IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ いすゞ自動車株式会社の特許一覧

<>
  • 特許-内燃機関の排気浄化システム 図1
  • 特許-内燃機関の排気浄化システム 図2
  • 特許-内燃機関の排気浄化システム 図3
  • 特許-内燃機関の排気浄化システム 図4
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-19
(45)【発行日】2023-06-27
(54)【発明の名称】内燃機関の排気浄化システム
(51)【国際特許分類】
   F01N 3/08 20060101AFI20230620BHJP
   F01N 3/28 20060101ALI20230620BHJP
   F01N 3/20 20060101ALI20230620BHJP
   F01N 3/36 20060101ALI20230620BHJP
   B01D 53/94 20060101ALI20230620BHJP
【FI】
F01N3/08 B ZAB
F01N3/28 301E
F01N3/20 H
F01N3/36 C
F01N3/36 B
B01D53/94 222
B01D53/94 400
B01D53/94 245
B01D53/94 280
【請求項の数】 5
(21)【出願番号】P 2020161760
(22)【出願日】2020-09-28
(65)【公開番号】P2022054621
(43)【公開日】2022-04-07
【審査請求日】2022-05-31
(73)【特許権者】
【識別番号】000000170
【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002952
【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】夏目 浩司
【審査官】畔津 圭介
(56)【参考文献】
【文献】特開2013-127209(JP,A)
【文献】特表2006-519331(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F01N 3/08
F01N 3/28
F01N 3/20
F01N 3/36
B01D 53/94
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムであって、
前記内燃機関の排気管に配置されたNOx還元型触媒又はNOx吸蔵触媒と、
前記NOx還元型触媒又はNOx吸蔵触媒よりも上流側の前記排気管に配置された酸化触媒と、
前記酸化触媒にアンモニアを供給するアンモニア供給装置と、
排気昇温要求に基づいて、前記アンモニア供給装置による前記酸化触媒へのアンモニアの供給を制御する制御部と、
前記酸化触媒に未燃燃料を供給する未燃燃料供給装置と、
を備え
前記制御部は、前記排気昇温要求が生じた場合であって、(i)排気温度が前記酸化触媒におけるアンモニア燃焼温度未満の場合には前記酸化触媒に前記未燃燃料を供給することで排気温度を上昇させ、(ii)排気温度が前記酸化触媒におけるアンモニア燃焼温度以上の場合には前記酸化触媒に前記アンモニアを供給することで排気温度を上昇させる、
排気浄化システム。
【請求項2】
前記制御部は、前記(i)の制御を行った後に、前記(ii)の制御を行う、
請求項に記載の排気浄化システム。
【請求項3】
内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムであって、
前記内燃機関の排気管に配置されたNOx還元型触媒又はNOx吸蔵触媒と、
前記NOx還元型触媒又はNOx吸蔵触媒よりも上流側の前記排気管に配置された酸化触媒と、
前記酸化触媒にアンモニアを供給するアンモニア供給装置と、
排気昇温要求に基づいて、前記アンモニア供給装置による前記酸化触媒へのアンモニアの供給を制御する制御部と、
前記酸化触媒よりも上流側の前記排気管に配置された加熱部と、
を備え、
前記制御部は、前記排気昇温要求が生じた場合であって、(i)排気温度が前記酸化触媒におけるアンモニア燃焼温度未満の場合には前記加熱部によって排気温度を上昇させ、(ii)排気温度が前記酸化触媒におけるアンモニア燃焼温度以上の場合には前記酸化触媒に前記アンモニアを供給することで排気温度を上昇させる、
気浄化システム。
【請求項4】
前記加熱部は、アンモニアを燃焼させることが可能な点火装置である、
請求項に記載の排気浄化システム。
【請求項5】
NOx還元型触媒又はNOx吸蔵触媒は、触媒反応が温度に依存し、
前記制御部は、前記排気昇温要求の有無を、前記NOx還元型触媒又は前記NOx吸蔵触媒の活性化温度と、排気温との関係に基づいて判断する、
請求項1からのいずれか一項に記載の排気浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【0002】
トラックやバス等の車両に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス中のNOxを浄化するための排気ガス浄化システムとして、尿素水等を還元剤として用いてNOxを窒素と水に還元する選択還元型触媒(SCR:Selective Catalytic Reduction)を用いたシステムが開発され、実現されている。SCRを用いた排気浄化システムは、例えば特許文献1などで開示されている。
【0003】
SCRを用いた排気浄化システムは、尿素水タンクに貯留された尿素水をSCR上流の排気管に供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによってSCRでNOxを還元するようになっている。尿素水は、例えば排気通路を構成する排気管に設けられた尿素水インジェクターによって適量が噴射される。
【0004】
また、尿素水に代えてアンモニアを排気管内に供給する技術も知られている(例えば特許文献2参照)。
【0005】
SCRは、触媒反応が活性化する最適な温度がある(以下これを「活性化温度」と呼ぶ)。活性化温度は、触媒の種類にもよるが、例えば200℃程度である。
【0006】
ここで、排気温度が低下すると、SCRの活性化温度よりも低くなり、触媒の反応効率が低下する。なお、触媒としてLNT(Lean NOx Trap)などのNOx吸蔵触媒を用いた場合にも同様であり、LNTの活性化温度よりも低くなると触媒の反応効率が低下する。
【0007】
これを考慮して、例えば特許文献3などに開示されているように、排気管内の温度を昇温することにより、触媒の反応効率の低下を防止する技術がある。特許文献3では、LNTの上流側に設けられている酸化触媒(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)に未燃燃料を供給し、DOCによる未燃燃料の酸化により発生する熱で排気を昇温することで、下流側のLNTの触媒反応を高める構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【文献】特開2012-7557号公報
【文献】特開2013-124569号公報
【文献】特開2013-194702号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
ところが、未燃燃料の排気管への直接噴射やエンジンへのポスト噴射により排気の昇温を行うと、CO2が発生してしまう欠点がある。
【0010】
本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、CO2の発生を抑制しつつ、排気温度を触媒の活性化温度に昇温して排気浄化効率を向上し得る、排気浄化システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の内燃機関の排気浄化システムの一つの態様は、
内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムであって、
前記内燃機関の排気管に配置されたNOx還元型触媒又はNOx吸蔵触媒と、
前記NOx還元型触媒又はNOx吸蔵触媒よりも上流側の前記排気管に配置された酸化触媒と、
前記酸化触媒にアンモニアを供給するアンモニア供給装置と、
排気昇温要求に基づいて、前記アンモニア供給装置による前記酸化触媒へのアンモニアの供給を制御する制御部と、
を備える。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、CO2の発生を抑制しつつ、排気温度を触媒の活性化温度に昇温して排気浄化効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】実施の形態1の排気浄化システムの要部構成を示した図
図2】実施の形態1による昇温制御の説明に供するフローチャート
図3】実施の形態2の排気浄化システムの要部構成を示した図
図4】実施の形態2による昇温制御の説明に供するフローチャート
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【0015】
<1>実施の形態1
<1-1>排気浄化システムの構成
図1は、本実施の形態の排気浄化システムの要部構成を示した図である。本実施形態では、本発明を、ディーゼルエンジン10の排気浄化システム100に適用した態様について説明する。ただし、本実施形態に係る排気浄化システムは、ディーゼルエンジン10の排気浄化システム100に限らず、ガソリンエンジンの排気浄化システムにも適用し得る。
【0016】
排気浄化システム100は、例えば、トラック等の車両に搭載されており、エンジン10の排気ガス中のNOxを浄化する。
【0017】
エンジン10は、例えば、燃焼室、燃焼室内で燃料を噴射する燃料噴射装置、及び、燃料噴射装置を制御するエンジンECU等(図示せず)を含んで構成される。エンジン10は、燃焼室内で、燃料と空気の混合気を燃焼及び膨張させて、動力を発生する。エンジン10には、燃焼室内に空気を導入する吸気管20と、燃焼室から排出される燃焼後の排気ガスを、車両の外部に排出する排気管30と、が接続されている。
【0018】
排気浄化システム100は、DOC(Diesel Oxidation Catalyst)101、DPF(Diesel Particulate Filter)102及びSCR(Selective Catalytic Reduction)103を有する。なお、排気浄化システム100は、触媒として、SCR103に加えて、あるいは、SCRに代えて、LNT(Lean NOx Trap)などを有していてもよい。
【0019】
DOC101は、酸化アルミニウム又は金属等からなる担持体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。DOC101は、排気中の未燃成分(炭化水素HC及び一酸化炭素CO)を酸化除去するとともに、このときの反応熱で排気ガスを加熱昇温し、また排気中のNOをNO2に酸化する。
【0020】
DPF102は、触媒付きフィルターからなり、排気中に含まれる粒子状物質(PM: Particulate Matter)を捕集するとともに、捕集したPMを燃焼除去する。
【0021】
SCR103は、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、例えばゼオライトやバナジウム等の触媒が担持又はコーティングされる。SCR103は、アンモニアを吸蔵するとともに、当該吸蔵したアンモニアによって排気ガス中からNOxを選択的に還元浄化する。
【0022】
排気浄化システム100は、排気管30内にアンモニアを供給するアンモニア供給装置110を有する。アンモニア供給装置110は、液化アンモニア(液化NH3)を貯蔵するアンモニアタンク111、遮断弁112、減圧弁113、流量調整弁114、115及びアンモニア噴射ポート116、117を有する。
【0023】
また、排気浄化システム100は、DOC101の上流側の排気管内に未燃燃料を供給する未燃燃料供給装置120を有する。未燃燃料供給装置120は、ディーゼルエンジン10の燃料を貯蔵している燃料タンク121と、燃料タンク121内の燃料をDOC101の上流側の排気管30内に噴射する未燃燃料インジェクター122と、を有する。
【0024】
さらに、排気浄化システム100は、ECU(Electronic Control Unit)130を有する。ECU130は、排気浄化システム100の動作を制御する。
【0025】
ECU130は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、入力ポート、及び出力ポート等を含んで構成されている。ECU130の後述する機能は、例えば、CPUがROM、RAM等に記憶された制御プログラムや各種データを参照することによって実現される。但し、当該機能は、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア回路によっても実現できることは勿論である。
【0026】
なお、ECU130は、エンジン10のエンジンECU(図示せず)等と通信することで、これらを制御したり、これらの状態を取得したりする。
【0027】
ECU130は、アンモニア供給装置110によるDOC101へのアンモニアの供給を制御する制御部として機能する。また、ECU130は、未燃燃料供給装置120によるDOC101の上流側の排気管30への未燃燃料の供給を制御する。
【0028】
具体的には、ECU130は、SCR103の入り口に設けられた温度センサー141、DOC101の入り口に設けられた温度センサー142により検出された温度情報を入力し、当該温度情報に基づいて、遮断弁112、流量調整弁114、115の開度を制御することにより、アンモニア噴射ポート116、117から噴射されるアンモニアの量を制御する。同様に、ECU130は、温度センサー141、142により検出された温度情報を入力し、当該温度情報に基づいて、未燃燃料インジェクター122からの未燃燃料の噴射量を制御する。
【0029】
<1-2>昇温制御
次に、本実施の形態による昇温制御について説明する。
【0030】
図2は、本実施の形態による昇温制御の説明に供するフローチャートである。図2のフローチャートは、ECU130によって実行される。
【0031】
ECU130は、昇温制御を開始すると、ステップS11において、温度センサー141によって検出された温度情報を入力することで、排気温情報を取得する。
【0032】
ECU130は、続くステップS12において、排気昇温要求があるか否か判断する。具体的には、ECU130は、排気温がSCR活性温度(例えば200℃)未満であれば、排気昇温要求があると判断し、排気温がSCR活性温度以上であれば排気昇温要求がないと判断する。なお、ステップS12で用いる閾値(SCR活性温度)は、勿論、用いるSCR触媒の種類や構造によって適宜設定することが好ましい。
【0033】
ECU130は、ステップS12で否定結果を得た場合(ステップS12;NO)、当該昇温制御を終了する。
【0034】
一方、ECU130は、ステップS12で肯定結果を得た場合(ステップS12;YES)、ステップS13に移る。ECU130は、ステップS13において、温度センサー142によって検出された排気温度がDOC101のアンモニア燃焼温度未満であるか否か判断する。
【0035】
ECU130は、ステップS13で肯定結果を得た場合(ステップS13;YES)、ステップS14に移って、DOC101に未燃燃料を供給する。具体的には、ECU130は、ステップS14において、未燃燃料インジェクター122から未燃燃料を噴射させる。
【0036】
これに対して、ECU130は、ステップS13で否定結果を得た場合(ステップS13;NO)、ステップS15に移って、DOC101にアンモニアを供給する。具体的には、ECU130は、ステップS15において、遮断弁112及び流量調整弁115を開状態に制御することで、アンモニア噴射ポート117からアンモニアを噴射させる。
【0037】
ECU130は、ステップS14又はステップS15の処理を行った後に、あるいは、ステップS14又はステップS15の処理を行いながら、ステップS11に戻る。
【0038】
なお、ステップS13で用いる閾値(DOC101のアンモニア燃焼温度)は、勿論、用いるDOCの種類や構造によって適宜設定することが好ましい。
【0039】
要は、本実施の形態の制御は、排気温度が所定閾値未満の場合には、DOC101にアンモニアを供給してしまうと、DOC101によってアンモニアの燃焼(酸化)が十分に行われず、昇温効果が低くなるので、最初はDOC101に未燃燃料を供給して排気温を所定閾値まで上昇させる。そして、排気温度が所定閾値まで達した場合には、DOC101にアンモニアを供給してアンモニアによる昇温を行うようにする。
【0040】
これにより、未燃燃料のみで排気温を昇温する場合と比較して、CO2の発生を抑制できる。
【0041】
ここで、図2で示した制御は、DOC101の燃焼可能温度が、アンモニアよりも未燃燃料の方が低いことを前提としている。
【0042】
ECU130は、DOC101によるアンモニア燃焼によって、排気温がSCRの活性温度まで昇温されると、流量調整弁114を開状態に制御してSCR103にアンモニアを供給する。このとき、ECU130は、流量調整弁115を閉状態に制御してもよく、開状態のままに制御してもよい。
【0043】
以上の構成によれば、内燃機関の排気管30に配置されたSCR103と、SCR103よりも上流側の排気管30に配置されたDOC101と、DOC101にアンモニアを供給するアンモニア供給装置110と、排気昇温要求に基づいて、アンモニア供給装置110によるDOC101へのアンモニアの供給を制御する制御部(ECU130)と、を設けたことにより、CO2の発生を抑制しつつ、排気温度を触媒の活性化温度に昇温して排気浄化効率を向上させることができる。
【0044】
ここで、DOC101でのアンモニア燃焼により発生するのは、無害で温室効果のないN2とH2Oである。一部のアンモニアは、NOxとなるが、下流のSCR103でN2とH2Oに浄化されるので環境への影響はない。
【0045】
また、本実施の形態によれば、アンモニア供給装置110を、DOC101とSCR103とで共有しているので、排気浄化システムの大型化も抑制できる。ただし、SCR103にはアンモニアに代えて尿素水を供給する構成にしてもよい。
【0046】
なお、ステップS14における未燃燃料によるSCR103の予備的な昇温は、上述したように未燃燃料インジェクター122から排気管30内への未燃燃料の噴射のみで行ってもよく、未燃燃料インジェクター122から排気管30内への未燃燃料の噴射と、エンジンによる排気温の昇温とを組み合わせて行ってもよい。DOC101は、低い温度では酸化反応が鈍くなるので、未燃燃料インジェクター122から排気管30内への未燃燃料の噴射と、エンジン10による排気温の昇温とを組み合わせることが好ましい。
【0047】
さらに、未燃燃料インジェクター122から排気管30内への未燃燃料の噴射と、排気管30内に設けた電気ヒーター(図示せず)による排気温の昇温と、を組み合わせることでステップS14の予備的な昇温を行うようにしてもよい。
【0048】
なお、本実施の形態では、本発明を、NOxを浄化するための触媒としてSCR103を用いた排気浄化システム100に適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、要は、反応が温度に依存したNOx還元型触媒又はNOx吸蔵触媒を用いる場合に広く適用できる。つまり、制御部(ECU130)は、NOx還元型触媒又はNOx吸蔵触媒の活性化温度と、排気温との関係基づいて、排気昇温要求の有無を判断し、排気昇温要求があると判断した場合に、DOC101にアンモニアを供給すればよい。
【0049】
<2>実施の形態2
<2-1>排気浄化システムの構成
図1との対応部分に同一符号が付された図3は、実施の形態2の排気浄化システムの要部構成を示した図である。本実施の形態の排気浄化システム200は、図1の排気浄化システム100と比較して、アンモニア噴射ポート117の近傍に点火装置150が設けられている。点火装置150は、例えばスパークプラグ又はグロープラグである。点火装置150の点火は、ECU130によって制御される。また、排気浄化システム200は、排気浄化システム100と比較して、未燃燃料供給装置120が省略されている。
【0050】
図2との対応部分に同一符号が付された図4は、本実施の形態による昇温制御の説明に供するフローチャートである。以下では、図2の制御と異なるステップのみ説明する。
【0051】
ECU130は、ステップS13で肯定結果を得た場合(ステップS13;YES)、ステップS21に移って、遮断弁112及び流量調整弁115を開状態に制御することでアンモニア噴射ポート117からアンモニアを噴射させるとともに、点火装置150を点火させる。これにより、点火装置150によってアンモニアを燃焼させて排気温を昇温する。
【0052】
これに対して、ECU130は、ステップS13で否定結果を得た場合(ステップS13;NO)、ステップS22に移って、遮断弁112及び流量調整弁115を開状態に制御することでアンモニア噴射ポート117からアンモニアを噴射させることで、DOC101にアンモニアを供給する。ステップS22では、ECU130は、点火装置150を点火させない。
【0053】
ECU130は、ステップS21又はステップS22の処理を行った後に、あるいは、ステップS21又はステップS22の処理を行いながら、ステップS11に戻る。
【0054】
以上説明したように、本実施の形態によれば、アンモニア供給装置110のアンモニア噴射口(アンモニア噴射ポート117)近傍に配置された加熱部(点火装置150)を設け、制御部(ECU130)は、排気昇温要求が生じた場合であって、(i)排気温度がDOC101におけるアンモニア燃焼温度未満の場合にはアンモニア供給装置110から供給されたアンモニアを加熱部(点火装置150)によって加熱して燃焼させることで排気温度を上昇させ、(ii)排気温度がDOC101におけるアンモニア燃焼温度以上の場合にはDOC101にアンモニアを供給してDOC101で燃焼させることで排気温度を上昇させる。
【0055】
これにより、実施の形態1と比較して、未燃燃料を用いた昇温を行わなくても済むので、CO2の発生をより抑制することができるようになる。
【0056】
なお、本実施の形態では、加熱部としてアンモニアを燃焼させる点火装置150を設けた場合について述べたが、加熱部はこれに限らない。要は、加熱部は排気温をDOC101のアンモニア燃焼温度まで昇温させることができるものであればよい。例えば、加熱部は、電気ヒーターなどであってもよい。
【0057】
上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することの無い範囲で、様々な形で実施することができる。
【0058】
上述の実施の形態では、流量調整弁114、115とアンモニア噴射ポート116、117とを別体に示したが、流量調整弁114とアンモニア噴射ポート116、流量調整弁115とアンモニア噴射ポート117は、それぞれ一体に構成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0059】
本発明は、CO2の発生を抑制しつつ、排気温度を触媒の活性化温度に昇温して排気浄化効率を向上できるといった効果を有し、触媒反応が温度に依存する(活性化温度を有する)触媒を用いた排気浄化システムに広く適用可能である。
【符号の説明】
【0060】
10 ディーゼルエンジン(エンジン)
20 吸気管
30 排気管
100、200 排気浄化システム
101 DOC(酸化触媒)
102 DPF(ディーゼル微粒子捕集フィルター)
103 SCR(選択還元型触媒)
110 アンモニア供給装置
111 アンモニアタンク
112 遮断弁
113 減圧弁
114、115 流量調整弁
116、117 アンモニア噴射ポート
120 未燃燃料供給装置
121 燃料タンク
122 未燃燃料インジェクター
130 ECU(制御部)
141、142 温度センサー
150 点火装置
図1
図2
図3
図4