JP2010209783A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】白金を含む酸化触媒の温度にかかわらず、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの浄化効率及びＤＰＦの再生効率を向上できる排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２には、白金を含む酸化触媒３と、ＤＰＦ５と、ＳＣＲ触媒６と、酸化触媒７とが設けられている。ＤＰＦ５とＳＣＲ触媒６との間には、尿素水を噴射する噴射ノズル８が設けられている。また、排気管２には、酸化触媒３をバイパスするように、バイパス管２０が設けられている。バイパス管２０の上流端部と排気管２との接続部分には、三方弁２１が設けられている。ＳＣＲ触媒６及び三方弁２１のそれぞれの上流には、排気管２を流通する排気ガスの温度を測定するための第１の温度センサ９及び第２の温度センサ１０が設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）及び尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムの少なくとも一方を有する排気ガス浄化装置に関する。

尿素ＳＣＲシステムにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）中の一酸化窒素（ＮＯ)及び二酸化窒素（ＮＯ_２）の割合が１：１のときに、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの浄化効率が最大となることが知られている。一般に、排気ガスには、ＮＯ_２よりもＮＯの方が多く含まれている。そこで、特許文献１に記載の排気ガス浄化装置では、尿素ＳＣＲシステムの前に、白金を含む酸化触媒が配置されており、排気ガス中のＮＯの一部をＮＯ_２に酸化してＮＯ_２の割合を増加することによって、排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯ及びＮＯ_２の割合を１：１に近くなるように調整している。これにより、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの浄化効率が向上する。

また、ＮＯに比べてＮＯ_２は酸化力が大きいため、ＤＰＦを有する排気ガス浄化装置では、ＤＰＦの再生において、排気ガス中に含まれるＮＯｘ中のＮＯ_２の割合が大きくなるほど、ＤＰＦに捕捉されたパティキュレートマター（ＰＭ)が燃焼しやすくなるので、ＤＰＦの再生効率が向上する。そのため、従来の排気ガス浄化装置では、ＤＰＦの前に白金を含む酸化触媒を配置することが公知である。

特開２００６−７０７７１号公報

しかしながら、白金を含む酸化触媒は、その温度によって挙動が異なる。すなわち、酸化触媒の温度が２００℃未満の場合には、ＮＯをＮＯ_２に酸化する作用よりもＮＯ_２をＮＯに還元する作用の方が優勢になるので、酸化触媒を通過した排気ガスは、ＮＯの割合が大きくなる。すると、特許文献１に記載の排気ガス浄化装置では、酸化触媒の温度が２００℃未満の場合には、ＮＯの割合が大きくなった排気ガスがＳＣＲ触媒によって浄化されることになるため、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘの浄化効率が低下してしまうといった問題点があった。また、ＤＰＦを有する従来の排気ガス浄化装置でも、白金を含む酸化触媒の温度が２００℃未満の場合には、ＮＯの割合が大きくなった排気ガスがＤＰＦに流入するため、ＤＰＦの再生効率は低下するといった問題点があった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、白金を含む酸化触媒の温度にかかわらず、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの浄化効率及びＤＰＦの再生効率を向上できる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。

この発明に係る排気ガス浄化装置は、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管と、該排気管に設けられた、白金を含む酸化触媒と、該酸化触媒よりも下流において前記排気管に設けられた、ＳＣＲ触媒及びＤＰＦの少なくとも一方と、前記酸化触媒をバイパスするバイパス管と、前記排気ガスを前記バイパス管及び前記酸化触媒のうちの一方に流通させるように切り替える切替手段とを備え、前記酸化触媒の温度が２００℃よりも高い場合には、前記切替手段は、前記排気ガスを前記酸化触媒に流通させ、前記酸化触媒の温度が２００℃以下の場合には、前記切替手段は、前記排気ガスを前記バイパス管に流通させる。酸化触媒の温度が２００℃より高いとき、すなわち酸化触媒がＮＯをＮＯ_２に酸化する作用を発揮するときにのみ、排気ガスが酸化触媒を流通するので、排気ガス中のＮＯの割合を増加することなく、あるいは、排気ガス中のＮＯ_２の割合を増加させて、排気ガスがＤＰＦ及びＳＣＲ触媒に流入する。
前記排気管には、前記酸化触媒よりも下流においてＳＣＲ触媒が設けられ、該ＳＣＲ触媒の温度が４５０℃以上の場合には、前記切替手段は、前記排気ガスを前記バイパス管に流通させてもよい。
前記排気管には、前記ＳＣＲ触媒の上流に、排気ガスの温度を測定する第１の温度センサが設けられ、前記ＳＣＲ触媒の温度は、前記第１の温度センサによって測定された温度であってもよい。
前記排気管には、前記切替手段の上流に、排気ガスの温度を測定する第２の温度センサが設けられ、前記酸化触媒の温度は、前記第２の温度センサによって測定された温度であってもよい。
前記内燃機関の運転条件と前記排気ガスの温度との関係を表すマップを備え、前記排気ガスの温度は、前記マップに基づいて前記運転条件から推定され、前記酸化触媒の温度及び前記ＳＣＲ触媒の温度はそれぞれ、前記運転条件から推定された排気ガスの温度からさらに推定してもよい。

この発明によれば、白金を含む酸化触媒がＮＯをＮＯ_２に酸化する作用を発揮するときにのみ、排気ガスが酸化触媒を流通し、排気ガス中のＮＯの割合を増加することなく、あるいは、排気ガス中のＮＯ_２の割合を増加させて、ＤＰＦ及びＳＣＲ触媒に流入するので、酸化触媒の温度にかかわらず、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの浄化効率及びＤＰＦの再生効率を向上させることができる。

この発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置の構成を示す模式図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の構成を図１に示す。内燃機関であるディーゼルエンジン１は、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流通する排気管２を有している。排気管２には、白金を含む酸化触媒３と、ＤＰＦ５と、ＳＣＲ触媒６と、酸化触媒７とが、この順序で設けられている。ＤＰＦ５とＳＣＲ触媒６との間には、尿素水を噴射する噴射ノズル８が設けられている。また、排気管２には、酸化触媒３をバイパスするように、バイパス管２０が設けられている。バイパス管２０の上流端部と排気管２との接続部分には、切替手段である三方弁２１が設けられている。

ＳＣＲ触媒６及び三方弁２１のそれぞれの上流には、排気管２を流通する排気ガスの温度を測定するための第１の温度センサ９及び第２の温度センサ１０が設けられている。第１の温度センサ９及び第２の温度センサ１０はそれぞれ、ＳＣＲ触媒６及び酸化触媒３に流入する排気ガスの温度を測定するためのものであり、これらの測定値は、この実施の形態において、ＳＣＲ触媒６及び酸化触媒３の温度と見なされる。従って、第１の温度センサ９は、ＳＣＲ触媒６の直前に設けることが好ましく、第２の温度センサ１０と、三方弁２１と、酸化触媒３とは、できる限り近接して設けることが好ましい。三方弁２１と、第１の温度センサ９と、第２の温度センサ１０とはそれぞれ、制御装置であるＥＣＵ１１に電気的に接続されている。

次に、この実施の形態に係る排気ガス浄化装置の動作について説明する。
ディーゼルエンジン１の始動後、排出された排気ガスは、排気管２を流通する。第２の温度センサ１０の測定値が２００℃以下の場合には、ＥＣＵ１１は、三方弁２１を作動させて、排気ガスがバイパス管２０を流通するようにする。酸化触媒３の温度が２００℃以下の場合に排気ガスを酸化触媒３に流通させると、排気ガス中のＮＯｘは、酸化触媒３の還元作用によってＮＯ_２の一部がＮＯに還元され、排ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯの割合が増加し、ＮＯ及びＮＯ_２の割合が１：１から離れるように変化してしまう。しかしながら、この実施の形態では、このような条件の場合に、排気ガスがバイパス管２０を流通して酸化触媒３をバイパスするので、ＮＯｘ中のＮＯの割合が増加してしまうのを防止できる。

ディーゼルエンジン１が始動してからある程度経過すると、排気ガスの温度が上昇し、やがて、第２の温度センサ１０の測定値が２００℃を超える温度になる。すると、ＥＣＵ１１は、三方弁２１を作動させて、排気ガスが酸化触媒３を流通するようにする。酸化触媒３の温度が２００℃よりも高い場合に排気ガスを酸化触媒３に流通させると、排気ガス中のＮＯｘは、酸化触媒３の酸化作用によってＮＯの一部がＮＯ_２に酸化される。ディーゼルエンジン１から排出された排気ガス中に含まれるＮＯｘの大部分がＮＯであるため、酸化触媒３の酸化作用により、ＮＯｘ中のＮＯ_２の割合が上昇し、ＮＯ及びＮＯ_２の割合が１：１に近づくように変化する。

バイパス管２０を流通した排気ガス、あるいは、酸化触媒３を流通した排気ガスは、ＤＰＦ５に流入し、排気ガス中のＰＭがＤＰＦ５に捕捉される。続いて、排気ガスはＳＣＲ触媒６に流入するが、適当なタイミングで噴射ノズル８から供給された尿素水がＳＣＲ触媒６において加水分解されてアンモニアと二酸化炭素となり、生成したアンモニアと排ガス中のＮＯｘとが反応して、窒素及び水となる。ＳＣＲ触媒６において消費されずに残ったアンモニアは、酸化触媒７において酸化され、ＮＯｘが浄化された排気ガスが大気中へ排出される。

第２の温度センサ１０の測定値が２００℃以下の場合には、排気ガスに含まれるＮＯｘ中のＮＯの割合が上昇しないようにして、すなわち、ＮＯ及びＮＯ_２の割合が１：１から離れないようにして、ＳＣＲ触媒６によって排気ガス中のＮＯｘが浄化されるので、ＳＣＲ触媒６によるＮＯｘの浄化効率の低下を防止できる。一方、第２の温度センサ１０の測定値が２００℃より高い場合には、ＮＯｘ中のＮＯ_２の割合を上昇させてＮＯ及びＮＯ_２の割合が１：１に近づくように調整してから、ＳＣＲ触媒６によって排気ガス中のＮＯｘが浄化されるので、ＳＣＲ触媒６によるＮＯｘの浄化効率を向上させることができる。

さらに、ディーゼルエンジン１の稼働中、第１の温度センサ９の測定値が４５０℃以上になった場合には、たとえ第２の温度センサ１０の測定値が２００℃よりも高い温度であったとしても、ＥＣＵ１１は、三方弁２１を作動させて、排気ガスがバイパス管２０を流通するようにする。すると、排気ガスは酸化触媒３を流通しないので、排気ガス中のＮＯ_２の割合が上昇されずに、ＳＣＲ触媒６に排気ガスが流入する。ＳＣＲ触媒６の温度が４５０℃以上であれば、ＮＯ及びＮＯ_２の割合にかかわらずに、ＳＣＲ触媒６によるＮＯｘの浄化効率は温度のみに依存するので、ＳＣＲ触媒６によってＮＯｘを浄化する前に、あえて排気ガスを酸化触媒３で処理させる必要はない。これにより、酸化触媒３の作用機会が低減されるので、酸化触媒３の寿命を長くすることができる。

また、ＮＯｘ中のＮＯ及びＮＯ_２の割合は、ＳＣＲ触媒６によるＮＯｘの浄化効率だけではなく、ＤＰＦ５の再生効率にも影響を与える。ＤＰＦ５にＰＭが補足されていくと、ＤＰＦ５の前後の差圧が上昇する。この差圧を、図示しない差圧計等で検知し、ＤＰＦ５に捕捉されたＰＭを燃焼させることにより、ＤＰＦ５の再生を行う。再生の際、ＤＰＦ５に対して、公知の手段により加熱を行うが、排気ガスに含まれる酸化力の強いＮＯ_２を酸化剤として利用すると、燃焼に必用な温度を低下させることができ、その結果、ＤＰＦ５の再生効率が向上される。この実施の形態では、第２の温度センサ１０の測定値が２００℃より高い場合、すなわち、酸化触媒３がＮＯをＮＯ_２に酸化する作用を発揮可能なときにのみ、排気ガスは酸化触媒３を流通してＤＰＦ５に流入する。これにより、排気ガス中のＮＯ_２の割合が低下せずに、あるいは、酸化触媒３によって排気ガス中のＮＯ_２の割合が増加されて、排気ガスがＤＰＦ５に流入し、ＤＰＦ５の再生時に必要な温度を抑えることができるので、ＤＰＦ５の再生効率を向上させることができる。

このように、白金を含む酸化触媒３がＮＯをＮＯ_２に酸化する作用を発揮するときにのみ、排気ガスが酸化触媒３を流通し、排気ガス中のＮＯの割合を増加することなく、あるいは、排気ガス中のＮＯ_２の割合を増加させて、ＤＰＦ５及びＳＣＲ触媒６に流入するので、酸化触媒３の温度にかかわらず、ＳＣＲ触媒６によるＮＯｘの浄化効率及びＤＰＦ５の再生効率を向上させることができる。

この実施の形態では、ＳＣＲ触媒６及び酸化触媒３の上流に第１の温度センサ９及び第２の温度センサ１０をそれぞれ配置し、ＳＣＲ触媒６及び酸化触媒３に流入する直前の排気ガスの温度を検知して、それらの測定値を酸化触媒３及びＳＣＲ触媒６の温度と見なしていたが、この形態に限定するものではない。酸化触媒３及びＳＣＲ触媒６に温度センサを直接配置して、酸化触媒３及びＳＣＲ触媒６の温度を直接測定するようにしてもよい。また、温度センサを用いる形態に限定するものでもなく、ＥＣＵ１１に、ディーゼルエンジン１の運転条件（回転数や燃料噴射量等）と排気ガス温度とのマップを組み込んでおき、このマップに基づいてディーゼルエンジン１の運転条件から排気ガスの温度を推定し、推定された排気ガスの温度からさらに、ディーゼルエンジン１から酸化触媒３及びＳＣＲ触媒６までの長さ等を考慮して、酸化触媒３及びＳＣＲ触媒６の温度を推定するようにしてもよい。

この実施の形態では、ＤＰＦ５及びＳＣＲ触媒６が両方とも設けられているが、この構成に限定するものではない。ＤＰＦ５のみが設けられている構成でもよく、ＳＣＲ触媒６のみが設けられている構成でもよい。すなわち、少なくともＤＰＦ５及びＳＣＲ触媒６の一方が設けられていればよい。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）、２ 排気管、３ 酸化触媒、５ ＤＰＦ、６ ＳＣＲ触媒、９ 第１の温度センサ、１０ 第２の温度センサ、２０ バイパス管、２１ 三方弁（切替手段）。

Claims (5)

1. 内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気管と、
   該排気管に設けられた、白金を含む酸化触媒と、
   該酸化触媒よりも下流において前記排気管に設けられた、ＳＣＲ触媒及びＤＰＦの少なくとも一方と、
   前記酸化触媒をバイパスするバイパス管と、
   前記排気ガスを前記バイパス管及び前記酸化触媒のうちの一方に流通させるように切り替える切替手段と
   を備え、
   前記酸化触媒の温度が２００℃より高い場合には、前記切替手段は、前記排気ガスを前記酸化触媒に流通させ、前記酸化触媒の温度が２００℃以下の場合には、前記切替手段は、前記排気ガスを前記バイパス管に流通させる排気ガス浄化装置。
2. 前記排気管には、前記酸化触媒よりも下流において前記ＳＣＲ触媒が設けられ、
   該ＳＣＲ触媒の温度が４５０℃以上の場合には、前記切替手段は、前記排気ガスを前記バイパス管に流通させる、請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記排気管には、前記ＳＣＲ触媒の上流に、排気ガスの温度を測定する第１の温度センサが設けられ、
   前記ＳＣＲ触媒の温度は、前記第１の温度センサによって測定された温度である、請求項２に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記排気管には、前記切替手段の上流に、排気ガスの温度を測定する第２の温度センサが設けられ、
   前記酸化触媒の温度は、前記第２の温度センサによって測定された温度である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
5. 前記内燃機関の運転条件と前記排気ガスの温度との関係を表すマップを備え、
   前記排気ガスの温度は、前記マップに基づいて前記運転条件から推定され、
   前記酸化触媒の温度及び前記ＳＣＲ触媒の温度はそれぞれ、前記運転条件から推定された排気ガスの温度からさらに推定される、請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。

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