JP2017040239A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンの排気ガス中の窒素酸化物を浄化する排気浄化装置であって、エンジンの燃料を還元剤に用いて窒素酸化物を浄化する排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification device that purifies nitrogen oxides in engine exhaust gas, and relates to an exhaust gas purification device that purifies nitrogen oxides using engine fuel as a reducing agent.
従来から、ディーゼルエンジンの排気浄化装置として、炭化水素(HC)を主成分とするエンジンの燃料を還元剤に用いて窒素酸化物(以下、NOxという。)を選択的に還元するHC−SCR触媒(Hydro Carbon−Selective Catalytic Reduction)を用いたものがある。例えば特許文献1には、活性温度域が互いに異なるHC−SCR触媒を直列に配置し、各HC−SCR触媒に対して燃料を添加する排気浄化装置が開示されている。この排気浄化装置によれば、幅広い温度範囲でHC−SCR触媒によるNOxの還元が可能である。 Conventionally, as an exhaust purification device for a diesel engine, an HC-SCR catalyst that selectively reduces nitrogen oxides (hereinafter referred to as NOx) using a fuel of an engine mainly composed of hydrocarbon (HC) as a reducing agent. Some use (Carbon Carbon-Selective Catalytic Reduction). For example, Patent Document 1 discloses an exhaust purification device in which HC-SCR catalysts having different activation temperature ranges are arranged in series and fuel is added to each HC-SCR catalyst. According to this exhaust purification device, NOx can be reduced by the HC-SCR catalyst in a wide temperature range.
しかし、環境保全等の観点から、排気浄化装置にはさらなるNOxの浄化性能の向上が求められている。本発明は、NOxの浄化性能の向上を可能にした排気浄化装置を提供することを目的とする。 However, from the viewpoint of environmental protection and the like, the exhaust purification device is required to further improve the NOx purification performance. An object of the present invention is to provide an exhaust purification device that can improve NOx purification performance.
上記課題を解決する排気浄化装置は、排気通路を流れる排気ガスに燃料を添加する第1添加弁と、前記第1添加弁の下流に位置し、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてNOxを還元する第1選択還元型触媒と、前記第1選択還元型触媒の下流に位置し、排気ガスに燃料を添加する第2添加弁と、前記第2添加弁の下流に位置し、前記第1選択還元型触媒よりも温度活性域の高い第2選択還元型触媒であって、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてNOxを還元するとともにNOxの還元によりNH3を生成する前記第2選択還元型触媒と、前記第2選択還元型触媒の下流に位置し、前記第2選択還元型触媒が生成したNH3を還元剤に用いてNOxを還元する第3選択還元型触媒と、前記第1添加弁による燃料の添加量である第1添加量と前記第2添加弁による燃料の添加量である第2添加量とを制御する制御部とを備える。 An exhaust emission control device that solves the above-mentioned problem is located downstream of the first addition valve that adds fuel to the exhaust gas flowing through the exhaust passage, and uses NOx using the fuel in the exhaust gas as a reducing agent. A first selective reduction catalyst that reduces the amount of gas, a second addition valve that is located downstream of the first selective reduction catalyst, adds fuel to exhaust gas, and is located downstream of the second addition valve, a high temperature activity range than 1 selective reduction catalyst second selective reduction catalyst, the second for generating NH 3 by the reduction of NOx with reducing NOx using the fuel in the exhaust gas as a reducing agent A selective reduction type catalyst, a third selective reduction type catalyst located downstream of the second selective reduction type catalyst and reducing NOx using NH 3 produced by the second selective reduction type catalyst as a reducing agent; The first addition amount, which is the amount of fuel added by the first addition valve, and the previous And a control unit for controlling the second amount is the addition amount of the fuel by the second addition valve.
上記構成によれば、第1添加弁によって燃料が添加された排気ガスは、第1選択還元型触媒に流入し、燃料を還元剤としてNOxが還元される。また、第2添加弁によって燃料が添加された排気ガスは、第1選択還元型触媒よりも活性温度域が高い第2選択還元型触媒にて、燃料を還元剤としてNOxが還元されるとともにアンモニア(以下、NH3という)が生成される。第3選択還元型触媒では、第2選択還元型触媒にて生成されたNH3を還元剤としてNOxが還元される。こうした構成によれば、NOxの浄化性能を高めることができる。 According to the above configuration, the exhaust gas to which fuel is added by the first addition valve flows into the first selective reduction catalyst, and NOx is reduced using the fuel as a reducing agent. Further, the exhaust gas to which fuel is added by the second addition valve is reduced to NOx while NOx is reduced using the fuel as a reducing agent in the second selective reduction catalyst having a higher activation temperature range than the first selective reduction catalyst. (Hereinafter referred to as NH 3 ) is generated. In the third selective reduction catalyst, NOx is reduced using NH 3 produced by the second selective reduction catalyst as a reducing agent. According to such a configuration, the NOx purification performance can be enhanced.
上記排気浄化装置において、前記制御部は、前記第1選択還元型触媒の温度と前記第2選択還元型触媒の温度とを取得するとともに、前記第1選択還元型触媒に流入する第1NOx量と前記第2選択還元型触媒に流入する第2NOx量とを演算し、前記第1選択還元型触媒が活性状態にあるときに前記第1NOx量が多いほど前記第1添加量を多くし、前記第2選択還元型触媒が活性状態にあるときに前記第2NOx量が多いほど前記第2添加量を多くすることが好ましい。 In the exhaust emission control device, the control unit obtains the temperature of the first selective reduction catalyst and the temperature of the second selective reduction catalyst, and a first NOx amount flowing into the first selective reduction catalyst; The second NOx amount flowing into the second selective reduction catalyst is calculated, and when the first selective reduction catalyst is in an active state, the first addition amount is increased as the first NOx amount is increased. It is preferable to increase the second addition amount as the amount of the second NOx increases when the two-selective reduction catalyst is in an active state.
上記構成によれば、第1選択還元型触媒に流入する第1NOx量に応じて第1添加弁の添加量が増減され、第2選択還元型触媒に流入する第2NOx量に応じて第2添加弁の添加量が増減される。その結果、NOxの浄化を目的とした燃料消費量を抑えつつ、NOxの浄化性能を向上させることができる。 According to the above configuration, the addition amount of the first addition valve is increased or decreased according to the first NOx amount flowing into the first selective reduction catalyst, and the second addition according to the second NOx amount flowing into the second selective reduction catalyst. The amount of valve added is increased or decreased. As a result, the NOx purification performance can be improved while suppressing the fuel consumption for the purpose of NOx purification.
上記排気浄化装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕捉するフィルターをさらに備え、前記第1選択還元型触媒が前記フィルターの表層を構成する触媒層を含むことが好ましい。
上記構成によれば、排気浄化装置にフィルターと第1選択還元型触媒とを搭載するうえで排気浄化装置の占有する容積を小さくできる。
The exhaust purification apparatus preferably further includes a filter that traps particulate matter in the exhaust gas, and the first selective reduction catalyst includes a catalyst layer that forms a surface layer of the filter.
According to the above configuration, when the filter and the first selective reduction catalyst are mounted on the exhaust purification device, the volume occupied by the exhaust purification device can be reduced.
上記排気浄化装置において、前記制御部は、前記フィルターにおける粒子状物質の堆積量を演算し、前記堆積量が上限値を超えると前記第1添加弁から燃料を添加することにより前記フィルターを再生する再生処理を実行するとともに、前記再生処理の実行中に前記第2添加弁から燃料を添加することにより前記第2選択還元型触媒の硫黄被毒を回復する回復処理を実行することが好ましい。 In the exhaust emission control device, the control unit calculates an accumulation amount of particulate matter in the filter, and when the accumulation amount exceeds an upper limit value, regenerates the filter by adding fuel from the first addition valve. It is preferable to execute a regeneration process and a recovery process for recovering sulfur poisoning of the second selective catalytic reduction catalyst by adding fuel from the second addition valve during the regeneration process.
上記構成によれば、第1選択還元型触媒および第2選択還元型触媒が清浄な状態に維持されやすくなる。その結果、NOxの浄化性能を向上させることができる。
また、第2選択還元型触媒の硫黄被毒を回復するためには、第2選択還元型触媒を昇温する必要がある。また、第2選択還元型触媒では、燃料を還元剤とするNOxの還元反応と並行して燃料の酸化反応も生じている。そのため、第2選択還元型触媒は、燃料の流入により温度が上昇する。
According to the above configuration, the first selective reduction catalyst and the second selective reduction catalyst are easily maintained in a clean state. As a result, the NOx purification performance can be improved.
Further, in order to recover the sulfur poisoning of the second selective reduction catalyst, it is necessary to raise the temperature of the second selective reduction catalyst. Further, in the second selective reduction catalyst, a fuel oxidation reaction occurs in parallel with the NOx reduction reaction using the fuel as a reducing agent. Therefore, the temperature of the second selective reduction catalyst increases due to the inflow of fuel.
上記構成によれば、再生処理の実行中に回復処理が実行されることから、第2選択還元型触媒に流入する排気ガスは、フィルターの再生処理にともなって昇温した排気ガスである。すなわち、フィルターの再生処理によって昇温した排気ガスを第2選択還元型触媒の昇温に利用することができる。その結果、回復処理における第2選択還元型触媒の昇温を効率よく行うことができる。 According to the above configuration, since the recovery process is performed during the regeneration process, the exhaust gas flowing into the second selective catalytic reduction catalyst is the exhaust gas whose temperature has increased with the regeneration process of the filter. That is, the exhaust gas whose temperature has been raised by the regeneration process of the filter can be used for raising the temperature of the second selective reduction catalyst. As a result, the temperature of the second selective reduction catalyst in the recovery process can be efficiently increased.
上記排気浄化装置において、前記制御部は、前記第2選択還元型触媒における硫黄の被毒量を演算し、前記被毒量が閾値を超えていることを条件に前記回復処理を実行することが好ましい。 In the exhaust purification apparatus, the control unit may calculate a sulfur poisoning amount in the second selective reduction catalyst, and execute the recovery process on condition that the poisoning amount exceeds a threshold value. preferable.
上記構成によれば、回復処理は、第2選択還元型触媒における硫黄の被毒量が閾値を超えていることを条件に行われる。これにより、過剰な回復処理の実行が抑えられることから、排気ガスの浄化に必要とされる燃料消費量を抑えることができる。 According to the above configuration, the recovery process is performed on the condition that the poisoning amount of sulfur in the second selective reduction catalyst exceeds the threshold value. Thereby, since execution of an excessive recovery process is suppressed, the amount of fuel consumption required for exhaust gas purification can be suppressed.
図1から図6を参照して排気浄化装置の一実施形態について説明する。まず、図1を参照して、排気浄化装置が搭載されたエンジンシステムの全体構成について説明する。
図1に示すように、エンジンシステムは、ディーゼルエンジン10(以下、エンジン10という。)を備える。エンジン10のシリンダーブロック11には、複数のシリンダー12が形成されている。各シリンダー12には、インジェクター13から燃料が噴射される。シリンダーブロック11には、各シリンダー12に吸入空気を供給するためのインテークマニホールド14と、各シリンダー12からの排気ガスが流入するエキゾーストマニホールド15とが接続されている。
An embodiment of an exhaust emission control device will be described with reference to FIGS. First, an overall configuration of an engine system equipped with an exhaust emission control device will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the engine system includes a diesel engine 10 (hereinafter referred to as an engine 10). A plurality of cylinders 12 are formed in the cylinder block 11 of the engine 10. Fuel is injected into each cylinder 12 from an injector 13. Connected to the cylinder block 11 are an intake manifold 14 for supplying intake air to each cylinder 12 and an exhaust manifold 15 into which exhaust gas from each cylinder 12 flows.
インテークマニホールド14に接続される吸気通路16には、上流側から順に、図示されないエアクリーナー、ターボチャージャー17を構成するコンプレッサー18、インタークーラー19が設けられている。エキゾーストマニホールド15に接続される排気通路20には、コンプレッサー18に連結軸を介して連結され、ターボチャージャー17を構成するタービン22が設けられている。 In the intake passage 16 connected to the intake manifold 14, an air cleaner (not shown), a compressor 18 constituting a turbocharger 17, and an intercooler 19 are provided in order from the upstream side. The exhaust passage 20 connected to the exhaust manifold 15 is provided with a turbine 22 that is connected to the compressor 18 via a connecting shaft and constitutes the turbocharger 17.
エンジンシステムは、エキゾーストマニホールド15と吸気通路16とを接続するEGR通路25を備える。EGR通路25には、EGRクーラー26とEGR弁27とが設けられている。EGR弁27が開状態にあるとき、吸気通路16には、EGR通路25を通じて排気ガスの一部がEGRガスとして導入される。シリンダー12には、排気ガスと吸入空気との混合気体である作動ガスが供給される。 The engine system includes an EGR passage 25 that connects the exhaust manifold 15 and the intake passage 16. An EGR cooler 26 and an EGR valve 27 are provided in the EGR passage 25. When the EGR valve 27 is in an open state, a part of the exhaust gas is introduced into the intake passage 16 through the EGR passage 25 as EGR gas. The cylinder 12 is supplied with a working gas that is a mixed gas of exhaust gas and intake air.
シリンダー12では、作動ガスとインジェクター13が噴射した燃料との混合気が燃焼する。シリンダー12からの排気ガスは、エキゾーストマニホールド15を通じて排気通路20へと流入し、タービン22を通過した後、排気浄化装置30に流入する。 In the cylinder 12, an air-fuel mixture of the working gas and the fuel injected by the injector 13 burns. The exhaust gas from the cylinder 12 flows into the exhaust passage 20 through the exhaust manifold 15, passes through the turbine 22, and then flows into the exhaust purification device 30.
排気浄化装置30は、排気ガスが流れる排気通路20に第1酸化触媒31(ATC:After Turbo Catalyst)を備える。第1酸化触媒31は、排気ガス中の燃料を酸化して排気ガスを昇温する。 The exhaust purification device 30 includes a first oxidation catalyst 31 (ATC: After Turbo Catalyst) in the exhaust passage 20 through which exhaust gas flows. The first oxidation catalyst 31 oxidizes the fuel in the exhaust gas and raises the temperature of the exhaust gas.
第1酸化触媒31は、セラミックあるいは金属からなるモノリス担体と、このモノリス担体にコーティングされた触媒層とを有する。触媒層は、例えばゼオライトやアルミナからなる粒子状の触媒担体と、触媒担体に担持された触媒金属とを有する。触媒金属は、例えば白金、パラジウム、および、ロジウム等の白金系元素のうちの少なくとも1種である。第1酸化触媒31は、その温度である第1酸化触媒温度が第1酸化下限温度以上であって第1酸化上限温度以下の温度域を活性温度域に有する。 The first oxidation catalyst 31 has a monolithic carrier made of ceramic or metal, and a catalyst layer coated on the monolithic carrier. The catalyst layer has, for example, a particulate catalyst support made of zeolite or alumina, and a catalyst metal supported on the catalyst support. The catalytic metal is at least one of platinum-based elements such as platinum, palladium, and rhodium. The first oxidation catalyst 31 has a temperature range in which the first oxidation catalyst temperature, which is the temperature, is equal to or higher than the first oxidation lower limit temperature and equal to or lower than the first oxidation upper limit temperature in the active temperature range.
排気浄化装置30は、排気通路20における第1酸化触媒31の下流に、排気ガスに燃料を添加する第1添加部32を備える。第1添加部32は、還元剤である燃料を貯留する燃料タンク34に接続された第1燃料通路35を備える。この燃料タンク34は、インジェクター13が噴射する燃料を貯留する燃料タンクであってもよいし、該燃料タンクとは別個に設けられる燃料タンクであってもよい。第1添加部32は、第1燃料通路35にポンプ36と第1調整弁37とを備える。ポンプ36は、例えばエンジンを動力源とするポンプであって、燃料タンク34内の燃料を所定圧力で第1調整弁37に圧送する。第1調整弁37は、第1燃料通路35の流路断面積を変更可能な弁であり、第1調整弁37を通過する燃料の量を調整する。第1添加部32は、排気通路20内に位置する第1添加弁38を備える。第1添加部32は、第1調整弁37が開状態にあるときに第1添加弁38から排気ガスに燃料を添加し、第1調整弁37が閉状態にあるときに第1添加弁38から排気ガスに燃料を添加しない。第1添加部32による燃料の添加は、後述する制御装置70によって制御される。なお、この第1添加弁38は、第1調整弁37の機能が内蔵された燃料噴射弁であってもよい。 The exhaust purification device 30 includes a first addition unit 32 that adds fuel to the exhaust gas downstream of the first oxidation catalyst 31 in the exhaust passage 20. The first addition unit 32 includes a first fuel passage 35 connected to a fuel tank 34 that stores fuel as a reducing agent. The fuel tank 34 may be a fuel tank that stores fuel injected by the injector 13, or may be a fuel tank that is provided separately from the fuel tank. The first addition unit 32 includes a pump 36 and a first adjustment valve 37 in the first fuel passage 35. The pump 36 is a pump that uses, for example, an engine as a power source, and pumps the fuel in the fuel tank 34 to the first adjustment valve 37 at a predetermined pressure. The first adjustment valve 37 is a valve that can change the cross-sectional area of the first fuel passage 35 and adjusts the amount of fuel that passes through the first adjustment valve 37. The first addition unit 32 includes a first addition valve 38 located in the exhaust passage 20. The first addition unit 32 adds fuel to the exhaust gas from the first addition valve 38 when the first adjustment valve 37 is open, and the first addition valve 38 when the first adjustment valve 37 is closed. Do not add fuel to the exhaust gas. The addition of fuel by the first addition unit 32 is controlled by a control device 70 described later. The first addition valve 38 may be a fuel injection valve in which the function of the first adjustment valve 37 is built.
排気浄化装置30は、排気通路20における第1添加弁38の下流に第1選択還元型触媒39を備える。第1選択還元型触媒39は、排気通路20の拡径部分である第1マフラー部20Aに位置する第2酸化触媒39cおよび第3酸化触媒40cで構成されている。第2酸化触媒39cは、排気浄化装置30のなかで最も強い酸化力を有するとともに、排気ガス中の燃料を酸化して排気ガスを昇温する機能と、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてNOxを還元するNOx還元機能とを有する。第2酸化触媒39cは、セラミックあるいは金属からなるモノリス担体と、このモノリス担体にコーティングされた触媒層とを有する。触媒層は、例えばゼオライトやアルミナからなる粒子状の触媒担体と、触媒担体に担持された触媒金属とを有する。触媒金属は、例えば白金、パラジウム、および、ロジウム等の白金系元素のうちの少なくとも1種である。第2酸化触媒39cは、その温度である第2酸化触媒温度が第2酸化下限温度(例えば150℃)以上であって第2酸化上限温度(例えば350℃)以下の温度域を活性温度域に有する。 The exhaust purification device 30 includes a first selective reduction catalyst 39 downstream of the first addition valve 38 in the exhaust passage 20. The first selective reduction catalyst 39 includes a second oxidation catalyst 39c and a third oxidation catalyst 40c that are located in the first muffler portion 20A that is the diameter-expanded portion of the exhaust passage 20. The second oxidation catalyst 39c has the strongest oxidizing power among the exhaust purification devices 30, and has a function of oxidizing the fuel in the exhaust gas to raise the temperature of the exhaust gas, and using the fuel in the exhaust gas as a reducing agent. And a NOx reduction function for reducing NOx. The second oxidation catalyst 39c has a monolithic carrier made of ceramic or metal and a catalyst layer coated on the monolithic carrier. The catalyst layer has, for example, a particulate catalyst support made of zeolite or alumina, and a catalyst metal supported on the catalyst support. The catalytic metal is at least one of platinum-based elements such as platinum, palladium, and rhodium. The second oxidation catalyst 39c has a temperature range in which the temperature of the second oxidation catalyst, which is the temperature, is equal to or higher than the second oxidation lower limit temperature (eg, 150 ° C.) and lower than the second oxidation upper limit temperature (eg, 350 ° C.). Have.
排気浄化装置30は、第1マフラー部20Aにおける第2酸化触媒39cの下流にフィルター40(DPF:Diesel Particulate Filter)を備える。フィルター40は、排気ガス中の粒子状物質(以下、PM(Particulate Matter)という)を捕捉するフィルター機能、および、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてNOxを還元するNOx還元機能を有する。フィルター40は、再生温度Tfr(例えば600℃)まで昇温するとPMが焼却されてフィルター機能が再生する。 The exhaust purification device 30 includes a filter 40 (DPF: Diesel Particulate Filter) downstream of the second oxidation catalyst 39c in the first muffler unit 20A. The filter 40 has a filter function for capturing particulate matter (hereinafter referred to as PM (Particulate Matter)) in the exhaust gas, and a NOx reduction function for reducing NOx using the fuel in the exhaust gas as a reducing agent. When the filter 40 is heated to a regeneration temperature Tfr (for example, 600 ° C.), PM is incinerated to regenerate the filter function.
フィルター40は、例えば耐熱性に優れたセラミックやステンレスを素材としたウォール・フロー・フィルターであるフィルター本体と、フィルター本体にコーティングされた触媒層である第3酸化触媒40cとで構成されている。第3酸化触媒40cは、第2酸化触媒39cよりも選択還元型触媒としての機能が高く、排気ガス中の燃料を還元剤に用いて排気ガス中のNOxを還元する。 The filter 40 is composed of, for example, a filter body that is a wall flow filter made of ceramic or stainless steel having excellent heat resistance, and a third oxidation catalyst 40c that is a catalyst layer coated on the filter body. The third oxidation catalyst 40c has a higher function as a selective reduction catalyst than the second oxidation catalyst 39c, and uses the fuel in the exhaust gas as a reducing agent to reduce NOx in the exhaust gas.
第3酸化触媒40cは、例えばゼオライトやアルミナからなる粒子状の触媒担体と、触媒担体に担持された触媒金属とで構成される。触媒金属は、白金、パラジウム、および、ロジウム等の白金系元素のうちの少なくとも1種である。また、第3酸化触媒40cは、その温度である第3酸化触媒温度が第3酸化下限温度(例えば200℃)以上であって第3酸化上限温度(例えば300℃)以下を活性温度域として有する。すなわち、第1選択還元型触媒39は、第2酸化触媒39cおよび第3酸化触媒40cの双方が活性状態となる第1下限温度(例えば200℃)以上であって第1上限温度(例えば300℃)以下の温度域を活性温度域として有する。 The third oxidation catalyst 40c is composed of, for example, a particulate catalyst support made of zeolite or alumina, and a catalyst metal supported on the catalyst support. The catalyst metal is at least one of platinum-based elements such as platinum, palladium, and rhodium. Further, the third oxidation catalyst 40c has a third oxidation catalyst temperature, which is the temperature, equal to or higher than the third oxidation lower limit temperature (eg, 200 ° C.) and lower than the third oxidation upper limit temperature (eg, 300 ° C.) as an active temperature range. . That is, the first selective reduction catalyst 39 has a first upper limit temperature (for example, 300 ° C.) that is equal to or higher than the first lower limit temperature (for example, 200 ° C.) at which both the second oxidation catalyst 39c and the third oxidation catalyst 40c are activated. ) It has the following temperature range as the active temperature range.
排気浄化装置30は、排気通路20におけるフィルター40の下流に、排気通路20を流れる排気ガスに燃料を添加する第2添加部41を備える。第2添加部41は、第1燃料通路35におけるポンプ36と第1調整弁37との間に接続された第2燃料通路42を備える。第2添加部41は、第2燃料通路42の流路断面積を変更可能な第2調整弁43を備える。この第2調整弁43には、第1燃料通路35に設けられたポンプ36によって所定圧力の燃料が圧送される。第2添加部41は、第2調整弁43を通過した燃料を排気ガスに添加する第2添加弁44を備える。すなわち、第2添加部41は、第2調整弁43が開状態にあるときに第2添加弁44から排気ガスに燃料を添加し、第2調整弁43が閉状態にあるときに第2添加弁44から排気ガスに燃料を添加しない。第2添加部41による燃料の添加は、後述する制御装置70によって制御される。なお、この第2添加弁44は、第2調整弁43の機能が内蔵された燃料噴射弁であってもよい。 The exhaust purification device 30 includes a second addition unit 41 that adds fuel to the exhaust gas flowing through the exhaust passage 20 downstream of the filter 40 in the exhaust passage 20. The second addition unit 41 includes a second fuel passage 42 connected between the pump 36 and the first adjustment valve 37 in the first fuel passage 35. The second addition unit 41 includes a second adjustment valve 43 that can change the flow path cross-sectional area of the second fuel passage 42. A predetermined pressure of fuel is pumped to the second regulating valve 43 by a pump 36 provided in the first fuel passage 35. The second addition unit 41 includes a second addition valve 44 that adds the fuel that has passed through the second adjustment valve 43 to the exhaust gas. That is, the second addition unit 41 adds fuel to the exhaust gas from the second addition valve 44 when the second adjustment valve 43 is in the open state, and the second addition portion 41 when the second adjustment valve 43 is in the closed state. No fuel is added from the valve 44 to the exhaust gas. The addition of fuel by the second addition unit 41 is controlled by a control device 70 described later. The second addition valve 44 may be a fuel injection valve in which the function of the second adjustment valve 43 is built.
排気浄化装置30は、排気通路20における第2添加弁44の下流に、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてNOxを還元する第2選択還元型触媒45を備える。第2選択還元型触媒45は、第1マフラー部20Aの次の拡径部分である第2マフラー部20B内に位置する。第2選択還元型触媒45は、セラミックあるいは金属からなるモノリス担体と、このモノリス担体にコーティングされた触媒層とを有する。触媒層は、銀アルミナあるいは銀ゼオライトを含む。第2選択還元型触媒45は、その温度である第2触媒温度が第2下限温度(例えば200℃)以上であって第2上限温度(例えば650℃)以下の比較的高い温度範囲を活性温度域として有し、NOxを還元する反応においてNH3を生成する。また、上述した構成の第2選択還元型触媒45では、燃料の酸化反応よりも燃料によるNOxの還元反応が優先して進行するため、燃料の一部が反応せずに通過する。そのため、その通過した燃料を後段の触媒の還元剤に用いることが可能である。 The exhaust purification device 30 includes a second selective reduction catalyst 45 that reduces NOx using the fuel in the exhaust gas as a reducing agent downstream of the second addition valve 44 in the exhaust passage 20. The second selective reduction catalyst 45 is located in the second muffler part 20B, which is the next enlarged diameter part of the first muffler part 20A. The second selective reduction catalyst 45 has a monolith support made of ceramic or metal and a catalyst layer coated on the monolith support. The catalyst layer contains silver alumina or silver zeolite. The second selective reduction catalyst 45 has a relatively high temperature range in which the second catalyst temperature, which is the temperature, is equal to or higher than the second lower limit temperature (eg, 200 ° C.) and lower than the second upper limit temperature (eg, 650 ° C.). As a region, NH 3 is produced in the reaction of reducing NOx. Further, in the second selective reduction catalyst 45 having the above-described configuration, the reduction reaction of NOx by the fuel proceeds in preference to the oxidation reaction of the fuel, so that part of the fuel passes without reacting. Therefore, it is possible to use the passed fuel as a reducing agent for the subsequent catalyst.
排気浄化装置30は、第2マフラー部20Bにおける第2選択還元型触媒45の下流に第3選択還元型触媒47を備える。
図2に示すように、第3選択還元型触媒47は、セラミックあるいは金属からなるモノリス担体48と、モノリス担体48の表面に積層されたHC触媒層49と、HC触媒層49に積層されたNH3触媒層50とを備える。
The exhaust purification device 30 includes a third selective reduction catalyst 47 downstream of the second selective reduction catalyst 45 in the second muffler portion 20B.
As shown in FIG. 2, the third selective reduction catalyst 47 includes a monolith support 48 made of ceramic or metal, an HC catalyst layer 49 stacked on the surface of the monolith support 48, and an NH stacked on the HC catalyst layer 49. 3 catalyst layers 50.
HC触媒層49は、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてNOxを還元する。HC触媒層49は、粒子状の触媒担体と触媒担体に担持された銅とを有する。触媒担体の形成材料は、多孔質構造を有するゼオライトである。このゼオライトは、炭化水素が進入可能な孔を有する多孔質材料である。HC触媒層49は、銅を担持させた粒子状の触媒担体をモノリス担体にコーティングして構成される。 The HC catalyst layer 49 reduces NOx by using the fuel in the exhaust gas as a reducing agent. The HC catalyst layer 49 includes a particulate catalyst carrier and copper supported on the catalyst carrier. The material for forming the catalyst carrier is zeolite having a porous structure. This zeolite is a porous material having pores into which hydrocarbons can enter. The HC catalyst layer 49 is configured by coating a monolithic carrier with a particulate catalyst carrier supporting copper.
NH3触媒層50は、第2選択還元型触媒45において生成されたNH3を還元剤に用いてNOxを還元する。NH3触媒層50は、粒子状の触媒担体と触媒担体に担持された銅とを有する。触媒担体の形成材料は、多孔質構造を有するゼオライトである。このゼオライトは、炭化水素の進入を拒む一方でNH3の進入を許可する孔を有する多孔質材料である。NH3触媒層50は、銅を担持させた粒子状の触媒担体をHC触媒層49が形成されたモノリス担体にコーティングして構成される。第3選択還元型触媒47は、その温度である第3触媒温度が第3下限温度(例えば200℃)以上であって第3上限温度(例えば600℃)以下を活性温度域に有する。 The NH 3 catalyst layer 50 reduces NOx using NH 3 generated in the second selective reduction catalyst 45 as a reducing agent. The NH 3 catalyst layer 50 includes a particulate catalyst carrier and copper supported on the catalyst carrier. The material for forming the catalyst carrier is zeolite having a porous structure. This zeolite is a porous material that has pores that reject the ingress of hydrocarbons while allowing the ingress of NH 3 . The NH 3 catalyst layer 50 is configured by coating a particulate catalyst carrier supporting copper on a monolith carrier on which the HC catalyst layer 49 is formed. The third selective reduction catalyst 47 has a third catalyst temperature, which is the temperature, equal to or higher than the third lower limit temperature (eg, 200 ° C.) and lower than the third upper limit temperature (eg, 600 ° C.) in the active temperature range.
図3に示すように、第3選択還元型触媒47では、NH3(アンモニア)がNH3触媒層50を構成する触媒担体51の孔51hに進入する一方、HC(炭化水素)が触媒担体51の孔51hに進入しない。そのため、HCは、触媒担体51の粒子間の隙間52を通ってHC触媒層49に到達する。そして、HC触媒層49に到達したHCは、HC触媒層49を構成する触媒担体53の孔53h中に進入する。これにより、NH3触媒層50では、孔51hに進入したNH3を還元剤に用いてNOxが還元され、HC触媒層49では、孔53hに進入したHCを還元剤に用いてNOxが還元される。 As shown in FIG. 3, in the third selective reduction catalyst 47, NH 3 (ammonia) enters the holes 51 h of the catalyst carrier 51 constituting the NH 3 catalyst layer 50, while HC (hydrocarbon) is introduced into the catalyst carrier 51. It does not enter the hole 51h. Therefore, HC reaches the HC catalyst layer 49 through the gaps 52 between the particles of the catalyst carrier 51. Then, the HC that has reached the HC catalyst layer 49 enters the holes 53 h of the catalyst carrier 53 constituting the HC catalyst layer 49. Thereby, in the NH 3 catalyst layer 50, NOx is reduced using NH 3 entering the hole 51h as a reducing agent, and in the HC catalyst layer 49, NOx is reduced using HC entering the hole 53h as a reducing agent. The
図1に示すように、排気浄化装置30は、第2マフラー部20Bにおける第3選択還元型触媒47の下流に第4酸化触媒54を備える。第4酸化触媒54は、第3選択還元型触媒47を通過した燃料やNH3を酸化する。第4酸化触媒54は、セラミックあるいは金属からなるモノリス担体と、このモノリス担体にコーティングされた触媒層とを有する。触媒層は、例えばゼオライトやアルミナからなる粒子状の触媒担体と、触媒担体に担持された触媒金属とを有する。触媒金属は、例えば白金、パラジウム、および、ロジウム等の白金系元素のうちの少なくとも1種である。 As shown in FIG. 1, the exhaust purification device 30 includes a fourth oxidation catalyst 54 downstream of the third selective reduction catalyst 47 in the second muffler portion 20B. The fourth oxidation catalyst 54 oxidizes the fuel and NH 3 that have passed through the third selective reduction catalyst 47. The fourth oxidation catalyst 54 has a monolithic carrier made of ceramic or metal, and a catalyst layer coated on the monolithic carrier. The catalyst layer has, for example, a particulate catalyst support made of zeolite or alumina, and a catalyst metal supported on the catalyst support. The catalytic metal is at least one of platinum-based elements such as platinum, palladium, and rhodium.
排気浄化装置30は、各種センサーを備える。排気浄化装置30は、吸気通路16におけるコンプレッサー18の上流に、吸入空気量を検出する吸入空気量センサー55を備える。排気浄化装置30は、排気通路20の各所に排気ガスの温度を検出する温度センサーを備える。温度センサー56は、第1酸化触媒31と第1添加弁38との間に位置し、第1酸化触媒31を通過した排気ガスの温度であるATC排気温度を検出する。温度センサー57は、第1添加弁38と第2酸化触媒39cとの間に位置し、第2酸化触媒39cに流入する排気ガスの温度である第1排気温度を検出する。温度センサー58は、第2酸化触媒39cとフィルター40との間に位置し、フィルター40に流入する排気ガスの温度である流入温度を検出する。温度センサー59は、フィルター40と第2添加弁44との間に位置し、フィルター40を通過した排気ガスの温度である流出温度を検出する。温度センサー60は、第2添加弁44と第2選択還元型触媒45との間に位置し、第2選択還元型触媒45に流入する排気ガスの温度である第2排気温度を検出する。温度センサー61は、第4酸化触媒54の下流に位置し、第4酸化触媒54の通過した排気ガスの温度である第3排気温度を検出する。 The exhaust purification device 30 includes various sensors. The exhaust purification device 30 includes an intake air amount sensor 55 that detects an intake air amount upstream of the compressor 18 in the intake passage 16. The exhaust purification device 30 includes temperature sensors that detect the temperature of exhaust gas at various locations in the exhaust passage 20. The temperature sensor 56 is located between the first oxidation catalyst 31 and the first addition valve 38 and detects the ATC exhaust temperature that is the temperature of the exhaust gas that has passed through the first oxidation catalyst 31. The temperature sensor 57 is located between the first addition valve 38 and the second oxidation catalyst 39c, and detects the first exhaust temperature, which is the temperature of the exhaust gas flowing into the second oxidation catalyst 39c. The temperature sensor 58 is located between the second oxidation catalyst 39c and the filter 40, and detects an inflow temperature that is the temperature of the exhaust gas flowing into the filter 40. The temperature sensor 59 is located between the filter 40 and the second addition valve 44 and detects an outflow temperature that is the temperature of the exhaust gas that has passed through the filter 40. The temperature sensor 60 is located between the second addition valve 44 and the second selective reduction catalyst 45 and detects a second exhaust temperature that is the temperature of the exhaust gas flowing into the second selective reduction catalyst 45. The temperature sensor 61 is located downstream of the fourth oxidation catalyst 54 and detects a third exhaust temperature that is the temperature of the exhaust gas that has passed through the fourth oxidation catalyst 54.
排気浄化装置30は、排気ガスのNOx濃度を検出するNOxセンサー62,63を備える。NOxセンサー62は、フィルター40と第2添加弁44との間に位置し、フィルター40を通過した排気ガスのNOx濃度である中間濃度を検出する。NOxセンサー63は、第4酸化触媒54の下流に位置し、第4酸化触媒54を通過した排気ガスのNOx濃度である排出濃度を検出する。 The exhaust purification device 30 includes NOx sensors 62 and 63 that detect the NOx concentration of the exhaust gas. The NOx sensor 62 is located between the filter 40 and the second addition valve 44 and detects an intermediate concentration that is the NOx concentration of the exhaust gas that has passed through the filter 40. The NOx sensor 63 is located downstream of the fourth oxidation catalyst 54 and detects the exhaust concentration that is the NOx concentration of the exhaust gas that has passed through the fourth oxidation catalyst 54.
排気浄化装置30は、排気ガスの圧力を検出する圧力センサー64,65を備える。圧力センサー64は、第2酸化触媒39cとフィルター40との間に位置し、フィルター40に流入する排気ガスの圧力である流入圧力を検出する。圧力センサー65は、フィルター40と第2添加弁44との間に位置し、フィルター40を通過した排気ガスの圧力である流出圧力を検出する。 The exhaust purification device 30 includes pressure sensors 64 and 65 that detect the pressure of the exhaust gas. The pressure sensor 64 is located between the second oxidation catalyst 39c and the filter 40, and detects the inflow pressure that is the pressure of the exhaust gas flowing into the filter 40. The pressure sensor 65 is located between the filter 40 and the second addition valve 44 and detects the outflow pressure that is the pressure of the exhaust gas that has passed through the filter 40.
また排気浄化装置30は、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサー66、アクセル開度を検出するアクセル開度センサー67を備える。各種センサーは、各々の検出値を示す信号を、エンジンシステムを統括制御する制御装置70に出力する。 The exhaust purification device 30 also includes an engine speed sensor 66 that detects the engine speed and an accelerator position sensor 67 that detects the accelerator position. The various sensors output signals indicating the detected values to the control device 70 that performs overall control of the engine system.
図4に示すように、制御装置70は、CPUと、各種制御プログラムおよび各触媒の活性温度域等の各種データが格納されたROMと、各種演算における演算結果や各種データが一時的に格納されるRAMとを有するマイクロコンピューターを中心に構成される。制御装置70は、各種センサー等からの信号に基づき取得した各種情報とROMに格納された各種制御プログラムや各種データとに基づき、インジェクター13による燃料の噴射、第1添加弁38による燃料の添加、および、第2添加弁44による燃料の添加を制御する。制御装置70は、吸入空気量を排気ガスの流量である排気流量として扱う。 As shown in FIG. 4, the control device 70 temporarily stores a CPU, a ROM that stores various data such as various control programs and activation temperatures of each catalyst, and calculation results and various data in various calculations. It is mainly composed of a microcomputer having a RAM. Based on various information acquired based on signals from various sensors and various control programs and various data stored in the ROM, the control device 70 injects fuel by the injector 13, adds fuel by the first addition valve 38, The addition of fuel by the second addition valve 44 is controlled. The control device 70 treats the intake air amount as an exhaust flow rate that is a flow rate of the exhaust gas.
制御装置70は、インジェクター13による燃料の噴射を制御する。制御装置70は、エンジン回転数やアクセル開度等に基づきメイン噴射量を演算し、メイン噴射量の燃料がシリンダー12に噴射されるようにインジェクター13を制御する。また、制御装置70は、フィルター40の再生処理にて、燃焼サイクルの膨張行程にインジェクター13から燃料を噴射するポスト噴射を実行する。ポスト噴射量は、例えば、ATC排気温度に基づき第1酸化触媒31にて酸化が可能な量であり、ATC排気温度とポスト噴射量とを対応付けた噴射テーブルから選択される。 The control device 70 controls fuel injection by the injector 13. The control device 70 calculates the main injection amount based on the engine speed, the accelerator opening, and the like, and controls the injector 13 so that the main injection amount of fuel is injected into the cylinder 12. In addition, the control device 70 performs post-injection in which fuel is injected from the injector 13 during the expansion process of the combustion cycle in the regeneration process of the filter 40. The post injection amount is, for example, an amount that can be oxidized by the first oxidation catalyst 31 based on the ATC exhaust temperature, and is selected from an injection table that associates the ATC exhaust temperature with the post injection amount.
制御装置70は、NOxの浄化についての通常処理を実行する。通常処理において、制御装置70は、排気流量、第1排気温度、第2排気温度、および、エンジン回転数を取得し、第1添加部32による燃料の添加と第2添加部41による燃料の添加とを制御する。 The control device 70 executes normal processing for NOx purification. In the normal processing, the control device 70 acquires the exhaust flow rate, the first exhaust temperature, the second exhaust temperature, and the engine speed, and adds the fuel by the first addition unit 32 and the fuel addition by the second addition unit 41. And control.
制御装置70は、第1温度取得部として温度センサー57から第1排気温度を取得し、第1排気温度が第1添加温度以上であるときに第1添加弁38から燃料を添加する。第1添加温度は、第2酸化触媒39cおよび第3酸化触媒40cが活性状態にあると判断される第1排気温度である。制御装置70は、第1NOx量演算部として機能し、エンジン回転数、メイン噴射量、および、吸入空気量等がパラメーターに設定されたエンジンモデルから第3酸化触媒40cに流入するNOx量である第1NOx量を演算する。制御装置70は、第1NOx量と第1排気温度とに基づき、第2酸化触媒39cおよび第3酸化触媒40cにおけるNOxの還元量が最大となるように第1添加弁38による燃料の添加量である第1添加量を演算する。すなわち第1添加量は、第1NOx量が多いほど多くなる。 The control device 70 acquires the first exhaust temperature from the temperature sensor 57 as a first temperature acquisition unit, and adds fuel from the first addition valve 38 when the first exhaust temperature is equal to or higher than the first addition temperature. The first addition temperature is a first exhaust temperature at which it is determined that the second oxidation catalyst 39c and the third oxidation catalyst 40c are in an active state. The control device 70 functions as a first NOx amount calculation unit, and is a NOx amount that flows into the third oxidation catalyst 40c from the engine model in which the engine speed, the main injection amount, the intake air amount and the like are set as parameters. The amount of 1NOx is calculated. Based on the first NOx amount and the first exhaust temperature, the control device 70 determines the amount of fuel added by the first addition valve 38 so that the reduction amount of NOx in the second oxidation catalyst 39c and the third oxidation catalyst 40c is maximized. A certain first addition amount is calculated. That is, the first addition amount increases as the first NOx amount increases.
制御装置70は、第2温度取得部として温度センサー60から第2排気温度を取得し、第2排気温度が第2添加温度以上であるときに第2添加弁44から燃料を添加する。第2添加温度は、第2および第3選択還元型触媒45,47が活性状態にあると判断される第2排気温度である。制御装置70は、第2NOx量演算部として機能し、排気流量および中間濃度に基づいて、第2選択還元型触媒45に流入するNOxである第2NOx量を演算する。制御装置70は、第2NOx量と第2排気温度とに基づいて、第2選択還元型触媒45および第3選択還元型触媒47におけるNOxの還元量が最大となるように第2添加弁44による燃料の添加量である第2添加量を演算する。すなわち第2添加量は、第2NOx量が多いほど多くなる。 The control device 70 acquires the second exhaust temperature from the temperature sensor 60 as a second temperature acquisition unit, and adds fuel from the second addition valve 44 when the second exhaust temperature is equal to or higher than the second addition temperature. The second addition temperature is a second exhaust temperature at which the second and third selective reduction catalysts 45 and 47 are determined to be in an active state. The control device 70 functions as a second NOx amount calculation unit, and calculates a second NOx amount that is NOx flowing into the second selective reduction catalyst 45 based on the exhaust gas flow rate and the intermediate concentration. Based on the second NOx amount and the second exhaust temperature, the control device 70 uses the second addition valve 44 so that the amount of NOx reduction in the second selective reduction catalyst 45 and the third selective reduction catalyst 47 is maximized. A second addition amount that is an addition amount of fuel is calculated. That is, the second addition amount increases as the second NOx amount increases.
制御装置70は、フィルター40のフィルター機能を再生する再生処理を実行する。制御装置70は、フィルター40におけるPMの堆積量Mfを演算し、第1排気温度が第1添加温度以上であり、かつ、堆積量Mfが上限値Mf1を超えていることを条件に通常処理を強制的に終了して再生処理を開始する。制御装置70は、排気流量、流入圧力と流出圧力とに基づくフィルター40での圧力損失等に基づいて堆積量Mfを演算する。 The control device 70 executes a regeneration process for regenerating the filter function of the filter 40. The control device 70 calculates the PM accumulation amount Mf in the filter 40, and performs normal processing on the condition that the first exhaust temperature is equal to or higher than the first addition temperature and the accumulation amount Mf exceeds the upper limit value Mf1. Forcibly end and start the playback process. The control device 70 calculates the deposition amount Mf based on the pressure loss at the filter 40 based on the exhaust gas flow rate, the inflow pressure and the outflow pressure.
再生処理において、制御装置70は、インジェクター13によるポスト噴射、及び、第1添加弁38による燃料の添加を行う。ポスト噴射による燃料は第1酸化触媒31で酸化され、第1添加弁38の添加した燃料は第2酸化触媒39cで酸化される。すなわち、フィルター40には段階的に昇温された排気ガスが流入する。制御装置70は、流入温度がフィルター40の再生温度Tfrを示す目標値となるように各種の燃料の量を演算する。 In the regeneration process, the control device 70 performs post injection by the injector 13 and addition of fuel by the first addition valve 38. The fuel by the post injection is oxidized by the first oxidation catalyst 31, and the fuel added by the first addition valve 38 is oxidized by the second oxidation catalyst 39c. That is, the exhaust gas whose temperature has been increased stepwise flows into the filter 40. The control device 70 calculates the amounts of various fuels so that the inflow temperature becomes a target value indicating the regeneration temperature Tfr of the filter 40.
再生処理において、制御装置70は、PMの燃焼量Gpmを演算する。制御装置70は、排気流量、および、流入温度と流出温度との温度差等に基づきフィルター40の平均温度を演算する。そして制御装置70は、この平均温度とPM燃焼速度とに基づきPMの燃焼量Gpmを演算する。制御装置70は、燃焼量Gpmが堆積量Mfに到達すると再生処理を終了して通常処理を再開する。なお、制御装置70は、再生処理中に第1排気温度が第1添加温度を下回ると再生処理を中止して通常処理を再開する。 In the regeneration process, the control device 70 calculates the PM combustion amount Gpm. The control device 70 calculates the average temperature of the filter 40 based on the exhaust flow rate, the temperature difference between the inflow temperature and the outflow temperature, and the like. The control device 70 calculates the PM combustion amount Gpm based on the average temperature and the PM combustion speed. When the combustion amount Gpm reaches the accumulation amount Mf, the control device 70 ends the regeneration process and resumes the normal process. Note that if the first exhaust temperature falls below the first addition temperature during the regeneration process, the control device 70 stops the regeneration process and resumes the normal process.
ここで、ディーゼルエンジンにおいては、燃料や潤滑油の燃焼にともなって硫黄酸化物(SOx)が生成される。硫黄酸化物は、排気ガスとともに排気浄化装置30に流入して各種触媒に付着する。こうした硫黄酸化物の付着、すなわち硫黄被毒によって各種触媒は、その触媒性能が低下する。そのため、触媒は、定期的に硫黄被毒から回復されることが好ましい。特に、第2選択還元型触媒45は硫黄被毒の影響をうけやすい。これは、第1および第2酸化触媒31,39c、ならびに、フィルター40においては、再生処理にともなう昇温によって硫黄酸化物が除去されやすいこと、また、フィルター40を通過した排気ガスが第2選択還元型触媒45に流入すること、これらに基づく。制御装置70は、第2選択還元型触媒45における硫黄被毒を回復する回復処理を実行し、硫黄酸化物が除去される回復温度Tsrまで第2選択還元型触媒45を昇温させる。 Here, in a diesel engine, sulfur oxide (SOx) is generated with combustion of fuel or lubricating oil. Sulfur oxide flows into the exhaust purification device 30 together with the exhaust gas and adheres to various catalysts. The catalyst performance of various catalysts deteriorates due to the adhesion of sulfur oxides, that is, sulfur poisoning. Therefore, it is preferable that the catalyst is periodically recovered from sulfur poisoning. In particular, the second selective reduction catalyst 45 is easily affected by sulfur poisoning. This is because, in the first and second oxidation catalysts 31, 39c and the filter 40, sulfur oxides are easily removed by the temperature rise accompanying the regeneration process, and the exhaust gas that has passed through the filter 40 is the second choice. Based on these, it flows into the reduced catalyst 45. The control device 70 executes a recovery process for recovering sulfur poisoning in the second selective reduction catalyst 45 and raises the temperature of the second selective reduction catalyst 45 to a recovery temperature Tsr at which sulfur oxides are removed.
なお、第2選択還元型触媒45では、燃料を還元剤とするNOxの還元反応と並行して燃料の酸化反応も生じる。そのため、第2選択還元型触媒45は、燃料の供給により昇温する。しかしながら、燃料の酸化反応だけで第2選択還元型触媒45を回復温度Tsrまで昇温させることは困難である。そこで、制御装置70は、フィルター40の再生処理中に回復処理を行う。すなわち、制御装置70は、被毒量Msが閾値Ms1を超えた状態にてフィルター40の堆積量Mfが上限値Mf1を超えると回復処理を実行する。 In the second selective reduction catalyst 45, a fuel oxidation reaction also occurs in parallel with the NOx reduction reaction using the fuel as a reducing agent. Therefore, the temperature of the second selective reduction catalyst 45 is increased by the supply of fuel. However, it is difficult to raise the temperature of the second selective reduction catalyst 45 to the recovery temperature Tsr only by the oxidation reaction of fuel. Therefore, the control device 70 performs a recovery process during the regeneration process of the filter 40. That is, the control device 70 executes the recovery process when the accumulation amount Mf of the filter 40 exceeds the upper limit value Mf1 in a state where the poisoning amount Ms exceeds the threshold value Ms1.
制御装置70は、例えば前回の回復処理からのメイン噴射量の積算値に基づき、第2選択還元型触媒45の被毒量Msを演算する。そして制御装置70は、被毒量Msが予め定めた閾値Ms1を超えるとフィルター40の再生処理とともに回復処理を実行する。なお、この閾値Ms1は、フィルター40の再生処理とともに回復処理を実行することで第2選択還元型触媒45が硫黄被毒から十分に回復する値である。 The control device 70 calculates the poisoning amount Ms of the second selective reduction catalyst 45 based on, for example, the integrated value of the main injection amount from the previous recovery process. Then, when the poisoning amount Ms exceeds a predetermined threshold value Ms1, the control device 70 executes the recovery process together with the regeneration process of the filter 40. The threshold value Ms1 is a value at which the second selective reduction catalyst 45 is sufficiently recovered from sulfur poisoning by executing the recovery process together with the regeneration process of the filter 40.
回復処理において、制御装置70は、例えば回復温度Tsrと第2排気温度との温度差に基づき、第2選択還元型触媒45の温度が回復温度Tsrに到達するように第2添加弁44による添加量を演算する。制御装置70は、その演算した添加量の分の燃料が第2添加弁44から添加されるように第2調整弁43を制御する。そして制御装置70は、再生処理の終了とともに回復処理を終了し、通常処理を再開する。 In the recovery process, the controller 70 adds the second addition valve 44 so that the temperature of the second selective catalytic reduction catalyst 45 reaches the recovery temperature Tsr based on, for example, the temperature difference between the recovery temperature Tsr and the second exhaust temperature. Calculate the quantity. The control device 70 controls the second adjustment valve 43 so that the calculated addition amount of fuel is added from the second addition valve 44. And the control apparatus 70 complete | finishes a recovery process with the completion | finish of a reproduction | regeneration process, and resumes a normal process.
すなわち、図5に示すように、制御装置70は、エンジン始動時の時刻t1から堆積量Mfの演算と被毒量Msの演算を開始する。制御装置70は、被毒量Msが閾値Ms1を超えるまでの間に何度か再生処理を実行する。そして制御装置70は、被毒量Msが閾値Ms1を超えた状態で堆積量Mfが上限値Mf1を超えた時刻t6において、再生処理と回復処理とを実行する。これにより、フィルター40のフィルター機能が再生するとともに第2選択還元型触媒45の硫黄被毒が回復する。 That is, as shown in FIG. 5, the control device 70 starts the calculation of the deposition amount Mf and the calculation of the poisoning amount Ms from time t1 when the engine is started. The control device 70 executes the regeneration process several times until the poisoning amount Ms exceeds the threshold value Ms1. The control device 70 executes the regeneration process and the recovery process at time t6 when the deposition amount Mf exceeds the upper limit value Mf1 while the poisoning amount Ms exceeds the threshold value Ms1. Thereby, the filter function of the filter 40 is regenerated and the sulfur poisoning of the second selective reduction catalyst 45 is recovered.
図6を参照して排気浄化装置30の作用について説明する。
上述した排気浄化装置30によれば、第1添加弁38によって燃料が添加された排気ガスは、第2酸化触媒39cおよび第3酸化触媒40cによって燃料を還元剤として排気ガス中のNOxが還元される。また、第2添加弁44によって燃料が添加された排気ガスは、第3酸化触媒40cよりも活性温度域が高い第2選択還元型触媒45において、燃料を還元剤としてNOxが還元されるとともにNH3が生成される。そして第3選択還元型触媒47では、第2選択還元型触媒45を通過した燃料、および、第2選択還元型触媒45にて生成されたNH3を還元剤としてNOxが還元される。こうした構成によれば、NOxの浄化性能を高めることができる。
The operation of the exhaust emission control device 30 will be described with reference to FIG.
According to the exhaust purification device 30 described above, the exhaust gas to which fuel has been added by the first addition valve 38 is reduced by the second oxidation catalyst 39c and the third oxidation catalyst 40c by the NOx in the exhaust gas using the fuel as a reducing agent. The Further, the exhaust gas to which the fuel is added by the second addition valve 44 is reduced in NOx while reducing NOx using the fuel as a reducing agent in the second selective reduction catalyst 45 having an activation temperature range higher than that of the third oxidation catalyst 40c. 3 is generated. In the third selective reduction catalyst 47, NOx is reduced using the fuel that has passed through the second selective reduction catalyst 45 and NH 3 produced in the second selective reduction catalyst 45 as a reducing agent. According to such a configuration, the NOx purification performance can be enhanced.
図6は、エンジン10をWHTC、WHSC、WNTEの試験サイクルで運転した場合におけるNOxの浄化性能を比較した結果の一例を示すグラフである。実施例は、上述した排気浄化装置30である。比較例は、排気通路の上流側から順に、第1酸化触媒31、第1添加弁38、第2酸化触媒39c、第3酸化触媒40cを含むフィルター40、第4酸化触媒54、これらが配列された排気浄化装置である。図6のように、実施例の排気浄化装置30では、比較例の排気浄化装置に比べてNOxの浄化性能の向上が確認された。 FIG. 6 is a graph showing an example of the result of comparing the NOx purification performance when the engine 10 is operated in the test cycle of WHTC, WHSC, and WNTE. The embodiment is the exhaust purification device 30 described above. In the comparative example, the first oxidation catalyst 31, the first addition valve 38, the second oxidation catalyst 39c, the filter 40 including the third oxidation catalyst 40c, the fourth oxidation catalyst 54, and the like are arranged in order from the upstream side of the exhaust passage. Exhaust gas purification device. As shown in FIG. 6, in the exhaust purification device 30 of the example, it was confirmed that the NOx purification performance was improved as compared with the exhaust purification device of the comparative example.
上記実施形態の排気浄化装置30によれば、以下に列挙する効果が得られる。
(1)排気浄化装置30によればNOxの浄化性能を高めることができる。
(2)制御装置70は、第2酸化触媒39cおよび第3酸化触媒40cでのNOx還元量が最大となるように第1添加弁38による燃料の添加量である第1添加量を演算する。また制御装置70は、第2選択還元型触媒45および第3選択還元型触媒47でのNOx還元量が最大となるように第2添加弁44による燃料の添加量である第2添加量を演算する。これにより、NOxの浄化を目的とした燃料消費量を抑えつつ、NOxの浄化性能を向上できる。
According to the exhaust purification device 30 of the above embodiment, the effects listed below can be obtained.
(1) According to the exhaust purification device 30, NOx purification performance can be enhanced.
(2) The control device 70 calculates the first addition amount that is the amount of fuel added by the first addition valve 38 so that the NOx reduction amount in the second oxidation catalyst 39c and the third oxidation catalyst 40c is maximized. Further, the control device 70 calculates the second addition amount that is the amount of fuel added by the second addition valve 44 so that the NOx reduction amount in the second selective reduction catalyst 45 and the third selective reduction catalyst 47 is maximized. To do. Thereby, the NOx purification performance can be improved while suppressing the fuel consumption for the purpose of NOx purification.
(3)第3酸化触媒40cがフィルター40の表層を構成する触媒層であることから、フィルターと第3酸化触媒とを搭載するうえで排気浄化装置30の占有する容積を小さくすることができる。 (3) Since the third oxidation catalyst 40c is a catalyst layer constituting the surface layer of the filter 40, the volume occupied by the exhaust purification device 30 can be reduced when the filter and the third oxidation catalyst are mounted.
(4)再生処理の実行中に回復処理が実行されることで第2選択還元型触媒45には、PMの燃焼によって昇温した排気ガスが流入する。すなわち、フィルター40の再生処理によって昇温した排気ガスを第2選択還元型触媒45の昇温に利用することができる。その結果、回復処理における第2選択還元型触媒45の昇温を効率よく行うことができる。 (4) By performing the recovery process during the regeneration process, the exhaust gas whose temperature has been raised by the combustion of PM flows into the second selective reduction catalyst 45. That is, the exhaust gas whose temperature has been raised by the regeneration process of the filter 40 can be used for raising the temperature of the second selective reduction catalyst 45. As a result, the temperature of the second selective reduction catalyst 45 in the recovery process can be efficiently increased.
(5)また、回復処理は、第2選択還元型触媒45における被毒量Msが閾値Ms1を超えたときに実行される。これにより、過剰な回復処理の実行が抑えられることから、回復処理にともなう燃料消費量を抑えることができる。 (5) In addition, the recovery process is executed when the poisoning amount Ms in the second selective reduction catalyst 45 exceeds the threshold value Ms1. Thereby, since execution of an excessive recovery process is suppressed, the fuel consumption accompanying a recovery process can be suppressed.
(6)排気浄化装置30は、第1酸化触媒31と第2酸化触媒39cとを備え、フィルター40の再生処理においてインジェクター13によるポスト噴射と第1添加弁38による燃料の添加とを行う。これにより、フィルター40に流入する排気ガスの昇温を効率よく行うことができる。その結果、再生処理に要する時間を短縮することができる。 (6) The exhaust purification device 30 includes a first oxidation catalyst 31 and a second oxidation catalyst 39c, and performs post-injection by the injector 13 and addition of fuel by the first addition valve 38 in the regeneration process of the filter 40. Thereby, the temperature of the exhaust gas flowing into the filter 40 can be efficiently raised. As a result, the time required for the reproduction process can be shortened.
(7)また、フィルター40の直前に位置する第2酸化触媒39cが最も強い酸化力を有することから、フィルター40の再生処理において、フィルター40に流入する排気ガスを効果的に昇温させることができる。また、フィルター40に流入するまでの間における排気ガスの温度低下を抑えることもできる。その結果、再生処理に要する時間を短縮することができる。 (7) Further, since the second oxidation catalyst 39c located immediately before the filter 40 has the strongest oxidizing power, the exhaust gas flowing into the filter 40 can be effectively heated in the regeneration process of the filter 40. it can. Further, it is possible to suppress the temperature drop of the exhaust gas until it flows into the filter 40. As a result, the time required for the reproduction process can be shortened.
(8)排気浄化装置30は、第3選択還元型触媒47の下流に第4酸化触媒54を備えている。これにより、第3選択還元型触媒47を通過した燃料やNH3が酸化される。その結果、第1添加量および第2添加量についての自由度が向上する。 (8) The exhaust purification device 30 includes a fourth oxidation catalyst 54 downstream of the third selective reduction catalyst 47. As a result, the fuel and NH 3 that have passed through the third selective reduction catalyst 47 are oxidized. As a result, the degree of freedom for the first addition amount and the second addition amount is improved.
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・制御装置70は、被毒量Msが閾値Ms1を超えているときに限らず、再生処理を行うたびに回復処理を実行してもよい。これによれば、第2選択還元型触媒45について硫黄被毒の少ない状態が維持されやすくなり、NOxの浄化性能がさらに高められる。
In addition, the said embodiment can also be suitably changed and implemented as follows.
The controller 70 is not limited to when the poisoning amount Ms exceeds the threshold value Ms1, and may execute the recovery process every time the regeneration process is performed. According to this, it becomes easy to maintain the state with little sulfur poisoning about the 2nd selective reduction catalyst 45, and the purification | cleaning performance of NOx is further improved.
・回復処理の実行は、再生処理の実行中に限られるものではない。この場合、排気浄化装置30は、例えば電気ヒーター等、第2選択還元型触媒45を昇温させる加熱部を搭載していることが好ましい。また、制御装置70は、回復処理を行わなくともよい。 -The execution of the recovery process is not limited to the execution of the reproduction process. In this case, it is preferable that the exhaust purification device 30 is equipped with a heating unit that raises the temperature of the second selective reduction catalyst 45, such as an electric heater. Further, the control device 70 may not perform the recovery process.
・排気浄化装置30は、第3酸化触媒40cとフィルター40とを各別に備えてもよい。この際、第3酸化触媒40cに対するPMの付着を抑制するうえで、フィルター40の下流に第3酸化触媒40cが位置するとよい。また、排気浄化装置30は、再生処理が行われてなくともよく、また、フィルターを備えていなくてもよい。 The exhaust purification device 30 may include the third oxidation catalyst 40c and the filter 40 separately. At this time, the third oxidation catalyst 40c may be positioned downstream of the filter 40 in order to suppress the adhesion of PM to the third oxidation catalyst 40c. Further, the exhaust purification device 30 does not have to be regenerated and does not have to include a filter.
・第1添加量は、第1NOx量に拘らず一定量であってもよい。また、第2添加量は、第2NOx量の拘らず一定量であってもよい。
・第3選択還元型触媒47は、第2選択還元型触媒45の生成したNH3を還元剤に用いてNOxを還元する機能を有していればよく、NH3触媒層50のみを触媒層として有していてもよい。
The first addition amount may be a constant amount regardless of the first NOx amount. Further, the second addition amount may be a constant amount regardless of the second NOx amount.
The third selective reduction catalyst 47 only needs to have a function of reducing NOx using NH 3 produced by the second selective reduction catalyst 45 as a reducing agent, and only the NH 3 catalyst layer 50 is used as a catalyst layer. You may have as.
・制御装置70は、第1温度取得部として第1選択還元型触媒39の温度を取得すればよい。そのため、制御装置70は、例えば流入温度と流出温度との平均値を第3酸化触媒40cの温度として演算し、その演算した第3酸化触媒40cの温度を第1選択還元型触媒39の温度としてもよい。また、制御装置70は、第2温度取得部として第2選択還元型触媒45の温度を取得すればよい。そのため、制御装置70は、例えば第2排気温度と第3排気温度とに基づく温度勾配、第2選択還元型触媒45の熱容量、温度センサー60に対する第2選択還元型触媒45の相対位置、これらに基づいて第2選択還元型触媒45の温度を算出してもよい。 -The control apparatus 70 should just acquire the temperature of the 1st selective reduction catalyst 39 as a 1st temperature acquisition part. Therefore, the control device 70 calculates, for example, the average value of the inflow temperature and the outflow temperature as the temperature of the third oxidation catalyst 40 c, and uses the calculated temperature of the third oxidation catalyst 40 c as the temperature of the first selective reduction catalyst 39. Also good. Moreover, the control apparatus 70 should just acquire the temperature of the 2nd selective reduction catalyst 45 as a 2nd temperature acquisition part. For this reason, the control device 70, for example, a temperature gradient based on the second exhaust temperature and the third exhaust temperature, the heat capacity of the second selective reduction catalyst 45, the relative position of the second selective reduction catalyst 45 with respect to the temperature sensor 60, and the like. Based on this, the temperature of the second selective catalytic reduction catalyst 45 may be calculated.
・第1NOx量は、エンジンモデルから演算されるに限らず、例えば、第2酸化触媒39cに流入する排気ガスのNOx濃度である流入濃度を検出するNOxセンサーを排気通路20に設置し、この流入濃度と排気流量とに基づき演算されてもよい。 The first NOx amount is not limited to being calculated from the engine model. For example, a NOx sensor that detects the inflow concentration that is the NOx concentration of the exhaust gas flowing into the second oxidation catalyst 39c is installed in the exhaust passage 20, and this inflow It may be calculated based on the concentration and the exhaust flow rate.
・第2NOx量は、NOxセンサー62の検出値と排気流量とに基づき演算されるに限らず、例えば、エンジン回転数、メイン噴射量、吸入空気量、および、第1添加量がパラメーターに設定されたモデルから演算されてもよい。 The second NOx amount is not limited to the calculation based on the detected value of the NOx sensor 62 and the exhaust gas flow rate. For example, the engine speed, the main injection amount, the intake air amount, and the first addition amount are set as parameters. It may be calculated from the model.
・排気浄化装置30は、第4酸化触媒54が割愛された構成であってもよい。
・第1選択還元型触媒39の活性温度域は、第2酸化触媒39cおよび第3酸化触媒40cの少なくとも一方が活性状態にある温度域であってもよい。こうした構成によれば、例えば、第2酸化触媒39cが第3酸化触媒40cよりも低い温度で活性する場合に第2酸化触媒39cのみが活性状態であったとしても第1添加弁38から燃料が添加される。この際、第2酸化触媒39cにおいては、燃料を還元剤に用いたNOxの還元と燃料の酸化による排気ガスの昇温とが行われる。この第2酸化触媒39cによる排気ガスの昇温により、第3酸化触媒40cの昇温を促進することができる。
The exhaust purification device 30 may have a configuration in which the fourth oxidation catalyst 54 is omitted.
The activation temperature range of the first selective reduction catalyst 39 may be a temperature range in which at least one of the second oxidation catalyst 39c and the third oxidation catalyst 40c is in an active state. According to such a configuration, for example, when the second oxidation catalyst 39c is activated at a temperature lower than that of the third oxidation catalyst 40c, even if only the second oxidation catalyst 39c is in an active state, the fuel is supplied from the first addition valve 38. Added. At this time, in the second oxidation catalyst 39c, the reduction of NOx using the fuel as the reducing agent and the temperature increase of the exhaust gas due to the oxidation of the fuel are performed. The temperature increase of the third oxidation catalyst 40c can be promoted by the temperature increase of the exhaust gas by the second oxidation catalyst 39c.
10…ディーゼルエンジン、13…インジェクター、20…排気通路、20A…第1マフラー部、20B…第2マフラー部、30…排気浄化装置、31…第1酸化触媒、32…第1添加部、37…第1調整弁、38…第1添加弁、39…第1選択還元型触媒、39c…第2酸化触媒、40…フィルター、40c…第3酸化触媒、41…第2添加部、43…第2調整弁、44…第2添加弁、45…第2選択還元型触媒、47…第3選択還元型触媒、49…HC触媒層、50…NH3触媒層、54…第4酸化触媒、55…吸入空気量センサー、56,57,58,59,60,61…温度センサー、62,63…NOxセンサー、64,65…圧力センサー、70…制御装置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Diesel engine, 13 ... Injector, 20 ... Exhaust passage, 20A ... 1st muffler part, 20B ... 2nd muffler part, 30 ... Exhaust gas purification device, 31 ... 1st oxidation catalyst, 32 ... 1st addition part, 37 ... First regulating valve, 38 ... first addition valve, 39 ... first selective reduction catalyst, 39c ... second oxidation catalyst, 40 ... filter, 40c ... third oxidation catalyst, 41 ... second addition section, 43 ... second Adjustment valve 44 ... second addition valve 45 ... second selective reduction catalyst 47 ... third selective reduction catalyst 49 ... HC catalyst layer 50 ... NH 3 catalyst layer 54 ... fourth oxidation catalyst 55 ... Intake air amount sensor, 56, 57, 58, 59, 60, 61 ... temperature sensor, 62, 63 ... NOx sensor, 64, 65 ... pressure sensor, 70 ... control device.
Claims (5)
前記第1添加弁の下流に位置し、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてNOxを還元する第1選択還元型触媒と、
前記第1選択還元型触媒の下流に位置し、排気ガスに燃料を添加する第2添加弁と、
前記第2添加弁の下流に位置し、前記第1選択還元型触媒よりも温度活性域の高い第2選択還元型触媒であって、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてNOxを還元するとともにNOxの還元によりNH3を生成する前記第2選択還元型触媒と、
前記第2選択還元型触媒の下流に位置し、前記第2選択還元型触媒が生成したNH3を還元剤に用いてNOxを還元する第3選択還元型触媒と、
前記第1添加弁による燃料の添加量である第1添加量と前記第2添加弁による燃料の添加量である第2添加量とを制御する制御部とを備える
排気浄化装置。 A first addition valve for adding fuel to the exhaust gas flowing through the exhaust passage;
A first selective reduction type catalyst that is located downstream of the first addition valve and reduces NOx using fuel in exhaust gas as a reducing agent;
A second addition valve located downstream of the first selective reduction catalyst and for adding fuel to the exhaust gas;
A second selective reduction catalyst located downstream of the second addition valve and having a temperature active region higher than that of the first selective reduction catalyst, wherein NOx is reduced using fuel in the exhaust gas as a reducing agent. And the second selective reduction catalyst that generates NH 3 by reduction of NOx,
A third selective reduction catalyst that is located downstream of the second selective reduction catalyst and reduces NOx using NH 3 produced by the second selective reduction catalyst as a reducing agent;
An exhaust emission control device comprising: a control unit that controls a first addition amount that is an addition amount of fuel by the first addition valve and a second addition amount that is an addition amount of fuel by the second addition valve.
前記第1選択還元型触媒の温度と前記第2選択還元型触媒の温度とを取得するとともに、前記第1選択還元型触媒に流入する第1NOx量と前記第2選択還元型触媒に流入する第2NOx量とを演算し、
前記第1選択還元型触媒が活性状態にあるときに前記第1NOx量が多いほど前記第1添加量を多くし、前記第2選択還元型触媒が活性状態にあるときに前記第2NOx量が多いほど前記第2添加量を多くする
請求項1に記載の排気浄化装置。 The controller is
The temperature of the first selective reduction catalyst and the temperature of the second selective reduction catalyst are acquired, and the first NOx amount flowing into the first selective reduction catalyst and the first selective reduction catalyst flowing into the second selective reduction catalyst are obtained. 2NOx amount is calculated,
When the first selective reduction catalyst is in an active state, the first addition amount increases as the first NOx amount increases, and when the second selective reduction catalyst is in an active state, the second NOx amount increases. The exhaust emission control device according to claim 1, wherein the second addition amount is increased.
前記第1選択還元型触媒が前記フィルターの表層を構成する触媒層を含む
請求項1または2に記載の排気浄化装置。 A filter for capturing particulate matter in the exhaust gas;
The exhaust emission control device according to claim 1 or 2, wherein the first selective reduction catalyst includes a catalyst layer constituting a surface layer of the filter.
請求項3に記載の排気浄化装置。 The control unit calculates the amount of particulate matter deposited on the filter, and performs regeneration processing to regenerate the filter by adding fuel from the first addition valve when the amount of deposition exceeds an upper limit value. The exhaust emission control device according to claim 3, wherein a recovery process for recovering sulfur poisoning of the second selective reduction catalyst is performed by adding fuel from the second addition valve during the regeneration process.
請求項4に記載の排気浄化装置。 5. The exhaust gas purification according to claim 4, wherein the control unit calculates a sulfur poisoning amount in the second selective reduction catalyst, and executes the recovery process on the condition that the poisoning amount exceeds a threshold value. apparatus.
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