WO2019172356A1 - 排気浄化装置、車両および排気浄化制御装置 - Google Patents

排気浄化装置、車両および排気浄化制御装置 Download PDF

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exhaust
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洋 阿野田
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いすゞ自動車株式会社
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present disclosure relates to an exhaust purification device, a vehicle, and an exhaust purification control device.
  • NOx nitrogen oxide
  • An apparatus is known (see, for example, Patent Document 1).
  • the NOx selective reduction catalyst adsorbs a reducing agent (for example, ammonia) generated from a precursor (for example, urea water) supplied into the exhaust pipe, and reduces the NOx contained in the exhaust gas by the adsorbed ammonia.
  • a reducing agent for example, ammonia
  • the NOx occlusion reduction type catalyst has a property of occluded NOx at a low temperature when the NOx selective reduction type catalyst is in an inactive region. Therefore, even when the temperature is low, NOx is occluded by the NOx occlusion reduction type catalyst and then reduced. Thus, when the NOx occlusion reduction type catalyst is used together with the NOx selective reduction type catalyst in the exhaust purification device, the exhaust purification processing in the exhaust purification device can be effectively performed.
  • the exhaust purification device is provided with a collection unit that collects the particulate matter, but the collected particulate matter is burned by raising the temperature of the exhaust gas flowing into the collection unit.
  • the regeneration process is performed, there arises a problem that ammonia is desorbed from the NOx selective reduction catalyst due to a temperature rise in the exhaust purification device.
  • it is necessary to reduce the adsorption amount of ammonia of the NOx selective reduction catalyst to some extent before starting the regeneration process of the collection unit. As a result, there arises a problem that it takes time from the start of the regeneration process of the collection unit to the start of the regeneration process.
  • NOx stored by the NOx occlusion reduction type catalyst is exhausted due to the temperature rise in the exhaust purification apparatus accompanying the regeneration process of the collection unit. Therefore, if the amount of ammonia adsorbed on the NOx selective reduction catalyst is reduced for the regeneration process of the collection unit, NOx discharged from the NOx storage reduction catalyst is not reduced by the NOx selective reduction catalyst, but is discharged to the outside as it is. The problem that is done arises.
  • An object of the present disclosure is to perform an exhaust purification device capable of quickly executing a regeneration process of a collection unit and suppressing NOx from being discharged to the outside due to a NOx occlusion reduction catalyst during the regeneration process. It is to provide a vehicle and an exhaust purification control device.
  • An exhaust emission control device includes: An exhaust gas purification device that performs regeneration processing of a collection unit that has collected particulate matter, A NOx selective reduction catalyst that is disposed in the exhaust pipe and purifies nitrogen oxides in the exhaust gas by adsorbing a reducing agent; An NOx occlusion reduction type catalyst which is disposed upstream of the NOx selective reduction type catalyst in the exhaust pipe in the exhaust direction in which the exhaust gas flows, and occludes nitrogen oxides in the exhaust gas; A determination unit that determines a target adsorption amount of the reducing agent of the NOx selective reduction catalyst according to the storage amount of the nitrogen oxides when the regeneration process is performed; A regeneration control unit for determining a start timing of the regeneration process according to the target adsorption amount; Is provided.
  • the vehicle according to the present disclosure is The above-described exhaust purification device is provided.
  • An exhaust purification control apparatus includes: A NOx selective reduction type catalyst disposed within the exhaust pipe and purifying nitrogen oxides in the exhaust gas by adsorbing a reducing agent; and in the exhaust pipe than the NOx selective reduction type catalyst in the exhaust direction in which the exhaust gas flows And an NOx occlusion reduction type catalyst that occludes nitrogen oxides in the exhaust gas, and performs exhaust gas purification of an exhaust gas purification device that performs regeneration processing of a collection unit that has collected particulate matter
  • a control device A determination unit that determines a target adsorption amount of the reducing agent of the NOx selective reduction catalyst according to the storage amount of the nitrogen oxides when the regeneration process is performed; A regeneration control unit for determining a start timing of the regeneration process according to the target adsorption amount; Is provided.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an exhaust system of an internal combustion engine to which an exhaust emission control device according to an embodiment of the present disclosure is applied.
  • FIG. 2 is a graph showing the temperature change of the target adsorption amount of ammonia of the NOx selective reduction catalyst.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an operation example of the purification control in the exhaust purification device.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an exhaust system of an internal combustion engine 1 to which an exhaust purification device 100 according to an embodiment of the present disclosure is applied.
  • the internal combustion engine 1 is, for example, a diesel engine mounted on a vehicle V, and is provided with an exhaust purification device 100 for guiding exhaust gas generated in the internal combustion engine 1 to the atmosphere.
  • the exhaust purification apparatus 100 includes an exhaust pipe 110 through which exhaust gas flows, a first temperature detection unit 120, a second temperature detection unit 130, a urea water injection unit 140, and a control unit 300.
  • the control unit 300 corresponds to the “exhaust gas purification control device” of the present disclosure.
  • the exhaust pipe 110 has a NOx occlusion reduction type catalyst 210 and a DPF (capacitor) as an example of a collection unit in order from the upstream side in the direction in which the exhaust gas flows (from the left to the right in the figure, hereinafter referred to as “exhaust direction”).
  • a diesel particulate filter) 220, a NOx selective reduction catalyst 230, and the like are examples of DPF (capacitor) as an example of a collection unit in order from the upstream side in the direction in which the exhaust gas flows (from the left to the right in the figure, hereinafter referred to as “exhaust direction”).
  • a diesel particulate filter) 220, a NOx selective reduction catalyst 230, and the like are examples of a collection unit in order from the upstream side in the direction in which the exhaust gas flows (from the left to the right in the figure, hereinafter referred to as “exhaust direction”).
  • the NOx occlusion reduction catalyst 210 is arranged upstream of the DPF 220 and the NOx selective reduction catalyst 230 in the exhaust pipe 110 in the exhaust direction, and occludes nitrogen oxides (hereinafter referred to as NOx) in the exhaust gas.
  • the NOx occlusion reduction type catalyst 210 occludes NOx in the exhaust gas when the exhaust temperature is the occlusion temperature and the exhaust air-fuel ratio is in a lean state.
  • the range of the occlusion temperature includes a temperature at which the NOx selective reduction catalyst 230 is in a non-activated region.
  • the NOx occluded in the NOx occlusion reduction catalyst 210 is reduced by reacting with the hydrocarbons and carbon monoxide in the exhaust gas by setting the exhaust air-fuel ratio to a rich state under the control of the control unit 300. .
  • the DPF 220 collects particulate matter contained in the exhaust gas that passes through the DPF 220.
  • the particulate matter is removed by executing a regeneration process for burning the collected particulate matter under the control of the control unit 300.
  • a regeneration process for burning the collected particulate matter under the control of the control unit 300.
  • post injection into the cylinder of the internal combustion engine 1 and fuel supply into the exhaust pipe 110 are performed, for example, hydrocarbons are supplied to an oxidation catalyst (not shown), An oxidation reaction occurs in the oxidation catalyst, and the temperature of the exhaust gas in the exhaust pipe 110 rises. Then, the particulate matter is burned by the exhaust gas whose temperature has risen flowing into the DPF 220.
  • the NOx selective reduction catalyst 230 is disposed downstream of the DPF 220 in the exhaust pipe 110 and adsorbs ammonia as an example of a reducing agent generated based on the urea water injected by the urea water injection unit 140.
  • the NOx selective reduction catalyst 230 reduces the NOx by reacting the adsorbed ammonia with NOx contained in the exhaust gas passing through the NOx selective reduction catalyst 230.
  • the first temperature detection unit 120 is disposed upstream of the NOx storage reduction catalyst 210 in the exhaust direction, and detects the temperature of the front portion of the NOx storage reduction catalyst 210 in the exhaust pipe 110.
  • the second temperature detection unit 130 is disposed upstream of the NOx selective reduction catalyst 230 in the exhaust direction, and detects the temperature of the front portion of the NOx selective reduction catalyst 230 in the exhaust pipe 110.
  • the urea water injection unit 140 is disposed upstream of the NOx selective reduction catalyst 230 in the exhaust pipe 110.
  • urea water is supplied into the exhaust pipe 110 by the urea water injection unit 140, the urea water is hydrolyzed by the temperature in the exhaust pipe 110, and ammonia is generated. Then, ammonia is adsorbed on the NOx selective reduction catalyst 230.
  • the controller 300 is, for example, an electronic control unit (ECU), and includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and an input / output circuit (not shown). .
  • the control unit 300 executes a regeneration process of the particulate matter collected by the DPF 220, a rich process for making the exhaust air-fuel ratio in the exhaust pipe 110 rich, based on a preset program.
  • the controller 300 When executing the regeneration process of the particulate matter of the DPF 220, the controller 300 estimates the NOx occlusion amount occluded in the NOx occlusion reduction type catalyst 210, and performs NOx selective reduction according to the estimated estimated occlusion amount of NOx.
  • the target adsorption amount of ammonia of the type catalyst 230 is determined.
  • the control part 300 determines the start timing of a reproduction
  • the control unit 300 corresponds to the “estimation unit”, “determination unit”, and “reproduction control unit” of the present disclosure.
  • the target adsorption amount of ammonia is the amount of ammonia at which the ammonia slip concentration is not more than the target value based on the relationship between the predetermined adsorption amount and the ammonia consumption amount.
  • the predetermined adsorption amount is an amount of ammonia at which the ammonia slip concentration is equal to or less than the target value when the storage amount of the NOx storage reduction catalyst 210 is zero.
  • the ammonia consumption is the amount of ammonia consumed in the purification reaction of NOx released from the NOx storage reduction catalyst 210.
  • NOx occlusion amount A + B ⁇ CDE (1)
  • the stored amount of NOx is the amount of NOx already stored in the NOx storage-reduction catalyst 210.
  • the estimated value of the stored amount of NOx estimated last time is used.
  • the NOx concentration upstream of the NOx storage reduction catalyst 210 is the NOx concentration in the exhaust gas upstream of the NOx storage reduction catalyst 210 in the exhaust pipe 110.
  • the NOx concentration detected by a sensor (not shown). Is used.
  • the NOx occlusion efficiency of the NOx occlusion reduction catalyst 210 depends on the temperature detection result of the first temperature detection unit 120, the exhaust gas flow rate, the NOx concentration upstream of the NOx occlusion reduction catalyst 210, the NOx occlusion amount, and the like. Calculated based on The flow rate of the exhaust gas is the amount of exhaust gas flowing into the exhaust pipe 110 and is detected by a sensor or the like (not shown).
  • the amount of NOx discharged from the NOx occlusion reduction type catalyst 210 is calculated based on the temperature detection result of the first temperature detection unit 120, the already stored amount of NOx, and the like.
  • the amount of NOx reduced from the NOx storage reduction catalyst 210 is calculated based on the temperature detection result of the first temperature detection unit 120, the exhaust gas flow rate, the already stored storage amount of the NOx storage reduction catalyst 210, the exhaust air-fuel ratio, and the like. Is done.
  • the exhaust air-fuel ratio is calculated based on the fuel injection amount in the exhaust pipe 110 and the like.
  • the control unit 300 determines the target adsorption amount of ammonia based on the estimated storage amount of NOx and the detection result of the second temperature detection unit 130 (temperature of the NOx selective reduction catalyst 230).
  • the target adsorption amount of ammonia is determined using, for example, the relationship shown in FIG. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the temperature of the NOx selective reduction catalyst 230 and the target adsorption amount of ammonia.
  • a solid line L2 in FIG. 2 indicates the temperature change of the target adsorption amount of ammonia that is set when the NOx storage amount of the NOx storage reduction catalyst 210 is zero.
  • the control unit 300 changes the target adsorption amount of ammonia in accordance with the ratio of the estimated storage amount to the maximum NOx storage amount of the NOx storage reduction catalyst 210. Specifically, the control unit 300 increases the target adsorption amount of ammonia as the estimated NOx storage amount increases.
  • N3 which is an intermediate value between N1 and N2
  • the target adsorption amount of ammonia in the NOx selective reduction catalyst 230 can be easily adjusted.
  • control unit 300 estimates the current adsorption amount of ammonia currently adsorbed on the NOx selective reduction catalyst 230.
  • the current adsorption amount of ammonia is estimated by the following equation (2).
  • Current adsorption amount of ammonia previous adsorption amount of ammonia + supply ammonia amount-consumption ammonia amount-ammonia desorption amount (2)
  • the supplied ammonia amount is the amount of ammonia supplied to the NOx selective reduction catalyst 230, and is calculated based on the amount of urea water injected by the urea water injection unit 140.
  • the consumed ammonia amount is the amount of ammonia consumed in the NOx purification reaction, the amount of NOx that has passed through the NOx selective reduction catalyst 230, the temperature detection result of the second temperature detector 130, the flow rate of exhaust gas, Is calculated based on the ratio of NO 2 and the amount of adsorbed ammonia.
  • the amount of NOx that has passed through the NOx selective reduction catalyst 230 is detected based on a sensor or the like (not shown).
  • the ratio of NO 2 in NOx is estimated by correcting the map based on the engine speed and the fuel injection amount based on the NOx storage amount and temperature of the NOx storage reduction catalyst 210.
  • the previous adsorption amount of ammonia is the current adsorption amount of ammonia calculated last time by the equation (2).
  • the ammonia desorption amount is the amount of ammonia desorbed from the NOx selective reduction catalyst 230, and is calculated based on the ammonia adsorption amount, the temperature detection result of the second temperature detection unit 130, and the exhaust gas flow rate.
  • the control unit 300 starts the regeneration process when the current adsorption amount of ammonia is equal to or less than the target adsorption amount of ammonia.
  • the temperature inside the exhaust pipe 110 is increased in order to burn the particulate matter collected by the DPF 220, so that the ammonia adsorbed by the NOx selective reduction catalyst 230 is reduced by the NOx selective reduction.
  • the problem of desorption from the mold catalyst 230 occurs. Therefore, when the regeneration process of the DPF 220 is performed, it is preferable to reduce the ammonia adsorption amount of the NOx selective reduction catalyst 230 as much as possible.
  • the NOx occluded in the NOx occlusion reduction type catalyst 210 is discharged from the NOx occlusion reduction type catalyst 210 due to the temperature rise in the exhaust pipe 110 accompanying the regeneration process of the DPF 220.
  • NOx exhausted from the NOx occlusion reduction type catalyst 210 due to the temperature rise in the exhaust pipe 110 accompanying the regeneration process is reduced by ammonia adsorbed on the NOx selective reduction type catalyst 230.
  • the ammonia adsorbed on the NOx selective reduction catalyst 230 after waiting for the ammonia adsorbed on the NOx selective reduction catalyst 230 to completely decrease and then starting the regeneration process, the ammonia is reduced by reacting with NOx contained in the exhaust gas. Need arises. As a result, it takes time to start the reproduction process.
  • NOx is discharged from the NOx occlusion reduction type catalyst 210 due to the temperature rise accompanying the regeneration process. Therefore, if ammonia is reduced from the NOx selective reduction catalyst 230 in order to start the regeneration process, the NOx discharged from the NOx storage reduction catalyst 210 is not reduced by the NOx selective reduction catalyst 230 and is released to the outside. It will be discharged.
  • ammonia adsorbed on the NOx selective reduction catalyst 230 is reduced using NOx stored in the NOx storage reduction catalyst 210.
  • the amount of ammonia adsorbed on the NOx selective reduction catalyst 230 can be efficiently reduced without waiting for the ammonia adsorbed on the NOx selective reduction catalyst 230 to completely decrease. That is, in the present embodiment, it is possible to shorten the time from when the regeneration process needs to be started to when the regeneration process is started, so that the regeneration process of the DPF 220 can be executed quickly.
  • the target adsorption amount of ammonia is set according to the storage amount of NOx, NOx discharged from the NOx storage reduction catalyst 210 is reduced by the NOx selective reduction catalyst 230. As a result, it is possible to suppress NOx from being discharged to the outside without being reduced by the NOx selective reduction catalyst 230 due to the NOx occlusion reduction catalyst 210 during the regeneration process.
  • ammonia adsorbed on the NOx selective reduction catalyst 230 is reduced using NOx discharged from the NOx storage reduction catalyst 210. As a result, it is possible to suppress the desorption of ammonia from the NOx selective reduction catalyst 230 due to the temperature rise accompanying the regeneration process.
  • the control unit 300 does not start the regeneration process when the current adsorption amount of ammonia is larger than the target adsorption amount of ammonia. That is, ammonia adsorbed on the NOx selective reduction catalyst 230 is reduced by NOx contained in the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 110. During this time, the current adsorption amount of ammonia and the target adsorption amount of ammonia are always calculated.
  • the control unit 300 starts the regeneration process when the current adsorption amount of ammonia reaches the target adsorption amount of ammonia or less. In this way, it takes time to reach the target adsorption amount of ammonia, but there is no need to wait until ammonia has completely decreased, so the optimal target can be reduced while shortening the time to start the regeneration process.
  • the regeneration process can be performed after the adsorption amount.
  • control unit 300 prohibits the rich process when the reproduction process is executed.
  • NOx occluded in the NOx occlusion reduction catalyst 210 is reduced, so that the ammonia of the NOx selective reduction catalyst 230 in which the target adsorption amount is set based on the NOx occlusion amount is assumed as expected. May not be reduced.
  • the rich process when the regeneration process is executed, the rich process is prohibited, whereby the ammonia in the NOx selective reduction catalyst 230 can be reduced as expected. As a result, ammonia in the NOx selective reduction catalyst 230 can be efficiently reduced. Further, by prohibiting the rich process, the NOx occlusion amount in the NOx occlusion reduction type catalyst 210 can be easily increased. That is, the target adsorption amount of ammonia of the NOx selective reduction catalyst 230 can be easily increased, so that the regeneration process can be executed quickly.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an operation example of the purification control in the exhaust purification device 100. The process in FIG. 3 is appropriately executed while the vehicle V is traveling, for example.
  • the control unit 300 determines whether or not it is necessary to execute the reproduction process (step S101).
  • the determination as to whether the regeneration process in step S101 needs to be executed is based on, for example, the collected amount of particulate matter in the DPF 220. Specifically, when the trapped amount of the particulate matter in the DPF 220 reaches the amount to be burned, the control unit 300 determines that the regeneration process needs to be executed.
  • step S101 if it is not necessary to execute the reproduction process (step S101, NO), this control ends.
  • step S101, YES the control unit 300 prohibits the rich process (step S102).
  • step S103 the controller 300 estimates the NOx occlusion amount of the NOx occlusion reduction type catalyst 210 (step S103).
  • control unit 300 determines the target adsorption amount of ammonia of the NOx selective reduction catalyst 230 based on the estimated NOx storage amount (step S104).
  • controller 300 estimates the current adsorption amount of the NOx selective reduction catalyst 230 (step S105).
  • control unit 300 determines whether or not the current adsorption amount is equal to or less than the target adsorption amount (step S106). If the current adsorption amount is larger than the target adsorption amount (step S106, NO), the process returns to step S103.
  • the control unit 300 determines whether or not the regeneration processing condition is satisfied (step S107).
  • the regeneration process condition includes, for example, the temperature condition of the NOx storage reduction catalyst 210 and the like.
  • step S107 if the reproduction process condition is not satisfied (step S107, NO), the process returns to step S103.
  • NO the reason why the process returns to step S103 is that the exhaust gas flows through the exhaust pipe 110 during the process from step S103 to step S107, so that NOx This is because the occlusion amount and the current adsorption amount fluctuate and the target adsorption amount needs to be an accurate value each time.
  • step S107 when the reproduction process condition is satisfied (step S107, YES), the control unit 300 executes the reproduction process (step S108). After the reproduction process is finished, this control is finished. This control is repeatedly executed while the vehicle V is traveling.
  • the regeneration process of the DPF 220 is promptly performed, and NOx is prevented from being discharged to the outside due to the NOx storage reduction catalyst 210 during the regeneration process. can do.
  • ammonia in the NOx selective reduction catalyst 230 is reduced using NOx discharged from the NOx storage reduction catalyst 210, ammonia (reducing agent) is desorbed from the NOx selective reduction catalyst 230 during the regeneration process. Can be suppressed.
  • the NOx occlusion amount is estimated using the above-described equation (1).
  • the present disclosure is not limited to this, and the NOx occlusion amount may be estimated by other methods. good.
  • sensors for detecting NOx may be provided on the upstream side and the downstream side of the NOx storage reduction catalyst 210, respectively, and the NOx storage amount may be estimated using the difference value of the detection amount of each sensor.
  • the estimation unit, the determination unit, and the reproduction control unit are exemplified as the control unit 300.
  • the present disclosure is not limited to this, and the estimation unit, the determination unit, and the reproduction control unit are provided separately. May be.
  • the exhaust emission control device 100 in the above embodiment is mounted on the vehicle V equipped with a diesel engine
  • the present disclosure is not limited to this, and may be mounted on a vehicle equipped with a gasoline engine, for example. good.
  • DPF220 was illustrated as an example of a collection part, this indication is not limited to this, What kind of thing may be used if it is a filter which can collect a particulate matter. . Further, when the exhaust gas purification device 100 is mounted on a vehicle equipped with a gasoline engine, a GPF (gasoline particulate filter) may be the collection unit.
  • GPF gasoline particulate filter
  • the exhaust emission control device is capable of quickly executing regeneration processing of the collection unit and suppressing exhaust of NOx due to the NOx storage reduction catalyst during the regeneration processing to the outside. It is useful as a purification device and an exhaust purification control device.

Abstract

排気浄化装置は、粒子状物質を捕集した捕集部の再生処理を実行する排気浄化装置であって、排気管内に配置され、還元剤を吸着することで排気ガス中の窒素酸化物を浄化処理するNOx選択還元型触媒と、排気ガスが流れる排気方向においてNOx選択還元型触媒よりも排気管内の上流側に配置され、排気ガス中の窒素酸化物を吸蔵するNOx吸蔵還元型触媒と、再生処理が実行される際、窒素酸化物の吸蔵量に応じて、NOx選択還元型触媒の還元剤の目標吸着量を決定する決定部と、目標吸着量に応じて再生処理の開始タイミングを決定する再生制御部と、を備える。

Description

排気浄化装置、車両および排気浄化制御装置
 本開示は、排気浄化装置、車両および排気浄化制御装置に関する。
 従来、内燃機関で生じた排気ガスに含まれる窒素酸化物(以下、「NOx」という)を浄化処理するNOx吸蔵還元型触媒と、当該NOxを還元処理するNOx選択還元型触媒とを有する排気浄化装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。NOx選択還元型触媒は、排気管内に供給された前駆体(例えば、尿素水)から発生した還元剤(例えば、アンモニア)を吸着し、吸着したアンモニアにより排気ガスに含まれるNOxを還元する。
 NOx吸蔵還元型触媒は、NOx選択還元型触媒が非活性化領域となる低温時においてNOxを吸蔵する性質を有する。そのため、当該低温時でもNOxが、NOx吸蔵還元型触媒により吸蔵され、その後還元される。このように、NOx選択還元型触媒とともにNOx吸蔵還元型触媒を排気浄化装置に用いた場合、当該排気浄化装置における排気浄化処理を効果的に行うことができる。
日本国特開2016-125390号公報
 ところで、排気浄化装置には、粒子状物質を捕集する捕集部が設けられる場合があるが、この捕集部に流入する排気を昇温することで捕集された粒子状物質を燃焼させる再生処理を行うと、排気浄化装置内の昇温によって、NOx選択還元型触媒からアンモニアが脱離するという問題が生じる。この問題を解消するためには、捕集部の再生処理を開始するまでに、NOx選択還元型触媒のアンモニアの吸着量をある程度減らす必要が生じる。その結果、捕集部の再生処理をする必要が生じてから当該再生処理を開始するまでの時間がかかってしまう問題が生じる。
 また、上記のような排気浄化装置では、捕集部の再生処理に伴う排気浄化装置内の昇温によって、NOx吸蔵還元型触媒が吸蔵するNOxが排出されてしまう。そのため、捕集部の再生処理のためにNOx選択還元型触媒のアンモニアの吸着量を減らすと、NOx吸蔵還元型触媒から排出されるNOxがNOx選択還元型触媒で還元されず、そのまま外部に排出されてしまう問題が生じる。
 本開示の目的は、捕集部の再生処理を速やかに実行し、かつ、再生処理時にNOx吸蔵還元型触媒に起因してNOxが外部に排出されることを抑制することが可能な排気浄化装置、車両および排気浄化制御装置を提供することである。
 本開示に係る排気浄化装置は、
 粒子状物質を捕集した捕集部の再生処理を実行する排気浄化装置であって、
 排気管内に配置され、還元剤を吸着することで排気ガス中の窒素酸化物を浄化処理するNOx選択還元型触媒と、
 前記排気ガスが流れる排気方向において前記NOx選択還元型触媒よりも前記排気管内の上流側に配置され、前記排気ガス中の窒素酸化物を吸蔵するNOx吸蔵還元型触媒と、
 前記再生処理が実行される際、前記窒素酸化物の吸蔵量に応じて、前記NOx選択還元型触媒の前記還元剤の目標吸着量を決定する決定部と、
 前記目標吸着量に応じて前記再生処理の開始タイミングを決定する再生制御部と、
 を備える。
 本開示に係る車両は、
 上記した排気浄化装置を備える。
 本開示に係る排気浄化制御装置は、
 排気管内に配置され、還元剤を吸着することで排気ガス中の窒素酸化物を浄化処理するNOx選択還元型触媒と、前記排気ガスが流れる排気方向において前記NOx選択還元型触媒よりも前記排気管内の上流側に配置され、前記排気ガス中の窒素酸化物を吸蔵するNOx吸蔵還元型触媒と、を備え、粒子状物質を捕集した捕集部の再生処理を実行する排気浄化装置の排気浄化制御装置であって、
 前記再生処理が実行される際、前記窒素酸化物の吸蔵量に応じて、前記NOx選択還元型触媒の前記還元剤の目標吸着量を決定する決定部と、
 前記目標吸着量に応じて前記再生処理の開始タイミングを決定する再生制御部と、
 を備える。
 本開示によれば、捕集部の再生処理を速やかに実行し、かつ、再生処理時にNOx吸蔵還元型触媒に起因してNOxが外部に排出されることを抑制することができる。
図1は、本開示の実施の形態に係る排気浄化装置が適用された内燃機関の排気系を示す概略構成図である。 図2は、NOx選択還元型触媒のアンモニアの目標吸着量の温度変化を示す図である。 図3は、排気浄化装置における浄化制御の動作例を示すフローチャートである。
 以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本開示の実施の形態に係る排気浄化装置100が適用された内燃機関1の排気系を示す概略構成図である。
 図1に示すように、内燃機関1は、車両Vに搭載される、例えばディーゼルエンジンであり、内燃機関1で生じた排気ガスを大気中に導くための排気浄化装置100が設けられている。排気浄化装置100は、排気ガスが流れる排気管110と、第1温度検出部120と、第2温度検出部130と、尿素水噴射部140と、制御部300とを備えている。制御部300は、本開示の「排気浄化制御装置」に対応する。
 排気管110には、排気ガスが流れる方向(図示左から右へ向かう方向、以下、「排気方向」という)の上流側から順に、NOx吸蔵還元型触媒210、捕集部の一例としてのDPF(ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ)220、NOx選択還元型触媒230等が設けられている。
 NOx吸蔵還元型触媒210は、排気方向においてDPF220およびNOx選択還元型触媒230よりも排気管110内の上流側に配置され、排気ガス中の窒素酸化物(以下、NOxという)を吸蔵する。
 具体的には、NOx吸蔵還元型触媒210は、排気温度が吸蔵温度であり、かつ、排気空燃比がリーン状態である場合、排気ガス中のNOxを吸蔵する。吸蔵温度の範囲は、NOx選択還元型触媒230が非活性化領域となる温度を含む。
 NOx吸蔵還元型触媒210に吸蔵されたNOxは、制御部300の制御の下、排気空燃比がリッチ状態とされることにより、排気ガス中の炭化水素および一酸化炭素と反応して還元される。
 DPF220は、自身を通過する排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集する。DPF220では、制御部300の制御の下、捕集された粒子状物質を燃焼する再生処理が実行されることで、当該粒子状物質が除去される。具体的には、制御部300の制御により、内燃機関1のシリンダ内へのポスト噴射や排気管110内への燃料供給が行われることで、例えば図示しない酸化触媒に炭化水素が供給され、当該酸化触媒で酸化反応が生じ、排気管110の排気ガスの温度が上昇する。そして、温度が上昇した排気ガスがDPF220に流入することで粒子状物質が燃焼される。
 NOx選択還元型触媒230は、排気管110におけるDPF220の下流側に配置され、尿素水噴射部140により噴射された尿素水に基づいて生成された還元剤の一例としてのアンモニアを吸着する。NOx選択還元型触媒230は、吸着したアンモニアと、自身を通過する排気ガス中に含まれるNOxとを反応させることで、当該NOxを還元する。
 第1温度検出部120は、排気方向におけるNOx吸蔵還元型触媒210よりも上流側に配置され、排気管110におけるNOx吸蔵還元型触媒210の手前部分の温度を検出する。
 第2温度検出部130は、排気方向におけるNOx選択還元型触媒230よりも上流側に配置され、排気管110におけるNOx選択還元型触媒230の手前部分の温度を検出する。
 尿素水噴射部140は、排気管110におけるNOx選択還元型触媒230よりも上流側に配置されている。尿素水噴射部140により、尿素水が排気管110内に供給されると、排気管110内の温度により尿素水が加水分解されて、アンモニアが生成される。そして、アンモニアがNOx選択還元型触媒230に吸着する。
 制御部300は、例えば電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)であって、図示しないCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)および入出力回路を備えている。制御部300は、予め設定されたプログラムに基づいて、DPF220に捕集された粒子状物質の再生処理や、排気管110内の排気空燃比をリッチ状態にするリッチ処理等を実行する。
 制御部300は、DPF220の粒子状物質の再生処理を実行する際、NOx吸蔵還元型触媒210に吸蔵されたNOxの吸蔵量を推定し、推定したNOxの推定吸蔵量に応じて、NOx選択還元型触媒230のアンモニアの目標吸着量を決定する。そして、制御部300は、当該目標吸着量に応じて、再生処理の開始タイミングを決定する。制御部300は、本開示の「推定部」、「決定部」および「再生制御部」に対応する。
 アンモニアの目標吸着量は、所定吸着量とアンモニア消費量との関係に基づいて、アンモニアスリップ濃度が目標値以下となるアンモニアの量である。所定吸着量は、NOx吸蔵還元型触媒210の吸蔵量が0である場合のアンモニアスリップ濃度が目標値以下となるアンモニアの量である。アンモニア消費量は、NOx吸蔵還元型触媒210から放出されるNOxの浄化反応で消費されるアンモニアの量である。
 NOxの吸蔵量は、以下の式(1)により推定される。
 NOxの吸蔵量=A+B×C-D-E・・・(1)
 A:NOxの既吸蔵量
 B:NOx吸蔵還元型触媒210の上流側のNOx濃度
 C:NOx吸蔵還元型触媒210のNOx吸蔵効率
 D:NOx吸蔵還元型触媒210から排出されるNOxの量
 E:NOx吸蔵還元型触媒210から還元されるNOxの量
 NOxの既吸蔵量は、NOx吸蔵還元型触媒210に既に吸蔵されているNOxの量であり、例えば前回推定されたNOxの吸蔵量の推定値が用いられる。
 NOx吸蔵還元型触媒210の上流側のNOx濃度は、排気管110内におけるNOx吸蔵還元型触媒210の上流側の、排気ガス中のNOx濃度であり、例えば、図示しないセンサにより検出されたNOx濃度が用いられる。
 NOx吸蔵還元型触媒210のNOx吸蔵効率は、第1温度検出部120の温度検出結果、排気ガスの流量、NOx吸蔵還元型触媒210の上流側のNOx濃度、および、NOxの既吸蔵量等に基づいて算出される。排気ガスの流量は、排気管110内に流れ込む排気ガスの量であり、図示しないセンサ等により検出される。
 NOx吸蔵還元型触媒210から排出されるNOxの量は、第1温度検出部120の温度検出結果およびNOxの既吸蔵量等に基づいて算出される。
 NOx吸蔵還元型触媒210から還元されるNOxの量は、第1温度検出部120の温度検出結果、排気ガスの流量、NOx吸蔵還元型触媒210の既吸蔵量および排気空燃比等に基づいて算出される。排気空燃比は、排気管110内の燃料噴射量等に基づいて算出される。
 制御部300は、NOxの推定吸蔵量と、第2温度検出部130の検出結果(NOx選択還元型触媒230の温度)とに基づいて、アンモニアの目標吸着量を決定する。
 アンモニアの目標吸着量は、例えば、図2に示す関係を用いて決定される。図2は、NOx選択還元型触媒230の温度とアンモニアの目標吸着量との関係を示す図である。
 図2の実線L1は、NOx吸蔵還元型触媒210のNOxの吸蔵量が最大状態である最大吸蔵量のときに設定されるアンモニアの目標吸着量の温度変化を示している。図2の実線L2は、NOx吸蔵還元型触媒210のNOxの吸蔵量が0の状態のときに設定されるアンモニアの目標吸着量の温度変化を示している。
 制御部300は、NOx吸蔵還元型触媒210のNOxの最大吸蔵量に対する推定吸蔵量の割合に応じて、アンモニアの目標吸着量を変更する。具体的に、制御部300は、NOxの推定吸蔵量が大きいほど、アンモニアの目標吸着量を大きくする。
 例えば、NOxの吸蔵量が、温度Tより小さい温度T1の状態で、最大吸蔵量の半分の量である場合、図2の関係から、N1とN2の中間値となるN3をアンモニアの目標吸着量として決定する。このようにすることで、NOx選択還元型触媒230におけるアンモニアの目標吸着量を容易に調整することができる。
 アンモニアの目標吸着量を決定したら、制御部300は、NOx選択還元型触媒230に現時点で吸着されているアンモニアの現在吸着量を推定する。
 アンモニアの現在吸着量は、以下の式(2)により推定される。
 アンモニアの現在吸着量=アンモニアの前回吸着量+供給アンモニア量-消費アンモニア量-アンモニア脱離量・・・(2)
 供給アンモニア量は、NOx選択還元型触媒230に供給したアンモニアの量であり、尿素水噴射部140により噴射された尿素水の量に基づいて算出される。
 消費アンモニア量は、NOxの浄化反応で消費されたアンモニアの量であり、NOx選択還元型触媒230を通過したNOxの量、第2温度検出部130の温度検出結果、排気ガスの流量、NOx内におけるNOの比率、および、アンモニアの吸着量に基づいて算出される。
 NOx選択還元型触媒230を通過したNOxの量は、図示しないセンサ等に基づいて検出される。NOx内におけるNOの比率は、エンジン回転数と燃料噴射量に基づいたマップにNOx吸蔵還元型触媒210のNOx吸蔵量や温度による補正を行うことで推定される。アンモニアの前回吸着量は、式(2)により前回算出されたアンモニアの現在吸着量である。
 アンモニア脱離量は、NOx選択還元型触媒230から脱離したアンモニアの量であり、アンモニアの吸着量、第2温度検出部130の温度検出結果、排気ガスの流量に基づいて算出される。
 制御部300は、アンモニアの現在吸着量がアンモニアの目標吸着量以下である場合、再生処理を開始する。
 DPF220の再生処理が実行される際、DPF220に捕集された粒子状物質を燃焼させるため、排気管110内が昇温するので、NOx選択還元型触媒230に吸着されたアンモニアが、NOx選択還元型触媒230から脱離するという問題が生じる。そのため、DPF220の再生処理を行う際、NOx選択還元型触媒230のアンモニアの吸着量をできる限り減らした状態にすることが好ましい。
 また、DPF220の再生処理に伴う排気管110内の昇温によって、NOx吸蔵還元型触媒210に吸蔵されたNOxが、NOx吸蔵還元型触媒210から排出される。本実施の形態では、再生処理に伴う排気管110内の昇温によってNOx吸蔵還元型触媒210から排出されるNOxを、NOx選択還元型触媒230に吸着したアンモニアによって還元する。
 ここで、例えば、NOx選択還元型触媒230に吸着されたアンモニアが完全に減少するのを待った上で、再生処理を開始すると、排気ガスに含まれるNOxと反応させることによって、当該アンモニアを減少させる必要が生じる。その結果、再生処理を開始するまでに時間がかかってしまう。
 また、NOx吸蔵還元型触媒210を有する構成だと、再生処理に伴う昇温によって、NOx吸蔵還元型触媒210からNOxが排出される。そのため、再生処理を開始するために、NOx選択還元型触媒230からアンモニアを減少させてしまうと、NOx吸蔵還元型触媒210から排出されたNOxがNOx選択還元型触媒230で還元されずに外部に排出されてしまう。
 しかし、本実施の形態では、NOx吸蔵還元型触媒210に吸蔵されたNOxを用いて、NOx選択還元型触媒230に吸着されたアンモニアを減少させる。その結果、NOx選択還元型触媒230に吸着されたアンモニアが完全に減少するのを待つことなく、NOx選択還元型触媒230に吸着されるアンモニアの量を効率よく減少させることができる。すなわち、本実施の形態では、再生処理をする必要が生じてから再生処理を開始するまでの時間を短縮することができるので、DPF220の再生処理を速やかに実行することができる。
 また、アンモニアの目標吸着量がNOxの吸蔵量に応じて設定されているので、NOx選択還元型触媒230で、NOx吸蔵還元型触媒210から排出されるNOxが還元される。その結果、再生処理時にNOx吸蔵還元型触媒210に起因してNOxがNOx選択還元型触媒230で還元されずに外部に排出されることを抑制することができる。
 また、NOx吸蔵還元型触媒210から排出されるNOxを利用して、NOx選択還元型触媒230に吸着したアンモニアを減少させる。その結果、再生処理に伴う昇温に起因してアンモニアがNOx選択還元型触媒230から脱離することを抑制することができる。
 制御部300は、アンモニアの現在吸着量がアンモニアの目標吸着量よりも大きい場合、再生処理を開始しない。つまり、排気管110を流れる排気ガスに含まれるNOxによって、NOx選択還元型触媒230に吸着するアンモニアを減らしていく。この間において、アンモニアの現在吸着量およびアンモニアの目標吸着量は、常時算出される。
 そして、制御部300は、アンモニアの現在吸着量がアンモニアの目標吸着量以下に達した場合、再生処理を開始する。このように、アンモニアの目標吸着量に達するまでの時間はかかるが、完全にアンモニアが減少した状態になるまで待つ必要がないため、再生処理を開始するまでの時間を短縮しつつ、最適な目標吸着量とした上で再生処理を行うことができる。
 また、制御部300は、再生処理が実行される際、リッチ処理を禁止する。
 リッチ処理が行われると、NOx吸蔵還元型触媒210に吸蔵されたNOxが還元されるので、NOxの吸蔵量に基づいて目標吸着量が設定されているNOx選択還元型触媒230のアンモニアを想定通りに減少させられない可能性がある。
 しかし、本実施の形態では、再生処理が実行される際、リッチ処理が禁止されることによって、NOx選択還元型触媒230のアンモニアを想定通りに減少させることができる。その結果、NOx選択還元型触媒230のアンモニアを効率よく減少させることができる。また、リッチ処理を禁止することにより、NOx吸蔵還元型触媒210におけるNOx吸蔵量を増やしやすくすることができる。すなわち、NOx選択還元型触媒230のアンモニアの目標吸着量を増大させやすくできるので、再生処理を迅速に実行することができる。
 以上のように構成された排気浄化装置100における浄化制御の動作例について説明する。図3は、排気浄化装置100における浄化制御の動作例を示すフローチャートである。図3における処理は、例えば、車両Vの走行中において、適宜実行される。
 図3に示すように、制御部300は、再生処理を実行する必要があるか否かについて判定する(ステップS101)。ステップS101における再生処理を実行する必要があるかの判定は、例えば、DPF220における粒子状物質の捕集量等を基準になされる。具体的には、DPF220における粒子状物質の捕集量が燃焼させるべき量まで達した場合、制御部300は、再生処理を実行する必要があると判定する。
 判定の結果、再生処理を実行する必要がない場合(ステップS101、NO)、本制御は終了する。一方、再生処理を実行する必要がある場合(ステップS101、YES)、制御部300は、リッチ処理を禁止する(ステップS102)。次に、制御部300は、NOx吸蔵還元型触媒210のNOx吸蔵量を推定する(ステップS103)。
 次に、制御部300は、推定したNOxの推定吸蔵量に基づいて、NOx選択還元型触媒230のアンモニアの目標吸着量を決定する(ステップS104)。次に、制御部300は、NOx選択還元型触媒230の現在吸着量を推定する(ステップS105)。
 次に、制御部300は、現在吸着量が目標吸着量以下であるか否かについて判定する(ステップS106)。現在吸着量が目標吸着量より大きい場合(ステップS106、NO)、処理はステップS103に戻る。
 一方、現在吸着量が目標吸着量以下である場合(ステップS106、YES)、制御部300は、再生処理条件が成立しているか否かについて判定する(ステップS107)。再生処理条件は、例えば、NOx吸蔵還元型触媒210の温度条件等が含まれる。
 判定の結果、再生処理条件が成立していない場合(ステップS107、NO)、処理はステップS103に戻る。ここで、ステップS106,S107でNOの場合、処理がステップS103に戻る理由としては、ステップS103からステップS107までの処理をしている間に、排気ガスが排気管110内を流れることで、NOxの吸蔵量や現在吸着量が変動し、その都度、目標吸着量を正確な値にする必要があるからである。
 一方、再生処理条件が成立した場合(ステップS107、YES)、制御部300は、再生処理を実行する(ステップS108)。再生処理が終了した後、本制御は終了する。なお、本制御は、車両Vの走行中に繰り返し実行される。
 以上のように構成された本実施の形態によれば、DPF220の再生処理を速やかに実行し、かつ、再生処理時にNOx吸蔵還元型触媒210に起因してNOxが外部に排出されることを抑制することができる。
 また、NOx吸蔵還元型触媒210から排出されるNOxを利用してNOx選択還元型触媒230のアンモニアを減少させるので、再生処理時にNOx選択還元型触媒230からアンモニア(還元剤)が脱離することを抑制することができる。
 なお、上記実施の形態では、上述の式(1)を用いてNOxの吸蔵量を推定していたが、本開示はこれに限定されず、その他の方法によりNOxの吸蔵量を推定しても良い。例えば、NOx吸蔵還元型触媒210の上流側および下流側に、それぞれNOxを検出するセンサを設け、各センサの検出量の差分値を用いてNOxの吸蔵量が推定されても良い。
 また、上記実施の形態では、推定部、決定部および再生制御部を制御部300として例示したが、本開示はこれに限定されず、推定部、決定部および再生制御部が別々に設けられていても良い。
 また、上記実施の形態における排気浄化装置100は、ディーゼルエンジンを搭載した車両Vに搭載されていたが、本開示はこれに限定されず、例えば、ガソリンエンジンを搭載した車両に搭載されていても良い。
 また、上記実施の形態では、DPF220を捕集部の一例として例示したが、本開示はこれに限定されず、粒子状物質を捕集可能なフィルタであればどのようなものであっても良い。また、ガソリンエンジンを搭載した車両に排気浄化装置100が搭載される場合、GPF(ガソリン・パティキュレート・フィルタ)が捕集部であっても良い。
 その他、上記実施の形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
 本出願は、2018年3月8日付で出願された日本特許出願(特願2018-041864)に基づくものであり、その内容は、ここに参照として全て取り込まれる。
 本開示の排気浄化装置は、捕集部の再生処理を速やかに実行し、かつ、再生処理時にNOx吸蔵還元型触媒に起因してNOxが外部に排出されることを抑制することが可能な排気浄化装置および排気浄化制御装置として有用である。
 1 内燃機関
 100 排気浄化装置
 110 排気管
 120 第1温度検出部
 130 第2温度検出部
 140 尿素水噴射部
 210 NOx吸蔵還元型触媒
 220 DPF
 230 NOx選択還元型触媒
 300 制御部
 V 車両
 

Claims (8)

  1.  粒子状物質を捕集した捕集部の再生処理を実行する排気浄化装置であって、
     排気管内に配置され、還元剤を吸着することで排気ガス中の窒素酸化物を浄化処理するNOx選択還元型触媒と、
     前記排気ガスが流れる排気方向において前記NOx選択還元型触媒よりも前記排気管内の上流側に配置され、前記排気ガス中の窒素酸化物を吸蔵するNOx吸蔵還元型触媒と、
     前記再生処理が実行される際、前記窒素酸化物の吸蔵量に応じて、前記NOx選択還元型触媒の前記還元剤の目標吸着量を決定する決定部と、
     前記目標吸着量に応じて前記再生処理の開始タイミングを決定する再生制御部と、
     を備える排気浄化装置。
  2.  前記NOx吸蔵還元型触媒の前記窒素酸化物の吸蔵量を推定する推定部を備える、
     請求項1に記載の排気浄化装置。
  3.  前記決定部は、前記推定部による前記窒素酸化物の推定量が大きいほど、前記目標吸着量を大きくする、
     請求項2に記載の排気浄化装置。
  4.  前記NOx選択還元型触媒よりも前記排気管の上流側の温度を検出する温度検出部を備え、
     前記決定部は、前記温度検出部により検出された温度と、前記推定部により推定された前記窒素酸化物の量とに基づいて前記還元剤の目標吸着量を決定する、
     請求項2に記載の排気浄化装置。
  5.  前記推定部は、前記NOx選択還元型触媒における前記還元剤の現在吸着量を推定し、
     前記再生制御部は、前記現在吸着量が前記目標吸着量以下である場合、前記再生処理を開始する、
     請求項2に記載の排気浄化装置。
  6.  前記再生制御部は、前記再生処理が実行される際、前記排気管内の排気空燃比をリッチ状態にするリッチ処理を禁止する、
     請求項1に記載の排気浄化装置。
  7.  請求項1に記載の排気浄化装置を備える、
     車両。
  8.  排気管内に配置され、還元剤を吸着することで排気ガス中の窒素酸化物を浄化処理するNOx選択還元型触媒と、前記排気ガスが流れる排気方向において前記NOx選択還元型触媒よりも前記排気管内の上流側に配置され、前記排気ガス中の窒素酸化物を吸蔵するNOx吸蔵還元型触媒と、を備え、粒子状物質を捕集した捕集部の再生処理を実行する排気浄化装置の排気浄化制御装置であって、
     前記再生処理が実行される際、前記窒素酸化物の吸蔵量に応じて、前記NOx選択還元型触媒の前記還元剤の目標吸着量を決定する決定部と、
     前記目標吸着量に応じて前記再生処理の開始タイミングを決定する再生制御部と、
     を備える排気浄化制御装置。
     
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