JP2014047670A - Control method and unit for nox aftertreatment device of engine including ozone generation means - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気中のNOx成分を吸収分離する後処理装置、特にオゾン生成手段を含み、エンジンを冷始動した直後の冷温状態においてもNOx吸収分離能力を有するエンジン用後処理装置の制御方法および制御装置に関する。 The present invention relates to a post-treatment device that absorbs and separates NOx components in exhaust gas, in particular, an ozone generating means, and a control method for an engine post-treatment device that has NOx absorption and separation capability even in a cold state immediately after the engine is cold-started. The present invention relates to a control device.
エンジン、特に、ディーゼルエンジンから排出されるNOxの後処理装置においては、通常、触媒を使ってNOxの還元処理を行い、NOx成分を浄化する方式が一般的である。触媒は、NOxをリーン時に吸蔵または吸着しリッチ時に放出して浄化するNOx吸蔵還元型や吸着還元型触媒、尿素水を還元剤として排気に添加する選択還元型触媒が知られている。この技術においては、触媒が働く作動温度(約200℃以上)より低い温度においては、NOx浄化を達成し得ないので、これを実現する技術が求められている。 In an aftertreatment device for NOx discharged from an engine, in particular, a diesel engine, a system is generally used in which NOx reduction treatment is performed using a catalyst to purify the NOx component. As the catalyst, NOx occlusion reduction type and adsorption reduction type catalysts that store or adsorb NOx when lean and release and purify when rich, and selective reduction type catalysts that add urea water to the exhaust as a reducing agent are known. In this technique, since NOx purification cannot be achieved at a temperature lower than the operating temperature (about 200 ° C. or higher) at which the catalyst operates, a technique for realizing this is required.
また、NOx吸蔵還元型や吸着還元型触媒は、高価な白金等の貴金属を使う必要がある。他方、選択還元型触媒は卑金属を使用できるが、排気系に尿素水を調量・噴射供給する装置が必要となり、さらにアンモニアガスを大気中に放出しないためにアンモニア除去触媒が必要となることから、装置全体が高価となっている。このため、より安価に実現できる新しい方式のNOx後処理装置が求められている。 In addition, the NOx occlusion reduction type or adsorption reduction type catalyst needs to use expensive noble metals such as platinum. On the other hand, although the selective reduction catalyst can use base metal, a device for metering and injecting urea water to the exhaust system is required, and further, an ammonia removal catalyst is required in order not to release ammonia gas into the atmosphere. The whole device is expensive. Therefore, there is a need for a new type of NOx aftertreatment device that can be realized at a lower cost.
特許文献1には、オゾン発生器で生成したオゾン含有ガスを、オゾン吸着装置に供給し、窒素酸化物含有ガス流を反応器ダクトに供給する一方、窒素酸化物含有ガス流のスリップ流をオゾン吸着装置に供給してオゾンを脱着し、オゾン含有スリップ流を反応器ダクトに供給する一連の工程により、ガス流から窒素酸化物を除去する方式が提案されている。反応器ダクトにおいて、窒素酸化物はオゾンと反応してN2O5に転化され、空気中に水分が存在する場合は硝酸も生成する。N2O5と硝酸を含む流れは、さらに水性スクラバーに供給されて、水溶液と接触し、吸収除去される。
In
この特許文献1の方式では、高濃度のオゾンを排気に供給するため、シリカゲル等の構造収着剤材料を含むオゾン吸着装置を設けて、吸着装置へのオゾンの吸着工程と、脱離させて排気に供給する離脱工程を交互に行わせるようにしている。
In the method of
特許文献1のような方式は、装置が大規模となるため、定置に設置されている大規模な燃焼装置の排煙のNOx除去には適しているが、使用負荷が頻繁に変化する車両用エンジンには適さない。また、このような装置構成では、オゾン供給流量を迅速に変化できず、排気の流量が時々刻々大きく変化し、NOx濃度も大きく変化する車両用エンジンに適用することは難しい。
A method such as
本発明の第1の目的は、エンジンを冷始動した直後の低温度からでもNOx浄化が可能であること、NOx浄化のために貴金属等の高価な触媒を使わないこと、あるいは、大規模な装置を必要とせず、装置コストを低減できること、これらの要件を満足し車両用エンジンに適した、新しい方式のNOx後処理装置を提供することにある。
本発明の第2の目的は、負荷変動の大きい車両用エンジンにも適合し、排気のNOx流量の変化に合わせて迅速にオゾン供給流量を追従でき、しかも、高濃度のオゾン生成が可能なオゾン生成手段を実現し、将来の厳しい排出ガス規制にも対応できる高い浄化性能を有するエンジン用後処理装置の制御方法および制御装置を提供することにある。
The first object of the present invention is that NOx purification can be performed even at a low temperature immediately after the engine is cold-started, an expensive catalyst such as a precious metal is not used for NOx purification, or a large-scale apparatus. Therefore, the present invention is to provide a new type of NOx aftertreatment device that can reduce the cost of the apparatus and satisfy these requirements and is suitable for a vehicle engine.
The second object of the present invention is an ozone which is suitable for a vehicular engine having a large load fluctuation, can quickly follow the ozone supply flow rate according to the change in the NOx flow rate of exhaust gas, and can generate high-concentration ozone. It is an object of the present invention to provide a control method and a control device for an engine aftertreatment device that realizes a generation means and has high purification performance that can cope with strict exhaust gas regulations in the future.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、エンジンからの排気にオゾンを供給するオゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置の制御方法であって、
排気中のNOとNO2流量を推定し、推定したNOとNO2の合計流量に対応させてオゾン目標流量を決定し、決定した目標流量となるように上記オゾン生成手段を作動させて生成したオゾンを排気中に添加し、このオゾンと排気中のNOとNO2と水分によって生成したHNO3を排気から除去することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
The NO and NO 2 flow rates in the exhaust gas are estimated, the ozone target flow rate is determined according to the estimated total flow rate of NO and NO 2 , and generated by operating the ozone generating means so as to be the determined target flow rate Ozone is added to the exhaust gas, and HNO 3 produced by the ozone, NO, NO 2 and moisture in the exhaust gas is removed from the exhaust gas.
上記課題を解決するために、請求項2に記載の発明は、エンジンの排気通路に接続するオゾン供給通路と、吸気通路に接続する空気流入通路を有し、流入する空気からオゾンを生成するオゾン生成手段を含み、NOxとオゾンの反応生成物をNOx吸収手段に吸収させるエンジン用NOx後処理装置の制御装置であって、
上記排気通路を流通する排気中のNOとNO2流量を推定するNOx流量推定手段と、
上記NOx流量推定手段により推定したNOとNO2の合計流量に対応させて、オゾン目標流量を決定する目標流量決定手段と、
上記目標流量決定手段で決定したオゾン目標流量となるように、上記オゾン生成手段を作動させる駆動手段とを備え、
上記オゾン生成手段で生成したオゾンを上記オゾン供給通路から排気中に添加し、添加したオゾンと排気中のNOとNO2と水分によって生成したHNO3を上記NOx吸収手段に吸収させて除去することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
NOx flow rate estimating means for estimating NO and NO 2 flow rates in the exhaust gas flowing through the exhaust passage;
Target flow rate determining means for determining the ozone target flow rate in correspondence with the total flow rate of NO and NO 2 estimated by the NOx flow rate estimating means;
Drive means for operating the ozone generation means so as to be the ozone target flow rate determined by the target flow rate determination means,
The ozone generated by the ozone generating means is added to the exhaust gas from the ozone supply passage, and HNO 3 generated by the added ozone, NO, NO 2 and moisture in the exhaust gas is absorbed by the NOx absorbing means and removed. It is characterized by.
請求項3に記載の装置は、上記オゾン供給通路が合流する上記排気通路の上流に酸化触媒または酸化触媒を担持したフィルタ手段が配置されており、
上記NOx流量推定手段は、排気中のNOとNO2流量を、エンジンから排出される排気中のNO濃度推定値と、エンジン吸気流量と、上記酸化触媒または酸化触媒を担持したフィルタ手段の温度または排気温度を用いて推定したNO推定流量とNO2推定流量として求める。
In the apparatus according to
The NOx flow rate estimating means includes the NO and NO 2 flow rates in the exhaust gas, the NO concentration estimated value in the exhaust gas exhausted from the engine, the engine intake flow rate, the temperature of the filter means carrying the oxidation catalyst or the oxidation catalyst, or The estimated NO flow rate and NO 2 estimated flow rate estimated using the exhaust gas temperature are obtained.
請求項4に記載の装置において、上記目標流量決定手段は、請求項3の上記NOx流量推定手段にて推定された、NO推定流量の1.5当量比倍の流量とNO2推定流量の0.5当量比倍の流量の合算値以上の値に対応してオゾン目標流量を決定し、このオゾン目標流量に基づいて上記オゾン生成手段が作動される。
5. The apparatus according to claim 4, wherein the target flow rate determining means is a flow rate of 1.5 equivalent ratio times NO estimated flow rate and 0 of NO 2 estimated flow rate estimated by the NOx flow rate estimating means of
請求項5に記載の装置は、上記オゾン生成手段を通過するガス流量を推定するガス流量推定手段と、推定されたガス流量と上記目標流量決定手段で決定したオゾン目標流量から、上記オゾン生成手段が生成すべきオゾン濃度を求めるオゾン生成濃度算出手段を備え、このオゾン生成濃度となるように上記オゾン生成手段が作動される。
The apparatus according to
請求項6に記載の装置において、上記目標流量決定手段は、上記オゾン生成手段で生成されたオゾンが、NO、NO2、水分と反応する前に消滅する比率を求め、該比率に応じてオゾン目標流量を修正する。
7. The apparatus according to
請求項7に記載の装置において、上記目標流量決定手段は、オゾンが消滅する上記比率を、排気温度に対応して決定する。 8. The apparatus according to claim 7, wherein the target flow rate determining means determines the ratio at which ozone disappears in correspondence with exhaust gas temperature.
請求項8に記載の装置は、請求項7の装置において、さらに、上記目標流量決定手段が、上記オゾンが消滅する上記比率を、上記オゾン供給通路の合流部における排気中の低級不飽和炭化水素の濃度に対応して決定する。
The apparatus according to
請求項9に記載の装置において、上記目標流量決定手段で決定した上記オゾン目標流量を、大気中の湿度の情報に基づいて修正する修正手段を備える。
The apparatus according to
請求項10に記載の装置は、請求項5〜8の装置において、上記オゾン生成手段の上流の上記空気流入通路に、湿度除去手段と酸素富化手段が設置され、上記オゾン生成手段に流入するガス中の酸素濃度の変化に基づいてオゾン生成濃度を修正する修正手段を備える。
The apparatus according to
請求項1の制御方法によれば、エンジンの排気系にオゾンを生成して添加するNOx後処理装置を配置し、運転状態により変動するNOとNO2流量に対応させて、予めオゾン目標流量を決定して、オゾン生成手段を作動させる。オゾン生成手段は、例えば放電プラズマを用いて供給電力に応じたオゾンを制御性よく生成することができ、NOとNO2流量の変化に追従させて、オゾン目標流量を維持することができる。オゾンは、排気中のNOおよびNO2と反応してN2O5を生成し、N2O5は排気中の水分と容易に反応してHNO3に変換される。このHNO3を吸収剤と接触させることにより排気から除去することができる。
According to the control method of
この方式によれば、大規模な装置や高価な触媒を必要とせず、エンジン始動直後から効率よくNOxを浄化することが可能である。よって、NOx変動の大きい車両用エンジンに好適に使用されて、エンジン負荷が高い場合でも必要十分なオゾンを排気に供給し、高い浄化性能を実現できる。 According to this method, it is possible to efficiently purify NOx immediately after starting the engine without requiring a large-scale device or an expensive catalyst. Therefore, it is suitably used for a vehicle engine having a large NOx fluctuation, and even when the engine load is high, necessary and sufficient ozone can be supplied to the exhaust gas to achieve high purification performance.
請求項2の制御装置は、請求項1の制御方法を実現するために、オゾン生成手段に吸気通路の空気を導入してオゾンを生成し、オゾン供給通路から排気に供給する。この時、NOx流量推定手段がエンジンから排出されるNOとNO2の合計流量を推定し、目標流量決定手段が決定したオゾン目標流量となるように、駆動手段がオゾン生成手段を作動させるので、必要十分なオゾンを供給することができる。排気はオゾン供給通路の合流部でオゾンと混合されて反応し、生成するHNO3は合流部下流に配置されるNOx吸収手段を通過する間に除去される。よって、エンジンの運転状態に応じてオゾンを効率よく生成し、エンジンから排出されるNOxを浄化することができる。 In order to realize the control method of the first aspect, the control device of the second aspect introduces air in the intake passage into the ozone generation means to generate ozone, and supplies the ozone from the ozone supply passage to the exhaust. At this time, the NOx flow rate estimating unit estimates the total flow rate of NO and NO 2 discharged from the engine, and the drive unit operates the ozone generating unit so that the ozone target flow rate determined by the target flow rate determining unit is reached. Necessary and sufficient ozone can be supplied. The exhaust gas is mixed with ozone and reacts at the merging portion of the ozone supply passage, and the generated HNO 3 is removed while passing through the NOx absorbing means disposed downstream of the merging portion. Therefore, ozone can be efficiently generated according to the operating state of the engine, and NOx discharged from the engine can be purified.
(第1実施形態)
図1、2に本発明を適用した、オゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置(以下、NOx後処理装置と略称する)の第1実施形態を示す。図1においてエンジン1は、ターボチャージャー(過給機)15を備えるディーゼルエンジンで、本実施形態のNOx後処理装置3の制御装置は、エンジン1から排出される排気中のNOxを処理する。排気通路としての排気管2の途中に、フィルタ手段であるDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)21が配置され、その下流に、排気冷却手段22と、NOx後処理装置3を構成するNOx吸収手段5が配置される。排気冷却手段22とNOx吸収手段5の間の排気管2aに合流する通路が設けられ、NOx後処理装置3のオゾン生成手段6に接続されてオゾン供給通路61となる。
(First embodiment)
1 and 2 show a first embodiment of an engine NOx aftertreatment device (hereinafter abbreviated as NOx aftertreatment device) including an ozone generating means to which the present invention is applied. In FIG. 1, the
エンジン1は、吸気入口16から空気を取り込む。空気は、ターボチャージャー15のコンプレッサ14で加圧され、加圧により高温となった空気は、吸気通路としての吸気管18に設置したインタークーラー19で冷却された後、吸気マニホールド10に送られ、各ポートからエンジン1の燃焼室に吸入される。エンジン1の燃焼室では空気と燃料が混合され、燃焼する。燃焼によってエンジン1のピストンが押し下げられ、エンジン出力軸11の回転力として動力を生み出す。
The
燃焼を終わった排気は、エンジン1の燃焼室から排気マニホールド12に排気される。その後、排気はターボチャージャー15のコンプレッサ14と直結したタービン13を回して、空気を加圧する仕事をした後、排気管2に排出される。排気はここでDPF21を通過し、排気中のパティキュレートマター(PM)をDPF21によってろ過捕集する。同時に、排気が通過するDPF21表面にコーティングされた酸化触媒によって、HC成分やCO成分も浄化される。その後、排気は、排気冷却手段22を通り、冷却されて通常では排気温度が100℃〜180℃の間に下がる。
The exhaust after the combustion is exhausted from the combustion chamber of the
ここで用いるDPF21は、セラミックで形成された多孔質の壁がフィルタとして働く、公知のウォールフロータイプの排気フィルタである。排気冷却手段22は、公知のランキンサイクル方式の排熱回収システムであり、例えば、排気の冷却で得た熱エネルギーは冷媒を蒸発させ高圧ガスとなってガスタービンを回し、ガスタービンと直結した発電機により電気エネルギーに変換されバッテリーに蓄えられるというようなものである。
The
冷却された排気は、NOx後処理装置3に導入されて、オゾン供給通路61が合流する排気管2aを通過し、さらにNOx吸収手段5を通過する。ここで、排気中に含まれるNOxは、オゾン生成手段6から供給されるオゾン含有空気中のオゾンと反応し、NOx吸収手段5内においてNOx吸収液と接触して吸収される。ここまででPM、HC、CO、そしてNOxが除去され、クリーンな排気となって排気管出口23から大気中に排出される。
The cooled exhaust gas is introduced into the
オゾン生成手段6は、放電プラズマを用いて空気からオゾンを生成し、オゾン含有空気として送出するもので、詳細構成については後述する。オゾン生成手段6は、内部にオゾンが生成される放電空間部を有する通路を形成し、その一端側は排気管2aに合流するオゾン供給通路61に、他端側は吸気管18から分岐する空気流入通路62に接続される。空気流入通路62は、コンプレッサ14によって過給され、インタークーラー19で冷却された空気を導入するため、吸気スロットル17の直上流に開口している。空気流入通路62の途中には、上流から固定絞り38、ブロア39が配置され、オゾン生成手段6に至る。これにより、エンジン1の運転負荷が高く、エンジン1から高濃度のNOxが排出される場合でも必要充分なオゾンを生成して排気に供給できるように、過給された空気をオゾン生成手段6に導入する。ブロア39は図示しない電気モータで駆動される公知の構成で、エンジン1が低回転で運転され、過給圧が生じない場合でも生成したオゾンを排気に導くように働き、オゾン供給通路61から排気管2aへの流れを形成する。
The ozone generating means 6 generates ozone from air using discharge plasma and sends it out as ozone-containing air, and the detailed configuration will be described later. The ozone generating means 6 forms a passage having a discharge space part in which ozone is generated inside, and one end side thereof is an
排気管2aにおいて、オゾン供給通路61から供給されるオゾン(O3)は、排気中のNOx(NO、NO2)と、下記反応式(a)〜(c)に示す化学反応を起こして、硝酸の前駆体であるN2O5に変換される。さらに生成したN2O5は、下記反応式(d)に示すように、排気中の水分(H2O)と再度反応して、HNO3に変換される。
NO+O3 → NO2+O2・・・(a)
NO2+O3 → NO3+O2・・・(b)
NO2+NO3 → N2O5・・・(c)
N2O5+H2O → 2HNO3・・・(d)
In the
NO + O 3 → NO 2 + O 2 (a)
NO 2 + O 3 → NO 3 + O 2 (b)
NO 2 + NO 3 → N 2 O 5 (c)
N 2 O 5 + H 2 O → 2HNO 3 (d)
反応生成物であるHNO3は、NOx吸収手段5に至ってNOx吸収液によって吸収され、排気から分離される。NOx吸収液としては、HNO3を吸収分離可能な液体であれば特に制限されず、例えば、水またはアルカリ性水用液を使用することができる。また、NOx吸収液の別の例として、HNO3を化学吸着するイオン液体を用いることが考えられる。この場合、イオン液体は、図示しない貯蔵手段に蓄えられており、NOx吸収手段5との間で循環路を形成する(図中、矢印)。そしてNOx吸収手段5の入口51から内部の気液接触部へ送られ、排気と接触させてHNO3を吸着する。その後、NOx吸収手段5の出口52から、図示しない液体回収手段に送られたイオン液体を分離回収し、貯蔵手段へに再び戻す。
The reaction product HNO 3 reaches the
図1において、吸気系には、吸気入口16の直下流に吸気流量センサ45が配置される。また、吸気スロットル17のスロットル開度を検出するスロットル開度センサ44が配置され、吸気マニホールド10の合流部には吸気管圧力センサ40が配置される。エンジン1の出力軸11の近傍には、エンジン回転数を測る回転数センサ41が配置され、排気系には、DPF21の下流に排気温度を測る排気温度センサ42が配置される。また、外気の湿度を直接的または間接的に測る湿度センサ43が配置される。以上述べた各センサは、測定した情報をそれぞれ電気信号に変換して、接続された電気線を通して制御装置であるコントローラ4に送る。
In FIG. 1, an intake
コントローラ4は、マイクロコンピュータを内蔵して制御を行う公知の構成を有する。また、コントローラ4は、ブロア64、オゾン生成手段6および排気冷却手段22、NOx吸収手段5と電気的操作可能に接続されている。そして、入力された電気信号に基づいて、予めマイクロコンピュータにプログラムされた情報処理および操作プログラムに基づいてブロア39、オゾン生成手段6および排気冷却手段22、NOx吸収手段5の制御を行う。
The controller 4 has a known configuration in which a microcomputer is incorporated for control. The controller 4 is connected to the blower 64, the ozone generation means 6, the exhaust cooling means 22, and the NOx absorption means 5 so as to be electrically operable. Based on the input electrical signal, the
本実施形態のNOx後処理装置3は、オゾン生成手段6で生成したオゾンを貯蔵することなく、直接排気管2aに供給して、排気中のNOxと反応させる。ここで、NOxからN2O5への反応とHNO3への反応は、常温においても容易に起こる反応であるから、排気温度に影響されず排気中のNOxを浄化できる。この方式は、簡易な構成で、公知のNOx吸蔵還元型触媒や尿素添加選択還元型触媒が働かない、エンジン始動時や軽負荷運転時で排気温度が低い場合でも用いることができるから、本発明の第1の目的は達成できる。
The
<オゾン生成手段の構成例>
また、この方式は、本発明の第2の目的にも適合し、排気のNOx流量の変化に合わせて迅速にオゾン供給流量を追従できる。この目的を実現するコンパクトなオゾン生成手段6の具体的構成に関して、次に説明を行う。
図2に本実施形態のオゾン生成手段6の断面図を示す。オゾン生成手段6は、内部が断面コ字状の通路60となっており、一端側の空気入口602に続く通路60aと、他端側の空気出口601に至る通路60bが、接続通路60cを介して連通している。空気入口602は図1の空気流入通路62に、空気出口601は図1のオゾン供給通路61に、それぞれ接続している。
<Configuration example of ozone generating means>
This method is also suitable for the second object of the present invention, and can quickly follow the ozone supply flow rate in accordance with the change in the NOx flow rate of the exhaust gas. Next, a specific configuration of the compact ozone generating means 6 that realizes this object will be described.
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the ozone generating means 6 of the present embodiment. The ozone generating means 6 has a
通路60は、オゾン生成手段6の筐体を構成するコ字断面の通路壁603、604の間に形成され、外側の通路壁604に沿って、図の上下対称位置に、第1の沿面放電装置3Aと第2の沿面放電装置3Bが設置されている。第1の沿面放電装置3Aと第2の沿面放電装置3Bは、それぞれセラミックボディ30の表面に形成された放電電極32と、セラミックボディ30の内部に埋設された誘導電極31を有している。第1、第2の沿面放電装置3A、3Bにおいて、セラミックボディ30表面の放電電極32は、図の手前から奥に至る複数の線として構成され、それら複数の線が電気的に接続されている。
The
第1の沿面放電装置3Aにおいて、放電電極32と誘導電極31は導線33a、33bを介して、装置外部の第1の高電圧発生装置34に接続されている。同様に、第2の沿面放電装置3Bは、導線33a、33bを介して、装置外部の第2の高電圧発生装置36に接続されている。これら導線33a、33bは、接続通路60cの外側の通路壁604を貫通して外部へ取り出され、絶縁部材35によってオゾン生成手段6の筐体とは電気的に絶縁されている。駆動手段となるサブコントローラ37は、コントローラ4からの制御信号に基づいて、これら第1、第2の高電圧発生装置34、36が作動か不作動かの制御および第1、第2の高圧電源発生装置34、36が生成する高電圧パルスの周波数の制御を行なう。
In the first
本実施形態において、空気入口602から流入した空気は、まず、通路壁603と第1の沿面放電装置3Aとの間に形成される通路60aを通る。そして、接続通路60cを通って、通路壁603と第2の沿面放電装置3Bとの間に形成される通路60bを通る。その後、空気は空気出口601から流出する。ここで、高電圧パルスが、オゾン生成手段6の放電電極32と誘導電極31の間に印加されると、放電電極32周辺のセラミックボディ30の表面に沿面放電プラズマが発生し、図2に模式的に示した放電空間部としての沿面放電ゾーン63を生成する。図2では1つの放電電極32についてのみ沿面放電ゾーンを示しているが、印加されるすべての放電電極32において沿面放電ゾーン63が生成する。この沿面放電ゾーン63において空気中の酸素(O2)が励起され、周囲の酸素分子と化学反応を生じてオゾン(O3)が生成される。
In the present embodiment, the air flowing in from the
図3に、第1、第2の高電圧発生装置34、36が生成する高電圧パルスの周波数が低い場合の波形45と高い場合の波形46を模式的に示す。高電圧パルスの周波数は、連続的に制御される。高電圧パルスの時間幅は一定になっており、周波数が低い場合は消費電力が小さく、周波数が高い場合は消費電力が大きくなる。周波数を変化させることは消費電力を変化させていることと等価である。
高電圧パルスの周波数を上げていくとオゾン生成濃度が高まり、周波数を下げるとオゾン生成濃度は低下する。したがって、コントローラ4に入力される各種信号を基に、排気中のNOx流量に応じたオゾン生成濃度となるように、サブコントローラ37で第1、第2の高電圧発生装置34、36を制御するとよい。
FIG. 3 schematically shows a
Increasing the frequency of the high voltage pulse increases the ozone generation concentration, and decreasing the frequency decreases the ozone generation concentration. Therefore, when the sub-controller 37 controls the first and second high-
本実施形態のオゾン生成手段6は、第1の沿面放電装置3Aと第1の高電圧発生装置34に加えて、さらに高濃度のオゾンを効率的に生成するために、第2の沿面放電装置3Bと第2の高電圧電源発生装置36を備えている。第1、第2の高電圧発生装置34、36は独立に制御することができ、比較的低い濃度のオゾンを発生する場合には、第1の沿面放電装置3Aと第1の高電圧電源発生装置34を作動させて、オゾン生成を実施する。さらに、エンジンの加速運転や高負荷運転によって、一時的に多量のNOxが排出され、それを処理するために高濃度のオゾン生成が必要となった場合、加えて第2の沿面放電装置3Bと第2の高電圧電源発生装置36を同時に作動させる。
In addition to the first
本実施形態では、オゾン生成手段6のコ字状の通路60に沿って、上流側に第1の沿面放電装置3Aを、下流側に第2の沿面放電装置3Bを配置している。流入する空気は、第1の沿面放電装置3Aを通過した後に、第2の沿面放電装置3Bを通過するので、オゾン生成のチャンスが2回与えられ、高濃度のオゾン生成が可能となる。したがって、コンパクトな装置構成で、エンジン1の運転状態に応じて作動させる電極面積と電力を変化させ、必要量のオゾンを効率よく生成することができる。
In the present embodiment, along the
本実施形態のオゾン生成手段6は、同一構成の2つの沿面放電装置3A、3Bを対称配置した構成としたが、必ずしもこれに限るものではなく、沿面放電装置を3つ以上としたり、あるいは個々の沿面放電装置の電極面積を変えたりすることもできる。沿面放電装置の総電極面積は、対象とするエンジン1に応じて、必要なオゾン供給流量が得られるように、適宜設定される。
The ozone generating means 6 of the present embodiment has a configuration in which two creeping
<第1実施形態のオゾン流量の制御>
図1、2に示した本実施形態のNOx後処理装置を用いたオゾン供給流量の制御方法について、次に説明する。
図4にコントローラ4に内蔵された制御プログラムの要部を示す。制御プログラムの動作をスタートしたら、まず、ステップ101において、回転数センサ41によって測定される現在のエンジン回転数と、エンジン1の負荷状態を表す噴射量を取り込む。次いで、ステップ102において、エンジン回転数と噴射量に基づいて、図5に示す予めプログラムされているマップから、エンジン1が排出する排気のNO濃度を求める。図5に示されるように、一般に低負荷低回転ではNO濃度が低く、高負荷高回転の運転状態となるほどNO濃度が高くなる。
<Control of Ozone Flow Rate of First Embodiment>
A method for controlling the ozone supply flow rate using the NOx post-treatment device of the present embodiment shown in FIGS.
FIG. 4 shows a main part of the control program built in the controller 4. When the operation of the control program is started, first, in
ステップ103において、吸気流量センサ45で測定される現在の吸気流量と、排気温度センサ42で測定されるDPF21下流の排気温度を取り込む。ステップ104において、吸気流量と排気温度に基づいて、図6Aに示す予めプログラムされているマップから、DPF21を通過した排気中のNOが触媒反応によりNO2に転化する比率を検索する。図6Aに示されるように、一般に吸気流量が小さいほど、また排気温度が高いほど、NO2転化比率が高くなる。
In
ステップ105において、これまで得た情報に基づいて、NOx後処理装置3に流入するNO流量とNO2流量を、次式を用いて計算により求める(NOx流量推定手段)。ここで、エンジン吸気流量>>燃料流量であるとき、排気流量は吸気流量とほぼ等しいという関係を用いて、吸気流量を使用している。
(NO流量)=(吸気流量)×(100−(NO2転化比率))×(エンジン排出NO濃度)/108
(NO2流量)=(吸気流量)×(NO2転化比率)×(エンジン排出NO濃度)/108
In
(NO flow rate) = (intake flow rate) × (100− (NO 2 conversion ratio)) × (engine exhaust NO concentration) / 10 8
(NO 2 flow rate) = (intake flow rate) × (NO 2 conversion ratio) × (engine exhaust NO concentration) / 10 8
次にステップ106に進んで、オゾン目標流量を計算により求める(目標流量決定手段)。オゾン(O3)とNO、NO2、H2OからHNO3ができる反応は、上述した下記の化学反応式(a)〜(d)で示される。
NO+O3 → NO2+O2・・・(a)
NO2+O3 → NO3+O2・・・(b)
NO2+NO3 → N2O5・・・(c)
N2O5+H2O → 2HNO3・・・(d)
以上の化学反応式から、NO:1モルからHNO3:1モルを生成するために、1.5モルのO3を必要とすることが分かる。また、NO2:1モルからHNO3:1モルを生成するために0.5モルのO3を必要とすることが分かる。
Next, the routine proceeds to step 106, where the ozone target flow rate is obtained by calculation (target flow rate determining means). The reaction for producing HNO 3 from ozone (O 3 ) and NO, NO 2 , H 2 O is represented by the following chemical reaction formulas (a) to (d).
NO + O 3 → NO 2 + O 2 (a)
NO 2 + O 3 → NO 3 + O 2 (b)
NO 2 + NO 3 → N 2 O 5 (c)
N 2 O 5 + H 2 O → 2HNO 3 (d)
From the above chemical reaction formula, it can be seen that 1.5 mol of O 3 is required to generate 1 mol of HNO 3 from 1 mol of NO. It can also be seen that 0.5 mol of O 3 is required to produce 1 mol of HNO 3 from 1 mol of NO 2 .
O3(オゾン)は有害な物質であるから、排気に混じって大気に放出されないようにするためには、排気中のNO、NO2の反応に必要な当量のO3を生成して供給することが望ましい。したがって、O3の目標流量は下記の関係式を用いて算出する。
(O3目標流量)’=κ×{1.5×(O3分子量/NO分子量)×(NO流量)+0.5×(O3分子量/NO2分子量)×(NO2流量)}
ここでκは係数値であって、反応が理想的に進むのであればκ=1でよいが、NO、NO2、水分、オゾンの反応は、条件によっては与えられた短時間に完全に反応が進むとは限らない。したがって、κ=1〜2.5の間の数値を選び、オゾン目標流量を決めてもよい。
Since O 3 (ozone) is a harmful substance, in order to prevent it from being released into the atmosphere when mixed with exhaust gas, it generates and supplies an equivalent amount of O 3 required for the reaction of NO and NO 2 in the exhaust gas. It is desirable. Therefore, the target flow rate of O 3 is calculated using the following relational expression.
(O 3 target flow rate) ′ = κ × {1.5 × (O 3 molecular weight / NO molecular weight) × (NO flow rate) + 0.5 × (O 3 molecular weight / NO 2 molecular weight) × (NO 2 flow rate)}
Here, κ is a coefficient value, and if the reaction proceeds ideally, κ = 1 may be used. However, the reaction of NO, NO 2 , moisture, and ozone may be completely reacted in a given time depending on conditions. Does not always advance. Therefore, a numerical value between κ = 1 to 2.5 may be selected to determine the ozone target flow rate.
さらに好適には、次に述べる修正プロセスを追加すると排気の温度変化に対し、安定にオゾンを供給することができる。すなわち、排気温度が比較的高い場合、排気に供給されたオゾンの一部は、時間経過とともにNO、NO2、水分と反応する前に消滅してしまうものが存在する。図6Bは、排気に添加されたオゾンが2秒経過の後に消滅する比率を示している。通常は、冷却手段22によって排気は冷却され、排気温度が100〜180℃となるように制御されている。この場合でも、140℃以上になると無視しえない比率のオゾンの消滅が起こることがわかる。したがって、図6Bに示す関係に基づいて、排気温度に基づきオゾン消滅係数を求め、下記の修正を加える。
(O3目標流量)=(O3目標流量)’/{1−(オゾン消滅係数)}
More preferably, when a correction process described below is added, ozone can be stably supplied with respect to a change in exhaust gas temperature. That is, when the exhaust gas temperature is relatively high, some ozone supplied to the exhaust gas disappears over time before reacting with NO, NO 2 , and moisture. FIG. 6B shows the ratio at which ozone added to the exhaust gas disappears after 2 seconds. Normally, the exhaust is cooled by the cooling means 22 and the exhaust temperature is controlled to be 100 to 180 ° C. Even in this case, it can be seen that when the temperature is 140 ° C. or higher, ozone disappears at a ratio that cannot be ignored. Therefore, based on the relationship shown in FIG. 6B, the ozone extinction coefficient is obtained based on the exhaust temperature, and the following correction is made.
(O 3 target flow rate) = (O 3 target flow rate) '/ {1- (ozone extinction coefficient)}
また、本発明者らの研究によれば、オゾンが供給される排気中に低級な不飽和炭化水素が存在する場合、この低級不飽和炭化水素とオゾンが優先的に反応し、オゾンを消滅させてしまうことを突き止めている。低級不飽和炭化水素は、活性状態にある酸化触媒または酸化触媒を担持したDPF21を通すことによって、浄化されるが、エンジンの低温始動後の暖機運転においては、低級不飽和炭化水素が十分浄化されないおそれがある。この場合、オゾン供給通路61が合流するオゾン供給位置に低級不飽和炭化水素がもたらされ、目的のNO、NO2との反応に供すべきオゾンを奪ってしまうことになる。
したがって、エンジンの運転状態によっては、酸化触媒または酸化触媒を担持したDPF21を通過後の低級不飽和炭化水素がオゾンの消滅を起こすことから、その関係に基づいて、例えば低級不飽和炭化水素の濃度を推定し、その推定値に基づいてオゾン消滅係数を求める手段を設けることもできる。そして、排気温度が高温となった場合に起こるオゾン消滅係数と合わせて合算のオゾン消滅係数を求めて、O3目標流量を求めてもよい。
Further, according to the study by the present inventors, when lower unsaturated hydrocarbons exist in the exhaust gas supplied with ozone, the lower unsaturated hydrocarbons and ozone react preferentially to eliminate ozone. To find out. Lower unsaturated hydrocarbons are purified by passing the oxidation catalyst in an active state or
Therefore, depending on the operating state of the engine, the lower unsaturated hydrocarbon after passing through the oxidation catalyst or the
次にステップ107に進み、オゾン生成手段6に流入する空気流量Gozを求める(ガス流量推定手段)。オゾン生成手段6を単純な固定絞りと見做すと、空気流量Gozは下記(1)式で表される。
[(1):オゾン生成手段6を固定絞りと見做した流量式]
Goz=Coz×Aoz×{2gγ(Poz−Pe)}1/2
ここで、Coz:オゾン生成手段6の等価絞り流量係数
Aoz:オゾン生成手段6の等価の絞り断面積
g :重力の加速度
γ :空気の比重量
Poz:オゾン生成手段6の上流圧力
Pe :排気圧力
Coz、Aoz、gは予め与えられる。
γは、γ=γo×(Poz/Po)×(Ta/To)から求める。
ここで、γo:標準状態の比重量
Po :標準状態圧力
Ta :空気温度
To :標準状態温度
γo、Po、Toは予め与えられる。Taは図示しない空気温度センサから求める。
排気圧力Peは、吸気流量Gaと排気温度Teの関数として与えられるので、図7に示すマップの形で予め関係を記憶させておき、マップから検索する。図7に示すように、一般に、吸気流量Gaが多くまたは排気温度Teが高いほど、排気圧力Peが高くなる。
Next, it progresses to step 107 and calculates | requires the air flow rate Goz which flows in into the ozone production | generation means 6 (gas flow rate estimation means). When the ozone generating means 6 is regarded as a simple fixed throttle, the air flow rate Goz is expressed by the following equation (1).
[(1): Flow rate formula assuming ozone generation means 6 as a fixed throttle]
Goz = Coz × Aoz × {2 gγ (Poz-Pe)} 1/2
Here, Coz: equivalent throttle flow coefficient of ozone generating means 6
Aoz: Equivalent diaphragm cross section of ozone generating means 6
g: Acceleration of gravity
γ: Specific weight of air
Poz: upstream pressure of ozone generating means 6
Pe: Exhaust pressure Coz, Aoz, g are given in advance.
γ is obtained from γ = γo × (Poz / Po) × (Ta / To).
Where γo: specific weight in standard state
Po: Standard state pressure
Ta: Air temperature
To: Standard state temperatures γo, Po, To are given in advance. Ta is obtained from an air temperature sensor (not shown).
Since the exhaust pressure Pe is given as a function of the intake flow rate Ga and the exhaust temperature Te, the relationship is stored in advance in the form of a map shown in FIG. 7 and retrieved from the map. As shown in FIG. 7, in general, the exhaust pressure Pe increases as the intake flow rate Ga increases or the exhaust temperature Te increases.
オゾン生成手段6の上流圧力Pozと空気流量Gozは、(1)式と以下に示す(2)、(3)、(4)式を連立させて解くことができる。
[(2):固定絞り38の流量式]
Gor=Cor×Aor ×{2gγ’(Pi−Poz)}1/2
γ’ =γo×(Pi/Po)×(Ta/To)
ここで、Gor:固定絞り38を通過する流量
Cor:固定絞り38の流量係数
Aor:固定絞り38の断面積
Pi:吸気スロットル17の上流圧力
The upstream pressure Poz and the air flow rate Goz of the ozone generating means 6 can be solved by combining the equation (1) and the following equations (2), (3), and (4).
[(2): Flow rate of fixed throttle 38]
Gor = Cor * Aor * {2g [gamma] '(Pi-Poz)} 1/2
γ ′ = γo × (Pi / Po) × (Ta / To)
Where Gor: flow rate through the fixed
Cor: Flow coefficient of fixed
Aor: cross-sectional area of the fixed
Pi: upstream pressure of
[(3):固定絞り38とオゾン生成手段6間の圧力変化式]
空気流入通路62の途中にあるブロア39は、アイドル運転時のようにコンプレッサ14による過給が行われないときに、排気圧力に打ち勝ってオゾン生成手段6からのオゾンを含む空気を、排気管2aに送るために使用するものであり、過給圧がある状態ではブロア39は停止させている。したがって、一つの容積と見做して立式すると、
(dPoz/dt)×(Voz/R/Ta)=Gor−Goz
ここで、Voz:固定絞り38とオゾン生成手段6間の容積
R :気体定数
[(3): Pressure change equation between fixed
The
(dPoz / dt) × (Voz / R / Ta) = Gor−Goz
Here, Voz: volume between the fixed
R: Gas constant
[(4):コンプレッサ14と吸気スロットル17間の圧力Piの変化式]
固定絞り38から流出する流量Gorは、吸気流量Gaや吸気スロットル17を通過する流量と比べて充分に小さいとすると、下記の関係式を導ける。
(dPi/dt)×(Vi/R/Ta)=Ga−Cth×Ath×{2 gγ”(Pi−Ps)}1/2
γ”=γo×(Pi/Po)×(Ta/To)
ここで、Pi:吸気スロットル17の上流圧力
Ps:吸気圧力
Vi:コンプレッサ14と吸気スロットル17間の容積
Cth:吸気スロットル17の流量係数
Ath:吸気スロットル17の断面積
Cth×Athはスロットル開度センサ44が検出するスロットル開度の関数として求めることができる。吸気流量Gaと吸気圧力Psは吸気流量センサ45と吸気圧力センサ40により検出する。したがって、(4)式からPiを求めることができ、求めたPiを(1)〜(3)式に導入すれば、オゾン生成手段6の上流圧力Pozとオゾン生成手段6に流入する空気流量Gozを求めることができる。
[(4): Formula for changing pressure Pi between
If the flow rate Gor flowing out from the fixed
(DPi / dt) * (Vi / R / Ta) = Ga-Cth * Ath * {2 g [gamma] "(Pi-Ps)} 1/2
γ ″ = γo × (Pi / Po) × (Ta / To)
Where Pi: upstream pressure of the
Ps: Intake pressure
Vi: Volume between the
Cth: Flow rate coefficient of
Ath: Cross-sectional area of the
このように(1)〜(4)式を基礎方程式として、吸気流量Ga、吸気圧力Ps、スロットル開度と排気温度Teを入力して最終的にオゾン生成手段6に流入する空気流量Gozを求める伝達関数モデルを構築し、空気の伝達遅れをシミュレートして過渡運転時においても正しく空気流量Gozを推定することができる。
アイドル運転時のように、過給圧がかからないでブロア39を作動させて空気を送っている場合には、上述したような複雑な空気流量Gozを求めるプロセスは必要ではない。ブロア39によって一定の流量の空気がオゾン生成手段6に送られているとして、オゾン生成手段6に流入する空気流量Gozを求めてもよい。以上のようにして、オゾン生成手段6に流入する空気流量Gozを求め、次のステップ108に進む。
As described above, using the equations (1) to (4) as basic equations, the intake air flow rate Ga, the intake pressure Ps, the throttle opening degree, and the exhaust gas temperature Te are input, and the air flow rate Goz finally flowing into the ozone generating means 6 is obtained. By constructing a transfer function model and simulating air transfer delay, the air flow rate Goz can be estimated correctly even during transient operation.
When the air is sent by operating the
ステップ108において、ステップ106で求めたオゾン(O3)目標流量を、ステップ107で求めたオゾン生成手段6に流入する空気流量Gozで除算することによって、オゾン生成手段6において生成すべきオゾン(O3)生成濃度を算出する(オゾン生成濃度算出手段)。
次にステップ109に進む。現在の大気の湿度として、湿度センサ43が測定した情報を取り込み、湿度レベルに応じて、ステップ108で求めたオゾン生成濃度を修正する(オゾン生成濃度の修正手段)。
図8に、第1の沿面放電装置3Aによってオゾンを生成させた場合の、湿度と周波数、オゾン濃度の関係を示す。図示されるように、湿度が高くなるとオゾン生成濃度は低下する方向にある。いかなる湿度になった場合においても目標のオゾン濃度を正しく生成させるために、図8の特性を基に作った図9の湿度係数−湿度−オゾン濃度の3次元マップによって、そのときのオゾン濃度と湿度から修正のための湿度係数を求め、オゾン濃度に湿度係数を乗じて修正オゾン生成濃度を得る。
In
Next, the routine proceeds to step 109. The information measured by the
FIG. 8 shows the relationship between humidity, frequency, and ozone concentration when ozone is generated by the first
次に判断ステップ110に進み、ステップ109で得た修正オゾン生成濃度が、予め設定した判定値以上か否かを判定する。修正オゾン生成濃度が判定値以上(YES)の場合は、ステップ111に進む。判定値は、第1、第2の沿面放電装置3A、3Bを同時に作動させるか否かを判断するための基準となる値で、図10のマップBに示す第1の沿面放電装置3Aのオゾン生成濃度範囲で、適宜設定される。修正オゾン生成濃度が判定値以上の場合は、図10のマップAに基づいて、対応する周波数を選定する。マップAには、第1、第2の沿面放電装置3A、3Bを同時に作動させた場合の、湿度0%における周波数と生成オゾン濃度の関係がプログラムされている。図10に示されるように、この関係は第1、第2の沿面放電装置3A、3Bを通過する流量によって変わるので、マップAは、修正オゾン生成濃度と流量と周波数の関係を3次元マップで与えるのが望ましい。次にステップ112に進み、求めた周波数で第1、第2の高電圧電源34、36を作動させ、第1、第2の沿面放電装置3A、3Bに所定の高電圧パルスを印加することにより、オゾンを生成させる。
Next, the process proceeds to a
ステップ110において、ステップ109で得た修正オゾン生成濃度が判定値未満(NO)の場合は、ステップ113に進む。ステップ111では、修正オゾン生成濃度から、図10のマップBに基づいて対応する周波数を選定する。マップBは第1の沿面放電装置3Aを作動させた場合の、湿度0%における周波数と生成オゾン濃度の関係をプログラムしてある。なお、沿面放電装置3Aを通過する流量によって関係が変わるので、マップBは、修正オゾン生成濃度と流量と周波数の関係を3次元マップで与えるのが望ましい。次にステップ114に進み、求めた周波数で第1の高電圧電源34を作動させ、第1の沿面放電装置3Aに所定の高電圧パルスを印加することにより、オゾンを生成させる。その後、この一連のプログラムは一旦終了する。予め決められた繰り返しルールにより、このプログラムは繰り返され、時間経過とともにオゾン生成濃度が制御される。
In
本実施形態のオゾン生成手段6は、第1、第2の沿面放電装置3A、3Bに高電圧を印加して放電によってオゾンを生成させる場合、電圧を印加し、放電が始まってからオゾンが生成されるまでの応答遅れは極めて短い。この特性を利用して、応答遅れの大きい空気流量については、伝達関数モデルを作ってその遅れを正確に把握し、オゾン目標流量をその遅れた空気流量で除算することにより、オゾン生成濃度を求めることができる。そのオゾン生成濃度を実現するように、オゾン生成手段6を作動させることによって、オゾン目標流量を、空気流量の遅れの影響を受けることなく供給できるという優れた効果が得られる。別の方法として、オゾン目標流量と空気流量と周波数の関係を3次元マップとして周波数を求める方法を用いてもよい。
The ozone generation means 6 of this embodiment applies ozone to the first and second
また、本実施形態のオゾン生成手段6は、第1、第2の沿面放電装置3A、3Bを通路60に沿って直列に配置し、独立に制御可能である。したがって、一定時間幅の高電圧パルスの周波数を変えることにより、さらに、第1、第2の沿面放電装置3A、3Bによる放電の有無を選択し、これらを任意に組み合わせてオゾン生成を実施することによって、低濃度から高濃度まで広い範囲にわたって要求されるオゾン濃度を実現するオゾン生成手段6を提供することができる。
Moreover, the ozone generation means 6 of this embodiment can arrange | position the 1st, 2nd
また、オゾン生成手段6に流入する空気を、吸気スロットル17の上流から取り入れる空気流入通路32を設けたことによって、O2分圧を高めた、過給された空気を導入できるので、より高濃度のオゾン生成が可能となる。よって、本実施形態のオゾン生成手段6を備えるNOx後処理装置3は、運転状態により変動するNOx排出量に対応し、必要なオゾンを速やかに生成してオゾン供給通路31から排気に供給し、NOxを浄化することができるという優れた効果を得ることができる。
Further, by providing the
この実施形態においては、オゾン生成手段6の第1、第2の沿面放電装置3A、3Bに印加する高電圧パルスの周波数を変えて、生成するオゾン濃度を変化させるようにしたが、他の方法を採用してもよい。ここでは、消費する電力を制御してオゾン濃度を制御するという広義の概念を実施する例として周波数の制御を示しているが、周波数のみに限定するものではない。例えば、周波数に加えて高電圧パルスの電圧値をも可変として、オゾン濃度を変化実現する方法もある。
In this embodiment, the ozone concentration to be generated is changed by changing the frequency of the high voltage pulse applied to the first and second
(第2実施形態)
図11に本発明の第2実施形態を示す。本実施形態のエンジン1およびNOx後処理装置3の基本構成は、図1の第1実施形態と同様であり、異なる部分について主に説明する。図11において、NOx後処理装置3は、排気冷却手段22とNOx吸収手段5の間の排気管2aに合流しオゾン含有空気を吹き込むオゾン供給通路61を有し、吸気スロットル17上流の過給された空気をオゾン生成手段6に取り込む空気流入通路62の途中に、湿気除去手段9と酸素富化空気生成手段(酸素富化手段)8を有している。上流に位置する湿気除去手段9の湿気分離フィルタ91は、分離した湿気を吸気流量センサ45下流の吸気管18に戻す通路92に、下流に位置する酸素富化空気生成手段8は、酸素貧化空気を吸気マニホールド10に戻す通路65に、それぞれ接続されている。
(Second Embodiment)
FIG. 11 shows a second embodiment of the present invention. The basic configurations of the
オゾン生成手段6の直上流には、バキュームポンプ66が配置され、酸素富化空気生成手段8とバキュームポンプ66の間の通路83から分岐する通路64の通路端に、バキュームポンプ入口圧力を測定する圧力センサ67が配置されている。圧力センサ67の測定情報は電気信号に変換されてコントローラ4に送られ、バキュームポンプ66の作動がコントローラ4で制御される。以上説明した空気流入通路62以外の構成は、図1に示した第1実施形態と同じである。
A
湿気除去手段9は、オゾン生成手段6に流入する湿気でオゾンの生成効率が低下するのを抑制する。湿気分離フィルタ91は、湿気を容易に透過し、空気を透過しにくい公知の湿気(水蒸気)透過膜を使ったフィルタであり、空気流入通路62からオゾン生成手段6に流入する空気中の湿気分を分離する。湿気透過膜により分離した湿気分は、コンプレッサ14によって加圧される過給圧を利用して、通路92から吸気流量センサ45の下流に戻している。
The
図12に、酸素富化空気生成手段8の断面図を示す。酸素富化空気生成手段8のカバー筐体81とベース筐体80は一端開口の筒状体で、開口端面を衝合することによって内部空間が形成されている。衝合部の外周フランジ部にはシール材82が配置されて、カバー筐体81とベース筐体80の間を外部から密閉している。酸素富化空気生成手段8の内部空間には、図の上下方向に3個の酸素富化膜エレメント70が積層して配設される。ここでは分かりやすく説明するために中央の1個のみ図示し、他の2個は想像線で描いてある。
酸素富化膜エレメント70は、エレメントベース筐体71とカバーエレメント筐体72、そして両者に挟まれ固定された酸素富化膜73から構成されている。酸素富化膜73は、カバーエレメント筐体72内の上部空間とエレメントベース筐体71内の下部空間との間を区画している。ベースエレメント筐体71には、図の右側部に筒状の突き出し部76が設けてあり、この突き出し部76は、ベース筐体80内を左右に仕切る壁部に空けられた貫通穴75に挿入嵌合されている。嵌合部は突き出し部76外周に装着したシール部材77によって密閉されている。
FIG. 12 shows a cross-sectional view of the oxygen-enriched air generating means 8. The
The oxygen-enriched
カバー筐体81の閉鎖端面(図の左端面)と酸素富化膜エレメント70の間には、空気通路となる空間が形成され、カバー筐体81の上端面に空気入口78が開口している。同様に、ベース筐体80は、貫通穴75を設けた壁部と閉鎖端面の間に空気通路となる空間を有し、ベース筐体80の下端面に空気出口79が開口している。
水蒸気分離フィルタ91によって水蒸気成分が分離された乾いた空気は、空気入口78から酸素富化空気生成手段8の筐体内部に入り、各酸素富化膜エレメント70の左端側に達する。この乾いた空気は、カバーエレメント筐体72の左側面に設けた穴から、エレメント筐体内部に入り、 上部空間内を図の左方から右方に移動する。そして移動中に酸素富化膜73と接触し、空気中に含まれる酸素の一部が透過して下部空間に抜ける。
A space serving as an air passage is formed between the closed end surface (the left end surface in the figure) of the
The dry air from which the water vapor component has been separated by the water
酸素富化膜73を隔てた下部空間は、図11で示したバキュームポンプ66が動作することによって生じた負圧がかかっている。酸素富化膜73の上部空間を図の右方に移動した空気は、酸素の一部が取り除かれているので、酸素貧化空気となっている。この酸素貧化空気は、カバーエレメント筐体72の右側面に設けた穴を抜けて、ベース筐体80の上端面に開口する酸素貧化空気出口85に集められ、図11に示す酸素貧化空気の通路65を通ってエンジンの吸気マニホールド10に送られる。
酸素富化膜73を通って生成された酸素富化空気は、下部空間を図の右方に移動して、ベースエレメント筐体71の右側部から突き出し部76内の貫通した通路74を抜けて酸素富化空気出口79に集められる。そして、図1に示す酸素富化空気の通路83を通ってバキュームポンプ66によって吸引・吐出され、オゾン生成手段6に流入する。
The lower space across the oxygen-enriched
The oxygen-enriched air generated through the oxygen-enriched
図13は、酸素富化膜73を通すことによってどの程度酸素濃度の上昇が可能になるかを表した特性図である。図中の分離係数は、酸素とそれ以外の成分(空気の場合は窒素)が膜を透過する質量速度の比率を表している。ここで分離係数が5ということは、酸素の透過速度が窒素の透過速度の5倍ある透過膜の特性を持っていることを示している。図の横軸は、酸素富化膜73の上下流圧力比、すなわち、下流の酸素分圧を分子に置き、上流の酸素分圧を分母に置いたときの圧力比を対数軸で表している。図の縦軸は、酸素富化膜73の下流に生成する酸素富化空気の酸素濃度を表している。この結果は、圧力比0.1にしたときに、上流の空気の酸素濃度21%に対し酸素富化空気の酸素濃度を53%に高められることを表している。このような酸素富化膜73は、高分子樹脂膜材料を用いて作られるものが好適である。
FIG. 13 is a characteristic diagram showing how much the oxygen concentration can be increased by passing the oxygen-enriched
<第2実施形態のオゾン流量の制御>
図11、12に示した本実施形態のNOx後処理装置を用いたオゾン供給流量の制御方法について、次に説明する。
図14A、14Bに、第2実施形態に適用するコントローラ4に内蔵された制御プログラムの要部を示す。図4の第1実施形態について説明した内容と変わらない部分は説明を省いて、異なる部分の説明を行う。図14Aのステップ201〜206は、図4のステップ101〜105と同じであり、同様にして、各種センサ情報からエンジン1の運転状態を知り、NOx後処理装置3に流入する排気中のNOx流量を算出して、供給するオゾン目標流量を計算により求める。
<Control of Ozone Flow Rate of Second Embodiment>
Next, a method of controlling the ozone supply flow rate using the NOx aftertreatment device of the present embodiment shown in FIGS. 11 and 12 will be described.
14A and 14B show a main part of a control program built in the controller 4 applied to the second embodiment. Parts that are the same as those described in the first embodiment of FIG. 4 are not described, and different parts are described.
図14Aのステップ207において、吸気圧Ps、吸気流量Ga、スロットル開度センサ44が検出するスロットル開度から、酸素富化空気生成手段8の入口圧力Piを求める。酸素富化空気生成手段8の入口圧力Piを求める式は、上述した第1実施形態の(4)式と同じ式を用いることができる。
次にステップ208において、酸素富化空気生成手段の入口圧力Piと出口圧力Pvから酸素富化空気の酸素濃度を求める。
一般に、A気体とB気体の2成分気体の場合、透過後の気体中のA気体モル%yAは下記の式で与えられる(参考:「特許支援流通チャート 気体膜分離装置」1.気体膜分離装置の概要 第4頁:独立行政法人工業所有権総合情報館 発行)。
yA=50[C−{C2−4(xA/100)αAB/γ/(αAB−1)}0.5]
C=[1+{(xA/100)+γ}(αAB−1)]/γ/(αAB−1)
ここで、xA:透過前のA気体モル%
αAB:分離係数
γ:膜上下流圧力比
透過前の酸素濃度21%であるから、分離係数αABと膜上下流圧力比γを上式に入力し、透過後の酸素モル%yAを求め、酸素濃度に換算すれば、酸素富化空気の酸素濃度を求めることができる。
In
Next, at
In general, in the case of a two-component gas of A gas and B gas, A gas mol% y A in the gas after permeation is given by the following formula (Reference: “Patent Assistance Flow Chart Gas Membrane Separator”. Outline of the separation device Page 4: Issued by the Industrial Property General Information Center.
y A = 50 [C- {C 2 -4 (x A / 100) α AB / γ / (α AB −1)} 0.5 ]
C = [1 + {(x A / 100) + γ} (α AB −1)] / γ / (α AB −1)
Where x A : mol% of A gas before permeation
α AB : Separation factor
γ: membrane upstream / downstream pressure ratio Since the oxygen concentration before permeation is 21%, the separation factor α AB and the membrane upstream / downstream pressure ratio γ are input into the above equation to obtain the oxygen mol% y A after permeation, and the oxygen concentration If converted, the oxygen concentration of the oxygen-enriched air can be obtained.
次にステップ209に進み、オゾン生成手段6に流入する酸素富化空気の流量Gozを求める(ガス流量推定手段)。オゾン生成手段6を単純な固定絞りと見做すと、酸素富化空気流量Gozは下記(5)式で表される。
[(5):オゾン生成手段を固定絞りと見做した流量式]
Goz=Coz×Aoz×{2gγe(Poz−Pe)}1/2
ここで、Coz:オゾン生成手段6の等価絞り流量係数
Aoz:オゾン生成手段6の等価の絞り断面積
g :重力の加速度
γe :空気の比重量
Poz:オゾン生成手段6の上流圧力
Pe :排気圧力
Coz、Aoz、gは予め与えられる。
γeは γe=γeo×(Poz/Po)×(Ta/To)から求める。
ここで、γeo:標準状態の比重量
Po :標準状態圧力
Ta :空気温度
To :標準状態温度
γeo、Po、Toは予め与えられる。Taは図示しない空気温度センサから求める。
排気圧力Peは吸気流量Gaと排気温度Teの関数として与えられる。上述した図7に示すマップの形で予め関係を記憶させておき、マップから検索することができる。
Next, the routine proceeds to step 209, where the flow rate Goz of the oxygen-enriched air flowing into the ozone generating means 6 is obtained (gas flow rate estimating means). When the ozone generating means 6 is regarded as a simple fixed throttle, the oxygen-enriched air flow rate Goz is expressed by the following equation (5).
[(5): Flow rate formula considering ozone generation means as fixed throttle]
Goz = Coz × Aoz × {2 gγe (Poz-Pe)} 1/2
Here, Coz: equivalent throttle flow coefficient of ozone generating means 6
Aoz: Equivalent diaphragm cross section of ozone generating means 6
g: Acceleration of gravity
γe: Specific weight of air
Poz: upstream pressure of ozone generating means 6
Pe: Exhaust pressure Coz, Aoz, g are given in advance.
γe is obtained from γe = γeo × (Poz / Po) × (Ta / To).
Where γeo: specific weight in standard state
Po: Standard state pressure
Ta: Air temperature
To: Standard state temperature γeo, Po, To are given in advance. Ta is obtained from an air temperature sensor (not shown).
The exhaust pressure Pe is given as a function of the intake flow rate Ga and the exhaust temperature Te. The relationship can be stored in advance in the form of the map shown in FIG. 7 and retrieved from the map.
オゾン生成手段6の上流圧力Poz、酸素富化空気流量Gozは、(5)式と以下に示す(6)式、(7)式を連立させて解くことができる。
[(6):バキュームポンプ66の吐出流量Gp]
Gp=γe×(Pv/Po) ×(Ta/To) ×Vp×{1+Cp−Cp(Poz/Pv)1/κ}×Np
ここで、Pv:酸素富化空気生成手段8の下流圧力
Vp:1回転当りのポンプ吸込み容積
Cp:ポンプ締切比
Poz:オゾン生成手段上流圧力
κ:比熱比
Np:ポンプ回転数
Vp、Cp、κは予め与えられ、ポンプ回転数Npは一定と与える。
[(7):バキュームポンプ66とオゾン生成手段6間の圧力変化式]
(dPoz/dt)×(Voz/R/Ta)=Gp−Goz
ここで、Voz:バキュームポンプ66とオゾン生成手段6間の容積
R :気体定数
The upstream pressure Poz and the oxygen-enriched air flow rate Goz of the ozone generating means 6 can be solved by combining the equation (5) with the following equations (6) and (7).
[(6): Discharge flow rate Gp of vacuum pump 66]
Gp = γe × (Pv / Po) × (Ta / To) × Vp × {1 + Cp−Cp (Poz / Pv) 1 / κ } × Np
Where Pv: downstream pressure of the oxygen-enriched air generating means 8
Vp: Pump suction volume per rotation
Cp: Pump cutoff ratio
Poz: Ozone generating means upstream pressure
κ: Specific heat ratio
Np: Pump speed Vp, Cp, and κ are given in advance, and the pump speed Np is given to be constant.
[(7): Pressure change equation between
(DPoz / dt) × (Voz / R / Ta) = Gp−Goz
Here, Voz: volume between the
R: Gas constant
次にステップ210に進み、ステップ206で求めたオゾン目標流量を、ステップ209で求めた酸素富化空気流量Gozで除算することにより、オゾン生成濃度を求める(オゾン生成濃度算出手段)。
ステップ211において、ステップ208で求めた酸素富化空気の酸素濃度から酸素富化係数を求め、オゾン生成濃度の修正を行う(オゾン生成濃度の修正手段)。図15に酸素濃度と酸素富化係数の関係を示す。酸素富化空気生成手段8により、流入する空気の酸素濃度が増すと、オゾン生成手段6において同じ高電圧パルス周波数を与えても、生成するオゾン濃度は大気(酸素濃度21%)を与えている場合よりも増加する。したがって、図15に示すように、大気の酸素濃度21%で作動される場合を富化係数1とし、酸素濃度21%よりも高い濃度で作動される場合は、1よりも小さい酸素富化係数を掛け合わせて補正する必要がある。酸素濃度が80%以上の場合は、酸素濃度21%の場合に対し2倍のオゾン濃度のオゾン含有空気を生成させることができるので、酸素富化係数0.5を与えている。ステップ210で求めたオゾン生成濃度を、酸素富化係数により補正することで、修正オゾン生成濃度を求める。
Next, proceeding to step 210, the ozone generation concentration is determined by dividing the ozone target flow rate determined in
In
次に、図14Bの判断ステップ212に進み、修正オゾン生成濃度が所定値以上か否かを判定する。これ以降のステップ213〜216は、図4のステップ110〜114に対応するもので、既に述べた第1実施形態の場合と同様となるので、説明を省略する。
Next, the process proceeds to a
以上述べたように、第2実施形態では、湿気除去手段9の湿気分離フィルタ91によって空気中の湿気成分を減じ、乾燥した空気をオゾン生成手段6に導入することにより、高濃度のオゾンを安定して生成できる利点が得られる。また、酸素富化空気生成手段8を用いて高酸素濃度の空気をオゾン生成手段6に送ることにより、さらに高濃度のオゾン生成を可能にすることができ、その分小型で搭載性のよいNOx後処理装置3を設計することが可能になる。
As described above, in the second embodiment, the moisture component in the air is reduced by the
本実施形態においても、放電開始からオゾン生成までの応答遅れが極めて短い放電プラズマの特性を利用して、運転状態の変化に追従して応答性よく、要求されるオゾン生成濃度を実現できる。また、応答遅れの大きい空気流量については、伝達関数モデルによりその遅れを正確に把握してオゾン生成濃度を求め、さらに酸素富化空気の酸素濃度によってオゾン生成濃度を修正することができる。その修正されたオゾン生成濃度を実現するように、オゾン生成手段6を作動させることによって、オゾン目標流量を、空気流量の遅れの影響を受けることなく供給し、NOxを浄化するという優れた効果を得ることができる。 Also in the present embodiment, the required ozone generation concentration can be realized with good responsiveness following the change in the operating state by utilizing the characteristics of the discharge plasma that has a very short response delay from the start of discharge to the generation of ozone. For an air flow rate with a large response delay, the ozone generation concentration can be obtained by accurately grasping the delay by the transfer function model, and the ozone generation concentration can be corrected by the oxygen concentration of the oxygen-enriched air. By operating the ozone generation means 6 so as to realize the corrected ozone generation concentration, the ozone target flow rate is supplied without being affected by the delay of the air flow rate, and the excellent effect of purifying NOx is obtained. Can be obtained.
本発明のエンジン用NOx後処理装置の制御装置は、小型で低コストであり、環境温度や運転状態の変化が大きいエンジンであっても高い浄化性能を有するので、使用環境が厳しくスペース的な制約の大きい車両用エンジンに好適に使用されるが、車両用またはディーゼルエンジンに限らず任意のエンジンに適用することができる。 The control device for the NOx aftertreatment device for an engine according to the present invention is small and low cost, and has high purification performance even in an engine having a large change in environmental temperature and operating condition. However, the present invention can be applied to any engine, not limited to a vehicle or a diesel engine.
1 エンジン
18 吸気管(吸気通路)
2、2a 排気管(排気通路)
21 DPF(フィルタ手段)
3 NOx後処理装置
31 オゾン供給通路
32 空気流入通路
37 サブコントローラ(駆動手段)
4 コントローラ(制御装置)
5 NOx吸収手段
6 オゾン生成手段
8 酸素富化空気生成手段(酸素富化手段)
9 湿気除去手段
91 湿気分離フィルタ
1
2, 2a Exhaust pipe (exhaust passage)
21 DPF (filter means)
3
4 Controller (control device)
5 NOx absorption means 6 Ozone generation means 8 Oxygen-enriched air generation means (oxygen enrichment means)
9 Moisture removal means 91 Moisture separation filter
Claims (10)
排気中のNOとNO2流量を推定し、推定したNOとNO2の合計流量に対応させてオゾン目標流量を決定し、決定した目標流量となるように上記オゾン生成手段を作動させて生成したオゾンを排気中に添加し、このオゾンと排気中のNOとNO2と水分によって生成したHNO3を排気から除去することを特徴とするオゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置の制御方法。 A control method for an engine NOx aftertreatment device (3) including ozone generating means (6) for supplying ozone to exhaust from the engine (1),
The NO and NO 2 flow rates in the exhaust gas are estimated, the ozone target flow rate is determined according to the estimated total flow rate of NO and NO 2 , and generated by operating the ozone generating means so as to be the determined target flow rate A control method for a NOx aftertreatment device for an engine including an ozone generating means, wherein ozone is added to exhaust gas, and HNO 3 generated by the ozone, NO, NO 2 and moisture in the exhaust gas is removed from the exhaust gas.
上記排気通路を流通する排気中のNOとNO2流量を推定するNOx流量推定手段(ステップ105、205)と、
上記NOx流量推定手段により推定したNOとNO2の合計流量に対応させて、オゾン目標流量を決定する目標流量決定手段(ステップ106、206)と、
上記目標流量決定手段で決定したオゾン目標流量となるように、上記オゾン生成手段を作動させる駆動手段(37)とを備え、
上記オゾン生成手段で生成したオゾンを上記オゾン供給通路から排気中に添加し、添加したオゾンと排気中のNOとNO2と水分によって生成したHNO3を上記NOx吸収手段に吸収させて除去することを特徴とするオゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置の制御装置。 An ozone supply passage (31) connected to the exhaust passage (2) of the engine and an air inflow passage (32) connected to the intake passage (18), including ozone generating means for generating ozone from the inflowing air; A control device (4) for a NOx aftertreatment device for an engine that causes the NOx absorption means (5) to absorb a reaction product of NOx and ozone,
NOx flow rate estimating means (steps 105 and 205) for estimating NO and NO 2 flow rates in the exhaust gas flowing through the exhaust passage;
Target flow rate determination means (steps 106 and 206) for determining the ozone target flow rate in correspondence with the total flow rate of NO and NO 2 estimated by the NOx flow rate estimation means;
Drive means (37) for operating the ozone generation means so as to be the ozone target flow rate determined by the target flow rate determination means,
The ozone generated by the ozone generating means is added to the exhaust gas from the ozone supply passage, and HNO 3 generated by the added ozone, NO, NO 2 and moisture in the exhaust gas is absorbed by the NOx absorbing means and removed. A control device for an NOx aftertreatment device for an engine including ozone generating means.
上記NOx流量推定手段は、排気中のNOとNO2流量を、エンジンから排出される排気中のNO濃度推定値と、エンジン吸気流量と、上記酸化触媒または酸化触媒を担持したフィルタ手段の温度または排気温度を用いて推定したNO推定流量とNO2推定流量として求める請求項2記載のオゾン生成手段を含むエンジン用NOx後処理装置の制御装置。 Filter means (21) carrying an oxidation catalyst or an oxidation catalyst is arranged upstream of the exhaust passage where the ozone supply passage joins,
The NOx flow rate estimating means includes the NO and NO 2 flow rates in the exhaust gas, the NO concentration estimated value in the exhaust gas exhausted from the engine, the engine intake flow rate, the temperature of the filter means carrying the oxidation catalyst or the oxidation catalyst, or The control device for the NOx aftertreatment device for an engine including the ozone generation means according to claim 2, which is obtained as an estimated NO flow rate and an estimated NO 2 flow rate estimated using the exhaust gas temperature.
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