| 【発明の名称】 |
内燃機関の排ガス浄化方法及びコジェネレーションシステム |
| 【発明者】 |
【氏名】雪竹 次太
【氏名】岡崎 洋文
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| 【要約】 |
【課題】内燃機関より排出するＮＯｘ及び未燃焼ガスを効果的に除去する。
【解決手段】内燃機関の排ガス流路へ三元触媒を配置した排ガス浄化方法において、燃料供給量と空気供給量の混合比を理論空燃比に調整し、内燃機関へ供給する燃料と空気の混合比は理論空燃比以下とし、三元触媒のガス流入側へ空気を添加することを特徴とした排ガス浄化方法及び、本ガス浄化方法を備えたコジェネレーションシステム。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ガスまたはガソリン等の燃料と空気とを混合して燃焼する内燃機関の排ガス流路に、未燃焼ガス、及び窒素酸化物等の有害ガス浄化用触媒を配設したコジェネレーションシステムにおいて、内燃機関へ供給する燃料と空気の混合比を理論空燃比以下として未燃焼ガスを排出し、前記ガス浄化用触媒のガス流入側へ空気を供給して未燃焼ガスを燃焼し、熱回収することを特徴としたコジェネレーションシステム。
【請求項２】 ガスまたはガソリン等の燃料と空気とを混合して燃焼する内燃機関の排ガス流路へ、未燃焼ガス、及び窒素酸化物等の有害ガス浄化用触媒を配設した排ガス浄化方法において、燃料供給量に対する空気量が理論空撚比になるように調整し、内燃機関に供給する空気を理論空燃比以下になるように前記空気供給量の一部をガス浄化用触媒へ供給することを特徴とする内燃機関の排ガス浄化方法。
【請求項３】 ガスまたはガソリン等の燃料と空気とを混合して燃焼する内燃機関の排ガス流路へ、未燃焼ガス、及び窒素酸化物等の有害ガス浄化用触媒を配設した排ガス浄化方法において、内燃機関へ供給する燃料と空気の比はガソリンにおいては空燃比が１３ないし１４の範囲に調整され、排ガス浄化触媒のガス流入側へ空気を添加し、燃料と空気の総量が理論空燃比に調整されることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化方法。
【請求項４】 内燃機関を駆動源とするコジェネレーションシステムにおいて、燃料供給量に対する空気量は理論空燃比になるように調整し、内燃機関に供給する空気が理論空燃比以下になるように空気供給量の一部をガス浄化用触媒へ供給する排ガス浄化法を具備したコジェネレーションシステム。
【請求項５】 内燃機関を駆動源とするコジェネレーションにおいて、内燃機関の排ガス流路に三元触媒の冷却と熱回収を目的とする水冷式触媒保持器を備えたことを特徴とするコジェネレーションシステム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関から排出する未燃焼ガス並びに窒素酸化物の浄化方法及び該内燃機関を動力源とするコジェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】地球の温暖化防止の要因の一つである二酸化炭素（ＣＯ2）を低減するために化石燃料の高効率利用が挙げられる。内燃機関を動力源とするコジェネレーションシステムはガソリンやガスを燃料として電気と熱を併給することにより、熱効率として７０〜８０％利用できる優れたシステムである。したがって、コジェネレーションシステムは近年、中小規模のビルや店舗へ普及されるようになってきた。通常、ビルや店舗は市街地に隣接するために内燃機関の排ガスによる大気の環境を汚さないために排ガス浄化をより厳しく制御監視する必要がある。
【０００３】内燃機関へ供給される燃料と空気の比は完全燃焼するために、両者が過不足が生じない化学量論的に当量が好ましい。しかしながら内燃機関は、筒内における燃焼時間が短いこと、及び圧縮燃焼により燃焼ガスが高温になるために排ガス中に一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等の未燃焼ガスや窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害ガスが含まれる。このうち特にＮＯｘは人体に有害であるばかりでなく、植物の生育をも妨げるので極力排出を抑制する必要がある。
【０００４】そこで、内燃機関の排ガス浄化方法として、自動車に用いられる三元触媒法が採用されている。このシステムは、内燃機関の排ガス流路に三元触媒（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等の貴金属が主成分）を配設し、理論空燃比ないし理論空燃比以下の排ガスを流通して、排ガス中の未燃焼ガス及び窒素酸化物を酸化または還元反応により無害化している。ここに理論空燃比とは燃料（Ｆ）と空気（Ａ）が混合して完全燃焼するのに両者が過不足が生じない化学量論的に当量であり、ガソリン燃焼ではその重量比（Ａ／Ｆ）はほぼ１４．７となる。本システムでは触媒の活性によりＣＯやＨＣ等の未燃焼ガスはガス中の残存酸素により酸化してＣＯ2やＨ2Ｏに、一方、ＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ2）はＮ2とＯ2に還元して無害化される。
【０００５】図５は従来の自動車用排ガス浄化システムの概要を示す。燃料は内燃機関１の出力に応じて供給され、空気量は空燃比が化学量論的に当量の理論空燃比ないし理論空燃比以下に調整されて内燃機関１に供給される。内燃機関１の排ガスは三元触媒３を介して大気へ排出される。図６は従来の排ガス浄化方式における空燃比とＮＯｘの排出濃度の関係を示す。ＮＯｘ排出濃度は三元触媒がない場合は空燃比が１４．７より低い領域でも１０００ｐｐｍを超える程高い。一方、燃焼排ガスを三元触媒に接触するとＮＯｘは大幅に減少する。ＮＯｘ濃度が最も低くなるのは理論空燃比（１４．７）付近であり、理論空燃比を超えるとＮＯｘ濃度は急激に上昇する。このように三元触媒を介しても空燃比によってＮＯｘを抑制する領域が異なり、従来の方式ではＮＯｘを低く抑えるための空燃比の領域が狭い。
【０００６】一方、内燃機関を動力源とするコジェネレーションシステムでは、例えば特開平７−２３３９１号公報によればエンジン排ガス流路に燃焼触媒を設置し、触媒のガス流入側に燃料を供給し、触媒出口の温度または酸素濃度を検出して燃焼状態を監視しているが、ＮＯｘ濃度の低減法については言及されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、内燃機関からの排ガスを理論空燃比ないし理論空燃比以下の混合比で三元触媒に接触することによりＣＯ、ＨＣ等の未燃焼ガスや有害なＮＯｘを低減することを提示しているが、従来の理論空燃比ないし理論空燃比以下の排ガスによる処理法では三元触媒の機能を有効に活用されていないことが種々検討を重ねた結果、判明した。
【０００８】本発明は三元触媒の機能を有効に活用し、排ガス中のＣＯ、ＨＣ等の未燃焼ガス及び有害なＮＯｘをほぼ零に近い濃度まで低減する排ガス浄化方法、及び排ガス熱量を効率良く回収するコジェネレーションシステムを提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために本発明者らは、以下に示す手段を講じた。ガスまたはガソリン等の燃料と空気とを混合して燃焼する内燃機関の燃焼排ガス流路に、未燃焼ガス及び窒素酸化物等の有害ガス浄化用三元触媒を配設し、該触媒に理論空燃比ないし理論空燃比以下の燃焼排ガスを流通して、排ガス中の未燃焼ガス及び窒素酸化物を酸化または還元反応により無害化する排ガス浄化方法において、（１）前記、燃料供給量に対する空気量は理論空燃比に調整する。（２）燃焼用空気は分割し、一部は内燃機関へ導入し、他の一部は排ガス流路に設けた三元触媒のガス流入側へ導入する。（３）したがって、内燃機関は理論空燃比以下、すなわち還元雰囲気で燃焼する。（４）よって、内燃機関ではＮＯｘの還元剤であるＣＯとＨＣを積極的に生成する。（５）生成したＣＯとＨＣにより、ＮＯｘを三元触媒へ導入する前に予め無害なＮ2とＯ2に還元する。（６）前記ＣＯとＨＣで還元できなかった残りのＮＯｘは三元触媒によりほぼ完全にＮ2とＯ2に還元する。（７）還元雰囲気により燃焼して生成したＣＯやＨＣは空気が供給された排ガスでもって三元触媒により酸化（燃焼）して無害なＣＯ2とＨ2Ｏにする。
【００１０】また、前記（１）から（７）に示す排気ガス浄化機能を備えた内燃機関を動力源とするコジェネレーションシステムを提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る具体的な一実施例について図１を用いて説明する。１はガソリンまたはプロパンや天然ガス等を燃料とする内燃機関、２は内燃機関を駆動源とする発電機、３は内燃機関１の排ガス流路１ａに配置した三元触媒、４は排熱を回収する熱交換器、５は制御機器を備えた演算処理器を示す。６は燃料制御弁、７、７ａ及び７ｂは空気制御弁である。
【００１２】図１において内燃機関１へ供給される燃料は、内燃機関１へ直結された発電機２の出力にり変わる。発電機２の出力が変わると内燃機関１のトルクの強さが変化し、燃料供給量はこのトルクの強弱を検出して制御弁６により調整される。一方、空気供給量は、燃料と空気が化学量論的に当量となるように、すなわち理論空燃比となるように演算され、得られた信号でもって空気制御弁７により調整される。ここで、制御弁６を通過した燃料は内燃機関へ供給されるが、制御弁７を通過した空気は空気制御弁７ａと７ｂによって分割される。制御弁７ａを通過した空気は内燃機関１へ供給され、制御弁７ｂを通過した空気は三元触媒３のガス流入側へ導入される。燃料と空気の供給量は理論空燃比に調整されているために、制御弁７ａにより分割された空気と燃料の混合比は理論空燃比以下となる。理論空燃比以下では燃料に対する酸素量が不足状態であるために、燃焼排ガス中に一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）という不完全燃焼ガスが生成される。これらＣＯやＨＣは燃焼場で生成するＮＯｘを還元する作用がある。したがって、まず内燃機関１では理論空燃比以下の還元雰囲気において燃焼し、生成したＣＯやＨＣを媒体としてＮＯｘの生成を抑制する。次いで、燃焼排ガスを排ガス流路１ａに配設した三元触媒へ導入され、一方、空気制御弁７ｂを介して同時に空気も三元触媒へ導入される。三元触媒へ導入された排ガス中のＮＯｘは、未燃焼ガスのＣＯやＨＣの存在下において、触媒表面の活性作用によりＮ2とＨ2Ｏに還元され、ほぼ零付近まで除去することができる。
【００１３】（実施例１）図２は排気量３６０ccのエンジンを用いて、ガソリンを燃料とした内燃機関の空燃比に対するＮＯｘ排出濃度の関係を示す。まず、本特性を求めた実験方法について述べる。図内の特性Ａ、Ｂ、Ｃにそれぞれ〇を示した点は、図１において燃料制御弁６と空気制御弁７ａを通して混合したときの空燃比を示す。すなわち、理論空燃比１４。７より低い酸素不足の還元燃焼城である。次に、〇の点より空燃比が高くなる部分の特性は、図１の空気制御弁７ｂを介して空気を三元触媒の流入側へ徐々に添加して得られた結果である。
【００１４】以上のように内燃機関における燃焼は積極的に還元燃焼を行っている。ＮＯｘ排出濃度についてＡ、Ｂ、Ｃそれぞれの特性を比較すると、ＮＯｘ排出濃度は特性Ａが最も低く、かつ、ＮＯｘを低く維持する空燃比領域が広い。一方、特性ＣはＮＯｘの低減率も低く、理論空燃比１４。７を超えるとＮＯｘ濃度は急激に高くなる。さらに、ＮＯｘが低くなる領域も非常に狭い。すなわち、内燃機関における燃焼は空燃比が低いほどＮＯｘ濃度は抑制することができる。
【００１５】本実験結果により、ＮＯｘ排出の抑制値と抑制できる空燃比の安定領域を考慮すると還元燃焼を行う空燃比はガソリンを燃料とする場合には少なくとも１４以下が好ましい。空燃比を１４以下にすると空燃比の制御範囲が広くなり、しかもＮＯｘの排出濃度を低く抑制することができる。そこで、空燃比の下限については燃焼が安定領域であれば制限されるものではないが、ＮＯｘを低く抑制できる領域であればよく、実験結果より空燃比１３において良好な結果得られたので、空燃比を制御する範囲を決めるとすれば好ましくは１３〜１４が良い。したがって、図１において内燃機関１に導入する燃料と空気制御弁７より導入した空気が理論空燃比に調整された場合、空気制御弁７ａと７ｂへの空気量は、内燃機関へ導入する空気制御弁７ａの空気量と燃料の空燃比が１３以上１４以下になるように分配するのが好ましい。ここで、燃料中の炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）分子量の比率が異なる燃料の場合は、重量比で示す空燃比の絶対値は変わる。
【００１６】図１において空気の供給法は、理論空燃比に調整された空気を分割して供給するのに限定するものではなく、例えば負荷の変動に応じて空燃比を常に１４に調整し、三元触媒へ添加する空気は負荷に応じて添加する方法等も前述のガス浄化方法と同じ効果を示すものである。
【００１７】本方式ガス浄化法を採用すると還元雰囲気において燃焼を行うために未燃ガスであるＣＯやＨＣを除去する必要がある。表１に空燃比と排気ガス濃度の関係を示す。まず、表の見方について述べる。（１）空燃比１２．９におけるガス分析値は、図１において内燃機関１の空燃比が１２．９のときの排ガスを三元触媒を介して得られた排ガスである。（２）次に空燃比１４．３の分析値は、前記（１）で運転し空気制御弁７ｂを介して三元触媒の流入側へ空気を添加して空燃比１４．３とし、三元触媒の後流側で採取した排ガスの示す。（３）空燃比１４．７の分析値は、前記（１）で運転し空気制御弁７ｂを介して三元触媒の流入側へ空気を添加して空燃比１４．７とし、三元触媒の後流側で採取した排ガス分析値である。
【００１８】
【表１】
【００１９】内燃機関を空燃比１２．９の還元雰囲気で燃焼すると排ガス中に未燃焼ガスであるＣＯ：４．８６％、Ｈ2：２．４５％、及びＣＨ4：０．０１５％が含まれるが、三元触媒のガス流入側へ理論空燃比に相当する空気を添加すると、ＣＯとH2は９５〜９６％が除去され、ＣＨ4は完全に除去することができる。
【００２０】以上のように、理論空燃比以下において内燃機関を運転し、次いで内燃機関の排ガス中へ空気を添加してＣＯやＨＣ等の未燃焼ガスと有害なＮＯｘを除去する排ガス浄化方法によれば、三元触媒の存在下で効果的に処理することができる。
【００２１】以上に示した内燃機関の排ガス浄化方法を具備したコジェネレーションシステムは、排ガス浄化性能が高く市街化部においても採用が可能である。
【００２２】（実施例２）内燃機関を駆動源とするコジェネレションシステムは、図４に示すように内燃機関１の冷却水と排ガス熱を熱交換器４により回収される。本方式では、熱回収を高めるために内燃機関へ供給する燃料の空燃比を燃料過剰とし、触媒３により積極的に熱回収するものである。
【００２３】ガス浄化用触媒３のガス流入側へ空気を添加して未燃ガスを燃焼すると、４２０℃のガス温度は６５０℃ないし７００℃に高くなり、排熱として回収することができる。
【００２４】しかし、一方では触媒温度が触媒の耐熱温度の限界８００℃程度となり、触媒寿命を短くすることが懸念される。そこで、ガス温度を調整するための手法として特開平１１−１２５１１３号公報に示されるように触媒層のガス流入側へ熱交換器を設ける方法が提案されている。しかし、熱交換器をさらに設けることはコスト的にも高くなる。そこで簡易な方法で熱を回収し、しかも触媒層を保護することを提案した。
【００２５】図３は内燃機関１の排ガス流路に設けられた三元触媒の冷却と熱回収を備えた触媒保持器を示す。３はハニカム構造を担持体とした三元触媒、３ａは触媒３を保持し、かつ触媒を冷却し熱回収するための水冷壁構造とした冷却装置を示す。本冷却法によれば触媒層からの放射熱を冷却壁に吸収し、熱回収と触媒の冷却を備え効果的である。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば内燃機関より排出する有害なＮＯｘおよび未燃焼排ガスを効果的に低減でき、大気汚染防止に効果的である。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
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| 【出願日】 |
平成１２年１月１９日（２０００．１．１９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】作田 康夫
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２００７５６（Ｐ２００１−２００７５６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年７月２７日（２００１．７．２７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１４０３５（Ｐ２０００−１４０３５） |
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