JPH09504591A - 燃焼排気ガス清浄システムと方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、比較的大型の希薄ガス燃焼ディーゼルエンジンからの排気ガスを清浄化するのに特に適している。コンピュータ制御噴射器(20)は、最適量の窒素酸化物低減流体をエンジン(12)からの排気ガス通路(11)に断続的に噴射する。最適量は、与えられたエンジン作動状態と排気ガス温度に最適な窒素酸化物低減量を達成する量に相当する。コンピュータ(16)はエンジン作動状態と排気ガス温度を周期的に検出し、適切な噴射量を計算する。適当な脱窒素酸化物及び酸化触媒が噴射器(20)の下流側に配置された状態で、本発明の排気ガスの窒素酸化物の含有量を相当に低減させ炭化水素エミッションを許容可能なレベルに維持する能力を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 燃焼排気ガス清浄システムと方法 技術分野 本発明は、一般的に燃焼排気ガス清浄システムに関する。より詳細には、本発 明は、希薄ガス燃焼エンジンからの排気ガスのための高温窒素酸化物（ＮＯｘ） 低減システムに関する。本発明の背景 主として連邦政府の規制のために、エンジン製造メーカは燃焼排気ガスの有害 な化合物の量を低減させることが課せられている。ディーゼル及び所定の火花点 火型エンジンを含む希薄ガス燃焼エンジンにおいて、窒素酸化物の濃度を効率的 に低減させるために、炭化水素（ＨＣ）類を排気ガス内に噴射しなければならな いことが多い。即ち、３％以上の濃度の酸素環境を有する燃焼排気ガス清浄シス テムにおいて、窒素酸化化合物を許容可能な低減レベルにするために、ある種の 一般的には、炭化水素化合物のような還元剤が排気ガス内に導入されなければな らない。炭化水素は様々な方法で導入されるが、一般的には適当な脱窒素酸化物 触媒コンバータの上流側で排気ガスに連続して噴射される。不運なことに、多く の現在世界で使用されているシステムにおいて、炭化水素を連続して排気ガス内 に導くことは必ずしも実用的であるとは限らない。連続噴射システムでは、一般 的に、エンジンの全作動範囲にわたって十分に作動する際に相当な困難性を有す ることも多い。さらにこれらの連続システムは、今日のディジタル式エンジン制 御システムによる制御に適さないことが多い。 制御が容易になされ、エンジンの全作動範囲にわたって効率的に作動し、排気 ガスにおける窒素酸化化合物を十分に低減させる排気ガス清浄システムが必要と される。本発明の概要 この必要性に応じて、本発明の一実施例は、排気ガス通路を通って流れる燃焼 源からの燃焼排気ガスの窒素酸化物の含有量を減少させる方法からなる。この方 法は、燃焼源の一部の作動範囲と排気ガス温度の範囲内で窒素酸化物減少流体の 最適な噴射量を予め決定する初期段階を含む。最適な量とは、燃焼源（例えばエ ンジン）の作動状態と排気ガスの温度との特定の組合せにおいて窒素酸化物を最 大に減少させる量である。脱窒素酸化物触媒が、排気ガス通路内に配置されてい る。作動時において、排気ガスの温度が周期的に計測されて、燃焼源の作動状態 が周期的に判定される。噴射量が所定の最適量、排気ガスの計測された温度及び 燃焼源の判定された作動状態に基づいて周期的に計算される。最終的に窒素酸化 物減少流体の噴射量が脱窒素酸化物触媒から上流側において排気ガス通路に周期 的に噴射される。 本発明のシステムの実施例では、燃焼排気ガス源に接続された一端を有する排 気ガス通路を備える。脱窒素酸化物触媒が排気ガス通路内に配置されており、噴 射器が、脱窒素酸化物触媒の上流側で排気ガス通路上に取り付けられている。噴 射器は、ある量の窒素酸化物減少流体を排気ガス通路に周期的に噴射する能力を 有する。窒素酸化物減少流体を保持するタンクがパイプを介して噴射器に接続さ れている。燃焼源の作動状態を判定するための所定の手段が設けられており、排 気ガス通路内の排気ガスの温度を計測するための所定の手段が設けられている。 コンピュータが作動状態判定手段、温度計測手段、及び噴射器との連絡を維持す る。コンピュータは噴射器を制御する能力を有する。 燃焼排気ガスの構成化合物が特定のエンジンの作動範囲内で様々に変わるとい うことと、清浄化するためのこれらの化合物の作用が排気ガスの温度によってか なり変わるということがエンジニアに長い時期にわたって知られてきた。その結 果、炭化水素を排気ガスに噴射することを利用して、窒素酸化化合物を減少させ る殆どの排気ガス清浄システムでは、一般的に排気ガス温度の限られた範囲内で 最適に作動できるように設計されている。即ち、今日の排気ガス清浄システムの 殆ど、或いはいずれもがエンジンの全作動範囲内で、そして広い範囲の排気ガス 温度内で効率的に作動する能力を有していない。本発明は、適切に制御された炭 化水素噴射排気ガス清浄システムがエンジンの全作動範囲及び殆どの排気ガス温 度範囲内で窒素酸化物を相当低減できるという前提に基づく。 本発明の一目的は、燃焼源の全作動範囲にわたって窒素酸化物の低減を改善す ることである。 本発明の他の目的は、希薄ガス燃焼エンジンにおける排気ガス清浄を改善する ことである。 本発明のさらに他の目的は、排気ガス温度の所定の範囲内で最適な窒素酸化物 の低減を達成することである。 本発明の別の目的は、改善された燃焼排気ガス清浄システムと方法を提供する ことである。図面の簡単な説明 図１は、本発明の好ましい実施例に関する燃焼排気ガス清浄システムの概略図 である。 図２は、所定範囲の作動状態と排気ガス温度に対する最適な炭化水素噴射量の 経験的な表である。 図３は、本発明の一態様に関する間欠噴射器のための噴射制御信号対時間のグ ラフである。 図４は、本発明のための好ましいソフトウェア制御ロジックを表すブロック線 図である。 図５は、本発明の一態様に関する液体冷却噴射器及びハウジングブロックの部 分断面前図である。 図６は、本発明の他の態様に関する空気混合噴射器の断面前図である。好ましい実施例の詳細な説明 まず図１を参照すると、本発明の好ましい実施例に関する排気ガス清浄システ ム１０を内燃エンジン１２に使用した状態で示す。現在、本発明は、キャタピラ ー３５００シリーズディーゼルエンジンのような希薄ガス燃焼エンジンに関して 最良の用途であることがわかる。排気ガスがエンジン１２から出て触媒コンバー タ１３への途中排気ガス通路１１を通って、最終的に出口１４から出る。触媒コ ンバータ１３は、ゼオライトＺＳＭ５または貴金属がベースの触媒、またはこれ らの組合せのような脱窒素酸化物触媒を含む。多くの用途において、脱窒素酸化 物の下流側に公知の種類の酸化触媒を含むことも好ましい。希薄ガス燃焼ディー ゼルエンジンに関する好ましい実施例において、脱窒素酸化物触媒及び酸化触媒 の間に３元触媒を含むことによって、排気ガスが脱窒素酸化物触媒を通過した後 に存在する好ましくないニトロゲン化合物の低減を効率的に促進する。排気ガス がエンジン１２から出ると、所定量の炭化水素２５が排気ガス通路１１に噴射器 ２０により噴射される。炭化水素を付加することによって脱窒素酸化物触媒を通 った後、窒素酸化物化合物の低減を最大８０％高めることができる。次いで排気 ガスは、酸化触媒（図示せず）を通り、殆ど残余した未燃焼炭化水素からなる排 気ガスを清浄する。排気ガスが出る出口１４では窒素酸化物が相当に減少してお り、また十分なレベルの炭化水素エミッションを達成する。 ディーゼルエンジンの排気ガスの環境における温度が故障なしに６５０°Ｃに 達することができるので、エンジンの冷却システム１５は、パイプ２４を介して クーラントを循環させ、連続して噴射器２０を冷却する。噴射器２０は、排気ガ ス温度及びエンジン１２の作動状態に基づいて最適量の炭化水素２５を導く能力 を有するように設計されている。最適量という用語は、噴射されるべき炭化水素 の量を不必要に増大させることなく、与えられた排気ガス温度と作動状況に対し て全体の窒素酸化物の低減を最大にする量のことをいう。このことは、接続部２ １を介して噴射器２０を制御する能力を有するコンピュータ１６を用いることに よって達成される。コンピュータ１６は、温度センサ２２によって排気ガス温度 を周期的に判定し、センサ２３によってエンジン１２の作動状態を監視する。モ ータ車両の用途において、エンジン回転数／毎分（ｒｐｍ）、伝動装置、車両速 度のような、車両全体の作動状況をコンピュータ１６が周期的に判定するのが好 ましい。これらの付加的なセンサーは排気ガスの清浄化が車両の作動状況ととも に特定のエンジンの作動状況に影響を与えることがわかっているような場合に好 ましい。 エタノールが好ましいが、公知の適当な脱窒素酸化物低減流体である炭化水素 ２５がタンク２６内に蓄積されており、パイプ２７を通って噴射器２０に運ばれ る。ポンプ３０は、パイプ２７を加圧するのに用いられ、圧力調整器３１は、噴 射器２０にかかる圧力を所定レベルに維持する。炭化水素２５は、噴射器２０へ の途中でフィルタ２８、２９を通り、システム１０が作動時には、その一部分が 調整器３１を通って再循環しタンク２６に戻る。 排気ガスの窒素酸化物の含有量は、エンジン作動状態の大きな要因であり、こ れらの２つの変数の関係は、エンジンの形状で変わり予想することができない。 さらに、窒素酸化物の減少となる化学反応は、排気ガス温度に影響を受けるが、 この関係も、また非線形であり、今日の成形用ツールでは十分に予測できない。 従って、本発明の好ましい実施例において、与えられたエンジン形状に対する経 験的データが得られ、コンピュータ１６内のメモリ位置に連続して記憶される。 即ち、複数のエンジン作動状態において排気ガス温度の所定範囲内で、与えられ たシステムにとって最適な炭化水素噴射量が経験的に求められる。このような経 験的な表の例が図２に示されている。表の各要素は、特定の作動状態と排気ガス 温度に対して最適な炭化水素噴射量を含む。このように、比較的単純なソフトウ ェアでコンピュータ１６は、検出された排気ガス温度とエンジン作動状態に基づ いて最適な噴射量に対応するように噴射器２０の噴射量を周期的に調整できる。 好ましい実施例において、噴射器２０は、２つの作動状態オン、オフのみを有 する間欠噴射器である。しかしながら、圧力調整器３１は、噴射器２０上で定圧 で炭化水素２５を維持するので、噴射器２０からの炭化水素２５の流量は既知定 数である。噴射の頻度は、最適な変換効率と噴射寿命との間のトレードオフとし て選択される。より高頻度の噴射が、変換をより効率的にするが、噴射サイクル 数の増大のために噴射寿命がより短くなる。現在、少なくとも１ヘルツの噴射周 波数が好ましいことがわかった。 図３は、Δｔの噴射サイクルの時間長さにおいて作動する間欠噴射器２０の噴 射制御信号の誇張例を示す。噴射器の流量が一定であるために、与えられた時間 長さΔｔに対して排気ガスに噴射された炭化水素量は、その時間の長さに対して どれだけの間、噴射器がオン状態であったかの関数にすぎない。噴射オンタイム ４０がグラフに示すように早く変わるということはいないので、図３では、誇張 されているといえる。現在世界中で使用されているシステムにおいて、コンピュ ータがエンジン作動状態または排気ガス温度において変化を検出した場合には、 噴射オンタイムのみが変わる。好ましい実施例において、図２の表からの経験的 なデータが、各噴射サイクルに対応する噴射オンタイムの増分に変換される。こ の方法において、コンピュータは単に、エンジンの作動状態を検出し、排気ガス 温度を計測し、コンピュータメモリ内に記憶された表からの最適噴射オンタイム を求める。次いで、コンピュータは、最適噴射量表から読み取られた時間長さに 対する次の噴射サイクルにたいしてオンするように噴射器に命令する。 ある用途において、前述したように、ルックアップ表の代わりとしてコンピュ ータによって用いられる曲線当てはめ式に経験的データを変換することが望まし い。このような場合、噴射オンタイムは、検出されたエンジン作動状態と排気ガ ス温度を用いて曲線当てはめ関数によって計算される。本発明は、間欠噴射器に 用いるものとして図示されているが、当業者であれば、流量を変える能力を備え た連続噴射器にも本発明に従って用いることができることが明白である。 図４は、炭化水素噴射器を制御するソフトウェアブロック線図の例である。第 １段階として、コンピュータは、エンジンがオン状態であり、暖機されているか どうかを確かめる。エンジンがまだ暖機されていない場合には、エンジンを暖機 できる時間の間、噴射の作動を遅らせる。次いで、コンピュータはエンジン作動 状態をエンジンセンサ２３（図１参照）から読み取り、温度センサ２２から排気 ガス温度を読み取り、上述したように最適な噴射量を計算する。次いで、噴射量 がゼロよりも大きい場合には、ポンプ要求フラグが作動する。ポンプ要求フラグ がオン状態になると、炭化水素圧がオーケーとなりエンジンが暖機され、コンピ ュータがポンプ３０にオンするように命令する。炭化水素サブシステムが故障し ていなければ、炭化水素圧がオーケーとなり、エンジンが暖機され、コンピュー タが噴射器に最適量を噴射するように命令する。最後に、炭化水素供給システム または噴射器のいずれもが作動しなかった場合には、排気ガス清浄システムがメ ンテナンスを必要とすることを警告するために、適当な内部コンピュータフラグ と外部インジケータが作動する。次いで、ソフトウェアがこれを繰り返す。計算 サイクルが噴射サイクルよりも相当速い可能性がある。従って、命令された最適 噴射量が複数の計算サイクルに対して平均が取られ、単一の噴射サイクルに相当 する。 図５を参照すると、本発明の一実施例に関する液体冷却噴射器２０が示されて いる。噴射器２０は主に、脱窒素酸化物減少流体供給ヘッド５０、複数の従来の 自動式噴射器５１及び噴射ブロック５２からなる。炭化水素は、パイプ２７ａに よってヘッド５０に供給され、再循環パイプ２７ｂを介して炭化水素供給タンク に戻るように再循環される。噴射器５１は、標準的な噴射器先端の代わりに高温 噴射器先端を含んで特定の高温シールド５９が加えられており、ディーゼル排気 ガス内で受ける高温から噴射先端を保護するようになっていることを除けば、一 般的な間欠自動式噴射器である。特定の好ましい一実施例において、シールド５ ９は、軟鋼から構成されており、置き換えられた高温先端は、高温プラスチック から構成されている。噴射器熱シールド５９は噴射ブロックに機械加工されてい るのが好ましく、或いは別個の部品として機械加工されて、噴射器ボアに圧縮さ れたり、溶接されたりするのが好ましい。 噴射器ブロック５２は、ボルト６２によって下側部分５３と組み立てられる。 下側部分５３は、環状ブラケット５６とチューブクランプ５７によって供給パイ プ５４に結合される。供給パイプ５４は、開口５５で排気ガス通路１１に開く。 クーラント流体が環状チャンバ５８のまわりを循環することが重要である。クー ラントは入口６１を介して供給され、噴射器先端のまわりを循環し、出口６０を 介してエンジン冷却システムに戻るように出る。噴射ブロック５２の流体冷却と 噴射器先端熱シールド５９を組み合わせることによって、従来のディーゼルエン ジンの高温排気ガス環境内で、従来の自動式噴射器を用いることができる。 図６は、混合気を用いて噴射器先端７６を許容可能な温度に維持する別の噴射 器設計７０を示す。先の実施例のように、噴射器７０は、内部供給チューブ７８ を介して自動式噴射器５１に加圧された脱窒素酸化物減少流体を連続して循環さ せる窒素酸化物低減流体供給ヘッド７１を含む。ヘッド部分７１は、下側ブロッ ク部分７３に、ボルトのような従来の方法で結合されるが、ガスケット７２によ って分離されている。前述した実施例において、自動噴射器５１は、公知の種類 のものであるので、比較的冷たい空気が空気供給ノズル７４から噴射器先端７６ 上を連続して通るために、保護用熱シールド、または代わりの先端も本実施例で は用いられていない。炭化水素と空気の混合気７５が、噴射供給導管７７を介し て排気ガス通路（図示せず）に供給される。炭化水素は、起きうる可能性のある 詰まりの問題を解決するために、排気ガスの流れに対して垂直に、または下流側 に噴射されるのが好ましい。 好ましい実施例のみを示して記載してきたが、多くの他の実施例は本発明の完 全な範囲内にあることがわかる。例えば、上述したように連続噴射器を適当なソ フトウェアを変更して間欠噴射器に置き換えてもよいし、公知の多くの異なる脱 窒素酸化物低減流体を上記で教唆したエタノールの代わりに置き換えたり、利用 してもよい。いずれにしろ、上述の実施例は単に本発明の例であり、本発明の範 囲は、以下の請求の範囲に関してのみ定義される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１ 9538−4Ｄ Ｂ０１Ｄ 53/36 １０１Ａ (72)発明者 スミス アーロン エル アメリカ合衆国 イリノイ州 61611 イ ースト ピオーリア シモン ドライヴ 328 (72)発明者 ホワイト スコット ティー アメリカ合衆国 イリノイ州 61611 イ ースト ピオーリア スタイナー アベニ ュー 114 (72)発明者 リアネド ダニエル ジェイ アメリカ合衆国 イリノイ州 61614 ピ オーリア ノース タムピコ ドライヴ 5808

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃焼排気ガス源に接続された一端を有する排気ガス通路(11)と、 該排気ガス通路(11)内に配置された脱窒素酸化物触媒と、 該脱窒素酸化物触媒の上流側で前記排気ガス通路(11)上に取り付けられてお り、所定量の窒素酸化物低減流体を前記排気ガス通路(11)内に噴射できる噴射器 (20)と、 前記窒素酸化物低減流体を保持できるタンク(26)と、 前記噴射器(20)と前記タンク(26)との間に接続されており、前記窒素酸化物 低減流体を前記タンク(26)から前記噴射器(20)に搬送できるパイプ(24)と、 前記燃焼排気ガス源の作動状況を判定する手段(23)と、 前記排気ガス通路(11)内の前記排気ガス内の温度を計測する手段(22)と、 前記判定手段(23)と、前記計測手段(22)及び前記噴射(20)とを連絡し、該噴 射器(20)を制御できるコンピュータ(16)と、 が設けられた燃焼排気ガス清浄システム(10)。 ２．前記パイプ(27)に取り付けられた、該パイプ(27)内の前記窒素酸化物低減流 体を加圧するための手段(30)を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃 焼排気ガス清浄システム(10)。 ３．前記噴射器(20)は、開いた作動状態と閉じた作動状態の２つのみの作動状態 を有しており、 前記コンピュータ(16)は、各計算サイクル中、前記噴射器(20)が前記開いた 状態と前記閉じた状態にある時間の長さを制御し、 前記システム(10)は、前記開いた状態のときに前記噴射器(20)を一定の流量 に維持するための手段(31)を備えていることを特徴とする請求項２に記載の燃焼 排気ガス清浄システム(10)。 ４．前記維持手段(31)は、前記パイプ(27)に取り付けられた噴射供給圧調整器を 含んでいることを特徴とする請求項３に記載の燃焼排気ガス清浄システム(10)。 ５．前記計算サイクルは、少なくとも１ヘルツであることを特徴とする請求項３ に記載の燃焼排気ガス清浄システム(10)。 ６．前記排気ガス通路(11)に入る前に、前記窒素酸化物低減流体と空気を混合す る手段を備えていることを特徴とする請求項３に記載の燃焼排気ガス清浄システ ム(10)。 ７．前記窒素酸化物低減流体はエタノールであることを特徴とする請求項３に記 載の燃焼排気ガス清浄システム(10)。 ８．前記噴射器(20)は、噴射ブロック(52)を含んでおり、 前記システム(10)は、クーラント流体を前記噴射ブロック(52)と接触するよ うに循環させる手段を含んでいることを特徴とする請求項３に記載の燃焼排気ガ ス清浄システム(10)。 ９．排気ガス通路(11)を通って流れる燃焼源からの燃焼排気ガスの窒素酸化物の 含有量を低減させる方法(10)において、 燃焼源の一部の作動範囲内で、排気ガス温度の範囲内で窒素酸化物低減流体 の最適な噴射量を予め決定し、 脱窒素酸化物触媒を前記排気ガス通路(11)内に配置し、 前記排気ガスの温度を計測し、 前記燃焼源の前記作動状態を判定し、 前記所定の最適量と、前記排気ガスの計測された温度と、前記燃焼源の判定 された作動状況に基づいて噴射量を計算し、 前記窒素酸化物低減流体の噴射量を前記脱窒素酸化物触媒の上流側で前記排 気ガス通路(11)内に噴射する、 段階からなる方法(10)。 10．前記最適量は、与えられた燃焼源に対して経験的に予め設定されることを特 徴とする請求項９に記載の窒素酸化物低減方法。 11．前記計算段階を実行するコンピュータ(16)にアクセス可能なメモリ位置に前 記所定の最適量を記憶する段階を備えていることを特徴とする請求項10に記載の 窒素酸化物低減方法。 12．前記計算段階は、 前記メモリ位置をアクセスし、 前記排気ガスの計測された温度と、前記燃焼源の判定された作動状況に最も 密接に対応する最適量がどれかを選択し、 前記噴射段階の間、前記噴射器(20)の前記作動状態を制御し、前記次の計算 サイクルに対して、前記選択された最適量の窒素酸化物低減流体を前記排気ガス に送る、 段階を含むことを特徴とする請求項11に記載の窒素酸化物低減方法。 13．前記噴射器(20)は、前記窒素酸化物低減流体が一定の流量で噴射される開い た状態と、いかなる窒素酸化物低減流体も噴射されない閉じた作動状態の２つの 作動状態のみを有しており、 前記計算段階は、前記選択された最適量の窒素酸化物低減流体を前記排気ガ スに送るために、前記次の計算サイクルに対して、前記噴射器(20)が前記開いた 作動状態にあるべき時間の長さを計算する段階を含んでいることを特徴とする請 求項12に記載の窒素酸化物低減方法。