(57)【要約】【課題】貴金属等の高価な触媒を用いることなく、触媒部における未燃成分に対する酸化除去活性を高く発揮させる。【解決手段】エンジンの排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、前記排ガス浄化装置は、フェライト系金属触媒製の金属ハニカムからなり、前記フェライト系金属触媒単独で用いられる酸化触媒部１６を備えるとともに、酸化触媒部１６に流入する排ガスの温度を、５００〜６００℃に設定してある。【選択図】図１
2013194572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、
前記排ガス浄化装置は、フェライト系金属触媒製の金属ハニカムからなり、前記フェライト系金属触媒単独で用いられる酸化触媒部を備えるとともに、
前記酸化触媒部に流入する排ガスの温度を、５００〜６００℃に設定してある排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記金属ハニカムの各セル内における排ガスのレイノルズ数Ｒｅを、２０００〜５０００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】
前記酸化触媒部に流入する排ガスの空間速度ＧＨＳＶを、３０万〜６０万／ｈに設定してあり、前記金属ハニカムのセル密度を１００〜９００ｃｐｓｉに設定してある請求項１又は２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利用すると、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酸化触媒部を備えた排ガス浄化装置が設けられている。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することができる。（特許文献１〜５等参照）
【０００３】
前記酸化触媒部は、通常活性の高い貴金属等の触媒を含んでおり、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。逆に比較的低温域で未燃成分を酸化除去するためには、活性の高い貴金属を担持した触媒を用いる必要があって、卑金属で充分な触媒活性を発揮させることは困難であると考えられていた。
【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、前記触媒部を用いる部位としては、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、ここで、触媒部が有効に機能するための運転条件については充分検討されていない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、貴金属等の高価な触媒を用いることなく、触媒部における未燃成分に対する酸化除去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、従来触媒の担体として用いられていたいわゆるメタル担体単独であっても、その使用環境によっては、充分高い未燃成分酸化除去活性を発揮しうることを見出した。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〕
本発明の特徴構成は、エンジンの排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、
前記排ガス浄化装置は、フェライト系金属触媒製の金属ハニカムからなり、前記フェライト系金属触媒単独で用いられる酸化触媒部を備えるとともに、
前記酸化触媒部に流入する排ガスの温度を、５００〜６００℃に設定してある点にある。
ここで、排ガスを浄化するとは、主に排ガス中の一酸化炭素やアルデヒド類などの未燃成分に対する酸化除去を意味する。
【０００９】
〔作用効果１〕
本発明の排ガス浄化装置は酸化触媒部として、フェライト系金属触媒製の金属ハニカムを備え、前記金属ハニカムは単独で用いられる。本来フェライト系金属は、酸化触媒活性を有するものであるから、前記酸化触媒部は、排ガス浄化装置として機能するものである。前記フェライト系金属は、通常、貴金属触媒等の触媒担体として用いられるにとどまっているが、本発明らの新知見によれば、フェライト系金属触媒製の金属ハニカムは、酸化触媒部に流入する排ガスの温度を５００〜６００℃の条件下で用いると、充分高い酸化触媒活性を示し、酸化触媒として用いることができることが明らかになった。尚、酸化触媒部に流入する排ガスの温度については、５００℃よりも低いと充分な浄化能力を得ることができず、一方６００℃よりも高いと実用的ではなくなる。
因みに、従来型の貴金属を活性酸化触媒として備えた排ガス浄化用のハニカムは、酸化触媒部に流入する排ガスの温度が３００℃〜４００℃程度の比較的低い温度域程度で使用されており、この温度範囲より大きくなると触媒が劣化するとされていた。
【００１０】
上記構成は、酸化触媒部に流入する排ガスの温度が上記範囲において用いられると、前記フェライト系金属触媒単独で用いられ、貴金属等の他の触媒が担持されていなくても、活性高く触媒反応を生起することが確認されたことによるものである。
【００１１】
〔構成２〕
また、前記金属ハニカムの各セル内における排ガスのレイノルズ数Ｒｅを、２０００〜５０００に設定することが好ましい。
【００１２】
〔作用効果２〕
ここで、排ガスのレイノルズ数Ｒｅは、以下の定義に従う。
【００１３】
排ガスのレイノルズ数Ｒｅ（無次元）＝Ｕ×Ｄ／ν
Ｕは金属ハニカムの各セル内における排ガスの平均流速（ｍ／ｓ）
Ｄは金属ハニカムの各セル内の内径（ｍ）
νは排ガスの動粘性係数（ｍ2／ｓ）
【００１４】
上記金属ハニカムの各セル内における排ガスのレイノルズ数Ｒｅが、２０００〜５０００になるよう設定されていると、前記排ガスは、金属ハニカムの各セル内の状態で所謂、遷移領域の流れとなっており、セル内の略全長において確実に乱流を形成しているといえる範囲にあるので、特に活性高く触媒反応を生起するものと考えられる。
【００１５】
〔構成３〕
また、前記酸化触媒部に流入する排ガスの空間速度ＧＨＳＶを、３０万〜６０万／ｈに設定してあり、前記金属ハニカムのセル密度を１００〜９００ｃｐｓｉに設定してある点にある。
【００１６】
〔作用効果３〕
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。
【００１７】
排ガスの空間速度ＧＨＳＶ（１／ｈ）＝
〔浄化対象の排ガスの流量（ｍ3／ｈ）〕／〔金属ハニカムの占有容積（ｍ3）〕
金属ハニカムの占有容積は、金属ハニカムの外形形状から決まる金属ハニカム内のセル空間を含む全容積をいう。
【００１８】
フェライト系金属触媒製の金属ハニカム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、金属ハニカムのセル密度が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、金属ハニカム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。
【発明の効果】
【００１９】
従って、貴金属のような高価で耐久性の低い触媒を用いることなく、安価で、耐久性の高い従来は担体としての用途しか考えられていなかったフェライト系金属を酸化触媒として有効に活用することができるから、安価で汎用性が高い排ガス浄化装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】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３】本発明の排ガス浄化装置による一酸化炭素（ＣＯ）浄化率を示す図である。
【図４】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】
【００２１】
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。
【００２２】
〔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により前記圧縮機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。
【００２３】
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、フェライト系金属触媒製の金属ハニカムが装填され、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。
【００２４】
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。
【００２５】
〔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２に示すような関係を示すことが確認できた。図２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２における緒条件は下記のとおりである。
【００２６】
（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（絶対圧力）
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
【００２７】
図２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している。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とがわかる。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、排ガスの流通状態が遷移領域に確実に保たれ、その流れが金属ハニカムの各セルに流入することで炭化水素変換率が再上昇している。従って、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、前記金属ハニカムは実用的な排ガス浄化能力を発揮することが明らかになった。
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２より、金属ハニカムに流通させる排ガス流は、乱流となっていることが好ましいことがわかり、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）。尚、図２の結果では、フェライト系ステンレス鋼の金属ハニカムに貴金属触媒を担持したものを使用しているが、かかる金属を担持することなく、当該金属ハニカムを単独で使用する場合についても、同様の炭化水素変換率の傾向が示されると考えられる。
【００２８】
〔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備えた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（酸化触媒部に流入する排ガスの温度）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３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３にあっては、（Ａ）本願に係る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）、および（Ｃ）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３（ａ））と２２万の例（図３（ｂ））を示した。
【００２９】
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〔００２６〕段落で示した例と同一である。
さらに、先の（Ａ）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。
【００３０】
浄化率は以下の式に従って求めた。
浄化率＝１−（金属ハニカム装着時の一酸化炭素濃度／ハニカムを装着していないときの一酸化炭素濃度）
【００３１】
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。
【００３２】
図３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、貴金属触媒の担持の有無による差も１０％程度となっており、貴金属触媒を担持する費用対効果の面からは、貴金属触媒を担持することなく金属ハニカム単独で用いても、ハニカム材を配置しない（Ｂ）の例と比較して、十分高い排ガス浄化作用が発揮されていることが読み取れる。
【００３３】
また、本願に係るフェライト系金属触媒製の金属ハニカムを単独で使用したものについて、排ガスの酸化触媒部入り口温度を４００℃から６００℃の範囲で変化させて浄化率を測定したところ、酸化触媒部入り口温度が４００℃〜４７５℃の範囲では浄化率が略０％であるが、酸化触媒部入り口温度が４７５℃を越えて上昇するにつれて浄化率が上昇し、酸化触媒部入り口温度が５２５℃以上であるときに最大の浄化率を示すことが確認された。このことから、フェライト系金属触媒製の金属ハニカムは、酸化触媒部に流入する排ガスの温度を５００〜６００℃の条件下で用いると、充分高い酸化触媒活性を示し、酸化触媒として用いることができることが明らかになった。
【００３４】
〔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４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。
【００３５】
また、過給機を設けることなく実施することもできる。尚、過給機を設ける場合、タービン前の排ガス温度が比較的高く５００〜６００℃の温度を確保しやすいために好ましい。尚前記過給機としては、動圧過給機が好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
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】
【００３７】
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】
2013194572.tif 000003
【図２】
2013194572.tif 000004
【図３】
2013194572.tif 000005
【図４】
2013194572.tif 000006