JP2006000816A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気抵抗が低く、ＰＭ捕集率の高い排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】 ハニカム構造体１０における隔壁の気孔率を６０％以上８０％以下とし、かつ隔壁の平均細孔径を２０μｍ以上６０μｍ以下とする。排ガスが多孔質の隔壁を通って濾過されるウォールフロー型の構造を採用しつつ、比較的低い排気抵抗を実現できる。また中心電極２０と外周電極１５とによる静電吸着を併せて行うことによって、ＰＭ捕集率を向上できる。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の担持量を増量できるためＮＯｘ浄化率を向上できる。
【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等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）を捕捉する排ガス浄化装置に関する。

排ガス中のＰＭを除去するための技術として、多孔質のハニカム構造体を用いたＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このＤＰＦは、例えばハニカム構造体の上流側の端面から下流側の端面まで貫通した複数の開口部のうち、一部の開口部を上流側の端部で栓詰し、他の開口部を下流側の端部で栓詰することにより、上流側の開口した開口部から流入した排ガスが、多孔質の隔壁を通って濾過され、下流側の開口した開口部から排出されると、その際に排ガス中のＰＭが隔壁に捕集されるようにしている。また特許文献１の装置では、ハニカム構造体の開口部内の表面に、貴金属などの触媒物質が担持されており、これによってＮＯｘ（窒素酸化物）等の物質の反応開始温度を下げ、分解を促進している。このようにフィルタとして用いられるハニカム構造体に触媒物質を担持させる技術はＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx Reduction system）と称され、ＰＭの捕集とＮＯｘなどの浄化を同時に実現するものとして期待されている。

他方、上流端および下流端で開口した筒状の対向電極と、この対向電極の上流端の近傍に設けた棒状の中心電極とを備えた装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この装置では、中心電極によって帯電させられた排ガス中のＰＭが、その電位と両電極間の電界との相互作用によって、対向電極に吸着される。吸着されたＰＭの一部は燃焼して焼却され、また両電極間の高電圧の印加によりプラズマ状態が生じ、ＮＯｘなどの物質の分解が促進される。
特公平６−２９５４５号公報 特開２００４−１９５３４号公報

しかし、特許文献１のような所謂ウォールフロー型のＤＰＦを利用した装置は排気抵抗が大きい上、ＮＯｘ浄化率の向上のために触媒物質の担持量を増やすと、排気抵抗が増大してしまうという欠点がある。また特許文献２のような所謂ストレートフロー型の装置は、排気抵抗が小さい反面、高流量時や急加速時のＰＭ捕集率がＤＰＦに比べて低いという欠点がある。

そこで本発明の目的は、上記各従来例の欠点を解消し、排気抵抗が低く、ＰＭ捕集率やＮＯｘ浄化率の高い装置を提供することにある。

第１の本発明は、多孔質の隔壁を有し排ガスが前記隔壁を通って流れるようにされたハニカム構造体と、前記ハニカム構造体の中を通って延びる中心電極と、前記ハニカム構造体の外周面に設けられた対向電極と、を備え、前記中心電極と前記対向電極との間に電圧を印加することにより前記排ガス中の粒子状物質を吸着する排ガス浄化装置であって、前記隔壁の気孔率を６０％以上８０％以下としたことを特徴とする排ガス浄化装置である。

一般にハニカム構造体における隔壁の気孔率は５５％程度であるところ、第１の本発明では気孔率を６０％以上８０％以下としたので、排ガスが多孔質の隔壁を通って濾過されるウォールフロー型の構造を採用しつつ、比較的低い排気抵抗を実現できる。また第１の本発明では中心電極と対向電極とによる静電吸着を併せて行うことによって、ＰＭ捕集率を向上することができる。また触媒物質を担持させる場合には、高い気孔率により触媒担持量を増やすことができ、これによってＮＯｘ浄化率を向上することも可能となる。

また一般にハニカム構造体における隔壁の平均細孔径は９〜３０μｍ程度であるところ、第２の本発明のように隔壁の平均細孔径を２０μｍ以上６０μｍ以下とすることにより、第１の本発明による効果を特に好適に実現できる。

また、本発明におけるハニカム構造体には、第３の本発明のように触媒物質を担持させるのが望ましく、また触媒物質の担持量は、第４の本発明のように１００ｇ／Ｌ以上４００ｇ／Ｌ以下とするのが特に好適である。

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は本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置１の概略構成を示す斜視図であり、図２はその要部を示す断面図である。排ガス浄化装置１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１は、ほぼ円筒形の金属製の外筒部２を備え、この外筒部２の内側に支持されたハニカム構造体１０を有している。ハニカム構造体１０の外周面には、外周電極１５が形成されており、外周電極の外側と外筒部２との間は、不図示のアルミナマットなどにより密封されている。

図２に示されるように、ハニカム構造体１０は、多孔質の隔壁１１により仕切られた多数の排ガス通路１２であって排ガスの流入方向（図中Ａ方向）に平行な排ガス通路１２を備えており、排ガス通路１２の上流側の一部の開口部、および上流側の開口部が開放されている排ガス通路１２の下流側の開口部が、詰栓１３によって閉塞されている。このような構造によって、排ガスの流路が隔壁１１によってブロックされ、排ガスは隔壁１１を通って流れるようにされている。

ハニカム構造体１０はセラミックス材料からなり、具体的にはコーディエライトやＳｉＣ（炭化珪素）等を用いるのが好適である。ハニカム構造体１０の排ガス通路を除く基材部（隔壁）の気孔率は６０％以上８０％以下、より好ましくは６５％以上７５％以下とする。ここにいう気孔率は、基材部（隔壁）の体積あたりの細孔の容積の割合である。ハニカム構造体１０の壁部２１には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒がコーティングにより担持されている。ハニカム構造体１０の気孔率の下限を６０％としたのは、これより低い気孔率ではＮＯｘ吸蔵還元型触媒をコートした場合に圧損が高くなりすぎるからであり、上限を８０％としたのは、これより高い気孔率ではハニカム構造体１０の機械的構造を保つことが困難になるからである。

ハニカム構造体１０の基材部（隔壁）の平均細孔径は、２０μｍ以上６０μｍ以下、より好ましくは２５μｍ以上５５μｍ以下とする。平均細孔径の下限を２０μｍとしたのは、これより低い細孔径ではＮＯｘ吸蔵還元型触媒をコートした場合に圧損が高くなりすぎるからであり、上限を６０μｍとしたのは、これより高い細孔径ではハニカム構造体１０の機械的構造を保つことが困難になるからである。

再び図１において、ハニカム構造体１０を貫いて、中心電極２０が設置されている。中心電極２０は、棒状の電極本体２１の周囲を、絶縁体層２２で被覆してなり、電極本体２１の下流側の端部に接続された金属結線２４が、絶縁体層２２を通じて外部に引き出されている。絶縁体層２２としては耐熱性・耐衝撃性と電気絶縁性を備えたセラミックス等を用いるのが好適である。金属結線２４は、図３に示されるように、外筒部２に固定されたセラミックス製の絶縁性プラグ２５を通じて、外筒部２の外部に引き出されている。

電極本体２１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その他の導電体を用いることができる。

絶縁体層２２は、ハニカム構造体１０の前端面に対し上流側に、略円錐台形の膨大部２２ａを有しており、動作の際には膨大部２２ａの作用によって排ガスの流れが偏向され、ハニカム構造体１０の軸心の近傍へのＰＭの集中的な付着が抑制される。

ハニカム構造体１０およびその外周に形成されている外周電極１５は、電気的に接地されている。他方、中心電極２０の金属結線２４は高圧電源３０の正極に接続されている。なお、この高圧電源３０の出力は直流、直流パルス、交流、および直流と交流との重畳とするのが好適であり、またその電圧は５ｋＶ以上、例えば１５〜３０ｋＶ程度が好適である。

以上のとおり構成された本実施形態では、エンジンから排出されたＰＭを含む排ガスが、排気管を通って外筒部２の中に導かれると、排ガスは上流端開口の排ガス通路１２からハニカム構造体１０内に侵入すると共に、その全量が多孔質の隔壁１１を通って流れ、下流端開口の排ガス通路１２から下流側に排出される。この過程で、ＰＭは隔壁１１によって濾過される。

他方、エンジンの始動と同時に高圧電源３０がオンされ、中心電極２０と外周電極１５との間に高電圧が印加されると、排ガス中のＰＭが中心電極２０からの放電によって正極に帯電され、またハニカム構造体１０が負極に帯電されるため、ＰＭは電気的吸引力によりハニカム構造体１０に向けて吸引される。この結果、ハニカム構造体１０の隔壁１１を通じて流通するＰＭの移動経路が偏向され、ＰＭはそれらの隔壁１１の気孔内に堆積されることになる。堆積されたＰＭは、通電に伴う温度上昇により燃焼ないし酸化させられる。

ここで、ハニカム構造体における隔壁の気孔率は一般に５５％程度、隔壁の平均細孔径は９〜３０μｍ程度であるところ、本実施形態では気孔率を６０％以上８０％以下とし、かつ隔壁１１の平均細孔径を２０μｍ以上６０μｍ以下としたので、排ガスが多孔質の隔壁１１を通って濾過されるウォールフロー型の構造を採用しつつ、比較的低い排気抵抗を実現できる。また本実施形態では中心電極２０と外周電極１５（対向電極）とによる静電吸着を併せて行うことによって、ＰＭ捕集率を向上することができる。

また本実施形態では、上述のとおり気孔率を６０％以上８０％以下とし、かつ隔壁の平均細孔径を３５μｍ以上６０μｍ以下としたので、触媒物質の担持量を１００ｇ／Ｌ以上４００ｇ／Ｌ以下のように比較的大きい値にすることができ高いＮＯｘ浄化率を実現できると共に、触媒物質を担持させた状態においても低い排気抵抗を実現できる。

本実施形態に基づき、以下の排ガス浄化装置を作成した。すなわち実施例として、直径１２９ｍｍ、ハニカム容積２Ｌ、壁厚１２ミリインチ（０．３ｍｍ）、セル数３００cell／inch^２（４６．５cell／ｃｍ^２)、気孔率７０％、平均細孔径が５５μｍ、セル断面正方形のハニカム構造体１０を用意し、その互いに隣接する開口部の前後を交互に栓詰してＤＰＦとし、更にこれにコート触媒として、Ｌｉ＝３mol／Ｌ、Ｐｔ＝５ｇ／Ｌ、コート材をＡｌ_２Ｏ_３とするＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＮＳＲ；ＮＯｘ Storage Reduction catalysis)を担持させた。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のコート量は３００ｇ／Ｌとした。また、直径６ｍｍ、長さ３００ｍｍのＳＵＳ材からなる中心電極２０を用意し、この周囲にムライト（Ａｌ_２Ｏ_３‐ＳｉＯ_２系の高温安定化合物）からなる２ｍｍ厚の絶縁体層２２を形成した。比較例１は気孔率６０％、平均細孔径が３０μｍのハニカム構造体の互いに隣接する開口部の前後を交互に栓詰してＤＰＦとし、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のコート量を１５０ｇ／Ｌとした。比較例２はコーディエライトからなるハニカム構造体の開口部を栓詰せずストレートフロー型基材とし、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のコート量を２７０ｇ／Ｌとした。実施例および比較例１におけるハニカムフィルタの細孔容量の分布は図４に示されるとおりである。

これら実施例、比較例１および比較例２について、ＰＭ静電捕集試験およびＮＯｘ浄化試験を行った。

ＰＭ静電捕集試験はフルトンネル（全量希釈トンネルシステム）により行い、捕集率の測定は重量法（ハニカム構造体の前後に設けたフィルタ上のＰＭの重量差で捕集率を測定する方法)によった。試験には排気量２Ｌのディーゼルエンジンを用い、回転数２０００ｒｐｍ、負荷３０Ｎｍとした。印加する電圧は３０ｋＶ・０．７ｍＡの直流とした。試験の結果、ＰＭ３ｇ／Ｌ堆積時の圧損は、比較例１で３．８２ｋＰａ、比較例２で２．７８ｋＰａに対し、実施例では２．９９ｋＰａであり、ウォールフロー型基材でありながらストレートフロー型基材に近い低い圧損性能を得ることができた。また、ＰＭ３ｇ／Ｌ堆積時のＰＭ捕集率は、比較例１で９０％、比較例２で６３％に対し、実施例では９５％という高い値を得ることができた。

ＮＯｘ浄化試験は、触媒導入時のガス温度を３００°Ｃとし、リーン運転で飽和吸蔵に達した後、排気マニホルド直下への還元剤（軽油）添加によるリッチ制御（リッチパルスの添加時間は１ｓ）を行った場合の浄化率を評価した。試験には同じく排気量２Ｌのディーゼルエンジンを用い、回転数２０００ｒｐｍ、負荷３０Ｎｍとした。印加する電圧は３０ｋＶ・０．７ｍＡの直流とした。試験の結果、ＮＯｘ浄化率は、比較例１で５０％、比較例２で８２％であったのに対し、実施例では９１％という高い値を得ることができた。

これらの試験の結果を図５に示す。以上から、本発明の構成によって低い圧損と高いＮＯｘ浄化率とを実現できることが確認された。

なお、上記各実施形態においては、中心電極２０を正極に、外周電極１５を負極に接続する例につき説明したが、逆の極性であってもよい。また、中心電極と外周電極とのうち少なくともいずれか一方を複数個設けてもよい。また、各電極に対する電圧印加の形態も常時印加に限らず、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、上記実施形態では電極を棒状や筒状としたが、本発明ではそれ以外の構造の電極、例えばメッシュ電極や平板状電極を用いてもよい。

さらに、本発明における触媒物質の種類も上述のようなＮＯｘ吸蔵還元型触媒のほか、ＮＯｘ選択還元型触媒（例えばコート触媒をＰｔとしコート材をゼオライトとするもの）、ＰＭ触媒（Ｐｔ−Ａｌ_２Ｏ_３系やＣｅＯ_２系のもの）、三元触媒など他の各種のものを使用することが可能であって、いずれも本発明の範疇に属するものである。但しディーゼルエンジンの排ガス浄化の目的にはＮＯｘ吸蔵還元型触媒またはＮＯｘ選択還元型触媒が好適である。また本発明は、車両以外の内燃機関についても適用できることはいうまでもない。

本発明の本実施形態の排ガス浄化装置を示す断面図である。 ハニカム構造体の要部を示す断面図である。 外筒部に固定された絶縁性プラグの近傍を示す断面図である。 本発明の実施例および比較例におけるハニカム構造体の細孔分布を示すグラフである。 本発明の実施例および比較例についての試験結果を示す図表である。

符号の説明

１ 排ガス浄化装置
２ 外筒部
１０ ハニカム構造体
１５ 外周電極
２０ ハニカム構造体
３０ 高圧電源

Claims (4)

1. 多孔質の隔壁を有し排ガスが前記隔壁を通って流れるようにされたハニカム構造体と、
   前記ハニカム構造体の中を通って延びる中心電極と、
   前記ハニカム構造体の外周面に設けられた対向電極と、
   を備え、前記中心電極と前記対向電極との間に電圧を印加することにより前記排ガス中の粒子状物質を吸着する排ガス浄化装置であって、
   前記隔壁の気孔率を６０％以上８０％以下としたことを特徴とする排ガス浄化装置。
2. 請求項１に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記隔壁の平均細孔径を２０μｍ以上６０μｍ以下としたことを特徴とする排ガス浄化装置。
3. 請求項１または２に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記ハニカム構造体に触媒物質を担持させたことを特徴とする排ガス浄化装置。
4. 請求項３に記載の排ガス浄化装置であって、
   前記触媒物質の担持量を１００ｇ／Ｌ以上４００ｇ／Ｌ以下としたことを特徴とする排ガス浄化装置。
   

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