JP2019196735A

JP2019196735A - 酸化触媒再生方法及び酸化触媒再生制御装置

Info

Publication number: JP2019196735A
Application number: JP2018090805A
Authority: JP
Inventors: 学有吉; Manabu Ariyoshi
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2019-11-14
Also published as: CN110469415A

Abstract

【課題】消費燃料が極力少なく再生効率の高い酸化触媒再生方法を提供する。【解決手段】電子制御ユニットにより、酸化触媒における炭化水素蓄積量が第１閾値を超えると判定されるとＳ１３０、炭化水素を燃焼せしめ得る炭化水素脱離温度を超える高温の排気ガスが生ずるよう燃料噴射が行われてＳ１４０、酸化触媒の再生が図られる一方、酸化触媒における硫黄蓄積量が第２閾値を超えると判定されるとＳ１５０、硫黄を燃焼せしめ得る硫黄脱離温度を超える高温の排気ガスが生ずるよう燃料噴射が行われてＳ１６０、酸化触媒の再生が図られるようになっている。【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気を浄化する排気ガス浄化装置に用いられる酸化触媒の再生方法及び装置に係り、特に、再生効率の向上等を図ったものに関する。

ディーゼルエンジンを用いた車両等にあっては、排気ガス規制に適合した排気ガスを排出するため、排気ガス中の一酸化炭素と炭化水素を酸化せしめて無害化する酸化触媒（ＤＯＣ）や、排気ガス中の排気微粒子を捕集するディーセル微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ）を用いて構成された排気ガス浄化装置が搭載されていることは良く知られている通りである。

このような排気ガス浄化装置が搭載された車両が、例えば、エンジン負荷が低い状態、すなわち、渋滞状態において極めて低い速度で長時間走行するような状態におかれた場合には、触媒温度が低いことに起因して、酸化反応が生じずに、物理吸着の形で一酸化炭素や炭化水素が吸着されることがある。
このような場合、渋滞が解消して急激な加速がなされると、高温の排気ガスが酸化触媒に流入し、多量に吸収された炭化水素が一気に燃焼するため酸化触媒自体の耐熱温度を超える温度上昇を招く畏れがある。

また、硫黄の含有量が比較的高い燃料を用いた場合、硫黄が酸化触媒を構成する白金（Ｐｔ）に付着し堆積され、一酸化炭素及び炭化水素の酸化効率を低下させてしまうという問題を招くだけでなく、ＤＰＦ再生処理時における高温の排気ガスによって白金に堆積された硫黄が燃焼されて炭化水素を含んだホワイトスモークと称される白煙の排気ガスが発生するという問題も招いてしまう。

このような問題解決のため、従来から様々な方策が提案、実用化されている（例えば、特許文献１等参照）が、最も基本的な方策として考えられるのは、蓄積された炭化水素と硫黄を燃焼させることである。

特開２１０−１２０００８号公報

しかしながら、蓄積された炭化水素や硫黄を燃焼させて酸化触媒の再生を図るにあたっては、車両の本来の走行に必要な燃料噴射に加えて別途余分な燃料消費を伴うことになるため、消費燃料が極力少なく、再生効率の良い酸化触媒の再生方法が所望される。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、消費燃料が極力少なく再生効率が高く、かつ、確実な再生を可能とする酸化触媒活再生方法及び酸化触媒再生制御装置を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る酸化触媒の再生方法では、
排気ガス中の一酸化炭素と炭化水素を酸化せしめて無害化する酸化触媒を有する排気ガス浄化装置における前記酸化触媒の再生方法であって、
前記排気ガス中に含まれる硫黄の前記酸化触媒における蓄積量である硫黄蓄積量と前記炭化水素の前記酸化触媒における蓄積量である炭化水素蓄積量を、それぞれ算出し、
前記炭化水素蓄積量が所定の第１閾値を超えた場合、前記炭化水素を燃焼せしめ得る炭化水素脱離温度を超える高温の排気ガスを排出する一方、
前記硫黄蓄積量が所定の第２閾値を超えた場合、前記硫黄を燃焼せしめ得る硫黄脱離温度を超える高温の排気ガスを排出し、前記酸化触媒の再生を可能としてなるものである。
また、上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る酸化触媒再生制御装置は、
排気ガス中の一酸化炭素と炭化水素を酸化せしめて無害化する酸化触媒を有する排気ガス浄化装置における前記酸化触媒の再生処理を制御する酸化触媒再生制御装置であって、
エンジンへの燃料噴射制御が実行可能に構成されてなる電子制御ユニットを有し、
前記電子制御ユニットは、
前記排気ガス中に含まれる硫黄の前記酸化触媒における蓄積量である硫黄蓄積量と前記炭化水素の前記酸化触媒における蓄積量である炭化水素蓄積量を、それぞれ算出し、
前記炭化水素蓄積量が所定の第１閾値を超えたと判定された場合、前記炭化水素を燃焼せしめ得る炭化水素脱離温度を超える高温の排気ガスを発生する燃料噴射を前記燃料噴射弁に実行せしめる一方、
前記硫黄蓄積量が所定の第２閾値を超えたと判定された場合、前記硫黄を燃焼せしめ得る硫黄脱離温度を超える高温の排気ガスを発生する燃料噴射を前記燃料噴射弁に実行せしめるよう構成されてなるものである。

本発明によれば、従来と異なり、排気ガスの温度が燃焼対象物の燃焼に好適な温度近傍となるように構成することで、無駄な燃料噴射を極力低減し、酸化触媒の確実な再生を可能とし、効率の良い再生処理が行われるため、車両の燃費向上に寄与することができるという効果を奏するものである。

本発明の実施の形態における酸化触媒再生制御装置が適用される車両の排気系統の構成例を示す構成図である。本発明の実施の形態における酸化触媒再生制御装置によって実行される酸化触媒再生処理の手順を示すサブルーチンフローチャートである。本発明の実施の形態における酸化触媒再生処理を実行した場合の炭化水素及び硫黄の蓄積量と触媒温度の変化例を説明する模式図である。酸化触媒における炭化水素の吸着、脱離特性例を示す特性線図である。酸酸化触媒における硫黄の吸着、脱離特性例を示す特性線図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図５を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態における酸化触媒再生制御装置が適用される車両の排気系統の構成例について、図１を参照しつつ説明する。

まず、ディーゼルエンジン１のインテークマニホールド１１ａには、燃料の燃焼のために必要な空気を取り入れる吸気管１２が、また、エキゾーストマニホールド１１ｂには、排気ガスを排気するための排気管１３が、それぞれ接続されている。

そして、排気管（排気路）１３と吸気管（吸入路）１２を連通する連通路１４が、排気管１３と吸気管１２の適宜な位置に設けられると共に、この連通路１４の途中には、連通路１４の連通状態、換言すれば、排気ガスの還流量を調整するためのＥＧＲバルブ１５が配設されている。

また、排気管１３において連通路１４より下流側に設けられた可変タービン１７と、吸気管１２において連通路１４より上流側に設けられて可変タービン１７の回転軸に連結されたコンプレッサ１８とを主たる構成要素としてなる公知・周知の構成を有する過給装置１６が設けられている。

可変タービン１７は、排気ガスの流れにより得られた回転力によりコンプレッサ１８を回転せしめる一方、コンプレッサ１８においては、吸入空気が圧縮されて、その圧縮空気がインテークマニホールド１１ａへ過給されるようになっている。

さらに、吸気管１２には、先に述べた連通路１４と過給装置１６の間の適宜な位置において、吸入空気の冷却を行うインタークーラ１９が設けられている。
そして、このインタークーラ１９と連通路１４との間には、吸入空気の量を調整するためのインテークスロットルバルブ２０が設けられている。

また、吸気管１２の上流側には、上流側から下流方向に向かってエアフィルタ２１、吸入空気量を計測するエアフロセンサ２２が設けられている。
さらに、吸気管１２において、インテークスロットルバルブ２０の下流側には、過給圧を検出する過給圧センサ２３が設けられている。

一方、排気管１３においては、可変タービン１７の下流側に、下流方向に向かって排気ガス浄化のための酸化触媒(Diesel Oxidation Catalyst)２４、ディーゼル微粒子捕集フィルタ(Diesel Particulate Filter)２５が設けられている。
ここで、酸化触媒２４は、少なくとも一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣを化学反応によって酸化させ、水Ｈ_２Ｏと二酸化炭素ＣＯ_２とに分解して放出することで排気ガスの無害化を可能とするものである。

かかる酸化触媒（以下「ＤＯＣ」と称する）２４は、例えば、アルミナに白金を担持させたものにセリウム等の希土類元素を添加して構成されたもの等が好適であり、かかる構成は、従来のものと基本的に同一である。

また、ディーゼル微粒子捕集フィルタ（以下「ＤＰＦ」と称する）２５は、例えば、セラミックス材料から構成されたハニカム構造のフィルタを用いて構成された従来と同様のものである。

さらに、排気管１３においては、可変タービン１７とＤＯＣ２４との間に、排気管１３の上流側から第１の排気温度センサ２６、ラムダセンサ２８が設けられている。
また、ＤＯＣ２４とＤＰＦ２５の間には、第２の排気温度センサ２７が設けられると共に、ＤＰＦ２５には、差圧センサ２９が設けられている。

上述のＥＧＲバルブ１５や可変タービン１７、並びに、インテークスロットルバルブ２０、さらに、燃料噴射弁３０は、電子制御ユニット２により、その動作が制御されるようになっている。
かかる電子制御ユニット２は、例えば、公知・周知の構成を有してなるマイクロコンピュータを中心に、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶素子（図示せず）を備えると共に、入出力インターフェイス回路（図示せず）を主たる構成要素として構成されてなるものである。

この電子制御ユニット２には、先のエアフロセンサ２２、過給圧センサ２３、第１及び第２の排気温度センサ２６，２７、ラムダセンサ２８、及び、差圧センサ２９の各検出信号と共に、図示されないセンサ等により検出された車両の動作制御に必要な各種の信号、例えば、大気圧、エンジン回転数、アクセル開度、エンジン冷却水温等が入力されるようになっている。
上述のように電子制御ユニット２に入力された各種の検出信号は、燃料噴射弁３０の燃料噴射制御処理や、後述する本発明の実施の形態における酸化触媒再生処理等に供されるようになっている。

次に、電子制御ユニット２により実行される本発明の実施の形態における酸化触媒再生処理について、図２乃至図５を参照しつつ説明する。
最初に、本発明の実施の形態における電子制御ユニット２は、従来同様、ディーゼルエンジン１の動作制御や燃料噴射弁３０の燃料噴射制御、さらに、ＤＰＦ再生制御等など実行可能に構成されたものであることを前提とする。
電子制御ユニット２による処理が開始されると、炭化水素（ＨＣ）と硫黄（ＳＯｘ）のそれぞれの酸化触媒２４における蓄積量の算出が行われる（図２のステップＳ１１０及びＳ１２０参照）。

この炭化水素及び硫黄の蓄積量の算出は、従来から用いられている演算方法に基づくものである。
硫黄の場合を例に採れば、その蓄積量の基本的な算出式は下記する式１で表される。

ｍＳＯx＝∫(ｄｍＳＯx_ａｄｓ−ｄｍＳＯx_ｄｅｓ)・・・式１

ここで、ｍＳＯxはＤＯＣ２４に蓄積された硫黄の量を、ｍＳＯx_ａｄｓはＤＯＣ２４に吸着された硫黄の量を、ｍＳＯx_ｄｅｓはＤＯＣ２４から脱離した硫黄の量を、それぞれ表しており、これらは、単位時間当たりの量である。

ここで、ＤＯＣ２４に吸着される硫黄の量は、燃料の硫黄含有量に依存するものであるが、使用燃料における硫黄の含有量は燃料の仕様を基に予め知ることができる。
したがって、車両の燃料タンク（図示せず）に供給された燃料の量が解れば、燃料噴射量毎の硫黄の含有量は比例計算により求めることができる。

一方、ＤＯＣ２４に対する炭化水素、硫黄の吸着量、脱離量は、排気ガスの温度によって変化し、その特性はＤＯＣ２４の仕様等によって予め解るものである。
図４及び図５には、そのような排気ガスの温度に対する炭化水素、硫黄、それぞれの吸着量、脱離量の変化特性の一例が示されており、同図を参照しつつ、その内容について説明する。

まず、図４に示された排気ガスの温度変化に対する炭化水素のＤＯＣ２４への吸着量及び脱離量の変化特性例を示す特性線について説明する。
炭化水素は、排気ガスの温度が常温付近から２００℃近傍までの間は、排気ガスの温度が低い程、ＤＯＣ２４へ対する吸着量が増加する傾向にある（図４の実線の特性線参照）。
その一方、炭化水素は、排気ガスの温度が２５０℃近傍を越えるに従い温度上昇と共にＤＯＣ２４からの脱離量が増加する傾向にある（図４の二点鎖線の特性線参照）。

次に、図５に示された排気ガスの温度変化に対する硫黄のＤＯＣ２４への吸着量及び脱離量の変化特性例を示す特性線について説明する。
硫黄は、排気ガスの温度が常温付近から２００℃近傍までの間は、温度上昇と共にＤＯＣ２４へ対する吸着が進み、２００℃近傍を越えるとＤＯＣ２４への吸着量は飽和状態となる（図５の実線の特性線参照）。
一方、硫黄は、排気ガスの温度が５５０℃近傍を越えると、温度上昇と共に脱離量が増加する傾向にある（図５の二点鎖線の特性線参照）。

このように、炭化水素、硫黄、それぞれについて、吸着量と脱離量の特性は予め定まっている。
そのため、燃料噴射量毎の硫黄の含有量が求められれば、吸着量と脱離量の特性に基づいて比例計算により、吸着量ｍＳＯx_ａｄｓと脱離量ｍＳＯx_ｄｅｓを求めることができ、先の積分式に基づいて硫黄の蓄積量を算出することができる。

炭化水素についても、硫黄の場合と同様に、その蓄積量を算出することができる。
上述のようにして炭化水素、硫黄のそれぞれの蓄積量が算出された後は、先ずは、炭化水素の蓄積量が第１閾値を超えているか否かが判定される（図２のステップＳ１３０参照）。

そして、炭化水素の蓄積量が第１閾値を超えていると判定された場合（ＹＥＳの場合）、次述するステップＳ１４０の処理へ進むこととなる。
一方、炭化水素の蓄積量は未だ第１閾値を超えていないと判定された場合（ＮＯの場合）には、後述するステップＳ１５０の処理へ進むこととなる。

ここで、第１閾値は、特定の値に限定されるものではなく、ＤＯＣ２４の具体的な仕様等によって異なるものであるので、その仕様等を考慮して、試験結果やシミュレーション結果に基づいて適切な値が選定されるべきものである。

ステップＳ１４０においては、炭化水素脱離処理が実行される。
まず、炭化水素は、先に、図４に示されたように、排気ガスの気温度が２５０℃近傍を越えると、温度上昇と共に脱離量が増加する傾向にある。

このような炭化水素脱離特性に鑑みて、ステップＳ１４０においては、排気ガス温度が２５０℃近傍の温度（炭化水素脱離温度）を越える燃料噴射が行われ、その結果、上述のようにＤＯＣ２４に蓄積された炭化水素が脱離せしめられることでＤＯＣ２４の再生が図られることとなる。

なお、所望の温度の排気ガスを排出するための燃料噴射の手法は、ＤＰＦ再生等において従来から用いられている種々の手法に準じて、適宜好適な手法を適用すれば良く、特定の手法に限定される必要はない。

なお、高温の排気ガスを排出する燃料噴射の従来手法としては、例えば、正規の燃料噴射後に、追加の噴射（ポスト噴射）を行うことで高温の排気ガスを意図的に発生させる方法や、排気管内に燃料を直接噴射し排気ガスにより燃焼させることで所望の高温を得る方法等がある。

なお、この炭化水素脱離処理の実行を如何なる時点で終了するかは、一定の基準に限定される必要はなく種々選択可能である。
すなわち、具体的には、例えば、炭化水素の蓄積量が一定の基準値、又は、一定の範囲に達するまで炭化水素脱離処理を実行する方法や、試験結果等に基づいて定めた一定時間の間、炭化水素脱離処理を実行する方法等、車両の仕様等を勘案して適宜選択されるべきものである。

次いで、ステップＳ１５０において、硫黄の蓄積量が第２閾値を超えているか否かが判定される。
ステップＳ１５０において、硫黄の蓄積量が第２閾値を超えていると判定された場合（ＹＥＳの場合）、次述するステップＳ１６０の処理へ進むこととなる。
一方、硫黄の蓄積量は未だ第２閾値を超えていないと判定された場合（ＮＯの場合）には、先のステップＳステップ１１０へ戻り、一連の処理が繰り返されることとなる。

ここで、第２閾値は、第１閾値同様、特定の値に限定されるものではなく、ＤＯＣ２４の具体的な仕様等によって異なるものであるので、その仕様等を考慮して、試験結果やシミュレーション結果に基づいて適切な値が選定されるべきものである。

ステップＳ１６０においては、硫黄脱離処理が実行される。
まず、硫黄は、先に、図５に示されたように、排気ガスの気温度が５５０℃近傍を越えると、温度上昇と共に脱離量が増加する傾向にある。

このような硫黄脱離特性に鑑みて、ステップＳ１６０においては、排気ガス温度が５５０℃近傍の温度（硫黄脱離温度）を越える燃料噴射が行われ、その結果、上述のようにＤＯＣ２４に蓄積された硫黄が脱離せしめられることでＤＯＣ２４の再生が図られることとなる。

排気ガスの温度を所望の温度とする手法については、先の炭化水素脱離処理（図２のステップＳ１４０参照）の場合と同様であるので、ここでの再度の詳細な説明は省略する。
また、上述の硫黄脱離処理の実行を如何なる時点で終了するかについても、先の炭化水素脱離処理の場合と同様であるので、ここでの再度の詳細な説明は省略する。

次に、上述の酸化触媒再生処理が実行された場合にＤＯＣ２４における炭化水素及び硫黄の蓄積量と温度の概略変化について、図３を参照しつつ説明する。
図３には、本発明の実施の形態における酸化触媒再生処理が実行された場合におけるＤＯＣ２４の炭化水素及び硫黄の蓄積量と温度の概略変化を模式的に示した模式図が示されている。

図３において”ＨＣ load”の表記は、炭化水素の蓄積量を、”ＳＯx load”の表記は、硫黄の蓄積量を、それぞれ意味する。
また、”Thresh1”の表記は、第１閾値（図２のステップＳ１３０参照）を、”Thresh2”の表記は、第２閾値（図２のステップＳ１５０参照）を、それぞれ意味する。

また、同図において、”ＤｅＳＯx”の表記は、先の図２に示されたステップＳ１６０の硫黄脱離処理開始の際に電子制御ユニット２内部で発生されるトリガ信号を、”ＤｅＨＣ”の表記は、先の図２に示されたステップＳ１４０の炭化水素脱離処理開始の際に電子制御ユニット２内部で発生されるトリガ信号を、それぞれ意味する。

車両の走行開始時において、炭化水素及び硫黄のそれぞれの蓄積量は、いずれも閾値に対して未だ余裕がある状態にあると仮定する。
車両が始動されると時間経過と共に、炭化水素及び硫黄のそれぞれの蓄積量は徐々に増加してゆく。

走行開始から適宜な時間が経過し、例えば、炭化水素の蓄積量が硫黄よりも早く第１閾値に達したとする（図３の時刻ｔ１の時点参照）。
炭化水素の蓄積量が第１閾値に達すると、電子制御ユニット２内部でトリガ信号ＤｅＨＣが発生され、炭化水素脱離処理が開始される（図２のステップＳ１４０参照）。

炭化水素脱離処理が開始されることによってＤＯＣ２４の温度（触媒温度）は、比較的短時間の間に２５０℃近傍に達する一方、この触媒温度の上昇に伴い炭化水素の蓄積量は第１閾値から急激に低下してゆくこととなる（図３参照）。
その後、硫黄の蓄積量が第２閾値に達すると（図３の時刻ｔ２参照）、電子制御ユニット２内部でトリガ信号ＤｅＳＯxが発生され、硫黄脱離処理が開始される（図２のステップＳ１６０参照）。

硫黄脱離処理が開始されることによってＤＯＣ２４の温度（触媒温度）は、比較的短時間の間に５５０℃近傍に達する一方、この触媒温度の上昇に伴い硫黄の蓄積量は第２閾値から急激に低下してゆくこととなる（図３参照）。
以降、炭化水素及び硫黄の蓄積量が、それぞれの閾値に達する度に、炭化水素脱離処理、硫黄脱離処理が、それぞれ実行され、ＤＯＣ２４が再生されることで、良好な機能が維持、確保されるものとなっている。

ここで、本発明の実施の形態における酸化触媒再生処理を実行した場合の燃料消費について、従来と対比すると次述する如くとなる。
まず、前提として、車両のエンジン回転数が１５００ｒｐｍで、エンジントルクが２５Ｎｍの運転状況にあるとする。これは、大渋滞での走行状態に相当する状況である。

かかる状況において、容量１．６Ｌの４気筒エンジンが搭載された車両において硫黄の脱離処理を排気ガス温度を６００℃として行った場合、燃料消費量は２.１６ｋｇ／ｈである。一方、炭化水素の脱離処理を排気ガス温度２５０℃として行った場合、燃料消費量は１.６８ｋｇ／ｈであるが、再生運転ではない通常運転時の燃料消費量は１.０８ｋｇ／ｈである。

例えば、酸化触媒の再生処理を一律６００℃で実施する従来の方法に対して、本発明の酸化触媒再生方法を適用した場合の燃費を試算すると大凡２％となる。
なお、この試算は、炭化水素の脱離処理が１時間当たり１回、３分間行われると仮定した場合のものである。

極少量の燃料噴射で酸化触媒の確実な再生を可能とする高効率の酸化触媒再生処理が所望される車両等に適用できる。

１…エンジン
２…電子制御ユニット
２４…酸化触媒
２５…ディーゼル微粒子捕集フィルタ

Claims

排気ガス中の一酸化炭素と炭化水素を酸化せしめて無害化する酸化触媒を有する排気ガス浄化装置における前記酸化触媒の再生方法であって、
前記排気ガス中に含まれる硫黄の前記酸化触媒における蓄積量である硫黄蓄積量と前記炭化水素の前記酸化触媒における蓄積量である炭化水素蓄積量を、それぞれ算出し、
前記炭化水素蓄積量が所定の第１閾値を超えた場合、前記炭化水素を燃焼せしめ得る炭化水素脱離温度を超える高温の排気ガスを排出する一方、
前記硫黄蓄積量が所定の第２閾値を超えた場合、前記硫黄を燃焼せしめ得る硫黄脱離温度を超える高温の排気ガスを排出し、前記酸化触媒の再生を可能としたことを特徴とする酸化触媒再生方法。
排気ガス中の一酸化炭素と炭化水素を酸化せしめて無害化する酸化触媒を有する排気ガス浄化装置における前記酸化触媒の再生処理を制御する酸化触媒再生制御装置であって、
エンジンへの燃料噴射制御が実行可能に構成されてなる電子制御ユニットを有し、
前記電子制御ユニットは、
前記排気ガス中に含まれる硫黄の前記酸化触媒における蓄積量である硫黄蓄積量と前記炭化水素の前記酸化触媒における蓄積量である炭化水素蓄積量を、それぞれ算出し、
前記炭化水素蓄積量が所定の第１閾値を超えたと判定された場合、前記炭化水素を燃焼せしめ得る炭化水素脱離温度を超える高温の排気ガスを発生する燃料噴射を前記燃料噴射弁に実行せしめる一方、
前記硫黄蓄積量が所定の第２閾値を超えたと判定された場合、前記硫黄を燃焼せしめ得る硫黄脱離温度を超える高温の排気ガスを発生する燃料噴射を前記燃料噴射弁に実行せしめるよう構成されてなることを特徴とする酸化触媒再生制御装置。