JP5811822B2 - ディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システム - Google Patents

ディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システム Download PDF

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Description

本発明は、排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムに関し、更に詳しくは、ドライバビリティ及び燃費の悪化を抑制しつつ排気ガスを浄化することができるディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムに関する。
ディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムにおいては、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ：Nitrogen Oxide）を低減するために、ガソリンエンジンとは異なりＮＯｘ吸蔵還元触媒が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。これは、ディーゼルエンジンの排気ガスは空燃比がリーン雰囲気なので、ガソリンエンジンのようなストイキ雰囲気で使用される三元触媒をそのまま用いることができないためである。
このディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムは、排気ガス中のＮＯｘを、リーン状態のときにＮＯｘ吸蔵材（ＫやＢａなどのアルカリ金属又はアルカリ土類金属）に一旦吸蔵させ、定期的にリッチ状態にすることで吸蔵されたＮＯｘを放出させて三元機能により還元する再生操作をおこなっている。
ディーゼルエンジンの排気ガスをリッチ状態にするには、吸気量を絞ったり、ポスト噴射や排気噴射により排気ガス中に燃料を供給したりする必要がある。しかしながら、前者の吸気量減少は車両のドライバビリティを悪化を、後者の燃料供給は燃費の悪化を、それぞれ招くことになるという問題があった。
特開２００９−２７５５６１号公報
本発明の目的は、ドライバビリティ及び燃費の悪化を抑制しつつ排気ガスを浄化することができるディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムを提供することにある。
上記の目的を達成する本発明のディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法は、車両に搭載されたディーゼルエンジンの排気ガスをＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いて浄化する排気ガス浄化方法であって、前記排気ガスがリッチ還元待ち状態になったときに、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が所定温度以上であって、かつ前記車両の所定速度以上の車速からの減速時において、ＥＧＲ弁を開放するとともに吸気スロットルを閉止し、次いで、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流に設けた排気スロットルを閉止し、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に還元剤を供給することを特徴とするものである。
上記のディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法においては、ＥＧＲ弁の開放及び吸気スロットルの閉止から、所定時間の経過後に排気スロットルを閉止する。あるいは、ＥＧＲ弁の開放及び吸気スロットルの閉止から、ディーゼルエンジンの吸気のマスエアーフロー値が基準値以下となったときに排気スロットルを閉止する。
また、所定温度は２００℃とするとともに、所定速度は２０ｋｍ／ｈとすることが望ましい。
上記の目的を達成する本発明のディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムは、車両に搭載されたディーゼルエンジンの吸気通路に取り付けられた吸気スロットルと、排気通路に設置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記吸気通路から前記排気通路へ連通するＥＧＲ通路に取り付けられたＥＧＲ弁と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段とを有する排気ガス浄化システムにおいて、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流側の排気通路に排気スロットルを設けるとともに、前記吸気スロットル、ＥＧＲ弁及び排気スロットルを制御する制御手段を設け、その制御手段は、前記排気通路を流れる排気ガスがリッチ還元待ち状態になったときに、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が所定温度以上であって、かつ前記車両の所定速度以上の車速からの減速時において、前記ＥＧＲ弁を開放するとともに前記吸気スロットルを閉止し、次いで、前記排気スロットルを閉止し、前記還元剤供給手段を起動することを特徴とするものである。
本発明のディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法及び排気ガス浄化システムによれば、所定速度以上の車速からの減速時に排気ガスをリッチ状態にするので、ドライバビリティの悪化を抑制することができる。また、排気ガスをリッチ状態にする際に排気ガス量を絞るので、排気ガスをリッチ状態にするために供給する燃料が少なくて済むため燃費の悪化を抑制することができる。
本発明の実施形態からなるディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムの構成図である。 本発明の実施形態からなるディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法を説明するフロー図である。 本発明のディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法の実施例を示すグラフである。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態からなるディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムを示す。このディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムが装備されるディーゼルエンジン１では、吸入口２から吸気通路３に吸入された空気Ａは、エアクリーナー４及びマスエアフローセンサ（ＭＡＦセンサ）５を順に通過して、吸気スロットル６で吸気量を調整された後に、吸気マニホールド７から各気筒へ供給される。そして、コモンレール噴射システム８を通じて噴射された燃料の燃焼後に、排気ガスＧとなって排気マニホールド９から排気通路１０へ排出され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１を通過し、浄化された排気ガスＧｃとなって排気口１２から排出される。また、排気ガスＧの一部は、ＥＧＲガスＧｅとしてＥＧＲ通路１３へ分流し、ＥＧＲクーラー１４で冷却されてからＥＧＲ弁１５を経て吸気マニホールド７へ再循環する。
ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１は、γアルミナ等で形成されたモノリスハニカムのセルの担持体の表面に、触媒金属及びＮＯｘ吸蔵材を担持させて構成される。触媒金属としてはＰｔやＰｄが用いられる。またＮＯｘ吸蔵材としては、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｃｓ等のアルカリ金属や、Ｂａ、Ｃａ等のアルカリ土類金属のうちのいずれか１つ又は組み合わされた複数が用いられる。
このＮＯｘ吸蔵還元触媒１１では、排気ガスＧがリーン状態のときは、排気ガスＧ中のＮＯは酸化触媒により酸化されてＮＯ2となり、ＮＯ3 -の形で触媒内に拡散してＮＯｘ吸蔵材に硝酸塩の形で吸収される。そして、排気ガスＧがリッチ状態になると、ＮＯ3 -がＮＯ2の形でＮＯｘ吸蔵材から放出される。この放出されたＮＯ2は、排気ガスＧ中に含まれる未燃ＨＣなどの還元剤により酸化触媒の作用を受けてＮ2に還元される。
排気ガスＧをリッチ状態するには、還元剤供給手段により排気ガスＧ中に軽油燃料などの還元剤を供給する。この還元剤供給手段としては、気筒への燃料噴射におけるポスト噴射や、排気通路１０に設けた燃料噴射ノズル（図示せず）などが例示される。なお、後者の燃料噴射ノズルを用いると、ポスト噴射の場合に問題となるエンジンオイルの燃料希釈を回避できるという利点がある。燃料の供給量の調整は、それら還元剤供給手段における噴射量及び噴射時期を調整することにより行われる。
ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１の入口（上流側近傍）には触媒入口排気濃度センサ１６及び触媒入口温度センサ１７が、出口（下流側近傍）には触媒出口排気濃度センサ１８及び触媒出口温度センサ１９が、それぞれ設置されている。この排気濃度センサ１６、１８は、排気ガスＧ、Ｇｃの空気過剰率λ及びＮＯｘ濃度を測定するものである。
本発明のディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１の下流側の排気通路１０に排気スロットル２０を設けるとともに、その排気スロットル２０、吸気スロットル６及びＥＧＲ弁１５を制御する制御手段の機能をＥＣＵ２１に持たせることにより構成される。なお、ＥＣＵ２１は、ＭＡＦセンサ５、コモンレール噴射システム８、排気濃度センサ１６、１８及び触媒温度センサ１７、１９の制御や測定データの収集も行うようになっている。なお、図１中に示す一点鎖線は、信号の伝達経路を表している。
このような構成を有するディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムによる排気ガス浄化方法を、図２に示すフロー図を基に以下に説明する。
最初にＥＣＵ２１は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１がリッチ還元待ち状態にあるかを判定する（Ｓ１０）。リッチ還元待ち状態とは、ＮＯｘ吸蔵材の吸収能力が飽和に近くなった状態に相当する。判定方法としては、排気濃度センサ１６、１８の測定値から算出されるＮＯｘ吸蔵量（前回の還元処理からの増分）やＮＯｘ浄化率と、あらかじめ設定された閾値とを比較する方法などが例示される。
リッチ還元待ち状態になったと判定した場合には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１の温度が所定温度以上であって、かつディーゼルエンジン１を搭載した車両が所定速度以上の車速からの減速時であるかを確認する（Ｓ２０）。ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１の温度は、例えば、触媒温度センサ１７、１９の測定値から算出したり、触媒近傍に熱電対（図示せず）を設置して測定することなどにより求めることができる。また、所定温度は２００℃とするのが望ましい。ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１の温度が２００℃未満であると、還元剤による還元作用が著しく低下してしまう。
車両の車速はエンジン回転数などから算出することができる。また、所定速度は２０ｋｍ／ｈとするのが望ましい。車両の車速が２０ｋｍ／ｈ未満であると、減速から停止に至るまでの時間が短くなって、後述する排気スロットル２０の閉止以降の還元反応に十分な時間を取れなくなってしまう。また、車両が減速状態にあることは、コモンレール噴射システム８の燃料噴射量（例えば、噴射量＝０）やアクセル開度（例えば、開度＝０°）などから判断する。
そして、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１の温度が所定温度以上であって、かつ車両が所定速度以上の車速からの減速時であった場合には、ＥＧＲ弁１５を開放するとともに吸気スロットル６を閉止する（Ｓ３０）。
次いで、排気スロットル２０を閉止する所定の条件が満たされたときに（Ｓ４０）、排気スロットル２０を閉止し（Ｓ５０）、還元剤供給手段を起動して排気ガスＧ中に燃料を供給してリッチ状態にする（Ｓ６０）。この還元剤の噴射量は、排気濃度センサ１６、１８から算出される空気過剰率λが、吸気量から算出される目標値となるように定められる。つまり、空気過剰率λの目標値は、あらかじめ試験的に目標値を定めて、その目標値から作成した「エンジン回転数と燃料流量に対する目標値」の３次元マップを制御時に参照することにより設定される。そして噴射量は、コモンレール噴射システム８による筒内噴射量（指示値、又は排気濃度センサ１６、１８の測定値とＭＡＦセンサ５の測定値とからの算出値）と、空気過剰率λの目標値及びＭＡＦセンサ５の測定値から算出した必要燃料流量との差から求められる。
最後に、燃料の供給から一定時間経過後に、あるいは車両の減速終了後に、還元剤供給手段を停止するとともに排気スロットル２０を開放する。
このように、車両の所定速度以上からの減速時に排気ガスＧをリッチ状態にするので、ドライバビリティの悪化を抑制することができる。また、排気ガスＧをリッチ状態にする際に、ＥＧＲ弁１５を開放し、かつ吸気スロットル６及び排気スロットル２０を閉止して排気ガス量を絞るので、還元剤供給手段から供給する燃料が少なくて済むため燃費の悪化を抑制することができる。
更には、排気ガスＧの温度が高くかつ流量が低くなるので、還元に要する時間が長くなるため、還元効率を向上することができる。この還元に要する時間を十分に担保するために、上述するように車両が所定速度以上の車速からの減速時にあることが必要なのである。また、ハード面では従来のエンジン構成に排気スロットルを設けるだけでよいため、低コストで排気ガス浄化システムを実現することができる。
排気スロットル２０を閉止する所定の条件（Ｓ４０）としては、あらかじめ定められた所定時間（例えば、０．１〜３秒など）の経過後とする他に、ＭＡＦセンサ５の測定値が基準値を超えた時点とするようにしても良い。このＭＡＦセンサ５の基準値は、排気スロットル２０を閉止したときの排気圧力のピーク値が、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１自体やその近傍のセンサ１６〜１９などを損傷しない程度の値となるように設定する。基準値は、ディーゼルエンジン１のサイズや仕様などにより変化するため一律に設定できないが、一般的な大型車両では約３０〜８０ｋＰａとなる。
なお、ＥＧＲ弁１５の開放及び吸気スロットル６の閉止から排気スロットル２０の閉止までに時間差を設けた場合には、排気圧力の急激な上昇が抑えられるので、高エンジン回転数下でも排気スロットル２０が使用可能となるため、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法を容易に実施できるようになる。
図２においては、最初にリッチ還元待ち状態を判定しているが、その判定に係るステップＳ１０を省略するようにしても良い。その場合には、リッチ還元待ち状態の如何にかかわらず、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１の温度が所定温度以上であって、かつ車両が所定速度以上の車速からの減速時であるときには、常にステップＳ２０〜Ｓ６０の処理が行われるため、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１の温度低下を防止して、還元効率をより向上することができる。
実際の運転時においては車両の減速時にすぐに加速が開始されることがあるが、そのような場合には還元に要する時間を十分に担保できないため、加速性を優先させることにして排気スロットル２０を開放する制御を行うことが好ましい。
図１に示す構成のディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム（実施例）、及び図１の構成から排気スロットル２０を取り外した排気ガス浄化システム（比較例）を用いて、ディーゼルエンジン１の排気ガス浄化を行った結果を図３に示す。なお、ＮＯｘ吸蔵還元触媒１１が所定温度以上であることを前提としている。これらの排気ガス浄化システムにおける経時変化は次のようになる。
(1) リッチ還元待ち状態であると判定すると、車両の車速５０ｋｍ／ｈ（エンジン回転数＝約１５００ｒｐｍに相当）からの減速時に、ＥＧＲ弁１５を全開するとともに吸気スロットル６を全閉する。(2) その結果、排気ガスＧの量が低下する。(3) そして、実施例では、排気ガスＧの量が排気スロットル２０を閉止する所定の条件である「動作時の排気圧力が閾値以下」を満たしたときに排気スロットル２０を全閉する。(4) 還元剤供給手段により燃料を供給してＮＯｘを還元する。
図３の結果から、実施例では比較例に比べて、減速時の排気ガスＧの量が比較例よりも少なくなって、排気ガスＧの温度の低下が小さくなることが分かる。
１ ディーゼルエンジン
２ 吸入口
３ 吸気通路
４ エアクリーナー
５ ＭＡＦセンサ
６ 吸気スロットル
７ 吸気マニホールド
８ コモンレール噴射システム
９ 排気マニホールド
１０ 排気通路
１１ ＮＯｘ吸蔵還元触媒
１２ 排気口
１３ ＥＧＲ通路
１４ ＥＧＲクーラー
１５ ＥＧＲ弁
１６ 触媒入口排気濃度センサ
１７ 触媒入口温度センサ
１８ 触媒出口排気濃度センサ
１９ 触媒出口温度センサ
２０ 排気スロットル
２１ ＥＣＵ

Claims (5)

  1. 車両に搭載されたディーゼルエンジンの排気ガスをＮＯｘ吸蔵還元触媒を用いて浄化する排気ガス浄化方法であって、
    前記排気ガスがリッチ還元待ち状態になったときに、
    前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が所定温度以上であって、かつ前記車両の所定速度以上の車速からの減速時において、ＥＧＲ弁を開放するとともに吸気スロットルを閉止し、
    次いで、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流に設けた排気スロットルを閉止し、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に還元剤を供給することを特徴とする排気ガス浄化方法。
  2. 前記ＥＧＲ弁の開放及び吸気スロットルの閉止から、所定時間の経過後に前記排気スロットルを閉止する請求項１に記載の排気ガス浄化方法。
  3. 前記ＥＧＲ弁の開放及び吸気スロットルの閉止から、前記ディーゼルエンジンの吸気のマスエアフロー値が基準値以下となったときに前記排気スロットルを閉止する請求項１に記載の排気ガス浄化方法。
  4. 前記所定温度が２００℃であって、かつ前記所定速度が２０ｋｍ／ｈである請求項１〜３のいずれかに記載の排気ガス浄化方法。
  5. 車両に搭載されたディーゼルエンジンの吸気通路に取り付けられた吸気スロットルと、排気通路に設置されたＮＯｘ吸蔵還元触媒と、前記吸気通路から前記排気通路へ連通するＥＧＲ通路に取り付けられたＥＧＲ弁と、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給手段とを有する排気ガス浄化システムにおいて、
    前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の下流側の排気通路に排気スロットルを設けるとともに、前記吸気スロットル、ＥＧＲ弁及び排気スロットルを制御する制御手段を設け、
    その制御手段は、前記排気通路を流れる排気ガスがリッチ還元待ち状態になったときに、前記ＮＯｘ吸蔵還元触媒の温度が所定温度以上であって、かつ前記車両の所定速度以上の車速からの減速時において、前記ＥＧＲ弁を開放するとともに前記吸気スロットルを閉止し、
    次いで、前記排気スロットルを閉止し、前記還元剤供給手段を起動することを特徴とする排気ガス浄化システム。
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