ガスエンジンの排ガス浄化装置
【課題】メタンを主成分に含む燃料ガスを用いたガスエンジンにおいて、未燃成分として排出されるメタン成分を効率的に吸着するとともにエンジンに再循環させてエンジンの熱効率の改善と排ガス浄化性能の向上を図ることを目的とする。
【解決手段】メタンを主成分に含む燃料ガスを用いたガスエンジンの排ガス浄化装置において、メイン排ガス通路１１と、バイパス排ガス通路１５と、分岐制御弁１７と、メタン吸着触媒２１、２３と、メタン吸着に適する排ガス温度に冷却する排ガス冷却手段１９と、メタン脱着に適した温度に加熱する放出ガス加熱手段２９と、入口側制御弁３７と、循環通路３３と、出口側制御弁３９と、排ガス冷却手段１９、放出ガス加熱手段２９、入口側制御弁３７、出口側制御弁３９、および分岐制御弁１７を制御して、第１系統のメタン吸着触媒２１と第２系統のメタン吸着触媒２３の吸着と脱着を切換える制御装置４１とを備えたことを特徴とする。
【解決手段】メタンを主成分に含む燃料ガスを用いたガスエンジンの排ガス浄化装置において、メイン排ガス通路１１と、バイパス排ガス通路１５と、分岐制御弁１７と、メタン吸着触媒２１、２３と、メタン吸着に適する排ガス温度に冷却する排ガス冷却手段１９と、メタン脱着に適した温度に加熱する放出ガス加熱手段２９と、入口側制御弁３７と、循環通路３３と、出口側制御弁３９と、排ガス冷却手段１９、放出ガス加熱手段２９、入口側制御弁３７、出口側制御弁３９、および分岐制御弁１７を制御して、第１系統のメタン吸着触媒２１と第２系統のメタン吸着触媒２３の吸着と脱着を切換える制御装置４１とを備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジンの排ガス浄化装置に関するものであり、特に、メタンを主成分に含む燃料ガスを用いるガスエンジンの排ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガス（都市ガス）、炭鉱から発生する炭鉱メタンなどのメタンを主成分とするガスを、燃料としたガスエンジンにより、発電システムや冷暖房を行うヒートポンプシステムが、その優れた省エネルギー性、経済性により、急速に普及しつつある。
【０００３】
一般に、燃焼室内に導入された燃料と空気との予混合ガスは燃焼室内で完全には燃え切らずに、燃焼室内のシリンダ天井部や、シリンダライナ壁面部や、ピストンリング付近や、給気ポートや排気ポート内に残存ガスとして未燃ガスが溜り、燃焼することなく未燃成分として排出される。
【０００４】
一方、未燃成分の大気への排出を低減する技術として、吸着材によって吸着する技術や、酸化触媒を後処理として用いる技術が知られており、例えば、特許文献１（特開２００２−２２７６３５号公報）には、排気ガス通路を、メイン排気通路およびバイパス通路の一方に切り替える排気通路切替装置と、メイン排気通路内に配置され、メイン排気通路に導かれた排気ガス中の未燃成分を吸着すると共に、吸着した未燃成分を脱着させるＨＣ吸着材と、排気ガスの流路を、ＨＣ吸着材に排気ガス中の未燃成分を吸着させるときにはメイン排気通路に切り替え、ＨＣ吸着材から吸着した未燃成分を脱着させるときにはバイパス排気通路に切り替え、ＨＣ吸着材からの未燃成分の脱着が完了したときにはメイン排気通路に切り替えるように、排気通路切替装置を制御する制御手段と、を備える構成が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２２７６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の技術は、前述のようにＨＣ吸着材に一旦吸着し、吸着したＨＣを吸着材が高温度のときに、脱着して、ＥＧＲ管を介してエンジンに再循環されて、エンジンで燃焼されるようになっている。
このため、ＨＣ吸着材が脱着作動を行っている間は、該ＨＣ吸着材は吸着機能を有さず、排ガスはバイパス排気通路を通って排出されてしまい、また、吸着作動を行っている間は、脱着作動を行えないため、ＨＣ吸着材に吸着されたＨＣ成分のエンジンへの再循環が行われない。
【０００７】
従って、本発明は前記問題点に鑑み、メタンを主成分に含む燃料ガスを用いたガスエンジンにおいて、未燃成分として排出されるメタン成分を効率的に吸着するとともにエンジンに再循環させてエンジンの熱効率の改善と排ガス浄化性能の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、本発明は、メタンを主成分に含む燃料ガスを用いたガスエンジンの排ガス浄化装置において、前記ガスエンジンに接続されたメイン排ガス通路と、該メイン排ガス通路から分岐し且つ該メイン排ガス通路に再度合流するバイパス排ガス通路と、前記メイン排ガス通路から前記バイパス排ガス通路への排ガスの流れを制御する分岐制御弁と、前記バイパス排ガス通路に並列に複数配置され排ガス中のメタン成分を吸着するメタン吸着触媒と、前記メタン吸着触媒へ流入する排ガスをメタン成分の吸着に適する排ガス温度に冷却する排ガス冷却手段と、前記メタン吸着触媒を通過させて前記メタン吸着触媒に吸着したメタン成分を脱着する放出ガスを脱着に適した温度に加熱する放出ガス加熱手段と、前記複数のメタン吸着触媒は２系統からなり第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口への排ガスの流入と遮断とを切換える入口側制御弁と、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒の出口から排出されるガスを前記エンジンの給気通路に循環させる循環通路と、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの出口から排出されるガスを前記バイパス排ガス通路または前記循環通路への流出と遮断とを切換える出口側制御弁と、前記排ガス冷却手段、前記放出ガス加熱手段、前記入口側制御弁、前記出口側制御弁、および前記分岐制御弁を制御して、前記第１系統のメタン吸着触媒と第２系統のメタン吸着触媒の吸着と脱着を切換える制御装置と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
かかる発明によれば、未燃燃料のメタンを含む排ガスを、２系統からなる複数のメタン吸着触媒（例えば、ゼオライト）の一方（第１系統）に通してメタン成分を吸着させて捕集する。この吸着の際にメタン吸着能力を高めるために、排ガス温度を低く（ゼオライトの場合は、１００℃以下）制御する必要があり、そのために排ガス冷却手段を用いて制御する。
【００１０】
また、他方（第２系統）のメタン吸着触媒においては、メタンが吸着済みの場合にはメタンを脱着させる。この脱着の際にメタン脱着性を高めるために、放出ガス温度を高く（ゼオライトの場合は、４００℃以上）制御する必要があり、そのために、放出ガス加熱手段を用いて制御する。
このように、排ガス冷却手段および放出ガス加熱手段を用いて、メタン吸着触媒（例えば、ゼオライト）への吸着およびメタン吸着触媒からの脱着を効果的に行わせることができる。
【００１１】
そして、脱着して前記循環通路に放出されたメタン成分は再度エンジンの給気通路に戻して燃料として用いられる。
従って、従来は燃焼することなく排出されていた未燃成分のメタンの活用によって、ガスエンジンの熱効率を向上できるとともに、未燃成分の排出量低減効果によって排ガス浄化機能も得られる。
【００１２】
また、本発明において好ましくは、排ガス冷却手段と排ガス加熱手段を次のように構成するとよい。
（１）前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスを冷却する排ガスクーラによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、過給機のコンプレッサによって加圧された給気と前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒に設けられたヒータ手段とによって構成されるとよい。
【００１３】
このように、排ガスクーラでメタン吸着触媒に流入する排ガスの温度を制御するため、吸着に適した排ガス温度への制御を確実に行うことができる。また、脱着のための放出ガスを過給機のコンプレッサで加圧された給気を用いるため、脱着後のメタンガスをエンジンの給気通路に戻してもＥＧＲ（排ガス再循環装置）のように燃焼温度の低下を生じせしめないため、ＥＧＲを装着しないエンジンにおいてもメタンガスの再循環が可能となる。また、ヒータ手段にメタン吸着触媒に流入する排ガスの温度を制御するため、脱着に適した排ガス温度への制御を確実に行うことができる。
【００１４】
（２）前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスに、給気通路に設けられた給気クーラによって冷却された給気を混合させることによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ、エンジン出口からの排ガスを導くことによって構成されるとよい。
【００１５】
このように、給気クーラを用いて冷却した給気を利用して排ガス温度を低下して吸着に適した温度になるようにするため、排ガスを冷却する排ガスクーラが不要となりシステムが簡単化される。
また、放出ガス加熱手段も、エンジン出口から排出される高温の排ガスを導くことによって、ヒータ手段のような装置が不要となり、システムが簡単化される。さらに、排ガスを用いてメタンをメタン吸着触媒から脱着させて給気通路に再循環させるため、排ガスも給気通路に戻るのでＥＧＲ機能が得られて燃焼温度の低下によるＮＯｘ低減効果が得られる。
【００１６】
（３）前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスに、給気通路に設けられた給気クーラによって冷却された給気を混合させることによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、過給機のコンプレッサによって加圧された給気と前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒に設けられたヒータ手段とによって構成されるとよい。
【００１７】
このような構成によると、前述のように給気クーラを用いるため、排ガスを冷却する排ガスクーラが不要となりシステムが簡単化される。また、放出ガス加熱手段は、ヒータ手段を設けるため温度調整が容易化する。
【００１８】
（４）前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスを冷却する排ガスクーラによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ、エンジン出口からの排ガスを導くことによって構成されるとよい。
【００１９】
このように、排ガスクーラによるメタン吸着触媒に流入する排ガスの温度を制御するため、吸着に適した排ガス温度への制御を確実に行うことができる。
また、放出ガス加熱手段としてのヒータ手段を設ける必要がないため、システムが簡単化される。さらに、前述のようにＥＧＲ機能が得られる。
【００２０】
また、本発明において好ましくは、前記循環通路を給気通路に設けられた過給機のコンプレッサの上流側に戻すとよく、このように過給機のコンプレッサの上流側に戻すと、給気側は排気側より低圧状態のため給気通路への循環流が生じやすい。また、前記循環通路を給気通路に設けられた過給機のコンプレッサの下流側に設けられた給気冷却器の上流側に戻すとよく、このように給気冷却器の上流側に戻すことによって給気冷却器を利用して循環流を冷却できるため、循環通路に冷却器を設ける必要がなくシステムを簡単化できる。
【００２１】
また、本発明において好ましくは、前記制御装置は、メタン成分を吸着するのに適した温度の排ガスがメタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン吸着限界を判定するメタン吸着限界判定手段を有しているとよい。
このようにメタン吸着触媒であるゼオライトの吸着限界に達したことを、対象触媒を通過した時間（動作時間）を基に判定することで、正確に対象触媒の吸着限界を判定できる。この際、エンジン負荷の影響やメタン濃度の影響を、重み付けして判定してもよい。
【００２２】
また、本発明において好ましくは、前記制御装置は、メタン成分を脱着するのに適した温度の放出ガスがメタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン放出完了を判定するメタン脱着完了判定手段を有しているとよい。
このように、メタン吸着触媒を通過した時間（動作時間）を基に判定することで、正確に対象触媒の脱着終了を判定できる。この際、通過する排ガス温度の影響を重み付けして判定してもよい。
【００２３】
また、本発明において好ましくは、前記ガスエンジンは、発電用のエンジンからなり、前記制御装置は、始動から一定回転数の定格回転数に達するまで前記バイパス排ガス通路への排ガスの流れを遮断するとよい。
このように、発電機用のガスエンジンにおいて、始動から一定回転数の定格運転に達するまでは、メイン排ガス通路からバイパス排ガス通路への排ガスの流れを分岐制御弁で遮断して、メタン吸着触媒による排圧上昇を防止して、始動性の向上および低回転運転時の安定性を確保できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ガスエンジンから排出される未燃燃料のメタンを含む排ガスを２系統あるメタン吸着触媒（ゼオライト）の一方系統に通してメタン成分を吸着させて捕集する。また、他方系統のメタン吸着触媒においては、メタンが吸着済みの場合にはメタンを脱着させる。このように、２系統のメタン吸着触媒を用いて吸着と脱着を切り替え、さらに、放出後のメタン成分は再度エンジンの給気通路に戻されて燃料として用いられる。これによって、従来は燃焼することなく排出されていた未燃成分のメタンの活用によって、ガスエンジンの熱効率を向上できるとともに、未燃成分の排出量低減効果が得られ排ガス浄化機能も向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態を示すガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成図である。
【図２】第１実施形態のメタン吸着時の制御フローチャートを示す。
【図３】第１実施形態のメタン脱着時の制御フローチャートを示す。
【図４】第１実施形態における第１メタン吸着触媒が吸着時で、第２メタン吸着触媒が脱着時のガス弁の開閉を示す説明図表である。
【図５】第２実施形態を示すガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成図である。
【図６】第２実施形態のメタン吸着時の制御フローチャートを示す。
【図７】第２実施形態のメタン脱着時の制御フローチャートを示す。
【図８】第３実施形態を示すガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成図である。
【図９】第４実施形態を示すガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成図である。
【図１０】第５実施形態を示すガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成図である。
【図１１】第６実施形態を示すガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２７】
（第１実施形態）
図１を参照して、本発明の第１実施形態のガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成につき説明する。同図において、ガスエンジン１は、発電機用のエンジンであり、該エンジン１には直結駆動される発電機３が取り付けられている。
【００２８】
燃料となる燃料ガスは、天然ガス（都市ガス）、炭鉱から発生する炭鉱メタンガス、またはランドフィルガスのようなバイオガス等のメタンを主成分とする燃料ガスが、給気通路５から流入されるようになっている。
給気通路５には、排気タービン７ａ及びコンプレッサ７ｂからなる過給機７が備えられ、各燃焼室の給気入口に給気ガスを供給する。過給機７のコンプレッサ７ｂの下流側には給気クーラ９が設けられる。
【００２９】
エンジン１の排気出口にはメイン排ガス通路１１が接続され、過給機７の排気タービン７ａが設けられ、その下流側に排熱回収装置１３が設置されている。この排熱回収装置１３は排熱を利用して蒸気等を生成して利用するものである。この排熱回収装置１３の下流側には、メイン排ガス通路１１から分岐し且つ該メイン排ガス通路１１に再度合流するバイパス排ガス通路１５が設けられている。また、メイン排ガス通路１１からバイパス排ガス通路１５への排ガスの流れを制御する分岐制御弁１７が設けられている。
【００３０】
バイパス排ガス通路１５には、排ガスクーラ（排ガス冷却手段）１９と、その下流に並列に、排ガス中のメタン成分を吸着する第１メタン吸着触媒（第１系統のメタン吸着触媒）２１と、第２メタン吸着触媒（第２系統のメタン吸着触媒）２３とが配設されている。第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３のそれぞれには、排ガス中の水分を除去して、メタン成分を吸着し易いようにする水分除去触媒２５、２７がそれぞれ、上流側に隣接して設けられている。
【００３１】
また、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３には、吸着触媒を加熱するヒータ２９がそれぞれ設置されている。
第１メタン吸着触媒２１と第２メタン吸着触媒２３の２つの吸着触媒に限定するものではなく、複数の吸着触媒を備えそれらを２系統に区分して一方領域と他方領域として用いてもよい。
【００３２】
また、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３のそれぞれの入口には、バイパス排ガス通路１５と合流して混合するように、過給機７のコンプレッサ７ｂ出口と接続する第１放出ガス通路３１が設けられ、コンプレッサ７ｂで加圧された高温の給気がメタン吸着触媒に吸着したメタンを脱着する際に放出ガスとして導かれるようになっている。なお、前記ヒータ２９と第１放出ガス通路３１とで放出ガス加熱手段を構成している。
【００３３】
第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３は、例えばゼオライトからなり、Ｎａ−Ａ型ゼオライト（細孔径４Å）、Ｎａ−Ｘ型ゼオライト（細孔径３．８Å）のものが適している。
また、水分除去触媒２５、２７も、例えばゼオライトからなり、Ｋ−Ａ型ゼオライト（細孔径３Å）、シリカゲル（細孔径２．８Å）のものが適している。
なお、メタン吸着触媒としてゼオライト以外にも分子篩カーボン、メソポーラスシリケートなどがある。
【００３４】
メタン成分の吸着性能は排ガス温度が１００℃程度よりも低い温度領域で高められ、また脱着時には４００℃程度より高い温度領域で脱着性が高められる。このため、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３に流入する排ガス温度を吸着時には１００℃程度を目標に冷却制御を行う。なお、１００℃よりさらに低温度にするにはそれだけ冷却器性能を向上する必要がありコスト増大、システムの大型化等の問題があるため、略１００℃を目標として吸着時の排ガス温度制御を行う。
【００３５】
また、メタン成分の脱着時の放出ガスの加熱温度についても、ヒータ２９の大容量化に伴うコスト増大、システムの大型化等の問題化のため、略４００℃を目標して脱着時の放出ガスのガス温度の制御を行う。
【００３６】
第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３のそれぞれの出口は、放出ガスをガスエンジン１の給気通路５に循環させる循環通路３３と、バイパス排ガス通路１５の戻り側に接続している。また、循環通路３３には、循環流を冷却するために還流クーラ３５が設置されている。
第１実施形態では、循環通路３３は、過給機７のコンプレッサ７ｂの上流側に戻しており、このようにコンプレッサ７ｂの上流側に戻すことで、コンプレッサ７ｂの上流側は下流側より低圧状態のため給気通路５への循環流が生じやすくなる。
【００３７】
第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３のそれぞれの入口への排ガスの流入と遮断、またはメタン成分の脱着時の放出ガスの流入と遮断を切換える入口側制御弁３７が設けられている。この入口側制御弁３７は、図１に示すように、ガス弁ＶＣ１１、ＶＣ１２、ＶＣ２１、ＶＣ２２によって構成されている。
【００３８】
また、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３のそれぞれの出口からの排ガスのバイパス排ガス通路１５への流出と遮断、またはメタン成分の脱着時の放出ガスの循環通路３３への流出と遮断とを切換える出口側制御弁３９が設けられている。この出口側制御弁３９は、図１に示すように、ガス弁ＶＣ１３、ＶＣ１４、ＶＣ２３、ＶＣ２４によって構成されている。
【００３９】
次に、入口側制御弁３７および出口側制御弁３９の開閉制御を行う制御装置４１について説明する。
ガスエンジン１の給気入口部分の給気温度を検出する給気温度センサ４３からの給気温度Ｔａ１、給気圧力を検出する給気圧力センサ４５からの給気圧力Ｐａ１、第１メタン吸着触媒２１へ流入するガス温度を検出する第１入口温度センサ４７からの第１入口温度Ｔ１１、第２メタン吸着触媒２３へ流入するガス温度を検出する第２入口温度センサ４９からの第２入口温度Ｔ２１、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３から流出するガス温度を検出する出口温度センサ５１からの出口ガス温度Ｔ３、両メタン吸着触媒に流入する排ガス中のメタン濃度を検出する排ガスメタン濃度センサ５３からの排ガスメタン濃度Ｃ１、脱着後のガス中のメタンガス濃度を検出する放出ガスメタン濃度センサ５５からの脱着メタンガス濃度Ｃ２の信号がそれぞれ入力される。
【００４０】
また、制御装置４１には、主に、メタン成分を吸着するのに適した温度の排ガスに制御する排ガス冷却制御手段５７と、メタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン吸着限界を判定するメタン吸着限界判定手段５９と、メタン成分を脱着させるのに適した温度の放出ガスに制御する放出ガス加熱制御手段６１と、メタン成分の脱着時の放出ガスがメタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン放出完了を判定するメタン脱着完了判定手段６３とを有している。
【００４１】
さらに、給気通路５側に循環された脱着メタンガスの脱着メタンガス濃度Ｃ２基づいて、ガスエンジン１の燃料量を補正制御、すなわち、循環されるメタンガス濃度Ｃ２に応じたガス量だけ供給ガス量を低減できるので、その補正を行いガスエンジン１への燃料量を制御する燃料制御手段６５を有している。
【００４２】
制御装置４１は、前記各センサからの検出信号を基に、分岐制御弁１７、入口側制御弁３７のガス弁ＶＣ１１、ＶＣ１２、ＶＣ２１、ＶＣ２２、および出口側制御弁３９のガス弁ＶＣ１３、ＶＣ１４、ＶＣ２３、ＶＣ２４の開閉を制御するとともに、ガス燃料量を制御する。
始動開始後の所定時間、または所定の低回転数域や低負荷域においては、排気圧損の増大による不安定運転の回避のため、分岐制御弁１７を制御してバイパス排ガス通路１５側には流さないようにし、始動後、一定回転の安定運転領域に達してからメタン吸着触媒による吸着と脱着の制御が行われる。
【００４３】
メタン吸着時の制御を図２のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１で、吸着作動を行わせるメタン吸着触媒を、第１メタン吸着触媒２１と第２メタン吸着触媒２３とから選択し、その選択した触媒に応じてガス弁の開閉制御を行う。図４に示すように、第１メタン吸着触媒２１を吸着触媒に選択した場合には、図４（ａ）に示すガス弁の開閉を行わせる。また、第２メタン吸着触媒２３を吸着触媒に選択した場合には、図４（ｂ）に示すガス弁の開閉を行わせる。図４（ａ）、（ｂ）で示すように、第１メタン吸着触媒２１と第２メタン吸着触媒２３とは、吸着と脱着とを交互に切換えるように制御される。
【００４４】
ステップＳ２で、選択したメタン吸着触媒に流入する排ガス温度を第１入口温度センサ４７、または第２入口温度センサ４９で検出する。そして、ステップＳ３で、第１メタン吸着触媒２１へ流入する排ガスの第１入口温度Ｔ１１または第２メタン吸着触媒２３へ流入する排ガスの第２入口温度Ｔ２１が略１００℃か否かを判定する。ＮＯの場合にはステップＳ４で排ガスクーラ１９の冷却水量を調整して略１００℃になるように調整する。
【００４５】
次に、ステップＳ５で、対象のメタン吸着触媒の吸着動作時間の積算を行う。つまり、排ガス温度が略１００℃の場合の通過時間の累積を算出する。そして、ステップＳ６で、その積算値が予め設定された限界時間に到達したか否かを比較して判定する。到達している場合には、ＮＯとなり、ステップＳ７でメタン吸着触媒を他の触媒に切換えてステップ１で他の吸着触媒を選択して、前記同様の手順を繰り返す。
また、同時に、ステップＳ８で、限界に到達した対象のメタン吸着触媒からのメタン放出操作を行う。この放出操作は後述する。
【００４６】
一方、ステップＳ６で、限界時間前であれば、ステップＳ９で吸着動作を対象のメタン吸着触媒で継続させ、ステップ１にリターンして吸着を継続させる。
【００４７】
ステップＳ５の対象触媒の動作時間の積算において、単なる動作時間ではなく、エンジン負荷の影響の重み付けをして、負荷が大きいときには燃料量が多くなりそれに応じて未燃メタン成分も多く排出されるため負荷の大きさに応じた重み付けをした動作時間（「エンジン負荷」×「エンジン動作時間」）として算出することにより、より精度良い吸着量の判定ができるようになる。
【００４８】
さらに、排ガスメタン濃度センサ５３の測定値Ｃ１の影響の重み付けをして、濃度が濃い場合にはそれに応じて未燃メタン成分も多く排出されるため濃度の濃さに応じた重み付けをした動作時間（「濃度測定値」×「エンジン動作時間」）として算出することにより、より精度良い吸着量の判定ができるようになる。
また、前記したエンジン負荷と排ガスメタン濃度センサ５３の測定値Ｃ１とを併用して、（「エンジン負荷」×「濃度測定値」×「エンジン動作時間」）としてもよく、さらに、バイパス排ガス通路１５を通って第１メタン吸着触媒２１または第２メタン吸着触媒２３に流入する排ガス流量を流量計（不図示）で検出して、該流量と排ガスメタン濃度センサ５３の測定値Ｃ１とを併用して、（「排ガス流量」×「濃度測定値」×「エンジン動作時間」）とすることもできる。
このように、エンジン負荷と濃度の併用、または排ガス流量と濃度の併用によってエンジン動作時間を補正することで、より精度良い吸着量の判定ができるようになる。
【００４９】
次に、制御装置４１におけるメタンの放出時の制御を図３のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１１では、脱着作動を行わせるメタン吸着触媒を、第１メタン吸着触媒２１と第２メタン吸着触媒２３とから選択し、その選択した触媒に応じてガス弁の開閉制御を行う。ステップＳ１２では、具体的に、対象触媒が第１メタン吸着触媒２１の場合にはガス弁ＶＣ１２を開とし、対象触媒が第２メタン吸着触媒２３の場合にはガス弁ＶＣ２２を開として放出動作を開始する。
【００５０】
ステップＳ１３では、触媒の出口ガス温度Ｔ３を出口温度センサ５１で検出する。そして、ステップＳ１５で、出口ガス温度Ｔ３が略４００℃か否かを判定する。ＮＯの場合にはステップＳ１６でヒータ２９の加熱量を調整して略４００℃になるように調整する。
【００５１】
次に、ステップＳ１７では、対象のメタン吸着触媒の脱着動作時間の積算を行う。すなわち、触媒の出口ガス温度Ｔ３が略４００℃またはそれ以上の場合の通過時間の累積を算出する。そして、ステップＳ１８で、その積算値が予め設定された処理完了時間に到達したか否かを比較して判定する。
【００５２】
到達している場合には、ＮＯとなり、ステップＳ２０でガス弁ＶＣ１２（ＶＣ２２）を閉として放出ガスの流入を遮断する。同時に、ステップＳ２１で、他の触媒での吸着動作が吸着限界に達するまで待機する。そして、他の触媒が吸着限界に達するとステップＳ２２で、脱着が完了した対象触媒をメタン吸着操作が可能なようにガス弁ＶＣ１１〜ＶＣ２４を設定する。
【００５３】
ステップＳ１７での対象触媒の動作時間の積算において、単なる動作時間ではなく、ステップＳ１４で、触媒の出口ガス温度Ｔ３の出口温度センサ５１での検出値に応じて補正した時間を用いてメタン脱着時の動作時間の積算値を算出してもよい。
このように出口温度の影響の重み付けは、温度が４００℃より高い場合には脱着量が多くなるため、動作時間としては大きくなるように補正する。
予め設定した処理完了時間の設定の際には、４００℃の放出ガスの通過による動作完了時間の理論的算出値、または、実験によって捕捉された必要時間から設定される時間であるため。４００℃に対する上下によって補正することで、より精度良い脱着完了の判定ができるようになる。
【００５４】
また、前記ステップＳ１７における対象触媒のメタン脱着時の動作時間の積算について、第１放出ガス通路３１もしくは循環流路３３に流量計（不図示）を設けて、該流量計からの検出値と、触媒の下流側に設けた放出ガスメタン濃度センサ５５によって検出した放出ガスメタン濃度Ｃ３の検出値とを用いて動作時間を補正して、（「検出流量」×「濃度」×「動作時間」）によって算出してもよく、より精度良い脱着完了の判定ができるようになる。
【００５５】
さらに、前記ステップＳ１４、Ｓ１７、Ｓ１８によって算出した動作時間に基づく判定に代えて、触媒の下流側に設けた放出ガスメタン濃度センサ５５によって放出ガスメタン濃度Ｃ２を検出して、その濃度が予め設定した閾値濃度を下回ったか否かを判定してもよい。すなわち、検出濃度が閾値濃度以下であれば、脱着は完了したと判定するものである。この場合には、直接メタン濃度を検出してその濃度だけによって判定するため、動作時間に基づく判定よりもより簡単に且つ精度よく脱着完了を判定できる。
【００５６】
以上説明したように、第１実施形態によれば、未燃燃料のメタンを含む排ガスを第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３に通過させるとともに、排ガスクーラ１９を用いて、排ガスを、メタン吸着能力が高められる略１００℃へ温度制御し、およびヒータ２９を用いて、放出ガスを、メタン脱着性が高められる略４００℃へ温度制御することで、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３への吸着およびこれら触媒からの脱着を効果的に行うことができる。
【００５７】
そして、脱着後のメタン成分を、循環通路３３を介して再度エンジンの給気通路５に戻して、燃料として用いられることによって、従来は燃焼することなく排出されていた未燃成分のメタンが活用されて、ガスエンジン１の熱効率の改善と排ガス浄化性能の向上を図ることができる。
特に、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３を交互に吸着と脱着を繰り返し、一方では吸着作動がなされている間に、他方では脱着作動がなされ、常に排ガスがいずれかの吸着触媒を通過し、また常に吸着触媒からのメタン成分は大気に放出されずにエンジンの給気通路５に戻される。このため、未燃成分のメタンの大気への排出量が効果的に低減され、熱効率の改善とともに排ガス浄化機能が向上する。
【００５８】
（第２実施形態）
次に、図５〜７を参照して、第２実施形態について説明する。
第１実施形態は、図１に示すように排ガス冷却手段として排ガスクーラ１９が設けられ、また放出ガス加熱手段として過給機７のコンプレッサ７ｂによる加圧後の給気とヒータ２９によって構成しているが、第２実施形態は、これら排ガスクーラ１９およびヒータ２９を用いずに排ガス冷却手段および放出ガス加熱手段を構成することを特徴とし、システム全体を簡単化するものである。
【００５９】
図５のように、給気クーラ９の出口と、排熱回収装置１３の下流側で且つバイパス排ガス通路１５との分岐部より上流側とを連通するように、給気バイパス通路７０が設けられる。この給気バイパス通路７０によって給気クーラ９で冷却された給気を導いて排ガスと合流混合させることで排ガスを冷却する排ガス冷却手段を構成している。
【００６０】
また、ガスエンジン１の排ガス出口と、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３の入口とを連通するように、第２放出ガス通路７２が設けられる。この第２放出ガス通路７２によってガスエンジン１からの高温の排ガスを導くことによって、放出ガス加熱手段を構成している。
【００６１】
制御装置７４は、図５に示すように、主に、メタン成分を吸着するのに適した温度の排ガスに制御する排ガス冷却制御手段７６と、メタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン吸着限界を判定するメタン吸着限界判定手段７８と、メタン成分の脱着時の放出ガスがメタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン放出完了を判定するメタン脱着完了判定手段８０と、給気通路５側に循環された脱着メタンガスの脱着メタンガス濃度Ｃ２（第１実施形態参照）基づいて、ガスエンジン１の燃料量を補正制御するガスエンジンの燃料制御手段６５を有している。
【００６２】
そして、第２放出ガス通路７２の排ガス温度を検出する放出ガス温度センサ８２からの放出ガス温度Ｔｅと、バイパス排ガス通路１５を流れる排ガス温度を検出する排ガス温度センサ８４からの排ガス温度Ｔ１とを基に、給気バイパス通路７０に設けられた給気バイパス弁ＶＡ、第２放出ガス通路７２に設けられた放出ガス弁ＶＥ、および各ガス弁ＶＣ１１〜ＶＣ２４、さらに分岐制御弁１７の開閉を制御する。
その他構成については、第１実施形態と同様のものは同一符号を付する。
【００６３】
メタン吸着時の制御を図６のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１のメタン吸着触媒の選択は第１実施形態と同様である。ステップＳ２の処理排ガス温度の検出は、第１実施形態では各メタン吸着触媒の入口部の温度を検出したが、第２実施形態では、排ガス温度センサ８４の設置位置がバイパス排ガス通路１５での１箇所で検出している。これによりシステムを簡単化している。
【００６４】
ステップＳ３は、第１実施形態と同様であり、選択したメタン吸着触媒に流入する排ガス温度が略１００℃であるかを判定する。ステップＳ３１では、略１００℃になるように調整するが、この調整を給気バイパス弁ＶＡの開度操作によって行う。すなわち、給気バイパスガスは給気クーラ９で冷却されているため、給気バイパス通路７０によって排ガスに混合する給気量を調整することで行われる。
その後の処理は、第１実施形態と同様である。
【００６５】
次に、メタンの放出時の制御を図７のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１１は、第１実施形態と同様であり、脱着作動を行わせるメタン吸着触媒を、第１メタン吸着触媒２１と第２メタン吸着触媒２３から選択し、その選択した触媒に応じてガス弁の開閉制御を行う。
【００６６】
ステップＳ４１では、放出ガス弁ＶＥを開く。ステップＳ４２では、放出ガス温度センサ８２によって放出ガス温度Ｔｅを検出する。そして、ステップＳ４４で、対象のメタン吸着触媒の脱着動作時間の積算を開始する。第１実施形態では、略４００℃またはそれ以上の場合の通過時間の累積として算出したが、第２実施形態では、排ガスを放出ガスとして利用するため４００℃以上の場合が多いことから、積算時間の積算開始条件をガス温度では設けずにステップＳ４４では放出ガス弁ＶＥを開いてからの積算を行っている。
【００６７】
ただし、ステップＳ４３で、放出ガス温度に応じて通過時間の補正を行って処理完了時間の判定に反映している。すなわち、放出ガス温度が４００℃より高い場合には脱着量が多くなるため、動作時間としては大きくなるように積算時間を補正する。
そして、ステップＳ４５で、その積算値が予め設定された処理完了時間に到達したか否かを比較して判定する。
【００６８】
到達している場合には、ＮＯとなり、ステップＳ４６で放出ガス弁ＶＥを閉として放出ガスとしての排ガスの流入を遮断する。同時に、ステップＳ２１で、他の触媒での吸着動作が吸着限界に達するまで待機する。これ以降は第１実施形態と同様である。
【００６９】
以上の第２実施形態によれば、第１実施形態の排ガスクーラ１９およびヒータ２９を用いずに、給気クーラ９の出口と、バイパス排ガス通路１５との分岐部より上流側とを連通する給気バイパス通路７０によって排ガス冷却手段を構成し、さらに、ガスエンジン１の排ガス出口と、メタン吸着触媒の入口とを連通する第２放出ガス通路７２を設けてエンジン１からの高温の排ガスを用いて放出ガス加熱手段を構成するので、システム全体構成を簡単化できる。
【００７０】
また、排ガスを用いてメタンをメタン吸着触媒から脱着させて給気通路５に再循環させるため、排ガスも給気通路５に戻るのでＥＧＲ機能が得られて燃焼温度の低下によるＮＯｘ低減効果も得られる。その他については第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００７１】
（第３実施形態）
次に、図８を参照して、第３実施形態について説明する。
第３実施形態は、図５に示す第２実施形態の変形例で、循環通路３３に設けられた循環流を冷却するために還流クーラ３５を省略するものであり、その他は第２実施形態と同一の構成である。
【００７２】
図８に示すように、循環通路３３の給気通路５への接続位置を、給気クーラ９の入口側とする。これによって、循環通路３３を通過する放出ガスの冷却を給気クーラ９で行わせることでシステムを簡単化できる。
【００７３】
（第４実施形態）
次に、図９を参照して、第４実施形態について説明する。
前述した第２、３実施形態では、図５に示すように、排ガスクーラ１９およびヒータ２９を用いずに、給気バイパス通路７０によって排ガス冷却手段を構成し、ガスエンジン１の排ガス出口と、メタン吸着触媒の入口とを連通する第２放出ガス通路７２を設けてエンジン１からの高温排ガスを用いて放出ガス加熱手段を構成していた。
これに対して、以下の第４、５実施形態は、ヒータ２９と第１放出ガス通路３１による放出ガス加熱手段は残し、排ガスクーラ１９による排ガス冷却手段を、給気バイパス通路７０によって構成するものである。
【００７４】
このような、第４、５実施形態における共通の作用効果は、放出ガス加熱手段として排ガスを用いずに、過給機７のコンプレッサ７ｂによる加圧後の高温給気とヒータ２９によって構成するので、放出ガスは排ガスでないため、ＥＧＲ機能が得られないため、ＥＧＲを装着しないエンジン仕様に対するシステム構成として適用できる。
また、ヒータ２９による加熱制御を行うため放出ガスの温度制御を精度よく行うことができる。
【００７５】
本第４実施形態は、図９に示すように、給気クーラ９の出口と、排熱回収装置１３の下流側で且つバイパス排ガス通路１５との分岐部の上流側とを連通するように、給気バイパス通路７０が設けられる。この給気バイパス通路７０によって給気クーラ９で冷却された給気を導いて排ガスと合流混合させることで排ガスを冷却する排ガス冷却手段を構成する。そして、給気バイパス通路７０に給気バイパス弁ＶＡが設けられている。
【００７６】
本第４実施形態の制御装置は、図示しないが、図１に示す第１実施形態の制御装置４１の排ガスクーラ１９による排ガスの冷却を、給気バイパス弁ＶＡで行うように置き換える。すなわち、図２のフローチャートのステップＳ４の排ガスクーラの冷却水量調整を、給気バイパス弁ＶＡの調整に置き換えるものである。
【００７７】
また、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３のそれぞれの入口には第１放出ガス通路３１が接続され、コンプレッサ７ｂで加圧された高温の給気ガスがメタン吸着触媒にメタン脱着時に放出ガスとして導かれるようになっている。この放出制御は、第１実施形態と同様である。
【００７８】
以上の第４実施形態によれば、過給機７のコンプレッサ７ｂの出口と接続する第１放出ガス通路３１によって供給される給気をヒータ２９で加熱するため、排ガスは環流せずＥＧＲ機能が得られないため、ＥＧＲを装着しないエンジン仕様に対するシステム構成として適用できる。また、ヒータ２９による加熱制御を行うため放出ガスの温度制御を精度よく行うことができる。
【００７９】
（第５実施形態）
次に、図１０を参照して、第５実施形態について説明する。
この第５実施形態は、図９に示す第４実施形態の変形例であり、図９に示した給気バイパス通路７０と第１放出ガス通路３１とを共通化して、システムをより簡単化したものである。その他は第４実施形態と同一の構成である。
【００８０】
図１０に示すように、給気クーラ９の出口から分岐して共用ガス通路９０が設けられ、この共用ガス通路９０は途中で分岐して、一方は給気バイパス弁ＶＡを備えた給気バイパス通路９０ａとしてメイン排ガス通路１１に接続し、他方は共有放出ガス通路９０ｂとして第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３の入口に接続する。
このように、共用ガス通路９０によって、図９に示した給気バイパス通路７０と第１放出ガス通路３１とを共通化した通路構成とすることができ、システムをより簡単化できる。
【００８１】
（第６実施形態）
次に、図１１を参照して、第６実施形態について説明する。
前述した第４、５実施形態は、図９に示すように、ヒータ２９と第１放出ガス通路３１とによる放出ガス加熱手段を設けて、排ガスクーラ１９に代えて給気バイパス通路７０によって排ガス冷却手段を構成していた。
本第６実施形態は、逆に、放出ガス加熱手段として排ガスクーラ１９を設けて、放出ガス加熱手段としてヒータ２９と第１放出ガス通路３１との代わりに、ガスエンジン１の出口からの排ガスを第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３の入口に導く第２放出ガス通路７２を設けるものである。
【００８２】
すなわち、図１１に示すように、エンジン１の排ガス出口と、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３の入口とを連通するように、第２放出ガス通路７２が設けられる。この第２放出ガス通路７２によってエンジン１からの高温の排ガスを導いて用いることによって、放出ガス加熱手段を構成している。
【００８３】
放出ガス加熱手段をエンジン１からの排ガスの熱によって構成するので、ヒータ２９（図９参照）のような装置が不要となると共に、排ガスによって放出されたメタンが還流するため、ＥＧＲ機能が得られる。
また、排ガスクーラ１９によって吸着する排ガス温度を制御するので、精度よく排ガス温度を適切な温度（略１００℃）への制御ができるため、吸着性能が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明によれば、メタンを主成分に含む燃料ガスを用いたガスエンジンにおいて、未燃成分として排出されるメタン成分を効率的に吸着するとともにエンジンに再循環させてエンジンの熱効率の改善と排ガス浄化性能の向上を図ることができるため、ガスエンジンの排ガス浄化装置への利用に適している。
【符号の説明】
【００８５】
１ エンジン（ガスエンジン）
３ 発電機
５ 給気通路
７ 過給機
７ｂ コンプレッサ
７ａ 排気タービン
９ 給気クーラ
１１ メイン排ガス通路
１５ バイパス排ガス通路
１７ 分岐制御弁
１９ 排ガスクーラ
２１ 第１メタン吸着触媒（第１系統のメタン吸着触媒）
２３ 第２メタン吸着触媒（第２系統のメタン吸着触媒）
２９ ヒータ（ヒータ手段）
３１ 第１放出ガス通路
３３ 循環通路
３７ 入口側制御弁
３９ 出口側制御弁
４１、７４ 制御装置
５９、７８ メタン吸着限界判定手段
６３、８０ メタン脱着完了判定手段
７２ 第２放出ガス通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジンの排ガス浄化装置に関するものであり、特に、メタンを主成分に含む燃料ガスを用いるガスエンジンの排ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガス（都市ガス）、炭鉱から発生する炭鉱メタンなどのメタンを主成分とするガスを、燃料としたガスエンジンにより、発電システムや冷暖房を行うヒートポンプシステムが、その優れた省エネルギー性、経済性により、急速に普及しつつある。
【０００３】
一般に、燃焼室内に導入された燃料と空気との予混合ガスは燃焼室内で完全には燃え切らずに、燃焼室内のシリンダ天井部や、シリンダライナ壁面部や、ピストンリング付近や、給気ポートや排気ポート内に残存ガスとして未燃ガスが溜り、燃焼することなく未燃成分として排出される。
【０００４】
一方、未燃成分の大気への排出を低減する技術として、吸着材によって吸着する技術や、酸化触媒を後処理として用いる技術が知られており、例えば、特許文献１（特開２００２−２２７６３５号公報）には、排気ガス通路を、メイン排気通路およびバイパス通路の一方に切り替える排気通路切替装置と、メイン排気通路内に配置され、メイン排気通路に導かれた排気ガス中の未燃成分を吸着すると共に、吸着した未燃成分を脱着させるＨＣ吸着材と、排気ガスの流路を、ＨＣ吸着材に排気ガス中の未燃成分を吸着させるときにはメイン排気通路に切り替え、ＨＣ吸着材から吸着した未燃成分を脱着させるときにはバイパス排気通路に切り替え、ＨＣ吸着材からの未燃成分の脱着が完了したときにはメイン排気通路に切り替えるように、排気通路切替装置を制御する制御手段と、を備える構成が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２２７６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の技術は、前述のようにＨＣ吸着材に一旦吸着し、吸着したＨＣを吸着材が高温度のときに、脱着して、ＥＧＲ管を介してエンジンに再循環されて、エンジンで燃焼されるようになっている。
このため、ＨＣ吸着材が脱着作動を行っている間は、該ＨＣ吸着材は吸着機能を有さず、排ガスはバイパス排気通路を通って排出されてしまい、また、吸着作動を行っている間は、脱着作動を行えないため、ＨＣ吸着材に吸着されたＨＣ成分のエンジンへの再循環が行われない。
【０００７】
従って、本発明は前記問題点に鑑み、メタンを主成分に含む燃料ガスを用いたガスエンジンにおいて、未燃成分として排出されるメタン成分を効率的に吸着するとともにエンジンに再循環させてエンジンの熱効率の改善と排ガス浄化性能の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、本発明は、メタンを主成分に含む燃料ガスを用いたガスエンジンの排ガス浄化装置において、前記ガスエンジンに接続されたメイン排ガス通路と、該メイン排ガス通路から分岐し且つ該メイン排ガス通路に再度合流するバイパス排ガス通路と、前記メイン排ガス通路から前記バイパス排ガス通路への排ガスの流れを制御する分岐制御弁と、前記バイパス排ガス通路に並列に複数配置され排ガス中のメタン成分を吸着するメタン吸着触媒と、前記メタン吸着触媒へ流入する排ガスをメタン成分の吸着に適する排ガス温度に冷却する排ガス冷却手段と、前記メタン吸着触媒を通過させて前記メタン吸着触媒に吸着したメタン成分を脱着する放出ガスを脱着に適した温度に加熱する放出ガス加熱手段と、前記複数のメタン吸着触媒は２系統からなり第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口への排ガスの流入と遮断とを切換える入口側制御弁と、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒の出口から排出されるガスを前記エンジンの給気通路に循環させる循環通路と、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの出口から排出されるガスを前記バイパス排ガス通路または前記循環通路への流出と遮断とを切換える出口側制御弁と、前記排ガス冷却手段、前記放出ガス加熱手段、前記入口側制御弁、前記出口側制御弁、および前記分岐制御弁を制御して、前記第１系統のメタン吸着触媒と第２系統のメタン吸着触媒の吸着と脱着を切換える制御装置と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
かかる発明によれば、未燃燃料のメタンを含む排ガスを、２系統からなる複数のメタン吸着触媒（例えば、ゼオライト）の一方（第１系統）に通してメタン成分を吸着させて捕集する。この吸着の際にメタン吸着能力を高めるために、排ガス温度を低く（ゼオライトの場合は、１００℃以下）制御する必要があり、そのために排ガス冷却手段を用いて制御する。
【００１０】
また、他方（第２系統）のメタン吸着触媒においては、メタンが吸着済みの場合にはメタンを脱着させる。この脱着の際にメタン脱着性を高めるために、放出ガス温度を高く（ゼオライトの場合は、４００℃以上）制御する必要があり、そのために、放出ガス加熱手段を用いて制御する。
このように、排ガス冷却手段および放出ガス加熱手段を用いて、メタン吸着触媒（例えば、ゼオライト）への吸着およびメタン吸着触媒からの脱着を効果的に行わせることができる。
【００１１】
そして、脱着して前記循環通路に放出されたメタン成分は再度エンジンの給気通路に戻して燃料として用いられる。
従って、従来は燃焼することなく排出されていた未燃成分のメタンの活用によって、ガスエンジンの熱効率を向上できるとともに、未燃成分の排出量低減効果によって排ガス浄化機能も得られる。
【００１２】
また、本発明において好ましくは、排ガス冷却手段と排ガス加熱手段を次のように構成するとよい。
（１）前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスを冷却する排ガスクーラによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、過給機のコンプレッサによって加圧された給気と前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒に設けられたヒータ手段とによって構成されるとよい。
【００１３】
このように、排ガスクーラでメタン吸着触媒に流入する排ガスの温度を制御するため、吸着に適した排ガス温度への制御を確実に行うことができる。また、脱着のための放出ガスを過給機のコンプレッサで加圧された給気を用いるため、脱着後のメタンガスをエンジンの給気通路に戻してもＥＧＲ（排ガス再循環装置）のように燃焼温度の低下を生じせしめないため、ＥＧＲを装着しないエンジンにおいてもメタンガスの再循環が可能となる。また、ヒータ手段にメタン吸着触媒に流入する排ガスの温度を制御するため、脱着に適した排ガス温度への制御を確実に行うことができる。
【００１４】
（２）前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスに、給気通路に設けられた給気クーラによって冷却された給気を混合させることによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ、エンジン出口からの排ガスを導くことによって構成されるとよい。
【００１５】
このように、給気クーラを用いて冷却した給気を利用して排ガス温度を低下して吸着に適した温度になるようにするため、排ガスを冷却する排ガスクーラが不要となりシステムが簡単化される。
また、放出ガス加熱手段も、エンジン出口から排出される高温の排ガスを導くことによって、ヒータ手段のような装置が不要となり、システムが簡単化される。さらに、排ガスを用いてメタンをメタン吸着触媒から脱着させて給気通路に再循環させるため、排ガスも給気通路に戻るのでＥＧＲ機能が得られて燃焼温度の低下によるＮＯｘ低減効果が得られる。
【００１６】
（３）前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスに、給気通路に設けられた給気クーラによって冷却された給気を混合させることによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、過給機のコンプレッサによって加圧された給気と前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒に設けられたヒータ手段とによって構成されるとよい。
【００１７】
このような構成によると、前述のように給気クーラを用いるため、排ガスを冷却する排ガスクーラが不要となりシステムが簡単化される。また、放出ガス加熱手段は、ヒータ手段を設けるため温度調整が容易化する。
【００１８】
（４）前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスを冷却する排ガスクーラによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ、エンジン出口からの排ガスを導くことによって構成されるとよい。
【００１９】
このように、排ガスクーラによるメタン吸着触媒に流入する排ガスの温度を制御するため、吸着に適した排ガス温度への制御を確実に行うことができる。
また、放出ガス加熱手段としてのヒータ手段を設ける必要がないため、システムが簡単化される。さらに、前述のようにＥＧＲ機能が得られる。
【００２０】
また、本発明において好ましくは、前記循環通路を給気通路に設けられた過給機のコンプレッサの上流側に戻すとよく、このように過給機のコンプレッサの上流側に戻すと、給気側は排気側より低圧状態のため給気通路への循環流が生じやすい。また、前記循環通路を給気通路に設けられた過給機のコンプレッサの下流側に設けられた給気冷却器の上流側に戻すとよく、このように給気冷却器の上流側に戻すことによって給気冷却器を利用して循環流を冷却できるため、循環通路に冷却器を設ける必要がなくシステムを簡単化できる。
【００２１】
また、本発明において好ましくは、前記制御装置は、メタン成分を吸着するのに適した温度の排ガスがメタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン吸着限界を判定するメタン吸着限界判定手段を有しているとよい。
このようにメタン吸着触媒であるゼオライトの吸着限界に達したことを、対象触媒を通過した時間（動作時間）を基に判定することで、正確に対象触媒の吸着限界を判定できる。この際、エンジン負荷の影響やメタン濃度の影響を、重み付けして判定してもよい。
【００２２】
また、本発明において好ましくは、前記制御装置は、メタン成分を脱着するのに適した温度の放出ガスがメタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン放出完了を判定するメタン脱着完了判定手段を有しているとよい。
このように、メタン吸着触媒を通過した時間（動作時間）を基に判定することで、正確に対象触媒の脱着終了を判定できる。この際、通過する排ガス温度の影響を重み付けして判定してもよい。
【００２３】
また、本発明において好ましくは、前記ガスエンジンは、発電用のエンジンからなり、前記制御装置は、始動から一定回転数の定格回転数に達するまで前記バイパス排ガス通路への排ガスの流れを遮断するとよい。
このように、発電機用のガスエンジンにおいて、始動から一定回転数の定格運転に達するまでは、メイン排ガス通路からバイパス排ガス通路への排ガスの流れを分岐制御弁で遮断して、メタン吸着触媒による排圧上昇を防止して、始動性の向上および低回転運転時の安定性を確保できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ガスエンジンから排出される未燃燃料のメタンを含む排ガスを２系統あるメタン吸着触媒（ゼオライト）の一方系統に通してメタン成分を吸着させて捕集する。また、他方系統のメタン吸着触媒においては、メタンが吸着済みの場合にはメタンを脱着させる。このように、２系統のメタン吸着触媒を用いて吸着と脱着を切り替え、さらに、放出後のメタン成分は再度エンジンの給気通路に戻されて燃料として用いられる。これによって、従来は燃焼することなく排出されていた未燃成分のメタンの活用によって、ガスエンジンの熱効率を向上できるとともに、未燃成分の排出量低減効果が得られ排ガス浄化機能も向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態を示すガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成図である。
【図２】第１実施形態のメタン吸着時の制御フローチャートを示す。
【図３】第１実施形態のメタン脱着時の制御フローチャートを示す。
【図４】第１実施形態における第１メタン吸着触媒が吸着時で、第２メタン吸着触媒が脱着時のガス弁の開閉を示す説明図表である。
【図５】第２実施形態を示すガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成図である。
【図６】第２実施形態のメタン吸着時の制御フローチャートを示す。
【図７】第２実施形態のメタン脱着時の制御フローチャートを示す。
【図８】第３実施形態を示すガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成図である。
【図９】第４実施形態を示すガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成図である。
【図１０】第５実施形態を示すガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成図である。
【図１１】第６実施形態を示すガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２７】
（第１実施形態）
図１を参照して、本発明の第１実施形態のガスエンジンの排ガス浄化装置の全体構成につき説明する。同図において、ガスエンジン１は、発電機用のエンジンであり、該エンジン１には直結駆動される発電機３が取り付けられている。
【００２８】
燃料となる燃料ガスは、天然ガス（都市ガス）、炭鉱から発生する炭鉱メタンガス、またはランドフィルガスのようなバイオガス等のメタンを主成分とする燃料ガスが、給気通路５から流入されるようになっている。
給気通路５には、排気タービン７ａ及びコンプレッサ７ｂからなる過給機７が備えられ、各燃焼室の給気入口に給気ガスを供給する。過給機７のコンプレッサ７ｂの下流側には給気クーラ９が設けられる。
【００２９】
エンジン１の排気出口にはメイン排ガス通路１１が接続され、過給機７の排気タービン７ａが設けられ、その下流側に排熱回収装置１３が設置されている。この排熱回収装置１３は排熱を利用して蒸気等を生成して利用するものである。この排熱回収装置１３の下流側には、メイン排ガス通路１１から分岐し且つ該メイン排ガス通路１１に再度合流するバイパス排ガス通路１５が設けられている。また、メイン排ガス通路１１からバイパス排ガス通路１５への排ガスの流れを制御する分岐制御弁１７が設けられている。
【００３０】
バイパス排ガス通路１５には、排ガスクーラ（排ガス冷却手段）１９と、その下流に並列に、排ガス中のメタン成分を吸着する第１メタン吸着触媒（第１系統のメタン吸着触媒）２１と、第２メタン吸着触媒（第２系統のメタン吸着触媒）２３とが配設されている。第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３のそれぞれには、排ガス中の水分を除去して、メタン成分を吸着し易いようにする水分除去触媒２５、２７がそれぞれ、上流側に隣接して設けられている。
【００３１】
また、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３には、吸着触媒を加熱するヒータ２９がそれぞれ設置されている。
第１メタン吸着触媒２１と第２メタン吸着触媒２３の２つの吸着触媒に限定するものではなく、複数の吸着触媒を備えそれらを２系統に区分して一方領域と他方領域として用いてもよい。
【００３２】
また、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３のそれぞれの入口には、バイパス排ガス通路１５と合流して混合するように、過給機７のコンプレッサ７ｂ出口と接続する第１放出ガス通路３１が設けられ、コンプレッサ７ｂで加圧された高温の給気がメタン吸着触媒に吸着したメタンを脱着する際に放出ガスとして導かれるようになっている。なお、前記ヒータ２９と第１放出ガス通路３１とで放出ガス加熱手段を構成している。
【００３３】
第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３は、例えばゼオライトからなり、Ｎａ−Ａ型ゼオライト（細孔径４Å）、Ｎａ−Ｘ型ゼオライト（細孔径３．８Å）のものが適している。
また、水分除去触媒２５、２７も、例えばゼオライトからなり、Ｋ−Ａ型ゼオライト（細孔径３Å）、シリカゲル（細孔径２．８Å）のものが適している。
なお、メタン吸着触媒としてゼオライト以外にも分子篩カーボン、メソポーラスシリケートなどがある。
【００３４】
メタン成分の吸着性能は排ガス温度が１００℃程度よりも低い温度領域で高められ、また脱着時には４００℃程度より高い温度領域で脱着性が高められる。このため、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３に流入する排ガス温度を吸着時には１００℃程度を目標に冷却制御を行う。なお、１００℃よりさらに低温度にするにはそれだけ冷却器性能を向上する必要がありコスト増大、システムの大型化等の問題があるため、略１００℃を目標として吸着時の排ガス温度制御を行う。
【００３５】
また、メタン成分の脱着時の放出ガスの加熱温度についても、ヒータ２９の大容量化に伴うコスト増大、システムの大型化等の問題化のため、略４００℃を目標して脱着時の放出ガスのガス温度の制御を行う。
【００３６】
第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３のそれぞれの出口は、放出ガスをガスエンジン１の給気通路５に循環させる循環通路３３と、バイパス排ガス通路１５の戻り側に接続している。また、循環通路３３には、循環流を冷却するために還流クーラ３５が設置されている。
第１実施形態では、循環通路３３は、過給機７のコンプレッサ７ｂの上流側に戻しており、このようにコンプレッサ７ｂの上流側に戻すことで、コンプレッサ７ｂの上流側は下流側より低圧状態のため給気通路５への循環流が生じやすくなる。
【００３７】
第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３のそれぞれの入口への排ガスの流入と遮断、またはメタン成分の脱着時の放出ガスの流入と遮断を切換える入口側制御弁３７が設けられている。この入口側制御弁３７は、図１に示すように、ガス弁ＶＣ１１、ＶＣ１２、ＶＣ２１、ＶＣ２２によって構成されている。
【００３８】
また、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３のそれぞれの出口からの排ガスのバイパス排ガス通路１５への流出と遮断、またはメタン成分の脱着時の放出ガスの循環通路３３への流出と遮断とを切換える出口側制御弁３９が設けられている。この出口側制御弁３９は、図１に示すように、ガス弁ＶＣ１３、ＶＣ１４、ＶＣ２３、ＶＣ２４によって構成されている。
【００３９】
次に、入口側制御弁３７および出口側制御弁３９の開閉制御を行う制御装置４１について説明する。
ガスエンジン１の給気入口部分の給気温度を検出する給気温度センサ４３からの給気温度Ｔａ１、給気圧力を検出する給気圧力センサ４５からの給気圧力Ｐａ１、第１メタン吸着触媒２１へ流入するガス温度を検出する第１入口温度センサ４７からの第１入口温度Ｔ１１、第２メタン吸着触媒２３へ流入するガス温度を検出する第２入口温度センサ４９からの第２入口温度Ｔ２１、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３から流出するガス温度を検出する出口温度センサ５１からの出口ガス温度Ｔ３、両メタン吸着触媒に流入する排ガス中のメタン濃度を検出する排ガスメタン濃度センサ５３からの排ガスメタン濃度Ｃ１、脱着後のガス中のメタンガス濃度を検出する放出ガスメタン濃度センサ５５からの脱着メタンガス濃度Ｃ２の信号がそれぞれ入力される。
【００４０】
また、制御装置４１には、主に、メタン成分を吸着するのに適した温度の排ガスに制御する排ガス冷却制御手段５７と、メタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン吸着限界を判定するメタン吸着限界判定手段５９と、メタン成分を脱着させるのに適した温度の放出ガスに制御する放出ガス加熱制御手段６１と、メタン成分の脱着時の放出ガスがメタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン放出完了を判定するメタン脱着完了判定手段６３とを有している。
【００４１】
さらに、給気通路５側に循環された脱着メタンガスの脱着メタンガス濃度Ｃ２基づいて、ガスエンジン１の燃料量を補正制御、すなわち、循環されるメタンガス濃度Ｃ２に応じたガス量だけ供給ガス量を低減できるので、その補正を行いガスエンジン１への燃料量を制御する燃料制御手段６５を有している。
【００４２】
制御装置４１は、前記各センサからの検出信号を基に、分岐制御弁１７、入口側制御弁３７のガス弁ＶＣ１１、ＶＣ１２、ＶＣ２１、ＶＣ２２、および出口側制御弁３９のガス弁ＶＣ１３、ＶＣ１４、ＶＣ２３、ＶＣ２４の開閉を制御するとともに、ガス燃料量を制御する。
始動開始後の所定時間、または所定の低回転数域や低負荷域においては、排気圧損の増大による不安定運転の回避のため、分岐制御弁１７を制御してバイパス排ガス通路１５側には流さないようにし、始動後、一定回転の安定運転領域に達してからメタン吸着触媒による吸着と脱着の制御が行われる。
【００４３】
メタン吸着時の制御を図２のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１で、吸着作動を行わせるメタン吸着触媒を、第１メタン吸着触媒２１と第２メタン吸着触媒２３とから選択し、その選択した触媒に応じてガス弁の開閉制御を行う。図４に示すように、第１メタン吸着触媒２１を吸着触媒に選択した場合には、図４（ａ）に示すガス弁の開閉を行わせる。また、第２メタン吸着触媒２３を吸着触媒に選択した場合には、図４（ｂ）に示すガス弁の開閉を行わせる。図４（ａ）、（ｂ）で示すように、第１メタン吸着触媒２１と第２メタン吸着触媒２３とは、吸着と脱着とを交互に切換えるように制御される。
【００４４】
ステップＳ２で、選択したメタン吸着触媒に流入する排ガス温度を第１入口温度センサ４７、または第２入口温度センサ４９で検出する。そして、ステップＳ３で、第１メタン吸着触媒２１へ流入する排ガスの第１入口温度Ｔ１１または第２メタン吸着触媒２３へ流入する排ガスの第２入口温度Ｔ２１が略１００℃か否かを判定する。ＮＯの場合にはステップＳ４で排ガスクーラ１９の冷却水量を調整して略１００℃になるように調整する。
【００４５】
次に、ステップＳ５で、対象のメタン吸着触媒の吸着動作時間の積算を行う。つまり、排ガス温度が略１００℃の場合の通過時間の累積を算出する。そして、ステップＳ６で、その積算値が予め設定された限界時間に到達したか否かを比較して判定する。到達している場合には、ＮＯとなり、ステップＳ７でメタン吸着触媒を他の触媒に切換えてステップ１で他の吸着触媒を選択して、前記同様の手順を繰り返す。
また、同時に、ステップＳ８で、限界に到達した対象のメタン吸着触媒からのメタン放出操作を行う。この放出操作は後述する。
【００４６】
一方、ステップＳ６で、限界時間前であれば、ステップＳ９で吸着動作を対象のメタン吸着触媒で継続させ、ステップ１にリターンして吸着を継続させる。
【００４７】
ステップＳ５の対象触媒の動作時間の積算において、単なる動作時間ではなく、エンジン負荷の影響の重み付けをして、負荷が大きいときには燃料量が多くなりそれに応じて未燃メタン成分も多く排出されるため負荷の大きさに応じた重み付けをした動作時間（「エンジン負荷」×「エンジン動作時間」）として算出することにより、より精度良い吸着量の判定ができるようになる。
【００４８】
さらに、排ガスメタン濃度センサ５３の測定値Ｃ１の影響の重み付けをして、濃度が濃い場合にはそれに応じて未燃メタン成分も多く排出されるため濃度の濃さに応じた重み付けをした動作時間（「濃度測定値」×「エンジン動作時間」）として算出することにより、より精度良い吸着量の判定ができるようになる。
また、前記したエンジン負荷と排ガスメタン濃度センサ５３の測定値Ｃ１とを併用して、（「エンジン負荷」×「濃度測定値」×「エンジン動作時間」）としてもよく、さらに、バイパス排ガス通路１５を通って第１メタン吸着触媒２１または第２メタン吸着触媒２３に流入する排ガス流量を流量計（不図示）で検出して、該流量と排ガスメタン濃度センサ５３の測定値Ｃ１とを併用して、（「排ガス流量」×「濃度測定値」×「エンジン動作時間」）とすることもできる。
このように、エンジン負荷と濃度の併用、または排ガス流量と濃度の併用によってエンジン動作時間を補正することで、より精度良い吸着量の判定ができるようになる。
【００４９】
次に、制御装置４１におけるメタンの放出時の制御を図３のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１１では、脱着作動を行わせるメタン吸着触媒を、第１メタン吸着触媒２１と第２メタン吸着触媒２３とから選択し、その選択した触媒に応じてガス弁の開閉制御を行う。ステップＳ１２では、具体的に、対象触媒が第１メタン吸着触媒２１の場合にはガス弁ＶＣ１２を開とし、対象触媒が第２メタン吸着触媒２３の場合にはガス弁ＶＣ２２を開として放出動作を開始する。
【００５０】
ステップＳ１３では、触媒の出口ガス温度Ｔ３を出口温度センサ５１で検出する。そして、ステップＳ１５で、出口ガス温度Ｔ３が略４００℃か否かを判定する。ＮＯの場合にはステップＳ１６でヒータ２９の加熱量を調整して略４００℃になるように調整する。
【００５１】
次に、ステップＳ１７では、対象のメタン吸着触媒の脱着動作時間の積算を行う。すなわち、触媒の出口ガス温度Ｔ３が略４００℃またはそれ以上の場合の通過時間の累積を算出する。そして、ステップＳ１８で、その積算値が予め設定された処理完了時間に到達したか否かを比較して判定する。
【００５２】
到達している場合には、ＮＯとなり、ステップＳ２０でガス弁ＶＣ１２（ＶＣ２２）を閉として放出ガスの流入を遮断する。同時に、ステップＳ２１で、他の触媒での吸着動作が吸着限界に達するまで待機する。そして、他の触媒が吸着限界に達するとステップＳ２２で、脱着が完了した対象触媒をメタン吸着操作が可能なようにガス弁ＶＣ１１〜ＶＣ２４を設定する。
【００５３】
ステップＳ１７での対象触媒の動作時間の積算において、単なる動作時間ではなく、ステップＳ１４で、触媒の出口ガス温度Ｔ３の出口温度センサ５１での検出値に応じて補正した時間を用いてメタン脱着時の動作時間の積算値を算出してもよい。
このように出口温度の影響の重み付けは、温度が４００℃より高い場合には脱着量が多くなるため、動作時間としては大きくなるように補正する。
予め設定した処理完了時間の設定の際には、４００℃の放出ガスの通過による動作完了時間の理論的算出値、または、実験によって捕捉された必要時間から設定される時間であるため。４００℃に対する上下によって補正することで、より精度良い脱着完了の判定ができるようになる。
【００５４】
また、前記ステップＳ１７における対象触媒のメタン脱着時の動作時間の積算について、第１放出ガス通路３１もしくは循環流路３３に流量計（不図示）を設けて、該流量計からの検出値と、触媒の下流側に設けた放出ガスメタン濃度センサ５５によって検出した放出ガスメタン濃度Ｃ３の検出値とを用いて動作時間を補正して、（「検出流量」×「濃度」×「動作時間」）によって算出してもよく、より精度良い脱着完了の判定ができるようになる。
【００５５】
さらに、前記ステップＳ１４、Ｓ１７、Ｓ１８によって算出した動作時間に基づく判定に代えて、触媒の下流側に設けた放出ガスメタン濃度センサ５５によって放出ガスメタン濃度Ｃ２を検出して、その濃度が予め設定した閾値濃度を下回ったか否かを判定してもよい。すなわち、検出濃度が閾値濃度以下であれば、脱着は完了したと判定するものである。この場合には、直接メタン濃度を検出してその濃度だけによって判定するため、動作時間に基づく判定よりもより簡単に且つ精度よく脱着完了を判定できる。
【００５６】
以上説明したように、第１実施形態によれば、未燃燃料のメタンを含む排ガスを第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３に通過させるとともに、排ガスクーラ１９を用いて、排ガスを、メタン吸着能力が高められる略１００℃へ温度制御し、およびヒータ２９を用いて、放出ガスを、メタン脱着性が高められる略４００℃へ温度制御することで、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３への吸着およびこれら触媒からの脱着を効果的に行うことができる。
【００５７】
そして、脱着後のメタン成分を、循環通路３３を介して再度エンジンの給気通路５に戻して、燃料として用いられることによって、従来は燃焼することなく排出されていた未燃成分のメタンが活用されて、ガスエンジン１の熱効率の改善と排ガス浄化性能の向上を図ることができる。
特に、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３を交互に吸着と脱着を繰り返し、一方では吸着作動がなされている間に、他方では脱着作動がなされ、常に排ガスがいずれかの吸着触媒を通過し、また常に吸着触媒からのメタン成分は大気に放出されずにエンジンの給気通路５に戻される。このため、未燃成分のメタンの大気への排出量が効果的に低減され、熱効率の改善とともに排ガス浄化機能が向上する。
【００５８】
（第２実施形態）
次に、図５〜７を参照して、第２実施形態について説明する。
第１実施形態は、図１に示すように排ガス冷却手段として排ガスクーラ１９が設けられ、また放出ガス加熱手段として過給機７のコンプレッサ７ｂによる加圧後の給気とヒータ２９によって構成しているが、第２実施形態は、これら排ガスクーラ１９およびヒータ２９を用いずに排ガス冷却手段および放出ガス加熱手段を構成することを特徴とし、システム全体を簡単化するものである。
【００５９】
図５のように、給気クーラ９の出口と、排熱回収装置１３の下流側で且つバイパス排ガス通路１５との分岐部より上流側とを連通するように、給気バイパス通路７０が設けられる。この給気バイパス通路７０によって給気クーラ９で冷却された給気を導いて排ガスと合流混合させることで排ガスを冷却する排ガス冷却手段を構成している。
【００６０】
また、ガスエンジン１の排ガス出口と、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３の入口とを連通するように、第２放出ガス通路７２が設けられる。この第２放出ガス通路７２によってガスエンジン１からの高温の排ガスを導くことによって、放出ガス加熱手段を構成している。
【００６１】
制御装置７４は、図５に示すように、主に、メタン成分を吸着するのに適した温度の排ガスに制御する排ガス冷却制御手段７６と、メタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン吸着限界を判定するメタン吸着限界判定手段７８と、メタン成分の脱着時の放出ガスがメタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン放出完了を判定するメタン脱着完了判定手段８０と、給気通路５側に循環された脱着メタンガスの脱着メタンガス濃度Ｃ２（第１実施形態参照）基づいて、ガスエンジン１の燃料量を補正制御するガスエンジンの燃料制御手段６５を有している。
【００６２】
そして、第２放出ガス通路７２の排ガス温度を検出する放出ガス温度センサ８２からの放出ガス温度Ｔｅと、バイパス排ガス通路１５を流れる排ガス温度を検出する排ガス温度センサ８４からの排ガス温度Ｔ１とを基に、給気バイパス通路７０に設けられた給気バイパス弁ＶＡ、第２放出ガス通路７２に設けられた放出ガス弁ＶＥ、および各ガス弁ＶＣ１１〜ＶＣ２４、さらに分岐制御弁１７の開閉を制御する。
その他構成については、第１実施形態と同様のものは同一符号を付する。
【００６３】
メタン吸着時の制御を図６のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１のメタン吸着触媒の選択は第１実施形態と同様である。ステップＳ２の処理排ガス温度の検出は、第１実施形態では各メタン吸着触媒の入口部の温度を検出したが、第２実施形態では、排ガス温度センサ８４の設置位置がバイパス排ガス通路１５での１箇所で検出している。これによりシステムを簡単化している。
【００６４】
ステップＳ３は、第１実施形態と同様であり、選択したメタン吸着触媒に流入する排ガス温度が略１００℃であるかを判定する。ステップＳ３１では、略１００℃になるように調整するが、この調整を給気バイパス弁ＶＡの開度操作によって行う。すなわち、給気バイパスガスは給気クーラ９で冷却されているため、給気バイパス通路７０によって排ガスに混合する給気量を調整することで行われる。
その後の処理は、第１実施形態と同様である。
【００６５】
次に、メタンの放出時の制御を図７のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１１は、第１実施形態と同様であり、脱着作動を行わせるメタン吸着触媒を、第１メタン吸着触媒２１と第２メタン吸着触媒２３から選択し、その選択した触媒に応じてガス弁の開閉制御を行う。
【００６６】
ステップＳ４１では、放出ガス弁ＶＥを開く。ステップＳ４２では、放出ガス温度センサ８２によって放出ガス温度Ｔｅを検出する。そして、ステップＳ４４で、対象のメタン吸着触媒の脱着動作時間の積算を開始する。第１実施形態では、略４００℃またはそれ以上の場合の通過時間の累積として算出したが、第２実施形態では、排ガスを放出ガスとして利用するため４００℃以上の場合が多いことから、積算時間の積算開始条件をガス温度では設けずにステップＳ４４では放出ガス弁ＶＥを開いてからの積算を行っている。
【００６７】
ただし、ステップＳ４３で、放出ガス温度に応じて通過時間の補正を行って処理完了時間の判定に反映している。すなわち、放出ガス温度が４００℃より高い場合には脱着量が多くなるため、動作時間としては大きくなるように積算時間を補正する。
そして、ステップＳ４５で、その積算値が予め設定された処理完了時間に到達したか否かを比較して判定する。
【００６８】
到達している場合には、ＮＯとなり、ステップＳ４６で放出ガス弁ＶＥを閉として放出ガスとしての排ガスの流入を遮断する。同時に、ステップＳ２１で、他の触媒での吸着動作が吸着限界に達するまで待機する。これ以降は第１実施形態と同様である。
【００６９】
以上の第２実施形態によれば、第１実施形態の排ガスクーラ１９およびヒータ２９を用いずに、給気クーラ９の出口と、バイパス排ガス通路１５との分岐部より上流側とを連通する給気バイパス通路７０によって排ガス冷却手段を構成し、さらに、ガスエンジン１の排ガス出口と、メタン吸着触媒の入口とを連通する第２放出ガス通路７２を設けてエンジン１からの高温の排ガスを用いて放出ガス加熱手段を構成するので、システム全体構成を簡単化できる。
【００７０】
また、排ガスを用いてメタンをメタン吸着触媒から脱着させて給気通路５に再循環させるため、排ガスも給気通路５に戻るのでＥＧＲ機能が得られて燃焼温度の低下によるＮＯｘ低減効果も得られる。その他については第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００７１】
（第３実施形態）
次に、図８を参照して、第３実施形態について説明する。
第３実施形態は、図５に示す第２実施形態の変形例で、循環通路３３に設けられた循環流を冷却するために還流クーラ３５を省略するものであり、その他は第２実施形態と同一の構成である。
【００７２】
図８に示すように、循環通路３３の給気通路５への接続位置を、給気クーラ９の入口側とする。これによって、循環通路３３を通過する放出ガスの冷却を給気クーラ９で行わせることでシステムを簡単化できる。
【００７３】
（第４実施形態）
次に、図９を参照して、第４実施形態について説明する。
前述した第２、３実施形態では、図５に示すように、排ガスクーラ１９およびヒータ２９を用いずに、給気バイパス通路７０によって排ガス冷却手段を構成し、ガスエンジン１の排ガス出口と、メタン吸着触媒の入口とを連通する第２放出ガス通路７２を設けてエンジン１からの高温排ガスを用いて放出ガス加熱手段を構成していた。
これに対して、以下の第４、５実施形態は、ヒータ２９と第１放出ガス通路３１による放出ガス加熱手段は残し、排ガスクーラ１９による排ガス冷却手段を、給気バイパス通路７０によって構成するものである。
【００７４】
このような、第４、５実施形態における共通の作用効果は、放出ガス加熱手段として排ガスを用いずに、過給機７のコンプレッサ７ｂによる加圧後の高温給気とヒータ２９によって構成するので、放出ガスは排ガスでないため、ＥＧＲ機能が得られないため、ＥＧＲを装着しないエンジン仕様に対するシステム構成として適用できる。
また、ヒータ２９による加熱制御を行うため放出ガスの温度制御を精度よく行うことができる。
【００７５】
本第４実施形態は、図９に示すように、給気クーラ９の出口と、排熱回収装置１３の下流側で且つバイパス排ガス通路１５との分岐部の上流側とを連通するように、給気バイパス通路７０が設けられる。この給気バイパス通路７０によって給気クーラ９で冷却された給気を導いて排ガスと合流混合させることで排ガスを冷却する排ガス冷却手段を構成する。そして、給気バイパス通路７０に給気バイパス弁ＶＡが設けられている。
【００７６】
本第４実施形態の制御装置は、図示しないが、図１に示す第１実施形態の制御装置４１の排ガスクーラ１９による排ガスの冷却を、給気バイパス弁ＶＡで行うように置き換える。すなわち、図２のフローチャートのステップＳ４の排ガスクーラの冷却水量調整を、給気バイパス弁ＶＡの調整に置き換えるものである。
【００７７】
また、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３のそれぞれの入口には第１放出ガス通路３１が接続され、コンプレッサ７ｂで加圧された高温の給気ガスがメタン吸着触媒にメタン脱着時に放出ガスとして導かれるようになっている。この放出制御は、第１実施形態と同様である。
【００７８】
以上の第４実施形態によれば、過給機７のコンプレッサ７ｂの出口と接続する第１放出ガス通路３１によって供給される給気をヒータ２９で加熱するため、排ガスは環流せずＥＧＲ機能が得られないため、ＥＧＲを装着しないエンジン仕様に対するシステム構成として適用できる。また、ヒータ２９による加熱制御を行うため放出ガスの温度制御を精度よく行うことができる。
【００７９】
（第５実施形態）
次に、図１０を参照して、第５実施形態について説明する。
この第５実施形態は、図９に示す第４実施形態の変形例であり、図９に示した給気バイパス通路７０と第１放出ガス通路３１とを共通化して、システムをより簡単化したものである。その他は第４実施形態と同一の構成である。
【００８０】
図１０に示すように、給気クーラ９の出口から分岐して共用ガス通路９０が設けられ、この共用ガス通路９０は途中で分岐して、一方は給気バイパス弁ＶＡを備えた給気バイパス通路９０ａとしてメイン排ガス通路１１に接続し、他方は共有放出ガス通路９０ｂとして第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３の入口に接続する。
このように、共用ガス通路９０によって、図９に示した給気バイパス通路７０と第１放出ガス通路３１とを共通化した通路構成とすることができ、システムをより簡単化できる。
【００８１】
（第６実施形態）
次に、図１１を参照して、第６実施形態について説明する。
前述した第４、５実施形態は、図９に示すように、ヒータ２９と第１放出ガス通路３１とによる放出ガス加熱手段を設けて、排ガスクーラ１９に代えて給気バイパス通路７０によって排ガス冷却手段を構成していた。
本第６実施形態は、逆に、放出ガス加熱手段として排ガスクーラ１９を設けて、放出ガス加熱手段としてヒータ２９と第１放出ガス通路３１との代わりに、ガスエンジン１の出口からの排ガスを第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３の入口に導く第２放出ガス通路７２を設けるものである。
【００８２】
すなわち、図１１に示すように、エンジン１の排ガス出口と、第１メタン吸着触媒２１および第２メタン吸着触媒２３の入口とを連通するように、第２放出ガス通路７２が設けられる。この第２放出ガス通路７２によってエンジン１からの高温の排ガスを導いて用いることによって、放出ガス加熱手段を構成している。
【００８３】
放出ガス加熱手段をエンジン１からの排ガスの熱によって構成するので、ヒータ２９（図９参照）のような装置が不要となると共に、排ガスによって放出されたメタンが還流するため、ＥＧＲ機能が得られる。
また、排ガスクーラ１９によって吸着する排ガス温度を制御するので、精度よく排ガス温度を適切な温度（略１００℃）への制御ができるため、吸着性能が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明によれば、メタンを主成分に含む燃料ガスを用いたガスエンジンにおいて、未燃成分として排出されるメタン成分を効率的に吸着するとともにエンジンに再循環させてエンジンの熱効率の改善と排ガス浄化性能の向上を図ることができるため、ガスエンジンの排ガス浄化装置への利用に適している。
【符号の説明】
【００８５】
１ エンジン（ガスエンジン）
３ 発電機
５ 給気通路
７ 過給機
７ｂ コンプレッサ
７ａ 排気タービン
９ 給気クーラ
１１ メイン排ガス通路
１５ バイパス排ガス通路
１７ 分岐制御弁
１９ 排ガスクーラ
２１ 第１メタン吸着触媒（第１系統のメタン吸着触媒）
２３ 第２メタン吸着触媒（第２系統のメタン吸着触媒）
２９ ヒータ（ヒータ手段）
３１ 第１放出ガス通路
３３ 循環通路
３７ 入口側制御弁
３９ 出口側制御弁
４１、７４ 制御装置
５９、７８ メタン吸着限界判定手段
６３、８０ メタン脱着完了判定手段
７２ 第２放出ガス通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタンを主成分に含む燃料ガスを用いたガスエンジンの排ガス浄化装置において、
前記ガスエンジンに接続されたメイン排ガス通路と、
該メイン排ガス通路から分岐し且つ該メイン排ガス通路に再度合流するバイパス排ガス通路と、
前記メイン排ガス通路から前記バイパス排ガス通路への排ガスの流れを制御する分岐制御弁と、
前記バイパス排ガス通路に並列に複数配置され排ガス中のメタン成分を吸着するメタン吸着触媒と、
前記メタン吸着触媒へ流入する排ガスをメタン成分の吸着に適する排ガス温度に冷却する排ガス冷却手段と、
前記メタン吸着触媒を通過させて前記メタン吸着触媒に吸着したメタン成分を脱着する放出ガスを脱着に適した温度に加熱する放出ガス加熱手段と、
前記複数のメタン吸着触媒は２系統からなり第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口への排ガスの流入と遮断とを切換える入口側制御弁と、
前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒の出口から排出されるガスを前記エンジンの給気通路に循環させる循環通路と、
前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの出口から排出されるガスを前記バイパス排ガス通路または前記循環通路への流出と遮断とを切換える出口側制御弁と、
前記排ガス冷却手段、前記放出ガス加熱手段、前記入口側制御弁、前記出口側制御弁、および前記分岐制御弁を制御して、前記第１系統のメタン吸着触媒と第２系統のメタン吸着触媒の吸着と脱着を切換える制御装置と、
を備えたことを特徴とするガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスを冷却する排ガスクーラによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、過給機のコンプレッサによって加圧された給気と前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒に設けられたヒータ手段とによって構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスに、給気通路に設けられた給気クーラによって冷却された給気を混合させることによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ、エンジン出口からの排ガスを導くことによって構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスに、給気通路に設けられた給気クーラによって冷却された給気を混合させることによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、過給機のコンプレッサによって加圧された給気と前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒に設けられたヒータ手段とによって構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスを冷却する排ガスクーラによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ、エンジン出口からの排ガスを導くことによって構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項６】
前記循環通路を給気通路に設けられた過給機のコンプレッサの上流側に戻すことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項７】
前記循環通路を給気通路に設けられた過給機のコンプレッサの下流側に設けられた給気冷却器の上流側に戻すことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項８】
前記制御装置は、メタン成分を吸着するのに適した温度の排ガスがメタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン吸着限界を判定するメタン吸着限界判定手段を有していることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項９】
前記制御装置は、メタン成分を脱着するのに適した温度の放出ガスがメタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン放出完了を判定するメタン脱着完了判定手段を有していることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項１０】
前記ガスエンジンは、発電用のエンジンからなり、前記制御装置は、始動から一定回転数の定格回転数に達するまで前記バイパス排ガス通路への排ガスの流れを遮断することを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項１】
メタンを主成分に含む燃料ガスを用いたガスエンジンの排ガス浄化装置において、
前記ガスエンジンに接続されたメイン排ガス通路と、
該メイン排ガス通路から分岐し且つ該メイン排ガス通路に再度合流するバイパス排ガス通路と、
前記メイン排ガス通路から前記バイパス排ガス通路への排ガスの流れを制御する分岐制御弁と、
前記バイパス排ガス通路に並列に複数配置され排ガス中のメタン成分を吸着するメタン吸着触媒と、
前記メタン吸着触媒へ流入する排ガスをメタン成分の吸着に適する排ガス温度に冷却する排ガス冷却手段と、
前記メタン吸着触媒を通過させて前記メタン吸着触媒に吸着したメタン成分を脱着する放出ガスを脱着に適した温度に加熱する放出ガス加熱手段と、
前記複数のメタン吸着触媒は２系統からなり第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口への排ガスの流入と遮断とを切換える入口側制御弁と、
前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒の出口から排出されるガスを前記エンジンの給気通路に循環させる循環通路と、
前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの出口から排出されるガスを前記バイパス排ガス通路または前記循環通路への流出と遮断とを切換える出口側制御弁と、
前記排ガス冷却手段、前記放出ガス加熱手段、前記入口側制御弁、前記出口側制御弁、および前記分岐制御弁を制御して、前記第１系統のメタン吸着触媒と第２系統のメタン吸着触媒の吸着と脱着を切換える制御装置と、
を備えたことを特徴とするガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスを冷却する排ガスクーラによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、過給機のコンプレッサによって加圧された給気と前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒に設けられたヒータ手段とによって構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスに、給気通路に設けられた給気クーラによって冷却された給気を混合させることによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ、エンジン出口からの排ガスを導くことによって構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスに、給気通路に設けられた給気クーラによって冷却された給気を混合させることによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、過給機のコンプレッサによって加圧された給気と前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒に設けられたヒータ手段とによって構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記排ガス冷却手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ流入する排ガスを冷却する排ガスクーラによって構成され、前記放出ガス加熱手段は、前記第１系統のメタン吸着触媒および第２系統のメタン吸着触媒のそれぞれの入口へ、エンジン出口からの排ガスを導くことによって構成されることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項６】
前記循環通路を給気通路に設けられた過給機のコンプレッサの上流側に戻すことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項７】
前記循環通路を給気通路に設けられた過給機のコンプレッサの下流側に設けられた給気冷却器の上流側に戻すことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項８】
前記制御装置は、メタン成分を吸着するのに適した温度の排ガスがメタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン吸着限界を判定するメタン吸着限界判定手段を有していることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項９】
前記制御装置は、メタン成分を脱着するのに適した温度の放出ガスがメタン吸着触媒を通過した時間に基づいてメタン放出完了を判定するメタン脱着完了判定手段を有していることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項１０】
前記ガスエンジンは、発電用のエンジンからなり、前記制御装置は、始動から一定回転数の定格回転数に達するまで前記バイパス排ガス通路への排ガスの流れを遮断することを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの排ガス浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１８０７６５（Ｐ２０１２−１８０７６５Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４３１０７（Ｐ２０１１−４３１０７）
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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