JP4446366B2 - 希薄燃焼ガスエンジンの排気浄化方法及び装置 - Google Patents

希薄燃焼ガスエンジンの排気浄化方法及び装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気系に尿素水、アンモニア水または気体アンモニアを還元剤として用いる脱硝触媒を介装した希薄燃焼形ガスエンジンの排気浄化方法及び装置に関する。より詳細には、還元剤として添加される尿素水、アンモニア水または気体アンモニアの添加量及び噴射流量を決定する方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図7に、希薄燃焼ガスエンジン2の排気管3に尿素水、アンモニア水または気体アンモニアを還元剤Kとして供給し、脱硝触媒5を通った排気ガスGeAを採取して、その結果で制御装置7で還元剤Kの供給を制御する従来の排気浄化方法を示している。符号10はNOxセンサを、符号4はノズルを、示している。
【0003】
図8−図11は、ノズル4から供給された還元剤Kが排気系3A内に分布する状態を模式的に示している。図8では、2つのノズル4が排気管3内に向かって取り付けられた状態を示し、図9ではこの場合、1つのノズル4から還元剤Kが放射状に供給された状態を示している。図9において、放射状となった還元剤Kは排気管3内に分散されるが、指向性を持つ還元剤Kの噴射流は管3内を一様な濃度に分布するには至らない。
【0004】
図10は、ノズル4からの一様な濃度分布でない還元剤Kが脱硝触媒5内に流入される状態を示している。
原動機2からのNOxを含有した排気ガスGeが、還元剤Kと混合して触媒5a間を通過し、脱硝され外部に放出される。図11は、図10におけるY−Y断面での還元剤Kが、位置d0−d8での分布が一様でない状態を模式的に円の面積で示したものである。中央部の濃度が濃く、外周部の濃度が低くなっている。
【0005】
このように、還元剤Kが不均一な分布をしていると共に、NOxを含有する排気ガスGeの流速もたとえば、管壁が遅く中心部が速い流速分布となっているので、脱硝触媒5内での脱硝反応が不均一になることは避けられない。即ち、NOxと還元剤Kとの混合状態が不均一になっている。
【0006】
従来技術では、還元剤分布を出来るだけ均一にする方向(還元剤分布が存在せず、還元剤濃度は排気管横断面のどの位置でも同一である様な方向)で処理していた。
しかし、NOxの不均一分布が現実に存在する以上、還元剤分布だけを均一にしても、最適なNOx低減にはつながらない。
【0007】
したがって、NOx分布と還元剤分布を一致させれば、最も効率的にNOxが除去出来ることになる。しかし、その様な制御は従来技術では困難であった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、NOx分布と還元剤分布を一致させて、効率良くNOxが除去出来る様な希薄燃焼ガスエンジンの排気浄化方法及び装置の提供を目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の希薄燃焼形ガスエンジンの排気浄化方法は、排気系に尿素水、アンモニア水または気体アンモニアを還元剤(K)として用いる脱硝触媒(5)を介装した希薄燃焼形ガスエンジン(2)の排気浄化方法において、排気ガス総量(Veg)、排気ガス温度(Teg)、混合気温度(Tmx)、混合気圧力(Pmx)、大気湿度(Ha)の5つのパラメータを計測する工程と、前記5つのパラメータの各々に重み付けを行う工程と、重み付けが行われた前記5つのパラメータに基づいて還元剤添加手段から供給される還元剤(K)の添加量(Vk)及び噴射流量(Ss)を決定する工程とを備え、前記重み付けを行う工程はニューラルネットワークを用いた学習システムにより実行され、該学習システムは、触媒(5)出口における窒素酸化物含有量が窒素酸化物含有量目標値以下となり且つ触媒(5)出口における窒素酸化物含有量の変動量が窒素酸化物含有量目標値の10%以下となった状態が、確認運転期間の5%以上の時間だけ連続すれば終了することを特徴としている(請求項1)。
【0010】
また本発明の希薄燃焼形ガスエンジン(2)の排気浄化装置(1)は、排気系(3A)を構成する排気管(3)に尿素水、アンモニア水または気体アンモニアを還元剤(K)として用いる脱硝触媒(5)を介装した希薄燃焼形ガスエンジン(2)の排気浄化装置(1)において、排気ガス総量(Veg)を計測する手段と、排気ガス温度(Teg)を計測する手段と、混合気温度(Tmx)を計測する手段と、混合気圧力(Pmx)を計測する手段と、大気湿度(Ha)を計測する手段と、計測された排気ガス総量(Veg)、排気ガス温度(Teg)、混合気温度(Tmx)、混合気圧力(Pmx)、大気湿度(Ha)の5つのパラメータに基づいて還元剤添加手段から供給される還元剤(K)の添加量及び噴射流量を決定する制御手段とを備え、該制御手段は、ニューラルネットワークを用いた学習システムにより計測された前記5つのパラメータ(Veg、Teg、Tmx、Pmx、Ha)の各々に重み付けを行うと共に、触媒(5)出口における窒素酸化物含有量が窒素酸化物含有量目標値以下となり且つ触媒(5)出口における窒素酸化物含有量の変動量が窒素酸化物含有量目標値の10%以下となった状態が、確認運転期間(Rc)の5%以上の時間だけ連続すれば前記学習システムによる重み付けを終了する様に構成されていることを特徴としている(請求項3)。
【0011】
係る構成を具備する本発明によれば、還元剤噴射圧力は敢えて制御せずに一定として(具体的な噴射圧力は、システムの諸元等により、ケース・バイ・ケースに求められる)、還元剤添加量(Vk)、噴射流量(Ss)だけをニューラル学習システムで制御することにより、制御が発散することを防止している。そして、還元剤添加量(Vk)、噴射流量(Ss)だけをニューラル学習システムで制御しているため、既存・市販のニューラル学習システムをそのまま適用可能である。
【0012】
排気ガス総量(Veg)は、原動機出力に比例するので、原動機出力を代用特性として制御パラメータに加えている。
排気ガス温度(Teg)は、NOxの反応性に影響する制御パラメータである。
希薄燃焼ガスエンジンの場合、NOx濃度は、混合気温度(Tmx)と混合気圧力(Pmx)、大気湿度(Ha)がパラメータとなる。
上述の5つの制御パラメータは、係る理由により決定している。
【0013】
上記5つの制御パラメータ(Veg、Teg、Tmx、Pmx、Ha)の重み付けは、希薄燃焼ガスエンジン(2)の運転が安定すると、一定値に固定されて変動の必要がなくなる。
【0014】
したがって、本発明で使用するニューラルネットワークを使用した学習システムによる重み付けは、触媒(5)出口のNOx値がNOx目標値(Vo)以下となり、且つ、触媒(5)出口のNOx値の変動値(振幅)が振幅の目標値の10%以下となる状態が、所謂「確認運転期間」の5%の時間以上連続すれば、終了してよい。
【0015】
即ち、希薄燃焼ガスエンジン(2)のNOx値変動が、一般に安定状態にあるとする変動率10%以下であれば、安定運転とみなすことができるので判断の基準としている。
【0016】
また、確認運転期間は、例えば150時間の確認運転期間に対して5%に相当する7.5時間が安定した状態であれば、NOx値の変動振幅が制御不能に発散する懸念がないとみなせる。換言すれば、この条件を充足すれば、希薄燃焼ガスエンジンの運転が安定し、制御が発散しないと考えられる。
【0017】
ここで、前記学習は、希薄燃焼ガスエンジンの試験期間中、特定の時間のみ行い、上記条件を充足した後は、前記理由により学習しない。
【0018】
本発明によれば、高価なNOx計測システムを常設する必要が無く、計測システムにかかわる装置のレイアウトの制限が実運転時には無くなる。
【0019】
本発明の希薄燃焼形ガスエンジン(2)の排気浄化方法を実施するに際しては、排気管横断面(A)と平行な投影面(B)上の位置が実質的に同じ位置となる様に、還元剤添加手段及び触媒(5)下流のサンプル用排気ガス(Sga、Sgb等)取り出し部(6)が同じ数だけ設けられ且つ対を構成しており、対となった還元剤添加手段と同サンプル用排気ガス取り出し部(6)において上述した制御が実行されるのが好ましい(請求項2)。
【0020】
同様に本発明の希薄燃焼形ガスエンジン(2)の排気浄化装置(1)を実施するに際しては、還元剤添加手段は複数設けられており、触媒(5)下流のサンプル用排気ガス取り出し部(6)も還元剤添加手段と同数だけ設けられており、還元剤添加手段とサンプル用排気ガス取り出し部(6)の排気管横断面(A)と平行な投影面(B)上の位置が、実質的に同じ位置となる様に配置されているのが好ましい(請求項4)。
【0021】
排気管(3)中に複数のノズル(4)を設置し、各ノズル(4)からの還元剤(K)噴出供給量を制御することにより、触媒(5)中のNOx濃度分布に合わせて、還元剤(K)の濃度分布を人為的に制御することが容易に実行出来るからである。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の還元剤添加量制御方法及び装置の実施形態を説明する。従来図7と同じ構成、機能を有する部位、装置は同じ符号を重ねて用い、説明する。
【0023】
図1において、原動機2に装着された吸気管Im及び排気系統3Aを構成する 排気管3まわりに全体を符号1で示す希薄燃焼形ガスエンジンの排気浄化装置が具備されている。
【0024】
原動機2の吸気側に取りつけられた吸気管Imに、ミキサMxが介装され、ミキサMxに燃料ガスFgを導入する管が取り付けられている。
原動機2の排気側に排気系を構成する排気管3が取り付けられ、排気管3に脱硝触媒5が介装されている。
【0025】
排気管3の脱硝触媒5に近い位置に、複数の、図1においては2つの還元剤添加手段の還元剤添加ノズル(以降、ノズルと略記する。)4a、4cが取りつけられ、ノズル4aは調整弁8Aを介した管8aによって外部のガス源に通じる還元剤供給管8に連通され、ノズル4cは調整弁8Bを介した管8cによって、還元剤供給管8に連通されている。
【0026】
調整弁8A、8Bは、それぞれ制御線9a、9bによって制御装置7に連通されている。
【0027】
排気管3の脱硝触媒5出口近くに複数の、図1においては2つの、サンプル用排気ガス取出し部12A及び12Bが設けられ、それぞれサンプリング用の管12a、12bで窒素酸化物センサ10に連通されている。
【0028】
窒素酸化物センサ10は、管12a、12bを介したサンプルガスSga、Sgbの窒素酸化物の量を計測する機能を有していて、信号線13で制御装置7Aに連通されている。
【0029】
吸気管Imの近傍に、大気湿度を計測する手段の湿度センサShaが取りつけられ、信号線Lhaで制御装置7に連通されている。
【0030】
吸気管ImのミキサMxと原動機2との間に、混合気温度を計測する手段の温度センサStmと、混合気圧力を計測する手段の圧力センサSpmとが取りつけられ、それぞれ信号線LtmとLpmで制御装置7に連通されている。
【0031】
排気管3の原動機2とノズル4a、4cとの間に、排気ガス温度を計測する手段の温度センサStgが取りつけられ、信号線Ltで制御装置7に連通されている。
【0032】
原動機2に排気ガス総量を計測する手段の代用特性としての出力センサSpsが取りつけられ、信号線Lpsで制御装置7に連通されている。
【0033】
図2―図5は、図1における2つのノズル4a、4cと、2つのサンプル用排気ガス取り出し部12A、12Bとに替えて、それぞれ4つづつの同数が取りつけられた構成を示している。
図2―図4において、ノズル4a、4b、4c、4dが排気管3に垂直な断面A−Aに取りつけられ、排気ガス取り出し部12A、12B、12C、12Dが排気管3に垂直で、A−Aに平行な断面B−Bに設けられている。
【0034】
図5は、図2をX方向からとくにノズル4a、4b、4c、4dと取り出し部12A、12B、12C、12Dとの位置関係を管軸心x―xに対して極座標的に表したもので、断面A−Aではノズル4a、4bの背後に排気ガス取り出し12A、12Bが投影面上で重なるように配置されている。そして、ノズル4aと排気ガス取り出し口12Aとは対になるよう、ノズル4b、4c、4dも、排気ガス取り出し口12B、12C、12Dとそれぞれが対になるよう配置されている。
【0035】
図1も参照して、還元剤添加量制御手段である制御装置7は、窒素酸化物センサ10の各排気ガス取り出し部12A、12B、12C、12DからのサンプルガスSga、Sgb等の計測結果を入力として、さらに湿度センサSha、温度センサStm、圧力センサSpm、温度センサStg及び出力センサSpsからの情報を入力として、還元剤Kのノズル4a、4b、4c、4dそれぞれへの添加量と噴射流量を調整弁9a、9b等を制御する機能を有している。
【0036】
制御装置7での上記の各ノズル4a、4b、4c、4dそれぞれへの添加量と噴射流量の決定は、制御装置7または外部の演算装置によって次ぎのように行われる。
即ち、脱硝触媒5で脱硝された排気ガスGeAに含まれるNOxを最小値にするために、各排気ガス取り出し部12A、12B、12C、12Dに対する各ノズル4a、4b、4c、4dそれぞれへの噴射流量を対として脱硝量と脱硝率の最適値を決定する。たとえば、ガス取り出し部12AのNOxを最小にするために、ノズル4aの最適噴射流量をきめ、総合の脱硝量に対する添加量をきめる。
【0037】
この場合に、ノズルからの噴射圧力はエンジン特性によってまちまちとなるので最適値と考えられる一定値に固定して、噴射流量だけをもとめる。
その方法は、還元剤の添加量をIj(jはノズル番号で、たとえばj=1はノズル4aに相当する。本例ではj=1−4となる。)にすると、Poutを出力センサSpsの検出データ、Tmxを温度センサStmからの混合気温度、Pmxを圧力センサSpmからの混合気圧力、Haを湿度センサShaからの大気湿度、Tegを温度センサStgからの排気ガス温度として、下記のように定義する。
Ij=a1j*Pout+a2j*Tmx+a3j*Pmx+a4j*Ha+a5j*Teg
そして、重み付け定数となるa1j、a2j、a3j、a4j、a5jをもとめる。その方法は、ニューラルネットワークを用いた市販もされている公知の学習システムによって行うよう構成されている。
【0038】
上記構成による希薄燃焼ガスエンジンの排気浄化装置の作用を、図6に示すフローチャートによって説明する。
【0039】
ステップS21では、脱硝触媒5を出た排気ガスGeA中のNOx量にかかわるパラメータとしての原動機出力Pout、排気ガス温度Teg、混合気温度Tmx、混合気圧力Pmx、大気湿度Haの5つの因子について各ノズル4a、4b、4c、4dに関しての噴射流量と、対になる排気ガス取り出し部12A、12B、12C、12DでのNOx値のデータを計測する(5つのパラメータを計測する工程)。
【0040】
ステップS22では、重み付け定数となるa1j、a2j、a3j、a4j、a5jをもとめる(重み付けを行う工程)。
【0041】
ステップS23では、還元剤添加量及び各ノズル4a、4b、4c、4dの噴射量を決定する(添加量及び噴射流量を決定する工程)。
【0042】
ステップS24では、上記添加量、噴射流量の結果が、脱硝触媒5出口での計測値で、NOx含有量目標値以下になっているかを確認する。NOの未達であればステップS21にもどり、YESの目標達成であればステップS25に行く。
【0043】
ステップS25では、上記ステップS24における脱硝触媒5出口での計測値の変動量が、片振幅でNOx含有量目標値の5%以下の変動に収まっているかを確認する。NOであれば、ステップS29に行き、タイマをリセットし、ゼロに戻してステップS21にもどる。YESであれば、ステップS26に行く。
【0044】
ステップS26では、片振幅でNOx含有量目標値の5%以下の変動で安定した状態の継続時間を、タイマで計測をする。
【0045】
ステップS27では、安定状態の継続を示すタイマ値が、原動機2の確認運転期の5%、たとえば150時間の確認運転期間であれば5%の7.5時間に達したことを確認する。NOの未達であれば、安定状態が永続するとは見なせないのでステップS21にもどる。YESの安定継続であれば、ステップS28に行く。
【0046】
ステップS28は、ニューラルネットワークを用いた上記の学習を終了させる。
【0047】
このようにして、複数のノズル4a、4b、4c、4dからの還元剤Kの各噴射流量を、脱硝触媒5出口のガス取り出し部12A、12B、12C、12DのNOx値で確認し、それぞれ及び全体として最適にするように最適噴射流量をきめる。
【0048】
一旦最適噴射量を決定した後は、安定運転がくずれることはないので、上記学習に使用したフィードバック制御の各装置は不要となる。その結果、安価なオープンループ制御でありながら、脱硝効率の高い運転が保証される。
【0049】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
【0050】
【発明の効果】
本発明の作用効果を、以下に列記する。
(1) 本発明によれば、還元剤の濃度分布と排気ガスの流速とに応じて複数のノズルそれぞれの還元剤噴射流量を最適にきめるので、安価なオープンループ制御ながらリークアンモニアの低減と脱硝効率の高い運転ができる。
(2) 脱硝効率の向上によって、脱硝触媒の小型化が可能になり、コスト低減とスペース拡大に寄与する。
(3) 学習に使用した各種装置は撤去できるので、原動機まわりの保全用スペースが確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す構成図。
【図2】図1の還元剤添加ノズルとサンプル用排気ガス取出し部の配置状態を示す斜視図。
【図3】還元剤添加ノズルの配置を示す図1のX矢視A−A断面図。
【図4】サンプル用排気ガス取出し部の配置状態を示す図1のX矢視B−B断面図。
【図5】図1の還元剤添加ノズルの取りつけ位置とサンプルガス取出し位置との関係を示す図。
【図6】図1の作用を説明するフローチャート。
【図7】従来のフィードバック式制御により脱硝する排気浄化装置の構成図。
【図8】図7の還元剤添加ノズルの取り付け状態を示す断面図。
【図9】図8のノズルの1つから還元剤が放射状に噴射された状態を示す説明図。
【図10】還元剤が脱硝触媒に流入し、流出する状態を示す説明図。
【図11】図10の脱硝触媒入り口Y−Y断面における還元剤と排気ガス(NOx)の混合濃度を示す模式説明図。
【符号の説明】
Ge・・排気ガス
GeA・・脱硝後の排気ガス
K・・・還元剤
Sps・・エンジン出力センサ
Spm・・圧力センサ
Stm・・温度センサ
Stg・・温度センサ
Sha・・湿度センサ
1・・・排気浄化装置
2・・・原動機
3A・・排気系
3・・・排気管
4a、4b、4c、4d・・還元剤添加ノズル
5・・・脱硝触媒
7・・・制御装置
8・・・還元剤供給管
8A、8C・・流量調整弁
10・・NOx(窒素酸化物)センサ
12A、12B、12C、12D・・サンプル用排気ガス取り出し部

Claims (4)

  1. 排気系に尿素水、アンモニア水または気体アンモニアを還元剤として用いる脱硝触媒を介装した希薄燃焼形ガスエンジンの排気浄化方法において、排気ガス総量、排気ガス温度、混合気温度、混合気圧力、大気湿度の5つのパラメータを計測する工程と、前記5つのパラメータの各々に重み付けを行う工程と、重み付けが行われた前記5つのパラメータに基づいて還元剤添加手段から供給される還元剤の添加量及び噴射流量を決定する工程とを備え、前記重み付けを行う工程はニューラルネットワークを用いた学習システムにより実行され、該学習システムは、触媒出口における窒素酸化物含有量が窒素酸化物含有量目標値以下となり且つ触媒出口における窒素酸化物含有量の変動量が窒素酸化物含有量目標値の10%以下となった状態が、確認運転期間の5%以上の時間だけ連続すれば終了することを特徴とする希薄燃焼形ガスエンジンの排気浄化方法。
  2. 排気管横断面と平行な投影面上の位置が実質的に同じ位置となる様に、還元剤添加手段及び触媒下流のサンプル用排気ガス取り出し部が同じ数だけ設けられ且つ対を構成しており、対となった還元剤添加手段と同サンプル用排気ガス取り出し部において請求項1の制御が実行される希薄燃焼ガスエンジンの排気浄化方法。
  3. 排気系を構成する排気管に尿素水、アンモニア水または気体アンモニアを還元剤として用いる脱硝触媒を介装した希薄燃焼形ガスエンジンの排気浄化装置において、排気ガス総量を計測する手段と、排気ガス温度を計測する手段と、混合気温度を計測する手段と、混合気圧力を計測する手段と、大気湿度を計測する手段と、計測された排気ガス総量、排気ガス温度、混合気温度、混合気圧力、大気湿度の5つのパラメータに基づいて還元剤添加手段から供給される還元剤の添加量及び噴射流量を決定する制御手段とを備え、該制御手段は、ニューラルネットワークを用いた学習システムにより計測された前記5つのパラメータの各々に重み付けを行うと共に、触媒出口における窒素酸化物含有量が窒素酸化物含有量目標値以下となり且つ触媒出口における窒素酸化物含有量の変動量が窒素酸化物含有量目標値の10%以下となった状態が、確認運転期間の5%以上の時間だけ連続すれば前記学習システムによる重み付けを終了する様に構成されていることを特徴とする希薄燃焼形ガスエンジンの排気浄化装置。
  4. 還元剤添加手段は複数設けられており、触媒下流のサンプル用排気ガス取り出し部も還元剤添加手段と同数だけ設けられており、還元剤添加手段とサンプル用排気ガス取り出し部の排気管横断面と平行な投影面上の位置が、実質的に同じ位置となる様に配置されている請求項3の希薄燃焼ガスエンジンの排気浄化装置。
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