特許 6019594 脱硝装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6019594

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】脱硝装置

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/08 20060101AFI20161020BHJP

   F02B 23/10 20060101ALI20161020BHJP

   F02B 25/04 20060101ALI20161020BHJP

   B01D 53/94 20060101ALI20161020BHJP

   B01D 53/90 20060101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   F01N3/08 G

   F02B23/10 F

   F02B25/04

   B01D53/94 222

   B01D53/94 400

   B01D53/90

【請求項の数】3

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-15419(P2012-15419)

(22)【出願日】2012年1月27日

(65)【公開番号】特開2013-155639(P2013-155639A)

(43)【公開日】2013年8月15日

【審査請求日】2014年11月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】特許業務法人青海特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山田 敬之

(72)【発明者】

【氏名】中島 勇人

【審査官】 永田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−２８０１２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−５３８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−２８０５４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平４−７６９３５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１１−１２７４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平２−１５７４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１２８０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平２−３０５３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６４−１９１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第４４３０５２４（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開平１−３１８７１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｎ ３／００−３／３８，

Ｂ０１Ｄ ５３／８６−５３／９６，

Ｆ０２Ｂ ２３／００−２５／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２ストロークエンジンを構成する複数のシリンダから排気される排気ガスを還元する脱硝装置であって、
前記複数のシリンダ毎に設けられた排気ポートと、該複数のシリンダから排気された排気ガスを集合する排気集合管とを連通する排気路より下流に位置し、該排気ガスを還元する脱硝触媒と、
複数の前記排気路それぞれに還元剤の前駆物質を導入する還元剤導入部と、
前記シリンダの内部を摺動するピストンに連結され該ピストンの往復運動を回転力に変換するクランクの角度が、該シリンダに設けられた前記排気ポートを開閉する排気弁が開弁される角度から所定の角度回転したときから還元剤の導入を開始するように前記還元剤導入部を制御する導入制御部と、
を備えることを特徴とする脱硝装置。

【請求項2】

前記導入制御部は、前記クランクの角度が、前記ピストンが下死点に到達する近傍の角度になると、前記還元剤の導入を停止するように前記還元剤導入部を制御することを特徴とする請求項１に記載の脱硝装置。

【請求項3】

２ストロークエンジンを構成する複数のシリンダから排気される排気ガスを還元する脱硝装置であって、
前記複数のシリンダ毎に設けられた排気ポートと、該複数のシリンダから排気された排気ガスを集合する排気集合管とを連通する排気路より下流に位置し、該排気ガスを還元する脱硝触媒と、
複数の前記排気路それぞれに還元剤の前駆物質を導入する還元剤導入部と、
前記シリンダの内部を摺動するピストンに連結され該ピストンの往復運動を回転力に変換するクランクの角度が、前記ピストンが下死点に到達する近傍の角度になると、前記還元剤の導入を停止するように前記還元剤導入部を制御する導入制御部と、
を備えることを特徴とする脱硝装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物を、還元剤を用いて窒素に還元する脱硝装置に関する。

【背景技術】

【0002】

船舶や、車両等のエンジンにおいて、化石燃料を燃焼させると、燃焼排ガス（排気ガス）が生じるが、この排気ガスには、窒素酸化物（以下、単にＮＯｘと称する）が含まれている。かかるＮＯｘを除去すべく排気路の下流側に脱硝装置を設ける場合がある。

【0003】

脱硝装置としては、ＮＯｘの還元を促進する脱硝触媒と、ＮＯｘを還元するための還元剤とを含んで構成される選択式触媒還元（Selective Catalytic Reduction）脱硝装置が普及している。脱硝装置を利用して、ＮＯｘを分解する場合、排気ガスと還元剤とを混合しておき、その混合気体を脱硝触媒に流通させることにより、還元剤が排気ガス中のＮＯｘを還元（分解）する。この還元剤としてアンモニア（ＮＨ_３）が考えられるが、アンモニアは、毒性が強いためアンモニアの前駆物質として尿素水が広く利用されている。したがって、脱硝触媒にアンモニアを供給するために、尿素水の導入口は、脱硝触媒の上流側に設置される。しかし、排気ガス中で尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させるためには、尿素水を所定温度（例えば、２７０℃程度）以上の排気ガス雰囲気中に、所定時間（例えば、１秒程度）滞留させておく必要がある。

【0004】

脱硝装置において尿素水を十分に気化、分解してアンモニアを生成させる技術として、エンジンの排気ガスを導く排気煙道を流れる排気ガスの一部をＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）の下流で分流し、分流された分流排気ガスの流路に噴射弁から噴射された尿素水を気化、分解するために、分流排気ガスの流路にヒータを配置する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。しかし、特許文献１の技術を利用すると、尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させるために、ヒータ等の別途の加熱装置が必要となり、無駄な電力を消費することとなっていた。そこで、排気ガスの温度が高温となる、エンジンを構成する排気弁の近傍に還元剤の導入弁を設けておき、排気弁を開弁するとともに排気ガスへの還元剤の注入を開始し、掃気孔が開口する前の排気弁の開弁後、クランク角度にして３５〜４０度経過すると排気ガスへの還元剤の注入を終了する技術が開示されている（例えば、特許文献２、３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第４４３０５２４号

【特許文献2】特開平１−３１８７１６号公報

【特許文献3】特開平６−２８０５４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

２ストロークエンジンの場合、排気弁が閉となっている間、排気弁のすぐ下流には、掃気弁が開になってから排気弁が閉になる前に、掃気弁から掃気され、そのまま排気されてしまった空気が滞留している。そして排気弁が開になることで、排気された排気ガスによって、その滞留した空気が押し出される。このような状況において、特許文献２、３の技術を利用し、排気弁を開弁するとともに、還元剤の注入を開始しても、滞留した空気、すなわち、掃気された空気に還元剤（尿素水）を導入することになる。滞留した空気は、掃気室から直接掃気された空気が燃焼を経ないで排出されたものなので、８０〜９０℃程度と温度が低くなり、特許文献２、３のタイミングで尿素水を導入しても、気化、分解が促進されず、排気弁の下流に尿素やその他の反応生成物が析出してしまい、排気路が閉塞されてしまうおそれがあった。

【0007】

本発明は、このような課題に鑑み、還元剤を導入するタイミングを工夫することで、排気路における尿素やその他の反応生成物の析出を防止しつつ、尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させ、脱硝触媒に確実にアンモニアを供給することが可能な脱硝装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の脱硝装置は、２ストロークエンジンを構成する複数のシリンダから排気される排気ガスを還元する脱硝装置であって、複数のシリンダ毎に設けられた排気ポートと、複数のシリンダから排気された排気ガスを集合する排気集合管とを連通する排気路より下流に位置し、排気ガスを還元する脱硝触媒と、複数の排気路それぞれに還元剤の前駆物質を導入する還元剤導入部と、シリンダの内部を摺動するピストンに連結されピストンの往復運動を回転力に変換するクランクの角度が、シリンダに設けられた排気ポートを開閉する排気弁が開弁される角度から所定の角度回転したときから還元剤の導入を開始するように還元剤導入部を制御する導入制御部と、を備えることを特徴とする。

【0009】

導入制御部は、クランクの角度が、ピストンが下死点に到達する近傍の角度になると、還元剤の導入を停止するように還元剤導入部を制御してもよい。

【0010】

上記課題を解決するために、本発明の他の脱硝装置は、２ストロークエンジンを構成する複数のシリンダから排気される排気ガスを還元する脱硝装置であって、複数のシリンダ毎に設けられた排気ポートと、複数のシリンダから排気された排気ガスを集合する排気集合管とを連通する排気路より下流に位置し、排気ガスを還元する脱硝触媒と、複数の排気路それぞれに還元剤の前駆物質を導入する還元剤導入部と、シリンダの内部を摺動するピストンに連結されピストンの往復運動を回転力に変換するクランクの角度が、ピストンが下死点に到達する近傍の角度になると、還元剤の導入を停止するように還元剤導入部を制御する導入制御部と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明は、還元剤を導入するタイミングを工夫することで、排気路における尿素やその他の反応生成物の析出を防止し、別途の加熱装置の利用を伴うことなく、尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させ、脱硝触媒に確実にアンモニアを供給することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】脱硝システムを説明するための説明図である。

【図2】エンジンの全体構成を示した説明図である。

【図3】エンジンの各制御部の動作を説明するための説明図である。

【図4】エンジンの全体構成を示した説明図である。

【図5】エンジンの各制御部の動作を説明するための説明図である。

【図6】クランクの角度と導入制御部による還元剤導入タイミングとの関係を説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0014】

コンテナ船やタンカー等の大型船舶では、熱効率がよく、低質燃料油（重油）が使用できるためコスト面で有利である、ユニフロー型の２サイクルエンジン（２ストロークエンジン）が広く使用されている。このようなエンジンにおいて、化石燃料、例えば、ガソリン、軽油、重油、液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas）、および液化石油ガス（ＬＰＧ：Liquefied Petroleum Gas）等の燃料を燃焼させると、その結果生じる排気ガスには、ＮＯｘが含まれる。以下、エンジンから排出される排気ガス中のＮＯｘを還元する脱硝システム１００について説明する。なお、以下の実施形態においては、脱硝システム１００に用いるエンジンとしてユニフロー型の２ストロークエンジンを例に挙げて説明するが、他の形式の２ストロークエンジン等に脱硝システム１００を採用することもできる。

【0015】

（脱硝システム１００）
図１は、本実施形態にかかる脱硝システム１００を説明するための説明図である。図１に示すように、脱硝システム１００は、エンジン２００と、過給機１２０と、脱硝装置３００とを含んで構成される。図１中、物質（排気ガス、還元剤）の流れを実線で示し、制御の流れを破線で示す。

【0016】

エンジン２００は、例えば、ユニフロー型の２ストロークエンジンであり、複数のシリンダ２１０で構成される。

【0017】

過給機１２０は、タービン１２２と、タービン１２２と同軸の圧縮機１２４とを含んで構成される。タービン１２２は、エンジン２００から排出された排気ガスＸ１によって回転し、圧縮機１２４は、タービン１２２の回転を利用し、外部から導入される空気を圧縮してエンジン２００への掃気圧を高める。こうすることで、エンジン２００の出力を向上させることができる。

【0018】

脱硝装置３００は、排気ガスＸ１にアンモニアを作用させることで、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを窒素に還元（分解）する。

【0019】

このように、エンジン２００から排出された排気ガスＸ１は、脱硝装置３００に導入され、ＮＯｘが除去されて、排気ガスＸ２として外部に排出される。

【0020】

このような２ストロークエンジンは、４ストロークエンジンと比較して、高効率であり燃料に対する活性ガス（空気）の割合が高いので排気ガスの温度が低い場合が多い。そこで、本実施形態では、脱硝装置３００に導入される還元剤（尿素水）の気化、分解を確実に行うために、排気ガスの温度が高い、シリンダ２１０を構成する排気弁２２０の近傍であって排気弁２２０の下流（以下、排気弁２２０の近傍であって排気弁２２０の下流を、単に排気弁２２０の下流近傍と称する）の排気路３５０に還元剤を導入する。排気弁２２０の下流近傍の排気ガスＸ１の温度は、６００℃程度であるため、尿素水を確実に気化、分解してアンモニアを生成することができる。

【0021】

以下、本実施形態にかかるエンジン２００および脱硝装置３００の具体的な構成について詳細に説明する。

【0022】

（エンジン２００）
図２は、本実施形態にかかるエンジン２００を説明するための説明図である。ここでは、理解を容易にするために、１つのシリンダ２１０を図示して説明する。図２に示すエンジン２００は、ディーゼルエンジンであって、シリンダ２１０（シリンダヘッド２１０ａ、シリンダライナ２１０ｂ）と、ピストン２１２と、燃料噴射弁２１４と、排気ポート２１６と、排気弁駆動装置２１８と、排気弁２２０と、掃気ポート２２２と、掃気室２２４と、ロータリエンコーダ２３０と、排気集合管２３２と、を含んで構成され、ガバナー（調速機）２５０、燃料噴射制御装置２５２、排気制御装置２５４等の制御部によって制御される。

【0023】

シリンダ２１０は、掃気、圧縮、燃焼、排気といった行程を、シリンダ２１０内部におけるピストン２１２の往復の行程で完了するレシプロエンジンである。シリンダ２１０は、上記行程を通じて、クロスヘッド（図示せず）に連結されたピストン２１２がシリンダ２１０内を摺動自在に、図１中白抜き矢印に示す方向に往復移動する。このようなクロスヘッド型のピストン２１２では、シリンダ２１０内でのストロークを比較的長く形成することができ、ピストン２１２に作用する側圧をクロスヘッドが受けるため、２ストロークエンジンの高出力化を図ることができる。さらに、シリンダ２１０とクロスヘッドが収まるクランク室とが隔離されるので、低質燃料油を用いる場合においても汚損劣化を防止することができる。

【0024】

燃料噴射弁２１４は、シリンダ２１０のストローク方向一端部である、ピストン２１２の上死点より上方のシリンダヘッド２１０ａに設けられ、エンジンサイクルにおける所望の時点で適量の燃料油（主燃料）を噴射する。

【0025】

排気ポート２１６は、シリンダ２１０のストローク方向一端部である、ピストン２１２の上死点より上方のシリンダヘッド２１０ａの頂部に設けられた開口部であり、シリンダ２１０内で生じた燃焼後の排気ガスＸ１を排気するために開閉される。排気弁駆動装置２１８は、所定のタイミングで排気弁２２０を上下に摺動し、排気ポート２１６を開閉する。このようにして排気ポート２１６を介して排気された排気ガスＸ１は、排気路３５０および排気集合管２３２を経て、過給機１２０のタービン１２２に供給された後、脱硝触媒３１４でＮＯｘが還元され、排気ガスＸ２として外部に排気される。

【0026】

掃気ポート２２２は、シリンダライナ２１０ｂのストローク方向の、排気ポート２１６が設けられた一端部に対する他端部側に設けられた開口部であり、ピストン２１２の摺動動作に応じてシリンダ２１０内に活性ガスを吸入する。かかる活性ガスは、酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気（例えば空気）を含む。掃気室２２４には、過給機１２０の圧縮機１２４によって加圧された活性ガス（例えば空気）が封入されており、掃気室２２４とシリンダ２１０内の差圧をもって掃気ポート２２２から活性ガスが吸入される。掃気室２２４の圧力は、過給機１２０のタービン１２２の回転に応じた圧縮機１２４の出力に基づいて決定される。

【0027】

排気集合管２３２は、排気弁２２０を通じてシリンダ２１０と連通する複数の排気路３５０を併合する。

【0028】

ガバナー２５０は、上位にあたる制御装置から入力されたエンジン出力指令値と、ロータリエンコーダ２３０からのクランク角度信号によるエンジン回転数に基づいて、燃料噴射量を導出し、燃料噴射制御装置２５２に出力する。燃料噴射制御装置２５２は、ガバナー２５０から入力された燃料噴射量を示す情報と、ロータリエンコーダ２３０からのクランク角度信号に基づいて、燃料噴射弁２１４における燃料油の噴射量および噴射タイミングを制御する。排気制御装置２５４は、燃料噴射制御装置２５２からの排気弁開閉タイミング信号と、ロータリエンコーダ２３０からのクランク角度信号に基づいて、排気弁駆動装置２１８に排気弁操作信号を出力する。

【0029】

以下、上述したエンジン２００のエンジンサイクルにおける各制御部の動作について説明する。

【0030】

（エンジンサイクルにおける各制御部の動作）
図３は、エンジン２００の各制御部の動作を説明するための説明図である。特に図３（ａ）〜（ｅ）はエンジン２００の断面図を、図３（ｇ）は図３（ａ）〜（ｅ）の状態の時間関係を示すためのタイミングチャートを示している。ここでは、エンジン２００における行程を排気、掃気、圧縮、燃焼の順で説明する。

【0031】

燃焼行程後の排気行程では、図３（ａ）の如く、排気ポート２１６および掃気ポート２２２が閉塞状態にあり、シリンダ２１０内は排気ガスＸ１で満たされている。燃焼圧によってピストン２１２が下降し下死点に近づくと、排気制御装置２５４は排気弁駆動装置２１８を通じて排気弁２２０を開弁する。そして排気弁２２０の開弁が開始された後、ピストン２１２の摺動動作に応じて掃気ポート２２２が開口する。すると、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、掃気ポート２２２から活性ガスＹ１が吸入され、活性ガスＹ１は、スワールを形成しながら上昇し、シリンダ２１０内の排気ガスＸ１を排気ポート２１６から押し出す。

【0032】

そして、排気ガスＸ１の排出が完了すると、図３（ｄ）の如く、圧縮行程に転じたピストン２１２によって掃気ポート２２２が塞がれ、その後、排気制御装置２５４は、排気弁駆動装置２１８を通じて排気弁２２０を閉じる。

【0033】

そして、さらなる圧縮行程を経て活性ガスＹ１は高圧に圧縮され高温となり、さらに、燃料噴射弁２１４からの燃料油の噴射に基づいて燃料油が着火されて、図３（ｅ）のような燃焼行程が行われる。そして、燃焼行程によりピストン２１２が押し下げられると図３（ａ）の状態に戻り、以後、排気、掃気、圧縮、燃焼の行程を繰り返す。

【0034】

図３で示したように、排気弁２２０が閉じられている間、排気弁２２０のすぐ下流には、掃気ポート２２２が開放されてから排気弁２２０が閉じられる前に、掃気ポート２２２から掃気され、そのまま排気されてしまった活性ガスＹ１が滞留している（図３（ｄ）参照）。活性ガスＹ１は、８０〜９０℃程度と温度が低い。したがって、上述したように排気弁２２０の下流近傍で単に還元剤を導入すると、還元剤を十分に気化、分解することができない場合が生じ得る。

【0035】

上述したように、ここでは、エンジン２００としてディーゼルエンジンを例に挙げて説明したが、ガスエンジンにおいても、排気弁２２０が閉じられている間、排気弁２２０のすぐ下流には、８０〜９０℃程度の低温のガスが滞留してしまう。以下、ガスエンジンとしてのエンジン２７０についても詳述する。

【0036】

（エンジン２７０）
図４は、本実施形態にかかるエンジン２７０を説明するための説明図である。ここでも、理解を容易にするために、１つのシリンダ２１０を図示して説明する。図４に示すエンジン２７０は、ガスエンジンであって、シリンダ２１０（シリンダヘッド２１０ａ、シリンダライナ２１０ｂ）と、ピストン２１２と、パイロット噴射弁２７２と、排気ポート２１６と、排気弁駆動装置２１８と、排気弁２２０と、掃気ポート２２２と、掃気室２２４と、燃料噴射ポート２７４と、燃料噴射弁２７６と、ロータリエンコーダ２３０と、排気集合管２３２と、を含んで構成され、ガバナー（調速機）２５０、燃料噴射制御装置２７８、排気制御装置２５４等の制御部によって制御される。

【0037】

なお、上述したエンジン２００の構成要素として既に述べた、シリンダ２１０（シリンダヘッド２１０ａ、シリンダライナ２１０ｂ）、ピストン２１２、排気ポート２１６、排気弁駆動装置２１８、排気弁２２０、掃気ポート２２２、掃気室２２４、ロータリエンコーダ２３０、排気集合管２３２、ガバナー（調速機）２５０、排気制御装置２５４は、実質的に機能が等しいので重複説明を省略し、ここでは、構成が相違するパイロット噴射弁２７２、燃料噴射ポート２７４、燃料噴射弁２７６、燃料噴射制御装置２７８を主に説明する。

【0038】

パイロット噴射弁２７２は、シリンダ２１０のストローク方向一端部である、ピストン２１２の上死点より上方のシリンダヘッド２１０ａに設けられ、エンジンサイクルにおける所望の時点で適量の燃料油を噴射する。ここで、パイロット噴射弁２７２が噴射する燃料油は、燃料ガスと活性ガスとの混合気を着火させるためのものである。

【0039】

燃料噴射ポート２７４は、例えば、シリンダ２１０内周面の中腹部（排気ポート２１６と掃気ポート２２２との間）において、周方向に所定の間隔を空けて設けられた複数の開口部である。燃料噴射弁２７６は、燃料噴射ポート２７４内に配置され、燃料噴射制御装置２７８からの指令を受けて、例えば、重油をガス化した燃料ガスを噴射する。こうしてシリンダ２１０内に燃料ガスが供給される。

【0040】

燃料噴射制御装置２７８は、ガバナー２５０から入力された燃料噴射量を示す情報と、ロータリエンコーダ２３０からのクランク角度信号に基づいて、燃料噴射弁２７６における燃料ガスの噴射量および噴射タイミングを制御する。

【0041】

以下、上述したエンジン２７０のエンジンサイクルにおける各制御部の動作について説明する。

【0042】

（エンジンサイクルにおける各制御部の動作）
図５は、エンジン２７０の各制御部の動作を説明するための説明図である。特に図５（ａ）〜（ｆ）はエンジン２７０の断面図を、図５（ｇ）は図５（ａ）〜（ｆ）の状態の時間関係を示すためのタイミングチャートを示している。ここでは、エンジン２７０における行程を排気、掃気、圧縮、燃焼の順で説明する。

【0043】

燃焼行程後の排気行程では、図５（ａ）の如く、排気ポート２１６および掃気ポート２２２が閉塞状態にあり、シリンダ２１０内は排気ガスＸ１で満たされている。燃焼圧によってピストン２１２が下降し下死点に近づくと、排気制御装置２５４は排気弁駆動装置２１８を通じて排気弁２２０を開弁する。そして排気弁２２０の開弁が開始された後、ピストン２１２の摺動動作に応じて掃気ポート２２２が開口する。すると、図５（ｂ）に示すように、掃気ポート２２２から活性ガスＹ１が吸入され、活性ガスは、燃料ガスＹ２の混合を促進するためのスワールを形成しながら上昇し、シリンダ２１０内の排気ガスＸ１を排気ポート２１６から押し出す。

【0044】

活性ガスＹ１の吸入に伴う排気ガスＸ１と活性ガスＹ１との境界が、図５（ｂ）の如く、燃料噴射ポート２７４に達すると、燃料噴射制御装置２７８は、燃料噴射弁２７６に燃料ガスＹ２の噴射を開始させる。この時、排気ポート２１６および掃気ポート２２２は開放されており、シリンダ２１０内の圧力はまだ低い状態であるため、燃料噴射弁２７６に高い圧力をかけなくとも（低圧でも）、燃料噴射弁２７６は、適切に燃料ガスＹ２を噴射することができる。

【0045】

ただし、燃料ガスＹ２の噴射タイミングが早すぎると、シリンダ２１０の燃焼室に残存する高温の排気ガスＸ１に燃料ガスＹ２が接触し、排気ガスＸ１の熱が燃料ガスＹ２に伝わり過早着火が生じるおそれがある。そこで、本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、燃料噴射制御装置２７８は、掃気ポート２２２からの活性ガスＹ１が燃料噴射ポート２７４に達した後、さらに所定時間が経過するのを待って燃料ガスＹ２を噴射する。すると、図５（ｃ）のように、燃料ガスＹ２と活性ガスＹ１とを混合した予混合気Ｙ３と、排気ガスＸ１との間に、燃料ガスＹ２が混合されていない活性ガスＹ１を主成分とする狭入層Ｙ４が生成される。

【0046】

そして、排気ガスＸ１の排出が完了すると、図５（ｄ）の如く、圧縮行程に転じたピストン２１２によって掃気ポート２２２が塞がれ、その後、排気制御装置２５４は、排気弁駆動装置２１８を通じて排気弁２２０を閉じる。ここでは、狭入層Ｙ４の一部が排気ポート２１６から排出された時点で排気弁２２０を閉じることで、狭入層Ｙ４に混入してきた排気ガスＸ１をシリンダ２１０内に残すことなく排出でき、また、予混合気Ｙ３を排気ポート２１６から排出することなく、シリンダ２１０内に適切に予混合気Ｙ３を残すことができる。こうして、過早着火を予防し、エンジン駆動の安定化を図ることができる。

【0047】

ところで、シリンダ２１０内における活性ガスＹ１の上昇速度は、排気ポート２１６の開放度（リフト量）と掃気ポート２２２の開放度（開口面積）の少なくともいずれか一方に基づいて推定でき、これらはクランク角度信号から一意に求めることができるので、燃料噴射制御装置２７８は、クランク角度信号から燃料ガスＹ２の噴射タイミングを設定する。

【0048】

燃料噴射制御装置２７８は、燃料噴射弁２７６を通じて燃料ガスＹ２を噴射し続け、図５（ｅ）で示したように、ピストン２１２が燃料噴射ポート２７４に達する前に、燃料ガスＹ２の噴射を停止する。このように、燃料噴射制御装置２７８による燃料ガスＹ２の噴射が一通り完了した後、さらなる圧縮行程を経て予混合気Ｙ３は高圧に圧縮され、さらに、パイロット噴射弁２７２からの燃料油の噴射に基づいて予混合気Ｙ３が着火されて、図５（ｆ）のような燃焼行程が行われる。そして、燃焼行程によりピストン２１２が押し下げられると図５（ａ）の状態に戻り、以後、排気、掃気、圧縮、燃焼の行程を繰り返す。

【0049】

図５で示したように、排気弁２２０が閉じられている間、排気弁２２０のすぐ下流には、掃気ポート２２２が開放されてから排気弁２２０が閉じられる前に、掃気ポート２２２から掃気され、そのまま排気されてしまった狭入層Ｙ４が滞留している（図５（ｄ）参照）。狭入層Ｙ４は、活性ガスＹ１を主成分としているため、８０〜９０℃程度と温度が低い。したがって、上述したように排気弁２２０の下流近傍で単に還元剤を導入すると、還元剤を十分に気化、分解することができない場合が生じ得る。

【0050】

このように上述したディーゼルエンジンであるエンジン２００であっても、ガスエンジンであるエンジン２７０であっても、排気弁２２０が閉じられている間、排気弁２２０のすぐ下流には、温度が低いガスが滞留しているため、排気弁２２０の下流近傍で単に還元剤を導入すると、還元剤を十分に気化、分解することが困難である。そこで、本実施形態では、還元剤を導入するタイミングを工夫することで、排気路における尿素やその他の反応生成物の析出を防止することが可能な脱硝装置３００を提供する。

【0051】

（脱硝装置３００）
脱硝装置３００では、排気ガスＸ１に還元剤を導入し、還元剤の導入位置の下流にある、脱硝触媒で、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを還元して窒素を生成する選択式触媒還元方式を採用している。

【0052】

上述した図１に示すように、脱硝装置３００は、還元剤導入部３１０と、導入制御部３１２と、脱硝触媒３１４とを含んで構成される。

【0053】

還元剤導入部３１０は、エンジン２００（または、エンジン２７０）を構成する複数の排気弁２２０と、排気集合管２３２との間に形成される排気路３５０にそれぞれ設けられ、排気路３５０それぞれに還元剤（尿素水）を導入（噴霧）する。

【0054】

導入制御部３１２は、ロータリエンコーダ２３０からのクランク角度信号に基づいて、クランクの角度が、排気弁２２０が開弁される角度から所定の角度回転したときから尿素水の導入を開始するように還元剤導入部３１０を制御する。

【0055】

図６は、クランクの角度と導入制御部３１２による還元剤導入タイミングとの関係を説明するための説明図である。

【0056】

図６に示すように、導入制御部３１２は、クランクの角度が、排気弁２２０の開放が開始される角度から所定の角度α（例えば、５〜１５度）回転した後、すなわち、排気弁２２０の開放が開始されてから所定時間経過後に、尿素水を導入するように還元剤導入部３１０を制御する。

【0057】

上述したように、排気弁２２０の開放が開始された時点から所定時間が経過するまでは、排気ポート２１６を通じてシリンダ２１０から排出される排気ガスＸ１により、排気弁２２０のすぐ下流に滞留している低温の活性ガスＹ１（エンジン２７０においては、活性ガスＹ１を主成分とする狭入層Ｙ４、以下、単に低温のガスと称する）が押し出されて、排気路３５０に移動する。ここで、排気弁２２０の開放が開始されるとともに尿素水を導入すると、排気ガスＸ１に押し出され排気路３５０を移動する低温のガスに尿素水を導入してしまい尿素が分解されない。

【0058】

そこで、導入制御部３１２が排気弁２２０の開放が開始されてから所定時間が経過するまでは尿素水を導入しないように還元剤導入部３１０を制御することで、尿素が分解されずに排気路に析出してしまう事態を回避することが可能となる。そして、導入制御部３１２は、排気弁２２０の開放が開始される角度から所定の角度α回転した後から、すなわち滞留している低温のガスが通過してから、尿素水が導入されるように還元剤導入部３１０を制御することで、高温の排気ガスＸ１が排気路３５０に到達し始めてから尿素水の導入が開始されるので、尿素水を確実に、気化、分解することができる。

【0059】

また、導入制御部３１２は、クランクの角度が、ピストン２１２が下死点に到達する近傍の角度になると、尿素水の導入を停止するように還元剤導入部３１０を制御する。ピストン２１２が下死点に到達する近傍では、高温の排気ガスＸ１が排気ポート２１６から排出されている。しかし、下死点に到達する近傍から高温の排気ガスＸ１とともに低温のガスが排気ポート２１６から排出される。したがって、導入制御部３１２が、ピストン２１２が下死点に到達する近傍の角度になると、尿素水の導入を停止するように還元剤導入部３１０を制御することで、ピストン２１２が下死点に到達した後、排気弁２２０が閉じられる前までに、排気ポート２１６から排出される低温のガスに尿素水を導入してしまい、尿素が分解されずに排気路に析出してしまう事態を回避することが可能となる。

【0060】

脱硝触媒３１４は、バナジウム、タングステン、モリブデン等の金属またはその酸化物と酸化チタン等で構成され、過給機１２０のタービン１２２を通過した排気ガスＸ１中のＮＯｘを還元する。

【0061】

以上説明したように、本実施形態にかかる脱硝装置３００によれば、尿素水の導入期間を、クランクの角度が、排気弁２２０が開弁される角度から所定の角度回転したときから、ピストン２１２が下死点に到達する近傍の角度になるまでとすることで、高温の排気ガスＸ１が排気路３５０を流通している間のみ排気路３５０に尿素水を導入することができる。これにより、排気路３５０における尿素やその他の反応生成物の析出を防止することができ、別途の加熱装置を利用せずとも、尿素水を気化、分解してアンモニアを生成させ、脱硝触媒３１４に確実にアンモニアを供給することが可能となる。

【0062】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明は、エンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物を、還元剤を用いて窒素に還元する脱硝装置に利用することができる。

【符号の説明】

【0064】

３００ …脱硝装置
３１０ …還元剤導入部
３１２ …導入制御部

【図1】

【図2】

【図4】

【図6】

【図3】

【図5】