JP2007522377A - 触媒を持つ燃焼ガスの再生器 - Google Patents

Abstract

廃ガス触媒（ＫＡＴ）を持つ燃焼廃ガス（ＶＧ）の再生器であって、高温で作動せしめられる触媒（ＫＡＴ）が耐熱性拡散膜（ＭＥＭ）に隣接し、この拡散膜が他方で再生物溜め（ＲＳ）に隣接し、この再生物溜めが、そのつど存在する触媒内部圧力（ｐｋ）より低い圧力（ｐｒ）に保たれ、再生器（１）の前に接続される燃焼装置（ＣＯＭＢ）に加えられる再生物ガス（ＲＧ）が補足燃料として供給され、かつ／又は他の方法で化学エネルギとして利用される。

Description

本発明は廃ガス触媒を持つ燃焼廃ガスの再生器に関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第３４１３４１９号明細書から、内燃機関の廃ガス再循環導管に加熱される分解触媒を設け、その再生物ガスを吸入通路へ補足的に導入することが公知である。

更にドイツ連邦共和国特許出願公開第１００１９００７号明細書から、水により燃料を触媒で水素に改質する装置が公知であり、触媒により水素が形成され、生じる水素が膜により残りのガスから隔離される。この場合水素を入口側に補足的に供給される改質触媒を加熱するために、内燃機関の廃ガスが用いられる。

空気と炭化水素燃料とで作動せしめられる燃焼装置特に内燃機関の燃焼廃ガスを触媒装置に通し、この触媒装置において燃焼しないＮＯ_ｘのような炭化水素燃料及び燃焼中間生成物が、触媒による再燃焼によりＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ蒸気及びＮ_２のような有害物の少ない廃ガス最終生成物に変換される。再燃焼により、触媒に通常連続作動で約１０００℃の温度が生じ、それに続く消音器内における停滞により、ハウジング内に通常数ｂａｒの圧力が存在する。普通の触媒は、有効触媒材料として白金又は金属混合物で薄く被覆される大きい面積の密集した薄板担体構造から成っている。空気及び供給燃料の理論的に計量される組成が、ＮＯ_ｘの含有量を測定する廃ガスセンサの測定値を実際信号として供給される制御装置により得られる。燃ガスに含まれる熱及び化学エネルギは、触媒において利用されることなく熱として放出される。

高温の燃焼廃ガスの一部を分岐して、燃焼用空気と混合することは公知であり、それにより燃焼廃ガスに含まれるエネルギの一部が次の燃焼過程において有益に利用されるが、まだ高温の燃焼廃ガスにより高い過給温度が、内燃機関の少ない過給従って最高出力の低下、及び多くの場合燃焼空間から触媒への望ましくないエネルギ移動を伴う高いＮＯ_ｘ形成を引き起こす。

本発明の課題は、最初にあげた装置を簡単化し、高温の燃焼廃ガスに含まれるエネルギを一層よく利用可能にすることである。

その解決策によれば、高温で作動せしめられる触媒が、耐熱性拡散膜に隣接し、この拡散膜が他方で再生物溜めに隣接し、この再生物溜めが、そのつど存在する触媒内部圧力より低い圧力に保たれ、生じる再生物ガスが、再生器の前に接続される燃焼装置へ補足燃料として供給され、かつ／又は別の方法で化学エネルギとして利用される。

それ以外の構成は従属請求項に示されている。

安価な拡散膜として、酸化ジルコンで強化可能な微孔性開孔酸化アルミニウムがよく、可燃性の再生物ガス特に水素を触媒空間から導出するため、０．５〜２μｍの孔径が有利なことがわかった。カルシウム−アルミニウム−酸化珪素のようなアルカリ土類金属の珪酸塩及び／又はアルミン酸塩から成る耐熱性微孔膜もよいことがわかった。

再生物ガスが低い温度で膜から流出し、膜において１０００℃以上の温度低下が起こることがわかった。

試験作動のため市販の自動車触媒がなるべく利用される。この触媒は片側を膜で密閉して設けられる。触媒ブロックにある横通路は、再生物ガスの側方流出を容易にする。

膜にわたってできるだけ大きい圧力低下を行うため、触媒空間の出口側にそらせ板が設けられて、高い動圧を生じる。

作動休止後速い始動のため、ディーゼル機関において公知のような電気加熱プラグ、及び場合によっては電気的に点火される火口プラグが役立ち、触媒外被へ差込まれて触媒空間へ入り込んでいる。触媒が約９００℃の下方作動温度に達すると、補助加熱装置が停止される。その場合燃焼廃ガス中に存在するＮＯ_ｘ成分及び炭化水素の炭素成分の触媒燃焼は、１３００℃まで上昇できる作動温度を維持する。

再生物ガスは燃料として有利に利用され、負圧が存在する燃焼装置の吸入通路へ供給される。こうして膜にわたる圧力低下が更に高められ、それが再生物ガスの拡散を更に促進する。

それにより燃焼廃ガスのエネルギ含有量の一部は、再生物ガスの化学エネルギの形で触媒から回収されて利用される。再生物ガスは大体において冷たい水素から成っているので、燃焼装置が内燃機関である時、過給を減少しない。更に再生物ガスは、その容易な点火可能性及び高い燃焼可能性により、燃焼過程を促進する。

内燃機関は、前に接続される過給圧縮機及び触媒に続く消音器により、変更なしに作動させることができる。吸入管への公知の水霧又は水蒸気の噴射も使用されて、適度な燃焼のために役立つ。それにより高められる燃焼ガス中の水蒸気成分は触媒において有利に分解されるので、再生物ガスが更に生じる。その代わりに水霧又は水蒸気は、１０００℃の動作温度を下回らないような量で触媒空間へ噴射される。断熱材料から成る外被は反応器の熱損失を少なくする。

別の構成では、拡散膜は複数の丸い個別膜から成り、これらの個別膜がそれぞれ金属ブシュ内にはめられ、これと共に担板に密封して圧入されて保持されている。担体はなるべく複数の高級鋼板から成り、これらの高級鋼板はそれぞれ雲母密封片を介して互いに積層され、全体として再生物溜めと触媒壁との間に、密封片を介してフランジにねじ止めして保持されている。

有利な構成が図１〜５に示されている。

図１のブロックダイヤグラムは、内燃機関ＣＯＭＢ等の触媒ＫＡＴの所に設けられる再生器１を示し、内機関の高温の燃焼廃ガスＶＧは触媒空間へ供給される。触媒処理後、有害物質の少ない廃ガスＡＧが、触媒空間から消音器ＳＤを通って出るので、作動中に触媒空間に内部圧力ｐｋが存在する。

触媒外被は外被部分を除去され、微孔性セラミック材料から成る膜ＭＥＭにより代えられている。触媒から遠い方の側で室は再生物溜めＲＳとして形成され、この再生物溜めから再生物ガスＲＧが取出される。

再生物ガスＲＧはなるべく内燃機関ＣＯＭＢの吸入管ＡＳへ供給され、場合によっては過給装置ＬＤによって燃焼用空気Ｌが吸入管ＡＳへ導入される。炭化水素燃料ＢＳ例えばガソリン、ディーゼル燃料又はプロパンガスが、公知のように噴射器１により燃焼室へ入れられ、λ測定センサ信号Ｓ及びそのつど要求される機関出力に関係して、制御装置ＲＶが、そのつど供給される最適な燃料−空気酸素混合気の量を決定するので、触媒による再燃焼を含めて有害物質の少ない燃焼が行われる。

熱損失を少なく保つため、触媒は外側を断熱材料で包囲されている。触媒薄板ブロックに、膜側へ通じる横通路Ｑが形成されている。

触媒空間には、予熱のため、加熱プラグＧＫ及び／又は付加的に燃料ＢＳを供給される火口プラグＦＫが導入されている。プラグＧＫ，ＦＫは、加熱のため電圧Ｕを印加され、燃料ＢＳは、始動段階中弁ＢＶを介して制御されて供給される。実施例では、触媒空間は流入側にもそらせ板Ｐ２を備え、このそらせ板が圧力及び特に加熱の際の反応熱を抑制する。

再生物ガスＲＧは、吸入管ＡＳへの接続によって、負圧即ち再生物圧力ｐｒを受けているので、正圧ｐｋから負荷ｐｒへの圧力低下を介して、再生物ガスＲＧの拡散が膜ＭＥＭを通して行われる。冷たい再生物ガスＲＧ及びそれによって冷却される膜ＭＥＭは、膜包囲枠及び再生物溜めＲＳ全体の冷却を行う。加熱プラグＧＫ及び火口プラグＦＫは、なるべく膜囲い枠Ｅと伝熱結合されるか、又は膜ＭＥＭ自体へ差込まれているので、触媒ＫＡＴの内部における高い作動温度によっては損傷されない。

有利な展開では、燃焼装置ＣＯＭＢの入口側に、計量された水霧又は水蒸気Ｄが噴射され、燃焼温度を適度にし、従ってドイツ連邦共和国特許第２８４３３３５号明細書によるＮＯ_ｘ成分の減少に役立ち、更に触媒ＫＡＴのために再生物形成の基礎として役立つ。その代わりに又はそれに補足して、別の構成では、計量された水蒸気Ｄ^＊が、触媒ＫＡＴへ直接供給されるか、又は触媒ＫＡＴの前の燃焼廃ガスＶＧへ供給される。

図２は再生器の一部を示している。触媒外被ＫＡＴ上には枠Ｒが溶接され、この枠Ｒに再生物溜めＲＳを持つハウジングＧが保持されている。ハウジングＧは厚壁のハウジング壁ＤＷを持ち、このハウジング壁ＤＷへ加熱プラグＧＫがねじ込まれている。更にこのハウジング壁ＤＷから残りのハウジング壁へ、密封囲い枠Ｅ内に、微孔性セラミックから成る膜ＭＥＭが延びている。従って加熱プラグＧＫからハウジング壁ＤＷ及び囲い枠Ｅを通って拡散冷却される膜ＭＥＭへの放熱結合が行われる。再生物溜めＲＳから再生物導管ＲＬが再生物消費装置又は再生物貯蔵装置へ通じている。膜ＭＥＭはなるべく穴あき板Ｂにより支持され、縁面取り部ＭＲにより密封されて包囲されている。

図３は、膜ＭＥＭ、火口プラグＦＫ及び加熱プラグＧＫを持つ触媒を、一部開いて斜視図で示している。触媒体を貫通する横通路Ｑが見える。

狭い間隙を除いて隔てられかつ小さい穴を備えて触媒体の入口側及び出口側を閉鎖するそらせ板Ｐ１，Ｐ２も同様に示されている。

一般にＨ_２である再生物ガスの発生は２００℃で既に始まるが、約１０００℃〜１２００℃の触媒温度が有効である。

廃ガス触媒において普通の白金、パラジウム等は、卑金属が適当な表面構造で担体に被覆される時、事情によってはこれらの卑金属によっても代えられる。刻印構造は、金属又はセラミックから成る公知の蜂の巣状構造により形成することができる。蜂の巣状構造は例えば２０００ ｑｍ／ｌの表面を与える。

市販の自動車触媒では、１００×１５０×３０ｍｍ^３の膜が適している。

図４は、それぞれ円板として形成されて金属ブシュ２内に保持される複数の個別膜ＭＥＭ１〜ＭＥＭ６から成る拡散膜の形成を示している。

ブシュ２は高圧プレスで担体３へ圧入され、大きい温度差でも密封されて保持される。縁側にはねじ止め穴が見える。

図５は組立てられた膜の取付け部の側面図を示し、膜の担体３は、フランジを備えた触媒ハウジング壁Ｗと再生物溜めＲＳのフランジとの間に、それぞれ雲母密封片５，６を挿入して、ねじ止めにより保持されている。２つの高級鋼板３０，３１の間に密封板４を挿入することによって、担板３はサンドウィッチ状に重ねて構成されている。密封板４はなるべく耐熱性雲母材料から成り、高級鋼板３０，３１のように狭い枠内のブシュの周りで終わっている。

再生器のブロックダイヤグラムを示す。 膜を持つ部分を示す。 変更された触媒を示す。 個別膜装置の平面図を示す。 膜取付け部の側面図を示す。

符号の説明

ＣＯＭＢ 内燃装置
ＫＡＴ 廃ガス触媒
Ｌ 空気
ＢＳ 燃料
Ｉ 噴射器
ＬＤ 過給装置
ＡＧ 廃ガス
ＭＥＭ 拡散膜
ＲＧ 再生物ガス
ＲＳ 再生物溜め
Ｑ 横通路
Ｐ１，Ｐ２ そらせ板
ＶＧ 燃焼廃ガス
ＡＳ 吸入管
ＦＫ 火口プラグ
ＢＶ 燃料弁
Ｕ 電気プラグ端子
ＧＫ 加熱プラグ
Ｓ λセンサ
ＲＶ 制御装置
１ 再生器
ｐｒ 再生器圧力
ｐｋ 触媒内部圧力
ＳＤ 消音器
ＷＤ 断熱材
ＲＬ 再生物導管
Ｒ 枠
Ｇ ハウジング
Ｅ 囲い枠
ＤＷ ハウジング壁
Ｄ，Ｄ^＊ 蒸気
Ｂ 穴あき板
ＭＲ 縁面取り部
Ｗ 壁
２ ブシュ
３ 担板
３０ 高級鋼板
３１ 高級鋼板
４ 密封板
５ 雲母密封片
６ 雲母密封片
ＭＥＭ１ 個別膜
ＭＥＭ２ 個別膜

Claims (20)

1. 高温で作動せしめられる触媒（ＫＡＴ）が、耐熱性拡散膜（ＭＥＭ）に隣接し、この拡散膜（ＭＥＭ）が他方で再生物溜め（ＲＳ）に隣接し、この再生物溜め（ＲＳ）が、そのつど存在する触媒内部圧力（ｐｋ）より低い圧力（ｐｒ）に保たれ、生じる再生物ガス（ＲＧ）が、再生器（１）の前に接続される燃焼装置（ＣＯＭＢ）へ補足燃料として供給され、かつ／又は別の方法で化学エネルギとして利用されることを特徴とする、廃ガス触媒（ＫＡＴ）を持つ燃焼廃ガスの再生器。
2. 拡散膜（ＭＥＭ）が、耐熱性の微孔性開孔セラミックから成っていることを特徴とする、請求項１に記載の再生器。
3. 膜（ＭＥＭ）がアルカリ土類金属のアルミン酸塩及び／又は珪酸塩から成っていることを特徴とする、請求項１に記載の再生器。
4. 膜（ＭＥＭ）が酸化アルミニウム及び／又は酸化ジルコンから成っていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の再生器。
5. 膜（ＭＥＭ）がハウジング（Ｇ）内にあってぴったり合う囲い枠（Ｅ）内に保持され、ハウジング（Ｇ）が枠（Ｒ）により触媒（ＫＡＴ）の壁（Ｗ）に溶接されていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の再生器。
6. 膜（ＭＥＭ）が、圧力低下（ｐｋ，ｐｒ）の方向へ先細になる縁面取り部（ＭＲ）を持っていることを特徴とする、請求項５に記載の再生器。
7. 膜（ＭＥＭ）が、再生物溜め（ＲＳ）の側で、穴あき板（Ｂ）により支持されていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の再生器。
8. 壁（Ｗ）又は厚くされたハウジング壁（ＤＷ）又は枠（Ｒ）に、触媒加熱用の少なくとも１つの加熱プラグ（ＧＫ）及び／又は燃料を供給される火口プラグ（ＦＫ）が差込まれていることを特徴とする、請求項５〜７の１つに記載の再生器。
9. 触媒（ＫＡＴ）が出口側及び／又は入口側にそらせ板（Ｐ１，Ｐ２）を備えていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の再生器。
10. 触媒（ＫＡＴ）が、触媒金属で被覆される少なくとも１つの薄板ブロックを含み、膜（ＭＥＭ）の近くで終わる横通路（Ｑ）が薄板ブロックを貫通していることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の再生器。
11. 触媒（ＫＡＴ）が耐熱性断熱材（ＷＤ）で包囲されていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の再生器。
12. 燃焼装置（ＣＯＭＢ）が、触媒（ＫＡＴ）の入口側のλセンサ（Ｓ）に接続されている制御装置（ＲＶ）を介して、空気（Ｌ）及び炭化水素燃料（ＢＳ）を供給されることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の再生器。
13. 燃焼装置（ＣＯＭＢ）又は触媒（ＫＡＴ）に、水の霧又は蒸気（Ｄ，Ｄ^＊）が計量して供給されることを特徴とする、請求項１２に記載の再生器。
14. 燃焼装置（ＣＯＭＢ）が内燃機関であることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の再生器。
15. 内燃機関（ＣＯＭＢ）の前に空気過給装置（ＬＤ）が接続されていることを特徴とする、請求項１４に記載の再生器。
16. 触媒（ＫＡＴ）の後に消音器（ＳＤ）が接続されていることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の再生器。
17. 再生物ガス（ＲＧ）が、再生物導管（ＲＬ）により、内燃機関（ＣＯＭＢ）の吸入管（ＡＳ）へ導入されることを特徴とする、請求項１４〜１６の１つに記載の再生器。
18. 拡散膜（ＭＥＭ１〜ＭＥＭ６）が複数の丸い個別膜から成り、これらの個別膜が金属の耐熱性ブシュ（２）へそれぞれはめ込まれ、かつ密封されて担板（３）へ挿入されていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の再生器。
19. 担板（３）が、密封板（４）を挟む少なくとも２つの高級鋼板（３０，３１）から成り、ブシュ（２）が高い圧力で押込まれて担板（３）内に保持されていることを特徴とする、請求項の１８に記載の再生器。
20. 密封板（４）が雲母密封材料から成り、担板（３）が、雲母密封片（５，６）により、触媒（ＫＡＴ）の壁（Ｗ）と再生物溜め（ＲＳ）との間にねじで締めて保持されていることを特徴とする、請求項１９に記載の再生器。

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