JP2005106022A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排ガス浄化装置、特にディーゼルエンジンやリーンバーンエンジンの排気系に設けられ、排ガス中に含まれるPM(Particulate Matter,粒子状物質)を捕捉し、燃焼除去して浄化する排ガス浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust gas purification device, and more particularly to an exhaust gas purification device that is provided in an exhaust system of a diesel engine or a lean burn engine, captures PM (Particulate Matter) contained in the exhaust gas, and burns and removes it. .
大気中の有害物質を除去するための技術として、従来から、相対する一対の電極に交流電圧を印加して発生させたプラズマを用いて排ガスを浄化する排ガス浄化装置(プラズマリアクタ)が提案されている。例えば特許文献1は、電極をなす一対の金網で繊維フィルタを挟み、これらを排ガスの流路中に配置することで排ガスをろ過するようにした装置を開示している。この装置では、繊維フィルタに捕集された排ガス中のPMは、両電極間への高電圧の印加により発生されたプラズマのエネルギによりラジカル(フリーラジカル、遊離基)状態にされ、HCはH2OとCO2に変化し、CはCO2に変化するとともに、PMの一部は燃焼して焼却される。しかし、この装置では、供給される排ガスの全量が繊維フィルタを透過するため、排気抵抗が大きくなるという欠点がある。 As a technique for removing harmful substances in the atmosphere, an exhaust gas purification device (plasma reactor) that purifies exhaust gas using plasma generated by applying an alternating voltage to a pair of opposed electrodes has been proposed. Yes. For example, Patent Document 1 discloses an apparatus in which a fiber filter is sandwiched between a pair of metal meshes that form electrodes, and these are arranged in an exhaust gas flow path to filter the exhaust gas. In this apparatus, PM in the exhaust gas collected by the fiber filter is brought into a radical (free radical, free radical) state by the energy of plasma generated by applying a high voltage between both electrodes, and HC is H 2. changes to O and CO 2, C along with changes in the CO 2, a part of the PM is burned by combustion. However, this apparatus has a drawback in that exhaust resistance increases because the entire amount of supplied exhaust gas passes through the fiber filter.
他方、特許文献2のように、上流側の端面から下流側の端面に至る複数の貫通孔を互いに平行に形成した電気絶縁性のハニカム構造体と、その上下流側の端面に配置されたメッシュ電極とを備え、放電プラズマにより排ガス中の有害物質を分解するようにした装置も知られている。この装置は排気抵抗が小さくて済むが、PMが下流側に排出されてしまうという欠点がある。 On the other hand, as in Patent Document 2, an electrically insulating honeycomb structure in which a plurality of through holes extending from an upstream end surface to a downstream end surface are formed in parallel to each other, and a mesh disposed on the upstream and downstream end surfaces There is also known an apparatus that includes an electrode and decomposes harmful substances in exhaust gas by discharge plasma. This device requires only a small exhaust resistance, but has the disadvantage that PM is discharged downstream.
また、特許文献3のように、ハニカム構造体の各貫通孔を、互いに隣り合う貫通孔のうち一方が前端を閉塞され他方が後端を閉塞されるように交互に栓詰し、排ガスが貫通孔の孔壁を透過する際にPMがろ過されるようにした装置も提案されている。この装置は特許文献1のものと同様に排気抵抗が大きいという欠点がある。なお、特許文献3の装置ではハニカム構造体の貫通孔内の全表面にわたって、貴金属などの酸化触媒を均等に担持させ、これによって有害物質の反応開始温度を下げ、分解を促進している。 Further, as in Patent Document 3, each through-hole of the honeycomb structure is plugged alternately so that one of the adjacent through-holes closes the front end and the other closes the rear end, and the exhaust gas penetrates. An apparatus has also been proposed in which PM is filtered as it passes through the hole walls. This device has a drawback that the exhaust resistance is large as in the case of Patent Document 1. In the apparatus of Patent Document 3, an oxidation catalyst such as a noble metal is evenly supported over the entire surface in the through-hole of the honeycomb structure, thereby lowering the reaction start temperature of harmful substances and promoting decomposition.
ところで出願人は、電気的吸引力によってPMをハニカム構造体に吸着させると共に、吸着したPMを電極間の放電を利用して分解できる装置を実現すべく、鋭意研究を行っている。出願人が試作したある装置では、貫通孔の上下が開放のハニカム構造体の上流側および下流側の端部の近傍に、メッシュ電極をそれぞれ設け、少なくとも下流側のメッシュ電極がハニカム構造体に接するようにし、これによりハニカム構造体を帯電させ、上流側のメッシュ電極によって逆極性に帯電されたPMをハニカム構造体に吸着させると共に、上下流のメッシュ電極間の放電を利用してPMを分解することとしている。ここで出願人は、ハニカム構造体の貫通孔内の全表面にわたって酸化触媒を均等に担持させ、かつ、貫通孔内の全表面にPMを一様に付着させた状態で、メッシュ電極間にパルス電圧を印加する試験を行ったところ、貫通孔内におけるPMの燃焼が、上流側および下流側の端部の近傍で開始されることを知見した。 By the way, the applicant has conducted earnest research in order to realize an apparatus that can adsorb PM to the honeycomb structure by an electric attractive force and decompose the adsorbed PM using discharge between electrodes. In an apparatus manufactured by the applicant, a mesh electrode is provided in the vicinity of the upstream and downstream ends of the honeycomb structure in which the upper and lower through holes are open, and at least the downstream mesh electrode is in contact with the honeycomb structure. Thus, the honeycomb structure is charged, and the PM charged to the reverse polarity by the upstream mesh electrode is adsorbed to the honeycomb structure, and the PM is decomposed using the discharge between the upstream and downstream mesh electrodes. It is going to be. Here, the applicant applies a pulse between the mesh electrodes in a state where the oxidation catalyst is uniformly supported over the entire surface in the through hole of the honeycomb structure and PM is uniformly attached to the entire surface in the through hole. When a test for applying a voltage was performed, it was found that the combustion of PM in the through hole is started in the vicinity of the upstream and downstream ends.
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、その目的は、PMの燃焼が行われ易い領域における処理性能を高めることで、装置の性能を全体として向上することにある。 The present invention has been made based on such knowledge, and an object of the present invention is to improve the performance of the apparatus as a whole by increasing the processing performance in a region where PM is easily burned.
第1の本発明は、エンジンからの排ガス流路中に配置され、酸化触媒を担持したハニカム構造体と、前記ハニカム構造体の上流側の端部の近傍に設けられた第1の電極と、前記ハニカム構造体の下流側の端部の近傍に設けられた第2の電極と、を備え、前記第1および第2の電極間への電圧の印加により排ガス中の粒子状物質の吸着と分解とを行う排ガス浄化装置であって、前記ハニカム構造体における少なくともいずれかの端部に、前記酸化触媒の担持量が前記ハニカム構造体の残余の部分における担持量より大である高担持領域を設けたことを特徴とする排ガス浄化装置である。 The first aspect of the present invention is a honeycomb structure that is disposed in an exhaust gas flow path from an engine and carries an oxidation catalyst, and a first electrode that is provided in the vicinity of an upstream end of the honeycomb structure, A second electrode provided in the vicinity of the downstream end of the honeycomb structure, and by applying a voltage between the first and second electrodes, adsorption and decomposition of particulate matter in the exhaust gas An exhaust gas purifying apparatus that performs the above-described process, wherein at least one end portion of the honeycomb structure is provided with a high loading region in which the loading amount of the oxidation catalyst is larger than the loading amount in the remaining portion of the honeycomb structure. This is an exhaust gas purification device characterized by the above.
第1の本発明では、ハニカム構造体における少なくともいずれかの端部に、酸化触媒の担持量がハニカム構造体の残余の部分における担持量より大である高担持領域を設けたので、PMの燃焼が行われ易い領域における処理性能を高めることで、装置の性能を全体として向上できる。 In the first aspect of the present invention, at least one end of the honeycomb structure is provided with a high loading region in which the loading amount of the oxidation catalyst is larger than the loading amount in the remaining portion of the honeycomb structure. By improving the processing performance in an area where the process is likely to be performed, the performance of the apparatus as a whole can be improved.
第2の本発明は、前記第1の電極は前記ハニカム構造体から離間しており、且つ前記第2の電極は前記ハニカム構造体に接しており、前記高担持領域は前記ハニカム構造体における上流側の端部に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の排ガス浄化装置である。 According to a second aspect of the present invention, the first electrode is separated from the honeycomb structure, the second electrode is in contact with the honeycomb structure, and the highly loaded region is upstream of the honeycomb structure. It is provided in the edge part of the side, It is an exhaust gas purification apparatus of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
第2の本発明では、第1の電極がハニカム構造体から離間している一方で、第2の電極がハニカム構造体に接しているため、これら第1および第2の電極間に高電圧を印加すると、第1の電極によって帯電されたPMは、ハニカム構造体において第1の電極に対面する位置である上流側の端部に最も良く付着することになる。したがって、この位置に高担持領域を設けることで、第1の本発明の所期の効果を得ることができる。 In the second aspect of the present invention, since the first electrode is separated from the honeycomb structure while the second electrode is in contact with the honeycomb structure, a high voltage is applied between the first and second electrodes. When applied, PM charged by the first electrode adheres best to the upstream end, which is the position facing the first electrode, in the honeycomb structure. Therefore, the desired effect of the first aspect of the present invention can be obtained by providing the high carrying area at this position.
第3の本発明は、前記第1および第2の電極は前記ハニカム構造体に接しており、前記高担持領域は前記ハニカム構造体における下流側の端部に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の排ガス浄化装置である。 The third aspect of the present invention is characterized in that the first and second electrodes are in contact with the honeycomb structure, and the high carrying region is provided at an end portion on the downstream side of the honeycomb structure. An exhaust gas purification device according to claim 1.
第3の本発明では、第1および第2の電極がハニカム構造体に接しているため、第1の電極によって帯電されたPMは、ハニカム構造体において第2の電極に対面する位置である下流側の端部に最も良く付着することになる。したがって、この位置に高担持領域を設けることで、第1の本発明の所期の効果を得ることができる。 In the third aspect of the present invention, since the first and second electrodes are in contact with the honeycomb structure, PM charged by the first electrode is downstream at the position facing the second electrode in the honeycomb structure. It will adhere best to the side edges. Therefore, the desired effect of the first aspect of the present invention can be obtained by providing the high carrying area at this position.
以下、本発明に係る排ガス浄化装置の実施形態につき、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of an exhaust gas purifying apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は第1実施形態に係る排ガス浄化装置10の概略構成を示す断面図であり、図2はその内部構成を示す斜視図である。排ガス浄化装置10は、不図示のエンジン(ディーゼルまたはリーンバーンガソリンエンジン等)の排気系に設けられる。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an exhaust
排ガス浄化装置10は、両側に截頭円錐状の連結部12を有するほぼ円筒形の金属製外筒部14を備え、この外筒部14に対し、電気絶縁性、耐熱性、緩衝性等を備える支持部材16、例えばアルミナマットにより支持されたハニカム構造体20を有している。ハニカム構造体20は、コーディエライト、シリカ、アルミナ等のセラミックスで形成された多孔質ハニカム構造体である。ハニカム構造体20の貫通路を除く基材部(壁部)の気孔率は例えば約30〜45%とするが、気孔率は任意に選択できる。
The exhaust
また、ハニカム構造体20の上流側端面には、第1の電極としてのメッシュ電極31、ハニカム構造体20の下流側端面には、第2の電極としてのメッシュ電極32が配置されている。
Further, a
メッシュ電極31は、図2に示すように、複数の電極素子31a、31bが、ハニカム構造体20の貫通路のピッチとほぼ等しいピッチで互いに平行に配列され、これらが互いに直交するように組み合わされた格子状の電極として構成されている。そして、このメッシュ電極31は、ハニカム構造体20の貫通路を規定する壁部の端面に対し回転方向にずらされて存在し、貫通路を跨ぐように配置されている。また、ハニカム構造体20の下流側端面にもメッシュ電極31と同様のメッシュ電極の形態で、貫通路を跨ぐようにメッシュ電極32が配置されている(図2には表されていない)。なお、ここで、メッシュ電極31,32の格子のピッチは互いに異なるのが好ましい。このようにすると、メッシュ電極31,32間での放電が起こり易く、後述するPMの通電燃焼に加えて、排ガスのプラズマ化によるPM燃焼の促進も期待できるからである。
As shown in FIG. 2, in the
メッシュ電極31,32は、耐腐食性に優れたクロム鋼(例えば、10Cr5Al)で形成できるが、それにのみ限定されるものではなく、他の耐腐食性を有する金属を用いることができる。メッシュ電極31は、ハニカム構造体20の上流側端面から所定距離だけ離間して設置されている。メッシュ電極32は、セラミックボンド等によって、ハニカム構造体20の下流側端面に貼着されている。なおメッシュ電極32は、メッシュ電極31と同様の構造とするほか、導電性の金属ペーストをハニカム構造体20の下流側端面に塗布することにより形成してもよい。また、メッシュ電極31,32はハニカム構造体20の端面全域を覆う大きさに形成するのが好ましい。
The
メッシュ電極31は、外筒部14を貫通して設置されている絶縁碍子18を通して、直流電源34の負側に接続され、メッシュ電極32は同じく絶縁碍子18を通して直流電源34の正側に接続されている。なお、この直流電源34の電圧は5kV以上、例えば15〜30kV程度が好適である。
The
図3に示されるように、ハニカム構造体20の壁部21には、例えば、Pt/CeO2、Mn/CeO2、Fe/CeO2、Ni/CeO2、Cu/CeO2等の酸化触媒からなる酸化触媒層22がコーティングにより形成されている。このようにすると、排ガスの活性化によるPMの燃焼に加えて、酸化触媒の作用によるPMの燃焼が起こり、PMの焼却が促進されることが期待できる。
As shown in FIG. 3, the
そして、ハニカム構造体20における上流側の端部に、酸化触媒の担持量がハニカム構造体20の残余の部分における担持量より大である高担持領域23を設ける。なお、高担持領域23の軸方向長さL1は、使用条件下で予想されるPMの付着密度が所定の基準値を上回る領域の軸方向長さとして、ハニカム構造体20の上流側端部から所定寸法内に実験的に定めてもよく、また高担持領域23における担持量(例えば、ハニカム構造体20の単位体積あたりの酸化触媒の重量)が、使用条件下で予想される量のPMを燃焼させるのに十分な値となるように実験的に定めてもよい。
Then, a high
この第1実施形態に係る排ガス浄化装置10においては、エンジンの始動と同時に、電源34がオンされ、メッシュ電極31とメッシュ電極32との間に高電圧が印加される。これによって、メッシュ電極31からハニカム構造体20を経てメッシュ電極32に至る各地点の電位は、メッシュ電極31の位置を0、ハニカム構造体20の上流側端部の位置をP1,メッシュ電極の位置をP2とすると、概ね図4に示されるような分布になると考えられる。この状態で、エンジンから排出されたPMを含む排ガスが、排気管を通って排ガス浄化装置10に導かれると、排ガス中のPMがメッシュ電極31からの放電によってマイナスに帯電され、またハニカム構造体20がプラスに帯電されるため、PMは電気的吸引力によりハニカム構造体20に向けて吸引される。この結果、ハニカム構造体20を流通するPMの移動経路が偏向され、PMはそれらの壁部21の気孔内に堆積されることになるが、図4のようにハニカム構造体20の上流側端部P1とメッシュ電極32の位置P2との電位差が小さい電位分布においては、PMは、その電位との電位差が大きくなるハニカム構造体20上の最初の領域、すなわちハニカム構造体20の上流側の端部近傍を中心として堆積されることになる。
In the exhaust
そして、この捕集によるPMの堆積が進行すると、PMを介してメッシュ電極31とメッシュ電極32またはハニカム構造体20との間に導通路が形成され、アーク放電に近似した通電燃焼がメッシュ電極31,32の近傍で起こり、PMが燃焼されて排ガスが浄化される。
Then, when the PM deposition by the collection proceeds, a conduction path is formed between the
ここで第1実施形態では、ハニカム構造体20における上流側の端部に、酸化触媒の担持量がハニカム構造体20の残余の部分における担持量より大である高担持領域23を設けたので、PMの燃焼が行われ易い領域における処理性能を高めることで、装置の性能を全体として向上することができる。
Here, in the first embodiment, the upstream end portion of the
また第1実施形態では、ハニカム構造体20においてメッシュ電極31に対面する位置である上流側の端部にPMが最も良く付着することになるので、この位置に高担持領域23を設けることで、本発明の所期の効果を得ることができる。
Further, in the first embodiment, PM adheres best to the upstream end that is the position facing the
次に、第2実施形態について説明する。図5は、第2実施形態に係る排ガス浄化装置110の概略構成を示す断面図である。本実施形態の排ガス浄化装置110は、上記第1実施形態におけるハニカム構造体20・メッシュ電極31,32と同様のハニカム構造体120・メッシュ電極131,132を備えているが、メッシュ電極131,132が、いずれもハニカム構造体120に貼着されている。
Next, a second embodiment will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the exhaust
そして、ハニカム構造体120における下流側の端部に、酸化触媒の担持量がハニカム構造体120の残余の部分における担持量より大である高担持領域123を設ける。なお、高担持領域123の軸方向長さは、使用条件下で予想されるPMの付着密度が所定の基準値を上回る領域の軸方向長さとして、ハニカム構造体20の下流側端部から所定寸法内に実験的に定めてもよく、また高担持領域123における担持量(例えば、ハニカム構造体120の単位体積あたりの酸化触媒の重量)が、使用条件下で予想される量のPMを燃焼させるのに十分な値となるように実験的に定めてもよい。第2実施形態における残余の構成は、上記第1実施形態と同様であるため、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
Then, at the downstream end portion of the
以上のとおり構成された第2実施形態に係る排ガス浄化装置110においては、エンジンの始動と同時に、電源34がオンされ、メッシュ電極131とメッシュ電極132との間に高電圧が印加される。これによって、メッシュ電極131からハニカム構造体120を経てメッシュ電極132に至る各地点の電位は、メッシュ電極131の位置すなわちハニカム構造体120の上流側端部の位置をP11,メッシュ電極132の位置をP12とすると、概ね図6に示されるような分布になると考えられる。この状態で、エンジンから排出されたPMを含む排ガスが、排気管を通って排ガス浄化装置110に導かれると、排ガス中のPMがメッシュ電極131からの放電によってマイナスに帯電され、またハニカム構造体120がプラスに帯電されるため、PMは電気的吸引力によりハニカム構造体120に向けて吸引される。
In the exhaust
この結果、ハニカム構造体120を流通するPMの移動経路が偏向され、PMはそれらの壁部21の気孔内に堆積されることになるが、図6のようにハニカム構造体120の上流側端部P1とメッシュ電極132の位置P2との電位差が大きく且つ概ね線形に推移する電位分布においては、PMは、その電位との電位差が最大となるハニカム構造体120上の領域、すなわちハニカム構造体120の下流側の端部近傍を中心として堆積されることになると考えられる。
As a result, the movement path of the PM flowing through the
そして、この捕集によるPMの堆積が進行すると、PMを介してメッシュ電極131とメッシュ電極132またはハニカム構造体120との間に導通路が形成され、アーク放電に近似した通電燃焼がメッシュ電極131,132の近傍で起こり、PMが燃焼されて排ガスが浄化される。
Then, when the PM deposition by the collection proceeds, a conduction path is formed between the
ここで第2実施形態では、ハニカム構造体120における下流側の端部に、酸化触媒の担持量がハニカム構造体120の残余の部分における担持量より大である高担持領域123を設けたので、PMの燃焼が行われ易い領域における処理性能を高めることで、装置の性能を全体として向上することができる。
Here, in the second embodiment, since the supporting amount of the oxidation catalyst is larger than the supporting amount in the remaining part of the
また第2実施形態では、ハニカム構造体120においてメッシュ電極132に対面する位置である下流側の端部に最も良く付着することになると考えられるので、この位置に高担持領域123を設けることで、本発明の所期の効果を得ることができる。
Further, in the second embodiment, it is considered that the
なお、上記各実施形態ではハニカム構造体20,120の壁部21の端面から表面にわたって高担持領域23,123を形成したが、本発明における高担持領域はハニカム構造体の端面のみに形成されていてもよい。また本発明では高担持領域以外のハニカム構造体の部位は、触媒物質を担持していなくてもよい。さらに、上記各実施形態ではハニカム構造体への触媒物質のコーティングの厚さを変えることで高担持領域23,123を実現したが、本発明における高担持領域は、触媒物質の担持量(例えば、ハニカム構造体の単位体積あたりの触媒物質の重量)が大となるような方法であれば、他の方法、例えばハニカム構造体における所定領域について気孔率を他の領域に比して高くする等の方法によって実現してもよく、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。
In each of the above embodiments, the high supporting
また、上記各実施形態においては、上流側のメッシュ電極31,131を負極に、下流側のメッシュ電極32,132を正極に接続する例につき説明したが、これらは、両者間に所定の高電圧が印加される形態であれば足り、逆の極性であってもよく、またいずれか一方を接地させてもよい。また、その電源の形態は、直流のみならず、パルス電源や交流電源であってもよい。さらに、それらの電圧印加の形態も上述の常時印加に限られず、PMの捕集要求や燃焼処理要求の必要性に応じて、所望の時期に行うようにしてもよい。また、上記各実施形態では全ての電極をメッシュ電極とした例について説明したが、本発明ではそれ以外の構造の電極、例えば棒状電極や筒状電極を用いてもよい。
In each of the above embodiments, the example has been described in which the
10,110 排ガス浄化装置
20,120 ハニカム構造体
23,123 高担持領域
31,32,131,132 メッシュ電極
34 電源
10, 110 Exhaust
Claims (3)
前記ハニカム構造体の上流側の端部の近傍に設けられた第1の電極と、
前記ハニカム構造体の下流側の端部の近傍に設けられた第2の電極と、
を備え、前記第1および第2の電極間への電圧の印加により排ガス中の粒子状物質の吸着と分解とを行う排ガス浄化装置であって、
前記ハニカム構造体における少なくともいずれかの端部に、前記酸化触媒の担持量が前記ハニカム構造体の残余の部分における担持量より大である高担持領域を設けたことを特徴とする排ガス浄化装置。 A honeycomb structure disposed in an exhaust gas flow path from the engine and carrying an oxidation catalyst;
A first electrode provided in the vicinity of the upstream end of the honeycomb structure;
A second electrode provided in the vicinity of the downstream end of the honeycomb structure;
An exhaust gas purification apparatus that performs adsorption and decomposition of particulate matter in exhaust gas by applying a voltage between the first and second electrodes,
An exhaust gas purifying apparatus, characterized in that at least one end of the honeycomb structure is provided with a high support area in which the support amount of the oxidation catalyst is larger than the support amount in the remaining part of the honeycomb structure.
前記高担持領域は前記ハニカム構造体における上流側の端部に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の排ガス浄化装置。 The first electrode is spaced from the honeycomb structure, and the second electrode is in contact with the honeycomb structure;
The exhaust gas purification apparatus according to claim 1, wherein the high carrying region is provided at an upstream end of the honeycomb structure.
前記高担持領域は前記ハニカム構造体における下流側の端部に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の排ガス浄化装置。
The first and second electrodes are in contact with the honeycomb structure;
The exhaust gas purification device according to claim 1, wherein the high carrying region is provided at an end portion on the downstream side of the honeycomb structure.
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