本発明は、燃料中の硫黄分を高濃度と低濃度のものに分離し、硫黄分に起因する硫黄被毒を抑制することが可能な内燃機関の排気浄化装置に関する。
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物(NOX)は、近傍雰囲気がリーン空燃比の時にNOXを吸収し、理論空燃比又はリッチ空燃比の時にNOXを放出する窒素酸化物(NOX)浄化用触媒を担持した触媒装置を機関排気系に配置して、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるNOXを触媒装置のNOX浄化用触媒に吸収させ、大気放出を抑制するようにしている。また、この触媒装置に設けているNOXの吸収能力には制限があり、触媒装置のNOX浄化用触媒のNOX吸収能力が飽和する前に、近傍雰囲気をリッチ空燃比とし、吸収されたNOXを放出させると共に、リッチ空燃比とした際の還元物質によって放出させたNOXを還元浄化する再生処理が必要である。
また、NOX浄化用触媒は、燃料中の硫黄分から生成される硫黄酸化物(SOX)もNOXと同様に吸収し、このNOX浄化用触媒の吸蔵量には限界があるため、触媒装置におけるSOXの吸収量が増大すると、その分、吸蔵可能なNOX量が減少し、NOX浄化用触媒のNOX吸収能力の低下を引き起こす、いわゆる硫黄被毒によるNOX浄化用触媒の浄化機能の低下を引き起こす。
そのため、従来、SOXによるNOX吸収能力の低下を防止する内燃機関の排気浄化装置が提案されている。図7は、従来の内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。図7に示すように、従来の内燃機関の排気浄化装置は、近傍雰囲気がリーン空燃比の時にNOXを吸収し、理論空燃比(ストイキ)又はリッチ空燃比の時にNOXを放出するNOX浄化用触媒を担持した触媒装置101と、燃料タンク102内の燃料から低濃度硫黄分燃料103を分離する分離装置104とを具備している。分離装置104で燃料タンク102内の燃料から低濃度硫黄分燃料103を分離して供給管105を介して低濃度硫黄分燃料103を触媒装置101に供給し、触媒装置101内のNOX浄化用触媒の再生処理を行っている。また、高濃度硫黄分燃料106は燃料タンク102に再度回収するようにしていた(特許文献1)。
しかしながら、従来の内燃機関の排気浄化装置では、高濃度硫黄分燃料106を燃料タンク102に送給し、循環させているのみであり、処分先が充分に考慮されていないため、燃料タンク102中に硫黄分が高濃度に蓄積される、という問題がある。
また、SOXの吸収量が増加することによる触媒装置101の硫黄被毒を回復するため、排気燃料を添加しリッチ空燃比とし、触媒装置101を高温にすることで、排気燃料の添加による燃費が悪化する、という問題がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、燃料中の硫黄分を分離し、添加弁から排気系内、エンジン筒内へ添加することで硫黄被毒を抑制し、排気ガスの浄化性能を向上させる内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的としている。
上記の目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気通路内の排気ガス中の窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化用触媒が収容されている少なくとも一つ以上の窒素酸化物浄化装置を有する内燃機関の排気浄化装置であって、燃料中の硫黄分を分離し、高濃度の硫黄分を含有する硫黄高濃度燃料と低濃度の硫黄分を含有する硫黄低濃度燃料とに分離する燃料分離装置を有し、前記硫黄低濃度燃料をエンジン燃焼用の燃料として用いると共に、前記窒素酸化物浄化用触媒に吸収された硫黄分を放出・燃焼する硫黄再生時に、前記硫黄高濃度燃料を用いることを特徴とする。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記燃料分離装置で分離された前記硫黄高濃度燃料を貯蔵する硫黄高濃度燃料サブタンクと、前記燃料分離装置で分離された前記硫黄低濃度燃料を貯蔵する硫黄低濃度燃料サブタンクとを有することを特徴とする。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記硫黄高濃度燃料、前記硫黄低濃度燃料の何れか一方を前記窒素酸化物浄化装置の上流側に供給する排気添加弁を有することを特徴とする。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記硫黄再生時には、前記硫黄高濃度燃料を前記排気添加弁に供給すると共に、前記窒素酸化物浄化装置に吸蔵された窒素酸化物の還元時には、前記硫黄低濃度燃料を前記排気添加弁に供給することを特徴とする。
また、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気通路内の排気ガス中の窒素酸化物を浄化する窒素酸化物浄化用触媒が収容されている少なくとも一つ以上の窒素酸化物浄化装置と、該窒素酸化物浄化装置の下流側に設けられ、前記排気通路内の前記排気ガス中の粒子状物質を捕集するフィルタ機能を備えた粒子状物質捕集装置とを有する内燃機関の排気浄化装置であって、燃料中の硫黄分を分離し、硫黄分を含有しない硫黄フリー燃料と、硫黄分を含有する硫黄高濃度燃料とに分離する燃料分離装置を有し、前記硫黄フリー燃料をエンジン燃焼用の燃料として用いると共に、前記窒素酸化物浄化用触媒に吸蔵された窒素酸化物の還元時に前記硫黄フリー燃料を用い、且つ、前記粒子状物質捕集装置に捕集されたPMを焼失してPM捕集機能を再生するPM再生時に前記分離した硫黄高濃度燃料を用いることを特徴とする。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記硫黄高濃度燃料が、前記窒素酸化物浄化用触媒に吸収された硫黄分を放出・燃焼する硫黄再生時に用いられることを特徴とする。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記燃料分離装置において分離された前記硫黄フリー燃料を前記窒素酸化物浄化装置の上流側に供給する第一の排気添加弁と、前記燃料分離装置において分離された前記硫黄高濃度燃料を前記窒素酸化物浄化装置と前記粒子状物質捕集装置との間に供給する第二の排気添加弁とを有することを特徴とする。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記窒素酸化物浄化装置と前記粒子状物質捕集装置との間隔が、温度伝達が起こり難い所定間隔を有することを特徴とする。
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記燃料分離装置で分離された前記硫黄高濃度燃料を貯蔵する高濃度硫黄含有燃料タンクを有することを特徴とする。
本発明によれば、燃料中の硫黄分を分離し、硫黄分を硫黄高濃度燃料と、硫黄低濃度燃料とに分離する燃料分離装置を備え、硫黄低濃度燃料を常時エンジン筒内燃焼用の燃料として用いることができるため、エミッション中の硫黄分を大幅に減少させ、従来よりも硫黄分から生成されるSOXに起因するNOX浄化用触媒の硫黄被毒を抑制することができる。また、窒素酸化物浄化装置内のNOX浄化用触媒の硫黄吸収が可能な限界値に到達する時間を長くすることができるため、NOX浄化用触媒に吸収されたSOXを放出・燃焼する硫黄再生を行う頻度を減少させることができる。また、NOX浄化用触媒の硫黄被毒による硫黄再生を行なう周期を長くすることで、この硫黄再生に必要な排気添加燃料の総量を減らすことができる。
また、硫黄低濃度燃料を窒素酸化物浄化装置の上流側に供給する排気添加弁を備えているため、硫黄低濃度燃料を窒素酸化物浄化装置に供給することで、NOX浄化用触媒に吸蔵されたNOXの還元時に、NOX浄化用触媒のSOXによる硫黄被毒を抑制することができる。
また、硫黄再生時に、硫黄高濃度燃料を用いることで、NOX浄化用触媒の触媒床温を上昇させ、空燃比をリッチとすることができるため、NOX浄化用触媒に吸収されたSOXを燃焼・放出させると共に、硫黄高濃度燃料中の硫黄分も同時に燃焼し、燃料中の硫黄分を効率よく有効に処理することができる。
更に、燃料中の硫黄分を分離し、硫黄高濃度燃料と硫黄フリー燃料とに分離し、硫黄フリー燃料をエンジン筒内燃焼用の燃料として常時用いることで、エンジン筒内燃焼により硫黄分から生成されるSOXに起因するNOX浄化用触媒の硫黄被毒を抑制することができる。
また、硫黄フリー燃料を窒素酸化物浄化装置の上流側に供給する第一の排気添加弁を備えているため、硫黄フリー燃料を窒素酸化物浄化装置に供給することができ、窒素酸化物浄化用触媒に吸蔵された窒素酸化物の還元時に、NOX浄化用触媒のSOXによる硫黄被毒を抑制することができる。
また、窒素酸化物浄化用触媒に吸蔵された窒素酸化物の還元時に、硫黄フリー燃料を窒素酸化物浄化装置に窒素酸化物浄化用触媒が熱劣化しない程度にまで添加することで、窒素酸化物浄化用触媒の熱劣化を抑制しつつ、粒子状物質捕集装置内のフィルタ床温を上昇させることができる。
また、硫黄高濃度燃料を窒素酸化物浄化装置と粒子状物質捕集装置との間に供給する第二の排気添加弁とを備えているため、硫黄高濃度燃料を粒子状物質捕集装置に常時供給することで粒子状物質捕集装置内のフィルタ床温を上昇させることができる。
また、硫黄高濃度燃料を貯蔵する高濃度硫黄含有燃料タンクを備えているため、粒子状物質捕集装置内のフィルタ床温に応じ、必要に応じてアロマ含有燃料を適時供給し、PM再生用に用いることができる。
従って、燃料中の硫黄分を効率よく有効に処理することで、NOX浄化用触媒の硫黄被毒を抑制しつつ、NOX浄化用触媒の硫黄再生周期の延長又は粒子状物質捕集装置のPM再生効率の向上を図ることができる。
以下に、この発明に係る内燃機関の排気浄化装置をディーゼルエンジンシステムに適用した例について図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
図1は、本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図である。
図1に示すように、内燃機関(以下、エンジンと記す。)11Aは、燃料供給系12、燃焼室13、吸気系14および排気系15等を主要部として構成される直列4気筒のディーゼルエンジンシステムである。
燃料供給系12は、燃料タンク16、燃料分離装置17、メイン燃料通路L11、メイン燃料ポンプ61、硫黄低濃度燃料サブタンク62−1、硫黄高濃度燃料サブタンク62−2、燃料ポンプ18、サブフィードポンプ63、コモンレール19、燃料噴射弁21、遮断弁V1、V2、排気添加弁22、硫黄低濃度燃料通路L12−1〜L12−4、硫黄高濃度燃料通路L13−1,L13−2、機関燃料通路L14、燃料再生通路L15及び硫黄燃料添加通路L16、切替弁64を備えて構成されている。また、硫黄低濃度燃料サブタンク62−1、硫黄高濃度燃料サブタンク62−2には、各々タンク内の燃料の量を検出するレベルセンサ65−1、65−2が設けられている。
燃料タンク16からメイン燃料通路L11を介してメイン燃料ポンプ61で汲み上げた燃料は、燃料分離装置17に供給される。燃料分離装置17は、燃料タンク16から供給される燃料から高濃度の硫黄分を抽出した硫黄高濃度燃料23とその残りの硫黄低濃度燃料24とに分離する。
硫黄低濃度燃料24と硫黄高濃度燃料23との硫黄分の割合としては、全体を100としたとき、15対85が好ましく、更に10対90が好ましく、更には5対95が好ましい。
また、軽油中の硫黄分の大部分はアロマ中に存在しているため、燃料分離装置17では、硫黄分の他にアロマ分も同時に分離することができる。
また、本実施例では、燃料分離装置17は、燃料中の硫黄分を選択的に分離可能なシステムであればよく、例えば、硫黄分を抽出して分離する方法、分離膜を用いる方法等があるが、特にこれらに限定されるものではない。
また、燃料分離装置17において硫黄低濃度燃料24は、燃料分離装置17から硫黄低濃度燃料通路L12−1を介して硫黄低濃度燃料サブタンク62−1に供給される。
燃料分離装置17において抽出された硫黄高濃度燃料23は、燃料分離装置17から硫黄高濃度燃料通路L13−1を介して硫黄高濃度燃料サブタンク62−2に供給される。
燃料分離装置17において貯蔵された硫黄低濃度燃料24は、硫黄低濃度燃料通路L12−2、L12−3を介して燃料ポンプ18に供給される。
燃料ポンプ18は、硫黄低濃度燃料サブタンク62−1から汲み上げた硫黄低濃度燃料24を高圧にし、機関燃料通路L14を経てコモンレール19に供給する。コモンレール19は、燃料ポンプ18から供給された高圧の硫黄低濃度燃料24を所定圧力に蓄圧し、各燃料噴射弁21に分配する。電磁弁である燃料噴射弁21は、燃焼室13内に燃料を噴射供給する。
これにより、硫黄低濃度燃料24を各燃料噴射弁21より燃焼室13内に噴射供給することができるため、硫黄低濃度燃料24を常時エンジン筒内燃焼用の燃料として用いることができる。この結果、エミッション中の硫黄分を大幅に減少させ、従来よりも硫黄分から生成される硫黄酸化物(SOX)に起因するNOX浄化用触媒の硫黄被毒を抑制することができる。
また、窒素酸化物浄化装置42−1、42−2内のNOX浄化用触媒に吸収されるSOXを減少させることができるため、窒素酸化物浄化装置42−1、42−2内のNOX浄化用触媒に吸収されたSOXを放出・燃焼する硫黄再生を行う頻度を減少させることができる。
また、窒素酸化物浄化装置42−1、42−2内のNOX浄化用触媒の硫黄被毒による硫黄再生を行なう周期を長くすることで、この硫黄再生に要する排気添加燃料の総量を減らすことができる。
また、吸気系14は、各燃焼室13内に供給される吸入空気の通路(吸気通路)を形成するものである。排気系15は、各燃焼室13から排出される排気ガスの通路(排気通路)を形成するものである。
また、エンジン11には、その排気により吸気31を過給するターボチャージャ32を備えている。ターボチャージャ32に設けられたインタークーラ33は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。このインタークーラ33よりも下流に設けられたスロットル弁34は、いわゆる電子スロットルであり、吸入空気の供給量を調整する。
また、エンジン11には、吸気系14と排気系15をバイパスし、排気の一部を吸気系14に戻すEGR通路35が設けられている。EGR通路35には、排気流量を調整するEGR弁36と、排気を冷却するためのEGRクーラ37が設けられている。また、EGRクーラ37のガス流れ方向の上流側にはEGRクーラ前触媒コンバータ38が設けられている。
また、排気系15は、排気主通路41上に排気ガス中の窒素酸化物を浄化する窒素酸化物(NOX)浄化用触媒が収容されている窒素酸化物浄化装置42−1、42−2と、その下流側に酸化触媒48とを備えている。
窒素酸化物浄化装置42−1、42−2に収容されているNOX浄化用触媒は、排気空燃比がリーンのときに排気ガス中のNOXを吸蔵し、排気ガス中の排気空燃比がリッチのときに添加されるHC、CO等により吸蔵されたNOXを還元・放出するものである。
NOX浄化用触媒として、具体的には、NSR(NOX Storage Reduction)やDPNR(Diesel Particulate−NOX Reduction System)が知られている。NSRとは、リーン運転モードでの運転中にNOXを硝酸塩の形で触媒中に吸蔵し、その硝酸塩を酸素濃度の低下した還元雰囲気でN2に還元するNOX吸蔵還元型触媒のことである。また、DPNRとは、粒子状物質(PM)とNOXを同時に連続して浄化させることが可能なシステムのことであり、例えば、粒子状物質(PM)捕集装置であるDPF(Diesel Particulate Filter)にNOX吸蔵還元型触媒を担持させたものである。また、本実施例においては、窒素酸化物浄化装置42−1に収容されているNOX浄化用触媒としては、NOX吸蔵還元型触媒(NSR)を適用する。また、窒素酸化物浄化装置42−2に収容されているNOX浄化用触媒としては、NOX吸蔵還元型触媒(DPNR)を適用する。
また、窒素酸化物浄化装置42−1、42−2内の温度が比較的低い場合等においては、排気添加弁22による添加燃料が窒素酸化物浄化装置42−1、42−2をすり抜けてしまう場合があるが、酸化触媒を収容する酸化触媒装置48によりこれを確実に酸化することができる。
酸化触媒装置48には、例えばPt等の白金族元素、バナジウム、銅、マンガン、アルミナなどの金属元素及び金属酸化物などからなる酸化触媒が収容されている。
また、硫黄低濃度燃料24を窒素酸化物浄化装置42−1の上流側に供給する排気添加弁22を有している。硫黄低濃度燃料サブタンク62−1は、硫黄低濃度燃料24の一部を硫黄低濃度燃料通路L12−4、燃料再生通路L15を介してサブフィードポンプ63に供給する。この時、遮断弁V2を開放し、硫黄低濃度燃料24の供給を行なう。
サブフィードポンプ63に供給された硫黄低濃度燃料24を高圧にし、硫黄燃料添加通路L16を経て排気添加弁22に供給し、窒素酸化物浄化装置42−1のガス流れ方向の上流側に硫黄低濃度燃料24を噴射供給する。
排気添加弁22より硫黄低濃度燃料24を窒素酸化物浄化装置42−1の上流側に供給することができるため、窒素酸化物浄化装置42−1、42−2内のNOX浄化用触媒に吸蔵されたNOXの還元時に、NOX浄化用触媒のSOXによる硫黄被毒を抑制することができる。
なお、硫黄燃料添加通路L16には調量弁(図示せず)も設けられている。この調量弁は、排気添加弁22に供給する燃料の圧力(燃圧)を制御する。電磁弁である第一の排気添加弁22は、還元剤として機能する硫黄低濃度燃料24を、適宜量、適宜タイミングで排気系15の窒素酸化物浄化装置42−1上流に添加供給する。
図2は、燃料中の硫黄濃度による硫黄再生を開始するまでの期間を示す関係図である。
また、通常排出される硫黄排出量を換算し、この積算値がある上限値(L)に達した場合に、硫黄再生を開始するとする。
図2に示すように、ディーゼルエンジンで一般的に用いられる軽油を用いた場合において、硫黄再生を開始するまでの期間(インターバル)をTAとすると、硫黄低濃度燃料を用いた場合での硫黄再生を開始するまでの期間TBは、軽油を用いた場合での硫黄再生を開始するまでの期間TAよりも長くすることができる。
よって、窒素酸化物浄化装置に吸収されたSOXを放出する硫黄再生に必要な排気添加燃料を総量として減らすことができる。
また、遮断弁V2は、必要な時にのみ開放し、必要でない時には閉鎖し、硫黄低濃度燃料通路L12−4を遮断し、燃料供給を停止するようにしてもよい。
また、窒素酸化物浄化装置に吸収されたSOXを放出する硫黄再生時には、排気添加弁22から噴出する燃料を硫黄低濃度燃料24から硫黄高濃度燃料23に切替える。具体的には、切替弁64により、硫黄低濃度燃料通路L12−4からの硫黄低濃度燃料24の供給を遮断し、硫黄高濃度燃料サブタンク62−2に貯蔵されている硫黄高濃度燃料23を硫黄高濃度燃料通路L13−2を介してサブフィードポンプ63に供給する。
サブフィードポンプ63は、硫黄高濃度燃料サブタンク62−2から汲み上げた硫黄高濃度燃料23を高圧にし、硫黄燃料添加通路L16を経て排気添加弁22に供給し、窒素酸化物浄化装置42−1のガス流れ方向の上流側に硫黄高濃度燃料23を噴射供給する。
ここで、窒素酸化物浄化装置42−1、42−2内のNOX浄化用触媒として、上述のようにNOX吸蔵還元型触媒を用いるため、NOX浄化用触媒は、燃料や潤滑油に由来する硫黄分から生成されるSOXも吸収する。このNOX浄化用触媒の吸蔵量には限界があるため、SOX吸収量が増大すると吸蔵可能なNOX量が減少し、NOX浄化用触媒のNOX浄化機能の低下を引き起こす(硫黄被毒)。また、NOX浄化用触媒に吸収されたSOXは、例えば600℃近い高温の還元雰囲気で空燃比がリッチの状態においては、NOX浄化用触媒から還元された状態で放出され、NOX浄化用触媒に吸収されたSOX量を減少させることができる。
そのため、SOX吸収量が例えば図2に示すような所定の上限値に達したときには、排気添加弁22より硫黄高濃度燃料23を供給し、硫黄被毒回復処理である硫黄再生を行う。
硫黄高濃度燃料23を排気添加弁22より窒素酸化物浄化装置42−1のガス流れ方向の上流側に噴射供給することで、空燃比をリッチとすると共に、硫黄高濃度燃料23がNOX浄化用触媒において燃焼され、各NOX浄化用触媒の触媒床温を高める。また、硫黄高濃度燃料23の燃焼によって各NOX浄化用触媒の周りの酸素が消費され、NOX浄化用触媒の周りの酸素濃度が低くなり、高温・還元雰囲気となる。
よって、硫黄再生時に、硫黄高濃度燃料23を排気添加弁22より窒素酸化物浄化装置42−1のガス流れ方向の上流側に噴射供給することにより、窒素酸化物浄化装置42−1、42−2のNOX浄化用触媒の触媒床温を上昇させ、空燃比をリッチとすることができるため、NOX浄化用触媒に吸収されたSOXを燃焼・放出させることができる。また、硫黄高濃度燃料23中の硫黄分も同時に燃焼して消費し、燃料中の硫黄分を効率よく有効に処理することができる。
また、燃料として例えば軽油中の硫黄分の大部分はアロマ中に存在しているため、燃料中の硫黄分を燃焼させると共に、アロマ分も燃焼・消費され、アロマ分の排出を抑制することができる。この結果、高濃度のアロマ分に起因して発生する煤の発生量を大幅に軽減でき、硫黄分の他に含まれるアロマ分も同時に効率良く有効に処理することができる。
また、エンジン11の各部位には、吸気量を検出するエアフロメータ44、排気中の酸素濃度を検出する空燃比センサ46、窒素酸化物浄化装置42−1の下流側と窒素酸化物浄化装置42−2の下流側の排気温度を検出する排気温センサ52−1,52−2、窒素酸化物浄化装置42−1の上流側と窒素酸化物浄化装置42−2の下流側との圧力差を検出する差圧センサ53が設けられている。
また、窒素酸化物浄化装置42−1、42−2、酸化触媒装置48が活性状態にあるか否かについては、その夫々の触媒床温を検出することで判断してもよい。
また、本実施例では、排気添加弁22は硫黄高濃度燃料23又は硫黄低濃度燃料24を微粉化し噴出することが可能なものであれば、特にこれに限定されるものではない。
また、図示を省略するが、エンジン11の各部位には、コモンレール19内の燃料の温度と圧力を検出する温度センサおよび圧力センサ、エンジン11のクランク軸回転を検出するクランクポジションセンサ、吸気温度を検出する吸気温センサ、吸気圧力を検出する吸気圧センサ、アクセルペダルの踏込み量(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサ、スロットル弁34の開度を検出するスロットルポジションセンサ、エンジン11の冷却水温を検出する水温センサ等が設けられている。
図示しない電子制御装置(ECU)は、上記各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、これらの信号に基づき燃料噴射弁21や排気添加弁22の開閉制御等、エンジン11の運転状態に関する各種制御を実施する。このECUは、NOXセンサのNOX排出量に基づいて排気添加弁22の硫黄低濃度燃料24、硫黄高濃度燃料23の添加量を調整する。
このように、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムによれば、燃料中の硫黄分を分離し、硫黄高濃度燃料23と硫黄低濃度燃料24とに分離する燃料分離装置17と硫黄低濃度燃料サブタンク62−1、硫黄高濃度燃料サブタンク62−2とを備え、硫黄低濃度燃料24を常時エンジン筒内燃焼用の燃料として用いることができるため、エミッション中の硫黄分を大幅に減少させ、従来よりも硫黄分から生成されるSOXに起因するNOX浄化用触媒の硫黄被毒を抑制することができる。また、窒素酸化物浄化装置42−1、42−2内のNOX浄化用触媒に吸収されたSOXを大幅に抑制することで、従来よりも硫黄再生を行なう頻度を減少させることができる。
また、窒素酸化物浄化装置42−1、42−2内のNOX浄化用触媒の硫黄被毒による硫黄再生を行なう周期を長くすることができるため、この硫黄再生に要する排気添加燃料の総量を減らすことができる。
また、硫黄低濃度燃料24を排気添加弁22により窒素酸化物浄化装置42−1、42−2に供給することで、窒素酸化物浄化装置42−1、42−2のNOX浄化用触媒に吸蔵されたNOXの還元時に、NOX浄化用触媒のSOXによる硫黄被毒を抑制することができる。
また、硫黄再生時に硫黄高濃度燃料23を用いることで、窒素酸化物浄化装置42−1、42−2のNOX浄化用触媒の触媒床温を上昇させ、空燃比をリッチとすることができるため、NOX浄化用触媒に吸収されたSOXを燃焼・放出させると共に、硫黄高濃度燃料中の硫黄分も同時に燃焼し、燃料中の硫黄分を効率よく有効に処理することができる。
従って、燃料中の硫黄分を効率よく有効に処理し、NOX浄化用触媒の硫黄被毒を抑制しつつ、NOX浄化用触媒の硫黄再生の周期を長くすることができる。
図3は、本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図である。図4は、本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置の構成を簡略に示す概略図である。なお、前述した実施例1で説明したものと同様の機能を有する構成には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図3に示すように、内燃機関(以下、エンジンと記す。)11Bは、燃料供給系12、燃焼室13、吸気系14および排気系15等を主要部として構成される直列4気筒のディーゼルエンジンシステムである。
燃料供給系12は、燃料タンク16、燃料分離装置17、メイン燃料通路L21、燃料ポンプ18、コモンレール19、燃料噴射弁21、第一の排気添加弁22−1、第二の排気添加弁22−2、硫黄フリー燃料通路L22、機関燃料通路L23、硫黄フリー燃料添加通路L24及び硫黄高濃度燃料添加通路L25を備えて構成されている。
燃料タンク16からメイン燃料通路L21を介して汲み上げた燃料は、燃料分離装置17に供給される。燃料分離装置17は、燃料タンク16から供給される燃料中の硫黄分を分離し、硫黄分を含有しない硫黄フリー燃料25と、硫黄分を含有する硫黄高濃度燃料23とに分離する。
燃料ポンプ18は、燃料分離装置17から汲み上げた硫黄フリー燃料25を高圧にし、硫黄フリー燃料通路L22を経てコモンレール19に供給する。コモンレール19は、燃料ポンプ18から供給された高圧の硫黄フリー燃料25を所定圧力に蓄圧し、各燃料噴射弁21に分配する。電磁弁である燃料噴射弁21は、燃焼室13内に燃料を噴射供給する。
これにより、硫黄フリー燃料25を各燃料噴射弁21より燃焼室13内に燃料を噴射供給することができるため、硫黄フリー燃料25をエンジン筒内燃焼用の燃料として常時用いることができる。この結果、エンジン筒内燃焼により硫黄分から生成されるSOXに起因する窒素酸化物浄化装置42内に設けられているNOX浄化用触媒の硫黄被毒を抑制することができる。
また、吸気系14は、各燃焼室13内に供給される吸入空気の通路(吸気通路)を形成するものである。排気系15は、各燃焼室13から排出される排気ガスの通路(排気通路)を形成するものである。
また、排気系15は、排気主通路41上に排気ガス中の窒素酸化物を浄化するNOX浄化用触媒が収容されている窒素酸化物浄化装置42と、その下流側に排気ガス中の粒子状物質を捕集するPMフィルタを備えた粒子状物質捕集装置43とを配設している。
また、本実施例においては、窒素酸化物浄化装置42内に収容されるNOX浄化用触媒として、NOX吸蔵還元型触媒(NSR)を適用する。また、窒素酸化物浄化装置42内に収容されるNOX浄化用触媒として、NOX吸蔵還元型触媒(NSR)に限定されるものではない。
また、粒子状物質捕集装置43は、排気ガス中の粒子状物質(PM)を捕集するPMフィルタを備えたものである。粒子状物質捕集装置43として、例えばDPF(Diesel Particulate Filter)がある。
ここでは、その粒子状物質捕集装置43を窒素酸化物浄化装置42よりも排気ガス流動方向下流に配置して、その窒素酸化物浄化装置42内のNOX浄化用触媒においてNOXを吸蔵し、排気ガス中のPM等を粒子状物質捕集装置43内のPMフィルタで捕集し、排気している。
また、硫黄フリー燃料25を窒素酸化物浄化装置の上流側に供給する第一の排気添加弁22−1を有している。燃料分離装置17は、硫黄フリー燃料25の一部を硫黄フリー燃料添加通路L24を介して第一の排気添加弁22−1に供給する。この供給の際には、第一の排気添加弁22−1を開放し、硫黄フリー燃料添加通路L24を介して硫黄フリー燃料25の供給を行なう。また、必要でない時には閉鎖し、硫黄フリー燃料25の供給を停止するようにする。
第一の排気添加弁22−1より硫黄フリー燃料25を窒素酸化物浄化装置42の上流側に供給することができるため、窒素酸化物浄化装置42内のNOX浄化用触媒に吸蔵されたNOXを還元する際に、窒素酸化物浄化装置42内のNOX浄化用触媒のSOXによる硫黄被毒を抑制することができる。
また、NOX浄化用触媒に吸蔵されたNOXの還元時に、硫黄フリー燃料を第一の排気添加弁22−1より硫黄フリー燃料25を窒素酸化物浄化装置42に供給し、窒素酸化物浄化装置42内のNOX浄化用触媒の熱劣化が起こらない温度(例えば400℃)程度で加温することで、NOX浄化用触媒の熱劣化を抑制しつつ、粒子状物質捕集装置43内のPMフィルタのフィルタ床温を上昇させることができる。
なお、硫黄フリー燃料添加通路L24には調量弁(図示せず)も設けられている。この調量弁は、第一の排気添加弁22−1に供給する燃料の圧力(燃圧)を制御する。電磁弁である第一の排気添加弁22−1は、還元剤として機能する燃料を、適宜量、適宜タイミングで排気系15の窒素酸化物浄化装置42の上流に添加供給する。
また、硫黄高濃度燃料23を窒素酸化物浄化装置42と粒子状物質捕集装置43との間に供給する第二の排気添加弁22−2を有している。燃料分離装置17は、硫黄高濃度燃料23を硫黄高濃度燃料添加通路L25を介して第二の排気添加弁22−2より粒子状物質捕集装置43に供給する。
第二の排気添加弁22−2より硫黄高濃度燃料23を窒素酸化物浄化装置42と粒子状物質捕集装置43との間に供給することができるため、粒子状物質捕集装置43内のPMフィルタのフィルタ床温を上昇させることができる。
また、硫黄フリー燃料25を供給してフィルタ床温が上昇した粒子状物質捕集装置43に硫黄高濃度燃料23を供給することで、粒子状物質捕集装置43内のフィルタ床温を更に上昇させることができる。
よって、粒子状物質捕集装置43内のPMフィルタのPM再生に必要なフィルタ床温(例えば550℃)にまで効率良く上昇させ、粒子状物質捕集装置43のPM再生を行なうことができる。
また、硫黄分の他に燃料中に含まれるアロマ分もPM再生時に酸化処理される。このアロマ分を効率よく処理することで、アロマ分の排出を軽減することができ、高濃度のアロマ分に起因して発生する煤の発生量を軽減することができる。
従って、硫黄分の他にも燃料中のアロマ分も効率よく有効に処理し、アロマ分の排出を抑制し、高濃度のアロマ分に起因して発生する煤の発生量を軽減すると共に、燃焼に要する燃料を低下させることができる。
また、粒子状物質捕集装置43内は高温となるため、窒素酸化物浄化装置42内のNOX浄化用触媒に熱が伝わり、熱劣化する虞がある。このため、窒素酸化物浄化装置42と粒子状物質捕集装置43との間隔は、窒素酸化物浄化装置42と粒子状物質捕集装置43とが温度伝達が起こり難い所定の間隔を確保する。
また、エンジン11の各部位には、吸気量を検出するエアフロメータ44と、粒子状物質捕集装置43内のPMフィルタのフィルタ床温を検出する温度センサ45とが設けられている。また、窒素酸化物浄化装置42の上流側と窒素酸化物浄化装置42と粒子状物質捕集装置43との間に排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサ46−1,46−2と、粒子状物質捕集装置43の下流側の窒素濃度を検出するNOXセンサ47とが設けられている。
図示しない電子制御装置(ECU)は、上記各種センサの検出信号を外部入力回路を介して入力し、これらの信号に基づき燃料噴射弁21や第一の排気添加弁22−1、第二の排気添加弁22−2の開閉制御等、エンジン11の運転状態に関する各種制御を実施する。このECUは、NOXセンサ47のNOX排出量に基づいて第一の排気添加弁22−1、第二の排気添加弁22−2の硫黄フリー燃料25、硫黄高濃度燃料23の添加量を調整する。
このように、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムによれば、燃料中の硫黄分を分離し、硫黄フリー燃料25と硫黄高濃度燃料23とに分離する燃料分離装置17を備え、分離された硫黄フリー燃料25をエンジン筒内燃焼用の燃料として常時用いることができる。この結果、エンジン筒内燃焼により硫黄分から生成されるSOXに起因する窒素酸化物浄化装置42内のNOX浄化用触媒の硫黄被毒を抑制することができる。
また、硫黄フリー燃料25を窒素酸化物浄化装置42の上流側に供給する第一の排気添加弁22−1を備えているため、硫黄フリー燃料25を窒素酸化物浄化装置42に供給することができ、NOX浄化用触媒に吸蔵されたNOXの還元時に、窒素酸化物浄化装置42内のNOX浄化用触媒に吸収されたSOXによる硫黄被毒を抑制することができる。
また、硫黄フリー燃料25を窒素酸化物浄化装置42内のNOX浄化用触媒が熱劣化しない温度(例えば400℃)程度にまで添加することで、NOX浄化用触媒の熱劣化を抑制しつつ、粒子状物質捕集装置43内のPMフィルタのフィルタ床温を上昇させることができる。
また、硫黄高濃度燃料23を窒素酸化物浄化装置42と粒子状物質捕集装置43との間に供給する第二の排気添加弁22−2とを備えているため、該硫黄高濃度燃料23を供給することで粒子状物質捕集装置43内のフィルタ床温を上昇させることができる。このため、粒子状物質捕集装置43内のPMフィルタのPM再生に必要なフィルタ床温(例えば550℃)にまで効率良く上昇させ、粒子状物質捕集装置43のPM再生を行なうことができる。
従って、燃料中の硫黄分を効率よく有効に処理し、NOX浄化用触媒の硫黄被毒を抑制しつつ、粒子状物質捕集装置43のPM再生効率を高めることができる。
本発明による実施例3に係る内燃機関の排気浄化装置をディーゼルエンジンシステムに適用した例について、図5を参照して説明する。
図5は、本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置をディーゼルエンジンシステムの構成を簡略に示す概略図である。
本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置は、実施例2に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムの構成と同様であるため、図3に示す実施例2の内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムの構成を示す図は省略し、ディーゼルエンジンシステムの構成を簡略に示す概略図を用いて説明する。また、実施例2と共通の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。
図5に示すように、本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムは、図3及び図4に示す硫黄高濃度燃料添加通路L25に硫黄高濃度燃料23を貯蔵する高濃度硫黄含有燃料タンク51を備えている。
燃料分離装置17より硫黄高濃度燃料添加通路L25−1を介して高濃度硫黄含有燃料タンク51に供給された硫黄高濃度燃料23を貯蔵する。貯蔵された硫黄高濃度燃料23を硫黄高濃度燃料添加通路L25−2を介して第二の排気添加弁22−2より必要な場合にのみ粒子状物質捕集装置43に供給することができる。
このため、粒子状物質捕集装置43内のPMフィルタのフィルタ床温に応じて硫黄高濃度燃料23を必要な場合に粒子状物質捕集装置43に供給することで、粒子状物質捕集装置43内のPMフィルタのPM再生に必要な温度(例えば550℃)にまで上昇させることができる。
このように、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、燃料中の硫黄分を効率よく有効に処理し、NOX浄化用触媒の硫黄被毒を抑制しつつ、粒子状物質捕集装置43内のPMフィルタのフィルタ床温に応じ、必要に応じて硫黄高濃度燃料23を適時供給し、PM再生用に用いることができる。
本発明による実施例4に係る内燃機関の排気浄化装置をディーゼルエンジンシステムに適用した例について、図6を参照して説明する。
図6は、本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置をディーゼルエンジンシステムの構成を簡略に示す概略図である。
本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置は、実施例2及び実施例3に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムの構成と同様であるため、図3に示す実施例2の内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムの構成を示す図は省略し、ディーゼルエンジンシステムの構成を簡略に示す概略図を用いて説明する。また、実施例2及び実施例3と共通の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。
図6に示すように、本発明の実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムは、硫黄高濃度燃料添加通路L25−2に第一の排気添加弁22−1又は第二の排気添加弁22−2に硫黄高濃度燃料23の流路を切替える第一の流路切替え弁71、第二の流路切替え弁72を備えている。
窒素酸化物浄化装置42内のNOX浄化用触媒の硫黄再生を行う際には、第一の流路切替え弁71により硫黄高濃度燃料23の噴出先を第二の排気添加弁22−2から第一の排気添加弁22−1に切替えるようにする。このとき、第二の流路切替え弁72により、硫黄フリー燃料25の第一の排気添加弁22−1への流通を遮断する。これにより、硫黄高濃度燃料23を硫黄高濃度燃料添加通路L25−3を介して第二の流路切替え弁72により第一の排気添加弁22−1から噴出させ、窒素酸化物浄化装置42に供給することができる。
このため、実施例1に係る内燃機関の排気浄化装置と同様に、硫黄再生時に硫黄高濃度燃料23を用いることで、窒素酸化物浄化装置42のNOX浄化用触媒の触媒床温を上昇させ、空燃比をリッチとすることができるため、NOX浄化用触媒に吸収されたSOXを燃焼・放出させると共に、硫黄高濃度燃料23中の硫黄分も同時に燃焼し、燃料中の硫黄分を効率よく有効に処理することができる。
また、粒子状物質捕集装置43のPM再生を行う際には、第一の流路切替え弁71により硫黄高濃度燃料23の噴出先を第二の排気添加弁22−2とする。これにより、硫黄高濃度燃料23を第二の排気添加弁22−2から噴出させ、粒子状物質捕集装置43に供給することができる。
よって、実施例3に係る内燃機関の排気浄化装置と同様に、PM再生時に硫黄高濃度燃料23を用いることで、粒子状物質捕集装置43内のフィルタ床温を上昇させ、PM再生に必要なフィルタ床温(例えば550℃)にすることができる。
また、窒素酸化物浄化装置42内のNOX浄化用触媒に吸蔵されたNOX還元を行う際には、第一の排気添加弁22−1より硫黄フリー燃料25を第一の排気添加弁22−1より噴出させる。このとき、第一の流路切替え弁71及び第二の流路切替え弁72により、硫黄高濃度燃料23の第一の排気添加弁22−1への流通を遮断する。これにより、硫黄フリー燃料25を第一の排気添加弁22−1から噴出させ、窒素酸化物浄化装置42に供給することができる。
よって、実施例1に係る内燃機関の排気浄化装置と同様に、NOX浄化用触媒のNOX還元時に硫黄フリー燃料25を用いることで、NOX浄化用触媒のSOXによる硫黄被毒を抑制することができる。
また、本実施例では、硫黄フリー燃料25を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、硫黄フリー燃料25に代えて実施例1に係る内燃機関の排気浄化装置と同様のSOXを完全に除去していない硫黄低濃度燃料24を用いるようにしてもよい。
このように、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、燃料中の硫黄分を効率よく有効に処理し、NOX浄化用触媒の硫黄被毒を抑制しつつ、必要に応じて硫黄高濃度燃料23を適時、粒子状物質捕集装置43のPM再生、NOX浄化用触媒の硫黄再生に用いることができる。
以上のように、この発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、燃料中の硫黄分を分離し、硫黄高濃度燃料と硫黄低濃度燃料とに分離し、硫黄低濃度燃料をエンジン筒内燃焼用の燃料として用いることで、硫黄分から生成されるSOXに起因する硫黄被毒を抑制すると共に、硫黄再生時に硫黄高濃度燃料を用いて燃料中の硫黄分を効率よく有効に処理することで、SOXの排出を抑制しつつ、NOX浄化性能の維持可能な内燃機関に適している。
また、燃料中の硫黄分を硫黄フリー燃料と硫黄高濃度燃料とに分離し、硫黄フリー燃料をエンジン筒内燃焼用の燃料として用い、窒素酸化物浄化装置に硫黄フリー燃料を供給し、粒子状物質捕集装置に硫黄高濃度燃料を供給することで、燃料中の硫黄分を効率よく処理し、窒素酸化物の放出、PM再生に有用であり、硫黄分に起因した触媒被毒を抑制しつつ、NOX浄化用触媒に吸蔵されたNOXの還元効率と、粒子状物質捕集装置のPM捕集機能の再生効率の向上を図ることが可能な内燃機関に適している。
本発明の実施例1に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図である。
燃料中の硫黄濃度による硫黄再生を開始するまでの期間を示す関係図である。
本発明の実施例2に係る内燃機関の排気浄化装置を適用したディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図である。
図3に示すエンジンシステムの構成を簡略に示す概略図である。
本発明の実施例3に係る内燃機関の排気浄化装置をディーゼルエンジンシステムの構成を簡略に示す概略図である。
本発明の実施例4に係る内燃機関の排気浄化装置をディーゼルエンジンシステムの構成を簡略に示す概略図である。
従来の内燃機関の排気浄化装置の構成を示す図である。
符号の説明
11 エンジン
12 燃料供給系
13 燃焼室
14 吸気系
15 排気系
16 燃料タンク
17 燃料分離装置
18 燃料ポンプ
19 コモンレール
21 燃料噴射弁
22 排気添加弁
22−1 第一の排気添加弁
22−2 第二の排気添加弁
23 硫黄高濃度燃料
24 硫黄低濃度燃料
25 硫黄フリー燃料
31 吸気
32 ターボチャージャ
33 インタークーラ
34 スロットル弁
35 EGR通路
36 EGR弁
37 EGRクーラ
38 EGRクーラ前触媒コンバータ
41 排気主通路
42、42−1、42−2 窒素酸化物浄化装置
43 粒子状物質捕集装置
44 エアフロメータ
45 温度センサ
46−1,46−2 空燃比センサ
47 NOXセンサ
48 酸化触媒装置
51 高濃度硫黄含有燃料タンク
52−1,52−2 排気温センサ
53 差圧センサ
61 メイン燃料ポンプ
62−1 硫黄低濃度燃料サブタンク
62−2 硫黄高濃度燃料サブタンク
63 サブフィードポンプ
64 切替弁
65−1,65−2 レベルセンサ
71 第一の流路切替え弁
72 第二の流路切替え弁
L11,L21 メイン燃料通路
L12−1〜L12−4 硫黄低濃度燃料通路
L13−1,L13−2 硫黄高濃度燃料通路
L14,L23 機関燃料通路
L15 燃料再生通路
L16 硫黄燃料添加通路
L22 硫黄フリー燃料通路
L24 硫黄フリー燃料添加通路
L25,L25−1〜L25−3 硫黄高濃度燃料添加通路
V1,V2 遮断弁