JP2022054628A - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料消費を抑制しつつ、内燃機関の運転急変時のＤＰＦの過昇温を効果的に抑制できる排気浄化システムを提供すること。【解決手段】排気浄化システムは、内燃機関の排気管に接続された酸化触媒（ＤＯＣ）と、酸化触媒よりも下流側の排気管に接続された粒子捕集フィルター（ＤＰＦ）と、酸化触媒よりも上流側の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、内燃機関の運転状態に基づいて、アンモニア供給装置による排気管内へのアンモニアの供給を制御する制御部（ＥＣＵ）と、を有する。【選択図】図１

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。

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）。

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。

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（例えば特許文献２参照）。

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。

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３参照）。

特表２０１０－５１９４５９号公報 特開２０１１－０６９３２３号公報 特開２０１３－１２４５６９号公報

ところで、ＤＰＦ再生中は、以下のような状態にある。
・排気温度をポスト噴射等で上昇させている。
・ポスト噴射又は排気管中の燃料噴射弁より排気管内に未燃燃料（炭化水素ＨＣ）を供給している。
・ＤＯＣで未燃燃料を燃焼することにより、ＤＰＦの入り口温度がＯ２によるＰＭ燃焼温度まで上昇されている。

このようなＤＰＦ再生中において、例えば、高負荷運転（＝Ｏ２が薄い）から減速によりエンジン内の燃料噴射を中止した場合、ＤＯＣ、ＤＰＦにＯ２濃度の濃い新気が流速が遅い条件で流入すると、ＤＰＦにおいてＰＭが爆発的に燃焼する現象が発生する。この現象は、ＤＴＩ（Drop To Idling）と呼ばれる。

ＤＴＩが起こると、ＤＰＦが過昇温状態となり、その結果、ＤＰＦ担体に亀裂や溶損が生じたり、ＤＰＦに担持された触媒が劣化するおそれがある。

ＤＴＩを防止する第１の方法として、ＰＭ再生時のＤＰＦ入口温度を抑制する方法が考えられる。しかし、この方法を採用すると、ＤＰＦ再生時間が長くなるので、利便性が悪化したり、燃料消費が大きくなるといった欠点がある。

ＤＴＩを防止する第２の方法として、ＤＰＦでのＰＭ溜め込み量を抑制する方法が考えられる。しかし、この方法を採用すると、ＰＭ再生頻度が多くなるので、燃料消費が大きくなったり、潤滑油のダイリューションが生じる欠点がある。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、燃料消費を抑制しつつ、内燃機関の運転急変時のＤＰＦの過昇温を効果的に抑制できる、排気浄化システムを提供する。

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、
前記内燃機関の運転状態に基づいて、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。

本発明によれば、アンモニア供給により、ＤＰＦでの燃焼に使われるＯ２を消費できるので、ＤＰＦでのＰＭの爆発的な燃焼をすみやかに抑制でき、この結果、燃料消費を抑制しつつ、内燃機関の運転急変時のＤＰＦの過昇温を効果的に抑制できる。

実施の形態の排気浄化システムの要部構成を示した図 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

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

＜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。

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。

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。

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。

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。

ＤＰＦ１０２は、所謂連続再生式の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を連続的に燃焼除去する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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を入力する。さらに、ＥＣＵ１３０は、内燃機関の運転状態の情報を入力する。この内燃機関の運転状態とは、アクセルの踏込量に対応するものである。換言すれば、内燃機関の運転状態とは、内燃機関の運転負荷であると言ってもよい。アクセル踏込量が大きいほど、内燃機関は高負荷運転状態である。ＥＣＵ１３０は、アクセル踏込量の情報を、例えば車両全体を制御するＥＣＵ（図示せず）から入力する。

ＥＣＵ１３０は、内燃機関の運転状態と、ラムダセンサー１５０によって検出された酸素濃度と、温度センサー１４１によって検出された温度と、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。

＜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。

上述したように、ＤＰＦ再生中において、例えば、高負荷運転（＝Ｏ２が薄い）から減速によりエンジン内の燃料噴射を中止した場合、つまり、内燃機関の状態が高負荷運転状態から低負荷運転状態へと急変した場合、ＤＯＣ１０１、ＤＰＦ１０２にＯ２濃度の濃い新気が遅い流速で流入するので、ＤＰＦ１０２においてＰＭが爆発的に燃焼する現象、いわゆるＤＴＩ（Drop To Idling）が発生する。

これを考慮して、本実施の形態では、上述のような運転状態急変時に増加したＯ２をアンモニア（ＮＨ３）の供給により強制的に消費させ、ＤＰＦ１０２に流入するＯ２を減少させることにより、ＤＴＩを抑制する。

ここで、アンモニア噴射ポート１１７から排気管３０内に供給されたアンモニアは、ＤＯＣ１０１における、ＮＨ３＋Ｏ２ → Ｎ２＋Ｈ２Ｏ（係数は無視して示してある）の反応により、Ｏ２を消費する。この反応により、ＤＰＦ１０２に流入するＯ２を減少させることができる。

ここで、第１の方法として、ＥＣＵ１３０が、ラムダセンサー１５０からの酸素濃度に基づいて排気中に含まれる酸素の分子数を算出し、アンモニア供給装置１１０から供給するアンモニアの分子数がこの酸素の分子数以上となるようにアンモニアの供給量を制御することを提案する。このようにすれば、ＤＰＦ１０２に流入するＯ２の量を理論的にゼロにすることができる。この結果、ＤＰＦ１０２での煤燃焼を停止させることができる。

ちなみに、アンモニアの供給が過剰となった場合、ＤＯＣ１０１からＤＰＦ１０２の下流にアンモニアが流出するが、このアンモニアは後段に設けられたＳＣＲ１０３に吸着又はＮＯｘ浄化で消費されるため大気中に放出されることは抑制される。

また、第２の方法として、ＤＰＦ１０２に流入するＯ２がある程度残るように、アンモニアの供給量を制御することを提案する。つまり、ＤＴＩが発生するのは、ＤＰＦ１０２に流入するＯ２が多過ぎるからであり、流入するＯ２の量を適切に減少させれば、ＤＴＩの発生を防止しつつ煤を燃焼させることもできる。つまり、ＥＣＵ１３０が、ラムダセンサー１５０からの酸素濃度に基づいて排気中に含まれる酸素の分子数を算出し、この分子数からアンモニア分子数を引いた値が適切な値となるように、アンモニアの供給量を制御する。このようにすれば、ＤＴＩの発生を防止しつつ煤を燃焼させる（つまりＤＰＦ再生を継続させる）こともできる。

さらに、温度センサー１４１の温度も加味してアンモニア供給量を制御すれば、より適切なアンモニア供給を行うこともできる。例えば、第２の方法を採用した場合において、温度センサー１４１の温度がＤＴＩの発生するおそれがある程度まで上昇したときには、アンモニアの供給量を増やしてＤＰＦ１０２に流入するＯ２を減少させる。このようにすることで、ＤＰＦ再生を継続しつつＤＴＩの発生確率を下げることができる。

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、既にＤＰＦ再生が行われている期間に行われるものである。

ＥＣＵ１３０は、ＤＰＦ再生期間中に、ステップＳ１１において、内燃機関が高負荷運転状態から低負荷運転状態へと急変したか否か判断する。

ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１１で肯定結果を得た場合（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、ステップＳ１２に移る。ＥＣＵ１３０は、ステップＳ１２において、ラムダセンサー１５０により検出された酸素濃度、温度センサー１４１により検出された温度、に基づいて、アンモニア供給量を制御する。

これにより、内燃機関の運転急変時のＤＰＦの過昇温を効果的に抑制できる。また、ＤＰＦの過昇温を抑制しつつ、ＤＰＦ再生を継続することもできる。

なお、本実施の形態では、ラムダセンサー１５０により検出された酸素濃度、温度センサー１４１により検出された温度、に基づいて、アンモニア供給量を制御した場合について述べたが、内燃機関が高負荷運転状態から低負荷運転状態へと急変した場合に、酸素濃度及び温度に依らずに、予め決められた量のアンモニアを供給するようにしてもよい。また、酸素濃度又は温度のいずれか一方に基づいてアンモニア供給量を制御してもよい。

＜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、内燃機関の運転状態に基づいて、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、燃料消費を抑制しつつ、内燃機関の運転急変時のＤＰＦ１０２の過昇温を効果的に抑制できる、排気浄化システム１００を実現できる。

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。

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。

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。

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。。

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

Claims (7)

1. 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、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて、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。
2. 前記制御部は、
   前記内燃機関の状態が高負荷運転状態から低負荷運転状態へと急変したときに、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させる、
   請求項１に記載の排気浄化システム。
3. 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を、さらに備え、
   前記制御部は、
   前記内燃機関の状態が高負荷運転状態から低負荷運転状態へと急変したときに、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させるとともに、供給させるアンモニアの量を前記酸素濃度に基づいて制御する、
   請求項１に記載の排気浄化システム。
4. 前記制御部は、
   前記酸素濃度に基づいて排気中に含まれる酸素の分子数を算出し、前記アンモニア供給装置から供給されるアンモニアの分子数がこの酸素の分子数以上となるようにアンモニアの供給を制御する、
   請求項３に記載の排気浄化システム。
5. 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を、さらに備え、
   前記制御部は、
   前記温度センサーにより検出された温度に基づいてアンモニアの供給量を制御する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の排気浄化システム。
6. 前記制御部は、
   前記温度センサーにより検出された温度が、前記粒子捕集フィルターの煤の燃焼可能温度以上で、かつ、前記粒子捕集フィルターの破損温度以下となるように、アンモニアの供給量を制御する、
   請求項５に記載の排気浄化システム。
7. 前記粒子捕集フィルターの下流側の前記排気管には、選択還元型触媒が接続されており、
   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。

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