JP3760718B2 - 燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系の燃料(ガソリン、軽油、メタノール、CNG、ナフサ等)を、熱分解、水蒸気改質反応、部分酸化反応等の改質反応により改質して、水素(H2 )及び一酸化炭素(CO)を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器を備え、生成した改質ガスをエンジンに供給することでエンジンを運転する燃料改質ガスエンジンに関し、特にこの燃料改質ガスエンジンから排出される窒素酸化物(NOx)の浄化を有効に行うための技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料改質ガスエンジンは、炭化水素系の燃料を触媒等で改質して、主にH2 とCOとを生成し、これらの改質ガスをエンジンに供給することでエンジンの運転を行わせるものである。エンジンに供給される燃料がH2 とCOとを主成分とするガス燃料であるためにエンジン特性としては水素エンジンに近い特性を示す。すなわち、希薄燃焼限界が高く、希薄域でも安定した運転が可能であり、低NOx、高効率を同時に実現可能なエンジンである。
【0003】
従来の水素を主燃料とするエンジンの排気NOx浄化方法としては、例えば特開平6−200749号に水素エンジンの排気装置として提案されている。これは排気通路中に排気浄化用触媒を配置し、エンジン負荷が高い場合においては空気過剰率λを略1.0に設定し、排気を排気浄化用触媒に導いて、発生したNOxを還元浄化処理し、エンジン負荷が低い場合においては空気過剰率λを1.3より希薄側に設定することでエンジンから排出されるNOxを低く抑えると共に、排気を排気浄化用触媒をバイパスさせて、触媒中でのNOx生成を抑制するというものである。
【0004】
一方、排気中の酸素濃度が高い状態、すなわちエンジン運転空燃比がリーン状態である場合に排出されるNOxの浄化方法としては、排気通路中にNOx吸収剤を配置し、エンジン運転空燃比がリーンの時に排出されるNOxを吸収すると共に、その吸収量を推定し、吸収量が所定値よりも多くなったら一時的にエンジン運転空燃比をリッチにすることで、吸収されたNOxの脱離還元処理を行うものが提案されている(PCT国際公開番号WO93−07363)。
【0005】
また、NOx触媒に還元剤を供給する手段として燃料改質器を持ち、燃料を改質することで生成するH2 を排気通路に直接供給することが提案されている(特開平5−106430号)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術においては、水素を主燃料とするエンジンの運転空燃比がリーン状態の時に排出されるNOxは、低濃度とはいえ、何の処理もされずに大気中に放出されてしまうという問題点があった。
【0007】
また、ガソリンエンジンで通常用いられているNOx吸収剤を排気通路に配置するシステムを水素を主燃料とするエンジン(水素エンジン、改質ガスエンジン等)に適用する場合においては、エンジン運転空燃比がリーン状態の時に排出されるNOxを吸収することはできるが、脱離還元処理が難しいという問題点があった。
【0008】
ガソリンエンジンにこのシステムを適用した場合、脱離処理を実施する時には一時的にエンジンの運転空燃比をリーン状態から空気過剰率λが略1.0又はそれ以下のリッチ状態に変更することで、排気ガス中の酸素濃度を下げると共に、HCやCOといった還元剤をNOx吸収剤に導いて脱離還元処理を行っている。
【0009】
しかし、水素を主燃料とするエンジンにおいては、一時的であってもエンジン運転空燃比を空気過剰率λが1.0以下のリッチ状態にすることが困難であることが知られている。すなわち、特開平7−133731号に記載のように、リッチ空燃比においてはバックファイア現象を起こす恐れがある。よって、水素を主燃料とするエンジンにおいては、エンジン運転空燃比をリーンの状態に保つことが一般的である。
【0010】
よって、水素を主燃料とするエンジンにおいて、NOx吸収剤を排気通路に配置した場合、運転時に排出されるNOxを吸収することはできるものの、吸収したNOxを脱離還元処理することができないという問題点があった。
【0011】
一方、還元剤として、燃料改質器によって生成されたH2 、COを直接排気通路中に導入する場合においても、還元剤を導入する際に排気ガス中の酸素濃度が高いと、還元剤は先ずO2 と反応して酸化され、O2 が十分消費された後にNOxの還元処理を行うことになる。還元剤とO2 との反応は発熱反応であり、排気温度が上昇し、場合によってはNOx吸収剤の耐熱性に問題を引き起こすことがある。また、O2 を消費するのに必要なH2 、COは本来燃料としてエンジンで燃焼し、仕事に変換されるべきものであり、これが無駄に消費されることで、燃費の悪化等を引き起こすことになる。
【0012】
従って、排気ガス中に還元剤を直接投入する場合においても排気ガス中の酸素濃度を下げる必要があり、エンジン運転空燃比をリッチにする必要があるが、水素を主燃料とするエンジンにおいては、前述のようにエンジン運転空燃比をリッチにすることができないため、適用するのは難しい。
【0013】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、炭化水素系の燃料を改質して、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器を備え、生成した改質ガスをエンジンに供給することでエンジンを運転する燃料改質ガスエンジンにおいて、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、これを確実に実施できるようにすることを目的とする。
【0014】
また、エンジンの排気通路に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時にNOxをトラップ(吸収又は吸着)するNOxトラップを配置した場合に、このNOxトラップにトラップされたNOxの脱離還元処理を確実に行い得るようにすることを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明では、炭化水素系の燃料を改質して、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器を備え、生成した改質ガスをエンジンに供給することでエンジンを運転する燃料改質ガスエンジンにおいて、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、燃料改質器における燃料改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させる燃料改質制御手段を設けたことを特徴とする。
【0016】
ここで、請求項2に係る発明では、前記燃料改質制御手段は、部分酸化反応の比率を増加させるため、燃料改質器に投入する燃料、水、空気のうち、空気の割合を増加させることを特徴とする。
【0017】
また、請求項3に係る発明では、部分酸化反応の比率を増加させるときに、エンジンへの改質ガスの供給量を増量補正する改質ガス供給量増量補正手段を設けたことを特徴とする。
【0018】
また、請求項4に係る発明では、エンジンに新気を供給するための吸気通路に電制スロットル弁を備え、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、電制スロットル弁により、バックファイアを起こさない範囲で新気量を減少させるスロットル弁制御手段を設けたことを特徴とする。
【0019】
請求項5に係る発明では、炭化水素系の燃料を改質して、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器を備え、生成した改質ガスをエンジンに供給することでエンジンを運転する燃料改質ガスエンジンにおいて、エンジンの排気通路に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時にNOxをトラップするNOxトラップを配置し、NOxトラップにトラップされたNOxを脱離還元処理するときに、燃料改質器における燃料改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させる燃料改質制御手段を設けたことを特徴とする。
【0020】
ここで、請求項6に係る発明では、前記燃料改質制御手段は、部分酸化反応の比率を増加させるため、燃料改質器に投入する燃料、水、空気のうち、空気の割合を増加させることを特徴とする。
【0021】
また、請求項7に係る発明では、部分酸化反応の比率を増加させるときに、エンジンへの改質ガスの供給量を増量補正する改質ガス供給量増量補正手段を設けたことを特徴とする。
【0022】
また、請求項8に係る発明では、エンジンに新気を供給するための吸気通路に電制スロットル弁を備え、NOxトラップにトラップされたNOxを脱離還元処理するときに、電制スロットル弁により、バックファイアを起こさない範囲で新気量を減少させるスロットル弁制御手段を設けたことを特徴とする。
【0023】
請求項9に係る発明では、請求項5に係る発明に加え、NOxトラップにトラップされたNOxを脱離還元処理するときに、NOxトラップに流入する排気ガス中に燃料改質器で生成された改質ガスを還元剤として投入する還元剤投入手段を設けたことを特徴とする。
【0024】
ここで、請求項10に係る発明では、前記還元剤投入手段は、前記燃料改質制御手段によりエンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させるように制御してから、エンジン運転状態に応じた遅延時間の後に、NOxトラップに流入する排気ガス中に燃料改質器で生成された改質ガスを還元剤として投入することを特徴とする。
【0025】
また、請求項11に係る発明では、前記遅延時間は、エンジンへの改質ガス供給手段から排気通路のNOxトラップまでのエンジン作動流体の到達遅れ時間として算出することを特徴とする。
【0026】
また、請求項12に係る発明では、前記還元剤投入手段は、燃料改質器での改質状態より、改質ガス中の水素、一酸化炭素の各量を推定し、これらの推定量に応じて排気ガス中に投入する還元剤の量を決定することを特徴とする。
【0027】
【発明の効果】
請求項1に係る発明によれば、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、燃料改質器における改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、燃料改質器に供給される空気中の酸素を改質反応により消費する一方、空気中の窒素(N2 )、二酸化炭素(CO2 )により、改質ガス中のN2 、CO2 濃度を増加させて、エンジンに供給することで、吸気通路よりエンジンに供給される新気(空気)の量を減少させ、エンジンに吸入される作動流体の量を変えずに、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させることができ、排気ガス中の酸素濃度を可能な限り低くすることができる。
【0028】
請求項2に係る発明によれば、燃料改質器に投入する燃料、水、空気のうち、空気の割合を増加させることで、部分酸化反応の比率を確実に増加させることができる。
【0029】
請求項3に係る発明によれば、部分酸化反応の比率を増加させるときに、エンジンへの改質ガスの供給量を増量補正することで、部分酸化反応の増大により改質ガス中のH2 、COの割合が減少しても、出力性能を確保できると共に、吸気通路よりエンジンに供給される新気(空気)の量をより確実に減少させることができる。
【0030】
請求項4に係る発明によれば、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、電制スロットル弁により、バックファイアを起こさない範囲で、すなわち所定の空気過剰率をリッチ化の限度として、新気量を減少させることで、更に確実にエンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させることができる。
【0031】
請求項5に係る発明によれば、エンジンの排気通路に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時にNOxをトラップするNOxトラップを配置して、エンジンがリーン空燃比で運転されているときに排出されるNOxをNOxトラップにトラップし、このNOxトラップにトラップされたNOxを脱離還元処理するときに、燃料改質器における改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、燃料改質器に供給される空気中の酸素を改質反応により消費する一方、空気中の窒素(N2 )、二酸化炭素(CO2 )により、改質ガス中のN2 、CO2 濃度を増加させて、エンジンに供給することで、吸気通路よりエンジンに供給される新気(空気)の量を減少させ、エンジンに吸入される作動流体の量を変えずに、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させることができ、排気ガス中の酸素濃度を可能な限り低くして、NOxトラップからのNOxの脱離還元処理を効率良く行うことができる。
【0032】
請求項6に係る発明によれば、NOxの脱離還元処理に際し、燃料改質器に投入する燃料、水、空気のうち、空気の割合を増加させることで、部分酸化反応の比率を確実に増加させることができる。
【0033】
請求項7に係る発明によれば、NOxの脱離還元処理に際し、部分酸化反応の比率を増加させるときに、エンジンへの改質ガスの供給量を増量補正することで、部分酸化反応の増大により改質ガス中のH2 、COの割合が減少しても、出力性能を確保できると共に、吸気通路よりエンジンに供給される新気(空気)の量をより確実に減少させることができ、更に効率良く脱離還元処理を行うことができる。
【0034】
請求項8に係る発明によれば、NOxの脱離還元処理に際し、電制スロットル弁により、バックファイアを起こさない範囲で、すなわち所定の空気過剰率をリッチ化の限度として、新気量を減少させることで、更に確実にエンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させることができ、更に効率良く脱離還元処理を行うことができる。
【0035】
請求項9に係る発明によれば、NOxトラップにトラップされたNOxを脱離還元処理するときに、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる一方、NOxトラップに流入する排気ガス中に燃料改質器で生成された改質ガス(H2 、CO)を還元剤として投入することで、NOxの脱離還元処理をより確実にして、NOxを有効かつ効率良く浄化することができる。
【0036】
請求項10に係る発明によれば、燃料改質器における部分酸化反応の比率の増加により、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させるように制御してから、所定の遅延時間の後に、NOxトラップに流入する排気ガス中に燃料改質器で生成された改質ガスを還元剤として投入することで、還元剤を無駄にすることなく、更に効率良く脱離還元処理を行うことができる。
【0037】
請求項11に係る発明によれば、前記遅延時間を、エンジンへの改質ガス供給手段から排気通路のNOxトラップまでのエンジン作動流体の到達遅れ時間として算出することで、NOxトラップに流入する排気ガス中の酸素濃度が十分低下した時点で、還元剤を投入することができ、更に効率良く脱離還元処理を行うことができる。
【0038】
請求項12に係る発明によれば、燃料改質器での改質状態より、改質ガス中のH2 、COの各量を推定し、これらの推定量に応じて排気ガス中に投入する還元剤の量を決定することで、すなわち、還元剤としてはCOに比較してH2 の還元作用の方が強いため、改質ガスの組成に応じた量を還元剤として投入することで、更に効率良く脱離還元処理を行うことができる。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の一実施形態を示す燃料改質ガスエンジンのシステム図である。
【0040】
エンジン(内燃機関)1の吸気通路2には、上流端にエアクリーナ3が設けられ、その下流側にアクセルペダル4の踏込み量(アクセル開度)等に基づいてモータ駆動される電制スロットル弁5が設けられ、更にスロットル弁5下流側に改質ガス供給手段としてのガス燃料噴射弁6が設けられている。
【0041】
エンジン1の排気通路7の途中には、その内部に、熱交換器を介して排気ガスの持つ熱を供給されつつ、燃料改質を行う燃料改質器8が設けられている。
改質すべき原燃料であるガソリンに代表される炭化水素燃料は、燃料タンク9より燃料ポンプ10を介して、水は、水タンク11より水ポンプ12を介して、空気は、吸気通路2より分岐した空気通路13より空気ポンプ14を介して、改質原料流量制御器15に送られる。
【0042】
改質原料流量制御器15は、燃料、水及び空気の各流量を制御して、これらを気化混合器16に送る。気化混合器16は、図示しない熱交換器を介してエンジン1の排気ガス、若しくは燃料改質器8にて生成された改質ガス、若しくはその他の熱源より熱を供給されて、燃料及び水の気化・昇温と空気の予熱とを行いつつ、3流体の混合を行い、混合された3流体を燃料改質器8に送る。
【0043】
燃料改質器8は、上流側に部分酸化反応用の部分酸化反応層8Aを持ち、下流側に水蒸気改質反応用の改質触媒を充填した水蒸気改質反応層8Bとを持つ構造として、部分酸化反応による発熱と水蒸気改質反応による吸熱との熱のやり取りをロス無く行える構造としてある。もちろん、同一反応層内にて水蒸気改質反応と部分酸化反応とを行わせるようにしてもよい。
【0044】
従って、燃料改質器8に送られた3流体の混合気は、燃料改質器8の温度、3流体の混合比率に応じて改質が行われ、水素、一酸化炭素、メタン、低級炭化水素等の改質ガスに改質される。
【0045】
燃料改質器8にて生成された改質ガスは、改質ガス供給通路17により、必要により、途中で改質前の燃料、水、空気との熱交換により温度低下させ、また図示しない貯蔵タンクに一時的に蓄えて供給変動を防止しつつ、ガス燃料噴射弁6に送る。そして、ガス燃料噴射弁6から、エンジン1の吸気通路2内に噴射供給して、運転を行わせる。
【0046】
ここにおいて、排気通路2の燃料改質器8下流側には、NOxトラップ18を介装してある。NOxトラップ18は、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時に、NOxをトラップ(吸収又は吸着)し、流入する排気ガス中の酸素濃度が低下するか、流入する排気ガス中の還元剤濃度が増大すると、NOxを脱離還元処理するものである。従って、エンジン1がリーン空燃比で運転されている時にエンジン1から排出されたNOxをNOxトラップ18にトラップし、排気ガス中の酸素濃度が低下した時に、排気ガス中の還元物質によってNOxトラップ18にトラップされているNOxを脱離還元処理することができる。
【0047】
また、NOxトラップ18の入口側(入口部近傍)の排気通路7には、燃料改質器8からの改質ガス供給通路17の途中から分岐して、H2 、CO等の改質ガスを還元剤として直接排気ガス中に投入する還元剤投入通路19が開口しており、この還元剤投入通路19の途中には還元剤の投入及びその量を制御する還元剤投入制御弁20が介装されている。
【0048】
電制スロットル弁5、ガス燃料噴射弁6の他、改質原料流量制御器15及び還元剤投入制御弁20は、コントロールユニット21により制御され、このコントロールユニット21には、エンジン回転数Ne検出用のクランク角センサ22、アクセル開度Aa検出用のアクセル開度センサ23、スロットル開度TVO検出用のスロットルセンサ24、エンジン冷却水温度Tw検出用の水温センサ25等から、信号が入力されている。
【0049】
次に本発明での制御について説明する。
炭化水素燃料の改質反応は、大きくは水蒸気改質反応と部分酸化反応とに分けられ、水蒸気改質反応は概ね次式によって表される。
【0050】
Cm Hn +mH2 O→(m+n/2)H2 +mCO ・・・(1)
同時に、
3H2 +CO→CH4 +H2 O ・・・(2)
2H2 +2CO→CH4 +CO2 ・・・(3)
等の反応も行われる。
【0051】
改質雰囲気が高温に維持されている時は、主に(1)の反応が行われ、改質ガス中の水素、一酸化炭素濃度が増加する。低温時においては、(2),(3)の反応の割合が増加し、改質ガス中の水素、一酸化炭素濃度が減少し、逆にメタン、水などの濃度が増加する。
【0052】
また、(1)の反応は吸熱反応であり、反応を維持するためには何らかの手段で熱を与える必要がある。その一方、(1)の反応は吸熱反応であるために、改質後のガスが持つ発熱量は改質前の炭化水素燃料が持つ発熱量よりも増加する利点がある。
【0053】
一方、部分酸化反応は、炭化水素燃料と空気の量を調整することで、次式の反応が起こる。
Cm Hn +(m/2)O2 →(n/2)H2 +mCO ・・・(4)
この反応は、発熱反応であり、(1)の反応とは逆に改質後のガスが持つ発熱量は改質前の炭化水素燃料が持つ発熱量よりも減少する。
【0054】
(4)の反応で必要なのは酸素であるが、通常この酸素は空気として改質反応層に供給されるため、改質ガス中には水素や一酸化炭素と共に、相当量の窒素が含まれることになる。
【0055】
炭化水素系の燃料に所定量の水、空気を混合して燃料改質器8に導入し、燃料改質器8内に改質反応を起こすに充分な熱的条件を与えることで、炭化水素系の燃料は上記(1)及び(4)の改質反応により、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスに変換される。この水素と一酸化炭素の生成量は炭化水素系の燃料の種類及び量によってほぼ決まってくる。これとは別に導入する水と空気の量を変化させることで燃料改質器8内で起こる改質反応の熱的な要求が異なってくる。すなわち、水量を増加させると、改質の主反応が(1)となり、吸熱反応となるので、燃料改質器8には何かしら方法で熱を供給する必要がでてくる。逆に空気の量を増加させると、改質の主反応が(4)となり、発熱反応となる。また、空気の量を増加させると、空気中の窒素や二酸化炭素の改質ガス中に含まれる量が増加する。
【0056】
図2に改質反応における部分酸化反応の比率による改質ガス組成の概要を示しており、部分酸化反応の比率の増大により、改質ガス中のH2 、COの割合が減少し、改質ガス中により多くのN2 、CO2 が含まれるようになることを示している。
【0057】
一方、エンジン1は通常、燃料改質器8で生成された水素、一酸化炭素を主成分とする改質ガスを供給されることでエンジン運転を行っている。このときのエンジン運転空燃比はエンジンの運転安定性が損なわれない範囲からバックファイアを起こさない範囲までのリーンに設定される。このときに排出されるNOxはNOxトラップ18にトラップされ、大気中に放出はされない。
【0058】
コントロールユニット21は、エンジンの運転状態(回転、負荷、水温等)を基にNOx排出量を算出、積算して、NOxトラップ18におけるNOxのトラップ量を求め、このトラップ量が所定値以上となった場合に、脱離還元処理を実施する。
【0059】
脱離還元処理においては、改質原料流量制御器15により燃料改質器8に投入する空気量を増加させて、部分酸化反応の比率を増加するように指令を出すと共に、還元剤投入制御弁20に指令を出して、還元剤としてのH2 、COを含む改質ガスを排気通路7のNOxトラップ18上流に投入する。
【0060】
従って、コントロールユニット21は、図3に示すように、NOxトラップ18にトラップされたNOxの脱離還元処理の要否を判定するNOx脱離還元処理要否判定手段としての機能と、脱離還元処理を必要とするときに、燃料改質器8における燃料改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させる燃料改質制御手段としての機能と、還元剤投入制御弁20によりNOxトラップ18に流入する排気ガス中に燃料改質器8で生成された改質ガスを還元剤として投入する還元剤投入手段としての機能とを、ソフトウェア的に備えることとなる。また、後述するように、改質ガス供給量補正手段、更にはスロットル弁制御手段としての機能も必要により備えることとなる。
【0061】
以下、より具体的な制御内容をフローチャートにより説明する。
図4はエンジン1の通常運転時において改質原料流量制御器15による燃料改質器8への燃料、水、空気の供給量を決定するための燃料改質制御のフローチャートである。
【0062】
機関の運転状態を判定するために、S1ではエンジン回転数Neを読込み、S2ではアクセル開度Aaを読込む。
S3では冷却水温度Twを読込んで、冷却水温度Twが所定値Tw0以上か否かを判定し、所定値Tw0以上であればエンジンの暖機完了状態であると判断して、暖機完了状態における燃料改質器8への燃料、水、空気の供給量決定ステップ(S4〜S6)ヘ進む。
【0063】
S4ではエンジン回転数Neとアクセル開度Aaとにより割り付けられた燃料供給量マップより燃料改質器8への燃料供給量Gfを読込んで決定する。
S5ではエンジン回転数Neとアクセル開度Aaとにより割り付けられた燃料に対する水の供給割合マップより水/燃料割合SFを読込んで決定する。
【0064】
S6ではエンジン回転数Neとアクセル開度Aaとにより割り付けられた燃料に対する空気の供給割合マップより空気/燃料割合AFを読込んで決定する。
以上により、通常運転時(エンジン暖機完了状態)における改質原料流量制御器15による燃料改質器8への燃料、水、空気の供給量が決定される。尚、冷却水温度Twが所定値Tw0未満の冷機運転時は、S7へ進み、図示しない別ルーチンにより改質原料流量制御器15による燃料改質器8への燃料、水、空気の供給量を決定する。
【0065】
図5はNOxトラップ18におけるNOxトラップ量算出(推定)のフローチャートであり、所定時間毎の割込み処理ルーチンとして実行される。
S11では、エンジン運転状態としてエンジン回転数Ne及びアクセル開度Aa等を読込む。
【0066】
S12では、そのときのエンジン運転状態(Ne,Aa等)においてエンジンから排出されるNOx排出量(NOx)をマップ等から推定する。
S13では、次式のごとく、NOx排出量(NOx)を所定時間毎に積算し、その積算値により、NOxトラップ18におけるNOxトラップ量(ΣNOx)を求める。
【0067】
ΣNOx←ΣNOx+NOx
尚、このようにして積算により求められるNOxトラップ量(ΣNOx)は、後述するように、NOx脱離還元処理が完了した時点で、ΣNOx=0として、初期化される。
【0068】
図6はNOx脱離還元処理の第1実施形態のフローチャートであり、所定時間毎の割込み処理ルーチンとして実行される。
S21では、NOxトラップ量ΣNOxが所定値SNOx以上になったか否かを判定し、ΣNOx≧SNOxの場合に、NOx脱離還元処理ステップ(S22以降)へ進む。この部分がNOx脱離還元処理要否判定手段に相当する。
【0069】
S22では、エンジン回転数Neとアクセル開度Aaとにより割り付けられた燃料改質器8への空気/燃料割合(AF)補正値マップよりAF補正値Kafを読込む。
【0070】
S23では、空気/燃料割合AFにKaf(但しKaf>1)を乗じることで、AFを増大側に補正し(AF←AF×Kaf)、改質原料流量制御器15による燃料改質器8への空気の供給量を増加させる。この部分が部分酸化反応比率増加による燃料改質制御手段に相当する。
【0071】
その結果、燃料改質器8における改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率が増加し、燃料改質器8に供給される空気中の酸素を改質反応により消費する一方、空気中の窒素(N2 )、二酸化炭素(CO2 )により、図2に示したように改質ガス中のN2 、CO2 濃度を増加させて、エンジンに供給することで、吸気通路2よりエンジン1に供給される新気(空気)の量を減少させ、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させることができ、排気ガス中の酸素濃度を可能な限り低くして、NOxトラップ18からのNOxの放出、更には還元処理を効率良く行うことができる。
【0072】
ここで、エンジン1の運転状態を本フロー実施前の状態に保持するためには、改質ガス組成が変化した分、改質ガス供給手段としてのガス燃料噴射弁6からエンジン1への改質ガスの供給量を補正しなければならない。図2に示したように部分酸化反応の比率が増えることで、改質ガス中のH2 、COが減ってしまい、同等の出力を維持するために、改質ガスの供給量を大きくする方向に補正する必要があるからである。
【0073】
本実施形態では、改質ガス供給手段を、コントロールユニット21からのパルス信号によって開弁し、パルス幅を変えることで供給量を制御可能なガス燃料噴射弁6として、改質ガス供給量の補正方法を説明するが、同等の機能を有するものであれば、その補正は準じた方法で実現可能である。
【0074】
S25では、エンジン回転数Neとアクセル開度Aaとにより割り付けられた改質ガス供給量(噴射パルス幅)TIに対する補正値マップよりTI補正値Ktiを読込む。
【0075】
S26では、改質ガス供給量(噴射パルス幅)TIにKti(但しKti>1)を乗じることで、TIを増大側に補正し(TI←TI×Kti)、最適な改質ガス供給量を確保する。この部分が改質ガス供給量増量補正手段に相当する。
【0076】
続いて、S31では、還元剤投入制御弁20を開く。これにより、還元剤としてのH2 、COを含む改質ガスが排気通路7のNOxトラップ18の上流部に投入され、NOxトラップ18にトラップされていたNOxが確実に脱離還元処理される。この部分が還元剤投入手段に相当する。
【0077】
S32では、還元剤投入制御弁20を開いてからの経過時間が所定時間になった否かを判定し、所定時間経過した場合に、S33へ進み、還元剤投入制御弁20を閉じる。また、S34でAF、TIを補正前の値に戻し、NOx脱離還元処理を完了する。これと同時に、S35でNOxトラップ量ΣNOxがクリアされ、本ルーチンが終了する。
【0078】
以上にように、NOxトラップ18にトラップされたNOxの脱離還元処理に際し、排気ガス中の酸素濃度を可能な限り低くすると共に、還元剤の効果的な投入により、NOxの脱離還元処理を効率良く行うことが可能になる。
【0079】
図7はNOx脱離還元処理の第2実施形態のフローチャートであり、図6のフローに対し、S27,S28の処理が付加されており、この付加された機能について説明する。
【0080】
NOx脱離還元処理を開始する場合に、S27にて、エンジン回転数Neとアクセル開度Aaとにより割り付けられた電制スロットル弁5の目標スロットル開度TVOに対する補正値マップよりTVO補正値Ktvoを読込む。
【0081】
そして、S28にて、電制スロットル弁5の目標スロットル開度TVOにKtvo(但しKtvo<1)を乗じることで、目標スロットル開度TVOを開度減少側(閉じ側)に補正する(TVO←TVO×Ktvo)。この部分がスロットル制御手段に相当する。
【0082】
ここで、Ktvoの値は、各Ne、Aaに対してバックファイアを起こさない範囲で、すなわち空気過剰率λ=1.3程度をリッチ化の限度として、新気量を減少させるように設定されている。
【0083】
以上のように、NOx脱離還元処理に際し、電制スロットル弁5の制御により、バックファイアを起こさない範囲で、新気導入量を減少させることにより、エンジン吸入ガス中の酸素濃度、したがってエンジン排気ガス中の酸素濃度を更に確実に低下させて、更に効率良く脱離還元処理を行うことができる。尚、NOx脱離還元処理を終了する際は、S34にてAF、TIを補正前の値に戻すと共に、TVOも補正前の値に戻すことは言うまでもない。
【0084】
図8はNOx脱離還元処理の第3実施形態のフローチャートであり、図7のフローに対し、S29,S30の処理が付加されており、この付加された機能について説明する。
【0085】
空気/燃料割合AF、改質ガス供給量TI及び目標スロットル開度TVOの補正後、S29にて、遅延時間Tdを算出する。
具体的には、Ne及びAaの値とNeに対して割り付けられたエンジンの体積効率とを基に、単位時間当たりの吸入空気量Gaを算出し、ガス燃料噴射弁6からNOxトラップ18までのボリュームVincat の値をGaで除することにより、酸素濃度が低下した状態の排気ガスがNOxトラップ18に到達するまでの到達遅れ時間を求め、その時間をTdとする。
【0086】
S30では、空気/燃料割合AF、改質ガス供給量TI及び目標スロットル開度TVOの補正からの経過時間が前記遅延時間Tdに達したか否かの判定を行い、Td時間経過後に、S31へ進んで、還元剤投入制御弁20を開き、H2 、CO等の還元剤を排気通路7のNOxトラップ18の上流部に投入するようにしている。
【0087】
以上のように、燃料改質器8での改質反応形態を変化させるなどした後、エンジン排気ガス中の酸素濃度が十分低下した時点で、還元剤を投入することで、更に効率良くNOxの脱離還元処理を行うことができる。
【0088】
尚、前記各実施形態において、S31にて、還元剤投入制御弁20を開いて、H2 、COを含む改質ガスを還元剤として排気通路7のNOxトラップ18の上流部に投入する際、改質ガスの投入量は次のように制御するとよい。
【0089】
燃料改質器8への水/燃料割合SFと空気/燃料割合AFとより割り付けられた改質ガス中のH2 割合及びCO割合のマップを参照することで、還元剤として排気ガス中に投入する改質ガス中のH2 、COの各割合を推定し、これらよりNOxトラップ18にトラップされたNOxを還元するために必要な改質ガス量を算出し、その量になるように還元剤投入制御弁20の開度若しくは開弁時間を制御する。
【0090】
還元剤の中では、COに比較してH2 の還元作用の方が強いため、改質ガスの組成に応じた量を還元剤として投入することで、無駄な改質ガスを投入することなく、必要最小限の改質ガスの投入で、効率良く脱離還元処理を行うことができ、NOxを有効かつ効率良く浄化することが可能となるからである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態を示す燃料改質ガスエンジンのシステム図
【図2】 部分酸化反応比率と改質ガス組成との関係を示す図
【図3】 制御の概要を示すブロック図
【図4】 通常運転時の燃料改質制御のフローチャート
【図5】 NOxトラップ量算出のフローチャート
【図6】 NOx脱離還元処理の第1実施形態のフローチャート
【図7】 NOx脱離還元処理の第2実施形態のフローチャート
【図8】 NOx脱離還元処理の第3実施形態のフローチャート
【符号の説明】
1 エンジン
2 吸気通路
5 電制スロットル弁
6 ガス燃料噴射弁
7 排気通路
8 燃料改質器
9 燃料タンク
10 燃料ポンプ
11 水タンク
12 水ポンプ
14 空気ポンプ
15 改質原料流量制御器
16 気化混合器
17 改質ガス供給通路
18 NOxトラップ
19 還元剤投入通路
20 還元剤投入制御弁
21 コントロールユニット
Claims (12)
- 炭化水素系の燃料を改質して、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器を備え、生成した改質ガスをエンジンに供給することでエンジンを運転する燃料改質ガスエンジンにおいて、
エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、燃料改質器における燃料改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させる燃料改質制御手段を設けたことを特徴とする燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。 - 前記燃料改質制御手段は、部分酸化反応の比率を増加させるため、燃料改質器に投入する燃料、水、空気のうち、空気の割合を増加させることを特徴とする請求項1記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
- 部分酸化反応の比率を増加させるときに、エンジンへの改質ガスの供給量を増量補正する改質ガス供給量増量補正手段を設けたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
- エンジンに新気を供給するための吸気通路に電制スロットル弁を備え、エンジン排気ガス中の酸素濃度を低下させる必要があると判断したときに、電制スロットル弁により、バックファイアを起こさない範囲で新気量を減少させるスロットル弁制御手段を設けたことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
- 炭化水素系の燃料を改質して、水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質器を備え、生成した改質ガスをエンジンに供給することでエンジンを運転する燃料改質ガスエンジンにおいて、
エンジンの排気通路に、流入する排気ガスの空燃比がリーンの時にNOxをトラップするNOxトラップを配置し、
NOxトラップにトラップされたNOxを脱離還元処理するときに、燃料改質器における燃料改質反応のうち燃料と空気との部分酸化反応の比率を増加させることで、エンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させる燃料改質制御手段を設けたことを特徴とする燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。 - 前記燃料改質制御手段は、部分酸化反応の比率を増加させるため、燃料改質器に投入する燃料、水、空気のうち、空気の割合を増加させることを特徴とする請求項5記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
- 部分酸化反応の比率を増加させるときに、エンジンへの改質ガスの供給量を増量補正する改質ガス供給量増量補正手段を設けたことを特徴とする請求項5又は請求項6記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
- エンジンに新気を供給するための吸気通路に電制スロットル弁を備え、NOxトラップにトラップされたNOxを脱離還元処理するときに、電制スロットル弁により、バックファイアを起こさない範囲で新気量を減少させるスロットル弁制御手段を設けたことを特徴とする請求項5〜請求項7のいずれか1つに記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
- NOxトラップにトラップされたNOxを脱離還元処理するときに、NOxトラップに流入する排気ガス中に燃料改質器で生成された改質ガスを還元剤として投入する還元剤投入手段を設けたことを特徴とする請求項5〜請求項8のいずれか1つに記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
- 前記還元剤投入手段は、前記燃料改質制御手段によりエンジン吸入ガス中の酸素濃度を低下させるように制御してから、エンジン運転状態に応じた遅延時間の後に、NOxトラップに流入する排気ガス中に燃料改質器で生成された改質ガスを還元剤として投入することを特徴とする請求項9記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
- 前記遅延時間は、エンジンへの改質ガス供給手段から排気通路のNOxトラップまでのエンジン作動流体の到達遅れ時間として算出することを特徴とする請求項10記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
- 前記還元剤投入手段は、燃料改質器での改質状態より、改質ガス中の水素、一酸化炭素の各量を推定し、これらの推定量に応じて排気ガス中に投入する還元剤の量を決定することを特徴とする請求項9〜請求項11のいずれか1つに記載の燃料改質ガスエンジンの排気浄化装置。
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