JP2753574B2 - レシプロエンジンの脱硝装置及び方法 - Google Patents

レシプロエンジンの脱硝装置及び方法

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JP2753574B2
JP2753574B2 JP4124673A JP12467392A JP2753574B2 JP 2753574 B2 JP2753574 B2 JP 2753574B2 JP 4124673 A JP4124673 A JP 4124673A JP 12467392 A JP12467392 A JP 12467392A JP 2753574 B2 JP2753574 B2 JP 2753574B2
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discharge
cylinder
exhaust valve
electrode
power supply
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和博 礒貝
隆博 入江
隆一郎 小島
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

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  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Treating Waste Gases (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レシプロエンジンの窒
素酸化物を含む排ガスの脱硝装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の燃焼器から排気されたガスに対し
て、放電を使用した脱硝技術が、例えば特開平1−23
6924号公報に開示されている。この従来技術は、排
気管出口の温度の低い場所でグロー放電により非平衡プ
ラズマを発生させ、窒素酸化物(以後NOxと表現)を
除去、無害化している。
【0003】また、特開平2−173311号公報に
は、ミスト状の粘性油を注入してコロナ放電を安定的に
形成して、窒素酸化物を除去、無害化する脱硝技術が開
示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来技術では、下記の
ような問題点が解決出来ない。
【0005】(1)排ガス処理装置を排気管の下流に設
置するため、処理対象となるガス体積が大きく装置が大
規模となる。
【0006】(2)低温で排ガス処理を行うため、排ガ
ス処理に使われた電気エネルギが回収できない。
【0007】(3)粘性油を注入する場合、粘性油の注
入装置、排ガスに同伴する粘性油のミストを回収する粘
性油回収装置が必要となる。
【0008】本発明の目的は、上記問題点を解決し、レ
シプロエンジンのシリンダ内で脱硝を行うことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
【0010】上記目的は、セラミックからなるシリンダ
と、電気絶縁材からなる排気弁の該シリンダ側に設けた
複数の針状電極と、該針状電極とピストンに接続する高
圧電源とを備えたことにより達成される。
【0011】上記目的は、電気絶縁材からなる排気弁よ
り垂下した電極と、該電極と対向する面に電気絶縁層を
形成したピストンと、前記電極とシリンダに接続する高
圧電源とを備えたことにより達成される。
【0012】上記目的は、シリンダ外壁に巻き回したコ
イルと、該コイルに高周波を供給する高周波電源とを備
えたことにより達成される。
【0013】上記目的は、排気弁が開く直前のクランク
角度290°でシリンダ内に放電を開始し、排気弁が開
いた後大半の排気ガスが残留しているクランク角度30
5°で放電を終了することにより達成される。
【0014】
【作用】本発明はレシプロエンジンのシリンダ内に放電
場を形成する手段を設け、排気弁が開く直前のクランク
角度290°でシリンダ内に放電を開始し、排気弁が開
いた後大半の排気ガスが残留しているクランク角度30
5°で放電を終了する。
【0015】エンジンのシリンダ内は燃料の燃焼後、高
温、高圧になりNOx濃度が平衡値(1000〜120
0ppm)に達するが、その後クランク角が290°ま
でピストンが移動すると、シリンダ内のガス膨張により
温度が800℃、圧力が8Kg/cm2まで低下する。
この温度ではN2+O2→NOのNO生成の反応が起ら
ず、またこの圧力ではコロナ放電が可能となるので、こ
の時点から放電を開始し、エンジンの排気弁が開いてか
ら排ガスの大部が放出するまでの時間に亘って放電を持
続すれば窒素酸化物を除去できる。
【0016】シリンダをセラミック製とし、排気弁に設
けた複数の針状電極とピストン間に放電させることによ
り、電極間以外の場所での放電を未然に防止することが
可能となる。
【0017】排気弁より垂下した電極と、ピストンの電
極と対向する面に電気絶縁層を設け、電極とシリンダ内
壁間に放電させることにより、放電ギャップを短くし放
電電圧を下げることが可能となる。
【0018】シリンダ外壁に巻き回したコイルに高周波
を供給して高周波プラズマ放電を行うことにより、シリ
ンダ内に電極を設置する必要が無い。
【0019】上記構成によれば、放電による脱硝時のシ
リンダ圧力は8Kg/cm2以下であり、十分圧縮され
ておりさらに温度が高い条件を考慮しても、ガス体積は
常圧の5.4分の1と小さくなっている。
【0020】また、その時のシリンダ内の温度は500
℃以上に保たれており、放電に使用した電気エネルギは
排ガス内に保有され、下流で熱として回収できる。
【0021】そして、シリンダ内には、粘性油としての
未燃燃料や潤滑油が存在しているので、それらがシリン
ダ内でミストを形成しており、誘電体効果により、放電
の安定化、均一化を促進し、粘性油の注入装置を設ける
必要が無い。
【0022】
【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。
【0023】実施例1 本実施例のエンジンは、8気筒の舶用ディーゼルエンジ
ンで出力が3000KW、ピストンはボア径260m
m、ストローク980mmである。8気筒の各シリンダ
内に放電電極を設け、放電によるNOx処理を行った。
【0024】先ず、装置の構成を説明する。
【0025】図1は本発明の実施例1の構成を示す縦断
面図である。
【0026】本図に示す排気弁1、シリンダ3はセラミ
ック製、例えばジルコニア、窒化ケイ素、アルミナ等の
電気絶縁体であり、電極は、排気弁1の先端に耐熱ステ
ンレス鋼製のピン電極(陽極)2を配設し、排気弁1に
はこのピン電極2への導線4が挿入されている。ピン電
極2に対向する対向電極はピストン(陰極)6で電極間
隔は90cmとなり、ピン電極2−ピストン6間に高圧
電源5を接続して高電圧を印加した。
【0027】次に放電の発生及び放電条件について説明
する。
【0028】放電開始時間は、コロナ放電が発生する8
Kg/cm2以下の圧力条件と、サーマルNOxが生成
されない800℃以下の温度条件を満たす時期で、これ
らの条件は排気開始直前(下死点からのクランク角29
0°)から満たされる。従って、放電開始は、排気弁1
が開く直前のクランク角290°の時期とする。
【0029】一方、放電終了時期は、排気が開始され、
未だ大半のガスが排出されずに残留しているクランク角
305°の時期とする。
【0030】放電条件は下記のとおりであった。
【0031】放電電圧 430KV パルス周波数 4KHz パルスエネルギ 80J 放電ギャップ 90cm 放電形態 コロナ放電 放電処理時間 0.01sec NOx除去量は、放電終了直後に排気されガスの温度が
400〜450℃まで冷却されるためNOx再生成量は
比較的少なく下記の除去率を得た。
【0032】 放電前の濃度 1000〜1200ppm 放電後の濃度 600〜700ppm 除去率 約40% 実施例2 対象となるエンジンは実施例1と同じであった。
【0033】図2は本発明の実施例2の構成を示す縦断
面図である。
【0034】本図に示すように装置は、排気弁21の先
端に直径5〜10mm、長さは約80cmの棒状電極
(陽極)22を設け、シリンダ23を電極(陰極)と
し、棒状電極22とシリンダ23それぞれに高圧電源2
5を接続した。排気弁21は、棒状電極22との絶縁の
ためセラミック製、例えばジルコニア、窒化ケイ素、ア
ルミナ等とし、中心部に導線24を挿入した。ピストン
26は、中央部に棒状電極22を収納できる穴27(穴
径は、棒状電極の外径に0.2mmを加算した値)を穿
け、穴27の表面及びピストンクラウン部はシリンダ2
3との絶縁のためセラミック被覆28、例えばジルコニ
ア、窒化ケイ素、アルミナ等を施した。被覆の厚みは約
10mmで円状に加工したセラミックを機械締めする
か、溶射によるコーティングの何れでもよい。
【0035】以上の構成の装置に高電圧を印加し放電さ
せた。放電開始、終了時期は実施例1と同じで放電条件
は下記のとおりであった。
【0036】放電電圧 50KV パルス周波数 4KHz パルスエネルギ 80J 放電ギャップ 12〜13cm 放電形態 コロナ放電 放電処理時間 0.01sec NOx除去量は下記のとおりであった。
【0037】 放電前の濃度 1000〜1200ppm 放電後の濃度 500〜600ppm 除去率 約50% 実施例3 図3は本発明の実施例3の構成を示す縦断面図である。
【0038】本図に示すように装置は、シリンダ33の
外壁に銅製のコイル39を巻き回し、このコイル39を
高周波電源35(周波数:1〜15MHz、出力:32
0KW)に接続し、シリンダ33内で高周波熱プラズマ
を発生させるものである。排気弁31、シリンダ33、
ピストン36等は従来のディーゼルエンジンで使用され
ている形状・材質と同じである。
【0039】放電開始、終了時期は実施例1と同じで放
電条件は下記のとおりであった。
【0040】高周波電源の周波数 3MHz 高周波電源の出力 320KW 放電形態 熱プラズマ 放電処理時間 0.01sec. NOx除去量は下記のとおりであった。
【0041】 放電前の濃度 1000〜1200ppm 放電後の濃度 600〜700ppm 除去率 約40% 次に実施例1から実施例3における放電開始、終了時期
の制御について説明する。
【0042】図4は本実施例の放電開始、終了時期の制
御装置を示す説明図である。
【0043】図5は図4に示した制御装置のタイミング
チャートである。
【0044】本図に示すようにエンジンのクランク角度
検出には光電式を用い、クランク軸47を延長した軸の
先端にスリットを設けた円板48を固定し、この円板4
8を挟む光源49と光センサ50を配置し、光センサ5
0からの各クランク角度に対応した連続パルス(図5
(a))を制御装置51に入力し、制御装置51はクラン
ク角度が290°でシリンダ43内に放電を開始するよ
うに高圧電源45を制御する電圧制御パルス(図5
(b))を出力し、クランク角度305°で放電を終了す
るように高圧電源45を制御する電圧制御パルス(図5
(b))を出力する。高圧電源45は電圧制御パルスと電
圧制御パルスとの間に(図5(c))のような電圧を印加
する。また、円板48にクランク角度が290°と30
5°に対応する位置にのみスリットを設けて放電開始パ
ルス及び放電終了パルスを発生させ高圧電源45を制御
する構成としても良い。
【0045】以上述べたように、本実施例によれば、 1)脱硝のための反応器の新設をする必要がなく、電源
のみのスペースを確保すればよい。
【0046】排ガスを下流で処理すると、温度、圧力の
関係から処理すべき排ガス体積は、シリンダ内脱硝に比
べ約5.4倍であり、そのため、処理台数は直径0.3
m、長さ1mの反応管を用いるグロー放電装置で(設置
スペースは約0.5m2)21台となり、必要スペース
は約10m2となる。この分のスペースの節約が可能と
なり、コンパクトな脱硝装置となる。
【0047】2)放電に要する電気エネルギはエンジン
出力の約5%であるが下流脱硝では、 この電気エ
ネルギが変化した熱エネルギは温度レベルが低いため回
収不可 能であったが、シリンダ内で脱硝すると排
ガスの温度レベルが高いため、 エンジン後段に設
置された廃熱ボイラ等により回収可能となり、エネルギ
の節約になる。
【0048】
【発明の効果】本発明によれば、レシプロエンジンのシ
リンダ内に放電場を形成する手段を設けることにより、
高圧下で脱硝が行われるから極めてコンパクト脱硝装置
が得られる効果がある。
【0049】また、放電のために入力した電気エネルギ
はエンジン下流の廃熱回収手段により回収が可能である
から省エネルギ効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の構成を示す縦断面図である。
【図2】本発明の他の実施例の構成を示す縦断面図であ
る。
【図3】本発明の他の実施例の構成を示す縦断面図であ
る。
【図4】本発明の実施例の制御装置の構成を示す説明図
である。
【図5】本発明の実施例の制御タイミングを示すタイミ
ングチャートである。
【符号の説明】
1 排気弁 2 ピン電極 3 シリンダ 4 導線 5 高圧電源 6 ピストン 21 排気弁 22 棒状電極 23 シリンダ 24 導線 25 高圧電源 26 ピストン 27 穴 28 セラミック被覆 31 排気弁 33 シリンダ 34 導線 35 高周波電源 36 ピストン 39 コイル 41 排気弁 42 ピン電極 43 シリンダ 44 導線 45 高圧電源 46 ピストン 47 クランク軸 48 円板 49 光源 50 光センサ 51 制御装置
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−138204(JP,A) 特開 平1−117912(JP,A) 特開 昭50−106019(JP,A) 特開 平1−236924(JP,A) 実開 昭57−22680(JP,U) 実開 昭57−28119(JP,U) 実開 平1−85470(JP,U)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックからなるシリンダと、電気絶
    縁材からなる排気弁の該シリンダ側に設けた複数の針状
    電極と、該針状電極とピストンに接続する高圧電源とを
    備えたことを特徴とするレシプロエンジンの脱硝装置。
  2. 【請求項2】 電気絶縁材からなる排気弁より垂下した
    電極と、該電極と対向する面に電気絶縁層を形成したピ
    ストンと、前記電極とシリンダに接続する高圧電源とを
    備えたことを特徴とするレシプロエンジンの脱硝装置。
  3. 【請求項3】 シリンダ外壁に巻き回したコイルと、該
    コイルに高周波を供給する高周波電源とを備えたことを
    特徴とするレシプロエンジンの脱硝装置。
  4. 【請求項4】 排気弁が開く直前のクランク角度290
    °でシリンダ内に放電を開始し、排気弁が開いた後大半
    の排気ガスが残留しているクランク角度305°で放電
    を終了することを特徴とするレシプロエンジンの脱硝方
    法。
JP4124673A 1992-05-18 1992-05-18 レシプロエンジンの脱硝装置及び方法 Expired - Lifetime JP2753574B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009113689A1 (ja) * 2008-03-14 2009-09-17 イマジニアリング株式会社 燃焼室直下流の排気ガス後処理装置
JP2009221945A (ja) * 2008-03-14 2009-10-01 Imagineering Inc バルブを用いたプラズマ装置

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