JP5458090B2 - ディーゼル排気ガスを処理するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、概してディーゼル排気ガスを処理するためのシステムおよび方法、より詳しくは非定常ディーゼル排気ガスを処理するためのシステムおよび方法に関連する。

ディーゼルエンジンは、気相の炭化水素および一酸化炭素の排出が少ない傾向があるが、窒素酸化物（ＮＯｘ）および微粒子の排出は比較的高い傾向を持つ。ＮＯｘおよび微粒子の排出基準がさらに厳しくなるにつれて、これらの排出物を削減するための戦略を考え出すことがますます重要になる。

ディーゼルエンジンでは、エンジン排気から微粒子をフィルタリングするためエンジンの下流にＤＰＦが使用される。ＤＰＦでの煤煙の収集が多すぎる場合、煤煙が非制御状態で燃焼してＤＰＦに亀裂を生じさせるかこれを溶融させることがある。この現象は、「制御不能」または非制御再生と呼ばれることがある。他の問題は、エンジン背圧の上昇など、ＤＰＦにおける過剰な煤煙蓄積からも生じ、これはエンジン動作に悪影響を与え、燃費に影響を及ぼす。

制御不能再生など上述した問題を回避するため、普通はＤＰＦに深刻なダメージを与えることのない制御状態でのいわゆる能動的再生動作を通して煤煙を燃焼させることにより、ＤＰＦは周期的にクリーニングされる。ＮＯ_２＋Ｃ→ＮＯ＋ＣＯおよび２ＮＯ_２＋２Ｃ→Ｎ_２＋ＣＯ_２の反応により、フィルタ内の炭素は排気ガス流中のＮＯ_２と反応する。望ましい反応である２ＮＯ_２＋２Ｃ→Ｎ_２＋ＣＯ_２に達するため、炭素煤煙粒子は一般的に５００〜５５０℃を越える温度を必要とする。これらの温度は一般的なディーゼル排気温度よりはるかに高い。

この問題の解決法は、一般的に「能動的」再生と呼ばれる技術である再生に適した温度まで排気流温度を上昇させるようにバーナまたは電気コイルなどのヒータをＤＰＦの上流に設置することである。能動的再生の結果、効率の損失とフィルタへの熱応力が生じ、その使用を制限することが望ましい。また、「制御不能」再生、本質的には非制御燃焼が発生してフィルタにダメージを与えないようにするため、注意が払われなければならない。

能動的再生に代わるのは、いわゆる受動的再生である。蓄積された粒子と排気流中の酸素（通常はＯ_２およびＮＯ_２の形）との間の反応は、普通、何らかの粒子の酸化という結果を生じるのが自然である。しかし普通の排気温度では、蓄積された粒子を除去するには受動的再生では概して時間がかかり過ぎる。ＤＰＦの効率的な動作を維持するのに充分な受動的再生を行うために、触媒を使用できる。触媒は、ＤＰＦの上流に設けられて排気流中のＮＯをＮＯ_２に転換することにより、ＮＯ_２がＤＰＦ内の粒子と反応する時に受動的再生を促進する、いわゆるディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）でよい。

ＮＯｘ排出物を削減するため、選択的触媒還元触媒（ＳＣＲ）または希薄ＮＯｘ触媒（ＬＮＣ）などのＮＯｘ触媒が、排気流中に設けられるとよい。ＳＣＲ触媒は現在最も一般的であり、沸石またはＶ／Ｔｉなどの触媒にＮＨ_３を用いてＮＯｘ排出物をＮ_２に還元する際に非常に効率的である。しかし、これらの触媒は一般的に、車両の用途で使用されるディーゼルエンジンの排気温度をたいてい上回る＞３００℃など比較的高い温度で最も効率的な動作を行う。

微粒子状物質を効率的に除去してＮＯｘ排出物を削減することのできる、ディーゼル排気ガスを処理するためのシステムおよび方法を提供することが望ましい。

本発明の一態様によれば、ディーゼル排気ガスを処理するためのシステムは、ディーゼル排気流を発生させるためのエンジンと、排気流から微粒子を除去するのに適したエンジン下流のディーゼル微粒子フィルタと、フィルタの能動的再生を誘発するのに充分な量のエネルギーを排気流に伝達するのに適したフィルタ上流のヒータと、排気流がディーゼル酸化触媒のライトオフ温度を上回る時にフィルタの受動的再生を誘発するのに適したヒータ上流のディーゼル酸化触媒とを包含する。

本発明の別の態様によれば、ディーゼル排気ガスを処理するためのシステムは、ディーゼル排気流を発生させるためのエンジンと、排気流から微粒子を除去するのに適したエンジン下流のディーゼル微粒子フィルタと、排気流へエネルギーを伝達するのに適したフィルタ上流のヒータと、ヒータ下流のＮＯｘ還元触媒とを包含する。

本発明のまた別の態様によれば、ディーゼル排気ガスを処理するための方法は、ディーゼルエンジンを用いてディーゼル排気流を発生させることと、エンジン下流のディーゼル微粒子フィルタを用いて排気流から微粒子を除去することと、フィルタの能動的再生を誘発するのに充分な量のエネルギーをヒータからフィルタ上流の排気流へ周期的に伝達することと、フィルタの受動的再生を誘発するようにヒータ上流のディーゼル酸化触媒をディーゼル酸化触媒のライトオフ温度まで周期的に加熱することとを包含する。

本発明のまた別の態様によれば、ディーゼル排気ガスを処理するための方法は、ディーゼルエンジンを用いてディーゼル排気流を発生させることと、エンジン下流のディーゼル微粒子フィルタを用いて排気流から微粒子を除去することと、ＮＯｘ還元触媒を用いて排気流中のＮＯｘ還元を誘発することと、ＮＯｘ還元触媒によるＮＯｘ還元に最適な範囲の温度までＮＯｘ還元触媒の温度を上昇させるのに充分なエネルギーをヒータからＮＯｘ還元触媒の上流へ伝達することとを包含する。

同様の数字が類似の要素を指す図面とともに以下の詳細な説明を読むことで、本発明の特徴および長所がよく理解される。
本発明の一態様によるディーゼル排気ガスを処理するためのシステムの概略図である。 本発明の別の態様によるディーゼル排気ガスを処理するためのシステムの概略図である。

本発明の一態様によるディーゼル排気ガスを処理するためのシステムが、図１に見られる。システム２１は、ディーゼル排気流を発生させるためのエンジン２３を含む。ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）２５は、エンジン下流の排気ライン２７に配置されて、排気流から微粒子を除去するのに適している。ヒータ２９は、ＤＰＦ２５の上流に配置され、ＤＰＦの能動的再生を誘発するのに充分な量のエネルギーを排気流へ伝達するのに適している。ヒータ２９は、バーナ、電気コイル、ディーゼル酸化触媒など適当なタイプのものでよい。

ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）３１は、ヒータ２９の上流に配置され、排気流がＤＯＣのライトオフ温度を上回る時にＤＰＦの受動的再生を誘発するのに適している。ヒータ２９がディーゼル酸化触媒を含む場合には、ＤＯＣ３１は異なるディーゼル酸化触媒である。ヒータ２９の一部または全体を形成するディーゼル酸化触媒は、能動的再生を誘発するのに充分な温度までＤＰＦ２５の上流の温度を上昇させるのに適したタイプのものである。一般的にＤＯＣ３１は、通常は普通のディーゼル排気温度において排気流中のＮＯをＮＯ_２にするのに適したタイプものであろう。

この態様によるシステム２１では、排気流温度がＤＯＣ３１のライトオフ温度を上回る時に受動的再生を通してＤＰＦ２５の再生が行われ、適切な受動的再生を可能にするには排気流温度が低過ぎる時には、ヒータ２９が作動して能動的再生を誘発する。能動的再生には、ＤＰＦ２５の上流において排気流温度を約６５０℃まで上昇させることが普通は望ましいが、ＤＰＦに酸化触媒が設けられてもよく、その場合には、およそ６００〜６２５℃など排気流の温度が低くなる。

ヒータ２９の下流にＮＯｘ還元触媒３３（点線で示されている）が設けられてもよい。ＮＯｘ還元触媒３３は普通、ＤＰＦ２５の下流に設けられる。ヒータ２９は、３００℃より高い温度など、触媒によるＮＯｘ還元に最適な範囲の温度まで排気流温度を上昇させるのに適している。酸化触媒は、ＤＰＦ２５に設けられる時には、ＮＯｘ還元触媒における高速で低温のＮＯｘ還元に望ましいＮＯ／ＮＯ_２比（通常は約１：１）を発生させるように考えられたタイプのものでよい。ＤＰＦ２５に酸化触媒を設けると、ＤＰＦの能動的再生に必要な温度を低下させ、ＮＯｘ還元触媒３３へ流入する排気ガスを調節する。加えて、ＤＰＦ２５の酸化触媒は、ヒータの上流にＤＯＣがあるかどうかに関係なく、触媒ライトオフ温度に達した時にＤＰＦにおける受動的再生の活動度を上昇させるように生成されるとよい。

ヒータ２９の動作を制御するために、適当なコンピュータなどの制御装置３５が設けられるとよい。排気流の温度を検知するために温度センサ３７が設けられるとよい。温度センサ３７は、排気流の温度に対応する信号を制御装置３５に送信し、制御装置は温度信号に応じてヒータを制御する。例えば、ＤＯＣのライトオフ温度を下回る温度に対応する信号を温度センサ３７が制御装置３５へ送信し、充分な時間（必ずしも連続する長さの時間ではない）にわたって温度がライトオフ温度を下回っていると制御装置が判断して、背圧など他の要因を検討する特定システムのためのモデルに従ってＤＰＦ２５の再生が必要であると予想される場合には、ＤＰＦの能動的生成を誘発するのに充分なエネルギーを伝達するように制御装置がヒータ２９の制御を開始する。

温度センサ３７から制御装置３５への信号は、ＮＯｘ還元に最適な温度範囲まで排気流温度を上昇させるのに充分なエネルギーのみを伝達するように制御装置にヒータ２９を制御させるのにも使用される。ＮＯｘレベルを低下させるのに充分な熱を排気流へ伝達するように制御装置にヒータ２９を制御させる信号を提供するＮＯｘセンサ３９からの信号を、制御装置３５が受信するとよい。温度センサ３８およびＮＯｘセンサからの温度とＮＯｘレベルの一方または両方を含む多様な信号および入力に応じて、制御装置３５はヒータ２９を制御できる。多数の温度センサ、多数のＮＯｘセンサ、多数の他のセンサがシステム２１に設けられて、必要に応じて触媒の性能または再生を最適化するようにヒータ２９が制御され得ることは、言うまでもない。

本発明の一態様によるディーゼル排気ガスを処理するための方法では、ディーゼル排気流が発生され、エンジン２３の下流のディーゼル微粒子ＤＰＦ２５を用いて排気流から微粒子が除去される。ヒータ２９は、ＤＰＦの能動的再生を誘発するのに充分な量のエネルギーを、ＤＰＦ２５の上流の排気流へ周期的に伝達する。ヒータ２９の上流のＤＯＣ３１は、ＤＰＦの受動的再生を行うようにＤＯＣのライトオフ温度まで周期的に加熱される。エンジン排気流が高温になるようにエンジン２３への負荷を増大すること、または別のヒータ（不図示）を用いて排気流を加熱することなどにより、ＤＯＣ３１は適当な手段によってライトオフ温度まで加熱される。ヒータ２９の下流の排気流からＮＯｘを除去するため、ＮＯｘ還元触媒３３が設けられてもよい。

ヒータ２９の動作を制御するため排気流の温度に対応する信号を制御装置３５へ送信できる温度センサ３７によって、排気流の温度が送信されるとよい。（触媒使用または触媒不使用のＤＰＦについて）最適なＤＰＦ２５再生温度、および／または特定のＮＯｘ還元触媒３３によるＮＯｘ還元に最適な温度に到達するように排気流の温度を調整するための温度信号に応じて、ヒータ２９が制御装置３５により制御されるとよい。

図２は、本発明の別の態様によるディーゼル排気流を処理するためのシステム１２１を示す。システム１２１は、ディーゼル排気流を発生させるためのエンジン１２３と、排気流から微粒子を除去するのに適したエンジン下流の排気ライン１２７内のＤＰＦ１２５と、排気流へエネルギーを伝達するのに適したＤＰＦの上流のヒータ１２９と、ヒータの下流のＮＯｘ還元触媒１３３とを含む。

システム１２１は、ヒータ１２９により排気流へ伝達されるエネルギーの量を調整してＮＯｘ還元触媒１３３の最適性能を達成するように構成されるとよい。ＮＯｘ還元触媒の性能を最適化するのに充分なエネルギーを排気流に伝達できることに加えて、ヒータ１２９は、ヒータにより排気流へ伝達されるエネルギーの量を調整して、通常、触媒不使用ＤＰＦについてはＤＰＦの上流で約６５０℃、ディーゼル酸化触媒コーティングを有する触媒使用ＤＰＦについては約６００〜６２６℃で、ＤＰＦ１２５の能動的再生を誘発するように構成されるとよい。

ヒータ１２９の上流には、ＤＯＣ１３１（点線で示されている）が設けられるとよい。ＤＯＣ１３１は、排気流がＤＯＣのライトオフ温度を上回る時にＤＰＦ１２５の受動的再生を誘発するのに適している。

ヒータ１２９の動作を制御するために制御装置１３５が設けられるとよい。排気流の温度を検知して排気流の温度に対応する信号を制御装置１３５へ送信するために、温度センサ１３７が設けられるとよい。ＮＯｘ還元触媒に最適な性能を達成するため、および／またはＤＰＦの能動的再生を誘発するため、制御装置１３５は温度信号に応じてヒータ１２９を制御するとよい。通常は、関連する特定のシステムについてのモデルに基づいて、ヒータ１２９の動作が開始されるべき時を判断するための入力を制御装置１３５へ提供するように、ＮＯｘセンサ１３９など他のセンサが設けられるとよい。

本発明の一態様によるディーゼル排気ガスを処理するための方法では、ディーゼル排気流はエンジン１２３により発生される。エンジン１２３の下流のディーゼル微粒子ＤＰＦ１２５を用いて、排気流から微粒子が除去される。ＮＯｘ還元触媒１３３は、排気流中のＮＯｘ排出物を還元する。ＮＯｘ還元触媒によるＮＯｘ還元に最適な範囲の温度までＮＯｘ還元触媒の温度を上昇させるのに充分なエネルギーが、ＮＯｘ還元触媒１３３の上流においてヒータ１２９からの排気流に伝達される。ＤＰＦ１２５の能動的再生を誘発するのに充分な温度まで排気流の温度を上昇させるのに充分な量のエネルギーが、加えて、または代わりに、ヒータ１２９から排気流へ伝達されてもよい。排気ガス流へのエネルギーの伝達を調整してＮＯｘ還元に最適な温度を得る、および／またはＤＰＦ１２５の能動的再生のための温度に達するように、制御装置１３５はヒータ１２９の動作を制御するとよい。

本出願において、“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”（を含む）などの語の使用は非限定的であり、“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”（を包含する）などの語と同じ意味を持ち、他の構造、材料、作用の存在を除外しないものとする。同様に“ｃａｎ”または“ｍａｙ”などの語の使用は非限定的であって構造、材料、作用が必須ではないことを表すものとするが、このような語が使用されなくても、構造、材料、作用が不可欠であることを表す意図はない。構造、材料、作用が現時点で不可欠であると考えられる限り、そのように明記される。

好適な実施形態について本発明を図示および説明したが、請求項に記載された発明から逸脱することなく変形および変更が行われてもよいことは認められている。

２１，１２１ システム
２３，１２３ エンジン
２５，１２５ ＤＰＦ（ディーゼル微粒子フィルタ）
２７，１２７ 排気ライン
２９，１２９ ヒータ
３１，１３１ ＤＯＣ（ディーゼル酸化触媒）
３３，１３３ ＮＯｘ還元触媒
３５，１３５ 制御装置
３７，１３７ 温度センサ
３９，１３９ ＮＯｘセンサ

Claims (4)

1. ディーゼル排気流を発生させるためのエンジンと、
   前記排気流から微粒子を除去するのに適した、前記エンジンの下流のディーゼル微粒子フィルタと、
   前記フィルタの能動的再生を誘発するのに充分な量のエネルギーを前記排気流に伝達するのに適した、前記フィルタの上流のヒータと、
   前記排気流がディーゼル酸化触媒のライトオフ温度を上回る時に前記フィルタの受動的再生を誘発するのに適した、前記ヒータの上流のディーゼル酸化触媒と、
   前記ヒータの下流にＮＯｘ還元触媒と、
   前記ヒータの動作を制御するための制御装置と、
   前記ディーゼル微粒子フィルタの上流に位置し、前記排気流の温度を検知して前記排気流の前記温度に対応する信号を前記制御装置に送信するための温度センサと、
   前記排気流のＮＯｘ濃度を検知して前記排気流の前記ＮＯｘ濃度に対応する信号を前記制御装置に送信するためのＮＯｘセンサと、
   を包含し、
   前記制御装置が前記温度信号及び前記ＮＯｘ濃度信号に応じて前記ヒータを制御し、前記排気流の温度が一定持続時間を上回って前記ディーゼル酸化触媒のライトオフ温度を下回っていると前記排気流の温度信号が示す場合には、前記排気流に熱を伝達するために前記ヒータを制御する、
   ディーゼル排気ガスを処理するためのシステム。
2. 前記ＮＯｘ還元触媒が前記ＤＰＦの下流の触媒を構成する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記フィルタをコーティングする酸化触媒を包含する、請求項１に記載のシステム。
4. ディーゼルエンジンを用いてディーゼル排気流を発生させることと、
   前記エンジンの下流のディーゼル微粒子フィルタを用いて前記排気流から微粒子を除去することと、
   前記フィルタの能動的再生を誘発するのに充分な量のエネルギーをヒータから前記フィルタの上流の前記排気流へ周期的に伝達することと、
   前記フィルタの受動的再生を誘発するように、前記ヒータの上流のディーゼル酸化触媒を前記ディーゼル酸化触媒のライトオフ温度まで周期的に加熱することと、
   前記ヒータの下流のＮＯｘ還元触媒を用いてＮＯｘ還元を誘発することと、
   前記ディーゼル微粒子フィルタの上流で前記排気流の温度を検知することと、
   前記排気流のＮＯｘ濃度を検知することと、
   前記ヒータの動作を制御するための制御装置に前記排気流の前記温度に対応する信号、及び前記排気流の前記ＮＯｘ濃度に対応する信号を送信することと、
   前記温度信号及び前記ＮＯｘ濃度信号に応じて前記ヒータを制御することと、
   を包含し、
   前記制御装置が前記排気流の温度が一定持続時間を上回って前記ディーゼル酸化触媒のライトオフ温度を下回っていると前記排気流の温度信号が示す場合には、前記排気流に熱を伝達するために前記ヒータを制御する、
   ディーゼル排気ガスを処理するための方法。

Images