WO2016006655A1 - 排気浄化システム - Google Patents

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朗義 工藤
英二 矢幡
幸広 池本
久仁男 野田
信貴 石井
真治 原
尊史 長谷山
哲也 村田
信一 井上
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust purification system.
  • Patent Document 1 discloses, in order from the exhaust upstream side, a pre-stage oxidation catalyst, a diesel particulate filter (hereinafter referred to as DPF), a middle-stage oxidation catalyst, a selective reduction catalyst (hereinafter referred to as SCR catalyst), The structure which has arrange
  • DPF diesel particulate filter
  • SCR catalyst selective reduction catalyst
  • particulate matter (hereinafter referred to as PM) and nitrogen compound (hereinafter referred to as NOx) in exhaust gas are simultaneously purified, and high-temperature exhaust gas is introduced into a bypass passage at high exhaust temperature to form a middle-stage oxidation catalyst.
  • high-temperature exhaust gas is introduced into a bypass passage at high exhaust temperature to form a middle-stage oxidation catalyst.
  • An object of the present invention is to effectively suppress an increase in size and cost of the apparatus by omitting the DPF and simplifying the entire structure.
  • an exhaust purification system of the present invention includes a first oxidation catalyst provided in an exhaust system of an internal combustion engine and capable of generating nitrogen dioxide (NO2) from nitrogen monoxide (NO), and the first oxidation catalyst.
  • a second oxidation catalyst provided in the exhaust system downstream of the oxidation catalyst and capable of oxidizing soluble organic components (SOF); and provided in an exhaust system downstream of the second oxidation catalyst and produced from urea water.
  • SOF oxidizing soluble organic components
  • combustion control means for controlling the fuel injection of the internal combustion engine by multistage injection to reduce the soot component in the exhaust discharged from the internal combustion engine.
  • a third oxidation catalyst that is provided in an exhaust system downstream of the selective reduction catalyst and can oxidize ammonia (NH 3) desorbed from the selective reduction catalyst may be further provided.
  • each cylinder of a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) 10 is provided with an injector 11 that directly injects high-pressure fuel pressured by a common rail (not shown) into each cylinder.
  • the fuel injection amount and fuel injection timing of each injector 11 are controlled according to an instruction signal input from an electronic control unit (hereinafter referred to as ECU) 60.
  • ECU electronice control unit
  • An intake passage 12 for introducing fresh air is connected to the intake manifold 10A of the engine 10.
  • An exhaust passage 16 for leading the exhaust is connected to the exhaust manifold 10B.
  • the exhaust passage 16 is provided with a pre-stage post-treatment device 30, a post-stage post-treatment device 40, and the like in order from the exhaust upstream side.
  • the pre-stage post-processing apparatus 30 is configured by arranging a first oxidation catalyst 31 and a second oxidation catalyst 32 in order from the upstream side in a case 30A.
  • a case 30 ⁇ / b> A upstream of the first oxidation catalyst 31 is provided with a first exhaust temperature sensor 50 that detects an inlet exhaust temperature of the first oxidation catalyst 31.
  • the case 30A between the first oxidation catalyst 31 and the second oxidation catalyst 32 is provided with a second exhaust temperature sensor 51 that detects the inlet exhaust temperature of the second oxidation catalyst. The sensor values of these sensors 50 and 51 are transmitted to the electrically connected ECU 60.
  • the first oxidation catalyst 31 is formed, for example, by supporting a NO2 generating catalyst or the like on a porous ceramic carrier, and functions to generate NO2 from NO contained in the exhaust, and unburned hydrocarbons supplied by post injection. It has a function of oxidizing (HC).
  • the second oxidation catalyst 32 is formed by, for example, supporting a SOF oxidation catalyst on a porous ceramic carrier, and has a function of oxidizing and purifying mainly SOF components in PM contained in the exhaust gas.
  • the post-stage post-treatment device 40 is configured by arranging a SCR catalyst 41 and a third oxidation catalyst 42 in order from the upstream side in the case 40A.
  • the exhaust passage 16 upstream of the SCR catalyst 41 is provided with a urea addition valve 44 of the urea water injector 43 and a NOx sensor 52 that detects the NOx value in the exhaust gas flowing into the SCR catalyst 41.
  • a third exhaust temperature sensor 53 that detects the inlet exhaust temperature of the SCR catalyst 41 is provided in the exhaust passage 16 upstream of the SCR catalyst 41. The sensor values of these sensors 52 and 53 are transmitted to the electrically connected ECU 60.
  • the urea water injection device 43 opens and closes the urea addition valve 44 in response to an instruction signal input from the ECU 60, so that the urea water is supplied from the urea water tank 45 into the exhaust passage 16 upstream of the SCR catalyst 41.
  • the urea water pumped by the pump 46 is injected.
  • the injected urea water is hydrolyzed by exhaust heat to be generated as NH3, and supplied to the SCR catalyst 41 on the downstream side as a reducing agent.
  • the SCR catalyst 41 is formed, for example, by supporting zeolite or the like on a porous ceramic carrier.
  • the SCR catalyst 41 adsorbs NH3 supplied as a reducing agent from the urea water injection device 43, and selectively reduces and purifies NOx from the exhaust gas passing through the adsorbed NH3.
  • the third oxidation catalyst 42 is formed, for example, by supporting an oxidation catalyst on a porous ceramic carrier, and has a function of oxidizing NH 3 slipped downstream from the SCR catalyst 41.
  • the ECU 60 performs various controls of the engine 10 and the like, and includes a known CPU, ROM, RAM, input port, output port, and the like. Further, as shown in FIG. 2, the ECU 60 includes a PM reduction combustion control unit 61 as a part of functional elements.
  • the PM reduction combustion control unit 61 executes PM reduction injection control for mainly reducing soot components in PM contained in exhaust gas by controlling the fuel injection of each injector 11 by multi-injection.
  • the soot component in the PM is reduced by the combustion control of the engine 10, and the SOF component in the PM is oxidized and purified by the second oxidation catalyst 32, so that the DPM is omitted even if the DPF is omitted. It is configured to effectively suppress the release to the atmosphere.
  • control for increasing the supercharging pressure by adjusting the opening of a variable capacity supercharger or EGR device may be executed.
  • the exhaust purification system of this embodiment includes a first oxidation catalyst 31 that generates NO2 in order from the exhaust upstream side, and a second oxidation catalyst 32 that oxidizes and purifies SOF components in PM mainly composed of unburned fuel, lubricating oil, and the like.
  • a SCR catalyst 41 for reducing and purifying NOx and a third oxidation catalyst 42 for preventing NH3 slip are arranged.
  • fuel injection of the engine 10 is controlled by PM reduction injection that mainly reduces soot components in PM by multi-injection. That is, the exhaust emission performance can be effectively maintained without using the DPF by reducing the soot component in the PM by the combustion control of the engine 10 and purifying the SOF component by the second oxidation catalyst 32. ing. Therefore, it is possible to omit the DPF, and it is possible to effectively suppress an increase in size and cost of the apparatus.
  • the DPF eliminates the need for periodic cleaning of the DPF for removing ash, and the maintenance performance can be effectively improved.

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Abstract

　装置の大型化やコスト上昇を効果的に抑止しつつ、排気エミッション性能の向上を図る。　内燃機関（１０）の排気系（１６）に設けられてＮＯからＮＯ２を生成可能な第１酸化触媒（３１）と、第１酸化触媒（３１）よりも下流側の排気系（１６）に設けられてＳＯＦを酸化可能な第２酸化触媒（３２）と、第２酸化触媒（３２）よりも下流側の排気系（１６）に設けられて尿素水から生成されるＮＨ３を還元剤として排気中のＮＯｘを還元浄化する選択的還元触媒（４１）とを備えた。

Description

排気浄化システム
　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、ＤＰＦを省略して構造全体を簡素化することで、装置の大型化やコスト上昇を効果的に抑止することにある。
　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一酸化窒素（ＮＯ）から二酸化窒素（ＮＯ２）を生成可能な第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可溶性有機成分（ＳＯＦ）を酸化可能な第２酸化触媒と、前記第２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を還元剤として排気中の窒素化合物（ＮＯｘ）を還元浄化する選択的還元触媒とを備える。
　また、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をさらに備えてもよい。
　また、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）を酸化可能な第３酸化触媒をさらに備えてもよい。
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。
　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を一部の機能要素として有する。
　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。
　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。
　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。

Claims (3)

  1. 　内燃機関の排気系に設けられて一酸化窒素（ＮＯ）から二酸化窒素（ＮＯ２）を生成可能な第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可溶性有機成分（ＳＯＦ）を酸化可能な第２酸化触媒と、
    　前記第２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を還元剤として排気中の窒素化合物（ＮＯｘ）を還元浄化する選択的還元触媒と、を備える
    　排気浄化システム。
  2. 　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）を酸化可能な第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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