JPH0658058B2 - ディーゼル機関 - Google Patents

ディーゼル機関

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JPH0658058B2
JPH0658058B2 JP2061898A JP6189890A JPH0658058B2 JP H0658058 B2 JPH0658058 B2 JP H0658058B2 JP 2061898 A JP2061898 A JP 2061898A JP 6189890 A JP6189890 A JP 6189890A JP H0658058 B2 JPH0658058 B2 JP H0658058B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、大気の絶対湿度の季節変化による給気の乾湿
に伴って増減する排気中の窒素酸化物濃度を一定の低い
レベルまで減少できるディーゼル機関に関する。
〈従来の技術〉 排気ガス中の窒素酸化物濃度を減少させる装置として、
例えばボイラなどの排気ガスに適用される選択還元アン
モニア脱硝装置がある。この脱硝装置は、触媒を充填し
た容器内に空気を含む320〜450℃程度の排気ガス
を通すとともに、反応に必要かつ十分な量のアンモニア
ガスを注入し、下記の還元反応により排気ガス中のNO
を低減させるものである。
4NO+4NH+O→4N+6HO 〈発明が解決しようとする課題〉 ところが、上記従来の脱硝装置は、出力の大きいディー
ゼル機関には適用の可能性とメリットがある反面、構造
が比較的大規模で高価なため、中小型のディーゼル機関
には事実上適用が難しいという欠点がある。また、排気
中の窒素酸化物濃度は、給気の乾湿に伴って増減する特
性があるので、排気中のNOを一定レベルまで低減させ
るには、第7図に示すようにNH注入量を冬期に多く
なるように制御しなければならず、この制御が容易でな
い。さらに、脱硝装置を過給機よりも下流側の排気管に
設ける場合は、排気ガス加熱装置を設けるか、マッチン
グにより排気ガス温度を上昇させる必要があるため、実
質上燃費が増加したり、機関の信頼性が低下するという
問題がある。
さらに、国による排気ガス中のNOx排出基準値が、気筒
径400mm未満ではO2:13%換算で現在の950ppmであ
るが、地方自治体においては114ppmに厳しく規制さ
れる予定であり、中小型ディーゼル機関では現状の排気
NOxレベルからさらに、NOx濃度の低減が急務になってい
る。
そこで、本発明の目的は、選択還元アンモニア脱硝装置
にこの装置の脱硝負荷を低減し、かつアンモニア注入の
制御を容易化できる新規なNOx低減手段を組み合わせる
とともに、脱硝装置の配置を工夫することによって、季
節により変動する排気中のNOx濃度を上記規制値に近い
一定のレベルまで大幅に減少することができるディーゼ
ル機関を提供することにある。
〈課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するため、発明者らは、自らが最近提案
した給気への加湿によるNOx低減方法(特願昭63−3
31985号)に着目し、研究を重ねた結果、上記方法
が選択還元アンモニア脱硝装置の脱硝負荷の低減と、ア
ンモニア注入制御の容易化に最適であることを見出し、
本発明を構成するに至った。
即ち、本発明によるディーゼル機関は、設置環境におけ
る大気の絶対湿度の季節変化による給気の乾湿に伴って
増減する排気中の窒素酸化物濃度を一定の低レベルまで
減少できるものにおいて、上記ディーゼル機関の給気配
管系に設けられ、吸い込まれた大気に所定量の水分を加
えて加湿する加湿器と、上記ディーゼル機関の排気配管
系に設けられ、排気中の窒素酸化物をアンモニアと触媒
により還元する還元装置と、給気の絶対湿度と,機関の
運転条件で一義的に定まる給気温度と,使用燃料の比重
および窒素含有量の関数で定義されるNOx濃度の支配式
に出荷調整時における上記諸変数値を代入して関数値を
求める初期関数値算出手段と、求められた関数値を出荷
調整時のNOx規制値で乗じ,かつ運転時のNOx第1規制値
で除して運転時の関数値を求める運転時関数値算出手段
と、上記支配式に運転時の給気温度と使用燃料の比重お
よび窒素含有量を代入してその関数値が上記運転時の関
数値になり、かつ排気中の窒素酸化物濃度を上記NOx第
1規制値にせしめるような給気の絶対湿度を算出する基
準絶対湿度算出手段と、算出された基準絶対湿度と実測
または気象データとして与えられた運転時の大気の絶対
湿度との差およびディーゼル機関の出力に比例した加湿
量を算出し、算出した加湿量を表わす信号を上記加湿器
に出力する加湿量算出手段とを有する第1制御装置と、
排気中の窒素酸化物濃度を上記NOx第1規制値以下のNOx
第2規制値にするため排気に加えるべきアンモニア量を
ディーゼル機関の出力や上記加湿量に基づいて算出し、
このアンモニア量を表わす信号を上記還元装置に出力す
る第2制御装置を備えたことを特徴とする。
〈作用〉 第1制御装置の初期関数値算出手段は、NOx濃度の支配
式に出荷調整時における給気の絶対湿度,給気温度,使
用燃料の比重および窒素含有量の値を代入して出荷調整
時の関数値を求める。
次いで、運転時関数値算出手段は、求められた関数値を
出荷調整時のNOx規制値で乗じ,かつ運転時のNOx第1規
制値で除して運転時の関数値を求める。さらに、基準絶
対湿度算出手段は、上記支配式に運転時の給気温度と使
用燃料の比重および窒素含有量を代入してその関数値が
上記運転時の関数値になり、かつ排気中の窒素酸化物濃
度を上記運転時のNOx第1規制値にせしめるような絶対
湿度を算出する。最後に、規制装置の加湿算出手段は、
算出された基準絶対湿度と運転時の大気の絶対湿度との
差およびディーゼル機関の出力に比例した加湿量を算出
し、算出した加湿量を表わす信号を加湿器に出力する。
加湿器は、ディーゼル機関の給気配管系に吸い込まれた
大気に、上記信号に対応する量の水分を加えて給気を加
湿する。
こうして、運転時の大気の絶対湿度が、基準絶対湿度を
下回ると、その差および機関出力に比例した水分が給気
に加えられるので、排気中のNOx濃度は、常に季節変動
最小値以下の上記NOx第1規制値まで減少する。
一方、アンモニア量を制御する第2制御装置は、排気中
の窒素酸化物濃度を上記NOx第1規制値以下のNOx第2規
制値にするため排気に加えるべきアンモニア量を、機関
出力や上記加湿量に基づいて算出し、このアンモニア量
を表わす信号を還元装置に出力する。
上記アンモニア量は、機関出力の増加と共に僅に増加す
るものの、季節変動のない一定値であり、還元装置でこ
の量のアンモニアが加えられた排気は、上記NOx第1規
制値からさらにNOx第2規制値まで減少する。かくて、
大気に排出される排出ガス中のNOx濃度は、厳しいNOx排
出基準値に適合することになる。
〈実施例〉 以下、本発明を図示の実施例により詳細に説明する。
第1図は本発明のディーゼル機関の一実施例を示す概略
図であり、1は給気管2と排気管3を備えたエンジン本
体、4はこのエンジン本体1の燃料ラックの変位を検出
する出力センサとしてのラック目盛センサ、5は上記給
気管2の入口に圧縮機5aを、排気管3の出口にこの圧縮
機に連結するタービン5bを夫々配置してなる過給機、6
はこの過給機5の下流側の給気管2に介設した空気冷却
器、7は流量制御弁7aを制御する第1制御装置を内蔵
し、上記空気冷却器6の上流側の給気管2に水蒸気また
は微粒化された水滴を供給して、給気を加湿する加湿器
である。
また、8は流量制御弁8aを介して排気管3にアンモニア
ガスを供給するボンベ、9は上記流量制御弁8aを制御す
る第2制御装置、10は過給機5の上流側の排気管3の
一部をなすバイパス管3aに並列に接続され、内部に充填
した触媒によりアンモニアを含む排気ガス中から窒素酸
化物(NOx)を還元する還元装置、11は還元装置10
とバイパス管3aとに分流する排気ガスの流量比を制御す
る分流弁である。
上記加湿器7内のコンピュータからなる第1制御装置
は、後述する初期関数値算出手段,運転時関数値算出手
段,基準絶対湿度算出手段,加湿量算出手段を有して、
図示しない絶対湿度センサが検出したあるいは予め気象
データとして与えられた大気の絶対湿度Xおよびラック
目盛センサ4が検出した機関出力Lに基づいて、排気中
の窒素酸化物濃度を、第3図に示す季節変動最小値Cmin
以下の一定レベルであるNOx第1規制値C1 *にするために
給気に加えるべき加湿量Yを算出し、この加湿量Yを表
わす信号を流量制御弁7aに出力するようになっている。
加湿量Yの算出手順を次に述べる。
即ち、上記コンピュータは、下記の関数で定義される排
気中のNOx濃度を支配する値Kを算出するプログラムを
有する。
K=K(X,Tb,γ,y)…(1) 但し、X:給気の絶対湿度 Tb:機関の標準運転条件で一意的に決まる給気温度 γ:使用燃料の比重あるいは着火性を示す指標 y:燃料中の窒素含有量を表わす変数 そして、コンピュータは、初期関数値算出手段として、
機関出荷調整時の上記各変数X0,Tb0,γ,y0を(1)式
に代入して初期設定値Kを算出すると共に、運転時関
数値算出手段として、このK値とNOx還元装置なしの
出荷調整時のNOx濃度の規制値C0 *との積を、運転時の目
標値たる上記NOx第1規制値C1 *で割って運転時の目標値
Ksを算出する。次に、コンピュータは、基準絶対湿度算
出手段として、運転に先立って入力される条件値Tb,
γ,yを(1)式に代入してK(X,Tb,γ,y)が上
記目標値Ksになるような基準絶対湿度Xを算出する。
更に、加湿量算出手段として、上記基準絶対湿度X
ら運転中に絶対湿度センサが検出した(あるいは予め気
象データとして与えられた)大気の絶対湿度Xを減算し
た後、ラック目盛センサ4が検出した機関出力Lが設定
値L(第4図参照)以下か否かを判断し、L≧L
判断したとき、上記減算結果(X−X)及び機関出力
Lと比例関係にある上記加湿量Yを(Y=f(L,X))を算
出して、算出した加湿量Yを表わす信号を流量制御弁7
aに出力するのである。
こうして、算出された加湿量Yは、第4図の直線Aで示
す冬期の最大値から直線Bで示す夏期の最小値の間の機
関出力Lに比例する一定勾配の直線として得られ、機関
出力LがL以上になると加湿が開始される。そして、
給気管2内の給気に上記加湿量Yの水蒸気等が加えられ
ると排気中のNOx濃度は、第3図の季節的変動を示す曲
線Cから目標値たる一定レベルであるNOx第1規制値C1 *
まで減少することになる。
一方、アンモニアガス量を制御する第2制御装置9は、
ラック目盛センサ4が検出した機関出力Lに基づいて、
排気中のNOx濃度を上記NOx第1規制値C1 *以下のNOx第2
規制値C2 *にするため排気に加えるべきアンモニア量Z
(Z=g(Y,L))を算出し、このアンモニア量Zを表わす
信号を流量制御弁8aに出力するようになっている。上記
アンモニア量Zは、機関出力Lの増加と共に僅かに増加
するものの、季節的変動のない一定値であり、排気管3
内の排気にこの量Zのアンモニアが加えられて還元装置
10を通過すると、排気中のNOx濃度は、第3図の直線C
1 *からさらに一定許容レベルC2 *まで減少することにな
る。
第2図は、上記実施例におけるNOx低減技術の複合化の
基本概念を示している。排気中のNOx濃度と燃料消費率b
eの関係は、図中の曲線Dで示すように噴射時期が矢印
E方向に遅延する程、即ちbeが増加する程減少する。そ
こで、燃料消費率beが悪化しない適当に低いNOx濃度の
点Pを選び、燃焼マッチングや高圧縮比の採用で機関
の燃焼改善を行なってbeを点Pまで向上させる。次
に、加湿器7で給気を上述の如く加湿することによりNO
x濃度を一定レベルの点C1 *まで低減し、さらに制御装置
9で排気にアンモニアを供給し、還元装置10で選択還
元アンモニア脱硝を行なうことによりNOx濃度を一定許
容レベルの点C2 *まで低減して、厳しいNOx排出基準値を
達成せんとするのである。
上記構成のディーゼル機関の脱硝動作について、第5図
のフローチャートを参照しつつ次に述べる。
ステップS1において、ラック目盛センサ4により検出
されたエンジン本体1の機関出力信号Lが、加湿器7内
の第1制御装置たるコンピュータと第2制御装置9に入
力されるとともに、絶対湿度センサまたは気象データに
よるその時期(季節)の大気の絶対湿度信号Xが、上記
コンピュータに入力される。上記コンピュータは、ステ
ップS2で機関出力信号Lと絶対湿度信号Xに基づい
て、排気中のNOx濃度を季節変動最小値Cmin以下のNOx第
1規制値C1 *(第3図参照)にするために給気に加える
べき加湿量Yを算出し、機関出力がLを超えたとき算
出した加湿量Yになるように流量制御弁7aを制御して、
給気管2内の給気を加湿する。次に、第2制御装置9
は、ステップS3で機関出力信号Lに基づいて、排気中
のNOx濃度をNOx第2規制値C2 *(第3図参照)にするた
めに排気に加えるべきNH量Zを算出し、機関出力が
を超えたとき、算出したNH量Zになるように流
量制御弁8aを制御して、排気管3内の排気にNHを供
給する。還元装置10を通過することにより、排気ガス
中のNOxは供給されたNH量に応じてNに還元さ
れ、ステップS2の加湿により一定レベルC1 *まで低減
している排気中のNOx濃度は、さらに一定許容レベルC2 *
まで低減せしめられる。こうして、過給機5のタービン
5bを経て大気に排出される排気ガス中のNOx濃度は、厳
しいNOx排出基準値C2 *に適合することになる。
本発明では、加湿器7によりNOx濃度を季節変動最小値C
min以下の一定レベルC1 *まで低減しているので、還元装
置10を小型化して過給機5の上流側に設けることがで
きるうえ、NH注入量を年間に亘って一定にして注入
量制御を簡素化でき、しかも厳しい排出基準への規制を
正確かつ容易に行なえるという利点がある。また、上記
実施例では、還元装置10を過給機5の上流側に設けて
いるので、高温の排気ガスにより機関の中低負荷時には
予熱装置がなくとも触媒反応の活性化が図れて、脱硝効
率が大幅に向上し、運転負荷範囲を拡大することができ
る。なお、機関が低負荷で排気中のNOx濃度が低い場合
や媒の多い場合は、流量制御弁8aを止めてNHの注入
を停止し、分流弁11を調整して排気ガスをバイパス管
3aに導くことにより、還元装置10内の触媒の耐用年数
を延ばすことができる。
第6図は、本発明のディーゼル機関の他の実施例を示し
ている。この実施例は、第1の実施例の還元装置10を
過給機5の下流側に移し、還元装置10にボンベ8から
流量制御弁8aを経て直接NHを注入するとともに、加
湿器7からの加湿量Yを表わす信号を受ける制御装置9
で上記流量制御弁8aを制御するようにした点を除いて、
第1図の実施例と同じであり、同じ部材には同一番号を
付している。
この実施例は、加湿器7をNOx低減の主たる手段として
用いて、これによりNOx濃度を第3図のレベルC1 *以下の
一定レベルにまで下げ、第1図に比べて下流側ゆえ脱硝
効率の劣る還元装置10を補助手段として用いて、第3
図の一定許容レベルC2 *を達成するもので、各部材の動
作は前述の実施例と基本的には同じである。従って、還
元装置10の脱硝効率の大幅向上はないが、その分過給
機5の効率が向上するとともに、前述と同様、還元装置
10の小型化とNH注入量制御の簡素化と正確化が図
れ、加湿器7と還元装置10による脱硝負荷の分担で運
転負荷範囲を拡大することができる。
なお、本発明が実施例に限られないのはいうまでもな
い。
〈発明の効果〉 以上の説明で明らかなように、本発明のディーゼル機関
は、設置環境の絶対湿度の季節変化に伴って乾湿する大
気を吸入する給気管系に、給気を加湿する加湿器を設け
る一方、排気管系に排気中の窒素酸化物をアンモニアと
触媒により還元する還元装置を設けるとともに、給気の
絶対湿度と,機関の運転条件で一義的に定まる給気温度
と,使用燃料の比重および窒素含有量の関数で定義され
るNOx濃度の支配式に出荷調整時における上記諸変数値
を代入して関数値を求める初期関数値算出手段と、求め
られた関数値を出荷調整時のNOx規制値で乗じ,かつ運
転時のNOx第1規制値で除して運転時の関数値を求める
運転時関数値算出手段と、上記支配式に運転時の給気温
度と使用燃料の比重および窒素含有量を代入してその関
数値が上記運転時の関数値になり、かつ排気中の窒素酸
化物濃度を上記NOx第1規制値にせしめるような給気の
絶対湿度を算出する基準絶対湿度算出手段と、算出され
た基準絶対湿度と実測または気象データとして与えられ
た運転時の大気の絶対湿度との差およびディーゼル機関
の出力に比例した加湿量を算出し、算出した加湿量を表
わす信号を上記加湿器に出力する加湿量算出手段とを有
する第1制御装置と、排気中の窒素酸化物濃度を上記NO
x第1規制値以下のNOx第2規制値にするため排気に加え
るべきアンモニア量をディーゼル機関の出力や上記加湿
量に基づいて算出し、このアンモニア量を表わす信号を
上記還元装置に出力する第2説明装置を備えているの
で、加湿器で排気ガス中の窒素酸化物濃度の季節変動を
なくして一定の低レベルにし、これにより還元装置の小
型化と簡素かつ正確な脱硝制御を実現し、運転負荷範囲
を拡大することができ、将来の厳しい窒素酸化物排出基
準への適合が可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のディーゼル機関の一実施例を示す概略
図、第2図は上記実施例におけるNOx低減技術の複合化
の基本概念を示す図、第3図は排気ガス中のNOx濃度の
季節変化を示す図、第4図は機関出力と加湿量の関係を
示す図、第5図は上記実施例の脱硝動作を示すフローチ
ャート、第6図は本発明の他の実施例を示す概略図、第
7図は従来の脱硝装置へのNH注入量の季節変動を示
す図である。 1…エンジン本体、2…給気管、3…排気管、4…ラッ
ク目盛センサ、5…過給機、7…加湿器、7a,8a…流量
制御弁、8…タンク、 9…制御装置、10…還元装置。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】設置環境における大気の絶対湿度の季節変
    化による給気の乾湿に伴って増減する排気中の窒素酸化
    物濃度を一定の低レベルまで減少できるディーゼル機関
    において、 上記ディーゼル機関の給気配管系に設けられ、吸い込ま
    れた大気に所定量の水分を加えて加湿する加湿器と、 上記ディーゼル機関の排気配管系に設けられ、排気中の
    窒素酸化物をアンモニアと触媒により還元する還元装置
    と、 給気の絶対湿度と,機関の運転条件で一義的に定まる給
    気温度と,使用燃料の比重および窒素含有量の関数で定
    義されるNOx濃度の支配式に出荷調整時における上記諸
    変数値を代入して関数値を求める初期関数値算出手段
    と、求められた関数値を出荷調整時のNOx規制値で乗
    じ,かつ運転時のNOx第1規制値で除して運転時の関数
    値を求める運転時関数値算出手段と、上記支配式に運転
    時の給気温度と使用燃料の比重および窒素含有量を代入
    してその関数値が上記運転時の関数値になり、かつ排気
    中の窒素酸化物濃度を上記NOx第1規制値にせしめるよ
    うな給気の絶対湿度を算出する基準絶対湿度算出手段
    と、算出された基準絶対湿度と実測または気象データと
    して与えられた運転時の大気の絶対湿度との差およびデ
    ィーゼル機関の出力に比例した加湿量を算出し、算出し
    た加湿量を表わす信号を上記加湿器に出力する加湿量算
    出手段とを有する第1制御装置と、 排気中の窒素酸化物濃度を上記NOx第1規制値以下のNOx
    第2規制値にするため排気に加えるべきアンモニア量を
    ディーゼル機関の出力や上記加湿量に基づいて算出し、
    このアンモニア量を表わす信号を上記還元装置に出力す
    る第2制御装置を備えたことを特徴とするディーゼル機
    関。
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