JP5980884B2

JP5980884B2 - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP5980884B2
Application number: JP2014229113A
Authority: JP
Inventors: 健一花本; 寿人谷本
Original assignee: Daihatsu Diesel Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Diesel Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-11-11
Also published as: JP2016089807A

Description

この発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＮＯx(窒素酸化物)を除去する排気ガス浄化装置に関する。

近年、船舶用ディーゼルエンジンにおいて、ＮＯx排出量規制の強化によりＳＣＲ(選択触媒還元脱硝装置：Selective Catalytic Reduction)の適用が有力視されている。

上記ＳＣＲを使用する場合、バナジウム‐チタニア系等で成る触媒特有の温度範囲内でないと、ＮＯxを除去することができない。温度不足の場合には酸性硫安(固体)が上記触媒表面上に発生して、上記触媒表面を覆ってしまうためにＮＯxの分解効率が低下する。そして、悪い場合には、ハニカム構造の上記触媒が目詰まりを起こし、エンジンの運転ができなくなってしまう。また、温度が高すぎる場合には紫煙が発生する等の問題が発生する。

また、近年のディーゼルエンジンでは、様々な技術の進歩によって、燃料の燃焼により発生する熱を高効率で動力に変換しているために、排気ガスの温度はＳＣＲ触媒が有効に働く温度の範囲まで上がらない場合も生ずる。

従来、排気ガス浄化装置として、特開２００１‐３３６４４０号公報(特許文献１)に開示されたディーゼルエンジンの低負荷時高排気温度維持装置がある。このディーゼルエンジンの低負荷時高排気温度維持装置では、多気筒ディーゼル機関の吸気通路入口に第１絞り弁を設け、上記第１絞り弁の下流通路のうちの一部の気筒群に分岐した通路に第２絞り弁を設け、排気管におけるＣＲＴ(商品名：Continuous Regenerative Trap)およびＤe ＮＯxコンバータの下流に第３絞り弁を設ける。そして、排気温度センサからのディーゼルエンジンの運転状態に応じた排気温度の情報に基づいて、電子制御器によって、下記構成のうち２以上を組合せて行って、高排気温度を確保、維持するようにしている。

(１）上記第１絞り弁の調節によって、吸気を減圧しつつ、吸気行程の下死点付近において排気を所定開度開いて、排気によって圧縮行程前の吸気温度を高めて結果的に排気温度を上昇せしめる構成。

(２）上記第２絞り弁を閉塞して上記一部のシリンダ群への燃料噴射を停止し、他のシリンダ群へのみ多量の燃料を噴射して、上記他のシリンダ群の排気温度を高める構成。

(３）上記第３絞り弁の部分的閉塞によって、背圧を高めて排気温度を高める構成。

(４）上記ディーゼルエンジンに、バイパス管路およびバイパス弁を有する容積型過給機を付設し、上記容積型過給機の駆動によって吸気温度上昇を伴う駆動力損失を発生させて、これに伴う燃料噴射量の増加によって排気温度を上昇させる構成。

しかしながら、上記従来のディーゼルエンジンの低負荷時高排気温度維持装置においては、以下のような問題がある。

すなわち、多気筒ディーゼル機関の吸気通路およびその下流通路と、排気管における連続再生トラップの下流とに絞り弁を設け、排気温度センサからの排気温度の情報に基づいて、電子制御器によって、上記各絞り弁の開度を制御するようにしている。したがって、ディーゼルエンジンの吸気通路や下流通路や排気管に絞り弁を設ける必要があり、ディーゼルエンジンの改造が必要となる。

また、上記電子制御器を含む上記各絞り弁の開度制御系の構築が簡単では無く、時間と労力を必要とする。

したがって、装置の取り付けに当たってはエンジンそのものを見直す必要が生じ、コストと時間とを要し、上記装置をＳＣＲを用いるディーゼルエンジンに容易に適用することができないという問題がある。

特開２００１‐３３６４４０号公報

そこで、この発明の課題は、排気温度が低い場合であっても、簡単な構成で且つ取り付けも容易であってＳＣＲを有効に機能させることができる排気ガス浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の排気ガス浄化装置は、
ディーゼルエンジンの排気ポートに連通して設けられ、上記ディーゼルエンジンからの排気ガス中に含まれるＮＯxを除去するＳＣＲと、
上記ディーゼルエンジンの吸気通路に一端が取り付けられると共に他端が開放されていて、上記ディーゼルエンジンに供給される吸気の一部を逃がすための逃がし弁と、
上記ディーゼルエンジンから上記選択触媒還元脱硝装置へ向かう排気ガスの温度を検出する排気ガス温度センサと、
上記排気ガス温度センサによって検出された上記温度が、上記選択触媒還元脱硝装置の安定動作に必要な温度の範囲内に自動的に入るように、上記逃がし弁の開閉動作を制御する弁制御部と
を備え、
上記選択触媒還元脱硝装置の安定動作に必要な温度の範囲は、上記ディーゼルエンジンの燃料における硫黄分から算出される
ことを特徴としている。

上記構成によれば、上記弁制御部の制御によって上記逃がし弁を開くと、上記ディーゼルエンジンに供給される吸気の一部が放出される。そうすると、それに伴って排気ガスの温度が上昇し、上記ＳＣＲによる上記ＮＯxの除去能力が向上される。したがって、上記ＳＣＲの能力が低下した場合や、排気ガス温度が低下した場合や、上記ＳＣＲを稼働させる場合や、硫黄含有量の多い燃料を用いる場合や、上記ディーゼルエンジンを冷態から始動する場合等に、上記弁制御部の制御によって上記逃がし弁を開くことにより、上記ＳＣＲの能力を向上させ、上記ＳＣＲを有効に機能させ、燃料コストを削減し、上記ＳＣＲの動作開始までの時間短縮等の効果を奏することができる。

その際に、上記弁制御部は、上記逃がし弁をオン・オフ制御するだけでよい。したがって、簡単な制御によって上記ディーゼルエンジンの排気ガス温度を上昇させることができる。さらに、上記弁制御部による制御系の構築が簡単であり、制御系構築に必要な時間の短縮とコストの削減とを図ることができる。

また、一実施の形態の排気ガス浄化装置では、
人工衛星からの電波を受信して現在位置を測定する全地球測位システム受信機を備え、
上記弁制御部は、
上記全地球測位システム受信機によって得られた位置情報に基づいて、予め設定された設定地域を通過する期間中は上記逃がし弁を開状態に維持させるようになっており、
上記逃がし弁を開く場合には、上記設定地域に到達する時間よりも前側にオフセットを持たせた時間に上記逃がし弁を開く一方、上記逃がし弁を閉じる場合には、上記設定地域から離脱した時間に上記逃がし弁を閉じるようになっている。

この実施の形態によれば、上記全地球測位システム受信機からの位置情報に基づいて上記逃がし弁の開閉を制御するので、自動的に上記設定地域を通過する期間中は上記逃がし弁を開状態に維持させることができる。

さらに、上記設定地域に到達する時間よりも前側にオフセットを持たせた時間に上記逃がし弁を開くので、上記設定地域に到達するまでに、上記ディーゼルエンジンの排気ガス温度を上記ＳＣＲが安定動作できる温度まで上昇させることが可能になる。
また、一実施の形態の排気ガス浄化装置では、
上記逃がし弁は、上記ディーゼルエンジンに供給される吸気の一部を、上記ディーゼルエンジンの吸気通路の上流側に戻すのではなく、外部へ逃がす。

以上より明らかなように、この発明の排気ガス浄化装置では、上記逃がし弁を開いて上記ディーゼルエンジンへの吸気の一部を放出すると、それに伴って排気ガスの温度が上昇して、上記ＳＣＲによる上記ＮＯxの除去能力が向上される。その場合、吸気ダクトに上記逃がし弁を設置すれば上記逃がし弁を上記ディーゼルエンジンに対して外付けすることができる。したがって、簡単な構成で且つ取り付けも容易であって、ＳＣＲを有効に機能させることができる。

その際に、上記弁制御部は、上記逃がし弁をオン・オフ制御するだけでよい。したがって、上記弁制御部による制御系の構築が簡単であり、制御系構築に必要な時間の短縮とコストの削減とを図ることができる。

この発明の排気ガス浄化装置における概略構成を示す模式図である。燃料の硫黄分とＳＣＲに必要な排気温度との関係を示す図である。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。図１は、本実施の形態の排気ガス浄化装置における概略構成を示す模式図である。但し、この排気ガス浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＮＯxを除去する排気ガス浄化装置である。また、図１においては、複数のシリンダのうちの１つのシリンダで代表して描いている。

図１において、ディーゼルエンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２内に形成されたシリンダ３と、このシリンダ３内を上下に往復動するピストン４とを含んで概略構成されている。シリンダヘッド(図示せず)に設けられた吸気ポート５と排気ポート６とには、過給機７が接続されている。

上記過給機７は、コンプレッサ８とタービン９とを内蔵しており、導入された空気をコンプレッサ８によって圧縮して、複数のシリンダ３に共通に連通している吸気ダクト１０に供給する。また、タービン９を複数のシリンダ３に共通に連通している排気ダクト１１からの排気ガスによって回転させて、コンプレッサ８を駆動する。

上記過給機７におけるタービン９側の排出口には、ＳＣＲ１２が接続されている。このＳＣＲ１２は、タービン９からの排出ガス、つまりディーゼルエンジン１の排気ガス中に含まれるＮＯxを除去する。すなわち、排出ガスに尿素水を噴射し、尿素から変化したアンモニア(ＮＨ₃)がＮＯxと化学反応することで、窒素(Ｎ₂)と水(Ｈ₂Ｏ)とに還元する。

ところで、上記ディーゼルエンジン１の燃料における硫黄分とＳＣＲ１２の安定動作に必要な排気温度には、一般的に(通常)図２に示すような関係があることが知られている。図２から分かるように、燃料として硫黄分が０.５％の重油を用いる場合には、ＳＣＲ１２の入口における排気ガス温度は２９０℃以上が必要である。また、硫黄分が３.５％のＣ重油を用いる場合には、３３５℃以上の排気ガス温度が必要である。

上記ＳＣＲ１２への排気ガスの温度を上げるためには、過給機７のエンジン性能とのマッチングを調整すること、バーナーで加熱すること、過給機７への排気ガスの一部を過給機７の後段にバイパスすること等が考えられる。

しかしながら、上記過給機７のマッチング調整については、エンジン性能を確保しつつ排気温度のみを調整することは難しい。また、バーナーによる加熱については、加熱用の燃料を直接排気管に噴射するので安全面で十分な対策が必要となる。また、排気ガスの一部のバイパスについては、高温の排気管内にバイパス弁を設置する必要があるので信頼性および耐久性が必要となる。等の懸念が生ずる。

そこで、本実施の形態においては、以下のような簡便な方法によって、ＳＣＲ１２への排気ガスの温度を上げるようにしている。

すなわち、全シリンダ３の吸気ポート５に共通に連通している吸気ダクト１０に、上記逃がし弁の一例としての電磁弁１４が介設された分岐管１３を設けている。または、吸気ダクトに穴を開けて逃がし弁を直接取り付けても良い。そして、排気ガス温度を上昇させる場合には、電磁弁１４を開放させて吸気ガスの一部を外部に逃がして、各ディーゼルエンジン１の吸気ポート５への吸気量を減少させる。その結果、各ディーゼルエンジン１の排気ポート６からの排気ガスの温度が上昇し、延いてはＳＣＲ１２の入口における排気ガス温度が上昇されるのである。

その場合、上記電磁弁１４による吸気の逃がし量を、ＳＣＲ１２の入口における排気ガス温度が安定動作に必要な温度の範囲内に入るように設定しておく。そうすることによって、電磁弁１４をオン・オフするだけの簡単な制御で、ＳＣＲ１２を安定動作させる排気ガス温度に設定することが可能になる。

ここで、上記電磁弁１４を開放するのはＳＣＲ１２を使用する場合である。そこで、電磁弁１４の開閉動作を制御する弁制御部１５を設けている。弁制御部１５は、オンスイッチ１６およびオフスイッチ１７の操作情報、ＧＰＳ(Global Positioning System：全地球測位システム)受信機１８からの位置情報、および、過給機７におけるタービン９の排出口とＳＣＲ１２とを接続する配管に設置された排気温度センサ１９からの温度情報に基づいて、電磁弁１４をオン・オフ制御する。

上記ＧＰＳ受信機１８からの位置情報は、予め設定された設定海域の境界を表す第１設定位置情報の範囲内であるか否かが判別される。

ここで、上記設定海域は、ＮＯx排出量の規制海域を予め設定された設定距離だけ外側に広げた海域である。そして、上記設定距離は、電磁弁１４をオンしてからＳＣＲ１２の入口における排気ガス温度が上昇して安定動作に必要な温度に至るまでの時間をオフセット時間とした場合に、上記規制海域を航行する際の巡航速度で上記オフセット時間だけ進む距離である。

上記排気温度センサ１９からの検出信号に基づいて、排気温度はＳＣＲ１２の安定動作温度を下回っているか否かが判別される。その結果、下回っている場合には電磁弁１４がオンされる。このように、ＮＯx排出量の規制海域外側に設定された上記設定海域の境界で電磁弁１４をオンすることによって、上記巡航速度で上記規制海域に到達した際に、ＳＣＲ１２の入口における排気ガス温度が安定動作に必要な温度になるのである。

ここで、常に上記巡航速度で上記規制海域を航行できるとは限らない。そこで、予め上記巡航速度で上記規制海域を航行できないことが予測できる場合には、弁制御部１５に設けられているキーボード等から上記規制海域の航行速度を入力することによって、弁制御部１５によって、入力された航行速度での上記設定距離を演算し、この演算された設定距離に基づいて上記設定海域を変更可能に構成してもよい。

上記ＧＰＳ受信機１８からの位置情報は、上記規制海域の境界を表す第２設定位置情報の範囲内であるか否かが判別される。その結果、第２設定位置情報の範囲外であれば(つまりＮＯx排出量の規制海域を出れば)電磁弁１４がオフされる。

ここで、上記電磁弁１４をオンして吸気ガスの一部を外部に逃がした場合には、燃焼状態が悪くなるため燃費が低下する。しかしながら、燃費が低下する海域は、上記設定海域に入ってから上記規制海域を出るまでの特定領域を航行する期間のみである。

したがって、上述したように過給機７のエンジン性能とのマッチングを調整すること、バーナーで加熱すること、過給機７への排気ガスの一部を過給機７の後段にバイパスすること等によってＳＣＲ１２への排気ガスの温度を上げる場合のごとく、常時燃費が低下する場合に比して、燃費の低下期間を短縮することができる。

また、上記オンスイッチ１６およびオフスイッチ１７のマニュアル操作によって、電磁弁１４をオン・オフ制御可能にしている。したがって、何らかの理由でＳＣＲ１２が停止した場合には、オフスイッチ１７を押下することによって電磁弁１４をオフすることが可能になる。

以上のごとく、本実施の形態においては、全シリンダ３の吸気ポート５に共通に連通している吸気ダクト１０に、電磁弁１４が介設された分岐管１３を設ける。そして、電磁弁１４を開放して吸気ガスの一部を外部に放出することによって、ＳＣＲ１２に供給される排気ガスの温度を上昇させるようにしている。したがって、簡単な構成で且つ取り付けも容易であって、ＳＣＲを有効に機能させることができる。

また、上記弁制御部１５による電磁弁１４の制御は、オン・オフ制御である。したがって、制御系の構築が簡単であり、制御系の構築に必要な時間の短縮とコストの削減とを図ることができる。

船舶用大型ディーゼルエンジンにおいては、周囲の状況に応じてエンジンの運転特性を自動調整するコモンレールや可変バルブタイミング機構等の技術がその大きさゆえ困難な点が多く、一般的ではない。このような状況から、排気ガス温度を上昇させるためにエンジンの特性自体を変更する場合には過給器および燃焼室形状等の基本設計から見直す必要がある。したがって、燃費等の必要性能と排気ガス温度の確保とを両立させるのは非常に困難である。一方において、排ガススクラバーの導入等の新技術導入によって更なる排ガス温度の上昇が必要となっている。

本実施の形態によれば、上記吸気ダクト１０に分岐管１３を設け、この分岐管１３の先端部をシリンダブロック２外に露出させ、この分岐管１３の露出部に電磁弁１４を外付けすることが可能になる。したがって、排気ガス温度が上記ＳＣＲを安定動作させることができる温度よりも低いディーゼルエンジンを搭載している船舶において、簡単な改良で、排気ガス温度を上げることができる。

その場合における上記電磁弁１４の弁制御部１５による開閉制御は、上述したようにオン・オフ制御である。また、次世代のＮＯx排出量規制は特定海域のみに限定されるものであり、上記特定海域内外および上記ＳＣＲの稼働状態で電磁弁１４のオン・オフを切り換える動作で十分である。したがって、電磁弁１４のオンによる燃費低下は上記特定海域のみに限定でき、燃費等の必要性能と排気ガス温度の確保とを両立させることができる。

さらに、排気ガス温度が上記ＳＣＲを安定動作させることができる温度よりも十分に高いディーゼルエンジンを搭載している船舶の場合であっても、エンジンを冷態から始動する場合には、上記ＳＣＲの触媒温度が規定値に達して尿素水を噴射できるまでにある程度の時間が掛かる。そこで、本実施の形態の電磁弁１４を用いて上記ＳＣＲへの排気ガス温度を高めることによって、尿素水噴射開始可能状態に至るまでの時間を短縮することができる。

また、図２に示すように、燃料として硫黄分が高い重油を用いる場合、ＮＯx除去に必要な排気ガス温度が高くなる。本実施の形態によれば、簡単な構成でＳＣＲ１２に供給される排気ガス温度を上昇させることができる。したがって、ＮＯx排出量の規制海域内においても硫黄分が３.５％の安価なＣ重油を用いることが可能になり、燃料コストの削減を図ることが可能になる。

尚、上記実施の形態においては、以下のような変形も可能である。

すなわち、上記ディーゼルエンジン１に負荷検出手段(図示せず)を設け、弁制御部１５は、上記負荷検出手段からの負荷信号を受けて、予め設定された負荷領域内で、電磁弁１４のオン・オフを制御するようにしてもよい。

また、上記電磁弁１４に、サイレンサ(図示せず)を設ければ、分岐管１３から吸気ガス(空気)を外部に逃がす際の騒音を低く抑えることが可能になる。

また、上記ＳＣＲ１２の下流にＮＯx検出手段(図示せず)を設け、弁制御部１５は、上記ＮＯx検出手段からのＮＯx量信号を受けて、ＳＣＲ１２からの排出ＮＯx量が所定値を越えると酸性硫安が上記触媒の表面に付着して上記触媒のＮＯx分解効率が低下したと判断して、電磁弁１４をオン制御するようにしてもよい。こうすることによって、短時間でＳＣＲ１２への排気ガス温度を高めて上記触媒に付着している酸性硫安を溶かして飛ばすことができ、上記触媒の機能を復活させることができる。

また、触媒のＮＯx分解効率低下は、触媒前後の差圧検出手段(図示せず)を設け、差圧信号が所定値を超えた場合にＮＯx分解効率が低下したと判断することもできる。

また、上記実施の形態においては、上記逃がし弁を電磁弁１４で構成しているが、電動弁で構成してもよい。

１…ディーゼルエンジン
２…シリンダブロック
３…シリンダ
４…ピストン
５…吸気ポート
６…排気ポート
７…過給機
８…コンプレッサ
９…タービン
１０…吸気ダクト
１１…排気ダクト
１２…ＳＣＲ
１３…分岐管
１４…電磁弁
１５…弁制御部
１６…オンスイッチ
１７…オフスイッチ
１８…ＧＰＳ受信機
１９…排気温度センサ

Claims

ディーゼルエンジンの排気ポートに連通して設けられ、上記ディーゼルエンジンからの排気ガス中に含まれる窒素酸化物を除去する選択触媒還元脱硝装置と、
上記ディーゼルエンジンの吸気通路に一端が取り付けられると共に他端が開放されていて、上記ディーゼルエンジンに供給される吸気の一部を逃がすための逃がし弁と、
上記ディーゼルエンジンから上記選択触媒還元脱硝装置へ向かう排気ガスの温度を検出する排気ガス温度センサと、
上記排気ガス温度センサによって検出された上記温度が、上記選択触媒還元脱硝装置の安定動作に必要な温度の範囲内に自動的に入るように、上記逃がし弁の開閉動作を制御する弁制御部と
を備え、
上記選択触媒還元脱硝装置の安定動作に必要な温度の範囲は、上記ディーゼルエンジンの燃料における硫黄分から算出される
ことを特徴とする排気ガス浄化装置。
請求項１に記載の排気ガス浄化装置において、
人工衛星からの電波を受信して現在位置を測定する全地球測位システム受信機を備え、
上記弁制御部は、
上記全地球測位システム受信機によって得られた位置情報に基づいて、予め設定された設定地域を通過する期間中は上記逃がし弁を開状態に維持させるようになっており、
上記逃がし弁を開く場合には、上記設定地域に到達する時間よりも前側にオフセットを持たせた時間に上記逃がし弁を開く一方、上記逃がし弁を閉じる場合には、上記設定地域から離脱した時間に上記逃がし弁を閉じるようになっている
ことを特徴とする排気ガス浄化装置。
請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置において、
上記逃がし弁は、上記ディーゼルエンジンに供給される吸気の一部を、上記ディーゼルエンジンの吸気通路の上流側に戻すのではなく、外部へ逃がす
ことを特徴とする排気ガス浄化装置。