JP2011256790A

JP2011256790A - ジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法

Info

Publication number: JP2011256790A
Application number: JP2010132246A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hara; 崇原
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2011-12-22

Abstract

【課題】ジメチルエーテルを燃料として利用するディーゼルエンジンにおいて、新たな熱交換器を設けることなく、燃料タンクから出る時よりも昇温した燃料を、排気ガス中のＮＯｘを還元するための還元剤として、排気通路に設けた触媒装置に供給することができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１０の排気通路１４に設けた触媒装置３１と、この触媒装置３１の上流側の還元剤供給装置３２を備えると共に、燃料高圧ポンプとコモンレールと燃料噴射弁から漏出した燃料を燃料タンク２１に戻す燃料戻し配管２７の途中に設けられた燃料バッファタンク２８と、還元剤供給装置３２とを戻し燃料供給用配管３４で接続して、燃料戻し配管２７を通って戻り、かつ、ディーゼルエンジン１０の発生する熱で昇温した燃料の一部Ｆｉを、還元剤として還元剤供給装置３２に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジメチルエーテルを燃料として用いたディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを燃料の一部で還元浄化するジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法に関する。

ＤＭＥ、メトキシメタンとも称されるジメチルエーテル（ＣＨ₃ＯＣＨ₃）は、エタノールの脱水縮合や合成ガスからの直接合成などで得ることができて、天然ガスや石炭から安価に大量生産が可能で、しかも、沸点が−２３．６℃と液化し易く、また２５℃で飽和蒸気圧が６．１気圧と低く、液化ガス燃料として取り扱い易い合成液化燃料である。その上、このジメチルエーテルは、セタン価が５０〜６０と軽油並みに高く、燃焼させても黒煙の元となる煤や微粒子状物質（ＰＭ)を発生しない。これらの性状から、ジメチルエーテルはディーゼルエンジンの燃料に適しており、軽油の代替燃料として注目されている。しかしながら、このジメチルエーテルは軽油に比べて、低粘性であるため、液漏れ（リーク）対策が必要とされている。

このジメチルエーテルを燃料とした場合には、炭素同士の結合を含ます、さらに酸素を含んでいることから、ＰＭや煤の発生がなく、また、硫黄成分を含まないことから硫黄酸化物（ＳＯｘ）も発生しない。また、ジメチルエーテル自体も無毒で大気中では約１０時間で分解する。また、ＰＭや煤の発生がないため、排気ガスの一部を冷却して再びシリンダ内に供給するクルードＥＧＲ（排気再循環）のＥＧＲガス量を大量にして実行することで窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低減することができる。また、ＰＭもＳＯｘも発生しないことから、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が不要になり、ＮＯｘ浄化用触媒における硫黄被毒の対策も不要になるというメリットがある。

しかしながら、排ガス規制が強化されてきており、ＮＯｘについても同様に厳しい規制が布かれ、更なるＮＯｘ低減技術及び手法が要求されてきている。その一方で、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中の酸素濃度が高く、これを制御することが困難であるため、三元触媒を利用できない。そのため、ジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンにおいては、ガソリンエンジンで行われているような三元触媒を用いた排気ガス浄化方法ではＮＯｘを還元することができないという問題がある。

これに関連して、排気中のＮＯｘを効率良く浄化するために、ディーゼル機関の排気通路に設けられた吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の上流側に、液化貯蔵されたジメチルエーテルを添加する還元剤添加弁と、還元剤添加弁から供給されたジメチルエーテルを吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の上流の排気通路に導く還元剤挿入管とを備え、この還元剤導入管にＥＧＲクーラーの熱を供給すると共に、ジメチルエーテルの添加を、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を通過する排気の流速が低いと推定されるときをみはらかって行う内燃機関の排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この内燃機関の排気浄化装置では、ＥＧＲガスの熱でジメチルエーテルの気化熱による添加経路内の凍結を防止している。また、排気の流速が低い場合にＤＭＥを供給することで、ガス化したジメチルエーテルと吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の接触時間を十分に確保するようにしている。

また、ジメチルエーテルを液体として貯蔵する圧力タンク（燃料タンク）内のジメチルエーテルを還元剤として、圧力タンク内のジメチルエーテルが発生する圧力で、気相のジメチルエーテルを噴射器から希薄燃焼型内燃機関の排気管に噴射して、排気管に接続された希薄ＮＯｘ触媒に供給するＮＯｘを還元するシステムが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

このシステムでは、ジメチルエーテルを液体として加圧し、液相と気相の両方でタンク内に貯蔵し、このタンク内のジメチルエーテルによって発生する圧力で、噴射器からのジメチルエーテルの噴射を促進しているため、噴射システム内にポンプを設ける必要がなくなり、また、ジメチルエーテルを気相で噴射器から噴射することで、燃料と排気ガスの混合を図るミキサも必要がなくなっている。

特開２００２−３２７６１８号公報特表２００８−５１９９３５号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料として利用するジメチルエーテルを、排気ガス中のＮＯｘを還元するための還元剤として排気通路に設けた触媒装置に供給するディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムにおいて、新たな熱交換器を設けることなく、燃料タンクから出る時よりも昇温した燃料を還元剤として使用することができるジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明のジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムは、ジメチルエーテルをディーゼルエンジンのシリンダ内に供給する燃料として貯蔵する燃料タンクと、この燃料タンクからの燃料を昇圧する燃料高圧ポンプと、この昇圧した燃料を蓄圧するコモンレールと、このコモンレールの昇圧した燃料をシリンダ内に噴射する燃料噴射弁と、前記燃料高圧ポンプと前記コモンレールと前記燃料噴射弁から漏出した燃料を前記燃料タンクに戻す燃料戻し配管と、この燃料戻し配管の途中に設けられた燃料バッファタンクとを備えたディーゼルエンジンに設ける排気ガス浄化システムにおいて、ディーゼルエンジンの排気通路に設けた触媒装置と、この触媒装置の上流側に設けた還元剤供給装置とを備えると共に、前記燃料バッファタンクと前記還元剤供給装置とを接続する戻し燃料供給用配管を備えて、前記燃料戻し配管を通って戻る燃料の一部を、還元剤として前記還元剤供給装置に供給するように構成される。

この構成によれば、ジメチルエーテルである燃料は、低粘性であるため、燃料高圧ポンプとコモンレールと燃料噴射弁（インジェクタ）から漏出し易く、この漏出して燃料タンクに戻る燃料はエンジンで発生する熱を受けて、燃料タンクから出る時よりも高い温度（４０℃〜８０℃程度）になっている。そのため、戻し燃料自体がエンジンの熱で昇温されるので、新たに熱交換器等を設けて還元剤として使用する燃料を温める必要がなくなる。そして、この高い温度の燃料を還元剤供給に使用するので、昇温してより高くなった燃料の蒸気圧により、燃料をガス状態で触媒装置の上流側に供給することができる。

上記のジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒装置を前記排気通路に直列に複数設け、この複数の前記触媒装置の上流側に前記還元剤供給装置をそれぞれ設けると共に、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて、複数の前記還元剤供給装置の内から触媒装置の温度が触媒作用温度帯にあって触媒作用が高い触媒装置の直近の上流側の還元剤供給装置を単数又は複数選択して、この選択した還元剤供給装置に前記燃料タンクに戻される燃料の一部を還元剤として供給するように構成すると、エンジンの運転状態が変更されて触媒装置の温度が変化した場合でも、触媒装置の温度が触媒作用温度帯にあって触媒作用が高い触媒装置を選択して、この触媒作用の高い触媒装置の上流側に燃料をＮＯｘの還元剤として供給できるので、ＮＯｘを効率良く還元させることができるようになる。つまり、エンジンの運転状態に合わせて、そのときにおける触媒作用の高い触媒装置と触媒作用の低い触媒装置を使い分けることができる。

上記のような目的を達成するための本発明のジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法は、ジメチルエーテルをディーゼルエンジンのシリンダ内に供給する燃料とし、燃料タンク内の燃料を燃料高圧ポンプで昇圧してコモンレール内に蓄圧し、この昇圧した燃料を燃料噴射弁からシリンダ内に噴射して燃焼させるディーゼルエンジンで用いる排気ガス浄化方法において、前記燃料高圧ポンプと前記コモンレールと前記燃料噴射弁から漏出して前記燃料タンクに戻される燃料の一部を、ディーゼルエンジンの排気通路に設けた触媒装置の上流側に供給する方法である。

この方法によれば、燃料高圧ポンプとコモンレールと燃料噴射弁から漏出して燃料タンクに戻る燃料はエンジンで発生する熱を受けて、燃料タンクから出る時よりも高い温度（４０℃〜８０℃程度）になっているので、新たに熱交換器等を設けて燃料を温める必要がなくなる。そして、この高い温度の燃料を還元剤供給に使用するので、昇温してより高くなった燃料の蒸気圧により、燃料をガス状態で触媒装置の上流側に供給することができる。

上記のジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法において、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて、前記排気通路に直列に複数設けた触媒装置の上流側にそれぞれ設けられた前記還元剤供給装置の内から、触媒装置の温度が触媒作用温度帯にあって触媒作用が高い触媒装置の直近の上流側の還元剤供給装置を単数又は複数選択して、この選択した還元剤供給装置に前記燃料タンクに戻される燃料の一部を還元剤として供給する方法とすると、エンジンの運転状態が変更されて触媒装置の温度が変化した場合でも、触媒装置の温度が触媒作用温度帯にあって触媒作用が高い触媒装置を選択して、この触媒作用の高い触媒装置の上流側に燃料をＮＯｘの還元剤として供給できるので、ＮＯｘを効率良く還元させることができるようになる。つまり、エンジンの運転状態に合わせて、そのときにおける触媒作用の高い触媒装置と触媒作用の低い触媒装置を使い分けることができる。

本発明に係るジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法によれば、燃料として利用するジメチルエーテルを、排気ガス中のＮＯｘを還元するための還元剤として排気通路に設けた触媒装置に供給するディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムにおいて、燃料高圧ポンプとコモンレールと燃料噴射弁から漏出して燃料タンクに戻され、かつ、エンジンの熱で温められて昇温した燃料の一部を還元剤として使用することで、熱交換器等を新たに設けて燃料を温める必要がなくなると共に、蒸気圧の高い燃料をガス状態で触媒装置の上流側に供給することができる。

本発明に係る実施の形態のジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムの構成を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態のジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、この実施の形態のジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム１は、ディーゼルエンジン１０の排気通路１４に排気ガス処理装置３０Ａ、３０Ｂを備えて形成される。この排気ガス処理装置３０Ａ、３０Ｂは、触媒装置３１を有して形成され、この触媒装置３１の上流側には還元剤供給装置３２と、酸素濃度センサ３３等が配設される。

この触媒装置３１はプラチナ、パラジウム、ロジウムを含むような触媒を備えており、還元剤供給装置３２から供給される還元剤により、排気ガス中のＮＯｘの還元を行うと共に、排気ガス中のＣＯ，ＨＣ又は未燃ＤＭＥ（未燃ジメチルエーテル）の酸化を行って排気ガスを浄化するものである。この還元剤供給装置２５は、排気ガス中のＮＯｘの還元に好ましいタイミングで燃料を噴射するように制御される。

また、この排気ガス浄化装置３０Ａ、３０Ｂは、ターボチャージャ１２のタービン１２ｂの出口よりも下流側の排気通路１４に備え付けられる。排気ガス浄化装置３０Ａ、３０Ｂを複数の箇所に備え付ける理由は、ディーゼルエンジン１０の運転状態により排気温度（排気マニホールドから出る排気ガスの温度）が変化するため、それに応じて排気ガス浄化装置３０Ａ、３０Ｂに流入する排気ガス温度も変化するので、触媒装置３１が一箇所だけ設置されている場合には、触媒装置３１の温度が触媒作用温度帯から外れる状態が生じてＮＯｘ浄化能力が低下するが、排気通路１４の上流と下流に排気ガス浄化装置３０Ａ、３０Ｂを複数設置することで、ディーゼルエンジン１０の運転状態が変化して触媒装置の温度が変化した場合でも、ディーゼルエンジン１０の運転状態に合わせて、触媒温度が触媒作用温度帯にあって触媒作用の高い触媒装置３１を使用できるようにするためである。

つまり、排気温度が運転条件により変化し、一方の排気ガス浄化装置３０Ａ（又は３０Ｂ）の触媒温度が触媒作用温度帯から外れても、他方の排気ガス浄化装置３０Ｂ（又は３０Ａ）の触媒温度が触媒作用温度帯に入っていることが多いので、排気温度を監視（モニタリング）することで、ＮＯｘ浄化効果の高い方の排気ガス浄化装置３０Ｂ（又は３０Ａ）に、還元剤としての燃料Ｆｉを供給して、効率良くＮＯｘの還元を行うことができるようにする。

また、ディーゼルエンジン１０の燃料系は、燃料タンク２１、燃料ポンプ２２、燃料供給配管２３、燃料高圧ポンプ２４、コモンレール２５、燃料噴射弁２６等を備えて形成される。この燃料系では、ジメチルエーテルをディーゼルエンジンのシリンダ内に供給する燃料Ｆｆとして燃料タンク２１に貯蔵し、この貯蔵した燃料Ｆｆを燃料ポンプ２２で燃料タンク２１から、燃料供給配管２３に配置された燃料高圧ポンプ２４に送り、この燃料高圧ポンプ２４で燃料Ｆｆを昇圧して、この昇圧した燃料Ｆｆをコモンレール２５に蓄圧する。この蓄圧された燃料Ｆｆは、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれるエンジン１０の運転を制御する制御装置４０から出される制御指令に従って燃料噴射弁２６からシリンダ内に噴射される。

シリンダ内で噴射された燃料Ｆｆは、吸入空気Ａと共に燃焼し、排気ガスＧとなる。この吸入空気Ａは、ディーゼルエンジン１０の吸気通路１１に吸入され、ターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａで昇圧され、更に、インタークーラ１３で冷却された、シリンダ内に供給される。一方、排気ガスＧは、排気通路１４で、ターボチャージャ１２のタービン１２ｂを駆動してから、排気ガス処理装置３０Ａ、３０Ｂを通過して、消音器（図示しない）等を経由して大気中に放出される。

この燃料系においては、燃料高圧ポンプ２４とコモンレール２５と燃料噴射弁２６から漏出した燃料Ｆｒを燃料タンク２１に戻す燃料戻し配管２７と、この燃料戻し配管２７の途中に設けられた燃料バッファタンク２８を備えて形成される。この燃料戻し配管２７と燃料バッファタンク２８は、ディーゼルエンジン１０の熱で昇温し、約４０℃〜８０℃になった燃料Ｆｒが冷却されないように遮熱部材や保温部材を用いて保温することが好ましい。

本発明では、燃料バッファタンク２８と還元剤供給装置３２とを接続する還元剤供給用配管３４を設けて、燃料戻し配管２７を通って戻る燃料Ｆｒの一部Ｆｉを、還元剤として還元剤供給装置３２に供給できるように構成される。この還元剤供給用配管３４も、昇温した燃料Ｆｉが冷却されないように遮熱部材や保温部材を用いて保温することが好ましい。

つまり、戻し燃料Ｆｒは、燃料タンク３１に戻される途中の燃料バッファタンク２８に一旦留められ、そこから、戻し燃料Ｆｒの一部が還元剤（燃料Ｆｉ）として、燃料バッファタンク２８内の燃料Ｆｒの蒸気圧に基づく圧力により、還元剤供給装置３２に供給される。

この燃料バッファタンク２８に入る燃料Ｆｒは、ディーゼルエンジン１０から発生する熱を受けて、燃料タンク２１を出る時よりも高い温度になっているので、このときの燃料Ｆｒの蒸気圧は大気圧よりも十分高くなっていて、燃料バッファタンク２８の内部は液相の燃料Ｆｉと気相の燃料Ｆｉとが混在している。

そのため、還元剤供給装置３２を開弁すると、気相の燃料Ｆｉは燃料バッファタンク２８内の燃料Ｆｒの蒸気圧により、還元剤供給装置３２から排気通路１４内に噴射される。これにより、燃料Ｆｉは気相状態で還元剤供給装置３２の下流側の触媒装置３１に供給される。この構成により、燃料バッファタンク２８から還元剤供給装置３１への燃料Ｆｉの供給を簡便な機構で行うことができる。

このときの燃料Ｆｉの噴射量と噴射のタイミングは、酸素濃度センサ３３等からのデータを基に制御装置４０で決定され、還元剤供給装置３２で調整される。

つまり、ディーゼルエンジン１０の排気通路１４に設けられたＮＯｘ濃度センサ（図示しない）により検出される排気ガス中のＮＯｘの濃度を基に、あるいは、エンジン回転数とエンジントルク（あるいは、エンジン負荷、燃料噴射量）を基に、排気ガス中のＮＯｘ濃度が高くなるようなエンジン運転状態を判定して、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する必要がある場合であり、且つ、排気ガスの出口の温度である排気温度が適正な温度範囲にあって、いずれかの排気ガス浄化装置３０Ｂ（又は３０Ａ）の触媒装置３１でＮＯｘの還元浄化が可能な場合であると判定したときに、必要十分な噴射量とＮＯｘ還元浄化の効率が最大になるような最適な噴射のタイミングとで、還元剤としての燃料Ｆｉが排気ガス浄化装置３０Ｂ（又は３０Ａ）の還元剤供給装置３２に供給される。この還元剤の供給制御は制御装置４０により行われる。

この還元剤としての燃料Ｆｉを供給することにより、この燃料Ｆｉの酸化と排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）や未燃ジメチルエーテルの酸化との組み合わせで、排気ガス中の酸素を消費して触媒装置３１の触媒表面の酸素を消費して酸素濃度を低下させ、還元雰囲気にして、排気ガス中のＮＯｘを窒素（Ｎ₂）に還元させることができる。

また、ディーゼルエンジン１０の排気通路１３に複数の触媒装置３１を設けることで、ディーゼルエンジン１０の運転状態が異なっても、排気温度を監視して、触媒装置３１の触媒温度が触媒作用温度帯にある排気ガス浄化装置３０Ｂ（又は３０Ａ）を選択して、その直近の上流側に設けられた還元剤供給装置３１に選択的に還元剤としての燃料Ｆｉを供給して、ＮＯｘを効率的に還元させることができる。

本発明のジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法は、排気ガス中のＮＯｘを還元するために、排気通路に設けた触媒装置に供給する還元剤として、燃料高圧ポンプとコモンレールと燃料噴射弁から漏出して燃料タンクに戻され、且つ、エンジンの熱で温められて昇温した燃料の一部を使用することで、熱交換器等を新たに設けて燃料を温める必要がなく、蒸気圧の高い燃料を触媒装置の上流側でガス状態で供給することができるので、自動車搭載等のジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンで利用できる。

１排気ガス浄化システム
１０ディーゼルエンジン
１４排気通路
２１燃料タンク
２２燃料ポンプ
２３燃料供給配管
２４燃料高圧ポンプ
２５コモンレール
２６燃料噴射弁
２７燃料戻し配管
２８燃料バッファタンク
３０Ａ、３０Ｂ排気ガス処理装置
３１触媒装置
３２還元剤供給装置
３４還元剤供給用配管
４０制御装置
Ｆｉ還元剤としての燃料
Ｆｒ戻り燃料
Ｆｆ燃料（ジメチルエーテル）
Ｇ排気ガス

Claims

ジメチルエーテルをディーゼルエンジンのシリンダ内に供給する燃料として貯蔵する燃料タンクと、この燃料タンクからの燃料を昇圧する燃料高圧ポンプと、この昇圧した燃料を蓄圧するコモンレールと、このコモンレールの昇圧した燃料をシリンダ内に噴射する燃料噴射弁と、前記燃料高圧ポンプと前記コモンレールと前記燃料噴射弁から漏出した燃料を前記燃料タンクに戻す燃料戻し配管と、この燃料戻し配管の途中に設けられた燃料バッファタンクとを備えたディーゼルエンジンに設ける排気ガス浄化システムにおいて、ディーゼルエンジンの排気通路に設けた触媒装置と、この触媒装置の上流側に設けた還元剤供給装置とを備えると共に、前記燃料バッファタンクと前記還元剤供給装置とを接続する戻し燃料供給用配管を備えて、前記燃料戻し配管を通って戻る燃料の一部を、還元剤として前記還元剤供給装置に供給するように構成したことを特徴とするジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム。
前記触媒装置を前記排気通路に直列に複数設け、この複数の前記触媒装置の上流側に前記還元剤供給装置をそれぞれ設けると共に、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて、複数の前記還元剤供給装置の内から触媒装置の温度が触媒作用温度帯にあって触媒作用が高い触媒装置の直近の上流側の還元剤供給装置を単数又は複数選択して、この選択した還元剤供給装置に前記燃料タンクに戻される燃料の一部を還元剤として供給することを特徴とする請求項１に記載のジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化システム。
ジメチルエーテルをディーゼルエンジンのシリンダ内に供給する燃料とし、燃料タンク内の燃料を燃料高圧ポンプで昇圧してコモンレール内に蓄圧し、この昇圧した燃料を燃料噴射弁からシリンダ内に噴射して燃焼させるディーゼルエンジンで用いる排気ガス浄化方法において、前記燃料高圧ポンプと前記コモンレールと前記燃料噴射弁から漏出して前記燃料タンクに戻される燃料の一部を、ディーゼルエンジンの排気通路に設けた触媒装置の上流側に供給することを特徴とするジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法。
ディーゼルエンジンの運転状態に応じて、前記排気通路に直列に複数設けた触媒装置の上流側にそれぞれ設けられた前記還元剤供給装置の内から、触媒装置の温度が触媒作用温度帯にあって触媒作用が高い触媒装置の直近の上流側の還元剤供給装置を単数又は複数選択して、この選択した還元剤供給装置に前記燃料タンクに戻される燃料の一部を還元剤として供給することを特徴とする請求項３に記載のジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法。