JP2005106022A

JP2005106022A - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2005106022A
Application number: JP2003343679A
Authority: JP
Inventors: Kimihisa Tsuji; 公壽辻
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】粒子状物質の燃焼が行われ易い領域における処理性能を高めることで、装置の性能を全体として向上する。
【解決手段】ハニカム構造体２０における上流側の端部に、酸化触媒の担持量がハニカム構造体２０の残余の部分における担持量より大である高担持領域２３を設ける。ハニカム構造体２０における上下流側の端部では粒子状物質の燃焼が行われ易いため、この領域における処理性能を高めることで、装置の性能を全体として向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス浄化装置、特にディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンの排気系に設けられ、排ガス中に含まれるＰＭ（Particulate Matter,粒子状物質）を捕捉し、燃焼除去して浄化する排ガス浄化装置に関する。

大気中の有害物質を除去するための技術として、従来から、相対する一対の電極に交流電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置（プラズマリアクタ）が提案されている。例えば特許文献１は、電極をなす一対の金網で繊維フィルタを挟み、これらを排ガスの流路中に配置することで排ガスをろ過するようにした装置を開示している。この装置では、繊維フィルタに捕集された排ガス中のＰＭは、両電極間への高電圧の印加により発生されたプラズマのエネルギによりラジカル（フリーラジカル、遊離基）状態にされ、ＨＣはＨ_２ＯとＣＯ_２に変化し、ＣはＣＯ_２に変化するとともに、ＰＭの一部は燃焼して焼却される。しかし、この装置では、供給される排ガスの全量が繊維フィルタを透過するため、排気抵抗が大きくなるという欠点がある。

他方、特許文献２のように、上流側の端面から下流側の端面に至る複数の貫通孔を互いに平行に形成した電気絶縁性のハニカム構造体と、その上下流側の端面に配置されたメッシュ電極とを備え、放電プラズマにより排ガス中の有害物質を分解するようにした装置も知られている。この装置は排気抵抗が小さくて済むが、ＰＭが下流側に排出されてしまうという欠点がある。

また、特許文献３のように、ハニカム構造体の各貫通孔を、互いに隣り合う貫通孔のうち一方が前端を閉塞され他方が後端を閉塞されるように交互に栓詰し、排ガスが貫通孔の孔壁を透過する際にＰＭがろ過されるようにした装置も提案されている。この装置は特許文献１のものと同様に排気抵抗が大きいという欠点がある。なお、特許文献３の装置ではハニカム構造体の貫通孔内の全表面にわたって、貴金属などの酸化触媒を均等に担持させ、これによって有害物質の反応開始温度を下げ、分解を促進している。

特開２００１−２９５６２９号公報特開２００１−２７６５６１号公報特公平６−２９５４５号公報

ところで出願人は、電気的吸引力によってＰＭをハニカム構造体に吸着させると共に、吸着したＰＭを電極間の放電を利用して分解できる装置を実現すべく、鋭意研究を行っている。出願人が試作したある装置では、貫通孔の上下が開放のハニカム構造体の上流側および下流側の端部の近傍に、メッシュ電極をそれぞれ設け、少なくとも下流側のメッシュ電極がハニカム構造体に接するようにし、これによりハニカム構造体を帯電させ、上流側のメッシュ電極によって逆極性に帯電されたＰＭをハニカム構造体に吸着させると共に、上下流のメッシュ電極間の放電を利用してＰＭを分解することとしている。ここで出願人は、ハニカム構造体の貫通孔内の全表面にわたって酸化触媒を均等に担持させ、かつ、貫通孔内の全表面にＰＭを一様に付着させた状態で、メッシュ電極間にパルス電圧を印加する試験を行ったところ、貫通孔内におけるＰＭの燃焼が、上流側および下流側の端部の近傍で開始されることを知見した。

本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、その目的は、ＰＭの燃焼が行われ易い領域における処理性能を高めることで、装置の性能を全体として向上することにある。

第１の本発明は、エンジンからの排ガス流路中に配置され、酸化触媒を担持したハニカム構造体と、前記ハニカム構造体の上流側の端部の近傍に設けられた第１の電極と、前記ハニカム構造体の下流側の端部の近傍に設けられた第２の電極と、を備え、前記第１および第２の電極間への電圧の印加により排ガス中の粒子状物質の吸着と分解とを行う排ガス浄化装置であって、前記ハニカム構造体における少なくともいずれかの端部に、前記酸化触媒の担持量が前記ハニカム構造体の残余の部分における担持量より大である高担持領域を設けたことを特徴とする排ガス浄化装置である。

第１の本発明では、ハニカム構造体における少なくともいずれかの端部に、酸化触媒の担持量がハニカム構造体の残余の部分における担持量より大である高担持領域を設けたので、ＰＭの燃焼が行われ易い領域における処理性能を高めることで、装置の性能を全体として向上できる。

第２の本発明は、前記第１の電極は前記ハニカム構造体から離間しており、且つ前記第２の電極は前記ハニカム構造体に接しており、前記高担持領域は前記ハニカム構造体における上流側の端部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置である。

第２の本発明では、第１の電極がハニカム構造体から離間している一方で、第２の電極がハニカム構造体に接しているため、これら第１および第２の電極間に高電圧を印加すると、第１の電極によって帯電されたＰＭは、ハニカム構造体において第１の電極に対面する位置である上流側の端部に最も良く付着することになる。したがって、この位置に高担持領域を設けることで、第１の本発明の所期の効果を得ることができる。

第３の本発明は、前記第１および第２の電極は前記ハニカム構造体に接しており、前記高担持領域は前記ハニカム構造体における下流側の端部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置である。

第３の本発明では、第１および第２の電極がハニカム構造体に接しているため、第１の電極によって帯電されたＰＭは、ハニカム構造体において第２の電極に対面する位置である下流側の端部に最も良く付着することになる。したがって、この位置に高担持領域を設けることで、第１の本発明の所期の効果を得ることができる。

以下、本発明に係る排ガス浄化装置の実施形態につき、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は第１実施形態に係る排ガス浄化装置１０の概略構成を示す断面図であり、図２はその内部構成を示す斜視図である。排ガス浄化装置１０は、不図示のエンジン（ディーゼルまたはリーンバーンガソリンエンジン等）の排気系に設けられる。

排ガス浄化装置１０は、両側に截頭円錐状の連結部１２を有するほぼ円筒形の金属製外筒部１４を備え、この外筒部１４に対し、電気絶縁性、耐熱性、緩衝性等を備える支持部材１６、例えばアルミナマットにより支持されたハニカム構造体２０を有している。ハニカム構造体２０は、コーディエライト、シリカ、アルミナ等のセラミックスで形成された多孔質ハニカム構造体である。ハニカム構造体２０の貫通路を除く基材部（壁部）の気孔率は例えば約３０〜４５％とするが、気孔率は任意に選択できる。

また、ハニカム構造体２０の上流側端面には、第１の電極としてのメッシュ電極３１、ハニカム構造体２０の下流側端面には、第２の電極としてのメッシュ電極３２が配置されている。

メッシュ電極３１は、図２に示すように、複数の電極素子３１ａ、３１ｂが、ハニカム構造体２０の貫通路のピッチとほぼ等しいピッチで互いに平行に配列され、これらが互いに直交するように組み合わされた格子状の電極として構成されている。そして、このメッシュ電極３１は、ハニカム構造体２０の貫通路を規定する壁部の端面に対し回転方向にずらされて存在し、貫通路を跨ぐように配置されている。また、ハニカム構造体２０の下流側端面にもメッシュ電極３１と同様のメッシュ電極の形態で、貫通路を跨ぐようにメッシュ電極３２が配置されている（図２には表されていない）。なお、ここで、メッシュ電極３１，３２の格子のピッチは互いに異なるのが好ましい。このようにすると、メッシュ電極３１，３２間での放電が起こり易く、後述するＰＭの通電燃焼に加えて、排ガスのプラズマ化によるＰＭ燃焼の促進も期待できるからである。

メッシュ電極３１，３２は、耐腐食性に優れたクロム鋼（例えば、１０Ｃｒ５Ａｌ）で形成できるが、それにのみ限定されるものではなく、他の耐腐食性を有する金属を用いることができる。メッシュ電極３１は、ハニカム構造体２０の上流側端面から所定距離だけ離間して設置されている。メッシュ電極３２は、セラミックボンド等によって、ハニカム構造体２０の下流側端面に貼着されている。なおメッシュ電極３２は、メッシュ電極３１と同様の構造とするほか、導電性の金属ペーストをハニカム構造体２０の下流側端面に塗布することにより形成してもよい。また、メッシュ電極３１，３２はハニカム構造体２０の端面全域を覆う大きさに形成するのが好ましい。

メッシュ電極３１は、外筒部１４を貫通して設置されている絶縁碍子１８を通して、直流電源３４の負側に接続され、メッシュ電極３２は同じく絶縁碍子１８を通して直流電源３４の正側に接続されている。なお、この直流電源３４の電圧は５ｋＶ以上、例えば１５〜３０ｋＶ程度が好適である。

図３に示されるように、ハニカム構造体２０の壁部２１には、例えば、Ｐｔ／ＣｅＯ_２、Ｍｎ／ＣｅＯ_２、Ｆｅ／ＣｅＯ_２、Ｎｉ／ＣｅＯ_２、Ｃｕ／ＣｅＯ_２等の酸化触媒からなる酸化触媒層２２がコーティングにより形成されている。このようにすると、排ガスの活性化によるＰＭの燃焼に加えて、酸化触媒の作用によるＰＭの燃焼が起こり、ＰＭの焼却が促進されることが期待できる。

そして、ハニカム構造体２０における上流側の端部に、酸化触媒の担持量がハニカム構造体２０の残余の部分における担持量より大である高担持領域２３を設ける。なお、高担持領域２３の軸方向長さＬ１は、使用条件下で予想されるＰＭの付着密度が所定の基準値を上回る領域の軸方向長さとして、ハニカム構造体２０の上流側端部から所定寸法内に実験的に定めてもよく、また高担持領域２３における担持量（例えば、ハニカム構造体２０の単位体積あたりの酸化触媒の重量）が、使用条件下で予想される量のＰＭを燃焼させるのに十分な値となるように実験的に定めてもよい。

この第１実施形態に係る排ガス浄化装置１０においては、エンジンの始動と同時に、電源３４がオンされ、メッシュ電極３１とメッシュ電極３２との間に高電圧が印加される。これによって、メッシュ電極３１からハニカム構造体２０を経てメッシュ電極３２に至る各地点の電位は、メッシュ電極３１の位置を０、ハニカム構造体２０の上流側端部の位置をＰ１，メッシュ電極の位置をＰ２とすると、概ね図４に示されるような分布になると考えられる。この状態で、エンジンから排出されたＰＭを含む排ガスが、排気管を通って排ガス浄化装置１０に導かれると、排ガス中のＰＭがメッシュ電極３１からの放電によってマイナスに帯電され、またハニカム構造体２０がプラスに帯電されるため、ＰＭは電気的吸引力によりハニカム構造体２０に向けて吸引される。この結果、ハニカム構造体２０を流通するＰＭの移動経路が偏向され、ＰＭはそれらの壁部２１の気孔内に堆積されることになるが、図４のようにハニカム構造体２０の上流側端部Ｐ１とメッシュ電極３２の位置Ｐ２との電位差が小さい電位分布においては、ＰＭは、その電位との電位差が大きくなるハニカム構造体２０上の最初の領域、すなわちハニカム構造体２０の上流側の端部近傍を中心として堆積されることになる。

そして、この捕集によるＰＭの堆積が進行すると、ＰＭを介してメッシュ電極３１とメッシュ電極３２またはハニカム構造体２０との間に導通路が形成され、アーク放電に近似した通電燃焼がメッシュ電極３１，３２の近傍で起こり、ＰＭが燃焼されて排ガスが浄化される。

ここで第１実施形態では、ハニカム構造体２０における上流側の端部に、酸化触媒の担持量がハニカム構造体２０の残余の部分における担持量より大である高担持領域２３を設けたので、ＰＭの燃焼が行われ易い領域における処理性能を高めることで、装置の性能を全体として向上することができる。

また第１実施形態では、ハニカム構造体２０においてメッシュ電極３１に対面する位置である上流側の端部にＰＭが最も良く付着することになるので、この位置に高担持領域２３を設けることで、本発明の所期の効果を得ることができる。

次に、第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る排ガス浄化装置１１０の概略構成を示す断面図である。本実施形態の排ガス浄化装置１１０は、上記第１実施形態におけるハニカム構造体２０・メッシュ電極３１，３２と同様のハニカム構造体１２０・メッシュ電極１３１，１３２を備えているが、メッシュ電極１３１，１３２が、いずれもハニカム構造体１２０に貼着されている。

そして、ハニカム構造体１２０における下流側の端部に、酸化触媒の担持量がハニカム構造体１２０の残余の部分における担持量より大である高担持領域１２３を設ける。なお、高担持領域１２３の軸方向長さは、使用条件下で予想されるＰＭの付着密度が所定の基準値を上回る領域の軸方向長さとして、ハニカム構造体２０の下流側端部から所定寸法内に実験的に定めてもよく、また高担持領域１２３における担持量（例えば、ハニカム構造体１２０の単位体積あたりの酸化触媒の重量）が、使用条件下で予想される量のＰＭを燃焼させるのに十分な値となるように実験的に定めてもよい。第２実施形態における残余の構成は、上記第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。

以上のとおり構成された第２実施形態に係る排ガス浄化装置１１０においては、エンジンの始動と同時に、電源３４がオンされ、メッシュ電極１３１とメッシュ電極１３２との間に高電圧が印加される。これによって、メッシュ電極１３１からハニカム構造体１２０を経てメッシュ電極１３２に至る各地点の電位は、メッシュ電極１３１の位置すなわちハニカム構造体１２０の上流側端部の位置をＰ１１，メッシュ電極１３２の位置をＰ１２とすると、概ね図６に示されるような分布になると考えられる。この状態で、エンジンから排出されたＰＭを含む排ガスが、排気管を通って排ガス浄化装置１１０に導かれると、排ガス中のＰＭがメッシュ電極１３１からの放電によってマイナスに帯電され、またハニカム構造体１２０がプラスに帯電されるため、ＰＭは電気的吸引力によりハニカム構造体１２０に向けて吸引される。

この結果、ハニカム構造体１２０を流通するＰＭの移動経路が偏向され、ＰＭはそれらの壁部２１の気孔内に堆積されることになるが、図６のようにハニカム構造体１２０の上流側端部Ｐ１とメッシュ電極１３２の位置Ｐ２との電位差が大きく且つ概ね線形に推移する電位分布においては、ＰＭは、その電位との電位差が最大となるハニカム構造体１２０上の領域、すなわちハニカム構造体１２０の下流側の端部近傍を中心として堆積されることになると考えられる。

そして、この捕集によるＰＭの堆積が進行すると、ＰＭを介してメッシュ電極１３１とメッシュ電極１３２またはハニカム構造体１２０との間に導通路が形成され、アーク放電に近似した通電燃焼がメッシュ電極１３１，１３２の近傍で起こり、ＰＭが燃焼されて排ガスが浄化される。

ここで第２実施形態では、ハニカム構造体１２０における下流側の端部に、酸化触媒の担持量がハニカム構造体１２０の残余の部分における担持量より大である高担持領域１２３を設けたので、ＰＭの燃焼が行われ易い領域における処理性能を高めることで、装置の性能を全体として向上することができる。

また第２実施形態では、ハニカム構造体１２０においてメッシュ電極１３２に対面する位置である下流側の端部に最も良く付着することになると考えられるので、この位置に高担持領域１２３を設けることで、本発明の所期の効果を得ることができる。

なお、上記各実施形態ではハニカム構造体２０，１２０の壁部２１の端面から表面にわたって高担持領域２３，１２３を形成したが、本発明における高担持領域はハニカム構造体の端面のみに形成されていてもよい。また本発明では高担持領域以外のハニカム構造体の部位は、触媒物質を担持していなくてもよい。さらに、上記各実施形態ではハニカム構造体への触媒物質のコーティングの厚さを変えることで高担持領域２３，１２３を実現したが、本発明における高担持領域は、触媒物質の担持量（例えば、ハニカム構造体の単位体積あたりの触媒物質の重量）が大となるような方法であれば、他の方法、例えばハニカム構造体における所定領域について気孔率を他の領域に比して高くする等の方法によって実現してもよく、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。

また、上記各実施形態においては、上流側のメッシュ電極３１，１３１を負極に、下流側のメッシュ電極３２，１３２を正極に接続する例につき説明したが、これらは、両者間に所定の高電圧が印加される形態であれば足り、逆の極性であってもよく、またいずれか一方を接地させてもよい。また、その電源の形態は、直流のみならず、パルス電源や交流電源であってもよい。さらに、それらの電圧印加の形態も上述の常時印加に限られず、ＰＭの捕集要求や燃焼処理要求の必要性に応じて、所望の時期に行うようにしてもよい。また、上記各実施形態では全ての電極をメッシュ電極とした例について説明したが、本発明ではそれ以外の構造の電極、例えば棒状電極や筒状電極を用いてもよい。

本発明の第１実施形態の排ガス浄化装置を示す断面図である。第１実施形態の排ガス浄化装置の内部構成を示す斜視図である。第１実施形態におけるハニカム構造体の要部を示す断面図である。第１実施形態における電位分布の概略を示すグラフである。本発明の第２実施形態の排ガス浄化装置を示す断面図である。第２実施形態における電位分布の概略を示すグラフである。

符号の説明

１０，１１０排ガス浄化装置
２０，１２０ハニカム構造体
２３，１２３高担持領域
３１，３２，１３１，１３２メッシュ電極
３４電源

Claims

エンジンからの排ガス流路中に配置され、酸化触媒を担持したハニカム構造体と、
前記ハニカム構造体の上流側の端部の近傍に設けられた第１の電極と、
前記ハニカム構造体の下流側の端部の近傍に設けられた第２の電極と、
を備え、前記第１および第２の電極間への電圧の印加により排ガス中の粒子状物質の吸着と分解とを行う排ガス浄化装置であって、
前記ハニカム構造体における少なくともいずれかの端部に、前記酸化触媒の担持量が前記ハニカム構造体の残余の部分における担持量より大である高担持領域を設けたことを特徴とする排ガス浄化装置。
前記第１の電極は前記ハニカム構造体から離間しており、且つ前記第２の電極は前記ハニカム構造体に接しており、
前記高担持領域は前記ハニカム構造体における上流側の端部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
前記第１および第２の電極は前記ハニカム構造体に接しており、
前記高担持領域は前記ハニカム構造体における下流側の端部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。