JP6625339B2 - 排気ガス後処理システムおよび排気ガス後処理のための方法 - Google Patents
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本発明は排気ガス後処理システムに関する。さらに、本発明は、排気ガス後処理のための方法に関する。
実務上、粒子フィルタと、排気ガスの流れ方向で見たときに粒子フィルタの上流に配置される少なくとも１つの排気ガス後処理組立体とを備える内燃機関の排気ガス後処理システムが知られている。排気ガスの流れ方向で見たときに粒子フィルタの上流に位置付けられた排気ガス後処理組立体は、特に、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ２）へと酸化するための酸化触媒コンバータである。粒子フィルタという用語は、排気ガスが通って流れる従来の粒子フィルタと、排気ガスが別の構造体に沿って導かれる粒子フィルタとの両方を意味するものである。
具体的には、排気ガス流の流れ方向で見たとき、粒子フィルタの上流に、ＮＯをＮＯ２へと酸化するための酸化触媒コンバータが位置付けられ、ＮＯは、以下の式に従って、酸化触媒コンバータにおいて排気ガス流に含まれる残留酸素Ｏ２を用いてＮＯ２へと酸化される。
この一酸化窒素から二酸化窒素への酸化があるため、高温における酸化反応の平衡は一酸化窒素の一面である。これによって、二酸化窒素を得ることができる成分が、高温で非常に限定されてしまうことになる。
粒子フィルタでは、酸素触媒コンバータで抽出された二酸化窒素が、粒子フィルタで集まる炭素含有粒子、いわゆる煤で、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素（Ｎ２）、および一酸化窒素（ＮＯ）へと変換される。この過程で、粒子フィルタに堆積される炭素含有粒子物質または煤の連続的な除去が、粒子フィルタの受動的再生の意味において起こり、この際、この変換は以下の式に従って起こる。
具体的には、粒子フィルタのこのような受動的再生によって、粒子フィルタに含まれる炭素含有粒子物質または煤の完全な変換が起こり得ない場合、粒子フィルタの炭素含有量または煤含有量が増加してしまい、そのため、粒子フィルタが目詰まりする傾向があり、その結果として、最終的に、排気ガス後処理システムの上流に配置された内燃機関での排気ガス背圧が増加する。内燃機関で排気ガス背圧が増加すると、内燃機関の出力を減少させ、燃費を増加させてしまう。
粒子フィルタにおける炭素含有粒子物質または煤の増加を回避するために、延いては、粒子フィルタの目詰まりを回避するために、粒子フィルタに触媒被覆を施すことが、実行されていることからすでに知られている。ここで、白金含有被覆が優先的に用いられている。しかしながら、触媒被覆のされたこのような粒子フィルタの使用は、粒子フィルタが、炭素含有粒子物質、つまり煤で満たされてしまうことを、不十分な度合いまでしか防止することができない。
さらに、粒子フィルタが煤で満たされてしまうことを緩和するために、粒子フィルタの能動的再生を用いることも、実行されていることから知られている。粒子フィルタのこのような能動的再生の間、排気ガス温度は、炭化水素の発熱反応または酸化によって、粒子フィルタに堆積した炭素含有粒子物質または煤を燃焼させるために、例えば、燃料を排気ガス流に加えるといったことで、能動的に高められる。したがって、粒子フィルタにおいて、酸素を用いて炭素を燃焼することは、次の式に従って起こる。
煤粒子の燃焼による粒子フィルタの能動的再生の間、最大で１０００℃までの温度の大きな上昇が、粒子フィルタにおいて発生し得る。このような大きな温度上昇の間、粒子フィルタに損傷が起こり得る。
このことから、本発明は、新しい形の排気ガス後処理システムと、新しい形の排気ガス後処理のための方法とを作り出すという目的に基づいている。
この目的は、請求項１による排気ガス後処理システムによって解決される。本発明による内燃機関用の排気ガス後処理システムは、内燃機関の下流に配置された、排気ガスから煤を濾過するための粒子フィルタと、粒子フィルタの上流かつ内燃機関の下流に配置された、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための酸化触媒コンバータとを備え、ＳＯ３および／または凝結されたＨ２ＳＯ４は、粒子フィルタにおける煤の酸化のために、延いては粒子フィルタの再生のために作用する。
本発明は、例えば重油などの硫黄含有燃料を燃焼する内燃機関において、煤粒子フィルタの再生のために、ＳＯ３を利用する。このＳＯ３は、粒子フィルタの上流に配置された、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための酸化触媒コンバータにおいて生成される。したがって、燃料として、例えば重油燃料などの比較的高い硫黄分を含む燃料を燃焼する、例えば船舶用ディーゼル機関などの内燃機関では、粒子フィルタの効果的な連続再生がもたらされ得る。
有利なさらなる発展形態によれば、酸化触媒コンバータの下流における粒子フィルタの領域において、ＳＯ３と煤との間の質量比は、少なくとも７：１、好ましくは少なくとも１２：１、より好ましくは少なくとも１６：１となる。ＳＯ３と煤との間のこれらの質量比は、粒子フィルタの特に効果的な受動的再生を可能にする。
排気ガス過給内燃機関の場合、酸化触媒コンバータは、排気ガスターボ過給機のタービンの上流に位置付けられ、粒子フィルタが排気ガスターボ過給機のタービンの下流に位置付けられる。タービンの上流にある比較的高い温度と圧力とを通じて、酸化触媒コンバータにおけるＳＯ２のＳＯ３への酸化は有利に行われる。
有利なさらなる発展形態によれば、ＮＯをＮＯ２へと酸化するための酸化触媒コンバータは、粒子フィルタの上流かつ内燃機関の下流に配置され、ＮＯ２が、粒子フィルタにおける煤の酸化のために、延いては粒子フィルタの再生のために作用する。内燃機関が比較的高い硫黄分を含む燃料で運転する間、排気ガス流は、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための酸化触媒コンバータを介して導かれ得る。一方、内燃機関を比較的低い硫黄分を含む燃料で運転する場合、排気ガス流は、ＮＯをＮＯ２へと酸化するための酸化触媒コンバータによって導かれ得る。この構成は、内燃機関が異なる種類の燃料で運転される場合に有利である。
本発明による排気ガス後処理のための方法が、請求項９で定められている。
本発明の好ましいさらなる発展形態は、従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示の実施形態が、図面を用いるが、これに限定されることなく、より詳細に説明される。
本発明は、例えば、発電所の定置式内燃機関用、または、船舶に用いられる非定置式内燃機関用といった、例えば重油燃料などの比較的高い硫黄分を含む燃料で運転される、内燃機関用の排気ガス後処理システムに関する。
図１は、内燃機関１の下流に位置付けられた排気ガス後処理システム２の第１の例示の実施形態を示しており、排気ガス後処理システム２は、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための少なくとも１つの酸化触媒コンバータ３と、酸化触媒コンバータ３の下流に配置された、内燃機関１の排気ガスから煤を濾過するための粒子フィルタ４とを備えている。
酸化触媒コンバータ３では、内燃機関１の排気ガスに含まれるＳＯ２がＳＯ３へと酸化され、過程で抽出されたＳＯ３は、粒子フィルタ４における煤の酸化のために、延いては粒子フィルタ４の再生のために作用する。
酸化触媒コンバータ３におけるＳＯ２のＳＯ３への酸化は、以下の反応式に従って起こる。
この場合に酸化触媒コンバータ３で形成されたＳＯ３を用いての粒子フィルタ４での煤の酸化は、以下の反応式に従って起こる。
排気ガスが硫酸の露点未満に冷却する場合、Ｈ２ＳＯ４（硫酸）の凝結が起こり、Ｈ２ＳＯ４は、同様に、粒子フィルタ４における煤の酸化のために、延いては粒子フィルタ４の再生のために利用できる。過程において、硫酸は、特に２５０℃未満の排気ガス温度において、煤を効果的に酸化でき、したがって、粒子フィルタ４の効果的な再生を可能にし得る。
酸化触媒コンバータ３は、バナジウムＶおよび／またはカリウムＫおよび／またはナトリウムＮａおよび／または鉄Ｆｅおよび／またはセリウムＣｅおよび／またはセシウムＣｓおよび／またはこれらの元素の酸化物を、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための活性成分として含み、酸化触媒コンバータ３は、酸化タングステンＷＯ３によって優先的に安定化された酸化チタンＴｉＯ２および／または酸化ケイ素ＳｉＯ２を用いる。
酸化触媒コンバータ３のバナジウムの成分は、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための活性成分として存在し、５％超、優先的には７％超、特に好ましくは９％超となる。
酸化触媒コンバータ３においてＳＯ２をＳＯ３へと変換することは、酸化触媒コンバータ３の下流における粒子フィルタ４の領域において、少なくとも７：１、好ましくは少なくとも１２：１、特に好ましくは少なくとも１６：１のＳＯ３と煤との間の質量比があるようにして有効とされる。
図２は、図１の排気ガス後処理システム２のさらなる発展形態を示しており、図２の内燃機関は排気ガス過給内燃機関となっており、したがって、排気ガスは、機械的エネルギーを取り出すために排気ガスターボ過給機のタービン５で膨張され、その機械的エネルギーは、図示されていない排気ガスターボ過給機の圧縮機で、内燃機関１に供給される給気を圧縮するために、圧縮機を駆動するように作用する。
したがって具体的には、図２に示すように、排気ガス後処理システム２が排気ガスターボ過給機のタービン５を備える場合、酸化触媒コンバータ３はタービン５の上流に位置付けられており、粒子フィルタ４はタービン５の下流に位置付けられている。排気ガスターボ過給機のタービン５の上流の高い圧力および温度は、酸化触媒コンバータ３におけるＳＯ２のＳＯ３への酸化に有利に働く。
図１の排気ガス後処理システム２のさらなる有利な発展形態が図３に示されており、図３のものは、具体的には、比較的高い硫黄分を含む燃料と、比較的低い硫黄分を含む燃料との両方で運転される内燃機関１で使用されている。
したがって、図３は、内燃機関１の下流に配置された、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための酸化触媒コンバータ３と、酸化触媒コンバータ３の下流に配置された、排気ガスから煤を濾過するための粒子フィルタ４とをさらに備えている排気ガス後処理システム２を示しているが、図３の排気ガス後処理システム２は、ＮＯをＮＯ２へと酸化するための酸化触媒コンバータ６をさらに備えている。酸化触媒コンバータ６で抽出されたＮＯ２は、同様に、粒子フィルタ４における煤の酸化、延いては粒子フィルタ４の再生のために利用できる。
図３では、ＮＯをＮＯ２へと酸化するための酸化触媒コンバータ６は、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための酸化触媒コンバータ３と並列に接続されており、内燃機関の排気ガスは、遮断弁７、８が開位置であることに応じて、酸化触媒コンバータ３または酸化触媒コンバータ６のいずれかを介して導かれる。
具体的には、内燃機関１が、比較的高い硫黄分を含む燃料で運転されるとき、遮断弁８が開いて遮断弁７が閉じられ、その結果、内燃機関１の排気ガス流は、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための酸化触媒コンバータ３を介して導かれ、ＮＯをＮＯ２へと酸化するための酸化触媒コンバータ６は、排気ガス流から分離される。反対に、図３の内燃機関１が、比較的低い硫黄分を含む燃料で運転されるとき、遮断弁７が開けられて遮断弁８が閉じられ、その結果、排気ガスは、ＮＯをＮＯ２へと酸化するための酸化触媒コンバータ６を介して導かれ、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための酸化触媒コンバータ３は、排気ガス流から分離または遮断される。図３のものは、具体的には、一方では比較的高い硫黄分を含む燃料で運転され、他方では比較的低い硫黄分を含む燃料で運転される船舶用エンジンに特に適している。ここで、使用される燃料の種類に応じて、選択的にＮＯ２またはＳＯ３を介した粒子フィルタ４の適切に適応された受動的再生が、確保できる。
具体的には、内燃機関１が、比較的高い硫黄分を含む燃料で運転されている間、遮断弁７は閉じられており、ＮＯをＮＯ２へと酸化するために作用する酸化触媒コンバータ６は、硫黄のない状態に保たれる。この代替は、遮断弁を省略し、比較的高い硫黄分を含む燃料を用いた運転に続いて、排気ガス温度が上昇させられることで硫黄が酸化触媒コンバータ６で脱着させられるように、酸化触媒コンバータ６を運転させることにある。しかしながら、遮断弁７、８を備えたものは、硫黄含有燃料を用いた内燃機関１の運転に続いて、酸化触媒コンバータ６がこれに続いてすぐに運転するように準備されているため、好ましい。
具体的には、排気ガス後処理システムは、硫黄分が少なくとも１，０００ｐｐｍとなる燃料で運転される内燃機関で用いられる。
１ 内燃機関
２ 排気ガス後処理システム
３ 酸化触媒コンバータ
４ 粒子フィルタ
５ タービン
６ 酸化触媒コンバータ
７ 遮断弁
８ 遮断弁
２ 排気ガス後処理システム
３ 酸化触媒コンバータ
４ 粒子フィルタ
５ タービン
６ 酸化触媒コンバータ
７ 遮断弁
８ 遮断弁
Claims (9)
- 内燃機関用の排気ガス後処理システム（２）であって、内燃機関（１）の下流に配置された、排気ガスから煤を濾過するための粒子フィルタ（４）と、前記粒子フィルタ（４）の上流かつ前記内燃機関（１）の下流に配置された、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための酸化触媒コンバータ（３）とを備え、前記ＳＯ３および／または凝結されたＨ２ＳＯ４が、前記粒子フィルタ（４）における煤の酸化のために、延いては前記粒子フィルタ（４）の再生のために作用し、前記粒子フィルタ（４）の上流かつ前記内燃機関（１）の下流に、ＮＯをＮＯ ２ へと酸化するための酸化触媒コンバータ（６）が配置され、前記ＮＯ ２ が、前記粒子フィルタにおける煤の酸化のために、延いては前記粒子フィルタ（４）の再生のために作用し、ＮＯをＮＯ ２ へと酸化するための前記酸化触媒コンバータ（６）が、ＳＯ ２ をＳＯ ３ へと酸化するための前記酸化触媒コンバータ（３）に並列に接続される排気ガス後処理システム。
- 前記酸化触媒コンバータ（３）が、バナジウムおよび／またはナトリウムおよび／または鉄および／またはセリウムおよび／またはセシウムおよび／またはこれらの元素の酸化物を、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための活性成分として含み、前記酸化触媒コンバータが、酸化チタンおよび／または酸化ケイ素を、酸化タングステンによって優先的に安定化された基材として用いることを特徴とする、請求項１に記載の排気ガス後処理システム。
- 前記酸化触媒コンバータ（３）が、活性成分として、全体に対して５％超の質量比でバナジウムを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の排気ガス後処理システム。
- 前記酸化触媒コンバータ（３）の下流における前記粒子フィルタ（４）の領域において、ＳＯ３と煤との間の質量比が、少なくとも７：１となることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。
- 排気ガス過給内燃機関において、前記酸化触媒コンバータ（３）が、排気ガスターボ過給機のタービン（５）の上流に位置付けられ、前記粒子フィルタ（４）が前記タービン（５）の下流に位置付けられることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。
- ＮＯをＮＯ２へと酸化するための前記酸化触媒コンバータ（６）、および／または、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための前記酸化触媒コンバータが、遮断弁（７）によって排気ガス流から遮断できることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システム。
- 内燃機関を出て行く排気ガスの排気ガス後処理のための方法であって、前記排気ガスが、ＳＯ２をＳＯ３へと酸化するための酸化触媒コンバータ（３）を介して最初に導かれ、これに続いて、前記排気ガスから煤を濾過するための粒子フィルタ（４）を介して導かれ、前記酸化触媒コンバータで形成されたＳＯ３、および／または、凝結されたＨ２ＳＯ４が、前記粒子フィルタ（４）における煤の酸化のために、延いては前記粒子フィルタ（４）の再生のために作用し、前記内燃機関を比較的高い硫黄分を含む燃料で運転する間、排気ガス流が、ＳＯ ２ をＳＯ ３ へと酸化するための前記酸化触媒コンバータ（３）を介して導かれ、ＮＯをＮＯ ２ へと酸化するための酸化触媒コンバータ（６）が、遮断弁によって排気ガス流から遮断され、一方、前記内燃機関を比較的低い硫黄分を含む燃料で運転する間、排気ガス流が、ＮＯをＮＯ ２ へと酸化するための前記酸化触媒コンバータ（６）を介して導かれ、ＳＯ ２ をＳＯ ３ へと酸化するための前記酸化触媒コンバータ（３）が、排気ガス流から遮断される排気ガス後処理のための方法。
- 前記比較的低い硫黄分を含む前記燃料の前記硫黄分が１，０００ｐｐｍを超えることを特徴とする、請求項７に記載の排気ガス後処理のための方法。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の排気ガス後処理システムを用いて同様に実施されることを特徴とする、請求項７に記載の排気ガス後処理のための方法。
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