JP4592505B2 - 排気浄化装置 - Google Patents
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Description
このような排気浄化装置では、NOx触媒の上流側に尿素水を供給し、この尿素水が排気の熱により加水分解して生じたアンモニアがNOx触媒に供給される。NOx触媒に供給されたアンモニアは一旦NOx触媒に吸着され、このアンモニアと排気中のNOxとの間の脱硝反応がNOx触媒によって促進されることによりNOxの浄化が行われる。
このパティキュレートフィルタでは、捕集したパティキュレートがパティキュレートフィルタ内に堆積することにより次第に排気抵抗が増大するので、パティキュレートの堆積量が所定量に達したときにパティキュレートフィルタを昇温し、パティキュレートを強制的に焼却してパティキュレートフィルタを強制再生することにより、パティキュレートフィルタの排気浄化機能を維持するようにしている。
特許文献1に示された排気浄化装置では、エンジンの排気通路にパティキュレートフィルタが配設され、パティキュレートフィルタの下流側にNOx触媒が配設されている。そして、NOx触媒の上流側に設けられた還元剤注入ノズルから排気中に尿素水を供給することによりNOx触媒に還元剤としてアンモニアを供給してNOxを浄化すると共に、パティキュレートフィルタで排気中のパティキュレートを捕集する。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気浄化機能維持のために昇温が必要な排気浄化手段の下流に配設された選択還元型のNOx触媒に、目詰まりを生じることなく尿素水を供給することができる排気浄化装置を提供することにある。
また、前記尿素水供給手段に加圧空気を供給する加圧空気供給手段を更に備え、前記制御手段は、前記昇温手段により前記排気浄化手段を昇温するときに、前記尿素水供給手段からの前記尿素水の供給を中止すると共に、前記加圧空気供給手段から供給される加圧空気を前記尿素水供給手段から排気中に供給することを特徴とする(請求項2)。
図1は、本発明の1実施形態に係る排気浄化装置が適用される4気筒のディーゼルエンジン(以下、エンジンという)のシステム構成図を示しており、図1に基づき本発明に係る排気浄化装置の構成を説明する。
エンジン1は各気筒共通の高圧蓄圧室(以下コモンレールという)2を備えており、コモンレール2に蓄えられた高圧の燃料である軽油を、各気筒に設けられたインジェクタ4に供給し、各インジェクタ4からそれぞれの気筒内に軽油が噴射される。
排気管20はターボチャージャ8のタービン8bを経た後、排気絞り弁26を介して排気後処理装置28に接続されている。また、タービン8bの回転軸はコンプレッサ8aの回転軸と連結されており、タービン8bが排気管20内を流動する排気を受けてコンプレッサ8aを駆動する。
このように前段酸化触媒36とフィルタ38とを配置することにより、フィルタ38に捕集され堆積しているパティキュレートは、前段酸化触媒36から供給されたNO2と反応して酸化し、フィルタ38の連続再生が行われるようになっている。
下流側ケーシング32内には、アンモニアを吸着し、吸着したアンモニアを還元剤として排気中のNOxを浄化する選択還元触媒として機能するNOx触媒46が収容されると共に、このNOx触媒46の下流側にはNOx触媒46から流出したアンモニアを酸化してN2とするための後段酸化触媒48が収容されている。
また、連通路32には、連通路32内の排気中に尿素水を噴射供給する噴射ノズル(尿素水供給手段)50が設けられており、噴射ノズル50は尿素水噴射管52を介して尿素水噴射装置54に接続されている。
このときNOxと反応せずにNOx触媒46から流出したアンモニアは、後段酸化触媒48によって酸化され、N2またはNOxとなる。ここで生成されるNOxは後段酸化触媒48に流入するアンモニアと反応してN2になるので、後段酸化触媒48に流入するアンモニアは無害なN2となって大気中に放出されるようになっている。
ECU(制御手段)72は、エンジン1の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、CPU、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、様々な制御量の演算を行うと共に、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行っている。
尿素水制御弁66によって供給量が調整された尿素水は、エア制御弁64によって供給量が調整された加圧空気と尿素水噴射装置54で混合され、加圧空気と共に噴射ノズル50から連通路32内の排気中に噴射供給される。こうして噴射供給された尿素水は、排気の熱により加水分解してアンモニアとなり、NOx触媒46に吸着する。NOx触媒46は吸着したアンモニアとNOx触媒46に流入する排気中のNOxとの間の脱硝反応を促進し、排気中のNOxは無害なN2となって大気中に放出される。
このように構成された排気浄化装置では、エンジン1から排出された排気が排気管20を通って排気後処理装置28に導入され、排気中のパティキュレートがフィルタ38に捕集されると共に、前述したように前段酸化触媒36を用いた連続再生により、フィルタ38に堆積したパティキュレートの酸化除去が行われる。また、噴射ノズル50から供給された尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として、NOx触媒46により排気中のNOxが選択還元され、無害なN2となって大気中に排出される。
まず、図2のステップS102において、強制再生フラグF1の値が1であるか否かを判定する。強制再生フラグF1は強制再生が必要であるか否かを示すものであり、値が1であると強制再生が必要であり、値が0であると強制再生が不要であることを示す。強制再生フラグF1の初期設定値は0となっており、最初の制御周期ではステップS102からステップS104へと進む。
一方、強制再生が必要と判断した場合にはステップS106に進み、強制再生フラグF1の値を1として、強制再生が必要であることを示すように変更し、次のステップS108に進む。
強制再生許可フラグF2は、フィルタ38の強制再生を開始してもよいか否かを示すものであり、値が1であると強制再生開始の許可を示し、値が0であると強制再生開始の禁止を示す。
NOx触媒46に吸着可能なアンモニアの量はNOx触媒46の温度の変化と共に変化し、NOx触媒46の温度が上昇するにつれて減少する傾向にある。従って、フィルタ38を昇温して強制再生を行うとNOx触媒46に流入する排気温度が上昇し、NOx触媒46に吸着可能なアンモニアの量が低下して、NOx触媒46に吸着しているアンモニアが過飽和状態となり、NOx触媒46から離脱してそのまま大気中に放出される、いわゆるアンモニアスリップが生じるおそれがある。
ステップS108で強制再生許可フラグF2の値が0であると判定した場合には、強制再生を開始するとアンモニアスリップが発生する可能性があるため、強制再生は行わずに今回の制御周期を終了し、次の制御周期で再びステップS102から処理を開始する。そして、ステップS102では強制再生フラグF1の値が1であると判定してステップS108に進むが、強制再生許可フラグF2の値が依然として0であれば、次の制御周期も強制再生を行わずに終了することになる。
一方、NOx触媒46へのアンモニア吸着量が減少し、尿素水供給制御において強制再生許可フラグF2の値が1に変わると、強制再生を行ってもアンモニアスリップが生じないものとして、ステップS108からステップS110に進み、以下の手順によりフィルタ38の強制再生が行われるようになる。
フィルタ38入口側の排気温度Tfが250℃未満である場合には、前段酸化触媒36が活性化していないものとしてステップS112に進み、前段酸化触媒36の昇温制御が行われる。
上述のように前段酸化触媒36はまだ十分活性化していない状況であるため、パティキュレートの焼却は行われておらず、パティキュレートの推定堆積量は強制再生終了判定値より大であると判定されて今回の制御周期を終え、次の制御周期で再びステップS102から強制再生制御を行う。
ステップS110で、フィルタ38入口側の排気温度Tfが250℃未満で前段酸化触媒36が依然として活性化していないと判定した場合には、再びステップS112で吸気制御弁12及び排気絞り弁26の制御と第1追加燃料の噴射による触媒昇温制御が行われる。従って、フィルタ38入口側の排気温度Tfが250℃未満で、前段酸化触媒36が活性化していない間は、制御周期ごとにステップS112による触媒昇温制御が繰り返し行われる。
ステップS114では、フィルタ入口温度センサ40によって検出されたフィルタ38入口側の排気温度Tfに基づき、フィルタ38に流入する排気の温度が所定温度以上であるか否かが判定される。この所定温度は、フィルタ38でパティキュレートが最も効率よく燃焼する温度であり、本実施形態では600℃を所定温度としている。
ステップS116及びS118は、フィルタ38に流入する排気の温度を600℃に維持するように、インジェクタ4から第2の追加燃料を各気筒に噴射するものであって、第2の追加燃料は排気行程で噴射されるようになっている。このような噴射タイミングで第2の追加燃料が各気筒に噴射されることにより、第2の追加燃料は気筒内や排気マニホールド18内で燃焼することなく前段酸化触媒36に達し、活性化温度にある前段酸化触媒36で燃焼する。この燃焼により排気温度が600℃まで上昇し、フィルタ38に堆積したパティキュレートが焼却されることにより、フィルタ38による排気浄化機能が維持される。従って、本実施形態ではインジェクタ4が昇温手段に相当する。
ステップS122により強制再生フラグF1の値が0になると、次の制御周期ではステップS102からステップS104へと進むので、再びフィルタ38の強制再生が必要となるまでは、ステップS102からステップS104の処理が繰り返され、制御周期毎に強制再生の要否が判断される。
一方、尿素水供給制御は、エンジン1が始動されると図3のフローチャートに従って所定の制御周期で行われる。
ステップS202で尿素水の供給が可能であると判定した場合は、ステップS204に進み、強制再生フラグF1の値が1であるか否かを判定する。強制再生フラグF1の値が0である場合は、フィルタ38の強制再生が必要とされていないので、強制再生の実施に伴う排気温度の上昇がないため、尿素水の供給を行っても尿素水の固形化による目詰まりが発生するおそれはないものとして、ステップS206に進む。
そこでステップS206では、触媒入口温度センサ68によって検出されたNOx触媒46の入口側排気温度Tscを噴射ノズル50の温度に相当するものとして、噴射ノズル50の温度、即ちNOx触媒46の入口側排気温度Tscが所定温度β以下であれば、尿素水の供給を行っても上記目詰まりが生じることがないと判定するようにしている。
ステップS208では、NOx触媒46で排気中のNOxを浄化するために必要なアンモニアの量から、供給すべき尿素水の量を求める。具体的には、まず回転数センサ74によって検出されたエンジン回転数やECU72によって算出された燃料主噴射量などのエンジン運転状態に基づき、エンジン1からのNOx排出量を推定する。また、触媒入口温度センサ68によって検出されたNOx触媒46入口側の排気温度に基づき、予め記憶しているマップからNOx触媒46のNOx浄化率を求める。そして、これらNOx推定排出量とNOx浄化率とからNOx触媒46によるNOx浄化量を求め、そのNOx浄化量に対応するアンモニア量を求める。このようにして求められたアンモニア量から必要な尿素水供給量が求められる。
噴射ノズル50から噴射された尿素水は排気の熱によって加水分解し、アンモニアが生成される。このアンモニアはNOx触媒46に供給されてNOx触媒46に吸着し、排気中のNOxと吸着したアンモニアとの間の脱硝反応がNOx触媒46によって促進され、排気中のNOxが選択還元されて無害なN2となり大気中に排出される。
このようにしてステップS210で尿素水の供給を行った後、今回の制御周期を終え、次の制御周期で再びステップS202から処理を行う。
ステップS212では、エア制御弁64を開閉制御することにより、エアタンク56から供給される加圧空気のみが尿素水噴射装置54を経て噴射ノズル50に供給されて連通路32内の排気中に噴射される。従って、噴射ノズル50から排気中への尿素水の供給は中止される。
一方、フィルタ38の強制再生が必要となり、強制再生フラグF1の値が前述の強制再生制御によって1に変わると、ステップS204からステップS214に処理が進む。
この場合にも、噴射ノズル50から加圧空気のみを噴射することにより、噴射ノズル50や尿素水噴射装置54及び噴射管52内に残留する尿素水が加圧空気と共に排気内に排出され、これらの各部材内で残量尿素水が固形化することによる目詰まりの発生が防止される。
ステップS218では、NOx触媒46に吸着しているアンモニアの量が所定値α以下であるか否かを判定する。
また、NOx触媒46への実際のアンモニア吸着量は、図4に示すNOx触媒46の温度とアンモニア吸着量との関係に基づき予め記憶しているマップから、触媒入口温度センサ68で検出されたNOx触媒46の入口側排気温度に対応する吸着量を読み出し、尿素水噴射を停止している間に消費されたアンモニア量を減算することによって求めている。
このようにして噴射ノズル50からの尿素水の供給が中止され、NOx触媒46へのアンモニア吸着量が減少することにより、ステップS218でアンモニア吸着量が所定値α以下であると判定すると、ステップS220に処理が進む。
ステップS220による強制再生許可フラグF2の値の切り換えに伴い、前述の強制再生制御において前段酸化触媒36の昇温制御、及びフィルタ38の昇温制御が実行されるようになり、NOx触媒46に流入する排気の温度が上昇する。
従って、フィルタ38の強制再生が許可され、フィルタ38の昇温に伴って噴射ノズル50周辺を流動する排気温度が上昇している間、噴射ノズル50からの尿素水の供給は中止されると共に、噴射ノズル50から加圧空気のみが排気中に噴射されることになる。
また、フィルタ38の昇温中に噴射ノズル50から加圧空気が噴射されることにより、噴射ノズル50が加圧空気によって冷却されるので、フィルタ38の強制再生を行っているときの噴射ノズル50の温度上昇を抑制することができる。このため、フィルタ38の強制再生が完了した後に、噴射ノズル50の温度をより迅速に目詰まりが生じない温度まで低下させることが可能となる。
フィルタ38の強制再生が完了した直後は、噴射ノズル50周辺の排気温度は依然として高温であるため、ステップS206では噴射ノズル50の温度に相当する触媒入口温度センサ68の検出値Tscが所定温度βより大であると判定される。このため、ステップS206からステップS212に進んで、前述したようにエア制御弁64を開閉制御することにより、エアタンク56から供給される加圧空気のみが尿素水噴射装置54を経て噴射ノズル50に供給されて連通路32内の排気中に噴射される。従って、噴射ノズル50から排気中への尿素水の供給は引き続き中止される。
次の制御周期でもステップS202からステップS204を経てステップS206に進み、噴射ノズル50の温度に相当する触媒入口温度センサ68の検出値Tscが所定温度β以下であるか否かが判定される。
このようにして噴射ノズル50の温度が低下し、噴射ノズル50の温度に相当する触媒入口温度センサ68の検出値Tscが所定温度β以下になると、ステップS206からステップS208に進むようになり、前述したようにしてステップS208及びステップS210により噴射ノズル50からの尿素水の供給が再開される。
更に、フィルタ38の強制再生完了後も、噴射ノズル50の温度が、尿素水の固形化による目詰まりの生じない温度として予め実験などにより求められた温度まで低下するまでは、噴射ノズル50からの尿素水の供給が引き続き中止されるので、尿素水の固形化は発生せず、噴射ノズル50に目詰まりが発生することはない。また、加圧空気が噴射ノズル50に供給されて排気中に噴射されるようにしているので、噴射ノズル50内を流動する加圧空気によって噴射ノズル50の温度低下が促進され、迅速に尿素水の供給を再開することができる。
例えば、上記実施形態では排気浄化手段がパティキュレートを除去するフィルタ38であったが、昇温により排気浄化機能を維持するようにしたものであればこれに限られるものではない。
この吸蔵型NOx触媒は、排気中に含まれるSOx(硫黄酸化物)が吸着することによりNOx浄化機能が徐々に低下する。このため、適宜吸蔵型NOx触媒の昇温を行って吸着したSOxをパージする必要がある。このような吸蔵型NOx触媒と上記実施形態における選択還元型NOx触媒46とを組み合わせて用いた場合にも、上記実施形態と同様の制御により同様の効果を得ることができる。
4 インジェクタ(昇温手段)
20 排気管(排気通路)
38 パティキュレートフィルタ(排気浄化手段)
46 NOx触媒
50 噴射ノズル(尿素水供給手段)
72 ECU(制御手段)
Claims (2)
- エンジンの排気通路に配設され、アンモニアを還元剤として排気中のNOxを選択還元するNOx触媒と、
前記NOx触媒の上流側の前記排気通路に配設され、前記エンジンの排気を浄化する排気浄化手段と、
前記NOx触媒より上流側で前記排気浄化手段より下流側の排気中に尿素水を供給することにより、前記NOx触媒にアンモニアを供給する尿素水供給手段と、
前記排気浄化手段の排気浄化機能を維持するため、前記排気浄化手段を昇温する昇温手段と、
前記尿素水供給手段により前記尿素水の供給を行っているときに、前記昇温手段により前記排気浄化手段を昇温する場合には、前記尿素水供給手段による前記尿素水の供給を中止し、前記尿素水供給手段の温度が所定温度以下に低下したと判断すると前記尿素水の供給を再開する制御手段とを備え、
前記所定温度は、前記尿素水供給手段における尿素水の固形化により前記尿素水供給手段に目詰まりが生じない温度として予め求められた温度であることを特徴とする排気浄化装置。 - 前記尿素水供給手段に加圧空気を供給する加圧空気供給手段を更に備え、
前記制御手段は、前記昇温手段により前記排気浄化手段を昇温するときに、前記尿素水供給手段からの前記尿素水の供給を中止すると共に、前記加圧空気供給手段から供給される加圧空気を前記尿素水供給手段から排気中に供給することを特徴とする請求項1に記載の排気浄化装置。
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