JP2021050662A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温下においてもＮＯｘ低減処理を適切に行う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１は、排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒１１と、ＳＣＲ触媒１１よりも上流側に配設された酸化触媒７と、排気管１２において酸化触媒７と並列に配設されたＮＯｘ吸着材８と、排気ガスに尿素水を噴射可能に構成された尿素水噴射装置１０と、酸化触媒７及びＮＯｘ吸着材８の上流において排気ガスの流路を切り替える切替弁６と、排気ガスの温度に基づいて、所定の制御を行うコントローラ１４と、を備える。そして、コントローラ１４は、排気ガスの温度が所定の第１温度以下である場合には、排気ガスが酸化触媒７側には流れずＮＯｘ吸着材８側に流れるように切替弁６を制御し、排気ガスの温度が第１温度よりも高い場合には、尿素水が噴射されるよう尿素水噴射装置１０を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＮＯｘを高効率に処理する排気浄化装置に関する。

ディーゼル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装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−１３３７６０号公報

ここで、例えば尿素ＳＣＲ触媒等を用いてＮＯｘ低減処理を行う排気浄化装置においては、ＳＣＲ触媒の温度がある程度高く（例えば１８０℃程度と高く）なってから、尿素水噴射が行われ、ＮＯｘ低減処理が可能となる。このような排気浄化装置では、低温下においてＮＯｘ低減処理を十分に行うことができない。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、低温下においてもＮＯｘ低減処理を適切に行うことができる排気浄化装置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装置は、エンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置であって、排気ガスが流れる排気通路に配設され、排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元する還元触媒と、排気通路における還元触媒よりも上流側に配設された酸化触媒と、排気通路において酸化触媒と並列に配設されたＮＯｘ吸着材と、酸化触媒よりも下流側且つ還元触媒よりも上流側の排気通路を流れる排気ガスに還元剤を噴射可能に構成された還元剤噴射装置と、酸化触媒及びＮＯｘ吸着材の上流において排気ガスの流路を切り替える切替弁と、排気ガスの温度に基づいて、所定の制御を行う制御部と、を備え、制御部は、排気ガスの温度が所定の第１温度以下である場合には、排気ガスが酸化触媒側には流れずＮＯｘ吸着材側に流れるように切替弁を制御し、排気ガスの温度が第１温度よりも高い場合には、還元剤が噴射されるように還元剤噴射装置を制御する。

本発明の一態様に係る排気浄化装置では、排気ガスの温度が低い（第１温度以下である）場合には排気ガスがＮＯｘ吸着材側にのみ流れるように切替弁が制御され、排気ガスの温度が十分に高い（第１温度より高い）場合には還元剤が噴射される。このような構成によれば、排気ガスの温度が低く還元剤を噴射しても十分にＮＯｘ還元処理を行うことができない場合にはＮＯｘ吸着材によりＮＯｘが吸着され、ＮＯｘ濃度が高くなることを回避することができる。そして、ＮＯｘ吸着材により吸着したＮＯｘは、排気ガスの温度が高くなった場合にはＮＯｘ吸着材から脱離するため、還元剤が噴射されて後段の還元触媒によって適切に還元処理が行われる。以上のように、本発明の一態様に係る排気浄化装置によれば、低温下においてもＮＯｘ低減処理を適切に行うことができる。

上述した排気浄化装置において、制御部は、排気ガスの温度が第１温度よりも高い場合において、排気ガスが酸化触媒側及びＮＯｘ吸着材側の双方に流れるように切替弁を制御してもよい。このような構成によれば、高温の排気ガスが酸化触媒及びＮＯｘ吸着材の双方に流れることによって、ＮＯｘ吸着材に吸着されたＮＯｘの脱離を適切に促すことができると共に、排気ガスが酸化触媒を流れることによりＮＯ_２を生成して後段の還元処理を適切に行うことができる。

上述した排気浄化装置は、排気通路を流れる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温度に基づき、排気ガスの温度が第１温度以下であるか否かの判定を行ってもよい。実際に温度センサによって取得された排気ガスの温度が用いられることにより、排気ガスの温度に基づく制御の精度を向上させることができる。

上述した排気浄化装置は、酸化触媒よりも下流側且つ還元触媒よりも上流側に配設され、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、酸化触媒よりも上流側の排気通路に燃料を供給可能に構成された燃料供給装置と、を更に備え、制御部は、所定の燃焼処理条件が満たされた場合において、排気ガスがＮＯｘ吸着材側には流れず酸化触媒側に流れるように切替弁を制御すると共に、燃料が供給されるように燃料供給装置を制御してもよい。粒子状物質の燃焼処理（例えばＤＰＦ再生）が行われる場合においては、排気ガスが酸化触媒のみに流れるように制御することによって、排気ガスを効果的に昇温させ、供給される燃料を利用して、上述した燃焼処理を適切に行うことができる。

本発明によれば、低温下においてもＮＯｘ低減処理を適切に行うことができる排気浄化装置を提供することができる。

本実施形態に係る排気浄化装置の概略構成図である。 排気温度に応じたＮＯｘ低減処理を示すフローチャートである。 本実施形態に係る排気浄化装置の効果を説明する図である。

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装置１の概略構成図である。図１に示される排気浄化装置１は、エンジン１００から排出される排気ガスを浄化する装置である。

エンジン１００は、例えば車両を走行駆動する内燃機関であり、例えば多気筒のディーゼルエンジンである。図１に示される構成では、エアフィルタ１０１から導入される呼気が呼気管を介してターボチャージャ１０２のコンプレッサ１０２ａへと送られ、該コンプレッサ１０２ａで加圧された呼気が呼気マニホールド１０３へ送られてエンジン１００の各シリンダに導入される。

そして、エンジン１００の各シリンダから排出された排気ガスが排気マニホールド１０４を介しターボチャージャ１０２のタービン１０２ｂへと送られ、該タービン１０２ｂを駆動した排気ガスが排気管１２を介して車外へ排出されるように構成されている。排気浄化装置１は、排気管１２（排気通路）の途中に介装されている。

排気浄化装置１は、尿素ＳＣＲ（Selective CatalyticReduction：選択触媒還元）方式とＤＰＦ（Diesel Particulate Filter：ディーゼル微粒子捕集）方式と組み合わせた一体型の触媒装置である。排気浄化装置１は、軽油供給装置４（燃料供給装置）と、温度センサ５，２０と、切替弁６と、酸化触媒７と、ＮＯｘ吸着材８と、ＤＰＦ９（フィルタ）と、尿素水噴射装置１０（還元剤噴射装置）と、ＳＣＲ触媒１１（還元触媒）と、コントローラ１４（制御部）と、を備えて構成されている。なお、以下では排気浄化装置１は、尿素ＳＣＲ触媒を用いる装置であるとして説明するが、ＨＣ−ＳＣＲ触媒を用いる装置であってもよい。この場合、尿素水噴射装置１０に代えて、軽油添加装置が用いられる。

酸化触媒（ＤＯＣ:Diesel Oxidation Catalyst）７は、公知の構成の酸化触媒であり、例えばアルミナ、シリカ、ジルコニア、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。酸化触媒７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７が活性化し始める温度域は、例えば１８０℃前後である。酸化触媒７は、排気管１２においてＳＣＲ触媒１１よりも上流側に配設されている。

ＮＯｘ吸着材８は、排気管１２において酸化触媒７と並列に配設されており、ＮＯｘを吸着する構成である。ＮＯｘ吸着材８は、例えば塩基性元素を担持させたゼオライト（モレキュラーシーブ）、ＮＯｘ吸蔵材、または、ベースメタル及びアルミナ材からなる構成等である。

切替弁６は、酸化触媒７及びＮＯｘ吸着材８の上流に設けられており、排気ガスの流路を切り替える弁である。切替弁６は、コントローラ１４の制御に応じて排気ガスの流路を切り替える。切替弁６は、ＮＯｘ吸着材８側のみに流れる流路、酸化触媒７側のみに流れる流路、または、ＮＯｘ吸着材８側及び酸化触媒７側の双方に流れる流路のいずれか１つを、排気ガスの流路とする。

ＤＰＦ（Diesel particulate filter）９は、酸化触媒７よりも下流側且つＳＣＲ触媒１１よりも上流側に配設され、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。ＤＰＦ９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。

ＳＣＲ触媒１１は、排気管１２において酸化触媒７よりも下流側に配設されており、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１１は、選択的触媒還元を行う尿素ＳＣＲ触媒である。ＳＣＲ触媒１１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銅ゼオライト、鉄ゼオライト又はチタニア／バナジア／タングステンを担持させたものである。

尿素水噴射装置１０は、酸化触媒７よりも下流側且つＳＣＲ触媒１１よりも上流側の排気管１２を流れる排気ガスに尿素水を噴射可能に構成された装置である。尿素水噴射装置１０は、コントローラ１４の制御に応じて尿素を噴射する。尿素水噴射装置１０は、タンク（不図示）に貯留された尿素水を噴射する。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。

軽油供給装置４は、酸化触媒７よりも上流側に排気管１２に軽油（燃料）を供給（添加）可能に構成された装置である。軽油供給装置４は、コントローラ１４の制御に応じて、排気管１２に軽油を供給する。

温度センサ５は、酸化触媒７よりも上流側の排気管１２を流れる排気ガスの温度を取得する。温度センサ５は、取得した温度をコントローラ１４に出力する。温度センサ２０は、ＤＰＦ９よりも下流側且つＳＣＲ触媒１１よりも上流側の排気管１２を流れる排気ガスの温度を取得する。温度センサ２０は、取得した温度をコントローラ１４に出力する。

コントローラ１４は、排気ガスの温度に基づいて所定の制御を行うＥＣＵである。コントローラ１４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１４は、温度センサ５，２０、切替弁６、尿素水噴射装置１０、及び軽油供給装置４に電気的に接続されている。

コントローラ１４は、排気ガスの温度を、例えば温度センサ５及び温度センサ２０の双方またはいずれか一方から取得する。また、コントローラ１４は、温度センサ５，２０から排気ガスの温度を取得することなく、例えば各種の情報に基づき排気ガスの温度を推定する温度推定モデルの推定結果から排気ガスの温度を取得してもよい。

コントローラ１４は、例えば温度センサ５，２０の少なくともいずれか一方によって取得された温度に基づき、排気ガスの温度が第１温度以下であるか否かの判定を行う。そして、コントローラ１４は、排気ガスの温度が所定の第１温度（例えば１８０℃）以下である場合には、排気ガスが酸化触媒７側には流れずＮＯｘ吸着材８側に流れるように切替弁６を制御する。このような制御により、排気ガスの温度が低く尿素水を噴射しても十分にＮＯｘ還元処理を行うことができない場合において、ＮＯｘ吸着材８によりＮＯｘが吸着されることになる。

また、コントローラ１４は、排気ガスの温度が上記第１温度よりも高い場合には、排気ガスが酸化触媒７側及びＮＯｘ吸着材８側の双方に流れるように切替弁６を制御すると共に、尿素水が噴射されるように尿素水噴射装置１０を制御する。排気ガスの温度がある程度高く（例えば１８０℃程度に高く）なると、ＮＯｘ吸着材８に吸着されていたＮＯｘが脱離を開始する。上述した制御により排気ガスが酸化触媒７側及びＮＯｘ吸着材８側の双方に流れると、温度が高い排気ガスによってＮＯｘ吸着材８からのＮＯｘの脱離が促進される。また、排気ガスが酸化触媒７を流れることにより、ＮＯ_２が生成されて後段の還元処理を適切に行うことができる。

さらに、コントローラ１４は、所定のＰＭ燃焼条件が満たされた場合には、ＤＰＦ９においてＰＭの燃焼処理（ＤＰＦ再生）を行うべく、排気ガスがＮＯｘ吸着材８側には流れず酸化触媒７側に流れるように切替弁６を制御すると共に、軽油供給装置４から軽油が供給（添加）されるように軽油供給装置４を制御する。このような制御によって排気ガスを酸化触媒７側にのみ流すことにより、酸化触媒７で排気ガスを効果的に昇温し、供給される軽油を利用して燃焼処理を適切に行うことができる。

次に、図２を参照して、排気浄化装置１が実施する、排気温度に応じたＮＯｘ低減処理を説明する。図２は、排気温度に応じたＮＯｘ低減処理を示すフローチャートである。

図２に示されるように、排気浄化装置１のコントローラ１４は、排気ガスの温度を取得する（ステップＳ１）。コントローラ１４は、例えば温度センサ５及び温度センサ２０の双方またはいずれか一方から排気ガスの温度を取得する。或いは、コントローラ１４は、各種の情報に基づき排気ガスの温度を推定する温度推定モデルの推定結果から排気ガスの温度を取得してもよい。

つづいて、排気浄化装置１のコントローラ１４は、排気ガスの温度が所定の第１温度（例えば１８０℃）よりも高いか否かを判定する（ステップＳ２）。コントローラ１４は、このような判定処理を、排気ガスの温度を取得する度に行ってもよいし、所定の時間間隔で定期的に行ってもよい。

ステップＳ２において、排気ガスの温度が第１温度よりも高くない（第１温度以下である）と判定された場合には、排気浄化装置１のコントローラ１４は、排気ガスが酸化触媒７側には流れずＮＯｘ吸着材８側に流れるように切替弁６を制御する（ステップＳ３）。これにより、排気ガスの温度が低く尿素水を噴射しても十分にＮＯｘ還元処理を行うことができない場合において、ＮＯｘ吸着材８によりＮＯｘが吸着されることになる。

一方で、ステップＳ２において、排気ガスの温度が第１温度よりも高いと判定された場合には、排気浄化装置１のコントローラ１４は、排気ガスが酸化触媒７側及びＮＯｘ吸着材８側の双方に流れるように切替弁６を制御する（ステップＳ４）。これにより、温度が高い排気ガスによってＮＯｘ吸着材８からのＮＯｘの脱離が促進される。また、排気ガスが酸化触媒７を流れることにより、ＮＯ_２が生成されて後段の還元処理を適切に行うことができる。

つづいて、排気浄化装置１のコントローラ１４は、尿素水が噴射されるように尿素水噴射装置１０を制御し、ＳＣＲ触媒１１におけるＮＯｘ還元処理を進める（ステップＳ５）。以上が、排気浄化装置１が実施する、排気温度に応じたＮＯｘ低減処理である。

次に、本実施形態に係る排気浄化装置１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装置１は、エンジン１００から排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置であって、排気ガスが流れる排気管１２に配設され、排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒１１と、排気管１２におけるＳＣＲ触媒１１よりも上流側に配設された酸化触媒７と、排気管１２において酸化触媒７と並列に配設されたＮＯｘ吸着材８と、酸化触媒７よりも下流側且つＳＣＲ触媒１１よりも上流側の排気管１２を流れる排気ガスに尿素水を噴射可能に構成された尿素水噴射装置１０と、酸化触媒７及びＮＯｘ吸着材８の上流において排気ガスの流路を切り替える切替弁６と、排気ガスの温度に基づいて、所定の制御を行うコントローラ１４と、を備える。そして、コントローラ１４は、排気ガスの温度が所定の第１温度以下である場合には、排気ガスが酸化触媒７側には流れずＮＯｘ吸着材８側に流れるように切替弁６を制御し、排気ガスの温度が第１温度よりも高い場合には、尿素水が噴射されるよう尿素水噴射装置１０を制御する。

本実施形態に係る排気浄化装置１では、排気ガスの温度が低い（第１温度以下である）場合には排気ガスがＮＯｘ吸着材８側にのみ流れるように切替弁６が制御され、排気ガスの温度が十分に高い（第１温度より高い）場合には尿素水が噴射される。このような構成によれば、排気ガスの温度が低く尿素水を噴射しても十分にＮＯｘ還元処理を行うことができない場合にはＮＯｘ吸着材８によりＮＯｘが吸着され、ＮＯｘ濃度が高くなることを回避することができる。そして、ＮＯｘ吸着材８により吸着したＮＯｘは、排気ガスの温度が高くなった場合にはＮＯｘ吸着材８から脱離するため、尿素水が噴射されて後段のＳＣＲ触媒１１によって適切に還元処理が行われる。以上のように、本実施形態に係る排気浄化装置１によれば、低温下においてもＮＯｘ低減処理を適切に行うことができる。

図３は、本実施形態に係る排気浄化装置１の効果を説明する図である。図３において、横軸は車両の運転時間、左縦軸は排出ＮＯｘ濃度、右縦軸は排気温度を示している。また、図３中には、運転時間に応じた温度上昇、実施例に係る排気浄化装置１を用いた場合の運転時間に応じた排出ＮＯｘ濃度、及び、比較例に係る排気浄化装置を用いた場合の運転時間に応じた排出ＮＯｘ濃度が示されている。図３に示されるように、運転時間の経過に応じて温度は徐々に上がっていく。比較例に係る排気浄化装置では、排気温度が高くなって以降は排出ＮＯｘ濃度の上昇が抑えられているものの、運転開始後すぐの排気温度が低い状態においては排出ＮＯｘ濃度が極めて高くなっている。一方で、図３に示されるように、実施例に係る排気浄化装置１では、運転開始後すぐの排気温度が低い状態においても排出ＮＯｘ濃度を低く抑えることができており、低温下においてもＮＯｘ低減処理を適切に行うことができていることがわかる。

上述した排気浄化装置１において、コントローラ１４は、排気ガスの温度が第１温度よりも高い場合において、排気ガスが酸化触媒７側及びＮＯｘ吸着材８側の双方に流れるように切替弁６を制御してもよい。このような構成によれば、高温の排気ガスが酸化触媒７及びＮＯｘ吸着材８の双方に流れることによって、ＮＯｘ吸着材８に吸着されたＮＯｘの脱離を適切に促すことができると共に、排気ガスが酸化触媒７を流れることによりＮＯ_２を生成して後段の還元処理を適切に行うことができる。

上述した排気浄化装置１は、排気管１２を流れる排気ガスの温度を取得する温度センサ５，２０を更に備え、コントローラ１４は、温度センサ５，２０によって取得された温度に基づき、排気ガスの温度が第１温度以下であるか否かの判定を行ってもよい。実際に温度センサ５，２０によって取得された排気ガスの温度が用いられることにより、排気ガスの温度に基づく制御の精度を向上させることができる。

上述した排気浄化装置１は、酸化触媒７よりも下流側且つＳＣＲ触媒１１よりも上流側に配設され、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するＤＰＦ９と、酸化触媒７よりも上流側の排気管１２に軽油を供給可能に構成された軽油供給装置４と、を更に備え、コントローラ１４は、所定の燃焼処理条件が満たされた場合において、排気ガスがＮＯｘ吸着材８側には流れず酸化触媒７側に流れるように切替弁６を制御すると共に、軽油が供給されるように軽油供給装置４を制御してもよい。粒子状物質の燃焼処理（例えばＤＰＦ再生）が行われる場合においては、排気ガスが酸化触媒７のみに流れるように制御することによって、排気ガスを効果的に昇温させ、供給される軽油を燃料として利用して、上述した燃焼処理を適切に行うことができる。

１…排気浄化装置、４…軽油供給装置（燃料供給装置）、５，２０…温度センサ、６…切替弁、７…酸化触媒、８…ＮＯｘ吸着材、１０…尿素水噴射装置（還元剤噴射装置）、１１…ＳＣＲ触媒（還元触媒）、１２…排気管（排気通路）、１４…コントローラ（制御部）、１００…エンジン。

Claims (4)

1. エンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置であって、
   前記排気ガスが流れる排気通路に配設され、前記排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元する還元触媒と、
   前記排気通路における前記還元触媒よりも上流側に配設された酸化触媒と、
   前記排気通路において前記酸化触媒と並列に配設されたＮＯｘ吸着材と、
   前記酸化触媒よりも下流側且つ前記還元触媒よりも上流側の前記排気通路を流れる前記排気ガスに還元剤を噴射可能に構成された還元剤噴射装置と、
   前記酸化触媒及び前記ＮＯｘ吸着材の上流において前記排気ガスの流路を切り替える切替弁と、
   前記排気ガスの温度に基づいて、所定の制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記排気ガスの温度が所定の第１温度以下である場合には、前記排気ガスが前記酸化触媒側には流れず前記ＮＯｘ吸着材側に流れるように前記切替弁を制御し、
   前記排気ガスの温度が前記第１温度よりも高い場合には、前記還元剤が噴射されるように前記還元剤噴射装置を制御する、排気浄化装置。
2. 前記制御部は、前記排気ガスの温度が前記第１温度よりも高い場合において、前記排気ガスが前記酸化触媒側及び前記ＮＯｘ吸着材側の双方に流れるように前記切替弁を制御する、請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記排気通路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温度に基づき、前記排気ガスの温度が前記第１温度以下であるか否かの判定を行う、請求項１又は２記載の排気浄化装置。
4. 前記酸化触媒よりも下流側且つ前記還元触媒よりも上流側に配設され、前記排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、
   前記酸化触媒よりも上流側の前記排気通路に燃料を供給可能に構成された燃料供給装置と、を更に備え、
   前記制御部は、所定の燃焼処理条件が満たされた場合において、前記排気ガスが前記ＮＯｘ吸着材側には流れず前記酸化触媒側に流れるように前記切替弁を制御すると共に、前記燃料が供給されるように前記燃料供給装置を制御する、請求項１〜３のいずれか一項記載の排気浄化装置。

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