JP2007239478A

JP2007239478A - 排ガス浄化装置および浄化方法

Info

Publication number: JP2007239478A
Application number: JP2006059268A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Kato; 泰良加藤; Masaaki Ishioka; 正明石岡
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】常温から起動させて黒煙の発生を防止しつつ、結露によるPMや灰などの固着する問題を簡便な方法で解決できる排ガス浄化装置および浄化方法を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気流路と、該排気流路に排ガス中の一酸化窒素（NO）を二酸化窒素（NO₂）に酸化させる機能を有するフィルタ材を充填した反応器、または同様な機能を有する触媒とその後流部にフィルタ材とを充填した反応器と、該反応器へのガスをバイパスするための排気管と、前記反応器の前流部に設けられた、前記反応器へのバイパス管にガス流れを切り替えるため切替弁と、前記切替弁または該切替弁直後のバイパス配管の温度を検出するセンサと、該センサからの温度信号と前記内燃機関の運転信号により前記切替弁を作動させてガス流れを切り替える制御機構とを有する排ガス浄化装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス浄化装置および浄化方法に係り、特にディーゼルエンジン（DE）から排出されるガス中に含まれる未燃炭素を主体とする粒状物質（ＰＭ）を除去するフィルタ（DPF）を用いる排ガス浄化装置において、エンジン起動時に排ガス中の水分が凝縮することにより起こるDPFの目詰まり、担持された触媒の劣化、PMの固着によるDPFの閉塞などの運転障害を防止するのに好適な排ガス浄化装置とその運転方法に関する。

ディーゼルエンジンは内燃機関の内最も効率の高いものの1つであり、一定出力当りの二酸化炭素(CO_２)排出量が低く、その上、重油のような低質の燃料使えるため、地球環境上、また経済的にも優れている。このため、近年、地球温暖化防止のためエネルギー利用効率が高く、CO_２排出量の低いディーゼルエンジン（DE）を用いた車や定置式の発電設備が見直され、多用される傾向にある。

一方、重質油や軽油を燃料とするディーゼルエンジンは、未燃炭化水素と煤が一体化した粒状物質が多く、公害の元凶になっていることが社会問題になっている。このため、ディーゼルエンジンメーカ及び自動車メーカなど、各方面で粒状物質（PM）の除去に関する研究、開発が進められ、優れた除去性能を有するフィルタや、前置の酸化触媒やフィルタに酸化触媒を担持して、排ガス中の一酸化窒素（NO）を二酸化窒素(NO_２)にして煤を燃焼させ、長期間煤の詰まりを防止できるようにしたPMフィルタ（DPF）に関する研究・発明がなされている（非特許文献１）。これらの発明の多くは、排ガスを数μmの多孔質セラミックスの薄壁に通して濾過することを目指したものであり、その形状には、板状または円筒状の金属もしくはセラミックス焼結フィルタ、ハニカム状のセラミックス多孔成形体の目を交互に埋めてフィルタに用いるもの、または微細な金属線織布をフィルタに用いるものなどが知られている。更に、それらの目詰まりを防止または緩和するため、これらフィルタにNOのNO_２への酸化機能を持たせ煤を酸化燃焼させるものが知られている(特許文献１および２)。

従来、分散型電源装置や自動車などの、PM除去に用いる排ガス浄化装置は、内燃機関と該内燃機関の排気流路に順次設けられた、粒状物質の捕捉およびこれを酸化する触媒機能を備えた反応器、例えばディーゼルパティキュレートフィルタ（DPF）およびサイレンサとからなる。このような小型設備では、コンパクト化、軽量化、さらにはコスト低減のため、内燃機関からDPF までの排気管などの流路は保温施工されないか、施工されたとしても簡便なものであることが一般的である。一方、ディーゼルエンジンには、始動時に定常運転時の数十倍という高濃度のPMを含む黒煙を排出する性質がある。このためDPFを用いる排ガス浄化装置は、起動時から作動さて黒煙の発生を防ぐことが必要であり、この点が他の触媒やフィルタ装置と大きく異なっている。このため長い停止期間を経てDEを起動すると、常温まで冷え切った排気管、流路切替弁、更には触媒やDPFに排ガス中の水分が大量に凝縮することになる。その結果、DPFや触媒に付着していたPMや灰分（燃料およびエンジンオイルに含まれるCa,Mg,Zn ,S,Pなどの無機成分）が、凝縮水で濡れて流路表面に固着すると共に、溶解した無機成分がDPFや触媒の細孔内に析出し、急激な圧損上昇や触媒活性の急激な低下を引き起こすという問題を生じる。
産業環境管理協会、環境管理 Vol.37、p441-449 特開平1-318715号公報特開昭60-235620号公報

本発明の課題は、上記した状況に鑑み、常温から起動させて黒煙の発生を防止しつつ、結露によるPMや灰などの固着する問題を簡便な方法で解決することができる排ガス浄化装置および浄化方法を提供することにある。

上記課題を達成するため、本願で特許請求される発明は、以下のとおりである。
（１）内燃機関の排気流路と、該排気流路に排ガス中の一酸化窒素（NO）を二酸化窒素（NO₂）に酸化させる機能を有するフィルタ材を充填した反応器、または同様な機能を有する触媒とその後流部にフィルタ材とを充填した反応器と、該反応器へのガスをバイパスするための排気管と、前記反応器の前流部に設けられた、前記反応器へのバイパス管にガス流れを切り替えるため切替弁と、前記切替弁または該切替弁直後のバイパス配管の温度を検出するセンサと、該センサからの温度信号と前記内燃機関の運転信号により前記切替弁を作動させてガス流れを切り替える制御機構とを有することを特徴とする排ガス浄化装置。
（２）（1）記載の排ガス浄化装置において、前記内燃機関の始動時点における切替弁または該切替弁直後のバイパス配管の温度が排ガスの露点以下の場合に、該内燃機関始動直後の一定期間排ガスを反応器に導いた後、前記切替弁により排ガスをバイパス排気管にバイパスさせ、前記部位の温度が露点を超えた時点で、再度排ガスを反応器に導くことを特徴とする排ガス浄化方法。
（３）内燃機関の排気流路と、該排気流路に排ガス中の一酸化窒素（NO）を二酸化窒素（NO₂）に酸化させる機能を有するフィルタ材を充填した反応器、または同様な機能を有する触媒とその後流部にフィルタ材とを充填した反応器と、該反応器へのガスをバイパスするための排気管と、前記反応器の前流部に設けられた、前記反応器へのバイパス管にガス流れを切り替えるための切替弁と、前記切替弁または該切替弁直後のバイパス配管の温度を検出するセンサと、内燃機関と前記切替弁との中間の排気管の温度を検出するセンサと、これら二つのセンサーの温度信号と内燃機関の運転信号とから前記切替弁を作動させてガス流れを切り替える制御機構とを有することを特徴とする排ガス浄化装置。
（４）（３）記載の排ガス浄化装置において、内燃機関の始動時点における切替弁または該切替弁直後のバイパス配管の温度が排ガスの露点以下の場合に、該内燃機関始動直後から内燃機関と切替弁の間の配管温度を検出センサー信号が露点を越えるまでの期間は排ガスを反応器に流し、上記センサーが露点を示した時点で切替弁を作動させて排ガスをバイパス排気管に流し、その後切替弁または切替弁直後のバイパス排気管に設けたセンサー信号が露点を超えた時点で、再度切替弁を作動させて排ガスを反応器に導くことを特徴とする排ガス浄化方法。

排ガス中の結露成分の露点以下（常温）から使うことが必須であるDE用排ガス処理装置において、長期間使用して灰分がDPF内に堆積した状態の場合や、温度の低い冬季など、結露によりＰＭやＦｉなどが固着して圧損が突然上昇し、運転できなくなるなどの問題を解決し、DE排ガス処理の信頼性を向上させることができる。

本発明者らは、DEなどの内燃機関に取り付けた触媒やDPFが、常温から起動した場合に凝縮水により濡れる機構について詳細に検討したした結果、次のような結論に至った。すなわち、排ガスを露点以下の常温から配管や反応器に導入しても、通常、触媒は濡れることはなく、触媒などの上流に位置する排気管や流路切替弁などが、露点以上に加熱されるまでの期間に溜まった凝縮水が一度に触媒やDPFに移動する場合に濡れる現象が発生し、これを避ければ前述した結露によるトラブルは回避できることを見出し、簡便な機構による結露防止策である本発明を完成するに至った。

図４は、内燃機関（DE）から反応器に至る各部の温度と凝縮水の量を模式的に示したものを、起動時から時間を追って示したものである。水分の凝縮は、図４（Ａ）に示すように、配管壁面が露点以下でDEの最も近い部分で帯状に発生し、時間と共に排気管壁面の温度が上昇するに従って後流部に移動していく。その間水分の凝縮は続いており、後流部に行くに従って凝縮帯の凝縮水量は時間と共に増加していく（同図（Ｂ）および（Ｃ））。その結果、凝縮帯が反応器の触媒やDPFに到達した時点では凝縮帯（結露帯）１０の凝縮水は大量になっており、触媒、DPF、蓄積している灰を濡らして流路や細孔を閉塞させ、圧損の急上昇や触媒の劣化を引き起こす。

本発明では、起動時直後の一定時間、凝縮帯が(A)〜(B)にある状態までは反応器にガスを流し、その後、（C）の状態からは排ガスをバイパスラインに導き、凝縮帯が流路切替弁を通過することを待って再び反応器に排ガスを導き、凝縮帯１０という形で大量の凝縮水が反応器内に持ち込まれることを回避している。凝縮帯が反応器内に持ち込まれなければ、排ガスが水分を含んでいたとしても比熱が低く多孔質である触媒やDPFは、水の凝縮熱で直ちに露点まで温められ水で濡れることはない。そのため、起動直から排ガスを処理しても凝縮水のトラブルを引き起こさないだけではなく、排ガスをバイパスしている時間を最短に抑えることが可能となる。

このような処理を可能にするため、(1)図４（C）の時点までの時間を予め推定してタイマなどで切替弁を作動させて、排ガスをバイパスさせ、切替弁または切替弁直後のバイパス配管の温度が露点をこえることを検出して排ガスを反応器に再び流す方法、(2)図４（B）の状態を経過したことを、そこに設置した温度センサが露点を超えたことで知り、切替弁を作動させて排ガスをバイパスさせ、切替弁または切替弁直後のバイパス配管の温度が露点を超えることを検出して、排ガスを反応器に再び流す方法との二つの方法がある。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明を実施するために必要な最低限の機器を配した装置のフロー図である。図において、内燃機関1からの排ガスは、排気管2、流路切替弁3、排気管4を経て反応器5に導かれる。なお、８はサイレンサである。これとは別に流路切替弁3はバイパス排気管に繋がっており、弁3の切り替えにより、排ガスをバイパス排気管７に流して反応器５への流入を防止することが可能になっている。反応器５内には、PtなどのNOを酸化する機能に優れた成分が担持されたセラミック製フィルタ材101が充填されており、排ガス中のNOをNO_２酸化すると共に、発生したNO_２でフィルタに溜まったPMを酸化して浄化する働きをする。これとは別に、切替弁3の直後のバイパス用排気管7には、温度センサー201が設置され、それからの信号301と、エンジンの運転信号501、制御装置200内に内蔵されるタイマーと、露点の手動設定値とから、切替弁3の制御信号401を発生する制御装置200が設けられている。

上記装置における操作は、次のように行われる。
(1)エンジン起動時にセンサー201の温度が露点設定値を超える場合値：切替弁は作動させず常時反応器５側に排ガスを流す。
(2)エンジン起動時にセンサー201の温度が露点設定値以下の場合：起動時から排ガスを反応器５に導き、その後タイマーにより所定時間経過後、すなわち、予め図４の凝縮帯（符号１０）が切替弁3に移動する予測時間を設定し、その設定時間経過後、切替弁3で排ガスをバイパス配管7に導く。その後、センサ201信号が露点設定温度以上に到達したら、切替
これにより、凝縮帯（図４の１０）が反応器５内に移動して触媒やDPFが濡れて圧損上昇や触媒劣化などを引き起こすことが防止され、長期の安定運転が可能になる。

図２は、本発明の他の実施例を示す図１と同様なフロー図であり、図１における制御装置200内のタイマーに代え、排気管2の切替弁3近くの位置に温度センサー202を設置し、その信号を用いた場合を示す。この実施例では、図１の制御装置におけるタイマー信号に代わり、センサ202の温度信号が、制御装置200の露点設定値を越えたことを感知して切替弁3を作動させ、排ガスをバイパス用排気管7に導く。これにより起動条件が一定しない場合にも、反応器５内のDPFが濡れることが防止され、長期の安定運転が可能になる。

図３は、本発明のさらに他の実施例を示すもので、図1の反応器５として、ハニカムなどのパラレルフロー担体にPtなどのNO酸化成分を担持した触媒とセラミックまたは金属性の多孔質フィルタ材を組み合わせて用い、温度センサ201を流路切替弁3に設置した場合の例を示すものである。この実施例によれば、図２の実施例の効果に加え、NO酸化触媒102で発生させたNO_２でフィルタ103に捕集されたPMを燃焼させることができる。

本発明を実施するために必要な最低限の機器を配した装置のフロー図。本発明の他の実施例を示す図１と同様なフロー図。本発明のさらに他の実施例を示すフローを図。内燃機関から反応器に至る各部の温度と凝縮水の量を模式的に示したものを、起動時から時間を追って示した図。

符号の説明

１：ディーゼルエンジン（DE）、２，６，９：排気管、３：流路切替弁、４：排気管、５：反応器、7：バイパス用排気管、8：サイレンサー、10：凝縮帯、101：触媒付きフィルタ、102：パラレルフロー型NO酸化触媒、103：フィルタ、200：制御装置、201，202：温度センサ、301，302：温度信号、303：エンジン運転信号、401：切替弁操作信号

Claims

内燃機関の排気流路と、該排気流路に排ガス中の一酸化窒素（NO）を二酸化窒素（NO₂）に酸化させる機能を有するフィルタ材を充填した反応器、または同様な機能を有する触媒とその後流部にフィルタ材とを充填した反応器と、該反応器へのガスをバイパスするための排気管と、前記反応器の前流部に設けられた、前記反応器へのバイパス管にガス流れを切り替えるため切替弁と、前記切替弁または該切替弁直後のバイパス配管の温度を検出するセンサと、該センサからの温度信号と前記内燃機関の運転信号により前記切替弁を作動させてガス流れを切り替える制御機構とを有することを特徴とする排ガス浄化装置。
請求項1記載の排ガス浄化装置において、前記内燃機関の始動時点における切替弁または該切替弁直後のバイパス配管の温度が排ガスの露点以下の場合に、該内燃機関始動直後の一定期間排ガスを反応器に導いた後、前記切替弁により排ガスをバイパス排気管にバイパスさせ、前記部位の温度が露点を超えた時点で、再度排ガスを反応器に導くことを特徴とする排ガス浄化方法。
内燃機関の排気流路と、該排気流路に排ガス中の一酸化窒素（NO）を二酸化窒素（NO₂）に酸化させる機能を有するフィルタ材を充填した反応器、または同様な機能を有する触媒とその後流部にフィルタ材とを充填した反応器と、該反応器へのガスをバイパスするための排気管と、前記反応器の前流部に設けられた、前記反応器へのバイパス管にガス流れを切り替えるための切替弁と、前記切替弁または該切替弁直後のバイパス配管の温度を検出するセンサと、内燃機関と前記切替弁との中間の排気管の温度を検出するセンサと、これら二つのセンサーの温度信号と内燃機関の運転信号とから前記切替弁を作動させてガス流れを切り替える制御機構とを有することを特徴とする排ガス浄化装置。
請求項３記載の排ガス浄化装置において、内燃機関の始動時点における切替弁または該切替弁直後のバイパス配管の温度が排ガスの露点以下の場合に、該内燃機関始動直後から内燃機関と切替弁の間の配管温度を検出センサー信号が露点を越えるまでの期間は排ガスを反応器に流し、上記センサーが露点を示した時点で切替弁を作動させて排ガスをバイパス排気管に流し、その後切替弁または切替弁直後のバイパス排気管に設けたセンサー信号が露点を超えた時点で、再度切替弁を作動させて排ガスを反応器に導くことを特徴とする排ガス浄化方法。