JP4471643B2 - 選択触媒還元用の高度アンモニア供給制御 - Google Patents

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Description

本発明は一般的に、レシプロ・エンジン用の排出(emission)制御システムに関し、より詳細には、高度な反応剤供給制御により選択触媒還元(SCR)の効率を増加させる排出制御システムに関する。
圧縮点火および火花点火レシプロ・エンジンならびにガス・タービンなどの燃焼機関は、必要とする作業員(operating personnel)への要求が低い効率的な動力源となる。燃焼機関は、NO(窒素酸化物)を生成して排出する。NOを減らすための制御方法は多くの場合、エンジンの燃料消費量を増やし、作業員への要求を大きく増やすことを必要とする。
ディーゼル・エンジンなどの圧縮点火エンジンは、燃料節約の点で有利であるが、通常の動作中にNOおよび粒子状物質の両方を生成して排出する。直接的な処置(燃焼プロセス自体に影響する行為、たとえば排気(exhaust)ガスの循環およびエンジン・タイミングの調整)を行なって一方を減らすようにすると、他方が増えることが多い。すなわち粒状物質からの汚染を減らして良好な燃料節約が得られるように燃焼条件を選択すると、NOの出力が増える傾向にある。現在のおよび提案されている規制および法律は、製造業者に対して、良好な燃料節約を実現する一方で同時に粒子状物質およびNOの排出レベルを減らすというきびしい要求を課している。
このような要求または制約に応じるために、SCR(選択触媒還元)として知られる方法が、NOの排出を減らすために用いられている。SCR法は、ガス状アンモニア(NH)、水溶液中のアンモニアもしくは尿素水(aqueous urea)、固体アンモニア源たとえばカルバミン酸アンモニアまたは炭酸アンモニアを用いたアンモニア発生器から供給されるアンモニアを、圧縮点火エンジンの排気ガスシステム内へ、還元剤として注入することからなる。排気ガス流れの温度が反応温度よりも高くなると、たとえば尿素水の場合には160℃を超える温度になると、還元剤は加水分解プロセスを受けてアンモニアとCOとに分解する。排気ガス流れがSCR触媒を通過するときに、ガス状アンモニアがNOと反応してNOを分子窒素に還元する。この結果、圧縮点火エンジンからのNO排出が低減または制限される。
任意の所定の時間において必要となるアンモニア量は、エンジン動作条件の変化とともに変化し、排気ガスの内容物に含まれるNOは増えたり減ったりする。排気ガス流れ中に存在するNOを処理するのに十分な量のアンモニアを供給して、NO排出基準を達成することは重要である。一方で、排気ガス流れ中に存在するNOの処理に必要とされる量を超えるアンモニアを供給することは、無駄であり非効率的である。
米国特許公報(特許文献1)、発明の名称「窒素酸化物排出を低減させるためのアンモニア/燃料比の制御システム(Ammonia/Fuel Ratio Control System For Reducing Nitrogen Oxide Emissions)」(1983年9月13日付与)では、エンジンからのNO排出を効率的に低減するための方法および装置が教示されている。アンモニアが、排気ガス導管に、燃料の質量流量に対する予め選択された比率で計量されて供給されるが、反応器内の排気ガス流れの温度が予め選択された温度範囲にある場合にのみ応答する。
前述した米国特許公報(特許文献1)では、NO排出を低減するための相当に信頼性の高い方法および装置が提供されているが、この方法および装置は、プロセスの実際の有効性に基づくフィードバック制御とはなっていない。処理プロセスの実際の有効性に基づいて、排気ガス流れへのアンモニア添加を制御することが有利である。
米国特許第4,403,473号明細書
本発明は、前述した問題の1つまたは複数を克服することに向けられている。
本発明の一形態においては、エンジンの排気システム内で還元剤を用いて排気ガス流れを処理するための排出制御システムに、エンジンの少なくとも1つの動作条件を決定するための第1センサと、排気ガス流れの処理に必要な還元剤の計算量を決定するためにセンサに接続された制御ユニットと、が設けられている。還元剤供給源が、還元剤の計算量よりも少ない量で第1ドーズの還元剤を排気流れに供給するための第1計量手段を有している。反応器が、第1ドーズの還元剤とともに排気ガス流れを受け取る入口を有している。第2計量手段が、排気流れに第2ドーズの還元剤を供給する。
本発明の他の形態においては、エンジンに、複数の燃焼チャンバを備える燃焼セクションと、燃焼チャンバへ燃焼空気を供給する燃焼空気システムと、燃焼チャンバから排気ガスを受け取る排気システムとが設けられている。排気システムは、排気マニフォールドと、エンジンからの排気ガス流れ内の排気ガスを導くための排気導管とを備える。排出制御システムが、還元剤供給源と、排気導管と流体流れを連通する第1および第2の反応床を有する反応器とを備えている。第1センサおよび第1センサに接続された制御ユニットが、排気ガス流れの処理に必要な還元剤の計算量を決定する。第1計量手段が、還元剤の計算量よりも少ない第1ドーズの還元剤を排気流れに供給する。反応床の間の第2計量手段が、第2ドーズの還元剤を排気流れへ供給する。第2センサが排気流れの特性を決定し、第2ドーズの還元剤の量を決定するために制御ユニットが第2センサに接続されている。
本発明のさらに他の形態においては、排気ガス流れを生成することができ、排気ガス流れと混合される還元剤によって排気ガス流れが処理されて排気ガス流れを転化する圧縮点火エンジンのための排出制御システムの効率を高めるための方法に、排気ガス流れを処理するための還元剤の必要な量を決定するステップと、排気ガス流れに第1ドーズの還元剤を供給するステップと、排気ガス流れを第1ドーズの還元剤と反応させるステップと、排気ガス流れを第1ドーズの還元剤と反応させた後に、排気ガス流れに第2ドーズの還元剤を供給するステップと、排気ガス流れを第2ドーズの還元剤と反応させるステップと、が設けられている。
本発明の他の形態および利点は、以下の詳細な説明を、図面および添付の特許請求の範囲と関連させて読むことによって、当業者にとって明らかになる。
本発明は、以下の詳細な説明から、特に添付の図面を考慮して読んだ場合に、より良好に理解され、その利点もより明らかになる。
さて、図面を参照するに、図1に、本発明により構成され操作される排出制御システム10を示す。排出制御システム10は、圧縮点火エンジン12たとえばディーゼル・エンジンからの排出を制御するために用いられる。エンジン12は、排気ガス流れ(矢印16で示す)が導かれる排気システム14を備える。排気システム14は、1つまたは複数の排気マニフォールド18と排気導管20とを備える。
排出制御システム10は、ディーゼル・エンジンで用いる場合に特に有利であるが、火花点火エンジン、ディーゼル・エンジン、圧縮点火およびパイロット点火エンジンを含む全ての型式のレシプロ・エンジンにおいて有利に用いることができる。ここで図示し説明するエンジン12はディーゼル・エンジンであるが、用語「エンジン」を、全ての型式のレシプロ・エンジンに適用することが意図されており、ディーゼル・エンジンのみに限定されないことを理解されたい。システム10は、ガス・タービンで用いることにも適合させることができる。
エンジン12はさらに、メイン燃焼セクション30を備え、メイン燃焼セクション30は、他にも要素はあるが、エンジン・ブロックとシリンダ・ヘッド(その内部に複数の燃焼チャンバ32を形成する)を備える。燃料インジェクタ、シリンダ・ライナ、少なくとも1つの吸気ポートおよび対応する吸気バルブ、少なくとも1つの排気ポートおよび対応する排気バルブ、ならびに各チャンバ32内部の可動のレシプロ・ピストンが、設けられているかまたは各チャンバ32と関連付けられている。燃焼空気システム34(燃焼空気導管36および吸気マニフォールド38を含む)から、燃焼空気流れ(矢印40で示す)が、各燃焼チャンバ32へ供給される。
本排出制御システム10は、ヘビー・デューティ・6シリンダ・イン・ライン・4ストローク直噴ディーゼル・エンジンで用いる場合について図示し説明されているが、多くの他のエンジン型式(2ストローク・エンジンなど)を用いても良い。エンジン構成には、イン・ラインおよび/またはv型エンジンだけでなく、燃焼チャンバ32の数を様々に変更することが含まれていても良い。
排出制御システム10は、還元剤供給源50、たとえばアンモニア、尿素、または排気ガス流れ16を処理するための他の許容し得る還元剤の供給源を備えている。供給源50は、当業者ならば容易に理解できるように、アンモニア発生器システム、貯蔵タンク、ポンプ、バルブ、配管、および制御装置を備えていても良い。供給源50からの供給パイプ52および54を通して、排気ガス流れ16に還元剤が、第1ドーズ(矢印56で示す)および第2ドーズ(矢印58で示す)で供給される。第1および第2ドーズ56および58は、排気ガス流れ16に、それぞれ第1計量手段60および第2計量手段62によって別個に制御可能な量で、供給される。第1計量手段60および第2計量手段62は、第1ドーズ56および第2ドーズ58の形態の還元剤をそれぞれ排気ガス流れ16に供給する速度を信頼性良く制御することに適していれば、どんな流量制御デバイスとすることもできる。第1計量手段60および第2計量手段62に対して使用できる好適なデバイスの例は、制御可能なバルブまたは他のオリフィス、ノズル、ポンプなどである。
反応器70が、排気ガス導管20と流体連通するように設けられている。反応器70は、第1反応床72と第2反応床74とを備えている。第1ドーズ56の還元剤が、第1反応床72より前で排気ガス流れ16に供給され、第2ドーズ58が、第1および第2反応床72および74の間で排気ガス流れ16に供給される。反応器70は、排気ガス流れ16を第1ドーズ56とともに受け取る入口76と、反応後の排気ガス流れ(矢印80で示す)が反応器70から通過する出口78とを備える。中間ゾーン82が、反応器70内で第1反応床72と第2反応床74との間に、設けられている。
排出制御システム10はさらに、電子制御ユニット90を備えている。これは、排出制御システム10およびエンジン12の種々の動作および機能を制御およびモニタするために用いられる。電子制御ユニット90は、エンジン12と関連付けられた1つまたは複数のセンサ92を用いることによって、エンジン12の種々の機能をモニタすることができる。センサ92は、電子制御ユニット40に、信号接続部94(電気導電性ワイヤであっても良い)を介して、接続されている。エンジン12内の種々の場所で用いることが考えられるセンサ92の例は、エンジン速度センサ、吸気マニフォールド空気温度センサ、吸気マニフォールド圧力センサ、種々の他の負荷、ブースト、および速度センサである(これらは全て、当業者には既知である)。センサ92は、エンジン12の動作状態をモニタして、動作状態に関するデータ信号を制御ユニット90へ送る。複数のこのようなセンサ92を用いて、エンジン12の多くの動作状態と、エンジン12に関連付けられた種々のシステムとを、同時にモニタすることができる。
信号接続部98を通してコントローラ90に接続された少なくとも1つのセンサ96を用いて、排気ガス流れ16の状態を、第1反応床72の後の複数の地点で判断する。センサ96は、排気ガス流れ16内に存在するNOを検出するセンサとすることができる。またはセンサ96は、排気ガス流れ16内のアンモニアの存在を判断するセンサとすることができる。センサ96を、反応器70の出口78内に配置して、反応器70内で処理した後の反応後排気ガス流れ80内に残存するアンモニアまたはNOのレベルを示す信号を供給することができる。センサ96を、反応器70内で第1および第2反応床72および74の間に配置して、反応床72および74の間におけるアンモニアまたはNOの存在を判断することもできる。図1では、前述した各場所に1つづつある2つのセンサ96を例示しているが、1つのセンサ96を各場所で用いる必要があるわけではない。排出制御システム10に対する多くの用途においては、図示したどちらかの場所にある単一のセンサ96が適している。あるいは、異なるセンサ96を各場所で用いることができる。たとえば、第1反応床72と第2反応床74との間にあるアンモニア・センサ96を用いれば、排気ガス流れ16との反応に依然として利用可能なアンモニアの量を決定することができる。またNOセンサ96を出口78と関連付けて用いれば、反応器70内の処理全体の有効性を判断することができる。
また電子制御ユニット90は、制御信号接続部100を通して第1計量手段60に、かつ制御信号接続部102を通して第2の計量手段62に接続されていて、第1および第2の計量手段60および62の動作を制御する。電子制御ユニット90はさらに、電気接続部104を通して還元剤供給源50に接続されていて、還元剤供給源50に関連付けられた種々のバルブ、ポンプなどの動作を制御する。
電子制御ユニット90(制御モジュールまたはコントローラとしても知られる)は、多くの形態を取っても良い。たとえばコンピュータ・ベースのシステム、マイクロプロセッサ・ベースのシステムであって、これにはマイクロ・プロセッサ、マイクロ・コントローラ、または他のどんな制御型式の回路またはシステムも含まれる。電子制御ユニット90は、本発明の排出制御システム10を操作および制御するための制御プログラムを格納するためのメモリ、および情報を一時的に格納するための他のメモリを備えていても良い。
排出制御システム10の動作は、電子制御ユニット90が、エンジン12の状態および排出制御システム10の性能の有効性をモニタし、それに基づいて排気ガス流れ16への還元剤の供給を制御することに基づく。燃焼空気システム34内の燃焼空気流れ40は、燃焼空気導管36から吸気マニフォールド38へ供給される。吸気マニフォールド38からの燃焼空気および燃料は、エンジン12の各燃焼チャンバ32へ供給され、その内部で既知の方法で燃焼される。チャンバ32内部での燃焼ストローク後に残存する燃焼ガスが、チャンバ32から排気システム14へ放出され、最初に排気マニフォールド18に入る。燃焼ガスが、排気マニフォールド18から排気導管20までおよび排気導管20を通って流れるときに、排気ガス流れ16が形成される。排気ガス流れ16は、エンジン12の動作条件に依存して種々の量のNOを含んでいる。そのため、排気ガス流れ16に含まれるNOを適切に処理するためには、種々の量の還元剤が必要となる。
1つまたは複数のエンジン動作状態センサ92からのデータを用いて、電子制御ユニット90は、排気ガス流れ16の処理に必要となるアンモニアまたは尿素などの還元剤の計算量を決定する。制御ユニット90から信号が、第1計量手段60および還元剤供給源50へ送られることによって、第1ドーズ56の還元剤が、還元剤供給源50から排気ガス流れ16へ、供給パイプ52および第1計量手段60を介して送られる。第1ドーズ56に含まれる還元剤の量は、排気ガス流れ16の処理に必要な計算量よりも少ない。第1ドーズ56の計算には、統計的なアプローチを用いることができる。このようなアプローチの1つとしては、モニタされたパラメータからNO排出を計算する精度を決定すること、およびドーズ(dosing)計量機器の精度を決定することが挙げられる。たとえば、NO排出の計算が7パーセント(7%)の範囲で正確であり、ドーズ(dosage)計量機器が3パーセント(3%)の精度を有する場合には、第1ドーズ56は、計算量の約90パーセント(90%)の量となることが考えられる。第1ドーズ56を計算するための他の統計的なアプローチを用いることもできる。
第1ドーズ56は、排気ガス流れ16へ供給された後、この流れとともに反応器70内の第1反応床72まで移動する。既知の方法で、第1ドーズ56の還元剤と第1反応床72とが化学反応を生じさせ、排気ガス流れ16内に存在するNOの量を減らす。
第1ドーズ56に含まれる量は、排気ガス流れ16中に存在するNOの処理に必要な還元剤の計算量よりも少ないため、排気ガス流れ16の処理を完了させるにはさらに還元剤を供給する必要がある。制御ユニット90から信号が、第2計量手段62および還元剤供給源50へ送られることによって、第2ドーズ58の還元剤が、還元剤供給源50から排気ガス流れ16へ、供給パイプ54および第2計量手段62を介して送られる。第2ドーズ58には、排気ガス流れ16の処理を完了させるのに必要な還元剤の残りの量が含まれる。第2ドーズ58は、排気ガス流れ16の処理に必要な計算量の残余(第1ドーズ56で供給されなかった)とすることができる。たとえば第1ドーズ56が、計算量の約90パーセント(90%)の量を含んでいた場合には、第2ドーズ58は、計算量の約10パーセント(10%)の量を含むことができる。こうして、第1および第2ドーズ56および58が一緒になって、計算量の100パーセント(100%)が構成される。
有利なことに、本発明の排出制御システム10においては、第2ドーズ58で供給される還元剤の量を別個に決定して変化させることができるため、排気ガス流れ16を処理するのに適切な量の還元剤を供給することができ、過剰な量の還元剤とはならない。制御ユニット90は、1つまたは複数のセンサ96からの信号を処理することによって、排気ガス流れ16の処理を完了させるために第2ドーズ58で供給すべき還元剤の量を決定する。第2ドーズ58の量をこのように計算することによって、第1反応床72における第1ドーズ56を用いた処理の有効性が考慮される。センサ96を第2反応床74の下流に設ければ、反応床72および74の両方における処理の全体的な有効性についてのフィードバックが得られる。制御ユニット90は、センサ96からのフィードバックを用いて、第1ドーズ56と第2ドーズ58とを合わせた量が最初の計算量よりも多いかまたは少なくなるように、第2ドーズ58の量を決定しても良い。
排気ガス流れ16が中間ゾーン82を通って流れるときに、第2ドーズ58を、第1反応床72と第2反応床74との間の排気ガス流れ16へ供給する。それから排気ガス流れ16は、第2反応床74まで、第2ドーズ58と第1ドーズ56のわずかでも残っている量と一緒に流れる。排気ガス流れ16中のNOの処理を、第2反応床74において続けて行なう。その結果、反応器70から出て行く反応後の排気ガス流れ80のNOレベルが許容できる範囲となる。
内部に第1反応床72と第2反応床74とがある単一の反応器70を有するのではなく、2つの別個の反応器(それぞれ単一の反応床を有する)を用いることもできる。分割された反応床72および74を有する単一の反応器70は、別個の反応器を用いることと比べて、単純さおよび要求されるスペースが小さい点において、有利であると考えられる。
本発明によって、クローズド・フィードバック制御を有し、そのため適切な量ではあるが過剰な量ではない還元剤が供給される、エンジンからの排気ガス流れを処理するための選択触媒還元による排出制御システムが提供される。還元剤が無駄に使われず、排気ガス流れが適切に処理される。その結果、プロセスの効率が向上する。
本発明の他の形態、目的、および利点は、図面、明細書、および添付した請求の範囲の検討によって得られる。
本発明による選択触媒還元用の高度なアンモニア供給制御を有するエンジンを示す概略図である。
符号の説明
10 排出制御システム
12 圧縮点火エンジン
14 排気システム
16 排気ガス流れ
18 排気マニフォールド
20 排気ガス導管
30 メイン燃焼セクション
32 燃焼チャンバ
34 燃焼空気システム
36 燃焼空気導管
38 吸気マニフォールド
50 還元剤供給源
52、54 供給パイプ
60、62 計量手段
70 反応器
72、74 反応床
76 入口
78 出口
82 中間ゾーン
90 電子制御ユニット
92、96 センサ
94、98、100、102 信号接続部
104 電気接続部

Claims (5)

  1. エンジンの排気システム内で還元剤を用いて排気ガス流れを処理するための排出制御システムであって、
    エンジンの少なくとも1つの動作条件を検出するための第1センサと、
    排気ガス流れの特性を検出するための第2センサと、
    排気ガス流れの処理に必要な還元剤の計算量を決定するために第1センサに接続され、第2ドーズの還元剤の量を決定するために第2センサに接続された制御ユニットと、
    還元剤供給源と、
    第1の反応床と、
    第1の反応床から下流に配置される第2の反応床と、
    第1の反応床の上流で排気ガス流れに第1ドーズの還元剤を供給するための第1計量手段であって、前記第1ドーズの還元剤は排気ガス流れの処理に必要な還元剤の計算量よりも少ない第1計量手段と、
    第1の反応床から下流で排気ガス流れに第2ドーズの還元剤を供給するための第2計量手段と、
    を備え、
    第2のセンサおよび第2の計量手段は、第1の反応床と第2の反応床との間に配置される排出制御システム。
  2. 排気ガス流れを生成し、排気ガス流れと混合される還元剤によって排気ガス流れが処理されて排気ガス流れを転化するエンジンであって、
    複数の燃焼チャンバを備える燃焼セクションと、
    前記燃焼チャンバへ燃焼空気を供給する燃焼空気システムであって、吸気マニフォールドと、前記吸気マニフォールドへ燃焼空気を供給するための燃焼空気導管とを備える燃焼空気システムと、
    前記燃焼チャンバから排気ガスを受け取る排気システムであって、排気マニフォールドと、エンジンからの排気ガス流れ内の排気ガスを導くための排気導管とを備える排気システムと、
    排出制御システムであって、
    還元剤供給源と、
    前記排気導管と流体流れを連通する第1および第2の反応床と、
    エンジンの少なくとも1つの動作条件を検出するための第1センサと、
    排気ガス流れの特性を検出するための、前記反応床の間の第2センサと、
    排気ガス流れの処理に必要な還元剤の計算量を決定するために第1センサに接続され、第2ドーズの還元剤の量を決定するために第2センサに接続された制御ユニットと、
    還元剤の計算量よりも少ない第1ドーズの還元剤を排気ガス流れに供給するために第1の反応床の上流に配置された第1計量手段と、
    第2ドーズの還元剤を排気ガス流れへ供給するための前記反応床の間の第2計量手段と、を含む排出制御システムと、
    を備えるエンジン。
  3. 第1の反応床によって排出されるNO 排出のレベルを検出するように構成された第2センサ、エンジン速度、燃焼消費率、ブースト、および負荷の1つを検出するように構成された第1センサ、前記還元剤の前記計算された必要量の約90パーセント(90%)である前記第1ドーズ、のうちの少なくとも1つを備える請求項1あるいは2に記載の装置。
  4. 排気ガス流れを生成することができ、排気ガス流れと混合される還元剤によって排気ガス流れが処理されて排気ガス流れを転化する圧縮点火エンジンのための排出制御システムの効率を高めるための方法であって、
    排気ガス流れを処理するための還元剤の必要な量を決定するステップと、
    排気ガス流れに第1ドーズの還元剤を供給するステップであって、前記第1ドーズは必要な量よりも少ないステップと、
    排気ガス流れを第1ドーズの還元剤と反応させるステップと、
    排気ガス流れを第1ドーズと反応させる前記ステップの有効性に基づいて第2ドーズの量を決定するステップと、
    排気ガス流れを第1ドーズの還元剤と反応させた後に、排気ガス流れに第2ドーズの還元剤を供給するステップと、
    排気ガス流れを第2ドーズの還元剤と反応させるステップと、を含む方法。
  5. 排気ガス流れを第2ドーズの還元剤と反応させる前記ステップの後、または排気ガス流れを第1ドーズの還元剤と反応させる前記ステップと排気ガス流れを第2ドーズの還元剤と反応させる前記ステップとの間で、排気ガス流れのNO 含有量を検出するステップをさらに備え、
    第2ドーズの量を決定する前記ステップは、NO 含有量を検出する前記ステップに応答して第2ドーズの量を決定するステップである、請求項4に記載の方法。
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