JP4114581B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関等からの排気の浄化装置に関するものであって、特に自動車のエンジンから排出される炭化水素成分（以下では「ＨＣ」とする）を除去するための排気浄化装置に関する。

自動車のエンジンのような内燃機関からの排気は、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_x）等の物質を含有している。これらの成分を含有する排気をそのまま排出することは、公害や環境の悪化をもたらし、また公的な規制により制限されている。従ってこれらの成分は、触媒を保持する排気浄化装置で浄化してから排出されている。

近年では、内燃機関の始動時に排出されるＨＣに対する規制が特に厳しくなっており、これに対応するためにゼオライト、活性炭のようなＨＣ吸着材を用いることが提案されている。

例えば特許文献１では、このＨＣ吸着材が熱に弱く、また２００℃を超える温度では吸着したＨＣを放出してしまうという問題を解決するために、ＨＣ吸着材が配置されたバイパス流路を有する排気浄化装置を提案している。これによれば、暖機が完了するまでは排気をＨＣ吸着材に流通させ、暖機が完了した後でＨＣ吸着材からＨＣを脱離させるとしている。

また特許文献２では、ＨＣ吸着触媒を使用し、コールドＨＣを有効に浄化でき且つ耐久性にも優れた排気浄化装置を提供するとしている。ここでは、ＨＣ吸着触媒は、三元触媒が活性化しないエンジン始動時の低温域において、大量に排出されるＨＣを一時的に吸着、保持し、その後で排気温度が上昇して三元触媒が活性化したときに、ＨＣを徐々に放出し且つ浄化するものであるとしている。

特開平６−７４０１９号公報 特開平１１−３４３８３７号公報

エンジン始動時などの触媒が低温のときに大量に放出されるＨＣを触媒で浄化しきれないという問題は、特許文献１及び２の排気浄化装置でのように、ＨＣ吸着材又はＨＣ吸着触媒を使用することによって部分的に解決されている。

特に特許文献１では、ＨＣ吸着材が２００℃を超える温度において吸着したＨＣを放出するという点を認識しているが、それでも尚、下流の排気浄化触媒の活性が充分に上がる前に、上流のＨＣ吸着材から脱離したＨＣ又はエンジンから排出されたままのＨＣが排気浄化触媒に達する場合がある。

そこで本発明では、エンジン始動時のような触媒活性が充分ではないときにも、ＨＣが大気中に放出されるのを抑制する排気浄化装置使用方法を提供する。

本発明の排気浄化装置使用方法で使用する排気浄化装置は、排気浄化触媒、排気浄化触媒の上流側の主流路、主流路をバイパスするバイパス流路、これら主流路とバイパス流路とを切り替える切替弁、及び排気浄化触媒の温度を測定する随意の温度センサーを有し、且つバイパス流路に、ＨＣ吸着触媒とプラズマリアクター、特にＨＣ吸着触媒を内蔵するプラズマリアクターが配置されている。

ここで、「ＨＣ吸着触媒」は、ゼオライトのようなＨＣ吸着材と、触媒活性成分、例えばＰｔ，Ｐｄ，Ｒｈから選ばれる貴金属との両方を有するものでよく、触媒活性成分がＨＣ吸着材に担持されていても、ＨＣ吸着材と触媒活性成分とが積層されていてもよい。従ってこのＨＣ吸着触媒は、特許文献２でも示されるように、排気中のＨＣを吸着し、且つＨＣの酸化を行うものである。

この排気浄化装置によれば、排気浄化触媒が所定の活性温度未満で触媒の活性が不充分である場合には、排気をバイパス流路に流通させ、ＨＣを吸着し、必要に応じて又は常に、ＨＣの触媒浄化をプラズマによって促進できる。排気浄化触媒が所定の活性温度以上で触媒の活性が充分である場合には、排気を主流路に流通させて、排気中に含まれるＨＣを排気浄化触媒で浄化できる。

本発明は、排気浄化触媒が第１の所定温度未満のときに、バイパス流路に排気を流通させ、また排気浄化触媒が第１の所定温度以上のときに、主流路に排気を流通させる、上記の排気浄化装置の使用方法である。ここでは、排気浄化触媒が第１の所定温度未満で、且つＨＣ吸着触媒が第２の所定温度以上のとき又はＨＣ吸着触媒からＨＣが脱離するときに、プラズマリアクターにおいてプラズマを発生させる。

本発明のこの方法においては、第１及び第２の所定温度を任意に予め決定することができ、又はこれらの温度を排気流量と関連付けて動的に決定することもできる。またＨＣ吸着触媒からのＨＣの脱離は、ＨＣ吸着触媒の排気下流側に配置された空燃比センサーによって検知することもできる。

従ってこの方法では、例えば第１の所定温度を排気浄化触媒の活性化温度、例えば３００℃又は３５０℃とし、第２の所定温度をＨＣ吸着触媒からのＨＣの脱離が開始する温度、例えば１５０℃又は２００℃とすることができる。この場合には、排気浄化触媒がまだ充分に活性化されていないが、ＨＣ吸着触媒からのＨＣの脱離が開始されるときに、プラズマリアクターでプラズマを発生させて、ＨＣ吸着触媒から脱離するＨＣを浄化することができる。

また例えばＨＣ吸着触媒からのＨＣの脱離を直接に検知する空燃比センサーを使用し、ＨＣ吸着触媒からＨＣが脱離したときに、プラズマリアクターでプラズマを発生させて、ＨＣ吸着触媒から脱離するＨＣを浄化することができる。

更にこの方法では、例えば第１の所定温度を排気浄化触媒の活性化温度とし、第２の所定温度を、ＨＣ吸着触媒からのＨＣの脱離はまだ開始されないが、プラズマの補助があれば吸着したＨＣの浄化を促進できる温度、例えば常温から１５０℃とすることもできる。この場合には、排気浄化触媒がまだ充分に活性化されていないときに、ＨＣ吸着触媒に排気を流通させつつ、排気中のＨＣや吸着したＨＣにプラズマを作用させて、ＨＣの軽質化／ラジカル化を促進して反応しやすくすること、及び／又は充分な処理時間を確保することができる。

尚、排気浄化触媒及びＨＣ吸着触媒の温度は、それぞれの触媒に配置された温度センサーによって直接に測定すること、又はそれぞれの触媒の上流／下流に配置された排気温度センサー、冷却水温、エンジン始動からの期間等によって予測することができる。

本発明によれば、特にエンジン始動時に発生するコールドＨＣが大気中に放出されることを抑制できる。

以下では、本発明を図に示した実施形態に基づいて具体的に説明するが、これらの図は本発明の方法で使用される排気浄化装置の概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

本発明の方法で使用される排気浄化装置の１つの態様を図１に表す。この図１に示す排気浄化装置では、自動車用エンジンのような内燃機関からの排気は、矢印１１で示す方向で排気浄化装置１０に流入する。この排気は、主流路１７又はこの主流路１７をバイパスするバイパス流路１８を通過して、排気浄化触媒１４に流入する。これら主流路１７及びバイパス流路１８の切り替えは切替弁１６で行い、またバイパス流路１８にはＨＣ吸着触媒を内蔵するプラズマリアクター１２が配置されている。

この排気浄化装置１０の使用においては、図１（ａ）に示すように切替弁１６を操作して、排気をバイパス流路１８に流通させ、又は図１（ｂ）に示すように切替弁１６を操作して、排気を主流路１７に流通させる。すなわち、排気浄化触媒１４の活性がまだ充分に上がっていないときに、ＨＣをプラズマリアクター１２内のＨＣ吸着触媒で吸着して、ＨＣが排気浄化触媒１４に達しないようにする。

排気がバイパス流路１８を流通しているときに、プラズマリアクター１２において随意に又は常にプラズマを発生させて、ＨＣの触媒浄化を促進する。プラズマリアクター１２では例えば、ＨＣ吸着触媒が所定温度以上のとき、又はＨＣ吸着触媒からＨＣが脱離するときに、プラズマを発生させることができる。ここでこのＨＣ吸着触媒の所定温度は例えば、ＨＣが脱離する温度、又はプラズマの補助が有ればＨＣの触媒浄化を促進できる温度として当業者が実験に基づいて決定できる値である。

以下では、図３のフローチャートを用いて、排気浄化触媒温度及びＨＣ吸着触媒温度に基づく、本発明の排気浄化装置使用方法について説明する。

この排気浄化装置の使用においては、ステップ２０でのエンジン始動後に、ステップ２２で排気浄化触媒温度Ｔ₁を所定の温度Ｔ_αと比較し、排気浄化触媒温度Ｔ₁が所定の温度Ｔ_αよりも小さければ、ステップ２４で切替弁を操作して排気をバイパス流路１８に流通させる。ここではこの所定の温度Ｔ_αは、これ未満の温度では排気浄化触媒の活性が不充分であると考えられる温度に設定している。

ステップ２４で切替弁を操作して排気をバイパス流路に流通させた後、ステップ２６でＨＣ吸着触媒温度Ｔ₂を所定の温度Ｔ_βと比較し、ＨＣ吸着触媒温度Ｔ₂が所定の温度Ｔ_βよりも低温であれば、ＨＣ吸着触媒からのＨＣの脱離はまだ始まらないと判断して、ステップ２２に戻る。またステップ２６においてＨＣ吸着触媒温度Ｔ₂が所定の温度Ｔ_β以上であることが認められれば、ＨＣ吸着触媒からのＨＣの脱離が開始していると判断して、ステップ２８でプラズマリアクターによってプラズマを発生させて、ＨＣ吸着触媒でのＨＣの浄化を促進し、ステップ２２に戻る。ここでは所定の温度Ｔ_βは、これ以上の温度ではＨＣ吸着触媒からのＨＣの脱離が開始すると考えられる温度に設定している。

ステップ２２で排気浄化触媒温度Ｔ₁が所定の温度Ｔ_α以上であることが判断されれば、排気浄化触媒がＨＣを浄化するのに充分に活性であると考えて、ステップ３０でバイパス流路のプラズマリアクターを停止させ、ステップ３２で切替弁を操作して排気を主流路に流通させる。

以下では本発明の方法において使用される排気浄化装置の各部について説明する。

本発明で使用する切替弁は、排気を主流路に流通させるときにも、バイパス流路に少量の排気を流通させるものでよい。これによれば、この少量の排気中のＨＣやＨＣ吸着触媒に吸着されたＨＣを、好ましくはプラズマを用いてＨＣ吸着触媒で浄化するための充分な滞留時間を得ること、及び／又は特許文献１でのようにＨＣ吸着触媒に吸着されたＨＣを徐々に脱離させて排気浄化触媒で浄化することができる。この切替弁は、排気浄化触媒温度、排気流量等に応じて、段階的に切り替えることもできる。

尚、この切替弁は、図１に示すようにいずれか一方の流路を塞ぐタイプの切替弁１６でよいが、図２に示すような単に主流路１７を塞ぐ切替弁１６′であってもよい。この場合には、この弁１６′が主流路１７を塞ぐときには排気がバイパス流路１８に流通し、この弁１６′が主流路１７を塞いでいないときには排気は主に主流路１７を流通し、比較的少量の排気がバイパス流路１８を流通する。

本発明で使用する排気浄化触媒は、排気中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯ_xを、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ及びＮ₂にする任意の触媒でよく、これは例えばＮＯ_x吸蔵還元触媒又は三元触媒と呼ばれるものでよい。

ＮＯ_x吸蔵還元触媒は、空燃比がリーン状態のときにＮＯ_xを吸蔵し、一定間隔でリッチスパイクを行ったときに（排気を燃料リッチにしたときに）、吸蔵したＮＯ_xをＮ₂に還元する触媒である。これは例えば、アルミナのような多孔質酸化物担体に、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ又はＲｕのような貴金属と、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類元素から選択されるＮＯ_x吸蔵材とを担持させたものとして使用することができる。

三元触媒は、理論空燃比付近で燃焼させた排気中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯ_xを、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ及びＮ₂にする触媒であり、例えばＰｔとＲｈの混合物、又はＰｔとＰｄとＲｈの混合物をアルミナに担持させたものとして使用することができる。

これらの触媒は当該技術分野で知られる任意の適当な量で、ウォッシュコート等の任意の手段によって、粉末の又は成型された担体に担持させることができる。また例えば触媒を担持したこの担体をスラリーとして用いて、ハニカム状に成型された基材にコーティングして乾燥及び焼成したもの、これらの担体をペレット状に成型して筒状の絶縁体に充填したものとして使用することもできる。

本発明で使用するプラズマリアクターは、任意の既知のタイプのプラズマリアクターでよく、例えば図４で示すようなものでよい。ここで図４の（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、プラズマリアクターの側面図及び断面図である。尚、プラズマは一般に化学種を活性化して反応を促進し、また大きい分子を比較的小さい分子に分解する。

この図４に示すプラズマリアクターでは、ハニカム構造体のような絶縁性担体４２の両端にメッシュ状電極４４及び４６を配置し、これらの電極４４と４６との間に、電源４８によって電圧を印可してプラズマを発生させる。

ここでこれらのメッシュ状電極４４及び４６は、電圧を印加できる任意の材料で製造でき、例えばＣｕ、Ｗ、ステンレス、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｌのような金属材料、特にステンレスを使用できる。

ハニカム構造体のような絶縁性担体４２には、ＨＣ吸着触媒、例えばゼオライトと貴金属との組み合わせを担持させる。ＨＣ吸着触媒は当該技術分野で知られる任意の適当な量で、担体に担持させることができる。例えばＨＣ吸着触媒をスラリーとして用いて、ハニカム状に成型された基材にコーティングして乾燥及び焼成して、ＨＣ吸着材を担持したハニカム担体を得ることができる。尚、ここではプラズマリアクター内にＨＣ吸着触媒が内蔵されているが、ＨＣ吸着触媒とプラズマリアクターとを別体とし、ＨＣ吸着触媒の前又は後にプラズマリアクターを配置する構成とすることもできる。

電源４８は、パルス状又は定常の直流又は交流電圧を発生させるものでよい。メッシュ状電極４４及び４６間の印加電圧及びパルス周期としては、プラズマを発生させるのに一般的な値を使用でき、例えばパルス電圧５０ｋＶ〜数ｋＶ及びパルス周期２，０００Ｈｚ〜数１０Ｈｚを使用できる。尚、これらの値はエンジン状態や温度に応じて制御変化させることができる。直流電圧、交流電圧、周期的な波形の電圧等を両電極間に印加することができるが、特に直流パルス電圧が、コロナ放電を良好に起こさせることができるために好ましい。直流パルス電圧を用いる場合に、印加電圧、パルス幅、パルス周期は、両電極間にコロナ放電を起こすことができる範囲で任意に選択できる。印加電圧の電圧等については、装置の設計や経済性等からの一定の制約を受ける可能性があるが、高電圧かつ短パルス周期の電圧であることがコロナ放電を良好に発生させる点から望ましい。

本発明の方法で使用される排気浄化装置の１つの態様を示す模式図である。 本発明の方法で使用される排気浄化装置の切替弁の変形を示す図である。 本発明の排気浄化装置使用方法を示すフローチャートであるである。 本発明で使用できるプラズマリアクターを示す模式図である。

符号の説明

１０…排気浄化装置
１１…排気流れ方向
１２…プラズマリアクター
１４…排気浄化触媒
１６、１６′…切替弁
１７…主流路
１８…バイパス流路
４２…絶縁性担体
４４、４６…メッシュ状電極
４８…電源

Claims (2)

1. 排気浄化触媒、
   前記排気浄化触媒の上流側の主流路、
   前記主流路をバイパスするバイパス流路、及び
   これら主流路とバイパス流路とを切り替える切替弁、
   を有し、且つ前記バイパス流路にＨＣ吸着触媒とプラズマリアクターとが配置されている排気浄化装置において、
   前記排気浄化触媒が第１の所定温度未満のときに、前記バイパス流路に排気を流通させ、また
   前記排気浄化触媒が第１の所定温度以上のときに、前記主流路に排気を流通させる、
   排気浄化装置使用方法であって、ここで前記排気浄化触媒が第１の所定温度未満で、且つ前記ＨＣ吸着触媒が第２の所定温度以上のとき又は前記ＨＣ吸着触媒からＨＣが脱離するときに、前記プラズマリアクターにおいてプラズマを発生させる、排気浄化装置使用方法。
2. 前記排気浄化触媒の温度を測定する温度センサーを更に有する、請求項１に記載の使用方法。

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