JP2003222017A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

排ガス浄化装置

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JP2003222017A
JP2003222017A JP2002020671A JP2002020671A JP2003222017A JP 2003222017 A JP2003222017 A JP 2003222017A JP 2002020671 A JP2002020671 A JP 2002020671A JP 2002020671 A JP2002020671 A JP 2002020671A JP 2003222017 A JP2003222017 A JP 2003222017A
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JP
Japan
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catalyst
exhaust gas
oscillator
vibrator
support
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JP2002020671A
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English (en)
Inventor
Kohei Okumura
公平 奥村
Toshiyuki Sakamoto
淑幸 坂本
Masahiko Takeuchi
雅彦 竹内
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Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】触媒に大きな表面積を確保しつつ外部エネルギ
ーを利用することで、浄化活性を向上させる。 【解決手段】モノリス触媒2に接する支持体3と、排ガ
ス流路外部に配置され支持体3を介してモノリス触媒2
を振動させる振動子4と、振動子4を駆動する駆動回路
5と、からなり、振動子3によりモノリス触媒2を振動
させながら排ガスを流通させる。振動によって触媒上の
貴金属に大きな変位が生じ、触媒表面に吸着したNOx
どのガス分子の状態が変化すると考えられ、触媒の浄化
活性が大きく向上する。また振動子は排ガス流路外部に
配置されているので、排ガス中の腐食性ガスなどと接触
することがなく、振動子の構造破壊あるいは特性変化な
どが生じない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車エンジンな
どから排出される排ガスを浄化する排ガス浄化装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】大気汚染を抑制するために、自動車の排
ガス流路には各種の排ガス浄化用触媒が搭載されてい
る。この触媒の形状としては、ハニカム形状、フォーム
形状、あるいはペレット形状などが一般的である。しか
し内燃機関からの排ガスは大流量であるため、その排ガ
スを浄化する触媒の排ガスとの接触面積を大きくする必
要があり、表面積の大きなハニカム形状あるいはフォー
ム形状とすることが望ましい。
【0003】例えばハニカム形状又はフォーム形状の触
媒は、コージェライトなどから形成されたモノリス基材
にアルミナなどのコート層を形成し、そのコート層にPt
などの貴金属を担持して形成されている。またNOx 吸蔵
還元型触媒の場合には、K,BaなどのNOx 吸蔵材をコー
ト層にさらに担持している。
【0004】しかし排ガスの温度は 600℃以上の高温で
あり、また排ガス中にはNOx ,SOxなどの腐食性ガスも
含まれているため、触媒の劣化が避けられず浄化能が徐
々に低下する。また始動時などの低温域における浄化能
が低いという問題もあり、従来の排ガス浄化装置にはさ
らなる浄化能の向上が求められている。
【0005】そこで触媒自身の活性のみに依存するだけ
でなく、外部エネルギーを利用することが提案されてい
る。例えば特開平8-103669号公報及びSurface Science
417(1998)97-106には、電極を接合した圧電体の表面に
触媒層を形成した触媒素子が開示され、圧電体に固有の
共振周波数の振動を発生させる交流電圧を印加して圧電
体及び触媒層を振動状態とすることで、エタノールやCO
の酸化活性が向上することが記載されている。またSurf
ace Science 417(1998)97-106では、触媒素子を直接加
熱する機構が付加され、加熱によりさらに活性を高める
ことが記載されている。
【0006】さらに特開2001−187123号公報には、光触
媒に接触させた圧電素子を超音波周波数で振動させるこ
とにより、アセトアルデヒドの分解活性が向上すること
が記載されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが上記した圧電
体を用いる方法においては、圧電体が排ガスなどに曝さ
れる構造となっている。そのため高温では圧電体の構造
破壊が生じ、触媒層を振動させることが困難となるとい
う問題がある。また自動車排ガスなど腐食性ガスを含む
雰囲気中では、圧電体と触媒層中の貴金属などの触媒成
分とが反応し、圧電体の特性が変化したり触媒の活性が
低下するという問題もある。
【0008】さらに電極を接合した圧電体の表面に触媒
層を形成した触媒素子では、触媒素子の形状は圧電体の
形状に支配された平板状である。また光触媒を用いる場
合にも、触媒層に光を照射するためには触媒層は平板状
とならざるを得ない。このような平板状の触媒層では、
表面積が小さく自動車排ガスのような大流量の排ガスを
処理するには不向きである。また、平板状の触媒層を大
表面積に形成することは実用的でない。
【0009】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、触媒に大きな表面積を確保しつつ外部エネ
ルギーを利用することで、浄化活性を向上させることを
目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の排ガス浄化装置の特徴は、耐熱性材料からなるモノ
リス基材と,多孔質酸化物よりなりモノリス基材にコー
トされたコート層と,コート層に担持された少なくとも
貴金属と,よりなり排ガス流路に配置された触媒と、触
媒に接する支持体と、排ガス流路外部に配置され支持体
を介して触媒を振動させる振動子と、振動子を駆動する
駆動回路と、からなり、振動子により触媒を振動させな
がら排ガスを触媒に流通させることにある。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明の排ガス浄化装置では、振
動子の振動が支持体を介して触媒に伝達され、触媒が振
動する。詳細な理由は不明であるが、振動によって触媒
上の貴金属に大きな変位が生じ、触媒表面に吸着したNO
x などのガス分子の状態が変化すると考えられる。これ
により排ガス中のNOx などを浄化する触媒の浄化活性が
大きく向上する。また振動子は排ガス流路外部に配置さ
れているので、排ガス中の腐食性ガスなどと接触するこ
とがない。したがって振動子の構造破壊あるいは特性変
化などが生じず、触媒を安定して振動させることができ
るので、高い浄化活性を長期間維持することができる。
【0012】本発明に用いられる触媒は、モノリス基材
と、モノリス基材にコートされたコート層と、コート層
に担持された少なくとも貴金属と、から構成される。モ
ノリス基材としては、コージェライトなどの耐熱性セラ
ミックスあるいは金属製のものが挙げられ、その形状は
多数のセルをもつハニカム形状、多数の連通空孔をもつ
フォーム形状などとされる。
【0013】コート層はセルあるいは連通空孔の主とし
て壁面に形成され、各種酸化物担体から形成することが
できる。例えばアルミナ( Al2O3)、マグネシア( Mg
O)、ジルコニア(ZrO2)など、貴金属との親和性に優
れた酸化物担体から形成することが望ましい。このコー
ト層は、一般のウォッシュコート法などにより形成する
ことができる。
【0014】コート層に少なくとも担持される貴金属と
しては、Pt,Rh,Pd,Irなどを用いることができる。中
でも触媒活性が高いPtが特に好ましい。また場合によっ
ては、Fe,Co,Ni,Mnなどの卑金属を貴金属と併用する
こともできる。さらにアルカリ金属、アルカリ土類金属
あるいは希土類元素から選ばれるNOx 吸蔵材を貴金属と
共に担持すれば、NOx 吸蔵還元型触媒として用いること
ができる。なお貴金属の担持量は、モノリス基材1リッ
トル当たり 0.1〜20gの範囲が適当である。担持量が
0.1gより少ないと活性が不足し、20gより多くなると
コストが増大してしまう。またNOx 吸蔵材の担持量は、
モノリス基材1リットル当たり0.01〜5モルの範囲が好
ましい。担持量が0.01モルより少ないとNOx 吸蔵能の発
現が困難となり、5モルより多くなると貴金属を覆って
貴金属の活性が低下するようになる。
【0015】振動子としては、超音波振動子として用い
られる各種圧電振動子あるいは磁歪振動子などを用いる
ことができる。この振動子の振動周波数は5KHz〜100MHz
のものが好ましい。周波数が5KHz未満では振動による効
果が発現されず、100MHzを超えると実用的な進藤発生装
置を作成するのが容易でないので、これ以上の周波数で
触媒を効率的に進藤させることは困難である。このよう
な高周波領域で使用可能な振動子としては、 PZT(ジル
コン酸チタン酸鉛)、ニオブ酸鉛、LiNbO3、 ZnOなどの
圧電振動子が例示されるが、キュリー温度(Tc)が高く
構造相転移しにくいLiNbO3が特に好ましい。なお、排ガ
ス中の浄化すべき成分の種類、濃度あるいは温度などの
因子によって、触媒の振動周波数に最適値が存在する場
合もある。
【0016】触媒と振動子との間に介在する支持体とし
ては、振動子で発生した振動を触媒に確実に伝達でき、
かつ排ガスと接触しても特性が変化しにくいものであれ
ば用いることができ、金属、セラミックスなどから選ば
れる種々の材質を用いることができる。中でも、熱伝導
率の小さなステンレス鋼、石英ガラスなどが好ましい。
熱伝導率が小さければ、振動子の振動が触媒に伝達され
る間に生じるエネルギー損失を小さくすることができ
る。
【0017】支持体は触媒と振動子との間に介在するた
め、支持体は排ガス流路の壁を貫通した状態で設けられ
る。したがって、支持体は排ガス流路の壁を貫通して気
密に保持されている必要があり、ロウ付けあるいは溶接
などで排ガス流路の壁と接合することが好ましい。また
支持体と触媒及び支持体と振動子の接合構造は、互いに
当接しているだけでもよいし、耐熱性接着剤などで接合
されていてもよい。
【0018】振動子を振動駆動する駆動回路は、交流電
源とコンピュータを用いたデジタル回路などから構成す
ることができる。振動子の振動駆動は、排ガスが流通す
る間常時振動させてもよいし、排ガス温度が所定値以下
の低温時にのみ振動させるように制御することもでき
る。この場合は、排ガス温度あるいは触媒の温度を検出
する温度センサを設けておき、その温度センサからの信
号によって振動子の駆動のON-OFFを制御すればよい。ま
た温度センサからの信号によって振動子の振動周波数を
制御することも可能である。
【0019】
【実施例】以下、実施例及び比較例により本発明を具体
的に説明する。
【0020】(実施例1)図1に本実施例の排ガス浄化
装置の概略構成図を示す。この排ガス浄化装置は、ステ
ンレス製の反応管1内に配置されたモノリス型触媒2
と、一端がモノリス型触媒2に当接し反応管1の管壁を
貫通して他端が反応管1の外部に出た支持体3と、支持
体3の他端に当接保持された振動子4と、振動子4の振
動駆動を制御する駆動回路5とから構成されている。
【0021】モノリス触媒2は、以下のようにして製造
された。先ずコージェライト製でハニカム形状のモノリ
ス基材にアルミナスラリーをウォッシュコートし、大気
中 500℃で2時間加熱してコート層を形成した。次にコ
ート層が形成されたモノリス基材をジニトロジアミノ白
金水溶液に浸漬してPtを吸着担持し、引き上げて余分な
液滴を除去した後、乾燥・焼成してPtを担持した。さら
に水素ガスを5%含む窒素ガス流通下にて 500℃で3時
間加熱する熱処理を行い、担持されているPtを金属Pt状
態とした。アルミナコート層はモノリス基材1リットル
当たり 150g形成され、Ptはモノリス基材1リットル当
たり 1.5g担持されている。
【0022】支持体3はステンレス鋼から断面略コ字状
に形成され、一対の脚状の一端部が反応管1の管壁を貫
通して反応管1内に入り、その先端がモノリス型触媒2
に当接している。また反応管1の管壁から出た他端に
は、 PZT製の圧電体よりなる振動子4が当接保持されて
いる。なお支持体3は、反応管1の管壁に気密にロウ付
け接合されている。
【0023】駆動回路5は、振動子4の駆動源である交
流電源とデジタル回路から構成され、振動子4に周波数
10MHz,10Vの交流電圧が印加されるように構成されて
いる。
【0024】
【表1】
【0025】上記した排ガス浄化装置において、反応管
1内に表1に示す組成のモデルガスを空間速度5万/h
r、入りガス温度 150〜350℃の各温度で流通させ、モデ
ルガスが流通している間、駆動回路5により振動子4を
常時10MHzの振動数で振動駆動した。そして各温度にお
ける出ガス中のNOx 濃度を測定し、入りガス中のNOx
度との差からNOx 浄化率を測定した。結果を図2に示
す。
【0026】(実施例2)振動子4に500KHz,10Vの交
流電圧を印加すること以外は実施例1と同様に排ガス浄
化装置を構成し、その他は実施例1と同様にしてNOx
化率を測定した。結果を図2に示す。
【0027】(実施例3)振動子4に 25KHz,10Vの交
流電圧を印加すること以外は実施例1と同様に排ガス浄
化装置を構成し、その他は実施例1と同様にしてNOx
化率を測定した。結果を図2に示す。
【0028】(比較例1)駆動回路5を設けなかったこ
と以外は実施例1と同様に排ガス浄化装置を構成し、振
動子4に交流電圧を印加しなかったこと以外は実施例1
と同様にしてNOx浄化率を測定した。結果を図2に示
す。
【0029】<評価>図2から、振動子4を振動させて
モノリス型触媒2を振動させることによりNO x 浄化活性
が向上していることが明らかであり、振動周波数が高い
ほど低温域から高い浄化率でNOx を浄化させることがで
きることも明らかである。
【0030】
【発明の効果】すなわち本発明の排ガス浄化装置によれ
ば、支持体を介して触媒を振動させるだけでNOx などを
高い浄化率で浄化することができ、また低温域における
浄化活性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の排ガス浄化装置の概略構成
を示す説明図である。
【図2】温度とNOx 浄化率との関係を示すグラフであ
る。
【符号の説明】
1:反応管(排ガス流路) 2:モノリス型触媒
3:支持体 4:振動子 5:駆動回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂本 淑幸 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 竹内 雅彦 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 3G091 AB01 BA01 CA00 EA17 EA18 GA06 GB02W GB06W GB07W GB10X GB17X 4D048 BB02 BD10 CA01 CB02 CB10 CC01 CC08 CC09 CC10 EA10

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 耐熱性材料からなるモノリス基材と,多
    孔質酸化物よりなり該モノリス基材にコートされたコー
    ト層と,該コート層に担持された少なくとも貴金属と,
    よりなり排ガス流路に配置された触媒と、該触媒に接す
    る支持体と、該排ガス流路外部に配置され該支持体を介
    して該触媒を振動させる振動子と、該振動子を駆動する
    駆動回路と、からなり、該振動子により該触媒を振動さ
    せながら排ガスを該触媒に流通させることを特徴とする
    排ガス浄化装置。
  2. 【請求項2】 前記振動子は、ジルコン酸チタン酸鉛、
    ニオブ酸鉛、LiNbO3、 ZnOのうちの少なくとも1種から
    なる請求項1に記載の排ガス浄化装置。
  3. 【請求項3】 前記支持体は、ステンレス鋼、石英ガラ
    スのうちの少なくとも1種からなる請求項1に記載の排
    ガス浄化装置。
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JP2008531913A (ja) * 2005-02-24 2008-08-14 ボルボ テクノロジー コーポレイション ガス流中の粒子の除去のための装置と方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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