JP2009039663A

JP2009039663A - 排ガス浄化システム

Info

Publication number: JP2009039663A
Application number: JP2007207864A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Naito; 哲郎内藤; Hironori Wakamatsu; 広憲若松
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2009-02-26

Abstract

【課題】触媒活性が良好になる触媒温度域に達するまでの時間を短くすることができ、触媒温度の低温時における排ガス排出量を低減できる排ガス浄化システムを提供すること。
【解決手段】排ガス浄化触媒と、光により発熱する酸化物と、光照射手段とを有し、排ガス浄化触媒の近傍又は上記排ガス浄化触媒に接触する位置に、光発熱性酸化物を配設し、光照射手段から上記光発熱性酸化物に光を照射し、該光発熱性酸化物の発熱により該排ガス浄化触媒を昇温させうる排ガス浄化システムである。光発熱性酸化物の熱容量は、排ガス浄化触媒及び上記光発熱性酸化物が担持されるコージェライト担体の熱容量に比して小さくする。光発熱性酸化物のバンドギャップが、２．０ｅＶ〜４．０ｅＶの範囲である。
【選択図】なし

Description

本発明は、排ガス浄化システムに係り、更に詳細には、エンジン始動時等の低温域の期間を短縮して触媒活性を向上させうる排ガス浄化システムに関する。

従来より、エンジン等の内燃機関からの排気ガスを浄化するために種々の排ガス浄化システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００６−２５５６３８号公報

しかし、かかる排ガス浄化用触媒では、エンジン始動時の触媒の温度は低く、その結果、エンジン始動時から、触媒温度が向上するまでの間の排ガスの浄化率が低いという問題点があった。

このような背景から、本発明者らは、排ガス浄化用触媒において、エンジン始動時（低温時）から触媒活性を向上させるには、例えば、ＣｅＯ_２などの酸化物が光を吸収することで発熱する現象が利用できることを見出した。

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、触媒活性が良好になる触媒温度域に達するまでの時間を短くすることができ、触媒温度の低温時における排ガス排出量を低減できる排ガス浄化システムを提供することにある。

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、排ガス浄化触媒近傍又は該触媒上に光発熱性酸化物を配置し、この光発熱性酸化物が光を吸収する際に放出される熱を利用することにより、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。

即ち、本発明の排ガス浄化システムは、排ガス浄化触媒と、光により発熱する酸化物と、光照射手段とを有する排ガス浄化システムであって、
上記排ガス浄化触媒の近傍又は上記排ガス浄化触媒に接触する位置に、上記光発熱性酸化物を配設し、
上記光照射手段から上記光発熱性酸化物に光を照射し、該光発熱性酸化物の発熱により該排ガス浄化触媒を昇温させうることを特徴とする。

また、本発明の排ガス浄化システムの好適形態は、上記光発熱性酸化物の熱容量が、上記排ガス浄化触媒及び上記光発熱性酸化物が担持されるコージェライト担体の熱容量に比して小さいことを特徴とする。

更に、本発明の排ガス浄化システムの他の好適形態は、上記光発熱性酸化物のバンドギャップが、２．０ｅＶ〜４．０ｅＶの範囲であることを特徴とする。

排ガス浄化触媒近傍又は該触媒上に光発熱性酸化物を配置し、この光発熱性酸化物が光を吸収する際に放出される熱を利用することとしたため、触媒活性が良好になる触媒温度域に達するまでの時間を短くすることができ、触媒温度の低温時における排ガス排出量を低減できる排ガス浄化システムを提供できる。

以下、本発明の排ガス浄化システムについて詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、濃度、含有量、充填量などについての「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。

本発明の排ガス浄化システムは、排ガス浄化触媒と、光により発熱する酸化物と、光照射手段とを備えて成る。また、上記光発熱性酸化物は、上記排ガス浄化触媒の近傍又は上記排ガス浄化触媒に接触する位置に配設する。
このような構成により、上記光照射手段から上記光発熱性酸化物に光が照射されると、該光発熱性酸化物が発熱し、該排ガス浄化触媒が昇温する。よって、室温〜２５０℃程度の低温域から触媒活性を向上させうる。

ここで、上記排ガス浄化触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などを挙げることができる。
また、上記光発熱性酸化物としては、例えば、セリア（ＣｅＯ_２）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）などを挙げることができるが、表１にも具体例を示す。

代表的には、排ガス浄化用触媒の担体材料としても多く使用されるＣｅＯ_２とＰｔを組合わせることができ、触媒温度を容易に且つ迅速に向上させることができる。また、ＣｅＯ_２は、触媒成分に対するアンカー効果やＯＳＣ効果を発揮できる点からも有効に使用できる。

更に、上記光照射手段としては、紫外光を照射できればどのような手段でも良く、例えば、太陽光、紫外ランプ、水銀ランプ、キセノンランプなどを使用できる。
また、上記光照射手段からの光エネルギーを効率良く利用する観点から、排ガス浄化触媒や光発熱性酸化物の表面や内部にガラス繊維などを分散して光伝導率を高めることもできる。

なお、上記光照射手段は、複数設置することもできるが、１つの光源から光学系器具（スプリッタ、集光レンズなど）を介して光を分散させたり焦点を調節しても良い。また、上記光照射手段では、排ガスの出入に合わせて定期的に光の照射をオンオフ制御することもできる。

本発明の排ガス浄化システムにおいては、上記排ガス浄化触媒の温度を検出する温度検出手段を配設することができる。
これにより、該温度検出手段による検出温度が上記排ガス浄化触媒の活性温度に満たない低温域（室温〜２５０℃程度）に昇温工程を効率良く行うことができる。
上記温度検出手段としては、温度が測定できればどのような手段でも良く、例えば、熱電対、温度抵抗体、赤外線放射温度計（目的温度で状態が変化するものを使用し、温度を検出可能となるものであればよい）などを使用できる。

また、上記排ガス浄化触媒は、その一部又は全体に上記光発熱性酸化物を含み、上記光照射装置が該光発熱性酸化物の露出部分に光を照射することが好ましい。言い換えれば、上記光発熱性酸化物が、上記排ガス浄化触媒の活性点と界面を有することが好ましい。
例えば、上記光発熱性酸化物の表面に上記排ガス浄化触媒が露出面を有するように担持又は含有されていることがよい。
これにより、光照射により光発熱性酸化物から発生した熱エネルギーが確実に排ガス浄化触媒の活性点につながり、活性点の温度を効率良く上昇させうる。即ち、光発熱性酸化物の発熱とこれを利用した排ガス浄化触媒の活性効果の双方がバランス良く発揮されうる。また、種々の触媒成分を含む排ガス浄化触媒を用いる場合に、触媒全体に対して、排ガス浄化に寄与する活性点を優先的に昇温させることもできる。

更に、上記光発熱性酸化物の平均粒径は、５ｎｍ程度以上であることが好ましい。
このときは、触媒成分に対するアンカー効果をより発揮できるので有効である。なお、上記範囲より小さい粒径とすることは技術で記に困難である。

更にまた、上記光発熱性酸化物の熱容量は、上記排ガス浄化触媒及び上記光発熱性酸化物が担持されるコージェライト担体の熱容量に比して小さいことが好ましい。
このように、担体よりも熱容量の小さい酸化物を使用することで、昇温時のエネルギー量を低減できるようになり、温度向上代がより大きくなりうる。
代表的には、上記光発熱性酸化物の熱容量がコージェライトの熱容量より低いことが好ましい。このときは、より効率良く排ガス浄化触媒を加熱できる。

また、上記光発熱性酸化物のバンドギャップは、２．０ｅＶ〜４．０ｅＶの範囲であることが好ましい。
この範囲にある酸化物であれば、光源として紫外線（４００〜１ｎｍ）のもつ光エネルギーを利用して励起させ発熱させることができる。
なお、バンドギャップと波長との関係は以下の式で表される。
波長（ｎｍ）＝１２４０／光のエネルギー（ｅＶ）

上述した本発明の排ガス浄化システムは、空燃比Ａ／Ｆがリッチ〜ストイキ〜リーンの間を変動する内燃機関に適用することができる。
このときは、上記内燃機関の燃焼状態を、酸素過剰のリーン雰囲気から一時的にストイキ〜リッチ雰囲気に変動させ、上記昇温工程を行うことが好ましい。
これにより、より短い時間で、触媒温度を触媒活性がでる温度域まで昇温させることが可能になるので有効である。

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。

（実施例１）
図１に、排ガス浄化システムの一適用例を示す。
エンジンからの排気流路上に、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉを含んで成るコージェライト質モノリス担体１（０．９４Ｌ，２ミル９００セル／平方インチ）を配設した。この担体１には、排ガス浄化触媒２として酸化物に担持したＰｔ、Ｒｈをコート重量２００ｇ／Ｌで塗布した。また、排ガス浄化触媒２には光発熱性酸化物としてセリア（ＣｅＯ_２）を約８０ｇ（０．４６ｍｏｌ）分散させた。
また、光照射手段３として、Ｈｇランプ（朝日分光社製）を触媒担体１の出口及び入口近傍に配設し、排ガス浄化触媒２を照射できるようにした。更に、排ガス浄化触媒２の温度を検出できる温度検出器４を担体１の外部に配設した。

ここで、光発熱性酸化物として用いたＣｅＯ_２を室温（２５℃）から５０℃昇温するのに必要な熱量は２．９５ｋＪ／ｍｏｌである。また、ＣｅＯ_２のバンドギャップ（２．４ｅＶ）から熱として取り出せるエネルギーは４．６３ｋＪ／ｍｏｌである。
これより、排ガス浄化触媒中のＣｅＯ_２量（約８０ｇ，０．４６ｍｏｌ）を昇温するのに必要なエネルギーを算出すると約１３５７Ｊとなる。

一方、得られる光エネルギー（紫外線）量は、ＵＶ−ＬＥＤを使用した場合には、約２６Ｗ（２６Ｊ／ｓ）となる。
この光源で１３５７Ｊ分のエネルギーを出すためには約５２ｓ程度かかる。

・１１モード（ｃｏｌｄ）において、ＣｅＯ_２からの発熱を利用した場合の効果
以下にエンジン始動後からの温度上昇について、排気ガスによる温度上昇、ＣｅＯ_２への光照射による温度上昇、これら双方による温度上昇の合計をそれぞれ図２のグラフに示す。
このグラフから、ＣｅＯ_２への光照射による発熱を利用することで、２５０℃（触媒活性が十分出る温度）まで昇温する時間は８２秒から７４秒に短縮され、従来の排気ガスのみによる昇温に比べ約８秒程度早められることがわかる。

また、触媒温度の２５０℃までの昇温時間が８ｓ短縮した場合、ＨＣ排出量の変化の様子（０〜７４秒間）を図３のグラフに示す。
このグラフから、昇温時間が８Ｓ短縮することによりＨＣ排出量は０．１９ｇ減少されることがわかる。即ち、０〜７４秒間で排出するＨＣ量（１．７５ｇ）を１０．８％低減することが可能になる。

（実施例２）
図４に、上記排ガス浄化システムが備える温度検出器４を用いた温度制御フローの一例を示す。
この場合は、排ガス浄化触媒が２５０℃未満の低温域にあるか否かをチェックし、低温域であるときに光照射を行うことで、触媒活性が高い温度域まで短時間で昇温することが可能となる。

実施例１で採用した排ガス浄化システムを示す概略図である。エンジン始動後からの温度上昇を示すグラフである。ＨＣ排出量の経時変化を示すグラフである。温度検出器を用いた光照射制御を示すフロー図である。

符号の説明

１担体
２排ガス浄化触媒
３光照射手段
４温度検出器

Claims

排ガス浄化触媒と、光により発熱する酸化物と、光照射手段とを有する排ガス浄化システムであって、
上記排ガス浄化触媒の近傍又は上記排ガス浄化触媒に接触する位置に、上記光発熱性酸化物を配設し、
上記光照射手段から上記光発熱性酸化物に光を照射し、該光発熱性酸化物の発熱により該排ガス浄化触媒を昇温させうることを特徴とする排ガス浄化システム。
上記排ガス浄化触媒の温度を検出する温度検出手段を有し、該温度検出手段による検出温度が上記排ガス浄化触媒の活性温度に満たない場合に、上記昇温工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化システム。
上記排ガス浄化触媒の一部又は全体に上記光発熱性酸化物を含み、上記光照射装置が該光発熱性酸化物の露出部分に光を照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス浄化システム。
上記光発熱性酸化物が、上記排ガス浄化触媒の活性点と界面を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の排ガス浄化システム。
上記光発熱性酸化物の平均粒径が５ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の排ガス浄化システム。
上記光発熱性酸化物の熱容量が、上記排ガス浄化触媒及び上記光発熱性酸化物が担持されるコージェライト担体の熱容量に比して小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の排ガス浄化システム。
上記光発熱性酸化物のバンドギャップが、２．０ｅＶ〜４．０ｅＶの範囲であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の排ガス浄化システム。
空燃比Ａ／Ｆがリッチ〜ストイキ〜リーンの間を変動する内燃機関の排気ガスを浄化する排ガス浄化システムであって、
上記内燃機関の燃焼状態を、酸素過剰のリーン雰囲気から一時的にストイキ〜リッチ雰囲気に変動させ、上記昇温工程を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の排ガス浄化システム。