JP2019167864A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ選択還元型触媒内の還元剤を効率的に浄化することができる排気浄化装置を提供すること。【解決手段】排気浄化装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕集し、当該捕集した前記粒子状物質を燃焼させる再生が行われる捕集フィルターと、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、捕集フィルターおよび前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒より排気下流側に配置されるＮＯｘ選択還元型触媒と、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵される窒素酸化物の吸蔵量に応じて再生のタイミングを変更する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、排気浄化装置に関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気浄化装置として、酸化触媒（Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ：ＤＯＣ）、捕集フィルター（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ：ＤＰＦ）、尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｓｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ＤＯＣは、排気ガス中の煤の中に含まれる有機成分の大部分を酸化し、ＨＣ及びＣＯを浄化する。なお、煤を、微粒子物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）という場合がある。

ＤＰＦは、ＤＯＣの後段に設けられ、排気ガス中のＰＭを捕集する。捕集されたＰＭはＤＰＦに堆積する。ＰＭの堆積量が所定値以上の場合、ＤＰＦの再生が行われる。ＤＰＦの再生は、例えば、燃料をＤＯＣの排気上流側に噴射して還元ガスを生成し、還元ガスをＤＯＣで燃焼させて排気ガスの温度を上昇させて、ＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼させることにより行われる。この動作をＤＰＦ再生という。

尿素ＳＣＲは、ＤＰＦの後段に設けられる。尿素ＳＣＲでは、排気管内に噴射された尿素水を排気ガスの熱で加水分解して生成されたアンモニアが、触媒の作用により排気ガス中のＮＯｘを窒素（Ｎ_２）に還元することで、ＮＯｘが低減される。なお、ＤＰＦ再生前に、尿素ＳＣＲ内のアンモニアの浄化（パージ）が行われる。

特表２０１０−５１９４５９号公報

ところで、例えば、上記のＤＰＦおよび尿素ＳＣＲと、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、ＬＮＴ触媒という）と、を組合せた排気浄化装置が知られている。ＬＮＴ触媒は、空燃比がリーンの場合に排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチの場合にＮＯｘを還元する。

この排気浄化装置の場合、ＤＰＦ再生前における尿素ＳＣＲ内のアンモニアの浄化には、ＬＮＴ触媒に吸蔵される所定量のＮＯｘが用いられることが知られている。しかし、ＤＰＦ再生前にＬＮＴ触媒内のＮＯｘを還元した場合、ＬＮＴ触媒内のＮＯｘが空になるため、アンモニアの浄化ができない場合や、アンモニアの浄化に長時間を要する場合が生じる。その結果、ＤＰＦ再生前における尿素ＳＣＲ内のアンモニアを効率的に浄化できないおそれがある。

本開示の目的は、ＮＯｘ選択還元型触媒内の還元剤を効率的に浄化することができる排気浄化装置を提供することである。

本開示の一態様に係る排気浄化装置は、
排気ガス中の粒子状物質を捕集し、当該捕集した前記粒子状物質を燃焼させる再生が行われる捕集フィルターと、
ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、
前記捕集フィルターおよび前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒より排気下流側に配置されるＮＯｘ選択還元型触媒と、
前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵される窒素酸化物の吸蔵量に応じて前記再生のタイミングを変更する制御部と、
を備える。

本開示によれば、ＮＯｘ選択還元型触媒内の還元剤を効率的に浄化することができる。

本実施の形態に係る排気浄化装置が適用された内燃機関の排気系を示す概略構成図 ＰＭの堆積量の閾値とＮＯｘの吸蔵率との関係の一例を示すマップ 排気浄化処理の一例を示すフローチャート

以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る排気浄化装置１００が適用された内燃機関１の排気系を示す概略構成図である。

図１に示すように、内燃機関１は、車両Ｖに搭載される、例えばディーゼルエンジンであり、内燃機関１で生じた排気ガスを大気中に導くための排気浄化装置１００が設けられている。排気浄化装置１００は、排気ガスが流れる排気管１１０を備えている。

排気管１１０には、排気ガスが流れる方向（図示左から右へ向かう方向、以下、「排気方向」という）の上流側から順に、ＬＮＴ触媒２１０、ＤＰＦ（捕集フィルター）２２０、尿素ＳＣＲ２３０等が設けられている。

ＬＮＴ触媒２１０は、排気ガス中のＮＯｘを浄化処理する機能を有し、排気管１１０内に設けられている。ＬＮＴ触媒２１０は、例えば、空燃比がリーンの場合に排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチの場合にＮＯｘを還元する性質を有する。

ＤＰＦ２２０は、微孔径を有する多孔質セラミック等により形成され、排気ガスに含まれるＰＭを捕集する性質を有する。ＤＰＦ２２０に捕集されたＰＭの堆積量が過度に多くなると、内燃機関１の背圧が上昇し内燃機関１の特性の低下をきたす。そこで、ＰＭの堆積量が予め定められた閾値を超えた場合、内燃機関１において主噴射後に追加燃料噴射（以下、ポスト噴射という）が行われることによって、排気温度が上昇する。これにより、ＤＰＦ２２０を昇温させてＤＰＦ２２０に堆積したＰＭを燃焼させて除去する。この動作をＤＰＦ再生という。なお、ＤＰＦ再生は、ポスト噴射に付加又は代替して、筒内燃焼噴射弁（図示略）から排気管１１０内に燃料を噴射する排気管内噴射により行われてもよい。

ＤＰＦ２２０の前後の差圧を検出するための差圧センサー２が設けられている。

ＥＣＵ１２０は、差圧センサー２の検出値が所定値未満のとき、ＰＭの堆積量が少なくＤＰＦ再生が必要でないと判断する。一方、ＥＣＵ１２０は、その検出値が所定値以上になると、ＰＭの堆積量が多くＤＰＦ再生が必要であると判断する。ＥＣＵ１２０は、ＰＭの堆積量が閾値を超えたと判断した場合、ポスト噴射の制御を行う。ＥＣＵ１２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータを備えた電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。本実施の形態において、ＥＣＵ１２０は、ポスト噴射等の制御を行う制御部として機能する。また、ＥＣＵ１２０は、空燃比をリッチにするリッチ処理の制御を行うリッチ制御部として機能する。

尿素ＳＣＲ２３０は、アンモニアが触媒の作用により排気ガス中のＮＯｘを窒素（Ｎ_２）に還元して、ＮＯｘを低減する性質を有する。なお、アンモニアは、排気管１１０から尿素ＳＣＲ２３０に流入される尿素水を、排気ガスの熱により加水分解することにより生成される。

ところで、ＰＭの堆積量が閾値を超えた場合、ＤＰＦ再生が行われる。そして、ＤＰＦ再生の前に、尿素ＳＣＲ２３０中のアンモニアを浄化する必要がある。アンモニアの浄化には、ＬＮＴ触媒２１０に吸蔵される所定量のＮＯｘが用いられる。

なお、ＤＰＦ再生において、ＬＮＴ触媒２１０の温度が上昇して、ＬＮＴ触媒２１０に吸蔵されるＮＯｘが下流に放出される。放出されたＮＯｘを尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアで還元することで、尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアを浄化することができる。換言すれば、尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアの浄化に、ＬＮＴ触媒２１０に吸蔵されるＮＯｘを用いることが可能となる。しかし、尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアの浄化に、ＬＮＴ触媒２１０に吸蔵されるＮＯｘの吸蔵量が不十分である場合、ＬＮＴ触媒２１０に所定量以上のＮＯｘが吸蔵されるまで、アンモニアの浄化を待つ必要がある。このため、アンモニアを効率的に浄化できない場合がある。

そこで、本実施の形態におけるＥＣＵ１２０は、ＬＮＴ触媒２１０に吸蔵されるＮＯｘの吸蔵率に応じて、ＰＭの堆積量の閾値を変更する。ここで、ＮＯｘの吸蔵率とは、ＮＯｘの予め定められた最大吸蔵量に対するＮＯｘの実際の吸蔵量の割合をいう。なお、ＥＣＵ１２０は、ＮＯｘの吸蔵量を、例えば、触媒温度、排気ガスの流量、エンジンの回転速度及びエンジン負荷に基づき、ＮＯｘの吸蔵量、触媒温度、排気ガスの流量、エンジン回転速度及びエンジン負荷の相互の関係を示すマップを参照して推定する。マップは、ＥＣＵ１２０のメモリに予め記憶されている。

ＮＯｘの吸蔵率に応じてＰＭの堆積量の閾値を変更することにより、ＬＮＴ触媒２１０にある程度のＮＯｘが吸蔵されると、ＥＣＵ１２０は、ＤＰＦ２２０内のＰＭの堆積量が満杯でない場合でも、ＤＰＦ再生の制御を行う。その結果、ＤＰＦ再生で、ＬＮＴ触媒２１０の温度が上昇して、ＮＯｘが下流に放出される。放出されたＮＯｘを尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアで還元するため、尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアを効率的に浄化することができる。その結果、ＤＰＦ再生時に尿素ＳＣＲ２３０から放出されるアンモニア量を減少できる。

排気浄化装置１００の記憶部（図示略）には、ＰＭの堆積量の閾値とＮＯｘの吸蔵率とが関係づけられたテーブルが記憶されている。図２は、ＰＭの堆積量の閾値とＮＯｘの吸蔵率との関係の一例を示すマップである。図２の縦軸に「ＰＭの堆積量の閾値」を示し、横軸に「ＮＯｘの吸蔵率」を示している。図２に、「ＮＯｘの吸蔵率」に応じて変化する「ＰＭの堆積量の閾値」をラインＬ１で示す。これに対して、「ＮＯｘの吸蔵率」に拘わらず一定である「ＰＭの堆積量の閾値」をラインＬ２で示す。テーブルは、ラインＬ１に基づいて作成される。ラインＬ１は、実験結果又はシミュレーションに基づいて定められる。

ＥＣＵ１２０は、ＮＯｘの吸蔵率を算出する。ＥＣＵ１２０は、ＮＯｘの吸蔵率に基づいて、ＮＯｘを還元する処理（ＮＯｘ還元処理）が必要であるかどうかについて判断する。ＥＣＵ１２０は、ＮＯｘ還元処理が必要な場合、テーブルを参照して、ＰＭの堆積量が閾値を超えているかどうかについて判断する。ＥＣＵ１２０は、ＰＭの堆積量が閾値を超えている場合、空燃比をリッチにして、ＮＯｘを還元する処理（リッチ処理）を禁止する。そして、ＥＣＵ１２０は、ポスト噴射の制御を行って、ＤＰＦ再生を行わせる。これに対して、ＥＣＵ１２０は、ＰＭの堆積量が閾値を超えていない場合、リッチ処理の制御を行う。

以下に、図２を参照して上述した排気浄化処理について説明する。図２に、ＮＯｘの吸蔵率Ｒａ[％]のときに、ＤＰＦ２２０に堆積しているＰＭの実堆積量ｖ［ｍｇ］を示す。また、ＮＯｘの吸蔵率Ｒａ[％]の場合におけるＰＭの堆積量の閾値Ｔｈａ及びＴｈｃを示す。また、図２に、ＮＯｘ還元処理の要否を判断するときの予め定められた基準値としての基準吸蔵率Ｒｋを示す。

ＥＣＵ１２０は、ＮＯｘの吸蔵率に基づいて、ＮＯｘ還元処理が必要であるかどうかを判断する。具体的には、ＥＣＵ１２０は、ＮＯｘの吸蔵率が基準吸蔵率Ｒｋを超えている場合、ＮＯｘ還元処理が必要であると判断する。これに対して、ＥＣＵ１２０は、ＮＯｘの吸蔵率が基準吸蔵率Ｒｋ未満の場合、ＮＯｘ還元処理が必要でないと判断する。ＥＣＵ１２０は、ＮＯｘ還元処理が必要な場合、ＰＭの実堆積量ｖが閾値を超えているかどうかについて判断する。

以下に、ＰＭの実堆積量ｖが閾値を超えているかどうかの判断以降の排気浄化処理について、比較例と対比しつつ説明する。

先ず、比較例における排気浄化処理について説明する。比較例におけるＰＭの堆積量の閾値は、一定の閾値Ｔｈｃである（図２に示すラインＬ２を参照）。

ＥＣＵ１２０は、図２に示すように、ＰＭの実堆積量ｖが閾値Ｔｈｃを超えていない場合、ＮＯｘ還元処理としてのリッチ処理の制御を行う。これにより、ＬＮＴ触媒２１０に吸蔵されたＮＯｘが還元される。その結果、ＬＮＴ触媒２１０におけるＮＯｘの吸蔵量は、減少して、尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアの浄化するＮＯｘ量としては不十分となる。したがって、尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアの浄化ができない場合が生じる。または、アンモニアの浄化に長時間を要する場合が生じる。その結果、アンモニアを効率的に浄化できないおそれがある。

これに対して、ＥＣＵ１２０は、ＰＭの実堆積量ｖが閾値Ｔｈｃを超えている場合、例えば、ＮＯｘ還元処理としてのリッチ処理の制御を行った後、ＤＰＦ再生の制御を行う。リッチ処理により、上述するように、尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアの浄化ができない場合などが生じる。そして、ＤＰＦ再生により、尿素ＳＣＲ２３０内の温度が高くなると、尿素ＳＣＲ２３０からアンモニアが放出されるおそれがある。

次に、本実施の形態における排気浄化処理について説明する。本実施の形態におけるＰＭの堆積量の閾値は、ＮＯｘの吸蔵率に応じて変更される閾値Ｔｈａである（図２に示すラインＬ１を参照）。

ＥＣＵ１２０は、ＰＭの実堆積量ｖが閾値Ｔｈａを超えていない場合、ＮＯｘ還元処理としてのリッチ処理の制御を行う。これにより、ＬＮＴ触媒２１０に吸蔵されたＮＯｘが還元される。

ＥＣＵ１２０は、ＰＭの実堆積量ｖが閾値Ｔｈａを超えている場合、リッチ処理を禁止する。また、ＥＣＵ１２０は、ＤＰＦ再生の制御を行う。これにより、ＬＮＴ触媒２１０における触媒の温度が上昇するため、ＬＮＴ触媒２１０に吸蔵されたＮＯｘが下流側に放出される。このＮＯｘを、尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアで還元する。その結果、尿素ＳＣＲ２３０でＮＯｘの還元処理を行うことができる。また、ＬＮＴ触媒２１０に吸蔵されたＮＯｘを用いて、尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアを効率的に浄化することができる。また、ＤＰＦ再生により、尿素ＳＣＲ２３０内の温度が高くなる場合でも、尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアが浄化されているため、尿素ＳＣＲ２３０からアンモニアが放出されるおそれがない。

次に、図３を参照して、本実施の形態における排気浄化処理のフローについて説明する。図３は、排気浄化処理の一例を示すフローチャートである。本排気浄化処理は、内燃機関１の始動後、所定の周期で繰り返し行われる。

ステップＳ１００において、ＥＣＵ１２０は、ＬＮＴ触媒２１０に吸蔵されたＮＯｘの吸蔵率に基づいてＮＯｘ還元処理が必要であるかどうかについて判断する。ＮＯｘ還元処理が必要である場合（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１１０に移行する。ＮＯｘ還元処理が必要でない場合（ステップＳ１００：ＮＯ）、処理は終了する。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ１２０は、ＰＭの堆積量が、ＮＯｘの吸蔵率に基づいて求められた閾値を超えているかどうかについて判断する。ＰＭの堆積量が閾値を超えている場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１２０に移行する。ＰＭの堆積量が閾値を超えない場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１４０に移行する。

ステップＳ１２０において、ＥＣＵ１２０は、リッチ処理を禁止する。

次に、ステップＳ１３０において、ＥＣＵ１２０は、ＤＰＦ再生の制御を行う。

ステップＳ１４０において、ＥＣＵ１２０は、リッチ処理の制御を行う。

上記実施の形態における排気浄化装置１００は、ＥＣＵ１２０がＬＮＴ触媒２１０に吸蔵されるＮＯｘの吸蔵率に応じて、ＰＭの堆積量の閾値を変更し、ＰＭの堆積量が閾値を超えた場合、リッチ処理を禁止し、ＤＰＦ再生の制御を行う。ＤＰＦ再生により、ＬＮＴ触媒２１０における触媒の温度が上昇するため、ＬＮＴ触媒２１０に吸蔵されたＮＯｘが下流側に放出される。このＮＯｘを、尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアで還元するため、尿素ＳＣＲ２３０内のアンモニアを効率的に浄化することができる。その結果、アンモニアの放出を抑制することができる。また、空燃比をリッチにしなくてもＬＮＴ触媒２１０のＮＯｘ還元処理ができるため、燃費の向上を図ることができる。

なお、上記実施の形態では、ＬＮＴ触媒２１０に吸蔵されるＮＯｘの吸蔵率に応じてＰＭの堆積量の閾値を変更するＥＣＵ１２０を例示したが、本発明はこれに限定されず、ＮＯｘの吸蔵量に応じてＰＭの堆積量の閾値を変更してもよい。また、ステップＳ１００のＮＯｘ還元処理要否の判断においても同様に、ＮＯｘの吸蔵率をＮＯｘの吸蔵量に代えて、ＮＯｘの吸蔵量に基づいて判断してもよい。

また、上記実施の形態では、ＬＮＴ触媒２１０の後段にＤＰＦ２２０が配置され、ＤＰＦ２２０の後段に尿素ＳＣＲ２３０が配置された排気浄化装置１００の一例を示したが、本発明はこれに限定されず、ＤＯＣの後段にＤＰＦ２２０が配置され、ＤＰＦ２２０の後段にＬＮＴ触媒２１０が配置され、ＬＮＴ触媒２１０の後段に尿素ＳＣＲ２３０が配置された排気浄化装置においても、本開示の構成を適用することが可能である。

また、上記実施の形態における排気浄化装置１００は、ディーゼルエンジンを搭載した車両Ｖに搭載されていたが、本発明はこれに限定されず、例えば、ガソリンエンジンを搭載した車両に搭載されていてもよい。

その他、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。

本開示の排気浄化装置は、ＮＯｘ選択還元型触媒内の還元剤を効率的に浄化することが要求される排気浄化システムを搭載した車両用として有用である。

１ 内燃機関
２ 差圧センサー
１００ 排気浄化装置
１１０ 排気管
１２０ ＥＣＵ
２１０ ＬＮＴ触媒
２２０ ＤＰＦ
２３０ 尿素ＳＣＲ

Claims (6)

1. 排気ガス中の粒子状物質を捕集し、当該捕集した前記粒子状物質を燃焼させる再生が行われる捕集フィルターと、
   ＮＯｘ吸蔵還元型触媒と、
   前記捕集フィルターおよび前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒より排気下流側に配置されるＮＯｘ選択還元型触媒と、
   前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵される窒素酸化物の吸蔵量に応じて前記再生のタイミングを変更する制御部と、を備える、
   排気浄化装置。
2. 前記制御部は、前記窒素酸化物の吸蔵量に応じて前記粒子状物質の堆積量の閾値を求め、前記捕集フィルターに捕集された前記粒子状物質の堆積量が前記閾値を超えた場合に前記再生を行う、
   請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記制御部は、前記窒素酸化物の吸蔵量が多いほど、前記閾値を小さくする、
   請求項２に記載の排気浄化装置。
4. 前記窒素酸化物の吸蔵量と前記閾値との関係を示すテーブルを備え、
   前記制御部は、前記窒素酸化物の吸蔵量に基づき、前記テーブルを参照して前記閾値を求める、
   請求項２または３に記載の排気浄化装置。
5. 前記制御部は、前記窒素酸化物の吸蔵量に基づいて、前記ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵される窒素酸化物を還元するＮＯｘ還元処理が必要であるかどうかを判断し、前記ＮＯｘ還元処理が必要である場合、前記閾値を求める、
   請求項２から４のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
6. 前記制御部は、前記再生が行われる場合、空燃比をリッチにするリッチ処理を禁止する、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の排気浄化装置。

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