JP2001227330A

JP2001227330A - エンジンシステム

Info

Publication number: JP2001227330A
Application number: JP2000042500A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Nakahira; 貴年中平; Hirofumi Otsuka; 浩文大塚; Shoji Asada; 昭治浅田; Takahiro Sako; 孝弘佐古; Koji Moriya; 浩二守家
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2000-02-21
Filing date: 2000-02-21
Publication date: 2001-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、燃焼室１４において燃料を燃焼さ
せ、燃焼室１４から排気路７へ排出される排ガスＥ中の
未燃成分を接触酸化反応させる酸化触媒部２を設けたエ
ンジンシステム１００において、排ガスＥの状態に関わ
らず排ガスＥ中の未燃成分を低減して未燃成分の少ない
排ガスを排出することができる技術を得ることを目的と
する。【解決手段】酸化触媒部２の触媒温度を検出する温度
検出手段１６を備え、温度検出手段１６により、所定の
触媒温度範囲の下限値以下の酸化触媒部２の触媒温度を
検出したときに、酸化触媒部２に供給される排ガスＥを
加熱する加熱手段Ａを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室において燃
料を燃焼させ、前記燃焼室から排気路へ排出される排ガ
ス中の未燃成分を接触酸化反応させる酸化触媒部を設け
たエンジンシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】上記のように、燃焼室において少なくと
も酸素含有ガスを圧縮して燃料を燃焼させ、ピストンの
往復運動をクランク軸の回転運動として取出すように構
成されたレシプロ式のエンジンシステムにおいて、燃焼
室から排出される排ガス中に未燃成分として未燃炭化水
素やＣＯが存在する場合が有る。特に、燃焼室において
圧縮された高温の燃焼用空気（酸素含有ガス）中へ燃料
を噴射して自己着火させて燃焼させるディーゼルエンジ
ンシステムや、圧縮した燃焼用空気中に燃料を噴射する
のではなく、主には、火花点火式のエンジンシステムと
同様に燃焼用空気と燃料の予混合気を燃焼室に形成した
後に、その予混合気を圧縮して自己着火させて燃焼させ
る予混合圧縮自着火エンジン等の圧縮着火エンジンシス
テムにおいては、高効率及び低ＮＯｘ化の観点から、希
薄状態の混合気を燃焼室において燃焼させ、排気路へ排
出される排ガス中には燃焼に利用されなかった酸素とと
もに、燃焼室において壁面等に熱を奪われ燃焼に至らず
に排出される未燃成分が存在することがある。このよう
な排ガス中の未燃成分の処理方法としては、排気路に酸
化触媒部を設けて、未燃成分を接触酸化反応させる方法
があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の排気路
に酸化触媒部を備えたエンジンシステムにおいて、例え
ば、排ガス中の未燃成分が少なく酸化触媒部における接
触酸化反応による発熱量が小さい場合や運転初期の排ガ
スの温度が低い場合等においては、酸化触媒部の触媒活
性が低下して、十分に未燃成分を燃焼させることができ
ない虞があり、また逆に、排ガス中の未燃成分が多く酸
化触媒部における接触酸化反応による発熱量が大きい場
合等においては、この発熱量によって触媒温度が上がり
すぎ、触媒が劣化する虞がある。また、特に燃料として
メタンを主成分とする天然ガス系都市ガスを利用したエ
ンジンシステムにおいては、メタンは化学的安定性が高
いために、その排ガス中の未燃のメタンを酸化触媒部で
十分に酸化させることは困難であった。

【０００４】従って、本発明の目的は、上記問題点を解
消し、排ガスの状態に関わらず排ガス中の未燃成分を十
分に触媒接触酸化させて低減し、未燃成分の少ない排ガ
スを排出することができるエンジンシステムを提供する
ところにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る本発明の
エンジンシステムの特徴・作用・効果は次の通りであ
る。

【０００６】〔特徴〕燃焼室において燃料を燃焼させ、
前記燃焼室から排気路へ排出される排ガス中の未燃成分
を接触酸化反応させる酸化触媒部を設けたエンジンシス
テムであって、前記酸化触媒部の触媒温度を検出する温
度検出手段を備え、前記温度検出手段により、所定の触
媒温度範囲の下限値以下の前記触媒温度を検出したとき
に、前記酸化触媒部に供給される排ガスを加熱する加熱
手段を備える。

【０００７】〔作用・効果〕本構成のごとく、排気路に
酸化触媒部を設けたエンジンシステムにおいて、温度検
出手段によって酸化触媒部の触媒温度を検出するととも
に、触媒温度が、所定の触媒温度範囲の下限値以下、例
えば酸化触媒部において十分に未燃成分を接触酸化させ
ることができる温度以下であるときに、加熱手段によっ
て酸化触媒部に供給される排ガスを加熱することができ
るので、例えば運転開始時等の排ガスの温度が低いとき
でも、酸化触媒部の触媒活性を好ましいものに維持し
て、排ガス中の未燃成分を十分に接触酸化させることが
でき、外部へ排出する未燃成分を低減することができ
る。また、触媒温度が所定の触媒温度範囲内になったと
きは、加熱手段を働かせないで、酸化触媒部における未
燃成分の酸化による発熱によって触媒温度を維持させる
ことができる。従って、排ガスの温度が低い場合におい
ても排ガス中の未燃成分を低減して未燃成分の少ない排
ガスを排出することができるエンジンシステムを実現す
ることができる。

【０００８】請求項２に係る本発明のエンジンシステム
の特徴・作用・効果は次の通りである。

【０００９】〔特徴〕上記請求項１に係る本発明のエン
ジンシステムにおいて、前記温度検出手段により、所定
の触媒温度範囲の上限値以上の前記触媒温度を検出した
ときに、前記酸化触媒部を冷却する冷却手段を備える。

【００１０】〔作用・効果〕本構成のごとく、排気路に
酸化触媒部と上記加熱手段を設けたエンジンシステムに
おいて、触媒温度が、所定の触媒温度範囲の上限値以
上、例えば酸化触媒部に利用される触媒の耐熱温度以上
であるときに、上記冷却手段によって酸化触媒部を冷却
することができるので、例えば排ガス中の未燃成分が多
すぎて酸化触媒部における発熱量が大きくなっても、触
媒の劣化を抑制しながら、排ガス中の未燃成分を十分に
接触酸化させることができ、外部へ排出する未燃成分を
低減することができる。従って、酸化触媒部において排
ガス中の未燃成分を酸化させるとともに、酸化触媒部の
寿命を延長することができるエンジンシステムを実現す
ることができる。

【００１１】請求項３に係る本発明のエンジンシステム
の特徴・作用・効果は次の通りである。

【００１２】〔特徴〕上記請求項１又は２に係る本発明
のエンジンシステムにおいて、前記酸化触媒部が、パラ
ジウムを酸化ジルコニウムに担持してなる触媒、パラジ
ウム及び白金を酸化ジルコニウムに担持してなる触媒、
パラジウムを酸化錫に担持してなる触媒、又はパラジウ
ム及び白金を酸化錫に担持してなる触媒により構成され
ている。

【００１３】〔作用・効果〕本構成のごとく、エンジン
システムの排気路に設けられた酸化触媒部を構成する触
媒としては、上記の触媒を用いることが好ましい。これ
らの触媒は、低温域から活性が有るために、例えばディ
ーゼルエンジンシステムや予混合圧縮自着火エンジンシ
ステム等の圧縮自着火エンジンシステムのように、燃料
を希薄状態で燃焼させ比較的低温の排ガス中に未燃成分
が存在する場合においても、加熱手段における加熱量が
少なくてすむので、省エネルギー化を図ることができ
る。さらに、これらの触媒は、灯油や軽油等の石油系燃
料に含まれる硫黄化合物や、天然ガス系都市ガスに転化
される付臭剤に含まれる硫黄による触媒活性の低下に対
して高い抵抗性を示すので、有効な未燃成分の酸化処理
が維持される。従って、好ましい状態で酸化触媒部にお
いて排ガス中の未燃成分を酸化させるエンジンシステム
において、高効率化を図ることができる。

【００１４】請求項４に係る本発明のエンジンシステム
の特徴・作用・効果は次の通りである。

【００１５】〔特徴〕上記請求項３に係る本発明のエン
ジンシステムにおいて、前記燃料が、メタンを主成分と
する天然ガス系の燃料である。

【００１６】〔作用・効果〕燃料がメタンを主成分とす
る天然ガス系都市ガスである場合、メタンが化学的安定
性が高い上に、排ガス中には通常５％〜１５％程度の水
蒸気が含まれるが、本構成のごとく、上記の触媒によっ
て構成された酸化触媒部は、このように水蒸気とメタン
系の未燃成分を含む排ガスに対しても、高い転化率を得
ることができる。

【００１７】請求項５に係る本発明のエンジンシステム
の特徴・作用・効果は次の通りである。

【００１８】〔特徴〕上記請求項１から４の何れかに係
る本発明のエンジンシステムにおいて、前記燃焼室にお
いて少なくとも酸素含有ガスを圧縮して、前記圧縮され
た酸素含有ガス中の燃料を自己着火させて燃焼させる圧
縮自着火エンジンシステムとして構成されている。

【００１９】〔作用・効果〕本発明のエンジンシステム
は、排ガスの状態に関わらず排ガス中の未燃成分を酸化
処理することができるので、上記の構成のごとく、本発
明のエンジンシステムを特に未燃成分が多く発生するこ
とが有るディーゼルエンジンシステム若しくは予混合圧
縮自着火エンジンシステム等の上記圧縮自着火エンジン
システムとして構成することで、高い効果を期待するこ
とができる。また、圧縮自着火エンジンシステムは圧縮
比を高く設定して高効率化を図ると共に燃料を希薄状態
で燃焼させて低ＮＯｘ化を図ることができ、さらに予混
合圧縮自着火エンジンシステムにおいては、燃料を燃焼
室に噴射する必要が無いため天然ガス系都市ガスのよう
な気体燃料を燃料として利用できるので、高効率且つ低
ＮＯｘで排出する未燃成分が少ないガスエンジンシステ
ム等を構成することができる。

【００２０】また、本発明のエンジンシステムにおい
て、前記排気路の前記酸化触媒部の前記排ガスの流れの
下流側に、前記排ガスの熱を回収する熱交換器を備える
ことが好ましく、上記熱交換器において、加熱手段にお
いて排ガスに与えた熱及び酸化触媒部において未燃成分
が酸化して発生した熱によって加熱された排ガスによっ
て水等を加熱し、コジェネレーションシステム若しくは
エンジンシステムの暖機等に利用される温水若しくは蒸
気を生成することで、機関全体の効率を向上することが
できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に本発明のエンジンシステム
の実施の形態として予混合圧縮自着火式エンジンシステ
ム１について図面に基づいて説明する。予混合圧縮自着
火式エンジンシステム１は、シリンダ１２とピストン１
３によって包囲される燃焼室１４において、メタンを主
成分とした天然ガス系都市ガスの予混合気Ｍを圧縮自着
火させて燃焼させるように構成されている。このような
予混合圧縮自着火エンジンシステム１においては、燃焼
室１４で燃焼させる予混合気Ｍの当量比は低く設定さ
れ、希薄状態の予混合気Ｍを燃焼させて高効率且つ低Ｎ
Ｏｘを実現することができる。また、燃焼後の排ガスＥ
を排出する排気路７中の排ガスＥには、燃焼室１４にお
ける燃焼に利用されなかった酸素とともに、燃焼室１４
において壁面等において熱を奪われて着火に至らなかっ
た未燃成分が存在する。そこで、本発明に係るエンジン
システム１は、排気路７に酸化触媒部２を備えており、
前記排ガスＥ中の未燃成分を排ガスＥ中の酸素を利用し
て接触酸化反応処理することができ、排ガスＥ中の未燃
成分を大幅に低減できるように構成されている。

【００２２】このような酸化触媒部２に利用される酸化
触媒としては、エンジンシステム１のように、排ガス中
に水蒸気とメタン系の未燃成分を含む排ガスに対して
も、高い転化率を得ることができる触媒である、パラジ
ウムを酸化ジルコニウムに担持してなる触媒、パラジウ
ム及び白金を酸化ジルコニウムに担持してなる触媒、パ
ラジウムを酸化錫に担持してなる触媒、パラジウム及び
白金を酸化錫に担持してなる触媒等が利用でき、これら
の酸化触媒は、市販の酸化ジルコニウムまたは酸化錫
を、パラジウムと必要に応じて白金のイオンを含む溶液
に含浸した後乾燥させ、焼成することにより得ることが
できる。

【００２３】また、酸化ジルコニウムとしては、市販の
酸化ジルコニウムの他に、硫酸根やタングステンを担持
するなどして、予め酸性度を高める処理を施した酸化ジ
ルコニウムを用いても構わない。パラジウムや白金を担
持する際の金属イオンを含む溶液としては、それらの金
属の硝酸塩やアンミン錯体などの溶液を用いれば良い。
溶液は水溶液が好ましいが、アセトンやエタノールなど
の水溶性の有機溶媒を加えた混合溶媒としても良い。パ
ラジウムの担持量は、少なすぎると触媒活性が低く、ま
た多すぎるとパラジウムの粒径が大きくなりパラジウム
が有効に使われなくなるので、好ましくは酸化ジルコニ
ウム或いは酸化錫に対する重量比１％乃至２５％、より
好ましくは２％乃至２０％が良い。白金を加える場合に
は、少なすぎれば活性向上の効果が現れず、多すぎても
活性金属としてのパラジウムの機能を阻害する虞がある
ので、パラジウムに対する重量比５％乃至１００％とす
るのが好ましく、より好ましくは１０％乃至５０％の範
囲内である。含浸した後に空気中で焼成して触媒を得る
が、焼成温度は４５０℃乃至７００℃の範囲内とするの
が良く、５００℃乃至６５０℃の範囲内とするのがより
好ましい。

【００２４】酸化触媒部２で用いられる触媒は、必要に
応じてバインダーを加えるなどして、ペレット状に成型
したり、耐火ハニカム上にウォッシュコートしたりして
用いても良いが、好ましくは耐火性ハニカム上にウォッ
シュコートして用いられる。耐火性ハニカム上にウォッ
シュコートする場合には、上記のごとく成分を調整した
触媒をスラリー状にしてウォッシュコートしても、予め
担体を耐火性ハニカム上にウォッシュコートしてから上
記の方法に従ってパラジウムや白金を担持しても良い。

【００２５】触媒量は、少なすぎると有効な未燃成分の
転化率が得られないので、たとえば酸化ジルコニウムに
パラジウムを担持した触媒を用いる場合にあっては、当
該触媒についてガス時間当たり空間速度（ＧＨＳＶ）で
５０００００ｈ^-1以下で使用するのが好ましく、３００
０００ｈ^-1以下とすればなお好ましい。ガス時間当たり
空間速度（ＧＨＳＶ）を低くするほど触媒量が多くなる
ため、転化率は向上するが、経済性の問題に加えて、触
媒層での圧力損失が大きくなる問題が生じる虞がある。

【００２６】このようなエンジンシステム１の酸化触媒
部２においては、触媒温度を好ましい触媒温度領域で使
用する必要が有り、例えば酸化触媒部２をＰｄ−Ｐｔ／
ＺｒＯ₂系触媒によって構成する場合、安定した転化率
を得るために触媒温度は３５０℃以上に保たれることが
好ましく、また６５０℃を越えるような触媒温度では触
媒の耐久性の悪化の虞がある。また、安定して高い転化
率を得るためには４００℃乃至６００℃の範囲内で用い
ることが好ましい。

【００２７】また、上記のような予混合圧縮自着火エン
ジンシステム１においては、希薄な予混合気を燃焼させ
て高効率且つ低ＮＯｘ化を図ることがあるが、このよう
な希薄燃焼後の排ガスＥの温度は２００℃程度と低い。

【００２８】そこで、排気路７の酸化触媒部２の上流側
に、排ガスＥを加熱するバーナ装置１５を備えている。
バーナ装置１５は、燃料Ｇを互いに衝突するように噴出
して燃焼させるインパクトバーナであり、排気路７の一
部を形成し両端が絞られたバーナ燃焼室２９を備えてい
る。さらに、バーナ装置１５は、バーナ燃焼室２９内に
設けられたバーナノズル２１と、バーナノズル２１の噴
出方向の近傍に火花を発生するスパークロット２２とを
備えており、制御装置１１は、開閉弁２０を開状態とし
てバーナノズル２１に設けられた複数の噴孔に燃料を供
給すると共に、スパークロット２２を働かせてこの噴出
した燃料Ｇを着火し、排ガスＥ中に残留する酸素の一部
を利用して、燃料Ｇをコンパクトな火炎を形成させて燃
焼させることができ、酸化触媒部２に供給される排ガス
Ｅを加熱することができる。

【００２９】また、本発明のエンジンシステム１は、酸
化触媒部２の触媒温度を検出し、制御装置１１にその検
出結果を出力する温度センサ１６（温度検出手段の一
例）を備えており、酸化触媒部２の触媒温度を常に監視
している。制御装置１１は、温度センサ１６の検出結果
が、上述の触媒において安定した転化率を得ることがで
きる所定の触媒温度範囲の下限値以下となったときに、
開閉弁２０及びスパークロット２２を働かせて、バーナ
燃焼室２９に火炎を形成し、排ガスＥを加熱するように
構成されており、このように所定の触媒温度範囲の下限
値以下の触媒温度を検出したときに、酸化触媒部２に供
給される排ガスを加熱する手段を加熱手段Ａと呼ぶ。

【００３０】さらに、本発明に係るエンジンシステム１
は、冷却水を開閉弁３０を介して内部に流通させる伝熱
管３１を触媒酸化触媒部２の内部に配設して備えてい
る。また、制御手段１１は、温度センサ１６の検出結果
が、上述の触媒において安定した転化率を得ることがで
きる所定の触媒温度範囲の上限値以上となったときに、
開閉弁３０を働かせて、伝熱管３１内に冷却水を流通さ
せ、触媒を冷却するように構成されており、このように
所定の触媒温度範囲の上限値以上の触媒温度を検出した
ときに、酸化触媒部２を冷却する手段を冷却手段Ｂと呼
ぶ。

【００３１】図中３５は、酸化触媒部２下流側に設けら
れ、未燃成分を燃焼させて高温になった排ガスＥによっ
て水を加熱することで熱回収する熱交換器である。この
熱交換器３５により前記排気路７の終端から排出される
排ガスＥの温度を下げて排出することができると共に、
熱を回収した温水若しくは水蒸気を、エンジンシステム
１の暖機やコジェネシステム等に利用することができ
る。

【００３２】〔別実施形態〕以下に他の実施形態を説明
する。〈１〉上記実施の形態において、酸化触媒部２に供給さ
れる排ガスＥを加熱するのに、排気路７において燃料Ｇ
を燃焼させるバーナ装置１５を備えた構成を説明した
が、別に、電気ヒータ等によって排ガスＥを加熱しても
構わない。

【００３３】〈２〉上記実施の形態において、酸化触媒
部２を冷却するに、酸化触媒部２内に配設された伝熱管
３１内に冷却水を流通させる構成を説明したが、別に、
外部より空気を供給して酸化触媒部２に供給される排ガ
スＥを冷却して、酸化触媒部２を冷却しても構わない。

【００３４】〈３〉上記実施の形態において、本発明の
エンジンシステムを、特に排ガスの温度が低い予混合圧
縮自着火エンジンシステムとして構成して説明したが、
本発明のエンジンシステムは他の形態のエンジンシステ
ムとして構成することができ、特に、燃料を希薄状態で
燃焼させ、低温の排ガスを排出するエンジンシステムに
おいて高い効果を見込むことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願の実施形態におけるエンジンシステムの構
成を示す図

【符号の説明】

１エンジンシステム２酸化触媒部７排気路１４燃焼室１６温度センサ（温度検出手段）Ａ加熱手段Ｂ冷却手段Ｅ排ガスＭ予混合気

フロントページの続き (72)発明者浅田昭治大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者佐古孝弘大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者守家浩二大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AA19 AB02 CA02 CA07 EA18 GB01X GB06W GB07W GB10X HA39

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室において燃料を燃焼させ、前記燃
焼室から排気路へ排出される排ガス中の未燃成分を接触
酸化反応させる酸化触媒部を設けたエンジンシステムで
あって、前記酸化触媒部の触媒温度を検出する温度検出手段を備
え、前記温度検出手段により、所定の触媒温度範囲の下限値
以下の前記触媒温度を検出したときに、前記酸化触媒部
に供給される排ガスを加熱する加熱手段を備えたエンジ
ンシステム。
【請求項２】前記温度検出手段により、所定の触媒温
度範囲の上限値以上の前記触媒温度を検出したときに、
前記酸化触媒部を冷却する冷却手段を備えた請求項１に
記載のエンジンシステム。
【請求項３】前記酸化触媒部が、パラジウムを酸化ジ
ルコニウムに担持してなる触媒、パラジウム及び白金を
酸化ジルコニウムに担持してなる触媒、パラジウムを酸
化錫に担持してなる触媒、又はパラジウム及び白金を酸
化錫に担持してなる触媒により構成されている請求項１
又は２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】前記燃料が、メタンを主成分とする天然
ガス系の燃料である請求項３に記載のエンジンシステ
ム。
【請求項５】前記燃焼室において少なくとも酸素含有
ガスを圧縮して、前記圧縮された酸素含有ガス中の燃料
を自己着火させて燃焼させる圧縮自着火エンジンシステ
ムとして構成されている請求項１から４の何れか１項に
記載のエンジンシステム。