JP2004293522A

JP2004293522A - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2004293522A
Application number: JP2003090793A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Oshihara; 建三押原; Hiroshi Akama; 弘赤間
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】ディーゼル排気に代表される内燃機関の排気ガスに含まれる有害物質やパティキュレートを排気温度が１５０℃以下の低温条件でも除去可能な排気ガス浄化装置を提供すること。
【解決手段】内燃機関の排気煙道上にフィルタ、吸着材及びプラズマ発生器を配設し、フィルタが捕集した粒子状物質や吸着材が吸着した排気ガス成分を常温から通常パティキュレートが着火しない温度でプラズマを用いて浄化する排気ガス浄化装置である。印加電圧を１Ｖ〜１０ｋＶとする。印加電圧の周波数を１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚとする。吸着材としてアルカリ金属やアルカリ土類金属を含む酸化物や複合酸化物を用いる。フィルタとして圧電体セラミックスや強誘電体セラミックスを用いる。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス浄化装置に係り、更に詳細には、ディーゼル排気に代表される窒素酸化物などの有害ガスやパティキュレートを効率良く浄化し得る排気ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃費向上及び二酸化炭素排出量の削減の観点から、理論空燃比より高い空燃比で運転するディーゼルエンジンが改めて注目されている。
しかし、ディーゼルエンジンの排気（以下「ディーゼル排気」という）は、ガソリンエンジンと比較して、排気温度が５０〜１００℃も低く、また近年では更に燃費向上が進み、より一層低下する傾向にある。また、ディーゼル排気にはパティキュレートが含まれるため、従来型の触媒を適用しての排気浄化は困難であった。
【０００３】
このため、ディーゼルエンジンの燃焼制御により排出される窒素酸化物を低減する方法が複数開示されている。
しかし、例えば、燃焼制御による方法は、窒素酸化物を低減した条件でパティキュレートが増加し、逆にパティキュレートを低減した条件で窒素酸化物が増加する傾向にあり、いずれにしても触媒やパティキュレートフィルタを用いて排気ガスを浄化する必要がある。
【０００４】
また、理論空燃比より高い空燃比で運転するリーンバーンエンジンからの窒素酸化物の排出を防ぐ方法として、触媒により一酸化窒素を二酸化窒素に酸化しつつ、二酸化窒素を吸着材に一時的に蓄積し、間欠的に排気をリッチ状態にして吸着した二酸化窒素を脱離、還元浄化する方法が複数開示されている。
しかし、この方法をディーゼルエンジンに適用した場合は、上述のようにディーゼル排気は温度が低いため、触媒の活性化が不十分となり、最初のリッチスパイクにより吸着材から一気に放出された窒素酸化物の浄化が間に合わず、そのまま放出されてしまうことが懸念される。また、この方法は、エンジンから排出される窒素酸化物の殆どを占める一酸化窒素を、触媒を用いて二酸化窒素に酸化し、それを吸着材でトラップするが、一酸化窒素の酸化に触媒を用いているため、エンジン始動時など排気温度が１５０℃以下になるような場合には、適用できない。
【０００５】
一方、パティキュレートの排出を防ぐ方法としては、フィルタ技術が不可欠であるが、パティキュレートフィルタの目詰まりにより排圧が上昇するため、パティキュレートを連続的又は定期的に除去し、フィルタを再生する必要がある。
例えば、触媒により一酸化窒素を連続的に酸化して二酸化窒素を生成し、この二酸化窒素によりパティキュレートを酸化する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法は、上述の燃焼制御と組み合わせることによりパティキュレートと窒素酸化物を同時に除去可能な優れた方法である。
【０００６】
【特許文献１】
特許第０３０１２２４９号公報
【０００７】
しかし、二酸化窒素の生成に触媒を用いているため、やはり排気温度が１５０℃以下になるエンジン始動時などには適用できない。
【０００８】
他方、プラズマリアクタを触媒層前段に装備し、プラズマにより一酸化窒素を二酸化窒素に酸化し、更に酸素ラジカルやＯＨラジカルを生成し、これらによりパティキュレートを酸化する方法などが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この方法は、排気温度が１５０℃以下の低温でも一酸化窒素を二酸化窒素に酸化できる画期的な方法である。
【０００９】
【特許文献２】
特開平１１−３２４６５２号公報
【００１０】
しかし、プラズマリアクタと触媒層を分けた構造であるため、生成したラジカルが触媒層まで十分到達できていないことが懸念される。また、性能は開示されていないが、プラズマと触媒の相乗効果は高くなく、更に低温での二酸化窒素によるパティキュレートの酸化では一酸化窒素と一酸化炭素が生成し易いため有害物質が放出されてしまうと考えられる。
【００１１】
この対応策として、触媒部とプラズマ発生部を一体化し、プラズマと触媒の相乗効果を高めた浄化システムが開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【００１２】
【特許文献３】
特開平６−２６２０３２号公報
【００１３】
しかしながら、このシステムでは窒素酸化物の除去率は５０％程度に留まっている。また、このシステムでは触媒が一体化しているため、触媒反応を進行させるためにある程度高い反応温度が必要となり、低温で反応させ得るというプラズマのメリットは得られず、また高温のプラズマ雰囲気下では窒素と酸素から一酸化窒素が生成してしまうという問題点があった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ディーゼル排気に代表される内燃機関の排気ガスに含まれる有害物質やパティキュレートを排気温度が１５０℃以下の低温条件でも除去可能な排気ガス浄化装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、プラズマのみにより、蓄積した粒子状物質及び／又は排気ガス成分を浄化することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の排気ガス浄化装置について詳細に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り質量百分率を示す。
【００１７】
上述の如く、本発明の排気ガス浄化装置は、内燃機関の排気煙道上に、フィルタ、吸着材及びプラズマ発生器を配設して成る。また、上記フィルタは粒子状物質を捕集し、上記吸着材は排気ガス成分を吸着し得る。これより、パティキュレートなどの粒子状物質がフィルタに、窒素酸化物などの排気ガス成分が吸着材に、高密度（濃縮された状態）で蓄積される。
さらに、蓄積した粒子状物質、排気ガス成分のいずれか一方又は双方は、上記プラズマ発生器に電圧を印加しプラズマを発生させることにより浄化される。プラズマを用いることにより、通常パティキュレートが着火しない温度域でも、窒素酸化物やパティキュレートなどを反応させ除去し得る。また、従来から使用されている貴金属等の触媒を活性化するのに必要な高温制御を行わなくても排気ガスが浄化されるので、内燃機関の始動直後などの低温時に特に効率の良い排気
浄化が行われる。
【００１８】
具体的には、例えば、ディーゼル排気中に含まれる一酸化窒素（ＮＯ）は、プラズマにより酸化されて二酸化窒素（ＮＯ２）となり、このＮＯ２が酸化バリウム（ＢａＯ）などの吸着材上に吸着するとともに、パティキュレートなどがフィルタ上に捕集されるので、これらが蓄積し濃縮された状態となる。その後、ＮＯ２を放出後又は吸着状態のまま、蓄積したパティキュレートにプラズマを接触させることにより、窒素酸化物やパティキュレートを同時期に浄化し得る。
【００１９】
また、上記排気ガス浄化装置は、常温から通常パティキュレートが着火しない温度までの範囲で使用される。即ち、上述のように、プラズマの利用により、二酸化窒素などが吸着材上に濃縮され、更に活性化された状態でパティキュレートと接触することとなるので、一酸化窒素の生成が抑制され、通常はパティキュレートが着火しない温度域でもパティキュレートの燃焼が促進され得る。
更に、具体的には、常温〜６００℃の温度域で使用でき、常温〜２００℃付近までで使用するのがより望ましい。６００℃より高い温度域ではプラズマにより窒素と酸素から一酸化窒素が生成し易くなる。特に、６５０℃以上では一酸化窒素の生成が大きいため、浄化が全く行われない状況になる。
更にまた、同様の理由から吸着材とともに触媒成分を担持するのは好ましくない。通常の触媒反応は３００℃程度の温度条件が必要となるためである。また、触媒を用いると常温〜２００℃あっても、パティキュレートの酸化反応等に由来する発熱により、触媒周辺の温度が上昇してＮＯｘの生成が促進され易い。
【００２０】
また、本浄化装置は内燃機関の下流に配設されるが、かかる内燃機関の空燃比がリーン雰囲気で運転されるときに本浄化装置を使用することが望ましい。リッチ雰囲気であると、吸着材に吸着した二酸化窒素などの脱離が促進され易く、またパティキュレートなどの燃焼に用いられる酸化性ガス成分が消費されてしまいパティキュレートの燃焼が不十分になることがある。
【００２１】
更に、上記フィルタ及び吸着材は、上記プラズマ発生器が発生させるプラズマ中に位置するように配設することが良い。これより、一酸化窒素から二酸化窒素への酸化、二酸化窒素の吸着材への吸着、二酸化窒素の活性化とパティキュレートの燃焼が連続的に行われ、二酸化窒素やパティキュレートを同時期に除去できる。
【００２２】
更にまた、上記プラズマ発生器の印加電圧は１Ｖ〜１０ｋＶとすることが好適である。即ち、浄化処理を行う排気ガスの流量や窒素酸化物濃度やパティキュレートの濃度に適した電圧を上記範囲内で適宜選択することにより、電力消費を効率良く抑制できる。また、該印加電圧を窒素酸化物の吸着量やパティキュレートの蓄積量に応じて変化させることにより、該プラズマ強度を制御して同時期浄化を促進できる。
また、上記プラズマ発生器の印加電圧の周波数は１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚとすることが好適である。該電圧周波数は排気ガスの流量や窒素酸化物濃度やパティキュレートの濃度条件により異なるが、通常高い方が望ましい。但し、電源装置の大きさ等に制限がある場合は、１０Ｈｚ程度であってもよい。
【００２３】
上記吸着材としては、アルカリ金属又はアルカリ土類金属、及びこれらの任意の組合せに係る酸化物や複合酸化物を含むものを好適に使用できる。これらは塩基性であり、酸性物質である窒素酸化物を吸着し易く、窒素酸化物の吸着効率が高められる。特に、酸化バリウムは窒素酸化物を強く吸着でき、吸着量も多いので望ましい。また、チタン酸バリウムなどの強誘電性を示す材料を用いることもできる。強誘電性を示す材料はプラズマ中に配置されると分極を起こし、表面に電荷が発生し、この電荷により吸着した二酸化窒素を活性化させることができる。更に、ＬｉＮｂＯ_３などの誘電体を用いることもできる。
【００２４】
また、上記吸着材は、該フィルタに担持できる。これより、該吸着材と該フィルタが一体化され、蓄積した窒素酸化物とパティキュレートの接触確率を高めるとともに構造を簡素化できる。
また、上記吸着材はフィルタ１００ｇ当たり１〜１００ｇ程度担持されることが良い。
更に、吸着材は、該フィルタ表面に被膜することもできる。該吸着材を該フィルタ表面上に被膜状に形成することにより、該吸着材に吸着した窒素酸化物が、該フィルタ上に蓄積したパティキュレートと直接接触するので同時期浄化反応を促進できる。また、粒子状の吸着材を該フィルタ内、フィルタ近傍のいずれか一方又は双方に分散させることで、該吸着材の表面積が増加し、窒素酸化物の吸着効率が高まるので有効である。
【００２５】
上記フィルタとしては、圧電体セラミックス、強誘電体セラミックスのいずれか一方又は双方より成るものを使用するのが好適である。
圧電体セラミックスは、プラズマ中に配置されると分極を起こし、該プラズマ発生器に印加される電圧周波数に応じて、圧電体の格子振動が発生する。この振動によりパティキュレートの蓄積状態を変化させることができ、窒素酸化物とパティキュレートの接触頻度が増加されて浄化率を向上し得る。
一方、強誘電体セラミックスは、プラズマ中に配置されると分極反転を起こし、該プラズマ発生器に印加される電圧周波数に応じて、表面電荷が変化する。これより、該吸着材に吸着した窒素酸化物の吸着や放出の制御が可能になるとともに、吸着状態の窒素酸化物を活性化することにより、パティキュレートの同時浄化反応を促進できる。
なお、上記フィルタとしては、特に限定されないが、例えば、コーディエライトやＳｉＣなどの多孔質材料が望ましい。また、フィルタが有する細孔径は１〜１５μｍ程度、気孔率は４０〜６０％程度であることが良い。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２７】
（実施例１）
耐熱性無機材料繊維である炭化ケイ素製繊維フェルトシート１を市販の濃アンモニア水に浸漬した後、蒸留水で洗浄してフェルトシート２を用意した。
次に、市販の硝酸バリウムを水に溶かし、２０％硝酸バリウム水溶液を調製し、吸着材原料３とした。
吸着材原料３を８０℃に加熱し、そこにフェルトシート２を浸漬後、８０℃に維持したまま水分を蒸発乾固させ、硝酸バリウムをフェルトシート２の繊維上に析出させた。吸着材が析出したフェルトシート４を４００℃電気炉中３ｈ空気雰囲気で焼成し、吸着材担持フェルトシート５を得た。このときのフェルトシート上への吸着材担持量は４０％であった。
【００２８】
次に、図１に示すように、金属製円筒電極兼フィルタケース１１と中心電極１４を用意し、中心電極１４の周囲に吸着材担持フェルトシート５を巻回して、円筒形フィルタ１７を構成した。円筒形フィルタ１７の両底面に絶縁材料製の電極及びフィルタ支持用リング１３を取り付け、円筒形フィルタ１７を円筒電極兼フィルタケース１１に収めた。リード線１５を高圧高周波電源１６から、それぞれ円筒電極兼フィルタケース１１及び中心電極１４に接続し浄化装置を構成した。
【００２９】
図２にフィルタの拡大図を示す。吸着材担持フェルトシート５は、吸着材担持繊維２０により構成され、吸着材担持繊維２０はフェルトシート１を構成する繊維２２とその表面上に担持された吸着材２１から成る。なお、吸着材２１は、該繊維２２の一部の表面に担持されていても良く、また表面全体に担持されていても良い。
【００３０】
＜性能評価＞
浄化装置をディーゼルエンジンと接続された排気管１０に接続し、ディーゼル排気を流通させ、高圧高周波電源１６を電圧８ｋＶ、周波数５０Ｈｚで浄化装置内部にプラズマを発生させ、浄化装置出口のガスに含まれる二酸化炭素、窒素、窒素酸化物濃度を測定した。
【００３１】
（実施例２）
フェルトシート１を圧電体セラミックスであるニオブ酸リチウム製とした以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して排気ガス浄化装置を得た。また、実施例１と同様に性能評価を行った。
【００３２】
（実施例３）
フェルトシート１を強誘電体セラミックスであるチタン酸バリウム製とし、濃アンモニア水による処理と吸着材原料２の担持を行わなかった以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して排気ガス浄化装置を得た。また、実施例１と同様に性能評価を行った。
【００３３】
（比較例）
実施例１で得られた浄化装置を用い、プラズマを発生させない点以外は実施例１と同様に性能評価を行った。
【００３４】
実施例で得られた排気ガス浄化装置では、エンジン始動直後から定常運転時までの期間、浄化装置内の温度は室温〜２００℃前後であるが、排気ガス中の窒素酸化物の濃度が低く維持されており、同時に二酸化炭素の濃度が高くなっている。更に、粒子状物質のつまりによる排圧の上昇も低く抑えられていることから、２００℃以下の温度域でも窒素酸化物と粒子状物質の同時除去反応が進行していることがわかる。
一方、比較例の排気ガス浄化装置では、窒素酸化物の濃度は、エンジン始動直後は低く維持されるが、定常運転時に増加し、また二酸化炭素の濃度はエンジン始動直後から定常運転時までの期間、エンジン排気とほぼ同レベルであり、窒素酸化物と粒子状物質の同時除去反応は進行していないことがわかる。
【００３５】
以上、本発明を好適実施例及び比較例により、詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形が可能である。
例えば、本発明の排気ガス浄化装置の上流又は下流に排気ガス浄化触媒を配設し、排気ガス温度に応じて適宜使い分けることもできる。また、使用するプラズマ発生器の方式やパティキュレートフィルタの形態、吸着材材料やその担持法などは、従来法に準じて適宜決定すればよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、プラズマのみにより、蓄積した粒子状物質及び／又は排気ガス成分を浄化することとしたため、ディーゼル排気に代表される内燃機関の排気ガスに含まれる有害物質やパティキュレートを排気温度が１５０℃以下の低温条件でも除去可能な排気ガス浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排気ガス浄化装置の一例を示す概略図である。
【図２】フィルタに担持された吸着材を示す拡大図である。
【符号の説明】
１フェルトシート
２フェルトシート（アンモニア処理後）
３吸着材原料
４フェルトシート（吸着材析出後）
５吸着材担持フェルトシート
１０排気管
１１円筒電極兼フィルタケース
１２排気管
１３支持用リング
１４中心電極
１５リード線
１６電源
１７円筒形フィルタ
２０吸着材担持繊維
２１吸着材
２２繊維

Claims

内燃機関の排気煙道上に、粒子状物質を捕集し得るフィルタ、排気ガス成分を吸着し得る吸着材、及び印加電圧によりプラズマを発生させ得るプラズマ発生器を配設して成る排気ガス浄化装置であって、
上記フィルタ及び吸着材に蓄積した粒子状物質及び／又は排気ガス成分を常温から通常パティキュレートが着火しない温度で浄化することを特徴とする排気ガス浄化装置。
上記フィルタ及び吸着材を、上記プラズマ発生器が発生させるプラズマ中に位置するように配設したことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
上記プラズマ発生器の印加電圧が１Ｖ〜１０ｋＶであることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化装置。
上記プラズマ発生器の印加電圧の周波数が１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の排気ガス浄化装置。
上記吸着材を、上記フィルタに担持して成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の排気ガス浄化装置。
上記吸着材を、上記フィルタ表面に被膜して成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の排気ガス浄化装置。
上記吸着材を、上記フィルタ内及び／又はフィルタ近傍に分散させて成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の排気ガス浄化装置。
上記吸着材が、アルカリ金属及びアルカリ土類金属から成る群より選ばれた少なくとも１種を含む酸化物及び／又は複合酸化物であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の排気ガス浄化装置。
上記フィルタが、圧電体セラミックス及び／又は強誘電体セラミックスより成ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の排気ガス浄化装置。
上記フィルタ及び吸着材に蓄積した粒子状物質及び／又は排気ガス成分を常温〜６００℃で浄化することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の排気ガス浄化装置。