JPH10212932A - 内燃機関排気ガス浄化装置 - Google Patents
内燃機関排気ガス浄化装置Info
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- JPH10212932A JPH10212932A JP9015411A JP1541197A JPH10212932A JP H10212932 A JPH10212932 A JP H10212932A JP 9015411 A JP9015411 A JP 9015411A JP 1541197 A JP1541197 A JP 1541197A JP H10212932 A JPH10212932 A JP H10212932A
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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- Y02T10/40—Engine management systems
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- Exhaust Gas After Treatment (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 炭化水素系還元剤噴射式のＮＯｘ低減のため
の排気ガス処理装置の高効率化及びコンパクト化を図
る。 【解決手段】 内燃機関の排気マニホールドと消音マフ
ラーとの間の排気管内のＮＯｘ触媒と排気ガス温度が１
８０℃〜４５０℃のときにＮＯｘ触媒の上流側の排気ガ
ス流に外部源から炭化水素燃料を添加、導入して反応さ
せるためのポンプ、及び排気管内配置スパイラル状反応
管を含む外部炭化水素燃料導入系から構成される排気ガ
ス浄化装置であって：上記スパイラル状反応管内に粒状
クラッキング触媒を充填したことを特徴とする内燃機関
排気ガス浄化装置。
の排気ガス処理装置の高効率化及びコンパクト化を図
る。 【解決手段】 内燃機関の排気マニホールドと消音マフ
ラーとの間の排気管内のＮＯｘ触媒と排気ガス温度が１
８０℃〜４５０℃のときにＮＯｘ触媒の上流側の排気ガ
ス流に外部源から炭化水素燃料を添加、導入して反応さ
せるためのポンプ、及び排気管内配置スパイラル状反応
管を含む外部炭化水素燃料導入系から構成される排気ガ
ス浄化装置であって：上記スパイラル状反応管内に粒状
クラッキング触媒を充填したことを特徴とする内燃機関
排気ガス浄化装置。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関排気ガスの
浄化装置に関し、さらに詳しくは内燃機関排気ガス処理
のために排気管内に設置されたＮＯｘ触媒の上流側に外
部源から炭化水素系燃料を添加導入してＮＯｘ低減を行
なうに際して、排気管内に設けた反応管に粒状クラッキ
ング触媒を充填し、そのクラッキング触媒に炭化水素系
燃料を接触させた後にＮＯｘ触媒の入口へ噴射すること
により、ＮＯｘ低減効果を顕著に向上させることを特徴
とする排気ガス浄化装置に関する。
浄化装置に関し、さらに詳しくは内燃機関排気ガス処理
のために排気管内に設置されたＮＯｘ触媒の上流側に外
部源から炭化水素系燃料を添加導入してＮＯｘ低減を行
なうに際して、排気管内に設けた反応管に粒状クラッキ
ング触媒を充填し、そのクラッキング触媒に炭化水素系
燃料を接触させた後にＮＯｘ触媒の入口へ噴射すること
により、ＮＯｘ低減効果を顕著に向上させることを特徴
とする排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関、例えばディーゼルエンジンか
らの排気ガスは、一般にＮＯｘ触媒によって浄化処理さ
れた後に大気中へ排出されるが、ＮＯｘ触媒の浄化効果
を向上させる一手段としてＮＯｘ触媒の上流側に、外部
源から炭化水素系燃料（還元剤と称されることもある）
を噴射導入することが提案されてきている。
らの排気ガスは、一般にＮＯｘ触媒によって浄化処理さ
れた後に大気中へ排出されるが、ＮＯｘ触媒の浄化効果
を向上させる一手段としてＮＯｘ触媒の上流側に、外部
源から炭化水素系燃料（還元剤と称されることもある）
を噴射導入することが提案されてきている。
【０００３】そのように導入された炭化水素系物質はＮ
Ｏｘ触媒の作用により部分酸化されて活性種となってＮ
Ｏｘ触媒の表面で、排気ガス中のＮＯｘと反応してＮＯ
ｘが低減すると考えられている。
Ｏｘ触媒の作用により部分酸化されて活性種となってＮ
Ｏｘ触媒の表面で、排気ガス中のＮＯｘと反応してＮＯ
ｘが低減すると考えられている。
【０００４】さらにこれを進めて、例えば特開平５−５
９９３３号明細書には、排気管の外に設けた外壁面加熱
式ハウジング内に設置配管された反応管からなる還元剤
改質リアクターに還元剤（炭化水素系物質、例えば軽
油）を通過させた分解改質生成物を、排気管内のＮＯｘ
触媒の上流側にノズルを介して噴射する方式の排気ガス
浄化装置及び関連技術が開示されている。
９９３３号明細書には、排気管の外に設けた外壁面加熱
式ハウジング内に設置配管された反応管からなる還元剤
改質リアクターに還元剤（炭化水素系物質、例えば軽
油）を通過させた分解改質生成物を、排気管内のＮＯｘ
触媒の上流側にノズルを介して噴射する方式の排気ガス
浄化装置及び関連技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は、炭化水素
系燃料の分解生成物（クラッキング生成物）を排気管に
導入するＮＯｘ低減技術を実用化するために種々検討研
究した結果、装置のコンパクト化、外部加熱装置及び外
部加熱用熱源の不要化、種々の運転条件への迅速な応答
性、炭化水素系燃料の分解（クラッキング）効率の向上
等が必要であることを認識し、これらの諸課題を逐次解
決すべく多岐多様な実験を実施し、実用化容易な排ガス
浄化装置を案出し、さらには炭化水素系燃料（還元剤）
の導入のタイミングの良否が内燃機関の運転条件に大き
く依存することも見出した。従って、内燃機関の回転
数、内燃機関への燃料の負荷及び排気管内ＮＯｘ触媒の
上流側における排気ガス温度の三因子を常時モニタリン
グして、これらの信号をコンピュータに入力し、最適量
の炭化水素系燃料（還元剤）をスパイラル状クラッキン
グ反応管へタイミング良く送ることが重要である。
系燃料の分解生成物（クラッキング生成物）を排気管に
導入するＮＯｘ低減技術を実用化するために種々検討研
究した結果、装置のコンパクト化、外部加熱装置及び外
部加熱用熱源の不要化、種々の運転条件への迅速な応答
性、炭化水素系燃料の分解（クラッキング）効率の向上
等が必要であることを認識し、これらの諸課題を逐次解
決すべく多岐多様な実験を実施し、実用化容易な排ガス
浄化装置を案出し、さらには炭化水素系燃料（還元剤）
の導入のタイミングの良否が内燃機関の運転条件に大き
く依存することも見出した。従って、内燃機関の回転
数、内燃機関への燃料の負荷及び排気管内ＮＯｘ触媒の
上流側における排気ガス温度の三因子を常時モニタリン
グして、これらの信号をコンピュータに入力し、最適量
の炭化水素系燃料（還元剤）をスパイラル状クラッキン
グ反応管へタイミング良く送ることが重要である。
【０００６】さらにはクラッキング反応管を排気管内に
配置することにより、排気ガスの熱をクラッキング反応
のために利用でき、それにより外部熱源の不要化が達成
され、加うるに装置自体のコンパクト化が達成された。
配置することにより、排気ガスの熱をクラッキング反応
のために利用でき、それにより外部熱源の不要化が達成
され、加うるに装置自体のコンパクト化が達成された。
【０００７】
【課題を解決するための手段】かくして本発明は、内燃
機関の排気マニホールドと消音マフラーとの間の排気管
内のＮＯｘ触媒と排気ガス温度が１８０℃〜４５０℃の
ときにＮＯｘ触媒の上流側の排気ガス流に外部源から炭
化水素燃料を添加、導入して反応させるためのポンプ、
及び排気管内配置スパイラル状反応管を含む外部炭化水
素燃料導入系から構成される排気ガス浄化装置であっ
て：内燃機関の回転数、内燃機関への燃料の負荷及びＮ
Ｏｘ触媒の上流側における排気ガス温度を検出し、これ
らの各信号を入力し、それらに応じて最適量の外部炭化
水素燃料を反応管へ送るようにポンプの作動を制御する
コンピュータを備え、かつ上記スパイラル状反応管内に
粒状クラッキング触媒を充填したことを特徴とする内燃
機関排気ガス浄化装置を提供する。
機関の排気マニホールドと消音マフラーとの間の排気管
内のＮＯｘ触媒と排気ガス温度が１８０℃〜４５０℃の
ときにＮＯｘ触媒の上流側の排気ガス流に外部源から炭
化水素燃料を添加、導入して反応させるためのポンプ、
及び排気管内配置スパイラル状反応管を含む外部炭化水
素燃料導入系から構成される排気ガス浄化装置であっ
て：内燃機関の回転数、内燃機関への燃料の負荷及びＮ
Ｏｘ触媒の上流側における排気ガス温度を検出し、これ
らの各信号を入力し、それらに応じて最適量の外部炭化
水素燃料を反応管へ送るようにポンプの作動を制御する
コンピュータを備え、かつ上記スパイラル状反応管内に
粒状クラッキング触媒を充填したことを特徴とする内燃
機関排気ガス浄化装置を提供する。
【０００８】例えば、ディーゼルエンジンの場合に使用
されるＮＯｘ触媒は、公知であり、セラミックス、殊に
耐火性セラミックス（例えばコージェライト、アルミ
ナ）あるいは他の金属酸化物類の担体、またはメタル担
体の表面上に、Ｐｔ−Ａｌ2Ｏ3系、Ｐｄ−Ａｌ2Ｏ3系、
Ｒｈ−Ａｌ2Ｏ3系、Ｉｒ−Ａｌ2Ｏ3系等の公知の触媒物
質を担持したもの等を挙げることができる。
されるＮＯｘ触媒は、公知であり、セラミックス、殊に
耐火性セラミックス（例えばコージェライト、アルミ
ナ）あるいは他の金属酸化物類の担体、またはメタル担
体の表面上に、Ｐｔ−Ａｌ2Ｏ3系、Ｐｄ−Ａｌ2Ｏ3系、
Ｒｈ−Ａｌ2Ｏ3系、Ｉｒ−Ａｌ2Ｏ3系等の公知の触媒物
質を担持したもの等を挙げることができる。
【０００９】本発明者等の知見によれば、炭化水素系燃
料（還元剤）を導入するのに好適な排気ガス温度は約１
５０℃よりも高い温度であり、Ｐｔ−Ａｌ2Ｏ3系触媒で
は、好適には１８０〜２５０℃付近となろう。
料（還元剤）を導入するのに好適な排気ガス温度は約１
５０℃よりも高い温度であり、Ｐｔ−Ａｌ2Ｏ3系触媒で
は、好適には１８０〜２５０℃付近となろう。
【００１０】本発明で還元剤として使用する炭化水素系
燃料は、内燃機関に供給される燃料と同一であってよ
く、例えばディーゼルエンジンの場合には軽油（燃料）
を流用するのが入手性の面でも便宜である。
燃料は、内燃機関に供給される燃料と同一であってよ
く、例えばディーゼルエンジンの場合には軽油（燃料）
を流用するのが入手性の面でも便宜である。
【００１１】本発明では、排気ガスの有する熱を還元剤
（炭化水素系燃料）のクラッキング反応のための熱源と
して利用するために排気管内に配置されるクラッキング
反応管はその形状がスパイラル状であり、その材質は耐
食性でありかつ高熱伝導率を示す金属、典型的にはステ
ンレス鋼であるのが好ましい。かくして反応管内温度が
排気ガス温度に良好迅速に追従しうる。
（炭化水素系燃料）のクラッキング反応のための熱源と
して利用するために排気管内に配置されるクラッキング
反応管はその形状がスパイラル状であり、その材質は耐
食性でありかつ高熱伝導率を示す金属、典型的にはステ
ンレス鋼であるのが好ましい。かくして反応管内温度が
排気ガス温度に良好迅速に追従しうる。
【００１２】このスパイラル状反応管の内側には、ゼオ
ライト、アルミナ等のクラッキング触媒（顆粒状ないし
粒状としたもの）を充填する。粒径は例えば３〜１５ｍ
ｍ程度としうる。このような排気ガスで加熱されたスパ
イラル状反応管内の触媒床に炭化水素系物質、例えば軽
油が流されると、炭化水素鎖が分断されて短い分子鎖の
不飽和炭化水素類が主として生成し、これらが下流のＮ
Ｏｘ触媒へ噴霧状で到達しＮＯｘ低減作用を促進強化す
る。
ライト、アルミナ等のクラッキング触媒（顆粒状ないし
粒状としたもの）を充填する。粒径は例えば３〜１５ｍ
ｍ程度としうる。このような排気ガスで加熱されたスパ
イラル状反応管内の触媒床に炭化水素系物質、例えば軽
油が流されると、炭化水素鎖が分断されて短い分子鎖の
不飽和炭化水素類が主として生成し、これらが下流のＮ
Ｏｘ触媒へ噴霧状で到達しＮＯｘ低減作用を促進強化す
る。
【００１３】本発明者等の実験結果によれば、クラッキ
ング反応管の排気マニホールド側の部分に高温活性を示
すアルミナをそしてマフラー側の部分に低温活性を示す
ゼオライトを区別して充填使用するとクラッキング効率
が向上し、それに伴なってＮＯｘ低減効果が著しく改善
されることが証明されている。
ング反応管の排気マニホールド側の部分に高温活性を示
すアルミナをそしてマフラー側の部分に低温活性を示す
ゼオライトを区別して充填使用するとクラッキング効率
が向上し、それに伴なってＮＯｘ低減効果が著しく改善
されることが証明されている。
【００１４】さらに本発明によればＮＯｘ触媒活性が向
上するばかりでなく、ＮＯｘ触媒活性温度範囲が拡張さ
れる（例えば約１６０〜３００℃）。
上するばかりでなく、ＮＯｘ触媒活性温度範囲が拡張さ
れる（例えば約１６０〜３００℃）。
【００１５】なお、スパイラル状のクラッキング反応管
の先端の噴射口付近の管壁周囲に外部から凹状溝を形成
し（あるいは絞り加工して）反応管内からの触媒粒の飛
び出しを防止するのが好ましい。
の先端の噴射口付近の管壁周囲に外部から凹状溝を形成
し（あるいは絞り加工して）反応管内からの触媒粒の飛
び出しを防止するのが好ましい。
【００１６】
【実施例】以下図１に示したディーゼルエンジンに適用
した本発明の排気ガス浄化装置の一具体例の概略図を参
照して、さらに本発明を例示説明する。
した本発明の排気ガス浄化装置の一具体例の概略図を参
照して、さらに本発明を例示説明する。
【００１７】ディーゼルエンジン１にマニホールドを介
して取り付けられた排気管４の内壁にスパイラル状のク
ラッキング反応管５を配置し、その反応管の先端には還
元剤（炭化水素分解生成物）を噴射するためのノズル１
２を設けてある。スパイラル状反応管５及びノズル１２
の下流側には温度センサ８とＮＯｘ触媒９が配置され、
さらに下流には消音マフラー１０が取り付けられてい
る。ディーゼルエンジンの回転数を検出するための回転
センサ２及びディーゼルエンジンへの燃料負荷を検出す
るための負荷センサ３が取り付けられている。これらの
センサはそれぞれの検出データ（信号）をコンピュータ
１１に入力するように接続されている。
して取り付けられた排気管４の内壁にスパイラル状のク
ラッキング反応管５を配置し、その反応管の先端には還
元剤（炭化水素分解生成物）を噴射するためのノズル１
２を設けてある。スパイラル状反応管５及びノズル１２
の下流側には温度センサ８とＮＯｘ触媒９が配置され、
さらに下流には消音マフラー１０が取り付けられてい
る。ディーゼルエンジンの回転数を検出するための回転
センサ２及びディーゼルエンジンへの燃料負荷を検出す
るための負荷センサ３が取り付けられている。これらの
センサはそれぞれの検出データ（信号）をコンピュータ
１１に入力するように接続されている。
【００１８】スパイラル状のクラッキング反応管５には
炭化水素系燃料（還元剤；軽油）が供給ポンプ６を介し
てタンク７から供給されるようになっている。
炭化水素系燃料（還元剤；軽油）が供給ポンプ６を介し
てタンク７から供給されるようになっている。
【００１９】ディーゼルエンジン１を始動、運転すると
排出ガスはマニホールドで集中され排気管４を通り、Ｎ
Ｏｘ触媒９で処理された後、マフラー１０を経て大気中
へ放出される。この際に排気管内に配置された高熱伝導
率材料製のクラッキング反応管５及びその中に充填され
たクラッキング触媒が加熱される。炭化水素系燃料（還
元剤）供給ポンプ６により供給された炭化水素系燃料は
加熱された触媒と接触することにより分解（クラッキン
グ）されて分子鎖が短くなった不飽和炭化水素類を生成
し、これらは噴射ノズル１２よりＮＯｘ触媒９へ向け噴
射される。炭化水素系燃料の供給は、排気ガス温度セン
サ８、回転数センサ２及び負荷センサ３からの信号を受
けたコンピュータ１１により作動制御されるポンプ６に
よってなされる。
排出ガスはマニホールドで集中され排気管４を通り、Ｎ
Ｏｘ触媒９で処理された後、マフラー１０を経て大気中
へ放出される。この際に排気管内に配置された高熱伝導
率材料製のクラッキング反応管５及びその中に充填され
たクラッキング触媒が加熱される。炭化水素系燃料（還
元剤）供給ポンプ６により供給された炭化水素系燃料は
加熱された触媒と接触することにより分解（クラッキン
グ）されて分子鎖が短くなった不飽和炭化水素類を生成
し、これらは噴射ノズル１２よりＮＯｘ触媒９へ向け噴
射される。炭化水素系燃料の供給は、排気ガス温度セン
サ８、回転数センサ２及び負荷センサ３からの信号を受
けたコンピュータ１１により作動制御されるポンプ６に
よってなされる。
【００２０】
【発明の効果】炭化水素系燃料（還元剤）噴射方式の排
気ガス浄化装置のコンパクト化、迅速応答化、経済化、
ＮＯｘ低減効果の向上ならびにＮＯｘ触媒活性温度範囲
の拡大化により実用的価値を増大させた。
気ガス浄化装置のコンパクト化、迅速応答化、経済化、
ＮＯｘ低減効果の向上ならびにＮＯｘ触媒活性温度範囲
の拡大化により実用的価値を増大させた。
【００２１】本発明によるＮＯｘ低減効果の一例示のた
めに、図１に示した装置において、ＮＯｘ触媒９として
Ｐｔ−Ａｌ2Ｏ3担持ハニカムセラミックスを使用しそし
てスパイラル状クラッキング反応管５に粒状アルミナ
クラッキング触媒を充填して装着した場合（本発明実施
例）の種々の触媒入口温度（℃）でのＮＯｘ低減率
（％；排気ガス分析計で測定）データと、特開平５−５
９９３３号明細書に記載の排気管外に配置されたクラッ
キング反応管を使用した場合（比較例）の同様なデータ
とを対比して以下に示す。両場合のディーゼルエンジン
は同一であり、同一運転条件であった。
めに、図１に示した装置において、ＮＯｘ触媒９として
Ｐｔ−Ａｌ2Ｏ3担持ハニカムセラミックスを使用しそし
てスパイラル状クラッキング反応管５に粒状アルミナ
クラッキング触媒を充填して装着した場合（本発明実施
例）の種々の触媒入口温度（℃）でのＮＯｘ低減率
（％；排気ガス分析計で測定）データと、特開平５−５
９９３３号明細書に記載の排気管外に配置されたクラッ
キング反応管を使用した場合（比較例）の同様なデータ
とを対比して以下に示す。両場合のディーゼルエンジン
は同一であり、同一運転条件であった。
【００２２】 ＮＯｘ低減率（％） 触媒入口温度（℃） 実施例 比較例 １５０ ４ ２.５ １７５ ７ ４ ２００ １６.５ １０ ２２５ ２８ ２０ ２５０ １３.５ １０.５ ２７５ ８ ４.５ ３００ ４.５ ３ ３２５ ３.５ ２
【図１】本発明に係る排気ガス浄化装置をディーゼルエ
ンジンに適用した一具体例の概略図。
ンジンに適用した一具体例の概略図。
【図２】還元剤反応管及び噴射ノズル拡大概念図。
１ ディーゼルエンジン ２ 回転センサ ３ 負荷センサ ４ 排気管 ５ スパイラル状クラッキング反応管 ６ （還元剤）供給ポンプ ７ （還元剤）タンク ８ 温度センサ ９ ＮＯｘ触媒 １０ マフラー １１ コンピュータ １２ 還元剤噴射ノズル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 3/36 Ｆ０１Ｎ 3/36 Ｃ 9/00 9/00 Ｚ
Claims (5)
- 【請求項１】 内燃機関の排気マニホールドと消音マフ
ラーとの間の排気管内のＮＯｘ触媒と排気ガス温度が１
８０℃〜４５０℃のときにＮＯｘ触媒の上流側の排気ガ
ス流に外部源から炭化水素燃料を添加、導入して反応さ
せるためのポンプ、及び排気管内配置スパイラル状反応
管を含む外部炭化水素燃料導入系から構成される排気ガ
ス浄化装置であって：内燃機関の回転数、内燃機関への
燃料の負荷及びＮＯｘ触媒の上流側における排気ガス温
度を検出し、これらの各信号を入力し、それらに応じて
最適量の外部炭化水素燃料を反応管へ送るようにポンプ
の作動を制御するコンピュータを備え、かつ上記スパイ
ラル状反応管内に粒状クラッキング触媒を充填したこと
を特徴とする内燃機関排気ガス浄化装置。 - 【請求項２】 スパイラル状反応管の排気マニホールド
に近い部分に高温用粒状クラッキング触媒を、そしてＮ
Ｏｘ触媒に近い部分に低温用粒状クラッキング触媒を、
充填したことを特徴とする請求項１の排気ガス浄化装
置。 - 【請求項３】 高温用触媒がアルミナからなり、低温用
触媒がゼオライトからなる請求項２の排気ガス浄化装
置。 - 【請求項４】 スパイラル状反応管の噴射口付近の管壁
周囲に外部から凹状溝を形成して反応管内からの触媒粒
の飛び出しを防止してあることを特徴とする請求項１〜
３のいずれかの排気ガス浄化装置。 - 【請求項５】 内燃機関がディーゼルエンジンであり、
外部源炭化水素燃料が軽油である請求項１〜４のいずれ
かの排気ガス浄化装置。
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