JP2002061510A

JP2002061510A - 排気浄化装置及びその製造方法並びに排気浄化システム

Info

Publication number: JP2002061510A
Application number: JP2000251479A
Authority: JP
Inventors: Manabu Azuma; 學東
Original assignee: Niles Parts Co Ltd
Current assignee: Niles Parts Co Ltd
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2002-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関の排気、特に粒子状物質（ＤＰＭ）
を効率よく浄化する。【解決手段】シラスバルーン粉末と電気石粉末とを混
錬し、数ｍｍ程度に造粒して、焼成し、自発分極誘電体
触媒を担持した触媒担持粒子を形成する。この触媒担持
粒子を排気の導入口２ｃから排出口２ｄへ向かって、順
次粒径が小さくなるように、触媒担持粒子層６、７、８
を外筒２ａ，２ｂの中に配設する。金網３は、排気の流
れる方向に凸形状に湾曲され、導入された排気が容易に
触媒担持粒子層６へ導く。金網４は、スプリング５によ
り図中左方へ押され、触媒担持粒子層６、７、８を外筒
２内部で固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に用いら
れる排気浄化装置及びその製造方法並びに排気浄化シス
テムに係り、特にディーゼルエンジンから排出される黒
煙を含む粒子状物質を効率よく除去する排気浄化装置及
びその製造方法並びに排気浄化システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の分野において、近年最も注目さ
れている技術は環境対応技術である。東京都は、都内大
気の汚染浄化策の一環としてディーゼル車の排出ガス中
の微少粒子状物質（以下、ＤＰＭと略す）の削減を重点
施策に採り上げている。そして、公害防止条例を改正し
て、一定の基準で指定する車両にＤＰＦ（ディーゼル・
パティキュレート・フィルタ）装着を義務づける方向に
ある。

【０００３】ＤＰＭには、黒煙の原因である煤（炭素粒
子）のほか、青白煙に関係する可溶有機成分があり、こ
れはノズル先端部の空間（サックボリューム）や燃焼室
壁に衝突し付着した燃料によるものおよび潤滑油に起因
するものがある。さらにＤＰＭには、燃料中の硫黄によ
る硫黄酸化物が含まれる。

【０００４】ディーゼル燃焼過程における煤の生成過程
は、およそ次のように考えられている。高温雰囲気中に
噴射された燃料は、まず熱分解過程を経て低級炭化水素
に変化する。着火直前の燃料は、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ
_２Ｈ_２、Ｃ_３Ｈ_６、Ｃ_４Ｈ_８などの炭素数が１〜４の炭
化水素が約半分を占めると考えられている。これらの熱
分解成分は、空気と出会えば部分酸化してＣＯとＨ_２と
なった後、さらに酸化してＣＯ_２とＨ_２Ｏに至る。その
過程でＮＯが生成される。

【０００５】一方、空気と出会わない熱分解成分は、比
較的低温度では、重合及び縮合による多環芳香族炭化水
素（ＰＡＨ）を生成し、これが煤前物質の役割を果たし
巨大化して煤に至る。高温では、炭化水素は脱水素反応
によって炭素蒸気となる速度のほうが前者より速くな
り、クラスタリングによって速やかな煤形成に至る。

【０００６】ディーゼルエンジンのＤＰＭ除去技術に
は、エンジン内の燃焼を改善してＤＰＭそのものの発生
を減少させる燃焼改善技術と、排気中のＤＰＭを捕捉し
て燃焼させる後処理技術とがある。

【０００７】燃焼改善技術には、燃料噴射圧を高めて、
噴射燃料粒を微細化するコモンレール方式や、ＥＧＲな
どを組み合わせて燃焼温度を調整する方法があるが、全
ての運転条件で十分なＤＰＭ除去効果を発揮するまでに
は至っていない。

【０００８】従来のディーゼルエンジン車に対するＤＰ
Ｍの後処理技術には、以下に示す４方式が知られてい
る。

【０００９】（１）いすずＤＰＦ方式一対のセラミックスファイバー製フィルタを配列し、交
互に排気の流れを切り換えて、フィルタによるＤＰＭの
捕集と、捕集したＤＰＭをフィルタに密着したヒーター
に通電して自動的に焼却することによりフィルタを再生
する。

【００１０】（２）英国ジョンソン・マッセイ社の２段
触媒方式触媒を２段縦続配置した構成とし、前段の触媒でＮＯを
ＮＯ_２に酸化し、後段の触媒兼フィルターでＤＰＭを捕
集するとともに、捕集したＤＰＭをＮＯ_２の酸化力によ
り約２６０℃の比較的低温度で酸化させてＣＯ_２に変化
させる。

【００１１】（３）つくも社砂粒への付着方式排気を砂粒中に通して、砂粒にＤＰＭを付着させ、或る
付着量に達すると砂粒を交換するか洗浄して再生する。

【００１２】（４）水素エネルギー開発研究所の方式
（特開平９−２８００３５号公報）ハニカム構造体とセラミックバルーンによる排気浄化装
置であって、排気動圧をハニカム構造体の各ハニカムセ
ル内空間で高い静圧へと変化させることで温度上昇させ
る。さらに排気脈動によりセラミックバルーンが振動す
ることでマイクロ波動に変調する。マイクロ波は遠赤外
線を誘発させ、バルーン温度を６００〜８００℃に高
め、ＤＰＭを燃焼させる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術（１）は、フィルター前後の圧力差を検出して一
定値以上に差圧が高まると、一方のフィルターが詰まっ
たと判断して、排気の流れを他方のフィルタへ切り換え
るとともに、電気ヒータに通電して詰まったフィルタの
再生を行うよう制御していたため、２個のフィルタが大
容積を占有するとともに、制御系が複雑となって故障し
やすく、さらにＤＰＭ焼却のためにヒータが大電力を消
費するので、この容量を見込んで大容量の発電機と大容
量の蓄電池とを必要とするという問題点があった。

【００１４】また、上記従来技術（２）は、排気浄化装
置が大きく、後付困難であるとともに、高価であるとい
う問題点があった。

【００１５】また、上記従来技術（３）は、排気浄化装
置が安価であるが、ＤＰＭ除去率が低いと言う問題点が
あった。

【００１６】さらに、上記従来技術（４）は、従来技術
（１）より安価にできるが、ＤＰＭ除去率がやや低く、
排気浄化装置の重量が重いという問題点があった。

【００１７】以上の問題点に鑑み本発明の課題は、複雑
な制御系を必要とせず、信頼性の高い排気浄化装置及び
その製造方法を提供することである。

【００１８】また本発明の課題は、小型軽量化し、使用
過程車にも容易に装着することのできる排気浄化装置及
びその製造方法を提供することである。

【００１９】また本発明の課題は、保守の手間を省き、
長期間使用可能な排気浄化装置及びその製造方法を提供
することである。

【００２０】さらに本発明の課題は、燃費を低減させる
とともに排気中の有害ガス及び粒子状物質の除去率の高
い排気浄化システムを提供することである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられ、
排気中の微粒子を除去する排気浄化装置であって、内燃
機関の排気通路に接続される筒状のケーシングと、前記
ケーシング内に配置されるとともに、少なくとも一部の
表面に自発分極誘電体触媒を担持した触媒担持粒子の層
と、を備えたことを要旨とする。

【００２２】上記課題を解決するため請求項２記載の発
明は、請求項１記載の排気浄化装置において、前記自発
分極誘電体触媒は、電気石であることを要旨とする。

【００２３】上記課題を解決するため請求項３記載の発
明は、請求項１または請求項２記載の排気浄化装置にお
いて、前記触媒担持粒子は、排気の流れる方向に沿って
順次粒径が大きいものから小さいものへ配置されている
ことを要旨とする。

【００２４】上記課題を解決するため請求項４記載の発
明は、触媒を担持した触媒担持粒子を用いた排気浄化装
置の製造方法であって、前記触媒担持粒子の製造工程
は、シラスバルーンの粉末と自発分極誘電体を含む触媒
の粉末とを混錬する混錬工程と、この混錬物を数ｍｍの
径に造粒する造粒工程と、造粒した混錬物を焼成して自
発分極誘電体触媒を担持した触媒担持粒子を形成する焼
成工程と、を備えたことを要旨とする。

【００２５】上記課題を解決するため請求項５記載の発
明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の排
気浄化装置と、内燃機関の燃料を自発分極誘電体触媒に
より改質する燃料改質装置と、を備えたことを要旨とす
る排気浄化システムである。

【００２６】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、内燃機関
の排気通路に接続される筒状のケーシング内に、少なく
とも一部の表面に自発分極誘電体触媒を担持した触媒担
持粒子を配置するようにしたので、自発分極誘電体の発
生する強静電界により触媒担持粒子中のシリカ・アルミ
ナ・酸化鉄などをスピン量子数物理学現象によって励起
する。この励起された触媒担持粒子の表面に内燃機関の
排気が接触すると、界面電気二重層の静電気二重層現象
を呈して、排気中の水分が解離され、更に酸素を量子二
重項などにスピン量子化する。この活性酸素は、排気中
の粒子状物質である黒煙や可溶有機成分を酸化し、無害
のＣＯ_２やＨ_２Ｏなどに変化させる。

【００２７】これにより、小型軽量で、複雑な制御系を
必要とせず、排気浄化効果が持続する信頼性の高い排気
浄化装置を提供することができるという効果を奏する。

【００２８】上記課題を解決するため請求項２記載の発
明は、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記自発分
極誘電体触媒は、自然界から産出する電気石としたの
で、容易に入手できる比較的安価な材料により排気浄化
装置を製造し、その価格を抑制することができるという
効果を奏する。

【００２９】請求項３記載の発明によれば、請求項１ま
たは請求項２記載の発明の効果に加えて、前記触媒担持
粒子は、排気の流れる方向に沿って順次粒径が大きいも
のから小さいものへ配置するようにしたので、排気抵抗
を増加させることなく、排気中の粒子状物質を効率よく
浄化することができるという効果を奏する。

【００３０】請求項４記載の発明によれば、触媒を担持
した触媒担持粒子を用いた排気浄化装置の製造方法にお
いて、前記触媒担持粒子の製造工程は、シラスバルーン
の粉末と自発分極誘電体を含む触媒の粉末とを混錬する
混錬工程と、この混錬物を数ｍｍの径に造粒する造粒工
程と、造粒した混錬物を焼成して自発分極誘電体触媒を
担持した触媒担持粒子を形成する焼成工程と、を備えた
ことにより、シラスバルーンと呼ばれ安価に入手できる
ガラス質火山砕屑物と自発誘電体を含む触媒の粉末を造
粒して焼成することにより、シラスバルーンという発泡
剤だから軽くしかも帯電性が高い軽量で高性能な触媒担
持体を形成し、軽量安価で保守の不要な排気浄化装置を
提供することができるという効果を奏する。

【００３１】請求項５記載の発明によれば、請求項１な
いし請求項３のいずれか１項記載の排気浄化装置と、内
燃機関の燃料を自発分極誘電体触媒により改質する燃料
改質装置と、を備えたことにより、より一層排気浄化性
能を高めた排気浄化システムを提供することができると
いう効果を奏する。

【００３２】

【発明の実施の形態】次に図面を参照して、本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る排気
浄化装置の構成を示す部分断面図であり、図中中心線よ
り上部は外観を示し、中心線より下部は断面を示してい
る。

【００３３】図１に示すように本実施の形態の排気浄化
装置１は、浄化された排気の排出口２ｃを有する略円筒
形のステンレス製の外筒２ａと、図外の内燃機関からの
排気の導入口２ｃを有し外筒２ａのキャップとなるステ
ンレス製の外筒２ｂと、図中右側へ凸となるように湾曲
するステンレス製の金網３と、ステンレス製の金網４
と、金網４を図中左側へ付勢する押スプリング５と、金
網３と金網４との間の空間に導入口２ｃから排出口２ｄ
へ向かって、順次粒径が小さくなるように充填された触
媒担持粒子層６、７、８と、外筒２ｂの周囲数カ所に設
けられ外筒２ｂを外筒２ａに固定する複数の固定ネジ９
とを備えている。

【００３４】外筒２ａ及び外筒２ｂの形状は、実施形態
では略円筒形としているが、これに限らず楕円柱形、角
柱形等とすることができる。またこれらの材質も耐熱性
金属材料であれば、ステンレスに限らず他の材料を用い
てもよい。

【００３５】外筒２ａ及び２ｂの内部に配置された触媒
担持粒子層６、７、８は、本実施の形態で排気浄化機能
を担うものである。触媒担持粒子層６、７、８を形成す
る各粒子は、それぞれ直径が数ｍｍ程度の略球形で、少
なくともその一部の表面に自発分極誘電体触媒を担持
し、粒子表面で内燃機関の排気中の黒煙を分解酸化し
て、無害なＣＯ_２とＨ_２Ｏとに変化させる。

【００３６】触媒担持粒子層６、７、８は、排気の導入
口２ｃから排出口２ｄへ向かって順次粒径が小さくなる
ように、外筒２ａ、２ｂの内部に配置されている。各触
媒担持粒子層を構成する粒子の粒径は、例えば、乗用車
ディーゼルエンジン用排気浄化装置では、触媒担持粒子
層６、７、８の順にそれぞれ、１０〜８ｍｍ、８〜５ｍ
ｍ、５〜３ｍｍ程度が好ましい。

【００３７】触媒担持粒子層６、７、８を構成する各粒
子は、シラスバルーンの粉末に、自発分極特性を有する
鉱石である電気石（トルマリン）の約１０μｍ程度の粉
末、水晶粉、ダイヤモンド屑粉、及び黒鉛粉を混錬し、
上記粒径に造粒した後、焼成して得られる。

【００３８】シラスバルーンは、シラス、白土、シリカ
サンドなどと呼ばれ火山噴出物として、火山地帯の地層
から容易に入手できる。例えば、鹿児島地方のシラスの
粒度組成は、砂分（５０μｍ〜２．０ｍｍ）に属する粒
分が最も多く７０〜８０％を占め、シルト分（３．９〜
６２．５μｍ）、粘度分は少ない。鉱物組成は、７０〜
８０％がガラス質であり、残りは長石、輝石、石英、磁
鉄鉱などの結晶質からなる。化学組成は、シリカ（Ｓｉ
Ｏ_２）６５〜７３％，アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）１２〜１
８％，酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３，ＦｅＯ）１〜３％，酸化カ
ルシウム（ＣａＯ）２〜４％，酸化ナトリウム（Ｎａ_２
Ｏ）３〜４％，酸化カリウム（Ｋ_２Ｏ）２〜３％の範囲
で安定している。

【００３９】シラスバルーンはシラスを急激に高温加熱
すると、粒径範囲３０〜６００μｍの中空ガラス球にな
ることが知られている（「微粒シラスバルーンの製作と
その応用」袖山他、無機マテリアル学会誌，７，３１３
−３２２（２０００））。

【００４０】これは、ガラス質火山砕屑物がシリカとア
ルミナ、即ちガラス質に富み、高熱で焼成すると、内部
に含む水分が蒸発膨張して、軟化したガラス質をバルー
ン状に膨らませ、多数の密閉気泡を有する焼成物となる
ためである。このため、シラスバルーンを用いた焼成物
は、軽量な耐熱材となる。

【００４１】触媒担持粒子の構成成分のうち、自発分極
誘電体触媒としての電気石（トルマリン）は、地球創生
期に高温・高圧下で作られた硼素のケイ酸塩結晶鉱物で
あり、化学式は、（Ｃａ，Ｎａ）Ｘ_３Ａｌ_６（ＢＯ_３）
_３Ｓｉ_６Ｏ_１８（ＯＨ，Ｆ） _４（ＸはＭｇ，Ｆｅ，Ｍ
ｎ，Ｌｉ，Ａｌのいずれかまたは組合せ）で表される。
電気石は、外部電界を印加しなくても存在する電気分
極、即ち自発分極の性質を有する。

【００４２】電気石は、成分により鉄（Ｆｅ）を含む鉄
電気石、マグネシウム（Ｍｇ）を含む苦土電気石、リチ
ウム（Ｌｉ）を含むリチア電気石など１０種類が知られ
ている。そして電気石にはその成分により、黒色、褐
色、緑色系、紅色系の各色があり、リチア電気石の透明
で美しいものは宝石（１０月の誕生石）としても高く評
価されている。宝石採掘の副産物として美的価値のない
電気石は比較的安価に入手可能であり、本実施形態の自
発分極誘電体粉末の原料となる。

【００４３】電気石を微細に粉砕していくと結晶の両端
に＋極と−極とが出現する。公開されているデータによ
れば、厚さ数十ミクロン程度の薄い層状の領域では、最
高１０^７Ｖ／ｍ〜１０^４Ｖ／ｍの高電界を発揚するとい
う。これらの表面に、水などの極性分子が接触すれば、
水の電気分解などの大きな電気化学現象が起こる。

【００４４】本発明においては、電気石の微細粉末の自
発分極による強力高静電界でシラスバルーンの含有材Ｓ
ｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３などを分極することを
利用して、排気中の有害物質を酸化還元して、無害なＣ
Ｏ_２やＨ_２Ｏに変える排気浄化作用を行わせている。

【００４５】水晶は、二酸化珪素（シリカ、ＳｉＯ_２）
の結晶で、圧力を加えると電圧が発生する圧電体として
も知られている。棒状又は薄板状の水晶片に電気刺激を
与えると非常に正確な振動数で振動するので、コンピュ
ータのクロック発振器や携帯電話等の無線機器の周波数
制御に利用されている。触媒担持粒子に水晶粉を混錬す
るのは、熱や振動などの発振電圧で電気石電圧の変調や
シラスバルーン中のＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３
などの分極も変動させるためである。

【００４６】ダイヤモンドは、炭素（Ｃ）の同素体の一
つであり、炭素原子が正４面体状に次々と積み重なった
共有結合の巨大分子結晶である。ダイヤモンドは全ての
物質のなかで最も硬く、熱伝導率も最も大きい（銅の５
倍）。又その熱伝導は、結晶格子の振動によるものであ
る。しかもダイヤモンドは常温では自由電子を持たない
ので電気伝導性はない。ダイヤモンド粉を触媒担持粒子
に混錬するのは、その巨大分子結晶中に外からの電子を
一時取り込む機能を持たせるためである。

【００４７】黒鉛は、石墨とも呼ばれる炭素の同素体
で、六角形の網目状に並んだ炭素原子の平面膜同士が弱
く重なり合った巨大分子であり、黒い金属光沢と、電気
伝導性を有する。黒鉛粉を触媒担持粒子に混錬するの
は、電気伝導性を持たせるためである。

【００４８】触媒担持粒子の形成には、まず電気石、水
晶、ダイヤモンド屑、黒鉛をそれぞれ数ミクロンないし
１０数ミクロン（５〜１５ミクロン）に微細粉末化し、
シラスバルーン粉末を加え、分散剤（ポリアクリル酸ア
ンモニウムなど）、結合剤（アクリル系エマルジョンな
ど）を添加して、混錬する。

【００４９】この混錬物を真空脱泡後、所望のサイズの
球形を作る石膏型に鋳込み、例えば、１１０℃で乾燥さ
せ、造粒する。この造粒物を、例えば１０００℃程度で
焼成すると、自発分極誘電体触媒を担持した触媒担持粒
子が得られる。

【００５０】触媒担持粒子製造過程におけるシラスバル
ーンと電気石粉末の混合比と、この混合比による排気浄
化装置の排気浄化効果を、排気浄化装置を装着しない比
較対象とともに、次の表１に示す。また表２は、測定条
件を示す。

【００５１】

【表１】

【００５２】

【表２】

【００５３】次に、排気浄化装置１の作用を説明する。
触媒担持粒子層６、７、８を構成する各触媒担持粒子の
表面では、自発分極誘電体触媒である電気石の微粒が、
その強力静電界により触媒担持粒子に含まれるシリカ
（ＳｉＯ_２），アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），酸化鉄（Ｆｅ
_２Ｏ_３，ＦｅＯ）などの含有材をスピン量子数物理現象
として量子励起させている。

【００５４】そこに、内燃機関からの排気物質が通過す
ると、触媒担持粒子表面に接触したり吸着したりする。
排気中の各種物質、ＮＯｘ，ＣＯｘ，Ｈ_２Ｏ，炭化水素
（ＨＣ），黒煙（炭素）等は、触媒担持粒子表面で、そ
れぞれの界面電気二重層現象を伴い、酸化還元の量子自
然科学的現象を呈して、多くはＣＯ_２やＨ_２Ｏとして、
残りは極微のガスとして排出される。

【００５５】図６は、量子域におけるシラスバルーンと
電気石との接触模式図である。電気石は、数μｍから１
０μｍ程度の微粒子に微細化すれば、高自己分極静電場
を形成する。その高静電場に量子域として接するシラス
バルーン中のＳｉＯ_２，Ａｌ _２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３なども
誘電分極する。それらの分極電荷力によって、その周辺
に散在する物質は酸化還元現象を起こす。例えば排気ガ
ス中の水分はプロトンとヒドロキシラジカルに解離し
（Ｈ_２Ｏ→Ｈ^＋＋ＯＨ⁻）、酸素（Ｏ_２）はＯ_２・
⁻（スーパーオキシドアニオンラジカル）、Ｏ_２・⁻＋
２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２Ｏ_２、Ｏ_２・⁻＋２Ｈ^＋→Ｈ_２Ｏ_２、
Ｈ_２Ｏ_２はＦｅ_２Ｏ_３，の触媒作用で・ＯＨなどに変化
する。

【００５６】かかる雰囲気中では、化学的酸化還元反応
が働き、排気ガス中の一酸化窒素は窒素と酸素に還元さ
れ（２ＮＯ→Ｎ_２＋Ｏ_２）、一酸化炭素は酸化され（２
ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２）、未燃燃料の炭化水素は水と二
酸化炭素に酸化され、最終的には、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ
_２、等の無色透明、無害の自然界物質として排出され
る。

【００５７】また触媒担持粒子表面の図６の模式図から
して、排気ガスは気体や固体粉が高速に且つ振動しなが
ら触媒担持粒子の表面に衝突する。一方排気ガス粒子も
熱を有しており粒子自身熱電子を持っている。これらの
振動は、触媒担持粒子のそのものの振動及びシラスバル
ーン粒子との接触摩擦による帯電といった固体同士の接
触摩擦帯電と液体の帯電即ち界面電気現象としての界面
電気二重層の発生から触媒担持粒子表面近傍では静電物
理と電気化学現象が重畳されて、排気ガスの分解強化を
行うものである。

【００５８】図２は、本発明に係る排気浄化装置をディ
ーゼルエンジンに適用した例を説明する構成図である。
図２において、ディーゼルエンジン本体３０は、シリン
ダ１１と、シリンダヘッド１２と、ピストン１３と、吸
気バルブ１４と、排気バルブ１５と、燃料噴射弁３２と
を備えている。

【００５９】またエンジン本体３０の周囲には、吸入空
気を濾過するエアクリーナ１８と、エアクリーナ１８の
下流に配設された吸入空気改質器１９と、燃料タンク２
３から移送ポンプ２２により汲み上げられた軽油を改質
する燃料改質器２４と、改質された燃料を高圧に加圧し
て燃料噴射弁３２から噴射させる高圧燃料ポンプ３１
と、マフラー機能を兼ねる排気浄化装置１とが配設され
ている。

【００６０】排気浄化装置１は、図１において説明した
排気浄化装置１と同様のものである。燃料改質器２４及
び吸入空気改質器１９は、本願出願人による特願２００
０−２９９０５号記載の燃料改質器及び吸入空気改質器
であり、その作用効果は、前記願書に添付された明細書
に詳細に記述されている。

【００６１】図４は、燃料改質器２４の構成を示す図で
あり、（ａ）は外観図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面
矢視図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ’断面構造模式図であ
る。

【００６２】図４に示すように燃料改質器２４は、内部
に燃料通路４７を有する第１部材であるフッ素系高分子
材料で形成された内層パイプ４２と、内層パイプ４２の
外周部に接して設けられた電離触媒層４３と、電離触媒
層４３の外周部に接して設けられた固体電解質層４４
と、固体電解質層４４の外周部に接して設けられた第２
部材である導電性金属製の外層パイプ４５とを備えて形
成されている。

【００６３】電離触媒層４３は、自発分極特性を有する
鉱石である電気石（トルマリン）を約１０μｍ程度の粒
径に粉砕し、別に水晶粉、ダイヤモンド屑粉、黒鉛粉、
などを混錬し溶剤でコロイド状ゲルとしたものを乾燥固
化したものである。

【００６４】燃料改質器２４及び吸入空気改質器１９
は、本発明の排気浄化装置１の効果を一層増進させると
ともに、燃費改善に効果がある。しかしながら、燃料改
質器２４及び吸入空気改質器１９を用いず、本発明の排
気浄化装置１を単独で用いても十分な排気浄化効果があ
る。

【００６５】ディーゼルエンジンでは、シリンダ１１内
に空気を吸入してピストンに１３より高圧高温に圧縮す
る。その圧縮上死点近傍の高圧高温条件では、吸入空気
は各分子が物理化学的に熱プラズマ化している。そこに
燃料改質器２４で処理された燃料が高圧高速に噴射され
る。

【００６６】燃料改質器２４で改質された燃料中の水素
や炭素分もそれぞれ励起がなされ、熱プラズマ化した空
気と効率よく反応し、未燃燃料や煤等のＤＰＭの比較的
少ない排気が排気浄化装置１に導入される。

【００６７】排気浄化装置１では、残ったＤＰＭをほぼ
完全に酸化、還元して、無害の窒素ガス（Ｎ_２）、水
（Ｈ_２Ｏ）、炭酸ガス（ＣＯ_２）、その他の極少のＮＯ
ｘなどとして排出する。

【００６８】このメカニズムは、本発明の排気浄化装置
を装着することにより現行市場にある使用過程車にも即
適用出来るので、自動車による大気汚染改善に大きく寄
与させられる。

【００６９】図３は、本発明に係る排気浄化装置をガソ
リンに適用した例を説明する構成図であり、ガソリン直
接噴射エンジンの例を示すものである。図３において、
ガソリンエンジン本体１０は、シリンダ１１と、シリン
ダヘッド１２と、ピストン１３と、吸気バルブ１４と、
排気バルブ１５と、燃料噴射弁１６と、点火プラグ１７
とを備えている。

【００７０】またエンジン本体１０の周囲には、吸入空
気を濾過するエアクリーナ１８と、エアクリーナ１８の
下流に配設された吸入空気改質器１９と、吸入空気量を
制御するスロットルバルブ２０と、燃料タンク２３から
移送ポンプ２２により汲み上げられたガソリンを改質す
る燃料改質器２４と、改質された燃料を加圧して燃料噴
射弁１６から噴射させる燃料ポンプ２１と、マフラー機
能を兼ねる排気浄化装置１とを備えている。

【００７１】排気浄化装置１は、図１において説明した
排気浄化装置１と同様のものである。吸入空気改質器１
９は、燃料改質器２４とほぼ同様の構成であるが燃料通
路に代えて断面積の大きい吸入空気通路を備えている。
燃料改質器２４及び吸入空気改質器１９は、本願出願人
による特願２０００−２９９０５号記載の燃料改質器及
び吸入空気改質器であり、その作用効果は、前記願書に
添付された明細書に詳細に記述されている。

【００７２】燃料改質器２４及び吸入空気改質器１９
は、本発明の排気浄化装置１の効果を一層増進させると
ともに、燃費改善に効果がある。しかしながら、燃料改
質器２４及び吸入空気改質器１９を用いず、本発明の排
気浄化装置１を単独で用いてもに十分な排気浄化効果が
ある。

【００７３】ガソリン直接噴射方式のガソリンエンジン
は、上記ディーゼルエンジンと同様に、吸入空気をあら
かじめ圧縮して高圧高温（ディーゼルエンジンより低
圧）にして、その近傍で燃料改質器２４により改質され
た燃料を燃料噴射弁１６より噴射して、且つ点火プラグ
１７からの電気火花で着火爆発燃焼させる。燃料改質器
２４により改質された燃料は、燃料中の水素や炭素分も
それぞれ励起がなされ、熱プラズマ化した空気と効率よ
く反応し、未燃燃料や煤等のＤＰＭの比較的少ない排気
が排気浄化装置１に導入される。

【００７４】排気浄化装置１では、残ったＤＰＭをほぼ
完全に酸化、還元して、無害の窒素ガス（Ｎ_２）、水
（Ｈ_２Ｏ）、炭酸ガス（ＣＯ_２）、その他の極少のＮＯ
ｘなどとして排出する。

【００７５】図３では、ガソリン直接噴射式のエンジン
を説明したが、本発明の内燃機関は、通常の吸気ポート
噴射のガソリンエンジンにも適用することができる。

【００７６】以上説明したように本発明の排気浄化装置
は、前段エンジンの燃焼状態に拘わらず、排気中の有害
物質、特に粒子状物質を効率よく無害化し、大気汚染防
止に寄与するものである。

【００７７】また本発明で使用する材料も軽量で、排気
浄化装置に複雑な制御を含まず、外部からＤＰＭ焼却の
ためのエネルギー供給を必要とせず、信頼性が高く、保
守の必要性がない排気浄化装置を提供することができ
る。

【００７８】更に既出願の燃料改質器、空気改質器など
と組み合わせて使用すれば、燃費改善と排気浄化などに
より、次期排ガス長期規制対応策として、現状経済施設
の変更もなく、環境対策が可能である。そして、世界中
に現存する使用過程車にも容易に適用することが出来る
ので、速やかな普及を期待できる。勿論本発明が適用さ
れる内燃機関は、自動車に限定するものではなく、据え
置き型エンジン、二輪車、特殊車両などへの拡大が可能
である。

【００７９】図５は、本発明に係る排気浄化装置の他の
実施形態を示す外観図であり、携帯用ＤＰＦとした実施
形態である。図５の携帯用ＤＰＦは、略円筒形の排気浄
化装置本体１と、本体の側面に固定された取手５１と、
内燃機関の排気管に接続するために本体１から伸延する
フレキシブルパイプ５２とを備えている。排気浄化装置
本体１は、図１の排気浄化装置と同様のものである。

【００８０】近年、建設や土木工事の機械化が進み、大
型建設機械は元より、小型の建設機械も多用されてい
る。これらの建設機械が特に住宅街などで使用される
と、ディーゼルエンジンから排出される黒煙や排気臭が
環境問題となる。

【００８１】この対策に本実施形態の携帯用ＤＰＦを排
気管に接続して利用すれば、別途に外部からフィルター
を再生するための電力などのエネルギーを要することも
なく、内燃機関の排気エネルギーでＤＰＦが働き黒煙除
去や排気臭除去の効果を奏する。

【００８２】またこの携帯用ＤＰＦは、アイドリング用
携帯ＤＰＦとしても利用できる。例えば、公共施設など
に出入りする車両の駐停車中のアイドリング時に、本実
施形態の携帯用ＤＰＦを排気管に簡易セッティングして
周辺の大気保全に供することができる。

【００８３】また、本発明に係る排気浄化装置に用いた
触媒担持粒子を、適当な容器に封入して、内燃機関用の
燃料を触媒担持粒子に接触させることにより、燃料改質
の効果がある。即ち、特公平８−２３０２５号公報記載
の燃料改質器と同様に、触媒担持粒子表面の電気石微粒
子により強力静電界によって、燃料中の水や結合水素分
を解離して、ＣＨ結合を切り、燃料分子の低分子量化及
び帯電化ができ燃焼効率を向上させる効果がある。

【００８４】尚、本発明の排気浄化装置は、従来の排気
浄化装置のようにフィルタが目詰まりすると他系に切り
換えてＤＰＭを燃焼させる必要はなく、触媒担持粒子の
表面は自己浄化機能を有する。しかしながら、排気ガス
に長期間曝されると未分解質も残る。従って一定期間経
過後、車検等の時期に性能検査して、性能低下があれ
ば、触媒担持粒子の洗浄により性能を回復させることが
できる。

【００８５】洗浄液は、特開平７−２４７１０１号公報
記載の抽出樹液、または「図譜江戸時代の技術（上
巻）」Ｐ２９７（菊地俊彦編１９８８．１１．２５恒和
出版）、及び「鹿児島県の諸職」Ｐ２５７〜２５９（鹿
児島県教育委員会編昭和５９・６０年度）に記載の抽出
樹液である。本樹液は排気ガスに含まれる有機燃焼残材
を溶解する性質があり、本発明の排気浄化装置の実験後
の触媒担持粒子を同液に浸すと表面付着物は溶出し、触
媒性能が回復することを確認した。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明に係る排気浄化装置の実施形態の
構成を示す部分断面図、及び（ｂ）排気浄化装置を構成
する自発分極誘電体触媒を担持した触媒担持粒子の模式
断面図である。

【図２】本発明に係る排気浄化装置をディーゼルエンジ
ンに適用した例を説明する構成図である。

【図３】本発明に係る排気浄化装置をガソリンエンジン
に適用した例を説明する構成図である。

【図４】本発明の排気浄化装置と共に用いることが好ま
しい燃料改質器の構成を示す図であり、（ａ）は外観
図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面矢視図、（ｃ）は
（ｂ）のＢ−Ｂ’断面構造模式図である。

【図５】本発明の他の実施形態である携帯用ＤＰＦの外
観を示す斜視図である。

【図６】本発明の排気浄化装置における触媒担持粒子表
面における接触模式図である。

【符号の説明】

１排気浄化装置２ａ外筒（本体）２ｂ外筒（キャップ）３金網４金網５スプリング６触媒担持粒子層７触媒担持粒子層８触媒担持粒子層９固定ネジ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｍ 27/04 Ｂ０１Ｄ 53/36 １０４ＢＦターム(参考） 3G090 AA03 BA01 4D048 AA14 AB01 BA06X BA09X BA42X BA43X BB01 CA01 4G069 AA03 AA08 AA09 AA11 BA02A BA02B BA02C BA15A BA15B BA16A BA16B BB08A BB08B CA03 CA07 CA18 DA06 EA02X EA02Y EB18X EB18Y FB61

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気系に設けられ、排気中の
微粒子を除去する排気浄化装置であって、内燃機関の排気通路に接続される筒状のケーシングと、前記ケーシング内に配置されるとともに、少なくとも一
部の表面に自発分極誘電体触媒を担持した触媒担持粒子
の層と、を備えたことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】前記自発分極誘電体触媒は、電気石であ
ることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】前記触媒担持粒子は、排気の流れる方向
に沿って順次粒径が大きいものから小さいものへ配置さ
れていることを特徴とする請求項１または請求項２記載
の排気浄化装置。
【請求項４】触媒を担持した触媒担持粒子を用いた排
気浄化装置の製造方法であって、前記触媒担持粒子の製造工程は、シラスバルーンの粉末と自発分極誘電体を含む触媒の粉
末とを混錬する混錬工程と、この混錬物を数ｍｍの径に造粒する造粒工程と、造粒した混錬物を焼成して自発分極誘電体触媒を担持し
た触媒担持粒子を形成する焼成工程と、を備えたことを特徴とする排気浄化装置の製造方法。
【請求項５】請求項１ないし請求項３のいずれか１項
記載の排気浄化装置と、内燃機関の燃料を自発分極誘電体触媒により改質する燃
料改質装置と、を備えたことを特徴とする排気浄化システム。