JP5713612B2

JP5713612B2 - 排気浄化装置の制御方法

Info

Publication number: JP5713612B2
Application number: JP2010202876A
Authority: JP
Inventors: 卓俊古川; 芳弘橋詰
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: JP2012057567A

Description

本発明は、排気浄化装置の制御方法に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス中のＯ₂濃度が低下した時に未燃ＨＣやＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたＮＯx吸蔵還元触媒を排気管の途中に装備し、このＮＯx吸蔵還元触媒によりＮＯxの排出濃度を低減することが行われている。

ただし、ＮＯx吸蔵還元触媒においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、ＮＯxの吸蔵量が飽和量に達する前にＮＯx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスのＯ₂濃度をＨＣ等の還元剤により低下させてＮＯxを分解放出させる必要がある。

例えば、ガソリンエンジンに使用した場合であれば、機関の運転空燃比を低下（機関をリッチ空燃比で運転）することにより、排気ガス中のＯ₂濃度を低下し且つ排気ガス中の未燃ＨＣやＣＯ等の還元成分を増加してＮＯxの分解放出を促すことができるが、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼルエンジンの排気浄化装置として使用した場合には機関をリッチ空燃比で運転することが困難である。

このため、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼルエンジンの排気浄化装置として使用する場合には、ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で排気ガス中に燃料を添加することにより、この添加燃料から生じたＨＣを還元剤としてＮＯx吸蔵還元触媒上でＯ₂と反応させて排気ガス中のＯ₂濃度を低下させる必要がある。

ただし、このようにＮＯx吸蔵還元触媒の上流側で燃料添加を行う方式では、その添加燃料が蒸発して生じたＨＣの一部がＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で排気ガス中のＯ₂と反応（燃焼）し、ＮＯx吸蔵還元触媒の周囲の雰囲気中におけるＯ₂濃度が零となってからＮＯxの分解放出が開始されることになるため、ＮＯx吸蔵還元触媒の表面上でＨＣがＯ₂と反応（燃焼）するのに必要な燃焼温度（約３００℃）が得られない運転条件下（例えば渋滞の多い都市内での徐行運転等）では、ＮＯx吸蔵還元触媒からＮＯxを効率良く分解放出させることができず、ＮＯx吸蔵還元触媒の再生が効率良く進まないことで触媒の容積中に占めるＮＯx吸蔵サイトの回復割合が小さくなって吸蔵能力が落ちるという懸念があった。

このため、ＮＯx吸蔵還元触媒の前段に添加燃料をＨ₂とＣＯに分解し得る改質触媒を配設し、反応性の高いＨ₂及びＣＯにより比較的低い温度領域から高いＮＯx低減率を得られるようにすることが考えられており、事実、図５にグラフで示す通り、特にＨ₂を還元剤とした場合には、ＨＣを還元剤とした場合と比較して極めて顕著な性能向上となることが確認されている。

尚、この種の排気浄化装置に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特開２００７−９７１８号公報

しかしながら、改質触媒により添加燃料をＨ₂とＣＯに分解するためには、改質触媒の床温度を約６００℃程度（燃料改質温度：この温度は一般的な改質触媒の場合で例示したもので改質触媒の種類により異なるものである）まで昇温させた上、Ｏ₂濃度が零の燃料リッチ雰囲気を形成する必要があるため、改質触媒の床温度を約６００℃程度まで昇温させるために余分な燃料添加を行う必要が生じる。

先の図５のグラフにも示されている通り、排気温度が約３５０℃以上となっていれば、ＨＣを還元剤とした場合であっても約８０％もの高いＮＯx低減率が得られることが判っており、このような排気温度の高い温度領域においては、Ｈ₂を還元剤とした場合との性能差が小さいため、Ｈ₂を還元剤とするメリットを差し引いても燃費悪化のデメリットが大きいという問題があった。

また、図６にグラフで示す如く、一般的なＮＯx吸蔵還元触媒の飽和吸蔵量は、約３００℃近辺をピーク温度として、このピーク温度に到達するまで触媒床温度の上昇に応じて増加するものの、ピーク温度を超えて更に触媒床温度が上昇すると逆に低下してしまう性質となっているため、排気温度が比較的高い運転状態で改質触媒の床温度を約６００℃程度まで昇温させる燃料添加を実施すると、ＮＯx吸蔵還元触媒の床温度も上昇してＮＯxの飽和吸蔵量の低下を招き、ＮＯx吸蔵還元触媒の吸蔵能力が大幅に下がってしまうという問題もあった。

即ち、改質触媒の床温度を約６００℃程度まで昇温させるための燃料添加によりＮＯx吸蔵還元触媒の飽和吸蔵量が低下して吸蔵能力が下がってしまうと、排気空燃比をリーンとしてＮＯxを吸蔵する間隔を短縮せざるを得なくなり、これにより燃料添加を頻繁に行わなければならなくなって、更なるＮＯx吸蔵還元触媒の温度上昇を招いてしまうという悪循環に陥り、せっかく反応性の高いＨ₂を生成しても、ＮＯx低減率の向上にうまく繋がらなくなるという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、従来より燃費悪化を改善しながらも、性能低下を招くことなく高いＮＯx低減率を維持し得るようにした排気浄化装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、排気管の途中にＮＯｘ吸蔵還元触媒を装備し、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒の入側に燃料を添加し且つその添加燃料を改質触媒によりＨ₂とＣＯに分解して前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に導き得るようにした排気浄化装置の制御方法であって、前記改質触媒が添加燃料をＨ ₂ とＣＯに分解し得る温度である燃料改質温度を下まわり且つＮＯｘ吸蔵還元触媒にてＨＣを還元剤として所定以上のＮＯｘ低減率が得られる排気温度を基準温度とし、排気温度が基準温度を下まわる時に燃料リッチ雰囲気にまで到らない範囲内で第一の燃料添加を実施して改質触媒の床温度を燃料改質温度まで昇温せしめ且つこの第一の燃料添加に続いて燃料リッチ雰囲気を形成するための第二の燃料添加を実施する一方、排気温度が基準温度以上の時には前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の床温度の上昇を抑えるよう前記第一の燃料添加を中止して第二の燃料添加のみを実施するように燃料添加制御を行うことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、排気温度が基準温度を下まわる時に、第一の燃料添加が実施され、その添加された燃料が改質触媒にて周囲に共存するＯ₂と反応して改質触媒の床温度が燃料改質温度まで昇温されると共に、この第一の燃料添加に続き第二の燃料添加が実施され、改質触媒の周囲にＯ₂濃度が零の燃料リッチ雰囲気が形成されるので、雰囲気中に残存する燃料が改質触媒にてＨ₂とＣＯに分解されてＮＯx吸蔵還元触媒に供給され、その供給直後から雰囲気中のＯ₂濃度が零となってＮＯxの分解放出が直ちに開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯにより、ＨＣを還元剤とした場合よりも低い温度からＮＯxが効率良くＮ₂に還元処理されることになる。

一方、排気温度が基準温度以上の時には、前記第一の燃料添加が中止されて第二の燃料添加のみが実施されるが、基準温度以上に排気温度が高まっていれば、ＨＣを還元剤としても所定以上の十分に効果的なＮＯx低減率を得ることが可能であり、第一の燃料添加の中止による性能低下を招かなくて済む。

寧ろ基準温度以上の排気温度の高い温度領域で第二の燃料添加により燃料リッチ雰囲気が形成されることで、燃料改質温度まで昇温させなくても微量のＨ₂、ＣＯ、高活性のＨＣを改質触媒にて生成することが可能であり、改質触媒なしでＨＣを還元剤とした場合よりも高いＮＯx低減率が得られる。

しかも、これまで改質触媒の昇温に用いていた第一の燃料添加の分が削減されることで燃費悪化の大幅な改善が図られると共に、第一の燃料添加による改質触媒の昇温が行われないことでＮＯx吸蔵還元触媒の床温度の上昇が抑えられて飽和吸蔵量の低下が抑制され、ＮＯx吸蔵還元触媒の吸蔵能力の大幅な低下が防止される。

また、本発明においては、第一の燃料添加の開始時に燃料添加量を徐々に増やすように徐変制御を行うことが好ましく、このようにすれば、改質触媒の床温度が低くて触媒活性が落ちている状態で処理能力を超えた過剰な量の燃料添加が行われることが防止され、このような処理能力を超えた燃料添加による床温度の低下（燃料冷却）が回避されて極めて効率の良い反応熱の発生が促され、改質触媒の床温度を燃料の添加開始から早期に温度上昇させることが可能となる。

尚、本発明において、燃料添加制御を切り替えるための排気温度の基準温度を設定するにあたっては、ＨＣを還元剤とした場合に少なくとも８０％のＮＯx低減率が得られる排気温度を基準温度として設定すると良い。

上記した本発明の排気浄化装置の制御方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）排気温度が基準温度を下まわる時に第一の燃料添加により改質触媒の床温度を燃料改質温度まで昇温させ、これに続く第二の燃料添加により改質触媒の周囲にＯ₂濃度が零の燃料リッチ雰囲気を形成し、添加燃料をＨ₂とＣＯに分解してＮＯx吸蔵還元触媒に供給することで、ＨＣを還元剤とした場合よりも低い温度からＮＯxを効率良くＮ₂に還元処理することができ、しかも、排気温度が基準温度以上の時に前記第一の燃料添加を中止して第二の燃料添加のみを実施し、基準温度以上の排気温度の高い温度領域で燃料リッチ雰囲気を形成することで燃料改質温度まで昇温させなくても微量のＨ₂、ＣＯ、高活性のＨＣを改質触媒にて生成し、改質触媒なしでＨＣを還元剤とした場合よりも高いＮＯx低減率を得ることができ、更には、第一の燃料添加による改質触媒の昇温を実施しないことでＮＯx吸蔵還元触媒の床温度の上昇を抑え、飽和吸蔵量の低下を抑制してＮＯx吸蔵還元触媒の吸蔵能力の大幅な低下を防ぐことができるので、これまで改質触媒の昇温に用いていた第一の燃料添加の分を排気温度が基準温度以上の時に削減することで従来より燃費悪化を改善しながらも、性能低下を招くことなく高いＮＯx低減率を維持することができる。

（ＩＩ）第一の燃料添加の開始時に燃料添加量を徐々に増やすように徐変制御を行うようにすれば、処理能力を超えた過剰な量の燃料添加による床温度の低下（燃料冷却）を確実に回避して極めて効率の良い反応熱の発生を促すことができ、これにより改質触媒の床温度を燃料の添加開始から早期に温度上昇させることができるので、無駄な燃料添加を回避して燃費悪化の更なる改善を図ることができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１の制御装置の燃料添加に関する制御手順を示すフローチャートである。排気温度が基準温度を下まわる時の添加燃料制御を説明するグラフである。排気温度が基準温度以上の時の添加燃料制御を説明するグラフである。還元剤がＨＣの場合とＨ₂の場合の性能差を示すグラフである。ＮＯx吸蔵還元触媒の飽和吸蔵量と温度との関係を示すグラフである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例の排気浄化装置においては、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４の途中に、フロースルー方式のハニカム構造を有するＮＯx吸蔵還元触媒５が触媒ケース６に抱持されて装備されており、該触媒ケース６の入側には、前記ＮＯx吸蔵還元触媒５の吸蔵サイトを回復させるための還元剤として燃料８（軽油）を噴射する燃料添加弁７が設けられている。

また、本形態例においては、前記触媒ケース６内におけるＮＯx吸蔵還元触媒５の前段に、前記燃料添加弁７により添加された燃料８をＨ₂とＣＯに分解する改質触媒９が装備されており、該改質触媒９には、例えばアルミナやシリカ等の酸化物又はゼオライト等の複合酸化物を担体として、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｂ等を活性金属として担持させたものが用いられている。

更に、前記改質触媒９の入側には、排気温度（排気ガス３の温度）を検出する温度センサ１０が配設されており、該温度センサ１０からの検出信号１０ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１１に入力されるようになっている。

ここで、前記制御装置１１においては、図２に燃料添加に関する制御手順をフローチャートで示しているように、前記温度センサ１０からの検出信号１０ａに基づき改質触媒９の入側の排気温度を監視し、排気温度が所定の基準温度を下まわる時に燃料リッチ雰囲気にまで到らない範囲内で第一の燃料添加を実施して改質触媒の床温度を燃料改質温度まで昇温せしめ且つこの第一の燃料添加に続いて燃料リッチ雰囲気を形成するための第二の燃料添加を実施する一方、排気温度が前記基準温度以上の時には前記第一の燃料添加を中止して第二の燃料添加のみを実施する燃料添加制御が行われるようになっている。

より具体的には、排気温度が所定の基準温度を下まわる時に、図３に示す如き第一の燃料添加と第二の燃料添加とを指令する制御信号１１ａが前記燃料添加弁７に向け出力されるようになっており、改質触媒９の床温度を昇温させることを目的とした第一の燃料添加では、排気空燃比がストイキオメトリ状態にならないように上限添加量を適切に設定し、残留Ｏ₂を残しながら燃料８を添加して該燃料８の酸化反応を継続させるようにしている。

しかも、特に本形態例においては、第一の燃料添加の開始時に燃料添加量を徐々に増やすように徐変制御をかけており、排気温度が基準温度を下まわる低い温度領域にある条件下で改質触媒９の処理能力を超えた過剰な量の燃料添加が行われないようにしている。

尚、燃料リッチ雰囲気を形成することを目的とした第二の燃料添加では、排気空燃比がストイキオメトリ状態を大きく上まわるように十分な量で燃料添加が行われるようになっており、ストイキオメトリ状態を上まわる燃料分がＨ₂とＣＯに分解されることになる。

また、排気温度が前記基準温度以上の時には、図４に示す如き第二の燃料添加のみを指令する制御信号１１ａが前記燃料添加弁７に向け出力されるようになっており、この時に添加された燃料８の大半は、ＨＣのままＮＯx吸蔵還元触媒５へ供給されることになるが、この際に排気温度は既に基準温度以上の高い温度領域となっているため、微量のＨ₂、ＣＯ、高活性のＨＣが改質触媒９にて生成されることになる。

尚、燃料添加制御を切り替えるための排気温度の基準温度は、例えば、ＨＣを還元剤とした場合に少なくとも８０％のＮＯx低減率が得られる排気温度として設定することが好ましく、本形態例においては、先の図５のグラフに基づきＨＣを還元剤とした場合に８０％のＮＯx低減率が得られる３５０℃を基準温度として設定している。

而して、このような制御方式で排気浄化装置を運転すれば、温度センサ１０により検出される排気温度が基準温度を下まわる時に第一の燃料添加が実施され、その添加された燃料８が改質触媒９にて周囲に共存するＯ₂と反応して改質触媒９の床温度が燃料改質温度まで昇温されると共に、この第一の燃料添加に続き第二の燃料添加が実施され、改質触媒９の周囲にＯ₂濃度が零の燃料リッチ雰囲気が形成されるので、雰囲気中に残存する燃料８が改質触媒９にてＨ₂とＣＯに分解されてＮＯx吸蔵還元触媒５に供給され、その供給直後から雰囲気中のＯ₂濃度が零となってＮＯxの分解放出が直ちに開始され、そのままＮＯx吸蔵還元触媒５の表面上で反応性の高いＨ₂及びＣＯにより、ＨＣを還元剤とした場合よりも低い温度からＮＯxが効率良くＮ₂に還元処理されることになる。

この際、本形態例においては、第一の燃料添加の開始時に燃料添加量を徐々に増やすように徐変制御をかけているので、改質触媒９の床温度が低くて触媒活性が落ちている状態で処理能力を超えた過剰な量の燃料添加が行われることが防止され、このような処理能力を超えた燃料添加による床温度の低下（燃料冷却）が回避されて極めて効率の良い反応熱の発生が促され、改質触媒９の床温度を燃料の添加開始から早期に温度上昇させることが可能となる。

一方、温度センサ１０により検出される排気温度が基準温度以上の時には、前記第一の燃料添加が中止されて第二の燃料添加のみが実施されるが、基準温度以上に排気温度が高まっていれば、ＨＣを還元剤としても所定以上の十分に効果的なＮＯx低減率を得ることが可能であり、第一の燃料添加の中止による性能低下を招かなくて済む。

寧ろ基準温度以上の排気温度の高い温度領域で第二の燃料添加により燃料リッチ雰囲気が形成されることで、燃料改質温度まで昇温させなくても微量のＨ₂、ＣＯ、高活性のＨＣを改質触媒９にて生成することが可能であり、改質触媒９なしでＨＣを還元剤とした場合よりも高いＮＯx低減率が得られる。

しかも、これまで改質触媒９の昇温に用いていた第一の燃料添加の分が削減されることで燃費悪化の大幅な改善が図られると共に、第一の燃料添加による改質触媒９の昇温が行われないことでＮＯx吸蔵還元触媒５の床温度の上昇が抑えられて飽和吸蔵量の低下が抑制され、ＮＯx吸蔵還元触媒５の吸蔵能力の大幅な低下が防止される。

従って、上記形態例によれば、排気温度が基準温度を下まわる時に第一の燃料添加により改質触媒９の床温度を燃料改質温度まで昇温させ、これに続く第二の燃料添加により改質触媒９の周囲にＯ₂濃度が零の燃料リッチ雰囲気を形成し、添加燃料をＨ₂とＣＯに分解してＮＯx吸蔵還元触媒５に供給することで、ＨＣを還元剤とした場合よりも低い温度からＮＯxを効率良くＮ₂に還元処理することができ、しかも、排気温度が基準温度以上の時に前記第一の燃料添加を中止して第二の燃料添加のみを実施し、基準温度以上の排気温度の高い温度領域で燃料リッチ雰囲気を形成することで燃料改質温度まで昇温させなくても微量のＨ₂、ＣＯ、高活性のＨＣを改質触媒９にて生成し、改質触媒９なしでＨＣを還元剤とした場合よりも高いＮＯx低減率を得ることができ、更には、第一の燃料添加による改質触媒９の昇温を実施しないことでＮＯx吸蔵還元触媒５の床温度の上昇を抑え、飽和吸蔵量の低下を抑制してＮＯx吸蔵還元触媒５の吸蔵能力の大幅な低下を防ぐことができるので、これまで改質触媒９の昇温に用いていた第一の燃料添加の分を排気温度が基準温度以上の時に削減することで従来より燃費悪化を改善しながらも、性能低下を招くことなく高いＮＯx低減率を維持することができる。

また、第一の燃料添加の開始時に燃料添加量を徐々に増やすように徐変制御を行うようにしているので、処理能力を超えた過剰な量の燃料添加による床温度の低下（燃料冷却）を確実に回避して極めて効率の良い反応熱の発生を促すことができ、これにより改質触媒９の床温度を燃料の添加開始から早期に温度上昇させることができるので、無駄な燃料添加を回避して燃費悪化の更なる改善を図ることができる。

尚、本発明の排気浄化装置の制御方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

３排気ガス
４排気管
５ＮＯx吸蔵還元触媒
８燃料
９改質触媒
１０温度センサ
１０ａ検出信号
１１制御装置
１１ａ制御信号

Claims

排気管の途中にＮＯｘ吸蔵還元触媒を装備し、該ＮＯｘ吸蔵還元触媒の入側に燃料を添加し且つその添加燃料を改質触媒によりＨ₂とＣＯに分解して前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に導き得るようにした排気浄化装置の制御方法であって、前記改質触媒が添加燃料をＨ ₂ とＣＯに分解し得る温度である燃料改質温度を下まわり且つＮＯｘ吸蔵還元触媒にてＨＣを還元剤として所定以上のＮＯｘ低減率が得られる排気温度を基準温度とし、排気温度が基準温度を下まわる時に燃料リッチ雰囲気にまで到らない範囲内で第一の燃料添加を実施して改質触媒の床温度を燃料改質温度まで昇温せしめ且つこの第一の燃料添加に続いて燃料リッチ雰囲気を形成するための第二の燃料添加を実施する一方、排気温度が基準温度以上の時には前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の床温度の上昇を抑えるよう前記第一の燃料添加を中止して第二の燃料添加のみを実施するように燃料添加制御を行うことを特徴とする排気浄化装置の制御方法。
第一の燃料添加の開始時に燃料添加量を徐々に増やすように徐変制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の制御方法。
ＨＣを還元剤とした場合に少なくとも８０％のＮＯｘ低減率が得られる排気温度を基準温度として設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置の制御方法。