JP2019183756A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気処理触媒への水素供給量の減少を阻止する。【解決手段】機関排気通路内に排気処理触媒（５）が配置され、改質器（６）において生成された水素が水素供給管（１３）を介して、排気処理触媒（５）上流の機関排気通路内に供給される。機関排気通路内を流れる排気ガスとの間で熱交換を行うための熱交換用フィン（１５）が、機関排気通路内に挿入された水素供給管（１３）の外周面上に形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
機関排気通路にＮＯＸ浄化触媒を配置すると共に、水素を含む改質ガスを生成するための燃料改質装置を具備しており、機関始動時に、燃料改質装置において生成された水素を含む高温の改質ガスを、ＮＯＸ浄化触媒上流の機関排気通路に供給し、供給された改質ガス中の水素により、ＮＯＸ浄化触媒のＮＯＸ浄化率を高めるようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。
特開２０１０−２７０６６４号公報
ところで、機関排気通路内に酸化触媒のような排気処理触媒を配置し、燃料改質装置において生成された水素を含む高温の改質ガスを、排気処理触媒上流の機関排気通路内に供給し、排気処理触媒上における水素の酸化反応熱により、排気処理触媒の温度を急速に上昇させるようにした場合、機関排気通路内に供給された水素が、排気処理触媒上において酸化反応する前に、排気ガス中に含まれる酸素と反応して自着火焼失してしまうと、排気処理触媒上において水素の酸化反応熱が発生しなくなり、排気処理触媒の温度を急速に上昇させるのが困難となる。この場合、排気処理触媒の温度を急速に上昇させるためには、機関排気通路内に供給された水素が、排気処理触媒上において酸化反応する前に、排気ガス中に含まれる酸素と反応して自着火焼失するのを抑制する必要がある。しかしながら、上述の内燃機関では、このことについて、一切考慮が払われていない。
本発明によれば、機関排気通路内に排気処理触媒を配置し、排気処理触媒上流の機関排気通路内に、改質器において生成された水素を供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、機関排気通路内に挿入された水素供給管の外周面上に、機関排気通路内を流れる排気ガスとの間で熱交換を行うための熱交換用フィンを形成した内燃機関の排気浄化装置が提供される。
水素供給管の外周面上に、排気ガスとの間で熱交換を行うための熱交換用フィンを形成することにより、改質ガスの温度が低下する。それにより改質ガス中に含まれる水素の自着火焼失が抑制されるので、排気処理触媒の温度を急速に上昇させることができる。更に、水素供給管の外周面上に熱交換用フィンを形成することにより、改質ガス熱が排気ガスに効率よく伝えられる。その結果、排気ガスの温度が上昇し、それにより排気処理触媒の温度上昇が促進される。
図１は内燃機関の全体図である。 図２Ａおよび図２Ｂは夫々、図１の排気処理装置周りの拡大断面側面図、および図２ＡにおいてＢ―Ｂ断面に沿ってみた断面図である。 図３は、別の実施例を示す排気処理装置周りの拡大断面側面図である。 図４Ａおよび図４Ｂは夫々、更に別の実施例を示す排気処理装置周りの拡大断面側面図、および図４ＡにおいてＢ―Ｂ断面に沿ってみた断面図である。 図５は軽油の改質反応を説明するための図である。 図６Ａおよび図６Ｂは夫々、反応平衡温度ＴＢとＯ２/Ｃモル比との関係を示す図、および、炭素原子１個当りの生成分子個数とＯ２/Ｃモル比との関係を示す図である。 図７は、水素の自着火焼失領域を示す図である。
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は排気マニホルド、３は排気管、４は、排気管３に接続された排気処理装置、５は、排気処理装置４内に収容されている排気処理触媒、６は、水素を含む改質ガスを生成するための改質器を夫々示す。改質器６は、改質用触媒７と、改質用触媒７の一側に形成されたバーナー燃焼室８と、改質用触媒７の他側に形成された改質ガス流出室９と、バーナー１０とを具備する。バーナー１０は、燃料タンク１１およびエアポンプ１２に接続され、燃料タンク１１から供給された燃料およびエアポンプ１２から供給された空気がバーナー１０からバーナー燃焼室８内に供給される。
バーナー１０から供給された燃料は、バーナー燃焼室８内において燃焼せしめられる。次いで、生成された燃焼ガスは改質用触媒７に送り込まれて改質され、改質用触媒７において水素を含む改質ガスが生成される。改質用触媒７において生成された水素を含む改質ガスは、改質ガス流出室９に送り込まれ、改質ガス流出室９内に送り込まれた水素を含む改質ガスが、改質ガス流出室９から排気管３内まで延びる水素供給管１３を介して、排気処理触媒５上流の排気管３内に、即ち、排気処理触媒５上流の機関排気通路内に供給される。この排気処理触媒５は、酸化触媒、ＮＯＸ吸蔵触媒、或いは、触媒付きパティキュレートフィルタからなる。
図２Ａは、図１に示される排気処理装置４周りの拡大断面側面図を示している。図２Ａを参照すると、水素供給管１３は金属製の中空管からなる。この水素供給管１３の先端部は、排気管３の外部から排気管３の管壁を貫通して排気管３の内部まで延びており、水素供給管１３の先端開口部１４が排気処理触媒５の上流側端面に向かうように、水素供給管１３の先端部が、排気管３内の中央部で、排気管３の軸線方向に折り曲げられている。なお、図２Ａに示される例では、水素供給管１３の先端部は、排気管３内においてＬ字形をなしている。
一方、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、排気管３内に位置する水素供給管１３の外周面上には、排気管３内を流れる排気ガスとの間で熱交換を行うための複数個の熱交換用フィン１５が形成されている。言い換えると、機関排気通路内に挿入された水素供給管１３の外周面上には、機関排気通路内を流れる排気ガスとの間で熱交換を行うための複数個の熱交換用フィン１５が形成されている。図２Ａおよび図２Ｂからわかるように、これらの熱交換用フィン１５は、排気管３内における排気ガスの流れ方向に延びる薄板状フィンからなる。また、図２Ａおよび図２Ｂに示される例では、排気管３内に位置する水素供給管１３の外周面の全体に亘って、熱交換用フィン１５が形成されている。
一方、図２Ａおよび図２Ｂに示される例では、排気管３内に位置する水素供給管１３の内周面上にも、水素供給管１３内を流れる水素、正確には、水素を含む改質ガスとの間で熱交換を行うための複数個の熱交換用フィン１６が形成されている。なお、図２Ａおよび図２Ｂに示される例では、これら熱交換用フィン１６は、排気管３内に位置する水素供給管１３の中で排気管３の軸線に沿って延びる部分にのみ形成されている。
図３は、水素供給管１３の変形例を示している。図３に示される例では、図２Ａおよび図２Ｂに示される例と同様に、排気管３内に位置する水素供給管１３の外周面上には、排気管３内を流れる排気ガスとの間で熱交換を行うための複数個の熱交換用フィン１５が形成されている。これに対し、図３に示される例では、図２Ａおよび図２Ｂに示される例と異なり、排気管３内に位置する水素供給管１３の内周面上に、熱交換用フィンが形成されていない。その代わり、図３に示される例では、水素供給管１３内には、排気管３の外側位置に、水素供給管１３内を流れる水素、正確には、水素を含む改質ガスに水素供給管１３の軸線回りの旋回流を与える旋回流生成器１６が配置されている。
図４Ａおよび図４Ｂは、水素供給管１３の他の変形例を示している。図４Ａおよび図４Ｂに示される例では、水素供給管１３の先端部は、排気管３内において排気管３の軸線回りを渦巻状に排気管３の軸線上まで延びており、水素供給管１３の先端開口部１４が排気処理触媒５の上流側端面に指向されている。この変形例でも、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、排気管３内に位置する水素供給管１３の外周面上には、排気管３内を流れる排気ガスとの間で熱交換を行うための複数個の熱交換用フィン１５が形成されている。これらの熱交換用フィン１５は、排気管３内における排気ガスの流れ方向に延びる薄板状フィンからなる。
上述したように、改質器６では、燃料を改質することによって水素が生成される。そこで、次に、図５を参照しつつ、燃料として軽油を用いた場合の改質反応について簡単に説明する。図５の（ａ）および（ｂ）には、燃料として一般的に使用されている軽油を用いた場合を例にとって、完全酸化反応が行われたときの反応式と、部分酸化改質反応が行われたときの反応式が示されている。なお、各反応式における発熱量ΔＨ０は低位発熱量（ＬＨＶ）で示されている。図１に示される改質器６では、バーナー１０から供給された燃料と空気が、改質用触媒７において、図５の（ｂ）に示される部分酸化改質反応を行うことにより、水素が生成される。この部分酸化改質反応は、図５（ｂ）の部分酸化改質反応の反応式に示されるように、反応せしめられる空気と燃料との比を示すＯ２/Ｃモル比が０．５のリッチ空燃比でもって行われ、このときＣＯとＨ２とが生成される。
図６Ａは、空気と燃料とを改質用触媒７において反応させて平衡に達したときの反応平衡温度ＴＢと、空気と燃料のＯ２/Ｃモル比との関係を示している。なお、図６Ａの実線は、空気温が２５℃のときの理論値を示している。図６Ａの実線に示されるように、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５のリッチ空燃比でもって部分酸化改質反応が行われたときには、平衡反応温度ＴＢはほぼ８３０℃となる。このとき、ほぼ８３０℃の改質ガスが改質用触媒７から改質ガス流出室９内に流出し、改質ガス流出室９内に流出した改質ガスが、水素供給管１３を介して排気管３内に送り込まれる。なお、このときの実際の平衡反応温度ＴＢは８３０℃よりも若干低く、従って、実際には、改質ガス流出室９内に流出する改質ガスの温度は８３０℃よりも若干低い。
一方、図５の（ａ）の完全酸化反応の反応式からわかるように、Ｏ２/Ｃモル比＝１．４５７５のときに空気と燃料との比が理論空燃比となり、図６Ａに示されるように、反応平衡温度ＴＢは、空気と燃料との比が理論空燃比になったときに最も高くなる。Ｏ２/Ｃモル比が０．５と１．４５７５との間では、一部では部分酸化改質反応が行われ、一部では完全酸化反応が行われる。この場合、Ｏ２/Ｃモル比が大きくなるほど、部分酸化改質反応が行われる割合に比べて完全酸化反応が行われる割合が大きくなるので、Ｏ２/Ｃモル比が大きくなるほど、反応平衡温度ＴＢが高くなる。
一方、図６Ｂは、炭素原子１個当りの生成分子（Ｈ２およびＣＯ）の個数とＯ２/Ｃモル比との関係を示している。上述したように、Ｏ２/Ｃモル比を０．５よりも大きくするほど、部分酸化改質反応が行われる割合が減少する。従って、図６Ｂに示されるように、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも大きくなるほど、Ｈ２およびＣＯの生成量が減少する。また、図６Ａに示されるように、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも大きくなると、平衡反応温度ＴＢが急激に高くなり、改質用触媒７の温度も急激に高くなる。従って、Ｏ２/Ｃモル比を０．５よりも大きくし過ぎると、改質用触媒７が熱劣化してしまう。一方、図６Ｂに示されるように、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも小さくなると、反応し得ない余剰の炭素Ｃが増大する。この余剰の炭素Ｃは改質用触媒７の基体の細孔内に付積し、いわゆる、コーキングを起こす。コーキングを起こすと改質用触媒７の改質能力が著しく低下する。従って、コーキングを起こすのを回避するために、Ｏ２/Ｃモル比は０．５よりも小さくさせないようにする必要がある。
また、図６Ｂからわかるように、余剰の炭素Ｃが生じない範囲で、水素の生成量が最大となるのは、Ｏ２/Ｃモル比が０．５のときである。従って、水素を生成するために部分酸化改質反応を行わせるときには、改質用触媒７のコーキングおよび熱劣化を回避しつつ、水素を最も効率よく生成しうるように、Ｏ２/Ｃモル比は、０．５か０．５よりも少し高めとされる。このとき生成された、水素を含む改質ガスは、排気管３に到達するまでに若干温度低下し、７００℃から９２０℃程度となる。
次に、例えば機関暖機運転時のように排気処理触媒５の温度が低いときに、排気処理触媒５の温度を上昇させる場合について説明する。さて、排気処理触媒５の温度が低いときに、水素供給管１３から水素を含む高温の改質ガスが供給されると、排気処理触媒５は、排気ガス熱に加え、供給された改質ガス熱により加熱されて温度上昇する。このとき、排気処理触媒５は、排気処理触媒５に熱伝達により伝えられた排気ガス熱および改質ガス熱によって温度上昇する。一方、前述したように、排気処理触媒５は、酸化触媒、ＮＯＸ吸蔵触媒、或いは触媒付きパティキュレートフィルタからなり、この排気処理触媒５上には、白金Ｐｔ，パラジウムＰｄ，ロジウムＲｈのような貴金属触媒が担持されている。このように、排気処理触媒５上に貴金属触媒が担持されていると、水素供給管１３から供給された改質ガス中に含まれる水素は、貴金属触媒上で酸化反応せしめられ、このとき発生する酸化反応熱により排気処理触媒５は、更に温度上昇する。
ところで、このように水素の酸化反応熱により、排気処理触媒５が加熱されるときには、排気処理触媒５は、排気処理触媒５自体が水素の酸化反応熱によって直接加熱される。従って、水素の酸化反応熱により排気処理触媒５が加熱される場合には、排気ガス熱および改質ガス熱の熱伝達により排気処理触媒５が加熱される場合に比べて、排気処理触媒５の温度は遥かに急速に上昇せしめられる。従って、排気処理触媒５の温度を上昇させるには、水素の酸化反応熱を利用することが極めて有効であり、そのためには、水素供給管１３から排気処理触媒５内に、できる限り多くの水素を送り込む必要がある。
ところで水素は、周囲に酸素が存在しかつ周囲の温度が高くなると酸素と反応し（２H２＋O２→２H２O）、自着火して消失する。図７のハッチング領域は、このように水素が酸素と反応して水素が自着火消失する領域を示している。なお、図７において、横軸は、水素の周囲の温度、即ち、雰囲気温度（℃）を示しており、縦軸は圧力（ｍｍHg）を示している。また、図７において、破線は、大気圧を示しており、従って、図７から、大気圧の下では、雰囲気温度が５５０℃以上になると、水素は自着火して消失することがわかる。一方、排気処理触媒５上流の排気管３内における排気ガス圧はほぼ大気圧である。従って、水素供給管１３から排気管３内に水素が供給されたときに、雰囲気温度が、ほぼ５５０℃以上であると、この水素は自着火して消失することになる。
さて、水素供給管１３から排気処理触媒５内に、できる限り多くの水素を送り込むためには、水素供給管１３から排気管３内に供給された水素を、自着火消失することなく排気処理触媒５に到達させる必要があり、そのためには、水素供給管１３から排気管３内に水素が供給されたときに、供給された水素周りの温度、即ち、雰囲気温度をほぼ５５０℃以下まで低下させる必要がある。一方、前述したように、改質器６において生成された、水素を含む改質ガスは、排気管３に到達する頃には、７００℃から９２０℃程度となっている。従って、水素供給管１３から排気処理触媒５内に、できる限り多くの水素を送り込むためには、水素が水素供給管１３を流れる間に、７００℃から９２０℃程度の水素の温度を、水素供給管１３から供給された水素周りの温度、即ち、雰囲気温度がほぼ５５０℃以下になるように低下させる必要がある。
そこで本発明による実施例では、排気管３内に位置する水素供給管１３の少なくとも外周面上に、排気管３内を流れる排気ガスとの間で熱交換を行うための複数個の熱交換用フィン１５が形成されている。このように水素供給管１３の外周面上に複数個の熱交換用フィン１５が形成されていると、水素供給管１３を流れる水素の温度よりも温度の低い排気ガスとの間の熱交換作用により、水素供給管１３を流れる水素の温度は、水素供給管１３から排気ガス中に供給されたときの水素周りの温度、即ち、雰囲気温度がほぼ５５０℃以下になるまで低下せしめられる。その結果、水素供給管１３から排気管３内に供給された水素は、自着火消失することなく、排気処理触媒５内に送り込まれ、排気処理触媒５内で発生する水素の酸化反応熱により、排気処理触媒５の温度が急速に上昇せしめられる。
一方、水素供給管１３周りを流れる排気ガスは、水素供給管１３を流れる水素との熱交換作用により加熱され、温度上昇する。この温度上昇した排気ガスが、排気処理触媒５内に流入し、それにより排気処理触媒５の温度は更に上昇せしめられる。即ち、水素供給管１３内を流れる水素を冷却するために用いた熱量を、排気処理触媒５の温度上昇のために、有効に利用することができる。なお、水素供給管１３を流れる水素の冷却作用は、熱交換用フィン１５を水素供給管１３の外周面の全体に亘って形成することにより更に促進され、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、複数個の熱交換用フィン１５を、排気管３内に位置する水素供給管１３の内周面上にも形成することにより更に促進される。
図３に示される変形例では、排気管３の外側部に位置する水素供給管１３内、即ち、水素供給管１３の排気管３内への入口内に、旋回流生成器１６が配置されており、この旋回流生成器１６によって、水素供給管１３を流れる、水素を含む改質ガスには水素供給管１３の軸線回りの旋回流が与えられる。その結果、水素供給管１３を流れる水素と排気ガスとの間の熱交換が促進され、水素供給管１３を流れる水素の冷却作用が促進される。また、図４Ａおよび図４Ｂに示される変形例では、水素供給管１３の排気ガスとの接触面積が増大し、排気ガスとの間の熱交換時間も増大するので、水素供給管１３を流れる水素の冷却作用が更に促進される。
１ 機関本体
３ 排気管
５ 排気処理触媒
６ 改質器
１３ 水素供給管
１５，１６ 熱交換用フィン
１６ 旋回流生成器

Claims (4)

  1. 機関排気通路内に排気処理触媒を配置し、排気処理触媒上流の機関排気通路内に、改質器において生成された水素を供給するようにした内燃機関の排気浄化装置において、機関排気通路内に挿入された水素供給管の外周面上に、機関排気通路内を流れる排気ガスとの間で熱交換を行うための熱交換用フィンを形成した内燃機関の排気浄化装置。
  2. 水素供給管の内周面上に、水素供給管内を流れる、水素を含む改質ガスとの間で熱交換を行うための熱交換用フィンを更に形成した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 水素供給管内に、水素供給管内を流れる、水素を含む改質ガスに水素供給管の軸線回りの旋回流を与える旋回流生成器を配置した請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 水素供給管の先端部は、排気管の外部から排気管の管壁を貫通して排気管の内部まで延びると共に、水素供給管の先端開口部が排気処理触媒の上流側端面に向かうように排気管の軸線方向に折り曲げられている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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