JPH08200048A

JPH08200048A - 内燃機関の排気処理装置

Info

Publication number: JPH08200048A
Application number: JP708095A
Authority: JP
Inventors: Sachihiro Natsume; 祥宏夏目
Original assignee: Yanmar Diesel Engine Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 1995-01-20
Filing date: 1995-01-20
Publication date: 1996-08-06

Abstract

(57)【要約】【目的】排気系に脱硝触媒を配設し、脱硝触媒の上流
側に還元剤を投入可能とした内燃機関の排気処理装置に
おいて、燃焼残査物の付着により機能低下する脱硝触媒
を再生可能とし、また、気体還元剤を投入する場合に、
排気系における脱硝触媒の上流側の背圧上昇に対応して
の還元剤の供給圧の調圧機能を保持できるよう構成する
ことを目的とする。【構成】脱硝触媒室の機能回復構造については、常時
還元剤を投入する第一還元剤投入管６ａと、適時に還元
剤を投入する第二還元剤投入管６ｂとを配管し、また、
脱硝触媒上流側の背圧上昇に伴う還元剤供給圧の調圧に
ついては、還元剤投入管６の調圧弁１１のダイヤフラム
上室１１ａより、排気処理管３に背圧補正管１２を配管
するとともに、還元剤投入管６の調量弁８下流側に掃気
管１３を配管する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、効果的にＮＯ_X排気量
を低減するための内燃機関の排気処理装置の構成に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、内燃機関の排気系に脱硝触媒
を配設し、更にその上流側に炭化水素（ブタン、プロパ
ン等）等よりなる還元剤の投入系を設けた構成の排気処
理装置は公知（特開平５−２６３６２４号）であった。
該排気処理装置においては、還元剤をＮＯｘと反応させ
てＮＯ_Xを窒素（Ｎ₂）及び水に還元し、排気中のＮＯ
_Xを低減できるようにしている。この構成において、従
来、還元剤の投入系は一系列である。また、従来は、液
体の還元剤を昇圧して排気系に噴射していたのであっ
て、還元剤の調量、調圧については、液体の還元剤を、
内燃機関の運転条件に応じた量に調量し、また、リリー
フ弁にて調圧する方法を採っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の内燃機
関の排気処理装置においては、排気温度は約４００°Ｃ
程度であって、排気中に含まれるカーボン等が自己燃焼
せずに、燃焼残査物として残存し、脱硝触媒室の入口部
位に蓄積して目詰まりを起こし、該脱硝触媒の活性を低
下させる。従って、従来は、排気系における還元剤の投
入系より上流側部位にフィルターを配設して排気中のカ
ーボン等を除去しており、このフィルターを度々清掃す
る作業を余儀なくされていた。

【０００４】次に、還元剤の調圧に関しては、従来、液
体の還元剤を用いることで、容易にリリーフ弁にて調圧
できたが、昇圧するためのコンプレッサー等の設備が必
要なことから、コスト低下のためには気体還元剤を用い
ることが望ましい。しかし、気体の還元剤では、この調
圧方法は不可能である。排気系における脱硝触媒の上流
側では、目詰まりによって生じる背圧が次第に上昇する
が、液体還元剤の噴射圧は、該背圧よりもかなり高いた
めに、背圧上昇の影響はあまり受けない。しかし、気体
の還元剤の噴射圧は、背圧よりやや高い程度なので、調
圧手段がなければ、背圧上昇とともに該噴射圧が低下
し、処理能力は低下していく。従って、気体の還元剤を
用いる場合には、有効な還元剤投入系の調圧手段が必要
となる。

【０００５】そこで、従来、還元剤投入系にダイヤフラ
ム上室を有する調圧弁を介設し、排気系の脱硝触媒上流
側より該ダイヤフラム上室に配管し、該配管と排気系と
の間には、排気系からの排気中の粉塵が該配管内に入り
込まないようにフィルターを介設して、脱硝触媒上流側
の背圧が上昇すれば、該配管内に排気系からの背圧がか
かり、ダイヤフラムが作動して、調圧弁が還元剤投入系
における還元剤供給圧を増大させていたが、フィルター
に次第に粉塵が蓄積して目詰まりをおこすようになる
と、該配管内に排気系からの背圧がかからず、調圧弁の
ダイヤフラムが次第に背圧上昇に対応しなくなる。ま
た、配管内には、フィルターを通しても排気中の粉塵が
入り込むおそれがあり、ダイヤフラム上室にそれが入り
込むと、ダイヤフラム自体が機能しなくなってしまう。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上のような
課題を解決するために、次のような手段を用いるもので
ある。即ち、排気系に脱硝触媒を配設し、脱硝触媒の上
流側に還元剤を投入可能とした内燃機関の排気処理装置
において、該還元剤投入系を二系列とし、常時、ＮＯ_X
排出量に応じた量の還元剤を該還元剤投入系の第一系列
に投入し、適時に還元剤を第二系列にも投入するよう構
成した。

【０００７】また、前記構成の内燃機関の排気処理装置
において、脱硝触媒の上流側に酸化触媒を配設し、該還
元剤投入系の第一系列は、該酸化触媒と該脱硝触媒との
間に配設し、該第二系列は、該酸化触媒の上流側に配設
した。

【０００８】また、排気系に脱硝触媒を配設し、脱硝触
媒の上流側に気体還元剤を投入可能とした内燃機関の排
気処理装置において、該還元剤投入系に調圧弁、調量弁
を配設し、該調圧弁のダイアフラム上室と排気系におけ
る脱硝触媒の上流側との間、及び該ダイアフラム上室と
還元剤投入系における該調量弁の下流側との間に配管を
施した。

【０００９】

【作用】まず、脱硝触媒上流側における燃焼残査物の除
去については、還元剤投入系を二系統とし、通常時は第
一系統に還元剤を投入し、適時、即ち、燃焼残査物が蓄
積された時に第二系統に投入して、還元剤の投入量を増
大させることにより、該燃焼残査物も自己燃焼し、脱硝
触媒上流側における目詰まりを解消して、触媒の活性低
下を起こさない。還元剤を増大させるのは、目詰まり除
去時のみなので、還元剤の消費量が抑えられる。

【００１０】更に、排気系において、該還元剤投入系の
第一系列の上流側に酸化触媒を配設し、その更に上流側
に第二系列を配設することで、通常時の第一系列のみの
還元剤投入時にも排気が酸化触媒を通過して、ある程度
酸化促進されて、脱硝触媒を活性化し、そして、燃焼残
査物の発生度を低下させるものであり、そして、第二系
列からの還元剤投入時においては、酸化触媒の活性が極
めて高くなり、排気温度上昇が促進されて、燃焼残査物
を略完全に燃焼し、脱硝触媒を再活性化する。

【００１１】そして、気体還元剤を使用する場合の調圧
については、背圧が上昇すると、還元剤投入系の調圧弁
のダイヤフラム上室に、排気系の脱硝触媒上流側からの
背圧がかかり、調圧弁において還元剤投入系の供給圧を
増大させるものであり、背圧による還元剤噴射圧の低下
を解消する。更に、常時ダイヤフラム上室内に流入され
る調量弁下流側からの気体が高圧なので、脱硝触媒上流
側への配管内を、排気系側に常に掃気し、該配管と排気
系との間に介設するフィルターへの排気中の粉塵の蓄積
が低減して、該配管の機能を保持する。

【００１２】

【実施例】本発明の解決すべき課題及び構成は以上の如
くであり、次に添付の図面に示した本発明の実施例を説
明する。図１は還元剤投入系を二系列設けた内燃機関の
排気処理装置の配管図、図２は還元剤投入系を二系列設
け、かつ酸化触媒を配設した内燃機関の排気処理装置の
配管図、図３の（ａ）は還元剤投入系を二系列設けた場
合における両系列の作動タイムチャート、（ｂ）は同じ
く脱硝触媒通過後の排気温度とそれに伴う背圧変化を示
すタイムチャート、図４は気体還元剤を投入する場合に
おける調圧機構を設けた内燃機関の排気処理装置の配管
図、図５は図４図示の排気処理装置を運転した場合にお
ける、還元剤投入量、還元剤供給圧と背圧との差圧、及
び、還元剤供給圧と背圧の推移を示すタイムチャートで
ある。なお、図３及び図５の各タイムチャートにおい
て、横軸は全て経過時間ｔとなっている。

【００１３】まず、図１において、内燃機関の排気系に
ついて説明する。内燃機関、即ちエンジンＥより排気管
１、過給器２を介して、排気処理管３に排気が導入され
るよう構成されており、排気処理管３内の途中には、脱
硝触媒を含む脱硝触媒室４が介設されており、排気は脱
硝触媒室４を通過した後、該排気処理管３の上端の排気
口３ａより外気に排出される。なお、該排気処理管３に
おける該脱硝触媒室４の下流側に排気温度センサーＳを
配設しており、排気温度を検出して、後記還元剤の噴射
量等を制御すべく、センサー値をコントローラーＣに入
力している。

【００１４】還元剤の投入系について説明する。還元剤
ボンベ５（この場合には気体の還元剤を使用している
が、液体還元剤を使用する場合には、還元剤タンク、更
にコンプレッサーを経て、）よりガスレギュレーター７
を介して、還元剤投入管６を第一還元剤投入管６ａ、第
二還元剤投入管６ｂに分岐させており、各管６ａ・６ｂ
に、コントローラーＣにて制御される調量弁８ａ・８
ｂ、電磁弁９ａ・９ｂを介設している。各投入管６ａ・
６ｂの端部は、還元剤の噴射口として、排気処理管３に
おける脱硝触媒室４の上流側部位に配設されている。

【００１５】このような構成において、図３（ａ）に示
す如く、通常時には、第二還元剤投入管６ｂにおける電
磁弁９ｂはＯＦＦ、即ち閉弁し、電磁弁９ａのみＯＮ、
即ち開弁して、第一還元剤投入管６ａのみに還元剤を通
過させて、排気処理管３における脱硝触媒室４の上流側
部位に噴射しており、脱硝触媒を活性化している。そし
て、脱硝触媒室４の入口部位において、排気中のカーボ
ン等が燃焼残査物として蓄積するのを見越して、一定に
設定した時間Ｔに達した時に、コントローラーＣより制
御信号を発し、第二還元剤投入管６ｂにおける電磁弁９
ｂを開弁して、還元剤投入量を一時的に増大させ、燃焼
残査物として残存するカーボン等を自己燃焼させ、目詰
まりを解消するのである。

【００１６】付着残査物の自己燃焼、即ち、脱硝触媒の
再生の過程を、図３（ｂ）図示の排気温度変化と背圧変
化より説明する。図中の自己再生温度Ｋとは、排気中の
カーボンが全て自己燃焼する温度、即ち、燃焼残査物を
残さない設定温度であって、第一還元剤投入管６ａのみ
で還元剤投入をしている間（電磁弁９ｂがＯＦＦしてい
る間）は、排気温度ＥＧＴも自己再生温度Ｋ未満なの
で、燃焼残査物を残し、従って、それに伴い、脱硝触媒
室４上流側における背圧ＯＰも上昇し、還元剤の燃焼効
率はますます悪化することが判る。そして、第二還元剤
投入管６ｂからの還元剤投入がなされる（電磁弁９ｂが
ＯＮする）と、排気温度ＥＧＴは自己再生温度Ｋ以上と
なり、燃焼残査物が全て自己燃焼して、脱硝触媒室４へ
の排気導入も円滑になり、背圧ＯＰが下がっているのが
判る。

【００１７】また、このような第二還元剤投入管６ｂの
適宜開弁による目詰まり解消によって、第一還元剤投入
管６ａは、目詰まりのない状態を想定して、脱硝触媒に
とって最適の還元剤投入ができるように、最適の大きさ
に設定することができ、組立構成が容易化する。

【００１８】更に、この第二還元剤投入管６ｂの配管に
加えて、更に排気ガスの昇温効果を高めるために、図２
の構成においては、排気処理管３における第一還元剤投
入管６ａの噴射口と第二還元剤投入管６ｂの噴射口との
間に、酸化触媒を含む酸化触媒室１０を介設している。
即ち、通常時、即ち、第一還元剤投入管６ａのみを開弁
している状態において、排気は、酸化触媒を通過してか
ら、還元剤投与を受けて加熱され、脱硝触媒室４に送り
込まれるものであり、通常時においても、酸化触媒を通
過することから、該第一還元剤投入管６ａより噴射され
る還元剤の噴射温度が同じであっても、酸化触媒通過に
よって排気は酸化熱を受けて加熱されており、脱硝触媒
室４における反応性が増す。従って、燃焼残査物の蓄積
速度も遅くなる。図３（ｂ）より説明すれば、電磁弁９
ｂをＯＦＦしている間における、自己再生温度Ｋ未満の
排気温度ＥＧＴ’が、図１の場合よりも高くなり、背圧
ＯＰ’の上昇度も緩くなることになる。

【００１９】そして、第二還元剤投入管６ｂにおける電
磁弁９ｂが、図３（ａ）に示す如く設定時間Ｔ毎に開弁
して、その噴射口より還元剤を噴射すると、酸化触媒室
１０における活性が促進される。図３（ｂ）で言えば、
電磁弁９ｂのＯＮ時における背圧ＯＰ’下降度が急激に
なることになる。即ち、図１図示の、第一還元剤投入管
６ａ及び第二還元剤投入管６ｂの両噴射口より同時噴射
される還元剤では、燃焼残査物が完全に燃焼され尽くせ
ないことがあるが、図２図示の排気処理機構において
は、同じ還元剤の投入量であっても、酸化触媒が加わる
ために、燃焼残査物の自己燃焼効率は向上する。即ち、
設定時間Ｔを長く取って、第二還元剤投入管６ａへの投
入回数を減らすことができ、また、第二還元剤投入時間
も、燃焼残査物の自己燃焼時間が短いので、短くて済
む。従って、図１以上に、還元剤の投入量を抑制して、
脱硝触媒によるＮＯ_X除去効果を持続させることができ
る。

【００２０】脱硝触媒の効果持続のための構成は以上の
如くであり、次に、図４にて、気体還元剤投入系の調圧
構成について説明する。図４は、気体還元剤を使用する
場合の実施例であって、図１図示の同一構成のエンジン
Ｅの排気系における排気処理管３における脱硝触媒室４
の上流側に、還元剤ボンベ５より気体還元剤を噴射する
還元剤投入管６の噴射口を配設している。該還元剤投入
管６には、供給圧を増すべく、ダイヤフラム上室１１ａ
を有する調圧弁１１を介設し、その下流側に調量弁８
を、更にその下流側に電磁弁９を介設している。該調量
弁８及び該電磁弁９は、コントローラーＣにて制御可能
である。そして、該調圧弁１１のダイヤフラム上室１１
ａより、該排気処理管３における脱硝触媒室４の直上流
側（還元剤投入管６の噴射口よりも下流側）に背圧補正
管１２を、また、該還元剤投入管６における該電磁弁９
の下流側に掃気管１３を配管している。なお、背圧補正
管１２と排気処理管３との間にはフィルターを介設し
て、排気中のカーボン等が背圧補正管１２内に入り込ま
ないようにしている。また、該掃気管１３からは常時気
体還元剤がダイヤフラム上室１１ｂ内に流入して、背圧
補正管１２内へと掃気されるが、この常時の掃気圧では
ダイヤフラムが機能しないように、該掃気管１３の管サ
イズを設定しておく。

【００２１】排気処理管３における脱硝触媒室４の上流
側は、脱硝触媒室４の目詰まり等により次第に背圧がか
かってきて、還元剤の噴射圧を弱める。即ち一定の還元
剤投入量を保持できなくなる。従って、背圧上昇に対応
して有効に還元剤の供給圧を高める構成が必要とされ
る。前記の調圧弁１１と、背圧補正管１２、及び掃気管
１３の構成は、これを可能とするためのものである。ま
ず、排気処理管３内における脱硝触媒室４上流側の背圧
が高まると、背圧補正管１２内の気圧に該背圧が勝り、
背圧補正管１２内には排気処理管３より排気が流れ込
み、ダイヤフラム上室１１ａ内に入って、調圧弁１１が
作動して、還元剤投入管６における還元剤供給圧を高め
る。これが正常に機能し続ければ、図５の如く、背圧Ｏ
Ｐ上昇に対応して一定の差圧Ｐ’（還元供給圧ＳＰと背
圧ＯＰとの差）を保持しながら還元剤供給圧ＳＰを高め
ることができ、即ち、噴射圧が一定に保持できるので、
還元剤投入量Ｑを増やすことなく、一定量に保持でき
る。

【００２２】しかし、背圧補正管１２の排気処理管３側
端には、フィルターが介設されており、排気中のカーボ
ン等がここに蓄積して、排気が高いにもかかわらず、次
第に背圧補正管１２内に排気が導入されない、即ち、ダ
イヤフラム上室１１ａ内に背圧がかからないようにな
り、調圧弁１１による還元剤供給圧の上昇度は、背圧上
昇度に比して低くなり、従って、次第に噴射圧が弱まっ
てくる。そこで、該フィルターを掃気して、背圧補正管
１２を正常に機能させるため、掃気管１３が配管されて
いるのである。即ち、常時掃気管１３より高圧の気体還
元剤がダイヤフラム上室１１ａを経て該背圧補正管１２
内に流入し、該排気処理管３より該背圧補正管１２内へ
と流入する排気の背圧に勝るので、フィルターは、常に
背圧補正管１２より排気処理管３内へと掃気され、目詰
まりを起こさないのである。なお、ダイヤフラム上室１
１ａ内には、常に掃気管１３からの掃気圧（気体還元剤
の供給圧）がかかっており、この時にはダイヤフラムは
機能せず、該背圧補正管１２より背圧がかかった場合
に、該掃気管１３より導入される掃気圧がこの背圧分だ
け加圧され、この加圧によって、ダイヤフラムが機能す
るものである。

【００２３】また、仮に背圧補正管１２におけるフィル
ターの目詰まりがひどく、正常に機能しない場合にも、
背圧が上昇すると、噴射口を介して、還元剤挿入管６内
に背圧がかかり、該掃気管１３内に導入されている気体
還元剤の供給圧も加圧されるので、ダイヤフラムが機能
し、還元剤供給圧が上昇し、また、背圧補正管１２内へ
の該掃気管１３からの掃気圧も増すので、フィルターに
おける粉塵除去が可能となる。

【００２４】以上のように構成することで、図４図示の
排気処理装置を用いた場合に、図５に図示する如く、背
圧ＯＰ上昇に伴い、還元剤投入量Ｑを増量することな
く、還元剤の供給圧ＳＰを良好に上昇対応させて、排気
処理能力を正常に保持できるのである。

【００２５】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成すること
で、次のような効果を奏する。即ち、請求項１の如く、
内燃機関の排気処理装置において、還元剤投入系を二系
列とし、第二系列に適時還元剤を投入することで、脱硝
触媒の機能低下に繋がる燃焼残査物を自己燃焼させるも
のであり、常時還元剤を増量させる物ではないので排気
温度は適温に抑えられたまま、また、還元剤の使用コス
トも抑えたままで、排気処理能力、特にＮＯ_X処理能力
を良好に保持できる。

【００２６】更に、請求項２の如く、排気系における該
還元剤投入系の二系列の間に酸化触媒を介設すること
で、通常時にも、酸化触媒を通過する排気が活性化され
て、後の脱硝触媒における反応性を高め、更に燃焼残査
物の付着による脱硝触媒機能の低下時には、第二系列か
らの還元剤投与によって、酸化触媒の活性が一層高まっ
て、燃焼残査物の完全燃焼を促して、請求項１の構成の
排気処理装置以上に脱硝触媒の機能を良好に保持でき
る。

【００２７】また、請求項３の如く構成することで、脱
硝触媒上流側の背圧上昇に対応して気体の還元剤の供給
圧を上昇させて、該背圧に対しての差を一定に保持し続
けるので、排気系における還元剤の噴射圧も一定に保持
され、還元剤の効果が保持される。

【図面の簡単な説明】

【図１】還元剤投入系を二系列設けた内燃機関の排気処
理装置の配管図である。

【図２】還元剤投入系を二系列設け、かつ酸化触媒を配
設した内燃機関の排気処理装置の配管図である。

【図３】（ａ）は還元剤投入系を二系列設けた場合にお
ける両系列の作動タイムチャート図、（ｂ）は同じく脱
硝触媒通過後の排気温度とそれに伴う背圧変化を示すタ
イムチャート図である。

【図４】気体還元剤を投入する場合における調圧機構を
設けた内燃機関の排気処理装置の配管図である。

【図５】図４図示の排気処理装置を運転した場合におけ
る、還元剤投入量、還元剤供給圧と背圧との差圧、及
び、還元剤供給圧と背圧の推移を示すタイムチャート図
である。

【符号の説明】

ＥエンジンＣコントローラーＳ排気温度センサー３排気処理管３ａ排気口４脱硝触媒室５還元剤ボンベ６還元剤投入管６ａ第一還元剤投入管６ｂ第二還元剤投入管７ガスレギュレーター８調量弁８ａ調量弁８ｂ調量弁９電磁弁９ａ電磁弁９ｂ電磁弁１０酸化触媒１１調圧弁１１ａダイヤフラム上室１２背圧補正管１３掃気管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気系に脱硝触媒を配設し、脱硝触媒の
上流側に還元剤を投入可能とした内燃機関の排気処理装
置において、該還元剤投入系を二系列とし、常時、ＮＯ
_X排出量に応じた量の還元剤を該還元剤投入系の第一系
列に投入し、適時に還元剤を第二系列にも投入するよう
構成したことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
【請求項２】請求項１記載の内燃機関の排気処理装置
において、脱硝触媒の上流側に酸化触媒を配設し、該還
元剤投入系の第一系列は、該酸化触媒と該脱硝触媒との
間に配設し、該第二系列は、該酸化触媒の上流側に配設
したことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。
【請求項３】排気系に脱硝触媒を配設し、脱硝触媒の
上流側に気体還元剤を投入可能とした内燃機関の排気処
理装置において、該還元剤投入系に調圧弁、調量弁を配
設し、該調圧弁のダイアフラム上室と排気系における脱
硝触媒の上流側との間、及び該ダイアフラム上室と還元
剤投入系における該調量弁の下流側との間に配管を施し
たことを特徴とする内燃機関の排気処理装置。