JP6398402B2 - 排気浄化システム - Google Patents

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Description

本発明は、排気浄化システムに関する。
エンジンの排気浄化システムとして、例えば、特許文献１には、排気上流側から順に前段酸化触媒、ディーゼルパティキュレイトフィルタ（以下、ＤＰＦ）、中段酸化触媒、選択的還元触媒（以下、ＳＣＲ触媒）、後段酸化触媒を配置した構成が開示されている。
特許文献１記載の技術では、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭ）及び窒素化合物（以下、ＮＯｘ）を同時に浄化しつつ、排気高温時はバイパス通路に高温排気を導入して中段酸化触媒に吸熱させることで、ＳＣＲ触媒の熱劣化防止を図っている。
特開２０１３−２２８３号公報
ところで、特許文献１記載の技術では、前段酸化触媒と中段酸化触媒との間にＤＰＦを配置し、さらに中段酸化触媒をバイパス通路に配置しているため、構造全体が複雑となり、装置の大型化やコスト上昇等を招く課題がある。
また、前段酸化触媒にサルフェート等の堆積が進むと、ＤＰＦ強制再生時のポスト噴射によって供給された未燃炭化水素（ＨＣ）が前段酸化触媒からスリップして中段酸化触媒で反応し、排気温度を過度に上昇させることで、直下流に配置されたＳＣＲ触媒の熱劣化を防止できない可能性もある。
本発明の目的は、酸化触媒に堆積したサルフェートを除去する昇温制御を行うことで、酸化触媒の性能低下やＳＣＲ触媒の熱劣化を効果的に防止することにある。
上述の目的を達成するため、本発明の排気浄化システムは、内燃機関の排気系に設けられて未燃炭化水素（ＨＣ）を酸化する第１酸化触媒と、前記第１酸化触媒よりも下流側の排気系に設けられて尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ３）を還元剤として排気中の窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒と、前記第１酸化触媒に未燃炭化水素（ＨＣ）を供給して排気温度を上昇させることで、少なくとも前記第１酸化触媒に堆積した硫酸成分（サルフェート）を除去する昇温制御を実行する昇温制御手段とを備える。
前記第１酸化触媒に流入する排気温度を検出する第１温度検出手段をさらに備え、前記昇温制御手段は、前記第１温度検出手段で検出される排気温度が前記第１酸化触媒の活性温度を示す所定の第１閾値温度以上の場合に昇温制御を開始することが好ましい。
前記昇温制御手段は、昇温制御の実行中に前記第１温度検出手段で検出される排気温度が前記第１閾値温度よりも低下すると昇温制御を中断し、その後、前記第１温度検出手段で検出される排気温度が前記第１閾値温度以上になると昇温制御を再開することが好ましい。
前記第１酸化触媒から流出する排気温度を検出する第２温度検出手段をさらに備え、前記昇温制御手段は、昇温制御の開始から前記第２温度検出手段の検出値が前記硫酸成分を除去可能な所定の第２閾値温度以上となる時間を累積すると共に、当該累積時間が所定の閾値時間に達すると昇温制御を終了することが好ましい。
前記第１酸化触媒と前記選択的還元触媒との間の排気系に設けられて可溶性有機成分（ＳＯＦ）を酸化する第２酸化触媒と、前記内燃機関の燃料噴射を多段噴射で制御して前記内燃機関から排出される排気中のスート成分を低減させる燃焼制御手段とをさらに備えてもよい。
前記選択的還元触媒よりも下流側の排気系に設けられて前記選択的還元触媒から脱離したアンモニア（ＮＨ３）を酸化する第３酸化触媒をさらに備えてもよい。
本発明の排気浄化システムによれば、酸化触媒に堆積したサルフェートを除去する昇温制御を行うことで、酸化触媒の性能低下やＳＣＲ触媒の熱劣化を効果的に防止することができる。
本実施形態の排気浄化システムを示す模式的な全体構成図である。 本実施形態の電子制御ユニット（ＥＣＵ）を示す機能ブロック図である。 本実施形態の排気浄化システムによる昇温制御を説明するタイムチャート図である。
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気浄化システムを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の各気筒には、コモンレール（不図示）に畜圧した高圧燃料を各気筒内に直接噴射するインジェクタ１１がそれぞれ設けられている。これら各インジェクタ１１の燃料噴射量や燃料噴射タイミングは、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）６０から入力される指示信号に応じてコントロールされる。
エンジン１０の吸気マニホールド１０Ａには、新気を導入する吸気通路１２が接続されている。排気マニホールド１０Ｂには、排気を導出する排気通路１６が接続されている。排気通路１６には、排気上流側から順に前段後処理装置３０、後段後処理装置４０等が設けられている。
前段後処理装置３０は、ケース３０Ａ内に上流側から順に第１酸化触媒３１、第２酸化触媒３２を配置して構成されている。第１酸化触媒３１よりも上流側のケース３０Ａには、第１酸化触媒３１の入口排気温度を検出する第１排気温度センサ５０が設けられている。また、第１酸化触媒３１と第２酸化触媒３２との間のケース３０Ａには、第２酸化触媒の入口排気温度を検出する第２排気温度センサ５１が設けられている。これらセンサ５０，５１のセンサ値は、電気的に接続されたＥＣＵ６０に送信される。
第１酸化触媒３１は、例えば多孔質セラミック担体にＮＯ２生成触媒等を担持して形成されており、排気中に含まれるＮＯからＮＯ２を生成する機能や、ポスト噴射によって供給される未燃炭化水素（ＨＣ）を酸化する機能を有している。
第２酸化触媒３２は、例えば多孔質セラミック担体にＳＯＦ酸化触媒を担持して形成されており、排気に含まれるＰＭ中の主にＳＯＦ成分を酸化浄化する機能を有している。
後段後処理装置４０は、ケース４０Ａ内に上流側から順にＳＣＲ触媒４１、第３酸化触媒４２を配置して構成されている。ＳＣＲ触媒４１よりも上流側の排気通路１６には、尿素水噴射装置４３の尿素添加弁４４及び、ＳＣＲ触媒４１に流入する排気中のＮＯｘ値を検出するＮＯｘセンサ５２が設けられている。さらに、ＳＣＲ触媒４１よりも上流側の排気通路１６には、ＳＣＲ触媒４１の入口排気温度を検出する第３排気温度センサ５３が設けられている。これらセンサ５２，５３のセンサ値は、電気的に接続されたＥＣＵ６０に送信される。
尿素水噴射装置４３は、ＥＣＵ６０から入力される指示信号に応じて尿素添加弁４４を開閉動作させることで、ＳＣＲ触媒４１よりも上流側の排気通路１６内に、尿素水タンク４５内から尿素水ポンプ４６によって圧送される尿素水を噴射する。噴射された尿素水は排気熱により加水分解されてＮＨ３に生成され、下流側のＳＣＲ触媒４１に還元剤として供給される。
ＳＣＲ触媒４１は、例えば多孔質セラミック担体にゼオライト等を担持して形成されている。ＳＣＲ触媒４１は、尿素水噴射装置４３から還元剤として供給されるＮＨ３を吸着すると共に、吸着したＮＨ３で通過する排気中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。
第３酸化触媒４２は、例えば多孔質セラミック担体に酸化触媒を担持して形成されており、ＳＣＲ触媒４１から下流側にスリップしたＮＨ３を酸化する機能を有している。
ＥＣＵ６０は、エンジン１０等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。また、ＥＣＵ６０は、図２に示すように、ＰＭ低減燃焼制御部６１と、昇温制御部６２とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ６０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
ＰＭ低減燃焼制御部６１は、各インジェクタ１１の燃料噴射をマルチ噴射で制御することで、排気に含まれるＰＭ中の主にスート成分を低減させるＰＭ低減噴射制御を実行する。このように、本実施形態では、ＰＭ中のスート成分をエンジン１０の燃焼制御によって低減し、ＰＭ中のＳＯＦ成分を第２酸化触媒３２で酸化浄化することにより、ＤＰＦを省略してもＰＭの大気への放出を効果的に抑制できるように構成されている。なお、このＰＭ低減噴射制御と併せて、何れも図示しない可変容量型過給機やＥＧＲ装置の開度を調整して過給圧を上昇させる制御を実行してもよい。
昇温制御部６２は、（１）第１酸化触媒３１に堆積したサルフェートの除去、（２）尿素水から生成された白色堆積物の除去、（３）エンジン１０から排出されてＳＣＲ触媒４１に堆積したＨＣの除去及び、（４）ＳＣＲ触媒４１に吸蔵されたＮＨ３の除去により推定ＮＨ３吸蔵量と実ＮＨ３吸蔵量との誤差修正を目的とする昇温制御を実行する。本実施形態において、昇温制御は排気行程で所定量の燃料を噴射するポスト噴射によって第１酸化触媒３１に未燃炭化水素（ＨＣ）を供給し、酸化反応熱で排気温度を昇温することで実現される。以下、昇温制御の詳細を図３のタイムチャートに基づいて説明する。
［開始条件］
昇温制御は、第１排気温度センサ５０で検出される触媒入口温度が第１酸化触媒３１の活性温度である所定の第１閾値温度以上、且つＥＣＵ６０内蔵のタイマが前回の昇温制御完了から所定の第１閾値時間を計時すると開始（パージフラグＦ：オン）される（図３の時刻Ｔ１参照）。第１閾値温度を開始条件としたのは、第１酸化触媒３１が活性化しない低温状態で排気温度をサルフェートの脱離温度まで上昇させるには、ポスト噴射量が過多となる可能性があるためである。
［中断条件］
昇温制御の実行中に第１排気温度センサ５０で検出される触媒入口温度が第１閾値温度よりも低下すると、昇温制御は中断（パージフラグＦ：オフ）される（図３の時刻Ｔ３参照）。第１閾値温度を中断条件としたのは、開始条件と同様にポスト噴射量の増加を回避するためである。なお、中断後に第１排気温度センサ５０の検出値が第１閾値温度以上になると、昇温制御は再び開始（パージフラグＦ：オン）される（図３の時刻Ｔ５参照）。
［終了条件］
昇温制御の実行中に第２排気温度センサ５１が上述の（１）〜（４）に記載したサルフェート、白色堆積物、ＨＣ、ＮＨ３を除去可能な所定の第２閾値温度以上を検出する時間を累積すると共に、当該累積時間が所定の第２閾値時間に達すると昇温制御は終了（パージフラグＦ：オフ）される。
より詳しくは、昇温制御の開始後、第２排気温度センサ５１が第２閾値温度以上を検出すると、タイマによる時間の累積を開始する（図３の時刻Ｔ２参照）。その後、昇温制御の中断によって第２排気温度センサ５１の検出値が第２閾値温度よりも低下すると、時間の累積を一時中断する（図３の時刻Ｔ４参照）。そして、第２排気温度センサ５１の検出値が第２閾値温度以上になると、再び時間の累積を開始すると共に（図３の時刻Ｔ６）、累積時間が第２閾値時間に達すると、昇温制御を終了するようになっている（図３の時刻Ｔ７）。この第２閾値時間は、前回の昇温制御終了から今回の昇温制御開始までのインターバル間、すなわち前回の昇温制御終了から第１閾値時間が経過するまでに堆積したサルフェート等を確実に除去できる時間で設定される。
次に、本実施形態に係る排気浄化システムの作用効果を説明する。
本実施形態の排気浄化システムは、排気上流側から順にＮＯ２を生成する第１酸化触媒３１、未燃燃料や潤滑油等を主成分とするＰＭ中のＳＯＦ成分を酸化浄化する第２酸化触媒３２、ＮＯｘを還元浄化するＳＣＲ触媒４１、ＮＨ３スリップを防止する第３酸化触媒４２を配置して構成されている。さらに、エンジン１０の燃料噴射は、マルチ噴射によりＰＭ中の主にスート成分を低減させるＰＭ低減噴射によって制御されるようになっている。すなわち、ＰＭ中のスート成分等をエンジン１０の燃焼制御によって低減し、ＳＯＦ成分を第２酸化触媒３２で浄化することで、ＤＰＦを用いることなく排気エミッション性能を効果的に維持できるように構成されている。したがって、ＤＰＦを省略することが可能となり、装置の大型化やコスト上昇を効果的に抑制することができる。
また、ＤＰＦを省略したことで、ポスト噴射や排気管内噴射によるフィルタ強制再生を行う必要が無くなり、燃費性能を効果的に向上することができる。また、ＤＰＦの省略によって、アッシュを除去するＤＰＦの定期的な掃除等が不要になり、メンテナンス性も効果的に向上することができる。
また、第１酸化触媒３１に堆積するサルフェートや尿素水から生成される白色堆積物等は、昇温制御を定期的に行うことで効果的に除去されるようになっている。したがって、ポスト噴射で第１酸化触媒３１に供給されたＨＣの第２酸化触媒３２へのスリップ、白色堆積物による排気管腐食やＳＣＲ触媒４１の性能劣化を効果的に防止することができる。
また、昇温制御は、第１酸化触媒３１の入口温度が第１閾値温度以上の場合に開始され、さらに、第１酸化触媒３１の入口温度が第１閾値温度よりも低下した場合は中断されるようになっている。したがって、ポスト噴射による燃料噴射量が過多になることを効果的に抑止することが可能となり、燃費の悪化を確実に防止することができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、昇温制御はポスト噴射で行うものとして説明したが、第１酸化触媒３１よりも上流側の排気通路１６に燃料噴射装置を設け、パージ噴射を排気管内噴射で行うように構成してもよい。
１０ エンジン
１１ インジェクタ
１６ 排気通路
３０ 前段後処理装置
３１ 第１酸化触媒
３２ 第２酸化触媒
４０ 後段後処理装置
４１ ＳＣＲ触媒
４２ 第３酸化触媒
５０ 第１排気温度センサ
５１ 第２排気温度センサ
５３ 第３排気温度センサ
６０ ＥＣＵ
６１ ＰＭ低減燃焼制御部
６２ 昇温制御部

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気系に設けられて未燃炭化水素（ＨＣ）を酸化する第１酸化触媒と、
    前記第１酸化触媒よりも下流側の排気系に設けられて尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ３）を還元剤として排気中の窒素化合物を還元浄化する選択的還元触媒と、
    前記第１酸化触媒に未燃炭化水素（ＨＣ）を供給して排気温度を上昇させることで、少なくとも前記第１酸化触媒に堆積した硫酸成分（サルフェート）を除去する昇温制御を実行する昇温制御手段と、
    前記第１酸化触媒に流入する排気温度を検出する第１温度検出手段と、
    前記第１酸化触媒から流出する排気温度を検出する第２温度検出手段と、を備え、
    前記昇温制御手段は、
    前記第１温度検出手段で検出される排気温度が前記第１酸化触媒の活性温度を示す所定の第１閾値温度以上の場合に昇温制御を開始し、昇温制御の実行中に前記第１温度検出手段で検出される排気温度が前記第１閾値温度よりも低下すると昇温制御を中断し、その後、前記第１温度検出手段で検出される排気温度が前記第１閾値温度以上になると昇温制御を再開し、
    前記昇温制御手段は、
    昇温制御の開始から前記第２温度検出手段の検出値が前記硫酸成分を除去可能な所定の第２閾値温度以上となる時間を累積すると共に、当該累積時間が所定の閾値時間に達すると昇温制御を終了し、
    昇温制御の中断中であるか否かに拘わらず、前記第２温度検出手段の検出値が前記第２閾値温度よりも低下した場合に時間の累積を一時中断し、その後、前記第２温度検出手段の検出値が前記第２閾値温度以上になった場合に時間の累積を再開する
    排気浄化システム。
  2. 前記第１酸化触媒と前記選択的還元触媒との間の排気系に設けられて可溶性有機成分（ＳＯＦ）を酸化する第２酸化触媒と、
    前記内燃機関の燃料噴射を多段噴射で制御して前記内燃機関から排出される排気中のスート成分を低減させる燃焼制御手段と、をさらに備える
    請求項１に記載の排気浄化システム。
  3. 前記選択的還元触媒よりも下流側の排気系に設けられて前記選択的還元触媒から脱離したアンモニア（ＮＨ３）を酸化する第３酸化触媒をさらに備える
    請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
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