JP2013002314A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＣに被毒された選択還元型触媒を既存設備を利用して回復させ得るようにする。
【解決手段】排気管４の途中にアンモニアを還元剤としてＮＯxを還元浄化する選択還元型触媒５を設け、その前段にパティキュレートフィルタ１３を設け、その前段にはバーナ１４を、パティキュレートフィルタ１３と選択還元型触媒５との間には排気ガス３中に尿素水１１を添加する尿素水添加装置１２を夫々設けた排気浄化装置において、バーナ１４の燃焼を制御する制御装置１８に、選択還元型触媒５へのＨＣの吸着量が規定値以上となったことを検出するＨＣ吸着量判定部と、車両のアイドリング状態の継続時間が規定値以上となったことを検出する長時間アイドリング判定部と、該長時間アイドリング判定部及びＨＣ吸着量判定部の何れかで規定値以上の検出が成された時にバーナ１４を燃焼せしめるバーナ着火判定部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中にパティキュレートフィルタを装備し、該パティキュレートフィルタを通して排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集するようにしているが、通常のディーゼルエンジンの運転状態においては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ないため、ＰｔやＰｄ等を活性種とする酸化触媒をパティキュレートフィルタに一体的に担持させるようにしている。

即ち、このような酸化触媒を担持させたパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となる。

ただし、斯かるパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがある。

そこで、パティキュレートフィルタの前段にフロースルー型の酸化触媒を付帯装備させ、パティキュレートの吸着量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタを強制再生することが考えられている。

つまり、酸化触媒より上流の排気ガス中に燃料を添加すれば、その添加燃料（ＨＣ）が前段の酸化触媒を通過する間に酸化反応するので、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。

ただし、渋滞路ばかりを走行する都市部の路線バス等のように排気温度の低い運転状態が長く続く運行形態の車両にあっては、前段の酸化触媒が十分な触媒活性を発揮し得る触媒床温度まで昇温し難く、該酸化触媒における添加燃料の酸化反応が活発化してこないため、パティキュレートフィルタを短時間のうちに効率良く再生することができないという問題があった。

このため、近年においては、パティキュレートフィルタの入側にバーナを設け、車両の運転状態に拘わらず前記バーナの燃焼によりパティキュレートフィルタを短時間のうちに効率良く再生させる後処理バーナシステムが採用され始めている（例えば、下記の特許文献１を参照）。

特開２００９−９１９０９号公報

しかしながら、パティキュレートフィルタの下流側に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させる性質を備えた選択還元型触媒が装備されている場合、ディーゼルエンジンとバーナで発生したＨＣがパティキュレートフィルタを通過して選択還元型触媒まで到達し、該選択還元型触媒を被毒してＮＯx浄化性能の低下を招くという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ＨＣに被毒された選択還元型触媒を既存設備を利用して回復させ得るようにすることを目的としている。

本発明は、排気管の途中にアンモニアを還元剤としてＮＯxを還元浄化する選択還元型触媒を設けると共に、該選択還元型触媒の前段にパティキュレートフィルタを設け、該パティキュレートフィルタの前段にはバーナを、前記パティキュレートフィルタと前記選択還元型触媒との間には排気ガス中に尿素水を添加する尿素水添加装置を夫々設けた排気浄化装置において、前記バーナの燃焼を制御する制御装置が、前記選択還元型触媒へのＨＣの吸着量が規定値以上となったことを検出するＨＣ吸着量判定部と、車両のアイドリング状態の継続時間が規定値以上となったことを検出する長時間アイドリング判定部と、該長時間アイドリング判定部及び前記ＨＣ吸着量判定部の何れかで規定値以上の検出が成された時に前記バーナを燃焼せしめるバーナ着火判定部とを備えていることを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、ＨＣ吸着量判定部により選択還元型触媒へのＨＣの吸着量が規定値以上となったことが検出された場合や、長時間アイドリング判定部により車両のアイドリング状態の継続時間が規定値以上となったことが検出された場合に、バーナ着火判定部によりバーナが燃焼されて高温の排気ガスがパティキュレートフィルタを介し選択還元型触媒へと送られ、該選択還元型触媒の触媒床温度が高められてＨＣの脱離温度以上となり、選択還元型触媒に吸着していたＨＣが脱離してＨＣ被毒が解消され、選択還元型触媒のＮＯx浄化性能が大幅に回復される。

尚、この際には、排気温度の低い運転状態でパティキュレートフィルタに吸着して溜め込まれていたＨＣもバーナの燃焼による加熱で脱離するので、パティキュレートフィルタに多量にＨＣが溜め込まれてしまう事態も同時に回避されることになり、排気温度の高い運転状態へ変化した時に多量のＨＣが一気に脱離して車両後方に白煙を生じるといった事態が防止される。

また、本発明においては、ＨＣ吸着量判定部が、エンジン及びバーナの運転状況に基づき選択還元型触媒へのＨＣ吸着量を推定して積算し且つ選択還元型触媒の入側の排気温度を監視して所定温度以上の検出が所定時間以上経過した時に前記ＨＣ吸着量の積算をリセットするように構成されていることが好ましく、更には、長時間アイドリング判定部が、エンジン回転数の検出信号と、エンジン負荷の検出信号，ニュートラルスイッチの検出信号，サイドブレーキスイッチの検出信号，車速センサの検出信号のうちの何れか一つ以上との組み合わせに基づいてアイドリング状態にあるか否かを判定し且つアイドリング状態にある場合にその継続時間を計時するように構成されていることが好ましい。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、選択還元型触媒へのＨＣの吸着量が規定値以上になったと看做されたり、車両のアイドリング状態の継続時間が規定値以上続いた時に、既存のバーナを利用して選択還元型触媒の触媒床温度を高め、該選択還元型触媒に吸着していたＨＣを脱離させてＨＣ被毒を解消することができるので、選択還元型触媒のＮＯx浄化性能を大幅に回復させることができ、しかも、排気温度の低い運転状態でパティキュレートフィルタに吸着して溜め込まれていたＨＣもバーナの燃焼による加熱で脱離させることができるので、パティキュレートフィルタに多量に溜め込まれたＨＣが一気に脱離して車両後方に白煙を生じるといった事態を防止することもできるという優れた効果を奏し得る。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 本形態例のバーナの制御に関する制御系を模式的に示した図である。 図１の制御装置における具体的な制御手順を示すフローチャートである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例の排気浄化装置においては、ディーゼルエンジン１から排気マニホールド２を介して排出される排気ガス３が流通する排気管４の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得る性質を備えた選択還元型触媒５が装備されている。

この選択還元型触媒５の入側には噴射ノズル６が設置されており、該噴射ノズル６と所要場所に設けた尿素水タンク８との間が、尿素水噴射弁７を備えた尿素水供給ライン９により接続され、該尿素水供給ライン９の途中に装備した供給ポンプ１０の駆動により尿素水タンク８内の尿素水１１（還元剤）を尿素水噴射弁７を介し選択還元型触媒５の上流側に添加し得るようになっていて、これら尿素水噴射弁７、尿素水タンク８、尿素水供給ライン９、供給ポンプ１０により尿素水添加装置１２が構成されている。

そして、この尿素水添加装置１２による尿素水１１の添加位置（噴射ノズル６の開口位置）より上流の排気管４に、排気ガス３中からパティキュレートを捕集して除去するパティキュレートフィルタ１３が装備されていると共に、該パティキュレートフィルタ１３の前段には、適量の燃料を噴射して着火燃焼せしめるバーナ１４が装備されており、該バーナ１４は、図示しない適量の燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、その噴射口から噴射された燃料に点火するための点火プラグとを備えて構成されるようになっている。

また、前記パティキュレートフィルタ１３と前記選択還元型触媒５との間における尿素水１１の添加位置（噴射ノズル６の開口位置）より上流には、排気ガス３中の未燃ＨＣを酸化処理し且つ排気ガス３中のＮＯのＮＯ₂への酸化反応を促す酸化触媒１５が介装されている。

尚、ここに図示している例では、前記選択還元型触媒５の直後に、リークアンモニア対策として余剰のアンモニアを酸化処理するＮＨ₃スリップ触媒１６が装備されている。

そして、本形態例においては、選択還元型触媒５の入側に、排気ガス３の温度を計測するための温度センサ１７が装備されており、この温度センサ１７の検出信号１７ａがエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１８に対し入力されるようになっている。

この制御装置１８は、ディーゼルエンジン１における燃料噴射に関する制御も担うようになっており、より具体的には、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ２０からの検出信号２０ａと、ディーゼルエンジン１の回転数を検出する回転センサ２１からの検出信号２１ａとに基づき、ディーゼルエンジン１の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置１９に向け燃料噴射信号１９ａが出力されるようになっている。

ここで、前記燃料噴射装置１９は、各気筒毎に装備される図示しない複数のインジェクタにより構成されており、これら各インジェクタの電磁弁が前記燃料噴射信号１９ａにより開弁制御されて燃料の噴射タイミング及び噴射量が適切に制御されるようになっている。

また、前記制御装置１８は、バーナ１４の燃焼に関する制御も担うようになっており、パティキュレートフィルタ１３におけるパティキュレートの堆積量が許容量を超えたものと推定されて強制再生を行う必要があると判定された時に、前記バーナ１４を燃焼指令信号１４ａにより着火燃焼させるようにしてある。

尚、パティキュレートの堆積量を推定する手段には各種の方式があり、例えば、ディーゼルエンジン１の現在の運転状態に基づくパティキュレートの基本的な発生量を推定し、この基本的な発生量に対しパティキュレートの発生にかかわる各種の条件を考慮した補正係数を掛け且つ現在の運転状態におけるパティキュレートの処理量を減算して最終的な発生量を求め、この最終的な発生量を時々刻々積算してパティキュレートの堆積量を推定することが可能である。

また、図２に模式的に示す通り、前記制御装置１８には、選択還元型触媒５へのＨＣの吸着量が規定値以上となったことを検出するＨＣ吸着量判定部２５と、車両のアイドリング状態の継続時間が規定値以上となったことを検出する長時間アイドリング判定部２６と、該長時間アイドリング判定部２６及び前記ＨＣ吸着量判定部２５の何れかで規定値以上の検出が成された時に制御装置１８から燃焼指令信号１４ａを出力させて前記バーナ１４を燃焼せしめるバーナ着火判定部２７とが備えられており、パティキュレートフィルタ１３の強制再生を行う場合だけでなく長時間のアイドリングや通常運転により選択還元型触媒５がＨＣで被毒されている看做される場合にも前記バーナ１４を燃焼させるようにしてある。

即ち、ディーゼルエンジン１における燃料噴射やバーナ１４の燃焼に関する制御を担っている制御装置１８では、燃料の噴射量（指示値）やバーナ１４の着火失敗等の運転状況に関する情報が全て把握されており、これらディーゼルエンジン１とバーナ１４の運転に起因する未燃のＨＣの発生量を推定することが可能であるので、このＨＣのうちのパティキュレートフィルタ１３及び酸化触媒１５を通過して選択還元型触媒５に吸着される割合分を算出し、これを時々刻々積算していくことにより選択還元型触媒５におけるＨＣの吸着量を前記ＨＣ吸着量判定部２５で監視するようにしている。

ただし、前記ＨＣ吸着量判定部２５では、温度センサ１７の検出信号１７ａに基づき選択還元型触媒５の入側の排気温度が監視されるようになっていて、所定温度以上の検出が所定時間以上経過した時には、前記選択還元型触媒５に吸着されていたＨＣが離脱してしまったものとして前記ＨＣ吸着量の積算がリセットされるようになっている。

尚、ディーゼルエンジン１とバーナ１４の運転状況と未燃のＨＣの発生量との関係や、発生したＨＣのうちの何割が選択還元型触媒５に吸着されるかについては、予め同じ装置構造において実験により把握しておくことが可能であり、この実験結果に基づいて演算プログラムを組んでおけば良い。

更に、前記長時間アイドリング判定部２６で車両のアイドリング状態の継続時間が規定値以上となったことを検出するにあたり、前記制御装置１８には、先に説明した温度センサ１７、アクセルセンサ２０、回転センサ２１のほか、ギヤ位置がニュートラルポジションにあることを検出するニュートラルスイッチ２２、サイドブレーキが引かれていることを検出するサイドブレーキスイッチ２３、車速を検出する車速センサ２４の夫々からの検出信号２２ａ，２３ａ，２４ａが入力されるようになっており、これらの信号に基づき車両がアイドリング状態にあるか否かが前記長時間アイドリング判定部２６で判定されるようになっており、アイドリング状態にあると判定された場合にその継続時間が計時されるようになっている。

より具体的には、回転センサ２１により比較的低い所定の回転数域であることが確認され、アクセルセンサ２０によりアクセルオフ（負荷が零）が確認され、ニュートラルスイッチ２２によりギヤ位置がニュートラルポジションにあることが確認され、サイドブレーキスイッチ２３によりサイドブレーキが引かれていることが確認され、車速センサ２４により車速が零であることが確認された時に現在の運転状態がアイドリング状態にあると長時間アイドリング判定部２６で判定され、その時点からタイマ等による計時が開始されるようにしてある。

ここで、アイドリング状態の判定に関しては、これらのセンサ類やスイッチ類からの信号を必ずしも全て必要とするわけではなく、少なくとも回転センサ２１と、アクセルセンサ２０，ニュートラルスイッチ２２，サイドブレーキスイッチ２３，車速センサ２４の何れか一つ以上との組み合わせにより検出される信号に基づいてアイドリング状態にあるか否かを判定することが可能である。

図３は前記制御装置１８における具体的な制御手順を示すフローチャートであり、ステップＳ１で選択還元型触媒５におけるＨＣの吸着量が監視されて時々刻々積算され、次のステップＳ２で前記ＨＣの吸着量が規定値以上となったか否かが判定され、規定値以上となるまで同判定が繰り返される。

一方、ステップＳ３で車両がアイドリング状態となった時の継続時間が計時され、次のステップＳ４でアイドリング状態となった時の継続時間が規定値以上となったか否かが判定され、規定値以上となるまで同判定が繰り返される。

前記ステップＳ２やステップＳ４の何れかで規定値以上の検出が成された場合、その検出がステップＳ５で確認され、次のステップＳ６へと進んで燃焼指令信号１４ａの出力が決定されてバーナ１４が燃焼されることになる。

尚、このバーナ１４の燃焼は、温度センサ１７の検出信号１７ａに基づき所定温度以上の検出が所定時間以上経過した時に、選択還元型触媒５に吸着されていたＨＣが離脱してしまったものとしてステップＳ７で停止され、この際には、ＨＣ吸着量の積算とアイドリングの継続時間がリセットされるようになっている。

而して、このように排気浄化装置を構成すれば、ＨＣ吸着量判定部２５により選択還元型触媒５へのＨＣの吸着量が規定値以上となったことが検出された場合や、長時間アイドリング判定部２６により車両のアイドリング状態の継続時間が規定値以上となったことが検出された場合に、バーナ着火判定部２７によりバーナ１４が燃焼されて高温の排気ガス３がパティキュレートフィルタ１３を介し選択還元型触媒５へと送られ、該選択還元型触媒５の触媒床温度が高められてＨＣの脱離温度以上となり、選択還元型触媒５に吸着していたＨＣが脱離してＨＣ被毒が解消され、選択還元型触媒５のＮＯx浄化性能が大幅に回復される。

尚、この際には、排気温度の低い運転状態でパティキュレートフィルタ１３に吸着して溜め込まれていたＨＣもバーナ１４の燃焼による加熱で脱離するので、パティキュレートフィルタ１３に多量にＨＣが溜め込まれてしまう事態も同時に回避されることになり、排気温度の高い運転状態へ変化した時に多量のＨＣが一気に脱離して車両後方に白煙を生じるといった事態が防止される。

従って、上記形態例によれば、選択還元型触媒５へのＨＣの吸着量が規定値以上になったと看做されたり、車両のアイドリング状態の継続時間が規定値以上続いた時に、既存のバーナ１４を利用して選択還元型触媒５の触媒床温度を高め、該選択還元型触媒５に吸着していたＨＣを脱離させてＨＣ被毒を解消することができるので、選択還元型触媒５のＮＯx浄化性能を大幅に回復させることができ、しかも、排気温度の低い運転状態でパティキュレートフィルタ１３に吸着して溜め込まれていたＨＣもバーナ１４の燃焼による加熱で脱離させることができるので、パティキュレートフィルタ１３に多量に溜め込まれたＨＣが一気に脱離して車両後方に白煙を生じるといった事態を防止することもできる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、バーナを冷間始動時等に選択還元型触媒を昇温して活性化させるために燃焼させる制御を併用しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ ディーゼルエンジン（エンジン）
３ 排気ガス
４ 排気管
５ 選択還元型触媒
１１ 尿素水
１２ 尿素水添加装置
１３ パティキュレートフィルタ
１４ バーナ
１４ａ 燃焼指令信号
１７ 温度センサ
１７ａ 検出信号
１８ 制御装置
２０ アクセルセンサ
２０ａ 検出信号
２１ 回転センサ
２１ａ 検出信号
２２ ニュートラルスイッチ
２２ａ 検出信号
２３ サイドブレーキスイッチ
２３ａ 検出信号
２４ 車速センサ
２４ａ 検出信号
２５ ＨＣ吸着量判定部
２６ 長時間アイドリング判定部
２７ バーナ着火判定部

Claims (3)

1. 排気管の途中にアンモニアを還元剤としてＮＯxを還元浄化する選択還元型触媒を設けると共に、該選択還元型触媒の前段にパティキュレートフィルタを設け、該パティキュレートフィルタの前段にはバーナを、前記パティキュレートフィルタと前記選択還元型触媒との間には排気ガス中に尿素水を添加する尿素水添加装置を夫々設けた排気浄化装置において、前記バーナの燃焼を制御する制御装置が、前記選択還元型触媒へのＨＣの吸着量が規定値以上となったことを検出するＨＣ吸着量判定部と、車両のアイドリング状態の継続時間が規定値以上となったことを検出する長時間アイドリング判定部と、該長時間アイドリング判定部及び前記ＨＣ吸着量判定部の何れかで規定値以上の検出が成された時に前記バーナを燃焼せしめるバーナ着火判定部とを備えていることを特徴とする排気浄化装置。
2. ＨＣ吸着量判定部が、エンジン及びバーナの運転状況に基づき選択還元型触媒へのＨＣ吸着量を推定して積算し且つ選択還元型触媒の入側の排気温度を監視して所定温度以上の検出が所定時間以上経過した時に前記ＨＣ吸着量の積算をリセットするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 長時間アイドリング判定部が、エンジン回転数の検出信号と、エンジン負荷の検出信号，ニュートラルスイッチの検出信号，サイドブレーキスイッチの検出信号，車速センサの検出信号のうちの何れか一つ以上との組み合わせに基づいてアイドリング状態にあるか否かを判定し且つアイドリング状態にある場合にその継続時間を計時するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置。

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