JP2017145754A - 排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温排気ガスのＮＯｘ触媒への流入を効果的に抑制することで、ＮＯｘ浄化性能を向上させる。
【解決手段】排気通路に設けられた酸化触媒２１と、排気通路の酸化触媒２１よりも排気下流側に設けられたＮＯｘ触媒４１と、排気流路を開閉可能な排気シャッターバルブ６０と、酸化触媒２１よりも排気上流側の排気温度を取得する第１排気温度センサ７０と、酸化触媒２１とＮＯｘ触媒４１との間の排気温度を取得する第２排気温度センサ７１と、第１排気温度センサ７０で取得される排気温度が第２排気温度センサ７１で取得される排気温度よりも低い場合に、排気シャッターバルブ６０の開度を閉側に絞って排気流量を減少させる触媒保温制御を実施する制御部１２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化システムに関する。

この種の排気浄化システムとして、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ_３）を還元剤として排気ガス中の窒素化合物（ＮＯｘ）を選択的に還元浄化する選択的還元触媒（以下、単にＳＣＲ触媒という）を備えたものが知られている。

ＳＣＲ触媒の良好なＮＯｘ浄化能力を得るには、ＳＣＲ触媒の温度を活性温度域に維持することが好ましい。例えば、特許文献１には、触媒ケースの下流側に排気絞り弁を設け、エンジン運転時は排気絞り弁を全開にして背圧上昇を抑止し、エンジン停止後は排気絞り弁を閉じることで、エンジン再始動時に触媒温度を活性温度域に早期に昇温させる技術が開示されている。

特開２００５−０７６４５４号公報

ところで、上記従来技術では、エンジン運転時に背圧上昇を抑制するために排気絞り弁を全開に制御しているが、機関運転状態や外気環境等によっては、排気ガス温度が触媒の活性温度域より低くなる場合がある。このため、エンジン運転時であっても、触媒に低温排気ガスが流れ込み、触媒温度を活性温度域よりも低下させることで、排気浄化性能の低下を招く可能性がある。

開示の技術は、低温排気ガスのＮＯｘ触媒への流入を効果的に抑制することで、ＮＯｘ浄化性能を向上させることを目的とする。

開示の技術は、内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、前記排気通路の前記酸化触媒よりも排気下流側に設けられたＮＯｘ触媒と、前記排気通路に設けられて排気流路を開閉可能なバルブと、前記酸化触媒よりも排気上流側の前記排気通路を流れる排気の温度を取得する第一温度取得手段と、前記酸化触媒と前記ＮＯｘ触媒との間の前記排気通路を流れる排気の温度を取得する第二温度取得手段と、前記第一温度取得手段で取得される排気温度が前記第二温度取得手段で取得される排気温度よりも低い場合に、前記バルブの開度を閉側に絞って排気流量を減少させる触媒保温制御を実施する制御手段とを備えるものである。

前記制御手段は、前記第一温度取得手段で取得される排気温度と前記第二温度取得手段で取得される排気温度との温度差が大きくなるほど、前記バルブの開度を小さくすることが好ましい。

前記第一温度取得手段で取得される排気温度が前記ＮＯｘ触媒の下限活性温度よりも高い場合に前記触媒保温制御の実施を禁止する禁止手段をさらに備えてもよい。

前記排気通路の前記酸化触媒よりも下流側に設けられて排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタをさらに備え、前記禁止手段は、前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生時も前記触媒保温制御の実施を禁止するものでもよい。

開示の技術によれば、低温排気ガスのＮＯｘ触媒への流入を効果的に抑制することで、ＮＯｘ浄化性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化システムを示す模式的な全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る排気シャッターバルブの開度設定マップの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る触媒保温制御を説明するフローチャート図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気浄化システムを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、本実施形態の排気浄化システム１は、排気上流側から順に、前段ケーシング２０と、接続管２４と、後段ケーシング４０と、放出管５０と、排気シャッターバルブ６０とを備えている。なお、図１中において、符号１０はディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）、符号１１は排気マニホールド、符号１２は排気マニホールド１１と前段ケーシング２０とを接続する上流排気管、符号２３は上流排気管１２に設けられた排気管インジェクタ、符号３０は尿素水噴射装置をそれぞれ示している。

前段ケーシング２０は、略円筒状に形成されており、その内部には、排気上流側から順に、第１酸化触媒２１及び、フィルタ２２が収容されている。

第１酸化触媒２１は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分等を担持して形成されている。第１酸化触媒２１は、エンジン１０のポスト噴射や排気管インジェクタ２３の排気管噴射によって未燃炭化水素（ＨＣ）が供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。

フィルタ２２は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。フィルタ２２は、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭ）を隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積推定量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆるフィルタ強制再生が実施される。フィルタ強制再生は、排気管インジェクタ２３による排気管噴射又はポスト噴射によって上流側の第１酸化触媒２１に未燃炭化水素を供給し、フィルタ２２に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度まで上昇させることで行われる。

接続管２４は、互いに並行に隣接配置された前段ケーシング２０と後段ケーシング４０との間に延設されると共に、その上流端と下流端とを屈曲させて略Ｓ字状に形成されている。接続管２４の上流端は前段ケーシング２０の下流端に接続され、接続管２４の下流端は後段ケーシング４０の上流端に接続されている。また、接続管２４には、尿素水噴射装置３０の尿素水噴射ノズル３３が設けられている。

尿素水噴射装置３０は、尿素水を貯留する尿素水タンク３１と、尿素水タンク３１から尿素水を汲み上げる尿素水ポンプ３２と、接続管２４内に尿素水を噴射する尿素水噴射ノズル３３とを備えている。尿素水噴射ノズル３３から接続管２４内に噴射された尿素水は、排気熱により加水分解されてアンモニア（ＮＨ_３）に生成され、下流側のＳＣＲ触媒４１に還元剤として供給される。

後段ケーシング４０は、略円筒状に形成されており、前段ケーシング２０と並行に隣接配置されている。また、後段ケーシング４０の内部には、排気上流側から順に、ＳＣＲ触媒４１及び、第２酸化触媒４２が収容されている。

ＳＣＲ触媒４１は、例えば多孔質セラミック担体にゼオライト等を担持して形成されている。ＳＣＲ触媒４１は、尿素水噴射ノズル３３から還元剤として供給されるアンモニアを吸着すると共に、吸着したアンモニアで通過する排気ガス中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。

第２酸化触媒４２は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分等を担持して形成されており、ＳＣＲ触媒４１から下流側にスリップしたアンモニアを酸化する機能を有している。

放出管５０は、略円筒状に形成されており、上流端を後段ケーシング４０の下流端に接続されると共に、下流端を開放されて排気ガスを大気に放出させる。また、放出管５０には、排気流路を開閉可能な排気シャッターバルブ６０が設けられている。排気シャッターバルブ６０の開度は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）１００からアクチュエータ６１に入力される指示信号に応じて制御される。

第１排気温度センサ７０は、第１酸化触媒２１の直上流に位置する前段ケーシング２０又は、上流排気管１２の下流端に設けられており、第１酸化触媒２１に流入する排気ガスの温度（以下、酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}）を取得する。取得された酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}は、電気的に接続されたＥＣＵ１００に出力される。

第２排気温度センサ７１は、ＳＣＲ触媒４１の直上流に位置する後段ケーシング４０又は、接続管２４の下流端に設けられており、ＳＣＲ触媒４１に流入する排気ガスの温度（以下、ＳＣＲ触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＳＣＲ}）を取得する。取得されたＳＣＲ触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＳＣＲ}は、電気的に接続されたＥＣＵ１００に出力される。

ＥＣＵ１００は、エンジン１０等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。また、ＥＣＵ１００は、フィルタ強制再生制御部１１０と、触媒保温制御部１２０と、触媒保温制御禁止部１３０とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ１００に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

フィルタ強制再生制御部１１０は、図示しない差圧センサで検出されるフィルタ前後差圧から推定されるＰＭ堆積推定量が所定の上限閾値を超えると、フィルタ２２に堆積したＰＭを燃焼除去するフィルタ強制再生制御を実施する。フィルタ強制再生制御は、排気管インジェクタ２３に排気管噴射を行わせるか、或は、エンジン１０の図示しない筒内インジェクタにポスト噴射を行わせ、排気温度をＰＭ燃焼温度まで上昇させることで実施される。

触媒保温制御部１２０は、第１排気温度センサ７０で検出される酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}が第２排気温度センサ７１で検出されるＳＣＲ触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＳＣＲ}よりも低い場合に、排気シャッターバルブ６０の開度を閉側に絞り、低温排気ガスの流量を減少させる触媒保温制御を実施する。

より詳しくは、ＥＣＵ１００には、ＳＣＲ触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＳＣＲ}から酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}を減算して得られる温度差ΔＴと、排気シャッターバルブ６０の目標開度との関係を定めた開度設定マップＭ（図２参照）が記憶されている。開度設定マップＭにおいて、目標開度は、温度差ΔＴが大きくなるに従い閉側に絞られ、エンジンストールを防止するために０（ゼロ）にはならないように設定されている。触媒保温制御部１２０は、酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}がＳＣＲ触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＳＣＲ}よりも低い場合には、排気シャッターバルブ６０の開度が温度差ΔＴに応じて開度設定マップＭから読み取った目標開度に絞られるように、アクチュエータ６１に作動信号を出力する。このように、前段側の酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}が後段側のＳＣＲ触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＳＣＲ}よりも低い場合に、排気シャッターバルブ６０を閉側に絞って低温排気ガスの流量を減少させる触媒保温制御を実施することで、低温排気ガスのＳＣＲ触媒４１への流れ込みを効果的に抑制しつつ、高温排気ガスがＳＣＲ触媒４１内に滞留されるようになっている。

触媒保温制御禁止部１３０は、以下の何れかの条件が成立する場合に、触媒保温制御の実施を禁止する。
（１）フィルタ強制再生制御部１１０によってフィルタ強制再生制御が実施されている場合。
（２）第１排気温度センサ７０で検出される酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}がＳＣＲ触媒の下限活性温度（例えば、約２００度）よりも高い場合。

条件（１）にて触媒保温制御を禁止するのは、排気流量の減少によってＰＭの燃焼除去が不完全となり、フィルタ強制再生が失敗することを防止するためである。また、条件（２）にて触媒保温制御を禁止するのは、酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}がＳＣＲ触媒４１の下限活性温度よりも高い場合には、そもそも排気流量を減少させる触媒保温制御は不要であり、無駄な背圧上昇を防止するためである。

次に、図３に基づいて、本実施形態の触媒保温制御のフローを説明する。本制御は、エンジン１０のイグニッションキーＯＮ操作によりスタートする。

ステップＳ１００では、第１排気温度センサ７０で検出される酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}が第２排気温度センサ７１で検出されるＳＣＲ触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＳＣＲ}よりも低いか否かが判定される。肯定の場合は、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、（１）フィルタ強制再生制御が実施されている場合又は、（２）酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}がＳＣＲ触媒の下限活性温度よりも高い場合の何れかの禁止条件が成立するか否かが判定される。何れの禁止条件も成立しない場合（否定）は、触媒保温制御を実施すべくステップＳ１２０に進む。一方、何れかの禁止条件が成立する場合は、ステップＳ１３０にて触媒保温制御の実施を禁止してリターンされる。

ステップＳ１２０では、排気シャッターバルブ６０を開度設定マップＭから温度差ΔＴ（＝Ｔ_{Ｉｎ＿ＳＣＲ}−Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}）に応じて読み取った目標開度に絞る触媒保温制御が実行される。すなわち、排気シャッターバルブ６０を閉側に絞って低温排気ガスの流量を減少させることで、ＳＣＲ触媒４１の温度低下が効果的に抑制される。

ステップＳ１４０では、第１排気温度センサ７０で検出される酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}が第２排気温度センサ７１で検出されるＳＣＲ触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＳＣＲ}以上にあるか否かが判定される。酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}がＳＣＲ触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＳＣＲ}以上であれば、低温排気ガスがＳＣＲ触媒４１に流れ込む虞はないため、ステップＳ１５０にて触媒保温制御を終了し、本制御はリターンされる。

以上詳述したように、本実施形態によれば、前段側の酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}が後段側のＳＣＲ触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＳＣＲ}よりも低い場合には、排気シャッターバルブ６０の開度を閉側に絞って排気ガスの流量を減少させる触媒保温制御を実施することで、ＳＣＲ触媒４１に低温排気ガスが流れ込むことを抑制しつつ、ＳＣＲ４１内に高温排気ガスが滞留されるようになっている。これにより、ＳＣＲ触媒４１が低温排気ガスによって触媒活性温度よりも冷却されることを効果的に防止することが可能となり、ＳＣＲ触媒４１のＮＯｘ浄化性能を確実に向上することができる。

また、（１）フィルタ強制再生制御が実施されている場合又は、（２）酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}がＳＣＲ触媒の下限活性温度よりも高い場合の何れかの禁止条件が成立する時には、触媒保温制御の実施が禁止されるようになっている。これにより、ＰＭ不完全燃焼によるフィルタ強制再生の失敗や無駄な背圧上昇を効果的に防止することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、酸化触媒入口温度Ｔ_{Ｉｎ＿ＤＯＣ}は第１排気温度センサ７０のセンサ値に限定されず、機関運転状態を取得する各種センサ類のセンサ値等から推定されるエンジン出口温度を用いてもよい。

また、ＮＯｘ触媒はＳＣＲ触媒４１に限定されず、ＬＮＴ触媒等、他のＮＯｘ触媒であってもよい。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他に内燃機関にも広く適用することが可能である。

１０ エンジン
２０ 前段ケーシング
２１ 第１酸化触媒
２２ フィルタ
２４ 接続管
３０ 尿素水噴射装置
４０ 後段ケーシング
４１ ＳＣＲ触媒
５０ 放出管
６０ 排気シャッターバルブ
７０ 第１排気温度センサ
７１ 第２排気温度センサ
１００ ＥＣＵ
１２０ 触媒保温制御部
１３０ 触媒保温制御禁止部

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた酸化触媒と、
   前記排気通路の前記酸化触媒よりも排気下流側に設けられたＮＯｘ触媒と、
   前記排気通路に設けられて排気流路を開閉可能なバルブと、
   前記酸化触媒よりも排気上流側の前記排気通路を流れる排気の温度を取得する第一温度取得手段と、
   前記酸化触媒と前記ＮＯｘ触媒との間の前記排気通路を流れる排気の温度を取得する第二温度取得手段と、
   前記第一温度取得手段で取得される排気温度が前記第二温度取得手段で取得される排気温度よりも低い場合に、前記バルブの開度を閉側に絞って排気流量を減少させる触媒保温制御を実施する制御手段と、を備える
   排気浄化システム。
2. 前記制御手段は、前記第一温度取得手段で取得される排気温度と前記第二温度取得手段で取得される排気温度との温度差が大きくなるほど、前記バルブの開度を小さくする
   請求項１に記載の排気浄化システム。
3. 前記第一温度取得手段で取得される排気温度が前記ＮＯｘ触媒の下限活性温度よりも高い場合に前記触媒保温制御の実施を禁止する禁止手段をさらに備える
   請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
4. 前記排気通路の前記酸化触媒よりも下流側に設けられて排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタをさらに備え、
   前記禁止手段は、前記フィルタに堆積した粒子状物質を燃焼除去するフィルタ再生時も前記触媒保温制御の実施を禁止する
   請求項３に記載の排気浄化システム。

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