JP2014009685A - ディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステム - Google Patents

ディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステム Download PDF

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Abstract

【課題】ディーゼルエンジンから排出される排気ガスの粒子状物質（ＰＭ）中の可溶性有機成分（ＳＯＦ）発生量を選択的かつ実時間で測定することが可能な、ディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステムを提供する。
【解決手段】本発明のディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステムは、多孔質構造を持つセラミック構造体に、ディーゼルエンジンの排気ガス中の可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせる触媒物質が固定された燃焼要素と、セラミック構造体に、可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせない安定物質が固定された比較要素と、燃焼要素及び比較要素の温度を検出し、各要素の温度差を用いて排気ガス中の可溶性有機成分発生量を測定する検出部と、を含んでなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステムに係り、より詳しくは、ディーゼルエンジンから排出される可溶性有機成分（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ：ＳＯＦ）の発生量を測定することが可能な、ディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステムに関する。
一般的なディーゼル酸化触媒（Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ：ＤＯＣ）システムは、ガソリンエンジンで使用されていた酸化触媒技術と基本的に同一の技術であるため、技術の効果や性能は既に確立されている。ディーゼル酸化触媒は、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）などの触媒により排気中の酸素を用いて炭化水素、一酸化炭素を酸化する機能を果たす（例えば、特許文献１参照）。特に、粒子性物質の構成成分である炭化水素を低減すると、粒子性物質を１０〜２０％低減することができる。
すなわち、ディーゼル酸化触媒システムは、粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒｓ：ＰＭ）の中から可溶性有機成分（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ：ＳＯＦ）を最も効果的に除去することが可能な技術である。可溶性有機成分は、基本的に未燃焼の燃料成分であって、その排出量がエンジンの動作条件を大きく左右する。よって、効率的なエンジン及びディーゼル酸化触媒システムの動作のためには実時間で可溶性有機成分の排出量を感知する技術が求められているが、車両に搭載することが可能な可溶性有機成分センシング技術が未だ開発されておらず、既存のＰＭセンシング技術では選択的に可溶性有機成分の発生量を測定することが不可能であった（例えば、特許文献２参照）。
したがって、新しいコンセプトに基づく接触燃焼式可溶性有機成分センサーの開発が必要であり、接触燃焼式可溶性有機成分センサーを実現するためには、可溶性有機成分に対して選択的であり且つ高い燃焼活性を有する触媒の開発が必須である。
特開２０１１−０５２６７９号公報 特開２０１０−１０１２０５号公報
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスの粒子状物質（ＰＭ）中の可溶性有機成分（ＳＯＦ）発生量を選択的かつ実時間で測定することが可能な、ディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステムを提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明のディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステムは、多孔質構造を持つセラミック構造体に、ディーゼルエンジンの排気ガス中の可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせる触媒物質が固定された燃焼要素と、セラミック構造体に、可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせない安定物質が固定された比較要素と、燃焼要素及び比較要素の温度を検出し、各要素の温度差を用いて排気ガス中の可溶性有機成分発生量を測定する検出部と、を含んでなることを特徴とする。
セラミック構造体は、Ａｌ２Ｏ３を含む組成で構成されたことが好ましい。
セラミック構造体は、ＳｉＯ２を含む組成で構成されたことが好ましい。
安定物質は、ＴｉＯ２を主成分組成として構成されたことが好ましい。
触媒物質は、ＴｉＯ２が支持体として使用され、可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせる元素が固定されて構成されたことが好ましい。
触媒物質が排気ガス中の可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせるために燃焼要素を加熱するヒーター部をさらに含んでもよい。
ヒーター部は燃焼要素と比較要素とを同一に加熱することができる。
検出部は燃焼要素と比較要素との温度差を電気信号に変換して排気ガス中の可溶性有機成分発生量を測定することができる。
本発明によると、上記の構造を持つディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステムは、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質中の可溶性有機成分に対して高い燃焼活性を有する触媒物質を燃焼要素に適用することにより、可溶性有機成分の発生量を測定し、実時間でセンシングすることができる。
具体的に、可溶性有機成分に対して高い燃焼活性を有する触媒物質から構成された燃焼要素と、可溶性有機成分に対して燃焼活性を有しない比較要素を備えることにより、各要素の温度差を用いて可溶性有機成分の発生量を測定することができる。
本発明の一実施例に係るディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステムを示す図である。
以下、添付した図面を基に、本発明の好適な実施例に係るディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステムについて説明する。
図１は本発明の一実施例に係るディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステムを示す図である。図１に示したとおり、本発明に係るディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステムは、多孔質構造を持つセラミック構造体に、ディーゼルエンジンの排気ガス中の可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせる触媒物質が固定された燃焼要素１００と、セラミック構造体に、可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせない安定物質が固定された比較要素２００と、燃焼要素１００と比較要素２００の温度を検出し、各要素の温度差を用いて排気ガス中の可溶性有機成分発生量を測定する検出部３００と、を含んでなる。
すなわち、本発明は、可溶性有機成分に対して積極的で燃焼活性が高い触媒を用いた可溶性有機成分測定センサーであって、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスの粒子状物質（ＰＭ）中の可溶性有機成分の排出量を積極的に実時間で測定することが可能である。
具体的に、ディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステムは、可溶性有機成分に対して高い燃焼活性を有する触媒物質が固定された燃焼要素１００と、可溶性有機成分に対して燃焼活性を有さない安定物質が固定された比較要素２００とから構成され、燃焼要素１００が可溶性有機成分の燃焼によって温度が上昇すると、比較要素２００との温度差を検出部によって測定して可溶性有機成分の排出量を定量することができる。
ここで、燃焼要素１００は、可溶性有機成分に対して選択的に燃焼反応を起こさせる触媒物質としてＰｔが使用できる。このような触媒物質は、多孔質構造を持つセラミック構造体に固定される。一方、比較要素２００は、燃焼要素１００が可溶性有機成分の燃焼反応によって発生した燃焼熱の大きさを測定するための比較手段であって、可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせないＴｉＯ２を主成分組成として構成される。
したがって、ディーゼルエンジンの排気ガス中の可溶性有機成分に積極的に燃焼反応を起こさせる触媒物質からなる燃焼要素１００と、可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせない安定物質からなる比較要素２００との温度変化及び温度差を、検出部３００によって測定することにより、可溶性有機成分の発生量を測定し、これを電気信号に変換して実時間でセンシングすることができる。
一方、燃焼要素１００及び比較要素２００の構成物質であるセラミック構造体は、Ａｌ２Ｏ３を含む組成で構成されても、ＳｉＯ２を含む組成で構成されてもよく、多孔質構造を持つ。
勿論、セラミック構造体は他の物質で構成されてもよいが、Ａｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の場合、構造体として安定であるうえ、可溶性有機成分に対して触媒活性がなく、その他の物質にも反応しない。よって、セラミック構造体は、Ａｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２を含む組成で構成することが好ましい。また、セラミック構造体は、触媒物質及び安定物質の固定を容易にするために多孔質構造に形成される。
一方、比較要素２００に固定される安定物質は、ＴｉＯ２を主成分組成として構成される。本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中の可溶性有機成分に選択的に燃焼反応を起こさせる燃焼要素１００と、可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせない比較要素２００との温度差を用いて可溶性有機成分の発生量を測定するものであって、比較要素２００には可溶性有機成分に燃焼反応が起こさせない物質を使用しなければならない。よって、可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせないＴｉＯ２を安定物質として組成して構成する。また、セラミック構造体に固定されるＴｉＯ２の構成量が多いほど、安定物質としての効果が増大するため、純粋ＴｉＯ２から構成されることが好ましい。
一方、触媒物質は、ＴｉＯ２を支持体として使用し、可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせる元素としてＰｔが固定される。なぜなら、燃焼要素１００に固定される触媒物質の支持体、及び比較要素２００に固定される安定物質をＴｉＯ２で構成することにより、可溶性有機成分の燃焼反応によって発生した燃焼熱の大きさを定量化することができるためである。また、使用される触媒物質がＰｔの場合、可溶性有機成分に対して選択的であり且つ高い触媒的活性を有するので、燃焼要素の触媒物質に固定される元素として好ましい。
これにより、燃焼要素１００と比較要素２００とには、温度差が発生して可溶性有機成分の排出量を測定することができる。燃焼要素１００に固定される触媒物質の支持体、及び比較要素２００に固定される安定物質をＴｉＯ２で構成することにより、燃焼反応による温度差を正確に測定することができる。
一方、本発明は、触媒物質が排気ガス中の可溶性有機成分を燃焼させることができるように燃焼要素１００を加熱するヒーター部４００をさらに含む。一般に、ディーゼルエンジンの排気ガスの温度は可溶性有機成分を燃焼させることができる程度に高い温度ではないから、燃焼要素１００を一定の温度に加熱して排気ガス中の可溶性有機成分が触媒物質により燃焼反応するようにする。
これにより、燃焼要素１００で可溶性有機成分が触媒燃焼反応を起こすことにより温度上昇した燃焼要素１００と比較要素２００との温度差を用いて排気ガス中の可溶性有機成分発生量を測定することができる。
特に、ヒーター部４００は、燃焼要素１００と比較要素２００を同一に加熱することが好ましい。なぜなら、燃焼要素１００が可溶性有機成分の燃焼反応により発生する温度差を除いて、燃焼要素１００のみを加熱し、或いは他の条件によって温度差が発生する場合、燃焼要素１００と比較要素２００の可溶性有機成分発生量を正確に測定するのに問題が発生するためである。よって、燃焼要素１００と比較要素２００の温度を定量化するために、ヒーター部４００は燃焼要素１００と比較要素２００を同一の温度に加熱することが好ましい。
一方、検出部３００は、燃焼要素１００と比較要素２００の温度差を電気信号に変換して排気ガス中の可溶性有機成分発生量を測定することができる。
具体的に説明すると、燃焼要素１００と比較要素２００の温度差は接触燃焼式センサーを用いて測定することができる。燃焼要素１００が排気ガス中の可溶性有機成分と接触して燃焼反応が起こると、温度が上昇して電気抵抗が増加し、抵抗の変化を電気信号に変換し、これを比較要素２００の電気信号と比較して測定することにより、可溶性有機成分の発生量を測定する。これにより、排気ガス中の可溶性有機成分発生量を実時間で確認することができ、これによる即刻対処が可能となる。
本発明は、特定の実施例について説明したが、本発明の権利は、上述した実施例に限定されず、請求の範囲に記載の内容によって定義され、本発明の分野における通常の知識を有する者が、請求の範囲に記載された権利範囲内で様々な変形と改作を行うことができることは自明である。
１００ 燃焼要素
２００ 比較要素
３００ 検出部
４００ ヒーター部
ＰＭ 粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒｓ）
ＳＯＦ 可溶性有機成分（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）

Claims (8)

  1. 多孔質構造を持つセラミック構造体に、ディーゼルエンジンの排気ガス中の可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせる触媒物質が固定された燃焼要素と、
    前記セラミック構造体に、前記可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせない安定物質が固定された比較要素と、
    前記燃焼要素及び前記比較要素の温度を検出し、各要素の温度差を用いて前記排気ガス中の可溶性有機成分発生量を測定する検出部と、を含んでなることを特徴とするディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステム。
  2. 前記セラミック構造体はＡｌ２Ｏ３を含む組成で構成されたことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステム。
  3. 前記セラミック構造体はＳｉＯ２を含む組成で構成されたことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステム。
  4. 前記安定物質はＴｉＯ２を主成分組成として構成されたことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステム。
  5. 前記触媒物質は、ＴｉＯ２が支持体として使用され、前記可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせる元素が固定されて構成されたことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステム。
  6. 前記触媒物質が前記排気ガス中の可溶性有機成分に燃焼反応を起こさせるために前記燃焼要素を加熱するヒーター部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステム。
  7. 前記ヒーター部は前記燃焼要素と前記比較要素とを同一に加熱することを特徴とする請求項６に記載のディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステム。
  8. 前記検出部は前記燃焼要素と前記比較要素との温度差を電気信号に変換して前記排気ガス中の可溶性有機成分発生量を測定することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの可溶性有機成分センシングシステム。
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CHEOL-BEOM LIM，外3名: ""Response of Catalytic Combustion-type Sensor to Different Amounts of Diesel Particulate Matter"", JOURNAL OF NOVEL CARBON RESOURCE SCIENCES, vol. 4, JPN6016024675, September 2011 (2011-09-01), pages 1 - 7, ISSN: 0003383270 *

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