JP4285501B2 - ディーゼル機関の排気浄化方法 - Google Patents
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Description
同公報の方法は、機関排気系に酸化触媒と、その下流側に排気微粒子捕集用のフィルタ(ディーゼルパティキュレートフィルタ、以下「DPF」と称する)とを配置し、上流側の酸化触媒で排気中のNO(一酸化窒素)を酸化してNO2(二酸化窒素)を生成し、下流側のDPFで排気中の煤を捕集するとともに、この捕集された煤を酸化触媒で生成したNO2を用いて燃焼させることにより、DPF上の煤を除去している。
すなわち、NO2は煤を構成するカーボンと、
NO2+C→NO+CO、及び2NO2+2C→N2+2CO2
の反応を生じて煤を燃焼させる。しかし、本出願人の研究によれば、ディーゼルエンジンの通常の排気程度の比較的低い温度領域では、上記2NO2+2C→N2+2CO2の反応はほとんど生じず、DPFに流入する排気中のNO2の大部分はNO2+C→NO+COの反応によりNOに転換されてしまうことが判明している。このため、上記公報の方法で排気中の煤を処理するとNOが排気とともに大気に放出されてしまう問題が生じる。
請求項2に記載の発明によれば、前記再生操作時に、更にリーン空燃比を維持したままで排気空燃比を低下させる、請求項1に記載の排気浄化方法が提供される。
すなわち、請求項2に記載の発明ではパティキュレートフィルタの生成操作時に排気空燃比がリーン空燃比の範囲内で低下(リッチ空燃比方向に変化)させられる。空燃比が低下すると排気中に含まれる未燃燃料やHC、CO成分の量が増大する。この場合、酸化触媒などにより排気中の一酸化窒素酸化して排気中に二酸化窒素を生成している場合には、酸化触媒で未燃燃料やHC、CO成分が燃焼するため排気温度が上昇し、効率的にパティキュレートフィルタ上で煤と二酸化窒素とを反応させることができるようになる。
すなわち、請求項3に記載の発明では、再生操作中に排気空燃比をリッチ空燃比にしてNOX吸収剤から吸収したNOXを放出させることにより、NOX吸収剤には高温かつリッチな排気が流入するようになるため、NOX吸収剤から吸収したNOXのみならずSOXをも放出させることができる。これにより、本発明ではNOX吸収剤が吸収したSOXで飽和してしまうことを効果的に防止することができる。
図1は、本発明の排気浄化方法を実施するための装置の構成を示す図である。図1において、1はディーゼルエンジン(図には1気筒のみの断面を示す)、2はエンジン1の吸気通路、3は排気通路、4はエンジン1の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁をそれぞれ示している。
図1に20で示すのはエンジン制御回路(ECU)20である。ECU20は、中央処理装置(CPU)21、ランダムアクセスメモリ(RAM)22、リードオンリメモリ(ROM)23、入力ポート24、出力ポート25を互いに双方向性バス26で接続した公知の構成のディジタルコンピュータからなり、エンジン1の燃料噴射制御などの基本制御を行うほか、本実施形態ではDPF7で捕集した煤の燃焼(以下「DPFの再生」という)とNOX吸収剤9の再生操作を制御している。これらの制御のために、ECU20の入力ポート24には、エンジン回転数、アクセル開度等の信号が、それぞれ図示しないセンサから入力されている。
酸化触媒5は、例えばコージェライト製のモノリス担体にアルミナの触媒担持層をコーティングにより形成し、この担持層に白金Pt、パラジウムPd等の触媒成分を担持させたものが使用される。酸化触媒5は、排気空燃比が理論空燃比よりリーンのときに排気中のHC、CO成分を酸化するとともに、排気中に含まれるNO成分を酸化してNO2成分を生成する。なお、本明細書では排気系のある部分より上流側に供給された空気量と燃料量との比を、その部分における排気空燃比と称する。すなわち、排気通路に二次空気や燃料が供給されていない場合には、排気系の各部分における排気空燃比は機関の燃焼空燃比(燃焼室内の燃焼における空気と燃料との比)に等しくなる。
NOX吸収剤9としては、例えばコージェライト製のモノリス担体にアルミナ等の担持層を形成し、この担持層上に例えばカリウムK、ナトリウムNa 、リチウムLi 、セシウムCs のようなアルカリ金属、バリウムBa , カルシウムCa のようなアルカリ土類、ランタンLa 、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つと、白金Pt のような貴金属とを担持したものを使用する。NOX吸収剤9は流入する排気の空燃比がリーンの場合にはNOXを吸収し、酸素濃度が低下するとNOXを放出するNOXの吸放出作用を行う。
次に、本実施形態の作用について説明する。
2NO+O2→2NO2
の反応によりNO2が生成される。
NO2+C→NO+CO
の反応を生じCOとNOとが発生する。しかし、エンジンで発生するNOの量に較べて煤の量が多いこと、及びディーゼルエンジンの通常運転時の排気温度が低く(例えば200℃程度)、実際には上記反応があまり生じないことから、DPF7上には捕集された煤が徐々に蓄積される。一方、上記反応により生成したNOと、煤と反応せずにDPF7を通過したNO2とを含む排気は、次にNOX吸収剤9に流入する。通常運転時では、ディーゼルエンジン1の排気空燃比はリーンであるため、この排気中のNO、NO2はNOX吸収剤9に吸収され排気から除去される。これにより、通常運転時には排気は煤とNOXとをほとんど含まない状態でNOX吸収剤9から排出される。
まず、NOX吸収剤9の再生操作について説明する。本実施形態では、運転中に、エンジン排気空燃比を短時間理論空燃比よりリッチ側にすることにより、NOX吸収剤9の再生を行う。エンジン排気空燃比がリッチになると排気中の酸素濃度が急激に低下し、かつ排気中のHC、CO成分の量が増大する。また、排気空燃比がリッチであるためこれらHC、CO成分は酸化触媒5では酸化されず、その大部分が酸化触媒5とDPF7とを通過してNOX吸収剤9に到達する。このため、前述したようにNOX吸収剤9からはNOXが放出され、排気中のHC、CO成分により還元浄化される。
なお、前述したようにNOX吸収剤9の再生操作は数十秒から数分の間隔で実行されるが、本実施形態ではDPF7の再生操作中も、NOX吸収剤9の再生操作のタイミングになった場合には、吸気絞り弁6を閉弁したままで排気行程時の燃料噴射量を増大し排気空燃比を13まで低下させる。これにより、DPF7再生操作中は、通常のNOX吸収剤9再生操作に加えて、通常より高い排気温度で再生操作が実行されるようになる。このように、DPF7再生操作実行中もNOX吸収剤9の再生を行うのは、以下の理由による。
ところが、一般にサルフェートによりNOX吸収剤内に生成される硫酸塩はNOXにより生成される硝酸塩より安定であり、通常のNOX吸収剤の再生操作に必要とされる温度より高い温度にならないとNOX吸収剤から放出されない。このため、単に排気空燃比をリッチにするだけの通常のNOX吸収剤再生操作を繰り返していると、NOX吸収剤内の硫酸塩の量が増大しNOX吸収剤のNOXとSO3との吸収能力が低下してしまう。そこで、本実施例では、DPF再生操作中にNOX吸収剤の再生を実行することにより、通常より高い温度でNOX吸収剤の再生を行い、吸収されたSO3をSO2の形で放出させるようにしている。これにより、DPF7の再生操作中に、NOXのみならずSO3をもNOX吸収剤9から放出させることが可能となり、NOX吸収剤の吸収能力を常に高く維持することが可能となる。
図2から図4は、本実施形態のDPF7とNOX吸収剤9との再生制御ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンはECU20により一定時間毎に実行される。
ステップ205でANOX≠1、すなわちDPFの再生操作実行条件が成立しており、且つNOX吸収剤9の再生操作実行条件が成立していない場合には、ルーチンはステップ207に進み、機関回転数、アクセル開度に基づいて燃料噴射量料TAU21の値が算出される。ここで、TAU21は、通常の燃料噴射に加えて排気行程時に気筒内に噴射される燃料量であり、排気空燃比を理論空燃比よりリーン側の所定値(例えば空燃比で20程度)とするのに必要とされる燃料噴射量である。すなわち、ステップ207では、機関回転数から吸入空気量絞り弁6閉弁時の機関吸入空気量Qが算出され、アクセル開度から現在の通常時燃料噴射量TAUが算出され、排気空燃比を所定値(空燃比で20程度)にするために必要な排気行程燃料噴射量TAU21がQとTAUとから算出される。
TAU2の値がTAU21に設定されると、別途ECU20により実行される燃料噴射ルーチンにより、各気筒の排気行程時にTAU21の量の燃料が噴射され、機関には合計でTAU+TAU21の量の燃料が供給されるようになり、機関排気空燃比は20程度のリーンな値になる。
すなわち、図2のルーチンでは、DPFの再生操作実行条件のみが成立した場合には、排気温度を上昇させ排気空燃比を20程度まで低下させる操作を行う。これにより、DPF7の再生のみが行われDPF7で発生したNOはNOX吸収剤9で吸収され、排気から除去される。
図3において、ステップ301から313はDPF7の再生操作実行フラグADPFの設定操作を示している。本実施形態では、エンジンへの燃料供給量を積算し、この積算値が所定値以上になった場合に再生操作を実行する。エンジンからの単位時間当たりの煤の発生量はエンジンへの燃料噴射量にほぼ比例すると考えられる。一方、単位時間当たりにDPF7に捕集される煤の量は単位時間当たりのエンジンの煤発生量に比例する。このため、DPF7に捕集された煤の総量はエンジンへの燃料供給量の積算値に比例すると考えられる。そこで、本実施形態ではエンジンへの燃料供給量の積算値が所定値に到達する毎にDPF7の煤捕集量が一定量を越えたと判断してDPF7の再生操作を実行するようにしている。
すなわち、図3においてルーチンがスタートすると、ステップ301では燃料積算カウンタFDの値が所定量FD0を越えたか否かが判定される。FDは、後述する別の燃料積算カウンタFNとともに、図4に示すルーチンで積算されるカウンタである。図4のルーチンはECU20により一定時間毎に実行され、アクセル開度ACCと機関回転数Nとから燃料噴射量TAUを算出し(図4ステップ401)、このTAUを積算して、それぞれFD、FNとして記憶する。
図3、ステップ315から327はNOX吸収剤9の再生操作実行フラグANOXの設定操作を示す。本実施形態では、DPFの場合と同様にエンジンへの燃料供給量の積算値が所定値に到達する毎にNOX吸収剤9の再生操作を行う。エンジンからのNOX発生量はエンジンで燃焼した燃料量に比例するため、DPFの場合と同様NOX吸収剤9のNOX吸収量も燃料供給量の積算値に比例すると考えられる。そこで、本実施形態では、DPFの場合と同様に燃料供給量積算値が所定値に到達する毎にNOX吸収剤9の再生操作を行っている。ステップ315から327において、FNは図4でカウントアップされる燃料積算カウンタ、TNは積算カウンタが所定値FN0に到達する毎に一定時間TN0だけフラグANOXの値を1に維持するためのカウンタである。ステップ315から327のステップは上述のステップ301から313のステップとほぼ同一であるため、ここでは説明を省略する。
例えば、排気量2400CCのディーゼルエンジンを回転数2000RPM、トルク80NMで運転した場合、FD0=6リットルとするとDPF7の再生操作は60分程度の時間毎に実行される。また、FN0=0.2リットルとすると、NOX吸収剤9の再生操作は2分程度の時間間隔で行われることになる(図5参照)。また、DPF7の再生操作実行時間TD0を3分程度、NOX吸収剤9の再生操作実行時間TN0を0.5秒程度に設定すると、図5に示すようにDPF7の再生操作実行中に必ず1〜2回のNOX吸収剤再生操作が実行されるようになる。このため、NOX吸収剤9は定期的に高温状態で再生されるようになるため、通常のNOXの放出、還元浄化に加えてSO3の放出が行われることになる。このため、SOXの蓄積によりNOX吸収剤の吸収能力が低下することが防止される。
また、上記実施形態では、エンジンへの燃料供給量に基づいてDPF7の煤捕集量とNOX吸収剤9のNOX吸収量とを推定しているが、煤の捕集量やNOX吸収量にかかわらず一定時間毎にそれぞれDPF7とNOX吸収剤9との再生を行うようにして制御を簡略化することも可能である。
上述のように、NOX選択還元触媒でNOXを浄化するためには触媒内に適量のHC成分等が吸着されていることが必要とされる。
2 吸気通路
3 排気通路
4 燃料噴射弁
5 酸化触媒
6 吸気絞り弁
7 DPF
9 NOX吸収剤
20 エンジン制御回路(ECU)
Claims (3)
- ディーゼル機関の排気浄化方法であって、
機関排気中の一酸化窒素を酸化して排気中に二酸化窒素を生成する工程と、
機関排気中の煤をパティキュレートフィルタを用いて捕集する工程と、
生成された排気中の二酸化窒素とパティキュレートフィルタに捕集した煤とを反応させることにより煤を燃焼させるパティキュレートフィルタの再生操作時に、排気空燃比をリーン空燃比に維持したまま排気温度を上昇させ、排気中に一酸化窒素を生成する工程と、
上記排気中に生成された一酸化窒素を、流入する排気の空燃比がリーンのときに排気中のNOXを吸収し、排気中の酸素濃度が低下すると吸収したNOXを放出するNOX吸収剤を用いて排気から除去する工程と、
を備えたディーゼル機関の排気浄化方法。 - 前記再生操作時に、更にリーン空燃比を維持したままで排気空燃比を低下させる、請求項1に記載の排気浄化方法。
- 前記再生操作中に、前記NOX吸収剤から吸収したNOXを放出させるべきときには排気空燃比を更に低下させてリッチ空燃比にする請求項1または2に記載の排気浄化方法。
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-
2006
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WO2014178635A1 (ko) * | 2013-05-02 | 2014-11-06 | 희성촉매 주식회사 | 디젤엔진 백연 방출 억제를 위한 촉매 |
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