JP2017150326A

JP2017150326A - Ｌｎｔを用いた排ガス処理方法およびその装置

Info

Publication number: JP2017150326A
Application number: JP2016031058A
Authority: JP
Inventors: 長岡　大治; Taiji Nagaoka; 大治長岡
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-02-22
Filing date: 2016-02-22
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2036-02-22
Also published as: JP6686516B2

Abstract

【課題】高温域（＝高負荷域）のｄｅＮＯｘ効果を向上させ、しかもリッチ還元効率と脱硫効率を向上させることができるＬＮＴを用いた排ガス処理方法およびその装置を提供する。【解決手段】エンジンＥに近接して１ｓｔＬＮＴ２４とＣＳＦ２５とを配置し、排ガス温度が１００℃〜２００℃低下する位置に２ｎｄＬＮＴ２８を配置し、その間にＨＣインジェクタ２９を配置し、リッチ還元時に前記ＨＣインジェクタ２９でＨＣの追加噴射を行い、Ｓパージ時にＨＣインジェクタ２９からのＨＣ噴射で、２ｎｄＬＮＴ２８の脱硫温度を制御するものである。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＮＴを用いた排ガス処理方法およびその装置に関するものである。

ｄｅＮＯｘ（脱硝）システムとして尿素ＳＣＲ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｓｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）やＬＮＴ（ＬｅａｎＮＯｘＴｒａｐ）システムが知られている。

ＬＮＴの触媒は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の触媒担体に、ＰｔやＰｄなどの貴金属触媒と、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ等のアルカリ金属やＣａ、Ｂａ等のアルカリ土類金属、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ等の希土類等のＮＯｘ吸蔵機能をもつ吸蔵材を担持したもので、排ガス中の酸素濃度によって、ＮＯｘ吸蔵とＮＯｘ放出・浄化の二つの機能を発揮する。

ＬＮＴシステムは、リーンとリッチを繰り返してｄｅＮＯｘを行う仕組みになっている。すなわち、通常運転状態のように排ガス中の酸素濃度が高い条件（リーン空燃比）では、排ガス中のＮＯが、ＰｔやＰｄなどの貴金属触媒等でＮＯ₂に酸化され、これを吸蔵材が、硝酸塩（Ｂａ（ＮＯ₃）₂）として吸蔵しＮＯｘを浄化し、その後、吸蔵材での吸蔵量が飽和するタイミングで、低酸素濃度の条件（リッチ空燃比）にしてリッチ還元を行い、燃料（ＨＣ）を貴金属触媒上で還元することで、排ガス中にＣＯ、ＨＣ、Ｈ₂を生成させて、放出されたＮＯｘを還元して浄化する。

このようにＬＮＴシステムは、リーン時にはＮＯｘを吸着又は吸蔵し、リッチ時には、吸着又は吸蔵されたＮＯｘがＣｅやＢａより放出され、排ガス中のＨＣ、ＣＯとＮＯｘが三元触媒機能により無害なガスとされる。

ＬＮＴシステムにおいて、吸蔵材は、ＮＯｘと同時に、排ガス中のＳＯｘも吸着、吸蔵するため、吸蔵材に蓄積したＳを放出させるために、雰囲気温度を約６５０℃の高温とし、かつ空燃比がリッチ雰囲気にすることで、吸蔵で生じたＢａ₂ＳＯ₄を炭酸塩＋ＳＯ₂としてＳパージ（脱硫）を行っている。

吸蔵材の特性として、触媒温度が４００℃以上の高温の時には、触媒単位容積当たりのＮＯｘ吸蔵量が減少するので、高温域（＝高負荷域）のｄｅＮＯｘ効果が低下するのが課題である。

対策手法の１つとして、車両のアンダーフロア（Ｕ／Ｆ）へ２個目のＬＮＴ触媒（２ｎｄＬＮＴ）の追加が検討されている。この効果としては触媒容量の増加に伴いＮＯｘ吸着量が増すこと、及び上流ＬＮＴ触媒（１ｓｔＬＮＴ）よりも触媒温度が低くなるので、高負荷域でもｄｅＮＯｘ効率が維持できる（触媒の温度ウインドウの拡大）ことが挙げられる。

特開２００９−１７４４４５号公報特開２０１４−０７０５２０号公報特開２０１２−０８７７０３号公報

しかしながら、ＬＮＴ触媒をエンジンに近接した１ｓｔＬＮＴとアンダーフロア（Ｕ／Ｆ）に配置した場合、以下の２つの問題が考えられる。

（１）２ｎｄＬＮＴのリッチ還元のための還元剤が不足する。リッチ時の還元剤が１ｓｔＬＮＴで消費され、２ｎｄＬＮＴに到達する量が減少するため、２ｎｄＬＮＴに吸蔵されたＮＯｘの還元が不十分になる可能性がある。

（２）２ｎｄＬＮＴの脱硫が困難になる。１ｓｔＬＮＴの温度を脱硫可能な温度以上かつ触媒の熱劣化温度以下に制御した場合（例えば６５０℃〜７５０℃）、２ｎｄＬＮＴの温度が脱硫可能温度以下あるいはボーダーライン程度の温度（５５０℃〜６５０℃）になり、脱硫がし辛くなる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高温域（＝高負荷域）のｄｅＮＯｘ効果を向上させ、しかもリッチ還元効率と脱硫効率を向上させることができるＬＮＴを用いた排ガス処理方法およびその装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンに近接して１ｓｔＬＮＴとＣＳＦとを配置し、排ガス温度が１００℃〜２００℃低下する位置に２ｎｄＬＮＴを配置し、その間にＨＣインジェクタを配置し、リッチ還元時に前記ＨＣインジェクタでＨＣの追加噴射を行い、Ｓパージ時にＨＣインジェクタからのＨＣ噴射で、２ｎｄＬＮＴ触媒の脱硫温度を制御するＬＮＴ触媒を用いた排ガス処理方法である。

また、本発明は、エンジンに近接して１ｓｔＬＮＴ触媒とＣＳＦが配置された前段側処理部と、車両アンダーフロアに設けられ、２ｎｄＬＮＴが配置された後段側処理部と、前記ＣＳＦと前記２ｎｄＬＮＴの間に配置されたＨＣインジェクタとを備えたＬＮＴ触媒を用いた排ガス処理装置である。

本発明は、以下の優れた効果を発揮する。
（１）尿素フリーでＲＤＥ試験（実走行による排ガス試験）などの広い温度範囲で、ｄｅＮＯｘ効果を得ることができる。
（２）脱硫を確実に行い、触媒性能を長期間維持することができる。
（３）追加コスト的にも比較的安いコストで実現が可能となる。

本発明の一実施の形態を示す概略図である。本発明の排ガス処理方法における制御フローを示す図である。図２の制御フローにおいて、ＮＯｘ還元量を計算するためのマップを示し、（ａ）は触媒温度に対する還元効率マップ（ｂ）は空燃比λに対する還元効率マップを示す図である。図２の制御フローにおいてＳパージを行うときの、ポスト／ＨＣ噴射タイミングと、そのときのＬＮＴ１、２の温度変化と空燃比変化を示す図である。ＬＮＴ触媒の触媒温度とＮＯｘ浄化率の関係を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、ＬＮＴ触媒による排ガス後処理装置１０を示したものである。

エンジンＥの吸排気系には、ターボチャージャ１１とＥＧＲ管１２が接続されており、エアクリーナ１３から吸入される空気は、ターボチャージャ１１のコンプレッサ１４で圧縮されると共に吸気通路１５に圧送され、エンジンＥの吸気マニホールド１６からエンジンＥ内に供給される。吸気通路１５には、エンジンＥへの空気量を調節するための吸気バルブ１７が設けられる。

エンジンＥから排出された排ガスは、排気マニホールド１８からターボチャージャ１１のタービン１９に排出されると共にタービン１９を駆動し、排気系２０に排気される。

吸気マニホールド１６と排気マニホールド１８にはＥＧＲ管１２が接続され、ＥＧＲ管１２に、排気マニホールド１８から吸気マニホールド１６に至る排ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２１が接続されると共に、ＥＧＲ量を調節するＥＧＲバルブ２２が接続される。

排ガス後処理装置１０は、タービン１９の下流側で、エンジンＥに近接して設けられる前段側処理部１０ａと、前段側処理部１０ａの後段で、排ガス温度がΔ１００℃〜２００℃程度低下する車両のアンダーフロア（Ｕ／Ｆ）に配置される後段側処理部１０ｂとで構成される。

前段側処理部１０ａは、縦型の前段側キャニング容器２３内に、１ｓｔＬＮＴ２４とその後流に、ＣＳＦ（ＣａｔａｌｙｚｅｄＳｏｏｔＦｉｌｔｅｒ：触媒付きスートフィルタ）２５が設けられて構成される。

この前段側処理部１０ａの前段側キャニング容器２３には、前段側ＨＣインジェクタ２６が設けられる。この前段側ＨＣインジェクタ２６は、リッチ還元時やＳパージ時に前段側キャニング容器２３内の１ｓｔＬＮＴ２４にＨＣを供給するものであり、エンジンＥ側のポスト噴射でＨＣを供給するように構成した場合には設けなくてもよい。

後段側処理部１０ｂは、前段側処理部１０ａと排気管２０ａを介して接続され、その排気管２０ａに接続された後段側キャニング容器２７内に２ｎｄＬＮＴ２８が配置される。

２ｎｄＬＮＴ２８の上流側、本実施の形態では、ＣＳＦ２５の下流側の前段側キャニング容器２３にＨＣを噴射する後段側ＨＣインジェクタ２９が設けられる。

１ｓｔＬＮＴ２４の上流側の前段側キャニング容器２３には、排ガス温度を検出する第１温度センサ３０が設けられ、１ｓｔＬＮＴ２４とＣＳＦ２５間の前段側キャニング容器２３には、第２温度センサ３１が設けられ、前段側処理部１０ａの下流の排気管２０ａには、第３温度センサ３２が設けられる。

ＣＳＦ２５の下流側の前段側キャニング容器２３には、第１ＮＯｘセンサ３３が設けられ、２ｎｄＬＮＴ２８の下流側の後段側キャニング容器２７内に第２ＮＯｘセンサ３４が設けられる。

第１〜第３温度センサ３０〜３２と第１、第２ＮＯｘセンサ３３、３４の検出値が、ＥＣＵ４０に入力される。

エンジンＥは、ＥＣＵ４０により運転状況により燃料噴射弁ＩＮでの燃料噴射量を制御する他に運転に必要な種々の全般的な制御がなされる。ＥＣＵ４０には、第１、第２ＮＯｘセンサ３３、３４の検出値から１ｓｔＬＮＴ２４と２ｎｄＬＮＴ２８でのＮＯｘ吸蔵量を演算するＮＯｘ吸着量演算手段４１と、リッチ還元時の触媒温度に対する還元効率のマップ（図３（ａ））と空燃比λに対する還元効率のマップ（図３（ｂ））とを参照して、ポスト噴射又は前段側ＨＣインジェクタ２６でのＨＣ噴射と後段側ＨＣインジェクタ２９でのＨＣ噴射を実施してリッチ還元を行うためのリッチ還元制御手段４２と、Ｓパージ時にポスト噴射又は前段側ＨＣインジェクタでのＨＣ噴射と後段側ＨＣインジェクタでのＨＣ噴射を実施して１ｓｔＬＮＴ２４と２ｎｄＬＮＴ２８の温度と空燃比λを制御するＳパージ制御手段４３とが形成される。

次に、ＬＮＴを用いた排ガス処理方法を説明する。

通常運転状態のように排ガス中の酸素濃度が高い条件（リーン空燃比）で、排ガス中のＮＯｘが、前段側処理部１０ａの１ｓｔＬＮＴ２４に吸蔵され、排ガス中の一酸化炭素や未燃燃料がＣＳＦ２５の酸化触媒で酸化されると共にＰＭ（パティキュレートマター）がＣＳＦ２５で除去される。この後、前段側処理部１０ａの１ｓｔＬＮＴ２４で吸蔵されなかったＮＯｘは、後段側処理部１０ｂの２ｎｄＬＮＴ２８で吸蔵される。

このリーン空燃比でのｄｅＮＯｘは、タービン１９から排出される排ガス温度が４００℃以上の高温となると１ｓｔＬＮＴ２４でのＮＯｘ浄化率が悪くなるが、２ｎｄＬＮＴ２８でＮＯｘ浄化率を高めることが可能となる。

これを図５により説明する。

図５は、ＬＮＴの排ガス温度に対するＮＯｘ浄化率の関係を示したものである。

この図５で、実線ａは、１ｓｔＬＮＴの浄化率特性、点線ｂは２ｎｄＬＮＴの浄化率特性を示したものである。

１ｓｔＬＮＴでは、排ガス温度が２５０〜４００℃で浄化率が高いが、４００℃を超える高温（高負荷域）ではＮＯｘ浄化率が悪くなる。しかし、２ｎｄＬＮＴは、アンダーフロアに配置されるため、エンジンＥから排気される排ガス温度が４００℃を超えても、２ｎｄＬＮＴに流入する排ガス温度は１００〜２００℃低下するため、２ｎｄＬＮＴの触媒温度は、２５０〜４００℃に保たれるため、１ｓｔＬＮＴで浄化できなかったＮＯｘを高効率で浄化することが可能となる。

このリーン空燃比でのｄｅＮＯｘ中にＮＯｘ吸着量演算手段４１は、第１、第２ＮＯｘセンサ３３、３４の検出値から１ｓｔＬＮＴ２４と２ｎｄＬＮＴ２８でのＮＯｘ吸蔵量を演算し、ＮＯｘ吸蔵量が閾値以上、又はＮＯｘ浄化率が閾値以下になったときに、リッチ還元を行う。このＮＯｘ吸蔵量とＮＯｘ浄化率の閾値の設定は、１ｓｔＬＮＴ２４でのＮＯｘ吸蔵量が飽和した時点、或いは１ｓｔＬＮＴ２４でのＮＯｘ吸蔵量が飽和した後に２ｎｄＬＮＴ２８でのＮＯｘ吸蔵量が飽和に近づいてＮＯｘ浄化率が閾値以下になるまでの間で、任意に設定する。

次にリッチ還元を行う際に、リッチ還元制御手段４２は、第１〜第３温度センサ３０〜３２の検出値を基に、図３（ａ）のマップから１ｓｔＬＮＴ２４と２ｎｄＬＮＴ２８での触媒温度に対する還元効率を求め、その還元効率から図３（ｂ）の空燃比λからＮＯｘ還元量を推定し、これを基にポスト噴射量又は前段側ＨＣインジェクタ２６でのＨＣ（還元剤）噴射量と後段側ＨＣインジェクタ２９でのＨＣ噴射量を決定し、これに基づいたＨＣ噴射量でリッチ還元を行う。この場合、２ｎｄＬＮＴ２８でのリッチ還元は、１ｓｔＬＮＴ２４とＣＳＦ２５をスリップした還元剤量も考慮して還元効率を推定して、ＨＣ量を決定し、これを基に後段側ＨＣインジェクタ２９が間欠的にＨＣを噴射してリッチ還元を行うことで、還元剤スリップを防止する。

また、１ｓｔＬＮＴ２４と２ｎｄＬＮＴ２８での触媒温度に応じて、エンジンＥの出口排ガス温度が低温時（例えば２００℃〜４００℃）では、１ｓｔＬＮＴ２４のみでリッチ還元を行い、高温時（例えば３５０℃〜５５０℃）では、２ｎｄＬＮＴ２８のみでリッチ還元を行うように制御してもよい。

Ｓパージ制御手段４３は、例えば、ＮＯｘ吸蔵量の積算値が設定値に達したとき、或いは走行距離が１万ｋｍを超えたときに１ｓｔＬＮＴ２４と２ｎｄＬＮＴ２８がＳ被毒されたとしてＳパージを行うもので、図４に示すように、排ガス温度が目標温度（例えば６５０℃）となるように、ポスト噴射又は前段側ＨＣインジェクタ２６でＨＣを噴射し、その後、前段側ＨＣインジェクタ２６でＨＣを間欠的に噴射すると共に後段側ＨＣインジェクタ２９でもＨＣを噴射し、１ｓｔＬＮＴ２４と２ｎｄＬＮＴ２８の温度を脱硫可能な温度以上（例えば６５０℃以上）かつ触媒の熱劣化温度以下（例えば７５０℃以下）に制御しつつＳパージを行う。

このＳパージの脱硫時に、後段側ＨＣインジェクタ２９での追加噴射で、第３温度センサ３２の検出値を基に、２ｎｄＬＮＴ触媒の温度のフィードバック制御を行う。

また、Ｓパージリッチ時に空燃比λが小さくなると、酸素不足となり、ＳがＳＯ₂では無くＨ₂Ｓの形で放出されやすくなるため、空燃比λを１に保つようにＨＣ噴射量を制御する。

次に、本発明の制御フローを図２により説明する。

図２において、ステップＳ１０で制御が開始されると、ステップＳ１１でＮＯｘセンサー値により、１ｓｔＬＮＴと２ｎｄＬＮＴのＮＯｘ吸蔵量を各々計算する。

このステップＳ１１で、ＮＯｘ吸蔵量が設定値に達したとき、ステップＳ１２の判断でリッチ燃焼に切り換え、ステップＳ１３で、図３（ａ）の触媒温度に対する還元効率マップと図３（ｂ）の空燃比λに対する還元効率マップとを基に、ＮＯｘ還元量を各々ＬＮＴで計算し、ポスト噴射又は前段側ＨＣインジェクタでのＨＣ噴射と後段側ＨＣインジェクタでのＨＣ噴射を実施してリッチ還元を行った後、制御を終了する（ステップＳ１５）。

またステップＳ１１で、ＮＯｘ吸蔵量の積算値を基に１ｓｔＬＮＴと２ｎｄＬＮＴのＳ被毒量を推定し、Ｓ被毒量が一定量に達したとき、或いは車両の走行距離が設定距離となったとき、ステップＳ１２の判断で、Ｓパージと判断し、ステップＳ１４で、１ｓｔＬＮＴと２ｎｄＬＮＴの昇温を行うべく、ポスト噴射又は前段側ＨＣインジェクタでのＨＣ噴射と後段側ＨＣインジェクタでのＨＣ噴射を行って目標温度（例えば６５０℃〜７５０℃）まで、１ｓｔＬＮＴと２ｎｄＬＮＴの温度を上昇させ、かつ空燃比λを１の状態に保ってＳパージを行った後、制御を終了する（ステップＳ１５）。

１０排ガス後処理装置
１０ａ前段側処理部
１０ｂ後段側処理部
２４１ｓｔＬＮＴ
２５ＣＳＦ
２８２ｎｄＬＮＴ
２９後段側ＨＣインジェクタ
Ｅエンジン

Claims

エンジンに近接して１ｓｔＬＮＴとＣＳＦとを配置し、排ガス温度が１００℃〜２００℃低下する位置に２ｎｄＬＮＴを配置し、その間にＨＣインジェクタを配置し、リッチ還元時に前記ＨＣインジェクタでＨＣの追加噴射を行い、Ｓパージ時にＨＣインジェクタからのＨＣ噴射で、２ｎｄＬＮＴ触媒の脱硫温度を制御するＬＮＴ触媒を用いた排ガス処理方法。
リッチ還元時に、ポスト噴射又は１ｓｔＬＮＴの上流に設けたＨＣインジェクタで還元剤を噴射してリッチ還元を行う請求項１記載の排ガス処理方法。
Ｓパージ時にポスト噴射又は１ｓｔＬＮＴの上流に設けたＨＣインジェクタからＨＣを噴射して１ｓｔＬＮＴを脱硫温度に昇温する請求項２記載のＬＮＴ触媒を用いた排ガス処理方法。
エンジンに近接して１ｓｔＬＮＴ触媒とＣＳＦが配置された前段側処理部と、車両アンダーフロアに設けられ、２ｎｄＬＮＴが配置された後段側処理部と、前記ＣＳＦと前記２ｎｄＬＮＴの間に配置されたＨＣインジェクタとを備えたＬＮＴ触媒を用いた排ガス処理装置。