(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
灯油等のディーゼル燃料を還元剤として排気ガス中の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  を還元浄化するディーゼルエンジンの排気ガス脱硝装置において、排気管路にて排気ガス中に燃料を還元剤として添加する還元剤燃料供給装置と、還元剤燃料が添加される排気管部の排気ガスの温度を検知する第１の温度センサと、触媒層の温度を検知する第２の温度センサと、排気管路中、還元剤燃料添加部位と触媒層との間に設けられた冷却水にて排気ガスを冷却する熱交換器と、熱交換器の冷却水入口部に設けられて冷却水量を制御する冷却水量調節弁と、前記の２つの温度センサからの検知温度により冷却水量調節弁の開度量を制御する指令を出力するコントローラとからなることを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス脱硝装置。
【請求項２】
前記コントローラから冷却水量調節弁への開度量の指令は、第１の温度センサから得られた排気ガス温度に対して、第２の温度センサから得られた触媒層の温度が予め定めた値となるようにフイードバックされることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの排気ガス脱硝装置。
【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、特に排気ガス中に灯油などの燃料を還元剤として添加し、ＮＯＸ  をＮ２  やＨ２  Ｏに還元して除去するディーゼルエンジンの排気ガス脱硝装置に関する。
【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３００〜４００℃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加えた後、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、このアンモニアまたは尿素を添加してＮＯＸ  を還元する方法は、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に、排気ガス中の炭化水素を強制的に富化した後、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ＮＯＸ  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４−３５８７１６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とがある。また、図３に示したように、排気ガス中に燃料を噴射して添加し、燃料を添加した排気ガスを冷却装置によって冷却したのち、触媒層に導入してＮＯＸ  を還元する方法が考えられている。
【０００４】
すなわち、図３に示した装置は、ディーゼルエンジン１０の排気管１２に冷却器１４が設けてあって、冷却器１４を流れる冷却水１５によってディーゼルエンジン１０から排出された排気ガス１６を冷却できるようにしてある。また、排気管１２の冷却器１４の上流側には、燃料添加ノズル１８が取り付けてある。このノズル１８は、排気管１２を流れる排気ガス１６中に還元剤燃料を噴射するためのもので、還元剤燃料輸送管２０を介して燃料タンク２２に接続した還元剤燃料添加量調節器２４の吐出した燃料を排気管１２内に噴射する。
【０００５】
一方、排気管１２の冷却器１４の下流側には、遷移金属担持メタロシリケート触媒などによって構成した触媒層２６が設けてあり、通過する還元剤燃料の添加された排気ガス１６中のＮＯＸ  を還元して除去するようにしてある。そして、触媒層２６には、温度センサ２８が設けてあり、この温度センサ２８の検出信号をコントローラ３０に入力し、コントローラ３０によって触媒層２６の温度を所定の温度となるようにしている。すなわち、コントローラ３０は、冷却器１４に冷却水１５を供給する入口管３２に設けた流量調節弁３４に接続してあり、温度センサ２８の検出信号に基づいて弁３４の開度を調節して冷却水１５の流量を制御し、触媒層２６に流入する排気ガス１６の温度が、触媒層２６の最適作用温度領域となるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、還元剤として炭化水素を用いて排気ガス中のＮＯＸ  を還元浄化する触媒は、還元剤炭化水素の分子量（炭素数）に対するＮＯＸ  浄化温度特性が図４のようになっており、還元剤炭化水素の炭素数が小さくなればなるほど、大きな浄化率が得られる温度領域は高温側に移動する。このため、ほぼ同じぐらいのＮＯＸ  浄化率を得るためには、図５に示すように、炭素数が１４の場合には触媒層の温度は低いＡ温度、炭素数が９の場合には触媒層の温度は中位のＢ温度、および、炭素数が５の場合には触媒層の温度は高温のＣ温度というように触媒層の温度が異なる。このような特性をもつ触媒によって排気ガス中のＮＯＸ  を効率的に還元除去するためには、触媒層において作用する還元剤炭化水素の炭素数を的確に把握するか、あるいは常に一定の炭素数分布をもった還元剤炭化水素が触媒層に導入されるように工夫するとともに、その炭素数あるいは炭素数分布のときに効率的なＮＯＸ  の還元浄化ができるような排気ガスの温度（＝触媒層の温度）に制御する必要がある。
【０００７】
ところで、燃料等の高分子炭化水素は、酸素が共存する高温雰囲気において、図６に示したように容易に炭素数の小さな低級な炭化水素に分解されてしまう。しかも、この分解の程度は、温度や酸素分圧、さらにはＮＯＸ  等の他の共存ガス成分の存在など、雰囲気条件によって大きく異なる。例えば、雰囲気が高温度のＭ点では、炭素数はＥ点と小さく、雰囲気が低温度のＰ点では、炭素数はＦ点と大きくなる。このため、排気ガス温度により、ほぼ決まる還元剤炭化水素の炭素数（実線イ）と触媒層温度（点線ロ）は、図７に示すように変化し、最適な触媒層温度は交点付近の領域（Ｗ）となる。このため、上記した従来の燃料などの還元剤炭化水素を添加方する方法は、排気温度がディーゼルエンジンの使用条件により異なるとともに、炭素数も異なるためＮＯＸ  の浄化を充分に行えないという問題があった。
【０００８】
すなわち、ディーゼルエンジンおよび排気ガスの温度は、ディーゼルエンジンが高速運転をしているか、低速運転をしているかなどのエンジンの運転状態によって大きく異なる。このため、従来のエンジン吸気管やエンジン筒内に還元剤燃料を噴射する方法、または排気管に炭化水素や還元剤燃料を添加する方法は、還元剤炭化水素の添加位置または添加位置から触媒層までの経路において分解の条件がディーゼルエンジンの運転状態によって変化し、還元剤炭化水素の炭素数分布が常に変化する。この結果、触媒層の温度と還元剤炭化水素の炭素数とがうまくマッチングしない場合を生じ、ＮＯＸ  の浄化率が極端に低下する事態が発生する。
【０００９】
本発明は、前記従来技術の問題点を解消するためになされたもので、排気温度によりほぼ決まる炭素数に応じて、触媒層への排気ガス温度を変化させてエンジンの運転条件に関係なくＮＯＸ  の浄化率をほぼ一定にできるディーゼルエンジンの排気ガス脱硝装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係るディーゼルエンジンの排気ガス脱硝装置は、灯油等のディーゼル燃料を還元剤として排気ガス中の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  を還元浄化するディーゼルエンジンの排気ガス脱硝装置において、排気管路にて排気ガス中に燃料を還元剤として添加する還元剤燃料供給装置と、還元剤燃料が添加される排気管部の排気ガスの温度を検知する第１の温度センサと、触媒層の温度を検知する第２の温度センサと、排気管路中、触媒層と還元剤燃料添加部位との間に設けられた冷却水にて排気ガスを冷却する熱交換器と、熱交換器の冷却水入口部に設けられて冷却水量を制御する冷却水量調節弁と、前記の２つの温度センサからの検知温度により冷却水量調節弁の開度量を制御する指令を出力するコントローラとからなることを特徴とする。
【００１１】
前記コントローラから冷却水量調節弁への開度量の指令は、第１の温度センサから得られた排気ガス温度に対して、第２の温度センサから得られた触媒層の温度が予め定めた値となるようにフイードバックされることを特徴とする。
【００１２】
【作用】
上記のように構成した本発明は、還元剤用燃料が排気管中に添加する部位の排気ガスの温度を第１の温度センサによって検出してコントローラに与え、還元剤用燃料が触媒層までに到達するまでに熱分解される度合いをコントローラにて推定し、コントローラによって得られた炭素数に応じて最適な触媒層温度を決定する。次に、触媒層の温度が決定された最適温度になるように排気ガスを冷却する熱交換器の水量を調節する。また、触媒層の温度センサの出力がコントローラに入力され、温度が前記で求めた最適な触媒層温度よりも高い場合には、熱交換器の冷却水量調節弁の開度量を大きくし、触媒層の温度が常に、図７に示す適性温度範囲に入るように制御する。このように、熱交換器の冷却水量調節弁の開度量を適宜制御することにより、触媒層に応じた最適の触媒層温度に触媒層入口排ガス温度を制御する。このように温度を制御して、触媒層にて作用する還元剤炭化水素の成分分布をほぼ一定にする。この結果、エンジンの運転条件によらず図７の触媒特性を常に、ほぼ一定にでき、常時効率的な還元剤炭化水素の利用を図れる。
【００１３】
【実施例】
本発明に係るディーゼルエンジンの排気ガス脱硝装置の好ましい実施例を、添付図面に沿って詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施例に係る排気ガス脱硝装置の構成説明図である。
図１において、ディーゼルエンジン１０からの排気管１２には、排気ガス１６を冷却するための熱交換器の冷却器１４が設けてある。この冷却器１４は、排気ガス１６と熱交換をする冷媒である冷却水１５が入口管３２によって供給されるようになっており、排気ガス１６と熱交換をした冷却水１５が出口管３５を介してラジエータなどの熱交換部に戻される。そして、入口管３２には、コントローラ３０によって開度が制御される冷却水量調節弁３４が設けてあり、この冷却水量調節弁３４の開度量を変えることにより、冷却器１４を流れる冷却水１５の流量が変化し、冷却能力が変わるようになっている。
【００１４】
また、排気管１２には、冷却器１４の上流側（ディーゼルエンジン１０側）の適宜の位置に燃料添加ノズル１８が取り付けてある。このノズル１８は、燃料添加量調節装置２４の吐出した燃料を、排気管１２を流れる排気ガス１６に噴射して添加する。また、燃料添加ノズル１８を設けた付近の排気管１２には、第１の温度センサ４０が取り付けてあり、燃料を添加する位置の排気ガス１６の温度を検出してコントローラ３０に入力するようにしてある。そして、燃料を添加された排気ガス１６は、下流側に設けた触媒層２６を通過するようにしてあり、触媒層２６を通過する際に、ＮＯＸ  が還元浄化されるようになっている。この触媒層２６には、触媒層２６の温度を検出してコントローラ３０に入力する第２の温度センサ２８が設けてある。
【００１５】
上記のごとく構成した実施例の作用は、次のとおりである。
燃料タンク２２内の燃料は、ディーゼルエンジン１０に供給されて燃焼され、排気ガス１６となってディーゼルエンジン１０から排気管１２に排出される。この排気ガス１６は、冷却器１４、触媒層２６を通過して外部に排出される。排気管１２に流入した排気ガス１６は、冷却器１４を通過する際に、冷却器１４を流れる冷却水１５と熱交換をして３００℃程度に冷却される。また、還元剤燃料添加量調節装置２４は、燃料輸送管２０を介して燃料タンク２２内の燃料を吸引し、燃料添加ノズル１８から排気管１２を流れる排気ガス１６中に噴霧して添加する。排気ガス１６に添加された還元剤燃料は、排気ガス１６の有する熱によって低級な炭化水素に分解され、還元剤炭化水素となって排気ガス１６とともに触媒層２６に流入する。そして、触媒層２６は、触媒作用によって排気ガス１６中のＮＯＸ  を還元剤炭化水素と反応させ、ＮＯＸ  をＮ２  やＨ２  Ｏに還元して浄化する。
【００１６】
他方、コントローラ３０は、第１の温度センサ４０と第２の温度センサ２８との検出信号を取り込み、冷却された排気ガス１６の温度と触媒層２６の温度とを監視している。そして、コントローラ３０は、第１の温度センサ４０からの信号に基づいて冷却器１４を流れる冷却水１５の流量を調節し、排気ガス１６の温度を予め定めた制御にするとともに、触媒層２６の温度を予め定めた温度に制御する。また、触媒層２６の温度を第２の温度センサ２８により検出して、予め定めた温度より外れているときには、冷却器１４を流れる冷却水１５の流量を調節し、予め定めた温度に制御する。
【００１７】
すなわち、ディーゼルエンジン１０の運転条件が変化することによって排気ガス１６の温度が変化し、例えばエンジンが高負荷運転となって排気ガス１６の温度が上昇すると、第１温度センサ４０の検出する排気ガス１６の温度が上がる。このため、排気ガス１６中に添加された燃料の分解条件が変化して還元剤炭化水素の炭素数分布が変化するとともに、触媒層２６の還元特性も変化するので、コントローラ３０は、第１の温度センサ４０の検出温度が高くなると、冷却水量調節弁３４に制御信号を出力して開度を大きくし、冷却水１５の流量を増加させて排気ガス１６の温度を低下させ、排気ガス１６、触媒層２６の温度が所定の温度となるようにする。
【００１８】
これにより、触媒層２６の温度を一定にできるため、排気ガス１６によって熱分解された還元剤炭化水素の炭素数分布をほぼ一定にすることが可能となる。また、触媒層２６は、温度がこの炭素数分布においてＮＯＸ  を還元するのに適した温度に維持されるため、図２に示したように、従来に比較してＮＯＸ  の浄化率を大幅に向上することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、排気管に設けた冷却器より上流側に燃料添加ノズルを取り付けるとともに、このノズルから還元剤用燃料を添加する位置の排気ガスの温度を第１の温度センサによって検出してコントローラに与え、コントローラによって冷却器の冷却能力（冷媒流量）を変えて燃料添加位置から触媒層までの還元剤用燃料が触媒層までに到達するまでに熱分解される度合いを所定値にできるようにしているため、エンジンの運転状態に関係なく触媒層に流入する排気ガス中の還元剤炭化水素の炭素数分布をほぼ一定にすることが可能となり、触媒層の大きな浄化能力が得られる炭素数の分布にすることができる。また、予めコントローラにて求めた触媒層の温度に対して、触媒層の温度を測定し、触媒層の温度を再度制御しているため、触媒層の温度が所定の温度になり、浄化率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るディーゼルエンジンの排気ガス脱硝装置の説明図である。
【図２】実施例に係る排気ガス脱硝装置と従来の排気ガス脱硝装置とのＮＯＸ  浄化率を比較する図である。
【図３】従来のディーゼルエンジンの排気ガス脱硝装置の説明図である。
【図４】排気ガスに含まれる還元剤炭化水素とＮＯＸ  浄化率との関係を示す図である。
【図５】触媒層温度と還元剤炭化水素の炭素数とＮＯＸ  浄化率との関係を示す図である。
【図６】酸素共存下における雰囲気温度において高分子炭化水素が分解されたときに生ずる炭化水素の炭素数を示す図である。
【図７】排気ガス温度と分解された還元剤炭化水素の炭素数および最適触媒層温度の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…ディーゼルエンジン、          ２６…触媒層、
１２…排気管、                      ２８…第２の温度センサ、
１４…熱交換器の冷却器、            ３０…コントローラ、
１６…排気ガス、                    ３４…冷却水量調節弁、
１８…燃料添加ノズル、              ４０…第１の温度センサ。
【図１】
0003607343.tif 000002
【図２】
0003607343.tif 000003
【図３】
0003607343.tif 000004
【図４】
0003607343.tif 000005
【図５】
0003607343.tif 000006
【図６】
0003607343.tif 000007
【図７】
0003607343.tif 000008