JP6804333B2 - 排ガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、排ガス処理装置に関するものである。

ディーゼルエンジンの排ガス処理装置として、排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を除去するため、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが用いられている。ＳＣＲシステムは、還元剤として尿素が使用され、この場合、車両に尿素水タンクが搭載される。排気管内に尿素水が噴霧され、ＮＯｘと尿素から生じたアンモニア（ＮＨ_３）が混合される。そして、ディーゼルエンジンの排ガスが、排気管に設けられた触媒装置を通過するとき、ＮＯｘの還元反応が生じる。その結果、窒素、水や二酸化炭素が発生する。

尿素水は、触媒の上流側に設けられた噴霧ノズルによって噴霧される。従来、尿素水の噴霧量は、エンジンの運転状態に応じた必要量に調整されて、排気管内に噴霧されている。

下記の特許文献１では、エンジン始動時から尿素の加水分解温度まで、排ガス温度を昇温する制御を行い、エンジン始動時から尿素水を添加できるまでの時間を短縮化することが記載されている。

特開２０１０−１１６８５８号公報

排気管内に噴霧された尿素水は、２００℃以下の低温の配管内壁に衝突すると、配管内壁に尿素やその他の固形物が析出する可能性がある。尿素等が配管内壁に析出して堆積すると、噴霧された尿素水の蒸発や排ガスとの混合が不十分になるため、ＮＯｘ浄化性能が低下し、また、背圧増大や配管閉塞によって、エンジン性能が低下するおそれがある。

従来、排気管内を流れる排ガスの触媒装置の入口における温度を温度センサによって測定することが一般的であり、測定された排ガス温度に基づいて、尿素の析出を防止している。しかし、配管の内壁温度を直接測定していないため、配管内壁が尿素の析出しない温度に到達しているか否かは、排ガス温度と実験結果等に基づいて、実際のエンジン駆動時における配管温度を推測している。そのため、温度低下が生じないように、見込みで尿素水の噴霧期間を制限しており、ＮＯｘを除去できない期間が生じている。
また、排ガス温度のみを測定していることから、噴霧された尿素水の液滴が予期に反して配管表面へ付着したことを検知できない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、排気管内の尿素の析出を確実に防止し、脱硝性能を向上させることが可能な排ガス処理装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る排ガス処理装置は、排ガスが流通する排気管に設けられ、前記排気管内へ尿素水を噴霧するノズルと、前記排気管において前記ノズルよりも排ガス流れの下流側に設けられ、前記尿素水に含まれた尿素から生じたアンモニアによる前記排ガスに含まれる窒素酸化物の還元反応を促進する触媒を有し、前記排ガスが流通する触媒部と、前記ノズルと前記触媒部の間において、前記排気管の内壁面の温度分布を測定する温度測定部と、前記排ガスを排出するエンジンの運転条件と、前記排気管の内壁の温度分布との関係に関するデータが予め記録されている記憶部と、前記記憶部に記録されている前記データと、前記エンジンの運転時に前記温度測定部で測定された前記排気管の内壁の温度分布に基づいて、前記エンジンの運転時における前記排気管の内壁の温度の高低を判断する判断部と、前記ノズルよりも排ガス流れの下流側に設置され、前記排ガスと前記尿素水を混合する混合部と、前記判断部で判断された結果に基づいて、前記混合部を調整する噴霧制御部と、を備える。

この構成によれば、ノズルと触媒部の間に設けられた温度測定部によって、ノズルと触媒部の間における排気管の内壁の温度分布を測定できる。
またこの構成によれば、エンジンの運転時に温度測定部で測定された排気管の内壁の温度分布が、予め記憶部に記録されたデータと比較されることによって、エンジンの運転時に、排気管の内壁において生じている温度の高低を判断できる。
またこの構成によれば、温度測定部で測定された排気管の内壁の温度分布に基づいて、混合部が調整されることから、排気管の内壁の温度分布を変更することができる。

上記態様において、前記排ガスを排出するエンジンの運転条件と、前記排気管の内壁の温度分布との関係に関するデータが予め記録されている記憶部と、前記記憶部に記録されている前記データと、前記エンジンの運転時に前記温度測定部で測定された前記排気管の内壁の温度分布に基づいて、前記エンジンの運転時における前記排気管の内壁の温度の高低を判断する判断部とを更に備えてもよい。

上記態様において、噴霧制御部は、前記判断部で判断された結果に基づいて、前記ノズルが噴霧する前記尿素水の噴霧量を調整してもよい。

この構成によれば、温度測定部で測定された排気管の内壁の温度分布に基づいて、ノズルが噴霧する尿素水の噴霧量が調整されることから、尿素の析出を確実に防止しつつ、窒素酸化物の除去性能を向上させることができる。

上記態様において、前記判断部で判断された結果に基づいて、前記排気管の内壁における尿素析出に関する警告信号を出力してもよい。

この構成によれば、例えば、排気管の内壁の温度分布が所定温度以下に維持されている場合において、尿素が析出されている可能性がある、又は、析出可能性が高まっていることを知らせることができる。その結果、尿素の析出に関する点検を促し、トラブル発生を未然に防止できる。

上記態様において、前記温度測定部は、光ファイバを有し、前記光ファイバが、前記排気管の内壁に沿って面状に配置されてもよい。

この構成によれば、光ファイバの長さ方向に沿った温度分布が測定され、光ファイバが排気管の内壁に沿って面状に配置されていることから、排気管の内壁面の温度分布を測定できる。

本発明によれば、排気管内の尿素の析出を確実に防止し、脱硝性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るエンジン及び排ガス処理装置を示す構成図である。 本発明の一実施形態に係る温度測定部及び制御部を示す構成図である。 本発明の一実施形態に係る光ファイバの配置例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る光ファイバの配置例を示す断面図である。

本発明の一実施形態に係る排ガス処理装置１０は、図１に示すように、ディーゼルエンジン１（以下「エンジン１」という。）から排出される排ガスを浄化して大気へ放出する装置であり、排ガスが流通する排気管９に設けられる。

エンジン１は、過給機２を備える。過給機２は、タービン３と、タービン３と同軸で接続されてタービン３によって駆動されるコンプレッサ４を備える。過給機２のコンプレッサ４から吐出された空気は、空気管５を通過して空気冷却器６に供給され、空気冷却器６で冷却される。

空気冷却器６で冷却された空気は、スロットルバルブ７で開度を制御された後、吸気管８を通過して、シリンダ毎に設けられた吸気ポートからエンジン１に吸入される。

エンジン１では、コモンレール（蓄圧器）で蓄圧された高圧燃料が、コモンレール制御装置２５によって制御された噴霧時期及び噴霧量で、シリンダ毎に設けられた燃料噴霧弁２６から噴霧される。噴霧された高圧燃料は、吸気ポートから吸入された空気と混合して燃焼される。

エンジン１において燃料が燃焼されて生じた燃焼ガス、すなわち、排ガスは、シリンダ毎に設けられた排気ポートが集合した排気集合管１１を通過して、過給機２のタービン３へ供給される。排ガスは、タービン３を駆動してコンプレッサ４の動力源となった後、排気管９を通って排ガス処理装置１０へ排出される。

また、排気集合管１１の途中から、ＥＧＲ（排ガス再循環）管２２が分岐されて、排ガスの一部（ＥＧＲガス）が、ＥＧＲ管２２を通過し、ＥＧＲクーラ２３で降温され、ＥＧＲガスは、ＥＧＲ弁２４で流量が制御される。ＥＧＲ管２２を通過したＥＧＲガスは、吸気管８においてスロットルバルブ７よりも下流側で空気と合流される。

排ガス処理装置１０は、前段酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）１４及びフィルター（ＤＰＦ：Diesel particulate filter）１５を有するＤＰＦシステム１２と、尿素噴霧ノズル１６、ミキサー１７、ＳＣＲ触媒１８及び後段酸化触媒１９を有するＳＣＲシステム１３などを備える。

排気管９を通過して排ガス処理装置１０へ排出された排ガスは、前段酸化触媒１４へ供給される。そして、排ガスは、前段酸化触媒１４によって、炭化水素成分（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）が浄化された後、フィルター１５へ供給されて、粒子状物質（ＰＭ）がフィルター１５で捕集される。

前段酸化触媒１４及びフィルター１５は、それぞれ、複数の孔が集合した形状（例えばハニカム構造）を有し、排ガスが通過可能である。フィルター１５は、排ガス入口側の孔と出口側の孔が互い違いに目封じされており、孔と孔の間の壁部を排ガスが通過することで粒子状物質が捕集される。

前段酸化触媒１４は、触媒部の一例であり、排気管９に設けられ、触媒作用によって前段酸化触媒１４を通過した排出ガス中の炭化水素成分を酸化する。前段酸化触媒１４では、酸化発熱によって温度上昇が生じる。

フィルター１５は、排気管９に設けられ、排ガス中の粒子状物質を捕集する。フィルター１５は、捕集された粒子状物質を燃焼することによって再生する。再生処理は、例えば、前段酸化触媒１４の入口へレイトポスト噴霧によって未燃燃料が供給され、前段酸化触媒１４で炭化水素成分を酸化することで発生する反応熱（酸化発熱）によって、フィルター１５に捕集された粒子状物質が燃焼されることによって行われる。粒子状物質が燃焼されて生じる水と二酸化炭素が、排気出口管２１から外部に排出される。これにより、フィルター１５に捕集された粒子状物質が除去されて、フィルター１５が再生される。

フィルター１５で粒子状物質が捕集された後の排ガスは、接続管３０を通過して、ＳＣＲシステム１３のＳＣＲ触媒１８に供給される。また、接続管３０には、尿素噴霧ノズル１６が設けられ、尿素噴霧ノズル１６は、排ガスに対して尿素水を噴霧する。ミキサー１７は、混合部の一例であり、尿素水と排ガスを混合する。ミキサー１７は、円周状に設けられた複数のベーン（羽根）からなり、ベーンの角度は例えば可変でもよい。

接続管３０において、尿素水中の尿素と排ガス中のＮＯｘが混合され、ＳＣＲ触媒１８と後段酸化触媒１９で、尿素から生じたアンモニア（ＮＨ_３）によるＮＯｘの還元反応が生じ、窒素、水や二酸化炭素が発生する。ＳＣＲ触媒１８と後段酸化触媒１９は、排ガスが流通可能な構成を有しており、尿素から生じたアンモニアによるＮＯｘの還元反応を促進する。

尿素噴霧ノズル１６よって噴霧される尿素水の噴霧量は、制御部４１によって制御される。

尿素水が分解して生成されたアンモニアは、一旦ＳＣＲ触媒１８上に吸着した後、排ガス中のＮＯｘと反応し、ＮＯｘが窒素へと還元される。さらに、ＳＣＲ触媒１８で反応できなかったアンモニアは、後段酸化触媒１９でＮＯｘと反応し、ＮＯｘが窒素へと還元される。また、ＳＣＲ触媒１８上に吸着したアンモニアは、温度上昇によってＳＣＲ触媒１８より脱離し、後段酸化触媒１９で窒素へと酸化分解される。

温度測定部３１は、接続管３０において、ミキサー１７の下流側に設置される。温度測定部３１は、図２に示すように、光ファイバ３２と、光源部３３と、光検出部３４と、温度算出部３５を有する。光ファイバ３２には、光源部３３からパルス光が入射される。光ファイバ３２に入射した光は、光ファイバ３２内部で散乱を起こしながら、進行する。散乱光のうちラマン散乱光（ストースク光とアンチストークス光）には、温度依存性がある。そこで、ラマン散乱光の強度を検出することによって、光ファイバ３２の長さ方向に沿った温度分布を算出することができる。温度算出部３５は、光検出部３４で検出されたラマン散乱光の強度に基づいて、光ファイバ３２の長さ方向に沿った温度分布を算出する。

光ファイバ３２は、ミキサー１７とＳＣＲ触媒１８の間に設置され、接続管３０の内壁面の温度、及び、接続管３０の内壁面の温度分布を測定する。光ファイバ３２は、接続管３０の内壁面に沿って面状に配置される。

光ファイバ３２は、例えば、図３に示すように、光ファイバ３２の配置領域の中間部では一方向、例えば接続管３０の軸方向に対して平行に配置されており、配置領域の端部では、中間部で光ファイバ３２が平行に配置されるように折り返して配置される。また、光ファイバ３２は、図４に示すように、螺旋状に配置されてもよい。螺旋状に配置された光ファイバ３２の中心軸は、接続管３０と平行である。

光ファイバ３２の配置形状は、メモリ４２に予め記録されており、光ファイバ３２の長さ方向の位置と、接続管３０内の光ファイバ３２の位置との対応関係が予め特定されている。なお、メモリ４２は、記憶部の一例である。これにより、光ファイバ３２の長さ方向に沿った温度分布に基づいて、接続管３０の内壁の温度分布を算出できる。

制御部４１は、図２に示すように、メモリ４２と、判断部４３と、噴霧制御部４４などを有する。制御部４１の動作は、予め記録されたプログラムを実行して、ＣＰＵ等のハードウェア資源によって実現される。

メモリ４２は、記憶部の一例であり、メモリ４２には、排ガスを排出するエンジン１の運転条件と、各運転条件の通常時における接続管３０の内壁の温度分布との関係に関するデータが予め記録されている。

判断部４３は、メモリ４２に記録されている上述したデータと、エンジン１の実際の運転時に温度測定部３１で測定された接続管３０の内壁の温度分布に基づいて、エンジン１の実際の運転時における接続管３０の内壁の温度分布の高低を判断する。

噴霧制御部４４は、判断部４３で判断された結果に基づいて、尿素噴霧ノズル１６が噴霧する尿素水の噴霧量を調整する。例えば、噴霧制御部４４は、尿素噴霧ノズル１６へ尿素水を供給する配管に設置された流量調整弁の開度を調整する。また、噴霧制御部４４は、判断部４３で判断された結果に基づいて、ミキサー１７のベーンの角度を調整してもよい。

これにより、温度測定部３１で測定された接続管３０の内壁の温度分布に基づいて、尿素噴霧ノズル１６が噴霧する尿素水の噴霧量が調整されることから、尿素の析出を確実に防止しつつ、窒素酸化物の除去性能を向上させることができる。

警告制御部４５は、判断部４３で判断された結果に基づいて、接続管３０の内壁における尿素析出に関する警告信号を出力する。例えば、警告制御部４５は、判断部４３で判断された結果に基づいて、接続管３０の内壁の温度分布が所定温度以下に維持されている場合、尿素が析出されている可能性がある、又は、析出可能性が高まっているとして、警告表示部に警告信号を出力する。これにより、接続管３０について、尿素の析出に関する点検を促し、トラブル発生を未然に防止することができる。

次に、本実施形態に係る排ガス処理装置１０の動作及び作用効果について説明する。
温度測定部３１によって、接続管３０における尿素噴霧ノズル１６及びミキサー１７の下流側の内壁温度が測定される。

そして、メモリ４２に記録されているデータと、エンジン１の実際の運転時に温度測定部３１で測定された接続管３０の内壁の温度分布に基づいて、エンジン１の実際の運転時における接続管３０の内壁の温度分布の高低が判断される。

エンジン１の実際の運転時に温度測定部３１で測定された接続管３０の内壁の温度分布を測定して、接続管３０の内壁の温度が低下している場合、尿素噴霧ノズル１６が噴霧する尿素水の噴霧量を低減又は停止する。または、エンジン１の実際の運転時に温度測定部３１で測定された接続管３０の内壁の温度分布を測定して、接続管３０の内壁の温度分布に偏りが生じている場合、ミキサー１７のベーンの角度を調整して、接続管３０の内壁の温度分布が均等になるように調整する。

以上、本実施形態によれば、排ガスの温度ではなく、接続管３０の内壁の温度を直接測定することから、配管内壁における尿素の析出を確実に防止できる。また、接続管３０の内壁の温度によっては、配管内壁における析出物の存在や、配管内壁において尿素の析出した可能性を精度良く検出できる。さらに、排ガスの温度を検出する従来の場合、温度低下が生じないように、見込みで尿素水の噴霧量や噴霧期間を制限していたところ、接続管３０の内壁の温度低下に応じて噴霧期間を調整できるため、尿素水の噴霧量や噴霧期間を増やすことができる。その結果、排ガス処理装置１０における脱硝性能を向上させることが可能となる。

１ ：ディーゼルエンジン（エンジン）
２ ：過給機
３ ：タービン
４ ：コンプレッサ
５ ：空気管
６ ：空気冷却器
７ ：スロットルバルブ
８ ：吸気管
９ ：排気管
１０ ：排ガス処理装置
１１ ：排気集合管
１２ ：ＤＰＦシステム
１３ ：ＳＣＲシステム
１４ ：前段酸化触媒
１５ ：フィルター
１６ ：尿素噴霧ノズル
１７ ：ミキサー
１８ ：ＳＣＲ触媒
１９ ：後段酸化触媒
２１ ：排気出口管
２２ ：ＥＧＲ管
２３ ：ＥＧＲクーラ
２４ ：ＥＧＲ弁
２５ ：コモンレール制御装置
２６ ：燃料噴霧弁
３０ ：接続管
３１ ：温度測定部
３２ ：光ファイバ
３３ ：光源部
３４ ：光検出部
３５ ：温度算出部
４１ ：制御部
４２ ：メモリ
４３ ：判断部
４４ ：噴霧制御部
４５ ：警告制御部

Claims (4)

1. 排ガスが流通する排気管に設けられ、前記排気管内へ尿素水を噴霧するノズルと、
   前記排気管において前記ノズルよりも排ガス流れの下流側に設けられ、前記尿素水に含まれた尿素から生じたアンモニアによる前記排ガスに含まれる窒素酸化物の還元反応を促進する触媒を有し、前記排ガスが流通する触媒部と、
   前記ノズルと前記触媒部の間において、前記排気管の内壁面の温度分布を測定する温度測定部と、
   前記排ガスを排出するエンジンの運転条件と、前記排気管の内壁の温度分布との関係に関するデータが予め記録されている記憶部と、
   前記記憶部に記録されている前記データと、前記エンジンの運転時に前記温度測定部で測定された前記排気管の内壁の温度分布に基づいて、前記エンジンの運転時における前記排気管の内壁の温度の高低を判断する判断部と、
   前記ノズルよりも排ガス流れの下流側に設置され、前記排ガスと前記尿素水を混合する混合部と、
   前記判断部で判断された結果に基づいて、前記混合部を調整する噴霧制御部と、
   を備える排ガス処理装置。
2. 前記噴霧制御部は、前記判断部で判断された結果に基づいて、前記ノズルが噴霧する前記尿素水の噴霧量を調整する請求項１に記載の排ガス処理装置。
3. 前記判断部で判断された結果に基づいて、前記排気管の内壁における尿素析出に関する警告信号を出力する請求項１に記載の排ガス処理装置。
4. 前記温度測定部は、光ファイバを有し、前記光ファイバが、前記排気管の内壁に沿って面状に配置される請求項１から３のいずれか１項に記載の排ガス処理装置。

Images