JP2017122411A

JP2017122411A - 排ガス浄化システム

Info

Publication number: JP2017122411A
Application number: JP2016002065A
Authority: JP
Inventors: 飯島　章; Akira Iijima; 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2016-01-07
Publication date: 2017-07-13

Abstract

【課題】従来よりも車両の燃費の悪化を抑制することができる、選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタを備えた排ガス浄化システムを提供する。【解決手段】制御装置１１は、入口圧力センサ１２及び出口圧力センサ１３から求めたＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタ７の差圧値と、堆積物センサ１４が測定したＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタ７への堆積量とに基づいて、ＰＭの堆積量と白色生成物の堆積量との比を算出し、その算出された堆積量の比により補正された差圧値が予め設定されたしきい値を超えたときに、燃料噴射ノズル４から燃料を供給してＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタ７の強制再生を行う。【選択図】図１

Description

本発明は排ガス浄化システムに関し、更に詳しくは、従来よりも車両の燃費の悪化を招くことがない、選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタを備えた排ガス浄化システムに関する。

ディーゼルエンジンには、排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害物質を除去する排ガス浄化システムが必要となる。前者のＰＭについては、セラミックス製のハニカム状多孔体のフィルタによりＰＭを捕集するＰＭ捕集フィルタが主に用いられている。また、後者のＮＯｘについては、尿素水が加水分解して生じたアンモニア（ＮＨ₃）を、選択還元型触媒（以下、「ＳＣＲ触媒」という。）の存在下で還元剤として作用させてＮＯｘを浄化する尿素ＳＣＲシステムが主に用いられている。

近年は、排ガス浄化システムの省スペース化を図ることを目的として、ＰＭ捕集フィルタ及び尿素ＳＣＲシステムの機能を複合的に併せ持つＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタが実用化されつつある（例えば、特許文献１を参照）。このＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタは、ＰＭ捕集フィルタにＳＣＲ触媒を担持させた構造を有している。そのため、ＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタにおいても、フィルタの目詰まりを防ぐために、捕集限界量に達する前にフィルタに堆積したＰＭを燃焼させて除去する再生操作を行う必要がある。

排ガスの温度が高いときには、ＰＭは連続的に自然燃焼する。しかし、排ガスの温度が低いときには、排ガス中に燃料を供給して、フィルタの上流に配置された酸化触媒（ＤＯＣ）における酸化反応熱を利用してＤＯＣを高温に加熱することで排ガスを昇温し、フィルタに堆積したＰＭを強制的に燃焼させる強制再生を行う必要がある。

従来のＰＭ捕集フィルタでは、フィルタ前後における排ガスの圧力差（差圧値）が、所定のしきい値を超えたときに、強制再生が実施されるようになっている。しかしながら、ＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタでは、尿素水がフィルタ内で変化した白色生成物（ビウレット）もフィルタに堆積することが知られている（例えば、非特許文献１を参照）。この白色生成物は強制再生では除去することができず、定期的にフィルタを取り外して洗浄する必要がある。そのため、ＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタにおいて、従来の差圧のしきい値に基づいて強制再生を行うと、実際のＰＭの堆積量に比べて余分な燃料を供給することになるので、車両の燃費が悪化してしまうという問題がある。

特開２０１５−１６９１３７号公報 Vadim O. Strots, Shyam Santhanam, Brad J. Adelman, Gregory A. Griffin, and Edward M. Derybowski "Deposit Formation in Urea-SCR Systems" SAE Int. J. Fuels Lubr. March 2010 2:283-289.

本発明の目的は、従来よりも車両の燃費の悪化を抑制することができる、選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタを備えた排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ガス浄化システムは、ディーゼルエンジンの排気通路に上流側から順に設置された燃料供給手段、酸化触媒、尿素水を供給する噴射ノズル及び選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタと、制御装置とを備えた排ガス浄化システムにおいて、前記選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタの差圧値を測定する差圧測定手段と、前記選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタと、前記選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタに堆積するＰＭ及び前記尿素水が変化した白色生成物の堆積量を測定する堆積量測定手段とを設け、前記制御装置は、前記差圧測定手段が測定した差圧値と、前記堆積量測定手段が測定した堆積量とに基づいて、前記ＰＭの堆積量と前記白色生成物の堆積量との比を算出し、前記算出された堆積量の比により補正された差圧値が予め設定されたしきい値を超えたときに、前記燃料供給手段から燃料を供給して前記選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタの強制再生を行うように構成されていることを特徴とするものである。

本発明の排ガス浄化システムによれば、ＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタの差圧値に対する白色生成物の寄与を除外して、強制再生のタイミングを決定するようにしたので、強制再生時に実際のＰＭの堆積量に応じた適切な量の燃料を供給できるので、従来よりも車両の燃費の悪化を抑制することができる。

本発明の実施形態からなる排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ガス浄化システムを示す。

この排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１からの排ガス２が流れる排気通路３に、上流側から順に設置された燃料供給手段である燃料噴射ノズル４、ＤＯＣ５、尿素水噴射ノズル６、及びＳＣＲ触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタ（以下、「ＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタ」という。）７とを備えている。ＤＯＣ５及びＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタ７は、それぞれ太径の触媒コンバータ８、９内に格納されている。なお、排ガス浄化システムには、ＮＨ₃スリップを防止するために、後段の触媒コンバータ９の下流側の排気通路３にＤＯＣ（図示せず）を更に設ける場合もある。

燃料噴射ノズル４については、ディーゼルエンジン１の気筒１０への燃料噴射におけるポスト噴射で代用することもできる。また、ＤＯＣ５は、ディーゼルエンジン１の排ガス２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。

ＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタ７は、ＳＣＲＦとも呼称され、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タイプのフィルタに、ＳＣＲ触媒を担持して形成される。ＳＣＲ触媒としては、鉄イオン交換アルミノシリケートや銅イオン交換アルミノシリケートなどのゼオライト触媒が好ましく例示される。

燃料噴射ノズル４及び尿素水噴射ノズル６からの噴射量は、ＥＣＵなどの制御装置１１によりディーゼルエンジン１の運転状態に応じてそれぞれ制御される。

このような排ガス浄化システムにおいて、後段の触媒コンバータ９の入口近傍及び出口近傍には、差圧測定手段である入口圧力センサ１２及び出口圧力センサ１３が、それぞれ設置されている。更に、後段の触媒コンバータ９には、ＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタ７における堆積物の堆積量を測定する堆積量測定手段である堆積物センサ１４が取り付けられている。

この堆積物センサ１４は、フィルタ内に２つの電極からなるコンデンサを設置して、そのコンデンサの静電容量と予め設定されたデータベースとに基づいて堆積量を検出するものである。そのような堆積物センサ１４としては、特許５６２５２６５号公報に開示されたＰＭセンサなどが望ましく例示される。

この堆積物センサ１４においては、以下の（１）式に示す関係が成立する。
Ｃ＝εＳ／Ｄ ---（１）
但し、Ｃ：静電容量、ε：誘電率、Ｓ：電極面積、Ｄ：電極間距離

上述した入口圧力センサ１２及び出口圧力センサ１３並びに堆積物センサ１４は、信号線（一点鎖線で示す）を通じて制御装置１１に接続されている。

このような排ガス浄化システムにおける制御装置１１の機能を以下に説明する。

制御装置１１は、入口圧力センサ１２及び出口圧力センサ１３の測定値から、後段の触媒コンバータ９の差圧値ΔＰを算出するとともに、堆積物センサ１４の測定値である静電容量Ｃを入力する。

ここで、差圧値ΔＰ及び静電容量Ｃと、ＰＭの堆積量Ｗ₁及び白色生成物の堆積量Ｗ₂とは、以下の（２）式及び（３）式に示す関係をそれぞれ有している。
ΔＰ＝ｋ₁（Ｗ₁＋Ｗ₂） ---（２）
但し、ｋ₁：第１相関係数
Ｃ＝（Ｗ₁ε₁＋Ｗ₂ε₂）／（Ｗ₁＋Ｗ₂）・Ｓ／Ｄ ---（３）
但し、ε₁：ＰＭの誘電率、ε₂：白色生成物の誘電率

また、一般に、誘電率Ｃと差圧値ΔＰとは、以下の（４）式に示す関係を有することが知られている。
Ｃ＝ｋ₂ΔＰ ---（４）
但し、ｋ₂：第２相関係数

ここで、白色生成物の堆積量Ｗ₂がゼロであるケースを仮定すると、上記の（２）〜（４）式はそれぞれ以下の（５）〜（７）式のようになる。
ΔＰ＝ｋ₁Ｗ₁ ---（５）
Ｃ_PM＝ε₁・Ｓ／Ｄ ---（６）
Ｃ_PM＝ｋ₃ΔＰ ---（７）
但し、Ｃ_PM：ＰＭのみの場合の静電容量、ｋ₃：第３相関係数

この第３相関係数ｋ₃は、図１に示す排ガス浄化システムにＰＭのみを流す実験により、マップデータとして予め設定することができる。

これらの（５）〜（７）式から、ＰＭの堆積量Ｗ₁と白色生成物の堆積量Ｗ₂との比は、以下の（８）式のようにして求められる。
Ｗ₂／Ｗ₁＝（ΔＰｋ₃Ｄ／ε₁Ｓ）−１ ---（８）

そこで、制御装置１１は、上記の（８）式の計算を実施し、その算出結果を用いて、以下の（９）式に示すように差圧値ΔＰを補正して、ＰＭの堆積のみに起因する差圧ΔＰ_Aを求める。
ΔＰ_A＝ΔＰ・（Ｗ₁／（Ｗ₁＋Ｗ₂））
＝ΔＰ・（１／（１＋Ｗ₂／Ｗ₁）） ---（９）

そして、制御装置１１は、ΔＰ_Aを予め設定されたしきい値と比較して、ΔＰ_Aがしきい値超となったときは、燃料噴射ノズル４から燃料を噴射して、ＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタ７の強制再生を行う。

このように、ＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタ７の差圧値ΔＰに対する白色生成物の寄与を除外して、強制再生のタイミングを決定するようにしたので、強制再生時に実際のＰＭの堆積量に応じた適切な量の燃料を供給できるので、従来よりも車両の燃費の悪化を抑制することができるのである。

また、第１相関係数ｋ₁を実験等により予め設定しておくことで、上記の（１）式及び（８）式を用いてＰＭの堆積量Ｗ₁及び白色生成物の堆積量Ｗ₂をそれぞれ求めることができる。前者のＰＭの堆積量Ｗ₁を予め設定された別のしきい値と比較することで、ＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタ７の強制再生のタイミングをより正確に決定することが可能となる。また、後者の白色生成物の堆積量Ｗ₂を予め設定された上限値と比較することで、ＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタ７の洗浄のタイミングを適切に決定することが可能となる。

１ディーゼルエンジン
２排ガス
３排気通路
４燃料噴射ノズル
５ＤＯＣ
６尿素水噴射ノズル
７ＳＣＲ触媒コートＰＭ捕集フィルタ
１１制御装置
１２入口圧力センサ
１３出口圧力センサ
１４堆積物センサ

Claims

ディーゼルエンジンの排気通路に上流側から順に設置された燃料供給手段、酸化触媒、尿素水を供給する噴射ノズル及び選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタと、制御装置とを備えた排ガス浄化システムにおいて、
前記選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタの差圧値を測定する差圧測定手段と、前記選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタと、前記選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタに堆積するＰＭ及び前記尿素水が変化した白色生成物の堆積量を測定する堆積量測定手段とを設け、
前記制御装置は、前記差圧測定手段が測定した差圧値と、前記堆積量測定手段が測定した堆積量とに基づいて、前記ＰＭの堆積量と前記白色生成物の堆積量との比を算出し、前記算出された堆積量の比により補正された差圧値が予め設定されたしきい値を超えたときに、前記燃料供給手段から燃料を供給して前記選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタの強制再生を行うように構成されていることを特徴とする排ガス浄化システム。
前記堆積量測定手段が、以下の（Ｘ）式から得られる静電容量Ｃと予め設定されたデータベースとから堆積量を検出する堆積物センサであって、
前記制御手段は、以下の（Ｙ）式を用いて、前記ＰＭの堆積量Ｗ₁と前記白色生成物の堆積量Ｗ₂との比（Ｗ₂／Ｗ₁）を算出し、以下の（Ｚ）式から得られる補正された差圧値ΔＰ_Aが予め設定されたしきい値を超えたときに、前記燃料供給手段から燃料を供給して前記選択還元型触媒がコートされたＰＭ捕集フィルタの強制再生を行うように構成されている請求項１に記載の排ガス浄化システム。
Ｃ＝εＳ／Ｄ ---（Ｘ）
Ｗ₂／Ｗ₁＝（ΔＰｋ₃Ｄ／ε₁Ｓ）−１ ---（Ｙ）
ΔＰ_A＝ΔＰ・（１／（１＋Ｗ₂／Ｗ₁）） ---（Ｚ）
但し、ε：誘電率、ε₁：ＰＭの誘電率、Ｓ：電極面積、Ｄ：電極間距離、ｋ₃：実験により予め設定された相関係数、をそれぞれ示す。