JP2013124643A

JP2013124643A - 排気浄化方法及び装置

Info

Publication number: JP2013124643A
Application number: JP2011275422A
Authority: JP
Inventors: Kiyoka Tsunekawa; 希代香恒川
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-24
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: JP5861921B2

Abstract

【課題】ディーゼル機関において、ＨＣコーキングの発生によるＨＣ排出量の増加や、オイルダイリューションの発生及び燃費悪化を解決する。
【解決手段】車載用直噴式ディーゼルエンジン１０の排気管１８に、上流側から順にゼオライト触媒３２、酸化触媒３４及びＤＰＦフィルタ装置３８が設けられ、ゼオライト触媒３２の入口に酸素濃度センサー２６及び排気温センサー３０が設けられ、酸化触媒３４の出口に排気温センサー３６が設けられている。ゼオライト触媒３２の入口排気温度とゼオライト触媒３２のＨＣ吸着量との相関マップ、及び排気温センサー３０及び３６の検出値の差分ΔＴから酸化触媒３４のＨＣ放出量を推定する。このＨＣ放出量をポスト噴射に利用することで、実際のポスト噴射量を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼル機関の排気中に含まれるＨＣを吸着し、吸着したＨＣをポスト噴射に利用することで、燃料のポスト噴射量を低減可能にした排気浄化方法及び装置に関する。

ディーゼル機関の排気通路には、白金やパラジウム等の貴金属を触媒として、排気中に含まれるＣＯや、粒子状物質ＰＭ（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｍａｔｔｅｒ）に含まれるＨＣを酸化してＣＯ_２に変える酸化触媒が設けられている。また、該酸化触媒の下流側にＰＭを捕捉して除去するＤＰＦフィルタ装置（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）が設けられる。

ディーゼル機関では、排気温が低いため、排気通路に吸着性のあるゼオライトを配置し、排気中ＨＣをゼオライトで吸着するのが有効である。特に、酸化触媒や他の触媒の活性温度に達していない始動時や低速等の冷態運転時に有効である。従って、酸化触媒の中にゼオライトを添加する方法が一般的に用いられている。ゼオライトによりＨＣを効率良く吸着させるためには、ゼオライト添加量を増加させることが有効であるが、排気温が上昇し、吸着されたＨＣがゼオライトから大量に脱離されると、酸化触媒中に含まれる貴金属では酸化しきれずに、脱離したＨＣが下流側へ排出されるという問題がある。

さらに、ＨＣの脱離量が増えると、一時的に酸化触媒の内部にＨＣが充満した状態となる（ＨＣコーキング）。そのため、新たに酸化触媒に流入してきたＨＣやＣＯと貴金属とが接触できず、ＨＣやＣＯがそのまま下流側へ排出されるという問題がある。従って、ゼオライト添加量には限界がある。

ＤＰＦフィルタ装置に付着した粒子状物質（ＰＭ）を除去する再生工程においては、酸化触媒内の温度をＮＯ_２を生成させるのに必要な２５０〜３００℃程度に上昇させ、酸化触媒で排気中のＮＯ_ＸをＮＯ_２が多い状態にする。そして、ＮＯ_２の強力な酸化作用によりＤＰＦフィルタ装置に捕捉されたＰＭを燃焼させ除去する方法がある。また、それとは別の方法として、ＤＰＦを５００℃以上の高温に昇温しＰＭを燃焼除去する方法がある。より具体的には、ＤＰＦを昇温させるため、ディーゼル機関の膨張行程や排気行程で燃料を噴射し（ポスト噴射）、燃料を酸化触媒内で燃焼させる。この酸化反応で発生する反応熱を利用して、ＤＰＦフィルタ装置を昇温させ、ＰＭを燃焼させる。しかし、ゼオライトで脱離するＨＣ量が多すぎると、酸化触媒でＨＣコーキングが起こり、ポスト噴射された燃料を効率良く酸化できない。そのため、ＤＰＦフィルタ装置の再生が十分にできないという問題がある。

そのため、ＤＰＦフィルタ装置の下流側でＨＣ排出量が多くなると共に、ポスト噴射によってオイルダイリューションの発生や燃費悪化といった問題が起る。また、ゼオライト添加量の不足分は、貴金属担持量の増加によって補う必要があり、これが触媒コストの増大に繋がっている。

特許文献１には、ＤＰＦフィルタ装置の排気通路において、低温運転時の触媒活性を維持するため、ＤＰＦフィルタ装置や酸化触媒の上流側にゼオライト等のＨＣ吸着材を設けた構成が開示されている。また、特許文献２には、未浄化ＨＣの排出抑制と、三元触媒の早期活性化を目的として、三元触媒やＮＯＸ吸着触媒の上流側排気通路に、ゼオライト等のＨＣ吸着材やＣＯ吸着材を配置する構成が開示されている。

特開２０１０−３１６７６号公報特開２００９−７９４４号公報

特許文献１や特許文献２には、排気通路に酸化触媒や酸化触媒からゼオライト材が分離されて配置されているので、排気通路に配置されるゼオライト量の制約をなくすことができる。しかし、酸化触媒でのＨＣコーキングの発生によるＨＣ排出量の増加や、ポスト噴射量によるオイルダイリューションの発生、燃費悪化といった問題に対する解決策は開示されていない。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ディーゼル機関において、ＨＣコーキングの発生によるＨＣ排出量の増加や、オイルダイリューションの発生及び燃費悪化といった問題を解決することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の排気浄化方法は、ディーゼル機関の排気に対し上流側から順に、排気中のＨＣをＨＣ吸着材で吸着する工程、排気中のＨＣを酸化触媒で酸化する工程、及び排気中の粒子状物質をフィルタ装置で捕捉する工程を行う排気浄化方法において、ＨＣ吸着材の入口排気温度及び酸化触媒の出口排気温度を検出し、これらの検出値から酸化触媒出口のＨＣ放出量を算出する第１工程と、第１工程で算出されたＨＣ放出量からフィルタ装置の再生に必要な燃料のポスト噴射量を算出する第２工程と、フィルタ装置の再生工程において、第２工程で算出されたポスト噴射量に基づいてポスト噴射する第３工程とからなるものである。

このように、フィルタ装置の再生工程で、酸化触媒出口から放出されるＨＣを利用するようにしているので、ポスト噴射量を低減できる。また、酸化触媒出口から放出されるＨＣ量を算出することで、ポスト噴射量を必要最小限に留めることができ、これによって、オイルダイリューション及び燃費悪化を抑制できる。また、ゼオライト等のＨＣ吸着材と酸化触媒とを分離したことで、酸化触媒に担持される貴金属の酸化性能がＨＣ吸着材によって阻害される懸念がなくなる。そのため、ＨＣ吸着材及び酸化触媒に担持された貴金属の容量を必要な分だけ確保できる。従って、未処理のＨＣ排出量を低減できる。また、ＨＣ吸着材を増量できるので、該貴金属の酸化負担分を軽減でき、貴金属を減量でき低コスト化できる。

本発明方法において、第１工程は、ＨＣ吸着材の入口排気温度からＨＣ吸着材のＨＣ吸着量を推定する第１ステップと、ＨＣ吸着材の入口排気温度と酸化触媒の出口排気温度との差分から酸化触媒によるＨＣ酸化量を推定する第２ステップと、第１工程で推定されたＨＣ吸着量から第２ステップで推定されたＨＣ酸化量を差し引いて酸化触媒出口のＨＣ放出量を求める第３ステップとからなるものであるとよい。これによって、酸化触媒出口のＨＣ放出量を正確に推定できるので、ポスト噴射量を必要最小限の量に正確に制御できる。

排気温度と排気中に含まれるＨＣ量とは相関がある。そこで、ＨＣ吸着材の入口排気温度を検出することで、排気中ＨＣ量を推定でき、排気中ＨＣ量からＨＣ吸着材のＨＣ吸着量を推定できる。また、酸化触媒の出口排気温度を検出し、この検出値とＨＣ吸着材の入口排気温度との差分から酸化触媒のＨＣ酸化量を推定できる。従って、ＨＣ吸着材のＨＣ吸着量から酸化触媒のＨＣ酸化量を差し引くことで、酸化触媒のＨＣ放出量を算出できる。フィルタ装置の再生工程に必要なポスト噴射量から酸化触媒のＨＣ放出量を差し引くことで、実際に必要なポスト噴射量を算出できる。

前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明の排気浄化装置は、ディーゼル機関の排気通路に上流側から順に、排気中のＨＣを吸着するＨＣ吸着材、排気中のＨＣを酸化する酸化触媒、及び排気中の粒子状物質を捕捉するフィルタ装置を備えた排気浄化装置において、ＨＣ吸着材の入口側排気通路に設けられた第１の排気温センサーと、酸化触媒の出口側排気通路に設けられた第２の排気温センサーと、第１の排気温センサー及び第２の排気温センサーの検出値に基づいて、酸化触媒出口のＨＣ放出量を算出し、該ＨＣ放出量からフィルタ装置の再生に必要なポスト噴射量を算出するポスト噴射量算出手段と、ポスト噴射量算出手段で算出されたポスト噴射量に基づいて燃料噴射装置のポスト噴射量を制御する制御装置とを備えているものである。

これによって、フィルタ装置の再生工程で、酸化触媒出口から放出されるＨＣを利用でき、ポスト噴射量を低減でき、オイルダイリューション及び燃費悪化を抑制できる。また、ゼオライト等のＨＣ吸着材と酸化触媒とを分離したことで、酸化触媒に担持される貴金属の酸化性能がＨＣ吸着材によって阻害される懸念がなくなり、ＨＣ吸着材及び貴金属の容量を必要な分だけ確保できる。そのため、未処理のＨＣ排出量を低減できる。また、ＨＣ吸着材と酸化触媒とを分離したことで、酸化触媒の設置位置の制約が緩和され、酸化触媒の設置位置とフィルタ装置の設置位置とを接近できる。そのため、フィルタ装置の昇温が容易になり、これによって、ポスト噴射量を低減できる。

本発明装置において、ＨＣ吸着材の入口排気温度と該ＨＣ吸着材のＨＣ吸着量との相関関係を示す相関マップが予め制御装置に記憶され、ポスト噴射量算出手段は、相関マップ相関マップによって算出されたＨＣ吸着材によるＨＣ吸着量と、第１の排気温センサー及び第２の排気温センサーの検出値の差分から求められる酸化触媒のＨＣ酸化量とからポスト噴射量を算出するようにするとよい。前記相関マップを用いることで、ＨＣ吸着材のＨＣ吸着量をさらに正確に推定できる。これによって、必要なポスト噴射量を正確に算出できる。

本発明装置において、ＨＣ吸着材の入口側排気通路に酸素濃度センサーが設けられ、ポスト噴射量算出手段は、前記差分と該酸素濃度センサーの検出値とからＨＣ酸化量を求めるものであるとよい。ＨＣ吸着材の入口排気の酸素濃度を加味することで、酸化触媒におけるＨＣ酸化量をさらに正確に求めることができる。そのため、ポスト噴射量をさらに精度良く算出できる。

本発明方法によれば、フィルタ装置の再生工程で、酸化触媒出口から放出されるＨＣを利用するようにしているので、ポスト噴射量を低減でき、これによって、オイルダイリューション及び燃費悪化を抑制できる。また、ゼオライト等のＨＣ吸着材と酸化触媒とを分離したことで、夫々の機能を十分に発揮でき、排気中の未処理のＨＣ排出量を低減できる。また、本発明装置も、本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。

本発明方法及び装置の一実施形態を示す全体構成図である。前記実施形態のポスト噴射工程を示すフロー図である。排気温度とゼオライト触媒のＨＣ吸着量との関係を示す相関マップである。ゼオライト触媒の温度とＨＣ脱離量との関係を示す線図である。触媒ハウジングの入口及び出口の温度差と酸化触媒のＨＣ酸化量との関係を示す線図である。ポスト噴射量とＤＰＦフィルタ装置の目標温度との関係を示す線図である。酸化触媒のＨＣ酸化量と実際のポスト噴射量との関係を示す線図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

本発明装置を車載用直噴式ディーゼルエンジン１０に適用した一実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１において、車載用ディーゼルエンジン１０のシリンダブロック１２の上部にシリンダヘッド１４が設けられ、シリンダヘッド１４に、吸気ａが吸入される吸気管１６及び排気ｅが排出される排気管１８が接続されている。シリンダヘッド１４には、低温時期の着火用として、燃焼室内に頭部を露出させたグロープラグ２０と、燃焼室の中央に位置したコモンレール式燃料噴射装置２２が設けられている。排気管１８は、過給機２４の排気タービン２４ａに接続されている。排気タービン２４ａより下流側の排気管１８には、酸素濃度センサー２６が設けられている。

酸素濃度センサー２６の下流側には、触媒ハウジング２８が設けられ、触媒ハウジング２４の入口に排気温センサー３０が設けられている。触媒ハウジング２４の内部に、上流側から順にゼオライト触媒３２及び酸化触媒３４が設けられている。ゼオライト触媒３２は、結晶の中に１ナノメートル以下の穴（細孔）が空いた構造をしており、ＨＣを該細孔内に吸着する機能を有する。酸化触媒３４は、例えば、白金、パラジウムなどの貴金属を触媒とし、排気中の酸素を使い、ＰＭに含まれるＨＣやＣＯを酸化し、水とＣＯ_２に変える。触媒ハウジング２８の出口に排気温センサー３６が設けられている。

酸化触媒３４の下流側排気通路１８に、ＤＰＦフィルタ装置３８が設けられている。ＤＰＦフィルタ装置３８の入口及び出口に、夫々排気温センサー４０及び４２が設けられている。前記各センサーの検出値は制御装置４４に入力される。制御装置４４はメモリ４４０とポスト噴射量算出部４４２とを内蔵している。排気温度と排気中のＨＣ量とは相関がある。排気中のＨＣ量とゼオライト触媒３２に吸着されるＨＣ吸着量とはほぼ同等である。過去の実験データから、排気温センサー３０の検出値とゼオライト触媒３２に吸着されるＨＣ吸着量との相関関係を示す相関マップが予め作成されており、該相関マップがメモリ４４０に記憶されている。

かかる構成において、車載用直噴式ディーゼルエンジン１０の運転中、特に、始動時や低速・低負荷時等の冷態運転時に、ゼオライト触媒３２にＨＣが吸着される。排気中のＣＯは酸化触媒３４でＣＯ_２に変換される。排気温がＨＣの脱離温度（例えば２００℃）に達すると、ゼオライト触媒３２からＨＣが脱離する。脱離したＨＣは酸化触媒３４で水とＣＯ_２に変換される。残りのＰＭはＤＰＦフィルタ装置３８で捕捉される。

ＤＰＦフィルタ装置３８の再生工程は、酸化触媒３４で排気中のＮＯ_ＸをＮＯ_２が多い状態にし、ＮＯ_２の強力な酸化作用によりＤＰＦフィルタ装置３８に捕捉されたＰＭを燃焼させ除去して再生させる。再生するためには、酸化触媒３４内の温度をＮＯ_２を生成させるのに必要な２５０〜３００℃程度に上昇させる必要がある。コモンレール式燃料噴射装置２２で燃料をポスト噴射し、燃料を酸化触媒３４内で燃焼し、酸化触媒を昇温させて、再生可能な温度にする。この温度下でＨＣを酸化させ、この酸化反応で発生する反応熱を利用して、ＤＰＦフィルタ装置３８を昇温させ、ＰＭを燃焼させて再生させる。

以下、図２により、ゼオライト触媒３２に吸着したＨＣを利用したポスト噴射工程を説明する。まず、ＤＰＦフィルタ装置３８を通る排気の圧力損失を圧力センサー（図示省略）で検出し、該圧力損失が設定値以上になったら、ＤＰＦフィルタ装置３８の再生工程を開始する（Ｓ１０）。次に、ゼオライト触媒３２中のＨＣ吸着量を算出する（Ｓ１２）。図３は、ゼオライト触媒３２の入口排気温度とゼオライト触媒３２のＨＣ吸着量との相関関係を過去の実験データから予め求めておいた相関マップであり、メモリ４４０に記憶されている。排気温センサー３０の検出値から該相関マップによりゼオライト触媒３２のＨＣ吸着量を求める。

次に、ゼオライト触媒３２の入口排気温Ｔ_１がＨＣ脱離温度（例えば２００℃）に達したら（Ｓ１４）、吸着ＨＣ再利用可能と判定し（Ｓ１６）、入口排気温Ｔ_１がＨＣ脱離温度に達していないとき、吸着ＨＣ再利用不可と判定し、スタート時に戻る（Ｓ１８）。吸着ＨＣ再利用可能と判定したら（Ｓ１６）、酸化触媒３４から放出されるＨＣ量を算出する（Ｓ２０）。ゼオライト触媒３２から脱離するＨＣ量は、ゼオライト触媒３２のＨＣ吸着量と同一である。従って、酸化触媒３４から排出されるＨＣ量は、ゼオライト触媒３２のＨＣ吸着量から酸化触媒３４で酸化されるＨＣ量を差し引くことで求められる。

図４は、ゼオライト触媒３２の温度とＨＣ脱離量との関係を示す。図中、Ｔ_０はＨＣの脱離温度である。図４は、脱離温度Ｔ_０を境にしてＨＣ脱離量が急激に増加することを示している。図５は、排気温センサー３０の検出値Ｔ_１と、排気温センサー３６の検出値Ｔ_２との差分ΔＴ（ΔＴ＝Ｔ_１−Ｔ_２）と、酸化触媒３４で燃焼したＨＣ酸化量との関係を示す。ΔＴが大きいほどＨＣ酸化量は大きくなる。また、ＨＣ酸化量の算出は、酸素濃度センサー２６で検出した排気中酸素濃度を加味して算出する。

次に、ポスト噴射量を算出する（Ｓ２２）。図６は、ポスト噴射量とＤＰＦフィルタ装置３８で再生工程を行うための目標温度との関係を示す。図６から、必要ポスト噴射量を求めることができる。この必要ポスト噴射量からＳ２０で求めた酸化触媒のＨＣ放出量を差し引くことで、実際のポスト噴射量を算出できる。図７は、酸化触媒３４のＨＣ放出量と必要ポスト噴射量との関係を示す。かかるポスト噴射量の算出をポスト噴射量算出部４４２で行う。算出したポスト噴射量となるように、制御装置４４によってコモンレール式燃料噴射装置２２でポスト噴射を開始する（Ｓ２４）。車載用直噴式ディーゼルエンジン１０の運転中、この一連の操作を繰り返し行う。

本実施形態において、排気ｅ中のＮＯ_Ｘ除去は、ＤＰＦフィルタ装置３８の下流側に設けられたＮＯ_Ｘ除去装置、例えば、尿素水溶液の排気への注入と、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒とを組み合わせた装置（図示省略）等で行うようにする。

本実施形態によれば、ＤＰＦフィルタ装置３８の強制再生工程において、ゼオライト触媒３２で吸着されたＨＣ量を利用しながら、必要なポスト噴射量を正確に求めることができる。そのため、ポスト噴射量を低減でき、これによって、オイルダイリューション及び燃費悪化を抑制できる。また、ポスト噴射量は、ポスト噴射量算出部４４２で、図３に示す相関マップや、排気温センサー２６、３０及び酸素濃度センサー２６の検出値に基づいて正確に算出できるので、必要最小限のポスト噴射量で済む。

また、ゼオライト触媒３２と酸化触媒３４とを分離したことで、酸化触媒３４に担持される貴金属の酸化性能がゼオライト触媒によって阻害される懸念がなくなる。そのため、ゼオライト触媒３２及び酸化触媒３４に担持された貴金属の容量を必要な分だけ確保できる。従って、未処理のＨＣ排出量を低減できる。また、ＨＣ吸着材を増量できるので、酸化触媒３４の貴金属の酸化負担分を軽減でき、貴金属を減量でき低コスト化できる。

本発明によれば、ディーゼル機関の排気浄化装置において、ＨＣコーキングの発生によるＨＣ排出量の増加や、オイルダイリューションの発生及び燃費悪化といった問題を解決できる。

１０車載用直噴式ディーゼルエンジン
１２シリンダブロック
１４シリンダヘッド
１６吸気管
１８排気管
２０グロープラグ
２２コモンレール式燃料噴射装置
２４過給機
２４ａ排気タービン
２６酸素濃度センサー
２８触媒ハウジング
３０排気温センサー（第１の排気温センサー）
３２ゼオライト触媒
３４酸化触媒
３６排気温センサー（第２の排気温センサー）
３８ＤＰＦフィルタ装置
４０，４２排気温センサー
４４制御装置
４４０メモリ
４４２ポスト噴射量算出部
ａ吸気
ｅ排気

Claims

ディーゼル機関の排気に対し上流側から順に、排気中のＨＣをＨＣ吸着材で吸着する工程、排気中のＨＣを酸化触媒で酸化する工程、及び排気中の粒子状物質をフィルタ装置で捕捉する工程を行う排気浄化方法において、
前記ＨＣ吸着材の入口排気温度及び前記酸化触媒の出口排気温度を検出し、これらの検出値から酸化触媒出口のＨＣ放出量を算出する第１工程と、
第１工程で算出されたＨＣ放出量から前記フィルタ装置の再生に必要な燃料のポスト噴射量を算出する第２工程と、
前記フィルタ装置の再生工程において、第２工程で算出されたポスト噴射量に基づいてポスト噴射する第３工程とからなることを特徴とする排気浄化方法。
前記第１工程は、
前記ＨＣ吸着材の入口排気温度からＨＣ吸着材のＨＣ吸着量を推定する第１ステップと、
前記入口排気温度と前記酸化触媒の出口排気温度との差分から酸化触媒によるＨＣ酸化量を推定する第２ステップと、
第１工程で推定されたＨＣ吸着量から第２ステップで推定されたＨＣ酸化量を差し引いて酸化触媒出口のＨＣ放出量を求める第３ステップとからなることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化方法。
ディーゼル機関の排気通路に上流側から順に、排気中のＨＣを吸着するＨＣ吸着材、排気中のＨＣを酸化する酸化触媒、及び排気中の粒子状物質を捕捉するフィルタ装置を備えた排気浄化装置において、
前記ＨＣ吸着材の入口側排気通路に設けられた第１の排気温センサーと、
前記酸化触媒の出口側排気通路に設けられた第２の排気温センサーと、
前記第１の排気温センサー及び第２の排気温センサーの検出値に基づいて、前記酸化触媒出口のＨＣ放出量を算出し、該ＨＣ放出量から前記フィルタ装置の再生に必要なポスト噴射量を算出するポスト噴射量算出手段と、
該ポスト噴射量算出手段で算出されたポスト噴射量に基づいて燃料噴射装置のポスト噴射量を制御する制御装置とを備えていることを特徴とする排気浄化装置。
前記ＨＣ吸着材の入口排気温度と該ＨＣ吸着材のＨＣ吸着量との相関関係を示す相関マップが予め前記制御装置に記憶され、
前記ポスト噴射量算出手段は、前記相関マップによって算出されたＨＣ吸着材によるＨＣ吸着量と、前記第１の排気温センサー及び第２の排気温センサーの検出値の差分から求められる酸化触媒のＨＣ酸化量とからポスト噴射量を算出することを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置。
前記ゼオライト触媒の入口側排気通路に酸素濃度センサーが設けられ、
前記ポスト噴射量算出手段は、前記差分と該酸素濃度センサーの検出値とから前記ＨＣ酸化量を求めるものであることを特徴とする請求項４に記載の排気浄化装置。