JP2011001829A - ガスエンジンの排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】未燃メタンを主成分とするガス燃料を用いるガスエンジンの排気浄化装置の浄化性能向上。
【解決手段】ガス燃料と空気とを予め混合した混合気を、燃焼室内で圧縮自着火させて燃焼する予混合圧縮自着火式ガスエンジンに適した排気浄化装置に関し、前記ガスエンジンの排気経路に、排気上流側から順に、酸化触媒３０と、該酸化触媒３０よりもメタン等の除去率が高い炭化水素酸化触媒３１を配置した。前記酸化触媒３０は、たとえば複数気筒エンジンにおいて、各気筒の燃焼室に連通する排気枝管２０を有する排気マニホールド４の前記各排気枝管２０内に配置する。また、前記炭化水素酸化触媒３１は、排気マニホールド４の排気主管２１の排気下流側の接続された二重管構造の触媒ケース２５の内側排気通路２７内に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、メタンを主成分とする都市ガス（天然ガス）等のガス燃料を使用するガスエンジンの排気浄化装置に関し、特に、空気とガス燃料とを予め混合した混合気をシリンダ内の燃焼室に供給し、該混合気を圧縮することによって自着火させる予混合圧縮自着火式ガスエンジン（ＨＣＣＩ）に適した排気浄化装置に関する。
天然ガス等、メタンを主成分とするガス燃料を使用するガスエンジンでは、排気ガス中から、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）と共に、未燃焼メタン（ＣＨ4）を除去する必要がある。
前記予混合圧縮自着火式ガスエンジンは、火花点火式エンジンと比較して、高い圧縮比で運転が可能なため、高熱効率が得られ、それにより、ＣＯの発生を抑え、かつ、燃焼温度が低くなることにより、ＮＯｘの発生を抑制することが可能である。しかし、希薄燃焼であるため、未燃メタンが排気ガス中に高濃度で排出される。この未燃メタンは、地球温暖化係数がＣＯ2の２１倍であるため、少量であっても強力な温室効果ガスとなる。
このような未燃メタンを除去するために、従来、炭化水素酸化触媒を排気経路に配置して、未燃メタンを酸化除去する排気浄化装置は開発されている（特許文献１）。
特開２０００−２５４４９９号公報
ところが、ガスエンジンの排気温度が低い場合、特に上記のように予混合圧縮自着火式ガスエンジンでは、燃焼温度が低く、排気ガス温度も低くなっているので、たとえ排気経路中に炭化水素酸化触媒を配置していても、十分に活性化せず、未燃メタンを十分に除去することが困難であった。
ちなみに、炭化水素酸化触媒の活性化温度は、３５０°Ｃ乃至３７０°Ｃ程度であるが、前記予混合圧縮自着火式ガスエンジンの排気ガス温度は、精々、３４０°程度ぐらいまでしか上昇せず、炭化水素を効率的に酸化除去することが困難である。
本発明は上記課題に鑑みて為されたものであり、都市ガス等、メタンを主成分とするガス燃料を使用するガスエンジンの排気浄化装置において、ＣＯ及びＮＯｘ等と共に未燃メタンも効率良く浄化し、トータルとしての温室効果ガス排出量を減少させることを目的としている。
前記課題を解決するため、本発明は、メタンを主成分とするガス燃料を用いるガスエンジンの排気浄化装置において、前記ガスエンジンの排気経路に、排気上流側から順に、ＣＯを酸化しうる酸化触媒と、該酸化触媒よりもメタンの除去率が高い炭化水素酸化触媒を配置した。
上記排気浄化装置において、好ましくは、排気上流側の前記酸化触媒は、前記ガスエンジンのシリンダヘッド内の排気経路又はシリンダヘッド近傍の排気経路内に配置する。
また、好ましくは、前記炭化水素酸化触媒は、内側排気通路と外側排気通路とを有する二重管構造の触媒ケースの前記内側排気通路内に配置し、前記外側排気通路には、前記内側排気通路通過後の排気ガスが流れるように構成する。
さらに、上記排気浄化装置において、好ましくは、前記ガスエンジンは、ガス燃料と空気とを予め混合した混合気を、燃焼室内で圧縮自着火させて燃焼する予混合圧縮自着火式ガスエンジンとする。
（１）本願発明によると、炭化水素酸化触媒の排気上流側に酸化触媒を設けていることにより、シリンダから排出される排気ガスは、まず、上記排気上流側の酸化触媒において、ＣＯが酸化除去されると同時に、排気ガス温度が上昇する。また、未燃メタンも一部は酸化除去される。この後、前記温度上昇した排気ガスが、排気下流側の炭化水素酸化触媒に供給されるので、反応温度が高い残りの未燃メタンも、炭化水素酸化触媒により効率良く酸化除去される。これにより、温室効果ガス全体の排出量を大幅に減少させることができる。
（２）排気上流側の酸化触媒を、ガスエンジンのシリンダヘッド内の排気経路又はシリンダヘッド近傍の排気経路内に配置すると、酸化触媒におけるＨＣ及びＣＯ等の除去効率が向上する。具体的に説明すると、排気ガスは、排気弁の開閉により、燃焼室から排気経路への排出と停止が交互に繰り返されており、排気弁に近い箇所である上記シリンダヘッド内の排気経路又はシリンダヘッド近傍の排気経路に、排気行程において排出された排気ガスが、次の排気行程まで一時的に滞留する。このように一時的に滞留する位置に酸化触媒を配置することにより、浄化性能を高くすることができる。また、燃焼室から排出された直後の排気ガスが溜まるので、温度が高く、触媒の活性化が促進される。
（３）内側排気通路と外側排気通路とを有する二重管構造の触媒ケースの前記内側排気通路内に炭化水素酸化触媒を配置していると、炭化水素酸化触媒を通過して温度が上昇した排気ガスが、炭化水素酸化触媒の外周面に沿って流れることにより、炭化水素酸化触媒は外部から断熱され、炭化水素酸化触媒の温度を高く維持することができ、これにより、浄化性能を高く維持できる。特に、排気ガスが通過する炭化水素酸化触媒は、中央部が外周部よりも温度が高くなるが、前記二重管構造の触媒ケースを採用すると、炭化水素酸化触媒の温度を全体として略均一に高くすることができる。
（４）ガスエンジンとして、ガス燃料と空気とを予め混合した混合気を、燃焼室内で圧縮自着火させて燃焼する予混合圧縮自着火式ガスエンジンを採用すると、燃焼温度が低いことにより、ＮＯｘの発生を効果的に減少させつつ、酸化触媒で温度を上げた排気ガスを、炭化水素酸化触媒に供給し、活性化を促進し、未燃メタンを効率良く除去することができるのである。
本発明の第１の実施の形態に係る排気浄化装置を備えた予混合圧縮自着火式ガスエンジンの平面略図である。 図１のガスエンジンの排気マニホールドの簡略斜視図である。 図１のIII-III断面拡大図である。 図１のIV-IV断面拡大図である。 炭化水素酸化触媒の触媒温度と炭化水素除去率との関係を示す図である。 ＮＯｘ濃度（空燃比）と、排気ガス温度、温室効果ガス排出量及びＣＯ排出量との関係を示す図である。 火花点火式ガスエンジンの場合と、触媒配置状態の異なる複数の予混合圧縮自着火式ガスエンジンの場合おけるメタン排出量、ＣＯ2排出量及び温室効果ガス排出量を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る予混合圧縮自着火式ガスエンジンの平面略図である。
［第１の実施の形態］
図１乃至図４は、本発明の第１の実施の形態に係る排気浄化装置を備えた予混合圧縮自着火式ガスエンジンを示しており、図１はガスエンジンの平面略図、図２は図１のガスエンジンの排気装置の斜視図、図３は図１のIII-III断面拡大図、図４は図１のIV-IV断面拡大図である。これらの図に基づいて第１の実施の形態を説明すると、図３において、ガスエンジンのシリンダブロック１等のエンジン本体の上端面にシリンダヘッド２が締着され、シリンダヘッド２の一側端面に吸気マニホールド３が取り付けられ、シリンダヘッド２の他側端面に排気マニホールド４が取り付けられている。
図１において、該ガスエンジンは直列４気筒エンジンであり、シリンダブロック１には、同一クランク軸上に４つの気筒Ｃが配置されており、シリンダヘッド２には、各気筒Ｃの燃焼室に開口する吸気ポート１０（一部のみ符号表示）及び排気ポート１１と、各吸気ポート１０に連通する吸気通路１２及び各排気ポート１１に連通する排気通路１３とが、それぞれ形成されている。
吸気マニホールド３は、シリンダヘッド２の各吸気通路１２に連通する４本の吸気枝管１５と、各吸気枝管１５を集合した吸気主管１６とを備え、該吸気主管１６の吸気上流側は、空気とガス燃料を混合するミキサー１７を介して、メタンを主成分とする都市ガスの供給源並びに空気供給源に接続している。
排気マニホールド４は、シリンダヘッド２内の各排気通路１３にそれぞれ連通する４本の排気枝管２０と、各排気枝管２０からの排気ガスを集合する排気主管２１とを備え、前記４本の排気枝管２０は一対のフランジ２３，２４により互いに一体的に連結され、前記各フランジ２３，２４は、それぞれ排気主管２１とシリンダヘッド２とに固定されている。前記各排気枝管２０内には、それぞれ酸化触媒３０が挿入され、適宜の固定手段により固定されている。前記酸化触媒３０は、一般的な酸化触媒であり、たとえばハニカム構造のアルミナの担体に、白金あるいはパラジウム等を担持したものである。
排気主管２１の排気下流側端部には、二重管構造の触媒ケース２５が接続されている。図４に示すように、前記触媒ケース２５は、内側筒壁２７と、該内側筒壁２７の径方向外方側に、環状空間を介して配置された外側筒壁２６と、を有しており、内側筒壁２７内で内側排気通路２７ａを形成し、内側筒壁２７と外側筒壁２６との間で、環状の外側排気通路２６ａを形成している。図２に示すように、内側排気通路２７ａの排気上流側端は前記排気主管２１に連通し、排気下流側端は外側排気通路２６ａに連通している。そして、前記内側排気通路２７ａには、前記酸化触媒３０よりもメタン除去率が高い炭化水素酸化触媒３１が配置されている。
外側筒壁２６の排気主管２１側の部分には排気管３５が接続され、該排気管３５の排気下流側端部には図１のように、排気マフラー３６が接続されている。
前記炭化水素酸化触媒３１は、前述のように、前記酸化触媒３０よりもメタン除去率が高い構造となっている。たとえば、基本的な構造は、シリカ担体に白金とパラジウムを担持させた構造となっているが、前記白金やパラジウムの担持量が多く、それにより、貴金属の分散性が高く、多くのメタンが浄化できる。
［第１の実施形態の作用効果の説明］
図５は、横軸が触媒温度（°Ｃ）、縦軸は炭化水素除去率を示しており、炭化水素除去率は、触媒温度が高くなるに連れて高くなり、３５０°Ｃ乃至３８０°Ｃくらいで、略１００％の除去率となっている。すなわち、３５０°Ｃ乃至３８０°Ｃが活性化温度となっている。
図６は、横軸がＮＯｘの発生量、縦軸の上段が、ＣＯ排出量、中段が温室効果ガス排出量、下段が排気ガス温度を表す図であり、前記ＮＯｘ発生量は、空燃比の変化に応じて変化し、たとえば、理論空燃比よりも空燃比が大きくなると、ＮＯｘ発生量は減少する。図７は、点火方式の相違及び触媒配置の有無によるＣＯ2排出量と温室効果ガス排出量の変化を示したグラフであり、左端のグラフＥ0は、如何なる触媒も配置しない場合の火花点火式ガスエンジン、中央のグラフＥ1は、排気経路中に炭化水素酸化触媒３１のみを配置した場合の予混合圧縮自着火式ガスエンジン、右端のグラフＥ2は、図１のように排気経路の排気上流側、すなわち排気枝管２０内の酸化触媒３０を配置し、排気経路の排気下流側、すなわち排気主管２１の下流端部の触媒ケース２５内に、炭化水素酸化触媒３１を配置した場合の予混合圧縮自着火式ガスエンジンである。
排気ガスの流れ及び浄化作用を説明する。図１において、各シリンダＣの燃焼室からシリンダヘッド２の各排気通路１３に排出される排気ガスは、各排気枝管２０内の酸化触媒３０をそれぞれ通過し、これにより、炭化酸素（ＣＯ）及び一部の炭化水素（ＨＣ）が酸化除去され、かつ、酸化反応熱により、排気ガス温度が上昇する。たとえば、図６において、下段の白三角△が各酸化触媒３０の入口温度であり、白四角□が各酸化触媒３０の出口温度であり、各酸化触媒３０を通過することにより、白三角△の３３０°Ｃ乃至３４０°Ｃ付近から白四角□の３８０°Ｃ付近まで、排気温度が４０°Ｃ程度上昇する。
図２において、上記３８０°Ｃ程度まで上昇した排気ガスは、各排気枝管２０から排気主管２１に集合し、触媒ケース２５の内側排気通路２７ａに入り、炭化水素酸化触媒３１により、適正な活性化温度で、未燃メタン（ＣＨ4)が略０まで酸化除去される。この場合、排気ガス温度は、図６の下段の白四角□で示す３８０°Ｃ付近から、４３０°Ｃ付近まで略５０°Ｃ程度上昇する。このように、４３０°Ｃ付近まで上昇した排気ガスは、触媒ケース２５の外側排気通路２６ａ内を流れ、これにより、内側排気通路２７ａ内の炭化水素触媒３１を外気から断熱し、炭化水素酸化触媒３１の放熱による温度低下を防ぐ。
そして、前記外側排気通路２６ａを流れた排気ガスは、排気管３５及び排気マフラー３６を通り、外気に排出される。
図７において、左端のグラフＥ0に示すように、火花点火式ガスエンジンでは、希薄燃焼ではなく、かつ、燃焼温度が高いので、未燃メタンの排出量は比較的少なく、一方、ＣＯ2の排出量は多い。
中央のグラフＥ1に示すように、二重管構造の触媒ケース２５内に配置された炭化水素酸化触媒のみを備えている場合、高熱効率で燃焼するので、ＣＯ2の排出量は火花点火式ガスエンジンに比べて減少するが、排気温度が低いことにより、未燃メタンの除去率が小さく、したがって、トータルとしての温室効果ガス排出量は、火花点火式ガスエンジンと殆ど変わることがない。
ところが、本実施の形態のように、上流側の各排気枝管２１内の酸化触媒３０により、ＣＯ及び一部のＨＣ等を酸化除去し、排気ガス温度が上昇した状態で、下流側の炭化水素酸化触媒３１中を、通過させることにより、炭化水素酸化触媒３１の活性化を促進し、図７の右端グラフＥ2に示すように、未燃メタンを殆どＯになるまで除去することができる。これにより、たとえ、ＣＯ2の排出量が、中央のグラフＥ1の場合よりも高くとも、地球温暖化係数がＣＯ2の２１倍もある未燃メタンを略０近くまで除去できるので、全体の温室効果ガス排量としては、中央のグラフＥ1よりも、大幅に減少することができるのである。
さらに、４８０°Ｃ近くの高温となって炭化水素酸化触媒３１から搬出される排気ガスを、炭化水素酸化触媒３１の外周を囲む外側排気通路２６ａに流し、断熱効果を発揮させることにより、一層、炭化水素酸化触媒３１の活性化を促進することができる。
［第２の実施の形態］
図８は本発明の第２の実施の形態に係る予混合圧縮自着火式ガスエンジンであり、各排気枝管２０の長さ及び各排気枝管２０内の排気上流側酸化触媒３０の配置状態が、前記図１乃至図４の構造と異なっており、その他の構造は図１乃至図４の構造と同様であり、同じ部品には同じ符号を附してある。
図８に示す排気浄化装置は、各排気枝管２０の長さを、前記図１の場合よりも短くし、かつ、各酸化触媒３０の排気下流側の端部を、排気主管２１内に突出させている。
該実施形態によると、排気枝管２０を短くすることにより、排気装置全体を小形化でき、しかも、酸化触媒３０の排気下流側の端部を排気主管２内の高温の排気ガスに曝すことにより、各酸化触媒３０を、より効率良く活性化することができる。
［その他の実施の形態］
（１）前記図１乃至図７並びに図８に示す各実施形態では、排気枝管２０内に排気上流側の酸化触媒３０を配置しているが、たとえば、図３のシリンダヘッド２内の排気通路１３に直線部分が多く、一定長さの酸化触媒３０が挿入可能な形状であれば、燃焼室の最も近い上記シリンダヘッド２内の排気通路１３に排気上流側の酸化触媒３０を配設してもよい。
（２）本発明は、上記のように、予混合圧縮自着火式ガスエンジンに最適であるが、火花点火式のガスエンジン、特に、排気温度があまり高くならないガスエンジン等にも適用可能である。
１ シリンダブロック（エンジン本体）
２ シリンダヘッド
３ 吸気マニホールド
４ 排気マニホールド
１０ 吸気口
１１ 排気口
１２ シリンダヘッド内吸気通路
１３ シリンダヘッド内排気通路
２０ 排気枝管
２１ 排気主管
２５ 二重管構造の触媒ケース
２６ 外側筒壁
２６ａ 外側排気通路
２７ 内側筒壁
２７ａ 内側排気通路
３０排気上流側の酸化触媒
３１ 排気下流側の炭化水素酸化触媒

Claims (4)

  1. 未燃メタンを主成分とするガス燃料を用いるガスエンジンの排気浄化装置において、
    前記ガスエンジンの排気経路に、排気上流側から順に、酸化触媒と、該酸化触媒よりもメタンの除去率が高い炭化水素酸化触媒を配置したことを特徴とするガスエンジンの排気浄化装置。
  2. 請求項１に記載のガスエンジンの排気浄化装置において、
    排気上流側の前記酸化触媒は、前記ガスエンジンのシリンダヘッド内の排気経路又はシリンダヘッド近傍の排気経路内に配置したことを特徴とするガスエンジンの排気浄化装置。
  3. 請求項１又は２に記載のガスエンジンの排気浄化装置において、
    前記炭化水素酸化触媒は、内側排気通路と外側排気通路とを有する二重管構造の触媒ケースの前記内側排気通路内に配置し、
    前記外側排気通路は、前記内側排気通路通過後の排気ガスが流れるように、前記内側排気通路に連通しているガスエンジンの排気浄化装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一つに記載のガスエンジンの排気浄化装置において、
    前記ガスエンジンは、ガス燃料と空気とを予め混合した混合気を、燃焼室内で圧縮自着火させて燃焼する予混合圧縮自着火式ガスエンジンであるガスエンジンの排気浄化装置
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