JP2013142363A - Exhaust emission control device of diesel engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification device for a diesel engine.
地球環境保全の観点から、自動車の排気ガス規制が一段と進められている。特にディーゼルエンジンではPM(Particulate Matter:粒子状物質)及びNOx(窒素酸化物)の低減が求められており、PMの低減にはDPF(Diesel Particulate Filter:ディーゼルパティキュレートフィルタ)等の後処理ユニットが用いられ、NOxの低減には尿素SCR(Urea-Selective Catalytic Reduction:尿素選択還元触媒)、HC−SCR(HydroCarbon-Selective Catalytic Reduction:炭化水素選択還元触媒)、LNT(Lean NOx Trap:NOx吸蔵触媒)等の後処理ユニットが用いられる。 From the viewpoint of global environmental conservation, automobile exhaust gas regulations are being further promoted. In particular, diesel engines are required to reduce PM (Particulate Matter) and NOx (nitrogen oxide). To reduce PM, post-processing units such as DPF (Diesel Particulate Filter) are required. Used to reduce NOx, urea SCR (Urea-Selective Catalytic Reduction), HC-SCR (HydroCarbon-Selective Catalytic Reduction), LNT (Lean NOx Trap: NOx storage catalyst) A post-processing unit is used.
このような後処理ユニットを有する排気ガス浄化装置は、例えば特許文献1に記載されている。なお、特許文献1には、2ステージターボのタービン間にDPFを配設することが記載されている。
An exhaust gas purification apparatus having such an aftertreatment unit is described in
ところで、近年ディーゼルエンジンの燃焼改良が進められ、燃費向上と共に、PM及びNOxの総排出量も低減されてきている。しかしながら、PM及びNOxの低減と背反して、排気ガスの温度が低くなっている。さらに、従来の排気ガスを計測するモードのJE05(都市内の走行実態を踏まえた過渡走行モード)、NEDC(New European Driving Cycle)等からWHDC(Worldwide Harmonized Heavy Duty Certification)に切り替われば、コールドモード及び高温高流量での排気ガス低減の技術がさらに必要となる。その対応として、後処理ユニットから構成される後処理装置のエンジン近接化(タービン直下配置)、後処理装置の熱容量低減(小型化等)、後処理装置の断熱及び保温等が検討されているが、現状では後処理装置の大型化は避けられない。そのため、後処理装置の配設場所の確保、重量増加による燃費への影響、コスト上昇等の問題が生じている。 By the way, in recent years, combustion improvement of diesel engines has been promoted, and the total emission amount of PM and NOx has been reduced along with the improvement of fuel efficiency. However, contrary to the reduction of PM and NOx, the temperature of the exhaust gas is low. Furthermore, when switching from JE05 (transitional driving mode based on actual driving conditions in the city), NEDC (New European Driving Cycle), etc. to WHDC (Worldwide Harmonized Heavy Duty Certification) Further, a technique for reducing exhaust gas at a high temperature and a high flow rate is required. As countermeasures, approaching the engine of the aftertreatment device composed of the aftertreatment unit (arranged directly under the turbine), reducing the heat capacity of the aftertreatment device (such as downsizing), heat insulation and heat insulation of the aftertreatment device are being studied. In the present situation, it is inevitable to increase the size of the post-processing apparatus. For this reason, there are problems such as securing the location of the post-processing device, the effect on fuel consumption due to weight increase, and cost increase.
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、各後処理ユニットの配置を工夫することで、排気ガスの熱を有効に利用でき、且つ小型化を図ることができるディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置を提供することにある。 An object of the present invention, which was created in view of the above circumstances, is to exhaust a diesel engine that can effectively use the heat of exhaust gas and can be downsized by devising the arrangement of each post-processing unit. The object is to provide a gas purification device.
上記目的を達成するために本発明に係るディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気経路に配設され、排気ガス中のCO、HCを浄化する酸化触媒と、前記酸化触媒よりも下流の前記排気経路に配設され、排気ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタよりも下流の前記排気経路に配設され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズルと、前記尿素噴射ノズルよりも下流の前記排気経路に配設され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するターボチャージャのタービンと、前記タービンよりも下流の前記排気経路に配設され、排気ガス中のNOxをアンモニアと還元反応させることで無害化する選択還元触媒と、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの前後差圧が所定の差圧範囲内で且つ前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口温度が所定の温度以下のとき、前記酸化触媒にHCを吸着及び酸化させる制御を行う制御手段とを備えたものである。 In order to achieve the above object, an exhaust gas purification apparatus for a diesel engine according to the present invention is provided in an exhaust path of the diesel engine, and an oxidation catalyst for purifying CO and HC in the exhaust gas, and downstream of the oxidation catalyst. A diesel particulate filter that collects particulate matter in the exhaust gas, and is disposed in the exhaust passage downstream of the diesel particulate filter, and urea water is contained in the exhaust gas. A urea injection nozzle for generating ammonia by spraying, and a turbocharger turbine disposed in the exhaust path downstream of the urea injection nozzle and stirring the sprayed urea water to promote decomposition of urea And disposed in the exhaust path downstream of the turbine, and detoxifies NOx in the exhaust gas by a reduction reaction with ammonia. The selective reduction catalyst and the diesel particulate filter adsorb and oxidize HC when the pressure difference between the front and rear of the diesel particulate filter is within a predetermined differential pressure range and the inlet temperature of the diesel particulate filter is equal to or lower than a predetermined temperature. Control means for performing control.
前記制御手段は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの前後差圧を検出する差圧センサと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口温度を検出する温度センサと、前記酸化触媒にHCを吸着及び酸化させるためにインジェクタによるポスト噴射又は排気管インジェクタによる排気管噴射を実行するコントローラとを有するものであっても良い。 The control means includes a differential pressure sensor for detecting a differential pressure across the diesel particulate filter, a temperature sensor for detecting an inlet temperature of the diesel particulate filter, and an injector for adsorbing and oxidizing HC on the oxidation catalyst. And a controller that performs exhaust injection by an exhaust pipe injector.
前記排気ガス浄化装置は、前記選択還元触媒よりも下流の前記排気経路に配設され、前記選択還元触媒から流出したアンモニアを酸化して無害化するための後段酸化触媒をさらに備えても良い。 The exhaust gas purification device may further include a rear-stage oxidation catalyst that is disposed in the exhaust path downstream of the selective reduction catalyst and oxidizes ammonia that has flowed out of the selective reduction catalyst to render it harmless.
前記酸化触媒が、前記ディーゼルエンジンのエキゾーストマニホールドの各気筒部分に配設された第1酸化触媒と、前記エキゾーストマニホールドの下流端に接続された排気配管に配設された第2酸化触媒とを有し、前記第1酸化触媒が、前記第2酸化触媒よりもCO浄化に優れたものであり、前記第2酸化触媒が、前記第1酸化触媒よりもHC浄化に優れたものであっても良い。 The oxidation catalyst has a first oxidation catalyst disposed in each cylinder portion of the exhaust manifold of the diesel engine and a second oxidation catalyst disposed in an exhaust pipe connected to a downstream end of the exhaust manifold. The first oxidation catalyst may be superior to the second oxidation catalyst for CO purification, and the second oxidation catalyst may be superior to the first oxidation catalyst for HC purification. .
前記第1酸化触媒が、酸素吸蔵材を有する酸化物と酸化物半導体とを含む触媒であり、前記第2酸化触媒が、金属触媒であっても良い。 The first oxidation catalyst may be a catalyst including an oxide having an oxygen storage material and an oxide semiconductor, and the second oxidation catalyst may be a metal catalyst.
前記酸素吸蔵材を有する酸化物が、Ceを含む酸化物であり、前記酸化物半導体が、TiO2、ZnO又はY2O3であっても良い。 The oxide having the oxygen storage material may be an oxide containing Ce, and the oxide semiconductor may be TiO 2 , ZnO, or Y 2 O 3 .
前記酸素吸蔵材を有する酸化物に、貴金属が坦持されていても良い。 A noble metal may be supported on the oxide having the oxygen storage material.
前記排気ガス浄化装置は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタよりも下流で且つ前記尿素噴射ノズルよりも上流の前記排気経路に接続された高圧EGR配管と、前記高圧EGR配管に配設された高圧EGR弁とをさらに備えても良い。 The exhaust gas purification device includes a high-pressure EGR pipe connected to the exhaust path downstream of the diesel particulate filter and upstream of the urea injection nozzle, and a high-pressure EGR valve disposed in the high-pressure EGR pipe. May be further provided.
前記排気ガス浄化装置は、前記選択還元触媒よりも下流の前記排気経路に接続された低圧EGR配管と、前記低圧EGR配管に配設された低圧EGR弁とをさらに備えても良い。 The exhaust gas purification device may further include a low pressure EGR pipe connected to the exhaust path downstream of the selective reduction catalyst, and a low pressure EGR valve disposed in the low pressure EGR pipe.
本発明に係るディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置によれば、各後処理ユニットの配置を工夫することで、排気ガスの熱を有効に利用でき、且つ小型化を図ることができる。 According to the exhaust gas purification apparatus for a diesel engine according to the present invention, the heat of the exhaust gas can be effectively used and the size can be reduced by devising the arrangement of each aftertreatment unit.
本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置の基本レイアウトを図1に示し、比較例に係る排気ガス浄化装置の基本レイアウトを図12に示す。 FIG. 1 shows a basic layout of an exhaust gas purification apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 12 shows a basic layout of an exhaust gas purification apparatus according to a comparative example.
<比較例>
まず、比較例に係る排気ガス浄化装置10aを図12を用いて説明する。
<Comparative example>
First, an exhaust
図12に示すように、ディーゼルエンジン11のエキゾーストマニホールド(排気マニホールド)12には排気配管13が接続され、ディーゼルエンジン11のインテークマニホールド(吸気マニホールド)14には吸気配管15が接続されている。エキゾーストマニホールド12及び排気配管13が排気経路16を構成し、インテークマニホールド14及び吸気配管15が吸気経路17を構成する。排気配管13及び吸気配管15には、ターボチャージャ18が接続されている。すなわち、排気配管13には、ターボチャージャ18のタービン19が配設され、吸気配管15には、ターボチャージャ18のコンプレッサ20が配設されている。
As shown in FIG. 12, an
コンプレッサ20よりも下流の吸気配管15には、インタークーラ21が配置されている。タービン19よりも上流の排気配管13とコンプレッサ20よりも下流で且つインタークーラ21よりも上流の吸気配管15とは、タービン19に向かう排気ガスの一部を吸気配管15に導く高圧EGR配管22aで接続されている。高圧EGR配管22aには、排気配管13側から順に、高圧EGR弁23aと高圧EGRクーラ24aとが配設されている。なお、高圧EGR弁23aよりも排気配管13側の高圧EGR配管22aに高圧EGRクーラ24aを配設しても良い。
An
タービン19よりも下流の排気配管13には、排気ガス中の有害物質(PM、NOx、CO、HC等)を浄化する後処理装置25aが配設されている。後処理装置25aについては後述する。後処理装置25aよりも下流の排気配管13とコンプレッサ20よりも上流の吸気配管15とは、図示しないマフラーに向かう排気ガスの一部を吸気配管15に導く低圧EGR配管26aで接続されている。低圧EGR配管26aには、排気配管13側から順に、低圧EGR弁27aと低圧EGRクーラ28aとが配設されている。なお、低圧EGR弁27aよりも排気配管13側の低圧EGR配管26aに低圧EGRクーラ28aを配設しても良い。
An
後処理装置25aは、内部に酸化触媒(以下、DOCという)29a及びディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、DPFという)30aが収容された第1ケーシング31aと、第1ケーシング31aの下流に配設され、排気配管13内に尿素水を噴霧する尿素噴射ノズル32aと、尿素噴射ノズル32aの下流に配設され、内部に尿素選択還元触媒(以下、SCRという)33aが収容された第2ケーシング34aとを有する。
The
DOC29aは、排気ガス中のCO、HCを酸化して浄化すると共にNOを酸化する機能を有し、DPF30aは、排気ガス中のPMを捕集する機能を有する。尿素噴射ノズル32aは、排気配管13内に噴霧した尿素水が加水分解や熱分解されることでアンモニア(NH3)を生成する機能を有する。SCR33aは、排気ガス中のNOxをアンモニアと還元反応させることで水と窒素に無害化する機能を有する。
The
比較例に係る排気ガス浄化装置10aは、後処理装置25aを構成する後処理ユニット(DOC29a、DPF30a、尿素噴射ノズル32a、SCR33a)の全てがタービン19の下流側に配置されているので、ディーゼルエンジン11の排気ポートから後処理装置25aまでの距離が長い。よって、ディーゼルエンジン11の排気ポートから流出した排気ガスは、排気配管13を通過する際に放熱され、タービン19で膨張した後、後処理装置25aに到達する。このため、ディーゼルエンジン11の運転状態によっては、DOC29a、DPF30a、SCR33aの温度が触媒活性温度(250℃程度)まで上昇しない場合がある。
In the exhaust
<実施形態>
次に、本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置10を図1を用いて説明する。
<Embodiment>
Next, an exhaust
本実施形態は上述した比較例と共通の構成要素を有するので、共通の構成要素には共通の符号を付して説明を省略する。なお、排気ガス浄化装置10及び後処理装置25等については、添字「a」が付されているものが比較例を表し、添字「a」が無いものが本実施形態を表す。
Since this embodiment has the same constituent elements as the comparative example described above, the common constituent elements are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. As for the exhaust
図1に示すように、本実施形態に係るディーゼルエンジン11の排気ガス浄化装置10は、ディーゼルエンジン11の排気経路16に配設され、排気ガス中のCO、HCを浄化すると共にNOを浄化する前段のDOC(酸化触媒)29と、DOC29よりも下流の排気経路16に配設され、排気ガス中のPMを捕集するDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)30と、DPF30よりも下流の排気経路16に配設され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズル32と、尿素噴射ノズル32よりも下流の排気経路16に配設され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するターボチャージャ18のタービン19と、タービン19よりも下流の排気経路16に配設され、排気ガス中のNOxをアンモニアと還元反応させることで無害化するSCR(選択還元触媒:尿素SCR)33と、DPF30の前後差圧が所定の差圧範囲内で且つDPF30の入口温度が所定の温度以下のとき、DOC29にHCを吸着及び酸化させる制御(本実施形態では、連続再生制御と称する)を行う制御手段36(図2参照)とを備える。また、SCR33よりも下流の排気経路16には、SCR33から流出したアンモニアを酸化して無害化するための後段酸化触媒(R−DOC)35が配設されている。なお、図2においては、ディーゼルエンジン11の排気経路16の一部のみを図示し、吸気経路17等は図示していない。
As shown in FIG. 1, an exhaust
各後処理ユニット(DOC29、DPF30、尿素噴射ノズル32、SCR33、R−DOC35)については、後ほど詳述する。
Each post-processing unit (DOC29, DPF30,
また、本実施形態に係る排気ガス浄化装置10では、DPF30よりも上流の排気配管13、及び、DPF30よりも下流で且つ尿素噴射ノズル32よりも上流の排気配管13とインタークーラ21よりも下流の吸気配管15とが、タービン19に向かう排気ガスの一部を吸気配管15に導く高圧EGR配管22で接続されている。高圧EGR配管22には、排気配管13側から順に、高圧EGR弁23と高圧EGRクーラ24とが配設されている。なお、高圧EGR弁23よりも排気配管13側の高圧EGR配管22に高圧EGRクーラ24を配設しても良い。
Further, in the exhaust
また、本実施形態に係る排気ガス浄化装置10では、高圧EGR配管22は、DPF30よりも下流で且つ尿素噴射ノズル32よりも上流の排気経路16に接続された下流側EGR配管22xと、後述するM/F−DOC29xよりも下流で且つ後述するP/T−DOC29yよりも上流の排気経路16に接続された上流側EGR配管22yと、インタークーラ21よりも下流の吸気経路17に接続され、下流側EGR配管22x及び上流側EGR配管22yを合流させる吸気側EGR配管22zとを有し、高圧EGR弁23は、下流側EGR配管22xに配設された下流側EGR弁23xと、上流側EGR配管22yに配設された上流側EGR弁23yとを有する。また、高圧EGRクーラ24は吸気側EGR配管22zに配設されている。
In the exhaust
なお、下流側EGR配管22x及び下流側EGR弁23xと、上流側EGR配管22y及び上流側EGR弁23yとのうち一方は、省略可能である。すなわち、高圧EGR配管22を下流側EGR配管22x及び吸気側EGR配管22zのみの構成としても良く、高圧EGR配管22を上流側EGR配管22y及び吸気側EGR配管22zのみの構成としても良い。
Note that one of the
さらに、本実施形態に係る排気ガス浄化装置10では、SCR33よりも下流の排気配管13とコンプレッサ20よりも上流の吸気配管15とが、図示しないマフラーに向かう排気ガスの一部を吸気配管15に導く低圧EGR配管26で接続されている。低圧EGR配管26には、排気配管13側から順に、低圧EGR弁27と低圧EGRクーラ28とが配設されている。なお、低圧EGR弁27よりも排気配管13側の低圧EGR配管26に低圧EGRクーラ28を配設しても良い。
Further, in the exhaust
図2に示すように、制御手段36は、DPF30の前後差圧を検出する差圧センサ37と、DPF30の入口温度を検出する温度センサ38と、差圧センサ37の検出値と温度センサ38の検出値とに応じて、ディーゼルエンジン11に設けたインジェクタ39及び排気配管13に設けた排気管インジェクタ40を駆動制御するコントローラ(ECU)41とを有する。より詳しくは、ECU41は、DOC29(M/F−DOC29x、P/T−DOC29y)にHCを吸着及び酸化させるためにインジェクタ39によるポスト噴射又は排気管インジェクタ40による排気管噴射を実行する。なお、排気管噴射を行わない場合には、排気管インジェクタ40は省略可能である。
As shown in FIG. 2, the control means 36 includes a
ECU41は、図3に示すような制御フローに従ってDOC29のHC吸着及び酸化制御(連続再生制御)を行う。
The
具体的には、ECU41は、差圧センサ37の検出値(DPF30の前後差圧P)が連続再生判定差圧ΔPL以上で且つ自動再生判定差圧ΔPH以下であり、温度センサ38の検出値(DPF30の入口温度T)が連続再生制御開始温度TL以下であるときに、インジェクタ39によるポスト噴射又は排気管インジェクタ40による排気管噴射を実行する。つまり、本実施形態に係る排気ガス浄化装置10においては、DOC29に吸着させたHCの脱離及び酸化を利用して、DPF再生の補助熱に利用する。
Specifically,
ECU41により実行される連続再生制御の制御フローを図3により説明する。
A control flow of the continuous regeneration control executed by the
ステップS1で、DPF30の入口温度T及びDPF30の前後差圧ΔPの測定を行い、ステップS2で、DPF30の前後差圧ΔPが連続再生判定差圧ΔPL以上(ΔP≧ΔPL)であるかを判断する。ステップS2でDPF30の前後差圧ΔPがΔPLより小であるときは、ステップS1に戻る。
In step S1, the inlet temperature T of the
ステップS2でDPF30の前後差圧ΔPがΔPL以上であるときは、ステップS3で、DPF30の前後差圧ΔPが自動再生判定差圧ΔPH以下(ΔP≦ΔPH)であるかを判断する。ステップS3でDPF30の前後差圧ΔPが自動再生判定差圧ΔPHより大であるときは、本制御フローを終了して自動再生制御の制御フロー50へと進む。自動再生判定差圧ΔPHは、自動再生時期(強制再生時期)を判定するための設定値であり、連続再生判定差圧ΔPLよりも大きい値に設定される。
When the front-rear differential pressure ΔP of the
ステップS3でDPF30の前後差圧ΔPが自動再生判定差圧ΔPH以下であるときは、ステップS4で、DPF30の入口温度Tが連続再生制御開始温度TL以下(T≦TL)であるかを判断する。ステップS4でDPF30の入口温度TがTLより大であるときは、ステップS9へ進む。連続再生制御開始温度TLは、例えば、200℃〜250℃に設定される。 When in step S3 the differential pressure [Delta] P of the DPF30 is less automatic regeneration determination differential pressure [Delta] P H, at step S4, whether the inlet temperature T of the DPF30 is a continuous regeneration control start temperature T L or less (T ≦ T L) Judging. When in step S4 the inlet temperature T of the DPF30 is greater than T L, the flow advances to step S9. The continuous regeneration control start temperature TL is set to 200 ° C. to 250 ° C., for example.
ステップS4でDPF30の入口温度Tが連続再生制御開始温度TL以下であるときは、ステップS5で、DPF30の入口温度Tが連続再生制御終了温度TH以下(T≦TH)であるかを判断する。ステップS5でDPF30の入口温度TがTHより大であるときは、ステップS9へ進む。連続再生制御終了温度THは、連続再生制御開始温度TLよりも高い値に設定され、例えば、300℃〜350℃に設定される。
When the inlet temperature T in
ステップS5でDPF30の入口温度Tが連続再生制御終了温度TH以下であるときは、ステップS6で、インジェクタ39によるポスト噴射又は排気管インジェクタ40による排気管噴射を実行する。
When the inlet temperature T in
次いで、ステップS7で、DPF30の入口温度T及びDPF30の前後差圧ΔPの測定を行い、ステップS8で、DPF30の入口温度Tが連続再生制御開始温度TL以下(T≦TL)であるかを判断する。ステップS8でDPF30の入口温度TがTLより大であるときは、ステップS5に戻る。
Next, in step S7, the inlet temperature T of the
ステップS8でDPF30の入口温度Tが連続再生制御開始温度TL以下であるときは、ステップS9で、DPF30の前後差圧ΔPが連続再生判定差圧ΔPL以下(ΔP≦ΔPL)であるかを判断する。ステップS9でDPF30の前後差圧ΔPがΔPLより大であるときは、ステップS5に戻り、ステップS9でDPF30の前後差圧ΔPがΔPL以下であるときには、本制御フローを終了(リターン)する。
When the inlet temperature T in
また、ECU41は、図示しない制御フローに従って自動再生制御(強制再生制御)と称される制御を行う。
Further, the
具体的には、ECU41は、差圧センサ37の検出値(DPF30の前後差圧ΔP)が自動再生判定差圧ΔPHより大であり、温度センサ38の検出値(DPF30の入口温度T)が自動再生制御開始温度TA以下のときに、インジェクタ39によるポスト噴射又は排気管インジェクタ40による排気管噴射を実行する。すなわち、ECU41は、基本的に、差圧センサ37の検出値(DPF30の前後差圧ΔP)が自動再生判定差圧ΔPH以下となるまで自動再生制御を行う。自動再生制御開始温度TAは、連続再生制御開始温度TL及び連続再生制御終了温度THよりも高い値に設定され、例えば、450℃〜500℃に設定される。
Specifically,
次に、本実施形態の効果を説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described.
タービン19の上流側の排気経路16にDPF30を配設することで、タービン19の膨張比の影響が無い分、本実施形態は比較例に比べて、DPF圧力損失の増加がエキゾーストマニホールド圧力、トルクに及ぼす影響は相対的に小さくなる。その結果、図4に示すように、トルク、エキゾーストマニホールド圧力等のエンジン性能に及ぼす影響を同一にした場合、本実施形態はDPF30の直径を比較例に比べて同一長さで40%ほど小さくできる。DPF30の小型化(熱容量低減)により、DPF再生時の昇温時間を短縮することができる。
By disposing the
また、タービン19の上流側の排気経路16にDPF30を配設することで、本実施形態はDPF30を比較例よりディーゼルエンジン11の排気ポートに近接することができる。従って、図5に示すように、本実施形態はDPF30の入口温度を比較例より100℃以上高温に保つことができる。そのため、DPF30の連続再生(DPF30の入口温度が250℃〜500℃)ができる頻度を増やすことができる。さらに、図6に示すように、本実施形態はDPF30の入口温度が所定温度に達するまでの昇温時間を比較例に比べて短縮できる。よって、排気ガスの熱を有効に利用でき、各後処理ユニット(DOC29、DPF30、SCR33、R−DOC35)の温度を触媒活性温度(250℃程度)に確保し易くなる。
Further, by disposing the
これらの優位点を踏まえて、本実施形態に係る排気ガス浄化装置10では、図3に示すようなDOC29のHC吸着及び酸化制御(連続再生制御)を行い、DPF30の連続再生(DPF30の入口温度が250℃〜500℃)ができる頻度をさらに増加させた。すなわち、連続再生制御を加えることで、DPF30の連続再生ができる頻度を増加させることができる。その結果、DPF30の目詰まりを未然に防止して自動再生制御(強制再生制御)を極力行わないようにでき、図7に示すように、本実施形態はDPF30の自動再生(DPF30の入口温度が500℃以上)の間隔を比較例に比べて大幅に伸ばすことができた。これらの結果、図8に示すように、本実施形態はDPF再生時のCO2排出量を大幅に低減することができた。なお、DOC29にCeO2(酸化セリウム)、ZrO2(酸化ジルコニウム)等のCOを多く吸着できるCO吸着材(一酸化炭素吸着材)を使用することで、DOC29の発熱量をさらに増やすことも可能である。
Based on these advantages, the exhaust
また、タービン19の上流側の排気経路16にDPF30を配設することで、DPF30の小型化が可能となり、レイアウトの自由度が増える。さらに、DPF30がタービン19のオイル由来の灰分の影響を受けないため、DPF30の目詰まり抑制にも有利である。加えて、タービン19上流のDPF30の直下(高圧EGR配管22の下流側EGR配管22x)又はディーゼルエンジン11の排気ポートに近接化させたSCR33の直下(低圧EGR配管26)で排気経路16から排気ガスを取り出すことができるので、EGR経路(高圧EGR配管22又は低圧EGR配管26)の短縮が可能である。さらに、EGR装置(高圧EGR配管22、高圧EGR弁23、高圧EGRクーラ24、低圧EGR配管26、低圧EGR弁27、低圧EGRクーラ28)の防汚対策に有効である。
In addition, by disposing the
各後処理ユニットについて詳述する。 Each post-processing unit will be described in detail.
〔DOC〕
DOC29は、ディーゼルエンジン11のエキゾーストマニホールド12の各気筒部分に配設された第1酸化触媒(M/F−DOC:マニホールド酸化触媒)29xと、エキゾーストマニホールド12の下流端に接続された排気配管13に配設された第2酸化触媒(P/T−DOC:プレタービン酸化触媒)29yとを有する。上流側のM/F−DOC29xは、下流側のP/T−DOC29yよりもCO浄化に優れたものが用いられ、下流側のP/T−DOC29yは、上流側のM/F−DOC29xよりもHC浄化に優れたものが用いられる。DOCは、一般的に、排気ガス中にCOが存在しない方がHCの吸着及び浄化が良好であり、排気ガス中にHCが存在していてもCOの吸着及び浄化が悪化することはないという性質を有するからである。なお、排気温度及びHC/CO濃度等によっては、DOC29をM/F−DOC29xのみの構成とすることも可能である(図11参照)。
[DOC]
The
M/F−DOC29xは、CO浄化(CO吸着)に優れる酸素吸蔵材(OSC:Oxygen Storage Capacity)を有する酸化物と酸化物半導体とを含む触媒からなり、P/T−DOC29yは、HC浄化(HC吸着)に優れる金属触媒(Pt触媒等)からなる。このようにDOC29を構成することで、低温活性に優れた触媒構成が得られると共に、DOC29全体を小型化でき、タービン19の上流側に無理なく配設することができる。
M / F-DOC29x consists of a catalyst containing an oxide and an oxide semiconductor having an oxygen storage material (OSC: Oxygen Storage Capacity) excellent in CO purification (CO adsorption), and P / T-DOC29y is an HC purification ( It consists of a metal catalyst (Pt catalyst etc.) excellent in HC adsorption). By configuring the
なお、M/F−DOC29xは、OSCを有する酸化物と酸化物半導体とが混在した触媒を含む触媒層としてもよく、P/T−DOC29yは、貴金属触媒(Pt触媒等)とHC吸着材とが混在した触媒を用いてもよい。また、OSCを有する酸化物には、セリウム(Ce)を含む酸化物(酸化セリウム等)が用られ、この酸化物に貴金属(Pt等)が坦持されていてもよい。また、酸化物半導体には、TiO2、ZnO又はY2O3が用いられる。
The M / F-
ところで、高圧EGR配管22を介して吸気経路17に還流する排気ガスは、M/F−DOC29xの下流で且つ尿素噴射ノズル32の上流の排気配管13から分岐する(下流側EGR配管22x、上流側EGR配管22y)。さらに、低圧EGR配管26を介して吸気経路17に還流する排気ガスは、SCR33の下流の排気配管13から分岐する。これにより、DOC29(M/F−DOC29x、P/T−DOC29y)、DPF30、SCR33を通過した後の排気ガスが、高圧EGR配管22(下流側EGR配管22x、上流側EGR配管22y、吸気側EGR配管22z)又は低圧EGR配管26を通って吸気配管15に還流される。よって、還流される排気ガス中の未燃焼物質(SOF成分:Soluble Organic Fraction Element)が低減され、SOFによるEGR弁(高圧EGR弁23、低圧EGR弁27)やEGRクーラ(高圧EGRクーラ24、低圧EGRクーラ28)の詰まり、腐食等の悪影響を抑制できる。
By the way, the exhaust gas recirculated to the
〔尿素噴射ノズル〕
比較例では、尿素噴射ノズル32aは、タービン19の下流の排気配管13に配設されている。比較例の配置で尿素水を噴射して略均一に拡散させるためには、尿素噴射位置からSCR33aの入口まである程度の距離(例えば、25cm以上の距離)が必要となる。
[Urea injection nozzle]
In the comparative example, the
一方、本実施形態では、尿素噴射ノズル32は、DPF30の下流で且つタービン19の上流の排気配管13に配設されている。このため、尿素噴射ノズル32から噴霧された尿素水がタービン19によって攪拌され、タービン19の下流側で略均一に拡散され、尿素の加水分解や熱分解が促進される。このため、尿素噴射ノズル32の尿素噴射位置からSCR33の入口までの距離を比較例よりも近付けることができ、さらにはタービン19の通過後における尿素の排気配管13中への噴霧拡散が均一化される。加えて、尿素噴射位置の温度(DPF出口温度)を比較例より100℃以上高く保つことができる(図4参照)ので、図9及び図10に示すように、本実施形態は尿素からアンモニア(NH3)への生成率を比較例に比べて向上させることが可能となり、本実施形態はJE05モード平均でSCR33のNOx浄化率を比較例に比べて改善できる。
On the other hand, in the present embodiment, the
ところで、高EGR燃焼させた際には排気ガス中に硫黄酸化物(SOx)が生じるが、このSOxによる排気配管13、タービン19の腐食は、以下の反応を利用して抑制される。
By the way, when high EGR combustion is performed, sulfur oxide (SOx) is generated in the exhaust gas. Corrosion of the
先ず、尿素噴射ノズル32から噴霧された尿素水が加水分解、熱分解して生成されたアンモニア(NH3)と排気ガス中のSO4等とが反応して、2NH3+SO4→(NH4)2SO4が生成される。生成された(NH4)2SO4は、中和物なので、排気配管13、タービン19の腐食の問題は生じない。
First, ammonia (NH 3 ) generated by hydrolysis and thermal decomposition of urea water sprayed from the
その後、この(NH4)2SO4がタービン19の下流のSCR33に捕捉され、熱分解してアンモニア(NH3)が生成され、このアンモニア(NH3)がSCR33にてNOxの還元反応に使用される。
Thereafter, the (NH 4 ) 2 SO 4 is captured by the
〔DPF〕
DPF30のフィルタ本体は、気孔率や気孔径、壁厚の適正化を図ることで、浄化特性(PMの捕集特性)は従来品と同等で、且つ圧力損失の小さい構造としている。この改良により、従来品よりも体積が50%以上小さい小型のDPF30を用いた。
[DPF]
The filter body of the
なお、図1では、P/T−DOC29y及びDPF30は同一の第1ケーシング31内に収容されているが、第1ケーシング31をP/T−DOC29yとDPF30とで別体とし、それらの間を短い配管で接続してもよい。
In FIG. 1, the P / T-
〔SCR〕
SCR33には、触媒坦体(モノリス触媒)等を用いることで、比体積当たりの触媒量を増加させ、体積を従来比50%以上低減した小型のSCR33を用いた。
[SCR]
As the
〔R−DOC〕
尿素噴射ノズル32から噴霧された尿素水により生成されたアンモニア(NH3)が全てSCR33で消費されるように、ディーゼルエンジン11の運転状態に応じて尿素水の噴霧量を制御すれば、R−DOC35を省略可能である(図11参照)。すなわち、R−DOC35は必要に応じて配設すれば良い。
[R-DOC]
If the spray amount of urea water is controlled according to the operating state of the
なお、図1では、SCR33及びR−DOC35は同一の第2ケーシング34内に収容されているが、第2ケーシング34をSCR33とR−DOC35とで別体とし、それらの間を短い配管で接続してもよい。
In FIG. 1, the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の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。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various other embodiments can be adopted.
例えば、本発明は多段ターボを有するディーゼルエンジンにも適用可能である。その場合、最上段(ディーゼルエンジンの排気ポート側)に位置するタービンよりも上流の排気経路にDOC及びDPFを配設し、最下段に位置するタービンよりも下流の排気経路にSCR及びR−DOCを配設することになる。 For example, the present invention can be applied to a diesel engine having a multi-stage turbo. In that case, DOC and DPF are arranged in the exhaust path upstream of the turbine located in the uppermost stage (diesel engine exhaust port side), and SCR and R-DOC are arranged in the exhaust path downstream of the turbine located in the lowermost stage. Will be disposed.
10 排気ガス浄化装置
11 ディーゼルエンジン
16 排気経路
18 ターボチャージャ
19 タービン
22 高圧EGR配管
23 高圧EGR弁
26 低圧EGR配管
27 低圧EGR弁
29 酸化触媒(DOC)
29x 第1酸化触媒(M/F−DOC)
29y 第2酸化触媒(P/T−DOC)
30 ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)
32 尿素噴射ノズル
33 尿素選択還元触媒(SCR)
35 後段酸化触媒(R−DOC)
36 制御手段
37 差圧センサ
38 温度センサ
39 インジェクタ
40 排気管インジェクタ
41 ECU(コントローラ)
DESCRIPTION OF
29x 1st oxidation catalyst (M / F-DOC)
29y Second oxidation catalyst (P / T-DOC)
30 Diesel particulate filter (DPF)
32
35 Back-stage oxidation catalyst (R-DOC)
36 Control means 37
Claims (9)
前記酸化触媒よりも下流の前記排気経路に配設され、排気ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタよりも下流の前記排気経路に配設され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズルと、
前記尿素噴射ノズルよりも下流の前記排気経路に配設され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するターボチャージャのタービンと、
前記タービンよりも下流の前記排気経路に配設され、排気ガス中のNOxをアンモニアと還元反応させることで無害化する選択還元触媒と、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの前後差圧が所定の差圧範囲内で且つ前記ディーゼルパティキュレートフィルタの入口温度が所定の温度以下のとき、前記酸化触媒にHCを吸着及び酸化させる制御を行う制御手段と
を備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。 An oxidation catalyst disposed in the exhaust path of the diesel engine to purify CO and HC in the exhaust gas;
A diesel particulate filter disposed in the exhaust path downstream of the oxidation catalyst and collecting particulate matter in the exhaust gas;
A urea injection nozzle that is disposed in the exhaust path downstream of the diesel particulate filter and generates ammonia by spraying urea water into the exhaust gas;
A turbocharger turbine disposed in the exhaust path downstream of the urea injection nozzle and agitating the sprayed urea water to promote decomposition of urea;
A selective reduction catalyst that is disposed in the exhaust path downstream of the turbine and detoxifies by reducing the NOx in the exhaust gas with ammonia;
Control means for performing control to adsorb and oxidize HC on the oxidation catalyst when the differential pressure across the diesel particulate filter is within a predetermined differential pressure range and the inlet temperature of the diesel particulate filter is equal to or lower than a predetermined temperature; An exhaust gas purifying device for a diesel engine characterized by comprising:
前記第1酸化触媒が、前記第2酸化触媒よりもCO浄化に優れたものであり、
前記第2酸化触媒が、前記第1酸化触媒よりもHC浄化に優れたものである
請求項1から3のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。 The oxidation catalyst has a first oxidation catalyst disposed in each cylinder portion of the exhaust manifold of the diesel engine and a second oxidation catalyst disposed in an exhaust pipe connected to a downstream end of the exhaust manifold. And
The first oxidation catalyst is more excellent in CO purification than the second oxidation catalyst;
The exhaust gas purification apparatus for a diesel engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the second oxidation catalyst is more excellent in HC purification than the first oxidation catalyst.
前記第2酸化触媒が、金属触媒である
請求項4に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。 The first oxidation catalyst is a catalyst containing an oxide having an oxygen storage material and an oxide semiconductor;
The exhaust gas purification apparatus for a diesel engine according to claim 4, wherein the second oxidation catalyst is a metal catalyst.
前記酸化物半導体が、TiO2、ZnO又はY2O3である
請求項5に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。 The oxide having the oxygen storage material is an oxide containing Ce,
Wherein the oxide semiconductor is, the exhaust gas purifying device for a diesel engine according to claim 5 which is a TiO 2, ZnO or Y 2 O 3.
請求項5又は6に記載のディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置。 The exhaust gas purification device for a diesel engine according to claim 5 or 6, wherein a noble metal is supported on the oxide having the oxygen storage material.
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