JP2015512011A - ディーゼルエンジンの効率的な排出制御のための電気加熱アシスト受動再生および能動再生 - Google Patents

Abstract

ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）とディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）を備える排ガス後処理システムにおける排ガスを加熱する方法を提供する。前記方法は、前記ＤＰＦが能動再生していないとき所定温度まで前記排ガスを加熱して前記ＤＯＣのＮＯ２生成を増やすステップ、前記ＤＰＦが能動再生しているとき前記排ガスを加熱して排ガス温度勾配を減少させるステップ、を有する。前記排ガス温度勾配は、排気管の壁近傍においてより多くの熱を提供し、前記排気管の中心近傍においてより少ない熱を提供することにより、減少される。【選択図】図２

Description

本願は、２０１２年２月２２日に出願された米国仮特許出願第６１／６０１，９２３号、発明の名称「Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｈｅａｔｉｎｇ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｐａｓｓｉｖｅ ａｎｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｏｆ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅｓ」の利益を主張する。その内容は参照により全体が本願に組み込まれる。

本発明は、ディーゼルエンジン用の排ガス後処理システムに関する。特に、排ガス後処理システムにおけるアシスト加熱を提供するための電気加熱および制御に関する。

本背景技術は、本願の文脈を一般的に提示するためのものであり、従来技術を提示するものではない。

ディーゼルエンジンは、例えば機関車、船舶、エンジン発電機など様々な用途において用いられている。米国環境保護庁（ＥＰＡ）およびカリフォルニア大気資源局（ＣＡＲＢ）は、世界の他の規制機関と同様に、ディーゼルエンジンからの排出物に厳密な制約を課している。ここでいう排出物は例えば、粒子状物質（ＰＭ）、炭化水素（ＨＣ）、ＮＯｘである。したがって排ガス後処理システムが用いられている。このシステムは一般に、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、ディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）、ＳＣＲ（ＮＯｘの選択的接触還元設備）を備え、排ガスを処理して大気または外部環境に対する排出を制御している。

ＤＯＣとＳＣＲでは様々な化学反応が起こり、有害な窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、および未燃炭化水素（ＨＣ）を、Ｎ_２、ＣＯ_２、および水へ変換する。ＤＰＦは、排ガスからディーゼル粒子状物質（ＰＭ）を除去するように設計されている。通常これらの化学反応は、高温度において起こる。触媒を用いると、この化学反応をはるかに低い温度で起こすことができる。しかしそれでも、化学反応を促進するためには、十分なエネルギーを熱の形態で触媒に対して供給しなければならない。したがって、排ガス後処理システムの性能は、触媒に対して所望のエネルギーと熱を運搬する排ガスの温度に高度に依拠している。しかし排ガスの通常温度は、所望する化学反応の要件を常に満たすわけではない。通常の排ガス温度が目標温度よりも低い場合、排ガス後処理システムは排ガスを効率的に処理することができず、外部環境に対してより多くの排出をなしてしまう。

排ガス温度を上げる１手法は、排気工程の間に排気管内またはシリンダー内においてＤＯＣから炭化水素を上流へ噴射することによるものである。この手法は燃料消費を増やし、さらに排ガスの組成を変化させる。例えば排ガスにおいて燃料が噴射されると、ＤＯＣにおけるＮＯ_２の生成が著しく減少する。ＮＯ_２は、通常よりもはるかに低い温度範囲におけるＤＰＦの受動再生にとって有用な反応剤である。したがってＮＯ_２の生成が減少すると、ＤＰＦの受動再生に悪影響を及ぼす。

１形態において、排ガス後処理システムにおける電気ヒータを制御するヒータ制御モジュールを提供する。排ガス後処理システムは、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）とディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）を備える。ヒータ制御モジュールは、加熱モード判定モジュールとヒータ操作モジュールを備える。加熱モード判定モジュールは、エンジン負荷とＤＰＦの状態に基づき、複数の加熱モードから所望の加熱モードを選択する。ヒータ操作モジュールは、所望の加熱モードに基づき電気ヒータを操作する。

別形態において、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）とディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）を備える排ガス後処理システムにおける排ガスを加熱する方法を提供する。本方法は、ＤＰＦが能動的に再生しておらずエンジン負荷が低いとき排ガスを所定温度まで加熱してＤＯＣにおけるＮＯ_２の生成を増やすステップ、ＤＰＦが能動再生しているとき排ガスを加熱して排出温度勾配を減少させるステップ、を有する。ＮＯ_２の生成を増加させることにより、ＤＰＦの受動再生を促進する。排出温度勾配は、排気管の壁近傍により多くの熱を提供するとともに排気管の中央近傍により少ない熱を提供することにより、減少する。ＤＰＦの能動再生の効率は、熱を必要とする。ＤＰＦの能動再生は、ＤＰＦの周辺チャネルにおいてＰＭをより効率的に燃焼させることにより向上できる。

添付する図面は本明細書の一部を形成し、本発明の複数の側面を示す。また本明細書と併せて本発明の原理を説明する。図面内の部品は必ずしもスケールを合わせていない。

本発明に基づき構築された加熱モジュールを備えるエンジンシステムの概略図である。

本発明に基づき構築された加熱モジュールの概略図である。

ＮＯ_２濃度と触媒温度との間の関係を示すグラフである。

電気ヒータの概略図である。

電気ヒータを操作するための加熱戦略を示すグラフである。

複数のエンジン負荷における排ガスの特性を示すテーブルである。

本発明に基づき構築された加熱モジュールを備えるエンジンシステムの他形態の概略図である。

以下の説明は本質的に例示に過ぎず、本発明、そのアプリケーション、または用途を限定する意図ではない。方法におけるステップは、本発明の原理を原稿することなく異なる順番で実施できることを理解されたい。

図１において、エンジンシステム１０は、ディーゼルエンジン１２、発電機１４、ターボチャージャー１６、排ガス後処理システム１８を備える。大気に対して排出される前にディーゼルエンジン１２からの排ガスを処理するため、排ガス後処理システム１８はターボチャージャー１６の下流に配置されている。排ガス後処理システム１８は、加熱モジュール２０、ＤＯＣ２２、ＤＰＦ２４、ＳＣＲ２６を備える。加熱モジュール２０は、ＤＯＣ２２の上流に配置された電気ヒータ２８、電気ヒータ２８の動作を制御するヒータ制御モジュール３０を備える。排ガス後処理システム１８は、電気ヒータ２８を収容する上流排気管３２、ＤＯＣ２２とＤＰＦ２４を収容する中間排気管３４、ＳＣＲを配置する下流排気管３６を備える。

ＤＯＣ２２は、電気ヒータ２８の下流に配置され、排ガス内の一酸化炭素および未燃炭化水素に対する触媒として機能する。またＤＯＣ２２は、有害な窒素酸化物（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）へ変換する。ＤＰＦ２４は、ＤＯＣ２２の下流に配置され、排ガス内のディーゼル粒子状物質（ＰＭ）または煤を除去する。ＳＣＲ２６は、ＤＰＦ２４の下流に配置され、触媒によって窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）と水へ変換する。尿素水溶液インジェクタ２７は、ＤＰＦ２４の下流かつＳＣＲ２６の上流に配置され、排ガス流に対して尿素水溶液を噴射する。尿素水溶液がＳＣＲ１８において還元剤として用いられると、ＮＯｘは以下の反応により、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２へ還元する：
４ＮＯ＋２（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｏ_２→４Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋２ＣＯ_２

電気ヒータ２８は、排気管３２、３４、３６を流れる排ガスのアシスト加熱を提供する。発電機１４はディーゼルエンジン１２に接続され、起動時に予備的にディーゼルエンジン１２を駆動し、通常エンジン動作において電気ヒータ３４に対して電力を供給する。ヒータ制御モジュール３０は、電気ヒータ２８を複数の加熱モードにおいて戦略的に制御し、ＤＰＦ２４の能動再生と受動再生を促進する。

再生は、ＤＰＦ２４から蓄積した微粒子を燃焼し除去するプロセスである。再生は、受動的に起こる場合もあるし、能動的に起こる場合もある。受動再生は、排ガス温度が十分高いとき、通常エンジン動作において生じ得る。能動再生は、監視したＤＰＦ条件に基づき、または排ガス後処理システム１０に対して非常に高い熱を供給することによる所定タイミングスケジュールに基づき、生じ得る。能動再生は、適切なエンジン制御管理によって後燃料噴射または爆発工程における噴射を用いて排ガス温度を上昇させることにより、実現することができる。能動再生は受動再生よりもはるかに多くの熱を必要とし、したがってＤＰＦ２４のセラミック構造がひび割れる危険があり、また触媒コートの寿命を減少させる。

図２において、ヒータ制御モジュール３０は、エンジン負荷とＤＯＦ２４の状態に基づき電気ヒータ２８の動作を戦略的に制御し、ＤＰＦの能動再生と受動再生の双方においてアシスト加熱を提供する。ヒータ制御モジュール２４は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）（図示せず）の一部であってもよいし、ＥＣＵ外に設けてもよい。ＥＣＵは特に、ディーゼルエンジン１２の動作と燃料噴射システム（図示せず）を制御し、エンジン動作状態に関する様々なパラメータを取得および保存する。エンジン動作状態は、排気温度、ディーゼルエンジン負荷、流体状態（空気流、空気圧など）を含むが、これらに限らない。ヒータ制御モジュール３０は、ＥＣＵからの入力を受け取り、電気ヒータ２８をどのように動作させるかについて適切に判定する。制御モジュールはまた、スタンドアロン後処理制御システムからの情報を受け取る。

ヒータ制御モジュール３０は、加熱モード判定モジュール３２とヒータ操作モジュール３３を備える。ヒータ操作モジュール３３は、受動再生加熱モジュール３４と能動再生加熱モジュール３６を備える。電気ヒータ２２は、２つの動作モードで動作することができる：受動再生加熱モードと能動再生加熱モードである。加熱モード判定モジュール３２は、エンジン負荷とＤＰＦ２４の状態に基づき、望ましい加熱モードを判定する。ＤＰＦ２４が能動再生している場合、望ましい加熱モードは能動再生加熱モードである。ＤＰＦ２４が能動再生しておらずエンジン負荷が低い場合（例えば１０％）、望ましい加熱モードは受動再生加熱モードである。加熱モード判定モジュール３２は、加熱モード間の相関、期間、エンジン負荷、および望ましい排気温度上昇を指定する加熱戦略を有することができる。加熱モード判定モジュール３２はまた、通常エンジン動作において電気ヒータ２８を起動または停止すべきタイミングを判定する。加熱モード判定モジュール３２の判定に応じて、ヒータ操作モジュール３３は電気ヒータ２８を動作させる。

受動再生加熱モードにおいて、電気ヒータ２８は、ＤＯＣ２２のＮＯ_２生成を最適化する所定温度まで排気ガスを加熱するように制御される。ＮＯ_２は、ＤＰＦ２４の受動再生にとって有用な反応剤である。ＮＯ_２生成を増やすことにより、ＤＰＦ２４の受動再生を促進することができる。能動再生加熱モードにおいて、電気ヒータ２８は、排気ガスを異なる態様で加熱して排気管を通じた排ガス温度勾配を減少させるように制御される。温度勾配が少なくなると、能動再生をより効率的にすることができる。

受動加熱モードが望ましいと加熱モード判定モジュールが判定すると、受動再生加熱モジュール３４は電気ヒータ２８を制御して、排ガスを所定温度まで加熱する。受動再生加熱モジュール３４は、排ガス温度と所定温度に基づき、望ましい温度上昇を算出し判定する。排ガス温度は、ＥＣＵからの入力や温度センサから得ることができる。所定温度は、ＤＯＣ１４内の触媒の特性に依拠し、ＮＯ_２生成を最適化するようにセットされる。

図３において、ＤＯＣ１４排気口におけるＮＯ_２濃度は、排ガス温度に依拠する。ＢＡＳＦ ＤＯＣ触媒においては、触媒温度が３００〜４６０℃の範囲であるとき、特に３２０〜３８０℃の範囲であるとき、ＮＯ_２濃度は比較的高い。したがって、所定温度は３００〜４６０℃の範囲にセットされ、より望ましくは３２０〜３８０℃の範囲にセットされる。電気ヒータ２８が排ガスを所定温度まで加熱すると、最適な量のＮＯ_２が生成され、ＤＰＦ２４の受動再生を促進する。ＤＰＦの広範な受動再生により、粒子状物質がより低い速度でＤＰＦ上に蓄積され、これにより能動再生の頻度を減少させる。その結果、ＤＰＦセラミックのひび割れや能動再生にともなう高加熱（一般に５００〜６５０℃の範囲）による触媒劣化の可能性が減じられる。

再び図２に戻って、ＤＰＦ２４が能動再生しているとき、望ましい加熱モードは能動再生加熱モードである。能動再生加熱モジュール３６は、電気ヒータ２８を制御して排ガスに対する差動加熱を提供する。電気ヒータ２２は、電気ヒータ外周に沿ってより多くの熱を生成し、排気管の中心においてより少ない熱を生成する。

排気管は一般に、管の中心軸に沿って比較的高い温度を有し、管壁近傍において比較的低い温度を有している。ＤＰＦ２４全体で効率的に能動再生を実施するため、排気管壁周辺の排ガスを望ましい能動再生温度まで加熱する必要がある。排気管の断面を交差する温度勾配に起因して、排気管の中心近傍における排ガスが不要に過加熱され、ＤＰＦ２４の中心部が高加熱されてひび割れのリスクが高まる。温度勾配を減少させるように電気ヒータ２８を動作させることにより、望ましい能動再生温度まで排ガスを加熱する際に必要な熱がより少なくなる。したがって。ＤＰＦ中心における過加熱の可能性とこれにともなう問題が減じられる。

図４において、電気ヒータ２８の実施例を示す。電気ヒータ２８は、中心近傍における低ワット密度ゾーン４０と、電気ヒータ２８外周に沿った高ワット密度ゾーン４２を有する。電気ヒータ２８は、排気管全体にわたって差動加熱を提供することができる。

電気ヒータ２８は、発電機３２によって電力を供給される。発電機３２は、エンジン起動時にディーゼルエンジン３０を駆動する。ディーゼルエンジン３０が起動して自身で動作し始めた後、発電機３０はディーゼルエンジン３０によって駆動され、他の電子部品や電気デバイスへ供給する電力を生成する。低エンジン負荷動作時に他の電気電子システムへ電力を供給する必要がないとき、加熱戦略により、利用可能な電力生成能力を用いることができる。

図５において、加熱モード判定モジュール３２は、加熱モード間の相関、排ガス温度上昇、およびエンジン負荷を指定する加熱戦略を有する。例示する図に示すように、エンジン負荷が低くＤＰＦ背圧が中〜高の範囲であるとき、目標排ガス温度上昇（デルタ）は低く、電気ヒータ２８は受動再生モードで動作する。例えば、ディーゼルエンジン３０が１０％負荷程度の低負荷状態で動作するとき、電気ヒータ２２は受動再生加熱モードとなる。電気ヒータ２２が発電機３２から要求する電力は少ない。望ましい温度上昇（デルタ）は能動再生時よりも小さく、エンジン負荷が小さいのでディーゼルエンジン３０から生成される排ガスが少ないからである。

エンジン負荷が例えば１０％から２５％、５０％、７５％へと増加し続けると、電気ヒータ２２はＯＦＦされる。ＤＰＦの能動再生は、エンジン負荷が小さいとき、または少ない排気流を加熱することによる利点を得るための所定スケジュールに基づき、開始される。ＤＰＦが能動再生しているとき、例えばエンジン負荷２５％のとき、電気ヒータはＯＮされ、能動再生加熱モードで動作して差動加熱を提供する。能動再生が完了し、エンジン負荷が増加し始めると、電気ヒータ２８はＯＦＦされる。

図６において、テーブルは複数の負荷状態における排ガス成分を示す。図示するように、ディーゼルエンジンが１０％負荷状態の下で動作するとき、排ガスは最も小さい排気流（１９２５ｃｆｍ）を示し、大型ディーゼルエンジンの発電機セットタイプの５負荷状態のなかで最も多いＮＯｘ（６．８ｇ／ｂｈｐ−ｈｒ）が得られる。例えば、排ガス温度が２３５Ｃ（４５５Ｆ）からＤＯＣのＮＯ_２生成にとって望ましい３２０〜３８０℃の範囲の温度へ上昇すると、このエンジン負荷状態において得られる多量のＮＯｘにより、ヒータ下流のＤＯＣは最大量のＮＯ_２を生成する。ＮＯ_２は、ＤＯＣ下流のＤＰＦの粒子状物質を最大速度で受動的に酸化する。また、デルタＴ上昇はわずか８５℃であり、これはデルタＴが３５０℃である能動再生と比較して、エネルギー消費を最小化する。

この発電機セットにおける流量８１．６ｋｇ／ｍｉｎの１０％負荷状態において、排ガスを加熱するために１２１ＫＷが必要であり、デルタＴ上昇は８５℃である。流量１３７．３ｋｇ／ｍｉｎの２５％負荷状態において、排ガスを５５０℃まで加熱するために４５０ＫＷが必要である。

ＧＥ機関車エンジンの流量５４．８ｋｇ／ｍｉｎのノッチ１状態において、排ガスを加熱するために７３ＫＷが必要であり、温度上昇（デルタ）は７６℃から３５５℃である。同じノッチ１状態において排ガスを６０７℃まで加熱するために３１５ＫＷが必要である。

広範な受動再生により、ＤＰＦ１６上における煤とＰＭの蓄積とともに、ＤＰＦの背圧が減じられる。その結果、能動再生の期間と頻度が大幅に減じられ、これにより高価なＤＰＦの耐用性を高めることができる。本発明の電気加熱戦略は、燃料噴射ベースの能動再生を置き換えることができる。

図６において、本発明の加熱モジュール２０は、動作中に電力を生成できる全てのディーゼルエンジンに対して適用される。望ましくは、低デューティサイクルにおいてＮＯｘエンジン排出が多い非ＥＧＲディーゼルエンジンに対して適用される。図示するように、加熱モジュール２０は触媒ＤＰＦのみの排気システムに対して適用することができるとともに、ＤＯＣ５２とＤＰＦ５４を備えＳＣＲを有さない排ガス後処理システム５０に対して適用することができる。

本発明の加熱モジュール２０は、少なくとも以下の利点を有する：

１．低負荷時にディーゼル発電機、船舶エンジン、または機関車の他動作がエンジン排出制御システムの一部であるＤＰＦの受動再生をアシストする必要がないとき、電力生成能力を利用する。

２．ディーゼル燃料噴射ベース能動再生の頻度を少なくし、エンジン動作の燃料経済性を高める。

３．加熱アシスト受動再生によって蓄積するＤＰＦ動作にともなう煤を減少させ、動作背圧を全体的に最小化する。

４．加熱アシスト受動再生を通じて煤が過剰に蓄積した過剰再生によって生じるＤＰＦひび割れリスクを減少させる。

５．システムの排ガス温度を均一にすることにより、排ガス後処理システムの性能を改善する。

本発明は、ガス流の一部をより間接的に加熱する方法を含む。例えばシステムは、ガス流断面内の低温度部分を検出し、必要な個所へ熱を提供して温度分布をより均一にし、熱損失を補償する。また、ガスストリーム断面全体を再生するために入手可能なものよりも多くの電力を必要とするシステムについて、システムは複数時刻において特定のセクションまたはゾーンで再生を実施することができる。この本発明の代替形態も、対応するガス流断面をゾーン加熱するヒータタイプを有する。例えば多層ヒータやモジュラー熱トレースヒータである。これらは米国特許出願第１１／２３８，７４７号「Ｍｏｄｕｌａｒ Ｌａｙｅｒｅｄ Ｈｅａｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ」および米国特許第７，６２６，１４６号「Ｍｏｄｕｌａｒ Ｈｅａｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ」に記載されている。これらの内容はともに参照によってその全体が本願に組み込まれる。

本発明の様々な教示は、様々な形態で実装することができる。したがって、本明細書は特定の実施例を開示しているが、本発明の範囲はそのように限定すべきではない。特許請求範囲により変形例が明らかだからである。

Claims (16)

1. ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）とディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）を備える排ガス後処理システム内の電気ヒータを制御するヒータ制御モジュールであって、
   エンジン負荷と前記ＤＰＦの状態に基づき複数の加熱モードから望ましい加熱モードを選択する加熱モード判定モジュール、
   前記望ましい加熱モードに基づき前記電気ヒータを動作させるヒータ操作モジュール、
   を備えることを特徴とするヒータ制御モジュール。
2. 前記複数の加熱モードは、受動再生加熱モードと能動再生加熱モードを含む
   ことを特徴とする請求項１記載のヒータ制御モジュール。
3. 前記電気ヒータは、前記ＤＰＦが能動再生しているとき、前記能動再生加熱モードで動作して差動加熱を提供する
   ことを特徴とする請求項２記載のヒータ制御モジュール。
4. 前記電気ヒータは、前記能動再生加熱モードで動作して排気管を交差する温度勾配を減少させる
   ことを特徴とする請求項３記載のヒータ制御モジュール。
5. 前記電気ヒータは、前記ＤＰＦが能動再生していないとき、前記受動再生加熱モードで動作して排ガスを所定温度まで加熱しＮＯ_２生成を増やす
   ことを特徴とする請求項１記載のヒータ制御モジュール。
6. 前記電気ヒータは、前記エンジン負荷が低いとき、前記受動再生加熱モードで動作する
   ことを特徴とする請求項５記載のヒータ制御モジュール。
7. 前記低いエンジン負荷は、約１０％である
   ことを特徴とする請求項６記載のヒータ制御モジュール。
8. 前記所定温度は、前記ＤＯＣの触媒特性に依拠する
   ことを特徴とする請求項５記載のヒータ制御モジュール。
9. 前記所定温度は、３００〜４６０℃の範囲である
   ことを特徴とする請求項８記載のヒータ制御モジュール。
10. 前記所定温度は、３２０〜３８０℃の範囲である
    ことを特徴とする請求項８記載のヒータ制御モジュール。
11. ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）とディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）を備える排ガス後処理システムにおける排ガスを加熱する方法であって、
    前記ＤＰＦが能動再生していないとき、所定温度まで排ガスを加熱するステップ、
    前記ＤＰＦが能動再生しているとき、前記排ガスを加熱して排ガス温度勾配を減少させるステップ、
    を有することを特徴とする方法。
12. 前記所定温度は、前記ＤＯＣの特性に依拠する
    ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記ＤＰＦが能動再生していないとき、前記ＤＯＣの排出口におけるＮＯ_２濃度を増やすステップを有する
    ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
14. 前記所定温度は、３００〜４６０℃の範囲である
    ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
15. 前記所定温度は、３２０〜３８０℃の範囲である
    ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
16. 排気管の壁近傍においてより多くの熱を提供し、前記排気管の中心近傍においてより少ない熱を提供して、前記排ガス温度勾配を減少させるステップを有する
    ことを特徴とする請求項１１記載の方法。

Images