JP2010229895A - 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 - Google Patents

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Abstract

【課題】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。
【解決手段】内燃機関2の排気通路6にDPFを有する排気ガス浄化装置11を備えた排気ガス浄化システム1において、前記排気通路6の前記DPFよりも上流側に一酸化窒素酸化触媒10を設けると共に、前記内燃機関2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制御装置を備える。
【選択図】図1

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を酸化書居して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て構成される。
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、上記の内燃機関において、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むように構成される。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、上記の内燃機関で、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するように構成される。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う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、上記の排気ガス浄化システムの制御方法において、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むと、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、上記の内燃機関の制御方法で、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すると、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(Al23)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(O2)足の状態になるため、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(Al23,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(Al23)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(Al23)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(Al23)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
7 EGR通路
8 EGRクーラー
9 EGR弁
10 NO酸化触媒
11 DPFを有する排気ガス浄化装置

Claims (6)

  1. 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たことを特徴とする排気ガス浄化システム。
  2. 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むことを特徴とする請求項1記載の排気ガス浄化システム。
  3. 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することを特徴とする請求項1,2記載の排気ガス浄化システム。
  4. 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うことを特徴とする排気ガス浄化システムの制御方法。
  5. 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むことを特徴とする請求項4記載の排気ガス浄化システムの制御方法。
  6. 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することを特徴とする請求項4、又は5記載の排気ガス浄化システムの制御方法。
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