JPH08296433A - Exhaust gas purification device for gas engine - Google Patents

Exhaust gas purification device for gas engine

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JPH08296433A
JPH08296433A JP7106050A JP10605095A JPH08296433A JP H08296433 A JPH08296433 A JP H08296433A JP 7106050 A JP7106050 A JP 7106050A JP 10605095 A JP10605095 A JP 10605095A JP H08296433 A JPH08296433 A JP H08296433A
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JP
Japan
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reaction chamber
exhaust gas
methane
reaction
engine
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Application number
JP7106050A
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Japanese (ja)
Inventor
Munehiro Tabata
宗広 田畑
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Isuzu Motors Ltd
Original Assignee
Isuzu Motors Ltd
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Publication date
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  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低い排ガス温度でもメタンを高い浄化率で浄
化するガスエンジンの排出ガス浄化装置を提供する。 【構成】 排ガス中のメタンの部分酸化を促進する部分
酸化触媒を有した第一反応室1と、この下流側に設けら
れ上記第一反応室1で生成した中間反応物の酸化を促進
する主酸化触媒を有した第二反応室2とを備えたことを
特徴としている。
(57) [Abstract] [Purpose] To provide an exhaust gas purification device for a gas engine, which purifies methane with a high purification rate even at a low exhaust gas temperature. [Structure] A first reaction chamber 1 having a partial oxidation catalyst for promoting partial oxidation of methane in exhaust gas, and a main unit for promoting oxidation of an intermediate reaction product provided in the first reaction chamber 1 provided downstream of the first reaction chamber 1. And a second reaction chamber 2 having an oxidation catalyst.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、天然ガス等のCNG
(高圧ガス)を燃料とするリーンバーンCNGエンジン
の排気浄化装置に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to CNG such as natural gas.
The present invention relates to an exhaust purification device for a lean burn CNG engine that uses (high pressure gas) as fuel.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、ディーゼルエンジンは大型トラッ
ク及びバス等のエンジンの主流であるが、排気規制強化
に対する対応が当面の課題となっている。そこで、燃料
を天然ガス等に代替し、ディーゼルエンジンをベースと
した火花点火式オットーサイクルガスエンジンが開発さ
れてきた。更に、これに伴い、ガスエンジンの排ガス浄
化方法として三元触媒を用いる方法が提案されている
(特開平5−38421号)。この浄化方法は高い浄化
率で公害物質を除去するものであるが、排ガス温度がデ
ィーゼルエンジンと比較すると100〜200℃高いた
め、エンジン本体が熱に耐えられず、エンジンの耐熱久
性に問題があった。
2. Description of the Related Art Currently, diesel engines are the mainstream of engines for large trucks, buses, etc., but the urgent task is to deal with stricter emission regulations. Therefore, a spark ignition type Otto cycle gas engine based on a diesel engine has been developed by replacing the fuel with natural gas or the like. Along with this, a method using a three-way catalyst has been proposed as a method for purifying exhaust gas of a gas engine (Japanese Patent Laid-Open No. 5-38421). This purification method removes pollutants with a high purification rate, but since the exhaust gas temperature is 100 to 200 ° C. higher than that of a diesel engine, the engine body cannot withstand heat and there is a problem with the heat resistance of the engine. there were.

【0003】そこで、稀薄な状態(リーンバーン)での
可燃限界が、ガソリンと比べて高いというCNGの性質
を利用した、低い排ガス温度、低いNOX 濃度及び低燃
費を目的としたリーンバーンCNGエンジンが開発され
ている。
[0003] Therefore, dilute state flammability limit in (lean burn) is utilized a property of CNG as high compared to gasoline, low exhaust gas temperature, low NO X concentration and the lean-burn CNG engine for the purpose of low fuel consumption Is being developed.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、排出ガ
ス成分(NOX ,HC)と空気過剰率(λ)の関係は図
4に示すように、NOX とHCがトレードオフ的な関係
であるため、NOX 濃度、燃費及び運転性で満足のいく
空気過剰率λ=1.5〜1.7(リーンバーン)の領域
では、相当量のHCが排出されてしまう。排出されるH
Cは90%以上がメタン(CH4 )であるが、メタンは
化学的に非常に安定な分子であるため、HCの浄化方法
として一般的な酸化触媒を用いたH2 OとCO2 に転化
する方法ではほとんど浄化されない。更に、排ガス温度
の低減によりメタンの浄化率は更に低減してしまうとい
う問題があった。
However, the relationship between the exhaust gas components (NO x , HC) and the excess air ratio (λ) is a trade-off relationship between NO x and HC, as shown in FIG. , NO x concentration, fuel efficiency and drivability are satisfied in the region of excess air ratio λ = 1.5 to 1.7 (lean burn), a considerable amount of HC is discharged. H discharged
90% or more of C is methane (CH 4 ), but since methane is a chemically very stable molecule, it is converted to H 2 O and CO 2 using a general oxidation catalyst as a purification method of HC. It is hardly purified by the method. Further, there is a problem that the purification rate of methane is further reduced by reducing the exhaust gas temperature.

【0005】ここで、上記エンジンからの排ガスをパラ
ジウムを触媒とした排出ガス浄化装置(コンバータ)を
用いて浄化した場合の排ガス温度とメタンの浄化率の関
係を図3の線Aに示した。上記エンジンでのアイドリン
グから全負荷までのコンバータ入口における排ガス温度
は200℃〜600℃であるが、この使用温度領域(図
3点線より左側)ではメタンはほとんど浄化されていな
い。
A line A in FIG. 3 shows the relationship between the exhaust gas temperature and the methane purification rate when the exhaust gas from the engine is purified by using an exhaust gas purification device (converter) using palladium as a catalyst. The exhaust gas temperature at the converter inlet from idling to full load in the engine is 200 ° C. to 600 ° C., but methane is hardly purified in this operating temperature range (left side of the dotted line in FIG. 3).

【0006】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、低い排ガス温度でもメタンを高い浄化率で浄化する
ガスエンジンの排出ガス浄化装置を提供することにあ
る。
Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems and to provide an exhaust gas purifying apparatus for a gas engine, which purifies methane with a high purification rate even at a low exhaust gas temperature.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、排ガス中のメタンの部分酸化を促進する部
分酸化触媒を有した第一反応室と、この下流側に設けら
れ上記第一反応室で生成した中間反応物の酸化を促進す
る主酸化触媒を有した第二反応室とを備えたものであ
る。上記第二反応室は上記第一反応室の外周に設けるこ
とが好ましい。上記部分酸化触媒はNi,Ba,Co,
Rh,Rh/SiO2 ,Ru,Ru/SiO2 ,Ni/
SiO2 ,BaCO3 ,Co/SiO2 のうち少なくと
もいずれか一つであってよく、上記主酸化触媒は、P
t,Pdのいずれかであってよい。
In order to achieve the above object, the present invention provides a first reaction chamber having a partial oxidation catalyst for promoting partial oxidation of methane in exhaust gas, and a first reaction chamber provided downstream of the first reaction chamber. And a second reaction chamber having a main oxidation catalyst that promotes the oxidation of the intermediate reaction product produced in one reaction chamber. The second reaction chamber is preferably provided on the outer circumference of the first reaction chamber. The partial oxidation catalyst is Ni, Ba, Co,
Rh, Rh / SiO 2 , Ru, Ru / SiO 2 , Ni /
It may be at least one of SiO 2 , BaCO 3 , and Co / SiO 2 , and the main oxidation catalyst is P
It may be either t or Pd.

【0008】[0008]

【作用】上記手段により、本発明はメタンの酸化反応を
数段階の反応経路にすることにより、つまり、第一反応
室でメタンの部分酸化を行い中間反応物を生成し、第二
反応室でこの中間反応物を酸化する2段階の酸化反応を
行うことにより、低い温度でメタンの完全酸化を可能と
するものである。
According to the above-mentioned means, the present invention makes the oxidation reaction of methane a reaction path of several stages, that is, the partial oxidation of methane is carried out in the first reaction chamber to produce an intermediate reaction product, and the intermediate reaction product is produced in the second reaction chamber. By performing a two-step oxidation reaction for oxidizing this intermediate reaction product, complete oxidation of methane can be performed at a low temperature.

【0009】本発明において、第一反応室及び第二反応
室で、メタンの酸化反応を段階的に行った理由は、メタ
ンは化学的に非常に安定な分子であるため、低い排ガス
温度では一段階の酸化反応でH2 OとCO2 に転化する
ことができないからである。
In the present invention, the reason why the oxidation reaction of methane is carried out stepwise in the first reaction chamber and the second reaction chamber is that methane is a chemically very stable molecule, so that it does not occur at low exhaust gas temperatures. This is because it cannot be converted into H 2 O and CO 2 in the stepwise oxidation reaction.

【0010】[0010]

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。
An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

【0011】図1に示すように排出ガス浄化装置10
は、円筒状の導入管3と、導入管3と同軸に設けられた
円筒状の第一反応室1と、更にその外周に同軸に設けら
れた円筒状の第二反応室2と、仕切板4,5と、テーパ
形状を有する排出管6から構成されている。
As shown in FIG. 1, an exhaust gas purification device 10
Is a cylindrical introduction pipe 3, a cylindrical first reaction chamber 1 provided coaxially with the introduction pipe 3, a cylindrical second reaction chamber 2 provided coaxially with the outer periphery thereof, and a partition plate. 4, 5 and a discharge pipe 6 having a tapered shape.

【0012】ここで、上記第一反応室1及び第二反応室
2はハニカム(蜂の巣)構造体から形成され、第一反応
室1にメタンを部分酸化する触媒が配置され、第二反応
室2に第一反応室1で生成された中間反応物を酸化する
触媒が配置されている。導入菅3のガス流下流端である
第一反応室1の入口側には、同径の凹面状の上記仕切板
5が連設され、出口側には、凹曲面を有し第二反応室2
と同径の環状の上記仕切板4が連結されている。そして
第二反応室2の出口側にテーパ形状を有する排出管6が
連設されている。従って、導入管3から流入した排ガス
は、仕切板4によって180度方向転換して第一反応室
1に入り、第一反応室1を通過後、仕切板5によって1
80度方向転換して第二反応室2に入り、排出管6へ流
出される。
Here, the first reaction chamber 1 and the second reaction chamber 2 are formed of a honeycomb (honeycomb) structure, a catalyst for partially oxidizing methane is arranged in the first reaction chamber 1, and the second reaction chamber 2 A catalyst that oxidizes the intermediate reaction product generated in the first reaction chamber 1 is arranged in the. On the inlet side of the first reaction chamber 1, which is the downstream end of the gas flow of the introduction tube 3, the above-mentioned concave partition plate 5 having the same diameter is continuously provided, and on the outlet side, the second curved reaction chamber having a concave curved surface. Two
The annular partition plate 4 having the same diameter as the above is connected. A discharge pipe 6 having a tapered shape is connected to the outlet side of the second reaction chamber 2. Therefore, the exhaust gas flowing in from the introduction pipe 3 is turned 180 degrees by the partition plate 4 to enter the first reaction chamber 1, and after passing through the first reaction chamber 1, is separated by the partition plate 5 into 1
It is turned by 80 degrees, enters the second reaction chamber 2, and flows out to the discharge pipe 6.

【0013】次に排ガスを上記構成の排ガス浄化装置に
流入させて、メタンを浄化する方法を詳述する。
Next, a method for purifying methane by introducing the exhaust gas into the exhaust gas purifying apparatus having the above-mentioned structure will be described in detail.

【0014】導入管3から図1に示す矢印の方向に排ガ
スを流入させると、第一反応室1に配置された部分酸化
触媒により化1に示すようなメタンの部分酸化反応が行
われる。
When the exhaust gas is introduced from the introduction pipe 3 in the direction of the arrow shown in FIG. 1, the partial oxidation catalyst of the first reaction chamber 1 causes the partial oxidation reaction of methane as shown in Chemical formula 1.

【0015】[0015]

【化1】 CH4 +1/2O2 → CO+2H2 ・・・ CH4 +H2 O → 3H2 +CO ・・・ CH4 +CO2 → 2H2 +2CO ・・・ 2CH4 → C2 2 +3H2 ・・・ 2CH4 → C2 4 +2H2 ・・・ 2CH4 → C2 6 +H2 ・・・ いずれの反応もH2 ,COを増加させるものであり、メ
タンが部分酸化されて中間反応物が生成されている。こ
こで、反応式はこれらメタン部分酸化反応の主反応で
あり発熱反応である。また、反応式〜が全体から占
める割合は小さく、反応式及びはメタンが排ガス中
のH2 O及びCO2 と反応して部分酸化が行われている
ことを示すものであり、反応式〜ではメタンがH2
を解離してC2 2 (アセチレン),C2 4 (エチレ
ン),C2 6 (エタン)に変成されていることを示し
ている。
CH 4 + 1 / 2O 2 → CO + 2H 2・ ・ ・ CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO ・ ・ ・ CH 4 + CO 2 → 2H 2 + 2CO ・ ・ ・ 2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2 ... 2CH 4 → C 2 H 4 + 2H 2 ... 2CH 4 → C 2 H 6 + H 2 ... Both reactions increase H 2 and CO, and methane is partially oxidized to form an intermediate reaction product. Is being generated. Here, the reaction formula is the main reaction of these methane partial oxidation reactions and is an exothermic reaction. In addition, the reaction formulas ~ account for a small proportion of the whole, and the reaction formulas and indicate that methane reacts with H 2 O and CO 2 in the exhaust gas to perform partial oxidation. Methane is H 2
Is dissociated into C 2 H 2 (acetylene), C 2 H 4 (ethylene), and C 2 H 6 (ethane).

【0016】メタン分子の内には上述したように、H2
OとCO2 に完全燃焼するものもある。完全酸化の反応
式を以下に示す。
Among the methane molecules, as described above, H 2
Some burn completely to O and CO 2 . The reaction formula of complete oxidation is shown below.

【0017】[0017]

【化2】 CH4 +O2 → CO2 +2H2 O ・・・ 但し、完全酸化するメタン分子は非常に少ない。Embedded image CH 4 + O 2 → CO 2 + 2H 2 O ... However, very few methane molecules are completely oxidized.

【0018】つまり、メタンは第一反応室1を通過して
いる間に、上記反応式〜に示す様々な反応経路を通
じて部分酸化されて、種々の中間反応物を生成してい
る。
That is, while the methane is passing through the first reaction chamber 1, it is partially oxidized through the various reaction paths shown in the above reaction formulas to produce various intermediate reactants.

【0019】これらメタンの中間反応物であるCO,ア
セチレン、エチレン、エタンは続く第二反応室2へ流入
され、第二反応室2を通過している間に主酸化触媒によ
り酸化されてCO2 及びH2 Oに転化される。尚、アセ
チレン、エチレン、エタンはメタンより酸化されやすい
ため低い温度でも酸化反応がおきるものである。
CO, acetylene, ethylene, and ethane, which are intermediate reaction products of these methane, are introduced into the subsequent second reaction chamber 2 and, while passing through the second reaction chamber 2, are oxidized by the main oxidation catalyst and CO 2 And H 2 O. Since acetylene, ethylene and ethane are more easily oxidized than methane, the oxidation reaction occurs even at a low temperature.

【0020】従って、本発明の排ガス浄化装置は、排ガ
ス中のメタンを第一反応室1で部分酸化し、生成された
中間反応物(CO,C2 2 ,C2 4 ,C2 6 ,・
・)を続く第二反応室2で酸化させて、メタンを完全酸
化及び他の物質に転化することにより、排ガス中のメタ
ンを浄化するものである。
Therefore, the exhaust gas purifying apparatus of the present invention partially oxidizes methane in the exhaust gas in the first reaction chamber 1 and produces intermediate reaction products (CO, C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H). 6 , ...
) Is oxidized in the subsequent second reaction chamber 2 to completely oxidize methane and convert it to another substance, thereby purifying methane in the exhaust gas.

【0021】次に、上記構成の排ガス浄化装置のメタン
浄化率を測定し、メタン浄化率と排ガス温度の関係を図
3の線Bに示した。図示するように本発明の排ガス浄化
装置は、低温度においてもメタン浄化率は高く、600
℃では約7割のメタンを浄化することができる。
Next, the methane purification rate of the exhaust gas purifying apparatus having the above construction was measured, and the relationship between the methane purification rate and the exhaust gas temperature is shown by the line B in FIG. As shown in the figure, the exhaust gas purifying apparatus of the present invention has a high methane purification rate even at a low temperature.
At ℃, about 70% of methane can be purified.

【0022】また、第一反応室1の外周に第二反応室2
を設けて仕切板4,5で排ガス流を折り返す構造にした
ことにより、従来用いてきた装置の大きさと変わらず直
ちにに実用化が可能であり、反応室が細長いため触媒接
触時間を長くすることができる。更に、第一反応室1の
外周に第二反応室2を設けたことにより、図2に示すよ
うに第一反応室1からの熱が放射して第二反応室2へ伝
導し熱の有効利用が行われ、第二反応室2での触媒の活
性を高め反応を促進することができる。
A second reaction chamber 2 is provided around the outer periphery of the first reaction chamber 1.
By providing a structure in which the exhaust gas flow is folded back by the partition plates 4 and 5, it can be put into practical use immediately without changing the size of the equipment used conventionally, and the catalyst contact time is lengthened because the reaction chamber is elongated. You can Furthermore, by providing the second reaction chamber 2 on the outer periphery of the first reaction chamber 1, heat from the first reaction chamber 1 is radiated and conducted to the second reaction chamber 2 as shown in FIG. Utilization is performed, and the activity of the catalyst in the second reaction chamber 2 can be increased and the reaction can be promoted.

【0023】尚、第一反応室1における反応式〜の
吸熱反応は触媒の温度が高い程促進されるので、本実施
例のように第二反応室2を密着させた構造にしたことに
より、第二反応室2における発熱が第一反応室における
2 ,CO,C2 2 ,C24 ,C2 6 の生成を促
進させるという相乗効果も期待できる。また、本実施例
にあっては、導入管3の外周に第一反応室1及び第二反
応室2を設けるものとしたが、導入管3の末端部分に第
一反応室1のものと同様の、或いは異なる部分酸化触媒
を配置してもよい。そしてその外周には、完全酸化触媒
のみを設けて、第二反応室2を構成するようにしてもよ
い。
Since the endothermic reactions of the reaction formulas (1) to (3) in the first reaction chamber 1 are promoted as the temperature of the catalyst is higher, the structure in which the second reaction chamber 2 is closely attached as in this embodiment is H 2, CO is exothermic in the second reaction chamber 2 in the first reaction chamber, also a synergistic effect of promoting the formation of C 2 H 2, C 2 H 4, C 2 H 6 can be expected. Further, in the present embodiment, the first reaction chamber 1 and the second reaction chamber 2 are provided on the outer periphery of the introduction pipe 3, but the end portion of the introduction pipe 3 is similar to that of the first reaction chamber 1. Or different partial oxidation catalysts may be arranged. Then, only the complete oxidation catalyst may be provided on the outer circumference of the second reaction chamber 2.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、メタンの
酸化反応を段階的に行うことができるため、低温度でも
高いメタン浄化率を発揮し、耐久性の高い、公害物質の
少ない、低燃費のガスエンジンの排出ガス浄化装置を提
供することができる。また、第一反応室の外周に第二反
応室を設けることにより、第一反応室の発熱反応による
熱を第二反応室へ伝導して第二反応室での触媒の活性を
高め反応を促進できるため、効率のよい排出ガス浄化装
置を提供することができる。
In summary, according to the present invention, since the oxidation reaction of methane can be carried out stepwise, it exhibits a high methane purification rate even at a low temperature, has high durability, contains few pollutants, and has low fuel consumption. It is possible to provide an exhaust gas purifying device for a gas engine. In addition, by providing the second reaction chamber on the outer periphery of the first reaction chamber, the heat generated by the exothermic reaction of the first reaction chamber is conducted to the second reaction chamber and the activity of the catalyst in the second reaction chamber is increased to promote the reaction. Therefore, it is possible to provide an efficient exhaust gas purification device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係るガスエンジンの排出ガス浄化装置
の一実施例を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of an exhaust gas purifying apparatus for a gas engine according to the present invention.

【図2】図1の第一反応室を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a first reaction chamber of FIG.

【図3】メタンの浄化率と排ガス温度の関係を示す図で
ある。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a methane purification rate and an exhaust gas temperature.

【図4】空気過剰率とNOX 及びHCの排出量の関係を
示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between an excess air ratio and NO X and HC emissions.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 第一反応室 2 第二反応室 3 導入管 4、5 仕切板 6 排出管 10 排出ガス浄化装置 1 1st reaction chamber 2 2nd reaction chamber 3 Introduction pipe 4, 5 Partition plate 6 Exhaust pipe 10 Exhaust gas purification device

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 F01N 3/10 ZAB B01D 53/36 102H 3/24 ZAB B01J 23/56 A ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display area F01N 3/10 ZAB B01D 53/36 102H 3/24 ZAB B01J 23/56 A

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 排ガス中のメタンの部分酸化を促進する
部分酸化触媒を有した第一反応室と、この下流側に設け
られ上記第一反応室で生成した中間反応物の完全酸化を
促進する主酸化触媒を有した第二反応室とを備えたこと
を特徴とするガスエンジンの排出ガス浄化装置。
1. A first reaction chamber having a partial oxidation catalyst for promoting partial oxidation of methane in exhaust gas, and a complete oxidation of an intermediate reaction product provided in the first reaction chamber downstream of the first reaction chamber. An exhaust gas purifying apparatus for a gas engine, comprising: a second reaction chamber having a main oxidation catalyst.
【請求項2】 上記第二反応室が上記第一反応室の外周
に設けられたことを特徴とする請求項1記載のガスエン
ジンの排出ガス浄化装置。
2. The exhaust gas purifying apparatus for a gas engine according to claim 1, wherein the second reaction chamber is provided on the outer periphery of the first reaction chamber.
【請求項3】 上記部分酸化触媒がNi,Ba、Co,
Rh,Rh/SiO2 ,Ru,Ru/SiO2 ,Ni/
SiO2 ,BaCO3 ,Co/SiO2 のうち少なくと
もいずれか一つであり、上記主酸化触媒が、Pt,Pd
のうち少なくともいずれかであることを特徴とする請求
項1又は2に記載のガスエンジンの排出ガス浄化装置。
3. The partial oxidation catalyst is Ni, Ba, Co,
Rh, Rh / SiO 2 , Ru, Ru / SiO 2 , Ni /
It is at least one of SiO 2 , BaCO 3 , and Co / SiO 2 , and the main oxidation catalyst is Pt or Pd.
The exhaust gas purifying apparatus for a gas engine according to claim 1, wherein the exhaust gas purifying apparatus is at least one of the above.
JP7106050A 1995-04-28 1995-04-28 Exhaust gas purification device for gas engine Pending JPH08296433A (en)

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