JP2013245606A

JP2013245606A - 排気ガス浄化システム

Info

Publication number: JP2013245606A
Application number: JP2012119682A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Maekawa; 弘吉前川; Keisuke Nakamura; 圭介中村; Kenji Shiotani; 健二塩谷
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-12-09

Abstract

【課題】直列に接続されたＤＯＣ、ＤＰＦ及びＳＣＲを備えた排気ガス浄化システムにおいて、燃費の悪化を抑制できるとともに、ＮＯｘの浄化性能を向上できる排気ガス浄化システムを提供する。
【解決手段】ＤＯＣ２の上流側の管路１に、加熱ヒータ８Ａ、８Ｂを有するＮＯｘ吸着体９Ａ、９Ｂがそれぞれ介設された２本のバイパス管６Ａ、６Ｂを流路切替手段７を介して並列に取り付けて、ＤＯＣ２の温度が低温である場合には、一方のバイパス管６Ａのみに排気ガスＧを流してＮＯｘ吸着体９Ａに飽和するまでＮＯｘを吸着させ、飽和した後は他方のバイパス管６Ｂのみに排気ガスＧを流してＮＯｘ吸着体９Ｂに飽和するまでＮＯｘを吸着させるとともに、一方のバイパス管６Ａに酸化性ガスを流してＮＯ₂を生成させ、加熱ヒータ８ＡによりＮＯ₂リッチなＮＯｘを脱離させ後段のＤＰＦ３及びＳＣＲ４へ供給することをバイパス管６Ａ、６Ｂ間で交互に繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は排気ガス浄化システムに関し、更に詳しくは、直列に接続されたＤＯＣ、ＤＰＦ及びＳＣＲを備えた排気ガス浄化システムにおいて、燃費の悪化を抑制できるとともに、ＮＯｘの浄化性能を向上できる排気ガス浄化システムに関する。

一般的なディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムの例として、図６に示すように、排気ガスＧの流路に直列に接続された、酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）２、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）３及び選択触媒還元方式（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）４から構成されたものが挙げられる（例えば、特許文献１を参照）。この排気ガス浄化システムにおいて、ディーゼルエンジンの排気ガスＧは、ＤＯＣ２において炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を分解除去されてから、ＤＰＦ３において粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去された後に、ＳＣＲ４において尿素噴射ノズル５から供給された尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ₃）を用いて窒化酸化物（ＮＯｘ）が浄化される。また、ＤＯＣ２は、排気ガス中に含まれるＮＯｘの大半を占める一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ₂）を生成する機能も有している。この機能を利用することで、ＤＰＦ３に捕集されたＰＭの燃焼（ＰＭ再生）を促進することや、ＳＣＲ４のＮＯｘ浄化効率を向上することが可能になる。

しかしながら、上記の排気ガス浄化システムにおいては、コールドスタート時などでＤＯＣ２の温度が約１５０℃以下の低温になると、ＤＯＣ２の活性を十分に得ることができなくなって、ＮＯ→ＮＯ₂の生成反応が進行しにくくなることがある。また、ＤＯＣ２の温度が約４００℃以上の高温になると、ＮＯ₂→ＮＯの分解反応の方が生成反応よりも優勢となる。そのため、ＤＯＣ２の温度が低温又は高温となる条件下では、後段のＤＰＦ３やＳＣＲ４へ充分な濃度のＮＯ₂を供給することが困難となってしまう。

そのような事態になると、ＤＰＦ３においては、ＮＯ₂の酸化力を利用してＰＭ再生を行うことができなくなるので、燃料噴射によりＰＭを燃焼除去する強制再生を行うこととなり、燃費を悪化させることになってしまう。更に、ＳＣＲ４においては、ＮＨ₃によるＮＯｘの還元反応が低下して、ＮＯｘ浄化性能が低下するおそれがある。

特開２０１１−１９０７２０号公報

本発明の目的は、直列に接続されたＤＯＣ、ＤＰＦ及びＳＣＲを備えた排気ガス浄化システムにおいて、燃費の悪化を抑制できるとともに、ＮＯｘの浄化性能を向上できる排気ガス浄化システムを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の排気ガス浄化システムは、車両に搭載されたディーゼルエンジンの排気ガスの管路に、下流側へ向けて直列に接続されたＤＯＣ、ＤＰＦ及びＳＣＲを備えた排気ガス浄化システムにおいて、前記ＤＯＣの上流側の管路に、加熱手段を有するＮＯｘ吸着体がそれぞれ介設された２本のバイパス管を流路切替手段を介して並列に取り付けるとともに、前記ＮＯｘ吸着体の入口に酸化性ガス供給手段をそれぞれ設け、前記ＤＯＣの温度が予め設定した温度未満である場合には、・前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記一方のバイパス管のみに切り替えて、該排気ガス中のＮＯｘを前記ＮＯｘ吸着体に吸着させるステップと、・前記ＮＯｘ吸着体の吸着量が飽和したときは、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記他方のバイパス管のみに切り替えるステップと、・前記一方のバイパス管の前記酸化性ガス供給手段から酸化性ガスを供給して前記ＮＯｘ吸着体に吸着しているＮＯを酸化してＮＯ₂を生成させるステップと、・前記他方のバイパス管に介設されたＮＯｘ吸着体の吸着量が飽和したときは、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記一方のバイパス管のみに切り替えてから、該一方のバイパス管の前記加熱手段により前記ＮＯｘ吸着体を加熱して吸着しているＮＯｘを脱離させて放出するステップと、・前記他方のバイパス管の前記酸化性ガス供給手段から酸化性ガスを供給して前記ＮＯｘ吸着体に吸着しているＮＯを酸化してＮＯ₂を生成させるステップと、・前記一方のバイパス管におけるＮＯｘの放出が終了した後に、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記他方のバイパス管のみに切り替えてから、該他方のバイパス管の前記加熱手段により前記ＮＯｘ吸着体を加熱して吸着しているＮＯｘを脱離させて放出するステップと、を繰り返し行い、前記ＤＯＣの温度が前記予め設定した温度以上となった場合には、前記いずれかのバイパス管におけるＮＯｘの放出が完了した時点で、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記管路のみに切り替えることを特徴とするものである。

本発明の排気ガス浄化システムによれば、ＤＯＣの温度が低温である場合でも、後段のＤＰＦ及びＳＣＲに二酸化窒素を供給するようにしたので、ＤＰＦにおいて二酸化窒素の酸化力によるＰＭ燃焼が促進されて、燃料噴射による強制再生の頻度が低下するため、燃費の悪化を抑制することができる。また、ＤＯＣが低温時に排気ガス中のＮＯｘを吸着処理するとともに、供給された二酸化窒素によりＳＣＲの機能が確保されてＮＯｘの還元反応が促進されるので、ＮＯｘの浄化性能を向上することができる。

本発明の実施形態からなる排気ガス浄化システムの構成図である。本発明の実施形態からなる排気ガス浄化システムにおいてＤＯＣ温度が予め設定した温度未満である場合のＥＣＵの機能を説明するフロー図である。本発明の実施形態からなる排気ガス浄化システムにおけるＤＯＣ温度が予め設定した温度以上である場合のＥＣＵの機能を説明するフロー図である。実施例における走行モードを表すグラフである。実施例の結果を示すグラフである。従来の排気ガス浄化システムの構成図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態からなる排気ガス浄化システムを示す。

この排気ガス浄化システムは、ディーゼルエンジンの排気ガスＧが流れる管路１に、上流側から直列に順に配置されたＤＯＣ２、ＤＰＦ３及びＳＣＲ４を備えている。

ＤＯＣ２は、排気ガスＧの混合機能を有する構造に成形した金属製の担持体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。ＤＰＦ３は、多孔質セラミック製のハニカムのチャンネル（セル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウオールフローフィルタから形成される。

また、ＳＣＲ４は、コージェライトや酸化アルミニウムや酸化チタン等で形成されるハニカム構造等の担持体に、チタニア−バナジア、β型ゼオライト、酸化クロム、酸化マンガン、酸化モリブデン、酸化チタン、酸化タングステン等を担持して形成され、入口に設けられた尿素噴射ノズル５から供給された尿素水が加水分解されて生成したＮＨ₃を用いて排気ガスＧ中のＮＯｘを還元浄化する。

そして、ＤＯＣ２の上流側の管路１には、第１バイパス管６Ａ及び第２バイパス管６Ｂが、流路切替手段７を介して並列に取り付けられている。

第１及び第２バイパス管６Ａ、６Ｂには、加熱ヒータ８Ａ、８Ｂにより加熱されるＮＯｘ吸着体９Ａ、９Ｂがそれぞれ介設されている。ＮＯｘ吸着体９Ａ、９Ｂとしては、金属担持ゼオライト系、金属酸化物又はアルカリ土類金属化合物を含有する材料などが好ましく例示される。それらのＮＯｘ吸着体９Ａ、９Ｂの入口には、オゾンやＯＨラジカルなどを供給する酸化性ガス供給手段１０Ａ、１０Ｂがそれぞれ設けられている。この酸化性ガス供給手段１０Ａ、１０Ｂとしては、オゾン発生用ランプや無声放電の他に、オゾン発生装置に接続するガス噴射ノズルなどが例示される。

流路切替手段７は、管路１、第１バイパス管６Ａ及び第２バイパス管６Ｂの分岐部と合流部とにそれぞれ設置された２台の切替弁７ａ、７ｂから構成されている。これら２台の切替弁７ａ、７ｂの開度をそれぞれ適切に遠隔操作することで、排気ガスＧの流路を任意に設定することができる。なお、流路切替手段７は、排気ガスＧの流路を任意に設定できるものであれば、この構成に限定されるものではない。

合流部の切替弁７ｂの下流側の管路１には、排気ガスＧ中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘセンサ１１が設置されている。また、ＤＯＣ２の入口には、排気ガスＧの温度を測定する温度センサ１２が設置されている。この温度センサ１２の測定値は、一般的に直接測定が困難であるＤＯＣ２の温度を推定するために用いられる。

上述した流路切替手段７、加熱ヒータ８Ａ、８Ｂ、酸化性ガス供給手段１０Ａ、１０Ｂ、ＮＯｘセンサ１１及び温度センサ１２は、それぞれＥＣＵ１３に信号線（一点鎖線で示す）を通じて接続している。

このような排気ガス浄化システムにおけるＥＣＵ１３の機能を図２、３に基づいて以下に説明する。なお、排気ガスＧの流路の切り替えは、流路切替手段７を操作することにより行う。

図２に示すように、ＥＣＵ１３は温度センサ１２の測定値から推定したＤＯＣ２の温度を予め設定した温度αと比較して（Ｓ１０）、予め設定した温度α未満であると判断した場合には、排気ガスＧが第１バイパス管６Ａのみに流れるように流路を切り替えて、排気ガスＧ中のＮＯｘを第１ＮＯｘ吸着体９Ａに吸着させる（Ｓ１２）。このＤＯＣ２の温度αは、ディーゼルエンジンが始動直後のコールド時、アイドリング時又は低負荷運転時であるかを判定するしきい値であり、約１５０〜２００℃の範囲の値が例示される。

次に、ＮＯｘセンサ１１の測定値から第１ＮＯｘ吸着体９Ａの吸着量が飽和したかを判定し（Ｓ１４）、飽和したと判断したときには、排気ガスＧが第２バイパス管６Ｂのみを流れるように流路を切り替えて、排気ガスＧ中のＮＯｘを第２ＮＯｘ吸着体９Ｂに吸着させる（Ｓ１６）。このとき、密閉系となっている第１バイパス管６Ａにおいては、第１酸化性ガス供給手段１０Ａから酸化性ガスを供給して第１ＮＯｘ吸着体９Ａに吸着しているＮＯを酸化してＮＯ₂を生成させる（Ｓ１８）。

そして、ＮＯｘセンサ１１の測定値から第２ＮＯｘ吸着体９Ｂの吸着量が飽和したかを判定し（Ｓ２０）、飽和したと判断したときには、排気ガスＧが第１バイパス管６Ａのみに流れるように流路を切り替えて（Ｓ２２）、第１加熱ヒータ８Ａにより第１ＮＯｘ吸着体９Ａを加熱して吸着しているＮＯ₂含有率の高いＮＯｘを脱離させて放出し、後段のＤＰＦ３及びＳＣＲ４に供給する（Ｓ２４）。このとき、密閉系となっている第２バイパス管６Ｂにおいては、第２酸化性ガス供給手段１０Ｂから酸化性ガスを供給して第２ＮＯｘ吸着体９Ｂに吸着しているＮＯを酸化してＮＯ₂を生成させる（Ｓ２６）。

そして、ＮＯｘセンサ１１の測定値から第１バイパス管６ＡからのＮＯｘの放出が終了したかを判定し（Ｓ２８）、終了したと判断したときには、排気ガスＧが第２バイパス管６Ｂのみに流れるように流路を切り替えて（Ｓ３０）、第２加熱ヒータ８Ｂにより第２ＮＯｘ吸着体９Ｂを加熱して吸着しているＮＯ₂含有率の高いＮＯｘを脱離させて放出し、後段のＤＰＦ３及びＳＣＲ４に供給する（Ｓ３２）。

最後に、ＮＯｘセンサ１１の測定値から第２バイパス管６ＢからのＮＯｘの放出が終了したかを判定し（Ｓ３４）、終了したと判断したときには、ＤＯＣ２の温度を予め設定した温度αと比較するステップ（Ｓ１０）に戻る。

ＥＣＵ１３は、ディーゼルエンジンがコールド時である場合は、以上のステップＳ１２〜Ｓ３４を繰り返し行う。

そして、図３に示すように、上記のステップＳ１２〜Ｓ３４の処理中において、ＥＣＵ１３はＤＯＣ２の温度を予め設定した温度αと比較して（Ｓ４０）、予め設定した温度α以上になったと判断した場合には、ＮＯｘセンサ１１の測定値からいずれかのバイパス管６Ａ／６ＢからのＮＯｘの放出が完了しているかを判定し（Ｓ４２）、完了したと判断したときには、排気ガスＧが管路１のみを流れるように流路を切り替える（Ｓ４４）。

なお、上記のステップＳ１０において、ＤＯＣ２の温度が予め設定した温度α以上であると判断した場合には、排気ガスＧの流路を管路１のみのままに維持する（Ｓ４４）。この状態では、ＤＯＣ２においてＮＯ→ＮＯ₂反応で生成されたＮＯ₂が、後段のＤＰＦ３及びＳＣＲ４に供給される。

このように、ＤＯＣ２の温度がＮＯ→ＮＯ₂の生成反応が進行しにくい低温である場合でも、いずれかのバイパス管６Ａ／６Ｂから後段のＤＰＦ３及びＳＣＲ４にＮＯ₂を供給するようにしたので、ＤＰＦ３においてＮＯ₂の酸化力によるＰＭ燃焼が促進されて、燃料噴射による強制再生の頻度が低下するため、燃費の悪化を抑制することができる。また、ＤＯＣ２の低温時に排気ガスＧ中のＮＯｘをバイパス管６Ａ、６ＢのＮＯｘ吸着体９Ａ、９Ｂに吸着させるとともに、供給されたＮＯ₂によりＳＣＲ４においてＮＯｘの還元反応が促進されるので、ＮＯｘの浄化性能を向上することができる。

本発明の排気ガス浄化システム（実施例）と、図６に示す従来の排気ガス浄化システム（比較例）とをそれぞれ装着した同一仕様の車両を、図４に示す低負荷走行モードで走行させたときのＮＯｘ浄化率をＤＯＣ２の温度別に比較した実験結果を図５に示した。

図５に示す実験結果から、本発明の排気ガス浄化システムは従来の排気ガス浄化システムに比べてＮＯｘ浄化率を向上することができ、その効果はＤＯＣ２の温度が低温である場合に顕著であることが分かる。

１管路
２ＤＯＣ
３ＤＰＦ
４ＳＣＲ
５尿素噴射ノズル
６Ａ、６Ｂ第１、第２バイパス管
７流路切替手段
８Ａ、８Ｂ第１、第２加熱ヒータ
９Ａ、９Ｂ第１、第２ＮＯｘ吸着体
１０Ａ、１０Ｂ第１、第２酸化性ガス供給手段
１１ＮＯｘセンサ
１２温度センサ
１３ＥＣＵ

Claims

車両に搭載されたディーゼルエンジンの排気ガスの管路に、下流側へ向けて直列に接続されたＤＯＣ、ＤＰＦ及びＳＣＲを備えた排気ガス浄化システムにおいて、
前記ＤＯＣの上流側の管路に、加熱手段を有するＮＯｘ吸着体がそれぞれ介設された２本のバイパス管を流路切替手段を介して並列に取り付けるとともに、前記ＮＯｘ吸着体の入口に酸化性ガス供給手段をそれぞれ設け、
前記ＤＯＣの温度が予め設定した温度未満である場合には、
・前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記一方のバイパス管のみに切り替えて、該排気ガス中のＮＯｘを前記ＮＯｘ吸着体に吸着させるステップと、
・前記ＮＯｘ吸着体の吸着量が飽和したときは、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記他方のバイパス管のみに切り替えるステップと、
・前記一方のバイパス管の前記酸化性ガス供給手段から酸化性ガスを供給して前記ＮＯｘ吸着体に吸着しているＮＯを酸化してＮＯ₂を生成させるステップと、
・前記他方のバイパス管に介設されたＮＯｘ吸着体の吸着量が飽和したときは、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記一方のバイパス管のみに切り替えてから、該一方のバイパス管の前記加熱手段により前記ＮＯｘ吸着体を加熱して吸着しているＮＯｘを脱離させて放出するステップと、
・前記他方のバイパス管の前記酸化性ガス供給手段から酸化性ガスを供給して前記ＮＯｘ吸着体に吸着しているＮＯを酸化してＮＯ₂を生成させるステップと、
・前記一方のバイパス管におけるＮＯｘの放出が終了した後に、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記他方のバイパス管のみに切り替えてから、該他方のバイパス管の前記加熱手段により前記ＮＯｘ吸着体を加熱して吸着しているＮＯｘを脱離させて放出するステップと、を繰り返し行い、
前記ＤＯＣの温度が前記予め設定した温度以上となった場合には、前記いずれかのバイパス管におけるＮＯｘの放出が完了した時点で、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記管路のみに切り替える、ことを特徴とする排気ガス浄化システム。
前記ＤＯＣに係る前記予め設定した温度が、１５０〜２００℃の温度範囲内にある請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システム。