JP2021046816A - 排気浄化システム - Google Patents
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Abstract
【課題】使用電力を抑えながら還元触媒を適切に活性化させること。【解決手段】排気浄化システム100は、エンジン2と、酸化触媒がコーティングされたDOC付ヒータ3と、排気管12におけるDOC付ヒータ3よりも下流側に配設され、排気ガス中に含まれるNOxを還元するSCR触媒がコーティングされたSCR付ヒータ4と、酸化触媒の温度及びSCR触媒の温度に基づいて、所定の制御を行うコントローラ11と、を備え、コントローラ11は、所定の余熱開始条件が成立したことに応じて、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4を始動させ、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4が動作することにより酸化触媒の温度が所定の第1閾値よりも高くなり、且つ、SCR触媒の温度が所定の第2閾値よりも高くなっている場合に、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4を停止させ、エンジン2を始動させる。【選択図】図1
Description
本発明は、排気ガスを浄化する排気浄化システムに関する。
エンジンの排気ガスに含まれるNOxを低減させる排気浄化システムが知られている(例えば特許文献1参照)。
上述したような排気浄化システムでは、SCR触媒(還元触媒)が活性温度に達するまでに時間がかかることが問題となる。このような問題を解決するために、バーナ等の昇温デバイスを用いてSCR触媒を早期に活性温度とする技術が知られている。しかしながら、バーナ等を作動するエネルギーが大きくなり、使用電力が大きくなるおそれがある。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、使用電力を抑えながら還元触媒を適切に活性化させることができる排気浄化システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る排気浄化システムは、排気ガスを浄化する排気浄化システムであって、エンジンと、エンジンから排出される排気ガスが流れる排気通路に配設され、酸化触媒がコーティングされた酸化触媒付ヒータと、排気通路における酸化触媒付ヒータよりも下流側に配設され、排気ガス中に含まれるNOxを還元する還元触媒がコーティングされた還元触媒付ヒータと、酸化触媒の温度及び還元触媒の温度に基づいて、所定の制御を行う制御部と、を備え、制御部は、所定の余熱開始条件が成立したことに応じて、酸化触媒付ヒータ及び還元触媒付ヒータを始動させ、酸化触媒付ヒータ及び還元触媒付ヒータが動作することにより酸化触媒の温度が所定の第1閾値よりも高くなり、且つ、還元触媒の温度が所定の第2閾値よりも高くなっている場合に、酸化触媒付ヒータ及び還元触媒付ヒータを停止させ、エンジンを始動させる。
本発明の一態様に係る排気浄化システムでは、排気ガスが流れる排気通路において酸化触媒付ヒータ及び還元触媒付ヒータが配設されている。そして、エンジン始動前において、酸化触媒付ヒータ及び還元触媒付ヒータが動作して、酸化触媒及び還元触媒が余熱される。そして、酸化触媒の温度及び還元触媒の温度が所定の値になった場合に、酸化触媒付ヒータ及び還元触媒付ヒータが停止し、エンジンが始動する。このように、エンジン始動前において酸化触媒付ヒータ及び還元触媒付ヒータにより酸化触媒及び還元触媒を十分に予熱することにより、エンジン始動直後の低温の排気ガスを効果的に昇温し、還元触媒を活性化させて、適切にNOx低減処理を行うことができる。そして、エンジン始動のタイミングで酸化触媒付ヒータ及び還元触媒付ヒータを停止させることによって、使用電力を抑えることができる。以上のように、本発明の一態様に係る排気浄化システムによれば、使用電力を抑えながら還元触媒を適切に活性化させることができる。
上述した排気浄化システムは、酸化触媒よりも排気通路の上流側に燃料を添加可能に構成された燃料添加弁を更に備え、制御部は、酸化触媒の温度が所定の第1閾値よりも高くなり、且つ、還元触媒の温度が所定の第2閾値よりも高くなっている場合に、燃料が添加されるように燃料添加弁を制御してもよい。これにより、エンジン始動後において、余熱された酸化触媒に対して燃料を添加し、エンジン始動直後の低温ガスを効果的に昇温させることができる。
上述した排気浄化システムは、排気通路における酸化触媒付ヒータの下流且つ還元触媒付ヒータの上流を流れる前記排気ガスの温度を取得する温度センサを更に備え、制御部は、温度センサによって取得された排気ガスの温度が所定の第3閾値よりも高くなった場合に、燃料の添加が終了するように燃料添加弁を制御してもよい。これにより、排気ガスの温度が過度に高くなっている場合に、燃料の添加を終了させて、排気ガスの温度を調整することができる。
上述した排気浄化システムは、電動機によって充電される電池を更に備え、制御部は、電池の充電率が所定の第4閾値よりも低くなった場合に、余熱開始条件が成立したと判定してもよい。これにより、例えばハイブリッド車両において充電率の低下によるEV走行終了(エンジン走行への切り替え)を予知し、エンジン始動前の余熱を適切に行うことができる。
本発明によれば、使用電力を抑えながら還元触媒を適切に活性化させることができる排気浄化システムを提供することができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
図1は、本実施形態に係る排気浄化システム100の概略構成図である。図1に示される排気浄化システム100は、例えばハイブリッド車両のエンジン2から排出される排気ガスを浄化するシステムである。具体的には、排気浄化システム100は、排気ガスに含まれるNOxを低減させる排気浄化システムである。なお、排気浄化システム100は、ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化するシステムであってもよい。
排気浄化システム100は、図1に示されるように、電池1と、エンジン2と、DOC付ヒータ3(酸化触媒付ヒータ)と、SCR付ヒータ4(還元触媒付ヒータ)と、尿素添加弁5と、燃料添加弁6と、後段処理部7と、温度センサ8と、NOxセンサ9と、尿素タンク10と、コントローラ11(制御部)と、を備えて構成されている。
電池1は、例えばハイブリッド車両において電動機(不図示)から供給される電力を充電するバッテリである。電池1は、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4に電力を供給する。電池1の充電率(SOC:State of Charge)は、コントローラ11によって取得され、コントローラ11における制御のための情報としても用いられる。
エンジン2は、例えばハイブリッド車両を走行駆動する内燃機関である。エンジン2から排出される排気ガスは排気管12(排気通路)を流れる。
DOC付ヒータ3は、酸化触媒(DOC:Diesel OxidationCatalyst)がコーティングされたヒータである。DOC付ヒータ3は、エンジン2から排出される排気ガスが流れる排気管12に配設されており、SCR付ヒータ4よりも上流側に配設されている。DOC付ヒータ3にコーティングされている酸化触媒は、公知の構成の酸化触媒であり、例えばアルミナ、シリカ、ゼオライト等からなる担体に、白金やパラジウム等の金属や、金属酸化物等を担持させたものである。このような酸化触媒は、排気ガスに含まれる炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、及び一酸化窒素(NO)を酸化して、水、二酸化炭素、二酸化窒素等に変換する。酸化触媒が活性化し始める温度域は、例えば180℃前後である。
SCR付ヒータ4は、排気ガス中に含まれるNOxをアンモニアに還元する還元触媒であるSCR触媒がコーティングされたヒータである。SCR付ヒータ4は、排気管12におけるDOC付ヒータ3よりも下流側に配設されている。SCR付ヒータ4にコーティングされているSCR触媒は、選択的触媒還元を行う尿素SCR触媒である。SCR触媒は、公知の触媒であって、例えばハニカム状のセラミックからなる担体に吸着性の高いゼオライト又はジルコニアを担持させたものである。
後段処理部7は、排気管12におけるSCR付ヒータ4よりも下流側に配設されている。後段処理部7は、例えば、SCR触媒や、酸化触媒及びDPF(Diesel particulate filter)を含んで構成されている。SCR触媒は、排気ガス中に含まれるNOxをアンモニアに還元する還元触媒であり、選択的触媒還元を行う尿素SCR触媒である。SCR触媒は、公知の触媒であって、例えばハニカム状のセラミックからなる担体に吸着性の高いゼオライト又はジルコニアを担持させたものである。酸化触媒は、公知の構成の酸化触媒であり、例えばアルミナ、シリカ、ゼオライト等からなる担体に、白金やパラジウム等の金属や、金属酸化物等を担持させたものから構成される。DPFは、排気ガスに含まれるPM(粒子状物質)を捕集するフィルタである。DPFは、例えばセラミックス又は金属多孔体から構成されている。
燃料添加弁6は、DOC付ヒータ3にコーティングされた酸化触媒よりも排気管12の上流側に配設されている。燃料添加弁6は、燃料である軽油を排気管12に添加可能に構成されている。燃料添加弁6は、コントローラ11の制御に応じて、排気管12に燃料を添加する。
尿素添加弁5は、排気ガスに尿素水を添加可能に構成されている。尿素水は、排気ガスが所定温度(例えば180℃)以上の場合に加水分解してアンモニアになる。尿素添加弁5は、尿素タンク10に貯蓄された尿素水を噴射する。尿素添加弁5は、第1添加弁5aと第2添加弁5bとを有する。第1添加弁5aは、DOC付ヒータ3よりも下流側且つSCR付ヒータ4よりも上流側の排気管12を流れる排気ガスに尿素水を添加する。第2添加弁5bは、後段処理部7のSCR触媒の上流側において排気管12を流れる排気ガスに尿素水を添加する。第1添加弁5a及び第2添加弁5bは、コントローラ11の制御に応じて、排気ガスに尿素水を添加する。なお、本実施形態では、尿素添加弁5の配管が加熱されるため、エンジン2の始動直後から尿素添加を行うことができる。
温度センサ8は、排気ガスの温度を取得する。温度センサ8は、例えば温度センサ8aと、温度センサ8bと、温度センサ8cとを有している。温度センサ8aは、排気管12におけるDOC付ヒータ3の上流を流れる排気ガスの温度を取得する。温度センサ8bは、排気管12におけるDOC付ヒータ3の下流且つSCR付ヒータ4の上流を流れる排気ガスの温度を取得する。温度センサ8cは、排気管12におけるSCR付ヒータ4の下流且つ後段処理部7の上流を流れる排気ガスの温度を取得する。温度センサ8は、更に後段処理部7における排気ガスの温度を取得する温度センサを有していてもよい。温度センサ8a,8b,8cは、取得した温度をコントローラ11に出力する。
NOxセンサ9は、NOxの濃度を取得する。NOxセンサ9は、NOxセンサ9a,9b,9cを有する。NOxセンサ9aは、排気管12におけるDOC付ヒータ3の下流且つSCR付ヒータ4の上流を流れる排気ガスのNOxの濃度を取得する。NOxセンサ9b,9cは、後段処理部7における排気ガスのNOxの濃度を取得する。NOxセンサ9a,9b,9cは、取得したNOx濃度をコントローラ11に出力する。
コントローラ11は、CPU、RAM、ROM及び入出力インターフェース回路を含むコンピュータ構成のものであり、ROMに格納された制御プログラムに従って、入力インターフェース回路から各種センサ情報や通信情報を取り込み、設定情報や図示しないマップ等を参照しつつ、出力インターフェース回路から各種制御に必要な指令信号を出力する。
コントローラ11は、所定の余熱開始条件が成立したことに応じて、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4を始動させる。コントローラ11は、例えば、電池1のSOCを取得し、該SOCに基づいて余熱開始条件が成立しているか否かを判定する。具体的には、コントローラ11は、SOCが所定のSOC閾値(第4閾値)よりも低くなった場合に、余熱開始条件が成立したと判定する。SOC閾値は、例えばハイブリッド車両においてEV走行からエンジン走行に切り替えるべきSCOの値とされる。SOC閾値は、例えば32%程度である。
コントローラ11は、DOC付ヒータ3にコーティングされた酸化触媒の温度、及び、SCR付ヒータ4にコーティングされたSCR触媒の温度に基づいて、所定の制御を行う。コントローラ11は、DOC付ヒータ3にコーティングされた酸化触媒の温度を、DOC付ヒータ3の設定温度から推定してもよいし、別途設けられた温度センサにより取得してもよい。また、コントローラ11は、SCR付ヒータ4にコーティングされたSCR触媒の温度を、SCR付ヒータ4の設定温度から推定してもよいし、別途設けられた温度センサにより取得してもよい。
コントローラ11は、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4が動作することにより、DOC付ヒータ3にコーティングされた酸化触媒の温度が所定の第1閾値よりも高くなり、且つ、SCR付ヒータ4にコーティングされたSCRの温度が所定の第2閾値よりも高くなっている場合に、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4を停止させ、エンジン2を始動させる。ここで、第1閾値は、例えば400℃程度である。また、第2閾値は、例えば300℃程度である。
コントローラ11は、DOC付ヒータ3にコーティングされた酸化触媒の温度が所定の第1閾値よりも高くなり、且つ、SCR付ヒータ4にコーティングされたSCRの温度が所定の第2閾値よりも高くなっている場合に、燃料が添加されるように燃料添加弁6を制御する。コントローラ11は、エンジン2の始動及び燃料添加弁6による燃料の添加を同時に行わせてもよいし、いずれか一方を先行して行わせてもよい。
コントローラ11は、温度センサ8bによって取得された排気ガスの温度が所定の第3閾値よりも高くなった場合に、燃料の添加が終了するように燃料添加弁6を制御する。第3閾値は、例えば300℃程度である。
次に、本実施形態に係る排気浄化システム100が実行する処理について、図2を参照して説明する。図2は、排気浄化システム100が実行する処理のタイムチャートである。図2の処理は、排気浄化システム100が、ハイブリッド車両のエンジン2から排出される排気ガスを浄化するシステムとして用いられる場合の処理の例である。
図2に示されるように、例えばハイブリッド車両においてEV走行が行われている場合に、時刻t1において、電池1のSOCが、所定のSOC閾値(SOCa)よりも低くなったとする。この場合、排気浄化システム100のコントローラ11は、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4を始動させて余熱を開始する(DOC付ヒータON,SCR付ヒータON)。これにより、DOC付ヒータ3にコーティングされた酸化触媒の温度(図中のDOC温度)及びSCR付ヒータ4にコーティングされたSCR触媒の温度(図中のSCR温度)は徐々に高くなる。
そして、時刻t2において、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4が動作することにより、DOC付ヒータ3にコーティングされた酸化触媒の温度が所定の第1閾値(T1)よりも高くなり、且つ、SCR付ヒータ4にコーティングされたSCRの温度が所定の第2閾値(T2)よりも高くなったとする。この場合、排気浄化システム100のコントローラ11は、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4を停止させ、エンジン2を始動させる(DOC付ヒータOFF,SCR付ヒータOFF,エンジンON)。また、この場合、排気浄化システム100のコントローラ11は、排気管12に燃料が添加されるように燃料添加弁6を制御する(燃料添加弁ON)。なお、排気浄化システム100では、SCR温度及び排気ガス流量から、SCR温度がSCR触媒の活性温度T3(例えば180℃)を下回らないように排気ガス温度が調整される。
そして、時刻t3において、温度センサ8bによって取得された排気ガスの温度が所定の第3閾値(T4)よりも高くなったとする。この場合、コントローラ11は、排気管12への燃料の添加が終了するように燃料添加弁6を制御する。なお、コントローラ11は、温度センサ8b以外の温度センサ(例えば温度センサ8a)によって取得された排気ガスの温度も考慮して、排気管12への燃料の添加を終了させてもよい。
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態に係る排気浄化システム100は、排気ガスを浄化する排気浄化システムであって、エンジン2と、エンジン2から排出される排気ガスが流れる排気管12に配設され、酸化触媒がコーティングされたDOC付ヒータ3と、排気管12におけるDOC付ヒータ3よりも下流側に配設され、排気ガス中に含まれるNOxを還元するSCR触媒がコーティングされたSCR付ヒータ4と、酸化触媒の温度及びSCR触媒の温度に基づいて、所定の制御を行うコントローラ11と、を備え、コントローラ11は、所定の余熱開始条件が成立したことに応じて、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4を始動させ、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4が動作することにより酸化触媒の温度が所定の第1閾値よりも高くなり、且つ、SCR触媒の温度が所定の第2閾値よりも高くなっている場合に、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4を停止させ、エンジン2を始動させる。
本実施形態に係る排気浄化システム100では、排気ガスが流れる排気管12においてDOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4が配設されている。そして、エンジン2の始動前において、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4が動作して、酸化触媒及びSCR触媒が余熱される。そして、酸化触媒の温度及びSCR触媒の温度が所定の値になった場合に、DOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4が停止し、エンジン2が始動する。このように、エンジン2の始動前においてDOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4により酸化触媒及びSCR触媒を十分に予熱することにより、エンジン2の始動直後の低温の排気ガスを効果的に昇温し、SCR触媒を活性化させて、適切にNOx低減処理を行うことができる。そして、エンジン2の始動のタイミングでDOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4を停止させることによって、使用電力を抑えることができる。以上のように、本実施形態に係る排気浄化システム100によれば、使用電力を抑えながらSCR触媒を適切に活性化させることができる。
例えば、比較例に係る構成として、高流量の低温ガス下でSCR温度を維持すべく、エンジン始動後に高出力のヒータ加熱を行う構成が考えられる。図2の電力量のグラフには、実線で本実施形態の構成、破線で比較例に係る構成の使用電力量を示すものである。図2に示されるように、比較例に係る構成と比べて、エンジン2の始動前にDOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4を動作させて、エンジン2の始動のタイミングでDOC付ヒータ3及びSCR付ヒータ4を停止される本実施形態の構成は、エンジン2の始動後における電力使用量の増加が少なく、全体として電力使用量を低減させることができる。
上述した排気浄化システム100は、DOC付ヒータ3にコーティングされた酸化触媒よりも排気管12の上流側に燃料を添加可能に構成された燃料添加弁6を更に備え、コントローラ11は、酸化触媒の温度が所定の第1閾値よりも高くなり、且つ、SCR触媒の温度が所定の第2閾値よりも高くなっている場合に、燃料が添加されるように燃料添加弁6を制御してもよい。これにより、エンジン2の始動後において、余熱された酸化触媒に対して燃料を添加し、エンジン2の始動直後の低温ガスを効果的に昇温させることができる。すなわち、燃料の触媒燃焼によりエンジン発電よりも効率的にエネルギーを熱に変えることができる。
上述した排気浄化システム100は、排気管12におけるDOC付ヒータ3の下流且つSCR付ヒータ4の上流を流れる排気ガスの温度を取得する温度センサ8bを更に備え、コントローラ11は、温度センサ8bによって取得された排気ガスの温度が所定の第3閾値よりも高くなった場合に、燃料の添加が終了するように燃料添加弁6を制御してもよい。これにより、排気ガスの温度が過度に高くなっている場合に、燃料の添加を終了させて、排気ガスの温度を調整することができる。
上述した排気浄化システム100は、電動機によって充電される電池1を更に備え、コントローラ11は、電池1の充電率(SOC)が所定の第4閾値よりも低くなった場合に、余熱開始条件が成立したと判定してもよい。これにより、例えばハイブリッド車両において充電率の低下によるEV走行終了(エンジン走行への切り替え)を予知し、エンジン2の始動前の余熱を適切に行うことができる。
1…電池、2…エンジン、3…DOC付ヒータ(酸化触媒付ヒータ)、4…SCR付ヒータ(還元触媒付ヒータ)、6…燃料添加弁、8…温度センサ、11…コントローラ(制御部)、12…排気管(排気通路)、100…排気浄化システム。
Claims (4)
- 排気ガスを浄化する排気浄化システムであって、
エンジンと、
前記エンジンから排出される前記排気ガスが流れる排気通路に配設され、酸化触媒がコーティングされた酸化触媒付ヒータと、
前記排気通路における前記酸化触媒付ヒータよりも下流側に配設され、前記排気ガス中に含まれるNOxを還元する還元触媒がコーティングされた還元触媒付ヒータと、
前記酸化触媒の温度及び前記還元触媒の温度に基づいて、所定の制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
所定の余熱開始条件が成立したことに応じて、前記酸化触媒付ヒータ及び前記還元触媒付ヒータを始動させ、
前記酸化触媒付ヒータ及び前記還元触媒付ヒータが動作することにより前記酸化触媒の温度が所定の第1閾値よりも高くなり、且つ、前記還元触媒の温度が所定の第2閾値よりも高くなっている場合に、前記酸化触媒付ヒータ及び前記還元触媒付ヒータを停止させ、前記エンジンを始動させる、排気浄化システム。 - 前記酸化触媒よりも前記排気通路の上流側に燃料を添加可能に構成された燃料添加弁を更に備え、
前記制御部は、前記酸化触媒の温度が所定の第1閾値よりも高くなり、且つ、前記還元触媒の温度が所定の第2閾値よりも高くなっている場合に、前記燃料が添加されるように前記燃料添加弁を制御する、請求項1記載の排気浄化システム。 - 前記排気通路における前記酸化触媒付ヒータの下流且つ前記還元触媒付ヒータの上流を流れる前記排気ガスの温度を取得する温度センサを更に備え、
前記制御部は、前記温度センサによって取得された前記排気ガスの温度が所定の第3閾値よりも高くなった場合に、前記燃料の添加が終了するように前記燃料添加弁を制御する、請求項2記載の排気浄化システム。 - 電動機によって充電される電池を更に備え、
前記制御部は、前記電池の充電率が所定の第4閾値よりも低くなった場合に、前記余熱開始条件が成立したと判定する、請求項1〜3のいずれか一項記載の排気浄化システム。
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