WO2016006656A1

WO2016006656A1 - 排気浄化システム

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Publication number: WO2016006656A1
Application number: PCT/JP2015/069767
Authority: WO
Inventors: 朗義工藤; 治樹濱田; 泰雄岡本; 嘉久植田; 久仁男野田; 信貴石井; 真治原; 尊史長谷山; 哲也村田; 越智　直文; 新一郎河合
Original assignee: いすゞ自動車株式会社
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2016-01-14
Also published as: JP6398401B2; JP2016020637A

Abstract

　酸化触媒にＨＣを供給する際の排気過昇温を防止して、ＳＣＲ触媒の熱劣化を効果的に抑止する。　内燃機関（１０）の排気系に設けられた第１酸化触媒（３１）と、第１酸化触媒（３１）よりも下流側の排気系に設けられた第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、選択的還元触媒（４１）に流入する排気温度を検出する第３排気温度センサ（５３）と、第１酸化触媒（３１）にＨＣを供給して第３排気温度センサ（５３）で検出される排気温度を所定の目標温度まで上昇させる昇温制御を定期的に実行する昇温制御部（６２）と、昇温制御の実行中に第３排気温度センサ（５３）で検出された排気温度と目標温度との差に基づいて、当該昇温制御の次に実行される昇温制御の目標温度を補正する目標温度補正部（６３）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の堆積（サルフェート被毒）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。

　また、サルフェート被毒以外にも、例えば、酸化触媒の経時的な熱劣化や、排気に流入したエンジンオイル中のリン（Ｐ）によって触媒金属が被毒すると、上述と同様のＨＣスリップによる排気過昇温が生じ、ＳＣＲ触媒の熱劣化を防止できない可能性がある。

　本発明の目的は、酸化触媒に未燃炭化水素（ＨＣ）を供給する際の排気過昇温を防止して、ＳＣＲ触媒の熱劣化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未燃炭化水素（ＨＣ）を酸化可能な第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（ＮＨ３）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、前記選択的還元触媒に流入する排気温度を検出する温度検出手段と、前記第１酸化触媒に未燃炭化水素（ＨＣ）を供給して前記温度検出手段で検出される排気温度を所定の目標温度まで上昇させる昇温制御を定期的に実行する昇温制御手段と、昇温制御の実行中に前記温度検出手段で検出された排気温度と目標温度との差に基づいて、当該昇温制御の次に実行される昇温制御の目標温度を補正する目標温度補正手段とを備える。

　また、前記目標温度補正手段は、昇温制御の実行中に前記温度検出手段で検出された排気温度のピーク値が目標温度よりも高かった場合は、当該ピーク値から当該目標温度を減算した値を次に実行される昇温制御の目標温度から減算することが好ましい。

　また、前記目標温度補正手段は、昇温制御の実行中に前記温度検出手段で検出された排気温度のピーク値が目標温度よりも低かった場合は、当該目標温度から当該ピーク値を減算した値を次に実行される昇温制御の目標温度に加算することが好ましい。

　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さらに備えるものであってもよい。

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。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フローチャート図である。本実施形態の排気浄化システムによる昇温制御の目標温度補正を説明する図である。ＨＣスリップが生じた場合のＤＯＣ出口温度とＳＣＲ入口温度とを比較した図である。

　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（以下、ＤＯＣ入口温度という）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１酸化触媒３１の出口排気温度（以下、ＤＯＣ出口温度という）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（以下、ＳＣＲ入口温度という）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、目標温度補正部６３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、この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のフローチャートに基づいて説明する。

　ステップ（以下、ステップを単にＳという）１００では、前回の昇温制御完了から現在までの経過時間（以下、インターバルという）が所定の第１閾値時間に達したか否かが判定される。インターバルが第１閾値時間に達した場合（Ｙｅｓ）、本制御はＳ１１０に進みパージフラグＦをオンにする。

　Ｓ１２０では、第１排気温度センサ５０で検出されるＤＯＣ入口温度が触媒活性状態を示す所定の第１閾値温度以上か否かが判定される。さらに、Ｓ１３０では、第２排気温度センサ５１で検出されるＤＯＣ出口温度が第１閾値温度以上か否かが判定される。これら何れの条件も満たす場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１４０に進む。一方、これら何れかの条件を満たさない場合（Ｎｏ）は、パージフラグＦをオンにしたまま待機状態となる。

　Ｓ１４０では、第３排気温度センサ５３で検出されるＳＣＲ入口温度が所定の目標温度Ｔ_nとなるように排気温度を上昇させるポスト噴射が開始される。この目標温度Ｔ_nは、後述する目標温度補正部６３によって必要に応じて補正される。

　Ｓ１５０では、第１排気温度センサ５０で検出されるＤＯＣ入口温度が第１閾値温度以上を維持しているか否かが判定され、さらに、Ｓ１６０では、第２排気温度センサ５１で検出されるＤＯＣ出口温度が第１閾値温度を維持しているか否かが判定される。これら何れの条件も満たす場合（Ｙｅｓ）はＳ１７０に進む一方、これら何れかの条件を満たさない場合（Ｎｏ）は、再び条件が満たされるまでポスト噴射は中断される。

　Ｓ１７０では、ポスト噴射の累積噴射量が所定の上限噴射量に達したか否かが判定される。累積噴射量が上限噴射量に達した場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ２００でパージフラグＦをオフにして本制御は終了する（昇温制御：失敗）。一方、累積噴射量が上限噴射量に達していない場合（Ｎｏ）はＳ１８０に進む。

　Ｓ１８０では、昇温制御の終了判定が実行される。この昇温制御の終了は、第２排気温度センサ５１が上述の（１）～（４）に規定したサルフェート、白色堆積物、ＨＣ、ＮＨ３を除去可能な所定の第２閾値温度以上を計測した累積時間に基づいて判定される。累積時間が所定の第２閾値時間に達した場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１９０に進みパージフラグＦをオフにして本制御は終了する（昇温制御：成功）。一方、累積時間が第２閾値時間に達していない場合（Ｎｏ）は、昇温制御を継続すべく本制御はＳ１４０に戻される。

　目標温度補正部６３は、昇温制御中に第３排気温度センサ５３で検出されるＳＣＲ入口温度に基づいて目標温度Ｔ_nを増減させる温度補正を実行する。具体的には、ｎ回目（ｎは１以上の自然数）の昇温制御中に第３温度センサ５３で検出されたＳＣＲ入口温度のピーク値Ｔ_{peak_n}をＥＣＵ６０の図示しない記録部に記録させておき、ｎ＋１回目の昇温制御を実行する際は、その目標温度Ｔ_n+1をｎ回目の目標温度Ｔ_nとピーク値Ｔ_{peak_n}との差ΔＴ_n（＝Ｔ_n－Ｔ_{peak_n}）に応じて増減補正する。例えば、図４に示すように、ｎ回目のピーク値Ｔ_{peak_n}が目標温度Ｔ_nよりも高かった場合は、その差ΔＴ_nだけｎ＋１回目の目標温度Ｔ_n+1を減少させる（Ｔ_n+1＝Ｔ_n－（Ｔ_{peak_n}－Ｔ_n））。さらに、ｎ＋１回目のピーク値Ｔ_{peak_n+1}が目標温度Ｔ_n+1よりも低かった場合は、その差ΔＴ_n+1だけｎ＋２回目の目標温度Ｔ_n+2を増加させる（Ｔ_n+2＝Ｔ_n+1＋（Ｔ_n+1－Ｔ_{peak_n+1}））。このように、昇温制御中のＳＣＲ入口温度と目標温度との差に応じて次回以降の目標温度を段階的に増減補正することで、ＳＣＲ触媒４１の過昇温を効果的に抑止することができる。

　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のサルフェート被毒に対しては定期的な昇温制御によって除去すること可能だが、リン被毒や経時的な熱劣化に対しては対応できない課題がある。そのため、これらリン被毒や経年熱劣化の影響を考慮することなく昇温制御を行うと、図５に示すように、ＨＣスリップによってＳＣＲ入口温度がＤＯＣ出口温度に対して高くなり、排気過昇温によるＳＣＲ触媒４１の劣化を防止できない可能性がある。

　本実施形態の排気浄化システムは、サルフェート被毒に対しては昇温制御を定期的に行うことで確実に除去しつつ、リン被毒や経年劣化に対しては昇温制御の目標温度を適宜補正することで、昇温制御中のＨＣスリップを効果的に防止するように構成されている。したがって、昇温制御中の排気過昇温を効果的に抑制することが可能となり、ＳＣＲ触媒４１の熱劣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て排気管噴射で行うように構成してもよい。

Claims

　内燃機関の排気系に設けられて未燃炭化水素（ＨＣ）を酸化可能な第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（ＮＨ３）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、
　前記選択的還元触媒に流入する排気温度を検出する温度検出手段と、
　前記第１酸化触媒に未燃炭化水素（ＨＣ）を供給して前記温度検出手段で検出される排気温度を所定の目標温度まで上昇させる昇温制御を定期的に実行する昇温制御手段と、
　昇温制御の実行中に前記温度検出手段で検出された排気温度と目標温度との差に基づいて、当該昇温制御の次に実行される昇温制御の目標温度を補正する目標温度補正手段と、を備える
　排気浄化システム。
　前記目標温度補正手段は、
　昇温制御の実行中に前記温度検出手段で検出された排気温度のピーク値が目標温度よりも高かった場合は、当該ピーク値から当該目標温度を減算した値を次に実行される昇温制御の目標温度から減算する
　請求項１に記載の排気浄化システム。
　前記目標温度補正手段は、
　昇温制御の実行中に前記温度検出手段で検出された排気温度のピーク値が目標温度よりも低かった場合は、当該目標温度から当該ピーク値を減算した値を次に実行される昇温制御の目標温度に加算する
　請求項１又は２に記載の排気浄化システム。
　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さらに備える
　請求項１から３の何れか一項に記載の排気浄化システム。