JP6230459B2 - エンジンのための脱硝率の測定方法および測定装置 - Google Patents

Description

本発明はエンジンのための脱硝率の測定方法と、その方法を実施するための測定装置とに関する。

舶用のエンジンとして２ストローク式のディーゼルエンジンが多用されているが、その排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するために、触媒式の脱硝装置が用いられている。この触媒式脱硝装置を用いる場合には、脱硝装置内において排ガスに尿素水を噴霧し、噴霧された尿素成分を加水分解によりアンモニア化し、このアンモニアを触媒の作用により窒素酸化物と反応させて、無害な窒素ガスと水とに変換させる。

このような触媒式脱硝装置を用いる場合には、最終的に排出されるガスにおける窒素酸化物の排出量を規制値以下にするために、脱硝装置における脱硝率を制御することが求められる。

たとえば特許文献１には、エンジンではなくボイラからの排ガス経路に、尿素ではなくアンモニアの供給ノズルと、触媒式の脱硝装置とを設けた系が開示されている。この系では、触媒式脱硝装置よりも上流側及び下流側における排ガス経路内の窒素酸化物濃度を測定し、最終的に排出されるガスにおける窒素酸化物の排出量を所定の排出制御値とするように、アンモニア供給量を制御している。

特開２００３−２９０６３０号公報

特許文献１に記載のように排ガスの発生源がボイラである場合には問題が発生しなくても、その発生源がエンジンである場合には、次のような問題点が発生する。
すなわち、舶用のたとえば２ストロークのエンジンの場合は、エンジンからの排気路に排ガスターボチャージャが設置されるのが一般的であり、触媒式脱硝装置は、エンジンとターボチャージャとの間、つまりターボチャージャのタービンよりも高圧側に設置される。これは、ターボチャージャのタービンよりも高圧側の、排ガス温度が高い部分でないと、触媒式脱硝装置が十分に作動しないためである。ターボチャージャよりも下流側では、排ガスの温度が低いために、触媒式脱硝装置を設置しても十分に作動しない。

その結果、窒素酸化物濃度を検知するためのセンサは、高圧環境で使用されることになる。一般的には、窒素酸化物濃度を検知するためのセンサとしてジルコニア式（ＺＲＤＯ式）のＮＯｘセンサが用いられるが、このセンサは圧力に依存してその感度が変動するという性質を有する。このため、通常は、ジルコニア式のセンサに圧力センサを併用し、その圧力センサの検出結果にもとづいて感度補正を行うことが必要である。それによって、系が複雑かつ高価になるという問題点がある。

また舶用燃料は硫黄を含むため、舶用のエンジンからの排ガスには硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれる。しかし、ジルコニア式のＮＯｘセンサは、硫黄酸化物の存在下においては、その感度が下がってしまうという問題点もある。

そこで本発明は、このような問題点を解決して、ジルコニア式のＮＯｘセンサを用いて、エンジンの排ガス経路に設けられた触媒式脱硝装置の運転状況を制御するときに、センサ感度の変動による測定値および制御量の誤差の発生を防止できるようにすることを目的とする。

この目的を達成するために本発明のエンジンのための脱硝率の測定方法は、
エンジンからの排ガス経路に、触媒式脱硝装置と排ガスターボチャージャとがこの順に配置された系における脱硝率を測定するに際し、
前記排ガス経路におけるエンジンと触媒式脱硝装置との間の部分でＮＯｘ濃度を検出可能な第１のジルコニア式ＮＯｘセンサと、前記排ガス経路における触媒式脱硝装置と排ガスターボチャージャとの間の部分でＮＯｘ濃度を検出可能な第２のジルコニア式ＮＯｘセンサとを用いて、
第１のジルコニア式ＮＯｘセンサによる検出値をＮＯｘ・ｉｎｌｅｔとし、第２のジルコニア式ＮＯｘセンサによる検出値をＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔとし、検出環境におけるガス圧力と排ガスに含まれるＳＯｘとがジルコニア式ＮＯｘセンサの検出値に及ぼす影響を補正するための補正係数をαとして、式
（ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ×α−ＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔ×α）／ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ×α
を用いかつ約分によりαを消去して脱硝率を求めることを特徴とする。

本発明のエンジンのための脱硝率の測定装置は、
エンジンからの排ガス経路に、触媒式脱硝装置と排ガスターボチャージャとがこの順に配置され、
前記排ガス経路におけるエンジンと触媒式脱硝装置との間の部分でＮＯｘ濃度を検出可能な第１のジルコニア式ＮＯｘセンサと、前記排ガス経路における触媒式脱硝装置と排ガスターボチャージャとの間の部分でＮＯｘ濃度を検出可能な第２のジルコニア式ＮＯｘセンサとが設けられ、
第１のジルコニア式ＮＯｘセンサによる検出値をＮＯｘ・ｉｎｌｅｔとし、第２のジルコニア式ＮＯｘセンサによる検出値をＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔとし、検出環境におけるガス圧力と排ガスに含まれるＳＯｘとがジルコニア式ＮＯｘセンサの検出値に及ぼす影響を補正するための補正係数をαとして、式
（ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ×α−ＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔ×α）／ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ×α
を用いかつ約分によりαを消去して脱硝率を測定する手段が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、脱硝率を測定するための第１および第２のジルコニア式ＮＯｘセンサを、いずれも排ガスターボチャージャよりも上流側の排ガス経路すなわち高圧でＳＯｘを含む部分に設置して、ＮＯｘ濃度を検知するため、これら第１および第２のジルコニア式ＮＯｘセンサが受ける圧力およびＳＯｘの影響を等しくすることができる。つまり、上式における補正係数αの値を、上式のように、第１のジルコニア式ＮＯｘセンサによる検出値ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔと、第２のジルコニア式ＮＯｘセンサによる検出値ＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔとで等しくすることができる。

このため、上式においてαは約分により消去することができ、結局、上式は、検出環境におけるガス圧力と排ガスに含まれるＳＯｘとがジルコニア式ＮＯｘセンサの検出値に及ぼす影響を相殺した、すなわち補正係数αを消去した、
（ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ−ＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔ）／ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ
という形に変形することができる。

なお、排ガスが触媒式脱硝装置を通過することによる圧力損失は微小であり、無視することができる。よって、排ガス経路における触媒式脱硝装置よりも上流側と下流側との圧力は、等しいと考えることができ、その前提にたって上式は成り立っている。

また、実際には第２のジルコニア式ＮＯｘセンサの検出値は触媒式脱硝装置で反応しきれなかったアンモニア（リークアンモニア）の影響を受けるが、脱硝装置内に充填される触媒の量が適切でありかつ尿素水やアンモニア等の還元剤を大幅に過剰投与しなければ、リークアンモニアの濃度は微小であるので、これがジルコニア式ＮＯｘセンサの検出値に与える影響も微小であり、無視することができる。

本発明によれば、ジルコニア式の窒素酸化物濃度センサを用いて、触媒式脱硝装置における脱硝率を測定するときに、検出環境における排ガス圧力と排ガスに含まれるＳＯｘとの影響によるセンサ感度の変動にもとづく測定値の誤差の発生を防止することができる。また、排ガス圧力と排ガスに含まれるＳＯｘがセンサ感度におよぼす影響の度合いが未知である場合においても、脱硝率を測定することができる。したがって本発明によれば、脱硝率の測定値を用いて触媒式脱硝装置の運転状況を制御するときに、脱硝率の測定誤差にもとづく制御誤差の発生を防止することができる。

本発明の実施の形態のエンジンのための脱硝率の測定装置の構成を示す図である。 脱硝率の測定結果を示すグラフである。

図１において、１は舶用の２ストローク式のディーゼルエンジンであり、２はエンジン１からの排ガスの経路である。この経路２には触媒式脱硝装置３が設けられている。そして脱硝装置３よりも下流側に排ガスターボチャージャ４が設けられている。排ガスは、ターボチャージャ４のタービン４ａに供給され、コンプレッサ４ｂによって吸気が圧縮される。

排ガス経路２におけるエンジン１と脱硝装置３との間には、その部分の経路２におけるＮＯｘ濃度を測定可能な第１のジルコニア式(ＺＲＤＯ式)ＮＯｘセンサ６が設置されている。また排ガス経路２における脱硝装置３とターボチャージャ４との間には、その部分の経路２におけるＮＯｘ濃度を測定可能な第２のジルコニア式ＮＯｘセンサ７が設置されている。

８は脱硝率の測定部で、脱硝装置３の入口側に設けられた第１のジルコニア式ＮＯｘセンサ６からの検出信号ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔと、脱硝装置３の出口側に設けられた第２のジルコニア式ＮＯｘセンサ７からの検出信号ＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔとを用いて、下記の式により、脱硝装置３による脱硝率を測定可能である。

（ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ×α−ＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔ×α）／ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ×α
この式において、αは補正係数で、検出環境におけるガス圧力や排ガスに含まれるＳＯｘなどがジルコニア式ＮＯｘセンサ６、７の検出値に及ぼす影響を補正するためのものである。

図示のように、第１および第２のジルコニア式ＮＯｘセンサ６、７は、いずれも、排ガス経路２におけるターボチャージャ４よりも上流側の部分、すなわち高圧でしかもＳＯｘを含む部分に設置されている。また、排ガスが脱硝装置３を通過することによる圧力損失は微小であり、無視することができる。このため、これら第１および第２のジルコニア式ＮＯｘセンサ６、７が受ける圧力およびＳＯｘの影響を等しくすることができる。つまり、上式における補正係数αの値を、上式のように、第１のジルコニア式ＮＯｘセンサによる検出値ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔと、第２のジルコニア式ＮＯｘセンサによる検出値ＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔとで等しくすることができる。

このため、上式のαは約分することができ、結局、上式は、検出環境におけるガス圧力や排ガスに含まれるＳＯｘなどがジルコニア式ＮＯｘセンサ６、７の検出値に及ぼす影響を相殺した、すなわち補正係数αを消去した、
（ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ−ＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔ）／ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ
という形に変形することができる。

よって、測定部８は、第１および第２のジルコニア式ＮＯｘセンサ６、７の検出環境における排ガス圧力や排ガスに含まれるＳＯｘなどの影響によるセンサ感度の変動にもとづく誤差の発生を防止したうえで、脱硝率の測定値を求めることができる。

図１に示される系では、触媒脱硝装置３において排ガスに尿素水を噴霧するが、測定部８による脱硝率の測定値にもとづいてその噴霧量を制御するフィードバック制御システムを採用することで、最終的に排出されるガスにおける窒素酸化物の排出量を所定の排出制御値とすることができる。このため、脱硝率をたとえば８０％に設定して、図示の系を運転することができる。

上記のような本発明にもとづく測定値を利用してフィートバック制御を行った場合と、ＮＯｘセンサを用いないフィードフォワード制御を行った場合と、触媒脱硝装置の入り口側と出口側とにジルコニア式ＮＯｘセンサを用いるとともに同脱硝装置に圧力センサを用いてそのＮＯｘセンサ信号を圧力補正処理した信号を使うフィートバック制御を行った場合との具体的な結果について説明する。

図２は、上記した３通りの方法で、脱硝率を８０％を目標として制御をおこなった結果のグラフを示す。横軸はエンジンの負荷率を示し、縦軸は達成された脱硝率を示す。
このグラフに示されるように、本発明にもとづく測定値を利用してフィードバック制御した場合が、目標値である８０％に最も近い結果となった。

ＮＯｘセンサを用いないフィードフォワード制御を行った場合は、高負荷域で目標値から外れる結果となった。この場合は、エンジンを運転したときに発生したＮＯｘの測定値に対して、それを８０％削減するための尿素水量を計算し、フィードフォワード制御で実際に尿素水を投与するという制御を行ったものである。これは、事前にフィードフォワード制御用にエンジン本体からのＮＯｘ排出量データを採取した時の気温や湿度等の周囲条件と本脱硝運転を行なった時の周囲条件の違いにより発生した制御誤差と考えられる。この様な周囲条件の変化は船舶、特に国際海運に用いられる船舶においては頻繁に起こっている現象である。

圧力補正した信号を用いたフィードバック制御を行った場合は、全体的に目標値から外れる傾向が生じ、特に排ガス圧力の高い高負荷域でその傾向が顕著であった。これは、圧力補正係数αの値の精度が高くなかったためであると考えられる。

以上より、次の結論を導き出すことができる。すなわち、エンジン内で発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）の量は、気候の変化に代表されるエンジン周囲の条件変化や、燃料成分の変化などのさまざまな条件変化によって変動するので、これを正確に予測することは困難である。これに対処するためには触媒式脱硝装置の入口および出口におけるＮＯｘの濃度検出値を用いたフィードバック制御が有効であると判断される。ＮＯｘの濃度検出にはジルコニア式のセンサが用いられるが、このセンサはその検出値が特に排ガス圧力の影響を受けるために何らかの対策が必要である。そこで本発明では、検出値から排ガス圧力などの影響を取り除くために、脱硝装置の入口側のセンサと出口側のセンサとをいずれもガス圧の高い個所に設けることで、その影響を相殺させることが可能になる。このため、脱硝率を測定するときに、検出環境における排ガス圧力などの影響によるセンサ感度の変動にもとづく測定値の誤差の発生を防止することができる。

１ ディーゼルエンジン
２ 排ガス経路
３ 触媒式脱硝装置
４ ターボチャージャ
４ａ タービン
４ｂ コンプレッサ
６ 第１のジルコニア式(ＺＲＤＯ式)ＮＯｘセンサ
７ 第２のジルコニア式(ＺＲＤＯ式)ＮＯｘセンサ

Claims (2)

1. エンジンからの排ガス経路に、触媒式脱硝装置と排ガスターボチャージャとがこの順に配置された系における脱硝率を測定するに際し、
   前記排ガス経路におけるエンジンと触媒式脱硝装置との間の部分でＮＯｘ濃度を検出可能な第１のジルコニア式ＮＯｘセンサと、前記排ガス経路における触媒式脱硝装置と排ガスターボチャージャとの間の部分でＮＯｘ濃度を検出可能な第２のジルコニア式ＮＯｘセンサとを用いて、
   第１のジルコニア式ＮＯｘセンサによる検出値をＮＯｘ・ｉｎｌｅｔとし、第２のジルコニア式ＮＯｘセンサによる検出値をＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔとし、検出環境におけるガス圧力と排ガスに含まれるＳＯｘとがジルコニア式ＮＯｘセンサの検出値に及ぼす影響を補正するための補正係数をαとして、式
   （ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ×α−ＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔ×α）／ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ×α
   を用いかつ約分によりαを消去して脱硝率を求めることを特徴とするエンジンのための脱硝率の測定方法。
2. エンジンからの排ガス経路に、触媒式脱硝装置と排ガスターボチャージャとがこの順に配置され、
   前記排ガス経路におけるエンジンと触媒式脱硝装置との間の部分でＮＯｘ濃度を検出可能な第１のジルコニア式ＮＯｘセンサと、前記排ガス経路における触媒式脱硝装置と排ガスターボチャージャとの間の部分でＮＯｘ濃度を検出可能な第２のジルコニア式ＮＯｘセンサとが設けられ、
   第１のジルコニア式ＮＯｘセンサによる検出値をＮＯｘ・ｉｎｌｅｔとし、第２のジルコニア式ＮＯｘセンサによる検出値をＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔとし、検出環境におけるガス圧力と排ガスに含まれるＳＯｘとがジルコニア式ＮＯｘセンサの検出値に及ぼす影響を補正するための補正係数をαとして、式
   （ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ×α−ＮＯｘ・ｏｕｔｌｅｔ×α）／ＮＯｘ・ｉｎｌｅｔ×α
   を用いかつ約分によりαを消去して脱硝率を測定する手段が設けられていることを特徴とするエンジンのための脱硝率の測定装置。

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