JP5570185B2

JP5570185B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP5570185B2
Application number: JP2009258560A
Authority: JP
Inventors: 雅一矢野
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: JP2011102573A

Description

本発明は、還元剤を排気中に添加して触媒により窒素酸化物を還元除去する排気浄化装置に関する。

エンジンの排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する排気浄化装置として、排気管中に還元触媒を配置し、該還元触媒の上流において排気中に還元剤を添加することによりＮＯｘと還元反応させ、ＮＯｘを無害成分にする、選択触媒還元（Selective Catalytic Reduction：ＳＣＲ）型の排気浄化装置が提案されている。現在普及しているこの種の排気浄化装置は、ＮＯｘに対する還元剤としてアンモニアを使用し、そのアンモニアの前駆体として尿素水をタンクに貯蔵して、該タンクの尿素水を排気中に噴射する方式を採用する。排気中に噴射された尿素水は、加水分解してアンモニアを生成する。

還元剤としてアンモニアを使用するＳＣＲ型の排気浄化装置において、ＮＯｘの浄化性能は排気中のＮＯとＮＯ_２の比率であるＮＯ／ＮＯ_２（ＮＯｘ比とする）に依存し、ＮＯｘ比＝１（ＮＯ：ＮＯ_２＝１：１）のときに最も反応が良好になると言われている。そこで、当該排気浄化装置では、還元触媒の上流に酸化触媒を設置し、排気中のＮＯｘ比を最適値に近づける仕組みを採用する。しかし、排気の温度や流量によって、酸化触媒による酸化が良好に働かない場合があり、特許文献１，２に開示の技術が提案されている。

特許文献１，２に開示された排気浄化装置は、酸化触媒を迂回するバイパスを備え、そのバイパスに排気を流す流量調節弁の開度が、エンジン運転状態に応じて制御される。エンジン運転状態に応じて酸化触媒を迂回する排気流量を調節することにより、還元触媒へ流入する排気中のＮＯｘ比を最適値に制御することができる。

特開２００５−０２３９２１号公報特開２００５−２３３０４６号公報

還元剤としてアンモニアを使用する上記の排気浄化装置において、還元触媒はアンモニア吸着能力をもち、アンモニア（ＮＨ_３）の一部はＮＯ_２と反応してＮＨ_４ＮＯ_３となって該還元触媒に吸着される。このＮＨ_４ＮＯ_３がさらにＮＯと反応することでＮ_２、Ｈ_２Ｏ、ＮＯ_２に分解され、当該ＮＯ_２が再度ＮＨ_３と反応して還元触媒に吸着される。この還元触媒において、排気中のＮＯｘ比が崩れ、ＮＯ_２過剰でＮＯの少ない状況が継続すると、吸着されたＮＨ_４ＮＯ_３が反応できずにアンモニア吸着能力が低下する。還元触媒のアンモニア吸着能力が低下すると、還元触媒を通過して下流へ流れ出すアンモニアが発生し得る。
そこで、排気浄化装置は、還元触媒から漏れ出たアンモニアを酸化処理するために、還元触媒の下流にアンモニア酸化触媒を備えている。このアンモニア酸化触媒においてアンモニアを酸化する際に、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）が生成されることが知られている（論文１）。Ｎ_２Ｏは温暖化物質であるために、その排出は抑制する必要がある。
すなわち、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを除去する排気浄化装置においては、Ｎ_２Ｏの発生も加味した触媒制御を実行する必要がある。

［論文１］・・・「自動車から排出される亜酸化窒素の排出傾向について」・鈴木央一，石井素（交通安全環境研）・交通安全環境研究所フォーラム講演概要・Vol.2008, pp11-14（２００８年１１月２７，２８日）

上記課題を解決するために提案する排気浄化装置は、エンジンの排気管に配設され、排気中の窒素酸化物をアンモニアにより還元反応させる還元触媒と、該還元触媒よりも上流側の前記排気管に配設され、排気中の一酸化窒素を二酸化窒素へ酸化反応させる酸化触媒と、前記還元触媒よりも下流側の前記排気管に配設され、排気中のアンモニアを酸化反応させるアンモニア酸化触媒と、前記酸化触媒に対して並列に前記排気管に接続され、前記酸化触媒を迂回して排気を流すバイパス管と、該バイパス管の排気流量を調節する流量調節弁と、前記エンジンの運転状態に基づいて前記還元触媒におけるアンモニア吸着量を推定し、該推定したアンモニア吸着量に基づいて前記流量調節弁を制御する制御器と、を含んで構成され、前記制御器は、前記エンジンの運転状態に基づいて、前記還元触媒よりも上流の排気における一酸化窒素及び二酸化窒素の比率を最適値とするべく、前記流量調節弁の弁開度を算出し、該算出した弁開度を、前記推定したアンモニア吸着量に基づいて補正する。

上記提案に係る排気浄化装置は、還元触媒のアンモニア吸着状態を推定してバイパス管の排気流量を調節することにより、還元触媒上流の排気におけるＮＯｘ比が、還元触媒のアンモニア吸着能力の変動に応じるように修正される。したがって、還元触媒を通過して下流へ流れるアンモニアが減少し、下流のアンモニア酸化触媒におけるＮ_２Ｏの発生が抑制される。

排気浄化装置の第１実施形態を示した図。排気浄化装置の第２実施形態を示した図。排気浄化装置の第３実施形態を示した図。制御器が実行する流量調節弁制御過程のフローチャート。制御器が実行するアンモニア吸着状態推定過程のフローチャート。制御器が実行する尿素水噴射量制御過程のフローチャート。

以下、排気浄化装置の実施形態に関し、図面を参照して説明する。
本実施形態に係るエンジン１は、一例としてターボチャージャー２を備えたディーゼルエンジンで、エンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）３により運転制御される。エンジン１の排気マニホールドにターボチャージャー２のタービンが接続され、該タービン下流に排気管４が延設されている。

図１に示す第１実施形態に係る排気浄化装置は、排気の上流から下流へ順に排気管４に配設した、酸化触媒１０、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１１、還元触媒１２、アンモニア酸化触媒１３を含んで構成される。そのうち、酸化触媒１０及びＤＰＦ１１が一つの筐体にキャニング（canning）され、還元触媒１２及びアンモニア酸化触媒１３が一つの筐体にキャニングされている。

酸化触媒１０は、ＮＯをＮＯ_２へ酸化反応させて排気中のＮＯｘ比を調整するための触媒で、還元触媒１２よりも上流側、図示の例では全触媒中で最も上流に配設される。この酸化触媒１０と一つの筐体にキャニングして次段に配設されたＤＰＦ１１は、排気中の粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を捕集するフィルタで、ＮＯｘ浄化に関しては必須要素ではないので、異なる配置としてもよい。また、ＤＰＦ１１に触媒物質を担持させて、酸化触媒１０の機能を兼任させることもできる。

これら酸化触媒１０及びＤＰＦ１１を収めた筐体から下流へ延びる排気管４中に、尿素水を噴射する尿素水添加器１４のノズル１４ａが設けられる。尿素水は、アンモニアの前駆体としてタンク１５に貯蔵されており、尿素水添加器１４によってタンク１５から吸い出され、ノズル１４ａから還元触媒１２よりも上流の排気中に噴射される。排気中に噴射された尿素水は、加水分解してアンモニアを生成する。尿素水の噴射量は、エンジンＥＣＵ３から得られるエンジン運転条件（回転速度、負荷等）及び排気中のＮＯｘ濃度に基づいて、排気浄化装置の制御器であるＥＣＵ１６によって制御される。なお、タンク１５には尿素水の濃度や水位を検出するセンサ１５ａが垂下され、判定結果がＥＣＵ１６に入力される。

ノズル１４ａの下流において排気管４に配設された還元触媒１２は、排気中のＮＯｘをアンモニアにより還元反応させる。この還元触媒１２と一つの筐体にキャニングして、次段にアンモニア酸化触媒１３が配設される。還元触媒１２よりも下流側に配設されたアンモニア酸化触媒１３は、還元触媒１２から漏れ出た排気中のアンモニアを酸化反応させる触媒である。

第１実施形態の排気浄化装置は、酸化触媒１０に対し並列にして、バイパス管２０が排気管４に接続されている。すなわち、バイパス管２０は、酸化触媒１０の上流で排気を取り出すと共に酸化触媒１０の下流且つＤＰＦ１１の上流へ排気を導入し、酸化触媒１０を迂回して排気を流す迂回路となる。当該バイパス管２０の途中には、排気の逆流を防ぐ逆止弁２１と、バイパス管２０を流れる排気流量を調節する流量調節弁２２と、が設けられる。流量調節弁２２は、電磁弁や電動弁で、ＥＣＵ１６によって弁開度が調節される。

上記のように酸化触媒１０、ＤＰＦ１１、還元触媒１２、アンモニア酸化触媒１３を配設した排気管４には、ＥＣＵ１６による制御のために排気の状態を検出する排気センサ２３，２４，２５が設けられている。第１の排気センサ２３は、排気浄化装置へ流入する排気の温度、圧力、ＮＯｘ濃度を検出するセンサで、酸化触媒１０よりも上流に設けられる。第２の排気センサ２４は、排気浄化装置から流出する排気の温度、圧力、ＮＯｘ濃度を検出するセンサで、アンモニア酸化触媒１３よりも下流に設けられる。そして、第３の排気センサ２５は、アンモニア濃度を検出するセンサで、還元触媒１２とアンモニア酸化触媒１３との間に設けられる。なお、第３の排気センサ２５は、ＮＯｘ濃度のセンサとすることもできる。

図２は、排気浄化装置の第２実施形態を示す。図中、第１実施形態と共通の要素には同じ符号を付してあり、重複する説明は省略する。
第２実施形態の排気浄化装置では、バイパス管３０が第１実施形態と異なり、第２実施形態に係るバイパス管３０は、酸化触媒１０をキャニングした筐体の一部として形成されている。すなわち、筐体の外周面に当接させてバイパス管３０を這わせるか、あるいは、バイパス管３０も一緒にキャニングするようにして、バイパス管３０が筐体と一体化される。バイパス管３０を筐体の一部とすることにより、酸化触媒１０を迂回して排気を流す制御中に、排気熱がバイパス管３０から筐体へ伝わり、酸化触媒１０及びＤＰＦ１１が保温される。なお、第２実施形態のバイパス管３０にも、逆止弁２１及び流量調節弁２２が設けられる。

図３は、排気浄化装置の第３実施形態を示す。図中、第１実施形態と共通の要素には同じ符号を付してあり、重複する説明は省略する。第３実施形態の排気浄化装置は、バイパス管を二つ備えている。すなわち、第３実施形態は、バイパス管について、一つに限らず、二つ以上備えることも可能であることを示す例である。
第３実施形態に係る第１のバイパス管４０は、第１実施形態のバイパス管２０と同様のもので、排気管４に配設された酸化触媒１０に対して並列に接続され、逆止弁２１及び流量調節弁２２を備えている。このバイパス管４０は、第２実施形態のように、酸化触媒１０をキャニングした筐体の一部として形成することもできる。一方、第３実施形態に係る第２のバイパス管５０は、酸化触媒１０に対して並列に接続され、酸化触媒１０とは違う酸化能力をもった第２の酸化触媒５１を備えている。例えば、第２の酸化触媒５１は、酸化触媒１０よりも低温域において良好な酸化能力を発揮するものとすることができる。第３実施形態において流量調節弁２２は、排気管４及びバイパス管４０，５０のすべてに設けられる。なお、第３実施形態の酸化触媒１０は、ＤＰＦ１１とは別の筐体にキャニングしてあるが、第１実施形態と同様にしてもよい。

以上の各実施形態における制御器のＥＣＵ１６は、エンジンＥＣＵ３から取得したエンジン運転条件と排気センサ２３〜２５の検出結果とを利用して得られるエンジンの運転状態に基づいて、流量調節弁２２、尿素水添加器１４を制御する。当該制御過程について、図４〜図６を参照し説明する。

ＥＣＵ１６は、エンジンスタート後に一定の周期で、図４に示す流量調節弁制御過程を実行する。図４の流量調節弁制御過程においてＥＣＵ１６は、エンジン１の運転状態に基づいて、還元触媒１２よりも上流の排気におけるＮＯｘ比を最適値とするべく、流量調節弁２２の弁開度を算出する。さらに、エンジン１の運転状態に基づいて、還元触媒１２におけるアニモニア吸着状態を推定し、その推定したアンモニア吸着状態に基づいて、前記算出した弁開度を補正する。これにより、還元触媒１２のアンモニア吸着能力の現状を加味したＮＯｘ比が設定され、下流へのアンモニア流出が減少する。本実施形態の例では、エンジン１の運転状態を示すデータとして、排気管４の排気流量、酸化触媒１０の入口温度、還元触媒１２の温度、排気中のＮＯｘ濃度が使用される。

ステップＳ１でＥＣＵ１６は、排気センサ２３から得られる酸化触媒１０の入口温度、そしてエンジンＥＣＵ３から得られる運転条件により算出される排気管４の排気流量を取得して、酸化触媒１０においてＮＯが酸化してＮＯ_２になる率であるＮＯ_２生成率を判断する。この判断は、酸化触媒入口温度及び排気流量をＸＹ軸にしてＮＯ_２生成率をプロットしたマップを予め作成し、該マップをメモリに記憶しておいてアクセスするなどの手法により、実行することができる。

ステップＳ１でＮＯ_２生成率を判断したＥＣＵ１６は、ステップＳ２において、そのＮＯ_２生成率をしきい値と比較する。本例におけるしきい値は「０．５」で、この値は、ＮＯの半分がＮＯ_２へ酸化することを意味する。ステップＳ２でＥＣＵ１６は、ＮＯ_２生成率が０．５以下にある場合は、ＮＯ過多ということになるので、ステップＳ３において、流量調節弁２２を閉弁制御してバイパス管２０（３０，４０）を閉じ、全排気を酸化触媒１０に流して酸化を促す。一方、ＥＣＵ１６は、ＮＯ_２生成率が０．５を超える場合は、ＮＯ_２過多ということになるので、ステップＳ４において、所定の計算式に従って流量調節弁２２の弁開度を算出する。当該計算式は、ＮＯ_２生成率と排気流量とを利用して適宜作成することができる。

第３実施形態のように第２の酸化触媒５１を備えている場合は、エンジン１の運転状態に応じてＥＣＵ１６は、例えば排気の高温領域では酸化触媒１０を使用し、低温領域では第２の酸化触媒５１を使用するように流量調節弁２２を切り換えることができる。そして、ＥＣＵ１６は、その時々で使用中の酸化触媒に関わる上記マップをアクセスしてＮＯ_２生成率を判断し、バイパス管４０の流量調節弁２２に係る弁開度を算出する。

弁開度が算出されるとＥＣＵ１６は、ステップＳ５において、随時実行している図５のサブルーチンによって推定されるアンモニア（ＮＨ_３）吸着状態に基づいて、算出された弁開度を補正する。そして、ＥＣＵ１６は、ステップＳ６において、流量調節弁２２の弁開度制御を実行する。

図５に示すアンモニア吸着状態推定過程で、ＥＣＵ１６は、還元触媒１２におけるアンモニアの吸着量を推定する。ステップＳ１０においてＥＣＵ１６は、還元触媒１２にビルトインされた温度センサにより得られる還元触媒１２の温度と、エンジンＥＣＵ３から得られる運転条件により算出される排気管４の排気流量とに基づいて、排気中におけるアンモニア生成率を判断する。このアンモニア生成率は、還元触媒温度及び排気流量をＸＹ軸にしてアンモニア生成率をプロットしたマップを予め作成し、該マップをメモリに記憶しておいてアクセスするなどの手法により、実行することができる。

アンモニア生成率を判断したＥＣＵ１６は、ステップＳ１１において、現在指示している尿素水噴射量とそのアンモニア生成率とを乗算し、アンモニア生成量を計算する。そして、ＥＣＵ１６は、計算したアンモニア生成量について、ステップＳ１２でＮＯｘ浄化量を減算し、さらにステップＳ１３でアンモニアスリップ量を減算する。ＮＯｘ浄化量は、排気センサ２３で検出されるＮＯｘ濃度と排気センサ２４で検出されるＮＯｘ濃度との差を基にして得られる値で、ＮＯｘの還元反応に使用されたアンモニア量が推定される。アンモニアスリップ量は、排気センサ２５で検出されるアンモニア濃度を基に得られる値で、還元触媒１２を通過して流れ出たアンモニア量を示す。これらの値が示すアンモニアの量は、還元触媒１２に吸着されていないものとして、アンモニア生成量から減算する。なお、排気センサ２５がＮＯｘセンサである場合は、その他の排気センサ２３，２４によるＮＯｘ濃度との関係から計算したり、該関係のマップをアクセスすることで、アンモニアスリップ量とすることができる。

ＥＣＵ１６は、以上の演算により得たアンモニア生成量を、ステップＳ１４において、前回のアンモニア吸着状態推定過程の実行で推定されたアンモニア吸着量に合算する。そして、ＥＣＵ１６は、ステップＳ１５において、アンモニア吸着量を更新して次回用に記憶し、ステップＳ１０へ戻って次のアンモニア吸着状態推定過程を実行する。

図４のステップＳ５において、ＥＣＵ１６は、図５のステップＳ１５で得られたアンモニア吸着量に基づいて、還元触媒１２においてＮＨ_３の吸着量が多いのか、それともＮＨ_４ＮＯ_３の吸着量が多いのか、判断する。当該判断は、還元触媒１２の特性に応じて予め作成したマップを、ステップＳ１５のアンモニア吸着量でアクセスすることにより行うことができる。そして、ＥＣＵ１６は、還元触媒１２におけるアンモニア吸着状態について、ＮＨ_４ＮＯ_３の吸着量が多いと判断した場合には、バイパス管２０（３０，５０）の流量調節弁２２の弁開度を、閉じる方に補正する。すなわち、排気中のＮＯが増える方に補正し、ＮＨ_４ＮＯ_３の反応を促すことで、還元触媒１２のアンモニア吸着能力を改善する。当該補正値の決定も、予めマップを作成しておくことで実行することができる。

このように、ＥＣＵ１６が、還元触媒１２のアンモニア吸着状態を推定して弁制御を実行し、バイパス管２０（３０，４０）の排気流量を調節することにより、還元触媒１２よりも上流の排気におけるＮＯｘ比が、還元触媒１２のアンモニア吸着能力の変動に応じるように修正される。したがって、還元触媒１２を通過して下流へ流れるアンモニアが減少し、下流のアンモニア酸化触媒１３におけるＮ_２Ｏの発生が抑制される。

以上の流量調節弁２２に対する弁開度制御に加えて、本実施形態のＥＣＵ１６は、尿素水噴射量の増減制御も実行し、還元触媒１２のアンモニア吸着能力の改善を促進する。当該尿素水噴射量制御過程のフローチャートを図６に示している。

ＥＣＵ１６は、エンジンＥＣＵ３から得られるエンジン運転条件に加え、ステップＳ２０において、排気センサ２３により検出される酸化触媒１０の入口のＮＯｘ濃度に従って、尿素水添加器１４に指示する尿素水噴射量を判断する。そして、ＥＣＵ１６は、次のステップＳ２１において、図５のアンモニア吸着状態推定過程によって推定されているアンモニア吸着量を、還元触媒１２のアンモニア吸着特性に従うアンモニア吸着量最大値と比較する。この最大値は、還元触媒１２が吸着し得るアンモニア量の最大値のことで、実測値あるいは設計値を予めメモリに記憶させたものである。

ステップＳ２１の比較の結果、アンモニア吸着量が最大値に達していない場合、ＥＣＵ１６は還元反応を促すために、ステップＳ２２において、尿素水添加器１４に指示する噴射量を増量補正する。一方、ステップＳ２１の結果、アンモニア吸着量が最大値以上になっている場合、ＥＣＵ１６はＮ_２Ｏの発生を抑制するために、ステップＳ２３において、尿素水添加器１４に指示する噴射量を減量補正する。排気中に添加される尿素水量が少なくなればアンモニアの量も減少し、還元触媒１２の下流へ流出するアンモニアスリップ量を抑制することができる。ＥＣＵ１６は、ステップＳ２４において、ステップＳ２２の増量補正又はステップＳ２３の減量補正を行った尿素水噴射量を指示して尿素水添加器１４の噴射制御を実行し、リターンする。以降、ＥＣＵ１６は、所定の周期で図６の尿素水噴射量制御過程を実行する。

１エンジン
２ターボチャージャー
３エンジンＥＣＵ
４排気管
１０酸化触媒
１１ＤＰＦ
１２還元触媒
１３アンモニア酸化触媒
１４尿素水添加器
１５尿素水タンク
１６ＥＣＵ（制御器）
２０，３０，４０，５０バイパス管
２１逆止弁
２２流量調節弁
２３，２４，２５排気センサ
５１第２の酸化触媒

Claims

エンジンの排気管に配設され、排気中の窒素酸化物をアンモニアにより還元反応させる還元触媒と、
該還元触媒よりも上流側の前記排気管に配設され、排気中の一酸化窒素を二酸化窒素へ酸化反応させる酸化触媒と、
前記還元触媒よりも下流側の前記排気管に配設され、排気中のアンモニアを酸化反応させるアンモニア酸化触媒と、
前記酸化触媒に対して並列に前記排気管に接続され、前記酸化触媒を迂回して排気を流すバイパス管と、
該バイパス管の排気流量を調節する流量調節弁と、
前記エンジンの運転状態に基づいて前記還元触媒におけるアンモニア吸着量を推定し、該推定したアンモニア吸着量に基づいて前記流量調節弁を制御する制御器と、
を含んで構成され、
前記制御器は、
前記エンジンの運転状態に基づいて、前記還元触媒よりも上流の排気における一酸化窒素及び二酸化窒素の比率を最適値とするべく、前記流量調節弁の弁開度を算出し、
該算出した弁開度を、前記推定したアンモニア吸着量に基づいて補正する、
排気浄化装置。
前記バイパス管が、前記酸化触媒の筐体の一部として形成されている、
請求項１記載の排気浄化装置。
アンモニアの前駆体として尿素水を前記還元触媒よりも上流の排気中に噴射する尿素水添加器が設けられ、
前記制御器は、前記推定したアンモニア吸着量に基づいて前記尿素水の噴射量も制御する、
請求項１又は請求項２記載の排気浄化装置。