JP3615911B2 - ディーゼル機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス通路のＮＯｘ浄化触媒の上流側に設けた還元剤ノズルから還元剤を噴射させ且つ排ガスの温度を制御することによりＮＯｘ浄化効率を向上させたディーゼル機関の排ガス浄化方法及びそのような方法を実施する排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関の排ガス中のＮＯｘ成分を減少させるため、排ガス通路にＮＯｘを還元浄化する浄化触媒を設け、浄化触媒より上流側の排ガス中へ還元剤を噴射し、浄化触媒におけるＮＯｘ浄化率を向上させることが知られている。図４は、従来技術のＮＯｘ低減触媒装置を示す配置図であり、エンジン１１の排ガスが、排気マニホルド１２、排ガス通路１３、ＮＯｘ浄化触媒１８等を経て大気中へ排出され、浄化触媒１８より上流側の排ガス中へ還元剤を噴射する還元剤ノズル２１が配置される。還元剤は、タンク２７からポンプ２５により昇圧され、還元剤ノズル２１へ供給される。還元剤の供給量、供給時期は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）から成る制御器４０により制御される。制御器４０は、回転数検出手段４１から出力される機関回転数信号Ｓ_１、負荷検出手段４３から出力される機関負荷信号Ｓ_２、ＮＯｘ浄化触媒の入口付近に配置した排ガス温度検出手段４４から出力される排ガス温度信号Ｓ_３が入力され、還元剤供給制御信号Ａ_１をポンプ２５へ出力する。
【０００３】
特開平４−２５５５２１号公報は、排ガス通路のＮＯｘ浄化触媒の上流側に設けた還元剤ノズルから還元剤を噴射させる内燃機関において、触媒劣化判断手段により触媒の劣化が判断されるとき、ＨＣ量増大手段により排ガス中のＨＣ量を増大し、排気温度制御装置により、触媒床温を高温側へずらすことにより触媒のＮＯｘ浄化率を向上させることを開示する。この公報の排気浄化装置においては、排気温度制御装置は、ディーゼル機関の場合、過給圧制御又は吸気絞り弁制御であり、そのため、排ガス温度を制御すると機関出力が影響を受ける等の不都合があった。
【０００４】
特開昭６１−１１２７１５号公報は、ディーゼル機関の排気浄化装置において、過剰酸素のもとでもＮＯｘを還元しうる触媒を用い、その触媒が最も高い浄化性能を有するように触媒担体の温度を制御することを開示する。しかしながら、この公報の装置においては、触媒昇温手段として電気ヒータが用いられているため、電気使用量が大である不都合があった。
【０００５】
特公昭６２−２６８１８号公報は、ディーゼル機関の排ガス通路に固形脱硝触媒を充填した充填層を設けた装置において、充填層の上流側に加熱用バーナを備え、触媒表面に堆積した排ガス中の炭化水素物を燃焼除去することにより、触媒性能の低下を防ぐことを開示する。この公報は、触媒の上流側にバーナを設けた点で本発明と類似の構成を有するが、このバーナは、堆積した炭化水素物を燃焼除去する目的で設けられ、本発明におけるバーナとは、目的、作用、制御方法において異なるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、排ガス通路のＮＯｘ浄化触媒の上流側に還元剤を噴射させＮＯｘ浄化効率を向上させるディーゼル機関の排ガス浄化方法及びそのような方法を実施する排ガス浄化装置において、バーナを使用して比較的に簡単な構成によりＮＯｘ浄化触媒の温度を制御し、高効率で排ガス中のＮＯｘ濃度を低減すると共に、燃料及び電力消費を最少にすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のディーゼル機関の排ガス浄化方法においては、排ガス通路のＮＯｘ浄化触媒の上流側に配置した還元剤ノズルから排ガス中へ還元剤を噴射し、ＮＯｘ浄化触媒温度が触媒活性温度より低いと判定されるときは、前記還元剤ノズルの上流側で排ガス中へ燃料を供給し電気点火し燃焼させて排ガスを加熱し、排ガスの温度を上昇させる。ＮＯｘ浄化触媒温度が触媒活性温度より高いと判定されるときは、排ガス中への燃料の供給及び電気点火を行わないで還元剤を供給しＮＯｘを除去する。ＮＯｘ浄化触媒温度は、ＮＯｘ浄化触媒入口排ガス温度とすることができる。また、ＮＯｘ浄化触媒温度の触媒温度変化度合が小さいという判定は、排ガス流れ方向において異なる２か所のＮＯｘ浄化触媒の温度検出値に基づいて計算され、求められた触媒温度変化度合が所定値より小さいときとすることができる。所定値より小さい場合は、還元剤の噴射量を制御する。還元剤及び燃料は、共にディーゼル機関の燃料である軽油とすることができる。
【０００８】
本発明のディーゼル機関の排ガス浄化装置は、排ガス通路に配置されたＮＯｘ浄化触媒、ＮＯｘ浄化触媒の上流側の排ガス中へ還元剤ノズルを介し還元剤を噴射する還元剤供給器、還元剤ノズルの上流側の排ガス中へ燃料ノズルを介し燃料を供給する燃料供給器及び燃料ノズルから供給された燃料に点火する電気的点火器から成るバーナ、ＮＯｘ浄化触媒の温度を検出し触媒温度信号を出力する触媒温度検出手段、並びにこれらの制御器を具備する。制御器は、触媒温度信号を入力され、ＮＯｘ浄化触媒の温度が触媒活性温度より低いと判定したときは、燃料供給器及び電気的点火器を作動させて排ガスを加熱昇温する。
【０００９】
本発明のディーゼル機関の排ガス浄化装置は、更に機関回転数信号を出力する回転数検出手段、機関負荷信号を出力する負荷検出手段を具備し、触媒温度検出手段は、ＮＯｘ浄化触媒の入口付近に配置された触媒入口温度センサー、及びＮＯｘ浄化触媒の出口付近に配置された触媒出口温度センサーを含む。制御器は、機関回転数信号、機関負荷信号、並びに触媒入口温度センサー及び触媒出口温度センサーの各出力信号を入力される。制御器は、触媒入口温度センサーの出力信号に基づきＮＯｘ浄化触媒温度が触媒活性温度より低いか否か及び両者の温度差が所定温度差未満であるか否かを判定する。ＮＯｘ浄化触媒温度が触媒活性温度より低く且つ両者の温度差が所定温度差未満であると判定した場合は、バーナを作動させる。バーナの電気的点火器は、イグニッションプラグ又は電気ヒータである。
【００１０】
【作用】
本発明のディーゼル機関の排ガス浄化方法及び装置においては、ＮＯｘ浄化触媒温度が触媒活性温度より低いという判定がなされたときは、燃料供給器及び電気点火器が作動され燃焼が行われて、加熱された排ガスがＮＯｘ浄化触媒へ流入され、ＮＯｘ浄化触媒の温度が上昇される。ＮＯｘ浄化触媒温度が触媒活性温度より高い場合は、燃料供給器及び電気点火器は作動されない。
【００１１】
本発明のディーゼル機関の排ガス浄化装置においては、制御器にＮＯｘ浄化触媒の少なくとも２個所の温度信号が入力され、ＮＯｘ浄化触媒温度変化度合が所定変化値より小さいか否かが判定され、小さいと判定されたときは、還元剤ノズルより排ガス中への還元剤の噴射量を多くするように制御する。
【００１２】
【発明の実施の態様】
図１は、本発明の実施例を示す配置図である。前述の図４の従来技術の構成部分と同様の構成部分には、同じ符号を付し、説明を省略する。図１において、エンジン１１の排ガスは、排気マニホルド１２、排ガス通路１３、ＮＯｘ浄化触媒１８等を経て大気中へ排出される。排ガス中のＮＯｘ濃度を低減するため、浄化触媒１８より上流側の排ガス中へ還元剤を噴射する還元剤ノズル２１、並びに還元剤ノズル２１の上流側に燃料ノズル３７及び電気点火器３１から成るバーナ３２が配置される。電気的点火器３１は、イグニッションプラグ又は電気ヒータである。燃料ノズル３７は、燃料ポンプ３６によりタンク２７から軽油が供給可能にされる。還元剤ノズル２１は、還元剤ポンプ２５によりタンク２７から軽油が供給可能にされる。
【００１３】
制御器４０は、回転数検出手段４１により出力される機関回転数信号Ｓ_１、負荷検出手段４３から出力される機関負荷信号Ｓ_２、ＮＯｘ浄化触媒の入口付近に配置された触媒入口温度センサー４４により出力される入口温度信号Ｓ_３、ＮＯｘ浄化触媒の出口付近に配置された触媒出口温度センサー４５から出力される出口温度信号Ｓ_４を入力され、還元剤供給制御信号Ａ_１、燃焼制御信号Ａ_２を出力可能にされる。
【００１４】
制御器４０は、機関回転数信号Ｓ_１、機関負荷信号Ｓ_２、入口温度信号Ｓ_３に基づき機関運転状態に応じた還元剤供給制御信号Ａ_１を出力する。また、制御器４０は、入口温度信号Ｓ_３及び出口温度信号Ｓ_４に基づき、ＮＯｘ浄化触媒の触媒温度変化度合いを算出し、触媒温度変化度合いが所定値より小さく、且つＮＯｘ浄化触媒入口温度が触媒活性温度より低いと判定したときは、燃焼制御信号Ａ_２を出力し、燃料供給ポンプ３６、燃料ノズル３７、及び電気的点火器３１を作動させて燃焼を生じ、排ガスを加熱昇温する。また、還元剤の噴射量を多くするようポンプ２５を制御する。
【００１５】
図２は、排ガス規制モード運転法における本発明におけるバーナ作動状態の事例を示すグラフである。ＮＯｘ浄化触媒の触媒活性温度は、約３５０°Ｃ以上である。時間や重みつけは、省略されている。このグラフにおいて斜線を付した棒線は、本発明の実施例を示し、斜線のない棒線は、バーナを具備しない比較例を示す。図２のグラフは、斜線を付した棒線（実施例）と斜線のない棒線（比較例）の対が、異なる３つのモードにおいて、バーナの作動の有無を示す。これらのバーナの作動するモードにおいては、ＮＯｘ浄化触媒の温度が触媒活性温度に上昇されるので、排ガス中のＮＯｘ濃度が効率良く低減される。
【００１６】
図２のグラフにおいて、初期モード及び最終モードの棒線は、省略されているが、図２の省略された初期モードにおいては、触媒入口温度が触媒活性温度以下であるに拘わらず、初期モードにおいてバーナを作動させない場合がある。その理由は、初期モードにおいて、触媒入口温度が触媒活性温度３５０°Ｃより所定温度差４０°Ｃ以上低い場合、排ガス温度を触媒活性温度まで加熱するためには、比較的多量の燃料及び電力が必要であること、及び初期モードでは、シリンダ内の燃焼温度が比較的低く、排ガス中のＮＯｘ濃度が低いため、ＮＯｘ浄化触媒を触媒活性温度に昇温しても還元されるＮＯｘ量が少ないからである。これにより、バーナ用の燃料及び電力の消費をかなり節約することができる。
【００１７】
また、図２の省略された最終モードにおいては、触媒入口温度が触媒活性温度以上であり、やはりバーナを作動させないが、還元剤を供給している為、ＮＯｘ浄化触媒において、効率良くＮＯｘが低減される。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、中間モードにおいて、触媒入口温度が触媒活性温度より低い場合、バーナが作動され、排ガス温度が上昇され、ＮＯｘ浄化触媒の入口温度が触媒活性温度に上昇され、排ガス中のＮＯｘ濃度が効率良く低減される。触媒入口温度が触媒活性温度より所定温度差以上低い初期モード、及び触媒入口温度が触媒活性温度より高い最終モードにおいては、バーナの作動が停止され、バーナ用燃料及び電力消費が節減される。
【００１９】
図３は、本発明の実施例のバーナ付きの排ガス浄化装置とバーナを具備しない従来技術の排ガス浄化装置とを、前述の排ガス規制運転法により運転し、排ガス中のＮＯｘ濃度の低減率を図解したグラフである。本発明の実施例のＮＯｘ濃度低減率は、約２８％であり、従来技術によるＮＯｘ濃度低減率は、約１８％であった。
【００２０】
本発明によれば、排ガス通路のＮＯｘ浄化触媒の上流側に還元剤を噴射させＮＯｘ浄化効率を向上させるディーゼル機関の排ガス浄化方法及びそのような方法を実施する排ガス浄化装置において、バーナを使用して比較的に簡単な構成により排ガスの温度を制御し、高効率で排ガス中のＮＯｘ濃度を低減すると共に、燃料及び電力消費を最少にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の排ガス浄化装置を示す配置図。
【図２】本発明のバーナの作動効果を示すグラフ。
【図３】本発明の実施例とバーナを具備しない従来例とのＮＯｘ低減率の比較を示すグラフ。
【図４】従来技術の排ガス浄化装置を示す図解的な配置図である。
【符号の説明】
１１：エンジン、１２：排気マニホルド、１３：排ガス通路、１８：ＮＯｘ浄化触媒、２１：還元剤ノズル、２５：還元剤ポンプ、２７：タンク、３１：電気点火器、３２：バーナ、３６：燃料ポンプ、３７：燃料ノズル、３８：リレー、４０：制御器、４１：回転数検出手段、４３：負荷検出手段、４４：触媒入口温度センサー、４５：触媒出口温度センサー。
Ｓ_１：機関回転数信号、Ｓ_２：機関負荷信号、Ｓ_３：入口温度信号、Ｓ_４：出口温度信号Ｓ_４、Ａ_１：還元剤供給制御信号、Ａ_２：燃焼制御信号。

Claims (1)

1. ディーゼル機関の排ガス浄化装置であって、
   排ガス通路に配置されたＮＯｘ浄化触媒、ＮＯｘ浄化触媒の上流側で排ガス中へ還元剤ノズルを介し還元剤を噴射する還元剤供給器、還元剤ノズルの上流側で排ガス中へ燃料ノズルを介し燃料を供給する燃料供給器及び燃料ノズルから供給された燃料に点火する電気的点火器から成るバーナ、ＮＯｘ浄化触媒温度を検出し触媒温度信号を出力する触媒温度検出手段、触媒温度信号が入力されＮＯｘ浄化触媒温度が触媒活性温度より低いと判定したとき前記バーナを作動させる制御器、機関回転数信号を出力する回転数検出手段、並びに機関負荷信号を出力する負荷検出手段を具備し、
   触媒温度検出手段は、ＮＯｘ浄化触媒の入口付近に配置された触媒入口温度センサー、及びＮＯｘ浄化触媒の出口付近に配置された触媒出口温度センサーを含み、機関回転数信号、機関負荷信号、並びに触媒入口温度センサー及び触媒出口温度センサーの各出力信号が制御器に入力され、制御器は、触媒入口温度センサーの出力信号に基づき、ＮＯｘ浄化触媒温度が触媒活性温度より低いかどうか及びその温度差が所定温度差未満であるかどうかを判定し、ＮＯｘ浄化触媒温度が触媒活性温度より低く且つその温度差が所定温度差未満であると判定した場合、前記バーナを作動させ、ＮＯｘ浄化触媒温度が触媒活性温度より高い又は前記温度差が所定温度差未満でないと判定されるときは、排ガス中への燃料の供給及び電気点火を行わず、バーナの電気的点火器は、イグニッションプラグ又は電気ヒータであることを特徴とするディーゼル機関の排ガス浄化装置。

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