JP2006125269A

JP2006125269A - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP2006125269A
Application number: JP2004313744A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Hosoya; 満細谷; Shinichiro Uematsu; 真一郎植松
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】天然ガスなどのガス燃料の未燃成分を従来より低い排気温度から良好に酸化処理し得るようにした排気浄化装置を提供する。
【解決手段】天然ガス（メタンを主成分とするガス燃料）を使用するＣＮＧエンジン１（ガスエンジン）の排気浄化装置に関し、排気マニホールド７の出口部（排気流路の上流側）に排気ガス８中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置９を設けると共に、該プラズマ発生装置９の下流側にプリ酸化触媒１５を設け且つ該プリ酸化触媒１５の下流側にメイン酸化触媒１６を設ける。天然ガスの未燃成分を成すメタンをプラズマ発生装置９の放電によりメチル遊離基（・ＣＨ₃）として酸化反応を起こし易くした上、これをプリ酸化触媒１５とメイン酸化触媒１６とで効率良く酸化処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

近年、化石燃料の中で未だ豊富に存在しているといわれている天然ガス（ＣＮＧ）が石油や軽油の代替燃料として注目されており、この天然ガスはメタンを主成分として無煙燃焼するため、環境面からも低公害車を実現し得る比較的クリーンな代替燃料として期待されている。

こうした天然ガスを燃料とするＣＮＧエンジンは、例えば、既存のディーゼルエンジンをベースとして開発することができ、ガスボンベから導いた圧縮天然ガスを減圧弁を介し減圧し、その減圧した天然ガスをガスミキサを介し吸気と混合させてから燃焼室に導入して燃焼させるようにすれば良いが、軽油燃料の場合のような圧縮着火は難しいので、点火プラグを新たに装備させる必要がある。

尚、この種のＣＮＧエンジンに関連する先行技術文献情報としては、本発明と同じ出願人による下記の特許文献１〜３等がある。
特開２００２−３１７６４０号公報特開２００２−３３２８７８号公報特開２００２−３３２９１８号公報

しかしながら、斯かる従来のＣＮＧエンジンにて燃料として用いている天然ガスは、その未燃成分が排気ガスと一緒に車外に排出された場合に大気汚染物質となってしまうため、排気管の途中に酸化触媒を装備して水と炭酸ガスに酸化処理する必要があるが、天然ガスは分子構造の安定したメタン（ＣＨ₄）を主成分としているので、排気温度の低い軽負荷時などでは酸化触媒での酸化処理が困難になるという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、天然ガスなどのガス燃料の未燃成分を従来より低い排気温度から良好に酸化処理し得るようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。

本発明は、メタンを主成分とするガス燃料を使用するガスエンジンの排気浄化装置であって、排気流路の上流側に排気ガス中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置を設けると共に、該プラズマ発生装置の下流側にプリ酸化触媒を設け且つ該プリ酸化触媒の下流側にメイン酸化触媒を設けたことを特徴とするものである。

而して、ガスエンジンから排出された排気ガスに対しプラズマ発生装置で放電を行うと、排気ガス中に残留したガス燃料の未燃成分を成すメタンの分子から、その構成原子である水素（Ｈ）が引き抜かれてメチル遊離基（・ＣＨ₃）が生成され、これによりガス燃料の未燃成分が不安定な分子構造となって酸化反応を起こし易くなるので、このガス燃料の未燃成分が後段のプリ酸化触媒やメイン酸化触媒にて比較的低い温度領域から効率良く酸化処理されることになる。

この際、排気流路の上流側に設けられたプリ酸化触媒には、ガスエンジンから排出されて間もない比較的温度の高い排気ガスが導入されるので、排気温度の低い軽負荷時などでも比較的容易に触媒床温度が上昇してプリ酸化触媒が活性化し、該プリ酸化触媒にてガス燃料の未燃成分の一部が良好に酸化処理され、しかも、プリ酸化触媒でガス燃料の未燃成分の一部が酸化処理される際の反応熱により排気温度が上昇されるので、プリ酸化触媒より下流側のメイン酸化触媒も比較的容易に触媒床温度が上昇して活性化し、プリ酸化触媒で処理しきれなかったガス燃料の未燃成分がメイン酸化触媒にて良好に酸化処理されることになる。

また、本発明においては、プリ酸化触媒の入側で排気温度を検出する温度センサを設けると共に、該温度センサからの検出信号に基づき検出温度が所定値以上となった時にプラズマ発生装置を作動せしめる制御装置を備えることが好ましく、このようにすれば、プリ酸化触媒の入側の排気温度に基づきメチル遊離基を酸化処理することが可能な触媒床温度に達したと推定される条件下でのみ制御装置によりプラズマ発生装置を作動させることが可能となる。

上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、ガス燃料の未燃成分を成すメタンをプラズマ発生装置の放電によりメチル遊離基（・ＣＨ₃）として酸化反応を起こし易くすることができ、しかも、ガスエンジンから排出されて間もない比較的温度の高い排気ガスの熱を有効に利用してプリ酸化触媒の活性を高め、該プリ酸化触媒により排気ガス中の未燃成分の一部を良好に酸化処理し且つその反応熱により排気ガスの温度を上昇させてメイン酸化触媒に導くことができるので、排気ガス中に残留するガス燃料の未燃成分を従来より低い排気温度から良好に酸化処理することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、温度センサの検出信号に基づきメイン酸化触媒がメチル遊離基を酸化処理することが可能な触媒床温度に達したと推定される条件下でのみ制御装置によりプラズマ発生装置を作動させることができるので、無駄な放電を極力回避して電力エネルギーの節約を図ることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号の１は天然ガス（メタンを主成分とするガス燃料）をガス燃料として使用するＣＮＧエンジン（ガスエンジン）、２は該ＣＮＧエンジン１に搭載されたターボチャージャ２を示しており、エアクリーナ３から導いた吸気４が吸気管５を通して前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタークーラ６へ送られて冷却され、該インタークーラ６から図示しない吸気マニホールドへと送られる間でガスミキサ（特に図示せず）を介し前記吸気４に天然ガス（ＣＮＧ）が混合され、その混合気がＣＮＧエンジン１の各気筒に分配されてプラグ点火により燃焼されるようになっている。

更に、このＣＮＧエンジン１の各気筒から排出された排気ガス８を集める排気マニホールド７の出口部（排気流路の上流側）には、排気ガス８中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置９が設けられており、プラズマ発生装置９を経た排気ガス８が前記ターボチャージャ２のタービン２ｂに導入され、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８が排気管１０へと送り出されるようになっている。

このプラズマ発生装置９は、電極１１，１２を対向配置して相互間に放電を行い得るようにしてあるが、この電極１１，１２の相互間距離がほぼ一様に設定できるものであれば、板型、ロッド型、円筒型等の様々な形状を適宜に採用することが可能である。

また、各電極１１，１２に対しては、インバータ１３を介し電源１４を接続した構造となっており、特に本形態例では、電源１４として車両搭載のバッテリを想定しているので、インバータ１３により放電可能な適切な電圧と周波数の交流高電圧を各電極１１，１２へ印加し得るようにしてある。

更に、前記排気管１０の上流側にプリ酸化触媒１５が装備されていると共に、該プリ酸化触媒１５の下流側にはメイン酸化触媒１６が装備されており、これらプリ酸化触媒１５とメイン酸化触媒１６とを順次通してから排気ガス８を車外へ排出するようにしてある。

ここで、これらプリ酸化触媒１５とメイン酸化触媒１６は、例えば、メタルハニカムに白金とアルミナと希土類元素などを主成分として担持させたフロースルー形式のものとなっている。

尚、前記プラズマ発生装置９の作動は、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：制御装置１７からの指令信号１３ａを受けたインバータ１３により実行されるようになっており、他方、この制御装置１７においては、プリ酸化触媒１５の入側で排気温度を検出する温度センサ１８からの検出信号１８ａが入力されるようになっていて、この検出信号１８ａに基づき検出温度が所定値以上となった時にプラズマ発生装置９が作動されるようになっている。

而して、温度センサ１８からの検出信号１８ａに基づき制御装置１７から指令信号１３ａが出力され、この指令信号１３ａを受けたインバータ１３によりプラズマ発生装置９が作動されて排気ガス８中に放電が行われると、該排気ガス８中に残留した天然ガスの未燃成分を成すメタンの分子から、その構成原子である水素（Ｈ）が引き抜かれてメチル遊離基（・ＣＨ₃）が生成され、これにより天然ガスの未燃成分が不安定な分子構造となって酸化反応を起こし易くなるので、この天然ガスの未燃成分が後段のプリ酸化触媒１５やメイン酸化触媒１６にて比較的低い温度領域から効率良く酸化処理されることになる。

この際、排気管１０の上流側に設けられたプリ酸化触媒１５には、ＣＮＧエンジン１から排出されて間もない比較的温度の高い排気ガス８が導入されるので、排気温度の低い軽負荷時などでも比較的容易に触媒床温度が上昇してプリ酸化触媒１５が活性化し、該プリ酸化触媒１５にて天然ガスの未燃成分の一部が良好に酸化処理されることになる。

しかも、プリ酸化触媒１５で天然ガスの未燃成分の一部が酸化処理される際の反応熱により排気温度が上昇されるので、プリ酸化触媒１５より下流側のメイン酸化触媒１６も比較的容易に触媒床温度が上昇して活性化し、プリ酸化触媒１５で処理しきれなかった天然ガスの未燃成分がメイン酸化触媒１６にて良好に酸化処理されることになる。

従って、上記形態例によれば、天然ガスの未燃成分を成すメタンをプラズマ発生装置９の放電によりメチル遊離基（・ＣＨ₃）として酸化反応を起こし易くすることができ、しかも、ＣＮＧエンジン１から排出されて間もない比較的温度の高い排気ガス８の熱を有効に利用してプリ酸化触媒１５の活性を高め、該プリ酸化触媒１５により排気ガス８中の未燃成分の一部を良好に酸化処理し且つその反応熱により排気ガス８の温度を上昇させてメイン酸化触媒１６に導くことができるので、排気ガス８中に残留する天然ガスの未燃成分を従来より低い排気温度から良好に酸化処理することができる。

事実、本発明者が行った実験結果によれば、図２のグラフに示す如く、ＣＮＧエンジン１から排出された排気ガス８をメイン酸化触媒１６の単独使用により酸化処理したケースＡと、ＣＮＧエンジン１から排出された排気ガス８にプラズマ発生装置９による放電を加えてプリ酸化触媒１５とメイン酸化触媒１６の併用により酸化処理したケースＢとを比較したところ、ケースＡよりもケースＢの方が低い温度領域から高いＨＣ低減率を得られることが確認された。尚、図２のグラフにおける縦軸はＨＣ低減率を、横軸はプリ酸化触媒１５の入側の排気温度を夫々示している。

また、本形態例においては、プリ酸化触媒１５の入側で排気温度を検出する温度センサ１８と、該温度センサ１８からの検出信号１８ａに基づき検出温度が所定値以上となった時にプラズマ発生装置９を作動せしめる制御装置１７とを備えているので、プリ酸化触媒１５の入側の排気温度に基づきメチル遊離基を酸化処理することが可能な触媒床温度に達したと推定される条件下でのみ制御装置１７によりプラズマ発生装置９を作動させることができ、これによって、無駄な放電を極力回避して電力エネルギーの節約を図ることができる。

図３は本発明の別の形態例を示すもので、プラズマ発生装置９をターボチャージャ２のタービン２ｂの出口部（排気流路の上流側）に設けた場合を例示しており、このような配置とした場合でも、天然ガスの未燃成分を成すメタンをプラズマ発生装置９の放電によりメチル遊離基（・ＣＨ₃）として酸化反応を起こし易くすることができ、しかも、ＣＮＧエンジン１から排出されて間もない比較的温度の高い排気ガス８の熱を有効に利用してプリ酸化触媒１５の活性を高め、該プリ酸化触媒１５により排気ガス８中の未燃成分の一部を良好に酸化処理し且つその反応熱により排気ガス８の温度を上昇させてメイン酸化触媒１６に導くことができる。

尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、メタンを主成分とするガス燃料は必ずしも天然ガスに限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。排気温度とＨＣ低減率との関係を示すグラフである。本発明の別の形態例を示す概略図である。

符号の説明

１ＣＮＧエンジン（ガスエンジン）
７排気マニホールド（排気流路）
８排気ガス
９プラズマ発生装置
１０排気管（排気流路）
１５プリ酸化触媒
１６メイン酸化触媒
１７制御装置
１８温度センサ
１８ａ検出信号

Claims

メタンを主成分とするガス燃料を使用するガスエンジンの排気浄化装置であって、排気流路の上流側に排気ガス中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置を設けると共に、該プラズマ発生装置の下流側にプリ酸化触媒を設け且つ該プリ酸化触媒の下流側にメイン酸化触媒を設けたことを特徴とする排気浄化装置。
プリ酸化触媒の入側で排気温度を検出する温度センサを設けると共に、該温度センサからの検出信号に基づき検出温度が所定値以上となった時にプラズマ発生装置を作動せしめる制御装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。