JP6807567B1 - Regeneration system and regeneration method of diesel particulate filter - Google Patents
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Abstract
【課題】自動車等のディーゼルエンジンに設置されたDPF(ディーゼル微粒子捕集フィルター)に捕集されたPM(粒子状物質)を、触媒の働きにより酸化除去することにより、DPFを連続して使用できるようにするシステムと方法を提供する。【解決手段】PM低減装置(1)とエンジン(2)を連結する配管(3)、及びPM低減装置(1)を断熱構造とし、PM低減装置(1)に流入する排ガスの加熱手段(4)を備え、PM低減装置(1)内に排ガス分散版(5)、温度センサー(6)、圧力センサー(7)を備えるとともに、圧力センサーからの信号により加熱手段の作動を制御することができる制御装置(8)を備えることを特徴とするディーゼル微粒子捕集フィルターの再生システム。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To continuously use DPF by oxidizing and removing PM (particulate matter) collected by DPF (diesel particulate filter) installed in a diesel engine of an automobile or the like by the action of a catalyst. Provide a system and method to do so. SOLUTION: A pipe (3) connecting a PM reduction device (1) and an engine (2) and a PM reduction device (1) have a heat insulating structure, and a means (4) for heating exhaust gas flowing into the PM reduction device (1). ), The exhaust gas dispersion plate (5), the temperature sensor (6), and the pressure sensor (7) are provided in the PM reduction device (1), and the operation of the heating means can be controlled by the signal from the pressure sensor. A regeneration system for a diesel particulate filter, which comprises a control device (8). [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、自動車等のディーゼルエンジンに設置されたDPF(ディーゼル微粒子捕集フィルター)に捕集されたPM(粒子状物質)を、触媒の働きにより酸化除去することにより、DPFを連続して使用できるようにするシステムと方法に関する。 In the present invention, PM (particulate matter) collected by a DPF (diesel particulate filter) installed in a diesel engine of an automobile or the like is oxidized and removed by the action of a catalyst, thereby continuously using the DPF. Regarding the system and method to enable it.
自動車等のディーゼルエンジンに設置されたDPFに捕集されたPMを、触媒の働きにより酸化除去することにより、連続して使用できるようにするためには、(1)まず、DOC(ディーゼル酸化触媒)において250〜450℃の温度範囲で、排ガス中に含まれるPM成分であるSOF(可溶性有機成分)を酸化除去するとともに、エンジンの燃焼室において生成されたNO(一酸化窒素)を酸化させて、NO2(二酸化窒素)に変化させる必要がある。次にDPFにおいて、捕集されたPM成分であるC(炭素、煤)を、DPFに担持されたPt(白金)、CeO2(酸化セリウム)などの触媒と、排ガス中のO2(酸素)及びNO2の働きにより400℃以下の温度で酸化させる(炭素化合物であるCO,CO2に変化させる)ことにより、これを除去する(以後、これをDPFの再生と記す)必要がある。(2) DOCとDPFから構成されるPM低減装置において、この作用を実現するためには、DOCにおいては約250℃以上、DPFにおいては約350℃以上の温度が必要とされている。この温度は、定常運転時(通常走行時)においては排ガスの温度が高いため、エンジンの排ガスのみにより達成可能であるが、エンジンの起動直後を含む低負荷運転時においては排ガス温度が低いため、DPFの再生に必要な温度を達成することは困難である。(3)このため、排気系統に設置した燃料噴射装置から燃料を噴射して、この燃料をDOCにおいて酸化させることにより排ガスの温度を上昇させて目的とする温度を得るという方法、エンジンからDOCに至る排気管の途中に電気ヒーターを設置して排ガスの温度を上昇させて目的とする温度を得るという方法、吸気を絞るとともに排気を吸気側に環流する方法などを用いて排ガスの温度を上昇させて目的とする温度を得るという方法などを用いている。 In order to enable continuous use by oxidizing and removing PM collected in the DPF installed in a diesel engine of an automobile or the like by the action of a catalyst, (1) First, DOC (diesel oxidation catalyst) ), The PM component SOF (soluble organic component) contained in the exhaust gas is oxidized and removed in the temperature range of 250 to 450 ° C., and the NO (nitric oxide) generated in the combustion chamber of the engine is oxidized. , NO 2 (nitric oxide) needs to be changed. Next, in the DPF, the collected PM component C (carbon, soot) is used as a catalyst such as Pt (platinum) and CeO 2 (cerium oxide) supported on the DPF, and O 2 (oxygen) in the exhaust gas. It is necessary to remove this by oxidizing it at a temperature of 400 ° C. or lower (changing it to CO and CO 2 which are carbon compounds) by the action of NO 2 (hereinafter, this is referred to as DPF regeneration). (2) In a PM reduction device composed of a DOC and a DPF, in order to realize this effect, a temperature of about 250 ° C. or higher is required for the DOC and about 350 ° C. or higher for the DPF. This temperature can be achieved only by the exhaust gas of the engine because the temperature of the exhaust gas is high during steady operation (normal driving), but since the exhaust gas temperature is low during low load operation including immediately after the engine is started. It is difficult to achieve the temperature required for DPF regeneration. (3) For this reason, a method of injecting fuel from a fuel injection device installed in the exhaust system and oxidizing this fuel in the DOC to raise the temperature of the exhaust gas and obtain the target temperature, from the engine to the DOC. The temperature of the exhaust gas is raised by installing an electric heater in the middle of the exhaust pipe to reach the exhaust pipe to raise the temperature of the exhaust gas to obtain the desired temperature, or by narrowing the intake air and circulating the exhaust gas to the intake side. The method of obtaining the target temperature is used.
これらの方法のうち、例えば、特許文献1では、通常の圧縮行程後期の噴射に加えて排気行程での燃料噴射を行い、この燃料を酸化触媒で燃焼させることにより排気温度を上昇させている。また、必要に応じて酸化触媒に設置した電気ヒーターに通電することにより、DPFには例えば400℃から500℃程度の排気が流入するため、排気中のNO2はDPFに堆積した煤と容易に反応し、煤が除去される。また、特許文献2では、車両の減速中や停車状態のアイドリング中にけるDPFへの煤の堆積量を排ガスの温度と圧力などを用いて算出し、この量が設定値(例えば10g)を超えた場合、吸気絞り弁を大きく閉じるとともに、排気環流制御弁を大きく開いて触媒を通過する排ガス温度を上昇させている。
Among these methods, for example, in
これらの文献において、燃料噴射の時期と量の制御、電気ヒーターへの通電の有無、吸排気の流量制御などを実施する基準としているのは、主にDOCやDPFに流入する排ガスの温度である。DOCやDPFに担持された触媒が活性化する温度が低いほど、さまざまな使用条件(運転条件)において安定した性能が発揮できることになるが、触媒の技術改良などによりDOCやDPFに担持された触媒の活性化のために必要とする温度は今後低下していく可能性がある。例えば、特許文献3には、銀安定化セリアとコバルト安定化セリア組成が、NO2とO2の存在の下250〜300℃で煤を酸化するとの記載がある。また、特許文献4には、セリウム酸化物を燃料精製、燃料貯蔵庫、給油施設において燃料に添加することにより内燃機関のための燃料の効率性を改良する方法が記載されている。
In these documents, the criteria for controlling the timing and amount of fuel injection, whether or not the electric heater is energized, and controlling the flow rate of intake and exhaust are mainly the temperature of the exhaust gas flowing into the DOC and DPF. .. The lower the activation temperature of the catalyst supported on the DOC or DPF, the more stable the performance can be exhibited under various usage conditions (operating conditions). However, the catalyst supported on the DOC or DPF due to technological improvement of the catalyst or the like. The temperature required for activation of the swelling may decrease in the future. For example,
自動車等のディーゼルエンジンに設置されたDPFに捕集されたPMを、触媒の働きにより効果的に酸化除去するためには、排気温度を触媒が活性化する温度以上に上昇させる必要がある。自動車等においては、アイドリングや低負荷時においてはこの温度に達しないため、排気系統に燃料噴射装置を設置して燃料を噴射する方法、排気管の途中に電気ヒーターを設置して排ガスを加熱する方法などが用いられているが、地球温暖化防止や省エネルギーの観点から、燃料消費量や電力の使用量をできるだけ少なくするとともに、エンジン性能を維持しながらDPFに捕集されたPMを効果的に除去する必要がある。また、これまでよりも低温域で活性化する触媒を担持したDPFの開発や、この触媒を燃料に添加することにより低温域でも活性化できる技術にも対応していく必要があるとともに、これらの技術革新に対応したDPFの再生システムと再生方法を開発し続ける必要がある。 In order to effectively oxidatively remove PM collected in the DPF installed in a diesel engine of an automobile or the like by the action of a catalyst, it is necessary to raise the exhaust temperature to a temperature higher than the temperature at which the catalyst is activated. In automobiles, etc., this temperature does not reach when idling or when the load is low, so a method of injecting fuel by installing a fuel injection device in the exhaust system and an electric heater installed in the middle of the exhaust pipe to heat the exhaust gas. Although methods are used, from the viewpoint of preventing global warming and saving energy, fuel consumption and electricity consumption are reduced as much as possible, and PM collected in the DPF is effectively used while maintaining engine performance. Needs to be removed. In addition, it is necessary to develop a DPF that supports a catalyst that activates in a lower temperature range than before, and to support technologies that can activate even in a low temperature range by adding this catalyst to fuel. It is necessary to continue to develop DPF regeneration systems and regeneration methods that respond to technological innovation.
そこで本発明は、下記の要素を備えた、取扱いが容易で信頼性が高く、これを作動させるための投入エネルギーができるだけ少ないような構造と機能を有する、DPFの再生システムと再生方法を提供することを目的とする。
(1) PM低減装置、エンジン、排気管、排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置、排ガス分散版、温度センサー、圧力センサー、制御装置という一般的な多くの機器に使用実績がある機器を用いることにより、汎用性、信頼性及び耐久性を備える構造と機能を持たせる。
(2) PM低減装置と排気管を断熱構造とすることにより、排ガスの温度低下を防止するという機能を持たせる。
(3) 排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置としてエンジン、排気管、PM低減装置のいずれか1箇所に設置された燃料噴射装置から噴射される燃料に、セリアなどの触媒を添加できる機能を持たせる。
(4) PM低減装置内に周囲に複数の穴を開けた分散版を設置して、DOCとDPF内の温度分布を均一化し、効果的な酸化や酸化除去を行うという機能を持たせる。
(5) PM低減装置内に設置した温度と圧力センサーから発せられる信号により装置内における煤の堆積状況を検知し、排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を作動させる機能を有する制御装置を組み込むことにより、DPFの再生を効果的に実施する。
Therefore, the present invention provides a DPF regeneration system and a regeneration method having the following elements, which are easy to handle, have high reliability, and have a structure and a function such that the input energy for operating the DPF is as small as possible. The purpose is.
(1) Used in many general devices such as PM reduction devices, engines, exhaust pipes, means for heating exhaust gas , or heating devices such as electric heaters , exhaust gas dispersion plates, temperature sensors , pressure sensors, and control devices. By using a proven device, it will have a structure and functions with versatility, reliability and durability.
(2) By making the PM reduction device and the exhaust pipe a heat insulating structure, it has a function of preventing the temperature of the exhaust gas from dropping.
(3) Ceria or the like is added to the fuel injected from the fuel injection device installed at any one of the engine, exhaust pipe, and PM reduction device as a means for heating the exhaust gas or as a heating device such as an electric heater . It has a function to add a catalyst.
(4) A distributed plate with a plurality of holes is installed in the PM reduction device to make the temperature distribution in the DOC and DPF uniform, and to have a function of effectively oxidizing and removing oxidation.
(5) A function for detecting the accumulation state of soot in the device by a signal emitted from a temperature and pressure sensor installed in the PM reduction device and operating a means for heating the exhaust gas or a heating device such as an electric heater. By incorporating a control device having the DPF, the regeneration of the DPF is effectively carried out.
排ガス中のPMはDPFを通過する間に捕集され、DPF内に堆積する。これを放置すると排ガスの流路が狭まり、排気圧力が上昇してエンジン性能が悪化するため定期的にこれを除去する必要がある。DPFに捕集されたPMを燃焼により除去する場合、約600℃以上の温度と酸素を必要とするが、ディーゼルエンジンにおいて常時この温度を達成するのは困難である。このため、2000年頃までは電気ヒーターやバーナーなどを用いてこれを燃焼除去する方法や、空気の圧力を利用して逆洗する方法が検討されていた。その後の研究により、DPFの前にDOCを設置して触媒と空気中のO2によって、(1)排ガス中に含まれる未燃の燃料や潤滑油成分からなるHCや、燃料の不完全燃焼時に生成されるCOを酸化してH2OとCO2を生成、(2)燃焼ガス中のNOを酸化することによりNO2を生成、((3)この時の酸化反応により発生する熱により排ガスの温度を上昇させるという現象を同時に起こすことが可能となった。また、その後に設置されているDPFの表面にPtなどの触媒を担持することにより、DOCで生成されたNO2と排ガス中に残存するO2がDPFに捕集された煤(C)と反応してCO2を生成するという現象を利用することにより、これまで約600℃以上の温度を必要としていた煤の燃焼除去とともに、400℃以下の温度において触媒とO2とNO2による煤の酸化除去が可能となった。 PM in the exhaust gas is collected while passing through the DPF and is deposited in the DPF. If this is left unattended, the flow path of the exhaust gas will be narrowed, the exhaust pressure will rise and the engine performance will deteriorate, so it is necessary to remove it on a regular basis. When the PM collected in the DPF is removed by combustion, a temperature of about 600 ° C. or higher and oxygen are required, but it is difficult to always achieve this temperature in a diesel engine. Therefore, until around 2000, a method of burning and removing it by using an electric heater or a burner, or a method of backwashing by using the pressure of air was studied. According to subsequent research, a DOC was installed in front of the DPF and O 2 in the catalyst and air was used to (1) HC consisting of unburned fuel and lubricating oil components contained in the exhaust gas, and when the fuel was incompletely burned. Oxidize the generated CO to produce H 2 O and CO 2 , (2) Oxidize NO in the combustion gas to produce NO 2 , and ((3) Exhaust gas due to the heat generated by the oxidation reaction at this time. It has become possible to simultaneously cause the phenomenon of raising the temperature of the fuel. In addition, by supporting a catalyst such as Pt on the surface of the DPF installed after that, NO 2 generated by DOC and exhaust gas By utilizing the phenomenon that the remaining O 2 reacts with the soot (C) collected in the DPF to generate CO 2 , the combustion and removal of the soot, which previously required a temperature of about 600 ° C. or higher, can be achieved. Oxidation and removal of soot by the catalyst and O 2 and NO 2 became possible at a temperature of 400 ° C. or lower .
これまでの研究によれば、DOCにおけるこれらの酸化反応は約250℃以上の温度が必要とされ、DPFによる煤の酸化除去には約350℃の温度が必要とされている。これらの温度は、ディーゼルエンジンの通常運転時においては達成可能であるため、通常運転時においてはDOCとDPFから構成されるPM低減装置を装着した状態でDPFに捕集された煤をリアルタイムで酸化除去できるため、本発明において請求項1に記載したDOCとDPFのみで、本発明のタイトルである「DPFの再生システムと再生方法」は完結すると言える。なお、起動時を含む低負荷運転時においては、排ガス温度が低いため、DOC及びDPF上の触媒は機能せず、エンジンから排出されたPMはDPF上に堆積することになる。しかし、その後の通常運転において排ガス温度が上昇してDOCとDPF上の触媒が活性化する温度になると、低負荷運転時に堆積していたPMは順次酸化除去されて、DPFは再生される。
According to previous studies, these oxidation reactions in the DOC require a temperature of about 250 ° C. or higher, and the oxidation removal of soot by the DPF requires a temperature of about 350 ° C. Since these temperatures can be achieved during normal operation of the diesel engine, the soot collected in the DPF is oxidized in real time with the PM reduction device consisting of DOC and DPF attached during normal operation. Since it can be removed, it can be said that the title of the present invention, "DPF regeneration system and regeneration method," is completed only by the DOC and DPF described in
しかし、路線バスや市街地のみを走行する自動車などにおいては、低負荷運転が続くと、排ガス温度がDOCやDPFが活性化する温度に達せず、DPFに捕集されたPMが堆積を繰り返すことにより、DPFに担持された触媒の表面を覆い尽くしてしまうため、DOCにおいて酸化されたNO2、排ガス中のO2は煤(C)の表面に達するものの、触媒との接触ができない状態になるため、触媒による酸化除去ができない状態になる。このような状態になったDPFに堆積した煤を除去するには、先に記載した約600℃以上という温度の下でO2による燃焼除去という方法を用いることになる。しかし、DPFに堆積した煤(C)が高温下においてO2と反応する「燃焼」という現象が起こると、その周囲温度は1000℃以上の高温に達するため、DPFそのものを焼損する可能性がある。また、燃焼除去という方法を用いると、排ガス温度を約600℃以上の高温にするための余分なエネルギーを要することになり、地球温暖化防止、省エネルギーという観点からの好ましくない。 However, in a route bus or a car traveling only in an urban area, if low load operation continues, the exhaust gas temperature does not reach the temperature at which the DOC and DPF are activated, and the PM collected in the DPF repeatedly accumulates. Since the surface of the catalyst carried on the DPF is completely covered, NO 2 oxidized in the DOC and O 2 in the exhaust gas reach the surface of the soot (C), but cannot come into contact with the catalyst. , It becomes impossible to remove oxidation by catalyst. Such removing soot deposited on the DPF became state is the use of method of combustion removal by O 2 under the temperature of about 600 ° C. or more as described above. However, when a phenomenon called "combustion" occurs in which the soot (C) deposited on the DPF reacts with O 2 at a high temperature, the ambient temperature reaches a high temperature of 1000 ° C. or higher, which may burn the DPF itself. .. Also, when using the method of burning off, it takes extra energy to the high temperature of at least about 600 ° C. The exhaust gas temperature, global warming, is not preferable from the viewpoint of energy saving.
これを防止するためには、これまでのほとんどの特許文献に記載されているような、(1)排ガス温度が高い(触媒の活性化に必要な温度条件に達している)通常運転時における対応と、(2)排ガス温度が低い(触媒の活性化に必要な温度条件に達していない)低負荷運転時における対応という条件設定を行うのではなく、最初から、「ほとんどの運転状態において、排ガス温度はDOC及びDPFに担持された触媒が活性化する温度に達していない」という条件を設定してPM低減装置の開発を行う必要がある。 In order to prevent this, as described in most of the patent documents so far, (1) measures during normal operation when the exhaust gas temperature is high (the temperature conditions required for catalyst activation are reached) And (2) instead of setting the condition of dealing with low load operation when the exhaust gas temperature is low (the temperature condition required for catalyst activation has not been reached), from the beginning, "exhaust gas in most operating conditions" It is necessary to develop a PM reduction device by setting the condition that "the temperature has not reached the temperature at which the catalyst carried on the DOC and DPF is activated".
そのためには、(1) エンジンにおいては燃焼という現象が起こっており、燃焼温度は1000℃以上に達している(膨張による仕事により排ガス温度は大幅に低下)ので、エンジンからPM低減装置に至る経路(排気管)において、できるだけこの温度を保持できるような構造とする。(2) PM低減装置においても装置内が外気によってできるだけ冷却されないような構造とする。(3) DOCやDPF内においては、外周が外気により冷却されやすいため温度が低下傾向となる。ことため、排ガス温度が触媒の活性化温度に達していても外周がそれよりも低いと、煤の酸化除去ができず煤が堆積しやすくなる。煤が堆積すると流路が狭まりますます流れが悪くなる結果、温度が低下するという悪循環を繰り返すことになる。これを防止するために、DOCとDPFから構成されるPM低減装置内にあるDOC及び、又はDPFの前に、周囲に複数の穴を開けた分散板を設置して、排ガスの流れをDOC及び、又はDPFの外周部まで分散させることにより、DOC及び、又はDPF全体の温度を均一化する必要がある。これと同時に、PM低減装置に流入する排ガスの温度を触媒が活性化できる温度以上にするために、PM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を設置して、必要に応じてこれを作動させることにより、PMがDPFに担持された触媒を覆うことにより酸化除去ができなくなるような状態になる前に、酸化除去を行う必要がある。 To that end, leading to (exhaust gas temperature is significantly reduced by the work by expansion) so, PM reduction apparatus from an engine and place a phenomenon that the combustion, the combustion temperature has reached more than 1000 ° C. in (1) Engine The structure shall be such that this temperature can be maintained as much as possible in the path (exhaust pipe). (2) The structure of the PM reduction device shall be such that the inside of the device is not cooled as much as possible by the outside air. (3) In the DOC and DPF, the outer circumference is easily cooled by the outside air, so the temperature tends to decrease. Therefore, even if the exhaust gas temperature reaches the activation temperature of the catalyst, if the outer circumference is lower than that, the soot cannot be oxidized and removed, and soot is likely to be deposited. When soot accumulates, the flow path narrows and the flow becomes worse, resulting in a vicious cycle of lowering the temperature. To prevent this, DOC and are within the PM reduction apparatus consists DOC and DPF, or prior to the DPF, by installing a distribution plate spaced plurality of holes around the flow of the exhaust gas DOC and or by dispersing until an outer peripheral portion of the DPF, DOC and, or it is necessary to equalize the temperature of the entire DPF. At the same time, in order to raise the temperature of the exhaust gas flowing into the PM reduction device to a temperature higher than the temperature at which the catalyst can be activated, a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device or a heating device such as an electric heater is installed. Then, by operating this as necessary, it is necessary to perform oxidative removal before PM becomes a state in which oxidative removal cannot be performed by covering the catalyst carried on the DPF.
本発明の特徴は、最初から、「ほとんどの運転状態において、排ガス温度はDOC及びDPFに担持された触媒が活性化する温度に達していない」という条件を設定してPM低減装置の開発を行うことにある。このような最低条件が設定されたシステムは、全ての条件において良好に作動する汎用的なシステムとなる。
「PM低減装置に流入する排ガスの温度を触媒が活性化できる温度以上にするために、PM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を設置して、必要に応じてこれを作動させる」ためには、どのような状況下において電気ヒーターなどの加熱装置を作動させるかが重要になる。電気ヒーターなどの加熱装置を常時作動させると、常時、排ガス温度はDOC及びDPFに担持された触媒が活性化する温度以上になるので、煤の酸化除去が継続して行えることになるが、常時エネルギーを消費していることになるので、地球温暖化防止、省エネルギー、経済性などの面から見ても好ましくない。
The feature of the present invention is to develop a PM reduction device from the beginning by setting the condition that "in most operating conditions, the exhaust gas temperature does not reach the temperature at which the catalyst supported on the DOC and DPF is activated". There is. A system in which such a minimum condition is set is a general-purpose system that operates well under all conditions.
"In order to raise the temperature of the exhaust gas flowing into the PM reduction device to a temperature higher than the temperature at which the catalyst can be activated, a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device or a heating device such as an electric heater is installed. In order to "operate this as needed", it is important under what circumstances the heating device such as an electric heater is operated. When a heating device such as an electric heater is always operated, the exhaust gas temperature is always higher than the temperature at which the catalyst carried on the DOC and DPF is activated, so that the soot can be continuously oxidized and removed. Since it consumes energy, it is not preferable from the viewpoints of global warming prevention, energy saving, and economic efficiency.
先に記載したように、通常、起動時を含む低負荷運転時においては、排ガス温度が低いため、DOC及びDPF上の触媒は機能せず、エンジンから排出されたPMはDPF上に堆積することになる。しかし、その後の通常運転において排ガス温度が上昇してDOCとDPF上の触媒が活性化する温度になると、低負荷運転時に堆積していたPMは順次酸化除去されて、DPFは再生される。
このことから、DPFへの煤の堆積はある程度は許されるが、煤が触媒の表面を覆ってしまうと、温度条件が整ってもNO2とO2が触媒と反応して煤を酸化除去するという反応を起こせなくなるため、その状態になる前に煤を酸化除去により取り除く必要があるといえる。また、排ガス温度を上昇させても酸化除去反応が起こらなくなると、煤の堆積が加速して、エンジン性能の低下を引き起こすとともに、排気温度を約600℃以上にして煤を燃焼除去するという、DPFの損傷というリスクを伴う方法を用いることになるため、逐次、DPFに堆積した煤を酸化除去する必要がある。
As described above, normally, during low load operation including startup, the catalyst on the DOC and DPF does not function due to the low exhaust gas temperature, and the PM discharged from the engine is deposited on the DPF. become. However, when the exhaust gas temperature rises to the temperature at which the catalyst on the DOC and the DPF is activated in the subsequent normal operation, the PM accumulated during the low load operation is sequentially oxidized and removed, and the DPF is regenerated.
From this, the accumulation of soot on the DPF is allowed to some extent, but if the soot covers the surface of the catalyst, NO 2 and O 2 react with the catalyst to oxidize and remove the soot even if the temperature conditions are met. Therefore, it can be said that soot must be removed by oxidative removal before the reaction occurs. In addition, if the oxidation removal reaction does not occur even if the exhaust gas temperature is raised, soot deposition accelerates, causing deterioration of engine performance and burning and removing soot by raising the exhaust temperature to about 600 ° C or higher. Since a method with a risk of damage to the DPF will be used, it is necessary to sequentially oxidize and remove the soot accumulated on the DPF.
DPFに煤が堆積すると排ガスの流路が狭まり、排気系統内の圧力が上昇する。このことから、排気管内の圧力を検出することにより、DPF内における煤の堆積状況を知ることができる。
これに対し、排ガス温度を触媒が活性化するとされる350℃以上に上昇させても、触媒が煤によって覆われていると酸化除去反応は起こらないため、煤を除去するためには排気温度を約600℃以上まで上昇させる必要がある。また、技術革新により触媒の活性化温度は低下する可能性があるため、温度を基準にしてPM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を制御する装置を組み込んでも、将来的には陳腐化する可能性があるとともに、現時点においても実機において触媒がどれくらいの温度で活性化するのかを示したデータはほとんどなく、その値はその他の条件(例えば触媒の担持状態、煤の付着状況、周囲条件としてのNO2の濃度など)に大きな影響を受ける。
When soot on the DPF is deposited narrowing the flow path of the exhaust gas, the pressure within the exhaust system is increased. From this, it is possible to know the accumulation state of soot in the DPF by detecting the pressure in the exhaust pipe.
On the other hand, even if the exhaust gas temperature is raised to 350 ° C. or higher, which is said to activate the catalyst, the oxidation removal reaction does not occur if the catalyst is covered with soot. Therefore, in order to remove the soot, the exhaust gas temperature is adjusted. It is necessary to raise the temperature to about 600 ° C. or higher. In addition, since the activation temperature of the catalyst may decrease due to technological innovation, a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device based on the temperature , or a device for controlling the heating device such as an electric heater. Even if it is incorporated, there is a possibility that it will become obsolete in the future, and even at present, there is almost no data showing at what temperature the catalyst is activated in the actual machine, and the value is based on other conditions (for example, of the catalyst). It is greatly affected by the state of support, the state of soot adhesion, the concentration of NO 2 as ambient conditions, etc.).
本発明においては、煤の付着状況を絶対評価できる指標として「排気系統の圧力」に注目し、PM低減装置内に温度センサーと圧力センサーを設置している。DPFに煤が堆積すると排ガスの流路が狭まり、排ガス量が一定の場合排気系統の圧力が上昇する。排ガス温度が触媒の活性化温度に達しないようなエンジンの起動直後(アイドリング運転)や低負荷運転時においては、排ガス量はほぼ一定(排気系統における圧力変動誤差の範囲内)と考えることができるので、PM低減装置内の温度と圧力を検出し、その温度がPM低減装置内に設置したDOCやDPFに担持された触媒が活性化する温度以下(例えば350℃以下)の状態において圧力が設定値よりも上昇した場合、PM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を作動させるようにすることにより、効率的な制御が可能になる。なお、排ガス量は、DPFに堆積した煤の量が一定でも、エンジンの回転数と吸気圧力に比例して増加し、これに伴って排気系統の圧力も上昇するため、エンジンのシリンダ容積を予め入力し、エンジンの回転数と吸気圧力の信号から排ガス量を算出しておき、計測された圧力と、算出された排ガス量に対する排気系統の圧力との差圧が一定値(例えば3kPa)以上高くなった場合、PM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を作動させるようにするようなシステムにすることにより、より精度の高い制御が可能となる。 In the present invention, attention is paid to "exhaust system pressure" as an index capable of absolutely evaluating the soot adhesion state, and a temperature sensor and a pressure sensor are installed in the PM reduction device. When soot is deposited on the DPF, the flow path of the exhaust gas is narrowed, and when the amount of exhaust gas is constant, the pressure of the exhaust system rises. Immediately after starting the engine (idling operation) or during low-load operation where the exhaust gas temperature does not reach the catalyst activation temperature, the amount of exhaust gas can be considered to be almost constant (within the range of pressure fluctuation error in the exhaust system). Therefore, the temperature and pressure in the PM reduction device are detected, and the pressure is set when the temperature is below the temperature at which the catalyst carried on the DOC or DPF installed in the PM reduction device is activated (for example, 350 ° C. or less). When the temperature rises above the value, efficient control becomes possible by operating a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device or a heating device such as an electric heater . Even if the amount of soot accumulated on the DPF is constant, the amount of exhaust gas increases in proportion to the engine speed and the intake pressure, and the pressure of the exhaust system also increases accordingly. Therefore, the cylinder volume of the engine is adjusted in advance. type, leave calculated quantity of exhaust gas from a signal of the rotational speed and intake pressure of the engine, the measured pressure, the differential pressure between the pressure in the exhaust system for the calculated amount of exhaust gas is a certain value (e.g., 3 kPa) or higher In such a case, more accurate control becomes possible by providing a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device or a system for operating a heating device such as an electric heater .
請求項1に記載の発明は、DOCとDPFから構成されるPM低減装置とエンジンを連結する配管、及び、又はPM低減装置の周囲に、断面形状が円形で長さを持つ物質(筒状や針金状など)をらせん状に巻き付け、その外周を、一部に突起を持たせて波形とすることにより、容器に貯蔵された物質やパイプ内を流動する流体の温度が変化することによる熱的な変化(容器やパイプの膨張・収縮)にも対応出来るような構造を持つ平板で覆い、平板の両端を閉じて、PM低減装置(1)及びPM低減装置とエンジンを連結する配管と、両端が閉じられた平板との間に形成された密閉空間を真空構造にすることにより、PM低減装置及びPM低減装置とエンジンを連結する排管を流動する排ガスの温度低下を防止することができる機能を備えることを特徴とする。
The invention according to
容器や管を二重構造としてその内部を真空にすることにより断熱効果が格段に向上することはよく知られている。しかし、容器内を真空にすると内圧がほとんどゼロとなるため外圧により二重構造にした外側の部分が変形する。これを防止するためには二重構造にした内側の容器に突起(平板のらせん状設置を含む)を設けて変形を防止する措置がとられている。しかし、この方法を用いた場合、構造が複雑になるとともに内側の容器の熱が突起を伝わって外側の容器に伝わるため、外側の容器も保温する必要がある。 It is well known that the heat insulating effect is significantly improved by forming a container or a pipe into a double structure and evacuating the inside thereof. However, when the inside of the container is evacuated, the internal pressure becomes almost zero, so that the outer portion having the double structure is deformed by the external pressure. In order to prevent this, measures are taken to prevent deformation by providing protrusions (including spiral installation of flat plates) on the inner container having a double structure. However, when this method is used, the structure becomes complicated and the heat of the inner container is transmitted to the outer container through the protrusions, so that the outer container also needs to be kept warm.
二つの物質間の熱の移動量は、接触面積(伝熱面積)、接触時間及び熱伝導率に比例する。二重管の内部を真空にすることにより熱を伝導する物質である空気がほとんど存在しなくなるため、熱伝導率はほとんどゼロになり、抜群の保温効果を得ることができる。
本発明の特徴は、二重管として内部を真空とした際、外側の容器が変形するのを防止するために円形の物質をらせん状に巻き付けることにより一定間隔毎の補強効果が得られるとともに、二重管の内側の物質と外側の物質との接点が「面(伝熱面積が存在する)」から「線(伝熱面積がほとんど存在しない)」になるということである。これにより、内部を真空にした二重管構造の容器と同等の効果を得ることができる。
また、らせん状に巻き付ける円形の物質を中空(空気の熱伝導率は固体の熱伝導率よりも小さい)とし、さらにその内部を真空にすることにより、さらにその効果を高めることができる。
The amount of heat transfer between two substances is proportional to the contact area (heat transfer area), contact time and thermal conductivity. By creating a vacuum inside the double tube, there is almost no air, which is a substance that conducts heat, so the thermal conductivity becomes almost zero, and an outstanding heat retention effect can be obtained.
The feature of the present invention is that when the inside is evacuated as a double pipe, a circular substance is spirally wound to prevent the outer container from being deformed, so that a reinforcing effect at regular intervals can be obtained. it is that the contact between the inner material and the outer material of the double tube is "surface (there are heat transfer area)" from "line (almost no heat transfer area)." As a result, the same effect as that of a container having a double-tube structure with a vacuum inside can be obtained.
Further, the effect can be further enhanced by making the circular substance wound in a spiral shape hollow (the thermal conductivity of air is smaller than the thermal conductivity of solid) and further evacuating the inside thereof.
請求項2に記載の発明は、DOCとDPFから構成されるPM低減装置とエンジンを連結する配管、及び、又はPM低減装置の周囲に、断面形状が円形で長さを持つ物質(筒状や針金状など)をらせん状に巻き付け、その外周を、一部に突起を持たせて波形とすることにより、容器に貯蔵された物質やパイプ内を流動する流体の温度が変化することによる熱的な変化(容器やパイプの膨張・収縮)にも対応出来るような構造を持つ平板で覆い、平板の両端を閉じて、PM低減装置(1)やPM低減装置とエンジンを連結する配管と両端が閉じられた平板との間に形成された密閉空間を真空構造にすることにより、PM低減装置やPM低減装置とエンジンを連結する排管を流動する排ガスの温度低下を防止することができる機能を備えることを特徴とする。
The invention according to
PM低減装置や排気管を、内部を真空にした二重管構造とすることにより、外気への熱の放出を最小限にすることができる。これは、排ガスを加熱する手段に供給する熱量を低減でき、地球温暖化防止、省エネルギー、経済性からみて優れた方法である。 By forming the PM reduction device and the exhaust pipe into a double pipe structure in which the inside is evacuated, it is possible to minimize the release of heat to the outside air. This is an excellent method in terms of prevention of global warming, energy saving, and economy because the amount of heat supplied to the means for heating the exhaust gas can be reduced.
請求項3に記載の発明は、エンジン、PM低減装置、エンジンとPM低減装置を連結する配管から選ばれる少なくとも1つに、PM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置のひとつとして設置された燃料噴射装置から、PM低減装置に流入する排ガスを加熱するための熱源として噴射される燃料中に、セリア(酸化セリウム、CeO2)などの触媒を添加して、DPF内においてこの触媒とPMに含まれる煤(C)とを反応させることにより、煤の酸化除去を促進する機能を有する装置を備えることを特徴とする。 According to the third aspect of the present invention, at least one selected from an engine, a PM reduction device, and a pipe connecting the engine and the PM reduction device is a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device , or an electric heater. A catalyst such as ceria (cerium oxide, CeO 2 ) is added to the fuel injected as a heat source for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device from the fuel injection device installed as one of the heating devices. The present invention is characterized by comprising an apparatus having a function of promoting the oxidative removal of soot by reacting this catalyst with the soot (C) contained in PM in the DPF.
燃料中にセリウム系、鉄系などの添加剤を混合することにより、燃料が燃焼する際に生成されるPMの低減効果、燃焼後 の排気行程や排気管におけるPMの酸化除去効果、DPFにおけるPMの酸化除去効果が得られる可能性がある。しかし、エンジンに供給される前の燃料に添加した場合、燃料噴射ポンプ、燃料噴射弁、シリンダライナとピストン(ピストンリング)、排気弁、過給機のタービン部分と多くの摺動部分や溶着する可能性がある部分を通過することになる。添加剤が摺動面に入り込むと研磨剤の役割を果たす可能性があり、部材に溶着すると様々な弊害を引き起こす可能性がある。添加剤を微少な粒子とすることによりそのリスクは減少するものの、可能性は残る。 By mixing additives such as cerium and iron in the fuel, the effect of reducing PM generated when the fuel burns, the effect of removing the oxidation of PM in the exhaust stroke and exhaust pipe after combustion, and the effect of removing PM from PM in DPF . Oxidation removal effect may be obtained. However, when added to the fuel before it is supplied to the engine, it welds to many sliding parts and welds to the fuel injection pump, fuel injection valve, cylinder liner and piston (piston ring), exhaust valve, and turbocharger turbine part. You will pass through the possible parts. When the additive enters the sliding surface, it may act as an abrasive, and when it is welded to the member, it may cause various harmful effects. Although the risk is reduced by making the additive into fine particles, the possibility remains.
本発明は、そのリスクを最小限にするとともに、効果的・効率的・経済的に添加する方法を示したものである。
燃料タンクに添加剤を投入した場合、燃料の消費とともに常に添加剤が消費されるため、メインテナンスコストを計上する必要があるが、PM低減装置において効果的にPMを除去できる状況(排気温度が350℃以上の通常運転状態)においては、これを行う必要はない。しかし、PM低減装置において触媒が活性化温度以下の場合、この方法(事前にPMを低減する)は有効となる。
本発明においては、PMの酸化除去に効果を発揮する触媒は、PM低減装置において触媒が活性化温度以下の場合の場合のみ消費されることになるため、効果的・効率的にその能力を発揮させることが可能となる。
なお、加熱用燃料とともに排ガス中に混合し、DPFに達したセリア(酸化セリウム、CeO2)などの触媒は、PMとともにDPFに捕集されてDPF上でPMの酸化除去触媒として作用することになる。
The present invention has shown a method of adding effectively, efficiently and economically while minimizing the risk.
When an additive is added to the fuel tank, the additive is always consumed as the fuel is consumed, so it is necessary to record the maintenance cost, but the PM reduction device can effectively remove PM (exhaust temperature is 350). It is not necessary to do this under normal operating conditions above ° C. However, when the catalyst is below the activation temperature in the PM reduction device, this method (reducing PM in advance) is effective.
In the present invention, the catalyst that is effective in removing the oxidation of PM is consumed only when the catalyst is below the activation temperature in the PM reduction device, so that the ability is effectively and efficiently exhibited. It becomes possible to make it.
In addition, catalysts such as ceria (cerium oxide, CeO 2 ) that have been mixed in the exhaust gas together with the heating fuel and reached the DPF are collected in the DPF together with the PM and act as an oxidation removal catalyst for the PM on the DPF. Become.
請求項4に記載の発明は、エンジン、PM低減装置、エンジンとPM低減装置を連結する配管から選ばれる少なくとも1つに、PM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置のひとつとして設置された燃料噴射装置から、PM低減装置(1)に流入する排ガスを加熱するための熱源として噴射される燃料中に、セリア(酸化セリウム、CeO2)などの触媒を添加することにより、DPF内においてこの触媒とPMに含まれる煤(C)とを反応させて、煤の酸化除去を促進することを特徴とする。
The invention according to
この発明に記載された方法を用いることにより、セリア(酸化セリウム、CeO2)などの触媒を効果的・効率的・経済的に添加することが可能となる。 By using the method described in the present invention, it becomes possible to add a catalyst such as ceria (cerium oxide, CeO 2 ) effectively, efficiently and economically.
請求項5に記載された発明は、DOCとDPFから構成されるPM低減装置内にあるDOC及び、又はDPFの前に、周囲に複数の穴を開けた分散板を設置して、排ガスの流れをDOC及び、又はDPFの外周部まで分散させることにより、DOC及び、又はDPF全体の温度を均一化するとともに蓄熱材としての機能を持たせることを特徴とする。
The invention described in
先に記載したように、二つの物質間の熱の移動量は、接触面積(伝熱面積)、接触時間及び熱伝導率に比例する。PM低減装置においては、排ガス温度が触媒の活性化温度以下の状況において、PM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置によって排ガスを加熱することによってその温度を、例えば350℃以上に上昇させている。この時の外気温度はほとんどが40℃未満であるため、その温度差は約300℃となる。このため、DOCとDPFから構成されるPM低減装置の外周から外気に多量の熱が放出される(外気により冷却される)。一方、PM低減装置の中心付近は、セラミック等の材料で構成されるDOCやDPFそのものが断熱材の役割を果たすため、最も高い温度となる。これらのことから、DOCやDPFの断面における温度分布は、中心から周囲に向かって徐々に温度が低下する状態となる。また、DOCとDPFは直列並行に設置されているため、一度DOC内においてこのような温度分布が発生すると、それがDPFにおいて増幅される可能性がある。
このような温度分布において排ガスの温度を上昇させても、最も恩恵を受けるのは中心部付近となり、外周部においては触媒が活性化する温度に達せずPMの酸化除去が行われないため、PMが流路に堆積したままとなり流動抵抗が増加して高温の排ガスが通りにくくなり(流速が低下することにより温度も低下)PMの堆積が進行する。
As described above, the amount of heat transfer between two substances is proportional to the contact area (heat transfer area), contact time and thermal conductivity. In the PM reduction device, when the exhaust gas temperature is equal to or lower than the activation temperature of the catalyst, the temperature of the exhaust gas by heating the exhaust gas by means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device or by a heating device such as an electric heater. For example, the temperature is raised to 350 ° C. or higher. Since most of the outside air temperature at this time is less than 40 ° C., the temperature difference is about 300 ° C. Therefore, a large amount of heat is released from the outer circumference of the PM reduction device composed of the DOC and the DPF (cooled by the outside air). On the other hand, the temperature near the center of the PM reduction device is the highest because the DOC or DPF itself made of a material such as ceramic acts as a heat insulating material. From these facts, the temperature distribution in the cross section of the DOC or DPF is in a state where the temperature gradually decreases from the center toward the periphery. Further, since the DOC and the DPF are installed in series and parallel, once such a temperature distribution occurs in the DOC, it may be amplified in the DPF.
Even if the temperature of the exhaust gas is raised in such a temperature distribution, the greatest benefit is in the vicinity of the central part, and in the outer peripheral part, the temperature at which the catalyst is activated is not reached and PM is not oxidized and removed. Will remain deposited in the flow path, increasing the flow resistance and making it difficult for high-temperature exhaust gas to pass through (the temperature will also decrease as the flow velocity decreases), and PM accumulation will proceed.
本発明では、周囲に複数の穴を開けた排ガス分散板をDOC及び、又はDPFの前部に設置することにより、排ガスに乱流を発生させ、PM低減装置内における排ガスの温度分布を均一にできるような構造としている。これにより、外周部にも温度の高い排ガスが流れるため、PMの酸化除去を効果的に行うことが可能となる。
また、この分散板に熱容量の大きな物質を用いたり、分散板の容積を大きくするなどして熱容量が大きな構造とすることにより、蓄熱(保温)機能を持たせて、排ガス温度が低下したときも高温の分散板を通過する際にその温度が回復して、触媒の活性化温度を保持する機能を持たせることができる。
In the present invention, by installing an exhaust gas dispersion plate having a plurality of holes around it in front of the DOC and / or DPF , turbulence is generated in the exhaust gas and the temperature distribution of the exhaust gas in the PM reduction device is made uniform. It has a structure that allows it to be used. As a result, the exhaust gas having a high temperature also flows in the outer peripheral portion, so that it is possible to effectively remove the oxidation of PM.
In addition, by using a substance with a large heat capacity for this dispersion plate or by increasing the volume of the dispersion plate to have a structure with a large heat capacity, a heat storage (heat retention) function is provided and the exhaust gas temperature drops. When passing through the high-temperature dispersion plate, the temperature is restored, and it is possible to have a function of maintaining the activation temperature of the catalyst.
さらに、この分散板にPM低減装置に流入する排ガスの加熱手段としての電気ヒーターを組み込むことにより、効果的・効率的な排ガスの加熱が可能となる。 Further, by incorporating an electric heater as a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device into the dispersion plate, effective and efficient heating of the exhaust gas becomes possible.
請求項6に記載の発明は、DOCとDPFから構成されるPM低減装置内にあるDOC及び、又はDPFの前に、周囲に複数の穴を開けた分散板を設置して、排ガスの流れをDOC及び、又はDPFの外周部まで分散させることにより、DOC及び、又はDPF全体の温度を均一化するとともに蓄熱材としての機能を持たせることを特徴とする。
According to the invention of
この発明に記載された方法を用いることにより、PM低減装置内における排ガスの温度分布を均一化できるとともに、分散版に蓄熱(保温)の役割を持たせることにより、排ガスの温度が変化しても、PM低減装置においては触媒の活性化温度を保持することが可能となる。 By using the method described in the present invention, the temperature distribution of the exhaust gas in the PM reduction device can be made uniform, and by giving the distributed plate a role of heat storage (heat retention), even if the temperature of the exhaust gas changes. , The PM reduction device can maintain the activation temperature of the catalyst.
請求項7に記載の発明は、DOCとDPFから構成されるPM低減装置内にあるDPFの前に温度センサーと圧力センサーを設置するとともに、その信号を制御装置に伝え、DPF前の温度が設定値(例えば350℃)以下の状態において、圧力が設定値以上(例えば3kPa以上)になったら、エンジン、PM低減装置、エンジンとPM低減装置を連結する配管から選ばれる少なくとも1つに設置された、PM低減装置(1)に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置により排ガスを加熱し、その圧力が設定値以下(例えば2kPa以下)になったらPM低減装置(1)に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置による排ガスの加熱を終了するという機能を有する制御装置を備えることを特徴とする。 In the invention according to claim 7 , a temperature sensor and a pressure sensor are installed in front of the DPF in the PM reduction device composed of the DOC and the DPF , and the signal is transmitted to the control device to set the temperature before the DPF. When the pressure exceeds the set value (for example, 3 kPa or more) in the state of the value (for example, 350 ° C.) or less, it is installed in at least one selected from the engine, the PM reduction device, and the pipe connecting the engine and the PM reduction device. , The exhaust gas is heated by a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device (1) , or by a heating device such as an electric heater, and when the pressure becomes less than the set value (for example, 2 kPa or less), the PM reduction device ( It is characterized by including a means for heating the exhaust gas flowing into 1) and a control device having a function of ending the heating of the exhaust gas by a heating device such as an electric heater .
ディーゼルエンジンの排気温度はその負荷率に比例するため、一般に、常用負荷及び高負荷域においては、PM低減装置内のDOCとDPFに担持された触媒の活性化温度以上となり、PMは連続して効果的に酸化除去される。しかし、エンジンが長時間停止した場合のエンジン、配管及びPM低減装置の温度は外気温度とほぼ等しくなるため、エンジンを起動後の数分間は、排気温度は低いままである。また、低負荷運転時においても排気温度が触媒の活性温度まで上昇しないため、エンジンから排出されたPMはDPFに蓄積する。
一方、低い温度で活性化する触媒の研究が進められており、文献3には300℃以下で活性化する触媒の可能性が記載されている。また、請求項1から8に記載のシステムと方法を用いることにより、エンジンから排出された排ガスの温度低下を減少させることが可能となる。
このような状況を踏まえて、本発明では、現在、PMの酸化除去(触媒の活性化を利用したシステムと方法)が困難とされている、起動時や低負荷運転時において、効果的にDPFを再生できるシステムと方法を提供することを目的としている。このシステムを用いることにより、全ての運転領域において効果的なDPFの再生が可能となる。
Since the exhaust temperature of a diesel engine is proportional to its load factor, in general, in the normal load and high load range, the temperature becomes higher than the activation temperature of the catalyst supported on the DOC and DPF in the PM reduction device, and the PM continues. Effectively oxidatively removed. However, when the engine is stopped for a long time , the temperatures of the engine , piping, and PM reduction device become substantially equal to the outside air temperature, so that the exhaust temperature remains low for several minutes after the engine is started. Further, since the exhaust temperature does not rise to the active temperature of the catalyst even during low load operation, the PM discharged from the engine is accumulated in the DPF.
On the other hand, research on catalysts that activate at low temperatures is underway, and
Based on such a situation, in the present invention, the DPF is effectively used at the time of start-up or low-load operation, where it is currently difficult to oxidize and remove PM (system and method using activation of catalyst). The purpose is to provide a system and method that can reproduce the. By using this system, effective DPF regeneration is possible in all operating areas.
請求項8に記載の発明は、DOCとDPFから構成されるPM低減装置内にあるDPFの前に温度センサーと圧力センサーを設置するとともに、その信号を制御装置に伝え、DPF前の温度が設定値(例えば350℃)以下の状態において、圧力が設定値以上(例えば3kPa以上)になったら、エンジン、PM低減装置、エンジンとPM低減装置を連結する配管から選ばれる少なくとも1つに設置された、PM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置により排ガスを加熱し、その圧力が設定値以下(例えば2kPa以下)になったらPM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置による排ガスの加熱を終了することを特徴とする。
In the invention according to
この方法を用いることにより、全ての運転領域において効果的なDPFの再生が可能となる。 By using this method, effective DPF regeneration is possible in all operating regions.
請求項9に記載の発明は、DOCとDPFから構成されるPM低減装置とエンジンを連結する配管、及びPM低減装置を断熱構造とし、エンジン、PM低減装置、エンジンとPM低減装置を連結する配管から選ばれる少なくとも1つにPM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を備え、PM低減装置内に排ガス分散版と温度センサー、圧力センサーを内蔵するとともに、温度センサーと圧力センサーからの信号によりPM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を作動させることができる制御装置を備えることを特徴とする。 The invention according to claim 9 has a pipe connecting a PM reduction device composed of a DOC and a DPF and an engine, and a pipe connecting the engine, a PM reduction device, and an engine and a PM reduction device with the PM reduction device having a heat insulating structure. At least one selected from the above is equipped with a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device and a heating device such as an electric heater , and the exhaust gas dispersion plate, the temperature sensor, and the pressure sensor are built in the PM reduction device. It is characterized by comprising means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device by signals from the temperature sensor and the pressure sensor , or a control device capable of operating a heating device such as an electric heater .
請求項10に記載の発明は、DOCとDPFから構成されるPM低減装置とエンジンを連結する配管、及びPM低減装置を断熱構造とし、エンジン、PM低減装置、エンジンとPM低減装置を連結する配管から選ばれる少なくとも1つにPM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を備え、PM低減装置内に排ガス分散版、温度センサー、圧力センサーを備えるとともに、温度センサーと圧力センサーからの信号によりPM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置の作動を制御することにより、DPFに捕集されたPMを効果的に酸化除去できることを特徴とする。
この発明を用いることにより、路線バスやゴミ収集車など、市街地を低負荷で運行されることが多い自動車などにおいても、DPFを連続して効率的に再生することが可能となる。
The invention according to claim 10 has a pipe connecting a PM reduction device composed of a DOC and a DPF and an engine, and a pipe connecting the engine, a PM reduction device, and an engine and a PM reduction device with the PM reduction device having a heat insulating structure. At least one selected from the above is provided with a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device and a heating device such as an electric heater, and the PM reduction device is provided with an exhaust gas dispersion plate, a temperature sensor, and a pressure sensor. By controlling the means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device by the signals from the temperature sensor and the pressure sensor and the operation of the heating device such as an electric heater , the PM collected in the DPF can be effectively collected. It is characterized by being able to remove oxidation.
By using this invention, the DPF can be continuously and efficiently regenerated even in automobiles such as fixed-route buses and garbage trucks, which are often operated with a low load in urban areas.
本発明を用いることにより、自動車等のディーゼルエンジンに設置されたDPF(ディーゼル微粒子捕集フィルター)に捕集されたPM(粒子状物質)を、全ての運転領域において、触媒の働きにより酸化除去し、DPFを連続して使用できるようになる。 By using the present invention, PM (particulate matter) collected by a DPF (diesel particulate filter) installed in a diesel engine of an automobile or the like is oxidized and removed by the action of a catalyst in all operating regions. , DPF can be used continuously.
以下に、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る本システムの基本構成を示したものである。この図において、エンジンにおいて燃料が燃焼すると燃焼室内において1500℃以上の高温が発生するとともにPMが生成される。
PMを含む排ガスは排気管を経てPM低減装置内に流入し、内部に設置された排ガス拡散板により、乱流状態となることにより温度が均一化される。PM低減装置内に設置されたDOCにおいて、PMの成分であるSOFが酸化除去される(CO2になる)とともに、排ガス中のNOが酸化されてNO2になる。DOCを出た排ガスはDOCとDPFの間に設置された排ガス分散板によって乱流状態になることにより、温度が均一化される。また、この排ガス分散板は、排ガス温度が高い状態において加熱され(熱量を蓄え)、排ガス温度が低くなったときに、排ガスに熱量を与える蓄熱作用も行う。
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the basic configuration of the present system according to the embodiment of the present invention. In this figure, when fuel burns in an engine, a high temperature of 1500 ° C. or higher is generated in the combustion chamber and PM is generated.
The exhaust gas containing PM flows into the PM reduction device through the exhaust pipe, and the exhaust gas diffuser plate installed inside makes the temperature uniform by creating a turbulent flow state. In the DOC installed in the PM reduction device, SOF, which is a component of PM, is oxidized and removed (to become CO 2 ), and NO in the exhaust gas is oxidized to become NO 2 . The temperature of the exhaust gas emitted from the DOC is made uniform by being in a turbulent state by the exhaust gas dispersion plate installed between the DOC and the DPF. Further, this exhaust gas dispersion plate is heated in a state where the exhaust gas temperature is high (stores heat), and when the exhaust gas temperature is low, it also performs a heat storage action of giving heat to the exhaust gas.
排ガス中に含まれるPM成分のうちの煤(C)は、DPFにおいて捕集(捕集)される。DPFにはPt(白金)などの酸化触媒が担持されているため、捕集された煤は、ある温度条件(例えば350℃以上)において、この酸化触媒、排ガス中のO2及びNO2と反応することによってCO2となる(酸化除去される)。
しかし、エンジンの起動時や低負荷運転時においては、排ガスの温度が触媒の活性化温度に達しないため、PM中の煤はDPFに堆積し、これを放置するとDPFに担持された触媒の表面を覆い、温度条件が整っても排ガスと触媒が接触できない状態となる。
Soot ( C ) among the PM components contained in the exhaust gas is collected (collected) in the DPF. Since the DPF carries an oxidation catalyst such as Pt (platinum), the collected soot reacts with the oxidation catalyst and O 2 and NO 2 in the exhaust gas under certain temperature conditions (for example, 350 ° C. or higher). By doing so, it becomes CO 2 (oxidation is removed).
However, when the engine is started or when the load is low, the temperature of the exhaust gas does not reach the activation temperature of the catalyst, so soot in the PM is deposited on the DPF, and if this is left unattended, the surface of the catalyst carried on the DPF Even if the temperature conditions are met, the exhaust gas and the catalyst cannot come into contact with each other.
このような状況下においては(DPFに煤が堆積)、排ガスの流路が狭められるため、排気系統の圧力が上昇する。この上昇値がある値(例えば3kPa)を超えると、圧力センサーの信号が制御装置に伝えられ、PM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を作動させることにより排ガス温度が触媒の活性化温度まで上昇し、DPFに堆積した煤を酸化除去する。
ここで、排気系統における排ガス圧力は、負荷率が上昇すると高くなるという特性があるため、圧力センサーの信号のみで、PM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を作動させると、負荷率が上昇して排ガス温度が高い(PM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を作動させる必要がない)状態においても加熱を継続するため、省エネルギー、経済性の両面において好ましくない。このため、温度センサーにより排ガス温度を検知し、この温度がある値(触媒が活性化する温度)以上の場合は、PM低減装置(1)に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置の作動を停止させるシステムを併せ持っている。
このように、このシステムを用いることにより、始動時や低負荷時を含む全ての運転状態において、DPFを効果的・効率的・経済的に再生することができる。
Under such a situation (soot is deposited on the DPF), the flow path of the exhaust gas is narrowed, so that the pressure of the exhaust system rises. When this increase value exceeds a certain value (for example, 3 kPa), the signal of the pressure sensor is transmitted to the control device to activate a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device or a heating device such as an electric heater . As a result, the exhaust gas temperature rises to the activation temperature of the catalyst, and the soot accumulated on the DPF is oxidized and removed.
Here, since the exhaust gas pressure in the exhaust system has a characteristic that it increases as the load factor increases, a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device using only the signal of the pressure sensor , or an electric heater or the like. When the heating device is operated, the load factor rises and the exhaust gas temperature is high (it is not necessary to operate the means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device or the heating device such as an electric heater ). Since heating is continued, it is not preferable in terms of both energy saving and economy. Therefore, the temperature of the exhaust gas is detected by the temperature sensor, and if this temperature is equal to or higher than a certain value (the temperature at which the catalyst is activated ), a means for heating the exhaust gas flowing into the PM reduction device (1), or electricity. It also has a system that stops the operation of heating devices such as heaters .
As described above, by using this system, the DPF can be effectively, efficiently and economically regenerated in all operating conditions including the start-up time and the low load time.
図2は、本発明の実施の形態に係るディーゼルエンジンに設置されたDPFに捕集されたPMを効果的・効率的に酸化除去する際の工程の一例を示したフローチャートである。
S1において、DPFに煤が堆積すると排ガスの流路が狭まり、排ガス量が一定の場合排気系統の圧力が上昇するとともに、PM低減装置内の圧力も上昇する。
S2において、PM低減装置内に設置された温度センサーと圧力センサーがPM低減装置内の温度と圧力を検出し、制御装置に伝達する。
S3において、PM低減装置内の温度が装置内の触媒が活性化する温度以下(例えば350℃以下)の状態において圧力が設定値よりも上昇した場合、制御装置は排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置を作動させる。
S4において、排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置によりPM低減装置(1)に流入する排ガスを加熱する。
S5において、排ガスの加熱によりDPFに担持された触媒が活性化して煤を酸化除去することにより、PM低減装置内の圧力が設定値以下(例えば2kPa以下)になったらPM低減装置に流入する排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置による排ガスの加熱を終了する。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a process for effectively and efficiently oxidizing and removing PM collected in the DPF installed in the diesel engine according to the embodiment of the present invention.
In S1, when soot is deposited on the DPF, the flow path of the exhaust gas is narrowed, and when the amount of exhaust gas is constant, the pressure in the exhaust system rises and the pressure in the PM reduction device also rises.
In S2, the temperature sensor and the pressure sensor installed in the PM reduction device detect the temperature and pressure in the PM reduction device and transmit the temperature and pressure to the control device.
In S3, when the temperature in the PM reduction device is equal to or lower than the temperature at which the catalyst in the device is activated (for example, 350 ° C. or lower) and the pressure rises above the set value, the control device provides means for heating the exhaust gas. , Or activate a heating device such as an electric heater .
In S4, the exhaust gas flowing into the PM reduction device (1) is heated by means for heating the exhaust gas or a heating device such as an electric heater .
In S5, the catalyst supported on the DPF is activated by heating the exhaust gas to oxidize and remove soot, so that the exhaust gas flowing into the PM reduction device when the pressure in the PM reduction device becomes equal to or less than a set value (for example, 2 kPa or less). The heating of the exhaust gas by the means for heating the exhaust gas and the heating device such as an electric heater is completed.
図3は、本発明の実施の形態に係る真空断熱装置の概要を示した図である。
この図において、排気管やPM低減装置の周囲に、断面形状が円形で長さを持つ物質(筒状や針金状など)をらせん状に巻き付け、その外周を、一部に突起を持たせて波形とした平板で覆い、平板の両端を閉じて、排気管やPM低減装置と、両端が閉じられた平板との間に形成された密閉空間を真空構造にすることにより、排気管やPM低減装置を流動する排ガスの温度低下を防止することができる。
FIG. 3 is a diagram showing an outline of the vacuum insulation device according to the embodiment of the present invention.
In this figure, a substance having a circular cross-sectional shape and a length (cylindrical shape, wire shape, etc.) is spirally wound around the exhaust pipe and the PM reduction device, and the outer circumference thereof is partially provided with protrusions. By covering with a corrugated flat plate, closing both ends of the flat plate, and creating a vacuum structure in the sealed space formed between the exhaust pipe and PM reduction device and the flat plate with both ends closed, the exhaust pipe and PM reduction It is possible to prevent the temperature of the exhaust gas flowing through the device from dropping.
本発明は、ディーゼル微粒子捕集フィルターを効果的・効率的・経済的に再生する場合に適用可能である。 The present invention is applicable when the diesel particulate filter is effectively, efficiently and economically regenerated.
1. PM低減装置
2. エンジン
3. 排気管
4. 排ガスを加熱するための手段及び、又は電気ヒーターなどの加熱装置
5. 排ガス分散板
6. 温度センサー
7. 圧力センサー
8. 制御装置
1. 1.
Claims (8)
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