JP7063016B2

JP7063016B2 - 後処理装置

Info

Publication number: JP7063016B2
Application number: JP2018040481A
Authority: JP
Inventors: 美由紀日▲高▼
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2022-05-09
Anticipated expiration: 2038-03-07
Also published as: JP2019157632A

Description

本開示は、排ガスの後処理装置に関する。

従来、内燃機関から排出される排ガス中の窒素酸化物（Nitrogen Oxides：ＮＯｘ）を低減する選択還元型触媒を備えた後処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０－５３８４７号公報

しかしながら、例えば内燃機関の始動時では、排ガスの温度が低いため、選択還元型触媒が活性する温度にならず、ＮＯｘ浄化率が低下することがある。

本開示の目的は、排ガスの温度が低い場合でも、選択還元型触媒のＮＯｘ浄化率を向上させることができる後処理装置を提供することである。

本開示の一態様に係る後処理装置は、内燃機関から排出された排ガスが流れる排気管に選択還元型触媒が設けられた、排ガスの後処理装置であって、前記排気管の外周を螺旋状に巻回して設けられ、前記内燃機関よりも下流側かつ前記選択還元型触媒よりも上流側を流れる前記排ガスと、液体との熱交換を行う熱交換部と、前記熱交換により生成された気体が流れる気体配管と、前記選択還元型触媒よりも上流側に設けられた酸化触媒と、前記選択還元型触媒よりも上流側かつ前記酸化触媒よりも下流側に設けられた微粒子捕集フィルタと、前記選択還元型触媒よりも上流側かつ前記微粒子捕集フィルタよりも下流側に設けられ、前記排気管中に尿素水を噴射する尿素水噴射装置と、前記液体を貯留する貯留部から前記液体を汲み上げて前記熱交換部へ送出するポンプと、前記ポンプの駆動を制御する駆動制御装置と、を有し、前記熱交換部は、前記酸化触媒よりも上流側に設けられており、前記気体配管の下流端は、前記微粒子捕集フィルタよりも下流側かつ前記尿素水噴射装置よりも上流側の前記排気管に連通しており、前記駆動制御装置は、前記内燃機関の始動後、前記酸化触媒よりも上流側を流れる前記排ガスの温度が、前記液体が気化する下限値を超えた場合、前記ポンプの駆動を開始させ、前記ポンプの駆動の開始後、前記微粒子捕集フィルタよりも下流側かつ前記選択還元型触媒よりも上流側を流れる前記排ガスの温度が、前記選択還元型触媒が活性する下限値を超えた場合、前記ポンプの駆動を停止させる。

本開示によれば、選択還元型触媒のＮＯｘ浄化率を向上させることができる。

本開示の実施の形態に係る後処理装置の構成の一例を示す模式図本開示の実施の形態に係る駆動制御装置の動作の一例を示すフローチャート

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

まず、本開示の実施の形態に係る後処理装置１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態の後処理装置１の構成の一例を模式的に示す図である。

後処理装置１は、車両に搭載され、内燃機関（図示略）から排出される排ガスを浄化する装置である。本実施の形態では、内燃機関がディーゼルエンジンである場合を例に挙げて説明するが、これに限定されず、内燃機関は例えばガソリンエンジンであってもよい。また、後処理装置１は、車両の内燃機関に限らず、船舶や定置式の内燃機関に適用することも可能である。

図１に示すように、後処理装置１は、排気管２、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）３、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）４、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）５、ＡＳＣ（Ammonia Slip Catalyst）６、尿素水噴射装置７、温度センサ８、９、貯留部１０、ポンプ１１、液体配管１２ａ、熱交換部１２ｂ、気体配管１２ｃ、および駆動制御装置１００を有する。

排気管２の上流側（図中の左側）の端部は、ディーゼルエンジンの排気マニホールド１３の下流端に接続されている。排気マニホールド１３から排出された排ガスは、排気管２を、図中の左側から右側へ流れる。図１において、排気管２中に示す実線の矢印は、排ガスの流れを示している。

排気管２には、その上流側から順に、ＤＯＣ３、ＤＰＦ４、ＳＣＲ５、ＡＳＣ６が設けられている。

ＤＯＣ３は、排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）や炭化水素（ＨＣ）を酸化させる触媒である。これにより、二酸化窒素（ＮＯ_２）と水が生成される。ＤＯＣ３は、「酸化触媒」の一例に相当する。

ＤＰＦ４は、排ガス中の粒子状物質（Particulate Matter:ＰＭ）を捕集して取り除くフィルタである。ＤＰＦ４は、「微粒子捕集フィルタ」の一例に相当する。

ＳＣＲ５は、尿素水（詳細は後述）から発生したアンモニアにより、排ガス中のＮＯｘを窒素に還元する触媒である。ＳＣＲ５は、「選択還元型触媒」の一例に相当する。なお、本実施の形態では、ＳＣＲを用いる場合について説明するが、これに限定されず、他の選択還元型触媒を用いてもよい。

ＡＳＣ６は、ＳＣＲ５で消費しきれなかったアンモニアを酸化、分解する触媒である。これにより、アンモニアが大気中に排出されることを防止できる。

ＳＣＲ５およびＡＳＣ６を通過した排ガスは、排出口（図示略）から車外へ排出される。

なお、ＤＯＣ３、ＤＰＦ４、およびＡＳＣ６は、設けられてなくてもよい。また、ＤＯＣ３の代わりに、例えば、ＬＮＴ（Lean NOx Trap）触媒など他の触媒が設けられてもよい。

尿素水噴射装置７は、ＳＣＲ５よりも上流側に設けられ、排気管２内に尿素水を噴射するドージングモジュールである。噴射された尿素水からはアンモニアが発生し、このアンモニアは、ＳＣＲ５へ供給される。なお、尿素水の噴射量や噴射タイミングは、図示しない尿素水噴射制御装置によって制御される。

温度センサ８は、ＤＯＣ３よりも上流側を流れる排ガスの温度（以下、ＤＯＣ上流側温度という）を随時検出する。そして、温度センサ８は、検出されたＤＯＣ上流側温度を示す信号（図中の一点鎖線の矢印参照）を、駆動制御装置１００の判定部１１０へ出力する。

温度センサ９は、ＤＰＦ４よりも下流側かつＳＣＲ５よりも上流側を流れる排ガスの温度（以下、ＳＣＲ上流側温度という）を随時検出する。そして、温度センサ９は、検出されたＳＣＲ上流側温度を示す信号（図中の一点鎖線の矢印参照）を、後述する駆動制御装置１００の判定部１１０へ出力する。

貯留部１０は、液体を貯留している。本実施の形態では、液体が水である場合を例に挙げて説明するが、これに限定されない。例えば、液体は、尿素水であってもよい。

ポンプ１１は、後述する駆動制御装置１００の制御部１２０から駆動開始指示信号（図中の一点鎖線の矢印参照）を受け取った場合、駆動を開始する。これにより、貯留部１０に貯留されている水が汲み上げられ、液体配管１２ａ（詳細は後述）を介して、熱交換部１２ｂ（詳細は後述）に向けて送出される。

また、ポンプ１１は、後述する駆動制御装置１００の制御部１２０から駆動停止指示信号（図中の一点鎖線の矢印参照）を受け取った場合、駆動を停止する。これにより、貯留部１０に貯留されている水の汲み上げが停止される。

液体配管１２ａは、ポンプ１１により汲み上げられた水が流れる流路である。図１において、液体配管１２ａ中に示す点線の矢印は、水の流れを示している。

液体配管１２ａの上流端は、貯留部１０に接続されており、液体配管１２ａの下流端は、後述する熱交換部１２ｂの上流端に接続されている。また、液体配管１２ａにおいて、貯留部１０と熱交換部１２ｂとの間には、上述したポンプ１１が設けられている。

熱交換部１２ｂは、排気マニホールド１３よりも下流側かつＤＯＣ３よりも上流側に設けられている。熱交換部１２ｂの上流端は、液体配管１２ａの下流端に接続されており、熱交換部１２ｂの下流端は、後述する気体配管１２ｃの上流端に接続されている。

熱交換部１２ｂは、排気マニホールド１３から排出された排ガスと、液体配管１２ａから流入した水との間で熱交換を行い、水を気化させる。

熱交換部１２ｂは、排気管２の外表面に接するように設けられている。また、熱交換部１２ｂは、排気管２の外周に螺旋状に巻回されたコイル型熱交換器である。

気体配管１２ｃは、熱交換部１２ｂにおける熱交換によって発生した水蒸気が流れる流路である。図１において、気体配管１２ｃ中に示す点線の矢印は、水蒸気の流れを示している。

気体配管１２ｃの上流端は、熱交換部１２ｂの下流端に接続されている。気体配管１２ｃの下流端は、ＤＰＦ４よりも下流側かつ尿素水噴射装置７よりも上流側の排気管２に接続されている。よって、気体配管１２ｃは、排気管２と連通している。したがって、気体配管１２ｃを流れる水蒸気は、排気管２を流れる排ガスと混ざることになる。

なお、液体配管１２ａ、熱交換部１２ｂ、および気体配管１２ｃは、別体で構成されてもよいし、一体的に構成されてもよい。

駆動制御装置１００は、ポンプ１１の駆動（換言すれば、水の供給の開始／停止）を制御する装置である。

駆動制御装置１００は、判定部１１０および制御部１２０を有する。図示は省略するが、駆動制御装置１００は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶媒体、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の作業用メモリ、および通信回路などを有する。判定部１１０および制御部１２０の各機能は、ＣＰＵが制御プログラムを実行することにより実現される。

判定部１１０は、温度センサ８により検出されたＤＯＣ上流側温度が、予め定められた第１閾値を超えたか否かを判定する。

第１閾値は、熱交換部１２ｂに供給される液体が気化する温度の下限値である。本実施の形態では、熱交換部１２ｂに供給される液体は水であるので、例えば、第１閾値は、１００℃である。

また、判定部１１０は、温度センサ９により検出されたＳＣＲ上流側温度が、予め定められた第２閾値を超えたか否かを判定する。

第２閾値は、ＳＣＲ５が活性する温度域の下限値である。例えば、第２閾値は、２００℃である。

制御部１２０は、例えばディーゼルエンジンの始動後、判定部１１０によりＤＯＣ上流側温度が第１閾値を超えたと判定された場合、ポンプ１１の駆動を開始させる。具体的には、制御部１２０は、ポンプ１１の駆動の開始を指示する駆動開始指示信号をポンプ１１へ出力する。上述したとおり、駆動開始指示信号を受け取ったポンプ１１は、駆動を開始する。

また、制御部１２０は、ポンプ１１の駆動の開始後、判定部１１０によりＳＣＲ上流側温度が第２閾値を超えたと判定された場合、ポンプ１１の駆動を停止させる。具体的には、制御部１２０は、ポンプ１１の駆動の停止を指示する駆動停止指示信号をポンプ１１へ出力する。上述したとおり、駆動停止指示信号を受け取ったポンプ１１は、駆動を停止する。

以上、本実施の形態の後処理装置１の構成について説明した。

次に、本実施の形態の駆動制御装置１００の動作について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態の駆動制御装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。図２に示す動作は、例えば、ディーゼルエンジンの始動とともに開始される。

まず、判定部１１０は、ＤＯＣ上流側温度が第１閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１０１）。

ＤＯＣ上流側温度が第１閾値を超えていない場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）、フローは、ステップＳ１０１へ戻る。

一方、ＤＯＣ上流側温度が第１閾値を超えた場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、制御部１２０は、ポンプ１１の駆動を開始させる（ステップＳ１０２）。

これにより、貯留部１０に貯留されている水が汲み上げられる。その水は、液体配管１２ａから熱交換部１２ｂへ流入し、排気管２を流れる排ガスとの熱交換により、水蒸気となる。水蒸気は、熱交換部１２ｂから気体配管１２ｃへ流入し、排気管２中に排出され、排ガスと混ざる。

ポンプ１１の駆動が開始された後、判定部１１０は、ＳＣＲ上流側温度が第２閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１０３）。

ＳＣＲ上流側温度が第２閾値を超えていない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、フローは、ステップＳ１０３へ戻る。この場合、ポンプ１１の駆動は、継続される。

一方、ＳＣＲ上流側温度が第２閾値を超えた場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、制御部１２０は、ポンプ１１の駆動を停止させる（ステップＳ１０４）。

これにより、貯留部１０からの水の汲み上げが停止され、熱交換部１２ｂへの水の供給が停止される。

以上、本実施の形態の駆動制御装置１００の動作について説明した。

ここまで詳述したように、本実施の形態の後処理装置１は、排気管２を流れる排ガスと水との間で熱交換を行い、水蒸気を生成する熱交換部１２ｂと、その水蒸気をＳＣＲ５よりも上流側の排気管２に排出する気体配管１２ｃとを有する。これにより、水蒸気と排ガスとが混ざり合い、その排ガスの温度は、水蒸気の熱により上昇する。したがって、ディーゼルエンジンの始動時でも、ＳＣＲ５が活性化し、ＳＣＲ５のＮＯｘ浄化率を向上させることができる。

なお、本開示は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。以下、各変形例について説明する。

［変形例１］
熱交換部１２ｂの設置位置は、図１に示した位置に限定されない。熱交換部１２ｂは、内燃機関よりも下流側かつＳＣＲ５よりも上流側に設けられればよい。ただし、図１に示したように熱交換部１２ｂが内燃機関の直下に設けられた場合では、熱交換部１２ｂに供給された水は高温の排ガスと熱交換できるので、より高温の水蒸気を発生させることができる。よって、熱交換部１２ｂは、例えば排気マニホールド１３に設けられてもよい。

また、熱交換部１２ｂの形状は、図１に示したコイル型に限定されず、その他の形状であってもよい。

［変形例２］
気体配管１２ｃの下流端と排気管２との連結位置は、図１に示した位置に限定されず、ＳＣＲ５よりも上流側であればよい。ただし、図１に示したように、連結位置が尿素水噴射装置７よりも上流側である場合では、尿素水が噴射される位置よりも上流側において排ガスを昇温させることができるので、尿素の加水分解を早めることができる。

［変形例３］
気体配管１２ｃの外周を被覆するように断熱材を設けてもよい。これにより、気体配管１２ｃを流れる水蒸気の温度の低下を抑制することができる。

［変形例４］
実施の形態では、ポンプ１１の駆動の停止条件が、ＳＣＲ上流側温度が第２閾値を超えた場合としたが、さらに、ポンプ１１の駆動の停止条件を加えてもよい。

例えば、図１に示した後処理装置１において、気体配管１２ｃを流れる水蒸気の温度（以下、水蒸気温度という）を検出するセンサと、ＤＰＦ４よりも下流側かつ気体配管１２ｃの下流端よりも上流側の排ガスの温度（以下、ＤＰＦ直下温度という）を検出するセンサとを設ける。これらのセンサの検出結果は、判定部１１０へ出力される。

判定部１１０は、ポンプ１１の駆動が開始された後、ＤＰＦ直下温度が水蒸気温度よりも高いか否かを判定する。

ＤＰＦ直下温度が水蒸気温度よりも高くない場合、制御部１２０は、ポンプ１１の駆動を継続させる。一方、ＤＰＦ直下温度が水蒸気温度よりも高い場合、制御部１２０は、ポンプ１１の駆動を停止させる。

本変形例によれば、排ガスがそれよりも温度が低い水蒸気によって冷やされることを防止できる。

以上、各変形例について説明した。なお、各変形例は、適宜組み合わせて実施されてもよい。

本開示の後処理装置は、ＳＣＲ触媒を用いて排ガスを浄化する技術全般に有用である。

１後処理装置
２排気管
３ＤＯＣ
４ＤＰＦ
５ＳＣＲ
６ＡＳＣ
７尿素水噴射装置
８、９温度センサ
１０貯留部
１１ポンプ
１２ａ液体配管
１２ｂ熱交換部
１２ｃ気体配管
１３排気マニホールド
１００駆動制御装置
１１０判定部
１２０制御部

Claims

内燃機関から排出された排ガスが流れる排気管に選択還元型触媒が設けられた、排ガスの後処理装置であって、
前記排気管の外周を螺旋状に巻回して設けられ、前記内燃機関よりも下流側かつ前記選択還元型触媒よりも上流側を流れる前記排ガスと、液体との熱交換を行う熱交換部と、
前記熱交換により生成された気体が流れる気体配管と、
前記選択還元型触媒よりも上流側に設けられた酸化触媒と、
前記選択還元型触媒よりも上流側かつ前記酸化触媒よりも下流側に設けられた微粒子捕集フィルタと、
前記選択還元型触媒よりも上流側かつ前記微粒子捕集フィルタよりも下流側に設けられ、前記排気管中に尿素水を噴射する尿素水噴射装置と、
前記液体を貯留する貯留部から前記液体を汲み上げて前記熱交換部へ送出するポンプと、
前記ポンプの駆動を制御する駆動制御装置と、を有し、
前記熱交換部は、
前記酸化触媒よりも上流側に設けられており、
前記気体配管の下流端は、
前記微粒子捕集フィルタよりも下流側かつ前記尿素水噴射装置よりも上流側の前記排気管に連通しており、
前記駆動制御装置は、
前記内燃機関の始動後、前記酸化触媒よりも上流側を流れる前記排ガスの温度が、前記液体が気化する下限値を超えた場合、前記ポンプの駆動を開始させ、
前記ポンプの駆動の開始後、前記微粒子捕集フィルタよりも下流側かつ前記選択還元型触媒よりも上流側を流れる前記排ガスの温度が、前記選択還元型触媒が活性する下限値を超えた場合、前記ポンプの駆動を停止させる、
後処理装置。
前記駆動制御装置は、
前記微粒子捕集フィルタよりも下流側かつ前記気体配管の下流端よりも上流側を流れる前記排ガスの温度が、前記気体配管を流れる前記気体の温度よりも高い場合、前記ポンプの駆動を停止させる、
請求項１に記載の後処理装置。
前記気体配管の外周には、断熱材が設けられている、
請求項１または２に記載の後処理装置。