(57)【要約】【課題】例えば、貴金属等の高価な触媒を用いることなく、触媒部における炭化水素酸化除去活性を高く発揮させることができるエンジンの排ガス浄化装置を提供する。【解決手段】エンジンから排出される排ガスが流れる排ガス流路に過給用タービンを設けてなるエンジンから排出される排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、前記排ガス流路の前記過給用タービンの上流側に、貴金属触媒を担持してあるハニカム材からなる炭化水素酸化触媒部を配置し、前記ハニカム材の各セル内におけるレイノルズ数Ｒｅ＝Ｕ×Ｄ／νを２０００〜５０００に設定してある。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから排出される排ガスが流れる排ガス流路に過給用タービンを設けてなるエンジンの排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、
前記排ガス流路の前記過給用タービンの上流側に、貴金属触媒を担持してあるハニカム材からなる炭化水素酸化触媒部を配置し、
前記ハニカム材の各セル内における排ガス流れのレイノルズ数Ｒｅ＝Ｕ×Ｄ／νを２０００〜５０００に設定してある排ガス浄化装置。
（ここで、Ｕはハニカム材の各セル内における排ガスの平均流速であり、Ｄはハニカム材の各セルの有効直径であり、νは排ガスの動粘性係数である。）
【請求項２】
前記炭化水素酸化触媒部における排ガスの空間速度ＧＨＳＶを３０万〜６０万／ｈに設定してあり、前記ハニカム材のセル密度を１００〜９００ｃｐｓｉに設定してある請求項１に記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記排ガスを排気する排気行程を単位サイクル内に備え、第一排気行程から次のサイクルの第二排気行程までの間に、前記第一排気行程で排出される前記排ガスが到達する排ガス流路領域に、前記炭化水素酸化触媒部が配置してある請求項１又は２に記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記排ガス流路領域が、前記エンジンの排気ポートである請求項３に記載の排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記排ガス流路領域が、排ガス流路マニホルド出口である請求項３に記載の排ガス浄化装置。
【請求項６】
単位サイクル当りの排ガス量を単位サイクルの時間で除算した値を、排ガスの平均流量とし、前記単位サイクル当りの排ガス量を排気弁の開弁時間で除算した値を第１瞬時流量、前記排気弁の開弁時間より短い時間単位で求めた排ガス流量を、第２瞬時流量とする場合に、前記第１瞬時流量が４以上であり、前記第２瞬時流量が１０以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自家発電設備の動力源等としてガスエンジンが用いられている。前記エンジンは複数のシリンダを備え、各シリンダ内には都市ガスと圧縮空気とが供給される。エンジンとして都市ガス利用の希薄ガスエンジンを採用すると、通常燃料のごく一部が未燃成分として排気中にそのまま排出される。そこで、エンジンの排ガス流路には、排気中の未燃成分をそのまま大気中に放出させないで燃焼させるために排ガス浄化装置が設けられる。また、排ガス中には燃料の不完全燃焼によって発生する一酸化炭素、アルデヒド類等のガスも含まれており、このような有害ガスについても、排ガス浄化装置により酸化除去している。（特許文献１〜５等参照）
【０００３】
前記排ガス浄化装置の酸化触媒部には、通常活性の高い貴金属触媒が含まれており、触媒の劣化防止のために、３００℃〜４００℃の比較的低い温度域で用いられる。このように貴金属触媒として使用する場合、排ガスの空間速度を抑制することで酸化活性を保ち、その結果、ハニカム材の各セル内における排ガス流れのレイノルズ数Ｒｅは８００以下になっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１９３４４７号公報（触媒利用温度は３５０℃）
【特許文献２】特開平１１−３５０９４２号公報（貴金属触媒を高温域で使用）
【特許文献３】特許３９３２７９８号公報（メタル担体に乱流形成機能）
【特許文献４】実開平０６−０３４１２３号公報（排気ポートに触媒使用）
【特許文献５】特開平０６−２００７４６号公報（過給機上流に触媒）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
たとえば、特許文献１に示されるように、エンジンの排ガス浄化装置では、一般的な触媒始動温度として３５０℃が例示されており、触媒部を高温域で用いることを想定する場合であっても特許文献２，３のようにメタル担体に金属触媒を担持して用いることが前提となっている。また、特許文献４，５のように、前記触媒部を用いる部位としては、排ガスの流れが乱流になり易いエンジンの排気ポートや過給機の上流側が想定されているが、その排ガスが触媒部に流入し一定距離（例えばセルの有効直径の５倍程度）を通過するとその流れは層流に変化する。即ち、触媒部における排ガス流れのレイノルズ数Ｒｅは充分検討が成されておらず、排ガス流れのレイノルズ数Ｒｅが８００を越える場合は、共に、触媒能は低減すると理解されていた。
一方、特許文献３には、「メタル担体内を通過する排気に対して乱流を積極的に生起させ、排気ガスが触媒に接触する機会を増やすことが有効である。〔０００４〕」と記載されており、流れを乱流として、触媒による排ガス浄化性能を向上できることが知られている。しかしながら、引用文献３では、各セルにスリットを設け、排ガスがスリットを通過する際の流れの剥離を利用して当該排ガスに対して乱流を局所的に生起させているため、各セル内におけるスリットの下流側に距離があれば排ガスの流れは層流に戻ってしまうことになって、セル内の略全域に乱流を生起させることはできない。更に、各セル内において乱流が形成される範囲を拡大するべく、このスリットを細かなピッチで多段に配置した場合には、ハニカム材の生産性の悪化と強度不足が問題となる。
【０００６】
本発明の目的は、触媒部における炭化水素酸化除去活性を良好に発揮させることができるエンジンの排ガス浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らが鋭意研究を行ったところ、排ガス流路に貴金属触媒を担持してあるハニカム材を装着して排ガス浄化を行う場合、ハニカム材の各セル内における流れの特性を決めるレイノルズ数Ｒｅが、従来採用されてきた数値範囲より高い領域において、効果的に排ガス浄化を行うことができることを見出して、本願発明を完成した。
本発明は、この新知見によるものであって、以下の特徴構成を備える。
【０００８】
〔構成１〕
エンジンから排出される排ガスが流れる排ガス流路に過給用タービンを設けてなるエンジンの排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、
前記排ガス流路の前記過給用タービンの上流側に、貴金属触媒を担持してあるハニカム材からなる炭化水素酸化触媒部を配置し、
前記ハニカム材の各セル内における排ガス流れのレイノルズ数Ｒｅ＝Ｕ×Ｄ／νを２０００〜５０００に設定してある。
ここで、Ｕはハニカム材の各セル内における排ガスの平均流速であり、Ｄはハニカム材の各セルの有効直径（セルを円管とみなした場合の当該円管の内径）であり、νは排ガスの動粘性係数である。
【０００９】
〔作用効果１〕
本発明の排ガス浄化装置は炭化水素酸化触媒部に、少なくとも酸化触媒である貴金属触媒を担持してあるハニカム材が備えられ、ハニカム材の各セル内における排ガスの流れは、その部位の流れのレイノルズ数Ｒｅが２０００〜５０００となっている場合、所謂、遷移領域に達している。従って、この遷移領域にある流れがハニカム材の各セル内において発生すると、排ガスはハニカム材を構成する多数のセル内に分かれて流入するため、結果的にセル内を通過する排ガス流は、セル内の略全長において確実に乱流となる。結果、ハニカム材は充分高い酸化触媒活性を示し、有効にエンジンから不測に排出される未燃の燃料成分あるいは、不完全燃焼成分である一酸化炭素等、さらにはアルデヒド類等も酸化除去することができる。
【００１０】
〔構成２〕
前記炭化水素酸化触媒部における排ガスの空間速度ＧＨＳＶが３０万〜６０万／ｈであり、前記ハニカム材のセル密度を１００〜９００ｃｐｓｉに設定してあることが好ましい。
【００１１】
〔作用効果２〕
ここで、セル密度（ｃｐｓｉ）は、１平方インチあたりのセル数を示し、排ガスの空間速度ＧＨＳＶは、以下の定義に従う。
【００１２】
排ガスの空間速度ＧＨＳＶ（１／ｈ）＝
〔排ガスの流量（ｍ3／ｈ）〕／〔ハニカム材の実質上の占有容積（ｍ3）〕
【００１３】
炭化水素酸化触媒部のハニカム材の配置部位における排ガスの空間速度ＧＨＳＶが３０万〜６０万／ｈの範囲内とされ、ハニカム材のセル密度が１００〜９００ｃｐｓｉとされる。このセル密度の条件下における空間速度範囲は、従来より遥かに高い範囲である。このような高い空間速度領域では、ハニカム材の各セル内における排ガス流れのレイノルズ数Ｒｅが２０００〜５０００に設定されており、各セル内を通過する排ガス流が確実に乱流になることから、ハニカム材は充分高い酸化触媒活性を示し、有効にエンジンから不測に排出される未燃の燃料成分あるいは、不完全燃焼成分である一酸化炭素等、さらにはアルデヒド類等も酸化除去することができる。
【００１４】
〔構成３〕
前記排ガスを排気する排気行程を単位サイクル内に備え、第一排気行程から次のサイクルの第二排気行程までの間に、前記第一排気行程で排出される前記排ガスが到達する排ガス流路領域に、前記炭化水素酸化触媒部が配置してあることが好ましい。
【００１５】
〔作用効果３〕
このように、排気直後の排ガスが到達する排ガス流路領域に炭化水素酸化触媒部を設けることで、炭化水素酸化触媒部のハニカム材の各セル内における排ガス流れのレイノルズ数設定の効果に加えて、エンジンから排出され、高い乱れ状態にある排ガスを、そのままハニカム材の各セル内に導くことが可能となり、結果的に、少なくともハニカム材、さらにハニカム材に触媒が担持されている場合は、その触媒と、排ガスとの接触機会を格段に増加させて、高い排ガス浄化能を得ることができる。
【００１６】
〔構成４・５〕
このような排ガス流路領域としては、エンジンの排気ポート、或は、排ガス流路マニホルド出口とすることができる。
〔作用効果４・５〕
これらの部位は、エンジンから排出される排ガスがその乱れを保った状態で、短時間で到達する部位であり、この部位に炭化水素酸化触媒部を配置し、そのハニカム材の各セル内における排ガス流れのレイノルズ数を、従来よりも高い本願提示の範囲とすることで、良好に排ガスの浄化を行える。
【００１７】
〔構成６〕
単位サイクル当りの排ガス量を単位サイクルの時間で除算した値を排ガスの平均流量とし、前記単位サイクル当りの排ガス量を排気弁の開弁時間で除算した値を第１瞬時流量、前記排気弁の開弁時間より短い時間単位で求めた排ガス流量の最大値を、第２瞬時流量とする場合に、前記第１瞬時流量が４以上であり、前記第２瞬時流量が１０以下であることが好ましい。
【００１８】
〔作用効果６〕
ここで、排ガスの平均流量とは〔１サイクル当りの排ガス量（ｍ3）〕／〔１サイクルの時間（ｓ）〕をいう。一方、排ガスの第１瞬時流量とは〔１サイクル当りの排ガス量（ｍ3）〕／〔１サイクル内の排気弁の開弁時間（ｓ）〕を、第２瞬時流量とは当該排気弁の開弁時間（ｓ）より短い時間単位で求めた排ガス量の最大値である。
そして、前記排ガスによる乱流の形成度合いは、排ガス流量の脈動の程度によっても知ることができる。すなわち、エンジンの排気行程の際の大きな瞬時流量（第１瞬時流量或は第２瞬時流量）と、それ以外のときの小流量との間で大きな差があるほど乱流が形成されやすい。この場合、本発明者らは実験的に排ガスの瞬時流量が、排ガスの平均流量の４〜１０倍である場合に、特に安定してハニカム材の触媒活性を高く維持することができるとことを見出した。
ここで、第１瞬時流量が４より小さい場合は、排ガス流れに充分な乱れを発生させることができない。一方、第２瞬時流量が１０より大きいと、エンジンからの排気をスムーズに行うことに不都合を生じる場合がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の排ガス浄化装置の用いられるエンジンの概略図である。
【図２】エンジンの動作行程と排気流量の関係を示す図である。
【図３】本発明の排ガス浄化装置による炭化水素変換率の排ガス流量依存性を示す図である。
【図４】本発明の排ガス浄化装置による一酸化炭素浄化率を示す図である。
【図５】別実施例における本発明の排ガス浄化装置の用いられるエンジンの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に本発明の排ガス浄化装置をガスエンジンに用いられる形態を例に説明する。尚、本発明の排ガス浄化装置は、以下の形態に限られるものではなく、他の種々形態のエンジンに対しても同様に用いることができることはいうまでもない。
【００２１】
〔エンジンシステム〕
図１は、本発明の実施の一形態の多気筒のエンジン本体１１を備えたガスエンジン１の概略的な構成である。エンジン本体１１は、燃料供給管１２、空気供給管１３および排ガス流路を構成する排気管１４を備える。前記エンジン本体には、前記燃料供給管１２を介して都市ガスが燃料として供給され、空気供給管１３を介して圧縮空気が供給される。また、前記排気管を通じてエンジン排ガスが排気される。前記空気供給管１３には圧縮機１５ａが設けられるとともに、前記排気管１４にはタービン（過給用タービン）１５ｂが設けられ、一対の圧縮機１５ａおよびタービン１５ｂにより過給機１５を構成している。前記排気管１４から排出される排ガスは、前記タービン１５ｂを回転させるとともに、前記タービン１５ｂにより圧縮機１５ａが回転駆動され、前記圧縮空気を生成するように構成してある。
【００２２】
上記ガスエンジン１では、排気管１４におけるマニホルド出口（エンジン本体１１からタービン１５ｂに至る排ガス流路の前記タービン１５ｂ入り口部分）に酸化触媒部１６を設けて排ガス浄化装置を構成してある。前記酸化触媒部１６には、貴金属を担持してある金属ハニカム（ハニカム材の一例）が装填され、前記エンジン本体からの排ガスが流通されるように設けられている。
さらに、金属ハニカムは、排ガスが流れる流路の横断面全体に配置され、そのセル密度は、１００〜９００ｃｐｓｉとされている。
【００２３】
〔ガスエンジンの運転形態〕
前記ガスエンジンの運転形態において、排気される排ガス量は図２に示すように排気行程で集中しており、平均流量Ｑａｖに対して約４倍の流量が観測される。実際には、排気弁が開いたときのブローオフにより。１０倍程度の瞬時流量で排ガスが排気管１４を流れる。図２には、「排気」「吸気」「圧縮」「膨張」として、各行程を示しており、これら全ての行程が、単位サイクルに含まれる。
ここで、具体的な数値を示すと、発明者による試験では、以下のような結果であった。
排ガスの平均流量Ｑａｖ＝〔１サイクル当りの排ガス排気量（０．００４６ｍ3）〕／〔１サイクルの時間（０．１ｓ）〕＝０．０４６ｍ3／ｓ
排ガスの第１瞬時流量Ｑｔｅｍ１＝〔１サイクル当りの排ガス排気量（０．００４６ｍ3）〕／〔１サイクル内の排気弁の開弁時間（０．０２５ｓ）〕＝０．１８４ｍ3／ｓ
排ガスの第２瞬時流量Ｑｔｅｍ２の最大値＝０．４６ｍ3／ｓ
そして、前記タービン１５ｂ入り口部分は、エンジン本体１１からの排ガスが、前記エンジンの第一排気行程から次の第二排気行程までの間に、前記第一排気行程で排出された排ガスが到達する領域に位置している。
【００２４】
〔排ガスの流量と触媒活性との関係〕
上記排ガスに準じた模擬排ガスを、酸化触媒である貴金属触媒を担持してある金属ハニカムに接触させたときの処理済ガスの組成を調べ、金属ハニカムにおける炭化水素変換率と流量との関係を調べたところ、図３に示すような関係を示すことが確認できた。図３の横軸は、酸化触媒部における排ガスの空間速度ＧＨＳＶ、及び金属ハニカムの各セル内における排ガス流れのレイノルズ数Ｒｅであり、縦軸は下記式で示す炭化水素変換率である。
炭化水素変換率＝１−（処理済ガス中のメタンガス濃度／排ガス中のメタンガス濃度）
図３において、縦破線で示す排ガスのＧＨＳＶが１０万以下、排ガスのレイノルズ数Ｒｅが８００以下の範囲が、従来の排ガス浄化に採用されてきた範囲である。
【００２５】
図３における諸条件は下記のとおりである。
（諸条件）
金属ハニカムの形状
外径（排ガス流路の内径Ｄに同じ）：０．０７６３  ｍ
排ガス流路方向長さＬ            ：０．１  ｍ
容積                            ：０．０００４５７  ｍ3
セル密度                        ：２００  ｃｐｓｉ
金属ハニカム組成：Ｃｒ２０％−Ａｌ５％−Ｆｅ残部のフェライト系ステンレス鋼
排ガス流量                        ：１６６  ｍ3／ｈ
排ガスの空間速度ＧＨＳＶ          ：３６００００  １／ｈ
排ガスのレイノルズ数Ｒｅ          ：３８９０
排ガス温度                        ：５００  ℃
排ガス圧力                        ：１  ａｔｍ
排ガスの組成
メタン                      ：０．２７  ％
一酸化炭素                      ：０．０３  ％
その他炭化水素                      ：０．０３  ％
空気：残部
【００２６】
図３より、特許文献１にも記載されているとおり、貴金属触媒を担持してある金属ハニカムでは一般的に用いられる排ガスの空間速度ＧＨＳＶ１０万／ｈ以下程度（特許文献１では４万／ｈ）の範囲では、両指標の増加に従って炭化水素変換率が流量の増加とともに減少する。このことから、従来、貴金属触媒を担持してある金属ハニカムは、大流量の排ガスの連続的な処理には適合しないものと考えられていた。これに対して、従来、試みられなかった排ガス流量範囲に（具体的にはエンジンの排気量はエンジンの運転条件で決まるので、全ての排ガスが流れる排ガス流路の内径を絞る）、相対的な排ガス流量を増加させると、排ガスの流れが遷移領域に確実に導かれ、その流れが金属ハニカムの各セル内に流入することで炭化水素変換率が再上昇する。
これによると、通常金属ハニカムに流通させる排ガス流量として、空間速度ＧＨＳＶで、３０万〜６０万／ｈ程度の大流量で処理を行えば、金属ハニカムは実用的な排ガス浄化能力を発揮させることができる。排ガスの空間速度ＧＨＳＶで、３０万〜６０万／ｈは、排気管１４から酸化触媒部１６に至る管路を充分絞っておけば達成することのできる流量であって、管路に大きな負荷を与えないものであるので好ましい。また、図３より、金属ハニカムの各セル内における排ガス流れのレイノルズ数Ｒｅとしては、２０００〜５０００が好ましいともいえる（一般的にはレイノルズ数Ｒｅとして２０００〜５０００において流れが遷移領域にあるとみなせる）。
【００２７】
〔排ガス中の一酸化炭素除去試験〕
上記金属ハニカムを備えた酸化触媒部を有する排ガス浄化装置を用いて一酸化炭素ガスの浄化試験を行い、排ガスの酸化触媒部入り口温度と浄化率の関係を求め、従来の酸化触媒部を適用した排ガス浄化装置と比較した。その結果、図４のようになった。尚、比較試験条件は以下のとおりである
図４にあっては、（Ａ）金属ハニカムとしてフェライト系金属ハニカムを単独で使用した例（同図に『ハニカム単独』と記載し、◇で結果を示した）、（Ｂ）金属ハニカムを使用しなかった例（同図に『ハニカムなし』と記載し、■で結果を示した）、及び（Ｃ）本願に係る貴金属触媒を担持したフェライト系金属ハニカムを使用した例（同図に『貴金属担持』と記載し、△で結果を示した）」を示している。
この比較試験では、排ガスの空間速度ＧＨＳＶとして、３６万の例（図４（ａ））と２２万の例（図４（ｂ））を示した。
【００２８】
金属ハニカムの形状及び組成、さらには、排ガスの組成は先に示した諸条件と同一である。
さらに、先の（Ｃ）本願に係る金属ハニカムに酸化触媒である貴金属触媒を担持した例の製造は、Ｃｒ２０％−Ａｌ５％−Ｆｅ残部のフェライト系ステンレス鋼製の金属ハニカムに、Ｐｄ１５ｇ／Ｌ−Ｐｔ３ｇ／Ｌをウォッシュコートにより担持した。
【００２９】
浄化率（ＣＯ）は以下の式に従って求めた。
浄化率（ＣＯ）＝１−（金属ハニカム装着時の一酸化炭素濃度／金属ハニカムを装着していない時の一酸化炭素濃度）
【００３０】
ここで、排ガス温度および圧力は、エンジンの点火タイミングを変化させることにより調整し、上記（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の例で、全て、同じタイミングで３プロットずつ比較するものとした。
【００３１】
図４より、酸化触媒部に金属ハニカムを装填した場合（Ａ及びＣ）、高い一酸化炭素浄化率が得られていることが読みとれる。更に、貴金属触媒を担持した場合（Ｃ）は、貴金属触媒を担持しなかった場合（Ａ）に対して、１０％程度の一酸化炭素浄化率の向上が確認できた。
【００３２】
〔その他の実施形態〕
先の実施形態では、酸化触媒部をマニホルド出口に設けたが、図５に示すように、エンジン本体における各気筒の排気ポートにそれぞれ設けてもよい。
また、先の実施形態では、ハニカム材としてフェライト系金属触媒製の金属ハニカムを利用したが、セラミック製のハニカム材を利用しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の排ガス浄化装置は、ガスエンジン等の排ガス浄化に有効に用いることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１        ：ガスエンジン
１１      ：エンジン本体
１２      ：燃料供給管
１３      ：空気供給管
１４      ：排気管
１５      ：過給機
１５ａ    ：圧縮機
１５ｂ    ：タービン
１６      ：酸化触媒部
【図１】
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【図２】
2013194571.tif 000004
【図３】
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【図４】
2013194571.tif 000006
【図５】
2013194571.tif 000007