JP2910373B2 - 内燃機関用排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高周波エネルギを利用し
て加熱昇温させる高周波発熱体に関するものであり、自
動車などの内燃機関から排出される排気ガス中の炭化水
素、一酸化炭素などの有害物質の分解手段に利用される
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンを燃料とする自動車は排気ガス
中に含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物の排出
規制が強化される動きにある。これら汚染物質の浄化方
法の一つとして触媒による後処理方式があり、現在実用
化されている。この後処理方式に用いられる代表的な触
媒体としては空燃比を理論空燃比付近に制御することに
より炭化水素、一酸化炭素の酸化と窒素酸化物の還元を
同時に行い、無害な炭酸ガス、水蒸気、窒素に変換する
三元触媒があり、この三元触媒は主として乗用車に搭載
されている。

【０００３】図５は乗用車に搭載されている従来の排ガ
ス浄化ユニットを示す。同図において、１はエンジン、
２は排気マニホールド、３は排気管、４は酸素センサ、
５は三元触媒体、６は三元触媒５を収納する容器、７は
排気温度センサ、８はマフラーであり、従来の排ガス浄
化装置は三元触媒体５と容器６から構成され、三元触媒
体５は排気マニホールド２に接続された排気管３の途中
に配置されている。三元触媒体５は特公昭５２−３３５
８号公報に開示されているように、シリカ、アルミナ、
マグネシアを主成分とするコーディエライトのセラミッ
クハニカム構造体からなる担体に表面積の大きいアルミ
ナなどの微粒子からなるコーティング層を設け、このコ
ーティング層に白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金
属微粒子を担持して構成されている。

【０００４】エンジン１が始動すると燃焼による排気ガ
スは排気マニホールド２を通り排気管３の途中に設けら
れた排気ガス浄化装置に導かれる。この排気ガスは三元
触媒体５のハニカム構造を構成する各々のセルを通過し
て排気管３より大気に排出される。この時、空燃比は酸
素センサ４により理論空燃比付近に制御され、排気ガス
中に含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物は三元
触媒体５の酸化、還元反応により無害な炭酸ガス、水蒸
気、窒素に変換される。しかし、上記反応が起こるため
には三元触媒体５を触媒として機能する温度に昇温させ
る必要がある。この三元触媒体５は排気ガスの熱によっ
て加熱されるがコールドスタート時は触媒として機能す
る温度に到達するのに約１分要し、それまでは有害な排
気ガスが大気に排出されることになる。

【０００５】上記有害な排気ガスの排出を低減するため
に、三元触媒体５の前面に三元触媒体５より容積の小さ
い金属からなるハニカム構造体（触媒を担持したもの）
を配置し、これを電気ヒータ、バーナなどの加熱手段を
用いて急速加熱し、触媒として機能する温度に到達する
時間を短縮する方法が検討されているがまだ実用レベル
に至っていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の構成におい
て、触媒体は排気ガスによって加熱されるため触媒とし
て機能する温度に到達するのに約１分かかる。この状況
は現在の排気ガス規制をクリアしているものの、今後さ
らに強化される排気ガス規制に対しては上記コールドス
タート時の排気ガス中の有害物質の排出量（特に炭化水
素）が問題になり、現状の排ガス浄化ユニットでこれを
クリアすることは困難であるという課題があった。

【０００７】また従来の三元触媒体の前面に配置した金
属からなるハニカム構造体をバーナで加熱する方法は、
バーナの点火時、ミス着火時などに炭化水素が発生した
り、バーナを含めた燃焼構成部の信頼性が劣るなどの課
題があった。

【０００８】またバーナの代わりに電気ヒータを用いる
方法は大電力（大電流）を必要とするので電線が大きく
なり配線が困難となるとともに、別の駆動電源を必要と
するなど自動車電源から十分に供給することが実用的に
困難であるという課題があった。

【０００９】本発明は上記課題を解決するもので、高周
波によって排気ガス中に含まれる有害物質を分解する浄
化手段を急速加熱し、コールドスタート時の排気ガス中
の有害物質を低減できるとともに、高周波発生源の駆動
電源を自動車電源から十分に供給できる排気ガス浄化装
置の提供を目的としたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、内燃機関の排気ガスを排出する排気管の途中
に設けられた加熱室と、前記加熱室に高周波エネルギを
発生する高周波発振器と、前記加熱室に収納され、高周
波エネルギを吸収し熱交換により発生する熱で加熱され
る排気ガス中に含まれる有害物質を分解する第１の浄化
手段と、前記加熱室に収納され、第１の浄化手段の排気
ガスの流れに対し後方に配置された排気ガスの熱と前記
第１の浄化手段より発生する熱で加熱される排気ガス中
に含まれる有害物質を分解する第２の浄化手段と、前記
加熱室に酸素を含む気体を供給する送風手段とを備えた
構成としている。

【００１１】また本発明は有害物質を分解する第１の浄
化手段として、セラミックからなる担体と、前記セラミ
ックからなる担体に担持された高周波を吸収して発熱す
る高周波吸収材料と、前記高周波吸収材料の表面及び空
隙に担持された有害物質の分解を助長する触媒と、前記
セラミックからなる担体と前記高周波吸収材料と前記触
媒を接着する無機質バインダとを用いた構成としてい
る。

【００１２】また本発明は有害物質を分解する第２の浄
化手段として、金属またはセラミックからなる担体と、
前記担体に担持された有害物質の分解を助長する触媒と
を用いた構成としている。

【００１３】

【作用】本発明は上記構成によって、ガソリン車のエン
ジンが始動すると同時に高周波エネルギが第１の浄化手
段を収納している加熱室に給電される。このとき前記第
１の浄化手段は高周波を効率的に吸収し発熱する高周波
吸収材料と低温で有害物質を分解する触媒が担持されて
いるので、排気ガス中に含まれる有害物質である炭化水
素や一酸化炭素を分解する温度に短時間で上昇し、前記
有害物質を無害である水蒸気と炭酸ガスに分解させるこ
とができる。また前記第１の浄化手段において、セラミ
ックからなる担体に担持した高周波吸収材料のみが高周
波エネルギを吸収し発熱するので高周波エネルギを発生
するための消費電力を少なくすることができる。さらに
前記加熱室に酸素を含む気体を供給する送風手段を設け
た構成にすることにより、排気ガス中の有害物質である
炭化水素や一酸化炭素の分解 に必要な酸素を十分に供給
することができる。したがって高周波エネルギにより加
熱された第１の浄化手段に前記送風手段から酸素を含む
気体を供給することによって、有害物質の分解反応の進
行を促進させることができ、より高い浄化性能を得るこ
とができる。

【００１４】一方、エンジンが始動して１分程度経過す
ると排気ガス温度が上昇するので第１の浄化手段は前記
有害物質を分解できる温度以上に保持され、高周波エネ
ルギによる加熱は必要なくなる。さらに第２の浄化手段
も排気ガスによる熱や第１の浄化手段から放出される熱
によって加熱され、前記有害物質を分解できる温度以上
に上昇する。したがって自動車が走行状態に入り、エン
ジン回転数が高くなることにより排気ガス量が多くなっ
ても、第１、第２の浄化手段が有害物質の分解機能を有
するので高い浄化性能を維持することができる。

【００１５】また第１の浄化手段に有害物質を低温で分
解する触媒を用いることにより、前述の有害物質の分解
反応をより低温で起こさせることができ、浄化性能が一
層向上するとともに、高周波エネルギの発生に必要な消
費出力をより少なくすることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面を参照して
説明する。

【００１７】図１は本発明の内燃機関用排ガス浄化装置
の参考例を示すものである。図１において、９は内燃機
関の排気ガスを排出する排気管、１０は排気管の途中に
設けられた加熱室、１１は加熱室１０内に収納され、排
気ガス中に含まれる有害物質である炭化水素や一酸化炭
素を分解する第１の浄化手段、１２は加熱室１０内に収
納され、排気ガスの流れに対し第１の浄化手段１１の後
方に配置された排気ガス中に含まれる有害物質を分解す
る第２の浄化手段、１３は第１および第２の浄化手段１
１、１２を支持および断熱するための断熱材である。１
４は加熱室１０に給電する高周波エネルギを発生させる
高周波発振器、１５は高周波発振器１４から発生した高
周波を加熱室１０に伝送する導波管である。この導波管
１５の加熱室１０内の排気ガス流入側は高周波を遮断
し、かつ排気ガスを第１の浄化手段１１へ導入できるよ
うに多数のパンチング孔を設けた構成としており、一方
排気ガス流出側は排気ガスを通過させるとともに、高周
波を第１の浄化手段１１へ給電するための開口部を設け
た構成としている。なお、前記開口部の周囲には排気ガ
スの圧力損失を低減するために高周波を遮蔽できる多数
のパンチング孔を設けてもよい。１６は第２の浄化手段
１２への高周波の漏れを防止する高周波遮蔽手段であ
り、前述の多数のパンチング孔を有する金属板あるいは
多数の貫通孔を有する金属のハニカム構造体から構成さ
れる。

【００１８】エンジンから排出された排気ガスは図１中
矢印で示した方向から排気管９を流れ、第１の浄化手段
１１に流入する。流入した排気ガスに含まれる炭化水素
や一酸化炭素の有害物質は第１の浄化手段１１および第
２の浄化手段１２により分解され、浄化された排気ガス
は排気管９より大気に排出される。

【００１９】図２は本発明の排気ガス浄化装置に用いら
れる第１の浄化手段１１の外観を示すものである。第１
の浄化手段１１の担体としては図２に示すようにセラミ
ックの隔壁により形成される多数の連通孔を有するハニ
カム構造体が適用される。このハニカム構造体からなる
担体はアルミナ、シリカ、ジルコニアなどのセラミック
繊維からなる多孔質シートのコルゲート加工やアルミ
ナ、シリカ、マグネシアを主成分とするコーディエライ
トのセラミック粉末の押し出し成形による加工によって
造られる。そして上述のハニカム構造体からなる担体に
高周波を効率よく吸収し発熱する高周波吸収材料と排気
ガス中の有害物質を低温で分解する触媒が担持される。

【００２０】図３は前記高周波吸収材料、触媒が担体に
担持された状態を示す第１の浄化手段１１の一部断面図
である。同図（ａ）はハニカム構造を有する担体がセラ
ミック粉末から構成される場合であり、１７は前記担体
のセラミック隔壁を示している。このセラミック隔壁１
７は緻密であるので高周波吸収材料１８、触媒１９のほ
とんどはセラミック隔壁１７の表面に担持された状態に
あり、無機質バインダ２０によって前述の各材料が接着
されている。一方同図（ｂ）はハニカム構造を有する担
体がセラミック繊維から構成される場合であり、２１は
セラミック繊維を示している。セラミック繊維２１から
構成される担体は多孔質であるので高周波吸収材料１
８、触媒１９は前記担体の表面だけでなく、内部にも担
持された状態にあり、無機質バインダ２０によって前述
の各材料が接着されている。

【００２１】図４は本発明の実施例における内燃機関用
排気ガス浄化装置の構成を示す。同図において、図１と
同一部材及び同一機能部材は同一番号で示している。図
１と異なる点は排気ガス浄化装置に酸素を含む気体を供
給する送風手段を設けた構成としていることである。２
２は加熱室１０に酸素を含む気体を供給する送風手段で
あり、この送風手段２２は送風機あるいは各種ポンプが
適用され、前記気体は導風管２３を通り加熱室１０に導
かれる。また導風管２３の途中には前記気体の送風を制
御するバルブ２４が設けられている。このバルブ２４は
本発明の排気ガス浄化装置を使用しない場合はエンジン
からの排気ガスが送風手段２２へ流入しないように閉鎖
されている。２５は高周波を放射するアンテナであり、
高周波発振器１４から発生した高周波は導波管１５を伝
送され、アンテナ２５より第１の浄化手段１１に放射状
に給電される。この場合、加熱室１０内部の導波管１５
は図１のように高周波を給電する開口部は必要なく、排
気ガスが通過でき、かつ高周波を遮蔽できる多数のパン
チング孔が設けられている。また２６はハニカム構造を
有する金属の成型体からなる第２の浄化手段であり、金
属上に形成している酸化被膜に白金、パラジウム、ロジ
ウムなどの貴金属からなる三元触媒が担持されている。
第２の浄化手段２６としてハニカム構造を有する金属の
成型体を用いる場合、それ自身が高周波の遮蔽機能を有
するので図１に示す高周波遮蔽手段１６を設ける必要は
ない。

【００２２】第２の浄化手段１２は従来の三元触媒が適
用可能であり、ハニカム構造を有するセラミック担体に
表面積の大きなアルミナなどの微粒子からなるコーティ
ング層を設け、このコーティング層に白金、パラジウ
ム、ロジウムなどの貴金属微粒子を担持して得られる
（図示せず）。また、セラミック担体の代わりに酸化被
膜を形成した金属担体を用い、前記酸化被膜に前記触媒
を担持したものも適用できる。また、第２の浄化手段１
２として第１の浄化手段１１と同じ組成のものを用いて
もよい。ただし、高周波吸収材料はなくてもよい。

【００２３】次に本発明の排気ガス浄化装置における排
気ガス中に含まれる有害物質の分解による浄化プロセス
について説明する。

【００２４】ガソリン車のエンジンが始動するとエンジ
ンから排出された一酸化炭素や炭化水素などの有害物質
を含む排気ガスは排気管９を通り、第１の浄化手段１１
に流入する。エンジン始動と同時に高周波発振器１４が
制御部（図示せず）からの指令により高周波を発生さ
せ、この高周波は導波管１５を伝送して第１の浄化手段
１１を収納している加熱室１０に給電される。第１の浄
化手段１１を構成している高周波吸収材料１８が給電さ
れた高周波エネルギを吸収し、熱エネルギに変換される
ことによって第１の浄化手段１１が加熱される。一方第
一の浄化手段１１が加熱されると、第一の浄化手段１１
を収納する加熱室１０に送風手段２２によって酸素を含
む気体が供給される。このとき第１の浄化手段１１には
触媒１９が担持されており、この触媒１９が前記排気ガ
ス中の有害物質を分解できる温度に上昇すると供給され
た酸素と反応して無害である水蒸気と炭酸ガスに分解
し、排気ガスは浄化される。この浄化された排気ガスは
マフラを通過して排気管９より大気に排出される。

【００２５】本発明の第１の浄化手段１１としてハニカ
ム構造を有するセラミック粉末による担体を用いた場合
（図３（ａ））、高周波吸収材料１８と触媒１９は前記
セラミック担体の表面部に担持された状態になる。した
がって高周波エネルギの吸収が第１の浄化手段１１の表
面層だけになり、短時間で触媒１９を有害物質の分解可
能な温度に上昇させることができ、自動車エンジンの始
動時における排気ガス中に含まれる有害物質の浄化性能
を向上させることができる。

【００２６】またセラミック担体としてセラミック繊維
２１を用いた場合（図３（ｂ））、高周波吸収材料１
８、触媒１９は第１の浄化手段１１の表面だけでなくそ
の内部にも担持される状態になるとともにポーラス構造
にすることができる。したがって第１の浄化手段１１は
発熱表面積、触媒表面積を増加させることができるとと
もに熱容量が小さくなるので第１の浄化手段１１全体を
短時間で触媒１９を有害物質の分解可能な温度に上昇さ
せることができ、有害物質の浄化性能をより高くするこ
とができる。

【００２７】また、第１の浄化手段１１を構成するセラ
ミック担体に高い高周波吸収特性を有する高周波吸収材
料１８を担持することにより、上述した第１の浄化手段
１１の加熱手段として高周波加熱方式を適用する場合
は、電気ヒータ加熱方式（金属ハニカム担体の加熱）で
同じ温度上昇を得る場合に比べ、１／３〜１／２レベル
の消費電力とすることが可能であり、高周波発生源の駆
動電源を自動車電源から十分に供給することができる。

【００２８】高周波の吸収特性の高い高周波吸収材料１
８としては半導体材料が挙げられ、特に亜鉛、銅、マン
ガン、コバルト、鉄、スズ、チタン、ケイ素を主成分と
する酸化物、炭化物、および前記金属を含む複合酸化物
の少なくとも１種からなるものが適用される。上記材料
が高周波を吸収し熱変換する機構は明確ではないが、上
記半導体材料の持つ大きな誘電率と誘電体損失によって
高周波を吸収し、発熱するものと考えられる。

【００２９】また有害物質を低温で分解する触媒１９と
しては白金、パラジウム、ロジウムの貴金属、銅、マン
ガン、コバルトの酸化物、ペロブスカイト型複合酸化物
が挙げられ、これらの少なくとも１種がハニカム構造を
有するセラミック担体に、高周波吸収材料１８とともに
担持される。

【００３０】また無機質バインダ２０は特に限定される
ものではないが、耐熱性、接着性に優れたアルミナ、シ
リカ、ジルコニアなどのコロイド粒子のものがよい。

【００３１】上述のハニカム構造を有するセラミック担
体は図３（ａ）、（ｂ）のいづれでもよいが、図３
（ｂ）に示したセラミック繊維で構成する方法が熱容量
を小さくすることができる（単位体積当たりの重量が小
さい）ので、昇温速度を速くすることができ、より優れ
た有害物質の浄化性能が得られる。また担体の温度差を
少なくすることができるので熱歪みが原因で起こるクラ
ックの発生を防止することができる。

【００３２】排気ガス中の有害物質である炭化水素や一
酸化炭素を分解し、水蒸気と炭酸ガスに変換するために
は酸素が必要となる。しかし、理論空燃比近辺でエンジ
ンが運転される場合は排気ガス中の酸素濃度は極めて低
い状態にあり、上記反応がスムーズに行われない問題が
発生する。本発明では上記構成に示すように、送風手段
２２から加熱室１０に前記有害物質の分解に必要な酸素
を含む気体を供給することによって上記反応をスムーズ
に起こさせることができる。これによって排気ガス中に
含まれる炭化水素や一酸化炭素などの有害物質の浄化性
能を向上させることができる。なお送風手段２２から供
給する酸素が上記反応に必要な量よりも多くなると排気
ガス中の窒素酸化物の濃度が増加する傾向になる。した
がって供給する酸素の量は上記反応をスムーズに起こさ
せるのに必要な量に制御することが好ましい。

【００３３】一方、エンジン起動後は排気ガス温度が除
々に高くなり、約１分経過すると第１の浄化手段１１は
排気ガス温度だけでも有害物質を分解できる温度以上に
上昇する。したがって高周波エネルギによる加熱は必要
なくなり、高周波発振器からの高周波の発振が止められ
る。通常、この時期自動車は走行状態に入っており、エ
ンジン回転数の増加により排気ガス量が増加し、第１の
浄化手段１１だけでは有害物質を十分に浄化できなくな
る。

【００３４】しかしながら、本発明の排気ガス浄化装置
は第１の浄化手段１１の後方に第２の浄化手段１２を配
置しており、この第２の浄化手段１２は排気ガスによる
熱や第１の浄化手段１１から放出される熱によって加熱
され、短時間で有害物質を分解できる温度以上に上昇す
る。したがって自動車が走行状態に入り排気ガス量が多
くなっても、第１の浄化手段１１と第２の浄化手段１２
の二つが有害物質の分解に機能するので高い浄化性能を
維持することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の内燃機関用
排気ガス浄化装置によれば、以下の効果が得られる。 （１）本発明における第１の浄化手段は高周波の吸収特
性に優れた高周波吸収材料を用いているので短時間で排
気ガス中に含まれる有害物質である炭化水素や一酸化炭
素を分解する温度に上昇し、分解反応によって無害であ
る水蒸気と炭酸ガスに変換することができる。また酸素
を含む気体を供給する送風手段を設けることによって排
気ガス中の有害物質である炭化水素や一酸化炭素の酸化
分解に必要な酸素を第１の浄化手段に供給することがで
きる。その結果、炭化水素や一酸化炭素の酸化反応の進
行を促進させることができるのでより高い有害物質の浄
化性能を得ることができる。したがって自動車エンジン
の始動時における排気ガス中に含まれる有害物質を浄化
することができ、大気への有害物質の排出を防止するこ
とができる。 （２）本発明の第１の浄化手段を構成するセラミック担
体に高い高周波吸収特性をもつ高周波吸収材料を担持す
ることにより、電気ヒータによる加熱方式（金属ハニカ
ム担体の加熱）で同じ温度上昇を得る場合に比べ、１／
３〜１／２レベルの消費電力とすることが可能であり、
高周波発生源の駆動電源を自動車電源から十分に供給す
ることができる。 （３）第２の浄化手段が排気ガスによる熱や第１の浄化
手段から放出される熱によって加熱され、前記有害物質
を分解できる温度以上に上昇するので自動車が走行状態
に入り、エンジン回転数が高くなることにより排気ガス
量が多くなっても、第１、第２の両方の浄化手段が有害
物質を分解させることができ、高い浄化性能を維持する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の参考例における内燃機関用排気ガス浄
化装置の構成図

【図２】本発明の一実施例における第１の浄化手段の外
観図

【図３】本発明の一実施例における第１の浄化手段の一
部断面図

【図４】本発明の一実施例における内燃機関用排気ガス
浄化装置の構成図

【図５】従来の排ガス浄化装置の構成図

【符号の説明】

９ 排気管 １０ 加熱室 １１ 第１の浄化手段 １２ 第２の浄化手段（セラミック担体） １３ 断熱材 １４ 高周波発振器 １５ 導波管 １６ マイクロ波遮蔽手段 １７ セラミック隔壁 １８ 高周波吸収材料 １９ 触媒 ２０ 無機質バインダ ２１ セラミック繊維 ２２ 送風手段 ２３ 導風管 ２４ バルブ ２５ アンテナ ２６ 第２の浄化手段（金属担体）

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01N 3/20 B01D 53/94 F01N 3/24 F01N 3/28

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気ガスを排出する排気管の途
   中に設けられた加熱室と、前記加熱室に高周波エネルギ
   を発生する高周波発振器と、前記加熱室に収納され、高
   周波エネルギを吸収し熱交換により発生する熱で加熱さ
   れる排気ガス中に含まれる有害物質を分解する第１の浄
   化手段と、前記加熱室に収納され、第１の浄化手段の排
   気ガスの流れに対し後方に配置された排気ガスの熱と前
   記第１の浄化手段より発生する熱で加熱される排気ガス
   中に含まれる有害物質を分解する第２の浄化手段と、前
   記加熱室に酸素を含む気体を供給する送風手段とを備え
   た内燃機関用排気ガス浄化装置。
2. 【請求項２】有害物質を分解する第１の浄化手段がセラ
   ミックからなる担体と、前記セラミックからなる担体に
   担持された高周波を吸収する高周波吸収材料と、前記高
   周波吸収材料の表面及び空隙に担持された触媒と、前記
   セラミックからなる担体と前記高周波吸収材料と前記触
   媒を接着する無機質バインダとならなる請求項１記載の
   内燃機関用排気ガス浄化装置。
3. 【請求項３】有害物質を分解する第２の浄化手段が金属
   からなる担体もしくはセラミックからなる担体と、前記
   担体の表面に担持された触媒とからなる請求項１記載の
   内燃機関用排気ガス浄化装置。