JP2013245617A - Exhaust emission control system - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an exhaust gas purification system, and more specifically, in an exhaust gas purification system including a DOC, a DPF, and an SCR connected in series, exhaust gas purification that can suppress deterioration in fuel consumption and improve NOx purification performance. About the system.
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G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。 As an example of a general diesel engine exhaust gas purification system, as shown in FIG. 6, an oxidation catalyst (DOC) 2 and a DPF (Diesel Particulate Filter) connected in series to the exhaust gas G flow path. ) 3 and selective catalytic reduction (SCR) 4 (for example, see Patent Document 1). In this exhaust gas purification system, the exhaust gas G of the diesel engine was decomposed and removed of hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) in DOC2, and then particulate matter (PM) was collected and removed in DPF3. Later, in the SCR 4, the nitrided oxide (NOx) is purified using ammonia (NH 3 ) generated from the urea water supplied from the urea injection nozzle 5. The DOC 2 also has a function of oxidizing nitrogen monoxide (NO) that occupies most of NOx contained in the exhaust gas G to generate nitrogen dioxide (NO 2 ). By utilizing this function, it becomes possible to promote the combustion (PM regeneration) of PM collected by the DPF 3 and to improve the NOx purification efficiency of the SCR 4.
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。 However, in the exhaust gas purification system described above, when the temperature of DOC2 becomes a low temperature of about 150 ° C. or less, such as during a cold start, DOC2 activity cannot be obtained sufficiently, and NO → NO 2 production reaction occurs. It may be difficult to progress. Moreover, when the temperature of DOC2 becomes a high temperature of about 400 ° C. or more, the decomposition reaction of NO 2 → NO becomes more dominant than the generation reaction. For this reason, it becomes difficult to supply NO 2 having a sufficient concentration to the subsequent DPF 3 or SCR 4 under the condition that the temperature of the DOC 2 is low or high.
なお、上記のように後段のDPF3やSCR4へ充分な濃度のNO2を供給することが困難となるケースは、排気ガスGの一部を吸気に還流させることで、燃焼温度を低く抑えてNOxの生成を抑制する排気ガス再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)システムを装着することで促進される。 In the case where it is difficult to supply a sufficient concentration of NO 2 to the subsequent DPF 3 or SCR 4 as described above, a part of the exhaust gas G is recirculated to the intake air, so that the combustion temperature is suppressed to a low level. It is facilitated by installing an exhaust gas recirculation (EGR) system that suppresses the generation of gas.
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。 In such a situation, in the DPF 3, it becomes impossible to perform PM regeneration using the oxidizing power of NO 2 , so forced regeneration that burns and removes PM by fuel injection is performed, which deteriorates fuel consumption. Become. Further, in the SCR4, decreases the reduction reaction of NOx by NH 3, there is a possibility that the NOx purification performance is decreased.
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。 An object of the present invention is to provide an exhaust gas purification system that can suppress deterioration of fuel consumption and improve NOx purification performance in an exhaust gas purification system including a DOC, DPF, and SCR connected in series. .
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吸着体が介設されたバイパス管を流路切替手段を介して取り付けて、前記DOCの温度が予め設定した第1の温度域の下限以下である場合には、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記バイパス管に切り替えて、前記排気ガス中のNOxを前記NOx吸着体に吸着させ、前記DPFの差圧が予め設定した圧力以上になった場合に、前記DOCの温度が前記第1の温度域の下限未満であるときには、前記NOx吸着体の吸着量が飽和した後に、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を脱離させて放出し、前記DOCの温度が前記第1の温度域内にあるときには、前記排気ガスの熱のみにより前記NOx吸着体を加熱して吸着しているNOxを脱離させて放出し、前記DOCの温度が前記第1の温度域の上限超である場合には、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記管路に切り替えた後に前記DOCに燃料を供給することを特徴とするものである。 An exhaust gas purification system of the present invention that achieves the above object is provided with an exhaust gas that includes a DOC, a DPF, and an SCR connected in series toward the downstream side of an exhaust gas pipe of a diesel engine mounted on a vehicle. In the purification system, a bypass pipe provided with a NOx adsorbent having a heating means is attached to a pipe line upstream of the DOC via a flow path switching means, and the temperature of the DOC is set in advance. When the temperature is lower than the lower limit of the temperature range, the flow path switching means switches the exhaust gas flow path to the bypass pipe so that NOx in the exhaust gas is adsorbed to the NOx adsorbent, and the difference in DPF When the pressure is equal to or higher than a preset pressure and the temperature of the DOC is less than the lower limit of the first temperature range, the heating means is used after the adsorption amount of the NOx adsorbent is saturated. The NOx adsorbent is heated to desorb and release the adsorbed NOx, and when the DOC temperature is within the first temperature range, the NOx adsorbent is heated only by the heat of the exhaust gas. When the adsorbed NOx is desorbed and released, and the temperature of the DOC exceeds the upper limit of the first temperature range, the flow path switching means causes the exhaust gas flow path to pass through the pipe. The fuel is supplied to the DOC after switching to a road.
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に二酸化窒素を含むNOx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、排気ガス中のNOxを吸着処理するとともに、供給されたNOxに含まれる二酸化窒素によりSCR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。 According to the exhaust gas purification system of the present invention, even when the temperature of the DOC is low, NOx containing nitrogen dioxide is supplied to the subsequent DPF and SCR, so PM combustion by the oxidizing power of nitrogen dioxide in the DPF Is promoted, and the frequency of forced regeneration by fuel injection is reduced, so that deterioration of fuel consumption can be suppressed. Further, NOx in the exhaust gas is adsorbed and the NOx reduction reaction is promoted in the SCR by nitrogen dioxide contained in the supplied NOx, so that the NOx purification performance can be improved.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
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。 FIG. 1 shows an exhaust gas purification system according to an embodiment of the present invention.
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。 This exhaust gas purification system includes a DOC 2, a DPF 3, and an SCR 4 that are sequentially arranged in series from the upstream side in a pipeline 1 through which exhaust gas G of a diesel engine flows.
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。 The DOC 2 is formed by supporting rhodium, cerium oxide, platinum, aluminum oxide or the like on a metal carrier formed into a structure having a function of mixing the exhaust gas G. The DPF 3 is formed of a monolith honeycomb type wall flow filter in which the inlets and outlets of the porous ceramic honeycomb channels (cells) are alternately plugged.
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。 In addition, SCR4 contains titania-vanadia, β-type zeolite, chromium oxide, manganese oxide, molybdenum oxide, titanium oxide, tungsten oxide, etc. on a carrier such as a honeycomb structure formed of cordierite, aluminum oxide, titanium oxide or the like. NOx in the exhaust gas G is reduced and purified using NH 3 formed by hydrolysis of urea water supplied from a urea injection nozzle 5 provided at the inlet and supported.
そして、DOC2の上流側の管路1には、バイパス管6が流路切替手段7を介して並列に取り付けられている。このバイパス管6には、加熱ヒータ8により加熱されるNOx吸着体9が介設されている。NOx吸着体9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。 A bypass pipe 6 is attached in parallel to the pipe line 1 on the upstream side of the DOC 2 via a flow path switching means 7. The bypass pipe 6 is provided with a NOx adsorbent 9 that is heated by a heater 8. Preferred examples of the NOx adsorbent 9 include a metal-supported zeolite system, a material containing a metal oxide or an alkaline earth metal compound, and the like.
流路切替手段7は、管路1とバイパス管6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。
The flow path switching means 7 is composed of two
DOC2及びDPF3の入口には、排気ガスGの温度を測定する第1温度センサ10及び第2温度センサ11がそれぞれ設置されている。これらの温度センサ10、11の測定値は、一般的に直接測定が困難であるDOC2及びDPF3の温度を推定するために用いられる。また、DOC2の入口及び管路1とバイパスの分岐部の上流側の管路1には、排気ガスG中のNOx濃度を測定する第1NOxセンサ12及び第2NOxセンサ13がそれぞれ設置されている。更に、DPF3の入口及び出口には、一対の圧力センサ14a、14bが配置されており、両者の測定値からDPF3の差圧が求められるようになっている。
A
上述した流路切替手段7、加熱ヒータ8、2台の温度センサ10、11、2台のNOxセンサ12、13及び一対の圧力センサ14a、14bは、それぞれECU15に信号線(一点鎖線で示す)を通じて接続している。
The flow path switching means 7, the heater 8, the two
このような排気ガス浄化システムにおけるECU15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。
The function of the
図2に示すように、ECU15は第1温度センサ10の測定値から推定したDOC2の温度を予め設定した第1の温度域の下限値αと比較して(S10)、温度α未満であると判断した場合には、排気ガスGがバイパス管6に流れるように流路を切り替えて、排気ガスG中のNOxをNOx吸着体9に吸着させる(S12)。この第1の温度域は、NO→NO2の生成反応(転換反応)が進行する活性温度Kの温度範囲である。下限値αとしては、例えば図4に示すように、NO2の存在比率が50%以上の条件下では、約250℃の値が例示される。また、上限値βとしては、約420℃の値が例示される。
As shown in FIG. 2, the
なお、DOC2の温度が温度α以上であると判断した場合には、排気ガスGが管路1を流れるように流路を維持して又は切り替えて、従来と同様の排気ガスGの浄化処理を行う(S20)。 When it is determined that the temperature of the DOC 2 is equal to or higher than the temperature α, the purification process of the exhaust gas G similar to the conventional one is performed by maintaining or switching the flow path so that the exhaust gas G flows through the pipeline 1. Perform (S20).
次に、第1NOxセンサ12の測定値からNOx吸着体9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が管路1を流れるように流路を切り替える(S16)。
Next, it is determined from the measured value of the
そして、図3に示すように、ECU15は一対の圧力センサ14a、14bの測定値から求めたDPF3の差圧をPM再生が必要となる予め設定した圧力Pと比較して(S30)、圧力P以上であると判断した場合には、更にDOC2及びDPF3の温度が適性温度範囲内にあるか否かを判定する(S32)。DOC2の適性温度範囲とは、上述の活性温度Kを意味する。また、DPF3の適性温度範囲とは、PM堆積よりもNO2によるPM燃焼が上回る温度域(第2の温度域)を意味し、具体的には約250〜380℃の温度範囲が例示される。
Then, as shown in FIG. 3, the
DOC2及びDPF3の温度が適性温度範囲にあるときには、排気ガスGがバイパス管6を流れるように流路を切り替えて(S42)、排気ガスGが有する熱のみによりNOx吸着体9を加熱して吸着しているNOxを脱離させて、後段のDPF3及びSCR4に供給する。
When the temperatures of DOC2 and DPF3 are within the appropriate temperature range, the flow path is switched so that the exhaust gas G flows through the bypass pipe 6 (S42), and the
一方、DOC2及びDPF3の温度が適性温度範囲にないときには、DOC2の温度を比較して(S34、S38)、DOC2の温度が上限値β超であるときには、燃料噴射によりPMを燃焼除去する強制再生を行う(S36)。また、DOC2の温度が下限値α未満であるときには、加熱ヒータ8によりNOx吸着体9を加熱して吸着しているNOxを脱離させてから(S40)、排気ガスGがバイパス管6を流れるように流路を切り替えて後段のDPF3及びSCR4にNOxを供給する(S42)。
On the other hand, when the temperatures of DOC2 and DPF3 are not within the appropriate temperature range, the temperatures of DOC2 are compared (S34, S38). When the temperature of DOC2 exceeds the upper limit β, forced regeneration is performed by burning and removing PM by fuel injection. (S36). When the temperature of the DOC 2 is lower than the lower limit value α, the
そして、ECU15は、再び一対の圧力センサの測定値から求めたDPF3の差圧をPM再生が必要となる圧力Pと比較して(S44)、圧力P以下であると判断した場合には、排気ガスGが管路1を流れるように流路を切り替えて(S46)、PM再生を終了する。一方、DPF3の差圧が圧力P超である判断した場合には、第1NOxセンサ12の測定値(第1のNOx濃度)と第2NOxセンサ13の測定値(第2のNOx濃度)とを比較して(S48)、第2のNOx濃度の方が大きい場合には、ディーゼルエンジンからのNOx排出が継続しているものとして、DPF3の差圧を圧力Pと比較するステップ(S44)に戻る。また、第2のNOx濃度が第1のNOx濃度以下である場合には、排気ガスGが管路1を流れるように流路を切り替えた後に(S50)、燃料噴射によりPMを燃焼除去する強制再生を行う(S52)。
Then, the
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、バイパス管6から後段のDPF3及びSCR4にNO2を含有するNOx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、排気ガス中のNOxをバイパス管6のNOx吸着体9に吸着させるとともに、NOx中に含有されるNO2をSCR4に供給するので、SCR4においてアンモニアによるNOxの還元反応が促進されるため、NOxの浄化性能を向上することができる。
Thus, even when the temperature is generated reaction of NO → NO 2 of DOC2 it is low to hardly proceed, since then supplied the NOx containing NO 2 from the bypass pipe 6 downstream of the DPF 3 and SCR4, DPF 3 In this case, PM combustion due to the oxidizing power of NO 2 is promoted and the frequency of forced regeneration by fuel injection is reduced, so that deterioration of fuel consumption can be suppressed. Further, the adsorbed to the
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5に示す低負荷走行モードで10回走行させたときのDPF3におけるPM残存量と燃料消費量とを比較した実験結果を、表1に記載した。 A vehicle of the same specification equipped with the exhaust gas purification system (example) of the present invention and the conventional exhaust gas purification system (comparative example) shown in FIG. 6 is run 10 times in the low-load running mode shown in FIG. Table 1 shows the experimental results comparing the amount of remaining PM and the amount of fuel consumed in the DPF 3 at the time.
表1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、燃費の悪化が抑制されていることが分かる。 From the experimental results shown in Table 1, it can be seen that the exhaust gas purification system of the present invention suppresses the deterioration of fuel consumption compared to the conventional exhaust gas purification system.
1 管路
2 DOC
3 DPF
4 SCR
5 尿素噴射ノズル
6 バイパス管
7 流路切替手段
8 加熱ヒータ
9 NOx吸着体
10 第1温度センサ
11 第2温度センサ
12 第1NOxセンサ
13 第2NOxセンサ
14a、14b 一対の圧力センサ
15 ECU
1 Pipeline 2 DOC
3 DPF
4 SCR
5 Urea injection nozzle 6 Bypass pipe 7 Flow path switching means 8
Claims (5)
前記DOCの上流側の管路に、加熱手段を有するNOx吸着体が介設されたバイパス管を流路切替手段を介して取り付けて、
前記DOCの温度が予め設定した第1の温度域の下限以下である場合には、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記バイパス管に切り替えて、前記排気ガス中のNOxを前記NOx吸着体に吸着させ、
前記DPFの差圧が予め設定した圧力以上になった場合に、
前記DOCの温度が前記第1の温度域の下限未満であるときには、前記NOx吸着体の吸着量が飽和した後に、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を脱離させて放出し、
前記DOCの温度が前記第1の温度域内にあるときには、前記排気ガスの熱のみにより前記NOx吸着体を加熱して吸着しているNOxを脱離させて放出し、
前記DOCの温度が前記第1の温度域の上限超である場合には、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記管路に切り替えた後に前記DOCに燃料を供給する、ことを特徴とする排気ガス浄化システム。 In an exhaust gas purification system provided with DOC, DPF, and SCR connected in series toward the downstream side in an exhaust gas pipeline of a diesel engine mounted on a vehicle,
A bypass pipe provided with a NOx adsorbent having a heating means is attached to a pipe line upstream of the DOC via a flow path switching means,
When the temperature of the DOC is equal to or lower than a lower limit of a first temperature range set in advance, the flow path switching unit switches the flow path of the exhaust gas to the bypass pipe, and the NOx in the exhaust gas is Adsorbed on NOx adsorbent,
When the differential pressure of the DPF exceeds a preset pressure,
When the temperature of the DOC is lower than the lower limit of the first temperature range, after the adsorption amount of the NOx adsorbent is saturated, the NOx adsorbed by heating the NOx adsorbent by the heating means is desorbed. Let it release,
When the temperature of the DOC is within the first temperature range, the NOx adsorbent is heated only by the heat of the exhaust gas to desorb and release the adsorbed NOx,
When the temperature of the DOC exceeds the upper limit of the first temperature range, the fuel is supplied to the DOC after the flow path switching means switches the flow path of the exhaust gas to the pipeline. A featured exhaust gas purification system.
前記DPFの差圧が前記予め設定した圧力超となった場合には、前記DOCの入口における該排気ガスの第1のNOx濃度と、前記ディーゼルエンジンの排気出口における前記排気ガスの第2のNOx濃度とを比較して、
前記第2のNOx濃度の方が大きいときには、再び前記DPFの差圧を前記予め設定した圧力と比較し、前記第2のNOx濃度が前記第1のNOx濃度以下であるときには、前記流路切替手段により前記排気ガスの流路を前記管路に切り替えた後に前記DOCに燃料を供給する請求項1〜4のいずれかに記載の排気ガス浄化システム。 After the NOx adsorbed by heating the NOx adsorbent is desorbed and released, when the differential pressure of the DPF becomes equal to or lower than the preset pressure, the exhaust gas is switched by the flow path switching means. While switching the flow path to the conduit,
When the differential pressure of the DPF exceeds the preset pressure, the first NOx concentration of the exhaust gas at the DOC inlet and the second NOx of the exhaust gas at the exhaust outlet of the diesel engine Compare the concentration with
When the second NOx concentration is greater, the differential pressure of the DPF is again compared with the preset pressure. When the second NOx concentration is equal to or lower than the first NOx concentration, the flow path switching is performed. The exhaust gas purification system according to any one of claims 1 to 4, wherein fuel is supplied to the DOC after the exhaust gas flow path is switched to the pipe line by means.
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