JP2002273176A - 還元剤添加量制御方法および装置 - Google Patents

還元剤添加量制御方法および装置

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  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】適正な量の還元剤を添加することが出来て、脱
硝率が高く、しかも設置コストや設置スペースを縮小す
ることが出来る様な還元剤添加量制御方法および装置の
提供。 【解決手段】 尿素またはアンモニアを還元剤(K)と
して使用し且つ脱硝触媒(5)を介装している排気系統
(3)へ添加される還元剤(K)の量を制御する還元剤
添加量制御方法において、脱硝触媒(5)出口部分の排
気ガス(GeA)をサンプルガス(Sga)として採取
するサンプリング工程と、採取されたサンプルガス(S
ga)に包含されるアンモニアを窒素酸化物に酸化する
工程と、窒素酸化物センサ(10)によりサンプルガス
(Sga)の窒素酸化物含有量を計測する工程と、還元
剤(5)添加量とサンプルガス(Sga)の窒素酸化物
含有量との特性曲線の最小値を目指して還元剤(5)添
加量を調節する還元剤添加量制御工程、とを有してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、尿素またはアンモ
ニアを還元剤として使用し且つ脱硝触媒を介装している
排気系統へ添加される還元剤の量を制御する還元剤添加
量制御方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、ガスエンジンコージェネレーシ
ョンシステムの排気系統では、尿素或いはアンモニアの
様な還元剤を添加して、触媒(脱硝触媒)で窒素酸化物
(NOx)を除去している。NOxの代表的成分である
NOの脱硝反応プロセスは、次ぎの化学式によって行わ
れている。 (NH2)2CO+H2O→NH3+CO2 4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
【0003】ここで、上記脱硝の化学式から明らかな様
に、還元剤としての代表的な尿素((NH2)2CO)
或いはアンモニア(NH3)の添加量が多いと、アンモ
ニアがNOxと還元反応することなく排出されてしまう
(所謂「リークアンモニア」となる)。アンモニアは刺
激性臭気と可燃性で危険有害であり、リークアンモニア
の存在は環境に悪影響を及ぼす恐れがある。 一方、還
元剤である尿素やアンモニアの量が少ないと、排気ガス
の脱硝が不充分でNOxを低減できない。上記のよう
に、還元剤添加量は多くても、少なくても駄目で、適正
な量の還元剤を添加しなければならない。
【0004】還元剤(例えば尿素)添加量の制御とし
て、フィードバックをかけないオープンループ制御と、
フィードバック制御の2通りが、従来技術として存在し
ている。
【0005】図6及び図7は、オープンループン制御の
構成と制御方法を示している。図6において、原動機2
から排出されたNOxを含む排気ガスGeは、排気管3
に還元剤供給ライン8から供給された還元剤K(尿素ま
たは、アンモニア)によって脱硝される。脱硝反応は、
脱硝触媒5によって反応を促進される。この時、還元剤
Kの供給量は、運転情報によって制御装置7が弁9を制
御して行う。
【0006】図7は、その制御方法であって、ステップ
S1では、原動機2の出力などの排気ガスGeに関する
情報を、信号線11を介して収集する。ステップS2で
は、この情報に基づいて制御装置7が、還元剤Kの添加
量を計算する。ステップS3では、信号線12を介した
指示による還元剤Kの供給制御を行う。
【0007】この制御方法では、予め得てある出力と還
元剤Kの供給量との一義的な関係にそったマップ、例え
ば回転数が同一であれば出力が増加するとNOxも増加
するという関係、によって、フィードバックをかけない
オープンループで制御を行っている。
【0008】この制御方法は、装置が簡単で、コストが
低廉な利点の反面、運転条件での外気温度、圧力、湿度
等によるNOx濃度の変化に対応できない欠点があり、
還元剤供給量の少ない即ち脱硝率の低い範囲で使用され
ている欠点がる。また、NOx除去が不十分とならない
様に、還元剤である尿素やアンモニアを必要量以上に添
加する傾向があり、還元剤の無駄やリークアンモニアの
発生を招いていた。
【0009】図8及び図9は、クローズド方式のフィー
ドバック制御の構成と制御方法を示している。図8にお
いて、原動機2から排出されたNOxを含む排気ガスG
eは、排気管3に還元剤供給ライン8から供給された還
元剤K(尿素または、アンモニア)によって脱硝され
る。脱硝反応は、脱硝触媒5によって反応を促進され
る。この時、還元剤Kの供給量は、脱硝触媒5の後方で
サンプリングされた脱硝排気ガスGeAをNOxセンサ
10で計測した結果にもとづいて制御装置7Aが調整弁
9を制御して行う。
【0010】図9は、その制御方法であって、ステップ
S11では、脱硝触媒5出口部分の排気ガスGeのNO
xセンサ10による計測結果によって、制御装置7Aが
還元剤Kの排気管3への添加量を計算する。ステップS
12では、還元剤供給ライン8及び調整弁9を介して還
元剤Kの供給制御を行う。ステップS13では、上記ス
テップS11及び12の結果となる脱硝触媒5出口部分
の排気ガスGeAを計測し、ステップS11に戻って還
元剤Kの添加量を修正する。
【0011】この制御方法は、排気ガスGeAの計測結
果で還元剤Kの供給量をきめるので精度のよい制御がで
きる。しかしながら、NOxを精度よくはかるための計
測装置には、ゼロ補正のための高価な自動較正機能が必
要であり、また、自動較正のための基準ガスあるいは参
照ガスを保管する設備スペースとコストが問題になって
いる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した様な
従来技術の問題点に鑑みて提案されたもので、適正な量
の還元剤を添加することが出来て、脱硝率が高く、しか
も設置コストや設置スペースを縮小することが出来る様
な還元剤添加量制御方法および装置の提供を目的として
いる。
【0013】
【課題を解決するための手段】発明者は種々の研究、思
索の結果、NOxセンサ単体なら安価で設置スペースも
小さくて済むこと、NOx含有量計測に際してゼロ点が
移動しても、NOx含有量を示す特性曲線の最小値、実
際には極小値或いは変極点に対応する横軸の数値(本発
明では、後述の通り、還元剤添加量である)を求めるこ
とは可能であることに着目した。図4及び図5において
上記を説明する。
【0014】模式的にNOxと還元剤添加量の関係を示
す図4において、縦軸をNOx量、横軸を還元剤の添加
量で示すと、実線N1は排気ガスGeAに残存するNO
x量を示している。たとえば還元剤添加量がゼロのNO
xの量は、点N1zで原動機出口における排気ガスGe
中のNOxの量であり、還元剤添加量の増加にともなっ
て排気ガス中のNOx量は漸減していく。また、点線A
mは、還元剤の添加増に伴って還元反応後の排気ガスG
eAに残存するリークアンモニアの量を示している。リ
ークアンモニアは、還元剤の供給量増加に対して急激に
増加する傾向にある。
【0015】特性曲線ΣNは、リークアンモニアAmが
NOxに転換した場合のNOx量と、線N1による本来
の残存NOx量との合計量を示している。このような単
調増加線N1と単調減少線Amであれば、特性曲線ΣN
は最小値ENbをもつ下方に凸な曲線となる。したがっ
て、還元剤を供給する量は、NOxの精度のよい絶対値
を減少させるのでなく、計測で得られたNOx量を最小
にすればよい。
【0016】図4においては、最小値ENbは極小値で
もあって一般的には極小値を目安にして制御すればよ
い。また、複数の極小値を有する場合は、最小値の位置
を探索しておいて、その近傍を還元剤供給制御の対象と
すればよい。
【0017】図5は、NOxセンサの経時劣化を前記特
性曲線ΣNについて表したものである。NOxの絶対値
を示す特性曲線ΣNに対して、経時劣化は図中の△Eの
ような誤差を持つとみなせる。この場合の線ULは多め
の値を示し、線LLは少なめの値を示している。そし
て、経時劣化したNOxセンサの計測値は、誤差△E内
でUL側あるいはLL側に一様に偏った表示をすること
になる。したがって、制御の対象は例えば、NOxセン
サが線ULの特性であってもその最小値を探索すればよ
い。上記によって、基準ガスや参照ガスを使用する自動
較正機能を有しない単純なNOxセンサによってフィー
ドバック制御ができる。本発明は、係る知見に基づいて
創作されたものである。
【0018】本発明の還元剤添加量制御方法は、尿素
水、アンモニア水、またはアンモニアを還元剤(K)と
して使用し且つ脱硝触媒(5)を介装している排気系統
(3)へ添加される還元剤(K)の量を制御する還元剤
添加量制御方法において、脱硝触媒(5)出口部分の排
気ガス(GeA)をサンプルガス(Sga)として採取
するサンプリング工程と、採取されたサンプルガス(S
ga)に包含されるアンモニアを窒素酸化物に酸化する
工程と、窒素酸化物センサ(10)によりサンプルガス
の窒素酸化物含有量を計測する工程と、還元剤(K)添
加量とサンプルガス(Sga)の窒素酸化物含有量との
特性曲線の最小値を目指して還元剤(K)添加量を調節
する還元剤添加量制御工程、とを有している(請求項
1)。
【0019】ここで、採取されたサンプルガス(Sg
a)に包含されるアンモニアを窒素酸化物に酸化する前
記工程は、サンプルガス(Sga)を窒素酸化物センサ
(10)まで供給するライン(12A)に介装された酸
化触媒(15)により実行されるのが好ましい(請求項
2)。
【0020】一方、採取されたサンプルガス(Sga)
に包含されるアンモニアを窒素酸化物に酸化する前記工
程は、ジルコニア窒素酸化物センサ(A10)の表面で
実行される様に構成しても良い(請求項3)。
【0021】本発明の還元剤添加量制御方法の実施に際
して、前記還元剤添加量制御工程は、還元剤(K)添加
量の増加又は減少によりサンプルガス(Sga)の窒素
酸化物含有量が減少していれば添加量の増加又は減少を
続行し、窒素酸化物含有量が増加したならば添加量の増
加又は減少を逆転させることにより実行されるのが好ま
しい(請求項4)。
【0022】また、本発明の還元剤添加量制御装置は、
尿素またはアンモニアを還元剤(K)として使用し且つ
脱硝触媒(5)を介装している排気系統(3)へ添加さ
れる還元剤(K)の量を制御する還元剤添加量制御装置
において、脱硝触媒(5)出口部分の排気ガス(Ge
A)をサンプルガス(Sga)として採取するために設
けられたサンプリング用ライン(12A)と、該サンプ
リング用ライン(12A)により採取されたサンプルガ
ス(Sga)に包含されるアンモニアを窒素酸化物に酸
化する酸化手段と、サンプルガス(Sga)の窒素酸化
物含有量を計測する窒素酸化物センサ(10)と、還元
剤(K)添加量を調節する還元剤添加量制御手段(7
A)とを備えており、該還元剤添加量制御手段は、還元
剤(K)添加量とサンプルガス(Sga)の窒素酸化物
含有量との特性曲線の最小値を目指して還元剤添加量を
調節する様に構成されている(請求項5)。
【0023】ここで、前記酸化手段は、サンプリング用
ライン(12A)に介装された酸化触媒(15)である
のが好ましい(請求項6)。或いは、前記酸化手段は、
ジルコニア窒素酸化物センサ(A10)であっても良い
(請求項7)。
【0024】そして、本発明の還元剤添加量制御装置の
実施に際しては、前記還元剤添加量制御手段は、還元剤
(K)添加量の増加又は減少によりサンプルガス(Sg
a)の窒素酸化物含有量が減少していれば添加量の増加
又は減少を続行し、窒素酸化物含有量が増加したならば
添加量の増加又は減少を逆転させる様に構成されている
のが好ましい(請求項8)。
【0025】係る構成を具備する本発明によれば、採取
されたサンプルガス(Sga)に包含されるアンモニア
をNOxに酸化し、サンプルガス(Sga)に元来含有
されていたNOxとアンモニアを酸化して生成されたN
Oxとの合計含有量を計測して制御パラメータとするこ
とにより、NOxとリークアンモニアの合計量を最小化
する制御が可能となる。
【0026】そして本発明によれば、還元剤(K)添加
量とサンプルガス(Sga)のNOx含有量との特性曲
線を決定し、且つ、該特性曲線の最小値を目指して還元
剤(K)添加量を調節する制御を行なっている。 ここ
で、NOx含有量のゼロ点が移動しても、還元剤(K)
添加量とNOx含有量との特性曲線における最小値に対
応する還元剤(K)添加量は変動しない。従って、前記
特性曲線の最小値を求める制御を行なうのであれば、ゼ
ロ点較正システムを用いずに、NOxセンサ自体を単独
で使用出来る。 NOxセンサを単独で使用するのであ
れば、コストの問題と設置スペースの問題は発生しな
い。
【0027】また、前記特性曲線の最小値を求める制御
自体はフィードバック制御であるため、高精度であり、
且つ、高脱硝率に十分に対応することが出来る。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の還
元剤添加量制御方法及び装置の実施形態を説明する。
【0029】図1において、原動機2に装着された排気
系統である排気管3まわりに全体を符号1で示す還元剤
添加量制御装置が具備されている。
【0030】排気管3に脱硝触媒5が介装され、脱硝触
媒5の出口部分に窒素酸化物センサ10に連通するサン
プリング用ライン12Aが、排気管3から分岐して取り
つけられている。 サンプリング用ライン12Aに酸化
手段の酸化触媒15が介装されている。
【0031】窒素酸化物センサ10は、酸化触媒15を
介したサンプルガスSgaの窒素酸化物の量を計測する
機能を有していて、信号線13で制御装置7Aに連通さ
れている。なお、窒素酸化物センサ10がジルコニア窒
素酸化物センサ10Aの場合は、これを酸化触媒15に
代わる酸化手段としてもよい。
【0032】排気管3の原動機2と脱硝触媒5との間
に、電動調整弁9を介した還元剤供給ライン8が取りつ
けられている。
【0033】還元剤添加量制御手段である制御装置7A
は、窒素酸化物センサ10の計測結果を入力として、添
加剤Kの排気管3への添加量を演算し、調整弁9を制御
する機能を有し、制御線9aで調整弁9に連通されてい
る。
【0034】上記構成による還元剤添加量制御装置の作
用を、図2及び図3に示すフローチャートによって説明
する。
【0035】作用をブロック的に示すフローチャートの
図2において、ステップS21以前に脱硝触媒5の出口
における排気ガスGeAをサンプルガスSgaとして採
取する(サンプリング工程)。
【0036】ついで、サンプルガスSgaを、酸化触媒
15を介して、包含されているアンモニアを窒素酸化物
(NOx)に酸化させる(窒素酸化物に酸化する工
程)。ついで、この状態のサンプルガスSgaの窒素酸
化物含有量を、窒素酸化物センサ10によって計測する
(窒素酸化物含有量を計測する工程)。
【0037】ついで、ステップS21において、計測し
た窒素酸化物含有量に相応する還元剤Kの添加量を計算
する。即ち、図4における特性曲線ΣNが最小値になる
ような添加量をもとめる。
【0038】ステップS22では、還元剤Kを、この場
合は尿素を添加する。ステップS21〜ステップS22
が還元剤添加量制御工程である。
【0039】ステップS23では、フィードバックされ
たサンプルガスSgaに対する酸化触媒15の作用効果
を示している。即ち、図4における線N1による残留N
Oxと線AmのNOxへの反応変換を示している。残留
NOxはそのままで、リークアンモニアは酸化されてい
る。
【0040】ステップS24では、NOxセンサ10に
よる残留NOxの計測をする。そして、この結果によっ
てステップS21で還元剤の添加量を計算しフィードバ
ックさせる。このフィードバックの際に、NOx最小値
への収斂を行う。
【0041】図3は、前記のNOx最小値への収斂方法
を示したフローチャートである。ステップS31では、
脱硝触媒5の出口における排気ガスGeAの温度上昇を
検知して脱硝反応が行われているかを判断して制御を開
始する。
【0042】ステップS32では、還元剤の添加量を増
加させる。ステップS33では、図4における特性曲線
ΣNに相当するNOxの総量が減少しているかを確認す
る。YESで、NOx総量が減少していれば、ステップ
S32に戻ってさらに添加量を増加させる。NOで、N
Ox総量が増加していれば、ステップS34に行く。
【0043】ステップS34では、還元剤添加量を減少
させる。ステップS35では、NOx総量が増加したか
を確認する。YESであれば、ステップS32に行き還
元剤添加量を増加させる。NOであれば、ステップS3
4にもどって還元剤添加量をさらに減少させる。
【0044】このようにして、排気ガスGeA中のNO
x総量を最小にするように、還元剤の供給を決定する。
ステップS32〜ステップS35のすべてが還元剤添
加量制御工程である。
【0045】
【発明の効果】本発明の作用効果を、以下に列記する。 (1) 本発明によれば、サンプルガス中のリークアン
モニアを酸化させてNOxとし総合NOxの最小値を目
指して制御させるので、経時劣化による誤差を有するN
Oxセンサであっても最適な還元剤量の添加を行え、脱
硝率を高くできる。また、NOxとリークアンモニアの
削減を同時に制御できる。 (2) 基準ガスや参照ガ
スを使用して自動較正する高価なNOxセンサを使用し
ないので、設置コストと設置スペースが少なくてすむ。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す構成図。
【図2】図1の作用をブロック的に示すフローチャー
ト。
【図3】図1の制御作用を説明するフローチャート。
【図4】NOx含有量(排出量)と尿素添加量の関係を
示す説明用の線図。
【図5】経時劣化を有するNOxセンサ出力と尿素添加
量の関係を示す線図。
【図6】従来の尿素添加による排気ガス中のNOx低減
を制御するオープンループ式簡易型制御を示す構成図。
【図7】図6の作用を説明するフローチャート。
【図8】従来の尿素添加による排気ガス中のNOx含有
量低減を制御するクローズドループ式制御を示す構成
図。
【図9】図8の作用を説明するフローチャート。
【符号の説明】
Ge・・排気ガス GeA・・脱硝後の排気ガス Sga・・サンプルガス 2・・・原動機 3・・・排気菅 5・・・脱硝触媒 7A・・制御装置 8・・・還元剤供給ライン 9・・・調整弁 9a・・制御線 10・・(窒素酸化物)センサ 12A・・(サンプリング)ライン 13・・信号線 15・・酸化触媒
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3G091 AA19 AB04 BA14 CA13 CA17 CB08 DB10 DB15 DC01 DC03 EA33 GA06 HA37 HB03 4D048 AA06 AB02 AC03 AC04 CC61 DA01 DA02 DA03 DA08 DA09 DA10

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 尿素水、アンモニア水、またはアンモニ
    アを還元剤として使用し且つ脱硝触媒を介装している排
    気系統へ添加される還元剤の量を制御する還元剤添加量
    制御方法において、脱硝触媒出口部分の排気ガスをサン
    プルガスとして採取するサンプリング工程と、採取され
    たサンプルガスに包含されるアンモニアを窒素酸化物に
    酸化する工程と、窒素酸化物センサによりサンプルガス
    の窒素酸化物含有量を計測する工程と、還元剤添加量と
    サンプルガスの窒素酸化物含有量との特性曲線の最小値
    を目指して還元剤添加量を調節する還元剤添加量制御工
    程、とを有することを特徴とする還元剤添加量制御方
    法。
  2. 【請求項2】 採取されたサンプルガスに包含されるア
    ンモニアを窒素酸化物に酸化する前記工程は、サンプル
    ガスを窒素酸化物センサまで供給するラインに介装され
    た酸化触媒により実行される請求項1の還元剤添加量制
    御方法。
  3. 【請求項3】 採取されたサンプルガスに包含されるア
    ンモニアを窒素酸化物に酸化する前記工程は、ジルコニ
    ア窒素酸化物センサの表面で実行される請求項1の還元
    剤添加量制御方法。
  4. 【請求項4】 前記還元剤添加量制御工程は、還元剤添
    加量の増加又は減少によりサンプルガスの窒素酸化物含
    有量が減少していれば添加量の増加又は減少を続行し、
    窒素酸化物含有量が増加したならば添加量の増加又は減
    少を逆転させることにより実行される請求項1−3の何
    れか1項の還元剤添加量制御方法。
  5. 【請求項5】 尿素またはアンモニアを還元剤として使
    用し且つ脱硝触媒を介装している排気系統へ添加される
    還元剤の量を制御する還元剤添加量制御装置において、
    脱硝触媒出口部分の排気ガスをサンプルガスとして採取
    するために設けられたサンプリング用ラインと、該サン
    プリング用ラインにより採取されたサンプルガスに包含
    されるアンモニアを窒素酸化物に酸化する酸化手段と、
    サンプルガスの窒素酸化物含有量を計測する窒素酸化物
    センサと、還元剤添加量を調節する還元剤添加量制御手
    段とを備えており、該還元剤添加量制御手段は、還元剤
    添加量とサンプルガスの窒素酸化物含有量との特性曲線
    の最小値を目指して還元剤添加量を調節する様に構成さ
    れていることを特徴とする還元剤添加量制御装置。
  6. 【請求項6】 前記酸化手段は、サンプリング用ライン
    に介装された酸化触媒である請求項5の還元剤添加量制
    御装置。
  7. 【請求項7】 前記酸化手段は、ジルコニア窒素酸化物
    センサである請求項5の還元剤添加量制御装置。
  8. 【請求項8】 前記還元剤添加量制御手段は、還元剤添
    加量の増加又は減少によりサンプルガスの窒素酸化物含
    有量が減少していれば添加量の増加又は減少を続行し、
    窒素酸化物含有量が増加したならば添加量の増加又は減
    少を逆転させる様に構成されている請求項5−7の何れ
    か1項の還元剤添加量制御装置。
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