JP4439910B2 - 粒子状物質を燃焼させるための排気機構を備えたガソリンエンジン - Google Patents
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Description
典型的には、平均排ガス温度は、化学量論的に作動しているガソリンエンジンでは600〜800℃であり、GDIでは約300〜550℃であるが、高速度では、GDIエンジンは化学量論的作動に戻ることができ、排ガス温度はより高くなる。しかし、ディーゼルエンジンから出る排ガスの温度はガソリンエンジンよりもはるかに低い。典型的には、軽負荷ディーゼルエンジンを使用する乗用車では、排ガス温度は200〜350℃であり、重負荷ディーゼル装置では約200〜550℃である。
触媒の製造
10重量%K/Al2O3、10重量%K/CeO2、および10重量%K/ZrO2(触媒の総重量に対する元素状アルカリ金属として)を湿式含浸により製造した。それぞれの場合、含浸媒体はKNO3の水溶液であった。担体および含浸溶液の正確な量の混合物を加熱して水を蒸発させ、材料を500℃で2時間か焼した。3種類のアルミナ担体、すなわちアルファ−、シータ−およびガンマ−、を使用した。我々は、アルカリ金属は各触媒中にK2Oとして存在するが、ある程度の残留KNO3がか焼後に存在し得ると理解している。
触媒のエージング
例1のペレット化した触媒を、窒素、水、一酸化炭素、水素、酸素、二酸化硫黄の模擬化学量論的ガソリン排ガス混合物中、850℃で2時間および16時間エージングした。
触媒/粒子状物質試料の調製
例1の新しい触媒および例2のエージングした触媒を、それぞれ約30〜40重量%w/wの炭素質PM(BP2000−高表面積グラファイト、ガソリン排気PMを模擬)と、乳鉢と乳棒で軽く混合し、十分に混合させた。軽い混合は、ガソリンPMが触媒を包含するトラップ装置にゆるく接触するであろう排気機構中の実際の条件を模擬するために採用した。PMとトラップとの間の緊密過ぎる接触を強化するであろう重度の粉砕は行わなかった。
試料の試験
例3の試料を、酸素、水またはCO2を包含する合成ガス流中で試験し、ガソリン排ガス中に見られる酸素、水およびCO2成分の温度および濃度を模擬した。この方法には、酸素中の酸化および蒸気気化および逆ブードアール反応を個別に研究できるという利点があるが、実際には、排ガスは特に酸素、水蒸気およびCOの混合物を含んでなり、3種類の過程が同時に起こり得る。
粒子状物質フィルター
直径25mmx長さ152mmのコアをCorning EX-80100/17コージーライトウォール−フローフィルターから取り出した。
Palas GFG1000炭素エーロゾル発生器(CAG)中のグラファイト電極間におけるスパーク放電により、炭素粒子を発生させた。次いで、CAGから出る10〜200nm凝集物を、不活性キャリヤー/希釈ガス(アルゴン/窒素)中で、水および炭化水素蒸気を包含できる合成ガス混合物中に分散させた。PFIエンジンから出る粒子状物質の元素状炭素画分は通常約40%以下であるが、類似の軽負荷ガソリン自動車から出る粒子状物質は大幅に変化することが分かっており、大量の元素状炭素が放出される場合がある。GDIエンジンは、ディーゼルエンジンから出る粒子状物質に、非常に良く似た粒子状物質を発生することができ、72%までの炭素が報告されているので、この模擬試験方法はGDIエンジンに特に関連する。
温度(℃) 空気流量 総数粒子濃度 数粒子濃度の
(T=22℃でL/分) の平均低下 平均ピーク低下
(%) (%)
22 35 54 50
200 35 57 54
400 35 54 46
400℃で、粒子径の関数として測定した捕獲効率は、超微小サイズ範囲全体を通して65%〜90%であり、測定の不確かさが最も高いと予想される20nm未満および検出された粒子数が最も小さい100nmを超える部分では、ばらつきが増加した。圧損が4を超えるファクターで増加した時の19時間の露出後、パターンはほとんど変化しなかった。(トラップされたPMの効果的な連続または間欠酸化に、圧損はあまり重要ではない筈である。)時間で平均したサイズ分布は、フィルターを横切るモードサイズでシフトを示さなかった。
同じ型の、ただし直径118mmであるフィルターを、1.8リットルGDIエンジンを搭載した自動車Mitsubishi Carismaの排気機構に、標準的な排気機構と比較するために取り付けた。フィルター位置は、エンジン排気マニホルドとテールパイプ出口の間の通路の約3分の1の所であった。自動車をシャシダイナモメーター上に載せ、生の排気試料をテールパイプでステンレス鋼試料採取プローブおよびラインを通して取り出した。試料を先ずDekati two-stage Diluterで希釈率74で希釈し、次いで、サイズ範囲0.03〜10μmをカバーする12チャネルリアルタイム粒子径分光計であるDekati Electrical Low Pressure Impactor (ELPI)を使用して分析した。
静電気分離装置
直径50mm、長さ1mの接地されたステンレス鋼パイプおよび0.1mmタングステンワイヤの軸方向放電電極からなるワイヤ−シリンダー静電気トラップを構築した。これらの寸法は、分析用のモデル作製により支持される、実験室模擬試験における典型的なガス速度で100%捕獲に必要な軸方向距離の推定に基づいて選択した。ワイヤは、Start Spellman SL300高電圧電源を使用して励起させ、図2に示すフィルターの代わりに、トラップを模擬排気管とイン−ラインに設置できる様にする絶縁された引っ張り装置により、張り詰めた状態で、中央に保持した。粒子の帯電は、電気泳動推進によりパイプ壁に運ばれる前に、コロナ放電におけるイオン爆撃により行われると予想された。
触媒作用を受けるESP
模擬ガソリンエンジン排気を400℃に加熱し、その温度でトラップ(例6に記載)に供給した。トラップ中の滞留時間は0.6秒間であり、現実的な乱流を確保した。8kVに維持した電界で、粒子トラップ効率を粒子直径の関数として測定した。この試験完了後、模擬排気管(図2参照)を、10重量%K/ガンマ−アルミナ触媒で被覆した同等の管と交換した。図6に示す結果は、この触媒が分離装置の性能にあまり影響せず、あるにしても、より大きな粒子径に対する収集効率を僅かに改良するだけである。
Claims (13)
- 排気機構を有してなる、化学量論的又はリーンバーンなガソリンエンジンであって、
前記排気機構が、排ガスから粒子状物質(PM)をトラップする手段と、前記PMを酸化する触媒作用をする、担持されたアルカリ金属からなる触媒とを備えてなり、
前記排気機構が、前記エンジンと前記PM酸化触媒との間に配置された三元触媒を備えてなり、かつ、前記トラップ手段が、100nm未満のPMをトラップするものであり、
前記アルカリ金属が、カリウムであり、
前記アルカリ金属を担持する担体が、アルミナ、セリア、ジルコニア、チタニア、シリカ−アルミナ、ゼオライト、またはこれらの2種以上の混合物または混合酸化物を含んでなり、
前記アルミナが、アルファ−アルミナ、シータ−アルミナ、またはこれらの混合物であり、
前記トラップ手段が、少なくとも部分的に、前記触媒で被覆されてなるものである、エンジン。 - 前記アルカリ金属が、前記触媒中に前記触媒総重量の1〜20重量%で存在する、請求項1に記載のエンジン。
- 前記アルカリ金属がカリウムであり、前記担体がアルファ−アルミナ、ジルコニアまたはセリアまたはこれらの2種以上の混合物または混合酸化物である、請求項1又は2に記載のエンジン。
- 前記担体が、混合酸化物を含んでなり、前記混合酸化物の各成分が、触媒総重量の10〜90重量%の量で存在する、請求項1〜3の何れか一項に記載のエンジン。
- 前記混合酸化物が2成分混合酸化物であり、存在する陽イオン系成分の比が20:80〜50:50である、請求項4に記載のエンジン。
- 前記トラップ手段が、フィルターを備えてなる、請求項1〜5の何れか一項に記載のエンジン。
- 前記フィルターが、金属酸化物フォームを含んでなり、前記金属酸化物フォームが担体と基材の両方である、請求項6に記載のエンジン。
- 前記トラップ手段が、放電電極と、PMを静電気的に付着させるための収集電極と、および前記放電電極と前記収集電極の間に電位差を与えるための電力手段とを備えてなるものである、請求項1〜7の何れか一項に記載のエンジン。
- 前記トラップ手段が、第一シリンダーおよび前記第一シリンダーの中に共軸に配置されたワイヤを備えてなる、請求項8に記載のエンジン。
- 前記シリンダーが、排ガスを運ぶパイプの一部を形成する、請求項9に記載のエンジン。
- 前記収集電極が、少なくとも部分的に、請求項1〜7のいずれか一項に記載の触媒で被覆されてなる、請求項8〜10のいずれか一項に記載のエンジン。
- 化学量論的又はリーンバーンなガソリンエンジンからのPMを燃焼させる方法であって、
排ガスを三元触媒(TWC)に接触させることと、
前記TWCの下流側で排ガスからの100nm未満のPMをトラップすることと、
500℃を超える温度において、担持されたアルカリ金属からなる触媒を使用することにより、排ガス中のCO2及び/又はH2Oで前記トラップしたPMを燃焼させることとを含んでなるものであり、
前記アルカリ金属が、カリウムであり、
前記アルカリ金属を担持する担体が、アルミナ、セリア、ジルコニア、チタニア、シリカ−アルミナ、ゼオライト、またはこれらの2種以上の混合物または混合酸化物を含んでなり、
前記アルミナが、アルファ−アルミナ、シータ−アルミナ、またはこれらの混合物であり、
前記トラップ手段が、少なくとも部分的に、前記触媒で被覆されてなるものである、方法。 - 前記トラップ工程が電気泳動または濾過により行われる、請求項12に記載の方法。
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