JP2002309987A - エンジンの排気脱硝装置 - Google Patents

エンジンの排気脱硝装置

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JP2002309987A
JP2002309987A JP2002003416A JP2002003416A JP2002309987A JP 2002309987 A JP2002309987 A JP 2002309987A JP 2002003416 A JP2002003416 A JP 2002003416A JP 2002003416 A JP2002003416 A JP 2002003416A JP 2002309987 A JP2002309987 A JP 2002309987A
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engine
nox
air
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Toshihiko Nishiyama
利彦 西山
Kotaro Wakamoto
晃太郎 若本
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Komatsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 NOx吸蔵触媒を小型にでき、エンジンの信
頼性、耐久性を損なうことなく、低コストのエンジンの
排気脱硝装置を提供する。 【解決手段】 エンジン(1)の排気管路に流入する排気
ガスの空燃比がリーン状態であるときにNOxを吸蔵
し、一方、流入する排気ガスの空燃比がリッチ状態であ
るときにNOxを放出するNOx吸蔵触媒(9)と、吸気
に排気ガスを混入させる排気再循環回路とを有するエン
ジンの排気脱硝装置において、吸蔵したNOx蓄積量が
所定値以下のときに所定量の排気ガスを再循環させ、一
方、吸蔵したNOx蓄積量が所定値を越えてNOxを放
出するときに前記所定量よりも多い排気ガスを再循環さ
せて空燃比をリッチ状態にする排気再循環量制御手段(2
0,20a,20b,20c,20d,20e,20f,20g,20h)を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの排気脱
硝装置に関し、特にはディーゼルエンジンの排気脱硝装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、ディーゼルエンジンの排気脱硝装
置については種々の考案が提案されているが、その一例
として、特開平7−279718号公報に開示されたも
のがある。
【0003】特開平7−279718号公報によれば、
エンジンの排気通路にNOx吸収剤を配置すると共に、
流れる排気ガス量を制御するEGR制御弁を有する排気
再循環(EGR)回路を設ける。NOx吸収剤は通常状
態ではNOxを吸収し、燃焼室内の空燃比がリッチにな
るとNOxを放出し、CO及びHCによりNOxを還元
する。燃焼室内の空燃比をリッチにするときには、EG
R制御弁を開弁して排気を再循環させ、吸入空気量を減
少させると共に、噴射燃料を増大させて空燃比をリッチ
にする。同時に、エンジン出力トルクが変化しないよう
に、燃料噴射量をさらに増量するようにしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成においては、通常運転時にはEGR制御弁を閉じてい
るために排気ガス中に多量のNOxが含まれているの
で、NOx吸収剤を大きくする必要があり、大型エンジ
ンでは場積が大きくなって構成上問題となる場合がある
と共に、コストも高いという問題がある。また、高負荷
時に燃料を増量すると筒内圧や排気温度が上昇し、エン
ジンの信頼性、耐久性を損なう恐れがある。
【0005】本発明は、上記の問題点に着目してなされ
たものであり、NOx吸蔵触媒を小型にでき、エンジン
の信頼性,耐久性を損なうことなく、低コストのエンジ
ンの排気脱硝装置を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段及び作用効果】上記目的を
達成するために、本発明に係るエンジンの排気脱硝装置
は、第1に、エンジンの排気管路に流入する排気ガスの
空燃比がリーン状態であるときにNOxを吸蔵し、一
方、流入する排気ガスの空燃比がリッチ状態であるとき
にNOxを放出するNOx吸蔵触媒と、吸気に排気ガス
を混入させる排気再循環回路とを有するエンジンの排気
脱硝装置において、吸蔵したNOx蓄積量が所定値以下
のときに所定量の排気ガスを再循環させ、一方、吸蔵し
たNOx蓄積量が所定値を越えてNOxを放出するとき
に前記所定量よりも多い排気ガスを再循環させて空燃比
をリッチ状態にする排気再循環量制御手段を有する構成
としている。
【0007】上記第1のエンジンの排気脱硝装置による
と、エンジンの排気ガスの空燃比がリーン状態の時に所
定量(例えば排気ガス量の10%〜15%)の排気ガス
を再循環させることができるため、通常希薄燃焼状態に
おいて排気ガス中のNOxを低減することができる。し
かも、排気再循環量制御手段を設けたため、エミッショ
ンを最適にする排気再循環量に調節することができ、N
Ox吸蔵触媒を小型化することができ、場積が小さくな
ってエンジンのコンパクト化が図れる。
【0008】第2に、上記第1のエンジンの排気脱硝装
置において、前記排気再循環量制御手段は、NOx吸蔵
触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチ状態にすると
きに流す排気再循環量を、空気過剰率が1.0より大き
くて1.3程度以下になるように調節可能な構成として
いる。
【0009】上記第2のエンジンの排気脱硝装置は、排
気再循環量を空気過剰率が1.0〜1.3程度にできる
排気再循環量制御手段を設けている。これにより、排気
ガスの空燃比をリッチ状態にし、NOxの放出して還元
させることができ、還元剤としての燃料を多量に噴霧し
なくて済み、燃料消費率の悪化が防げる。尚、空気過剰
率は、空燃比が理論混合比である場合を“1”としてい
る。また、リッチ状態とは空燃比が理論混合比近傍にあ
る状態を意味し、リーン状態とはリッチ状態より空燃比
が大きい状態に相当するが、エンジンの種類により各状
態に該当する空気過剰率は異なる。上記排気再循環量を
調節する際、排気ガス中の酸素濃度を酸素濃度約20%
の空気に換算し、換算した空気を吸気量の一部とみなし
てこれに新気を加え、全空気量としている。
【0010】第3に、上記第1又は第2のエンジンの排
気脱硝装置において、前記排気再循環量制御手段は、エ
ンジンの吸気管の管路に設ける開閉自在な吸気絞り弁及
びエンジンの排気管の管路に設ける開閉自在な排気絞り
弁のうちの少なくとも一つの絞り弁と、排気ガスの空燃
比をリッチ状態にするときに絞り弁の開度を小さくする
制御信号を出力する制御装置とを有する構成としてい
る。
【0011】上記第3のエンジンの排気脱硝装置による
と、排気管路及び/又は吸気管路に設けた絞り弁の開度
を小さくすることにより、容易に給気圧力を排気圧力よ
り大幅に低下させることができる。これにより、大量の
排気ガスを再循環させて排気ガスの空燃比をリッチにで
き、構造簡単で場積及びコストの低減が図れる。
【0012】第4に、上記第1又は第2のエンジンの排
気脱硝装置において、前記排気再循環回路は、第1排気
再循環回路と、第1排気再循環回路に並列に設けた少な
くとも一つの第2排気再循環回路とを有し、前記排気再
循環量制御手段は、第2排気再循環回路に設けた開閉自
在な第2再循環回路調節弁と、NOx量を検出するNO
x量検出手段と、NOx量検出手段から検出信号を入力
し、検出したNOx量に基づいてNOx吸蔵触媒のNO
x蓄積量を算出し、算出したNOx蓄積量が所定値を超
えているときに第2再循環回路調節弁を開く制御信号を
出力する制御装置とを有する構成としている。
【0013】上記第4のエンジンの排気脱硝装置による
と、空燃比がリーン時に第1排気再循環回路のみに排気
を再循環させる。一方、第2排気再循環回路も用いると
空燃比がリッチになるため、多量の排気ガスを少ない抵
抗で再循環させることができる。そのため、性能が向上
すると共に、第2再循環回路調節弁は構造簡単なON−
OFFバルブにすることができ、コストを低減できる。
【0014】第5に、上記第1、第2又は第3のエンジ
ンの排気脱硝装置において、前記排気再循環回路は、複
数の再循環回路調節弁を有する第3排気再循環回路であ
り、前記排気再循環量制御手段は、前記複数の再循環回
路調節弁と、NOx量を検出するNOx量検出手段と、
NOx量検出手段から検出信号を入力し、検出したNO
x量に基づいてNOx吸蔵触媒のNOx蓄積量を算出
し、算出したNOx蓄積量が所定値を超えているときに
前記複数の再循環回路調節弁の総開口面積をリーン状態
での総開口面積よりも大きくする制御信号を出力する制
御装置とを有する構成としている。
【0015】上記第5のエンジンの排気脱硝装置による
と、1個の排気再循環回路で、空燃比リーン時には、例
えば第1再循環回路調節弁を小型にすることにより微調
整が容易となり、エミッシュンを最適にすることができ
る。空燃比をリッチにする場合には、例えば第2再循環
回路調節弁を開にして総開口面積を大きくし、大量の排
気ガスを再循環させることができる。しかも、第2再循
環回路調節弁はON−OFF弁で良く、構造簡単であ
り、エンジンをコンパクトに構成することができ、コス
トも安くすることができる。
【0016】第6に、上記第1、第2、第3、第4又は
第5のエンジンの排気脱硝装置において、エンジンは、
タービン通路の開度を可変自在とされた可変ターボチャ
ージャを有し、前記排気再循環量制御手段は、排気ガス
の空燃比をリッチ状態にするとき、タービン通路の開度
を小さくする制御信号を出力する制御装置を有する構成
としている。
【0017】上記第6のエンジンの排気脱硝装置による
と、タービン通路の開度を小さくすることにより(例え
ば開度を極めて小さくすることにより)、排気タービン
入口の排気圧を可変ターボチャージャのコンプレッサ出
口の給気圧より高くできる。そこで、この給排気差圧を
利用し、排気ガスを給気に必要量流入させることができ
る。従って、可変ターボチャージャを使用しても、排気
絞り弁と同様な効果が得られる。
【0018】第7に、エンジンがターボチャージャを有
する上記第1、第2、第3、第4及び第5並びに上記第
6のうちのいずれかのエンジンの排気脱硝装置におい
て、前記排気再循環量制御手段は、ターボチャージャの
コンプレッサの出口に設けられ、給気を外部に抽出する
開閉自在な抽気弁と、エンジンの排気ガスの空燃比をリ
ッチにするとき、抽気弁をさらに開く制御信号を出力す
る制御装置とを有する構成としている。
【0019】上記第7のエンジンの排気脱硝装置による
と、ターボチャージャのコンプレッサの出口に設けた抽
気弁を開くことにより、給気圧力を排気圧力より十分に
低下させることができる。従って、大量の排気ガスを再
循環させることができる。
【0020】第8に、上記第1、第2、第3、第4、第
5、第6又は第7のエンジンの排気脱硝装置において、
前記排気再循環量制御手段は、エンジンのシリンダ内及
びエンジンの排気管(8)内の少なくとも一つに燃料を供
給する燃料供給手段と、排気ガスの空燃比をリッチ状態
にするときにNOx吸蔵触媒がNOxを放出還元可能な
空燃比とするための調整分としての燃料を供給する制御
信号を燃料供給手段に入力する制御装置とを有する構成
としている。
【0021】上記第8のエンジンの排気脱硝装置による
と、空燃比をリッチにするときに、不足分を調整するた
めに燃料を供給するようにした。そのため、確実に空燃
比を理論空燃比近くに制御することができる。また、多
量の再循環排気ガスを還流するため、燃料の供給量を少
なくすることができ、経済的であると共に、シリンダ内
圧、排気温度の過剰上昇を防止でき、エンジンの信頼
性、耐久性を低下させることなく、空燃比をリッチにで
きる。
【0022】第9に、上記第1、第2、第3、第4、第
5、第6、第7又は第8のエンジンの排気脱硝装置にお
いて、前記排気再循環量制御手段は、エンジンの負荷を
検出する負荷検出手段と、負荷検出手段から検出信号を
入力し、検出した負荷が所定値以下のときに排気ガスの
空燃比をリッチ状態にする制御信号を出力する制御装置
とを有する構成としている。
【0023】上記第9のエンジンの排気脱硝装置による
と、エンジンが所定負荷以下、例えば軽負荷域で運転さ
れているときに空燃比をリッチにする手段を作動させる
ようにしている。軽負荷であるため追加燃料を少なくで
き、経済的であると共に、シリンダ内圧や排気温度の過
剰上昇等を防止できると共に、高負荷域での燃料追加の
頻度が減少し、エンジンの信頼性,耐久性を向上するこ
とができる。
【0024】
【発明の実施の形態及び実施例】以下に本発明に係るエ
ンジンの排気脱硝装置の好ましい実施形態について、図
面を参照して詳述する。
【0025】図1は第1実施形態の排気脱硝装置の概念
図である。エンジン1はターボチャージャ2を備えてお
り、ターボチャージャ2は排気タービン2aとコンプレ
ッサ2bとからなっている。排気タービン2aは排気マ
ニホールド7に取り付けられ、その排出口には排気管8
が取り付けられている。排気管8にはNOx吸蔵触媒9
が介装され、その出口には尾管8aが取り付けられてい
る。排気タービン2aに連結されたコンプレッサ2bの
吸入口には吸気管3が取り付けられ、吸気管3には開口
面積を調節可能な吸気絞り弁21が設けられている。コ
ンプレッサ2bの排出口には給気管4が取り付けられて
吸気マニホールド5に接続しており、給気管4にはイン
タクーラ6が介装されている。
【0026】給気管4のインタクーラ6の下流側と、排
気マニホールド7の排気タービン2aの上流側とは、排
気再循環回路10により接続されている。排気再循環回
路10上には、排気再循環回路10の開口面積を調整可
能な再循環回路調節弁(以降、EGR弁と称する)24
と再循環ガスクーラ11とが介装されている。排気管8
には、NOxの量を検出するNOxセンサ30と、酸素
量を検出するOセンサ31とが設けられている。制御
装置32は、NOxセンサ30、Oセンサ31、吸気
絞り弁21及びEGR弁24と接続している。制御装置
32は前記各センサからの検出信号を入力し、所定の演
算をしたのち吸気絞り弁21とEGR弁24とに制御信
号を出力するようになっており、排気再循環量制御手段
20を構成している。
【0027】ここで、NOx量を検出するNOxセンサ
30は、NOx濃度を検出する検出部材と排気ガス流量
を測定する測定部材とを備える構成としている。従っ
て、NOx濃度及び排気ガス流量に基づき制御装置32
で算出することにより、NOxセンサ30がNOx量検
出可能としている。尚、NOxセンサ30はNOx濃度
検出部材のみでもよい。この場合、排気ガス流量は、エ
ンジン1運転条件などに基づく一般的算出方法より求め
ることになる。また、酸素量を検出するOセンサ31
は、酸素濃度を検出する検出部材と排気ガス流量を測定
する測定部材とを備える構成としている。従って、酸素
濃度及び排気ガス流量に基づき制御装置32で算出する
ことにより、酸素量検出可能としている。尚、Oセン
サ31は酸素濃度検出部材のみでもよい。この場合、排
気ガス流量は、NOxセンサ30の排気ガス流量測定デ
ータ、又はエンジン1運転条件などに基づく一般的算出
方法より求めることになる。尚、NOxセンサ30はN
Ox量を検出する“NOx量検出手段”の一例であり、
NOx量検出手段としては後述する第10実施形態のよ
うな構成でもよい。
【0028】以下にエンジン1の作動について説明す
る。コンプレッサ2bは、排気タービン2aで駆動され
ると吸気を吸気管3から吸入し、圧縮した給気を給気管
4を経て吸気マニホールド5に圧送する。その間で圧縮
された給気は、インタクーラ6により冷却され、密度を
高めてエンジン1の吸気マニホールド5に供給される。
エンジン1が燃焼し、排出された排気は排気マニホール
ド7から排気タービン2aに送られてこれを駆動する。
その後、排気管8からNOx吸蔵触媒9を通過し、尾管
8aを経て外部に排出される。通常運転時には給気はリ
ーン状態で運転されるが、本発明においては所定量(例
えば排気ガス量の10%〜15%)の排気ガスを常時再
循環させ、排気中のNOxを低減するようにしている。
通常運転時には、排出されたNOxはNOx吸蔵触媒9
に吸収される。NOx吸蔵触媒9のNOx蓄積量が所定
の量に達すると、排気ガスの空燃比をリッチにしてNO
x吸蔵触媒9からNOxを放出させ、還元する。排気ガ
スの空燃比をリッチにする場合には、制御装置32はN
Oxセンサ30から検出信号を入力し、所定の演算をす
る。演算したのち、制御装置32は、吸気絞り弁21と
EGR弁24とに制御信号を出力し、吸気絞り弁21を
絞ると共にEGR弁24を開く。このときに再循環させ
る排気ガスの量は、例えば排気ガス量の50%〜75%
である。これによりエンジンは理論混合比に近い状態で
燃焼を行い、NOx吸蔵触媒9はNOxを放出して還元
する。
【0029】以下に図2に示すフローチャートに基づい
て、第1実施形態の排気脱硝作業工程を詳述する。ステ
ップ101で、NOxセンサ30はNOx量を検出し、
これに基づいて制御装置32はNOx吸蔵触媒9のNO
x蓄積量を算出する。ステップ102で、制御装置32
はNOx蓄積量がNOx吸蔵触媒9の吸収限界量に達し
ているか否かを判定し、NOの場合にはステップ101
の前に戻る。ステップ102でYESの場合にはステッ
プ103で、制御装置32は排気ガスの空燃比をリッチ
にするために必要な吸気絞り弁21の絞り量を計算す
る。ステップ104で、制御装置32は吸気絞り弁21
に制御信号を出力し、計算値に基づいて絞り量を調節す
る。ステップ105で、制御装置32は排気ガスの空燃
比をリッチにするためにEGR弁24の開度を計算す
る。ステップ106で、制御装置32はEGR弁24に
制御信号を出力し、計算値に基づいて開度を調節する。
ステップ107で、制御装置32は空気量と空燃比とを
計算する。ステップ108で、Oセンサ31は酸素濃
度を検出し、制御装置32に検出値を出力する。ステッ
プ109で、制御装置32は空燃比を修正する。ステッ
プ110で、予め定められた、NOxを完全に還元させ
るために必要な排気再循環時間Tdefに設定されたタイ
マーを始動させる。ステップ111で、エンジンは理論
混合比燃焼を行う。ステップ112で、制御装置32は
排気再循環時間TがTdef を超えたか否かを判定し、N
Oの場合にはステップ110の前に戻る。ステップ11
2でYESの場合には、ステップ113で制御装置32
は排気ガスの空燃比をリーンにするために吸気絞り弁2
1を開く。ステップ114で、制御装置32は排気ガス
の空燃比がリーン状態において、所定量の排気ガス(例
えば排気ガス量の10%〜15%)を再循環させるため
に必要なEGR弁24の開度を計算する。ステップ11
5で、制御装置32はEGR弁24に制御信号を出力
し、計算値に基づいて開度を調節する。ステップ116
で、エンジンは通常希薄燃焼(所定量の排気再循環を実
施)を行い、ステップ101の前に戻る。
【0030】第1実施形態の排気脱硝装置は上記のよう
な構成及び作動方法としたため以下のような効果が得ら
れる。EGR弁24は通常の希薄燃焼状態では常時、少
量の排気ガス(例えば10%〜15%)を再循環させる
だけの面積を開いているように調整されている。そのた
め、NOxの排出量は低減されている。従って、NOx
吸蔵触媒9を小さくすることができ、エンジンをコンパ
クトにできると共に、コストも低減できる。NOx吸蔵
触媒9のNOx吸収量が増大して限界に達し、排気ガス
の空燃比をリッチにする必要が生じた場合には、吸気絞
り弁21の開口面積を低減し、EGR弁24の開度を増
大する。これにより、吸入空気量が低減すると共に、給
気管4の内圧が低下し、多量(例えば排気ガス量の50
%〜75%)の再循環ガスが給気管4に流入して排気ガ
スの空燃比をリッチにすることができる。即ち、再循環
ガスで排気ガスの空燃比をリッチにし、NOxの放出、
還元を行うため、筒内圧や排気温度の過剰上昇はなく、
エンジンの信頼性、耐久性を損なうことはない。
【0031】図3は、第2実施形態の排気脱硝装置の概
念図である。第1実施形態のものと同一部材には同一符
号を付して説明は省略し、異なる部分についてのみ説明
する。図3において、本実施形態では吸気絞り弁21の
代わりに排気管8に排気絞り弁22を設け、制御装置3
2と接続して排気再循環量制御手段20aを構成する。
排気ガスの空燃比をリッチにする場合、制御装置32は
制御信号を出力して排気絞り弁22を絞り、EGR弁2
4を開く。これにより排気側の圧力が上昇し、給気圧力
との差が大きくなる。作用、効果は第1実施形態のもの
と同一なので説明は省略する。
【0032】図4は、第3実施形態の排気脱硝装置の概
念図である。第1実施形態のものと同一部材には同一符
号を付して説明は省略し、異なる部分についてのみ説明
する。図4において、本実施形態では吸気絞り弁21は
無く、給気管4と尾管8aとは抽気管12により接続さ
れ、抽気管12には抽気弁23が設けられている。抽気
弁23は、制御装置32に接続して排気再循環量制御手
段20bを構成する。排気ガスをリッチにする場合、制
御装置32は制御信号を出力して抽気弁23を開き、給
気の一部を外部に放出する。これにより給気量が減少し
て排気ガスがリッチになると共に、給気圧力を排気圧力
に比して十分に低くすることができ、大量の排気再循環
が可能になる。
【0033】図5は、第4実施形態の排気脱硝装置の概
念図である。第2実施形態のものと同一部材には同一符
号を付して説明は省略し、異なる部分についてのみ説明
する。図5において、通路面積の小さい第1排気再循環
回路13に並列に,通路面積の大きい第2排気再循環回
路14を設ける。第1排気再循環回路13には小型の第
1再循環回路調節弁(以降、第1EGR弁と称する)2
5を設け、第2排気再循環回路14には大形の第2再循
環回路調節弁(以降、第2EGR弁と称する)26を介
装し、制御装置32と接続して排気再循環量制御手段2
0cを構成する。通常希薄燃焼運転時には制御装置32
は制御信号を出力し、第2EGR弁26を閉じ、第1E
GR弁25を少し開いて前述のように少量の排気ガスを
再循環させる。この際、第1EGR弁25は小型である
ため微調整が容易であり、性能向上が図れる。排気ガス
の空燃比をリッチにする場合には、制御装置32は制御
信号を出力し、第2EGR弁26を開いて大量の排気ガ
スを再循環させる。第2EGR弁26はON−OFF弁
で良いため構造簡単になる。また、第2排気再循環回路
14の通路面積が大きいため抵抗が少なく、多量の排気
ガスを円滑に再循環させることができる。
【0034】尚、図5では第1EGR弁25及び第2E
GR弁26を介装する例を示しているが、排気再循環量
制御手段20cの第1EGR弁25を省略し、図9に示
すような排気再循環量制御手段20eとしてもよい。か
かる排気再循環量制御手段20eの場合、通常希薄燃焼
運転時には制御装置32は制御信号を出力し、第2EG
R弁26を閉じ、第1排気再循環回路13のみにて、少
量の排気ガスを再循環させる。一方、排気ガスの空燃比
をリッチにする場合には、制御装置32は制御信号を出
力し、第2EGR弁26を開くことで、通路面積の大き
い第2排気再循環回路14と第1排気再循環回路13と
により、大量の排気ガスを再循環させることができる。
【0035】図6は、第5実施形態の排気脱硝装置の概
念図であり、EGR弁部の構成を示している。即ち、第
4実施形態において第1排気再循環回路13と第2排気
再循環回路14の2本あった排気再循環回路を、1本の
通路面積の大きい第3排気再循環回路15に置き換えた
ものである。そして第3排気再循環回路15内に小径の
第1EGR弁25と、大径の第2EGR弁26とを並列
に設け、それぞれ制御装置32と接続している。更に、
第4実施形態の再循環ガスクーラ11を省略している
が、必要に応じて設けてもよい。通常希薄燃焼運転の場
合には第2EGR弁26は閉じ、第1EGR弁25を開
いて回路面積を微調整し、排気ガスの空燃比をリッチに
するときには第2EGR弁26を開く。本実施形態のも
のは排気再循環回路が1本であるため構造簡単でコンパ
クトであり、コストを安くできる。
【0036】図7は、第6実施形態の排気脱硝装置の概
念図であり、第1実施形態のものと同一部材には同一符
号を付して説明は省略し、異なる部分についてのみ説明
する。エンジン1の燃料噴射ポンプ34に燃料噴射量セ
ンサ41と、エンジン回転数センサ42とを設け、それ
ぞれ制御装置32に接続して負荷検出手段40を構成す
る。また、排気管8に燃料噴射ノズル35を取り付け、
燃料噴射ポンプ34と燃料噴射ノズル35とを制御装置
32に接続して燃料供給手段33を構成すると共に、吸
気絞り弁21、EGR弁24と合わせて排気再循環量制
御手段20dを構成する。排気ガスの空燃比をリッチに
する場合、吸気絞り弁21を所定量閉じ、EGR弁24
を開いて排気再循環を行わせる。同時に、NOxを放出
還元可能な空燃比とするための調整分として、制御装置
32は制御信号を出力し、燃料噴射ポンプ34の噴射量
を増加し、燃料噴射ノズル35から排気管8内に燃料を
噴射させる。かかる燃料供給手段33により、空燃比を
リッチにするときに、不足分を調整するために燃料を供
給するようにした。そのため、確実に空燃比を理論空燃
比近くに制御することができる。
【0037】以下に図8に示すフローチャートに基づい
て、第6実施形態の排気脱硝装置の作業工程を詳述す
る。ステップ201で、エンジン回転センサ42と燃料
噴射量センサ41とによってエンジン回転数と燃料噴射
量とを検出する。ステップ202で、制御装置32はエ
ンジン回転数と燃料噴射量からエンジンの負荷を算出
し、エンジンの負荷が所定負荷(例えば軸平均有効圧力
6kg/cm)以上か否かを判定する。ステップ202で
YESの場合にはステップ203に進み、NOxセンサ
30はNOx量を検出し、制御装置32はNOx吸蔵触
媒9のNOx蓄積量を算出する。ステップ204で、制
御装置32はNOx蓄積量がNOx吸蔵触媒9の吸収限
界量に達しているか否かを判定し、NOの場合にはステ
ップ202の前に戻る。ステップ204でYESの場合
にはステップ207に進む。ステップ202でNOの場
合にはステップ205に進み、NOxセンサ30はNO
x量を検出し、制御装置32はNOx吸蔵触媒9のNO
x蓄積量を算出する。ステップ206で、制御装置32
はNOx蓄積量がNOx吸蔵触媒9の吸収規定量(例え
ば吸収限界量の50%〜70%)を超えたか否かを判定
し、NOの場合にはステップ202の前に戻る。ステッ
プ206でYESの場合にはステップ207に進み、制
御装置32は排気ガスの空燃比をリッチにするために必
要な吸気絞り弁21の絞り量を計算し、吸気絞り弁21
に制御信号を出力して絞り量を調節する。ステップ20
8で、制御装置32は排気ガスの空燃比をリッチにする
ために必要なEGR弁24の開度を計算し、EGR弁2
4に制御信号を出力して開度を調節する。ステップ20
9で、制御装置32は空気量と空燃比を計算する。ステ
ップ210で、Oセンサ31は酸素濃度を検出し、制
御装置32に検出値を出力する。ステッブ211で、制
御装置32は空燃比を修正する。ステップ212で、制
御装置32はNOxを全量還元するために必要な排気ガ
ス空燃比とするための調整分としての還元剤(本実施形
態では燃料)の噴射量と噴射時間Tdefとを計算する。
ステップ213で、タイマーを始動する。ステップ21
4で、制御装置32は燃料噴射ポンプ34及び燃料噴射
ノズル35に制御信号を出力し、計算値に基づいて燃料
を噴射する。ステップ215で、エンジンは理論混合比
に近い状態で燃焼を行う。ステップ216で、制御装置
32は燃料噴射時間TがTdef を超えたか否かを判定
し、NOの場合にはステップ213の前に戻る。ステッ
プ216でYESの場合には、ステップ217で制御装
置32は排気ガスの空燃比をリーンにするために吸気絞
り弁21を開く。ステップ218で、制御装置32は排
気ガスの空燃比がリーン状態において、所定量の排気ガ
ス(例えば排気ガス量の10%〜15%)を再循環させ
るために必要なEGR弁24の開度を計算し、計算値に
基づいてEGR弁24の開度を調節する。ステップ21
9で、エンジンは通常希薄燃焼(所定量の排気再循環を
実施)を行い、ステップ201の前に戻る。
【0038】本発明の第6実施形態の排気脱硝装置は、
上記のような構成及び作業工程としたため以下のような
効果が得られる。第1実施形態のものと同様に、EGR
弁24は通常の希薄燃焼状態では常時、排気ガス量の数
パーセントを再循環させるだけの面積を開いているよう
に調整されている。そのため、NOxの排出量は低減さ
れ、NOx吸蔵触媒9を小さくすることができ、エンジ
ン1をコンパクトにできると共に、コストも低減でき
る。また、本実施形態では、排気ガスの空燃比をNOx
を放出還元可能な空燃比とするために、調整分として燃
料を噴射するようにしたため、確実に給気の空燃比を理
論空燃比近くに制御することができる。更に、エンジン
1が軽負荷運転の場合には、NOx吸蔵触媒9の蓄積量
が吸収限界量の50%〜70%に達すると理論混合比燃
焼を行わせるようにした。エンジン1は軽負荷であるた
め追加燃料を少なくでき、経済的であると共に、エンジ
ン1に設けられるシリンダ1aの内圧や排気温度の過剰
上昇等を防止できる。また、高負荷域での燃料追加の頻
度が減少し、エンジン1の信頼性,耐久性を向上するこ
とができる。
【0039】尚、第6実施形態においては、追加燃料を
シリンダ1a内及び排気管8内に噴射するようにした
が、シリンダ1a及び排気管8のいずれか一方に追加燃
料を噴射するようにしても良い。
【0040】図10は、第7実施形態の排気脱硝装置の
概念図であり、第3実施形態、第4実施形態の変形例及
び第6実施形態を部分的に組み合わせた例である。即
ち、第6実施形態の図7に対し、図4(第3実施形態)
に示されているように、給気管4と尾管8aとを接続す
る抽気管12、及び抽気管12に設けられる抽気弁23
を備え、抽気弁23と制御装置32と接続している。更
に、図7に対し、図9(第4実施形態の変形例)に示さ
れるように、排気管8に排気絞り弁22を設け、排気絞
り弁22と制御装置32と接続している。
【0041】また、図7に対し、インタクーラ6の下流
側と排気タービン2aの上流側とを接続する排気再循環
回路10、及び排気再循環回路10上に介装されるEG
R弁24と再循環ガスクーラ11を廃止している。その
代わりに図9に示されるように、通路面積の小さい第1
排気再循環回路13と通路面積の大きい第2排気再循環
回路14とを並列に設け、第1排気再循環回路13には
再循環ガスクーラ11を、また第2排気再循環回路14
には第2EGR弁26を、それぞれ介装している。NO
xセンサ30、Oセンサ31、抽気弁23、吸気絞り
弁21、排気絞り弁22、上述の燃料供給手段33、第
2EGR弁26及び制御装置32により排気再循環量制
御手段20fを構成する。
【0042】かかる第7実施形態において、排気再循環
量制御手段20fの各構成要件は、基本的には、上記第
3実施形態、第4実施形態の変形例及び第6実施形態に
述べたように作動する。ただし、抽気弁23、吸気絞り
弁21及び排気絞り弁22の作動に関し、いずれか一つ
のみを制御してもよく、また抽気弁23及び排気絞り弁
22を共に制御してもよい。かかる第7実施形態におい
ても、対応する上記実施形態と同様な作用効果が得られ
る。尚、図10ではエンジン1はターボチャージャ2を
備えているが、抽気弁23を作動させない場合、ターボ
チャージャ2は無くても、又は作動させなくてもよい。
センサ31は、必要に応じて省略してもよい。
【0043】図11は、第8実施形態の排気脱硝装置の
概念図であり、第3実施形態、第5実施形態及び第6実
施形態を部分的に組み合わせた例であるが、第7実施形
態の変形例といえる。即ち、第7実施形態の図10に対
し、第1排気再循環回路13、第2排気再循環回路1
4、再循環ガスクーラ11及び第2EGR弁26を廃止
している。その代わりに、図6(第5実施形態)の通路
面積の大きい第3排気再循環回路15、並びに第3排気
再循環回路15内に並列に設けられる小径の第1EGR
弁25及び大径の第2EGR弁26を用いている。第1
EGR弁25及び第2EGR弁26と制御装置32とを
接続している。NOxセンサ30、Oセンサ31、抽
気弁23、吸気絞り弁21、排気絞り弁22、上述の燃
料供給手段33、複数のEGR弁25,26、及び制御
装置32により排気再循環量制御手段20gを構成す
る。
【0044】かかる第8実施形態においても、第7実施
形態と同様であり、対応する上記実施形態と同様な作用
効果が得られる。尚、図11ではエンジン1はターボチ
ャージャ2を備えているが、抽気弁23を作動させない
場合、ターボチャージャ2は無くても、又は作動させな
くてもよい。Oセンサ31は、必要に応じて省略して
もよい。更に、図11では2つのEGR弁25,26を
示しているが、3個以上の場合を含む複数のEGR弁と
してもよい。また、他の実施形態で使用している再循環
ガスクーラ11を省略しているが、必要に応じて設けて
もよい。
【0045】図12は、第9実施形態の排気脱硝装置の
概念図であり、第7実施形態の変形例である。即ち、第
7実施形態の図10に対し、ターボチャージャ2を可変
ターボチャージャ50に変更すると共に、排気管8に設
けられる排気絞り弁22を廃止している。可変ターボチ
ャージャ50は、一般的な可変ターボチャージャが使用
可能であり、排気タービン50aとコンプレッサ50b
とからなっている。排気タービン50a中のタービン通
路51aは、制御装置32からの制御信号により、通路
の開度を可変に制御される。即ち、第9実施形態の排気
再循環量制御手段20hは、第7実施形態における排気
絞り弁22に代わりに、可変ターボチャージャ50を備
えている。
【0046】かかる構成によれば、タービン通路51a
の開度を小さく(例えば極めて小さく)することによ
り、排気タービン50a入口の排気圧をコンプレッサ5
0b出口の給気圧より高くできる。排気ガスの空燃比を
リッチ状態にするとき、この給排気差圧を利用し、排気
ガスを給気に必要量流入させることができる。これによ
り、可変ターボチャージャ50を使用しても、第7実施
形態の排気絞り弁22と同様な効果が得られる。尚、O
センサ31は必要に応じて省略してもよい。
【0047】次に第10実施形態について説明する。第
10実施形態は、“NOx量検出手段”の他の例に関す
るものであり、燃料噴射量センサ41及びエンジン回転
数センサ42を有する負荷検出手段40と、制御装置3
2とを備える構成に適用可能である。即ち、第10実施
形態は、第6実施形態(図7)、第7実施形態(図1
0)、第8実施形態(図11)及び第9実施形態(図1
2)をベースとする例である。
【0048】図13は、エンジン1のエンジンテストに
より求めた、単位時間単位馬力当たりに排出されるNO
x量と、燃料噴射量(縦軸)及びエンジン回転数(横
軸)との関係を示している。図中の各曲線はそれぞれ、
同一NOx量を示している。第10実施形態では、かか
る図13が“マップ”として、制御装置32に記憶され
ている。エンジン回転数センサ42及び燃料噴射量セン
サ41からの信号が入力されて、その時のエンジン回転
数及び燃料噴射量が分かると、図13のマップに基づい
て単位時間単位馬力当たりに排出されるNOx量が分か
るようになっている。第10実施形態は、燃料噴射量セ
ンサ41及びエンジン回転数センサ42からなる負荷検
出手段40とマップとを“NOx量検出手段”としてい
る。尚、以下では、“その時のエンジン回転数及び燃料
噴射量”を“運転ポイント”と言う。
【0049】制御装置32は、エンジン1が様々な運転
ポイントで何時間運転されているかをタイマ(図示せ
ず)などで計測すると共に、各運転ポイントで稼動した
結果として排出されるNOx量を積算する。この積算に
より、エンジン1から排出されるNOx量を、NOx吸
蔵触媒9のNOx蓄積量として推定している。かかる実
施形態においても、NOxセンサ30を用いる場合と同
様な作用効果が得られる。尚、図13はエンジン1から
排出される単位時間単位馬力当たりNOx量を示すマッ
プの一例であり、ターボチャージャ2の有無、及び燃料
噴射ノズル35による燃料噴射時期、などの種々の条件
により変化するものである。
【0050】上記第1、第2、第4、第5、第6及び第
10実施形態においては、エンジン1はターボチャージ
ャ2を備えているが、ターボチャージャ2が無くてもよ
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の概念図である。
【図2】第1実施形態での脱硝動作例のフローチャート
である。
【図3】本発明の第2実施形態の概念図である。
【図4】本発明の第3実施形態の概念図である。
【図5】本発明の第4実施形態の概念図である。
【図6】本発明の第5実施形態の概念図である。
【図7】本発明の第6実施形態の概念図である。
【図8】第6実施形態での脱硝動作例のフローチャート
である。
【図9】第4実施形態の変形例の概念図である。
【図10】本発明の第7実施形態の概念図である。
【図11】本発明の第8実施形態の概念図である。
【図12】本発明の第9実施形態の概念図である。
【図13】本発明の第10実施形態に係る、排出される
NOx量と、燃料噴射量及びエンジン回転数との関係図
である。
【符号の説明】
1:エンジン、1a:シリンダ、2:ターボチャージ
ャ、2b:コンプレッサ、3:吸気管、8:排気管、
9:NOx吸蔵触媒、13:第1排気再循環回路、1
4:第2排気再循環回路、15:第3排気再循環回路、
20、20a〜20h:排気再循環量制御手段、21:
吸気絞り弁、22:排気絞り弁、23:抽気弁、25:
第1再循環回路調節弁(EGR弁)、26:第2再循環
回路調節弁(EGR弁)、30:NOx量検出手段、3
2:制御装置、33:燃料供給手段、40:負荷検出手
段(NOx量検出手段でもある)、50:可変ターボチ
ャージャ、51a:タービン通路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F01N 3/08 F01N 3/08 H 3/20 3/20 B 3/24 3/24 N R S T 3/28 301 3/28 301C F02B 37/00 302 F02B 37/00 302F 37/16 F02D 9/02 Q 37/22 9/04 C F02D 9/02 E 9/04 G 21/08 L 301B 21/08 301D 301 311B 43/00 301H 311 301K 43/00 301 301N 301R 301T 45/00 312T 314Z 45/00 312 F02M 25/07 550C 314 550R F02M 25/07 550 570J 570P 570 F02B 37/12 301N 37/00 303D

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エンジン(1)の排気管路に流入する排気
    ガスの空燃比がリーン状態であるときにNOxを吸蔵
    し、一方、流入する排気ガスの空燃比がリッチ状態であ
    るときにNOxを放出するNOx吸蔵触媒(9)と、吸気
    に排気ガスを混入させる排気再循環回路とを有するエン
    ジンの排気脱硝装置において、吸蔵したNOx蓄積量が
    所定値以下のときに所定量の排気ガスを再循環させ、一
    方、吸蔵したNOx蓄積量が所定値を越えてNOxを放
    出するときに前記所定量よりも多い排気ガスを再循環さ
    せて空燃比をリッチ状態にする排気再循環量制御手段(2
    0,20a,20b,20c,20d,20e,20f,20g,20h)を有することを特
    徴とするエンジンの排気脱硝装置。
  2. 【請求項2】 上記請求項1記載のエンジンの排気脱硝
    装置において、前記排気再循環量制御手段は、NOx吸
    蔵触媒(9)に流入する排気ガスの空燃比をリッチ状態に
    するときに流す排気再循環量を、空気過剰率が1.0よ
    り大きくて1.3程度以下になるように調節可能である
    ことを特徴とするエンジンの排気脱硝装置。
  3. 【請求項3】 上記請求項1又は2記載のエンジンの排
    気脱硝装置において、前記排気再循環量制御手段は、エ
    ンジン(1)の吸気管(3)の管路に設ける開閉自在な吸気絞
    り弁(21)及びエンジン(1)の排気管(8)の管路に設ける開
    閉自在な排気絞り弁(22)のうちの少なくとも一つの絞り
    弁と、排気ガスの空燃比をリッチ状態にするときに絞り
    弁の開度を小さくする制御信号を出力する制御装置(32)
    とを有することを特徴とするエンジンの排気脱硝装置。
  4. 【請求項4】 上記請求項1、2又は3記載のエンジン
    の排気脱硝装置において、前記排気再循環回路は、第1
    排気再循環回路(13)と、第1排気再循環回路(13)に並列
    に設けた少なくとも一つの第2排気再循環回路(14)とを
    有し、前記排気再循環量制御手段は、第2排気再循環回
    路(14)に設けた開閉自在な第2再循環回路調節弁(26)
    と、NOx量を検出するNOx量検出手段(30,40)と、
    NOx量検出手段(30,40)から検出信号を入力し、検出
    したNOx量に基づいてNOx吸蔵触媒(9)のNOx蓄
    積量を算出し、算出したNOx蓄積量が所定値を超えて
    いるときに第2再循環回路調節弁(26)を開く制御信号を
    出力する制御装置(32)とを有することを特徴とするエン
    ジンの排気脱硝装置。
  5. 【請求項5】 上記請求項1、2又は3記載のエンジン
    の排気脱硝装置において、前記排気再循環回路は、複数
    の再循環回路調節弁(25,26)を有する第3排気再循環回
    路(15)であり、前記排気再循環量制御手段は、前記複数
    の再循環回路調節弁(25,26)と、NOx量を検出するN
    Ox量検出手段(30,40)と、NOx量検出手段(30,40)か
    ら検出信号を入力し、検出したNOx量に基づいてNO
    x吸蔵触媒(9)のNOx蓄積量を算出し、算出したNO
    x蓄積量が所定値を超えているときに前記複数の再循環
    回路調節弁(25,26)の総開口面積をリーン状態での総開
    口面積よりも大きくする制御信号を出力する制御装置(3
    2)とを有することを特徴とするエンジンの排気脱硝装
    置。
  6. 【請求項6】 上記請求項1、2、3、4又は5記載の
    エンジンの排気脱硝装置において、エンジン(1)は、タ
    ービン通路(51a)の開度を可変自在とされた可変ターボ
    チャージャ(50)を有し、前記排気再循環量制御手段は、
    排気ガスの空燃比をリッチ状態にするとき、タービン通
    路(51a)の開度を小さくする制御信号を出力する制御装
    置(32)を有することを特徴とするエンジンの排気脱硝装
    置。
  7. 【請求項7】 エンジン(1)がターボチャージャ(2)を有
    する上記請求項1、2、3、4及び5並びに上記請求項
    6のうちのいずれかに記載のエンジンの排気脱硝装置に
    おいて、前記排気再循環量制御手段は、ターボチャージ
    ャ(2,50)のコンプレッサ(2b)の出口に設けられ、給気を
    外部に抽出する開閉自在な抽気弁(23)と、エンジン(1)
    の排気ガスの空燃比をリッチにするとき、抽気弁(23)を
    さらに開く制御信号を出力する制御装置(32)とを有する
    ことを特徴とするエンジンの排気脱硝装置。
  8. 【請求項8】 上記請求項1、2、3、4、5、6又は
    7記載のエンジンの排気脱硝装置において、前記排気再
    循環量制御手段は、エンジン(1)のシリンダ(1a)内及び
    エンジン(1)の排気管(8)内の少なくとも一つに燃料を供
    給する燃料供給手段(33)と、排気ガスの空燃比をリッチ
    状態にするときにNOx吸蔵触媒(9)がNOxを放出還
    元可能な空燃比とするための調整分としての燃料を供給
    する制御信号を燃料供給手段(33)に入力する制御装置(3
    2)とを有することを特徴とするエンジンの排気脱硝装
    置。
  9. 【請求項9】 上記請求項1、2、3、4、5、6、7
    又は8記載のエンジンの排気脱硝装置において、前記排
    気再循環量制御手段は、エンジン(1)の負荷を検出する
    負荷検出手段(40)と、負荷検出手段(40)から検出信号を
    入力し、検出した負荷が所定値以下のときに排気ガスの
    空燃比をリッチ状態にする制御信号を出力する制御装置
    (32)とを有することを特徴とするエンジンの排気脱硝装
    置。
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