JP2019035360A

JP2019035360A - 排気ガス浄化システム

Info

Publication number: JP2019035360A
Application number: JP2017156578A
Authority: JP
Inventors: 耕平岡; Kohei Oka
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-03-07
Also published as: CN109386364B; CN109386364A; PH12018000215A1; PH12018000215B1

Abstract

【課題】被毒によるＮＯｘ浄化性能の低下を防止することが可能な排気ガス浄化システムを提供する。【解決手段】排気ガス浄化システムは、内燃機関から排出された排気ガスが通過する排気管内に設けられ、バナジウムを使用した選択還元型触媒を有する第１の選択還元型触媒装置と、排気管内における第１の選択還元型触媒装置の上流側に設けられ、還元剤を噴射する第１の噴射部と、排気管内において第１の選択還元型触媒装置の下流側に設けられ、銅を使用した選択還元型触媒を有する第２の選択還元型触媒装置とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、排気ガス浄化システムに関する。

トラックやバス等の車両に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排気ガス浄化システムとして、尿素水等を還元剤として用いてＮＯｘを窒素と水に還元する選択触媒還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

選択触媒還元システムは、尿素水タンクに貯留された尿素水を選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）上流の排気管に供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによって選択還元型触媒装置内の選択還元型触媒でＮＯｘを還元するものである。尿素水は、例えば排気通路に設けられた尿素水インジェクタによって適量が噴射される。

特開２０００−３０３８２６号公報

しかしながら、排気ガスに含まれる硫黄成分（Ｓ）や貴金属成分（Ｐｔ）が選択還元型触媒の前面に付着すると当該選択還元型触媒によるＮＯｘ浄化性能の低下（以下、被毒とも言う）を招くという問題があった。特に、貴金属成分が選択還元型触媒の前面に付着すると、尿素水インジェクタから噴射されて生成されたアンモニアが酸化してしまい、選択還元型触媒によるＮＯｘ浄化が阻害される。そこで、被毒を防止するために、バナジウムを使用した選択還元型触媒を使用することが考えられるが、当該選択還元型触媒によるＮＯｘ浄化性能はそもそも低く、厳格なＮＯｘ規制を達成することができないおそれがあった。

本開示の目的は、被毒によるＮＯｘ浄化性能の低下を防止することが可能な排気ガス浄化システムを提供することである。

本開示に係る排気ガス浄化システムは、
内燃機関から排出された排気ガスが通過する排気管内に設けられ、バナジウムを使用した選択還元型触媒を有する第１の選択還元型触媒装置と、
前記排気管内における前記第１の選択還元型触媒装置の上流側に設けられ、還元剤を噴射する第１の噴射部と、
前記排気管内において前記第１の選択還元型触媒装置の下流側に設けられ、銅を使用した選択還元型触媒を有する第２の選択還元型触媒装置と、
を備える。

本開示によれば、被毒によるＮＯｘ浄化性能の低下を防止することができる。

本実施の形態における車両の構成を示す図である。本実施の形態における噴射制御処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における車両１の構成を示す図である。図１に示すように、トラックやバス等の車両１には、内燃機関１０と、排気系２０と、制御部４０（具体的には、ＤＳＵ）とが搭載されている。排気系２０および制御部４０は、排気ガス浄化システムとして機能する。

まず、内燃機関１０の構成について説明する。内燃機関１０は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関１０の燃焼室１１において、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１内に燃料を噴射する。なお、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１の吸気ポートに燃料を噴射しても良い。燃料の噴射は、ＥＣＭ（Engine Control Module、図示せず）により制御される。また、燃焼室１１内の燃料は、ピストン１９の動作により圧縮されて燃焼する。

吸気バルブ１５および排気バルブ１７は、開閉可能に構成されている。吸気バルブ１５が開くことで、吸気用配管５０からの新気が燃焼室１１に吸入される。また、排気バルブ１７が開くことで、燃焼室１１で燃料が燃焼して生じた排気ガスが排気系２０（具体的には、排気管２１）に送り出される。

次に、排気系２０の構成について説明する。排気系２０は、例えば車両１の下部に設けられ、主に金属製の排気管２１を有する。この排気管２１は、内燃機関１０において燃料の燃焼により生じた排気ガスを大気中（車外）に導く。

また、排気管２１の途中には、排気ガスを浄化（無害化）するために、様々な後処理装置が設けられている。本実施の形態では、後処理装置として、ＤＯＣ（酸化触媒）２３Ａと、ＤＰＦ２３Ｂと、ＳＣＲ２３Ｃ（本発明の「第１の選択還元型触媒装置」に対応）と、ＳＣＲ２３Ｄ（本発明の「第２の選択還元型触媒装置」）とが設けられている。

ＤＯＣ２３Ａは、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。ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を分解除去する。また、ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれるＮＯｘの大半を占める一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ_２）を生成する機能も有している。この機能を利用することで、ＳＣＲ２３Ｃ，ＳＣＲ２３ＤのＮＯｘ浄化効率を向上することが可能になる。

排気管２１において、ＤＯＣ２３Ａの上流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における上流側）には、一時的に排気ガス中に燃料を供給して、燃料中の炭化水素（ＨＣ）をＤＯＣ２３Ａで酸化させ、その酸化反応熱を利用して排気ガスを昇温する燃料供給部としての燃料供給インジェクタ（図示せず）が配置されている。

ＤＰＦ２３Ｂは、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フィルタから形成される。ＤＰＦ２３Ｂは、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去する。

排気管２１において、ＤＰＦ２３Ｂよりも下流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における下流側）であって、ＳＣＲ２３Ｃよりも上流側には、還元剤としての尿素水を噴射（具体的には、噴霧）するための還元剤インジェクタ２２（本発明の「第１の噴射部」に対応）が設けられている。

なお、排気管２１において還元剤インジェクタ２２よりも下流側には、還元剤インジェクタ２２から噴射された尿素水を排気ガス中に攪拌して均等に拡散させるミキサーが設けられても良い。

排気管２１において、ＳＣＲ２３Ｃの入口近傍には温度センサ２４が設けられている。温度センサ２４は、還元剤インジェクタ２２による尿素水の噴射制御に用いられ、排気ガスの温度を検出し、当該温度を示す信号を制御部４０に出力する。

ＳＣＲ２３Ｃは、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、バナジウムを使用した触媒（以下、バナジウム触媒）が担持またはコーティングされる。このように、ＳＣＲ２３Ｃは、バナジウム触媒を有するため、排気ガスに含まれる硫黄成分（Ｓ）や貴金属成分（Ｐｔ）がＳＣＲ２３Ｃの前面に付着しても当該ＳＣＲ２３ＣによるＮＯｘ浄化性能の低下を招きにくい（換言すれば、被毒に強い）特性を有する。

上記のようなＳＣＲ２３Ｃは、排気管２１において、ＤＰＦ２３Ｂの下流側に配置される。また、排気管２１においてＤＰＦ２３ＢとＳＣＲ２３Ｃとの間には、還元剤としての尿素水が、還元剤インジェクタ２２により噴射され、ＤＰＦ２３Ｂを通過した排気ガスに供給される。その結果、尿素水がアンモニアに加水分解される。アンモニアを含む排気ガスがＳＣＲ２３Ｃ表層付近で、バナジウム触媒の作用により窒素酸化物（いわゆるＮＯｘ）が窒素と水に反応する（還元反応）。これにより、排気ガス中の窒素酸化物が浄化される。

ここで、加水分解は、ＳＣＲ２３Ｃを通過する排気ガスの温度が所定温度（例えば、２００℃）以上で起こる。したがって、本実施の形態では、還元剤インジェクタ２２は、ＳＣＲ２３Ｃに流入する排気ガスの温度が２００℃以上の場合に、尿素水を排気管２１内の排気ガスに供給する。尿素水の噴射は制御部４０により制御される。なお、所定温度（２００℃）は、排気系２０の設計開発段階での実験・シミュレーション等により、アンモニアとＮＯｘとの反応温度等を考慮しつつ適宜適切に定められる。

ＳＣＲ２３Ｄは、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、銅を使用した触媒（以下、銅触媒）が担持またはコーティングされる。このように、ＳＣＲ２３Ｄは、銅触媒を有するため、バナジウム触媒を有するＳＣＲ２３Ｃと比べて、排気ガスに含まれる硫黄成分（Ｓ）や貴金属成分（Ｐｔ）がＳＣＲ２３Ｄの前面に付着した場合に当該ＳＣＲ２３ＤによるＮＯｘ浄化性能の低下を招きやすい（換言すれば、被毒に弱い）特性を有する。その一方で、ＳＣＲ２３Ｄは、ＳＣＲ２３Ｃと比べて、ＮＯｘ浄化性能が高いという特性を有する。

ＳＣＲ２３Ｃにおいて還元反応に使用されずにスリップしたアンモニアは、ＳＣＲ２３Ｄ表層付近で、銅触媒の作用により窒素酸化物（いわゆるＮＯｘ）が窒素と水に反応する（還元反応）。これにより、排気ガス中の窒素酸化物が浄化される。

なお、ＳＣＲ２３Ｄの下流側には、ＳＣＲ２３Ｃ，２３Ｄにおいて還元反応に使用されずにスリップしてきたアンモニアが大気中に放出されないように、スリップしてきたアンモニアを酸化し除去するアンモニアスリップ触媒が配置されても良い。

排気管２１におけるＳＣＲ２３ＣとＳＣＲ２３Ｄとの間には、濃度センサ２５が設けられている。この濃度センサ２５は、ＳＣＲ２３Ｃを通過した排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出し、当該濃度を示す信号を制御部４０に出力する。

また、排気管２１におけるＳＣＲ２３ＣとＳＣＲ２３Ｄとの間には、還元剤としての尿素水を噴射するための還元剤インジェクタ２６（本発明の「第２の噴射部」に対応）が設けられている。

以上の各後処理装置で排気ガスを処理して生成される水、窒素、二酸化炭素は、マフラー（図示せず）等を介して、大気中に排出される。

制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）、および、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の作業用メモリ等を備える。ＣＰＵは、ＲＯＭから制御プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開した制御プログラムと協働して各種処理の実行を制御する。

図１に示すように、制御部４０は、温度取得部４１、濃度取得部４２、判定部４３および噴射制御部４４を備える。

上記したように、排気管２１における上流側には、被毒に強いＳＣＲ２３Ｃが配置され、下流側には、ＳＣＲ２３Ｃと比べて被毒に弱いもののＮＯｘ浄化性能が高いＳＣＲ２３Ｄが配置される。これにより、排気ガスに含まれる硫黄成分（Ｓ）や貴金属成分（Ｐｔ）を上流側のＳＣＲ２３Ｃに付着させ、少なくとも下流側のＳＣＲ２３ＤのＮＯｘ浄化性能を維持することができ、排気系２０全体としての被毒によるＮＯｘ浄化性能の低下を防止することができる。

貴金属成分がＳＣＲ２３Ｃの前面に付着し、還元剤インジェクタ２２から噴射されて生成されたアンモニアが酸化してＳＣＲ２３ＣのＮＯｘ浄化性能が低下した場合には、ＳＣＲ２３Ｄまで到達するアンモニアの量が減少し、ひいてはＳＣＲ２３ＤのＮＯｘ浄化性能が低下するおそれがある。この場合には、ＳＣＲ２３ＣとＳＣＲ２３Ｄとの間に設けられた還元剤インジェクタ２６から尿素水を噴射させることでアンモニアをＳＣＲ２３Ｄに安定供給し、ＳＣＲ２３ＤのＮＯｘ浄化性能を維持する。

次に、図２のフローチャートを参照し、本実施の形態における制御部４０の噴射制御処理例について説明する。図２の噴射制御処理は、内燃機関１０が稼働した後に実行が開始される。

まず、温度取得部４１は、温度センサ２４から出力された信号を入力し、排気管２１を通過する排気ガスの温度を取得する（ステップＳ１００）。次に、判定部４３は、温度取得部４１により取得された温度が所定温度（例えば、２００℃）以上であるか否かについて判定する（ステップＳ１２０）。

判定の結果、温度取得部４１により取得された温度が所定温度未満である場合（ステップＳ１２０、ＮＯ）、処理はステップＳ１００の前に戻る。一方、温度取得部４１により取得された温度が所定温度以上である場合（ステップＳ１２０、ＹＥＳ）、噴射制御部４４は、尿素水の噴射を開始するように還元剤インジェクタ２２を制御する（ステップＳ１４０）。

次に、濃度取得部４２は、濃度センサ２５から出力された信号を入力し、排気管２１を通過する排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を取得する（ステップＳ１６０）。次に、判定部４３は、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度以上であるか否かについて判定する（ステップＳ１８０）。ここで、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度以上である場合とは、貴金属成分がＳＣＲ２３Ｃの前面に付着した結果としてアンモニアが酸化することにより、ＳＣＲ２３ＣのＮＯｘ浄化性能が低下したおそれがある場合である。

判定の結果、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度未満である場合（ステップＳ１８０、ＮＯ）、処理はステップＳ１８０の前に戻る。一方、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度以上である場合（ステップＳ１８０、ＹＥＳ）、噴射制御部４４は、尿素水の噴射を開始するように還元剤インジェクタ２６を制御する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００の処理が完了することによって、制御部４０は、図２における処理を終了する。

以上詳しく説明したように、本実施の形態では、排気ガス浄化システムは、内燃機関１０から排出された排気ガスが通過する排気管２１内に設けられ、バナジウムを使用した選択還元型触媒を有する第１の選択還元型触媒装置（ＳＣＲ２３Ｃ）と、排気管２１内における第１の選択還元型触媒装置（ＳＣＲ２３Ｃ）の上流側に設けられ、還元剤を噴射する第１の噴射部（還元剤インジェクタ２２）と、排気管２１内において第１の選択還元型触媒装置（ＳＣＲ２３Ｃ）の下流側に設けられ、銅を使用した選択還元型触媒を有する第２の選択還元型触媒装置（ＳＣＲ２３Ｄ）とを備える。

このように構成した本実施の形態によれば、排気管２１における上流側には、被毒に強いＳＣＲ２３Ｃが配置され、下流側には、ＳＣＲ２３Ｃと比べて被毒に弱いもののＮＯｘ浄化性能が高いＳＣＲ２３Ｄが配置される。これにより、排気ガスに含まれる硫黄成分（Ｓ）や貴金属成分（Ｐｔ）を上流側のＳＣＲ２３Ｃに付着させ、少なくとも下流側のＳＣＲ２３ＤのＮＯｘ浄化性能を維持することができ、排気系２０全体としての被毒によるＮＯｘ浄化性能の低下を防止することができる。

また、本実施の形態では、排気管２１内における第１の選択還元型触媒装置（ＳＣＲ２３Ｃ）と第２の選択還元型触媒装置（ＳＣＲ２３Ｄ）との間に設けられ、還元剤を噴射する第２の噴射部（還元剤インジェクタ２６）と、第１の選択還元型触媒装置（ＳＣＲ２３Ｃ）と第２の選択還元型触媒装置（ＳＣＲ２３Ｄ）との間を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度が所定濃度以上である場合、還元剤を噴射する一方、ＮＯｘ濃度が所定濃度未満である場合、還元剤を噴射しないように第２の噴射部（還元剤インジェクタ２６）を制御する制御部４０とを備える。

このように構成した本実施の形態によれば、ＳＣＲ２３ＣとＳＣＲ２３Ｄとの間を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度が所定濃度以上である、ひいてはＳＣＲ２３ＤのＮＯｘ浄化性能が低下するおそれがある場合、ＳＣＲ２３ＣとＳＣＲ２３Ｄとの間に設けられた還元剤インジェクタ２６から尿素水が噴射される。そのため、ＳＣＲ２３Ｃの被毒によりＳＣＲ２３Ｄまで到達するアンモニアの量が減少する場合でも、ＳＣＲ２３Ｄにアンモニアを安定的に供給し、ＳＣＲ２３ＤのＮＯｘ浄化性能を維持することができる。

なお、上記実施の形態では、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度以上である場合、還元剤インジェクタ２６による尿素水の噴射を開始する一方、所定濃度未満である場合、還元剤インジェクタ２６による尿素水の噴射を開始しない例について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度未満である場合、還元剤インジェクタ２６による尿素水の噴射を開始しても良い。ただし、尿素水のコスト低減やＳＣＲ２３Ｄにおけるアンモニアスリップを防止する等の観点から、還元剤インジェクタ２６による尿素水の噴射量を最小限に抑えることが好ましい。つまり、濃度取得部４２により取得された濃度が所定濃度以上である場合の方が、所定濃度未満である場合よりも、還元剤インジェクタ２６による尿素水の噴射量が多いことが好ましい。

また、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示は、被毒によるＮＯｘ浄化性能の低下を防止することが可能な排気ガス浄化システムとして有用である。

１車両
１０内燃機関
１１燃焼室
１３燃料噴射インジェクタ
１５吸気バルブ
１７排気バルブ
１９ピストン
２０排気系
２１排気管
２２，２６還元剤インジェクタ
２３ＡＤＯＣ
２３ＢＤＰＦ
２３Ｃ，２３ＤＳＣＲ
２４温度センサ
２５濃度センサ
４０制御部
４１温度取得部
４２濃度取得部
４３判定部
４４噴射制御部
５０吸気用配管

Claims

内燃機関から排出された排気ガスが通過する排気管内に設けられ、バナジウムを使用した選択還元型触媒を有する第１の選択還元型触媒装置と、
前記排気管内における前記第１の選択還元型触媒装置の上流側に設けられ、還元剤を噴射する第１の噴射部と、
前記排気管内において前記第１の選択還元型触媒装置の下流側に設けられ、銅を使用した選択還元型触媒を有する第２の選択還元型触媒装置と、
を備える排気ガス浄化システム。
前記排気管内における前記第１の選択還元型触媒装置と前記第２の選択還元型触媒装置との間に設けられ、還元剤を噴射する第２の噴射部と、
前記第１の選択還元型触媒装置と前記第２の選択還元型触媒装置との間を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度が所定濃度以上である場合、前記ＮＯｘ濃度が前記所定濃度未満である場合と比べて、前記還元剤の噴射量が増大するように前記第２の噴射部を制御する制御部と、
を備える請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
前記制御部は、前記ＮＯｘ濃度が前記所定濃度以上である場合、前記還元剤を噴射する一方、前記ＮＯｘ濃度が前記所定濃度未満である場合、前記還元剤を噴射しないように前記第２の噴射部を制御する、
請求項２に記載の排気ガス浄化システム。