JP2004019534A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】放電電極及び対向電極を含み、さらに対向電極がディーゼルエンジンからの排気ガス流路表面にディーゼルパティキュレート(PM)を燃焼させるための触媒を担持しており、両電極間の放電により帯電したPMを対向電極表面に捕集すると共に、前記対向電極の排気ガス流路表面に担持したPM燃焼触媒の作用によってPMを燃焼させることによりディーゼルエンジン排気ガスを浄化する。さらに放電電極にPM燃焼触媒を担持することが好ましい。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関等からの排気ガス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ガス浄化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
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、近年特にその排気ガス中の窒素酸化物、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、排気ガス中の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。
【0003】
ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置として、従来から、放電を利用した装置が知られている。例えば特許第2698804号公報には、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装置が開示されている。しかし、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。
【0004】
また、特公平7−293227号公報には、網状等の放電電極及び酸化セリウム又は白金属触媒を担持した金属製セル状受電極を対向配置して構成され、排気ガス中の汚染分子である窒素酸化物、炭化水素の除去効率向上を目的とした排気ガス浄化装置が開示されているが、この場合もPM燃焼についての記載も示唆もなく、またこの装置の構成のみではPM燃焼を充分に行えるものではない。
【0005】
また、特開平7−265652号公報には、プラズマ法を利用したNOx、SOxをNO2、SO3へ酸化し、捕集しやすい形態に変化させるための、ワイヤ型放電電極とハニカム状の対向電極からなる排気ガス浄化装置が開示されている。また、特開平5−59934号公報には、直線状のタングステン材からなる放電電極と、円筒状の受電極からなる排気ガス浄化装置が開示されている。しかし、これらの技術も、PM燃焼除去を目的としたものではなく、PM燃焼についての記載も示唆もなく、またその効果もPMを充分に燃焼できるものではなかった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、従来公知の、放電を利用した排気ガス浄化装置は、PMの燃焼除去に関してはきわめて不充分であり、ディーゼルエンジン等から排出される排気ガス中のPMの燃焼除去効率を高める必要があった。さらに、排気ガス浄化装置の運転時間の経過とともに、この装置に堆積するPMが増加することによって、PM燃焼除去効率が低下することを防止する必要があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決して排気ガス中のPMの燃焼・除去を実現するための排気ガス浄化装置であって、放電電極及び対向電極を含み、さらに前記対向電極が触媒を担持しており、前記両電極間の放電により帯電したディーゼルパティキュレートを対向電極表面に捕集するのと共に、前記対向電極の排気ガス流路表面に担持した触媒の作用によってディーゼルパティキュレートを燃焼させることを特徴とするディーゼルエンジン排気ガス浄化装置である。
【0008】
上記問題点を解決するための2番目の発明は、1番目の発明において、前記放電電極が線状電極であり、前記対向電極が筒状電極であって、前記線状電極の周囲を前記筒状電極がトンネル状に非接触の状態で取り囲んで配置され、かつ前記筒状電極の前記ディーゼルエンジンからの排気ガス流路表面にディーゼルパティキュレートを燃焼させるための触媒を担持してなる請求項1に記載の排気ガス浄化装置である。
【0009】
上記問題点を解決するための3番目の発明は、前記放電電極が針状電極であり、前記対向電極がハニカム状電極であって、前記針状電極が前記ハニカム状電極のハニカム面に向けて配置され、かつ前記ハニカム状電極の前記ディーゼルエンジンからの排気ガス流路表面にディーゼルパティキュレートを燃焼させるための触媒を担持してなる請求項1に記載の排気ガス浄化装置である。
【0010】
本発明の排気ガス浄化装置においては、前記放電電極表面に、ディーゼルパティキュレートを燃焼させるための触媒が担持されていることが好ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明は、排気ガス流路中に配置した装置内部の放電によってPMを帯電させて対向電極に捕集し、さらにこの放電によって排気ガス成分中に発生する活性酸素、オゾン、NOx、酸素ラジカル、NOxラジカル等の酸化力の強いガス成分と対向電極内面、すなわち対向電極が排気ガスと接触する面にコートしたPM酸化触媒との複合作用によって捕集した排気ガス中のPMを燃焼させるという考え方と、さらに、排気ガス浄化装置を長時間運転した後でも、この装置のPM除去効率を低下させないために、放電電極にPM燃焼触媒を担持して、放電電極へのPMの付着及び堆積を防止させるという考え方に基づいて完成されたものである。
【0012】
以下本発明を図1及び図2に示した実施形態に基づいて具体的に説明するが、図1及び図2は本発明を構成する排気ガス浄化装置の概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【0013】
以下、図1と図2に分けて説明する。
図1において、10は線状電極であり、20は筒状電極である。線状電極10と非接触の状態に、筒状電極20を配置する。PMを含む排気ガスは、図1の左方向から右方向に流れ、筒状電極20が取り囲む空間内を通過する。PM燃焼触媒が、筒状電極20の内面、すなわちPMを含む排気ガスと接触する、筒状電極20の排気ガス流路表面に担持されている。さらに、PM燃焼触媒を、線状電極10の表面に担持することが好ましい。そして、電圧発生器により、線状電極10と筒状電極20の間に電圧を印加する。
【0014】
以下に図1に示した、排気ガス浄化装置を構成する各部についてさらに具体的に説明する。
線状電極10は、この電極と筒状電極20との間に電圧を印加することによって放電を起こすことができる材料で製造することができる。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線状電極10は、金属性ワイヤーが一般的であるが、中空の線状電極を使用することもできる。
【0015】
本発明の排気ガス浄化装置では、線状電極10の表面にPM燃焼触媒を担持することが好ましい。このPM燃焼触媒としては、PM燃焼を促進する作用を有することが知られている金属酸化物をあげることができる。具体的には、例えばSiO2、Al2O3、CeO2、TiO2、ZrO2等から選択したものを線状電極10の表面に担持することができ、特にCeO2、TiO2を担持することがPM燃焼促進の点から好ましい。これらの金属酸化物のうちから1種又は2種以上を組み合わせたものを線状電極表面に担持することができる。金属酸化物を線状電極10の表面に担持するための方法として、たとえばウォッシュコート等の公知の方法を使用することができる。線状電極10の表面に担持する金属酸化物の量は、担持可能な範囲内で任意に選択できる。線状電極10の表面に、ウォッシュコートによって金属酸化物を担持した場合には、さらに線状電極10を焼成することが好ましい。焼成条件は、当業者により公知の条件が使用できるが、例えば450〜550℃が好ましい。
【0016】
金属酸化物を担持した線状電極10の表面に、さらに遷移金属及び/又は貴金属を担持することができる。そのために用いることができる遷移金属及び/又は貴金属としては、Fe、Mn、Ni、Co、Cu等の遷移金属、Pt、Rh、Pd、Ru、Ag等の貴金属が好ましい。PM燃焼効率の向上の点から、特に好ましい金属は、Mn、Co、Niであり、最も好ましくはMnである。線状電極10に担持する金属の量は、金属酸化物に対して0.01〜10質量%であり、特に好ましくは1〜5質量%である。これらの遷移金属及び/又は貴金属は、1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。複数の金属を電極表面に担持する場合は、例えば電極表面に一種の金属を担持した後に別の金属を担持して、異なる金属を多層状に担持することもできる。電極表面への金属の担持は、例えば、その金属の金属塩又は錯塩の水溶液を用いて吸水担持させたのち、乾燥、焼成する方法によって行うことができる。金属酸化物を担持した線状電極10の表面に、これらの遷移金属及び/又は貴金属を担持することにより、PM燃焼効率が金属酸化物のみを担持したよりも、さらに向上するという効果が得られる。線状電極10にPM燃焼触媒を担持することによって、本発明の排気ガス処理装置を長時間運転した後でも、線状電極10へのPMの堆積を防止することができ、それにより、線状電極10と筒状電極20の間に安定した放電を継続して起こさせることができる。
【0017】
図1に示した筒状電極20は、線状電極10との間に電圧を印加して放電することができる材料で製造することができる。そのような材料として、導電性の材料や半導体等の公知の材料を用いることができるが、金属材料が好ましく、Cu、W、ステンレス、Fe、アルミニウム等が特に好ましい。筒状電極20は、線状電極10と非接触に、線状電極10を囲むように配置される。均一な放電が得られやすいことから、筒状電極20の形状は円筒形であることが好ましいが、断面が6角形、8角形等の多角形の筒状電極を使用することもできる。
【0018】
筒状電極20の内面を絶縁体で覆うことができる。この絶縁体は、ガラス、絶縁性のセラミックス材料等の絶縁性材料であることが好ましい。すなわち、例えばガラス管又はセラミックス管等の、内部が中空である絶縁性材料の外周面を導電性材料、例えば金属材料で覆ったものを筒状電極20として使用することができる。
【0019】
筒状電極20の内面、すなわち、排気ガス流路表面に、PM燃焼触媒を担持する。この触媒としては、PM燃焼触媒作用を有することが知られている金属酸化物を用いることができるが、SiO2、Al2O3、CeO2、TiO2、ZrO2等が好ましく、特にCeO2、TiO2がPM燃焼促進の点から好ましい。これらの金属酸化物の1種又は2種以上を組み合わせて用いることもできる。この金属酸化物を筒状電極20の排気ガス流路表面に担持するために、たとえばウォッシュコート等の公知の方法を使用することができる。筒状電極20に担持する金属酸化物の量は、担持することができる範囲内で任意に選択できる。ウォッシュコートにより筒状電極20の排気ガス流路表面に金属酸化物を担持した場合は、その後電極を焼成することが好ましい。焼成する時の条件は、当業者により公知の条件が使用できるが、例えば450〜550℃が好ましい。金属酸化物を担持した後に焼成した場合は、金属酸化物を担持し焼成していない場合と比較してPM燃焼効率が向上するという効果が得られる。
【0020】
筒状電極20の表面に担持した金属酸化物に、さらに遷移金属及び/又は貴金属を担持することが好ましい。この遷移金属及び/又は貴金属としては、Fe、Mn、Ni、Co等の遷移金属及び/又はPt、Rh、Pd、Ru、Ag等の貴金属を用いることが好ましく、PM燃焼促進及び排気ガス成分浄化の点からPt、Pdを用いることが最も好ましい。筒状電極20に担持させる金属の量は、金属酸化物に対して、0.01〜10質量%であり、特に1〜5質量%が好ましい。これらの遷移金属及び/又は貴金属は、1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。筒状電極20に、一種の金属を担持した後に別の金属を担持して多層状にすることもできる。筒状電極20への上記の金属の担持は、例えば、上記金属の金属塩又は錯塩の水溶液を用いて金属を吸水担持させたのち、乾燥し、焼成する方法によって行うことができる。これらの遷移金属及び/又は貴金属を筒状電極20に担持することにより、排気ガス処理装置のPM燃焼効率がさらに向上するという効果が得られる。
【0021】
線状電極10及び筒状電極20の両電極間で放電を起こさせるため、電圧発生器30により、これらの電極間に電圧を印加する。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。この印加電圧としては、一般的には10kV以上、好ましくは50kV以上、さらには100kV以上の電圧を使用することが好ましい。印加電圧のパルス周期は、10ms以下、1ms以下が好ましく、0.1ms以下がさらに好ましい。電圧を本発明の放電リアクターに印加する場合に、線状電極10をカソードとすることも、またアノードとすることもできるが、線状電極10をアノード、筒状電極20をカソードとすることが好ましい。また、筒状電極20をアースすることもできる。
【0022】
図1には、線状電極10及び筒状電極20が各1つを含む装置を例示したが、複数の本発明の排気ガス処理装置を排気ガス流路に並列して使用することもできる。
【0023】
次に図2に示した別な実施形態に基づいて本発明を説明する。図2において、40は針状電極である。50はハニカム状電極であり、60はこのハニカム状電極のハニカム面を示す。針状電極40を、ハニカム状電極50のハニカム面に向けて非接触に配置する。針状電極40とハニカム状電極50の間隔を変化させると、放電の状態が変化するが、これらの電極間の間隔は、PM燃焼効率が最も良くなるように任意に設定することができる。
【0024】
PMを含む排気ガスは、図2の左方向から右方向に流れ、針状電極40及びハニカム状電極50が配置された間の空間を通過し、さらにハニカム状電極50が取り囲む空間内を通過する。ハニカム状電極50の内面、すなわちPMを含む排気ガスと接触するハニカム状電極50の排気ガス流路表面には、PM燃焼触媒が担持されている。電圧発生器70により、針状電極40とハニカム状電極50の間に電圧を印加する。
【0025】
以下に図2に示した、本発明を構成する各部についてさらに具体的に説明する。
針状電極40は、ハニカム状電極50との間に電圧を印加したときに、安定して放電を起こすことができる導電性材料や半導体材料等で作ることができるが、Cu、W、ステンレス、Fe、Pt、Al等の金属材料で作ることが好ましく、特にステンレスがコスト及び耐久性の点から好ましい。針状電極40は、その針状部分の先端部をハニカム状電極50のハニカム面60に向けて配置される。針状電極40の針状部の数が少ないとハニカム状電極50との間で、均一な放電を起こさせることが難しくなるため、針状電極40の針状部の数はある程度以上必要であるが、排気ガス中のPMが最も良好に燃焼除去されるように、最適化した数を実験により定めることができる。
【0026】
針状電極40の表面には、PM燃焼触媒を担持することが好ましい。このPM燃焼触媒としては、PM燃焼を促進する作用を有することが知られている金属酸化物をあげることができる。例えば、SiO2、Al2O3、CeO2、TiO2、ZrO2等を針状電極40の表面に担持することが好ましく、特にCeO2、TiO2を担持することがPM燃焼促進の点から好ましい。これらの金属酸化物のうちから1種又は2種以上を組み合わせたものを針状電極40の表面に担持することができる。金属酸化物を針状電極40の表面に担持するためには、たとえばウォッシュコート等の公知の方法を使用することができる。針状電極40の表面に担持する金属酸化物の量は、担持可能な範囲内で任意に選択できる。針状電極40の表面に、ウォッシュコートによって金属酸化物を担持した場合には、さらに針状電極40を焼成することが好ましい。焼成条件は、当業者により公知の条件が使用できるが、例えば450〜550℃が好ましい。
【0027】
金属酸化物を担持した針状電極40の表面に、さらに遷移金属及び/又は貴金属を担持することが好ましい。担持する金属としては、Fe、Mn、Ni、Co、Cu等の遷移金属及び/又はPt、Rh、Pd、Ru、Ag等の貴金属を用いることができる。PM燃焼効率の向上の点から、特に、Mn、Co、Niを用いることが好ましく、Mnを用いることが最も好ましい。針状電極40に担持する金属の量は、金属酸化物に対し、0.01〜10質量%が好ましく、特に1〜5質量%が好ましい。これらの遷移金属及び/又は貴金属は、1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。複数の金属を電極表面に担持する場合は、電極表面に一種の金属を担持した後に別の金属を担持して、異なる金属を多層状に担持してもよい。針状電極40の表面への金属の担持は、その金属の金属塩又は錯塩の水溶液を用いて吸水担持させたのち、乾燥、焼成する方法によって行うことができる。金属酸化物を担持した針状電極40の表面に、これらの遷移金属及び/又は貴金属を担持することにより、金属酸化物のみを担持した場合よりも、PM燃焼効率がさらに向上する。針状電極40にPM燃焼触媒を担持することによって、本発明の排気ガス処理装置にPMを含有する排気ガスを通して長時間運転した後でも、針状電極40へのPMの堆積を防止することができ、それによって、針状電極40とハニカム状電極50の間に安定した放電を継続して起こさせることができる。
【0028】
図2のハニカム状電極50は、針状電極40との間に電圧を印加したときに放電することができる導電性の材料や半導体等の公知の材料から製造することができる。ハニカム状電極50を製造するための材料は、金属材料が好ましく、Cu、W、ステンレス、Fe、アルミニウム等が特に好ましい。ハニカム状電極50の排気ガス流路表面、すなわち排気ガスと接触する電極表面には、PM燃焼触媒を担持する。このPM燃焼触媒としては、金属酸化物を用いることができ、例えばSiO2、Al2O3、CeO2、TiO2、ZrO2等を用いることが好ましく、CeO2、TiO2を用いることがPM燃焼効率を高くできる点から特に好ましい。これらの金属酸化物は、1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。ウォッシュコート等の公知の方法により、金属酸化物をハニカム状電極50の排気ガス流路表面に担持できる。担持する金属酸化物の量は、ハニカム状電極50に担持可能な範囲内で任意に選択できる。ウォッシュコートによって金属酸化物をハニカム状電極50に担持した場合には、さらにその電極を焼成することが好ましい。焼成条件は、450〜550℃が好ましい。金属酸化物をハニカム状電極50に担持して焼成した場合は、焼成しない場合と比べてPM燃焼効率が向上する。
【0029】
金属酸化物を担持したハニカム状電極50に、さらにPM燃焼触媒活性を有する金属を担持することができる。担持する金属は、Fe、Mn、Ni、Co等の遷移金属及び/又はPt、Rh、Pd、Ru、Ag等の貴金属が好ましい。PM燃焼効率の向上及び排気ガス成分浄化の点から、特に好ましい金属は、Pt、Pdであり、最も好ましくはPtである。担持する金属の量は、金属酸化物に対して0.01〜10質量%が好ましく、特に好ましくは1〜5質量%である。これらの金属は1種又は2種以上を組み合わせて担持することもでき、1種を担持した後に別の金属を担持して多層状にすることもできる。金属の担持は、例えば、その金属塩又は錯塩の水溶液を用いて電極表面に担持した金属酸化物に吸水担持させたのち、乾燥、焼成する方法によって行うことができる。これらの遷移金属及び/又は貴金属をハニカム状電極50に担持することで、PM燃焼効率が向上する。
【0030】
針状電極40及びハニカム状電極50の両電極間で放電を起こさせるため、電圧発生器70により、これらの電極間に電圧を印加する。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。この印加電圧としては、一般的には10kV以上、好ましくは50kV以上、さらには100kV以上の電圧を使用することが好ましい。印加電圧のパルス周期は、10ms以下、1ms以下であることが好ましく、0.1ms以下であることがさらに好ましい。電圧を本発明の放電リアクターに印加する場合に、針状電極40をカソードとすることも、またアノードとすることもできるが、針状電極40をアノード、ハニカム状電極50をカソードとすることが好ましい。また、ハニカム状電極50をアースすることもできる。
【0031】
以下に本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0032】
【実施例】
実施例1〜7
図1に示した実施形態に基づき、以下の筒状電極を調製した。すなわち、直径30mm、長さ300mmのステンレスパイプを用い、その内表面に以下の実施例1〜7に示す触媒コーティングを行った。
【0033】
実施例1
ステンレスパイプの内表面に、30gのCeO2をウォッシュコートし、さらに450℃で2時間焼成して、筒状電極を調製した。
【0034】
実施例2
ステンレスパイプの内表面に、30gのCeO2をウォッシュコートし、さらに450℃で2時間焼成した。その後、Fe(NO3)3水溶液を用いて、ステンレスパイプの内表面のCeO2層にFeを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、筒状電極を調製した。
【0035】
実施例3
ステンレスパイプの内表面に、30gのCeO2をウォッシュコートし、さらに450℃で2時間焼成した。その後、ジニトロジアンミン白金錯体の水溶液を用いて、ステンレスパイプの内表面のCeO2層にPtを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、筒状電極を調製した。
【0036】
実施例4
ステンレスパイプの内表面に、質量比でCeO2:TiO2=1:1である、CeO2とTiO2の混合物20gをウォッシュコートし、さらに450℃で2時間焼成して、筒状電極を調製した。
【0037】
実施例5
ステンレスパイプの内表面に、質量比でCeO2:TiO2=1:1である、CeO2とTiO2の混合物20gをウォッシュコートし、さらに450℃で2時間焼成した。その後、Fe(NO3)3水溶液を用いて、ステンレスパイプの内表面の金属酸化物層にFeを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、筒状電極を調製した。
【0038】
実施例6
ステンレスパイプの内表面に、重量比でCeO2:TiO2=1:1である、CeO2とTiO2の混合物20gをウォッシュコートし、さらに450℃で2時間焼成した。その後、ジニトロジアンミン白金錯体の水溶液を用いて、Ptを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、筒状電極を調製した。
【0039】
実施例7
直径30mm、長さ300mmの石英ガラスの外周部にステンレス網を巻き付けた。さらにこの石英ガラスの内表面に、重量比でCeO2:TiO2=1:1である、CeO2とTiO2の混合物20gをウォッシュコートし、さらに450℃で2時間焼成した後、Fe(NO3)3水溶液を用いて、ステンレスパイプの内表面の金属酸化物層にFeを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、筒状電極を調製した。
【0040】
性能評価
実施例1〜7で調製した筒状電極の中心部に、線状電極として直径2mmのステンレス線を配置し、図1に示した形態の排気ガス浄化装置を作成した。この装置を管状炉内に設置し、ここに、排気量2000ccの直噴ディーゼルエンジンからの排出ガス量の1/13を分岐させて流通させた。ディーゼルエンジンの運転条件は、回転数2000rpm、負荷30Nmとした。線状電極をアノード、筒状電極をカソードとし、電圧30kV、パルス幅1msのパルス電圧を、繰り返し周期200Hzで印加した条件下で、この装置を通過させたディーゼルエンジン排気ガス中のPMの浄化率をスモークメーターで測定した。排気ガス浄化装置を通過させる前の排気ガスをスモークメーターによって測定した値を100とし、排気ガス浄化装置を通過させた後の排気ガスをスモークメーターで測定した値との差を浄化率とした。すなわち、排気ガス中のPMが全く除去されていない場合は、浄化率0であり、排気ガス中のPMが完全に除去された場合は浄化率100となる。
【0041】
また、PM燃焼を定量的に評価するために以下の実験を行った。実施例1〜7に示した各筒状電極を使用した上記排気ガス浄化装置にディーゼルエンジンの排気ガスを100分間流通させた。排気ガスの流通及び排気ガス浄化装置の放電を停止した後、管状炉の温度を700℃に昇温し、窒素80体積%、酸素20体積%の混合ガスを排気ガス浄化装置に流通させ、その時に混合ガスとともに排出されるCO2の濃度をCO2計を使用して測定した。測定したCO2濃度の時間積分値から、実験中に筒状電極上に捕集されたけれども燃焼除去されなかったPM量を算出した。PM量の計算においては、上記測定されたCO2の全てが、PM中の未燃焼カーボンに由来すると仮定した。この値が小さい程、排気ガス浄化装置のPM燃焼除去性能が優れていることを示す。
【0042】
得られた結果を表1に示した。
【0043】
【表1】
【0044】
本結果より、放電を行わなかった比較例の場合と比較して、本発明の排気ガス浄化装置がPMを燃焼除去する顕著な効果を示すことが明らかである。
【0045】
実施例8〜10
図2に示した実施形態に従い、実施例8〜10のハニカム状電極を調製した。
実施例8
直径30mm、長さ50mmの金属製ハニカム(セル密度600セル/平方インチ)の内面にCeO2粉末4.0gをウォッシュコートし、450℃で2時間焼成してCeO2をコートしたハニカム状電極を調製した。
【0046】
実施例9
直径30mm、長さ50mmの金属製ハニカム(セル密度600セル/平方インチ)の内面にCeO2粉末4.0gをウォッシュコートし、450℃で2時間焼成した。続いて、Fe(NO3)3水溶液を用いて、このハニカム内面にコートしたCeO2にFeを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、ハニカム状電極を調製した。担持したFeは、担持したCeO2に対して2質量%である。
【0047】
実施例10
直径30mm、長さ50mmの金属製ハニカム(セル密度600セル/平方インチ)の内面にCeO2粉末4.0gをウォッシュコートし、450℃で2時間焼成した。続いてジニトロアンミン白金水溶液を用いて、このハニカム内面にコートしたCeO2にPtを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、ハニカム状電極を調製した。担持したPtは、担持したCeO2に対して2質量%である。
【0048】
性能評価
実験室用管状炉内に、加熱可能な状態に石英管を配置した。この石英管内部に、直径20mmの金属性リングに長さ10mmの針状電極を9本取り付けた放電電極を、電極の針状部先端方向が、排気ガス流れ方向下流を向くように配置した。この針状電極の先端から管状炉内の排気ガス流れ方向下流へ50mm離れた場所に、実施例8〜10で調製したハニカム状電極端面のハニカム面が位置するようにハニカム状電極を配置した。管状炉を300℃に加熱し、排気量2000ccの直噴ディーゼルエンジンからの排気ガス全量のうちの1/13を分岐させて上記石英管内部を流通させた。針状電極をアノード、ハニカム状電極をカソードとして、電圧20kV、パルス幅1msのパルス電圧を繰り返し周期200Hzで印加した。この排気ガス浄化装置を通過して排出されるディーゼルエンジン排気ガスの浄化率をスモークメーターで測定した。排気ガス浄化装置を通過させる前の排気ガスをスモークメーターによって測定した値を100とし、排気ガス浄化装置を通過させた後の排気ガスをスモークメーターで測定した値との差を浄化率とした。すなわち、排気ガス中のPMが全く除去されていない場合は、浄化率0であり、排気ガス中のPMが完全に除去された場合は浄化率100となる。
【0049】
また、PM燃焼を定量的に評価するために以下の実験を行った。実施例8〜10に示した各ハニカム状電極を使用した上記排気ガス浄化装置にディーゼルエンジンの排気ガスを60分間流通させた。排気ガスの流通及び排気ガス浄化装置の放電を停止した後、管状炉の温度を700℃に昇温し、窒素80体積%、酸素20体積%の混合ガスを排気ガス浄化装置に流通させ、その時に混合ガスとともに排出されるCO2の濃度をCO2計を使用して測定した。測定したCO2濃度の時間積分値から、実験中にハニカム状電極上に捕集されたけれども燃焼除去されなかったPM量を算出した。PM量の計算においては、上記測定されたCO2の全てが、PM中の未燃焼カーボンに由来すると仮定した。この値が小さい程、排気ガス浄化装置のPM燃焼除去性能が優れていることを示す。
【0050】
得られた結果を表2に示す。
【0051】
【表2】
【0052】
本結果より、放電を行わなかった比較例の場合と比較して、本発明の装置がPMの燃焼除去に顕著な効果を有することが明らかである。
【0053】
実施例11〜17及び比較例
比較例
直径35mmの金属製リングに長さ10mmの針状電極を9本取り付けた放電電極を作成した。
実施例11
直径35mmの金属製リングに長さ10mmの針状電極を9本取り付けた放電電極を作成した。この電極にCeO2をウォッシュコートし、450℃で2時間焼成して、針状電極にCeO2が担持された放電電極を作成した。
実施例12
直径35mmの金属製リングに長さ10mmの針状電極を9本取り付けた放電電極を作成した。この電極にCeO2をウォッシュコートし、450℃で2時間焼成した。続いてジニトロアンミン白金水溶液を用いて、この電極にコートしたCeO2にPtを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、放電電極を調製した。担持したPtは、担持したCeO2に対して3質量%である。
実施例13
直径35mmの金属製リングに長さ10mmの針状電極を9本取り付けた放電電極を作成した。この放電電極にCeO2をウォッシュコートし、450℃で2時間焼成した。続いてFe(NO3)3・9H2O水溶液を用いて、この電極にコートしたCeO2にFeを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、放電電極を調製した。担持したFeは、担持したCeO2に対して3質量%である。
実施例14
直径35mmの金属製リングに長さ10mmの針状電極を9本取り付けた放電電極を作成した。この放電電極にCeO2をウォッシュコートし、450℃で2時間焼成した。続いてNi(NO3)2・6H2O水溶液を用いて、この電極にコートしたCeO2にNiを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、放電電極を調製した。担持したNiは、担持したCeO2に対して3質量%である。
実施例15
直径35mmの金属製リングに長さ10mmの針状電極を9本取り付けた放電電極を作成した。この放電電極にCeO2をウォッシュコートし、450℃で2時間焼成した。続いてMn(NO3)2・6H2O水溶液を用いて、この電極にコートしたCeO2にMnを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、放電電極を調製した。担持したMnは、担持したCeO2に対して3質量%である。
実施例16
直径35mmの金属製リングに長さ10mmの針状電極を9本取り付けた放電電極を作成した。この放電電極にCeO2をウォッシュコートし、450℃で2時間焼成した。続いてCo(NO3)2・6H2O水溶液を用いて、この電極にコートしたCeO2にCoを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、放電電極を調製した。担持したCoは、担持したCeO2に対して3質量%である。
実施例17
直径35mmの金属製リングに長さ10mmの針状電極を9本取り付けた放電電極を作成した。この放電電極にCeO2をウォッシュコートし、450℃で2時間焼成した。続いてCu(COOH)2水溶液を用いて、この電極にコートしたCeO2にCuを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、放電電極を調製した。担持したCuは、担持したCeO2に対して3質量%である。
性能評価
直径50mm、長さ160mmの金属製ハニカム(セル密度600セル/平方インチ)にCeO2粉末4.7gをウォッシュコートし、450℃で2時間焼成した。続いてジニトロアンミン白金水溶液を用いて、このハニカム内面にコートしたCeO2にPtを吸水担持し、乾燥後、450℃で2時間焼成して、ハニカム状電極を調製した。担持したPtは、担持したCeO2に対して3質量%である。以下の実験においては、このハニカム状電極を使用した。
実験室用管状炉内で加熱できる状態に石英管を配置した。この石英管内部に、比較例及び実施例11〜17で作成した針状電極を有する放電電極を、針状電極先端方向が、排気ガス流れ方向下流を向くように配置した。この針状電極の先端から管状炉内の排気ガス流れ方向下流へ50mm離れた場所に、上記ハニカム状電極端面のハニカム面が位置するようにハニカム状電極を配置し、電圧発生器を接続して、排気ガス浄化装置とした。管状炉を300℃に加熱し、排気量500ccの直噴ディーゼル単気筒エンジンからの排気ガスを石英管内部に流通させた。針状電極をアノード、ハニカム状電極をカソードとして、電圧20kV、パルス幅1msのパルス電圧を繰り返し周期200Hzで印加した。この排気ガス浄化装置を通過して排出されるディーゼルエンジン排気ガスの浄化率をスモークメーターで測定した。
排気ガス浄化装置を通過させる前の排気ガスをスモークメーターによって測定した値を100%とし、排気ガス浄化装置を通過させた後の排気ガスをスモークメーターで測定した値との差をPM捕集効率(%)とした。すなわち、排気ガス中のPMが全く除去されていない場合は、PM捕集効率0%であり、排気ガス中のPMが完全に除去された場合はPM捕集効率100%となる。
PM捕集効率の測定は、ディーゼルエンジン排気ガスの排気ガス浄化装置への流通及び排気ガス浄化装置への電圧の印加を開始した直後(試験開始直後)、並びにその90分後(試験開始90分後)に行い、PM捕集効率の経時変化を調べた。結果を表3に示す。
【0054】
【表3】
【0055】
表3から、アノードの針状電極にPM燃焼触媒を担持することによって、PM捕集効率の経時的な低下を大きく改善できた。
【0056】
【発明の効果】
本発明の装置においては、印加電圧による放電によって帯電したPMを対向電極に捕集し、かつ、放電によって排気ガス成分が活性化され、活性酸素、オゾン、NOx、酸素ラジカル、NOxラジカル等の酸化力の強いガス成分を発生させ、この酸化力の強いガス成分と対向電極にコートしたPM燃焼触媒との複合作用によって、対向電極に捕集した排気ガス中のPMを、効率良く燃焼させるという考え方に基づき、実際にPM燃焼除去の効率を著しく高めることができる。さらに、放電電極にPM燃焼触媒を担持することにより、放電電極へのPMの付着及び堆積を防止して、安定して放電させることができ、排気ガス浄化装置の経時によるPM除去効率の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施態様を表す概略図である。
【図2】本発明の別な一実施態様を表す概略図である。
【符号の説明】
10…線状電極
20…筒状電極
30…電圧発生器
40…針状電極
50…ハニカム状電極
60…ハニカム面
70…電圧発生器
Claims (4)
- 放電電極及び対向電極を含み、さらに前記対向電極が触媒を担持しており、前記両電極間の放電により帯電したディーゼルパティキュレートを前記対向電極表面に捕集すると共に、前記対向電極の排気ガス流路表面に担持した触媒の作用によってディーゼルパティキュレートを燃焼させることを特徴とするディーゼルエンジン排気ガス浄化装置。
- 前記放電電極が線状電極であり、前記対向電極が筒状電極であって、前記線状電極の周囲を前記筒状電極がトンネル状に非接触の状態で取り囲んで配置され、かつ前記筒状電極の前記ディーゼルエンジンからの排気ガス流路表面にディーゼルパティキュレートを燃焼させるための触媒を担持してなる請求項1に記載の排気ガス浄化装置。
- 前記放電電極が針状電極であり、前記対向電極がハニカム状電極であって、前記針状電極が前記ハニカム状電極のハニカム面に向けて配置され、かつ前記ハニカム状電極の前記ディーゼルエンジンからの排気ガス流路表面にディーゼルパティキュレートを燃焼させるための触媒を担持してなる請求項1に記載の排気ガス浄化装置。
- 前記放電電極表面に、ディーゼルパティキュレートを燃焼させるための触媒が担持されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の排気ガス浄化装置。
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2002
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