JP5407288B2 - 排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法に関するものであり、特に排気ガス中のＮＯxをアンモニアで還元して浄化するＳＣＲ触媒を備えた排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法に関するものである。

エンジンの排気ガスを処理装置として、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために尿素を用いたＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒を使用することが種々提案されている。このような排気ガス処理装置では、排気ガス中のＮＯｘを選択的にＳＣＲ触媒に吸着させ、ＳＣＲ触媒上流側の排気通路中に尿素水を噴射し、該尿素水中の尿素を加水分解して還元剤であるアンモニア（ＮＨ_３）をＳＣＲ触媒に供給し、前記ＳＣＲ触媒に吸着したＮＯｘを還元して窒素と水に分解して排出させている。

しかしながら、このようなエンジンの排気ガスの処理装置においては、エンジン始動時の排気ガスが低温であるときには、前記ＳＣＲ触媒上流側の排気通路中に噴射された尿素水が気化せず排気通路中に堆積してしまう可能性がある。さらに、尿素が加水分解温度（１３０〜１８０℃）以下では、排気通路中で尿素が分解してアンモニアになるアンモニア生成率が極端に低くなり、ＮＯｘの浄化率が極端に低くなってしまうことに加えて、未分解の尿素がＳＣＲ触媒を素通りして大気中に放出されてしまう可能性がある。

前述のエンジン始動時の排気ガスの低温時にアンモニア生成率が低いことを解決するために、排気ガスの低温時には尿素水の噴射を行わず、排気ガス温度が、尿素の加水分解温度以上に設定したある閾値を越えたときに尿素水を短時間で目標量だけ噴射することで、アンモニア生成率の低下を防止しているが、この場合、排気ガス温度が前記閾値以下であるときにはＮＯｘの浄化が行われないという課題が残る。

また、エンジンを停止する前にアンモニアをＳＣＲ触媒に事前に吸着させておく事前吸着が有効であるが、エンジン停止時の状態によりアンモニア吸着量が左右されるため、条件によっては効果が不十分となることがある。

また、尿素水に代えて、アンモニア水や液体アンモニアを使用することも考えられるが、これらは毒性が強く、取り扱いが難しい。ＳＣＲ触媒を使用する排ガス処理装置を搭載した車両の使用者の中には、アンモニア水や液体アンモニア水の取り扱いに深い知見を有さない使用者も少なくないため、アンモニア水や液体アンモニアを使用することは現実的ではない。

そこで、低温における尿素からのアンモニア生成率を向上させるために、ＳＣＲ触媒の上流側に加水分解触媒を設けることが提案されており、その一例として例えば特許文献１には、排気ガス通路に、上流側から順に尿素供給ノズルと尿素加水分解触媒とＳＣＲ触媒を配設した排気ガス浄化システムにおいて、前記尿素加水分解触媒の排気ガスとの接触面に窒化ケイ素面を形成した排気ガス浄化システムが開示されている。

特開２００６−２１２５９１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているような尿素の加水分解触媒を設ける技術においては、加水分解触媒を設けることにより排気ガス処理装置全体が大型化して重量増となる、排気ガス処理装置を製造する際のコスト高となるという問題がある。
さらに、加水分解触媒を設けることで、尿素の分解は促進されるものの、十分なアンモニア生成率は得られず従来の課題を解決することは困難である。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、エンジンスタートの排気ガス低温時において、尿素からのアンモニア生成率を向上し、ＮＯｘ浄化率を向上することができる排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、エンジンの排気通路上に、上流側から順に排気ガス中のＮＯの酸化活性を高める前段酸化触媒と、排気ガス中のＮＯxをアンモニアで還元するＳＣＲ触媒と、アンモニアを除去する後段酸化触媒とを有し、前記前段酸化触媒とＳＣＲ触媒との間に尿素水を添加する排気ガス処理装置において、前記エンジンの通常運転時に、前記排気ガスの温度が第１の所定温度以上で尿素水を添加し、前記エンジンのスタート時に、前記第１の所定温度より低い第２の所定温度以下で尿素水を添加する制御手段を設けたことを特徴とする。
また、前記第２の所定温度が尿素の加水分解温度であることを特徴とする。
通常運転時に尿素水を添加する第１の所定温度よりも低い第２の所定温度以下で尿素水を添加する制御手段を設けることで、エンジンをスタートしてから早期に尿素水を添加することができ、ＮＯｘの浄化率を向上することができる。

また、前記第２の所定温度が尿素水の蒸発温度以上であることを特徴とする。
これにより、通常制御の約２倍のＮＯｘ浄化率が得られる。
さらに、エンジンスタートから排気ガス温度が尿素水の蒸発温度に達するまでは尿素水を添加しないため、尿素水の一部が気化せずに排気通路中に堆積し尿素の一部が排気通路内に付着してしまうことを防ぐことができる。

また、前記排気ガスの温度が尿素の加水分解温度に達するまで排気ガス温度を昇温する制御を行う第２の制御手段を設けたことを特徴とする。
尿素の加水分解温度までは、排気ガス温度を昇温する制御を行うため、エンジンスタートから尿素水を添加し、該尿素水が分解してアンモニアをＳＣＲ触媒に安定して供給できるまでの時間、即ちエンジンスタートからＮＯｘを安定して浄化することができるまでの時間を短縮化することができる。
これにより、ＳＣＲ触媒に供給された尿素水がＳＣＲ触媒本来の還元剤であるアンモニアに速やかに分解し、エンジンスタート後早期に尿素水を添加することと組み合わせることで通常制御の約３倍のＮＯｘ浄化率が得られる。
このような制御手段を用いることにより、エンジンスタートから早い段階でアンモニアを供給することができ、高いＮＯｘ浄化率でエンジンの排気ガスの処理を行うことができる。

また、前記排ガスの温度が尿素水の蒸発温度に達すると、尿素水の噴射を開始し、所定量の尿素水の噴射を、前記排気ガスの温度が尿素の加水分解温度に達する前に終了させるように前記制御手段にて制御を行うことを特徴とする。
これにより、排気ガス温度が尿素の加水分解温度に達したときには尿素水の添加が終了しているため、アンモニア生成率が向上し、添加した尿素水がより有効に使用される。

また、前記エンジンの排気通路上且つ前記前段酸化触媒よりも上流側に、排気ガスの流量を調整可能な排気絞り弁を設け、該排気絞り弁の開度を調整することで前記排気ガス温度の昇温を行うことを特徴とする。
一般的なエンジンの排気通路上には排気絞り弁が設けられていることが多い。そのため、前記排気絞り弁の開度を調整して排気ガスの昇温制御を行うことで、既存のシステムを大きく変更することなく、本発明を実施することができる。

また、前記ＳＣＲ触媒へのアンモニア吸着可能量と温度の関係を表したマップを用意し、該マップを用い、排気ガス温度に応じて前記尿素水の添加量を決定することを特徴とする。
これにより、適正な量の尿素水添加量を決定することができ、尿素が加水分解して生成されるアンモニアがＳＣＲ触媒を素通りして大気に放出されてしまう所謂アンモニアスリップが発生せず、しかもＮＯｘの浄化に有効なアンモニア量を確保することができる。

さらに、課題を実現するための方法の発明として、前段酸化触媒によって排気ガス中のＮＯの酸化活性を高め、ＳＣＲ触媒によって排気ガス中のＮＯxをアンモニアで還元し、尿素水を添加してから、後段酸化触媒によってアンモニアを除去する排気ガス処理方法において、前記エンジンのスタート時に、前記排気ガスの温度が尿素の加水分解温度以下且つ尿素水の蒸発温度以上の温度で所定量の尿素水を噴射するとともに、前記排気ガスの温度が尿素の加水分解温度に達するまで排気ガス温度を昇温する制御を行うことを特徴とする。

以上記載のごとく本発明によれば、エンジンスタートの排気ガス低温時においても、尿素からのアンモニア生成率を向上し、ＮＯｘ浄化率を向上することができる排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、実施例１における排気ガス処理装置の概要図である。図１を用いて排ガス処理装置の概略について説明する。本発明の排気処理装置１は、図１に示したように前段酸化触媒２及びフィルタ４からなるＤＰＦシステム１０と、ＳＣＲ触媒６及び後段酸化触媒８からなるＳＣＲシステム１２とから構成される。

このようなＤＰＦシステム１０とＳＣＲシステム１２を組み合わせた排ガス処理装置においては、エンジン３０で発生した排ガスは、まず前段酸化触媒２及びフィルタ４からなるＤＰＦシステム１０に送り込まれ、フィルタ４でＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を捕集されて排出される。

前記フィルタ４でＰＭを捕集された後の排ガスは、中間通路１４を通り、ＳＣＲシステム１２を構成するＳＣＲ触媒６に送り込まれる。また、中間通路１４中に設けた尿素噴射ノズル１６より尿素水を噴射し、該尿素水中の尿素が分解することによってＮＨ_３が生成される。なお前記尿素噴射ノズル１６より噴射される尿素水の噴射量は、後述する制御装置３２により制御される。

前記尿素水が分解して生成されたＮＨ_３は一旦ＳＣＲ触媒６上に吸着した後、排気ガス中のＮＯｘと以下の（１）〜（３）の反応式によって反応し、有害なＮＯｘを無害なＮ_２へと転換させる。
２ＮＯ＋２ＮＯ_２＋４ＮＨ_３→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（１）
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ ・・・（３）

さらに、ＳＣＲ触媒６で反応できなかったＮＨ_３は、同様にＳＣＲ触媒６で反応できなかったＮＯｘと後段酸化触媒８でＳＣＲ触媒６と同様の（１）〜（３）の反応式によって反応し、ＮＯｘを無害なＮ２へと転換させる。また、ＳＣＲ触媒６上に吸着したＮＨ_３は、温度上昇によりＳＣＲ触媒６より脱離し、後段酸化触媒で（４）の反応式によりＮ_２へと転化される。
１２ＮＨ_３＋９Ｏ_２→６Ｎ_２＋１８Ｈ_２Ｏ ・・・（４）

次に、前記制御装置３２による制御について、図１を参照しながら、図２を用いて説明する。
図２は実施例１におけるエンジンスタート時の制御装置３２による制御のフローチャートである。

ステップＳ１でエンジン３０がスタートすると、エンジン３０からエンジンスタートの信号が制御装置３２に送られる。

ステップＳ１でエンジンスタートの信号が送られると、制御装置３２は、ＤＰＦシステム１０の下流側且つＳＣＲシステム１２の上流側の位置する中間通路１４内の温度を検出する温度計１８で検出される温度Ｔ１を取得し、該温度Ｔ１によりコールドスタートか否かを判断する。コールドスタートとは、低温でのスタートのことであり、これは前記温度Ｔ１が尿素の分解温度以下であるか否かで判断する。つまり、Ｔ１が尿素の分解温度以下であればコールドスタート、Ｔ１が尿素の分解温度よりも高ければコールドスタートではないということである。

ステップＳ２でＮｏ、即ちコールドスタートではないと判断されると、ステップＳ３に進み通常制御を行う。

ステップＳ２でＹｅｓ、即ちコールドスタートと判断されると、図２において点線Ａで囲った尿素水噴射制御と、点線Ｂで囲った昇温制御を同時に行う。前記尿素水噴射制御と昇温制御は同時に並行して行うが、ここでは点線Ａで囲った尿素水噴射制御から説明する。

ステップＳ２でＹｅｓと判断されると、尿素水噴射制御では、ステップＳ１１で温度計１８で検出される温度Ｔ１が尿素水の蒸発温度Ｔａ以上であるか否か判断する。前記尿素水蒸発温度Ｔａは、尿素水が蒸発する温度のことであり、尿素水の尿素濃度、尿素の噴射速度、量などによって異なるが８０〜１２０℃程度である。

ステップＳ１１でＮｏと判断されると、温度Ｔ１が後述する後述する昇温制御により上昇し、尿素水の蒸発温度Ｔａ以上になるまでステップＳ１１を繰り返す。

ステップＳ１１でＹｅｓと判断されると、ステップＳ１２で、尿素噴射ノズル１６の開度を調整し尿素水の中間通路１４中への噴射を開始する。

ステップＳ１２で尿素水の噴射が開始されると、アンモニアマップを参照し、ステップＳ１３で必要量の尿素水が噴射されたか否かを判断する。
図４にアンモニアマップの一例を示す。図４のアンモニアマップにおいて、縦軸はＳＣＲ触媒６へのアンモニア吸着可能量、横軸は温度である。図４に示したとおり、アンモニアは温度が低いほどＳＣＲ触媒６に多く吸着する。そこで、前回のエンジン停止時の温度計１８における検出値をＴ_Ｅとすると、ＳＣＲ触媒６にはＡ_Ｅだけアンモニアが既に吸着していると考えられる。また、現行の排気ガス温度Ｔ１におけるアンモニアのＳＣＲ触媒６への吸着可能量はＡ１である。そのため、Ａ１−Ａ_Ｅ＝Ａだけ新たにアンモニアを吸着させることができ、該Ａに対応する尿素水を噴射すればよく、この値をステップＳ１３における尿素水の必要量とする。

ステップＳ１３でＮｏと判断されると、必要量の尿素水が噴射されるまで尿素の噴射を続ける。
ステップＳ１３でＹｅｓと判断されると、ステップＳ３に進み、尿素噴射に関しては通常の制御を行う。

次に、点線Ｂで囲った昇温制御について説明する。
ステップＳ２でＹｅｓと判断されると、昇温制御では、ステップＳ２１でエンジンの排気出口の設けた排気絞り弁３４の弁開度を小さくなるように調整し、排気ガスを強制的に昇温する。
なお、本実施例においては排気絞り弁３４の開度調整により排気ガスの昇温を行うが、ステップＳ２１においては、排気ガスを昇温することができれば他の方法を用いてもよく、例えばエンジンの吸気を絞ったり、排気ラインにヒーターを設けて排気ガスを昇温することもできる。

ステップＳ２１で昇温が開始されると、ステップＳ２２で温度計１８で検出される温度Ｔ１が尿素の分解温度Ｔｂ以上であるか否か判断する。前記尿素分解温度Ｔｂは、尿素が加水分解してアンモニアとなる温度のことであり、ＳＣＲの尿素分解性能によって異なるが１３０〜１８０℃程度である。

ステップＳ２２でＮｏと判断されると、温度Ｔ１が上昇し、尿素分解温度Ｔｂ以上になるまで昇温を続ける。

ステップＳ２２でＹｅｓと判断されると、ステップＳ２３で強制昇温を停止してステップＳ３に進み、昇温に関しては通常の制御を行う。

図２のフローチャートも用いて説明した制御装置３２における制御時の尿素水噴射量及び排ガス温度Ｔ１の時間変化の一例を図３に示した。
図３は実施例１におけるエンジンスタート時の排気ガス温度及び尿素水噴射量の時間変化を表すグラフであり、縦軸は尿素水噴射量及び温度を表し、横軸は時間を表す。

図３を用い、図２のフローチャートを用いて説明した制御の一例について時間軸に沿って再度説明する。
図３に示したように、時間０でエンジンがコールドスタートすると、昇温制御が開始される。該昇温制御により排気ガス温度Ｔ１が上昇し、時間ｔａで尿素水蒸発温度Ｔａに達すると、尿素水の噴射を開始し、時間ｔｃで目標量の尿素水が噴射されたら尿素水の噴射を停止する。その後、時間ｔｂで排気ガス温度Ｔ１が尿素分解温度Ｔｂに達する、つまりＳＣＲ温度が低温で吸着性尿素を分解してアンモニアにすると昇温制御を停止し、以降は通常制御を行う。
なお、図３の例と逆に、排気ガス温度Ｔ１が尿素分解温度Ｔｂに達する時間ｔｂよりも、尿素水の噴射が終わる時間ｔｃの方が後であってもよいが、その場合アンモニア生成率の面で劣るため、図３に示したように時間ｔｂよりも時間ｔｃの方が先となるようにすることが好ましい。

通常制御、及び以下の条件２〜７の６条件で、図２、図３で説明した制御を行い、ＳＣＲ触媒６におけるエンジンスタート時のＮＯｘ浄化率を調べた。
条件１．通常制御
条件２．尿素早期添加温度：２５℃
条件３．尿素早期添加温度：１００℃
条件４．尿素早期添加温度：１３０℃
条件５．尿素早期添加温度：１３０℃、昇温制御：１８０℃まで
条件６．尿素早期添加温度：１３０℃、昇温制御：２００℃まで
条件７．尿素装置添加温度：１３０℃、昇温制御：１３０℃まで
条件２〜４は昇温制御を行わず、尿素の早期添加開始タイミング（温度）を変更した。
条件５〜７は昇温制御の終了タイミング以外は同じ条件とした。
結果を図５に示す。
図５において、縦軸はＮＯｘ浄化率、横軸は条件名である。
図５に示すようにＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率は制御により大きく向上し、尿素早期添加だけで、通常制御の約２培の４０％の浄化率が得られ、昇温制御と組み合わせると何れの条件においても５０％以上、最大６０％近いＮＯｘ浄化率が得られた。

（比較例）
図６は、比較例におけるエンジンスタート時の排気ガス温度及び尿素水噴射量の時間変化を表すグラフであり、縦軸は尿素水噴射量及び温度を表し、横軸は時間を表す。
比較例においては、エンジンがコールドスタートしてから排気ガスの強制昇温は行わなかった。また、尿素分解温度よりも高温に設定した尿素水噴射閾値に排ガス温度が達すると目標量の尿素水を添加した。これは従来の制御である。
このとき、エンジンスタート時におけるＮＯｘの浄化率は２０〜３０％程度であった。

本発明によれば、エンジンスタートから排気ガス温度が尿素水の蒸発温度に達するまでは尿素水を添加しないため、尿素水が気化せずに排気通路中に堆積することなく、しかも、尿素の加水分解温度までは、排気ガス温度を昇温する制御を行うために、エンジンスタートから尿素水を添加し、該尿素水が分解してアンモニアをＳＣＲ触媒に安定して供給できるまでの時間、即ちエンジンスタートからＮＯｘを安定して浄化することができるまでの時間を短縮化することができる。
従って、エンジンスタートから早い段階でＳＣＲ触媒にアンモニアを供給することができ、高いＮＯｘ浄化率でエンジンの排気ガスの処理を行うことができるといえる。

本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、エンジンスタートの排気ガス低温時において、尿素からのアンモニア生成率を向上し、ＮＯｘ浄化率を向上することができる排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法として利用することができる。

実施例１における排気ガス処理装置の概要図である。 実施例１におけるエンジンスタート時の制御装置による制御のフローチャートである。 実施例１におけるエンジンスタート時の排気ガス温度及び尿素水噴射量の時間変化を表すグラフである。 アンモニアマップの一例である。 実施例１におけるＮＯｘ浄化率の結果を示すグラフである。 比較例におけるエンジンスタート時の排気ガス温度及び尿素水噴射量の時間変化を表すグラフである。

符号の説明

１ 排ガス処理装置
２ 前段酸化触媒
４ フィルタ
６ ＳＣＲ触媒
８ 後段酸化触媒
１４ 中間通路
１６ 尿素水噴射ノズル
１８ 温度計
３０ エンジン
３２ 制御装置
３４ 排気絞り弁

Claims (4)

1. エンジンの排気通路上に、上流側から順に排気ガス中のＮＯの酸化活性を高める前段酸化触媒と、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアで還元するＳＣＲ触媒と、アンモニアを除去する後段酸化触媒とを有し、前記前段酸化触媒とＳＣＲ触媒との間に尿素水を添加する排気ガス処理装置において、
   前記前段酸化触媒の下流かつ前記ＳＣＲ触媒の上流における排気ガスの温度が尿素の加水分解温度である第２の所定温度以下であるか否かを判定するコールドスタート判定手段と、
   前記コールドスタート判定手段において前記排気ガスの温度が前記第２の所定温度よりも高いと判断された場合には、前記前段酸化触媒の下流かつ前記ＳＣＲ触媒の上流における排気ガスの温度が前記第２の所定温度よりも高い第１の所定温度以上で尿素水を添加し、
   前記コールドスタート判定手段において前記排気ガスの温度が前記第２の所定温度以下と判断された場合には、前記前段酸化触媒の下流かつ前記ＳＣＲ触媒の上流における排気ガスの温度が尿素水の蒸発温度以上、且つ、前記第２の所定温度以下で尿素水を添加する、尿素水噴射制御手段と、
   前記コールドスタート判定手段において前記排気ガスの温度が前記第２の所定温度以下と判断された場合に、前記尿素水噴射制御と並行して、前記排気ガスの温度が前記第２の所定温度に達するまで前記排気ガスの温度を昇温する制御を行う昇温制御手段と、を設けたことを特徴とする排気ガス処理装置。
2. 前記尿素水噴射制御手段は、前記排ガスの温度が尿素水の蒸発温度に達すると、尿素水の噴射を開始し、所定量の尿素水の噴射を、前記排気ガスの温度が尿素の加水分解温度に達する前に終了することを特徴とする請求項１に記載の排気ガス処理装置。
3. 前記エンジンの排気通路上且つ前記前段酸化触媒よりも上流側に、排気ガスの流量を調整可能な排気絞り弁を設け、
   前記昇温制御手段は、該排気絞り弁の開度を調整することで前記排気ガスの温度の昇温を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス処理装置。
4. 前記ＳＣＲ触媒へのアンモニア吸着可能量と前記排気ガスの温度の関係を表したマップを用意し、
   前記尿素水噴射制御手段は、前記コールドスタート判定手段において前記排気ガスの温度が前記第２の所定温度よりも高いと判断された場合に添加する尿素水の添加量を、該マップを用い、前記排気ガスの温度に応じて決定することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の排気ガス処理装置。

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