JP2017145755A - 排気浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】酸化触媒の温度低下を効果的に抑制する。【解決手段】エンジン１０の排気系に設けられた酸化触媒２１と、排気系に設けられて酸化触媒２１を収容する前段ケーシング２０と、排気系の前段ケーシング２０よりも排気下流側に設けられて、排気ガスを大気に放出させる放出管５０とを備え、放出管５０の下流端開口部５０Ａが排気系の酸化触媒２１よりも排気上流側に隣接して配置された。【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化システムに関する。

この種の排気浄化システムとして、エンジンの排気通路に排気上流側から順に、ＨＣ・ＣＯ酸化能を有する酸化触媒及び、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭ）を捕集するパティキュレイト・フィルタ（以下、フィルタ）を備えたものが知られている。フィルタのＰＭ捕集能力には限界がある。このため、フィルタのＰＭ堆積量が所定量に達した場合には、上流側の酸化触媒にＨＣを供給して排気温度をＰＭ燃焼温度まで上昇させ、フィルタのＰＭを燃焼除去する所謂フィルタ強制再生を行う必要がある。

酸化触媒の良好な酸化能力を得るには、触媒温度を活性温度以上に維持することが好ましい。例えば、特許文献１には、フィルタ強制再生を行う場合に、アフタ噴射に近いアーリー・ポスト噴射によって筒内の燃焼温度を上昇させて酸化触媒を活性温度まで昇温する触媒昇温制御を実施し、次いで、酸化触媒が活性状態になると、レイト・ポスト噴射や排気管噴射によってフィルタをＰＭ燃焼温度まで昇温するフィルタ昇温制御を行う技術が開示されている。

特開２０１２−０７２６６６号公報

ところで、エンジンの運転状態や外気環境によっては、酸化触媒の温度が活性温度よりも大きく低下する場合がある。このような触媒低温状態でフィルタ強制再生を開始すると、触媒昇温制御に要する時間が長くなり、燃料消費量の増加により燃費の悪化を招く課題がある。また、フィルタ強制再生の終了までに要する時間も長くなる課題がある。

開示のシステムは、酸化触媒の温度低下を効果的に抑制することを目的とする。

開示のシステムは、エンジンの排気系に設けられた酸化触媒と、前記排気系に設けられて前記酸化触媒を収容する第１ケーシングと、前記排気系の前記第１ケーシングよりも排気下流側に設けられて、排気ガスを大気に放出させる放出管と、を備え、前記放出管の下流端開口部が前記排気系の前記酸化触媒よりも排気上流側に隣接して配置されたことを特徴とする。

前記排気系の前記第１ケーシングよりも排気上流側に設けられて、その排気下流端側を前記第１ケーシングの排気上流端に接続された上流管をさらに備え、前記放出管の下流端開口部が前記第１ケーシングの排気上流端又は前記上流管の排気下流端に隣接して配置されてもよい。

前記排気系の前記酸化触媒よりも排気下流側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を還元浄化する選択的還元触媒と、前記排気系の前記第１ケーシングよりも排気上流側に設けられて、前記選択的還元触媒を収容する第２ケーシングと、前記排気系の前記第１ケーシングと前記第２ケーシングとの間に設けられた接続管と、前記接続管に設けられて当該接続管内に尿素水を噴射する噴射ノズルと、前記放出管から分岐すると共に、その下流端開口部が前記接続管に隣接して配置された第１分岐管と、をさらに備えてもよい。

前記放出管から分岐すると共に、その下流端開口部が前記排気系の前記酸化触媒よりも排気上流側のから離間して配置された第２分岐管と、前記第２分岐管よりも上流側の前記放出管を流れる排気ガスの温度を取得する排気温度取得手段と、前記排気温度取得手段によって取得される排気温度が前記酸化触媒の活性温度以上の場合に前記第２分岐管を遮断すると共に、前記排気温度取得手段によって取得される排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満の場合に前記放出管の前記第２分岐管よりも排気下流側を遮断する流路切替バルブと、をさらに備えるてもよい。

開示のシステムによれば、酸化触媒の温度低下を効果的に抑制することができる。

第一実施形態に係る排気浄化システムを示す模式的な全体構成図である。 第一実施形態に係るフィルタ強制再生制御の詳細を説明するフローチャート図である。 （Ａ），（Ｂ）は第一実施形態に係るフィルタ強制再生制御を説明するタイミングチャート図、（Ｃ）は従来のフィルタ強制再生制御を説明するタイミングチャート図である。 第二実施形態に係る排気浄化システムを示す模式的な全体構成図である。 第三実施形態に係る排気浄化システムを示す模式的な全体構成図である。 他の実施形態に係る排気浄化システムを示す模式的な全体構成図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の各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。

［第一実施形態］
図１に示すように、第一実施形態の排気浄化システム１Ａは、排気上流側から順に、上流排気管１２と、前段ケーシング（第１ケーシング）２０と、接続排気管２４と、後段ケーシング（第２ケーシング）４０と、放出排気管５０とを備えている。なお、図１中において、符号１０はディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）、符号１１は排気マニホールド、符号３０は尿素水噴射装置をそれぞれ示している。

上流排気管１２は、略円筒状に形成されており、車両前後方向に延設されている。上流排気管１２は、その上流端を排気マニホールド１１に接続されると共に、その下流端を前段ケーシング２０の上流側開口部に接続されている。

前段ケーシング２０は、略円筒状に形成されており、その内部には、排気上流側から順に、第１酸化触媒２１及び、フィルタ２２が収容されている。本実施形態において、第１酸化触媒２１及び、フィルタ２２は、車両の前後方向に直列に配置されている。

第１酸化触媒２１は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分等を担持して形成されている。第１酸化触媒２１は、エンジン１０のポスト噴射や図示しない排気管噴射ノズルの排気管噴射によってＨＣが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。

フィルタ２２は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。フィルタ２２は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積推定量が所定量に達すると、これを燃焼除去するフィルタ強制再生が実施される。

接続排気管２４は、互いに並行に隣接配置された前段ケーシング２０と後段ケーシング４０との間に延設されると共に、その上流端及び下流端を屈曲させて略Ｓ字状に形成されている。接続排気管２４は、その上流端を前段ケーシング２０の下流端開口部に接続されると共に、その下流端を後段ケーシング４０の上流端開口部に接続されている。また、接続排気管２４には、尿素水噴射装置３０の尿素水噴射ノズル３３が設けられている。

尿素水噴射装置３０は、尿素水を貯留する尿素水タンク３１と、尿素水タンク３１から尿素水を汲み上げる尿素水ポンプ３２と、接続排気管２４内に尿素水を噴射する尿素水噴射ノズル３３とを備えている。尿素水噴射ノズル３３から接続排気管２４内に噴射された尿素水は、排気熱により加水分解されてアンモニア（ＮＨ_３）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。

後段ケーシング４０は、略円筒状に形成されており、前段ケーシング２０と並行に隣接配置されている。また、後段ケーシング４０の内部には、排気上流側から順に、選択的還元触媒（以下、ＳＣＲ触媒）４１及び、第２酸化触媒４２が収容されている。

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、尿素水噴射ノズル３３から還元剤として供給されるアンモニアを吸着すると共に、吸着したアンモニアで通過する排気中からＮＯｘを選択的に還元浄化する。

第２酸化触媒４２は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分等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アンモニアを酸化する機能を有している。

放出排気管（テールパイプ）５０は、略円筒状に形成されており、その上流端を後段ケーシング４０の下流端に接続されると共に、その下流端には、排気ガスを大気に放出させる放出開口部５０Ａが形成されている。また、放出排気管５０は、その上流側端部を略Ｃ字状に湾曲させて車両前方に向けて折り返され、その中間部位を前段及び後段ケーシング２０，４０よりも車両前方側で上流排気管１２に向けて略Ｌ字状に折り曲げられて車両幅方向に延びると共に、その下流側端部を前段ケーシング２０に向けて斜め後方に屈曲形成されている。すなわち、排気ガスを大気に放出させる放出開口部５０Ａが、上流排気管１２の下流端近傍及び前段ケーシング２０の上流端近傍に隣接して配置されている。

このように、放出開口部５０Ａを上流排気管１２の下流端及び前段ケーシング２０の上流端に隣接配置して放出排気ガスを直接的に当てることで、酸化触媒２１に流入する排気ガスが保温されるようになり、酸化触媒２１の温度低下を効果的に抑制するようになっている。また、放出排気ガスを斜め前方から当てることで、車両走行風の影響を受けても、放出排気ガスが上流排気管１２の下流端及び前段ケーシング２０の上流端に確実に当てられるようになっている。

第１排気温度センサ８０は、酸化触媒２１の直上流に設けられており、酸化触媒２１に流入する排気ガスの温度（酸化触媒入口温度）を取得する。第２排気温度センサ８１は、酸化触媒２１とフィルタ２２との間に設けられており、酸化触媒２１から流出する排気ガスの温度（酸化触媒出口温度）を取得する。差圧センサ８２は、フィルタ２２の前後差圧を取得する。これら各種センサ類８０〜８２のセンサ値は、電気的に接続された電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）１００に出力される。

ＥＣＵ１００は、エンジン１０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構成されている。これら各種制御を行うため、ＥＣＵ１００には、各種センサ類のセンサ値が入力される。また、ＥＣＵ１００は、フィルタ２２に堆積したＰＭを燃焼除去させるフィルタ強制再生制御も実行する。

フィルタ強制再生制御は、差圧センサ８２により取得されるフィルタ前後差圧から推定されるＰＭ堆積量が所定の上限閾値に達した場合、或は、車両の走行距離や再生インターバルが所定値に達すると開始される。

以下、図２に基づいて、フィルタ強制再生制御の詳細を説明する。ステップＳ１００では、ＰＭ堆積量が所定の上限閾値に達したか否かが判定される。肯定の場合は、ステップＳ１１０に進み、第１及び第２排気温度センサ８０，８１（図１参照）の各センサ値から取得される酸化触媒温度が所定の活性温度（例えば、約２００度）以上か否かが判定される。肯定の場合は、ステップＳ１２０にて、排気管噴射又はレイト・ポスト噴射（排気バルブ開弁時に行う噴射）により酸化触媒２１にＨＣを供給し、フィルタ２２をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００度）まで昇温させるフィルタ昇温制御が実行される。一方、否定の場合は、ステップＳ１３０に進み、吸気絞りやアーリー・ポスト噴射（アフタ噴射に近いタイミングで行う噴射）により酸化触媒温度を活性温度まで上昇させる触媒昇温制御が実行される。ステップＳ１４０にて酸化触媒温度が活性温度に達したら、ステップＳ１５０にて、フィルタ昇温制御が実行される。ステップＳ１６０にてＰＭ堆積量が所定の下限閾値まで減少すると、ステップＳ１７０にてフィルタ強制再生制御を終了し、本制御はリターンされる。

本実施形態において、酸化触媒２１に流入する排気ガスは放出排気ガスによって保温されているため、特に、ステップＳ１１０の判定は、肯定（酸化触媒温度が活性温度以上）の頻度が多くなり、また、否定（酸化触媒温度が活性温度未満）の場合であっても、酸化触媒温度と活性温度との温度差が効果的に減少されるようになっている。

以上詳述したように、本実施形態によると、排気ガスを大気に放出させる放出開口部５０Ａを上流排気管１２の下流端及び前段ケーシング２０の上流端に隣接配置することで、放出排気ガスが上流排気管１２の下流端及び前段ケーシング２０の上流端に直接的に当てられるようになっている。これにより、酸化触媒２１に流入する排気ガスが放出排気ガスによって保温されるようになり、酸化触媒２１の温度低下を効果的に抑制することが可能になる。

また、酸化触媒２１を放出排気ガスによって保温することで、酸化触媒温度が活性温度以上に効果的に維持されやすくなる。これにより、フィルタ強制再生制御時の触媒昇温制御が不要（図３（Ａ）参照）、或は、触媒昇温制御に要する時間を短縮（図３（Ｂ）参照）することが可能となり、燃費性能を確実に向上させることができる。また、フィルタ再生制御に要する時間も、酸化触媒を保温せずに行う従来例（図３（Ｃ）参照）に比べ、効果的に短縮することが可能となる。

［第二実施形態］
次に、図４に基づいて、第二実施形態に係る排気浄化システム１Ｂの詳細を説明する。第二実施形態の排気浄化システム１Ｂは、第一実施形態の排気浄化システム１Ａにおいて、放出排気管５０の形状を変更したものである。他の構成については、第一実施形態と同様に構成されるため、詳細な説明は省略する。

第二実施形態の放出排気管５０は、その下流端側を二股に分岐形成されて、排気ガスを二か所の開口部から大気に放出するように構成されている。第１放出開口部５０Ａは、第一実施形態と同様に、上流排気管１２の下流端及び前段ケーシング２０の上流端に隣接配置されている。分岐排気管５１は、放出排気管５０の下流端側から接続排気管２４に向けて分岐すると共に、その第２放出開口部５１Ａが後段ケーシング４０直上流の接続排気管２４に隣接配置されている。

第二実施形態では、このように、放出排気ガスを酸化触媒２１直上流の上流排気管１２に加え、ＳＣＲ触媒４１直上流の接続排気管２４に直接的に当てることにより、尿素水が拡散される接続排気管２４内を効果的に保温することが可能となり、アンモニアの生成効率を確実に向上することができる。

［第三実施形態］
次に、図５に基づいて、第三実施形態に係る排気浄化システム１Ｃの詳細を説明する。第三実施形態の排気浄化システム１Ｃは、第一実施形態の排気浄化システム１Ａに、分岐放出管６０、流路切替バルブ６１、第３排気温度センサ８４をさらに備えたものである。他の構成については、第一実施形態と同様に構成されるため、詳細な説明は省略する。

分岐放出管６０は、放出排気管５０から前段ケーシング２０や上流配管１２が存在しない他の方向に向かって分岐すると共に、その下流端を大気開放されている。流路切替バルブ６１は、例えばバタフライバルブであって、放出排気管５０と分岐放出管６０との分岐部に設けられている。流路切替バルブ６１は、第３排気温度センサ８４によって検出される排気温度が所定の閾値（例えば、酸化触媒２１の触媒活性温度）未満の場合には、放出排気管５０を閉鎖する一方、第３排気温度センサ８４によって検出される排気温度が所定の閾値以上の場合には分岐管６０を閉鎖する。すなわち、放出排気ガス流路が、低温度時は分岐放出管６０とされ、高温時は放出排気管５０に選択的に切り替えられるようになっている。

第三実施形態では、このように、放出排気ガスが酸化触媒２１の活性温度以上の場合にのみ上流排気管１２の下流端及び前段ケーシング２０の上流端に排気ガスを直接的に当てることで、酸化触媒２１が低温排気ガスによって冷却されることを効果的に防止することができる。

［その他］
なお、本発明は、上述の各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、図６に示すように、上記各実施形態を全て組み合わせて構成してもよい。また、前段ケーシング２０や後段ケーシング４０に収容される触媒の種類や配置順は、図示例に限定されず、他の触媒や配置順であってもよい。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他に内燃機関にも広く適用することが可能である。

１０ エンジン
１２ 上流排気管
２０ 前段ケーシング
２１ 第１酸化触媒
２２ フィルタ
２４ 接続排気管
３０ 尿素水噴射装置
３１ 尿素水タンク
３２ 尿素水ポンプ
３３ 尿素水噴射ノズル
４０ 後段ケーシング
４１ ＳＣＲ触媒
４２ 第２酸化触媒
５０ 放出排気管
１００ ＥＣＵ

Claims (4)

1. エンジンの排気系に設けられた酸化触媒と、
   前記排気系に設けられて前記酸化触媒を収容する第１ケーシングと、
   前記排気系の前記第１ケーシングよりも排気下流側に設けられて、排気ガスを大気に放出させる放出管と、を備え、
   前記放出管の下流端開口部が前記排気系の前記酸化触媒よりも排気上流側に隣接して配置された
   ことを特徴とする排気浄化システム。
2. 前記排気系の前記第１ケーシングよりも排気上流側に設けられて、その排気下流端側を前記第１ケーシングの排気上流端に接続された上流管をさらに備え、
   前記放出管の下流端開口部が前記第１ケーシングの排気上流端又は前記上流管の排気下流端に隣接して配置された
   請求項１に記載の排気浄化システム。
3. 前記排気系の前記酸化触媒よりも排気下流側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を還元浄化する選択的還元触媒と、
   前記排気系の前記第１ケーシングよりも排気上流側に設けられて、前記選択的還元触媒を収容する第２ケーシングと、
   前記排気系の前記第１ケーシングと前記第２ケーシングとの間に設けられた接続管と、
   前記接続管に設けられて当該接続管内に尿素水を噴射する噴射ノズルと、
   前記放出管から分岐すると共に、その下流端開口部が前記接続管に隣接して配置された第１分岐管と、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。
4. 前記放出管から分岐すると共に、その下流端開口部が前記排気系の前記酸化触媒よりも排気上流側のから離間して配置された第２分岐管と、
   前記第２分岐管よりも上流側の前記放出管を流れる排気ガスの温度を取得する排気温度取得手段と、
   前記排気温度取得手段によって取得される排気温度が前記酸化触媒の活性温度以上の場合に前記第２分岐管を遮断すると共に、前記排気温度取得手段によって取得される排気温度が前記酸化触媒の活性温度未満の場合に前記放出管の前記第２分岐管よりも排気下流側を遮断する流路切替バルブと、をさらに備える
   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。

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