JP2017075552A

JP2017075552A - 排気浄化装置の酸化触媒目詰まり防止方法及び酸化触媒目詰まり防止装置

Info

Publication number: JP2017075552A
Application number: JP2015202811A
Authority: JP
Inventors: 雅博野口; Masahiro Noguchi
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2017-04-20

Abstract

【課題】日常的に内燃機関が低負荷低回転域で運転される条件下であっても酸化触媒の入口が詰まるのを防ぐことができる排気浄化装置の酸化触媒目詰まり防止方法を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気系に酸化触媒１５、ＤＰＤ１６を接続し、ＤＰＤ１６再生時に排ガス温度を酸化触媒１５の触媒活性温度まで上昇させた後、排気系にＨＣを供給してＤＰＤ１６に堆積したＰＭを燃焼除去するに際して、内燃機関２が常時低負荷低回転で運転されるとき、ＤＰＤ１６再生の数回に１回の割で、酸化触媒１５に付着したＰＭを除去する酸化触媒ＰＭ除去運転を行うものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、酸化触媒とディーゼルパティキュレートディフューザとを備える排気浄化装置の酸化触媒目詰まり防止方法及び酸化触媒目詰まり防止装置に関するものである。

近年トラック等の車両や、ブルドーザー等の土木機械、並びにクレーンなどの建設機械には、排ガス系に、酸化触媒とＤＰＤ（ディーゼルパティキュレートディフューザ：登録商標）とを備えた排気浄化装置が接続されている。

ＤＰＤは、ＰＭ（パティキュレートマター）を捕集するものであり、捕集で堆積したＰＭが一定量堆積したとき、ＰＭを燃焼除去するための再生処理が必要である。ＤＰＤの再生処理は、排ガス中に供給されたＨＣを酸化触媒で燃焼させることで排ガスをＤＰＤ再生温度まで上昇させ、ＤＰＤに堆積したＰＭを燃焼させることで行う。

特開２０１０−１０１２００号公報特開２０１０−２５０４３号公報特開２００７−１８２７８３号公報特開２０１３−１２２１６９号公報

ところで、クレーン等の建設機械では、例えば図３（ａ）に示すように、一般的な車両等では見られない程の低負荷低回転域で運転されていることがあり、このような建設機械でのＤＰＤ再生運転は、排気浄化に時間がかかる問題があることがわかった。

この原因を調べた結果、図４（ａ）に示すように、一般に詰まることはないとされている酸化触媒の外周部入口にＰＭが堆積して詰まっていることが解った。

内燃機関が常時低負荷低回転で運転された場合、図４（ｂ）に示すように、炭化水素やエンジンオイルを含む有機溶剤可溶成分（ラッカー分）２１が酸化触媒１５の外周入口の格子状の前端面に凝縮して付着し、この有機溶剤可溶成分２１がバインダとなってすす２２が付着し、これが成長して酸化触媒の孔２３を塞いだと考えられる。

有機溶剤可溶成分２１は、一般に排ガスの温度が高い中高負荷条件下では蒸発し易いため、例えば図３（ｂ）に示すように、運転域Ａが低負荷低回転域から高負荷高回転域までの広範囲に亘るトラック等の車両では、酸化触媒入口に有機溶剤可溶成分２１とすすが付着してすすが剥がれ落ち、付着の問題はない。また、エンジン負荷が上がって排気温度が上がったときにも同様に、付着の問題はない。またさらに、酸化触媒入口に付着し始めたすすは、車両の走行に伴う振動でも剥がれ落ち易い。

また、図３（ｃ）に示すように、運転域Ｂが常に高回転域になっていることが多いブルドーザー等の土木機械では、排ガスの温度が常に高いため、有機溶剤可溶成分２１が凝縮・付着することはない。

そこで、本願発明の目的は、日常的に内燃機関が低負荷低回転域で運転される条件下であっても酸化触媒の入口が詰まるのを防ぐことができる排気浄化装置の酸化触媒目詰まり防止方法及び酸化触媒目詰まり防止装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、内燃機関の排気系に酸化触媒、ディーゼルパティキュレートディフューザを接続し、ディーゼルパティキュレートディフューザ再生時に排ガス温度を酸化触媒の触媒活性温度まで上昇させた後、前記排気系にハイドロカーボンを供給してディーゼルパティキュレートディフューザに堆積したＰＭを燃焼除去するに際して、内燃機関が常時低負荷低回転で運転されるとき、前記ディーゼルパティキュレートディフューザ再生の数回に１回の割で、前記酸化触媒に付着したＰＭを除去する酸化触媒ＰＭ除去運転を行うものである。

本発明によれば、日常的に内燃機関が低負荷低回転域で運転される条件下であっても酸化触媒の入口が詰まるのを防ぐことができる。

本発明の一実施の形態に係る排気浄化装置の酸化触媒目詰まり防止装置の説明図である。酸化触媒目詰まり防止装置の動作と作用を説明する線図である。（ａ）は酸化触媒入口の詰まりが発生した建築機械の運転領域を示す線図であり、（ｂ）はトラック等の車両の運転領域を示す線図であり、（ｃ）はブルドーザー等の土木機械の運転領域を示す線図である。（ａ）は酸化触媒入口の詰まり箇所の説明図であり、（ｂ）は酸化触媒入口の詰まり方の説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は酸化触媒目詰まり防止装置の説明図であり、図２は、ＤＰＤ再生及び酸化触媒ＰＭ除去運転を行うタイミングを説明する説明図である。図２において横軸は時間を表す。また、上下３段に並ぶ線図のうち上段の線図におけるＴ１は通常運転時の酸化触媒（ＤＯＣ）入口の排気温度であり、Ｔ２はＤＰＤ再生時の酸化触媒入口の排気温度であり、Ｔ３は酸化触媒ＰＭ除去運転時の酸化触媒入口の排気温度である。

図１に示すように、酸化触媒目詰まり防止装置１は、内燃機関２と、可変容量ターボ１０と、インテークスロットル１３と、これらを制御する制御装置（以下、ＥＣＵ）５とを備える。

内燃機関２はディーゼルエンジンからなり、インジェクタ２ａを有する。インジェクタ２ａはコモンレール３に接続されており、コモンレール３からの軽油等からなるディーゼル燃料を燃焼室４内に噴射するようになっている。また、インジェクタ２ａはＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５から命令を受けることで任意のタイミングで燃料を噴射できる。

また、内燃機関２は吸気マニホールド６及び排気マニホールド７を有し、吸気マニホールド６には吸気系８が接続され、排気マニホールド７には排気系９が接続される。

吸気系８には、可変容量ターボ１０のコンプレッサ１１が接続されている。コンプレッサ１１は、後述する可変容量ターボ１０の可変容量タービン１２からの回転力で駆動されるようになっている。また、コンプレッサ１１より下流の吸気系８には、吸気量を絞るためのインテークスロットル１３が接続されている。インテークスロットル１３は、ＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５からの命令で任意の開度で開閉されるようになっている。

排気系９には、可変容量ターボ１０の可変容量タービン１２が接続されると共に、排気浄化装置１４が接続されている。可変容量タービン１２は、流入する排ガスの流量を調整可能に形成されている。また、可変容量タービン１２は、ＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５からの命令で任意の開度に調節されるようになっている。

排気浄化装置１４は、可変容量タービン１２より下流の排気系９に接続されている。排気浄化装置１４は、酸化触媒１５と、酸化触媒１５の下流側に配置されたＤＰＤ１６と、ＤＰＤ１６の下流側に配置されたＮＯｘ還元触媒１７とを備える。

酸化触媒１５の入口には、温度センサ１８が設けられている。温度センサ１８は、ＥＣＵ５に電気的に接続されており、検出値、すなわち酸化触媒１５の入口温度をＥＣＵ５に入力する。

ＤＰＤ１６は、フィルタ状に形成されており、排ガス中のＰＭを捕集する。

ＤＰＤ１６の再生は、酸化触媒１５入口の排ガス温度を酸化触媒１５の触媒活性温度Ｔ２（図２参照）まで上昇させた後、排気系にハイドロカーボンを供給することで行う。これにより、ＤＰＤ１６に堆積したＰＭが燃焼し除去される。具体的には、ＥＣＵ５は、ポスト噴射を行うと共に、インテークスロットル１３の開度を下げ、かつ、可変容量タービン１２を開くことで排ガス温度を上昇させる。この後、ＥＣＵ５は、ポスト噴射を行うことでハイドロカーボンを発生させ、酸化触媒１５にてハイドロカーボンの酸化熱が発生することで排ガス温度をＤＰＤ１６再生温度まで上昇させる。酸化触媒１５の触媒活性温度Ｔ２は例えば約３００℃である。

なお、ＥＣＵ５は、排ガス温度を上昇させるとき、ポスト噴射、インテークスロットル１３閉、可変容量タービン１２開の３つの制御を行うものとしたが、酸化触媒１５入口の排ガス温度を触媒活性温度Ｔ２まで上昇できればよく、これら３つの制御のうち、いずれか１つ又は２つの制御を行うものとしてもよい。

図２に示すように、ＥＣＵ５は、内燃機関２の運転時間（ＯＦＦ時を除く通算）を測定し、運転時間が予め設定された時間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５になる度にＤＰＤ１６の再生処理を行う。時間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５は、予め最適な値を実験等で求めておき、ＥＣＵ５に記録しておくとよい。また、時間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５は等間隔に設定されるとよい。

また、ＥＣＵ５は、時間ｔ５になると、ＤＰＤ再生と同時に酸化触媒ＰＭ除去運転を行う。すなわち、ＥＣＵ５は、ＤＰＤ１６再生の５回に１回の割で酸化触媒ＰＭ除去運転を行う。

ＥＣＵ５は、酸化触媒ＰＭ除去運転を行うとき、酸化触媒１５入口の排ガス温度がＰＭ燃焼温度Ｔ３になるように内燃機関２の排ガス温度を上昇させて酸化触媒１５入口に付着したＰＭ（有機溶剤可溶成分とすす）を燃焼させる。このとき、ポスト噴射、インテークスロットル１３閉、可変容量タービン１２開を行うことで排ガス温度を上昇させる。酸化触媒１５入口のＰＭ燃焼温度Ｔ３は例えば約４５０℃である。

酸化触媒１５入口が詰まる頻度はＤＰＤ１６再生の頻度より遙かに小さく、酸化触媒ＰＭ除去運転にはＤＰＤ１６の再生よりも多くの燃料を必要とする。このため、酸化触媒１５入口の詰まりを予防しつつ燃費の悪化を抑えるよう、酸化触媒ＰＭ除去運転は、ＤＰＤ１６再生の数回に１回の割で行うことが好ましい（例えばＤＰＤ１６の再生５回に１回の割で酸化触媒ＰＭ除去運転）。また、酸化触媒ＰＭ除去運転をＤＰＤ１６再生と同時に行うことでＰＭ除去に費やす燃料を最小に抑えることができると共に、ＤＰＤ１６再生が頻繁になったような錯覚をユーザが感じるのを防ぐことができる。

次に本実施の形態の作用を述べる。

図２に示すように、ＥＣＵ５は内燃機関２の運転時間を測定し、運転時間が予め設定した時間になったときＤＰＤ１６再生及び酸化触媒ＰＭ除去運転を行う。

具体的には、運転時間が測定開始からｔ１になると、ＤＰＤ１６再生のみを行い、運転時間がｔ２、ｔ３、ｔ４になったときも同様にＤＰＤ１６再生のみを行う。その後、運転時間が測定開始からｔ５になると、ＤＰＤ１６再生を行うと同時に酸化触媒ＰＭ除去運転を行う。ＤＰＤ１６再生は、上述したようにポスト噴射、インテークスロットル１３閉、可変容量タービン１２開を同時に行うことで酸化触媒１５入口の排ガス温度を酸化触媒１５の触媒活性温度Ｔ２まで上昇させた後、ポスト噴射で排気系にハイドロカーボンを供給して行う。また、酸化触媒ＰＭ除去運転は、ポスト噴射、インテークスロットル１３閉、可変容量タービン１２開を同時に行うことで酸化触媒１５入口の排ガス温度をＰＭ燃焼温度Ｔ３まで上昇させて行う。エンジン回転数の上昇を抑えつつ排ガス温度を高めることができ、例えばクレーン作業中に酸化触媒ＰＭ除去運転が始まってしまった場合でも作業の安全性を損なうことはない。

酸化触媒ＰＭ除去運転が完了したら内燃機関２の運転時間を０にリセットし、内燃機関２の運転時間測定を再開する。

このように、ＤＰＤ１６再生の数回に１回の割で、酸化触媒ＰＭ除去運転を行うものとしたため、酸化触媒１５入口が詰まる前に酸化触媒１５入口に付着したＰＭを除去でき、酸化触媒１５の詰まりを未然に防ぐことができる。また、酸化触媒１５入口がひどく詰まった後で酸化触媒ＰＭ除去運転を行った場合、酸化触媒１５入口の詰まりが完全に解消されないことも考えられるが、酸化触媒１５が十分機能しているときに酸化触媒ＰＭ除去運転を行うことにより、酸化触媒１５入口に付着したＰＭを完全に除去でき、低負荷低回転運転による酸化触媒１５入口の詰まりを確実に防ぐことができる。そして、酸化触媒ＰＭ除去運転による燃費の悪化を最小限に抑えることができると共に、ＰＭ除去の回数が増えるのを防ぐことができる。

なお、酸化触媒１５入口に付着したＰＭは、内燃機関２の運転域が低負荷低回転域から中負荷中回転域に移った場合のように排ガスの流速が上がったり、排気温度が上がったり、振動することにより剥がれやすい。このため、酸化触媒目詰まり防止装置１は、内燃機関２が常時低負荷低回転域で運転される建設機械及び車両等に設けられるとよい。酸化触媒１５入口にＰＭが付着しない建設機械及び車両等に、酸化触媒目詰まり防止装置１を設けた場合、酸化触媒ＰＭ除去運転時に必要以上に燃料が消費され、燃費悪化の原因となる。

また、ＤＰＤ１６再生及び酸化触媒ＰＭ除去運転は、内燃機関２が設定時間運転される度に行われるものとしたが、これに限るものではない。例えば内燃機関２の運転状態等からＤＰＤ１６に堆積したＰＭの量を予測し、予測したＰＭ堆積量が予め設定した設定値に達する度にＤＰＤ１６再生を行うと共に、ＤＰＤ１６再生の数回に１回の割で酸化触媒ＰＭ除去運転を行うとよい。

また、酸化触媒ＰＭ除去運転は、例えばＤＰＤ１６再生が５回に１回の割で行うものとしたが、ＤＰＤ１６再生回数に対する頻度は、内燃機関２の運転状態に応じて変化させるものとしてもよい。この場合、酸化触媒１５の詰まり易さは、排気温度の低さ、エンジン回転数の低さ（酸化触媒１５における排ガスの流れの遅さ）等の条件によって変わるため、ＥＣＵ５がこれらの条件を数値化して累積させ、累積した数値が所定値に達したら次のＤＰＤ再生時に同時に酸化触媒ＰＭ除去運転を行うようにしてもよい。

２内燃機関
１４排気浄化装置
１５酸化触媒
１６ＤＰＤ（ディーゼルパティキュレートディフューザ）

Claims

内燃機関の排気系に酸化触媒、ディーゼルパティキュレートディフューザを接続し、ディーゼルパティキュレートディフューザ再生時に排ガス温度を酸化触媒の触媒活性温度まで上昇させた後、前記排気系にハイドロカーボンを供給してディーゼルパティキュレートディフューザに堆積したＰＭを燃焼除去するに際して、
内燃機関が常時低負荷低回転で運転されるとき、前記ディーゼルパティキュレートディフューザ再生の数回に１回の割で、前記酸化触媒に付着したＰＭを除去する酸化触媒ＰＭ除去運転を行うことを特徴とする排気浄化装置の酸化触媒目詰まり防止方法。
前記酸化触媒ＰＭ除去運転は、前記酸化触媒入口の排ガス温度がＰＭ燃焼温度になるように前記内燃機関の排ガス温度を上昇させて行う請求項１に記載の排気浄化装置の酸化触媒目詰まり防止方法。
内燃機関の排気系に酸化触媒、ディーゼルパティキュレートディフューザを接続し、ディーゼルパティキュレートディフューザ再生時に排ガス温度を酸化触媒の触媒活性温度まで上昇させた後、前記排気系にハイドロカーボンを供給してディーゼルパティキュレートディフューザに堆積したＰＭを燃焼除去するに際して、
内燃機関が常時低負荷低回転で運転されるとき、前記ディーゼルパティキュレートディフューザ再生の数回に１回の割で、前記酸化触媒に付着したＰＭを除去する酸化触媒ＰＭ除去運転を行う制御装置を備えたことを特徴とする排気浄化装置の酸化触媒目詰まり防止装置。
前記酸化触媒ＰＭ除去運転は、前記酸化触媒入口の排ガス温度がＰＭ燃焼温度になるように前記内燃機関の排ガス温度を上昇させて行う請求項３に記載の排気浄化装置の酸化触媒目詰まり防止装置。