JP2022054626A - Exhaust emission control system for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気浄化システムにおけるDPF再生技術に関する。 The present invention relates to a DPF regeneration technique in an exhaust purification system of an internal combustion engine.
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(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)、ディーゼル微粒子捕集フィルター(DPF:Diesel Particulate Filter)、選択還元型触媒(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)。 Conventionally, as an exhaust purification device for an internal combustion engine such as a diesel engine, an oxidation catalyst (DOC: Diesel Oxidation Catalyst), a diesel particulate filter (DPF: Diesel Particulate Filter), and a selective reduction catalyst (SCR: Selective Catalystic Reduction) are provided. Is known (see, for example, Patent Document 1).
DOCは、排気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、以下では、煤を、微粒子物質(PM:Particulate Matter)と呼ぶ場合がある。 DOC oxidizes most of the organic components contained in the soot in the exhaust gas and purifies HC and CO. In the following, soot may be referred to as particulate matter (PM: Particulate Matter).
DPFは、DOCの後段に設けられ、排気中の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再生が行われる。DPF再生は、例えば、燃料をDOCの排気上流側に噴射して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。 The DPF is provided after the DOC and collects PM in the exhaust gas. The collected PM is deposited on the DPF. When the amount of PM deposited is equal to or greater than a predetermined value, DPF regeneration is performed. The DPF regeneration is performed, for example, by injecting fuel to the exhaust upstream side of the DOC and burning it in the DOC to raise the temperature of the exhaust gas and burning the PM deposited in the DPF.
SCRは、DPFの後段に設けられる。SCRでは、排気管内に噴射された尿素水を排気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中のNOxを窒素(N2)に還元されることで、NOxが低減される。 The SCR is provided after the DPF. In SCR, ammonia generated by hydrolyzing urea water injected into the exhaust pipe with the heat of the exhaust is reduced by reducing NOx in the exhaust to nitrogen (N2) by the action of a catalyst. To.
また、尿素水に代えてアンモニアを排気管内に供給する技術も知られている(例えば特許文献2参照)。 Further, a technique of supplying ammonia into an exhaust pipe instead of urea water is also known (see, for example, Patent Document 2).
ところで、従来のDPF再生のための排気の昇温は、上述したように未燃燃料の排気管への直接噴射やエンジンへのポスト噴射により行われるので、多くのCO2が発生してしまう欠点がある。 By the way, since the temperature rise of the exhaust gas for the conventional DPF regeneration is performed by direct injection of unburned fuel into the exhaust pipe or post-injection into the engine as described above, there is a drawback that a large amount of CO2 is generated. be.
本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、CO2の発生を抑制しつつ、効果的にDPF再生を行うことができる、排気浄化システムを提供する。 The present invention has been made in consideration of the above points, and provides an exhaust gas purification system capable of effectively performing DPF regeneration while suppressing the generation of CO2.
本発明の内燃機関の排気浄化システムの一つの態様は、
内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムであって、
前記内燃機関の排気管に接続された酸化触媒と、
前記酸化触媒よりも下流側の前記排気管に接続された粒子捕集フィルターと、
前記酸化触媒よりも上流側の前記排気管内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置と、
前記アンモニアが供給される前記排気管内の酸素濃度を取得する酸素濃度取得部と、
前記粒子捕集フィルターに流入する排気の温度を検出する温度センサーと、
前記酸素濃度取得部によって取得された酸素濃度及び前記温度センサーによって検出された温度に基づいて、前記アンモニア供給装置による前記排気管内へのアンモニアの供給を制御する制御部と、
を備える。
One aspect of the exhaust gas purification system for an internal combustion engine of the present invention is:
An exhaust purification system that purifies the exhaust gas of an internal combustion engine.
An oxidation catalyst connected to the exhaust pipe of the internal combustion engine and
A particle collection filter connected to the exhaust pipe on the downstream side of the oxidation catalyst,
An ammonia supply device that supplies ammonia into the exhaust pipe on the upstream side of the oxidation catalyst,
An oxygen concentration acquisition unit that acquires the oxygen concentration in the exhaust pipe to which the ammonia is supplied, and an oxygen concentration acquisition unit.
A temperature sensor that detects the temperature of the exhaust gas flowing into the particle collection filter, and
A control unit that controls the supply of ammonia into the exhaust pipe by the ammonia supply device based on the oxygen concentration acquired by the oxygen concentration acquisition unit and the temperature detected by the temperature sensor.
To prepare for.
本発明によれば、CO2の発生を抑制しつつ、効果的にDPF再生を行うことができる。 According to the present invention, DPF regeneration can be effectively performed while suppressing the generation of CO2.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<1>排気浄化システムの構成
図1は、本実施の形態の排気浄化システムの要部構成を示した図である。本実施形態では、本発明を、ディーゼルエンジン10の排気浄化システム100に適用した態様について説明する。ただし、本実施形態に係る排気浄化システムは、ディーゼルエンジン10の排気浄化システム100に限らず、ガソリンエンジンの排気浄化システムにも適用し得る。
<1> Configuration of Exhaust Gas Purification System FIG. 1 is a diagram showing a main configuration of an exhaust gas purification system according to the present embodiment. In this embodiment, an embodiment in which the present invention is applied to the exhaust
排気浄化システム100は、例えば、トラック等の車両に搭載されており、エンジン10の排気ガス中のNOxを浄化する。
The
エンジン10は、例えば、燃焼室、燃焼室内で燃料を噴射する燃料噴射装置、及び、燃料噴射装置を制御するエンジンECU等(図示せず)を含んで構成される。エンジン10は、燃焼室内で、燃料と空気の混合気を燃焼及び膨張させて、動力を発生する。エンジン10には、燃焼室内に空気を導入する吸気管20と、燃焼室から排出される燃焼後の排気ガスを、車両の外部に排出する排気管30と、が接続されている。
The
排気浄化システム100は、酸化触媒(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)101、粒子捕集フィルター(DPF:Diesel Particulate Filter)102及び選択還元型触媒(SCR:Selective Catalytic Reduction)103を有する。なお、排気浄化システム100は、触媒として、SCR103に加えて、あるいは、SCRに代えて、LNT(Lean NOx Trap)などを有していてもよい。
The
DOC101は、酸化アルミニウム又は金属等からなる担持体に、ロジウム、白金等を担持して形成される。DOC101は、排気中の未燃成分(炭化水素HC及び一酸化炭素CO)を酸化除去するとともに、このときの反応熱で排気ガスを加熱昇温し、また排気中のNOをNO2に酸化する。 DOC101 is formed by supporting rhodium, platinum or the like on a carrier made of aluminum oxide, metal or the like. DOC101 oxidizes and removes unburned components (hydrocarbon HC and carbon monoxide CO) in the exhaust, heats and raises the exhaust gas with the reaction heat at this time, and oxidizes NO in the exhaust to NO2.
DPF102は、触媒付きフィルターからなり、排気中に含まれる粒子状物質(PM: Particulate Matter)を捕集するとともに、捕集・堆積されたPMを燃焼除去する。
The
SCR103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、例えばゼオライトやバナジウム等の触媒が担持又はコーティングされる。SCR103は、アンモニアを吸蔵するとともに、当該吸蔵したアンモニアによって排気ガス中からNOxを選択的に還元浄化する。
The SCR 103 has, for example, a cylindrical shape and has a honeycomb carrier made of ceramic. A catalyst such as zeolite or vanadium is supported or coated on the wall surface of the honeycomb. The
排気浄化システム100は、排気管30内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置110を有する。アンモニア供給装置110は、液化アンモニア(液化NH3)を貯蔵するアンモニアタンク111、遮断弁112、減圧弁113、流量調整弁114、115及びアンモニア噴射ポート116、117を有する。
The
さらに、排気浄化システム100は、ECU(Electronic Control Unit)130を有する。ECU130は、排気浄化システム100の動作を制御する。
Further, the exhaust
ECU130は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、入力ポート、及び出力ポート等を含んで構成されている。ECU130の後述する機能は、例えば、CPUがROM、RAM等に記憶された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路によっても実現できることは勿論である。
The ECU 130 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), an input port, an output port, and the like. The functions described later in the
なお、ECU130は、エンジン10のエンジンECU(図示せず)等と通信することで、これらを制御したり、これらの状態を取得したりする。
The ECU 130 communicates with the engine ECU (not shown) of the
ECU130は、アンモニア供給装置110による排気管30内へのアンモニアの供給を制御する制御部として機能する。
The ECU 130 functions as a control unit that controls the supply of ammonia into the
DOC101の上流側かつアンモニア噴射ポート117の上流側の排気管30内には、酸素センサーとしてのラムダセンサー150が設けられている。ラムダセンサー150は、排気管30内の酸素濃度を検出する。
A
DPF102の入り口付近には温度センサー141が設けられている。温度センサー141は、DPF102に流入する排気の温度を検出する。
A
ECU130は、ラムダセンサー150によって検出された酸素濃度及び温度センサー141によって検出された温度に基づいて、遮断弁112及び流量調整弁115の開度を制御することにより、アンモニア噴射ポート117から噴射されるアンモニアの量を制御する。
The ECU 130 is injected from the
<2>DPF再生制御
次に、本実施の形態によるDPF再生制御について説明する。
<2> DPF regeneration control Next, the DPF regeneration control according to the present embodiment will be described.
まず、詳細な説明を行う前に、本実施の形態によるDPF再生の原理について説明する。 First, before giving a detailed explanation, the principle of DPF regeneration according to the present embodiment will be described.
DPF102に煤が堆積すると排気圧力が上昇し燃費悪化の要因となる等の問題が発生するため、予め実験等で定めた堆積量を超えないように煤を燃焼させるDPF再生が行われる。従来は、DPFへの排気温度が煤の燃焼が可能となる例えば500℃以上に達していない場合は、DOCに未燃燃料を供給し、酸化、発熱(燃焼)により排気温度を昇温することが一般に行われているが、CO2が発生してしまう。
When soot is deposited on the
これを考慮して、本実施の形態では、DOC101の上流側の排気管30内にアンモニアを供給し、このアンモニアをDOC101で燃焼させることで、DPF再生を促進させる。これにより、CO2の発生を低減させることができる。
In consideration of this, in the present embodiment, ammonia is supplied into the
本実施の形態のアンモニア供給によるDPF再生は、従来の燃料燃焼によるDPF再生と組み合わせて用いることができる。例えば、DOC101においてアンモニアの燃焼が可能となる排気温度になるまでは、従来の燃料燃焼によって排気温度を上昇させ、その後、アンモニア供給によるDPF再生に切り替える。これにより、DPF再生で発生するCO2を低減できる。
The DPF regeneration by supplying ammonia in the present embodiment can be used in combination with the conventional DPF regeneration by fuel combustion. For example, the exhaust temperature is raised by conventional fuel combustion until the exhaust temperature at which ammonia can be burned in the
図2は、本実施の形態によるDPF再生制御の説明に供するフローチャートである。図2のフローチャートは、ECU130によって実行される。なお、図2のフローチャートは、処理の開始時に、DOC101に流入される排気の温度が、DOC101においてアンモニアが酸化可能な温度(例えば250℃以上)であるといった条件で行われるものである。この条件になるまでは、従来の燃料による昇温などが必要である。
FIG. 2 is a flowchart provided for explaining the DPF regeneration control according to the present embodiment. The flowchart of FIG. 2 is executed by the
ECU130は、ステップS11において、ラムダセンサー150で検出された酸素濃度が所定閾値以上であるか否か判断し、閾値以上である場合には(ステップS11;YES)、ステップS12に移る。
In step S11, the
ECU130は、ステップS12において、温度センサー141で検出された温度と、ラムダセンサー150で検出された酸素濃度と、に基づいて、アンモニア供給量を調節する。具体的には、ECU130は、流量調整弁115の開度を調節することで、アンモニア噴射ポート117から噴射させるアンモニア供給量を調節する。
The
このとき、第1に、ECU130は、温度センサー141で検出される温度が、DPF102での煤の燃焼可能温度(例えば550~600℃)となるようにアンモニアの供給量を調節する。例えば、温度センサー141で検出された温度が上記燃焼温度よりも低い場合にはアンモニア供給量を増やすように流量調整弁115を制御する。換言すれば、ECU130は、温度センサー141で検出される排気の温度が所定閾値以上となるように、アンモニア供給装置110で供給するアンモニアの量を調節する。
At this time, first, the
また、第2に、ECU130は、ラムダセンサー150によって検出された酸素濃度と、DOC101でのアンモニアの燃焼に必要な酸素と、DPF102での煤の燃焼に必要な酸素と、に基づいて、アンモニア供給装置110で供給するアンモニアの量を調節する。つまり、排気中の酸素量に対して、アンモニアの供給量を多くし過ぎると、DOC102でのアンモニア燃焼に多くの酸素が使われてしまい、DPF102での煤の燃焼において酸素が不足するといった事態が生じる。これを考慮して、必要以上のアンモニアを供給しないようにする。つまり、アンモニアの供給量は、温度センサー141の温度がDPF102での煤の燃焼可能温度(例えば550~600℃)となる量であればよいのであって、DPF102での酸素不足を回避するために、それ以上の不必要なアンモニアは供給しないように制御することが好ましい。
Secondly, the
ここで、DOC101でのアンモニアの燃焼は、4NH3+7O2 → 4NO2+6H2Oや、NH3+O2 → N2+H2O(係数は無視している)で表されることから、昇温のためのCO2は発生しない。 Here, since the combustion of ammonia in DOC101 is represented by 4NH3 + 7O2 → 4NO2 + 6H2O or NH3 + O2 → N2 + H2O (coefficients are ignored), CO2 for raising the temperature is not generated.
次に、ECU130は、ステップS13において、DPF102でのPM除去量が目標量を超えたか否か判断し、目標量を超えた場合には(ステップS13;YES)、DPF再生制御を終了し、目標値を超えていない場合には(ステップS13;NO)、ステップS11に戻る。
Next, in step S13, the
このようにして、CO2の発生を抑制しつつ、効率的なDPF再生を行うことができる。 In this way, efficient DPF regeneration can be performed while suppressing the generation of CO2.
<3>まとめ
以上説明したように、本実施の形態によれば、内燃機関の排気管30に接続された酸化触媒(DOC101)と、酸化触媒よりも下流側の排気管30に接続された粒子捕集フィルター(DPF102)と、酸化触媒よりも上流側の排気管30内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置110と、アンモニアが供給される排気管30内の酸素濃度を検出する酸素センサー(ラムダセンサー150)と、粒子捕集フィルターに流入する排気の温度を検出する温度センサー141と、酸素センサーによって検出された酸素濃度及び温度センサー141によって検出された温度に基づいて、アンモニア供給装置110による排気管30内へのアンモニアの供給を制御する制御部(ECU130)と、を設けたことにより、CO2の発生を抑制しつつ、効果的にDPF再生を行うことができる排気浄化システム100を実現できる。
<3> Summary As described above, according to the present embodiment, the oxidation catalyst (DOC101) connected to the
また、本実施の形態によれば、アンモニア供給装置110を、DOC101とSCR103とで共有しているので、排気浄化システムの大型化も抑制できる。ただし、SCR103にはアンモニアに代えて尿素水を供給する構成にしてもよい。
Further, according to the present embodiment, since the
上述の実施の形態は、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の無い範囲で、様々な形で実施することができる。 The above-described embodiment is merely an example of the embodiment of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner by these. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from its gist or its main features.
上述の実施の形態では、アンモニアが供給される排気管30内の酸素濃度を取得する酸素濃度取得部として、酸素センサー(ラムダセンサー150)を設けた場合について述べたが、酸素濃度取得部はこれに限らない。例えば、エンジンの吸気流量センサーと燃料噴射量から酸素濃度を推定により取得してもよい。
In the above-described embodiment, the case where an oxygen sensor (lambda sensor 150) is provided as an oxygen concentration acquisition unit for acquiring the oxygen concentration in the
本発明は、排気浄化システムのDPF再生技術として広く用いることができる。 The present invention can be widely used as a DPF regeneration technique for an exhaust purification system.
10 ディーゼルエンジン(エンジン)
20 吸気管
30 排気管
100 排気浄化システム
101 DOC(酸化触媒)
102 DPF(ディーゼル微粒子捕集フィルター)
103 SCR(選択還元型触媒)
110 アンモニア供給装置
111 アンモニアタンク
112 遮断弁
113 減圧弁
114、115 流量調整弁
116、117 アンモニア噴射ポート
130 ECU(制御部)
141 温度センサー
150 ラムダセンサー
10 Diesel engine (engine)
20
102 DPF (Diesel Particulate Filter)
103 SCR (selective reduction catalyst)
110
141
Claims (7)
前記内燃機関の排気管に接続された酸化触媒と、
前記酸化触媒よりも下流側の前記排気管に接続された粒子捕集フィルターと、
前記酸化触媒よりも上流側の前記排気管内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置と、
前記アンモニアが供給される前記排気管内の酸素濃度を取得する酸素濃度取得部と、
前記粒子捕集フィルターに流入する排気の温度を検出する温度センサーと、
前記酸素濃度取得部によって検出された酸素濃度及び前記温度センサーによって検出された温度に基づいて、前記アンモニア供給装置による前記排気管内へのアンモニアの供給を制御する制御部と、
を備える排気浄化システム。 An exhaust purification system that purifies the exhaust gas of an internal combustion engine.
An oxidation catalyst connected to the exhaust pipe of the internal combustion engine and
A particle collection filter connected to the exhaust pipe on the downstream side of the oxidation catalyst,
An ammonia supply device that supplies ammonia into the exhaust pipe on the upstream side of the oxidation catalyst,
An oxygen concentration acquisition unit that acquires the oxygen concentration in the exhaust pipe to which the ammonia is supplied, and an oxygen concentration acquisition unit.
A temperature sensor that detects the temperature of the exhaust gas flowing into the particle collection filter, and
A control unit that controls the supply of ammonia into the exhaust pipe by the ammonia supply device based on the oxygen concentration detected by the oxygen concentration acquisition unit and the temperature detected by the temperature sensor.
Exhaust purification system equipped with.
前記酸素濃度取得部で取得される酸素濃度が所定閾値以上の場合に、前記アンモニア供給装置によって前記排気管内にアンモニアを供給する、
請求項1に記載の排気浄化システム。 The control unit
When the oxygen concentration acquired by the oxygen concentration acquisition unit is equal to or higher than a predetermined threshold value, ammonia is supplied into the exhaust pipe by the ammonia supply device.
The exhaust purification system according to claim 1.
前記温度センサーで検出される前記排気の温度に基づいて、前記アンモニア供給装置で供給するアンモニアの量を調整する、
請求項1又は2に記載の排気浄化システム。 The control unit
The amount of ammonia supplied by the ammonia supply device is adjusted based on the temperature of the exhaust gas detected by the temperature sensor.
The exhaust purification system according to claim 1 or 2.
前記温度センサーで検出される前記排気の温度が所定閾値以上となるように、前記アンモニア供給装置で供給するアンモニアの量を調節する、
請求項3に記載の排気浄化システム。 The control unit
The amount of ammonia supplied by the ammonia supply device is adjusted so that the temperature of the exhaust gas detected by the temperature sensor becomes equal to or higher than a predetermined threshold value.
The exhaust purification system according to claim 3.
請求項4に記載の排気浄化システム。 The predetermined threshold value is the combustible temperature of the soot of the particle collection filter.
The exhaust purification system according to claim 4.
前記酸素濃度取得部によって取得された酸素濃度と、前記酸化触媒でのアンモニアの燃焼に必要な酸素と、前記粒子捕集フィルターでの煤の燃焼に必要な酸素と、に基づいて、前記アンモニア供給装置で供給するアンモニアの量を調節する、
請求項1から5のいずれか一項に記載の排気浄化システム。 The control unit
The ammonia supply is based on the oxygen concentration acquired by the oxygen concentration acquisition unit, the oxygen required for combustion of ammonia in the oxidation catalyst, and the oxygen required for combustion of soot in the particle collection filter. Adjust the amount of ammonia supplied by the device,
The exhaust gas purification system according to any one of claims 1 to 5.
前記アンモニア供給装置は、前記酸化触媒よりも上流側の前記排気管内に加えて、前記選択還元型触媒にもアンモニアを供給する、
請求項1から6のいずれか一項に記載の排気浄化システム。 A selective reduction catalyst is connected to the exhaust pipe on the downstream side of the particle collection filter.
The ammonia supply device supplies ammonia to the selective reduction catalyst in addition to the inside of the exhaust pipe on the upstream side of the oxidation catalyst.
The exhaust gas purification system according to any one of claims 1 to 6.
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