JP5256976B2

JP5256976B2 - ＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理方法及びその装置

Info

Publication number: JP5256976B2
Application number: JP2008258288A
Authority: JP
Inventors: 隆行坂本
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2008-10-03
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-10-03
Also published as: JP2010090711A

Description

本発明は、スートフィルタを健全に維持することができ、しかも燃料消費を抑えることができるＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理方法及びその装置に関する。

自動車のエンジンから大気までの排気ガス経路中で排気ガスを浄化する装置において、ＮＯｘ吸蔵器（lean NOx trap；以下、ＬＮＴと呼ぶ）を用いて排気ガスから窒素酸化物を除去するものがある。ＬＮＴは、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を貴金属と共に担持し、酸素過剰な排気ガス中のＮＯｘを酸化して硝酸塩として触媒上に吸着させることで、ＮＯｘを除去する。

ＬＮＴでは、燃料由来及び潤滑油由来のＳＯｘによって硫酸塩が生成されやすい。しかし、硫酸塩が生成されると、ＮＯｘの除去性能が低下するので、定期的に脱硫処理することが必要である。脱硫処理では、ＬＮＴを７００℃まで昇温させ、この温度に維持しながら、排気ガス中に含まれる燃料に対して酸素が不足する状態を作る。

一方、自動車の排気ガスを浄化する装置において、スートフィルタ（catalyst soot filter；以下、ＣＳＦと呼ぶ）を用いて排気ガスから微粒子（particulate matter；以下、ＰＭと呼ぶ）を除去するものがある。

特開２００５−１３３７２１号公報

ＬＮＴとＣＳＦとを両方とも備える自動車において、エンジンから大気までの排気ガス経路中の上流にＬＮＴを配置し、それよりも下流にＣＳＦを配置したとする。この構成においては、脱硫処理のためにＬＮＴを７００℃まで昇温させると、後段のＣＳＦも温度が高くなり、捕集されたＰＭが暴走燃焼してＣＳＦが焼損するおそれがある。ＣＳＦに焼損による不具合を招かずにＬＮＴを脱硫処理するには、ＬＮＴの脱硫処理を行う前に、ＣＳＦにおいて、捕集されたＰＭを燃焼させるＰＭ再生処理を行う必要がある。

また、ＣＳＦのＰＭ再生処理を行った後に、ＬＮＴの脱硫処理を行うとき、ＬＮＴを７００℃に維持しなければならないが、このための熱量を燃料の燃焼により得ようとすると、排気ガス中に燃料を投入することになる。このため、燃料消費量が増える。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、スートフィルタを健全に維持することができ、しかも燃料消費を抑えることができるＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理方法及びその装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理方法は、エンジンから大気まで排気ガスを排出する途中で排気ガスを浄化するためにＮＯｘ吸蔵器とスートフィルタを併用する際に、ＮＯｘ吸蔵とスート捕集を行う通常運転時には、エンジンからの排気ガスをＮＯｘ吸蔵器、スートフィルタの順に導いてから大気に排出し、ＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理とスートフィルタの微粒子燃焼処理を行う非通常運転時には、エンジンからの排気ガスに燃料を加えて燃焼させ、この燃焼によって温度が高まった排気ガスを、微粒子燃焼処理が実施不可能な温度のときに排気ガスをＮＯｘ吸蔵器、スートフィルタの順に導いてから大気に排出し、微粒子燃焼処理が実施可能な温度のときにスートフィルタ、ＮＯｘ吸蔵器の順に導いてから大気に排出するものである。

また、本発明のＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理装置は、エンジンから大気まで排気ガスを排出するための排気ガス排出配管系と、ＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵器と、スートを捕集するスートフィルタとを備え、上記排気ガス排出配管系に、エンジンからの排気ガスをＮＯｘ吸蔵器、スートフィルタの順に導いてから大気に排出する通常運転時流路と、エンジンからの排気ガスをスートフィルタ、ＮＯｘ吸蔵器の順に導いてから大気に排出する非通常運転時流路とをそれぞれ開通遮断自在に備え、ＮＯｘ吸蔵とスート捕集を行う通常運転時には、上記通常運転時流路を開通させて上記非通常運転時流路を遮断させ、ＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理とスートフィルタの微粒子燃焼処理を行う非通常運転時には、エンジンからの排気ガスに燃料を加えて燃焼させると共に、微粒子燃焼処理が実施不可能な温度のときに上記通常運転時流路を開通させて上記非通常運転時流路を遮断させ、微粒子燃焼処理が実施可能な温度のときに上記通常運転時流路を遮断させて上記非通常運転時流路を開通させる制御部を備えたものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）スートフィルタを健全に維持することができる。

（２）燃料消費を抑えることができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係るＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理装置１は、エンジン（図示せず）から大気（図示せず）まで排気ガスを排出するための排気ガス排出配管系２と、ＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵器（ＬＮＴ）３と、スートを捕集するスートフィルタ（ＣＳＦ）４とを備え、上記排気ガス排出配管系２に、エンジンからの排気ガスをＬＮＴ３、ＣＳＦ４の順に導いてから大気に排出する通常運転時流路（図２参照）と、エンジンからの排気ガスをＣＳＦ４、ＬＮＴ３の順に導いてから大気に排出する非通常運転時流路（図３参照）とをそれぞれ開通遮断自在に備え、ＮＯｘ吸蔵とスート捕集を行う通常運転時には、上記通常運転時流路を開通させて上記非通常運転時流路を遮断させ、ＬＮＴ３の脱硫処理とＣＳＦ４の微粒子燃焼処理を行う非通常運転時には、エンジンからの排気ガスに燃料を加えて燃焼させると共に上記通常運転時流路を遮断させて上記非通常運転時流路を開通させる制御部（図示せず）を備えたものである。

排気ガス排出配管系２は、複数の配管と複数のバルブを組み合わせて構成されている。すなわち、排気ガス排出配管系２は、エンジンに繋がる第１配管５と、第１配管５の下流に入口が接続された第１バルブ６と、第１バルブ６の出口に接続されて酸化触媒（diesel oxidation cstslyst；以下、ＤＯＣと呼ぶ）７とＬＮＴ３が組み込まれた第２配管８と、第２配管８の下流に入口が接続された第２バルブ９と、第２バルブ９の出口に接続されてＣＳＦ４が組み込まれた第３配管１０と、第３配管１０の下流に入口が接続された第３バルブ１１と、第３バルブ１１の出口に接続されて下流が大気に繋がる第４配管１２と、第３バルブ１１のもうひとつの出口に接続されて第１配管５の下流まで引き回された第５配管１３と、第５配管１３の下流に入口が接続され、出口が第１バルブ６のもうひとつの入口に接続された第４バルブ１４と、第１バルブ６のもうひとつの出口に接続された第６配管１５と、第６配管１５の下流に入口が接続され第２配管８の下流にもうひとつの入口が接続された第５バルブ１６と、第５バルブ１６の出口に接続されて第３配管１０の上流に繋がる第７配管１７と、第６バルブ１６のもうひとつの出口に接続されて下流が大気に繋がる第８配管１８とを備える。

排気ガス排出配管系２は、複数の配管５，８，１０，１２，１３，１５，１７，１８と複数のバルブ６，９，１１，１４，１６の連結とバルブ開閉の組み合わせにより、通常運転時流路と非通常運転時流路を開通遮断させることができる。

第１バルブ６は、２つの入口と２つの出口を有し、図２に示されるように、第１配管５に接続される入口と第２配管８に接続される出口とを連通させ、かつ、第６配管１５に接続される出口を閉鎖する内部状態と、図３に示されるように、第４バルブ１４に接続される入口と第２配管８に接続される出口とを連通させ、かつ、第１配管５に接続される入口と第６配管１５に接続される出口とを連通させる内部状態とを制御により実現可能である。

第２バルブ９は、１つの入口と１つの出口を有し、図２に示されるように、第２配管８に接続される入口と第３配管１０に接続される出口とを連通させる内部状態と、図３に示されるように、第２配管８に接続される入口と第３配管１０に接続される出口との間を閉鎖する内部状態とを制御により実現可能である。

第３バルブ１１は、１つの入口と２つの出口を有し、図２に示されるように、第３配管１０に接続される入口と第４配管１２に接続される出口とを連通させる内部状態と、図３に示されるように、第３配管１０に接続される入口と第５配管１３に接続される出口とを連通させ、かつ、第４配管１２に接続される出口を閉鎖する内部状態とを制御により実現可能である。

第４バルブ１４は、１つの入口と１つの出口を有し、図２及び図３に示されるように、第５配管１３に接続される入口と第１バルブ６に接続される出口とを連通させる内部状態を制御により実現可能である。なお、第４バルブ１４は、図２において第５配管１３に接続される入口と第１バルブ６に接続される出口の間を閉鎖する内部状態としてもよい。

第５バルブ１６は、２つの入口と２つの出口を有し、図２に示されるように、第２配管８に接続される出口を閉鎖する内部状態と、図３に示されるように、第６配管１５に接続される入口と第７配管１７に接続される出口とを連通させ、かつ、第２配管８に接続される入口と第８配管１８に接続される出口とを連通させる内部状態とを制御により実現可能である。

各バルブ６，９，１１，１４，１６の内部構造と各配管５，８，１０，１２，１３，１５，１７，１８の連結関係は、図１の形態に限定されるものではなく、通常運転時流路と非通常運転時流路をそれぞれ開通遮断させることができれば、どのようなバルブとどのような配管を組み合わせてもよい。また、各バルブ６，９，１１，１４，１６は、全閉・全開の２状態を切り替える方式に限らず、開度調整が可能な方式であってもよい。

制御部は、通常運転時流路と非通常運転時流路をそれぞれ開通遮断させるために、各バルブ６，９，１１，１４，１６に指令を出すコンピュータである。各バルブ６，９，１１，１４，１６の駆動方式は、電磁式、油圧式など、どのような方式でもよい。

図１に示されるように、本発明に係るＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理装置１は、第２配管８内のＤＯＣ７及びＬＮＴ３よりも上流に設置されて排気ガス雰囲気温度を検出するＬＮＴ前温度センサ１９と、第３配管１０内のＣＳＦ４よりも上流に設置されて排気ガス雰囲気温度を検出するＣＳＦ前温度センサ２０とを備える。各温度センサ１９，２０の検出信号は制御部に入力されている。

この他に、制御部は、エンジン内に行う燃料噴射を膨張行程において行うか又はエンジン下流の排気管に燃料噴射を行う制御機能を備え、このような制御によって排気ガスに燃料を加えて燃焼させることができる。

以下、本発明に係るＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理装置１の動作を図２、図３により説明する。

ＮＯｘ吸蔵とスート捕集を行う通常運転時、制御部は、図２のように各バルブを制御することにより、通常運転時流路を開通させて非通常運転時流路を遮断させる。通常運転時流路は、第１配管５、第１バルブ６、第２配管８、第２バルブ９、第３配管１０、第３バルブ１１、第４配管１２を順に経由する流路である。これにより、エンジンからの排気ガスは、ＤＯＣ７、ＬＮＴ３、ＣＳＦ４の順に導かれてから大気に排出される。

次に、ＬＮＴ３の脱硫処理とＣＳＦ４の微粒子燃焼処理を行う非通常運転時に移行しようとするとき、制御部は、エンジン内に行う燃料噴射を膨張行程において行うか又はエンジン下流の排気管に燃料噴射を行うことにより、排気ガスに燃料を加えて燃焼させ、この燃焼によって排気ガスの温度を高める。エンジンからの排気ガスは、図２のように流れるので、第３配管１０内の上流に位置するＣＳＦ前温度センサ２０で排気ガス温度を測定する。

ＣＳＦ前温度センサ２０における排気ガス温度がＣＳＦ４の微粒子燃焼処理に適切な所定温度にまで上昇したとき、制御部は、図３のように第１バルブ６を切り替えて第１配管５から第２配管８への流れを遮断すると共に第１配管５から第６配管１５への流れを開通させ、さらに、第５バルブ１６を切り替えて第６配管１５から第７配管１７への流れを開通させると共に第２配管８から第８配管１８への流れを開通させ、第２バルブ９を切り替えて第２配管８から第３配管１０への流れを遮断する。これにより、燃焼によって温度が高まった排気ガスは、ＬＮＴ３には流れずに、まずＣＳＦ４に流れるようになる。

また、これと同時に、制御部は、ＣＳＦ４より下流に位置する第３バルブ１１を半閉状態（＝開度制御をしている状態）とする。

なお、図３の第３バルブ１１は開度制御による全閉状態を示している。このとき、第３配管１０と第５配管１３が開通され、第４配管１２が閉鎖されている。非通常運転時流路は、第１配管５、第１バルブ６、第６配管１５、第５バルブ１６、第７配管１７、第３配管１０、第３バルブ１１、第５配管１３、第４バルブ１４、第１バルブ６、第２配管８、第５バルブ１６、第８配管１８を順に経由する流路である。これにより、エンジンからの排気ガスは、ＣＳＦ４、ＤＯＣ７、ＬＮＴ３の順に導かれてから大気に排出される。

第３バルブ１１が半閉状態になると、ＣＳＦ４を経由した排気ガスの一部は第４配管１２から大気に排出され、一部は第５配管１３、第４バルブ１４、第１バルブ６を経由してＬＮＴ３に供給される。

ＣＳＦ４においては、高温の排気ガスが流入することにより、それまでに捕集されたＰＭが排気ガス中の酸素やＮＯ₂を使って酸化燃焼される。これにより、ＰＭが除去される（微粒子燃焼処理）。このようなＣＳＦ４におけるＰＭの燃焼により、ＣＳＦ４からは高温の排気ガスが排出される。この排気ガスの一部（又は全部）がＬＮＴ３の上流に還流されるので、ＬＮＴ３における脱硫処理が促進される。詳しく述べると、ＣＳＦ４からの高温の排気ガスはＬＮＴ３の加熱補助熱源となる。これによって、ＬＮＴ３の加熱に必要な燃料投入量が軽減される。

制御部は、第３バルブ１１の開度制御によってＬＮＴ３の上流に還流される排気ガスの量を制御すると共に、燃料噴射量を制御する。制御部は、ＬＮＴ前温度センサ１９が検出するＬＮＴ３の上流の排気ガス温度を監視しつつ、上記還流排気ガス量と燃料噴射量の制御を行うことで、ＬＮＴ３の温度を脱硫処理に必要な７００℃に維持する。

以上説明したように、本発明によれば、通常運転時には排気ガスの流路においてＬＮＴ３の下流にＣＳＦ４が位置している。一方、非通常運転時には排気ガスの流路においてＣＳＦ４の下流にＬＮＴ３が位置している。微粒子燃焼処理により、捕集したＰＭを排気ガス中の酸素やＮＯ₂を使って酸化燃焼させて除去すると、ＣＳＦ４から高温の排気ガスが排出される。ＣＳＦ４からの高温の排気ガスがＬＮＴ３の加熱補助熱源となるので、ＬＮＴ３の加熱に必要な燃料投入量が軽減される。

また、本発明によれば、第３バルブ１１の開度制御によってＬＮＴ３の上流に還流される排気ガスの量を制御するので、大気へ放出される熱量を増減してＬＮＴ３の温度を所望の値に維持することが可能となる。

エンジン始動直後であって、ＬＮＴ３の温度が脱硫処理に必要な温度に到達していない低温状態において、エンジンからの排気ガスをまずＣＳＦ４へ流入させ、第３バルブ１１の開度制御によってＬＮＴ３を通過する排気ガスの量を減らすことでＬＮＴ３の加熱時間を短くすることが可能である。

次に、制御部が行う処理の流れを説明する。

図４に示されるように、制御部は、所定のタイミングでＰＭ再生／Ｓパージ処理モードに入る。ＰＭ再生とはＣＳＦ４の微粒子燃焼処理のことであり、ＳパージとはＬＮＴ３の脱硫処理のことである。

ＰＭ再生／Ｓパージ処理モードに入った制御部は、排気噴射を行う。制御部は、ＣＳＦ前温度センサ２０の出力信号からＣＳＦ前温度センサ２０の温度を求め、ＣＳＦ前温度センサ２０の温度Ｔｃが閾値Ｔ１より高いかどうかを調べる。ＣＳＦ前温度センサ２０の温度Ｔｃが閾値Ｔ１より低いときは、そのまま排気噴射を継続する。ただし、一定温度までＣＳＦ前温度センサ２０の温度が上昇したら膨張行程での燃料噴射のみを中止する。

ＣＳＦ前温度センサ２０の温度Ｔｃが閾値Ｔ１より高いときは、制御部は、バルブＡ，Ｂ，Ｃ，Ｅを図２の状態から図３の状態に切り替える。なお、バルブＡは第１バルブ６、バルブＢは第５バルブ１６、バルブＣは第２バルブ９、バルブＤは第３バルブ１１、バルブＥは第４バルブ１４である。制御部は、バルブＤの開度θｃ＝θ２とする。なお、θ１，θ２，θ３はそれぞれ所定の開度であり、θ１＜θ２＜θ３である。

制御部は、ＬＮＴ前温度センサ１９の出力信号からＬＮＴ前温度センサ１９の温度Ｔｌを求め、ＬＮＴ前温度センサ１９の温度Ｔｌが閾値Ｔ２に等しいかどうかを調べる。ＬＮＴ前温度センサ１９の温度Ｔｌが閾値Ｔ２に等しくないとき、ＬＮＴ前温度センサ１９の温度Ｔｌが閾値Ｔ２より低ければバルブＤの開度θｃをθ３に増やし、ＬＮＴ前温度センサ１９の温度Ｔｌが閾値Ｔ２より高ければバルブＤの開度θｃをθ１に減らす。

ＬＮＴ前温度センサ１９の温度Ｔｌが閾値Ｔ２に等しいときは、制御部は、ＬＮＴ前温度センサ１９の温度Ｔｌが閾値Ｔ３に等しいかどうかを調べる。ＬＮＴ前温度センサ１９の温度Ｔｌが閾値Ｔ３に等しくないとき、ＬＮＴ前温度センサ１９の温度Ｔｌが閾値Ｔ３より低ければ排気噴射量を増やし、ＬＮＴ前温度センサ１９の温度Ｔｌが閾値Ｔ３より高ければ排気噴射量を減らす。ＬＮＴ前温度センサ１９の温度Ｔｌが閾値Ｔ３に等しいときは、制御部は、空気過剰率λ＜１となるように排気噴射を断続的に継続し、一定時間経過したら終了する。

本発明の一実施形態を示すＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理装置の構成図である。図１のＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理装置において、通常運転時流路を開通させて非通常運転時流路を遮断させたときの状態図である。図１のＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理装置において、通常運転時流路を遮断させて非通常運転時流路を開通させたときの状態図である。本発明の一実施形態を示すＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理装置の制御部が実行する処理のフローチャートである。

符号の説明

１ＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理装置
２排気ガス排出配管系
３ＮＯｘ吸蔵器（ＬＮＴ）
４スートフィルタ（ＣＳＦ）

Claims

エンジンから大気まで排気ガスを排出する途中で排気ガスを浄化するためにＮＯｘ吸蔵器とスートフィルタを併用する際に、ＮＯｘ吸蔵とスート捕集を行う通常運転時には、エンジンからの排気ガスをＮＯｘ吸蔵器、スートフィルタの順に導いてから大気に排出し、ＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理とスートフィルタの微粒子燃焼処理を行う非通常運転時には、エンジンからの排気ガスに燃料を加えて燃焼させ、この燃焼によって温度が高まった排気ガスを、微粒子燃焼処理が実施不可能な温度のときに排気ガスをＮＯｘ吸蔵器、スートフィルタの順に導いてから大気に排出し、微粒子燃焼処理が実施可能な温度のときにスートフィルタ、ＮＯｘ吸蔵器の順に導いてから大気に排出することを特徴とするＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理方法。
エンジンから大気まで排気ガスを排出するための排気ガス排出配管系と、ＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵器と、スートを捕集するスートフィルタとを備え、上記排気ガス排出配管系に、エンジンからの排気ガスをＮＯｘ吸蔵器、スートフィルタの順に導いてから大気に排出する通常運転時流路と、エンジンからの排気ガスをスートフィルタ、ＮＯｘ吸蔵器の順に導いてから大気に排出する非通常運転時流路とをそれぞれ開通遮断自在に備え、ＮＯｘ吸蔵とスート捕集を行う通常運転時には、上記通常運転時流路を開通させて上記非通常運転時流路を遮断させ、ＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理とスートフィルタの微粒子燃焼処理を行う非通常運転時には、エンジンからの排気ガスに燃料を加えて燃焼させると共に、微粒子燃焼処理が実施不可能な温度のときに上記通常運転時流路を開通させて上記非通常運転時流路を遮断させ、微粒子燃焼処理が実施可能な温度のときに上記通常運転時流路を遮断させて上記非通常運転時流路を開通させる制御部を備えたことを特徴とするＮＯｘ吸蔵器の脱硫処理装置。