、ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１１又はステップＳ１２で否定結果が得られた場合には、ステップＳ１５に移り、温度調整を要求する。例えば、ＥＣＵ１３０は、エンジンＥＣＵ（図示せず）にエンジンによる排気の昇温を要求する。また、例えば排気管３０を昇温する電気ヒーターなどが設けられている場合には、電気ヒーターによって温度調整を行うようにしてもよい。要は、何らかの手段によってステップＳ１１及びステップＳ１２で肯定結果が得られるような温度調整を行う。

ここで、ステップＳ１１及びステップＳ１２で肯定結果が得られ、ステップＳ１３でＤＯＣ１０１にアンモニアが供給されると、上述したように、ＤＯＣ１０１では、４ＮＨ３＋７Ｏ２ → ４ＮＯ２＋６Ｈ２Ｏの反応が起こり、ＤＰＦ１０２では、２ＮＯ２＋２Ｃ → ２ＣＯ２＋Ｎ２の反応によるＰＭ燃焼が行われる。

この結果、ＣＯ２の発生を抑制しつつ、効率的なＤＰＦ再生を行うことができる。

＜３＞まとめ
以上説明したように、本実施の形態によれば、内燃機関の排気管３０に接続された酸化触媒（ＤＯＣ１０１）と、酸化触媒よりも下流側の排気管３０に接続された粒子捕集フィルター（ＤＰＦ１０２）と、酸化触媒よりも上流側の排気管３０内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置１１０と、酸化触媒に流入する排気の温度を検出する第１の温度センサー１４１と、粒子捕集フィルターに流入する排気の温度を検出する第２の温度センサー１４２と、第１及び第２の温度センサー１４１、１４２によって検出された温度に基づいて、アンモニア供給装置１１０による排気管３０内へのアンモニアの供給を制御する制御部（ＥＣＵ１３０）と、を設けたことにより、ＣＯ２の発生を抑制しつつ、効果的にＤＰＦ再生を行うことができる排気浄化システム１００を実現できる。

また、本実施の形態によれば、アンモニア供給装置１１０を、ＤＯＣ１０１とＳＣＲ１０３とで共有しているので、排気浄化システムの大型化も抑制できる。ただし、ＳＣＲ１０３にはアンモニアに代えて尿素水を供給する構成にしてもよい。

上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することの無い範囲で、様々な形で実施することができる。

上述の実施の形態の構成に加えて、ＤＯＣ１０１よりも上流側の排気に含まれるＮＯｘの量を取得する取得部を設け、ＥＣＵ１３０が取得部により取得されたＮＯｘの量に基づいて、アンモニアの供給を制御してもよい。例えば、ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１１及びステップＳ１２で肯定結果が得られ、かつ、取得部によって取得されたＮＯｘの量が閾値未満の場合に、アンモニアの供給を行うように制御してもよい。このようにすれば、ＤＰＦ１０２でＮＯ２が不足しそうなときにアンモニアを供給することで、ＤＯＣ１０１でのアンモニア燃焼で発生するＮＯ２をＤＰＦ１０２に送ることができ、この結果、ＤＰＦ再生を促進できるようになる。

ここで、ＮＯｘの量を取得する取得部は、図１に示してＮＯｘセンサー１６０であってもよく、内燃機関の稼働状況に基づいてＮＯｘの量を演算により推定する推定手段であってもよい。

さらに、ＤＯＣ１０１に供給するアンモニアの量を、排気中のＯ２濃度に基づいて制御してもよい。例えば、排気中のＯ２濃度がＤＯＣ１０１でのアンモニア燃焼（ＮＨ３酸化）に十分な濃度のときのみアンモニアを供給してもよい。

本発明は、排気浄化システムのＤＰＦ再生技術として広く用いることができる。

１０ディーゼルエンジン（エンジン）
２０吸気管
３０排気管
１００排気浄化システム
１０１ＤＯＣ（酸化触媒）
１０２ＤＰＦ（ディーゼル微粒子捕集フィルター）
１０３ＳＣＲ（選択還元型触媒）
１１０アンモニア供給装置
１１１アンモニアタンク
１１２遮断弁
１１３減圧弁
１１４、１１５流量調整弁
１１６、１１７アンモニア噴射ポート
１３０ＥＣＵ（制御部）
１４１、１４２温度センサー
１６０ＮＯｘセンサー

Claims

内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムであって、
前記内燃機関の排気管に接続された酸化触媒と、
前記酸化触媒よりも下流側の前記排気管に接続された粒子捕集フィルターと、
前記酸化触媒よりも上流側の前記排気管内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置と、
前記酸化触媒に流入する排気の温度を検出する第１の温度センサーと、
前記粒子捕集フィルターに流入する排気の温度を検出する第２の温度センサーと、
前記第１及び第２の温度センサーによって検出された温度に基づいて、前記アンモニア供給装置による前記排気管内へのアンモニアの供給を制御する制御部と、
前記酸化触媒よりも上流側の排気に含まれるＮＯｘの量を取得する取得部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１の温度センサーの温度が、前記酸化触媒においてアンモニアが酸化可能な温度であり、かつ、前記第２の温度センサーの温度が、前記粒子捕集フィルターにおける堆積粒子の燃焼に適した温度範囲であり、かつ、前記取得部によって取得された前記ＮＯｘの量が閾値未満の場合に、前記アンモニア供給装置がアンモニアの供給を行うように制御する、
排気浄化システム。
前記粒子捕集フィルターの下流側の前記排気管には、選択還元型触媒が接続されており、
前記アンモニア供給装置は、前記酸化触媒よりも上流側の前記排気管内に加えて、前記選択還元型触媒にもアンモニアを供給する、
請求項１に記載の排気浄化システム。