JP2017141803A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電磁波と電磁波吸収体とを利用して浄化触媒を急速に加熱することができる内燃機関の排気浄化装置であって、電磁波吸収体の使用量を抑え、低コストで確実に浄化用触媒を加熱すること。【解決手段】内燃機関22の排気通路5に設けられた触媒を担持した担体6と、この担体6の排気上流側端面6aに塗布された電磁波吸収体60と、担体6の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナ30とを備え、内燃機関22及び電磁波照射アンテナ30に電磁波を供給する電磁波発振器31を制御する制御手段7によって、担体6端面を一定温度まで昇温した後に、内燃機関22を低速回転で始動し、排気通路5に微量の気体を送り出す【選択図】図1
Description
本発明は、内燃機関の排気通路に配設され、内燃機関から排出される排ガスを浄化する排気浄化装置に関するものである。
内燃機関から排出される排ガスを浄化する排ガス浄化装置としては、所謂三元触媒を利用した浄化装置を用いる技術が知られている。しかし、この三元触媒は、排ガスに含まれるHC、CO、NOxを対象に酸化還元反応を利用して浄化するものであるが、活性温度範囲があり、内燃機関始動時には活性温度範囲よりも低温で排ガスに含まれる有害成分を浄化することができない。
そのため、例えば、特許文献1に記載の内燃機関の排気浄化装置は、浄化用触媒(触媒を担持した担体)の上流の排気管内にバーナの火炎によって加熱される蓄熱材を配設し、エンジン始動前に蓄熱材を加熱して、その後、すぐにクラッキングを行い、エンジンを始動する。これによって、始動時の低温排ガスが蓄熱材によって昇温され、昇温された排ガスが浄化触媒を通過する際に触媒を昇温し、触媒を活性化するようにした排気浄化装置が開示されている。
しかし、特許文献1に記載の内燃機関の排気浄化装置では、浄化用触媒とは別に蓄熱材を配設する必要があり、従前のマフラーをそのまま利用することができず別途配管通路を設計する必要がある。また、蓄熱材を加熱するためのバーナを配設する必要があるため、バーナ用燃料タンク、ポンプ、コンプレッサ及び点火源としてのグロープラグ等が必要となり装置の大型化と費用の高騰という問題がある。また、特許文献2に記載の浄化装置では、カーボコイルを有する発熱層と被覆層とに分けて構成しているため製作に手間を要するとともに、十分な発熱が得られない虞があるという問題があった。
そのため、本発明者等は、浄化装置の触媒を加熱する手段として、特許文献2に記載の内燃機関の浄化装置(触媒を担持した触媒コンバータ)を加熱する排気浄化装置を開発した。この内燃機関の浄化装置は、マイクロ波とマイクロ波を吸収して発熱するマイクロコイルを発熱層として、高温ガスが流通する対象空間である浄化触媒に一体に設けた浄化装置が開示されている。この浄化装置は、高温の排ガスが流通する空間に設けられているため、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルが高温ガスに晒され、焼損する等の不具合を防止するために発熱層を被覆する被覆層が設けられており、電磁波を利用して、短時間で触媒を担持した触媒コンバータを加熱することができる。
ところで、特許文献2に記載の内燃機関の浄化装置では、例えばカーボンマイクロコイルを主体とする電磁波吸収体(マイクロ波吸収体)を、浄化用触媒(触媒を担持した触媒コンバータ)の全体に亘って、特に、ハニカム構造・多孔構造の担体内にまで電磁波吸収体を被覆層として積層するように構成しているため浄化用触媒の製造に手数を要するとともに、マイクロ波吸収体の使用量が多くなり製造コストが高騰するという問題があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の始動時における低温の排ガスが流通する内燃機関の始動時において、電磁波と電磁波吸収体とを利用して浄化触媒を急速に加熱することができる内燃機関の排気浄化装置であって、電磁波吸収体の使用量を抑え、低コストで確実に浄化用触媒を加熱することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することである。
上記課題を解決するためになされた発明は、
内燃機関の排気通路に設けられた触媒を担持した担体と、
前記担体の排気上流側端面に塗布された電磁波吸収体と、
前記担体の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナと
を備えた内燃機関の排気浄化装置である。
内燃機関の排気通路に設けられた触媒を担持した担体と、
前記担体の排気上流側端面に塗布された電磁波吸収体と、
前記担体の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナと
を備えた内燃機関の排気浄化装置である。
本発明の内燃機関の排気浄化装置は、触媒を担持した担体の排気上流側端面に塗布した電磁波吸収体に電磁波を照射することで、短時間で電磁波吸収体を加熱し、加熱された電磁波吸収体によって消音された低温の排ガスが担体全体を昇温する。この場合、電磁波吸収体として、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルを耐熱性粉末素材と混合して構成することが好ましい。電磁波吸収体としてマイクロコイル、より具体的にはカーボンマイクロコイルを利用することで、カーボンマイクロコイルがもつ、電磁波を吸収して短時間で発熱する特性を利用し、電磁波吸収体にマイクロ波(電磁波)を吸収させることで、電磁波吸収体を発熱させ、短時間で触媒を担持した担体を加熱する。
この場合において、内燃機関及び電磁波照射アンテナに電磁波を供給する電磁波発振器を制御する制御手段を備え、この制御手段は、内燃機関始動のクラッキング運転前に内燃機関を低速回転で始動し、排気通路に微量の気体を送り出すようにすることができる。
クラッキング運転前、つまりエンジンをアイドリングで回転させる前に、電磁波によって端面が加熱された担体に気体を送り込むことで担体全体を加熱する。
更にこの場合において、内燃機関から送り出す気体を未燃ガスとすることができる。
燃料と空気の混合気であって、内燃機関の燃焼室内で放電を加えず未燃のまま排出させた未燃ガスの場合、加熱された担体表面で未燃ガスが酸化反応等により発熱することでさらに担体全体の加熱を促進する。
また、これらの場合において、電磁波照射アンテナは、絶縁体から露出する照射部が照射する電磁波の周波数をλとした場合、(λ/4)×n(nは自然数)とすることができる。アンテナ長さを照射する電磁波の(λ/4)の倍数とすることで絶縁体からの露出点から(λ/4)の倍数の箇所の電界が高まり対応する位置の電磁波吸収体が加熱される。
また、これらの場合において、電磁波照射アンテナは、絶縁体から露出する照射部が照射する電磁波の周波数をλとした場合、λ/4毎に複数回屈曲させるようにすることができる。屈曲点毎に電界が高まり対応する位置の電磁波吸収体が加熱される。
本発明では、担体の端面にのみ電磁波吸収体を塗布し、送り込まれる気体によって担体全体を効果的に加熱することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
<実施形態1>
本実施形態の排気浄化装置1は、内燃機関、例えば自動車のエンジンから排出される排ガスを浄化するもので、内燃機関22の排気通路5に設けられた触媒を担持した担体6と、この担体6の排気上流側端面6aに塗布された電磁波吸収体60と、担体6の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナ30とを備えている。電磁波照射アンテナ30は電磁波発振器31と組み合わせることによって電磁波放射装置3を構成する。電磁波発振器31は電磁波用電源4と電気的に接続される。電磁波照射アンテナ30は、図1に示すように排気通路5を形成する排気管の表面に配設する平面アンテナとすることができる。
本実施形態の排気浄化装置1は、内燃機関、例えば自動車のエンジンから排出される排ガスを浄化するもので、内燃機関22の排気通路5に設けられた触媒を担持した担体6と、この担体6の排気上流側端面6aに塗布された電磁波吸収体60と、担体6の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナ30とを備えている。電磁波照射アンテナ30は電磁波発振器31と組み合わせることによって電磁波放射装置3を構成する。電磁波発振器31は電磁波用電源4と電気的に接続される。電磁波照射アンテナ30は、図1に示すように排気通路5を形成する排気管の表面に配設する平面アンテナとすることができる。
この場合において、電磁波吸収体60を、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルを耐熱性粉末素材と混合して構成することができる。電磁波吸収体60としてマイクロコイル、より具体的にはカーボンマイクロコイルを利用することで、カーボンマイクロコイルがもつ、電磁波を吸収して短時間で発熱する特性を利用し、電磁波吸収体60に電磁波(マイクロ波)を吸収させることで、電磁波吸収体60を発熱させ、短時間で触媒を担持した担体を加熱する。なお、本明細書では、カーボンマイクロコイルには、カーボンマイクロコイルよりも線径の小さいカーボンナノコイルも含む。
触媒は、本実施形態においては、三元触媒システムの主成分となる活性金属(プラチナ、パラジウム、ロジウム)である。三元触媒システムは、ガソリンを燃料とする自動車の排ガス中に含まれる炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOX)を浄化する。三元触媒は、炭化水素を水と二酸化炭素に、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化し、窒素酸化物を窒素に還元する。
三元触媒システムは、常温では還元能力が低く、エンジンが冷えた状態で始動した直後では還元能力がほとんどない。そのため、エンジンの始動時に三元触媒システムを適切に作動させるためには、触媒が活性化する適切な温度にまで加熱する必要がある。本実施形態においては、排気浄化装置1が、触媒を担持した担体6をすみやかに加熱して触媒を活性化させる。
触媒を担持する担体6、図1、図2に示すように、外径が排ガス通路を形成するケーシング50の担体6の保持部の内径とほぼ同じに設定され、固定用の部材(図示省略)でケーシング50の内部に固定される。担体6は、その材質を特に限定するものではないが、例えば、ハニカムセラミック構造体で構成されている。
ハニカム構造体は、マイクロ波を透過可能な絶縁性の材料からなる外形が円柱状の部材である。本実施形態では、ハニカム構造体は、断面格子状の格子部を備えている。ハニカム構造体は、格子部の間の空隙を通して、図1の図中の矢印で示す方向に排ガスが流通可能に構成されている。
ケーシング50は、担体6を収納するために設けられた、概ね筒状の金属製の部材(所謂マフラー)である。ケーシング50は、自動車のエンジンの排気管の一部を構成しており、ケーシング50の内部は、排ガスが流通する排ガス通路を構成している。
電磁波吸収体60の担体6端面への塗布の方法について説明する。本明細書における塗布とは、被塗物(本実施形態においては担体6)に塗物(本実施形態においては電磁波吸収体60)の対象面に対して刷毛を使用しての一般的な塗布の他、スプレーガンを使用した塗布、被塗物の入った容器に塗物を浸漬して付着させる等、種々の方法を含む。
ここで、電磁波吸収体60として使用するマイクロコイルは、炭素原子を主成分とするいわゆるカーボンマイクロコイル(以下、CMCという)で構成されている。CMCは、約0.01〜1μmのピッチでコイル型に巻かれた形状を持つ微細な炭素繊維である。
担体6の排気上流側端面へのCMCの塗布は、特に限定するものではなく、例えば、CMCをセラミックス粉末泥しょうに添加し、撹拌して均一に分散させたスラリー状(以下、CMCスラリーという)とした後、0.05mm〜1.0mm、好ましくは0.1mm〜0.6mm、より好ましくは、0.2mm〜0.4mmの厚みで担体の通気孔を閉塞することがないように、塗布対象面上にCMCスラリーを付着するようにして成形する。
そして、一定時間放置又は乾燥炉に入れることで乾燥させ、担体の通気孔を閉塞することがないように、釉薬を塗布し、乾燥させ焼成することで担体端面への塗布を完了する。
また、セラミック系のバインダーと、マイクロコイルとを混合したスラリー溶液から構成され、これを担体6端面の表面に塗布し、ハニカム構造体とともに焼成することによって形成することもできる。
カーボンマイクロコイルは、電磁波を吸収して発熱する特性を持つ。本実施形態では、この特性を利用して後述の電磁波放射装置3からマイクロコイルに電磁波(マイクロ波)を吸収させて、マイクロコイルを発熱させる。そして、マイクロコイルで発生した熱により、担体6の端面が加熱される。
担体6の端面に塗布する電磁波吸収体60は、端面全体に塗布することもできるが、図2に示すように端面中心部分61のみ、中心より外側の環状部62(担体6の端面半径を3Rとした場合、Rから2Rの範囲)のみ、さらに外側の環状部63(担体6の端面半径を3Rとした場合、2Rから3Rの範囲)のみに塗布するように構成することもできる。本発明者等の実験によれば、環状部63に塗布することが好ましい。また、端面中心部分61に塗布する場合も効果的であることが判った。
そして、本実施形態の排気浄化装置1は、内燃機関22及び電磁波照射アンテナ30に電磁波を供給する電磁波発振器31を制御する制御手段7を備えている。この制御手段7は、内燃機関22を始動するクラッキング運転前(アイドリング運転前)で、電磁波(マイクロ波)を照射し、担体6端面を一定温度まで昇温した後に、内燃機関22を低速回転で始動し、排気通路5に微量の気体を送り出すようにしている。
具体的には、通常のアイドリング用モータよりも低速で回転可能な駆動装置21(例えば駆動モータ)によって、内燃機関22を低速で回転させる。この際の回転数は特に限定するものではないが、例えば10rpm〜100rpm程度の低速回転で運転する。これによって、高温となった担体6の端面を通過する際に熱交換され高温となった気体が担体6全体を加熱することができる。
<電磁波照射アンテナ>
電磁波を照射する電磁波照射アンテナ30は、図3に示すように、アンテナ本体を構成する導体32と、導体32を覆う絶縁体33(セラミック)とが同軸構造となっており、導体32が絶縁体33から露出する導体32の照射部が、照射する電磁波の周波数をλとした場合、(λ/4)×n(nは自然数)となるようにすることが好ましい。この場合、電磁波照射アンテナ30の導体32は、電磁波吸収体60が塗布された箇所の近傍に位置するように配設することが好ましい(本実施形態においては、端面中心部分61に塗布した例を示す)。なお、導体32は図3(b)に示すように、直線上としたり、図3(c)に示すように、円状にしたりすることができる。円状にした場合、端部を絶縁体33の近傍で短絡し、円環状とすることもできる。
電磁波を照射する電磁波照射アンテナ30は、図3に示すように、アンテナ本体を構成する導体32と、導体32を覆う絶縁体33(セラミック)とが同軸構造となっており、導体32が絶縁体33から露出する導体32の照射部が、照射する電磁波の周波数をλとした場合、(λ/4)×n(nは自然数)となるようにすることが好ましい。この場合、電磁波照射アンテナ30の導体32は、電磁波吸収体60が塗布された箇所の近傍に位置するように配設することが好ましい(本実施形態においては、端面中心部分61に塗布した例を示す)。なお、導体32は図3(b)に示すように、直線上としたり、図3(c)に示すように、円状にしたりすることができる。円状にした場合、端部を絶縁体33の近傍で短絡し、円環状とすることもできる。
また、電磁波照射アンテナ30は、図4に示すように、絶縁体33から露出する導体32の照射部が照射する電磁波の周波数をλとした場合、(λ/4)×n(nは自然数)毎に複数回屈曲させるように構成することもできる。屈曲点で電界が集中し、屈曲点近傍の電磁波吸収体60を効果的に昇温加熱することができる。
図3〜図4に示す、アンテナ本体を構成する導体32は、電磁波吸収体60を塗布した担体6の排気上流側端面6aに接するように配設することもできる。接するように配設することで電磁波吸収体60がより効率よく電磁波を吸収し短時間で昇温する。この場合、電磁波照射アンテナ30を排気上流側端面6aから離間させるアンテナ移動手段(図示省略)を配設することが好ましい。アンテナ移動手段は、例えば、導体32を絶縁体33とともに揺動させるような揺動手段から構成することができる。
さらに、図3〜図4に示す、アンテナ本体を構成する導体32をセラミックチューブ等の絶縁カバーで被覆することができる。本発明者等の実験及び解析によれば、セラミックチューブ34で被覆しない場合、導体32のλ/4の点(実質的に先端部分)で電界が集中し、係る点の近傍にある電磁波吸収体60と比べ、λ/4の点である先端部から離れた導体32近傍にある電磁波吸収体60の昇温効果が低かった。しかし、セラミックチューブ34で被覆することで、導体32のλ/4の点から離れた導体32近傍にある電磁波吸収体60も効率よく昇温されることが判明した(図5(a)の電界集中箇所を参照)。
また、アンテナ本体を構成する導体32は、絶縁体33から露出したところから、図5(b)〜(c)に示すように複数に分岐(図例においては3分岐と7分岐)させることもできる。この場合も、分岐させた導体32をセラミックチューブ34で被覆することが好ましい。
更に、図6に示すように、アンテナ本体を構成する導体32を、先端側に向かって幅が広くなる台形状の平板構造アンテナ32aとすることができる。先端側の幅を広くすることで、電界集中箇所を均一に拡げることができる。また、この場合も平板構造アンテナ32aを平板状の保護セラミック34a(絶縁カバー)で覆うことが好ましい。
<浄化装置加熱運転方法>
本発明の浄化装置を加熱する際の内燃機関の運転方法について説明する。
本発明の浄化装置を加熱する際の内燃機関の運転方法について説明する。
本実施形態では、内燃機関をクラッキングスタートする際のセルモータを一般的なセルモータとは別に又は一般的なセルモータに換えて低速回転可能な駆動装置21(駆動モータ)を配設する。この駆動装置21は、内燃機関22のピストンを低速で駆動するためのもので、駆動時には燃料を噴射することなく、エンジンを10rpm〜100rpm程度の低速回転で駆動する。そして、電磁波発振器31から照射される電磁波(マイクロ波)によって短時間で昇温された担体6の排気上流側端面6aの電磁波吸収体60の近傍にエンジンから排出される空気が触れ、高温状態の電磁波吸収体60近傍によって加熱された空気が担体6内を通過して担体6全体を短時間で昇温する。
また、エンジンを10rpm〜100rpm程度の低速回転で駆動しながら燃料を噴射し点火装置を作動させず未燃ガスを流すようにすることもできる。
高温状態の電磁波吸収体60(マイクロコイル)により、加熱雰囲気下の担体6端面を未燃ガスが通過することで、酸化反応等が生じ担体6全体が加熱され担持された触媒が加熱される。その結果、触媒が短時間で活性温度に到達する。
本実施形態においては、排気浄化装置1の電磁波放射装置3の電磁波によって担体6が加熱されるが、この加熱温度としては、触媒が活性化する温度、例えば、摂氏300−400度まで触媒を加熱するように構成されている。そして、活性温度に到達した触媒32により、排ガス中に含まれる炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)が分解される。クリーンとなった排ガスは、下流側に配置した排気通路(図示省略)を流通して大気へと放出される。
<実施形態2>
図7に示す、本実施形態の排気浄化装置1は、実施形態1と同様、内燃機関、例えば自動車のエンジンから排出される排ガスを浄化するもので、内燃機関22の排気通路5に設けられた触媒を担持した担体6と、この担体6の排気上流側端面6aに接するように設けた電磁波吸収体60を混入したセラミックハニカムからなる加熱ハニカム体10と、この加熱ハニカム体10の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナ30とを備えている。電磁波照射アンテナ30は電磁波発振器31と組み合わせることによって電磁波放射装置3を構成する。電磁波発振器31は電磁波用電源4と電気的に接続される。電磁波照射アンテナ30は、図7に示すように排気通路5を形成する排気管の表面に配設する平面アンテナとすることができる。また、図3〜図5で説明したアンテナ構造を採用することができる。
図7に示す、本実施形態の排気浄化装置1は、実施形態1と同様、内燃機関、例えば自動車のエンジンから排出される排ガスを浄化するもので、内燃機関22の排気通路5に設けられた触媒を担持した担体6と、この担体6の排気上流側端面6aに接するように設けた電磁波吸収体60を混入したセラミックハニカムからなる加熱ハニカム体10と、この加熱ハニカム体10の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナ30とを備えている。電磁波照射アンテナ30は電磁波発振器31と組み合わせることによって電磁波放射装置3を構成する。電磁波発振器31は電磁波用電源4と電気的に接続される。電磁波照射アンテナ30は、図7に示すように排気通路5を形成する排気管の表面に配設する平面アンテナとすることができる。また、図3〜図5で説明したアンテナ構造を採用することができる。
加熱ハニカム体10は、例えば、コーディエライトセラミックスハニカムが利用される。コーディエライトは、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化珪素(SiO2)の三成分からなるセラミックスで、タルク、カオリン、アルミナを調合して生成されるもので、本実施形態では、これらの成分に電磁波吸収体60を混入させて生成する。は、上述したとおり、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルを耐熱性粉末素材と混合して構成する。電磁波吸収体60としてマイクロコイル、より具体的にはカーボンマイクロコイル、カーボンナノコイルを利用する。
加熱ハニカム体10の厚みは、特に限定するものではないが、担体6の厚みの10%以下の厚み、例えば、10mm程度とすることが好ましい。そして、加熱ハニカム体10はセルを構成するセルの大きさとセル壁の厚みを、担体6に使用するコーディエライトセラミックスハニカムと同様の大きさとすることもできるが、電磁波吸収体60を十分に混入させる観点から、セル壁の厚みを大きくすることもできる。また、加熱ハニカム体10の下流側に位置することとなる担体6の排気上流側端面6aには、電磁波吸収体60を塗布するように構成しても構わない。
本実施形態の浄化装置加熱運転方法は、実施形態1と同様であり説明を省略する。
以上説明したように、本発明は、内燃機関駆動前に触媒を担持した担体を、電磁波を放射して短時間で加熱することができるから、内燃機関、特に寒冷地で使用する内燃機関の排気浄化装置について有用である。
1 排気浄化装置
22 内燃機関
3 電磁波放射装置
30 電磁波照射アンテナ
31 電磁波発振器
5 排気通路
6 担体
60 電磁波吸収体
6a 排気上流側端面
22 内燃機関
3 電磁波放射装置
30 電磁波照射アンテナ
31 電磁波発振器
5 排気通路
6 担体
60 電磁波吸収体
6a 排気上流側端面
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に設けられた触媒を担持した担体と、
前記担体の排気上流側端面に塗布された電磁波吸収体と、
前記担体の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナと
を備えた内燃機関の排気浄化装置。 - 前記内燃機関及び前記電磁波照射アンテナに電磁波を供給する電磁波発振器を制御する制御手段を備え、
該制御手段は、内燃機関始動のクラッキング運転前に内燃機関を低速回転で始動し、排気通路に微量の気体を送り出すようにした請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。 - 前記気体は未燃ガスである請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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Cited By (1)
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2016
- 2016-05-26 JP JP2016105461A patent/JP2017141803A/ja active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160531 |