JP4329466B2

JP4329466B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP4329466B2
Application number: JP2003329886A
Authority: JP
Inventors: 正憲大和; 大垣花
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2023-09-22
Also published as: JP2005098134A

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、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（パティキュレート：以下「ＰＭ」という。）を除去するための排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンは、自動車、特に大型車に多く搭載されているが、近年特にその排気中の窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素等とともに、ＰＭの排出を低減することが強く望まれている。そのため、エンジンの改良又は燃焼条件の最適化等により根本的にＰＭを低減する技術開発とともに、排気中のＰＭを効率的に除去するための技術の確立が望まれている。

排気中のＰＭの除去のためには一般に、セラミックハニカムフィルター、合金フィルター及びセラミック繊維フィルターが用いられている。しかしながらこれらの手法では使用時間が経過するにつれ、捕集された粒状物質によりフィルターが目詰まりを起こし、通気抵抗が増加し、エンジンに負担をかける結果となる。また、ナノサイズＰＭは基材連通孔での物理的衝突捕集を逃れて捕集されない確率が高い。また、従来のフィルターでＰＭを捕集した場合であっても、排気熱のみの作用によってはＰＭの充分な酸化除去は期待できない。

ディーゼルエンジンの排気浄化装置としては、放電を利用した装置が知られている。例えば特許文献１で示すように、ニードル電極と偏向電極とを囲んで配置した捕集電極を備え、電極間の放電によりディーゼルエンジン排気中のＰＭを帯電させて、ＰＭを捕集電極に捕集する排気浄化装置が提案されている。しかしながら、この装置は、ＰＭの捕集を行うのみであって、ＰＭを積極的に燃焼除去する装置ではなく、捕集したＰＭの処理が別途必要であり、この装置にＰＭの燃焼除去効果を期待することはできない。また、メタルハニカム表面に排気浄化活性のある触媒をコーティングしても、これは剥離する傾向がある。

放電を利用する排気浄化装置としては、図３に示すようなものを考慮することもできる。この図３（ａ）はこの排気浄化装置３０の斜視図であり、図３（ｂ）はこの排気浄化装置３０の断面図ある。図３において、排気浄化装置３０は、絶縁性ハニカム構造体３２、絶縁性ハニカム構造体３２の外周に配置されたメッシュ電極のような外周電極３６、及びハニカム構造体の中心軸上に配置された棒状電極３４を有し、これらの電極３４と３６との間に、電源１８によって電圧を印加する。

この図３の排気浄化装置によれば、外周電極３６及び棒状電極３４との間の電界によって排気流れ中のＰＭをハニカム構造体に堆積させ、且つこれらの電極間で発生する放電プラズマ及びハニカム構造体上の触媒によって、堆積したＰＭの燃焼除去を促進できる。

しかしながらこの排気浄化装置３０では、棒状電極３４の近傍にしか高電場を発生させることができないので、ハニカム構造体の外周側ではＰＭ捕集効率が低下し、排気清浄化能力も低下する。

特許２６９８８０４号公報

すなわち、従来公知の放電を利用した排気浄化装置は、ＰＭの捕集及び燃焼除去に関しては必ずしも充分ではない。従ってディーゼルエンジン等から排出される排気中のＰＭの燃焼除去効率及び捕集効率を高める必要がある。

本発明の排気浄化装置は、導電性ハニカム電極と対電極とを有し、この導電性ハニカム電極が、導電性材料のコーティングを有するセラミックハニカム基材であり、対電極が、導電性ハニカム電極の排気流れ上流側に配置されており、且つ対電極が複数の針状電極部分を有し、この針状電極部分が導電性ハニカム電極の各セル内に配置されている。

本発明の排気浄化装置によれば、排気を流通させるハニカム自体が電極として作用するので、帯電したＰＭの導電性ハニカム電極への堆積をクーロン力によって促進することができる。またセラミックハニカム基材が多孔質であるので、コーティングの剥離が起こりにくい。

また、本発明の排気浄化装置によれば、対電極が、導電性ハニカム電極の排気流れ上流側に配置されており、それによって導電性ハニカム電極に達する前にＰＭを帯電させることができるので、導電性ハニカム電極でのクーロン力によるＰＭの捕集を促進することができる。

また更に、本発明の排気浄化装置によれば、対電極が複数の針状電極部分を有し、この針状電極部分が導電性ハニカム電極の各セル内に配置されており、それによって針状電極部分と、電極として作用する導電性ハニカム電極のセル壁との距離が近く、強電場を得ることができるので、排気成分の浄化、並びにＰＭの捕集及び燃焼除去を改良することができる。

本発明の排気浄化装置の１つの態様では、導電性材料のコーティングが多孔質コーティングである。これによれば、排気中のＰＭの堆積及び浄化のために利用できる表面積を大きくすることができる。

本発明の排気浄化装置の１つの態様では、導電性材料が触媒活性を有する。これによれば、捕集したＰＭの燃焼除去を、導電性材料のコーティング自身が有する触媒活性によって促進できる。

本発明の排気浄化装置の１つの態様では、導電性材料がセラミックである。これによれば、コーティングと基材とが共にセラミックであることによって、熱膨張率の差によるコーティングの剥離を抑制することができる。

本発明の排気浄化装置の１つの態様では、導電性材料がＦｅ_２Ｏ_３である。これによれば、Ｆｅ_２Ｏ_３の導電性及び触媒活性によって、ＰＭの捕集及び捕集したＰＭの燃焼除去を促進できる。

本発明の排気浄化装置の１つの態様では、導電性材料が金属である。これによれば、導電性ハニカム電極の導電性を確実にすることができる。

本発明の排気浄化装置によれば、ディーゼルエンジン等から排出される排気中のＰＭの燃焼除去効率及び捕集効率を高めることができる。

以下では本発明を図２に示した実施形態に基づいて具体的に説明するが、図２は本発明を構成する排気浄化装置の例を示す図であり、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

参考例の排ガス浄化装置について図１を用いて説明する。ここで図１（ａ）は参考例の排ガス浄化装置の側面図であり、図１（ｂ）はこの参考例の排ガス浄化装置の断面図である。

参考例の排気浄化装置１０は、接地されている導電性ハニカム電極１２と、電源１８に電気的に接続されているメッシュ状対電極１４とを有する。矢印１９はＰＭを含有する排気の流れる方向を示している。

図１で示す参考例の排気浄化装置の使用においては、電源１８を作用させることにより、導電性ハニカム電極１２と、メッシュ状対電極１４との間に電界を作る。排気流れに含有されるＰＭは、メッシュ状電極１４と導電性ハニカム電極１２との間で帯電し、それによってクーロン力による導電性ハニカム電極１２へのＰＭの堆積が促進される。

本発明の実施形態について図２を用いて説明する。ここで図２（ａ）は本発明の実施形態の側面図であり、図２（ｂ）はこの実施形態の断面図である。

本発明の実施形態の排気浄化装置２０は、接地されている導電性ハニカム電極１２と、電源１８に電気的に接続されている対電極２４を有する。この対電極２４は、メッシュ状電極部分２３と、このメッシュ状電極部分２３に電気的に接続され、且つ導電性ハニカム電極１２の各セル内にまで延びている複数の針状電極部分２５から構成されている。また矢印１９はＰＭを含有する排気流れの方向を示している。

図２で示す排気浄化装置２０の使用においては、電源１８を作用させることにより、導電性ハニカム電極１２と、対電極２４との間に電界を作る。排気流れに含有されるＰＭは、メッシュ状電極２３と導電性ハニカム電極１２との間で帯電し、それによってクーロン力による導電性ハニカム電極１２へのＰＭの堆積が促進される。また導電性セラミック電極１２の各セルのセル壁と、導電性ハニカム電極１２のセル内の針状電極部分２５と距離が近いことによって、これらの電極１２と２５との間には強力な電界が作られている。この強力な電界はＰＭの堆積を促進する。

尚、参考例及び本発明の実施形態の排気浄化装置１０及び２０のいずれにおいても、導電性ハニカム電極１２が接地されており、対電極１４又は２４が電源１８に接続されているが、これは逆にすることもでき、またそれぞれの電極を電源１８の反対の極に電気的に接続することもできる。但し、導電性ハニカム電極を接地することは、導電性ハニカム電極とこれを保持するケースとの間の誤放電を抑制するために好ましい。また導電性ハニカム電極は、電気的な接触を確実にするために、図３の外周電極３６のような導電体を有することもできる。

また、導電性材料のコーティングはそれ自身が排気浄化触媒活性を有することができるが、排気浄化活性を有する追加の触媒を、導電性材料のコーティングに担持させることもできる。この追加の触媒としては、ＰＭの燃焼除去に対する触媒活性を有する触媒、例えばＣｅＯ_２、Ｆｅ／ＣｅＯ_２、Ｐｔ／ＣｅＯ_２、Ｐｔ／Ａｌ_２Ｏ_３を挙げることができる。

本発明の排気浄化装置の電極間で放電を行う場合、ＰＭを導電性ハニカム電極上に捕集するためのＰＭの帯電を促進するだけでなく、放電によって排気成分中に発生する活性酸素、オゾン、ＮＯ_ｘ、酸素ラジカル、ＮＯ_ｘラジカル等の酸化力の強いガス成分の作用によって、捕集した排気中のＰＭの燃焼を促進することができる。また高電圧によりプラズマを発生させてＰＭの捕集及び燃焼を促進することもできる。

以下では、本発明の排気浄化装置を構成する各部について更に具体的に説明する。

導電性材料でコーティングされて本発明の導電性ハニカム電極を構成するセラミックハニカム基材は、例えばコージェライト製ハニカム構造体でよい。またセラミックハニカム基材はストレートフロー型であってもウォールフロー型であってもよいが、通気抵抗の観点からはストレートフロー型が好ましく、ストレートフロー型のセラミックハニカム基材を使用しても良好な捕集効率を達成できる。

セラミックハニカム基材への導電性材料のコーティングは、任意の方法で行うことができる。例えばセラミックハニカム基材へのセラミックのコーティングは、一般的なウォッシュコート法、すなわち所望の組成のセラミック材料微粉末の提供、このセラミック材料微粉末を含有するスラリーでの基材のコーティング、並びに得られるコーティングの乾燥及び焼結により行うことができる。本発明で使用される導電性セラミックの例としては、ＳｉＣ、鉄族酸化物、バナジウム酸化物、ＳｎＯ_２等を挙げることができるが、Ｆｅ_２Ｏ_３は触媒活性も有する点で好ましい。この導電性セラミックコーティング厚さは、通常の触媒担持層に一般的な厚さ、例えば１０００μｍ以下、特に５００μｍ以下でよいが、所望の導電性及び／又は耐久性を有するコーティングが得られるように決定することもできる。

またセラミックハニカム基材への金属のコーティングは、金属粉末の焼結、溶融金属への浸漬、又は無電解メッキ等により行うことができる。本発明で使用される金属の例としては、Ｃｕ、Ｗ、ステンレス、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｌを挙げることができる。この金属コーティング厚さは、例えば１０００μｍ以下、特に５００μｍ以下でよいが、所望の導電性及び／又は耐久性を有するコーティングが得られるように決定することもできる。

対電極は、この対電極と導電性ハニカム電極との間に電圧を印加することができる材料で製造できる。その材料としては、導電性の材料や半導体等の材料を使用することができるが、なかでも金属材料が好ましい。この金属材料として、具体的にはＣｕ、Ｗ、ステンレス、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｌ等が使用でき、特にステンレスがコスト及び耐久性の点から好ましい。

本発明で使用できる対電極は、導電性ハニカム電極の上流側で排気を流通させるメッシュ状電極、特に金属メッシュ状電極であることが一般的であるが、対電極と導電性ハニカム電極との間に電圧を印加できるのであれば、特に形状は限定されない。

対電極が有することができる針状電極部分は、導電性ハニカム電極の全てのセル内に入るようにしても、一部のセル、例えば交互に１つおきのセル内に入るようにしてもよい。またこの針状電極部分は、導電性ハニカム電極のセル長さ全体に入るようにしても、途中までのみ入るようにしてもよい。

導電性ハニカム電極の接地又は電源への電気的接続を確実にするために使用できる外周電極は、図３の外周電極３６と同様なものでよい。この外周電極は、対電極に関して示したのと同様な材料を、金属メッシュ又は金属箔として導電性ハニカム電極に巻き付けて作ることができ、また導電性ペーストを導電性ハニカム電極に適用して作ることができる。

電源は、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。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及びパルス周期２，０００Ｈｚを使用できる。

対電極と導電性ハニカム電極との間で放電を起こさせるために、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。

図１は、参考例の排気浄化装置を表す斜視図及び断面図である。図２は、本発明の実施態様の排気浄化装置を表す斜視図及び断面図である。図３は、考慮される従来の排気浄化装置を表す斜視図及び断面図である。

符号の説明

１０…参考例の排気浄化装置
２０…本発明の排気浄化装置
１２…導電性ハニカム電極
１４，２４…対電極
１８…電源
１９…排気流れ方向
２３…メッシュ状電極部分
２５…針状電極部分
３２…絶縁性ハニカム担体
３４…棒状電極
３６…外周電極

Claims

導電性ハニカム電極と対電極とを有する排気浄化装置であって、
前記導電性ハニカム電極が、導電性材料のコーティングを有するセラミックハニカム基材であり、
前記対電極が、導電性ハニカム電極の排気流れ上流側に配置されており、且つ
前記対電極が複数の針状電極部分を有し、この針状電極部分が前記導電性ハニカム電極の各セル内に配置されている、
排気浄化装置。
前記導電性材料が触媒活性を有する、請求項１に記載の排気浄化装置。
前記導電性材料のコーティングが多孔質コーティングである、請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
前記導電性材料がセラミックである、請求項１〜３のいずれかに記載の排気浄化装置。
前記導電性材料がＦｅ_２Ｏ_３である、請求項４に記載の排気浄化装置。
前記導電性材料が金属である、請求項１〜３のいずれかに記載の排気浄化装置。