JP2011032931A

JP2011032931A - 触媒昇温装置

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Publication number: JP2011032931A
Application number: JP2009179657A
Authority: JP
Inventors: Taiji Nagaoka; 大治長岡; Teruo Nakada; 輝男中田; Hiroyuki Yuza; 裕之遊座
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: JP5614004B2

Abstract

【課題】排ガス後処理触媒の昇温に必要な燃料を低減することができる触媒昇温装置を提供する。
【解決手段】エンジン２の排気管３に、前記エンジン２からの排ガスを吸熱反応により浄化する排ガス後処理触媒４が設けられ、その排ガス後処理触媒４を昇温するための触媒昇温装置１において、前記排ガス後処理触媒４よりも上流の排気管３に設けられ前記排ガス後処理触媒４に流入する排ガスを昇温するためのバーナー手段５と、前記排ガス後処理触媒４から流出した排ガスと前記バーナー手段５に流入する排ガスとの間で熱交換を行うための廃熱回収手段６とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸熱反応により排ガスを浄化する排ガス後処理触媒を昇温するための触媒昇温装置に関するものである。

従来、排ガス後処理触媒の浄化性能を早期に向上させるため、バーナーシステムが検討されている。これはｅｎｇｏｕｔ（エンジンアウト）排ガス温度が低いときに、軽油を直接燃焼（点火）して排ガスを暖め、触媒を早期に活性させる装置である。

また、排ガスとして捨てられる廃熱を回収して触媒入り口排ガス温度を上昇させる装置も検討されている。これは触媒入り口と出口の間に熱交換器を置き、触媒でＨＣ、ＣＯなどの燃焼で発生した熱量を回収して入り口排ガス温度を上昇させる装置である（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−１９８７０６号公報

しかしながら、上述したバーナー装置と廃熱回収装置とには以下のような問題があった。

バーナー装置の欠点は、排ガス体積が非常に大きいため、暖めるために燃焼させる軽油の量が非常に多く燃費悪化が激しい点である。バーナー装置は、燃焼に必要な空気を外部から導入するため、コンプレッサが必要となる。

また、廃熱回収装置の欠点は、この装置は触媒でＨＣ、ＣＯ、軽油などの燃焼で発生した熱を回収するものであるので、ＤＯＣ（ＤｉｅｓｅｌＯｘｄａｔｉｏｎＣａｔａｌｙｓｔ）やＬＮＴ触媒（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒）などでは効果が得られるが、ＳＣＲ触媒（選択還元触媒）などのように吸熱反応で熱を発生しない触媒では効果がなく、使用できる触媒システムが限定される点が挙げられる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、排ガス後処理触媒の昇温に必要な燃料を低減することができる触媒昇温装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に、前記エンジンからの排ガスを吸熱反応により浄化する排ガス後処理触媒が設けられ、その排ガス後処理触媒を昇温するための触媒昇温装置において、前記排ガス後処理触媒よりも上流の排気管に設けられ前記排ガス後処理触媒に流入する排ガスを昇温するためのバーナー手段と、前記排ガス後処理触媒から流出した排ガスと前記バーナー手段に流入する排ガスとの間で熱交換を行うための廃熱回収手段とを備えたものである。

好ましくは、前記排ガス後処理触媒が、前記エンジンからの排ガスに含まれるＮＯｘを還元するための選択還元触媒であるものである。

好ましくは、前記排ガス後処理触媒よりも上流の排気管に、前記エンジンからの排ガスに含まれるＰＭを捕集するためのフィルタ手段が設けられ、前記バーナー手段が、前記フィルタ手段と前記排ガス後処理触媒との間の排気管に配置されたものである。

好ましくは、前記排ガス後処理触媒と前記バーナー手段との間の排気管内の排ガスの温度を検出するための温度検出手段と、その温度検出手段により検出された温度が前記排ガス後処理触媒の触媒活性温度に一致するように、前記バーナー手段を制御する制御手段とを備えたものである。

本発明によれば、排ガス後処理触媒の昇温に必要な燃料を低減することができるという優れた効果を発揮するものである。

図１は、本発明に係る一実施形態による触媒昇温装置の概略構成図である。図２は、本実施形態の昇温制御に係るフローチャートの一例である。図３は、本実施形態の作動例である。図４は、排ガス後処理触媒の昇温に必要な必要熱量を説明するための図である。図５は、必要熱量の時間変化を説明するための図である。図６は、本発明の変形例による触媒昇温装置の概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の触媒昇温装置は、例えばディーゼルエンジンが搭載された車両に適用される。

図１に基づき本実施形態の触媒昇温装置の概略構造を説明する。

図１に示すように、エンジン２には、排ガス（排気）を排出するための排気管３が設けられており、その排気管３に、排ガスを浄化するための後処理システム１０と、本実施形態の触媒昇温装置１とが設けられる。

後処理システム１０は、排ガス中のＰＭを除去するためのフィルタ装置（フィルタ手段）７と、排ガス中のＮＯｘを除去するための触媒装置８とを備える。図例では、フィルタ装置７が触媒装置８の上流側に配置される。

フィルタ装置７は、所謂連続再生式のフィルタ装置であり、ＰＭを捕集するための触媒付きフィルタ（以下、ＣＳＦという）７１と、そのＣＳＦ７１の上流に配置されたディーゼル酸化触媒（以下、ＤＯＣという）７２とを有する。

ＣＳＦ７１は、例えば、ウォールフロータイプのフィルタ本体（多孔質の目封じ型セラミックハニカムなど）に白金、バナジウムなどの触媒成分を担持させて形成される。ＤＯＣ７２は、例えば、セラミックハニカムなどからなる担体に触媒成分を担持させて形成される。これらＣＳＦ７１とＤＯＣ７２とは、排気管３に設けられたハウジング７３内に直列に並べて収容される。

このフィルタ装置７では、ＣＳＦ７１にてＰＭが捕集され、その捕集されたＰＭがＣＳＦ７１の触媒成分により酸化される。また、ＤＯＣ７２により排ガス中のＨＣやＣＯなどが酸化されることで、ＣＳＦ７１に流入する排ガスが昇温されＣＳＦ７１での酸化が促進されるようになっている。

触媒装置８は、排ガスに含まれるＮＯｘを還元するためのＳＣＲ触媒（選択還元触媒）４を有し、そのＳＣＲ触媒４が、排ガスを吸熱反応により浄化する排ガス後処理触媒をなす。

本実施形態のＳＣＲ触媒４は、アンモニアを還元剤として用いる尿素ＳＣＲ触媒からなる。そのＳＣＲ触媒４は、セラミックハニカムなどからなる担体に触媒成分（バナジウムなど）を担持させて形成される。このＳＣＲ触媒４は、触媒としての機能が活性化する所定の触媒活性温度（約２５０℃）を有する。

ＳＣＲ触媒４の上流には、図示しない尿素水噴射弁が設けられ、その尿素水噴射弁から噴射された尿素水（尿素水溶液）がアンモニアへと分解されてＳＣＲ触媒４に供給される。

ＳＣＲ触媒４の下流には、ＳＣＲ触媒４からスリップ（流出）するアンモニアを処理するための酸化触媒（ＤＯＣ）４１が設けられる。これらＳＣＲ触媒４と酸化触媒４１とは、排気管３に設けられたハウジング４２内に直列に並べて収容される。

本実施形態の触媒昇温装置１は、ＳＣＲ触媒４などの発熱しない触媒で燃費悪化の少ない触媒昇温が行えるように、バーナー手段５と熱交換器６とを組み合わせたものである。

より具体的には、触媒昇温装置１は、ＳＣＲ触媒４に流入する排ガスを昇温するためのバーナー手段５と、ＳＣＲ触媒４から流出した排ガスとバーナー手段５に流入する排ガスとの間で熱交換を行うための熱交換器６（廃熱回収手段）とを備える。

以下の説明において、エンジン２と熱交換器６との間の排気管を第１排気管３１、熱交換器６とフィルタ装置７との間の排気管を第２排気管３２、フィルタ装置７と触媒装置８との間の排気管を第３排気管３３、触媒装置８と熱交換器６との間の排気管を第４排気管３４、熱交換器６と図示しないテールパイプとの間の排気管を第５排気管３５という。

バーナー手段５は、燃料と空気とを酸化反応させて排ガスを昇温するバーナー装置５１と、そのバーナー装置５１の下流に配置された温度検出手段（以下、Ｔ１センサという）５２と、そのＴ１センサ５２の検出温度に基づいてバーナー装置５１を制御するための電子制御ユニット５３とを有する。

バーナー装置５１は、排気管３に燃料を噴射するための排気管噴射弁５１１と、空気（２次空気）を供給するための空気供給管５１２と、排気管噴射弁５１１からの燃料を空気供給管５１２からの空気で酸化（燃焼）させるための酸化触媒（以下、バーナー用触媒という）５１３とを有する。図例では、排気管噴射弁５１１から第３排気管３３まで延びる導入管５１４が設けられ、その導入管５１４に空気供給管５１２とバーナー用触媒５１３とが設けられる。

より具体的には、導入管５１４は、一端が排気管噴射弁５１１に臨むと共に他端側に至るにつれ縮径される漏斗部５１５と、その漏斗部５１５から連続して延びて第３排気管３３に接続される直管部５１６とを有する。

排気管噴射弁５１１は、導入管５１４の漏斗部５１５に配置され第３排気管３３に指向される。排気管噴射弁５１１は、エンジン２の燃料系統に接続され、エンジン２と同じ種類の燃料（本実施形態では軽油）が供給される。その排気管噴射弁５１１は、噴射量や噴射タイミングが電子制御ユニット５３により制御される。

空気供給管５１２は、空気供給源（例えば車両に搭載されたコンプレッサ、タンクなど）に接続され、その空気供給源からの空気を漏斗部５１５に導入する。図例では、漏斗部５１５に導入する空気がスワール（旋回流）となるように、空気供給管５１２は漏斗部５１５の側面に対して傾斜して取り付けられる。空気供給管５１２には、流量を連続的に調整するための図示しない調整弁が設けられ、その調整弁が電子制御ユニット５３により開度制御される。

バーナー用触媒５１３は、直管部５１６内に収容される。バーナー用触媒５１３は、上述の酸化触媒４１、７２と同様の構造を有し、例えば、セラミックハニカムなどからなる担体に触媒成分（白金、バナジウムなど）を担持させてなる。

このバーナー装置５１では、排気管噴射弁５１１からの燃料と空気供給管５１２からの空気とが漏斗部５１５内で混合され、その混合気が直管部５１６に流入しバーナー用触媒５１３で酸化（燃焼）されて高温となる。その高温ガスは、直管部５１６から第３排気管３３に流入し、これにより第３排気管３３内の排ガスが昇温される。

Ｔ１センサ５２は、バーナー装置５１よりも下流の第３排気管３３に取り付けられる。そのＴ１センサ５２は、ＳＣＲ触媒４に流入する排ガスの温度を検出するためのものであり、検出した温度を電子制御ユニット５３に出力する。

バーナー装置５１よりも上流の第３排気管３３には、バーナー装置５１に流入するλ（空気過剰率）を検出するためのλセンサ（Ｏ₂センサ）２２が設けられる。

このλセンサ２２は、バーナー装置５１への燃料供給量（添加量）の上限ガードを掛けるために使用される。すなわち、λが１（理論空燃比）以下となると、バーナー装置５１に燃料を追加しても酸素がないので燃料を酸化できない。そこで、バーナー装置５１のλをλセンサ２２でモニタして、λ＞１となるようにバーナー装置５１への燃料供給量に上限ガードを掛ける。

電子制御ユニット５３には、エンジン２の吸気管（図示せず）に設けられたＭＡＦセンサ２１や、λセンサ２２などの各種センサが接続され、それらセンサ２１、２２からの検出値が入力される。

また、電子制御ユニット５３には、エンジン２を制御するためのエンジンＥＣＵ２３が接続され、そのエンジンＥＣＵ２３からエンジン２の各気筒に噴射（供給）された燃料の噴射量（燃料量）が入力される。

熱交換器６は、ＳＣＲ触媒４から流出した排ガスの熱を回収すると共に、その回収した熱により、バーナー装置５１に流入する排ガスを予め昇温するためのものである。熱交換器６は、第１排気管３１と第２排気管３２とを連通する低温側流路と、第４排気管３４と第５排気管３５とを連通する高温側流路と、それら高温側流路と低温側流路との間で熱伝達を行うための伝熱部とを有する（図示せず）。熱交換器６としては、平板状や管状の隔板によって排ガスを互いに仕切ると共に隔板の熱通過により熱交換を行う隔板式（貫流式）熱交換器など様々なものが考えられる。

次に、図１から図５に基づき本実施形態の作用を説明する。

図１に示すように、エンジン２から排出された排ガス（ｅｎｇｏｕｔ排ガス）は、熱交換器６（低温側）を経由してフィルタ装置７（ＤＯＣ７２−ＣＳＦ７１）を通る。フィルタ装置７を通過した排ガスは、その後、バーナー装置５１を経由して触媒装置８（ＳＣＲ４−ＤＯＣ４１）を通り、再び熱交換器６（高温側）を経由してテールパイプ（図示せず）から排出される。

ここで、排ガス温度低温時（エンジン２の冷間始動時など）、電子制御ユニット５３は、バーナー装置５１を動作させてＳＣＲ触媒４の温度を上昇させＮＯｘ還元効率を向上させる。

ＳＣＲ触媒４からの廃熱は熱交換器６で回収され、回収された熱によりｅｎｇｏｕｔ排ガスが暖められる。その暖められたｅｎｇｏｕｔ排ガスは、フィルタ装置７（ＤＯＣ７２−ＣＳＦ７１）を経由してバーナー装置５１に入る。

このとき、バーナー装置５１に入る排ガスは、廃熱回収分だけ温度が上昇しているので、目標温度（触媒活性温度）を達成するために必要な軽油量（バーナーで燃焼させる軽油量）と必要な空気量を、廃熱回収分だけ減らせる。よって、燃費悪化防止やコンプレッサの小型化などのメリットが出てくる。

次に、図２に基づき本実施形態の触媒昇温装置１による昇温制御の一例を説明する。図２の制御フローは、エンジン２が始動された後、所定の制御周期ごとに電子制御ユニット５３により実行される。

まず、ステップＳ１では、電子制御ユニット５３に、ＭＡＦセンサ２１の検出値（空気量ＭＡＦ値）と、λセンサ２２の検出値（触媒後λ）と、Ｔ１センサ５２の検出値（Ｔ１ガス温度）と、エンジン２の燃料流量と、バーナー開始閾値とが入力される。バーナー開始閾値は、電子制御ユニット５３内の図示しないメモリに予め記憶される。また、メモリには、ＳＣＲ触媒４の触媒活性温度（目標温度）も記憶される。

さらに、電子制御ユニット５３は、目標温度（昇温目標温度）とＴ１ガス温度との差（目標温度−Ｔ１ガス温度）を計算する。その計算した温度差がバーナー開始閾値より小さいときは、電子制御ユニット５３はバーナー装置５１による昇温（バーナー昇温）を中止し、ステップＳ１に戻る。

すなわち、ＳＣＲ触媒４に流入する排ガスの温度が触媒活性温度を超える場合や、触媒活性温度以下であっても触媒活性温度に近い値であり熱交換器６のみでも素早い昇温が可能な場合などには、バーナー昇温は行わない。

他方、ステップＳ１で、上述の温度差がバーナー開始閾値を超えるとき、電子制御ユニット５３はバーナー昇温が必要であると判断してステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、電子制御ユニット５３は、バーナー装置５１の排気管噴射弁５１１の燃料噴射量（軽油量）および空気供給管５１２の空気供給量（必要空気量）を求める。これら軽油量と空気供給量とは、Ｔ１ガス温度が目標温度に一致するような値に決定される。

具体的には、まず、バーナー装置５１から発生させるべき発熱量（バーナー発熱量）を求める。そのバーナー発熱量は、ステップＳ１で求めた温度差と、排ガス量と、排ガスの比熱との積により計算される。ここで、排ガス量は、エンジン２の燃焼によって排気管３に排出されるガス量であり、空気量ＭＡＦ値と燃料流量とから求められる。

次に、計算したバーナー発熱量（必要熱量）と、軽油発熱量および流量との関係式、軽油発熱量＊流量＝必要熱量より、軽油量と必要空気量とを算出する。軽油量は、空気不足とならないように、つまりλ（＝Ａ_mass／Ｆ_mass÷１４．０５）が理論空燃比（λに換算すると１）以下にならないように制限される。必要空気量も同様にλが１以下とならないように決定される。

次に、ステップＳ３では、電子制御ユニット５３は、ステップＳ２で求めた軽油量および必要空気量でバーナー装置５１を作動させる。

具体的には、電子制御ユニット５３は、ステップＳ２で求めた軽油量の軽油燃料を排気管噴射弁５１１から噴射させると共に、その噴射した軽油燃料にステップＳ２で求めた必要空気量の空気を供給すべく空気供給管５１２の調整弁（図示せず）の開度を調整する。

図３に基づき図２の制御フローによる作動例を説明する。図３は、横軸が時間、上段の縦軸が温度、下段の縦軸が燃料流量である。図３の上段はＳＣＲ触媒４の温度の時間変化を示すグラフであり、下段は排気管噴射弁５１１から噴射される燃料流量の時間変化を示すグラフである。

まず、時刻ｔ０ではエンジン２が始動される。このとき、図３の上段に示すように、ＳＣＲ触媒４の温度（触媒温度）は約１８０℃であり触媒活性温度（図例では２５０℃）よりも低くなっている。

エンジン２が始動された後、図３の下段に示すように、バーナー装置５１の昇温制御によって排気管噴射弁５１１からの燃料噴射が開始され、ＳＣＲ触媒４に流入する排ガスが昇温される。また、熱交換器６によりバーナー装置５１に流入する排ガスが予め昇温される。

これにより触媒温度が上昇し始め、触媒温度が触媒活性温度（目標温度）に近づいていく。また、排気管噴射弁５１１からの燃料噴射が徐々に減少する。

時刻ｔ１では、触媒温度が触媒活性温度（目標温度）に到達し、排気管噴射弁５１１からの燃料噴射が停止する。

ここで、本実施形態と、排ガスを昇温する補助手段がない場合とを比較すると、補助手段がない場合は、図３の上段に示すように、時刻ｔ１でも触媒温度が触媒活性温度に達していない。このことから、本実施形態では補助手段がない場合に比べて、ＳＣＲ触媒４を素早く昇温できることが分かる。

また、バーナー装置のみで廃熱回収を行わないもの（つまり、本実施形態の触媒昇温装置１の構成から熱交換器６を省略したもの）では、本実施形態の触媒昇温装置１に対し熱交換器６がない分、同じ燃料消費量の場合、昇温速度が遅くなる。

燃料を直接燃焼するバーナー装置のみを使用して排ガスを昇温する従来のものでは、補助手段がない場合に比べて触媒温度の昇温スピードが速いものの、図３の下段に示すように、バーナー装置の燃料噴射量が本実施形態に比べて多くなってしまう。

このように、本実施形態では、上述の触媒昇温装置１により、吸熱反応の触媒装置８でも熱交換器（廃熱回収手段）６をバーナー装置５１と組み合わせ利用することで、バーナー装置５１を単独で使用するよりも、燃費悪化などの面で大きなメリットを出すことができる。

この点を図４および図５に基づきより詳細に説明する。図４および図５において、ラインＬ１は本実施形態を示し、ラインＬ２はＳＣＲ触媒４の昇温をバーナー装置のみで行う従来例を示す。

ＳＣＲ触媒４をｅｎｇｏｕｔ排ガス温度（１８０℃）から触媒活性温度（２５０℃）まで昇温する場合におけるバーナー装置５１の必要熱量について説明する。

図４に示すように、従来例では、バーナー装置の必要熱量は、ｅｎｇｏｕｔ排ガス温度と触媒活性温度との温度差（２５０℃−１８０℃）＊排ガス量＊比熱となる。

これに対して、本実施形態では、熱交換器６の廃熱回収によりｅｎｇｏｕｔ排ガスの温度がＴ（＞１８０℃）まで昇温されている。

そのため、バーナー装置５１の必要熱量は、（２５０℃−Ｔ）＊排ガス量＊比熱となる。したがって、本実施形態では、従来例に比べて（Ｔ−１８０℃）＊排ガス量＊比熱だけバーナー装置５１の必要熱量が低減されることなる。

このように、本実施形態では、廃熱回収により排ガスの温度をアップさせているので、バーナー装置５１の必要熱量を減少させることができる。

図５はバーナー装置５１の必要熱量の推移を、本実施形態と従来例とで比較したものである。図５に示すように、本実施形態では、廃熱回収を行っていることから、バーナー装置５１の必要熱量が従来例よりも早期に減少し始めて０となっている。

以上のように、本実施形態では、従来例に比べて、バーナー装置５１の燃料噴射量を低減でき、燃費の悪化を抑制できることが確認できた。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、上述の実施形態では、バーナー装置５１を、フィルタ装置７と触媒装置８との間の第３排気管３３に配置したが、これに限定されず、図６に示すように、熱交換器６とフィルタ装置７との間の第２排気管３２に配置してもよい。この場合も上述の実施形態と同様の効果が得られる。

また、ＤＯＣ、ＬＮＴ、触媒付きＤＰＦのようにＨＣ、ＣＯの燃焼で発熱する触媒についてはバーナー装置の位置は熱交換器の前でもよい。この場合でも、熱交換器によるバーナー必要軽油量や空気量を減らすメリットは同様にある。

１触媒昇温装置
２エンジン
３排気管
４排ガス後処理触媒
５バーナー手段
６熱交換器（廃熱回収手段）

Claims

エンジンの排気管に、前記エンジンからの排ガスを吸熱反応により浄化する排ガス後処理触媒が設けられ、その排ガス後処理触媒を昇温するための触媒昇温装置において、
前記排ガス後処理触媒よりも上流の排気管に設けられ前記排ガス後処理触媒に流入する排ガスを昇温するためのバーナー手段と、
前記排ガス後処理触媒から流出した排ガスと前記バーナー手段に流入する排ガスとの間で熱交換を行うための廃熱回収手段とを備えたことを特徴とする触媒昇温装置。
前記排ガス後処理触媒が、前記エンジンからの排ガスに含まれるＮＯｘを還元するための選択還元触媒である請求項１記載の触媒昇温装置。
前記排ガス後処理触媒よりも上流の排気管に、前記エンジンからの排ガスに含まれるＰＭを捕集するためのフィルタ手段が設けられ、
前記バーナー手段が、前記フィルタ手段と前記排ガス後処理触媒との間の排気管に配置された請求項１または２記載の触媒昇温装置。
前記排ガス後処理触媒と前記バーナー手段との間の排気管内の排ガスの温度を検出するための温度検出手段と、
その温度検出手段により検出された温度が前記排ガス後処理触媒の触媒活性温度に一致するように、前記バーナー手段を制御する制御手段とを備えた請求項１から３いずれかに記載の触媒昇温装置。