JP3625306B2 - ディーゼルエンジンの排気脱硝装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、ディーゼルエンジンにおける排気脱硝装置に関するもので、特に、広い排気温度のエンジンのの運転条件で触媒を有効に働かすことのできる排気脱硝装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、炭化水素を還元剤として窒素酸化物(NOx)を浄化する触媒反応では、触媒の種類や、還元剤によって異なるが、触媒が働く温度はおおよそ300℃〜500℃に限られている。特に、使用する触媒と還元剤炭化水素を一種類に限るならばこの温度範囲はより狭くなる。この温度範囲を広げるにはこれまでも様々な方法や装置が考えられている。
【0003】
たとえば、特開平6−146870のように作動温度域の異なる複数の触媒をもうけたり、特開平5−44445のように排気ガスの温度を別途冷却制御する方法や、特開平6−173655のように還元剤として燃料炭化水素を使いこれを予め触媒などにて改質して排気ガス中に添加する方法等がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平6−146870は、容積が大きくなることや圧力損失が大きくなるということが問題があり有用的でない。また、特開平5−44445は、冷媒管がススにて閉塞する問題が有り、定期的な清掃を頻繁に行わねばならいので煩雑である。また、特開平6−173655は、この方法では、燃料炭化水素をオレフィン系炭化水素に改質することによって、低温側にて触媒を作用しやすいように燃料炭化水素を改質することを目的にするものであり、定格点や最高トルク点近辺のような排気温度が500℃以上になることのある高負荷条件下では触媒を有効に作用することができないという問題がある。
【0005】
以上のように、広いエンジン運転条件下、特に高負荷条件にて窒素酸化物を浄化することは困難であった。
本発明は、触媒層にて作用する還元剤炭化水素の成分をエンジンの運転条件にあわせて変えることによって、上記の従来装置の問題点を解決し、触媒を作用されるエンジン運転範囲をより広くすることできる方法と装置を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のディーゼルエンジンの排気脱硝装置においては、ディーゼルエンジンの排気脱硝装置において、炭化水素を還元剤として排気ガス中のNOxを還元浄化する触媒と、エンジン気筒内と触媒間の排気ガス中に還元剤を添加するノズルと、前記ノズルに還元剤を供給する還元剤供給管と、ディーゼルエンジン燃料である燃料炭化水素を低分子量の炭化水素に分解改質して前記還元剤供給管に供給する燃料炭化水素改質装置と、前記燃料炭化水素改質装置を迂回させるバイパス回路と、NOx触媒層の温度を検知する温度検出器と、前記温度検出器からの信号を受けてNOx触媒層の温度が設定温度を越えた場合は、燃料炭化水素改質装置に燃料炭化水素を通し、設定温度以下の場合は、燃料炭化水素改質装置を迂回するようにバイパス回路に燃料炭化水素を通す判断を行う制御信号を出力するコントローラと、前記制御信号を受けて還元剤の流路を燃料炭化水素改質装置側とバイパス側とに切り換える流量制御弁とを備えることを特徴とする。
【0009】
上記触媒温度に応じて添加する還元剤炭化水素の量を排出ガス中のNOx量と添加される炭化水素の分子量とに応じて制御することを特徴とする。
【0010】
ディーゼルエンジンの排気脱硝装置において、炭化水素を還元剤として排気ガス中のNOxを還元浄化する触媒と、エンジン気筒内と触媒間の排気ガス中に還元剤を添加するノズルと、前記ノズルに還元剤を供給する還元剤供給管と、前記還元剤としてディーゼルエンジン燃料を使用し、前記還元剤供給管の途中に設けた前記ディーゼルエンジン燃料を低分子量の炭化水素に分解改質する燃料炭化水素改質装置と、前記燃料炭化水素改質装置を迂回させるバイパス回路と、NOx触媒層の温度を検知する温度検出器と、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出器と、燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出器と、前記エンジン回転数検出器及び燃料噴射量検出器からの信号を受けてエンジン回転数および燃料噴射量との関係からNOx量を推定し、その推定量に応じて還元剤炭化水素の添加ノズル開度デューティ比を出力するコントローラとを備え、還元剤炭化水素を添加するノズルの開度は、前記デューティ比の出力信号を受けて調整されることを特徴とする。
【0011】
【作用】
触媒層の温度が高い場合には、燃料炭化水素を予め低分子量の炭化水素に改質して触媒に作用させて、エンジン回転数、燃料噴射量に応じてディーゼルエンジン燃料を使用した還元剤を排気ガス中に添加すべく、噴射ノズルの開度を制御する。また、触媒層の温度が低い場合には、燃料炭化水素を予め低分子量の炭化素に改質することなく触媒に作用させ、エンジン回転数、燃料噴射量に応じてディーゼルエンジン燃料を使用した還元剤を排気ガス中に添加すべく噴射ノズルの開度を制御する。
【0012】
【実施例】
本発明の第1実施例を図1を参照にして説明する。エンジン1の排気管2中で触媒層3の手前において、還元剤炭化水素添加ノズル15(以下では、添加ノズル15と言う)を配置している。還元剤炭化水素を供給する回路として、燃料タンク4から還元剤燃料供給装置6、管路5、切換弁10、炭化水素改質装置8、管路12、チェック弁7、管路13、リリーフ弁9、添加ノズル15から構成されている。更に、切換弁10と添加ノズル15とはバイパス回路11で直接連絡している。
【0013】
炭化水素改質装置8は、シリカアルミナやY型ゼオライトなどの石油クラッキング(FCC)触媒が装填されており、触媒層の温度を適正な温度に制御できるよう電気ヒータおよび温度調整器が装備されている。また、チェック弁7は、バイパス回路11を通る還元剤炭化水素の炭化水素改質装置8への逆流を防止している。還元剤燃料炭化水素戻り配管14を通じて添加ノズル15に供給された還元剤の余剰分が燃料タンク4に戻る。
【0014】
還元剤炭化水素が上記の2つの回路の内どちらの経路を経て添加ノズル15に到達するかを設定し、さらに、ガス中に添加する還元剤燃料炭化水素量を決めるための添加ノズル開度のデューティ制御はコントローラ19にて行い、そのための、入力回路として触媒層に設置した温度検出装置18、エンジン回転数検出装置20、燃料噴射量検出装置21および排気筒16に設けられた放出ガス中のNOx量を測るNOxセンサ17が電気的に接続されている。一方出力回路は切換弁10と添加ノズル15の電磁励磁部15aに電気的に接続されている。
【0015】
本発明の第2実施例を図2を参照にして説明する。第1実施例と共通するところは同一符号を付して説明は省略する。管路5には第1実施例と同様の炭化水素改質装置30が配設されている。炭化水素改良装置30はオン・オフ操作により管路31に還元剤炭化水素を流す、触媒層の温度に応じて作動する図示しないオン・オフ弁の励磁部30aが付設されている。励磁部30aはコントローラ19の出力回路と電気回路で接続されている。また炭化水素改良装置30は内部に可変の熱を出力する可変熱量ヒータ30bが付設されている。可変熱量ヒータ30bはコントローラ19の出力回路に接続され制御される。
【0016】
本発明の第3実施例を図3を参照にして説明する。第1実施例と共通するところは同一符号を付して説明は省略する。触媒層3の入口側で添加ノズル15を配置している。還元剤炭化水素を供給する回路として、燃料タンク4から還元剤燃料供給装置6により流量制御弁42、管路43、炭化水素改質装置44、管路45、オン・オフ弁46および管路49を経て添加ノズル15から構成されている。更に、また、流量制御弁42と添加ノズル15とはバイパス回路50で直接接続されている。また、流量制御弁42と還元剤燃料供給装置6との間にはリリーフ弁49が配設されている。
【0017】
流量制御弁42は、管路5を通じて供給された還元剤燃料を炭化水素改質装置44に一定量供給するためのものである。オン・オフ弁46は炭化水素改質装置44からの還元剤燃料を添加ノズル15へ供給するときの断通する弁で、蓄圧器48からの圧縮空気を配管47を経て受けて作動する。
【0018】
次に、各実施例の作動説明を図1、図2、図3、図4、図5を参照にして説明する。まず、実施例1についての図1のシステム図、図4と図5の制御アルゴリズムに基づいて説明する。エンジン始動に伴い、制御ルーチンがスタートする(ステップ1)。ステップ2にて還元剤燃料供給装置6と炭化水素改質装置8をスタートさせ、ステップ3にてエンジン運転中であると判断した場合にはステップ4−1へ進み停止中と判断した場合にはステップ4−2へ進み、制御ルーチンを終了する。ステップ4−1では触媒層の温度Tcat を計測し、次のステップ5にてTcat が触媒作動の最低温度Toよりも大きいことを確認し、大きい場合にはステップ6−1へ、小さい場合にはステップ6−2を通り再びステップ3に戻るがステップ6−1ではエンジンの回転数と燃料噴射量とを読み込み、ステップ7に移り炭化水素添加ノズル15のノズル開度基本デューティ比Nduo をエンジン回転数と噴射量とのマップより決定する。次に、ステップ8に移りTcat と測定温度T1 の大小を比較する。Tcat 〉T1 の場合は、ステップ9−1にて添加ノズル15のノズル開度デューティ比Nduとして基本デューティ比Ndu0 対して定数aを乗じたものを採用し、次のステップ10−1に移って、炭化水素経路切換弁10の励磁部にコントローラ19からの電気信号が入力される。切換弁10は、還元剤燃料がバイパス回路を通らずに炭化水素改質装置8を通るように切替えられて添加ノズル15へ流れるようになる。Tcat 〈 T1 の場合には、ステップ9−2にて添加ノズル15のノズル開度デューティ比Nduとして基本デューティ比Nduo に対して定数bを乗じたものを採用し、次のステップ10−2に移って炭化水素経路を切換弁10の励磁部にコントローラ19からの電気信号が入力される。切換弁10は、還元剤燃料がバイパス回路を通過し、炭化水素改質8を通過しないように切替えられて添加ノズル15に直接流れる。次にに、ステップ11にて添加ノズル15に対して、ノズル開度デューティ比Nduを出力することによって所定量の還元剤炭化水素を排気ガス中に添加し、一連の制御を終了して再びステップ3に戻る。また、還元剤炭化水素の量は、排出ガス中のNOx量を検知した結果と炭化水素改質装置8を通過した炭化水素の分子量とに応て制御される。
【0019】
実施例2について、図2、図4および図5に基づいて説明する。第1実施例とはステップ9−1、ステップ9−2、ステップ10−1およびステップ10−2以外は同じである。即ち、本実施例は、常時、還元剤燃料を広い温度範囲で改質するために触媒層の温度に応じてコントローラ19から炭化水素改質装置30のヒータの電熱部温度を可変することにより、還元剤燃料の選択範囲が広がる。
【0020】
実施例3について、図3、図4、図5に基づいて作動回路を説明する。還元剤燃料装置6により燃料タンク4から燃料を管路5、流量制御弁42で一定の流量が炭化水素改質装置44を通過する。ここで、還元剤燃料は低分子炭素となり、オン・オフ弁46が「オン状態」の場合、ノズル15へ還元剤燃料をノズルに連絡絡す。オン・オフ弁46が「オフ状態」になると、バイパス回路50を通って炭化水素改質装置44を通らず直に添加ノズルに燃料が供給される。
【0021】
【発明の効果】
本発明は、以上の構成から成っているため、還元剤燃料の構成炭化水素の低分子化性能が広い範囲にわたって平均して存在するので、広いエンジンの運転状況下でしかも還元剤燃料噴射量の選定幅をもたしてNOx低減がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の構成を示す図である。
【図2】本発明の第2実施例の構成を示す図である。
【図3】本発明の第3実施例の構成を示す図である。
【図4】本発明の第1実施例および第2実施例における制御アルゴニズムを示す図である。
【図5】本発明の第1実施例および第2実施例における基本デューティ比決定用マップを示す図である。
【符号の説明】
2.排気管 18.温度センサ
3.触媒層 19.コントローラ
8,30,44.炭化水素改質装置 20.エンジン回転数検出器
10.切換弁 21.燃料噴射料検出器
11,55.バイパス回路 42.流量制御弁
15.還元剤炭化水素添加ノズル 46.オン・オフ弁
17.NOxセンサ 48.蓄圧器。
Claims (3)
- ディーゼルエンジンの排気脱硝装置において、
炭化水素を還元剤として排気ガス中のNOxを還元浄化する触媒と、
エンジン気筒内と触媒間の排気ガス中に還元剤を添加するノズルと、
前記ノズルに還元剤を供給する還元剤供給管と、
ディーゼルエンジン燃料である燃料炭化水素を低分子量の炭化水素に分解改質して前記還元剤供給管に供給する燃料炭化水素改質装置と、
前記燃料炭化水素改質装置を迂回させるバイパス回路と、
NOx触媒層の温度を検知する温度検出器と、
前記温度検出器からの信号を受けてNOx触媒層の温度が設定温度を越えた場合は、燃料炭化水素改質装置に燃料炭化水素を通し、設定温度以下の場合は、燃料炭化水素改質装置を迂回するようにバイパス回路に燃料炭化水素を通す判断を行う制御信号を出力するコントローラと、
前記制御信号を受けて還元剤の流路を燃料炭化水素改質装置側とバイパス回路側とに切り換える流量制御弁とを備える
ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気脱硝装置。 - 前記触媒温度に応じて添加する還元剤炭化水素の量を排出ガス中のNOx量と添加される炭化水素の分子量とに応じて制御する
ことを特徴とする請求項1に記載のディーゼルエンジンの排気脱硝装置。 - エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出器と、
燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出器と、
前記エンジン回転数検出器及び燃料噴射量検出器からの信号を受けてエンジン回転数および燃料噴射量との関係からNOx量を推定し、その推定量に応じて還元剤炭化水素の添加ノズル開度デューティ比を出力するコントローラとを備え、
還元剤炭化水素を添加するノズルの開度は、前記デューティ比の出力信号を受けて調整される
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のディーゼルエンジンの排気脱硝装置。
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