(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に介装された第１のモノリスと、
排気通路を流通する排気の一部を迂回させ、前記第１のモノリス上流側に導入する排気迂回通路と、
該排気迂回通路に介装された第２のモノリスと、
前記第１及び第２のモノリスに、夫々塗布された第１及び第２の触媒と、
前記第２のモノリス上流側に炭化水素類を添加する添加手段と、
前記第１のモノリス上流側に位置する排気通路を流通する排気中の窒素酸化物濃度を検出する濃度検出手段と、
該濃度検出手段により検出された窒素酸化物濃度が所定値以上のときのみ、前記添加手段を制御して、前記第２のモノリス上流側に炭化水素類を添加する添加制御手段と、
を含んで構成されたガスエンジンの排気浄化装置であって、
前記第２の触媒は、排気中の水蒸気に対して、前記添加手段により添加された炭化水素類を反応させて、次式のような水蒸気改質反応を起こさせる一方、
ＣmＨn＋mＨ2Ｏ→（m＋n/2）Ｈ2＋mＣＯ
前記第１の触媒は、排気中の窒素酸化物に対して、前記第２の触媒により生成された水素及び未転化の炭化水素類を反応させて、夫々次式のような還元反応を起こさせる
ＮＯx＋Ｈ2→Ｎ2＋Ｈ2Ｏ
ＮＯx＋ＣmＨn→Ｎ2＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ
ことを特徴とするガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記添加制御手段は、前記濃度検出手段により検出された窒素酸化物濃度に基づいて、前記第２モノリス上流側に添加する炭化水素類の添加量を増減することを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
前記第１の触媒は、白金担持ゼオライト又は銀担持アルミナであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記第２の触媒は、ロジウム担持ジルコニア又はロジウム担持アルミナであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
前記排気迂回通路には、前記排気通路を流通する排気の一部を強制的に迂回させる強制迂回手段が介装されたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のガスエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
前記添加制御手段は、前記第２のモノリス上流側に炭化水素類を添加するときのみ、前記強制迂回手段を作動させることを特徴とする請求項５記載のガスエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスエンジンの排気浄化装置において、特に、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素類（ＣmＨn）を含むＣＮＧ（圧縮天然ガス），ＬＰＧ（液化天然ガス）などを燃料とするガスエンジンは、ＮＯｘ排出量が少ないという優れた特徴を有している。しかし、最近ではＮＯｘ排出量規制が一層強化される傾向にあり、より一層ＮＯｘ排出量を低減させる必要がある。
【０００３】
このため、例えば、第８０回触媒討論会Ａ  予稿集3A07,P.67(1997)に開示されるように、排気中に微量残留している未燃炭化水素類を還元剤として用い、排気通路に介装されたモノリスに塗布された触媒により、ＮＯｘを還元浄化する排気浄化装置が開発された。また、排気中の未燃炭化水素類が浄化すべきＮＯｘに比べて少ないことに鑑み、例えば、Applied Catalysis B: Environmental 17(1998) 333-345に開示されるように、モノリス上流側に未燃炭化水素類を含む燃料等を添加する技術も案出されている。そして、かかる従来技術においては、排気中のＮＯｘは、主に、ＮＯ2＋ＨＣ（ＣmＨn）→Ｎ2＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏという化学反応により還元浄化される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では、炭化水素類を還元剤とする触媒のＮＯｘ還元性能がいまだ不十分であるため、ＮＯｘ排出量のさらなる低減を通して、排気性状を一層向上させることが求められるようになってきた。
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、水蒸気改質反応により生成された水素（Ｈ2）により、触媒におけるＮＯｘの還元浄化反応を促進させ、ＮＯｘ排出量のさらなる低減化を実現したガスエンジンの排気浄化装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明では、排気通路に介装された第１のモノリスと、排気通路を流通する排気の一部を迂回させ、前記第１のモノリス上流側に導入する排気迂回通路と、該排気迂回通路に介装された第２のモノリスと、前記第１及び第２のモノリスに、夫々塗布された第１及び第２の触媒と、前記第２のモノリス上流側に炭化水素類を添加する添加手段と、前記第１のモノリス上流側に位置する排気通路を流通する排気中の窒素酸化物濃度を検出する濃度検出手段と、該濃度検出手段により検出された窒素酸化物濃度が所定値以上のときのみ、前記添加手段を制御して、前記第２のモノリス上流側に炭化水素類を添加する添加制御手段と、を含んで構成されたガスエンジンの排気浄化装置であって、
前記第２の触媒は、排気中の水蒸気に対して、前記添加手段により添加された炭化水素類を反応させて、次式のような水蒸気改質反応を起こさせる一方、
ＣmＨn＋mＨ2Ｏ→（m＋n/2）Ｈ2＋mＣＯ
前記第１の触媒は、排気中の窒素酸化物に対して、前記第２の触媒により生成された水素及び未転化の炭化水素類を反応させて、夫々次式のような還元反応を起こさせる
ＮＯx＋Ｈ2→Ｎ2＋Ｈ2Ｏ
ＮＯx＋ＣmＨn→Ｎ2＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ
ことを特徴とする。
【０００６】
かかる構成によれば、ガスエンジンから排出された排気は、排気通路を介して第１のモノリスに導入されると共に、その一部が排気迂回通路を介して第２のモノリスに導入される。第２のモノリスでは、ここに塗布された第２の触媒の作用により、排気中の水蒸気に対して炭化水素類を反応させて水蒸気改質反応を起こさせ、水素と一酸化炭素とを生成させる。水蒸気改質反応により生成された水素及び一酸化炭素は、水蒸気改質反応に供されなかった炭化水素類と共に、第１のモノリス上流側に導入される。第１のモノリスでは、ここに塗布された第１の触媒の作用により、排気中の窒素酸化物に対して水素及び炭化水素類を夫々反応させ、無害な窒素，二酸化炭素及び水蒸気に転化させる。
【０００７】
このとき、排気中の窒素酸化物濃度が所定値以上のときのみ、換言すると、炭化水素類の添加量が不足して排気浄化が不十分であるときのみ、第２のモノリス上流側に炭化水素が添加されるため、その消費量が抑制される。
【０００８】
請求項２記載の発明では、前記添加制御手段は、前記濃度検出手段により検出された窒素酸化物濃度に基づいて、前記第２モノリス上流側に添加する炭化水素類の添加量を増減することを特徴とする。
かかる構成によれば、排気中の窒素酸化物濃度に基づいて、第２のモノリス上流側に添加する炭化水素類の添加量が増減されるので、未反応の炭化水素類がそのまま排出されることが抑制され、広範囲に亘って安定した排気浄化を行うことが可能となり、排気性状が向上する。
【０００９】
請求項３記載の発明では、前記第１の触媒は、白金担持ゼオライト又は銀担持アルミナであることを特徴とする。
かかる構成によれば、第１の触媒として、白金担持ゼオライト又は銀担持アルミナを用いることで、排気中の窒素酸化物に対して、水素及び炭化水素類を効果的に反応させられる。
【００１０】
請求項４記載の発明では、前記第２の触媒は、ロジウム担持ジルコニア又はロジウム担持アルミナであることを特徴とする。
かかる構成によれば、第２の触媒として、ロジウム担持ジルコニア又はロジウム担持アルミナを用いることで、水蒸気改質反応が効果的に行われる。
請求項５記載の発明では、前記排気迂回通路には、前記排気通路を流通する排気の一部を強制的に迂回させる強制迂回手段が介装されたことを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、排気通路を流通する排気の一部は、水蒸気改質反応を行う第２のモノリスに強制的に導入されるので、窒素酸化物の還元浄化に供される水素が確実に生成される。
請求項６記載の発明では、前記添加制御手段は、前記第２のモノリス上流側に炭化水素類を添加するときのみ、前記強制迂回手段を作動させることを特徴とする。
かかる構成によれば、第２のモノリス上流側に炭化水素類が添加されるときのみ、強制迂回手段が作動される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明に係るガスエンジンの排気浄化装置（以下「排気浄化装置」という）の第１実施形態の全体構成を示す。
ガスエンジン１０の排気通路１２には、ハニカム形状の横断面を有する第１のモノリス１４が介装される。また、排気通路１２には、ここを流通する排気の一部を迂回させ、第１のモノリス１４上流側に導入する排気迂回通路１６が併設される。排気迂回通路１６には、ハニカム形状の横断面を有する第２のモノリス１８が介装される。
【００１３】
燃料タンク２０に貯蔵される気体燃料は、ガスエンジン１０に供給されると共に、導入通路２２を介して、第２モノリス１８上流側の排気迂回通路１６に添加される。ここで、気体燃料としては、炭化水素類を含むＣＮＧ，ＬＰＧなどが用いられる。なお、燃料タンク２０及び導入通路２２を含んで添加手段が構成される。
【００１４】
第２のモノリス１８には、排気迂回通路１６を介して導入された排気中の水蒸気に対して、燃料タンク２０から添加された気体燃料を反応させて、次式のような水蒸気改質反応を起こさせる第２の触媒が塗布される。第２の触媒としては、効果的な水蒸気改質反応を起こさせるべく、例えば、ロジウム担持ジルコニア（Ｒｈ／ＺｒＯ2）又はロジウム担持アルミナ（Ｒｈ／Ａｌ2Ｏ3）を用いることが望ましい。
【００１５】
ＣmＨn＋mＨ2Ｏ→（m＋n/2）Ｈ2＋mＣＯ
一方、第１のモノリス１４には、排気中の窒素酸化物に対して、第２のモノリス１８で生成された水素及び未転化（未反応）の気体燃料を反応させて、次式のように窒素酸化物を還元浄化させる第１の触媒が塗布される。第１の触媒としては、効果的に窒素酸化物を還元浄化させるべく、例えば、白金担持ゼオライト（Ｐｔ／ＺＳＭ−５）又は銀担持アルミナ（Ａｇ／Ａｌ2Ｏ3）を用いることが望ましい。
【００１６】
ＮＯx＋Ｈ2→Ｎ2＋Ｈ2Ｏ
ＮＯx＋ＣmＨn→Ｎ2＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ
なお、以上説明しなかった符号２４は、排気通路１２及び排気迂回通路１６に、夫々、第１のモノリス１４及び第２のモノリス１８を保持させるための保持材である。
【００１７】
次に、かかる構成からなる排気浄化装置の作用について説明する。
ガスエンジン１０から排出された排気は、排気通路１２を介して第１のモノリス１４に導入されると共に、その一部が排気迂回通路１６に分流される。排気迂回通路１６に分流された排気は、導入路２２を介して添加された気体燃料と混合して混合気となり、第２のモノリス１８に導入される。そして、混合気が第２のモノリス１８を通過するとき、ここに塗布された第２の触媒と接触し、次式のような水蒸気改質反応が起こる。即ち、水蒸気改質反応では、気体燃料に含まれる炭化水素類（ＣmＨn）と排気中の水蒸気（Ｈ2Ｏ）とが反応し、水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とが生成される。
【００１８】
ＣmＨn＋mＨ2Ｏ→（m＋n/2）Ｈ2＋mＣＯ
水蒸気改質反応で生成された水素及び一酸化炭素は、水蒸気改質反応に供されなかった炭化水素類と共に、第１のモノリス１４上流側の排気通路１２に導入される。排気通路１２に導入された水素，一酸化炭素及び炭化水素類は、排気通路１２を流通する排気と混合され、排気中の水素含有量を増加させる。
【００１９】
そして、水素含有量が増加された排気が第１のモノリス１４を通過するとき、ここに塗布された第１の触媒と接触し、次式のような還元浄化反応が起こる。
ＮＯx＋Ｈ2→Ｎ2＋Ｈ2Ｏ
ＮＯx＋ＣmＨn→Ｎ2＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ
従って、排気中の窒素酸化物は、水蒸気改質反応によって生成された水素、及び、水蒸気改質反応に供されなかった炭化水素類と反応し、無害な窒素（Ｎ2），二酸化炭素（ＣＯ2）及び水蒸気（Ｈ2Ｏ）に転化される。このため、水素により窒素酸化物の還元浄化反応が促進され、窒素酸化物の排出量をより低減させることができる。
【００２０】
なお、第２のモノリス１８における水蒸気改質反応により生成された一酸化炭素は、そのまま排気浄化装置から排出されるが、その排出量は極めて微量であり、酸化触媒などで処理可能であるため、排気性状には影響がない。
図２は、本発明に係る排気浄化装置の第２実施形態の全体構成を示す。第２実施形態は、還元剤としての気体燃料の消費を極力抑制すべく、第１の実施形態に対して、排気中の窒素酸化物濃度に応じて気体燃料の添加制御を行う機構を追加したものである。なお、先の第１実施形態と同一構成については、同一符号を付すことで、その説明を省略する。
【００２１】
第２のモノリス１８上流側の排気迂回通路１６には、第２のモノリス１８への排気導入を確実ならしめるべく、例えば、電動モータにより駆動されるポンプ３０（強制迂回手段）が介装される。また、導入通路２２には、排気迂回通路１６への気体燃料添加量を制御すべく、導入通路２２を開閉する電磁式の開閉弁３２が介装される。一方、排気通路１２には、排気中の窒素酸化物濃度を検出するＮＯｘセンサ３４（濃度検出手段）が介装される。そして、ＮＯｘセンサ３４からの出力は、マイクロコンピュータを内蔵したコントロールユニット３６に入力され、後述する処理によってポンプ３０及び開閉弁３２の駆動制御が行われる。なお、コントロールユニット３６により、添加制御手段がソフトウエア的に実現される。
【００２２】
図３は、コントロールユニット３６において、所定時間毎に繰り返し実行される処理内容を示す。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、ＮＯｘセンサ３４から排気中の窒素酸化物濃度が検出される。
ステップ２では、検出された窒素酸化物濃度が所定値以上であるか否か、即ち、還元剤としての気体燃料が不足して排気浄化が不十分であるか否かが判定される。そして、窒素酸化物濃度が所定値以上であればステップ３へと進み（Ｙｅｓ）、気体燃料を排気迂回通路１６に添加すべく、開閉弁３２が開弁されると共に、ポンプ３０が作動される。一方、窒素酸化物濃度が所定値未満であればステップ４へと進み（Ｎｏ）、気体燃料の消費を抑制すべく、開閉弁３２が閉弁されると共に、ポンプ３０が停止される。
【００２３】
以上説明したステップ１〜ステップ４の処理によれば、排気中の窒素酸化物が所定値以上のときのみ、排気迂回通路１６に気体燃料が添加されるため、気体燃料の消費量を極力抑制することができる。
なお、排気迂回通路１６に添加される気体燃料は、排気中の窒素酸化物濃度に基づいて、例えば、マップを参照することで、その添加量を多段階に設定するようにしてもよい。この場合、開閉弁３２は、例えば、設定された添加量に応じてデューティ制御するようにすればよい。
【００２４】
このようにすれば、排気中の窒素酸化物濃度に応じて気体燃料の添加量が多段階に制御されるため、未反応の炭化水素類がそのまま排出されることが抑制され、広範囲に亘って安定した排気浄化を行うことが可能となり、排気性状を向上させることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、水蒸気改質反応により生成された水素により、窒素酸化物の還元浄化反応が促進されるので、窒素酸化物の排出量をより低減することができる。このとき、炭化水素類の添加量が不足して排気浄化が不十分であるときのみ、第２のモノリスに炭化水素類が添加されるため、その消費量を抑制することができる。
【００２６】
請求項２記載の発明によれば、未反応の炭化水素類がそのまま排出されることが抑制され、広範囲に亘って安定した排気浄化を行うことが可能となり、排気性状を向上させることができる。
請求項３記載の発明によれば、排気中の窒素酸化物に対して、水素及び炭化水素類を効果的に反応させることができる。
【００２７】
請求項４記載の発明によれば、水蒸気改質反応を効果的に行わせることができる。
請求項５記載の発明によれば、窒素酸化物の還元浄化に供される水素を確実に生成することができる。
請求項６記載の発明によれば、第２のモノリス上流側に炭化水素類が添加されるときのみ、強制迂回手段を作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排気浄化装置の第１実施形態の全体構成図
【図２】本発明に係る排気浄化装置の第２実施形態の全体構成図
【図３】同上の制御内容を示すフローチャート
【符号の説明】
１０  ガスエンジン
１２  排気通路
１４  第１のモノリス
１６  排気迂回通路
１８  第２のモノリス
２０  燃料タンク
２２  導入通路
３０  ポンプ
３２  開閉弁
３４  ＮＯｘセンサ
３６  コントロールユニット
【図１】
0003905359.tif 000002
【図２】
0003905359.tif 000003
【図３】
0003905359.tif 000004