JPH08144749A - ディーゼルエンジンの排気脱硝装置 - Google Patents

ディーゼルエンジンの排気脱硝装置

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JPH08144749A
JPH08144749A JP6308348A JP30834894A JPH08144749A JP H08144749 A JPH08144749 A JP H08144749A JP 6308348 A JP6308348 A JP 6308348A JP 30834894 A JP30834894 A JP 30834894A JP H08144749 A JPH08144749 A JP H08144749A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 NOX 触媒層で作用する還元剤燃料炭化水素
の成分をエンジン運転条件に応じて可変とし、触媒を作
用させ得るエンジン運転範囲をより広くすることができ
るディーゼルエンジンの排気脱硝装置を提供する。 【構成】 排気管2に装着したターボ過給機のタービン
3入口付近と、触媒層4の入口直前とに還元剤燃料添加
ノズル5,6を配設し、還元剤燃料輸送管8を還元剤燃
料供給装置9、還元剤燃料添加ノズルコントロールバル
ブ10を介して前記ノズル5,6に接続する。前記触媒
層4に設置した温度センサ11の出力信号に基づいてコ
ントローラ12が前記還元剤燃料供給装置9、ノズルコ
ントロールバルブ10に指令信号を出力する。触媒層温
度が所定値を超えるときは還元剤燃料添加ノズル5か
ら、所定値以下なら還元剤燃料添加ノズル6から還元剤
燃料を噴射させる。また、触媒作動最低温度以下の場合
は還元剤燃料供給装置を停止させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼルエンジンか
ら排出される排気ガス中の窒素酸化物(NOX )を除去
する装置に係り、特に排気ガスにエンジンの燃料を還元
剤として添加し、NOX をN2 やH2 O,CO2 に還元
して除去するディーゼルエンジンの排気脱硝装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、ディーゼルエンジンの排気ガス中
からNOX を除去する場合、排気ガス温度を300〜4
00°Cにして排気ガス中にNOX とほぼ等モルのアン
モニアや尿素を添加した後、バナジウム/チタニア触媒
やゼオライト触媒と接触させ、NOX をN2 とH2 O、
に還元分解する方法が採られていた。しかし、この方法
はアンモニアまたは尿素を別途用意する必要があり、ま
た、添加量が多すぎると環境の二次汚染を引き起こすお
それがある。そこでこのような問題を解決するため、排
気ガス中の炭化水素を強制的に富化したのち、銅/ゼオ
ライト触媒を初めとする遷移金属担持メタロシリケート
触媒や、銅/アルミナ触媒を初めとする遷移金属担持ア
ルミナ系複合酸化物触媒と接触させ、排気ガス中のNO
X を還元して除去する方法が開発された。
【0003】排気ガス中の炭化水素を富化させる方法と
して、エンジンの吸気管中に燃料を添加する方法(特開
平4−358715号公報)、主燃料噴射時期に対して
タイミングをずらして少量の燃料をエンジン気筒内に別
途噴射する方法(特開平3−253713号公報)、あ
るいは燃料や特別な炭化水素を排気管中に直接添加する
方法などがある。そして、排気管中に還元剤炭化水素を
添加してNOX を除去する場合、特開平4−35871
6号公報に開示されているように、炭化水素を添加した
排気ガスをそのまま触媒層に導いて還元する方法と、特
開平5−44445号公報に示されているように、還元
剤炭化水素を添加した排気ガスを冷却して触媒層に導入
する方法などがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】炭化水素を還元剤とし
てNOX を浄化する触媒反応において、触媒が働く温度
は触媒の種類や還元剤によって差はあるが、おおよそ3
00°C〜500°Cに限られている。特に、使用する
触媒と還元剤炭化水素とをそれぞれ一種類に限定する
と、前記温度範囲は更に狭くなる。そこで、触媒の作動
温度範囲を広げるため、これまでに様々な方法が考案さ
れてきた。その一つは特開平6−146870号公報に
示されているように、作動温度域の異なる複数の触媒を
直列に配設し、各触媒に冷却ガスを噴射して排気ガス温
度を還元効率の高い範囲に調節するものである。しかし
この排気ガス浄化装置は、触媒の容積が大きくなること
と圧力損失が大きくなるといった問題があり、実用的で
はない。また、還元剤として燃料炭化水素を使い、これ
をあらかじめクラッキング触媒などによって分解改質し
て排気ガス中に添加する方法(特開平6−108825
号公報)は、クラッキング触媒のコーキングやエンジン
負荷変動に対する追従性が悪いといった問題がある。ま
た、さきに挙げた特開平5−44445号公報で開示さ
れているように、熱交換器を用いて排気ガス温度を冷却
制御する方法は、冷却水管にススが付着して排気管が閉
塞するという問題があり、頻繁な清掃を必要とするた
め、実用的ではない。以上のように、触媒作動温度範囲
の拡大、すなわち広範囲のエンジン運転条件下でNOX
を浄化するには、未解決の問題が多い。
【0005】本発明は上記従来の問題点に着目してなさ
れたもので、触媒層で作用する還元剤燃料炭化水素の成
分をエンジンの運転条件に合わせて変えられるように
し、これによって触媒を作用させ得るエンジン運転範囲
をより広くすることが可能な、簡単な構造のディーゼル
エンジンの排気脱硝装置を提供することを目的としてい
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係るディーゼルエンジンの排気脱硝装置
は、炭化水素を還元剤としてNOX を還元浄化する触媒
を用いてディーゼルエンジンの排気NOX を還元浄化す
る触媒装置において、還元剤炭化水素源としてディーゼ
ルエンジンの燃料を使用し、その供給手段をエンジン気
筒内から触媒層までの間に2箇所以上設ける構成とし、
対象とするエンジンがターボ過給機付きディーゼルエン
ジンの場合は、還元剤供給手段として用いる複数の還元
剤燃料添加ノズルのうち少なくとも一つがエンジン排気
バルブとターボ過給機のタービン入口との間に設置さ
れ、かつ、少なくとも一つがターボ過給機のタービン出
口と触媒層との間に設置されていることを特徴としてい
る。
【0007】これらの排気脱硝装置は、触媒層の温度を
検出する温度センサと、この温度センサからの出力信号
に基づいて前記複数の還元剤供給手段のいずれを働かせ
るか判断し、還元剤供給手段を制御するコントローラを
有するものとする。また、ターボ過給機付きディーゼル
エンジンについては、排気温度を検出する温度センサ
を、ターボ過給機のタービン入口の上流側、前記タービ
ン出口の下流側および触媒層とにそれぞれ配設し、これ
らの温度センサからの出力信号に基づいて前記複数の還
元剤供給手段のいずれを働かせるか判断し、還元剤供給
手段を制御するコントローラを有する構成としてもよ
い。
【0008】
【作用】還元剤に炭化水素を用いて排気NOX を還元浄
化する場合、還元剤炭化水素1分子当たりの炭素数に対
するNOX 浄化温度特性(最高浄化率温度)は、図9に
示すような関係にある。すなわち、還元剤炭化水素の炭
素数が少なくなるに従って触媒が効力を発揮する温度域
は高温側に移動する。また、一般に燃料などの高分子炭
化水素は酸素共存下高温雰囲気では容易に低級な炭化水
素に分解されてしまい、この分解の程度、すなわち炭化
水素1分子当たりの炭素数は図10に示すように排気ガ
ス温度によって大きく変化する。
【0009】ところで、エンジンから排出される排気ガ
スの温度条件は、ターボ過給機付きディーゼルエンジン
を例にとると、図11に示すようにターボ過給器のター
ビン入口と出口ないし触媒層直前との間で大きく異な
る。従って、還元剤燃料をタービン入口と出口のどちら
で排気ガスに添加するかによって、還元剤燃料の熱分解
の度合いが異なることになる。すなわち、タービン入口
で還元剤燃料を添加したときの方が出口で添加したとき
よりも熱分解を被る度合いが強く、還元剤燃料は低分子
まで分解される。
【0010】図9および図10から明らかなように、排
気ガス温度すなわち触媒層の温度が高い場合には使用す
る還元剤炭化水素の炭素数は小さい方がよく、触媒層温
度が低い場合にはなるべく炭化水素1分子当たり、多く
の炭素数をもつ炭化水素を還元剤として用いることが望
ましい。従って、エンジン負荷率の高い運転条件すなわ
ち触媒層温度が高い場合には、還元剤燃料をターボ過給
器のタービン入口付近で排気ガスに添加し、エンジン負
荷率の低い運転条件すなわち触媒層温度が低い場合に
は、還元剤燃料を触媒層の直前で排気ガスに添加するこ
とによって、広い温度範囲すなわち広範囲のエンジン運
転条件下で触媒を作用させることが可能となる。
【0011】上記構成による本発明では、還元剤として
用いる炭化水素の供給手段をエンジン気筒内から触媒層
までの間に2箇所以上、特にターボ過給機付きディーゼ
ルエンジンの場合は少なくとも一つをターボ過給機のタ
ービン入口の上流側、少なくとも一つをタービン出口の
下流側に設けたので、これらの供給手段を運転条件すな
わち触媒層温度の検出値に基づいて制御することによ
り、触媒が有効に作用する温度範囲を広げることができ
る。従って、広範囲のエンジン運転条件下で排気NOX
の還元浄化が可能となる。
【0012】
【実施例】以下に、本発明に係るディーゼルエンジンの
排気脱硝装置の実施例について、図面を参照して説明す
る。図1は、本発明の第1実施例に係るターボ過給器付
きディーゼルエンジンの排気脱硝装置の構成説明図であ
る。同図において、1はディーゼルエンジン本体、2は
排気管である。排気管2の途中には、ターボ過給機のタ
ービン3とNOX を浄化する触媒層4とが配設され、前
記タービン3の入口付近と触媒層4の直前とにそれぞれ
還元剤燃料添加ノズル5および6が設置されている。還
元剤燃料は、燃料タンク7から還元剤燃料輸送管8を通
り、還元剤燃料供給装置9の作動により還元剤燃料添加
ノズルコントロールバルブ10を介して前記還元剤燃料
添加ノズル5または6に送られる。前記ノズルコントロ
ールバルブ10は、還元剤燃料供給装置9が吐出する還
元剤燃料を還元剤燃料添加ノズル5または6に送るため
の切り換えバルブである。還元剤燃料供給装置9および
還元剤燃料添加ノズルコントロールバルブ10は、触媒
層4に設置された温度センサ11の検出温度に基づいて
コントローラ12が出力する指令信号によって制御され
る。
【0013】次に、この排気脱硝装置の制御方法を図2
に基づいて説明する。同図において各ステップの左側に
記載した数字はステップ番号である。ステップ1でエン
ジンスタートに伴い制御ルーチンがスタートする。ステ
ップ2でエンジンが運転中であることを確認した後、ス
テップ3で触媒層の検出温度Tcat を読み込む。次にス
テップ4に進み、前記Tcat が触媒作動最低温度To よ
り大きいか否かを判断する。Tcat >To ならばステッ
プ5に進み、Tcat ≦To の場合はステップ10に進
む。
【0014】ステップ5およびステップ6で還元剤燃料
供給装置が作動中であることを確認した後、ステップ7
に進み、触媒層の検出温度Tcat と還元剤燃料添加ノズ
ル選択温度T1 とを比較する。Tcat <T1 の場合はス
テップ8に進み、還元剤燃料添加ノズルコントロールバ
ルブを制御して還元剤燃料添加ノズル6側に切り換え、
還元剤燃料添加ノズル6から還元剤燃料を噴射させる。
またTcat ≧T1 の場合はステップ9に進み、還元剤燃
料添加ノズルコントロールバルブを制御して還元剤燃料
添加ノズル5側に切り換え、還元剤燃料添加ノズル5か
ら還元剤燃料を噴射させる。以上の制御を実施した後、
ステップ2に戻る。前記ステップ10では還元剤燃料供
給装置が作動中であるか否かを判断し、作動中であれば
ステップ11で還元剤燃料供給装置に対して作動停止指
令信号を出力した後、ステップ2に戻る。還元剤燃料供
給装置が停止している場合はそのままステップ2に戻
る。また、ステップ2でエンジンが停止している場合は
ステップ12に進み、前記制御動作を終了する。
【0015】図3にモデルガスによる触媒の評価装置の
概略を示す。この評価装置における還元剤添加位置
は、本発明第1実施例における還元剤添加位置5に相当
し、また、還元剤添加位置は、本発明第1実施例にお
ける還元剤添加位置6に相当する。図3における評価装
置は、NO,O2 ,CO2 ,SO2 ,N2 の各ガスボン
ベ、および水添加ポンプにより、エンジン排気ガスを模
擬したモデルガスを作成し、予熱器によりエンジン排気
ガス温度まで加熱して高温のモデルガスとし、その後、
ガス冷却器で通常の触媒層直前のエンジン排気温度まで
冷却した後、触媒反応管を経由した後にそのモデルガス
中のNOX を測定する。また、前記予熱器の出口となる
添加位置と、触媒を内蔵した触媒層直前の添加位置
とのいずれか一方からは還元剤燃料供給ポンプから供給
される還元剤燃料が、切換弁により切り換えられて添加
される。なお、触媒反応管の周囲には触媒を所定温度に
保持する公知の反応管炉が設置されている。図4は図3
の評価装置における、エンジン排気ガスを模擬したモデ
ルガスによる触媒の評価結果を示したものであり、還元
剤燃料の添加位置を変えた場合における触媒層温度とN
X 浄化率との相関を示している。すなわち、添加位置
では触媒層温度が高い方がNOX 浄化率がよく、添加
位置では触媒層温度が低い方がNOX 浄化率がよいこ
とを示している。
【0016】また、図5には図3のモデルガス触媒評価
装置の各還元剤燃料添加位置にて還元剤燃料を添加した
場合における、触媒直前で測定した、燃料炭化水素の炭
化水素一分子当たりの炭素数の分布を示す。すなわち、
還元剤燃料を添加位置で添加した場合には、燃料炭化
水素はより低級な炭化水素にまで熱分解を受けるが、添
加位置で還元剤燃料を添加した場合は、あまり熱分解
を受けず炭化水素は高級なまま触媒層に到達することが
分かる。触媒層温度が高い場合には、還元剤燃料を添加
位置にて添加することによって、還元剤燃料を高温時
に高いNOX 浄化率を得やすい低級炭化水素に分解し、
高効率のNOX 浄化性能を発揮することが分かる。ま
た、逆に触媒層温度が低い場合には、還元剤燃料を添加
位置にて添加することによって、還元剤燃料を低温時
に高いNOX 浄化率を得やすい高級炭化水素に保持し、
高効率のNOX 浄化性能を発揮することも分かる。
【0017】図6〜図8にエンジンの定格回転各負荷率
の場合における、本発明の第1実施例について還元剤燃
料添加量とNOX 浄化率の相関を示す。これらの図にお
いて、還元剤添加量の単位は、(還元剤燃料添加重量/
排気ガス中のNOX 重量)で表される。図6に示すよう
に、エンジン負荷率が定格回転全負荷の場合には、還元
剤燃料添加位置をタービン入口付近としたとき最良のN
X 浄化率となる。図7に示すように、定格回転3/4
負荷時には排気温度が中程度となり、還元剤燃料添加位
置がタービン入口付近でも、触媒層直前でもあまり大き
な効果を得ることができない。また、図8に示すよう
に、定格回転1/2負荷の場合は、還元剤燃料添加位置
を触媒層直前としたとき最良のNOX 浄化率となる。以
上のように、エンジン負荷率が定格回転3/4負荷時の
ように排気温度が中程度となるときには、還元剤燃料添
加位置がタービン入口付近でも、触媒層直前でも高いN
X 浄化率が得られないという問題がある。
【0018】この問題を解決するために、第1実施例に
対して還元剤の添加位置をタービン出口に新たにもう一
つ追加した構成の、第2実施例を図9について説明す
る。また、第2実施例におけるエンジン負荷率が定格回
転3/4負荷時での効果を図10に示す。図9において
は、タービン出口付近に還元剤燃料添加ノズル13が追
加される以外は第1実施例の構成と同様のため、第1実
施例と同じ構成と作用の説明については省略する。この
ように、タービン出口付近に設置された還元剤燃料添加
ノズル13から添加された還元剤燃料を中温時に高いN
X 浄化率を得やすい中級炭化水素に分解し、高効率の
NOX 浄化性能を発揮することが分かる。図10におい
て、図7と同様に還元剤燃料添加位置がタービン入口付
近または触媒層直前ではNOX 浄化率は低いが、還元剤
燃料添加位置をタービン出口付近とすると、NOX 浄化
率は著しく上昇することが分かる。
【0019】上記第1、第2実施例では担持金属系触媒
を用いたが、本発明はこれに限るものではなく、ゼオラ
イト系触媒を用いてもよい。ただし、ゼオライト系触媒
を用いる場合は、触媒層温度と還元剤炭化水素1分子当
たりの炭素数との関係が担持金属系触媒を用いる場合と
逆になるので、還元剤燃料添加位置の選択も逆にする必
要がある。また、本発明では触媒層温度を検知して、シ
ステムの制御を実施しているが、これを触媒層入口での
排気ガスの温度としてもよい。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように本発明によるディー
ゼルエンジンの排気脱硝装置は、還元剤炭化水素として
エンジン燃料を用い、前記還元剤をエンジン気筒内から
触媒層に至る少なくとも2箇所以上の位置のいずれかか
ら排気ガスに添加することによってエンジンの排気NO
X を還元浄化することとし、還元剤の添加位置は触媒層
温度すなわちエンジン負荷の大小に基づいて選択する制
御手段を設けたので、エンジンの負荷条件の変動に追随
して本装置を制御することにより、簡単な構造でありな
がら従来よりも広範囲のエンジン運転条件下においてN
X を効率よく浄化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例に係る排気脱硝装置の構成
説明図である。
【図2】本発明の第1実施例に係る排気脱硝装置の制御
を実行するフローチャートである。
【図3】モデルガスによる触媒の評価装置の概略を示す
図である。
【図4】図3の評価装置における評価結果で、触媒層温
度とNOX 浄化率との相関を示す図である。
【図5】図4に示すモデルガスによる触媒性能の評価装
置において、還元剤燃料の添加位置と熱分解の度合との
関係を示す図である。
【図6】第1実施例において、エンジンが定格点全負荷
時の、還元剤燃料添加量とNOX 浄化率との相関を示す
図である。
【図7】第1実施例において、エンジンが定格点3/4
負荷時の還元剤燃料添加量とNOX 浄化率との相関を示
す図である。
【図8】第1実施例において、エンジンが定格点1/2
負荷時の、還元剤燃料添加量とNOX 浄化率との相関を
示す図である。
【図9】本発明の第2実施例に係る排気脱硝装置の構成
説明図である。
【図10】前記第2実施例において、エンジンが定格点
3/4負荷時の還元剤燃料添加量とNOX 浄化率との相
関を示す図である。
【図11】還元剤1分子当たりの炭素数と最高浄化率温
度との相関を示す図である。
【図12】排気ガス温度(触媒層温度)と還元剤の炭素
数との相関を示す図である。
【図13】排気ガス温度の部位別変化を示す図である。
【符号の説明】
1 ディーゼルエンジン本体 2 排気管 3 タービン 4 NOX 触媒層 5,6,13 還元剤燃料添加ノズル 8 還元剤燃料輸送管 9 還元剤燃料供給装置 10 還元剤燃料添加ノズルコントロールバルブ 11 温度センサ 12 コントローラ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭化水素を還元剤としてNOX を還元浄
    化する触媒を用いてディーゼルエンジンの排気NOX
    還元浄化する触媒装置において、還元剤炭化水素源とし
    てディーゼルエンジンの燃料を使用し、その供給手段を
    エンジン気筒内から触媒層までの間に2箇所以上設けた
    ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気脱硝装置。
  2. 【請求項2】 対象とするエンジンがターボ過給機付き
    ディーゼルエンジンであり、還元剤供給手段として用い
    る複数の還元剤燃料添加ノズルのうち少なくとも一つが
    エンジン排気バルブとターボ過給機のタービン入口との
    間に設置され、かつ、少なくとも一つがターボ過給機の
    タービン出口と触媒層との間に設置されていることを特
    徴とする請求項1のディーゼルエンジンの排気脱硝装
    置。
  3. 【請求項3】 触媒層の温度を検出する温度センサと、
    この温度センサからの出力信号に基づいて前記複数の還
    元剤供給手段のいずれを働かせるか判断し、還元剤供給
    手段を制御するコントローラを有することを特徴とする
    請求項1または請求項2のディーゼルエンジンの排気脱
    硝装置。
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